JPH11211014A - 微粉炭燃焼バーナ及び微粉炭燃焼バーナの燃焼方法並びに微粉炭燃焼ボイラの燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】火炉の出口において微粉炭の燃焼灰中に残る灰
中未燃分や一酸化炭素が少なく、かつ火炉壁面での熱負
荷のバランスがよい微粉炭燃焼バーナの燃焼方法および
微粉炭燃焼ボイラの燃焼方法、また微粉炭燃焼バーナを
提供する。 【解決手段】微粉炭と空気との混合流体を噴出する微粉
炭ノズル１０と、空気を噴出する空気ノズル１１とを備
えた微粉炭燃焼バーナ２の燃焼方法において、前記微粉
炭燃焼バーナ２により形成される火炎を、微粉炭燃焼バ
ーナのバーナスロート径の２倍以内の距離においてバー
ナスロート径の２倍以上に広がり燃焼させるようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微粉炭燃焼バーナお
よび微粉炭燃焼バーナの燃焼方法並びに微粉炭燃焼ボイ
ラの燃焼方法に係わり、特に微粉炭を気流搬送して燃焼
させる微粉炭燃焼バーナおよび燃焼方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に採用されているこの種の燃焼
バーナにおいては、燃焼時に発生するＮＯｘの抑制が課
題となる。特に、石炭は窒素含有量が気体燃料や液体燃
料に比べて多い。そのため、微粉炭燃焼バーナの燃焼時
に発生するＮＯｘを減少させることは、気体燃料や液体
燃料の場合以上に難解なことである。

【０００３】微粉炭の燃焼時に発生するＮＯｘは、その
大部分が石炭中に含まれる窒素分が酸化されて発生する
ＮＯｘ（フューエルＮＯｘ）である。このＮＯｘを減ら
すために、従来よりさまざまなバーナの構成や燃焼方法
が検討されてきた。

【０００４】その燃焼方法の一つとして、火炎内に酸素
濃度の低い領域を形成し、酸素濃度の低いときに活発と
なるＮＯｘの還元反応を利用する燃焼方法がある。例え
ば、特開平１−３０５２０６号公報、特開平３−２１１
３０４号公報あるいは特開平３−１１０３０８号公報等
には酸素濃度の低い雰囲気の火炎（還元炎）を形成し、
かつ石炭を完全燃焼させる方法、さらには、微粉炭を気
流搬送する微粉炭ノズルを中心に、その外側に空気を噴
出する空気ノズルを備える構造が開示されている。これ
らの従来技術によれば、火炎の内部に酸素濃度の低い領
域を形成しており、還元炎領域でＮＯｘの還元反応を進
行させ、火炎内で発生するＮＯｘ量を少なくしている。

【０００５】また、特開平３−２１１３０４号公報およ
び特開平３−１０３０８号公報には、微粉炭ノズルの先
端に保炎リングあるいは障害物を設けることにより、微
粉炭ノズルの先端部下流側に循環流を形成し、安定燃焼
させるようにしたものが開示されている。すなわち、こ
の循環流内には高温のガスが滞留することから、微粉炭
の着火が進み、火炎の安定性が高まるものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような燃焼方法で
あると、ＮＯｘの還元域を形成するため、空気ノズルか
ら噴出する空気に強い旋回流を与え、微粉炭と空気との
混合を抑制する。このため、バーナから離れた位置にお
いても空気が混合しないので、火炎は細長くなる。この
とき、微粉炭流の噴出方向の速度は減衰しない。

【０００７】このため、例えば燃焼バーナが、火炉の対
向する横壁についている対向燃焼方式の場合、火炉中心
部で対向するバーナから形成される火炎が衝突すること
がある。このとき、微粉炭は衝突により上方へ運ばれる
場合、火炉内に滞留する時間は短くなる。そのため、燃
焼は進まず、灰中未燃分は増大する。また、火炎の衝突
により、側壁に向かって流れる場合、側壁部に燃料濃度
の高い部分が形成され、灰中未燃分の増加や一酸化炭素
濃度の増加を招きやすい。

【０００８】また、バーナが火炉の横壁に設置されてい
る片面燃焼方式の場合、火炎がバーナに対向する壁面に
衝突するため、燃料濃度の高い部分が形成し、灰中未燃
分の増加や一酸化炭素濃度の増加を招きやすい。また、
火炎が火炉内の偏った部分に形成されるので、火炉の壁
面での熱負荷のバランスが悪く、熱効率も低下する恐れ
がある。

【０００９】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、火炉の出口において微粉炭の燃焼
灰中に残る灰中未燃分や一酸化炭素が少なく、かつ火炉
壁面での熱負荷のバランスがよい微粉炭燃焼バーナの燃
焼方法および微粉炭燃焼ボイラの燃焼方法、また微粉炭
燃焼バーナを提供するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、微粉
炭と空気との混合流体を噴出する微粉炭ノズルと、空気
を噴出する空気ノズルとを備えた微粉炭燃焼バーナの燃
焼方法において、前記微粉炭燃焼バーナにより形成され
る火炎を、微粉炭燃焼バーナのバーナスロート径の２倍
以内の距離においてバーナスロート径の２倍以上に広が
り燃焼するようになし所期の目的を達成するようにした
ものである。

【００１１】またこの場合、前記微粉炭燃焼バーナの広
がり火炎を形成するに際し、前記空気ノズルから噴出さ
れる空気の噴出方向を、微粉炭ノズルの中心軸に対して
３０度より大きい角度で噴出するようにするか、あるい
は空気ノズルから噴出される空気の速度を、微粉炭ノズ
ルから噴出される混合流体の速度に対し、２対１から３
対１の範囲となし広がり火炎を形成するようにしたもの
である。

【００１２】また本発明は、微粉炭と空気との混合流体
を噴出する微粉炭ノズルおよび空気を噴出する空気ノズ
ルとを備えた微粉炭燃焼バーナと、この微粉炭燃焼バー
ナが設置されるボイラ火炉とを備え、前記微粉炭燃焼バ
ーナが前記ボイラ火炉の横壁に設けられている微粉炭燃
焼ボイラの燃焼方法において、前記微粉炭燃焼バーナに
より形成される火炎の輪郭が、微粉炭燃焼バーナからの
火炎噴出方向に対し前記ボイラ火炉幅の約２/３離れた
位置で、かつ微粉炭燃焼バーナの中心軸を延長した線よ
り上方部に形成されるようにしたものである。

【００１３】またこの場合、前記火炎を識別するに際
し、前記火炉壁に火炎撮影装置を設け、この火炎撮影装
置にて撮影された火炎を輝度補正により輝炎を認識さ
せ、輝炎の位置から火炎形状を識別するか、若しくは火
炎画像から、火炎近傍のガス濃度あるいは温度を認識
し、特定のガスの濃度あるいは温度分布から火炎形状を
識別するようにしたものである。

【００１４】また本発明は、微粉炭と空気との混合流体
を噴出する微粉炭ノズルと、空気を噴出する空気ノズル
とを備えた微粉炭燃焼バーナにおいて、前記空気ノズル
の空気噴出口を、微粉炭ノズルの中心軸に対して３０度
より大きい角度で空気を噴出するように形成したもので
ある。

【００１５】すなわちこのような燃焼方法，または燃焼
バーナであると、燃焼バーナ近くから火炎の幅が広げら
れることにより、燃焼バーナから噴出される微粉炭の流
速は遅く、火炉内の滞留時間は従来のものに比べ長くな
り、このため、燃焼率は高くなり、灰中未燃分は減少す
るのである。また、燃焼バーナにより形成される火炎の
輪郭が、燃焼バーナからの火炎噴出方向に対しボイラ火
炉幅の約２/３離れた位置で、かつ微粉炭燃焼バーナの
中心軸を延長した線より上方部に形成されることから、
衝突により従来生じていた側壁近傍における微粉炭と空
気の混ざらない空間が形成されることはないので、火炉
出口での一酸化炭素濃度を抑制することができるのであ
る。また、火炎の衝突がなくなることから、壁面での温
度の上昇による焼損や腐食の可能性も小さくすることが
できるのである。

【００１６】

【発明の実施の形態】〔実施例１〕以下本発明の第１の
実施例を、図１および図２に基づき詳細に説明する。な
お、図１と図２は本発明の微粉炭燃焼ボイラの火炉の概
略図であり、図３と図４はそれぞれ図１と図２に示す微
粉炭燃焼ボイラと対比するために示した従来のボイラの
火炉の概略図である。また、図１と図３は微粉炭バーナ
の中心軸を通る火炉の縦断面を示し、図２と図４は水平
断面を示している。

【００１７】これらの図において、１が火炉であり、２
が燃焼バーナ、１０が微粉炭を気流搬送する微粉炭ノズ
ル、１１は空気ノズルである。燃焼バーナ２は、微粉炭
ノズル１０および空気ノズル１１から構成されている。
なお、微粉炭ノズル１０の上流側は微粉炭搬送管と空気
管（図示せず）とにつながっている。燃焼バーナ２が形
成する火炎は２１として示されている。

【００１８】また、火炉の出口側に近い部分には、空気
を燃焼バーナよりも火炉出口に近い位置から供給する空
気供給ノズル１７が設けられており、この空気供給ノズ
ル１７からは、不足空気量が供給される。すなわち、燃
焼バーナからは微粉炭の完全燃焼に必要な空気量より少
ない空気が供給され、その不足する空気量が空気供給ノ
ズル１７から供給されるのである。

【００１９】また、前記燃焼バーナ２は、特に次のよう
に形成されている。すなわち、燃焼バーナからの火炎
が、燃焼バーナから微粉炭の噴出方向にバーナスロート
径に対して２倍の位置で、径方向に２倍以上に広がるよ
うに形成されているのである。すなわち、このような燃
焼バーナ、または燃焼方法であると、図４に示されてい
るように従来のものでは火炎幅が狭く、微粉炭の流速が
早いため、対向する火炎が火炉中心部で衝突し（部分３
１に衝突する火炎部分を示す）、このとき、衝突により
上方に運ばれる微粉炭は短い時間で火炉外へ流れるた
め、燃焼率は低く、灰中未燃分は増加する。また、衝突
により側壁部に運ばれる微粉炭により、側壁近傍に微粉
炭と空気が混ざらない空間３２が形成され、このとき、
火炉出口での一酸化炭素濃度は高まり、側壁の腐食につ
ながりやすくなるが、これに対し、本発明のものでは、
図２に示されているように、対向するバーナから噴出す
る微粉炭はバーナ近くから火炎の幅が広がるので、流速
は遅くなり、火炉内の滞留時間は従来例に比べ、長くな
る。また、火炉中心部における微粉炭の流速は遅いの
で、火炎の衝突による一酸化炭素の増大や側壁の腐食の
可能性は小さくなるのである。

【００２０】なお、本実施例では、対向燃焼方式の火炉
について説明してきたが、本発明は、これに限らず燃焼
バーナが火炉の一方側の壁面に取り付けられている片面
燃焼方式の場合も同様である。

【００２１】〔実施例２〕図５は本発明の他の実施例を
示す微粉炭燃焼ボイラの火炉の概略図で、この図は微粉
炭燃焼バーナの中心軸５２を通る火炉の縦断面が示され
ている。この図において、１０は微粉炭を気流搬送する
微粉炭ノズルを、１５は空気ノズルを示し、上流側は微
粉炭搬送管と空気管（図示せず）につながっている。ま
た、２１はバーナから形成される火炎を示している。

【００２２】この図では図１に示した第１の実施例と異
なり、バーナが火炉の１断面に取り付けられている片面
燃焼方式のものである。このバーナにおいて、空気ノズ
ル１１の微粉炭ノズルに近い壁面に案内板５１が設けら
れており、この案内板５１は微粉炭ノズルの中心軸に対
し、３０度から５０度の角度で設置されており、空気ノ
ズル１１から噴出される空気が外周方向に噴出するよう
に形成されている。

【００２３】このため、空気は微粉炭ノズルの中心軸か
ら離れて流れるので、火炎は径方向に広がる。なおこの
場合、火炎はバーナから微粉炭の噴出方向にバーナスロ
ート径に対して２倍の位置で径方向に２倍以上に広がる
ようにする。また、図５に示されるようにバーナが片側
に取り付けられている片面燃焼方式の場合、バーナから
対向する壁までの距離を火炉幅と規定すると、この実施
例では、火炎はバーナから火炉幅の２／３の位置におい
て微粉炭ノズルの中心軸の延長線から離れるように燃焼
させるようにする。

【００２４】このようにすると、火炉内の滞留時間が長
くなり、良好な燃焼が行われる。すなわち、従来のもの
では火炎幅が狭く、微粉炭の流速が早いため、火炎がバ
ーナに対向する壁面に衝突し、このとき、衝突により上
方に運ばれる微粉炭は短い時間で火炉外へ流れるため、
燃焼率は低く、灰中未燃分は増加する。また、衝突によ
り側壁部に運ばれる微粉炭により、側壁近傍に空気と混
ざらずに火炉から流れる空間が形成され、このとき、火
炉出口での一酸化炭素濃度は高まる。さらに、衝突によ
り対向壁や側壁の温度が上がるため、焼損や腐食につな
がりやすくなる。

【００２５】それに対し、本実施形態ではバーナ近くか
ら火炎の幅が広がるので、バーナから噴出する微粉炭の
流速は遅く、火炉内の滞留時間は従来のものに比べて長
くなる。また、側壁での温度の上昇による焼損や腐食の
可能性は小さくなる。

【００２６】本実施例のように、空気ノズルから微粉炭
ノズル中心軸に対して３０度から５０度で空気を噴出す
る場合、空気の噴出速度は微粉炭と空気の混合物（微粉
炭流１６）の噴出流速に対し２対１から３対１の比率に
することが望ましい。このとき、微粉炭と空気の混合物
の噴出流速は微粉炭の安定燃焼に必要な流速（１３ｍ／
ｓから２５ｍ／ｓ）を考慮すると約３０ｍ／ｓから６０
ｍ／ｓとなる。

【００２７】空気ノズルから噴出する空気と微粉炭流は
それぞれのもつ運動量により、バーナ近傍で離れて流れ
るので、火炎幅は広がる。また、微粉炭の流速は噴出
後、すみやかに減衰する。

【００２８】また、本実施例のように、案内板を空気ノ
ズルに設ける場合、案内板を設けた空気ノズルから噴出
する空気は旋回流速成分をもたない直進流、もしくは弱
い旋回成分をもつ弱旋回流とすることが望ましい。この
とき、空気ノズルから噴出する空気と微粉炭流は旋回流
による遠心力が弱いので、バーナからスロート径で４倍
以上離れた下流では混合しやすくなる。このため、燃焼
反応が進み、灰中未燃分が減少する。

【００２９】〔実施例３〕図６は本発明の第３の実施形
態に係わる微粉炭燃焼ボイラの火炉の概略図である。図
６は微粉炭バーナの中心軸を通る火炉の縦断面が示され
ている。

【００３０】図６において、１０は微粉炭を気流搬送す
る微粉炭ノズルを、１１は空気ノズルを示し、上流側は
微粉炭搬送管と空気管を介し微粉炭ミル６１とブロア６
２につながっている。また、２１はバーナから形成され
る火炎が示されている。図６では図１に示す第１の実施
例と異なり、バーナが火炉の一側壁面に取り付けられて
いる片面燃焼方式である。

【００３１】また、空気をバーナとバーナよりも火炉出
口に近い位置から供給する空気供給ノズル１７を有す
る。バーナからは微粉炭の完全燃焼に必要な空気量より
少ない空気を供給し、不足する空気を空気供給ノズル１
７から供給する。

【００３２】さらに、火炉の壁面には火炎を観察する撮
影装置６３が接続され、火炎画像は信号処理器６４を通
してボイラの制御装置６５とつながる。バーナや空気供
給ノズルから噴出する微粉炭や空気の流速は、制御装置
から各操作端への信号により操作される。

【００３３】図６に示されるボイラの制御において、火
炎撮影装置６３の画像から、火炎の位置、もしくは大き
さを判定し、制御操作の基準とする。図６の場合、バー
ナより下側に設置した撮影装置により火炎の下面を撮影
し、信号処理により火炎の下側輪郭を判定する。そし
て、得られた火炎輪郭が、好適な燃焼状態時での火炎輪
郭と同様か否かを判定する。差異の大きい場合はバーナ
や空気供給口に供給する空気や微粉炭の量を調整するこ
とで、好適な燃焼状態に近づける。

【００３４】好適な燃焼状態を得るための判定条件の例
としては、火炎が対向壁に衝突しないように、バーナか
ら火炉幅の２／３の位置で、火炎の下輪郭が微粉炭ノズ
ル中心軸の延長線より上方に位置するなどが挙げられ
る。

【００３５】また、火炎を識別する手段として、下記の
手段が考えられる。

【００３６】（１）火炎撮影装置により撮影された火炎
画像を輝度補正により輝炎部を認識させる。輝炎部の位
置から火炎形状を識別する。

【００３７】（２）火炎画像から、火炎近傍のガス濃度
を認識し、特定のガス（酸素、二酸化炭素、一酸化炭
素、燃焼中の中間生成物）の濃度から火炎形状を識別す
る。

【００３８】（３）火炎画像から、火炎近傍の温度を認
識し、温度分布から火炎形状を識別する。

【００３９】なお、撮影装置の設置位置は、図６のよう
にバーナより下側の対向壁に設置するようにするのが最
も良いが、その他、側壁やバーナ設置側の壁面あるいは
バーナより上方や下方のいずれでも良い。

【００４０】以上説明してきたようにこのような粉炭燃
焼バーナおよび微粉炭ボイラの燃焼方法であると、バー
ナ近くから火炎の幅を広げることにより、バーナから噴
出する微粉炭の流速は遅く、火炉内の滞留時間は従来例
に比べ長くなる。このため、燃焼率は高くなり、灰中未
燃分は減少する。また、衝突により側壁近傍に空気と混
ざらずに火炉から流れる空間が形成されないので、火炉
出口での一酸化炭素濃度を抑制できる。また、火炎の衝
突がなくなるので壁面での温度の上昇による焼損や腐食
の可能性を小さくすることができるのである。

【００４１】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、火炉の出口において微粉炭の燃焼灰中に残る灰中未
燃分や一酸化炭素が少なく、かつ火炉壁面での熱負荷の
バランスがよい微粉炭燃焼バーナの燃焼方法および微粉
炭燃焼ボイラの燃焼方法、また微粉炭燃焼バーナを得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃焼方法の一実施例に係る微粉炭ボイ
ラの縦断側面図である。

【図２】図１の水平断面図である。

【図３】従来の燃焼方法に係わる微粉炭ボイラの縦断側
面図である。

【図４】図３の水平断面図である。

【図５】本発明の燃焼方法の他の実施例に係る微粉炭ボ
イラの縦断側面図である。

【図６】本発明の燃焼方法の他の実施例に係る微粉炭ボ
イラの縦断側面図である。

【符号の説明】

１…火炉、２…燃焼バーナ、１０…微粉炭ノズル、１１
…空気ノズル、１２…二段燃焼用空気投入口、１３…火
炉室、１４…火炉出口、１５…燃焼用空気、１６…微粉
炭と空気の混合物、１７…二段燃焼用空気、１８…バー
ナスロート部、２１…火炎、２２…二段燃焼用空気の流
れ、３１…火炎の衝突部、３２…側壁への火炎の衝突
部、５１…案内板、５２…微粉炭ノズル中心軸、６１…
微粉炭ミル、６２…ブロア、６３…火炎撮影装置、６４
…画像処理装置、６５…制御装置。

フロントページの続き (72)発明者 津村 俊一 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 木山 研滋 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 神保 正 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 倉増 公治 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 森田 茂樹 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 野村 伸一郎 広島県呉市宝町３番36号 バブコック日立 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 バブコック日立 株式会社呉研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微粉炭と空気との混合流体を噴出する微
   粉炭ノズルと、空気を噴出する空気ノズルとを備えた微
   粉炭燃焼バーナの燃焼方法において、 前記微粉炭燃焼バーナにより形成される火炎が、微粉炭
   燃焼バーナのバーナスロート径の２倍以内の距離におい
   てバーナスロート径の２倍以上に広がり燃焼されるよう
   にしたことを特徴とする微粉炭燃焼バーナの燃焼方法。
2. 【請求項２】 前記微粉炭燃焼バーナの広がり火炎を形
   成するに際し、前記空気ノズルから噴出される空気の噴
   出方向を、微粉炭ノズルの中心軸に対して３０度より大
   きい角度で噴出するようにするか、若しくは空気ノズル
   から噴出される空気の速度を、微粉炭ノズルから噴出さ
   れる混合流体の速度に対し、２対１から３対１の範囲と
   なし広がり火炎を形成するようにした請求項１記載の微
   粉炭燃焼バーナの燃焼方法。
3. 【請求項３】 微粉炭と空気との混合流体を噴出する微
   粉炭ノズルおよび空気を噴出する空気ノズルとを備えた
   微粉炭燃焼バーナと、この微粉炭燃焼バーナが設置され
   るボイラ火炉とを備え、前記微粉炭燃焼バーナが前記ボ
   イラ火炉の横壁に設けられている微粉炭燃焼ボイラの燃
   焼方法において、 前記微粉炭燃焼バーナにより形成される火炎の輪郭が、
   微粉炭燃焼バーナからの火炎噴出方向に対し前記ボイラ
   火炉幅の約２/３離れた位置で、かつ微粉炭燃焼バーナ
   の中心軸を延長した線より上方部に形成されるようにし
   たことを特徴とする微粉炭燃焼ボイラの燃焼方法。
4. 【請求項４】 前記火炎を識別するに際し、前記火炉壁
   に火炎撮影装置を設け、この火炎撮影装置にて撮影され
   た火炎を輝度補正により輝炎を認識させ、輝炎の位置か
   ら火炎形状を識別するか、若しくは火炎画像から、火炎
   近傍のガス濃度あるいは温度を認識し、特定のガスの濃
   度あるいは温度分布から火炎形状を識別してなる請求項
   １，２または３記載の微粉炭燃焼ボイラの燃焼方法。
5. 【請求項５】 微粉炭と空気との混合流体を噴出する微
   粉炭ノズルと、空気を噴出する空気ノズルとを備えた微
   粉炭燃焼バーナにおいて、 前記空気ノズルの空気噴出口が、微粉炭ノズルの中心軸
   に対して３０度より大きい角度で空気を噴出するように
   形成されていることを特徴とする微粉炭燃焼バーナ。