JPS59119106A - 微粉炭燃焼バーナを備えたボイラ - Google Patents

微粉炭燃焼バーナを備えたボイラ

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JPS59119106A
JPS59119106A JP57226907A JP22690782A JPS59119106A JP S59119106 A JPS59119106 A JP S59119106A JP 57226907 A JP57226907 A JP 57226907A JP 22690782 A JP22690782 A JP 22690782A JP S59119106 A JPS59119106 A JP S59119106A
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flame
combustion
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茂 小豆畑
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紀夫 嵐
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清 楢戸
Toru Inada
徹 稲田
Kenichi Soma
憲一 相馬
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大塚 馨象
Takao Hishinuma
孝夫 菱沼
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    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C2201/30Staged fuel supply
    • F23C2201/301Staged fuel supply with different fuels in stages

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はボイラなどに用いられる微粉状石炭(以下微粉
炭と称す)の燃料バーナに係シ、特に微粉炭の燃焼時に
発生する窒素酸化物(以下N Oxと称す)と未燃分量
を低減するのに好適な微粉炭低NOxバーナの燃料噴出
方法及びその装置に関する。
〔従来技術〕
化石燃料中には、炭素、水素等の燃料成分の他に窒素(
N)分が含まれている。特に石炭の場合には気体燃料や
液体燃料に比較してN分含有量が多い。従って、石炭の
燃焼時に発生するN Oxは、気体燃料の燃焼時に発生
するNOxよりも多く、このNOx?:極力低減するこ
とが要望されている。
種々な燃料の燃焼時に発生するN Oxは、その発生形
態によりサーマルNOxとフューエルNOXとに分類さ
れる。サーマルN0xl’j燃焼用空気中の窒素が酸素
によって酸化され生成するものであり、フューエルN 
Oxは燃料中のN分の酸化によって生成するものである
。これらのNOx発生を抑制するだめの燃焼法として、
従来、燃焼用空気を多段に分割して供給する多段燃焼法
、低酸素濃度の燃焼排ガスを燃焼領域に混入する排ガス
再循環法などがある。これらの低N Ox燃焼法に共通
の原理は、燃焼火炎の温度を低下させることにより、窒
素と酸素の反応を抑制することにある。前記2種類のN
0XO中で、燃焼温度の低下によって発生を抑制できる
のはサーマルN Oxで6D、フューエルN Oxの発
生は燃焼温度に対する依存性が小さい。従って火炎温度
の低下を目的とする燃焼法は、N分含有量の少ない燃料
からのN Ox低減には有効であるが、発生するNOx
の80%近くがフューエルN Oxである微粉炭燃焼に
対しては効果が小さい。
石炭中の可燃成分は揮発成分と固体成分とに大別できる
。この石炭固有の性質に従い、微粉炭の燃焼機構は揮発
分が放出される微々炭の熱分解過程、更に熱分解後の可
燃性固体成分(以下チャーと称す)の燃焼過程からなる
。揮発成分の燃焼速度は固体成分の燃焼速度よりはやく
、揮発成分は燃焼の初期過程で燃焼する。ま/こ、熱分
解過程では、石炭中に含有されるN分も、他の可燃成分
と同様に揮発放出されるものとチャー中に歿るものとに
分かれる。従って、微粉炭燃焼時に発生するフューエル
N Oxは、揮発性N分からのNOxとチャー中のN分
からのN Oxとに分かれる。揮発性N分は、燃焼の初
期過程及び酸素不足の燃焼領域において、Nll3、I
■CN等の化合物になることが知られている。これらの
窒素化合物は、i背素と反応してN Oxになる他に、
発生したN (、) xと反応してNOxを窒素に分解
する還元剤にもなる。
この窒素化合物によるN Ox還元反応は、NOxとの
共存系において進行するものであり、NOxが共存しな
い反応系においては、大半の窒素化合物はN Oxに酸
(−IZされる。この還元反応は低酸素濃度雰囲気にな
るほど進行し易い。また、チャーからのN Oxは還元
性を有する固体燃料とN Oxの反応がチャー内で進行
するため、揮発成分からのNOxに比較して発生量は少
ないが、従来の低N Ox燃焼法である2段燃焼法では
、チャーからのNOxを抑制することは不可能である。
このチャーからのN Oxを低減するにはチャー中のN
分を一旦気体として放出させ、この時NOxとして放出
されるものを還元性物質によって窒素に還元するのが有
効であるっチャー中のN分を気体として放出させるには
、チャーを完全燃焼させる必要があり、従って、j9.
j粉炭の低N Ox燃焼法としては完全燃焼領域の形成
が不可欠な要素になる。
上記説明で明らかなように、微粉炭燃焼時のN Ox低
減法としては還元性を有する窒素化合物とチャーとをN
 Oxと共存させ、これらによってN Oxを窒素に還
元する燃焼法が有効である。即ち、NOxの前駆物質で
ある窒素化合物をN Oxの還元に利用することによシ
、発生したN Oxの消滅とNOx前駆動物質の消滅を
行なわせる燃焼法がNOx低減には有効である。上記原
理に基づき、燃料をNOx発生用と還元剤発生用とに分
割して供給する燃焼法がすでに公知であり、例えば特公
昭55−21922号公報に示される燃焼法は核数個の
バーナを使用し、燃料の2段供給を行う良 ものである。この燃焼法は、溌バーナからの火炎生 を空気比1以上にすることによシホ燃焼を行う工程、こ
こで発生したNOxを還元するために2段目のバーナか
ら燃料を供給して空気比1以下の還元領域を形成する工
程、更に3段目のバーナから空気を供給し、還元領域で
の余剰燃料を燃焼する工程からなるものである。この燃
焼法によりNOx低減が可能なことはよく知られている
が、NOx低減効果を高めるためには1段目、2段目、
3段目バーナ間の距離を大きくシ、各燃焼領域の区分を
明瞭にする必要があるため、燃焼炉が大きくなシ、実用
上は経済的に不利になる。更にまた、実機ボイラへ適用
する場合、たとえば電力用の大型ボイラでは火炉幅22
m1炉奥行15mと燃焼炉断面が犬きくなシ、主バーナ
からの主流と炉壁に設置した2段目、3段目バーナから
噴出される燃料及び空気とを完全に混合させることは不
可能である。このため燃焼炉断面内で燃料及び空気の不
均一分布、これに伴ってN Ox a度の不均一分布が
生じ、小型の試験装置で得られる結果と同様なNOx低
減効果は得られない。特に3段目バーナからの空気の混
合が不良な時には未燃燃料分の放出量が増加するため、
燃焼効率の低下を生ずる。
更に複数個のバーナを組み合せたセルバーナにより燃料
の2段供給燃焼を行わぜるものとして例えば特開昭56
−906号公報、特開昭56−149517 号公報、
特開昭57−1673号公報等に示されるバーナが知ら
れている。この公知技術によれば前記燃焼炉の大型化防
止に有効であυ、1次燃焼領域である主燃焼領域及び2
次燃焼領域である還元燃焼領域からの反応生成物の混合
も特公昭55−21922公報に示される燃焼法よりは
改善される。しかしながら、還元剤とN Oxの発生及
び両者の混合を理想的に具現化するには、還元剤の発生
領域とN Ox発生領域の相互干渉を無くするβ即ち、
各反応領域での反応終了後に各領域からの生成物を混合
する必要があり、反応途中での各領域の混合を少くする
必要がある。前記公知技術において、更にNOx低減の
効果を上げるには前述の如く空気不足燃焼領域の反応促
進及び空気不足領域と完全燃焼領域からの反応生成物と
の混合を更に改善する必要がある。
一般にN Ox低減を図ると未燃燃料分の放出量が増加
する傾向にあり、低NOx、低未燃分を同時に達成する
のは従来の燃焼法では困難である。
そこで、微粉炭燃焼の際、未燃燃料の放出は50メツシ
ュ以上の粗大粒子に左右されるとして粉砕後の石炭を微
粉と粗粉とに分離する手段を設け、別々のバーナに粗粉
と微粉とを供給し、粗粉燃焼に際してh空気比を茜<シ
、微粉燃焼に際しては空気比を低くすることによシ、低
NOxと低未燃燃料の放出を達成する微粉炭燃焼装置が
特開昭5.1−106241 号公報に示されている。
この装置は、従来の燃焼方法に比してNOx低減及び未
燃;燃料の放出低減に有効であるが、特公昭55−21
922号公報に示される技術と同様に、低空気比で燃焼
する微粉燃焼火炎からの未燃燃料分と、これを・燃焼す
るだめの空気との混合法が問題である。
〔発明の目的〕
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とす
るところは、微粉炭燃焼火炎をN Ox発生領域とこれ
全還元するだめの還元性物質発生領域とに明瞭に区分し
、更に両者からの反応生成物の混合促進を図シ、NOx
の低減と同時に未燃燃料分の放出低減を図ることにある
〔発明の(既秒〕
即ち、本発明の特徴とする低NOxバーナの燃料噴出方
法は、微粉炭を[J′」出ぜしめ、この噴出された微粉
炭の外周部分のみをIに1回させてなることにある。
また、本発明の特徴とする低NOxバーナの燃料噴出装
置(は、微粉炭を空気で噴出させる1次燃料ノズルと、
この1次燃料ノズルの外周に設けられた微粉状石炭を空
気で噴出させる2次燃料ノズルと、2次燃料ノズルで噴
出された微粉炭を旋回させる旋回装置とよシ構成してな
ることにある。
〔発明の実施例〕
以下本発明の一実施例を図面によって説明する。
第1図及び第2図において、11は微粉炭を噴出させる
1次燃料ノズルであり、この1次燃料ノズル11の外周
には同じく微粉炭を噴出する2次燃料ノズル13が同心
円状に配置されている。2次2次燃料ノズル13の外周
に設けられた空気ノズルであり、本実施例の場合2次燃
料ノズル13の外周に等間隔で8個設けられている。前
記旋回流発生器15及び空気ノズル14の旋回角度は空
気の流れ方向に対して45°〜90°の範囲に形成され
ている。16は1次燃料ノズル11の中心に設けられた
円筒状のボイラ予熱用燃料噴出ノズルであシ、起動時の
燃焼炉予熱時に気体燃料を噴出し、燃焼が行われる。空
気は各微粉炭の搬送に使用され、そのまま1次燃料ノズ
ル11及び2次燃料ノズル13から微粉炭を噴出する。
空気ノズル14から噴出される空気の旋回速度は2次燃
料ノズル13から噴出される微粉炭の旋回速度よりも速
く噴出される。これら11乃至16によって本発明のバ
ーナ10が構成されている、 第3図は本発明バーナエ0を用いた微粉炭燃焼装置の一
例であり、本発明のバーナ10 a + IO+)。
10Cはボイラ20の高さ方向に複数個設置されている
。21は燃料となる石炭22を粉砕する粉砕機であシ、
通常燃焼の場合には74μm以下の石炭が80%程度占
めるように微粉化される。
23は微粉化された石炭を粒径によって分離する分離器
であり、この分離器23はサイクロン分離器であっても
よく、またルーバ型分離器であってもよい。24は分離
器23の下方に設置されたエゼクタであシ、分離器23
で分離された粗粒炭を空気によって管25よシ各バーナ
10 a、10b。
10Cの2次燃料ノズルへ供給する。分離器23で分離
された微粉炭も粗粒炭と同様に空気によって管26よシ
各バーナ10a、10b、iocの1次燃料ノズルへ供
給される。27は各バーナ10a、10b、10cの空
気ノズルに空気を送る管であり、本管28より分岐され
て設けられている。29は本管28よシ分岐しエゼクタ
24に他端を接続された管である。
上記構成において、ボイラ20の起動時はボイラ予熱用
噴出ノズル16よシス体燃料を噴出し、燃焼が行われる
。ボイラ20内の温度が所定温度に達したら気体燃料の
噴出を停止し、各バーナ10a、10b、10cの1次
燃料ノズル11及び2次燃料ノズル13から微粉炭が噴
出され、燃・焼が行われる。
第4図に上記で説明したバーナ10により微粉炭を燃焼
した時のN Ox発生−1を示す。第4図の横軸は1次
燃料ノズル11と2次燃料ノズル13とから噴出される
各微粉炭を完全燃焼するのに必要な最低空気量によって
各ノズル11,13゜14から噴出される空気量の和を
割った値である空気比λを示し、縦軸は燃焼排ガス中の
NOx濃度を示す。使用した石炭は太平洋炭であシ、2
00メツシユのふるいを約80%通過する粒径に粉砕し
て用いた。微粉炭の供給量は30Kg/hであり、ボイ
ラの大きさは内径700mm、長さ2mである。
図中曲線31は各燃料ノズル11.13からの微粉炭供
給量を等しく15にり/hとし、1次燃料ノズル11か
も噴出される微粉炭顛よって形成される内炎の空気比λ
1、即ち、1次燃料ノズル11から噴出される空気量、
と1次燃イ′1−ノズル11から噴出される微粉炭を完
全すtj他71するのに必要な最低空気量との比を0.
2に設定しに、ゾこ験Φ件下で得られたものである。ま
だ全体の空気比λは、空気ノズル14から151出され
る空気fJlf rv% 整することにより変化させた
。e1面よにン微粉炭鱈焼時に発生するN Oxは、空
気比λが大きくなると増加することがわかる。曲線32
は曲線31との差を明らかにするため、噴出される微粉
炭は、全て1次燃料ノズル11のみとし、2次燃へ′(
ノズル13からは零とした時のものである。この曲託!
 31と32とを比較すれば明らかなように、同一空気
比において、太き(N Ox低減を図れることがわかる
第5図は第4図に示した曲線31と同−東件下で、即ち
各燃料ノズル71.13からの微粉炭供給量を等しく1
5に9/hとしたときの例であるが、ただし、全体の空
気比λを約1.3と一定にし、1次燃料ノズル11から
噴出される燃料と空気で形成される内炎の空気比λl 
(以下これ全1次空気比と称する)を変化させた。また
全体の空気比λを一定に保つために、1次空気比λlの
変化に伴って空気ノズル14からの空気量を変化させた
第5図の横軸は1次空気比λ8であり、縦軸は燃焼排ガ
ス中のN Ox濃度を示す。この図より1次空気比λ1
には最適値が存在し、NOxが最小になる1次空気比λ
lが存在することがわかる。このNOxが最小になる1
次空気比λ+Vi1以下の値であシ、はぼ0.1〜0,
3で最小になる。この結果から1次燃料ノズル11から
噴出される燃料で形成される内炎は還元性雰囲気にし、
2次燃料ノズル13から噴出される燃料で形成される外
炎は、空気比1以上詳細には2以上の完全燃焼領域とす
ることがN OxとすることがNOxの低減に有効であ
る。1 次に第1図に示したバーナ10と、第1図のバーナ10
から2次燃料ノズル13の噴出孔から旋回流発生器15
を取り去り、更に望気ノズル14を1次燃料の噴出方向
と平行になる直進流とした時のバーナによる実施結果を
比較して第6図に示す。第6図は第4図に示した曲線3
1と同一条件で行ったものであり、各燃料ノズル11.
13からの微粉炭供給量を等しく15に9/hとし、1
次空気比λ、i0.2としたものである。曲線51は第
1図に示したバーナ10により得られた結果であり、自
惚31と同じものである。曲線52は第1図のバーナ1
0から旋回流発生器15及び空気ノズル14を取り除い
たバーナにより得られたものである。この図より明らか
なように、旋回手段を設置しない時には、同一空気比λ
で比較するとNOx濃μyが高くなることがわかる。従
ってバーナによシ燃料2段供給燃焼を行ない、大きなN
 Ox低減効果を得るには、2次燃料ノズル13から噴
射される火炎に旋回流を与える手段を設置する必要があ
る。
2次燃料ノズル13及び空気ノズル14からの噴出によ
って形成される空気比1以上の完全燃焼領域を外炎とし
、1次燃料ノズル11からの噴出によって形成される空
気比1以下の還元性領域を内炎とする本発明のバーナに
おいては、外炎に旋回流を与えることによシ、外炎と内
炎との分離を明瞭に行い、それぞれの領域で進行する完
全燃焼及び微粉炭の熱分解全単独に促進する。外炎に旋
回流を与えることによシ、旋回流の減衰する火炎後流に
おいて外炎から内炎に向う循環流が発生するため、内炎
からの反応生成物が循環流の発生する領域において混合
が促進され、内炎からの還元性物質により外炎において
発生するN0xffi有効に還元する。従って本発明全
実施する除2次燃料ノズル13から旋回流発生器15を
除き、2次燃料ノズル13と空気ノズル14とを隣接さ
せることにより、空気ノズルエ4から噴出される空気の
旋回運動によって2次燃料から噴出される燃料を旋回さ
せてもよい。
次に、然焼用空気とik、j料石炭とを予め混合し、こ
の混合気流を1600t?の加熱炉内に供給した時のN
 Ox生成、燃焼灰中未燃分、石炭中のN分がl↓そ化
されて発生するサーマルNOxの生成特性を夫々第7図
乃至第10−に示す。使用した石炭は、実施例1と同じ
く太平洋炭であり、加熱炉の大きさは内径50mm、加
熱部長さ800mmである。燃焼空気流量は20 N 
11分であり、空気比は石炭供給孔全変化させて調整し
た。またフューエルNOxは、Ca素濃j3j 21 
■Ot ’3’3、アルゴン濃度79Vot%の合成ガ
スで石炭全燃焼させることによシ求めた。サーマルN 
Oxは空気で燃焼した時に発生するNOxと、アルゴン
−酸素合成ガスで燃焼した時のN Oxとの差より求め
た。第7図乃至第10図中71.81,91,101で
示す曲線は粒径が74μm以下の微粒炭を、72゜82
.92,102で示す曲線は粒径が105μm以上の粗
粒炭を燃焼させた時の実験結果である。第7図に示す同
一空気比で比較すると、微粉炭を燃焼する方が、粗粒炭
よりも全NOx (フューエルNOxとサーマルNOx
の411)発生量が多いことがわかる。第8図は空気比
と燃焼灰中未燃分の関係を示し、燃焼灰中未燃分は、粗
粒炭の燃焼はど多くなる傾向にある。また、空気比1以
下では燃焼灰中未燃分は急激に増加する。燃焼灰中未燃
分は空気比の依存性が大きい。第9図は石炭中のN分が
酸化されて発生するフューエルNOxと空気比の関係を
示す。曲線91と92とを比較することにより、微粉炭
の方が粗粒炭よりもフューエルNOxの発生量が多いこ
とがわかる。更に第10図にはサーマルNOxと空気比
の関係を示す。第9図と同様サーマルN Oxも微粉炭
の方が粗粒炭よりも多いことがわかる。
第7図乃至第10図をもとに箒1図に示したバーナを用
いて本発明をより明らかにするため更に詳細に説明する
。第1図のバーナにより微粉炭を燃焼する際、微粉炭に
粉砕した燃料石炭を微粉炭と粗粒炭に分離し、微粉炭を
1次燃料、粗粒炭を2次燃料に使用する。粗粒炭を2次
燃料とすることによシ、す?tミ焼灰中未燃分の多くな
り易い粗粒炭を、へ空気比で燃焼できるため、未蒸発の
増加を抑制できると同時に粗粒炭は微粉炭よりもN O
x発生量が低いため、倣粒炭′f:高空気比で燃焼する
場合よシもN Oxを低減できる。またN Ox発生量
の多い微粉炭を1次燃料とし、低空気比で燃焼させ、N
Ox還元剤発生用に利用するためN Oxの発生を抑制
できる。更に、低空気比で燃焼する内炎が、?1.空気
比の外炎によって外周を包まれるため、外炎からの輻射
熱により内炎での反応が促進し、更にまた、外炎に与え
る旋回流が減衰する領域において外炎から内炎に向う循
県流が発生するため、外炎における余剰酸素と、内炎に
おいて発生する未燃分との混合が促進され、未燃分の放
出を抑制できる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、微粉炭燃焼火炎をNOx発生領域とこ
れを還元するための還元性物質発生領域とに明瞭に区分
でき、さらに両者からの反応生成物の混合促進を図るこ
とができるため、NOx低減と同時に未燃々料分の放出
低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す微粉炭低NOxバーナ
の縦断面図、第2図は第1図のA−A祝図、第3図は本
発明のバーナを用いた燃焼装置のフローチャート、第4
図は本発明のバーナで石炭を燃焼し/ヒ時の空気比とN
Oxの関係を示す線図、第5図は本発明のバーナで石炭
を燃焼したときの1次燃料ノズルの空気比とNOxの関
係を示す線図、第6図は本発明のバーナで石炭を燃焼し
た時と、第1図のバーナから外炎の旋回手段を取り除い
た時との空気比とN Oxの関係を比I咬したか1図、
第7図は加熱炉で石炭を燃焼した時の空気比と全NOx
の関係を示す線図、第8図は未燃分と空気比との関係を
示す線図、第9図はフューエルNOxと空気比の関係を
示す線図、第10図はサーマルN Oxと空気比の関係
を示すものである。 10・・・バーナ、11・・・1次燃料ノズル、13・
・・2次燃料ノズル、14・・・空気ノズル、15・・
・旋回流発生器。 第4図 学民比 入(−) 腑5図 1宏瞑帆比八1(−〕 第6図 空気比(−)        空気1乙(−)浦、(2
17・On 日立市幸町3丁目1番1号株式 %式% 番2号バブコック日立株式会社 内 0出 願 人 バブコック日立株式会社東京都千代田区
大手町2丁目6 番2号

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、微粉状石炭を噴出せしめ、この噴出された微粉状石
    炭の外周部分を旋回させてなることを特徴とする微粉炭
    低NOxバーナの燃料噴出方法。 2 微粉状石炭を空気比1以下で噴出せしめ、この外周
    より微粉状石炭を空気比1以上で噴出すると共に旋回せ
    しめ、しかもこれら微粉状石炭を夫夫均等量噴出してな
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の微粉唐
    紙N Oxパーラの燃料噴出方法。 3、微粉状石炭を空気比0.2以下で噴出せしめ、この
    外周より微粉状石炭を2.2以上で噴出してなる特許請
    求の範囲第2項記載の微粉唐紙N Oxバーナの燃料噴
    出方法。 4、微粉状石炭と空気を噴出せしめ、この外周より微粉
    状石炭と空気を噴出すると共に旋回せしめ、しかもその
    外周よυ空気を旋回させて噴出し、この最外周の旋回速
    度をその内周の旋回速度よシ速くしてなることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の微粉唐紙N Oxバー
    ナの燃料噴出方法。 5、微粉状石炭のうち微粒炭を噴出せしめ、この微粒炭
    の外周に微粉状石炭のうち粗粒炭を旋回させ噴出してな
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の微粉唐
    紙N Oxバーナの燃料噴出方法。 6、微粉状石炭を空気で噴出させる1次燃料ノズルと、
    この1次燃料ノズルの外周に設けられた微粉状石炭を空
    気で噴出させる2次燃料ノズルと、2成上“・)料ノズ
    ルで噴出された微粉状石炭を旋回させる旋回装置とより
    構成したことを特徴とする微粉炭低NOxバーナの燃料
    噴出装置。 7.2次燃料ノズルの外周に微粉状石炭を旋回させる空
    気ノズルを設けたことを特徴とする特許請求の範囲第6
    項記載の微粉唐紙N Oxバーナの燃料噴出装置。 82次燃料ノズル自身に微粉状石炭を旋回させる旋回装
    置を設けたことを特徴とする特許n青水の範囲第6項ま
    だは第7項記載の微粉炭低N Oxバーナの燃料噴出装
    置。 9、旋回装置の旋回角度を空気の流れ方向に対して45
    °〜90°に形成したことを特徴とする特許請求の範囲
    第6項ないし第8項のいずれかに記載の微粉炭低N O
    xバーナの燃料噴出装置。
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