JP2010261707A - バイオマスセンターエアジェットバーナ - Google Patents

Abstract

【課題】発電用の、石炭燃焼に変わる有効且つ効率的な代替手段及び発電用途におけるカーボンニュートラルな燃料の燃焼の普及を可能とする手段の開発に対する要望を満たすバイオマスセンターエアジェットバーナを提供することである。
【解決手段】バーナアセンブリ１に供給するエア及び燃料を通過させて炉３内に放出させるバーナスロート４が炉３に連結される。二次エア２２の一部であるコアエア５がコアエアダクト６に入り、コアエアダンパ７により調節され、コアノズル８を介してバーナアセンブリ１を通して連続し、バーナスロート４を介してコアノズル８を出る。二次エア２２は内側エアゾーン１０及び外側エアゾーン１１を通して移動し、旋回ベーンにより旋回され、かくして、微粉炭ストリームと接触する二次エア２２の着火及び燃焼を容易化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、発電上の燃焼機能を遂行する工業用バーナ装置の分野に関する。

ここで、“バイオマス”とは、生きた、または最近まで生きていた、例えば、草や木製品の如き多様な有機体から得られる広範な有機物を言うものとする。バイオマス源には、木、低木、灌木及び、穀物や野菜の収穫後の残留植生、が含まれる。バイオマスは通例は発電または発熱用に採取する植物物質である。バイオマスは、燃料として可燃の有機起源の生物分解性廃棄物をも含み得る。

バイオマスは、地殻表層内に存在する炭化水素である化石燃料とは異なる。化石燃料の一般例には石炭やオイルが含まれる。化石燃料とは異なり、バイオマス燃料は、その燃焼により発生する二酸化炭素が、当該バイオマスの元になる植物により大気中から除去され得ることから、一般に二酸化炭素ニュートラルでしかも再生可能な資源であると考えられる。

バイオマスは、その物理特性及び化学的組成が石炭のそれらとは大きく相違することから、発電用の一次または補助燃料として、歴史的に自動給炭機や流動床型ボイラで使われてきている。そうしたボイラは燃焼依存性が無いため炉の燃焼滞留時間を非常に長くすることが出来、その結果、燃料調製上の厳しい要件が緩和される。

温室効果ガス放出に関わる地球温暖化問題により、再生可能資源を利用する発電を普及させ得る新技術開発に対する関心が高い。そうした関心分野の１つには、炉内滞留時間が短く、燃焼効率上微粒子を要する懸濁燃焼におけるバイオマス燃料利用がある。

発電工業では懸濁燃焼の一次手段は微粉炭燃焼である。第１段階において、石炭を機械粉砕して微粒子とする。次いで、微粒子を一次エアストリーム内懸濁を介してバーナに引き続き搬送し、エア／燃料混合物をバーナから炉内に射出させて燃焼させる。滞留時間は通常１〜２秒であるが、適正粒子分粒された微粉炭を完全燃焼させるには通常十分である。

微粉炭燃焼ボイラでのバイオマス燃焼は温室効果ガス低減策として普及が拡大しつつある。本方策を可能とするには、懸濁燃焼においてバイオマス燃料を効率利用可能なバーナを開発する必要がある。

バイオマス燃料を燃焼させる場合に直面する数多くの技術的問題がある。バイオマス燃料は瀝青炭と比較して発熱量が著しく低く、揮発分濃度がずっと高い。発熱量は含有水分に逆比例し、その量は代表的な瀝青炭のそれの２５〜７５％の如きものとなる。バイオマス燃料の水分は、材料取り扱い上の理由及びプロセス効率及び能力改善上、燃焼に先立ち低減されることがある。それにも拘わらず、石炭に代えてバイオマスを燃焼させる場合、石炭に匹敵する発熱量を達成するには燃料質量をかなり多目にする必要がある。更には、バイオマスはその高揮発性故に本来容易に燃焼されるが、高い水分含有量により着火が遅延され得る。着火遅延は、懸濁燃料時において特に望ましからざるものである。

バイオマス燃料におけるその他の関心事項は、バイオマスは微粉炭の如く同一粒子寸法にプロセス処理できないことである。経験上、満足に懸濁燃焼させ得る微粉炭の最大寸法は約０．３ｍｍ（０．０１２インチ）であるのに対し、木材粒子の場合は約１．６ｍｍ（０．０６２５インチ）であることが示される。粒子容積は直径の３乗で変化するので、木材粒子の容積は懸濁燃焼で用いるずっと大きい石炭粒子の容積のほぼ１５０倍となる。バイオマスは当該容積の大きさから、微粉炭燃焼用に設計した炉で使用するには急速着火及び高速燃焼させる必要がある。

懸濁燃焼においてバイオマスを利用する既知の技法の１つはバイオマス混焼法である。当該技法ではバイオマス粒子を単一ストリーム内で微粉炭及び一次エアと混合させる。次いで混合ストリームを炉内に導入する。しかしながら当該技法は、両タイプの粒子を懸濁状態に維持するバーナノズル速度を必要とするため、その実用性が限られる。過大なバーナノズル速度が、火炎不安定化、着火遅延、燃焼性能低下を来す。

米国特許第７，４３０，９７０号

発電用の、石炭燃焼に代わる有効且つ効率的な手段及び発電用途におけるカーボンニュートラルな燃料燃焼の普及を可能とする手段の開発に対する要望を満たすバイオマスセンターエアジェットバーナを提供することである。

本発明の各実施例によれば、新規の燃焼装置が提供される。詳しくは、本発明の各実施例によれば、バイオマス燃料を燃焼可能であり且つ必要に応じてバイオマス燃焼及び石炭燃焼間で代替させ得、及びまたは石炭及びバイオマス燃料の混合燃料を同時燃焼させ得る燃焼装置が提供される。
本発明の各実施例のバーナ能力は従来装置のそれ以上である。米国特許第７，４３０，９７０号は、ここに参照することによりその全体を本明細書の一部とする。

本発明は、これに限定しないが、バイオマスを含む再生可能資源を燃焼させる新規装置を提供することにより、従来の燃焼を改善する。
本発明の各実施例によれば、バイオマスを微粉炭と混合させて混焼燃焼させる優れた方法及び装置が提供される。
本発明によれば、バイオマス燃料を燃焼させ得る燃焼装置であって、バーナアセンブリを含み、該バーナアセンブリが、コアエアゾーンにより包囲され且つ前記コアエアゾーンの長手方向に沿って軸方向に伸延する同中心のバイオマスノズルを含み、前記バーナアセンブリが、風箱内に配置され、風箱がボイラの炉に装着され、前記バーナアセンブリが、バーナアセンブリに供給するエア及び燃料をそこを通して炉内に放出するバーナスロートにより炉に結合される燃焼装置が提供される。

本発明の各実施例において、装置は、風箱へのエアの第１供給源を提供する押し込みファンと、コアエアゾーンを包囲してエアの第１供給源のコア部分を受けるコアエアダクトにして、該コアエアダクトに入るコア部分を調整するコアダンパを有するコアエアダクトと、コアエアダクトからのコア部分を受けるコアノズルにして、前記コア部分をバーナスロートに送るコアノズルと、微粉炭及びエアの第２供給源を受けるバーナエルボと、を含み、前記微粉炭及び第２エア供給源が、環状形態下において石炭ノズルを通してコアノズル及び該石炭ノズル間で連続され、前記コア部分が、石炭ノズルを離れる筒状の石炭ジェットの内側部分と接触することにより、微粉炭着火を加速させ、前記コア部分が、燃焼をも加速させる作用を持つ。

発電用の、石炭燃焼に代わる有効且つ効率的な手段及び発電用途におけるカーボンニュートラルな燃料燃焼の普及を可能とする手段の開発に対する要望を満たすバイオマスセンターエアジェットバーナが提供される。

図１は、本発明の１実施例における略側方断面図である。 図２は、本発明の他の実施例における略側方断面図である。 図３は、本発明の他の実施例における略側方断面図である。 図４は、本発明の同中心ゾーンを特定する本発明の１実施例の略横断面図である。

同じまたは機能上類似する各要素を同じ参照番号で示す図面を参照するに、図１には風箱２内に配置したバーナアセンブリ１が示され、該バーナアセンブリ１がボイラ（図示せず）の炉３に取り付けられている。二次エア２２が、押し込みファン（図示せず）により風箱２に提供され、エアプレヒーター（図示せず）により加熱される。バーナアセンブリ１は、バーナアセンブリ１に供給するエア及び燃料を通過させて炉３内に放出させるバーナスロート４により炉３に連結される。二次エア２２の一部がコアエア５を構成する。コアエア５はコアエアダクト６に入り、コアエアダンパ７により調節される。コアエア５はコアノズル８を介してバーナアセンブリ１を通して連続し、バーナスロート４を介してコアノズル８を出る。

二次エア２２もまた、バーナアセンブリに供給される（バーナアセンブリ９に向かう二次エアとして示す）。二次エア２２はバーナアセンブリ１に入り、平行流路を構成する内側エアゾーン１０及び外側エアゾーン１１を通して移動する。前記内外の各エアゾーンの旋回ベーンが二次エア２２を旋回させ、かくして、微粉炭ストリームと接触する二次エア２２の着火及び燃焼を容易化させる。外側エアゾーン１１の出口位置のエア分離ベーン１２が、空気力学上形成される内部再循環ゾーン（ＩＲＺ）のサイズを増大させる。微粉炭と一次エア１３とはバーナエルボ１４に入り、次いで、コアノズル８と石炭ノズル１５との間に形成される環状の石炭ノズル１５を通過する。コアエア５は、石炭ノズル１５を離れる筒状の石炭ジェット（図示せず）の内側部分と接触することで微粉炭の着火を加速させ、エアを火炎中心に供給する“ベローズ効果”により、燃焼を加速させる。前記米国特許第７，４３０，９７０号には、コアエアに関する着火加速の詳細が議論される。

本発明の各実施例に従うバーナアセンブリ１は、オーバーファイヤエア（ＯＦＡ）システム（図示せず）と組み合わせて運転され得る。燃焼用エアとして炉に供給する二次エア２２の一部をＯＦＡシステムに供給することで、バーナアセンブリ１への供給エア合計量は理論的なエア要求量未満のものとなる。これにより、ＯＦＡ供給以前に炉内に還元環境が創成される。燃焼加速、火炎高温化、ＩＲＺ大型化は、その全てが、還元条件下における一段と有効なＮＯｘ低減に貢献する。

本発明の各実施例において、バイオマスは、シュレッダ、ハンマーミルその他（図示せず）を使用して懸濁燃焼用に調製され、スクリューフィーダまたは同等装置（図示せず）により収集及び送り量調整が実施され、適宜の導管を通してバーナアセンブリ１に空気輸送される。前記導管は、バーナアセンブリ１の軸線上に出口を配置したバーナエルボ１４を通してバイオマス及び輸送エア１６を供給する。

ある実施例では、径違い管継ぎ手１７を利用して、バイオマスノズル１８の、バーナエルボ１４の横断断面積を減縮させ、断面積を減縮させたままコアエアダクト６を通過させ得る。径違い管継ぎ手１７は、バイオマスノズル１８がバーナアセンブリ１の長さを貫いて伸延する際の流れ障害を緩和させる。バイオマスノズル先端１９の直径を、バーナアセンブリ１の炉側端部付近で図１に示す如く拡開させ、バイオマスの出口速度を燃焼用の最適速度に減速させ得る。ある実施例における当該出口速度は、毎分約７５０ｍ（約２５００ｆｔ）及び約１５００ｍ（約５０００ｆｔ）の間、より好ましくは約９００ｍ（約３０００ｆｔ）及び約１２００ｍ（約４０００ｆｔ）の間である。

更に別の実施例では、バイオマスノズル先端１９を包囲するコアエア５が、バイオマスのバーナスロート４流入時の着火を加速させると共に、バイオマスの炉内連続流入時の燃焼用空気を供給する。バイオマスノズルを包囲する高温の二次コアエアが、バイオマスからの水分の追加的除去を可能とする熱を提供する一方、着火及び燃焼を容易化する、酸化体を伴う燃料を供給する。これにより、従来のバーナにおけるバイオマス燃焼に関わる着火及び燃焼遅延に関する問題が解消される。コアエアダンパ７がコアエア５を、バイオマスを微粉炭と組み合わせて燃焼させる際のＮＯｘ放出量を最小化する量に調節する。バイオマス非燃焼時はバーナアセンブリ１に関わるバイオマス供給システム（図示せず）はシャットダウンさせ、弁２３を閉じる。次いで、特定炭燃焼時には弁２１を開放し、ＮＯｘ放出量最小化上必要な最適量のコアエア５を供給するべく、コアダンパ７との組み合わせにおいて調節する。バイオマス燃焼時には弁２１を閉じ、弁２３を開放してバイオマス及び輸送エア１６を通す。

図４を参照するに、本発明のバーナアセンブリ１の略断面図が示され、バーナアセンブリ１の５つの各ゾーンが識別化されている。バイオマスノズル１８により画定されるバイオマスゾーン３２は、バイオマスノズル１８とコアノズル８との間の部分により画定されるコアエアゾーン４４により同中心状態下に包囲される。石炭ノズル１５はコアノズル８を同中心状態下に包囲し、微粉炭及び一次空気（ＰＣ／ＰＡ）１３が流動する第１環状ゾーン４７を画定する。バレル４２は石炭ノズル１５を同中心状態下に包囲して、バレル４２の内側の内側エアゾーン１０と、バレル４２の外側の外側エアゾーン１１とを画定する。
好ましい実施例を例示したが、本発明の範囲を逸脱することなく他の実施例を実現させ得る。

他の実施例の１つは、径違い管継ぎ手１７の無い及びまたはバイオマスノズル１８の炉側端部位置における拡開部の無い直管（図２）を含む。当該実施例では、代替部材としての、ずっと短いまたは後退させたバイオマスノズル１８も示され、バイオマスノズル先端１９は、コアノズル８内のコアエアダクト６付近で終端されている。当該実施例ではバイオマスとコアエアとの予熱及び予混合上の追加的利益が提供され、かくしてバイオマス燃料からの追加的水分除去が可能となる。

バイオマスノズル１８の出口位置に減縮テーパ部を設けることにより（図３）、バイオマス燃料の炉３への入力速度を加速させ、かくしてバイオマスノズル１８へのフラッシュバックを防止させ得る。バイオマスノズル１８は、例示した如く開放端ノズル形態を有するが、その出口付近にデフレクタまたはスワラを容易に装着してバイオマスとコアエアとの混合速度を増大させ得る。
他の実施例は、燃焼を更に最適化させるべく、コアパイプに関するバイオマスノズル１８の端部位置の前後の微調整を容易化させる調節手段を含み得る。バイオマスノズル１８は図１ではコアパイプの端部と面一状態で示されるが、若干後方または前方に位置決めしても良い。ある実施例では、弁２１は高温の二次エアまたは未加熱エアの何れかである少量のエアをバイオマス燃焼中の火炎センターに追加させるべく使用され得る。当該エア追加は、火炎センターの化学量論を高めて（輸送エア量増大の代替法として）ＮＯｘ放出量を最低化させる目的で実施される。

本発明の各実施例には数多くの利益がある。本発明の各実施例に従うバイオマス混焼式エアジェットバーナによれば、バイオマス燃料燃焼用の、新規な、優れた構造が提供され、また、バイオマス燃料の優れた燃焼方法が入手され得る。
大型のコアゾーンが、バーナサイズの変更無しにバイオマスノズルを収受し、かくして、バイオマス燃焼を収受する異なるサイズのバーナ作製に通常関わる技術的及び製造上のコストが削減される。
大型のバイオマスノズルが、選択したバーナにおけるずっと大量のバイオマス燃焼を可能とし、かくして、バイオマス燃焼に要するバーナ数が低減される。バーナ入力定格の４０％までのバイオマス燃焼率において、半分のバーナのみを使用してボイラバイオマス燃焼率２０％を達成し得る。

バイオマス燃料の入手性は季節により変化し、バイオマス燃焼を継続し得ない場合がある。バイオマスノズルの他の実施例では、バイオマス非燃焼時にバイオマスノズルに二次エアが供給され、かくしてバイオマスノズル１８及びコアノズル８が微粉炭燃焼用の混合コアエアジェットを提供する。
また、バイオマスを伴う輸送エアは、バイオマスを石炭と組み合わせて燃焼する場合のバーナセンター部の好ましい化学量論に貢献する。バイオマス及び石炭の組み合わせ燃焼時において石炭流れが低減すると、バーナへの一次空気及び供給微粉炭（ＰＡ／ＰＣ）の比が高くなる。これは、バイオマスからの輸送エアが、ＮＯｘ放出量を極めて低下させ続けるバーナセンター部化学量論を提供することで補われる。
また、コアゾーン内にバイオマスノズルを配置したことにより、バイオマス燃料を着火及び燃焼させる高温の二次エア供給源が提供され、かくして、従来技術のみならず混焼バイオマス燃料の供給燃焼において経験されていた着火遅延が防止される。

１ バーナアセンブリ
２ 風箱
４ バーナスロート
５ コアエア
６ コアエアダクト
７ コアエアダンパ
８ コアノズル
９ バーナアセンブリ
１０ 内側エアゾーン
１１ 外側エアゾーン
１２ エア分離ベーン
１３ 一次エア
１４ バーナエルボ
１５ 石炭ノズル
１６ 輸送エア
１７ 継手
１８ バイオマスノズル
１９ バイオマスノズル先端
２１ 弁
２２ 二次エア
２３ 弁
３２ バイオマスゾーン
４２ バレル
４４ コアエアゾーン
４７ 第１環状ゾーン

Claims (20)

1. バイオマス燃料を燃焼可能な燃焼装置であって、
   バーナアセンブリにして、コアエアゾーンにより同中心状態下に包囲されたバイオマスノズルを含み、該バイオマスノズルが、前記コアエアゾーンの長手方向に沿って軸方向に伸延し、前記バーナアセンブリが、ボイラの炉に取り付けた風箱内に配置され、前記バーナアセンブリが、バーナスロートにより前記炉に結合され、前記バーナアセンブリに供給されるエア及び燃料が、前記バーナスロートを通して炉内に放出されるバーナアセンブリと、
   第１供給エアを前記風箱に提供する押し込みファンと、
   前記コアエアゾーンを包囲し、前記第１供給エアのコア部分を受けるコアエアダクトにして、前記コアエアダクトに入る前記コア部分を調節するコアダンパを有するコアエアダクトと、
   前記コアエアダクトから前記コア部分を受け、前記コア部分を前記バーナスロートに送るコアノズルと、
   微粉炭及び第２供給エアを受けるバーナエルボにして、前記微粉炭及び第２供給エアが、コアノズルと石炭ノズルとの間に形成された環状部分内において石炭ノズルを通して連続され、前記コア部分が、石炭ノズルを離れる筒状の石炭ジェットの内側部分と接触することにより微粉炭の着火を加速し、前記コア部分が燃焼をも加速させるバーナエルボと、
   を含む燃焼装置。
2. バーナアセンブリがオーバーファイヤエアシステムとの組み合わせにおいて運転される請求項１の燃焼装置。
3. バイオマスノズルの断面積を減少させるための径違い管継ぎ手を更に含む請求項１の燃焼装置。
4. 炉に入るバイオマス燃料を加速させてバイオマスノズル内へのフラッシュバックを防止するための、バイオマスノズルの出口に締着した減縮テーパ部を更に含む請求項１の燃焼装置。
5. バイオマス燃料と第１供給エアのコア部分との混合速度を増大させるための、バイオマスノズルの出口付近に位置付けた少なくとも１つのデフレクタを更に含む請求項１の燃焼装置。
6. バイオマス燃料と第１供給エアのコア部分との混合速度を増大させるための、バイオマスノズルの出口付近に位置付けた少なくとも１つのスワラを更に含む請求項１の燃焼装置。
7. 第１供給エアがエアプレヒーターにより加熱される請求項１の燃焼装置。
8. 請求項１に記載の燃焼装置の運転方法であって、
   第１の弁及び第２の弁を提供することを含み、バイオマス非供給時には、前記第１の弁を閉じ、第２の弁を開放すると共に、第１供給エアのコア部分が所望量供給されるようにコアダンパとの組み合わせにおいて調節し、バイオマス供給時には、前記第２の弁を閉じ、第１の弁を開放してバイオマス及び輸送エアを通すこと、を含む運転方法。
9. バイオマスセンターエアジェットバーナであって、
   バイオマスゾーンをその内部に画定するバイオマス管と、
   該バイオマス管を同中心状態下に包囲する軸方向管にして、バイオマス管と該軸方向管との間に軸方向ゾーンを画定する軸方向管と、
   該軸方向管を同中心状態下に包囲する環状管にして、軸方向管と該環状管との間に第１環状ゾーンを画定する環状管と、
   該環状管を同中心状態下に包囲するバレルにして、該バレルと環状管との間に第２環状ゾーンを画定するバレルと、
   該バレルを同中心状態下に包囲するバーナゾーン壁にして、該バーナゾーン壁とバレルとの間に第３環状ゾーンを画定するバーナゾーン壁と、
   軸方向管と環状管との間に半径方向に介挿したコアエアダクトと、
   を含み、
   コアエアダクトが、軸方向ゾーン及び風箱との間の流体連通を提供し、
   第１環状ゾーン内に格納したフィーダダクトの一部の周囲を流動する微粉炭を調整する手段を含むバイオマスセンターエアジェットバーナ。
10. バイオマス管が軸方向管内部で且つコアエアダクトの手前で終端するバイオマスノズル先端を有する請求項９のバイオマスセンターエアジェットバーナ。
11. バイオマス管が、バーナアセンブリ内で且つコアエアダクトの下流側で終端するバイオマスノズル先端を有する請求項９のバイオマスセンターエアジェットバーナ。
12. バイオマスノズル先端が、バーナアセンブリ内で半径方向に拡開する請求項１１のバイオマスセンターエアジェットバーナ。
13. バイオマスノズル先端がバーナアセンブリ内で半径方向に減縮する請求項１１のバイオマスセンターエアジェットバーナ。
14. バイオマス管が流れ弁を更に含む請求項１１のバイオマスセンターエアジェットバーナ。
15. バイオマスノズルが、バーナアセンブリの長手方向に沿って長手方向に調節自在である請求項１４のバイオマスセンターエアジェットバーナ。
16. 第１環状ゾーンが、流れ調整装置を含む請求項１５のバイオマスセンターエアジェットバーナ。
17. バイオマス管が、流れ弁の下流側の径違い管継ぎ手を含む請求項１６のバイオマスセンターエアジェットバーナ。
18. 第１環状ゾーンに微粉炭を提供するための手段と、バイオマス管にバイオマス燃料を提供するための別個の手段と、を更に含む請求項１１のバイオマスセンターエアジェットバーナ。
19. 第１環状ゾーンに微粉炭を提供するための手段と、バイオマス管にバイオマス燃料を提供するための別個の手段と、を更に含む請求項１７のバイオマスセンターエアジェットバーナ。
20. 第２環状ゾーン内のベーンと、第３環状ゾーン内のベーンと、を更に含み、第２環状ゾーン及び第３環状ゾーンが風箱と流体連通する請求項１９のバイオマスセンターエアジェットバーナ。

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