JPS6255562B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、粉炭用のベンチユリノズル及び燃焼
過程で窒素酸化物の生成を最少にするように、炉
に粉炭を導入する新らしい方法に関する。

近年、多様なバーナの設計が行なわれてきてお
り、炉、ボイラ、及びそれと同様なものに使用さ
れるバーナのうちのいくつかは、粉炭を燃焼させ
るのに、特に適していた。粉炭、並びに、他の化
石燃料を燃焼させる際の主な問題の１つは、燃焼
過程で窒素酸化物が生成されることである。生成
される窒素酸化物の量を減少させるために、バー
ナの設計に多くの試みがなされてきた。NOX
（窒素酸化物）として知られているこのような酸
化物は、空気の汚染を生じ、一般的に、好ましく
ないものである。

次の米国特許が、燃焼用のエネルギー源とし
て、粉炭又は他の炭化水素化石燃料を使用してい
るバーナ又は炉及びそれと同様なものに向けられ
ている。

米国特許第246321号 第3007084号 第1342135号 第3150710号 第1817911号 第3450504号 第1953090号 第4019851号 第1993901号 第4089628号 第2158521号 第4147116号 第2325318号 第4157889号 第2823628号 第4228747号 本発明の目的は、粉炭、炭化水素及び他の化石
燃料を燃焼させる際に使用する新しい、改良され
たベンチユリノズルを提供することである。

特に、本発明の目的は、前述した特徴を有し、
燃焼過程で、小量の、又は、最少の量の窒素酸化
物を生じるノズルを提供することである。

本発明の他の目的は、粉炭を燃焼させるために
特に適した前述した特徴を有する新しい、改良さ
れたベンチユリノズルを提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、極めて長い炎パタ
ーンを作る、粉炭用の在来のバーナに適用される
新しい改良されたノズルと、窒素酸化物を実質的
に形成することなく、石炭中の揮発物を迅速に蒸
発させるような、高温および還元雰囲気の停滞領
域に向つて炎を引き戻す装置とを提供することに
ある。

更に、本発明の他の目的は、長い炎パターンを
形成して燃焼時間を増大させ、その結果低いピー
ク炎温度が得られる新しい改良された前述の特徴
を有するバーナを提供することである。

本発明の更に他の目的は、構造および操作が比
較的簡単であつてかつ前方に真直ぐであり、種々
の異なる石炭バーナの応用において操作するのに
極めて経済的である上記特長の新規かつ改良され
た粉炭バーナを提供するにある。

本発明の上記の目的および他の目的並びに利点
は、一次石炭／空気混合物流を受け入れる入口
と、この流れを炉の燃焼帯域へ放出するための出
口端とを有する中空管状ノズルからなる、粉炭、
および他の燃料用の新規かつ改良された低NOX
バーナノズルによつて達成される。ノズルには、
出口端に隣接して最大直径部分を有する末拡がり
流れ部分と、粉炭の流れをノズルの中央部分に向
つて集中させるため上流に位置する先細り流れ部
分とを有する環状のベンチユリ状縮流器が同軸に
設けられている。拡流器がベンチユリ状縮流器の
末広がり流れ部分に同軸に設けられ、ノズルの中
で軸線方向に移動可能に調節することができる。
拡流器は、ノズルの出口端に隣接して位置決めさ
れた最大直径の開放端を有し、拡流器の壁面は末
広がり流れ部分の向い合つた壁面と協働して、ノ
ズルの端から外方に延びる環状放出パターンを形
成する。

拡流器の壁面と末広がり流れ部分との間には、
炉の燃焼帯域に放出される一次石炭／空気混合物
の環状パターンを安定させる渦巻作用を流れに与
えるための渦巻羽根が設けられている。この安定
した放出パターンは内側再循環帯域の形成を助
け、円錐形拡流器の開放端は隣接して還元雰囲気
をもつ高温の停滞領域を与える遮蔽を形成する。
燃焼生成物の一部は拡流器の開放端から高温領域
へ引き戻され、この高温領域で、石炭中の揮発物
を蒸発させて還元雰囲気中で燃焼させ、これによ
つてバーナでのNOXの形成を最少にする。二次
空気の流れが、導管の出口端から放出される一次
石炭／空気流を取り囲む外側の環状渦巻空気パタ
ーンを形成するように導入される。一次および二
次流は、石炭／空気流を取り囲むトロイド形再循
環帯域を形成するように調整される。

本発明のより良い理解のために、図面について
参照する。

今、図面の第１図を参照すると、粉炭、及び他
の化石燃料を燃焼させる新しい、改良されたベン
チユリノズルが示され、第１図に参照番号２４で
一般的に指示されている。バーナノズル２４を使
用するようなバーナ組立体１０は第２図に示され
ている。バーナノズル２４は、第１の中空管状の
放出導管、即ちノズル１２を有し、該ノズル１２
は好ましくは、鋼材で形成されるとともに、円形
の横断面をもち、炉の壁１４に形成された円形開
口部１４ａの中央に延びるように取付られる。

ベンチユリノズルは、粉炭および一次空気を截
頭円錐形のバーナスロート２３の中へ放出し、渦
巻く二次空気は、ベンチユリノズル１２を取り囲
む環状空間の中へ流線“Ｂ”に沿つて導入され
る。二次空気の渦巻作用は、回転可能な支持軸３
１に取付られた複数の渦巻羽根２９によつて与え
られ、支持軸３１は、バーナ組立体１０を取囲
み、かつ矢印Ｃで示指した空気を供給する二次空
気レジスタの前方環状板２７と後方環状板３３と
の間に延びる。

羽根２９は、一斉に回動するように、集合的に
制御され、この目的のために、羽根リング制御組
立体３７が、外側レジスタ板３３の外側表面に隣
接して設けられている。軸４１および、バーナ前
部４７の外側に位置決めされたハンドル車４３に
よつて駆動され、かつ制御されるチエーン、スプ
ロケツト駆動機構３９が、羽根２９の角度を選択
的に調整するために設けられている。

バーナ前部４７には、粉炭および一次空気の流
れを、バーナノズル１２に供給する一次粉炭／空
気供給導管５１を収容するために中央開口部４７
ａが形成されている。第２図に示すように、供給
導管５１の左側（内方）端部分は、又バーナノズ
ル１２の支持体をなし、バーナノズル１２は、こ
の支持体に、抜き差し自在の長さ方向摺動運動可
能に取付けられる。供給導管上のノズルの相対的
な長さ方向の位置の制御は、矢印“Ｍ”で示指し
た方向に移動しうる２つの制御棒５３によつて達
成される。

円筒形のバーナ胴部６９が、一次供給導管５１
と同軸線に取付られ、二次空気レジスタ板３３と
バーナ前部４７との間に延びる。

供給管７５からの一次粉炭／空気混合物の入つ
てくる流れは、バーナノズルヘツド８０に差し向
けられる。バーナノズルヘツド内の複数の調整可
能な羽根７９は、粉炭／空気混合物をバーナノズ
ルヘツド８０に一様に分布させるために使用され
る。

第１図におけるベンチユリノズル２４は、浅く
傾斜したベンチユリ構造を備え、この構造は、そ
の最小直径（内方）端において、円筒形の中間ス
ロート部分３０に取付けられた截頭円錐形をなし
た末広がりのノズル出口部分２８を有する。ベン
チユリノズルの入口は、截頭円錐形をなした入口
部分すなわち先細りノズル部分３２であり、これ
は、中間スロート部分３０の上流端に連結された
最小直径（内方）端を有する。先細りノズル部分
３２の最大直径の上流端は、導管５１の内壁面内
に支持され、かつ円筒形シエル３６に取付けられ
ている。

バーナ１０から出る炎パターンは、図面に、動
作態様において示され、かつほぼ第２図において
符号３４によつて指示されている。炎パターン
は、代表的な先行技術のバーナによつて形成され
る炎パターンより、かなり（２ないし3.5倍）長
い。導管５１の出口端近くの位置に設けられたベ
ンチユリノズル２４は、所定の流量および石炭／
空気の放出速度について通常、達せられるものに
比して平均炎長さを二倍または三倍にさせると思
われる。長い炎パターンは、炉の中で石炭／空気
混合物中の石炭を燃焼させる長い滞在時間を与
え、その結果、石炭は、NOX形成を減ずる低い
ピーク温度で燃焼する。

石炭／空気混合物がベンチユリノズルを通つて
流れるとき、流れの中の石炭粒を、流れの中心部
分に向つて集中させ、かつ、一次燃料／空気混合
物中に一層均一に分布させる。ベンチユリノズル
は、中心すなわち内側の再循環帯域Ｆの外側に形
成される石炭および空気の内側シエル（矢印Ｅ）
をつくる。この再循環帯域は、円錐形の石炭拡流
器４０の端に形成される。出来た放出パターン
は、末広がり矢印Ｅ（第２図）によつて示され、
矢印Ｅは、炉内の燃焼帯域に燃料／空気流が入る
とき燃料／空気流の一般的に浅い截頭環状放出パ
ターンを概略的に示している。

本発明によれば、新規なベンチユリノズル２４
は、ベンチユリノズル２８の末広がり部分内に同
軸に設けられた、第１および３図に示す截頭円錐
形の中空末広がり拡流器４０を包含している。ベ
ンチユリノズルの末広がり部分２８および石炭拡
流器４０の傾斜は、石炭／空気流の放出を、第２
図に矢印Ｅで示したように浅い截頭円錐形の放出
パターンで燃焼帯域へ外方に差し向けるための一
般的に截頭円錐形の環状流れ通路３８を形成して
いる。

ベンチユリノズル２４の標準実施例において、
縮流器２４の外穀３６の外径はほぼ7.5インチ
（19.05cm）に構成され、ベンチユリノズルの全長
は17.5インチ（44.45cm）であつた。ベンチユリ
ノズルのスロート部分３０の内径は５−3/8イン
チ（13.65cm）であり、このスロートの軸線方向
の長さは３インチ（7.62cm）であつた。末広がり
ノズル部分２８の軸線方向長さは8.5インチ
（21.59cm）に構成され、先細りノズル部分３２は
長さに６インチ（15.24cm）であつた。したがつ
て、部分３２の先細り傾斜角度は部分２８の末広
がり角度より幾分大きかつた。拡流器４０は開放
端外端４０Ａに約２−3/4インチ（6.98cm）の最
大直径をもち、拡流器の内端の最小直径は約１イ
ンチ（2.54cm）であつた。拡流器は約４インチ
（10.16cm）の軸線方向長さを有していた。上述し
た寸法の標準型についてテストはNOX形成減少
及び許容しうるCO放出により優れた結果を示し
た。

円錐形の拡流器４０の小さい直径の端はバーナ
ノズル１２の中心軸線Ａ−Ａに同軸に設けられた
中央支持管４２の外端に固着支持されている。支
持管は、外端をパツキン押え７７中に精密に位置
決めすることによつて矢印“Ｇ”（第１図）で示
すようにいずれの方向にも、軸線方向の摺動運動
で長さ方向に可動である。

円錐形拡流器４０を内方に（第２図において右
に向つて）移動させるとき、円錐形拡流器がベン
チユリ状縮流器２４のスロート部分３０に接近す
るので、環状流れ領域即ち流れ通路３８及び石
炭／空気混合物の末広がり放出流の流れ横断面は
わずかに減少する。これとは反対に、支持管４２
を反対方向に（左へ）移動させるとき、流れ領域
３８は増加する。末広がり流れ部分２８の外端２
８ａから放出される流れの速度は縮流器２４に対
する円錐形拡流器の移動によつて容易に制御でき
る。

燃焼を安定化するために、ベンチユリノズル部
分２８は円錐形拡流器４０の外表面に取付けられ
た複数の渦巻羽根５２を備えている。これらの羽
根は、円錐形拡流器と外端２８ａに隣接した末広
がりノズル部分２８の内側表面との間の流れ通路
３８の中で一次石炭／空気流に渦巻作用（第１図
矢印Ｋ）を与える。渦巻羽根５２によつて与えら
れた放出石炭／空気流の渦巻作用は、燃焼帯域及
びノズル１２の出口端１２ｂのすぐ近の領域中の
炎パターン３４の安定性を増加させる。

渦巻く一次石炭／空気流は、円錐形拡流器４０
の中空外端のすぐ近くの停滞領域（第２図にＦで
示す）を取り囲む壁を形成する。停滞領域Ｆは比
較的低い圧力を有し且つ高温の還元雰囲気を与
え、その結果粉炭中の揮発物を蒸発させ窒素酸化
物即ちNOXの形成を最少にしてこれを燃焼させ
る。

渦巻く二次空気（矢印Ｂ）と、バーナノズル１
２から放出される渦巻く一次石炭／空気流Ｅとの
間の速度の適正な均合により、停滞領域Ｆの外側
でそのまわりにトロイド形状の第２の即ち外側の
再循環帯域Ｈが得られると考えられる。一次石炭
空気混合物への二次空気すなわち外側空気の流入
を最少にすると、高温の還元雰囲気が維持され
る。同心状の内側および外側再循環帯域により、
燃焼生成物の一部が内側および外側の炎進路矢印
で示すようにバーナノズル出口１２ｂに向つて引
き戻される。かしくし、石炭の急速な脱揮および
燃焼が大気を汚染することになる過剰な量の窒素
酸化物（NOX）を形成することなく行なわれ
る。

在来の渦巻安定化バーナにベンチユリノズル２
４を適用すると、上述したようにベンチユリノズ
ルの新規な幾何学的形状のために、窒素酸化物の
放出を減少させるように成層燃焼が行なわれる。
ベンチユリノズル２４はノズル１２の出口端に隣
接して設置され、これは長い炎パターンを形成し
て、低ピーク炎温度を与える。石炭の燃焼のため
の平均時間は大巾に増し、これにより効果的な燃
焼を維持する。

ベンチユリノズル２４の先細り部分すなわち入
口部分３２は石炭粒子を加速している石炭／空気
流の中央部分に向つて集中させようとし、かつ石
炭を一次流れ中に一層均一に分布させる。この流
れはスロート部分３０の低圧および高速状態の中
へ流入し、引き続いて、石炭／空気流は中空の円
錐形拡流器４０のまわりに環状の渦巻流れパター
ンを形成しながら減速される。この環状流れは円
錐形拡流器４０の環状表面と末広がりノズル部分
２８の内表面との間に出口流れ通路３８の中で渦
巻羽根５２によつて渦巻きを形成する。このよう
な渦巻作用は燃焼を安定化させる。また、渦巻作
用の助けにより、円錐形拡流器４０の開放端に燃
焼過程の初期の停滞領域Ｆが形成される。この領
域では、石炭の揮発物を発生させ、窒素酸化物を
著しく形成することなく高温の還元雰囲気中でこ
の揮発物を燃焼させる。炎パターン３４での石炭
の燃焼過程が比較的長時間に亘つて生じ、また燃
焼過程中のピーク炎は従来のバーナにおけるより
も相当に低い。これらのフアクタは又、窒素酸化
物の発生量の低減に寄与すると考えられる。

本発明を、図示したただ一つの実施例を参照し
て説明したけれども、本発明の原理の精神および
範囲に入る種々の変更を当業界がなし得ることは
言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の特徴によつて構成される新規
かつ改良された微粉炭バーナノズルの断面図であ
る。第２図は、第１図のバーナノズルを使用する
バーナ組立体の断面図である。第３図は、実質的
に第１図の３−３線における横断面図である。 １２……管状ノズル装置、２４……縮流装置、
２８……末広がり流れ部分、３２……先細り流れ
部分、４０……拡流装置、５２……渦巻羽根。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 粉炭用のバーナノズルにおいて、 石炭／空気混合物の一次流を受入れる入口と、
   前記一次流を燃焼用炉の燃焼帯域へ放出する出口
   端とを備えた管状ノズル装置と、 前記管状ノズル装置の出口端に隣接して前記ノ
   ズル装置内に同軸的に設けられ、前記管状ノズル
   装置の出口端に隣接する最大直径の出口をもつ末
   広がり流れ部分と、該末広がり流れ部分の上流に
   位置して前記一次流の中央部分に粉炭を均一に分
   布させる先細り流れ部分とを備えた縮流装置、 前記管状ノズル装置内で軸線方向に調節自在に
   移動できるように前記末広がり流れ部分内に同軸
   に取付けられ、前記出口端に隣接した最大直径の
   解放端と、前記末広がり流れ部分の壁面と協働し
   て末広がりの環状流れ通路を形成する壁面とを備
   えた拡流装置と、 前記拡流装置と前記末広がり流れ部分の壁面と
   の間で前記末広がり流れ通路内に設置されてい
   て、前記石炭／空気混合物流に渦巻作用を与えて
   該混合物流の燃焼を安定化させる渦巻羽根装置と
   を有し、 前記安定化した放出流により、前記拡流装置の
   前記解放端に隣接して、少くともいくらかの燃焼
   生成物を前記拡流装置に向つて引き戻すために形
   成された高温の停滞領域を遮蔽する壁を形成し、
   粉炭内の揮発物を還元雰囲気中で蒸発させ、前記
   バーナによる窒素酸化物の形成を減少させること
   を特徴とするバーナノズル。 ２ 前記縮流装置は、最小直径の一般的に円筒形
   の中間スロート部分を備え、該スロート部分の両
   端はそれぞれ前記末広がり流れ部分および前記先
   細り流れ部分の最小直径端部に接合されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のバ
   ーナノズル。 ３ 前記縮流装置の前記先細り流れ部分および末
   広がり流れ部分は、形状がほぼ截頭円錐形である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   バーナノズル。 ４ 前記先細り流れ部分は軸線方向長さが前記末
   広がり流れ部分より短かく、前記一次流の中の微
   粉炭を先細り流れ部分の中央部分に分布させるよ
   うになつており、前記末広がり流れ部分は、前記
   一次流が前記末広がり流れ部分内で末広がりをな
   すとき前記粉炭の分布を維持することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載のバーナノズル。 ５ 前記縮流装置は、前記管状ノズル装置内に同
   軸をなして軸線方向に変位できるように設けられ
   た円筒形の外穀を備えていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載のバーナノズル。 ６ 上記拡流装置は、上記解放端の上流に最小直
   径の端があるほぼ截頭円錐形であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のバーナノズル。 ７ 上記拡流装置の上記上流端に取付けられ、か
   つ上記管状ノズル装置の中心軸線に沿つて同軸的
   に軸線方向に移動可能に装着された支持装置をさ
   らに包含することを特徴とする特許請求の範囲第
   ７項記載のバーナノズル。 ８ 先細りベンチユリ部分の中で石炭／空気混合
   物の流れを加速して、石炭粒子を流れの中央部分
   に向けて分布させ、 中空円錐形拡流器の回りに浅い環状の円錐形流
   れパターンを形成しながら、上記混合物の流れを
   若干減速し、 上記環状の流れパターンを、上記円錐形拡流器
   の軸線のまわりに渦巻まかせかつ燃焼帯域に放出
   する安定化した環状の流れパターンを形成するよ
   うに差し向け、 上記安定した円錐形流れパターンから延びた細
   長い炎パターンをもつて上記放出する石炭を燃焼
   させ、 高温の還元雰囲気の遮蔽された停滞領域を上記
   円錐形拡流器の近くに形成して、燃焼過程の初期
   において前記石炭中の揮発物を蒸発させ、 連続燃焼過程で上記揮発物を燃焼させて窒素酸
   化物の形成を少なくする、 ことを特徴とする粉炭の燃焼方法。 ９ 上記放出する流れパターンの中心軸線の近く
   に低圧帯域を形成して、上記円錐形拡流器に向つ
   て燃焼生成物の一部を引き戻し、上記揮発物をす
   ばやく揮発させかつ燃焼させる高温の再循環領域
   を形成することをさらに含むことを特徴とする特
   許請求の範囲第８項記載の方法。 １０ 上記再循環領域の回りに渦巻く石炭と空気
   の壁を形成して、高温度の還元雰囲気を作ること
   をさらに含むことを特徴とする特許請求の範囲第
   ９項記載の方法。 １１ 二次空気の渦巻き流れを導入することによ
   り、上記安定化した環状流れパターンの回りにト
   ロイド形再循環領域を生じさせることをさらに含
   むことを特徴とする特許請求の範囲第１０項記載
   の方法。 １２ 上記二次空気の流れ速度を調節して、上記
   安定化した環状流れパターンの回りに上記外側ト
   ロイド形再循環領域を形成することをさらに含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１１項記載の
   方法。