JPH0360002B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、燃焼ガス中の窒素酸化物（以下
「NOx」と略称する）を低減できるバーナに関す
る。特に、微粉炭の燃焼時に大幅な低NOx化を
達成できる微粉炭用低Nxバーナに関するもので
ある。

〔発明の背景〕

微粉炭の燃料とするこの種のバーナは、近年特
に盛んに用いられるようになつている。これは最
近の燃料事情の変化が主たる原因であるが、微粉
炭を燃料とするバーナの燃焼技術そのものは古く
から開発され、使用されている。しかし上記燃料
事情の変化により現在では火力発電所用大型ボイ
ラは勿論、その他事業所用大型ボイラにも再び微
粉炭バーナが採用されるに至つているわけである
が、一方、現代的問題として、燃焼に伴つて発生
するNOxをできるだけ低減しなければならない
という、公害防止の点からの技術開発が必須とな
つている。

ところが従来の微粉炭用低NOxバーナは、そ
のNOx低減に限度があり、一定程度以上はどう
してもその燃料排ガス中にNOxを含有するもの
であつた。

以下、従来技術のこの問題点について、第１図
に示す従来の低NOx形微粉炭バーナの構造を参
照しつつ、説明する。

従来構造においては、中央に微粉炭と空気との
混合流体を噴出するための混合流体ノズル１が設
けられ、その外側に同心円筒状に燃焼用２次空気
ノズル２が設けられ、更に同様に第３次空気ノズ
ル３が設けられている。

上記混合流体ノズル１から噴出する空気は、微
粉炭を懸濁せしめて該微粉炭を搬送する役目と、
１次空気として微粉炭を燃焼させる役目とを兼ね
ている。微粉炭はこのような１次空気によつて混
合流体ノズル１から吹き出され、着火して燃焼が
始まる。ここでは微粉炭は低空気比で燃焼し、還
元性中間物質を生成して、NOxの一部を気相還
元するような燃焼を行う。即ち空気不足状態下の
高温還元炎を形成することにより、微粉炭に含有
される有機窒素に起因するNOx（生成NOxの大
部分はこれである）の生成を抑え、N₂の生成を
優先させるのである。

２次空気ノズル２は全体的に２重円筒形をな
し、その内管は混合流体ノズル１の本体管を共用
し、その噴出口は混合流体ノズル１と同心の環状
をなしているが、このノズル２からの２次空気
は、上記１次空気による微粉炭の燃焼によつて生
じた還元炎に酸素を与えるための空気として供給
される。この空気は旋回用ベーン２ａで旋回力を
与えられ、このような２次空気が上記気相還元後
の火炎に対して空気を供給して、未燃分を燃焼さ
せる。さらに３次空気ノズル３から、その噴出口
に設けられたベーン３ａで旋回された３次空気が
供給され、未燃分の燃焼に用いられる。

上記構成の２次空気ノズル２から供給される２
次空気５は、着火した微粉炭の１次火炎４に拡散
混合して燃焼を接続させ、２次火炎を形成する。
一般に１次空気と２次空気を合わせた空気比は燃
焼の理論空気量より小さくとられる。さらに２次
空気ノズルの外側に設けられた３次空気ノズル３
より残りの空気が３次空気６として吹き込まれ前
記２次火炎中へ拡散混合する。

これによりバーナ単体で二段燃焼が行われ、
NOxはかなり低減される。即ち、以上に述べた
従来の低NOx形バーナを用いると、微粉炭と１
次空気との混合流体が着火した後、２次空気が拡
散により混合されるため燃焼初期の高温部への空
気の混合が緩慢になつて、石炭中の窒素より生成
した窒素化合物のNOxへの酸化が起こり難くな
り、従つてNOxの生成が低くなる。また、３次
空気を２次空気よりさらに遅らせて混合させるた
め、低空気比の２次燃焼領域で生じた未燃分を
NOxの生成を防ぎながら完全燃焼させることが
できる。上記のように、バーナ単体で二段燃焼を
行わせる構成のバーナを採用すれば、通常の燃焼
におけるよりも、NOxの生成量を減らす効果は
大きいものである。

ところが近年、NOx生成量低減に対する要求
はとみに厳しくなつており、もはや上記した従来
の低NOxバーナではその要求を満足することは
難しくなつて来た。即ち従来構造のバーナを効果
的に機能させるためには、噴出口付近の火炎と２
次空気、３次空気とが分離され、良好な還元雰囲
気において低NOx燃焼が行われることと、さら
にこの火炎の下流側では２次空気、３次空気と火
炎等が混合して未燃分を良好に燃焼させることと
が必要である。ところが従来構造では、混合流体
ノズル１からの混合ガスと、２次空気５と、３次
空気６とはそれぞれスリーブなどで分離し得ると
は言つても、分離のための構造上の制限があり、
結局これらが混合してしまい、高温還元炎を十分
に分離して維持しておくことが難しいのである。
かつ同様に構造上の制限の問題から、必ずしも２
次空気の混合が反応上最も理想的な遅れをもつて
達成することが難しく、また、３次空気ノズルに
ついても同様に制限がある。以上のような理由に
より、従来の微粉炭用低NOxバーナにおいては
NOx含有率の低減が限界に達していて、これ以
上のNOx低減は極めて困難になつている。

〔発明の目的〕

本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてなされ
たもので、その目的は、NOx量を更に低減せし
め得る微粉炭用バーナを提供するにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため、本発明は、微粉炭
と１次空気との混合流体を噴出するノズルと、前
記ノズルと同心状に配置され、かつ、２次空気を
旋回させて噴出する２次空気ノズルとを備えると
ともに、これらノズルを一体に設けた微粉炭バー
ナにおいて、上記混合流体と旋回空気との混合を
遅延させる環状部を、混合流体を噴出するノズル
と２次空気との間に設けたことを特徴として構成
する。

このような構成の結果、２次空気ノズルからの
旋回空気は、混合流体が燃焼して生ずる火炎に混
合するのがこの環状部により阻止される分遅れ
て、従つて混合流体の初期の火炎を高温還元炎に
維持しておくことができ、十分な還元燃焼が行わ
れ、よつて発生するNOx量を極めて効果的に低
減できるものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例について、第２図乃至第
４図を参照して説明する。

本実施例の微粉炭用低NOxバーナ１０は、微
粉炭と１次空気との混合流体を噴出する混合流体
ノズル１１と、このノズル１１と同心状に配置さ
れるとともに２次空気１９を旋回させて噴出する
２次空気ノズル１２とを備えている。これらのノ
ズル１１，１２は、一体に設けられている。

このようなバーナにおいて、上記混合流体を噴
出するノズル１１と、２次空気ノズル１２との間
に、環状部１′が設けられる。この環状部１′は、
上記混合流体と、旋回空気たる２次空気１２との
混合を遅延させるものである。

この微粉炭バーナ１０は上記のような構成によ
り成るので、混合流体ノズル１１から噴出された
混合流体が燃焼して形成される中央部の火炎１７
は、安定した還元炎として維持される。環状部
１′に隔てられている結果、２次空気１９はこの
火炎１７と混合するのが遅延し、よつて２次空気
１９により火炎１７の還元性が乱されるのが防が
れるからである。一方、未燃焼の微粉炭等は、２
次空気１９と混合して、火炎１８として完全燃焼
が行われる。

上記のように、環状部１′により混合流体と２
次空気１９との混合が遅延され、中央部の火炎１
７は安定な還元炎として維持され、ここでNOx
がN₂に効率良く還元されるので、NOx低減効果
は極めて大きい。

本例にあつては、後述の如くノズル１１にベー
ン１５を設けたので中央部の火炎１７は主として
小粒径の微粉炭による燃焼で形成され、外周部の
火炎１８は主として大粒径の微粉炭の燃焼で形成
されるようになつていて、これによりNOx低減
効果はさらに高められている。

以下、本実施例のさらに具体的な構成につい
て、詳述するものとする。

本実施例の混合流体ノズル１１は、その噴出口
付近に旋回用ベーン１５を設け、かつ２次空気ノ
ズル１２の噴出口付近にも旋回用ベーン１６を設
ける。この２次空気ノズル１２は、混合流体ノズ
ル１１よりも大径の内管１２ａと、更に大径の外
管１２ｂとにより、混合流体ノズル１１と同心を
なす２重筒状に構成される。この結果、混合流体
ノズル１１の直径ｄと、２次空気ノズル１２の内
径Ｄ（つまり内管１２ａの径Ｄ）との差の分、環
状部１′が構成され、従つて混合流体と２次空気
との混合は遅延されるのである。符号２０はこの
微粉炭バーナを装備した火炉である。

本実施例の微粉炭バーナは以上の如き構成より
なり、石炭粉砕機から送られてくる微粉炭と空気
との混合流体１３は、混合流体ノズル１１を通つ
て炉内に噴出される際に旋回ベーン１５によつて
旋回を与えられる。粉砕機にて粉砕された微粉炭
は粒径分布をもつているため、噴出の際に旋回を
与えられると遠心力のために粒径の小さな微粉炭
は中心部に、粒径の大きな微粉炭は外周部に分別
されて噴出される。従つて本実施例では、中央部
の火炎１７は主に小粒径の微粉炭が燃焼して生成
し、外周部の火炎１８は主に大粒径の微粉炭が燃
焼して生成する。中心部に噴出された小粒径の微
粉炭は燃焼し易いため、着火と同時に周辺の空気
比を実質的に著しく低下させ、そのために大量の
還元性物質を放出する。この結果、中央部の火炎
１７の還元性は一層助長され、安定した還元炎と
して維持される。一方、外周部に噴出された大粒
径の微粉炭は２次空気ノズル１２より噴出される
２次空気１９によつて完全燃焼が行なわれ、石炭
中の窒素分の大部分をNOxとして放出する。こ
のNOxは上記の中心部で生成する還元性物質に
よつて還元されて窒素ガスとなるため、NOxの
発生量は効果的に減少される。

本実施例ではこのように２次空気１９が旋回す
ることによつても、混合流体とこの２次空気１９
との混合が困難になり、よつて還元性の火炎１７
の安定性が一層助長される。即ち本例では２次空
気ノズル１２に旋回ベーン１６が取り付けてある
ため２次空気１９も旋回しながら噴出され、この
２次空気ノズル１２は、上記の如く環状部１′に
よつて混合流体ノズル１１より半径方向に離れた
位置に設置されているので、このように２次空気
１９ば旋回しながら噴出されていることと相俟つ
て、この２次空気１９は中心部で燃焼している還
元性の火炎１７とは容易に混合し難く、したがつ
て中心部で発生した還元性物質例えばNH₃、
HCN等を酸化してNOxにすることなく、外周部
の火炎１８の完全燃焼のために使われる。バーナ
先端から軸方向の距離がある程度隔つたところで
は旋回力が減衰するために、中心部の火炎と外周
部の火炎との混合が起り、中心部の還元性物質と
外周部のNOxとが反応するようになる。この反
応により、NOxは還元性物質により還元されて
減少し、火炉からのNOxの発生が低減される。

第３図は第２図に示した実施例のバーナを使用
して微粉炭燃焼実験を行つた場合のNOxの生成
量とそのとき発生する燃焼灰中の未燃分との関係
を示す実験結果の一例である。本実験で使用した
バーナは微粉炭と一次空気との混合流体ノズルの
直径ｄ：31mm、２次空気ノズルの噴出口の内径
Ｄ：330mm、微粉炭と１次空気との混合流体ノズ
ルに取付けた旋回ベーンが軸方向と傾斜する角度
30゜のものであり、微粉炭は200メツシユふるい目
80％通過のものを使用した。ここで、２次空気ノ
ズルの噴出口の内径は、旋回流によつて外周側に
飛んで来た石炭粒子の熱分解が終了した時点で２
次空気が混合するようにしようという考え方のも
とに次のようにして設定した。即ち、微粉炭と１
次空気との混合流体ノズル噴出口の噴出流速は約
15ｍ／ｓであるが、噴出の後すぐに減衰するの
で、減衰するまでには平均値約7.5ｍ／ｓで噴き
出されるとする。熱分解の過程はおよそ0.05〜
0.1秒であるから熱分解完了時点までの微粉炭粒
子の飛距離は、7.5×0.05＝0.38ｍである。第４図
に模式的に示すように（Ｄ−ｄ／２）／0.38＝sin30゜ であるから、微粉炭と１次空気との混合流体ノズ
ルの直径がｄ＝0.031ｍのときにはＤ／ｄ≒12と
なる。即ち、２次空気ノズルの噴出口の内径Ｄは
ｄのおよそ12倍のところにすれば熱分解が終つた
ところへ２次空気の噴流が合流することになり、
大粒径石炭から揮発分が出ている間は２次空気が
混入しないようにすることができる。実際に実験
に使用したバーナではＤ／d₀≒11であつた。上記
バーナを使用して実験を行つたところ第３図Ｂに
示すように、NOxの生成量の100ppm付近まで低
下させることができた。Ａに示す線は、同じく微
粉炭と１次空気の混合流体ノズルに旋回ベーンを
取り付けているが２次空気ノズルを微粉炭と１次
空気の混合流体ノズルより離すことなく隣接して
設置した場合のNOxの生成量を示すものであつ
て、NOxの生成量は400〜500ppmと高い値を示
しており、本実施例のバーナはNOx低減効果の
著しいことがわかる。

このように、混合流体ノズルの直径ｄと２次空
気ノズルの内径Ｄとが Ｄ／ｄ≒11 であり、かつ、混合流体の噴出速度を15ｍ／ｓ、
混合流体を噴出するノズルに設けた旋回ベーンが
軸方向と傾斜する角度を30゜とした場合、顕著な
NOx低減効果を得ることができるものである。

なお、前出の式よりＤ／ｄ＝１＋0.38／ｄであ
るから、微粉炭と１次空気との混合流体ノズルの
直径ｄが大きくなるほどＤ／ｄは小さくても良い
と考えられる。ｄの大きさは大容量バーナの場合
でも0.5ｍくらいであり、この場合、前式より
Ｄ／ｄ≒1.8となり、大型バーナにおいてもＤ／
ｄ＝２程度にとれば低NOxには十分効果が期待
できる。上記のＤ／ｄの値が1.8以下であつても
若干の効果は期待することができ、特に小容量バ
ーナにあつてはＤ／ｄ＞1.8でも相応の効果が認
められる。（ただ、Ｄ／ｄ＜1.3においては、実用
的な効果は小さかつた）。

本実施例においては、１次空気と微粉炭を噴出
させるための混合流体ノズルと２次空気ノズル間
の距離を大きくとるに当り、２次空気ノズルとバ
ーナとを孤立させて燃焼炉に設置する型式をとつ
ても良い。即ち、バーナ用ポートと２次空気ノズ
ル用ポートを別個に炉壁に設け、それぞれを設置
する型式である。この型式は既に公知であり、た
とえばZallenらにより報告されている
（proceedings of the Third Stationary Source
Combustion Symposium、Volume、p.73
（1979））。Zallenらのバーナでも従来のバーナよ
り低NOx化が図られているが、更にNOxを低減
するには、微粉炭の熱分解火炎と完全燃焼火炎と
の混合を、燃焼の初期過程においては遅くし、火
炎の後流において促進する火炎とすれば良い。こ
れには、２次空気を旋回して噴出させるのが有効
である。よつて本実施例においては、混合流体同
様、２次空気をも旋回させるように構成したので
ある。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の微粉炭用低
NOxバーナは、微粉炭と１次空気との混合流体
を噴出するノズルと、前記ノズルと同心状に配置
され、かつ、２次空気を旋回させて噴出する２次
空気ノズルとを備えるとともに、これらノズルを
一体に設けた微粉炭バーナにおいて、上記混合流
体と旋回空気との混合を遅延させる環状部を、混
合流体を噴出するノズルと２次空気ノズルとの間
に設けたことにより、微粉炭の燃焼生成ガス中の
NOx含有率を格段に減少せしめることができる。

なお当然のことではあるが、本発明は図示の実
施例にのみ限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の微粉炭用バーナの構成を説明す
るための概要的な断面図、第２図乃至第４図は本
発明の微粉炭用低NOxバーナの一実施例を示し、
第２図はその概要的な断面図、第３図は上記実施
例の効果を示す図表、第４図は本実施例における
構造選定指針の説明図である。 １０……低NOxバーナ、１′……環状部、１１
……混合流体ノズル、１２……２次空気ノズル、
１３……微粉炭と１次空気との混合流体、１４…
…送入２次空気、１５，１６……旋回ベーン、１
７……中央部の火炎、１８……外周部の火炎、１
９……噴出２次空気流。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 微粉炭と１次空気との混合流体を噴出するノ
   ズルと、前記ノズルと同心状に配置され、かつ、
   ２次空気を旋回させて噴出する２次空気ノズルと
   を備えるとともに、これらノズルを一体に設けた
   微粉炭バーナにおいて、上記混合流体と旋回空気
   との混合を遅延させる環状部を、混合流体を噴出
   するノズルと２次空気との間に設けたことを特徴
   とする微粉炭用の低NOxバーナ。 ２ 微粉炭と１次空気との混合流体を噴出するノ
   ズルの直径をｄ、２次空気ノズルの内径をＤとし
   た時 Ｄ／ｄ≒11 であり、かつ 混合流体の噴出速度15ｍ／ｓ、 混合流体を噴出するノズルに設けた旋回ベーン
   が軸方向と傾斜する角度30゜ である特許請求の範囲第１項記載の微粉炭用の低
   NOxバーナ。