JP4309853B2 - 固体燃料バーナおよび燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体燃料を燃焼させる固体燃料バーナと、そのバーナによる燃焼方法に関する。本発明のバーナはバーナ自身で固体燃料を完全燃焼させる単段燃焼バーナとして使用するのに特に好適である。

石炭粒子等の固体燃料を燃焼させる固体燃料バーナでは、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度低減が求められている。この要求に応えるために火炎内で脱硝反応を行う方式の低ＮＯｘバーナが開発されている。この低ＮＯｘバーナは、燃料を高温で酸素不足の火炎内に滞留させることで、燃料中に含まれる窒素分をアンモニア或いはシアンのような還元剤として放出し、ＮＯｘを窒素に還元するものである。低ＮＯｘバーナでは、バーナ近くに高温で空気不足の還元炎を形成する必要がある。このため、バーナ近くで燃料と空気とが混合しないように種々の提案がなされている。例えば、最外周の空気ノズルとその内側の空気ノズルとを隔てる隔壁の先端部を拡管構造にして、最外周の空気ノズルを流れる空気を外周方向に向けて噴出させるようにしたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許第3344694号公報（請求項１、図１）

最外周の空気ノズルとその内側の空気ノズルとを隔てる隔壁の先端部に、最外周の空気ノズルを流れる空気の向きをバーナ軸方向に平行な流れから外周方向に偏向させる誘導部材を設ける場合、火炎からの放射熱により誘導部材が高温となり、熱による損傷が起き易いという課題がある。

本発明の目的は、最外周の空気ノズルに誘導部材を設けて空気を外周方向に向けて噴出させるようにした固体燃料バーナにおいて、前記誘導部材の熱による損傷を抑制することにある。

本発明の固体燃料バーナは、固体燃料とその搬送気体である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側に前記燃料ノズルを包囲するように配置された少なくとも１つの空気ノズルとを有し、少なくとも最外周に配置された前記空気ノズルの内周壁先端が外側に拡管されている固体燃料バーナにおいて、少なくとも最外周に配置された前記空気ノズルの空気出口部分の内周壁と外周壁との間に空気の流れを外周方向に誘導する誘導部材を備え、前記誘導部材の上流側に空気ノズルの外周壁の径が最も狭まったスロート部と平行になるように形成された整流部材を備え、前記整流部材は前記誘導部材と連続するように配設すると共に、前記整流部材の長さは前記空気ノズルのスロート部の長さの半分以下となるように形成したことにある。

最外周の空気ノズルの内周壁先端部分に拡管部を設け、ノズル内に更に空気の流れを外周方向に誘導する誘導部材を設けることで、実質的に１つの空気ノズル内に複数個の誘導部材を設けたことになる。この場合、１個あたりの誘導部材のバーナ軸方向への投影面積は誘導部材を１つだけ設けたものに比べて低減することができ、熱損傷を受けにくくすることができる。

本発明により誘導部材の熱損傷を低減できる理由を、誘導部材が１つだけの場合と比較して、更に詳細に説明する。

空気ノズルの内周側の先端部にだけ誘導部材を設けるようにした場合、燃料噴流と空気ノズルから噴出する空気をバーナ近くで分離するには、誘導部材のバーナ軸方向への投影面積を大きくし、空気ノズルから噴出する空気を外周方向に向ける必要がある。通常、誘導部材のバーナ軸方向への投影面積は、空気ノズルの外周側直径の最小部（スロート部）での流路断面積（バーナの軸方向に垂直方向の断面積）に対し９０％以上の投影面積になることが望ましい。この場合、誘導部材の投影面積が大きいために、火炉内からの火炎の放射熱の受熱量も大きくなり、誘導部材が高温となる。この結果、熱による損傷が起き易い。

特にバーナ１台当りの燃焼容量を増加させたい場合には、バーナ１台から投入する空気量が増えるため、空気ノズルの流路断面積が更に増加する。このため、誘導部材の投影面積も増え、火炎から受ける放射受熱量は更に増大する。この結果、誘導部材構成材料の熱伝導による冷却が相対的に少なくなり、誘導部材の先端の温度が上昇し、熱変形や高温場における腐食などの熱損傷が起き易くなる。特に、バーナから固体燃料の燃焼に必要な空気の全量を投入する単段燃焼の場合には、バーナとアフタエアとに分けて燃焼用空気を投入する二段燃焼の場合に比べて、バーナ１台から投入する空気量が増えるため、誘導部材の投影面積は更に増え、熱損傷がより起き易くなる。

これに対し、本発明のように最外周の空気ノズルの内周側先端部に誘導部材として機能する拡管部を設け、更にノズル内に少なくとも1つの誘導部材を設けた場合には、誘導部材が複数に分割されることで、外周側の誘導部材の両面に空気ノズルから噴出する空気が流れるようになる。誘導部材の両面を火炉内よりも低温の空気が流れることで、誘導部材は両面からの対流伝熱で冷却される。また、最内周の誘導部材すなわち内周壁先端に設けられた拡管部の投影面積は、単一の誘導部材の場合に比べて低減することができる。これにより、火炎から受ける放射受熱量は低減され、誘導部材内の熱伝導や外周側を流れる空気による対流伝熱での放熱量が相対的に増え、隔壁先端部の温度が低減され、熱変形および高温場における腐食などの熱損傷が生じにくくなる。

本発明は、空気ノズルが１個の場合及び複数個の場合のいずれにも適用できる。本発明は空気ノズルを複数個有する場合に、最外周の空気ノズルだけでなく、内周側の空気ノズルすなわち燃料ノズルに近い空気ノズルに複数個の誘導部材を設けることを排除するものではない。

後述するように、本発明の実施例では、燃料ノズルの外側に二次空気ノズルを有し、その外側に三次空気ノズルを有し、二次空気ノズルの外周壁を兼用する三次空気ノズルの内周壁の先端部分に拡管部を設け、三次空気ノズルの空気噴出部分に三次空気を外周方向に誘導する誘導部材を設けたバーナによって、誘導部材の熱損傷低減の効果が確認された。

誘導部材は、空気ノズルの内部に複数個設けても良い。この場合には、バーナ中心軸を起点として同心的に設けることが望ましい。また、誘導部材はノズル出口部分にのみ設けるようにし、ノズル内の上流側部分に誘導部材を設けないようにすることで、空気ノズル内の空気の流れに対する障害物を減らし、圧力損失を低減することができる。

空気ノズル内の出口部分に設けられる誘導部材は、末広がりのコーン形状にすることが望ましい。また、最外周空気ノズルの外周壁スロート部と平行になるように形成された整流部材を、末広がりのコーン形状に形成された誘導部材の上流側に接続することが望ましい。最外周空気ノズルの外周壁スロート部と平行になるように形成された整流部材により空気の流れが整流されるため、圧力損失が低減される。

最外周空気ノズルを、空気流れ方向の上流側から順に、バーナ中心軸に向かって径方向に流れる流路部分と、バーナ中心軸と平行方向に流れる流路部分と、誘導部材により外周方向に誘導されて噴出する部分とにより形成する場合には、径方向から軸方向に空気の流れ方向が変化する部分で流路外周壁（スロート部）近傍の圧力が低下し、そこに流速の遅い部分や反対方向の流れ、即ち、よどみ域が発生しやすい。誘導部材の上流側に最外周空気ノズルの外周壁スロート部と平行になるように形成された整流部材を取り付けることで、空気の流れが整流されるため、流路外周壁（スロート部）近傍での圧力低下が抑制され、よどみ域を低減することができる。なお、このとき、最外周空気ノズルの外周壁スロート部と平行な部分の長さは、スロート部長さの半分以下にすることが望ましい。これにより、空気ノズル内で空気の流れが径方向から軸方向に変わる部分と、前記誘導部材の上流側に設けた整流機能を有する部分とが干渉しなくなり、圧力損失を低く抑えることが可能になる。この結果、送風機動力を低減できるという効果も得られる。

本発明においては、誘導部材のバーナ軸方向への投影面積が、誘導部材１個当りでは減るが、複数個設けることで全体としては変わらない。また、本発明においても、従来のバーナと同様に、最外周に配置された空気ノズルの外周壁スロート部での流路断面積に対し、誘導部材のバーナ軸方向への投影面積は９０％以上を占めるようにすることが望ましい。

本発明では、最外周の空気ノズルに、空気の流方向の上流側から順に、バーナ中心軸に向かって径方向に流れる流路部分と、バーナ中心軸と平行に流れる流路部分と、誘導部材および誘導機能を有する拡管部とにより空気を外周方向に誘導して噴出する部分を形成し、径方向に流れる流路部分に旋回流発生器を設けることが望ましい。旋回流発生器を径方向に流れる流路部に設けることで、軸方向に流れる部位に旋回流発生器を設けた場合に比べて、同一の旋回強度を低い圧力損失で発生できるようになる。

誘導部材は空気ノズルの内周壁に固定された複数個の支持板によって固定されることが望ましい。通常のボイラでは熱膨張の違いにより、最外周空気ノズルの外周壁を構成する水壁とバーナ中心軸との距離が運転負荷により変化する。誘導部材を内周側から固定することで、内周側流路の面積を一定に保てる。燃焼性能に対する影響は燃料噴流に近い内周側流路の方が大きいので、水壁とバーナ中心軸との距離が変わっても、燃焼性能の変動を少なくすることができる。また、断熱材で形成される水壁開口部に対し、空気や燃料噴流の流れる内周側の流路の方が温度は低い。誘導部材を支持板によって空気ノズルの内周側に接続することで、支持板での熱伝導により誘導部材の温度を低くすることができる。

また、燃料ノズルの出口先端部すなわち燃料ノズルとその外周の空気ノズルとを隔てる隔壁の先端部には、燃料ノズルから噴出する燃料噴流および空気ノズルから噴出する空気の流れを妨げる障害物である保炎器を設けることが望ましい。保炎器の下流には周囲の流れにより負圧部が形成される。この部分は下流側から上流側に流れる循環流となり、高温の燃焼ガスが滞留し、燃料粒子の着火を助長する。このため、火炎の形成が早まり、高温で酸素不足の領域が広がる。この高温還元炎の部分では還元性物質が生成し、ＮＯｘを窒素に還元する反応によりＮＯｘの生成を低減できる。

燃料ノズル内には、ノズルの流路断面積を縮小させる部分と、その後で流路断面積を増加させる部分とを含む障害物（濃縮器）を設けることが望ましい。この障害物により、燃料粒子には、外周方向に向かう速度成分が誘起される。燃料粒子は、搬送気体よりも慣性力が大きいので、燃料ノズルの外側隔壁の内周に片寄って流れてノズル出口に到達する。これにより、燃料ノズルの外側隔壁近くに燃料粒子が濃縮され、燃料ノズル出口部での着火性が向上し、安定燃焼が行われやすくなる。

本発明のバーナは、固体燃料の燃焼に必要な空気の全量を投入して燃焼を行う単段燃焼の場合に特に有効である。これは、バーナとアフタエアとに分けて燃焼用空気を投入する二段燃焼の場合に比べて、バーナ１台から投入する空気量が増え、誘導部材の必要とする投影面積が増えることによる。

本発明の第１の実施形態を、図１〜図５を用いて説明する。図１は固体燃料バーナを側面から見た概略断面図である。図３は図１に示す固体燃料バーナと対比するために示した固体燃料バーナであり、同じく側面から見た概略断面図である。図２は図１に示すバーナの最外周に位置する空気ノズルの出口部を拡大して示した概略断面図であり、図４は図２に示すバーナの最外周空気ノズルの出口部を拡大して示した概略断面図である。

図１において、燃料ノズル10は上流側で図示されていない搬送管に接続されており、固体燃料を搬送用の一次空気とともに噴出する。燃料ノズル10の外周には二次空気を噴出する二次空気ノズル11が設けられ、二次空気ノズル11の外周には三次空気を噴出する三次空気ノズル12が設けられている。燃料ノズルと二次空気ノズルと三次空気ノズルをバーナ出口側の正面から見ると、燃料ノズルを中心にしてその外側に環状の二次空気ノズルが同心的に配置され、二次空気ノズルの外側に環状の三次空気ノズルが同心的に配置されている。三次空気ノズルは最外周空気ノズルを構成している。一次空気と二次空気および三次空気の流量配分比は、一例を示すと1〜2：1：3〜7である。矢印13は固体燃料と一次空気の混合流の流れ方向を示し、矢印14，15はそれぞれ二次空気、三次空気の流れ方向を示す。燃料ノズル10の内部には、燃料ノズルを貫通するオイルガン16が設けられ、バーナ起動時あるいは低負荷燃焼時に助燃のために使用される。燃料ノズル内には固体燃料の逆火防止のために絞り部17が設けられている。燃料ノズル10と二次空気ノズル11を隔てる隔壁28の先端には、一次空気と二次空気の間の循環流31を拡大するための保炎器30が設けられている。この保炎器は、二次空気ノズルの流路を狭める障害物と燃料ノズルの先端開口部を狭めるリングとから構成されている。三次空気ノズル12の外周壁は火炉壁で構成されるバーナスロート19である。二次空気ノズルと三次空気ノズルは隔壁29によって仕切られ、その隔壁先端にはバーナ中心軸に対して径方向に拡管する誘導部材20すなわちガイドスリーブが設けられている。この誘導部材20によって、主として三次空気がバーナ中心軸から離れるように外向きに噴出される。三次空気ノズル12内には更に誘導部材40とそれに接続された円筒形状の整流部材41とが設けられている。誘導部材40及び整流部材41は支持板42に固定されており、支持板の他端は隔壁29に固定されている。なお、支持板42は複数個設けられている。図３は図１に示す固体燃料バーナと対比するために示した比較例であり、誘導部材40と整流部材41が設けられていない点が図１とは異なる。また、図３では誘導部材20の先端部が三次空気ノズル12の外周壁のバーナスロートよりも更に上方まで延びている。三次空気ノズルには三次空気に旋回流速を与えるための旋回流発生器22が設けられている。この旋回流発生器には、通常、レジスタ羽根と呼ばれる空気旋回羽根が用いられる。二次空気と三次空気はウインドボックス26から供給され、二次空気の量はダンパ25を動かすことによって調整される。ダンパ25の移動によって三次空気の量も決まる。火炉内壁には水管32が設けられている。二次空気ノズル11の内周壁先端には、二次空気を外周方向へ誘導するための案内板27が設けられている。また、燃料ノズル10内には流路を狭めて燃料噴流を一時的に外周側に寄せ、その後、流路を拡大する障害物24が設けられている。矢印51は燃料ノズル10から噴出される固体燃料と一次空気との混合流体すなわち燃料噴流の流れ方向を示し、矢印52は二次空気ノズル11から噴出される二次空気の流れ方向、矢印53は三次空気ノズル12から噴出される三次空気の流れ方向を示している。符号54は燃料ノズルからの噴流によって形成される火炎の外周域を示している。

図１のバーナによる燃焼では、燃料ノズル10と二次空気ノズル11を隔てる隔壁28の先端に設けられた保炎器30によって、その下流側の領域の圧力が低下し、下流から上流に向かう流れである循環流31が形成される。この循環流内には高温のガスが滞留するため、燃料粒子の着火が進み、火炎の安定性が向上する。本実施形態では燃料ノズル10内に障害物24を設けているので、固体燃料粒子が燃料ノズル外周の隔壁28側に偏りやすく、このため、保炎器近傍の燃料濃度が高くなり、着火が更に進みやすくなる。

燃料ノズルの出口近傍に火炎が形成され、酸素の消費が進むことで、火炎内に酸素濃度の低い還元炎領域が広がる。この還元炎内では固体燃料に含有される窒素分がアンモニアやシアンのような還元物質として放出され、ＮＯｘを窒素に還元する還元剤として働く。このため、ＮＯｘの発生量を低減できる。また、着火が早まることで固体燃料の燃焼反応が進み、燃料灰中の未燃焼分も減少する。二次空気ノズルと三次空気ノズルの出口部分にそれぞれ外周方向へ誘導するための案内板27と誘導部材20，40を設けることで、燃料混合流体の流れと二次空気の流れ及び三次空気の流れが矢印51,52,53で示すように離れるようになり、バーナ近傍での固体燃料と二次空気および三次空気との混合が遅れて還元炎領域が広がる。

次に比較例を示す図２との対比で説明する。図１に示す本発明の固体燃料バーナは、三次空気ノズル12の出口に三次空気の流れを外周方向に誘導する誘導部材20，40が設けられている。誘導部材20,40はノズルの出口に向かうにつれて径が拡大したコーン形状をしており、バーナ正面から見ると、内側に誘導部材20があり、外側に同心円状に誘導部材40がある。本実施形態では、誘導部材は2個であるが、更に多くの個数を設けることができる。誘導部材を複数個設けることで、外周側の誘導部材40は両面を三次空気が流れる。誘導部材40の両面を火炉内よりも低温の三次空気が流れることで、誘導部材40は両面からの対流伝熱で冷却される。また、三次空気ノズルの最内周に設けられている誘導部材20は図３に示す比較例での誘導部材20に比べて、バーナ軸方向への投影面積（Ｓ２）が小さく、このため、火炎から受ける放射受熱量が低減され、誘導部材内の熱伝導や空気による対流伝熱での放熱量が相対的に増える。この結果、誘導部材20先端部の温度が低減され、熱変形或いは高温場における腐食などの熱損傷が生じにくくなる。

本発明では誘導部材20，40の面積は、１個当りの面積としては図３に示す場合に比べて減るものの、複数個設けることで全体としては変わらない。誘導部材のバーナ軸方向への投影面積つまり図２に示すＳ２とＳ３を合計した面積は、三次空気ノズルの直径の最小部すなわちスロート部での流路断面積（固体燃料バーナの軸方向に垂直方向の断面積（Ｓ１））に対し一般に９０％以上の投影面積になれば、空気の全量を誘導部材20，40で誘導することが可能である。また、本実施形態では、誘導部材40の上流側にバーナスロート19の部分と平行になるように構成された整流部材41が設けられている。これにより、三次空気の流れが整流され、圧力損失が低減される。

最外周空気ノズルの流路は、上流側からバーナ中心軸に向かって径方向に流れる流路部分と、バーナ中心軸と平行に流れる流路部分と、誘導部材20,40により外周方向に向かって噴出する部分とで構成されている。この場合、径方向から軸方向に流れ方向が変化する部分で、流路外周壁であるスロート部近傍の圧力が低下し、空気ノズル流路の流れに対し流速が遅くなり、図４に示すように反対方向の流れ（よどみ域）60が発生しやすい。誘導部材40の上流側にスロート部の内周側隔壁と平行になるようにした部分すなわち整流部材41を設けることで、空気の流れが整流され、スロート部近傍での圧力低下が抑制され、よどみ域を解消もしくは低減できる。また、整流部材41の長さ（Ｌ２）をスロート部長さ（Ｌ１）の半分以下にすることで、空気ノズル内で流れが径方向から軸方向に変化する部分61と整流部材41の上流側先端とが干渉しなくなり、圧力損失が低く抑えられ、送風機動力を低減できる。

図５に示す比較例のように、三次空気ノズルを複数に分割することも考えられる。しかし、この場合には、複数の三次空気ノズル内で、それぞれ三次空気の流れが径方向から軸方向に変化する部分の外周壁近傍に図４に示したように、よどみ域が生じる。したがって、好ましくない。

なお、図１に示すバーナの三次空気ノズル12は、バーナ中心軸に向かって径方向に流路を形成する部分に旋回流発生器22が設けられている。旋回流発生器22により三次空気の旋回流速成分を変えることで、矢印51に示す燃料噴流と矢印53で示す三次空気の流れとの混合位置を変えることができる。通常、旋回流速成分を増やすと混合を遅らせることができる。

また、誘導部材40および整流部材41は、三次空気ノズルの内周側の隔壁29から支持板42を周方向に複数設けて固定されている。通常のボイラでは熱膨張の違いにより、最外周空気ノズルの外周部を形成する火炉壁のバーナスロート19とバーナ中心軸との距離が運転負荷により変化する。誘導部材を三次空気流路の内周壁に固定することで、内周側流路の面積を一定に保てる。また、燃焼性能に対する影響は燃料噴流に近い内周側流路の方が大きいので、水壁とバーナ中心軸との距離が変化しても、燃焼性能の変動を少なくすることができる。また、断熱材と水管で形成される火炉壁に対して、空気および燃料噴流の流れる内周側の流路は温度が低い。誘導部材40を空気流路の内周側に接続することで、支持板での熱伝導により、誘導部材40の温度を低くすることが可能である。

本実施形態による固体燃料バーナは、固体燃料の燃焼に必要な空気の全量をバーナから投入する単段燃焼の場合に特に効果が大きい。これはバーナとアフタエアとに分けて燃焼用空気を投入する二段燃焼の場合に比べて、バーナ１台から投入する空気量が増え、誘導部材の面積が増えることによる。

図６は本発明の第２の実施形態を示す固体燃料バーナを側面から見た概略断面図である。図６では、誘導部材40の上流側に整流部材41が設けられていない。この構造でも、実施例1の場合と同様に、誘導部材20，40の熱変形および熱損傷を低減できる。図６では燃料ノズル10内の障害物24および燃料ノズル出口の保炎器30も省略されている。障害物24および保炎器30を設ける場合に比べれば燃焼性能は低下するが、着火性能が良好な固体燃料を使用する場合には、実用上問題無い。

本発明により、石炭粒子等の固体燃料を用い、誘導部材を設けて三次空気の混合を遅らせるようにしたバーナにおいて、誘導部材の熱損傷或いは熱変形を低減することができた。これによる実用上の効果は大きい。

本発明の実施例による固体燃料バーナを側面から見た概略断面図。 図１のバーナの三次空気ノズル部分を拡大して示した概略断面図。 本発明と比較するために示したバーナの概略断面図。 図３のバーナの三次空気ノズル部分を拡大して示した概略断面図。 本発明と比較するために示した他のバーナの概略断面図。 本発明の他の実施例による固体燃料バーナを側面から見た概略断面図。

符号の説明

10…燃料ノズル、11…二次空気ノズル、12…三次空気ノズル、19…バーナスロート、20…誘導部材、22…旋回流発生器、24…障害物、26…ウインドボックス、27…案内板、28…隔壁、29…隔壁、30…保炎器、31…循環流、40…誘導部材、41…整流部材、42…支持板。

Claims (4)

1. 固体燃料とその搬送気体である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側に前記燃料ノズルを包囲するように配置された少なくとも１つの空気ノズルとを有し、少なくとも最外周に配置された前記空気ノズルの内周壁先端が外側に拡管されている固体燃料バーナにおいて、
   少なくとも最外周に配置された前記空気ノズルの空気出口部分の内周壁と外周壁との間に空気の流れを外周方向に誘導する誘導部材を備え、前記誘導部材の上流側に空気ノズルの外周壁の径が最も狭まったスロート部と平行になるように形成された整流部材を備え、前記整流部材は前記誘導部材と連続するように配設すると共に、前記整流部材の長さは前記空気ノズルのスロート部の長さの半分以下となるように形成した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、最外周に配置された前記空気ノズルは、上流側から順次にバーナ中心軸に向かって空気が径方向に流れる流路部分と、バーナの軸方向に空気が流れる流路部分と、前記誘導部材およびノズル内周壁先端に設けられた拡管部により空気が外周方向に誘導されて噴出する部分とから形成されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
3. 請求項１に記載の固体燃料バーナにおいて、
   前記誘導部材が空気流れ方向上流側の径が小さく、空気流れ方向下流側の径が大きい末広がりのコーン形状をし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、
   前記誘導部材は複数個の支持板によって前記空気ノズルの内周壁に固定されていることを特徴とする固体燃料バーナ。

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