JPH10103618A - 燃料ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流動床のあらゆる運転条件においても、流動
媒体が燃料ノズルを通って逆流しないようにする。 【解決手段】 流動床燃焼炉へ燃料を空気にて搬送供給
する流動床燃焼炉用逆流防止型の燃料ノズルにおいて、
ノズル出口部６にスリット４を設け、このスリット４の
開口部最小投影寸法を流動床構成媒体粒径及び燃料粒径
の各々の最大径よりも大きい寸法とすることで、流動媒
体５の逆流を防止するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流動床燃焼装置に係
り、特に運転中、起動・停止繰り返し時に詰まりを防止
するのに好適な流動床燃焼炉用逆流防止型の燃料ノズル
に関する。

【０００２】

【従来の技術】流動床燃焼炉は、産業用燃焼炉を始め熱
回収炉や発電用など、固体燃料の多様性に対応できる燃
焼方式として利用拡大が図られている。

【０００３】その燃焼方式となる炉内への燃焼供給方法
は、流動床の上部から投入する方式と、層内へ下部から
供給する方式とに分けられるが、大型化して床面積が大
きくなるにつれて燃料分散の均一化の点から多数のノズ
ルへ下込み（下から供給）する方式が主流となってい
る。

【０００４】図８は流動床へ燃料を供給する従来系統の
一例を示す。

【０００５】燃料である搬送粒子２はビン１１からロー
タリフィーダ１２にて一定量を切り出され、搬送空気１
０にて気流搬送される。まず搬送母管１３を通って分配
器１４にて多数の搬送支管１６に各々均一となるよう分
岐され、流動床である流動媒体５内へ供給される。

【０００６】火炉２０に対しては同時に風箱１９より燃
焼空気１７が分散板１８を通って流動床内へ供給され
て、流動媒体５が流動化されながら搬送されてきた燃料
が燃焼される。

【０００７】図中、１５はボール弁、１６は搬送支管、
２１はパージ空気、２２は止弁、２３は逆止弁を示す。

【０００８】図９は炉内に配置された多数のノズルのう
ち１本の従来例に係る断面図を示す。

【０００９】燃料搬送物１は図の下部から上方に向かっ
て供給され、ノズル３上部に当たって左右２方向に分か
れ、水平方向に炉内へ噴射される。

【００１０】図中、６はノズル出口部、８はノズル入口
管を示す。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、流動床の運転中に流動媒体５を流動化するのに当
然、流動化燃焼空気１７に対し或るドラフト圧（通常炉
内で１０００ｍｍＡｑ前後）が必要であり、この炉内圧
に負けぬ搬送物１のノズル３入口での供給圧が必要とな
る。

【００１２】ノズル３が多数あれば、何れのノズル３か
らも等量の搬送粒子２とした方が炉内の燃焼が均一化さ
れ、燃料効率や熱吸収の点でも都合がよい。

【００１３】しかしながら、搬送支管１６の長さは全て
同一とすることは困難で、ドラフトロスにも差が出るた
め、搬送物１の供給量にアンバランスを来す。

【００１４】このため、ドラフトの不足気味の搬送支管
１６に対し流動媒体５が徐々にノズル３から逆流を来す
ことがある。

【００１５】一度この流動媒体５の逆流が起きて搬送支
管１６の通路が狭くなると、ドラフトロスがさらに増
え、搬送物１がさらに流れ難くなり、遂には閉塞を来し
てしまう。

【００１６】これを解除するため、分配器１４出口部に
設置したボール弁１５を閉とし、パージ空気２１の止弁
２２開とすることで、搬送支管１６内の流動媒体５を炉
２０内へパージ清掃する系統が設けられている。

【００１７】しかしながら、実際には一度搬送の流れが
止まってしまうと、パージ空気圧力を５ｋｇ／ｃｍ以上
の高圧としても、搬送支管１６内あるいはノズル３内に
残った流動媒体５をパージすることは困難なことが多
い。

【００１８】さらに、分配器１４から多数に分岐した搬
送支管１６のドラフトのアンバランスを無くすよう、オ
リフィスを付けたり、配管径を調節したりする手段もと
られるが、これも完全に逆流を防止することは困難であ
る。

【００１９】特に、流動床の起動、停止時や、多数の流
動床セルを順番に運転、停止する構成の流動床ボイラ等
では、そのときの流動床内ドラフトと搬送支管側のドラ
フトが変動する宿命を持っているため、完璧に逆流を防
止することが困難である。

【００２０】本発明の目的は、このような流動床のあら
ゆる運転条件においても、流動媒体が燃料ノズルを通っ
て逆流しないようにすることにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、燃料供給ノ
ズルの出口部にスリット或いは格子状の遮蔽物を設け、
その開口部最小寸法として流動床構成媒体最大径以上と
し、かつ５倍以下とすることにより達成される。

【００２２】さらにその構成部材の断面形状を円形ある
いは末広がりくさび型とし、材質をセラミックスとする
ことで、より確実に達成される。

【００２３】燃料粒子は通常、１０ｍ／ｓ以上の高速で
空気により希薄な状態にて供給される。一方、流動床の
媒体（以下、ＢＭと略す）は層内に密な状態で燃料管内
圧が低くなれば逆流しようとする。このとき、ノズル出
口がスリットあるいは格子状開口で狭くなっていて最小
開口寸法が粒子の最大径の５倍以下であると、燃料粒子
は高速で希薄なため通過するが、ＢＭは密であるため開
口でブリッジを来し、逆流がストップされる。

【００２４】さらに、スリットの構成部材断面形状が末
広がりくさび状で燃料流れ方向に通路が絞られる形状と
することで、燃料粒子は通路を衝突なく流れ易いが、Ｂ
Ｍ逆流には構成部材に粒子が当たって障害物になり止ま
るため、ブリッジを来し易い。また、セラミックスとす
ることで耐摩耗性がよく、長時間運用でも断面形状に変
化が出がたく、耐久性がよくなる。

【００２５】また、上記目的は、燃料供給ノズルの出口
部あるいは内部に浮子状可動部を持つ逆流防止機構を持
つことにより達成される。

【００２６】さらに、浮子の形状を円形とし、重量を搬
送物の流れによる浮力以下とすることにより、信頼性高
く達成される。

【００２７】浮子は、逆止弁の働きをし搬送粒子を炉内
へ供給するときには通路を開くが、炉内の流動媒体が逆
流しようとするするときには通路を塞ぐことになるた
め、流動媒体の逆流や堆積を防止することができる。

【００２８】さらに、浮子の形状を球形あるいは円筒形
を採用することで、常に供給される搬送粒子が衝突して
摩耗しても、その形状が崩れることなく逆流防止効果を
維持できる。

【００２９】また、セラミックスを採用し、その重量を
搬送物による浮力以下とすることで、粒子衝突による耐
摩耗信頼性を上げると同時に、浮子部での圧力損失増大
や浮子停滞による搬送粒子の閉塞等の２次的障害を避け
ることができる。

【００３０】さらに、上記目的は、燃料供給ノズルの出
口部を絞ることで、搬送流速を搬送管より上昇させるこ
とにより達成される。

【００３１】ノズル出口絞り部を通過する搬送物は搬送
管通過時より加速される。その速度（動圧）が流動層内
の圧力及び圧力変動の最大値より高くなるように設定す
ることにより、燃料供給中における、ノズル内への流動
媒体の逆流及び逆流に起因する詰まりや閉塞を防止する
ことができる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００３３】図１は本発明の第１の実施の形態に係る燃
料ノズルの構成図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。

【００３４】この燃料ノズル３の形状はＴ字型で、燃料
搬送物１は、ノズル入口管８を通って上方に流れ、水平
に分かれてノズル出口部６の両端より図で左右方向に搬
送粒子２を流動床内へ噴射する。ノズル出口部６にはス
リット４が形成されている。ここで、スリット形状は水
平方向としているが垂直方向としても良い。

【００３５】図２は図１に示す燃料ノズルの出口部の一
例を示す構成図であり、（ａ）は出口部の断面形状を示
す図、（ｂ）はスリットの拡大図である。

【００３６】スリット４の断面形状は搬送粒子２の流れ
方向に対し三角形の末広がりとなっている。またこのス
リット４の材質はセラミックスとしている。

【００３７】ノズル出口部６のスリット４のセラミック
スを三角形あるいはくさび型としていることで、空気搬
送される燃料の搬送粒子２の三角形の頂点に当たったも
のが辺に沿って二手に分かれ、通路としては挟められな
がら最後に炉内へ噴射される。

【００３８】従って、この断面通路の最も狭いところは
燃料の搬送粒子２の最大径より大きくすることにより、
通常１０ｍ／ｓ以上の空気搬送で高速にて噴射されるの
で、スリット部で詰まることなく安定した運用が可能と
なる。

【００３９】また、スリット４を設けることで通路断面
積が小さくなり、若干圧力損失はプラスされるが、流速
が増加してＢＭが運転中に逆流するのが抑えられる。

【００４０】特に運転負荷が下がって搬送粒子２の流量
が下がったときや、流動床内のドラフトが変動して瞬時
的に炉内圧側がノズル内圧より高くなったりしたときに
その逆流防止効果が出る。

【００４１】さらに、最も大きなポイントはスリット開
口部最小寸法をＢＭ粒子の最大径の５倍以下（図中ａ；
ＢＭ粒子最大径、ｂ；スリット開口幅とすると、ｂ≦ａ
×５）望ましくは２〜３倍以下とする。

【００４２】通路における粒子のブリッジは、湿度等の
影響により異なるが、通常、粒径に対して通路幅が５倍
以下、特に２〜３倍以下で発生しやすい。逆に、２〜３
倍を超える、望ましくは５倍以上であればブリッジを起
こし難い。

【００４３】この性質を利用したスリット通路幅を設定
することで、ＢＭが流動床の起動、停止時等に逆流しよ
うとしたとき、スリット部でＢＭがブリッジを瞬時に形
成してしまうため、ＢＭ全体の粒子の逆流が防止され
る。

【００４４】特に、断面を三角形状としたことで、出口
側の面にＢＭ粒子が衝突停止し、それが切っ掛けとなっ
て粒子渋滞を起こし、ブリッジ→逆流防止が可能とな
る。

【００４５】また、スリット４の内側へ万一過渡的に粒
子が入っても、次のノズル運転開始にて粒子は空気で容
易に燃料粒子と同様、炉内へパージされる。

【００４６】このようにスリット４があることで、粒子
の流れとして一方通行的効果が達成される。

【００４７】また、スリット部をセラミックス材料とす
ることで粒子衝突による摩耗が軽減され、長時間運転に
おいても出口スリット部の断面形状が初期と同一状態を
維持できるので、逆流効果も同様に継続できる。

【００４８】さらに、本実施の形態のように、スリット
４をノズル３の最も出口の噴出部に設けたことで、運転
中に万一セラミックスのスリット４が破損したりしても
炉内に放出されてしまうため、ノズル３内に異物となっ
て閉塞するおそれもない。

【００４９】図３は図１に示す燃料ノズルの出口部の断
面形状の他の例を示す図である。この実施の形態のスリ
ット４の断面形状を円形としている。

【００５０】ＢＭの逆流効果としては、三角形断面のス
リットに比較し、流れ方向が順流、反抗流何れも同一通
路形状となるため若干劣るものと推測されるが、実用上
はスリット通路幅等の調整で略同一の逆流防止効果が得
られる。

【００５１】逆に、セラミックス材の形状としては、成
形が円形の方が一般的に楽で熱衝撃に対しても強いため
破損し難く、長期間の耐久信頼性に対して秀でている。

【００５２】また、以上の実施の形態では、スリット４
の棒を横向き配列としたが、縦配列でも逆流防止には同
一効果が得られ、横に比べて棒上面への粒子堆積が避け
られるメリットがある。

【００５３】さらに、強度的にスリット状の長棒では不
安がある場合には格子状の開口とすることで、出口やセ
ラミックス部の強度確保と逆流防止効果の両立が可能と
なる。

【００５４】図４は本発明の第２の実施の形態に係る燃
料ノズルの縦断面図である。

【００５５】燃料ノズル３の全体断面形状は図８の従来
技術と同様Ｔ字型で、下方から搬送粒子２を空気搬送す
る搬送物１が入り、ノズル３内の天井壁から左右に分か
れて水平方向に火炉２０内に噴射される。

【００５６】ノズル３内部の鉛直部通路は、円錐テーパ
状となっており、この入口の最小口径はノズル入口管８
の内径と同一をなす。また、このテーパ状の空間にセラ
ミックス製の球状の浮子７があり、球径＞テーパ最小径
（浮子７の径が大きい）としてテーパ管より下部には浮
子７は落下しない。またノズル３内天井部には浮子７が
内接する溝２４がある。

【００５７】流動床内へ燃料である搬送粒子２を供給す
るときには、空気との混合搬送物１がノズル入口管８か
らノズル３内に図４の下方から上方へ流れ、上部でＴ字
型に左右に分かれ火炉２０内に供給される。

【００５８】このとき、ノズル３内のテーパ部に停止し
ていた浮子７′は、搬送粒子２と搬送空気１０の混合物
が衝突し、その浮力により図４の破線の位置より実線の
位置へ上昇し、浮子７がテーパ状の通路に浮いた状態で
搬送粒子２が供給される。

【００５９】次に、浮子７の重量をセラミックとしてさ
らに必要あれば浮子７の内部を空洞化、あるいは表面に
多数の穴あき状等の空隙を作ること等にて調整し、搬送
粒子２及び搬送空気１０の上方流による浮子７に作用す
る浮力を浮子７の重量以上とすることで、浮子７はノズ
ル３天井壁部まで上昇し、天井壁部の溝２４に入って停
止する。

【００６０】この状態が通常運転時（燃料供給時）とな
り、通路断面積を図８の従来例と同様に確保すれば、運
用上のドラフトロスも殆ど変わりなく運転可能となる。

【００６１】次に、何らかの理由で搬送物１の流れが悪
くなり、搬送物１の流速が低下したり、その結果、火炉
２０内から流動媒体５が逆流しようとしたとき、さらに
極端なケースとしては搬送系が停止中であったり、搬送
支管１６が摩耗して穴があいて大気と連通し、流動床内
の正圧にて流動媒体５がノズル３内を逆流しようとした
場合には、浮子７が自重により浮子７′の位置まで落下
して停止する。

【００６２】そのため、流動媒体５はノズル３の水平部
内にしか侵入できず、ノズル入口管８より上流側への逆
流が浮子７′により防止される。

【００６３】このようにノズル３内の浮子７の上下動に
より搬送粒子２、搬送空気１０が火炉２０内へ供給で
き、流動媒体５の逆流によるノズル３の上流側の詰まり
を回避することができる。

【００６４】また、ノズル３をセラミックス製とするこ
とで耐摩耗性を向上でき、搬送粒子２の衝突摩耗に対し
ても高い寿命と信頼性が得られる。また、本実施の形態
では浮子７の形状として球形の他に円筒形（この場合は
図４の断面形状は同一で平面通路を矩形にできる）とす
ることで、浮子７の回転により多角形での長期的偏摩耗
による断面形状の変化を防止することが可能である。

【００６５】浮子形状が球形の場合、流路の断面形状は
円形の方が逆流防止の密閉上好ましいが、逆に接触部分
が線接触となって閉止時の摩耗抵抗が増えて、再起動時
に浮子７が上昇してくれない（すなわち、浮子７自身が
詰まりの異物となる）おそれがある。

【００６６】このため、通路断面形状は矩形（正四角
形）とすることも考えられる。この場合には球と矩形通
路との間に隙間ができるが、ノズル通路幅が２０〜３０
ｍｍ程度に対し、逆流しては困る流動媒体５の粒径が石
灰石等の数ｍｍ前後であれば、逆止機能上は全く問題な
い。

【００６７】図５は本発明の第３の実施の形態に係る燃
料ノズルの構成図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ線断面視図である。

【００６８】この実施の形態では、浮子７の移動するテ
ーパ状の通路内にガイド９が（ｂ）に示す円周方向に９
０°の間隔で４カ所設けられ、浮子７がこのガイド９に
沿って上下移動できるようにしている。

【００６９】この実施の形態では、図４の実施の形態と
同一の効果が得られるが、さらに図４の実施の形態で浮
子７が万一天井部の溝２４に入らずに、外れて２方向の
出口通路の１方向に偏って塞ぐ状態になり得る可能性を
回避することが可能で、常に浮子７を通路中央位置に維
持することができる。

【００７０】図６は本発明の第４の実施の形態に係る燃
料ノズルの縦断面図である。

【００７１】この実施の形態では、浮子７が出口２つの
通路に独立して設置され、さらにノズル出口部となるた
め、逆流防止効果としてもノズル３内への流動媒体５の
侵入を完全に防止できるため、ノズル３内での流動媒体
５の固化、パージ不良等の悪影響を防ぐことが可能とな
る。

【００７２】図７は本発明の第５の実施の形態に係る燃
料ノズルの構成図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は
（ａ）のＢ−Ｂ線断面視図である。

【００７３】この実施の形態では、ノズル入口管８の鉛
直部通路面積（ノズル分岐部３１部分の面積）は従来例
と同じとし、ノズル出口部６を適当に絞ることにより、
具体的にはテーパを付けることにより搬送物１の噴出流
速を従来例より上昇させ、出口流動層内の圧力変動よる
流動媒体５のノズル３への逆流を防止することができる
ようにしたものである。

【００７４】なお、流動層内への燃料供給のため、流速
が上昇することによって燃料が必要以上に拡散供給され
るということは、火炉２０内に流動媒体５が充満してお
り、懸念する必要はない。

【００７５】また、ノズル出口部６を水平より下に向け
ることにより、万一逆流が生じた場合にも、位置ヘッド
により流動媒体５の上昇を防ぎ、搬送管への漏れ込みを
防止することが可能である。

【００７６】

【発明の効果】本発明によれば、燃料ノズル出口部にス
リットまたは格子状の板を設け、その通路最小幅をＢＭ
粒子最大径及び搬送粒子最大径以上とすることで、ある
いはノズル出口または内部に浮子を設置することで、さ
らにはノズル出口部を絞ることで、流動床の起動、停
止、運用中の何れの期間でも、流動媒体の逆流を防止す
ることができる。

【００７７】また、セラミックス材をノズル出口に設置
することで、ノズル耐摩耗寿命信頼性を確保することが
できる。

【００７８】従って、全体として流動床プラントの運用
信頼性を向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料ノズルの
構成図である。

【図２】図１に示す燃料ノズルの出口部の一例を示す構
成図である。

【図３】図１に示す燃料ノズルの出口部の断面形状の他
の例を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃料ノズルの
縦断面図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態に係る燃料ノズルの
構成図である。

【図６】本発明の第４の実施の形態に係る燃料ノズルの
縦断面図である。

【図７】本発明の第５の実施の形態に係る燃料ノズルの
構成図である。

【図８】流動床燃料供給系統の構成図である。

【図９】従来例に係る流動床燃焼炉用燃料ノズルの縦断
面図である。

【符号の説明】

１ 搬送物 ２ 搬送粒子 ３ ノズル ４ スリット ５ 流動媒体 ６ ノズル出口部 ８ ノズル入口管 １０ 搬送空気 １１ ビン １２ ロータリフィーダ １３ 搬送母管 １４ 分配管 １５ ボール弁 １６ 搬送支管 １７ 燃焼空気 １８ 分散板 １９ 風箱 ２０ 火炉 ２１ パージ空気 ２２ 止弁 ２３ 逆止弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 世良 和彦 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 潮田 岩雄 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 松本 昭光 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 吉岡 裕二 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

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流動床燃焼炉へ燃料を空気にて搬送供給
   する流動床燃焼炉用逆流防止型の燃料ノズルにおいて、 ノズル出口部あるいは内部に通路を横切ってスリット状
   あるいは格子状の開口部を設け、その開口部最小投影寸
   法を流動床構成媒体粒径及び燃料粒径の各々の最大径よ
   りも大きい寸法としたことを特徴とする燃料ノズル。
2. 【請求項２】 流動床燃焼炉へ燃料を空気にて搬送供給
   する流動床燃焼炉用逆流防止型の燃料ノズルにおいて、 ノズル出口部あるいは内部に通路を横切るスリット状あ
   るいは格子状の開口部を設け、その開口部投影寸法の最
   小部を流動床構成媒体最大粒径の１倍以上５倍以下とし
   たことを特徴とする燃料ノズル。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載において、前記開
   口部の断面形状を円形または流れ方向に対し末広がりと
   なるテーパ形状としたことを特徴とする燃料ノズル。
4. 【請求項４】 請求項１または２記載において、前記開
   口部の構成材としてセラミックスを使用したことを特徴
   とする燃料ノズル。
5. 【請求項５】 流動床燃焼炉へ燃料を空気にて搬送供給
   する流動床燃焼炉用逆流防止型の燃料ノズルにおいて、 ノズル内部あるいは出口部付近に球形または円筒形の浮
   子状の可動部を有し、燃料供給時には搬送空気及び搬送
   媒体により浮上し、休止時には重力にて落下し通路を遮
   断するように構成したことを特徴とする燃料ノズル。
6. 【請求項６】 請求項５記載において、前記浮子状可動
   部をセラミックスとし、搬送流体浮力がセラミックス浮
   子の重量を上回る運用条件としたことを特徴とする燃料
   ノズル。
7. 【請求項７】 請求項５記載において、前記浮子状可動
   部の通路を円錐テーパ状とし、テーパ最小径が浮子径よ
   り小となることを特徴とする燃料ノズル。
8. 【請求項８】 流動床燃焼炉へ燃料を空気にて搬送供給
   する流動床燃焼炉用逆流防止型の燃料ノズルにおいて、 流速を上昇させることにより、流動媒体のノズル内への
   逆流を防止するためのテーパ部を出口近傍に設けたこと
   を特徴とする燃料ノズル。
9. 【請求項９】 請求項８記載において、ノズル出口を下
   方に向けるようにしたことを特徴とする燃料ノズル。