JP6167546B2 - 微粉炭バーナ - Google Patents

Description

本発明は、石炭を燃料とする微粉炭バーナに関するものである。

通常火炉に設けられる微粉炭バーナでは、燃焼用空気は、排ガスとの熱交換で２５０℃〜３００℃程度に昇温されており、微粉炭を搬送する搬送用空気はミル出口温度で６０℃〜８０℃に昇温されており、微粉炭による自立燃焼が可能となっている。

ところが、バーナ始動時（即ち火炉の始動時）には、火炉が冷えており、排ガスの廃熱により燃焼用空気或は搬送用空気を昇温させることができない。この為、従来の微粉炭バーナではオイルを燃料とするオイルバーナを別途備え、バーナ始動時にはオイルバーナにより燃焼を行い、火炉が充分暖まった状態になった時から微粉炭を燃料とした燃焼に移行する。

この為、バーナ始動時には高価なオイルを使用する為、ランニングコストが高くなるという問題があった。

尚、特許文献１には微粉炭濃度が高濃度である場合でも、安定して燃焼させる微粉炭バーナが開示されており、特許文献２には微粉炭ボイラを直接着火させる為のプラズマ点火装置が開示されている。

特開２０１１−２５２６２５号公報 特許第３９３４５５４号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、微粉炭を燃料として用い、而も火炉が低温の状態でも微粉炭単独での燃焼を行える様にしたものである。

本発明は、石炭を燃料とし、ノズル本体と該ノズル本体の先端部を囲む様に設けられた燃焼用空気調整装置とを具備する微粉炭バーナであって、前記ノズル本体は内筒ノズルと、該内筒ノズルと同心に設けられた外筒ノズルと、プラズマトーチとを有し、前記内筒ノズルと前記外筒ノズルとの間に燃料導通空間が形成され、該燃料導通空間に微粉炭混合流が供給され、該微粉炭混合流は前記燃料導通空間よりリング状に噴出され、前記プラズマトーチは先端が前記燃料導通空間の先端に近接する様に設けられ、前記プラズマトーチによって形成されるプラズマが前記微粉炭混合流と交差する様構成された微粉炭バーナに係るものである。

又本発明は、前記微粉炭混合流は常温の１次空気を搬送媒体とし、前記燃焼用空気調整装置からは常温の２次燃焼用空気が供給され、前記内筒ノズルからは常温の３次燃焼用空気が供給される微粉炭バーナに係るものである。

又本発明は、前記プラズマトーチは前記内筒ノズルの内部に設けられ、前記プラズマトーチの軸心は前記内筒ノズルの軸心に対して傾斜し、前記プラズマトーチによって形成されるプラズマが前記微粉炭混合流と交差する様構成された微粉炭バーナに係るものである。

又本発明は、前記プラズマトーチは前記ノズル本体の外部に設けられ、前記プラズマトーチの軸心は前記ノズル本体の軸心に対して傾斜し、前記プラズマトーチによって形成されるプラズマが前記微粉炭混合流と交差する様構成された微粉炭バーナに係るものである。

又本発明は、前記燃料導通空間の先端部の少なくとも一部が、ノズル本体の中心に向う様、前記外筒ノズル、前記内筒ノズルが構成され、前記プラズマトーチによって形成されるプラズマが前記微粉炭混合流と交差する様構成された微粉炭バーナに係るものである。

又本発明は、前記微粉炭混合流は、搬送媒体の空気流量が、搬送中の微粉炭が自然発火することを抑止する様に設定された高濃度微粉炭混合流である微粉炭バーナに係るものである。

又本発明は、前記外筒ノズル、前記内筒ノズル、前記プラズマトーチはそれぞれ基端側から取付け可能及び取外し可能となっている微粉炭バーナに係るものである。

本発明によれば、石炭を燃料とし、ノズル本体と該ノズル本体の先端部を囲む様に設けられた燃焼用空気調整装置とを具備する微粉炭バーナであって、前記ノズル本体は内筒ノズルと、該内筒ノズルと同心に設けられた外筒ノズルと、プラズマトーチとを有し、前記内筒ノズルと前記外筒ノズルとの間に燃料導通空間が形成され、該燃料導通空間に微粉炭混合流が供給され、該微粉炭混合流は前記燃料導通空間よりリング状に噴出され、前記プラズマトーチは先端が前記燃料導通空間の先端に近接する様に設けられ、前記プラズマトーチによって形成されるプラズマが前記微粉炭混合流と交差する様構成されたので、炉内温度、燃焼用空気の温度に拘らず、微粉炭が高温のプラズマで確実に着火され、又定常燃焼が可能となるという優れた効果を発揮する。

（Ａ）は第１の実施例に係る微粉炭バーナの概略断面図、（Ｂ）は第１の実施例に於ける微粉炭混合流とプラズマとの関係を示す部分図である。 第２の実施例に係る微粉炭バーナの概略断面図である。 第３の実施例に於ける微粉炭混合流とプラズマとの関係を示す部分図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

本実施例に供される石炭は、例えば褐炭であり、塊状の褐炭が粉砕され微粉炭とされて微粉炭バーナに供給される。

先ず、図１に於いて、本発明の第１の実施例に係る微粉炭バーナの一例について説明する。

図１中、１は火炉、２は該火炉１の炉壁を示している。３に示される微粉炭バーナはボイラの前記火炉１下部の壁面に沿って水平方向に所要数、且つ複数段配設される様になっている。

前記炉壁２にスロート４が設けられ、前記炉壁２の反火炉１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の内部に前記微粉炭バーナ３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には燃焼用空気供給路６が接続されている。前記ウインドボックス５の先端部（炉内側の端部）には燃焼用空気調整装置である２次空気調整装置８が設けられ、該２次空気調整装置８は前記スロート４と同心となっている。

前記微粉炭バーナ３は、ノズル本体７と前記２次空気調整装置８とを具備し、該２次空気調整装置８は前記ノズル本体７の先端部（炉内側の端部）を囲む様に設けられている。

前記ノズル本体７は、同心多重筒状に設けられた外筒ノズル９と内筒ノズル１１、及び該内筒ノズル１１の内部に収納されたプラズマトーチ１２とを具備している。

前記外筒ノズル９、前記内筒ノズル１１の断面形状はそれぞれ円形であり、前記外筒ノズル９と前記内筒ノズル１１間には中空筒状の空間で前記火炉１側端が開放された燃料導通空間１４が形成される。

前記燃料導通空間１４の断面積（流路面積）と前記内筒ノズル１１の断面積（流路面積）との比は、前記内筒ノズル１１の断面積が前記燃料導通空間１４の断面積より、１０倍以下の任意の倍数、好ましくは、１：５〜１：１０となっており、前記内筒ノズル１１の断面積が前記燃料導通空間１４の断面積より際だって大きく設定される。従って、前記燃料導通空間１４は前記内筒ノズル１１の周囲に形成された細いリング形状となっている。

前記外筒ノズル９の基部（前記反火炉１側の端部）には微粉炭供給管１５が連通され、該微粉炭供給管１５は微粉炭供給機（図示せず）に接続されている。該微粉炭供給機からは、１次空気を搬送媒体として微粉炭が供給され、１次空気と微粉炭の混合流である微粉炭混合流１６は、前記微粉炭供給管１５を介して前記燃料導通空間１４に流入し、該燃料導通空間１４を流動して該燃料導通空間１４の先端から噴出される。

前記内筒ノズル１１の基部には３次空気導入管１７の一端が開口し、該３次空気導入管１７の他端は前記燃焼用空気供給路６に開口し、前記ウインドボックス５に供給される２次燃焼用空気１３の一部を取入れ、燃焼用補助空気即ち３次燃焼用空気２８として前記内筒ノズル１１に導いている。又、前記３次空気導入管１７の途中には、３次空気調整装置としてのダンパ１８が設けられ、燃焼用空気としての３次空気の流量調整を行う様になっている。該ダンパ１８はユニット化され、前記３次空気導入管１７に対して、着脱が可能となっている。

前記２次空気調整装置８は、前記ノズル本体７の先端部を収納する補助空気調整機構１９と、該補助空気調整機構１９の外側に同心多重に設けられた主空気調整機構２０から構成されている。

主ダクト２１が、前記ノズル本体７と同心に設けられる。前記主ダクト２１は先端に向って縮径し、前記スロート４に連続する様になっている。又、前記主ダクト２１の内部に、該主ダクト２１と同心に副ダクト２２が設けられる。該副ダクト２２は、略前記主ダクト２１と相似形であり、先端に向って縮小する形状を有し、前記主ダクト２１と前記副ダクト２２との間に２次空気導出空間２３が形成される。又、前記副ダクト２２と前記ノズル本体７との間には副２次空気導出空間２４が形成される。

前記主ダクト２１と前記副ダクト２２とに共通に対峙する区画壁板２５が、前記ノズル本体７と同心に設けられる。

前記主ダクト２１の周辺部と前記区画壁板２５との間に、円周等間隔で回転可能に多数のアウタ空気ベーン２６が設けられ、該アウタ空気ベーン２６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。

前記副ダクト２２の周辺部と前記区画壁板２５との間に、円周等間隔で回転可能に多数のインナ空気ベーン２７が設けられ、該インナ空気ベーン２７は、前記アウタ空気ベーン２６と同様リンク機構（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。

前記主ダクト２１、前記アウタ空気ベーン２６等により前記主空気調整機構２０が構成され、前記副ダクト２２、前記インナ空気ベーン２７により前記補助空気調整機構１９が構成される。

尚、前記主ダクト２１の先端は、前記スロート４に連続し、前記副ダクト２２の先端は前記炉壁２の内壁面から後退した位置にあり、前記外筒ノズル９と前記内筒ノズル１１の先端は同位置であり、前記外筒ノズル９、前記内筒ノズル１１の先端は、前記副ダクト２２の先端近傍となっている。

前記ノズル本体７について更に説明する。

該ノズル本体７は前記ウインドボックス５を反火炉１側から貫通し、又先端部が前記区画壁板２５を貫通した状態で設けられる。

前記外筒ノズル９の先端部側には円形の先端側フランジ３１が設けられ、該先端側フランジ３１は前記区画壁板２５に反火炉１側から当接する様になっており、前記先端側フランジ３１が前記区画壁板２５に当接することで前記ノズル本体７の先端が位置決めされる構造となっている。又、前記先端側フランジ３１は、前記区画壁板２５の外筒ノズル貫通部を閉塞する様になっている。

又、前記ノズル本体７が前記ウインドボックス５の壁部５ａを貫通する部分には、円筒形状のノズルホルダ３２が設けられている。該ノズルホルダ３２の内径は、前記先端側フランジ３１の外径より大きくなっている。

前記ノズル本体７の基端部側には、前記ノズルホルダ３２に当接する円形の基端側フランジ３３が設けられ、該基端側フランジ３３は前記ノズルホルダ３２に反火炉１側から当接し、前記基端側フランジ３３はボルト等の固着具によって前記ノズルホルダ３２に固定される。而して、前記外筒ノズル９は前記基端側フランジ３３、前記ノズルホルダ３２を介して前記ウインドボックス５に固定される様になっている。

前記ノズル本体７の基端には外筒端板３４が固着され、前記ノズル本体７の基端が閉塞されている。

前記内筒ノズル１１は、前記外筒ノズル９の内部に反火炉１側から挿入されて設けられる。

前記内筒ノズル１１の前記３次空気導入管１７が連通する位置より先端側に、内筒ノズル固定フランジ３５が設けられており、該内筒ノズル固定フランジ３５が前記外筒端板３４に当接し、前記内筒ノズル固定フランジ３５と前記外筒端板３４とがボルト等の固着具により固定され、前記内筒ノズル１１は前記外筒ノズル９に取付けられる様になっている。

前記内筒ノズル１１の基端には内筒端板３６が固着され、該内筒端板３６によって前記内筒ノズル１１の基端が閉塞される。前記内筒端板３６には、筒体のプラズマトーチホルダ３７が設けられている。該プラズマトーチホルダ３７の軸心は、前記内筒端板３６の中心から外れた位置を通過し、且つ前記内筒ノズル１１の軸心に対して傾斜している。

図示では、該プラズマトーチホルダ３７の軸心は前記内筒端板３６の中心から下側に外れた位置を通過しており、又軸心は先端に向って上昇する様に傾斜している。

前記プラズマトーチ１２は前記プラズマトーチホルダ３７を挿通し、該プラズマトーチホルダ３７を介して前記内筒端板３６に支持される。従って、取付けられた前記プラズマトーチ１２は、軸心が先端に向って上昇する様に傾斜する。

又、前記プラズマトーチ１２の先端は、前記内筒ノズル１１の先端と一致、或は略一致した状態であり、且つ、前記プラズマトーチ１２の先端は、前記内筒ノズル１１の内面に接触するか、略接触する様に近接した状態となる。

尚、先端の位置調整は、前記プラズマトーチ１２を前記プラズマトーチホルダ３７に対してスライドさせることで行われる。

以下、作用について説明する。

本実施例に供される石炭は、低品質の亜炭、褐炭である。亜炭、褐炭（以下、低品位石炭と総称する）は揮発分が多く、着火性、燃切り性に優れている。一方、揮発分が多いことから、乾燥した状態では自然発火する可能性がある。

従って、本実施例では、燃料として供される粉炭をビン（貯溜容器）に貯溜し、ビンから必要量切出し、搬送用空気で微粉炭バーナに供給している。上記した様に、低品位石炭は乾燥した状態では自然発火の可能性があるので、低温、低酸素雰囲気で扱う必要がある。

従って、搬送媒体である１次空気量は極力少なくし、且つ１次空気は常温とする。更に、１次空気量は、搬送中の微粉炭が自然発火することを抑止する様に設定する。本実施例では、前記微粉炭混合流１６の空気／微粉炭重量比（Ａ／Ｃ）は、０．０１以上０．５以下の高濃度微粉炭混合流とする。

次に、前記２次燃焼用空気１３は、常温の状態で供給され、該２次燃焼用空気１３が分流される前記３次燃焼用空気２８も常温である。

燃焼用空気として、前記２次燃焼用空気１３が前記ウインドボックス５を介し、前記主空気調整機構２０、前記補助空気調整機構１９を経て前記スロート４に噴出される。

又、前記２次燃焼用空気１３は前記主空気調整機構２０、前記補助空気調整機構１９を通過する過程で、前記アウタ空気ベーン２６、前記インナ空気ベーン２７の角度が調整され、旋回流の強さが調整され、風量調整される。

又、前記３次空気導入管１７で分流された３次燃焼用空気２８が、前記内筒ノズル１１より、前記スロート４に向って噴出される。

高濃度の前記微粉炭混合流１６が前記燃料導通空間１４に供給され、更に該燃料導通空間１４を先端に向って流動し、先端から前記スロート４に向って薄肉のリング状に噴出される。

上記した様に、前記微粉炭混合流１６を搬送する空気は、極力少なくされている為、該微粉炭混合流１６を燃焼させるには充分な燃焼用空気を供給する必要がある。

前記内筒ノズル１１の断面積は、前記燃料導通空間１４の断面積に対して充分大きい。従って、リング状に噴出された前記微粉炭混合流１６の内部には、前記内筒ノズル１１から噴出された前記３次燃焼用空気２８が供給され、前記微粉炭混合流１６の外周からは前記主空気調整機構２０、前記補助空気調整機構１９からの前記２次燃焼用空気１３が供給される。従って、前記微粉炭混合流１６が燃焼する為の充分な燃焼用空気が供給される。

ここで、前記２次燃焼用空気１３と前記３次燃焼用空気２８の流量比率を例示すると、２次燃焼用空気流量：３次燃焼用空気流量＝（８０％〜５０％）：（２０％〜５０％）である。尚、従来の微粉炭バーナでは、３次燃焼用空気の割合はせいぜい１％程度となっている。

次に、前記微粉炭混合流１６の着火は、前記プラズマトーチ１２によって行われる。

前記プラズマトーチ１２の軸心は、前記ノズル本体７の軸心に対して傾斜しており、前記プラズマトーチ１２から発せられる火炎（プラズマ）３９は、前記微粉炭混合流１６の流れと交差する様に設定されている。特に、プラズマ３９の高温域が、前記微粉炭混合流１６に交差する様に、前記プラズマトーチ１２の先端位置、傾斜が設定されている。

本実施例では、燃焼用空気の温度が常温と、従来の微粉炭バーナの燃焼用空気の温度（２００℃〜２５０℃）に比して低くなっているが、低品位石炭の揮発分が多いこと、又前記プラズマトーチ１２のプラズマが高温（中心部は６０００℃）であることから、燃焼用空気の温度が常温であっても、着火が可能であり、又燃焼を定常的に維持できる。

次に、上記実施例では、前記ダンパ１８を前記３次空気導入管１７から切離し、前記内筒ノズル固定フランジ３５と前記外筒端板３４との固定を解除することで、前記内筒ノズル１１を反火炉１側に引出すことができる。又、前記基端側フランジ３３と前記ノズルホルダ３２との固定を解除することで、前記外筒ノズル９を反火炉１側に引出すことができる。又、前記プラズマトーチ１２についても、反火炉１側に引出すことができる。

従って、前記ノズル本体７について、組立て、分解、保守は、全て前記ウインドボックス５の外部から行うことができ、作業性がよい。

図２は、第２の実施例を示している。

上記第１の実施例では、前記プラズマトーチ１２を前記内筒ノズル１１の内部に設けたが、第２の実施例では、プラズマトーチ１２をノズル本体７の外部に設けている。

図２中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付してある。

壁部５ａのノズルホルダ３２の上方を貫通し、又前記区画壁板２５を貫通してプラズマトーチ１２が設けられる。該プラズマトーチ１２の軸心は先端に向う程、前記ノズル本体７の軸心に接近する様に傾斜しており、前記プラズマトーチ１２の先端は、前記外筒ノズル９の先端と一致、又は略一致している。更に、前記プラズマトーチ１２の先端が前記外筒ノズル９の先端に、接する或は略接する程度に接近している。

又、前記プラズマトーチ１２の傾斜は、該プラズマトーチ１２によって形成されるプラズマ３９（特に高温域）が燃料導通空間１４から噴出される微粉炭混合流１６と交差する角度に設定される。

而して、前記燃料導通空間１４から噴出される前記微粉炭混合流１６は、前記プラズマトーチ１２によって着火され、又定常的に燃焼する。

第２の実施例に於いても、燃焼用空気の温度が常温でも、微粉炭に着火可能であり、又燃焼を定常的に維持できる。

尚、本発明では、前記燃料導通空間１４から噴出される前記微粉炭混合流１６に、プラズマ３９の高温域が交差する様に構成されればよく、上記実施例の他に、図３に示される様に構成されてもよい。

外筒ノズル９、内筒ノズル１１の一部を中心側に屈曲させ、前記燃料導通空間１４の先端部の一部が、中心側に向う様に屈曲させる。プラズマトーチ１２は、前記内筒ノズル１１の内部に該内筒ノズル１１と平行に、且つ該内筒ノズル１１の内壁面に近接させて設けられる。

前記プラズマトーチ１２から発せられるプラズマ３９は、内筒ノズル１１の軸心と平行に形成されるが、前記微粉炭混合流１６が中心に向う様、偏流されるので、該微粉炭混合流１６と前記プラズマ３９が交差し、前記微粉炭混合流１６が着火、燃焼する。尚、より確実に交差させる為、第１の実施例と同様、前記プラズマトーチ１２を傾斜させてもよい。

又、前記燃料導通空間１４を中心側に屈曲させるのは、全周であってもよく、一部に限定されるものではない。

１ 火炉
３ 微粉炭バーナ
４ スロート
５ ウインドボックス
６ 燃焼用空気供給路
７ ノズル本体
８ ２次空気調整装置
９ 外筒ノズル
１１ 内筒ノズル
１２ プラズマトーチ
１３ ２次燃焼用空気
１４ 燃料導通空間
１５ 微粉炭供給管
１６ 微粉炭混合流
１７ ３次空気導入管
１８ ダンパ
１９ 補助空気調整機構
２０ 主空気調整機構
２５ 区画壁板
２６ アウタ空気ベーン
２７ インナ空気ベーン
２８ ３次燃焼用空気
３１ 先端側フランジ
３２ ノズルホルダ
３３ 基端側フランジ
３４ 外筒端板
３５ 内筒ノズル固定フランジ
３６ 内筒端板
３７ プラズマトーチホルダ
３９ プラズマ

Claims (5)

1. 石炭を燃料とし、ノズル本体と該ノズル本体の先端部を囲む様に設けられた燃焼用空気調整装置とを具備する微粉炭バーナであって、前記ノズル本体は内筒ノズルと、該内筒ノズルと同心に設けられた外筒ノズルと、前記内筒ノズルの内部に設けられ、軸心が前記内筒ノズルの軸心に対して傾斜するプラズマトーチとを有し、前記内筒ノズルと前記外筒ノズルとの間に燃料導通空間が形成され、該燃料導通空間に微粉炭混合流が供給され、該微粉炭混合流は前記燃料導通空間よりリング状に噴出され、前記プラズマトーチは先端が前記燃料導通空間の先端に近接する様に設けられ、前記プラズマトーチによって形成されるプラズマが前記微粉炭混合流と交差する様構成されたことを特徴とする微粉炭バーナ。
2. 前記微粉炭混合流は常温の１次空気を搬送媒体とし、前記燃焼用空気調整装置からは常温の２次燃焼用空気が供給され、前記内筒ノズルからは常温の３次燃焼用空気が供給される請求項１の微粉炭バーナ。
3. 前記燃料導通空間の先端部の少なくとも一部が、ノズル本体の中心に向う様、前記外筒ノズル、前記内筒ノズルが構成され、前記プラズマトーチによって形成されるプラズマが前記微粉炭混合流と交差する様構成された請求項１又は請求項２の微粉炭バーナ。
4. 前記微粉炭混合流は、搬送媒体の空気流量が、搬送中の微粉炭が自然発火することを抑止する様に設定された高濃度微粉炭混合流である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の微粉炭バーナ。
5. 前記外筒ノズル、前記内筒ノズル、前記プラズマトーチはそれぞれ基端側から取付け可能及び取外し可能となっている請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の微粉炭バーナ。

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