JPS60126508A - 微粉炭の燃焼装置 - 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】 本発明は、負粉炭の燃焼装置に係り、特に排ガス中の窒
素酸化物および灰中未燃分を低減するに好適なボイラ等
の燃焼装置に関するものである。

昨今のエネルギ需給情勢の変動により、多量のエネルギ
源を必要とする火力発電設備等においては、多稽燃料に
対し互換性のある燃焼技術の開発が急務となっている。

特に石炭の微粉砕物を燃焼させる所謂、微粉炭直接燃焼
設備においては、海外の多種多様なる銘柄炭に対応でき
る高効率無公害化燃焼技術が要求される。

石炭中には、ガス、油に比較して多量の有機窒素化合物
が含有されており、このため、燃焼時にこの有機窒素化
合物の酸化によるＮＯア（所謂、ＦｕｅｌＮｏｘ）の生
成が問題となる。

当初は、このＮＯ工生成は非常に避は難いものであると
考えられていたが、近年の猪研究成果によればＦｕｅｌ
　ＮＯ，生成の抑制が可能であることが示唆されている
。すなわち、燃料中の窒素化合物（Ｆｕｅｌ　Ｎと記す
）は、次の酸化・還元過程を経てＮＯ！上記の反応経路
は、酸素濃度、・息と勇の濃度比等に依存する。

一方、微粉炭から所謂、揮発分として発生する炭化水素
ガスは、燃焼初期において反応性が強く、且つ短寿命の
炭化水素ラジカル（・ＨＣ）を経由する。この・Ｈｅは
上記と同様に、０２まだはＮＯとも反志し、次の様な反
応経路をたどる。

いずれも、ＮＯの分解・還元過程には・ＸＮが関与して
おシ、効率的なＮＯのＮ宜への還元は、ある程度の酸素
存在下で且つ極めて燃料過剰な低空気比（（１）状態で
進行することが確められている。

本発明者らは、上記の反応を利用すべく、主燃焼域後流
に極低空気比バーナを有し、且つその後流において完全
燃焼を行なう所謂、炉内脱硝燃焼法を開発した。近年、
この方法は種々の燃焼形式に応用されている。

しかしながら、この方法は、ガス、油燃料については好
適に実施するととができるが、石炭については装置上、
種々の問題があることが分った。

これは、石炭粒子の燃焼は、本質的にガス、油燃焼と異
なっているという点に起因する。すなわち、石炭粒子は
、揮発分を放出した後、残った固体（チャーと呼ぶ）の
燃焼に移る。これが、全体としての燃焼時間を決定する
ことになる訳であるが、同一の石炭であっても、燃焼初
期の昇温の違いによって燃焼速度の異なるチャーが形成
されることが知られており、もし急速昇温過程を経ずに
チャーが形成された場合には、燃焼速度の遅いチャーを
含む未燃分が増大し、このため多大な燃焼時間を要する
ことになる。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくシ、灰
中未燃分の増大を回避し、且つＮＯ工を低減できる微粉
炭燃焼装置を提供することにある。

本発明の第１は、バーナ装置に係るもので、火炉側壁の
バーナスロート部に設けられた熱空気の噴出口と、該熱
空気噴出口に隣接して設けられた微粉炭気流の噴出口と
、該熱空気噴出口または／および微粉炭気流噴出口に設
けられたブラフボディ部材（例えばセラミック製）と、
該微粉炭気流噴出口の外側または外周に隣接して設けら
れた不活性気体ま−たは／および空気の噴出口とを備え
、前記ブラフボディ部材の後流に微粉炭流の再循環渦流
を形成して着火するとともに、その後流に高温の強還元
性雰囲気を形成するようにしたことを特徴とする。

本発明の第２は、上記バーナ装置を脱硝バーナとして主
燃焼バーナの後流に設けたもので、火炉内のガス流れ方
向に沿って順次、主燃焼バーナ、低空気比バーナおよび
アフタエアポートを備え、該バーナに対応してそれぞれ
主燃焼域、脱硝燃焼域および完全燃焼域を形成する微粉
炭の燃焼装置において、核低空気比バーナ（脱硝バーナ
）として、上記特定のバーナ装置を用いたものである。

すなわち、主バーナに対応させて脱硝バーナを配置させ
る場合に、該脱硝バーナの中心軸近傍にエアを供給して
チャーの急速昇温を図り、かつ微粉炭流の外周側に排ガ
スを供給して脱硝バーナの部分燃焼ガスと主バーナ燃焼
ガスとの接触する領域の燃料過剰な低酸素状態を維持す
るようにしたものである。

本発明の典型的態様としては、微粉炭を燃焼するボイラ
等の火炉において、微粉炭を複数個のバーナに分配して
燃焼させる際に、 １）火炉内ガス流れに沿って、その最も後流側に配置さ
れたバーナの平均空気比を０．６以下と２）該バーナの
構造については、（■）その中心軸近傍より熱空気（２
００℃以上）を噴出せしめ、（ＩＩ）該熱空気噴出口に
隣接して、環状もしくは層状に微粉炭気流を噴出せしめ
、（ｌＩＮ）該微粉炭管または／および該熱空気供給管
の先端部にキャップ（マウスピース）またはそれに代わ
るブラフボディ効果部材を設置し、（４）該微粉炭管に
隣接してその周囲に環状または層状に燃焼排ガス等の高
温・不活性気体を噴出せしめる構造を設け、 ３）該バーナの更に後流側に火炉全体として完全燃焼に
十分なる空気または空気および排ガスの混合気を投入す
ることによる３段燃焼方法が提示される。

本発明において、ブラフボディ部材を設けない場合は、
微粉炭流の渦流が形成されないために、着火または保炎
性が不良となり、従ってチャー（石炭粒子）の急速昇温
過程が存在しないだめに、難燃性のチャーが形成され、
これによってアフタエア圧よる完全燃焼が困難となり、
灰中未燃分の増大を生じる。

なお、火炎内部に空気不足、その外周（外輪または外層
）に高空気比層を形成するノ（−すを脱硝バーナとして
使用した場合は、上流（炉上方）の主バーナからの燃焼
ガスと脱硝炎のミキシング部において、肝腎の還元性中
間生成物が脱硝炎の中心部に集ま９、その回りを高空気
比層が取り囲むために、主バーナ燃焼ガス中のＮｏをＮ
！に還元するに際して有効に作用し得ない。

本発明は、事業用大容量火力発電用ボイラ火炉のように
１幅広い燃焼負荷帯に暖ってその高効率低ＮＯ，運用が
要求される燃焼装置に特に好適に用いられる。

以下、本発明を図面によりさらに詳細に説明する。

第１図は、本発明に用いる脱硝用バーナの一実施例を示
す断面図である。このバーナ装置は、火炉６０の側壁の
バーナスロー）１０の中心軸１０４に設けられた酸素含
有気体（以下、空気で代表する）の供給管３０と、その
外側に設けられた、微粉炭流２１が通る筒状スリーブ２
０と、該スリーブ２０とバーナスロート１００間に設け
られた排ガス通路４０およびこれと連通ずるウィンドボ
ックス４０Ａとからなり、空気供給管３０の火炉側開口
端（空気流２１と微粉炭流３１の噴出接触部）には、該
２気供給管３０よりも径小の段差を形成するような保炎
部材５０が設けられている。

微粉炭流２１は、微粉炭と搬送用の空気まだは／および
排ガスとからなる。

近傍で、外側の筒状スリーブ２０を通して供給される微
粉炭流２１と接触し、保炎部材５０によるブラフボディ
効果により、微粉炭の濁流（循環流）を生じ、この部分
で着火すると同時に、保炎機能を発揮する。微粉炭流２
１は、全体として、いわゆる予混合気であり、従って任
意の組成に対する火炎保持のための諸操作条件（例えば
噴出流速ｅｔｃ）は極めて限られているが、空気流３１
と微粉炭流２１の噴出接触部に保炎部材５０を設置する
ことにより、前述の操作条件によらずに良好な早期着火
を得ることができる。

一方、微粉炭から生成した炭化水素ガス等の揮発成分は
、空気流Ｉによシその一部分は着火、熱分解、部分酸化
を受け（部分酸化ゾーンをＩ■で示す）、反応性に富ん
だ混合気■となり、高温の還元雰囲気を形成し、これが
排ガス４１に囲まれて拡散し、その中の少量の酸素、自
らが有する高温少量の残存酸素およびＯＨラジカル等の
酸化物質と徐々に混合しつつ（ゾーンＩＶ　）　、さら
に主バーナ燃焼ガスと接触、混合し、該燃焼ガス中のＮ
ＯがＮ２に還元される。

上記実施例において、保炎部材５０の形状は、ブラフボ
ディ効果を有する（非線形物体の下流側に再循環渦を生
じる）ものであれば、図示したように空気供給管の先端
に段差部を介して筒状部を設けだもの以外に、皿状、キ
ャップ（マウスピース）状等の種々の形状としてもよい
。また排ガス４４）＋は、低酸素濃度（０２が１０　ｖ
ｏｌ−以下、好ましくは６　ｖｏｌ以下）の気体であれ
ば他のガスでもよい。またバーナ構造としては、第１図
のような環状構造以外に、層状構造としてもよい。また
主バーナ燃焼ガスとの混合調整を容易にするために、排
ガス４＠幅に旋回をかけるように、通路４０にベーンな
どの旋回付与手段を設けることができる。なお、バーナ
スロー）１０と微粉炭管２０の間の通路４０には排ガス
４←礒の代りに空気を供給し、通常燃焼を行うこともで
きる。

上記のバーナ装置によれば、空気供給−＃Ｉ３０の先端
に保炎部材５０を設けたことにより、極低空気比でも微
粉炭流の着火を迅速かつ安定に行い、搬送流体４１（例
えば排ガス）の条件等の影響を受けることなく、安定し
た着火、保炎が可能となる。また空気流３１０回シに微
粉炭流２１を形成し、前記保炎部材の近傍でこれを早期
着火させることにより、高温の強還元性ラジカルを形成
することができ、さらＫこの強還元性ラジカルを排ガス
により有効に散布させ、主燃焼排ガスのようなＮＯｘ含
有ガスと接触、反応させることにより、高い脱硝率を得
ることができる。さらに本発明のバーナは、微粉炭を早
期着火させることにより、極低空気比でも燃焼性の良好
なチャーが得られるため、ＮＯｘ低減に際して灰中未燃
分の急増を防止することができる。このため、例えばボ
イラ火炉の高さを低くすることができ、装置のスペース
、設備費を軽減することができる。

本発明のバーナは、主バーナの後流に設けられる脱硝用
バーナとして特に適しているが、勿論、通常燃焼用のバ
ーナとしてこのバーナを多段に配置し、後流にアフタエ
アポートを設けた燃焼装置として使用することも可能で
ある。

次に第２図は、本発明のバーナを脱硝用バーナとして主
バーナの後流に配置した燃焼装置ｄの一実施例を示す説
明図である。図において、火炉６００対向する側壁には
、主燃焼バーナ（主バーナと称する）群７１、脱硝バー
ナ群７２およびアフタエアポート７３が、ガス流の方向
に順次設けられている。

主バーナ７１の空気比は、石炭の性質等によυ異なり、
１以上でも、１以下でもよいが、脱硝バーナ７２の空気
比は、強還元雰囲気を形成する上から、主バーナの空気
比よりも小さく、かつ好ましくは０６以下、特に好まし
くは０．３〜０．５である。アクタエアボート７３の供
給空気量は、主バーナおよび脱硝バーナの未燃分を完全
燃焼させるのに充分な量であればよい（全体として空気
比１以上）。

また脱硝バーナ７２の２次空気３１と３次空気４１の比
は２以上とすることが好ましい。また２次空気と３次空
気はそれぞれ旋回させて供給することが好ましく、この
場合、これらの旋回方向を逆にして供給する方がより好
ましい。

第３図は、第２図の燃焼装置に用いる主バーナ７１の好
適例を示したもので、その詳細は特願昭５８−１７２１
４７号に記載されている。すなわチ、コノバーナは、バ
ーナスロート１０の中心軸１０４に設けられた微粉炭管
１４１と、その外側に順次、環状通路１５０および１２
０を形成するように設けられた筒状スリーブ１４２およ
び１４３と、前記環状通路１２０に設けられた二次空気
ダンパ２２１およびベーン１７１と、筒状スリーブ１４
３とバーナスロート１００間の通路１３０に設けられた
三次空気ダンパ２３１および三次エアレジスタ１６２と
からなり、微粉に管ｘ４ｘの火炉側開口はその口径を開
口端に向って拡大するよう構成した外向き７レームキヤ
ツプ１００となっている。またスリーブ１４２．１４３
もフレームキャップ１００と同様に開口端に向って口径
を拡大させる漏斗状部１０１．１０２を形成している。

以上の構成のバーナにおいて、−次空気と微粉炭とから
成る微粉炭流２１は、前述の第１図の場合とは逆に中央
部の微粉炭管１４１を経て炉内に噴射し燃焼するが、こ
の場合、微粉炭管１４１に対してはインペラは設置して
おらず、かつ微粉炭流はフレームキャップ１００におい
て形成される小さな渦流１０３によって外側に拡散する
のを抑制され、ここで着火すると同時にバーナ軸心１０
４を中心としてバーナ近傍に高温還元炎１０５を形成す
る。この高温還元炎の・ＮＨ２、・ＣＮ等のラジカルお
よびＣＯ等の還元性中間生成物によってＮＯｘがＮ２に
気相還元される。すなわち、フレームキャップによって
微粉炭の拡散を防止することにより、高温還元域を従来
型バーナに比較してバーナ先端に近づけることができ、
従来型のスリーブを用いて二次空気、三次空気を噴射し
てもこれら空気の混合点より上流側に高温還元域が形成
されるので、良好な気相還元を行なうことが可能となる
。

高温還元域の下流においては、二次空気をダンパ２２１
で調整し、ベーン１７１で旋回させ、また三次空気をダ
ンパ２３１およびエアレジスタ１６２で調整し、それぞ
れ前記高温還元炎１０５の周りに供−給することにより
、二次空気及び三次空気を高温還元炎１０５と分離して
供給することができる。この場合、三次空気１３０の圧
力は、例えばエアレジスタ１６２の上流側で１２０　ｍ
植ｑ以上で運転すると良好な結果が得られることが分り
、まだこの際三次空気と二次空気の風量は約４＝１とす
ると効果的であることが確認された。

以上のように、三次空気１３０は強力な旋回力と適切な
風量が維持され、バーナスロートにおいて二次空気１２
０１三次空気１３０共に広い角度で炉内に噴射されるの
で、前述の如く高温還元炎がバーナ先端近傍で形成され
ても、高温還元炎と二次または三次空気の混合はバーナ
先端付近では僅かであり、このため良好な気相還元を行
なうことができる。一方、この高温還元炎の下流側にお
いては二次空気、三次空気の噴射エネルギーも低下しバ
ーナ軸心１０４側に流れ込み、未燃分の燃焼が行なわれ
る。

まだ、少量の二次空気１２０を、三次空気１３０とは異
なる旋回強度または旋回方向で噴出させることにより、
図中Ａで示される如き固定された循環渦を形成させるこ
とが出来ることも実験により確認された。この循環渦Ａ
の存在により、最外周空気（この実施例では三次空気Ｂ
）は、この循環渦のまわりで一旦微粉炭流２１とは極め
て効果的に分離され、しかもこの渦の存在のために、そ
の後流では微粉炭流により形成した高温還元炎１０５の
後流との混合を改善することができる。なお燃焼炉出口
ガスを再循環させた排ガス通路１５０は、微粉炭流と二
次空気の空間的分離のために有効であるが必ずし本多量
の排ガスを必要とするものではない。

第２図における主バーナ７１は上述のような特徴を有す
るが、この主バーナと同一のバーナを脱硝用バーナ７２
として用いると、主バーナでは第３図に示すように、バ
ーナの中心軸に微粉炭流が供給され、その回りを空気オ
だは排ガスで覆うように燃焼火炎が形成されるので、高
温の強還元性ラジカルが生成しても、空気層が介在する
ためにすぐに酸化されてしまい、主バーナのＮＯ，含有
燃焼ガスがこのラジカルと直接接触せず、脱硝用バーナ
としては不光分なものとなる。

すると（第２図）、この脱硝バーナではバーナ中心軸に
空気が供給され、その回シに微粉炭が供給され、早期に
着火して強還元ラジカルを生成するので、前述の場合と
は逆に中心軸の空気流の回りを覆うように強還元性ラジ
カルが生成し、このラジカルを含む排ガスが直接、主バ
ーナからの燃焼ガスと接触するので、充分な脱硝を行う
ことができる。

以上、本発明によれば、極低空気比でも微粉炭流の着火
を迅速かつ安全に行い、火炎検知器の誤動作等による爆
発の危険をなくすとともに、空気流の回シに微粉炭流を
形成し、保炎部材の近傍でこれを早期着火させることに
より、高温の強還元性ラジカルを形成することができ、
さらにこの強還元性ラジカルを排ガスによシ有効に散布
させ、主燃焼排ガスのようなＮＯ，含有ガスと接触、反
応させることにより、高い脱硝率を得ることができる。

さらに微粉炭の早期着火により、極低空気比でも燃焼性
の良好なチャーが得られるため、ＮＯ工低域に際して灰
中未燃分の急増を防止することができる。またこのバー
ナを三段燃焼装置の脱硝用バーナとして使用することに
より、主バーナの脱硝機能を補完し、さらに高い脱硝率
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いるバーナ装置の一実施例を示す
断面図、第２図は、本発明の微粉炭燃焼装置の一実施例
を示す説明図、第３図は、第２図の装置に用いる主バー
ナの構成例を示す断面図である。 １０・・・バーナスロート、２０・・・微粉炭管、２１
・・・微粉炭流、３０・・・空気供給管、３１・・・空
気流、４０・・・排ガス流録、４０Ａ−・・排ガス、４
１・・・排ガス流、５０・・・ブラフボディ部材（保炎
部材）、６０・・・ボイラ火炉、７１・・・主バーナ群
、７２・・・脱硝バーナ群、７３・・・アフタエアポー
ト。 第３図 ンｚ１　ン５１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）火炉側壁のバーナスロート部に設けられた熱空気
   の噴出口と、該熱空気噴出口に隣接して設けられた微粉
   炭気流の噴出口と、該熱空気噴出口または／および微粉
   炭気流噴出口に設けられたブラフボディ部材と、該微粉
   炭気流噴出口の外側または外周に隣接して設けられた不
   活性気体または／および空気の噴出口とを備え、前記ブ
   ラフボディ部材の後流に微粉炭流の再循環渦流を形成し
   て着火するとともに、その後流に高温の強還元性雰囲気
   を形成するようにしたことを特徴とする微粉炭の燃焼装
   置。
2. （２）火炉内のガス流れ方向に沿って順次、主燃焼バー
   ナ、低空気比バーナおよびアフタエアポートを備え、該
   バーナに対応してそれぞれ主燃焼域、脱硝燃焼域および
   完全燃焼域を形成する微粉炭の燃焼装置において、前記
   低空気比バーナは、熱空気の噴出口と、該熱空気噴出口
   に隣接して設けられた微粉炭気流の噴出口と、該熱空気
   噴出口または／および微粉炭気流噴出口に設けら、れた
   ブラフボディ部材と、該微粉炭気流噴出口の外側または
   外周に隣接して設けられた不活性気体または／および空
   気の噴出口とを備え、前記ブラフボディ部材の後流に微
   粉炭流の再循環渦流を形成して着火するとともに、その
   後流に高温の強還元性雰囲気を形成する本のであること
   を特徴とする微粉炭の燃焼装置。