JP6220543B2 - Burner device and combustion furnace - Google Patents
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Description
本願は、燃料を燃焼させるためのバーナー装置及び燃焼炉に係り、特に、粉体状のバイオマス、例えばおが粉や廃菌床、コーヒー滓その他の食品残渣等、空気等による気流搬送が可能な小さい形状の燃料を良好に燃焼させることができるバーナー装置及び燃焼炉に関する。 The present application relates to a burner device and a combustion furnace for burning fuel, and in particular, powdery biomass, such as sawdust, waste bacteria bed, coffee cake, and other food residues, can be conveyed by air or the like. The present invention relates to a burner apparatus and a combustion furnace capable of burning small-sized fuels satisfactorily.
従来、バイオマスの燃焼という場合は、主として、チップ状、ペレット状と言った固形状のバイオマスを燃焼させていたのであり、粉体状バイオマスは、わざわざペレット状に成型する等の労力を掛けていた。従来の燃焼炉はこうした固形状燃料用に開発されたものであり、粉体状のバイオマスを燃焼室に直接投入しても、そのままでは、均一かつ良好に燃焼させることは困難である。一方、粉体燃焼技術としては、大型微粉炭ボイラーが実用化されており、最近では、微粉炭に数%の粉体状木質バイオマスを混ぜた混焼焚技術も実施されているが、粉体状バイオマスの単独燃焼は実施されていない。その一つの理由は、バイオマスは、理論燃焼空気量が石炭等の化石燃料の1/2程度であるなど、バイオマスと化石燃料の燃焼特性が大きく相違することであり、粉体状バイオマスの燃焼に微粉炭燃焼技術を適用することが困難であった。 Conventionally, in the case of combustion of biomass, solid biomass such as chips and pellets was mainly burned, and powdered biomass was labored such as molding into pellets. . Conventional combustion furnaces have been developed for such solid fuels, and even if powdered biomass is directly put into the combustion chamber, it is difficult to burn it uniformly and satisfactorily. On the other hand, large-scale pulverized coal boilers have been put to practical use as powder combustion technology. Recently, mixed shochu technology in which several percent of powdery woody biomass is mixed with pulverized coal has been implemented. No single combustion of biomass has been implemented. One reason for this is that the combustion characteristics of biomass and fossil fuel are greatly different, such as the theoretical combustion air volume is about half that of fossil fuels such as coal. It was difficult to apply pulverized coal combustion technology.
最近の、再生可能エネルギー利用拡充のニーズに対応するためには、固体状、粉体状などの形状に関係無く効率的にバイオマスを燃焼利用できる技術が求められる。特許文献1,2には、粉体状バイオマスを直接燃焼させる装置が開発、提案されている。しかし、これらはいずれも、粉体状バイオマスを均一に拡散燃焼させるために、着火バーナーとは別に保炎目的の燃焼室が必要であり、構造が複雑である。また、固形状燃料用の燃焼炉と燃焼室の構造が相違することから、固形状燃料用の燃焼炉に粉体状バイオマスの燃焼機能を付加するには、燃料形状別に2つの燃焼室が必要になるなど、実際的ではない。ここで、「燃焼室」は、燃料を燃焼させる場所又は空間、或いは、そのような場所又は空間を形成する構造(壁、容器等)を言う。さらに、前者においては、化石燃料による着火バーナーを常時使用する必要がある。特許文献1,2がこのような欠点を有する理由を図1,2において説明する。 In order to respond to the recent needs for expanding the use of renewable energy, a technology capable of efficiently using and burning biomass regardless of the shape such as solid or powder is required. Patent Documents 1 and 2 develop and propose an apparatus for directly combusting powdery biomass. However, all of these require a combustion chamber for flame holding separately from the ignition burner in order to uniformly diffuse and burn the powdery biomass, and the structure is complicated. In addition, since the structure of the combustion furnace for solid fuel and the combustion chamber are different, two combustion chambers are required for each fuel shape in order to add the combustion function of powdered biomass to the combustion furnace for solid fuel. It ’s not practical. Here, the “combustion chamber” refers to a place or space where fuel is burned, or a structure (wall, container, etc.) that forms such a place or space. Furthermore, in the former, it is necessary to always use an ignition burner with fossil fuel. The reason why Patent Documents 1 and 2 have such drawbacks will be described with reference to FIGS.
図1は、バイオマスと石炭の空気比と固気比の関係を示す。図1の横軸は、空気比(λ:完全燃焼に必要な理論上の空気量に対する実際に供給される燃焼空気量の比)であり、λ<1のときは空気不足、λ>1のときは空気過剰で、一般燃焼では、λ=1.2〜3.0である。図1の縦軸は、固気比(燃料質量に対する燃焼空気供給質量の比)である。 FIG. 1 shows the relationship between the air / solid ratio of biomass and coal. The horizontal axis of FIG. 1 is the air ratio (λ: the ratio of the actually supplied combustion air amount to the theoretical air amount necessary for complete combustion). When λ <1, air shortage, λ> 1 When the air is excessive, in general combustion, λ = 1.2 to 3.0. The vertical axis in FIG. 1 is the solid-gas ratio (ratio of combustion air supply mass to fuel mass).
図1のB1〜B3は、含有水分量と炭素(C)量の異なるバイオマスについての空気比と固気比の相関である。バイオマスは一般的に、水素を基準としてCnH20mで示され、n=1〜1.5、m=0.5〜1.0程度である。B1〜B3の含有水分量及び炭素量は、下記の通りである。なお、m=0.9とした。
B1:含有水分量=0%,n=1.5
B2:含有水分量=0%,n=1.0又は含有水分量=15%,n=1.5
B3:含有水分量=15%,n=1.0
B1 to B3 in FIG. 1 are correlations between the air ratio and the solid-gas ratio for biomass having different moisture contents and carbon (C) contents. Biomass is generally represented by C n H 2 0 m based on hydrogen, with n = 1 to 1.5 and m = 0.5 to 1.0. The water content and carbon content of B1 to B3 are as follows. Note that m = 0.9.
B1: Water content = 0%, n = 1.5
B2: Water content = 0%, n = 1.0 or water content = 15%, n = 1.5
B 3 : Water content = 15%, n = 1.0
図1のC1,C2は、微粉炭燃焼バーナー等の技術で参考となる石炭の例で、代表的な燃料として一般的に使われている無煙炭(C1)と一般炭(C2)の例を示している。 C1 and C2 in FIG. 1 are examples of coal that can be used as a reference in technologies such as pulverized coal combustion burners, and show examples of anthracite (C1) and steam coal (C2) that are commonly used as typical fuels. ing.
粉体状燃料の空気輸送性は固気比で概ね決まる。通常、図1に示すように、固気比が2.5以下では円滑な空気輸送が難しく(粉体空気輸送不可範囲)、固気比が2.5〜5は空気輸送の可能限界であり(粉体空気輸送可能限界)、安定的な搬送には固気比が5以上であることが望ましい(粉体空気輸送安定範囲)。 The air transportability of pulverized fuel is largely determined by the solid-gas ratio. Normally, as shown in FIG. 1, smooth air transport is difficult at a solid-gas ratio of 2.5 or less (powder-air transport unacceptable range), and a solid-gas ratio of 2.5 to 5 is the limit for air transport. (Powder / air transportable limit) It is desirable that the solid-gas ratio is 5 or more for stable transport (powder / air transport stable range).
着火(燃焼の開始)及び保炎(燃焼の維持)に適する空気比の範囲を、本願では、「着火保炎範囲」と呼ぶ。石炭やバイオマスなどの固体系燃料では、着火、保炎に最も適する空気比は、0.5〜0.8程度である。バイオマスの性状は多岐に及ぶことから、バーナー装置の性能としては、0.2〜1.0の範囲で着火、保炎できることが望ましい。 The range of the air ratio suitable for ignition (combustion start) and flame holding (combustion maintenance) is referred to as “ignition flame holding range” in the present application. In solid fuels such as coal and biomass, the most suitable air ratio for ignition and flame holding is about 0.5 to 0.8. Since the properties of biomass are diverse, it is desirable that the performance of the burner device can be ignited and flame-held in the range of 0.2 to 1.0.
図2は、バイオマスにおける空気比と理論断熱温度(理論燃焼温度)の関係を示す。上記のように、バイオマスの着火保炎範囲は、一般的に0.5〜0.8程度であり、この範囲では、理論断熱温度は、1000〜1800℃である。着火後の燃焼(主燃焼)の空気比は、通常1.5以上とされている。 FIG. 2 shows the relationship between the air ratio in biomass and the theoretical adiabatic temperature (theoretical combustion temperature). As described above, the ignition flame holding range of biomass is generally about 0.5 to 0.8, and in this range, the theoretical adiabatic temperature is 1000 to 1800 ° C. The air ratio of combustion after ignition (main combustion) is normally 1.5 or more.
図1のハッチングに示すように、石炭の場合は、着火保炎範囲と粉体空気輸送安定範囲が重なっており、粉体バーナー装置としての機能を充分に果たす(空気搬送した粉体にそのまま着火、保炎することができる)が、バイオマスでは両者が重なっていない。このことが、特許文献1,2に関して上記した欠点の原因となっている。 As shown in the hatching in FIG. 1, in the case of coal, the ignition flame holding range and the powder / air transport stable range overlap, so that the function as a powder burner device is fully achieved (ignition is performed directly on the powder conveyed by air). Can hold the flame), but the biomass does not overlap. This is the cause of the drawbacks described above with respect to Patent Documents 1 and 2.
すなわち、特許文献1では、燃焼空気の旋回流による燃焼室での燃料の均一攪拌と燃焼が難しいため、化石燃料を用いた着火バーナーを常時使用することが必要である。 That is, in Patent Document 1, since it is difficult to uniformly stir and burn fuel in the combustion chamber by the swirling flow of combustion air, it is necessary to always use an ignition burner using fossil fuel.
特許文献2では、燃料と燃焼空気の攪拌を促進し、燃焼室における燃料の滞留時間を延長するために、燃焼室S内での燃料と燃焼空気の旋回を工夫し、燃焼室Sの予熱による燃料の自己着火を行っているが、構造が複雑であり、燃焼を継続させるには、燃焼室Sの全体が継続燃焼可能な温度以上になるまで点火用バーナーで加熱する必要があるなどの欠点がある。また、特許文献2は、燃焼室Sの構造又は燃焼室S内での燃焼のさせ方に関する発明であり、バーナー装置(引用文献2のノズル9)に関する発明ではない点で、本願とは技術分野が異なる。 In Patent Document 2, in order to promote stirring of the fuel and the combustion air and extend the residence time of the fuel in the combustion chamber, the swirling of the fuel and the combustion air in the combustion chamber S is devised, and the combustion chamber S is preheated. Although self-ignition of fuel is performed, the structure is complicated, and in order to continue combustion, it is necessary to heat the entire combustion chamber S with an ignition burner until the temperature reaches a temperature at which continuous combustion is possible or higher. There is. Patent Document 2 is an invention related to the structure of the combustion chamber S or how to burn in the combustion chamber S, and is not an invention related to the burner device (nozzle 9 of the cited document 2), and is therefore a technical field. Is different.
特許文献3には、水蒸気改質反応によりバイオマスをガス化して燃料ガスを生成するガス化設備が示されている。このガス化設備の燃焼炉(熱ガス発生炉103)は、固形状燃料を燃焼させてガス化に必要な高温燃焼ガスを発生させているが、固形状燃料だけでなく粉体状燃料も利用出来れば、その利用範囲と有用性は更に高まる。 Patent Document 3 discloses a gasification facility that generates fuel gas by gasifying biomass by a steam reforming reaction. The combustion furnace (hot gas generation furnace 103) of this gasification facility burns solid fuel to generate high-temperature combustion gas necessary for gasification, but not only solid fuel but also pulverized fuel is used. If possible, the range of use and usefulness will be further enhanced.
粉体を燃料とするバーナー装置としては、例えば発電用微粉炭ボイラー等で実用されている石炭用バーナー装置があるが、これをバイオマス等の粉体状燃料に利用することは難しい。石炭用バーナー装置にバイオマス等の粉体状燃料を使用した場合、燃料の性状の違いから、バーナー装置としての必須条件である着火や保炎の安定性を得ることが困難なためである。また、発電用微粉炭ボイラーなどでは、107〜108kcal/hの石炭用バーナー装置を複数本装備し、石炭用バーナー装置の使用本数を変化させることで負荷変化に対応しているが、バイオマスはその原料分布および入手コストの点からいわゆる小規模分散型の設備となる場合が多く、発電用微粉炭ボイラーと同様の方式で負荷変化に対応することは現実的ではなく、104〜106kcal/h程度の能力の1本のバーナー装置で広い負荷範囲に対応できることが求められる。 As a burner device using powder as a fuel, for example, there is a coal burner device that is practically used in a pulverized coal boiler for power generation or the like, but it is difficult to use this for a powdery fuel such as biomass. This is because, when a pulverized fuel such as biomass is used in a coal burner device, it is difficult to obtain ignition and flame holding stability, which are essential conditions for the burner device, due to the difference in fuel properties. In addition, pulverized coal boilers for power generation, etc. are equipped with multiple coal burner devices of 10 7 to 10 8 kcal / h, and respond to load changes by changing the number of coal burner devices used, biomass that stuff distribution and if the availability cost points so-called small-scale decentralized equipment is large and that corresponding to the load change in power generation pulverized coal boiler and a similar method is not realistic, 10 4 to 10 It is required that one burner device having a capacity of about 6 kcal / h can cope with a wide load range.
本願では、粉体状のバイオマスを燃料として使用することが可能なバーナー装置及び燃焼炉が開示される。本願のバーナー装置及び燃焼炉は、以下の一以上の特性を得ることを目的とする。
1)安定に着火及び/又は保炎ができること、
2)必要な燃焼量(時間当たりの発熱量)が得られること、
3)燃焼が安定して維持され、未燃分発生を抑制すること、
4)必要な燃焼ガス温度が得られること、
5)必要な負荷変化、すなわち燃焼量の変化に対応できること、具体的には少なくとも1/2負荷以下に対応出来ること、
6)固形状燃料用燃焼炉に追加・変更設置が可能なバーナー装置であること
In the present application, a burner apparatus and a combustion furnace capable of using powdery biomass as fuel are disclosed. The burner device and the combustion furnace of the present application aim to obtain one or more of the following characteristics.
1) Stable ignition and / or flame holding,
2) The required amount of combustion (heat generation per hour) can be obtained,
3) Combustion is stably maintained and unburned component generation is suppressed,
4) The required combustion gas temperature can be obtained,
5) Capable of responding to a required load change, that is, a change in combustion amount, specifically capable of responding to at least a half load or less,
6) A burner device that can be added to or changed from the solid fuel combustion furnace.
本願では、空気流によって燃料が流動している(空気中に燃料が分散している)ときの燃料と空気の流れを「燃料/空気混相流」又は「混相流」と呼ぶ。混相流に、相対的に燃料濃度の高い部分と低い部分が形成されている場合、その燃料濃度が高い部分を「高濃度混相流」と呼び、燃料濃度が低い部分を「低濃度混相流」と呼ぶ。 In the present application, the flow of fuel and air when the fuel is flowing by the air flow (the fuel is dispersed in the air) is referred to as “fuel / air mixed phase flow” or “multiphase flow”. When a part with relatively high fuel concentration and a part with low fuel concentration are formed in the multiphase flow, the part with high fuel concentration is called “high concentration multiphase flow”, and the part with low fuel concentration is called “low concentration multiphase flow”. Call it.
本願において「燃焼室」は、燃料を燃焼させる場所又は空間、或いは、そのような場所又は空間を形成する構造(壁、容器等)を言う。「バーナー装置」は、燃料と空気を混合して燃料を燃焼させる装置、及び/又は、着火、保炎ができるように燃料と空気を供給する装置を言う。「混合室」は、燃料と空気を混合する(或いは、空気流によって燃料を流動させる)ための場所又は空間、或いは、そのような場所又は空間を形成する構造(壁、容器等)を言う。「燃焼炉」は、バーナー装置を含む燃焼設備全体を意味する。「燃焼炉」は、燃焼室を含み得る。 In the present application, “combustion chamber” refers to a place or space where fuel is burned, or a structure (wall, container, etc.) that forms such a place or space. "Burner device" refers to a device that mixes fuel and air to burn the fuel and / or a device that supplies fuel and air so that ignition and flame holding can be performed. “Mixing chamber” refers to a place or space for mixing fuel and air (or allowing fuel to flow by an air stream) or a structure (wall, container, etc.) that forms such a place or space. “Combustion furnace” means the entire combustion facility including the burner device. A “combustion furnace” may include a combustion chamber.
本願では、以下の発明が開示される。
<請求項1>
周壁で囲われた混合室と、
前記混合室に燃料を供給する燃料供給口と、
前記混合室に1次空気を供給する空気供給口と、
前記混合室で混合された燃料と1次空気を放出する放出口と、
前記放出口の前記周壁付近に配置された保炎板と
を備えるバーナー装置であって、
前記混合室は、前記燃料供給口から燃料が前記混合室に自重によって落下供給される縦型の混合室であり、
前記空気供給口は、前記混合室内で燃料と1次空気が旋回するように、前記混合室の接線方向に向けて前記1次空気を供給することを特徴とするバーナー装置。
<請求項2>
前記保炎板の近傍又はその下流側に2次空気を供給する2次空気供手段を更に備え、前記保炎板の近傍又はその下流側に空気比が0.2〜1の着火保炎域が形成されることを特徴とする請求項1に記載のバーナー装置。
<請求項3>
3次空気を供給する3次空気供給手段を更に備えることを特徴とする請求項1又は2のバーナー装置。
<請求項4>
前記燃料が、粉体燃料であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項のバーナー装置。
<請求項5>
請求項1〜4のいずれか一項に記載のバーナー装置と、
前記放出口の下流側に配置された燃焼室を有することを特徴とする燃焼炉。
本願では、更に以下の発明が開示される。
In the present application, the following inventions are disclosed.
<Claim 1>
A mixing chamber surrounded by a peripheral wall;
A fuel supply port for supplying fuel to the mixing chamber;
An air supply port for supplying primary air to the mixing chamber;
An outlet for discharging the fuel mixed in the mixing chamber and primary air;
A flame-holding plate disposed near the peripheral wall of the discharge port;
A burner device comprising:
The mixing chamber is a vertical mixing chamber in which fuel is dropped and supplied to the mixing chamber by its own weight from the fuel supply port,
The burner device, wherein the air supply port supplies the primary air toward a tangential direction of the mixing chamber so that fuel and primary air swirl in the mixing chamber.
<Claim 2>
An ignition flame holding region having an air ratio of 0.2 to 1 near the flame holding plate or downstream thereof is further provided with secondary air supply means for supplying secondary air in the vicinity of the flame holding plate or downstream thereof. The burner device according to claim 1, wherein: is formed.
<Claim 3>
The burner apparatus according to claim 1 or 2, further comprising tertiary air supply means for supplying tertiary air.
<Claim 4>
The burner device according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel is a pulverized fuel.
<Claim 5>
The burner device according to any one of claims 1 to 4,
A combustion furnace having a combustion chamber disposed downstream of the discharge port.
In the present application, the following inventions are further disclosed.
(1)混合室と、
前記混合室において燃料濃度の低い低濃度混相流と、前記低濃度混相流よりも燃料濃度の高い高濃度混相流が形成されるように、前記混合室に燃料と空気を供給する燃料/空気供給手段と、
前記混合室の前記燃料と空気を放出する放出口と、
前記放出口の前記高濃度混相流の流路上の位置に配置された保炎板を備えることを特徴とするバーナー装置。
(1) a mixing chamber;
A fuel / air supply for supplying fuel and air to the mixing chamber such that a low concentration multiphase flow having a low fuel concentration and a high concentration multiphase flow having a higher fuel concentration than the low concentration multiphase flow are formed in the mixing chamber. Means,
An outlet for releasing the fuel and air in the mixing chamber;
A burner device comprising a flame holding plate arranged at a position on the flow path of the high-concentration multiphase flow at the discharge port.
(2)前記保炎板の近傍又はその下流側に2次空気を供給する2次空気供手段を更に備えることを特徴とする(1)のバーナー装置。 (2) The burner device according to (1), further comprising secondary air supply means for supplying secondary air to the vicinity of the flame holding plate or downstream thereof.
(3)前記保炎板の下流側に第2保炎板を更に備えることを特徴とする(1)又は(2)のバーナー装置。 (3) The burner device according to (1) or (2), further comprising a second flame holding plate on the downstream side of the flame holding plate.
(4)前記保炎板が断熱構造を有することを特徴とする(1)〜(3)のいずれかのバーナー装置。 (4) The burner device according to any one of (1) to (3), wherein the flame holding plate has a heat insulating structure.
(5)前記保炎板の近傍又はその下流側に空気比が0.2〜1の着火保炎域が形成されることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかのバーナー装置。 (5) The burner device according to any one of (1) to (4), wherein an ignition flame holding region having an air ratio of 0.2 to 1 is formed in the vicinity of the flame holding plate or downstream thereof.
(6)前記着火保炎域の下流側に空気比が1.5以上の燃焼域が形成されることを特徴とする(5)のバーナー装置。 (6) The burner device according to (5), wherein a combustion zone having an air ratio of 1.5 or more is formed downstream of the ignition flame holding zone.
(7)前記燃料が、粒径3mm以下の粉体であることを特徴とする(1)〜(6)のいずれかのバーナー装置。 (7) The burner device according to any one of (1) to (6), wherein the fuel is a powder having a particle size of 3 mm or less.
(8)周壁で囲われた混合室と、
前記混合室において燃料と空気の混相流が旋回するように、前記混合室に前記燃料と空気を供給する燃料/空気供給手段と、
前記混合室の前記燃料と空気を放出する放出口と、
前記放出口の前記周壁付近に配置された保炎板を備えることを特徴とするバーナー装置。
(8) a mixing chamber surrounded by a peripheral wall;
Fuel / air supply means for supplying the fuel and air to the mixing chamber such that a mixed phase flow of fuel and air swirls in the mixing chamber;
An outlet for releasing the fuel and air in the mixing chamber;
A burner device comprising a flame holding plate disposed in the vicinity of the peripheral wall of the discharge port.
(9)(1)〜(8)のいずれかのバーナー装置と、
前記放出口の下流側に配置された燃焼室を有することを特徴とする燃焼炉。
(9) any one of the burner devices of (1) to (8);
A combustion furnace having a combustion chamber disposed downstream of the discharge port.
(10)前記燃料に着火するための着火バーナーと、
炉内温度を測定する温度測定手段と、
前記炉内温度が所定の判定温度以上になったときに前記着火バーナーを消火する着火バーナー制御手段を更に有することを特徴とする(9)の燃焼炉。
(10) an ignition burner for igniting the fuel;
Temperature measuring means for measuring the temperature in the furnace;
The combustion furnace according to (9), further comprising ignition burner control means for extinguishing the ignition burner when the temperature in the furnace becomes equal to or higher than a predetermined determination temperature.
(1)の発明では、混合室において高濃度混相流が形成され、これが放出口から放出されるため、放出口付近又はその下流側に、着火、保炎に好適な空気比の着火保炎域を形成することが可能である。また、放出口の高濃度混相流の流路上の位置に保炎板を有するため、着火、保炎をより安定に、及び/又は、容易に行うことが可能である。(1)の発明では、高濃度混相流を保炎板で高温燃焼させることにより、燃焼効率の向上、及び/又は、未燃分が少ない燃焼を達成し得る。 In the invention of (1), since a high-concentration multiphase flow is formed in the mixing chamber and is discharged from the discharge port, an ignition flame holding region having an air ratio suitable for ignition and flame holding is provided near or downstream of the discharge port. Can be formed. In addition, since the flame holding plate is provided at a position on the flow path of the high-concentration mixed phase flow at the discharge port, ignition and flame holding can be performed more stably and / or easily. In the invention of (1), the high-concentration multiphase flow is burned at a high temperature with the flame-holding plate, whereby the combustion efficiency can be improved and / or combustion with little unburned content can be achieved.
(2)の発明では、第2空気供手段を有することで、保炎板付近又はその下流側における空気比の調整が容易になり、及び/又は、着火保炎域の形成が容易になり、及び/又は、より広い負荷範囲での安定な着火、保炎が可能になる。 In the invention of (2), by having the second air supply means, the adjustment of the air ratio in the vicinity of the flame holding plate or the downstream side thereof becomes easy, and / or the formation of the ignition flame holding area becomes easy. And / or stable ignition and flame holding in a wider load range are possible.
(3)の発明では、第2保炎板において着火、保炎を行うことが可能となり、より広い負荷範囲での安定な着火、保炎が可能になる。 In the invention of (3), it is possible to perform ignition and flame holding on the second flame holding plate, and stable ignition and flame holding in a wider load range are possible.
(4)の発明では、保炎板の冷却を防止することが可能であり、着火、保炎の安定性を一層向上させることが可能である。 In the invention of (4), it is possible to prevent the flame holding plate from being cooled, and it is possible to further improve the stability of ignition and flame holding.
(5)の発明では、0.2〜1の着火保炎域の形成により、保炎板での安定な着火、保炎を図り得る。 In the invention of (5), stable ignition and flame holding on the flame holding plate can be achieved by forming an ignition flame holding region of 0.2 to 1.
(6)の発明では、空気比が1.5以上の燃焼域の形成により、燃料の完全燃焼(理論断熱温度1500℃)が可能である。なお、実燃焼温度は、燃料/空気供給手段(及び/又は2次空気供手段)から供給する空気量を調整することで、(1200℃を上限として)任意に設定することが可能である。
In the invention of (6), complete combustion of the fuel (theoretical
(7)の発明では、混合室内で、燃料を空気中で良好に混合(浮遊分散)させることが可能である。 In the invention of (7), the fuel can be well mixed (floating and dispersed) in the air in the mixing chamber.
(8)の発明では、混合室で旋回する混相流が放出口から放出されるため、放出口付近又はその下流側に、着火、保炎に好適な空気比の着火保炎域を形成することが可能である。さらに、放出口の周壁付近に保炎板を有するため、着火、保炎をより安定に、及び/又は、容易に行うことが可能である。(8)の発明では、混相流を保炎板で高温燃焼させることにより、燃焼効率の向上、及び/又は、未燃分が少ない燃焼を達成し得る。 In the invention of (8), since the multiphase flow swirling in the mixing chamber is discharged from the discharge port, an ignition flame holding region having an air ratio suitable for ignition and flame holding is formed near or downstream of the discharge port. Is possible. Furthermore, since the flame holding plate is provided in the vicinity of the peripheral wall of the discharge port, ignition and flame holding can be performed more stably and / or easily. In the invention of (8), the combustion efficiency can be improved and / or combustion with little unburned content can be achieved by high-temperature combustion of the multiphase flow with the flame holding plate.
(9)の発明では、着火、保炎性に優れるバーナー装置を有する燃焼炉が提供される。 In invention of (9), the combustion furnace which has a burner apparatus excellent in ignition and flame holding property is provided.
(10)の発明では、着火バーナーにおける燃料(石化燃料等)の無駄な使用を防止することが可能である。 In the invention of (10), it is possible to prevent useless use of fuel (such as petrochemical fuel) in the ignition burner.
図3は、好ましい実施形態に係る燃焼炉10及びバーナー装置20を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the
図3(A)に示すように、本実施形態のバーナー装置20は、1次ノズル30を有する。1次ノズル30は、混合室31及び放出口33を有する。混合室31は、燃料Tと1次空気A1を混合するための空間である。混合室31の形状は任意である。好ましい実施形態では、混合室31は、円筒状の形状を有する。1次ノズル30は、ステンレス等で形成し得る。
As shown in FIG. 3A, the
1次ノズル30は、混合室31に1次空気A1を供給するための1次空気供給口40を有する。1次空気供給口40は、混合室31の上部に配置され得る。図3(B)は、混合室31を上方から見たときの1次空気A1の混合室31内での流れを示す。図3(B)に示す通り、1次空気供給口40からの1次空気A1は、混合室31内で1次空気A1による旋回流が形成されるような方向に供給される。好ましい実施形態では、1次空気A1は、混合室31の周壁32の接線方向に向けて供給される。バーナー装置20は、1次空気供給口40に1次空気A1を供給するための配管41やブロア(不図示)等を有し得る。
The
バーナー装置20は、混合室31に燃料Tを供給するための燃料供給部50を有する。燃料供給部50は、混合室31の天井34に配置され得る。燃料供給部50は、混合室31に通じる燃料供給口51を有する。好ましい実施形態では、燃料供給口51は、図3(B)に示されるように、1次ノズル30に対して偏心した位置(1次空気供給口40から吹き込まれた1次空気A1の上方位置)に配置される。燃料Tとしては、粉体状燃料、特に、粉体状バイオマス燃料を使用し得る。燃料Tは、好ましくは、燃料供給口51から自重で落下させる方式で供給される。燃料供給口51への燃料搬送の方式は任意である。例えば、機械的な搬送(例えば、スクリューフィーダー等)、空気搬送、両者の併用等が可能である。
The
燃料供給口51から供給された燃料Tは、1次空気供給口40から吹き込まれる1次空気A1によって流動し、混合室31内で燃料Tと1次空気A1の混相流が旋回する。この混相流の旋回による遠心力により、混合室31の中心から遠い部分(周壁32の近く)に燃料Tの濃度が高い(空気比λが低い)高濃度混相流が形成され、混合室31の中心に近い部分に高濃度混相流よりも燃料Tの濃度が低い(空気比λが大きい)低濃度混相流が形成される。燃料Tを1次空気A1中で良好に混合(浮遊分散)させるには、燃料Tの粒径はできるだけ小さいほうが望ましい。燃料Tの粒径は、好ましくは、3mm以下であり、より好ましくは、1mm以下であり、特に好ましくは、0.5mm以下である。
The fuel T supplied from the
高濃度混相流は、旋回しつつ混合室31内を下方に移動し、やがて、放出口33から下流側に放出される。
The high-concentration multiphase flow moves downward in the mixing
図4は、放出口33付近に形成される例示的な空気比の分布(等高線)を示す。放出口33から放出された高濃度混相流は、放出口33において最も空気比λが高く、低濃度混相流や2次空気A2との混合等により、放出口33から離れる程(下流側に向かう程)、空気比λは大きくなる。したがって、1次空気供給口40、燃料供給口51からの燃料T及び/又は1次空気A1の供給条件を適切に調整し、放出口33における高濃度混相流の空気比λを着火保炎範囲(例えば、0.5〜0.8)よりも小さくすることで、放出口33の下流側に、空気比λが着火保炎範囲となる領域(着火保炎域R1)を形成することができる。
FIG. 4 shows an exemplary air ratio distribution (contour lines) formed near the discharge port 33. The high-concentration multiphase flow discharged from the discharge port 33 has the highest air ratio λ at the discharge port 33, and the farther away from the discharge port 33 due to mixing with the low-concentration multiphase flow or the secondary air A <b> 2 (toward the downstream side). The air ratio λ increases. Therefore, the supply conditions of the fuel T and / or the primary air A1 from the primary
着火保炎域R1より下流側では、空気比λは更に大きくなり、燃料Tの完全燃焼に適する空気比(例えば、1.5以上)の燃焼域R2が形成され得る。 On the downstream side of the ignition flame holding region R1, the air ratio λ is further increased, and a combustion region R2 having an air ratio (for example, 1.5 or more) suitable for complete combustion of the fuel T can be formed.
放出口33(放出口33付近又はその下流側)には、保炎板60が配置されている。保炎板60は、高濃度混相流の流路上(周壁32付近)に配置される。放出口33の保炎板60が高濃度混相流と干渉することで、着火保炎域R1がより安定に形成され、及び/又は、着火保炎域R1での着火、保炎の安定性が向上する。着火保炎域R1は、保炎板60付近又はその下流側に形成され得る。
A
保炎板60は、任意の形状を有し得る。好ましい実施形態では、保炎板60は、中央に開口が形成された円盤形状を有する。図3,4の保炎板60は、周壁32との間に隙間が形成されないように取り付けられているが、保炎板60と周壁32の間に隙間を形成することも可能である。
The
1次空気A1及び/又は燃料Tの温度や供給速度により保炎板60が冷却されると、保炎板60での着火、保炎が不安定になる場合があることが実験的に確認された。これを防止するため、保炎板60は、断熱材61等による断熱構造を有することが好ましい。断熱材61により、高温着火温度が保持され得る。図では、断熱材61を保炎板60の上面にのみ設けた場合が示されている。保炎板60の全周に断熱材61を設けることも可能である。断熱材61は、セラミックス等の低熱伝導率材料で構成し得る。
It has been experimentally confirmed that when the
バーナー装置20は、保炎板60付近又はその下流側に2次空気A2を供給するための2次ノズル70を更に有し得る。2次ノズル70を有することにより、着火保炎域R1の安定形成がより容易になり、及び/又は、保炎板60付近又はその下流側における空気比λの調整が容易になる。2次ノズル70は、ステンレス等で形成し得る。
The
図3の実施形態では、2次ノズル70は、1次ノズル30を同心状に取り囲む円筒形状の通風路71と、通風路71に2次空気A2を供給する2次空気供給口72を有する。通風路71からの2次空気A2は、全周方向から保炎板60又はその下流側に向けて均一に放出され得る。2次ノズル70は、通風路71に2次空気A2を供給するための配管73やブロア(不図示)等を有し得る。
In the embodiment of FIG. 3, the
図3(C)は、通風路71を上方から見たときの2次空気A2の通風路71内での流れを示す。好ましくは、2次空気A2は、図3(C)に示すように、通風路71内で2次空気A2による旋回流が形成されるような方向で通風路71に供給される。2次空気A2は、通風路71の周壁74の接線方向に向けて供給することができる。好ましくは、混合室31内の1次空気A1と通風路71内の2次空気A2の旋回方向を同一の方向とする。これにより、混合室31内の1次空気A1の旋回流が乱されることが防止される。
FIG. 3C shows the flow of the secondary air A2 in the
燃焼炉10又はバーナー装置20は、着火バーナー(パイロットバーナー)80を有し得る。着火バーナー80は、保炎板60付近又はその下流側の燃料T(高濃度混相流)に着火できる位置に取り付けられる。着火バーナー80は初期着火のために使用されるものであり、着火、保炎が確認された時点(火炎が安定した時点)で、着火バーナー80は消火して良い。保炎の確認は、保炎板60付近に炎検出器を設置して確認するか、炉内温度(例えば、燃焼室90の適宜の場所の温度)が予め設定した温度(判定温度)を超えたところで保炎確認と見なすことが出来る。判定温度は、燃料の成分や水分率にもよるが、350℃程度以上が好ましく、400℃以上がより好ましい。判定温度の上限は、例えば、600℃、或いは、500℃とすることが考えられる。
The
燃焼炉10は、燃焼室90を有し得る。用途(例えば、高温燃焼ガスの発生、高温高圧蒸気の発生等)に応じた適切な構成の燃焼室90を有することで、バーナー装置20による火炎や燃焼熱の有効利用を図り得る。
The
図5は、他の実施形態に係るバーナー装置120を示す。
FIG. 5 shows a
バーナー装置120は、バーナー装置20と同様の構成に加え、保炎板60の下流側に、第2保炎板62を有する。
The
燃料Tを均一に供給するには、燃料供給口51のサイズ(大きさ)にある程度制限があり(余り大きくすると、均一に燃料Tを供給できない)、燃料供給口51の大きさや燃料Tの供給速度に応じて1次空気供給口40の適正サイズや1次空気A1の適正風量もある程度決まってくる。このため、負荷(燃料Tの供給速度)の変化に対して、1次ノズル30内の高濃度混相流の濃度を一定に保つことは困難であり、負荷を上げると、通常、1次ノズル30内の高濃度混相流の濃度は上昇する。そして、高濃度混相流の濃度が上がり過ぎると、保炎板60の近傍又はその下流側の空気比が着火保炎域範囲より小さくなり、着火が不安定となり、結果として未燃分の排出等の問題を生じ得る。
In order to supply the fuel T uniformly, the size (size) of the
バーナー装置120は、このような問題に対処したものであり、1次ノズル30内の高濃度混相流の濃度が高くなり、そのために、保炎板60の近くに着火保炎域R1が形成されなくなっても、第2保炎板62の下流側に空気比λが着火保炎範囲となる着火保炎域R3が形成され得る。このように、負荷が小さいときには、保炎板60(着火保炎域R1)で保炎し、負荷が大きいときには、第2保炎板62(着火保炎域R3)で保炎することが可能であり、負荷変化に対する許容範囲の大きいバーナー装置120が実現できる。図5は、第2ノズル70の周壁と第2保炎板62の間の隙間が形成された場合を示すが、このような隙間は無くても良い。
The
バーナー装置120は、第2保炎板62付近又はその下流側に3次空気A3を供給する3次空気供給手段を更に有し得る。これにより、着火保炎域R3における空気比の調整を容易化することが可能である。
The
3次空気供給手段は、2次ノズル70と同様の構成の3次ノズルを有し得る。すなわち、3次ノズルは、2次ノズル70の外周を取り囲む第2通風路を有し、第2通風路の下流端から第2保炎板62又はその下流側に向けて全周方向から均一に3次空気A3を供給し得る。第2通風路において、3次空気A3を、混合室31及び通風路71の空気A1,A2と同一方向に旋回させることが可能である。
The tertiary air supply means may have a tertiary nozzle having the same configuration as the
従来の粉体バーナーでは、負荷変化比が1/2程度であったものが、図5のバーナー装置120では、1/4程度まで可能となり、石油バーナーの1/3〜1/5程度に匹敵する性能が得られる。なお、負荷変化比は、燃料Tを良好に燃焼(又は完全燃焼)させることができる最大負荷と最小負荷の比である。
In the conventional powder burner, the load change ratio was about 1/2, but in the
第2保炎板62の下流側に、更に、第3保炎板、第4保炎板・・・等を設置しても良く、第3保炎板、第4保炎板・・・等の付近又はその下流側に空気を供給する第4空気供給手段、第5空気供給手段・・・を有しても良い。
Further, a third flame holding plate, a fourth flame holding plate, etc. may be installed on the downstream side of the second
特許文献1,2の燃焼炉は、粉体状燃料を良好に燃焼(又は完全燃焼)させるために別個の(2つの)燃焼室を必要とする。これに対し、本願のバーナー装置20,120では、そのような別個の燃焼室を必要としない。そのため、ノズル方向の変更や保炎板の追加変更、空気供給の追加変更等が容易である。これにより、固形状燃料用の燃焼炉にバーナー装置を増設するときに、燃焼炉の構造に合わせて柔軟な配置が可能となる。
The combustion furnaces of Patent Documents 1 and 2 require separate (two) combustion chambers for good combustion (or complete combustion) of the pulverized fuel. In contrast, the
例えば、特許文献3のガス化設備は、バイオマス原料の水蒸気改質反応により燃料ガスを生成するものであるが、水蒸気改質反応の熱源として必要な高温燃焼ガスを発生させるために固形状燃料用の燃焼炉(熱ガス発生炉)が使用されている。 For example, the gasification facility of Patent Document 3 is for generating fuel gas by steam reforming reaction of biomass raw material, but for generating solid fuel for generating high-temperature combustion gas necessary as a heat source for steam reforming reaction. The combustion furnace (hot gas generator) is used.
図6は、特許文献3の燃焼炉として使用可能な固形状燃料用の燃焼炉201の構造例を示す。
FIG. 6 shows an example of the structure of a
図6の燃焼炉201では、バイオマスなどの固形状(チップ状、ペレット状等)の燃料T1を燃料供給装置210から火格子212上に供給、堆積させて燃焼させる。燃焼用の空気A4,A5は、火格子212の上部(燃焼室211)や下部(炉底部213)から供給され、燃焼で生じた高温燃焼ガスGは、排気管214から別所に送られて、種々の目的(例えば、バイオマス原料の水蒸気改質反応)に使用される。
In the
このような燃焼炉201では、燃料T1の供給の便から、火格子212の上部(燃焼室211の天井部)から燃料T1を自重で落下させる方式が一般的である。そのため、縦型のバーナー装置を燃焼室211の天井部に増設できない場合がある。
In such a
しかし、バーナー装置20,120は、上記のような(別個の燃焼室を必要としない)シンプルな構造であるため、図6に破線で示すように、横向き(横置き)にして燃焼室211の側面に増設するなどが容易である。これにより、固形燃料T1での運転と、粉体状燃料Tでの運転の両方が可能な燃焼炉201が実現できる。このように、本願のバーナー装置は、様々な型式の燃焼炉に増設する際の配置の柔軟性に優れている。
However, since the
図7(A)は、図6のような横向きでの使用に適する実施形態のバーナー装置320であり、図7(B)は、そのX−X断面図である。
FIG. 7 (A) is a
バーナー装置320では、燃料Tを供給する燃料供給口351が1次ノズル30の側面に設けられており、バーナー装置320を横置きにした状態でも、自重により(空気搬送を用いないで)燃料Tを混合室31に供給することが可能である。そのため、空気搬送の場合の固気比の制約を受けないで済む。
In the
図7(C)は、更なる変形例に係るバーナー装置420であり、燃料供給口451が1次空気A1を供給する配管41上に設けられている点を除いてバーナー装置320と同様の構成を有しており、バーナー装置320と同様、自重による燃料Tの供給が可能である。
FIG. 7C shows a
以上、好ましい実施形態のバーナー装置及び燃焼炉を説明したが、実施形態における構造、形状、寸法、材質、動作、機能、用途等は好ましい例として記載したものであり、これらは特許請求の範囲の発明を限定するものでない。 The burner device and the combustion furnace of the preferred embodiment have been described above. However, the structure, shape, dimensions, material, operation, function, use, etc. in the embodiment are described as preferred examples, and these are within the scope of the claims. The invention is not limited.
本願により、バイオマス等の燃焼によるエネルギー利用において、その形状が固形状だけでなく粉体状でも可能となり、粉体状燃料の利活用範囲が大幅に拡大するともに、種々の燃焼炉や負荷条件に柔軟に対応が可能なバーナー装置、有用性の高い燃焼炉が提供される。 With this application, energy can be used not only in the form of solids but also in the form of powders in the use of energy by burning biomass and the like, greatly expanding the range of utilization of powdered fuels, as well as various combustion furnaces and load conditions. A burner device that can be flexibly adapted and a highly useful combustion furnace are provided.
高温燃焼ガス生成等のための固形状燃料用の燃焼炉、例えば、火格子型の燃焼炉に本願のバーナー装置を適用すれば、固形状燃料と粉体状燃料の両方の使用が可能な燃焼炉が実現され、或いは、バーナー装置による固形状燃料の燃焼補助が可能になる。 Combustion capable of using both solid fuel and pulverized fuel if the burner device of the present application is applied to a solid fuel combustion furnace for high temperature combustion gas generation, for example, a grate type combustion furnace A furnace is realized, or combustion of solid fuel can be supported by a burner device.
さらに、電力あるいはプラント(ガス化設備、或いは、ガス化設備で生成したガス燃料を用いた液体燃料生成設備等)全体の熱効率の向上が実現できるので、再生可能エネルギーであるバイマスの利活用に大きく資するものであり、産業上の効果が大きい。 In addition, it is possible to improve the overall thermal efficiency of electric power or plants (gasification facilities or liquid fuel generation facilities using gas fuel generated by gasification facilities). Contributes and has significant industrial effects.
10・・・燃焼炉
20・・・バーナー装置
30・・・1次ノズル
31・・・混合室
32・・・周壁
33・・・放出口
34・・・天井
40・・・1次空気供給口
41・・・配管
50・・・燃料供給部
51・・・燃料供給口
60・・・保炎板
61・・・断熱材
62・・・2次ノズルの保炎板
70・・・2次ノズル
71・・・通風路
72・・・2次空気供給口
73・・・配管
74・・・周壁
80・・・着火バーナー
90・・・燃焼室
120・・・バーナー装置
201・・・燃焼炉
210・・・燃料供給装置
211・・・燃焼室
212・・・火格子
213・・・炉底部
214・・・排気管
320・・・バーナー装置
351・・・燃料供給口
420・・・バーナー装置
451・・・燃料供給口
A1〜A5・・・空気
G・・・高温燃焼ガス
R1・・・着火保炎域
R2・・・燃焼域
R3・・・着火保炎域
T,T1・・・燃料
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記混合室に燃料を供給する燃料供給口と、
前記混合室に1次空気を供給する空気供給口と、
前記混合室で混合された燃料と1次空気を放出する放出口と、
前記放出口の前記周壁付近に配置された保炎板と
を備えるバーナー装置であって、
前記混合室は、前記燃料供給口から燃料が前記混合室に自重によって落下供給される縦型の混合室であり、
前記空気供給口は、前記混合室内で燃料と1次空気が旋回するように、前記混合室の接線方向に向けて前記1次空気を供給することを特徴とするバーナー装置。 A mixing chamber surrounded by a peripheral wall;
A fuel supply port for supplying fuel to the mixing chamber,
An air supply port for supplying primary air to the mixing chamber;
An outlet for discharging the fuel mixed in the mixing chamber and primary air;
A burner apparatus comprising a flame stabilizing plate arranged in the vicinity of the peripheral wall of the outlet,
The mixing chamber is a vertical mixing chamber in which fuel is dropped and supplied to the mixing chamber by its own weight from the fuel supply port,
The burner device , wherein the air supply port supplies the primary air toward a tangential direction of the mixing chamber so that fuel and primary air swirl in the mixing chamber .
前記放出口の下流側に配置された燃焼室を有することを特徴とする燃焼炉。
A burner device according to any one of 請 Motomeko 1-4,
A combustion furnace having a combustion chamber disposed downstream of the discharge port .
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