JP6056413B2

JP6056413B2 - バーナ

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Publication number: JP6056413B2
Application number: JP2012257110A
Authority: JP
Inventors: 田村　雅人; 雅人田村
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-11-26
Also published as: JP2014105892A

Description

本発明は、ボイラ火炉の壁面に設けられ、微粉炭等の燃料を燃焼させるバーナ、特に二酸化炭素の回収を容易に行える様酸素燃焼を行うバーナに関するものである。

ボイラの火炉で微粉炭の燃焼を行うバーナに於いて、微粉炭の搬送を行う搬送媒体として、燃焼排ガスと酸素の混合ガスを使用し、又燃焼用空気も同様に燃焼排ガスと酸素の混合ガスを使用することで、燃焼排ガスの大部分を二酸化炭素とし、二酸化炭素の回収を容易にする酸素燃焼を行うバーナがある。

又、搬送媒体に燃焼排ガスと酸素の混合ガスを使用する場合、装置の緊急停止等により搬送媒体中の酸素濃度が上昇し、微粉炭が搬送中に発火する虞れがあることから、搬送媒体には酸素を混合させず、燃焼排ガスのみを搬送媒体とするバーナも考案されている。

然し乍ら、燃焼排ガスに別途酸素を混合させないで燃焼排ガスのみを搬送媒体とした場合、燃焼排ガス中の酸素濃度は僅かに３％〜５％程度である為、燃焼時に周囲から燃焼用空気を供給しても微粉炭混合流に充分に酸素が供給されず、着火が不安定になるという問題があった。

尚、特許文献１には、１次ガスと酸素ガスとの混合には一定の混合遅れがあることから、酸素供給ノズルと２次ガス導入管の噴出口をバーナの内部且つバーナ噴出部よりも上流側に設け、１次ガスが前記バーナ噴出部に到達する段階で、１次ガスと酸素ガスとが混合される様にしたことで、バーナ近傍での着火性能を向上させる酸素燃焼ボイラプラントが開示されている。

特開２０１１−７５１７５号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、搬送媒体を低酸素状態に保ちつつ微粉炭の着火安定性の向上を図るバーナを提供するものである。

本発明は、炉壁に設けられたスロートの中心軸心上に設けられ、補助燃焼用空気が流通する内筒ノズル及び該内筒ノズルと同心で外側に設けられ搬送媒体と微粉炭が混合された微粉炭混合流が流通する外筒ノズルからなるノズル本体と、該ノズル本体を収納するウインドボックスと、該ウインドボックスに収納されると共に前記ノズル本体の先端部に設けられ燃焼用空気を供給する２次空気調整装置と、前記外筒ノズルの先端部に内面の全周に亘って設けられた濃度分散リングとを具備するバーナに係るものである。

又本発明は、前記内筒ノズルが固定ノズルと該固定ノズルの先端部に軸心方向に移動可能に設けられたスライドノズルとから構成され、前記外筒ノズルの先端部が縮径され、前記スライドノズルの先端部が縮径され、該スライドノズルをスライドノズル進退装置により軸心方向に進退可能としたバーナに係るものである。

更に又本発明は、前記濃度分散リングの最小径が前記外筒ノズルの先端の内径と同等であるバーナに係るものである。

本発明によれば、炉壁に設けられたスロートの中心軸心上に設けられ、補助燃焼用空気が流通する内筒ノズル及び該内筒ノズルと同心で外側に設けられ搬送媒体と微粉炭が混合された微粉炭混合流が流通する外筒ノズルからなるノズル本体と、該ノズル本体を収納するウインドボックスと、該ウインドボックスに収納されると共に前記ノズル本体の先端部に設けられ燃焼用空気を供給する２次空気調整装置と、前記外筒ノズルの先端部に内面の全周に亘って設けられた濃度分散リングとを具備するので、該濃度分散リングを通過する前記微粉炭混合流を偏向し、分散させることができ、該微粉炭混合流の流速を低下させ、前記燃焼用空気との混合位置を前記ノズル本体に近づけることで微粉炭の着火安定性を向上させることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係るバーナを示し、（Ａ）は該バーナの概略立断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。スライドノズルの後退による微粉炭混合流の流路面積の増大を説明する説明図である。従来のバーナ、濃度分散リングを設けた本発明の実施例に係るバーナ、濃度分散リングを設けると共に内筒ノズルを後退させた本発明の実施例に係るバーナに於ける微粉炭混合流の流速分布を示す要部拡大図である。本発明の濃度分散リングが適用される他のバーナを示す概略立断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１（Ａ）（Ｂ）に於いて、本発明の実施例に係るバーナ１について説明する。

図１（Ａ）中、２は火炉、３は該火炉２の炉壁を示している。該炉壁３にスロート４が設けられ、前記炉壁３の反火炉２側にウインドボックス５が取付けられ、該ウインドボックス５の内部に前記バーナ１が前記スロート４と同心に設けられている。又、前記ウインドボックス５には、該ウインドボックス５内に燃焼用空気である２次空気６を供給する２次空気供給路７が接続されている。

尚、前記２次空気６としては、前記火炉２にて微粉炭を燃焼させた際の燃焼排ガスに酸素を所定の割合で混合させた混合ガス、例えば体積比で酸素を約３０％、二酸化炭素を約７０％とした混合ガスが使用される。

前記バーナ１は、ノズル本体８と該ノズル本体８の先端部（炉内側の端部）を囲む様に設けられた２次空気調整装置９とを具備している。

前記ノズル本体８は、同心多重円状に設けられた外筒ノズル１１、内筒ノズル１２及び該内筒ノズル１２の中心線上に配設されたオイルバーナ１３を具備しており、前記外筒ノズル１１と前記内筒ノズル１２は、それぞれ先端部が先端に向って縮径するテーパ形状となっている。

前記内筒ノズル１２は固定ノズル１４と、該固定ノズル１４に内嵌するスライドノズル１６とを有している。前記固定ノズル１４の先端部はスリーブ１５となっており、前記スライドノズル１６は前記スリーブ１５を介して摺動する様になっている。

前記固定ノズル１４の基端部には、円筒状で前記固定ノズル１４よりも小径なオイルバーナ支持部１７が前記固定ノズル１４と同心に挿通されている。前記オイルバーナ支持部１７の基端にはフランジ１８が形成され、該フランジ１８が前記固定ノズル１４の基端に固着され、前記フランジ１８により前記固定ノズル１４の基端が閉塞されている。又、該オイルバーナ支持部１７には前記オイルバーナ１３が貫通し、該オイルバーナ１３は前記オイルバーナ支持部１７によって進退可能に支持されている。

前記オイルバーナ支持部１７は同心に配設されたブッシュ１９を有する。該ブッシュ１９には円周方向に所定の角度ピッチ（例えば１２０°）でローラ２１が設けられており、前記オイルバーナ１３は前記ローラ２１の回転により前記ブッシュ１９を摺動する様になっている。

前記スライドノズル１６は、基部が前記スリーブ１５に嵌合する直管形状であり、先端部が先端に向って縮径するテーパ形状となっている。

又、前記スライドノズル１６の基端側の中心には、スリーブ２２が同心に支持され、該スリーブ２２を介して前記スライドノズル１６が前記オイルバーナ１３に対して摺動する。従って、該オイルバーナ１３は、前記ブッシュ１９と前記スリーブ２２によって摺動自在に支持される。

前記スライドノズル１６には、スライドノズル進退装置２３が連結されている。該スライドノズル進退装置２３は２又に分岐した連結部２４，２４と、前記スライドノズル１６の軸心と平行に前記連結部２４，２４を進退させるアクチュエータ（図示せず）、例えば油圧シリンダとを具備している。尚、前記アクチュエータは変位量を管理できるものが好ましい。

前記連結部２４，２４が前記スライドノズル１６基端の軸心に対して対称な２箇所に固着されている（図１（Ｂ）参照）。前記スライドノズル１６の後方へと延出する前記連結部２４，２４は、前記オイルバーナ１３と干渉しない様屈曲され、前記連結部２４，２４の連結位置から、例えば軸心に対して９０°回転した位置で束ねられ、１本の進退ロッド２５として基端側へと延出する。該進退ロッド２５は前記オイルバーナ１３の軸心と平行に設けられ、前記オイルバーナ支持部１７又は前記フランジ１８を摺動自在に貫通する。又、前記進退ロッド２５の基端は前記アクチュエータに連結される。

前記アクチュエータ（図示せず）により、前記進退ロッド２５、前記連結部２４，２４を介して前記スライドノズル１６が前記スリーブ１５を摺動して進退する様になっている。

又、前記外筒ノズル１１先端部の内面には、濃度分散リング２６が全周に亘って設けられている。該濃度分散リング２６は、基端側及び先端側にそれぞれテーパ面を有する断面略台形形状となっており、該濃度分散リング２６の最小径が、前記外筒ノズル１１先端の内径と同等（同一又は略同一を含む）となっている。尚、前記濃度分散リング２６を設ける位置は、該濃度分散リング２６の基端側テーパ面の先端が前記固定ノズル１４の先端近傍にあるのが好ましい。

尚、前記外筒ノズル１１、前記固定ノズル１４、前記スライドノズル１６の断面形状はそれぞれ円形であり、前記外筒ノズル１１と前記内筒ノズル１２間には中空筒状の燃料導通空間２７が形成される。該燃料導通空間２７により前記火炉２側端が開放され、基端が閉塞される。

前記外筒ノズル１１の基端部（前記反火炉２側の端部）には、微粉炭流導入管２８が前記外筒ノズル１１に接線方向から設けられている。前記微粉炭流導入管２８は微粉炭ミル（図示せず）に接続され、該微粉炭流導入管２８を介して微粉炭混合流２９が前記燃料導通空間２７に接線方向から流入し、該燃料導通空間２７を旋回しながら流動し、前記微粉炭混合流２９は前記外筒ノズル１１の先端より噴出される様になっている。尚、前記微粉炭混合流２９は、低酸素濃度の搬送媒体（以下１次空気と称す）と微粉炭とが混合されたものである。

尚、前記微粉炭混合流２９中の１次空気は、空気と前記火炉２から排出される燃焼排ガスとを混合させるか、又は燃焼排ガスをそのまま使用することで、酸素濃度が例えば３％以上５％以下程度迄低下しており、石炭が前記微粉炭ミルに粉砕されてから前記燃料導通空間２７に流入する迄の搬送過程に於いて、前記微粉炭混合流２９が高温となった場合でも、微粉炭が発火しない様になっている。

又、前記内筒ノズル１２の基部には、前記ウインドボックス５の内部に開口する補助燃焼用空気導入管としての３次空気導入管３１が連通し、前記ウインドボックス５に送給される前記２次空気６を取入れ、補助燃焼用空気である３次空気３２として前記内筒ノズル１２内に導入している。

前記２次空気調整装置９は、前記ノズル本体８の先端部を収納する補助空気調整機構３３と、該補助空気調整機構３３の外側に同心多重に設けられた主空気調整機構３４から構成されている。

前記補助空気調整機構３３は、先端に向って縮径する第１空気ガイドダクト３５と、円周等間隔で回転自在に多数設けられたインナ空気ベーン３６とを有し、該インナ空気ベーン３６はリンク機構（図示せず）を介して同期回動可能であり、空気流れに対する傾斜角を変更可能となっている。又、前記主空気調整機構３４は先端に向って縮径する第２空気ガイドダクト３７と、円周等間隔で回転可能に多数設けられたアウタ空気ベーン３８とを有し、該アウタ空気ベーン３８は、前記インナ空気ベーン３６と同様にリンク機構（図示せず）を介して同期回動可能であり、空気流れに対する傾斜角を変更可能となっている。

尚、前記第２空気ガイドダクト３７の先端は、前記スロート４に連続し、前記第１空気ガイドダクト３５の先端は前記炉壁３の内壁面から後退した位置にあり、前記外筒ノズル１１、前記内筒ノズル１２の先端も前記炉壁３の内壁面から後退した位置となっている。

次に、前記バーナ１での燃焼について説明する。

微粉炭ミル（図示せず）により粉砕された微粉炭が１次空気により搬送され、前記微粉炭流導入管２８より前記微粉炭混合流２９として前記燃料導通空間２７の基部に供給される。

該燃料導通空間２７の基部に供給された前記微粉炭混合流２９は、前記燃料導通空間２７を旋回しながら前記火炉２に向って流動し、前記外筒ノズル１１の先端より噴出される。

この時、前記微粉炭混合流２９の流れは旋回により前記外筒ノズル１１の内面側に集中した状態となっているが、該外筒ノズル１１先端部の内面に全周に亘って前記濃度分散リング２６が設けられていることから、前記微粉炭混合流２９が前記濃度分散リング２６を通過する過程で、該濃度分散リング２６の基端側テーパ面に沿って軸心側へと偏向される。これにより、前記微粉炭混合流２９の流れが中心側に寄せられ、前記外筒ノズル１１の内面側だけでなく、前記内筒ノズル１２の外面側も流通することとなり、前記微粉炭混合流２９の流路断面積が実質的に増大され、該微粉炭混合流２９の流速が低下する。

又、前記スライドノズル１６の先端部がテーパ部となっていることから、前記スライドノズル進退装置２３により前記スライドノズル１６を後退させることで、前記微粉炭混合流２９の流れの状態が変化する。例えば、図２に示される様に、前記スライドノズル１６の後退により前記外筒ノズル１１と前記スライドノズル１６間の距離（Ｌ1 →Ｌ2 ）が大きくなり、前記微粉炭混合流２９の流路断面積が更に増大され、該微粉炭混合流２９の流速が更に低下する。

前記ウインドボックス５には、燃焼用空気である前記２次空気６が所定温度に昇温されて供給される。該２次空気６は前記アウタ空気ベーン３８により旋回が与えられ、前記第２空気ガイドダクト３７を介して前記微粉炭混合流２９と共に前記火炉２に噴出される。

尚、前記第２空気ガイドダクト３７に取込まれた前記２次空気６の一部は前記インナ空気ベーン３６を介して前記第１空気ガイドダクト３５内部に取込まれ、２次補助空気として噴出される。又、前記インナ空気ベーン３６は、空気流れに対して傾斜しており、取込んだ一部の前記２次空気６に旋回流を与える様になっている。

前記微粉炭混合流２９は前記濃度分散リング２６により偏向され、前記燃料導通空間２７に分散され、流速が低下していることから、前記微粉炭混合流２９が前記外筒ノズル１１の内面側だけでなく、中心側にも供給されることとなり、前記２次空気６と前記微粉炭混合流２９とが混合される範囲が増大され、前記２次空気６と前記微粉炭混合流２９とが中心側でも充分に混合される。

前記アウタ空気ベーン３８による旋回流の強さの調整、風量調整、及び前記インナ空気ベーン３６による旋回流の強さの調整、風量調整で前記２次空気６の供給量及び流れの状態が変化し、微粉炭の燃焼状態が調整される。

又、前記２次空気６の一部は前記３次空気３２として前記３次空気導入管３１を介して前記内筒ノズル１２に導かれ、該内筒ノズル１２より噴出される。前記３次空気３２が噴出されることで、微粉炭の燃焼状態が調整される。従って、前記２次空気６の調整、前記３次空気３２の調整等により、微粉炭の燃焼状態が最適となる様に調整される。

図３中の曲線Ａ，Ｂ，Ｃは、前記スロート４での前記微粉炭混合流２９の流速分布を示し、曲線Ａは前記濃度分散リング２６を設けない従来のバーナ、曲線Ｂは該濃度分散リング２６を設けた前記バーナ１、曲線Ｃは前記濃度分散リング２６を設けると共に前記スライドノズル１６を後退させた前記バーナ１についての前記微粉炭混合流２９の流速分布をそれぞれ示している。

前記濃度分散リング２６を設けない従来のバーナの場合、前記微粉炭混合流２９が前記外筒ノズル１１の内面に沿って噴出される為、図３中の曲線Ａに示される様に、周辺部の流速が早く、又前記微粉炭混合流２９が中心部に殆ど供給されない為、前記２次空気６と前記微粉炭混合流２９とが周辺部のみで混合されることとなり、着火範囲が狭いことから前記バーナ１近傍での着火が不安定となる。

又、前記濃度分散リング２６を設けた前記バーナ１の場合、前記微粉炭混合流２９が前記濃度分散リング２６により中心側に偏向され、前記燃料導通空間２７に分散されることで、図３中の曲線Ｂに示される様に、図３中の曲線Ａよりは中心部に前記微粉炭混合流２９が供給されると共に、外周側の流速が低下する。従って、前記２次空気６と前記微粉炭混合流２９とが周辺部のみではなく中心部でも混合されることとなり、着火範囲が広がることから前記バーナ１近傍での着火安定性が向上する。

更に、前記濃度分散リング２６を設けると共に、前記スライドノズル１６を後退させた場合、前記外筒ノズル１１と前記スライドノズル１６間の距離が拡大され、前記濃度分散リング２６により偏向された前記微粉炭混合流２９が、前記内筒ノズル１２に遮られることなく中心部迄分散する為、図３中の曲線Ｃに示される様に、前記微粉炭混合流２９が中心部を含む全体に満遍なく供給され、又周辺部の流速を更に低下させることができる。従って、前記２次空気６と前記微粉炭混合流２９とが満遍なく混合されることとなり、着火範囲が更に広がることから前記バーナ１近傍での着火安定性が更に向上する。

尚、アクチュエータを省略し、前記スライドノズル１６の移動を手動で行い、移動後に前記進退ロッド２５をボルト等で固着する様にしてもよい。

上述の様に、本実施例では、前記外筒ノズル１１の内面に前記濃度分散リング２６を設け、該濃度分散リング２６を通過する前記微粉炭混合流２９を偏向し、分散させる様にしている。従って、実質的に該微粉炭混合流２９の流路断面積を増大させると共に流速分布を均一化し、前記２次空気６と前記微粉炭混合流２９とが均等に混合され、着火範囲が広がることで前記バーナ１近傍での微粉炭の着火安定性を向上させることができる。

又、先端部にテーパ部を有する前記スライドノズル１６を進退可能とし、該スライドノズル１６を後退させることで、前記微粉炭混合流２９の流路断面積を増大させる様にしたので、前記微粉炭混合流２９の流速をより低下させ、前記２次空気６と前記微粉炭混合流２９とを中心部を含めた前端で満遍なく混合させることができ、前記バーナ１近傍での微粉炭の着火安定性を更に向上させることができる。

又、前記濃度分散リング２６の基端側テーパ面の先端を前記固定ノズル１４の先端近傍としているので、前記濃度分散リング２６の基端側テーパ面により偏向され中心側へ向う前記微粉炭混合流２９の流れの状態が、前記スライドノズル１６の軸方向の位置により３つの状態から選択できる。即ち、前記濃度分散リング２６の基端側テーパ面の延長線上に前記スライドノズル１６の直管部が存在する場合には、前記濃度分散リング２６を設けただけの前記微粉炭混合流２９の流れの状態と同様となり、前記濃度分散リング２６の基端側テーパ面の延長線上に前記スライドノズル１６のテーパ部が存在する場合には、該スライドノズル１６の後退により前記微粉炭混合流２９の流路断面積が増大された状態となり、前記濃度分散リング２６の基端側テーパ面の延長線上に前記スライドノズル１６が存在しない場合には、該スライドノズル１６に遮られることがなく前記微粉炭混合流２９が中心部まで分散された状態となる。

又、前記濃度分散リング２６は上流側にテーパ面を有しているので、前記微粉炭混合流２９を円滑に偏向させ、分散させることができる。

又、前記濃度分散リング２６の最小径が、前記外筒ノズル１１の先端の内径と同等となっているので、前記濃度分散リング２６により偏向された前記微粉炭混合流２９が前記濃度分散リング２６よりも先端側で前記外筒ノズル１１の内面と衝突せず、前記微粉炭混合流２９が再度前記外筒ノズル１１の内面側に偏るのを防止することができる。

又、前記濃度分散リング２６の最小径が前記外筒ノズル１１の先端の内径と同等であるので、前記外筒ノズル１１先端の開口面積を前記濃度分散リング２６によって縮小させることがなく、該濃度分散リング２６を設けることで流路断面積を縮小させることなく従来と同様の前記微粉炭混合流２９の流れを確保することができる。

更に、前記火炉２にて微粉炭を燃焼した際の燃焼排ガスを空気と混合させるか、又は燃焼排ガスをそのまま１次空気として使用しているので、前記火炉２にて微粉炭の燃焼に供される空気は二酸化炭素の割合が高くなり、燃焼後の排ガスの殆どが二酸化炭素となり、燃焼後の工程にて二酸化炭素の回収を行うことが容易となる。

尚、前記濃度分散リング２６、進退可能な前記スライドノズル１６は、本実施例に於ける前記バーナ１にのみ適用可能なものではなく、他の形態のバーナ、例えば図４に示される様な、テーパ部を有さない直管状の内筒ノズル４１と外筒ノズル４２から構成されたバーナ４３にも適用可能である。

該バーナ４３の場合も前記バーナ１の場合と同様、接線方向から流入した前記微粉炭混合流２９が、前記燃料導通空間２７を旋回しながら流動し、前記外筒ノズル４２の外周側に前記微粉炭混合流２９の流れが集中する様になっている。

従って、前記外筒ノズル４２の内面に前記濃度分散リング２６を設けることで、前記微粉炭混合流２９を偏向させ、分散させて流速を低下させることができ、前記バーナ４３近傍での微粉炭の着火安定性を向上させることができる。又、スライドノズル４４を前記濃度分散リング２６よりも後退させることで、前記濃度分散リング２６により偏向された前記微粉炭混合流２９を前記内筒ノズル４１に遮られることなく中心部迄分散可能となり、流速を更に低下させてより微粉炭の着火安定性を向上させることができる。

１バーナ
２火炉
３炉壁
４スロート
５ウインドボックス
６２次空気
８ノズル本体
９２次空気調整装置
１１外筒ノズル
１２内筒ノズル
１４固定ノズル
１６スライドノズル
２３スライドノズル進退装置
２６濃度分散リング
２７燃料導通空間
２８微粉炭流導入管
２９微粉炭混合流
３１３次空気導入管
３２３次空気

Claims

炉壁に設けられたスロートの中心軸心上に設けられ、補助燃焼用空気が流通し、先端部が縮径されている内筒ノズル及び該内筒ノズルと同心で外側に設けられ搬送媒体と微粉炭が混合された微粉炭混合流が流通し、先端部が縮径されている外筒ノズルからなるノズル本体と、該ノズル本体を収納するウインドボックスと、該ウインドボックスに収納されると共に前記ノズル本体の先端部に設けられ燃焼用空気を供給する２次空気調整装置と、前記外筒ノズルの先端部に内面の全周に亘って設けられ基端側及び先端側にテーパ面を有する濃度分散リングとを具備し、前記内筒ノズルが固定ノズルと、該固定ノズルの先端部に進退可能に嵌合され、先端部が先端に向って縮径するテーパ部となっているスライドノズルとから構成され、該スライドノズルの移動により前記テーパ部と前記濃度分散リングとの軸心方向の位置を変更することで、前記微粉炭混合流の流れの状態を変更可能としたことを特徴とするバーナ。
前記濃度分散リングの最小径が前記外筒ノズルの先端の内径と同等である請求項１のバーナ。