JPWO2014027609A1 - 固体燃料バーナ - Google Patents

Abstract

固体燃料を供給する燃料ノズル８内に燃料流路の横断面を縮小させる絞り部を有するベンチュリー７と該ベンチュリー７の後流側にノズル８内の流れを外向きに変える燃料濃縮器６を備え、該ノズル８は、（ａ）ボイラ火炉壁面１８の開口部３２近傍における開口形状が扁平形状であり、（ｂ）ノズル８の外周壁のノズル中心軸Ｃに直交する断面形状が、ベンチュリー７の絞り部まで横断面が円形であり、（ｃ）前記絞り部から開口部３２に至るまでの間は、徐々に扁平度合いが増大する部分を有し、（ｄ）前記開口部３２で扁平度合いが最大となる扁平形状となるように形成している。該ノズル８の出口において周方向での燃料濃度の均一化を図りながら、燃料の着火・保炎に十分な燃料濃度が得られ、燃焼排ガスの低ＮＯｘ濃度化が達成できる固体燃料バーナが得られる。

Description

本発明は固体燃料バーナ、特に固体燃料の効率の良い低窒素酸化物（ＮＯｘ）燃焼が可能なバーナに関する。

一般に固体燃料バーナの燃料ノズルの出口部の断面は円形又は正方形に近い形状をしており、火炉内において燃料含有流体噴流の外側で着火した火炎が燃料含有流体噴流の中心部まで伝播するにはかなりの距離を必要とする場合がある。燃料ノズルからの燃料含有流体の噴出方向における着火した火炎が燃料含有流体噴流の中心部まで伝播する距離、すなわち、未着火距離は燃料ノズルの直径又は外径部が大きくなるほど長くなり、未着火領域が拡大する。バーナ近傍の還元領域で燃焼を促進することが、燃焼ガス中のＮＯｘ発生を抑制する上で重要であるが、未着火領域の拡大は着火後の燃焼時間が短くなることを意味し、ＮＯｘ抑制が不十分であったり、燃焼効率が低下したりする要因ともなる。

複数の固体燃料バーナを燃焼装置として備えたボイラプラントにおいて、バーナ容量の増加はコスト低減とバーナ本数削減による運用性向上のために有効な手法であるが、燃料ノズルの直径又は外径部の長さが長くなり、未着火領域が拡大して、ＮＯｘの増加と燃焼効率の低下の原因となる問題点があった。

この問題は、燃料含有流体噴流表面の着火領域から燃料含有流体噴流の中心部までの距離が大きいことが原因であった。
ＷＯ２００８−０３８４２６Ａ１（特許文献１）は、本出願人の発明に係わる先行技術であり、燃料ノズルの横断面の出口形状を長径部と短径部を有する矩形状、楕円形状又は略楕円形状とするバーナにより、バーナ容量を従来より大きくしながら、未着火領域の拡大を抑え、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の増加防止と燃料の燃焼効率の低下防止を図った発明が開示されている。

また、ＷＯ２００９−１２５５６６Ａ１にもこれに類似したバーナの開口形状が開示されている。
また、ボイラプラントにおいて、ボイラ火炉の固体燃料バーナにより得られる高温の排ガスにより複数の伝熱管内を流れる流体を加熱して得た蒸気を利用するための流体経路、さらに得られた蒸気を再利用するための複雑な流体経路を流体が通る場合に、各伝熱管が設置される伝熱部において流体への規定の伝熱量を得ることが重要であり、そのために各伝熱部に対して燃焼ガスの温度及び流体流量を制御する必要がある。そのため、火炉内での燃料の燃焼位置を変えることで各伝熱管内の流体への伝熱量を制御することができるという発明がある（ＷＯ２００９−０４１０８１Ａ１）。この発明に記載された例では、固体燃料バーナに設けた気体噴出ノズル出口を上下の２つに分割し、それぞれの空気流量を独立して調整することで燃料の燃焼位置を上下に変更することを可能にしている。

なお、一般に固体燃料を使用するボイラは、固体燃料として微粉炭を用いるので、このようなボイラを以下、微粉炭焚きボイラ、固体燃料バーナを微粉炭バーナということがある。微粉炭焚きボイラの起動時には、ファンを起動してボイラ火炉に設置された複数の微粉炭バーナおよび二段燃焼用空気口に燃焼用ガスとして空気を供給する。続いて、各バーナの点火トーチに火炎を形成させ、フレームディテクタ（以下ＦＤという）でこの火炎を検知した後、点火トーチの火炎により点火バーナから噴出した液体燃料に着火させて点火バーナに火炎を形成する。点火バーナによる火炎が形成されたことをＦＤにより検知した後、点火トーチを消火して点火トーチ用ガンは焼損防止のため、炉外に取り除かれる。

次いで、点火バーナにより炉出口温度が設定温度に達するまで火炉を昇温した後、ミルを起動して徐々に微粉炭燃焼に切り替える。すなわち、微粉炭バーナにおいては、微粉炭に着火させるために、液体燃料等を用いた点火バーナを設置し、更にこの点火バーナを着火する点火トーチおよび火炎を検知するＦＤが設置されている。

微粉炭バーナの中には、中心に点火バーナを設置し、その周囲から微粉炭と搬送用ガスとしての一次空気を流して火炉内に噴出し、その周囲から燃焼用空気を供給する微粉炭バーナが用いられる。この場合、点火トーチとＦＤは、微粉炭の流れを乱して微粉炭のバーナ内での堆積や保炎不良を引き起こさないために、微粉炭出口部ではなく、周囲の燃焼用空気供給部に設置している。

従来技術と同様に燃焼用空気供給部にＦＤや点火トーチを設置した場合、設置場所によってＦＤでの火炎検知や、点火トーチによる点火バーナでの安定した着火保炎に影響を及ぼす状況があった。

また、微粉炭バーナにおいて三次空気流路内に火炎検知器を配置することも知られている（特開平４−２６８１０３号公報）。

ＷＯ２００８−０３８４２６Ａ１ ＷＯ２００９−０４１０８１Ａ１ ＷＯ２００９−１２５５６６Ａ１ 特開平４−２６８１０３号公報

前記特許文献１は、本出願人の発明に係わる先行技術であり、燃料ノズルが横断面の出口形状を長径部と短径部を有する矩形状、楕円形状又は略楕円形状とするバーナを開示している。

このバーナによれば、燃料含有流体噴流表面の着火領域から燃料含有流体噴流の中心部までの距離を短縮することにより、未着火領域を縮小して着火後の燃焼時間を確保することができる。

しかし、本出願人による継続的研究の結果、燃料ノズルのボイラ火炉壁面開口部近傍における開口形状が「扁平形状」となるバーナでは、単に、燃料ノズルの開口形状を扁平とするのみでは、意図するように、燃料含有流体の噴流の着火源となる外周側から中心部側までの距離を短くして、形状が燃料ノズル開口と相似な扁平形状の火炎を形成することは難しいことが判明した。

これは、固体燃料バーナの場合、燃料粒子の慣性力が気体や液体に比べて大きく、必ずしもノズル内の短い距離で当該ノズル形状に沿って均一に拡散するとは限らないこと、同容量の真円状のノズルに比べ、燃料を幅方向に広く分散させることなどに起因するものと考えられる。特にバーナ出力を絞る低負荷領域では、燃料流量が低下するためにこの問題は顕著となる。その結果、ノズル周方向でみたときに部分的に着火の状態が不十分で、未燃分の生成増大につながる領域が生じる懸念があった。

これは、円筒状の搬送配管の接続部近傍で約２５ｍ／ｓと高速の燃料含有流体の噴流が短い燃料ノズル距離（軸方向の長さ；例えば約３ｍ）で「扁平形状」に拡がるように流す必要があることによる。

すなわち、固体燃料は、搬送流体に比べて慣性力が大きく、燃料が流れやすい幅広方向の中央部では燃料濃度が高く、燃料が流れ難い幅広方向の両端部では燃料濃度が低いなど、燃料ノズル出口部開口断面内の幅広方向に燃料含有流体中の燃料濃度分布が生じやすいことが明らかになった。

燃料ノズルにおける燃料濃度が低い部分においては燃料／酸素量論比が過小、燃料濃度が高い部分においては燃料／酸素量論比が過大となるが、燃料濃度分布を燃料ノズル周方向に対してはほぼ均一にし、且つ外周（の燃焼用ガスノズル(主に二次空気ノズル)）からの燃焼用ガスの燃料含有流体への混合も燃料ノズル外周部でほぼ均一にすることができる。

また、前記特許文献１には、燃料ノズルの入口部に、該ノズル内で燃料を均等に分配する流体分配板を設けたことを特徴とする構造についての記載がある。この流体分配板は、燃料含有流体を単純に衝突させて分散させることにより短径方向の燃料濃度の偏差の抑制には効果を有するものの、長径方向の燃料濃度を均一化させる機能は有していなかった。その結果、図１８（ｃ）と図１８（ｄ）に示すように、燃料ノズル出口部の燃料濃度は、長径方向の中心部で高く両端で低い分布となる。

また、固体燃料バーナから噴出する燃焼用ガス（空気）の流れは、バーナの構造、特に燃焼用ガスの流路の形態に大きく影響される。特に、固体燃料ノズルの流体の流れに直交する断面形状を偏平なものとする固体燃料バーナにおいては、偏流が発生しやすい。このように、偏流が生じると、バーナからの火炎の安定性が悪くなるといった課題がある。とりわけ、固体燃料ノズル出口外周部、もしくはそこに設置した保炎器近傍での流れが重要である。即ち、固体燃料ノズルの外周部から噴出する燃焼用ガスの噴流を周方向で均等に配分しつつ、燃料ノズルの中心軸から外周部へ向う径方向のノズル出口外周部ないし保炎器に近い領域（燃料ノズルの内壁近傍）には、燃料と搬送ガスとの混合流体を着火・保炎に十分な燃料濃度にまで濃縮させることが重要である。

また、前記特許文献３記載の発明において、ＦＤや点火トーチは微粉炭供給ノズル外周の燃焼用空気供給部に設置しているが、周方向の設置箇所については特定していなかった。微粉炭ノズル及び燃焼用空気供給口が互いに同心円状であれば、問題にはならないが、微粉炭供給ノズル出口の形状が矩形状、楕円形状もしくは略楕円形状の場合には、安定した火炎の検知や、点火トーチからの点火バーナの着火が困難になる問題が生じる。

本発明の課題は、燃料ノズル出口において周方向での燃料濃度の均一化を図りながら、燃料の着火・保炎に十分な燃料濃度が得られ、燃焼排ガスの低ＮＯｘ濃度化が達成できる固体燃料バーナを提供することである。

上記本発明の課題は次の解決手段により達成される。
請求項１記載の発明は、固体燃料と該固体燃料の搬送用ガスとの混合流体が流れる円筒状の燃料搬送配管（２２）に接続する固体燃料流路（２）を有する火炉壁面（１８）に開口した燃料ノズル（８）と、前記固体燃料の燃焼用ガスが流れる風箱（３）に連通し、前記燃料ノズル（８）)の外周壁側に形成される単一もしくは複数の燃焼用ガスノズル（１０，１５）を有する固体燃料バーナであって、
前記燃料ノズル（８）内に当該ノズル（８）内の固体燃料流路（２）の横断面を縮小させる絞り部を有するベンチュリー（７）と当該ベンチュリー（７）の後流側に当該ノズル内の流れを外向きに変える燃料濃縮器（６）を備え、前記燃料ノズル（８）は、（ａ）ボイラ火炉壁面（１８）の開口部（３２）近傍における開口形状が扁平形状であり、（ｂ）燃料ノズル（８）の外周壁のノズル中心軸（Ｃ）に直交する断面形状が、前記ベンチュリー（７)の絞り部まで横断面が円形であり、（ｃ）前記ベンチュリー（７）の絞り部から前記ボイラ火炉壁面（１８）に設けられた開口部（３２）に至るまでの間は、徐々に扁平度合いが増大する部分を有し、（ｄ）ボイラ火炉壁面（１８）の開口部（３２）において、扁平度合いが最大の扁平形状となるように形成されていることを特徴とする固体燃料バーナである。

請求項２記載の発明は、前記燃料ノズル（８）の外周壁の先端外周に保炎器（９）が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体燃料バーナである。
請求項３記載の発明は、前記複数の燃焼用ガスノズル（１０，１５）の内で最も内側に設置される二次燃焼用ガスノズル（１０）内に設けられる二次燃焼用ガス流路（４）は、該二次燃焼用ガスノズル（１０）の外周壁の前記中心軸（Ｃ）に直交する断面形状が、二次燃焼用ガス流路（４）の出口部において扁平形状を成すことを特徴とする請求項１又は２記載の固体燃料バーナである。

請求項４記載の発明は、前記複数の燃焼用ガスノズル（１０，１５）の内で最も外側に設置される三次燃焼用ガスノズル（１５）内の三次燃焼用ガス流路（５）は、三次燃焼用ガスノズル（１５）の外周壁の前記中心軸（Ｃ）に直交する断面形状が、火炉壁面（１８）近傍の三次燃焼用ガス流路（５）の出口部で円形であることを特徴とする請求項３に記載の固体燃料バーナである。

ここで、上記「扁平形状」とは、図１（ａ）の長方形、図１（ｂ）の楕円形、図１（ｃ）の半円形と長方形を組み合わせた形状、図１（ｄ）の幅が広い多角形などの形状であり、長径や長辺Ｗと短径や短辺Ｈを有する平べったい形状と定義する。

図１（ａ）において、４つの角部の一部又は全部は曲線状であっても良い。同様に、図１（ｄ）において、多角形の角部の一部又は全部が曲線状であっても良い。また、上記の各形状において、曲線部の曲率は一定の曲率であることに限定されない。

また、上記「扁平度合い」とは、長径や長辺Ｗと短径や短辺Ｈの比Ｗ／Ｈであると定義する。従って、徐々に扁平度合いが増加するとは、燃料ノズル（８）の中心軸（Ｃ）に直交する断面の比Ｗ／Ｈが少しずつ増加していくことを意味し、最大の扁平形状とは、燃料ノズル（８）の内で比Ｗ／Ｈが最も大きな部分の形状を指す。

実用上、燃料ノズル（８）の火炉開口部（３２）における比Ｗ／Ｈは、１．５〜２．５の範囲に設定される。比Ｗ／Ｈが約１．５を下回ると、扁平度合い（率）の増加が十分ではなく、火炉（１１）内での火炎の幅広方向への拡がりが小さいため、本発明による高効率で低ＮＯｘの燃焼性能を達成できない。また、比Ｗ／Ｈが約２．５を上回ると、燃料ノズル（８）の出口における長径や長辺Ｗの寸法が大きくなりすぎて、燃料ノズル（８）をバーナ開口部に設置するのが困難となる。

請求項５記載の発明は、二次燃焼用ガス流路（４）が、燃焼用ガス流入部（１７）から火炉壁面（１８）の開口部（３２）に向かって流路断面積を順次縮小する構造としたことを特徴とする請求項３又は４に記載の固体燃料バーナである。

請求項６記載の発明は、二次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）のガス流入方向を火炉壁面（１８）に垂直な向きに設け、該燃焼用ガス流入部（１７）に複数の開口部（１７ａａ，１７ｂａ）を有する平板（１７ａ，１７ｂ）を配置したことを特徴とする請求項３又は４に記載の固体燃料バーナである。

請求項７記載の発明は、二次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）に配置される平板（１７ａ，１７ｂ）の開口部（１７ａａ，１７ｂａ）を二次燃焼用ガス流路（４）内での燃焼用ガスの流速が該流路（４）の周方向で均等になるように配置したことを特徴とする請求項５又は６記載の固体燃料バーナである。

請求項８記載の発明は、二次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）の断面積に対する平板（１７ａ，１７ｂ）の開口部（１７ａａ，１７ｂａ）の開口比率を０．０５〜０．３０としたことを特徴とする請求項５又は６記載の固体燃料バーナである。

請求項９記載の発明は、二次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）から出口部に向かって該二次燃焼用ガス流路（４）の流路断面積の縮小率を３０％〜８０％としたことを特徴とする請求項５又は６記載の固体燃料バーナである。

請求項１０記載の発明は、フレームディテクタ（４０）と点火トーチ（４１）を、固体燃料と該固体燃料搬送用ガスを噴出する燃料ノズル（８）の出口の形状が矩形状の場合は長辺側の両端上に、該燃料ノズル（８）の出口の形状が楕円形状である場合は焦点上に、該燃料ノズル（８）の出口の形状が直線部と円周部を有する略楕円形状の場合は直線部の両端上に設置することを特徴とする請求項１記載の固体燃料バーナである。

請求項１記載の発明によれば、燃料含有流体は、燃料ノズル（８）の内壁近傍の燃料含有流体中の燃料濃度分布を均一に保ちながら火炉（１１）に供給されるので、燃料ノズル（８）の内周壁近傍の酸素量論比が全内周にわたり適正となり、高効率で低ＮＯｘ濃度の燃料の燃焼が達成される。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、保炎器（９）の設置により燃料ノズル（８）の近傍での燃料の着火が促進され、高効率で低ＮＯｘ濃度の燃料の燃焼がさらに促進される。

請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の発明の効果に加えて、二次燃焼用ガスが供給される保炎器（９）と二次燃焼用ガスノズル（１０）の間の隙間を全周にわたって均一とするように、二次燃焼用ガスノズル（１０）の外周壁の中心軸（Ｃ）に直交する断面形状を、ノズル出口部において扁平形状にすることで、燃料ノズル（８）の内周壁近傍に形成された均一な燃料濃度分布に応じて、二次燃焼用ガスも均一な供給が可能となる。すなわち、燃料ノズル（８）の内周壁近傍の燃料濃度が高い領域の燃料と、該領域を取り囲む外側の二次燃焼用ガスの局所的燃料／燃焼用ガス流量比率を燃料ノズル（８）の出口部全周域で均等とできるため、該全周域で最適な燃焼が得られる。

請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明の効果に加えて、三次燃焼用ガスノズル（１５）は円形の出口形状を有し、三次燃焼用ガス流路（５）が扁平形状の燃料ノズル（８）の長径又は長辺Ｗを挟んで上下に配置されるため、三次燃焼用ガスノズル（１５）も燃料ノズル（８） 及び二次燃焼用ガスノズル（１０）と同様の扁平形状とした場合に比べて三次燃焼用ガスと燃料の混合は抑制され、バーナ中心部の燃料過剰域（還元域）が拡大して、低ＮＯｘ燃焼が促進される。

また、最外周の三次燃焼用ガスノズル（１５）の出口形状を円形とすることで、新設バーナとしての適用のみならず、円形のバーナ開口部を有する既設バーナの改造への適用も容易である。

請求項５記載の発明によれば、請求項３又は４記載の発明の効果に加えて、前記二次空気流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）から火炉（１１）内への噴出口である出口部に向かって、該流路（４）の流路断面積を順次縮小していくことにより、二次空気流路（４）の出口部に向けて周方向で、順次均一の流速に近づく。

請求項６記載の発明によれば、請求項３又は４記載の発明の効果に加えて、二次空気流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）のガス流入方向を火炉壁面（１８）に垂直な向きに設け、複数の開口部（１７ａａ，１７ｂａ）を有する平板（１７ａ，１７ｂ）を配置したことにより、火炉（１１）内での二次空気の噴出量を二次空気流路（４）の出口部の周方向で均等化できるため、火炎の安定化に寄与するとともに、燃焼性も良好となるためＣＯや燃料の未燃分の低減にも繋がる。特に、最外周部の三次空気流路（５）内の三次空気流量を火炉（１１）の上下で変更できるバーナ（３１）では、この二次空気流路（４）の出口部での二次空気の噴出量を周方向で均等化でき、この均等化が保炎強化の面から重要である。

請求項７記載の発明によれば、請求項５又は６記載の発明の効果に加えて、二次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）に配置される平板（１７ａ，１７ｂ）の開口部（１７ａａ，１７ｂａ）を二次燃焼用ガス流路（４）内での二次燃焼用ガスの流速が該流路（４）内の周方向で均等になるように配置したので、二次燃焼ガス流路（４）の出口部での二次空気の噴出量を周方向で均等化でき、保炎強化を図ることができる。

請求項８記載の発明によれば、請求項５又は６記載の発明の効果に加えて、二次燃焼用ガスの流速を二次燃焼用ガス流入部（１７）の断面積に対する平板（１７ａ，１７ｂ）の開口部（１７ａａ，１７ｂａ）の開口比率を０．０５〜０．３０に設定することで最大流速と最小流速の比が２以下になるので二次燃焼用ガス流路（４）の出口部周方向における流速を均等化でき、二次燃焼用ガス流れの偏流が無くなる。

請求項９記載の発明によれば、請求項５又は６記載の発明の効果に加えて、二次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）から出口部に向かって該二次燃焼用ガス流路（４）の流路断面積の縮小率（定義は後述）を３０％〜８０％としたので、最大流速と最小流速の比があまり大きく変化しないので、二次燃焼用ガス流路（４）の出口部周方向における流速を均等化でき、二次燃焼用ガス流れの偏流が無くなる。

請求項１０記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、固体燃料バーナの燃焼性能を維持したまま、点火トーチ（４１）の火炎を確実に検知することができるため、該固体燃料バーナを備えた燃焼装置などの起動操作などでの誤動作を無くすことができる。

本発明の一実施例に係る微粉炭ノズルの開口部の各種横断面形状を示す図である。 本発明の一実施例に係る微粉炭バーナの側断面図（図２（ａ））と火炉側から見た正面図（図２（ｂ））と図２（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図（図２（ｃ））と微粉炭バーナの水平断面図（図２（ｄ））である。 図２の微粉炭バーナの微粉炭ノズル内の微粉炭主流の流動状態を説明する図（図３（ａ）は側断面図）と火炉側から見た正面図（図３（ｂ））と水平断面図（図３（ｃ））と図２の微粉炭ノズル出口部の微粉炭濃度測定結果を示す図（図３（ｄ））である。 一般的な微粉炭バーナの保炎器近傍の燃料濃度／平均燃料濃度と着火性の関係を示す図である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの二次空気流路の流入部に設けた平板の平面図（図５（ａ））と該平板の半分の斜視図（図５（ｂ））である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの二次空気流入部に設けた平板の他の実施例であり、図６（ａ）は二次空気流入部の平板の平面図、図６（ｂ）は該平板の半分の斜視図である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの二次空気流入部の開口比率と二次空気流路の出口部での流速分布との実測値の関係図である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの二次空気流入部の断面積に対する二次空気出口部の断面積の縮小率と二次空気流路での最大流速と最小流速の比の関係を示す図である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの二次空気流路の二次空気入口部に平板を設置しない場合（図９（ａ））と設置した場合（図９（ｂ））における二次空気入口部の流速分布の模式図である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの側断面図である。 図１０のＢ−Ｂ線断面矢視図である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの変形例（図１０のＢ−Ｂ線断面矢視図）である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの変形例（図１０のＢ−Ｂ線断面矢視図）である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの変形例（図１０のＢ−Ｂ線断面矢視図）である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの火炉壁への配列例を示す図（図１５（ａ）、図１５（ｂ））である。 図１５（ａ）のバーナを配置した火炉全体の側断面図（図１６（ａ））と図１６（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図（図１６（ｂ））である。 従来技術の扁平形状でなく横断面形状が円形の微粉炭ノズルを有するバーナを配置した火炉全体の側断面図（図１７（ａ））と図１７（ａ）のＢ−Ｂ線断面矢視図（図１７（ｂ））である。 従来技術の微粉炭バーナのノズルの水平断面図（図１８（ａ））と図１８（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図（図１８（ｂ））と図１８（ａ）の燃料ノズルの横幅方向における燃料濃度分布について平均濃度を１．０としたときの相対値で表した図（図１８（ｃ））と微粉炭ノズルの開口部出口断面における燃料濃度分布（領域）について平均濃度を１．０としたときの相対値で表した図（図１８（ｄ））である。

本発明の実施例を図面と共に説明する。
図２は本発明のバーナの最良な実施形態例を示す。
先ず固体燃料バーナ３１（以下、微粉炭バーナ３１ということがある。）の全体の構成について説明する。図２では、中心に油などを燃料とする起動用バーナ１、その周囲に搬送用ガス（空気など）によって搬送される固体燃料（微粉炭など）の流路２、さらにその周囲に燃焼用ガス（空気）を風箱３内で二分割して、二次燃焼用ガス（以下二次空気ということがある。）の流路４と三次燃焼用ガス（以下三次空気ということがある。）流路５が設置されている。上記固体燃料と搬送用ガスの混合流体の流路２には一旦流路を絞ってその後拡大するベンチュリー７および燃料濃縮器６を設け、燃料ノズル８（以下微粉炭ノズル８ということがある。）の出口部の外周には保炎器９が設置されている。

図２（ｂ）には火炉１１側から見た微粉炭バーナの火炉１１側から見た正面図を示す。保炎器９は、該保炎器９の後流側に循環流を形成して着火性と保炎効果を高めるように微粉炭ノズル８の先端部にリング状に設けられる。図２（ｂ）には、微粉炭ノズル８側にはさめ歯状の突起を形成した保炎器９を用いた例を図示している。

また、この微粉炭バーナ３１の微粉炭ノズル８および二次空気ノズル１０の形状は火炉１１（図１６参照)側から見て扁平形状となっている。二次空気流入部１７から二次空気が二次空気流路４内に流入し、ボイラ火炉１１側の出口から微粉炭ノズル８の周囲に燃焼用二次空気を供給する。

三次空気流入部１２には開口面積を調節できる複数の開口部材１３を設けている。また、火炉１１側の出口部の三次空気ノズル１５は外側に拡げられ、三次空気は火炉１１内では外側に向けて供給される。

次に、微粉炭ノズル８の構造の詳細と本構造による特有の効果について説明する。
微粉炭と搬送用ガスとの混合流体２１は燃料搬送配管２２を通してバーナ導入部２３に導かれる。バーナ導入部２３以降の微粉炭と搬送用ガスとの混合流体流路２は、ベンチュリー７で一旦絞られた後、拡大する。ベンチュリー７の上下方向への拡大（H1）は、バーナ導入部２３の微粉炭ノズル８の内径（D1）よりも小さい範囲に留まり、その後、混合流体流路２を構成する微粉炭ノズル８の上下壁は火炉１１（図１６参照）に向かった直進方向に延長される。ベンチュリー７付近での混合流体流路２の水平方向への拡大は、微粉炭ノズル８の出口近傍まで続き、拡大過程で微粉炭ノズル８の断面形状は円形から扁平形状へと変化し、水平方向への拡大に伴い扁平度合い（率）は少しずつ増加する。微粉炭ノズル８の水平方向への拡大終了後の直線部分は、保炎器９を取り付けるために設けられており、保炎器９の取り付け方法を工夫することにより、微粉炭ノズル８の水平方向の拡大は保炎器９の部分まで続けても良い。扁平度合い（率）は微粉炭ノズル８の出口部、すなわち保炎器９の領域で最大となる。

バーナ導入部２３から微粉炭ノズル８の出口までの、微粉炭ノズル８内の微粉炭の主流の流れを図３に示す。図３（ａ）は微粉炭ノズル８の縦方向断面図であり、図３（ｂ）は微粉炭ノズル８の水平方向断面図である。微粉炭ノズル８内のベンチュリー７以降の流れにおいて、図３の中で斑点模様を施した部分２５は、微粉炭の濃縮された領域を模式的に表示したものである。

前記微粉炭と搬送ガスの混合流体はベンチュリー７の絞り過程において中心軸Ｃに向かって縮流となり、燃料濃縮器サポート管２４に沿った円環状の流れを形成する。この流れが燃焼濃縮器６に到達すると、燃料濃縮器６の前面の傾斜部により外向きに流れが変えられる。

なお、燃料濃縮器６の構造例としては、燃料濃縮器サポート管２４を中心軸として軸方向断面積が増大する円錐状の前面傾斜部と、その後流側に軸方向断面積がほぼ同一の円柱状の平行部、さらにその後流側に軸方向断面積が減少する円錐状の後面傾斜部が形成されたものが挙げられる。

後面傾斜部が位置する微粉炭ノズル８内の流路は、流路断面積が大きく増大することから流路拡大部と称することもある。
バーナ導入部２３で微粉炭ノズル８内の微粉炭の流量分布が均一でない場合においても、ベンチュリー７の絞り部で燃料が一旦、中心軸Ｃ方向に集められ、その後、燃料濃縮器６で拡げられる過程で、周方向の燃料流量分布は均一化される。燃料濃縮器６で拡げられた微粉炭の流れの中で、鉛直方向成分の流れは図３（ａ）に示すようにすぐに上下の微粉炭ノズル８の内周壁の水平部に衝突して、直進方向に変えられ、水平方向成分の流れは燃料濃縮器６の前面の傾斜部で与えられた外向きの速度成分が微粉炭ノズル８の出口部まで保存され、微粉炭の主流は微粉炭ノズル８の出口以降の火炉１１に流入後も拡がり続ける。

上記した微粉炭ノズル８の構造及びベンチュリー７と燃料濃縮器６の組合せにより、微粉炭の流れを扁平形状として扁平度合い（率）を微粉炭ノズル８の出口以降も拡大させるとともに、保炎器９の周りの微粉炭ノズル８の内周壁の近傍の燃料濃度分布を均一とすることができる。

図３（ｄ）は図２の微粉炭ノズル８の出口部の微粉炭濃度測定結果を示す図であり、本実施例の微粉炭ノズル８の出口部で燃料濃度の分布を測定した一例を示す。微粉炭ノズル８の中央部の燃料濃度／平均燃料濃度は０．８倍以下と希薄で、外周部に近づくほど燃料濃度は濃くなり、最外周部の燃料濃度は、平均濃度の１．５倍程度に濃縮される。また、微粉炭ノズル８の周方向の濃度分布は均一であり、たとえば着火に重要な役割を果たす保炎器９に最も近い微粉炭ノズル８の最外周部の燃料濃度偏差は、燃料濃度／平均燃料濃度で±０．１倍程度に抑えられている。このように、微粉炭ノズル８の周方向で均一な燃料濃度が得られることにより、安定した着火保炎性が得られる。

ここで、上記した微粉炭ノズル８の構造及びベンチュリー７と燃料濃縮器６の組合せに該当しない図１８に示す従来技術の燃料ノズル４０の出口部での濃度分布を調べた。なお図１８の燃料ノズル４０は、前記特許文献１に示されたバーナ形状であり、図１８（ａ）には微粉炭ノズル４０の水平断面図を示し、図１８（ｂ）には図１８（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図を示す。

図１８（ｃ）は、図１８（ａ）の微粉炭ノズル４０の水平断面図に対応する微粉炭ノズル４０の横幅方向における燃料濃度分布について平均濃度を１．０としたときの相対値で表した図であり、図１８（ｄ）は、微粉炭ノズル４０の開口部出口断面における燃料濃度分布（領域）について平均濃度を１．０としたときの相対値で表した図である。

このように図１８に示す比較例では水平方向（ノズル幅広方向）中央部の濃度が高く、両端部側へ離れるにしたがって燃料濃度が低下し、中央部から最も離れた両端部では平均値の０．５倍程度にまで低下してしまう。これは、空気の流れがノズル形状と同じように水平方向に広がるのに対し、固体粒子である微粉炭は水平方向などに分散せず、ノズル形状に沿って広がらずに中央部に集中するためである。従って、図３（ｃ）に示す本発明の燃料噴流のような、水平に分散する噴流形状は得られない。

ここで仮に特許文献１の図等に示されたような、微粉炭ノズル４０の幅広方向全域にわたって、微粉炭ノズル４０の上下方向に燃料を濃縮させる形態の燃料濃縮器を設置したとしても、上下方向のノズル４０の開口部上辺側および下辺側には燃料が濃縮されるものの、ノズル４０の水平方向（横幅方向）中央部の微粉炭濃度が高く、両端部側へ離れるにしたがって微粉炭濃度が低下し、中央部から最も離れた両端部の微粉炭濃度が低いことには変わりがない。

微粉炭ノズル８の最外周部の燃料濃度と着火保炎性の関係は、燃料濃度が高いほど良好になる。従って、図１８に示す微粉炭ノズル形状の場合、微粉炭ノズル４０の最外周部のうち、燃料濃度が１．３以上になる中央部では着火保炎が保たれるが、燃料濃度／平均燃料濃度が１．０倍以下になる両端部での着火性は低下する。

一方、本発明になる微粉炭ノズル形状の場合、微粉炭ノズル８の最外周部の燃料濃度は、平均濃度の１．５倍程度に均一に濃縮されており、微粉炭ノズル８の全周で着火保炎性が良好になる。

微粉炭ノズル最外周部の燃料濃度を平均濃度よりも濃縮し、かつ周方向に均一に投入する利点として、以下が考えられる。一つ目は、先に述べたように着火保炎性を保つことにより、固体燃料の燃焼を促進することである。燃焼性を促進することで高効率燃焼が可能となる。

二つ目は、着火保炎性を向上することにより、低ＮＯｘ燃焼により効果を生じることである。本発明による固体燃料バーナの場合、微粉炭ノズル出口で形成された火炎と３次空気などの外周空気はすぐには混合しない。燃料噴流と外周空気噴流の間には循環域を形成し、炉内のガスがバーナ近傍まで逆流する現象が生じる。この領域では、燃焼ガスが滞留しているため、酸素濃度が低く、微粉炭ノズル出口で形成された火炎で生じるＮＯｘはこの領域で還元される。この状態を還元域と称す。微粉炭ノズル出口での着火を早めることで、還元域の滞留時間を十分に確保することができるため、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度を低減することが可能となる。

図１８に示す微粉炭ノズル形状の場合、微粉炭ノズル４０出口での着火性は、周方向で不均一であり、両端部では着火保炎性が不良となり、還元域での滞留時間を確保できず、ＮＯｘ濃度が高くなる。一方、本発明による微粉炭ノズル形状の場合、微粉炭ノズル８の最外周の燃料濃度は周方向で均一でかつ平均濃度よりも高いため、着火保炎性に優れ、還元域での滞留時間も十分に確保されることで、低ＮＯｘ燃焼が可能となる。

次に、本発明の図２に示す実施例における二次空気ノズル１０について説明する。図２の二次空気ノズル１０は、保炎器９との間の隙間を全周にわたって均一とするような扁平形状としている（図２（ｃ）参照）。

なお、本実施例では、二次空気ノズル１０の内周壁は、微粉炭ノズル８（燃料ノズル）の外周壁に相当する。
図２（ｃ）に示すように、二次空気ノズル１０と保炎器９の間の隙間は全周にわたって、ほぼ均一となっている。従って、微粉炭ノズル８の内周壁近傍に形成された均一な燃料濃度分布に応じて、二次空気も周方向に均一に供給することができる。すなわち、微粉炭ノズル８の内周壁近傍の燃料濃度が高い領域の燃料と、該領域を取り囲む外側の二次空気の局所的燃料／燃焼用ガス流量比率を微粉炭ノズル８の出口部の全周域で均一にすることができるため、該全周域で最適な燃焼が得られる。

図２に示す本実施例においては、三次空気ノズル１５は円形の出口形状を有しており、三次空気流路５は微粉炭ノズル８を挟んで上下に配置される（図２（ｃ）参照）。その結果、三次空気と燃料の混合は抑制され、低ＮＯｘ燃焼が促進される。

また、微粉炭バーナ３１の最外周の三次空気ノズル１５の出口形状を円形とすることで、新設バーナとしての適用のみならず、円形のバーナ開口部を有する既設バーナの改造への適用も容易となる。

火炉壁面１８を構成する水壁管は、火炉壁面１８のバーナ開口部３２を迂回するように加工する必要があるが、その加工する度合いはバーナ３１を大容量化するほど顕著になる。最外周の三次空気ノズル１５の出口形状が円形であれば、バーナ開口部３２を形成するために、湾曲状に加工される水壁管の曲率が比較的大きい滑らかな形状にできる。これにより当該水壁管の加工が行いやすく、曲げ加工時の応力集中を緩和できるほか、水壁管の内部を流れる内部流体の抵抗増大を抑制することができる。

次に２次空気流路４の２次空気ノズル１０からの２次空気の噴出を周方向で均等化することで火炎の安定を図るための構成について説明する。
２次空気流路４は、２次空気流入部（２次空気入口部）１７から火炉側の２次空気出口に向かって流路断面積が縮小する構造となっている。

まず、２次空気流路４の出口部での流速分布に対する２次空気流入部１７の断面積と２次空気流路４の出口部付近の断面積との比の影響を検討した。
本発明者らが独自に組み上げた流動試験装置を用いて、前記断面積比率と２次空気流路４の出口部での流速分布との関係を実験から評価した。装置は図１に示す出口形状を有する微粉炭バーナ３１と同形状のものを製作し、流入部１７の断面積と出口部近傍の断面積の比を変えて、２次空気流路４の出口部を周方向で１６等分して各部の流速を熱線風速計で測定した。なお、流体は常温の空気を用いた。流速の均等化を示す指標としては、最大流速と最小流速の比をとって評価した。最大流速と最小流速の比が１になれば、流速が均等化していることを示す。

図８に評価対象とした２次空気流入部１７の断面積に対する２次空気出口部の断面積の縮小率と２次空気流路４での最大流速と最小流速の比の関係を示す。図８における横軸の断面積縮小率は下記で定義したものである。ただし、ここでは２次空気流入部１７に平板１７ａ、１７ｂを設置していない。

また、２次空気流入部１７の出口部断面積は保炎器９が無い状態、言い換えれば２次空気流路が保炎器９によって、縮小される直前の断面積を指す。
断面積縮小率＝(１−出口部断面積／流入部断面積)×１００（％）
この結果、縮小率約４０％までは最大流速と最小流速の比が大きく減少し、それ以降は次第に減少して１に近づく。縮小率３０％以上にすると、最大流速と最小流速の比が２以下であった。しかし、断面積縮小率をあまり大きくすると、後述する開口比率と同様に流入するガス量が減少してしまうため、２次空気流路４の断面積縮小率は、３０〜８０％に設定するのが望ましい。

次に、２次空気流路４の２次空気流入部１７に設けた平板１７ａの形状に関する実施例を図５に示す。図５（ａ）には平板１７ａの平面図を示し、図５（ｂ）には平板１７ａの半分の斜視図を示す。

図５（ａ）に示す実施例では、角丸長方形の平板１７ａに複数の円形開口部１７ａａを上下および左右対称に設けている。なお、内部の大きな円形開口部は微粉炭ノズル８との接触部である。また、この平板１７ａは取り付けやすくするために図１０（ｂ）に示すように、左右に半割り構造となっている。この実施例では、２次空気流入部１７に設けた平板１７ａの開口比率は、約９％である。

図６には、２次空気流入部１７に配置する平板の他の実施例を示す。図６（ａ）には２次空気流入部１７に設けた平板１７ｂの平面図を示し、図６（ｂ）には平板１７ｂの半分の斜視図を示す。２次空気流入部１７に設けた平板１７ｂの開口比率は約１１％である。

なお、図５と図６に示す実施例では、２次空気流入部１７の開口部に設ける平板１７ａ、１７ｂの開口部を開口部１７ａａ、１７ｂａのように円形としたが、本発明はこのような形状に限定されなく、楕円形、四角形などの多角形としてもよい。また、２次空気流入部１７の構造によって、平板１７ａ，１７ｂも角丸長方形だけでなく、円形、角型など様々な形状を採用することができる。しかし、２次空気流路４の出口部の横断面方向での流速を均等にするためには、２次空気流入部１７の平板１７ａ，１７ｂの開口部の配置は上下および左右対称であることが望ましい。

この２次空気流入部１７の平板１７ａ，１７ｂの開口比率について２次空気流路４の出口部での流速分布について前述と同様な流動試験で検討した結果を図７に示す。図７の結果から、前記開口比率０．１０付近で２次空気流路４の出口部の最大流速と最小流速の比が最小となり、開口比率０．３０以下において最大流速と最小流速の比が２以下であった。しかし、開口比率をあまり小さくすると、流入するガス量が極端に減少してしまうため、２次空気流入部１７の開口比率は、０．０５〜０．３０に設定することが２次空気流路４の出口部での流速を均一にするために望ましい。

図９に、２次空気流路４の２次空気入口部１７に図５や図６に示す開口部１７ａａ，１７ｂａ付きの平板１７ａ，１７ｂを設置しない場合（図９（ａ））と設置した場合（図９（ｂ））における２次空気入口部１７の流速分布の模式図を示す。２次空気の流れる方向と強さを矢印の向きと長さで示す。

図９（ａ）に示す平板１７ａ，１７ｂを設置しない場合、ウインドボックス３内のガス流の方向により（図９に示す例では図面の左上方から２次空気が供給されている。）、２次空気流路４の２次空気入口部１７に２次空気が流入すると偏流となり、流速分布も２次空気入口部１７の断面で差異が生じてしまう。このような偏流や流速分布は、２次空気出口部の流速分布に影響する。一方、図９（ｂ）に示す２次空気入口部１７の開口部１７ａａ，１７ｂａ付きの平板１７ａ，１７ｂを設置した場合は、平板１７ａ，１７ｂによる抵抗で、前記偏流や流速分布の差異は解消されて、２次空気入口部１７に流入する空気流は、ほぼ均一流速の直進流のみとなる。

以下、二次空気ノズル１０内には、フレームディテクタ（ＦＤ）４０を設置して点火バーナ１からの火炎やバーナ３１の出口での微粉炭火炎を検知する構成について説明する。また、点火トーチ４１は点火バーナ１を確実に着火させるために設けられる。

図１０に本発明の一実施例の微粉炭バーナ３１の側断面図を示し、図１１に図１０のＢ−Ｂ線断面矢視図を示す。なお図１０は図２に示す微粉炭バーナ３１の側断面図と同一であるが、一部部材の図示を省略している。

図１０，図１１に示す微粉炭バーナ３１の微粉炭ノズル８の出口形状は、短径部と長径部を有する矩形状、楕円形状もしくは直線部と円周部を有する略楕円形状になっており、その外周部は楕円もしくは略楕円形状の二次空気ノズル１０があり、更に外周の三次空気ノズル１５の形状は点火（起動用）バーナ１と同心円状である。

三次空気ノズル１５には、バーナ中心水平断面の上下を分割する仕切り板１４が挿入されており、上下に投入する三次空気流量を変化させることができる。
すなわち、二次空気ノズル１０の外周壁と三次空気ノズル１５の内周壁には仕切り板１４が設置され、該仕切り板１４で三次空気流路５を上下に二分割している。該仕切り板１４はウインドボックス３内を上下に二分する仕切り板１４でもある。そのため上下に二分割した三次空気流路５に導入するウインドボックス３から三次空気量を各々ダンパ３０ａ〜３０ｄで調整することにより、各々の流路を流れる燃焼用空気の運動量に偏差を与えることが可能となり、微粉炭バーナ３１から噴出する火炎を火炉１１内で上下方向に偏向させることができる。

微粉炭ノズル８の上側の二次空気ノズル１０内には、ＦＤ４０と点火トーチ４１が設置されている。ＦＤ４０はバーナ３１の中心部に設置した点火バーナ１からの火炎や微粉炭火炎を検知する目的を有しており、ボイラ火炉１１の前後側壁面１８に設置されたバーナ３１からの火炎が浮力及び上昇流により上向きに曲がるため、ＦＤ４０はバーナ中心を含む水平線より上側に設置することが望ましい。

また、ＦＤ４０には点火トーチ４１の火炎を検知する目的もあるため、ＦＤ４０と点火トーチ４１は同じ面に設置することが望ましく、従って点火トーチ４１もバーナ中心を含む水平線より上側に設置することが望ましい。

ＦＤ４０や点火トーチ４１は、燃焼用空気ノズル１０，１５内にパイプを通すため、設置位置によっては、外周空気の流れを阻害することになる。二次空気ノズル１０の噴出口は、微粉炭ノズル８の長径部の外周で断面積が広くなっていることから、短径部の外周よりも長径部の外周壁の方が二次空気の流量は多い。

微粉炭ノズル８の短径部の外周壁にＦＤ４０や点火トーチ４１を設置した場合、燃焼用空気の流れを阻害するため、短径部外周壁には空気が流れなくなる。
その場合、ＦＤ４０や点火トーチ４１を冷却するものがなくなるため、火炉１１からの輻射熱によりＦＤ４０や点火トーチ４１が焼損するおそれがある。一方、微粉炭ノズル８の長径部外周壁は空気流量が多いため、焼損の可能性は低減するが、例えば点火トーチ４１の場合は、燃焼用空気の流量が多いと点火バーナ１へのトーチ火炎が吹き飛ばされるため、燃焼用空気量の多いところに設置するのは望ましくない。

点火トーチ４１は、点火バーナ１を確実に着火させるためには、燃焼用空気流量が少ないところに設置することが望ましい。
ＦＤ４０は、焼損防止の観点から燃焼用空気量の多いところに設置するのが望ましいが、微粉炭ノズル８の出口形状が矩形状や楕円形状、もしくは略楕円形状の場合、出口の両端上に燃料の濃い領域が形成されるため、ＦＤ４０はなるべく燃料の濃い領域を見るように設置するほうが、火炎の検知感度が良好になる。

従って、ＦＤ４０や点火トーチ４１は、燃焼用空気量が少なく、燃料の濃い領域で、かつ焼損の可能性が低減できる領域に設置するのが望ましい。
図１１に示す実施例は、微粉炭ノズル８の出口形状が直線部と円周部を有する略楕円形状の例であり、直線部の外周壁は二次空気流路４が広く、円周部の外周は二次空気流路４が狭いため、ＦＤ４０や点火トーチ４１は、前記直線部と円周部の接点上に設置することが望ましい。

図１２に示す実施例（図１０のＢ−Ｂ線断面矢視図）は、微粉炭ノズル８の出口形状が矩形状の場合であり、長径部側の二次空気流路４が広く、短径部側の二次空気流路４が狭くなっている。従って、微粉炭ノズル８の出口形状の長径部や短径部の中央に設置することは望ましくなく、長径部の両端の上に設置することが望ましい。

図１３に示す実施例（図１０のＢ−Ｂ線断面矢視図）は、微粉炭ノズル８の出口形状が楕円の場合であり、焦点間の外周は二次空気流路４が広く、焦点外の外周壁は二次空気流路４が狭くなっている。従って、この場合は、微粉炭ノズル８の焦点外の外周壁上にＦＤ４０や点火トーチ４１を設置することが望ましい。

なお、図１１〜図１３において、微粉炭バーナ３１を火炉１１側から見たときにＦＤ４０を左上、点火トーチ４１を右上に配置しているが、実際は逆でも問題は生じない。
図１４に示す実施例（図１０のＢ−Ｂ線断面矢視図）は、図１１に示すバーナを９０度回転させたときの例である。すなわち、微粉炭ノズル８の出口の外周壁を構成する円周部が上下に位置し、直線部が左右に位置している例である。この場合、ＦＤ４０や点火トーチ４１は、バーナ３１の中心を含む水平線より上側に設置することが望ましい。

次に、図１５（ａ）に本発明の一実施例のバーナ３１の火炉壁面１８への配列例を示す。本例では、バーナ３１は火炉壁面１８に３段４列に設置されており、バーナ全数において扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向を水平としている。図１６は従来技術適用時に比べ、図１５（ａ）に示す微粉炭バーナ３１を用いた場合には火炉１１の空間を有効に活用できることを模式的に説明した図であり、図１６（ａ）は図１５（ａ）のバーナ３１を配置した火炉１１全体の側断面図と図１６（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図を図１６（ｂ）に示す。また、図１７（図１７（ａ）は扁平形状でなく横断面形状が円形の微粉炭ノズルを有するバーナを配置した火炉１１全体の側断面図と図１７（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図を図１７（ｂ）に示す。）に従来技術の構成を示す。

図１６に示すように微粉炭バーナ３１の全数で、扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向を水平に配置することにより燃料噴流は火炉１１内で水平方向に分散されて、火炉１１内の空間の有効活用が可能となり、燃料を高効率で、低ＮＯｘ濃度で燃焼させることができる。

図１６（ａ），図１６（ｂ）に示すように、火炉壁面１８に配置するバーナ３１の全数を扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向を水平に配置することにより、図１７に示す従来技術に比べて火炉１１内で火炎は水平方向に拡がり、火炉１１内の未活用空間が小さくなる。

すなわち、本実施例により火炉１１内の水平断面で火炎が通過する断面の面積が大きくなり、火炎が火炉１１内で滞留する時間が増加して、燃料効率がよくなり、燃焼ガスのＮＯｘ濃度を下げることができる。

前述の通り、本発明の微粉炭ノズル８の構造及びベンチュリー７と燃料濃縮器６の組合せに該当しない図１８（ａ），図１８（ｂ）に示す従来技術の微粉炭ノズル４０の場合、図１８（ｃ）と図１８（ｄ）に示すように水平方向両端部で燃料濃度が低い分布となる。よって、火炉内の水平方向、特に微粉炭ノズル４０の幅方向への拡がり（中心軸に対する傾斜角度）を超えて外側へ燃料を拡散させ、火炎を水平方向に広げるようにすることが難しい。

これに比べ、本発明の実施例では、単に微粉炭ノズル８とその外周の二次空気ノズル１０との隔壁側（保炎器９が設置される場合は、その近傍）に微粉炭燃料を濃縮させ、微粉炭ノズル８の開口部全周にわたって均一に着火できるようにするのみならず、微粉炭ノズル８の水平断面上（バーナ３１を上下方向から見たとき）の燃料分布（特定の水平方向位置において上下方向の燃料を積分した値）は、水平方向（ノズル幅広方向）中央部付近よりも、両端部側の方が多くなる。

このため、炉内水平方向、特に微粉炭ノズル８の幅方向への拡がり（中心軸Ｃに対する傾斜角度）を超えて外側燃料を拡散させ、火炎を水平方向に広げるようにすることができる。

従って、バーナ単機容量が拡大して火炉水平方向に隣り合うバーナ３１同士の距離が大きくなっても火炎の形成されない領域が拡大することなく、火炉空間を有効に利用できる。

図１５（ｂ）は本発明の他の実施例によるバーナ３１の配列例を示す。本実施例では、バーナ３１は火炉壁面１８に３段４列に設置されており、火炉壁面１８への灰付着の問題が起こりやすい側壁寄りのバーナ３１は、微粉炭ノズル８の幅広方向が鉛直方向に向くように配置し、その他のバーナ３１については扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向を水平方向に向けて配置しており、灰付着の問題を抑制しつつ燃料を高効率で低ＮＯｘ濃度燃焼させることができる。本実施例では側壁寄りのバーナ３１の扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向が鉛直方向を向くように配置しているが、側壁よりの一部のバーナ３１のみ（例えば最上段バーナ３１のみ）の扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向を鉛直配置とし、他のバーナ３１の扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向は水平方向に向けて配置する構成としても良い。

なお、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すバーナ３１の配置例では、扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向は完全に鉛直方向または水平方向としているが、バーナ３１周りの他の構造物の影響などで完全に鉛直方向または水平方向に配置できない場合は、傾きを持たせた配置としても良い。

１ 起動用バーナ ２ 微粉炭の流路
３ 風箱（ウィンドボックス） ４ 二次空気の流路
５ 三次空気の流路 ６ 燃料濃縮器
７ ベンチュリー ８ 微粉炭ノズル
９ 保炎器 １０ 二次空気ノズル
１１ 火炉 １２ 三次空気流入部
１３ 三次用開口部材 １４ 仕切り板
１５ 三次空気ノズル １７ 二次空気流入部
１８ 火炉壁面 ２１ 混合流体
２２ 燃料搬送配管 ２３ バーナ導入部
２４ 燃料濃縮器サポート管 ２８ バーナ火炎
２９ 二段燃焼用ガス供給口 ３１ 固体燃料（微粉炭）バーナ
３２ 火炉開口部（バーナスロート部）
４０ フレームディテクタ ４１ 点火トーチ

請求項７記載の発明は、二次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）に配置される平板（１７ａ，１７ｂ）の開口部（１７ａａ，１７ｂａ）を二次燃焼用ガス流路（４）内での燃焼用ガスの流速が該流路（４）の周方向で均等になるように配置したことを特徴とする請求項６記載の固体燃料バーナである。

請求項８記載の発明は、二次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）の断面積に対する平板（１７ａ，１７ｂ）の開口部（１７ａａ，１７ｂａ）の開口比率を０．０５〜０．３０としたことを特徴とする請求項６記載の固体燃料バーナである。

請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の発明の効果に加えて、二次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）に配置される平板（１７ａ，１７ｂ）の開口部（１７ａａ，１７ｂａ）を二次燃焼用ガス流路（４）内での二次燃焼用ガスの流速が該流路（４）内の周方向で均等になるように配置したので、二次燃焼ガス流路（４）の出口部での二次空気の噴出量を周方向で均等化でき、保炎強化を図ることができる。

請求項８記載の発明によれば、請求項６記載の発明の効果に加えて、二次燃焼用ガスの流速を二次燃焼用ガス流入部（１７）の断面積に対する平板（１７ａ，１７ｂ）の開口部（１７ａａ，１７ｂａ）の開口比率を０．０５〜０．３０に設定することで最大流速と最小流速の比が２以下になるので二次燃焼用ガス流路（４）の出口部周方向における流速を均等化でき、二次燃焼用ガス流れの偏流が無くなる。

バーナ導入部２３から微粉炭ノズル８の出口までの、微粉炭ノズル８内の微粉炭の主流の流れを図３に示す。図３（ａ）は微粉炭ノズル８の縦方向断面図であり、図３（ｂ）は微粉炭ノズル８の水平方向断面図である。微粉炭ノズル８内のベンチュリー７以降の流れにおいて、図３の中で斑点模様を施した部分３５は、微粉炭の濃縮された領域を模式的に表示したものである。

ここで、上記した微粉炭ノズル８の構造及びベンチュリー７と燃料濃縮器６の組合せに該当しない図１８に示す従来技術の燃料ノズル４２の出口部での濃度分布を調べた。なお図１８の燃料ノズル４２は、前記特許文献１に示されたバーナ形状であり、図１８（ａ）には微粉炭ノズル４２の水平断面図を示し、図１８（ｂ）には図１８（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図を示す。

図１８（ｃ）は、図１８（ａ）の微粉炭ノズル４２の水平断面図に対応する微粉炭ノズル４２の横幅方向における燃料濃度分布について平均濃度を１．０としたときの相対値で表した図であり、図１８（ｄ）は、微粉炭ノズル４２の開口部出口断面における燃料濃度分布（領域）について平均濃度を１．０としたときの相対値で表した図である。

ここで仮に特許文献１の図等に示されたような、微粉炭ノズル４２の幅広方向全域にわたって、微粉炭ノズル４２の上下方向に燃料を濃縮させる形態の燃料濃縮器を設置したとしても、上下方向のノズル４２の開口部上辺側および下辺側には燃料が濃縮されるものの、ノズル４２の水平方向（横幅方向）中央部の微粉炭濃度が高く、両端部側へ離れるにしたがって微粉炭濃度が低下し、中央部から最も離れた両端部の微粉炭濃度が低いことには変わりがない。

微粉炭ノズル８の最外周部の燃料濃度と着火保炎性の関係は、燃料濃度が高いほど良好になる。従って、図１８に示す微粉炭ノズル形状の場合、微粉炭ノズル４２の最外周部のうち、燃料濃度が１．３以上になる中央部では着火保炎が保たれるが、燃料濃度／平均燃料濃度が１．０倍以下になる両端部での着火性は低下する。

図１８に示す微粉炭ノズル形状の場合、微粉炭ノズル４２出口での着火性は、周方向で不均一であり、両端部では着火保炎性が不良となり、還元域での滞留時間を確保できず、ＮＯｘ濃度が高くなる。一方、本発明による微粉炭ノズル形状の場合、微粉炭ノズル８の最外周の燃料濃度は周方向で均一でかつ平均濃度よりも高いため、着火保炎性に優れ、還元域での滞留時間も十分に確保されることで、低ＮＯｘ燃焼が可能となる。

前述の通り、本発明の微粉炭ノズル８の構造及びベンチュリー７と燃料濃縮器６の組合せに該当しない図１８（ａ），図１８（ｂ）に示す従来技術の微粉炭ノズル４２の場合、図１８（ｃ）と図１８（ｄ）に示すように水平方向両端部で燃料濃度が低い分布となる。よって、火炉内の水平方向、特に微粉炭ノズル４２の幅方向への拡がり（中心軸に対する傾斜角度）を超えて外側へ燃料を拡散させ、火炎を水平方向に広げるようにすることが難しい。

請求項９記載の発明は、二次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）から出口部に向かって該二次燃焼用ガス流路（４）の流路断面積の縮小率を３０％〜８０％としたことを特徴とする請求項５記載の固体燃料バーナである。

請求項９記載の発明によれば、請求項５記載の発明の効果に加えて、二次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）から出口部に向かって該二次燃焼用ガス流路（４）の流路断面積の縮小率（定義は後述）を３０％〜８０％としたので、最大流速と最小流速の比があまり大きく変化しないので、二次燃焼用ガス流路（４）の出口部周方向における流速を均等化でき、二次燃焼用ガス流れの偏流が無くなる。

Claims (10)

1. 固体燃料と該固体燃料の搬送用ガスとの混合流体が流れる円筒状の燃料搬送配管に接続する固体燃料流路を有する火炉壁面に開口した燃料ノズルと、前記固体燃料の燃焼用ガスが流れる風箱に連通し、前記燃料ノズルの外周壁側に形成される単一もしくは複数の燃焼用ガスノズルを有する固体燃料バーナであって、
   前記燃料ノズル内に当該ノズル内の固体燃料流路の横断面を縮小させる絞り部を有するベンチュリーと当該ベンチュリーの後流側に当該ノズル内の流れを外向きに変える燃料濃縮器を備え、
   前記燃料ノズルは、（ａ）ボイラ火炉壁面の開口部近傍における開口形状が扁平形状であり、（ｂ）燃料ノズルの外周壁のノズル中心軸に直交する断面形状が、前記ベンチュリーの絞り部まで横断面が円形であり、（ｃ）前記ベンチュリーの絞り部から前記ボイラ火炉壁面に設けられた開口部に至るまでの間は、徐々に扁平度合いが増大する部分を有し、（ｄ）ボイラ火炉壁面の開口部において、扁平度合いが最大の扁平形状となるように形成されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
2. 前記燃料ノズルの外周壁の先端外周に保炎器が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体燃料バーナ。
3. 前記複数の燃焼用ガスノズルの内で最も内側に設置される二次燃焼用ガスノズル内に設けられる二次燃焼用ガス流路は、該二次燃焼用ガスノズルの外周壁の前記中心軸に直交する断面形状が、二次燃焼用ガス流路の出口部において扁平形状を成すことを特徴とする請求項１又は２記載の固体燃料バーナ。
4. 前記複数の燃焼用ガスノズルの内で最も外側に設置される三次燃焼用ガスノズル内の三次燃焼用ガス流路は、三次燃焼用ガスノズルの外周壁の前記中心軸に直交する断面形状が、火炉壁面近傍の三次燃焼用ガス流路の出口部で円形であることを特徴とする請求項３に記載の固体燃料バーナ。
5. 二次燃焼用ガス流路は、燃焼用ガス流入部から火炉壁面の開口部に向かって流路断面積を順次縮小する構造としたことを特徴とする請求項３又は４に記載の固体燃料バーナ。
6. 二次燃焼用ガス流路の燃焼用ガス流入部のガス流入方向を火炉壁面に垂直な向きに設け、該燃焼用ガス流入部に複数の開口部を有する平板を配置したことを特徴とする請求項３又は４に記載の固体燃料バーナ。
7. 二次燃焼用ガス流路の燃焼用ガス流入部に配置される平板の開口部を二次燃焼用ガス流路内での燃焼用ガスの流速が該流路の周方向で均等になるように配置したことを特徴とする請求項５又は６記載の固体燃料バーナ。
8. 二次燃焼用ガス流路の燃焼用ガス流入部の断面積に対する平板の開口部の開口比率を０．０５〜０．３０としたことを特徴とする請求項５又は６記載の固体燃料バーナ。
9. 燃焼用ガス流入部から出口部に向かって該二次燃焼用ガス流路の流路断面積の縮小率を３０％〜８０％としたことを特徴とする請求項５又は６記載の固体燃料バーナ。
10. フレームディテクタと点火トーチを、固体燃料と該固体燃料搬送用ガスを噴出する燃料ノズルの出口の形状が矩形状の場合は長辺側の両端上に、該燃料ノズルの出口の形状が楕円形状である場合は焦点上に、該燃料ノズルの出口の形状が直線部と円周部を有する略楕円形状の場合は直線部の両端上に設置することを特徴とする請求項１記載の固体燃料バーナ。

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