TWI519739B - 燃燒器及具備該燃燒器之鍋爐 - Google Patents

燃燒器及具備該燃燒器之鍋爐 Download PDF

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一之瀬利光
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Description

燃燒器及具備該燃燒器之鍋爐
本發明係關於燃燒器及具備該燃燒器之鍋爐,更詳細而言,係關於可降低NOx產生量之燃燒器及具備該燃燒器之鍋爐。
先前之燃燒器,一般係採用在外部穩定燃燒火焰之構成。根據該構成,由於在燃燒火焰之外周部形成高溫高氧區域,因此有NOx產生量增加之問題。作為採用該構成之先前之燃燒器,已知有專利文獻1所記載之技術。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本發明專利第2781740號公報
本發明之目的係提供一種可降低NOx產生量之燃燒器及具備該燃燒器之鍋爐。
為達成上述目的,本發明之燃燒器之特徵在於具備:噴射混合有固體燃料與一次空氣之燃料氣體之燃料噴嘴;從前述燃料噴嘴之外周噴射二次空氣之二次空氣噴嘴;及配置於前述燃料噴嘴之開口部之火焰穩定器;前述火焰穩定器具有於前述燃料氣體之流動方向寬度擴增之分裂形狀,且包含前述燃料噴嘴之中心軸之剖面中於前述火焰穩定器之寬度擴增方向之剖面觀察,前述燃料噴嘴之中心軸至前述火焰穩定器之寬度擴增端之最大距離h與前述燃料噴嘴之開口部之內徑r具有h/(r/2)<0.6之關係。
根據本發明之燃燒器,由於可實現燃燒火焰之內部火焰穩定(燃料噴嘴之開口部之中央區域之火焰穩定),因此與進行燃燒火焰之外部火焰穩定(燃料噴嘴外周之火焰穩定,或燃料噴嘴之開口部之內壁面附近區域之火焰穩定)之構成相比,可使燃燒火焰之外周部成低溫狀態。因此,可利用二次空氣降低處於高氧氛圍下之燃燒火焰外周部之溫度。藉此,有可降低燃燒火焰外周部之NOx產生量之優點。
以下,玆參照圖式詳細說明本發明。另,本發明不限於本實施形態。且,本實施形態之構成要素包含在維持發明之同一性下可置換且置換自明者。又,本實施形態所記載之複數之變形例可在相關領域技術人員自明之範圍內進行任意組合。
[粉煤鍋爐]
圖22係顯示一般之粉煤鍋爐之構成圖。粉煤鍋爐100係燃燒粉煤而獲得熱能之鍋爐,例如係用於發電用途、工業用途等。
粉煤鍋爐100具備火爐110、燃燒裝置120、及蒸汽產生裝置130(參照圖22)。火爐110係用以燃燒粉煤之爐,具有燃燒室111、及與該燃燒室111之上方連接之煙道112。燃燒裝置120係使粉煤燃燒之裝置,其具有:燃燒器121、向燃燒器121供給粉煤之粉煤供給系統122、及向燃燒器121供給二次空氣之空氣供給系統123。該燃燒裝置120係將燃燒器121連接於火爐110之燃燒室111而配置。又,該燃燒裝置120中,空氣供給系統123將用以結束粉煤之氧化燃燒之附加空氣供給於燃燒室111。蒸汽產生裝置130係藉由與燃料氣體之熱交換加熱鍋爐給水而產生蒸汽之裝置,其具有節炭器131、再熱器132、過熱器133及蒸汽鼓筒(省略圖示)。該蒸汽產生裝置130係將節炭器131、再熱器132及過熱器133階梯狀配置於火爐110之煙道112上而構成。
該粉煤鍋爐100,首先,在燃燒裝置120中,由粉煤供給系統122將粉煤及一次空氣供給於燃燒器121,且,由空氣供給系統123將燃燒用二次空氣供給於燃燒器121(參照圖22)。接著,由燃燒器121將粉煤、一次空氣及二次空氣之燃料氣體點燃,將該燃料氣體噴射於燃燒室111。如此,該燃料氣體於燃燒室111中燃燒,產生燃料氣體。其後,該燃料氣體係從燃燒室111內通過煙道112排出。此時,蒸汽產生裝置130係將燃料氣體與鍋爐給水熱交換而產生蒸汽。然後,將該蒸汽向外部之設備(例如蒸汽渦輪機)供給。
再者,該粉煤鍋爐100中,係將一次空氣之供給量與二次空氣之供給量之和設定為相對粉煤之供給量小於理論空氣量,並將燃燒室111保持於還原氛圍中。然後,由粉煤之燃燒所產生之NOx係於燃燒室111中被還原,其後,追加供給附加空氣(AA)而結束粉煤之氧化燃燒(附加空氣方式)。藉此,降低因粉煤燃燒所導致之NOx產生量。
[燃燒器]
圖1係顯示本發明之實施形態之燃燒器之構成圖。該圖係顯示燃燒器之中心軸之高度方向之剖面圖。圖2係顯示圖1所記載之燃燒器之開口部之正視圖。
該燃燒器1係用以使固體燃料燃燒之固體燃料燃燒器,例如係作為圖22所記載之粉煤燃燒鍋爐100之燃燒器121而使用。此處,作為一例,針對使用粉煤作為固體燃料,而將燃燒器1應用於粉煤燃燒鍋爐100之情形進行說明。
該燃燒器1具備燃料噴嘴2、主二次空氣噴嘴3、二次空氣噴嘴4、及火焰穩定器5(參照圖1及圖2)。燃料噴嘴2係噴射混合有粉煤(固體燃料)與一次空氣之燃料氣體(含固體燃料之一次空氣)之噴嘴。主二次空氣噴嘴3係對從燃料噴嘴2噴射之燃料氣體之外周噴射主二次空氣(煤二次空氣)之噴嘴。二次空氣噴嘴4係對從主二次空氣噴嘴3噴射之主二次空氣之外周噴射二次空氣之噴嘴。火焰穩定器5係燃料氣體之點火用及火焰穩定用之機器,其係配置於燃料噴嘴2之開口部21。
例如,本實施形態中,燃料噴嘴2及主二次空氣噴嘴3具有長型的管狀結構,且具有矩形狀之開口部21、31(參照圖1及圖2)。又,構成有以燃料噴嘴2為中心而於外側配置有主二次空氣噴嘴3之二重管。另,二次空氣噴嘴4具有二重管結構,且具有環狀之開口部41。並且,於該二次空氣噴嘴4之內環,插入配置有燃料噴嘴2及主二次空氣噴嘴3。藉此,使燃料噴嘴2之開口部21配置於中心,在其外側配置有主二次空氣噴嘴3之開口部31,在該開口部31外側配置有二次空氣噴嘴4之開口部41。又,該等噴嘴2~4之開口部21~41係在同一面上對齊配置。又,火焰穩定器5係從燃料氣體之上游側以板材(省略圖示)予以支持,且配置於燃料噴嘴2之開口部21。另,火焰穩定器5之下游側端部(寬度擴增端部)與噴嘴2~4之開口部21~41係於同一面上對齊。
該燃燒器1中,從燃料噴嘴2之開口部21噴射混合有粉煤與一次空氣之燃料氣體(參照圖1)。此時,燃料氣體係在燃料噴嘴2之開口部21藉由火焰穩定器5而被分歧並點燃,燃燒成燃料氣體。且,從主二次空氣噴嘴3之開口部31對該燃料氣體之外周噴射主二次空氣,促進燃料氣體之燃燒。又,從二次空氣噴嘴4之開口部41向燃燒火焰之外周供給二次空氣,使燃燒火焰之外周部冷卻。
[火焰穩定器之配置]
此處,根據該燃燒器1,為降低因粉煤燃燒所導致之NOx產生量,而將相對燃料噴嘴2之開口部21之火焰穩定器5之配置適當化。以下,針對該點進行說明。
首先,含燃料噴嘴2之中心軸之剖面中於火焰穩定器5之寬度擴增方向之剖面觀察,火焰穩定器5具有向燃料氣體(粉煤與一次空氣之混合氣體)之流動方向寬度擴增之分裂形狀(參照圖1及圖3)。另,燃料噴嘴2之中心軸至火焰穩定器5之寬度擴增端(分裂形狀之下游側端部)之最大距離h與燃料噴嘴2之開口部21之內徑r具有h/(r/2)<0.6之關係。
例如,本實施形態中,燃料噴嘴2具有矩形狀之開口部21,係以其高度方向朝向鉛直方向,且其寬度方向朝向水平方向配置(參照圖1及圖2)。並且,於該燃料噴嘴2之開口部21配置有火焰穩定器5。又,火焰穩定器5具有向燃料氣體之流動方向寬度擴增之分裂形狀,且在與該寬度擴增方向正交之方向具有長型形狀。並且,火焰穩定器5係令其長度方向朝向燃料噴嘴2之寬度方向而配置,且將燃料噴嘴2之開口部21於寬度方向大致橫斷。另,火焰穩定器5係配置於燃料噴嘴2之開口部21之中心線上,且將燃料噴嘴2之開口部21於高度方向二等分。
又,火焰穩定器5具有大致等邊三角形剖面且長型之大致稜柱形狀(參照圖1及圖3)。且,於燃料噴嘴2之軸向剖面觀察,係配置於燃料噴嘴2之中心軸上。此時,火焰穩定器5係其頂部朝向燃料氣體之上游側,且其底部與燃料噴嘴2之開口部21對齊配置。藉此,火焰穩定器5具有向燃料氣體之流動方向寬度擴增之分裂形狀。另,火焰穩定器5之分裂角(等邊三角形之頂角)θ及分裂寬度(等邊三角形之底邊長度)L係設定為特定大小。
另,具有該分裂形狀之火焰穩定器5係配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域(參照圖1及圖2)。此處,所謂開口部21之「中央區域」,是指當火焰穩定器5具有向燃料氣體之流動方向寬度擴增之分裂形狀時,含燃料噴嘴2之中心軸之剖面中於火焰穩定器5之寬度擴增方向之剖面觀察,燃料噴嘴2之中心軸至火焰穩定器5之擴大端(分裂形狀之下游側端部)之最大距離h、與燃料噴嘴2之開口部21之內徑r具有h/(r/2)<0.6之關係的區域。再者,本實施形態,由於火焰穩定器5係配置於燃料噴嘴2之中心軸上,因此燃料噴嘴2之中心軸至火焰穩定器5之寬度擴增端之最大距離h成為火焰穩定器5之分裂半寬L/2。
該燃燒器1中,由於火焰穩定器5具有分裂形狀,因此燃料氣體在燃料噴嘴2之開口部21係被火焰穩定器5分歧(參照圖1)。此時,火焰穩定器5係配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域,在該中央區域進行燃料氣體之點火及火焰穩定。藉此實現燃燒火焰之內部火焰穩定(燃料噴嘴2之開口部21之中央區域之火焰穩定)。
根據該構成,與進行燃燒火焰之外部穩定(燃料噴嘴之外周之火焰穩定,或燃料噴嘴之開口部之內壁面附近區域之火焰穩定)之構成相比(省略圖示),可使燃燒火焰之外周部Y成低溫(參照圖4)。因此,可利用二次空氣降低處於高氧氛圍下之燃燒火焰之外周部Y的溫度。藉此,可降低燃燒火焰之外周部Y之NOx產生量。
圖5係顯示圖1所記載之燃燒器之性能試驗之結果之標繪圖。該圖係顯示燃料噴嘴2之開口部21之火焰穩定器5之位置h/(r/2)與NOx產生量之關係的試驗結果。
該性能試驗係在圖1所記載之燃燒器1改變火焰穩定器5之距離h時測定NOx產生量。此時,燃料噴嘴2之內徑r、火焰穩定器5之分裂角θ及分裂寬度L等被設為一定。再者,NOx產生量係以將在外部進行燃燒火焰之穩定之構成(將火焰穩定器配置於燃料噴嘴之外周之構成。參照專利文獻1。)作為基準(h/(r/2)=1)時之相對值顯示。
如試驗結果所示可知,隨著火焰穩定器5之位置靠近燃料噴嘴2之開口部21之中心,NOx產生量會減少(參照圖5)。具體而言,藉由令火焰穩定器5之位置為h/(r/2)<0.6,可將NOx產生量減少10%以上,從而確認其優異性。
另,燃燒器1中,火焰穩定器5之長度方向之端部與燃料噴嘴2之開口部21之內壁面以抵接較佳。但,一般之設計中,在火焰穩定器5之端部與燃料噴嘴2之內壁面之間,會考慮構件之熱伸展而形成數mm左右之微小間隙d(參照圖2)。如此,令火焰穩定器5之端部與燃料噴嘴2之內壁面靠近而配置之構成中,火焰穩定器5之端部會接受來自燃燒火焰之輻射。藉此,可獲得自火焰穩定器5之端部向內部之火焰傳播,故令人滿意。
[火焰穩定器之分裂角及分裂寬度]
又,該燃燒器1中,為抑制固體燃料之燃燒所致之NOx產生量,較好的是將火焰穩定器5之分裂形狀適當化。以下,針對該點進行說明。
如上述,該燃燒器1中,火焰穩定器5具有用以分歧燃料氣體之分裂形狀(參照圖3)。此時,較好的是,火焰穩定器5具有三角形剖面之分裂形狀,且令其頂部朝向燃料氣體之流動方向上游側而配置(參照圖6(a))。該三角形剖面之火焰穩定器5中,被分歧之燃料氣體係沿著火焰穩定器5之側面流動,因差壓而被捲入底邊側。因此,燃料氣體不易向火焰穩定器5之徑向外側擴散,因此可適當確保(或補強)燃燒火焰之內部火焰穩定。藉此,燃燒火焰之外周部Y(參照圖4)成為低溫,因此可減少與二次空氣混合所致之NOx產生量。
且,火焰穩定器具有板狀形狀之分裂形狀之構成(參照圖6(b))中,被分歧之燃料氣體係從火焰穩定器朝向燃料噴嘴之內壁面流動。既有之燃燒器中,一般為如此之以火焰穩定器分歧燃料氣體而沿著燃料噴嘴之內壁面對其引導之構成。根據該構成,相較燃料噴嘴之中央區域,內壁面附近區域更富有燃料氣體,燃燒火焰之外周部Y之溫度比內部X高(參照圖4)。如此,會有該燃燒火焰之外周部Y因與二次空氣之混合所致之NOx產生量增加之虞。
又,上述構成中,具有三角形剖面之火焰穩定器5之分裂角θ以θ<90[deg]較佳(參照圖3)。再者,火焰穩定器5之分裂角θ以θ<60[deg]更佳。藉此,可抑制被分歧之燃料氣體向無燃料噴嘴之壁面側擴散之事態,因此可更適當地確保燃燒火焰之內部火焰穩定。
例如,本實施形態中,火焰穩定器5具有剖面為等邊三角形之分裂形狀,其分裂角θ係設為θ<90[deg](參照圖3)。又,火焰穩定器5係相對燃料氣體之流動方向而左右對稱地配置,藉此,將側面之傾斜角(θ/2)設為小於30[deg]。
再者,根據上述構成,較好的是,具有三角形剖面之火焰穩定器5之分裂寬度L與燃料噴嘴2之開口部21之內徑r具有0.6≦L/r之關係,更好的是具有0.10≦L/r之關係。藉此,將火焰穩定器5之分裂寬度L與燃料噴嘴2之內徑r之比L/r適當化,從而減少NOx產生量。
圖7係顯示燃燒器之性能試驗之結果之標繪圖。該圖係顯示火焰穩定器5之分裂寬度L及燃料噴嘴2之開口部21之內徑r之比L/r與NOx產生量之關係的試驗結果。
該性能試驗係在圖1所記載之燃燒器1中,測定使火焰穩定器5之分裂寬度L變化時之NOx產生量。此時,係將燃料噴嘴2之內徑r、火焰穩定器5之距離h或分裂角θ等設為一定。再者,NOx產生量係以使燃燒火焰之分裂寬度L為L=0時為基準之相對值顯示。
如試驗結果所示可知,火焰穩定器5之分裂寬幅L越大,NOx產生量越減少。具體而言,可知藉由令0.06≦L/r,可使NOx產生量減少20%,藉由令0.10≦L/r,可使NOx產生量減少30%以上。惟當0.13<L/r時,有NOx產生量之減少達到最低限之傾向。
且,分裂寬度L之上限受與燃料噴嘴2之開口部21之火焰穩定器5之位置h/(r/2)的關係的限制。即,若分裂寬度L變得過大,則火焰穩定器之位置將靠近燃料噴嘴2之內壁面而會降低燃燒火焰之內部保持所致之效果,故不令人滿意(參照圖5)。因此,較好的是,根據與燃料噴嘴2之開口部21之內徑r之關係(比L/r)及與火焰穩定器5之位置h/(r/2)之關係,將火焰穩定器5之分裂寬度L適當化。
另,本實施形態中,火焰穩定器5具有三角形剖面形狀,但不限於此,火焰穩定器5亦可具有V字剖面形狀(省略圖示)。該構成亦可獲得相同效果。
惟,火焰穩定器5為三角形剖面形狀比V字剖面形狀更佳。例如,為V字剖面形狀之情形下,(1)燃燒油時有因輻射熱而使火焰穩定器變形之虞。且會有火焰穩定器之內部滯留附著灰並成長之虞。因此,令火焰穩定器5為三角形剖面形狀,且使火爐側為陶瓷製,藉此可緩和灰之附著。
[燃料噴嘴之整流結構]
圖8係顯示圖1所記載之燃燒器之整流結構之說明圖。圖9係顯示圖8所記載之整流結構之整流環之說明圖。
先前之燃燒器,在外部穩定燃燒火焰之構成中,燃料氣體或二次空氣係以旋轉氣流或急劇改變角度之氣流而供給。藉此,於燃料噴嘴之外周形成再循環區域,可有效進行外部點火及外部火焰穩定(省略圖示)。
與此相對,該燃燒器1如上述係採用在內部穩定燃燒火焰之構成,因此較好的是將燃料氣體及二次空氣(主二次空氣及二次空氣)以直進流而供給(參照圖1)。即,較好的是,燃料噴嘴2、主二次空氣噴嘴3及二次空氣噴嘴4具有不使燃料氣體或二次空氣旋轉而是將其以直進流供給之結構。
例如,燃料噴嘴2、主二次空氣噴嘴3及二次空氣噴嘴4係以在內部之氣體通路沒有阻礙燃料氣體或二次空氣之直進流之障礙物的構成較佳(參照圖1)。該障礙物例如包含用以形成旋轉流之旋轉葉片,或將氣流引導至內壁面附近區域之構造物等。
根據該構成,燃料氣體及二次空氣係以直進流噴射而形成燃燒火焰,因此在內部穩定燃燒火焰之構成中,可抑制燃燒火焰內之氣體循環。藉此,燃燒火焰之外周部Y(參照圖4)可被維持在低溫狀態,因此可減少與二次空氣混合所致之NOx產生量。
再者,該燃燒器1中,燃料噴嘴2以具有整流機構6較佳(參照圖8及圖9)。該整流機構6係將供給於燃料噴嘴2之燃料氣體之流動整流的機構,例如具有使通過燃料噴嘴2內之燃料氣體產生壓力損失,而抑制燃料氣體之流量偏差之功能。該構成中,利用整流機構6而於燃料噴嘴2內形成燃料氣體之直進流。並且,藉由將火焰穩定器5配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域,進行燃燒火焰之內部火焰穩定(參照圖1)。藉此,可適當確保內部火焰穩定,因而可降低燃燒火焰之外周部Y(參照圖4)之NOx產生量。
例如本實施形態中,燃料噴嘴2在燃料氣體之上游側(燃燒器1之根部)具有圓管結構,且其逐漸使剖面形狀變化,於開口部21成矩形之剖面形狀(參照圖2、圖8及圖9)。又,含環狀之孔之整流機構6係配置於燃料噴嘴2內之上游部。且,燃料噴嘴2從該整流機構6之位置以至開口部21具有直線之燃料氣體之流路(筆直形狀)。另,燃料噴嘴2之內部,在整流機構6至開口部21(火焰穩定器5)之範圍內未設有阻礙直進流般之障礙物。藉此,形成以整流機構6令燃料氣體整流,將燃料氣體之直進流保持原狀地供給於燃料噴嘴2之開口部21之結構(燃料氣體之整流結構)。
再者,整流機構6與燃料噴嘴2之開口部21之距離,相對燃燒器1之高度H以2H以上較佳,為10H更佳。藉此,降低整流機構6之設置所致之對燃料氣體流動的不良影響,從而形成適當之直進流。
[火焰穩定器之形狀之變形例1]
本實施形態中,以正面觀察燃料噴嘴2,該燃料噴嘴2具有矩形狀之開口部21,且火焰穩定器5係大致橫斷燃料噴嘴2之開口部21之中央區域而配置(參照圖2)。另,長型火焰穩定器5係單獨配置。
但不限於此,該燃燒器1中,一對火焰穩定器5、5亦可對齊配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域(參照圖10)。該構成中,有一對火焰穩定器5、5所夾之區域形成於燃料噴嘴2之開口部21(參照圖11)。如此,在該所夾區域會產生空氣不足。因此,會在燃料噴嘴2之開口部21之中央區域形成因空氣不足所致之還原氛圍。藉此,可降低燃燒火焰之內部X(參照圖4)之NOx產生量。
例如本實施形態中,長型之一對火焰穩定器5、5係令其長度方向朝向燃料噴嘴2之開口部21之寬度方向而並列配置(參照圖10)。且,藉由令該等火焰穩定器5、5將燃料噴嘴2之開口部21向寬度方向大致橫斷,而將燃料噴嘴2之開口部21於高度方向區劃成3個區域。此時,在含燃料噴嘴2之中心軸之剖面中於火焰穩定器5之寬度擴增方向之剖面觀察,該等火焰穩定器5、5分別具有三角形剖面之分裂形狀,且係令其寬度擴增方向分別朝向燃料氣體之流動方向而配置(參照圖11)。另,一對火焰穩定器5、5雙方係以位於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域之方式構成。具體而言,係以燃料噴嘴2之中心軸至一對火焰穩定器5、5之寬度擴增端之最大距離h、與燃料噴嘴2之開口部21之內徑r具有h/(r/2)<0.6之關係的方式構成。藉此進行燃燒火焰之內部火焰穩定。
再者,上述構成中,配置有一對火焰穩定器5、5(參照圖10及圖11)。但不限於此,亦可將3個以上之火焰穩定器5並列配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域(省略圖示)。該構成亦可在相鄰之火焰穩定器5、5所夾之區域內形成空氣不足所致之還原氛圍。藉此降低燃燒火焰之內部X(參照圖4)之NOx產生量。
[火焰穩定器之形狀之變形例2]
又,該燃燒器1,亦可將一對火焰穩定器5、5交叉連結且令其交叉部位於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域而配置(參照圖12)。該構成係藉由將一對火焰穩定器5、5交叉連結,而於該交叉部形成較強點火面。並且,藉由將該交叉部配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域,而適當進行燃燒火焰之內部火焰穩定。藉此,降低燃燒火焰內部X(參照圖4)之NOx產生量。
例如,本實施形態中,長型之一對火焰穩定器5、5係令其長度方向分別朝向燃料噴嘴2之開口部21之寬度方向及高度方向而配置(參照圖12)。且,該等火焰穩定器5、5係分別於寬度方向或高度方向大致橫斷開口部21。又,該等火焰穩定器5、5係分別配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域。藉此,火焰穩定器5、5之交叉部係位於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域。另,燃料噴嘴2之中心軸至火焰穩定器5之寬度擴增端之最大距離h(h')、與燃料噴嘴2之開口部21之內徑r(r')係以具有h/(r/2)<0.6之關係((h'/(r'/2)<0.6)之關係)的方式構成。藉此實現燃燒火焰之內部火焰穩定。
另,上述構成中,配置有一對火焰穩定器5、5(參照圖12)。但不限於此,亦可將3個以上火焰穩定器5交叉連結且令該交叉部位於燃料噴嘴之開口部之中央區域而配置(省略圖示)。該構成亦將火焰穩定器5、5之交叉部形成於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域。藉此,可適當進行燃燒火焰之內部火焰穩定,從而降低燃燒火焰之內部X(參照圖4)之NOx產生量。
圖13係顯示燃燒器之性能試驗之結果之圖。該圖係顯示圖10所記載之燃燒器1與圖12所記載之燃燒器1之比較試驗的結果。該等燃燒器1皆係將一對火焰穩定器5、5配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域,此點上二者共通。其中不同點為,圖10所記載之燃燒器1具有將一對火焰穩定器5、5並列配置之結構(並列分裂結構),與此相對,圖12所記載之燃燒器1具有將一對火焰穩定器5、5交叉成十字狀而配置之結構(交叉分裂結構)。再者,燃料氣體之未燃部份之數值係以圖10所記載之燃燒器1為基準(1.00)之相對值。
如試驗結果所示,可知圖12所記載之燃燒器1中,燃料氣體之未燃部份相對減少。
[火焰穩定器之形狀之變形例3]
再者,該燃燒器1亦可將複數之火焰穩定器5組合成井框狀,且令以該等火焰穩定器5包圍之部份位於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域(參照圖14)。即,亦可組合圖10之構成與圖12之構成。根據該構成,於火焰穩定器5所包圍之部份形成較強點火面。並且,藉由將該火焰穩定器5所包圍之部份配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域,可適當地進行燃燒火焰之內部火焰穩定。藉此降低燃燒火焰之內部X(參照圖4)之NOx產生量。
例如,本實施形態係將長型之4個火焰穩定器5連結成井框狀,且令其長度方向分別朝向燃料噴嘴2之寬度方向或高度方向而配置(參照圖14)。又,各火焰穩定器5係於寬度方向或高度方向分別大致橫斷燃料噴嘴2之開口部21。4個火焰穩定器5係分別配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域。藉此,將火焰穩定器5所包圍之部份配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域。另,燃料噴嘴2之中心軸至火焰穩定器5之寬度擴增端之最大距離h、與燃料噴嘴2之開口部21之內徑r係以具有h/(r/2)<0.6之關係的方式構成。藉此而適當進行燃燒火焰之內部火焰穩定。
另,上述之構成中,較好的是緊密設定複數之火焰穩定器5之配置間隔(參照圖14)。根據該構成,以火焰穩定器5包圍之部份之自由區域縮小。於是根據火焰穩定器5之分裂形狀,以火焰穩定器包圍之部份之壓力損失相對增大,燃料噴嘴2內以火焰穩定器5包圍之部份之燃料氣體的流速降低。藉此可迅速進行燃料氣體之點火。
另,上述構成係將4個火焰穩定器5連結成井框狀(參照圖14)。但不限於此,亦可連結任意數量(例如高度方向2支且寬度方向3支)之火焰穩定器5,形成以火焰穩定器5包圍之部份(省略圖示)。並且,藉由令該火焰穩定器5所包圍之部份位於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域,可適當地進行燃燒火焰之內部火焰穩定。
[燃料噴嘴之開口部為圓形時之應用例]
本實施形態,以正面觀察燃料噴嘴2,燃料噴嘴2具有矩形狀之開口部21,且於該開口部21配置有火焰穩定器5(參照圖2、圖10、圖12及圖14)。但不限於此,亦可為燃料噴嘴2具有圓形狀之開口部21,且於該開口部21配置火焰穩定器5(參照圖15及圖16)。
例如,圖15所示之燃燒器1中,於圓形狀之開口部21配置有具有交叉分裂結構之火焰穩定器5(參照圖12)。又,圖16所示之燃燒器1中,於圓形狀之開口部21配置有連結成井框狀之火焰穩定器5(參照圖14)。該等構成亦藉由將火焰穩定器5之交叉部(參照圖12)或以火焰穩定器5所包圍之部份(參照圖14)配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域,而適當地進行燃燒火焰之內部火焰穩定。
另,例如,藉由設置圓形狀之開口部21,將二次空氣在同心圓上多重供給,而均勻地供給二次空氣。藉此,可抑制局部之高氧區域之產生,故令人滿意。
[二次空氣噴嘴之擋板結構]
一般而言,燃燒火焰之外周部Y由於二次空氣之供給而易變成局部高溫且高氧之區域(參照圖4)。因此,較好的是藉由調整二次空氣之供給量來緩和該高溫且高氧之狀態。另一方面,較好的是,在燃料氣體之未燃部份較多時將其緩和。
因此,該燃燒器1係於主二次空氣噴嘴3之外周配置複數(此處為3個)之二次空氣噴嘴4(參照圖17)。又,令主二次空氣噴嘴3及各二次空氣噴嘴4具有擋板結構,藉此而調整主二次空氣及二次空氣之供給量。此時,較好的是,各二次空氣噴嘴4可在±30[deg]之範圍內調整二次空氣之噴射方向。
根據該構成,係藉由以配置於更外側之二次空氣噴嘴4比配置於更內側之二次空氣噴嘴4更多地噴射二次空氣,而緩和二次空氣之擴散。如此可緩和燃燒火焰之外周部Y之高溫且高氧之狀態。另一方面,該構成係藉由以配置於較內側之二次空氣噴嘴4比配置於較外側之二次空氣噴嘴4噴射更多之二次空氣,而促進二次空氣之擴散。如此可抑制燃料氣體之未燃部份之增加。因此,藉由調整來自各二次空氣噴嘴4之二次空氣之噴射量,可適當地控制燃燒火焰之狀態。
再者,上述構成在切換使用具有相互不同之燃料比之固體燃料時較為有益。例如,在將揮發部份較多之煤作為固體燃料使用之情形時,藉由早期進行二次空氣之擴散之控制,可適當地控制燃燒火焰之狀態。
又,根據上述構成,所有二次空氣噴嘴4為常時運作較佳。根據該構成,與存在未運作之二次空氣噴嘴之構成相比,可抑制因來自火爐之火焰輻射而燒損二次空氣噴嘴之事態。例如使所有二次空氣噴嘴4常時運作,且,使特定之二次空氣噴嘴4以不燒損之程度之最低限度的流速噴射二次空氣。其後,令其他二次空氣噴嘴4以大範圍之流量及流速供給二次空氣。藉此,可隨著鍋爐之運轉條件之變化而適當地進行二次空氣之供給。例如,鍋爐在低負荷運轉時,使一部份的二次空氣噴嘴4以不燒損之程度之最低限度的流速噴射二次空氣。其後,調整來自其他二次空氣噴嘴4之二次空氣之供給量。藉此,可維持二次空氣之流速,從而可適當維持燃燒火焰之狀態。
又,上述構成亦可令複數之二次空氣噴嘴4中之一部份兼作為油口(參照圖18)。根據該構成,例如在將燃燒鍋爐1應用於粉煤燃燒鍋爐100時,將一部份的二次空氣噴嘴4作為油口使用,而由該二次空氣噴嘴4供給鍋爐起動運轉時所需之油。根據該構成,由於無需增設油口或二次空氣噴嘴,因此可降低鍋爐之高度。
另,根據上述構成,較好的是,供給至主二次空氣噴嘴3之主二次空氣與供給至二次空氣噴嘴4之二次空氣係從相互不同之供給系統供給(參照圖19)。根據該構成,設置多數之二次空氣噴嘴(主二次空氣噴嘴3及複數之二次空氣噴嘴4)時,可容易進行該等之運作及調整。
[於對向燃燒鍋爐之應用]
另,該燃燒器1應用於對向燃燒鍋爐較佳(省略圖示)。根據該構成,由於係逐漸供給二次空氣之構成,因此可容易地抑制空氣之供給量。藉此而降低NOx產生量。
[附加空氣方式之採用]
另,將該燃燒器1應用於採用附加空氣方式之粉煤鍋爐100較佳(參照圖22)。
即,該燃燒器1係採用在內部穩定燃燒火焰之結構(參照圖1)。藉此,可促進燃燒火焰之內部X之均一燃燒,降低燃燒火焰之外周部Y之溫度,減少燃燒器1內之NOx產生量(參照圖4及圖5)。於是可增加燃燒器1之空氣之供給比率,減小附加空氣之供給比率。藉此,由於附加空氣之NOx產生量減少,因而可降低鍋爐全體之NOx產生量。
圖20及圖21係顯示將該燃燒器1應用於採用附加空氣方式之鍋爐時之NOx產生量的說明圖。
先前之燃燒器係採用在外部穩定燃燒火焰之構成(參照專利文獻1)。根據該構成,會於燃燒火焰之內部X(參照圖4)產生氧之殘留區域。因此,為充分進行NOx還原,通常需要將附加空氣之供給比率設定為30~40%左右,將燃燒器至附加空氣供給區域之空氣比設定為0.8左右(參照圖20左側)。於是會有在附加空氣供給區域產生大量NOx之問題。
與此相對,該燃燒器1係採用在內部穩定燃燒火焰之構成(參照圖1)。根據該構成,由於燃燒火焰之內部X(參照圖4)之均一燃燒被促進,因此會在燃燒火焰之內部X形成還原氛圍。因此,可使燃燒器1至附加空氣供給區域之空氣比增加(參照圖21)。因此,可將燃燒器1至附加空氣供給區域之空氣比增加至0.9左右,另一方面,可將附加空氣之供給比率降低至0%~20%(參照圖20右側)。藉此,附加空氣供給區域之NOx產生量減少,因此可降低鍋爐全體之NOx產生量。
再者,該燃燒器1中,藉由燃燒火焰之內部火焰穩定,可將鍋爐整體之空氣過剩率降低至1.0~1.1(通常以空氣比1.15程度運作)。藉此,鍋爐效率增加。
[效果]
如上說明,該燃燒器1,在含燃料噴嘴2之中心軸之剖面中於火焰穩定器5之寬度擴增方向之剖面觀察,火焰穩定器5具有向燃料氣體之流動方向寬度擴增之分裂形狀(參照圖1及圖3)。且,燃料噴嘴2之中心軸至火焰穩定器5之寬度擴增端(分裂形狀之下游側端部)之最大距離h(h')、與燃料噴嘴2之開口部21之內徑r(r')具有h/(r/2)<0.6之關係(參照圖1、2、圖10~圖12及圖14~圖16)。根據該構成,可實現燃燒火焰之內部火焰穩定(燃料噴嘴之開口部之中央區域之火焰穩定),因此,與進行燃燒火焰之外部火焰穩定(燃料噴嘴之外周之火焰穩定、或燃料噴嘴之開口部之內壁面附近區域之火焰穩定)之構成(省略圖示)相比,可令燃燒火焰之外周部Y成低溫(參照圖4)。因此,利用二次空氣可降低處於高氧氛圍下之燃燒火焰之外周部Y的溫度。藉此,有可降低燃燒火焰之外周部Y(參照圖4)之NOx產生量之優點。
另,該燃燒器1中,所謂燃料噴嘴2之開口部21之「中央區域」,是指當火焰穩定器5具有向燃料氣體之流動方向寬度擴增之分裂形狀時,在含燃料噴嘴2之中心軸之剖面中於火焰穩定器5之寬度擴增方向之剖面觀察,燃料噴嘴2之中心軸至火焰穩定器5之寬度擴增端(分裂形狀之下游側端部)之最大距離h(h')、與燃料噴嘴2之開口部21之內徑r(r')具有h/(r/2)<0.6之關係((h'/(r'/2)<0.6)之關係)的區域(參照圖1、2、圖10~圖12及圖14~圖16)。另,所謂最大距離h(h'),是指火焰穩定器5之寬度擴增端為複數時,該等距離h(h')內之最大值。
又,所謂燃料噴嘴2之內徑,是指燃料噴嘴2之開口部21為矩形時,其寬度方向及高度方向之稱為內側尺寸r、r'者(參照圖2、圖10、圖12及圖14)。且,燃料噴嘴2之開口部21為圓形時,稱為其直徑r者(參照圖15及圖16)。又,燃料噴嘴2之開口部21為橢圓形時,稱為其長徑及短徑者(省略圖示)。
又,該燃燒器1中,火焰穩定器5之分裂形狀之分裂寬度L與燃料噴嘴2之開口部21之內徑r具有0.06≦L/r之關係(參照圖1及圖3)。根據該構成,火焰穩定器5之分裂寬度L與燃料噴嘴2之內徑r之比L/r被適當化,因此可適當確保內部火焰穩定。藉此,有可降低燃燒火焰之外周部Y(參照圖4)之NOx產生量之優點。
另,該燃燒器1中,燃料噴嘴2及二次空氣噴嘴3、4具有將燃料氣體或二次空氣作為直進流而噴射之結構(參照圖1、圖8及圖11)。根據該構成,由於係將燃料氣體及二次空氣以直進流噴射而形成燃燒火焰,因此在內部穩定燃燒火焰之構成中,可抑制燃燒火焰內之氣體循環。藉此,燃燒火焰之外周部被維持在低溫,因此可抑制與二次空氣混合所致之NOx產生量。
另,該燃燒器1係將複數之火焰穩定器5並列配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域(參照圖10、圖11、圖14及圖16)。根據該構成,在相鄰之火焰穩定器5、5所夾之區域形成因空氣不足所致之還原氛圍。藉此,有可降低燃燒火焰之內部X(參照圖4)之NOx產生量之優點。
該燃燒器1係將一對火焰穩定器5、5交叉連結且令交叉部位於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域而配置(參照圖12、圖14~圖16)。根據該構成,藉由將一對火焰穩定器5、5交叉連結,而於該交叉部形成較強點火面。並且,藉由將該交叉部配置於燃料噴嘴2之開口部21之中央區域,可適當地進行燃燒火焰之內部火焰穩定。藉此,可降低燃燒火焰之內部X(參照圖4)之NOx產生量。
又,該燃燒器1中,配置複數之二次空氣噴嘴(二次空氣噴嘴4),且該等二次空氣噴嘴可相互調整二次空氣之供給量(參照圖17)。根據該構成,藉由調整來自各二次空氣噴嘴4之二次空氣之噴射量,而有可適當控制燃燒火焰之狀態之優點。
又,該燃燒器1在上述構成中,所有二次空氣噴嘴(二次空氣噴嘴4)為常時運作。根據該構成,與存在未運作之二次空氣噴嘴之構成相比,有可抑制因來自火爐之火焰輻射而燒損二次空氣噴嘴之事態的優點。
再者,該燃燒器1在上述構成中,二次空氣噴嘴4中之一部份兼為油口或氣口(參照圖18)。根據該構成,例如在將燃燒器1應用於粉煤鍋爐100時,可經由兼為油口或氣口之二次空氣噴嘴4供給鍋爐之起動運轉所必要之油。藉此,無需增設油口或二次空氣噴嘴,因此有可降低鍋爐高度之優點。
[產業上之可利用性]
如上,本發明之燃燒器及具備該燃燒器之鍋爐在可降低NOx產生量之點上有用。
1...燃燒器
2...燃料噴嘴
3...主二次空氣噴嘴
4...二次空氣噴嘴
5...火焰穩定器
6...整流機構
21...開口部
31...開口部
41...開口部
100...鍋爐
110...火爐
111...燃燒室
112...煙道
120...燃燒裝置
121...燃燒器
122...粉煤供給系統
123...空氣供給系統
130...蒸汽產生裝置
131...節炭器
132...再熱器
133...過熱器
圖1係顯示本發明之實施形態之燃燒器之構成圖;
圖2係顯示圖1所記載之燃燒器之開口部之正視圖;
圖3係顯示圖1所記載之燃燒器之火焰穩定器之說明圖;
圖4係顯示圖1所記載之燃燒器之作用之說明圖;
圖5係顯示圖1所記載之燃燒器之性能試驗之結果之標繪圖;
圖6(a)、(b)係顯示圖3所記載之火焰穩定器之作用之說明圖;
圖7係顯示燃燒器之性能試驗之結果之標繪圖;
圖8係顯示圖1所記載之燃燒器之整流構造之說明圖;
圖9係顯示圖8所記載之整流構造之整流環之說明圖;
圖10係顯示圖1所記載之燃燒器之變形例之說明圖;
圖11係顯示圖1所記載之燃燒器之變形例之說明圖;
圖12係顯示圖1所記載之燃燒器之變形例之說明圖;
圖13係顯示燃燒器之性能試驗之結果之標繪圖;
圖14係顯示圖1所記載之燃燒器之變形例之說明圖;
圖15係顯示圖1所記載之燃燒器之變形例之說明圖;
圖16係顯示圖1所記載之燃燒器之變形例之說明圖;
圖17係顯示圖1所記載之燃燒器之變形例之說明圖;
圖18係顯示圖1所記載之燃燒器之變形例之說明圖;
圖19係顯示圖1所記載之燃燒器之變形例之說明圖;
圖20係顯示將圖1所記載之燃燒器適用於採用附加空氣方式之鍋爐時之NOx產生量之說明圖;
圖21係顯示將圖1所記載之燃燒器適用於採用附加空氣方式之鍋爐時之NOx產生量之說明圖;及
圖22係顯示一般之粉煤鍋爐之構成圖。
1...燃燒器
2...燃料噴嘴
3...主二次空氣噴嘴
4...二次空氣噴嘴
5...火焰穩定器
21...開口部
31...開口部
41...開口部
h...最大距離
r...內徑

Claims (10)

  1. 一種燃燒器,其特徵在於具備:噴射混合有固體燃料與一次空氣之燃料氣體之燃料噴嘴;從前述燃料噴嘴之外周噴射二次空氣之二次空氣噴嘴;及配置於前述燃料噴嘴之開口部之火焰穩定器;且前述火焰穩定器具有大致橫斷前述燃料噴嘴之開口部之構造,且具有於前述燃料氣體之流動方向分歧之分裂形狀,前述燃料噴嘴及前述二次空氣噴嘴具有將燃料氣體及二次空氣以直進流進行噴射之構造;且複數之前述火焰穩定器係交叉連結,且令交叉部位於前述燃料噴嘴之開口部之中央區域而配置。
  2. 如請求項1之燃燒器,其中複數之前述火焰穩定器係組合成井框狀,且以前述複數個火焰穩定器包圍之部份係位於前述燃料噴嘴之開口部之中央區域。
  3. 如請求項1之燃燒器,其中三個前述火焰穩定器係交叉連結成十字狀,且前述三個火焰穩定器的交叉部係位於前述燃料噴嘴之開口部之中央區域。
  4. 如請求項1至3中任一項之燃燒器,其中前述火焰穩定器之分裂形狀之分裂寬度L與前述燃料噴嘴之開口部之內徑r具有0.06≦L/r之關係。
  5. 如請求項1至3中任一項之燃燒器,其中前述燃料噴嘴具有矩形狀或橢圓形狀之開口部,且前述火焰穩定器係大致橫斷前述燃料噴嘴之開口部之中央區域而配置。
  6. 如請求項1至3中任一項之燃燒器,其中前述燃料噴嘴具有圓形狀之開口部,且前述火焰穩定器係大致橫斷前述燃料噴嘴之開口部之中央區域而配置。
  7. 如請求項1至3中任一項之燃燒器,其中配置有複數之前述二次空氣噴嘴,且前述二次空氣噴嘴可相互調整二次空氣之供給量。
  8. 如請求項7之燃燒器,其中所有前述二次空氣噴嘴為常時運作。
  9. 如請求項7之燃燒器,其中複數之前述二次空氣噴嘴中之一部份之二次空氣噴嘴兼為油口或氣口。
  10. 一種鍋爐,其具備請求項1至3中任一項之燃燒器。
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