JPH0674882B2

JPH0674882B2 - 低ＮＯｘ燃焼装置

Info

Publication number: JPH0674882B2
Application number: JP59003540A
Authority: JP
Inventors: 茂樹森田; 忠久政井; 成人中下; 俊雄植村; 文夫幸田; 豪縄田
Original assignee: バブコツク日立株式会社
Priority date: 1984-01-13
Filing date: 1984-01-13
Publication date: 1994-09-21
Anticipated expiration: 2009-09-21
Also published as: JPS60149808A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は窒素酸化物の排出量を低減する燃焼装置に係
り、特に各個において窒素酸化物を低減した燃焼を行え
るバーナを用いて行う燃焼装置に関する。

近年、燃料需給情勢の変化により電力業界を中心として
再び微粉炭焚ボイラが新設されつつある。微粉炭燃焼技
術そのものは、古くより確立され今や重油並みの高効率
燃焼が可能となつている。ガス，油同様微粉炭燃焼器も
種々の形式が世に紹介されているが、その最も基本的か
つ最も高負荷高効率燃焼に適した形式として、微粉炭供
給管を中心軸に有する環状空気旋回型バーナが挙げられ
る。このバーナにおいて、石炭はミルで微粉に粉砕され
た後、燃焼用空気の20％程度の搬送用空気によつて気流
輸送されバーナ口より火炉に投入される。残りの燃焼用
空気は、一重もしくは二重に環状分離された状態でバー
ナ口近傍で通常はある程度の旋回をかけてこの微粉炭噴
流の周囲より噴出される。

微粉炭は、この適度な旋回流によつて生ずるバーナスロ
ート近傍の再循環流と、場合によつてはインペラの追設
によつて保炎され定常燃焼が維持される。炭に微粉炭を
燃焼させるにあたつては、この種の燃焼器により所期の
目的は十分に達成される。

しかしながら、周知の通り燃焼によつて副成するガス状
の窒素酸化物（以下「Nox」と称す）は往々にして高負
荷燃焼バーナにおいて発生しやすく、これが大気汚染の
元凶の一成分であるところから、幾つかの基本的バーナ
改良もしくは火炉全体の燃焼改善が行なわれてきてい
る。微粉炭燃焼において特に問題となるのは、微粉炭中
に大量に（通常は１〜2wt％）含有される有機形態の窒
素（以下「Fuel N」と称す）に起因するNox（以下「Fue
l Nox」と称す）であり、排ガス中NOxの大部分を占めて
いる。ここで燃焼中には以下に示す式（１）及び（２）
が競合して行われる。

Fuel N ＋ O₂→Nox ……（１） Fuel N ＋NO → N₂ ……（２）従って、（１）を押えかつ（２）を優先して行わせれば
全体としてのNOxの発生量は低減できる。すなわち、燃
焼装置の熱負荷を高く保持し、しかも低NOx化を達成す
るためには高温還元火炎の確保が重要な技術的ポイント
となる。一般に二段燃焼と呼ばれる燃焼法はこの考えの
応用であり、バーナゾーンで空気不足状態を作つて高温
還元炎を形成させ、不足空気をバーナゾーン後流の俗称
アフタエアポートより投入することにより未燃分を燃焼
させ火炉全体で燃焼改善を行なつてNOx排出量を低減す
るものであり、現在においては一般的な石炭において新
設ボイラの場合200ppm程度までNOx排出濃度は抑制され
るに至つている。

しかしながら、微粉炭の燃焼にあつては、空気不足なバ
ーナゾーンで還元気と共に残存する燃え残りの石炭粒子
（チヤー）をアフタエアによつて完全燃焼せしめるには
相当のボイラ（火炉）空間を必要とし、従つて上記燃焼
法は原理的には極めて有効な低NOx燃焼法であるにもか
かわらずボイラ構造等の点から制約を受け、ある程度の
限界を有している。

このことから幾分なりとも以上の原理を有効に利用すべ
く、各バーナが各々低NOx燃焼を行えるよう構成したバ
ーナ構造が提案されている。つまりこの形式のバーナと
して第１図で示す如く微粉炭管41の周囲をスリーブ43に
よつて分離し、微粉炭流10の周囲から二次空気20,三次
空気30を旋回供給するいわゆるデユアルエアレジスタタ
イプのバーナが紹介されるに至り、バーナ単体で、すな
わちボイラ全体としては二段燃焼なしでNOxは400ppm程
度まで（低減率は約40％）低減されることが実証されて
いる。

しかしながら、この様なタイプのバーナでは通常二次空
気20と三次空気30はスリーブで分離されてはいるものの
実際にはバーナスロート80の出口近傍では微粉炭流10の
二次空気噴流20及び三次空気噴流30は容易に混合し、燃
焼初期において高温還元炎を十分に分離維持することが
不可能であり、この種の燃焼装置でこれ以上のNOx低減
は極めて困難であることがわかつた。

この発明の目的は上記した従来技術の問題点を除去し、
低NOxバーナのより効率の高い使用による低NOx燃焼装置
を提供することにある。

要するにこの発明は、１次空気と微粉炭の混合体を火炉
内に供給する燃焼供給管をバーナー中央部にもち、該燃
料供給管先端に開口端に向かって口径を拡大する保炎用
フレームキヤツプを設け、該燃料供給管を囲み燃焼用空
気通路を設け、前記バーナの燃焼用空気通路を、該燃料
供給管を囲む再循環排ガス通路50と、これを囲む２次空
気通路20と、さらにこの２次空気通路を囲む３次空気通
路30とにより形成したことを特徴とする低NOx燃焼装置
である。

次に本発明の具体的実施例を示す前に、本発明に至つた
幾つかの技術的ポイントについて述べることにする。先
に述べたようにバーナ単体で二段燃焼的効果を生じさ
せ、且つこれによつて高効率燃焼を維持して灰中未燃分
の十分な抑制を行なうには次の各々の技術的ポイントに
応じた改良が必要である。

（１）微粉炭流を出来る限り広角散布しない。

（２）（１）によつて生ずる微粉炭流の高温還元炎を
保炎維持する。

（３）最外周空気と（１）（２）で形成される初期燃
焼域とを出来る限り分離する。（高温還元炎によるNOx
抑制）（４）（３）の操作の後、ある程度の滞留時間を経た
後今度は該高温還元炎と最外周空気を良好に混合させ
る。（未燃分の低減）このうち特に（３）と（４）は相矛盾するものであるが
発明者等は先にこれら（１）ないし（４）の技術的ポイ
ントを達成するもとして第２図に示すバーナを提案し、
かつ実機運転においても大きなNOx低減率を達成してい
る。

先ず、上記（１）（２）については微粉炭供給管41の先
端に設置した外向きフレームキヤツプ100により十分な
る技術的解決がなされた。すなわち微粉炭管出口におい
てこのフレームキヤツプにより、微粉炭噴流は外周保炎
され、且つインペラ等の広角散布機構を有さぬ為、外周
の二次空気20,三次空気30へ混入する以前に高温還元炎
が形成される。

次に上記項目（３）（４）については二次空気ダンパ32
1,三次空気ダンパ331,及びもしくは二次三次個別空気フ
アンの設置による二次空気，三次空気の末端旋回器上流
の圧力及び風量の独立制御方式により、具体的には三次
空気通路のエアレジスタ62の上流側圧力を120mmAq以上
とすることにより技術的解決が成された。

これにより、三次空気30は強力な旋回と適切な風量が維
持され、バーナスロート80出口において一旦広角噴流が
形成される。この場合スリーブ42,43に対しては外向き
スリーブ101,102を形成するのが効果的であることはも
ちろんである。

又、少量の二次空気20を、三次空気30とは異なる旋回強
度をもつて噴出させることにより、図中Ａで示される如
き固定された循環渦を形成させることが出来ることも実
験により確認された。この循環渦Ａの存在により最外周
空気Ｂはこの循環渦Ａのまわりで一旦、微粉炭流とは極
めて効果的に分離されしかも、この渦の存在のために、
その後流では微粉炭流により形成した高温還元炎後流と
の混合改善が成される。

更に、排ガス通路50は、微粉炭流10と二次空気20の空間
的分離のために有効であり、必らずしも多量の排ガスを
必要とするものでは無く、実用的な見地からも従来バー
ナに比して問題とはならない。

第３図及び第４図は上述したバーナ装置を用いた燃焼装
置の構造を示す。先ず、第３図は第２図に示すバーナの
燃料及び空気供給系統を示し、これにより各単位バーナ
を所定の状態で運転させる。すなわち、二次空気20及び
三次空気30の供給量は前述のダンパ321,331を用いる
外、これに代えてまたはこれに加えて、各フアン302,30
3の運転速度を変化させて対応してもよい。さらにこの
場合、特に三次空気30の噴射速度の調節が問題となるわ
けであるが、この三次空気30に対してダンパ312を用い
て排ガス50を混入し、混合気体中の酸素供給量を所定の
値に保持したまま三次空気（混合ガス）の噴射速度を自
由に調節できる。なお図中301は排ガスフアン,311は排
ガスダンパ,200はミル、400は第２図に示す構造のバー
ナである。

第４図は以上の構成のバーナをボイラ全体として統一的
にて制御する場合のバーナ配置を示す。

第４図（ａ）は上述のバーナを全て同じ条件で運転し、
各バーナ400毎に熱負荷の負担と低NOx燃焼を行うように
したものである。

同（ｂ）は各段のバーナの空気比を（ａ）に示すバーナ
よりもやや低下させてよりNOx低減率を高めたバーナ400
として運転し、不足分の空気はこれらバーナの上段に配
置したアフタエアポート410から供給するようにしてい
る。

同（ｃ）はさらに、これらのバーナを二群に分け下段側
のバーナを（ａ）の場合と同様の条件で運転することに
よりボイラの熱負荷に対応し、かつこれらバーナ400の
上部のバーナは空気比を大幅に低下（例えば0.5以下）
させて脱硝バーナ420とし、還元性ラジカル等の中間生
成物を生成し、バーナ400で除去し切れなかつたNOxを気
相還元し、さらにアフタエアポート410から供給される
空気により未燃分を燃焼させ、炉内脱硝燃焼を行う。

第５図は各燃焼装置におけるNOxの低減効果の比較を示
す。図中Ｉは第１図に示すデユアルエアレジスタバーナ
による最少NOx排出濃度、IIは第２図に示すバーナを全
て同じ条件で、つまり第４図（ａ）で示すように運転し
た場合のNOx排出濃度、IIIはやはり第２図に示すバーナ
を用い、かつ各バーナの運転条件を相違させた場合の最
低値を示す。以上から明らかなとおり、高温還元域を形
成し得るバーナを用いればNOxの低減に効果があり、さ
らにこの形式のバーナの運転条件を変えて燃焼装置全体
で、炉内脱硝法，二段燃焼法等を実施すればNOxの低減
率はより高いものとなる。

本願発明を実施したときの効果を、装置断面形状の類似
する発明の「特開昭56−44505号」と対比して説明す
る。

この引用例には、本願発明における再循環排ガス通路の
構成もなく、再循環ガス噴出ノズルの外向きフレームキ
ャップ100と外向きキャツプ101再循環ガスを噴出させ、
固定循環流Ａを形成しバーナ出口の火炎に２次空気の供
給されることを防止しバーナ出口火炎が高温になること
を防止する構造は開示されていない。

このためこの引用例の構造では、その第２図に示すノズ
ル出口の１次火炎に２次空気の一部が供給され燃焼が促
進され高温となりNOx発生低減の効果を上げることでき
ないという問題がある。なお上記引用例では、バーナ出
口の火炎をノズル出口部の旋回羽根（スワラー）のバー
ナ軸心に対する取付角度で微粉炭の拡散角度を制限しNO
x低減を図るとするが、バーナ出口の火炎と２次空気と
の混合は避けることができず、バーナ出口の火炎温度が
高いものとなりNOx低減の効果を上げることはできな
い。

これに対し本願発明では、再循環ガスはバーナ出口火炎
を囲み、かつ固定循環流Ａを形成しバーナ出口に２次空
気の供給を防止し低NOx燃焼をし、また後流では十分な
２次空気の供給により未燃分の完全燃焼をする。

この発明を実施することにより発明者等が先に提案した
低NOxバーナをより効果的に利用でき、燃焼装置全体と
して高い熱効率の下にNOxの大幅な低減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はデユアルエアレジスタバーナの断面図、第２図
はこの発明に係るバーナ装置の断面図、第３図は第２図
のバーナに対する燃料及び空気供給の系統図、第４図は
第２図に示すバーナの使用状態を示す図、第５図は各燃
焼方法におけるNOxの排出量を示す線図である。 10……微粉炭流 20……二次空気 30……三次空気 400……主バーナ 410……アフタエアポート 420……脱硝バーナ

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１次空気と微粉炭の混合体を火炉内に供給
する燃焼供給管をバーナー中央部にもち、該燃料供給管
先端に開口端に向かって口径を拡大する保炎用フレーム
キヤツプを設け、該燃料供給管を囲み燃焼用空気通路を
設け、前記バーナの燃焼用空気通路を、該燃料供給管を
囲む再循環排ガス通路（50）と、これを囲む２次空気通
路（20）と、さらにこの２次空気通路を囲む３次空気通
路（30）とにより形成したことを特徴とする低NOx燃焼
装置。