JPS6237606A - 固体燃料の低ＮＯｘ燃焼装置 - 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） 本発明は窒素酸化物（以下、ＮＯｘと称する）を低減す
る燃焼装置に係り、特に微粉炭やオイルコークスのよう
な粉状固体燃料の燃焼時に大幅な低ＮＯｘ化を達成でき
る燃焼装置に関する。

（従来の技術） 最近の燃料事情の変化により、火力発電用大型ボイラを
始めとする事業用大型ボイラにおいても、石炭を燃料と
して使用するものが増加している。

この場合、石炭は微粉砕され、燃焼し易さおよび、燃焼
制御性の向上が計られている。この微粉炭燃焼技術その
ものは、以前から確立され今や重油前みの高効率燃焼が
可能となっている。

ガス、重油同様微粉炭燃焼器も種々のものが開発され使
用されている。その最も基本的な形式のものとして、微
粉炭供給管を中心軸に有し、その外周に環状空気供給路
を配したバーナが挙げられる。該バーナにおいては、石
炭はミルで微粉に粉砕されたのち、その燃焼に必要な空
気の２０〜３０％程度の搬送用空気によって気流輸送さ
れ、燃料管噴口から火炉内に投入される。残りの燃焼用
空気は、−重または二重に環状分離された状態で、燃料
噴口近傍で通常はある程度の旋回を与えられて、該微粉
炭噴流の周囲から噴出される。微粉炭は、この適度な旋
回流によって生じる、バーナスロート近傍の火炉からバ
ーナに向けての再循環流と、場合によっては燃料管噴口
付近に追設した皿状のインペラによって保炎され、定常
燃焼が維持される。単に微粉炭を燃焼させるだけであれ
ば、この種の燃焼装置により所期の目的は十分に達成さ
れる。

しかしながら、周知の通り、燃料の燃焼によって副生ず
るＮＯｘは往々にして高負荷燃焼バーナにおいて発生し
やすく、これが大気汚染の一原因であるところから、バ
ーナの改良や火炉全体にわたる燃焼改善が行われている
。

微粉炭燃焼において特に問題となるのは、微粉炭中に大
量に（通常は１〜２ｗｔ％）含有されている有機形態の
窒素（以下、Ｆｕｅｆｆ　　Ｎと称する）に起因するＮ
Ｏｘ　（以下、Ｆｕ　ｅ　Ｉ　　Ｎ　ＯＸと称する）で
あり、燃焼排ガス中のＮＯｘの大部分を占めている。

ここで、Ｆｕｅｆｆｉ　　ＮからのＮＯｘとＮ２　の生
成反応は、各々次式（１）、（２）に示すとおりであり
、かつ両反応は競合的に行われている。

Ｆ　ｕ　ｅ　ｌ　　Ｎ　＋　０２　　　　　Ｎ　Ｏｘ　
　　　　（１）Ｆｕｅｌ　　Ｎ＋ＮＯｘ　　−Ｎ２　　
　　　　（２）したがって、Ｎ２　の生成を優先しかつ
、ある程度の高負荷燃焼を維持させるためには、高温還
元炎の確保が重要なポイントとなる。

一般に、二段燃焼と呼ばれる燃焼法は、この燃焼反応の
応用であり、火炉におけるバーナゾーンで空気不足状態
を作って高温還元炎を形成させ、不足分の空気を火炉内
のバーナゾーン後流の、いわゆるアフタエヤボートから
投入することにより完全燃焼を行わせ、火炉全体で燃焼
改善を行ってＮＯｘ排出量を低減するものである。ちな
みに現在では、一般的な石炭を燃料とする新設ボイラの
場合、２００ｐｐｍ程度までＮ　Ｏｘ排出濃度を抑制す
るに到っている。

しかしながら、微粉炭の燃焼にあっては、空気不足なバ
ーナゾーンで発生した還元性気体および残存する燃え残
りの石炭粒子（揮発分の抜けたチャー）をアフタエヤに
よって完全燃焼させるには相当の燃焼時間が必要である
ため、大きなボイラ火炉空間を必要とする。従って、上
記燃焼法は原理的には、極めて有効な低ＮＯｘ燃焼法で
あるにもかかわらず、ある程度の限界がある。

このことから、ボイラ全体の燃焼を制御する代わりに、
各バーナが各々前記原理に基づいて低ＮＯｘ燃焼を行な
うよう構成した、いわゆる、デュアルレジスタタイプの
バーナが開発された。

第６図は、このデュアルレジスタタイプのバーナを示す
。図において、微粉炭はその輸送用−大空気とともに、
微粉炭流１０となって微粉炭管４１から炉内に噴射され
る。この微粉炭流は、火炉内に噴射されて低空気比で燃
焼し、還元性中間生成分（気体）を生成し、ＮＯｘの一
部を気相還元してＮ２　とする、一方、この火炎１０５
の外周部に対しては、二次エアレジスタ６１を経て、空
気ベーン７１で旋回力を与えられた二次空気２０が、ま
たさらにその外周には三次エアレジスタ６２を経て供給
される三次空気３０が噴射される。

これにより、バーナ単独で二段燃焼が行われ、Ｎ　Ｏｘ
は４００ｐｐｍ程度（低減率４０％）に低減されること
が実証されている。この形式のバーナにおいては、低Ｎ
Ｏｘ化を達成するためには、バーナスロート８０近傍の
火炉内ではバーナ火炎と、二次、三次の空気が分離され
良好な還元雰囲気が形成されること、およびこの火炎の
下流側においては、逆にこれら各空気と火炎（またはガ
ス）が混合して未燃分を良好に燃焼させることが要求さ
れる。

しかしながら、この種のタイプのバーナでは、通常、二
次空気２０と三次空気３０は、微粉炭管４１、二次空気
管４３により燃料流と、または互いが分離されてはいる
ものの、実際にはバーナスロート出口近傍では微粉炭流
、二次空気噴流および三次空気噴流は容易に混合し、燃
焼初期において高温還元炎を十分に分離維持することが
困難であり、この種の燃焼装置でこれ以上のＮＯｘ低減
を達成することは極めて困難であることが判明した。

以上の点に鑑み、本発明者らは第７図に示す構造の燃焼
装置を発明し出願した（特願昭５８−１７２１４７号）
。この装置においては、微粉炭管４１の火炉に面した開
口部に、その口径を開口端に向かって拡大するよう構成
した外向きフレームキャップ（以下、フレームキャップ
と称する）１００が設けられ、火炎１０５が安定に形成
するようになっている。次に、微粉炭管４１の外周部の
二次空気管４２および三次空気管４３の先端部は、図示
のごとく、フレームキャップ１００と同じく開口端に向
かって口径を拡大させる漏斗状部１０１．１０２が形成
され、前述のように燃料と空気との分離を効果的に行な
うようになっている。

第７図の構成の装置において、−大空気と微粉炭からな
る微粉炭流は微粉炭管４１を経て炉内に噴射され燃焼す
るが、この場合、微粉炭管先端部には保炎用のインペラ
は設置されていないが、フレームキャップ１００におい
て小さな渦流部１０３が形成され、これに、微粉炭管４
１から噴出する微粉炭流の外周面から少量の微粉炭が誘
引されるとともに、フレームキャンプ外周部から空気が
十分に供給され、かくしてここに小さな安定した小火炎
が保持され、微粉炭管４１から火炉内に噴射される微粉
炭流に確実な着火を保障する。従って、火炎１０５はフ
レームキャップ１００近傍から着火し、あたかも火炎が
バーナに近接したようになる。なお、着火が遅れると火
炎１０５は、微粉炭管４１の噴口から離れた後流で着火
し、火炎形成が後流に移行することになる。第７図のも
のにおいては、二次空気２０、三次空気３０の流量は約
１＝４程度にし、かつ三次空気３０の圧力はそのエアレ
ジスタ６２の上流側で１２０＋ｎＡｑ以上とするととも
に、強力な旋回力を与えることにより、空気管４２およ
び４３の先端部の漏斗状部１０１．１０２の働きと和項
って、火炎１０５は二次、三次空気から一時的に分離さ
れる。

比較的少量の二次空気２０を三次空気とは異なる旋回強
度と方向をもって噴出させることにより、図中１０６で
示されるような安定した渦が形成される。この渦１０６
およびフレームキャンプ１００によって形成される小さ
な渦１０３により、微粉炭管４１から噴射された微粉炭
流は、火炉への投入初期においては外方へ拡散すること
が抑制され、火炎１０５はその初期において強力な高温
還元炎となる。この高温還元炎中のＮＨ２、ＣＮ等のラ
ジカル物質およびＣＯ等の還元性中間生成物によって、
ＮＯｘはＮ２　に還元される。また、この高温還元炎の
下流側においては二次空気、三次空気の噴射エネルギー
が低下してバーナ軸心側に流れ込み、未燃分の燃焼が行
なわれる。

（発明が解決しようとする問題点） 第７図の燃焼装置において、フレームキャップ１００の
面上およびその後方渦流部１０３に誘引された微粉炭が
着火するのは、石炭中に含有されている揮発分がほとん
どで、残りの固定炭素分は燃焼するまでに到らず、フレ
ームキャップ付近の着火には寄与できない。

微粉炭中の揮発分の割合は燃料比（燃料比＝固定炭素／
揮発分）の高い石炭はど少なくなるので、燃料比の高い
石炭ではフレームキャンプ１００の面上およびその後方
渦流部での火炎の安定的維持が困難となる。

一方、ミルで微粉砕された微粉炭を一次空気で微粉炭管
４１に１般送するが、ボイラ負荷が減少した低負荷時に
おいては、ミルおよびミルからバーナへの給炭管の保安
と、バーナにおける逆火防止のため、−大空気量は負荷
の減少にもかがわらず、ある値以下には下げられない、
従って、低負荷時においては微粉炭管４１を流れる微粉
炭と一次空気の混合流の、微粉炭濃度が低下することに
なる。

このことより、フレームキャップ１０００面上および渦
流部１０３への微粉炭供給量が不足し、火炎の安定的維
持に支障を来たすことになる。なお、バーナ火炎がバー
ナ噴口から離れた後流域で着火形成される場合は、バー
ナ噴口付近に視野をもつ火炎検知器は、バーナが失火し
ていると誤判断することになる。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解消し、高燃料
比炭または低負荷時においても、バーナ噴口付近に高温
還元炎を形成し、かつ火炎後流流域において充分な空気
の供給することができる固体燃料の低ＮＯｘ燃焼装置を
提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は以上の問題点を解決するためになされたもので
、第７図に示すようなフレームキャップを有する燃焼装
置において、微粉炭管４】の先端内周面に複数個の内周
エツジを設け、この内周エツジを、内周面に平行な仮想
面における切断面が菱形状となるように形成したことを
特徴とし、これにより微粉炭管４１内を流れる微粉炭の
一部を積極的にフレームキャップに供給し、フレームキ
ャップ上で燃焼空気を旋回させるごとにより、火炎の安
定化を図り、燃料の着火性を促進させ、低ＮＯｘ燃焼を
実現するものである。

すなわち、本発明は、固体燃料と一次空気の混合流体を
噴射する燃料管の外側に、ほぼ同心的に二次空気噴射口
を配し、さらにその外側に三次空気噴射口をほぼ同心的
に配した固体燃料装置において、燃料管先端部に先開き
のＬ字状フレームキャップを設け、二次空気噴射口外周
面を構成する二次空気管先端部を開口端に向かって口径
を拡大する漏斗状とするとともに、燃料管先端部内周面
に複数＋ＩＭの内周エツジの前記内周面と並行な仮想切
断面における断面を菱形状としたことを特徴とする。

（発明の実施例） 以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す燃焼装置のバーナ付近
の断面図、第２図は、そのＢ視方向の平面図である。

バーナ口１５に開口する微粉炭管４１の中心部に油噴霧
ノズル３が設けられ、その周りにフレームキャップ１０
０が設けられている。フレームキャップ１００の内側に
は、燃料管４１の内側に突出した内周エツジ１９が設け
られており、これにより燃料管４１内を流れる微粉炭の
一部をフレームキャップ１００に供給する働きをさせて
いる。

第２図は第１図のＡ視図を示したものであり、９個の内
周エツジ１９が見られる。内周エツジ１９はバーナの容
量や燃料性状によって適宜個数が決定される。第３図は
第１図のＢ部詳細を示すもので、燃料管４１の先端には
内周エツジ１９およびフレームキャップのフラット面２
０および保炎リング笠２１が設けられている。２５は微
粉炭粒子の流れを示す。第４図は第３図のＣ視図、第５
図は、第３図のＤ視図を示したものである。燃料管４１
の先端には菱形状の断面を有する内周エツジ１９が一定
間隔を隔てて取付けられ、隣接エツジの間に通路２６が
形成される。第５図において、道路２６の角度α＝９０
°のときは、−欠字気流の旋回成分がなくなるので単純
な絞り効果のみとなる。

上記構成の装置において、油燃料１は油供給管２を通り
、Ｉ！ｆｔ霧ノズル３より火炉１６へ霧状に供給される
。この油燃料は特にボイラ起動時、ボイラ低負荷時およ
び微粉炭粉砕ミルの停止時等に用いられるものであり、
通常の運転状態では用いられない。ボイラ火炉が加熱さ
れ所定温度に達した時点で、石炭粉砕ミルへ石炭が供給
され、−次空気をミルに供給しながら石炭が乾燥しつつ
粉砕され、粉砕石炭のうち所定粒度以下の微粉炭を分離
して、−次空気と混合されたものが矢印４で示されるよ
うにバーナに供給される。ベンチュリ５で逆火を防止す
るため一旦増達したのち、燃料管４１内を流れ、燃料噴
ロアより火炉１８へ供給され、燃焼される。燃焼用空気
はファンで昇圧され、空気加熱器にて加熱されたのち風
箱８に供給される。

一方、燃焼用空気はファンで昇圧され、空気加熱器で約
３００℃に昇温し、ダクトで導がれ、ボイラ壁１４と風
箱壁９によって構成された風箱８に供給される。燃焼空
気の一部は二次空気取入口１１　（図示せず）から導入
され、二次空気管４３と微粉炭管４１の間の通路内に設
けた二次エアレジスタ１０により旋回流としたのち、二
次空気噴射口１１から火炉１８へ供給される。残りの燃
焼用空気は、三次エアレジスタ１２により旋回流となり
、三次空気噴射口１３から火炉１８へ供給される。二次
空気管４３の先端部は、開口端に向がって口径を拡大す
る漏斗状のテーパスリーブ１゜２により、三次空気と微
粉炭の混合を遅らせて、燃料管噴口近傍に還元性火炎を
形成させている。

燃料管４１の先端に設けられたフレームキャップ１００
の環状の部分に安定な循環渦２７　（第３図）が形成さ
れ、ここで火炎の安定化が行われる。

すなわち、微粉炭管４１の燃料噴射口６の内周エツジ内
テーバ面２２　（第５図参照）に衝突した微粉炭粒子２
５は、面２２が燃料管先端部内周面となず角βが９０°
より小さいために、２５で示す矢印のように流れ、フレ
ームキャップのフラット面２０上に供給される。同時に
一次空気も、隣接する内周エツジ１９どうしの間の切欠
通路２６を通り、燃料管軸心に対して斜め方向の向きを
とって、フレームキャンプのフラット面２０へ旋回成分
を有するように供給される。この−次空気は次にフレー
ムキャンプの笠２１面に沿って流れろことにより、第３
図に示すように渦２７が形成され、この結果、フレーム
キャップに安定な火炎が形成される。

第４図に示す角度βおよび第５図のα、さらに内周エツ
ジ１９間の間隔は、石炭性状により変化させることが好
ましい。特に揮発分の少ない難燃性の石炭に対しては、
αおよびβは小さくし、内周エツジ１９の間隔を大きく
することにより、フレームキャップ１００上の保炎性能
を確保することができる。なお、第４図のフレームキャ
ンプ１００に設けた切欠部２４は、熱応力を小さくし、
変形を防止するだめのものである。なお、内周エツジに
耐摩耗性を与えるため、この部分にセラミックを使用す
るのもよい方法である。

（発明の効果） 本発明によれば、フレームキャ・７ブ上に渦２７を形成
させることにより、安定した保炎が確保され、二次エア
レジスタおよび三次エアレジスタの開度に関係なく保炎
でき、また、−次空気の最適流速範囲を拡大することが
できる。

また、フレームキャップ上での火炎の着火と安定化が計
られる結果、燃料噴射口直後から安定した燃焼火炎が形
成されるので、火炎検知が確実に行なえることになる。

また、従来よりも低負荷域まで、またＡ／Ｃ（Ａニー次
空気量、Ｃ：固体燃料量）が大きい領域まで良好な火炎
が形成される。

さらに、本発明の燃焼装置においては、燃料管噴射口付
近から還元火炎を形成し、その後、二次、三次空気によ
る完全燃焼が行われるので、低ＮＯＸ燃焼が達成される
効果も得られない。

以上、本発明について微粉炭燃料を使用した場合につい
て説明したが、本発明は石油コークスのような固体微粉
燃料についても好適に通用されることはいうまでもない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す燃焼装置の側断面図
、第２図は第１図のＡ視図、第３図は第１図のＢ部詳細
説明図、第４図は第３図のＣ親図、第５図は第３図のＤ
親図を示す図である。 ３・・・油噴射口、７・・・燃料管噴射口、８・・・風
箱、１０・・・二次エヤレジスタ、１１・・・二次空気
噴射口、１２・・・三次エヤレジスタ、１３・・・三次
空気噴射口、１９・・・内周エツジ、２１・・・フレー
ムキャンプ笠、１００・・・フレームキャップ、１０２
・・・二次空気管先端テーパスリーブ。 代理人　弁理士　　川　北　武　長 第１図　　　　第２図 ７：燃料管噴射口　　　　　１３：三次空気噴射口テー
ハスリーブ 第３図　　　　第４図 り 第５図 第７図 ｊｔｌ　　　ｊｊｌ 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示 昭和６０年　特許願　第１７７１８４号２、発明の名称
　固体燃料の低ＮＯｘ燃焼装置３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　東京都千代田区大手町二丁目６番２号名　称　
（５４４）バブコック日立株式会社代表者　横　１）−
部 ４、代理人〒１０３ 住　所　東京都中央区日本橋茅場町−丁目１１番８号（
紅萌ビルディング）電話０３　（６３９）　５５９２番
氏　名（７６５８）弁理士　川　　北　　武　　長５、
補正命令の日付　昭和６０年１０月　９日付（発送日　
昭和６０年１０月２９日） ６、補正の対象　明細書の図面の簡単な説明の欄。 ７、補正の内容　明細書第１７頁１３行目の「図である
。」を「図、第６図および第 ７図は、それぞれ従来の燃焼装置 の断面図である。Ｊに改める。 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）固体燃料と一次空気の混合流体を噴射する燃料管
   の外側に、ほぼ同心的に二次空気噴射口を配し、さらに
   その外側に三次空気噴射口をほぼ同心的に配した固体燃
   料装置において、燃料管先端部に先開きのＬ字状フレー
   ムキャップを設け、二次空気噴射口外周面を構成する二
   次空気管先端部を、開口端に向かって口径を拡大する漏
   斗状とするとともに、燃料管先端部内周面に複数個の内
   周エッジの、前記内周面と並行な仮想切断面における断
   面を菱形状としたことを特徴とする固体燃料の低ＮＯｘ
   燃焼装置。