JP2541936B2 - 燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば微粉炭などの固体燃料の微粉末を使
用する燃焼装置に係り、特にボイラ起動ならびに低負荷
時などににおいても安定した燃焼状態が維持でき、固体
燃料の使用効率を高めるとともに、油燃料の消費量が低
減できる燃焼装置に関するものである。

〔発明の背景〕

燃料需給情勢の変遷に伴ない、石炭を主とする固体燃
料を大容量発電ボイラに適用する例が増加している。以
下、本発明の背景について石炭を例にして説明する。

従来の石炭燃焼ボイラは、ボールミルなどの粉砕機
と、それに直結されたバーナとから主に構成された石炭
燃焼設備系統を有する、所謂、粉砕機直結方式のものが
多く、石炭粉砕の動力ならびに経済的な理由により、微
粉度も74μｍのものが70〜85％パス程度で運用されてい
る。

また、粉砕機で粉砕された微粉炭は１次空気によつて
搬送され、バーナノズルから火炉内に噴出される訳であ
るが、粉砕機の性能上の理由から１次空気量が決定され
る。そのため粉砕機の負荷によつて空気と微粉炭の比率
（微粉炭濃度）が変化し、かつ微粉度を向上させるほ
ど、また低負荷になるほどに微粉炭濃度が薄くなるた
め、更に石炭性状に係る燃焼性、火炉の雰囲気温度なら
びに燃焼用空気温度などの影響を受け、ボイラの低負荷
では石炭専焼ができず、油の助燃を必要とする。また、
起動初期などでは、前述のことに加えて、石炭を粉砕機
内で乾燥させるための熱源が不足していることなどによ
り、石炭が使用できないなどの不具合がある。

また、最近では発電量全体における原子力発電の比率
が大きくなつてきており、そのため前記微粉炭燃焼ボイ
ラの運転もその影響を受けている。すなわち、原子力発
電においては負荷変動を行うのが困難であり、かつ非効
率でもあることから、原子力発電をベースロードとし
て、微粉炭ボイラを中間負荷運転するようになつてき
た。このため微粉炭ボイラの負荷変動が大きく、これに
対応できるシステムの柔軟性が要求されるようになつて
いる。

このような状況下では、例えば微粉炭ボイラの起動
時、あるいは可能限界における最低負荷帯や、他の急速
負荷変化帯において、最適な燃焼状態になるように常に
維持することは、粉砕機といういわば大容量で応答性が
悪いバツフアタンクが燃焼系統に内在する限り、極めて
困難である。

この粉砕機直結型の燃焼方式に対して、一旦貯蔵型の
燃焼方式がある。この方式は、負荷変動などに関係なく
粉砕機で粉砕して所望の粒度に調整された微粉炭をビン
に貯蔵しておき、負荷変動に応じて微粉炭をビンから取
り出し、バーナまで気流輸送して燃焼に供する方式であ
る。

この方式は、起動時あるいは低負荷や急激な負荷変動
時など応答性が要求される条件下では好適であるが、ボ
イラ負荷が大で比較的安定している場合は、石炭の使用
量が多く、また多量の石炭を貯蔵する際の発火や粉塵爆
発などのトラブルがあるため、むしろ前述の粉砕機直結
方式の方が好適である。

〔発明の目的〕

本発明は、このような実情に鑑みなされたもので、ボ
イラ起動時ならびに低負荷時などにおいても安定した燃
焼状態が維持でき、石炭などの固体燃料の使用効率を高
めるとともに、油燃料の使用量を減少した燃焼装置を提
供することを目的とするものである。

〔発明の概要〕

前述の目的を達成するため、本発明は、 起動ならびに低負荷時に駆動する例えばボールミルな
どからなる第１の固体燃料粉砕手段と、 その第１の固体燃料粉砕手段によつて粉砕された例え
ば石炭などの固体燃料を、例えば空気と排ガスの混合気
体などからなる高温気体に同伴させて気流輸送して所定
の粒度分布を有する微粉状固体燃料とその微粉状固体体
燃料よりも粒径の小さい超微粉状固体燃料に分離する例
えばサイクロンセパレータなどからなる分離手段と、 前記所定の粒度分布を有する微粉状固体燃料を貯蔵す
る例えばビンなどからなる第１の貯蔵手段と、 前記超微粉状固体燃料を貯蔵する例えばバグフイルタ
などからなる第２の貯蔵手段と、 前記第１の貯蔵手段から取り出した微粉状固体燃料を
気流輸送して燃焼せしめる起動−低負荷用バーナと、 前記第１の固体燃料粉砕手段に高温気体を送り込むた
めの蒸気式ガスヒータと、 前記第２の貯蔵手段に貯蔵されている超微粉状固体燃
料を燃焼させて第１の固体燃料粉砕手段に高温気体を送
り込むために、前記蒸気式ガスヒータに対して併設され
た熱風炉と、 起動時ならびに低負荷時以外の通常負荷時に駆動する
例えばボールミルなどからなる第２の固体燃料粉砕手段
と、 その第２の固体燃料粉砕手段によつて粉砕された微粉
状固体燃料を高温気体によつて気流輸送した直接に燃焼
せしめる負荷用主バーナとを備えたことを特徴とするも
のである。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を図面とともに説明する。第１図
は、実施例に係る燃焼装置要部の概略構成図である。

起動−低負荷用コールバンカ１内の粗粒炭２は給炭機
３を通過し、それぞれの起動用粉砕機（例えばボールチ
ユーブミル、回転分級器を内蔵した竪型ロールレースな
どの粉砕機）４に投入されて粉砕される。この粉砕機４
で粉砕され所定の粒度（74μｍ 90％以上パス）に調整
された微粉炭５は気流輸送され、各々のサイクロンセパ
レータ６を通すことにより微粉炭５は空気と分離され、
その後チエーンコンベアからなる分配機７によつて各々
のビン８内に分配、投入される。一方、サイクロンセパ
レータ６で分離された超微粉炭46を含む空気はバグフイ
ルタ９に導入され、そこで超微粉炭46と空気とに分離さ
れる。前述のサイクロンセパレータ６と分配機７とを連
結する連結管10ならびに分配機７とビン８とを連結する
連結管11の途中には、除電装置12が設置されている。

この除電装置12は第２図に示すように、例えば銅やニ
ツケルなどの導電細線を５〜20mm程度の間隔をおいて編
んだ網体13で構成され、第３図に示す如くこの網体13を
微粉炭５の落下方向に沿つて複数枚、所定の間隔をおい
て配置され、各網体13はそれぞれアースされている。

第４図は除電装置12の他の例を示すもので、この例で
は銅やニツケルなどの導電板が20〜30mm程度の間隔をお
いて組み合わされた格子体14から構成されている。

微粉炭５は、搬送途中などに互にこすれて静電気を生
じる。一方、ビン８の中空部には微粉炭５の一部が浮遊
しているため、その中空部で前述の微粉炭５の静電気が
放電して花火を発生すると、粉塵爆発を生じる。そのた
め前述の除電装置12で微粉炭５の静電気を除去して、粉
塵爆発を未然に防止している。

第５図ならびに第６図に示すように、ビン８内に形成
される微粉炭５の層中には、冷却管15が多数本埋設され
ている。各冷却管15ともビン８の外側から内側に向けて
挿入され、それの先端部が下側に向くように若干傾斜し
て（傾斜角度10〜30度程度）取り付けられている。この
実施例では、冷却管15が周方向に沿つて等間隔に８本配
置され、それがビン８の高さ方向に沿つて３段に設けら
れている。

冷却管15としては、第７図に示す自然循環式のもの、
あるいは第８図に示す強制循環式のものが用いられる。
自然循環式の冷却管15は第７図に示すように２重管にな
つており、ビン８の外側に個々に冷却器16が付設され、
その冷却系統には水などの冷媒（図示せず）が充満され
ている。強制循環式の冷却管15は第８図に示すように２
重管構造になつており、ビン８の外側に冷却器16、冷媒
タンク17ならびにポンプ18が付設されている。この冷却
器16、冷媒タンク17ならびにポンプ18は、他の冷却管15
と共用になつている。

冷却管15の外周部には例えば熱電対などからなる温度
検出器19が取り付けられており、それによつて微粉炭５
の層内温度が監視され、レコーダ20に記録されている。
層内温度が例えば150℃を超えると、ブザーやランプな
どからなる警報装置21が動作して、層内の温度上昇を警
報するようになつている。

前述の自然循環式の冷却管15は、比重の差によつて冷
媒が系内を自然に循環して、高温になつた冷媒は冷却器
16で所定の温度まで冷却されて再使用される仕組になつ
ている。一方、強制循環式の冷却管15は、前記温度検出
器19で層内温度を監視し、所定温度（例えば150℃）を
超えるとポンプ18を起動して冷媒を強制循環させて、層
内の温度を下げる仕組になつている。また、ポンプ18の
起動は、前述の温度上昇の場合と別に所定時間毎にも行
つてもよい。

さらに冷却管15としてヒートパイプを使用することも
できる。この場合、ヒートパイプの蒸発部側が微粉炭５
の層内に埋設され、凝縮側がビン８外に配置される。い
ずれにしても、冷却管15によつて微粉炭５の層内温度が
所定温度以下に維持されるようになつている。

ビン８内に貯蔵されている微粉炭５は自然酸化によつ
て発熱する心配があり、特に層内部においては熱が放散
せず内部に蓄積され、そのために層内温度が上昇して発
火の恐れがある。前述のように冷却管15を微粉炭５の層
内に多数本埋設することにより、層内温度を下げて発火
を防止することができる。

冷却管15を層内で水平方向に配置すると、それが原因
でビン８内において微粉炭５の閉塞ならびにブリツジが
形成され、微粉炭５のスムースな供給ができないことが
ある。本発明の実施例では冷却管15を互に傾斜させるこ
とによつて、微粉炭５のスムースな供給を図つている。

前記分配機７は密閉式になつており、分配機７の内部
は炭酸ガスまたは窒素ガスなどの不活性ガスが充満して
酸素濃度が約12％以下に抑えられている。前記不活性ガ
スは循環式になつており、第１図に示すようにその不活
性ガス循環系統22内に除塵器23、除湿器24、酸素濃度検
出器25、不活性ガスボンベ26ならびにフアン27が設けら
れている。

循環する不活性ガスに同伴して移動する微粉炭５は前
記除塵器23で捕集され、分配機７に戻されるようになつ
ている。微粉炭５が水分を含むと閉塞やブリツジ形成の
原因になるため、前述のように除湿器24を設けて水分を
除去するようになつている。また酸素濃度検出器25によ
つて循環する不活性ガス中の酸素濃度が常に監視され、
実測の酸素濃度が設定酸素濃度（例えば12％）を超える
と、不活性ガスボンベ26から不活性ガスが供給され、酸
素濃度を下げることによつて発火の防止を図つている。
図に示すように、ビン８の内部にも炭酸ガスや窒素ガス
などの不活性ガスが供給されて、低酸素濃度雰囲気を構
成している。

ビン８の下部には、例えば立型回転翼式フイーダーや
インパクト計量計付きフイーダーなどの計量給炭機28が
設けられている。そしてビン８に貯蔵されている微粉炭
５は、ボイラ負荷に応じて計量給炭機28から順次取り出
され、図示しない空気予熱器によつて所定の温度（例え
ば80℃程度）に加温された１次空気29に同伴してそれぞ
れの起動−低負荷用バーナ30まで搬送されて、ボイラの
起動時あるいは低負荷時または負荷変動率の大きいとき
の燃焼に供される。

前記１次空気29の供給系統中には、空気量計測器31な
らびに１次空気通風機32が設けられている。

第９図は、この実施例で用いられる起動−低負荷用バ
ーナ30の概略構成図である。

この起動−低負荷用バーナ30は同図に示すように、微
粉炭５を所定の比率で混合した１次空気29を供給するた
めの１次スリーブ33と、その１次スリーブ33の先端部に
設けられた保炎器34と、１次スリーブ33内でかつ保炎器
34の若干手前側に設けられ微粉炭５と１次空気29との混
合気流に旋回をかけて濃淡の不均一分布を与える耐熱性
ならびに耐摩耗性に優れた例えばセラミツク製の旋回羽
根35とを有している。

さらにこの起動−低負荷用バーナ30には、前記旋回羽
根35の開度を調節するための開度調節器36と、前記旋回
羽根35によつて微粉炭５と１次空気29との混合気流に旋
回をかけて濃淡分布を与たところの微粉炭濃度（微粉炭
／空気以下、C/Aと略記する。）を例えばレーザを用い
て検出するC/A検出器37と、旋回している微粉炭５に点
火する発熱体38と、その発熱体38に給電するための電源
装置39と、前記C/A検出器37からの検出信号に応じて旋
回羽根35の開度を調節する制御信号を前記開度調節器36
に出力するとともに、前記電源装置39に点火指令信号を
出力する制御部40とが付設されている。

第10図は、前記発熱体38としてZrBz/SiC系導電性セラ
ミツクを用い、これを微粉炭５と１次空気29との混合気
流中に挿入した場合の着火特性図である。この実験は、
給炭量Ａ、Ｂ、Ｃの３種類の給炭量の違うものを用い、
ノズル出口の１次空気流速と微粉炭濃度（C/A）を種々
変えて、安定着火領域、不安定着火領域ならびに未着火
領域を調べた実験である。

この図から明らかなように、起動時あるいは低負荷時
において安定に着火、保炎させるためには、微粉炭濃度
（C/A）は0.5以上、１次空気流速は10m/s以下に規制す
る必要があることが分かる。

一方、実機の微粉炭焚燃焼装置においては、微粉炭の
配管輸送は微粉炭の比重等の関係からC/Aは0.5以上にし
なければ、微粉炭の確実なハンドリングと輸送ができな
いことが知られている。また、燃料噴出口の空気流速は
逆火防止の点から、15m/s以上に保持しなけのばならな
い。

第９図において、前記１次スリーブ33内を約15〜20m/
sの流速で供給された微粉炭５と１次空気29の混合気流
は旋回羽根35によつて旋回がかけられ、同図に示される
ように１次スリーブ33の先端内周部付近に微粉炭濃度
（C/A）の高い領域が形成される。

安定着火させるためには第10図に示すように給炭量に
応じて適正なC/Aを設定する必要がある。この実施例で
はC/A検出器37を用いて微粉炭濃度（C/A）を検出し、そ
の検出信号に基づいて制御部40で適正なC/Aになるよう
に旋回羽根35の開度を調節するようになつている。な
お、旋回をかけ過ぎると圧損が高くなるので、C/Aが0.5
〜2.0の範囲、好ましくは1.0〜2.0の範囲に規制される
ように前記旋回羽根35の開度を調節すればよい。

安定な着火と保炎をさせるための別の因子として空気
流速の条件がある。この実施例では第９図に示すように
１次スリーブ33の先端部に大径部41を設けることによつ
て、前述の15〜20m/sの流速を10m/s以下に減速させてい
る。さらに混合気流を保炎器34に衝突させることによつ
て、保炎器34の近傍に循環渦流42が形成される。この循
環渦流42の空気流速は絶対値で5m/s以下の低流速領域で
あるから、着火ならびに保炎に適した領域が形成され
る。このようなことからバーナの出口付近に、微粉炭濃
度が高くかつ低流速の微粉炭直接着火に最適な領域が形
成されることになる。

そしてこの領域内に設置され約1000〜1200℃に発熱さ
れた発熱体38に微粉炭が衝突することにより、微粉炭中
の揮発分が連続的に着火し、前記循環渦流内に火炎を形
成する。そしてさらにこの火炎の伝ぱにより、供給され
た微粉炭全体に着火するようになつている。

再び第１図に戻つて燃焼装置の系統について説明す
る。ボイラ用煙突入口ガス導管43より導入された排ガス
はバグフイルタ９で分解された空気と所定の割合で混合
され、排ガス押込フアン44によつて蒸気式排ガスヒータ
45に導入されて、例えば所内ボイラ（図示せず）からの
高圧蒸気46によつて所定の温度まで昇温される。このよ
うにして昇温された排ガスは、排ガス量計測器47を通
り、その後に各起動−低負荷用粉砕機４にそれぞれ供給
される。

前記蒸気式排ガスヒータ45とは別に、熱風炉48が併設
され、この熱風炉48の燃料として前記バグフイルタ９で
捕集された粒子径の非常に小さい超微粉炭49が使用さ
れ、これに直接着火される。

第11図は微粉炭の粒径と着火エネルギーとの関係を示
すもので、この図から明らかなように微粉炭の粒径が例
えば10μｍ以下の超微粉炭になると、比表面積が増大
し、燃焼速度が速まることから、極めて小さいエネルギ
ーで着火することができるため、石油やガスなどを使用
することなく直接に超微粉炭46を燃焼させることができ
る。

この超微粉炭46は、第１図に示すように熱風炉48だけ
でなく微粉炭５と混合して起動−低負荷用バーナ30にも
供給されるようになつている。図示していないが、バグ
フイルタ９の下部には例えばロードセルなどのセンサが
設けられており、バグフイルタ９に貯留される超微粉炭
46の量が検知できるようになつている。そして通常は超
微粉炭46をボイラの起動−低負荷用に使用しておき、バ
グフイルタ９内の超微粉炭46の貯留量が所定以上になつ
たとき、熱風炉48にも供給するか、あるいは反対に通常
は超微粉炭46を熱風炉48に供給して使用しておき、バグ
フイルタ９内の超微粉炭46の貯留量が所定以上になつた
とき、起動−低負荷用バーナ30にも供給するようになつ
ている。

負荷用コールバンカ50内の粗粒炭２は給炭機３を通過
し、それぞれの負荷用粉砕機（例えばボールミルなどの
粉砕機）51に投入されて粉砕される。この負荷用粉砕機
51で粉砕されて所定の粒度に調整された微粉炭（前記起
動用粉砕機４で粉砕される微粉炭よりも粒径が少し大き
いものでもよい。）は、空気予熱器（図示せず）によつ
て予め昇温された高温空気52で乾燥されながら空気輸送
され、直接に負荷用主バーナ53に導入されて燃焼に供せ
られる。

ボイラの起動時、10〜30％程度の低負荷時あるいは負
荷変動率の大きいときは、必要とする台数の起動−低負
荷用粉砕機４を駆動して微粉炭５ならびに超微粉炭46を
作り、起動−低負荷用バーナ30に供給してボイラの起
動、低負荷あるいは負荷変動率の高いときなどに対応す
る。またボイラの負荷が大きかつたり、負荷変動率が比
較適に小さい場合は、必要とする台数の負荷用粉砕機51
を駆動して微粉炭を作り、負荷用主バーナ53に供給して
要求する負荷に対応するようになつている。なお、ある
負荷領域では必要に応じて起動−低負荷用バーナ30と負
荷用主バーナ53とを併用することもできる。

〔発明の効果〕

本発明は前述のような構成になつているから、燃焼装
置の起動時や低負荷時あるいは負荷変動が大きいときに
は、応答性に優れた一旦貯蔵方式が適用でき、固体燃料
の濃度が高く維持できるから油の助燃が不要で、低NOx
化を含めた効率的な燃焼が行える。また燃焼装置の負荷
が大で比較的安定している場合は、微粉状固体燃料の貯
蔵によるトラブルのない粉砕機直結方式が適用できるか
ら、燃焼装置の安全性が確保できる。

さらに、起動−低負荷用バーナに供給する微粉状固体
燃料を製造する際に生成する超微粉状固体燃料を捕集し
て、熱風炉の燃料として利用するから、固体燃料の使用
効率が高く、蒸気式ガスヒータの燃料として使用する油
燃料の使用量を軽減することができる。また超微粉状固
体燃料は比表面積が極めて大きく、燃焼速度が速いか
ら、超微粉状固体燃料に直接着火することができるた
め、この点からも油燃料の使用量を減少することができ
る。

【図面の簡単な説明】

図はすべて本発明の実施例に係る燃焼装置を説明するた
めのもので、第１図はその燃焼装置要部の概略構成図、
第２図ならびに第３図は除電装置の平面図ならびに断面
図、第４図は他の除電装置の斜視図、第５図ならびに第
６図はビン中の冷却管の配置状態を示す縦断面図ならび
に平面図、第７図は自然循環式冷却管の説明図、第８図
は強制循環式冷却管の説明図、第９図は起動−低負荷用
バーナの概略構成図、第10図は石炭の着火状態を示す特
性図、第11図は微粉炭の粒径と着火エネルギーとの関係
を示す特性図である。 ４……起動−低負荷用粉砕機、５……微粉炭、６……サ
イクロンセパレータ、８……ビン、９……バグフイル
タ、15……冷却管、30……起動−低負荷用バーナ、38…
発熱体、45……蒸気式排ガスヒータ、48……熱風炉、49
……超微粉炭、51……負荷用粉砕機、53……負荷用主バ
ーナ。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】起動ならびに低負荷時に駆動する第１の固
   体燃料粉砕手段と、その第１の固体燃料粉砕手段によっ
   て粉砕された固体燃料を高温気体に同伴させて気流輸送
   して所定の粒度分布を有する微粉状固体燃料とその微粉
   状固体燃料よりも粒径の小さい超微粉状固体燃料とに分
   離する分離手段と、前記所定の粒度分布を有する微粉状
   固体燃料を貯蔵する第１の貯蔵手段と、前記超微粉状固
   体燃料を貯蔵する第２の貯蔵手段と、前記第１の貯蔵手
   段から取り出した微粉状固体燃料を気流輸送して燃焼せ
   しめる起動−低負荷用バーナと、前記第１の固体燃料粉
   砕手段に高温気体を送り込む蒸気式ガスヒータと、前記
   第２の貯蔵手段に貯蔵されている超微粉状固体燃料を燃
   焼させて第１の固体燃料粉砕手段に高温気体を送り込む
   熱風炉と、 通常負荷時に駆動する第２の固体燃料粉砕手段と、その
   第２の固体燃料粉砕手段によって粉砕された微粉状固体
   燃料を高温気体によって気流輸送して直接に燃焼せしめ
   る負荷用主バーナとを備え、 前記第１の固体燃料粉砕手段と分離手段と第１の貯蔵手
   段と第２の貯蔵手段と起動−低負荷用バーナと蒸気式ガ
   スヒータと熱風炉とからなる系統と、前記第２の固体燃
   料粉砕手段と負荷用主バーナとからなる系統とが別系統
   になっていることを特徴とする燃焼装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第（１）項記載において、
   前記第１の貯蔵手段の固体燃料層内に冷却管が埋設され
   ていることを特徴とする燃焼装置。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第（１）項記載において、
   前記起動−低負荷用バーナに導電性セラミックからなる
   発熱体が設けられ、その起動−低負荷用バーナに供給さ
   れた微粉状固体燃料がその発熱体によって直接着火され
   るように構成されていることを特徴とする燃焼装置。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第（１）項記載において、
   前記起動−低負荷用バーナ内を通過する固体燃料Ｃと空
   気Ａと混合比率C/Aが0.5〜2.0の範囲に規制されている
   ことを特徴とする燃焼装置。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第（１）項記載において、
   前記第２の貯蔵手段に貯蔵されている超微粉状固体燃料
   を前記起動−低負荷用バーナに供給する超微粉状固体燃
   料搬送経路が設けられていることを特徴とする燃焼装
   置。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第（１）項記載において、
   前記第２の貯蔵手段内における超微粉状固体燃料の貯蔵
   量を検知するセンサが設けられ、その検知信号によって
   前記熱風炉ならびに起動−低負荷用バーナに供給する超
   微粉状固体燃料の切替えを行うように構成されているこ
   とを特徴とする燃焼装置。