JP7396186B2 - 粉体燃料バーナ - Google Patents

Description

本発明は、粉体燃料バーナに関する。

下記特許文献１には、バイオマス燃焼バーナが開示されている。このバイオマス燃焼バーナは、バイオマス燃料ノズルの外周且つ燃焼ガスノズル内周に固体燃料の粒子を搬送する固体燃料ノズルを設け、固体燃料ノズルからバイオマス燃料ノズル内への粒子噴出口を燃料濃縮器と保炎器との間で且つ保炎器近傍に設けることにより、噴出口からの粒子によりバイオマス燃料ノズル内壁の保炎器近傍で集中した粒子が着火して安定燃焼が可能となる。

特開２０１３－１４５０６７号公報

ところで、上記燃料濃縮器は、バイオマス燃料ノズルの中心部へのバイオマス燃料の集中を抑制して外周部にバイオマス燃料を集中させることにより燃焼安定性を確保するものである。また、上記保炎器は、バイオマス燃料ノズルの先端部に設けられる邪魔板であり、当該先端部にバイオマス燃料の渦流を形成させることによって燃焼安定性を確保するものである。

しかしながら、従来の燃料濃縮器は、微粉炭よりも粒径が大きなバイオマス燃料では十分な濃縮効果を発揮しなかった。すなわち、従来の燃料濃縮器は、特に低負荷状態においてバイオマス燃料の濃縮性能が不十分であり、安定燃焼範囲が狭いという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、安定燃焼範囲を低負荷側に広げることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、粉体燃料バーナに係る第１の解決手段として、少なくとも粉体燃料を噴射する略円筒状のバーナノズルと、前記粉体燃料の濃度が局所的に高い領域を周方向において複数個所形成させる周方向濃縮部材とを備える、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記バーナノズルは、前記粉体燃料の内側への集中を抑制する半径方向濃縮部材を備える、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記粉体燃料は、前記バーナノズル内を中心軸周りに旋回流として流通する、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記バーナノズルの内面にはディフレクタアングルが形成されている、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、前記周方向濃縮部材は、周方向に所定の角度ピッチで配列する複数の突起部を備え、前記突起部は、前記ディフレクタアングルと同位相で設けられている、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第６の解決手段として、上記第４または第５の解決手段において、前記周方向濃縮部材は、前記ディフレクタアングルに接している、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第７の解決手段として、上記第１～第６のいずれかの解決手段において、前記周方向濃縮部材は、前記バーナノズルの先端部に設けられる板材であって、周方向に所定間隔で内側に突出する複数の濃縮突起を備える、という手段を採用する。

本発明によれば、安定燃焼範囲を低負荷側に広げることが可能である。

本発明の一実施形態に係る粉体燃料バーナの全体構成を示す縦断面図（ａ）及び拡大右側面図（ｂ）である。 本発明の一実施形態における外筒部材の構成を示す縦断面図（ａ）、左側面図（ｂ）及び右側面図（ｃ）である。 本発明の一実施形態におけるノズル部材の構成を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態における周方向濃縮部材１０の作用を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る粉体燃料バーナＡは、粉体燃料としてバイオマス（主燃料）を燃焼させるバーナであり、図１に示すように火炉壁Ｈに形成された火炉開口Ｒに設けられている。この粉体燃料バーナＡは、図示するように内側ダクト１、外側ダクト２、オイルガン３、点火トーチ４、内側スロート部材５、内側ダンパ６、外側スロート部材７、外側ダンパ８、半径方向濃縮部材９及び周方向濃縮部材１０等を備えている。

火炉壁Ｈは、ボイラーの火炉を形成する構造物であり、地上において所定の高さ範囲に延在する。この火炉壁Ｈは、水平断面形状が矩形であり、互いに対抗する２壁に複数の粉体燃料バーナＡが対向するように設けられている。図１（ａ）では、このような複数の粉体燃料バーナＡの１つを示している。

火炉開口Ｒは、火炉壁Ｈに形成された貫通孔である。すなわち、この火炉開口Ｒは、火炉の内外を貫通する円形の開口であり、上記２壁に複数設けられている。図１（ａ）では、このような複数の火炉開口Ｒの１つを示している。本実施形態に係る粉体燃料バーナＡは、火炉壁Ｈに複数形成された火炉開口Ｒ毎に、かつ火炉壁Ｈの外側に設けられている。このような粉体燃料バーナＡにおいて、火炉壁Ｈに近い側が先端であり、火炉壁Ｈに遠い近い側が後端である。

内側ダクト１は、中心軸線に沿って直径が徐々に変化する金属製の円筒状部材であり、図1（ａ）に示すように火炉壁Ｈの外側かつ火炉壁Ｈに対して直交する姿勢で固定されている。この内側ダクト１において、火炉壁Ｈに近い側が先端であり、火炉壁Ｈに遠い近い側が後端である。すなわち、この内側ダクト１は、先端に向かって直径が徐々に縮径する円筒状部材である。このような内側ダクト１は、図１（ａ）に示すように外周面の先端近傍部位に半径方向濃縮部材９が設けられている。

外側ダクト２は、上記内側ダクト１の外周に二重筒状に設けられており、中心軸線に沿って直径が徐々に変化する金属製の円筒状部材である。この外側ダクト２は、火炉壁Ｈの外側かつ火炉壁Ｈに対して直交する姿勢で固定されており、火炉壁Ｈに近い側が先端であり、火炉壁Ｈに遠い近い側が後端である。

すなわち、この外側ダクト２は、先端に向かって直径が徐々に縮径する円筒状部材である。このような外側ダクト２と上記内側ダクト１とによって形成される円環状の空間は、バイオマス（主燃料）が一次燃焼用空気と共に流通する主燃料流路である。バイオマス（主燃料）は、一次燃焼用空気と混合された主燃料混合流Ｆとして主燃料流路を流通し、上記内側ダクト１及び外側ダクト２の先端から火炉内に噴射される。このような内側ダクト１及び外側ダクト２は、本発明のバーナノズルを構成している。

ここで、上記主燃料混合流Ｆは、主燃料流路の後端かつ接線方向から主燃料流路に流入する。すなわち、この主燃料混合流Ｆは、主燃料流路を中心軸周りに旋回流として流通して先端から火炉内に噴射される。このような主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）には、上記旋回流に起因する遠心力が作用する。したがって、本実施形態における主燃料混合流Ｆは、バイオマス（主燃料）が主燃料流路の半径方向において外側（外側ダクト２側）に濃縮された偏流である。

このような外側ダクト２は、図1（ａ）に示すようにダクト本体２ａ及びノズル部材２ｂを備えている。ダクト本体２ａは、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、先端に向かって直径が徐々に縮径する円筒状部材であり、先端部にノズル部材２ｂが連接されている。また、このダクト本体２ａの内側（内面）には、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すようにディフレクタアングル２ｃが設けられている。

ノズル部材２ｂは、図１（ａ）及び図３に示すように、先端に向かって直径が徐々に縮径する円筒状部材である。このノズル部材２ｂは、先端部の外周側（外面）に周方向濃縮部材１０が設けられている。

ディフレクタアングル２ｃは、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、ダクト本体２ａの内面から突出する突条である。このディフレクタアングル２ｃは、ダクト本体２ａの内面において、周方向に所定間隔を空けて複数条設けられており、例えば断面形状が図示するように三角形である。なお、図２では、一例としてディフレクタアングル２ｃが１０条設けられた状態を示している。このようなディフレクタアングル２ｃは、主燃料流路の周方向におけるバイオマス（主燃料）の濃度分布を均一化させる作用を奏する。

オイルガン３は、内側ダクト１内に同軸状に設けられた直管状部材であり、前進後退自在である。このオイルガン３は、粉体燃料バーナＡの着火時に前進して液体燃料を火炉内に向けて噴射し、バイオマス（主燃料）への着火が完了すると、液体燃料の噴射を完了して後退する。

点火トーチ４は、外側ダクト２の外側かつ上方に設けられた直管状部材であり、先端部が火炉開口Ｒに臨む姿勢で設けられている。この点火トーチ４は、先端部から火花を火炉内に向けて放射することにより、オイルガン３によって火炉内に噴射された液体燃料を着火させる。

内側スロート部材５は、上記ノズル部材２ｂの外周側に同軸状に設けられた略円筒状部材である。この内側スロート部材５は、二次燃焼用空気の流れを内側流と外側流とに区画するためのものである。上記内側流は、外側ダクト２の外周において外側ダクト２により近い領域を流れる二次燃焼用空気の流れである。また、上記外側流は、外側ダクト２の外周において内側流よりも外側ダクト２から遠い領域を流れる二次燃焼用空気の流れである。

内側ダンパ６は、図１（ａ）に示すように内側スロート部材５の後側つまり外側ダクト２のノズル部材２ｂにより近い側に設けられている。この内側ダンパ６は、内側スロート部材５とノズル部材２ｂの外周に設けられた補助部材とによって挟まれた状態かつ内側スロート部材５及び補助部材に対して回動自在に支持されている。このような内側ダンパ６は、図示しない駆動機構によって上記内側流が流通する内側流路の開口面積を可変調節する。

外側スロート部材７は、図１（ａ）に示すように火炉壁Ｈの外側に設けられた略円板状部材である。この外側スロート部材７は、内側スロート部材５と共に上記外側流が流通する外側流路を形成する。

外側ダンパ８は、図１（ａ）に示すように内側スロート部材５の前側つまり外側ダクト２のノズル部材２ｂにより遠い側に設けられている。この外側ダンパ８は、内側スロート部材５と外側スロート部材７とによって挟まれた状態かつ内側スロート部材５及び外側スロート部材７に対して回動自在に支持されている。このような外側ダンパ８は、図示しない駆動機構によって上記外側流が流通する外側流路の開口面積を可変調節する。

半径方向濃縮部材９は、内側ダクト１の外周面において、先端近傍部位に設けられた円環状の突条である。すなわち、この半径方向濃縮部材９は、内側ダクト１の中心軸線に直交する状態で内側ダクト１の外周面に設けられている。

このような半径方向濃縮部材９は、上述した主燃料流路を後端から先端に向かって流通する主燃料混合流Ｆに対して障害物として作用する。すなわち、半径方向濃縮部材９は、主燃料混合流Ｆを内側ダクト１から離してノズル部材２ｂに近付けるものであり、主燃料流路の内側へのバイオマス（主燃料）の集中を抑制する。したがって、この半径方向濃縮部材９は、バイオマス（主燃料）を内側ダクト１及び外側ダクト２の半径方向つまり主燃料流路の半径方向における外側に濃縮するものである。

周方向濃縮部材１０は、上述したノズル部材２ｂの先端部に設けられた耐熱金属製の円板状部材（板材）である。この周方向濃縮部材１０は、図１（ｂ）に示すように、環状に配列すると共に中心側に突出する複数の濃縮突起１０ａを備えている。すなわち、この周方向濃縮部材１０は、円板状の耐熱金属部材の中心側を複数の濃縮突起１０ａを残した状態に切り欠いた部材であり、外側ダクト２のディフレクタアングル２ｃの先端に接した状態で設けられている。

このような複数の濃縮突起１０ａは、外側ダクト２のディフレクタアングル２ｃに符合した位置に設けられている。すなわち、各々の濃縮突起１０ａは、外側ダクト２の周方向において、ディフレクタアングル２ｃと同位相で設けられている。

複数の濃縮突起１０ａは、主燃料混合流Ｆに対して障害物として作用するものであり、主燃料流路の所定幅Ｗ（周方向における寸法）を有すると共に所定高さL（外周端から中心方向の寸法）を有する略矩形状である。主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）は、複数の濃縮突起１０ａを迂回して濃縮突起１０ａの間の空隙を経由して火炉内に流れ込む。すなわち、このような周方向濃縮部材１０は、粉体燃料であるバイオマス（主燃料）の濃度が局所的に高い領域（濃縮領域）を主燃料流路の周方向において複数個所形成させる。

次に、本実施形態に係る粉体燃料バーナＡの動作について、図４をも参照して詳しく説明する。

この粉体燃料バーナＡでは、図１（ａ）に示すように主燃料混合流Ｆが主燃料流路の後端先端に向けて流通し、最終的に先端から火炉内に噴射される。そして、主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）は、火炉内において一次燃焼用空気及び二次燃焼用空気等の酸化剤の存在下で燃焼することにより排ガス（燃焼排ガス）となる。そして、このような粉体燃料バーナＡが複数備えられるボイラは、排ガスとの熱交換によって水蒸気を発生させる。

このような粉体燃料バーナＡでは、主燃料混合流Ｆが主燃料流路に流入して火炉内に噴射されるまでの間に以下のような流体作用を受ける。すなわち、主燃料混合流Ｆは、円筒状の主燃料流路に対して接線方向から流入するので、主燃料流路内を旋回流として流通する。この旋回流は、主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）に対して遠心力を作用させる。

主燃料混合流Ｆは、この遠心力に起因して、バイオマス（主燃料）が主燃料流路の半径方向において外側（外側ダクト２側）に濃縮された偏流となる。すなわち、バイオマス（主燃料）は、主燃料流路内を旋回する間に徐々に外側ダクト２側に濃縮される。

また、この粉体燃料バーナＡでは、主燃料流路の半径方向において内側に位置する内側ダクト１の外周面に半径方向濃縮部材９が設けられている。この半径方向濃縮部材９は、主燃料流路の半径方向における外側にバイオマス（主燃料）を濃縮する作用を主燃料混合流Ｆに及ぼす。上述した旋回流に起因する遠心力に加え、半径方向濃縮部材９の作用によっても、バイオマス（主燃料）は、主燃料流路の半径方向における外側に濃縮される。

さらに、この粉体燃料バーナＡでは、主燃料流路の先端部に周方向濃縮部材１０が設けられているので、主燃料混合流Ｆのバイオマス（主燃料）は、主燃料流路の周方向にも局所的に濃縮される。すなわち、主燃料流路の先端部では、図４（ａ）に示すように濃縮突起１０ａの間つまり主燃料流路の周方向においてバイオマス（主燃料）の濃縮領域Ｎが局所的に複数形成される。

また、この主燃料流路の先端部では、主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）は、比重が空気よりも大きいので、バイオマス（主燃料）が濃縮された濃縮流Ｆ１として主燃料流路の半径方向における外側（外側ダクト２側）を火炉内に向かって流れる。これに対して、主燃料混合流Ｆに含まれる一次燃焼用空気は、比重がバイオマス（主燃料）よりも小さいので、バイオマス（主燃料）の含有量が極めて少ない希釈流Ｆ２として主燃料流路の半径方向における内側（内側ダクト１側）を火炉内に向かって流れる。

本実施形態によれば、安定燃焼範囲を低負荷側に広げることが可能である。すなわち、負荷が軽くなって主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）の量が減少した状態においても、周方向濃縮部材１０によってバイオマス（主燃料）が周方向において濃縮されるので、バイオマス（主燃料）の燃焼が不安定になることがない。したがって、失火に至る低負荷側の安定燃焼範囲を従来よりも広げることが可能である。

ここで、上述した特許文献１には、本実施形態における周方向濃縮部材１０に形状が似た保炎器が開示されている。この保炎器は、主燃料の流れを澱ませることにより火炎の安定性を向上させることを目的とするものである。

このような保炎器では、周方向濃縮部材１０の濃縮突起１０ａに対応する突起の幅（周方向における寸法）や高さ（外周端から中心方向の寸法）が主燃料に濃縮作用を及ぼすように設定されていない。すなわち、この保炎器は、本実施形態における周方向濃縮部材１０とは技術的な意味買いが明確に異なるものである。

また、本実施形態によれば、周方向濃縮部材１０における複数の濃縮突起１０ａの外側ダクト２の周方向における位置がディフレクタアングル２ｃと同位相に設定されているので、ディフレクタアングル２ｃの機能を阻害することなく、周方向におけるバイオマス（主燃料）の濃縮が可能である。

さらに、周方向濃縮部材１０がディフレクタアングル２ｃの先端に接しているので、周方向濃縮部材１０がディフレクタアングル２ｃの先端から離間している場合に比較して、周方向におけるバイオマス（主燃料）の濃縮を効果的に行うことが可能である。周方向濃縮部材１０とディフレクタアングル２ｃとが離間している場合には、当該離間部においてバイオマス（主燃料）の流れが乱れるので、周方向におけるバイオマス（主燃料）の濃縮を阻害する。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、複数の濃縮突起１０ａの形状を略矩形状としたが、本発明はこれに限定されない。例えば外周部を底辺とする三角形状や外周部側が頂点となる逆三角形状の濃縮突起を採用してもよい。

（２）上記実施形態では、半径方向濃縮部材９を設けたが、本発明はこれに限定されない。必要に応じて半径方向濃縮部材９を省略してもよい。

（３）上記実施形態では、主燃料をバイオマスとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、微粉炭を主燃料としてもよい。ただし、バイオマスと微粉炭とを比較すると、バイオマスは、微粉炭よりも粒径が大きいので、旋回流の作用によって微粉炭よりも主燃料流路の半径方向外側（外側ダクト２側）に集まり易い。したがって、周方向濃縮部材１０による濃縮作用が顕著に現れるのは、微粉炭よりもバイオマスである。

Ａ 粉体燃料バーナ
Ｆ 主燃料混合流
Ｆ１ 濃縮流
Ｆ２ 希釈流
Ｈ 火炉壁
Ｒ 火炉開口
１ 内側ダクト
２ 外側ダクト
２ａ ダクト本体
２ｂ ノズル部材
２ｃ ディフレクタアングル
３ オイルガン
４ 点火トーチ
５ 内側スロート部材
６ 内側ダンパ
７ 外側スロート部材
８ 外側ダンパ
９ 半径方向濃縮部材
１０ 周方向濃縮部材
１０ａ 濃縮突起

Claims (4)

1. 少なくとも粉体燃料を噴射する略円筒状のバーナノズルと、
   前記粉体燃料の濃度が局所的に高い領域を周方向において複数個所形成させる周方向濃縮部材と
   を備え、
   前記バーナノズルの内面には前記粉体燃料を中心軸周りに旋回流として流通させるディフレクタアングルが形成されており、
   前記周方向濃縮部材は、周方向に所定の角度ピッチで配列する複数の突起部を備え、
   前記突起部は、前記ディフレクタアングルと同位相で設けられていることを特徴とする粉体燃料バーナ。
2. 前記バーナノズルは、前記粉体燃料の内側への集中を抑制する半径方向濃縮部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の粉体燃料バーナ。
3. 前記周方向濃縮部材は、前記ディフレクタアングルに接していることを特徴とする請求項１または２に記載の粉体燃料バーナ。
4. 前記周方向濃縮部材は、前記バーナノズルの先端部に設けられる板材であって、周方向に所定間隔で内側に突出する複数の濃縮突起を備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の粉体燃料バーナ。

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