JPH08135919A

JPH08135919A - 燃焼装置

Info

Publication number: JPH08135919A
Application number: JP27773394A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Fukuchi; 健福地; Kunio Okiura; 邦夫沖浦; Shinichiro Nomura; 伸一郎野村; Akira Baba; 彰馬場; Noriyuki Oyatsu; 紀之大谷津; Shunichi Tsumura; 俊一津村
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1994-11-11
Filing date: 1994-11-11
Publication date: 1996-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】広い負荷範囲において安定して低ＮＯｘ燃焼
が可能な燃焼装置を提供する。【構成】微粉炭噴出孔（１次流路）内部の中心と外周
部との間に保炎器２０を設置し、この保炎器２０に微粉
炭濃縮流を衝突させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微粉炭を空気で搬送し
ボイラなどで燃焼する微粉炭バーナを備えた燃焼装置に
係わり、特に広い負荷範囲で運転可能かつ広範囲な性状
の石炭に対応可能で、低ＮＯｘ燃焼を実現することがで
きる燃焼装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】火力発電事業用として近年は微粉炭焚ボ
イラの割合が増加しつつある。微粉炭焚ボイラにおいて
も、年間・日中の電力需要変化に対応するため、発電プ
ラント（即ち発電用ボイラ）には中間負荷運用が要求さ
れるが、多数のバーナを設置した発電用ボイラの負荷調
整法として、バーナ負荷変化の幅を小さくして運転微粉
炭機（以下、ミルと称する）数変化で対応するいわゆる
ミルカットでは、ミルを含む燃焼装置系統の起動・停止
準備時間が長くプラント制御性が悪化するため、ミルカ
ットをせずにバーナ自体の負荷調整によるのが望まし
い。このためには、微粉炭バーナが広い負荷範囲で安定
に運転できることが必要である。

【０００３】また、石炭性状を表す指標の一つに燃料比
（固定炭素質量／揮発分質量）があるが、これは石炭の
燃焼性を大まかに表している。発電用ボイラで使用され
る石炭の燃料比は、従来は比較的燃焼性の良い０．８〜
２．５程度であったが、燃料比２．５以上の高燃料比炭
などの燃焼性の悪い石炭でも微粉炭焚ボイラで使用する
必要が生まれてきた。

【０００４】ボイラに限らず燃焼装置一般に対し、環境
保全の観点から窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）排出量の少
ない燃焼技術が要求されている。燃焼により発生するＮ
Ｏｘは、空気中の窒素が高温燃焼により化学変化して出
来るサーマルＮＯｘと、燃料中の窒素分の酸化によるフ
ューエルＮＯｘに大きく分けることができる。微粉炭燃
焼の場合フューエルＮＯｘが支配的で、サーマルＮＯｘ
が主体であるガス燃焼の場合とは違った低ＮＯｘ燃焼技
術が要求されている。

【０００５】微粉炭バーナにはこれらの要求があるが、
従来技術によるバーナは主として低ＮＯｘ燃焼に留意し
た開発がされている。即ち、従来の微粉炭燃焼システム
では、分級機を内蔵したミルで石炭を粉砕し、分級によ
り所定の大きさ以下の微粉を搬送用空気でバーナ部へ直
接供給する燃焼システムが実用化されている。このシス
テムでは、加熱空気をミル内に送風し、原炭の乾燥、分
級、バーナ部への微粉炭の搬送に用いている。

【０００６】この微粉炭燃焼システムの低ＮＯｘ化技術
としては、２段燃焼法が代表的である。燃焼炉のバーナ
ゾーンでの空気比（燃料に対する必要空気の割合で、１
が量論的当量）を１以下の燃料リッチな条件に保つこと
で生成ＮＯｘを還元し、低ＮＯｘ化を図る。未燃焼燃料
については、バーナゾーン後流に設置されている空気噴
出孔から空気を投入し、完全に燃焼させる方式である。

【０００７】また、図１３に示す特開昭６０−１７６３
１５号のバーナは、バーナ単体で低ＮＯｘ化を図ってい
る。

【０００８】同バーナは、１次流路１２、２次流路１
４、３次流路１７、３種のスワラー１３１，１５，１
８、１次流路外周保炎器１９、起動燃料噴射管２５より
構成されている。１次流路１２は微粉炭とそれを搬送す
る１次空気より固気２相流１１を流すための流路であ
り、２次流路１４と３次流路１７は燃焼用の２次空気１
３、３次空気１６をそれぞれ流すための流路である。

【０００９】同バーナでは、微粉炭を噴出する１次流路
外周部の保炎器１９後流部に火炎が保持され、２次空気
１３、３次空気１６にスワラー１５，１８により旋回を
掛けることで１次空気で着火燃焼している微粉炭流との
混合を遅らせ、バーナゾーンで２段燃焼を模擬した方式
を採用することで低ＮＯｘ燃焼を実現している。

【００１０】また、図１４（および図１４の正面図であ
る図１５）に示す特開昭６０−１７１３０７号のバーナ
も、バーナ単位で低ＮＯｘ化を図るものである。

【００１１】同バーナは、微粉炭とそれを搬送する１次
空気よりなる固気２相流１１を流すための１次流路１
２、排気ガス等の不活性ガス１４１を流すための不活性
ガス流路１４２、３次空気１６を流すための３次流路１
７、１次流路外周保炎器１９、起動燃料噴射管２５とそ
れに取り付けられた保炎部材２０より構成される。

【００１２】図１４、図１５のバーナでは、２つの保炎
器１９，２０により火炎を保持しＮＯｘ還元火炎を形成
し、３次空気に対する旋回の作用および不活性ガス１４
１の遮蔽作用により３次空気１６とＮＯｘ還元火炎の混
合を遅らせ、バーナ近傍で低ＮＯｘ燃焼を実現してい
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】バーナ負荷を下げた場
合、即ち微粉炭流量を下げた場合、主として低ＮＯｘ化
に留意している従来のバーナは、安定した着火ができな
くなるという問題がある。

【００１４】これは、微粉炭流量が少ない条件であって
も、１次流路内部に微粉炭が堆積しないよう１次空気流
量をある一定値以上に保持する必要があるため、バーナ
負荷が低い場合、１次流路内部において空気流量に対す
る微粉炭流量が相対的に少ない運用条件になるためであ
る。

【００１５】また、１次空気ばかりではなく２次空気、
３次空気も着火に影響する。バーナ負荷が低い条件で
は、バーナが焼損しない程度の少量の２次空気、３次空
気を流し、１次空気は微粉炭搬送に必要な流量を確保す
る。この時、図８に示すように１次空気流の運動量が２
次、３次空気流の運動量に比べて大きく、２次、３次空
気か１次空気流に引き寄せられ（エントレイメント流れ
８１）、１次流路外周部保炎器１９後部に微粉炭８２が
保持されず、安定した着火が困難になる。

【００１６】ここに示したように、一般にバーナ負荷が
５０％以下になると、保炎器後流に微粉炭が保持されな
いため、着火が不安定になる。図１４、図１５に示され
る１次流路内に保炎器２０を取り付けたバーナでもバー
ナ負荷が低く、１次流路内微粉炭濃度が低い場合、やは
り着火・保炎が不安定となる。

【００１７】バーナ近傍における着火・保炎安定化のた
めには、適切な量の揮発分が微粉炭より放出される必要
があり、バーナ負荷が低い場合、この条件が満たされな
いことは上記の通りであるが、石炭の含有揮発分量が少
ない、すなわち高燃料比炭を焚く場合にも着火・保炎が
不安定となる。従来型のバーナでは燃料比２．５以上の
石炭を安定燃焼させるのは困難である。

【００１８】また、従来技術による低ＮＯｘ燃焼法は、
バーナでの着火・保炎を強化し、バーナ近傍に高温のＮ
Ｏｘ還元性火炎を形成させることに基づいているが、バ
ーナ負荷が低い場合あるいは高燃料比炭を焚く場合、着
火・保炎が不安定となるため、このような思想に基づく
低ＮＯｘ燃焼の実現が困難となる。

【００１９】本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、
広い負荷範囲において安定して低ＮＯｘ燃焼が可能な燃
焼装置を提供することを目的とするものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、微粉炭噴出
孔（１次流路）内部の中心と外周部との間に保炎器を設
置し、この保炎器に微粉炭濃縮流を衝突させることで解
決される。

【００２１】

【作用】図１に１次流路内部保炎器２０と微粉炭濃縮器
２２を設置したバーナを示す。１次流路１２内部に保炎
器２０を設置し、これに微粉炭濃縮器２２により作られ
た微粉炭濃縮流２３を衝突させることで、保炎器後流の
再循環領域２１に保持された火炎に微粉炭が十分に供給
されるため、バーナ低負荷時あるいは低揮発分炭燃焼時
であっても保炎が安定化する。また、保炎器まわりの流
れが、２次、３次空気１３，１６と分離されているた
め、１次流路外周保炎器１９による従来バーナに見られ
る着火保炎の不安定化（図８参照）がなく、バーナ負荷
が低い条件であっても着火保炎に有利であり、従来のバ
ーナよりも広い負荷範囲で運転が可能となる。

【００２２】なお、図において、１１は固気２相流、１
４は２次流路、１５はスワラー、１７は３次流路、１８
はスワラー、２４は保炎器保持部材、２５は起動燃料噴
射管である。

【００２３】また、図９にはバーナ出口におけるＮＯｘ
の生成還元機構の模式図を示した。バーナ出口では着火
粒子の揮発分放出が起こり、微粉炭の一部は燃焼し酸素
を消費し、揮発分の放出に伴って放出したＮ分の一部は
酸素と反応しＮＯｘが生成する。酸素が消費尽くされた
後流に、還元領域が形成され、この領域内では生成ＮＯ
ｘが放出揮発分中のＨＣＮ，ＮＨ₃などと反応し、Ｎ₂
に還元される。

【００２４】図９に示すように、１次流路１２内部に保
炎器２０を設置し、これに微粉炭濃縮流２３を衝突させ
る本発明のバーナにおいては、着火保炎が強化され、バ
ーナ出口近傍より形成された火炎がバーナ噴流中の酸素
を急速に消費し、還元領域の体積を大きくすることでＮ
ＯｘのＮ₂への還元を促し、低ＮＯｘ燃焼を行うことが
できる。

【００２５】

【実施例】

（１）実施例の全体構成図１に、微粉炭とそれを搬送する１次空気よりなる固気
２相流１１を流す１次流路１２の内部に、保炎器２０お
よび微粉炭濃縮流２３を作るための微粉炭濃縮器２２を
配置したバーナを示す。

【００２６】１次流路外周部には保炎器１９が配置され
ている。さらにこのバーナには、２次空気１３を流すた
めの２次流路１４およびスワラー１５、３次空気１６を
流すための３次流路１７およびスワラー１８、起動燃料
噴射管２５が備えられている。

【００２７】図２は図１の正面図であり、部材の一部が
示されている。図２に示されるように１次流路内部保炎
器２０は、１次流路円筒により保炎器保持部材２４を用
いて保持される。

【００２８】（２）各構成部分の相互関係、作用図１に示すバーナでは、保炎器を従来のように１次流路
外周部だけではなく１次流路内部にも設置することで、
保炎器後流の再循環領域２１が微粉炭流に完全に包囲さ
れ、１次流路内微粉炭濃度の低くなるバーナ低負荷時お
よび揮発分の少ない高燃料比炭燃焼時にも安定した火炎
の着火および保炎が可能となる。

【００２９】従来技術による図１３のバーナでは、１次
流路外周部保炎器１９のみで保炎を行っていたため、２
次流路１４からの２次空気混入により、図８に示される
ように、特にバーナ負荷が低い場合に着火保炎が不安定
となるが、本バーナでは、保炎に関与する再循環領域２
１が１次流路内流れに支配され、２次空気１３の影響を
受けにくく、かつ微粉炭濃縮流２３を再循環領域２１へ
供給するので、バーナ負荷が低い運転条件においても安
定な着火保炎が可能で、広域負荷対応型のバーナに適し
た構造である。

【００３０】また、保炎器設置の位置が１次流路１２の
出口断面の中ほどであるため、保炎器後流に保持された
火炎が１次流路出口噴流全体に影響し、従来に比べてバ
ーナの大容量化が可能となるのも本発明の利点である。

【００３１】１次流路内部保炎器２０の位置、即ち図２
の半径ｒの推奨値は以下のように与えられる。バーナ負
荷が低い場合、保炎は１次流路外周部保炎器１９よりも
主として１次流路内部保炎器２０により行われる。この
場合、再循環領域２１に保持された火炎が１次流路全体
に効率よく伝播するためには、１次流路内部保炎器２０
で２分される。１次流路断面積（保炎器２０の内側と外
側）が等しくなるように保炎器２０を設置すればよい。
即ち、図２に示される保炎器２０の位置ｒは、１次流路
半径Ｒに対しｒ＝０．６Ｒ〜０．８Ｒほどの値をとる
時、本バーナは効果的に作動する。

【００３２】図１に示す本バーナでは、２次空気１３、
３次空気１６に、スワラー１５，１８により旋回を与
え、１次空気で燃焼している微粉炭流との混合を遅ら
せ、バーナゾーンで濃淡燃焼を行わせることで低ＮＯｘ
燃焼を実現している。

【００３３】この考えは、図１３の従来技術によるバー
ナと共通しているが、本バーナではさらに、１次流路１
２内部に保炎器２０を設置することで、バーナ出口近傍
より火炎を形成させ、バーナ噴流中での酸素消費を促
し、図９に概念が示されているように、バーナ噴流中で
酸素消費領域（揮発分放出領域）の直後に存在するＮＯ
ｘ還元領域の体積を従来より大きく確保し、図１３の従
来技術によるバーナよりもさらに低ＮＯｘ化を促す。

【００３４】また、従来技術では特に、バーナ低負荷時
あるいは高燃料比炭燃焼時に着火保炎が不安定で、図９
に示される概念による低ＮＯｘ燃焼は不可能であった
が、本発明では、このような条件下でも低ＮＯｘ燃焼が
可能となる。

【００３５】上記の通り、１次流路１２内部に保炎器２
０を設置することで、バーナの広域負荷対応、高燃料比
炭対応、低ＮＯｘ化が実現できるが、本発明ではさら
に、１次流路内微粉炭濃縮器２２を用いて１次流路１２
内に局所的に微粉炭濃度の高い流れ２３を作り、この微
粉炭濃縮流２３を１次流路内保炎器２０に衝突させるこ
とで、着火保炎をさらに強化している。この着火保炎の
強化は、バーナ負荷が低い場合および高燃料比炭燃焼時
に従来のバーナに比べて特に有効である。またこのよう
に保炎を強化することで、図９に示されるＮＯｘ還元領
域の体積が大きく確保でき、本バーナの持つ低ＮＯｘ燃
焼の効果が増長される。

【００３６】また、図１、図２においては、本バーナに
特有の１次流路内保炎器２０とともに従来のバーナの特
徴である１次流路外周部保炎器１９を示しているが、１
次流路外周部保炎器１９を省き１次流路内保炎器２０の
みを設置しても、本バーナは、広域負荷対応、高燃料比
炭対応、低ＮＯｘ化の効果を持つ。

【００３７】本発明は流路断面形状が非円形であっても
適用可能であり、火炉へのバーナの設置がし易いように
任意の形状をとれる。図３およびその正面図である図４
には、実際の応用時に多用されることが予想される、流
路断面形状が四角形の場合について示した。図３、図４
のバーナは、１次流路１２、燃焼用２次空気１３を流す
２次流路１４、１次流路内保炎器２０、微粉炭濃縮器２
２より構成されている。

【００３８】図３、図４のバーナにおいても、１次流路
内保炎器２０と微粉炭濃縮流２３の作用で火炎の着火保
炎が安定化され、広域負荷対応、高燃料比炭対応、低Ｎ
Ｏｘ化が実現できる。

【００３９】微粉炭濃縮をバーナ外部で行っても、本発
明の機能を果たす。バーナ外部にサイクロン型の微粉炭
濃縮器５４を設置した例を示すものが図５、バーナ外部
に流路曲率を持った慣性型微粉炭濃縮器６１を設置した
ものが図６である。図５、図６において微粉炭を搬送す
る１次流路がバーナ出口近傍で２つに分かれており、内
側の流路５５は微粉炭低濃度流５１を、外側の流路５６
は微粉炭高濃度流２３を流す。外側流路５６内の出口部
にリング状保炎器２０を設置し、これに微粉炭高濃度流
２３を衝突させることで火炎の着火保炎が安定化され、
広域負荷対応、高燃料比炭対応、低ＮＯｘ化が実現でき
る。５２，５３は配管である。

【００４０】また、通常の微粉炭搬送用１次流路とは別
に、微粉炭収納容器（ビン）を経路の途中に設置した流
路を設け、微粉炭濃縮流を流しても本発明の機能を果た
す。図７にビン７１を設置した燃焼装置を示す。同図に
おいては、通常の１次流路１２とは別に、ビン７１を用
いて微粉炭濃縮流２３を流す流路７４を設け、この流路
７４内の出口部にリング状保炎器２０を設置し、これに
微粉炭高濃度流２３を衝突させることで火炎の着火保炎
が安定化され、広域負荷対応、高燃料比炭対応、低ＮＯ
ｘ化が実現できる。７２はフィーダ、７３は微粉炭同伴
装置である。（発明の他の実施例）図１、図２では、１次流路内微粉
炭濃縮器２２として流路縮小・拡大型を想定している
が、特開平５−５５０６号にて提案されている微粉炭濃
縮器を使用した場合にも本発明の目的は実現できる。

【００４１】図１０に、この微粉炭濃縮器を用いた場合
の本発明の実施例を示す。この微粉炭濃縮器は、バーナ
負荷が高く１次流路内微粉炭濃度が高い場合、図１０
（２）に示されるように、プラグ１０４を引き抜き、微
粉炭濃縮は行わず圧力損失を小さくする。一方、バーナ
負荷が低い場合、図１０（１）に示されるように、プラ
グ１０４を差し込み、微粉炭の慣性力を利用し濃縮流２
３を作る。１０２は円筒部品、１０３はコーン部品であ
る。

【００４２】また、同様に、図１１、図１２では、１次
流路内での旋回流により微粉炭高濃度流２３を作る場合
を示す。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
微粉炭噴出孔（１次流路）内部の中心と外周部との間に
保炎器を設置し、この保炎器に微粉炭濃縮流を衝突させ
るようにしたから以下の効果を奏する。

【００４４】１）広い負荷範囲における安定した運転が
可能になる。

【００４５】２）揮発分含有量の少ない難燃性石炭を使
用した場合での安定した運転が可能になる。

【００４６】３）上記１），２）の条件においての低Ｎ
Ｏｘ燃焼が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る、１次流路内に微粉炭濃
縮器を備えた微粉炭バーナの断面図である。

【図２】図１に示すバーナの正面図である。

【図３】流路断面が任意（ここでは四角形）のバーナに
本発明を適用した場合の例を示す構成図である。

【図４】図３に示すバーナの正面図である。

【図５】本発明の実施例に係る、バーナ外部に設置され
たサイクロン型の微粉炭濃縮器を用いた燃焼装置の系統
図である。

【図６】本発明の実施例に係る、バーナ外部に設置され
た慣性力型の微粉炭濃縮器を用いた燃焼装置の系統図で
ある。

【図７】本発明の実施例に係る、ビンシステムを用いた
燃焼装置の系統図である。

【図８】バーナを低負荷の条件で運転した場合の２次空
気の挙動を示す模式図である。

【図９】バーナ近傍におけるＮＯｘ生成還元機構の模式
図である。

【図１０】従来例の微粉炭濃縮機構に本発明を適用した
例を示すバーナの構成図である。

【図１１】バーナ１次流路内部旋回流による微粉炭濃縮
機構の正面図である。

【図１２】バーナ１次流路内部旋回流による微粉炭濃縮
機構の断面図である。

【図１３】従来の低ＮＯｘバーナの代表である特開昭６
０−１７６３１５号のＮＲバーナの断面図である。

【図１４】特開昭６０−１７１３０７号に示されるバー
ナの断面図である。

【図１５】特開昭６０−１７１３０７号に示されるバー
ナの正面図である。

【符号の説明】

２０１次流路内部保炎器

フロントページの続き (72)発明者馬場彰広島県呉市宝町３番36号バブコツク日立株式会社呉研究所内 (72)発明者大谷津紀之広島県呉市宝町３番36号バブコツク日立株式会社呉研究所内 (72)発明者津村俊一広島県呉市宝町６番９号バブコツク日立株式会社呉工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微粉炭を空気で搬送する燃焼装置におい
て、微粉炭を噴出する流路内部の中心と外周部との間に保炎
器を設け、この保炎器に微粉炭濃縮流を衝突させるよう
にした微粉炭バーナを設けたことを特徴とする燃焼装
置。
【請求項２】微粉炭を空気で搬送する燃焼装置におい
て、微粉炭を噴出する円形流路内部の中心と外周部の間にリ
ング状の保炎器を設け、さらにこのリング状保炎器上流
に微粉炭濃縮器を設置し、リング状保炎器に微粉炭濃縮
流を衝突させる微粉炭バーナを設けたことを特徴とする
燃焼装置。
【請求項３】請求項１記載において、前記微粉炭バー
ナ外部に微粉炭濃縮器を設置したことを特徴とする燃焼
装置。
【請求項４】請求項１記載において、微粉炭供給経路
の途中に微粉炭収納器を設置したことを特徴とする燃焼
装置。