JPH0518511A

JPH0518511A - 微粉固体燃料燃焼装置

Info

Publication number: JPH0518511A
Application number: JP16813491A
Authority: JP
Inventors: Kimiyo Tokuda; 君代徳田; Masaharu Oguri; 正治大栗
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Choryo Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Choryo Engineering Co Ltd
Priority date: 1991-07-09
Filing date: 1991-07-09
Publication date: 1993-01-26
Anticipated expiration: 2017-05-27
Also published as: JP3285595B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ボイラ火炉内の滞留時間が短いアッパーバー
ナノズルから吹込まれる微粉炭燃料も完全に燃焼させる
こと。【構成】微粉炭混合気をサイクロン型セパレータで濃
・淡２種の混合気に分離し，淡い方の混合気をアッパー
バーナに供給する。サイクロン型で分離された濃度が低
い混合気は，微粉炭の粒子径も小さいから燃焼完結時間
が短く，したがって滞留時間が短くても完全に燃焼す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，微粉固体燃料を使用す
るボイラ，化学工業炉等に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】図５は、本発明の前提となる従来の微粉
固体燃料燃焼装置の一例を示す系統図である。この図に
おいて，（０１）は炉本体，（０２）は主バーナ本体，
（０３）は主バーナ燃料ノズル，（０４）は主バーナ空
気ノズル，（０５）はオーバーファイアリングエア（Ｏ
ＦＡ）ノズル，（０６）はアッパーバーナ（ＵＢ）燃料
ノズル，（０７）はアディショナルエア（ＡＡ）ノズ
ル，（０８）は石炭粉砕機，（０９）は固体燃料，（１
０）は搬送用空気，（１１）は通風機，（１２）は微粉
固体燃料混合気，（１３）はＵＢ燃料混合気，（１４）
は燃焼用空気，（１５）は微粉固体燃料混合気輸送管，
（１６）はＵＢ燃料混合気輸送管，（１７）は燃焼用空
気ダクト，（１８）はＯＦＡ，（１９）はＯＦＡダク
ト，（２０）はＡＡ，（２１）はＡＡダクト，（２２）
は炉内，（２３）は主バーナ火炎，（２４）は主バーナ
燃焼排ガス，（２５）はＵＢ燃焼火炎，（２６）は燃焼
排ガスをそれぞれ示す。

【０００３】石炭粉砕機（０８）に供給された固体燃料
（０９）は微粉化され，同時に供給された搬送用空気
（１０）と混合して，微粉固体燃料混合気（１２）を形
成し，微粉固体燃料輸送管（１５）を通して主バーナ本
体（０２）とＵＢ燃料ノズル（０６）へ送給される。主
バーナ本体（０２）には主バーナ燃料ノズル（０３）と
主バーナ空気ノズル（０４）が組込まれており，主バー
ナ本体（０２）へ送り込まれて来た微粉固体燃料混合気
（１２）は，主バーナ燃料ノズル（０３）から炉内（２
２）へ噴射される。一方，燃焼用空気（１４）は，通風
機（１１）によって燃焼用空気ダクト（１７）を通して
供給され，主バーナ本体（０２）用，ＯＦＡ（１８）お
よびＡＡ（２０）に分流されて，それぞれ主バーナ空気
ノズル（０４），ＯＦＡノズル（０５）およびＡＡノズ
ル（０７）から炉内（２２）へ噴射される。主バーナ燃
料ノズル（０３）から炉内（２２）へ噴射された微粉固
体燃料混合気（１２）は，図示されてない着火源によっ
て着火し，主バーナ火炎（２３）を形成して燃焼を継続
する。主バーナ火炎（２３）は，着火点近傍では，搬送
用空気（１０）と主バーナ燃料ノズル（０３）の周囲か
ら吹き込まれる燃焼用空気（１４）の一部とに含まれる
酸素と反応して燃焼し，以後の主燃焼ゾーンでは，主バ
ーナ空気ノズル（０４）から吹き込まれる燃焼用空気
（１４）中の酸素によって燃焼が継続される。

【０００４】従来のボイラでは，窒素酸化物（以下，Ｎ
Ｏ_xと略称する）を抑制するために，主バーナ燃料ノズ
ル（０３）から吹き込まれる搬送用空気（１０）と主バ
ーナ燃料ノズル（０３）周囲および主バーナ空気ノズル
（０４）から吹き込まれる燃焼用空気（１４）との合計
が，主バーナ燃料ノズル（０３）から吹き込まれる微粉
固体燃料の量論比を超えないようにされており，ＯＦＡ
ノズル（０５）以下の炉内（２２）は還元雰囲気状態と
なる。主バーナ燃料ノズル（０３）から吹き込まれた微
粉固体燃料の燃焼により発生したＮＯ_xは，燃焼領域が
還元雰囲気であるため還元される。したがってＯＦＡ
（１８）投入部直前では，主バーナ燃焼排ガス（２４）
中のＮＯ_x濃度は減少し，代ってＨＣＮ，ＮＨ₃等の中
間生成物が発生する。また，還元雰囲気であるから，主
バーナ燃焼排ガス（２４）中には相当の可燃分が残存す
る。

【０００５】次に，主バーナ燃焼排ガス（２４）中の可
燃分を燃焼させるために，ＯＦＡノズル（０５）からＯ
ＦＡ（１８）が炉内（２２）へ吹き込まれる。ＯＦＡ
（１８）は，主バーナ燃料ノズル（０３）から吹き込ま
れる微粉固体燃料の量に対して，主バーナ本体（０２）
から投入される燃焼用空気（１４）と搬送用空気（１
０）とＯＦＡ（１８）の合計が空気比で 1.0 〜 1.05
となるような量を投入する。ＯＦＡ（１８）を投入する
目的が主バーナ燃焼排ガス（２４）の燃焼を促進するこ
とであるにもかかわらず，ＯＦＡ（１８）投入後の空気
比を 1.0 〜 1.05と低く設定しているのは，ＯＦＡ
（１８）投入によって生じる酸化反応で主バーナ燃焼排
ガス（２４）中の中間生成物がＮＯ_xに転換するのを抑
制するためである。

【０００６】ＯＦＡ（１８）投入部の上方（後流）に
は，ＵＢ燃料ノズル（０６）が装着されている。微粉固
体燃料輸送管（１５）から分岐配管されたＵＢ燃料混合
気輸送管（１６）を通して，ＵＢ燃料混合気（１３）が
供給され，このＵＢ燃料ノズル（０６）から炉内（２
２）へ吹き込まれる。ＵＢ燃料混合気（１３）は微粉固
体燃料混合気（１２）から分流されたものであり，搬送
用空気（１０）に対する重量比（石炭／空気）と粒度分
布は，ほぼ微粉固体燃料混合気（１２）と同等と見做す
ことができる。ＵＢ燃料混合気（１３）の吹込みによ
り，ＵＢ燃料混合気（１３）吹込部以降は還元雰囲気を
形成し，ＯＦＡ（１８）吹込みによって増加したＮＯ_x
が還元されてＮ₂に転換される。

【０００７】ＵＢ燃料ノズル（０６）の上方（後流）に
は，単段または複数段のＡＡノズル（０７）が設けられ
ている（図示例では２段）。ＯＦＡ（１８）量とＵＢ燃
料混合気（１３）中の搬送用空気（１０）量との合計
は，主バーナ燃焼排ガス（２４）中の残存可燃分量とＵ
Ｂ燃料混合気（１３）中の微粉固体燃料量との和の量論
比以下であり，ＵＢ燃料混合気（１３）吹込部からＡＡ
（２０）吹込部までの炉内（２２）領域は，通常，空気
比を 0.75 〜 1.0 に設定して，ＵＢ燃料混合気（１
３）吹込みによるＮＯ_xの増加を抑制する。しかし，Ａ
Ａ（２０）吹込部までは還元雰囲気であるため，主バー
ナ燃焼排ガス（２４）中に可燃分が残存する。ＡＡ（２
０）の吹込みは，この可燃分の燃焼を完結し，清浄な燃
焼排ガス（２６）を形成するために行なわれる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図６は石炭粉砕機（０
８）によって粉砕された微粉固体燃料の代表的な粒度分
布の一例を示す図である。従来の微粉固体燃料燃焼装置
では，主バーナ燃料ノズル（０３）から吹込む微粉固体
燃料混合気（１２）とＵＢ燃料ノズル（０６）から吹込
むＵＢ燃料混合気（１３）とを，単に配管を分岐するこ
とによって分流するため，各混合気（１２），（１３）
中の微粉固体燃料の粒度分布はほぼ同等であった。

【０００９】図７は本発明の発明者らが実施した実験結
果にもとづき，炭素粒子径と燃焼完結に必要な時間との
関係を、燃焼温度が１３００℃の場合について示した図
である。通常，ボイラでは最上段の主バーナ燃料ノズル
（０３）から火炉出口までの微粉固体燃料の滞留時間は
数秒以上を確保してあり，前記図６の粒度分布からも主
バーナ燃料ノズル（０３）から吹込まれる微粉固体燃料
は十分燃焼を完結できる。

【００１０】しかし，ＵＢ燃料ノズル（０６）から火炉
出口までの滞留時間は通常１秒以下，ＡＡノズル（０
７）から火炉出口までは更に短い。したがって従来の燃
焼装置では，ＵＢ燃料ノズル（０６）から吹込まれる微
粉固体燃料は，未燃分が多い状態で火炉から排出される
ことがある。特に微粉固体燃料量が多くなるに従ってそ
の傾向が強くなるので，ＡＡ（２０）吹込部とＵＢ燃料
混合気（１３）吹込部間の領域では，ＮＯ_x低減に効果
的な還元雰囲気を形成することは困難であった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は，前記従来の課
題を解決するために，サイクロン型セパレータで分離さ
れた濃微粉固体燃料を空気比 0.75 から 0.85 で噴射す
る第１のノズルと，同第１のノズルの上方に設けられ上
記サイクロン型セパレータで分離された淡微粉固体燃料
を空気比 0.95 から 1.05 で噴射する第２のノズルと，
同第２のノズルの上方に設けられた空気ノズルとを具備
してなる微粉固体燃料燃焼装置を提案するものである。

【００１２】

【作用】微粉固体燃料混合気は，サイクロン型セパレー
タで濃・淡２種の微粉固体燃料混合気に分離され，濃微
粉固体燃料混合気は第１のノズル（主バーナ燃料ノズ
ル）へ送り込まれ，炉内へ吹込まれて燃焼に供される。
一方，淡微粉固体燃料混合気はその上方の第２のノズル
（ＵＢ燃料ノズル）へ送り込まれ，炉内（１２２）へ吹
込まれて燃焼に供される。

【００１３】サイクロン型セパレータは，入って来た微
粉固体燃料混合気を遠心力を利用して濃・淡両微粉固体
燃料混合気に分離するものであるから，淡微粉固体燃料
混合気中の微粉固体燃料の粒径の方が当然細かくなる。
したがって，火炉内滞留時間が短いＵＢ燃料ノズルから
炉内へ吹き込まれても，淡微粉固体燃料混合気中の微粉
固体燃料は火炉出口までに充分燃焼を完結でき，ＵＢ燃
料ノズル部からその上方の空気ノズルまでの領域を，Ｎ
Ｏ_x低減に効果的な還元雰囲気に形成することが容易と
なる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す系統図であ
る。この図において，（１０１）は炉本体，（１０２）
は主バーナ本体，（１０３）は主バーナ燃料ノズル，
（１０４）は主バーナ空気ノズル，（１０５）はＯＦＡ
ノズル，（１０６）はＵＢ燃料ノズル，（１０７）はＡ
Ａノズル，（１０８）は石炭粉砕機，（１０９）は固体
燃料，（１１０）は搬送用空気，（１１１）は通風機，
（１１２）は微粉固体燃料混合気，（１１４）は燃焼用
空気，（１１５）は微粉固体燃料混合気輸送管，（１１
７）は燃焼用空気ダクト，（１１８）はＯＦＡ，（１１
９）はＯＦＡダクト，（１２０）はＡＡ，（１２１）は
ＡＡダクト，（１２２）は炉内，（１２３）は主バーナ
火炎，（１２４）は主バーナ燃焼排ガス，（１２５）は
ＵＢ燃焼火炎，（１２６）は燃焼排ガス，（１２７）は
サイクロン型セパレータ，（１２８）は濃微粉固体燃料
混合気輸送管，（１２９）は淡微粉固体燃料混合気輸送
管，（１３０）は濃微粉固体燃料混合気，（１３１）は
淡微粉固体燃料混合気，（１３２）は共通管をそれぞれ
示す。ここで，前記図５により説明した従来のものと同
様の部分については，冗長になるのを避けるため，図５
中の符号の数字に１００を加えた数を図１中の符号とし
て用い，詳しい説明を省く。

【００１５】微粉固体燃料混合気輸送管（１１５）を通
して送り込まれて来た微粉固体燃料混合気（１１２）
は，その微粉固体燃料混合気輸送管（１１５）の途中に
設けられたサイクロン型セパレータ（１２７）に高速度
で吹込まれ，遠心力の作用により，濃・淡両微粉固体燃
料混合気（１３０），（１３１）に分離される。

【００１６】図２はサイクロン型セパレータ（１２７）
の一例を示す縦断面図，図３は同じく他の例を示す縦断
面図，図４は図２のIV−IV水平断面図である。サイクロ
ン型セパレータ（１２７）に吹込まれた微粉固体燃料混
合気（１１２）は，サイクロン型セパレータ（１２７）
内で壁面側に微粉固体燃料の濃度が濃い濃微粉固体燃料
混合気（１３０）が形成され，サイクロン型セパレータ
（１２７）内の中央部には，淡微粉固体燃料混合気（１
３１）が形成される。また，サイクロン型セパレータ
（１２７）内の微粉固体燃料混合気（１１２）中の微粉
固体燃料の粒度分布は，壁面に近い程粒径が大きく，中
心部に近い程粒径が小さくなる。

【００１７】サイクロン型セパレータ（１２７）の濃微
粉固体燃料混合気（１３０）側は，濃微粉固体燃料混合
気輸送管（１２８）によって主バーナ燃料ノズル（１０
３）と連絡されており，送り込まれて来た粒径の大きい
濃微粉固体燃料混合気（１３０）を主バーナ燃料ノズル
（１０３）から炉内（１２２）へ吹込んで燃焼に供す
る。一方，サイクロン型セパレータ（１２７）の淡微粉
固体燃料混合気（１３１）側は，淡微粉固体燃料混合気
輸送管（１２９）と共通管（１３２）によってＵＢ燃料
ノズル（１０６）に連絡されており，送り込まれて来た
粒径の小さい淡微粉固体燃料混合気（１３１）をＵＢ燃
料ノズル（１０６）から炉内（１２２）へ吹込んで燃焼
に供する。

【００１８】主バーナ燃料ノズル（１０３）から吹き込
まれた濃微粉固体燃料混合気（１３０）は図示されてな
い着火源によって着火し，主バーナ火炎（１２３）を形
成して燃焼を継続する。濃微粉固体燃料混合気（１３
０）中の微粉固体燃料の平均粒径は若干大きくなるが，
ボイラの最上段主バーナノズル（０３）から火炉出口ま
での間に微粉固体燃料が滞留する時間は通常数秒以上確
保されているので，充分に燃焼を完結できる。

【００１９】一方，淡微粉固体燃料混合気（１３１）中
の微粉固体燃料量を全体の２０％と仮定すると，最大粒
径は図６より約１５μｍとなる。通常，ボイラの火炉内
平均温度は１３００℃以上であるから，上記淡微粉固体
燃料混合気（１３１）中の微粉固体燃料は，火炉内滞留
時間が１秒以下でも，図７に示されるとおり，充分に燃
焼を完結することができる。その結果，淡微粉固体燃料
混合気（１３１）をＵＢ燃料ノズル（１０６）から炉内
（１２２）へ吹込み，ＵＢ燃料ノズル（１０６）からＡ
Ａ（１２０）吹込部までの領域で，ＮＯ_x低減に効果的
な空気比 0.7〜1.0 の還元雰囲気を形成することができ
る。

【００２０】上記主バーナ（１０２）の燃焼領域では，
空気比を 0.75 ないし 0.85 とする。その理由を図８に
よって説明する。図８は本発明の発明者らが実施した微
粉炭燃焼試験結果の一例で，主バーナ空気比と火炉出口
ＮＯ_x濃度との関係を示したものである。主バーナ燃焼
領域を還元雰囲気に維持して微粉炭の燃焼により発生し
たＮＯ_xを還元した後，ＡＡを投入して残存未燃分を焼
却する工程において，主バーナ空気比が大きい範囲で
は，主バーナ空気比を減少させると，火炉出口ＮＯ_xも
低減する傾向にあることが，図８からわかる。しかし，
この火炉出口ＮＯ _xは，主バーナ空気比がある値以下に
なると，今度は逆に主バーナ空気比の低下に伴って増加
するようになる（主バーナ空気比が低下しすぎると炭化
水素系可燃分の酸化反応が弱まってＮＯ_xの分解反応が
低下するため）。そしてＮＯ_x低減率の最大値は，主バ
ーナ空気比が 0.75 から 0.85 までの間に存在する。し
たがって主バーナ（１０２）の燃焼領域の空気比は 0.7
5 から 0.85 までとする。

【００２１】次に上記ＵＢ燃料ノズル（１０６）の入口
部空気比は 0.95ないし 1.05 とする。図９も本発明の
発明者らが実施した微粉炭燃焼試験結果の一例で，ＵＢ
入口部空気比と火炉出口ＮＯ_x濃度および灰中未燃分と
の関係を示したものである。この図で火炉出口ＮＯ_xに
のみ着目すると，更に低空気比の方が有利であるが，燃
焼性を加味して灰中未燃分にも着目すると，空気比は
0.95 〜 1.05 にする方が有利である。したがってＵＢ
燃料ノズル（１０６）入口部の空気比は 0.95から 1.05
までとする。

【００２２】図１０は本発明の効果を確認するために行
なった実験の結果を示すものである。従来の燃焼装置と
比べて，本発明の装置によれば，ＮＯ_x発生量も灰中未
燃分もともに大幅に減少することが，この図からわか
る。

【００２３】

【発明の効果】本発明においては，ボイラ火炉内の滞留
時間が短いＵＢ燃料ノズルから吹込まれる微粉固体燃料
が，従来に比べ大幅に微粒化されているので，燃焼性が
向上して火炉内で燃焼を完結できる。したがって，ボイ
ラから排出される燃焼排ガス中の未燃分を消滅できる。

【００２４】また，ＵＢ燃料ノズルから吹込まれる微粉
固体燃料の燃焼性が向上するので，本微粉固体燃料の吹
込量が自由に設定できる。そこで，ＡＡ吹込部の上流領
域に空気比 0.7〜1.0 の還元雰囲気を形成させ，火炉出
口で燃焼排ガス中の酸素濃度が 1.0〜4.0 ％となるよう
ＡＡを吹込むことによって，従来に比べ大幅にＮＯ_xを
低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例を示す系統図である。

【図２】図２は本発明で使用されるサイクロンセパレー
タの一例を示す縦断面図である。

【図３】図３は本発明で使用されるサイクロンセパレー
タの他の例を示す縦断面図である。

【図４】図４は図２のIV−IV水平断面図である。

【図５】図５は従来の微粉固体燃料燃焼装置の一例を示
す系統図である。

【図６】図６は微粉固体燃料の代表的な粒度分布の一例
を示す図である。

【図７】図７は炭素粒子径と燃焼完結に必要な時間との
関係を示す図である。

【図８】図８は主バーナ空気比と火炉出口ＮＯ_x濃度と
の関係を示す図である。

【図９】図９はＵＢ入口部空気比と火炉出口ＮＯ_x濃度
および灰中未燃分との関係を示す図である。

【図１０】図１０はＡＡ投入率とＮＯ_x発生量および灰
中未燃分との関係を，従来の装置による場合と本発明の
装置による場合を比較して，示す図である。

【符号の説明】

（０１），（１０１）炉本体（０２），（１０２）主バーナ本体（０３），（１０３）主バーナ燃料ノズル（０４），（１０４）主バーナ空気ノズル（０５），（１０５）オーバーファイアリングエア
（ＯＦＡ）ノズル（０６），（１０６）アッパーバーナ（ＵＢ）燃料
ノズル（０７），（１０７）アディショナルエア（ＡＡ）
ノズル（０８），（１０８）石炭粉砕機（０９），（１０９）固体燃料（１０），（１１０）搬送用空気（１１），（１１１）通風機（１２），（１１２）微粉固体燃料混合気（１３）ＵＢ燃料混合気（１４），（１１４）燃焼用空気（１５），（１１５）微粉固体燃料混合気輸送管（１６）ＵＢ燃料混合気輸送管（１７）（１１７）燃焼用空気ダクト（１８），（１１８）ＯＦＡ（１９），（１１９）ＯＦＡダクト（２０），（１２０）ＡＡ（２１），（１２１）ＡＡダクト（２２），（１２２）炉内（２３），（１２３）主バーナ火炎（２４），（１２４）主バーナ燃焼排ガス（２５），（１２５）ＵＢ燃焼火炎（２６），（１２６）燃焼排ガス（１２７）サイクロン型セパレータ（１２８）濃微粉固体燃料混合気輸送管（１２９）淡微粉固体燃料混合気輸送管（１３０）濃微粉固体燃料混合気（１３１）淡微粉固体燃料混合気（１３２）共通管

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】サイクロン型セパレータで分離された濃
微粉固体燃料を空気比 0.75 から 0.85 で噴射する第１
のノズルと，同第１のノズルの上方に設けられ上記サイ
クロン型セパレータで分離された淡微粉固体燃料を空気
比 0.95 から１.05 で噴射する第２のノズルと，同第２
のノズルの上方に設けられた空気ノズルとを具備してな
る微粉固体燃料燃焼装置。