(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化石燃料を燃焼させる燃焼装置を構成する火炉と、火炉の壁面に設置され化石燃料を燃焼させるバーナと、このバーナに燃料を供給するために配設された燃料供給系統と、バーナ及び火炉内に燃焼用気体を供給するために配設された燃焼用気体供給系統と、火炉に設置されバーナから供給された化石燃料を火炉内で燃焼させて発生した燃焼ガスと熱交換して蒸気を発生する熱交換器と、熱交換器と熱交換した後の燃焼ガスを火炉から排出する煙道とを有する燃焼装置において、
前記火炉内に燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の低減に寄与する還元剤の液状流体を供給する還元剤供給系統を配設し、
前記還元剤供給系統から供給された還元剤を火炉内を流れる燃焼ガスに対して拡散する噴霧粒子として火炉内に噴霧する噴霧ノズルを前記バーナよりも下流側の火炉の壁面に設置し、
前記噴霧ノズルの先端部に火炉内に噴霧する還元剤の噴霧粒子の拡散形状が火炉の壁面に対して水平方向に拡大した扁平な扇状を形成するように噴霧させる噴霧孔を設けたことを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
【請求項２】
化石燃料を燃焼させる燃焼装置を構成する火炉と、火炉の壁面に設置され化石燃料を燃焼させるバーナと、このバーナに燃料を供給するために配設された燃料供給系統と、バーナ及び火炉内に燃焼用気体を供給するために配設された燃焼用気体供給系統と、火炉に設置されバーナから供給された化石燃料を火炉内で燃焼させて発生した燃焼ガスと熱交換して蒸気を発生する熱交換器と、熱交換器と熱交換した後の燃焼ガスを火炉から排出する煙道とを有する燃焼装置において、
前記火炉内に燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の低減に寄与する還元剤の液状流体を供給する還元剤供給系統を配設し、
前記還元剤供給系統から供給された還元剤を火炉内を流れる燃焼ガスに対して拡散する噴霧粒子として火炉内に噴霧する噴霧ノズルを前記バーナよりも下流側の火炉の壁面に設置し、
前記噴霧ノズルの先端部に火炉内に噴霧する還元剤の噴霧粒子の拡散形状が火炉の壁面に対して水平方向に拡大したそれぞれ扁平な扇状を形成するように噴霧させる噴霧孔を複数個設け、前記複数個の噴霧孔は噴霧される噴霧粒子の拡散形状である扁平な扇状の広がり角度がそれぞれ異なるように構成されていることを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
【請求項３】
請求項１に記載の噴霧ノズルを備えた燃焼装置において、
前記噴霧ノズルは、その内部に還元剤を流通させる複数の配管が配設されており、これらの複数の配管は前記噴霧ノズルの先端部に設けた噴出孔にて合流するように噴霧ノズルの先端近傍でＶ字形状を形成して配設されていることを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
【請求項４】
請求項２に記載の噴霧ノズルを備えた燃焼装置において、
前記噴霧ノズルは、その内部に還元剤を流通させる複数の配管が配設されており、これらの複数の配管は前記噴霧ノズルの先端部に設けた第１の噴出孔にて合流するように噴霧ノズルの先端近傍で第１のＶ字形状を形成して配設され、
前記噴霧ノズルは、その内部に還元剤を流通させる別の複数の配管が配設されており、これらの別の複数の配管は前記噴霧ノズルの先端部に設けた第２の噴出孔にて合流するように噴霧ノズルの先端近傍で第２のＶ字形状を形成して配設され、
前記第１のＶ字形状を構成する角度と前記第２のＶ字形状を構成する角度とが異ならせて構成されていることを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
【請求項５】
請求項４に記載の噴霧ノズルを備えた燃焼装置において、
前記噴霧ノズルの先端部に前記第１の噴出孔をその内部に含む第１の溝部及び前記第２の噴出孔をその内部に含む第２の溝部がそれぞれ設けられていることを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
【請求項６】
請求項２又は請求項４に記載の噴霧ノズルを備えた燃焼装置において、
前記噴霧ノズル先端部に設けた複数個の噴霧孔から噴霧される噴霧粒子の拡散形状である前記扁平な扇状の広がり角度は、広がり角の狭い扇状の広がり角度が３０度乃至８０度に設定し、広がり角の広い扇状の広がり角度が９０度乃至１６０度に設定されていることを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
【請求項７】
請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の噴霧ノズルを備えた燃焼装置において、 
前記噴霧ノズル先端部に複数個設けた噴霧孔から噴霧されてそれぞれ前記前記扁平な扇状を形成する噴霧粒子は、一方の噴霧孔から広がり角度の狭い扁平な扇状を形成するように噴霧される噴霧粒子の粒子径が、他方の噴霧孔から広がり角の広い扁平な扇状を形成するように噴霧される噴霧粒子の粒子径よりも粗い噴霧粒子にして噴霧することを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
【請求項８】
請求項２に記載の噴霧ノズルを備えた燃焼装置において、
広がり角度の狭い扁平な扇状を形成するように噴霧される噴霧粒子の粒子径は約２００μｍ〜５００μｍの噴霧粒子を使用し、広がり角度の広い扁平な扇状を形成するように噴霧される噴霧粒子の粒子径は約５０μｍ〜１５０μｍの噴霧粒子を使用することを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
【請求項９】
請求項１又は請求項２に記載の噴霧ノズルを備えた燃焼装置において、
前記燃焼用気体供給系統を前記バーナと前記バーナの下流側の火炉壁面に設置した燃焼用気体供給口に接続して該燃焼用気体供給系統から供給した燃焼用気体をバーナと燃焼用気体供給口から火炉内にそれぞれ供給し、
前記噴霧ノズルを前記バーナと前記燃焼用気体供給口との間に位置する火炉壁面に設置していることを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
【請求項１０】
請求項１又は請求項２に記載の噴霧ノズルを備えた燃焼装置において、
前記燃焼用気体供給系統から燃焼用気体をバーナと燃焼用気体供給口から火炉内にそれぞれ供給するように前記燃焼用気体供給系統を前記バーナと前記バーナの下流側の火炉壁面に設置した燃焼用気体供給口にそれぞれ接続させており、
前記熱交換器は火炉の上部に離間して複数個設置されており、
前記噴霧ノズルを前記複数個設置された熱交換器の間となる燃焼ガス温度が９００℃〜１１００℃となる火炉の壁面に設置していることを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
【請求項１１】
請求項１又は請求項２に記載の噴霧ノズルを備えた燃焼装置において、
前記噴霧ノズルとして液状流体が持つ圧力により還元剤を噴霧粒子に微粒化する圧力噴霧式ノズルを使用することを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を燃焼させる発電用ボイラ等の燃焼装置に使用される噴霧ノズルを備えた燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電用ボイラのように高出力、高負荷の燃焼装置では、燃料をボイラの火炉内で水平燃焼させる浮遊燃焼方式が多く採用される。特に、燃料として石炭に代表される固体燃料を使用する場合、固体燃料（石炭）を粒子径で平均０．１ｍｍ以下に粉砕し、この燃料を空気等の搬送気体で搬送し、燃焼装置の火炉内で燃焼させる。また、燃料油のように液体燃料を使用する場合、燃料を噴霧ノズルで微粒化して火炉内で燃焼させる。
【０００３】
発電用ボイラのような高出力、高負荷の燃焼装置で燃焼させる燃料中に窒素分が多く含まれている場合には、窒素が燃料燃焼中に酸化されて窒素酸化物となる。また、火炉内の温度が高いと、燃料と共に供給される燃焼用空気中の窒素が酸化されて生じる窒素酸化物、いわゆるサーマルＮＯＸも生じやすい。
【０００４】
前記発電用ボイラのような燃焼装置から排出される燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯＸ）を低減させるために、低ＮＯＸバーナの適用や、二段燃焼法、無触媒脱硝法、触媒脱硝法等の各種の技術が提案されている。
【０００５】
燃焼ガスに含まれるＮＯＸの低減方法の１つとして、燃焼ガス中に還元剤を投入する方法がある。
【０００６】
米国特許４３２５９２４号公報には空気不足の燃焼ガス中に還元剤として尿素水を投入する方法に関する技術が開示されている。この技術では火炉内の空気不足の領域に還元剤を投入して還元剤により燃焼ガス中のＮＯＸを無害な窒素に変換している。ＮＯＸが発生する反応は燃焼ガスが高温となると促進されるので、還元剤を投入する際に燃焼ガスの冷却を抑制することが望ましい。
【０００７】
米国特許４８４２８３４号公報には、燃焼ガス中のＮＯＸを低減させる反応を促進するために火炉内に供給する還元剤を微粒化させる噴霧媒体の供給方法に関する技術が開示されている。
【０００８】
米国特許５３４２５９２号公報には、火炉の下流側の伝熱部に冷却ジャケットを有する配管を挿入し、配管途中に多数設けた噴霧ノズルから還元剤を噴出する方法に関する技術が開示されている。この技術では噴霧ノズルを火炉壁から燃焼ガス中に突き出して設置し燃焼ガス中にＮＯＸを低減させる還元剤を混合している。このため噴霧ノズルは燃焼ガスにより昇温されるので噴霧ノズルの冷却が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許４３２５９２４号公報
【特許文献２】米国特許４８４２８３４号公報
【特許文献３】米国特許５３４２５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで前記米国特許４８４２８３４号公報に開示された還元剤を微粒化させる技術では、還元剤の投入方法として噴霧媒体を利用して燃焼ガス中に噴霧している。
【００１１】
しかしながらこの技術では、噴霧された還元剤が流下する燃焼ガスに対して一定の混合時間で均一に混合させることが困難であるという課題がある。
【００１２】
即ち、燃焼ガス中に噴霧された還元剤が流下する燃焼ガスに対して上流側に広がると上流側では燃焼ガスの温度が高温すぎ、反応時間が所望の時間よりも長くなりすぎる。また、噴霧された還元剤が流下する燃焼ガスに対して下流側に広がると下流側では燃焼ガスの温度が低温すぎ、反応時間が所望の時間よりも短くなりすぎる。
【００１３】
この結果、燃焼ガスと還元剤とが一定の混合時間で均一に混合せず、還元剤と燃焼ガスとの反応が十分に促進しないので燃焼装置から排出される窒素酸化物を低減させることが困難になるという課題がある。
【００１４】
本発明の目的は、還元剤の噴霧粒子を火炉内の広い範囲に到達させて火炉内を流れる燃焼ガスと還元剤とを均一に混合して還元剤と燃焼ガスとの反応を促進し、燃焼装置から排出される窒素酸化物の低減を可能にした噴霧ノズルを備えた燃焼装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の噴霧ノズルを備えた燃焼装置は、化石燃料を燃焼させる燃焼装置を構成する火炉と、火炉の壁面に設置され化石燃料を燃焼させるバーナと、このバーナに燃料を供給するために配設された燃料供給系統と、バーナ及び火炉内に燃焼用気体を供給するために配設された燃焼用気体供給系統と、火炉に設置されバーナから供給された化石燃料を火炉内で燃焼させて発生した燃焼ガスと熱交換して蒸気を発生する熱交換器と、熱交換器と熱交換した後の燃焼ガスを火炉から排出する煙道とを有する燃焼装置において、前記火炉内に燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の低減に寄与する還元剤の液状流体を供給する還元剤供給系統を配設し、前記還元剤供給系統から供給された還元剤を火炉内を流れる燃焼ガスに対して拡散する噴霧粒子として火炉内に噴霧する噴霧ノズルを前記バーナよりも下流側の火炉の壁面に設置し、前記噴霧ノズルの先端部に火炉内に噴霧する還元剤の噴霧粒子の拡散形状が火炉の壁面に対して水平方向に拡大した扁平な扇状を形成するように噴霧させる噴霧孔を設けたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の噴霧ノズルを備えた燃焼装置は、化石燃料を燃焼させる燃焼装置を構成する火炉と、火炉の壁面に設置され化石燃料を燃焼させるバーナと、このバーナに燃料を供給するために配設された燃料供給系統と、バーナ及び火炉内に燃焼用気体を供給するために配設された燃焼用気体供給系統と、火炉に設置されバーナから供給された化石燃料を火炉内で燃焼させて発生した燃焼ガスと熱交換して蒸気を発生する熱交換器と、熱交換器と熱交換した後の燃焼ガスを火炉から排出する煙道とを有する燃焼装置において、前記火炉内に燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の低減に寄与する還元剤の液状流体を供給する還元剤供給系統を配設し、前記還元剤供給系統から供給された還元剤を火炉内を流れる燃焼ガスに対して拡散する噴霧粒子として火炉内に噴霧する噴霧ノズルを前記バーナよりも下流側の火炉の壁面に設置し、前記噴霧ノズルの先端部に火炉内に噴霧する還元剤の噴霧粒子の拡散形状が火炉の壁面に対して水平方向に拡大したそれぞれ扁平な扇状を形成するように噴霧させる噴霧孔を複数個設け、前記複数個の噴霧孔は噴霧される噴霧粒子の拡散形状である扁平な扇状の広がり角度がそれぞれ異なるように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、還元剤の噴霧粒子を火炉内の広い範囲に到達させて火炉内を流れる燃焼ガスと還元剤とを均一に混合して還元剤と燃焼ガスとの反応を促進し、燃焼装置から排出される窒素酸化物の低減を可能にした噴霧ノズルを備えた燃焼装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施例である噴霧ノズルを備えた燃焼装置を示す全体構成図。
【図２】図１に記載した第１実施例の燃焼装置に備えられた噴霧ノズルから噴霧される火炉断面での噴霧粒子の分布を示す説明図。
【図３】図１に記載した第１実施例の燃焼装置に備えられた噴霧ノズルの詳細を示す構造図。
【図４】図３に示した噴霧ノズルのＹ１方向の断面図。
【図５】図３に示した噴霧ノズルのＹ２方向の断面図。
【図６】本発明の第２実施例である噴霧ノズルを備えた燃焼装置を示す全体構成図。
【図７】図６に記載した第２実施例の燃焼装置に備えられた噴霧ノズルから噴霧される火炉断面での噴霧粒子の分布を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施例である噴霧ノズルを備えた燃焼装置について図面を引用して以下に説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明の第１実施例である噴霧ノズルを備えた燃焼装置である発電用ボイラについて図１乃至図５を用いて説明する。
【００２１】
本発明の第１実施例である噴霧ノズルを備えた燃焼装置として図１に発電用ボイラの全体構造を示し、この発電用ボイラの火炉の壁面に設けた噴霧ノズルから噴霧される噴霧粒子について、噴霧ノズルの設置高さにおける火炉断面での噴霧粒子の分布状況を図２に示す。
【００２２】
図１に示した本発明の第１実施例である噴霧ノズルを備えた燃焼装置である発電用ボイラにおいて、発電用ボイラを構成する火炉１の壁面に、燃料と燃焼用空気とを火炉１の内部に供給する複数個のバーナ２と、このバーナ２の下流側に位置して火炉１の内部に空気を供給する複数の空気供給口７とがそれぞれ設置されている。
【００２３】
前記バーナ２には燃焼用の空気を供給する燃焼用空気供給系統３と、燃焼用の燃料を供給する燃料供給系統４とが接続するように配設されている。
【００２４】
前記燃焼用空気供給系統３には、その途中からバーナ２に接続して燃焼用の空気を供給する配管５と、その下流側の空気供給口７に接続して燃焼用の空気を供給する配管６とがそれぞれ分岐して配設されている。
【００２５】
各々の配管５及び配管６には供給する燃焼用の空気の流量を調節する流量調節弁（図示せず）がそれぞれ設置されている。
【００２６】
前記バーナ２には燃料を供給する燃料供給系統４が接続されているが、この燃料供給系統４に燃料として石炭等の固体燃料を用いる場合には、該燃料供給系統４の上流側に固体燃料ホッパや粉砕機（何れも図示せず）が設置されると共に、この固体燃料を搬送するための固体燃料搬送気体を供給する供給系統（図示せず）が接続されている。
【００２７】
また、前記燃料供給系統４に燃料として重油等の液体燃料を用いる場合には、液体燃料の供給系統４に燃料の噴霧に使用する噴霧媒体の供給系統（何れも図示せず）が接続されている。
【００２８】
前記発電用ボイラにおいては、燃焼用空気は燃焼用空気供給系統３から配管５と配管６に分岐されて供給され、それぞれバーナ２と空気供給口６から火炉１内に噴出する。
バーナ２から供給される燃焼用の空気は燃料を完全燃焼させるために必要な理論空気量よりも少ない空気量を供給することで、火炉１内のバーナ２の近傍に空気不足で燃焼する還元域を形成させている。
【００２９】
このため、火炉１の内部で燃料を燃焼させて生じた燃焼ガス８は、この火炉１内のバーナ２の近傍に形成された還元域を上流から下流に上向きに流れることになる。
【００３０】
そしてこの還元域において、燃焼ガス８には燃料中に含まれる窒素分の一部が還元剤として生成し、バーナ２による燃焼で発生するＮＯＸを窒素に還元する反応が生じる。
【００３１】
この結果、火炉１出口での燃焼ガス８に含まれるＮＯＸ濃度はバーナ２から全ての燃焼用空気を供給する場合に比べて低減する。そして空気供給口７から残りの燃焼用空気を供給して燃料を完全燃焼させることで、燃焼ガス８に含まれた未燃焼分を低減させる。
空気供給口７から供給された燃焼用空気と混合した燃焼ガス９は、火炉１の上部に設置された熱交換器１０で熱交換して蒸気を発生させ、この熱交換器１０を流下した後に煙道１１を通り煙突１２から大気に放出されるように構成されている。
【００３２】
前記熱交換器１０で発生した蒸気は蒸気タービン（図示せず）の駆動蒸気として供給される。
【００３３】
前記発電用ボイラでは、火炉１の壁面に設置されたバーナ２と空気供給口３との間となる火炉１の壁面の位置に、ＮＯＸの還元剤を火炉１内に注入する噴霧ノズル１３が配置されている。
【００３４】
前記噴霧ノズル１３から注入される還元剤として、例えば加熱によりアンモニア（ＮＨ３）を生じる尿素水等の液体の還元剤を使用し、噴霧ノズル１３でこの還元剤を微粒化し噴霧粒子として火炉１内を流れる燃焼ガス８と混合させる。
【００３５】
この場合、噴霧ノズル１３から供給する還元剤による燃焼ガス８に含まれるＮＯＸの低減は、例えば燃焼ガス８に含まれるＯＨラジカルを利用した下記（１）式、（２）式の還元反応を利用する。
【００３６】
ＮＨ３＋ＯＨ  →  ＮＨ２ ＋Ｈ２Ｏ      ・・・・・・・（１）
ＮＨ２＋ＮＯ  →  Ｎ２＋Ｈ２Ｏ         ・・・・・・・（２）
噴霧ノズル１３によって還元剤を噴霧粒子に微粒化させるために、噴霧ノズル１３にはタンク１５から噴霧ノズル１３に還元剤を供給する還元剤供給系統１４が接続されている。
【００３７】
タンク１５から噴霧ノズル１３に供給される還元剤は還元剤供給系統１４に設置された昇圧ポンプ１６と流量調節器１７を介して必要量が供給される。
【００３８】
前記流量調節器１７の開度を制御する制御装置５０が設置されており、この制御装置５０には火炉１出口に設置されたＮＯＸ濃度検出器５１で測定された燃焼ガス９に含まれるＮＯＸ濃度の検出信号が入力される。
【００３９】
前記制御装置５０ではＮＯＸ濃度検出器５１で測定されたＮＯＸ濃度の検出信号とＮＯＸ設定値と比較された偏差信号に基づいて演算された還元剤の流量信号が該制御装置５０から流量調節器１７に指令値として出力され、前記流量調節器１７の開度を操作して還元剤の流量を調節することで噴霧ノズル１３から火炉１内に噴霧される還元剤の流量が制御される。
【００４０】
噴霧ノズル１３から噴霧される還元剤の噴霧粒子は、バーナ２と空気供給口７との間の火炉１内で形成される還元領域にて燃焼ガス８と混合する。
【００４１】
この火炉１内の還元域では、噴霧ノズル１３から還元剤として尿素水を供給する場合、尿素水はＮＨラジカル等に分解し、これが燃焼ガス８中のＮＯＸと反応して窒素を生成する。
【００４２】
このＮＨラジカルと燃焼ガス８中のＮＯＸとの反応は温度が高い程進む。また、酸素が存在すると、ＮＨラジカルが酸化されてＮＯＸとなる反応が進む。このため、火炉１内のバーナ２の近傍に噴霧ノズル１３を設ける場合、酸素が少ない還元域に噴霧ノズル１３から還元剤を供給することが望ましい。
【００４３】
本実施例の噴霧ノズルを備えた燃焼装置の場合、発電用ボイラの火炉１に設けた噴霧ノズル１３から還元剤を微粒化して火炉１内に噴霧する際に、火炉１内を上向きに流れる燃焼ガス８の流れに対して噴霧ノズル１３から噴霧する還元剤の噴霧粒子を直角方向（火炉１に対して水平方向）に拡大する扁平な扇状噴霧２２を形成させて噴霧させている。
【００４４】
本実施例の噴霧ノズル１３では、噴霧ノズル１３から噴霧される還元剤の噴霧粒子は微粒化された扁平な扇状噴霧２２となって流下する燃焼ガス８に対して直角方向に火炉１内の還元領域に広がって噴霧されるため、還元剤の噴霧粒子は流下する燃焼ガス８に対して直角方向から外れた上流側や下流側には広がらない。
【００４５】
このため、扁平な扇状噴霧２２の範囲では燃焼ガス８と混合する還元剤の噴霧粒子とが一定の混合時間で均一に混合するので、燃焼ガス８と混合する還元剤の噴霧粒子の濃度を均一にすることができる。
【００４６】
また、還元剤の噴霧粒子を扁平な扇状噴霧２２を形成するように流下する燃焼ガス８に対して噴霧することで、噴霧粒子と燃焼ガス８との混合時間を一定にできる。
この噴霧ノズル１３から噴霧される還元剤は扁平な扇状噴霧２２を形成するように噴霧することによって、噴霧ノズル１３の上流側にあるバーナ２から供給される燃焼用空気の流れや、噴霧ノズル１３の下流側の空気供給口７と噴霧粒子と干渉することは回避される。
【００４７】
噴霧ノズル１３から噴霧される還元剤の噴霧粒子は、噴霧粒子と燃焼ガス８との混合時間が一定にできるため、還元剤と燃焼ガス８との反応が促進され、燃焼装置から排出される窒素酸化物を低減できる。
【００４８】
なお、本実施例で使用する噴霧ノズル１３としては、噴霧流体が持つ圧力により流体が微粒化する圧力噴霧式ノズルが望ましい。このような圧力噴霧式ノズルを用いる場合、微粒化に使用される噴霧媒体が不要となる。
【００４９】
前記噴霧ノズル１３では火炉１内には還元剤のみが供給されるので、噴霧媒体を使用する場合と比べて、燃焼ガス８の温度の低下を抑えることができる。このため、還元剤と燃焼ガスとの反応が促進され、燃焼装置から排出される窒素酸化物を更に低減できる。
【００５０】
本実施例で使用する噴霧ノズル１３としては、図３乃至図５に示したように複数の噴出孔３０、３１を有する噴霧ノズル１３を使用するのが好適である。
【００５１】
本実施例で使用する噴霧ノズル１３は、図２に示したように火炉１の壁面に噴霧ノズル１３を対抗配置させ、前記各噴霧ノズル１３に設けた２つの噴出孔３０、３１から噴霧する還元剤の噴霧粒子を、広がり角度が狭い噴霧パターンの扁平な扇状噴霧２２Ａと、広がり角度が広い噴霧パターンの扁平な扇状噴霧２２Ｂとに形成させて火炉内にそれぞれ噴出させている。
【００５２】
即ち、本実施例で使用する噴霧ノズル１３は、図３乃至図５に示したように、前記各噴霧ノズル１３に設けた２つの噴出孔３０、３１のうち、一方の噴出口、例えば噴出孔３０から噴出される噴霧粒子は広がり角度の狭い扁平な扇状噴霧２２Ａの噴霧パターンの噴霧を形成させ、他方の噴出孔３１から噴出される噴霧粒子は広がり角度の広い更に扁平な扇状噴霧２２Ｂの噴霧パターンの噴霧を形成させている。
【００５３】
前記広がり角度の狭い扁平な扇状噴霧２２Ａの噴霧パターンにおける扇状の広がり角度は、扇状の広がり角度が３０度乃至８０度に設定するのが望ましい。
【００５４】
また、前記広がり角度の広い扁平な扇状噴霧２２Ｂの噴霧パターンにおける扇状の広がり角度は、扇状の広がり角度が９０度乃至１６０度に設定するのが望ましい。
【００５５】
また、前記扁平な扇状における扁平の状況は、扇状噴霧２２Ａ、２２Ｂの最大の広がり幅に対して扁平な厚みが約１／３以下の厚みとなるように形成するのが望ましい。
【００５６】
このように火炉１内で広がり角度の異なる扁平な扇状噴霧２２Ａ及び２２Ｂの形状となる２つの噴霧パターンを形成する複数の噴出口３０と３１とを先端部に設けた噴霧ノズル１３に備えることで、火炉１内の広い空間に亘って均一な濃度の噴霧粒子を供給することができる。このため隣接した噴霧ノズル１３の間の部分の噴霧粒子が供給されない火炉１内の空間２３の領域を狭めることができる。
【００５７】
即ち、噴霧ノズル１３の一方の噴出孔３０から噴霧の広がり角度の狭い扁平な扇状噴霧２２Ａの噴霧パターンで還元剤を噴霧することにより、火炉１の中央部にまで還元剤を供給することができる。
【００５８】
また、噴霧ノズル１３の他方の噴出孔３１から噴霧の広がり角度が広い扁平な扇状噴霧２２Ｂの噴霧パターンで還元剤を噴霧することにより、噴霧ノズル１３が設けられる火炉１の壁面近傍に還元剤を供給することができる。
【００５９】
噴霧の広がり角度の広い噴霧を行うためには、他方の噴出孔である噴出孔３１から噴出される噴霧粒子によって火炉１内に扁平な扇状噴霧２２Ｂの形状の噴霧粒子を形成することが望ましい。
【００６０】
火炉１内に形成される扇状噴霧２２Ｂの形状がより扁平となるため、この他方の噴出孔３１から噴出される広がり角度の広い扁平な扇状噴霧２２Ｂの噴霧パターンの噴霧粒子が、一方の噴出孔３０から噴出される広がり角度の狭い扁平な扇状噴霧２２Ａの噴霧パターンの噴霧粒子と干渉し難くなる。
【００６１】
噴霧の広がり角度が狭い噴霧の場合は広がり角度が小さいので、噴霧粒子の干渉が起きにくい。このため、扁平で扇状噴霧の他、円錐状の噴霧も可能となる。
【００６２】
さらに、本実施例の噴霧ノズル１３として、先端に設けた複数の噴出孔３０、３１のうち、噴霧の広がり角度が広い扁平な扇状噴霧２２Ｂの噴霧パターンを生成する噴出孔、例えば噴霧孔３１からは噴霧する還元剤の粒子として噴霧粒子径の小さい粒子を噴出することが望ましい。
【００６３】
例えば小径の噴霧粒子径としては約５０μｍ〜１５０μｍの粒子径であることが望ましい。噴霧粒子径が小さい場合には噴霧粒子の持つ運動量は小さく到達距離が短くなるため、噴霧粒子は火炉１壁面の近傍に留まる。
【００６４】
一方、広がり角度が狭い扁平な扇状噴霧２２Ａの噴霧パターンを生成する噴出孔、例えば噴霧孔３０からは噴霧する還元剤の粒子として噴霧粒子径の大きな噴霧粒子を噴出することが望ましい。
【００６５】
例えば大径の噴霧粒子径としては約２００μｍ〜５００μｍの粒子径であることが望ましい。噴霧粒子径が大きい場合には噴霧粒子の持つ運動量は大きく到達距離が長くなるため、火炉１の中央部にまで到達し易い。
【００６６】
図３乃至図５を用いて本実施例である噴霧ノズルを備えた燃焼装置に好適な噴霧ノズル１３の構造について詳細に説明する。
【００６７】
図３は本実施例である噴霧ノズル１３の構造を示す概略構造図であり、図４は図３に示した噴霧ノズル１３のＹ１方向の断面図を、図５は図３に示した噴霧ノズル１３のＹ２方向の断面図をそれぞれ示している。
【００６８】
図３乃至図５に示した噴霧ノズル１３の先端部には上述したように２つの噴出孔３０、３１を備えている。噴霧ノズル１３のノズル内部には前記噴出孔３０に対して対向する流路３２と流路３３が配設されており、これらの流路３２と流路３３が噴出孔３０で合流し、溝３６から火炉１内に噴流が噴霧される。
【００６９】
これらの流路３２と流路３３とは噴霧ノズル１３の先端部に設けた噴出孔３０にて合流するように噴霧ノズル１３の先端近傍で交差角度α１となるＶ字形状を形成するように配設されている。また、これらの流路３２と流路３３はその上流側で還元剤供給系統１４に接続している。
【００７０】
そして前記噴霧ノズル１３の先端部には噴出孔３０をその内部に含むように前記流路３２、３３の方向と直交方向に溝３７が形成されている。
【００７１】
噴霧ノズル１３内を流れる還元剤の噴霧流体は、流路３２、３３を流れて噴出孔３０の部分で相互に衝突し、噴霧ノズル１３から溝３６の方向に扁平で扇型に広がる液膜を形成し、この液膜が分離して液滴となり、火炉１内に噴霧される広がり角度の狭い扁平な扇状噴霧２２Ａとなる噴霧を形成する。
【００７２】
同様に前記噴出孔３１に対して対向する流路３４と流路３５が配設されており、これらの流路３４と流路３５が噴出孔３１で合流し、溝３７から火炉１内に噴流が噴霧される。
【００７３】
これらの流路３４と流路３５とは噴霧ノズル１３の先端部に設けた噴出孔３１にて合流するように噴霧ノズル１３の先端近傍で交差角度α２となるＶ字形状を形成するように配設されている。また、これらの流路３２と流路３３はその上流側で還元剤供給系統１４に接続している。
【００７４】
そして前記噴霧ノズル１３の先端部には噴出孔３１をその内部に含むように前記流路３４、３５の方向と直交方向に溝３６が形成されている。
【００７５】
噴霧ノズル１３内を流れる還元剤の噴霧流体は、流路３４、３５を流れて噴出孔３１の部分で相互に衝突し、溝３７の方向に扁平で扇型に広がる液膜を形成し、この液膜が分離して液滴となり、火炉１内に噴霧される広がり角度の広い扁平な扇状噴霧２２Ｂとなる噴霧を形成する。
【００７６】
前記噴霧ノズル１３の先端部に設けた噴出孔３０、３１からそれぞれ噴霧する還元剤の噴霧粒子の広がり角度は、流路３２と流路３３とで形成するＶ字形状の交差角度α１、及び流路３４と流路３５とで形成するＶ字形状の交差角度α２に応じて異なるように設定することができる。噴霧粒子の広がり角度を広くしたい場合は流路３４と流路３５とで形成するＶ字形状の交差角度α２の角度を大きく設定し、噴霧粒子の広がり角度を狭くしたい場合は流路３２と流路３３とで形成するＶ字形状の交差角度α１の角度を小さく設定すれば良い。
【００７７】
尚、図３乃至図５に示した噴霧ノズル１３では噴出孔３０、３１が同一寸法の場合を示したが、寸法を変えて、一方の噴出孔の流量を他方の噴出孔の流量に比べて多くすることも可能である。また、噴出孔を３つ以上設けることも可能である。
【００７８】
上記した本実施例の噴霧ノズルを備えた燃焼装置では、火炉１の壁面に設けられた噴霧ノズル１３から扁平な扇状噴霧の形状に火炉１内に還元剤の噴霧粒子を噴霧することで、火炉１内を流れる燃焼ガス８の流れに対して直角方向に噴霧された還元剤の噴流は直角方向に沿って広がって燃焼ガス８と混合する。噴霧ノズル１３から還元剤の噴霧粒子を流下する燃焼ガス８に対して扁平な扇状に噴霧するため、この噴霧された扁平な扇状の範囲において、燃焼ガス８と混合する噴霧粒子の還元剤の濃度を均一にすることができる。
【００７９】
還元剤の噴霧粒子を火炉１内に扁平な扇状に噴霧することで、還元剤は燃焼ガス８の上流側や下流側には広がらないため、還元剤の噴霧粒子と燃焼ガス８との混合時間を一定にできる。
【００８０】
さらに、噴霧ノズル１３の上流側にあるバーナ２から供給される燃焼用空気の流れや、下流側の空気供給口７と還元剤の噴霧粒子とが干渉しないため、還元剤と燃焼ガス８との反応が促進され、燃焼装置から排出される燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を低減できる。
【００８１】
また、噴霧ノズル１３として噴霧流体が持つ圧力により微粒化する圧力噴霧式ノズルを用いる場合、還元剤の微粒化に使用される噴霧媒体が不要となる。よって火炉１内には還元剤のみ供給されるので、噴霧媒体を使用する場合と比べて燃焼ガスの温度の低下を抑えることができ、還元剤と燃焼ガスとの反応が促進されて、燃焼装置から排出される燃焼ガスに含まれる窒素酸化物を低減できる。
【００８２】
噴霧ノズル１３には、その先端に複数の噴出孔３０、３１を備えることが望ましい。複数の噴出孔３０、３１から異なる噴霧パターンとなる広がり角度の狭い扁平な扇状噴霧と広がり角度の広い扁平な扇状噴霧の形状に噴霧粒子をそれぞれ形成させて火炉１内に還元剤を噴出させることで、複数個設置された噴霧ノズル１３の間となる噴霧粒子が供給されない空間を狭めることができる。
【００８３】
即ち、噴霧ノズル１３に設けた噴出孔３１から噴霧の広がり角度の広い扁平な扇状噴霧形状に還元剤の噴霧粒子を噴霧することにより、噴霧ノズル１３が設けられる火炉壁面の近傍に還元剤の噴霧粒子を供給できる。
【００８４】
噴霧ノズル１３に設けた一方の噴出孔３０から噴霧の広がり角度の狭い扁平な扇状噴霧形状に還元剤の噴霧粒子を噴霧することにより、火炉１の中央部に還元剤を供給することができる。
【００８５】
上記の場合、噴霧ノズル１３から還元剤の噴霧粒子を噴出する噴霧の広がり角度の広い噴霧として、扁平で扇状噴霧の形状に噴霧することが望ましい。噴霧された噴霧粒子の形状が扁平で扇状のため、他方の噴出孔３１から噴出する噴霧粒子と干渉し難い。また、噴霧の広がり角度が狭い噴霧の場合は、広がり角度が狭いので、噴霧粒子の干渉が起きにくい。このため、扁平で扇状の噴霧の他、円錐状の噴霧も可能である。
【００８６】
噴霧ノズル１３として、該噴霧ノズル１３の先端部に複数設けた噴出孔３０、３１のうち、一方の噴出孔３１からは他方の噴出孔３０に比べて噴霧粒子径の小さい粒子を広い噴霧の広がり角度で噴出することが望ましい。噴霧粒子径が小さい場合、噴霧粒子の持つ運動量は小さく到達距離が短い。このため、噴霧粒子は火炉１の壁面近傍に留まる。
【００８７】
一方、噴霧粒子径の大きな噴霧粒子を狭い噴出角度で噴出する場合、噴霧粒子の持つ運動量は大きく到達距離が長い。このため、噴霧粒子は火炉１の中央部まで到達し易い。
【００８８】
複数の噴出孔３０、３１を有する噴霧ノズル１３を用いることで、少ない噴霧ノズルの本数で火炉１内に均一に還元剤を供給することができ、火炉１内の燃焼ガス中のＮＯＸと還元剤との反応を促進し、燃焼装置から排出する燃焼ガスに含まれるＮＯＸを低減することができる。
【００８９】
本実施例によれば、還元剤を含む噴霧粒子を火炉内の広い範囲に到達させて火炉内を流れる燃焼ガスと還元剤とを均一に混合して還元剤と燃焼ガスとの反応を促進し、燃焼装置から排出される窒素酸化物の低減を可能にした噴霧ノズルを備えた燃焼装置が実現できる。
【実施例２】
【００９０】
次に本発明の第２実施例である噴霧ノズルを備えた燃焼装置である発電用ボイラについて図６及び図７を用いて説明する。
【００９１】
本発明の第２実施例の噴霧ノズルを備えた燃焼装置は第一実施例の噴霧ノズルを備えた燃焼装置と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した構成に説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【００９２】
図６及び図７に示した本発明の第２実施例の噴霧ノズルを備えた燃焼装置である発電用ボイラにおいて、噴霧ノズル１３が火炉１の上部に設置された熱交換器４０及び熱交換器４1の間に配設されている。前記熱交換器４０、４１で発生した蒸気は蒸気タービン（図示せず）の駆動蒸気として供給される。
【００９３】
本実施例の噴霧ノズルを備えた燃焼装置では、バーナ２と空気供給口７から火炉１内に供給された燃焼用空気により燃料が完全燃焼した後の燃焼ガス９中に、前記熱交換器４０及び熱交換器４1の間で、丁度、燃焼ガス９の温度が９００℃から１１００℃となる領域の火炉１の壁面に配設された噴霧ノズル１３から還元剤の噴流を火炉１内に供給する。
【００９４】
本実施例の場合も、噴霧ノズル１３から供給する還元剤による燃焼ガス９に含まれるＮＯＸの低減は酸素存在下で生じる下記（３）式の還元反応を利用する。
【００９５】
４ＮＨ３  ＋  ４ＮＯ  ＋  Ｏ２  →  ４Ｎ２  ＋  ６Ｈ２ｏ・・・（３）
上記還元反応は温度９００℃から１１００℃の領域で活発となるため、噴霧ノズル１３からの還元剤の噴霧は上記の温度領域の燃焼ガス９と混合する必要がある。
【００９６】
図７に示す本実施例の噴霧ノズルを備えた燃焼装置の場合では、噴霧ノズル１３から噴霧する還元剤は燃焼ガス９の流れに対して直角方向に拡大する扁平の扇状噴霧２２を形成させて噴霧している。
【００９７】
本実施例の噴霧ノズル１３は、噴霧ノズル１３から噴霧される還元剤は微粒化された扁平な扇状噴霧２２となって火炉１内に噴霧されるため、還元剤の噴霧粒子は燃焼ガス９の上流側や下流側には広がらない。このため、扁平な扇状噴霧２２の範囲において、燃焼ガス９と混合する還元剤の濃度を均一にすることができる。
【００９８】
また、還元剤を扁平な扇状噴霧２２として噴霧することで、噴霧粒子と燃焼ガス９との混合時間と温度を一定にできる。
【００９９】
さらに、噴霧ノズル１３から噴霧される扁平な扇状噴霧２２を形成する噴霧粒子は、噴霧ノズル１３の上流側や下流側にある熱交換器４０、４１とは干渉しないので、還元剤と燃焼ガス９との反応が促進され、燃焼装置から排出される窒素酸化物を低減できる。
【０１００】
なお、本実施例で使用する噴霧ノズル１３としては、噴霧流体が持つ圧力により流体が微粒化する圧力噴霧式ノズルの他、微粒化媒体として蒸気や空気を利用する方法が使用できる。
【０１０１】
但し、微粒化媒体を用いる場合、微粒化媒体を火炉内に供給するため、燃焼ガス９の温度が低下して火炉１での伝熱効率が低下する。このため、可能ならば圧力噴霧式ノズルを用いることが望ましい。
【０１０２】
本実施例で使用する噴霧ノズル１３では、第１実施例の場合の噴霧ノズル１３と同様に図３乃至図５に示した構成の複数の噴出孔３０、３１を有する噴霧ノズル１３を使用している。前記噴霧ノズル１３の構造については図３乃至図５に示した第１実施例の噴霧ノズル１３と同じ構造であるので説明は省略する。
【０１０３】
本実施例の噴霧ノズル１３でも、噴霧ノズル１３の先端部に複数個設けた一方の噴出孔３０から噴出される噴霧は広がり角度の狭い扁平な扇状噴霧２２Ａを形成する噴霧パターンの噴霧であり、他方の噴出孔３１から噴出される噴霧は広がり角度の広い更に扁平な扇状噴霧２２Ｂを形成する噴霧パターンの噴霧である。
【０１０４】
このように、広がり角度の異なる扁平な扇状噴霧２２Ａ及び２２Ｂをそれぞれ形成する２つの噴霧パターンを噴霧ノズル１３にそれぞれ備えることで、火炉１内の広い空間に噴霧粒子を供給することができる。このため隣接した噴霧ノズル１３の間の部分の噴霧粒子が供給されない空間２３を狭めることができる。
【０１０５】
即ち、噴霧ノズル１３の一方の噴出孔３０から噴霧の広がり角度の狭い扁平な扇状噴霧２２Ａの噴霧パターンで還元剤を噴霧することにより、火炉１の中央部にまで還元剤を供給することができる。
【０１０６】
また、噴霧ノズル１３の他方の噴出孔３１から噴霧の広がり角度が広く更に扁平な扇状噴霧２２Ｂの噴霧パターンで還元剤を噴霧することにより、噴霧ノズル１３が設けられる火炉１の壁面近傍に還元剤を供給することができる。
【０１０７】
噴出孔３１から還元剤の噴流の噴霧を噴霧の広がり角度が広くなるように噴霧するためには、より扁平な扇状噴霧２２Ｂを形成することが望ましい。
【０１０８】
そうすれば扇状噴霧２２の形状が更に扁平となるため、他方の噴出孔である噴出孔３１から噴出される広がり角度の広い更に扁平な扇状噴霧２２Ｂの噴霧パターンの噴霧粒子が、一方の噴出孔である噴出孔３０から噴出される広がり角度の狭い扁平な扇状噴霧２２Ａの噴霧パターンの噴霧粒子と干渉し難くなる。
【０１０９】
噴霧の広がり角度が狭い噴霧の場合は広がり角度が小さいので、噴霧粒子の干渉が起きにくい。このため、扁平で扇状噴霧の他、円錐状の噴霧も可能となる。
【０１１０】
さらに、本実施例の噴霧ノズル１３としては、噴霧ノズル１３の先端部に設けた複数の噴出孔３０、３１のうち、噴霧の広がり角度が広い扁平な扇状噴霧２２Ｂの噴霧パターンを生成する噴出孔、例えば噴霧孔３１からは噴霧する還元剤の粒子として噴霧粒子径の小さい粒子を噴出することが望ましい。噴霧する噴霧粒子径が小さい場合、噴霧粒子の持つ運動量は小さく到達距離が短い。このため、噴霧粒子は火炉１壁面の近傍に留まることになる。
【０１１１】
一方、広がり角度が狭い扁平な扇状噴霧２２Ａの噴霧パターンを生成する噴出孔、例えば噴霧孔３０からは噴霧する還元剤の粒子として噴霧粒子径の大きな噴霧粒子を噴出することが望ましい。
【０１１２】
噴霧する噴霧粒子径が大きい場合、噴霧粒子の持つ運動量は大きく到達距離が長い。このため、噴霧粒子は火炉１の中央部にまで到達し易くなる。
【０１１３】
本実施例の噴霧ノズルを備えた燃焼装置では、燃焼用空気をバーナ２と空気供給口７から分割して供給する場合を示したが、バーナ２から燃焼用空気を全量供給する場合も本実施例での噴霧ノズル１３の効果は同じである。
【０１１４】
本実施例によれば、還元剤を含む噴霧粒子を火炉内の広い範囲に到達させて火炉内を流れる燃焼ガスと還元剤とを均一に混合して還元剤と燃焼ガスとの反応を促進し、燃焼装置から排出される窒素酸化物の低減を可能にした噴霧ノズルを備えた燃焼装置が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明は燃料を燃焼させる発電用ボイラ等の燃焼装置に使用される噴霧ノズルを備えた燃焼装置に適用可能である。
【符号の説明】
【０１１６】
１：火炉、２：バーナ、３：燃焼用空気供給系統、４：燃料供給系統、５、６：配管、７：空気、給口、８、９：燃焼ガスの流れ、１０：熱交換器、１１：煙道、１２：煙突、１３：噴霧ノズル、１４：還元剤供給系統、１５：タンク、１６：昇圧ポンプ、１７：流量調節器、２２、２２Ａ、２２Ｂ：扁平な扇状噴霧、３０、３１：噴出孔、３２〜３５：噴霧流体の流路、３６、３７：溝、１０、４０、４１：熱交換器、５０：制御装置、５１：ＮＯＸ濃度検出器。
【図１】
0005417258.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005417258.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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