JPS6033423A - 燃焼装置の制御方法 - Google Patents

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】 本発明はバーナなどの燃焼装置に係り、特に燃焼装置を
低負荷から高負荷まで運転する場合、運転時の負荷に応
じて排ガス中のＮＯｘ値およびＣＯ値をある値以下に抑
制する燃焼装置に関するものである。

窒素酸化物（ＮＯｘ　）は、光化学オキシダントの起因
物質として、近年その発生量を抑制した燃焼方法の開発
が要望されている。燃焼装置において発生するＮＯｘは
、高温かつ高酸素濃度状態で発生するサーマルＮＯｘと
、燃料中に含有する窒素外により生成するフューエルＮ
Ｏｘの二種類に大別することができる。

このようなＮＯｘの発生を抑制する燃焼方法として、従
来から （１）理論空気量以下の空気で第一次燃焼域を形成させ
、この領域の後流部に、不足分の空気を導入して縞二次
燃焼域を形成させる二段燃焼法。

（２）燃焼により生じた排ガス＊　ｑｒ＝環させ、再び
バーナ部へ供給する排ガス再循環法。

が知られている。

そして、これらの燃焼方法はいずれも燃焼温度を低下さ
せ、かつ酸素分圧を低下させることによって、サーマル
ＮＯｘの発生を抑制、または燃料中窒素酸化物のＮＯｘ
への転換率を低下させたものである。

一方、上述の低ＮＯｘ燃焼法の他に、更に排ガス中のＮ
Ｏｘを低減させる方法として、異なる空燃比のバーナを
組合せた新しい燃焼方式が提案されている。こ゛の方法
は、空燃比が１以下の火炎が還元作用を有することを利
用したもので、主バーナによって生成した主燃焼域の後
流に空燃比が１以下のバーナによって生成された火炎を
衝突させることによって、脱硝燃焼域全形成させ、主燃
焼域で形成したＮＯｘを無害な窒素（Ｎ、）に還元しよ
うとするものである。

これらの燃焼法に基づいた燃焼装置の一例を図面により
更に説明す、る。

第１図は燃焼装置の縦断面図、第２図は第１図の正面図
である。

第１図および第２図に示すように燃焼装置は、炉壁１の
バーナスロート２内に配置された主バーナ３と空燃比が
１以下の副バーナ４によって構成されている。

そして、燃焼用空気の一部は一次空気通路５に配置され
た旋回羽根６によって矢印で示すように旋回力が与えら
れ保炎用インペラ７が設置されているバーナスロート２
に送られる。残りの燃焼用空気はアフタエアポート８も
しくは９を通って炉ｌＯ内に供給される。

一方、主バーナ３から噴出される一次燃料によって主燃
焼域１１が形成され、この主燃焼域１１の回りに副バー
ナ４から噴出される二次燃料によって脱硝燃焼域１２が
形成され、主燃焼域１１で生成したＮＯｘが無害なＮ、
に還元される。更にアフタエアポート８お・よび９から
不足分の燃焼用空気が供給され、脱硝燃焼域１２で生成
したＣＯを完全燃焼させるものである。

このように燃焼装置へは燃焼用空気會バーナスロート２
内の一次空気通路５とアフタエアポート８もしくは９よ
り分割して供給し、また燃料も主バーナ３からの一次燃
料と副バーナ４からの二次燃料とに分割して供給し、排
ガス中のＮＯｘを低減するものである。

ところが、この種の燃焼装置においては起動時もしくは
低負向時には前述した如く燃料および空気を分割して供
給するために噴出速度が遅くなりこのために主燃焼域１
１における燃料と空気の混合が悪くなる。

また、副バーナ４かもの燃料量、アフタエアボー）８．
９からの空気量が少ないために炉１０内への貫通力が弱
くなり、不安定燃焼を起して排ガス中のＣＯおよび煤塵
を多く発生し好ましくない。

また、主バーナ３、副バーナ４で通常燃焼のみを行なう
とＣＯ１煤塵は低下するがＮＯｘが増大して好ましくな
い。

本発明はかかる従来の欠点を解消しようとするもので、
その目的とするところは、起動時を含む低負荷時から高
負荷時にわたって安定な燃焼のもとで排ガス中のＮＯｘ
量およびＣＯ量を抑制できる燃焼装置を得ようとするも
のである。

本発明は前述の目的を達成するために、火炉出口の燃焼
ガス成分および燃料供給系統の燃料量を検出する検出手
段を設け、この検出手段による検出値と設定値との偏差
によって′二次空気量および二次燃料量の少なくとも一
方を制御するようにしたものである。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

鎖３図および第４図は本発明に係る燃焼装置の概略制御
系統図である。

第３図および第４図において、符号１〜１２は第１図お
よび第２図のものと同一である。

１３は某バーナ３および副バーナ４へ燃料を供給する燃
料供給系統、１４は一次空気通路５およびアフタエアポ
ート８，９へ二次空気を供給する空気供給系統、１５は
燃料供給系統１３の燃料量、あるいは火炉１０出口のＮ
０ｘｉｉ、ＣＯ量を検出する検出手段、１６は検出値、
１７は設定値、１８は検出値１６と設定値１７の偏差門
演算する演算器、１９は副バー≠４への二次燃料量を制
御する燃料弁、加はアフタエアポート８，９の二次空気
量を制御するダンパ、２１は制御値である。

このような構造において、第１図から第４図に示す燃焼
装置においては、主バーナ３からの一次燃料と一次空気
通路５からの一次空気によって通常燃焼を行ないここの
通常撚−にアフタエアポート８，９からの二次空気を追
加して二段燃焼を行ない、この二段燃焼に副バーナ４か
らの二次燃料を追加して脱硝燃焼を行なうことができる
。

そして、第３図の概略制御系統図においては、燃料供給
系統１３の燃料流量を検出値１６として検出手段１５に
よって検出し、この検出値１６ｅもとにバーナ負荷を算
出して検出値１６と設定値１７との偏差によって副バー
ナ４への二次燃料量全燃料弁１９の開、閉によって制σ
ｖし、空気供給系統１４のダンパ２Ｌｌ開、閉してアフ
タエアポート８もしくは９からの二次空気蓋を制御して
バーナの負荷に応じてその燃焼状態を変えるのである。

また、第４図のものは火炉１０出口の検出手段１５によ
ってＮＯｘ　量、ＣＵｉＱ検出値１６として検出し、設
定値１７との偏差全演算器１８でめて制御値２１によっ
て燃料弁１９、ダンパ２０に開閉するものである。

以下、二次空気量および二次燃料量の制御について説明
するが、それ以前に第１図および第２図の燃焼装置を用
いて発明者等の行なった実験データから紹介する。

第５図は縦軸にＮ０ｘｉｉ、ＣＯ量を示し、横軸にバー
ナ負荷を示した特性曲線図、第６図は縦軸に副バーナ燃
料量比、アフタエアポート空気量比を示し、横軸にバー
ナ負荷を示した燃焼装置の運転範囲を示した特性図であ
る。

なお、発明者等は （ａ）燃料を主バーナ３のみに供給し、燃焼用空気をバ
ーナスロート２の一次空気通路５のみに供給して燃焼さ
せる場合（通常燃焼）。

（ｂ）燃料を主バーナ３のみに供給し、燃焼用空気をバ
ーナスロート２の一次空気運路５と残りの燃焼用空気を
アフタエアポート８もしくは９から供給して燃焼させる
場合（二段燃焼）。

（Ｃ）燃料を主バーナ３と残りの燃料を副バーナ４に供
給し、燃焼用空気をバーナスロート２の一次空気通路５
と残りの燃焼用空気をアフタエアポート８もしくは９に
供給して燃焼させる場合（脱硝燃焼）。

の（ａ）〜（Ｃ）の燃焼過程におけるバーナ負荷と炉Ｉ
Ｏの出口におけるＮＯｘ量およびＣＯ量會実御１した。

この時の燃焼試験条件は下記の通りである。

炉寸法：　２ｍＸ２ｍＸ２．５ｍ（縦、横、長さ）火炉
用ロ酸素濃度＝２％一定 燃料量：バーナ負荷ｉｏｏ％のときＬＰＧ１５ＯＮｔｔ
／／Ｈで、バーナ負荷が下るとその負荷 割合で燃料量も下げた。

なお、二段燃焼の場合はアフタエアポート８．９からの
空気量比は加％とじた。ここでアフタエアポート８，９
からのアフタエアポート空気量比とは次式で定義する。

また、脱硝燃焼の場合は、アフタエアポート空気量比は
４０％とし、副バーナ４からの燃料量比は加％としｔム
ここで副バーナ燃料量比とは次式で定義する。

第５図において曲線■〜［１はＮＯｘ量を示し、曲線Ｉ
は通常燃焼時、曲線■は二段燃焼時、曲線■は脱硝燃焼
時のものを示す。

曲線■〜■はＣＯ量を示し、曲線■は脱硝燃焼時、曲線
■は二段燃焼時、曲線■は通常燃焼時のもの會示す。

そして、通常燃焼時の曲線Ｉおよび■のバーナ負荷５％
時をＡ点、二段燃焼時の曲線■、■のバーナ負荷７５％
時をＢ点、脱硝燃焼時の曲線１１１．ＩＶのバーナ負荷
１００％時を０点、二段燃焼時の曲線■、■のバーナ負
荷５０％時をＤ点、脱硝燃焼時の曲線１１１．ＩＶのバ
ーナ負荷７５％時をＥ点とし、第６図のＡ−Ｅ点は第５
図のＡ−１３点に相当する点である。

この第５図の実験データによると、通常燃焼、二段燃焼
、脱硝燃焼のいずれの場合においても、バーナ負荷が低
下するにつれてＮＯｘ値は曲線■〜■に示すように減少
する傾向にあり、ＣＯ量はバーナ負荷が低下するにつれ
て曲線■〜■に示すように逆に増加する傾向にある。

そして、ＮＯｘ　ｉは曲線■〜■に示すように通常燃焼
、二段燃焼、脱硝燃焼の順に負荷にあまり関係な（Ｎ（
Ｊｘ量が少なくなり、逆にＣＯ量は曲線■〜■に示すよ
うに通常燃焼、二段燃焼、脱硝燃焼の順に多くなること
が判る。

そこで、本発明者等はこの実験データから以下に説明す
るようにバーナ負荷によって燃焼装置の燃焼状態を変え
るようにしたのである。

バーナ負荷が起動時を含む低負荷時にはＣＯ量の発生量
が最も少ない通常燃焼を行ない、負荷が上昇して低負荷
時から中間負荷時にはＮＯｘ量が規定値以上になるので
通常燃焼から二段燃焼へ移行してＮＯｘ−１ｔだけでな
くＣＯ蓋も規定値以上にならないようにアフタエアポー
ト８もしくは９のアフタエアポート空気量比全調整する
。

そして、更に負荷が上昇して中間負荷時から全負荷時に
はＮＯｘ量が規定値以上になるので二段燃焼から脱硝燃
焼へと移行してＮＯｘ　社だけでなくＣＯ量も規定値以
上になるのでアフタエアポート空気社比および副バーナ
４からの副バーナ燃料音比を調整するのである。

この様な燃焼装置の制御の一例を第５図に示す燃焼試験
結果ｔもとに説明する。

例えばＮＯｘ　ｉの上限値を５３ｐｐｍ、　ＣＯ量の上
限値を５ｐｐｍと仮定してバーナ負荷を上昇させる場合
は、バーナ負荷が５％までは通常燃焼を行なう。

この時第５図の曲１ｊｌｌ、　ＶｌＯＡ点で示す如（Ｎ
Ｏｘ量は５３ｐｐｍ、　ＣＯｉは５　ｐｐｍで上限値内
に入っている。

バーナ負荷が５％以上になっても通常燃焼を続けると第
５図の曲線！で示すようにＮＯｘ　景が上限値を越える
ために、バーナ負荷が５％を越え７５％までは第５図の
曲線ＩのＡ点から曲線■のＢ点へ移行させるために通常
燃焼から二段燃焼へと移行させ、制御値２１によってダ
ンパ２Ｃ１’ｉ徐々に開いてアフタエアホード空気量比
も紀６図のＡ点からＢ点へと徐々に増加させる。

バーナ負荷が７５％を越え１００％までに二段燃焼を続
けると第３図の曲線■で示すようにＮＯｘ量が上限値を
越えるので、・二段燃焼から更に脱硝燃焼へと移行させ
る。

このとき副バーナ４への燃料は制御値２１によって燃料
弁１９を徐々に開いて副バーナ燃料量比を第６図のＢ点
からＣ点へ徐々に増加させ、この副バーナ４からの燃料
量の増加に伴って空気量が不足するので、アフタエアポ
ート８もしくは９からのアフタエアポート空気量比も第
６図のＢ点からＣ点へと増加させるよ５に制御するので
ある。

この様にバーナ負荷の上昇に伴５　ＮＯｘ量は、第５図
の曲線ＩＯＡ点から曲線■のＢ点へ、更に曲線■のＢ点
から曲線■のＣ点へとその燃焼を移行することによって
、ＮＯｘ　％を抑制することができるのである。

次に、ＮＯｘ　ｉｉをできるだけ抑制して、ＣＯ量が上
限値を越えないように燃焼装置を制御するためには、ア
フタエアポート空気量比と副バーナ燃料量比は共に第６
図のＡ点からり、Ｅ＝ｉ経てＣ点に至る線で表わされる
ように制御する。

すなわち、バーナ負荷が５％を越え５［）％までは第５
図の曲線■のＡ点から曲線７００点までのように通常燃
焼から二段燃焼へ移行させて、ＣＯ量が上限値を越えな
いようにアフタエアポート空気量比を第６図のＡ点から
Ｄ点まで徐々に増加させる。

バーナ負荷が（資）％を越えて１００％までは第５図の
曲線７００点から曲線ＩＶのＥ点、Ｃ点までのように二
段燃焼から脱硝燃焼へ移行させて、ＣＯ量が上限値を越
えないように副バーナノズル燃料比を第６図の１）点か
らＥ点へ徐々に増加させ、このときの副バーナ４からの
燃料量増加に伴って空気量が不足するので、アフタエア
ポート８もしくは９からのアフタエア空気量比も第６図
のＤ点からＥ点、Ｃ点へと増加させるように制御するの
である。

つまり、第３図および第４図において、バーナ負荷を増
加させる場合は燃料供給系統１３の燃料量を検出手段１
５によって、あるいは火炉１０出口の排ガス中のＮＯｘ
量、ＣＯ量を検出手段１５によって検出し、この検出値
１６を演算器１８で設定値１７との偏差をめ、制御値２
１によって燃料弁１９を第６図の副バーナ燃料量比に示
す如く、Ａ点からり、Ｂ。

Ｃ１あるいはＢ、Ｃ点のように徐々に開いて二次燃料量
を増加させる。

一方、アフタエアポート８．９のダンパ加も第６図のア
フタエアポート空気量比に示す如く、Ａ点からり、　Ｅ
、ＣあるいはＢ、Ｃ点のように徐々に開いて二次空気量
を増加させるのである。

このようにして制御するとＮＯｘ量も第５図の曲線Ｉの
Ａ点、曲線■のＤ点、曲線■のＥ点、Ｃ点を結ぶ低い値
にすることができる。

以上述べたように、例えばＮＯｘ値の上限値５３ｐｐｍ
、ＣＯ量の上限値５　ｐＩ）ｍを越えないように運転す
るには、第３図のＡ点、Ｂ点、Ｃ点へと燃焼装置の燃焼
状態を移行させるか、あるいはＡ点。

Ｄ点、Ｅ点、Ｃ点へと移行させることによって、つまり
第５図の斜線部分で示す領域内で運転を移行すればよく
、このためにアフタエアポート空気量比および副バーナ
燃料量比も第６図の斜線で示す領域で任意にすればよく
、低負荷時から高負荷時まで排ガス中のＮＯｘ量、ＣＯ
量を抑制することができ、燃焼を安定に行なうことがで
きる。

第７図および第８図のものは、第１図および第２図に示
した燃焼装置の他の実施例を示したものである。

第７図は燃焼装置の縦断面図、第８図は第７図の主バー
ナ３と副バーナ４の拡大図である。

第１図および第２図の燃焼装置と異る点は、第１図およ
び第２図の燃焼装置においては、バーナスロート２内に
主バーナ３が配置され、その外周に副バーナ４が配置さ
れていたが、第７図および第８図の燃焼装置においては
、バーナスロート２内に主バーナ３、副バーナ４が配置
されている。

そして、第７図、第８図において、２２、器は主バーナ
３、副バーナ４の燃料噴出孔である。

従って、主バーナ３の燃料噴出孔２２から１圓出された
燃料は保炎用インペラ７の近籾で第７図に示す如く主燃
焼域１１を形成し、この主燃焼域１１の後流には副バー
ナ４の燃料噴出孔田からの燃料によって脱硝燃焼域１２
が形成され、主燃焼域１１で生成したｌＮＯｘは無害な
Ｎ、に還元されるものである。

このように＠７図および第８図の燃焼装置においては主
バーナ３からの通常燃焼と、主バーナ３と副バーナ４に
よる脱硝燃焼とが行えるものである。

そして、第９図および第１０図の概略制御系統図におい
ては、燃料供給系統１３の燃料量を、あるいは火炉１０
出口のＮＯｘ　譬、ＣＯｉを検出手段１５によって検出
値１６として検出し、この検出値１６ヲもとにバーナ負
荷を算出して検出値１６と設定値１７との偏差を演算器
１８でめて制御値２１によって副バーナ４の燃料弁１９
を開、閉して増、減するものである。

以下、二次燃料量の制御について説明するが、それ以前
に発明者等の行なった実験データから紹介する。なお、
燃焼試験条件は第１図および第２図のものと同一である
。

第１１図において曲線■、■はＮＯｘ量を示し、曲線■
は通常燃焼時、曲線■は脱硝燃焼時のものを示す。

曲線［、ＸはＣＯｉを示し、曲線■は脱硝燃焼時、曲線
Ｘは通常燃焼時のものを示す。

そして、通常燃焼時の曲線■、Ｘのバーナ負荷５％時を
Ｆ点、バーナ負荷（資）％時ＩＧ点、バーナ負荷７５％
時を１点、脱硝燃焼時の曲線■、■のバーナ負荷７５％
時を１１点、バーナ負荷１００％時を１点とし、第１２
図のｌ、１〜１点は第１１図のＦ〜１点に相当する点で
ある。

この第１１図の実験データによると、通常燃焼、脱硝燃
焼のいずれの場合においても、バーナ負荷が低下するに
つれてＮＯｘ値は曲線■、■に示すように減少する傾向
にあり、ＣＯ量はバーナ負荷が低下するにつれて曲線■
、Ｘに示すように逆に増加する傾向にある。

そこで、発明者等はこの実験データから以下に説明する
ようにバーナ負荷によってその燃焼状態を変えるように
したものである。

バーナ負荷が７５％まではＣＯ量の少ない通常燃焼を行
ない、負荷が７５％以上になるとＮＯｘ量が規定値以上
になるので脱硝燃焼を行なうか、あるいはバーナ負荷が
５０％までは通常燃焼を行ない、負荷が印％以上になる
と脱硝燃焼を行なうのである。

例えばＮ０ｘｉノ上限値を６ｏｐｐｍ　％Ｃ（ｊ　ｆｔ
ｌの上限値ＴｈｌＯｐｐｍと仮定してバーナ負荷を上昇
させる場合は、バーナ負荷が７５％までは主バーナ３に
よって通常燃焼を行なう。この時第１１図の曲線■、Ｘ
０１点で示す如（ＮＯｘ量は５９ｐｐｍ、　ＣＯ量は１
０ｐｐｍで上限値内に入っている。

バーナ負荷が７５％以上になっても通常燃焼を続けると
第１１図の曲線Ｗで示すようにＮＯｘ量が上限値を越え
るために、バーナ負荷が７５％を越え１００％までは第
１１図の曲線■の５点から曲線■の１点へと移行させる
ために、第９図および第１０図の燃料弁１９を第１２図
の５点から１点へと徐々に増やす。

このとき第９図の検出手段１５では火炉１０出口のＮＯ
ｘ量、ＣＯ量の検出値１６と設定値１７どの比較によっ
て、あるいは第１０図の検出手段］５では燃料供給系統
１３の燃料量の検出値１６と設定値１７との比較によっ
て、副バーナ４への燃料弁１９が徐々に開き、副バーナ
４への燃料量を第１２図の５点から１点へと増やすので
ある。

一方、バーナ負荷が関％までは通常燃焼を行ない、バー
ナ負荷が駒％以上になると脱硝燃焼を行なう。

これを第１１図で説明すればバーナ負荷が（資）％まで
は曲線■の０点までは通常燃焼を行ない、バーナ負荷が
関％以上になると第１１図の０点から曲線■のＨ点、１
点へと移行して脱硝燃焼をすることになる。

このようにバーナ負荷によって燃焼状態を変える場合に
は、第９図および第１０図の燃料弁１９を徐々に開いて
副バーナ４の燃料量を第１２図のｑ点から１１点のよう
に増加させるのである。

以上述べたように、第７図および第８図の燃焼装置にお
いては、例えばＮＯｘ値を５Ｑｐｐｍ、　ＣＯ量を１０
ｐｐｍ以下にするには、第１１図のＦ点からＧ。

Ｊ、１点へと燃焼状態を移行させるか、あるいはＦ点か
らＧ、０１１点へと移行させることによって副バーナ４
への燃料蓋も、Ｆ点よりＧ、Ｊ、１点、あるいは０点よ
り１１．１点へと変化させることによって、つまり、第
１１図および第１２図の斜線部分で示す領域で燃焼状態
を変えれば、低負荷から高負荷まで排ガス中のＮＯｘ　
ｉ、ＣＯｆを抑制することができ、バーナ負荷に関係な
く安定させることができる。

本発明は火炉出口の燃焼ガス成分、および燃料供給系統
の燃料量を検出する検出手段を設け、この検出手段によ
る検出値と設定値との偏差によって二次空気量および二
次燃料量の少なくとも一方を制御するようにしたので、
起動時を含む低負荷時から高負荷時にわたって安定な燃
焼ができ、しかもＮＯｘ量、ＣＯｉを抑制することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃焼装置の縦断面図、第２図は第１図の正面図
、第３図および第４図は第１図および第２図の燃焼装置
における概略制御系統図、第５図は縦軸にＮＯｘ量、Ｃ
Ｏｉ′を示しＪ横軸にバーナ負荷を示した燃焼装置の運
転範囲を示した特性曲線図、第６図は縦軸に副バーナ燃
料量比、アフタエアポート空気量比を示し、横軸にバー
ナ負荷を示し、燃焼装置の運転範囲における燃料量比、
空気量比の変化を示した特性図、第７図は他の燃焼装置
の縦断面図、第８図は第７図の主バーナ、副バーナの拡
大図、第９図および第１０図は第７図および第８図の燃
焼装置における概略制御系統図、第１１図は縦軸にＮＯ
ｘ量、ＣＯ量を示し、横軸にバーナ負荷を示した燃焼装
置・の運転範囲會示した特性曲線図、第１２図は縦軸に
副バーナ燃料量比を示し、横軸にバーナ負荷を示し、燃
焼装置の運転範囲における燃料゛量比の変化を示した特
性図である。 ３・・・・・・主バーナ、４・・・・・・副バーナ、１
ｏ・・曲火炉、１３・・・・・・燃料供給系統、１４・
・曲空気供給系統、１５・・・・・・検出手段、１６・
・・・・・検出値、１７・曲・設定値、１８・・・・・
・演算器、１９・・・・・・燃料弁、加・・曲ダンパ、
２１・・面制御値。 （ｕＪｄｄ）Ｏ）− ８ｇ　。 （ｗｄｄ）　Ｘ０Ｎ− Ｃ％Ｊ’Ｗ’！ｌ’ｈｌ！＠４＝）／罎−（％）’）ｌ
ｌ’１ｉ１−；Ｊｆ丁Ａ乙、Ｌ−（ｕＪｄｄ）　ＫＱＮ
− １％）１１せ軍拳−）ｌ１噌− １２５−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 火炉の主バーナ、副バーナへ燃料を供給する燃料供給系
   統と、−次空気、二次空気を供給する空気供給系統とを
   備えた燃焼装置において、前記火炉出口の燃焼ガス成分
   、および燃料供給系統の燃料量を検出する検出手段を設
   け、この検出手段による検出値と設定値との偏差によっ
   て二次空気量および二次燃料量の少なくとも一方を制御
   するようにしたことを特徴とする燃焼装置。