JP2007232328A - Air port for dual-stage combustion, its operation method, and boiler - Google Patents
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Description
本発明は、バーナより供給される燃料と空気の燃焼により形成される可燃性の燃焼ガスに対して、追加の空気を供給する二段燃焼用空気ポートとその運用方法及びボイラに関する。本発明は、バーナより石炭と空気を供給して燃焼する燃焼装置に対して特に好適である。 The present invention relates to a two-stage combustion air port for supplying additional air to a combustible combustion gas formed by combustion of fuel and air supplied from a burner, an operation method thereof, and a boiler. The present invention is particularly suitable for a combustion apparatus that burns by supplying coal and air from a burner.
燃焼装置では、窒素酸化物(NOx)濃度低減、一酸化炭素(CO)などの未燃分低減が求められている。これらの要求に応えるために、バーナから燃料と空気を投入し、空気不足の状態で燃焼した後に再度、空気を追加投入して完全燃焼させる二段燃焼方式が採用されている。二段燃焼方式のボイラでは、二段燃焼用空気ポート(以下、アフタエアポートと呼ぶ)から投入されるアフタエアの混合促進による未燃分の低減が要求されている。この改善策として、複数個のアフタエアポートを多段に設置して、アフタエアを多段に投入する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Combustion apparatuses are required to reduce nitrogen oxide (NOx) concentration and unburned carbon such as carbon monoxide (CO). In order to meet these demands, a two-stage combustion method is employed in which fuel and air are supplied from a burner, burned in a state of air shortage, and then added again to complete combustion. In a two-stage combustion boiler, it is required to reduce the unburned amount by promoting the mixing of after-air introduced from a two-stage combustion air port (hereinafter referred to as an after-air port). As an improvement measure, a method has been proposed in which a plurality of after-air ports are installed in multiple stages and the after-air is introduced in multiple stages (see, for example, Patent Document 1).
NOxやCOを低減するためには、アフタエアポートを多段に設置することが一つの有効な方法である。しかし、この方法では、多段の空気量配分を決めることが難しく、また操作範囲が狭いという問題点がある。さらに、コストが高くなるという問題点がある。 In order to reduce NOx and CO, it is one effective method to install after airports in multiple stages. However, this method has problems that it is difficult to determine the multi-stage air amount distribution and that the operation range is narrow. Furthermore, there is a problem that the cost becomes high.
本発明の目的は、多段に設置しなくても、NOx或いはCOの低減が図れるようにしたアフタエアポートを提供することにある。また、アフタエアポートの運用方法、並びにアフタエアポートを備えたボイラを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an after-air port which can reduce NOx or CO without being installed in multiple stages. Moreover, it is providing the operation method of an after airport, and the boiler provided with the after airport.
本発明は、ポート内部に空気の噴流が内向きに噴出されるようにした少なくとも二つのノズルを、ポート中心軸を挟んで対向し且つ間隔をあけて設置したことを特徴とするアフタエアポートにある。 The present invention resides in an after-air port characterized in that at least two nozzles that allow an air jet to be ejected inward into the port face each other across the center axis of the port and are spaced from each other. .
また、本発明は、燃料と空気を噴出するバーナと、前記バーナより供給される燃料と空気の燃焼により形成される可燃性の燃焼ガスに対して追加の空気を供給する二段燃焼用空気ポートとを具備し、二段燃焼用空気ポートに、空気の噴流が内向きに噴出されるようにした少なくとも二つのノズルが、ポート中心軸を挟んで対向し且つ間隔をあけて設置されていることを特徴とするボイラにある。 The present invention also provides a burner for ejecting fuel and air, and a two-stage combustion air port for supplying additional air to a combustible combustion gas formed by combustion of fuel and air supplied from the burner. And at least two nozzles that are arranged so that the jet of air is jetted inwardly at the two-stage combustion air port, facing each other across the center axis of the port and spaced apart from each other The boiler is characterized by
また、本発明は、前述の構造を有するアフタエアポートを、可燃性の燃焼ガスが流れる方向にノズルが配置されるように備え、燃焼ガスのNOx濃度が高い場合に、ポート中心軸を挟んで対向するノズルのうち、燃焼ガスの流れ方向上流側に配置されたノズルの空気流量を増加させるようにしたことを特徴とするアフタエアポートの運用方法にある。 In addition, the present invention is provided with an after-air port having the above-described structure so that the nozzle is arranged in the direction in which the combustible combustion gas flows, and when the NOx concentration of the combustion gas is high, the port center axis is opposed. The after-airport operating method is characterized in that the air flow rate of the nozzle arranged on the upstream side in the flow direction of the combustion gas among the nozzles is increased.
また、本発明は、前述の構造を有するアフタエアポートを、可燃性の燃焼ガスが流れる方向にノズルが配置されるように備え、燃焼ガスのCO濃度が高い場合に、ポート中心軸を挟んで対向するノズルのうち、燃焼ガスの流れ方向下流側に配置されたノズルの空気流量を増加させるようにしたことを特徴とするアフタエアポートの運用方法にある。 In addition, the present invention is provided with an after-air port having the above-described structure so that the nozzle is arranged in the direction in which the combustible combustion gas flows, and when the CO concentration of the combustion gas is high, it is opposed across the port center axis. The after-airport operating method is characterized in that the air flow rate of the nozzle arranged on the downstream side in the flow direction of the combustion gas among the nozzles is increased.
本発明によれば、アフタエアポートの中心軸を挟んで両側に配置されたノズルから、空気の噴流が内向きに噴出されて燃焼空間で衝突し、これにより、一次燃焼ガスとの混合が促進されるので、NOx及び未燃分が低減される。 According to the present invention, air jets are jetted inward from the nozzles arranged on both sides of the center axis of the after-airport and collide in the combustion space, thereby promoting mixing with the primary combustion gas. Therefore, NOx and unburned content are reduced.
本発明のアフタエアポートでは、ポート中心軸を挟んで対向して配置された、空気の噴流を内向きに噴出する複数個のノズルの間に、さらにポート中心軸の方向に空気が噴出されるようにした追加のノズルを備えることができる。この追加のノズルを使用することにより、内向きに噴出する空気の流量、流速を調整することができる。 In the after-air port of the present invention, air is further ejected in the direction of the port center axis between a plurality of nozzles arranged to face each other across the port center axis and ejecting an air jet inward. Additional nozzles can be provided. By using this additional nozzle, it is possible to adjust the flow rate and flow velocity of the air jetted inward.
空気の噴流を内向きに噴出するノズルは、通常の場合には、ポート中心軸を挟んで両側に、それぞれ一個設ければ十分である。 In a normal case, it is sufficient that one nozzle is provided on each side of the port center axis to eject the air jet inward.
アフタエアポートに備えられた複数個のノズルは、バーナより供給された燃料と空気の燃焼により形成された燃焼ガスの流れ方向に配置されることが望ましい。燃焼ガスの流れ方向に対して垂直の方向に複数個のノズルを配置することも可能であるが、これよりは、燃焼ガスの流れ方向にノズルを配置した方が、未燃分及びNOx低減に対する効果が大きい。 It is desirable that the plurality of nozzles provided in the after air port be arranged in the flow direction of the combustion gas formed by the combustion of the fuel and air supplied from the burner. Although it is possible to arrange a plurality of nozzles in the direction perpendicular to the flow direction of the combustion gas, the arrangement of the nozzles in the flow direction of the combustion gas is more effective in reducing unburned fuel and NOx. Great effect.
アフタエアポートは、炉内に噴出するノズルの出口が一つの孔であるのが良く、また、この出口の孔は角形、丸形等が可能であるが、角形、中でも矩形とするのが良い。更に、空気の噴流を内向きに噴出するノズルの上流には、空気流量調整用のダンパを設置することが望ましい。本発明は、バーナの燃料として石炭を使用する燃焼装置に適する。 In the after-air port, it is preferable that the outlet of the nozzle ejected into the furnace is a single hole, and the hole of the outlet can be square, round, or the like, but is preferably square, especially rectangular. Furthermore, it is desirable to install a damper for adjusting the air flow rate upstream of the nozzle that jets the air jet inward. The present invention is suitable for a combustion apparatus that uses coal as a fuel for a burner.
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明するが、以下の実施例に限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following examples.
図1は本発明によるアフタエアポートの実施形態の一例を示した縦断面図であり、図2は正面図、図3は横断面図である。図1に示すように、空気はウインドボックス20から供給される。空気は、上部ノズル18と下部ノズル19に分離されて、上部噴流12と下部噴流13を形成する。二つの噴流は、衝突して合流後の噴流14を形成し、燃焼空間16に供給される。二つの噴流を衝突させることで、噴流と燃焼ガス15の混合を促進させることができる。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of an embodiment of an after airport according to the present invention, FIG. 2 is a front view, and FIG. 3 is a transverse sectional view. As shown in FIG. 1, air is supplied from a
噴流を衝突させるために、上部ノズル18と下部ノズル19は、噴流がポートの中心軸の方向に向けて噴出されるように構成される。すなわち、噴流が内向きに噴出されるように構成される。上部ノズル18と下部ノズル19の空気噴出角度の最適値は、燃焼状態により異なるが、10°〜45°の範囲にするのが良い。本実施例では、上部ノズル18と下部ノズル19の間に、更にポート中心軸方向に空気の噴流を噴出する一次ノズル1を設置した。
In order to make the jets collide, the
上部ノズル18と下部ノズル19は、図1に示すように、燃焼ガス15の流れ方向に配置することが望ましい。図1には示さないが、燃焼ガス15の流れ方向に対して垂直な向きに並んで配置することもできる。
As shown in FIG. 1, the
ボイラの場合、火炉壁3にウインドボックス20が設置され、ウインドボックス外壁17にアフタエアポートが取り付けられる。火炉壁3は水管4で形成されており、アフタエアポートのノズル外壁2の先端部分を水管で形成すると、ノズル先端部分を冷却することができる。
In the case of a boiler, a
上部噴流12と下部噴流13の流量は、個別に調整できるようにすることが望ましい。このために、図1に示すように、上部ノズル18の上流に空気調整ダンパ7,8を設置し、下部ノズルの上流に空気調整ダンパ9,10を設置するのが良い。
It is desirable that the flow rates of the
合流後の噴流14を水平に向ける場合、すなわち燃焼ガス15の流れ方向に対して垂直の方向に噴流14が噴出されるようにする場合には、空気調整ダンパ7,8,9,10の全てを開くと流速が最も遅くなる。流量が一定ならば、内側の空気調整ダンパ8,9を閉じると入口の流速が速くなり、上部噴流12と下部噴流13の速度を上げることができる。ウインドボックス20の圧力が同じ場合には、空気調整ダンパを閉じると流量が低下する。空気調整ダンパ7,8,9,10の全てを閉じると流量が最も少なくなる。さらに流速を低下させるためには、一次空気ダンパ5を全開にして、一次ノズル1を流れる一次空気6の流量を増加させる。
When the
次に、噴流14を上方に向ける場合について、図4を用いて説明する。なお、噴流14を下方に向ける場合には、上方に向ける場合と上下反対の操作をすればよい。上部噴流12と下部噴流13の流量を制御すると噴出方向を制御可能である。図4に示す構造のアフタエアポートにおいて、上部ノズル18の空気調整ダンパ7,8を閉じると、上部噴流12の流量を低下させることができる。この場合、下部噴流13の流量は増加するので、合流後の噴流14は上方に向く。この結果、燃焼ガス15と噴流14の空気の混合が遅れるので、NOx濃度が低下する。混合が遅くなるために未燃分が高くなる可能性はあるが、下部噴流の流速が速まるので下流における混合を促進し、未燃分を低下させることができる。上方に噴流14を向けて、さらに流速を遅くしたい場合には、一次空気ダンパ5をあけて、一次ノズル1からの空気の流量を増加させる。この条件では、下部噴流13の流量が低下し、合流後の噴流14の流速が低下する。
Next, the case where the
図5には、本発明のアフタエアポートをボイラ火炉に適用した例を示した。ボイラの火炉105は水管で形成され、通常は横断面がほぼ四角形の形をしている。火炉105の前壁と後壁に、それぞれバーナ用ウインドボックス104が設置され、そのウインドボックス内に複数個のバーナ114が多段に設置される。本実施例では三段にバーナが設置されている。バーナ114には空気と燃料が供給される。これらが燃焼して、可燃ガス101の流れを形成する。この可燃ガス101とアフタエアポート50からの噴流14とが混合して完全燃焼し燃焼ガス106となる。バーナ114とアフタエアポート50の空気流量は、空気調整ダンパ109と空気調整ダンパ110により調整可能である。空気供給ライン108を流れる空気は、空気調整ダンパ109とバーナ用空気供給ライン111を通って、バーナ用ウインドボックス104へ供給される。また、空気供給ライン108を流れる空気は、空気調整ダンパ110と空気供給ライン112を通ってウインドボックス20に供給される。ボイラの燃焼調整にあたっては、最初に、バーナの燃焼状態が最適となるように制御装置115により空気調整ダンパ109を調整し、バーナの空気量を調整する。次に、アフタエアにおける燃焼状態が最適となるように、空気調整ダンパ110並びに空気調整ダンパ7,8,9,10を調整する。
In FIG. 5, the example which applied the after airport of this invention to the boiler furnace was shown. The
次にアフタエアポートのダンパの開閉制御方法について説明する。まず、NOx濃度が高い場合について説明する。図5では、ガスセンサー116が火炉の下流に設置されている。ガスセンサー116で測定したNOx濃度が高い場合には、アフタエアポートの流速を低くする操作を行う。すなわち、空気調整ダンパ7,8,9,10と一次空気ダンパ5を開く。もう一つの方法は、空気調整ダンパ7、8を開き、上部ノズル18の空気の流量を多くし、噴流14が火炉の上流方向へ向かって噴出されるようにする。
Next, an after-airport damper open / close control method will be described. First, the case where the NOx concentration is high will be described. In FIG. 5, the
次に、CO濃度が高い場合について説明する。ガスセンサー116で測定したCO濃度が高い場合には、一次空気ダンパ5を閉じて全体的に流速を速くする。また、上部ノズル18の空気調整ダンパ7、8、もしくは下部ノズル19の空気調整ダンパ9,10を閉じて流速を速くしても良い。上部ノズル18の空気の流量を多くするほどCO濃度は低下する。CO以外の未燃分が多い場合にも、この方法は有効である。
Next, a case where the CO concentration is high will be described. When the CO concentration measured by the
次に、アフタエアポートの温度が高い場合について説明する。アフタエアポートに、後述の図7に示すように温度センサー30を設置する。温度が高くなるとアフタエアポートの故障が起こりやすくなる。温度が高い場合には、アフタエアポートの空気流量を増加させる。但し、アフタエアポートの空気流量を変化させると、バーナの燃焼を最適な状態に保てないことがある。このような場合には、アフタエアポートの一次空気流量を増加させると良い。または、上部ノズル18の上側の空気調整ダンパ7と下部ノズル19の下側の空気調整ダンパ10を閉じて、内側の空気流速を上げることが有効である。
Next, a case where the temperature of the after-air port is high will be described. A
図8は三次元の燃焼、流動、伝熱の数値解析により、ボイラ火炉内の燃焼状態を予測した結果を示している。燃料は微粉炭である。バーナ空気比は0.8で、火炉全体の空気比は1.15である。図8のCO、NOxは火炉出口における平均値である。条件Aはアフタエアポートのノズルが円形であり、ノズルが複数個に分割されていない場合である。条件Bは本発明の実施例で、図1に示すようにノズル出口の孔を矩形とし、上部ノズル18と下部ノズル19に分割した場合である。本発明の場合には、同一NOx濃度で比較してCO濃度を大幅に低減できることが分かった。
FIG. 8 shows the result of predicting the combustion state in the boiler furnace by three-dimensional numerical analysis of combustion, flow, and heat transfer. The fuel is pulverized coal. The burner air ratio is 0.8, and the overall furnace air ratio is 1.15. CO and NOx in FIG. 8 are average values at the furnace outlet. Condition A is when the nozzle of the after airport is circular and the nozzle is not divided into a plurality of nozzles. Condition B is an embodiment of the present invention, and is a case where the nozzle outlet hole is rectangular as shown in FIG. 1 and is divided into an
以上、出口の孔が角形、特に矩形のアフタエアポートを用いた場合について説明したが、出口の孔が丸形のアフタエアポートでも代替可能である。 As described above, the case where the after-hole of the outlet has a square shape, in particular, a rectangular shape has been described. However, it is also possible to replace it with a round-shaped after-air port of the outlet.
図6は、本発明によるアフタエアポートの別の実施例を示したものである。図1に示した実施例では、中心に一次空気を流しているが、本実施例では一次空気を供給しない。一次空気を流して全体の空気流速を調整しない場合には、図6のような形状にすると構造が簡単になる。図6において、上部ノズル18と下部ノズル19は、いずれもノズル外壁2とノズル内壁11によって形成されている。ノズル外壁2とノズル内壁11は支持板23によって固定されている。上部ノズル18と下部ノズル19の間のアフタエアポート中心部分を固定する必要があれば、上部ノズル側のノズル内壁11と下部ノズル側のノズル内壁11の間を板22で固定すれば良い。ノズル内壁11は輻射熱で加熱されるので、孔22を設置しておき、冷却するのが良い。
FIG. 6 shows another embodiment of the after-airport according to the present invention. In the embodiment shown in FIG. 1, the primary air flows in the center, but the primary air is not supplied in this embodiment. When primary air is flowed and the overall air flow rate is not adjusted, the structure is simplified if the shape is as shown in FIG. In FIG. 6, the
図7はアフタエアポートの更に別の実施例を示している。本実施例では、図1の実施例に加えて、ダンパの自動開閉機能を追加した。空気調整ダンパ7,8,9,10には上下ノズル移動用ロッド28が接続されている。ロッドの先には、モータボックス26が設置されており、モータでダンパを動作させることができる。また、一次空気ダンパ5も一次空気移動用ロッド29と一次空気用モータボックス27を用いて移動することができる。これらのモータボックスを図5に示した制御装置115の制御信号により動作させる。
FIG. 7 shows still another embodiment of the after-air port. In this embodiment, in addition to the embodiment of FIG. 1, an automatic opening / closing function of the damper is added. The upper and lower
1…一次ノズル、2…ノズル外壁、3…火炉壁、4…水管、5…一次空気ダンパ、6…一次空気、7…空気調整ダンパ、8…空気調整ダンパ、9…空気調整ダンパ、10…空気調整ダンパ、11…ノズル内壁、12…上部噴流、13…下部噴流、14…噴流、15…燃焼ガス、16…燃焼空間、17…ウインドボックス外壁、18…上部ノズル、19…下部ノズル、20…ウインドボックス、30…温度センサー、104…バーナ用ウインドボックス、105…火炉、106…燃焼ガス、109…空気調整ダンパ、110…空気調整ダンパ、114…バーナ、115…制御装置、116…ガスセンサー。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Primary nozzle, 2 ... Nozzle outer wall, 3 ... Furnace wall, 4 ... Water pipe, 5 ... Primary air damper, 6 ... Primary air, 7 ... Air adjustment damper, 8 ... Air adjustment damper, 9 ... Air adjustment damper, 10 ... Air adjusting damper, 11 ... Nozzle inner wall, 12 ... Upper jet, 13 ... Lower jet, 14 ... Jet, 15 ... Combustion gas, 16 ... Combustion space, 17 ... Windbox outer wall, 18 ... Upper nozzle, 19 ... Lower nozzle, 20 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Window box, 30 ... Temperature sensor, 104 ... Burner window box, 105 ... Furnace, 106 ... Combustion gas, 109 ... Air adjustment damper, 110 ... Air adjustment damper, 114 ... Burner, 115 ... Control device, 116 ... Gas sensor .
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