JP6991939B2 - Burner - Google Patents
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Description
本発明は、バイオマスを燃料として用いるバーナに関するものである。 The present invention relates to a burner that uses biomass as a fuel.
地球温暖化問題におけるCO2の低減策の1つとしては、再生可能エネルギーの利用を促進することが考えられている。また、再生可能エネルギーについては、カーボンニュートラルの観点から、バイオマスの燃料としての利用が注目されている。 As one of the measures to reduce CO 2 in the problem of global warming, it is considered to promote the use of renewable energy. Regarding renewable energy, the use of biomass as a fuel is drawing attention from the viewpoint of carbon neutrality.
バイオマス燃料としては、木材などの木質バイオマスを粉体化して製造される粉体バイオマス燃料(バイオマス粉体燃料)が知られている。 As a biomass fuel, a powder biomass fuel (biomass powder fuel) produced by powdering woody biomass such as wood is known.
この種のバイオマス由来の粉体バイオマス燃料を使用するバーナは、従来提案されている(たとえば、特許文献1参照)。 Burners using this type of biomass-derived powdered biomass fuel have been conventionally proposed (see, for example, Patent Document 1).
このバーナは、横向きで一端側が開口した円筒状のバーナ管を備え、バーナ管の他端寄りに、粉体燃料供給管路が接続されると共に、一次空気供給口と、点火手段とを備え、更に、一次空気供給口よりも、バーナ管の一端側の開口に近い位置に、二次空気供給口を備えた構成とされている。 This burner is provided with a cylindrical burner tube that is sideways and has one end open, a powder fuel supply line is connected to the other end of the burner tube, and a primary air supply port and an ignition means are provided. Further, the secondary air supply port is provided at a position closer to the opening on one end side of the burner pipe than the primary air supply port.
かかる構成のバーナは、一次空気供給口よりバーナ管内に旋回流を形成するように供給する一次空気により、粉体燃料供給管路より供給される粉体バイオマス燃料を低空気比で部分燃焼させる。更に、バーナは、前記部分燃焼により粉体バイオマス燃料中の揮発性成分が気化した時点で、燃焼に必要な残りの空気を、二次空気として二次空気供給口よりバーナ管内へ旋回流を形成するように供給し、バイオマス粉体燃料を完全燃焼させるものとされている。 The burner having such a configuration partially burns the powder biomass fuel supplied from the powder fuel supply pipeline at a low air ratio by the primary air supplied from the primary air supply port so as to form a swirling flow in the burner pipe. Further, when the volatile components in the powder biomass fuel are vaporized by the partial combustion, the burner forms a swirling flow from the secondary air supply port into the burner pipe by using the remaining air required for combustion as secondary air. It is supposed to be supplied so as to completely burn the biomass powder fuel.
ところで、特許文献1に示されたバーナは、一方向に延びるバーナ管内で、粉体バイオマス燃料を燃焼させる構成を備えている。そのため、このバーナでは、使用する粉体バイオマス燃料に、バーナ管内に形成する一次空気の旋回流と二次空気の旋回流に浮遊させて搬送可能な密度と粒径が要求され、また、一次空気と二次空気の旋回流によってバーナ管内を搬送される間に完全燃焼可能な燃焼性が要求される。
By the way, the burner shown in
したがって、特許文献1に示されたバーナは、使用できる粉体バイオマス燃料が、木質バイオマスを原料とし、且つ粒径が300μm以下に制限される、というのが実状である。
Therefore, the burner shown in
したがって、特許文献1に示されたバーナでは、300μmよりも大きな粒径を有するバイオマス燃料、木質バイオマスに比して燃焼性や発熱量が低いバイオマス由来のバイオマス燃料、水分量がより多いバイオマス燃料などの性状の異なるバイオマス燃料は、バーナ管内で落下して滞留する可能性や、バイオマス燃料の一部が未燃状態の固体のままでバーナ管の開口より放出される可能性があるため、使用することは難しい。
Therefore, in the burner shown in
そこで、本発明は、従来に比して広範な性状のバイオマス燃料を使用することが可能となるように、燃焼室におけるバイオマス燃料の燃焼性の向上化を図ることができるバーナを提供しようとするものである。 Therefore, the present invention aims to provide a burner capable of improving the combustibility of the biomass fuel in the combustion chamber so that the biomass fuel having a wider range of properties can be used as compared with the conventional one. It is a thing.
本発明は、前記課題を解決するために、上下方向に延びる円筒状の第1燃焼室と、前記第1燃焼室の下端側に設けられた流動層と、前記第1燃焼室の頂部に形成されたアーチ形状またはドーム形状の天井壁と、横方向に延びる円筒状であって軸心方向の一端側が前記第1燃焼室の上端側の側方に連通接続された第2燃焼室と、前記第2燃焼室における軸心方向の他端側に設けられた火炎噴出口と、前記流動層に流動媒体の流動用空気を兼ねる一次空気を供給する一次空気供給部と、前記第1燃焼室の周壁に接線方向に沿う姿勢で設けられた二次空気供給ノズルと、前記第2燃焼室の周壁に設けられた三次空気供給ノズルと、前記第1燃焼室へバイオマス燃料を供給する燃料供給ノズルと、を備えた構成を有するバーナとする。 In order to solve the above problems, the present invention is formed on a cylindrical first combustion chamber extending in the vertical direction, a flow layer provided on the lower end side of the first combustion chamber, and the top of the first combustion chamber. An arched or dome-shaped ceiling wall, a second combustion chamber that is cylindrical and has one end side in the axial direction connected to the side of the upper end side of the first combustion chamber, and the above. A flame outlet provided on the other end side in the axial direction in the second combustion chamber, a primary air supply unit that supplies primary air that also serves as flow air for the flow medium to the flow layer, and the first combustion chamber. A secondary air supply nozzle provided on the peripheral wall in a tangential direction, a tertiary air supply nozzle provided on the peripheral wall of the second combustion chamber, and a fuel supply nozzle for supplying biomass fuel to the first combustion chamber. , And a burner having a configuration.
前記二次空気供給ノズルは、前記第1燃焼室の前記周壁における前記第2燃焼室の接続位置よりも下方に設けられた構成としてもよい。 The secondary air supply nozzle may be configured to be provided below the connection position of the second combustion chamber on the peripheral wall of the first combustion chamber.
前記燃料供給ノズルは、前記第1燃焼室の周壁における前記二次空気供給ノズルの設置位置よりも上方に設けられた構成としてもよい。 The fuel supply nozzle may be configured to be provided above the installation position of the secondary air supply nozzle on the peripheral wall of the first combustion chamber.
前記三次空気供給ノズルは、前記第2燃焼室の前記周壁に接線方向に沿う姿勢で設けられた構成としてもよい。 The tertiary air supply nozzle may be provided in a posture along the tangential direction on the peripheral wall of the second combustion chamber.
前記天井壁は、アーチ形状とされ、前記天井壁と、前記第2燃焼室の軸心方向一端部は、同軸心配置で、同一半径とした構成としてもよい。 The ceiling wall may have an arch shape, and the ceiling wall and one end in the axial direction of the second combustion chamber may be arranged in a coaxial center and have the same radius.
本発明のバーナによれば、燃焼室におけるバイオマス燃料の燃焼性の向上化を図ることができる。 According to the burner of the present invention, it is possible to improve the combustibility of the biomass fuel in the combustion chamber.
以下、本開示のバーナについて、図面を参照して説明する。 Hereinafter, the burner of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は、バーナの第1実施形態を示すもので、図1(a)は、切断概略正面図、図1(b)は、図1(a)のA-A方向矢視図である。図2は、図1(a)のB-B方向矢視図である。図3は、図1(a)のC-C方向矢視図である。図4は、図1のバーナの第1燃焼室内における流速分布を説明するための概要図である。
[First Embodiment]
1A and 1B show a first embodiment of a burner, FIG. 1A is a schematic front view of cutting, and FIG. 1B is a view taken along the line AA of FIG. 1A. FIG. 2 is a view taken along the line BB in FIG. 1 (a). FIG. 3 is a view taken along the line CC of FIG. 1 (a). FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the flow velocity distribution in the first combustion chamber of the burner of FIG.
本実施形態のバーナは、図1(a)(b)に符号1で示すもので、上下方向に延びる円筒状の第1燃焼室2と、第1燃焼室2の下端側に設けられた流動層3と、第1燃焼室2の頂部に形成されたアーチ形状(半円筒壁形状)の天井壁4と、横方向に延びる円筒状として軸心方向の一端側が第1燃焼室2の上端側の側方に連通接続された第2燃焼室5と、第2燃焼室5における軸心方向の他端側に設けられた火炎噴出口6と、を備えた構成とされている。
The burner of the present embodiment is shown by
また、本実施形態のバーナ1は、流動層3に流動媒体7の流動用空気を兼ねる一次空気9を供給する一次空気供給部8と、第1燃焼室2の周壁10に接線方向に沿う姿勢で設けられた二次空気供給ノズル11と、第2燃焼室5の周壁12に設けられた三次空気供給ノズル13と、第1燃焼室2へバイオマス燃料15を供給する燃料供給ノズル14と、点火手段としての点火バーナ16と、を備えた構成とされている。
Further, the
第1燃焼室2、天井壁4および第2燃焼室5は、耐火材製とされている。
The
天井壁4は、第2燃焼室5の軸心と同軸心配置で、第2燃焼室5の軸心方向一端部と同一半径の半円筒形状とされている。これにより、第2燃焼室5は、軸心方向一端側における周壁12の上半部が、天井壁4に段差なく繋がれている。
The
流動層3は、砂等の固体粒子の流動媒体7が充填されている。流動層3の下方には、一次空気供給部8が設けられている。一次空気供給部8は、流動媒体7の通過は阻止する一方、空気は通過可能な多孔質板又は多孔板のような散気板17と、一次空気供給ノズル18と、空気ボックス19とを備えた構成とされている。空気ボックス19には、送風機20から流動用空気を兼ねる一次空気9を導く空気供給ライン21が接続されている。
The fluidized
これにより、流動層3では、空気ボックス19、一次空気供給ノズル18、散気板17を経て下方から導入されて上向きに噴出される一次空気9により流動媒体7の流動化が行われる。
As a result, in the fluidized
なお、一次空気供給部8は、流動媒体7に散気板17を通して下方から一次空気9を供給する構成に代えて、流動媒体7の充填個所に挿入配置された散気管(図示せず)を備えた構成として、散気管から流動用空気を兼ねる一次空気9を供給して、流動層3における流動媒体7の流動化を行う方式としてもよい。
In addition, the primary
したがって、流動層3は、後述するように燃料供給ノズル14より第1燃焼室2に供給されて流動層3まで落下するバイオマス燃料15を、流動化された流動媒体7で支持し、更に撹拌しながら、一次空気9を用いて燃焼させることができる。この際、流動層3では、一次空気9の供給量と、燃料供給ノズル14より流動層3に落下供給されるバイオマス燃料15の供給量とが、バイオマス燃料15の部分燃焼が生じるように、すなわち、バイオマス燃料15の完全燃焼には酸素不足となるように、調整されている。このため、流動層3では、バイオマス燃料15の部分燃焼が行われると共に、この部分燃焼で生じた燃焼熱を利用してバイオマス燃料15の残部の乾燥と熱分解ガス化とが行われる。
Therefore, the fluidized
このように、本実施形態のバーナ1は、流動層3まで落下するバイオマス燃料15が生じる場合は、そのバイオマス燃料15を、流動媒体7によって支持し、更に撹拌しながら緩慢に燃焼させることができる。また、第1燃焼室2を構成する耐火材と流動媒体7は、バイオマス燃料15の燃焼熱により加熱されて蓄熱した状態になる。よって、本実施形態のバーナ1は、使用するバイオマス燃料15に、粒度、含水率、含有成分などの性状の変動に起因する燃焼性の変動が生じても、流動層3では、燃焼状態の変動を抑制しながらバイオマス燃料15の燃焼を継続して行うことができる。
As described above, when the
第1燃焼室2は、流動層3の直上となる第1燃焼室2の下部寄りの領域が、前記のように流動層3に支持されたバイオマス燃料15が部分燃焼と熱分解ガス化される燃焼部22となる。
In the
燃焼部22におけるバイオマス燃料15の熱分解ガス化によって生じる可燃性ガスは、バイオマス燃料15の部分燃焼によって生じる燃焼ガスや、流動層3で流動化空気として使用された後の一次空気9と一緒に、第1燃焼室2の出口となる第2燃焼室5との接続部に向けて、第1燃焼室2の内部を上向きに流れる。
The combustible gas generated by the thermal decomposition gasification of the
第1燃焼室2の周壁10には、燃焼部22よりも上方で、且つ第2燃焼室5との接続部よりも設定された寸法分、下方となる位置に、二次空気供給ノズル11が設けられている。
On the
二次空気供給ノズル11は、図2に示すように、第1燃焼室2の軸心に垂直な面に沿い、且つ第1燃焼室2の周壁10の接線方向に沿う姿勢で、たとえば、周壁10の周方向に等間隔となる3個所に設けられている。
As shown in FIG. 2, the secondary
二次空気供給ノズル11には、送風機20から二次空気23を導く空気供給ライン21aが接続されている。
An
これにより、二次空気供給ノズル11は、二次空気23を、第1燃焼室2における燃焼部22の上方となる位置に、周壁10に沿う方向に吹き込んで供給することができる。
As a result, the secondary
図1(a)(b)に示すように、第1燃焼室2では、二次空気供給ノズル11より吹き込まれる二次空気23が、周壁10に沿って周方向に流れると共に、次第に第1燃焼室2の出口となる第2燃焼室5との接続部に向かうため、第1燃焼室2の内部には、上向きの旋回流24が形成される。
As shown in FIGS. 1A and 1B, in the
なお、第1燃焼室2の周壁10に周方向に設ける二次空気供給ノズル11の数は、1または2であってもよいし、4以上であってもよい。また、周壁10の周方向に複数の二次空気供給ノズル11を設ける場合は、周方向に隣接する二次空気供給ノズル11同士の間隔は均等であることが好ましいが、不均等であってもよい。更に、周壁10に複数の二次空気供給ノズル11を設ける場合は、すべての二次空気供給ノズル11が、第1燃焼室2の軸心に垂直な1つの平面に揃わない配置を採用してもよい。たとえば、二次空気供給ノズル11は、周壁10に、上下方向に2段、または、3段以上の複数段となる配置で設けてもよい。二次空気供給ノズル11の姿勢は、第1燃焼室2の内部に前記したような旋回流24を形成することが可能な範囲で、第1燃焼室2の軸心に垂直な面に対して傾いていてもよいし、周壁10の接線方向から傾いていてもよい。
The number of secondary
燃料供給ノズル14は、第1燃焼室2の周壁10における二次空気供給ノズル11の設置個所よりも設定された寸法分、上方となる位置に、斜め下方に向く姿勢で設けられている。
The
燃料供給ノズル14には、制御された量のバイオマス燃料15を、噴射用の加圧された空気と共に供給する図示しない燃料供給部が接続されている。
The
バイオマス燃料15は、粒径が数百マイクロメートルから1000マイクロメートル程度となるバイオマスの粉体であり、木質やその他の燃料としての利用が望まれるバイオマスの原料を、必要に応じて粉砕処理して製造される。
The
これにより、本実施形態のバーナ1は、第1燃焼室2に対して、燃料供給ノズル14より、バイオマス燃料15を斜め下向きに噴射して供給することができる。
As a result, the
第1燃焼室2では、燃焼部22で生じる可燃性ガスと燃焼ガス、一次空気9、および、二次空気23を含む気流の主流れの方向は、第1燃焼室2内を下方から、第2燃焼室5との接続部がある上方に向かう上向きの流れとなっている。
In the
そのため、本実施形態のバーナ1では、燃料供給ノズル14より、バイオマス燃料15を、第1燃焼室2内における気流の主流れに対して対向する向きに噴射することができる。これにより、本実施形態のバーナ1は、第1燃焼室2にて、燃料供給ノズル14より噴射して供給するバイオマス燃料15のうち、流動層3に落下しないバイオマス燃料15を、第1燃焼室2内における気流中に混合して分散させることができて、気体とバイオマス燃料15とによる二相流の形成を促進することができる。
Therefore, in the
二次空気23の供給量は、一次空気9、および、燃料供給ノズル14よりバイオマス燃料15の噴射に用いられる空気と合計した空気の量が、燃料供給ノズル14より供給されるバイオマス燃料15の完全燃焼には酸素不足となるように、調整されている。このため、第1燃焼室2では、燃料供給ノズル14より供給されたバイオマス燃料15の部分燃焼が行われると共に、この部分燃焼で生じた燃焼熱を利用してバイオマス燃料15の残部の熱分解ガス化が行われる。
The supply amount of the
ここで、バイオマス燃料15については、第1燃焼室2内での挙動と燃焼性を、小粒径粒子、中粒径粒子、大粒径粒子に分けて説明する。小粒径粒子は、第1燃焼室2内で上向きに生じている気流の主流れに乗って上昇可能であって、しかも、着火すると速やかに粒子全体が燃焼する粒子のグループである。中粒径粒子は、第1燃焼室2内で上向きに生じている気流の主流れに乗って浮遊可能であって、着火すると、粒子全体が燃焼するまでに小粒径粒子よりも時間を要する粒子のグループである。大粒径粒子は、第1燃焼室2内で上向きに生じている気流の主流れの中で、浮遊することができずに流動層3に落下する粒子のグループである。
Here, regarding the
燃料供給ノズル14から第1燃焼室2内へバイオマス燃料15が供給されると、バイオマス燃料15の小粒径粒子は、第1燃焼室2内に形成されている上向きの気流、特に、二次空気23の旋回流24に対して速やかに分散して混合される。よって、第1燃焼室2内の温度がバイオマス燃料15の着火温度以上となっているか、あるいは、燃料供給ノズル14から供給されて二次空気23に分散されるバイオマス燃料15が通過する領域に種火が存在していれば、このバイオマス燃料15の小粒径粒子は、二次空気23の旋回流24中で空間に浮遊した状態で着火して速やかに燃焼される。このように燃料が空間に浮遊した状態で燃焼されることを、以下、空間燃焼という。
When the
このようにバイオマス燃料15の小粒径粒子が旋回流24に乗って旋回しながら速やかに燃焼されるときの火炎は、第1燃焼室2にて、燃料供給ノズル14から小粒径粒子を含んだバイオマス燃料15が供給されている間、継続して生じるようになる。よって、この旋回流24に乗って第1燃焼室2内に保持される火炎は、燃料供給ノズル14から第1燃焼室2内に新たに供給されるバイオマス燃料15に着火するための種火として利用することが可能になる。
In this way, the flame when the small particle size particles of the
バイオマス燃料15の中粒径粒子は、燃料供給ノズル14から第1燃焼室2内に供給されると、第1燃焼室2内に形成されている上向きの気流、特に、二次空気23の旋回流24に対して速やかに分散して混合される。このため中粒径粒子も、小粒径粒子と同様に燃焼が開始されるが、全体が燃焼するまでには小粒径粒子よりも時間がかかる。よって、中粒径粒子は、着火すると、二次空気23の旋回流24に乗って旋回しながら、部分燃焼を開始すると共に、熱分解ガス化される。
When the medium-sized particles of the
バイオマス燃料15の大粒径粒子は、燃料供給ノズル14から第1燃焼室2内に供給されると、二次空気23の旋回流24に一旦取り込まれるが、自重により旋回流24中で落下する。このため、大粒径粒子は、旋回流24には同伴されずに、図1(b)に二点鎖線で示すように、第1燃焼室2の底部の流動層3に落下する。
When the large particle size particles of the
流動層3に落下した大粒径粒子は、前記したように、流動する流動媒体7による支持と撹拌を受けた状態で、一次空気9を用いた部分燃焼と乾燥と熱分解ガス化が行われる。
As described above, the large particle size particles that have fallen into the
なお、前記した小粒径粒子、中粒径粒子、大粒径粒子は、バイオマス燃料15の粒子の挙動と燃焼性を説明するための便宜的な分類であり、粒径による区分は厳密なものではない。したがって、バイオマス燃料15の粒子は、同様の粒径を有するものであっても、粒子の密度や、含まれる水分量などに起因して、燃焼性の差、旋回流24に同伴されやすいか否かという差が生じるため、これらの差に応じて前述した小粒径粒子、中粒径粒子、大粒径粒子のいずれに属することもある。
The above-mentioned small particle size particles, medium particle size particles, and large particle size particles are convenient classifications for explaining the behavior and combustibility of the particles of the
更に、第1燃焼室2では、バイオマス燃料15の熱分解ガス化によって生じた可燃性ガスの一部が、二次空気23を用いて燃焼される。
Further, in the
したがって、本実施形態のバーナ1は、燃料供給ノズル14から第1燃焼室2内へバイオマス燃料15が供給されて、一次空気9と二次空気23による燃焼が行われると、第1燃焼室2内には、バイオマス燃料15の部分燃焼と、一部の可燃性ガスの燃焼による高温の燃焼ガスが発生する。そのため、第1燃焼室2内では、高温の燃焼ガスと、可燃性ガスの残部と、流動層3で流動化空気として使用された後の一次空気9とが、二次空気23による第1燃焼室2の周壁10に沿う上向きの旋回流24に同伴された気流が生じる。
Therefore, in the
図4は、第1燃焼室2内を流れる気流の上向き成分の速度分布を示すものである。
FIG. 4 shows the velocity distribution of the upward component of the airflow flowing in the
流動層3を通過した一次空気9が第1燃焼室2の下部寄りの領域である燃焼部22を上向きに流れるときには、周壁10の近傍には境界層が生じるため、気流の上向き成分の速度分布は、図4にS1で示すように、第1燃焼室2の軸心付近(中心部)の速度が、周壁10付近の速度に比して大となる。
When the
これに対し、二次空気供給ノズル11の設置位置よりも上側では、二次空気供給ノズル11より供給される二次空気23が、周壁10に沿って旋回流24を形成することに伴い、気流の上向き成分の速度分布は、図中にS2で示すように、周壁10付近の速度が、第1燃焼室2の軸心付近の速度に比して大となる。
On the other hand, above the installation position of the secondary
このため、第1燃焼室2における旋回流24が形成されている個所では、旋回流24の内側となる第1燃焼室2の軸心付近が、旋回流24が形成された周壁10付近を基準として相対的に負圧領域となる。これにより、第1燃焼室2では、旋回流24として上向きに流れた気流の一部が、図1(a)(b)に一点鎖線で示すように、上向きから下向きに折り返して、前記したように相対的な負圧領域となる旋回流24の内側に向かう還流25を生じる。
Therefore, at the place where the swirling
更に、第1燃焼室2は、上側にアーチ形状の天井壁4を備えている。したがって、第1燃焼室2内で生じる上向き成分を含む気流は、その進行方向である上方が、天井壁4によって遮られる。
Further, the
この際、天井壁4は、アーチ形状とされているので、第1燃焼室2では、周壁10付近で第1燃焼室2の軸心付近に比して上向き成分の速度が大となる気流、すなわち旋回流24が、周壁10の上端部に達すると、天井壁4のアーチ形状の面に沿い導かれるようになる。
At this time, since the
その後、天井壁4の面に沿って導かれた気流は、天井壁4の頂部で集合するので、天井壁4の頂部付近では、図1(a)(b)に一点鎖線で示すように、上向きから下向きに折り返す気流が生じる。この気流は、前記したように相対的な負圧領域となる旋回流24の内側に向かう、より強い還流26となる。
After that, the airflow guided along the surface of the
これらの還流25、還流26を生じるのは、バイオマス燃料15の燃焼により生じた高温の燃焼ガスを含む気流である。そのため、本実施形態のバーナ1は、第1燃焼室2の上部寄りの軸心付近に、高温の燃焼ガスを含む気流が還流25、還流26となって順次供給されて、高温の雰囲気に保持される図1(a)(b)に一点鎖線で示す如き熱還流領域27が形成されるようになる。
It is the airflow containing the high-temperature combustion gas generated by the combustion of the
その後、第1燃焼室2で生じた高温の燃焼ガスと可燃性ガスを含む気流は、第1燃焼室2の上端側から第2燃焼室5へ順次流入する。
After that, the airflow containing the high-temperature combustion gas and the combustible gas generated in the
第2燃焼室5は、図1(a)に示すように、軸心方向の一端側が、第1燃焼室2に接続された上流側となり、軸心方向の他端側の火炎噴出口6側が、下流側となる。
As shown in FIG. 1A, in the
第2燃焼室5は、周壁12における軸心方向一端寄り個所に、三次空気供給ノズル13を備えている。
The
本実施形態では、三次空気供給ノズル13は、図3に示すように、第2燃焼室5の軸心に垂直な面に沿い、且つ第2燃焼室5の周壁12の接線方向に沿う姿勢で、たとえば、周壁12の周方向に等間隔となる3個所に設けられている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the tertiary
三次空気供給ノズル13には、送風機20から三次空気28を導く空気供給ライン21bが接続されている。
An
これにより、三次空気供給ノズル13は、第2燃焼室5に、三次空気28を、周壁12に沿う方向に吹き込んで供給することができる。
As a result, the tertiary
三次空気28の供給量は、一次空気9、二次空気23、および、燃料供給ノズル14よりバイオマス燃料15の噴射に用いられる空気と合計した空気の量が、燃料供給ノズル14より供給されるバイオマス燃料15の完全燃焼に必要とされる酸素量を供給できるように調整されている。このため、第2燃焼室5では、第1燃焼室2から流入する気流中に含まれている可燃性ガスの燃焼が行われ、この燃焼により生じた火炎が、第2燃焼室5の軸心方向他端側の火炎噴出口6より外部へ噴出される。
As for the supply amount of the
更に、本実施形態では、図1(a)に示すように、第2燃焼室5では、三次空気供給ノズル13より吹き込まれる三次空気28が、周壁12に沿って周方向に流れると共に、次第に第2燃焼室5の下流側に向かう流れとなるため、第2燃焼室5の内部には、旋回流29が形成される。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 1A, in the
このため、第2燃焼室5における旋回流29が形成されている個所では、旋回流29の内側となる第2燃焼室5の軸心付近が、旋回流29が形成された周壁12付近を基準として相対的に負圧領域となる。
Therefore, at the place where the swirling
よって、第2燃焼室5では、図1(a)に一点鎖線で示すように、上流側に向くよう折り返して、前記したように相対的な負圧領域となる旋回流29の内側に向かう還流30が生じる。
Therefore, in the
本実施形態のバーナ1は、この還流30により、第2燃焼室5で可燃性ガスが三次空気28を用いて燃焼される際に生じる高温の燃焼ガスを含む気流を、第1燃焼室2の上部寄りの軸心付近に形成された熱還流領域27に向けて供給することができる。このことによっても、熱還流領域27は、高温の雰囲気に保持される。
In the
なお、第2燃焼室5の周壁12に周方向に設ける三次空気供給ノズル13の数は、1または2であってもよいし、4以上であってもよい。また、周壁12の周方向に複数の三次空気供給ノズル13を設ける場合は、周方向に隣接する三次空気供給ノズル13同士の間隔は均等であることが好ましいが、不均等であってもよい。更に、周壁12に複数の三次空気供給ノズル13を設ける場合は、すべての三次空気供給ノズル13が、第2燃焼室5の軸心に垂直な1つの平面に揃わない配置を採用してもよい。たとえば、三次空気供給ノズル13は、周壁12に、上下流方向に2段、または、3段以上の複数段となる配置で設けてもよい。三次空気供給ノズル13の姿勢は、第2燃焼室5の内部に前記したような旋回流29を形成することが可能な範囲で、第2燃焼室5の軸心に垂直な面に対して傾いていてもよいし、周壁12の接線方向から傾いていてもよい。
The number of tertiary
点火バーナ16は、LPGやLNGや灯油などを燃料として用いるものを採用すればよい。
As the
これにより、点火バーナ16は、本実施形態のバーナ1の起動時等に燃料を燃焼させることにより、第1燃焼室2内にバイオマス燃料15を着火できる高温領域を形成する。なお、本実施形態のバーナ1を運転すると、バイオマス燃料15の燃焼に伴い、流動層3の流動媒体7が加熱されると共に、第1燃焼室2の周壁10を構成している耐火材が加熱される。
As a result, the
よって、第1燃焼室2にて、流動層3でのバイオマス燃料15の部分燃焼熱、旋回流24中でのバイオマス燃料15の燃焼熱、あるいは、流動層3の流動媒体7や、第1燃焼室2の周壁10が保有する熱により、新たに供給されるバイオマス燃料15に着火して燃焼を開始できる場合は、その後の本実施形態のバーナ1の運転中、点火バーナ16は消すようにしてもよい。このようにすれば、点火バーナ16用の補助燃料の使用量の削減化を図ることができる。
Therefore, in the
また、点火バーナ16は、本実施形態のバーナ1の運転中に常時種火を保炎するように使用してもよい。この場合は、燃料供給ノズル14より第1燃焼室2内に順次供給されるバイオマス燃料15に対し、点火バーナ16で保炎する種火を用いて積極的に着火することができるため、使用するバイオマス燃料15に粒径の変化や水分量の変化等に起因する燃焼性の変化が生じても、本実施形態のバーナ1の運転を、より安定して継続させることができる。
Further, the
なお、点火バーナ16は、第1燃焼室2内で一次空気9によるバイオマス燃料15の燃焼、および、二次空気23によるバイオマス燃料15の燃焼を開始させることができれば、図示した以外の配置としてもよい。また、点火手段は、一次空気9によるバイオマス燃料15の燃焼、および、二次空気23によるバイオマス燃料15の燃焼を開始させることができれば、化石燃料以外の任意の燃料を燃焼させる形式の点火バーナ16を用いるようにしてもよく、更には、プラズマやスパークのような電気的な現象を利用して着火させる形式等、燃料を使用する以外の形式の点火手段を用いるようにしてもよい。
If the
以上の構成としてある本実施形態のバーナ1を使用する場合は、先ず、流動層3には、一次空気9を供給して流動媒体7の流動を行わせるようにし、二次空気供給ノズル11からは第1燃焼室2内へ二次空気23を供給し、三次空気供給ノズル13からは第2燃焼室5内への三次空気28の供給を行い、更に点火バーナ16を点火した状態で、燃料供給ノズル14からバイオマス燃料15を第1燃焼室2へ供給する。
When the
これにより、第1燃焼室2では、バイオマス燃料15の小粒径粒子と中粒径粒子が、二次空気23に良好に分散された二相流となる状態で、点火バーナ16により着火されて速やかな燃焼を開始し、その燃焼熱でバイオマス燃料15の中粒径粒子の残部の熱分解ガス化が開始される。
As a result, in the
また、本実施形態のバーナ1は、第1燃焼室2における上向きの気流中で浮遊しないで落下するバイオマス燃料15の大粒径粒子は、流動層3で支持と撹拌が行われた状態で、点火バーナ16の燃焼熱、バイオマス燃料15の小粒径粒子と中粒径粒子の燃焼熱、および、一次空気9により、部分燃焼と熱分解ガス化が促進して行われる。
Further, in the
第1燃焼室2におけるバイオマス燃料15の部分燃焼によって生じた可燃性ガスは、その一部が二次空気23を用いて燃焼される。
A part of the combustible gas generated by the partial combustion of the
このため、本実施形態のバーナ1は、第1燃焼室2では、バイオマス燃料15の部分燃焼と、可燃性ガスの燃焼により生じた高温の燃焼ガスを含む気流が、周壁10に沿う二次空気23の旋回流24に同伴されて第1燃焼室2内を上向きに流れる。第1燃焼室2内を旋回しながら上向きに流れた気流は、旋回流24の内側に向かう還流25を生じ、更に、アーチ形状の天井壁4により上方が遮られることによっても、旋回流24の内側に向かう還流26を生じ、これにより、第1燃焼室2の上部寄りの軸心付近に、熱還流領域27が形成される。
Therefore, in the
この熱還流領域27は、高温の燃焼ガスを含む還流26が順次供給されて高温の雰囲気が保持されている。
In the
更に、熱還流領域27は、三次空気28を第2燃焼室5に旋回流29として供給することに伴って第2燃焼室5で生じる還流30によっても熱が供給される。
Further, the
したがって、本実施形態のバーナ1は、第1燃焼室2内の上端側の軸心付近に、高温の雰囲気に保持される熱還流領域27を形成することができるので、第1燃焼室2の内部温度を、熱還流領域のない形式の燃焼室に比して、高温化させることができる。
Therefore, since the
更に、第1燃焼室2では、二次空気23にバイオマス燃料15が分散された二相流は、旋回流24として周壁10に沿う流れとなるため、この二相流が周壁10と接触する時間を長く取ることができる。よって、本実施形態のバーナ1の運転が安定した状態では、加熱された周壁10からの輻射伝熱によるバイオマス燃料15の熱分解ガス化を促進することもできる。
Further, in the
よって、本実施形態のバーナ1は、バイオマス燃料15の第1燃焼室2内における燃焼の安定性を向上させることができる。更に、第2燃焼室5では、バイオマス燃料15の熱分解ガス化で生じた可燃性ガスを完全燃焼させることができる。
Therefore, the
このように、本実施形態のバーナ1は、バイオマス燃料15を用いて運転して、高温の燃焼ガスと火炎を火炎噴出口6より外部へ供給することができる。
As described above, the
更に、本実施形態のバーナ1は、流動層3を備えた構成としてあり、更に、運転中は、第1燃焼室2内に高温の雰囲気に保持される熱還流領域27を形成できるので、特許文献1に示された従来のバーナで使用されるバイオマス燃料よりも大きな粒径を有するバイオマス燃料15、更には、水分量や灰分量がより多くて発熱量(真発熱量)がより低いバイオマス燃料15であっても、促進した燃焼を行わせることができる。また、本実施形態のバーナ1は、バイオマス燃料15の一部が未燃状態の固体のままで火炎噴出口6より外部へ放出される虞を抑制することができる。
Further, the
なお、採卵鶏の糞尿は、カルシウムを多く含んでいて、灰分が多く、木質バイオマスに比して燃焼性が低いために、従来は燃料としての有効利用が困難とされていた。これに対し、本実施形態のバーナ1は、バイオマス燃料15の燃焼の促進を図ることができるため、採卵鶏の糞尿のような木質バイオマスに比して燃焼性が低いバイオマスに由来するバイオマス燃料15であっても、安定した燃焼を行わせることができる。
The manure of egg-collecting chickens contains a large amount of calcium, has a large amount of ash, and is less combustible than woody biomass, so that it has been difficult to effectively use it as a fuel. On the other hand, since the
したがって、本実施形態のバーナ1は、従来に比して広範な性状のバイオマス燃料15を使用することが可能であり、従来燃料としての使用が困難とされていたバイオマスについても、燃料として有効利用を図る効果が期待できる。
Therefore, the
また、本実施形態のバーナ1は、第1燃焼室2の底部に流動層3を備えていることで、未燃のバイオマス燃料15が一個所に長時間滞留することを抑制でき、灰の付着や、クリンカの発生を抑制することができる。また、籾殻のようなシリカ(酸化ケイ素)を多く含むバイオマスを原料とするバイオマス燃料15を使用する場合でも、クリストバライトの生成を抑える効果が期待できる。
Further, since the
ところで、一般に、バイオマス燃料は、化石燃料に比して着火速度が遅いため、完全燃焼させるためには燃焼室における滞留時間が長くなるよう設定した方がよい。この滞留時間は流路径と排ガス流量から決定される空塔速度に比例しており、バイオマス燃料を使用するバーナにおいて、化石燃料用のバーナと同等の燃焼量を得るためには、化石燃料用のバーナよりも大型化して空塔速度を下げる必要がある。あるいは、バイオマス燃料を使用するバーナは、化石燃料用のバーナと同等サイズとするためには、燃焼量を、化石燃料用のバーナに比して、2/3程度に低減する必要がある。 By the way, in general, biomass fuel has a slower ignition speed than fossil fuel, so it is better to set it so that the residence time in the combustion chamber is long in order to completely burn it. This residence time is proportional to the superficial velocity determined from the flow path diameter and the exhaust gas flow rate, and in order to obtain the same combustion amount as the fossil fuel burner in a burner using biomass fuel, it is necessary to use fossil fuel. It is necessary to make it larger than the burner and reduce the superficial velocity. Alternatively, in order for the burner using biomass fuel to have the same size as the burner for fossil fuel, it is necessary to reduce the combustion amount to about two-thirds as compared with the burner for fossil fuel.
そのため、従来は、民生ボイラに多く使用されている化石燃料用のバーナを、同等のサイズのバイオマス燃料を使用するバーナに置き換えることは困難であった。 Therefore, it has been difficult to replace the fossil fuel burner, which is often used in consumer boilers, with a burner that uses biomass fuel of the same size.
これに対し、本発明者等が実施した試験によれば、本実施形態のバーナ1は、従来のバイオマス燃料用のバーナに比して、装置全体のサイズを同様としたままで、燃焼量を1.5倍程度まで向上させることができることが判明した。よって、本実施形態のバーナ1は、民生ボイラに多く使用されている化石燃料用のバーナを、バイオマス燃料15を使用するバーナへの置き換える場合に有効なものとする効果が期待できる。
On the other hand, according to the test carried out by the present inventors, the
[第2実施形態]
図5は、バーナの第2実施形態を示すもので、図5(a)は、切断概略正面図、図5(b)は、図5(a)のD-D方向矢視図である。
[Second Embodiment]
5A and 5B show a second embodiment of the burner, FIG. 5A is a schematic front view of cutting, and FIG. 5B is a view taken along the line DD of FIG. 5A.
なお、図5(a)(b)において、第1実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。 In FIGS. 5A and 5B, the same reference numerals as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
本実施形態のバーナは、図5(a)(b)に符号1Aで示すもので、第1実施形態と同様の構成において、第1燃焼室2の頂部にアーチ形状の天井壁4を備えた構成に代えて、ドーム形状(半球形状)の天井壁4Aを備えた構成としたものである。
The burner of the present embodiment is shown by
更に、本実施形態では、天井壁4Aをドーム形状としたことに伴い、天井壁4Aは、第1燃焼室2の周壁10における第2燃焼室5が連通接続された個所よりも上方に設けられている。
Further, in the present embodiment, the
本実施形態のバーナ1Aにおいても、第1燃焼室2内で生じる上向き成分を含む気流は、その進行方向である上方が、天井壁4Aによって遮られる。
Also in the
天井壁4Aは、ドーム形状とされているので、第1燃焼室2では、周壁10付近で第1燃焼室2の軸心付近に比して上向き成分の速度が大となる気流である旋回流24が、周壁10の上端部に達すると、天井壁4Aのドーム形状の面に沿い導かれるようになる。
Since the
その後、天井壁4Aの面に沿って導かれた気流は、天井壁4Aの頂部で集合するので、天井壁4Aの頂部付近では、図5(a)(b)に一点鎖線で示すように、上向きから下向きに折り返して、第1実施形態と同様に、旋回流24の内側に向かう還流26が生じる。
After that, the airflow guided along the surface of the
よって、本実施形態のバーナ1Aにおいても、第1燃焼室2の上部寄りの軸心付近には、高温の燃焼ガスを含む気流が還流25、還流26となって順次供給されて、高温の雰囲気に保持される図5(a)(b)に一点鎖線で示す如き熱還流領域27が、第1実施形態と同様に形成される。
Therefore, also in the
したがって、本実施形態のバーナ1Aは、第1実施形態のバーナ1と同様に使用して、同様の効果を得ることができる。
Therefore, the
なお、本開示のバーナは、前記各実施形態にのみ限定されるものではない。 The burner of the present disclosure is not limited to each of the above-described embodiments.
各図に示した第1燃焼室2の径寸法と軸心方向寸法の比、および、第2燃焼室5の径寸法と軸心方向寸法の比、更には、第1燃焼室2と第2燃焼室5のサイズの比は、図示するための便宜上のもので、実機の寸法や寸法比を反映したものではない。
The ratio of the radial dimension of the
第1実施形態のバーナ1では、第2燃焼室5の軸心方向一端側における周壁12の上半部を、天井壁4に段差なく繋ぐという観点から考えると、天井壁4と、第2燃焼室5の軸心方向一端部は、同軸心配置で、同一半径とすることが好ましい。しかし、本開示のバーナは、第1燃焼室2の上端側の側方に、第2燃焼室5の軸心方向一端側が連通接続されていれば、天井壁4と、第2燃焼室5の軸心方向一端部は、同軸心配置でなくてもよいし、同一半径でなくてもよい。
In the
第2実施形態のバーナ1Aは、天井壁4Aが、第1燃焼室2の周壁10における第2燃焼室5が連通接続された個所よりも上方に設けられた構成を示したが、第2燃焼室5が、天井壁4Aに一部かかる配置で、第1燃焼室2の周壁10に接続された構成としてもよい。
The
各実施形態のバーナ1,1Aは、第2燃焼室5から熱還流領域27に向かう還流30を形成するという観点から考えると、三次空気供給ノズル13を、第2燃焼室5の周壁12に、接線方向に沿う姿勢で設けて、第2燃焼室5内に旋回流29を形成することが好ましい。しかし、三次空気供給ノズル13は、第2燃焼室5へ三次空気28を供給することができれば、周壁12の接線方向に沿う姿勢以外の姿勢で設けられていてもよい。
From the viewpoint of forming the
各実施形態において、第1燃焼室2と第2燃焼室5は、それぞれの周壁10,12に沿う旋回流24,29が形成可能であれば、厳密な円筒形状でなくてもよい。
In each embodiment, the
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。 Of course, various changes can be made without departing from the gist of the present invention.
2 第1燃焼室
3 流動層
4,4A 天井壁
5 第2燃焼室
6 火炎噴出口
7 流動媒体
9 一次空気
8 一次空気供給部
10 周壁
11 二次空気供給ノズル
12 周壁
13 三次空気供給ノズル
14 燃料供給ノズル
15 バイオマス燃料
2
Claims (5)
前記第1燃焼室の下端側に設けられた流動層と、
前記第1燃焼室の頂部に形成されたアーチ形状またはドーム形状の天井壁と、
横方向に延びる円筒状であって軸心方向の一端側が前記第1燃焼室の上端側の側方に連通接続された第2燃焼室と、
前記第2燃焼室における軸心方向の他端側に設けられた火炎噴出口と、
前記流動層に流動媒体の流動用空気を兼ねる一次空気を供給する一次空気供給部と、
前記第1燃焼室の周壁に接線方向に沿う姿勢で設けられた二次空気供給ノズルと、
前記第2燃焼室の周壁に設けられた三次空気供給ノズルと、
前記第1燃焼室へバイオマス燃料を供給する燃料供給ノズルと、を備えたこと
を特徴とするバーナ。 A cylindrical first combustion chamber extending in the vertical direction and
The fluidized bed provided on the lower end side of the first combustion chamber and
An arch-shaped or dome-shaped ceiling wall formed at the top of the first combustion chamber,
A second combustion chamber having a cylindrical shape extending in the lateral direction and having one end side in the axial direction connected to the side of the upper end side of the first combustion chamber.
A flame ejection port provided on the other end side in the axial direction in the second combustion chamber, and
A primary air supply unit that supplies primary air that also serves as flow air for the fluidized bed to the fluidized bed.
A secondary air supply nozzle provided on the peripheral wall of the first combustion chamber in a tangential direction and
A tertiary air supply nozzle provided on the peripheral wall of the second combustion chamber,
A burner provided with a fuel supply nozzle for supplying biomass fuel to the first combustion chamber.
請求項1に記載のバーナ。 The burner according to claim 1, wherein the secondary air supply nozzle is provided below the connection position of the second combustion chamber on the peripheral wall of the first combustion chamber.
請求項1または2に記載のバーナ。 The burner according to claim 1 or 2, wherein the fuel supply nozzle is provided above the installation position of the secondary air supply nozzle on the peripheral wall of the first combustion chamber.
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のバーナ。 The burner according to any one of claims 1 to 3, wherein the tertiary air supply nozzle is provided in a posture along the tangential direction on the peripheral wall of the second combustion chamber.
前記天井壁と、前記第2燃焼室の軸心方向一端部は、同軸心配置で、同一半径とした
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のバーナ。 The ceiling wall has an arch shape.
The burner according to any one of claims 1 to 4, wherein the ceiling wall and one end in the axial direction of the second combustion chamber are arranged in a coaxial center and have the same radius.
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