JP6804318B2 - 燃焼バーナ及びこれを備えたボイラ - Google Patents
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Description
特許文献1の燃焼バーナは、燃料ノズルの周方向の速度成分を持つ追加空気を噴出させる追加空気ノズルを設け、低酸素濃度の搬送気体で搬送された燃料と空気との混合を促進するものである。また、特許文献2の燃焼バーナは、燃料ノズルの中心軸付近に発散円錐を配置して中心軸に沿って流れる燃料量を減少させ、加熱ガスを燃料ノズル内に導入して一次流の中央部分における燃料に対する化学量論比を高めることで燃料のガス化を促進するものである。
そして、火炉に隣接した燃料ノズルの先端における燃料の着火性を高めるためには、炭素含有固体燃料とした例えば石炭(微粉炭)の質量に対する空気の質量の割合(以下、「A/C比」という。)を低くして、周囲の火炎の輻射による着火を促進させるのが望ましい。
一方、燃料ガスにおけるA/C比を高くしすぎると、周囲の火炎の輻射を受けにくくなることにより燃料に含まれる可燃性の揮発分の放出が遅れ、2次空気との接触部分で遅れて放出された揮発分の酸化燃焼による高い火炎温度によってNOxの発生量が増大する可能性がある。
このようにすることで、2次空気が燃料ガス流路へ導入されてから保炎器に到達するまでのガス流通方向の距離を十分に確保しつつ燃焼バーナの大型化を防止し、導入された2次空気と燃料ガスとがより均一な濃度分布となった状態で保炎器による着火ないし保炎を行うことができる。
本構成によれば、2次空気は、燃料ガスのガス流通方向の主成分の流速を持って2次空気導入流路から燃料ガス流路へ導入されるため、燃料ガスとの合流時に大きな乱れを生じさせることなく緩やかに拡散しながら混合する。
このようにすることで、燃料ガス流路における燃料の偏流を防止し、2次空気と燃料ガスとがより均一な濃度分布となった状態で保炎器による着火ないし保炎を行うことができる。
本発明のボイラによれば、上記の燃焼バーナを備えているので、排ガス中のNOxが低減されたボイラを提供することができる。
このようにすることで、炭素含有固体燃料を粉砕する粉砕機から燃料供給管へ至る流路における微粉炭混合気の流量を増加させることなく、燃料ガス流路へ供給される1次空気の量を増加させることができる。そのため、粉砕機へ1次空気を通風する通風機の動力増加、粉砕機の分級精度の低下、燃料を搬送する搬送管の摩耗量の増加等の不具合を抑制することができる。
熱交換器を通過した高温の空気と熱交換器を通過していない低温の空気とを適量で混合することにより、燃料ガス流路へ導入される2次空気の温度を適温(例えば、100℃以上かつ300℃以下)まで低下させることができる。これにより、燃料ガス流路へ導入された高温の2次空気により炭素含有固体燃料を粉砕した燃料が発火する不具合を抑制することができる。
第1実施形態の燃焼バーナが適用された微粉炭焚きボイラは、炭素含有固体燃料として石炭を粉砕した微粉炭を用い、この微粉炭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なボイラである。
なお、排ガス管48は、図示しないが、脱硝装置、電気集塵機、誘引送風機、脱硫装置が設けられ、下流端部に煙突が設けられている。
図3の縦断面図に示すように、本実施形態の燃焼バーナ100Aは、燃料ノズル110と、2次空気ノズル120と、2次空気導入流路130と、保炎器140と、を備える。なお、図3の縦断面図は、後述する図4に示す燃焼バーナ100AのII-II矢視断面図となっている。
燃料ノズル110は、火炉11に隣接して配置される先端側ノズル110aと、先端側ノズル110aの上流側に配置される基端側ノズル110bとを有する。先端側ノズル110aと基端側ノズル110bとは、2次空気導入流路130を間に配置した状態で連結されている。
そのため、最小幅W1および最小幅W2の関係は、第1位置P1よりもガス流れ下流側の第2位置P2における先端側ノズル110aの断面積が、第1位置P1よりもガス流れ上流側の第3位置P3における基端側ノズル110bの断面積よりも大きくなるように設定される。2次空気の一部を2次空気導入流路130から燃料ガス流路111へ導入することにより燃料ガス流路111を流通する微粉燃料混合気の流速が上昇することによる不具合を抑制して、内部保炎を安定化することができる。
図5において、実線で示す矢印は2次空気流路121から燃料ガス流路111へ導入される2次空気と、燃料ガス流路111へ導かれずに2次空気流路121を流通する2次空気とを示す。一方、破線で示す矢印は燃料ガス流路111を流通する微粉燃料混合気を示す。
このように、鉛直方向の同位置において微粉燃料混合気と導入する2次空気とが隣接した状態で流通するため、微粉燃料混合気と導入した2次空気とを良好に混合することができる。
一方、空気ダクト37から2次空気ノズル120へ供給される燃焼用空気(2次空気)は、図3の矢印301,302に示す方向に沿って2次空気流路121へ流入する。
また、燃焼バーナ100Aの運用にあたり、微粉燃料混合気と各々の導入された2次空気とのガス拡散で混合されて均一化でないことが保炎器140での保炎状況などから想定された場合は、上方導入部131,132,133,134、および下方導入部135,136,137,138の流路断面積を図示しないダンバなどで調整することで、軸線X1に対して対称にすることが可能である。
2≦L/W1≦5 (1)
また、導入された2次空気と微粉燃料混合気との混合には、2次空気導入流路130の形状や大きさを調整し適正化することで選定する。2≦L/W1としているのは、保炎器140を通過する微粉燃料混合気を、導入された2次空気と均一に混合された微粉燃料混合気とするためである。また、2次空気導入流路130の形状や大きさを大きくするように選定することで、導入された2次空気との混合が促進されるが、混合にあたり流れが乱されて、微粉燃料混合気より温度が高い2次空気との間で着火する場合があることから、2次空気導入流路130の形状や大きさの上限が存在する。2次空気導入流路130の形状や大きさの上限と、燃焼バーナ100Aの大型化を防止するために、L/W1≦5としている。
第1位置P1で2次空気と混合した微粉燃料混合気は、第1位置P1から第4位置P4へ向けて濃度分布を均一化しながら矢印202,203,204で示す方向に流通し、保炎器140の上流端へ到達する。
このようにすることで、2次空気が燃料ガス流路111へ導入されてから保炎器140に到達するまでのガス流通方向の距離を十分に確保しつつ燃焼バーナ100Acの大型化を防止し、導入された2次空気と燃料ガスとがより均一な濃度分布となった状態で保炎器140による着火ないし保炎を行うことができる。
本実施形態の燃焼バーナ100Aによれば、2次空気は、燃料ガスのガス流通方向の主成分の流速を持って2次空気導入流路130から燃料ガス流路111へ導入されるため、燃料ガスとの合流時に大きな乱れを生じさせることなく緩やかに拡散しながら混合する。
次に、本発明の第2実施形態の微粉炭焚きボイラについて説明する。
第2実施形態の微粉炭焚きボイラ10Aは、第1実施形態の微粉炭焚きボイラ10の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第1実施形態の微粉炭焚きボイラ10と同様であるものとし、以下での説明を省略する。
送風機38により送風される空気は、その一部が空気ダクト37Aへ供給され、その他が空気ダクト37Bへ供給される。
次に、本発明の第3実施形態の微粉炭焚きボイラについて説明する。
第3実施形態の微粉炭焚きボイラは、第1実施形態の微粉炭焚きボイラ10の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第1実施形態の微粉炭焚きボイラ10と同様であるものとし、以下での説明を省略する。本実施形態の微粉炭焚きボイラが備える燃焼バーナ100Fは、燃料ガス流路111の内部に整流部150が設けられている点で第1実施形態の微粉炭焚きボイラ10が備える燃焼バーナ100Aと異なる。
整流部150は、微粉燃料混合気を燃料ガス流路111内で攪拌し、微粉燃料混合気が微粉炭供給管26を流通する際に生じる微粉炭の偏流(流路断面における微粉炭の濃度の偏り)を解消するための部材である。整流部150は、燃料ノズル110内の保炎器140よりもガス流通方向の上流側に配置されている。
例えば、図9(図7に示す燃焼バーナ100FのIII-III矢視端面図)に示すように、矩形状の複数の整流部150Aを燃料ノズル110の内周面を取り囲むように間隔を空けて配置してもよい。
なお、以上の説明においては、整流部150および整流部150Aを2次空気導入流路130が燃料ガス流路111へ2次空気の一部を導入する第1位置P1よりもガス流通方向の下流側に設けることとしたが、他の態様であってもよい。
また、例えば、整流部を、微粉炭供給管26,27,28,29,30の内部に設けるようにしてもよい。この場合、整流部は、断面視が円形の微粉炭供給管の内周面に沿うように円環形状としてもよい。
このようにすることで、整流部から保炎器140までのガス流通方向の距離を十分に確保し、整流部で攪拌された微粉燃料混合気を、乱れのない状態で保炎器140へ供給することができる。
次に、本発明の第4実施形態の微粉炭焚きボイラについて説明する。
第4実施形態の微粉炭焚きボイラは、第1実施形態の微粉炭焚きボイラ10の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第1実施形態の微粉炭焚きボイラ10と同様であるものとし、以下での説明を省略する。本実施形態の微粉炭焚きボイラが備える燃焼バーナ100Gは、2次空気導入管26Aを備えている点で第1実施形態の微粉炭焚きボイラ10が備える燃焼バーナ100Aと異なる。
本実施形態の燃焼バーナ100Aは、図10に示すように、火炉11における4つの壁面に設けられる燃焼バーナ100Ga,100Gb,100Gc,100Gdから構成されている。
上述した各実施形態では、燃焼装置12として、火炉11の壁面に設けられる4つの各燃焼バーナ100A,100B,100C,100D,100Eを鉛直方向に沿って5段配置して構成したが、この構成に限定されるものではない。即ち、燃焼バーナを壁面に配置せずにコーナーに配置してもよい。また、燃焼装置は、旋回燃焼方式に限らず、燃焼バーナを一つの壁面に配置したフロント燃焼方式、燃焼バーナを二つの壁面に対向配置した対向燃焼方式としてもよい。また燃焼装置12の燃焼バーナ100A,100B,100C,100D,100Eは、角筒状のものに限定されず、例えば、円筒状のものであってもよい。
11 火炉
12 燃焼装置
26,27,28,29,30 微粉炭供給管(燃料供給管)
31,32,33,34,35 微粉炭機(粉砕機)
36 風箱
37 空気ダクト(2次空気供給管)
38 送風機
49 エアヒータ(熱交換器)
100A,100B,100C,100D,100E,100F,100G 燃焼バーナ
110 燃料ノズル
110a 先端側ノズル
110b 基端側ノズル
110c 先端部
111 燃料ガス流路
120 2次空気ノズル
121 2次空気流路
130 2次空気導入流路
131,132,133,134 上方導入部
135,136,137,138 下方導入部
140 保炎器
141,142,143 拡幅部
150 整流部
Claims (7)
- 軸線に沿って筒状に延びるとともに炭素含有固体燃料を粉砕した燃料と1次空気とを混合した燃料ガスを火炉へ供給する燃料ガス流路を形成する燃料ノズルと、
前記軸線に沿って筒状に延びるとともに前記燃料ガスより温度の高い2次空気が流通する2次空気ノズルと、
前記2次空気ノズルと前記燃料ノズルの間に形成され前記火炉へ前記2次空気を供給する2次空気流路と、
前記2次空気流路を流通する前記2次空気の少なくとも一部を前記燃料ガス流路へ導入する2次空気導入流路と、
前記燃料ノズルの前記火炉へ開口する先端部に対して前記燃料ガスのガス流通方向の上流側に配置され、前記燃料ガスの流れを分離して前記ガス流通方向の下流側に再循環領域を形成する保炎器と、を備え、
前記燃料ノズルの前記先端部の形状は、前記ガス流通方向に直管状に延びる形状となっており、
前記2次空気導入流路が前記燃料ガス流路へ前記2次空気の少なくとも一部を導入する導入位置から前記保炎器の設置位置までの前記ガス流通方向の距離をLとし、前記導入位置から前記設置位置へ至る前記燃料ガス流路の最小幅をWとした場合に2≦L/W≦5を満たす燃焼バーナ。 - 前記2次空気導入流路は、前記ガス流通方向の主成分を持つ流速で前記2次空気の少なくとも一部を前記燃料ガス流路へ導入する請求項1に記載の燃焼バーナ。
- 前記保炎器は、前記ガス流通方向と交差する方向に沿って延びるように形成されるとともに前記ガス流通方向における下流側に向かって前記ガス流通方向に直交する断面の幅が広くなる拡幅部を有する請求項1または請求項2に記載の燃焼バーナ。
- 前記燃料ノズル内の前記保炎器よりも前記ガス流通方向の上流側に配置された整流部を備える請求項1または請求項2に記載の燃焼バーナ。
- 火炉と、
該火炉に対して設置された請求項1または請求項2に記載の燃焼バーナと、を備えるボイラ。 - 炭素含有固体燃料を粉砕した燃料と1次空気とを混合した燃料ガスを前記燃料ガス流路へ供給する燃料供給管と、
送風機により送風される2次空気を前記2次空気流路へ供給する空気ダクトと、
前記空気ダクトを流通する前記2次空気の一部を前記燃料供給管へ供給する2次空気導入管と、を備える請求項5に記載のボイラ。 - 前記火炉にて前記燃焼バーナからの噴出する燃焼ガスのガス流れ下流側で前記燃焼ガスと空気との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器を通過した空気と該熱交換器を通過していない空気とを混合して前記2次空気ノズルへ供給する空気ダクトと、を備える請求項5に記載のボイラ。
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