JPH0221107A - 微粉炭の低ＮＯｘ燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は微粉炭の燃焼方法に係り、特に、微粉炭の燃焼
時に発生する窒素酸化物（以下、ＮＯｘと称する）を低
減するのに好適な燃焼方法に関する。

〔従来技術〕

化石燃料中には、Ｃ，Ｈ等の燃料成分の他にＮ分が含ま
れる。特に、石炭の場合には、気体燃料や液体燃料に比
較してＮ分合有量が多い。従って。

石炭の燃焼時に発生するＮＯｘは、気体及び液体燃料の
燃焼時に発生するＮＯｘよりも多く、これを極力低減す
ることが要望されている。

種々の燃料の燃焼時に発生するＮＯｘは、サーマルＮＯ
ｘとフューエルＮＯｘとに分類される。

サーマルＮＯｘは、燃焼用空気中の窒素が酸素によって
酸化され、生成するものであり、フューエルＮＯｘは、
燃料中のＮ分の酸化により生成するものである。これら
のＮＯｘ発生を抑止するための燃焼法として、従来、燃
焼用空気を多段に分割して供給する多段燃焼法、低酸素
濃′度の燃焼排ガスを燃焼領域に混入する排ガス再循環
法等がある。

これらの低ＮＯｘ燃焼法に共通な原理は、低酸素燃焼に
よって燃焼火炎の温度を下げることにより。

窒素と酸素の反応を抑制することにある。ところで、前
記２種類のＮＯｘの中で、燃焼温度の低下によって発生
を抑止できるのは、サーマルＮＯｘであり、フューエル
ＮＯｘの発生は燃焼温度に対する依存性は低い。従って
火炎温度の低下を目的とする従来の燃焼法は、Ｎ分含有
量の少ない燃料からのＮＯｘ低減には有効であるが、発
生するＮＯｘの８０％近くがフューエルＮＯｘである微
粉炭燃焼に対しては効果が小さい。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、微粉炭特有の燃焼時のフューエルＮＯ
ｘの生成を考慮し、燃焼装置を大型化することなく、微
粉炭燃焼時に発生するＮＯｘを低減するに効果的な、燃
焼方法を提供するにある。

〔発明の概要〕

石炭中の可燃成分は、揮発成分と固体成分とに大別でき
る。この石炭固有の性質に従い、微粉炭の燃焼機構は揮
発成分が放出される微粉炭の熱分解過程、放出された揮
発成分の燃焼過程、更に、熱分解後の可燃性固体成分（
以下チャーと称する）の燃焼過程からなる。揮発成分の
燃焼速度は固体成分の燃焼速度よりはるかに早く、揮発
成分は燃焼の初期過程で燃焼する。また、熱分解過程で
は。

石炭中に含有されるＮ分も、他の可燃成分と同様に揮発
放出されるものとチャー中に残るものとに分かれる。従
って、微粉炭燃焼時に発生するフューエルＮＯｘは、揮
発性Ｎ分からのＮＯｘとチャー中のＮ分からのＮＯｘと
に分かわる。この二種類のフューエルＮＯｘの中で、チ
ャーからのフューエルＮＯｘは、チャーが燃焼すること
によって初めて生成するため、燃焼の後半までＮＯｘの
生成が続き、この対策が重要な鍵となる。

揮発性Ｎ分は、燃焼の初期過程及び酸素不足の燃焼領域
でＨＮａ　、　ＨＣＮ等の化合物になることが知られて
いる。これらの窒素化合物は、酸素と反応してＮＯｘに
なる他に、発生したＮＯｘと反応してＮＯｘを窒素に分
解する還元剤にもなり得る。この窒素化合物によるＮＯ
ｘ還元反応は、ＮＯｘとの共存系において進行するもの
であり、ＮＯｘが共存しない反応系では、大半の窒素化
合物はＮＯｘに酸化される。また、この還元物質の生成
は低酸素濃度雰囲気になる程進行し易い。

このように、微粉炭燃焼時のＮＯｘ低減法としては、還
元性をもつ揮発性窒素化合物とＮＯｘとを共存させ、窒
素化合物によりＮＯｘを窒素に還元する燃焼法が有効で
ある。即ち、ＮＯｘの前駆物質であるＮＨａ等の還元性
窒素化合物をＮＯｘの還元に利用することにより、発生
したＮＯｘの消滅とＮＯｘ前駆物質の消滅を行なわせる
燃焼法がＮＯｘ低減には有効である。

この原理に基づき、燃料をＮＯｘ発生用と還元剤発生用
とに二段に分割供給する燃焼法が既に公知であり、例え
ば、特公昭５５−２１９２２号に示される燃焼法は、複
数個のバーナを使用し、火炉内で燃料の二段供給を行な
うものである。この燃焼法は、主バーナからの火炎を空
気比１以上にすることにより主燃焼を行なう工程、ここ
で発生したＮＯｘを還元するために二段目のバーナから
燃料を供給して空気比１以下の還元領域を形成する工程
、更に、三段目のバーナから空気を供給し、還元領域で
の余剰燃料を燃焼する工程からなるものである。この燃
焼法によりＮＯｘ低減が可能なことはよく知られている
が、これを石炭燃焼に採用しＮ　Ｏｘ低減効果を高める
ためには、−段目、二段目、三段目バーナ間の距雛を大
きくし、各燃焼領域の区分を明瞭にする必要があるため
、燃焼炉が大きくなり、実用上は経済的に不利になる。

更に、実機ボイラへ適用する場合、例えば、電力用の大
型ボイラでは火炉幅２２ｍ、炉奥行１５．５ｍと燃焼炉
断面積が大きくなり、主バーすがらの主流と、炉壁に設
置した二段目、三段目バーナがら噴出させる燃料及び空
気とを完全に混合させることは困難である。故に、燃焼
炉断面内で燃料及び空気の不均一分布、これに伴ってＮ
Ｏｘ濃度の不均一分布が生じ、小型の試験炉で得られる
結果と同様なＮＯｘ低減効果は得られない。特に、三段
目バーナからの空気の混合が不良な時には、未燃分の放
出量が増加するため、燃焼効率の低下を生ずる。

更に、複数個のバーナを組み合わせたセルバーナに上り
燃料の二段供給燃焼を行なわせるものとして、特開昭５
６−９０６号、特開昭５６−１４９５１７号。

特開昭５７−１６７３号に示されるバーナが公知である
。

この公知技術によれば、燃焼炉の大型化防止に有効であ
り、−火燃焼領域である主燃焼領域及び二次燃力゛む領
域である還元燃焼領域からの反応生成物の混なも公知側
特公昭５５−２１９２２号に代表される燃焼法より改善
される。しかし、還元剤とＮＯｘの発生及び両者の混合
を理想的に具現化するには、還元剤の発生領域とＮＯｘ
発生領域の相互干渉を無くする。即ち、各反応領域での
反応終了後に各領域からの生成物を混合する必要があり
、反応途中での各領域の混合を少なくする必要′がある
。

前記公知例で、更に、ＮＯｘ低減の効果を上げるには、
前述のように、空気不足燃焼領域の反応促進及び空気不
足領域からの反応生成物と空気過剰領域からの反応生成
物との混合を、更に、改善する必要がある。

一般に、ＮＯｘ低減を図ると未燃分量が増加する傾向に
あり、低ＮＯｘ、低未燃分を同時に達成するには従来の
燃焼法では困難である。そこで、微粉炭燃焼の際、未燃
分の放出は５０メツシュ以上の粗大粒子に左右されると
して、粉砕後の石炭を微粉と粗粉とに分離する手段を設
け、別々のバーナに粗粉と微粉とを供給し、粗粉燃焼に
際しては空気比を高くし、微粉燃焼に際しては、空気比
を低くすることにより、低ＮＯｘと低未燃分の放出を達
成する微粉炭燃焼装置が特開昭５１−１０６２４１号に
述べられている。本燃焼装置は、従来の燃焼方式に比し
て、ＮＯｘ低減及び未燃分の放出低減には有効であるが
、公知側特公昭５５−２１９２２号と同様に、低空気比
で燃焼する微粉燃焼火炎からの未燃分と、これを燃焼す
るための空気の混合法が問題である。

本発明の特徴は、燃料石炭を多段に分割して供給する燃
焼方法で、燃料石炭及び燃料石炭搬送を兼ねた一次燃焼
空気とを噴出させる円筒状バーナの中心部に設けられた
一次燃料ノズルと、燃料石炭搬送を兼ねた二次燃焼空気
とを噴出させる、次燃料ノズルと同心円になるよう、一
次燃料ノズルの外周上に設けられた旋回流発生手段を具
備した二次燃料ノズルと、三次燃焼空気を噴出させる二
次燃料ノズルの外周に設けられた旋回流発生手段を具備
した三次空気ノズルとから構成される低ＮＯｘ燃焼バー
ナを、主バーナと副バーナとに二段に配置し、主バーナ
を排ガス流れについて上流に、副バーナを主バーナの下
流に設け、空気比０．９〜１．０で燃焼させた主バーナ
の燃焼排ガス中の窒素酸化物を、空気比１．１　以上で
燃焼させた副バーナの燃焼ガスで気相還元し完全燃焼さ
せることにある。

本発明は、主バーナの燃焼によって形成される空気不足
の領域で、微粉炭中の揮発性窒素化合物をＮＯｘＯｘ化
することなく、Ｎ　ＩＩ３．　ＨＣＮ等の還元性窒素化
合物にし、この還元性窒素化合物により、副バーナの燃
焼によって形成される空気過剰領域で発生するＮ　Ｏｘ
を還元する。

〔発明の実施例〕

第１図に本発明の一実施例のバーナを示す。本バーナは
、二つの燃料石炭の噴出ノズル１１゜１３、三次空気ノ
ズル１４及び燃焼炉予熱用燃料噴出ノズル１７より構成
される。燃料石炭−は一次燃料、二次燃料に区分され、
それぞれ一次燃料ノズル１１．二次燃料ノズル１３より
噴出した。燃焼用空気は、一次燃料の搬送に使用する一
次空気。

二次燃料の搬送に使用する二次空気、更に三次空気に分
離し、それぞれ二次燃料ノズル１１．二次燃料ノズル１
３．三次空気ノズル１４より噴出した。バーナ中心には
、円筒状の燃焼炉予熱用燃料噴出ノズル１７を設置し、
スタートアップ時の燃焼炉予熱時に、これより気体燃料
を噴出し、一次空気、二次空気、三次空気によって燃焼
した。燃焼炉内の温度が所定の温度に達した時に、気体
燃料の噴出を停止し、一次燃料及び二次燃料である微粉
炭をそれぞれの噴出ノズルより噴出した。

次燃料ノズル１１は、燃焼炉予熱用燃料噴出ノズル１７
の外周同心円」−に配置し、燃焼炉予熱用燃料噴出ノズ
ル１７を内管とし、一次燃料ノズル１１を外管する二重
円筒構造となるよう、円筒状のノズルとした、二次燃料
ノズル１３は、一次燃料ノズル１１の外周に設置し、一
次燃料ノズル１１と同心円となる環状ノズルとした。ま
た、二次燃料ノズル１３の噴出口には、軸流式の旋回流
発生器１５を設置し、二次燃料と二次空気とから成る混
和流に旋回流を与えて噴出した。三次空気ノズル１４は
、二次燃料ノズル１３の外周同心円上に設置した。三次
空気ノズル１４は、八本の円管によって構成され、また
、八本の円管はピッチサークル上に等間隔に設置した。

また、八本の円管はピッチサークルの接線方向に噴出口
を傾け、三次空気噴流が旋回流となるように設置した。

第２図は第１図の［−ｎ矢視図であり、第２図に三次空
気の噴出方向を矢印で示した。

第３図に第１図、第２図で示すバーナにより微粉炭を燃
焼した時のＮＯｘ発生量を示す。第３図の横軸は、一次
燃料と二次燃料とを完全燃焼するのに必要な理論空気量
によって、一次、二次、三次空気量の和を割った値であ
る空気比λを示し、縦軸は燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を
示す。使用した石炭は太平洋炭であり、２００メツシユ
のふるいを約８０％通過する粒径に粉砕して燃焼した。

微粉炭の供給量は３０ｋｇ／ｈであり、燃焼炉の大きさ
は、内径７００ｎｗａ、長さ２ｍであり、第３図に示し
た実験結果３１は、一次、二次燃料の供給量を等しく１
５ｋｇ／ｈとし、一次燃料によって形成される内炎の空
気比λ１を０．４　　に設定した実験条件下で得られた
ものである。また、全体の空気比λは、三次空気量を調
整することにより変化させた。第３図より、微粉炭燃焼
時に発生するＮＯｘは、空気比λが大きくなると増加す
ることがわかる。第３図には、本発明の効果を明らかに
するため、第１図に示したバーナを用い、供給する石炭
３０ｋｇ／ｈを全て一次燃料とし、二次燃料を零とした
時の実験結果３２も示した。第３図において、実験結果
３１と３２とを比較すれば明らかなように、二段燃料供
給法によれば、同一空気比において太きくＮＯｘ低減を
図れることがわかる。

第４図には、第３図に示した実験結果３１と同一条件下
で、即ち、一次、二次燃料ともそれぞれ１５ｋｇ／ｈの
微粉炭を供給した時の実験結果を示す。ただし、全体の
空気比λを約１．３　と一定にし、一次燃料と一次空気
で形成される内炎の空気比λｌ　（以下、これを一次空
気比と称する）を変化させた。また、全体の空気比λを
一定に保つために、一次空気比λｌの変化に伴って、三
次空気量を変化させた。第４図の横軸は一次空気比λ１
であり、縦軸は燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を示す。

第４図より、一次空気比λｌには最適値が存在し、ＮＯ
ｘが最小になる一次空気比が存在するとことがわかる。

このＮＯｘが最小になる一次空気比λｌの値は、一次、
二次燃料の配分比によって異なるが、１以下の値である
。この実験結果より、一次燃料で形成される内炎は還元
性雰囲気にし、二次燃料で形成される外炎は、空気比１
以上の完全燃焼領域とすることが、ＮＯｘの低減に有効
であることがわかる。

そこで、低ＮＯｘ燃焼方法として、二次燃料。

二次空気及び三次空気によって形成される空気比１以上
の完全燃焼領域を外炎とし、一次燃料と一次空気によっ
て形成される空気比１以下の還元性領域を内炎とする燃
料分割バーナを、主バーナと副バーナとに二段に配置し
、主バーナによる燃焼火炎を還元性雰囲気にし、副バー
ナによる燃焼火炎を完全燃焼領域にすることにより、更
に大きなＮＯｘの低減効果を得ることがわかった。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。

実施例１） 以上説明した第３図、第４図からの実験的検討結果より
、第１図のバーナを用いた場合の微粉炭の低ＮＯｘ燃焼
方法のシステムを第５図に示す。

ボイラ５１に本発明のバーナ５２，５３を二段に配置す
る。石炭ホッパ５４に貯蔵された燃料石炭５５は、粉砕
機５６により７４μｍ以下の石炭が約８０％を占めるよ
うに微粉化される。微粉炭の燃料石炭は、送風機５７か
らの石炭搬送空気５８により、主バーナ５２．副バーナ
５３にそれぞれ二段に分割して供給する。更に、石炭搬
送空気以外に三次空気として、送風機５９からの燃焼用
空気６０が主バーナ５２．副バーナ５３に供給される。

以上の全体構成によると、主バーナ５２によって形成さ
れる燃焼火炎を、空気比０．９〜１．０にして、やや不
完全燃焼させて、還元性物質発生雰囲気とし、副バーナ
５３による燃焼火炎を空気比１．１以上の過剰領域で完
全燃焼状態を形成させることにある。即ち、副バーナ５
３の燃焼によって発生するＮＯｘを、主バーナ５２の燃
焼によって生成するＮＨａ　、ＨＣＮ等の還元性窒素化
合物によって還元し、更に、ＮＯｘの低減を図る。

第６図に第５図で示す燃焼炉により微粉炭を燃焼した時
のＮＯｘ生成特性を示す。第６図の横軸は、主バーナの
空気比λを示し、縦軸は燃焼排ガス中のＮＯｘを示す。

ただし、全体の空気比λＴ。

即ち、主バーナと副バーナとに供給する微粉炭の燃料石
炭を完全燃焼するのに必要な最低空気量によって、主バ
ーナと副バーナのそれぞれの一次。

二次、三次空気量の和を割った値である空気比λＴを約
１．５　と一定にし、主バーナによって形成される火炎
の空気比λを変化させた。また、全体の空気比１丁を一
定に保つために、主バーナの空気比λの変化に伴って、
副バーナの空気量を変化させた。使用した石炭は一実施
例で使用した石炭と同様に太平洋炭を用いた。微粉炭の
供給量は主バーナ、副バーナ共に３０　ｋｇ／　ｋｌで
あり、燃焼炉は内径１ｍ角、高さ６ｍの角型竪型炉を用
いた。

第６図の実験結果は、主バーナ、副バーナとも一次、二
次燃料の供給量を等しく１５ｋｇ／ｈとした時に得られ
たものである。第６図より、主バーナの空気比λには最
適値が存在し、ＮＯｘが最小になる主バーナの空気比λ
は０．９〜１．０の値であることがわかる。この実験結
果より、主バーナによって形成される火炎は空気比０．
９〜１．０の還元性雰囲気にすることが、Ｎ　Ｏｘの低
減に有効であることがわかる。

第７図には、第６図と同様に第５図で示す燃焼炉により
微粉炭を燃焼とした時のＮＯｘ発生括を示す。第７図の
横軸は全体の空気比λＴであり、縦軸は燃焼排ガス中の
Ｎ　Ｏｘ　’ａ度を示す。第７図に示した実験結果７５
は、主°バーナ、副バーナの一次、二次燃料共に等しく
　１５　ｋｇ／　ｈの微粉炭を供給し、主バーナの空気
比λを０．９〜１．０とし。

副バーナの空気比λを１．１　以−ににした実験条件下
で得られたものである。また、全体の空気比λＴは、副
バーナの三次空気量を調整することにより変化させた。

第７図より、微粉炭燃焼時に発生するＮＯｘは、全体の
空気比を大きくすると発生量が増加する傾向にある。第
７図には１本発明の効果を明らかにするため、第５図に
示す燃焼炉を用い、供給する微粉炭の量は同じくし、主
バーナと副バーナの両バーナの空気比を１．１　以上に
して燃焼した時の実験結果７６も示した。第７図におい
て、実験結果７５と７６とを比較すると明らかなように
、第１図に示した外炎旋回型燃料分割バーナを主バーナ
、副バーナと二段に配置し、主バーナの空気比を０．９
〜１．０、副バーナの空気比を１．１　以上にした燃焼
方法によれば、同一全空気比でも更に太き（ＮＯｘの低
減を図れることがわかる。

次に、微粉炭燃焼時に放出される燃焼灰中未燃分量を比
較して第８図に示す。実験条件は第７図に示した実験結
果７５．７６と同一であり、主バーナ、副バーナとも一
次、二次燃料の供給量は等しく１５ｋｇ／ｈである。第
８図で、実験結果８１は、実験結果７５の実験条件と同
一で、主バーナの空気比を０．９〜１．０とし、副バー
ナの空気比を１．１　以上にした時の燃焼実験より得ら
れたものであり、実験結果８２は、実験結果７６の同一
条件下、即ち、主バーナと副バーナの両バーナ共に空気
比１．１　以上で燃焼した時に得られた結果である。第
８図に示す実験結果から明らかなように１本発明の燃焼
方法によれば、同一全空気比でも燃焼灰中未燃分の放出
量も低減することができ、即ち、燃焼効率の向上を図れ
る。

本実施例によれば、第１図に示したバーナを二段に配置
することより、ＮＯｘの低減を図ることができる。この
結果、従来の多段燃焼法によって実施されてきた。完全
燃焼を行なうための空気供給用バーナを別途設ける必要
がなく、しかも、Ｎ　Ｈａ等のユーティリティ増加もな
くＮＯｘを低減できる。従って、燃焼装置としては経済
性、容積が重要視されることは勿論であることがら、燃
焼装置の大型化を阻止できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、同構造のバーナを燃焼炉内のガス流れ
に対して二段に配置することにより、微粉炭燃焼火炎を
、副バーナ燃焼によるＮＯｘ発生領域と、これを還元す
るための主バーナ燃焼による還元性物質発生領域とに明
瞭に区分でき、更に。

両者からの反応生成物の混合を図り、ＮＯｘ還元反応を
促進することができるので、燃料二段供給燃焼を効果的
に行なうことができ、ＮＯｘ低減と同時に未燃分量の放
出低減を達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例で用いるバーナの断面図、第
２図は第１図の■−■矢視図、第３図は第１図のバーナ
で石炭を燃焼した時の空気比とＮＯｘの関係図、第４図
は第１図のバーナで石炭を燃焼した時の一次空気比とＮ
Ｏｘの関係図、第５図は本発明の一実施例の全体構成を
示すフローチャート、第６図は石炭を燃焼した時の主バ
ーナの空気比とＮＯｘとの関係図、第７図は石炭を燃焼
した時の全空気比とＮＯｘの関係図、第８図は全空気比
と燃焼灰中未燃分の関係図である。 １１・・・一次燃料ノズル、１３・・・二次燃料ノズル
。 １４・・・三次空気ノズル、１５・・・旋回流発生器、
１７・・・予熱用燃料噴出ノズル、５１・・・燃焼炉。 ５２・・・主バーナ、５３・・・副バーナ、５４・・・
石炭貯量３０ 空気比＼ 弔４図 １）で空気比χｌ 弔６０ 空気比Ｎ 率５図 弔７図 空気Ｆヒ 入Ｔ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、微粉炭の燃料石炭を多段に分割して供給する燃焼方
   法であつて、前記燃料石炭及び前記燃料石炭の搬送を兼
   ねた一次燃焼空気とを噴出させる円筒状バーナの中心部
   に設けた一次燃料ノズルと、前記燃料石炭及び前記燃料
   石炭の搬送を兼ねた二次燃焼空気とを噴出させ、前記一
   次燃料ノズルと同心となる様、前記一次燃料ノズルの外
   周上に設けられた旋回流発生手段を具備した二次燃料ノ
   ズルと、三次燃焼空気を噴出させ、前記二次燃料ノズル
   の外周に設けられた旋回流発生手段を具備した三次空気
   ノズルとから構成された低ＮＯ＿ｘ燃焼バーナを、主バ
   ーナと副バーナとに二段に配置し、主バーナを排ガス流
   れの上流に設け、副バーナを主バーナの下流に設け、空
   気比０．９〜１．０で燃焼させた主バーナの燃焼排ガス
   中の窒素酸化物を、空気比１．１以上で燃焼させた副バ
   ーナの燃焼排ガスで還元することを特徴とする微粉炭の
   低ＮＯ＿ｘ燃焼方法。