JPH02126022A - プラズマ式微粉炭点火バーナ並びにその陽極構造及び点火方法 - 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、固体燃料の燃焼装置に係り、特に、低エネル
ギで安定かつ高効率でバーナに点火し、連続燃焼させる
に好敵なプラズマ式微粉炭点化バ−す並びにその陽極構
造及び点火方法に関する。

〔従来の技術〕

従来のプラズマ式微粉炭点火バーナにおいては。

装置が大型で採算性が悪く、産業用の燃焼袋打として適
用されなかった。

近年、油燃料の価格の不安定性から、微粉炭焚ボイラの
需要が急速に増加している。微粉炭焚ボイラいおいて使
用される補助燃料は、着火性の良い軽油、重油が主流で
あり、これらの油燃料も主燃料に油を使用した場合と比
較すると、その使用比率は低いものの、近年、発′賀用
ボイラは中間負荷運用が多発しており、点火、起動の頻
度も以前と比較すると高く、その燃料費用の主燃料に対
する比率も増加しつつある。石炭焚ボイラにおいては、
主燃料の石炭に加えて、起動用に電油、点火用に軽油と
いう具合に、３種類の燃料が一般的に使われている。

そのため石炭焚ボイラにおいて、油燃料を低減させる為
の研究がさかんに行なわれている。その一方として、点
火、起動用バーナ燃料として、従来の油から石炭に転換
する計画がある。点火、起動用燃料として、石炭に切り
替えることができれば油の使用比率が低減し、ランニン
グコストの低減ができ、特に中間負荷運用のボイラにと
っては利点が多い。なお、点火、起動用燃料として、油
使用量を０％すなわち１００％微粉炭運用ボイラとした
際は、従来のタンク及びその系統が不要となるためイニ
シャルコストの低減が可能で、産業用ボイラの石炭専焼
化が可能となる。

このようなニーズに対して、微粉炭への直接点火方法が
試されてきたが、プラズマによる微粉炭の直接点火はそ
の代表例であり、１００００　’Ｃを館える高温により
微粉炭への点火が可能である。

しかし従来のプラズマによる微粉炭直接点火１−一千は
、主バーナへの直接点火を意図したものであり、第２４
図及び第２５図に示めされるように、微粉炭ライン２ｏ
からの微粉炭の噴流に対してプラズマ点火トーチ２６が
角度をもった取り付は構造であった。そしてその先端に
露出する連続プラズマ発生装置１３からプラズマ電極１
１が形成され、他端は直流電源１０に接続している、一
方、微粉炭ライン２０からの微粉炭はベンチュリー１９
内を流通し、その中心には、挿通された油起動バーナ１
７とその先端部に油火災用保炎器とが設けられているし
かし、この方法では、プラズマと微粉炭とを効率よく接
触させるために、巨大な電源と電力が必要であった。し
たがって、技術的には微粉炭の直接点火が可能であった
ものの、実用にはほど遠いものであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のプラズマ式微粉炭点火バーナにおいては、微粉炭
燃料に対して、プラズマ発生装置による微粉炭主バーナ
への直接点火のため、イニシャルコストとランニングコ
ストの占める比率が高く、また、装置も大型化するため
事業用、また産業用の燃料装置に適用することができな
かった。

本発明の目的は、油もしくはガスを用いた点火バーナの
容量に匹敵する熱容量を有し、プラズマと微粉炭とが効
率よく接触し、かつプラズマ電極が保護されたプラズマ
式微粉炭点火バーナを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記の目的を達成するため、本発明に係るプラズマ式微
粉炭点火バーナ並びにその陽極構造及び点火方法は、固
体燃料を主燃料とし、固定燃料を連続プラズマ発生装置
により着火するととも（、二そのプラズマアークを保炎
器内に形成したプラズマ式微粉炭点火バーナにおいて、
連続プラズマ発生装置の陽極と陰極との間に固体燃料を
流通し、陽極と陰極とを保炎器の上流側に配設した構成
であり、固体燃料及びこの固体燃料を搬送する搬送空気
にプラズマアークの熱を伝達するとともに、陽極および
陰極を冷却させる熱交換フィンをそれぞれの電極の間に
配設するものとする。

そして陽極構造は、保炎器の一端を１次陽極に対向する
２次陽極とし、２次陽極の半径方向に少くとも１個のス
リットを設けるとともに、導電性セラミックで形成され
るものとする。

さらに点火方法は、連続プラズマ式発生装置を微粉炭の
流通路に挿着して点火バーナ又は点火ト−チを形成し、
点火バーナ又は点火トーチにより主バーナの主燃料に点
火するように構成されている。

〔作用〕

本発明によれば、プラズマ式微粉点火バーナの連続プラ
ズマ発生装置の少くとも１個の陽極と陰極との間に固体
燃料を流通し、画電極を保炎器の上流側に配設し、かつ
保炎器の一端を１次陽極に対向する２次陽極とすること
によって、起動時にプラズマアークが固体燃料（微粉炭
）の搬送空気に影響され難しくなり、微粉炭粒子の最適
濃度領域が早期に形成される、そして微粉炭と搬送空気
との最適重量比（Ｃ／Ａ）において、１次陽極と２次陽
極のスリット構造とにより、微粉炭が分散し、高温に加
熱された微粉炭粒子群に対してプラズマアークが選択的
に流れる。微粉炭とプラズマアークが接触し易い構造の
ため、陽極の材質を導電性セラミックにすることによっ
てその焼損が防止され、熱交換フィンにより電極の熱が
奪われるとともに、その熱が微粉炭や搬送空気に伝熱さ
れる。このようにして、着火遅れを制御して点火バーナ
又は点火トーチが点火され、ついで主バーナの主燃料が
点火される。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図〜第５図を参照しながら説明
する。

第１図に示されるように、固体燃料（微粉炭）７を主燃
料とし、固体燃料７を連続プラズマ発生装置１３により
着火するとともに、そのプラズマアーク１１を保炎器］
内に形成したプラズマ式微粉炭点火バーナにおいて、連
続プラズマ発生装置１３の陽極３及び１２と陰極２との
間に固体燃料７を流通し、少くとも１個の陽極３及び１
２と陰極２とを保炎器１の上流側に配設した構成である
。

なお、連続プラズマ発生装置１３内に陰極２が挿通され
ており、先端のプラズマアークノズル２５からプラズマ
アーク１１を発生し、他端は直流電源１０に接続してい
る。陰極２は絶縁ガイシ４により支持されており、その
周囲にはプラズマ作動ガス８が矢印方向に流れ、陰極２
の他端は高周波スタータ９を介して直流電源１０に接続
している。

事業用の微粉炭焚きボイラにおいては、微粉炭用土バー
ナの構造は、通常、油燃料による起動バーナと同軸上に
構成される。一方、起動バーナは、ボイラ負荷が約２５
％に達し、炉内温度が約６００℃になるまで燃料を投入
し燃焼する役目をする。

従来の点火バーナは、主バーナの約３％の投入熱容量を
持ち、これらの主バーナの点、消火時に使われる。第２
４図及び第２５図に示されるように。

従来型のプラズマ点火トーチ２６は、油起動バーナ１７
の油点火バーナの代わりとして、もしくは。

微粉炭主バーナにたいする直接点火装置として用いられ
ていた。本発明によるプラズマ点火トーチは、これで直
接起動バーナもしくは主バーナを点火するのではなく、
従来油燃料を主に用いていた点火バーナ用の燃料を、主
バーナと同じ微粉炭を使用できるようにしたことを特徴
とするものである６本発明では、この微粉炭の点火用エ
ネルギとしてプラズマを用いた。本発明によるプラズマ
の発生装置を利用した微粉炭バーナの構成が第１図に示
される。電極は、陰極２と１次陽極３及び保炎器１の一
端の１次陽極３に対向する２次陽極１２で成立ち、この
間で放電する。プラズマアーク１１は、高周波スタータ
９の起動で発生し、その後、電源１ｏによって直流電流
に置き換えられる。

−・方、作動流体は、空気もしくは不活性ガス８が用い
られて矢印のように流れ、プラズマを吹き飛ばすために
、プラズマアーク１１が形成される。

第２図に示されるように、２次陽極１２の構造は、微粉
炭流に乱れを与えやすくするために、複数のスリット２
７を設けである。プラズマアーク１１は高周波スタータ
９の起動で発生し、その後、直流電源１０によって直流
に切り替えられる。プラズマは陰極２から出て最終的に
は２次陽極１２に落ちるが、スタート直後はプラズマア
ーク１］が不安定なため、微粉炭の搬送用１次空気流７
に影響されにくいよう、抵抗になる１次陽極３を設ける
。この構造によって、プラズマアーク１１は確実にスタ
ートして、保炎器の一部であるところの２次陽極１２に
落ちることができる。

第３図に微粉炭Ｃと微粉炭の搬送用空気Ａとの重量比率
（Ｃ／Ａ）と微粉炭の着火遅れとの関係が示される。微
粉炭濃度が低い（Ｃ／Ａが低い）場合は、微粉炭粒子間
の距離が小さく、また、粒子から放出される揮発分と空
気とからなる可燃混合藏の空気比が可燃混合範囲に入ら
ないため着火しない。一方、微粉炭濃度が高い場合、加
熱された微粉体粒子からの熱放出が大きいために着火に
いたらない。したがって着火遅れを最小にする最適なＣ
／Ａ値が存在する。

微粉炭を搬送開始した直後のバーナノズル部の微粉炭の
粒子濃度分布は時間的にも空間的にも変動している。こ
れは配管中の粒子濃度が時間的に増加するため、凝集粒
子の通過流路が変化することによる。第４図と第５図に
は、バーナノズル部における断面部の粒子濃度分布の変
化状態として、高濃度域１６と、低濃度域１４と、最適
濃度領域１５とが示される。プラズマアークはノズル２
５から出て、２次陽極１２に落ちる。この際プラズマア
ークが、最適濃度領域１５を通過すれば着火遅九を最小
に抑えることができるのであるが、実際は、第４図と第
５図に示されるように変動しているため、２次陽極１２
が１つしか無い場合は、必ずしも最適濃度領域１５をプ
ラズマアークが通過するとは限らない。また２次陽極が
オリフィス構造の場合は、陽極内部で熱拡散が比較的良
好に行われるため、スリット構造のように局部加熱を起
さない。本発明では、スリット構造によって微粉炭を分
散するとともに、２次陽極による微粉炭の加熱着火効果
を意図している。一方、プラズマアークにはピンチ効果
、すなわち、少しでも高温領域を電流が通過する特性が
あるため、プラズマアークは加熱されて高温の粒子群に
対して選択的に流れる。このため、ノズル２５と２次陽
極１２との半径方向距離を機械的に変化させたり、磁Ｗ
によってプラズマアークを回転させる等の方法をとらな
くても着火遅れを最小にすることができる。

第６図〜第８図は陽極構造、第９図はプラズマ式微粉炭
点火バーナを微粉炭バーナに組み込んだ他の実施例が示
され、第６図にはプラズマの電極近傍の断面図が示され
る。

本実施例では、１次陽極３及び２次陽極１２の両電極間
を微粉炭燃料が通過するため、微粉炭とプラズマアーク
とが接触しやすい構造が望ましく、また電極及びその周
囲は加熱されやすいために焼損を防ぐ必要があり、１次
陽極３の材質は導電性セラミックを用い、構造は微粉炭
粒子とプラズマアークとが接触しやすいように円柱構造
としている。

プラズマアークは、陰極から出て陽極に落、ちるが、プ
ラズマ部はもちろん、画電極も大電流が流れるために高
温にさらされるとともに、微粉炭に接触するため摩耗の
問題も生ずる。したがって、耐熱、長寿命化を計るため
には電極の材質を選択する、電極を冷却する等の方法が
効果的である。

このための手段として、陽極の材質を導電性セラミック
スとし、また、画電極を冷却するため、熱交換フィンを
設けた構造とした。また、微粉炭バーナを最小の着火遅
れで点火するため、微粉炭と接触する高温部の表面積を
増大する方法が効果的である。このため、陽極を微粉炭
バ・−すの保炎器の一部として、微粉炭ノズル部におけ
る、粒子低流速部の保炎器表面温度を上昇１７、希にプ
ラズマ部を通過しなかった粒子もこの高温域で着火する
ようにした。

第１０図には微粉炭搬送用の１次空気温度゛ｒに対する
微粉炭濃度（Ｃ／Ａ）の着火に及ぼす影響が示され、］
−次空気温度Ｔを増加することによって、Ｃ／Ａを下げ
ても、着火できることが分る。

また、第１−１図には、微粉炭を搬送開始後のＣ／Ａの
時間Ｈに対する変化が示され、第１０図及び第１１図か
ら、１次空気温度ＴをＴ１からＴ２に増加することによ
って、Ｃ／ＡをｐｌからＰ２に減少でき、かつ着火遅れ
の時間Ｈをτ□からＴ２にまでおさえることができる。

着火遅れの時間を短くすることは、着火時の炉内圧力増
加の抑制、さらには未燃分の抑制に必要な技術である。

微粉炭燃焼は、他の燃料と比較して定格流量までに達す
る供給系の遅れが著しい。従って、燃焼反応系の調′儲
によって、このギャップを埋める必要がある。

つぎに、１次空気の昇温方法であるが、微粉炭の着火は
、火炉が冷えている状態で行なわれることが多い。従っ
て、燃焼系統を複雑化しないためにもプラズマアークに
よる熱損失を有効に利用することが効果的である。第８
図には、陰極周囲に熱交換フィン２１を設置し他の実施
例が示される。

プラズマアークによる熱交換において、熱伝導によって
電極の元側に伝わる熱量は全投入エネルギの３０％程度
といわれている。この熱交換フィン２１の採用によって
１次空気温度Ｔの上昇は第】２図に示されるように、フ
ィン有Ｆはフィン無Ｎより短時間となり、着火遅れを抑
制する。

また、第１３図及び第１−４図には、プラズマトーチを
用いた微粉炭点火バーナを、微粉炭主バーナに組み込ん
だ他の実施例が示される。点火バーナは、主バーナの内
の中央部に設置され、点火シーケンスとしては、まず、
プラズマ発生、微粉炭点火バーナに点火、そして最後に
主バーナに点火する。この点火方法によれば、最小の点
火遅れで。

かつ最小のイグナイタ（プラズマ）エネルギで微粉炭主
バーナへの点火、起動が可能となる。なお、微粉炭点火
バーナで微粉炭以外の燃料を用いた起動もしくは主バー
ナに点火する場合は、第２４図に示されるプラズマ点火
１・−チ２６の代わりに本発明によるプラズマ式微粉点
火バーナを置き換えたプラズマ発生器】３２点点火バー
ナ用空気流路２２点火バーナ用空気流路２３．主バーナ
用微粉炭流路２４の構成になる。この方式は、火炉が常
温すなわちボイラのコールドスタート時に、低公害でか
つ高信頼性を保持したまま、負荷の増加ができる。

そして、第１５図及び第１６図は第１３図で示される微
粉炭バーナに、本発明によるプラズマ式微粉炭点火バー
ナを取り付は構成したものである。

８動バーナ又は主バーナ用微粉炭流路２６を有する微粉
炭主バーナは縦一列に並び、中央バーナの中心部にプラ
ズマ発生器１３を備えたプラズマ式微粉炭点火バーナを
取り付けたものである。

さらに、本発明の他の実施例を第１７図及び第１８図を
参照しながら説明する。

第１７図及び第１８図に示されるように、電極は陰極２
と陽極３０とで成立ち、この間で放電する。アークは陰
極２とアーク落下点３２との間で形成される。一方、プ
ラズマは絶縁性セラミックノズル３３によってとばされ
、円筒型開口部２９の内部に形成される。なおプラズマ
によって加熱されたガスは、デイフユーザ３１によって
効率よく排出される。

前記の第１図に本発明になるプラズマ式イグナイタを微
粉炭を用いた点火トーチに組み込んだ構造が示され、イ
グナイタはプラズマが微粉炭流と接触しやすいように点
火トーチの中心部に挿入する構造である。この構造によ
って、アークは確実にスタートして、保炎器の一部であ
るところの２次陽極に落ちることができる。

第２０図にはこのノズル部構造が、第２１図には、セラ
ミックの軸方向長さとプラズマの安定性が示される。

第２０図のセラミックス３４に対し、第２１図の縦軸は
アーク電圧■である。一般にアークの長さとは比例関係
Ｖ　／　Ｔ、、、　ｏにあり、電流一定が通常の運転条
件であるため、この値が大きいほど定格条件で運転して
いることをしめす。

横軸は、ノズル径Ｄｏに対するノズル長さＬ　ｃの比率
である。この値が小さいほど、プラズマは直進しやすい
一方、運転に大きな電圧が必要である。

そこで、運転使用時間が長くなるにつれて、ノズル径Ｄ
Ｏは損傷を受けて大きくなり、ＤＯ／ＬＣは時間ととも
に増加する。

この図において、ノズル部のセラミック挿入長さはＬ　
ｃ　／　Ｌ　ｏとして示される。Ｔ、　ｃ　／　Ｌ　ｏ
がＯの場合は、セラミック無し、１の場合は、すべてセ
ラミック製としたこを示し、１の場合はプラズマがスタ
ートできない６また。０の場合は短時間でノズルが損傷
するために、Ｖ／Ｌｏが短時間で低下する。

この図でＶ　／　Ｌ　ｏの変化はアークの落下位置が変
わったことを示す。

実験によると、Ｌｃ／ＬＯは０．２から０．８が好適で
あった。

さらに、電圧にもよるが、プラズマの発生はノズルの近
くに限られる。このために、長時間運転することによっ
て、輻射と熱伝導でこの周囲の陽極が溶融して吹き飛ば
され、断面をｖＡ察するとちょうど、円形になる。プラ
ズマとビームの落下点から、この円形が安定した陽極構
造であることがわかった。

したがって、電極の加工上の制約から、プラズマ発生領
域の電極構造は、内側を円筒型とした。

第２２図には、陽極構造を軸方向に延ばした構造の場合
におけるプラズマとアークの形成状況が示される。アー
ク電流は陰極２から出て陽極３５に落下する。この際作
動空気によってプラズマ３６が形成される。正常な運転
状況においては、アークは電圧の低いほうが安定するの
で、プラズマ３６の先端に近い場所に落下して、そのと
きの電圧はｖｌになる。しかし、陽極３５の損傷が著し
くなると、陽極３５はもとより、ノズル２５も変形して
くるため、プラズマ流は軸方法に流れなくなる。この様
な条件では、アークはノズル２５近傍に落下し、その電
圧はｖ２になる。一般にＶｌ＞ｖ２であることから、プ
ラズマ出力が時間的にも不安定になる。

この様な現象にたいして、第２３図には常に電圧が一定
になるように同心円状にギャップを形成した陽極３７構
造が示される。この構造では、各部の電圧はＶ１＝Ｖ２
＝Ｖ３＝Ｖ４になる。このため、陽極３７は均一に損傷
をうけることになるため、長寿命化が計れる。また、第
２２図と比較してプラズマからの輻射、対流伝熱を直接
受けにくい構造となる。

そして、プラズマ後流部においては、デイフユーザ３８
を有する。この加速部を有した構造によって、周囲の空
気を多量に吸い込むことができ電極の冷却が効率的に行
なわれる。さらに、陽極３７周囲を流れる微粉炭を効率
的にプラズマ中心高温部に導入できる。このため、電極
の長寿命化とともに、微粉炭の着火性能も増大すること
が期待できる。

第１９図には陽極構造が示される。

第１９図に示されるように、円筒型開口部２９と、デイ
フユーザ部４０との間にラバールノズル４１（超音速ノ
ズル）を設置した。

プラズマ温度は１００００℃を越えるため、作動空気の
元圧力が１　ｓｔｇ以下の条件においても、プラズマの
流速は局所的には超音速になる。ノズル後方の構造が大
気解放であるため、超音速には加速しないが、デイフユ
ーザ４０の構造によって効率よく膨張させることができ
る。しかし、円筒型開口部２９とデイフユーザ部４０と
の間に鋭角な構造があると、流れは剥離し、デイフユー
ザの効果が低下する。このため、この箇所に曲率を有す
るラバールノズル４１を設けて、流れを整えた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、プラズマ式微粉炭点火バーナの連続プ
ラズマ発生装置の少くとも１個の陽極と陰極との間に固
体燃料（微粉炭）を流通し、保炎器の一端を２次陽極に
形成することによって、プラズマアークの高温部と微粉
炭粒子とを効率よく接触させることができるため、微粉
炭点火バーナがコンパクトに構成され、着火遅れが最小
になって連続プラズマ装置の電気容量が約１／１００に
なるとともに、イニシアルコストとランニングコストを
大巾に低減することができる。

さらに、本発明によるプラズマ式トーチを用いることに
より、微粉炭の他に燃焼性が良好なガス、油燃料への直
接点火が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は第１
図の■−■線断面図、第３図は着火遅れとＣ／Ａとの関
係を示すグラフ、第４図及び第５図は本実施例の作用を
説明する図、第６図は本発明の他の実施例を示す断面図
、第７図は第６図の正面図、第８図及び第９図は本発明
の他の実施例を示す断面図、第１０図〜第１２図は他の
実施例の作用を説明するグラフ、第１３図は本発明の他
の実施例を示す断面図、第１４図は第１３図の正面図、
第１５図は本発明の他の実施例を示す断面図、第１６図
は第１５図の正面図、第１７図は本発明の他の実施例を
示すプラズマ式イグナイタ先端部の断面図、第１８図は
第１７図の平面図、第１９図は本発明の他の実施例を示
すプラズマ陽極の断面図、第２０図は第１９図のノズル
の断面図、第２１図は第２０図の実施例の効果を説明す
る図、第２２図及び第２３図は本発明の他の実施例を示
すプラズマ陽極の断面図、第２４図及び第２５図は従来
の技術を示す断面図である。 １・・・保炎器、２・・陰極、３・・・１次陽極。 ７・・固体燃料、１１・・プラズマアーク、１２・・・
２次陽極、１３・・・連続プラズマ発生装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固体燃料を主燃料とし、該固体燃料を連続プラズマ
   発生装置により着火するとともに、そのプラズマアーク
   を保炎器内に形成したプラズマ式微粉炭点火バーナにお
   いて、前記連続プラズマ発生装置の陽極と陰極との間に
   前記固体燃料を流通し、少くとも１個の前記陽極と陰極
   とを前記保炎器の上流側に配設したことを特徴とするプ
   ラズマ式微粉炭点火バーナ。 ２、固体燃料及び該固体燃料を搬送する搬送空気にプラ
   ズマアークの熱を伝達するとともに、陽極及び陰極を冷
   却させる熱交換フィンをそれぞれの電極の間に配設した
   ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ式微粉炭点火
   バーナ。 ３、請求項１記載のプラズマ式微粉炭点火バーナの陽極
   構造において、保炎器の一端を１次陽極に対向する２次
   陽極としたことを特徴とする陽極構造。 ４、請求項３記載のプラズマ式微粉炭点火バーナの陽極
   構造において、２次陽極の半径方向に少くとも１個のス
   リットを設けたことを特徴とする陽極構造。 ５、請求項３又は４記載のプラズマ式微粉炭点火バーナ
   において、陽極を導電性セラミックで形成したことを特
   徴とする陽極構造。 ６、請求項１又は２記載のプラズマ式微粉炭点火バーナ
   の点火方法において、連続プラズマ発生装置を微粉炭の
   流通路に挿着して点火バーナ又は点火トーチを形成し、
   該点火バーナ又は点火トーチにより主バーナの主燃料に
   点火することを特徴とする点火方法。