JPH01200107A - 微粉炭燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は微粉炭燃焼装置に係り、特に微粉炭バーナの先
端に設ける保炎器に関するものである。

〔従来の技術〕

最近の燃料事情の変化により、火力発電所用大型ボイラ
を始めとする事業用ボイラにおいては。

石炭を主燃料とする石炭専焼ボイラが増加している。

この石炭専焼ボイラにおいては１石炭を粉砕機で１例え
ば２００メツシュ通過量７０％程度の微粉炭に粉砕して
、石炭燃料の燃焼効率を高めている。

しかしながら、化石燃料である石炭中には、Ｃ１Ｈなど
の燃料成分の他にＮ分が多く含まれている。

従って、微粉炭の燃焼時に発生するＮＯｘは気体燃料お
よび気体燃料の燃焼時に発生するＮＯｘよりも多く、こ
のためにＮＯｘを極力低減させることが要望されている
。

各種燃料の燃焼時に発生するＮＯｘは、サーマル（Ｔｈ
ｅｒｍａｌ）　Ｎ　Ｏｘとフューエル（Ｆｕｅｌ）ＮＯ
ｘとに大別される。そのうちサーマルＮ　Ｏｘは燃焼用
空気中の窒素が酸化されて発生するものであり。

火炎温度の依存性が大きく、火炎温度が高温になるほど
サーマルＮＯｘの発生量が増加する。一方、フューエル
ＮＯｘは燃料中のＮ分が酸化されて発生するものであり
、火炎内の酸素濃度の依存性が大きく、酸素が過剰に存
在するほど燃料中のＮ分はフューエルＮＯｘになりやす
い。

これらＮＯｘの発生を抑制するための燃焼方法としては
、燃焼用空気を多段に分割して注入する多段燃焼法、低
酸素濃度の燃焼排ガスを燃焼領域に混入する排ガス再循
環法などがある。これらの低ＮＯｘ燃焼法は、いずれも
低酸素燃焼によって燃焼火炎の温度を下げることにより
、サーマルＮ　Ｏｘの発生を抑制しようとするものであ
る。

ところが、サーマルＮＯｘとフューエルＮＯｘのうちで
、燃焼温度の低下によってそのＮＯｘ発生量を抑制でき
るのはサーマルＮＯｘであり、フューエルＮＯｘの発生
量は燃焼温度に対する依存性は少ない。

従って、火炎温度の低下を目的とした従来の燃焼方法は
、Ｎ分の含有量の少ない気体燃料、液体燃料の燃焼には
有効であるが、通常、１〜２重量％の窒素が含まれてい
る微粉炭燃料の燃焼に対しては効果は小さい。

一方、微粉炭の燃焼機構は、揮発成分が放出される微粉
炭の熱分解過程、放出された揮発成分の燃焼過程、更に
、熱分解後の可熱性固定成分（以下、チャーという）の
燃焼過程からなる。

この揮発成分の燃焼速度は固体成分の燃焼速度よりもは
るかに早く、揮発成分は燃焼の初期で燃焼する。また熱
分解過程では、微粉炭中に含有されたＮ分も、他の可燃
成分と同様に揮発されて放出されるものと、チャー中に
残るものとに分かれる。

従って、微粉炭燃焼時に発生するフューエルＮＯｘは、
揮発性Ｎ分からのＮ　Ｏｘと、チャー中のＮ分からのＮ
Ｏｘとに分かれ、フューエルＮＯＸのうちで、チャーか
らのフューエルＮＯｘはチャーが燃焼することによって
初めて生成するため。

燃焼の後半までＮＯｘの生成が続き、この対策力へ重要
なポイントとなる。

揮発性Ｎ分は、燃焼の初期過程および酸素不足の燃焼領
域でＮＨａ　、ＨＯＮなどの化合物になることが知られ
ている。これらの窒素化合物は、酸素と反応してＮＯｘ
になる他に１発生したＮＯｘを窒素に分解する還元剤に
もなる。

この窒素化合物によるＮＯｘ還元反応は、Ｎ。

Ｘとの共存系において進行するものであり、ＮＯＸが共
存しない反応系では、大半の窒素化合物はＮＯｘに酸化
される。また、還元物質の生成は低酸素濃度雰囲気にな
るほど進行しやすい。

このように微粉炭燃焼時のＮＯｘ低減法としては、還元
性を有する窒素化合物とＮＯｘとを共存させ、窒素化合
物によりＮＯｘを窒素に還元する燃焼方法が有効である
。

すなわち、ＮＯｘの前駆物質であるＮ　８３などの還元
性窒素化合物をＮＯｘの還元に利用することにより１発
生したＮＯｘの消滅とＮＯｘ前駆物質の消滅を行なわせ
る燃焼方法がＮＯｘ低減には有効である。

第１１図は、従来の微粉炭を燃焼させるデュアルレジス
タタイプの微粉炭燃焼装置の縦断面図である。

微粉炭バーナｌは、微粉炭供給管３と１曲成されたエル
ボ４によって主に構成されており、このエルボ４には混
合流体の流れ方向を変えるスプラッシュプレー１・５が
配置されている。このエルボ４ならびに微粉炭供給管３
の内側には、微粉炭供給通路６が形成され、この通路６
を通って微粉炭と一次空気との混合流体、あるいは微粉
炭と燃焼排ガスどの混合流体、あるいは微粉炭と一次空
気と燃焼排ガスとの混合流体を入炉２内に噴射する。

そして、この微粉炭供給管３の外周には、つ・インドボ
ックス７から炉壁８のバーナポーｉ・９へ燃焼用空気を
供給するために、ウィンドボックス７内を仕切板ｌＯと
スリーブ１１とによって仕切り。

二次空気通路１２と三次空気通路１３とを区画、形成し
ている。二次空気通路１２、三次空気通路１３にはそれ
ぞれ二次ベーン１４．三次エアレジスタ１５が配置され
ており、二次空気通路１２ならびに三次空気通路１３を
通過する燃焼用空気址がそれぞれ制御されるようになっ
ている。

この微粉炭バーナｌの先端には、鋸歯状の保炎板１Ｇと
ラッパ状の保炎リング１７によって構成された保炎器１
８が設けられている。

この保炎器１８は第１１図から第１３図に示す如く、そ
の中央部に前記混合流体が流れる孔１９を有する皿形状
のもので、その一端には微粉炭バーナ１の軸方向とほぼ
直角に保炎板１６が配置され、他端には火炉２に向けて
ラッパ状の保炎リング１７が配置されている。

従って、保炎器１８は微粉炭バーナｌからの微粉炭が外
側へ拡散することを抑制すると共に、この保炎器１８の
内側に第１３図に示すような渦流２０を形成して、着火
性を良くシ、保炎効果を高めている。

また、この保炎器１８、スリーブ１１のガイドスリーブ
２１　（第１１図参照）は、二次空気通路１２に二次空
気および三次空気通路１３の三次空気を出来るだけ外向
きに供給するようになっている。

このような構成において、微粉炭は保炎器１８の孔１９
から火炉２内に噴射されるが、保炎器１８によって第１
３図に示す如くこの保炎器１８の内側に渦流２０を形成
し、この渦流２０によって微粉炭を巻き込み、外側から
空気を巻き込んで確実に着火火炎を形成する。

このような保炎器１８によって微粉炭バーナｌの近傍に
還元域Ｉを形成すると、この還元域１では下式のような
微粉炭燃焼による窒素酸化物が、揮発性の窒素酸化物（
Ｖ　ｏｌａｔｉｌｅ　Ｎ　）とチャー中の窒素酸化物（
Ｃｈａｒ　Ｎ）に分解する。

Ｔｏ七ａｌ　　Ｆｕｅｌ　　Ｎ−＋Ｖｏｌａｔｉｌｅ　
　Ｎ＋Ｃｈａｒ　　Ｎ・・・・・・（１） このＶｏｌａｔｉｌｅ　Ｎは、還元性中間生成物である
・ＮＨ２、・ＯＮなどのラジカルおよびｃｏのような還
元性中間生成物を含んでいる。

この還元域Ｉ内でも局部的に少量のＮＯｘが発生するが
、これは（２）式に示すように微粉炭中の炭化水素ラジ
カル（例えば・ＣＨ）により還元ラジカルに転換される
。

ＮＯ＋・ＣＨ→・ＮＨ＋ＧＯ・・・・・・（２）次に還
元域ｌの周囲には二次空気通路１２からの二次空気の供
給による酸化域■が形成され、還元域ｌからのＶ　ｏｌ
ａｔｉｌｅ　Ｎおよび空気中の窒素（Ｎ２）か酸化され
、（３）式および（４）式のようにｆｕｅｌ　Ｎ　Ｏお
よびｔｈｅｒｍａｌ　Ｎ　Ｏを生成する。

２　Ｖｏｌａｔｉｌｅ　Ｎ　＋　Ｏｘ→２ＮＯ（ｆｕｅ
ｌ　Ｎｏ）・・・（３） Ｎ　　ｚ　　＋　０２　　→　２　　Ｎ　Ｏ（ｔ、ｈｅ
ｒｍａｌ　　Ｎ　　Ｏ）　　　−・＝　（４）脱硝域■
では酸化域■で生成したＮｏと還元域ｌ内の還元性中間
生成物（・ＮＸ）とが反応してＮ２を生成し、自己脱硝
が行なわれる。

ここで式中のＸはＨａ、Ｃなどを示す。

ＮＯ＋・Ｎ　Ｘ−＋Ｎ　２　＋Ｘ　Ｏ・・・・・・（５
）脱硝域■の後流（第１３図では右側）に形成される完
全燃焼域ＩＶでは、三次空気通路１３からの三次空気が
脱硝域■の後流側に供給され、ここで前述のｃｈａｒ　
Ｎ　　を含むチャー、未燃分が完全燃焼される。この際
、ｃｈａｒ　Ｎ　は数％程度の転換率でＮＯになり、チ
ャー中のＮは極力気相へ放出させておくことが望ましい
。

従って、微粉炭バーナ１からの火炎の内部には還元域ｌ
が存在するために、その高温ゆえにチャー中のＮの気相
への放出が促進され、しかも放出された後は、その還元
雰囲気のためにＮｏへの転換も抑制される。

また、還元域Ｉの外側に酸化域■が形成されるが、二次
空気量が多くなると還元域ｌと酸化域Ｈの分離が不十分
になり二次空気が還元域■に混入して還元性ラジカルが
酸化され易くなる。そのため二次空気を保炎器１８によ
って外向きに噴射し、また、三次空気はガイドスリーブ
２１によって外向きに一旦分散した後、脱硝域■の後流
（第１３図の右側）で合流して完全燃焼域■を形成する
。

このように還元域■が微粉炭バーナ１の先端近傍で形成
され、還元域ｌと二次、三次空気の混合は微粉炭バーナ
ｌの近傍では僅かであり、このために脱硝域■を形成す
ることができる。

一方、還元域■の下流側においては二次、三次空気の噴
射エネルギーも低下して内側へ流れ込み。

完全燃焼域■で未燃分の燃焼が行なわれる。

このように微粉炭バーナｌの先端に保炎器１８を設ける
ことによって、保炎性が向上し、低ＮＯＸ燃焼と未燃分
を少なくすることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の保炎器は金属製であるために、火炎温度が約１　
、２００〜１　、４００℃と高く、しかも保炎器の内側
には微粉炭が１５ｍ／ｓｅｅの速さで流れているため、
火炎温度による保炎板の焼損事故、微粉炭流による保炎
板の摩耗が激しく、このために頻繁に保炎器を取り替え
る必要があった。

本発明はかかる従来の欠点を解消しようとするもので、
その目的とするところは、保炎板の摩耗。

焼損事故が防止できる保炎器を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明は前述の目的を達成するために、保炎板が、複数
のセラミックス片と複数の止め金具とを交互にリング状
に組み合せた集合体からなっている。

そして、そのセラミックス片の基部両側にそれぞれ例え
ば円弧状の窪み部と突出部とからなる凹凸が形成され、
一方、止め金具の両側にそれぞれ前記セラミックス片の
凹凸と係合する例えば円弧状の突出部と窪み部とからな
る凹凸部が形成されていることを特徴とするものである
。

〔作用〕

耐摩耗性ならびに耐熱性を有する複数のセラミックス片
を用いて保炎板を形成することにより。

微粉炭流による摩耗、ならびに火炉からの強力なふく射
熱に十分耐えることができる。

しかも、セラミックス片の凹部（窪み部）と止め金具の
凸部（突出部）、ならびにセラミックス片の凸部（突出
部）と止め金具の凹部（窪み部）を、それぞれ係合する
ことによってセラミックス片の脱落が達成される。

〔実施例〕

以下１本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図は本発明の第１実施例に係る保炎板の一部拡大図
、第２図は本発明の実施例に係る微粉炭バーナの要部縦
断面図、第３図（ａ）、（ｂ）はセラミックス片と止め
金具の正面図、第４図ならびに第５図は要部分解斜視図
ならびに要部斜視図である。

なお、これらの図において、符号ｌから２１は従来のも
のと同一のものを示す。

２２は止めボルト％２３は例えばＳ　ｉ　３　Ｎ　４（
窒素ケイ素）や炭化ケイ素（Ｓ　ｉ　Ｃ）などで形成さ
れたセラミック片、２４ａ、２４ｂはセラミック片′２
３の基部両側に設けたセラミックス側窪み部とセラミッ
クス側突出部である。２５は例えばステンレス鋼（ＳＵ
Ｓ３１０Ｓ）で形成された止め金具、２６ａ、２６ｂは
その止め金具２５の両側に設けた止め金具側突出部と止
め金具側窪み部、２７は例えば５ｌｓＮａ（窒素ケイ素
）や炭化ケイ（ＳｔＣ）で形成されたセラミックスリン
グ、２８（第２図、第４図、第５図参照）は止めリング
である。

第３図（ａ）、（ｂ）に示す如く、セラミックス片２３
の基部両側には、セラミックス側窪み２４ａ、２４ａと
、セラミックス側突出部２４ｂ。

２４ｂが上下方向に形成されている。一方、止め金具２
５の両側にも、前記セラミックス片２３とは逆にその対
向位置に止め金具側突出部２６ａ。

２６ａと、止め金具側窪み部２６ｂ、２１Ｅｂが上下方
向に形成されている。

また、セラミックス片２３の前記基部と反対側の端端は
第１３図に示す渦流２０を形成するため。

所定の寸法だけ突出している。

そして、セラミックス片２３のセラミックス側窪み部２
４ａには第１図に示すように止め金具２５の止め金具側
突出部２６ａが挿入されて、窪み部２４ａと突出部２６
ａが係合している。また、セラミックス片２３のセラミ
ックス側突出部２４ｂが止め金具２５の止め金具側窪み
部２６ｂに挿入されて、突出部２４ｂと窪み部２６ｂが
係合している。

このようにセラミックス片２３と止め金具２５を交互に
組み合せることによって、各セラミックス片２３は保炎
リング１７に止めボルト２２で固定される止め金具２５
．２５により両側から挟持された形になり、セラミック
ス片２３の脱落を防止している。

また、微粉炭供給管３の先端には第２図に示すようにセ
ラミックスリング２７．保炎板１６．止めリング２８が
配置されており、セラミックスリング２７．保炎板１６
の軸方向への脱落を防止するために、保炎リング１７と
止めリング２８は溶接によって連結され（第４図、第５
図参照）、セラミックスリング２７と保炎板１６を微粉
炭供給管３の先端と止めリング２８との間で挟持してい
る。

このようにセラミックス片２３とセラミックスリング２
７は、保炎リング１７の最も摩耗の激しい先端部に耐摩
耗、耐熱材として使用されており、微粉炭流が直接衝突
する部分と、孔１９による微粉炭流の偏流によって微粉
炭流が衝突する部分に、それぞれセラミックス片２３と
セラミックスリング２７が取り付けられている。

また、止め金具２５とセラミックス片２３．セラミック
スリング２７と保炎リング１７．止め金具２５の間には
、セラミックスペーパーなどの緩衝材を挿入すれば、止
め金具２５とセラミックス片２３．セラミックスリング
２７との直接接触を避ることができる。

止め金具２５と保炎リング１７は、止めボルト２２によ
って一体に結合されており、止めボルト２２による締め
付は力は、セラミックス片２３に直接伝わらない構造と
なっている。

以上述べたように本発明の保炎板２２は、セラミックス
片２３と止め金具２５を交互にリング状に組み合せるこ
とによって構成されている。火炎による加熱によってセ
ラミックス片２３よりも止め金具２５の方が伸びるが、
セラミックス片２３と止め金具２５の両方に凸部（円弧
状の突出部２４ｂ、２６ａ）と凹部（円弧状の窪み部２
４ａ。

２６ｂ）が形成されているので、その係合部での応力集
中は少なく、セラミックス片２３が破損することは小な
い。

第６図ないし第１０図は本発明の第２実施例を説明する
ための図で、第６図は保炎板の一部拡大図、第７図は止
め金具の平面図、第８図は微粉炭バーすの要部断面図、
第９図ならびに第１０図は要部分解斜視図ならびに要部
斜視図である。

前記第１実施例と相違する点は、止め金具２５の炉と対
向する端部の両側に鍔部２９が一体に設けられている点
と、止めリング２８が省略された点である。

第６図ならびに第１０図に示すようにこの鍔部２９は組
立が完了した状態では、セラミックス片２３の炉側端面
と係合してセラミックス片２３が炉内側にずれるのを防
止するストッパーＩａ能を有している。この鍔部２９は
止め金具２５と一体構造であるため、セラミックス片２
３と鍔部２９との間に変形に基因する隙間が生じること
がない。

前記第１実施例の場合、保炎リング１７が火炎からのふ
く射熱によって高温になった際、内外の温度差のために
熱変形し、それによってセラミックス片２３と止めリン
グ２８あるいはセラミックスリング２７との間に隙間が
生じ、その隙間に燃焼灰が侵入する。この状態で冷却さ
れると保炎リング１７は元の状態に戻るが、この隙間に
侵入した燃焼灰が支点となり、止めリング２８によりセ
ラミックス片２３に曲げ応力が発生して破損を生じる心
配がある。その点この実施例ように止め金具２５と一体
に鍔部２９を設ければ、前述のような心配が解消される
。

次にセラミックス片２３、セラミックスリング２７など
に使用されるセラミックスの材質について説明する。

セラミックスとして、例えば酸化アルミニウム、二酸化
ケイ素、酸化化マグネシュウム、酸化ジルコニウム、ス
ピンネル（ＭｇＯ・Ａ　Ｑ　ｚ　Ｏ、ｌ　）　。

ムライト（３Ａ　Ｑ　２０　ｇ・２Ｓ　１ｏｚ）、炭化
ケイ素、炭化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、
窒化チタンなどが使用可能であるが、なかでも窒化ケイ
素ならびに炭化ケイ素が賞月できる。

すなわち、セラミックス材を前記セラミックス片２３や
セラミックスリング２７に使用する場合、次のような諸
条件を考慮しなければならせない。

（１）硬さ 従来のバーナ耐摩耗材（例えば耐摩耗鋳鋼など）に比較
して、十分な硬さを有していること。

（２）曲げ強さ 各部での締め付は力などの外力に対して、十分な抗力を
有すること。

（３）高温強度 バーナの先端部付近は火炉からのふく射熱によってかな
り高温になるが、そのような高温下においても所定の強
度を有すること。

（４）耐熱衝撃性 バーナ休止時のように、高温状／ｍ　（火炉からのふく
射熱による）から、点火時の冷却状ｍ（−次空気などを
含む微粉炭流による）に移行する過程で受ける熱［１に
対して十分な強度を有すること。

（５）耐熱性 火炉からの強力なふく射熱に対抗できること。

次に各種材料の諸特性を示す。

（窒化ケイ素） １、ビッカース硬度〔荷主５００　ｇ　　以下同様〕１
７８０　［ｋ　ｇ／ｍｍ”　］ ２、曲げ強さ　　　　６０００　（ｋ　ｇ／ａｍ’　）
３、高温曲げ強度　［１０００℃下　以下同様］５５０
０　（ｋ　ｇ／Ｃｍ”　） ４、耐熱衝撃性 （テストピースを４００℃に加熱し、これを水中に投入
して熱［１を与えた後の曲げ強度を測定した。以下同様
）　　　　　６０００　［ｋｇ／Ｃｍ２］５、最高使用
温度　　１２００（”Ｃ）（炭化ケイ素） １、ビッカース硬度　２０００　（ｋ　ｇ／ｍｍ”　）
２、曲げ強さ　　　　５５００　［ｋｇ／ｃｍ”　］３
、高温曲げ強度　　５５００　（ｋ　ｇ／ａｍ”　）４
、耐熱＊＊性　　　５５００　［ｋ　ｇ／ｃｍ”　］５
、最高使用温度　　１２００〔℃〕 （アルミナ） １、ビッカース硬度　１６７０　［ｋｇ／ｍｍ２］２、
曲げ強度　　　　３１８０　（ｋｇ／ａｍ”　）３、高
温強度　　　　２２００　（ｋｇ／ｃｍ’　）４、耐熱
衝撃性　　　破壊のため測定不能５、最高使用温度　　
１５９０（’Ｃ）（耐熱鋳＃ｌ） １、ビッカース硬度　　６００　（ｋ　ｇ／ｍｍ２）２
、ｉ高使用温度　　　７９０（”Ｃ１これらの結果から
明らかなように、特に窒化ケイ素ならびに炭化ケイ素は
前記１〜５の条件を十分に満足する好適な材料である。

〔発明の効果〕

本発明によれば最も摩耗、焼損を受けやすい保炎板をセ
ラミックスで形成できるので、微粉炭燃焼であっても低
ＮＯｘ燃焼と未燃分を少なくすることができ、しかも保
炎板のセラミックス片の脱落が防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図までは本発明の第１実施例を説明する
ためのもので、第１図は保炎板の一部拡大図、第２図は
微粉炭バーナの縦断面図、第３図（ａ）、（ｂ）はセラ
ミックス片と止め金具の正面図、第４図は要部の分解斜
視図、第５図は要部の斜視図である。 第６図から第１０図までは本発明の第２実施例を説明す
るためのもので、第６図は保炎板の一部拡大図、第７図
は止め金具の平面図、第８図は微粉炭バーナの縦断面図
、第９図は要部の分解斜視図、第１Ｏ図は要部の斜視図
である。 第１１図は従来のｖＩｔ粉炭バーナの縦断面図、第１２
図は保炎器の拡大図、第１３図は保炎（支）付近の燃焼
状態を説明するための模式図である。 ■・・・・・・微粉炭バーナ、１６・・・・・・保炎板
、１７・・・・・・保炎リング、１８・・・・・・保炎
器、２３・・・・・・セラミックス片、２４ａ・・・・
・・セラミックス片側痛み部、２４ｂ・・・・・・セラ
ミックス側突出部、２５・・・・・・止め金具、２６ａ
・・・・・・止め金具側突出部、２６ｂ・・・・・・止
め金具側窪み部、２９・・・・・・鍔部。 第１図 ｑ ４ｂ 第２図 ６１ｉ？　　２７ 筈　３　図 （ａ）　　　　　　　　　　　　（ｂ）第　８　図 第４図 第５図 第６図 第７図 第９図 第１１図 第１２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）微粉炭と搬送用媒体の混合流体を搬送して燃焼す
   る微粉炭バーナの先端に、鋸歯状の保炎板とラッパ状の
   保炎リングとからなる保炎器を設けた微粉炭燃焼装置に
   おいて、 前記保炎板が複数のセラミックス片と複数の止め金具と
   を交互にリング状に組み合せた集合体からなり、そのセ
   ラミックス片の基部両側にそれぞれ凹凸が形成され、一
   方、止め金具の両側にそれぞれ前記セラミックス片の凹
   凸と係合する凹凸が形成されていることを特徴とする微
   粉炭燃焼装置。
2. （２）請求項（１）記載において、前記止め金具の両側
   にセラミックス片の炉側端面と係合する鍔部が一体に形
   成されていることを特徴とする微粉炭燃焼装置。