JPH04292702A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微粉炭焚きボイラ火炉に
用いられる微粉炭燃焼装置に係り，特に難燃性の燃料を
用いる場合，または頻繁に炭種が変わる場合，あるいは
燃焼の負荷変化の激しい運用をする微粉炭バーナにおい
て，微粉炭を安定燃焼させるのに好適な構造の保炎器を
備えた微粉炭燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年，油燃料価格の不安定性から，微粉
炭焚きボイラの需要が急速に増加している。微粉炭焚き
ボイラに使用されている補助燃料は，着火性の良い軽油
，重油が主流であり，これらの油燃料は，起動用には重
油を，点火用には軽油という具合に使い分けられている
。そして，補助燃料は，主燃料に油を使用する場合と比
較して使用比率は低いが，近年発電用ボイラにおいては
，中間負荷運用が多くなり，点火，起動の頻度は以前と
比較すると著しく高くなり，したがって，補助燃料の主
燃料に対する使用比率も著しく増加している。従来，ボ
イラ火炉等に用いられている微粉炭燃焼システムは，図
９に示すように石炭バンカ２７から，石炭の分級機が内
蔵されている石炭粉砕機２９（ミル）に供給し，粉砕さ
れた石炭を微粉炭バーナ３１に，１次空気ファン３０に
よって供給される搬送用空気（１次空気）と共に，直接
供給して燃焼させるシステムが実用化されている。この
微粉炭燃焼システムでは，ミル２９に供給される原炭の
乾燥，ミル２９内部における分級，および微粉炭バーナ
３１への微粉炭の搬送用として加熱空気を導入する。し
たがって，原炭の水分，粉砕性，燃焼性に応じてその空
気量および空気温度が決定される。近年，石炭焚きボイ
ラにおいても中間負荷運用が多く求められるようになり
，新鋭のボイラ等では石炭専焼状態で，ガスや油焚きボ
イラで運用されているのと同等のボイラ最低負荷１５％
が目標とされるようになってきた。望ましくは，微粉炭
バーナ単体で，そこまでボイラ負荷が下げられれば，ミ
ルシステムの起動停止の必要性がなくなり，ボイラの負
荷応答速度は最大となる。そのためには，極低負荷時に
おいても安定燃焼する微粉炭バーナが必要となる。ちな
みに，ボイラ負荷１５％時における微粉炭濃度Ｃ／Ａ（
微粉炭量／搬送用空気量）は０．１以下となり微粉炭濃
度は極めて希薄な状態になるために着火保炎が困難とな
り安定燃焼ができないという問題が生じる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したごとく，従来
の微粉炭バーナを用いて低負荷燃焼を行うと，微粉炭濃
度が希薄となり着火保炎が困難となり安定燃焼ができな
くなるという問題がある。この問題を解決するためには
，基本的には次のような手段をとることが効果的である
と考えられている。 （１）微粉炭バーナ入口の微粉炭濃度はそのまま変えず
に微粉炭を濃縮分離して，局所的に高濃度領域を形成さ
せて安定燃焼をはかる（例えば，特開昭６２−６６００
７号公報，同６３−２７９００４号公報，実開昭６２−
２４２０９号公報等が挙げられる）。 （２）微粉炭バーナの保炎器の面積を増大させる等の手
段によって，高温部における微粉炭粒子の滞留時間の増
加をはかる。 しかし，これらの方法はいずれも問題点があり，上記（
１）の方法は，微粉炭の濃縮分離のために搬送用空気の
圧力損失が避けられず，また微粉炭の濃縮装置の新設が
必要となるため，設備費が多大となる。また，上記（２
）の方法は，（１）の方法と比較して，比較的小規模の
改造で効果は期待されるが，高負荷燃焼時には保炎器の
表面温度が上昇して焼損したり，また石炭の性状によっ
ては灰が溶融付着したりして微粉炭の燃焼性が著しく低
下するという問題があった。

【０００４】本発明の目的は上記従来技術における問題
点を解消するものであって，難燃性の石炭を用いる場合
，頻繁に炭種が変化する場合，あるいは燃焼負荷変化の
激しい運用をする微粉炭バーナであっても，安定して燃
焼を継続することができる構造の保炎器を備えた微粉炭
燃焼装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために，微粉炭バーナにおいて，微粉炭供給管の先
端部に，断面を急に拡大させた段（ステップ）部を有す
る保炎器を構成し，該保炎器のステップ部に，バーナ出
口部近傍における微粉炭粒子滞留部における気流を調整
するための複数の加圧気体導入部を設け，バーナの燃焼
負荷もしくは保炎器の温度に応じて，上記加圧気体の導
入量を制御し得る構造の保炎器を設けるものである。本
発明は，石炭を主燃料とし，石炭粉砕機（ミル）によっ
て粉砕された微粉炭を気流によって微粉炭バーナに搬送
して燃焼させる直接燃焼方式の炉またはボイラ燃焼シス
テムにおいて，微粉炭バーナ出口部近傍の微粉炭粒子滞
留部における気流を調整するために，微粉炭バーナの微
粉炭供給管の火炉側の先端部に，断面を急に拡大した段
（ステップ）部を形成し，この段部の一部に多孔質板も
しくは複数のノズル構造体によって構成された加圧気体
導入部を複数個設けた保炎器を設置するものである。そ
して，加圧気体導入部から微粉炭粒子滞留部に供給する
作動気体は，バーナの燃焼用空気とは別系統から導入し
，個々に制御し得る管路を設けることが好ましい。なお
，作動気体の供給圧力は，少なくとも２００ｍｍ水柱以
上であることが望ましい。加圧気体導入部は，多孔質板
から作動気体を噴出させる構造とし，かつ複数に分割し
て，それぞれに加圧ヘッダ室を設け，それぞれの加圧ヘ
ッダ室に作動気体を供給する構造が好ましい。

【０００６】本発明の複数の加圧気体導入部を有する保
炎器を設けた微粉炭バーナを用いて微粉炭を燃焼させる
場合に，保炎器の少なくとも一部の温度を検出して，こ
の検出温度が上限基準値を越えるようであれば作動気体
の圧力を増加し，また下限基準値を下回るようであれば
作動気体の圧力を低下させる圧力制御装置もしくは作動
気体の流量制御装置を設けることができる。また，それ
ぞれの作動気体の導入管路に，過剰流量検出装置および
流体遮断装置を設けて，作動気体が過剰に流れた場合に
は，その管路の遮断装置が作動するように構成すること
もできる。そして，作動気体の導入管路を，１台の微粉
炭バーナにつき，少なくとも２箇所以上設けるか，各々
の管路に遮断装置を取付け，さらに流量検出装置を１台
の微粉炭バーナにつき，少なくとも１箇所以上設けても
よい。また，上記遮断装置を順次作動させることにより
，作動気体の流量の変化を検出し，作動気体導入管路の
異常を検出することもできる。さらに，バーナの微粉炭
供給管の出口部に設ける流路を急拡大した段（ステップ
）部は，その急拡大部の半径方向の距離をＨとし，軸方
向の距離をＬとするとき，その比率（Ｌ／Ｈ）が７以下
であることが好ましい。

【０００７】

【作用】図１１は，保炎器の出口部における微粉炭粒子
２０と燃焼用の２次空気１９の相互の流動状態を示す模
式図である。図において，微粉炭粒子２０は，微粉炭供
給管１４から火炉１内に噴出され，火炉１からの輻射熱
を受けて着火した後，燃焼用２次空気１９に同伴されて
，一度保炎器１８側に戻り，さらに微粉炭供給管１４外
部の燃焼用２次空気１９によって，火炉１内に搬送され
る。保炎器１８の表面積が大きいと，微粉炭供給管１４
内を通過する微粉炭搬送用１次空気と燃焼用２次空気１
９を分離する空隙が大きくなるため，微粉炭粒子２０は
，上記空隙が小さい場合よりも保炎器１８側に戻り易く
なる渦流が生じるので，この領域における微粉炭粒子２
０の滞留時間が増加し着火保炎が強化されることになる
。しかし，通常の保炎器１８は，固体壁構造であるため
に火炉１側から戻ってきた微粉炭粒子２０は，保炎器１
８の端面で流速が低下して，保炎器１８の温度条件によ
っては，灰などが溶融付着することがある。このような
場合，徐々に溶融付着粒子が増加成長して，微粉炭粒子
２０の循環領域を埋め尽くすことも考えられる。この状
態では，もはや保炎器としての機能が低下し微粉炭粒子
２０の着火や保炎には全く寄与しないことになる。本発
明は，低負荷燃焼時における火炎の安定性の向上をはか
ると共に，高負荷燃焼時におけるスラッギング（溶融灰
の付着成長）や保炎器の焼損を防止することができる構
造の保炎器を備えた微粉炭燃焼装置である。

【０００８】

【実施例】図９に，従来の微粉炭燃焼用ボイラの燃焼系
統図を示し，図１０に従来の微粉炭バーナの構造の一例
を示す。図において，石炭は，石炭バンカ２７に貯蔵さ
れ，燃焼装置の負荷に応じて石炭フィーダ２８からミル
２９に送られる。ミル２９で粉砕された石炭は，微粉炭
として１次空気と共に微粉炭バーナ３１まで搬送される
。 ＜実施例１＞図１および図２に，本発明の保炎器３を備
えた微粉炭バーナの構造の一例を示す。本発明の微粉炭
バーナは，制御装置（ＣＰＵ）１１により，各微粉炭バ
ーナの保炎器３の内側に，少量の作動気体を，作動気体
導入管６より作動気体加圧ヘッダ１５に導入して，保炎
器３の下流側における微粉炭粒子の循環域の大きさを制
御し得る構造になっており，燃焼負荷，石炭種あるいは
ＮＯｘ値調整等の燃焼条件の変化に対し，自動的に対応
できるように構成されている。微粉炭は，搬送用の空気
によって微粉炭供給管１４を通過して火炉１内に供給さ
れる。 微粉炭バーナ出口部に設けられている噴流剥離器４およ
び保炎器３の流路拡大構造によって，微粉炭粒子の循環
領域が形成される。この微粉炭粒子の循環領域の大きさ
を制御して保炎器の内面温度を抑制するために，作動気
体を加圧して作動気体導入管６から作動気体加圧ヘッダ
１５に導入するとともに，保炎器３の内面温度を温度計
測系１７により監視し，保炎器３に灰が溶融付着しない
ように流量調整弁９で制御する。なお，この作動気体の
流量は少量で十分であり，燃焼用空気またはボイラ排ガ
ス等を作動気体として好適に用いられる。そして，作動
気体の導入経路は，作動気体を加圧冷却した後に，各バ
ーナに設けられている流量計測装置１０で計量された後
，流量調整弁９を通過し，ヘッダ８で均圧される。その
後，複数の流路に分岐され，各流路別の遮断弁７を通っ
て，保炎器３の手前の作動気体加圧ヘッダ１５に，作動
気体導入管６で連結される。その後，多孔板５から保炎
器３の内側に噴出される。さて，多孔板５と作動気体加
圧ヘッダ１５の構造は，図２に示すバーナ正面図から明
らかなごとく，複数の室に分割された個別加圧ヘッダ１
６が設けられ，各個別加圧ヘッダ１６の多孔板５が万一
破損しても，流量計測装置１０で作動空気の流量異常が
検知され，破損箇所への作動気体の流路を遮断弁７で遮
断してしまうため，微粉炭燃焼には影響しない。一方，
燃焼用空気は図１では２つの流路から旋回されながら供
給される。図１中の１３は燃焼用２次空気旋回器であり
，１２は燃焼用３次空気旋回器である。これらの空気量
は，燃焼用全空気量の約８０％に達する。

【０００９】図１２は，保炎器３の形状と微粉炭粒子の
循環領域の大きさを示す模式図である。図１２中のＨは
，保炎器の半径方向の距離（幅），Ａは，バーナ軸断面
における微粉炭粒子の循環領域の大きさを示し，Ｌは，
そのバーナ軸方向の距離（長さ）を示す。ＡはＨだけで
は決定されず，燃焼用空気流の運動量や旋回強度などの
パラメータが関与するが，本実施例においては，これら
のパラメータは固定して説明する。図１３は，図１２で
示したＨ，Ｌ，Ａと，着火確率との関係を示した。図１
３において，ＳＷ１〜ＳＷ３は旋回強度をパラメータに
とってある。例えば，Ｈと旋回強度によりＡ，Ｌが決ま
り，着火確率が推測される。この着火確率のモデルを，
図１４および図１５で説明する。図１４は滞留時間τと
微粉炭粒子温度Ｔの関係を示す。図において，横軸は粒
子が加熱される時間τを示し，τ１＞τ２で，またＬに
比例するものと考える。また微粉炭粒径を変えた場合，
同じ滞留時間τ１でも，着火する微粉炭粒子（ｄ１１）
と着火しない粒子（ｄ１Ｎ１）に分かれる。すなわち，
一定の時間に微粉炭粒子が周囲から輻射や乱流熱拡散で
熱を受ける場合に，滞留時間が長く，また微粉炭粒子径
が小さい程，着火しやすい。図１５には，微粉炭の粒径
分布を示す。横軸には微粉炭粒子径ｄ，縦軸には累積重
量分率Ｗを示す。着火する粒子を着火限界粒子径ｄ１と
して，その時の累積重量分率をＷ１とすると，着火確率
は１００−Ｗ１（％）となる。本発明は低負荷燃焼時に
おいて，安定燃焼が可能なように，着火確率を大きくす
るため，保炎器のＨを増加して，低負荷燃焼時の微粉炭
バーナ火炎の保炎強化をはかった。図３に，本発明の微
粉炭バーナの燃焼負荷と保炎器内面の温度Ｔの関係を従
来型バーナと比較して示した。従来型バーナの保炎器と
比較すると，本発明の微粉炭バーナの保炎器の温度が上
昇し，最低負荷燃焼時の保炎器の内面温度をＴとすると
，運用可能な最低負荷がηだけ低下していることが分か
る。しかし，ただ，保炎器を大きくするだけでは高負荷
燃焼時において，保炎器の内面温度が上昇し過ぎて焼損
や灰の付着成長が懸念される。図６に，バーナ負荷と保
炎器内面温度との関係を示す。図において，Ａは従来型
バーナ，Ｂは保炎器を大きくしただけのバーナ，Ｃは本
発明の微粉炭バーナによる温度特性を示す。図６中のＴ
Ｈは灰の溶融温度，ＴＬは最低安定燃焼時の保炎器温度
（実績データ）であるすなわち，保炎器の温度がＴＨを
越えると灰が溶融付着し，一方，ＴＬ以下になると安定
燃焼が難しくなるため，ＴＨとＴＬの温度範囲になるよ
うに制御することが望ましい。 図６から明らかなように，本発明の微粉炭バーナＣでは
，広い燃焼負荷範囲を確保することが可能である。

【００１０】図４と図５は，保炎器の温度制御状況を示
す。図４は，高負荷燃焼時の保炎器周辺の火炎形状であ
る。高負荷燃焼時においては，火炉の温度が十分に高い
ため，保炎器のすぐ後方に微粉炭粒子の循環領域を形成
させなくても火炎は十分に安定する。したがって，この
循環領域に作動空気を多量に供給し，若干火炎が吹き飛
び状態にすることにより保炎器の冷却を行い焼損を防止
することができる。図５は，低負荷燃焼時における保炎
器周辺の火炎の形状である。低負荷燃焼時においては，
火炉の温度が低いために，保炎器のすぐ後方に微粉炭粒
子の循環領域を形成させないと火炎は不安定となる。し
たがって，この微粉炭粒子の循環領域に作動空気を少量
流すかまたは停止する。このように，燃焼負荷に応じて
，または保炎器の表面温度を監視しながら作動気体の流
量を制御するものである。

【００１１】＜実施例２＞図７と図８に，本実施例の保
炎器３の構成を示す。作動気体加圧ヘッダ１５から保炎
器３の内側に気体を導入する場合に，次のことに留意し
なければならない。 （１）気体の均等な投入。 （２）焼損および破損の防止。 （１）に対しては，図７や図８に示すごとく，多孔質の
板から滲出するように作動気体を導入するのが好ましい
。図７は，焼結金属板２３を取り付けた構造の作動気体
加圧ヘッダ１５を示し，図８は，微細なノズル群を有す
る多孔金属板２４を設けた作動気体加圧ヘッダ１５の構
造を示す。このように，作動気体の噴出部を多孔質構造
とすることにより，保炎器３の内側に微粉炭粒子が飛び
込む確率を低くすることができる。また，（２）に対し
ては，常に保炎器３の表面温度を監視しながら作動気体
を導入すれば冷却効果が期待できる。さらに，なんらか
の原因で多孔質板が破壊した場合には，保炎器の焼損防
止と作動気体の異常流量を防止するために，作動気体の
圧力室および多孔質板を複数化し，それぞれの流路に遮
断装置を配置することで防止できる。破壊の有無と破壊
箇所については，遮断装置を順次作動させ，流量の変化
を調べれば判明する。

【００１２】

【発明の効果】以上詳細に説明したことく，本発明の保
炎器を備えた微粉炭燃焼器は，簡単な設備の追加のみで
広域負荷での安定燃焼が実現できる。さらに，個々の微
粉炭バーナの燃焼制御に適応が可能であることから，ボ
イラ火炉全体の燃焼を，従来の燃焼システムと比較して
より細かく燃焼制御を行うことができ，常に最適な燃焼
条件を保持できる特徴がある。また，保炎器内面の温度
制御が可能であることから，炭種が変わって灰の溶融温
度が低い石炭を燃焼する場合においても，保炎器の内面
温度を制御することができるので，灰が付着成長し，微
粉炭バーナの燃焼を悪化させることがなく，多炭種の適
用が可能である。また，微粉炭粒子の流れを調整するた
め，燃焼用空気より若干高い圧力の作動気体を保炎器の
ヘッダに導入するが，ボイラ火炉等では押し込み通風器
から直接供給することができ，作動気体の流量が極めて
少量であることから，動力費としてはほとんど無視でき
るほどの安価となる。また，保炎器への作動用気体の導
入によるＮＯｘの生成や灰中未燃分の増加は，気体が少
量であることからほとんど影響は無い。本発明の保炎器
を備えた微粉炭燃焼装置は，固体燃料の燃焼に関して，
その着火保炎を安定化させるものであるので，微粉炭バ
ーナの広域負荷燃焼への対応はもちろんのこと，低ＮＯ
ｘ，高効率燃焼に有効である。さらに，固体燃料と気体
や液体燃料とを混合して燃焼させるシステムにおいても
有効に利用できる。すなわち，一般に燃えにくい燃料で
ある固体燃料と，燃え易い気体や液体燃料とを燃焼させ
る場合，気体や液体燃料の燃焼時に保炎器の表面温度が
上昇しすぎて焼損の恐れが生じ，また固体燃料を燃焼さ
せる場合には，火炎が不安定となり易いが，本発明の保
炎器を備えたバーナを用いることにより，固体燃料の燃
焼には保炎器の面積を大きくし，気体や液体燃料の燃焼
の場合には，保炎器に作動気体を導入する手段により容
易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１で例示した微粉炭バーナの構
造を示す模式図。

【図２】図１に示す微粉炭バーナの正面図。

【図３】実施例１で例示した微粉炭バーナの燃焼負荷と
保炎器の温度との関係を，従来型バーナと比較して示し
たグラフ。

【図４】実施例１で例示した微粉炭バーナの高負荷燃焼
時における火炎形状を示す模式図。

【図５】実施例１で例示した微粉炭バーナの低負荷燃焼
時における火炎形状を示す模式図。

【図６】実施例１で例示した微粉炭バーナ負荷と保炎器
表面温度との関係を，従来型バーナと比較して示したグ
ラフ。

【図７】本発明の実施例２で例示した微粉炭バーナの保
炎器の構成を示す模式図。

【図８】実施例２で例示した微粉炭バーナの保炎器の他
の構成を示す模式図。

【図９】従来の微粉炭焚きボイラ火炉の燃焼系統図。

【図１０】従来の微粉炭バーナの構造を示す模式図。

【図１１】微粉炭バーナの保炎器の出口部における微粉
炭粒子と燃焼用２次空気の流動状態を示す模式図。

【図１２】保炎器の形状と微粉炭粒子の循環領域の大き
さを示す説明図。

【図１３】図１２で示した保炎器における着火確率を示
す説明図。

【図１４】微粉炭粒子の滞留時間と粒子の加熱温度の関
係を示すグラフ。

【図１５】微粉炭粒子径と累積重量分布の関係（微粉炭
の粒径分布）を示すグラフ。

【符号の説明】

１…火炉 ２…起動バーナ ３…保炎器 ４…噴流剥離器 ５…多孔板 ６…作動気体導入管 ７…遮断弁 ８…ヘッダ ９…流量調整弁 １０…流量計測装置 １１…制御装置 １２…燃焼用３次空気旋回器 １３…燃焼用２次空気旋回器 １４…微粉炭供給管 １５…作動気体加圧ヘッダ １６…個別加圧ヘッダ １７…温度計測系 １８…保炎器 １９…燃焼用２次空気 ２０…微粉炭粒子 ２１…乱流混合域 ２２…高温燃焼ガス ２３…焼結金属 ２４…多孔金属板 ２５…押し込み通風機 ２６…空気予熱器 ２７…石炭バンカ ２８…石炭フィーダ ２９…石炭粉砕機（ミル） ３０…１次空気ファン ３１…微粉炭バーナ ３２…排ガス循環ファン

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】石炭粉砕機によって粉砕された微粉炭を気
   流搬送し，微粉炭供給管から火炉内に供給して燃焼させ
   る微粉炭バーナを備えた微粉炭燃焼装置において，上記
   微粉炭供給管の火炉側の先端部に，該微粉炭供給管の断
   面を拡大させた段部を有する保炎器を構成し，該保炎器
   の段部には，バーナ出口部近傍の微粉炭粒子滞留部にお
   ける気流を調整するための複数の加圧気体導入部を設け
   たことを特徴とする微粉炭燃焼装置。
2. 【請求項２】請求項１において，加圧気体導入部は，多
   孔質板もしくは複数のノズル構造体によって構成するこ
   とを特徴とする微粉炭燃焼装置。
3. 【請求項３】請求項１において，複数の加圧気体導入部
   に供給する作動気体は，微粉炭バーナの燃焼用空気系と
   は別系統の加圧気体供給系から導入し，個々に制御し得
   る管路を設けたことを特徴とする微粉炭燃焼装置。
4. 【請求項４】請求項１において，保炎器の少なくとも１
   部の温度を検出する手段を設け，上記保炎器の温度に基
   づいて，複数の加圧気体導入部に供給する作動気体の圧
   力もしくは流量を調整する制御手段を設けたことを特徴
   とする微粉炭燃焼装置。
5. 【請求項５】請求項３または請求項４において，複数の
   加圧気体導入管路に，導入される作動気体の流量検出器
   を設け，該流量検出器により検出された作動気体の流量
   が設定の値以上の過剰流量を示した場合には，上記加圧
   気体導入管路に設けられている流体遮断弁を作動させる
   手段を有することを特徴とする微粉炭燃焼装置。