JPH0792209B2 - 微粉炭燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は微粉炭燃焼装置の改良に係り、特に、微粉炭燃
焼時における微粉炭の着火性及び火炎の安定性を向上さ
せるのに好適な微粉炭燃焼装置に関する。

〔従来の技術〕

微粉炭を燃料に使用する急炭火力発電プラントは、油或
いはLNGを燃料に使用している火力発電プラントと比較
すると、石炭の粉砕機の負荷応答性が低いので、その低
い分だげ負荷変動に対する追従性が劣り、部分負荷調整
に要する時間が長いことが知られている。この負荷追従
性に劣る石炭火力発電プラントにおいても、最近では、
いわゆるビンシステムを採用することにより、負荷追従
性の向上を図ろうとしている。いわゆるビンシステムと
は、微粉炭をホツピー内に貯蔵しておき、負荷に応じて
その微粉炭の供給量を調整するにあたって貯蔵した微粉
炭を利用することにより、負荷に追従させるための粉砕
機調整に要する時間を削減するようにしたシステムのこ
とである。

ところで、上記火力発電プラントの場合、通常、燃料供
給量を変動させると火炎は不安定になり、また燃料供給
量の変動は失火の大きな要因のひとつであるということ
がわかつている。したがつて、燃料供給系の負荷変動に
対する追従性の向上に伴ない、急速に燃料流量が変化す
る条件下であつても、安定に微粉炭を着火し火炎を形成
できる燃焼技術が要求されることになる。

燃料の着火に対しては、従来、燃料ノズル出口付近で燃
焼用空気と燃料混合気との循環流を形成させて、ここで
燃料の一部を着火し、これをいわゆる火種とすることに
より、燃焼させて火炎を安定化することが重要であると
されてきた。

この思想に基づき後述する保炎板、燃焼用空気の旋回流
投入等の技術が開発され、実用化されてきた。

保炎板とは、燃料ノズル出口に拡大管（デイフユーザ）
を設け、拡大管内壁に沿つて形成される負圧領域に外部
からの空気を巻き込むことにより、ここに循環流を形成
させる構造体である。

また、空気の旋回流投入技術とは、空気の運動量を旋回
流として与えることにより、空気を外周へ拡げる時に発
生する噴流中心部の負圧領域に循環流を形成しようとす
る技術である。

これらの技術は、既に種々な形式の燃焼装置に利用され
てきており、火炎の安定化には欠かせない技術となつて
いる。

一方、燃焼時に発生する窒素酸化物を排出抑制する対策
として、最近の微粉炭燃焼装置に採用されている方式に
燃焼用空気を、１次,2次,3次空気に分離して投入する方
式がある。ここで、１次空気は微粉炭を供給装置から燃
焼炉まで搬送するのに使用されるものである。この１次
空気の流量は、流路での通風損失等も考慮し、できるだ
け少ない流量に設定されている。例えば、この１次空気
量は、通常、微粉炭の完全燃焼に必要な理論空気量の10
〜40％である。前記以外の残りの燃焼用空気が２次及び
３次空気として燃焼炉内に供給される。２次空気は、微
粉炭の着火用空気として利用される。つまり、バーナ近
傍での着火は、１次,2次空気によつて行なわれる。３次
空気は、１次,2次空気によつて燃焼された残りの可燃性
分を燃焼するのに利用される。そして、着火に必要な最
適な空気量は、石炭のもつ発揮分量等によつて異なり、
石炭に応じて最適な空気量が存在することになる。この
ような最適空気量について考慮してみる。

すなわち、微粉炭流量に対して過剰に空気を加え過ぎる
と、微粉炭が酸化されて発生する熱だけでは、発生熱量
が過剰空気によつて稀釈されるため、微粉炭及び空気の
混合気を加熱し、急速に酸化反応を進行させるのが困難
になる。逆に空気流量が少な過ぎる場合には、微粉炭の
酸化に必要な酸素が十分に微粉炭表面に拡散しなくな
る。

このように、バーナ近傍で効果的に微粉炭を着火して安
定な火炎を得るためには、前述した循環流の形成の他
に、１次,2次空気流量を着火に最適な流量に設定すると
同時に、バーナ近傍で両者の混合を早急に進ませる必要
がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このようにバーナ近傍で１次,2次空気流量の混合を急速
に進ませるのに好適な燃焼装置として、コンバスチヨン
エンジニアリング社（Combustion Engineering社）の発
表したバーナがある（“オーバフアイアエアーテクノロ
ジーフオータンジエンシヤリーフアイアード ユテイリ
テイー ボイラーズ バーニング ウエスターン ユー
エス コール",プロシーデイングス オブ ザ セカン
ド ステイシヨナリーソース コンバツシヨン シンポ
ジウム，ポリユームII、第67頁〜第102頁；〔“Overfir
e Air Technolozy for Tangentially Fired Utility Bo
ilers Burning Western U.S.Coal",Proceedings of the
Second Stationary Source Combustion Symposium;Vol
umeII,PP67〜102〕）。このバーナの構造は、微粉炭ノ
ズルの上下に空気シズルが設置され、サンドウイツチ状
に微粉炭ノズルを空気ノズルではさむ形状をとると共
に、矩形断面の微粉炭及び空気ノズルとからなる構造を
有している。このバーナは、矩形の燃焼炉の角に取り付
けられ、燃焼炉の角から燃焼と空気を噴出するコーナフ
アイアリングに使用されている。このバーナで用いられ
る微粉炭ノズルは矩形断面を有しており、微粉炭を上下
に挟むように燃焼空気が投入されるため、微粉炭と燃焼
用空気との混合過程が、微粉炭・１次空気混合気噴流の
全周を被うように着火用の２次空気及び完全燃焼用の３
次空気が噴出する方式の燃焼装置に対して大きく異な
る。

したがつて、上記従来のバーナは、微粉炭・１次空気混
合気噴流の全周を被うように２次,3次空気を供給する方
式の燃焼装置が有する問題点を解決できる示唆を与える
ものではなかつた。

このように、従来の着火、保炎技術は、どちらかという
と循環流の形成にのみ着眼されており、１次,2次空気の
混合を促進し、バーナ近傍で着火に最適な空気比の燃焼
条件にする配慮が不十分であるといと問題があつた。さ
らに、着火・保炎性の改善を図るには、着火用空気と燃
料との混合促進を主眼とした燃焼装置の改良が必要とな
る。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、そ
の目的は微粉炭の着火・保炎性を向上できる微粉炭燃焼
装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは、次の知見に基づいて本発明を完成したも
のである。すなわち、同軸のノズルから同一方向に噴出
される２つの噴流の混合は、噴流間の境界に生ずる乱れ
もしくは渦によつて進行することがわかつた。この乱れ
の形成は、噴流間の流速，密度の違い等の種々の因子の
影響を受ける。そこで、燃焼をさせない、いわゆるコー
ルドフローの条件下の同軸噴流の混合実験を行ない、噴
出ノズル形状の混合過程に及ぼす影響を検討した。この
混合実験は、第３図及び第４図に示すように、同軸状に
設けた２種類のノズル31（31′）,32を用いて、内側ノ
ズル31（31′）及び外側ノズル32より空気A,Bを噴出さ
せ、内側ノズル31（31′）より噴出させる空気Ｂにトレ
ーサガスを混入し、そのトレーサガス濃度のノズル出口
からの分布を測定することにより行なつた。実験の結
果、空気A,Bの混合は、第３図で示した円形断面を有す
る内側ノズル31を有する同軸ノズルよりも、第４図で示
した内側ノズル31′の断面形状が楕円に近い形状の同軸
ノズル、すなわち外側ノズル32の空気通路の断面積を同
軸中心に対して偏倚させたものの方が速いことが確認さ
れた。これは、内側ノズル31′を矩形、三角形にした場
合にも同様に円形断面を有するノズル31を使用する場合
よりも混合が速く、内側ノズル31′の断面形状を変形さ
せて外側ノズル32の断面積を同軸中心に対して偏倚させ
たことにより、混合の促進が図れることが明らかになつ
た。

したがつて、上記実験結果から得た知見に基づき、本発
明者らは、微粉炭ノズルと２次空気ノズルとを同軸状に
設けたものにおいて、２次空気ノズルの２次空気通路の
断面積を同軸中心に対して偏倚させることにより、本発
明を完成させたものである。

すなわち、本発明は、微粉炭と１次空気の混合気を噴出
させる微粉炭ノズルと、この微粉炭ノズルと同軸状に、
かつ微粉炭ノズル外周上の全周を被つて設けた２次空気
ノズルと、前記微粉炭ノズルと同軸状に、かつ２次空気
ノズル外周上の全周を被つて設けた３次空気ノズルとか
ら構成されてなる微粉炭燃焼装置において、前記２次空
気ノズルの２次空気通路の断面積を同軸中心に対して偏
倚させてなることを特徴とするものである。

〔作用〕

上記構成の微粉炭燃焼装置の作用を説明する。

２次空気ノズルの２次空気通路の断面積が、同軸中心に
対して偏倚しているため、微粉炭及び１次空気の混合気
と２次空気の混合が速く行なわれる。これにより、微粉
炭及び１次空気の混合気と着火用２次空気との混合促進
が図れ、微粉炭の着火及び火炎の安定性が向上すること
になる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は本発明に係る燃焼装置の一実施例を示す正面図
であり、第２図は同実施例を示す断面図である。これら
の図において、バーナ10は、燃焼室11を構成する燃焼炉
壁12に設けられた燃焼炉壁開口部13に取付けられてい
る。燃焼炉壁12は、通常、断熱材で作られており、燃焼
室11内の熱が外部へ放出されるのを防止している。バー
ナ10が、水蒸気発生用のボイラに使用される場合には、
燃焼炉壁12の燃焼室11側の表面に、燃焼室11内に充満す
る火炎からの輻射伝熱によつて、水を加熱するための水
管群が設置される。

バーナ10は、着火するための補助バーナ15と、この補助
バーナ15に対して同軸状に、この補助バーナ15の外周上
の全周に設けた断面形状が楕円の微粉炭ノズる16と、微
粉炭ノズル16に対して同軸状に、このノズル16の外周上
の全周にわたつて設けた２次空気ノズル17と、微粉炭ノ
ズル16に対して同軸状に、２次空気ノズル17の外周上の
全周にわたつて設けた３次ノズル18とからなり、前記２
次空気ノズルの２次空気通路の断面積を、微粉炭ノズル
16を断面楕円形状にすることにより、同軸中心より偏倚
させて構成されている。

燃焼用空気は、風箱14から２次空気ノズル17及び３次空
気ノズル18へ供給され、燃焼炉壁開口部13を通して燃焼
室11内へ噴出される。２次空気ノズル17及び３次空気ノ
ズル18の燃焼空気入口部には、旋回羽根19,20がそれぞ
れ設置されている。旋回羽根19,20は、各々のノズル17,
18より噴出する空気の流れを旋回流とするためのもので
ある。

本図に示す旋回流発生器は、レジスタ型もしくは半径流
式の旋回流発生器と呼ばれるものであり、ノズルから噴
出する空気の流れに対して直角の半径方向から、空気が
流入する。旋回の強度は、風箱14から空気ノズル17,18
へ流入する空気の流れ方向に対する旋回羽根19,20の角
度を変化させることによつて調節される。

バーナ10は、２次空気ノズル17と３次空気ノズル18との
間に分割板22を設けて構成されている。

このように構成することにより、２次空気と３次空気と
の分離が良くなり、しかし両者のバーナ出口近傍での混
合が抑制させることになる。この結果、着火用及び完全
燃焼用としての両者の役割が明瞭になると共に、強旋回
流として噴出される３次空気の流れによつて循環流をこ
こに形成させることになり、外周へ拡がる燃料の一部
が、ここで燃焼し易くなる。ここで、分割板22は、焼損
を防ぐために全体を耐火材で形成するのが好ましいが、
燃焼室11側の火炎に触れる面だけを耐火材としても良
い。

微粉炭ノズル16は、第１図に示すように、そのノズルを
楕円となる断面形状を有しており、これにより２次空気
ノズル17の２次空気通路の断面を同軸中心に対して偏倚
させている。微粉炭ノズル16の先端には拡大管形の保炎
器21が設置されている。

また、微粉炭ノズル16内の一部には絞り23が設けられて
いる。

バーナ10の中心には、既に述べたように、補助燃料を燃
焼させる補助燃料ノズル15が取付けられている。補助燃
料は、燃焼装置の起動時に、燃焼室11の予熱及び微粉炭
の着火に使用されたものであり、通常、重油等の液体燃
料が利用される。補助燃料は、微粉炭の燃焼火炎が安定
した時点で供給が停止される。補助燃料ノズル15は、補
助燃料の使用を停止した後には、ノズルの焼損及び微粉
炭によるノズル先端の閉塞等を防止するために、バーナ
外へ抜き出される。

上述のように構成された実施例の作用を説明する。

２次空気及び３次空気は、２次空気ノズル17及び３次空
気ノズル18から円環状の噴流として燃焼室11内へ噴出さ
れる。一方、微粉炭は、楕円の微粉炭ノズル16から楕円
形の噴流として噴出される。これにより、着火に必要な
空気流量を最適な条件にした２次空気と、微粉炭とがバ
ーナ10の出口近傍での混合促進が図れ、微粉炭の着火の
促進ができることになる。

また、バーナ10には保炎器21が設けられているため、保
炎器21内壁に沿つて微少渦、或いは循環流が形成され、
火炎の安定化に有効に作用することになる。

尚、微粉炭ノズル16内の一部に設けられた絞り23は、こ
こで断面を縮少することにより、微粉炭・１次空気の混
合気流速を増加させ、ノズル方向に火炎が進向する逆火
を防止する作用を有する。

以上述べたように本実施例によれば、微粉炭が楕円形状
に吹き出すので微粉炭の着火が促進される。また、本実
施例によれば、２次空気ノズルと３次空気ノズルとの間
に耐熱性の介在物22を設置し、両者のノズル間の距離を
大きくすることにより、２次空気と３次空気とのバーナ
近傍での混合を抑制できるため、それぞれの空気の役割
を明瞭にできる。したがつて、３次空気によつて着火の
条件が大きく乱されることが無く、また、介在物周辺に
形成される、２次,3次空気噴流による負圧領域により、
火炎の安定化が促進される。

本発明の他の実施例を次に説明する。

第１図及び第２図の実施例では、微粉炭燃焼装置のノズ
ルを微粉炭ノズル断面を楕円形状にすることにより、２
次空気ノズルの２次空気通路の断面積を偏倚させていた
が、他の実施例としては微粉炭ノズル16の断面形状を矩
形、三角形状等とすることにより、２次空気ノズル17の
２次空気通路の断面積を同軸中心に対して偏倚させるよ
うにしたものでも良い。

このように形成された他の実施例も上記第１実施例と同
様の作用効果を有する。

本発明のさらに他の実施例を説明する。

上記各実施例は、微粉炭ノズルの断面形状を楕円，矩
形，三角形等として２次空気ノズル17の２次空気通路の
断面積を同軸中心に対して偏倚させてなるものであつた
が、本実施例は微粉炭ノズルの断面形状を円形とすると
共にその外周に設けた２次空気ノズル17の断面形状を楕
円，矩形，三角形等とすることにより、２次空気ノズル
17の２次通路の断面積を同軸中心に対して偏倚させてな
るものである。

このように構成したさらに他の実施例によつても、上記
各実施例とほぼ同様の作用効果を奏する。

次に、本発明の実施例の変形例について説明する。

微粉炭及び１次空気の混合気噴流と２次空気との混合速
度は、例えば第１実施例の楕円形状の微粉炭ノズルを採
用した場合でも、楕円の縦横比によつて異なるので、こ
の縦横比を調節できる機構を備えたバーナ構造が最も好
ましい。また、第２実施例の矩形断面の場合でも、同様
に矩形の縦横比の調節機構を備えた微粉炭ノズル構造が
最も好ましい。これらは、例えば比較的弾性のある全属
で形成した微粉炭ノズル内に縦横を拡大縮小できる駆動
機構を設けて構成すればよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、２次空気ノズルの
２次空気通路の断面積が同軸中心に対して偏倚してなる
ので、着火に必要な空気流量を最適な条件に設定した２
次空気と微粉炭とのバーナ近傍での混合促進が図れるた
め、従来の燃焼装置より微粉炭の着火を促進できるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る微粉炭燃焼装置の一実施例を示す
正面図、第２図は同実施例を示す縦断面図、第３図は
（Ｉ）及び（II）は実験用同軸噴流ノズルの横断面図及
び正面図、第４図（Ｉ）及び（II）は実験用同軸噴流ノ
ズルの横断面図及び正面図である。 10……バーナ、11……燃焼室、12……燃焼炉壁、13……
燃焼炉壁開口部、14……風箱、15……補助バーナ、16…
…微粉炭ノズル、17……２次空気ノズル、18……３次空
気ノズル、19……２次空気旋回羽根、20……３次空気旋
回羽根、21……保炎器、22……分割板、23……絞り。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相馬 憲一 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 小林 啓信 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 桝谷 正男 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 稲田 徹 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 嵐 紀夫 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 宮寺 博 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 森田 茂樹 広島県呉市宝町６番９号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】微粉炭の１次空気の混合気を噴出させる微
   粉炭ノズルと、この微粉炭ノズルと同軸状に、かつ微粉
   炭ノズル外周上の全周を被つて設けた２次空気ノズル
   と、前記微粉炭ノズルと同軸状に、かつ２次空気ノズル
   外周上の全周を被つて設けた３次空気ノズルとから構成
   されてなる微粉炭燃焼装置において、前記２次空気ノズ
   ルの２次空気通路の断面積を同軸中心に対して偏倚させ
   てなることを特徴とする微粉炭燃焼装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、２次空気
   ノズルと３次空気ノズル間に耐熱性の介在物を設置する
   ことを特徴とする微粉炭燃焼装置。