JPS6246109A - 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並みの高効率燃焼が
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、燃斜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
ーナの数取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、Ｆｕｅｉｌ　　Ｎと称する）に起因するＮ
０ｘ（以下、ＦｕｅＮ　　ＮＯｘ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、Ｆｕｅｉｌ　　ｐＪ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、
かつ再反応は競合的に行われている。

Ｆｕｅｌ　　Ｎ＋０２　　−＝ＮＯｘ　　　　　（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ＮＯｘ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７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−次空気とともに、
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、還元性中間生成分く気体）を生成し、ＮＯｘの一
部を気相還元してＮ　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６−す単独で二段燃焼が行われ、ＮＯｘ
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８図に示す構造の燃焼
装置を発明し出願したく特願昭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８図の構成の装置において、−次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、フレームキャッ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８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１２０ｍＡｑ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ップ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８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ップ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に搬送するが、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
減少にもかかわらず、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１００の面上および渦
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８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、フレームキャップに複数価の二次空気流入
開口部を設けて、二次空気をフレームキャップ後流部に
流入させ、フレームキャップ後流渦部を拡大させ、微粉
炭などの固体燃料の巻き込み量を増して、その結果火炎
の安定的維持効果をあげるものである。

（発明の実施例） 第１図は本発明の一実施例である微粉炭バーナの側断面
図である。微粉炭焚ボイラの起動は、油燃料１を油供給
管２によって供給し、バーナの中央部にある噴霧ノズル
３より火炉１７内に噴霧し燃焼させる。火炉１７が昇温
され、微粉炭燃焼が可能となった後、石炭をミルに送り
粉砕し、同時にファンを駆動してミルに一次空気を供給
し、所定粒度以下となった微粉炭は一次空気で搬送され
、混合流４となってバーナに送られる。この混合流４は
ベンチュリ５で絞り、流速を上げて逆火防止を行なった
後、燃料管４１内を通り燃料噴射ロアから火炉１７内へ
供給される。

一方、燃焼空気はファンで昇圧し、空気加熱器で昇温さ
れた後風箱８へ供給される。風箱８は風箱壁９およびボ
イラ壁１９によって構成され、咳風箱８内には１個また
は複数個のバーナが配置されている。風箱８に供給され
た燃焼空気の一部は、二次エアレジスタ６１より旋回流
として流入し、燃料管４１と二次空気管４３で構成され
る環状通路を流れ、二次空気噴射口１３より火炉１７へ
供給される。残りの燃焼空気は三次エアレジスタ６２よ
り旋回流として流入し、二次空気管４３とバーナ口１６
で構成される環状通路を流れ、三次空気噴射口１５より
火炉に供給される。二次空気管４３の先端部は、開口端
に向かって口径を拡大する漏斗状のテーバスリーブ１０
２となっており、これにより三次空気は一時的に外方に
拡散する状態で火炉内に噴射されるので、燃料管から噴
射される燃料流との接触が一時的に妨げられ、燃料管噴
射口近傍に高温の還元炎を形成することになる。

燃料管４１の先端には先開きのＬ字状フレームキャップ
１００が設けられている。また、フレームキャップ取付
部の燃料管先端内周面には、複数個の内周エツジ１８が
設けられている。

第２図は第１図のＡ視図を示すものであり、１０個の内
周エツジ１８が設けられ、さらにフレームキャップ１０
０には８個の切込みが設けられている。この切込みがフ
レームキャップ１００での二次空気吹出口３５となる。

フレームキャップの内周エツジ１８および切込み３５の
数は適宜選定され、とくに限定されない。

第３図は第１図のＢ部詳細図である。燃料管４１内を流
れる微粉炭粒子２１は、内周エツジ１８によって流動方
向を変更し、第４図の２９で示すようにフレームキャッ
プ１００の保炎面２２へ供給され、フレームキャップ１
００の保炎コーン２３により誘起渦２６となって流れる
。一方、二次空気流２４は保炎面２２および保炎コーン
２３に設けられたスリッ、ト状のフレームキャフブニ次
空気人口３７から流入し、旋回流となるように傾斜して
保炎面２２から噴出し、誘起渦流２６を助長する。この
二次空気の流れにより、微粉炭流れが第４図の２９のよ
うに保炎面２２上へ引き寄せられる。保炎コーン２３の
外側を流れる二次空気の一部は、二次空気巻込み流２５
となり、誘起渦２６をさらに助長させる。このために、
フレームキャップ１００の保炎面２２および保炎コーン
２３上には、図示のように安定した誘起渦が形成され、
これにより火炎が安定化し、保炎面２２より常に火炎が
発生することになる。

第４図は第３図のＣ視図を示すもので、上記誘起渦２６
はフレームキャップ１００の上を旋回しながら全周にわ
たって安定に存在する。

第５図は内周エツジ１８の構造説明図であり、内周エツ
ジ１８をＸＸ面で切断すると、切断面は菱形となる。す
なわち、隣接する内周エツジ１８の両端面２７．２８で
構成される通路は、ここを通過する流体がフレームキャ
ップに入る場合、旋回流を形成し、微粉炭流は矢印２９
のように流れることになる。

一方、二次空気の一部は、第４図に示すようにフレーム
キャップの二次空気人口３７より流入し、フレームキャ
ップの二次空気出口３５から、二次空気流３１のように
流れることになる。つまり、誘起渦２６は第３図のよう
な旋回成分を有しつつ、フレームキャップ上を時計方向
に移動することになる。このために、フレームキャップ
１００の面上は周方向に状態が均一化され、安定した火
炎を形成させることができるのである。第６図は二次空
気人口３７、出口３５を設けたフレームキャップの周方
向に沿った切断面を示すもので、二次空気３１は入口３
７から入り出口３５から流出する。

以上、本発明の実施例では、微粉炭燃料について説明し
たが、本発明はオイルコークスなどの粉状固体燃料に適
用できることはいうまでもない。

（発明の効果） 本発明においては、燃料管先端部に設けたＬ字状開口を
有するフレームキャップに、二次空気流入開口部を設け
たので、フレームキャ・ノブ後流部に安定した誘起渦を
形成することができ、フレームキャップ保炎面に安定し
た火炎を形成することができる。

この結果、Ａ／Ｃの大きい低負荷運転時や、揮発分の少
ない高燃料比炭を燃焼する場合でも、フレームキャップ
に確実に保炎が形成され、よって燃料管噴射口直後から
高温還元炎が着火、保持される。このことは、二次空気
管先端部を先開きの漏斗状開口として、三次空気を一時
的に上記高温還元炎と隔離する構成とともに、燃料の低
ＮＯｘ燃焼を促進することになる。また、燃料管の噴射
口から安定した火炎が形成されるので、火炎検知器の誤
動作を防止できる効果も得られる。

【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視図、第５図は燃料管先端部
に設ける内周エツジの構造を示す図、第６図はフレーム
キャップに設ける二次空気流入開口部を説明する図、第
７〜８図は、従来の微粉炭焚燃焼装置を示す図である。 ３・・・起動用油噴射口、７・・・燃料管噴射口、８・
・・風箱、１３・・・二次空気噴射口、１５・・・三次
空気噴射口、１６・・・バーナ口、１７・・・火炉、１
８・・・内周エツジ、２２・・・フレームキャップ保炎
面、２３・・・フレームキャップの保炎コーン、３５・
・・フレームキャップへの二次空気流出口、３７・・・
フレームキャップへの二次空気流入口、４１・・・燃料
管、４３・・・２次空気管、６１・・・二次エヤレジス
タ、６２・・・三次エヤレジスタ、１００・・・フレー
ムキャップ、１０２・・・二次スリーブコーン。 代理人　弁理士　川　北　武　長 第１図　　　　　第２図 第３図　　　　第４図 ３：起動用Ｂｌｌ射口　　　　　　　　２３＝フレーム
ギヤツプ保炎コーン７：燃料管＠射口　　　　　　　　
　　　３５．フレームキャップへの二次空気流出口１３
：二次空気噴射口　　　　　　　４１：燃料管１５°三
次空気噴射口　　　　　　　４３：二次空乞管１６：バ
ーナロ　　　　　　　　　　　１００クレームキャップ
１８：内周エンジン　　　　　　　　１０２二次スリー
ブコーン２２°フレームキャップ保炎面

Claims (2)

【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
   の噴射口の外側に、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、前記フレームキャップに
   は複数個の二次空気流入開口部を設けたことを特徴とす
   る固体燃料の低ＮＯ＿ｘ燃焼装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の燃焼装置において、
   燃料管先端内周面に複数個の内周エッジを設け、かつ該
   内周エッジは、前記内周面と平行な仮想切断面における
   断面がほぼ菱形状であることを特徴とする固体燃料の低
   ＮＯ＿ｘ燃焼装置。