WO2020230245A1 - 固体燃料バーナ、ボイラ装置および固体燃料バーナのノズルユニット - Google Patents

Abstract

ＮＯｘの発生を抑えつつ未燃分やＣＯを低減できる固体燃料バーナを提供すること。火炉（２）の壁部（１９）に穿設されたバーナスロート（２８）に挿入される固体燃料バーナ（５）であって、固体燃料と一次空気との混合流体を噴出する固体燃料ノズル（１０）と、二次空気を噴出する二次空気ノズル（１１）と、三次空気を噴出する三次空気ノズル（１２）と、固体燃料ノズルの先端外周部に位置して、二次空気の流れを径方向の外側に案内する二次空気案内部材（３４）と、三次空気ノズルの先端部に位置して、三次空気の流れを固体燃料バーナの中心軸（Ｃ）に対して第１の角度（θ１）で径方向の外側に案内する１つ以上の三次空気案内部材（２０）と、を備えた固体燃料バーナにおいて、固体燃料バーナの軸方向における三次空気案内部材の先端位置（Ｘ２）は、二次空気案内部材の先端位置（Ｘ１）より火炉側である。

Description

固体燃料バーナ、ボイラ装置および固体燃料バーナのノズルユニット

　本発明は、微粉炭やバイオマスなどの固体燃料を燃焼させる固体燃料バーナ、この固体燃料バーナを備えたボイラ装置、および固体燃料バーナのノズルユニットに関する。

　本技術分野の背景技術として、特許文献１には、「微粉炭と一次空気との混合物を噴出する微粉炭ノズルの外側に二次空気を噴出する二次空気ノズルが同心円状に設けられるとともに、該二次空気ノズルの外側に三次空気を噴出する三次空気ノズルが同心円状に設けられ、二次空気流路と三次空気流路を隔てる隔壁先端部に拡管部が設けられている微粉炭燃焼バーナにおいて、前記微粉炭ノズルと前記二次空気ノズルを隔てる隔壁先端部に一次空気の流れに対し略垂直な平面を有する障害物と二次空気の流れに対し略垂直な平面を有する案内板を設け、前記障害物の平面は、前記案内板の平面より前記微粉炭ノズルの軸方向の上流側に位置し、前記案内板の平面は、前記拡管部の先端よりも前記微粉炭ノズルの軸方向の下流側に突出させて設ける」ことが記載されている。

　特許文献１によれば、二次空気の流れを案内板により径方向の外側に偏向させることで、一次空気によって形成される酸素濃度の低い還元炎領域を大きくできる。これにより、ＮＯｘの発生が抑制される。

特許第３９８６１８２号公報

　しかしながら、酸素濃度の低い還元炎領域を大きくすると、固体燃料と二次空気および三次空気との混合が遅くなるため、未燃分やＣＯが増加する傾向にある。そのため、特許文献１に記載の固体燃料バーナにおいて、未燃分やＣＯをより一層低減させるためには、さらなる工夫が必要である。

　本発明は、ＮＯｘの発生を抑えつつ未燃分やＣＯを低減できる固体燃料バーナ、ボイラ装置および固体燃料バーナのノズルユニットを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、代表的な本発明は、火炉の壁部に穿設されたバーナスロートに挿入される固体燃料バーナであって、固体燃料と一次空気との混合流体を噴出する固体燃料ノズルと、前記固体燃料ノズルの外側に前記固体燃料ノズルと同心円状に設けられ、二次空気を噴出する二次空気ノズルと、前記二次空気ノズルの外側に前記二次空気ノズルと同心円状に設けられ、三次空気を噴出する三次空気ノズルと、前記固体燃料ノズルの先端外周部に位置して、二次空気の流れを径方向の外側に案内する二次空気案内部材と、前記三次空気ノズルの先端部に位置して、三次空気の流れを前記固体燃料バーナの中心軸に対して第１の角度で径方向の外側に案内する１つ以上の三次空気案内部材と、を備えた固体燃料バーナにおいて、前記固体燃料バーナの軸方向における前記三次空気案内部材の先端位置は、前記二次空気案内部材の先端位置より前記火炉側であることを特徴とする。

　本発明によれば、ＮＯｘの発生を抑えつつ未燃分やＣＯを低減できる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態に係るボイラ装置の全体構成を示す側面図である。 本発明の第１実施形態に係る固体燃料バーナの概略図である。 図２に示すＤ部の拡大図である。 本発明の第１実施形態に係る固体燃料バーナのノズル先端域の空気の流れを示す図である。 従来の固体燃料バーナのノズル先端域の空気の流れを示す図である。 第１実施形態の変形例に係りガイドスリーブを２つ有する固体燃料バーナの概略図である。 本発明の第２実施形態に係る固体燃料バーナの概略図である。 本発明の第２実施形態に係る固体燃料バーナのノズル先端の空気の流れを示す図である。 シール空気導入板を設けていない固体燃料バーナのノズル先端域の空気の流れを示す図である。 本発明の第３実施形態に係る固体燃料バーナの概略図である。 本発明の第４実施形態に係る固体燃料バーナの概略図である。 本発明の第４実施形態に係る固体燃料バーナのノズル先端の空気の流れを示す図である。 本発明の第５実施形態に係る固体燃料バーナの概略図である。 本発明の第２～５実施形態の変形例に係りガイドスリーブを２つ有する固体燃料バーナの概略図である。 図１２に示す固体燃料バーナの要部断面図である。 本発明の第６実施形態に係る固体燃料バーナの概略図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態に係るボイラ装置の全体構成を示す側面図である。本実施形態に係るボイラ装置１は、火炉２と、ケージ部（後部伝熱部）３と、火炉２とケージ部３とを繋ぐ副側壁４と、を備える。火炉２には、以下に説明する第１実施形態に係る固体燃料バーナ５－１が多段に亘って対向配置されている。各固体燃料バーナ５－１から噴出された固体燃料は火炉２内にて燃焼され、燃焼排ガスとして副側壁４、ケージ部３を順に流れた後、図示しない排ガス処理装置を介して大気に排出される。勿論、本明細書において説明する他の実施形態に係る固体燃料バーナを図１に示すボイラ装置１に適用することができる。また、図１に示すボイラ装置１は、火炉２における固体燃料バーナ５－１の上部に空気のみを供給する開口部（アフターエアポート）を備えていない単段燃焼式であるが、アフターエアポートを備える二段燃焼式としても良い。

［第１実施形態］
　次に、本発明の第１実施形態に係る固体燃料バーナ５－１について説明する。図２は第１実施形態に係る固体燃料バーナ５－１の概略図、図３は図２に示すＤ部の拡大図である。図２に示すように、固体燃料バーナ５－１は、そのノズル先端（バーナ出口側）が火炉２の壁部である水壁１９に穿設されたバーナスロート２８に対して水平方向に挿入されるようにして、火炉２の水壁１９に取り付けられる。なお、バーナスロート２８は、その内周面がバーナ中心軸Ｃに対して第２の角度θ２で傾斜するように水壁１９のバーナ５－１側（水壁１９の外側）から火炉２側（水壁１９の内側）に向かって拡径して形成された開口部である。

　固体燃料バーナ５－１は、燃料ノズル（固体燃料ノズル）１０を有する。燃料ノズル１０は、基部側が燃料含有流体配管（図示せず）に接続された筒状部材であり、その内部は固体燃料と一次空気（搬送ガス）の固気二相流（混合流体１３）が流れる一次空気流路１０ａとなる。固体燃料としては、石炭（微粉炭）やバイオマスなどの固体や紛体、またはこれらの混合物であっても良く、本実施形態では、固体燃料として微粉炭を用いた例を示している。なお、以下の説明において、混合流体１３のことを一次空気１３と言う場合がある。

　燃料ノズル１０の外側（外周側）には、二次空気１４が流れる二次空気流路１１ａを有する二次空気ノズル１１が設けられ、二次空気ノズル１１の外側（外周側）には、三次空気１５が流れる三次空気流路１２ａを有する三次空気ノズル１２が設けられている。なお、二次空気１４および三次空気１５は燃焼用ガスであり、通常は搬送ガスである一次空気と同様に空気が使用されるが、燃焼排ガスや富酸素ガス、またはこれらのガスや空気との２以上の混合気体等も適用できる。

　燃料ノズル１０と二次空気ノズル１１と三次空気ノズル１２をバーナ出口側（火炉２側）の正面から見ると、燃料ノズル１０を中心にしてその外側に環状の二次空気ノズル１１が同心円状に配置され、二次空気ノズル１１の外側に環状の三次空気ノズル１２が同心円状に配置されている。なお、第１実施形態では、三次空気流路１２ａの入口部分に、三次空気１５に旋回を付与する旋回器２２が配置されているが、旋回器２２を設けない構成とすることも可能である。

　燃料ノズル１０の内部には、燃料ノズル１０を貫通する起動バーナ（オイルガン）１６が設けられ、ボイラ起動時あるいはボイラ低負荷時に予熱や助燃のために使用される。なお、固体燃料バーナ５－１の構成によっては、起動バーナ１６は設置しない場合もある。

　燃料ノズル１０の開口端部（即ち、火炉２側出口）には、一次空気１３と二次空気１４のそれぞれの噴出口の間に循環流５１（図４Ａ参照）を形成させるための保炎器２３が設けられている。この保炎器２３は、該保炎器２３の下流側に循環流５１を形成して着火性と保炎効果を高めるように燃料ノズル１０の先端部外周に設けられる。

　起動バーナ１６、燃料ノズル１０、二次空気ノズル１１および三次空気ノズル１２は、それぞれ火炉２内に向けて噴出物を噴出する。また、これら起動バーナ１６、燃料ノズル１０、二次空気ノズル１１および三次空気ノズル１２は、バーナスロート２８を囲むウインドボックス（風箱）２５内に配置されている。燃焼用空気は、このウインドボックス２５を介して供給される。隔壁１８は、ウインドボックス２５の内部空間と炉外２６とを隔てる壁状部材である。

　二次空気流路１１ａと三次空気流路１２ａを隔てる隔壁の先端部にはバーナ中心軸Ｃに対して径方向に拡管する（末広がり形状の）ガイドスリーブ２０が設けられている。ガイドスリーブ（三次空気案内部材）２０は、バーナ中心軸Ｃに対して第１の角度θ１で径方向の外側に傾斜している。この第１の角度θ１は上述したバーナスロート２８の内周面の傾斜角度である第２の角度θ２と略同一であって、１０度～４０度の範囲内に設定されている。より好ましくは、第１の角度θ１および第２の角度θ２は、２０度～３０度の範囲内である。

　第１の角度θ１および第２の角度θ２が４０度を超えると、二次空気１４および三次空気１５が径方向の外側に向かって流れ過ぎるため、一次空気１３による還元炎領域が大きくなり過ぎて、固体燃料の残留物である未燃分やＣＯの低減効果があまり見込めなくなる。また、第１の角度θ１および第２の角度θ２が１０度未満であると、還元炎領域が小さくなるため、ＮＯｘの低減効果があまり見込めなくなる。そのため、第１の角度θ１および第２の角度θ２は１０度～４０度の範囲内が好ましく、２０度～３０度の範囲内に設定すると、固体燃料の未燃分およびＣＯの低減効果とＮＯｘの低減効果のバランスを図れるため、より好ましい。なお、ガイドスリーブ２０は、二次空気ノズル１１の外周側であって、三次空気ノズル１２の先端部に位置していれば良く、ガイドスリーブ２０がどこに取り付けられているかは問わない。例えば、ガイドスリーブ２０を二次空気ノズル１１の外周出口部先端に固定しても良いし、ガイドスリーブ２０を二次空気ノズル１１の外周出口部先端に位置させた状態でバーナスロート２８に直接または間接的に固定しても良い。

　保炎器２３の先端外周部には、径方向の外側に延びるリング状の案内リング（二次空気案内部材）３４が配置されている。案内リング３４はバーナ中心軸Ｃに対して略直交する略垂直面を有している。

　ここで、ガイドスリーブ２０と案内リング３４の位置関係について詳細に説明する。図３に示すように、バーナ中心軸Ｃに沿う方向（軸方向）においてガイドスリーブ２０が案内リング３４をオーバーラップしており、案内リング３４の先端位置Ｘ１より、ガイドスリーブ２０の先端位置Ｘ２の方が火炉２側（図３の右側）にある。別言すれば、先端位置Ｘ１より先端位置Ｘ２の方が空気の流れの下流側にある。そして、案内リング３４の手前側の側面（案内リング３４の火炉２と対面する側面と反対側の側面）とガイドスリーブ２０の内周面の先端との間の距離、即ち、ガイドスリーブ２０が案内リング３４をオーバーラップしている長さをＡとし、ガイドスリーブ２０の内周面の先端と案内リング３４の外周端との距離、即ち、ガイドスリーブ２０と案内リング３４の高さ方向における隙間をＢとしたときに、長さＡと隙間Ｂとの関係は、Ａ＞０．５×Ｂを満たすように設定されている。なお、ガイドスリーブ２０の先端位置Ｘ２および案内リング３４の先端位置Ｘ１は、バーナスロート２８内に収まっており、水壁１９の内周面より火炉２の内部側に突出していない。

　次に、第１実施形態に係る固体燃料バーナ５－１のノズル先端域の空気の流れについて、従来技術と比較して説明する。まず、従来の固体燃料バーナのノズル先端域の空気の流れについて図４Ｂを用いて説明する。図４Ｂは、従来の固体燃料バーナのノズル先端域の空気の流れを示す図である。図４Ｂに示す従来技術の構成は、案内リング３４の先端位置Ｘ１がガイドスリーブ２０の先端位置Ｘ２より火炉２側にある。つまり、第１実施形態と反対の位置関係であり、ガイドスリーブ２０が案内リング３４をオーバーラップしていない。なお、ガイドスリーブ２０の第１の角度θ１は、第１実施形態の第１の角度θ１と同じに設定されている。

　図４Ｂに示すように、従来の固体燃料バーナの構成では、二次空気１４は案内リング３４に衝突して径方向の外側に大きく向きを変える。その際、ガイドスリーブ２０が案内リング３４をオーバーラップしていないため、二次空気１４は三次空気１５を伴って大きく径方向の外側に流れる。その結果、還元炎領域５０ｂが大きくなり、ＮＯｘの低減効果は期待できるものの、固体燃料の未燃分やＣＯの低減効果は低い。

　次に、第１実施形態に係る固体燃料バーナ５－１のノズル先端域の空気の流れについて、図４Ａを用いて説明する。図４Ａは固体燃料バーナ５－１のノズル先端域の空気の流れを示す図である。図４Ａに示すように、一次空気１３は燃料ノズル１０から火炉２内に噴出する。二次空気１４は二次空気ノズル１１内を流れて、保炎器２３の案内リング３４に衝突し、流れ方向が径方向の外側に偏向される。案内リング３４の先端位置Ｘ１よりガイドスリーブ２０の先端位置Ｘ２の方が火炉２側に位置しているため、案内リング３４に衝突した二次空気１４は、ガイドスリーブ２０のうち案内リング３４からオーバーラップしている部分（図３のＡの部分）の内周面に沿って流れ、バーナ中心軸Ｃに対して第１の角度θ１で径方向の外側に向かって火炉２内に噴出する。三次空気１５は、三次空気ノズル１２内を流れ、ガイドスリーブ２０に沿って外周側に向きを変えながら、バーナ中心軸Ｃに対して第１の角度θ１で径方向の外側に向かって火炉２内に噴出する。

　このように、ガイドスリーブ２０の先端位置Ｘ２が案内リング３４の先端位置Ｘ１より火炉２側にあることで、二次空気１４の径方向外側への偏向がガイドスリーブ２０によって抑えられる。また、ガイドスリーブ２０の第１の角度θ１は１０度～４０度に設定されている。そのため、二次空気１４と三次空気１５は、ガイドスリーブ２０の第１の角度θ１だけ径方向外側に偏向されて火炉２内に噴出することになる。これにより、還元炎領域５０ａを上記従来技術と比べて狭くでき、固体燃料の未燃分やＣＯの発生を低減できる。

　以上説明したように、第１実施形態に係る固体燃料バーナ５－１によれば、ガイドスリーブ２０が案内リング３４をオーバーラップする構成としたので、二次空気１４および三次空気１５の径方向の外側への流れを抑えることができる。その結果、一次空気１３による還元炎領域５０ａが従来に比べて小さくなり、固体燃料の未燃分やＣＯの発生を低減できる。しかも、ガイドスリーブ２０の第１の角度θ１を１０度～４０度の範囲で、より好ましくは２０度～３０度の範囲に設定することで、固体燃料の未燃分およびＣＯの低減効果とＮＯｘの低減効果のバランスを図ることができる。

　また、ガイドスリーブ２０が案内リング３４をオーバーラップしている長さＡと、ガイドスリーブ２０と案内リング３４の高さ方向における隙間Ｂとの関係が、Ａ＞０．５×Ｂを満たすように設定されているので、二次空気１４が径方向外側に向かうのをガイドスリーブ２０が確実に抑えながら、二次空気１４をガイドスリーブ２０に沿って流すことができる。よって、好適な還元炎領域５０ａを形成でき、固体燃料の未燃分とＣＯの発生を効果的に抑止できる。

　さらに、二次空気１４および三次空気１５の径方向の外側への流れを抑制できるため、燃料ノズル１０から噴出される固体燃料と二次空気１４および三次空気１５との混合が早くなる。その結果、火炎温度が高くなるため火炉２の水壁１９への熱吸収が増加し、火炉２の出口におけるガス温度を下げることができ、スラッギングの抑制にも効果的である。なお、スラッギングとは、燃焼により溶融した灰が炉壁や伝熱管に付着して収熱の低下、および炉内の圧力損失を大きくする現象が生じることを言う。

　次に、本発明の第１実施形態の変形例に係りガイドスリーブ２０を複数有する固体燃料バーナ５－２の例について説明する。図５は本例の固体燃料バーナ５－２の概略図である。なお、ガイドスリーブ２０が１つの場合と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。

　図５に示すように、本例の固体燃料バーナ５－２は、ガイドスリーブ２０が三次空気ノズル１２の径方向に間隔を空けて複数（例えば２つ）設けられている点に特徴がある。２つのガイドスリーブ２０は図示しないスペーサにより所定の間隔に保持されており、同じく図示しないボルトや溶接により固定されている。なお、２つのガイドスリーブ２０の第１の角度θ１は共に略同じであり、例えば１０度～４０度の範囲内であり、より好ましくは２０度～３０度の範囲内に設定される。また、２つのガイドスリーブ２０の軸方向における先端位置Ｘ２は共に略同じ位置であり、案内リング３４の先端位置Ｘ１より火炉２側である。

　本例の固体燃料バーナ５－２では、三次空気１５が複数のガイドスリーブ２０によって第１の角度θ１だけ径方向の外側に案内されるため、例えば、三次空気ノズル１２出口部の径方向の幅が大きい場合（即ち、二次空気流路１１ａと三次空気流路１２ａとを隔てる隔壁の先端部とバーナスロート２８との間隔が大きい場合）に、三次空気１５の流れ方向を確実に制約することが可能となる。その結果、ガイドスリーブ２０が１つの場合に比べて、ガイドスリーブ２０により所定の角度θ１で確実に三次空気１５を火炉２内に供給でき、固体燃料の未燃分やＣＯの低減効果が確保される。

［第２実施形態］
　次に、本発明の第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３について説明する。図６は第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３の概略図である。なお、第１実施形態と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。第２実施形態では、バーナスロート２８の第２の角度θ２が、ガイドスリーブ２０の第１の角度θ１より大きい場合を想定している。例えば、既設のボイラ装置のバーナスロート２８の第２の角度θ２が４５度程度であって、そのバーナスロート２８に固体燃料バーナ５－３を設置する場合等が想定される。

　図６に示すように、第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３は、第１実施形態の構成に加えて、ガイドスリーブ２０とバーナスロート２８との間の位置に、シール空気導入板（シール空気導入部材）４０が設けられている点に特徴がある。このシール空気導入板４０は、バーナ中心軸Ｃから径方向の外側に第３の角度θ３だけ傾斜して配置されており、この第３の角度θ３は第１の角度θ１と略同じである。即ち、ガイドスリーブ２０とシール空気導入板４０とはほぼ同じ角度で傾斜している。そして、これら第１の角度θ１および第３の角度θ３は、例えば１０度～４０度の範囲内であり、より好ましくは２０度～３０度の範囲内に設定される。なお、ガイドスリーブ２０とシール空気導入板４０とは図示しないスペーサにより径方向に間隔を空けて設けられており、同じく図示しないボルトや溶接によって固定されている。シール空気導入板４０のスペーサによる間隔設定およびボルトや溶接による固定は、バーナスロート２８或いはバーナスロート２８に連続する部材側から実施しても良い。また、シール空気導入板４０の軸方向における先端位置Ｘ３は、ガイドスリーブ２０の先端位置Ｘ２と略同じに設定されている。

　次に、第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３のノズル先端域の空気の流れについて、シール空気導入板４０を設けていない構成と比較して説明する。まず、シール空気導入板４０を設けていない固体燃料バーナにおける空気の流れについて、図７Ｂを用いて説明する。図７Ｂはシール空気導入板４０を設けていない固体燃料バーナのノズル先端域の空気の流れを示す図であり、二次空気１４および三次空気１５の流れを実線の矢印で、火炉２内のガスの流れを破線の矢印でそれぞれ示している。

　図７Ｂに示すように、二次空気１４は二次空気流路１１ａを通って保炎器２３とガイドスリーブ２０の間に流入し、案内リング３４に衝突して径方向の外側に広げられる。そして、二次空気１４はガイドスリーブ２０の内周面に衝突し、ほぼガイドスリーブ２０の広がり角度（第１の角度θ１）で火炉２へと供給される。

　三次空気１５は三次空気流路１２ａで流れが絞られた後、ガイドスリーブ２０の外周側に沿ってほぼガイドスリーブ２０の傾き（第１の角度θ１）で火炉２へと供給される。二次空気１４および三次空気１５は、ガイドスリーブ２０を挟んでほぼガイドスリーブ２０の傾き（第１の角度θ１）で火炉２へと供給され、ガイドスリーブ２０の出口以降は、二次空気１４と三次空気１５は一体化した流れとなる。

　ここで、上述したように、バーナスロート２８の第２の角度θ２が４５度程度であり、ガイドスリーブ２０の第１の角度θ１（例えば、１０度～４０度）より大きいため、二次空気１４と三次空気１５が一体化した流れと、バーナスロート２８の広がり部との間には、二次空気１４と三次空気１５が一体化した流れに引き込まれる同伴現象によって循環流５２が形成される。バーナ近傍の火炉２の内部空間には、二次空気１４と三次空気１５が一体化した流れに誘引される大きな循環流５３が形成され、その一部がバーナスロート２８に形成される循環流５２に合流し、循環流５３の殆どは二次空気１４と三次空気１５が一体化された流れに同伴される。

　火炉２内の循環流５３には溶融した燃焼灰が含まれ、その一部はバーナスロート２８近傍に形成される循環流５２にも流入するため、シール空気導入板４０が設けられていない構成の場合、バーナスロート２８には溶融灰が次第に固着して大きなクリンカが形成される可能性がある。大きなクリンカが形成されると、二次空気１４と三次空気１５が一体化した流れの流動状態に変化を与えたり、空気の流路を閉塞したりする虞がある。

　次に、第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３のノズル先端域の空気の流れについて、図７Ａを用いて説明する。図７Ａは第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３のノズル先端の空気の流れを示す図である。第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３は、シール空気導入板４０を備えているため、ノズル先端域の空気の流れは図７Ｂとは異なるものとなる。具体的に説明すると、第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３では、二次空気１４および三次空気１５は一体化してガイドスリーブ２０の広がり角度と同等角度で噴出される。シール空気導入板４０はガイドスリーブ２０と同等の広がり角度としているので、シール空気導入板４０の内側には循環流５２は形成されない。

　シール空気導入板４０とバーナスロート２８との間には、三次空気１５の一部であるシール空気５５（図中太線）が導入され、シール空気導入板４０によって径方向外側に広げられ、バーナスロート２８との間を流れて、火炉２内に供給される。このシール空気５５の流れによって、バーナスロート２８の循環域形成も抑制されている。シール空気５５は火炉２内に供給された後、二次空気１４と三次空気１５が一体化した流れに同伴される。このシール空気５５の火炉２内での流れに乗って、火炉２内の高温ガスの循環流れ（戻り流）５３も二次空気１４と三次空気１５が一体化した流れに同伴されるため、火炉２内の高温ガス中の溶融灰のバーナ側への流入は抑えられ、バーナスロート２８近辺に灰が付着するのを抑制できる。

　このように、第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３によれば、第１実施形態と同様に還元炎領域５０ａを狭くできるため、固体燃料の未燃分やＣＯを低減できる。しかも、既設のボイラ装置に取り付けられている固体燃料バーナを第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３に交換したとしても、シール空気導入板４０を備えているため、バーナスロート２８近辺への灰付着が抑制される。つまり、第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３は、既設のボイラ装置の改造に適した構造である。

［第３実施形態］
　次に、本発明の第３実施形態に係る固体燃料バーナ５－４について説明する。図８は第３実施形態に係る固体燃料バーナ５－４の概略図である。なお、第１および第２実施形態と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。図８に示すように、第３実施形態に係る固体燃料バーナ５－４は、第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３に加えて、シール空気導入板４０の後端部（三次空気１５の流れの上流側の端部）に、シール空気誘導円筒部（シール空気誘導部材）４４が設けられている点に特徴がある。

　図８に示すように、三次空気１５は、バーナ中心軸Ｃに対して直角の方向に導入されるため、三次空気１５は、ガイドスリーブ２０とシール空気導入板４０との間に流れやすくなる。そこで、第４実施形態では、シール空気をより確実にシール空気導入板４０の径方向外側に導くために、シール空気誘導円筒部４４を設けている。これにより、三次空気１５の一部をシール空気としてシール空気導入板４０とバーナスロート２８との間の流路へと確実に導いて、循環流５２（図７Ｂ参照）の発生を防止している。これにより、さらにバーナスロート２８近辺に灰が付着し難くなるといった利点がある。なお、シール空気誘導円筒部４４の長さは最適なシール空気が供給できるように任意に設計可能であり、旋回器２２が設置されている側のスペースに突出しても良い。

［第４実施形態］
　次に、本発明の第４実施形態に係る固体燃料バーナ５－５について説明する。図９は第４実施形態に係る固体燃料バーナ５－５の概略図である。なお、第１～第３実施形態と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。図９に示すように、第４実施形態に係る固体燃料バーナ５－５は、第３実施形態に係る固体燃料バーナ５－４に加えて、シール空気導入板４０の先端部（三次空気１５の流れの下流側の端部）に、シール空気偏向板（シール空気偏向部材）４２が設けられている点に特徴がある。シール空気偏向板４２は、シール空気導入板４０の先端部から径方向の外側に延在し、バーナ中心軸Ｃに対して略垂直な平面を有している。

　次に、第４実施形態に係る固体燃料バーナ５－５のノズル先端域の空気の流れについて、図１０を用いて説明する。図１０は第４実施形態に係る固体燃料バーナ５－５のノズル先端の空気の流れを示す図である。第４実施形態に係る固体燃料バーナ５－５では、シール空気誘導円筒部４４にて誘導されたシール空気は、シール空気導入板４０によって第３の角度θ３（≒θ１）だけバーナ中心軸Ｃに対して径方向の外側に向かって流れていき、シール空気偏向板４２に衝突してさらに径方向の外側に偏向する。これによって、第２或いは第３実施形態と比べて、より確実に循環流５２（図７Ｂ参照）の発生を防止でき、バーナスロート２８近辺への灰の付着をより一層防止できる。

［第５実施形態］
　次に、本発明の第５実施形態に係る固体燃料バーナ５－６について説明する。図１１は第５実施形態に係る固体燃料バーナ５－６の概略図である。なお、第１～第４実施形態と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。図１１に示すように、第５実施形態に係る固体燃料バーナ５－６は、シール空気導入板４０の先端位置Ｘ３がガイドスリーブ２０の先端位置Ｘ２より軸方向において火炉２側に位置している点が、第４実施形態に係る固体燃料バーナ５－５と相違する。ただし、シール空気導入板４０の先端位置Ｘ３は、火炉２の水壁１９の内周面より内側に突出していない。

　第５実施形態によれば、シール空気導入板４０の先端位置Ｘ３がガイドスリーブ２０の先端位置Ｘ２よりも若干、火炉２の側にあるため、二次空気１４および三次空気１５の径方向外側への広がりがより抑えられるため、第４実施形態より還元炎領域５０ａを確実に狭くでき、固体燃料の未燃分やＣＯの低減効果がより一層高まる。

　次に、本発明の第２～５実施形態の変形例に係りガイドスリーブ２０を複数有する固体燃料バーナ５－７の例について説明する。図１２は本例の固体燃料バーナ５－７の概略図である。なお、ガイドスリーブ２０が１つの場合と同一の構成については同一符号を付して説明を省略する。図１２に示すように、本例の固体燃料バーナ５－７は、第２～５実施形態に係る固体燃料バーナ５－３の構成に加えて、ガイドスリーブ２０を径方向に複数（例えば２つ）設けた点に特徴がある。なお、ガイドスリーブ２０の先端位置Ｘ２およびシール空気導入板４０の先端位置Ｘ３は軸方向において略同じである。また、図１２のシール空気導入構造は第４実施形態（図９参照）をベースとしている。

　本例によれば、ガイドスリーブ２０が径方向に複数設けられているため、例えば、三次空気ノズル１２出口部の径方向の幅が大きい場合（即ち、二次空気流路１１ａと三次空気流路１２ａとを隔てる隔壁の先端部とバーナスロート２８との間隔が大きい場合）に、三次空気１５の流れ方向を確実に規定することが可能となる。その結果、ガイドスリーブ２０により所定の角度θ１で確実に三次空気１５を火炉２内に供給でき、還元炎領域５０ａを確実に狭くでき、ガイドスリーブ２０が１つの場合に比べ固体燃料の未燃分やＣＯの低減効果がより確実となる。

　また、図１３は、図１２に示す固体燃料バーナ５－７の要部断面図である。図１３に示すように、本例の固体燃料バーナ５－７において、２つのガイドスリーブ２０は、スペーサ６を介して所定の間隔を空けて取り付けられており、ボルト８、ナット９により固定されている。シール空気誘導円筒部４４にはサポート７が設けられている。このサポート７は、シール空気誘導円筒部４４と二次空気ノズル１１の外周面との間の径方向の位置決めを行うためのものである。シール空気誘導円筒部４４とシール空気導入板４０とシール空気偏向板４２とは一体化されており、２つのガイドスリーブ２０もスペーサ６を介して一体化されている。そして、２つのガイドスリーブ２０とシール空気導入板４０とが一体化されているため、これらの部品により１つの固体燃料バーナ用のノズル先端ユニットＮＵが構成されている。

　ノズル先端ユニットＮＵは、二次空気ノズル１１の外周側に着脱自在に配置されており、ノズル先端ユニットＮＵを二次空気ノズル１１に外側から嵌め込むと、シール空気誘導円筒部４４に設けられたサポート７により径方向の位置決めがなされる。また、軸方向の先端位置Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３も予め適正な位置関係に固定されているため、ノズル先端ユニットＮＵを二次空気ノズル１１の先端部に嵌め込んで二次空気ノズル１１に任意の固定手段により固定するだけで取り付けが完了する。

　本例によれば、ノズル先端ユニットＮＵによりガイドスリーブ２０、シール空気導入板４０等の部品がユニット化されているため、組立および分解作業が簡単になる。なお、ノズル先端ユニットＮＵをバーナスロート２８に直接または間接的に固定しても良い。また、シール空気誘導円筒部４４とシール空気導入板４０とシール空気偏向板４２を一体化して第１ユニットとし、２つのガイドスリーブ２０を一体化して第１ユニットとは別の第２ユニットとし、第１ユニットをバーナスロート２８或いはバーナスロート２８から連続する部材に固定し、第２ユニットを二次空気ノズル１１に固定する構成としても良い。

［第６実施形態］
　次に、本発明の第６実施形態に係る固体燃料バーナ５－８について説明する。図１４は第６実施形態に係る固体燃料バーナ５－８の概略図である。なお、第１～第５実施形態と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。図１４に示すように、第６実施形態に係る固体燃料バーナ５－８は、第２実施形態に係る固体燃料バーナ５－３の構成に加えて、シール空気導入板４０とバーナスロート２８との間に、シール空気の偏流を抑制するためのシール空気偏流抑制板（シール空気偏流抑制部材）４８がさらに設けられている点に特徴がある。このシール空気偏流抑制板４８は、例えば、多数の孔が設けられたパンチングプレートや、多数のスリットが設けられたプレートで構成される。

　シール空気偏流抑制板４８を設けることにより、シール空気導入板４０の径方向外側に導入されたシール空気は、均一な流れとなって火炉２内に供給されるため、循環流５２の形成を防止して、バーナスロート２８近辺の灰の付着を防止できる。また、シール空気偏流抑制板４８を設けることで、シール空気偏向板４２を設ける必要がなくなる。つまり、シール空気偏流抑制板４８は、第４および第５実施形態にて用いられるシール空気偏向板４２と代替可能な部材である。

　なお、本発明は上記した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。

　例えば、シール空気導入板４０とシール空気偏向板４２とを備え、シール空気誘導円筒部４４を設けない構成としても良い。また、第１の角度θ１と第３の角度θ３とが略同一の構成を説明したが、１０度～４０度の範囲内であれば、両者は必ずしも同一の角度でなくて良い。

　１　ボイラ装置
　２　火炉
　５－１～１０　固体燃料バーナ
　６　スペーサ
　７　サポート
　１０　燃料ノズル（固体燃料ノズル）
　１１　二次空気ノズル
　１２　三次空気ノズル
　１３　一次空気（混合流体）
　１４　二次空気
　１５　三次空気
　１９　水壁（壁部）
　２０　ガイドスリーブ（三次空気案内部材）
　２３　保炎器
　２８　バーナスロート
　３４　案内リング（二次空気案内部材）
　４０　シール空気導入板（シール空気導入部材）
　４２　シール空気偏向板（シール空気偏向部材）
　４４　シール空気誘導円筒部（シール空気誘導部材）
　４８　シール空気偏流抑制板（シール空気偏流抑制部材）
　５０ａ，５０ｂ　還元炎領域
　Ｃ　バーナ中心軸
　ＮＵ　ノズルユニット
 

Claims (12)

1. 　火炉の壁部に穿設されたバーナスロートに挿入される固体燃料バーナであって、
   　固体燃料と一次空気との混合流体を噴出する固体燃料ノズルと、
   　前記固体燃料ノズルの外側に前記固体燃料ノズルと同心円状に設けられ、二次空気を噴出する二次空気ノズルと、
   　前記二次空気ノズルの外側に前記二次空気ノズルと同心円状に設けられ、三次空気を噴出する三次空気ノズルと、
   　前記固体燃料ノズルの先端外周部に位置して、二次空気の流れを径方向の外側に案内する二次空気案内部材と、
   　前記三次空気ノズルの先端部に位置して、三次空気の流れを前記固体燃料バーナの中心軸に対して第１の角度で径方向の外側に案内する１つ以上の三次空気案内部材と、を備えた固体燃料バーナにおいて、
   　前記固体燃料バーナの軸方向における前記三次空気案内部材の先端位置は、前記二次空気案内部材の先端位置より前記火炉側であることを特徴とする固体燃料バーナ。
2. 　請求項１に記載の固体燃料バーナにおいて、
   　前記バーナスロートは、その内周面が前記中心軸に対して第２の角度で傾斜するように前記火炉の壁部のバーナ側から火炉側に向かって拡径して形成され、
   　前記第１の角度は、前記第２の角度と略同一で、かつ、前記中心軸に対して１０度～４０度の範囲内に設定されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
3. 　請求項２に記載の固体燃料バーナにおいて、
   　より好ましくは、前記第１の角度は、前記中心軸に対して２０度～３０度の範囲内に設定されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
4. 　請求項１に記載の固体燃料バーナにおいて、
   　前記バーナスロートは、その内周面が前記中心軸に対して第２の角度で傾斜するように前記火炉の壁部のバーナ側から火炉側に向かって拡径して形成され、
   　前記第１の角度は、前記中心軸に対して１０度～４０度の範囲内に設定され、
   　前記第２の角度は、前記第１の角度より大きくなっており、
   　前記三次空気案内部材と前記バーナスロートとの間に、三次空気の一部をシール空気として導入するシール空気導入部材がさらに設けられ、
   　前記シール空気導入部材は、前記中心軸に対して第３の角度で径方向の外側に傾斜していることを特徴とする固体燃料バーナ。
5. 　請求項４に記載の固体燃料バーナにおいて、
   　前記シール空気導入部材における三次空気の流れの上流側の端部に、前記シール空気を前記シール空気導入部材に誘導するためのシール空気誘導部材がさらに設けられていることを特徴とする固体燃料バーナ。
6. 　請求項４または５に記載の固体燃料バーナにおいて、
   　前記シール空気導入部材の先端部に、前記シール空気を径方向の外側に偏向するためのシール空気偏向部材がさらに設けられていることを特徴とする固体燃料バーナ。
7. 　請求項４～６の何れか１項に記載の固体燃料バーナにおいて、
   　前記固体燃料バーナの軸方向における前記シール空気導入部材の先端位置は、前記三次空気案内部材の先端位置と略同一または前記三次空気案内部材の先端位置より火炉側であることを特徴とする固体燃料バーナ。
8. 　請求項４～７の何れか１項に記載の固体燃料バーナにおいて、
   　前記第３の角度は、前記第１の角度と略同一に設定されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
9. 　請求項４または５に記載の固体燃料バーナにおいて、
   　前記シール空気導入部材と前記バーナスロートとの間に、前記シール空気の偏流を抑制するためのシール空気偏流抑制部材がさらに設けられていることを特徴とする固体燃料バーナ。
10. 　請求項９に記載の固体燃料バーナにおいて、
    　前記シール空気偏流抑制部材は、多数の孔やスリットが形成されたプレートであることを特徴とする固体燃料バーナ。
11. 　請求項１～１０の何れか１項に記載の固体燃料バーナを備えたことを特徴とするボイラ装置。
12. 　固体燃料と一次空気との混合流体を噴出する固体燃料ノズルと、
    　前記固体燃料ノズルの外側に前記固体燃料ノズルと同心円状に設けられ、二次空気を噴出する二次空気ノズルと、
    　前記二次空気ノズルの外側に前記二次空気ノズルと同心円状に設けられ、三次空気を噴出する三次空気ノズルと、
    　前記固体燃料ノズルの先端外周部に位置して、二次空気の流れを径方向の外側に案内する二次空気案内部材と、を備えた固体燃料バーナに適用され、前記二次空気ノズルの先端外周部に配置される固体燃料バーナのノズルユニットにおいて、
    　三次空気の流れを前記固体燃料バーナの中心軸に対して第１の角度で径方向の外側に案内する複数の三次空気案内部材と、
    　前記複数の三次空気案内部材の径方向の外側に設けられ、三次空気の一部をシール空気として導入し、前記第１の角度で径方向の外側に案内するシール空気導入部材と、
    　前記シール空気導入部材における三次空気の流れの上流側の端部に設けられ、前記シール空気を前記シール空気導入部材に誘導するためのシール空気誘導部材と、
    　前記シール空気導入部材の先端部に設けられ、前記シール空気を径方向の外側に偏向するためのシール空気偏向部材と、を備えたことを特徴とする固体燃料バーナのノズルユニット。

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