WO2022024552A1

WO2022024552A1 - サイクロンバーナ、サイクロンバーナユニット、ノズルユニット、およびサイクロンバーナの改造方法

Info

Publication number: WO2022024552A1
Application number: PCT/JP2021/021578
Authority: WO
Inventors: 斉谷口; 慎也 ▲濱▼▲崎▼; 佑介越智; 研滋木山; 隆弘丸本; 建三有田; 聡彦嶺
Original assignee: 三菱パワー株式会社
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2021-06-07
Publication date: 2022-02-03
Also published as: WO2022024386A1

Abstract

本発明は、サイクロンバーナの着火改善を図ることを目的とする。火炉（２１）の壁部（３０）に穿設されたバーナスロート（３１）に挿入されるサイクロンバーナ（１００，２００）であって、固体燃料と一次空気との混合流体が接線方向から供給される円筒部（２ａ）と、円筒部の先端部に設けられ、先端側に向かうに連れて縮径する中空の円錐台部（２ｂ）と、を含んで構成されると共に、サイクロンバーナの中心軸（Ｃ）と同軸上に配置されるサイクロン式濃縮器（２）と、サイクロン式濃縮器の先端部に設けられ、混合流体を噴出する燃料ノズル（６）と、燃料ノズルの外周側に燃料ノズルと同心円状に設けられ、燃焼用空気を噴出する燃焼用空気ノズル（１０）と、燃料ノズルの先端部の外周側に設けられる保炎器（１７）と、を備える。

Description

サイクロンバーナ、サイクロンバーナユニット、ノズルユニット、およびサイクロンバーナの改造方法

　本発明は、微粉炭などの固体燃料を燃焼させるサイクロンバーナ、２つのサイクロンバーナで構成されるサイクロンバーナユニット、サイクロンバーナの先端部に取り付けられるノズルユニット、および既設のボイラ装置に取り付けられたサイクロンバーナの改造方法に関する。

　本技術分野の背景技術として、例えば特許文献１には、円筒外部バレルにより形成されたハウジングと、中空円錐台と、円筒注入ノズル（燃料ノズル）と、を備えたサイクロンバーナが記載されている。特許文献１に記載のサイクロンバーナでは、円筒外部バレルに接線方向から固体燃料と一次空気との混合流体が供給され、中空円錐台部出口までに旋回流による遠心力で固体燃料が濃縮される。そして、濃縮された固体燃料を含む混合流体は、円筒注入ノズルの出口にて高温のスリーブエア（燃焼用空気）と混合し、円筒注入ノズルから火炉内に噴出する。これにより、固体燃料の着火の促進が図られている。

　また、特許文献２には、サイクロンバーナのノズル先端に保炎リング（保炎器）を設けた構成が記載されている。

米国特許第５，６７８，４９９号明細書特開平２－１２２１０３号公報

　しかしながら、特許文献１では、せっかく濃縮された固体燃料がバーナ出口でスリーブエアと混合されるため、固体燃焼の濃度が低下し、固体燃料が火炉内で十分に着火しない場合もある。特に、ボイラ装置の低負荷運転時には、固体燃料に対する一次空気の割合が増加するため、固体燃料が十分に着火しない可能性が高い。

　また、特許文献２においても、微粉炭（固体燃料）は微粉炭濃縮器（燃料濃縮器）にて濃縮されるが、微粉炭と一次空気とから成る混合流体が微粉炭分散板を通過する際に、微粉炭が分散されて微粉炭の濃度が低下する。そのため、ノズル先端に保炎リングが設けられていても、微粉炭が十分に着火しない可能性がある。

　そこで、本発明は、サイクロンバーナの着火改善を図ることを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明の一態様は、火炉の壁部に穿設されたバーナスロートに挿入されるサイクロンバーナであって、固体燃料と一次空気との混合流体が接線方向から供給される円筒部と、前記円筒部の先端部に設けられ、先端側に向かうに連れて縮径する中空の円錐台部と、を含んで構成されると共に、前記サイクロンバーナの中心軸と同軸上に配置されるサイクロン式濃縮器と、前記サイクロン式濃縮器の先端部に設けられ、前記混合流体を噴出する燃料ノズルと、前記燃料ノズルの外周側に前記燃料ノズルと同心円状に設けられ、燃焼用空気を噴出する燃焼用空気ノズルと、前記燃料ノズルの先端部の外周側に設けられる保炎器と、を備えたことを特徴とする。

　本発明によれば、サイクロンバーナの着火改善を図ることができる。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。

ボイラ装置の全体構成を示す側面図。本発明の第１実施形態に係るサイクロンバーナの構成図。図２ＡのＩＩＢ－ＩＩＢ断面図。図２ＡのＩＩＣ－ＩＩＣ断面図。本発明の第１実施形態に係るサイクロンバーナのノズル先端域の混合流体の流れを示す図。従来技術１に係るサイクロンバーナのノズル先端域の混合流体の流れを示す図。第１実施形態に係るサイクロンバーナのノズル先端の寸法関係を示す図。従来技術２に係るサイクロンバーナのノズル先端の寸法関係を示す図。従来技術２に係るサイクロンバーナのノズル先端域の混合流体の流れを示す図。既設のボイラ装置に取り付けられたサイクロンバーナの改造手順を示す図。本発明の第２実施形態に係るサイクロンバーナの構成図。図７ＡのＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ断面図。本発明の変形例に係るサイクロンバーナの要部断面図。本発明の第３実施形態に係るサイクロンバーナの構成図。第３実施形態に係るサイクロンバーナのノズル先端域の燃焼用空気の流れを示す図。本発明の第４実施形態に係るサイクロンバーナをノズルの先端側から見た模式図。第４実施形態に係るサイクロンバーナのノズル先端域の燃焼用空気の流れを示す図。

　以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の各実施形態に係るサイクロンバーナが適用されるボイラ装置の全体構成を示す側面図である。図１に示すボイラ装置は、下部火炉２１と、上部火炉２５と、火炉出口２６とを備える。下部火炉２１の肩部には、複数のサイクロンバーナ１００が噴出方向を下向きにして設けられている。

　各サイクロンバーナ１００には、微粉炭（固体燃料）と一次空気（搬送用空気）との混合流体１が供給される。各サイクロンバーナ１００からの微粉炭と一次空気の混合流体噴流３は、下部火炉２１内にて燃焼され、点線矢印で示される火炎流動パターン２４に沿って上部火炉２５を流れた後、火炉出口２６から図示しない後部伝熱管領域を経てボイラ出口に到達し、燃焼排ガスとして排出される。ボイラ出口の下流には、図示しない排ガス処理装置が設置されており、燃焼排ガスは、排ガス処理装置にて無害化された後に、大気に排出される。なお、本実施形態では、微粉炭として、低揮発分固体燃料である無煙炭を用いているが、その他の種類の石炭やバイオマス等の固体燃料を用いても良い。

　下部火炉２１の肩部には、風箱１２が設けられている。風箱１２には、燃焼用空気１１が供給される。風箱１２には複数の空気流量調整装置１３（ダンパとも称される）が設けられており、これら空気流量調整装置１３により、下部火炉２１に供給される燃焼用空気１１の流量が調整される。燃焼用空気１１は、各サイクロンバーナ１００に供給されるほか、追加空気１５として下部火炉２１内に噴出される。

　なお、下部火炉２１の下部には灰処理装置２３が設けられており、微粉炭の燃焼により生成された灰は、下部火炉２１内を落下し、火炉ホッパ２２を介して灰処理装置２３で捕集冷却後、系外に排出される。

［第１実施形態］
　次に、本発明の第１実施形態に係るサイクロンバーナについて説明する。図２Ａは本発明の第１実施形態に係るサイクロンバーナの構成図、図２Ｂは図２ＡのＩＩＢ－ＩＩＢ断面図、図２Ｃは図２ＡのＩＩＣ－ＩＩＣ断面図である。図２Ａに示すように、サイクロンバーナ１００は、そのノズル先端（バーナ出口側）が下部火炉２１（図１参照）の壁部である水壁３０に穿設されたバーナスロート３１の内側に下向きに挿入されるように取り付けられる。なお、バーナスロート３１は、円筒状に形成された開口部である。

　サイクロンバーナ１００は、サイクロン式濃縮器２と、円筒状（直管状）の燃料ノズル６と、燃料濃縮器８と、位置調整ロッド９と、保炎器１７と、円筒状の燃焼用空気ノズル１０と、燃焼用空気案内板１８と、燃焼用空気縮流部材１９と、を備える。

　サイクロン式濃縮器２は、円筒部２ａと、円筒部２ａの先端部（下端部）に設けられ、先端側（バーナ出口側）に向かうに連れて縮径する中空の円錐台部２ｂと、円筒部２ａの接線方向に沿って設けられる入口部２ｃと、含んで構成される（図２Ｂ参照）。サイクロン式濃縮器２は、その中心軸がサイクロンバーナ１００のバーナ中心軸Ｃと同軸上となるように配置される。

　サイクロン式濃縮器２の入口部２ｃには、図示しないミルから供給される微粉炭と一次空気との混合流体１が供給される。混合流体１は、円筒部２ａの接線方向に向かって流れ、円筒部２ａの内周面および円錐台部２ｂの内周面に沿って旋回し、サイクロン式濃縮器２の先端側に位置する燃料ノズル６に向かって流れる。その際、微粉炭は円錐台部２ｂの内周面に沿って下方に流れる一方で、一次空気の一部は上昇し、ベントノズル４を介して排気され、ベント噴流５として下部火炉２１に戻される（図１参照）。これにより、混合流体１中の微粉炭は、サイクロン式濃縮器２によって濃縮される。

　サイクロン式濃縮器２によって濃縮された微粉炭と一次空気の混合流体１は、後述する燃料濃縮器８によってさらに濃縮された後、燃料ノズル６の先端部（出口）から微粉炭と一次空気の混合流体噴流３として下部火炉２１内に噴出する。

　燃料ノズル６の内周面には、複数（本実施形態では４枚）の第１旋回抑止板７が設けられている。第１旋回抑止板７は、燃料ノズル６の軸方向の長さと略等しい長さで形成された板状の部材である。図２Ｃに示すように、第１旋回抑止板７は、燃料ノズル６の円周方向に沿って等間隔（本実施形態では９０度毎）に配置され、溶接等により燃料ノズル６の内周面に固定されている。これら第１旋回抑止板７によって混合流体１の旋回方向の流れが抑止され、混合流体１はバーナ中心軸Ｃに平行な広がりが抑制された流れが形成される。

　燃料濃縮器８は、先端側に向かうに連れて拡径する拡径部８ａと、円筒状の胴体部８ｂと、先端側に向かう連れて縮径する縮径部８ｃとを有する。サイクロン式濃縮器２によって濃縮された微粉炭と一次空気の混合流体１は、拡径部８ａによって燃料ノズル６の内面に押し付けられるように流れる。固体である石炭粒子の密度は１２００～１７００ｋｇ／ｍ^３、気体である空気の密度は１．２９３ｋｇ／ｍ^３Ｎであり、両者には大きな差がある。胴体部８ｂ通過後の縮径部８ｃにおいて、密度が高い微粉炭の流れは同じ方向に流れ易い慣性が高い。一方、密度の低い空気は慣性が低く、流路の状態に従って流れやすい特性を有する。この特性の差により、縮径部８ｃにおいては、微粉炭は燃料ノズル６の内面近傍を直進的に流れるのに対し、空気は流路の広がりに応じて燃料ノズル６のバーナ中心軸Ｃ側にも広がりながら流れる。この微粉炭と空気の流動の差の結果として、微粉炭は燃料ノズル６の内面近傍で着火・保炎に十分な燃料濃度になるまでさらに濃縮される。その後、混合流体１は、バーナ中心軸Ｃに平行に流れるような流れが形成され、バーナ中心軸Ｃ側で微粉炭濃度が低く外側で微粉炭濃度が高い分布を有する混合流体噴流３として下部火炉２１に噴出する。

　燃料濃縮器８には、位置調整ロッド９がバーナ中心軸Ｃに沿って設けられており、位置調整ロッド９により燃料濃縮器８の軸方向の位置の調整が可能である。位置調整ロッド９を操作して燃料濃縮器８の軸方向の位置を調整することで、微粉炭の濃縮度を変化させ着火状態を調整することも可能である。

　燃料ノズル６の先端には、保炎器１７が設けられている。保炎器１７は、詳しくは後述するが、保炎器１７の下流側に循環渦を形成して、微粉炭の着火性と保炎効果を高めるためのものである。保炎器１７は、燃料ノズル６の外周面に沿って設けられ、バーナ中心軸Ｃに対して直交する略水平面を有するリング状壁部１７ａと、リング状壁部１７ａの外周縁からバーナ中心軸Ｃに沿って下方に延びる案内リング１７ｂとを有する。案内リング１７ｂはバーナ中心軸Ｃに対して角度θで外方に傾いた状態でリング状壁部１７ａから突出するように取り付けられている。

　保炎器１７の下流側に十分な循環渦を形成するために、角度θは、例えば５度～４５度の範囲で任意の角度に定められる。なお、本実施形態では、サイクロンバーナ１００を下部火炉２１の肩部に下向きで設ける構成であるため、微粉炭と一次空気の混合流体を下向きに比較的遠くまで噴出させる必要がある。そのため、本実施形態では、角度θは５度～２０度の範囲に設定されることが好ましい。

　燃料ノズル６の外周側には、燃焼用空気１１が流れる燃焼用空気ノズル１０が燃料ノズル６と同心円状に設けられている。燃焼用空気ノズル１０と燃料ノズル６との間の空間が、燃焼用空気が流れる燃焼用空気供給流路１６となる。そして、燃焼用空気ノズル１０の入口部（上端部）には燃焼用空気縮流部材１９が設けられている。この燃焼用空気縮流部材１９は、燃焼用空気１１の流れの上流側から下流側に向かうに連れて縮径する漏斗状の部材から成り、燃焼用空気の入口流路断面積を次第に小さくする。

　燃焼用空気１１は、燃焼用空気縮流部材１９にて流量が絞られた後、燃焼用空気供給流路１６を流れて、下部火炉２１内に燃焼用空気噴流１４として噴出する。ここで、燃焼用空気１１は、通常は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。

　燃焼用空気ノズル１０の内周側の出口近傍であって、保炎器１７の外周側の位置には、燃焼用空気案内板１８が設けられている。この燃焼用空気案内板１８は、バーナ中心軸Ｃから径方向の外側に所定の角度で傾斜して設けられる。燃焼用空気案内板１８は、燃焼用空気１１の流れをバーナ中心軸Ｃから離れる方向（径方向の外側）に案内する。

　ここで、所定の角度は、例えば保炎器１７の案内リング１７ｂの角度θと同じ角度かそれより若干大きい角度に設定されるのが好ましい。保炎器１７の下流側に形成される循環渦を良好に保って、微粉炭の着火性と保炎効果を高めるためである。なお、燃焼用空気案内板１８は、バーナ中心軸Ｃと同軸上に異なる径で複数設けても良い。

　本実施形態では、４枚の第１旋回抑止板７を有する燃料ノズル６と、保炎器１７と、燃焼用空気案内板１８と、燃焼用空気ノズル１０と、燃焼用空気縮流部材１９と、が一体化されてノズルユニットＮＵを構成している。そして、このノズルユニットＮＵが、サイクロン式濃縮器２の円錐台部２ｂの先端に対して溶接等により固定されている。

　なお、燃焼用空気案内板１８は、燃料ノズル６の外周面に固定されてユニット化されているが、燃焼用空気ノズル１０の内周面に固定されていても良い。

　また、ノズルユニットＮＵを燃料側ノズルユニットと燃焼用空気側ノズルユニットの２つで構成して、燃料側ノズルユニットはサイクロン式濃縮器２の円錐台部２ｂの先端に、燃焼用空気側ノズルユニットは下部火炉外壁構成部材である水壁（壁部）３０に、それぞれ溶接等により固定しても良い。この場合、例えば、燃料側ノズルユニットは、燃料ノズル６および保炎器１７で構成し、燃焼用空気側ノズルユニットは、燃焼用空気案内板１８、燃焼用空気ノズル１０、および燃焼用空気縮流部材１９で構成することができる。

（作用・効果）
　次に、第１実施形態に係るサイクロンバーナの作用効果について、従来技術１と比較して説明する。図３Ｂは、従来技術１（特許文献１）に係るサイクロンバーナのノズル先端域の混合流体の流れを示す図である。図３Ｂに示すように、従来技術１に係るサイクロンバーナは、中空円錐台を旋回しながら流れた微粉炭と一次空気の混合流体は、中空円錐台出口までに旋回流による遠心力で固体燃料が濃縮され、円筒注入ノズル（燃料ノズル）から噴出する。また、円筒注入ノズルの外周側にはスリーブエア（燃焼用空気）が流れており、スリーブエアは、円筒注入ノズルの出口で微粉炭と一次空気の混合流体と混合した後、炉内に噴出する。

　このように、従来技術１に係るサイクロンバーナでは、バーナ出口で微粉炭と一次空気とスリーブエアとが混合されるため、混合流体はスリーブエアにより加熱される。そのため、従来技術１に係るサイクロンバーナは、微粉炭の着火を促進させる側面もある。しかし、旋回流による遠心力で濃縮された燃料がサイクロンバーナ出口でスリーブエアにより希釈化される（燃料濃度が下がる）ため、微粉炭の着火を悪化させる側面もある。

　次に、第１実施形態に係るサイクロンバーナ１００のノズル先端域の混合流体の流れについて、図３Ａを用いて説明する。図３Ａは、本発明の第１実施形態に係るサイクロンバーナのノズル先端域の混合流体の流れを示す図である。図３Ａに示すように、微粉炭と一次空気の混合流体噴流３の向きはバーナ中心軸Ｃに沿って下向きである。燃料ノズル６は円筒状（直管状）に形成されているので、混合流体噴流３の直進性が高い。これに対して、燃焼用空気１１は、保炎器１７のリング状壁部１７ａと案内リング１７ｂに衝突して、バーナ中心軸Ｃに対して概ね角度θで燃料ノズル６の径方向外側に偏向される。また、燃焼用空気１１は燃焼用空気案内板１８によって、バーナ中心軸Ｃから径方向の外側に概ね角度θだけ偏向される。その結果、燃焼用空気噴流１４の向きは、バーナ中心軸Ｃに対して概ね角度θだけ離れる方向となる。

　この流れにより、サイクロンバーナ１００のバーナ出口近傍において、微粉炭と一次空気の混合流体噴流３と、燃焼用空気噴流１４との間に循環渦４０が形成される。その結果、高温ガスの再循環４１の流れが生じ、微粉炭の着火が従来技術１と比べて大幅に促進され、保炎効果が高まる。よって、第１実施形態に係るサイクロンバーナ１００は、従来技術１に比べて着火改善を図ることができる。

　ここで、第１旋回抑止板７の働きについて説明する。もし第１旋回抑止板７が存在しなければ、サイクロン式濃縮器２内で形成された旋回流れは燃料ノズル６出口まで維持される。下部火炉２１へ噴出された旋回噴流は遠心力によってバーナ中心軸Ｃから離れる方向に広がる特性を有する。そのため、旋回を有する混合流体噴流３は燃料ノズル６を出るとすぐに広がり、循環渦４０の形成を妨げる。第１旋回抑止板７はサイクロン式濃縮器２内で形成された旋回流れを抑止し、下向き直進流へと変化させる。その結果、混合流体噴流３は直進性を維持したまま下部火炉２１へ投入されるため、循環渦４０並びに高温ガスの再循環４１が安定的に形成される。

　特に、ボイラ装置の低負荷運転時には、燃料である微粉炭の一次空気に対する割合が減少して微粉炭濃度が低下するため、着火性能が低下するが、本実施形態では、保炎器１７により循環渦４０が形成されて高温ガスを燃料ノズル６出口近傍まで再循環させるため、着火が促進される。その結果、低負荷運転時においても着火性能の改善を図ることができる。

　また、先に説明の燃料濃縮器８の働きによって、燃料ノズル６出口部では、混合流体噴流３の表面近傍に微粉炭が濃縮され、その部分に高温ガスが再循環されるので相乗的な効果で着火性が飛躍的に向上している。

　また、本実施形態では、４枚の第１旋回抑止板７が設けられた燃料ノズル６と、保炎器１７と、燃焼用空気ノズル１０と、燃焼用空気案内板１８と、燃焼用空気縮流部材１９と、がユニット化されているため、後述するように、改造工事が簡単になる。

　また、４枚の第１旋回抑止板７が燃料ノズル６の内周面に設けられているため、燃料ノズル６の剛性を高めることができる。即ち、各第１旋回抑止板７は混合流体１の旋回方向の流れを抑止する機能に加えて、燃料ノズル６の補強部材としても機能する。さらには、着火性が向上すると燃料ノズル６近傍に火炎が形成されて燃料ノズル６および保炎器１７が高温化する。第１旋回抑止板７は冷却フィンとしての効果も有するので、燃料ノズル６および保炎器１７の冷却にも効果を有する。

　次に、第１実施形態に係るサイクロンバーナと、従来技術２（特許文献２）に係るサイクロンバーナとを比較して、両者の混合流体の流動性の違いについて説明する。図４Ａは第１実施形態に係るサイクロンバーナのノズル先端の寸法関係を示す図、図４Ｂは従来技術２に係るサイクロンバーナのノズル先端の寸法関係を示す図である。図４Ａおよび図４Ｂにおいて、Ａは燃焼用空気ノズル１０の内径、Ｂは保炎器１７の外径、Ｃは燃料ノズル６の内径、Ｄは燃料濃縮器８の先端部の外径を示す。

　図４Ａにおいて、Ａ＝１００とすると、Ｂ＝５９、Ｃ＝３６、Ｄ＝５である。つまり、本実施形態に係るサイクロンバーナ１００では、Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄ＝１００：５９：３６：５である。これにより、本実施形態において、一次空気（微粉炭と一次空気の混合流体）の流路と、二次空気（燃焼用空気）の流路とのノズル出口でのそれぞれの面積占有率（流路断面積の比率）は、一次空気の面積占有率＝１６．３％、二次空気の面積占有率＝８３．７％となり、二次空気の面積占有率／一次空気の面積占有率＝５．１となる。即ち、本実施形態の構造では、二次空気の流路の方が一次空気の流路に比べて流路面積が５．１倍大きい。

　一方、図４Ｂにおいて、Ａ＝１００とすると、Ｂ＝８７、Ｃ＝４５、Ｄ＝１０である。つまり、従来技術２に係るサイクロンバーナでは、Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄ＝１００：８７：４５：１０である。これにより、従来技術２において、一次空気の流路と二次空気の流路とのノズル出口でのそれぞれの面積占有率は、一次空気の面積占有率＝４４．２％、二次空気の面積占有率＝５５．８％となり、二次空気の面積占有率／一次空気の面積占有率＝１．３となる。即ち、従来技術２の構造では、一次流路と二次流路の流路面積が概ね等しい。

　このように、本実施形態では、ノズル出口において一次空気の流路面積が二次空気の流路面積に比べてかなり絞られているのに対して、従来技術２では一次空気の流路面積と二次空気の流路面積に殆ど差がない。

　次に、第１実施形態と従来技術２について、噴流の運動量をそれぞれ求めると以下の通りとなる。ここで、噴流の運動量は、式（１）を用いて求めることができる。
　噴流の運動量＝密度×出口断面積×出口流速＾２　　・・・（１）
　なお、本実施形態および従来技術２において、密度、一次空気の流量、および二次空気の流量は同一として計算した。

　その結果、本実施形態における二次空気の流速、二次空気の運動量、一次空気の流速、一次空気の運動量、および一次空気の運動量に対する二次空気の運動量の比（一次空気の運動量／二次空気の運動量）のそれぞれを１とすると、従来技術２におけるそれぞれの値は、１．５、１．５、０．３７、０．３７、０．２５となる。本実施形態と従来技術２とで、一次空気の運動量に対する二次空気運動量の比の値を比べると、従来技術２（＝０．２５）の方が本実施形態（＝１）と比べて大幅に小さいことが分かる。

　この運動量の比が小さいということは、一次空気の流れが二次空気の流れに引き込まれ易いことを意味している。よって、従来技術２の方が本実施形態と比べて一次空気が二次空気側に広がり易いと言うことができる。別言すれば、本実施形態の方が従来技術２と比べて一次空気（微粉炭と一次空気の混合流体）の直進性が高い。そのため、本実施形態は、従来技術２と比べて、一次空気と二次空気との間に循環渦４０（図３Ａ参照）が形成され易く、微粉炭の着火がより一層促進されることとなる。

　なお、上記した計算は、本実施形態と従来技術２とで微粉炭濃度が同一であることを前提としたものであるが、実際には、従来技術２では微粉炭分散板により微粉炭が分散され、燃料濃度が低下する。そのため、従来技術２では、上記の計算結果以上に、一次空気の運動量に対する二次空気の運動量の比が低下する。よって、サイクロンバーナを実際に使用した場合には、本実施形態の方が従来技術２と比べて微粉炭の着火性はより一層高くなる。

　ちなみに、従来技術２に係るサイクロンバーナのノズル先端域の混合流体の流れを示したものが図５である。図５に示すように、従来技術２では、微粉炭と一次空気の混合流体の直進性が低く、ノズル出口から噴出した微粉炭と一次空気の混合流体は、途中から二次空気（燃焼用空気）に引き込まれる。そのため、従来技術２では、本実施形態のような循環渦４０は形成されず、二次空気の逆流現象が生じる。よって、微粉炭の着火促進の観点において、本実施形態の方が従来技術２に比べて優れている。

（サイクロンバーナの改造工事）
　次に、既設のボイラ装置に設けられたサイクロンバーナのノズル先端部分を、第１実施形態に係るノズルユニットＮＵに交換する改造工事の手順について説明する。図６は、既設のボイラ装置に取り付けられたサイクロンバーナの改造手順を示す図である。

（工程１）
　既設のボイラ装置に取り付けられたサイクロンバーナは固定したままで、ノズル先端部分Ａをガス切断等により切除する。このとき、既設のサイクロンバーナに取り付けられたコアも取り外す。

（工程２）
　既設のボイラ装置のバーナスロートを所定の口径Ｄを有する円筒状に改造する。具体的には、既設のボイラ装置の炉壁のバーナスロート部を構成する水壁管の一部を切断し、所定の口径Ｄを有する円筒状バーナスロートを構成する新規の水壁管を溶接により取り付ける。部分的に鋼材や耐火材を用いてバーナスロートを構成しても良い。こうして、バーナスロートを円筒状の開口部にする。勿論、既設のボイラ装置のバーナスロートが所定の口径Ｄを有する円筒状である場合には、この工程２は省略可能な場合もある。

（工程３）
　第１実施形態に係るノズルユニットＮＵを準備し、サイクロンバーナの切除されたノズル先端部分にノズルユニットＮＵを溶接等により取り付ける。また、第１実施形態に係る燃料濃縮器８を準備し、位置調整ロッドに取り付ける。なお、先に説明のように、ノズルユニットＮＵは燃料側ノズルユニットと燃焼用空気側ノズルユニットとに分けて、燃料側ノズルユニットはサイクロンバーナ側に取付け、燃焼用空気側ノズルユニットはバーナスロート側に取付けることも可能である。

　以上で既設のボイラ装置のサイクロンバーナの改造工事が完了する。

　以上の手順により、既設のボイラ装置に取り付けられたサイクロンバーナを、第１実施形態に係るサイクロンバーナ１００と同様の構成に改造できる。よって、既設のサイクロンバーナの着火改善が見込める。しかも、既設のボイラ装置に取り付けられたサイクロンバーナのノズル先端部分を、第１実施形態に係るノズルユニットＮＵに交換するだけで済むので、サイクロンバーナ全体を交換する場合に比べて、改造コストを低減できる。

［第２実施形態］
　第１実施形態では燃料ノズル６の内周面に複数の第１旋回抑止板７を設けたが、第２実施形態では、複数の第２旋回抑止板３７を燃料濃縮器８に設けた点が第１実施形態と相違する。以下、主に相違点を中心に説明し、第１実施形態と重複する説明は省略する。

　図７Ａは本発明の第２実施形態に係るサイクロンバーナの構成図、図７Ｂは図７ＡのＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ断面図である。図７Ａ、図７Ｂに示すように、第２実施形態に係るサイクロンバーナ２００は、燃料濃縮器８の胴体部８ｂの外周面に複数の第２旋回抑止板３７が設けられている。本実施形態では４枚の第２旋回抑止板３７が円周方向に等間隔で設けられているが、その枚数は複数であれば良く、４枚に限定されない。この第２実施形態によっても、混合流体１の旋回方向の流れを抑止でき、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

（変形例）
　次に、本発明の変形例に係るサイクロンバーナについて説明する。図８は本発明の変形例に係るサイクロンバーナの要部断面図である。なお、図８に示す断面図は、図７ＡのＶＩＩＢ－ＶＩＩＢと同じ位置で切断した図である。

　図８に示すように、燃料ノズル６の内周面に複数の第１旋回抑止板７を設け、さらに、燃料濃縮器８の胴体部８ｂに複数の第２旋回抑止板３７を設け、第１旋回抑止板７と第２旋回抑止板３７とが円周方向に交互に設ける構成としても良い。この構成によれば、より一層、混合流体１の旋回方向の流れを抑止できる。

［第３実施形態］
　次に、本発明の第３実施形態に係るサイクロンバーナについて説明する。図９は本発明の第３実施形態に係るサイクロンバーナの構成図である。なお、以下において、上記した実施形態と重複する説明は省略する。

　第３実施形態は、２つのサイクロンバーナ３００（３００－１，３００－２）を備えたサイクロンバーナユニットの構成を例示している。第３実施形態では、一対のサイクロンバーナ３００－１，３００－２が下部火炉２１の肩部に隣接して配置される。図９に示すように、各サイクロンバーナ３００は、燃焼用空気ノズル１０内において、燃焼用空気１１に旋回を与えるためのエアレジスタ（旋回付与手段）４５が設けられている。エアレジスタ４５は、例えばベーンやプロペラで構成されるが、燃焼用空気１１に旋回を与えることができれば、その構成は限定されない。

　そして、本実施形態では、２つのサイクロンバーナ３００のうち一方であるサイクロンバーナ３００－１における燃焼用空気１１の旋回方向と、他方であるサイクロンバーナ３００－２における燃焼用空気１１の旋回方向とが逆方向となっている。図１０は第３実施形態に係るサイクロンバーナをノズルの先端側から見た模式図であり、ノズル先端域の燃焼用空気の流れを示す図である。

　図１０に示すように、サイクロンバーナ３００－１において、燃焼用空気は時計回りの方向に旋回が付与される。一方、サイクロンバーナ３００－２では、燃焼用空気は反時計回りの方向に旋回が付与される。よって、サイクロンバーナ３００－１とサイクロンバーナ３００－２とが対向する領域Ｒにおいて、互いに逆向きの旋回流が発生し、一方向（図１０では左方向）に燃焼用空気が流れる。

　この構成により、下部火炉２１内で微粉炭が燃焼して高温となった戻りガスが、一方向に流れる燃焼用空気１１によって、サイクロンバーナ３００－１とサイクロンバーナ３００－２との間の領域Ｒに引き込まれる。この戻りガスは、例えば１５００℃前後と非常に高温であるため、この高温ガスがサイクロンバーナ３００－１，３００－２の燃料ノズル６の出口に引き込まれることで、微粉炭の着火が促進される。

　即ち、第３実施形態によれば、サイクロンバーナ３００－１とサイクロンバーナ３００－２とにそれぞれエアレジスタ４５を設け、互いの燃焼用空気１１の旋回を逆向きにするだけの簡単な構成で、微粉炭の着火の促進を実現できる。

［第４実施形態］
　次に、本発明の第４実施形態に係るサイクロンバーナについて説明する。図１１は本発明の第４実施形態に係るサイクロンバーナをノズルの先端側から見た模式図である。なお、以下において、上記した実施形態と重複する説明は省略する。

　第４実施形態は、２つのサイクロンバーナ４００（４００－１，４００－２）を備えたサイクロンバーナユニットの構成を例示している。第４実施形態では、一対のサイクロンバーナ４００－１，４００－２が下部火炉２１の肩部に隣接し、かつ、鏡面対称（図１１において上下方向に鏡面対称）となるように配置されている。図１１に示すように、各サイクロンバーナ４００は、互いに対向する領域Ｒにおいて、燃焼用空気ノズル１０の出口の一部が遮蔽板５０によって塞がれている。なお、第４実施形態では、第３実施形態のようなエアレジスタ４５は設けられていない。

　遮蔽板５０は、燃料ノズル６の中心から周方向に所定の角度θに亘る長さで形成された円弧状の板である。この遮蔽板５０により燃焼用空気ノズル１０の流路が塞がれることで、サイクロンバーナ４００－１，４００－２の対向する領域Ｒにおいて、燃焼用空気１１が噴出されない空間が形成される。燃焼用空気ノズル１０の流路の一部が塞がれていることで、微粉炭の着火促進の効果が期待できる。その理由について説明する。

　図１２は、第４実施形態に係るサイクロンバーナのノズル先端域の燃焼用空気の流れを示す図である。図１２に示すように、遮蔽板５０で覆われていない領域については、燃焼用空気ノズル１０の出口において燃焼用空気噴流１４が周方向に亘って全体的に形成されている。しかし、遮蔽板５０で燃焼用空気１１の流路が塞がれている領域では、微粉炭と一次空気の混合流体噴流３が露呈されている。その領域に下部火炉２１で燃焼した高温ガスが入り込むことで、高温ガスが微粉炭と直接接触する。燃焼用空気１１より下部火炉２１で燃焼した高温ガスの方が温度はかなり高いため、微粉炭の着火が促進され、微粉炭は高温ガスによって効率良く燃焼される。

　ここで、遮蔽板５０によって塞がれる範囲、即ち、図１１に示す所定の角度θは、例えば、４５°以上１８０°以下の範囲であることが好ましい。角度θの下限を４５°としたのは、下部火炉２１内で燃焼した高温ガスがサイクロンバーナ４００－１，４００－２の間（領域Ｒ）に入り込み易くするためである。また、角度θの上限を１８０°としたのは、燃焼用空気１１の噴出量が少なくなり過ぎて、微粉炭の着火の促進が妨げられることを防ぐためである。つまり、所定の角度θが４５°以上１８０°以下の範囲であれば、燃焼用空気１１および下部火炉２１内で燃焼した高温ガスの戻りによって、微粉炭の着火が促進される効果が十分に期待できる。特に、所定の角度θが９０°程度であると、微粉炭の着火促進の効果がより一層高まる。

　以上説明したように、第４実施形態によれば、下部火炉２１で燃焼した高温ガスをサイクロンバーナ４００－１，４００－２の対向する領域Ｒに戻す構成とすることで、微粉炭の着火をより一層促進できる。また、サイクロンバーナ４００－１とサイクロンバーナ４００－２が鏡面対称に配置されているため、下部火炉２１で燃焼した高温ガスを効果的に導入して、微粉炭をムラなく着火でき、微粉炭の燃焼状態が安定する。

　また、第４実施形態に第３実施形態を組み合わせることで、さらに効率よく下部火炉２１内で燃焼した高温ガスをサイクロンバーナ４００－１，４００－２の間（領域Ｒ）に引き込むことができ、各々単独で実施する場合よりもさらに微粉炭の着火促進の効果を高めることができる。

　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、燃料濃縮器８の軸方向の位置を調整する必要がない場合には、位置調整ロッド９に代えて、燃料濃縮器８を所定の位置に固定する固定ロッドを用いても良い。また、燃焼用空気案内板１８および燃焼用空気縮流部材１９は、必要に応じて適宜用いれば良い。燃焼用空気縮流部材１９を設けない場合には、燃料ノズル６の外周側に形成された燃焼用空気供給流路１６に直接、燃焼用空気１１を供給すれば良い。

　１　微粉炭（固体燃料）と一次空気との混合流体
　２　サイクロン式濃縮器
　２ａ　円筒部
　２ｂ　円錐台部
　２ｃ　入口部
　６　燃料ノズル
　７　第１旋回抑止板（旋回抑止板）
　８　燃料濃縮器
　８ａ　拡径部
　８ｂ　胴体部
　８ｃ　縮径部
　９　位置調整ロッド
　１０　燃焼用空気ノズル
　１１　燃焼用空気
　１６　燃焼用空気供給流路
　１７　保炎器
　１７ａ　リング状壁部
　１７ｂ　案内リング
　１８　燃焼用空気案内板
　１９　燃焼用空気縮流部材
　２１　下部火炉（火炉）
　２５　上部火炉（火炉）
　２６　火炉出口（火炉）
　３０　水壁（壁部）
　３１　バーナスロート
　３７　第２旋回抑止板
　４０　循環渦
　４５　エアレジスタ（旋回付与手段）
　５０　遮蔽板
　１００，２００，３００，４００　サイクロンバーナ
　Ｃ　バーナ中心軸
　ＮＵ　ノズルユニット

Claims

　火炉の壁部に穿設されたバーナスロートに挿入されるサイクロンバーナであって、
　固体燃料と一次空気との混合流体が接線方向から供給される円筒部と、前記円筒部の先端部に設けられ、先端側に向かうに連れて縮径する中空の円錐台部と、を含んで構成されると共に、前記サイクロンバーナの中心軸と同軸上に配置されるサイクロン式濃縮器と、
　前記サイクロン式濃縮器の先端部に設けられ、前記混合流体を噴出する燃料ノズルと、
　前記燃料ノズルの外周側に前記燃料ノズルと同心円状に設けられ、燃焼用空気を噴出する燃焼用空気ノズルと、
　前記燃料ノズルの先端部の外周側に設けられる保炎器と、を備えたことを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項１に記載のサイクロンバーナにおいて、
　前記保炎器は、
　前記燃料ノズルの外周面に設けられ、前記サイクロンバーナの中心軸と直交する略水平面を有するリング状壁部と、
　前記リング状壁部の外周縁から前記サイクロンバーナの中心軸に沿って下方に延びる案内リングと、を含み、
　前記燃焼用空気ノズルを流れる燃焼用空気は、前記案内リングにより前記サイクロンバーナの中心軸に対して平行ないし当該中心軸から離れる方向に広がって噴出することを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項１または２に記載のサイクロンバーナにおいて、
　前記燃料ノズルの内周面に設けられ、前記混合流体の旋回方向の流れを抑止する複数の第１旋回抑止板をさらに備えたことを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項３に記載のサイクロンバーナにおいて、
　前記混合流体の流れ方向に沿って、先端側に向かうに連れて拡径する拡径部と、円筒状の胴体部と、先端側に向かう連れて縮径する縮径部とを有する燃料濃縮器を前記燃料ノズルの内部に設置したことを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項１、２または４に記載のサイクロンバーナにおいて、
　前記混合流体の流れ方向に沿って、先端側に向かうに連れて拡径する拡径部と、円筒状の胴体部と、先端側に向かう連れて縮径する縮径部とを有する燃料濃縮器の外周面に、前記混合流体の旋回方向の流れを抑止する複数の第２旋回抑止板を備えたことを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項４または５に記載のサイクロンバーナにおいて、
　前記燃料濃縮器の軸方向の位置を調整する位置調整ロッドを備えたことを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項３ないし６の何れか１項に記載のサイクロンバーナにおいて、
　前記燃焼用空気ノズルの先端部に設けられ、前記燃焼用空気を前記サイクロンバーナの中心軸に対して離れる方向に案内する燃焼用空気案内板をさらに備えたことを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項７に記載のサイクロンバーナにおいて、
　前記燃焼用空気ノズルの入口部に設けられ、前記燃焼用空気の流路断面積を次第に小さくする燃焼用空気縮流部材をさらに備えたことを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項１ないし８の何れか１項に記載のサイクロンバーナにおいて、
　前記混合流体は、前記燃料ノズルから前記中心軸に沿って直進するように噴出され、
　前記燃焼用空気は、前記燃焼用空気ノズルから前記中心軸に対して所定の傾きで広がるように噴出され、
　前記混合流体と前記燃焼用空気との間に循環渦が形成されることを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項４ないし６の何れか１項に記載のサイクロンバーナにおいて、
　前記混合流体は前記燃料濃縮器によって濃縮された状態を維持して、前記燃料ノズルから噴出されることを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項１ないし１０の何れか１項に記載のサイクロンバーナを２つ備え、２つの前記サイクロンバーナが隣接して設けられたサイクロンバーナユニットであって、
　前記各サイクロンバーナは、前記燃焼用空気に旋回を付与する旋回付与手段を備え、
　互いの前記燃焼用空気の旋回方向が逆向きであることを特徴とするサイクロンバーナユニット。
　請求項１ないし１０の何れか１項に記載のサイクロンバーナを２つ備え、２つの前記サイクロンバーナが隣接して設けられたサイクロンバーナユニットであって、
　前記各サイクロンバーナは、互いに対向する領域において、前記燃焼用空気ノズルの出口が周方向に沿って所定の角度に亘って塞がれていることを特徴とするサイクロンバーナユニット。
　請求項１２に記載のサイクロンバーナユニットにおいて、
　前記所定の角度は、４５°以上１８０°以下であることを特徴とするサイクロンバーナユニット。
　請求項１３に記載のサイクロンバーナユニットにおいて、
　２つの前記サイクロンバーナは、鏡面対称に配置されていることを特徴とするサイクロンバーナユニット。
　固体燃料と一次空気との混合流体が接線方向から供給される円筒部と、前記円筒部の先端部に設けられ、先端側に向かうに連れて縮径する中空の円錐台部と、を含むサイクロン式濃縮器を備えたサイクロンバーナの先端部に取り付けられるノズルユニットであって、
　前記サイクロン式濃縮器の先端部に設けられ、前記混合流体を噴出する燃料ノズルと、
　前記燃料ノズルの外周側に前記燃料ノズルと同心円状に設けられ、燃焼用空気を噴出する燃焼用空気ノズルと、
　前記燃料ノズルの先端部の外周側に設けられる保炎器と、
　前記燃焼用空気ノズルの先端部に設けられ、前記燃焼用空気を前記サイクロンバーナの中心軸に対して離れる方向に案内する燃焼用空気案内板と、
　前記燃料ノズルの内周面に設けられ、前記混合流体の旋回方向の流れを抑止する複数の旋回抑止板と、を備えたことを特徴とするノズルユニット。
　既設のボイラ装置に取り付けられ、サイクロン式濃縮器を備えたサイクロンバーナの改造方法であって、
　前記既設のボイラ装置に設置された前記サイクロンバーナのノズル先端部分を切断する工程と、
　前記ノズル先端部分が切断された前記サイクロンバーナに対して、新たなノズルユニットを取り付ける工程と、を含み、
　前記新たなノズルユニットは、
　前記サイクロン式濃縮器の先端部に設けられ、固体燃料と一次空気との混合流体を噴出する燃料ノズルと、
　前記燃料ノズルの外周側に前記燃料ノズルと同心円状に設けられ、燃焼用空気を噴出する燃焼用空気ノズルと、
　前記燃料ノズルの先端部の外周側に設けられる保炎器と、
　前記燃料ノズルの内周面に設けられ、前記混合流体の旋回方向の流れを抑止する複数の旋回抑止板と、を備えて構成されることを特徴とするサイクロンバーナの改造方法。
　既設のボイラ装置に取り付けられ、サイクロン式濃縮器を備えたサイクロンバーナの改造方法であって、
　前記既設のボイラ装置に設置された前記サイクロンバーナのノズル先端部分を切断する工程と、
　前記ノズル先端部分が切断された前記サイクロンバーナに対して、新たな燃料側ノズルユニットを取り付ける工程と、
　火炉水壁に穿設して設けられたバーナスロートに対して、新たな燃焼用空気側ノズルユニットを取り付ける工程と、を含み、
　前記新たな燃料側ノズルユニットは、
　前記サイクロン式濃縮器の先端部に設けられ、固体燃料と一次空気との混合流体を噴出する燃料ノズルと、
　前記燃料ノズルの先端部の外周側に設けられる保炎器と、
　前記燃料ノズルの内周面に設けられ、前記混合流体の旋回方向の流れを抑止する複数の旋回抑止板と、を備えて構成され、
　前記新たな燃焼用空気側ノズルユニットは、
　前記燃料ノズルの外周側に前記燃料ノズルと同心円状に設けられ、燃焼用空気を噴出する燃焼用空気ノズルと、
　前記燃焼用空気ノズルの先端部に設けられ、前記燃焼用空気を前記サイクロンバーナの中心軸に対して離れる方向に案内する燃焼用空気案内板と、を備えて構成されることを特徴とするサイクロンバーナの改造方法。