JPWO2020153404A1 - 固体燃料バーナ - Google Patents
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Abstract
Description
一般に微粉炭等を燃料とする固体燃料バーナでは、燃料搬送ガスと燃料粒子との混合流体に対して、燃料ノズル内でノズル内壁面に向かう速度成分を付与して燃料粒子がノズル内壁面沿いに濃縮するような燃料濃縮器(機構)を設けることが多い。
続いて、第二旋回器(7)で第一旋回器(6)とは逆向きの旋回を付与することで混合流体の旋回を弱める。
したがって、バーナの開口部、燃料ノズルの先端部に設置された保炎器(10)の周辺で固体燃料粒子が濃縮された状態が保たれ、バーナに供給される燃料濃度が低い低負荷時でも燃料粒子の着火性が高まり、火炎の安定性が向上する。
同時に、旋回が弱められた混合流体が開口部から噴出するので、混合流体が火炉内に過度に広がることなく、二次空気や三次空気等の燃焼用ガス(空気)との混合を緩やかにして窒素酸化物(NOx)生成の抑制が図られる。
結果的に、粒子の粗いバイオマス燃料は、微粉炭に比べて着火性が低くなっている。
よって、バーナで燃焼させる直前までは混合流体(燃料搬送気体)の流速を高く保つ必要がある。
このため、燃料ノズルの流路断面積を上流側、即ち粉砕装置から接続される燃料搬送系統(燃料搬送配管との接続部)側では小さく、下流側、即ち火炉開口部側では上流側よりも大きくして流速を低減することで、着火性を向上させることが考えられる。
ここで、特許文献3は、混合流体の燃料濃縮を図るための機構として、ベンチュリーと燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を付与する燃料濃縮器とを備え、燃料ノズルの火炉側開口部の内径が、ベンチュリーの上流端の内径よりも大きく形成された固体燃料バーナを開示している。このような構成であれば、搬送系統内では混合流体の流速を高く保持しながら、燃料粒子をバーナで燃焼させる直前に流速を低減できるので、着火性の向上が図られる。
一方、特許文献3に記載の固体燃料バーナの燃料ノズル上流側、ミルからバーナに至る燃料搬送配管との接続部には、曲管部が設けられている。混合流体は、燃料搬送配管から曲管部を経て燃料ノズルの直管部へと連通する流路を流れることになる。
発明者らのシミュレーションモデル等による解析の結果、このような構成では、曲管部を通過した高速の流体は上面に衝突後、反射されるように下方に流れやすく、特にベンチュリーでノズル中心軸側に燃料を濃縮した後、紡錘状の燃料濃縮器により、燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を付与すると、周方向の燃料粒子の偏りが生じ、燃料ノズル各部の長さの設定等によっては、燃料ノズルの上側の流体の流速が過度に遅くなりやすいことが判明した。そして、流速が過度に遅くなると、燃料の自重で燃料が径方向の中央部に向けて片寄りやすくなり、燃料ノズルの出口近傍では、上側の径方向外側において、燃料の濃度が低い領域が発生して、燃料の濃縮効果が下がる可能性があることがわかった。
請求項1に記載の発明の固体燃料バーナは、
固体燃料とその搬送気体の混合流体が流れ、火炉に向かって開口する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周側に配置され、燃焼用気体を噴出させる燃焼用ガスノズルと、
前記燃料ノズルの中心側に設けられ、前記燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を前記混合流体に付与する燃料濃縮器とを備えた固体燃料バーナであって、
前記燃料濃縮器は、前記混合流体に旋回を与える複数の羽根を有し、各々の羽根が燃料ノズルの内側に全面固定されることなく前記燃料ノズルの内面から離れて配置されるものであって、前記混合流体の流れ方向の上流側に配置される第1の旋回器と、前記第1の旋回器に対して前記混合流体の流れ方向の下流側に配置され、前記複数の羽根の旋回方向が前記第1の旋回器とは逆方向である第2の旋回器と、を有し、
前記第2の旋回器に対して前記混合流体の流れ方向の下流側に、前記燃料ノズルの流路を流路断面における内側と外側とに区画する流路区画部材が設けられていること
を特徴とする。
前記第1の旋回器および前記第2の旋回器の外径は、前記流路区画部材の上流端の内径以下である、
ことを特徴とする。
前記流路区画部材は、上流端の内径が下流端の内径よりも大きい形状であることを特徴とする。
前記第2の旋回器の外径が、前記流路区画部材の上流端の内径よりも小さく、下流端の内径よりも大きいことを特徴とする。
固体燃料とその搬送気体の混合流体が流れ、火炉に向かって開口する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周側に配置され、燃焼用気体を噴出させる燃焼用ガスノズルと、
前記燃料ノズルの前記中心側に設けられ、前記燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を前記混合流体に付与する燃料濃縮器とを備えた固体燃料バーナであって、
前記燃料濃縮器は、前記混合流体に旋回を与える複数の羽根を有し、各々の羽根が燃料ノズルの内側に全面固定されることなく前記燃料ノズルの内面から離れて配置されるものであって、前記混合流体の流れ方向の上流側に配置される第1の旋回器と、前記第1の旋回器に対して前記混合流体の流れ方向の下流側に配置され、前記複数の羽根の旋回方向が前記第1の旋回器とは逆方向である第2の旋回器と、を有し、
前記燃料ノズルの流路は、内径が、前記第1の旋回器の上流側では同一または単調増加の上流部と、前記上流部の下流側に連通して内径が徐々に拡大する拡管部と、前記拡管部の下流側に連通して内径が一定の下流部と、を有する、
ことを特徴とする。
前記第1の旋回器の少なくとも一部が前記燃料ノズル流路の上流部の範囲に位置し、
前記第2の旋回器の少なくとも一部が前記燃料ノズル流路の下流部の範囲に位置する
ことを特徴とする。
前記燃料ノズル流路の下流部の範囲に前記燃料ノズルの流路を、流路断面における内側と外側とに区画する流路区画部材
を備えたことを特徴とする。
前記流路区画部材は、上流端の内径が下流端の内径よりも大きい形状であって、
前記第2の旋回器の外径が、前記流路区画部材の上流端の内径よりも小さく、前記流路区画部材の下流端の内径よりも大きい
ことを特徴とする。
前記各旋回器の外径は、前記燃料ノズル流路の上流部の内径未満である
ことを特徴とする。
図1において、火力発電所等で使用される実施例1の燃焼システム(燃焼装置)1では、バイオマス燃料(固体燃料)がバンカ(燃料ホッパ)4に収容されている。バンカ4のバイオマス燃料は、ミル(粉砕機)5で粉砕される。粉砕された燃料は、ボイラ(火炉)6の固体燃料バーナ7に燃料配管8を通じて供給されて、燃焼される。なお、固体燃料バーナ7は、ボイラ6に複数設置されている。
空気予熱器10を通過した排ガスは、ガスガスヒータ(熱回収器)13を通過する際に熱が回収されて低温化する。
乾式集塵機14を通過した排ガスは、脱硫装置15に送られて脱硫される。
脱硫装置15を通過した排ガスは、湿式集塵機16で排ガス中の塵等が回収、除去される。
湿式集塵機16を通過した排ガスは、ガスガスヒータ(再加熱器)17で再加熱される。
ガスガスヒータ(再加熱器)17を通過した排ガスは、煙突18から大気に排気される。
なお、ミル5自体の構成は、従来公知の種々の構成を使用可能であり、例えば、特開2010−242999号公報等に記載されているので詳細な説明は省略する。
図3は図2の矢印III方向から見た図である。
図2、図3において、実施例1の固体燃料バーナ7は、搬送気体が流れる燃料ノズル21を有する。燃料ノズル21の下流端の開口は、ボイラ6の火炉22の壁面(火炉壁、水管壁)23に設けられている。燃料ノズル21は、搬送気体の流れ方向の上流端部に曲管部の一例としてのエルボ20が形成されている。エルボ20では、混合流体の流れ方向が略90°曲げられるように屈曲している。エルボ20の上流端には、燃料配管8が接続される。燃料ノズル21は中空の筒状に形成されており、燃料ノズル21の内部には、固体燃料(粉砕されたバイオマス燃料)と搬送気体とからなる混合流体が流れる流路24が形成されている。
図2、図3において、燃料ノズル21の流路断面の中心部には、点火バーナ(オイルガン)32が貫通して配置されている。点火バーナ32は、燃料ノズル21の衝突板フランジ20aに支持された衝突板32aに貫通した状態で支持されている。
直管部21aの下流側には、下流側に行くにつれて内径(すなわち断面積)が拡大する拡大部21bが接続されている。拡大部21bの下流側には、下流端に向けて断面積が同一な直管状の下流部21cが接続されている。
実施例1では、拡大部21bの内壁が、直管部21aの延長線に対してなす角θ1は、10°〜15°に設定されている。θ1が10°未満の場合、燃料ノズル21の軸方向の長さが長くなり、θ1が15°を超える場合、混合流の流れに剥離が発生して、流れに澱みが発生して澱んだ部分に燃料が溜まりやすくなる問題があるため、θ1は10°〜15°が好ましい。
ノズル全体を通じて、バイオマス燃料のような粒子の粗い燃料を使用しても旋回を過度に強める必要が無く、圧力損失や燃料粒子の旋回器(34a,34b)への付着をできるように構成されていれば良い。
第1の旋回器34aは、点火バーナ32を軸とする螺旋状に形成された複数枚の第1の旋回羽根34cを有する。また、第2の旋回器34bは、第1の旋回羽根34cとは逆方向(逆巻きの螺旋状)に傾斜する第2の旋回羽根34dを有する。各旋回羽根34c,34dは、燃料ノズル21の内面に固定されておらず、旋回羽根34c,34dの外周端は燃料ノズル21の内面から離間して設置されている。
第1の旋回器34aは、その羽根34cが長手方向(の少なくとも一部)において上流部(直管部21a)にかかっていることが望ましい。これにより、上流部21aを流れてきた混合流体に対して効率よく径方向外向き(ノズル内壁向き)の速度成分を与えることができる。
また、第2の旋回器34bについては、その羽根34dが長手方向(の少なくとも一部)において下流部21c(下流側の直管部)にかかっていることが望ましい。即ち、その羽根の長手方向(燃料ノズル21の軸方向)下流側端部が燃料ノズル21の下流部21c(下流側の直管部)側に位置するように設けられることが望ましい。これにより、第2の旋回器34bとして圧力損失を抑制しつつ、旋回の打ち消し効果が十分なものを第1の旋回器34aとの適切な間隔を空けて配置できる。
第2の旋回羽根34dの外径DW2は、第1の旋回羽根34cの外径DW1以上の大きさに形成されている(すなわち、DW2≧DW1)。また、実施例1では、外径DW2<内径D1に形成されている。さらに、第2の旋回羽根34dの外径DW2は、下流部21cの内径D2に対して、一例として65%に設定されており、55%〜80%に設定することが好ましい。55%未満では、逆旋回で旋回を打ち消す効果が低くなる。また、80%を超えると、メンテナンス時に点火バーナ32を燃料ノズル21から引き抜くことが困難になる。したがって、点火バーナ32を引き抜かない構成の場合は、外径DW2が内径D2の80%を超えたり、外径DW2≧内径D1としたりすることも可能である。
(1)L2=L4
(2)L5−L4=0.7×D2
(3)L5−L1=0.1×D2
(2)については、0.7×D2〜1.3×D2が好ましいことが燃焼試験で確認された。0.7未満になると、第1の旋回器34aの旋回で燃料が外径側に十分に到達する前に、第2の旋回器34bで旋回が打ち消されることとなり、燃料の濃縮効果が低減する。1.3を超えると、旋回の打ち消しが遅くなって、燃料ノズル21の下流端で旋回が強く残り、NOxが増える問題があった。
第1の旋回器34aは、その羽根34cが長手方向(の少なくとも一部)において上流部(直管部21a)にかかっており、上流部21aを流れてきた混合流体に対して効率よく径方向外向き(ノズル内壁向き)の速度成分を与えることができる。
図2、図3において、燃料濃縮器34の下流側には、流路区画部材36が配置されている。流路区画部材36は、支持部材37により燃料ノズル21の内面に支持されている。実施例1の流路区画部材36は、上流端S1から下流端S2に向かうに連れて内径が縮小する部分円錐状(コニカル形状)に形成されている。したがって、流路区画部材36は、流路24を外側流路24aと内側流路24bとに区画する。
図3、図4において、支持部材37は、径方向に沿って延びる板状に形成されている。支持部材37は、周方向に対して間隔をあけて複数配置されている。図3において、実施例1では、支持部材37は、保炎器31の内周側突起31aどうしの間に対応する位置に配置されている。
したがって、流路区画部材36を有しない特許文献1に記載の構成に比べて、着火性の悪いバイオマス燃料を粉砕した固体燃料粒子を使用する場合でも、燃料の濃縮効果を確保することができる。
なお、流路区画部材36が軸方向に対して傾斜する傾斜角θ2を、10°〜15°とすることが好ましい。なお、θ2を10°〜15°にすることが好ましい理由は、θ1の場合と同様である。
なお、1.0×D2を超えると、流路区画部材36の下流端S2が、各位置fsおよび火炉壁面開口部から離れすぎる。よって、流路区画部材36での流速低減後の区間が長くなる。流速低減後の区間が長くなると、燃料粒子が燃料ノズル21の壁面に付着堆積する可能性が高くなったり、燃料ノズル21が長大化して固体燃料バーナ7が大型化するといった問題がある。
したがって、燃料濃縮後は断面積が減少せず、流速が増大と減少を繰り返さないため、燃料の堆積、滞留が低減され、濃縮されたまま減速されて火炉6に向けて供給される。すなわち、燃料ノズル21の配管内では、粒径の大きな燃料粒子の滞留を招かぬように高流速で搬送しつつ、火炉6開口部側では上流側よりも流路断面積が大きく流速が低減されることで、着火性と火炎の安定性が向上する。
ノズル軸方向で見た支持部材の断面形状は、流れを妨げないものであれば特に限定されず、流線形の翼状(図4(C)参照)、ひし形(図4(D))等でも良い。翼状、ひし形状の場合、流れ方向に沿って、流路が一旦縮小するため、燃料粒子の濃縮がさらに増強され、着火・保炎性が向上する効果がある。
また、実施例1の支持部材37は、保炎器31の内周側突起31aと重ならない位置に配置されており、重なる場合に比べて、混合気体の流れの抵抗が低減されている。
一方、ノズル軸方向で見た支持部材37の断面形状が流線形の翼状、ひし形等流れ方向に沿って、流路が一旦縮小する例(図4(C),(D)に示される例)では、流路が一旦縮小して燃料粒子の濃縮した(即ち分布が生じた)領域の下流に保炎器の突起が位置するため、着火・保炎性が向上する効果がある。
図5は比較例の説明図である。
次に、実施例1の効果を確認する実験(コンピュータシミュレーション)を行った。実験例1では、実施例1の構成において、第1の旋回羽根34cの外径DW1と第2の旋回羽根34dの外径DW2を同一とした。また、実験例2では、第2の旋回羽根34dの外径DW2が、第1の旋回羽根34cの外径DW1よりも大きい場合とした。また、比較例1では、図5の構成において実験を行った。すなわち、図5の構成では、実施例1の拡大部21bや下流部21cを有しない。また、図5の構成では、燃料濃縮器として、旋回羽根ではなく、燃料ノズルの断面積が減少して燃料を径方向の内側に濃縮した後、点火バーナに支持された下流側に行くほど径が大きくなる部材で燃料を径方向外側に移動させることで、径方向の外側に燃料を濃縮するベンチュリ01を有する。
シミュレーションでは、燃料ノズル21の下流端において、径方向の燃料の分布(割合)を測定した。結果を図6に示す。
図6において、比較例1では、径方向の外側の領域1の燃料の割合が少なく、径方向の中間の領域2の燃料の割合が多い結果となった。すなわち、外周側に燃料が濃縮されておらず、燃料の濃縮効果が不十分であった。
一方、実験例1では、外周側の領域1の燃料の割合が、領域1〜領域3の全ての領域の中で最も多く、外周側に燃料が濃縮されていた。また、実験例2では、実験例1よりもさらに領域1の燃料の割合が多い結果が得られた。
図7(A)に示す形態では、固体燃料バーナ7のうち、最上段の固体燃料バーナ7には、バイオマス燃料が供給される。一方、中段と下段の固体燃料バーナ7′には、固体燃料の一例としての石炭が供給される。石炭は、バンカ4′に収容されたものがミル5′で粉砕されて微粉炭となり、中段と下段の固体燃料バーナ7′に供給される。なお、各段において、固体燃料バーナ7は、燃焼装置1の炉幅方向に沿って複数設置されている。
固体燃料バーナ7′の形態は、必ずしも上述した本発明の固体燃料バーナでなくても良い。
これらに対して、図7(A)に示す形態では、最上段の固体燃料バーナ7のみでバイオマス燃料が使用される。したがって、最上段の固体燃料バーナ7で未着火のバイオマス燃料が発生しても、炉底に落下するまでの間に、中段と下段の固体燃料バーナ7′で着火されて燃え尽きやすい。特に、ボイラ6において、固体燃料バーナ7,7′が設置されている領域では、上方ほど高温になりやすい。したがって、最上段の固体燃料バーナ7でバイオマス燃料を使用すれば、下段の固体燃料バーナでバイオマス燃料を使用する場合に比べて、未着火のバイオマス燃料が発生しにくい。よって、図7(A)に示す形態では、未着火のバイオマス燃料が炉底に落下しにくく、燃料の無駄等を抑制できる。
さらに、図7(B)、図7(C)に示すように、固体燃料バーナ7,7′の段数が缶前後で異なる構成(あるいは、同数段備えているが、1つ休止させている構成)においても、缶前側または缶後側の最上段の1つの固体燃料バーナ7のみでバイオマス燃料を使用するように変更することも可能である。
このとき、バイオマス燃料を使用する固体燃料バーナ7は、最上段とすることが望ましいが、これに限定されない。最上段と中段の2段以上とすることも可能である。
また、例えば、図7(D)、図7(E)のように最上段において、一方の固体燃料バーナ7ではバイオマス燃料を使用し、他方の固体燃料バーナ7′では微粉炭を使用する構成とすることも可能である。すなわち、バイオマス燃料を使用する固体燃料バーナ7と、微粉炭を使用する固体燃料バーナ7′とを対向させる構成とすることも可能である。
例えば、支持部材37の形状は、板状に限定されず、楔状やひし形状、台形状等任意の形状に変更可能である。
また、2次燃焼用ガスノズル26と3次燃焼用ガスノズル27を有する2段の燃焼用ガスノズル26,27の構成を例示したが、これに限定されず、燃焼用ガスノズルは1段または3段以上とすることも可能である。
21…燃料ノズル、
22…火炉、
24…混合流体の流路、
24a…外側流路、
26,27…燃焼用ガスノズル、
34…燃料濃縮器、
34c,34d…羽根
36…流路区画部材。
Claims (9)
- 固体燃料とその搬送気体の混合流体が流れ、火炉に向かって開口する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周側に配置され、燃焼用気体を噴出させる燃焼用ガスノズルと、
前記燃料ノズルの中心側に設けられ、前記燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を前記混合流体に付与する燃料濃縮器とを備えた固体燃料バーナであって、
前記燃料濃縮器は、前記混合流体に旋回を与える複数の羽根を有し、各々の羽根が燃料ノズルの内側に全面固定されることなく前記燃料ノズルの内面から離れて配置されるものであって、前記混合流体の流れ方向の上流側に配置される第1の旋回器と、前記第1の旋回器に対して前記混合流体の流れ方向の下流側に配置され、前記複数の羽根の旋回方向が前記第1の旋回器とは逆方向である第2の旋回器と、を有し、
前記第2の旋回器に対して前記混合流体の流れ方向の下流側に、前記燃料ノズルの流路を流路断面における内側と外側とに区画する流路区画部材が設けられていること
を特徴とする固体燃料バーナ。 - 前記第1の旋回器および前記第2の旋回器の外径は、前記流路区画部材の上流端の内径以下である、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体燃料バーナ。 - 前記流路区画部材は、上流端の内径が下流端の内径よりも大きい形状であることを特徴とする請求項1に記載の固体燃料バーナ。
- 前記第2の旋回器の外径が、前記流路区画部材の上流端の内径よりも小さく、下流端の内径よりも大きいことを特徴とする請求項3に記載の固体燃料バーナ。
- 固体燃料とその搬送気体の混合流体が流れ、火炉に向かって開口する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周側に配置され、燃焼用気体を噴出させる燃焼用ガスノズルと、
前記燃料ノズルの前記中心側に設けられ、前記燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を前記混合流体に付与する燃料濃縮器とを備えた固体燃料バーナであって、
前記燃料濃縮器は、前記混合流体に旋回を与える複数の羽根を有し、各々の羽根が燃料ノズルの内側に全面固定されることなく前記燃料ノズルの内面から離れて配置されるものであって、前記混合流体の流れ方向の上流側に配置される第1の旋回器と、前記第1の旋回器に対して前記混合流体の流れ方向の下流側に配置され、前記複数の羽根の旋回方向が前記第1の旋回器とは逆方向である第2の旋回器と、を有し、
前記燃料ノズルの流路は、内径が、前記第1の旋回器の上流側では同一または単調増加の上流部と、前記上流部の下流側に連通して内径が徐々に拡大する拡管部と、前記拡管部の下流側に連通して内径が一定の下流部と、を有する、
ことを特徴とする固体燃料バーナ。 - 前記第1の旋回器の少なくとも一部が前記燃料ノズル流路の上流部の範囲に位置し、
前記第2の旋回器の少なくとも一部が前記燃料ノズル流路の下流部の範囲に位置する
ことを特徴とする請求項5に記載の固体燃料バーナ。 - 前記燃料ノズル流路の下流部の範囲に前記燃料ノズルの流路を、流路断面における内側と外側とに区画する流路区画部材
を備えたことを特徴とする請求項6に記載の固体燃料バーナ。 - 前記流路区画部材は、上流端の内径が下流端の内径よりも大きい形状であって、
前記第2の旋回器の外径が、前記流路区画部材の上流端の内径よりも小さく、前記流路区画部材の下流端の内径よりも大きい
ことを特徴とする請求項7に記載の固体燃料バーナ。 - 前記各旋回器の外径は、前記燃料ノズル流路の上流部の内径未満である
ことを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の固体燃料バーナ。
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