JPH09112820A

JPH09112820A - 微粉炭バーナ

Info

Publication number: JPH09112820A
Application number: JP26872195A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Nomura; 伸一郎野村; Akira Baba; 彰馬場; Noriyuki Oyatsu; 紀之大谷津; Noboru Takarayama; 登宝山; Miki Mori; 三紀森; Shunichi Tsumura; 俊一津村; Yoshinobu Kobayashi; 啓信小林
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1995-10-17
Filing date: 1995-10-17
Publication date: 1997-05-02
Anticipated expiration: 2015-10-17
Also published as: JP3765429B2

Abstract

(57)【要約】【課題】超低ＮＯ_X 化を維持しつつ着火保炎を強化す
ることができ、ひいては広域負荷運転、多炭種にも対応
することができる微粉炭バーナを提供すること。【解決手段】分離管２０により希薄流流路２０１と濃
縮流流路２０２が形成される。分離管２０の先端部分に
は、中心側に狭められたテーパ部２００が形成されてい
る。このテーパ部２００により、希薄流Ｃ₀ の出口ｄ₁
における流速が増速され、逆に、濃縮流Ｃ₁ の出口ｄ₂
における流速が遅くなる。希薄流Ｃ₀ の速い流速によ
り、濃縮流Ｃ₁ が内部保炎器２２後流の再循環領域へ巻
き込まれ、より多くの微粉炭がこの領域へ入り込んで燃
焼するため、着火保炎が強化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明はボイラ等に用いられ
る微粉炭燃焼システムにおいて使用される微粉炭バーナ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ等に用いられる微粉炭燃焼システ
ムは、分級機を内蔵した微粉炭機（ミル）で石炭を粉砕
し、分級により所定の大きさ以下の微粉炭を搬送用空気
でバーナ部へ供給する構成となっている。このような微
粉炭燃焼システムを図１７により説明する。

【０００３】図１７は微粉炭燃焼システムの系統図であ
る。この図で、１はボイラ火炉、２は風箱、３は微粉炭
バーナ、４はガス再循環投入ダクト、５、６は熱交換
器、である。７は排ガスＧの流れから排ガスを取り出し
てガス再循環投入ダクト４へ供給するガス再循環ファ
ン、８は風箱２へ空気を供給するＦＤＦ、９は搬送用空
気を供給する一次空気ファン、１０は各流体の流量を調
節するダンパである。１１は石炭を貯蔵する石炭バン
カ、１２は分級機を内蔵し石炭バンカ１１の石炭を粉砕
するミル、１３は石炭バンカ１１の石炭をミル１２へ供
給する石炭フィーダ、１４は濃縮器である。一次空気フ
ァン９で供給された一次空気はミル１２で粉砕された所
定の大きさ以下の微粉炭を濃縮器１４へ固気二相流とし
て搬送し、濃縮器１４では濃縮流と希薄流とに分離し、
分離された希薄流は管路１５により、又、濃縮流は管路
１６により微粉炭バーナ３へ供給される。

【０００４】上記微粉炭燃焼システムでは、２段燃焼法
による低ＮＯ_X 化が用いられる。２段燃焼法には外部式
と内部式がある。外部式の２段燃焼法は、燃焼炉のバー
ナゾーンでの空気比（燃料に対する必要空気の割合で１
が量論的当量）を１以下の燃料リッチな条件に保つこと
で生成ＮＯ_X を還元して低ＮＯ_X 化を図り、未燃焼燃料
についてはバーナゾーンの後流に設置されている空気挿
入口から空気を投入して完全に燃焼させる方式である。
又、内部式２段燃焼法は、二次、三次空気に旋回をか
け、一次空気でのみ着火燃焼している微粉炭との混合を
遅らせるバーナゾーンでの燃焼法であり、ＮＲ、ＮＲ２
等の微粉炭低ＮＯ_X バーナで実用化されている。

【０００５】又、広域負荷対応、さらには高燃料比炭等
多炭種対応においては、微粉炭流の固体濃度を高めるた
めに固体とガスの慣性力の差を利用した分離装置をバー
ナ内部に設置し、又は、サイクロン、ベント管等の固気
分離器をバーナ外部に設置することで、着火保炎を促進
する手段が実用化されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記２段燃焼法におけ
る外部式および内部式併用による低ＮＯ_X 化技術によ
り、ボイラ出口でのＮＯ_X 排出量は、１００〜１５０ｐ
ｐｍ前後〔燃料比（固定炭素／揮発分）の値が２、石炭
中のＮ分が1.5 ％の基準炭で、灰中未燃分５％以下〕ま
で低下できるようになった。しかし、環境対策の観点か
ら、燃焼排ガスに含まれるＮＯ_X 排出量の規制は厳しく
なる一方であり、ボイラ出口ＮＯ_X 排出濃度も１００ｐ
ｐｍ以下の低い値とすることが要求されるようになって
いる。

【０００７】又、最低負荷切下げによる広域負荷運転に
おいては、現状バーナの最低負荷は３０〜４０％に対し
て、次世代ボイラでは、バーナ大容量化に伴い２５％以
下での安定燃焼が重要課題となっている。これに加え
て、石炭の輸入依存度が１００％に近い我が国では、炭
種に左右されない安定した低ＮＯ_X 化、広域負荷対応の
技術の確率が必要不可欠である。

【０００８】このようなＮＯ_X 排出量１００ｐｐｍ以下
の低ＮＯ_X 対策および広域負荷対応をめざしたものとし
ては、微粉炭を濃縮流と希薄流に分離して供給するバー
ナの濃縮流の流れの中に内部保炎器を設置して着火保炎
を強化する方法が特願平６−２７７７３３号で提案され
ている。

【０００９】しかし、このような技術の問題点は、内部
保炎器が濃縮流内にあるため、希薄流側への着火保炎に
は役立たない点である。その対策として、濃縮流と希薄
流とを分離壁を介して分離供給させ、しかもその分離壁
先端に内部保炎器を設置して濃縮流、希薄流の両者を着
火保炎させる方法が考えられるが、その場合には、内部
保炎器の後流の再循環領域への巻き込みが濃縮流、希薄
流の両方から起こり、特に、希薄流からの流れ込みが多
くなると保炎効果が薄れてしまうという問題が生じる。

【００１０】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、超低ＮＯ_X 化を維持しつつ、着火保炎を強
化することができ、ひいては広域負荷運転、多炭種にも
対応することができる微粉炭バーナを提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、分離管により固体燃料と輸送用気体より
成る固気二相流を濃縮流と希薄流とに分離し、それらが
前記分離管出口で隣合わせで供給され、かつ、当該分離
管の出口先端に内部保炎器が設置された微粉炭バーナに
おいて、前記内部保炎器の位置での前記希薄流の流速を
前記濃縮流の流速より速くする希薄流増速手段を設けた
ことを特徴とする。

【００１２】

【作用】希薄流の流速が濃縮流の流速より大きいので、
多くの微粉炭を含んだ濃縮流が希薄流に巻き込まれて内
部保炎器の後流の再循環領域へ流れ、巻き込まれた濃縮
流に含まれる多くの微粉炭の燃焼により再循環領域が高
温になり、内部保炎器の近傍を通過する未着火の微粉炭
への着火保炎を促進し、着火保炎を強化する。

【００１３】

【発明の実施形態】以下、本発明を図示の実施形態に基
づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る
微粉炭バーナを示す図、図２は第２の実施形態に係る微
粉炭バーナを示す図である。各図で、２０は濃縮流希薄
流分離管（以下、単に分離管という。）であり、希薄流
Ｃ₀ と濃縮流Ｃ₁ とを分離する。２００は分離管２０の
先端部分において中心側に狭められたテーパ部、２０１
は希薄流Ｃ₀ が流れる希薄流流路、２０２は濃縮流Ｃ₁
が流れる濃縮流流路を示す。２１は外周保炎リング、２
２は分離管２０の出口先端に設置された内部保炎器、２
３は着火用の重油ノズルである。２４は濃縮流流路２０
２に設けられたベンチュリ型抵抗体である。２５、２６
はそれぞれ二次空気Ａ₂ 、三次空気Ａ₃ に旋回を与える
スワラである。なお、各図で、内部保炎器２３の右側部
分がボイラ火炉１の内部となる。

【００１４】これら各実施形態では、分離管２０の先端
部分に中心側に狭められたテーパ部２００を設けたの
で、希薄流流路２０１の出口ｄ₁ が狭められ、一方、濃
縮流流路２０２の出口ｄ₂ は拡げられ、これにより、希
薄流Ｃ₀ の流速が濃縮流Ｃ₁ の流速より大きくなり、出
口において濃縮流Ｃ₁ が希薄流Ｃ₀ に巻き込まれ、微粉
炭を多く含んだ濃縮流Ｃ₁ が内部保炎器２２の後流の再
循環領域（図で内部保炎器２２の右側の領域）へ流れ、
巻き込まれた濃縮流に含まれる多くの微粉炭の燃焼によ
り再循環領域が高温になり、内部保炎器２２の近傍を通
過する未着火の微粉炭への着火保炎を促進し、着火保炎
を強化することになる。

【００１５】なお、ベンチュリ型抵抗体２４は、希薄流
側出口断面積を小さくすることで入口でのガス流配分が
変わり、希薄流側への流れ込みが減少するのを防止する
ために設けられるものであり、抵抗体をベンチュリ型と
することにより微粉炭が淀まないようにすることが望ま
しい。しかし、このベンチュリ型抵抗体２４は必ずしも
必要ではなく、ベンチュリ型抵抗体２４を除去した構成
が第２の実施形態である図２に示されている。

【００１６】上記の巻き込み動作を図３および図４を参
照しながらさらに詳細に説明する。濃縮流Ｃ₁ の再循環
領域への流れ込みの量は、両者の流れの運動量の大きさ
に依存する。流体の運動量の大きさは、流体密度に流速
の二乗を乗じた量で与えられる。そこで、希薄流Ｃ₀ の
密度をρ₀ 、速度をｖ₀ とすると、希薄流Ｃ₀ の運動量
はρ₀ ・ｖ₀ ² となり、濃縮流Ｃ₁ の密度をρ₁ 、速度
をｖ₁ とすると、濃縮流Ｃ₁ の運動量はρ₁ ・ｖ₁ ² と
なる。図３は希薄流Ｃ₀ の運動量と濃縮流Ｃ₁の運動量
の比に対する濃縮流Ｃ₁ の再循環領域における濃度（濃
縮流Ｃ₁ の再循環領域への巻き込み量）を表わす図であ
り、横軸には希薄流Ｃ₀ の運動量と濃縮流Ｃ₁ の運動量
の比（ρ₀ ・ｖ₀ ² ／ρ₁ ・ｖ₁ ² ）が、縦軸には濃縮
流Ｃ₁ の再循環領域における濃度がとってある。図３か
ら、希薄流Ｃ₀ の運動量と濃縮流Ｃ₁ の運動量の比が大
きいほど濃縮流Ｃ₁ の再循環領域への巻き込み量が大き
くなることが判る。

【００１７】ここで、図４および図３を用いて希薄流Ｃ
₀ と濃縮流Ｃ₁ の流速決定方法の一例を示す。図４はバ
ーナ負荷に対する平均微粉炭濃度を表わす図であり、横
軸にバーナ負荷が、縦軸に平均微粉炭濃度（空気１ｋｇ
における微粉炭重量であり、Ｃ／Ａで表わす。）がとっ
てある。通常、微粉炭バーナ内での微粉炭の搬送の流速
は２０〜２５ｍ／ｓであり、１５ｍ／ｓ以下では火炎吹
き飛びの危険性がある。そこで、本実施形態では、希薄
流Ｃ₀ の流速は２０〜３０ｍ／ｓ、濃縮流Ｃ₁の流速は
１５〜２５ｍ／ｓの範囲内に限定する。

【００１８】図４から、バーナ負荷５０％における、Ｃ
／Ａは０.３３となる。この場合、濃縮能力１.３倍の
バーナでは、空気は均等配分されるとして、濃縮側のＣ
／Ａは０.４３（０.３３ ×１.３）、希薄側のＣ／Ａ
は０.２３となる。Ｃ／Ａ＝１が燃焼の当量比に相当
し、その時の内部保炎器２２の再循環領域内の温度は最
も高く、着火保炎の最適値となる。微粉炭は２００メッ
シュ通過８０％前後では２０μｍ以下を約３０％含み、
慣性力の比較的小さい約２０μｍ以下の粒子が再循環領
域へ巻き込まれる。

【００１９】今、濃縮流Ｃ₁ の再循環領域内での体積濃
度をＣ₁₁とすると、再循環領域内でＣ／Ａ＝１を確保す
るためには、０.３［０.４３Ｃ₁₁＋０.２３（１−Ｃ₁₁）］＝１が成立しなければならない。上式から、Ｃ₁₁＝０.５と
なる。この体積濃度を得るためには、図３に破線で示す
ように、希薄流Ｃ₀ の運動量と濃縮流Ｃ₁ の運動量の比
が２.１となるように選定すればよい。ρ₀ ／ρ₁ は
０.２３／０.４３であるから、ｖ₀ ／ｖ₁ ＝１.９と
なる。例えば、希薄流Ｃ₀ の流速を３０ｍ／ｓに選定す
ると、濃縮流Ｃ₁ の流速は約１６ｍ／ｓとなる。上記各
実施形態では、希薄流の流速を速くし濃縮流の流速を遅
くするため、分離管２０の先端部分に中心側に狭まるテ
ーパ部２００が形成される。上記の流速を実現するため
には、テーパ部２００の形状が、（濃縮流路２０２の出
口断面積）／（希薄流路２０１の出口断面積）＝１.９
になるように形成すればよい。

【００２０】このように、上記各実施形態では、希薄流
の流速を濃縮流の流速より速くしたので、希薄流により
濃縮流を再循環領域へ巻き込むことができ、微粉炭を濃
縮流と希薄流とに分離して供給する微粉炭バーナの超低
ＮＯ_X 化を維持しつつ、着火保炎を強化することがで
き、ひいては広域負荷運転、多炭種にも対応することが
できる。

【００２１】以下、希薄流Ｃ₀ の流速を速く、濃縮流Ｃ
₁ の流速を遅くするいくつかの実施形態を図示する。以
下の各図では、図１に示す部分と同一又は等価な部分に
は同一符号を付して説明を省略する。

【００２２】図５および図６は第３および第４の実施形
態の微粉炭バーナを示す図である。これらの図で、２８
は内部濃縮器、Ｆは重油ノズル２３を通る中心線を示
す。これら各実施形態では、微粉炭は固気二相流体（Ａ
＋Ｃ）として供給され、内部濃縮器２８を経てその後流
の分離管２０で希薄流Ｃ₀ と濃縮流Ｃ₁ に分離される。
図５にはベンチュリ型抵抗体２４を備えたものが示さ
れ、図６にはベンチュリ型抵抗体を備えていないものが
示されている。

【００２３】図７および図８は第５および第６の実施形
態の微粉炭バーナを示す図である。これら各実施形態で
は、分離管２０にテーパ部は形成されておらず、その代
わり、希薄流流路２０１の断面積Ｄ₂₀₁ が小さく、濃縮
流流路２０２の断面積Ｄ₂₀₂が大きく形成されている。
このような断面積の差により、当然、希薄流Ｃ₀ の流速
を濃縮流Ｃ₁ の流速より大きくすることができる。図７
にはベンチュリ型抵抗体を備えていないものが示され、
図８にはベンチュリ型抵抗体２４を備えているものが示
されている。

【００２４】図９および図１０は第７および第８の実施
形態の微粉炭バーナを示す図である。これら各実施形態
では、微粉炭は固気二相流体（Ａ＋Ｃ）として供給さ
れ、適宜の手段で矢印Ｓに示すように旋回を与えられ
る。この旋回により、外側（周壁側）が濃縮流Ｃ₁ 、内
側が希薄流Ｃ₀ となって分離し、分離管２０に入る。図
９にはベンチュリ型抵抗体２４を備えたものが示され、
図１０にはベンチュリ型抵抗体を備えていないものが示
されている。

【００２５】図１１および図１２は第９および第１０の
実施形態の微粉炭バーナを示す図である。これらの図
で、３０はベンチュリである。これら各実施形態では、
微粉炭は固気二相流体（Ａ＋Ｃ）として供給され、ベン
チュリ３０によって濃縮をかけられ、希薄流Ｃ₀ は外側
に、濃縮流Ｃ₁ は中心側に分離される。図１１にはベン
チュリ型抵抗体２４を備えたものが示され、図１２には
ベンチュリ型抵抗体を備えていないものが示されてい
る。

【００２６】図１３および図１４は第１１および第１２
の実施形態の微粉炭バーナを示す図である。図１および
図２に示す各実施形態においては、希薄流Ｃ₀ が中心側
に、濃縮流Ｃ₁ が外側に分離されていたのに対して、こ
れら本実施形態では、逆に、希薄流Ｃ₀ が外側に、濃縮
流Ｃ₁ が中心側に分離される。この場合、当然、テーパ
部２００は、図１および図２に示すテーパ部２００とは
逆に、外側に拡げられた形状に形成される。このような
形態で分離されても動作および効果は変わらない。図１
３にはベンチュリ型抵抗体２４を備えたものが示され、
図１４にはベンチュリ型抵抗体を備えていないものが示
されている。

【００２７】図１５は第１３の実施形態の微粉炭バーナ
を示す図である。上記各実施形態においては、テーパ部
２００が分離管２０の先端部に形成されていたが、本実
施形態では、先端部から少し離れた部分に中心側に狭め
られる形状で形成されている。希薄流Ｃ₀ が中心側に、
濃縮流Ｃ₁ が外側に分離される。図１５の（ａ）にはベ
ンチュリ型抵抗体を備えていないものが示され、図１５
の（ｂ）にはベンチュリ型抵抗体２４を備えているもの
が示されている。

【００２８】図１６は第１４の実施形態の微粉炭バーナ
を示す図である。上記図１４に示す実施形態と同じく、
本実施形態でも、テーパ部２００が先端部から少し離れ
た部分に外側に拡げられる形状で形成されている。テー
パ部２００の形状から希薄流Ｃ₀ が外側に、濃縮流Ｃ₁
が中心側に分離されることになる。図１６の（ａ）には
ベンチュリ型抵抗体を備えていないものが示され、図１
６の（ｂ）にはベンチュリ型抵抗体２４を備えているも
のが示されている。

【００２９】なお、上記各実施形態の説明では、外周保
炎リングを備えた微粉炭バーナについて説明したが、外
周保炎リングを備えていないものにも適用できるのは明
らかである。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明では、希薄流
の流速を濃縮流の流速より速くしたので、希薄流により
濃縮流を再循環領域へ巻き込むことができ、微粉炭を濃
縮流と希薄流とに分離して供給する微粉炭バーナの超低
ＮＯ_X 化を維持しつつ、着火保炎を強化することがで
き、ひいては広域負荷運転、多炭種にも対応することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る微粉炭バーナを
示す図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係る微粉炭バーナを
示す図である。

【図３】希薄流の運動量と濃縮量の運動量の比に対する
濃縮流の再循環領域における濃度を表わす図である。

【図４】バーナ負荷に対する平均微粉炭濃度を表わす図
である。

【図５】本発明の第３の実施形態に係る微粉炭バーナを
示す図である。

【図６】本発明の第４の実施形態に係る微粉炭バーナを
示す図である。

【図７】本発明の第５の実施形態に係る微粉炭バーナを
示す図である。

【図８】本発明の第６の実施形態に係る微粉炭バーナを
示す図である。

【図９】本発明の第７の実施形態に係る微粉炭バーナを
示す図である。

【図１０】本発明の第８の実施形態に係る微粉炭バーナ
を示す図である。

【図１１】本発明の第９の実施形態に係る微粉炭バーナ
を示す図である。

【図１２】本発明の第１０の実施形態に係る微粉炭バー
ナを示す図である。

【図１３】本発明の第１１の実施形態に係る微粉炭バー
ナを示す図である。

【図１４】本発明の第１２の実施形態に係る微粉炭バー
ナを示す図である。

【図１５】本発明の第１３の実施形態に係る微粉炭バー
ナを示す図である。

【図１６】本発明の第１４の実施形態に係る微粉炭バー
ナを示す図である。

【図１７】微粉炭燃焼システムの系統図である。

【符号の説明】

２０分離管２１外周保炎リング２２内部保炎器２３重油ノズル２４ベンチュリ型抵抗体２００テーパ部２０１希薄流流路２０２濃縮流流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宝山登広島県呉市宝町３番36号バブコツク日立株式会社呉研究所内 (72)発明者森三紀広島県呉市宝町３番36号バブコツク日立株式会社呉研究所内 (72)発明者津村俊一広島県呉市宝町６番９号バブコツク日立株式会社呉工場内 (72)発明者小林啓信茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】分離管により固体燃料と輸送用気体より
成る固気二相流を濃縮流と希薄流とに分離し、それらが
前記分離管出口で隣合わせで供給され、かつ、当該分離
管の出口先端に内部保炎器が設置された微粉炭バーナに
おいて、前記内部保炎器の位置での前記希薄流の流速を
前記濃縮流の流速より速くする希薄流増速手段を設けた
ことを特徴とする微粉炭バーナ。
【請求項２】請求項１において、前記増速手段は、前
記分離管における前記希薄流の流路の先端部分又は先端
近傍部分を狭める手段であることを特徴とする微粉炭バ
ーナ。
【請求項３】請求項１において、前記増速手段は、前
記分離管における前記希薄流の流路の断面積を前記濃縮
流の流路の断面積より小さくする手段であることを特徴
とする微粉炭バーナ。
【請求項４】請求項１乃至請求項３において、前記増
速手段は、前記濃縮流の流路側に設けられた抵抗体を有
することを特徴とする微粉炭バーナ。