(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、ボイラから排出される未燃分，ＣＯを更に低減することにある。【解決手段】  本発明は、微粉炭を火炉に噴出するバーナと、前記バーナの下流側に配置され、燃焼用空気を火炉内に噴出するアフタエアノズルとを備えた微粉炭焚きボイラであって、前記アフタエアノズルの噴出口断面が、前記噴出口の中心から外周側に向かって放射状に伸びる形状であることを特徴とする。【効果】  本発明によれば、ボイラから排出される未燃分，ＣＯを更に低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粉炭を火炉に噴出するバーナと、前記バーナの下流側に配置され、燃焼用空気を火炉内に噴出するアフタエアノズルとを備えた微粉炭焚きボイラであって、
前記アフタエアノズルの噴出口断面が、前記噴出口の中心から外周側に向かって放射状に伸びる形状であることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項２】
請求項１記載の微粉炭焚きボイラであって、前記アフタエアノズルの内部に、直進流が流れる流路と旋回流が流れる流路に区分けされていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の微粉炭焚きボイラであって、前記アフタエアノズルを水平方向に複数列並べた第１のアフタエアノズル段と、前記第１のアフタエアノズル段の上流側に第２のアフタエアノズル段を備えたことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項４】
請求項３記載の微粉炭焚きボイラであって、前記第１のアフタエアノズル段よりも上流側の火炉内の空気比が１.０未満であることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項５】
請求項３記載の微粉炭焚きボイラであって、前記第２のアフタエアノズル段へ供給される燃焼用空気の流量が、前記第１のアフタエアノズル段へ供給される燃焼用空気の流量より少ないことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項６】
請求項１記載の微粉炭焚きボイラであって、前記アフタエアノズルの噴出口に、噴出口形成板を設けることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粉炭焚きボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
微粉炭焚きボイラのＮＯｘ濃度を抑制するため、二段燃焼法が用いられている。
【０００３】
特許文献１のボイラは、バーナ、及びバーナの下流側に設けられたアフタエアノズルを開示する。そして、バーナは微粉炭燃料と燃焼用空気を火炉へ供給し、アフタエアノズルは燃焼用空気を火炉へ供給する。
【０００４】
バーナが火炉へ供給する燃焼用空気の量は、微粉炭燃料を完全燃焼させるために必要な理論空気比以下となる量である。そのため、バーナから噴出した微粉炭燃料は、空気不足の状態で燃焼する。そして、バーナ付近の火炉内空間は還元雰囲気となるため、その還元雰囲気が、バーナから発生するＮＯｘを窒素に還元し、ＮＯｘ生成を抑制する。
【０００５】
一方、還元雰囲気は酸素不足の状態であるため、バーナ付近の火炉内空間に未燃分が残り、ＣＯ（一酸化炭素）が発生する。この還元雰囲気で発生した未燃分，ＣＯを完全燃焼させるため、バーナの下流側に位置するアフタエアノズルが、理論空気比で燃焼させるために必要な空気量より若干多めの燃焼用空気を火炉内に供給する。そして、未燃分，ＣＯを低減した燃焼排ガスが火炉から排出される。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２０１１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の二段燃焼法において、アフタエアノズルから噴出した燃焼用空気と火炉内の燃焼ガスとの混合が不十分な場合、未燃分・ＣＯが高濃度でボイラ下流側に排出される可能性があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ボイラから排出される未燃分，ＣＯを更に低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、アフタエアノズルの噴出口断面が、噴出口の中心から外周側に向かって放射状に伸びる形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ボイラから排出される未燃分，ＣＯを更に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１２】
図４は、アフタエアノズルを適用したボイラ構造図である。燃料の石炭は、微粉炭製造装置によって微粉に粉砕され、バーナ２を通じて火炉１内へ供給される。一方、燃焼用空気はバーナ２およびアフタエアノズル３を通じて火炉１内へ供給される。バーナ２から噴出した微粉炭と燃焼用空気は火炉１で燃焼し、燃焼ガスを生成する。燃焼ガス５は、火炉１内を上昇し、アフタエアノズル３から供給される燃焼用空気７によって完全燃焼する。未燃分が減少した排ガス６は、火炉１を出て脱硝，脱硫された後、大気へ放出される。
【００１３】
図２は、本実施例におけるアフタエアノズル３の構造および火炉内での噴流を示す。アフタエアノズル３は、火炉の水平方向に複数列配置されている。図２は、複数個のアフタエアノズルのうち、１個を示した図である。
【００１４】
燃焼用空気はウインドボックス外壁９内に供給され、ウインドボックス内に設けられた複数のアフタエアノズル３に分配される。本実施例のアフタエアノズル３は、アフタエアノズルの中心軸上に配置された円管５１及び、円管５１の外周側に配置された外周部材５２を備える。そして、アフタエアノズル３は、円管５１の内部に形成された中央流路３０、および円管５１と外周部材５２との間に形成された外周流路３１に区分けされている。また、アフタエアノズルの噴出口には、噴出口形成板３７が配置されている。アフタエアノズルの噴出口形状は、この噴出口形成板３７に設けられた切れ込みによって決められている。
【００１５】
燃焼用空気は、直進流３５及び旋回流３６となって、火炉１内に供給される。旋回流３６の旋回強度は、レジスタ３２の羽角度によって調整できる。また、各流路に設けたダンパ３３，３４は、直進流および旋回流の流量配分を調整する。
【００１６】
図１（ａ）は、火炉内からアフタエアノズルを見た図である。また、図１（ｂ）は、噴出口断面の形状を示す。なお、図１（ｂ）において、実線５０はアフタエアノズル噴出口の外縁を示す。
【００１７】
直進流３５が流れる中央流路３０は、アフタエアノズルの中心軸上に配置されている。直進流３５の貫通力が高いため、直進流が炉中央まで到達する。従って、直進流３５は、炉内中央を燃焼ガスがすり抜けることを抑制し、ボイラ出口のＣＯを低減できる。
【００１８】
外周流路３１は、中央流路３０の外周側に位置する。直進流３５と比較して、旋回流３６の貫通力は小さい。そのため、旋回流３６は炉中央まで到達せず、ボイラ壁近傍で燃焼ガス５と混合する。
【００１９】
図１５は、本実施例の効果を検証した燃焼実験結果（ＣＯ特性）である。ＣＯ濃度は、試験用ノズルの下流位置で測定した。図１５は、アフタエアノズル噴出口が単一孔形状（Ｎｏ.１）の場合におけるＣＯ濃度を基準とした場合に、他の形状（Ｎｏ.２〜５）のＣＯ濃度を前記基準に対する相対値で示している。
【００２０】
Ｎｏ.１〜５の実験は、全燃料流量，全空気流量，バーナ空気比，火炉出口の空気比，バーナ部の形状，空気温度を一定とし、ＣＯ濃度の違いを評価した。また、これらの実験は、試験用アフタエアノズルの噴出口断面積を同一としたままで噴出口形状を変えている。そのため、Ｎｏ.１〜５は、アフタエアノズル出口流速の違いがなく、噴出口とＣＯ濃度の関係を評価できる。
【００２１】
まず、Ｎｏ.１〜４の１段燃焼について説明する。噴出口の断面積一定、かつ、噴出口形状を変更する（噴出平均流速一定で噴流形状を変える）場合、アフタエアノズルの噴出口形状がＣＯ濃度に影響を与えている。具体的には、アフタエアノズル噴出口の「外縁長さ」がＣＯ濃度に影響を与えていることが分かった。この「外縁長さ」とは、アフタエアノズルの噴出口断面において、噴出口の外周側に位置する噴出口外縁を曲線でつなぎ、この曲線に沿って計測した線長である。例えば、Ｎｏ.１の単一孔形状の場合、噴出口外縁は孔形状と一致する。また、Ｎｏ.２のように４つの円孔が円周上に配置されている場合の噴出口外縁は、それらの円孔外縁のうち、噴出口の外周側のみを結んだ曲線となる。Ｎｏ.３における噴出口外縁は、アフタエアノズル噴出口の外周側に配置された８個の円孔において、噴出口の外周側のみを結んだ曲線となる。Ｎｏ.４も同様の方法で、噴出口外縁を求めることが出来る。
【００２２】
図１５において、アフタエアノズル噴出口の外縁長さは、Ｎｏ.１が最も短く、Ｎｏ.４が最も長い。また、ＣＯ相対値は、この外縁長さに反比例する関係にあり、噴出口外縁長さが長くなるほどＣＯ濃度は低下する。特に、本実施例の形状のように、アフタエアノズルの噴出口断面が、噴出口の中心から外周側に向かって放射状に伸びる形状の場合（Ｎｏ.４）、ＣＯ濃度は最も低くなった。最もＣＯが低くなったアフタエアノズルは、図１（ｂ）と同じ噴出口形状である。
【００２３】
このように、アフタエアノズルの噴出口断面積を同一とした場合、噴出口断面が噴出口の中心から外周側に向かって放射状に伸びる形状とすることで、単一孔形状に比べ大幅なＣＯ低減が可能である。図１５に示すように、Ｎｏ.４の噴出口形状は、噴出口の外縁長さを単一孔形状の外縁長さの２倍以上にできる。そして、噴出口の外縁長さが増大すると、図２に示すようにアフタエアノズルから噴出する燃焼用空気の噴流と、火炉内を上昇する燃焼ガスとの接触領域（界面）１０が増大する。この接触領域（界面）１０が増大することで、界面での二次流れ（渦）１１による乱れも増加し、燃焼用空気と燃焼ガスとの混合が促進する。そのため、すばやく炉内酸素濃度が均一化し、ＣＯが低減する。
【００２４】
一方、Ｎｏ.２のアフタエアノズル噴出口を構成する４つの円孔は、外縁に含まれない部分が存在する。この部分は、アフタエアノズルから噴出した燃焼用空気及び火炉内の燃焼ガスが接触する領域（界面）とならない。そのため、Ｎｏ.２の外縁長さは、Ｎｏ.４に比べ短くなっている。Ｎｏ.３の外縁長さも同様である。従って、Ｎｏ.２及び３のように、複数の円孔を配列する場合、燃焼ガスが燃焼用空気の噴流の中心に入り込まないため、接触領域（界面）が減少する。
【００２５】
本実施例では、アフタエアノズルの噴出口断面が噴出口の中心から外周側に向かって放射状に伸びる形状となるため、燃焼ガスが噴流の中心に入り込み、接触領域（界面）を効率的に増やすことが出来る。
【００２６】
そして、バーナ２とアフタエアノズル３の距離（滞留時間）を十分にとれば、燃焼ガス５の熱はボイラ火炉１の壁を構成する水管に奪われ、燃焼ガスは低温となる。そのため、本実施例のように燃焼ガス５と噴流７の接触領域（界面）を増やしても、接触領域（界面）で生成するサーマルＮＯｘは少ない。よって、ＮＯｘ濃度の低減が図られているボイラが、本実施例のアフタエアノズルを適用することで、低減されたＮＯｘ濃度を維持したまま、未燃分・ＣＯを更に低減できる。
【００２７】
図５は、炉内の空気比分布を示す。炉内の空気比は、分布ライン１２となる。分布ライン１２において、アフタエアノズル３より上流側の空気比は０.８（燃料が完全燃焼するのに必要な理論空気量よりも、空気量が２０％少ない）であり、火炉出口の空気比は１.２となる。即ち、アフタエアノズルが残り０.４分の空気比に相当する空気量を火炉に供給する。図５のように、アフタエアノズル３より上流側の空気比が１.０未満のボイラが本実施例のアフタエアノズルを適用することにより、低減されたＮＯｘ濃度を維持したまま、未燃分，ＣＯを更に低減できる。また、本実施例による効果は図５の分布ライン１２の数値に限定されるものでない。
【００２８】
図３はアフタエアノズル構造の変形例である。図３のアフタエアノズル３は、図２のレジスタ３２がない。そのため、外周流路３１の流れも直進流３８となる。外周流路を旋回流にしなくても接触界面が増えており、噴出口近傍の未燃ガスをより多く巻き込み、混合を促進するので、壁近傍のＣＯも低くなり、図２のノズルと同様の効果が得られる。さらにレジスタがないため、製造コストを低減できる。
【実施例２】
【００２９】
図６は、サーマルＮＯｘを低減するアフタエアノズル配置およびボイラ内での噴流を示す。図７は、アフタエアノズル４を火炉内から見た図である。図中のアフタエアノズル３は図１，図２と同じ構造である。また、アフタエアノズル３は水平方向に複数列配置されており、第１のアフタエアノズル段を構成する。本実施例は、アフタエアノズル３の上流位置にさらに第２のアフタエアノズル段（アフタエアノズル４）を配置する。アフタエアノズル４の構造は、実施例１のアフタエアノズル３の構造とほぼ同一であり、噴出口形成板３７を備えていない点が相違する。そのため、図６において、アフタエアノズル３と同一の部材は同じ符号を用い、説明は省略する。
【００３０】
アフタエアノズル４からの噴流８は低ＮＯｘを実現するための噴流であり、接触領域（界面）を増やさなくて良い。そのため、アフタエアノズル４は、アフタエアノズル３のように複雑な噴出口断面とする必要はない。図６に示すように、第２のアフタエアノズル段から噴出する噴流８は、第１のアフタエアノズル段の噴流７よりも低流量，低流速とし、貫通力の弱い噴流となる。噴流８の貫通力は弱いため、噴流８は上流から上昇してくる燃焼ガスとともに火炉壁面に沿って流れる。そして、噴流８は下流に位置する噴流７の接触領域（界面）１０を覆うように流れる。このように、貫通力の強い噴流７は噴流８を巻き込む流れとなる。
【００３１】
噴流８中の酸素は、燃焼ガス５の未燃分と反応し燃焼する。そのため、下流に行くに従い噴流８の酸素濃度は低下する。よって、低酸素濃度の噴流８が噴流７と接することで、噴流７が噴流８を巻き込み、噴流７の接触領域（界面）１０の酸素濃度が低くなる。従って、火炎温度の上昇が抑えられ、サーマルＮＯｘの生成が抑制される。このように、第２のアフタエアノズル段はサーマルＮＯｘの抑制を目的とする。そのため、第２のアフタエアノズル段は、噴出口形成板３７のように複雑な出口形状とする必要はない。
【００３２】
図８は、本実施例のボイラ構造を示す。図４と比較して、第１のアフタエアノズル段（アフタエアノズル３）の上流に配置した第２のアフタエアノズル段（アフタエアノズル４）が、第１のアフタエアノズル段３より低流量，低流速となる噴流８（燃焼用空気）を供給している点のみ相違する。
【００３３】
図９，図１０は、本実施例における炉内の空気比分布を示す。図９の分布ライン１３に示すように、本実施例の空気比分布は、アフタエアノズル４より上流部のバーナ空気比を０.８（燃料が完全燃焼するのに必要な理論空気量より、空気量が２０％少ない）とする。また、アフタエアノズル４からの燃焼用空気投入後の空気比が０.９となるように、アフタエアノズル４は、空気比で０.１分の空気を供給する。アフタエアノズル３の直前まで空気比１.０未満とすることで、還元領域を拡大し還元時間を確保し、ＮＯｘを還元し、低ＮＯｘ化を図っている。
【００３４】
アフタエアノズル３からは残りの空気を供給し、火炉出口で空気比１.２になるように運用する。図５と同様に、本実施例の効果も分布ライン１３の数値に限ったものでない。
【００３５】
また、最下流に位置するアフタエアノズル３の噴流７が、燃焼ガス５を完全燃焼させる空気量の大半を占める。そのため、サーマルＮＯｘの大半は噴流７によって生成する。噴流８は、上述したように低流速，低流量で供給されるため、炉内の燃焼ガス５との混合も緩慢である。そのため、サーマルＮＯｘの生成は微少である。
【００３６】
図１０は、アフタエアノズルを３段にした場合における炉内の空気比分布を示す。ここでも、アフタエアノズル３（第１のアフタエアノズル段）より上流側の空気比は１.０未満である。第１のアフタエアノズル段より上流側の還元領域は、低ＮＯｘ化に寄与する。本実施例の分布ライン１４は、アフタエアノズル４（第２のアフタエアノズル段）へそれぞれ０.０５分の空気比となる空気量を供給する。ただし、図１０の分布ライン１４の数値に限ったものでない。
【００３７】
アフタエアノズルが３段の場合、第２のアフタエアノズル段を２段配置する。第２のアフタエアノズル段を２段とすることで、燃焼用空気を火炉へ供給してからボイラ出口に到達するまでの滞留時間が増大し、ＣＯ，未燃分がより低減するというメリットがある。また、アフタエアノズル４への空気量が少なくなり、燃焼ガス５との混合が緩慢となり、噴流８でのサーマルＮＯｘの生成がより抑制されるというメリットもある。
【００３８】
図１１，図１２，図１３，図１４は、アフタエアノズル３を火炉から見た形状の変形例を示す。図１と同様に中央に直進流れとなる中央流路３０を配置し、中央流路３０の外周側に外周流路３１を区分けして配置している。外周流路の流れは、旋回流，直進流ともに同様の効果が得られる。また、噴出口形成板を取り替えることで、アフタエアノズルの噴出口形状を容易に変更できる。
【００３９】
図１１〜図１４の場合、図１の噴出口形状よりさらに外縁長さが増大するため、よりＣＯを低減できる。
【００４０】
図１５において、Ｎｏ.５のアフタエアノズルは、実施例１の噴出口形状を２段アフタエアノズルに適用した結果を示す。図６，図８のように、アフタエアノズルを２段配置とし、第１のアフタエアノズル段にＮｏ.５のアフタエアノズル形状を用いた場合、１段燃焼のＮｏ.４に比べて、ＣＯは同等となり、ＮＯｘが約２割低減した。このように、実施例１のアフタエアノズルの噴出口形状を採用すると共に２段アフタエアノズルとすることで、ＣＯとＮＯｘを同時に低減することができる。
【００４１】
このようにアフタエアノズル構造および供給空気量を適正化し、アフタエアノズルの噴流、および供給方法の変更による燃焼方法の改善だけで、未燃分，ＣＯおよびＮＯｘを低減することができ、低コストかつ高効率で経済性の高い微粉炭ボイラを供給することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明により、アフタエアノズルでの燃焼方法の改善で、未燃分，ＣＯおよびＮＯｘが低減でき、低コストで信頼性が高く、高効率で経済性の高いボイラ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施例１において、アフタエアノズルを火炉から見た図、及び噴出口形状である。
【図２】実施例１のアフタエアノズル断面図である。
【図３】実施例１の変形例におけるアフタエアノズル断面図である。
【図４】実施例１のボイラ構造である。
【図５】実施例１の炉内空気比分布である。
【図６】実施例２のアフタエアノズル断面図である。
【図７】図６の上流側アフタエアノズルの開口部形状である。
【図８】実施例２のボイラ構造である。
【図９】実施例２の炉内空気比分布である。
【図１０】実施例２の炉内空気比分布（変形例）である。
【図１１】実施例２において、アフタエアノズルを火炉から見た図（変形例）である。
【図１２】実施例２において、アフタエアノズルを火炉から見た図（変形例）である。
【図１３】実施例２において、アフタエアノズルを火炉から見た図（変形例）である。
【図１４】実施例２において、アフタエアノズルを火炉から見た図（変形例）である。
【図１５】実施例１，２の実験結果である。
【符号の説明】
【００４４】
１  火炉
２  バーナ
３，４  アフタエアノズル
５  燃焼ガス
６  排ガス
７，８  噴流
９  ウインドボックス外壁
１０  接触領域（界面）
１１  二次流れ（渦）
１２，１３，１４  分布ライン
３０  中央流路
３１  外周流路
３２  レジスタ
３３，３４  ダンパ
３５，３８  直進流
３６  旋回流
３７  噴出口形成板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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