しかしながら、特許文献1のように、バーナ本体の向きを調整したり、バーナ燃料ノズルの燃料噴射方向を調節したりすることで、バーナの構造が複雑になるとともに、製造コストが増加してしまう可能性がある。また、特許文献2または特許文献3のように、炉壁への溶融灰の付着を防ぐ、あるいは、溶融灰の付着場所もしくは付着量を制御可能とすべく、燃料ガスを供給する管内にひねり板や流速回転板を設けることによって、ひねりを有する板を管に三次元的に施工する必要がある。したがって、バーナの構造が複雑になるとともに、施工が難しくなり、製造コストが増加してしまう可能性がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図る燃焼バーナおよびボイラを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る燃焼バーナは、固体燃料と空気とを混合した燃料ガスを火炉内に噴出口から噴出する燃焼バーナであって、鉛直方向に沿って設置され、前記燃料ガスの流れを水平方向に曲げる湾曲部を有する燃料供給管と、該湾曲部よりも前記燃料ガスの流れ方向の下流側に位置し、上方と下方とに前記燃料供給管の流路を二分する上流側板と、該上流側板よりも前記燃料ガスの流れ方向の下流側に位置し、前記火炉の壁寄りである炉壁側と前記火炉の内部寄りである炉内側とに前記流路を二分する下流側板と、を備え、前記流路を前記噴射口から見たときに、前記流路の前記燃料ガスの流れ方向に直交する断面は、前記上流側板の下流端部と前記下流側板の上流端部とで四分され、上方および下方の炉壁側の断面積の和に対する上方かつ炉壁側の断面積の比が、上方および下方の炉内側の断面積の和に対する上方かつ炉内側の断面積の比よりも小さいことを特徴とする。
このような構成によれば、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
また、本発明の他の態様に係る燃焼バーナは、前記流路の前記燃料ガスの流れ方向に直交する断面は、前記下流側板の上流端部を含む位置において円形または四隅に曲線部を設けた矩形であり、かつ、前記噴出口を含む位置において四隅に曲線部を設けた矩形または矩形であり、前記上流側板の上流端部は、前記上流側板の下流端部よりも下方に位置し、前記上流側板の下流端部は、前記流路の中心軸よりも上方に位置し、前記下流側板の上流端部は、前記流路の中心軸よりも路壁側に位置することを特徴とする。
このような構成によれば、流路の燃料ガスの流れ方向に直交する断面が、下流側板の上流端部を含む位置において円形または四隅に曲線部を設けた矩形であり、かつ、噴出口を含む位置において四隅に曲線部を設けた矩形または矩形である燃料供給管の場合、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
また、本発明の他の態様に係る燃焼バーナは、前記流路の前記燃料ガスの流れ方向に直交する断面は、前記湾曲部の下流端部から前記噴出口までの前記燃料供給管を含むいずれの位置においても円形であり、前記上流側板の上流端部は、前記上流側板の下流端部よりも下方に位置し、前記上流側板の下流端部は、前記流路の中心軸よりも上方に位置し、前記下流側板の上流端部は、前記流路の中心軸よりも路壁側に位置することを特徴とする。
このような構成によれば、流路の燃料ガスの流れ方向に直交する断面が、湾曲部の下流端部から前記噴出口までの燃料供給管を含むいずれの位置においても円形である燃料供給管の場合、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
また、本発明の他の態様に係る燃焼バーナは、前記湾曲部直前の前記燃料供給管の内側に設けられた濃淡分離機を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。また、濃淡分離機により微粉燃料濃度が高い領域と低い領域とに流路をより確実に分けることができる。
また、本発明の他の態様に係る燃焼バーナは、前記上流側板は、前記燃料ガスの流れ方向に沿って上方に凸の湾曲板であることを特徴とする。
このような構成によれば、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。また、上流側板が燃料ガスの流れ方向に沿って上方に凸の湾曲板であることで、上流側板によって、燃料ガスの剥離を抑制しつつ、上方の微粉燃料濃度が高い領域と下方の微粉燃料濃度が低い領域とに流路を分けることができる。
また、本発明の他の態様に係る燃焼バーナは、前記下流側板の下流端部は、前記下流側板の上流端部よりも炉内側に位置することを特徴とする。
このような構成によれば、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。また、下流側板によって、微粉燃料濃度が高い燃料ガスの流れを炉内側に偏らせることができる。
また、本発明の他の態様に係る燃焼バーナは、前記下流側板は、前記燃料ガスの流れ方向に沿って炉壁側に凸の湾曲板であることを特徴とする。
このような構成によれば、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。また、下流側板が燃料ガスの流れ方向に沿って炉壁側に凸の湾曲板であることで、下流側板によって、燃料ガスの剥離を抑制しつつ、微粉燃料濃度が高い燃料ガスの流れを炉内側に偏らせることができる。
また、本発明の他の態様に係る燃焼バーナは、前記下流側板の下流端部は、前記燃料ガスの流れ方向の途中で炉内側に偏向する偏向部であることを特徴とする。
このような構成によれば、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。また、偏向部によって、微粉燃料濃度が高い燃料ガスの流れを炉内側に偏らせることができる。
また、本発明の他の態様に係る燃焼バーナは、前記下流側板よりも下流側に位置する第1の偏向板を備え、前記第1の偏向板の上流端部は、前記下流側板の下流端部に接し、前記下流側板の下流端部は、前記第1の偏向板の下流端部よりも炉内側に位置することを特徴とする。
このような構成によれば、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。また、第1の偏向板によって、微粉燃料濃度が高い燃料ガスの流れを炉内側に偏らせることができる。
また、本発明の他の態様に係る燃焼バーナは、前記噴出口付近の燃料供給管内部の炉壁側に設けられた第2の偏向板を備え、前記第1の偏向板による前記燃料ガスの炉内側への偏向に沿って、前記第2の偏向板の下流端部が前記第2の偏向板の上流端部よりも炉内側に位置することを特徴とする。
このような構成によれば、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。また、第1の偏向板によって、微粉燃料濃度が高い燃料ガスの流れを炉内側に偏らせるとともに、第2の偏向板によって微粉燃料濃度が低い燃料ガスの流れも炉内側に偏らせることができ、火炎をより炉壁から遠ざけることができる。
また、本発明の他の態様に係る燃焼バーナは、前記下流側板の下流端部は、前記噴出口に位置することを特徴とする。
このような構成によれば、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。また、下流側板との下流端部が噴出口に位置することにより、燃料ガスが噴出口から噴出直前するまで、微粉燃料濃度が高い領域と低い領域とに流路をより確実に分けることができる。
また、本発明の一態様に係るボイラは、中空形状をなして鉛直方向に沿って設置される火炉と、少なくとも1つの、本発明の一態様に係る燃焼バーナと、前記燃焼バーナよりも上方で追加空気を前記火炉内に向けて吹き込む追加空気ノズルと、を有することを特徴とする。
このような構成によれば、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
本発明の燃焼バーナおよびこれを備えるボイラによれば、簡単な構成で炉壁の腐食を抑制するとともに炉壁への溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
本発明を実施するための形態(以下、実施形態という)につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも本発明に含まれる。本実施形態において、下方とは鉛直方向、すなわち重力の作用方向であり、上方とは鉛直方向とは反対方向、すなわち重力の作用方向とは反対方向である。
(第1実施形態)
図1は、微粉燃料焚きボイラを表す概略構成図である。微粉燃料焚きボイラは、微粉燃料を燃焼バーナにより燃焼させ、この燃焼により発生した熱を回収することが可能である。微粉燃料焚きボイラは、図1に示すように、たとえば、瀝青炭、亜瀝青炭などの石炭を粉砕した微粉炭を微粉燃料として用いる石炭焚きボイラ10である。また、第1実施形態では石炭焚きボイラ10およびその燃焼バーナ21,22,23,24,25としたが、微粉燃料として微粉炭のほか、バイオマスまたは石油コークス等を使用してもよい。
石炭焚きボイラ10は、火炉11と燃焼装置13とを有している。火炉11は、四角形の筒の中空形状をなして鉛直方向に沿って設置され、この火炉11を構成する炉壁11a,11b,11c,11dが伝熱管により構成されている。
燃焼装置13は、この火炉11を構成する炉壁の下部に設けられている。この燃焼装置13は、炉壁11a,11b,11c,11dに装着された複数の燃焼バーナ21,22,23,24,25を有している。そして、燃焼装置13は、火炉11の周方向に沿って4個の燃焼バーナが均等間隔で配設されたものを1セットとして、鉛直方向に沿って5セット、つまり、5段配置されている。なお、この燃焼バーナ21,22,23,24,25は、CCF(Circular Corner Firing)燃焼方式であり、火炉11の形状や一つの段における燃焼バーナの数、段数はこの構成に限定されるものではない。また、第1実施形態では、燃焼バーナの形態をCCF燃焼方式としたが、CUF(Circular Ultra Firing)燃焼方式としてもよい。
各燃焼バーナ21,22,23,24,25は、燃料供給管26,27,28,29,30を介してミルなどの微粉炭機31,32,33,34,35に連結されている。この微粉炭機31,32,33,34,35は、図示しないが、ハウジング内に鉛直方向に沿った回転軸心をもって粉砕テーブルが駆動回転可能に支持され、この粉砕テーブルの上方に対向して複数の粉砕ローラが粉砕テーブルの回転に連動して回転可能に支持されている。したがって、石炭が複数の粉砕ローラと粉砕テーブルとの間に投入されると、ここで所定の大きさまで粉砕される。粉砕された石炭は、搬送用空気である1次空気により分級される。分級された微粉炭は、1次空気とともに燃料供給管26,27,28,29,30から燃焼バーナ21,22,23,24,25に供給される。
火炉11は、各燃焼バーナ21,22,23,24,25の装着位置に風箱36が設けられている。風箱36には空気ダクト37の一端部が連結されている。空気ダクト37は、他端部に送風機38が装着されている。したがって、送風機38により送られた燃焼用空気を空気ダクト37から風箱36に供給し、この風箱36から各燃焼バーナ21,22,23,24,25に供給することができる。
ここで、燃焼装置13について詳細に説明する。図2は、微粉燃料焚きボイラにおける燃焼領域を表す平面図である。この燃焼装置13を構成する各燃焼バーナ21,22,23,24,25は、ほぼ同様の構成をなしていることから、最上段に位置する燃焼バーナ21についてのみ説明する。
燃焼バーナ21は、図2に示すように、火炉11における4つの角部12a,12b,12c,12dに設けられる燃焼バーナ21a,21b,21c,21dから構成されている。各燃焼バーナ21a,21b,21c,21dは、燃料供給管26から分岐した各分岐管26a,26b,26c,26dが連結されるとともに、空気ダクト37から分岐した各分岐管37a,37b,37c,37dが連結されている。
したがって、火炉11の各角部にある各燃焼バーナ21a,21b,21c,21dは、火炉11に対して、微粉炭と1次空気とが混合した燃料ガスが吹き込まれるとともに、その燃料ガスの外側に2次空気を吹き込む。各燃焼バーナ21a,21b,21c,21dからの燃料ガスに着火することで、4つの火炎F1,F2,F3,F4を形成することができる。この火炎F1,F2,F3,F4は、図2に示すように、火炉11の上方から見て反時計回り方向に旋回する火炎旋回流となる。すなわち、火炎F1,F2,F3,F4はそれぞれ、火炉11の中央部よりも炉壁11a,11b,11c,11dに偏った位置に燃料ガスが各燃焼バーナ21a,21b,21c,21dから噴射されることにより形成される。このとき、燃料ガスの流れ方向GFの中心軸は火炉11の炉壁11a,11b,11c,11d寄りに偏っている。火炉11の炉壁11a,11b,11c,11d寄りを炉壁側、その反対側である火炉11の内部寄りを炉内側とする。火炎F1,F2,F3,F4の旋回方向は、火炉11の上方から見て反時計回り方向に限定されず、時計回り方向であってもよい。
また、図1に示すように、火炉11は、燃焼装置13の上段部に追加燃焼用空気供給装置41が設けられている。この追加燃焼用空気供給装置41は、炉壁11a,11b,11c,11dに装着された複数の追加燃焼用空気ノズル42,43を有している。この追加燃焼用空気ノズル42,43は、火炉11の周方向に沿って4個が均等間隔で配設されたものが1セットとして、鉛直方向に沿って2セット、つまり、2段配置されている。すなわち、追加燃焼用空気ノズル42,43は、火炉11における燃焼バーナ21の装着位置よりも上方に配置されている。この追加燃焼用空気供給装置41は、火炉11に対して追加燃焼用空気(Over Fire Air)を吹き込むものである。すなわち、追加燃焼用空気ノズル42,43は、燃焼バーナ21,22,23,24,25と同様に、火炉11における4つの角部12a,12b,12c,12dに設けられる複数の追加燃焼用空気ノズルから構成されており、火炎旋回流と同様の追加燃焼用空気旋回流を形成する。そして、この追加空気ノズル42,43は、風箱のダンパによって追加燃焼用空気の流量が調整される。
そして、各追加燃焼用空気ノズル42,43は、燃焼バーナ21,22,23,24,25が吹き込んだ燃料ガスの上方に追加燃焼用空気を吹き込むことができる。
火炉11は、燃焼装置13よりも上方に追加空気供給装置51が設けられている。この追加空気供給装置51は、炉壁11a,11b,11c,11dに装着された複数の追加空気ノズル52を有している。この追加空気ノズル52は、火炉11の周方向に沿って4個が均等間隔で配設されたものが1セット、つまり、1段配置されている。すなわち、追加空気ノズル52は、火炉11における燃焼バーナ21の装着位置よりも所定距離だけ上方に配置されている。この追加空気供給装置51は、火炉11に対して追加空気(Additional Air)を吹き込むものである。すなわち、追加空気ノズル52は、燃焼バーナ21,22,23,24,25と同様に、火炉11における4つの角部12a,12b,12c,12dに設けられる複数の追加空気ノズルから構成されており、火炎旋回流と同様の追加空気旋回流を形成する。そして、この追加空気ノズル52は、空気ダクト37から分岐した分岐空気ダクト53の端部が連結されている。
したがって、送風機38により送られた燃焼用空気を分岐空気ダクト53から追加空気供給装置51に供給することができる。そして、追加空気ノズル52は、燃焼バーナ21,22,23,24,25が吹き込んだ燃料ガスおよび追加燃焼用空気ノズル42,43が吹き込んだ追加燃焼用空気の所定距離だけ上方に追加空気を吹き込むことができる。
なお、本実施形態の燃焼装置13を構成する各燃焼バーナ21,22,23,24,25は、図示しないが、上下のバーナ間に油燃料を噴射可能な油ノズルと、この油ノズルの外側に燃料ガスを噴射可能な燃料ノズルと、この燃料ノズルの外側に2次空気を噴射可能な2次空気ノズルとを有している。したがって、ボイラ起動時に、各燃焼バーナ21,22,23,24,25は、油燃料を火炉11内に噴射して火炎を形成し、その後、燃料ガスと2次空気とを火炉11内に噴射して図2に示す火炎F1,F2,F3,F4を形成している。
図1に示すように、火炉11は、上部に煙道70が連結されており、この煙道70に、対流伝熱部として燃焼ガスの熱を回収するための過熱器71,72、再熱器73,74および節炭器75,76,77が設けられている。対流伝熱部は、火炉11での燃焼で発生した排ガスと水との間で熱交換を行う。
煙道70は、その下流側に熱交換を行った排ガスが排出される排ガス管78が連結されている。この排ガス管78は、空気ダクト37との間にエアヒータ79が設けられ、空気ダクト37を流れる燃焼用空気と、排ガス管78を流れる排ガスとの間で熱交換を行い、燃焼バーナ21,22,23,24,25に供給する燃焼用空気を昇温することができる。
そして、排ガス管78は、図示しないが、脱硝装置、電気集塵機、誘引送風機および脱硫装置が設けられ、下流端部に煙突が設けられている。
このように構成された石炭焚きボイラ10は、微粉炭機31,32,33,34,35が駆動すると、生成された微粉炭が搬送用空気である1次空気とともに燃料供給管26,27,28,29,30を通して燃焼バーナ21,22,23,24,25に供給される。また、加熱された燃焼用空気である2次空気が空気ダクト37から風箱36を介して各燃焼バーナ21,22,23,24,25に供給される。また、加熱された燃焼用空気が空気ダクト37から分岐した分岐空気ダクト53により追加燃焼用空気ノズル43および追加空気ノズル52に供給される。
すると、燃焼バーナ21,22,23,24,25は、微粉炭と1次空気とが混合した燃料ガスと2次空気とが火炉11に吹き込まれて着火することで、火炉11内の燃焼領域Aに火炎旋回流を形成することができる。また、このとき、追加燃焼用空気ノズル42,43は、追加燃焼用空気が火炉11に吹き込まれることで、燃焼領域Aを適正に形成することができる。この火炉11では、燃料ガスと2次空気および追加燃焼用空気が燃焼して火炎旋回流が生じる。燃焼領域Aで火炎旋回流が生じると、燃焼ガスは、火炉11内を旋回しながら上昇して還元領域Bに至る。
このとき、火炉11が備える燃焼バーナ21,22,23,24,25は、空気の供給量が微粉炭の供給量に対して理論空気量未満となるように設定されることで、燃焼領域Aの上方の還元領域Bが還元雰囲気に保持される。そのため、微粉炭の燃焼により発生したNOxがこの還元領域Bで還元される。
追加空気ノズル52は、追加空気を火炉11の還元領域Bの上方に吹き込む。すると、燃焼完結領域Cで、燃焼ガスと追加空気とが反応することで微粉炭の酸化燃焼が完結され、微粉炭の燃焼によるNOxの発生量が低減される。
ところで、燃焼領域Aおよび還元領域Bでは、空気不足により酸素濃度が低く、かつ、火炎と炉壁との距離が近く高温となることから、低酸素かつ高温領域が形成される。そのため、腐食成分である硫化水素(H2S)が発生しやすく、炉壁の内面に腐食が発生する可能性がある。また、燃焼領域Aや還元領域Bでは、炉壁近傍でフライアッシュが溶融し、炉壁に溶融灰が付着することにより、伝熱・燃焼障害等を引き起こす可能性もある。
つぎに、第1実施形態に係る燃焼バーナ21についてより詳細に説明する。なお、火炉11の各角部12a,12b,12c,12dにある各燃焼バーナ21a,21b,21c,21dは、配置位置が異なるのみで同様の構造である。以下、配置に関係のない点について説明する場合、燃焼バーナ21として説明する。
図3は、本発明の第1実施形態に係る燃焼バーナの概略構成図である。図4乃至図7は、本発明の第1実施形態に係る燃料供給管の各断面図および正面図である。図8は、本発明の第1実施形態に係る燃料供給管内の上流側板の配置を示す断面図である。図9は、本発明の第1実施形態に係る燃料供給管内の下流側板の配置を示す断面図である。図10は、本発明の第1実施形態に係る燃燃焼バーナを有する微粉燃料焚きボイラにおける燃焼領域を表す平面図である。
第1実施形態に係る燃焼バーナ21は、図3に示すように、鉛直方向に沿って設置された燃料供給管26と、燃料供給管26の一部である湾曲部82と、湾曲部82よりも燃料ガスの流れ方向GFの下流側に位置し、燃料供給管26内に配設された上流側板83と、上流側板83よりも燃料ガスの流れ方向GFの下流側に位置し、燃料供給管26内に配設された下流側板84と、を備える。
燃料供給管26は、鉛直方向に沿って設置され、燃料ガスの流れを水平方向に曲げる湾曲部82を有する。湾曲部82は、ほぼ90度湾曲している。燃料供給管26は、燃料ガスの流れ方向GFの下流端部に、微粉炭と1次空気とを混合した燃料ガスを火炉11内に吹き出すため、噴出口81を有する。図3において、右側が火炉11への出口である噴出口81である。湾曲部82よりも燃料ガスの流れ方向GFの下流側において、水平方向の軸X、鉛直方向の軸Yとすると、燃料供給管26の流路GPの中心軸Zは、X軸とY軸のとの交点を通過する。すなわち、図3乃至図9に示すように、X軸正方向が炉内側、その反対のX軸負方向が炉壁側であり、Y軸正方向が上方、その反対のY軸負方向が下方である。
上流側板83は、燃料供給管26内に配設され、湾曲部82よりも燃料ガスの流れ方向GFの下流側に位置する。上流側板83は、燃料供給管26の流路GPを上方と下方とに二分する。図4乃至図6において、上流側板83は、上方と下方とに燃料供給管26の流路GPを二分する水平な板としたが、この構成に限られるものではなく、図8に示すように、水平方向から所定の角度θだけ傾いた板であっても良い。ただし、水平方向に対する傾きを示す角度θは−45度以上または45度以下である。
下流側板84は、燃料供給管26内に配設され、上流側板83よりも燃料ガスの流れ方向GFの下流側に位置する。下流側板84は、燃料供給管26の流路GPを火炉11の炉壁11a,11b,11c,11d寄りである炉壁側と火炉11の内部寄りである炉内側とに二分する。図6または図7において、下流側板84は、炉壁側と炉内側とに燃料供給管26の流路GPを二分する鉛直な板としたが、この構成に限られるものではなく、図9に示すように、鉛直方向から所定の角度φだけ傾いた板であっても良い。ただし、鉛直方向に対する傾きを示す角度φは−45度以上または45度以下である。
燃料供給管26の流路GPを噴射口81から見たときに、流路GPの燃料ガスの流れ方向GFに直交する断面は、上流側板83の下流端部83bと下流側板84の上流端部84aとで四分される。なお、上流側板83の下流端部83bと下流側板84の上流端部84aとは接していてもよいし、離れていてもよい。
第1実施形態に係る燃焼バーナ21では、上流側板83の下流端部83bと下流側板84の上流端部84aとで四分された流路GPの断面に関して、上方および下方の炉壁側の断面積の和に対する上方かつ炉壁側の断面積の比が、上方および下方の炉内側の断面積の和に対する上方かつ炉内側の断面積の比よりも小さい。すなわち、図6に示すように、上方かつ炉内側の断面積S1、上方かつ炉壁側の断面積S2、下方かつ炉壁側の断面積S3、下方かつ炉内側の断面積S4とすると、炉壁側の断面積の比S2/(S2+S3)は炉内側の断面積の比S1/(S1+S4)よりも小さい。
燃料供給管26内の鉛直方向の燃料ガスの流れは、湾曲部82の前ではほぼ均一な微粉炭濃度分布を呈している。そして、燃料ガスの流れは、湾曲部82によって水平方向に曲げられるために生じた遠心力により、湾曲部の外側、すなわち上方に微粉炭粒子は偏流し、微粉炭濃度分布に偏りが生まれる。したがって、流路GP内に、上方の微粉炭濃度が高い領域と下方の微粉炭濃度が低い領域とが生じる。しかしながら、従来の燃焼バーナでは、湾曲部82における偏流によって微粉炭濃度分布に偏りが生じても、噴出口81に至るまでにその偏りが是正されるため、噴出口における微粉炭濃度分布はほぼ均一であった。
これに対して、第1実施形態に係る燃焼バーナ21は、図3または図4に示すように、湾曲部82よりも下流側に上流側板83が設けられていることで、上流側板83によって、湾曲部における偏流によって生じた微粉炭濃度分布の偏りを利用して、上方の微粉炭濃度が高い領域と下方の微粉炭濃度が低い領域とに流路GPを二分する。そして、上流側板83よりも下流側に下流側板84が設けられていることで、図6に示すように、下流側板84の上流端部84aによって、上方の微粉炭濃度が高い領域と下方の微粉炭濃度が低い領域とを、それぞれさらに炉壁側と炉内側とに流路GPを二分する。その後、下流側板84によって隔てられた炉壁側の流路GPあるいは炉内側の流路GPを通過した燃料ガスがそれぞれ、噴出口81から火炉11内に噴出される。上述の通り、各燃焼バーナ21a,21b,21c,21dは、火炉11の中央部よりもそれぞれ各炉壁11a,11b,11c,11dに偏った位置に燃焼ガスを噴射することにより、火炎F1,F2,F3,F4は、火炉11の中央部よりも炉壁側に偏った位置に形成される。
このとき、流路GPの断面積の比を考えると、図6に示すように、炉壁側の断面積の比S2/(S2+S3)は炉内側の断面積の比S1/(S1+S4)よりも小さい。四分された流路GPのうち上方かつ炉内側の断面積S1と上方かつ炉壁側の断面積S2とを占める上方の領域は微粉炭濃度が同じで、下方の領域に比べて微粉炭濃度が高い。四分された流路GPのうち下方かつ炉壁側の断面積S3と下方かつ炉内側の断面積S4S4とを占める下方の領域は濃度が同じで、上方の領域に比べて微粉炭濃度が低い。したがって、炉壁側の断面積の比が炉内側の断面積の比よりも小さいことで、噴出口81における微粉炭濃度は、炉壁側の方が炉内側よりも小さい。換言すると、噴出口81から噴出される燃料ガスは炉壁側の方が炉内側よりも微粉炭濃度が小さいので、火炎は、炉壁側の方が炉内側よりも空気を多く含む。
そのため、図10に示すように、炉壁11a,11b,11c,11dに接近する火炎F1,F2,F3,F4の外側に高酸素領域A1,A2,A3,A4を発生させることができる。これにより、上述の燃焼領域Aや還元領域Bの炉壁11a,11b,11c,11d近傍が高酸素領域A1,A2,A3,A4となり、硫化水素の発生が抑制されることから、硫化水素による炉壁11a,11b,11c,11dの内面に腐食が発生するのを抑制できる。また、上述の燃焼領域Aや還元領域Bの炉壁11a,11b,11c,11d近傍が高酸素領域A1,A2,A3,A4となることで、炉壁11a,11b,11c,11d近傍でフライアッシュが溶融するのを抑制でき、炉壁11a,11b,11c,11dに溶融灰が付着するのを抑制できるため、伝熱・燃焼障害等を抑制できる。
さらに、噴出口での微粉炭濃度分布を制御すべく、燃料供給管内にひねり板または流速回転板を設ける従来の構成では、燃料ガスの流れに旋回が加えられることによって、燃料ガスの着火の不安定性が増す可能性がある。これに対して、本発明の第1実施形態に係る燃焼バーナ21は、燃料供給管26内に2枚の板を設けるだけなので、燃料ガスの流れの旋回を抑制することができ、燃料ガスの着火の不安定性を抑制できる。また、ひねりを有する板を管に三次元的に施工する必要がある従来の燃焼バーナの構成に比べて、燃焼バーナ21は、燃料供給管26に2枚の板を施工するのが容易となり、製造コストを低減することができる。
また、燃焼バーナ21は、燃料供給管26の流路GPの燃料ガスの流れ方向GFに直交する断面が、下流側板84の上流端部84aを含む位置において円形または四隅に曲線部86を設けた矩形であり、かつ、噴出口81を含む位置において四隅に曲線部86を設けた矩形または矩形であってもよい。すなわち、燃料供給管26は、図4乃至図7に示すように、湾曲部82の下流端部82bから噴出口81にかけて円管から四隅に曲線部86を設けた矩形管または矩形管に連続的に変形する管である場合、図4乃至図6に示すように、上流側板83の上流端部83aは、上流側板83の下流端部83bよりも下方に位置し、上流側板83の下流端部83bは、流路GPの中心軸Zよりも上方に位置することが好ましい。また、下流側板84の上流端部84aは、図6または図7に示すように、流路GPの中心軸Zよりも路壁側に位置するのが好ましい。
上流側板83の上流端部83aが上流側板83の下流端部83bよりも下方に位置することで、上流側板83によって上方と下方に二分された流路GPの断面のうち上方の断面が、下流側ほど小さくなる。これにより、微粉炭濃度が高い領域が下流側ほど流路GPの上方に偏る。そして、下流側板84の上流端部84aは、流路GPの中心軸Zよりも路壁側に位置することで、炉壁側の断面積の比S2/(S2+S3)を炉内側の断面積の比S1/(S1+S4)よりも小さくできる。したがって、噴出口81における微粉炭濃度は炉壁側の方が炉内側よりも小さくできるため、炉壁11a,11b,11c,11dに接近する火炎F1,F2,F3,F4の外側に高酸素領域A1,A2,A3,A4を発生させることができる。その結果、燃焼バーナ21は、炉壁11a,11b,11c,11dの腐食を抑制するとともに、炉壁11a,11b,11c,11dへの溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
また、燃焼バーナ21は、燃料供給管26の流路GPの燃料ガスの流れ方向に直交する断面が、湾曲部82の下流端部82bから噴出口81までの燃料供給管26を含むいずれの位置においても円形であってもよい。すなわち、図示はしないが、燃料供給管26は円管である場合、上流側板83の上流端部83aは、上流側板83の下流端部83bよりも下方に位置し、上流側板83の下流端部83bは、流路GPの中心軸Zよりも上方に位置するのが好ましい。また、下流側板84の上流端部84aは、流路GPの中心軸Zよりも路壁側に位置するのが好ましい。
上流側板83の上流端部83aが上流側板83の下流端部83bよりも下方に位置することで、上流側板83によって上方と下方に二分された流路GPの断面のうち上方の断面が、下流側ほど小さくなる。これにより、微粉炭濃度が高い領域が下流側ほど流路GPの上方に偏る。そして、下流側板84の上流端部84aは、流路GPの中心軸Zよりも路壁側に位置することで、炉壁側の断面積の比S2/(S2+S3)を炉内側の断面積の比S1/(S1+S4)よりも小さくできる。したがって、噴出口81における微粉炭濃度は炉壁側の方が炉内側よりも小さくできるため、燃焼バーナ21は、炉壁11a,11b,11c,11dに接近する火炎F1,F2,F3,F4の外側に高酸素領域A1,A2,A3,A4を発生させることができる。その結果、燃焼バーナ21は、炉壁11a,11b,11c,11dの腐食を抑制するとともに炉壁11a,11b,11c,11dへの溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
また、燃焼バーナ21は、湾曲部82直前の燃料供給管26の内側に濃淡分離機87を備えていてもよい。このような構成により、図3に示すように、濃淡分離機87に燃料ガスが衝突して、その下流側では濃淡分離機87と反対側の微粉炭濃度が高くなり、濃淡分離機87の下流側では微粉炭濃度が低くなる。すなわち、濃淡分離機87よりも下流側で微粉炭濃度分布の偏りを生むことができる。この微粉炭濃度分布の偏りは、湾曲部82における遠心力によって、さらに大きくなる。したがって、濃淡分離機87の下流側にある上流側板83と下流側板84とによって、炉内側の微粉炭濃度が高い領域と炉壁側の微粉炭濃度が低い領域とに流路GPをより確実に分けることができる。その結果、燃焼バーナ21は、炉壁11a,11b,11c,11dに接近する火炎F1,F2,F3,F4の外側に高酸素領域A1,A2,A3,A4を発生させ、炉壁11a,11b,11c,11dの腐食を抑制するとともに炉壁11a,11b,11c,11dへの溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
つぎに、図11乃至図16を用いて、本発明の第1実施形態に係る上流側板の変形例101、下流側板の変形例102,103、偏向部104、第1の偏向板105および第2の偏向板106について説明する。
図11は、本発明の第1実施形態に係る上流側板の第1変形例を含む燃料供給管の断面図(図3に示すD−D部)である。図11に示す上流側板101は、燃料ガスの流れ方向GFに沿って上方に凸の湾曲板である。このような構成により、上流側板によって、燃料ガスの剥離を抑制しつつ、上方の微粉炭濃度が高い領域と下方の微粉炭濃度が低い領域とに流路GPを分けることができる。その結果、燃焼バーナ21は、炉壁11a,11b,11c,11dに接近する火炎F1,F2,F3,F4の外側に高酸素領域A1,A2,A3,A4を発生させ、炉壁11a,11b,11c,11dの腐食を抑制するとともに炉壁11a,11b,11c,11dへの溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
図12は、本発明の第1実施形態に係る下流側板の第1変形例を含む燃料供給管の断面図(図3に示すE−E部)である。図12に示す下流側板102は、下流端部102bが、上流端部102aよりも炉内側に位置する。このような構成により、下流端部102bを含み、流路GPの燃料ガスの流れ方向に直交する断面のうち炉内側の断面は、上流端部102aを含み、流路GPの燃料ガスの流れ方向に直交する断面のうち炉内側の断面よりも小さい。これにより、下流側板102によって、噴出口81付近において微粉炭濃度が高い燃料ガスの流れをより炉内側に偏らせることができる。その結果、燃焼バーナ21は、炉壁11a,11b,11c,11dに接近する火炎F1,F2,F3,F4の外側に高酸素領域A1,A2,A3,A4をより確実に発生させ、炉壁11a,11b,11c,11dの腐食を抑制するとともに炉壁11a,11b,11c,11dへの溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
図13は、本発明の第1実施形態に係る下流側板の第2変形例を含む燃料供給管の断面図(図3に示すE−E部)である。図13に示す下流側板103は、燃料ガスの流れ方向GFに沿って炉壁側に凸の湾曲板である。下流側板103は、下流端部103bが、上流端部103aよりも炉内側に位置する。このような構成により、下流端部103bを含み、流路GPの燃料ガスの流れ方向に直交する断面のうち炉内側の断面は、上流端部103aを含み、流路GPの燃料ガスの流れ方向に直交する断面のうち炉内側の断面よりも小さい。このこととともに、下流側板が燃料ガスの流れ方向GFに沿って炉壁側に凸の湾曲板であることで、下流側板103によって、燃料ガスの剥離を抑制しつつ、噴出口81付近において微粉炭濃度が高い燃料ガスの流れをより炉内側に偏らせることができる。その結果、燃焼バーナ21は、炉壁11a,11b,11c,11dに接近する火炎F1,F2,F3,F4の外側に高酸素領域A1,A2,A3,A4をより確実に発生させ、炉壁11a,11b,11c,11dの腐食を抑制するとともに炉壁11a,11b,11c,11dへの溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
図14は、本発明の第1実施形態に係る下流側板の第3変形例を含む燃料供給管の断面図(図3に示すE−E部)である。図14下流側板104は、燃料ガスの流れ方向GFの途中で炉内側に偏向する偏向部104bを有する。下流側板104の下流端部に設けられた偏向部104bは、下流側板104の上流端部104aよりも炉内側に位置する。このような構成により、下流端部104bを含み、流路GPの燃料ガスの流れ方向に直交する断面のうち炉内側の断面は、上流端部104aを含み、流路GPの燃料ガスの流れ方向に直交する断面のうち炉内側の断面よりも小さい。これにより、偏向部104bによって、噴出口81付近において微粉燃料濃度が高い燃料ガスの流れをより炉内側に偏らせることができる。その結果、燃焼バーナ21は、炉壁11a,11b,11c,11dに接近する火炎F1,F2,F3,F4の外側に高酸素領域A1,A2,A3,A4をより確実に発生させ、炉壁11a,11b,11c,11dの腐食を抑制するとともに炉壁11a,11b,11c,11dへの溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
図15は、本発明の第1実施形態に係る第1の偏向板を含む燃料供給管の断面図(図3に示すE−E部)である。図15に示すように、下流側板84よりも下流側に位置する第1の偏向板105を備え、第1の偏向板105の上流端部105aは、下流側板84の下流端部84bに接し、第1の偏向板105の下流端部105bは、下流側板84の下流端部84bよりも炉内側に位置する。このような構成により、第1の偏向板105の下流端部105bを含み、流路GPの燃料ガスの流れ方向に直交する断面のうち炉内側の断面は、下流側板84の上流端部84aを含み、流路GPの燃料ガスの流れ方向に直交する断面のうち炉内側の断面よりも小さい。これにより、第1の偏向板105によって、噴出口81付近において微粉燃料濃度が高い燃料ガスの流れをより炉内側に偏らせることができる。その結果、燃焼バーナ21は、炉壁11a,11b,11c,11dに接近する火炎F1,F2,F3,F4の外側に高酸素領域A1,A2,A3,A4をより確実に発生させ、炉壁11a,11b,11c,11dの腐食を抑制するとともに炉壁11a,11b,11c,11dへの溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
図16は、本発明の第1実施形態に係る第2の偏向板を含む燃料供給管の断面図(図3に示すE−E部)である。図16に示すように、噴出口81付近の燃料供給管26内の炉壁側に設けられた第2の偏向板106を備え、第1の偏向板105による燃料ガスの炉内側への偏向に沿って、第2の偏向板106の下流端部106bが第2の偏向板106の上流端部106aよりも炉内側に位置する。このような構成により、第1の偏向板105の下流端部105bを含み、流路GPの燃料ガスの流れ方向に直交する断面のうち炉内側の断面は、下流側板84の上流端部84aを含み、流路GPの燃料ガスの流れ方向に直交する断面のうち炉内側の断面よりも小さい。これにより、第1の偏向板105によって、微粉燃料濃度が高い燃料ガスの流れをより炉内側に偏らせるとともに、第2の偏向板106によって、微粉燃料濃度が低い燃料ガスの流れも炉内側に偏らせることができる。その結果、燃焼バーナ21は、炉壁11a,11b,11c,11dに接近する火炎F1,F2,F3,F4の外側に高酸素領域A1,A2,A3,A4をより確実に発生させつつ火炎F1,F2,F3,F4をより炉壁11a,11b,11c,11dから遠ざけることができ、炉壁11a,11b,11c,11dの腐食を抑制するとともに炉壁11a,11b,11c,11dへの溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。
また、本発明の他の態様に係る燃焼バーナは、下流側板84の下流端部は、噴出口81に位置する。このような構成により、燃料ガスが噴出口81から噴出直前するまで、微粉炭濃度が高い領域と微粉炭濃度が低い領域とに流路GPをより確実に分けることができる。その結果、燃焼バーナ21は、炉壁11a,11b,11c,11dに接近する火炎F1,F2,F3,F4の外側に高酸素領域A1,A2,A3,A4を発生させ、炉壁11a,11b,11c,11dの腐食を抑制するとともに炉壁11a,11b,11c,11dへの溶融灰の付着を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。