JP5867742B2 - 固体燃料バーナを備えた燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は固体燃料バーナを備えた燃焼装置、特に水壁（伝熱管を設けた火炉壁面）における灰付着・腐食、ホッパへの粒子落下に伴う未燃分による損失を軽減するに好適な燃焼装置に関する。

一般に固体燃料バーナの燃料ノズルの出口部の断面は円形又は正方形に近い形状をしており、火炉内において燃料含有流体噴流の外側で着火した火炎が燃料含有流体噴流の中心部まで伝播するにはかなりの距離を必要とする場合がある。燃料ノズルからの燃料含有流体の噴出方向における着火した火炎が燃料含有流体噴流の中心部まで伝播する距離、すなわち、未着火距離は燃料ノズルの直径又は外径部が大きくなるほど長くなり、未着火領域が拡大する。バーナ近傍の還元領域で燃焼を促進することが、燃焼ガス中のＮＯｘ発生を抑制する上で重要であるが、未着火領域の拡大は着火後の燃焼時間が短くなることを意味し、ＮＯｘ抑制が不十分であったり、燃焼効率が低下したりする要因ともなる。

複数の固体燃料バーナを燃焼装置として備えたボイラプラントにおいて、バーナ容量の増加はコスト低減とバーナ本数削減による運用性向上のために有効な手法であるが、燃料ノズルの直径又は外径部の長さが長くなり、未着火領域が拡大して、ＮＯｘの増加と燃焼効率の低下の原因となる問題点があった。

この問題は、燃料含有流体噴流表面の着火領域から燃料含有流体噴流の中心部までの距離が大きいことが原因であった。
ＷＯ２００８−０３８４２６Ａ１（特許文献１）は、本出願人の発明に係わる先行技術であり、燃料ノズルの横断面の出口形状を長径部と短径部を有する矩形状、楕円形状又は略楕円形状とするバーナにより、バーナ容量を従来より大きくしながら、未着火領域の拡大を抑え、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の増加防止と燃料の燃焼効率の低下防止を図った発明が開示されている。

また、ＷＯ２００９−１２５５６６Ａ１にもこれに類似したバーナの開口形状が開示されている。
また、ボイラプラントにおいて、ボイラ火炉の固体燃料バーナにより得られる高温の排ガスにより複数の伝熱管内を流れる流体を加熱して得た蒸気を利用するための流体経路、さらに得られた蒸気を再利用するための複雑な流体経路を流体が通る場合に、各伝熱管が設置される伝熱部において流体への規定の伝熱量を得ることが重要であり、そのために各伝熱部に対して燃焼ガスの温度及び流体流量を制御する必要がある。そのため、火炉内での燃料の燃焼位置を変えることで各伝熱管内の流体への伝熱量を制御することができるという発明がある（ＷＯ２００９−０４１０８１Ａ１）。この発明に記載された例では、固体燃料バーナに設けた気体噴出ノズル出口を上下の２つに分割し、それぞれの空気流量を独立して調整することで燃料の燃焼位置を上下に変更することを可能にしている。

なお、一般に固体燃料を使用するボイラは、固体燃料として微粉炭を用いるので、このようなボイラを以下、微粉炭焚きボイラ、固体燃料バーナを微粉炭バーナということがある。微粉炭焚きボイラの起動時には、ファンを起動してボイラ火炉に設置された複数の微粉炭バーナおよび二段燃焼用空気口に燃焼用ガスとして空気を供給する。続いて、各バーナの点火トーチに火炎を形成させ、フレームディテクタ（以下ＦＤという）でこの火炎を検知した後、点火トーチの火炎により点火バーナから噴出した液体燃料に着火させて点火バーナに火炎を形成する。点火バーナによる火炎が形成されたことをＦＤにより検知した後、点火トーチを消火して点火トーチ用ガンは焼損防止のため、炉外に取り除かれる。

次いで、点火バーナにより炉出口温度が設定温度に達するまで火炉を昇温した後、ミルを起動して徐々に微粉炭燃焼に切り替える。すなわち、微粉炭バーナにおいては、微粉炭に着火させるために、液体燃料等を用いた点火バーナを設置し、更にこの点火バーナを着火する点火トーチおよび火炎を検知するＦＤが設置されている。

微粉炭バーナの中には、中心に点火バーナを設置し、その周囲から微粉炭と搬送用ガスとしての一次空気を流して火炉内に噴出し、その周囲から燃焼用空気を供給する微粉炭バーナが用いられる。この場合、点火トーチとＦＤは、微粉炭の流れを乱して微粉炭のバーナ内での堆積や保炎不良を引き起こさないために、微粉炭出口部ではなく、周囲の燃焼用空気供給部に設置している。

近年、コスト削減及び運用性向上の観点から、微粉炭バーナの大容量化（バーナ本数低減）が進められ、大容量化に伴う燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度の増加や効率低下を防止したバーナノズル形状が提案されている（例えば、ＷＯ２００８−０３８４２６Ａ１（特許文献１））。前記特許文献１記載のバーナ構造においては、微粉炭と微粉炭搬送用ガスを火炉に噴出するノズル出口の形状が、短径部と長径部を有する矩形状、楕円形状もしくは直線部と円周部を有する略楕円形状になっており、従来技術と同様に燃焼用空気供給部にＦＤや点火トーチを設置した場合、設置場所によってＦＤでの火炎検知や、点火トーチによる点火バーナでの安定した着火保炎に影響を及ぼす状況があった。

ＷＯ２００８−０３８４２６Ａ１ ＷＯ２００９−０４１０８１Ａ１ ＷＯ２００９−１２５５６６Ａ１

前記特許文献１は、本出願人の発明に係わる先行技術であり、燃料ノズルが横断面の出口形状を長径部と短径部を有する矩形状、楕円形状又は略楕円形状とするバーナを開示している。

このバーナによれば、燃料含有流体噴流表面の着火領域から燃料含有流体噴流の中心部までの距離を短縮することにより、未着火領域を縮小して着火後の燃焼時間を確保することができる。

その後、本出願人による継続的研究の結果、燃料ノズルのボイラ火炉壁面開口部近傍における開口形状が「扁平形状」となるバーナでは、燃料ノズル内壁近傍における燃料含有流体中の燃料濃度分布を周方向に均一に保ちながら、燃料ノズル周囲（外周）からの燃焼用ガス（二次空気、三次空気）ノズルからの燃焼用ガス噴流の噴出形態を適切にして、燃料含有流体及び燃焼用ガスを炉内に供給することが、燃焼効率を維持または向上させて燃料排ガス中のＮＯｘ濃度をさらに低減する上で効果的であることが明らかになった。

上記の特許文献１に示すような扁平型燃料ノズルを有する固体燃料バーナを用いることにより、バーナを大容量化した場合においても、燃料含有流体噴流表面の着火領域から燃料含有流体噴流中心部までの距離が短縮され、未着火領域を縮小して着火後の燃料時間を確保できることからバーナ単体において高効率で且つＮＯｘ濃度の低い燃焼ガスを生成する構成とすることができる。しかしボイラの実運用においては、バーナ単体だけでなく、火炉全体において高効率且つ低ＮＯｘ燃焼を図る必要がある。

一般的な石炭焚きボイラの燃焼方式には、横断面が矩形の火炉内の四隅にバーナを配置するコーナファイヤリングや火炉の４つの水壁面にバーナを配置するタンジェンシャルファイヤリングと呼ばれる燃焼方式と、火炉の前壁、後壁にバーナを配置する対向燃焼方式と呼ばれる方式がある。いずれの燃焼方式においても、前壁と後壁を繋ぐ二つの壁面（火炉側壁という）に石炭灰を含む燃焼ガスが衝突することにより、灰付着や腐食が生じる。

対向燃焼方式の場合、火炉前壁及び後壁に配置された側壁側のバーナ噴流が火炉中央部で衝突し、石炭灰を含んだ燃焼ガスが側壁側に運ばれることによって、火炉側壁に灰付着や、還元性ガスによる腐食が起きると考えられている。また扁平型バーナを用いる対向燃焼方式の場合は燃料ノズルの幅広方向に火炎が広がるため、バーナの配置によっては、広がったバーナ噴流（すなわち石炭灰を含んだ燃焼ガス）が側壁側に運ばれやすくなり、側壁面への灰付着、腐食がおきやすくなる可能性がある。なお、ここで、「幅広方向」とは、扁平形状の長径あるいは長辺に平行な方向を指す。

このような問題を軽減するため火炉水壁には通常付着灰を除去するための灰除去装置（以下ウォールブロワ）を設置したり、水壁に対して腐食を防止するための溶射、肉盛の施工が行われる。燃焼ガスが運ばれる領域が広いほど、灰付着、腐食のポテンシャルは高くなり、その分、ウォールブロワの台数が増加する、溶射、肉盛などの水壁施工範囲が増えるなど、ボイラ火炉の設備コストの増加は免れないことから、これら水壁での灰付着、腐食を防止するためのバーナ配置というのは非常に重要である。

本発明の課題は、大容量かつバーナ単体で高効率、低ＮＯｘ燃焼を実現できる扁平型燃料ノズルを有するバーナを用いるにあたり、火炉全体を有効に活用することによって、高効率で低ＮＯｘ濃度の燃焼を実現し、かつ火炉壁面における灰付着及び腐食を防止すると共に、火炉ホッパに落下する未燃焼灰による未燃損失を低減する微粉炭バーナを有する燃焼装置を提供することである。

上記の課題は次の解決手段により達成される。
請求項１記載の発明は、固体燃料と該固体燃料の搬送用ガスとの混合流体が流れる円筒状の燃料搬送配管（２２）に接続する固体燃料流路（２）を有する火炉壁面（１８）に開口した燃料ノズル（８）と、前記固体燃料の燃焼用ガスが流れる風箱（３）に連通し、前記燃料ノズル（８）の外周壁側に形成される単一もしくは複数の燃焼用ガスノズル（１０、１５）を有する固体燃料バーナ（３１）を火炉（１１）の壁面（１８）の少なくとも一面の上下方向に複数段、又は水平方向に複数列設置した燃焼装置において、
前記固体燃料バーナ（３１）の燃料ノズル（８）は、前記燃料ノズル（８）内に当該ノズル（８）内の固体燃料流路（２）の横断面を縮小させる絞り部を有するベンチュリー（７）と当該ベンチュリー（７）の後流側に当該ノズル（８）内の流れを外向きに変える燃料濃縮器（６）と燃料ノズル出口部の内周壁に保炎器（９）を備えており、さらに燃料ノズル（８）は、（ａ）ボイラ火炉壁面（１８）の開口部近傍における開口形状が扁平形状であり、（ｂ）燃料ノズル（８）の外周壁のノズル中心軸（Ｃ）に直交する断面形状が、前記ベンチュリー（７）の絞り部まで横断面が円形であり、（ｃ）前記ベンチュリー（７）の絞り部から前記ボイラ火炉壁面（１８）に設けられた開口部（３２）に至るまでの間は、徐々に扁平度合いが増大する部分を有し、（ｄ）ボイラ火炉壁面（１８）の開口部（３２）において、扁平度合いが最大の扁平形状となるように形成されており、
火炉の壁面（１８）の少なくとも一段の固体燃料バーナ段において、固体燃料バーナ（３１）の扁平形状の燃料ノズル（８）の幅広方向を水平方向に配置したことを特徴とする固体燃料バーナを備えた燃焼装置である。

請求項２記載の発明は、固体燃料と該固体燃料の搬送用ガスとの混合流体が流れる円筒状の燃料搬送配管（２２）に接続する固体燃料流路（２）を有する火炉壁面（１８）に開口した燃料ノズル（８）と、前記固体燃料の燃焼用ガスが流れる風箱（３）に連通し、前記燃料ノズル（８）の外周壁側に形成される単一もしくは複数の燃焼用ガスノズル（１０、１５）を有する固体燃料バーナ（３１）を火炉（１１）の壁面（１８）の少なくとも一面の上下方向に複数段、又は水平方向に複数列設置した燃焼装置において、
前記固体燃料バーナ（３１）の燃料ノズル（８）は、前記燃料ノズル（８）内に当該ノズル（８）内の固体燃料流路（２）の横断面を縮小させる絞り部を有するベンチュリー（７）と当該ベンチュリー（７）の後流側に当該ノズル（８）内の流れを外向きに変える燃料濃縮器（６）と燃料ノズル出口部の内周壁に保炎器（９）を備えており、さらに燃料ノズル（８）は、（ａ）ボイラ火炉壁面（１８）の開口部近傍における開口形状が扁平形状であり、（ｂ）燃料ノズル（８）の外周壁のノズル中心軸（Ｃ）に直交する断面形状が、前記ベンチュリー（７）の絞り部まで横断面が円形であり、（ｃ）前記ベンチュリー（７）の絞り部から前記ボイラ火炉壁面（１８）に設けられた開口部（３２）に至るまでの間は、徐々に扁平度合いが増大する部分を有し、（ｄ）ボイラ火炉壁面（１８）の開口部（３２）において、扁平度合いが最大の扁平形状となるように形成されており、
火炉の壁面（１８）の少なくとも一段の固体燃料バーナ段において、少なくとも固体燃料バーナ（３１）を配置していない火炉の壁面である側壁（１８）に隣接する固体燃料バーナ（３１）の扁平形状の燃料ノズル（８）の幅広方向を鉛直方向に配置し、それ以外の固体燃料バーナ（３１）の燃料ノズル（８）の幅広方向を水平方向に配置したことを特徴とする固体燃料バーナを備えた燃焼装置である。

請求項３記載の発明は、固体燃料と該固体燃料の搬送用ガスとの混合流体が流れる円筒状の燃料搬送配管（２２）に接続する固体燃料流路（２）を有する火炉壁面（１８）に開口した燃料ノズル（８）と、前記固体燃料の燃焼用ガスが流れる風箱（３）に連通し、前記燃料ノズル（８）の外周壁側に形成される単一もしくは複数の燃焼用ガスノズル（１０，１５）を有する固体燃料バーナ（３１）を火炉（１１）の壁面（１８）の少なくとも一面の上下方向に複数段、又は水平方向に複数列設置した燃焼装置において、
前記固体燃料バーナ（３１）の燃料ノズル（８）は、前記燃料ノズル（８）内に当該ノズル（８）内の固体燃料流路（２）の横断面を縮小させる絞り部を有するベンチュリー（７）と当該ベンチュリー（７）の後流側に当該ノズル（８）内の流れを外向きに変える燃料濃縮器（６）と燃料ノズル出口部の内周壁に保炎器（９）を備えており、さらに燃料ノズル（８）は、（ａ）ボイラ火炉壁面（１８）の開口部近傍における開口形状が扁平形状であり、（ｂ）燃料ノズル（８）の外周壁のノズル中心軸（Ｃ）に直交する断面形状が、前記ベンチュリー（７）の絞り部まで横断面が円形であり、（ｃ）前記ベンチュリー（７）の絞り部から前記ボイラ火炉壁面（１８）に設けられた開口部（３２）に至るまでの間は、徐々に扁平度合いが増大する部分を有し、（ｄ）ボイラ火炉壁面（１８）の開口部（３２）において、扁平度合いが最大の扁平形状となるように形成されており、
火炉の壁面（１８）の最下段の固体燃料バーナ段において、固体燃料バーナ（３１）の燃料ノズル（８）の幅広方向を全て水平方向に配置し、
最下段の固体燃料バーナ段以外の固体燃料バーナ段において、固体燃料バーナ（３１）を配置していない火炉の壁面（１８）に隣接する固体燃料バーナ（３１）の扁平形状の燃料ノズル（８）の幅広方向を鉛直方向に配置する他は、全ての固体燃料バーナ（３１）の燃料ノズル（８）の幅広方向を水平方向に配置したことを特徴とする固体燃料バーナを備えた燃焼装置である。

請求項４記載の発明は、前記請求項１、２又は３に記載の固体燃料バーナを備えた燃焼装置の少なくとも一つの水平方向に複数の固体燃料バーナ（３１）を配置したバーナ段において、固体燃料バーナ（３１）を配置していない火炉の壁面（１８）に隣接する固体燃料バーナ（３１）の空気比を、その他の固体燃料バーナ（３１）の空気比よりも高くすることを特徴とする固体燃料バーナを備えた燃焼装置である。

請求項１〜４記載の発明に共通して、燃料ノズル８の出口部に配置される保炎器９の周りの内周壁の近傍の燃料濃度分布を周方向に均一とすることができ、着火に重要な保炎器９に最も近い燃料ノズル８の最外周部の燃料濃度は平均濃度の１．５倍程度に濃縮されるので着火性が保たれる効果がある。
また、請求項１記載の発明によれば、固体燃料バーナ３１の扁平形状のノズル８を火炉壁面１８の少なくとも一面の上下方向に複数段、又は水平方向に複数列設置した火炉（燃焼装置）１１の少なくとも一つのバーナ段において、前記扁平形状の燃料ノズル８の幅広方向を水平方向に配置することにより、扁平型ノズル８の幅広方向が水平方向に配置されたバーナ３１の燃料噴流が火炉１１内で水平方向に分散され、火炉１１内の空間の有効活用が可能となり、高効率で低ＮＯｘ濃度の燃焼が可能となる。

請求項２記載の発明によれば、固体燃料バーナ３１の扁平形状の燃料ノズル８の幅広方向を水平に配置することで、バーナ３１の単機容量が増加しても火炎の形成されない領域が拡大することなく、火炉１１を有効活用でき、高効率で低ＮＯｘ濃度の燃焼が可能となるということを扁平形状のノズル８の利点がある上に、バーナ３１を配置しない火炉壁面１８に隣接したバーナ３１の扁平形状のノズル８を鉛直方向に向けることで、広がったバーナ火炎から灰粒子や腐食性ガスがバーナ３１を配置しない火炉壁面１８に広がらなくなり、前記壁面１８に灰が付着しなくなり、火炉壁の腐食のポテンシャルが低下する。

請求項３記載の発明によれば、固体燃料バーナ３１の扁平形状の燃料ノズル８の幅広方向を水平に配置することで、バーナ３１の単機容量が増加しても火炎の形成されない領域が拡大することなく、火炉１１を有効活用でき、高効率で低ＮＯｘ濃度の燃焼が可能となるという利点がある上に、最下段のバーナ３１について、バーナ３１を配置しない火炉壁面１８に隣接したバーナ３１の燃料ノズル８の扁平形状の幅広方向を水平方向に配置し、ガス温度の低いホッパ部への燃料噴流の流れ込みを抑制し、火炉全体での未燃損失を低減することができる。

請求項４記載の発明によれば、請求項１、２又は３記載の発明の効果に加えて、バーナ３１を配置しない火炉壁面（側壁）１８に隣接するバーナ３１の空気比をバーナ３１のない側壁に隣接しない固体燃料バーナ３１の空気比よりも高くすることにより、火炉１１の中央部での還元域をさらに強化し、高効率で低ＮＯｘの燃焼が促進される他、側壁近傍の雰囲気を酸化雰囲気に近づけることにより水壁腐食ポテンシャルを軽減することができる。

本発明の一実施例の微粉炭バーナの火炉壁への配列例を示す図（図１（ａ）、図１（ｂ）、 図１（ｃ））である。 図１（ａ）の微粉炭バーナが配置される火炉斜視図（図２(ａ)）、図２(ａ)のバーナ配置箇所での水平断面図（図２(ｂ)）である。 図１（ｂ）の微粉炭バーナが配置される火炉斜視図（図３(ａ)）、図３(ａ)のバーナ配置箇所での水平断面図（図３(ｂ)）である。 本発明の一実施例に係る微粉炭ノズルの開口部の各種横断面形状を示す。 本発明の一実施例に係る微粉炭バーナの側断面図（図５（ａ））と火炉側から見た正面図（図５（ｂ））と図５（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図（図５（ｃ））と微粉炭バーナの水平断面図（図５（ｄ））を示す。 図５の微粉炭バーナの微粉炭ノズル内の微粉炭主流の流動状態を説明する図（図６（ａ）は側断面図）と火炉側から見た正面図（図６（ｂ））と水平断面図（図６（ｃ））を示す。 図６の微粉炭ノズル出口部の微粉炭濃度測定結果を示す図である。 図１（ａ）のバーナを配置した火炉全体の側断面図（図８（ａ））と図８（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図（図８（ｂ））である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの二次空気流路の流入部に設けた平板の平面図（図９（ａ））と該平板の半分の斜視図（図９（ｂ））である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの二次空気流入部の他の実施例であり、図１０（ａ）は二次空気流入部に設けた平板の平面図、図１０（ｂ）は該平板の半分の斜視図である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの二次空気流入部の開口比率と二次空気流路の出口部での流速分布との実測値の関係図である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの二次空気流入部の断面積に対する二次空気出口部の断面積の縮小率と二次空気流路での最大流速と最小流速の比の関係を示す図である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの二次空気流路の二次空気入口部に平板を設置しない場合（図１３（ａ））と設置した場合（図１３（ｂ））における二次空気入口部の流速分布の模式図である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの側断面図である。 図１４のＢ−Ｂ線断面矢視図である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの変形例（図１４のＢ−Ｂ線断面矢視図）である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの変形例（図１４のＢ−Ｂ線断面矢視図）である。 本発明の一実施例の微粉炭バーナの変形例（図１４のＢ−Ｂ線断面矢視図）である。 従来技術の微粉炭バーナの横断面形状が円形の微粉炭ノズルを有するバーナを配置した火炉全体の側断面図（図９（ａ））と図１９（ａ）のＢ−Ｂ線断面矢視図（図１９（ｂ））である。 従来技術の微粉炭バーナのノズルの水平断面図（図２０（ａ））と図２０（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図（図２０（ｂ））と図２０（ａ）の燃料ノズルの横幅方向における燃料濃度分布について平均濃度を１．０としたときの相対値で表した図（図２０（ｃ））と微粉炭ノズルの開口部出口断面における燃料濃度分布（領域）について平均濃度を１．０としたときの相対値で表した図（図２０（ｄ））である。

本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１は、本発明の一実施例の固体燃料バーナの火炉壁への配列例を示す図（図１（ａ）、図１（ｂ）、 図１（ｃ））である。また、図２には図１（ａ）の固体燃料バーナが配置される火炉斜視図（図２(ａ)）、図２(ａ)のバーナ配置箇所での水平断面図（図２(ｂ)）を示し、図３には、図１（ｂ）の微粉炭バーナが配置される火炉斜視図（図３(ａ)）、図３(ａ)のバーナの配置箇所での水平断面図を示す。

これらの微粉炭バーナの火炉壁への配列例の説明の前に、本発明で使用する扁平型微粉炭ノズルを有するバーナの実施例を示す。図５には本発明で使用する扁平型微粉炭ノズルを有するバーナの実施例を示す。

固体燃料バーナ３１（以下、微粉炭バーナ３１ということがある。）の全体の構成について説明する。図５では、中心に油などを燃料とする起動用バーナ１、その周囲から搬送用ガス（空気など）によって搬送される固体燃料（微粉炭など）の流路２、さらにその周囲から燃焼用ガス（空気）を風箱３内で二分割して、二次燃焼用ガス（以下二次空気ということがある。）の流路４と三次燃焼用ガス（以下三次空気ということがある。）流路５が設置されている。上記固体燃料と搬送用ガスの混合流体の流路２には一旦流路を絞ってその後拡大するベンチュリー７および燃料濃縮器６を設け、燃料ノズル８（以下微粉炭ノズル８ということがある。）の出口部の外周には保炎器９が設置されている。

図５（ｂ）には火炉１１側から見た微粉炭バーナの正面図を示す。保炎器９は、該保炎器９の後流側に循環流を形成して着火性と保炎効果を高めるように微粉炭ノズル８の先端部にリング状に設けられる。微粉炭ノズル８側にはさめ歯状の突起を形成したものを用いても良い。

また、この微粉炭バーナ３１の微粉炭ノズル８および二次空気ノズル１０の形状は火炉１１側から見て扁平形状となっている。二次空気流路４の二次空気流入部１７から二次空気が二次空気流路４内に流入し、ボイラ火炉１１側の出口から微粉炭ノズル８の周囲に燃焼用二次空気を供給する。

三次空気流入部１２には開口面積を調節できる複数の開口部材１３を設けている。また、火炉１１側の出口部の三次空気ノズル１５は外側に拡げられ、三次空気は火炉１１内では外側に向けて供給される。

次に、微粉炭ノズル８の構造の詳細と本構造による特有の効果について説明する。
微粉炭と搬送用ガスとの混合流体２１は燃料搬送配管２２を通してバーナ導入部２３に導かれる。バーナ導入部２３以降の微粉炭と搬送用ガスとの混合流体流路２は、ベンチュリー７で一旦絞られた後、拡大する。ベンチュリー７の上下方向への拡大は、バーナ導入部２３の微粉炭ノズル８の内径よりも小さい範囲に留まり、その後、混合流体流路２を構成する微粉炭ノズル８の上下壁は火炉１１（図２参照）に向かった直進方向に延長される。ベンチュリー７付近での混合流体流路２の水平方向への拡大は、微粉炭ノズル８の出口近傍まで続き、拡大過程で微粉炭ノズル８の断面形状は円形から扁平形状へと変化し、水平方向への拡大に伴い扁平度合い（率）は少しずつ増加する。微粉炭ノズル８の水平方向への拡大終了後の直線部分は、保炎器９を取り付けるために設けられており、保炎器９の取り付け方法を工夫することにより、微粉炭ノズル８の水平方向の拡大は保炎器９の部分まで続けても良い。扁平度合い（率）は微粉炭ノズル８の出口部、すなわち保炎器９の領域で最大となる。

バーナ導入部２３から微粉炭ノズル８の出口までの、微粉炭ノズル８内の微粉炭の主流の流れを図６に示す。図６（ａ）は微粉炭ノズル８の縦方向断面図であり、図６（ｂ）は火炉側から見た微粉炭ノズル８の正面図であり、図６（ｃ）は微粉炭ノズル８の水平方向断面図である。微粉炭ノズル８内のベンチュリー７以降の流れにおいて、図６の中で斑点模様を施した部分２５は、微粉炭の濃縮された領域を模式的に表示したものである。

前記微粉炭と搬送ガスの混合流体はベンチュリー７の絞り過程において中心軸Ｃに向かって縮流となり、燃料濃縮器サポート管２４に沿った円環状の流れを形成する。この流れが燃焼濃縮器６に到達すると、燃料濃縮器６の前面の傾斜部により外向きに流れが変えられる。

バーナ導入部２３で微粉炭ノズル８内の微粉炭の流量分布が周方向に均一でない場合においても、ベンチュリー７の絞り部で燃料が一旦、中心軸Ｃ方向に集められ、その後、燃料濃縮器６で拡げられる過程で、周方向の燃料流量分布は周方向に均一化される。燃料濃縮器６で拡げられた微粉炭の流れの中で、鉛直方向成分の流れは図６（ａ）に示すようにすぐに上下の微粉炭ノズル８の内周壁の水平部に衝突して、直進方向に変えられ、水平方向成分の流れは燃料濃縮器６の前面の傾斜部で与えられた外向きの速度成分が微粉炭ノズル８の出口部まで保存され、微粉炭の主流は微粉炭ノズル８の出口以降の火炉１１に流入後も拡がり続ける。

上記した微粉炭ノズル８の構造及びベンチュリー７と燃料濃縮器６の組合せにより、微粉炭の流れを扁平形状として扁平度合い（率）を微粉炭ノズル８の出口以降も拡大させるとともに、保炎器９の周りの微粉炭ノズル８の内周壁の近傍の燃料濃度分布を周方向に均一とすることができる。

図７は本実施例の微粉炭ノズル８の出口部で燃料濃度の分布を測定した一例を示す。着火に重要な保炎器９に最も近い微粉炭ノズル８の最外周部の燃料濃度は平均濃度の１．５倍程度に濃縮され、本領域の濃縮度偏差は±０．１倍程度に抑えられている。

ここで、上記した微粉炭ノズル８の構造及びベンチュリー７と燃料濃縮器６の組合せに該当しない図２０に示す従来技術の燃料ノズル４０の出口部での濃度分布を調べた。なお図２０の燃料ノズル４０は、前記特許文献１に示されたバーナ形状であり、図２０（ａ）には微粉炭ノズル４０の水平断面図を示し、図２０（ｂ）には図２０（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図を示す。

図２０（ｃ）は、図２０（ａ）の微粉炭ノズル４０の水平断面図に対応する微粉炭ノズル４０の横幅方向における燃料濃度分布について平均濃度を１．０としたときの相対値で表した図であり、図２０（ｄ）は、微粉炭ノズル４０の開口部出口断面における燃料濃度分布（領域）について平均濃度を１．０としたときの相対値で表した図である。

このように図２０に示す比較例では水平方向（ノズル幅広方向）中央部の濃度が高く、両端部側へ離れるにしたがって燃料濃度が低下し、中央部から最も離れた両端部では平均値の０．５倍程度にまで低下してしまう。これは、空気の流れがノズル形状と同じように水平方向に広がるのに対し、固体粒子である微粉炭は水平方向などに分散せず、ノズル形状に沿って広がらずに中央部に集中するためである。従って、図６（ｃ）に示す本発明の燃料噴流のような、水平に分散する噴流形状は得られない。

ここで仮に特許文献１の図等に示されたような、微粉炭ノズル４０の幅広方向全域にわたって、微粉炭ノズル４０の上下方向に燃料を濃縮させる形態の燃料濃縮器を設置したとしても、上下方向のノズル４０の開口部上辺側および下辺側には燃料が濃縮されるものの、ノズル４０の水平方向（横幅方向）中央部の微粉炭濃度が高く、両端部側へ離れるにしたがって微粉炭濃度が低下し、中央部から最も離れた両端部の微粉炭濃度が低いことには変わりがない。

従って、当該両端部付近では着火性が低下してしまう。しかし、本実施例では水平方向の両端部においても燃料（微粉炭）濃度は平均濃度の１．５倍程度に濃縮されているので着火性が保たれる。

次に、本発明の図５に示す実施例における二次空気ノズル１０について説明する。図５の二次空気ノズル１０は、保炎器９との間の隙間を全周にわたって周方向に均一とするような扁平形状としている（図５（ｃ）参照）。なお、本実施例では、二次空気ノズル１０の内周壁は、微粉炭ノズル（燃料ノズル）８の外周壁に相当する。

図５（ｃ）に示すように、二次空気ノズル１０と保炎器９の間の隙間は全周にわたってほぼ周方向に均一となるので、微粉炭ノズル８の内周壁近傍に形成された周方向に均一な燃料濃度分布に応じて、二次空気も周方向に均一な供給が可能となる。すなわち、微粉炭ノズル８の内周壁近傍の燃料濃度が高い領域の燃料と、該領域を取り囲む外側の二次空気の局所的燃料／燃焼用ガス流量比率を微粉炭ノズル８の出口部の全周域で均等とできるため、該全周域で最適な燃焼が得られる。

図５に示す本実施例の微粉炭バーナ３１においては、三次空気ノズル１５は円形の出口形状を有しており、三次空気流路５は微粉炭ノズル８を挟んで上下に配置される（図５（ｃ）参照）。その結果、三次空気と燃料の混合は抑制され、低ＮＯｘ燃焼が促進される。

また、微粉炭バーナ３１の最外周の三次空気ノズル１５の出口形状を円形とすることで、新設バーナとしての適用のみならず、円形のバーナ開口部を有する既設バーナの改造への適用も容易となる。

火炉壁面１８を構成する水壁管は、火炉壁面１８のバーナ開口部３２を迂回するように加工する必要があるが、その加工する度合いはバーナ３１を大容量化するほど顕著になる。最外周の三次空気ノズル１５の出口形状が円形であれば、バーナ開口部３２を形成するために、湾曲状に加工される水壁管の曲率が比較的大きい滑らかな形状にできる。これにより当該水壁管の加工が行いやすく、曲げ加工時の応力集中を緩和できるほか、水壁管の内部を流れる内部流体の抵抗増大を抑制することができる。

前述の通り、本発明の微粉炭ノズル８の構造及びベンチュリー７と燃料濃縮器６の組合せに該当しない図２０（ａ），図２０（ｂ）に示す従来技術の微粉炭ノズル４０の場合、図２０（ｃ）と図２０（ｄ）に示すように水平方向両端部で燃料濃度が低い分布となる。よって、火炉内の水平方向、特に微粉炭ノズル４０の幅方向への拡がり（中心軸に対する傾斜角度）を超えて外側へ燃料を拡散させ、火炎を水平方向に広げるようにすることが難しい。

これに比べ、本発明の実施例では、単に微粉炭ノズル８とその外周の二次空気ノズル１０との隔壁側（保炎器９が設置される場合は、その近傍）に微粉炭燃料を濃縮させ、微粉炭ノズル８の開口部全周にわたって周方向に均一に着火できるようにするのみならず、微粉炭ノズル８の水平断面上（バーナ３１を上下方向から見たとき）の燃料分布（特定の水平方向位置において上下方向の燃料を積分した値）は、水平方向（ノズル幅広方向）中央部付近よりも、両端部側の方が多くなる。

このため、炉内水平方向、特に微粉炭ノズル８の幅方向への拡がり（中心軸Ｃに対する傾斜角度）を超えて外側燃料を拡散させ、火炎を水平方向に広げるようにすることができる。

従って、バーナ単機容量が拡大して火炉水平方向に隣り合うバーナ３１同士の距離が大きくなっても火炎の形成されない領域が拡大することなく、火炉空間を有効に利用できる。

次に二次空気流路４の二次空気ノズル１０からの二次空気の噴出を周方向で均等化することで火炎の安定を図るための構成について説明する。
二次空気流路４の流入部１７（図５参照）は、ガス流入方向を火炉壁面１８に垂直な向きに設けている。また、二次空気流路４は、二次空気流入部１７から火炉側の二次空気出口に向かって流路断面積が縮小する構造となっている。

図９には、二次空気流路４の二次空気流入部１７に設けた平板１７ａの形状に関する実施例を示す。図９（ａ）には二次空気流入部１７の平板１７ａの平面図を示し、図９（ｂ）には該平板１７ａの半分の斜視図を示す。

図９（ａ）に示す実施例では、角丸長方形の平板１７ａに複数の円形開口部１７ａａを上下および左右対称に設けている。なお、内部の大きな円形開口部は微粉炭ノズル８の設置部である。また、この平板１７ａは取り付けやすくするために図９（ｂ）に示すように、左右に半割り構造となっている。この実施例では、二次空気流入部１７に設けた平板１７ａの開口比率は、約９％である。

図１０には、二次空気流路４の二次空気流入部１７の他の実施例を示す。図９に示す実施例とは微粉炭ノズル８用の開口部の配置が若干異なるが、同様な構造であり、二次空気流入部１７に設けた平板１７ｂの開口比率は約１１％である。図１０（ａ）には二次空気流入部１７の平板１７ｂの平面図を示し、図１０（ｂ）には該平板１７ｂの半分の斜視図を示す。

なお、図９と図１０に示す実施例では、二次空気流入部１７の開口部を円形としたが、本発明はこのような形状に限定されなく、楕円形、四角形などの多角形としてもよい。また、二次空気流入部１７の構造によって、平板１７ａ，１７ｂも角丸長方形だけでなく、円形、角型など様々な形状を採用することができる。しかし、二次空気流路４の出口部の横断面方向での流速を均等にするためには、二次空気流入部１７に配置する平板１７ａ，１７ｂの開口部の配置は上下および左右対称であることが望ましい。

この二次空気流入部１７に配置する平板１７ａ，１７ｂの開口比率について検討した結果を以下に示す。
本発明者らが独自に組み上げた流動試験装置を用いて、前記開口比率と二次空気流路４の出口部での流速分布との関係を実験から評価した。装置は図４に示す出口形状を有する微粉炭バーナ３１と同形状のものを製作し、平板１７ａ，１７ｂの開口比率を変化させて、二次空気流路４の出口部を周方向で１６等分して各部の流速を熱線風速計で測定した。

なお、流体は常温の空気を用いた。流速の均等化を示す指標としては、最大流速と最小流速の比をとって評価した。結果を図１１に示す。
図１１の結果から、前記開口比率０．１０付近で最大流速と最小流速の比が最小となり、開口比率０．３０以下において最大流速と最小流速の比が２以下であった。しかし、開口比率をあまり小さくすると、流入するガス量が極端に減少してしまうため、平板１７ａ，１７ｂの開口比率は、０．０５〜０．３０に設定することが二次空気流出部での流速を周方向に均一にするために望ましい。

次に、二次空気流路４の出口部での流速分布に対する二次空気流入部１７の断面積と二次空気流路４の出口部付近の断面積との比の影響を同様の試験から検討した。図１２に評価対象とした二次空気流入部１７の断面積に対する二次空気出口部の断面積の縮小率と二次空気流路４での最大流速と最小流速の比の関係を示す。ただし、ここでは２次空気流入部１７に平板１７ａ、１７ｂを設置していない。また、二次空気流入部（二次空気入口部）１７の開口比率は０．１５で一定とした。図１２における横軸の断面積縮小率は下記で定義したものである。

断面積縮小率＝（１−出口部断面積/流入部断面積）×１００（％）
この結果、縮小率４０％までは最大流速と最小流速の比が減少し、それ以降はほとんど変化しない。縮小率３０％以上にすると、最大流速と最小流速の比が２以下であった。しかし、断面積縮小率をあまり大きくすると、開口比率と同様に流入するガス量が減少してしまうため、二次空気流路４の断面積縮小率は、３０〜８０％に設定するのが望ましい。

図１３に、二次空気流路４の二次空気入口部１７に図９や図１０に示す開口部１７ａａ，１７ｂａ付きの平板１７ａ，１７ｂを設置しない場合（図１３（ａ））と設置した場合（図１３（ｂ））における二次空気入口部１７の流速分布の模式図を示す。二次空気の流れる方向と強さを矢印の向きと長さで示す。

図１３（ａ）に示す平板１７ａ，１７ｂを設置しない場合、ウインドボックス３内のガス流の方向により（図１３に示す例では図面の左上方から二次空気が供給されている。）、二次空気流路４の二次空気入口部１７に二次空気が流入すると偏流となり、流速分布も二次空気入口部１７の断面で差異が生じてしまう。このような偏流や流速分布は、二次空気出口部の流速分布に影響することが推察される。一方、図１３（ｂ）に示す二次空気入口部１７の開口部１７ａａ，１７ｂａ付きの平板１７ａ，１７ｂを設置した場合は、平板１７ａ，１７ｂによる抵抗で、前記偏流や流速分布の差異は解消されて、二次空気入口部１７に流入する空気流は、ほぼ周方向に均一流速の直進流のみとなる。

以下、二次空気ノズル１０内にフレームディテクタ（ＦＤ）４０を設置して、点火バーナ１からの火炎やバーナ３１の出口での微粉炭火炎を検知する構成について説明する。また、点火トーチ４１は点火バーナ１を確実に着火させるために設けられる。

図１４に本発明の一実施例の微粉炭バーナ３１の側断面図を示し、図１５に図１４のＢ−Ｂ線断面矢視図を示す。なお図１４は図５に示す微粉炭バーナ３１の側断面図と同一であるが、一部部材の図示を省略している。

図１４，図１５に示す微粉炭バーナ３１の微粉炭ノズル８の出口形状は、短径部と長径部を有する矩形状、楕円形状もしくは直線部と円周部を有する略楕円形状になっており、その外周部は楕円もしくは略楕円形状の二次空気ノズル１０があり、更に外周の三次空気ノズル１５の形状は点火（起動用）バーナ１と同心円状である。

三次空気ノズル１５には、バーナ中心水平断面の上下を分割する仕切り板１４が挿入されており、上下に投入する三次空気流量を変化させることができる。
すなわち、二次空気ノズル１０の外周壁と三次空気ノズル１５の内周壁には仕切り板１４が設置され、該仕切り板１４で三次空気流路５を上下に二分割している。該仕切り板１４はウインドボックス３内を上下に二分する仕切り板１４でもある。そのため上下に二分割した三次空気流路５に導入するウインドボックス３から三次空気量を各々ダンパ３０ａ〜３０ｄで調整することにより、各々の流路を流れる燃焼用空気の運動量に偏差を与えることが可能となり、微粉炭バーナ３１から噴出する火炎を火炉１１内で上下方向に偏向させることができる。

微粉炭ノズル８の上側の二次空気ノズル１０内には、ＦＤ４０と点火トーチ４１が設置されている。ＦＤ４０はバーナ３１の中心部に設置した点火バーナ１からの火炎や微粉炭火炎を検知する目的を有しており、ボイラ火炉１１の前後側壁面１８に設置されたバーナ３１からの火炎が浮力及び上昇流により上向きに曲がるため、ＦＤ４０はバーナ中心を含む水平線より上側に設置することが望ましい。

また、ＦＤ４０には点火トーチ４１の火炎を検知する目的もあるため、ＦＤ４０と点火トーチ４１は同じ面に設置することが望ましく、従って点火トーチ４１もバーナ中心を含む水平線より上側に設置することが望ましい。

ＦＤ４０や点火トーチ４１は、燃焼用空気ノズル１０，１５内にパイプを通すため、設置位置によっては、外周空気の流れを阻害することになる。二次空気ノズル１０の噴出口は、微粉炭ノズル８の長径部の外周で断面積が広くなっていることから、短径部の外周よりも長径部の外周壁の方が二次空気の流量は多い。

微粉炭ノズル８の短径部の外周壁にＦＤ４０や点火トーチ４１を設置した場合、燃焼用空気の流れを阻害するため、短径部外周壁には空気が流れなくなる。
その場合、ＦＤ４０や点火トーチ４１を冷却するものがなくなるため、火炉１１からの輻射熱によりＦＤ４０や点火トーチ４１が焼損するおそれがある。一方、微粉炭ノズル８の長径部外周壁は空気流量が多いため、焼損の可能性は低減するが、例えば点火トーチ４１の場合は、燃焼用空気の流量が多いと点火バーナ１へのトーチ火炎が吹き飛ばされるため、燃焼用空気量の多いところに設置するのは望ましくない。

点火トーチ４１は、点火バーナ１を確実に着火させるためには、燃焼用空気流量が少ないところに設置することが望ましい。
ＦＤ４０は、焼損防止の観点から燃焼用空気量の多いところに設置するのが望ましいが、微粉炭ノズル８の出口形状が矩形状や楕円形状、もしくは略楕円形状の場合、出口の両端上に燃料の濃い領域が形成されるため、ＦＤ４０はなるべく燃料の濃い領域を見るように設置するほうが、火炎の検知感度が良好になる。

従って、ＦＤ４０や点火トーチ４１は、燃焼用空気量が少なく、燃料の濃い領域で、かつ焼損の可能性が低減できる領域に設置するのが望ましい。
図１５に示す実施例は、微粉炭ノズル８の出口形状が直線部と円周部を有する略楕円形状の例であり、直線部の外周壁は二次空気流路４が広く、円周部の外周は二次空気流路４が狭いため、ＦＤ４０や点火トーチ４１は、前記直線部と円周部の接点上に設置することが望ましい。

図１６に示す実施例（図１４のＢ−Ｂ線断面矢視図）は、微粉炭ノズル８の出口形状が矩形状の場合であり、長径部側の二次空気流路４が広く、短径部側の二次空気流路４が狭くなっている。従って、微粉炭ノズル８の出口形状の長径部や短径部の中央に設置することは望ましくなく、長径部の両端の上に設置することが望ましい。

図１７に示す実施例（図１４のＢ−Ｂ線断面矢視図）は、微粉炭ノズル８の出口形状が楕円の場合であり、焦点間の外周は二次空気流路４が広く、焦点外の外周壁は二次空気流路４が狭くなっている。従って、この場合は、微粉炭ノズル８の焦点外の外周壁上にＦＤ４０や点火トーチ４１を設置することが望ましい。

なお、図１５〜図１７において、微粉炭バーナ３１を火炉１１側から見たときにＦＤ４０を左上、点火トーチ４１を右上に配置しているが、実際は逆でも問題は生じない。
図１８に示す実施例（図１４のＢ−Ｂ線断面矢視図）は、図１５に示すバーナを９０度回転させたときの例である。すなわち、微粉炭ノズル８の出口の外周壁を構成する円周部が上下に位置し、直線部が左右に位置している例である。この場合、ＦＤ４０や点火トーチ４１は、バーナ３１の中心を含む水平線より上側に設置することが望ましい。

次に、上記した各種の固体燃料バーナ３１を火炉壁面１８へ配列した本発明の実施例を図１（ａ）に示す。本実施例では、バーナ３１は火炉壁面１８に３段４列に設置されており、バーナ３１の全てにおいて扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向を水平としている。図８は、図１（ａ）に示す微粉炭バーナ３１を用いた場合には従来技術適用時に比べ、火炉１１の空間を有効に活用できることを模式的に説明した図である。図８（ａ）は図１（ａ）のバーナ３１を配置した火炉１１全体の側断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図を示したものである。一方、比較のため、図１９に従来技術の構成を示す。ここで、図１９（ａ）は扁平形状でなく横断面形状が円形の微粉炭ノズルを有するバーナを配置した火炉１１全体の側断面図、図１９（ｂ）は図１９（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図である。

図８に示すように微粉炭バーナ３１の全数で、扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向を水平に配置することにより燃料噴流は火炉１１内で水平方向に分散されて、火炉１１内の空間の有効活用が可能となり、燃料を高効率で、低ＮＯｘ濃度で燃焼させることができる。

図８（ａ），図８（ｂ）に示すように、火炉壁面１８に配置するバーナ３１の全数を扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向を水平に配置することにより、図１９に示す従来技術に比べて火炉１１内で火炎は水平方向に拡がり、火炉１１内の未活用空間が小さくなる。

すなわち、本実施例により火炉１１内の水平断面で火炎が通過する断面の面積が大きくなり、火炎が火炉１１内で滞留する時間が増加して、燃料効率がよくなり、燃焼ガスのＮＯｘ濃度を下げることができる。

前述の通り、本発明の微粉炭ノズル８の構造及びベンチュリー７と燃料濃縮器６の組合せに該当しない図２０（ａ），図２０（ｂ）に示す従来技術の微粉炭ノズル４０の場合、図２０（ｃ）と図２０（ｄ）に示すように水平方向両端部で燃料濃度が低い分布となる。よって、火炉内の水平方向、特に微粉炭ノズル４０の幅方向への拡がり（中心軸に対する傾斜角度）を超えて外側へ燃料を拡散させ、火炎を水平方向に広げるようにすることが難しい。

これに比べ、本発明の実施例では、単に微粉炭ノズル８とその外周の二次空気ノズル１０との隔壁側（保炎器９が設置される場合は、その近傍）に微粉炭燃料を濃縮させ、微粉炭ノズル８の開口部全周にわたって均一に着火できるようにするのみならず、微粉炭ノズル８の水平断面上（バーナ３１を上下方向から見たとき）の燃料分布（特定の水平方向位置において上下方向の燃料を積分した値）は、水平方向（ノズル幅広方向）中央部付近よりも、両端部側の方が多くなる。

このため、炉内水平方向、特に微粉炭ノズル８の幅方向への拡がり（中心軸Ｃに対する傾斜角度）を超えて外側燃料を拡散させ、火炎を水平方向に広げるようにすることできる。

従って、バーナ単機容量が拡大して火炉水平方向に隣り合うバーナ３１同士の距離が大きくなっても火炎の形成されない領域が拡大することなく、火炉空間を有効に利用できる。

図１（ｂ）は特に側壁（バーナ３１を配置しない火炉壁面）１８での灰付着、腐食を防止することに着目した、本発明の他のバーナ配置例を示したものである。灰の付着や腐食の程度は使用炭性状（灰分量、石炭中Ｓ量）に依存することから、本配置は例えば、灰分が多い、石炭中硫黄分が多い石炭等を焚く場合の配置として有効である。具体的には、側壁（バーナ３１を配置しない火炉壁面）１８に隣接した壁面１８に配置するバーナ３１の微粉炭ノズル８を幅広方向が鉛直方向に向くように配置し、側壁側以外に配置するバーナ３１の微粉炭ノズル８は幅広方向を水平方向に向けて配置する。

次にこの理由について述べる。石炭焚きボイラの火炉側壁（バーナ３１を配置しない火炉壁面）１８では、バーナ火炎とともにガス流れに乗って運ばれる石炭灰や腐食性ガスが火炉水壁（伝熱管を配置した火炉壁）に衝突し、これが原因で火炉の灰付着や腐食を生じる。

微粉炭ノズル８の幅広方向を水平に配置することで、バーナ単機容量が増加しても火炎の形成されない領域が拡大することなく、火炉１１を有効活用できるということを扁平形状ノズルを有するバーナの利点として述べたが、逆にデメリットとして、火炉側壁側で水平方向に広がったバーナ火炎から灰粒子や腐食性ガスが水壁に運ばれやすくなり、原理的には火炉壁への灰付着や火炉壁の腐食のポテンシャルが増加する傾向にある。

実設計においては、燃料噴流の広がりを考慮してバーナと側壁との間隔を確保するほか、水壁での灰付着、腐食を軽減するために、該領域（噴流が広がる領域）に灰除去装置を設置する、腐食防止のための溶射や肉盛を火炉壁に施工する等の手法も有効であるが、バーナ３１の配置を工夫することによってこれらの点は改善できる。

石炭には石炭の他に重量割合で１,２割の灰分が含まれていることから石炭を使用する場合、火炉壁面１８には灰の付着は避けられないこと、溶射や肉盛もその施工範囲によってはコスト高になることを考慮すると、使用する石炭によって、このバーナ配置による改善を図ることは重要である。特に腐食に関しては、腐食性ガスである硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が低ＮＯｘ運用（燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を少なくする運用）に必要な強還元域で生成することから、このような対策は、低ＮＯｘ運用が不可欠とされる場合も重要となる。

図１(ａ)のバーナ３１の基本配置において、バーナ３１のないボイラ側壁への灰付着、腐食領域がどのように変化するかを図２(ａ)の火炉斜視図及び図２（ｂ）の図２(ａ)のバーナ配置箇所での水平断面図に図示した。なお図２（ｂ）は図８（ｂ）と同じ図である。また図１(ｂ)の灰付着、腐食に考慮したバーナ３１の配置において、前記ボイラ側壁への灰付着、腐食領域３５がどのように変化するかを図３(ａ)の火炉斜視図及び図３（ｂ）の図３(ａ)のバーナ３１の配置箇所での水平断面図に図示した。図３(ｂ)は側壁側のバーナ３１を微粉炭ノズル８の幅広方向が鉛直方向になるように配置しているために、前記側壁へ衝突する火炎ガスの流れが抑制され、前記側壁への灰付着、腐食の領域３５が縮小されることがわかる。

なお、図１（ｂ）と図３にはバーナ３１を配置しない側壁寄りのバーナ３１の扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向が鉛直方向を向くように配置した例を示しているが、図１（ｃ）に示すように、バーナ３１を配置しない側壁よりの一部のバーナ３１のみ（例えば最上段バーナ３１のみ）の扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向を鉛直配置とし、他のバーナ３１の扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向は水平方向に向けて配置する構成も本発明に含まれる。

図１（ｃ）は特に火炉全体での石炭の未燃損失分を低減させることを目的とした、本発明の他のバーナ３１の配列例を示したものである。本配列例では、石炭灰を含んだ燃焼ガスが流れやすいバーナ３１を配置しない側壁寄りのバーナ３１において、最下段のバーナ段のみは扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向を水平方向に向け、それ以外のバーナ段においては側壁よりのバーナ３１の扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向を鉛直方向に向けて配置している。

通常石炭焚きボイラでは、最下段バーナ３１から、該最下段バーナ３１の下方にあるホッパ部にかけてはガス温度が低く、この領域、すなわち、ボイラ下部に落下した石炭は燃え残り、すなわち未燃損失となる。石炭の燃焼性が問題となる場合、例えば、一般的にボイラで燃焼させる石炭の場合、燃焼性の目安となる燃料比（＝石炭中の固定炭素量/揮発分量）が１〜２程度であるのに対し、燃料比が高い高燃料比炭を焚いた場合や、ボイラ火炉が大きくガス温度が低い場合、石炭の粉砕粒度が低い（すなわち粒度が粗い）条件ではこのような未燃損失を下げる必要がある。

そこで、図１（ｃ）に示すように最下段バーナ３１のみ、全てのバーナ３１の微粉炭ノズル８の幅広方向を水平に設置することにより、ガス温度の低いホッパ部への燃料噴流の流れ込みを抑制し、火炉全体での未燃損失を低減することができる。

なお、ここでは、扁平形状の微粉炭ノズル８を有するバーナ３１を配置する場合において最下段バーナ段におけるバーナ３１を配置しない側壁よりのバーナ３１の微粉炭ノズル８の幅広方向を鉛直方向に配置した場合と水平方向に配置した場合での比較を述べたが、従来型バーナを配置した場合と、前記扁平形状の微粉炭ノズル８を有するバーナ３１の微粉炭ノズル８の幅広方向を水平に配置した場合の比較についても述べる。

先に述べたように、扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向を水平に配置すると、火炎は幅広方向である水平方向に広がるため、鉛直方向の火炎の広がりは従来型よりも狭くなる。このことから最下段のバーナ３１における火炉ホッパ部への燃焼ガスの流入も従来型より軽減される。従って、最下段バーナ段の全てのバーナ３１の微粉炭ノズル８の幅広方向を水平に配置した場合、火炉ホッパへ落下する未燃燃焼灰の割合は従来型バーナを設置した場合と比較して少なく、火炉全体での未燃損失は軽減される。

なお、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すバーナ３１の配置例では、扁平形状の微粉炭ノズル８の幅広方向は完全に鉛直方向または水平方向としているが、バーナ３１周りの他の構造物の影響などで完全に鉛直方向または水平方向に配置できない場合は、傾きを持たせた配置としても良い。

また、火炉１１の少なくとも一つの水平方向に複数の微粉炭バーナ３１を配置したバーナ段において、微粉炭バーナ３１を配置していない火炉の壁面（側壁）１８に隣接する固体燃料バーナ３１の空気比を、その他の微粉炭バーナ３１の空気比よりも高くすることにより、火炉１１の中央部での還元域をさらに強化し、高効率で低ＮＯｘの燃焼が促進される他、側壁近傍の雰囲気を酸化雰囲気に近づけることにより水壁腐食ポテンシャルを軽減することができる。

１ 起動用バーナ ２ 微粉炭の流路
３ 風箱（ウィンドボックス） ４ 二次空気の流路
５ 三次空気の流路 ６ 燃料濃縮器
７ ベンチュリー ８ 微粉炭ノズル
９ 保炎器 １０ 二次空気ノズル
１１ 火炉 １２ 三次空気流入部
１３ 三次空気用開口部材 １４ 仕切り板
１５ 三次空気ノズル １７ 二次空気流入部
１８ 火炉壁面 ２１ 混合流体
２２ 燃料搬送配管 ２３ バーナ導入部
２４ 燃料濃縮器サポート管 ２８ バーナ火炎
２９ 二段燃焼用ガス供給口 ３１ 固体燃料（微粉炭）バーナ
３２ 火炉開口部（バーナスロート部）
４０ フレームディテクタ ４１ 点火トーチ

Claims (4)

1. 固体燃料と該固体燃料の搬送用ガスとの混合流体が流れる円筒状の燃料搬送配管に接続する固体燃料流路を有する火炉壁面に開口した燃料ノズルと、前記固体燃料の燃焼用ガスが流れる風箱に連通し、前記燃料ノズルの外周壁側に形成される単一もしくは複数の燃焼用ガスノズルを有する固体燃料バーナを火炉の壁面の少なくとも一面の上下方向に複数段、又は水平方向に複数列設置した燃焼装置において、
   前記固体燃料バーナの燃料ノズルは、前記燃料ノズル内に当該ノズル内の固体燃料流路の横断面を縮小させる絞り部を有するベンチュリーと当該ベンチュリーの後流側に当該ノズル内の流れを外向きに変える燃料濃縮器と燃料ノズル出口部の内周壁に保炎器を備えており、さらに燃料ノズルは、（ａ）ボイラ火炉壁面の開口部近傍における開口形状が扁平形状であり、（ｂ）燃料ノズルの外周壁のノズル中心軸（Ｃ）に直交する断面形状が、前記ベンチュリーの絞り部まで横断面が円形であり、（ｃ）前記ベンチュリーの絞り部から前記ボイラ火炉壁面に設けられた開口部に至るまでの間は、徐々に扁平度合いが増大する部分を有し、（ｄ）ボイラ火炉壁面の開口部において、扁平度合いが最大の扁平形状となるように形成されており、
   火炉の壁面の少なくとも一段の固体燃料バーナ段において、固体燃料バーナの扁平形状の燃料ノズルの幅広方向を水平方向に配置したことを特徴とする固体燃料バーナを備えた燃焼装置。
2. 固体燃料と該固体燃料の搬送用ガスとの混合流体が流れる円筒状の燃料搬送配管に接続する固体燃料流路を有する火炉壁面に開口した燃料ノズルと、前記固体燃料の燃焼用ガスが流れる風箱に連通し、前記燃料ノズルの外周壁側に形成される単一もしくは複数の燃焼用ガスノズルを有する固体燃料バーナを火炉の壁面の少なくとも一面の上下方向に複数段、又は水平方向に複数列設置した燃焼装置において、
   前記固体燃料バーナの燃料ノズルは、前記燃料ノズル内に当該ノズル内の固体燃料流路の横断面を縮小させる絞り部を有するベンチュリーと当該ベンチュリーの後流側に当該ノズル内の流れを外向きに変える燃料濃縮器と燃料ノズル出口部の内周壁に保炎器を備えており、さらに燃料ノズルは、（ａ）ボイラ火炉壁面の開口部近傍における開口形状が扁平形状であり、（ｂ）燃料ノズルの外周壁のノズル中心軸（Ｃ）に直交する断面形状が、前記ベンチュリーの絞り部まで横断面が円形であり、（ｃ）前記ベンチュリーの絞り部から前記ボイラ火炉壁面に設けられた開口部に至るまでの間は、徐々に扁平度合いが増大する部分を有し、（ｄ）ボイラ火炉壁面の開口部において、扁平度合いが最大の扁平形状となるように形成されており、
   火炉の壁面の少なくとも一段の固体燃料バーナ段において、少なくとも固体燃料バーナを配置していない火炉の壁面に隣接する固体燃料バーナの扁平形状の燃料ノズルの幅広方向を鉛直方向に配置し、それ以外の固体燃料バーナの燃料ノズルの幅広方向を水平方向に配置したことを特徴とする固体燃料バーナを備えた燃焼装置。
3. 固体燃料と該固体燃料の搬送用ガスとの混合流体が流れる円筒状の燃料搬送配管に接続する固体燃料流路を有する火炉壁面に開口した燃料ノズルと、前記固体燃料の燃焼用ガスが流れる風箱に連通し、前記燃料ノズルの外周壁側に形成される単一もしくは複数の燃焼用ガスノズルを有する固体燃料バーナを火炉の壁面の少なくとも一面の上下方向に複数段、又は水平方向に複数列設置した燃焼装置において、
   前記固体燃料バーナの燃料ノズルは、前記燃料ノズル内に当該ノズル内の固体燃料流路の横断面を縮小させる絞り部を有するベンチュリーと当該ベンチュリーの後流側に当該ノズル内の流れを外向きに変える燃料濃縮器と燃料ノズル出口部の内周壁に保炎器を備えており、さらに燃料ノズルは、（ａ）ボイラ火炉壁面の開口部近傍における開口形状が扁平形状であり、（ｂ）燃料ノズルの外周壁のノズル中心軸（Ｃ）に直交する断面形状が、前記ベンチュリーの絞り部まで横断面が円形であり、（ｃ）前記ベンチュリーの絞り部から前記ボイラ火炉壁面に設けられた開口部に至るまでの間は、徐々に扁平度合いが増大する部分を有し、（ｄ）ボイラ火炉壁面の開口部において、扁平度合いが最大の扁平形状となるように形成されており、
   火炉の壁面の最下段の固体燃料バーナ段において、固体燃料バーナを配置していない火炉の壁面に隣接する固体燃料バーナの燃料ノズルの幅広方向を全て水平方向に配置し、
   最下段の固体燃料バーナ段以外の固体燃料バーナ段において、固体燃料バーナを配置していない火炉の壁面に隣接する固体燃料バーナの扁平形状の燃料ノズルの幅広方向を鉛直方向に配置する他は、全ての固体燃料バーナの燃料ノズルの幅広方向を水平方向に配置したことを特徴とする固体燃料バーナを備えた燃焼装置。
4. 前記請求項１、２又は３に記載の固体燃料バーナを備えた燃焼装置の少なくとも一つの水平方向に複数の固体燃料バーナを配置したバーナ段において、固体燃料バーナを配置していない火炉の壁面に隣接する固体燃料バーナの空気比を、その他の固体燃料バーナの空気比よりも高くすることを特徴とする固体燃料バーナを備えた燃焼装置。

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