JPS61165510A - 粒状固体燃料用ノズル - 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】 産業上の利用分野 本発明は、粒状固体燃料−酸化剤の流れを燃焼炉の反応
域に指向するノズルに関する。本発明は、特に、低負荷
着火性と燃焼反応の安定性とを強化できるように、流動
する燃料−酸化剤混合物が比較的多量の固体燃料を含有
する少なくとも１つの流れを生ずるように分割される、
上記固体燃料−酸化剤流を指向するノズルに関するもの
である。

従来技術および問題点 発熱・発電技術の分野では、粒状固体燃料を炉内で燃焼
することは周知である。この用途のための一般的な燃料
、例えば木材チップ、粉砕石炭、コークス等は、酸化剤
ガス、通常は空気と混合されて、燃焼反応が開始される
高温度の領域に輸送される。

固体燃料−酸化剤を炉の反応域に搬送するありふれた方
法の１つとして、粒状燃料を空気または他の酸化剤や流
れに同伴し、炉内に吹き込む空気輸送系を利用するもの
がある。空気圧燃料噴射ノズルの全負荷運転中では、空
気の固体燃料に対すある種の燃料、例えば粉砕石炭の場
合、燃焼反応を完結するために付加的酸化剤を必要とし
ている。時によりゝ二次空気′と称されるこの付加的酸
化剤は、燃料−酸化剤流とは別個に反応域に供給される
。

上に述べた型式の燃料噴射ノズルは、発電業界の中で広
く受は入れられている。しかしながら、現在では、当業
界が利用する各種燃料の価格が不確実であるために、発
電設備の全てが頻繁に変動する負荷要求環境の中で稼動
することが求められている。それ故に、長期にわたる使
用期間のあいだ、これらの装置は、低減した負荷状態の
下で稼動することが必要となってきた。

従来技術の空気圧燃料噴射ノズルを負荷調整する際の１
つの問題は、固体燃料の流量を低減したときに火炎安定
性を維持することである。これらの環境下では、炉内に
運ばれる燃料粒子を同伴するために、輸送用酸化剤ガス
の重量流量は維持されなげればならないが、このように
搬送される燃料粒子の重量が低減することは噴射される
燃料−空気流の燃空比を低減させ、かつ着火性並びに安
定性も低減させることになる。

低減した負荷状態の下で燃空比を維持するための従来技
術における様々な方法については、米国特許第４２４９
４７Ｑ号並びに第４４１２４９６号の各明細書にそれぞ
れ記載されている。これらの特許は、それぞれ、輸送用
酸化剤−燃料流を一方の流れが高濃度の固体燃料を含有
する少なくとも２つの流れに分割し、これらの流れを燃
焼炉の反応域に態別に噴射できるように、噴射ノズルの
上流側で粒状燃料供給路に配置したサイクロンセパレー
タを開示している。か＼る分離によって、少な（とも１
部の燃料−空気流の燃空比が保持されるため、燃焼炉内
の着火性と火炎安定性は維持することができる。

すなわち、従来技術の解決策は、低負荷運転中のみ有益
に機能するサイクロン化）くレータ等の付加的な装置の
使用を要するものであった。全負荷運転に変わった場合
、サイクロン七ノくレータは、ダンパまたは他のバイパ
ス手段によって使用から外されるか、或いは燃料供給流
の中に置かれたままで望ましからざる圧力損失を招くか
しなければならないのである。

発明の目的 従って、本発明の目的は、サイクロンセパレータ等の付
加的な装置の必要性を排除し、全負荷並びに低負荷の両
状態の下で変更或いは調整を行なうことなく使用し得る
粒状固体燃料用ノズルを提供することにある。

発明の概要 本発明によれば、酸化剤ガスと固体粒状燃料との混合流
を炉或いは他の固体燃料反応器の反応域に指向できるよ
う一対の同心シリンダが設けである。燃料−酸化剤混合
物は同心シリンダに入る以前に２つの流れに分割される
。第１の流れは第２の流れよりも比較的多量の固体燃料
を含有し、濃縮流として内側シリンダを通じて炉に進入
する。

第１の流れより固体燃料が少ない第２の流れは、両シリ
ンダ間の環状流通空間を通じて炉に進入する。

これらの流れは、燃料供給導管に同心シリンダの上流側
直前に旋回区域を設けることによって分割される。燃料
および酸化剤がこの旋回区域のまわりを流れる際に、固
体燃料の高濃度流が遠心力によって旋回区域の外側流れ
容積部に形成される。

燃料供給導管内にあって旋回区域の下流側直後の分割板
は、燃料と酸化剤が再度一様に混合されたものとなる前
に、燃料−酸化剤混合物を分割している。一方の流れが
他方の流れよりも多量の固体燃料を含有するこれらの分
割された燃料流は、上述したように、夫々のシリンダ内
に進行する。

従って、本発明によれば、燃料−酸化剤混合物を燃焼炉
内に噴射する以前に分割するための外部の分離手段の必
要性を排除することができる。更に、ノズルは全負荷並
びに低負荷状態のいずれの場合も変更や調整を行なうこ
となく利用できるので、炉補助装置の運転並びに制御が
簡単になる。

発明の実施例 以下、本発明を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に
説明する。

添付図面、特にその第１図を参照するが、ここには、本
発明の好ましい具体例によるノズル２が炉或いは他の反
応容器の壁４を通って示されている。ノズル２は、内側
シリンダ８と外側の同心シリンダｌＯを包含しており、
各シリンダはそのそれぞれの端部で炉の内部反応域６内
に開口している。

これらの同心シリンダ８および１ｏは、内側シリンダ８
内籾並びに両シリンダ８．１０間の環状空間内にそれぞ
れ位置した第１の流路１２と第２の環状流路１４とを一
緒になって形成している。

粒状固体燃料は、本発明によるノズルに供給導管１６を
通じて供給される。この固体燃料は、搬送用ガスと同伴
された粒状材料との混合物とじて空気圧搬送される。導
管１６内のガス速度は粒状燃料の落下や停止を防止する
に充分な速度に維持されるので、固体燃料粒子の寸法や
密度によって決まるのは当然である。石炭全量の７０％
が標準２００メツシユスクリーンを通過できるように充
分に粉砕された石炭の場合には、空気圧輸送系の一般的
なガス速度は２１．５〜３３．５　ｍ１秒（７０〜１１
０フイ一ト／秒）の範囲内である。なお、この速度は、
燃料粒子が送出しノズル２に到達する以前に供給路内で
落下するのを防止する必要があることから、石炭ノズル
の稼動範囲にわたり著しく変動はしないことに注目すべ
きである。

次に、第２図、即ち第１図に示したノズル２の断面図に
ついて言及するが、供給導管１６はノズル２に近接した
旋回区域１８を包含していることがわかる。固体燃料粒
子２０は、図示の方向で供給導管１６の旋回区域１８に
流入し、慣性力の影響によって旋回区域１８の外側容積
部２２に向かって投げ出される。このように、旋回区域
１８は、燃料粒子２００大部分が旋回区域１８の内側流
れ容積部２４よりはむしろその外側流れ容積部２２を通
過するようにせしめるものである。固体燃料粒子よりも
はるかに密度の小さい搬送用ガスは旋回区域１８の内側
並びに外側容積部２４，２２を等しく流れ、それ故燃料
粒子２０が体験するような分離は避けられることは、流
体力学分野の当業者にとって容認される処であろう。

本発明によれば、旋回区域１８の下流側直後に分割板２
６が配置されていて、流通するガス−燃料混合物を２つ
の個別流に、即ち第１の流れ２８が第２の流れ３０で運
ばれるよりも相対的に大きな割合の固体燃料粒子２０を
含んでいる２つの個別流に分ける働きをしている。

第１および第２の流れ２８，３０は、炉内部６に送出さ
れるように、第１および第２０流路１２．１４内にそれ
ぞれ進路をとっている。この進路決めは、第１図に示す
ように、第１および第２の供給開口３２，３４を通じて
果たされる。以上記載のノズル装置２は、第１の流れ２
８がその外側で環状の第２の流れ３ｏよりも、送出され
る固体燃料の相対的に大きな割合を含むようになってい
る。

固体燃料粒子２０が分割板２６および本発明のノズル２
に遭遇する以前に導管旋回区域１８内で生ずる燃料粒子
の濃縮はノズル稼動状態下の全てで起こるけれども、こ
の分離は燃料粒子が供給導管１６内ではほとんど濃縮さ
れない場合、低減した燃空重量比の状態下のときに最も
はっきりすることは容認される処である。

燃料−ガス重量流量比がおよそ１：１．５の全稼動負荷
状態では、第１および第２の流れ２８．３０における燃
料の重量流量は低稼動負荷時と同様はぼ等しいはずであ
る。

本発明による燃料送出しノズル２の利点を充分に評価す
るうえでその観点から、添付図面の第１図について更に
説明することは必要である。石炭等の固体燃料の完全燃
焼には、反応する石炭１ｋｇにつき、およそ９．５ｋｇ
の空気を要する。空気を使用する一般的な空気圧搬送系
では、全負荷運転中は石炭１に９あたり約１．５ｋｇの
空気を送り出しているだけである。石炭燃料の完全燃焼
を行なうには、二次空気“と称する付加的酸化剤を反応
域に添加しなければならない。第１図に示す本発明の好
ましい具体例においては、この二次空気は炉の壁４の中
でノズル２のまわりに配置した環状の空気レジスタ３６
を通じて送り出されている。搬送用ガスの導管１６内で
の速度、即ち重量流量が一定であるとき、効果的な燃焼
のための適切な全燃料−酸化剤比を得るには二次空気の
流量を制御すればよい。

二次空気は外部の風箱３８によって燃料ノズル２に供給
される。二次空気の環状空気レジスタ３６に入る局所流
量はダンパ装置４ｏで制御している。

制御用ダンパ４０を通過した二次空気は、炉内部６での
混合が促進されるよう、二次空気に角運動量を与えるス
ピナー羽根４２を通過する。

固体燃料反応の分野の当業者には認められているように
、燃料ノズルの全負荷から低減負荷状態への負荷調整時
には、燃料および空気両者の炉内に流れる全重量流量は
減少するはずである。上で述べたように、固体燃料の重
量流量の低減は、固体燃料の搬送用ガス重量に対する濃
度を低下せしめるものである。固体燃料の送出し速度が
非常に低い場合、反応に要する酸化剤の大部分は固体燃
料粒子用の搬送ガスとしてノズルから送り出され、二次
空気レジスタ３６は所要の酸化剤の一部を供給するにす
ぎない。

先の従来技術の欄で述べたように、このような低負荷状
態の下では、燃料−酸化剤の炉内に進入する希釈された
流れは容易に着火し、また安定な燃焼反応を維持するの
に充分な濃度を持っているとは言えない。石炭粒子間の
大きな距離と搬送用ガスの比較的冷たい温度によって、
粒子の相互作用や加熱が少なくなり、恐らくは燃焼炉内
の火炎の損失を招くことになる。

かかる火炎損失の結果が極端に否定的であるために、低
負荷運転期間では天然ガス等の補助燃料を固体燃料炉に
供給することによって反応の安定性を確保しているが、
これは当業界ではありふれた慣例である。連続した電気
火花や他の手段によって容易に着火するこの補助燃料は
、炉内部６で固体燃料の着火を維持するうえで充分な安
定かつ堅実な熱エネルギ源となる。しかるに、この種の
燃料は一般的な固体燃料と比べて高価でもあり、使用期
間が延びた場合、運転上の不利益を招くことになる。当
業者には認識されることであるが、本発明は、高濃度の
固体燃料粒子を含有する中央の流れ２８を形成すること
によって、高価な補助燃料を使用することなく、低負荷
領域でも燃焼炉等を安定稼動することができる。

中央流路１２によって送出される濃縮した燃料−空気流
は、粒子間熱伝達を増加させ、また石炭等の燃料の場合
は可燃性の揮発性物質を高濃度に放出させている。総体
的な成果は、従来達成できたよりも低い運転負荷範囲で
安定した固体燃料反応が得られることである。本発明の
好適な具体例によるノズルは、可動部品を含まず、その
うえ別個の分離手段や他の装置を必要とするものではな
い。このノズルは自己包含型であり、それ故燃料供給配
管や装置の経費のかかる変更を行なうことなく、現存の
固体燃料焚きの炉或いは反応器に設置することができる
。

固体燃料を炉等で酸化剤によって燃焼する場合について
本発明を説明してきたけれども、本発明は固体反応剤お
よびガス状反応剤を反応域に送り自己保持性の発熱反応
を行なう各種反応器に対し等しく適用し得るものである
ことを認識するべきである。搬送用ガス並びに任意の二
次空気は、それ故、酸素または他の酸化用物質を含有す
る必要はな（、かつ供給される固体燃料は必ずしも可燃
性の化合物或いは元素である必要もない。即ち、本発明
によるノズルは、反応器の負荷調整によって生ずる固体
−ガス混合物の希釈が一般に反応安定性の損失を招くよ
うな各種のガス−固体反応に対してなされたものである
。

発明の詳細 な説明してきたように、本発明による粒状固体燃料用ノ
ズルは、燃料供給導管に同心シリンダの上流側で旋回区
域を設け、かつ旋回区域の下流側には分割板を設けるこ
とによって、燃料−酸化剤混合物を遠心力によって固体
燃料粒子の多い流れと少ない流れの２つに分割している
ので、低減した負荷状態下でも適切な燃空比が得られ、
それ故着火性並びに火炎安定性を保持することができる
。また、従来技術のバーナのように、外部のサイクロン
セパレータを設けたり、補助燃料を添加する必要性もな
く、かつ可動部品もないので、各種のガス−固体反応炉
等に広く適用できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は炉の壁に据え付けた本発明によるノズルの一例
を示す側面断面図、及び第２図は第１図の２−２線すな
わちノズルシリンダの軸に垂直な面から見たノズルの断
面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 粒状固体燃料とガス状酸化剤との混合物を燃焼室内に噴
   射するノズルにおいて、 前記燃焼室の内部にそれぞれ開口する２つの同心シリン
   ダであつて、その内側のシリンダを通じて第１の流路を
   、また両シリンダ間の環状空間を通じて第２の流路をそ
   れぞれ形成している同心シリンダと、 前記混合物を前記両シリンダに供給する導管であつて、
   流動する前記混合物に遠心力を与える旋回区域を包含す
   る導管と、 前記旋回区域の下流側に配置され、前記流動混合物を比
   較的大きな割合の前記固体燃料粒子を含む第１の流れと
   比較的小さな割合の前記固体燃料粒子を含む第２の流れ
   とに分割する分割板と、前記分割板と前記両シリンダと
   の間に配置され、前記第１の流れを前記第１の流路に、
   また前記第２の流れを前記第２の流路にそれぞれ指向す
   る第１および第２の供給開口と、 から成ることを特徴とする粒状固体燃料用ノズル。