JP6925811B2 - 燃焼バーナ、これを備えたボイラ、及び燃焼方法 - Google Patents
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Description
特許文献1の燃焼バーナは、燃料ノズルの周方向の速度成分を持つ追加空気を噴出させる追加空気ノズルを設け、低酸素濃度の搬送気体で搬送された燃料と空気との混合を促進するものである。また、特許文献2の燃焼バーナは、燃料ノズルの中心軸付近に発散円錐を配置して中心軸に沿って流れる燃料量を減少させ、加熱ガスを燃料ノズル内に導入して一次流の中央部分における燃料に対する化学量論比を高めることで燃料のガス化を促進するものである。
そして、火炉に隣接した燃料ノズルの先端における燃料の着火性を高めるためには、炭素含有固体燃料とした例えば石炭(微粉炭)の質量に対する空気の質量の割合(以下、「A/C比」という。)を低くして、周囲の火炎の輻射による着火を促進させるのが望ましい。
一方、燃料ガスにおけるA/C比を高くしすぎると、周囲の火炎の輻射を受けにくくなることにより燃料に含まれる可燃性の揮発分の放出と固定炭素の燃焼が遅れ、2次空気との接触部分で遅れて放出された揮発分の酸化燃焼による高い火炎温度によってNOxの発生量が増大する可能性がある。
このように、本発明の燃焼バーナによれば、1次空気の流量を増加させずに2次空気の少なくとも一部を用いて、燃料の未燃分の火炉への放出を抑制しつつ燃料に含まれる可燃性の揮発分の放出と固定炭素の燃焼を促進してNOx発生量を低減することができる。
本構成によれば、2次空気は、燃料ガスのガス流通方向の主成分の流速を持って2次空
気導入流路から燃料ガス流路へ導入されるため、燃料ガスとの合流時に大きな乱れを生じ
させることなく緩やかに拡散しながら混合する。
本構成によれば、2次空気が軸線に沿ったガス流通方向の主成分の流速に加えて、燃料ガス流路の中心に向かう流速を伴って導入されるため、導入された2次空気と燃料ガスとが更に良好に混合される。
本発明の第2態様に係る燃焼バーナによれば、隣接する第1の導入部と第2の導入部が燃料ガス流路へ2次空気を導入するガス流通方向の位置が異なっているため、これらを同一の位置とした場合に比べ、2次空気と燃料ガスとが更に良好に混合される。
本発明の第2態様に係る燃焼バーナによれば、導入された2次空気と燃料ガスとが均一な濃度分布となった状態で保炎器に到達して保炎器により良好に内部着火ないし内部保炎が行われる。そのため、燃料ガス流路の出口における燃料の着火性が向上するとともに燃料に含まれる可燃性の揮発分の放出と固定炭素の燃焼が促進されてNOxの還元が促進されるため、NOx発生量が低減する。
本発明の第2態様に係る燃焼バーナによれば、2次空気の一部を導入部から燃料ガス流路へ導入することにより燃料ガス流路を流通する燃料ガスの流速が上昇することによる不具合を抑制して、内部保炎を安定化することができる。
このようにすることで、2次空気が燃料ガス流路へ導入されてから保炎器の上流端に到達するまでのガス流通方向の距離を十分に確保し、導入された2次空気と燃料ガスとがより均一な濃度分布となった状態で保炎器による着火ないし保炎を行うことができる。
上記の燃焼バーナを備えているので、排ガス中のNOxが低減されたボイラを提供することができる。
本発明の燃焼方法は、軸線に沿って筒状に延びるとともに炭素含有固体燃料を粉砕した燃料と1次空気とを混合した燃料ガスを火炉へ供給する燃料ガス流路を形成する燃料ノズルと、前記軸線に沿って筒状に延びるとともに前記燃料ガスより温度の高い2次空気を流通する2次空気ノズルと、記2次空気ノズルと前記燃料ノズルの間に形成され前記火炉へ前記2次空気を供給する2次空気流路と、前記燃料ノズル内の前記火炉へ開口する先端部の近傍に配置される保炎器を備える燃焼バーナを用い、前記2次空気流路を流通する前記2次空気の少なくとも一部を、前記軸線に沿ったガス流通方向と交差する方向に沿って分散して配置された複数の導入部から前記燃料ガス流路へ導入する導入工程と、前記導入工程で導入された前記2次空気と前記燃料ガスとを前記燃料ガス流路で混合して前記保炎器を介して前記火炉へ噴出させる噴出工程と、を備える。
本発明の燃焼方法によれば、燃料の未燃分の火炉への放出を抑制しつつ燃料に含まれる可燃性の揮発分の放出と固定炭素の燃焼を促進してNOx発生量を低減することができる。
第1実施形態の燃焼バーナが適用された微粉炭焚きボイラは、炭素含有固体燃料として石炭を粉砕した微粉炭を用い、この微粉炭を燃焼バーナにより燃焼させ、この燃焼により発生した熱を回収することが可能なボイラである。
なお、排ガス管48は、図示しないが、脱硝装置、電気集塵機、誘引送風機、脱硫装置が設けられ、下流端部に煙突が設けられている。
図3の縦断面図に示すように、本実施形態の燃焼バーナ100Aは、燃料ノズル110と、2次空気ノズル120と、2次空気導入流路130と、保炎器140と、を備える。なお、図3の縦断面図は、後述する図4に示す燃焼バーナ100AのII-II矢視断面図となっている。
燃料ノズル110は、火炉11に隣接して配置される先端側ノズル110aと、先端側ノズル110aの上流側に配置される基端側ノズル110bとを有する。先端側ノズル110aと基端側ノズル110bとは、2次空気導入流路130を間に配置した状態で連結されている。
図5において、実線で示す矢印は2次空気流路121から燃料ガス流路111へ導入される2次空気と、燃料ガス流路111へ導かれずに2次空気流路121を流通する2次空気とを示す。一方、破線で示す矢印は燃料ガス流路111を流通する微粉燃料混合気を示す。
このように、鉛直方向の同位置において微粉燃料混合気と導入する2次空気とが隣接した状態で流通するため、微粉燃料混合気と導入した2次空気とを良好に混合することができる。
一方、空気ダクト37から2次空気ノズル120へ供給される燃焼用空気(2次空気)は、図3の矢印301,302に示す方向に沿って2次空気流路121へ流入する。
また、燃焼バーナ100Aの運用にあたり、微粉燃料混合気と各々の導入された2次空気とのガス拡散で混合されて均一化でないことが保炎器140での保炎状況などから想定された場合は、上方導入部131,132,133,134、および下方導入部135,136,137,138の流路断面積を図示しないダンバなどで調整することで、軸線X1に対して対称にすることが可能である。
2≦L/W1≦5 (1)
また、導入された2次空気と微粉燃料混合気との混合には、2次空気導入流路130の形状や大きさを調整し適正化することで選定する。2≦L/W1としているのは、保炎器140を通過する微粉燃料混合気を、導入された2次空気と均一に混合された微粉燃料混合気とするためである。また、2次空気導入流路130の形状や大きさを大きくするように選定することで、導入された2次空気との混合が促進されるが、混合にあたり流れが乱されて、微粉燃料混合気より温度が高い2次空気との間で着火する場合があることから、2次空気導入流路130の形状や大きさの上限が存在する。2次空気導入流路130の形状や大きさの上限と、燃焼バーナ100Aの大型化を防止するために、L/W1≦5としている。
第1位置P1で2次空気と混合した微粉燃料混合気は、第1位置P1から第4位置P4へ向けて濃度分布を均一化しながら矢印202,203,204で示す方向に流通し、保炎器140の上流端へ到達する。
このように、本実施形態の燃焼バーナ100Aによれば、1次空気の流量を増加させずに2次空気の少なくとも一部を用いて、微粉炭の未燃分の火炉11への放出を抑制しつつ微粉炭に含まれる可燃性の揮発分の放出と固定炭素の燃焼を促進してNOx発生量を低減することができる。
本実施形態によれば、導入された2次空気と微粉燃料混合気とが均一な濃度分布となった状態で保炎器140に到達して保炎器140により良好に内部着火ないし内部保炎が行われる。そのため、外部保炎ないし外部着火となることを防止して、先端側ノズル110aが火炉11に面する部分で、微粉燃料混合気に含まれた微粉炭が先端側ノズル110aの外周側へ導かれて、高温かつ高酸素濃度の火炉11内の領域において微粉炭が燃焼し、NOxが還元されない領域でのNOxの発生が増加してしまうことがない。保炎器140により、燃料ガス流路111の出口における微粉炭の着火性が向上するとともに微粉炭に含まれる可燃性の揮発分の放出と固定炭素の燃焼が促進される。
本実施形態によれば、2次空気の一部を導入部から燃料ガス流路111へ導入することにより燃料ガス流路111を流通する微粉燃料混合気の流速が上昇することによる不具合を抑制して、内部保炎を安定化することができる。
このようにすることで、導入された2次空気が燃料ガス流路111へ導入されてから保炎器140の上流端に到達するまでのガス流通方向の距離を十分に確保し、導入された2次空気と微粉燃料混合気とがより均一な濃度分布となった状態で保炎器140による着火ないし保炎を行うことができる。
なお、本実施形態において、2次空気導入流路130は、微粉燃料混合気のガス流通方向である軸線Xに沿って2次空気を燃料ガス流路111へ流入させるものであったが、他の変形例としてもよい。
例えば、2次空気導入流路130を、軸線X1に沿ったガス流通方向の主成分を持ち、かつ燃料ガス流路111の中心に向かう方向の成分を持つ流速で導入された2次空気を燃料ガス流路111へ導入する変形例としてもよい。
図6に示すように、上方導入部133は、燃料ガス流路111に開口する出口面133bを有する。また、下方導入部137は、燃料ガス流路111に開口する出口面137bを有する。図6に示すように、出口面133bは軸線X1に直交する平面に対して傾斜しており、出口面137bは軸線X1に直交する平面に対して傾斜している。
次に、本発明の第2実施形態の燃焼バーナについて説明する。第1実施形態と同様に、本実施形態の燃焼バーナは、微粉炭焚きボイラに適用可能である。第2実施形態は第1実施形態の2次空気導入流路130に係わる変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第1実施形態と同様であるものとし、以下での説明を省略する。
それに対して第2実施形態の燃焼バーナ100Afは、隣接する導入部が燃料ガス流路111へ2次空気を導入する位置が異なっている。
このように、本実施形態においては、水平方向に隣接する一対の上方導入部が燃料ガス流路111へ導入された2次空気の一部を導入するガス流通方向の位置が異なっており、水平方向に隣接する一対の下方導入部が燃料ガス流路111へ導入された2次空気の一部を導入するガス流通方向の位置が異なっている。
上述した各実施形態では、燃焼装置12として、火炉11の壁面に設けられる4つの各燃焼バーナ100A,100B,100C,100D,100Eを鉛直方向に沿って5段配置して構成したが、この構成に限定されるものではない。即ち、燃焼バーナを壁面に配置せずにコーナーに配置してもよい。また、燃焼装置は、旋回燃焼方式に限らず、燃焼バーナを一つの壁面に配置したフロント燃焼方式、燃焼バーナを二つの壁面に対向配置した対向燃焼方式としてもよい。
また燃焼装置12の燃焼バーナ100A,100B,100C,100D,100Eは、図3から図10に示す角筒状のものに限定されず、例えば、図11に示す円筒状のものであってもよい。
図11は、図3に示す燃焼バーナのI-I矢視端面図であり、第1実施形態の角筒状の燃料ノズル110及び2次空気ノズル120を円筒状の燃料ノズル110A及び2次空気ノズル120Aに変形した例である。
燃料ノズル110Aは、軸線X1に沿って円筒状に延びるように形成される部材である。2次空気ノズル120Aは、軸線X1に沿って円筒状に延びるように形成される部材である。燃料ノズル110Aの内周に燃料ガス流路111Aが形成され、燃料ノズル110Aと2次空気ノズル120Aとの間に2次空気流路121Aが形成される。
2次空気導入流路130Aは、2次空気流路121Aを流通する2次空気の一部を燃料ガス流路111Aへ導入する流路である。図11に示すように、2次空気導入流路130Aは、円筒状に形成される燃料ノズル110Aの内周面の周方向に沿って一定の間隔を空けて分散して配置されている。
11 火炉
12 燃焼装置
100A,100Aa,100Ab,100Ac,100Ad,100Ae,100B,100C,100D,100E 燃焼バーナ
110 燃料ノズル
110a 先端側ノズル
110b 基端側ノズル
110c 先端部
111 燃料ガス流路
120 2次空気ノズル
121 2次空気流路
130 2次空気導入流路
131,132,133,134 上方導入部
135,136,137,138 下方導入部
140 保炎器
141,142,143 拡幅部
Claims (9)
- 軸線に沿って筒状に延びるとともに炭素含有固体燃料を粉砕した燃料と1次空気とを混合した燃料ガスを火炉へ供給する燃料ガス流路を形成する燃料ノズルと、
前記軸線に沿って筒状に延びるとともに前記燃料ガスより温度の高い2次空気が流通する2次空気ノズルと、
前記2次空気ノズルと前記燃料ノズルの間に形成され前記火炉へ前記2次空気を供給する2次空気流路と、
前記2次空気流路を流通する前記2次空気の少なくとも一部を前記燃料ガス流路へ導入する複数の導入部を有する2次空気導入流路と、を備え、
前記複数の導入部は、前記軸線に沿ったガス流通方向と交差する方向に沿って分散して配置されており、
前記複数の導入部は、第1の前記導入部と第2の前記導入部とが隣接して配置されており、
前記第1の導入部が前記燃料ガス流路へ前記2次空気の少なくとも一部を導入する前記ガス流通方向の第1導入位置と、前記第2の前記導入部が前記燃料ガス流路へ前記2次空気の少なくとも一部を導入する前記ガス流通方向の第2導入位置とが前記軸線に沿った前記ガス流通方向で異なる燃焼バーナ。 - 軸線に沿って筒状に延びるとともに炭素含有固体燃料を粉砕した燃料と1次空気とを混合した燃料ガスを火炉へ供給する燃料ガス流路を形成する燃料ノズルと、
前記軸線に沿って筒状に延びるとともに前記燃料ガスより温度の高い2次空気が流通する2次空気ノズルと、
前記2次空気ノズルと前記燃料ノズルの間に形成され前記火炉へ前記2次空気を供給する2次空気流路と、
前記2次空気流路を流通する前記2次空気の少なくとも一部を前記燃料ガス流路へ導入する複数の導入部を有する2次空気導入流路と、
前記燃料ノズル内の前記火炉へ開口する先端部の近傍に配置される保炎器と、を備え、
前記複数の導入部は、前記軸線に沿ったガス流通方向と交差する方向に沿って分散して配置されており、
前記導入部が前記燃料ガス流路へ前記2次空気の少なくとも一部を導入する第1位置よりも前記ガス流通方向の下流側の第2位置における前記燃料ガス流路の断面積が、前記第1位置よりも前記ガス流通方向の上流側の第3位置における前記燃料ガス流路の断面積よりも大きく、
前記第1位置から前記保炎器の上流端の第4位置までの前記ガス流通方向の距離をLとし、前記燃料ガス流路の前記第2位置における最小幅をWとした場合、2≦L/W≦5を満たす燃焼バーナ。 - 前記2次空気導入流路は、前記ガス流通方向の主成分を持つ流速で前記2次空気の一部を前記燃料ガス流路へ導入する請求項1または請求項2に記載の燃焼バーナ。
- 前記2次空気導入流路は、前記ガス流通方向の主成分を持つ流速に加えて、前記ガス流通方向に交差しかつ前記燃料ガス流路の中心に向かう方向の成分を持つ流速で、前記2次空気の一部を前記燃料ガス流路へ導入する請求項1に記載の燃焼バーナ。
- 前記2次空気導入流路は、前記燃料ガス流路に開口する出口面を有し、
該出口面が前記軸線に直交する平面に対して傾斜している請求項4に記載の燃焼バーナ。 - 前記保炎器は、前記ガス流通方向と交差する方向に沿って延びるように形成されるとともに前記ガス流通方向における下流側に向かって前記ガス流通方向に直交する断面の幅が広くなる拡幅部を有する請求項2に記載の燃焼バーナ。
- 火炉と、
該火炉に対して設置された請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の燃焼バーナと、
前記火炉にて前記燃焼バーナからの噴出する燃焼ガスのガス流れ下流側で前記燃焼ガスと熱交換する熱交換器と、
を備えていることを特徴とするボイラ。 - 軸線に沿って筒状に延びるとともに炭素含有固体燃料を粉砕した燃料と1次空気とを混合した燃料ガスを火炉へ供給する燃料ガス流路を形成する燃料ノズルと、前記軸線に沿って筒状に延びるとともに前記燃料ガスより温度の高い2次空気を流通する2次空気ノズルと、前記2次空気ノズルと前記燃料ノズルの間に形成され前記火炉へ前記2次空気を供給する2次空気流路と、前記燃料ノズル内の前記火炉へ開口する先端部の近傍に配置される保炎器を備える燃焼バーナを用いた燃焼方法であって、
前記2次空気流路を流通する前記2次空気の少なくとも一部を、前記軸線に沿ったガス流通方向と交差する方向に沿って分散して配置された複数の導入部から前記燃料ガス流路へ導入する導入工程と、
前記導入工程で導入された前記2次空気と前記燃料ガスとを前記燃料ガス流路で混合して前記保炎器を介して前記火炉へ噴出させる噴出工程と、を備え、
前記複数の導入部は、第1の前記導入部と第2の前記導入部とが隣接して配置されており、
前記第1の導入部が前記燃料ガス流路へ前記2次空気の少なくとも一部を導入する前記ガス流通方向の第1導入位置と、前記第2の前記導入部が前記燃料ガス流路へ前記2次空気の少なくとも一部を導入する前記ガス流通方向の第2導入位置とが前記軸線に沿った前記ガス流通方向で異なる燃焼方法。 - 軸線に沿って筒状に延びるとともに炭素含有固体燃料を粉砕した燃料と1次空気とを混合した燃料ガスを火炉へ供給する燃料ガス流路を形成する燃料ノズルと、前記軸線に沿って筒状に延びるとともに前記燃料ガスより温度の高い2次空気を流通する2次空気ノズルと、前記2次空気ノズルと前記燃料ノズルの間に形成され前記火炉へ前記2次空気を供給する2次空気流路と、前記燃料ノズル内の前記火炉へ開口する先端部の近傍に配置される保炎器を備える燃焼バーナを用いた燃焼方法であって、
前記2次空気流路を流通する前記2次空気の少なくとも一部を、前記軸線に沿ったガス流通方向と交差する方向に沿って分散して配置された複数の導入部から前記燃料ガス流路へ導入する導入工程と、
前記導入工程で導入された前記2次空気と前記燃料ガスとを前記燃料ガス流路で混合して前記保炎器を介して前記火炉へ噴出させる噴出工程と、を備え、
前記複数の導入部は、前記ガス流通方向と交差する方向に沿って分散して配置されており、
前記導入部が前記燃料ガス流路へ前記2次空気の少なくとも一部を導入する第1位置よりも前記ガス流通方向の下流側の第2位置における前記燃料ガス流路の断面積が、前記第1位置よりも前記ガス流通方向の上流側の第3位置における前記燃料ガス流路の断面積よりも大きく、
前記第1位置から前記保炎器の上流端の第4位置までの前記ガス流通方向の距離をLとし、前記燃料ガス流路の前記第2位置における最小幅をWとした場合、2≦L/W≦5を満たす燃焼方法。
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