JP7046579B2 - 燃焼バーナ及びこれを備えたボイラ - Google Patents

Description

本開示は、燃焼バーナ及びこれを備えたボイラに関する発明である。

内部保炎によって低ＮＯｘ燃焼を実現する燃焼バーナにおいては、保炎器が燃料ノズルの先端部に設置される構造が多く採用されている（特許文献１等）。保炎器が燃料ノズルの先端部に設置される場合、保炎器の火炉内側の端面が火炉内に接近することで、不可避的に輻射熱を受けやすくなってしまう。

燃焼バーナ使用時は、燃料内の微粉炭によって火炉から保炎器の端面への輻射を遮ることで輻射を低減するが、燃焼バーナ不使用時は、微粉炭が噴射されないため、保炎器の端面への輻射の影響が増大してしまい、保炎器に悪影響を与えてしまう可能性がある。

特開２０１７－５３６０１号公報

火炉からの輻射によって保炎器の温度が上昇すると、保炎器よりも火炉側に位置する燃料ノズルの先端側も温度上昇して熱変形するおそれがある。燃料ノズルの先端側が熱変形すると、所望の燃料ガス流れが実現できずに良好な燃焼状態を維持できなくなるおそれがある。
上述した問題点の解決策として、保炎器冷却のために、燃料ノズル内の冷却空気量を増加させる方法がある。しかし、多量の冷却空気を供給してしまうと、火炉内の燃焼ガスが冷却されて未燃分が増加したり、ガスのアンバランスが発生したりする虞がある。

本開示はこのような事情を鑑みてなされたものであって、保炎器の燃料ガス流れ方向の端面における温度上昇を抑制するとともに、燃料ノズルの先端側が熱変形することを防止できる燃焼バーナ及びこれを備えた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、本開示の燃焼バーナ及びこれを備えたボイラは以下の手段を採用する。
すなわち、本開示の一態様に係る燃焼バーナにおいては、燃料と空気とを混合した燃料ガスを火炉内に吹き込む燃料ノズルと、該燃料ノズル内に配置された複数の保炎器と、を備える燃焼バーナであって、各前記保炎器は、前記燃料ノズルの対向する壁部の間に延在して設けられ燃料ガス流れ方向に幅が拡大する拡幅部及び前記壁部に当接する第１支持板を有し、前記拡幅部の前記燃料ガス流れ方向の下流側における端面は、前記燃料ノズルの先端から前記燃料ガス流れ方向の上流側に退避した位置に配置され、前記第１支持板は、前記燃料ノズルの先端から前記燃料ガス流れ方向の上流側へ延在していることを特徴とする。

本態様に係る燃焼バーナによれば、保炎器の燃料ガス流れ方向の下流側における端面を、燃料ノズルの先端から燃料ガス流れ方向の上流側に退避した位置に配置することとした。これによれば、保炎器の端面を退避した分、保炎器の端面を火炉内から離間することがきる。これにより、保炎器の端面が火炉から受ける輻射熱を低減して、保炎器の温度上昇を抑制することができる。
また、保炎器は、燃料ノズルの対向する壁部に当接して燃料ノズルの先端から燃料ガス流れ方向の上流側へ延在する第１支持板を備えることとした。これによれば、燃料ノズルの先端側の対向する壁部を第１支持板によって支持することが可能になる。これによって、壁部の先端側が燃料ノズルの内側に熱変形することを防止できる。壁部の先端側が変形してしまうと、燃料ノズル先端側における気体の流れが乱れてしまい燃焼時に悪影響を及ぼすが、変形を防止することで良好な燃焼を保つことができる。
燃料としては、例えば、微粉炭等の炭素含有固体燃料が挙げられる。

また、本開示の一態様に係る燃焼バーナにおいて、前記保炎器は、複数とされていることを特徴とする。

本態様に係る燃焼バーナによれば、保炎器は複数とされていることとした。これによれば、複数の第１支持板によって壁部の先端側を支持することになる。これによって、先端側の支持を安定させることができる。

また、本開示の一態様に係る燃焼バーナにおいて、前記拡幅部の延在方向と直交する方向において対向する前記燃料ノズルの他の壁部に当接する第２支持板を備え、該第２支持板は、前記燃料ノズルの先端から前記燃料ガス流れ方向の上流側へ延在していることを特徴とする。

本態様に係る燃焼バーナによれば、長手方向に直交する方向（保炎器の幅方向）にて対向するように設けられ、壁部に当接して燃料ノズルの先端から燃料ガス流れ方向の上流側へ延在する第２支持板を備えることとした。これによれば、燃料ノズルの先端側の壁部を、長手方向及び幅方向に支持することが可能になる。これによって、燃料ノズルの先端側の壁部が燃料ノズルの内側に熱変形することを更に防止できる。

また、本開示の一態様に係る燃焼バーナにおいて、前記第２支持板は、複数とされていることを特徴とする。

本態様に係る燃焼バーナによれば、第２支持板は、複数とされていることとした。これによれば、複数の第２支持板によって壁部の先端側を支持することになる。これによって、先端側の支持を安定させることができる。

また、本開示の一態様に係る燃焼バーナにおいて、前記保炎器は、前記拡幅部が延在する方向において分割可能とされた分割部を有していることを特徴とする。

本態様に係る燃焼バーナによれば、保炎器は、長手方向において分割可能な分割部を有することとした。これによれば、保炎器の製作性が良好となる。その上、保炎器が万が一損傷した場合でも、分割された保炎器のうち損傷した部分のみを交換すればよく、メンテナンス性も良好である。

また、本開示の一態様に係る燃焼バーナにおいて、前記燃料ノズルの幅をＷ、前記拡幅部を前記燃料ノズルの先端から退避させた距離をｄとしたとき、ｄ／Ｗが０．１５以上であることを特徴とする。

本態様に係る燃焼バーナによれば、ｄ／Ｗを０．１５以上とした。これによれば、保炎器の燃料ガス流れ方向の下流側における端面の温度上昇を抑制できる燃焼バーナの設計パラメータの一基準を示したことになる。これにより、燃焼バーナの設計を容易に行うことができる。

また、本開示の一態様に係るボイラにおいては、火炉と、該火炉に設けられた上記燃焼バーナと、前記火炉の下流に設けられた煙道と、該煙道に設けられた熱交換器と、を備えていることを特徴とする。

本態様に係るボイラによれば、上記燃焼バーナを備えることにより、保炎器の燃料ガス流れ方向の端面における温度上昇を抑制するとともに、燃料ノズルの先端側が熱変形することを防ぐことが可能なボイラを提供できる。

本開示に係る燃焼バーナ及びこれを備えたボイラによれば、保炎器の燃料ガス流れ方向の端面における温度上昇を抑制するとともに、燃料ノズルの先端側が熱変形することを防止できる燃焼バーナ及びこれを備えたボイラを提供することができる。

本開示の第１実施形態に係る燃焼バーナの正面図である。 本開示の第１実施形態に係る燃焼バーナが備える燃料ノズルの斜視図である。 本開示の第１実施形態に係る燃焼バーナの横断面図である。 本開示の第１実施形態に係る燃焼バーナの縦断面図である。 本開示の第１実施形態に係る燃焼バーナの変形例の斜視図である。 燃焼バーナが備える保炎器端面の表面温度とｄ／Ｗの関係を示した図である。 本開示の第２実施形態に係る燃焼バーナの横断面図である。 本開示の第１、第２実施形態に係る燃焼バーナの変形例を示す斜視図である。

以下に、本開示に係る燃焼バーナの一実施形態について図１乃至８を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
以下、本開示に係る燃焼バーナの第１実施形態について図１乃至６を参照して説明する。
本実施形態の燃焼バーナ１０は、主として石炭をミルで粉砕した微粉炭燃料を燃焼するバーナであり、ボイラ（図示せず）に設けられる。燃焼バーナ１０は、煙道に過熱器や蒸発器等の熱交換器を備えたボイラに対して複数設けられ、火炉内で火炎を形成する。
図１に示す燃焼バーナ１０は、内側に位置する燃料ノズル２０と、燃料ノズル２０を取り囲む空気ノズル４０とを備えている。

燃料ノズル２０は、正面視した場合、矩形状の断面を有している。図１及び図２に示すように、矩形状の燃料ノズル２０の周壁は、上壁部２０ａ、下壁部２０ｂ、右壁部２０ｃ、左壁部２０ｄを備えている。この燃料ノズル２０内には、内部に微粉炭と１次空気とが混合された燃料ガスが流される。なお、以下の実施形態において、燃料ガス流れの上流側を単に「上流側」と言い、燃料ガス流れの下流側を単に「下流側」と言う。

燃料ノズル２０内には、保炎器２１，２２が設けられている。各保炎器２１，２２は、長手方向が、上壁部２０ａ側から対向する下壁部２０ｂ側へ延在して設けられている。

燃料ノズル２０内には、図１及び図２で示す左右方向に、２枚の整流板２４が設けられている。それぞれの整流板２４は、右壁部２０ｃ側から対向する左壁部２０ｄ側へ延在して設けられている。また、整流板２４は、各保炎器２１，２２に対して上流側から差し込まれるようにして接続されている。更に、整流板２４の左右端は、それぞれ右壁部２０ｃ及び左壁部２０ｄに対して固定されている。

保炎器２１は、第１支持板２６ａを上壁部２０ａ側に、第１支持板２６ｂを下壁部２０ｂ側に備えている。第１支持板２６ａ及び第１支持板２６ｂは、それぞれ上壁部２０ａ及び下壁部２０ｂに接することで、燃料ノズル２０が内側へ変形しないように上壁部２０ａ及び下壁部２０ｂを支持している。

図３に示すように、各保炎器２１，２２は、燃料ガス流れ方向に幅が拡大する拡幅部２１ａ，２２ａを備えている。拡幅部２１ａ，２２ａは、図３のように断面視した場合、下流側を底辺とする略三角形状となっている。拡幅部２１ａ，２２ａの下流側の端面は、それぞれ保炎器端面２１ｂ，２２ｂとされ炉内側に位置する。

本実施形態において、それぞれの保炎器端面２１ｂ，２２ｂは、燃料ノズル２０の下流側（炉内側）の先端面（ノズル先端面２０ｅ）から、上流側に退避した位置に配置されている。ここで、退避した位置に配置された保炎器端面２１ｂ，２２ｂのうち、ノズル先端面２０ｅに近い保炎器端面２１ｂの退避距離をｄとする。また、燃料ノズル２０の左右方向の距離（幅）をＷとする。このとき、ｄ／Ｗは０．１５以上であることが好ましい。

また、図３及び４に示すように、保炎器２１が備える第１支持板２６ａ，２６ｂは、上壁部２０ａ及び下壁部２０ｂに当接しながら、ノズル先端面２０ｅから上流側へ延在している。

なお、図１乃至３においては、左側、中側、右側の３つの保炎器２１が第１支持板２６ａ，２６ｂを備えることとしたが、図５に示すように、左側と右側の２つの保炎器２１のみに第１支持板２６ａ，２６ｂを備えても良い。また、保炎器２１に限らず、保炎器２２に第１支持板２６ａ，２６ｂを備えても良い。このように、第１支持板２６ａ，２６ｂと各保炎器２１，２２との組合せは、燃料ノズル２０の寸法や性能等の仕様によって適宜変更できる。

上述の燃焼バーナ１０は、以下のように用いられる。
燃焼バーナ１０が備える燃料ノズル２０内には、内部に微粉炭と１次空気とが混合された燃料ガスが流される。燃料ノズル２０から噴射された燃料ガスは、燃料ノズル２０出口側で着火して炉内側に火炎が形成される。このとき、燃料ガスが流れる燃料ノズル２０内の流路面積は、保炎器２１，２２に設けられた拡幅部２１ａ，２２ａによって、下流に向かうにつれて縮小される。燃料ノズル２０の流路面積の縮小によって燃料ガス内の微粉炭の濃度が高められ、微粉炭の着火を促進される。また、空気ノズル４０からは下流側に向かって直進するように噴射された２次空気は、燃料ガスによる火炎領域より逸脱した微粉炭の未燃分と混合されつつ、燃料ガスによる火炎領域の下流側に火炎を形成する。なお、空気ノズル４０の周囲に３次空気、４次空気を供給する空気ノズルを設けても良い。

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
保炎器２１，２２の保炎器端面２１ｂ，２２ｂを、ノズル先端面２０ｅから上流側に退避した位置に配置することとした。これによれば、保炎器端面２１ｂ，２２ｂを退避した分、保炎器端面２１ｂ，２２ｂを火炉内から離間することがきる。これにより、保炎器端面２１ｂ，２２ｂが火炉から受ける輻射熱を低減して、保炎器２１，２２の温度上昇を抑制することができる。
また、保炎器２１，２２は、燃料ノズル２０の対向する上壁部２０ａ及び下壁部２０ｂに当接してノズル先端面２０ｅから上流側へ延在する第１支持板２６ａ，２６ｂを備えることとした。これによれば、燃料ノズル２０の先端（ノズル先端面２０ｅ）側の対向する上壁部２０ａ及び下壁部２０ｂを第１支持板２６ａ，２６ｂによって支持することが可能になる。これによって、上壁部２０ａ及び下壁部２０ｂの先端側が燃料ノズル２０の内側に熱変形することを防止できる。上壁部２０ａ及び下壁部２０ｂの先端側が変形してしまうと、燃料ノズル２０の先端側における気体の流れが乱れてしまい燃焼時に悪影響を及ぼすが、変形を防止することで良好な燃焼を保つことができる。
また、ｄ／Ｗを０．１５以上とすることで、図６に示すように、保炎器２１を退避させない場合と比較して、保炎器端面２１ｂの表面温度を、９５％程度以下に低減することができる。ここで、図６におけるＴは、保炎器２１を退避させた場合の保炎器端面２１ｂの表面温度である。また、Ｔｍは、保炎器２１を退避させていない場合の保炎器端面２１ｂの表面温度である。

［第２実施形態］
次に、本開示に係る燃焼バーナの第２実施形態について図７を参照して説明する。
本実施形態は、第１実施形態に対して、左右方向の右壁部２０ｃ及び左壁部２０ｄの先端側を支持する第２支持板２８ｃ，２８ｄが更に設けられている点で相違し、それ以外の点については同様である。したがって、共通する構成については同一の符号を付して、その説明を省略する。

図７に示すように、燃料ノズル２０の上壁部２０ａ及び下壁部２０ｂの先端側を支持する第１支持板２６ａ，２６ｂのほかに、左右方向の右壁部２０ｃ及び左壁部２０ｄの先端側を支持する第２支持板２８ｃ，２８ｄを設けても良い。図７の場合、第２支持板２８ｃ，２８ｄは整流板２４に設けられているが、この形態に限定するものではなく、例えば、左右の保炎器２１に設けられていても良い。

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
これによれば、燃料ノズル２０の右壁部２０ｃ及び左壁部２０ｄの先端側を支持することが可能になる。これによって、燃料ノズル２０の右壁部２０ｃ及び左壁部２０ｄの先端側が内側に熱変形することを更に防止できる。

なお、第１及び第２実施形態において、図８に示すように、各保炎器２１，２２は、長手方向（図８で示す上下方向）において分割可能とされた分割部３０を備えていても良い。これによって、各保炎器２１，２２の製作性が良好となる。その上、各保炎器２１，２２が万が一損傷した場合でも、分割された各保炎器２１，２２のうち損傷した部分のみを交換すればよく、メンテナンス性が良好になる。

１０ 燃焼バーナ
２０ 燃料ノズル
２０ａ 上壁部
２０ｂ 下壁部
２０ｃ 右壁部
２０ｄ 左壁部
２０ｅ ノズル先端面
２１，２２ 保炎器
２１ａ，２２ａ 拡幅部
２１ｂ，２２ｂ 保炎器端面
２４ 整流板
２６ａ，２６ｂ 第１支持板
２８ｃ，２８ｄ 第２支持板
３０ 分割部
４０ 空気ノズル
ｄ 退避距離
Ｗ 燃料ノズル幅

Claims (6)

1. 燃料と空気とを混合した燃料ガスを火炉内に吹き込む燃料ノズルと、
   該燃料ノズル内に配置された複数の保炎器と、
   を備える燃焼バーナであって、
   各前記保炎器は、前記燃料ノズルの対向する壁部の間に延在して設けられ燃料ガス流れ方向に幅が拡大する拡幅部及び前記壁部に当接する第１支持板を有し、
   前記拡幅部の前記燃料ガス流れ方向の下流側における端面は、前記燃料ノズルの先端から前記燃料ガス流れ方向の上流側に退避した位置に配置され、
   前記第１支持板は、前記燃料ノズルの先端から前記燃料ガス流れ方向の上流側へ延在していることを特徴とする燃焼バーナ。
2. 前記拡幅部が延在する方向と直交する方向において対向する前記燃料ノズルの他の壁部に当接する第２支持板を備え、
   該第２支持板は、前記燃料ノズルの先端から前記燃料ガス流れ方向の上流側へ延在していることを特徴とする請求項１に記載の燃焼バーナ。
3. 前記第２支持板は、複数とされていることを特徴とする請求項２に記載の燃焼バーナ。
4. 前記保炎器は、前記拡幅部が延在する方向において分割可能とされた分割部を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃焼バーナ。
5. 前記燃料ノズルの幅をＷ、前記拡幅部を前記燃料ノズルの先端から退避させた距離をｄとしたとき、ｄ／Ｗが０．１５以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃焼バーナ。
6. 火炉と、
   該火炉に設けられた請求項１乃至５のいずれかに記載の燃焼バーナと、
   前記火炉の下流に設けられた煙道と、
   該煙道に設けられた熱交換器と、
   を備えていることを特徴とするボイラ。

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