JPH11211010A - 微粉炭ボイラの燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ボイラ側壁近くでのガスの冷却による火炉出口
の一酸化炭素濃度の上昇を抑えることができ、かつ火炉
壁に設置される水管の腐食の危険性を低減することがで
きる微粉炭ボイラの燃焼方法を提供する。 【解決手段】複数個の微粉炭燃焼バーナを備えるととも
に、前記微粉炭燃焼バーナが、微粉炭と空気との混合物
（微粉炭流）を噴出する微粉炭ノズル１０と、空気を噴
出する空気ノズル１１とを備えている微粉炭ボイラの燃
焼方法において、前記複数個の微粉炭燃焼バーナのう
ち、ボイラの火炉側壁端に近い微粉炭燃焼バーナの空気
量を、他のバーナの空気量と微粉炭量の比率に対して多
くするようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微粉炭ボイラの燃焼
方法に係わり、特に複数個の微粉炭燃焼バーナを備える
とともに、この微粉炭燃焼バーナが、微粉炭と空気との
混合物（微粉炭流）を噴出する微粉炭ノズルと、空気を
噴出する空気ノズルとを備えている微粉炭ボイラの燃焼
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に、燃焼バーナにおいては燃焼
時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）の抑制が問題とな
る。特に、石炭は窒素含有量が気体燃料や液体燃料に比
べて多い。そのため、微粉炭燃焼バーナの燃焼時に発生
するＮＯｘを減少させることは、気体燃料や液体燃料の
場合以上に重要である。

【０００３】微粉炭の燃焼時に発生するＮＯｘは、その
大部分が石炭中に含まれる窒素分が酸化されて発生する
ＮＯｘ（フューエルＮＯｘ）である。このＮＯｘを減ら
すために、従来よりさまざまなバーナ構造や燃焼方法が
検討されてきた。

【０００４】燃焼方法の１つとして、火炎内に酸素濃度
の低い領域を形成し、酸素濃度の低いときに活発となる
ＮＯｘの還元反応を利用する方法がある。例えば、特開
平１−３０５２０６号公報，特開平３−２１１３０４号
公報あるいは特開平３−１１０３０８号公報等には酸素
濃度の低い雰囲気の火炎（還元炎）を形成し、かつ、石
炭を完全燃焼させる方法が開示され、さらに、微粉炭を
気流搬送する微粉炭ノズルを中心に、その外側に空気を
噴出する空気ノズルを備える構造が開示されている。

【０００５】これらの技術によれば、火炎の内部に酸素
濃度の低い領域を形成しており、還元炎領域でＮＯｘの
還元反応を進行させ、火炎内で発生するＮＯｘ量を少な
くしている。

【０００６】また、特開平３−２１１３０４号公報およ
び特開平３−１０３０８号公報には、微粉炭ノズルの先
端に保炎リングあるいは障害物を設けることにより、微
粉炭ノズルの先端部下流側に循環流を形成することが示
されている。この循環流内には高温のガスが滞留するた
め、微粉炭の着火が進み、火炎の安定性を高めることが
できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この従来の燃焼方法
は、ＮＯｘの還元域を形成するため、火炎内に酸素濃度
の低い領域を形成する。この酸素濃度の低い領域では一
酸化炭素が発生する。この一酸化炭素は火炉側壁のよう
に温度の低い領域ではそれ以上反応が進まず、火炉から
放出される。また、側壁に高温で酸素濃度の低い領域が
形成されると、火炉壁に設けられる水管が焼損や腐食す
る可能性がある。

【０００８】このため、従来は火炉出口での一酸化炭素
の濃度を抑制し、側壁の水管を保護するため、バーナか
ら供給する微粉炭と空気の割合を示す空気比を低くする
ことができなかった。また、一酸化炭素を反応させるた
めに二段燃焼方法における後段空気の投入量を増やす必
要があった。

【０００９】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、側壁近くでのガスの冷却による火
炉出口の一酸化炭素濃度の上昇を抑えることができ、か
つ火炉壁に設置される水管の腐食の危険性を低減するこ
とができる微粉炭ボイラの燃焼方法を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、複数
個の微粉炭燃焼バーナを備えるとともに、前記微粉炭燃
焼バーナが、微粉炭と空気との混合物（微粉炭流）を噴
出する微粉炭ノズルと、空気を噴出する空気ノズルとを
備えている微粉炭ボイラの燃焼方法において、前記複数
個の微粉炭燃焼バーナのうち、ボイラの火炉側壁端に近
い微粉炭燃焼バーナの空気量を、他のバーナの空気量と
微粉炭量の比率に対して、多くするようになし所期の目
的を達成するようにしたものである。

【００１１】また本発明は、複数個の微粉炭燃焼バーナ
を備えるとともに、前記微粉炭燃焼バーナが、微粉炭と
空気との混合物（微粉炭流）を噴出する微粉炭ノズル
と、空気を噴出する空気ノズルとを備えている微粉炭ボ
イラの燃焼方法において、前記微粉炭燃焼バーナから供
給する微粉炭量と空気量の比率を示す空気比（実際に供
給する空気量と微粉炭を完全燃焼させるのに必要な空気
量との比）で、ボイラの火炉側壁端に近いバーナを他の
バーナの空気比に比べ０．１以上高くするようにしたも
のである。

【００１２】またこの場合、前記側壁端に近い微粉炭燃
焼バーナの空気ノズルから噴出する空気の噴出方向を、
微粉炭ノズルの中心軸とのなす角度で３０度から５０度
の範囲としたものである。

【００１３】すなわちこのように形成された粉炭燃焼方
法であると、微粉炭燃焼バーナから供給する微粉炭量と
空気量の比率を示す空気比で、ボイラの火炉側壁端に近
いバーナを他のバーナの空気比に比べ０．１以上高くす
るようにした、すなわち側壁端近くのバーナの空気量を
増やし、その他のバーナの空気量を減らすことで、側壁
近くの酸素濃度を高め、側壁近くでのガスの冷却による
火炉出口の一酸化炭素濃度の上昇を抑えることができ、
また、側壁近くの酸素濃度が高まるので、火炉壁に設置
される水管の腐食の危険性を低減することができるので
ある。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１にはその微粉炭燃焼ボイラ
の火炉の概略が示されている。また、図２にはその水平
断面が示されている。これらの図において、１０は微粉
炭を気流搬送する微粉炭ノズルであり、１１は空気ノズ
ルである。また、２１はバーナから形成される火炎を示
している。なお、上流側は微粉炭搬送管と空気管（図示
せず）につながっている。

【００１５】この図１および図２に示す本発明の第１の
実施形態では、バーナからは微粉炭を完全燃焼するのに
必要な空気量に対し、少ない空気を供給する。そして、
火炉出口１４に近いところから、不足した空気を供給す
る空気供給口１７を有する。

【００１６】バーナからは空気比（実際に投入する空気
量と微粉炭を完全燃焼させるのに必要な空気量の比）で
１以下の空気量を供給する。このとき、隣接する側壁に
近いバーナに供給する空気量を増やし、それ以外のバー
ナに供給する空気量を減らす。図２に示す第１の実施形
態では、隣接する側壁に近いバーナの空気比を０．９、
それ以外のバーナの空気比を０．７に設定する。

【００１７】このとき、側壁近くの酸素濃度は均一な空
気比とする場合に比べて高い。このため、側壁近傍の一
酸化炭素濃度は低下する。側壁でガスが冷却され、燃焼
反応が進まずに火炉外へガスが放出される場合も一酸化
炭素濃度を低く抑えることができる。また、火炉壁に設
置される水管近傍は酸素濃度が高いので、材料の腐食を
抑制できる。

【００１８】なお、図１と図２では、バーナが火炉の対
向する２つの縦断面に取り付けられている対向燃焼方式
の火炉について示しているが、バーナが火炉の１つの縦
断面に取り付けられている片面燃焼方式の場合も同様で
ある。

【００１９】図３は本発明の第２の実施形態に係わる微
粉炭燃焼ボイラの火炉の概略図である。図３は微粉炭バ
ーナの中心軸を通る火炉の縦断面を、図４は水平断面を
示している。

【００２０】これらの図において、１０は微粉炭を気流
搬送する微粉炭ノズルを、１１は空気ノズルを示し、上
流側は微粉炭搬送管と空気管（図示せず）とつながって
いる。また、５５，５６，５７はバーナから形成される
火炎を示す。５３と５４はそれぞれ微粉炭流と空気ノズ
ルから噴出する空気の流れを示す。

【００２１】本実施形態も第１の実施形態の場合と同じ
く、バーナからは微粉炭を完全燃焼するのに必要な空気
量に対し、少ない空気を供給する。そして、火炉出口１
４に近いところから、不足した空気を供給する空気供給
口１９を有する。この二段燃焼用空気の流れを２０に、
二段燃焼域を５８に示す。図３では図１に示す第１の実
施形態と異なり、バーナが火炉の１断面に取り付けられ
ている片面燃焼方式である。

【００２２】また、図３において、微粉炭ノズルから離
れた空気ノズル１１の微粉炭ノズルに近い壁面に案内板
５１を有する。この案内板５１により、空気ノズル１１
から噴出する空気は微粉炭ノズルの中心軸に対し、３０
度から５０度の角度で外周方向に噴出する。このため、
空気は微粉炭ノズルの中心軸から離れて流れるので、火
炎は径方向に広がる。したがって、本実施形態のような
火炎ではバーナから噴出する微粉炭の流速は減衰し、火
炉内の滞留時間は長くなる。

【００２３】本実施形態のように、空気ノズルから微粉
炭ノズル中心軸に対して３０度から５０度で空気を噴出
する場合、空気の噴出速度は微粉炭と空気の混合物（微
粉炭流）の噴出流速に対し２対１から３対１の比率にす
ることが望ましい。微粉炭と空気の混合物の噴出流速が
微粉炭の安定燃焼に必要な流速（１３ｍ／ｓから２５ｍ
／ｓ）を考慮すると空気の噴出流速は約３０ｍ／ｓから
６０ｍ／ｓとなる。このとき、空気ノズルから噴出する
空気と微粉炭流はそれぞれのもつ運動量により、バーナ
近傍で離れて流れるので、火炎幅は広がる。また、微粉
炭の流速は噴出後、すみやかに減衰する。

【００２４】また、本実施形態のように、案内板を空気
ノズルに設ける場合、案内板を設けた空気ノズルから噴
出する空気は旋回流速成分をもたない直進流、もしくは
弱い旋回成分をもつ弱旋回流とすることが望ましい。こ
のとき、空気ノズルから噴出する空気と微粉炭流は旋回
流による遠心力が弱いので、バーナからスロート径で４
倍以上離れた下流では混合しやすくなる。このため、燃
焼反応が進み、灰中未燃分が減少する。

【００２５】バーナからは空気比（実際に投入する空気
量と微粉炭を完全燃焼させるのに必要な空気量の比）で
１以下の空気量を供給する。このとき、側壁端に近いバ
ーナに供給する空気量を増やし、それ以外のバーナに供
給する空気量を減らす。図２に示す実施形態では、側壁
端に近いバーナの空気比を０．９、それ以外のバーナの
空気比を０．７に設定する。このとき、側壁端近くの酸
素濃度は均一な空気比とする場合に比べ、高くなる。そ
こで、側壁近傍の一酸化炭素濃度は低下する。

【００２６】このため、側壁でガスが冷却され、燃焼反
応が進まずに火炉外へガスが放出される場合も一酸化炭
素濃度を低く抑えることができる。また、火炉壁に設置
される水管近傍は酸素濃度が高いので、材料の腐食を抑
制できる。

【００２７】また、本実施形態のようにバーナ近くで微
粉炭と空気の混合を抑制し、火炎の後段部（バーナから
バーナスロート径に対し４倍以上下流）において、微粉
炭と空気の混合を促進することで、火炎内に酸素の少な
い還元炎を広く分布できる。このとき、微粉炭の燃焼に
より発生するＮＯｘを低減できる。

【００２８】図５に本実施形態で用いた微粉炭バーナの
燃焼特性の一例を示す。横軸にバーナから供給する空気
と燃料との比率である空気比を示す。縦軸にそれぞれの
空気比における火炉出口でのＮＯｘ濃度を示す。従来の
バーナの特性を白丸、本実施形態で用いたバーナの特性
を黒丸で示す。

【００２９】従来のバーナにおいては空気と微粉炭の混
合が火炎後段部においても抑制したため、燃焼反応は進
まない。このため２段燃焼用空気と混合した際にＮＯｘ
が急増した。そこで、バーナの空気比を下げていくと、
ある空気比を境に火炉から排出するＮＯｘは上昇する。

【００３０】それに対し、本実施形態に示すバーナでは
火炎の後段部（バーナからバーナスロート径に対し４倍
以上下流）において、微粉炭と空気の混合を促進するこ
とで、燃焼反応を促進させ、２段燃焼用空気と混合した
際に発生するＮＯｘを抑制できる。また、火炎内に酸素
の少ない還元炎が広く分布するので微粉炭の大部分が還
元領域を通る。このためＮＯｘの還元反応で火炎の前段
部で発生したＮＯｘを無害化できる。このため、従来の
バーナに比べ、同一空気比でのＮＯｘは低減する。ま
た、バーナ空気比０．７までの範囲において、空気比を
下げるとＮＯｘが単調に減少する。

【００３１】図４には、火炉に４本のバーナを設置し、
側壁のバーナの空気比を０．７、それ以外を０．９と
し、全体としてバーナ空気比を０．８とした場合の例が
示されている。従来のバーナの場合、バーナ空気比０．
７では０．８に比べＮＯｘ濃度は上昇する。このため、
火炉全体として排出するＮＯｘ濃度は空気比を０．８均
一とした図５のＡ点に対し、Ｂ点で示されるように高く
なる。

【００３２】本実施形態に示すバーナにおいては、バー
ナ空気比０．７までの範囲でバーナ空気比を下げるとＮ
Ｏｘが減少する。そのため、火炉全体として排出するＮ
Ｏｘ濃度はバーナ空気比を０．８均一とした図５のＡ´
点に対し、Ｃ点で示されるようにほぼ同じとなる。

【００３３】このように、バーナ空気比を下げると単調
にＮＯｘ濃度が減少するバーナを用いたボイラでは側壁
近くのバーナの空気量を増やし、他のバーナの空気量を
減らす燃焼方法により、ＮＯｘ排出量を低く抑制し、か
つ、側壁近傍で発生する一酸化炭素濃度の低減や側壁の
腐食の危険性が少なくなる。

【００３４】以上説明してきたようにこのような粉炭燃
焼方法であると、側壁近くのバーナの空気量は増され、
その他のバーナの空気量は減らされるように制御される
ので、側壁近くの酸素濃度が高められ、側壁近くでのガ
スの冷却による火炉出口の一酸化炭素濃度の上昇は抑え
られるのである。また、側壁近くの酸素濃度が高まるの
で、火炉壁に設置される水管の腐食の危険性も低減する
ことができるのである。

【００３５】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、側壁近くでのガスの冷却による火炉出口の一酸化炭
素濃度の上昇を抑えることができ、かつ火炉壁に設置さ
れる水管の腐食の危険性を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の微粉炭ボイラの燃焼方法の一実施例に
係る微粉炭ボイラの縦断側面図である。

【図２】図１の微粉炭ボイラの水平断面図である。

【図３】本発明の微粉炭ボイラの燃焼方法の他の実施例
に係る微粉炭ボイラの要部拡大断面図である。

【図４】図３の微粉炭ボイラの水平断面図である。

【図５】微粉炭バーナの特性図である。

【符号の説明】

１０…微粉炭ノズル、１１…空気ノズル、１２…二段燃
焼用空気投入口、１３…火炉室、１４…火炉出口、１５
…燃焼用空気、１６…微粉炭と空気の混合物、１７…空
気供給口（二段燃焼用空気）、１８…バーナスロート
部、２１…火炎、２０，２２…二段燃焼用空気の流れ、
５１…案内板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津村 俊一 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 木山 研滋 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 神保 正 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 倉増 公治 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 森田 茂樹 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 野村 伸一郎 広島県呉市宝町３番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内 (72)発明者 森 三紀 広島県呉市宝町３番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個の微粉炭燃焼バーナを備えるとと
   もに、前記微粉炭燃焼バーナが、微粉炭と空気との混合
   物（微粉炭流）を噴出する微粉炭ノズルと、空気を噴出
   する空気ノズルとを備えている微粉炭ボイラの燃焼方法
   において、 前記複数個の微粉炭燃焼バーナのうち、ボイラの火炉側
   壁端に近い微粉炭燃焼バーナの空気量を、他のバーナの
   空気量と微粉炭量の比率に対して、多くするようにした
   ことを特徴とする微粉炭ボイラの燃焼方法。
2. 【請求項２】 複数個の微粉炭燃焼バーナを備えるとと
   もに、前記微粉炭燃焼バーナが、微粉炭と空気との混合
   物（微粉炭流）を噴出する微粉炭ノズルと、空気を噴出
   する空気ノズルとを備えている微粉炭ボイラの燃焼方法
   において、 前記微粉炭燃焼バーナから供給する微粉炭量と空気量の
   比率を示す空気比（実際に供給する空気量と微粉炭を完
   全燃焼させるのに必要な空気量との比）で、ボイラの火
   炉側壁端に近いバーナを他のバーナの空気比に比べ０．
   １以上高くするようにしたことを特徴とする微粉炭ボイ
   ラの燃焼方法。
3. 【請求項３】 前記側壁端に近い微粉炭燃焼バーナの空
   気ノズルから噴出する空気の噴出方向が、微粉炭ノズル
   の中心軸とのなす角度で３０度から５０度の範囲である
   請求項１または２記載の微粉炭ボイラの燃焼方法。