JP2006057903A - 微粉炭バーナおよびこれを用いたボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】 更なる低ＮＯｘ化を実現できる微粉炭バーナを提供することを目的とする。
【解決手段】 投入する微粉炭量の理論空気量より少ない空気量を全体として投入して還元雰囲気で燃焼させる微粉炭バーナ１９において、微粉炭と搬送空気との微粉炭混合気を導き、先端から噴出する微粉炭混合気通路と、少なくとも微粉炭混合気通路の先端部分を覆うように設けられ、微粉炭の揮発分放出に有効な高温で、かつ低酸素濃度である高温ガスを導き火炉３に噴出する高温ガス供給通路６７と、少なくとも高温ガス供給通路６７の先端外周を覆うように設けられ、三次空気を火炉３に供給する三次空気通路と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発電用あるいは工業用等のために蒸気発生を行う微粉炭焚きボイラに適用して好適な微粉炭バーナおよびこれを用いたボイラに関するものである。

これら微粉炭焚きボイラでは、特に煤塵、ＳＯｘ及びＮＯｘの排出について環境保全上の要求が強く、従来種々の対策が取られている。これらは、発生したものを処理する方向の対策が主体であるが、ＮＯｘについては、発生自体を抑制する対策が併せて取られている。
ＮＯｘの発生を抑制するのに有力なものとして、例えば、特許文献１に示されるものがある。
これは、微粉炭バーナ部分で投入される空気量を、燃焼のために投入される微粉炭量の理論空気量未満となるようにし、主燃焼ゾーンを還元雰囲気に保つ。これにより、微粉炭燃焼初期に多く発生するＮＯｘを還元して後流へ排出されるＮＯｘ量を低減させる。その後、主燃焼ゾーンの後流に設けられたアディショナルエアノズルから燃焼用空気を投入して酸化燃焼を行い、燃焼を完結させている。
そして、アディショナルエアノズルから投入される燃焼用空気の割合を増加させ、主燃焼ゾーンでの還元雰囲気を強めるとＮＯｘの排出量がより少なくなる。

特開平１０−２１３３０９号公報（段落［０００１］〜［００１９］，及び図６）

ところで、特許文献１に記載のものでは、アディショナルエアノズルから投入される燃焼用空気の割合３０％を越えると、この割合を増加しても、ＮＯｘの排出量がそれ以上低減しない、すなわちＮＯｘの減少に限界があることが判明した。
最近、更なる低ＮＯｘ化が求められており、特許文献１に記載のものでは機能的にその要求に十分に答えられないという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、更なる低ＮＯｘ化を実現できる微粉炭バーナおよびこれを用いたボイラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる微粉炭バーナは、投入する微粉炭量の理論空気量よりも少ない空気量を全体として投入して還元雰囲気で燃焼させる微粉炭バーナにおいて、微粉炭と搬送空気との微粉炭混合気を導き、先端から噴出する微粉炭混合気供給通路と、少なくとも該微粉炭混合気供給通路の先端部分を覆うように設けられ、前記微粉炭の揮発分放出に有効な高温で、かつ低酸素濃度である高温ガスを導き火炉に噴出する高温ガス供給通路と、少なくとも該高温ガス供給通路の先端外周を覆うように設けられ、燃焼用空気を火炉に供給する空気供給通路と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、高温ガス供給通路が微粉炭混合気供給通路の先端部分を覆うように設けられているので、微粉炭混合気は高温ガス供給通路によって導かれている高温ガス中に噴出されることになる。高温ガス中に噴出された微粉炭は、微粉炭の揮発分放出に有効な高温である高温ガスと混合して加熱されるので、急速に揮発分が放出され、さらに微粉炭粒子も昇温される。一方、高温ガスは低酸素濃度で、搬送空気と混合しても揮発分の可燃濃度範囲に入らないので、放出された揮発分は高温ガス供給通路内では燃焼されない。
そして、放出された揮発分および昇温された微粉炭粒子を含む低酸素濃度の微粉炭混合気が、高温ガス供給通路から火炉に噴出され、着火され、外周部に供給される燃焼用空気を巻き込みつつ燃焼が維持される。この際、全体として空気量は、微粉炭の理論空気量より少ないため還元雰囲気での燃焼となる。

このように、揮発分は予め放出された状態で火炉に噴出されるので、従来着火のために必要であった揮発分を放出させるための時間が不要となる分早く着火される。また、微粉炭粒子も予め昇温されているので、着火温度に早く到るため早く着火される。このため、高温、低酸素濃度での燃焼が早く始まるので、このような還元雰囲気での燃焼時間が長くなる。このため、燃焼初期に大量に発生するＮＯｘに対する還元反応時間を十分に取れるので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。
なお、ここで「微粉炭の揮発分放出に有効な高温」とは、例えば７５０℃以上の温度であることを意味している。このような温度とすれば、微粉炭が炉内に入る前にその揮発分放出が完了し、粒子が十分に昇温された状態となる。
また、高温ガスの酸素含有量は、４％以下が好適である。

また、本発明にかかる微粉炭バーナでは、投入する微粉炭量の理論空気量よりも少ない空気量を全体として投入して還元雰囲気で燃焼させる微粉炭バーナにおいて、微粉炭と搬送空気との微粉炭混合気を導き、先端から噴出する微粉炭混合気供給通路と、少なくとも該微粉炭混合気供給通路の先端部分を覆うように設けられ、７５０℃以上で、かつ低酸素濃度である高温ガスを導き火炉に噴出する高温ガス供給通路と、少なくとも該高温ガス供給通路の先端外周を覆うように設けられ、燃焼用空気を火炉に供給する空気供給通路と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、高温ガス供給通路が微粉炭混合気供給通路の先端部分を覆うように設けられているので、微粉炭混合気は高温ガス供給通路によって導かれている高温ガス中に噴出されることになる。高温ガス中に噴出された微粉炭は、７５０℃以上の温度を有する高温ガスと混合して加熱されるので、急速に揮発分が放出され、さらに微粉炭粒子も昇温される。一方、高温ガスは低酸素濃度で、搬送空気と混合しても揮発分の可燃濃度範囲に入らないので、放出された揮発分は高温ガス供給通路内では燃焼されない。
そして、放出された揮発分および昇温された微粉炭粒子を含む低酸素濃度の微粉炭混合気が、高温ガス供給通路から火炉に噴出され、着火され、外周部に供給される燃焼用空気を巻き込みつつ燃焼が維持される。この際、全体として空気量は、微粉炭の理論空気量より少ないため還元雰囲気での燃焼となる。

このように、揮発分は予め放出された状態で火炉に噴出されるので、従来着火のために必要であった揮発分を放出させるための時間が不要となる分早く着火される。また、微粉炭粒子も予め昇温されているので、着火温度に早く到るため早く着火される。このため、高温、低酸素濃度での燃焼が早く始まるので、このような還元雰囲気での燃焼時間が長くなる。このため、燃焼初期に大量に発生するＮＯｘに対する還元反応時間を十分に取れるので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。

さらに、本発明にかかる微粉炭バーナでは、前記高温ガス供給通路の先端近傍に、前記空気供給通路と導通する貫通孔を設けたことを特徴とする。

このように、高温ガス供給通路の先端近傍に、空気供給通路と導通する貫通孔を設けたので、空気供給通路を流れる燃料用空気が、貫通孔から高温ガス供給通路に供給される。このため、高温ガス供給通路から噴出される低酸素濃度の微粉炭混合気に、供給された燃料用空気よって部分的に酸素濃度の高い部分が形成されるので、その部分が火種となり安定した着火を行うことができる。

本発明にかかるボイラは、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載された微粉炭バーナを備え、火炉出口近傍に、火炉内へ燃料用空気を供給するアディショナルエアノズルを備えたことを特徴とする。

このように、ＮＯｘ発生量を低減した微粉炭バーナを採用しているので、ボイラとして低ＮＯｘ化がはかれる。
なお、微粉炭バーナで投入される空気量は理論空気量の約７０％程度とし、アディショナルエアノズルから供給される空気量は理論空気量の約３０％程度とするのがＮＯｘ発生量を低減させるには好適である。

本発明にかかる微粉炭バーナでは、高温ガス供給通路が微粉炭混合気供給通路の先端部分を覆うように設けられているので、ＮＯｘの排出量をより一層低減することができる。
また、本発明にかかるボイラではこの微粉炭バーナを採用しているので、更なる低ＮＯｘ化をはかることができる。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図１〜図２を参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかるボイラ１の全体概略構成を示すブロック図である。
ボイラ１には、鉛直方向に設置された火炉３と、火炉３の火炉壁５の下部に設置された燃焼装置７と、火炉３の出口に連結された煙道９と、火炉３の上部から煙道９にかけて設けられた過熱器１１、再熱器１３および節炭器１５と、火炉３の上部に設けられた蒸気ドラム１７とが備えられている。

火炉壁５の内側には、多数の水管（図示せず）がそれぞれ上下方向に延設されている。各水管は、上下各端部が蒸気ドラム１７に接続されている。
燃焼装置７には、火炉壁５の下部に取り付けられた複数の微粉炭バーナ１９（図２参照）と、火炉５出口部近傍に取り付けられたアディショナルエアノズル２０と、微粉炭バーナ１９に微粉炭を供給する微粉炭供給手段２１と、微粉炭バーナ１９に高温ガスを供給する高温ガス供給手段２３と、微粉炭バーナ１９およびアディショナルエアノズル２０に燃焼用空気を供給する空気供給手段２３と、が備えられている。

微粉炭供給手段２１には、図示しない給炭機および計量器を経て供給された石炭を燃焼に適した大きさ（例えば、数μｍ〜数百μｍ）まで粉砕する微粉炭機２７と、微粉炭機２７で生成された微粉炭を図示しない空気源から供給される加圧された搬送空気によって微粉炭混合気として微粉炭バーナ１９へ気流搬送する給炭管２９とが備えられている。
搬送空気は微粉炭機２７の安全面から微粉炭機２７の出口温度が約８０℃になるように設定されている。

空気供給手段２５には、空気を加圧して供給する図示しない押込通風機と、火炉３外壁に設けられた風箱３１と、押込通風機と風箱３１およびアディショナルエアノズル２０とを接続する空気管３３とが備えられている。
空気管３１を通過する三次空気（燃焼用空気）は、回転再生式熱交換器３３により煙道９を通過する例えば約３６０℃の燃焼排ガスと熱交換され、３００〜３５０℃まで加温されて風箱３１に供給される。
高温ガス供給手段２３には、煙道９と微粉炭バーナ１９とを接続する排ガス管３７が備えられている。排ガス管３７は、例えば定格運転時に燃焼排ガスの温度が８００℃、酸素含有率が４％以下になる煙道９位置に接続されている。

微粉炭バーナ１９について、図２により説明する。図２は、微粉炭バーナ１９の火炉３側部分を示す縦断面図である。
微粉炭バーナ１９には、微粉炭混合気通路４１を形成する微粉炭供給管４３と、微粉炭供給管４３を覆うように設けられた高温ガス供給管４５と、高温ガス供給管４５の外周を覆うように設けられた三次空気供給管４７とが備えられている。

三次空気供給管４７は、中空の略円筒形で、火炉壁５の厚さ方向に延在するように設けられている。三次空気供給管４７は火炉壁５に貫通して形成された孔に固定されている。
三次空気供給管４７の先端（火炉３側）部分には、火炉側に向けて漸次拡径された三次空気案内部４９が形成されている。三次空気案内部４９は三次空気を火炎の先端部へ投入する役割を果たす。
三次空気供給管４７の後端（火炉３と反対側）部には、三次空気導入部５１が形成されており、三次空気旋回羽根５３によって三次空気を三次空気供給管４７内へ導入するように構成されている。

高温ガス供給管４５は、中空の略円筒形で、火炉壁５の厚さ方向に延在するように設けられている。
高温ガス供給管４５の先端部分には、火炉側に向けて漸次拡径された保炎部５５が形成されている。保炎部５５の後端位置は三次空気案内部４９の後端位置と略一致している。
高温ガス供給管４５の後端部には、拡径された高温ガス導入部５７が形成されている。高温ガス導入部５７には、排ガス管３７が接続されている。
三次空気供給管４７と高温ガス供給管４５との間の空間は、三次空気導入部５１から導入された三次空気を火炉３へ供給する三次空気通路（空気供給通路）５９を構成している。

微粉炭供給管４３は、中空の略円筒形で、火炉壁５の厚さ方向に延在するように設けられている。
微粉炭供給管４３は、その先端位置が高温ガス供給管４５の長手方向における略中間位置に位置するように配置されている。
微粉炭供給管４３の後端部は給炭管２９と接続されている。微粉炭供給管４３の先端部分の内側には、濃淡分離器６１が取り付けられている。濃淡分離器６１は、中空の略円筒形をしている。濃淡分離器６１の後端部には、火炉３側に向けて径が漸減する傾斜部６３が設けられている。

高温ガス供給管４５の内周側および微粉炭供給管４３の外周側には、断熱材６５が取り付けられている。断熱材６５の内側が高温ガス供給通路６７を構成している。したがって、高温ガス供給通路６７は、微粉炭混合気通路４１の先端部分を覆うように形成されている。
高温ガス供給管４５の先端近傍には、断熱材６５はその厚さが火炉３側に向けて漸増するように取り付けられ、高温ガスを中央部へ案内する傾斜案内部６９が形成されている。
微粉炭供給管４３の先端部に取り付けられた断熱材６５には、火炉３側に向けて径が漸増する円錐台形状の通路７１が設けられている。通路７１は微粉炭混合気通路４１に連通し、微粉炭混合気を外周部に案内している。
傾斜案内部６９と通路７１との間に、高温ガスに微粉炭混合気が噴射され、両者が混合される混合部７３が形成されている。

高温ガス供給管４５の保炎部５５には、断熱材６５と併せて貫通して、三次空気通路５９と高温ガス通路６７とを連通する空気供給孔７５が、周方向に複数個設けられている。
高温ガス供給管４５の外周先端部分には、それぞれ各空気供給孔７５を覆い、三次空気通路５９を分割し、三次空気を空気供給孔７５へ案内する分流部材７７が取り付けられている。

以上、説明した本実施形態にかかるボイラ１の運転について説明する。
微粉炭機２７で生成された微粉炭は、加圧された搬送空気と混合されて微粉炭混合気を形成し、給炭管２９を通って微粉炭バーナ１９の微粉炭混合気通路４１へ送られる。
また、排ガス管３７で供給される８００℃の燃焼排ガスは、高温ガスとして高温ガス供給通路６７へ送られる。微粉炭混合気通路４１から噴出された微粉炭混合気は、混合部において高温ガスと混合されて、保炎部５５から火炉３内へ供給される。
さらに、図示しない押込通風機で加圧されて供給される三次空気は、回転再生式熱交換器３５によって燃焼排ガスから熱量を供給され、３００〜３５０℃に昇温されて空気管３３を経て風箱３１へ供給される。三次空気は風箱３１から微粉炭バーナ１９の三次空気通路５９を通って火炉３内へ供給される。

これらにより、火炉３内に火炎が継続して生成される。
この時、微粉炭バーナ１９から投入される空気量は、燃焼のために投入される微粉炭量の理論空気量の約７０％としているので、還元雰囲気の中で燃焼が行われる。これにより、微粉炭燃焼初期に多く発生するＮＯｘを還元して後流へ排出されるＮＯｘ量を低減させている。その後、火炉３の出口部近傍に設けられたアディショナルエアノズル２０から空気管３３を通って供給される三次空気を、理論空気量の約３０％投入して酸化燃焼を行わせて未燃焼分の燃焼行っている。

このようにして火炉３内で燃焼が行われると、燃焼ガスが火炉３内を下から上に流れ、煙道９に排出される。この時、図示しない給水ポンプから供給された水は、節炭器１５によって予熱された後、蒸気ドラム１７に供給される。蒸気ドラム１７から火炉壁５の各水管（図示せず）に供給された水は、水管を下から上に流れる間に加熱されて飽和蒸気となり、蒸気ドラム１７に送り込まれる。さらに、蒸気ドラム１７の飽和蒸気は過熱器１１に導入され、燃焼ガスによって過熱される。過熱器１１で生成された過熱蒸気は所定のプラント（例えば、タービン等）に供給される。

なお、タービンでの膨張過程の中途で取り出した蒸気を再熱器５に導入し、再度過熱しタービンに戻すことも行われる。
節炭器１５を通過した燃焼排ガスは、回転再生式熱交換器３５にて空気管３３を通過する二次空気に熱量を供給し、脱硫、脱硝、除塵等の処理を施されて、煙突から大気中に排出される。

次に、微粉炭バーナ１９の動作について説明する。
微粉炭供給管４３内を供給される約８０℃の微粉炭混合気は、濃淡分離器６１の傾斜部６３によって徐々に流路面積が狭められるので、中央部側に寄せられつつ流速を速められる。そして、濃淡分離器６１を通過すると、微粉炭混合気は流路面積が拡大されるので、流速が低減される。これにより、慣性力の小さい空気は微粉炭混合気通路３５の外周方向に回帰するが、微粉炭は慣性力が大きいので中央部に寄せられた状態で進行する。したがって、微粉炭混合気通路４１の中央部側に微粉炭濃度の濃い部分が形成される。

そして、微粉炭混合気は、この状態で微粉炭混合気通路４１から噴出されると、先太状をした通路７１に案内されて、外周側に拡がるようにして混合部７３に噴出される。
一方、高温ガス供給通路６７を構成する混合部７３には、８００℃で、酸素濃度が４％以下の高温ガスが中央側に向けて導かれている。
このように、混合部において、微粉炭混合気は外周側へ拡がるように流れ、一方、高温ガスは中央側へ狭まるように流れているので、微粉炭混合気と高温ガスとは素早くかつ容易に混合される。

そして、混合部７３において、微粉炭混合気と高温ガスとが混合されると、微粉炭混合気に含まれる微粉炭は、高温ガスによって加熱されるので、急速に揮発分が放出され、さらに微粉炭粒子も昇温される。
一方、高温ガスの酸素濃度が４％以下なので、搬送空気と混合しても揮発分の可燃濃度範囲に入らない。このため、微粉炭から放出された揮発分は高温ガス供給通路６７内で燃焼されない。
混合室７３で高温ガスと混合され、放出された揮発分、昇温された微粉炭粒子および空気とからなる微粉炭混合気Ａは、保炎部５５から火炉３内へ噴出される。

この時、微粉炭混合気Ａには、空気供給孔７５から三次空気が周方向複数箇所で供給されている。空気供給孔７５から供給される空気量は、微粉炭混合気Ａの流量の約一割としている。空気供給孔７５から供給される空気は、着火の火種として機能すればよいので、ＮＯｘ削減のためには可能な限り絞ったほうが好適である。
したがって、火炉３内に噴射される微粉炭混合気Ａは、中央部分に微粉炭粒子の濃い部分が存在し、周方向複数箇所に酸素濃度の濃い部分がそれぞれ噴出方向に延在する状態となっている。

この噴出した微粉炭混合気Ａに着火され、火炎が生じる。この時、周方向複数箇所に存在する酸素濃度の濃い部分が火種となるので、安定した着火を行うことができる。
そして、三次空気案内部４９により火炎の先端部へ送られる三次空気を巻き込みつつ燃焼が維持される。この際、全体として空気量は、微粉炭の理論空気量の約７０％であるので、還元雰囲気での燃焼となる。
さらに、三次空気の投入が火炎の先端部となっているので、それまでの燃焼はより還元雰囲気で行われている。

前述したように、微粉炭混合気Ａは揮発分が予め放出された状態で火炉に噴出されるので、従来着火のために必要であった揮発分を放出させるための時間が不要となる分早く着火される。また、微粉炭粒子も予め昇温されているので、着火温度に早く到るため早く着火される。このため、高温、低酸素濃度での燃焼が早く始まるので、このような還元雰囲気での燃焼時間が長くなる。このため、燃焼初期に大量に発生するＮＯｘに対する還元反応時間を十分に取れるので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。

さらに、微粉炭混合気Ａには中央部に微粉炭粒子の濃い部分があるので、外周部との間に濃度差がある、いわゆる濃淡燃焼の状態となる。このため、ＮＯｘの発生を一層低減することができる。

なお、本実施形態では、高温ガスとして燃焼排ガスを用いているが、これに限定されるものではなく、例えば図３に示すようにしてもよい。
図３のものでは、高温ガス供給手段２３には、空気を加圧して供給する図示しない押込通風機、燃焼器８１、押込通風機と燃焼器８１を接続する空気管８３および燃焼器８１と高温ガス導入部５７とを接続する燃焼ガス管８５が備えられている。
空気管８３を通過する空気は、回転再生式熱交換器３３により煙道９を通過する例えば約３６０℃の燃焼排ガスと熱交換され、３００〜３５０℃まで加温されて燃焼器８１に供給される。燃焼器８１では、ガス燃料８７が吹き込まれ空気と燃焼することによって、例えば８００℃以上で、酸素濃度４％以下の高温ガスを生成する。この生成された高温ガスを燃焼ガス管８５により微粉炭バーナ１９の高温ガス供給通路６７へ供給する。

このようにすると、ボイラ出力が変動しても常に一定の条件を持つ高温ガスが供給できる。これにより、微粉炭バーナ１９は安定した稼動を行うことができる。
また、燃焼器８１での燃焼条件を変えることにより、高温ガスの状態を変更できるので、種々のボイラ運転条件に対応することができる。

本発明の一実施形態にかかるボイラの全体概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる微粉炭バーナの先端部分を示す縦断面図である。 ボイラの別の実施形態を示すブロック図である。

符号の説明

１ ボイラ
３ 火炉
１９ 微粉炭バーナ
４１ 微粉炭混合気通路
５９ 三次空気通路
６７ 高温ガス供給通路
７５ 空気供給孔

Claims (4)

1. 投入する微粉炭量の理論空気量よりも少ない空気量を全体として投入して還元雰囲気で燃焼させる微粉炭バーナにおいて、
   微粉炭と搬送空気との微粉炭混合気を導き、先端から噴出する微粉炭混合気供給通路と、
   少なくとも該微粉炭混合気供給通路の先端部分を覆うように設けられ、前記微粉炭の揮発分放出に有効な高温で、かつ低酸素濃度である高温ガスを導き火炉に噴出する高温ガス供給通路と、
   少なくとも該高温ガス供給通路の先端外周を覆うように設けられ、燃焼用空気を火炉に供給する空気供給通路と、
   を備えたことを特徴とする微粉炭バーナ。
2. 投入する微粉炭量の理論空気量よりも少ない空気量を全体として投入して還元雰囲気で燃焼させる微粉炭バーナにおいて、
   微粉炭と搬送空気との微粉炭混合気を導き、先端から噴出する微粉炭混合気供給通路と、
   少なくとも該微粉炭混合気供給通路の先端部分を覆うように設けられ、７５０℃以上で、かつ低酸素濃度である高温ガスを導き火炉に噴出する高温ガス供給通路と、
   少なくとも該高温ガス供給通路の先端外周を覆うように設けられ、燃焼用空気を火炉に供給する空気供給通路と、
   を備えたことを特徴とする微粉炭バーナ。
3. 前記高温ガス供給通路の先端近傍に、前記空気供給通路と導通する貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された微粉炭バーナ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載された微粉炭バーナを備え、
   火炉出口近傍に、火炉内へ燃料用空気を供給するアディショナルエアノズルを備えたことを特徴とするボイラ。
   

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