JPH0343526B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は還元炎形成用微粉炭バーナに係り、特
に燃焼灰中の未燃分を増加させることなく、排ガ
ス中の窒素酸化物（以下、NO_xと称する）を低
減するに好適な還元炎形成用微粉炭バーナに関す
るものである。

石炭、石油および天然ガス等の化石燃料を大量
に消費する火力発電用ボイラ等の火炉から排出さ
れる燃焼ガス中には種々の有害ガス成分が含まれ
ているが、それらのうち特にNO_xは、燃焼技術
の改善によつて大巾に低減可能なガスである。通
常、上記NO_xのうち大部分はNOであり、この
NOは大気中で徐々に酸化されて水溶性のNO₂
（N₂O₄）となり、SO₃とともに酸性雨や光化学ス
モツグの要因となつている。

NO分子は、主として火炎温度との関連で燃焼
用空気中のN₂が酸化されて生成する熱NOと、燃
料中の有機窒素化合物（以下、Ｎ分と称する）の
酸化によつて生成される燃料NOとに大別され
る。

そのため、当然のことながら石炭のように燃料
中に多量のＮ分を含有するもの程、排ガス中の
NO濃度は増加しやすい傾向となる。

石炭中には通常１〜２％のＮ分が含有されてお
り仮にこれが100％NOに転化したとすると、排
ガス中NO濃度は大略2000ppm程度にも達するこ
ととなるが、最近の改善された燃焼技術によれ
ば、燃料NOの転換率を30％以下に抑えることが
可能になつている。このような燃焼方法として、
特に二段燃焼法と呼称される空気バイアス燃焼方
法や炉内脱硝燃焼法を適用した微粉炭燃焼法が注
目されている。これらの方法は、第１図に示すよ
うな装置を用いて行われる。該装置は、火炉１１
０の前、後壁において下方から上方へ向け順次設
けられた下段バーナ１０１、中段バーナ１０２お
よび上段バーナ１０３と、上段バーナ１０３の上
方に設けられたアフタエア口１０４とから主に構
成されている。

このような構成の装置において、二段燃焼法の
場合には、各段バーナ１０１，１０２および１０
３をNO_x（NO）低減化にとつて有利な低空気比
（燃料過剰）に保ちながら第１次の燃焼を行い、
次いで該燃焼により生じた未燃分をアフタエア口
１０４から供給される空気の存在下で再燃焼させ
るものであるが、バーナ部での燃焼反応は緩やか
であるため特に熱NOの抑制に効果がある。ま
た、炉内脱硝燃焼法の場合には、下流側に位置す
る上段バーナ１０３において燃料大過剰の燃焼領
域を形成し、該領域で発生する還元ラジカルによ
り上流側のバーナ部で発生する特に熱NOをN₂に
還元し、一方、未燃分については上記二段燃焼法
の場合と同様にアフタエア口１０４から供給され
る空気の存在下で完全燃焼させるものである。

このように、二段燃焼法および炉内脱硝燃焼法
はともに優れたNO（特に熱NO）低減燃焼法であ
るが、燃料NOの低減については未だ必ずしも満
足できるものではない。その理由として以下が考
えられる。

すなわち、上記各燃焼法の１部をなす還元雰囲
気形成域で微粉炭を燃焼する場合、石炭粒子（以
下、チヤーと称する）中のＮ分のうち１部分は揮
発・ガス化するが、残部は揮発することなくチヤ
ー中に残存して後流の空気燃焼域へ送られる。

上記の揮発・ガス化したＮ分（以下、揮発Ｎ分
と称する）は、下記(1)および(2)式に示す通り、熱
分解または部分酸化によりNH₃やHCNに転化
し、次いで・NHや・CNの遷移状態を経て最終
的にはNOやN₂となるが、これらの反応は還元雰
囲気下で行われるため、(2)式の反応が優先して進
行し、結果的にNOの低減化が良好に達成され
る。

揮発Ｎ分→NH₃、HCN→NH、・CN→NO …(1) N₂ …(2) 一方、揮発することなくチヤー中に残存するＮ
分（以下、残存Ｎ分と称する）の１部は、後流の
空気燃焼域でチヤーを燃焼する際に酸化され、
NOに転化する。NOへの転化率は10％前後とさ
れているが〔Pershing、D.W et al；16th
Symposium（Int.）on Combustion（1976）、389、
The Combustion Institute.〕、これより小さく
することは該転化反応がチヤー表面の濃度境界層
で進行するものであるため、非常に難しいとされ
ている。

以上を要約すると、燃料NOの低減化を達成す
るためには、チヤー中のＮ分を還元雰囲気下の燃
焼初期において可及的多量に揮発させることが必
要であるといえる。

このような課題を達成するためには、還元雰囲
気下の燃焼初期におけるチヤー温度を高温に維持
すればよいことが知られている。ちなみに、チヤ
ー中のＮ分は、上記チヤー温度を900℃とする場
合に約50％揮発し、1600℃の場合にはほぼ100％
揮発することが確認されている。

しかしながら、従来の微粉炭バーナによるとき
はこれが不充分であつた。すなわち、従来の微粉
炭バーナは、バーナスロートの中心部に微粉炭搬
送通路を配し、その周囲より層もしくは環状に燃
焼空気の供給を行なう構造のものが一般的であ
る。

かかる構造のバーナにおいては、燃焼空気の旋
回によつて形成される再循環領域の形成およびイ
ンペラによつて形成される微小渦が燃焼初期の高
温維持（着火、保炎）に寄与する程度に過ぎない
ので特に稍燃料比が高く、従つて低揮発生の石炭
を燃焼する際には、着火、保炎が悪化する。この
ため、残存Ｎ分に起因するNO生成量が増加し、
全体的に見てNO排出量が増大し、しかも、火炎
吹き飛びによる燃焼時間の損失により未燃分も増
加し易くなるという欠点がある。

なお、最近、石炭・水スラリー燃焼法が再注目
されつつあるが、この燃焼方法には気孔率が小さ
く、従つて比較的燃料比の大きい微粉炭が達する
こと、および伴送媒体が水であるため蒸気潜熱に
基づく熱損失が大きいこと等が原因し、燃焼初期
に於ける高温維持は特に困難である。

本発明の目的は、上記に鑑み、排ガスおよび燃
焼灰中の未燃分を増加させることなく、NO_xを
低減するに好適な還元炎形成用微粉炭バーナを提
供することにある。

上記の目的を達成するため、中央部に設けられ
た先端開口の微粉炭搬送通路と、その外側に設け
られた先端開口の内周空気通路と、さらにその外
側に設けられた先端開口の外側空気通路とを備え
た微粉炭バーナにおいて、該内周空気通路の先端
外周部に火炉内に向かつて拡大する耐火材製のス
リーブを設けるとともに、前記外周空気通路先端
部を火炉内に向かつてバーナ中心部から見て外向
き噴射孔となるように構成したことを特徴とす
る。

上記耐火材製のスリーブは、内周空気通路およ
び外周空気通路からそれぞれ火炉内へ噴出される
空気をバーナスロート近傍で互に混合しないよう
に分離する機能と、熱逸散の防止および輻射熱の
有効利用によりバーナ部に形成される還元炎の高
温化を達成する機能とを有する限り、その形状お
よび材質等は特に限定されないが、形状について
は火炉内へ未広がり状に延びたラツパ状体とする
ことが好ましい。このような耐火材製のスリープ
を設けることにより、バーナ部に形成される還元
炎を高温に保つことが可能となり、これによりチ
ヤー中のＮ分を燃焼初期において充分に揮発させ
ることができるので、後流の空気燃焼部で残留Ｎ
分に起因するNOの生成が軽減され、総合的にみ
てNOの生成を大幅に低減することが可能とな
る。

外周空気通路は、空気のみを供給する構造のも
のでもよいが、再循環排ガスを供給可能な構造と
することが望ましい。このようにすれば、低NO
化にとつて有利な燃料過剰条件を強化（低空気比
化）する場合に、還元炎形成域の流体力学諸条件
をほとんど変更することなく、これを達成するこ
とができる。

本発明バーナは、単独で使用することも可能で
あるが、一般に二段燃焼法や炉内脱硝燃焼法に適
用される、複数段バーナからなる燃焼装置の還元
雰囲気形成用バーナとして用いることが好まし
い。特に、炉内脱硝燃焼法においては、燃焼装置
の最上段バーナに適用することとなるが、この場
合には、該最上段バーナの空気比が0.65以下のよ
うな極端に低い範囲下であつても還元炎を高温度
に保つことができるので、低NO化を良好に達成
することができる。

以下、図面に示す実施例により本発明をさらに
詳しく説明する。

第２図は、本発明の比較例に係る従来の実験用
微粉炭バーナを示すもので、このものは、中心部
の微粉炭搬送通路１と、その外側のダクト４によ
り順次仕切られた内周空気通路２および外周空気
通路３とから主に構成される。なお、図中、３０
は微粉炭５を一次空気とともに微粉炭搬送通路１
へ案内するための微粉炭搬送管、６１は内周空気
通路２内に設けられた内周空気６の流量および旋
回力調整用エアベーン、６２は外周空気通路３の
供給側入口に設けられた外周空気７の流量および
旋回力調整用エアレジスタである。

このような構成の微粉炭バーナを、第１図に示
す装置において高さＡ＝16000mm、巾Ｂ＝3000×
4200mmとした試験用燃焼装置の各段３列からなる
バーナ１０１，１０２および１０３に適用し、下
記条件下で低燃料比の微粉炭および稍高燃料比の
微粉炭について炉内脱硝燃焼法に基づく燃焼試験
を行つた。

条件：上段バーナ１０３の空気比0.65以下、微粉
炭の供給量1.5T／時間。

上記構成の装置において、微粉炭５は一次空気
とともに微粉炭搬送管３０および微粉炭搬送通路
１中を送られたのち該搬送通路１の先端開口部か
ら火炉内へ噴出されるが、その際、内周空気通路
２および外周空気通路３の各先端開口部から噴出
される内周空気６および外周空気７により順次混
合されるので、バーナスロート近傍には乱流拡散
状態の火炎が形成される。

低燃料比の微粉炭使用時には、上記火炎の保炎
性は維持されるので燃焼初期に温度が低下するこ
とはなく、従つて揮発Ｎ分は多くなり、通常燃焼
時の1/8程度までNO_x排出濃度を低減できること
が確認された。

しかし、稍高燃料比は微粉炭使用時には、バー
ナスロート近傍での保炎性が悪化するため、燃焼
初期のかつ最も乱れの強い領域での温度上昇が不
充分となり、従つて揮発Ｎ分の減少（残留Ｎ分の
増大）にともなうNOの増大と灰中未燃分の増加
を生ずる結果となる。

残留Ｎ分およびこれに起因して後流の空気燃焼
域で生成するNO量の程度は第３図から明らかで
ある。すなわち、第３図は、下段バーナ１０１か
らの平均滞留時間（左縦軸）と、下記(3)式のUn
で示される出発微粉炭Ｎ分のチヤー中における残
留率（横軸）と、チヤー中残留Ｎ分の転換率
（ηNO）別NO生成量（右縦軸）との関係を示す
ものである。

Un＝Nchar×（Co×0.01Uc＋Ash） ／No …(3) Uc＝Ash×Cchar×100／Co ×（100−Cchar） …(4) 〔上式中、Ncharはチヤー中のＮ分析値（％）、
Coは出発微粉炭中の炭素分析値（％；JIS）、Uc
は未燃カーボン率（％）、Ashは出発微粉炭中の
灰分分析値（％）、Noは出発微粉炭中のＮ分析値
（％）、Ccharはチヤー中の炭素分析値（％）であ
る〕。なお、図中、Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆはそれぞれ分
析点を、Ｇはアフタエア口１０４からの空気供給
点を、またＨ，Ｉ，Ｊはそれぞれチヤー中残留Ｎ
分のNOへの転換率η_NOが10％、20％および30％
の場合の換算ラインを示す。

第３図から、滞留時間が大となる程Unは小さ
くなること（Ｃ〜Ｄ間を除く）、空気供給点Ｇの
直前に位置する分析点Ｄでは未だ約15％のＮ分が
チヤー中に残留していること、およびこの残留Ｎ
分が既述の情報に従い10％前後NOへ転換する場
合には、約50ppmのNOがアフタエア口１０４で
の完全燃焼時に生成すること等が知られる。

このよう、比較例による場合は、NOが増大
し、また排ガスや灰中に未然分が増加する等の欠
点がある。

次に、第４図は、本発明実施例に係る微粉炭バ
ーナの側断面図を示すもので、このものは、第２
図に示す符号および説明が同様に参照される部分
と、ダクト４の火炉側先端部に設けられた、火炉
内へ未広がり状に延びる耐火材製のラツパ状スリ
ープ４０とから主に構成される。なお、図中、１
０は火炉の内面壁に沿つて設けられた水管、２０
は風箱壁、５０は微粉炭搬送通路１の火炉側先端
開口部に内設された保炎ユニツト、６３は第３図
に示すエアレジスタ６２に代えて設けられた外周
空気７の流量および旋回力調整用エアベーンであ
る。

このような構成の微粉炭バーナを、第１図に示
す燃焼装置の還元炎形成用バーナ（二段燃焼法の
場合には各段バーナ１０１，１０２および１０３
の全て、また、炉内脱硝燃焼法の場合には上段バ
ーナ１０３）に適用して微粉炭の燃焼を行う場合
には、スリーブ４０の存在により内周空気通路２
および外周空気通路３からそれぞれ火炉内に噴出
される空気の混合を防止できるので、バーナスロ
ート近傍の熱逸散を防止できる上、スリーブの熱
輻射を有効利用することが可能となる。これによ
り、バーナ部に形成される還元炎を高温に保つこ
とが可能となるので、着火の改善による未燃分の
減少とチヤー中Ｎ分の揮発化を良好に達成するこ
とができ、これにともなつて後流の空気燃焼部で
は残留Ｎ分に起因するNOの生成も軽微となる。

第５図は、本発明の他の実施例に係る微粉炭バ
ーナの側断面図を示すもので、このものは、一次
空気による微粉炭搬送通路１に代えて水スラリー
化した微粉炭（以下、CWMと称する）の搬送通
路１′を用い、また内設保炎ユニツト５０および
エアベーン６１に代えてそれぞれ外設保炎ユニツ
ト５０′およびダンパ７１を用いる以外は第４図
に示すバーナと同様な構成である。

本実施例の場合には、伴送媒体が水であるた
め、蒸発潜熱に基づく熱損失の影響（高温維持の
困難）が懸念されるが、第４図に示す実施例の場
合と同様な優れた効果が達成される。

次に、第６図は、外周空気通路３に再循環排ガ
ス８の供給管９０を接続し、かつ該接続部より上
流側の外周空気通路３内に空気供給量調節用のダ
ンパ７２を設ける以外は第４図に示すバーナと同
様な構成である。上記構成とすることにより、バ
ーナ個体としての平均空気比を極度に小さくする
場合であつても、還元炎形成時の流体力学的諸条
件を殆んど変えることなくこれを実施できる。す
なわち、バーナ平均空気比を低下させるには、外
周空気７の流量をダンパ７２によつて低下させれ
ばよく、またその際の体積流量調整は、供給管９
０を経て再循環排ガスを補給することにより容易
に達成できるからである。

上記の操作により、外周空気による酸化炎の皮
膜状領域を取り除くことができ、これにより強還
元性の燃焼域を炉内の一部に形成させることが可
能となるので、前記した各実施例の効果に加え、
熱NOの低減化も一層優れたものとなる。

以上の各実施例は、主に炉内脱硝燃焼法に関す
るものであるが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、例えば二段燃焼法の場合にも同様にし
て実施できることはいうまでもない。

以上、本発明によれば、微粉炭搬送通路の外側
に設けられた内周空気と外周空気の仕切用ダクト
の火炉側先端部に火炉内へ延びる耐火材製のスリ
ープを設けたことにより、火炉内へ噴出された内
周空気と外周空気の混合を防止してバーナスロー
ト近傍の熱逸散を防ぐとともにスリーブの熱輻射
を有効利用し、これによりバーナ部に形成される
還元炎を未燃分の減少とチヤー中Ｎ分の揮発、還
元化にとつて有利な高温度に保つことが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の燃焼装置を示す側断面図、第
２図は、従来の微粉炭バーナを示す側断面図、第
３図は、第２図に示すバーナを第１図に示す燃焼
装置に適用して微粉炭を燃焼した場合のNO生成
状況を説明する図、第４図〜第６図は、本発明実
施例に係る微粉炭バーナのそれぞれ側断面図であ
る。 １，１′……微粉炭搬送通路、２……内周空気
通路、３……外周空気通路、４……ダクト、５…
…微粉炭、６……内周空気、７……外周空気、８
……再循環排ガス、４０……耐火材製スリーブ、
５０，５０′……保炎ユニツト、６１……内周エ
アベーン、６２……外周エアレジスタ、６３……
外周エアベーン、７１，７２……ダンパ、９０…
…再循環排ガス供給管、１０１……下段バーナ、
１０２……中段バーナ、１０３……上段バーナ、
１０４……アフタエア口、１１０……火炉。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中央部に設けられた先端開口の微粉炭搬送通
   路と、その外側に設けられた先端開口の内周空気
   通路と、さらにその外側に設けられた先端開口の
   外側空気通路とを備えた微粉炭バーナにおいて、
   該内周空気通路の先端外周部に火炉内に向かつて
   拡大する耐火材製のスリーブを設けるとともに、
   前記外周空気通路先端部を火炉内に向かつてバー
   ナ中心部から見て外向き噴射孔となるように構成
   したことを特徴とする還元炎形成用微粉炭バー
   ナ。 ２ 特許請求の範囲第１項において、上記外周空
   気通路に再循環排ガスの供給系統を接続したこと
   を特徴とする還元炎形成用微粉炭バーナ。