JPH0615925B2 - 石炭焚ｍｈｄ発電用燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、石炭焚ＭＨＤ発電用燃焼装置に関する。

従来の技術 微粉炭、ＣＷＭ（石炭・水混合物）又はＣＯＭ（石炭・
重油混合物）等の石炭を燃料として高温ガスプラズマを
製造するためのMHD（Magnet−Hydoro−Dynamicse）発電
用燃焼装置の従来例として、第３〜４図に示すような燃
焼器がある。この燃焼器１は、夫々、横形（第３図）又
は縦形（第４図）のＭＨＤ発電プラント用燃焼器として
構成されている。これらの燃焼器１はどちらも、平板オ
リフイス型の絞り隔壁板２を介して、石炭燃料の燃焼ガ
ス中に混在する溶融した残渣（スラグ）成分をその燃焼
室内を炉壁面で分離・抽出している第１段燃焼室３と、
ＭＨＤ発電において、燃焼ガスを作動ガスとして用いる
ので、その作動ガスの導電性を高めるために、例えばカ
リウム化合物（具体的にはＫＯＨ水溶液）等、即ち、シ
ード剤を燃焼ガス中に噴霧蒸発させ高温ガスをイオン化
した、燃焼ガスプラズマを供給するための第２段燃焼室
４とに区画されている。

そして、第１段燃焼室３内には微粉炭等の燃料供給系統
５と接続して燃焼室３内にその燃料を噴射するためのバ
ーナ６と、１次燃焼用酸化剤（高温空気）供給系統７と
接してその酸化剤Ｇ−１が投入されることにより燃焼ガ
スに旋回を与えるための空気口８とが適当な位置に配置
され、更に燃焼室３の底部にはスラグ排出系統９と接続
して燃焼ガスから分離される溶融スラグを捕集するため
のスラグ溜１０が設けられている。

一方、第２段燃焼室４には前記酸化剤供給系統７から分
岐された配管と接続して、燃焼室４内に２次燃焼用酸化
剤Ｇ−２を噴射するための２次空気口１１と、シード剤
のシード供給系統１２と接続して燃焼室４内に噴霧する
ためのシードノスル１３とが適当な位置に配置され、更
に燃焼室４の側端部（又は上方端）には、前述の如く燃
焼室４内で蒸発するシード剤により生成された高温ガス
プラズマを一様な平行流に整流して供給し、かつ、図に
は示されていない発電プラントのチヤネル（このチヤネ
ルは構成上、矩形断面形状）と直結している開口端を有
する高温ダクト１４が設けられている。

このように、第１段燃焼室３内のスラグを分離抽出する
ために燃焼室内に酸化剤の強力な旋回渦流を形成させる
ことによつて、燃焼ガス中の微粒子状のスラグに遠心力
を作用させ、燃焼室３の内周壁に向つて飛翔させて壁面
にて分離し、溶融スラグを壁面に沿つて流下させてスラ
グ溜１０で捕集する。

また、通常は石炭中（炭種によつて異なるが）には、燃
焼反応生成物として１５〜３０％のスラグ成分が含まれ
ており、このスラグの主成分は、SiO₂，Al₂O₃，MgO ，C
aO からなり、このうちSiO₂が約５０％を占めている。

以上のようなMHD 発電においては約2,500〜3,000゜Ｋの
高温ガスプラズマを生成して発電チヤネルへ供給する必
要があるが、しかしながら、スラグ主成分であるシリカ
（SiO₂）は2500゜Ｋで１atmの蒸気圧を示し、このこと
は燃焼ガス温度2,500゜K以上の雰囲気においてはSiO₂は
気化し、燃焼ガス中に蒸発同伴されることを意味する。
因に他の主成分（Al₂O₃,CaO,・・・）は比較的蒸気圧が
高く、約3,000゜K以上で１atmとされている。

従つて、燃焼室内でスラグを除去するためには燃焼火炎
温度を約2000゜K以下に抑制し、スラグ成分を溶融ミス
トないしは固体微粒子の状態で燃焼ガス中から分離抽出
する必要がある。このためにMHD 発電用燃焼器では、第
３及び４図に示すように、第１段燃焼室３では燃料用酸
化剤の投入量、即ち一次燃焼酸素供給量Ｇ−１を酸素当
量比（＝酸素供給量／燃料が完全燃焼に要する理論酸素
量）、約0.6〜０．７以下に抑え、燃料過濃な条件で燃
焼させることにより燃焼火炎温度を約2000゜K以下に抑
制してスラグ成分の蒸発同伴を防止し、第１段燃焼室３
内でスラグを除去する。その後、第２段燃焼室４で新た
に酸化剤即ち、二次燃焼用酸素G-2を供給して、第１段
燃焼室３での燃焼ガスを２次燃焼させて2500゜Ｋ以上の
高温燃焼ガスを生成するものである。

発明が解決しようとする問題点 以上述べた従来の石炭焚MHD発電用燃焼装置は、しか
し、次のような問題点があつた。

(1)プラントへの適用性評価では、近時、スラグ除去率
９０％以上が要求されており、第３〜４図に示す平板オ
リフイス形の絞り隔壁板２のような形状では、第１段燃
焼室３の強力な旋回流が第２段燃焼室内４でも連続して
形成されるために、壁面に沿つて流下するスラグが第１
段燃焼室後流の旋回流によつて再飛散し、第２段燃焼室
４へ一部のスラグがキヤリオーバを生じ、スラグ除去性
能又は効率（現状では７０〜８０％）の向上を計ること
が困難である。

(2)MHD発電においては、燃焼器１の出口、即ち高温ダク
ト１４に直結される発電チヤネルへ一様な平行流に整流
された高温ガスプラズマを高速（９００〜１０００m/
s）で供給する必要がある。しかして、従来なおいて
は、スラグ除去作用を一つの目的として構成した第１段
燃焼室３の強力た旋回流のエネルギー保存連続の法則に
よつて後流側にも連続されるため旋回渦を消すことが非
常に難しいという欠点がある。そして、第２段燃焼室４
の二次燃焼用酸化剤G-2（高温空気または酸素）を燃焼
室外周に設けた２次空気口１１から放射状に吹き込む方
式がなされているが、周知のごとく、燃焼室内の主流
は、一次及び二次燃焼用酸化剤量G-1及びG-2の２つの気
流の運動量の比即ち（G-1・V-1・ρ-1/G-2・V-2ρ-2）
によつて支配されるものである。

（こゝにＶ＝吹出し速度、ρ＝吹出しガスの密度、添次
は噴出しのノズル位置） こゝで実用MHD 発電における燃焼装置では燃焼用酸化剤
（１２００〜１００℃の高温空気）を第１段燃焼室３で
約６５〜７０％、第２段燃焼室４では残り３０〜３５％
を供給する（余剰空気を投入することはガス温度の低下
となるためMHD では酸素当量比≒１で燃焼させる）もの
である。従つて、G-1/G-2＝１．８〜２．５となり第１
段燃焼室３に形成される主流渦のモーメンタム支配とな
ることから旋回流が残ることが判る。

以上のように、従来技術では、燃焼器に接続される主要
構成要素に対して、スラグを十分に分離・捕集ができな
いためスラグ付着による各機器の性能低下や器壁の損傷
をきたす欠点があり、かつ、スラグを除去するために与
えられる旋回流の発生を防止することができなかつた。

問題点を解決するための手段 本発明は、従来のこのような問題点を解決するためにな
されたものである。すなわち、本発明に石炭焚MHD発電
用燃焼装置は、天井壁の中央部を貫通して連通管が取り
付けられ、この連通管の周囲の前記天井壁にバーナが取
り付けられ、側壁に接線方向に伸びる空気口を備え、こ
の側壁が下方端に向つて先細りとなつたサイクロン型の
第１段燃焼器と、側壁に設けた複数のガス噴流ノズルを
囲むようにしてマニホルドが取り付けられ、高温ガスプ
ラズマを製造して発電チャネルへ供給する第２段燃焼器
とを具備し、前記第１段燃焼器の連通管と前記第２段燃
焼器のマニホルドとを直交して接続したものである。

作用 上記の手段によれば、第１段燃焼器内で形成された旋回
流を連通管と直交する第２段燃焼器のマニホルドの内壁
に衝突させることにより、旋回流に同伴されて来る微細
なスラグミストをマニホルドの内壁にたたきつけて分離
捕集し、スラグの除去性能を向上させることと併せて、
第２段燃焼器のマニホルドで第１段燃焼器からの連続旋
回流を消去することによって、第２段燃焼器の出口から
整流された一様な平行流の高温プラズマを発電チャネル
へ供給することができる。

実施例 以下、第１及び２図を参照して、本発明の一実施例につ
いて詳述する。なお、これらの図において、第３〜４図
に示したものと同一の部分には同一の符号を付して、そ
の詳細な説明は省略する。

第１図に示すように、従来のオリフイス型の絞り隔壁板
２を介して一体化されていた第１段及び第２段燃焼室
３，４の代わりに、縦型に配置されている第１段燃焼室
１６と横型に配置されている第２段燃焼室１７とに、夫
々、別個独立した燃焼器構造とされている。

まず、第１段燃焼器１６にはその天井壁１８の中央部を
軸線方向に垂直に円筒形の連通管１９が取り付けられて
おり、この連通管の下方端は燃焼器１６内部の適当な深
さまで突出するように設けられる。そして、この燃焼器
の側壁２０の適当な位置にその側壁内面に沿つて接線方
向に伸びている空気口８が備えられ、更に、この側壁が
下方端に向つて先細りとなつたサイクロン型しされてい
る。また、連通管１９のまわりを囲むように天井壁18の
適当な位置に複数のバーナ６が間隔を置いて、かつこれ
らのバーナの噴射口が燃焼器の軸線に向けて取り付けら
れている。それから、燃焼器１６の底部にはスラグ溜１
０が設けられている。

一方、第２段燃焼器１７の一端部の中央部にはシードノ
ズル１３とそのまわりの適当な位置に複数の２次空気口
１１とが取り付けられている。そして、開口している他
端部には高温ダクト１４が設けられている。更に、この
燃焼器の側壁２０外周面の適当な位置に中空の円筒形の
マニホルド21が取り付けられ、このマニホルドと燃焼器
１７の側壁とで限定されて環状空間が設けられる。しか
も、その側壁外周面の適当な位置には複数個のガス噴流
ノズル２２が間隔を置いて、一列以上列をなして設けら
れ、マニホルド２１によって囲まれている。

そして、マニホルド２１と一体化された第２段燃焼器１
７と連通管を有する第１段燃焼器１６とは、このマニホ
ルドの底部の位置で、連通管１９と上方端部に直結され
る。即ち、第１段及び２段燃焼器１６，１７は直交する
ように配置されることになる。

なお、直結されているこれらの燃焼器には、第２段燃焼
器１７内で分離・捕集された溶融スラグを第１段燃焼器
１６側のスラグ溜１０に落とし込むためのダウンカマ１
５が配設される。

次にその作用について説明する。

第１段燃焼器１６において、１次空気口８は、一次燃焼
用酸化剤Ｇ−１を噴射することにより、この燃焼器内に
強力な旋回流を形成せしめ、また、この燃焼器に配設し
たバーナ６からはキヤリアガス（N₂・混合空気）によつ
て微粉炭か搬送されジエツト噴流によつて燃焼器１６内
へ噴射され、高温空気酸化剤と混合拡散し燃焼させる。
そこで、バーナ６を燃焼器１６の軸心に向つて配設する
ことにより、微粉炭中の比較的大きい粒子を、旋回気流
の外周方向モーメンタムに打ち勝つて主流空気へ貫通さ
せ燃料の空間滞留時間を長くして燃焼性能を高めるよう
にしている。

更に、燃焼器１６内に発生したスラグは、旋回流の遠心
力によつて本体内周壁に飛翔付着し、溶融状態で壁面に
沿つて重力方向に流下し、本体下部に設けたスラグ溜め
１０に集められスラグ排出系統９から外部へ取り出され
る。

このように第１段燃焼器１６でスラグを分離除去された
約２０００℃のクリーンガスが連通管１９を介して上部
に直結した第２段燃焼器１７のマニホルド２１に導かれ
る。

ここで連通管１９を通る燃焼ガスの流れはまだ多少旋回
流を形成しているが、連通管１９と直交するマニホルド
２１の内壁面に衝突分散し、旋回速度成分は環状空間内
で消され静圧として回復する。更に燃焼ガス中に同伴さ
れる非常に微細なスラグミスト（数ミクロンメーター以
下の粒子）は、マニホルド２１の壁面に燃焼ガスが衝突
して燃焼ガス流の方向転換に伴なつて壁面に付着流動
し、マニホルド２１下部に集められダウンカム１５を通
つて第１段燃焼器１の下部に流下させて捕集する。そし
て、燃焼ガスはマニホルド２１内に設けられたガス噴流
ノズル２２から放射状に第２段燃焼器１７内に吹き込ま
れる。

なお、第２図は、以上のような直交形式をなすサイクロ
ン型燃焼器の一変形例を示しており、この場合には第２
段燃焼器１７の配置を横形から縦形へ変更しており、マ
ニホルド２１底部とスラグ溜１０とに連接するスラグを
十分に回収するためのスラグ回収ダクト２３が設けられ
ている。

発明の効果 以上詳述したように、本発明によれば、溶融スラグの分
離除去率を従来の７０〜８０％前後から９０〜９５％前
後に大巾に向上することができ、よつて、石炭を燃料と
するMHD 発電用燃焼装置の性能・信頼性・実用機への適
用性評価が十分に得ることができる。また、燃焼ガスの
旋回流を確実に消去することができ、従つて一様な整流
効果が得られ、発電性能を大きく向上させることもでき
る。

しかも、第１段燃焼器の天井癖に設けた複数のバーナを
噴流ジエツト式とすることで、第１段燃焼器での微粉炭
等の石炭燃料と酸化剤との混合拡散効果が高められ、燃
焼器本体を小形化することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による石炭焚MHD発電用燃焼装置の一例
を示す概略断面図、第２図はその変形例を示す概略断面
図、第３〜４図は２つの異なる従来の石炭焚MHD発電用
燃焼装置を示す概略断面図である。 ６……バーナ、８……空気口、１６……第１段燃焼器、
１７……第２段燃焼器、１８……天井壁、１９……連通
管、２０……側壁、２１……マニホルド、２２……ガス
噴流ノズル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】天井壁の中央部を貫通して連通管が取り付
   けられ、この連通管の周囲の前記天井壁にバーナが取り
   付けられ、側壁に接線方向に伸びる空気口を備え、この
   側壁が下方端に向って先細りとなったサイクロン型の第
   １段燃焼器と、側壁に設けた複数のガス噴流ノズルを囲
   むようにしてマニホルドが取り付けられ、高温ガスプラ
   ズマを製造して発電チャネルへ供給する第２段燃焼器と
   を具備し、前記第１段燃焼器の連通管と前記第２段燃焼
   器のマニホルドとを直交して接続したことを特徴とする
   石炭焚MHD発電用燃焼装置。