(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炉壁の上下方向に複数段のバーナが配置され、各段においてそれぞれ火炉中心を中心にして前記火炉壁内に形成される仮想円の接線方向に前記バーナから燃料と空気の混合気を吹き込み、旋回燃焼させるようにした旋回燃焼ボイラにおいて、前記バーナのうち中央の段に設置されたバーナが、前記仮想円の中心に向けて燃料と空気の混合気を吹き込むように配置されていることを特徴とする旋回燃焼ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電用あるいは工場用等の発電を行うためのボイラに係り、特に、火炉内に旋回流を発生させて燃焼を行うようにした旋回燃焼ボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
火炉壁に設置されたバーナから、仮想円の接線方向に燃料と１次空気を吹き込み、火炉中心に中心円が形成される旋回流を発生させて、燃焼を行うようにした旋回燃焼ボイラが従来から使用されている。
このような、旋回燃焼ボイラでは、平面形が略正方形に形成される火炉壁の４隅にそれぞれバーナを設けるとともに、各バーナからの燃料等の吹き込み方向を、仮想円の接線方向になるようにして、火炉中心に中心をもつ仮想円の周縁に沿って流れる旋回流を発生させ、燃料と１次空気との混合を良くして燃焼させ、燃焼効率を高めるようにしている。
【０００３】
また、火炉壁に設けるバーナは、旋回燃焼ボイラの蒸気発生容量に応じて、上下方向に３〜６段にわたって配設されるとともに、各バーナからの燃料等の吹き込み方向を、上下方向および水平方向に変動できるようにして、旋回流の上昇速度、および上述した仮想円の直径を変動させて燃焼量を変動させ、発電需要に合せて旋回燃焼ボイラを稼動できるようにしている。
【０００４】
図４、図５は、従来から使用されている、このような旋回燃焼ボイラの１例を示す図である。
図４において、０１は旋回燃焼ボイラの火炉全体を示す図、０２は内部に伝熱管が配設されるとともに、燃焼反応区画０４を内部に形成する火炉壁、０３は火炉壁０２の４隅にそれぞれ配置されて１段を形成するものを、上下方向に３段にわたって設けたバーナ、０３Ｕはバーナ０３のうち上段に設置された上段バーナ、０３Ｍは中段に設置された中段バーナ、０３Ｌは下段に設置された下段バーナ、０５はバーナ０３のそれぞれから燃焼反応区画０４に吹き込まれる燃料と１次空気との混合気である。
【０００５】
また、図５に示すように、平面視で正方形に形成された火炉壁０２の４隅に、それぞれ設けられるとともに、上下方向へ３段にわたって設けられた、上段バーナ０３Ｕ、中段バーナ０３Ｍおよび下段バーナ０３Ｌからは、火炉中心０６を中心とする仮想円０７の周縁に沿って旋回する旋回流を、燃焼反応区画０４に形成するように、それぞれ火炉中心０６から外れた方向に混合気０５が吹き込まれる。
【０００６】
なお、燃焼反応区画０４に吹き込まれる混合気０５の吹き込み方向は、バーナ０３のそれぞれを作動させることにより、上下方向には、図に示すように水平面と平行に吹き込むようにすることも、水平面に対して上方、又は下方向に向けて吹き込むようにすることも、さらに水平方向にも吹き込み方向を変えて吹き込むようにすることもできる。
【０００７】
このようにすることにより、例えば、図示するように、吹き込まれる混合気０５で形成される仮想円０７の大きさが、上段バーナ０３Ｕ、中段バーナ０３Ｍ、下段バーナ０３Ｌの順に、大きくなるようにすることも、また仮想円０７を水平面から任意に傾斜するようにすることもできる。
このようにして、火炉壁０２の四隅から火炉内０４へ吹き込まれた混合気０５は、図示されていない着火源により着火され火炎を形成する。
これらの火炎は、旋回流となってファイアボルテックス０８を形成し、旋回半径を大きくしながら燃焼反応区画０４を上昇する旋回燃焼を行い、火炉壁０２内等に配設されてある伝熱管を加熱し、蒸気を発生させる。
【０００８】
このような旋回燃焼を行うようにした、旋回燃焼ボイラ０１では、燃焼反応区画０４全体に旋回流が形成され、各段のバーナ０３からそれぞれ吹き込まれた混合気の燃料と１次空気とが、燃焼反応区画０４の略全域を有効利用して燃焼するために、局所的に燃焼ムラが生じることが少なく、灰中の未燃分の少くでき、また燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が少くなる燃焼ができるという利点がある。
【０００９】
しかしながら、上述した従来の旋回燃焼ボイラ０１では、火炉壁の上下方向に複数段配置されたバーナ０３から、燃焼反応区画０４に吹き込まれる混合気０５の全てが、旋回流となってファイアボルデックス０８を形成するようにしているため、ファイアボルデックス０８の中心部では、渦の効果により燃焼反応に使用されない領域ができることによる不具合がある。
【００１０】
すなわち、従来の旋回燃焼ボイラでは、上述したように燃焼反応区画０４の略全域が燃料と１次空気との燃焼に利用でき、他の燃焼方式を採用したボイラに比較して、燃焼効率を向上させることができるものの、ファイアボルテックス０８の中心部が火炉としての有効利用されないため、火炉有効利用率が低く、燃焼反応区画０４の全域を燃焼反応に有効に利用することができず、燃焼効率をさらに向上させることができないという不具合があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来の旋回燃焼ボイラの不具合を解消するため、旋回燃焼するファイアボルテックスの中心部をも、燃料と燃焼空気との燃焼反応に使用するようにして、燃焼反応区画全域を燃焼反応に有効利用できるようにして、火炉有効利用率を高め、燃焼効率をさらに向上させることのできる旋回燃焼ボイラを提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の旋回燃焼ボイラは次の手段とした。
火炉壁の上下方向に複数段のバーナが配置され、各段においてそれぞれ火炉中心を中心にして前記火炉壁内に形成される仮想円の接線方向に前記バーナから燃料と空気の混合気を吹き込み、旋回燃焼させるようにした旋回燃焼ボイラにおいて、前記バーナのうち中央の段に設置されたバーナが前記仮想円の中心に向けて燃料と空気の混合気を吹き込むように配置した。
【００１３】
なお、バーナが上下方向に３段以上配置されるものにおいては、中央の段に配置されるバーナが、仮想円の中心を指向するように配置されることが好ましい。すなわち、上下方向に３段配置されるものにおいては２段目のバーナ、４段配置されるものにおいては２段目、３段目のバーナ、５段配置されるものにおいては３段目のバーナ、６段配置されるものにおいては３段目、４段目のバーナがそれぞれ仮想円の中心を指向するように配置されることが好ましい。
【００１４】
本発明の旋回燃焼ボイラは、上述の手段の採用により、例えば、上段および下段のバーナからは、従来の旋回燃焼ボイラと同様に火炉中心に設定された仮想円の周縁接線方向に混合気を吹き込み、燃焼反応区画に旋回流を発生させ、ファイアボルテックスを形成し、燃焼反応区画の略全域を有効に利用して燃焼させることができるとともに、中段のバーナからは、火炉中心に向けて混合気を吹き込み、旋回燃焼を行っている旋回流の中心部にも火炎を形成し、燃焼を行わせることができるので、従来の旋回燃焼ボイラでは燃焼反応に使用されていなかった旋回流の中心部が、さらに、燃焼反応に使用されることとなり、燃焼反応区画の全域が燃焼反応に有効に利用されることになる。
【００１５】
これにより、従来の旋回燃焼ボイラに比較して、局所的に発生することのある燃焼ムラが、さらに低減し、吹き込まれた燃料の未燃分がさらに少くなるようにして燃焼を行うことができる。
さらに、この燃焼効率の向上により、燃焼により発生し、排ガスとともに排出されるＮＯｘ量を、さらに低減することができる。
なお、本発明者等の実験によれば、本発明の旋回燃焼ボイラでは、従来の旋回燃焼ボイラに比較して、灰中未燃分を２％から１．５％に低減できるとともに、ＮＯｘ量を１１０ｐｐｍから８０ｐｐｍに低減できることが判明した。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の旋回燃焼ボイラの実施の一形態を図面にもとづき説明する。
図１は本発明の旋回燃焼ボイラの実施の第１形態を示すボイラ火炉全体の縦断面図、図２（ａ）は図１の矢視Ａ−Ａ、図２（ｂ）は図１の矢視Ｂ−Ｂ、図２（ｃ）は図１の矢視Ｃ−Ｃのそれぞれにおける横断面図である。
【００１７】
図１において、１は旋回燃焼ボイラ、２は火炉壁、３はバーナで上段に設置された上段バーナ３Ｕ、中段に設置された中段バーナ３Ｍおよび下段に設置された下段バーナ３Ｌからなる。
また、４は燃焼反応区画、５はバーナ３から燃焼反応区画４に吹き込まれる燃料と１次空気の混合気である。
【００１８】
図２（ａ）、図２（ｃ）に示すように、横断面形状が正方形に形成された火炉壁２の４つのコーナ部近傍に、３段にわたって設けられ、混合気５を燃焼反応区画４に吹き込むバーナ３のうち、上段バーナ３Ｕおよび下段バーナ３Ｌは、従来の旋回燃焼ボイラ０１と同様に火炉中心６を中心にもつ仮想円７を燃焼反応区画４に形成するように、それぞれ火炉中心６から外れた方向に混合気５が吹き込まれるように、方向決めされて火炉壁２に設置されている。
【００１９】
なお、燃焼反応区画４に吹き込まれる混合気５の吹き込み方向は、バーナ３Ｕ，３Ｌのそれぞれを作動させることにより変えることができ、この吹き込み方向の変更により、これらのバーナ３Ｕ，３Ｌから吹き込まれる混合気５で形成される旋回流、換言すれば仮想円７の大きさ、および傾きを変え、これらの旋回流から形成され上昇していくファイアボルテックス８の形状を変えるようにすることもできる。
また、図２（ｂ）に示すように、中段に設置された中段バーナ３Ｍにおいては、ファイアボルテックス８の中心、すなわち、火炉中心６に向けて対角線上に混合気５を噴射するようにしている。
【００２０】
このように、本実施の形態の旋回燃焼ボイラ１では、中段バーナ３Ｍによりファイヤボルテックス８中心、すなわち火炉中心６に向けて、対角線上に混合気５を噴射することにより、中段バーナ３Ｍから吹き込まれる混合気５による仮想円７は形成されないが、上段バーナ３Ｕおよび下段バーナ３Ｌによって形成されるファイアボルテックス８の中心部、すなわち従来の旋回燃焼ボイラ０１では、渦の効果により燃焼反応に使用されることのなかった領域が、燃焼反応に有効に利用されるようになる。
これにより、ファイアボルテックス８の中心部に火炎が形成され、これにより燃焼反応区画４の全域が燃焼反応に利用されることにより、火炉の有効利用率をさらに高めることができる。
【００２１】
以上、本実施の形態の旋回燃焼ボイラ１について説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではなく、発電用あるいは工場用等の旋回燃焼ボイラの火炉高さ方向に複数段設置されるバーナの配置において、ある段のバーナにおいては、ボイラの火炉中心に中心を設定した仮想円に対して燃料を接線方向に噴射して、ファイヤボルテックスを形成し、特定の段のバーナにおいては、火炉中心に向けて対角線上に燃料を噴射し、ファイアボルテックス中心部に燃料を供給し燃焼を行うことで、ファイアボルテックスの中心部に火炎を形成するようにしたものであれば良いものである。
【００２２】
また、３段以上のバーナ段数を持つものでは、表１に示す中段のバーナを火炉中心に向けて、対角線上に混合気を噴射し、ファイアボルテックス中心部で燃焼を行い、ファイアボルテックスの中心部に火炎を形成するようにした「特定の段」のバーナにすることが望ましい。
【００２３】
次に、図３は従来の旋回燃焼ボイラ０１と本実施の形態の旋回燃焼ボイラ１との火炉出口でのＮＯｘ量と灰中未燃分の比較をするために、本発明者等が取得した実証データである。
この実証データは、出願人が所有するバーナ段数６段の１．５ｔ／ｈマルチバーナ試験炉の３段および４段を、上述した「特定の段」のバーナにし、燃料および燃焼条件を表２の通りにして得られたものである。
図３に示されるように、本実施の形態の旋回燃焼ボイラ１におけるＮＯｘ量は、従来の旋回燃焼ボイラ０１のものよりも３０ｐｐｍ低減した８０ｐｐｍに、また、灰中未燃分は、０．５％低減した１．５％にすることができた。
【００２４】
【表１】
0003712498.tif 000002
【００２５】
【表２】
0003712498.tif 000003
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の旋回燃焼ボイラによれば、火炉壁の上下方向に複数段のバーナが配置され、各段においてそれぞれ火炉中心を中心にして前記火炉壁内に形成される仮想円の接線方向に前記バーナから燃料と空気の混合気を吹き込み、旋回燃焼させるようにした旋回燃焼ボイラにおいて、前記バーナのうち中央の段に設置されたバーナが、前記仮想円の中心に向けて燃料と空気の混合気を吹き込むように配置したことにより、特定の段以外に設置されたバーナからは、従来の旋回燃焼ボイラと同様に火炉中心に設定された仮想円の周縁接線方向に混合気を吹き込み燃焼反応区画に旋回流を発生させ、ファイアボルテックスを形成し、燃焼反応区画の略全域を有効に利用して燃焼させることができるとともに、特定の段のバーナからは火炉中心に向けて混合気を吹き込み、旋回燃焼を行っている旋回流の中心部にも火炎を形成して、燃焼を行わせることができる。
【００２７】
これにより、従来の旋回燃焼ボイラでは、燃焼反応に使用されることのなかった旋回流の中心部が燃焼反応に使用されることとなり、燃焼反応区画の全域が燃焼反応に有効に利用され、局所的な燃焼ムラがさらに低減し、吹き込まれた燃料の未燃分を、さらに少くして燃焼させることができるとともに、燃焼により発生するＮＯｘ量をさらに低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の旋回燃焼ボイラの実施の第１形態を示すボイラ火炉全体の縦断面図，
【図２】図１の横断面図で、図２（ａ）は図１の矢視Ａ−Ａにおける横断面図，図２（ｂ）は図１の矢視Ｂ−Ｂにおける横断面図，図２（ｃ）は図１の矢視Ｃ−Ｃにおける横断面図，
【図３】本発明および従来の旋回燃焼ボイラにおけるＮＯｘ量、灰中未燃分を比較するための実証データ，
【図４】従来の旋回燃焼ボイラのボイラ火炉全体の縦断面図，
【図５】図４の横断面図で、図５（ａ）は図４の上段バーナ位置における横断面図，図５（ｂ）は図４の中段バーナ位置における横断面図，図５（ｃ）は図４の下段バーナ位置における横断面図である。
【符号の説明】
１    旋回燃焼ボイラ
２    火炉壁
３    バーナ
３Ｕ  上段バーナ
３Ｍ  中段バーナ
３Ｌ  下段バーナ
４    燃焼反応区画
５    混合気
６    火炉中心
７    仮想円
８    ファイアボルテックス
【図１】
0003712498.tif 000004
【図２】
0003712498.tif 000005
【図３】
0003712498.tif 000006
【図４】
0003712498.tif 000007
【図５】
0003712498.tif 000008