JPS6226413A - 石炭・水スラリ−バ−ナの噴霧方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は１石炭・水スラリー（以下ＣＷＭと称す）を燃
焼するバーナに係り、特に、燃焼時に発生するＮＯｘを
低減するのに好適な石炭・水スラリーバーナの噴霧方法
に関する。

〔発明の背景〕

微粉炭燃焼に代わる新しい石炭の燃焼方法として、微粉
炭と水を混合したＣＷＭ燃焼が石炭ボイラに利用されて
いる。ＣＷＭは、石炭を従来の石油系燃料と同様に、ポ
ンプでバーナまで供給することができるために、微粉炭
の空気搬送と比較して、流量制御の簡便さと燃料配管径
の縮少などの輸送面の利点がある。また、ボイラ用の燃
料としＣＷＭを考えると、燃料の発電量を高くする必要
性から、ＣＷＭに含まれる石炭の濃度を６２〜７０％に
まで高くした高濃度ＣＷＭがボイラ用燃料として用いら
れている。

さて、このように輸送面で利点を有するＣＷＭを燃焼す
る際には、微粉化して噴霧にする必要がある。ＣＷＭの
ように比較的粘度の高い流体の噴霧には、一般に二流体
アトマイザ−が使用されている。二流体式アトマイザ−
は、高流速の気体（噴霧用媒体）のＣＷＭに衝突させ、
霧化を行なうものである。霧化に高流速の気体を使用す
るため、噴出後のＣＷＭ気流の速度は極めて大きく、空
気搬送による微粉炭の場合の５倍程度にもなる。

さらに、噴霧されたＣＷＭは、その着火に先立ち水分の
蒸発域を必要とする。噴出速度が速く、かつ水分の蒸発
時間を必要とする結果、ＣＷＭの着火位置はバーナ面か
ら大幅に遠ざかることになる。

事実、ＣＷＭの燃焼火炎の最高温度域は微粉炭の場合よ
りもバーナ面から後続側に移り、その温度も１００〜２
００℃程度低いことが知られている。

このような着火位置の後退は、ＣＷＭの燃焼率が低いこ
との大きな原因となっている。

この着火位置の後退は、燃焼率ばかりでなく、ＮＯＸの
発生量に対しても大きな影響を及ぼしている。

ＣＷＭと微粉炭の燃焼はどちも石炭の燃焼ではあるが、
ＮＯｘの発生量はＣＷＭの方が多い。これは上記した着
火位置の後退による火炎構造の相違に大きな原因がある
と考えられる。微粉炭は空気比０．２〜０．３程度の条
件で２０〜３０　ｍ　／　ｓ程度の噴出速度で火炉内に
搬送される。このため、バーナから噴出する燃焼用空気
の混合を遅らせた。

いわゆる低ＮＯｘバーナにて燃焼を行なえば、微粉炭は
バーナから火炉内に噴出された直後に着火してＮＨ，等
のＮＯｘ還元性物質を生成し、ＮＯｘをＮ２　へ還元し
た後に燃焼用空気が混合するという火炎を構成する。こ
れに対して、ＣＷＭの火炎は前述の着火位置の後退のた
めに、着火位置の空気比が１近付となってＮＯｘ還元性
物質を生成しない火炎構造となる。

このように、ＣＷＭ燃焼では着火位置の後退が、燃焼率
、ＮＯｘ発生量の双方に悪影眠を及ぼしていると考えら
れる。そこで、ＣＷＭの着火位置を可能な限りバーナ近
傍に引き寄せることが、燃焼率を上げ、ＮＯｘ発生量を
抑制することにつながる。しかし１着火位置を引き寄せ
る方法のすべてがＣＷＭの燃焼特性改善に有効であるわ
けではない。例えば、ａ！ｌ焼用空気に強力な旋回を与
えていけば、その着火位置はバーナ側に近づいてくるこ
とはＣＷＭ燃焼においても既に知られている。シ。

かしこの方法では、燃焼率は著しく向上するものの、Ｎ
Ｏｘ発生量はむしろ増加してしまう。

このような問題点を解決するバーナとして、例えば特開
昭５９−１４５４０５号公報に示されるように。

アトマイザ−と火炉の間にバーナタイルを配した蒸発室
を設け、蒸発室の火炉と反対側から理論空気量の２０〜
３０％程度の空気を混合して燃焼するものが知られてい
る。この方法は、蒸発室内で噴霧粒子と空気を混合して
ガス化燃焼を行なわしめ火炉内に噴出し、しかる後に再
び燃焼用空気を混合して完全燃焼する方法である。しか
じから、この方法をそのまま、ＣＷＭに適用すると、蒸
発量のバーナタイルにＣＷＭ噴霧粒子が付着し流路を妨
げて流れが安定せず、火炎が非常に不安定となる問題が
ある。さらにまた、ＣＷＭを良好に蒸発室内で着火させ
るため、蒸発室の壁温は５００〜７００℃以上に保持し
なければならない。ところがＣＷＭは水が蒸発した後に
始めて着火するので、上記壁温を維持するためには、蒸
発室に混合する空気量の増加又は混合する空気の酸素富
化が考えられる。しかし、前記の空気量増加は蒸発室内
でのガス化燃焼を困難にする。また酸素富化は、実機ボ
イラー適用上、酸素プラントの設置が必要となり経済的
に不利になる。

〔発明の目的〕

本発明は上記欠点を改善しようとしてなされたもので、
その目的とするところは、ＣＷＭを燃焼する際に生成さ
れたＮＯｘを良好に低減するバーナを提供するところに
ある。

〔発明の概要〕

即ち、本発明の特徴とするところは、石炭・水スラリー
を噴霧するアトマイザ−を設け、このアトマイザ−の外
周から空気を噴出する２次空気ノズルをアトマイザ−と
同心円状に配した石炭・水スラリーバーナの噴霧方法に
おいて、２次空気の噴出角度を７トマイザーの噴出角度
より小さくなし、かつ、２次空気の空気比を理論空気比
の０．３以上にした石炭・水スラリーバーナの噴霧方法
にある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は本発明によるバーナの一例の断面図である。本実施
例のバーナは、ＣＷＭを噴霧するアトマイザ−と、燃焼
用空気を噴出する２つの空気ノズルから構成される。バ
ーナの中心部には、ＣＷＭを噴霧するアトマイザ−１１
が設けられている。アトマイザ−１１は高速の気体でＣ
ＷＭを噴霧する二流体アトマイザ−である。このアトマ
イザ−１１の噴霧媒体Ｇ１は空気であり、全空気流量の
２．５％を使用している。アトマイザ−１１の外周には
アトマイザ−１１と同心円をなすようにして、２次空気
ノズル１４が配置されている。

２次空気ノズルは１４出口に軸流式の２次空気スワラ１
２を有し、噴出する２次空気Ｇ２の旋回強度を変えられ
る。さらに、２次空気ノズル１４の外周に２次空気ノズ
ル１４と同心円をなすようにして、３次空気ノズル１５
が配置されている。３次空気ノズル１５はレジスタタイ
プの３次空気スワラ１３を有し、３次空気Ｇ３の旋回強
度を変えられる。また１６はバーナスロート、１７はバ
ーナタイルを示す。

第２図は、本実施例のバーナで使用したアトマイザ−１
１の断面図である。第３図は第２図の■−■矢視図であ
る。アトマイザ−１１は２重円管の流路と火炉側先端部
のノズルチップ部からなる。

２重円管の中心の内管２２はＣＷＭを供給する。

内管と外管で構成された円環状流路２１は噴霧媒体Ｇ１
　を供給する。噴霧媒体Ｇ１はノズルチップ２６に開け
られた噴出口２３を通り、ＣＷＭに高速で衝突し微粒化
する。このとき、噴出口２３は内管２２の接続方向でか
つ内管２２の端面をねらう角度で設けられているので、
噴霧媒体Ｇ、は内管２２の中で旋回流を形成し、旋回力
と媒体の有する運動エネルギーによってＣＷＭを良好に
霧化する。噴霧媒体Ｇ１は旋回流を形成する結果、噴霧
の流量分布はホロコーンの形状をなし、前記第１図に記
した噴霧角αは８０″である。また、ＣＷＭアトマイザ
−はＣＷＭの噴霧粒子が高速でアトマイザ−内壁に衝突
する。このため、アトマイザ−は高速の噴霧粒子による
摩耗を防止するため、ノズルチップ部先端にセラミック
２４を配し、保持具２５でノズルチップ２６に取り付け
られている。

第４図に、第１図で示したバーナによりＣＷＭを燃焼し
た時の燃焼特性を示す。第４図の横軸は、燃焼用空気全
量に対する２次空気流量の割合である２水空気空気比λ
２である。縦軸は、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度、ＣＯ濃
度及び、燃焼灰中の未燃成分の重量割合である灰中未燃
分である。実験は、炉の断面が６００ｍｍ角の角形で、
炉長６ｍの燃焼炉で行なった。実験条件は、ＣＷＭの供
給量が４０ｋｇ／ｈ、燃焼炉壁の最高温度が１２００℃
で平均温度が１０００℃、２次及び３次空気の空気温度
が１６０℃、燃焼炉出口の空気比が１．１４である。ま
た、ＮＯｘ発生量サンプル位置が燃焼ガスの滞留時間約
３秒である。ここで、空気比とは、燃焼を完全燃焼する
に必要な理論空気量に対する実空気量である。実験に使
用したＣＷＭの粒径分布は、７４μｍ以下の石炭重量割
合が７０％で、１０μｍ以下の石炭重量割合が２３％で
ある。またＣＷＭの石炭濃度は６５％であり、せん断速
度９０　Ｓ−１における粘度が１０００ｍ　Ｐ　ａ−５
である。

空気量配分は、Ｇ□が２．５％であり、２次空気Ｇ２　
と３次空気Ｇ３の割合を変化して２水空気空気比λ２を
変えた。

実験結果４１は、３次スワラ−の旋回強度を示すスワー
ル数が４．１の条件でＣＷＭを燃焼した結果である。実
験結果４２は３次スワラ−のスワール数が２．３、実験
結果４３は３次スワラ−のスワルー数が１．７条件でＣ
ＷＭを燃焼した結果である。

このときの３次空気の旋回方向は、アトマイザ−の１次
空気Ｇ、が成す旋回方向と逆である。ここで３次スワラ
−のスワラ−数はＳは次式（１）。

（２）で規定される。

２π＋Ｒ１＠ＣＯ８β （１）、（２）式中のβはスワラ−の羽根角度であって
、半径と羽根のなす角である。Ｚは羽根の枚数であり、
ｔは羽根の厚さである。Ｒ１はスワラ−の案内羽根の吹
き出し側の端点を結んだ仮想円の半径である。一方、２
次スワラ−のスワールはＯに固定した。すなわち２次空
気Ｇ２は直進流で噴出した。第４図から、２次空気空気
比λ２が０．３以上になれば、ＮＯｘは低減し、かつま
たＣＯ及び灰中未燃分も低減することがわかる。すなわ
ち、２次空気空気比を０．３以上にすれば、ＮＯＸの低
減及び燃焼率の高効率を同時に達成できることがわかる
。

第５図は、第１図で示したバーナによりＣＷＭを燃焼し
た時の燃焼特性を示す。第５図の横軸は燃焼炉出口の空
気比である。縦軸は、燃焼排ガス中のＮ　Ｏｘ濃度、Ｃ
Ｏ濃度、及び灰中未燃分である。実験は、３次空気のス
ワール数が４．１　、２次空気のスワール数がＯの条件
で行なった。実験結果５１は２次空気空気比が０．２３
の条件であり、実験結果５２は２次空気空気比が０．４
３の条件である。

この実験結果からも明らかなように、２次空気空気比を
０．３以上にした効果が表われており、ＮＯｘの低減と
燃焼率の向上が同時に達成できていることがわかる。

第６図は、第１図で示したバーナによってＣＩＩＭを燃
焼した時の燃焼特性を示す。第６図の横軸は２次空気の
スワール数であり、２次空気の旋回強度を示す。２次空
気スワラ１２は軸流型のスワラであり、旋回強度を示す
スワール数Ｓは次式（３）ここでＲｈは、２次空気ノズ
ル１４゛の円環状の流路の内径であり、Ｒは円環状流路
の外径である。

またβは軸流スワラ−の羽根角度であって、バーナの中
心軸と羽根のなす角度である。この実験結果から、２次
空気スワラ−のスワール数は０．５以下にする必要があ
る。これは２次空気の主流とＣＷＭ噴霧の主流束が交差
した時に、ＮＯｘ濃度が下がり、燃焼効率が高くなるこ
とを意味する。

すなわち、第１図において、ＣＷＭ噴霧主流束の軌跡Ａ
と、２次空気の主流Ｇ２　が交差することを意味してお
り、ＣＷＭの噴霧角より小さな角度で２次空気を噴出す
ることと同等である。

本実施例によれば、ＮＯｘを良好に低減するとともに、
ＣＯや灰中未燃分を低減して燃焼効率を向上することが
できる。

第２の実施例の一例を第７図により説明する。

第７図は本発明によるバーナの他の実施例の断面図であ
る。第２の実施例のバーナは、ＣＷＭを噴霧するアトマ
イザ−と、燃焼用空気を噴出する２つの空気ノズル、及
び２次空気の流れ方向を変える目的で使用される保炎板
７６から構成される。

バーナの中心には、ＣＷＭを噴霧するアトマイザ−７１
がある。アトマイザ−７１は高速の気体でＣＷＭを噴霧
する二流体アトマイザ−である。アトマイザ−７１と同
心円をなすようにして、２次空気ノズル７４が配置され
ている。２次空気ノズルは７４出口に軸流式の２次空気
スワラ７２を有し、２次空気の旋回強度を変える。さら
に、２次空気ノズル７４の出口には、保炎板７６がある
。

２次空気ノズル７４と同心円をなすようにして、３次空
気ノズル７５が配置されている。３次空気ノズル７５は
レジスタタイプの３次スワラ７３を有し、３次空気の旋
回強度を変える。アトマイザ−７１の噴霧角αは１例え
ばＹジェット型アトマイザ−のように２０°〜６０＠程
度であって、第１の実施例のバーナで使用したアトマイ
ザ−１１の噴霧角より小さく噴霧の流速は速い。保炎板
７６は、円板の中心を円形に開けた開口部を有するドー
ナツ状の形状をしている。開口部の直径は。

２次空気ノズルの外径より小さくなっている。この保炎
板７６は２次空気Ｇ２の流れ方向が、ＣＷＭの噴霧角よ
り小さくなるようにして、２次空気とＣＷＭ噴霧を良好
に混合することを目的としている。

第８図に、第７図で示したバーナによりＣＷＭを燃焼し
た時の燃焼特性を示す。第８図の横軸は燃焼用空気全量
に対する２次空気流量の割合である２次空気比λ２であ
る。縦軸は、燃焼灰ガス中のＮ　Ｏｘ濃度、Ｃ○濃度、
及び灰中未燃分である。

実験は第１の実施例で示した実験条件並びにＣＶＭ性状
で行なった。実験における空気量配分は、１次空気が２
％であり、２次空気Ｇ２と３次空気Ｇ３の配分割合を変
化して２次空気空気比λ２を変えた。

実験結果８１は、（１）、（２）式で定義される３次空
気のスワール数が２．３であり、（３）式で定義される
２次空気のスワール数が１の条件で行なった。第８図か
ら、２次空気空気比が０．３以上になれば、ＮＯｘは低
減し、かつまたＣＯ及び灰中未燃分も低減することがわ
かる。すなわち、２次空気空気比を０．３以上にすれば
、ＮＯｘの低減及び燃焼率の向上を同時に達成できる。

第８図は３次空気スワラ−のスワール数が２．３の結果
であるが、３次空気スワラ−のスワール数を０．３から
４．５まで変化しても同等の結果を得ることができた。

第９図は、第７図で示したバーナによってＣＷＭを燃焼
した時の燃焼特性を示す。第９図の横軸は２次空気のス
ワール数であり、２次空気の旋回強度を示す、縦軸は、
燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度、Ｃ○濃度、及び、灰中未燃
分である。実験結果９１から、２次空気スワラ−のスワ
ール数は、０．５から１．２５の範囲にあれば、良好に
ＮＯｘを低ミベ 許できることがわかる。ＣＯ及び灰中未燃分に関しては
、２次空気スワラ−のスワール数を増加すＩるにしたが
って減少する傾向にある。しかしながら、Ｃ○濃度は高
くても２０ｐｐｍ以下、灰中未燃分も高くても４％以下
であり、実用上でこの傾向は問題にならない、２次空気
のスワラ−数が０．５から１．２５の範囲では、２次空
気は保炎板７６の円形状の開口部から噴出するまでに、
良好にＣＷＭ噴霧と混合することができる。さらに、２
次空気は保炎板７６の円形の開口部から噴出した後に、
旋回力によってＣＷＭの噴霧流速を低減することができ
る。一方、２次空気のスワラ−数を１．２５以上にする
と、２次空気とＣＷＭ噴霧の混合気は、保炎板７６の開
口部から噴出した後に、迅速に３水空気Ｇ、と混合する
。すなわち、２次空気の主流Ｇ２　と３次空気の主流Ｇ
、は、バーナの近傍で明瞭に分離されない。このために
、２次空気スワール数が１．２５以上の条件は、ＮＯｘ
が増加するのである。

第２図の実施例によれば、ＣＷＭの噴霧速度を低減し、
様らに、、ＣＷＭ噴露と２次空気を良好に混合すること
によって、ＮＯｘ濃度を効果的に減少することができる
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ＣＷＭの噴霧の中に２次空気を良好に
混合し、２次空気空気比を０．３以上にすれば、着火を
バーナ側へ近づけることができるので、良好にＮＯｘを
低減するとともに燃焼効率を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の石炭・水スラリーの噴霧に用いるバー
ナの一実施例の断面図、第２図は第１図７トマイザ一部
分の断面図、第３図は第２図の■−■線断面図、第４図
は第１図のバーナによるＮＯｘ濃度とＣ○濃度と灰中未
燃分の２次空気空気比による影響を示した特性図、第５
図は第１図のバーナによるＮＯｘ濃度とＣＯ濃度と灰中
未燃分の空気比による影響を示した特性図、第６図は第
１図のバーナによ６ＮＯｘ濃度とｃｏ濃度と灰中未燃分
の２次空気スワラ−のスワール数の影響を示した特性図
、第７図は本発明の石炭・水スラリーの噴霧に用いるバ
ーナの他の実施例を示す断面図、第８図は第７図のバー
ナによるＮＯｘ濃度とＣＯ濃度と灰中未燃分の２次空気
空気比による影響を示した特性図、第９図は第７図のバ
ーナによるＮＯｘ濃度とＣ○濃度と灰中未燃分の２次空
気スワラ−のスワール数の影響を示した特性図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、石炭・水スラリーを噴霧するアトマイザーを設け、
   このアトマイザーの外周から空気を噴出する２次空気ノ
   ズルをアトマイザーと同心円状に配した石炭・水スラリ
   ーバーナの噴霧方法において、２次空気の噴出角度をア
   トマイザーの噴霧角度より小さくなし、かつ、２次空気
   の空気比を理論空気比の０．３以上にしたことを特徴と
   する石炭・水スラリーバーナの噴霧方法。