JPWO2017126240A1 - アフタエアポート及びこれを備えた燃焼装置 - Google Patents

Abstract

直進性と広がり性の２種類のアフタエアを有し、直進性を分担するアフタエア噴流の貫通力を維持するために、開口部内の中央部に直進流を噴出させる内側一次アフタエア供給用の内側一次アフタエアノズル（５０１）と、該内側一次アフタエアノズル（５０１）の外側に直進流を噴出させる外側一次アフタエア供給用の外側一次アフタエアノズル（５０２）を設け、外側一次アフタエアノズル（５０２）の外側に二次アフタエア供給用の二次アフタエアノズル（１４）を設け、該二次アフタエアノズル（１４）の出口部に二次アフタエアを水平方向に偏向して供給可能なように、アフタエアポート中心軸に対して傾斜角度を有する１つ以上の二次アフタエア案内羽根（１５）を設け、少なくとも前記内側一次アフタエアノズル（５０１）における内側一次アフタエア供給量の調整部材（３０１）または前記外側一次アフタエアノズル（５０２）における外側一次アフタエア供給量の調整部材（３０２）を設けたアフタエアポート。

Description

本発明は、アフタエアポートおよびアフタエアポートを備えたボイラなどの燃焼装置に関し、特に、燃焼効率の高い二段燃焼が可能なアフタエアポート及びこれを備えた燃焼装置に関するものである。

バーナで空気不足の条件で燃料を燃焼させ、完全燃焼に必要な残りの空気をアフタエアポート（以下、ＡＡＰということがある）から供給する、いわゆる二段燃焼法が適用されるボイラなどの固体燃料の燃焼装置（火炉）が知られている。

前記二段燃焼法を適用した火炉においては、バーナの配置やバーナからの燃料及び空気の供給方法によって、アフタエアポート部に上昇して行く未燃分を含む燃焼ガスの流量分布が変化する。火炉出口における未燃カーボンやＣＯなどの可燃分の残存を抑えるには、アフタエアポート部に上昇して行く燃焼ガスの流量分布に応じて適切に二段燃焼用空気を供給することが重要である。

図５には前記二段燃焼法を適用した火炉３１の壁面にバーナ６とアフタエアポート７を配置した火炉壁正面図（図５（Ａ））と燃焼ガス噴流と二段燃焼用空気噴流を示す火炉側断面図（図５（Ｂ））と図５（Ｂ）のＡ−Ａ線平断面図（図５（Ｃ）） を示す。

図５に示すように、バーナ６とＡＡＰ７を対向する火炉３１の壁面にそれぞれ備え、火炉壁面のＡＡＰ７部分に上昇してくるバーナ６からの燃料の未燃分を含む燃焼ガス噴流２１の流量分布に応じて、火炉３１内での適切なアフタエア噴流２２の流量配分と噴流方向の設定をしてアフタエア噴流２２の直進性と広がり性を安定して維持することにより、燃料の未燃分を効果的に低減して、高い燃焼性能を達成することができる。

特許文献１（ＷＯ２０１５／５３５０Ａ１）には、石炭などの固体燃料用燃焼装置に使用される火炉内側から見た概略正面図に示す図６のＡＡＰが開示されている。図６には、一次アフタエアノズル５を中央に配置したアフタエアポートから火炉内に吹き出すアフタエアの方向を水平方向に３分割以上分割し、該各分割エアの方向を中心の直進流と該直進流の両側の水平分散流として、各分割エアの方向が互いに同一方向にならないようなエア分割部材（二次アフタエア案内羽根）１５を設けたアフタエアポートが開示されている。本文献によるアフタエアポートにより、従来の課題を解決してアフタエアに直進性と広がり性の両立を可能とし、未燃分を効果的に低減して、高い燃焼性能を達成することが出来るようになった。

ＷＯ２０１５／５３５０Ａ１

特許文献１記載の発明においては、ＡＡＰ内流路を単純な分割部材（板）を用いてアフタエア直進流とアフタエア水平分散流に分割し、アフタエアの水平方向の広がりや向き及び流量配分の調整を可能にしている。本発明では、アフタエアの直進流と水平分散流は、合計アフタエア流量の調整と直進流／水平分散流比率の調整で最適化が可能である。しかしながら、例えば火炉水壁の腐食抑制などのために合計アフタエア流量を低減するような条件で、かつ火炉前後壁近傍の未燃分抑制のために水平分散流の流量の低減が困難な場合には、直進流の流量が低下して火炉奥行方向への貫通力が低下する課題が残っている。

本発明は、火炉奥行方向へのアフタエア噴流の貫通力を維持することを技術的課題とする。

前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明のアフタエアポートは、
火炉内に二段燃焼用空気を噴出させるアフタエアポートであって、
開口部内の中央部に直進流を噴出させる内側一次アフタエア供給用の内側一次アフタエアノズルと、該内側一次アフタエアノズルの外側に直進流を噴出させる外側一次アフタエア供給用の外側一次アフタエアノズルを設け、
外側一次アフタエアノズルの左右外側に二次アフタエア供給用の二次アフタエアノズルを設け、
該二次アフタエアノズルの出口部に二次アフタエアを水平方向左右に偏向して供給可能なように、アフタエアポート中心軸に対して傾斜角度を有する１つ以上の二次アフタエア案内羽根を設け、
少なくとも前記内側一次アフタエアノズルにおける内側一次アフタエア供給量の調整部材または前記外側一次アフタエアノズルにおける外側一次アフタエア供給量の調整部材を設けたこと
を特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアフタエアポートにおいて、
前記内側一次アフタエアノズルは、その開口形状が、該内側一次アフタエアノズルと前記外側一次アフタエアノズルとを区画する部材と、アフタエアポート開口部（スロート部）周壁とで囲まれた縦長のノズルであり、
前記外側一次アフタエアノズルは、その開口形状が、前記内側一次アフタエアノズルと該外側一次アフタエアノズルとを区画する部材と、アフタエアポート開口部（スロート部）周壁と、該外側一次アフタエアノズルと前記二次アフタエアノズルとを区画する部材とで囲まれた縦長のノズル
であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のアフタエアポートにおいて、
前記内側一次アフタエアノズルと前記外側一次アフタエアノズルの流体流れ方向に垂直な流路断面積を夫々Ｓｉ，Ｓｏとしたときの比率：Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）が
０．５≦Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）≦０．７
であることを特徴とする。

前記技術的課題を解決するために、請求項４に記載の発明の二段燃焼用のアフタエアポートを備えた燃焼装置は、
理論空気量以下の空気量で燃料を燃焼させるバーナを火炉内に配置し、該バーナの設置位置より下流側の火炉に空気を供給する二段燃焼用のアフタエアポートを配置した燃焼装置において、
アフタエアポート開口部内の中央部に直進流噴出用の内側一次アフタエア供給用の内側一次アフタエアノズルと該内側一次アフタエアノズルの外側に直進流噴出用の外側一次アフタエア供給用の外側一次アフタエアノズルを設け、
外側一次アフタエアノズルの左右外側に二次アフタエア供給用の二次アフタエアノズルを設け、
該二次アフタエアノズルの出口部に二次アフタエアを水平方向左右に偏向して供給可能なように、アフタエアポート中心軸に対して傾斜角度を有する１つ以上の二次アフタエア案内羽根を設け、
少なくとも前記内側一次アフタエアノズルにおける内側一次アフタエア供給量の調整部材または前記外側一次アフタエアノズルにおける外側一次アフタエア供給量の調整部材を設けたこと
を特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の二段燃焼用のアフタエアポートを備えた燃焼装置において、
前記内側一次アフタエアノズルは、その開口形状が、該内側一次アフタエアノズルと前記外側一次アフタエアノズルとを区画する部材と、アフタエアポート開口部（スロート部）周壁とで囲まれた縦長のノズルであり、
前記外側一次アフタエアノズルは、その開口形状が、前記内側一次アフタエアノズルと該外側一次アフタエアノズルとを区画する部材と、アフタエアポート開口部（スロート部）周壁と、該外側一次アフタエアノズルと前記二次アフタエアノズルとを区画する部材とで囲まれた縦長のノズル
であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の二段燃焼用のアフタエアポートを備えた燃焼装置において、
前記内側一次アフタエアノズルと前記外側一次アフタエアノズルの流体流れ方向に垂直な流路断面積を夫々Ｓｉ，Ｓｏとしたときの比率：Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）が
０．５≦Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）≦０．７
であることを特徴とする。

請求項１ないし６記載の発明によれば、例えば火炉水壁の腐食抑制などのために、アフタエアポート全体のアフタエア流量（内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズル、二次アフタエアノズルのアフタエア流量の合計）を低減するような条件で、かつ火炉前後壁近傍の未燃分抑制のために水平分散流（二次アフタエア）の流量の低減が困難な場合、即ち二次アフタエアノズルのアフタエア流量を維持しつつ、内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズルを合わせた一次アフタエア（直進流）の流量を低減する場合でも、外側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を相対的に大きく低減する一方、内側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を維持ないし増加させることにより、一次アフタエアの流速を維持ないし高める調整が可能となる。これにより、火炉奥行方向へのアフタエア噴流の貫通力を高く維持して、下方から上昇してくる燃焼ガス流と一次アフタエアとの混合性能を維持することができる。

請求項２，５記載の発明によれば、外側一次アフタエアノズルから噴出させる一次アフタエア流量を絞った際に、内側一次アフタエアノズルの上面や、特にアフタエアポート開口部広がり部底部近傍に、灰の堆積やクリンカの付着成長の可能性があるところ、そのような領域を極力小さくすることができるとともに構造の簡略化（部材点数・加工数）にも効果がある。
なお、運用上、上述の二次アフタエアノズルのアフタエア流量を維持しつつ、内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズルを合わせた一次アフタエア（直進流）の流量を低減する局面において、外側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を相対的に大きく低減する代わりに内側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を相対的に大きく低減して、外側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を維持ないし増加させることも可能である。

但し、内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズル及び二次アフタエアノズルの配置の関係上、前者の運用（外側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を相対的に大きく低減する一方、内側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を維持ないし増加させる）の方が望ましい。
これは、その方が、後述するように一次アフタエアと二次アフタエアの噴流の分離効果が高まる効果が得られやすいことが挙げられる。
加えて内側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を少量ないしゼロにすると、内側一次アフタエアノズル開口の後流部に渦が発生して、内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズルを合わせた一次アフタエア（直進流）全体としての貫通力が低下して好ましくないためである。

請求項３，６に記載の発明によれば、流路断面積の比率：Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）が ０．５≦Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）≦０．７に設定されている。したがって、通常想定される条件であるバーナ空気比０．８５以下で、設計値と同等の貫通力を実現できると共に、二段燃焼方式におけるＮＯｘ低減効果や、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）を小さくすることによる圧力損失の上昇の問題の発生を防止できる。

本発明の一実施例のアフタエアポートを火炉側から見た正面図（図１（Ａ））と図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図（図１（Ｂ））、内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズル、二次アフタエアノズルの配置の概略を示す図（図１（Ｃ））である。 図２は、内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズル、二次アフタエアノズルの配置の他の例の説明図であり、図２（Ａ）は外側一次アフタエアノズルがＬ字状に内側一次アフタエアノズルを囲んで配置された例の図、図２（Ｂ）は内側一次アフタエアノズルと外側一次アフタエアノズルが隣り合って配置された例の図、図２（Ｃ）は外側一次アフタエアノズルが内側一次アフタエアノズルを逆Ｕ字状に囲んで配置された例の説明図、図２（Ｄ）は外側一次アフタエアノズルが内側一次アフタエアノズルの両側縁に沿って配置された例の説明図である。 本発明の火炉の前後壁面を切断した状態の火炉断面図である。 バーナ空気比０．８を設計点とした場合に、バーナ空気比０．９０，０．８５，０．８０，０．７５に対して、一次アフタエアノズル断面積相対値に対するＡＡＰ噴流中心高さ相対値を計算した結果例である。 二段燃焼法を適用した火炉壁正面図（図５（Ａ））と燃焼ガス噴流と二段燃焼用空気噴流を示す火炉側断面図（図５（Ｂ））と図５（Ｂ）のＡ−Ａ線平断面図（図５（Ｃ））である。 特許文献１記載のＡＡＰの火炉側から見た正面図例である。

図１は、本発明のアフタエアポートの説明図であり、図１（Ａ）は火炉側から見た正面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図、図１（Ｃ）は内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズル、二次アフタエアノズルの配置の概略を示す図である。
ここで、図１（Ｃ）において、紙面上下方向に伸びる一点鎖線が中心線、中央の黒点が、紙面前後（裏表）方向（ＡＡＰ開口の奥行方向）に伸びるＡＡＰの中心軸、紙面左右方向に伸びる点線矢印が、ＡＡＰ開口の左右幅方向を表す。

図２は、内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズル、二次アフタエアノズルの配置の他の例の説明図であり、図２（Ａ）は外側一次アフタエアノズルがＬ字状に内側一次アフタエアノズルを囲んで配置された例の図、図２（Ｂ）は内側一次アフタエアノズルと外側一次アフタエアノズルが隣り合って配置された例の図、図２（Ｃ）は外側一次アフタエアノズルが内側一次アフタエアノズルを逆Ｕ字状に囲んで配置された例の説明図、図２（Ｄ）は外側一次アフタエアノズルが内側一次アフタエアノズルの両側縁に沿って配置された例の説明図である。
本発明において、開口部内の中央部、内側、外側とは、上記中心線または中心軸を基準・基点とした相対的な位置関係を指す。
よって、図２（Ａ）、図２（Ｂ）のケースについても、開口部内の中央部に設けた内側一次アフタエアノズルの外側に外側一次アフタエアノズルが設けられているといえる。

一方、外側一次アフタエアノズルと二次アフタエアノズルとの関係についての左右外側とは、上述の中心線を基準とした左右幅方向のみの一次元的な位置関係をいう。
従って、図１（Ｃ）、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）のいずれの場合においても、外側一次アフタエアノズルの左右外側に二次アフタエア供給用の二次アフタエアノズルが設けられていることになる。
図１に示す本実施例の水平分散型ＡＡＰ構造は火炉壁に設けたアフタエアポート開口部（スロート部）１７のアフタエアポート開口部広がり部１８の内側に配置される。

なお、スロート部１７およびアフタエアポート開口部広がり部１８は、いずれも火炉側正面から見た外周部の形状が円形のものを表しているが、夫々の形状は特に円形に限定されるものではない。夫々、矩形でも多角形でも良く、互いに異なる形状であっても良い。
図１に示すアフタエアポートにおいて、アフタエア用風箱３０（風箱３０は風箱ケーシング３２と火炉壁に囲まれた空間全体を表す。）内のアフタエアは一次アフタエア１と二次アフタエア１１に分けられ、一次アフタエア１は内側一次アフタエアノズル５０１及び外側一次アフタエアノズル５０２を経由して、二次アフタエア１１は二次アフタエアノズル１４を経由して、それぞれ火炉３１に供給される。

内側一次アフタエアノズル５０１と外側一次アフタエアノズル５０２の入口にはエアの流れ方向に向かって次第に断面積を小さくした内側一次アフタエアノズル入口縮流部材５０１ａと外側一次アフタエアノズル入口縮流部材５０２ａが設置されており、内側一次アフタエアノズル５０１と外側一次アフタエアノズル５０２の入口の圧力損失が抑えられる。内側一次アフタエアノズル５０１の入口部及び外側一次アフタエアノズル５０２の入口部には、流路抵抗を変更可能な内側一次アフタエア流量調整ダンパ（内側一次アフタエア供給量の調整部材）３０１及び外側一次アフタエア流量調整ダンパ（外側一次アフタエア供給量の調整部材）３０２が設置されており、内側一次アフタエアノズル５０１と外側一次アフタエアノズル５０２を通して供給されるアフタエア流量の最適調整を可能としている。

内側一次アフタエア流量調整ダンパ３０１の下流側には、一次アフタエア整流器４が配置されている。二次アフタエアノズル１４の入口部には、流路抵抗を変更可能な二次アフタエア流量調整ダンパ１２が配置されている。二次アフタエア流量調整ダンパ１２の下流側には、二次アフタエア整流器１３が配置されている。二次アフタエアノズル１４の出口部には、エア分割部材（二次アフタエア案内羽根）１５が配置されている。実施例のエア分割部材１５は、二次アフタエア１１を水平方向に偏向して供給可能なように、アフタエアポート中心軸に対して傾斜角度を有する１つ以上羽根状の部材で構成されている。

図２（Ｃ）に表した内側一次アフタエアノズル５０１、外側一次アフタエアノズル５０２、二次アフタエアノズル１４の配置のバリエーションは、上部及び左右が二重の矩形多重構造となっている。内側一次アフタエアノズル５０１、外側一次アフタエアノズル５０２の底側の部材はスロート部１７で共用しており、コスト低減に効果的である。さらに、燃焼灰の堆積や付着がしやすい、アフタエアポート開口部広がり部１８底部近傍の噴出空気流量は維持されるため、灰堆積や付着が抑制され、アフタエア噴流を安定して形成でき、高効率燃焼の維持に有効である。

図２（Ｄ）において、内側一次アフタエアノズル５０１は、その開口形状が、内側一次アフタエアノズル５０１と外側一次アフタエアノズル５０２とを区画する部材５０６と、アフタエアポート開口部（スロート部）周壁５０７とで囲まれた縦長のノズルである。
外側一次アフタエアノズル５０２は、その開口形状が、内側一次アフタエアノズル５０１と外側一次アフタエアノズル５０２とを区画する部材５０６と、アフタエアポート開口部（スロート部）周壁５０７と、外側一次アフタエアノズル５０２と二次アフタエアノズル１４とを区画する部材５０８とで囲まれた縦長のノズルである。
３つの縦長ノズルが水平方向に並べて配置されており、中央の内側一次アフタエアノズル５０１の断面積を左右両側の外側一次アフタエアノズル５０２の合計断面積より大きくしている。

本構成においては、一次アフタエアノズル５０１＋５０２を単純な仕切り板５０６で分割する構造なので、コスト低減に有効である。本構成において両側の流路（５０２）の流量を低減して中央の流路（５０１）の流量を増加させる場合、中央の流路（５０１）は全流路使用時と同様に縦長形状を維持するため、バーナ部から上昇してくる燃焼ガスの抵抗が増加することはなく、一次アフタエアの貫通力は低下することなく、高効率燃焼の維持が可能である。
外側一次アフタエアノズル５０２から噴出させる一次アフタエア流量を絞っていき、停止させたような際には、内側一次アフタエアノズル５０１の上面や、特にアフタエアポート開口部広がり部１８底部近傍等に、灰の堆積やクリンカの付着成長の可能性がある。図１の例と比べて本実施形態は、そのような領域を極力小さくする観点及び構造の簡略化（部材点数・加工数）から有利と考えられる。

以上の各実施形態（図１（Ｃ）〜図２に示したノズル配置の概略）のうち、図１（Ｃ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）の場合に共通する点として、外側一次アフタエアノズル５０２からの空気流量を絞った（止めた）際、見かけ上、内側一次アフタエアノズル５０１と二次アフタエアノズル１４との噴流の間に間隔が空くことが挙げられる。
このことは、一次アフタエアと二次アフタエアの噴流の分離効果が高まる利点がある。

即ち、一次アフタエア噴流は貫通力の高い直進流であるため、隣接する二次アフタエア噴流を誘引する作用を持つが、その影響を抑制できる。よって、二次アフタエア本来の火炉水平方向への広がりを持った噴流が乱されにくく、広く分散するので、下方から上昇してくる未燃ガスと良く混合する。これにより未燃分の低減が達成される。
バーナ空気比が低めに設定される等、アフタエアポート全体から噴出させるアフタエア流量が多く、内側一次アフタエアノズル５０１からの一次アフタエア噴流で設計上必要な貫通力が確保できる場合には、当該貫通力を上回る分のアフタエア流量を外側一次アフタエアノズル５０２または二次アフタエアノズル１４に配分することができる。

上述のように外側一次アフタエアノズル５０２からのアフタエア噴流を完全に停止してしまうと、局所的に灰の堆積やクリンカの付着成長の可能性が高まるが、外側一次アフタエアノズル５０２から少量のアフタエアを噴出させることでこれを抑制することができる。
また、外側一次アフタエアノズル５０２から少量のアフタエアを噴出させつつ、二次アフタエアノズル１４へのアフタエア流量を増加させる運用を行えば、これを火炉壁近傍や隣接するアフタエアポートとの間を上昇してくる未燃ガスと混合させて、未燃分の低減効果を高めることができる。

ここで、以上の各実施形態に共通して、
内側一次アフタエアノズル５０１と外側一次アフタエアノズル５０２の流体流れ方向に垂直な流路断面積を夫々Ｓｉ，Ｓｏとしたとき、
比率：Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）が
０．５≦Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）≦０．７
の範囲にあることが望ましい。
このことについて、以下に説明する。

図３には火炉３１の前後壁面を切断した状態の火炉断面図を示す。ＡＡＰ７中心軸からの高さＨは、ＡＡＰ７のガス噴流軌跡Ｓの測定位置における高さである。ＡＡＰ７からのガス噴流は、火炉壁から水平に投入しても、バーナ側から上昇してくる燃焼ガスに押されて、火炉３１の奥行き方向に到達するにつれ、上側に湾曲する。アフタエアの貫通力が強い噴流の場合には、湾曲度合いは弱く、噴流の到達高さＨは低くなる。

上記のように、アフタエアの火炉内での流動は、バーナ部からの燃焼ガス上昇流と、本上昇流と交差して供給されるアフタエアとの交差噴流としての特性を示す。交差噴流の挙動評価にはPartric等が提案した半実験式に基づき下記のような数式が適用できる。
Ｈ＝Ｃｘ（Ｘ／Ｄ）ｘ（Ａa／Ａb／Ｄ²）^-0.85）^（1/0.34） …（１）
ここで、Ｘ：火炉奥行距離（ｍ）
Ｈ：火炉奥行Ｘにおけるアフタエア噴流中心の高さ（ｍ）
Ｃ：係数（−）
Ｄ：アフタエアポートの代表径（ｍ）
Ｖa：アフタエア流速（m/s）
Ｖb：バーナからAAP領域への上昇流速（m/s）

図４は、バーナ空気比０．８を設計点とした場合に、バーナ空気比０．９０，０．８５，０．８０，０．７５に対して、一次アフタエアノズル断面積相対値に対するＡＡＰ噴流中心高さ相対値を計算した結果例である。
二段燃焼を行うボイラにおけるバーナ域の一般的な空気比（バーナ空気比＝バーナから供給される空気量／理論空気量）０．８を設計点にした場合、燃焼性能や火炉壁腐食抑制などの調整のために、バーナ空気比低側０．７５程度から高側０．８５〜０．９程度まで変化させることがある。

バーナ空気比０．８を設計点とした場合の、バーナ空気比０．９０，０．８５，０．８０，０．７５に対して、一次アフタエアノズル断面積相対値に対するＡＡＰ噴流中心高さ相対値を式（１）を用いて計算し、その結果を図４に示す。
破線、一点鎖線、二点鎖線、実線が、それぞれバーナ空気比０．９０，０．８５，０．８０，０．７５に対する計算結果を示す。内側一次アフタエアノズルのＡＡＰ断面積（相対値）＝Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）に相当する１．０を設計値とし、ＡＡＰ噴流中心高さ（相対値）は１．０が設計値である。

ＡＡＰ噴流中心高さが高くなるのは、ＡＡＰ噴流がバーナ側から上昇してくる燃焼ガスに押されて上側への湾曲が大きくなり貫通力が低下することを意味する。すなわち、ＡＡＰ噴流中心高さの設計値１．０以上では設計以下の貫通力、１．０以下では設計以上の貫通力を有することになる。
腐食抑制などのためにバーナ空気比を０．８５まで高める必要がある場合で、設計の貫通力を求められる場合は、ＡＡＰ断面積（相対値）を０．７程度まで小さく出来るように、内側一次アフタエアノズル流路の断面積を決定するのが望ましい。同様に、バーナ空気比を０．９０まで高める必要がある場合は、ＡＡＰ断面積（相対値）を０．５程度まで小さく出来るように、内側一次アフタエアノズル流路の断面積を決定するのが望ましい。バーナ空気比を０．８０で設計した場合で、バーナ空気比を０．８以下に調整する場合には、ＡＡＰ断面積を小さくすることなく貫通力を確保することができる。
すなわち、実用上、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）を０．７以下にしないと、通常想定される条件であるバーナ空気比０．８５以下で、設計値と同等の貫通力を実現できない。

一方、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）を０．５よりも小さくしていけば、バーナ空気比を０．９０0よりも大きく設定した場合でも、設計値以上の貫通力が得られることになるが、以下の点から実用性に乏しくなる。
まず、バーナ空気比を０．９０よりも大きく設定することは、二段燃焼方式におけるＮＯｘ低減効果が乏しくなってくるのでほとんど無い。また、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）を小さくするに従い、流速が高まり、圧力損失が上昇してくる。よって、本発明においては０．５を下限（推奨値）とする。

１ 一次アフタエア
６ バーナ
７ アフタエアポート（ＡＡＰ）
１１ 二次アフタエア
１２ 二次アフタエア流量調整ダンパ
１３ 二次アフタエア整流器
１４ 二次アフタエアノズル
１５ 二次アフタエア案内羽根
１５ａ 固定部材
１７ アフタエアポート開口部（スロート部）
１８ アフタエアポート開口部広がり部
３０ アフタエア用風箱
３１ 火炉
３２ アフタエア用風箱ケーシング
３０１ 内側一次アフタエア流量調整ダンパ（内側一次アフタエア供給量の調整部材）
３０２ 外側一次アフタエア流量調整ダンパ（外側一次アフタエア供給量の調整部材）
４０１ 内側一次アフタエア整流器
５０１ 内側一次アフタエアノズル
５０１ａ 内側一次アフタエアノズル入口縮流部材
５０２ 外側一次アフタエアノズル
５０２ａ 外側一次アフタエアノズル入口縮流部材

【０００３】
［００１０］
前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明のアフタエアポートは、
火炉内に二段燃焼用空気を噴出させるアフタエアポートであって、
開口部内の中央部に直進流を噴出させる内側一次アフタエア供給用の内側一次アフタエアノズルと、該内側一次アフタエアノズルの外側に直進流を噴出させる外側一次アフタエア供給用の外側一次アフタエアノズルを設け、
外側一次アフタエアノズルの左右外側に二次アフタエア供給用の二次アフタエアノズルを設け、
該二次アフタエアノズルの出口部に二次アフタエアを水平方向左右に偏向して供給可能なように、アフタエアポート中心軸に対して傾斜角度を有する１つ以上の二次アフタエア案内羽根を設け、
少なくとも前記内側一次アフタエアノズルにおける内側一次アフタエア供給量の調整部材または前記外側一次アフタエアノズルにおける外側一次アフタエア供給量の調整部材を設け、
前記内側一次アフタエアノズルと前記外側一次アフタエアノズルの流体流れ方向に垂直な流路断面積を夫々Ｓｉ，Ｓｏとしたときの比率：Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）が
０．５≦Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）≦０．７
であることを特徴とする。
［００１１］
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアフタエアポートにおいて、
前記内側一次アフタエアノズルは、その開口形状が、該内側一次アフタエアノズルと前記外側一次アフタエアノズルとを区画する部材と、アフタエアポート開口部（スロート部）周壁とで囲まれた縦長のノズルであり、
前記外側一次アフタエアノズルは、その開口形状が、前記内側一次アフタエアノズルと該外側一次アフタエアノズルとを区画する部材と、アフタエアポート開口部（スコート部）周壁と、該外側一次アフタエアノズルと前記二次アフタエアノズルとを区画する部材とで囲まれた縦長のノズル
であることを特徴とする。
［００１２］

【０００４】
［００１３］
前記技術的課題を解決するために、請求項４に記載の発明のアフタエアポートを備えた燃焼装置は、
理論空気量以下の空気量で燃料を燃焼させるバーナを火炉内に配置し、該バーナの設置位置より下流側の火炉に空気を供給する二段燃焼用のアフタエアポートを配置した燃焼装置において、
アフタエアポート開口部内の中央部に直進流噴出用の内側一次アフタエア供給用の内側一次アフタエアノズルと該内側一次アフタエアノズルの外側に直進流噴出用の外側一次アフタエア供給用の外側一次アフタエアノズルを設け、
外側一次アフタエアノズルの左右外側に二次アフタエア供給用の二次アフタエアノズルを設け、
該二次アフタエアノズルの出口部に二次アフタエアを水平方向左右に偏向して供給可能なように、アフタエアポート中心軸に対して傾斜角度を有する１つ以上の二次アフタエア案内羽根を設け、
少なくとも前記内側一次アフタエアノズルにおける内側一次アフタエア供給量の調整部材または前記外側一次アフタエアノズルにおける外側一次アフタエア供給量の調整部材を設け、
前記内側一次アフタエアノズルと前記外側一次アフタエアノズルの流体流れ方向に垂直な流路断面積を夫々Ｓｉ，Ｓｏとしたときの比率：Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）が
０．５≦Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）≦０．７
であることを特徴とする。
［００１４］
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のアフタエアポートを備えた燃焼装置において、
前記内側一次アフタエアノズルは、その開口形状が、該内側一次アフタエアノズルと前記外側一次アフタエアノズルとを区画する部材と、アフタエアポート開口部（スロート部）周壁とで囲まれた縦長のノズルであり、
前記外側一次アフタエアノズルは、その開口形状が、前記内側一次アフタエアノズルと該外側一次アフタエアノズルとを区画する部材と、アフタエア

【０００５】
ポート開口部（スロート部）周壁と、該外側一次アフタエアノズルと前記二次アフタエアノズルとを区画する部材とで囲まれた縦長のノズル
であることを特徴とする。
［００１５］
発明の効果
［００１６］
請求項１、２、４、５記載の発明によれば、例えば火炉水壁の腐食抑制などのために、アフタエアポート全体のアフタエア流量（内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズル、二次アフタエアノズルのアフタエア流量の合計）を低減するような条件で、かつ火炉前後壁近傍の未燃分抑制のために水平分散流（二次アフタエア）の流量の低減が困難な場合、即ち二次アフタエアノズルのアフタエア流量を維持しつつ、内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズルを合わせた一次アフタエア（直進流）の流量を低減する場合でも、外側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を相対的に大きく低減する一方、内側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を維持ないし増加させることにより、一次アフタエアの流速を維持ないし高める調整が可能となる。これにより、火炉奥行方向へのアフタエア噴流の貫通力を高く維持して、下方から上昇してくる燃焼ガス流と一次アフタエアとの混合性能を維持することができる。
また、請求項１、２、４、５に記載の発明によれば、流路断面積の比率：Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）が ０．５≦Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）≦０．７に設定されている。したがって、通常想定される条件であるバーナ空気比０．８５以下で、設計値と同等の貫通力を実現できると共に、二段燃焼方式におけるＮＯｘ低減効果や、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）を小さくすることによる圧力損失の上昇の問題の発生を防止できる。
［００１７］
請求項２，５記載の発明によれば、外側一次アフタエアノズルから噴出させる一次アフタエア流量を絞った際に、内側一次アフタエアノズルの上面や、特にアフタエアポート開口部広がり部底部近傍に、灰の堆積やクリンカの付着成長の可能性があるところ、そのような領域を極力小さくすることがで

【０００６】
きるとともに構造の簡略化（部材点数・加工数）にも効果がある。
なお、運用上、上述の二次アフタエアノズルのアフタエア流量を維持しつつ、内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズルを合わせた一次アフタエア（直進流）の流量を低減する局面において、外側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を相対的に大きく低減する代わりに内側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を相対的に大きく低減して、外側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を維持ないし増加させることも可能である。
［００１８］
但し、内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズル及び二次アフタエアノズルの配置の関係上、前者の運用（外側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を相対的に大きく低減する一方、内側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を維持ないし増加させる）の方が望ましい。
これは、その方が、後述するように一次アフタエアと二次アフタエアの噴流の分離効果が高まる効果が得られやすいことが挙げられる。
加えて内側一次アフタエアノズルのアフタエア流量を少量ないしゼロにすると、内側一次アフタエアノズル開口の後流部に渦が発生して、内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズルを合わせた一次アフタエア（直進流）全体としての貫通力が低下して好ましくないためである。
［００１９］
図面の簡単な説明
［００２０］
［図１］本発明の一実施例のアフタエアポートを火炉側から見た正面図（図１（Ａ））と図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図（図１（Ｂ））、内側一次アフタエアノズル、外側一次アフタエアノズル、二次アフタエアノズルの配置の概略を示す図（図１（Ｃ））である。

【００１２】
の範囲にあることが望ましい。
このことについて、以下に説明する。
［００３４］
図３には火炉３１の前後壁面を切断した状態の火炉断面図を示す。ＡＡＰ７中心軸からの高さＩＩは、ＡＡＰ７のガス噴流軌跡Ｓの測定位置における高さである。ＡＡＰ７からのガス噴流は、火炉壁から水平に投入しても、バーナ側から上昇してくる燃焼ガスに押されて、火炉３１の奥行き方向に到達するにつれ、上側に湾曲する。アフタエアの貫通力が強い噴流の場合には、湾曲度合いは弱く、噴流の到達高さＨは低くなる。
［００３５］
上記のように、アフタエアの火炉内での流動は、バーナ部からの燃焼ガス上昇流と、本上昇流と交差して供給されるアフタエアとの交差噴流としての特性を示す。交差噴流の挙動評価にはＰａｒｔｒｉｃ等が提案した半実験式に基づき下記のような数式が適用できる。
Ｈ＝Ｃｘ（Ｘ／Ｄ）ｘ（Ｖａ／Ｖｂ／Ｄ^２）^{−０．８５}）^{（１／０．３４）} …（１）
ここで、Ｘ：火炉奥行距離（ｍ）
Ｈ：火炉奥行Ｘにおけるアフタエア噴流中心の高さ（ｍ）
Ｃ：係数（−）
Ｄ：アフタエアポートの代表径（ｍ）
Ｖａ：アフタエア流速（ｍ／ｓ）
Ｖｂ：バーナからＡＡＰ領域への上昇流速（ｍ／ｓ）
［００３６］
図４は、バーナ空気比０．８を設計点とした場合に、バーナ空気比０．９０，０．８５，０．８０，０．７５に対して、一次アフタエアノズル断面積相対値に対するＡＡＰ噴流中心高さ相対値を計算した結果例である。
二段燃焼を行うボイラにおけるバーナ域の一般的な空気比（バーナ空気比＝バーナから供給される空気量／理論空気量）０．８を設計点にした場合、燃焼性能や火炉壁腐食抑制などの調整のために、バーナ空気比低側０．７５程度から高側０．８５〜０．９程度まで変化させることがある。
［００３７］
バーナ空気比０．８を設計点とした場合の、バーナ空気比０．９０，０．８５，０．８０，０．７５に対して、一次アフタエアノズル断面積相対値に

Claims (6)

1. 火炉内に二段燃焼用空気を噴出させるアフタエアポートであって、
   開口部内の中央部に直進流を噴出させる内側一次アフタエア供給用の内側一次アフタエアノズルと、該内側一次アフタエアノズルの外側に直進流を噴出させる外側一次アフタエア供給用の外側一次アフタエアノズルを設け、
   外側一次アフタエアノズルの左右外側に二次アフタエア供給用の二次アフタエアノズルを設け、
   該二次アフタエアノズルの出口部に二次アフタエアを水平方向左右に偏向して供給可能なように、アフタエアポート中心軸に対して傾斜角度を有する１つ以上の二次アフタエア案内羽根を設け、
   少なくとも前記内側一次アフタエアノズルにおける内側一次アフタエア供給量の調整部材または前記外側一次アフタエアノズルにおける外側一次アフタエア供給量の調整部材を設けたこと
   を特徴とするアフタエアポート。
2. 前記内側一次アフタエアノズルは、その開口形状が、該内側一次アフタエアノズルと前記外側一次アフタエアノズルとを区画する部材と、アフタエアポート開口部（スロート部）周壁とで囲まれた縦長のノズルであり、
   前記外側一次アフタエアノズルは、その開口形状が、前記内側一次アフタエアノズルと該外側一次アフタエアノズルとを区画する部材と、アフタエアポート開口部（スロート部）周壁と、該外側一次アフタエアノズルと前記二次アフタエアノズルとを区画する部材とで囲まれた縦長のノズル
   であることを特徴とする請求項１に記載のアフタエアポート。
3. 前記内側一次アフタエアノズルと前記外側一次アフタエアノズルの流体流れ方向に垂直な流路断面積を夫々Ｓｉ，Ｓｏとしたときの比率：Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）が
   ０．５≦Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）≦０．７
   であることを特徴とする請求項１または２に記載のアフタエアポート。
4. 理論空気量以下の空気量で燃料を燃焼させるバーナを火炉内に配置し、該バーナの設置位置より下流側の火炉に空気を供給する二段燃焼用のアフタエアポートを配置した燃焼装置において、
   アフタエアポート開口部内の中央部に直進流噴出用の内側一次アフタエア供給用の内側一次アフタエアノズルと該内側一次アフタエアノズルの外側に直進流噴出用の外側一次アフタエア供給用の外側一次アフタエアノズルを設け、
   外側一次アフタエアノズルの左右外側に二次アフタエア供給用の二次アフタエアノズルを設け、
   該二次アフタエアノズルの出口部に二次アフタエアを水平方向左右に偏向して供給可能なように、アフタエアポート中心軸に対して傾斜角度を有する１つ以上の二次アフタエア案内羽根を設け、
   少なくとも前記内側一次アフタエアノズルにおける内側一次アフタエア供給量の調整部材または前記外側一次アフタエアノズルにおける外側一次アフタエア供給量の調整部材を設けたこと
   を特徴とするアフタエアポートを備えた燃焼装置。
5. 前記内側一次アフタエアノズルは、その開口形状が、該内側一次アフタエアノズルと前記外側一次アフタエアノズルとを区画する部材と、アフタエアポート開口部（スロート部）周壁とで囲まれた縦長のノズルであり、
   前記外側一次アフタエアノズルは、その開口形状が、前記内側一次アフタエアノズルと該外側一次アフタエアノズルとを区画する部材と、アフタエアポート開口部（スロート部）周壁と、該外側一次アフタエアノズルと前記二次アフタエアノズルとを区画する部材とで囲まれた縦長のノズル
   であることを特徴とする請求項４に記載のアフタエアポートを備えた燃焼装置。
6. 前記内側一次アフタエアノズルと前記外側一次アフタエアノズルの流体流れ方向に垂直な流路断面積を夫々Ｓｉ，Ｓｏとしたときの比率：Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）が
   ０．５≦Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｏ）≦０．７
   であることを特徴とする請求項４または５に記載のアフタエアポートを備えた燃焼装置。

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