JP2024168313A - Burners and furnaces - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、アンモニアを含むガス燃料を燃焼するバーナ及び当該バーナを備える燃焼炉に関する。 The present disclosure relates to a burner that burns a gas fuel containing ammonia and a combustion furnace equipped with the burner.
二酸化炭素(CO2)排出削減の時流から、燃焼で二酸化炭素を排出しない燃料としてアンモニア(NH3)が注目されている。アンモニアを燃料とするための課題として、都市ガスの主成分であるメタンと比較して燃焼速度が遅く火炎温度が低いことから、燃え難く安定燃焼し難い点と、N分を多く含むことからNOx排出量が増加しやすい点が挙げられる。そこで、特許文献1に開示されるように、アンモニアを燃料とするバーナにおいて、NOx排出量を抑制する技術の開発が行われている。 In light of the trend toward reducing carbon dioxide (CO 2 ) emissions, ammonia (NH 3 ) has been attracting attention as a fuel that does not emit carbon dioxide when burned. Problems with using ammonia as fuel include its slow burning speed and low flame temperature compared to methane, the main component of city gas, making it difficult to burn and stably, and its high N content that tends to increase NOx emissions. Therefore, as disclosed in Patent Document 1, technology is being developed to suppress NOx emissions in burners that use ammonia as fuel.
特許文献1のバーナは、微粉炭などの固体燃料と該固体燃料の搬送ガスとの混合流体を噴き出す燃料供給ノズルと、燃料供給ノズルの外側に配置されて、燃焼用空気を混合流体から外周側へ分離して噴き出す空気ノズルと、燃料供給ノズルの出口よりも下流側からアンモニアガスを噴き出すアンモニア供給ノズルとを備える。アンモニア供給ノズルは空気ノズルに通されており、空気ノズルの空気出口にアンモニア出口が配置されている。アンモニア供給ノズルは、燃料供給ノズルの出口の直ぐ下流において燃料の燃焼によって酸素が消費されて低酸素濃度となった高温還元領域へ向けて、アンモニアガスを供給する。アンモニアが高温還元領域で燃焼することによって、燃焼で生じたNOxは還元反応により窒素となるため、NOx排出量が抑制される。 The burner in Patent Document 1 includes a fuel supply nozzle that sprays a mixture of solid fuel such as pulverized coal and a carrier gas for the solid fuel, an air nozzle that is arranged outside the fuel supply nozzle and separates and sprays combustion air from the mixture toward the outer periphery, and an ammonia supply nozzle that sprays ammonia gas from downstream of the outlet of the fuel supply nozzle. The ammonia supply nozzle is passed through the air nozzle, and an ammonia outlet is arranged at the air outlet of the air nozzle. The ammonia supply nozzle supplies ammonia gas toward a high-temperature reduction region immediately downstream of the outlet of the fuel supply nozzle, where oxygen has been consumed by the combustion of the fuel and the oxygen concentration has become low. By burning ammonia in the high-temperature reduction region, NOx produced by the combustion is converted into nitrogen by a reduction reaction, thereby suppressing NOx emissions.
特許文献1のバーナでは、混合流体の流れと燃焼用空気の流れに挟まれた位置に保炎渦が生じる。また、保炎渦の内周の高温還元領域では、循環流が生じる。火炎が安定し難いアンモニア燃焼では、保炎のために保炎渦及び循環流の保護が重要となる。特許文献1のバーナでは、アンモニア供給ノズルから出たアンモニアガスの流れは、保炎渦及び混合流体の流れを貫いて高温還元領域へ向かう。そのため、アンモニアガスの流量が少ないと、保炎渦や混合流体の流れに遮られて、アンモニアガスが混合還元領域へ到達できないことが懸念される。また、アンモニアガスの流量が多いと、保炎渦や循環流が乱されて保炎できず燃焼が不安定となることが懸念される。 In the burner of Patent Document 1, a flame-holding vortex is generated between the flow of the mixed fluid and the flow of the combustion air. In addition, a circulating flow is generated in the high-temperature reduction region on the inner circumference of the flame-holding vortex. In ammonia combustion, where it is difficult to stabilize the flame, it is important to protect the flame-holding vortex and the circulating flow in order to maintain the flame. In the burner of Patent Document 1, the flow of ammonia gas emitted from the ammonia supply nozzle passes through the flame-holding vortex and the flow of the mixed fluid toward the high-temperature reduction region. Therefore, if the flow rate of ammonia gas is low, there is a concern that the ammonia gas will be blocked by the flame-holding vortex or the flow of the mixed fluid and will not be able to reach the mixed reduction region. In addition, if the flow rate of ammonia gas is high, there is a concern that the flame-holding vortex and the circulating flow will be disturbed, making it impossible to maintain the flame and causing unstable combustion.
本開示は以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アンモニアを燃焼するバーナにおいて、安定燃焼とNOx排出量の抑制とを両立する技術を提供することにある。 This disclosure has been made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to provide a technology that achieves both stable combustion and reduced NOx emissions in a burner that burns ammonia.
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るバーナは、
バーナ軸線を中心とする筒状を呈し、主燃料及び一次空気の混合流体を噴出する主燃料出口を有する第1ノズルと、
前記主燃料出口を囲う二次空気出口を有し、前記二次空気出口から二次空気を吹き出す第2ノズルと、
前記主燃料出口の周縁の下流に保炎渦を生じさせる保炎板と、
前記二次空気出口を囲う三次空気出口を有し、前記三次空気出口から三次空気の旋回流を吹き出す第3ノズルと、
前記主燃料出口内に配置された第1補助燃料出口を有し、前記第1補助燃料出口からアンモニアを含む第1ガス燃料を噴出する第1補助燃料ノズルと、を備え、
燃焼時に、前記三次空気の働きによって、流体が前記保炎渦の内縁に沿って前記主燃料出口から離れる向きに流れる順流部と、前記流体が前記バーナ軸線上を前記主燃料出口へ近づく向きに流れる逆流部と、前記逆流部から前記順流部への転換部とを含む循環流が生じ、前記第1補助燃料ノズルは、前記循環流のうち前記順流部又は前記転換部へ前記循環流の流れに沿って前記第1ガス燃料を噴出するものである。
In order to solve the above problems, a burner according to one aspect of the present disclosure includes:
A first nozzle having a cylindrical shape centered on a burner axis and having a main fuel outlet for ejecting a mixed fluid of a main fuel and primary air;
a second nozzle having a secondary air outlet surrounding the main fuel outlet and blowing out secondary air from the secondary air outlet;
a flame-holding plate for generating a flame-holding vortex downstream of a periphery of the main fuel outlet;
a third nozzle having a tertiary air outlet surrounding the secondary air outlet and blowing out a swirling flow of tertiary air from the tertiary air outlet;
a first auxiliary fuel nozzle having a first auxiliary fuel outlet arranged in the main fuel outlet and configured to eject a first gas fuel containing ammonia from the first auxiliary fuel outlet;
During combustion, the action of the tertiary air creates a circulating flow that includes a forward flow section in which the fluid flows away from the main fuel outlet along the inner edge of the flame-holding vortex, a reverse flow section in which the fluid flows along the burner axis in a direction toward the main fuel outlet, and a transition section from the reverse flow section to the forward flow section, and the first auxiliary fuel nozzle injects the first gas fuel along the flow of the circulating flow into the forward flow section or the transition section.
また、本開示の一態様に係る燃焼炉は、燃焼室と、前記燃焼室の壁に配置された前記バーナとを備えるものである。 In addition, a combustion furnace according to one aspect of the present disclosure includes a combustion chamber and the burner disposed on a wall of the combustion chamber.
本開示によれば、アンモニアを燃焼するバーナにおいて、安定燃焼とNOx排出量の抑制とを両立する技術を提供できる。 This disclosure provides a technology that achieves both stable combustion and reduced NOx emissions in a burner that burns ammonia.
以下、図面を参照して本開示の実施の形態を説明する。まず、本開示の一実施形態に係るバーナ5を備えるボイラ10の概略構成から説明する。
Hereinafter, an embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. First, the schematic configuration of a
《ボイラ10の概略構成》
図1は、本開示の一実施形態に係るバーナ5を備えるボイラ10の概略構成を示す図である。図1に示すボイラ10は、燃料を燃焼する燃焼炉2と、燃焼炉2の燃焼熱を利用して蒸気を生成するボイラ本体40とを備える。ボイラ10は、微粉炭焚きの火力ボイラであって、粉体又は粒体状の化石燃料(即ち、固体燃料)を主燃料とする。但し、本開示に係るバーナ5が適用されるボイラは、微粉炭焚きボイラに限定されず、微粉炭及びバイオマスを主燃料とする混焼ボイラ、石油残渣を主燃料とする石油残渣焚きボイラなどであってもよい。
<<Overall configuration of
Fig. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a
燃焼炉2は内部に竪型の燃焼室20を有する。本実施形態に係る燃焼炉2は倒立式の竪型炉であって、燃焼室20の上部には高温還元ゾーン21が形成され、燃焼室20の下部には低温酸化ゾーン22が形成され、高温還元ゾーン21と低温酸化ゾーン22との間には絞り部23が設けられている。但し、燃焼炉2は、燃焼室20の下部に高温還元ゾーン21が形成され、燃焼室20の上部に低温酸化ゾーン22が形成された竪型炉であってもよい。
The
燃焼炉2の内壁のうち高温還元ゾーン21を形成している部分は耐火材25で覆われている。燃焼炉2の高温還元ゾーン21の炉壁には、上下方向に少なくとも1段のバーナ段が設けられており、各バーナ段は水平方向に並ぶ複数のバーナ5で形成されている。各バーナ5は、高温還元ゾーン21へ燃料及び一段目燃焼用の空気を吹き出し、火炎を生じさせる。高温還元ゾーン21の出口は、絞り部23を介して低温酸化ゾーン22の入口と接続されている。
The portion of the inner wall of the
燃焼炉2の低温酸化ゾーン22の炉壁には、複数の空気ノズル26が設けられている。各空気ノズル26から低温酸化ゾーン22へ二段目燃焼用の空気が吹き出す。低温酸化ゾーン22のうち絞り部23と複数の空気ノズル26との上下間は冷却部24であり、冷却部24の炉壁はボイラ本体40の水管が張り巡らされた水冷壁となっている。低温酸化ゾーン22の出口11は煙道28の入口と接続されている。煙道28には、ボイラ本体40の伝熱管43が設けられている。煙道28の出口には排ガス処理系統30が接続されている。
The furnace wall of the low-
上記構成のボイラ10において、高温還元ゾーン21に供給される燃料と一段目燃焼用の空気との空気比は、1未満(例えば、0.7程度)に維持される。その上、耐火材25で覆われた高温還元ゾーン21は、炉の他の部分と比較して炉内温度が下がりにくい。これにより、高温還元ゾーン21は平均約1500℃の高温の還元雰囲気(即ち、空気量が理論空気量よりも低い空気不足の雰囲気)となっており、高温還元ゾーン21では燃料のガス化が促進される。
In the
高温還元ゾーン21では、燃料の熱分解によってガス化燃料が生じる。ガス化燃料は、絞り部23を通じて低温酸化ゾーン22に流入する。空気ノズル26から低温酸化ゾーン22へ供給される二段目燃焼用の空気によって、低温酸化ゾーン22の空気比は1以上(例えば、1.1程度)に維持される。これにより、低温酸化ゾーン22は酸化雰囲気となっており、低温酸化ゾーン22ではガス化燃料の燃焼が促進される。
In the high-
低温酸化ゾーン22では、燃料の燃焼が完結する。低温酸化ゾーン22からの燃焼排ガスは、煙道28を通じて排ガス処理系統30へ流出する。煙道28や炉壁に設けられた伝熱管43で燃焼排ガスの熱が回収され、ボイラ本体40で蒸気が生成される。生成された蒸気は、例えば、発電設備の蒸気タービンで利用される。
In the low-
《バーナ5の構成》
ここで、上記構成のボイラ10が備えるバーナ5の構成について説明する。バーナ5は、固体燃料を主燃料とし、アンモニアを含むガス燃料を補助燃料として利用する混焼バーナである。固体燃料は、例えば微粉炭などの、粉体又は粒体状の化石燃料である。但し、バーナ5の主燃料は化石燃料に限定されず、バイオマスや、石油残渣であってもよい。
<<Configuration of Burner 5>>
Here, the configuration of the
図2は、本開示に係るバーナ5の概略断面図であり、図3は、図2のバーナ5の出口近傍の拡大図である。図2及び図3に示すように、バーナ5は、バーナ軸線70を中心として同軸に配置された第1ノズル71、第2ノズル72、及び、第3ノズル73から成る多重ノズルを備える。バーナ軸線70の延伸方向を「バーナ軸線方向X」と称する。
Figure 2 is a schematic cross-sectional view of the
第1ノズル71は、内部にバーナ軸線方向Xに延びる第1流路71fを有し、先端に第1流路71fの下流端である主燃料出口71aを有する。主燃料出口71aの周囲には、保炎板77が設けられている。保炎板77は、下流へ向けて拡径する截頭円錐形状を呈する。第1流路71fには、旋回抑制板711が設けられている。また、第1流路71fにおいて旋回抑制板711の上流には分散羽根713が設けられている。
The
第1ノズル71の軸心部には、バーナ軸線70と重複して配置された重油バーナ79が挿通されている。重油バーナ79の出口は主燃料出口71aの略中央に配置されている。重油バーナ79は主に点火に用いられる。
A
第1流路71fには、固体燃料及び一次空気が供給される。一次空気は、燃料の燃焼用空気であるとともに、固体燃料の搬送用気体である。固体燃料及び一次空気から成る混合流体51は、分散羽根713の作用によって旋回し、旋回抑制板711の作用によってその旋回力が弱められてから、主燃料出口71aからバーナ軸線方向Xへ向けて噴出する。
Solid fuel and primary air are supplied to the
第1ノズル71の外周には、第2ノズル72が設けられている。第1ノズル71と第2ノズル72との間には、流路断面が環状の第2流路72fが形成されている。第2流路72fの下流端である二次空気出口72aは、主燃料出口71aの外周を囲っている。二次空気出口72aの周縁には、下流へ向けて拡径するエアコーン72bが設けられている。第2流路72fには、風箱から二次空気52が供給される。二次空気52は、二次空気出口72aから混合流体51の流れの外周へ向けて吹き出す。保炎板77及びエアコーン72bによって、二次空気出口72aから吹き出した二次空気52は、第1ノズル71から噴き出した混合流体51から外側へ離れるように案内される。
A
第2ノズル72の外周には、第3ノズル73が設けられている。第3ノズル73と第2ノズル72の間には、流路断面が環状の第3流路73fが形成されている。第3流路73fの下流端である三次空気出口73aは、二次空気出口72aの外周を囲っている。三次空気出口73aの周縁には、下流へ向けて拡径するエアコーン73bが設けられている。第3流路73fには、旋回ベーン731が配置されている。第3流路73fには、風箱から三次空気53が供給される。三次空気53は、旋回ベーン731の作用によって旋回しながら、三次空気出口73aから二次空気52の外周へ向けて吹き出す。エアコーン72b及びエアコーン73bによって、第3ノズル73から吹き出した三次空気53は、第2ノズル72から吹き出した二次空気52から外側へ離れるように案内される。
A
バーナ5は、第1ガス燃料80を噴出する第1補助燃料ノズル81と、第2ガス燃料90を噴出する第2補助燃料ノズル91とを備える。第1ガス燃料80及び第2ガス燃料90は、アンモニアガスを含む可燃性ガスである。第1ガス燃料80及び第2ガス燃料90は、アンモニアガスに限定されず、アンモニアを主成分とする可燃性ガス、即ち、50体積%以上のアンモニアを含む可燃性ガスであればよい。第1ガス燃料80と第2ガス燃料90は、同じ組成あってもよいし異なる組成であってもよい。
The
図4は、バーナ5の出口をバーナ軸線方向Xの前方から見た図である。図2,3及び4に示すように、少なくとも1本の第1補助燃料ノズル81が第1ノズル71に挿入されている。第1補助燃料ノズル81は、内部に補助燃料流路81fを有し、先端に補助燃料流路81fの下流端である第1補助燃料出口81aを有する。第1補助燃料出口81aは、主燃料出口71a内に位置する。図4に示す例では、複数の第1補助燃料出口81aが重油バーナ79の周囲を囲むように環状に並んで配置されている。この場合、複数の第1補助燃料出口81aの開口軸線はバーナ軸線70から偏心している。なお、第1補助燃料出口81aの開口軸線は、第1補助燃料出口81aの略中央を通り、第1補助燃料出口81aから噴出する第1ガス燃料80の向きと平行な直線と規定される。或いは、図5に示すように、第1補助燃料ノズル81は、重油バーナ79の周囲を囲む環状の第1補助燃料出口81aを有していてもよい。このように、第1補助燃料出口81aは、バーナ軸線70を避けて配置されている。第1補助燃料ノズル81の補助燃料流路81fには、ガス燃料源から第1ガス燃料80が供給され、第1ガス燃料80は第1補助燃料出口81aから噴出する。
Figure 4 is a view of the outlet of the
複数の第2補助燃料ノズル91は、第1ノズル71の外周面に周方向に並んで配置されている。第2補助燃料ノズル91は、内部に補助燃料流路91fを有し、先端に補助燃料流路91fの下流端である第2補助燃料出口91aを有する。複数の第2補助燃料出口91aは、主燃料出口71aと二次空気出口72aとの間に配置され、保炎板77の外周縁に沿って周方向に並んでいる。第2補助燃料ノズル91の補助燃料流路91fには、ガス燃料源から第2ガス燃料90が供給され、第2ガス燃料90は第2補助燃料出口91aから噴出する。第2補助燃料ノズル91の補助燃料流路91fには、第2ガス燃料90に加えて、燃焼用空気が供給されてもよい。
The second
複数の第2補助燃料ノズル91から噴出する第2ガス燃料90に含まれるアンモニアの単位時間当たりの総流量は、第1補助燃料ノズル81から噴出する第1ガス燃料80に含まれるアンモニアの単位時間あたりの総流量よりも多い。バーナ5が複数の第1補助燃料ノズル81を備える場合は、複数の第2補助燃料ノズル91から噴出する第2ガス燃料90に含まれるアンモニアの単位時間当たりの総流量は、複数の第1補助燃料ノズル81から噴出する第1ガス燃料80に含まれるアンモニアの単位時間あたりの総流量よりも多い。但し、複数の第2補助燃料ノズル91からの燃料噴出を停止する、即ち、複数の第2補助燃料ノズル91から噴出する第2ガス燃料90の流量をゼロとする運転も可能であり、この場合、第1補助燃料ノズル81から噴出する第1ガス燃料80に含まれるアンモニアの流量は上記の制約から外れてもよい。
The total flow rate per unit time of ammonia contained in the
《バーナ5の燃焼方法》
続いて、上記構成のバーナ5の燃焼方法について説明する。図2及び3に示すように、バーナ5では、第1ノズル71へ供給された固体燃料と一次空気の混合流体51が、分散羽根713の作用によって旋回し、旋回抑制板711の作用によってその旋回力が弱められたのち、主燃料出口71aから旋回流れとして噴出する。また、主燃料出口71aの外周側において、二次空気出口72aから二次空気52が吹き出し、三次空気出口73aから三次空気53が吹き出す。二次空気52は、保炎板77及びエアコーン72bに案内されて、バーナ軸線70を中心として外周側へ広がるように吹き出す。同様に、三次空気53は、エアコーン72b及びエアコーン73bに案内されて、旋回しながら外周側へ広がるように吹き出す。
<Combustion method of
Next, a combustion method of the
主燃料出口71aから噴出した混合流体51中の固体燃料は熱分解してガス化し、このガス化燃料が一次空気によって燃焼する。主燃料出口71aの直ぐ下流には、燃焼によって酸素が消費されて高温還元雰囲気となった再循環領域49が生じる。保炎板77の直ぐ下流には、保炎板77の作用によって保炎渦55が生じる。保炎渦55を形成する流体は、燃焼により生じた比較的高い温度の既燃ガスを含む。保炎渦55は、流体が二次空気52の流れに沿って主燃料出口71aから離れる向きに流れる順流部と、流体が主燃料出口71aへ近づく向きに流れる逆流部とを有する。
The solid fuel in the
保炎渦55の内周側において再循環領域49には、三次空気53の旋回流によって、保炎渦55の内縁に沿って下流へ流れた流体をバーナ軸線70に沿って主燃料出口71aへ戻す循環流50が生じる。循環流50は、流体が保炎渦55の内縁に沿って主燃料出口71aから離れる向きに流れる順流部と、流体がバーナ軸線70に沿って主燃料出口71aへ近づく向きに流れる逆流部と、逆流部から順流部へ流体の流れが転換する転換部と、順流部から逆流部へ流体の流れが転換する転換部とを含む。循環流50を形成する流体は、比較的高い温度の既燃ガスを含む。保炎渦55と循環流50によって、ガス化燃料と一次空気の混合気や未燃ガスと高温の既燃ガスとの熱交換が絶えず行われて、燃焼が促進され、火炎を安定化する。更に、二次空気52、三次空気53の順に段階的に燃焼用空気と燃料とが混合して燃焼が生じる。
In the
第1補助燃料ノズル81は、少なくとも重油バーナ79よりも外側に配置されるため、主燃料出口71aの下流には、第1補助燃料出口81aから噴出した第1ガス燃料80が到達しない不達領域60が規定されている。不達領域60は図2においてハッチングで示されている。不達領域60は、主燃料出口71aの直ぐ下流でバーナ軸線70上にある点を起点として主燃料出口71aから離れる方向に延びる、バーナ軸線70を中心とする円柱状の領域である。不達領域60の半径は、重油バーナ79の半径と同じ又はそれよりも小さい。不達領域60には、循環流50の逆流部のうちバーナ軸線70に沿って流れる部分が存在する。
Since the first
第1補助燃料ノズル81は、噴出した第1ガス燃料80が第1目標位置に到達し且つ不達領域60に直接に到達しないように、単位時間当たりの噴出流量と噴出方向が調整されている。第1目標位置は、循環流50の順流部の始端領域、又は、循環流50の流れが逆流から順流に変わる転換領域にある。第1目標位置へ向けて噴出した第1ガス燃料80は、望ましくは、循環流50の流れに沿って流れて第1目標位置へ到達する。ここで、好ましくは、第1補助燃料ノズル81の噴出方向、即ち、第1補助燃料ノズル81の出口の中心軸である第1補助燃料出口軸線の延伸方向は、バーナ軸線方向Xと平行である。これにより、第1補助燃料ノズル81から噴出した第1ガス燃料80と保炎渦55との干渉を回避でき、更に、第1ガス燃料80の流れによって一次空気と主燃料との混合流体の流れが乱れない。第1目標位置へ到達した第1ガス燃料80は、循環流50の順流部又は転換部で循環流50の流れに取り込まれて燃焼する。第1ガス燃料80はアンモニアを含むが、第1ガス燃料80が既燃ガス等によって酸素濃度が希釈された領域で、低流速域である循環流50の流れに乗って緩慢に燃焼することによって、燃焼後のNOxの排出が抑制される。また、第1補助燃料出口81aから噴出した第1ガス燃料80は、不達領域60に直接に到達しないので、第1ガス燃料80の噴出流によって循環流50の逆流部の流れが乱れない。よって、正常な循環流50が維持され、火炎の安定性を保つことができる。
The first
第2補助燃料ノズル91は、噴出した第2ガス燃料90が第2目標位置に到達するように、単位時間当たりの噴出流量と噴出方向が調整されている。第2目標位置は、保炎渦55の順流部にある。第2ガス燃料90の噴出流は、保炎渦55の順流部の外縁に沿って流れて第2目標位置へ到達し、保炎渦55の順流部で保炎渦55の流れに取り込まれ、保炎渦55内で燃焼する。第2ガス燃料90の噴出流によって保炎渦55の流れが乱されないので、保炎渦55が維持され、火炎の安定性を保つことができる。また、第2ガス燃料90はアンモニアを含むが、第2ガス燃料90は酸素濃度が希釈された保炎渦55内で燃焼することによって、燃焼後のNOxの排出が抑制される。
The second
〔総括〕
本開示の第1の項目に係るバーナ5は、
バーナ軸線70を中心とする筒状を呈し、主燃料及び一次空気の混合流体51を噴出する主燃料出口71aを有する第1ノズル71と、
主燃料出口71aを囲う二次空気出口72aを有し、二次空気出口72aから二次空気52を吹き出す第2ノズル72と、
主燃料出口71aの周縁の下流に保炎渦55を生じさせる保炎板77と、
二次空気出口72aを囲う三次空気出口73aを有し、三次空気出口73aから三次空気53の旋回流を吹き出す第3ノズル73と、
主燃料出口71a内に配置された第1補助燃料出口81aを有し、第1補助燃料出口81aからアンモニアを含む第1ガス燃料80を噴出する第1補助燃料ノズル81と、を備え、
燃焼時に、三次空気53の働きによって、流体が保炎渦55の内縁に沿って主燃料出口71aから離れる向きに流れる順流部と、流体がバーナ軸線70上を主燃料出口71aへ近づく向きに流れる逆流部と、逆流部から順流部への転換部とを含む循環流50が生じ、第1補助燃料ノズル81は、循環流50のうち順流部又は転換部へ循環流50の流れに沿って第1ガス燃料80を噴出する。
[Summary]
The
A
a
A flame-holding
a
a first
During combustion, the action of the
上記構成のバーナ5では、第1ガス燃料80の噴出流は循環流50の順流部又は転換部で循環流50の流れに取り込まれて、還元雰囲気下で燃焼する。第1ガス燃料80はアンモニアを含むが、アンモニアが還元雰囲気下で燃焼することにより、燃焼後のNOx排出量が抑制される。また、第1ガス燃料80の噴出流は循環流50の逆流部の流れに干渉しないことから、循環流50の正常な流れが第1ガス燃料80の噴出流によって阻害されない。更に、第1補助燃料出口81aは主燃料出口71a内に配置されており、第1ガス燃料80の噴出流は保炎渦55に干渉せずに循環流50の順流部又は転換部へ到達できる。よって、第1ガス燃料80が噴出しても、正常な循環流50及び保炎渦55が維持されて安定して保炎される結果、バーナ5の安定燃焼を維持できる。
In the
第2の項目に係るバーナ5は、第1の項目に係るバーナ5において、複数の第1補助燃料出口81aがバーナ軸線70を中心として環状に並んでおり、複数の第1補助燃料出口81aの開口軸線は、バーナ軸線70から偏心しているものである。
The
上記のバーナ5では、複数の第1補助燃料出口81aの開口軸線がバーナ軸線70から偏心しているので、バーナ軸線70の上を通る循環流50の逆流部の流れを阻害しない。よって、循環流50の流れが保持される。
In the
第3の項目に係るバーナ5は、第1又は2の項目に係るバーナ5において、第1補助燃料出口81aの開口軸線は、バーナ軸線70と平行であるものである。
The
上記のバーナ5では、第1補助燃料出口81aからバーナ軸線70と平行に第1ガス燃料80が噴出するので、第1ガス燃料80の流れは主燃料出口71aの出口周縁に形成される保炎渦55と干渉しない。よって、保炎渦55が保持される。
In the
第4の項目に係るバーナ5は、第1乃至3のいずれかの項目に係るバーナ5において、保炎板77の周縁に配置された第2補助燃料出口91aを有し、第2補助燃料出口91aからアンモニアを含む第2ガス燃料90を噴出する第2補助燃料ノズル91を、更に備え、
第2補助燃料ノズル91は、保炎渦55の順流部へ当該順流部の流れに沿って第2ガス燃料90を噴出するものである。
The
The second
上記構成のバーナ5では、第2ガス燃料90の噴出流は保炎渦55の順流部で保炎渦55の流れに取り込まれて、保炎渦55内で燃焼する。第2ガス燃料90はアンモニアを含むが、アンモニアが還元雰囲気下で燃焼することにより、燃焼後のNOx排出量が抑制される。また、第2ガス燃料90の噴出流は保炎渦55の逆流部の流れに干渉しないことから、保炎渦55の正常な渦流が第2ガス燃料90の噴出流に阻害されない。よって、第2ガス燃料90が噴出しても、正常な保炎渦55が維持されて安定して保炎される結果、バーナ5の安定燃焼を維持できる。更に、バーナ5において、循環流50と保炎渦55へそれぞれに独立したノズルから補助燃料としてガス燃料が供給されることによって、循環流50及び保炎渦55を維持して保炎しつつ補助燃料の総合的な供給量を増やすことができる。
In the
第5の項目に係るバーナ5は、第4の項目に係るバーナ5において、
第2補助燃料ノズル91から噴出する第2ガス燃料90に含まれるアンモニアの単位時間当たりの総流量は、第1補助燃料ノズル81から噴出する第1ガス燃料80に含まれるアンモニアの単位時間あたりの総流量よりも多いものである。ここで、アンモニアの流量は、質量流量又は体積流量であってよい。
The
The total flow rate per unit time of ammonia contained in the
第1補助燃料ノズル81から噴出するアンモニアの流量と第2補助燃料ノズル91から噴出するアンモニアの流量とがこのような関係を有することにより、低発熱量ガスであるアンモニアが供給された循環流50及び保炎渦55の正常な流れを維持できる。
By having this relationship between the flow rate of ammonia ejected from the first
本開示の第6の項目に係る燃焼炉2は、燃焼室20と、燃焼室20の壁に配置された第1乃至5のいずれかの項目のバーナ5とを備えるものである。
The
上記構成のバーナ5は、燃焼炉2に備えられるバーナ5として好適である。
The
以上の本開示の議論は、例示及び説明の目的で提示されたものであり、本開示を本明細書に開示される形態に限定することを意図するものではない。例えば、前述の詳細な説明では、本開示の様々な特徴は、本開示を合理化する目的で1つの実施形態に纏められているが、複数の特徴のうち幾つかが組み合わされてもよい。また、本開示に含まれる複数の特徴は、上記で論じたもの以外の代替の実施形態、構成、又は態様に組み合わされてもよい。 The above discussion of the present disclosure has been presented for purposes of illustration and description, and is not intended to limit the present disclosure to the form disclosed herein. For example, in the foregoing detailed description, various features of the present disclosure are grouped together in a single embodiment for the purpose of streamlining the disclosure, but some of the features may be combined. Additionally, the features included in the present disclosure may be combined into alternative embodiments, configurations, or aspects other than those discussed above.
2 :燃焼炉
5 :バーナ
20 :燃焼室
50 :循環流
51 :混合流体
52 :二次空気
53 :三次空気
55 :保炎渦
70 :バーナ軸線
71 :第1ノズル
71a :主燃料出口
72 :第2ノズル
72a :二次空気出口
73 :第3ノズル
73a :三次空気出口
77 :保炎板
80 :第1ガス燃料
81 :第1補助燃料ノズル
81a :第1補助燃料出口
90 :第2ガス燃料
91 :第2補助燃料ノズル
91a :第2補助燃料出口
2: Combustion furnace 5: Burner 20: Combustion chamber 50: Circulation flow 51: Mixed fluid 52: Secondary air 53: Tertiary air 55: Flame holding vortex 70: Burner axis 71:
Claims (6)
前記主燃料出口を囲う二次空気出口を有し、前記二次空気出口から二次空気を吹き出す第2ノズルと、
前記主燃料出口の周縁の下流に保炎渦を生じさせる保炎板と、
前記二次空気出口を囲う三次空気出口を有し、前記三次空気出口から三次空気の旋回流を吹き出す第3ノズルと、
前記主燃料出口内に配置された第1補助燃料出口を有し、前記第1補助燃料出口からアンモニアを含む第1ガス燃料を噴出する第1補助燃料ノズルと、を備え、
燃焼時に、前記三次空気の働きによって、流体が前記保炎渦の内縁に沿って前記主燃料出口から離れる向きに流れる順流部と、前記流体が前記バーナ軸線上を前記主燃料出口へ近づく向きに流れる逆流部と、前記逆流部から前記順流部への転換部とを含む循環流が生じ、前記第1補助燃料ノズルは、前記循環流のうち前記順流部又は前記転換部へ前記循環流の流れに沿って前記第1ガス燃料を噴出する、
バーナ。 A first nozzle having a cylindrical shape centered on a burner axis and having a main fuel outlet for ejecting a mixed fluid of a main fuel and primary air;
a second nozzle having a secondary air outlet surrounding the main fuel outlet and blowing out secondary air from the secondary air outlet;
a flame-holding plate for generating a flame-holding vortex downstream of a periphery of the main fuel outlet;
a third nozzle having a tertiary air outlet surrounding the secondary air outlet and blowing out a swirling flow of tertiary air from the tertiary air outlet;
a first auxiliary fuel nozzle having a first auxiliary fuel outlet arranged in the main fuel outlet and configured to eject a first gas fuel containing ammonia from the first auxiliary fuel outlet;
During combustion, the action of the tertiary air generates a circulation flow including a forward flow section in which the fluid flows along the inner edge of the flame-holding vortex in a direction away from the main fuel outlet, a reverse flow section in which the fluid flows on the burner axis in a direction approaching the main fuel outlet, and a switching section from the reverse flow section to the forward flow section, and the first auxiliary fuel nozzle ejects the first gas fuel along the flow of the circulation flow to the forward flow section or the switching section of the circulation flow.
Burner.
請求項1に記載のバーナ。 The first auxiliary fuel outlets are arranged in an annular shape around the burner axis, and the opening axes of the first auxiliary fuel outlets are eccentric from the burner axis.
2. A burner according to claim 1.
請求項1又は2に記載のバーナ。 The opening axis of the first auxiliary fuel outlet is parallel to the burner axis.
A burner according to claim 1 or 2.
前記第2補助燃料ノズルは、前記保炎渦の順流部へ前記保炎渦の流れに沿って前記第2ガス燃料を噴出する、
請求項1又は2に記載のバーナ。 a second auxiliary fuel nozzle having a second auxiliary fuel outlet arranged on a peripheral edge of the flame stabilizing plate and ejecting a second gas fuel containing ammonia from the second auxiliary fuel outlet;
the second auxiliary fuel nozzle ejects the second gas fuel along a flow of the flame holding vortex to a forward flow portion of the flame holding vortex.
A burner according to claim 1 or 2.
請求項4に記載のバーナ。 a total flow rate per unit time of ammonia contained in the second gas fuel ejected from the second auxiliary fuel nozzle is greater than a total flow rate per unit time of ammonia contained in the first gas fuel ejected from the first auxiliary fuel nozzle.
5. A burner according to claim 4.
前記燃焼室の壁に配置された請求項1又は2に記載のバーナと、を備える、
燃焼炉。 A combustion chamber;
A burner according to claim 1 or 2, arranged on a wall of the combustion chamber.
Combustion furnace.
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