JPH11173507A - 燃焼装置及び該燃焼装置を備えたボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内周の一次燃焼用空気に強旋回を与え、火炎
中心部で空気不足下の燃焼を促進する。 【解決手段】 燃料をほぼ中心に設けたノズル１３より
噴射し、同心円環状に分割された複数の一次，二次，三
次燃焼用空気流路１，２，３より一次，二次，三次燃焼
用空気４，５，６を噴出する燃焼装置であって、外周の
少なくとも一部の二次，三次燃焼用空気流路２，３は、
二次，三次燃焼用空気５，６が外周より外側に向けて広
がるように形成され、内周の一次燃焼用空気流路１は、
一次燃焼用空気４に旋回を与えるように旋回羽根型の保
炎器８を内蔵している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料を用いるボイ
ラの燃焼装置（以下、バーナと称する）に係り、特に窒
素酸化物（以下、ＮＯｘと称する）の発生量を低減し、
かつ未燃炭素の発生量を低減するのに好適な燃焼装置及
び該燃焼装置を備えたボイラに関する。

【０００２】

【従来の技術】重油燃料中に含有される窒素分は、通
常、０．３％以下で、燃料中の窒素分が酸化されて発生
するフューエルＮＯｘと、空気中の窒素が高温下で酸素
と結合して発生するサーマルＮＯｘとは発生量がほぼ同
等である。しかし最近、アスファルト等を水エマルジョ
ン化した燃料に代表される新種燃料、及び硫黄分や窒素
分を高く含有し着火性や燃焼性が劣る難燃性のため使用
されなかった劣質油がその低コストのために見直され、
発電コストの低減を目的として使用量が増加している。
これら新種燃料や劣質油は一般に窒素分を多く含む一
方、ＮＯｘの環境規制値は年々厳しくなってきている状
況である。

【０００３】ＮＯｘの発生量を低減する方法として従来
より用いられている方法は次のようなものが一般的であ
る。通常、中心より燃料を噴射するバーナでは、バーナ
より噴出される燃焼用空気に旋回を与え、バーナスロー
トより噴出された後、外周の外側に向けて流れるように
構成し、徐々に燃料と空気とを混合させる方法である。
この方法は、バーナ付近の燃焼を徐々に進行させること
により、燃焼ガスの温度が高温になるのを抑制するもの
で緩慢燃焼法と呼ばれている。あるいは、バーナ部の空
気供給量を燃料が完全燃焼するのに必要な理論空気量以
下とし、燃料過剰状態で燃焼させて空気不足のために窒
素分が酸化され難いようにしてＮＯｘ発生量を低減させ
る二段燃焼法がある。この方法では、下流側で燃焼用空
気を再度供給し完全燃焼させる。しかしこれらのＮＯｘ
低減方法だけでは、新種燃料や劣質油を用いた場合、Ｎ
Ｏｘの低減は十分でなくなってきている。

【０００４】従来のボイラの系統図を図７に示す。従来
のボイラは、燃料噴射装置１２、燃焼用空気送風機２
６、バーナ３４、二段燃焼用空気供給孔３３、火炉１
８、過熱器１９、再熱器２０、節炭器２１、脱硫装置２
２、脱硝装置２３、集塵器２４及び煙突２５等を具備し
てなる。燃料は、圧力をかけられノズル１３より噴射さ
れる。このとき、通常、噴霧蒸気調整弁３０を経由した
蒸気あるいは燃料量調整弁２９を経由した空気等の噴出
媒体とともに噴射され、液体燃料の微粒化が促進され
る。噴射された燃料は、燃焼用空気送風機２６より送給
され燃焼用空気調整ダンパ３１を経由した燃焼用空気と
混合されて燃焼される。バーナ３４の燃焼用空気量は、
二段燃焼法を用いた場合、理論空気量の０．８０〜０．
９５倍程度で運用されるのが一般的である。その後、二
段燃焼用空気供給孔３３より残りの燃焼用空気が供給さ
れて完全燃焼される。これが前記の二段燃焼法である。
このとき、バーナ３４及び二段燃焼用空気供給孔３３よ
り供給される燃焼用空気量の合計は、理論空気量の１．
０５〜１．１０倍程度である。燃焼ガスは、発生した硫
黄酸化物及び窒素酸化物を脱硫装置２２及び脱硝装置２
３により除去され、集塵器２４によりばいじんを回収さ
れて煙突２５より排出される。

【０００５】従来のバーナを図８に示す。基本的なバー
ナの構造は燃料噴射装置１２、一次燃焼用空気流路５
１、二次燃焼用空気流路５２及び三次燃焼用空気流路５
３よりなり、二次燃焼用空気５は二次ベーン１０によ
り、三次燃焼用空気６は三次レジスタ１１により旋回を
与える構成である。また燃料噴射装置１２には、保炎器
７を設けている。図７に示す燃焼用空気送風機２６より
送られた燃焼用空気は、一次燃焼用空気４、二次燃焼用
空気５及び三次燃焼用空気６に分けられる。二次，三次
燃焼用空気５，６には、前記の緩慢燃焼を行うために二
次ベーン１０及び三次レジスタ１１により旋回が与えら
れる。しかし、一次燃焼用空気４に旋回をかける構造に
なっていない。

【０００６】図９に従来のバーナの作用を示す。保炎器
７は一次燃焼用空気４により淀み点１６を形成する。淀
み点１６は保炎器７の風裏に形成され、流速が極端に遅
くなるため、この部分に火炎が存在するように構成され
ている。また二次，三次燃焼用空気５，６は、それぞれ
二次ベーン１０及び三次レジスタ１１により旋回が与え
られる。燃焼用空気は旋回力により遠心力が発生し、バ
ーナスロート１４を出た後に外周へ向けて広がる。この
ため、燃焼用空気と燃料１５とは徐々に混合してゆっく
り燃焼する。従来のバーナでは、徐々に燃焼用空気と燃
料とを混合することにより、燃焼による急激な温度上昇
を抑制し、高温で空気中の窒素が酸化されて発生するサ
ーマルＮＯｘの発生量を低減するのが主体であった。

【０００７】従来のボイラで用いられる二段燃焼法と、
従来のバーナでの緩慢燃焼法によるＮＯｘの低減方法と
では、現在の環境規制値を満足することが徐々に難しく
なってきている。緩慢燃焼法によるＮＯｘ発生量の低減
方法は、高温域で窒素と酸素とが結合して発生するサー
マルＮＯｘの低減を主体としたものであって、燃料中の
窒素分から発生するフューエルＮＯｘを低減する効果は
小さい。しかし今後、窒素含有量の高い新種燃料や劣質
油の使用により、その燃料中の窒素分を起因とするフュ
ーエルＮＯｘの発生量の割合が高くなる。しかも環境規
制値の強化等で、環境規制値を満足するのが困難になる
ことは容易に予想される。また環境装置への負荷を高く
することは、脱硫装置に用いられる触媒の排ガス処理能
力を高める必要がある。つまり触媒充填量を多くする、
あるいは触媒自体の活性を高める等の必要がある。この
ことは、脱硫装置にかかるイニシャルコストやランニン
グコストを高くすることを意味する。つまり低コストな
新種燃料や劣質油を用いコスト低減の推進を目指しても
環境装置でコスト高となり、その効果が減じてしまうこ
とになる。

【０００８】すなわち窒素含有量の高い燃料を用い、運
転コストを下げたいという現状のニーズに対しては、燃
料中の窒素が酸化されて発生させるフューエルＮＯｘの
発生を低減させることが急務でありしかも不可欠であ
る。しかしながら従来のバーナで用いられる緩慢燃焼法
では、サーマルＮＯｘを低減することには十分配慮され
ていたが、燃料中の窒素分自体が酸化されて、発生する
フューエルＮＯｘを低減することには十分な配慮がされ
ていなかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】今後、窒素含有量の高
い新種燃料や劣質油の使用により、その燃料中の窒素分
を起因とするフューエルＮＯｘの発生量の割合が高くた
め、脱硫装置に用いられる触媒の排ガス処理能力を高め
る必要がある。つまり低コストの新種燃料や劣質油を用
いてコスト低減の推進を目指しても環境装置でコスト高
となり、その効果が減じてしまう。すなわち緩慢燃焼法
では、サーマルＮＯｘを低減することには十分配慮され
ていたが、燃料中の窒素分自体が酸化されて、発生する
フューエルＮＯｘを低減することには十分な配慮がされ
ていなかった問題点がある。

【００１０】本発明の課題は、内周の一次燃焼用空気等
の燃焼用空気に強旋回を与え、火炎中心部の空気不足下
の燃焼を促進する燃焼装置及び該燃焼装置を備えたボイ
ラを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の課題を達成するた
め、本発明に係る燃焼装置は、燃料をほぼ中心より噴射
し、同心円環状に分割された複数の燃焼用空気流路より
燃焼用空気を噴出する燃焼装置において、外周の少なく
とも一部の燃焼用空気流路は、燃焼用空気が外周より外
側に向けて広がるように形成され、内周の燃焼用空気流
路は、燃焼用空気に旋回を与えるように旋回羽根型の保
炎器を内蔵している構成とする。

【００１２】そして外周の少なくとも一部の燃焼用空気
流路は、燃焼用空気に旋回を与えて外周より外側に向け
て広がるように形成され、内周の燃焼用空気流路は、燃
焼用空気に旋回を与えるように旋回羽根型の保炎器を内
蔵している構成でもよい。

【００１３】また外周の少なくとも一部の燃焼用空気流
路は、燃焼用空気が外周より外側に向けて広がったの
ち、燃焼用空気の下流が中心側に逆流するように形成さ
れる構成でもよい。

【００１４】さらに外周の少なくとも一部の燃焼用空気
流路は、燃焼用空気が旋回力による遠心力で外周より外
側に向けて広がったのち、燃焼用空気の下流が中心側に
逆流するように形成される構成でもよい。

【００１５】そして燃焼用空気の旋回力は、スワール比
０．５以上である構成、また内周の燃焼用空気流路は、
燃焼用空気流量の調整機構を内蔵している構成でもよ
い。

【００１６】さらに内周の燃焼用空気流路及び外周の燃
焼用空気流路のそれぞれに、燃焼用空気流量を分割して
供給する構成、そして燃料は、油燃料で形成されるとと
もに、油燃料の還元領域は、中心軸と１５°〜４５°の
角度をなす構成でもよい。

【００１７】またボイラにあっては、前記いずれか一つ
の燃焼装置を備え、少なくとも燃料噴射装置、燃焼用空
気送風機、火炉、過熱器、再熱器、節炭器、脱硫装置及
び脱硝装置を具備してなる構成とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１を参照
しながら説明する。図１に示すように、燃料をほぼ中心
のノズル１３より噴射し、同心円環状に分割された複数
の一次，二次，三次燃焼用空気流路１，２，３より一
次，二次，三次燃焼用空気４，５，６を噴出する燃焼装
置であって、外周の少なくとも一部の二次，三次燃焼用
空気流路２，３は、二次，三次燃焼用空気５，６が外周
より外側に向けて広がるように形成され、内周の一次燃
焼用空気流路１は、一次燃焼用空気４に旋回を与えるよ
うに旋回羽根型の保炎器８を内蔵している構成とする。

【００１９】そして外周の少なくとも一部の二次，三次
燃焼用空気流路２，３は、二次，三次燃焼用空気５，６
に旋回を与え外周より外側に向けて広がるように形成さ
れる構成、さらに二次，三次燃焼用空気５，６が外周よ
り外側に向けて広がったのち、二次，三次燃焼用空気
５，６の下流で中心側に逆流するように形成される構
成、又は二次，三次燃焼用空気５，６が旋回力による遠
心力で外周より外側に向けて広がったのち、二次，三次
燃焼用空気５，６の下流で中心側に逆流するように形成
される構成でもよい。そして燃焼用空気の旋回力は、ス
ワール比０．５以上であるものとする。

【００２０】すなわち一次燃焼用空気流路１の流入方向
に対向して内蔵した旋回器８は、一次燃焼用空気４に強
旋回をかけることができる。旋回器８の一例を図２に示
す。旋回器８は一次燃焼用空気流路１に対してある角度
をもつ旋回羽根９を有し、旋回羽根９を通過することに
より、一次燃焼用空気４には、強旋回がかけられる。さ
らに二，三次燃焼用空気５，６にもそれぞれ図１に示す
二次ベーン１０及び三次レジスタ１１により旋回がから
れるため、燃焼用空気４，５，６は、すべてその旋回力
によりバーナスロート１４を流出した後に、外周より外
側へ向けて広がるように流れる。このため、旋回器８の
前面には図５に示す圧力の低い還元領域１７が形成され
る。

【００２１】本実施の形態の作用を説明する。まず、
一，二，三次燃焼用空気に強旋回を与えることにより、
それぞれの燃焼用空気には、遠心力が働きバーナスロー
トの出口で外周より外側へ向けて広がって流れる。この
動作によりバーナの中心部分の燃焼用空気が減少され
る。そのためこの部分（還元領域）は酸素濃度が低く、
圧力の低い部分ができる。しかも一次燃焼用空気流路に
設けた旋回羽根型の保炎器により、燃料は急速に着火さ
れる。燃料の急速着火によりバーナ中心部分の酸素濃度
はさらに低下する。しかも急速な着火によってこの部分
が高温になり、一旦、燃料中に含まれる窒素分が一次燃
焼用空気で酸化され、フューエルＮＯｘになる。ここで
極めて活性な炭化水素ラジカルができ、次に窒素含有ラ
ジカルが生成される。これらのラジカルは活性であるた
め、前記の燃料中で発生したＮＯｘを還元させることが
でき、燃料から発生したＮＯｘを窒素に変換することが
できる。

【００２２】そして最後に、強旋回により外周へ向けて
流れた燃焼用空気は、バーナの中心軸下流に発生した圧
力の低い部分に逆流するように動作する。この動作によ
りバーナ下流部分で酸素分圧が高い部分ができ、燃焼を
このバーナ最下流部分で促進する。本発明のバーナによ
り燃焼用空気に与えられる旋回力の強さは、旋回による
遠心力により、低圧力部分を形成する程の強さであり、
しかも一旦、外周より外側に向けて広がった燃焼用空気
が再び低圧部分に戻ってくる程の強さである。前記の火
炎中における還元作用は、燃焼用空気の旋回力を、流体
の旋回力を無次元数で規定するスワール数（スワール比
＝旋回流速／軸方向流速）で０．５以上にすることによ
り確実に形成される。またこのバーナによるＮＯｘ低減
法では、従来の緩慢燃焼法と同様に二段燃焼法を併用す
ることができるため、二段燃焼法によるサーマルＮＯｘ
の低減効果も二重に得られる。

【００２３】本発明の他の実施の形態を図３に示す。こ
の他の実施の形態は旋回器５８を一次燃焼用空気流路１
の奥（流入側）に設置し、しかも先端部分（中心）に保
炎器７を設置するものであり、一次燃焼用空気４に旋回
を与える旋回器５８を、保炎を行う保炎器７と分割した
構成を特徴とする。本構成により、形状が複雑な旋回器
５８を腐食や焼損に侵されにくいように奥に設置するこ
とができ、旋回器５８の交換頻度を低減しかつ形状が複
雑で製作コストの高い旋回器５８を安価な材料に変える
ことができて低コスト化が図られる。

【００２４】本発明の他の実施の形態を図４に示す。こ
の他の実施の形態は、風箱３２内に風箱内隔壁４０を設
置し、風箱３２の入口に一次燃焼用空気用風箱ダンパ４
２と二，三次燃焼用空気用風箱ダンパ４１とを設け、各
ダンパの下流に一次燃焼用空気量調整用ダンパ（調整機
構）３６及び二次燃焼用空気用調整用ダンパ（調整機
構）３８を設置し、内周の一次燃焼用空気流路１及び外
周の二次，三次燃焼用空気流路２，３のそれぞれに、燃
焼用空気流量を分割して供給したことを特徴とする。そ
れぞれのダンパにより、二次燃焼用空気５、三次燃焼用
空気６及び一次燃焼用空気４の流量を調整できる。さら
に一次燃焼用空気量調整用ダンパ３６及び二次燃焼用空
気量調整用ダンパ３８を、それぞれの一次燃焼用空気量
調整用ダンパレバー３５と二次燃焼用空気量調整用ダン
パレバー３７とで開閉又は微調整を可能にし、さらに一
次燃焼用空気４の調整範囲を大きくすることができる。
この作用により一次燃焼用空気量を減じることにより還
元領域が大きくなり、逆に一次燃焼用空気量を増やすこ
とにより還元領域が小さくなる。つまり還元領域の大き
さを操作することにより、ＮＯｘの低減効果を調整でき
る。すなわちＮＯｘの低減効果を弱くすることにより、
未燃炭素の発生量の低減効果を強化することが可能であ
り、バーナの燃焼性能を調整することが可能になる。

【００２５】本発明によるバーナの火炎、燃焼用空気の
流れの様子を模式により図５に示す。図５は本発明のバ
ーナの開発に使用した実験装置を用い、コールド試験を
行った計測結果に基づいて、その流動のパターンより本
発明によるバーナで形成される還元領域を推定し模式化
したものである。二，三次燃焼用空気５，６の旋回力に
より、バーナ前方の中央部で中心軸に対する１５゜〜４
５゜の角度範囲で還元領域１７ができている。さらに一
次燃焼用空気４が旋回器８で強旋回をかけられるため、
淀み点１６が形成されるとともに、還元領域１７内で油
燃料１５と燃焼用空気４，５，６との混合性能が高くな
る。

【００２６】本発明の他の実施の形態を図６に示す。図
６に示すバーナの二，三次燃焼用空気流路の先端部分に
コーン３９あるいはベルマウスを取り付けたものであ
る。この他の実施の形態により燃焼用空気を外周の外側
へ流すことができ、バーナ中心軸上の下流に強力な還元
領域を形成することができる。この還元領域により、劣
質油又は新種燃料中に多く含まれる窒素分から発生した
ＮＯｘ、すなわちフューエルＮＯｘをこの還元領域で窒
素にすることができ、ＮＯｘ発生量を低減できる。

【００２７】本発明の他の実施例としてボイラは、前記
いずれか一つの燃焼装置を備え、図７に示す少なくとも
燃料噴射装置１２、燃焼用空気送風機２６、火炉１８、
過熱器１９、再熱器２０、節炭器２１、脱硫装置２２、
脱硝装置２３及び集塵器２４等を具備してなる構成とす
る。

【００２８】本発明によれば、フューエルＮＯｘを低減
することができる。このため、窒素分の高い燃料を使用
しても排ガス中のＮＯｘを低減できる。しかも低コスト
で安定したエネルギを供給でき、その上、環境汚染物質
である窒素酸化物の発生量の低減に特に有効である。さ
らに着火・保炎性に優れる本発明によるバーナのもう一
つの特徴から、火炉出口での酸素濃度を低く保ったまま
で運転でき、未燃分も低いため、燃焼効率及びボイラ効
率を高く保つことができる。またその着火・保炎性の高
さでばいじんの発生量も少なく、集塵器にかかる負担も
軽減できる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、内周の燃焼用空気流路
に燃焼用空気を旋回する保炎器を内蔵したため、窒素分
の高い燃料を使用しても排ガス中のＮＯｘの発生量を低
減でき、また未燃分も低いため、燃焼効率及びボイラ効
率を高く保つことができる。またその着火・保炎性の高
さでばいじんの発生量も減少する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す断面図である。

【図２】本発明の他の実施の形態を示す断面図である。

【図３】本発明の他の実施の形態を示す断面図である。

【図４】本発明の他の実施の形態を示す断面図である。

【図５】本実施の形態の燃焼用空気の流れ及び燃料の噴
射方向を説明する図である。

【図６】本発明の他の実施の形態を示す断面図である。

【図７】従来のボイラを示す図である。

【図８】従来の燃焼装置を示す図である。

【図９】従来技術の燃焼用空気の流れ及び燃料の噴射方
向を説明する図である。

【符号の説明】

１ 一次燃焼用空気流路 ２２ 脱硫装置 ２ 二次燃焼用空気流路 ２３ 脱硝装置 ３ 三次燃焼用空気流路 ２４ 集塵装置 ４ 一次燃焼用空気 ２５ 煙突 ５ 二次燃焼用空気 ２６ 燃焼用空気送
風機 ６ 三次燃焼用空気 ２７ 蒸気ヘッダ ７ 保炎器 ２８ 燃料タンク ８，５８ 旋回器 ２９ 燃料量調整弁 ９ 旋回羽根 ３０ 噴霧蒸気調整
弁 １０ 二次ベーン ３１ 燃焼用空気調
整ダンパ １１ 三次レジスタ ３２ 風箱 １２ 燃料噴射装置 ３３ 二段燃焼用空
気噴出孔 １３ ノズル ３４ バーナ １４ バーナスロート ３５ 一次燃焼用空
気量調整ダンパレバー １５ 燃料 ３６ 一次燃焼用空
気量調整ダンパ １６ 淀み点 ３７ 二次燃焼用空
気量調整ダンパレバー １７ 還元領域 ３８ 二次燃焼用空
気量調整ダンパ １８ 火炉 ３９ コーン １９ 過熱器 ４０ 風箱内隔壁 ２０ 再熱器 ４１ 二次，三次燃
焼用空気用風箱ダンパ ２１ 節炭器 ４２ 一次燃焼用空
気用風箱ダンパ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料をほぼ中心より噴射し、同心円環状
   に分割された複数の燃焼用空気流路より燃焼用空気を噴
   出する燃焼装置において、外周の少なくとも一部の燃焼
   用空気流路は、前記燃焼用空気が前記外周より外側に向
   けて広がるように形成され、内周の燃焼用空気流路は、
   前記燃焼用空気に旋回を与えるように旋回羽根型の保炎
   器を内蔵していることを特徴とする燃焼装置。
2. 【請求項２】 燃料をほぼ中心より噴射し、同心円環状
   に分割された複数の燃焼用空気流路より燃焼用空気を噴
   出する燃焼装置において、外周の少なくとも一部の燃焼
   用空気流路は、前記燃焼用空気に旋回を与えて前記外周
   より外側に向けて広がるように形成され、内周の燃焼用
   空気流路は、前記燃焼用空気に旋回を与えるように旋回
   羽根型の保炎器を内蔵していることを特徴とする燃焼装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の燃焼装置において、外周
   の少なくとも一部の燃焼用空気流路は、燃焼用空気が外
   周より外側に向けて広がったのち、該燃焼用空気の下流
   が中心側に逆流するように形成されることを特徴とする
   燃焼装置。
4. 【請求項４】 請求項２記載の燃焼装置において、外周
   の少なくとも一部の燃焼用空気流路は、燃焼用空気が旋
   回力による遠心力で外周より外側に向けて広がったの
   ち、該燃焼用空気の下流が中心側に逆流するように形成
   されることを特徴とする燃焼装置。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項記載の燃焼
   装置において、燃焼用空気の旋回力は、スワール比０．
   ５以上であることを特徴とする燃焼装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項記載の燃焼
   装置において、内周の燃焼用空気流路は、燃焼用空気流
   量の調整機構を内蔵していることを特徴とする燃焼装
   置。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか１項記載の燃焼
   装置において、内周の燃焼用空気流路及び外周の燃焼用
   空気流路のそれぞれに、燃焼用空気流量を分割して供給
   することを特徴とする燃焼装置。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか１項記載の燃焼
   装置において、燃料は、油燃料で形成されるとともに、
   該油燃料の還元領域は、中心軸と１５°〜４５°の角度
   をなすことを特徴とする燃焼装置。
9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか１項記載の燃焼
   装置を備え、少なくとも燃料噴射装置、燃焼用空気送風
   機、火炉、過熱器、再熱器、節炭器、脱硫装置及び脱硝
   装置を具備してなることを特徴とするボイラ。