JPH0454125B2

JPH0454125B2 -

Info

Publication number: JPH0454125B2
Application number: JP61000629A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Azuhata; Kazuhisa Higashama; Kyoshi Narato; Yoshinobu Kobayashi; Norio Arashi; Tooru Inada; Kenichi Soma; Keizo Ootsuka
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1986-01-08
Filing date: 1986-01-08
Publication date: 1992-08-28
Also published as: JPS62158906A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、石炭・水スラリー（以下CWMと称
す）用低NOx燃焼バーナに関するものである。

〔発明の背景〕

石炭を利用する上での問題点のひとつは、固体
の取り扱いが容易ではないことである。このた
め、石炭の種々な流体燃料化技術の開発が進めら
れている。中でも、微粒化した石炭と水との混合
物である石炭スラリー（以下CWMと称する）
が、経済性に優れるため、世界的に注目を浴びて
いる。

CWMはその製造・輸送コストが低いハンドリ
ング等の面で大きな利点を有するが、燃料中に水
分を多量に含むことになるため、従来の微粉炭に
比較して燃焼効率が低くなる恐れがある。CWM
は微細粒子にして燃焼炉内に噴霧される。CWM
のように比較的粘性の高い体の噴霧には、一般に
拘束の噴霧媒体を噴霧媒質に衝突させる二流体式
アトマイザーが用いられる。二流体アトマイザー
は、噴霧媒体の流速が速い程微粒化性能が高く、
アトマイザーから噴出されるCWM気流の速度
は、空気搬送による微粉炭の場合の５倍程度にも
なる。さらに、噴霧されたCWMは、その着火に
先だち水分の蒸発域を必要とする。噴出速度が速
く、かつ水分の蒸発時間を必要とする結果、
CWMの着火位置はバーナ面から後流側にシフト
易く、火炎温度も100°〜200°程低いことが知られ
ている。このような着火位置の後退は、燃焼効
率、火炎の安定性、窒素酸化物（NOx）の抑制
に悪影響を及ぼす。

CWMの燃焼では、他の燃料の燃焼と同じく、
NOxの抑制が必要であり、少なくとも通常の微
粉炭燃焼なみのNOx排出抑制を求められる。
CWMを含めた各種燃料の燃焼時に発生するNOx
は、燃焼用空気中の窒素（N₂）が高温化で酸化
されて発生する熱生成NOxと、燃料中に含有す
る窒素分（Ｎ）分が燃焼時に酸化されて発生する
燃料起源NOxに大別される。

これらの２種類のNOxのうち、熱生成NOxの
発生量は、燃焼火炎の温度に強く依存している。
CWMのように火炎温度が低い場合には、N₂と
O₂の反応は抑制され、その発生量は比較的少な
い。これに対して燃料起源NOxは、火炎温度に
よつてあまり変化せずむしろ燃料中のＮ含有量に
よつて左右される。CWMの可燃成分である石炭
は、炭種よつて0.5〜2.5重量％のＮ分を含有して
いる。これは、LNGの０重量％、Ｃ重油の0.1重
量％に比較して極めて高い。そのため燃料起源
NOxの発生量が多く、全NOx発生量の大部分を
占めている。微粉炭の燃焼では、そのNOx低減
のために火炎内部に還元領域を安定に形成するこ
とが不可欠であることが知られている。石炭は、
空気不足の燃焼条件序（低空気比燃焼条件）下で
は、H₂、CO等の還元性ガスを放出し還元領域を
形成する。このような還元領域下では、石炭中の
Ｎ分はNH₃、HCN等の化合物として放出され
る。これらの窒素化合物は、高濃度のO₂共存下
では直ちにNOxに酸化されるものの、O₂濃度が
低い場合にはNOxをN₂に還元する作用を有す
る。そこで微粉炭の低NOxバーナーには、燃焼
用空気を大きく分離し、これを徐々に混合させる
ことによつて、還元領域と低O₂濃度領域（脱硝
領域）を安定に形成するように構成されているも
のがある。

これに対してCWMは、水の蒸発時間だけ着火
に要する時間が長く、また、微粒化される時に高
速で噴出されるために、火炎がバーナ面より離れ
易い。即ち、CWMと空気の混合が急速に進む後
流域で燃焼が進むため、微粉炭燃焼のような還元
領域の形成が容易でなく、NOxの排出抑制が困
難になる。また、着火性が低いことは当然燃焼率
低下の直接の原因であり、更には、火炎がバーナ
より離れると、失火し易い不安定な燃焼状態にな
り、燃焼装置の信頼性にも問題を生ずる。

この様に、CWMの燃焼では着火位置の後退が
燃焼特性に悪影響を及ぼし、CWMの着火性を向
上し、着火位置を可能な限りバーナ近傍に引き寄
せることが、CWM用バーナ開発の要点である。
着火位置を引き寄せる方法としては、燃焼用空気
を旋回流として投入する方法が知られている。た
とえば、特開昭59−208305号公報に示される微粉
炭バーナのように、３次空気ノズルの位置を燃料
ノズルから離し、かつ３次空気を強度旋回流とし
て投入するバーナがある。微粉炭のように空気の
噴出速度の流速で燃料が噴出される場合には、強
旋回流として燃焼空気を投入するのは有効であ
る。しかしながら、CWMのように燃料ノズルか
ら燃焼空気流速よりも３〜５倍以上の高速で燃料
が噴出される場合には、空気の旋回力だけで保炎
しようとすると、最適な旋回強度範囲が非常に狭
く、バーナの運転操作が困難になる。また、二流
体アトマイザにおいて、噴霧媒体の流速を下げ、
CWM噴出速度を低減すると、CWMに微粒化が
阻害され、良好なCWMの燃焼火炎が得られな
い。即ち、CWMの噴霧粒径が大きくなると、粒
子の伝熱特性が悪くなるため、着火性が低下す
る。

また、油燃料を対象としたバーナとして、火炎
の短炎化を目的にした特開昭59−145405号公報に
示されるバーナ装置がある。この装置は、先端に
燃料を噴霧するバーナステツプを装置したバーナ
ガンと、このバーナガンの周りを囲むように設け
た旋回する１次空気を供給するための１次スワラ
と、この１次スワラから供給される１次空気と前
記バーナチツプから噴霧された燃料を混合して燃
焼させる１次バーナメタルと、この１次バーナメ
タルの先端側の周りに所定間〓を置いて囲むよう
に設けた２次バーナメタルと、この２次バーナメ
タルと前記１次バーナメタルとの間〓に設けた旋
回する二次空気を供給するための２次スワラと、
前記２次バーナメタルの先端側の周りに設けた３
次空気供給用の３次空気ノズルを具備し、前記１
次バーナメタルの全長を前記１次スワラの直径の
２倍以下とするとともに、１次バーナメタルの先
端部内周輪には前記１次スワラの直径よりも短い
長さの水平な筒部を形成し、かつ１次バーナメタ
ルの先端部外周には外側へ向けて30度ないし60度
の角度の拡りをもつ錐状部を形成し、更に、前記
２次バーナメタルの先頭部内周面を前記１次バー
ナメタルの外周面と略相似の拡り角となるように
形成したことを特徴とするものである。

この装置は、油燃料のように着火性の良いバー
ナに対しては、効果が大きいが、CWMのように
着火性の低い燃料に対しては、良い燃焼性を与え
ない。先ず、１次空気ノズルを燃料ノズルの外周
に設置し、この周りに設置された１次バーナメタ
ル内で燃料を燃焼しようとすると、燃料の高速噴
流によつて形成される負圧領域が１次空気によつ
て解消されるために、１次バーナメタルによつて
形成される着火領域への２次空気の巻き込みが無
くなり、着火性が阻害される。即ち、着火及び保
炎は燃料流の周囲に大きく安定な循環流を形成す
ることが必要であり、１次空気の投入は、循環流
の形成にとつては逆効果である。更に１次バーナ
メタルの先端を外側へ向けて、２次空気と燃料の
初期の混合を抑制する構造をとると、CWMのよ
うに着火性の低い燃料の場合には、火炎がバーナ
面から離れ易くなる。このように、CWM燃焼用
バーナとしては、着火性向上を目的とした新たな
バーナが必要である。

〔発明の目的〕

以上述べた如く、CWMの燃焼では高速で噴出
されるCWMの着火性を改善することが大きな技
術課題であり、本発明の目的は、CWMの安定な
火炎を得ると同時に、燃焼率の向上及びNOxの
低減を達成することにある。

〔発明の概要〕

即ち、本発明の特徴の１つは、石炭・水スラリ
ーを微粒化して噴出する燃料ノズルと、該燃料ノ
ズル前方に該ノズルと同芯状で末広がりの環状に
形成された１次予備燃焼室と、該１次予備燃焼室
の外周にあつて燃焼用空気を旋回流として噴出す
る円環状の２次空気ノズルと、前記１次予備燃焼
室前方に前記２次空気ノズルの外筒により環状に
形成された２次予備燃焼室とを具備することを特
徴とする石炭・水スラリー用低NOx燃焼バーナ
にある。

また、本発明の他の特徴は、石炭・水スラリー
を微粒化して噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズ
ル前方に該ノズルと同芯状で末広がりの環状に形
成された１次予備燃焼室と、該１次予備燃焼室の
外周にあつて燃焼用空気を旋回流として噴出する
円環状の２次空気ノズルと、前記１次予備燃焼室
前方に前記２次空気ノズルの外筒により環状に形
成された２次予備燃焼室と、前記２次空気ノズル
の外周にあつて燃焼用空気を旋回流として噴出す
る円環状の３次空気ノズルとを具備することを特
徴とする石炭・水スラリー用低NOx燃焼バーナ
にある。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を第１図及び第２図によ
つて説明する。１は石炭・水スラリーの燃料を微
粒化して噴出させる燃料ノズル、４は燃料ノズル
１と同芯状に配置され、かつ、燃料ノズル１の先
端部から末広がりの環状に形成した１次予備燃焼
室、２は前記１次予備燃焼室４の外周上に設置さ
れ、燃焼用空気を旋回流として噴出する円環状の
２次空気ノズルであり、この２次空気ノズル２の
内筒は１次予備燃焼室４の外周面と兼用してい
る。また、この２次空気ノズルの内筒はその外筒
より燃料噴出方向に対して短かく形成されてい
る。５は１次予備燃焼室４の前方に２次空気ノズ
ル２の外筒により形成された２次予備燃焼室であ
る。３は２次予備燃焼室５の外周上に設置され、
燃焼用空気を旋回流として噴出する円環状の２次
空気ノズルであり、この３次空気ノズル３の円筒
は３次空気ノズル２の外筒と兼用している。６は
ノズル２，３の入口に夫々設けられている旋回流
発生器で、ノズル２，３から噴出される空気は旋
回流として噴出される。７は１次予備燃焼室のブ
ロツク部分を示し、９は燃焼炉を示すものであ
る。

上記構成において、燃料のCWMは、燃料ノズ
ル１により平均粒径が50〜100μｍ程度に微粒化
されて噴出される。微粒化されたCWMは、燃料
ノズルの外周に設置された円錐状の１次予備燃焼
室４内で着火され、次に１次予備燃焼室４後流に
設けられた円筒状の２次予備燃焼室５内で２次空
気により燃焼された後に、燃焼炉内で３次空気に
より完全燃焼される。CWMの噴出速度は、微粒
化を促進するため、通常、燃焼空気流速の３〜５
倍以上の高速にとられる。このため、CWM噴流
外周の静圧が負圧になり、２次空気の一部が、１
次予備燃焼室４内に巻き込まれ、この巻き込まれ
る一部の２次空気がCWMの着火に使用される。
着火に使用されずに残つた２次空気は、CWMが
３次空気と混合する前に、２次予備燃焼室５内で
CWMと混合され、火炎の形成に使用される。２
次空気ノズル２の空気噴出口は、２次予備燃焼室
５を形成するため、３次空気ノズル３の空気噴出
口より内側に設置される。２次空気の１次予備燃
焼室４内に巻き込まれる割合と、２次予備燃焼室
５内で消費される割合の制御は、２次空気の旋回
強度によつて制御され、安定な火炎の形成には、
適切な旋回強度が選定される。２次空気はこの様
にCWMの着火及び低空気比火炎の形成に使用さ
れるものであり、CWMの完全燃焼に必要な空気
流量よりも少ない流量に設定される。

１次予備燃焼室４を構成するブロツク７の材質
は、鋼材でも可能であるが、耐熱性のセラミツ
ク、レンガ等が蓄熱性及び焼損による寿命を考え
ると有効である。通常、CWMの燃焼装置は、燃
焼炉がCWMの火炎を形成するのに十分な温度に
達するまで、気体または液体燃料を用いて予熱さ
れる。従つて、蓄熱性の高い材料でブロツク７を
構成すると、予熱時にこれに熱が貯えられ、
CWMの着火がこの熱により容易になる。また、
セラミツクヒータ等の発熱体をブロツク７の材料
を用いると、発熱体によつてCWM噴流を加熱で
き、発熱量により着火を制御することが可能であ
る。ブロツク７の材質を、この様に、蓄熱性ある
いは発熱性の面から選定すれば、CWM投入開始
時の着火性が改善される。一旦、安定な火炎が形
成されると、火炎からの伝熱によりブロツク７が
加熱されるため、CWMの着火性の問題は小さく
なる。

また、この着火用の熱の供給の他に、第１図に
示すような１次予備燃焼室４を設置すると、高速
で噴出されるCWMは、２次予備燃焼室５におい
て２次空気と混合する前に、その流速が減衰する
ため、空気混合時の滞留時間が長くなり、着火位
置をバーナ面に近付けるのに有効である。即ち、
２次予備燃焼室５内での火炎の形成が容易にな
る。従つて、１次予備燃焼室４は、CWM流速の
減衰を図る意味でも、できるだけ大きく作ること
が望ましいが、大きく作りすぎると、後述する様
な噴流の偏りの他に内壁にCWM粒子が付着する
恐れが高くなり適切な大きさに設計することが要
求される。また、１次予備燃焼室４の開き角α
は、CWM粒子の付着を防止するために、CWM
の燃料ノズル１の噴霧角より大きくとることが好
ましい。

２次予備燃焼室５は、円環状の３次空気３の内
筒によつて形成され、１次予備燃焼室４の後流に
設置される。既に述べたように、この２次予備燃
焼室５は、２次空気によりCWMを燃焼するのに
利用される。低NOx燃焼には、低空気比火炎に
よつて得られる還元領域の形成が重要であること
は前述の通りである。２次予備燃焼室５の設置
は、この低空気火炎を形成し易くし、更に２次、
３次空気の作用を明瞭にする。３次空気の噴出口
は２次予備燃焼室５の後流であるため、バーナ近
傍での３次空気とCWMの混合が抑制され、低空
気比火炎が形成されれば、比較的長く保存され易
い。また、２次空気の流れは２次予備燃焼室５の
内壁（即ち、３次空気ノズル３の内筒）によつて
外周に拡がるのを防止されるため、CWMとの混
合が促進され、低空気比火炎の形成が容易にな
る。また、３次空気あるいは２次空気ノズルの材
質は、鋼材を使用するのが普通であるが、ブロツ
ク７と同様、低空気比燃焼を促進するため、内壁
を蓄熱性の高い耐熱性セラミツク、あるいはセラ
ミツクヒータ等の発熱体で構成するのも有効であ
る。

以上の如く、第１図のバーナによれば、CWM
の着火性が改善されるために、安定な火炎を得る
のが容易になり、燃焼性が向上される。また、低
空気比火炎の形成が容易になると同時に、３次空
気の割合が遅くなる分だけ、還元領域を大きくと
ることができ、第１図のバーナは、NOxの排出
抑制に有効である。更に付け加えれば、３次空気
の混合を遅くするのは、火炎が長炎化する即ち、
燃焼装置が大きくなる欠点を有する。これには、
３次空気を旋回流として噴出することが重要にな
る。旋回流として噴出すると、旋回流内部が負圧
になるために、火炎後流において、下流からバー
ナ面に沿う逆向きの流れが形成される。これによ
り、後流における３次空気とCWMとの混合が促
進され、火炎の長炎化が防止される。バーナ面で
は、直進流に近い流れで噴出されるCWMと、旋
回流として噴出される空気は流れの方向が異なる
ために混合は抑制され、バーナ面から離れた後流
において、上述の逆向きの流れによつて形成され
る循環流により空気の混合が促進される。

第３図には、他の実施例を示す。この実施例で
は、１次予備燃焼室４の形状が第１図と異なり、
燃焼室の大きさを大きくとるために、CWMを噴
霧する燃料ノズル１周囲の燃焼室の拡がりを大き
くし、断面拡大後の円筒部が長くとられている。
１次予備燃焼室４をこのような形状にとると、１
次予備燃焼室４の効果は大きくなるが、燃焼室の
中心軸と燃料ノズル１の中心軸を良く一致させな
いと、２次空気の巻き込み量が偏り、CWMの噴
流が中心よりずれ易くなり、バーナ部品の製作及
び組み立てに注意を要する。

第３図に示すバーナでは、１次予備燃焼室４の
形状の他に、３次空気の噴出口にそらせ板８を設
け、３次空気の混合を第１図に示すバーナよりも
更に送らせる工夫がなされている。このようなそ
らせ板８を設置することは、第１図のバーナにお
いても勿論可能であり、低NOx燃焼の効果向上
に有効である。このような空気投入用ノズルの改
造は、バーナの容量、即ち、バーナの燃焼量を変
更する時に必要とされる。容量が大きくなると、
バーナ口径全体が大きくなるため、そせら板８の
ような手段を用いなくとも、３次空気の混合は遅
くなるが、容量が小さくなると、口径が小さくな
る分だけ、２次、３次空気の混合が早くなり、そ
れぞれの空気の役割を明瞭にするための工夫が必
要となる。

１次予備燃焼室を構成するブロツク７の形状に
ついても、バーナの容量に応じて、第１，３図に
示す以外に、例えば第３図の３次空気ノズルに類
似した、そらせ板を取り付けると同時に、２次空
気の噴出速度あるいは旋回強度を高くすることに
よりそらせ板の内側に負圧領域を形成させ、これ
により、２次空気の１次予備燃焼室４内への巻き
込み量を増加させる、更には、１次予備燃焼室４
出口内周上に急激な縮流を形成させるための色々
な形状の保炎板を設置する等の改造も可能であ
る。また、石炭の中でも、特に燃焼性の低い石炭
を用いたCWMを燃焼するためのバーナにおいて
は、３次空気ノズルを設置せずに、燃焼用空気を
全て２次空気として投入する構造のバーナに改造
することも可能である。但しこの場合にも、２次
燃焼室の設置は有効であり、この時には、２次燃
焼室は、バーナ全体の外筒によつて構成されるこ
とになる。

第４図に第１図に示したバーナでCWMを燃焼
した結果を示す。図には、特開昭59−208305号公
報で示した微粉炭用の低NOxバーナを用い、微
粉炭ノズルの替りに、CWMの噴出ノズルを設置
してCWMを燃焼した時の結果を比較のために併
記した。使用した燃料ノズルは両者のバーナとも
同じである。図の横軸は、燃焼炉出口において採
取した燃焼灰中に含まれる未燃分の割合を示し、
この値が小さければ、燃焼率が高いことになる。
縦軸は燃焼炉出口で測定したNOxの濃度を、６
％のO₂濃度基準に換算した値を示す。一般に、
灰中未燃分が高くなると、Ｎ分の灰中にに残る量
が増すために、NOx濃度は低くなる。従つて、
灰中未燃分を少なくすると同時に、NOxも低減
するバーナが最も望しく、燃焼特性が良いことに
なる。使用したCWMは、63重量％の太平洋炭と
37重量％の水より成る。図中、□印で示したもの
が微粉炭用の低NOxバーナを用いた時の結果で
ある。微粉炭は、CWMに比べて、着火性が良
く、燃焼用空気と燃料の混合を比較的長くして
も、特開昭59−208305のバーナにより、高い燃焼
性が得られると同時にNOxの低減を図ることが
できる。これに対して、CWMを微粉炭用のバー
ナを用いて燃焼すると、図よりNOx低減と高効
率燃焼とを、同時に達成するのが困難であること
がわかる。○印で示したのは、第１図に示したバ
ーナで燃焼した結果である。従来の微粉炭用バー
ナで燃焼した結果に比べ、第１図に示したバーナ
によれば灰中未燃分量の少ない所でCWMを燃焼
でき、このバーナは燃焼率の向上に有効であるこ
とがわかる。また、NOxについても、燃焼率を
高く維持した状態でその排出量を低減できること
がわかる。このNOx排出量の調整は、２次及び
３次空気の流量配分、及びそれぞれの空気の旋回
強度測定によつて行われる。この第４図の結果か
ら、本発明によるバーナは、CWMの燃焼に有効
であることがわかる。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、CWM用バーナに２つ
の予備燃焼室を設置することにより、CWMの着
火性を向上することができると同時に、安定な低
空気比火炎の形成が容易になるため、CWMの燃
焼率の向上及びNOxの排出量を低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例であるバーナの縦
断面図、第２図は第１図に示される旋回流発生器
の斜視図、第３図は本発明バーナの他の実施例を
示す縦断面図、第４図は、本発明によるバーナの
燃焼特性を示す線図である。１……燃料ノズル、２……２次空気ノズル、３
……３次空気ノズル、４……一時予備燃焼室、５
……二次予備燃焼室、６……旋回流発生器。

Claims

【特許請求の範囲】１石炭・水スラリーを微粒化して噴出する燃料
ノズルと、該燃料ノズル前方に該ノズルと同芯状
で末広がりの環状に形成された１次予備燃焼室
と、該１次予備燃焼室の外周にあつて燃焼用空気
を旋回流として噴出する円環状の２次空気ノズル
と、前記１次予備燃焼室前方に前記２次空気ノズ
ルの外筒により環状に形成された２次予備燃焼室
とを具備することを特徴とする石炭・水スラリー
用低NOx燃焼バーナ。２石炭・水スラリーを微粒化して噴出する燃料
ノズルと、該燃料ノズル前方に該ノズルと同芯状
で末広がりの環状に形成された１次予備燃焼室
と、該１次予備燃焼室の外周にあつて燃焼用空気
を旋回流として噴出する円環状の２次空気ノズル
と、前記１次予備燃焼室前方に前記２次空気ノズ
ルの外筒により環状に形成された２次予備燃焼室
と、前記２次空気ノズルの外周にあつて燃焼用空
気を旋回流として噴出する円環状の３次空気ノズ
ルとを具備することを特徴とする石炭・水スラリ
ー用低NOx燃焼バーナ。