WO2020152867A1

WO2020152867A1 - 固体燃料バーナおよび燃焼装置

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Publication number: WO2020152867A1
Application number: PCT/JP2019/002549
Authority: WO
Inventors: 馬場　彰; 嶺　聡彦; 昌平水戸; 恒輔北風
Original assignee: 三菱日立パワーシステムズ株式会社
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-07-30
Also published as: TWI748336B; JP7413284B2; WO2020153404A1; KR20210113370A; KR102603016B1; JPWO2020153404A1; AU2020210392B2; TW202033912A; AU2020210392A1

Abstract

燃料ノズル（２１）内の混合流体の流路（２４）を流路断面における中心に向けて絞るベンチュリ（３３）と、混合流体に燃料ノズル（２１）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（３４）と、燃料ノズル（２１）の流路を内側と外側とに区画する流路区画部材（３６）と、を備え、混合流体に旋回を与え且つ燃料ノズル（２１）の内側に全面固定されない複数の羽根（３４ｃ，３４ｄ）により、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。

Description

固体燃料バーナおよび燃焼装置

　本発明は、固体燃料を搬送して燃焼させる固体燃料バーナおよび固体燃料バーナを備えた燃焼装置に関し、特にバイオマス粒子のように粒径の大きな燃料粒子に適した固体燃料バーナおよび燃焼装置に関する。

　火力発電プラント等のボイラに用いられる固体燃料バーナの着火性の向上、火炎の安定性を高める方法としては、燃料濃度を高める、または燃料搬送気体の酸素濃度を上げる方法がある。

　例えば、特許文献１（特許第６２３１０４７号明細書：ＪＰ６２３１０４７Ｂ２）では、一次空気ノズル（９）の中心部に、混合流体に旋回を付与する第一旋回器（６）と、第一旋回器（６）とは逆向きの旋回を付与する第二旋回器（７）とを設ける技術が記載されている。特許文献１記載の技術では、第一旋回器（６）で混合流体に強い旋回をかけて、固体燃料粒子を一次空気ノズルの外周側に移動させると共に、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つつ、旋回が少ない混合流体が開口部から流出させて着火性を向上させている。
　また、特許文献１には、曲管部（２５）の下流側に旋回羽根（２６）を設けて旋回を付与し、バーナ出口近傍に旋回度調整羽根（２７）を設けて旋回を弱める構成も記載されている。

特許第６２３１０４７号明細書（「０００４」、「００４８」～「００６１」、図１－図３、図２１）特許第４９１９８４４号明細書（「００２１」～「００２３」）特開２０１０－２４２９９９号公報（「００３３」）

　上記特許文献１に記載の従来技術で使用される固体燃料としてバイオマス燃料を使用する場合、現在、国内の火力発電用石炭（微粉炭）焚ボイラにおける混燃用の燃料としては、木質系原料をペレットにしたものが多用されている。ここで、ペレットは、そのまま使用されるのではなく、石炭用ミル（微粉炭機）をベースにした改良ミル（粉砕機・分級機）で粉砕・分級して得た燃料粒子を搬送気体で固体燃料バーナに搬送し、燃料粒子と搬送気体との混合流体がバーナに供給され、微粉炭と同様に燃焼される。

　しかしながら、バイオマス燃料は石炭に比べて微粉砕しにくく、ミルの粉砕動力が多大（粒径５０ｍｍの木質チップから石炭と同じ粒度にするのに概ね石炭の１０倍程度の動力が必要）となり、現状の微粉炭と同レベルまで微粒化することは困難である。また、バイオマス燃料を微粉化すると急速燃焼の可能性が高くなり、その防止対策も必要となる。これらのことから、バイオマス燃料は石炭に比べて、かなり粗い粒子の状態でミルから排出される（特許文献２，３等参照）。
　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。

　着火性の悪い燃料を使用する場合、混合流体の流速を下げることで着火性が向上することが知られている。ここで、特許文献１に記載の構成では旋回器を使用して燃料を一次空気ノズルの外周側に移動させているが、流速が低いと、一度外周側に移動した燃料がノズル出口に到達するまでの間に内周側に拡散してしまい、濃縮効果が下がる問題がある。

　本発明は、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、
　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に記載の固体燃料バーナにおいて、
　前記流路区画部材は、外側流路の断面積が上流端よりも下流端の方で拡大する形状を有する
　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に記載の固体燃料バーナにおいて、
　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バーナ軸方向に対して離れた２箇所に設置すると共に、各々の複数の羽根構造の旋回方向が逆方向である
　ことを特徴とする。

　請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の固体燃料バーナにおいて、
　前記燃料ノズルの流路の断面積が、上流端部よりも下流端部の方が大きく形成された
　ことを特徴とする。

　請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の固体燃料バーナにおいて、
　前記燃料ノズルの流路の断面積が、上流端部から下流端部に向けて単調増加または同一である
　ことを特徴とする。

　請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の固体燃料バーナにおいて、
　前記燃料ノズルの流路の上流端部から下流端部の間で且つ前記燃料濃縮器よりも上流側に、断面積が減少後増大するベンチュリが設けられた
　ことを特徴とする。

　請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の固体燃料バーナにおいて、
　前記燃料ノズルの内壁側から支持部材によって支持された前記流路区画部材、
　を備えたことを特徴とする。

　請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の固体燃料バーナにおいて、
　前記支持部材は、前記燃料ノズル周方向の流路幅が下流側に行くに連れて狭まるように幅が大きく形成され、最大幅に達した後、下流側に行くに連れて流路幅が徐々に拡大するように幅が小さく形成された、
　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９に記載の発明の燃焼装置は、
　火炉の側壁面の上下方向に複数段、且つ、各段において炉幅方向に複数のバーナを備えた燃焼装置であって、
　請求項１ないし８のいずれかに記載の固体燃料バーナを少なくとも最上段に１以上備えてなることを特徴とする。

　請求項１に記載の発明によれば、外側流路の断面積が上流端よりも下流端の方で拡大する形状を流路区画部材が有し、燃料ノズルの内側に全面固定されず混合流体に旋回を与える羽根を有する燃料濃縮器が設けられているので、燃料濃縮器を燃料ノズルに固定する場合に比べてコストを削減できると共に、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。

　請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、流路区画部材を通過する燃料を含む混合流体の流速を低減させることができ、着火性や保炎性を向上させることができる。

　請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の発明の効果に加えて、混合流体に対して上流側の羽根で旋回を付与して燃料を濃縮しつつ、下流側の羽根で旋回成分を低減することができる。よって、燃料濃縮器を通過した混合流体では、燃料が濃縮されつつ直進流に近くなり、旋回成分が残っている場合に比べて、着火性や保炎性を向上させることができる。

　請求項４に記載の発明によれば、請求項１ないし３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、燃料ノズルの下流端部で流速が低減されるので、流速が低減されない場合に比べて、着火性や保炎性を向上させることができる。

　請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の効果に加えて、混合流体の流速が途中で増大する区間を有しないので、途中で燃料が堆積、滞留することが抑制される。

　請求項６に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の効果に加えて、ベンチュリで燃料が一度内周側に濃縮された後に燃料濃縮器で外周側にさらに濃縮されるので、ベンチュリを有しない場合に比べて、燃料の濃縮効果を向上させることができる。

　請求項７に記載の発明によれば、請求項１ないし６のいずれかに記載の発明の効果に加えて、流路区画部材が燃料ノズルの内壁側から支持部材で支持されない場合（例えば、オイルガンに支持される場合）に比べて、例えば、固体燃料バーナのメンテナンス等で、オイルガンを燃料ノズルに対して軸方向に抜き差しする際に、流路区画部材が妨げにならず、固体燃料バーナの組み立てや分解の作業を容易に行うことができる。

　請求項８に記載の発明によれば、請求項７に記載の発明の効果に加えて、支持部材が混合流体の流れを妨げることを抑制できる。また、幅が大きく形成された部位で、周方向に燃料を濃縮することができる。さらに、幅が小さくなる下流側の部位を有しない場合に比べて、渦流の発生が抑制され、燃料の支持部材への付着や、付着した燃料の着火による各部材の損傷が低減される。

　請求項９に記載の発明によれば、バイオマス燃料が未着火のまま火炉の炉底に落下することを抑制できる。

図１は本発明の実施例１の燃焼システムの全体説明図である。図２は実施例１の固体燃料バーナの説明図である。図３は図２の矢印ＩＩＩ方向から見た図である。図４は実施例１の流路区画部材の説明図であり、図４（Ａ）は側面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶＢ－ＩＶＢ線断面図である。図５は流路区画部材の変更例の説明図であり、図５（Ａ）は図３に対応する第１の変更例の説明図、図５（Ｂ）は図４に対応する第２の変更例の説明図、図５（Ｃ）は図４に対応する第３の変更例の説明図である。図６は本発明の実施例の他の形態の説明図であり、図２に対応する図である。図７は本発明の固体燃料バーナを備えたボイラ（燃焼装置）の説明図であり、図７（Ａ）は缶（ボイラ）前後各３段の固体燃料バーナのうちの缶前側および缶後ろ側の最上段にバイオマス燃料を使用する、本発明の固体燃料バーナを設けた場合の説明図、図７（Ｂ）および図７（Ｄ）は缶前側の最上段にバイオマス燃料を使用する、本発明の固体燃料バーナを設けた場合の説明図、図７（Ｃ）および図７（Ｅ）は缶後ろ側の最上段にバイオマス燃料を使用する、本発明の固体燃料バーナを設けた場合の説明図である。図８は本発明の変更例の説明図であり、旋回器が１つの形態の説明図である。

　次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例（以下、実施例と記載する）を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

　図１は本発明の実施例１の燃焼システムの全体説明図である。
　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。

　ボイラ６から排出された排ガスは、脱硝装置９で脱硝される。脱硝された排ガスは、空気予熱器１０を通過する。空気予熱器１０では、ブロア１１から送られた空気と排ガスとの熱交換が行われる。したがって、排ガスが低温化されると共に、ブロア１１からの空気が加熱される。ブロア１１からの空気は、空気配管１２を通じて、固体燃料バーナ７およびボイラ６に燃焼用空気として供給される。
　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。

　ガスガスヒータ（熱回収器）１３を通過した排ガスは、乾式集塵機１４で排ガス中の塵等が回収、除去される。
　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、特許文献３等に記載されているので詳細な説明は省略する。

　図２は実施例１の固体燃料バーナの説明図である。
　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、燃料配管８が上流端に接続される。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）と搬送気体とが流れる流路２４が形成されている。

　燃料ノズル２１の外周には、燃焼用空気を火炉２２に噴出する内側燃焼用ガスノズル（２次燃焼用ガスノズル）２６が設置されている。また、内側燃焼用ガスノズル２６の外周側には、外側燃焼用ガスノズル（３次燃焼用ガスノズル）２７が設置されている。各燃焼用ガスノズル２６，２７は、ウインドボックス（風箱）２８からの空気を火炉２２内に向けて噴出する。実施例１では、内側燃焼用ガスノズル２６の下流端には、燃料ノズル２１の中心に対して径方向外側に傾斜（下流側に行くに連れて径が拡大）するガイドベーン２６ａが形成されている。また、外側燃焼用ガスノズル２７の下流部には、軸方向に沿ったスロート部２７ａと、ガイドベーン２６ａに平行する拡大部２７ｂとが形成されている。したがって、各燃焼用ガスノズル２６，２７から噴出された燃焼用空気は、軸方向の中心から拡散するように噴出される。

　また、燃料ノズル２１の下流端の開口部には、保炎器３１が支持されている。図２、図３において、保炎器３１には、内周側突起３１ａが形成されている。内周側突起３１ａは、燃料ノズル２１の中心側に向けて突出して形成されている、また、内周側突起３１ａは、周方向に沿って間隔をあけて周期的に配置されている（図３参照）。
　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２１ａ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。

　図２において、燃料ノズル２１の内壁面には、ベンチュリ３３が設置されている。ベンチュリ３３は、上流側の径縮小部３３ａと、径縮小部３３ａの下流側に連続する最小径部３３ｂと、最小径部３３ｂの下流側に連続する径拡大部３３ｃとを有する。径縮小部３３ａは、燃料ノズル２１の内壁面に対して、下流側に行くに連れて流路断面の径方向中心側に傾斜して形成されている。したがって、径縮小部３３ａの上流端Ｖ１から下流端Ｖ２に向かうに連れて、流路２４の内径は縮小する。また、最小径部３３ｂは、燃料ノズル２１の軸方向に平行して形成されている。径拡大部３３ｃは、下流側に行くに連れて径方向外側に傾斜して形成されている。したがって、径拡大部３３ｃの上流端Ｖ３から下流端Ｖ４に向かうに連れて、流路２４の内径は拡大する。
　したがって、実施例１のベンチュリ３３では、燃料ノズル２１に供給された燃料と搬送気体との混合流体が、径縮小部３３ａを通過する際に、径方向の内側に絞られる。したがって、燃料ノズル２１の内壁面近傍に偏った燃料を中心側に移動させることが可能である。

　ベンチュリ３３の下流側には、燃料濃縮器３４が点火バーナ３２に支持されている。燃料濃縮器３４は、上流側の第１の旋回器３４ａと、下流側の第２の旋回器３４ｂとを有する。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。
　したがって、実施例１の燃料濃縮器３４では、燃料と搬送気体との混合流体に、第１の旋回器３４ａを通過する際に、径方向の外側に向かう旋回が付与される。よって、燃料が燃料ノズル２１の内壁面に向かって濃縮される。そして、第２の旋回器３４ｂを通過する際に逆の旋回が付与され、旋回が弱まる。よって、燃料濃縮器３４の下流側では、混合流体は、燃料が外周側に濃縮され且つ直進流に近い流れとなっている。

　図４は実施例１の流路区画部材の説明図であり、図４（Ａ）は側面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶＢ－ＩＶＢ線断面図である。
　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。

　図５は流路区画部材の変更例の説明図であり、図５（Ａ）は図３に対応する第１の変更例の説明図、図５（Ｂ）は図４に対応する第２の変更例の説明図、図５（Ｃ）は図４に対応する第３の変更例の説明図である。
　なお、支持部材３７は、流路区画部材３６を支持できるものであればよく、保炎器３１の内周側突起３１ａどうしの間に対応する位置の全てに配置する必要は無い。例えば、図５（Ａ）に示すように燃料ノズル２１の周方向２ないし４箇所程度に間引いて配置しても良い。
　また、支持部材３７の各形状は１枚の板状のものに限らず、棒状のものを燃料ノズル２１の長手方向に複数配置しても良い。さらに、支持部材３７は、燃料ノズル２１の長手方向の断面形状が、図５（Ｂ）に示すような菱形であってもよいし、図５（Ｃ）に示すような流線型のものであっても良い。図５（Ｂ）、（Ｃ）に示す形態の場合には燃料ノズル２１の周方向に燃料粒子の濃度分布を形成して、保炎器３１の内周側突起３１ａ近傍に燃料粒子の濃度の高い流れを導くことで着火性を一層高めることができる。

　図２において、実施例１の固体燃料バーナ７では、流路区画部材３６の上流端Ｓ１が、燃料濃縮器３４の第１の旋回羽根３４ｃの延長線４１が燃料ノズル２１の内壁に到達する位置Ｒｐよりも下流側に設定されている。したがって、燃料濃縮器３４の第１の旋回羽根３４ｃで燃料ノズル２１の内周壁に向かって濃縮された燃料のほとんどが、外側流路２４ａに供給される。よって、燃料濃縮器３４により径方向の外側に向けられた粒子の流れを流路区画部材３６が妨げにくいと共に、外側流路２４ａにおいて径方向外側に向かう燃料が内周壁で反射されて再び中心軸側に向かおうとしても、流路区画部材３６で阻止される。よって、燃料濃縮器３４で濃縮された燃料が、流路断面で均一に再分散されることが抑制される。

　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。
　特に、実施例１では、燃料濃縮器３４が燃料ノズル２１の内面に全面固定されていない。燃料濃縮器３４を燃料ノズル２１の内面に支持する構成では、支持する部位が濃縮される燃料粒子の衝突によって摩耗する。したがって、支持する部位を耐摩耗性の特殊材料で構成する必要があり、コストが増大する問題がある。これに対して実施例１では、燃料濃縮器３４が燃料ノズル２１に支持されておらず、摩耗する部位が小さくなり、コストの増大を抑制可能である。
　そして、実施例１では、流路区画部材３６がコニカル形状に形成されており、流路区画部材３６を通過する間に、流路区画部材３６と燃料ノズル２１との間を通過する流体の流速が低下する。そして、濃縮された燃料は流速が低下した状態で、ボイラ６に供給される。したがって、着火性の低いバイオマス燃料でも、着火性を確保することができる。

　なお、実施例１では、燃料濃縮器３４の第１の旋回器３４ａの下流端Ｃ２よりも下流側では、混合流体の燃料ノズル２１の中心軸方向の速度が低下していく。したがって、燃料粒子は位置Ｒｐよりもう少し上流側でノズルの内周壁に達すると考えられる。したがって、流路区画部材３６の上流端Ｓ１は、位置Ｒｐよりも下流側に設定することが望ましいが、これに限定されず、位置Ｒｐと同一の位置、または、少し上流側の位置とすることも可能である。

　流路区画部材３６の上流端Ｓ１の位置が、位置Ｒｐに対して下流側すぎると、一旦燃料濃縮器３４により燃料ノズル２１の内周壁側に燃料粒子が濃縮され、燃料ノズル２１の中心軸側から径方向外側に向かって燃料濃度が高くなる濃度分布ができた混合流体において、燃料粒子が内壁で反射して再びノズル中心軸側に向かう等により、濃度分布が薄れる問題がある。
　また、流路区画部材３６は、その本来の機能を発揮させるためには、ある程度の長さが必要である。したがって、流路区画部材３６の長さを確保しようとすると、下流端Ｓ２の位置が、燃料ノズル２１の開口端（バーナ軸方向位置）ｆｓないしバーナ開口面（開口端位置）ｎｅに近づく。ここで、流路区画部材３６の上流端Ｓ１を位置Ｒｐに対して下流側に配置しすぎると、燃料ノズル２１、固体燃料バーナ７全体の軸方向長さが長くなる問題がある。これは、固体燃料バーナ７の大型（長大）化につながり、コストアップ、他の機器・炉外構造物との干渉があったり、そのために設置場所の制約を受けるため、望ましくない。
　従って、実施例１では、流路区画部材３６の長さや上流端Ｓ１、下流端Ｓ２の位置は、上記の事情を考慮して適宜設定することが望ましい。

　また、実施例１の流路区画部材３６は、下流端Ｓ２における混合流体の流速が上流端Ｓ１における流速よりも低減されるように、下流端Ｓ２における外側流路２４ａの断面積が上流端Ｓ１における外側流路２４ａの断面積よりも拡大するようなコニカルな形状となっている。このような傾斜形状であれば、軸方向に沿った筒状の場合よりも、固体燃料粒子が傾斜面に沿って移動しやすく、上面に堆積しにくくなる。

　さらに、実施例１の流路区画部材３６は、燃料ノズル２１の内周壁側から支持部材３７によって支持されている。仮に、中心軸（点火バーナ３２）側から流路区画部材３６を支持すると、点火バーナ３２および／または燃料濃縮器３４の保守点検等の際に、衝突板３２ａとともに衝突板フランジ２１ａから分離して炉外へ引き抜く際、流路区画部材３６と支持部材３７とを切り離さないとベンチュリ３３を通過させられない。すなわち、保守点検作業の作業性が低下する問題がある。これに対して、実施例１では、流路区画部材３６が燃料ノズル２１の内周壁側から支持されており、点火バーナ３２および／または燃料濃縮器３４の保守・点検が容易に行える。

　また、実施例１では、流路区画部材３６と支持部材３７（および燃料濃縮器３４）を、燃料ノズル２１の火炉２２側開口端部ｆｓないしは固体燃料バーナ７の火炉２２壁面開口部ｎｅから距離をあけて燃料ノズル２１内の流体流れ方向上流側、即ち、火炉２２の外側に設置している。より具体的には、図２に示すように、燃料ノズル２１の火炉側開口端部ｆｓからは、燃料ノズル２１の火炉側開口端部ｆｓにおける内径Ｄ１の１／４以上、または固体燃料バーナ７の火炉壁面開口部ｎｅから、内径Ｄ１の１／２以上離れた位置に、流路区画部材３６の下流端Ｓ２の位置が設定されている。

　したがって、流路区画部材３６等が火炉（炉内）２２からの輻射を受けて高温となって、熱により直に損傷を受けやすくなるのを軽減される。また、燃料粒子が、特に流路区画部材３６の上面等に付着・堆積した場合でも発火するリスクや、付着堆積に至らずとも滞留傾向となって燃料ノズル２１内で着火するリスクを軽減することもでき、着火域を保炎器３１の下流側にしやすくできる。
　なお、流路区画部材３６の下流端Ｓ２を、各位置ｆｓ，ｎｅから離しすぎると、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、現実的には、位置ｎｅから流路区画部材３６の下流端Ｓ２までの距離が、内径Ｄ１の２倍程度までにすることが望ましい。

　また、実施例１では、燃料濃縮器３４の上流端Ｃ１は、ベンチュリ３３の径拡大部３３ｃ（Ｖ３～Ｖ４の間）に設定されている。特に、燃料濃縮器３４の第１の旋回器３４ａの下流端Ｃ２が、ベンチュリ３３の径拡大部３３ｃの下流端Ｖ４よりも上流側に配置されている。
　ここで、混合流体の流速Ｆについて、上流側からＦを見ていくと、まずベンチュリ３３の上流端Ｖ１でＦ０であったものが、径縮小部３３ａで徐々に加速され、最小径部３３ｂで最も速められた後、径拡大部３３ｃにおいて、燃料ノズル２１の軸方向断面積の増大とともに徐々に減速される。

　そして、燃料濃縮器３４の第１の旋回器３４ａの下流端Ｃ２が、ベンチュリ３３の下流端Ｖ４と同じか上流側に設定されていると、流速Ｆは、位置Ｖ３からＶ４に至るまで減速する傾向が継続し、加速に転じることがない。そして、ベンチュリ３３の下流端Ｖ４から、燃料ノズル２１の開口端部ｆｓまでの間、流速Ｆは一定となる。

　仮に、燃料濃縮器３４の上流端Ｃ１から流路区画部材３６の上流端Ｓ１までの間で燃料ノズル２１の断面積が減少する区間があると、断面積が減少する区間では流速が増大（加速）することとなる。そして、その後の流路区画部材３６の位置で流速が減速すると、いわば、脈動のような流れが形成される。このような場合、流速Ｆが低下しすぎる領域が生じ、燃料粒子の堆積、滞留が懸念される。設計数値上も、ベンチュリ３３の下流端Ｖ４において、燃料ノズル２１の中心軸側に燃料濃縮器３４が存在しないケースでは流速Ｆが下がりすぎ、燃料粒子の堆積、滞留が懸念される領域となる。

　これに対して、実施例１では、燃料濃縮器３４の上流端Ｃ１は、ベンチュリ３３の径拡大部３３ｃ（Ｖ３～Ｖ４の間）に設定されている。したがって、ベンチュリ３３の径拡大部３３ｃの上流端Ｖ３以降、流路区画部材３６の上流端Ｓ１に至るまで、脈動のような流れが発生せず、流速Ｆは、燃料粒子の堆積、滞留が懸念される低流速の領域に陥ることなく滑らかに減速（漸減）される。よって、実施例１の固体燃料バーナ７では、燃料ノズル２１の内部は、ベンチュリ３３の径拡大部３３ｃの上流端Ｖ３から下流端（開口部ｆｓ，ｎｅ）に向けて、流速Ｆが増大しない（単調減少または同一となる）ように、断面積が単調増加または同一となる（減少しない）ように設定されている。
　したがって、燃料濃縮後は断面積が減少せず、流速が増大しないため、燃料の堆積、滞留が低減され、濃縮されたまま減速されてボイラ６に向けて供給される。よって、着火性・保炎性が低下することが防止される。

　図２～図４において、実施例１の支持部材３７は、径方向に延びる放射状の板状に形成されており、混合流体に対して極力その流れを妨げない形態となっている。なお、実施例１では、支持部材３７は、長手方向の長さが流路区画部材３６と同じ長さの１枚の板状の部材を使用しているがこれに限定されず、板が複数に分かれていても、棒状の部材とすることも可能である。

　ここで、支持部材３７の形状が、下流側ほど周方向の厚みが大きなくさび状の構造の場合、混合流体の流れ方向に対して、支持部材の火炉への開口部に面した壁面ないし空間に向かって、混合流体が逆流する渦流が発生する。当該面状の部位は火炉からの輻射を受け高温となるため、耐熱性の高い部材の使用・被覆等の対策を考慮する必要がある。前述の渦流発生により燃料粒子が付着、成長ないし滞留する可能性もある。

　これに対して、実施例１の支持部材３７では、厚み方向が火炉２２に対向する板状に形成されており、燃料ノズル２１の開口面側から見た場合に、複数の板状の支持部材３７が線状となるように配置されている。よって、特許文献１に記載の構成に比べて、混合流体が逆流する渦流が発生しにくく、燃料粒子が付着、成長ないし滞留するのを抑制できる。また、火炉２２からの輻射を受け高温となることへの対策も少なくて済み経済的である。
　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。

　また、実施例１では、燃料ノズル（１次ノズル）２１の内径に関して、開口部（下流端）における内径Ｄ１（保炎器３１の内周側突起３１ａを除く）は、ベンチュリ３３の上流端Ｖ１における内径Ｄ２よりも大きく設定されている。燃料ノズル２１の上流側（燃料搬送管）では流路内部で燃料粒子が付着堆積することを防ぐため、混合流体の流速をある程度高く保つ必要があるのに対し、着火性・保炎性の観点から、燃料ノズル（１次ノズル）２１の開口部においては流速を十分に低減する必要がある。よって、実施例１では、下流端における内径Ｄ１がベンチュリ３３の上流端Ｖ１における内径Ｄ２よりも大きく設定されており、Ｄ１≦Ｄ２の場合に比べて、着火性・保炎性が向上している。
　なお、流路区画部材３６、支持部材３７について、後述する各実施例においても実施例１と同様の構成をとることが望ましく、それにより同様の作用、効果を奏する。

　図６は本発明の実施例の他の形態の説明図であり、図２に対応する図である。
　図６に示す形態では、ベンチュリ３３が設けられていない。図１～図４に示す形態では、保守点検等の際に点火バーナ３２および燃料濃縮器３４を引き抜く際に、ベンチュリ３３のくびれた部分を通過できるように、燃料濃縮器３４の旋回羽根３４ｃ，３４ｄの外径の大きさに制約があった。これに対して、図６に示す形態のようにベンチュリ３３を設けない構成とすることで、旋回羽根３４ｃ，３４ｄの設計の自由度が向上する。

　また、図６に示す形態では、燃料ノズル２１の上流端Ｖ１から開口部ｆｓまで燃料ノズル２１の断面積が単調増加または同一となっており、ベンチュリ３３のように流速が脈動する部分がない。よって、燃料ノズル２１内の流速は単調減少または同一となり、流れが安定しやすく、燃料が堆積、滞留する部位も発生しにくい。

　図７は本発明の固体燃料バーナを備えたボイラ（燃焼装置）の説明図であり、図７（Ａ）は缶（ボイラ）前後各３段の固体燃料バーナのうちの缶前側および缶後ろ側の最上段にバイオマス燃料を使用する、本発明の固体燃料バーナを設けた場合の説明図、図７（Ｂ）および図７（Ｄ）は缶前側の最上段にバイオマス燃料を使用する、本発明の固体燃料バーナを設けた場合の説明図、図７（Ｃ）および図７（Ｅ）は缶後ろ側の最上段にバイオマス燃料を使用する、本発明の固体燃料バーナを設けた場合の説明図である。
　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。

　図１に示すように、バイオマス燃料を使用した場合、粒子径の大きいバイオマス燃料が未着火のまま炉底に落下することがある。未着火のバイオマス燃料が炉底にたまると、メンテナンスの頻度を高くしないといけなくなったり、燃料の無駄が多くなったりする問題がある。
　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。

　また、缶前側および缶後側に各３段の固体燃料バーナを備えた既設の燃焼装置１において、最上段の固体燃料バーナ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。したがって、既設の石炭のみを使用する燃焼装置１を、バイオマス燃料を使用する燃焼装置１に容易に転換することができる。
　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。

　なお、図１、図７において、固体燃料バーナ７，７′を上下方向に３段備えた構成を例示したが、これに限定されない。２段または４段以上の構成と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。

　以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲で、種々の変更を行うことが可能である。
　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。

　さらに、燃料濃縮器３４として、第１の旋回器３４ａと第２の旋回器３４ｂを２つ有する構成を例示したがこれに限定されない。３つ以上設けることも可能であるし、１つとすることも可能である。なお、旋回器を１つとした場合でも、流路区画部材３６において、旋回が弱まるため、流路区画部材３６を通過後の混合流体は旋回が弱まった状態で噴出される。特に、支持部材３７が外側流路２４ａを周方向複数に区画するような形態のものであれば、それにより、旋回を弱める効果が大きく得られる利点があり好適である。また、流路区画部材３６での旋回の弱まりを考慮して、第２の旋回器３４ｂの逆旋回を付与する性能を第１の旋回器３４ａの旋回を付与する性能よりも低くすることも可能である。すなわち、第２の旋回羽根３４ｄの外径を短くしたり傾斜角を小さくしたり軸方向の長さを短くしたり等の変更が可能である。

　図８は本発明の変更例の説明図であり、旋回器が１つの形態の説明図である。
　図８において、燃料ノズル２１は、混合流体流路の上流側端部の近傍に直管状の部分が形成され、その後流側に拡管状の部分が接続され、さらに後流側のノズル開口端部の近傍に直管状の部分が形成されている。
　燃料ノズル２１の内径は、混合流体流路の上流側より位置Ｖ１からＶ３までが最も小さく、Ｄ２でほぼ一定、位置Ｖ３からＶ４までがＤ２からＤ１へと拡大、位置Ｖ４より下流側ではＤ１でほぼ一定となるように構成されている。

　図８に示す形態の旋回器３４は、例えば、上流側端部の近傍に直管状の部分からその後流側に拡管状の部分に設定される。即ち、旋回羽根３４ｃの上流側端部Ｃ１が位置Ｖ１からＶ３の間に設定され、下流側端部Ｃ２が位置Ｖ３からＶ４の間に設定される。ここで旋回器３４の外径Ｄｓは、Ｄ２よりも小さく、旋回羽根３４ｃ外周端部が燃料ノズル２１の内壁面から離間した状態で設置されている（実施例１と同様）。

　以上の構成により、旋回器３４の上流側には、燃料配管８から屈曲して燃料ノズル２１に流入してくる混合流体が燃料ノズル周方向に分散する流路長さを確保しつつ、旋回器３４により燃料粒子にノズル内壁、径方向の外側に向かう旋回を付与できる。
　流路区画部材３６、支持部材３７は、後流側のノズル開口端部近傍の直管状部分に設けられ、実施例１と同様の構成をとることで、燃料ノズル２１の内周壁側に濃縮された燃料粒子がノズル内側に拡散することを抑制でき、かつ外側流路２４ａを流れる混合流体速度が低減されるため、バーナ開口端部領域における着火性・保炎性の向上が図れる。

７…固体燃料バーナ、
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、
３３…ベンチュリ、
３４…燃料濃縮器、
３４ｃ，３４ｄ…羽根、
３６…流路区画部材。

Claims

　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、
　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た、
　ことを特徴とする固体燃料バーナ。
　前記流路区画部材は、外側流路の断面積が上流端よりも下流端の方で拡大する形状を有する
　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バーナ軸方向に対して離れた２箇所に設置すると共に、各々の複数の羽根構造の旋回方向が逆方向である
　ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体燃料バーナ。
　前記燃料ノズルの流路の断面積が、上流端部よりも下流端部の方が大きく形成された
　ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の固体燃料バーナ。
　前記燃料ノズルの流路の断面積が、上流端部から下流端部に向けて単調増加または同一である
　ことを特徴とする請求項４に記載の固体燃料バーナ。
　前記燃料ノズルの流路の上流端部から下流端部の間で且つ前記燃料濃縮器よりも上流側に、断面積が減少後増大するベンチュリが設けられた
　ことを特徴とする請求項４に記載の固体燃料バーナ。
　前記燃料ノズルの内壁側から支持部材によって支持された前記流路区画部材、
　を備えたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の固体燃料バーナ。
　前記支持部材は、前記燃料ノズル周方向の流路幅が下流側に行くに連れて狭まるように幅が大きく形成され、最大幅に達した後、下流側に行くに連れて流路幅が徐々に拡大するように幅が小さく形成された、
　ことを特徴とする請求項７に記載の固体燃料バーナ。
　火炉の側壁面の上下方向に複数段、且つ、各段において炉幅方向に複数のバーナを備えた燃焼装置であって、
　請求項１ないし８のいずれかに記載の固体燃料バーナを少なくとも最上段に１以上備えてなることを特徴とする燃焼装置。