JPH05272711A

JPH05272711A - 微粉炭低ｎｏｘバーナ

Info

Publication number: JPH05272711A
Application number: JP4097396A
Authority: JP
Inventors: Shingo Suzutani; 信吾鈴谷; Toshihiro Kitaguchi; 敏弘北口; Chikatoshi Kurata; 親利蔵田; Yukiya Ito; 征矢伊藤; Kenichi Fujii; 健一藤井
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1992-03-25
Filing date: 1992-03-25
Publication date: 1993-10-19

Abstract

(57)【要約】【目的】簡潔な構成によって安定した燃焼と保炎の強
化を図り、火炎内での脱硝を促進することにより、高い
効率でＮＯ_Xの排出量を低減させ得る微粉炭低ＮＯ_Xバ
ーナを提供する。【構成】中心部に１次空気流路を有し、その外側に２
次空気流路を、更にその外側に３次空気流路をそれぞれ
同心に形設し、ボルテックス形状の風箱を通じて２次空
気及び３次空気を供給し、１次空気流路の炉内側端部に
曲率を有する複数の曲り羽根からなるスワラを具設し、
３次空気流路がバーナ先端部付近に絞り部を有するとと
もに風箱から上記絞り部ま入口までをバーナ軸に平行な
大口径の円筒形状とし、風箱から絞り部に至る間を横置
円錐台形状にする。また旋回ベーンの空気通過部断面積
が風箱内の旋回ベーン入口部の３次空気流路断面積より
も十分小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微粉炭を燃焼する際に、
簡潔な構成によって安定した燃焼と保炎の強化を図り、
火炎内での脱硝を促進することにより高効率にＮＯ_Xの
排出量を低減し得る微粉炭低ＮＯ_Xバーナに係るもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】燃焼に伴って排出される環境汚染物質の
中にはＮＯ_X，ＳＯ_x，ＣＯ及びばいじんなど各種のも
のが存在するが、これらの汚染物質の中でもＮＯ_Xはそ
の生成量が燃料と空気との混合過程や燃焼プロセスに大
きく依存し、燃焼方式の改善によって大幅な低減効果が
期待出来るものである。ＮＯ_Xは通常ＮＯとＮＯ₂の両
者を合わせた総称として用いられているが、燃焼によっ
て発生するのはその大部分がＮＯであり、このＮＯは大
気中に放出されると徐々に酸化されてＮＯ₂に変わり、
更に水に溶解して酸性雨の原因となるため、石炭や重油
等を多量に消費する発電用あるいは産業用の大型ボイラ
等にあっては、これまでにも燃焼改善によるＮＯ_X低減
対策に多大の努力が払われてきている。

【０００３】微粉炭燃焼によって発生するＮＯ_Xはその
生成起源や生成過程から、燃料中のＮ分が酸化されてＮ
Ｏ_Xに変わるフューエルＮＯ_Xと、高温の燃焼過程で大
気中のＮ分が酸化されＮＯ_Xに変換するサーマルＮＯ_X
とに大別されるが、フューエルＮＯ_Xは更に燃料中のＮ
分が燃料の熱分解により揮発性のＮ化合物となって放出
され、燃焼反応過程で最終的にはＮＯ_Xに転化する揮発
分ＮＯ_X（ＶｏｌａｔｉｌｅＮＯ_X）と、揮発分燃焼
後のチャー中に残留したＮ分に起因して生成されるチャ
ーＮＯ_X（ＣｈａｒＮＯ_X）に分けられる。特に石炭
中には多量のＮ分が含まれるため、微粉炭の通常燃焼過
程におけるフューエルＮＯ_Xの占める割合は、全ＮＯ_X
発生量の８０〜９０％に達すると言われているが、その
中におけるチャーＮＯ_Xの転換率は一般に低く大部分は
揮発分ＮＯ_Xに起因するものと見做し得る。

【０００４】１９７０年前後から低ＮＯ_X燃焼技術に関
して精力的な研究開発が進められ、二段燃焼や遅延燃
焼、排ガス再循環などに代表される新技術が実用に供さ
れてきた。これらの技術は単独で用いられるよりも組み
合わせ技術として使用されるケースが多く、いずれもＮ
Ｏ_Xの発生量が燃焼領域におけるＯ₂分圧や燃焼温度に
強く依存することに着目したものである。即ち、二段燃
焼は主燃焼領域であるバーナゾーン部を理論空気比以下
の還元状態に保ち、火炎のピーク温度を押さえるべく緩
やかに燃焼させてＮＯ_Xの生成量を抑制した上、バーナ
ゾーン部で発生する未燃分を別途空気供給下で燃やし、
完全燃焼を期すものである。また排ガス循環は、燃焼用
空気に一部排ガスを混入してＯ₂分圧を下げた空気をバ
ーナに導入し、緩慢燃焼によって火炎温度を下げること
によりＮＯ_X排出量を低下させるものである。

【０００５】図７は、緩慢燃焼型微粉炭焚き低ＮＯ_Xバ
ーナの例で、特公昭６０−２６９２２号公報に記載され
た微粉炭バーナの縦断面図である。図７において、５１
は１次空気と微粉炭を供給する１次スロートで、該１次
スロート５１内の先端に数枚の平板羽根により構成され
た微粉炭分散用のスワラ５２が同心に配設されている。
また前記１次スロート５１の先端には外方に末広がりに
拡開する保炎板５７が一体に設けられており、１次スロ
ート５１の外周側には同心に２次空気を供給する２次ス
ロート５３がバーナの軸方向に進退自在に設けられてい
る。更に上記２次スロート５３の外周側には３次空気を
供給するバーナスロート５４が設けられ、該バーナスロ
ート５４はディフューザ型に形成されている。尚５８は
旋回ベーンで、これによってバーナスロート５４から吹
き出す３次空気に旋回力を与える。

【０００６】かかる構造の微粉炭焚き低ＮＯ_Xバーナに
あっては、微粉炭は１次スロート５１を通じて１次空気
によって搬送され、スワラ５２によってその一部は保炎
板５７の内面に沿って放射状に分散する一方、残りの微
粉炭はスワラ５２の背後に形成される内部循環渦に捉え
られ１次火炎５５を形成する。また、２次空気及び３次
空気はいずれも保炎板５７及びディフューザ型のバーナ
スロート５４によって外方に向けられ、上記放射状に分
散した微粉炭及び１次火炎５５の下流で１次火炎帯より
流出する未燃チャーと徐々に混合しつつ２次火炎５６を
形成する。従って１次火炎５５は極端にＯ₂不足の燃焼
になるとともに、２次火炎についても緩慢に低温燃焼す
るためにＮＯ_Xの生成量は低下する。

【０００７】このような状況を図７に示すバーナ構造面
からさらに詳細に説明すると、該構造のバーナにあって
は、３次空気が旋回ベーン５８通過後直ちに絞られ、比
較的距離のあるバーナスロート５４の最狭部を経由して
流れるため当該部で直進速度成分が増す一方旋回力が減
衰し、火炉内に開放された段階で外周部への拡がりが押
さえられて、放射状に拡がる微粉炭と比較的速やかに接
触し易い。更にスワラ５２は平板よりなる数枚の羽根を
オイルガンケース５９の周囲に等間隔で、オイルガンケ
ース５９の円筒軸に対して特定の取り付け角を有して取
り付けられており、該スワラ５２を経由する微粉炭は、
前述のように平板羽根を通過する際に慣性力によって徐
々に羽根の外周先端に向けて流れて行くため、羽根通過
後は保炎板５７の内面に沿って放射状に拡がる微粉炭量
が増し、スワラ５２の軸中心部付近を流れる微粉炭量が
少なくなる。

【０００８】このうち、軸中心部付近を流れる微粉炭量
はスワラ５２の背後に形成される着火促進に極めて有効
なトロイダル状の内部循環渦に捉えられ、揮発分を放出
して速やかに着火に移行しつつ１次火炎５５を形成する
が、放射状に拡がる微粉炭は着火を促す乱れや渦を伴う
ことなくほぼ直進的に流れる１次空気とともに外周部に
拡がるため、２，３次空気と速やかに接触しつつも徐々
に着火、緩慢燃焼して２次火炎５６を形成する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の微粉
炭燃焼技術においては、これら還元雰囲気における緩慢
燃焼は燃焼反応が緩やかに進行するためサーマルＮＯ_X
の抑制に対しては極めて効果的であるものの、フューエ
ルＮＯ_Xの抑制に対しては必ずしも十分ではなく、かつ
長炎化する傾向にある。これは緩慢燃焼が比較的低温度
の燃焼であるため、燃料中に含まれるＮ分がバーナ燃焼
領域で十分に揮発・放出されずにチャー中に残存するた
め、バーナ燃焼領域における揮発分ＮＯ_X中心の脱硝反
応量が不十分でチャーＮＯ_Xの生成割合が増え勝手とな
ることによる。特に微粉炭燃焼の場合には、前記のよう
に他の一般燃料に較べて石炭中に含まれるＮ分が多く、
通常総排出ＮＯ_Xの中でもフューエルＮＯ_Xの占める割
合が支配的となるため、フューエルＮＯ_Xの低減に対し
て、より効果的な機能を有する低ＮＯ_Xバーナの開発が
求められている。

【００１０】本発明はこのような現状に鑑みてなされた
もので、従来の緩慢燃焼型低ＮＯ_Xバーナが有していた
ＮＯ_X排出量の低限界特性を改善し、微粉炭粒子の着火
・保炎強化によって火炎内での脱硝反応に基づく低ＮＯ
_X燃焼炎を形成せしめ、これまで以上のＮＯ_X低減化並
びに短炎化を図り得るバーナを提供することを目的とし
ている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、前記特許
請求の範囲に記載された微粉炭低ＮＯ_Xバーナによって
達成される。すなわち、中心部に微粉炭搬送用の１次空気流路を有し、その
外周側に２次空気流路を同心に形設し、更にその外周側
に３次空気流路を同心に形設し、ボルテックス形状の風
箱を通じて２次空気及び３次空気を供給する微粉炭バー
ナにおいて、上記１次空気流路の炉内側端部に曲率を有
する複数の曲り羽根からなるスワラを具設した微粉炭低
ＮＯ_Xバーナ。３次空気流路がバーナ先端部付近に絞り部を有する
とともに前記ボルテックス形状の風箱から上記絞り部入
口までをバーナ軸方向に平行な円筒状形状とし、風箱か
ら絞り部に至る間を横置円錐台形状にしたものである
記載の微粉炭低ＮＯ_Xバーナ。ボルテックス形状の風箱内３次空気流路入口部にラ
ジアル旋回ベーンを具設し、上記旋回ベーンの空気通過
部断面積が上記旋回ベーン入口部の風箱内３次空気流路
断面積よりも小さいものであるまたは記載の微粉炭
低ＮＯ_Xバーナ。である。以下、本発明の作用等について実施例に基づい
て説明する。

【００１２】

【実施例】微粉炭のＮＯ_X排出低減に関する最近の研究
から、燃料過濃な還元雰囲気にあっては極力高温状態を
保ち、可及的速やかにかつ多量に揮発分を放出した方が
総ＮＯ_X排出量は低下することが明らかにされている。
これは高温化によって燃料中の窒素分のガス状放出（揮
発分ＮＯ_Xの生成）が増し、チャー中に残存する窒素量
が減少するため、二段燃焼による再燃焼領域でのＮＯ_X
（チャーＮＯ_X）発生量が減少する一方、揮発分ＮＯ_X
の分解反応が高温火炎帯で加速的に進行することによ
る。

【００１３】微粉炭の高温還元燃焼による脱硝は、ＮＯ
_Xの生成と分解の競合反応の過程で達成され、まず微粉
炭の熱分解により揮発、ガス化した窒素分（Ｖｏｌａｔ
ｉｌｅＮ）が低空気比の下で酸素を急速に消費しＮＯ
_Xを分解生成する一方（下記の式）、これも熱分解時
に発生した活性炭化水素ＨＣ・Ｒが還元雰囲気でＮＯ_X
と反応し、ＨＣＮ，ＮＨ₃等の中間Ｎ化合物Ｎ・Ｒを生
成する（下記の式）。さらにＮ・ＲはＮＯと反応して
これを還元し、最終的にＮ₂に無害化脱硝する（下記の
式）。ＶｏｌａｔｉｌｅＮ＋Ｏ・Ｒ → ＮＯ＋ ……… 式ＮＯ＋ＨＣ・Ｒ → Ｎ・Ｒ＋ ……… 式Ｎ・Ｒ＋ＮＯ → Ｎ₂＋ ……… 式これら熱分解による揮発分の放出や一連の脱硝反応は温
度が高いほど促進されるため、従来の低温燃焼による低
ＮＯ_X化とは逆に、高温燃焼によってＮＯ_X排出量を低
下させ得る。

【００１４】かかる脱硝反応を微粉炭バーナで達成する
ためには、当量比λが１以上の還元状態で微粉炭を急速
加熱し、着火、保炎の安定強化を図ることによって、バ
ーナ噴口先端に高温の火炎帯を形成することが不可欠で
ある。

【００１５】図１はこのような機能を備えた微粉炭低Ｎ
Ｏ_Xバーナの縦断面図で、１は１次スロート、２は微粉
炭旋回用スワラ、３は１次保炎板、４は２次スロート、
５は２次保炎板、６はディフューザ型の３次スロート、
７はボルテックス型の風箱、８は旋回ベーン、９は円錐
台形状の３次空気通路、１０は１次火炎、１１は２次火
炎、１２は重油ガンケースである。

【００１６】図１において、バーナの円筒軸中央部に微
粉炭とこれを搬送するための１次空気の通路である１次
スロート１が配設されており、該スロート１の先端には
ボスに曲率を有する複数枚の曲り羽根を植設した形状の
スワラ２が同心に配設されており、更に１次スロート先
端には外周に向け末広がりに開いた１次保炎板３が１次
スロート１と一体に取り付けられている。

【００１７】図２は微粉炭旋回用スワラ２の一部破断側
面図、図３は図２のａ−ａ線矢視図である。該スワラ２
は軸流旋回羽根の形態を取り、各曲り羽根２１は３次元
的な曲率を有して羽根の付け根から先端にかけて特定の
曲率を保って湾曲しており（羽根の出口端部では外周先
端部に近いほど曲率大）、円筒状を成すボス２２に同心
軸に対して特定の取り付け角θ２３をもって取り付けら
れている。また、ボス２２は同心軸に配置される重油ガ
ンケース１２に取り付けられる。

【００１８】図４および図５は図２，図３のスワラ２と
同様な機能を有する別形状のスワラ２で全体が一様な曲
率をもった曲り羽根２４で構成され、ボス２５に羽根の
入口部分が図２，図３のスワラ２の取り付け角θ２３と
は正負反対の一定のすくい角α２６をもって取り付けら
れている。

【００１９】１次スロート１の外周側には同心に２次空
気を供給する２次スロート４が配設されており、該２次
スロート４の先端部には１次スロート１先端の１次保炎
板３と同様に、外周に向けて末広がりに拡開する２次保
炎板５が２次スロート４と一体化され設置されている。
更に２次スロート４の外周側には１次，２次スロート
１，４と同心上に３次空気を供給する３次スロート６
が、これも先端部拡開のディフューザ形状を成して取り
付けられている。

【００２０】一方、２次，３次空気系のバーナ入口風箱
７部分はボルテックス形状を成し、この内３次空気系に
ついては空気流に沿ってボルテックス旋回通路の出口部
に複数枚の平板から成るラジアル配置の旋回ベーン８が
設けられており、更に旋回ベーン８部から３次スロート
６に至る３次空気通路は２次，３次スロート４，６と同
心の横置円錐台形状の空気通路９を成し、上流側（旋回
ベーン８側）の所定の距離までは空間容積の大きな円筒
状とし、これより下流側のスロート最狭部に向けては口
径を徐々に絞り込む円錐状としている。

【００２１】該構造のバーナにあっては、１次スロート
１を経由して図２，図３のスワラ２に達した微粉炭を含
む１次空気はスワラ２の曲り羽根２１の曲面に沿って流
れ、スワラ２出口部では曲り羽根２１先端部ほど徐々に
曲率が大きくなるため、曲り羽根２１の先端部を経由し
てくる微粉炭ほど周方向の運動量が付加され旋回力がつ
くことから、微粉炭は外周部に飛散することなくほぼ円
筒状に纏まって流れる。一方スワラ２の軸中心部付近は
曲り羽根２１の曲率が小さく、かつ曲り羽根２１が同心
軸に対してθ２３の取り付け角を持って設置されている
ため、当該部を通過する１次空気にはさほど旋回力が加
えられず、外周方向に向けて放射状に広がることから、
スワラ２出口端から僅かな距離を置いた同心軸上におい
てはトロイダル状の内部循環渦が形成される。

【００２２】なお、形状の異なる図４，図５のスワラ２
も同じようにスワラ２の出口部では羽根先端部の曲率が
大きいため、羽根先端部を経由する微粉炭ほど外周部に
飛散せず円筒状にまとまって流れるものの、軸中心部に
近い羽根取り付け部付近では、その入口部において１次
スロート１内を通過してくる直進の微粉炭流が羽根の取
り付けすくい角α２６により羽根面に沿って外周方向に
向け旋回力を付与されつつ拡がるため、図２，図３のス
ワラ２同様、スワラ２出口の同心軸上下流側にトロイダ
ル状の循環渦が形成される。

【００２３】また、スワラ２を経由した１次空気流は外
周に広がることなくかつ比較的強い旋回を伴っているた
め、１次保炎板３設置部の１次スロート急拡大部に至る
と１次保炎板３の内周面に沿って剥離し、逆向きの圧力
勾配を生ずる結果、該保炎板３外周を流れる２次空気が
１次スロート先端部を廻り込んで上記剥離領域に逆流
し、乱れ領域が形成されて強力な着火源となる。

【００２４】この際、２次保炎板５は旋回を伴う３次空
気と直進する２次空気の流れをバーナ噴出先端部におい
て確実に隔離しつつ外周部に向けて噴出させる働きを有
するため、１次保炎板３先端に達した２次空気は３次空
気の旋回の影響をあまり受けずにほぼ直進性を保つこと
ができ、速やかに上述の１次保炎板３の内面に形成され
る剥離領域に廻り込む。

【００２５】更に該逆流、乱れ領域は保炎板内面を起点
として下流側に向け発達するため、該領域に沿って高温
の円筒状火炎帯が内部の１次微粉炭流を包み込むように
発達し、微粉炭と３次空気の接触が遅らされて高還元炎
としての１次火炎１０を形成する。

【００２６】更に軸中心部に形成される前記の内部循環
渦も微粉炭の着火源となりつつ熱再循環により外周部の
高温火炎帯における熱量を上流側に引き戻す働きをする
ため、バーナ噴口近傍の雰囲気は高温に加熱される。こ
のような状況からバーナ噴口部では微粉炭が急激に加熱
され揮発分Ｎが十分に放出されるとともに、高温、高還
元雰囲気の下で脱硝反応が極めて速やかに進展するため
総ＮＯ_X排出量は相当量低下する上に、微粉炭の着火ゾ
ーン部が急速に加熱され、かつ上述の如く流れ特性を巧
みに利用して強力な逆流、渦領域を形成するため安定し
た着火条件が保たれ、更に急速高温燃焼により火炎は短
くなり、かつ未燃分の低減化も図り得る。

【００２７】また、バーナ外周を流れる３次空気は旋回
ベーン８通過後に空間容積の大きな横置円錐台形状の３
次空気通路９の直円筒部に至るため旋回流れの均一化が
図られ、かつ旋回力の低下を防止することが出来るとと
もに、円錐台形状部から出口ディフューザ部に至る３次
スロート６の最狭絞り部の距離が極く短かく旋回力の減
衰を最小限に押さえ得るため、出口ディフューザ部にお
いても３次空気の旋回力が保持される。従ってバーナ噴
口近傍では３次空気が外周部に膨らんで中央部の火炎帯
とさほど接触せずに、距離を置いて火炎帯の背後で接触
していくため、バーナ噴口近傍に形成される火炎帯では
揮発分ＮＯ_Xの生成と分解反応が急速に進み、火炎帯背
後では３次空気混合によりチャー分が効率良く燃焼する
（２次火炎帯１１）。

【００２８】図６は上述したバーナ噴口部近傍の火炎形
状と、燃焼用空気及び燃焼ガスの流れのパターンを説明
する図で、図６において３１は１次保炎板３内面の境界
層剥離を起点（着火源）とする渦放出による外周高温火
炎帯、３２は循環渦の発達による内部着火源、３３は３
次空気混合による２次火炎帯、３４は３次空気の流れで
ある。

【００２９】

【発明の効果】このように本発明によれば、上記実施例
において詳述したように、極めてシンプルな構造を取り
ながらも各構成要素が十分にその機能を発揮し、微粉炭
の着火、保炎強化によって火炎内での脱硝反応が十分に
促進されるため、高効率にＮＯ_X排出量を低減させ得る
ほか、短炎化を実現させて燃焼設備のコストを低減する
ことを可能にするという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく微粉炭低ＮＯ_Xバーナの縦断面
図である。

【図２】本発明に基づく微粉炭低ＮＯ_Xバーナに使用す
るスワラの一部破断側面図である。

【図３】図２におけるａ・ａ線矢視図である。

【図４】図２、図３とは別形状の本発明に基づく微粉炭
低ＮＯ_Xバーナに使用するスワラの一部破断側面図であ
る。

【図５】図４におけるｂ・ｂ線矢視図である。

【図６】本発明に基づく微粉炭低ＮＯ_Xバーナの噴口部
近傍の火炎形状及び燃焼用空気及び燃焼ガスのフローパ
ターンを示す図である。

【図７】従来技術の例である。

【符号の説明】

１１次スロート２微粉炭旋回用スワラ３１次保炎板４２次スロート５２次保炎板６３次スロート７風箱８旋回ベーン９３次空気通路１０１次火炎１１２次火炎１２重油ガンケース２１曲り羽根２２ボス２３ θ（取り付け角）２４曲り羽根２５ボス２６ α（入口すくい角）３１１次保炎板３内面の境界層剥離を起点（着火源）
とする渦放出による外周高温火炎帯３２循環渦の発達による内部着火源３３３次空気混合による２次火炎帯３４３次空気の流れ５１１次スロート５２微粉炭分散用スワラ５３２次スロート５４バーナスロート５５１次火炎５６２次火炎５７保炎板５８旋回羽根５９オイルガンケース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者蔵田親利東京都江東区南砂２丁目４番25号川崎重工業株式会社東京設計事務所内 (72)発明者伊藤征矢東京都江東区南砂２丁目４番25号川崎重工業株式会社東京設計事務所内 (72)発明者藤井健一兵庫県明石市川崎町１番１号川崎重工業株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心部に微粉炭搬送用の１次空気流路を
有し、その外周側に２次空気流路を同心に形設し、更に
その外周側に３次空気流路を同心に形設し、ボルテック
ス形状の風箱を通じて２次空気及び３次空気を供給する
微粉炭バーナにおいて、上記１次空気流路の炉内側端部
に曲率を有する複数の曲り羽根からなるスワラを具設し
たことを特徴とする微粉炭低ＮＯ_Xバーナ。
【請求項２】３次空気流路がバーナ先端部付近に絞り
部を有するとともに前記ボルテックス形状の風箱から上
記絞り部入口までをバーナ軸方向に平行な円筒状形状と
し、風箱から絞り部に至る間を横置円錐台形状にしたも
のである請求項１記載の微粉炭低ＮＯ_Xバーナ。
【請求項３】ボルテックス形状の風箱内３次空気流路
入口部にラジアル旋回ベーンを具設し、上記旋回ベーン
の空気通過部断面積が上記旋回ベーン入口部の風箱内３
次空気流路断面積よりも小さいものである請求項１また
は請求項２記載の微粉炭低ＮＯ_Xバーナ。