JPS62172105A - ＮＯｘを抑制する燃焼方法及び装置 - 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〕 本発明は微粉炭及び石炭水スラリの燃焼に係り、特に、
ＮＯｘ排出量を低減し、且つ、高い燃焼効率を得るのに
好適な燃焼方法及びその装置に関する。

〔従来の技術〕

産業用ボイラ、工業用ボイラ等での微粉炭１重油燃料を
燃焼させる場合には１環境規制の観点から排出されるＮ
Ｏｘ　を低減する必要があり１種々の低減法とその装置
が提案されている。また、石炭水スラリについては実用
化研究の段階にある。

これまで提案されているＮＯｘ　低減法には二段燃焼法
ＩＩ淡・燃焼、あるいは、低ＮＯｘ　バーナの採用等が
あり、既に実用化されている。しかし、二段燃焼法等は
、微粉炭燃焼及び石炭水スラリに通用すると石炭粒子を
効率良く燃焼するｔめには。

火炉の容積の増大や、既存のボイラに適用するためには
ボイラの改造が必要となるｔめ、低ＮＯｘバーナを用い
る方が好ましい。低Ｎ　Ｏｘ　　バーナは。

例えば、特公昭５７−５１０１０号公報に示されるよう
に、燃料噴出口（バーナチップ）にデヒューザ型の保炎
器を設け、且つ、二次空気を旋回羽根を介してスワール
数を０．３５〜１．５．流速をｌθ〜３０ｍ／ｓで噴出
することが記載されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では、燃料として微粉炭及び石炭水スラリ
を用いｔときには、灯油及び重油に比べ微粉炭及び石炭
水スラリの着火性が悪くなるため、バーナ面の近傍から
火炎が離れ、二次空気の混合する領域で空気過剰（燃料
希薄）条件で燃焼が進行するｔめ、　ＮＯＸ　＃Ｉ＃度
が高く、燃焼性が悪いなどの問題があつｔｏ 本発明の目的は、微粉炭及び石炭水スラリの燃焼性を高
め、且つ、ＮＯ！排出ｔ？少なくできる微粉炭の燃焼方
法及びその装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決する究めに、燃焼室内のフローパター
ンを測定し、フローパターンと燃焼特性を評価した結果
、従来技術の二次空気を二次と三次空気とに分離し、独
立り、７を噴出口より旋回流として噴出できるように構
成した、また、二次と三次空気の旋回強度によって、フ
ローパターンが大きく左右されるｔめ、最適な条件が存
在することを見出し、二次空気旋回強度は三次空気旋回
強度より小さくして噴出することが好ましく、下記に示
す三次空気スワール数と二次空気スワール数の比で定置
される旋回強度比が１．０〜１．５の範囲で制御するよ
うにした。ざらに、燃料噴出ノズルでは５着火を早める
定めに噴出流速の低減と噴出口湯度の上昇を因るために
、噴出口近傍で口径を大きくするデヒューザ型の耐火材
を内張りり、７ｔノ＜　−ナタイル構造とし、噴出流速
を５〜２Ｑ　ｍ／ｓ　　の範囲で制御できるようにした
こと、及び１石炭水スラリを燃料として用いるときには
、上記耐火材からのふく射によって燃料中の水の蒸発を
促進することによフ上記の問題点を解決した。

旋回強度比＝（三次空気スワール数）／（二次空気スワ
ール数）〔作用〕 上記したバーナの構成及び燃料と空気の噴出条件により
、中心部の噴流と三次空気の噴流がバーナ面近傍では混
合が起こらない究め従来技術に比べ、より効果的に中心
部に燃料過剰の条件で燃焼が進む領域が形成され、後流
側で三次空気の混合により未燃分の燃焼が進行する燃料
希薄領域が形ｆｉｙ、すれる。これにより、バーナ面近
傍の火炎中心部が低０２領域となり、ここでは石炭中窒
素の一部がＮ　Ｈｓ　　として放出され、共存するＣＯ
，Ｈｔ。

Ｃｎ　Ｈｍ等のガスによってＮＯｘ　　がＮ２に環元さ
れる。また、三次空気は残塵回流として噴出されるので
、火炎がバーナ面に近づき、チャーの燃焼性を高めるこ
とができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例である微粉炭燃焼装置の側断
面図である。図において、空気によって気流搬送された
微粉炭１３は、高速で燃料噴出ノズル２に導入され、次
いで、断面が広がるバーナタイル部３に導入されて低流
速化したのち火炉に噴出される。一般に微粉炭の気流搬
送は燃焼装量ｌから噴出される場合、逆火防止のために
高流速で、且つ、微粉炭量に対し、理論空気量Ｇｏ　の
２０チ前後の空気量で搬送されるが１本発明では、バー
ナタイル３の火炉面での断面積を大きくすることで低流
速で噴出でき微粉炭の着火？促進し、且つ、入口側では
断面積を小さくしであるために、逆火の心配がないよう
に考慮されている。ｔ７ｔ、バーナタイル３は耐火材等
で構成しているのが特長で、燃焼火炎面からのふく射及
び伝熱等によりこのタイル３は加熱されるため、高温度
になって着火促進に大きく寄与することができる。更に
、バーナタイル３の先端には保炎器１２が設けてあり、
この保炎器１２の後流側に図に示すように高温の循環流
が形成されるｔめ保炎効果を持たせることができる。保
炎器１２の構造は、円錐型、Ｖ型等の保炎器が適してい
る。次に、二次空気６は旋回器５′？介して燃料ノズル
２の外周より供給され、旋回流として噴出する。二次空
気量は主に。

微粉炭の着火に必要な分（燃焼に必要な理論窒気量の２
０チ程度）だけ供給し、保炎器１２の後流側で中心部の
噴流と混合する。また、二次空気と三次空気９の噴出ノ
ズルの境界にはそらせ板１０を設け、旋回器８によって
旋回流となつｔ三次空気９に、そらせ板１２を介して、
火炉壁方向に残塵回流として噴出される。

次に、第１図により本発明をより詳細に説明する。燃料
噴出ノズル２内び）バーナタイル３では、燃料流入側の
口径Ｄ１ｆ″ｉ、微粉炭と搬送空気の量によって制約を
受ける。この部分に逆火防止のために１５ｍ／ｓの流速
以上にする必要から、混合流量の極小値で定められる。

すなわち、運転中に負荷変動を要求される場合、最も微
粉炭供給量が最小となる流量に合わせて口径Ｄ＋を決め
るのが好ましい。ま之、噴出口近傍の口径Ｄ２は、この
部分の流速が５〜２０　ｍ／ｓの範囲になるような形状
として決定される。すなわち、このＤ２の断面での流速
は着火を促進するために低流速にすることを目的に設け
られる。またＤ２をもつバーナタイルの長さｔｔａ、口
径Ｄｌの流速が減衰し、口径Ｄ２での平均流速に近づく
定めに必要な長さを必要とし１発明者らの実験では、Ｄ
Ｉの流速が２０　ｍ／ｓの場合には、ｔ＝１００朔程度
で充分であつｔ０第２図は本発明の一実施例である石炭
水スラリ燃焼装置の側面図を示す。装置構成は基本的に
第１図に示す微粉炭燃焼装置と同様であるが、燃料噴出
ノズル２内のバーナタイル部には石炭水スラＩＪ１５の
微粉化用ノズル（例えば、内部混合アトマイザ等）が配
置される。石炭水スラリの噴霧媒体には高圧の蒸気及び
空気が用いられ、微粉化した噴霧液滴群はバーナタイル
のデヒューザ部で減速され、且つ、液滴中の水分か蒸発
された後、火炉に噴出して燃焼する。ここで、微粒化用
ノズル１４から噴出する滴群の噴霧角θ！に対し、バー
ナタイルの拡がり角θ２はθ２〉θｌの制約を受け、こ
れは噴ｇさ′ｉ′１．た液滴群がバーナタイル面に付着
するのを防止するためである。また、デヒューザ状のバ
ーナタイルの長さｔば、ノズル１４の噴出速度で決定さ
れ、本発明者らの実験では、ノズル１４からの噴出流速
が５０ｍ／ｓの場合、１＝１５０咽でバーナタイル先端
口径がφ１５（１ｍのとき、バーナタイル３の先端部の
流速は２０ｍ／ｓ程度に減衰していることが判った。従
って、使用するアトマイザ１４の形状によって噴霧流速
が異なるので、適宜、バーナタイル長さｔは決定するの
が好ましい。バーナタイル３の先端部の流速が民誠でき
、かつ、デヒューザ状のバーナタイル内で水分の蒸発を
促進できれば、微粉炭の場合と同等の燃焼特性を得るこ
とができる。また、第１図で示した微粉炭燃焼装置と第
２図で示した石炭水スラリ燃焼装置でのバーナタイル３
の先端部のデヒューザ構造が異なっているが、微粉炭を
燃料に使用するときには第１図のバーナタイルの代ゎジ
に第２図のバーナタイル形状を使用しても、同等の効果
が得られるが、石炭水スラリを第一のバーナタイル形状
にするとバーナタイル面にスラリか付着することが実験
的に確認されており、石炭水スラリの場合には、第２図
に示すバーナタイル形状が好ましい。

次に、本発明の燃焼方法に関して１図面を用いて説明す
る。第３図は、本発明の第１図の燃焼装置１を用い之実
験結果の一例を示し、ガス流れ方向中心軸上のＮ　Ｏｘ
　　及び０２の経時変化？示す。本結果は第１図で示す
バーナタイル３からの燃料と搬送用空気の混合流１３が
約１５ｍ／ｓ　　の流速で噴出できるようにした条件で
行なったもので、バー六面近傍で０２が急激に消費され
、１〜２％の低０２領域が形成されている。一方、石炭
中の窒素分（Ｎ分）はＮＯｘ　　として放出されている
ことが判る。しかし、低０２領域では、ＮＯｘ　の他に
石炭中窒素分ｎ　Ｎ　Ｈｓとしても放出さ１１、このＮ
　Ｈ３によって発生したＮＯＸは環元されるため、ＮＯ
ｘは減少し、約１ｏｏｐまで低減さ几る。この結果火炎
中心部は燃料過剰の条件で・燃焼が進み、中心部の火炎
が保存されて、三次空気の火炎中心部へノ混合が緩慢に
進む火炎を形成させることができる。従って、火炎中心
部に圓Ｏｚ領域を形成することがＮＯｘ還元反応を進め
る上で１重要となる。

そこで同じバーナ構成で、第１図で示すバーナタイル３
の口径Ｄ２のみを変化させ、これによって。

微粉炭の噴出流速のみを変化させ、低０２領域の形成状
態を把握した実験結果が第４図で、図中■の０２プロフ
アイルは第３図と同一の結果、■は噴出流速が２３　ｍ
／ｓ　　の場合の０２プロフアイルを示す。これより噴
出流速の高い■の条件では火炎中心部の０２消費が遅く
、これは着火が遅れることを意味している。バーナタイ
ル３からの噴出流速が後の燃焼反応に与える影響が大き
く、本発明では、この噴出流速を限定する燃焼方法を提
案する。すなわち、第５図に示すように、微粉炭及び石
炭水スラリのバーナタイル３からの１賓出流速を変化さ
せると、火炉出口の燃焼灰中の未燃分及びＮＯｘ濃度が
変化し１．５〜２０ｍ／ｓ　で噴出−ｒる条件が最適顕
域であることが判る。５ｍ／ｓ以下の・賞出流速でにバ
ーナタイル３内に燃料が沈滞でる領域となる之め、５ｍ
／ｓ以下は好ましくなく、一方、２Ｑｍ／ｓ　　以上の
領域では火炎がバーナ而より離れるため、第４図に示し
たように０２消費が遅べな’）、ＮＯｘ　　の低減効果
が少なく、燃焼性が悪くなることが明らかである。

第６図は、第１図、第２図で示す本発明の燃焼装置にお
いて、フローバタンの影響因子である二次空気と三次空
気の旋回強度と火炉出口のＮＯｘ濃度及び燃焼灰中未燃
分の関係を示す実験結果の一例で、各々の空気のスワー
ル数Ｓは、〔式中、Ｄは旋回羽根外径、ｄは旋回羽根内
径、θは旋回羽根傾斜角度を表わす。〕 同図に示すように、三次空気スワール数と二次空気スワ
ール数の比が１．０以下では、ＮＯｘ　濃度の増加及び
燃焼性の低下が微粉炭１石炭水スラリのいずれの燃料で
も認められる。また、２．５以上になると、ＮＯｘ濃度
は比較的低いが、燃焼性が悪くなる。従って、ＮＯｘ濃
度の抑制、燃焼性の両面から三次空気ス、ワール数と二
次空気スワール数の比を１．０〜ｚ５の範囲にすること
が望ましい。

次に、二次空気量と三次空気量の配分割合もフローパタ
ーンに及ぼす影響が大きいことが発明者らの実験結果か
ら明らかであり、第７図に実験結果を示す。同図は、二
次空気スクール数が０．６、三次空気スワール数が１．
０一定の灸件、壕九１燃料噴出流速が１５ｍ／Ｓ　　の
一定条件で微粉炭を燃焼させた場合で三次空気と二次空
気流量の比かｚＯ以下ではＮ　Ｏｘ濃度が顕著に増加し
ている。

二次空気量が増加するに従い、低０２領域を形成しにく
いのがＮｏｘＪ度増加の原因になっている。

また、三次空気量と二次空気量の配分比が５．０以上に
なると、着火に必要な二次空気量が少なくなるために、
燃焼性か悪くなり、未燃のまま後流側で三次空気が混合
してくる領域で燃焼が進むためＫＮＯＸ　浸度も高くな
る。従って、三次生気量と二次空気配分比には最適領域
が存在し、２．０〜５．０の範囲シてすることか望まし
い。

次に、第８図に本発明の他の実施例を示す。基本構成は
第２図の実施例と同様であるが、バーナタイル部３のデ
ヒューザ部に燃料ノズルと二次空気流路を貫通する孔を
設け、燃料ノズル側のタイル壁が負圧になるためにに三
次空気６の一部を燃料ノズル側に吸引し１、バーナタイ
ル３内で混合することにより、着火性をより高めること
が実験的に認めらねＪｔｏ　これは２石炭水スラリの場
合、第２図？用いると蒸気及び空気量７ｆｒ霧化媒体と
して使用し、微粉化して噴出しているが、例えば、蒸気
を媒体に用いるときには、バーナタイル３のデヒューザ
部は水の蒸発と噴霧粒子の減速効果を得るために使用さ
れるだけで、着火に必要な空気が存在し、ないため、保
炎器１２の後流側で二次空気９の混合により着火が急速
に進む。しかし、第８図のように、デヒューザ部に二次
空気９の一部を吸引できる構造にすることで、第１図で
示した微粉炭と同様に理論空気量の約２０％程変の空気
が混合ばれ、噴出されるため、第２図に示す実施例より
も、よＶ着火性を高めることができる。

第９図に、第８図の実施例の燃焼装置を用いたときの実
験結果の一例を示す。この例では、第７図に示し′ｆ？
：、微粉炭の場合と同程度の燃焼性、ＮＯｘ排出濃度に
することができた。

（図中、４は二次空気流路、７は三次空気流路、１１に
ノズル本体である。

〔発明の効果〕

本発明によれば２重油等の石油燃料に対し、す焼性の悪
い微粉炭、石炭水スラリの燃焼性を高２ながら、ＮＯｘ
排出濃度を低減することかで＠４

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の燃焼装置ｔを示す−＝施例の
側断面図、第３図ないし第７図は本発明くＮＯｘ　を抑
制する燃焼方法の説明図、第８図は。 発明の他の実施例の側断面図、第９図は第８図（効果を
示す説明図である。 ８・・・旋回器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、微粉炭及び石炭水スラリを燃焼するものにおいて、 前記微粉炭と搬送用空気及び前記石炭水スラリを噴霧媒
   体によつて５〜２０ｍ／ｓの範囲の流速で噴出し、燃料
   噴出口の外周より分割され、旋回流として噴出される三
   次空気量／二次空気量が２．０〜５．０の範囲で制御し
   、旋回強度比＝三次空気スワール数／二次空気スワール
   数が１．０〜２．５になるように、二次及び三次空気旋
   回器の羽根角度を調整して燃焼を行なうことを特徴とす
   るＮＯ＿ｘを抑制する燃焼方法。 ２、微粉炭及び石炭水スラリを燃焼させるバーナの中心
   部に噴出口が拡大されたバーナタイルからなる燃料を低
   流速で噴出できるように構成した燃料ノズルと、この燃
   料ノズルの先幼部に着火を良好にするための保炎器を設
   け、前記燃料ノズルの外側に羽根角度を調整できるよう
   にした旋回器を設けた二次空気及び三次空気噴出ノズル
   を配置したことを特徴とするＮＯ＿ｘを抑制する燃焼装
   置。