JP6382733B2 - 固体燃料バーナ - Google Patents

Description

本発明は、固体燃料を気流搬送して燃焼させる固体燃料バーナに係り、特にバイオマス粒子のように粒径の大きな燃料粒子の着火性、燃焼性を向上させるのに適した固体燃料バーナの構造に関する。

火力発電プラント等のボイラに用いられる固体燃料バーナの着火性の向上、火炎の安定性を高める方法としては、燃料濃度を高める、または燃料搬送気体の酸素濃度を上げる方法がある。

例えば、特許文献１（特開平９−３１０８０９号公報）では、図６のようなバーナ構造とすることで火炉に投入する燃料濃度を高めている。図６に示すバーナ構造は、筒状の燃料ノズル１０内に微粉炭などの固体燃料とその搬送気体が供給され、燃料ノズル１０の出口から火炉１に投入される。燃料ノズル１０のノズル内壁側に設けられた混合気体３の流れを燃料ノズル１０の中心側に絞るベンチュリ８と、ベンチュリ８の下流側で燃料ノズル１０の中心軸上に設けられた混合気体３の流れを燃料ノズル１０の内壁側に広げる濃縮器９と、濃縮器９の下流側で燃料ノズル１０の中心軸と同軸上に設けられ上流側から下流側に向かって燃料ノズル１０の流路が漸次狭まる狭小筒部１９を有するとともに流路を同軸状に分割する分配器１１を一体的に備えている。

ベンチュリ８により、燃料ノズル１０の流路が縮小された後で拡大される。さらにベンチュリ８の後流側に設けられた濃縮器９で燃料ノズル１０内の流路が再び縮小されるため、固体燃料粒子はその流速が加速される。さらに、いったん加速された固体燃料粒子は搬送用気体に比べて質量が大きいため、濃縮器９の下流側の流路拡大部において固体燃料ノズル１０の内壁側に燃料粒子が流れやすくなる。濃縮器９の後流側の狭小筒部１９と分配器１１からなる流路分割体は、燃料ノズル１０の流路を同軸状に分割しており、外周側流路と内周側流路の燃料粒子の流れを整える。すなわち、前記流路分割体を燃料ノズル１０内の流路に配置することによって、該燃料ノズル１０内の流路を流れる外周側と内周側の搬送空気の流れはそれぞれ均等になり、燃料ノズル１０の径方向の速度勾配は軽減される。更に、前記流路分割体で分割される外周側の燃料濃度は高くなるので、燃料濃度の低い低負荷時や難燃性の高燃料比炭でも、火炎を安定に保つことができる。

特許文献２（特開２０１４−１９０８号公報）に開示された固体燃料バーナでは、特許文献１と同様にして燃料粒子を濃縮させた後、分配器と燃料ノズルの間の流路に高酸素濃度ガスを噴出する噴出口を設けて高酸素濃度ガスを投入することで、高酸素かつ高燃料粒子濃度の領域を形成している。

また、特許文献３（特開平４−２４４０４号公報）に開示された固体燃料バーナには、微粉炭バーナのバーナ負荷が低いとき、すなわち石炭粉砕ミルの起動時とバーナの低負荷時には通常燃焼時に比べて微粉炭燃焼用空気量が少なくなり、また微粉炭の供給量が少なくなるため微粉炭バーナの着火性が悪くなるので、着火性を改善するために、微粉炭ノズルの入口部に微粉炭濃度を増加させるための微粉炭流量を変更出来る弁を設け、微粉炭ノズルの出口部に濃厚微粉炭流を形成するための保炎器を設けた構造が開示されている。

特開平９−３１０８０９号公報 特開２０１４−１９０８号公報 特開平４−２４４０４号公報

上記特許文献１〜３に記載の従来技術は、燃料粒子を燃料ノズルの径方向、つまり燃料ノズルの内壁近傍に集めることで燃料濃度の増加を図っているが、例えば、粒径が大きなバイオマスを燃料とした場合には、さらに着火性を高める配慮が必要である。

即ち、粒径が大きなバイオマスの場合、微粉炭等の微細な粒子に比べ、バーナ開口部で着火しにくく、燃焼せずにボイラ火炉の底部に落下する割合が高くなりがちである。また、径の大きな粒子は火炉内への貫通力が大きいので、バーナ火炎の流れから離れやすくなり、燃焼性が悪くなる傾向がある。

上記従来技術はともに濃縮された粒子の貫通力を低減することまでは考慮されていない。
本発明の課題は、固体燃料の粒子濃度を従来技術の固体燃料バーナより一層増加させ、かつ、火炉に投入する直前の燃料ノズル内で粒子の速度を下げることで粒子の貫通力を低減させ、固体燃料、特に粒径が大きなバイオマス粒子の着火性、火炎安定性を向上させる固体燃料バーナを提供することである。

本発明の上記課題は次の解決手段で解決される。
燃料ノズルの半径方向のノズル内壁近傍に濃縮させた燃料粒子を円周方向で局在化（局部的に濃縮）させることで、さらに燃料濃度を増加させ、着火性や火炎の安定性を向上させるのである。

すなわち、請求項１記載の発明は、固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する円筒状の燃料ノズルと、前記燃料ノズルの外周に配置された燃焼用ガスを噴出する燃焼用ガスノズルと、前記燃料ノズルの内壁側に配置され、燃料ノズル内の固体燃料と搬送気体の搬送流路を一旦中心軸方向に向けて絞るベンチュリと、当該ベンチュリの後流側の当該燃料ノズルの中心軸に設けられ当該燃料ノズル内の流れを外向きに変える濃縮器と、当該濃縮器の後流側に当該燃料ノズルの流路を外周部と内周部に分割する分配器を備えた固体燃料バーナにおいて、前記燃料ノズルと分配器との間の搬送流路が該燃料ノズルの円周方向に少なくとも２つ以上に分割されており、分割された流路の円周方向の長さが後流に進むにつれ縮小する形状を持ち、前記燃料ノズルと分配器との間にある円周方向に分割された搬送流路の上流側入口と下流側出口の断面積を同一ないしは前記搬送流路の出口の断面積が入口に比べ拡大する構造となっていることを特徴とする固体燃料バーナである。

請求項２記載の発明は、固体燃料ノズルの出口部に歯付き保炎器を備え、前記固体燃料ノズルの内壁と分配器の間の分割された前記搬送流路の出口を、火炉側から見たときに前記歯付き保炎器の歯と重なる位置に設置したことを特徴とする請求項１記載の固体燃料バーナである。

本発明によれば、以下のような効果が得られる。
請求項１記載の発明によれば、固体燃料バーナの燃料ノズルの内部に、バーナ上流から順に、流路を絞るベンチュリと流路を拡大する濃縮器を設けると、燃料粒子には、濃縮器に沿って燃料ノズルの外周方向に向かう速度成分が誘起される。燃料粒子は、搬送気体よりも慣性力が大きいので、燃料ノズルの内壁側に濃縮される。このため、燃料ノズルの内壁と分配器の間を流れる搬送流路の燃料濃度は高くなる。ここまでは従来技術と同様である。

更に、前記固体燃料ノズルの内壁と分配器との間の搬送流路が円筒状の固体燃料ノズルの円周方向に少なくとも２つ以上に分割され、該搬送流路の円周方向の長さが縮小した分だけ円周方向の長さ方向に濃縮されるので、濃縮された下流側の燃料ノズルの出口部における固体燃料の高濃度化および燃料粒子のエネルギー及び速度低減による着火性と燃焼安定性を高めることができる。
また、請求項１記載の発明によれば、前記搬送流路の入口と出口の断面積を同一とすれば、前記搬送流路中の流速を変えずに燃料の濃度を高めることができる。また、搬送流路出口の断面積が入口の断面積に比べ拡大する構造とすれば、前記搬送流路入口に比べ前記搬送流路出口の流速は遅くなる。よって、着火性の向上に必要な、低流速かつ高濃度の燃料粒子と搬送気体の混合流を形成することができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記搬送流路の出口を火炉側から見て歯付き保炎器の歯と重なる位置に設けると、歯付き保炎器の歯は燃料粒子が当たる障害物の役割を果たすこととなり、火炉投入直前の前記搬送流路において、燃料粒子が、その流れ方向と垂直に設置されている保炎器の歯に一度当たるため、燃料粒子の速度は下がり、貫通力が減少する。このように、火炉に入る直前の燃料粒子の貫通力が減少すると、燃料の着火性が向上し、また、貫通力が減少した燃料粒子はバーナ火炎を突き抜けることなく燃焼するため、燃料の燃焼性が向上する。

本発明の実施例１の固体燃料バーナの側断面図（図１（ａ））と図１（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図（図１（ｂ））と図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面矢視図（図１（ｃ））と図１（ａ），図１（ｂ）及び図１（ｃ）のＣ−Ｃ線断面矢視図（図１（ｄ））である。 本発明の実施例１の燃料ノズルと流路分割ノズルの間の流路に設置する障害物の斜視図である。 本発明の実施例２の燃料濃縮流路の斜視図（図３（ａ））と図１（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図（図３（ｂ））と図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面矢視図（図３（ｃ））と図１（ａ），図３（ｂ）及び図３（ｃ）のＣ−Ｃ線断面矢視図（図３（ｄ））である。 本発明の実施例３の固体燃料バーナの側断面図（図４（ａ））と火炉から見た正面図（図４（ｂ））と図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面矢視図（図４（ｃ））である。 本発明の実施例４の固体燃料バーナの側断面図である。 従来の固体燃料バーナの概略構成図である。

本発明の一実施例を図面と共に説明する。従来技術と共通する構成、作用については前述の通りである。
図１は、本発明の一実施例の固体燃料バーナの構造を示す縦断面概略図である。固体燃料と搬送気体が流れる燃料ノズル１０が火炉１の壁面に設けられ、燃料ノズル１０の外周には、燃焼用空気を火炉１に噴出する燃焼用ガスノズル（２次燃焼用ガスノズル）４と、該燃焼用ガスノズル４の外周にバーナ出口で旋回流を形成するためのエアレジスタ６を設置した燃焼用ガスノズル（３次燃焼用ガスノズル）５を備え、２次燃焼用ガスノズル４と３次燃焼用ガスノズル５には風箱７から燃焼用ガスが供給される構造になっている。

燃料ノズル１０のノズル内壁側には混合気体３の流れを燃料ノズル１０の中心側に絞るベンチュリ８と、該ベンチュリ８の下流側で燃料ノズル１０の中心軸上に設けられた濃縮器９と、該濃縮器９の下流側で流路を径方向に分割する分配器１１を備えている。

なお、燃料ノズル１０の中心軸上にはオイルガン２が配置されているので、濃縮器９は、該オイルガン２上に配置され、また分配器１１は燃料ノズル１０の内壁に支持されている。

固体燃料と搬送気体（１次空気）からなる混合気体３は燃料ノズル１０に供給され、ベンチュリ８により混合気体３に燃料ノズル１０の中心軸方向の速度成分を誘起させる。さらに濃縮器９により混合気体３には濃縮器９に沿って燃料ノズル１０の外周方向に向かう速度成分が誘起される。燃料粒子は搬送気体よりも慣性力が大きいので、搬送気体の流れに追従できない。このため、燃料粒子は燃料ノズル１０の内壁付近に濃縮される。よって、濃縮器９の下流に設置した分配器１１と燃料ノズル１０の間の流路は燃料粒子濃度の高い燃料濃縮流路１２となり、分配器の内側は燃料粒子の少ない燃料希薄流路１３となる。

また、燃料ノズル１０と分配器１１と間の燃料濃縮流路１２には図２の斜視図に示すようなくさび状の障害物１４が設置されており、該障害物１４の上面１４ｃが燃料ノズル１０の内壁面と接し、障害物底面１４ｄが分配器１１と接し、また障害物１４の上面１４ｃと底面１４ｄの間には２つの側面１４ｅがあり、障害物先端１４ａと底面１４ｄとが燃料ノズル１０と分配器１１の上流側の端を垂直に繋ぐように設置されており、障害物１４により、燃料ノズル１０と分配器１１の間の流路は図１（ｂ）、図１（ｃ）及び図１（ｄ）に示すように分割されている。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面矢視図であり、図１（ｄ）は図１（ａ），図１（ｂ）及び図１（ｃ）のＣ−Ｃ線断面矢視図である。

図１（ｄ）に示すように、燃料濃縮流路１２内に設置された障害物１４により、燃料濃縮流路１２は円筒状の燃料ノズル１０の円周方向に分割され、かつ、それぞれの分割された燃料濃縮流路１２の円周方向の長さは後流に進むに従って円周方向に短くなる。

燃料濃縮流路１２に集められている燃料粒子は、障害物１４の側面１４ｅに当たりながら、後流に進むにつれ分割された燃料濃縮流路１２の中央方向へと集められていく。その結果、燃料ノズル１０の内壁近傍に濃縮され、燃料濃縮流路入口１２ａの幅の広がりを持って流れ始めた燃料粒子は、流路１２の幅の中心方向に濃縮したのちに燃料濃縮流路出口１２ｂから出ていく。

図３は、本発明の実施例２の燃料ノズル１０の構造を示す図である。実施例２の燃料ノズル１０の構造は、図１に示す構造とは異なり、分配器１１と障害物１４に代えて、図３（ａ）に斜視図で示す３枚の板状のコの字状の障害物１５の上流側の側面１５aの端が接するように、円周方向に繋げていくことで形成される。

図３（ａ）に斜視図で示す３枚の板状のコの字状の障害物１５を燃料ノズル１０に沿って繋げていくと、燃料ノズル１０と３枚の板状のコの字状の障害物１５の間の流路は図３（ｂ）、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示すように分割されている。図３（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図であり、図３（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面矢視図であり、図３（ｄ）は図１（ａ），図３（ｂ）及び図３（ｃ）のＣ−Ｃ線断面矢視図である。

各コの字状の障害物１５は、両側側面１５ａと該両側側面１５ａの間を接続する燃料ノズル１０の内壁面に沿った底面１５ｂとからなり、両側側面１５ａの底面１５ｂの反対側の長辺が燃料ノズル１０の内壁に接するように取り付ける。コの字状の障害物１５の上流において燃料ノズル１０の内壁付近に集められていた粒子は、コの字の障害物１５と燃料ノズル１０で囲まれた領域を流れるため、この領域に燃料濃縮流路１２が形成される。

断面コの字状の板からなる障害物１５を用いたので、本実施例の障害物１５は、実施例１の中実状のくさび状障害物１４とは異なり、コの字状の障害物１５で形成される燃料濃縮流路１２の外側には燃料希薄流路１３があり、またコ字状の障害物１５の内外に燃料流路が形成されるので図１に示す実施形態に比べ燃料濃縮流路１２、１３を仕切る障害物１５と混合気体３の接する面積が増え、障害物１５が冷却されやすい。

図４は、本発明の実施例３の構成を示し、歯付き保炎器１６を採用した例である。
図４（ａ）は本実施例の固体燃料バーナの側断面図、図４（ｂ）は火炉１から見た燃料ノズル１０の構成図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面矢視図である。

歯付き保炎器１６の複数の歯１７は図４（ｂ）の火炉側から見た図に示すように、環状に配置された複数のくさび状障害物１４とは重ならないように環状の保炎器１６に均等な間隔で環状に配置されている。そのため隣接する２つのくさび状障害物１４の間にできる燃料濃縮流路出口１２ｂ（図４（ｃ））と保炎器１６の歯１７が燃料流路の前後方向から見て重なるように設置されている。

本実施例では、燃料濃縮流路出口１２ｂを通り火炉１に投入される燃料粒子が保炎器１６の歯１７に当たるように燃料濃縮流路出口１２ｂと保炎器１６の歯１７が１対１で対応し重なるように設けることが望ましい。その際には、燃料粒子が保炎器１６の歯１７に当たることなく、火炉内へ投入されることを避けるため、燃料濃縮流路出口１２ｂの円周方向の幅Ｗ１が保炎器１６の歯１７の円周方向の直線上の幅Ｗ２と同程度または前記幅Ｗ２よりより小さく、燃料濃縮流路出口１２ｂの径方向の高さｈ１が保炎器１６の歯１７の径方向の高さｈ２より小さくなることが望ましい。しかし、燃料濃縮流路出口１２ｂの径方向の高さｈ１が小さすぎると、燃料粒子が詰まる恐れがあるため、燃料濃縮流路出口１２（ｂ）の径方向の幅h1が歯付き保炎器の歯１７の径方向の幅h2より大きくなってもよい。粒子の流れ１８に示すように、燃料濃縮流路入口１２（ａ）から流入した燃料粒子は、流路の中央方向に集められながら燃料濃縮流路１２を通って燃料濃縮流路出口１２ｂから出た後、保炎器１６の歯１７に当たった後、火炉１に投入される。

図５は、本発明の実施例４の構造を示す固体燃料バーナの側断面図である。分配器１１が下流方向に進むにつれ燃料ノズル１０の中心軸方向に近接している点が図１に示すバーナとは異なる。分配器１１が下流方向に進むにつれ燃料ノズル１０の中心軸方向に近接するために燃料濃縮流路１２は下流に進むにつれ流路横断面積が燃料ノズル１０の径方向に広がる構造となる。

燃料濃縮流路１２の横断面積は一定、もしく流路１２の出口の横断面積が入口に比べ拡大する構造となる。前記断面積を一定にすることで、燃料濃縮流路入口１２ａと燃料濃縮流路出口１２ｂの流速は一定となる。また、燃料濃縮流路入口１２ａの横断面積より燃料濃縮流路出口１２ｂの横断面積を広くすれば、燃料濃縮流路入口１２ａでの混合気体３の流速より燃料濃縮流路出口１２ｂの前記流速の方が遅くなり、低流速又は高濃度の燃料粒子と搬送気体の混合流を容易に形成することでき、固体燃料の高濃度化および燃料粒子のエネルギー及び速度低減による着火性の向上、燃焼性の向上が達成できる。

１ 火炉
２ オイルガン
３ 混合気体
４ 燃焼用ガスノズル（２次ノズル）
５ 燃焼用ガスノズル（３次ノズル）
６ エアレジスタ
７ ウインドボックス
８ ベンチュリ
９ 濃縮器
１０ 燃料ノズル
１１ 分配器
１２ 燃料濃縮流路
１３ 燃料希薄流路
１４ 障害物（くさび状）
１５ 障害物（板状）
１６ 歯付き保炎器
１７ 歯付き保炎器の歯
１８ 粒子の流れ
１９ 狭小筒部
２０ 水管

Claims (2)

1. 固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する円筒状の燃料ノズルと、
   前記燃料ノズルの外周に配置された燃焼用ガスを噴出する燃焼用ガスノズルと、
   前記燃料ノズルの内壁側に配置され、燃料ノズル内の固体燃料と搬送気体の搬送流路を一旦中心軸方向に向けて絞るベンチュリと、当該ベンチュリの後流側の当該燃料ノズルの中心軸に設けられ当該燃料ノズル内の流れを外向きに変える濃縮器と、当該濃縮器の後流側に当該燃料ノズルの流路を外周部と内周部に分割する分配器を備えた固体燃料バーナにおいて、
   前記燃料ノズルと分配器との間の搬送流路が該燃料ノズルの円周方向に少なくとも２つ以上に分割されており、分割された流路の円周方向の長さが後流に進むにつれ縮小する形状を持ち、
   前記燃料ノズルと分配器との間にある円周方向に分割された搬送流路の上流側入口と下流側出口の断面積を同一ないしは前記搬送流路の出口の断面積が入口に比べ拡大する構造となっている
   ことを特徴とする固体燃料バーナ。
2. 前記燃料ノズル出口部に歯付き保炎器を有する請求項１に記載の固体燃料バーナにおいて、
   前記燃料ノズルと分配器との間にある円周方向に分割された搬送流路の出口が、火炉側から見たときに歯付き保炎器の歯の円周方向の幅と同程度あるいは歯付き保炎器の歯の円周方向の幅内に収まるように重なる
   ことを特徴とする請求項１記載の固体燃料バーナ。

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