JPH10287907A - 熱風炉および熱風炉の運用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大きな圧力損失を伴わずに、熱風炉出口での
ガス温度偏差を小さくすること。 【解決手段】 熱風炉には筒状容器の一方の底面のバー
ナ２からの火炎のガス温度の調整と燃焼用空気供給量の
調整のために側壁に空気供給用ノズル３、４がある。上
流側のノズル３と下流側ノズル４は、側壁の周方向にそ
れぞれ一列状に多数設けられ、かつ各列のノズル３とノ
ズル４はそれぞれ一対一の対応関係にあり、それぞれ対
応するノズル３とノズル４を筒状容器の両底面の中心を
結ぶ中心軸を面内に含む同一平面上にそれぞれ配置す
る。ノズル３の空気噴射により炉内燃焼ガスの速度の遅
い後流領域が作られ、それによりノズル４の空気噴流の
貫通力が確保され、燃焼ガスと供給される空気の混合が
促進されるため、熱風炉出口部でのガス温度偏差を低減
できる。熱風炉出口のガス温度の分布を測定し、ガス温
度が高い所にあるノズル４からの希釈空気の投入量を多
くすると、ガス温度偏差が小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温空気を供給す
る工業装置に係わり、特に燃焼ガス出口におけるガス温
度の偏差を小さくした熱風炉と該熱風炉を用いる流動層
燃焼炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】大量の高温空気を供給する工業装置とし
て熱風炉があり、主として流動層燃焼炉の補器として用
いられる。図４に流動層燃焼炉４１と熱風炉１を主な構
成要素とする燃焼装置を示す。前記燃焼装置の熱風炉１
には円筒状の容器の一方の底面に設けられたバーナ２と
円筒状容器の側壁に設けられた多数の希釈空気供給用ノ
ズル４７が配置され、該ノズル４７より円筒状容器の後
流部には熱風炉１で生成した熱風が通るダクト４６及び
ウインドボックス４２が配置されており、続いて熱風は
流動層燃焼炉４１を構成する梁４５、分散板４４及び流
動層４３に導入される。

【０００３】熱風炉１は通常は円筒形状をしており、バ
ーナ２は円筒状容器の熱風出口がある底面と対向する底
面に配置される。また、熱風炉１の側壁に多数設けられ
たノズル４７はガス温度とガス中の酸素濃度を調整する
ためのものであり、ノズル４７から希釈空気を熱風炉１
内に投入し、この希釈空気をバーナ２からの高温燃焼ガ
スと混合させ、後流側の流動層燃焼炉４１などの装置に
高温空気を供給する。

【０００４】流動層燃焼炉４１は低品位な燃料を用いる
場合にも好適な燃焼装置である。流動層４３は砂などの
流動媒体と投入された燃料からなり、分散板４４に支え
られている。ウインドボックス４２から分散板４４を通
って流動層燃焼炉４１に供給された高温空気は、流動層
４３を流動化させつつ酸化剤として作用する。燃焼によ
り生成した燃焼ガスは、流動層燃焼炉４１の上部から排
出される。

【０００５】流動層燃焼炉４１の起動時にのみ、流動層
４３を燃焼に必要な温度まで昇温するために、熱風炉１
のバーナ２を用いる。流動層４３内での燃焼が継続され
る通常の運転時には、バーナ２は用いず、熱風炉１には
空気を供給するだけである。図４に示した熱風炉１、流
動層燃焼炉４１は多くの製品化の例があり、標準的なも
のである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術による熱
風炉１の構造では、図６（ａ）に示すようにバーナ２か
らの高温ガス７の流れが炉内の一部に偏る壁面付着流と
なる（コアンダ効果）。熱風炉１は通常横置きに設置さ
れるが、この場合、浮力の効果で高温ガス７の流れは上
部壁面側に偏る。このため、熱風炉１の出口断面におい
て高温ガス７の温度に偏りが生じ、ほとんどの形式の熱
風炉１では出口下端のガス温度に対して上端のガス温度
は図６（ｂ）に示すよう３００℃程度高くなる。以後、
これをガス温度の偏差と称する。

【０００７】このガス温度の偏差が図４のウインドボッ
クス４２に持ち込まれ、流動層４３の加熱の偏差の原因
となる。また、前記ガス温度の偏差はダクト４６や分散
板４４を支えるための梁４５などの構造物内部に温度分
布を生じさせ、ハンピング（熱応力のため構造物全体が
反り返ること）の原因となる。

【０００８】従来の小規模な流動層燃焼炉４１では問題
が少なかったが、近年の大容量流動層燃焼炉４１では装
置の寸法が大きいため、ガス温度の偏差に起因する流動
層４３内での加熱状態の偏差や構造物のハンピングが重
大な問題となっている。特に、新発電方式を採用した加
圧流動層複合発電プラントの場合、図４に示す装置全体
が１０気圧程度の加圧下で作動するため、梁４５やダク
ト４６が肉厚構造となり、熱応力が大きく作用するの
で、ガス温度の偏差の問題がより深刻となる。ここで
は、熱風炉１を流動層燃焼炉４１の補器として用いた場
合の例を示したが、一般に熱風炉１の出口のガス温度は
均一であることが望ましい。

【０００９】また、従来構造の熱風炉１では、図７（図
７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は熱風炉のノズル４７配
置部分の側壁面の円周方向の切断面）に示すように希釈
空気供給用ノズル４７が熱風炉１の円筒状側壁面の円周
方向に一列に並べて配置されているため、ノズル４７か
ら熱風炉１内の径方向に向けて流れる希釈空気６１の流
れの貫通力が弱いのでバーナ２からウインドボックス４
２（図４）に向かう熱風炉１内の燃焼ガス流れに曲げら
れ、燃焼ガスと希釈空気６１との混合が不十分で、熱風
炉１内のガス温度の分布に偏差ができる。

【００１０】また、図８（図８（ａ）は斜視図、図８
（ｂ）は熱風炉のノズル４７配置部分の側壁面の円周方
向の切断面）に示すように熱風炉１の側壁面の円周方向
にノズル４７を千鳥状に多数配置したものも実用化され
ているが、希釈空気６１の流れが熱風炉１内のバーナ２
からウインドボックス４２（図４）に向かう燃焼ガス流
れを遮ろうとする希釈空気６１の貫通力が弱いことは図
７に示すノズル４７の場合と同様である。そのため、バ
ーナ２からの燃焼ガスと希釈空気６１との混合度合いが
不十分となり、熱風炉１内のガス温度の分布に偏差がで
きるのは図７に示す熱風炉１と同様である。

【００１１】また図８でノズル４７のガス流れの前後方
向の間隔ｄを大きくした場合、各々のノズル４７からの
個々の希釈空気６１の噴流が孤立するので、噴流の貫通
力が弱く、この場合も燃焼ガスと希釈空気６１の混合が
不十分となり、熱風炉１内でのガス温度分布の偏差が解
消されない。図６（ｂ）に示す熱風炉１出口下端部と上
端部のガス温度の偏差約３００℃は、これら図７、図８
に示す従来の構造を採用した場合にも当てはまる。

【００１２】また、熱風炉１の内部に図９に示す絞り８
０、図１０に示すミキサー９０を配置すれば、ガス温度
の偏差は大幅に小さくなる。しかし、熱風炉１内部での
圧力損失が大きくなり、実用的ではない。さらに、絞り
８０またはミキサー９０のような突起構造物がバーナ２
からの燃焼ガスに直接さらされるため、高温場での材料
強度が充分であるかどうか問題になる場合もある。

【００１３】本発明の課題は、大きな圧力損失を伴わず
に、熱風炉出口でのガス温度偏差を小さくすることにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の上記課題は次の
構成により解決される。すなわち、筒状容器の一方の底
面にバーナを備え、他方の底面に開口部を設け、該バー
ナからの火炎のガス温度の調整と燃焼用空気供給量の調
整のために筒状容器の側壁に空気供給用ノズルを備え、
筒状容器内で生じた熱風を前記開口部から噴出させる熱
風炉において、空気供給用ノズルは、上流側と下流側の
側壁の周方向にそれぞれ一列状に多数設けられ、かつ上
流側と下流側の各列の空気供給用ノズルはそれぞれ一対
一の対応関係にあり、しかもそれぞれ対応する上流側ノ
ズルと下流側ノズルは筒状容器の両底面の中心を結ぶ中
心軸を面内に含む同一平面上にそれぞれ配置される熱風
炉である。

【００１５】また、上記構成からなる熱風炉を流動層燃
焼炉の流動層の高温ガス供給用に設置すると大容量流動
層燃焼炉であっても、ガス温度の偏差に起因する流動層
内での加熱状態の偏差や構造物のハンピングの問題が生
じない。

【００１６】そして本発明の上記熱風炉は、熱風炉開口
部の燃焼ガスのガス温度または壁面温度分布に応じて、
空気供給用ノズルからの空気の投入量を制御するような
運用方法により、より確実にガス温度の偏差を防止する
ことができる。本発明の熱風炉のケーシングを構成する
筒状容器の断面形状は円筒状、多角状のものなどを使用
することができる。

【００１７】

【作用】熱風炉の上流側の空気供給用ノズルからの空気
噴射により炉内燃焼ガスの速度の遅い後流領域が作ら
れ、それにより下流側の空気供給用ノズルからの空気噴
流の貫通力が確保され、燃焼ガスと供給される空気の混
合が促進されるため、熱風炉出口部でのガス温度偏差を
低減できる。

【００１８】さらに、熱風炉出口のガス温度の分布を測
定し、円筒状側壁面の円周方向のガス温度が高い所から
の希釈空気の投入量を多くするように制御すると、より
効果的である。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について説明
する。図１には熱風炉１の一例を示す。この熱風炉１
は、円筒状容器の一方の底面に設けられたバーナ２、上
流側の円筒状容器の側壁面の周方向に一列に配置される
複数のノズル３、下流側の前記側壁面の周方向に一列に
配置される複数のノズル４及び他方の円筒状底面に設け
られた熱風出口８から構成される。図２にノズル３、４
から熱風炉１内に、それぞれ投入された上流側希釈空気
５と下流側希釈空気６の流れを示した。また、バーナ２
から熱風炉１内に投入された高温ガス７の流れとノズル
３、４からの流量が調整された上流側希釈空気５と下流
側希釈空気６の流れをそれぞれ図３に示した。

【００２０】ここで、それぞれの系統のノズル３、４は
図１に示すように、対応するノズル３とノズル４はそれ
ぞれ熱風炉１の側壁面において、円筒状容器の中心軸を
面内に含む同一平面上に配置される。したがって、ノズ
ル３とノズル４の設置数は同一である。

【００２１】こうして、熱風炉１のノズル３からの上流
側希釈空気５の噴流によりバーナ２からの炉内燃焼ガス
が影響を受け、その燃焼ガス流れに速度の遅い領域がノ
ズル３の後流領域に形成される。それによりノズル４か
らの下流側希釈空気６の噴流の貫通力が確保され、バー
ナ２からの燃焼ガスとノズル４からの希釈空気６の均一
な混合が確保されるため、熱風炉１出口でのガス温度偏
差を低減できる。

【００２２】図４に示すような流動層燃焼炉４１の補器
として用いる長さ約５ｍの熱風炉１で実験を行ったとこ
ろ、図７及び図８に示す従来の構造の熱風炉１では出口
ガス温度偏差は約３００℃であったが、本発明による図
１の構造を採用したところ、圧力損失の上昇を伴わずに
前記ガス温度偏差を５０℃以下に低減させることができ
た。

【００２３】上記実験条件は以下のように設定した。用
いた熱風炉１のサイズは図５（ａ）に示し、バーナ２の
直径は０．６ｍ、１５０℃の空気を７４ｍ／秒で流入さ
せ、投入燃料発熱量は１５．４ＭＷであり、ノズル３、
４、４７から導入する希釈空気流速は１８．８ｍ／秒、
希釈空気温度は１５０℃とした。

【００２４】本発明の熱風炉１の要部のサイズを図５
（ｂ）に示すが、直径１００ｍｍのノズル３、４はそれ
ぞれ１０個設けている。また、図７に示す従来技術の熱
風炉１のサイズは図５（ｃ）に示し、ノズル４７の直径
は１４１ｍｍで１０個設けた。図８に示す従来技術の熱
風炉１のサイズは図５（ｄ）に示し、ノズル４７の直径
は１００ｍｍで千鳥状に配置した２列のノズル４７をそ
れぞれ１０個設けた。

【００２５】また、図３に示すよう、バーナ２からの高
温ガス７の流れはコアンダ効果により熱風炉１の上側の
内壁面に付着して流れるが、これは、多くの場合、熱風
炉１は横置きに設置されるため浮力の効果で高温ガス７
の流れは上方の内壁面に沿って流れることによる。この
ため、熱風炉１の出口でのガス温度の偏差は、出口断面
上部において高温となる。しかし、熱風炉１の設置方法
によっては、出口ガス温度の偏差の方向が定まっている
わけではない。このような一般的な場合に対しては、図
３に示すように出口断面でのガス温度または壁面温度を
たとえば熱電対１０を用いて測定し、制御装置１１を介
して希釈空気の流量の調整装置１２、１３によりガス温
度の高い側のノズル３またはノズル４からの希釈空気５
または希釈空気６の投入量を制御すると、ガス温度偏差
の低減が効果的に行える。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、燃焼ガスと希釈空気の
均一な混合が確保でき、従来技術で問題となる熱風炉出
口でのガス温度の偏差が低減され、しかも、絞りやミキ
サーなどを熱風炉内に設ける場合のように圧力損失の上
昇を伴わなく、流動層燃焼炉の大型化にも対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態の熱風炉の斜視図であ
る。

【図２】 図１の熱風炉の断面図およびノズルからの希
釈空気空気の投入量を制御する系統を示す図である。

【図３】 本発明によるガス温度偏差に応じた希釈空気
投入量制御法を示す例である。

【図４】 熱風炉を流動層燃焼炉の補器として用いた場
合を示す断面図である。

【図５】 本発明と比較例の実験条件を説明する熱風炉
のサイズを示す図である。

【図６】 従来技術による熱風炉の断面図による熱風炉
出口におけるガス温度の偏差を示した図である。

【図７】 従来技術による希釈空気投入ノズルの配置を
示す熱風炉斜視図である。

【図８】 従来技術による希釈空気投入ノズルの配置を
示す熱風炉斜視図である。

【図９】 従来技術による熱風炉内ガス混合促進に絞り
を用いた熱風炉断面図である。

【図１０】 従来技術による熱風炉内ガス混合促進にミ
キサーを用いた熱風炉断面図である。

【符号の説明】

１ 熱風炉 ２ バーナ ３ 上流側希釈空気用ノズル ４ 下流側希釈空気
用ノズル ５ 上流側希釈空気 ６ 下流側希釈空気 ７ 高温ガス １０ 熱電対 １１ 制御装置 １２、１３ 希釈空気の流量、流速の調整装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状容器の一方の底面にバーナを備え、
   他方の底面に開口部を設け、該バーナからの火炎のガス
   温度の調整と燃焼用空気供給量の調整のために筒状容器
   の側壁に空気供給用ノズルを備え、筒状容器内で生じた
   熱風を前記開口部から噴出させる熱風炉において、 空気供給用ノズルは、上流側と下流側の側壁の周方向に
   それぞれ一列状に多数設けられ、かつ上流側と下流側の
   各列の空気供給用ノズルはそれぞれ一対一の対応関係に
   あり、しかもそれぞれ対応する上流側ノズルと下流側ノ
   ズルは筒状容器の両底面の中心を結ぶ中心軸を面内に含
   む同一平面上にそれぞれ配置されることを特徴とする熱
   風炉。
2. 【請求項２】 請求項１記載の熱風炉を流動層の高温ガ
   ス供給用に設置したことを特徴とする流動層燃焼炉。
3. 【請求項３】 請求項１記載の熱風炉において、熱風炉
   開口部の燃焼ガスのガス温度または壁面温度分布に応じ
   て、空気供給用ノズルからの空気の投入量と流速の少な
   くともいずれかを制御する熱風炉の運用方法。