JPS6323442B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は燃料を燃焼させることに関し、特に
燃焼に際しての窒素酸化物（以下NOxと称する）
の生成を減少させる燃焼装置の構造に関する。

＜従来の技術及びその問題点＞ 近時注目されている公害の大気汚染源の一つと
して、蒸気発生装置で焚かれた化石燃料の燃焼ガ
スとして大気中に排出されるものの中に現われる
窒素酸化物（NOx）がある。一酸化窒素NOは不
可視で比較的無害のガスである。しかしこれが煙
突より排出され大気中の酸素と接触すると総称的
に窒素酸化物と言われる二酸化窒素ほかの窒素酸
化物を反応して形成する。二酸化窒素は黄褐色の
ガスで充分濃縮されると動物並びに植物の生命に
有害なものとなる。蒸気発生装置の排ガス煙突部
における可視のもやを形成するのがこのガスであ
る。

厳重な排出規制の実施に伴い、燃焼装置の製造
者は化石燃料の燃焼で形成される汚染物の量を規
制する技術を熱心に検討している。このような技
術はこの発明の譲受人に譲渡されている米国特許
No.3788796，3880570及び3904349に開示されてい
るところである。

一酸化窒素（NO）は窒素と酸素の反応の結果
生ずるものであり、燃料成分生成の一酸化窒素と
熱による一酸化窒素の二種がある。前者は燃焼空
気中の酸素と燃料に含まれている窒素との反応に
より形成され、後者は燃焼用空気中に含まれてい
る窒素と酸素の反応の結果によるものである。

燃料中の窒素成分による一酸化窒素（以下燃料
NOと称す）の生成比率は着火区域への酸素供給
量に主として依存するものである。しかし還元雰
囲気においては認めうべきNOの生成はない。換
言すれば着火区域の酸素レベルが燃料の完全燃焼
に必要とする酸素レベルより低いことである。こ
のような条件において燃料窒素化合物は分解さ
れ、制御された温度レベル以内で以後に空気供給
してもNOは生成されない。

熱一酸化窒素の生成の比率は次にのべる変動因
子の何れかまたはその組合せに依存するものであ
る。

(1) 火炎温度 (2) 高温地帯に燃焼ガスの滞溜している時間 (3) 過剰酸素の供給 NOの生成の比率は火炎温度の上昇に伴に増加
する。以下に検討する燃料と空気の混合による燃
焼が火炎温度3700〓（2037.7℃）級を形成する蒸
気発生器においては、反応を規制する時間―温度
の関係は火炎温度2900〓（1593℃）又は以下にお
いては評価しうべきNOの生成はなく、また、
2900〓（1593℃）以上においてはNOの反応生成
比率は急速に増大するものである。

従つて前記の検討から燃料含有窒素からのNO
の生成は還元雰囲気を保持することにより抑制す
ることができ、また空気中の窒素からのNO生成
は火炎温度を2900〓（1593℃）以下に保持するこ
とにより抑制されるものであることを確認するこ
とができる。

従来は前記(1)〜(3)の条件の個々の解決がはから
れていたが、それではNOx低減の目的が充分達
成できなかつた。

＜手段の概要＞ この発明は前記(1)〜(3)のNOx発生条件に対応
する構造の燃焼装置を提案するものである。

すなわち(1)の条件の温度の過昇を押え、２次火
炉には連通するが独立した燃焼条件の得られる１
次火炉を複数個設け、これら１次火炉に供給する
燃焼用空気量を空燃比（空気／燃料比）を１以下
のものとして燃焼ガスの温度を低くしている。

さらに１次火炉の燃焼ガスを受け入れる２次火
炉を設けこれは背丈の高い燃焼ガスの通路の長い
ものとし(2)の条件を満足させている。

ついで２次火炉には、燃焼用空気を供給しかつ
１次火炉と２次火炉の合計したものが空燃比で
1.05〜1.25になるようにし１次火炉から送出され
る未燃成分を充分に燃焼させる。また要すれば再
循環燃焼ガスを供給し燃焼ガス温度の過昇するこ
とを防止している。

＜発明の目的＞ この発明はNOx発生の原因となる火炎温度、
燃焼ガスの滞留時間、空気の供給（空燃比）の３
条件に対応しNOxを低減する低NOx燃焼装置の
構造を提案することを目的とする。

＜実施例 １＞ この発明の第１実施例を第１〜４図を参照し説
明すると、第１図には円形断面を有する複数個の
１次火炉と角形断面も有する２次火炉を画定する
流体冷却壁を含む蒸気発生装置１０が図示されて
いる。

２次火炉１４の前壁１６、後壁１８は、夫々２
次火炉へ連通する出口をもちかつ下方に向け傾斜
する１次火炉に接続している。

この１次火炉の傾斜は微粉炭焚きの場合は溶融
灰（スラグ）を２次火炉内へ流下し排出すること
を好適にするほか、後に述べる（第５図）１次火
炉の高温排ガスの斜め下方への噴出による燃焼ガ
ス流路の延長と粗微粉炭の分離しかもそれを燃焼
させる効果を収めるものである。

この傾斜角度は図示の如く１次火炉軸心は水平
に対し約30゜〜40゜であることが望ましい。

これは１次火炉と２次火炉との取り合い（接
続）の実質的な構造及び傾斜角度をされに大にし
ても期待する排ガス流路延長が得られぬことから
も前記の傾斜角度とするものである。第２図に示
す加圧気体室２２は一次火炉１２の前端に設けら
れる。流体は下部ヘツダ２６，２８から前壁１
６、後壁１８の管２４に供給され、また下部ヘツ
ダ３２を通じ１次火炉の管３０（第２図）に供給
される。１次火炉の管３０は流体の排出のため上
部ヘツダ３４に接続される。１次火炉１２と２次
火炉１４の外面は断熱材と金属板で覆われる。

２次火炉の火炎に面する側は一般にガス及び油
焚きの場合に設けられる１次火炉と同様に裸の管
で形成されている。石炭焚の１次火炉１２は火焚
側はスタツド打ちされ耐火炉材の層で通常覆われ
ている。

第２図、第６図に示すごとく、１次火炉には微
粉炭バーナ３６、オイルバーナ３８とガスバーナ
４０が設けられている。微粉炭バーナ３６はベン
チユリーセクシヨン４４を取付けたデイスチヤー
ジノズル４２をもつ。

オイルバーナ３８は端部をヨーク組み４８に接
続するバレル部材４６をもつ。ガスバーナは１次
火炉の入口に排出をするノズル５２をもつ環状入
口マニホールド５０を含むものである。共通ダク
ト５４は１次火炉１２に排出をする圧力気体室２
２に燃焼用空気と再循環ガスを供給する。点火装
置５５は１次火炉に噴射される一種類の燃料また
は複数種類の燃料に点火するために設けられる。

第２図には、デユアル（二重）エアレジスタを
有するバーナ装置組立が示されている。各デユア
ルエアレジスタは１次火炉入口に燃焼用空気と再
循環ガスを排出するのに使用される圧力気体室内
に位置するスリーブ部材５８と６０内に位置する
ものである。スリーブ部材６０は部分６０Ａをも
ち部材５８Ａと同心に離隔して位置し第１の環状
通路６６を前記部材相互間に形成する。スリーブ
部材６０の残部はフレア（朝顔状部）出口６０Ｂ
を含み、また通路６６の入口を形成する環状板部
材６８と軸方向に離隔するフランジ６０Ｃを含む
ものである。スリーブ部材５８は部分５８Ａをも
ち第２図に示す石炭バーナのノズル４２のまわり
に離隔して同心に位置する。

なおバーナに供給する微粉炭の量の制御は、通
常のボイラ装置でみられるホツパーから供給され
る微粉炭を定量微粉炭供給装置、例えばコールフ
イーダの如き定量取り出し容器に供給しその回転
数の制御により量の制御をすることができる。一
方バーナへ微粉炭を搬送する一次空気の量は、そ
の搬送ダクト内における気体流速に最低限界があ
り一定量以下にすることはできない。この一次空
気は第６図の微粉炭バーナ３６に供給される。

一方一次火炉の燃焼用２次空気量の制御は第６
図の共通ダクト５４と接続するダクト（図示せ
ず）に設けた公知の構造のダンパー（図示せず）
により行なわれる。尚一次の火炉はバーナ容量の
関係上二次火炉には複数個設けボイラの容量に対
応している。更に２次空気量を調節するため通路
６８には複数のレジスタブレード７４（第２図）
が設けられ、ベーン７０をもつ通路６２用として
はブレード７２（第６図では符号８２）が設けら
れており一次火炉に旋転して流れる二次空気量を
制御している。前記したダクト５４に接続する図
示しないダクトに設けたダンパー、及びブレード
７２，７４を含み燃焼用空気制御装置が構成され
る。

＜実施例 ２＞ 第６図に示す第２実施例のバーナ組立てにおい
ては、１次火炉への入口に燃焼用空気と再循環燃
焼ガスを排出する圧力気体室２２内に位置しスリ
ーブ部材７６に含まれる単一エアレジスタが設け
られている。スリーブ部材７６はノズル４２と離
隔し同心に位置する部分７６Ａをもち相互に環状
通路７８を形成する。スリーブ部材の残部はフレ
ア状出口７６Ｂと環状板部材８０と同心かつ離隔
し通路７８への入口を形成するフランジ７６Ｃを
もつ。等間隔で離隔し位置する複数個のブレード
８２は通路７８の入口端に位置する。レジスタブ
レードは、開、閉、中間位置を任意に取りうるよ
うに回動を位置固定を自由にできるように取付け
され、好ましくはレジスタブレードの複数枚は一
組としてかつ同時作動できるように調整できるリ
ング列により相互に接続されている。

＜実施例 ３＞ 第７図、第８図に示す第３実施例においては主
バーナ７９と微粉炭パイロツトバーナ８１をもつ
１次火炉１２が示されている。主バーナ７９は供
給パイプ８５から微粉炭を受け入れするリンク状
入口マニホールド８３をもち、また１次火炉に微
粉炭を排出する環状ダクト８９を貫通してのびる
複数個のノズル８７が前記マニホールドに取付け
されている。微粉炭パイロツトバーナ８１は圧力
気体室２２内に同心に位置するノズル９０を含み
かつ１次火炉１２に排出をする。パイロツトバー
ナ８１は図示のごとく単一エアレジスタをもつが
デユアルエアレジスタの装着を可能にしてある。
単一エアレジスタはスリーブ部材９１を含み、そ
の一部たる部材９１Ａはノズル９０と同心に離隔
して位置し相互間に環状通路９２を形成してい
る。スリーブ部材９１の残部はフレヤ状出口９１
Ｂを含み、フランジ９１Ｃは環状部材９３と軸方
向に離隔し、相互間に環状通路９２を形成する。
等間隔にはなれて位置する複数枚のレジスタブレ
ード９４は通路９２の入口端に位置する。レジス
タブレード９４はピポツト取付けされ、開、閉、
中間位置を任意に取ることができ、また好ましく
はリンク列で連結され一組としてまた同時作動す
るように調整することができる。供給ダクト９５
は１次火炉へレジスタを通じ排出するため圧力気
体室２２へ燃焼用空気を供給する。微粉炭への点
火は点火装置５５によりなされる。

第７図では環状ダクト８９に接続する共通ダク
ト９６が示されており、燃焼用空気と再循環燃焼
ガスを１次火炉１２に排出するために供給してい
る。

第８図では環状ダクト８９に接続されるダクト
９７が示され、１次火炉に排出するための燃焼用
空気が供給される。また円周上に離隔位置する複
数個の開口１００を通じ１次火炉１２に排出する
ための環状ダクト９９へ燃焼ガスを供給するダク
ト９８が設けられる。

燃焼用空気制御装置は、第７図においては供給
ダクト９５，９６に夫々接続する図示しない管路
に夫々設けたダンパー装置と、レジスターブレー
ド９４とで構成される。

第８図の例ではダクト９５，９７に夫々接続す
る図示しない管路に夫々設けたダンパー装置と、
レジスターブレード９４とにより燃焼用空気制御
装置は形成される。前記した第２図乃至第８図の
燃焼用制御装置が第１の制御装置となる。

前記各実施例において一次火炉の全理論空気量
の50〜70％（空気比でもある）の量空気が１次火
炉に供給される。この一次火炉においてこのよう
な空気比の燃焼用空気を供給する趣旨は、石炭に
多く含有されている窒素に基くフユエルNOxが
空気比0.5〜0.7までは発生しないことによるもの
である。またこのような低空気比燃焼が水管壁で
囲まれた一次火炉内で燃焼することは一次火炉内
の燃焼ガス温度を低くし高温ガスによるサーマル
NOxの発生させない趣旨でもある。

２次火炉に供給される２次燃焼用空気量はダク
ト８４（第２図，第３図）に接続する図示しない
管路に設けた公知の構造のダンパー装置と、出口
８６（第３図，第４図）に設けた複数のダンパー
ブレード８８により制御される。

これら２次火炉用の前記したダクト８４に接続
する管路に設けた制御用ダンパー装置とダンパー
ブレード８８を含み第２の制御装置を構成する。
２次火炉においても空気比0.5〜0.7の空気が供給
され、燃焼ガス温度が上昇しないようにしサーマ
ルNOxの発生を防止しているものである。燃焼
用空気の供給量は前記したように１次火炉、２次
火炉と夫々独立に低空気比で制御できる装置であ
る。１次火炉の軸心を傾斜させる（第５図）趣旨
は、微粉炭の燃焼は時間を要することであり、１
次火炉で極力低空気比燃焼をさせ、１次火炉軸心
を傾斜させ燃焼ガス通路の延長と粗粉、細粉の遠
心分離（第５図で説明）の効果をはかり２次火炉
でも低空気比燃焼をさせようとするものである。

＜作用＞ この発明の実施に際しては、１次火炉１２に供
給する燃焼用空気量は１次火炉の全理論空気量の
50〜70％の量を保持するように制御され、燃焼用
空気の残部で全理論空気量の50〜70％を含むもの
が２次火炉１４に供給される。必要あるときは再
循環ガスは１次火炉で最高2500〓（1371℃）２次
火炉で最高2900〓（1593℃）を保持するように
夫々供給される。１次火炉に供給される燃焼ガス
は１次と２次火炉の両方について供給される燃焼
用空気の全重量の10〜30％の重量に等しいものが
供給される。

第６図に示す実施例においては、燃焼用空気は
全理論空気量の15〜30％の量でバーナ36への微粉
炭搬送用として使用される。１次火炉１２に充当
する燃焼用空気の残部はダクト５４から供給さ
れ、これは第２図においては通路６２，６６を通
じて供給され、また第６図の実施例では通路７８
を通じて供給されるものである。

第７図、第８図の実施例においては、微粉炭の
12〜20％量がパイロツトバーナ８１により燃焼さ
れ、残部は主バーナ７９で燃焼される。

次にのべる１次火炉に供給される燃焼用空気の
配分比率は全理論空気量を規準とするものであ
る。

(イ) ２〜８％はパイロツトバーナ８１への微粉炭
搬送用。

(ロ) ４〜12％はパイロツトバーナ８１の燃焼用空
気として圧力気体室２２と通路９２を通じ、ダ
クト９５により供給されるもの。

(ハ) 13〜22％は入口８５を通じ主バーナ７９に微
粉炭搬送用として使用されるもの。

(ニ) 20〜40％は主バーナ79の燃焼用として環状ダ
クト８９を通じダクト９６により供給されるも
の。

燃焼ガスは必要の都度、ダクト９６により導入
され、第１及び第２火炉の両者に供給する燃焼用
空気の全重量流量の10〜30％になるものが制御し
て供給される。

第８図に示す実施例においては、主バーナ７９
への燃焼用空気はダクト９７により供給され、ま
た必要あるときは開口１００を通じ排出するため
環状ダクト８９を通じダクト９８により供給され
る。

＜効果＞ 本願発明は１次火炉の空気比（Ａ／Ｆ）は全理
論空気量に対し50〜70％、２次火炉のＡ／Ｆは50
〜70％、１次、２次の合計のＡ／Ｆは105〜125％
にする火炉を設け、また１次火炉の出口に近接し
て２次火炉へ燃焼用空気を供給するダクト装置が
設けられている。１次火炉は２次火炉に対し下向
きの傾斜をもつて設けられているという特徴をも
つ。

また本願発明は添付する図面にはその具体的か
つ詳細な構造が実施例として示している。

つぎに前記の特徴ある構造にもとづく効果を第
５図により説明する。

しかるに本願発明においては微粉炭や末燃成分
の燃焼経路の長さを充分にとることを充分に考慮
して１次火炉を２次火炉に対し下向けの傾斜をも
ち接続している。その効果は第５図に模式を示す
もので説明する。すなわち、 (1) １次火炉での燃焼温度を空気供給量を空気比
１以下にしてNOの発生を抑えた燃焼ができ
た。

(2) 火炎は反転燃焼するので１次火炉より噴出す
る軽い比重の未燃のガスは第１０図で上側に、
未燃カーボンを含む重い未燃成分を含む燃焼ガ
スは下側に来て濃淡の２層ができ、１次火炉出
口からの２次空気がこれを囲み２次火炉内で燃
焼し１次火炉でのNO発生の抑制効果と相まつ
てNOx低減の効果を挙げるものである。１次
火炉と２次火炉の接続部の上側には２次火炉に
おける＜淡＞部の着火火炎が形成される。

(3) ２次火炉内の火炎は反転する火炎の流れとな
り充分な燃焼をする燃焼通路長さを確保ができ
る。

さらに特記すべきことは従来の燃焼装置では起
動立上りの際には50％負荷までは液体燃料による
燃焼が必要であり、また負荷を下げていくときは
約30％近傍で液体燃料専焼に切り換えていたもの
を、本願発明の装置を使用することにより初めて
パイロツトバーナによる微粉炭のみで起動ができ
かつ燃焼負荷の変化に対応する低NOx燃焼がで
きるものとなつたことである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施にかかる蒸気発生装置
を概略かつ部分断面で示す正面図、第２図は石炭
及び又は油及び又は天然ガスを燃焼させるに適合
したデユアルレジスタバーナに関連する１次火炉
の断面を示す正面図、第３図は１次火炉を上部よ
り見た図面、第４図は１次火炉をその後端側より
見た図面、第６図は石炭又は油又は天然ガスを燃
焼させるシングルレジスタバーナに関連する１次
火炉の部分図、第７図は微粉炭燃焼用の主バーナ
及びパイロツトバーナに関連する１次火炉の部分
図、第８図は１次火炉に再循環ガスを分離導入す
る場合の第７図の他の実施例を示す断面図、第９
図は１次火炉の他の実施例でその後端側より見た
図面、第５図は１次火炉軸心を２次火炉側を低く
して接続したときの効果を説明する模式の部分縦
断面図である。 １２……１次火炉、１４……２次火炉、２２…
…圧力気体室、３６……微粉炭バーナ、３８……
オイルバーナ、４０……ガスバーナ、５４……共
通ダクト、５６……供給パイプ、７６……スリー
ブ部材、７９……主バーナ、８１……パイロツト
バーナ、８２……ブレード、８９……環状ダク
ト、９１……スリーブ部材、９４……レジスタブ
レード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料を燃焼させる際における窒素酸化物の生
   成を抑制する装置において、流体冷却管により内
   張り形成された複数の１次火炉が入口開口と出口
   開口をもち２次火炉がこの１次火炉の出口開口と
   連通しかつ前記入口開口を通じ燃料と燃焼用空気
   を１次火炉に導入する装置と、微粉炭を燃料とす
   る燃料導入装置と、この燃料導入装置と圧力気体
   を排出するダクト装置が接続しかつ１次火炉の入
   口開口に連通している圧力気体室と、この圧力気
   体室に設けた微粉炭バーナ装置と、１次火炉に全
   理論空気量の50乃至70％の燃焼用空気を導入する
   燃焼用空気制御装置と、２次火炉に燃焼用空気を
   導入する装置と、２次火炉に全理論空気量の50乃
   至70％の燃焼用空気を制御して供給する制御装置
   とよりなり、前記第１の制御装置と第２の制御装
   置が、これらにより１次火炉と２次火炉に供給さ
   れる燃焼用空気量の合計が全理論空気量の105乃
   至125％の範囲内にあるように制御できる装置で
   あり、前記２次火炉へ燃焼用空気を導入する装置
   が前記１次火炉の出口に近接して前記２次火炉に
   接続しているダクト装置を含み、前記１次火炉が
   前記２次火炉に対し下向きの傾斜をもつて設けら
   れていることを特徴とするNOx低減燃焼装置。 ２ 前記１次火炉が概略円形流路断面をもつこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のNOx
   低減燃焼装置。 ３ 前記１次火炉が概略角形流路断面をもつこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のNOx
   低減燃焼装置。 ４ 前記燃料導入装置が液体燃料燃焼装置を含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   NOx低減燃焼装置。 ５ 前記燃料導入装置が天然ガスバーナを含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   NOx低減燃焼装置。 ６ 前記燃料導入装置が合成ガスバーナを含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   NOx低減燃焼装置。 ７ 前記圧力気体室を囲みかつ１次火炉に開口し
   ている環状ダクトが少なくとも導入される燃焼用
   空気の一部を運ぶように形成されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のNOx低減
   燃焼装置。 ８ 前記燃料導入装置の少なくともいくつかは前
   記環状ダクトを貫通して延びていることを特徴と
   する特許請求の範囲第７項記載のNOx低減燃焼
   装置。 ９ 前記環状ダクトに燃焼ガスを導入する装置を
   設けたことを特徴とする特許請求の範囲第７項記
   載のNOx低減燃焼装置。 １０ 前記圧力気体室に燃焼ガスを導入する装置
   を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のNOx低減燃焼装置。 １１ 前記圧力気体室を通過する平行な燃焼用空
   気通路を画定する装置を設けたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のNOx低減燃焼装置。