JPH0339804A

JPH0339804A - 微粉炭燃焼用バーナ

Info

Publication number: JPH0339804A
Application number: JP1858890A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Azuhata; 茂小豆畑; Kiyoshi Narato; 清楢戸; Norio Arashi; 紀夫嵐; Toru Inada; 徹稲田; Kenichi Soma; 憲一相馬; Keizo Otsuka; 大塚　馨象; Takao Hishinuma; 孝夫菱沼
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1990-01-29
Filing date: 1990-01-29
Publication date: 1991-02-20

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用バーナに係り、特に窒素酸化物（
以下ＮＯｘという）を低減するに好適なバーナに関する
。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕化石燃
料の燃焼時に生成するＮ　Ｏｘは、フューエルＮ　Ｏｘ
とサーマルＮＯｘとに分類される。フューエルＮ　Ｏｘ
は燃料中に含まれる窒素分（以下Ｎ分と称す）が酸化さ
れて発生し、サーマルＮ　Ｏｘは空気中の窒素が酸化さ
れて発生する。

石炭はＮ分含有量が多く、燃焼時に発生するＮ　Ｏｘの
８０％近くがフューエルＮ　Ｏｘである。これに対して
従来開発の進められてきた燃焼技術は、２段燃焼法、排
ガス再循環法に代表されるように、燃焼温度を低下する
ことにより、空気中の窒素の酸化を抑制するサーマルＮ
　Ｏｘ対策に効果のあるものが主流である。

微粉炭燃焼時に発生するフューエルＮ　Ｏｘの発生経路
は、燃焼機構にともなって次のように説明される。微粉
炭燃焼は着火、熱分解、気体燃焼。

固体燃焼の過程から成る。燃焼の初期領域は着火及び熱
分解の進む領域であり、ここで石炭中に存在するＮ分は
気体として揮発するものと、固体中に残留するものとに
分かれる。熱分解に続く燃焼領域は石炭中の揮発分が燃
焼する気体燃焼と揮発分を放出した固体が燃焼する固体
燃焼が進行し、気体として放出されたＮ分及び固体中の
Ｎ分もそれぞれの燃焼領域で一部ＮＯｘに、一部窒素へ
と変換する。

石炭の熱分解時に気体として放出されるＮ分の中には、
シアン化水素（ＨＣＮ）及びアンモニア（ＮＨ，）とな
るものがあり、これらの窒素化合物は高温高酸素濃度雰
囲気ではＮ　Ｏｘに酸化されるが、適当な反応温度を設
定すれば、酸素共存下で選択的にＮｏにを還元し窒素（
ＮＺ）とする性質を有する。この性質を利用すれば、従
来開発されてきた２段燃焼を改良し、微粉炭燃焼の低Ｎ
Ｏｘ化を図ることが可能であり、２段燃焼を原理とする
バーナが開発されている。２段燃焼は↓段目の低空気比
の還元性領域で、石炭中のＮ分をできるだけＮ２に還元
する方式であり、更にＮＯｘの低減を図るには、燃焼火
炎内でのＮ　Ｏｘの発生領域、ＮＯｘ還元用還元剤の生
成領域、ＮＯｘの還元領域を明確に区別し制御する必要
がある。

また、元来サーマルＮＯｘ対策として開発された２段燃
焼をフューエルＮＯｘ対策用に改善した微粉炭燃焼バー
ナが既に開発されている１、第１図にその王例を示す。

バーナは微粉炭と］次空気から成る燃料混合気を供給す
る微粉炭ノズル０１．２次空気ノズル０２，３次空気ノ
ズル０３とから構成される。燃料混合気と２次空気によ
りバーナ先端近傍に理論空気量以下の燃焼空気量で燃焼
する上次燃焼領域が形成され、その後流に３次空気と１
次燃焼領域からの燃焼排出物による２次燃焼領域が形成
される。１次燃焼領域では石炭中のＮ分からＮ　Ｏｘの
他にアンモニア及びシアン系化合物が発生し、２次燃焼
領域でこれらの窒素化合物が反応してＮＯｘの一部が還
元され、］−次及び２次燃焼領域と燃焼領域を分割せず
に、ひとつの燃焼領域で微粉炭を燃焼するバーナよりも
発生するＮＯｘが低下する。

第１図に示すバーナは、上記理由によりＮＯｘ低減に有
効であるが、１次燃焼領域での燃焼空気量がＮＯｘ′ａ
度及び未燃思料の排出に敏感であり、未燃燃料排出量を
低減しかつＮ　Ｏｘ発生を抑制するには、燃焼空気量制
御を厳密に行なう必要がある。また、更にＮＯｘ抑制効
果を向−ヒするにはＮＯｘ還元性化合物を発生する１次
燃焼領域と２次燃焼領域の区別を明確にし、２次燃焼領
域をＮＯｘ′Ｘｉ元反応に最適な反応条件に設定し易い
構造に改良する必要がある。

本発明の目的は、ＮＯｘ発生抑止効果が大であるととも
に未燃分の排出が低減される微粉炭燃焼用バーナを提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、微粉炭を噴出させその微粉炭を空気比１以上
で燃焼させる第１のノズルと、第１のノズルを取り囲む
ように配置され、酸素濃度を空気中の酸素濃度以下に調
整した搬送気体によって微粉炭を噴出させ空気比１未満
で微粉炭を燃焼させる第２のノズルと、を備えたことを
特徴とする微粉炭燃焼用バーナである。

〔作用〕

前述の如く、石炭中のＮ分は、熱分解過程において、　
Ｎ　ＯＸ　＋窒素（Ｎ、）　、アンモニア（ＮＨ，）。

シアン化水素（ＨＣＮ）等の化合物になる。特にこれら
の化合物の中でＮＨ，が酸素共存下でもＮＯｘを選択的
に還元する性質を右し、Ｎ　Ｏｘの還元効果の高いこと
は排煙脱硝技術の分野で既に公知の４７に実である。従
って、酸素を含む燃焼カス中のＮＯｘを石炭を利用して
効果的に還元するには、石炭からＮＨ３を多量に発生さ
せ、これをＮＯｘと反応させれば良く１石炭燃焼時のＮ
Ｏｘの低減は、ＮＨ３の発生法及びＮＨ，とＮＯｘの混
合法が主要な技術課題になる。しかるに１石炭中のＮ分
が熱分解時に転換する窒素化合物の種類は、石炭の熱分
解条件に依存し、目的のＮＨｌを多量に発生させるには
、ＮＨ，生成に最適な熱分解条件を設定する必要がある
。発明者らは鋭意検討の結果、燃焼温度に近い温度領域
では石炭熱分解雰囲気中の酸素濃度が石炭中Ｎ分のＮＨ
。

転換率に及ぼす影響が大きく　、Ｎ　Ｈ３転換率を最大
にする最適な酸素濃度が存在することを微粉炭の熱分解
実験により確認した。

本発明の要点は、石炭からの熱分解生成物をＮＯｘの還
元に利用するため、石炭中のＮ分のＮＨ，転換率が最大
になる酸素濃度雰囲気で燃焼用石炭の一部を熱分解し、
これをＮＯｘ含有撚焼ガスと混合させることにある。

また、本発明のバーナにおいては、微粉炭燃焼火炎が、
第１次、第２次、第３時燃焼領域の３通りの領域に区分
され、燃焼火炎内でＮＯｘ発生領域とＮＯｘ還元用微粉
炭熱分解生戊生成物領域、Ｎ　Ｏｘ還元反応領域が明確
にされる。第１次燃焼領域は、理論空気量以上の空気で
微粉炭を完全に燃焼させる完全燃焼領域であり、ここで
燃料の大部分を燃焼させる。この領域では空気比を１以
上で燃焼させるため、燃焼灰中に残留する未燃燃料は非
常に少なくなると同時に多量のＮ　Ｏｘが発生する。２
次燃焼領域は燃焼排ガスと空気との混合ガスで噴出され
る微粉炭の燃焼領域であり、ここでは空気比が１未満の
燃焼、即ち微粉炭の熱分解が進行する。この領域は酸素
不足の還元性領域であるため、微粉炭中のＮ分がＮ　Ｏ
ｘに酸化される割合は非常に少なく、燃焼過程でのＮ分
の中間生成物である、アンモニア（ＮＨｌ）、シアン化
水素（ＨＣＮ）等が発生する。第３次燃焼領域は２次燃
焼領域で発生する微粉炭の熱分解生成物と１次燃焼領域
で発生するＮ　Ｏｘ及び上次燃焼領域での余剰酸素とが
反応する領域であり、ここでＮ　Ｏｘの還元反応と炭化
水素、−酸化炭素。

水素、固体中未燃分等の酸化反応が進行する。

第１次燃焼領域で完全燃焼させる微粉炭を第２次燃焼領
域で熱分解させる微粉炭よりも多くすることにより、未
燃燃料の排出を低減でき、更に第１次燃焼領域で高温に
加熱された余剰酸素で第２次燃焼領域で発生する熱分解
生成物を酸化するため、第３次燃焼領域での化学反応を
効率良く促進できる。

本発明の一実施態様においては、この酸素感度調整のた
めに微粉炭燃焼排ガスを利用し、燃焼排ガスと燃焼用空
気との混合比を制御することにより、熱分解雰囲気中の
酸素濃度が調整される。

また本発明の一実施態様においては、熱分解領域の酸素
濃度ｒＡ整を容易にするため、上記混合気体は、微粉炭
搬送に用いられ、燃焼火炉内の微粉炭の熱分解領域に噴
出させるために用いられる。

更に本発明の効果をより有効に発揮するには、第２次燃
焼領域で熱分解させる微粉炭の噴出気体、即ち燃焼排ガ
スと空気との混合気の酸素濃度を好ましくは３〜５体積
％とする。すなわち、酸素共存下でもＮＯｘを選択的に
還元できるＮＨ，を、微粉炭の熱分解反応で効率良く発
生させるには、熱分解条件を選定する必要があり１発明
者らは鋭意検討の結果、熱分解雰囲気の酸素濃度が３〜
５％の時に、ＮＨ，が最も多く微粉炭から発生すること
を発見した。従って、第２次燃焼領域での酸素濃度を３
〜５体積％とする、即ち混合気の酸素濃度を３〜５体積
％に空気と燃焼排ガスの混合比を調整することにより、
第３次燃焼領域で進ませるＮ　Ｏｘの還元反応を効果的
に促進できる。

また、酸素共存下でＮＨ，とＮ　Ｏｘとを効果的に反応
させるには９００　’Ｃ以上の反応温度が好適であり、
このため前記微粉炭熱分解生成物とＮＯｘ含有撚焼ガス
とは燃焼火炉内で混合し、ＮＯＸの還元反応を進ませる
ことが好ましい。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明のバーナの一実施態様を説明
する。第２図において、微粉炭燃焼バーナは２つの微粉
炭ノズル１２，１３．２次空気ノズル１７，３次空気ノ
ズル１８．イグナイタ１６から構成される。１＃粉炭及
びこれを搬送、噴出させるための１次空気から成る燃料
混合気を噴出させる微粉炭ノズル１２から、燃料微粉炭
の大半が噴出し、２次空気ノズル１７．３次空気ノズル
１８から噴出する２次空気、３次空気とにより、空気比
が１以上の第１次燃焼領域２１が、バーナ先端に形成さ
れる。更に本実施例では、第１次燃焼領域２１での火炎
を短炎化するとともに、他の燃焼領域から独立させるた
めに、２次空気ノズル１７及び３次空気ノズル１８を微
粉炭ノズル１２の外周に設置し、燃焼空気に旋回流を与
えるための、２次空気旋回羽根１４及び３次空気旋回羽
根】−５がそれぞれのノズル内に設置されている。微粉
炭ノズル１３は３次空気ノズル１８の外周に設置され、
ノズル１３より、酸素濃度が３〜５体積％に！１整され
た燃焼排ガスと空気との混合気と微粉炭とから成る燃料
混合気が噴出する。ノズル１３から噴出される燃料混合
気により、第１次燃焼領域２１の外周上に第１次燃焼領
域２１が形成され、この領域で第１次燃焼領域２１から
伝わる熱と混合気中に含まれる酸素とにより微粉炭の熱
分解反応が進み、還元性の熱分解生成物が発生する。

第２次燃焼領域２２で発生する還元性熱分解生成物の酸
化及び第１次燃焼領域２１で発生するＮＯｘの還元反応
が起きる第３次燃焼領域２３が、第１次及び第２次燃焼
領域の後流に形成される。

実施例１日本国内炭及び日本国内炭を１０００℃の不活性雰囲気
内で加熱して製造したチャー（石炭熱分解時に残留する
可燃性固体）を白金製ホルダーに詰め、１０００℃に加
熱した時に発生するＮＨ。

を定量することにより、石炭中のＮ分及びチャー中のＮ
分のＮＨ３転換率を測定した。第３図は熱分解雰囲気中
の酸素濃度を１〜７体積％の範四で変化させ、雰囲気酸
素濃度のＮＨ，転換率への影響を検討した結果である。

横軸に熱分解時の酸素濃度、縦軸に石炭及びチャー中の
Ｎ分のＮ　１−ｉ　。

転換率を示す。第３図より明らかなように、ＮＨ。

転換率は酸素濃度の影響を大きく受け、更にＮＨ，の転
換率を最大にする最適な酸素濃度が存在する。石炭中Ｎ
分のＮＩ−Ｉ、転換率は酸素濃度約３体積％で最大にな
り、チャー中のＮ分は酸素濃度約５体積％でＮＨ，転換
率が最大になる。

実施例２第４図は、実施例］の実験結果を得た実験装置と同一装
置を用い、実施例１と同様に熱分Ｍ雰囲気中の酸素濃度
の石炭中Ｎ分のＮＨ，転換率に及ぼす影響をみたもので
ある。本実施例では、石炭種の影響を検討するために、
オーストラリア炭。

中国炭の熱分解反応実験を試みた。熱分解温度は実施例
１同様１ｏｏｏ℃である。第４図より明らかなように、
炭種によって多少の最適酸素濃度範四に違いはあるが、
実施例１の日本国内炭同様。

−ストラリア炭、中国炭とも、熱分解雰囲気の酸素濃度
が約３体積％付近で石炭中Ｎ分のＮＨ。

転換率が最大になる。

上記実施例で明らかなように、石炭の熱分解生成物をＮ
　Ｏｘの還元剤として効果的に利用するには、石炭の熱
分解雰囲気中の酸素濃度を最適値に制御する必要がある
。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり本発明の微粉炭燃焼バーナによれば
、燃焼排ガスと空気との混合とにより、微粉炭熱分解領
域の酸素濃度を調整し、石炭中Ｎ分のＮ　Ｏｘ還元に有
効なＮＨ，への転換率を向」ニさせることができるため
、微粉炭の低Ｎ　Ｏｘ燃焼が可能となる。即ち、通常の
燃焼ではＮＯｘへ転換する石炭中のＮ分を、熱分解領域
でＮＩ−ｒ３へ転換しこれをＮＯｘの還元に用いること
ができるため、微粉炭の燃焼を低Ｎ　Ｏｘ化できる。

また、本発明によれば空気比１以上の完全燃焼領域を形
成するため、未燃燃料の排出を低減することが可能であ
る。さらに１本発明によれば、微粉炭を２系統に分けて
燃焼させることにより、一方のノズルで空気比１未満の
着火性の良い条件で火炎を形成するため、燃焼負荷が低
い場合でも、すなわち、他方のノズルがら噴出する微粉
炭とこれを搬送する空気との混合物中の微粉炭濃度が低
くても、他方のノズルからの火炎を形成し易い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の低Ｎ　Ｏｘバーナの側断面図、第２図は
本発明に係るバーナの側断面図、第３図及び第４図はＮ
Ｈ，転換率と酸素濃度との関係を示すグラフである。０１・・・微粉炭ノズル、０２・・・２次空気ノズル。０３・・・３次空気ノズル、０４・・・点火用バーナ。０５．０６・・・旋回羽根、０７・・・着火用補助燃料
供給孔、０８・・・微粉炭供給孔、ｏ９・・・２次空気
供給孔、１０・・・３次空気供給孔、１１・・・微粉炭
供給孔。１２・・・微粉炭ノズル、１３・・・微粉炭ノズル、１
４・・・２次空気旋回羽根、１５・・・３次空気旋回羽
根、１６・・・イグナイタ、１７・・・２次空気ノズル
、１８・・・３次空気ノズル、２１・・・第１次燃焼領
域、２２・・・第２次燃焼領域、２３・・・第３次燃焼
領域。

Claims

【特許請求の範囲】１、微粉炭を噴出させ該微粉炭を空気比１以上で燃焼さ
せる第１のノズルと、該第１のノズルを取り囲むように
配置され、酸素濃度を空気中の酸素濃度以下に調整した
搬送気体によって微粉炭を噴出させ空気比１未満で該微
粉炭を燃焼させる第２のノズルと、を備えたことを特徴
とする微粉炭燃焼用バーナ。２、前記第１のノズルと前記第２のノズルとの間に、空
気を噴出させるノズルを設けたことを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の微粉炭燃焼用バーナ。３、前記第１のノズルと前記第２のノズルとを、それぞ
れから噴出する火炎が直ちに混合しないように離して設
けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の微粉
炭燃焼用バーナ。