WO2023127121A1

WO2023127121A1 - サイクロンバーナ、サイクロンバーナユニット、及びサイクロンバーナの改造方法

Info

Publication number: WO2023127121A1
Application number: PCT/JP2021/048861
Authority: WO
Inventors: 斉谷口; 佑介越智; 仁志菊池; 公治倉増; 聡彦嶺; 裕三川添
Original assignee: 三菱重工業株式会社; 三菱パワー株式会社
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-07-06

Abstract

ダウンショット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、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、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、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炭ノズルと、燃料炭ノズルの外周側に燃料炭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、燃料炭ノズルの内部に設置された燃料濃縮器と、を備え、燃料濃縮器の外周面に、前合流体の旋回方向の流れを抑止する複数の第１旋回防止羽根を備える。

Description

サイクロンバーナ、サイクロンバーナユニット、及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及び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、「バーナ中心軸周りに設けられ、火炉に面する開口を有する直管部と、直管部に連続する曲管部とを備え、曲管部を流れる固体燃料とその搬送気体の混合流体を開口から火炉に噴出するノズルと、ノズルの出口外周の保炎器と、直管部のバーナ中心軸側で混合流体に旋回を与える第一旋回器と、第一旋回器の下流のバーナ中心軸側で混合流体に第一旋回器とは逆の旋回を与える第二旋回器とを設けた。曲管部からの混合流体を、第一旋回器により中心から径方向に移動させ、ノズル内壁近傍の燃料濃度を増加させ、更に第二旋回器により逆旋回をかけることで旋回強度が低減できる。従って、ノズルの大型化を招くことなく、保炎器による着火性が良好となり、火炎の安定性が向上する。（要約抜粋）」との記載がある。

特開２０１７－１５３０５号公報

　特許文献１は、下部火炉の側壁に対向配置されるバーナにおいて、曲管部で生じる固体燃料の濃度分布の偏りを改善することができる。

　しかし、バーナの設置構造として、下部火炉の肩部に円筒状に形成された開口部からなるバーナスロートを設け、そのバーナスロートの内側に固体燃料及び搬送用空気の混合流体の噴出方向を下向きにしてバーナを設置する設置構造がある（ダウンショットとも称される）。ダウンショットでは、混合流体を旋回させて燃料濃度を濃縮させた後バーナ出口から混合流体を噴出させている。そのため、噴出された混合流体の旋回運動によってせっかく濃縮された固体燃料がバーナ出口からバーナの径方向外側に向かって広がることに加え、らせん状の流れによる偏流が発生し微粉炭濃度が高濃度となる箇所と低濃度となる箇所が偏在することになる。この際、低濃度となる箇所で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。

　そこで、本発明は、火炉に対して下向きに設置される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、ダウンショット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、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炭ノズルと、前記燃料炭ノズルの外周側に前記燃料炭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、前記燃料炭ノズルの内部に設置された燃料濃縮器と、を備え、前記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１旋回防止羽根を備えることを特徴とする。

　また本発明の一態様は、上記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。

　また本発明の一態様は、上記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、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。

　また本発明の一態様は、既設のボイラ装置に取り付けられ、燃料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、前記燃料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炭ノズルと、前記燃料炭ノズルの外周側に前記燃料炭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、前記燃料炭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１旋回防止羽根と、を備えて構成されることを特徴とする。

　また本発明の一態様は、既設のボイラ装置に取り付けられ、燃料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、前記燃料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炭ノズルと、前記燃料炭ノズルの外周側に前記燃料炭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、前記燃料炭ノズルの先端部の外周側に設けられる保炎器と、を備え、前記燃料濃縮器の外周面に、記混合流体の旋回方向の流れを抑止する複数の第１旋回防止羽根が備えられた前記燃料濃縮器を位置調整ロッドに取り付け、前記位置調整ロッド及び前記燃料濃縮器を前記サイクロンバーナに取り付ける工程を更に含むことを特徴とする。

　本発明によれば、火炉に対して下向きに設置される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、構成及び効果は、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。バーナの出口側から見た構造図。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。本発明の第２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。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。本発明の第１実施形態に係るサイクロンバーナの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。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。第４実施形態に係るサイクロンバーナの構成図。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。

　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。図１では、２つのサイクロンバーナ１００が鏡面対称に配置されたサイクロンバーナユニットが下部火炉２１の肩部に設置された状態を示す。

　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３はバーナの出口側から見た構造図である。

　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、ダウンショット火炉に相当する）の壁部である水壁３０に穿設されるバーナスロート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）の燃料炭ノズル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、サイクロン出口ノズル２ｄと、を含んで構成される（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の内周面及び円錐台部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サイクロン出口ノズル２ｄ（図２Ａにおける斜線部）及び燃料炭ノズル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。

　サイクロン出口ノズル２ｄの外周部に沿って筒状の燃料炭ノズル６が備えられる。燃料炭ノズル６の先端部（出口）は、下部火炉２１に向けて開口している。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、燃料炭ノズル６の内部で、後述する燃料濃縮器８によってさらに濃縮された後、燃料炭ノズル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。

　燃料炭ノズル６の内部には燃料濃縮器８が設けられる。燃料濃縮器８は、混合流体１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８ａと、円筒状の胴体部８ｂと、先端側に向かうに連れて縮径する縮径部８ｃとを有する。

　胴体部８ｂの外周面には、複数（本実施形態では４枚）の第１旋回防止羽根７Ａと、第１旋回防止羽根７Ａよりも縮径部８ｃ側に設けられた複数（本実施形態では４枚）の第２旋回防止羽根７Ｂとが設けられる。

　図２Ａに示すように第１旋回防止羽根７Ａは、胴体部８ｂから径方向外側に突出した板状の部材である。第２旋回防止羽根７Ｂも同様に、胴体部８ｂから径方向外側に突出した板状の部材である。

　図３に示すように、第２旋回防止羽根７Ｂは、燃料炭ノズル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、溶接等により燃料濃縮器８の縮径部８ｃの外周面に固定されている。なお、図３は、バーナの出口側から見た構造図であるため、第２旋回防止羽根７Ｂが図示されているが、第２旋回防止羽根７Ｂの図４の紙面奥行方向に第１旋回防止羽根７Ａが隠れている。これら第１旋回防止羽根７Ａ、第２旋回防止羽根７Ｂ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。

　また、第１旋回防止羽根７Ａの上面は、バーナ中心軸Ｃに対して角度θ１傾けて胴体部８ｂの外周面に固定される。第２旋回防止羽根７Ｂの上面は、バーナ中心軸Ｃに対して角度－θ１傾けて胴体部８ｂに固定される。このように、第１旋回防止羽根７Ａの上面を傾ける方向と第２旋回防止羽根７Ｂの上面を傾ける方向とを逆向きにすることで、第１旋回防止羽根７Ａによる混合流体１の旋回方向と、第２旋回防止羽根７Ｂによる混合流体１の旋回方向とが逆向きとなり、混合流体１の旋回方向の流れをより効果的に抑制することができる。第１旋回防止羽根７Ａ、第２旋回防止羽根７Ｂは燃料濃縮器８の胴体部８ｂに溶接、ボルト止め等任意の固定方法で固定される。また、燃料濃縮器８の胴体部８ｂと第１旋回防止羽根７Ａ、第２旋回防止羽根７Ｂを一体成型してもよい。

　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によって燃料炭ノズル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、微粉炭は燃料炭ノズル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炭ノズル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、微粉炭は燃料炭ノズル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。

　燃料炭ノズル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４０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、燃料炭ノズル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θ２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４０を形成するために、角度θ２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１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θ２は５度～２０度の範囲に設定されることが好ましい。

　燃料炭ノズル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が燃料炭ノズル６と同心円状に設けられている。燃焼用空気ノズル１０と燃料炭ノズル６との間の空間が、燃焼用空気１１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１１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、又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。

　本発明の第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４を用いて説明する。図４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。

　第１旋回防止羽根７Ａ及び第２旋回防止羽根７Ｂの働きについて説明する。もし第１旋回防止羽根７Ａ及び第２旋回防止羽根７Ｂ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炭ノズル６の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は燃料炭ノズル６を出るとすぐに広がり、火炎の安定性が低下し、ＮＯｘの排出量が増加する。またサイクロンによる強い旋回流によってらせん状の偏流が発生し、微粉炭濃度が高濃度となる箇所と低濃度となる箇所とが偏在することになり、低濃度となる箇所では固体燃料が火炉内で十分着火しない可能性が高い。従って、混合流体１が火炉内に噴出される前に旋回強度を弱める必要がある。

　これに対し、本発明の第１実施形態では、サイクロン式濃縮器２内で形成された旋回流れが第１旋回防止羽根７Ａの上面にあたり、旋回運動の燃料炭ノズル６内の径方向成分が弱められる。さらに、第１旋回防止羽根７Ａよりも下流に設けられた第２旋回防止羽根７Ｂが第１旋回防止羽根７Ａとは逆旋回をすることで、旋回流れに対して逆方向に旋回をかけて、旋回強度を一気に低減し（旋回が止まると更に好ましい。）、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、循環渦並びに高温ガスの再循環４１が安定的に形成される。さらに複数の旋回防止羽根によって偏流を解消する効果も期待できる。

　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、混合流体噴流３の直進性が高まるので、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、燃料濃縮器８の働きによって、燃料炭ノズル６の出口では、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４１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。

　さらに、保炎器１７を備えた場合についての効果を図６を用いて説明する。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。燃料炭ノズル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、燃料炭ノズル６の径方向外側に偏向される。その結果、燃焼用空気噴流１４の向きは、バーナ中心軸Ｃに対して外側へ離れる方向となる。

　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、微粉炭の着火が大幅に促進され、保炎効果が高まる。よって、本実施形態に係るサイクロンバーナ１００は、着火改善を図ることができる。

　さらに、サイクロンと二重旋回防止羽根の組み合わせによる効果を図７を用いて説明する。旋回防止羽根はバーナ内の空気の流れの抵抗体として作用するため、バーナ下側へ流れていく空気量の調整が可能となる。旋回防止羽根の抵抗値は、サイクロン出口の絞り部（バーナのベンチュリ相当）と上流羽根の位置関係で変わり、サイクロン出口の絞り部に旋回防止羽根を設置すれば抵抗が増え、ベント噴流５が増える。この結果、バーナ下側へ流れていく空気量が減少し、バーナ出口での空気噴出流速が低下しつつ微粉炭濃度が濃くなり、着火・保炎性が改善できる。

（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８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２００に取り付けられたサイクロンバーナ１００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１００に取り付けられたコアＸは位置調整ロッド９ごと取り外してもよいし、位置調整ロッド９から任意の位置で切り離して取り外してもよい。

（工程２）
　既設のボイラ装置２００のバーナスロート３１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２００の炉壁のバーナスロート部を構成する水壁管３０ａの一部を切断し、所定の口径Ｄを有する円筒状のバーナスロート３１を構成する新規の水壁管３０ａ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３１を構成しても良い。こうして、バーナスロート３１を円筒状の開口部にする。勿論、既設のボイラ装置２００のバーナスロート３１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１００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実施形態に係る旋回防止板を取り付けた新しい燃料濃縮器８を位置調整ロッド９に取り付け、位置調整ロッド９と燃料濃縮器８をバーナに取り付ける。位置調整ロッド９を流用する場合は、第１旋回防止羽根７Ａ、第２旋回防止羽根７Ｂを取り付けた燃料濃縮器８をボルト、溶接等で位置調整ロッド９に固定する。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と燃料濃縮器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]
　次に、本発明の第２実施形態に係るサイクロンバーナについて説明する。図５は第２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。

　第２実施形態では、第１旋回防止羽根７Ａ、第２旋回防止羽根７Ｂのバーナ中心軸Ｃに対する向きを第１実施形態とは逆向きに燃料濃縮器８に固定した実施形態である。第１旋回防止羽根７Ａ、第２旋回防止羽根７Ｂの向きが第１実施形態とは逆であっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

[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。第３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３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９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９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。

　遮蔽板５０は、燃料炭ノズル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１０は、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である。図１０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及び下部火炉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３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。第３実施形態において図９に示す燃焼用空気案内板１８は必要に応じ適宜用いれば良い。

［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４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４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１１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１２は第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り、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、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１２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の燃料炭ノズル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４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。

　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、燃料炭ノズル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　　　　　：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
２ｄ　　　　：サイクロン出口ノズル
３　　　　　：混合流体噴流
４　　　　　：ベントノズル
５　　　　　：ベント噴流
６　　　　　：燃料炭ノズル
７Ａ　　　　：第１旋回防止羽根
７Ｂ　　　　：第２旋回防止羽根
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
１２　　　　：風箱
１３　　　　：空気流量調整装置
１４　　　　：燃焼用空気噴流
１５　　　　：追加空気
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
２２　　　　：火炉ホッパ
２３　　　　：灰処理装置
２４　　　　：火炎流動パターン
２５　　　　：上部火炉
２６　　　　：火炉出口
３０　　　　：水壁
３０ａ　　　：水壁管
３１　　　　：バーナスロート
４０　　　　：循環渦
４１　　　　：再循環
４５　　　　：エアレジスタ
５０　　　　：遮蔽板
１００　　　：サイクロンバーナ
２００　　　：ボイラ装置
３００　　　：サイクロンバーナ
３００－１　：サイクロンバーナ
３００－２　：サイクロンバーナ
４００　　　：サイクロンバーナ
４００－１　：サイクロンバーナ
４００－２　：サイクロンバーナ
Ａ　　　　　：ノズル先端部分
Ｃ　　　　　：バーナ中心軸
Ｄ　　　　　：口径
ＮＵ　　　　：ノズルユニット
Ｒ　　　　　：領域
Ｘ　　　　　：コア
θ　　　　　：角度
θ１　　　　：角度
θ２　　　　：角度

Claims

　ダウンショット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、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炭ノズルと、
　前記燃料炭ノズルの外周側に前記燃料炭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、
　前記燃料炭ノズルの内部に設置された燃料濃縮器と、を備え、
　前記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１旋回防止羽根を備える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であって、
　前記燃料濃縮器の外周面における前記第１旋回防止羽根よりも先端側に、前記混合流体の旋回方向の流れを抑止する複数の第２旋回防止羽根を更に備えることを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項２に記載のサイクロンバーナであって、
　前記燃料濃縮器は、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、先端側に向かうに連れて縮径する縮径部とを有し、
　前記第１旋回防止羽根及び前記第２旋回防止羽根は、前記燃料濃縮器の前記胴体部に固定されることを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項２又は３に記載のサイクロンバーナであって、
　前記第１旋回防止羽根の上面は、前記サイクロンバーナの中心軸に対して傾斜して前記燃料濃縮器に固定され、
　前記第２旋回防止羽根の上面は、前記サイクロンバーナの中心軸に対して前記第１旋回防止羽根と逆向きに傾斜して前記燃料濃縮器に固定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４の何れか１項に記載のサイクロンバーナにおいて、
　前記燃料濃縮器の軸方向の位置を調整する位置調整ロッドを更に備えることを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項１ないし５の何れか１項に記載のサイクロンバーナにおいて、
　前記燃料炭ノズルの先端部の外周側に設けられる保炎器を更に備えることを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項１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、前記燃料炭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ることを特徴とするサイクロンバーナ。
　請求項１ないし７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、前記燃料炭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８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９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１ないし８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、
　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。
　既設のボイラ装置に取り付けられ、燃料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、
　前記燃料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炭ノズルと、
　前記燃料炭ノズルの外周側に前記燃料炭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、
　前記燃料炭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１旋回防止羽根と、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、燃料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、
　前記燃料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炭ノズルと、
　前記燃料炭ノズルの外周側に前記燃料炭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、
　前記燃料炭ノズルの先端部の外周側に設けられる保炎器と、を備え、
　前記燃料濃縮器の外周面に、記混合流体の旋回方向の流れを抑止する複数の第１旋回防止羽根が備えられた前記燃料濃縮器を位置調整ロッドに取り付け、前記位置調整ロッド及び前記燃料濃縮器を前記サイクロンバーナに取り付ける工程を更に含むことを特徴とするサイクロンバーナの改造方法。