(57)【要約】【課題】  石炭焚き二段燃焼式ボイラにおいて、アフタエアノズルの構造と配置の工夫によりＮＯｘとＣＯを同時に低減する。【解決手段】  主アフタエアノズルの内部に出口噴出口に向かって外径が次第に小さくなる縮流部を設けた構成とする。また、主アフタエアノズルの下流側に副アフタエアノズルを設け、主及び副アフタエアノズルへ供給する空気の全量を調節する機構と、主及び副アフタエアノズルへ供給する空気量の比を調節する機構を設けることで、ＮＯｘとＣＯを同時に低減する。【選択図】図１
2006162185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炉壁に石炭燃料を空気不足の状態で燃焼させるバーナを備え、前記バーナによる燃焼ガスの流れ方向下流側に前記燃焼ガスを完全燃焼させるアフタエアノズルを備えて二段燃焼させるようにした石炭焚きボイラにおいて、前記アフタエアノズルを燃焼ガス流れ方向に複数段にわたって配置して最上流に設けられた主アフタエアノズルの空気供給量が最も多くなるようにし、前記主アフタエアノズル中に空気噴出口へ向かって流路外径が縮小する縮流部を備えたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項２】
請求項１において、前記主アフタエアノズルの内部に、前記縮流部の最小流路面積を規定する部材を有することを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項３】
請求項１において、前記主アフタエアノズルが、１次ノズルとその外側に設けられた２次ノズル及び更にその外側に設けられた３次ノズルとで構成され、前記３次ノズルがノズル中心軸方向に向けられ、それによって中心方向の速度成分を持たせてあることを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項４】
請求項３において、前記１次ノズル及び前記２次ノズルが、空気を直進流または旋回流で供給するものであることを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項５】
請求項１において、前記アフタエアノズルへ供給する空気の全量を調節するアフタエアノズル空気量調節機構と、前記主アフタエアノズルへ供給する空気量とその他の副アフタエアノズルへ供給する空気量の比を調節する機構とを備えたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項６】
請求項１において、前記アフタエアノズルが二段にわたって設けられていることを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項７】
請求項１において、前記主アフタエアノズル及びその他の副アフタエアノズルが、いずれも火炉前壁と火炉後壁の対向する位置に、それぞれ複数個づつ配置されていることを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項８】
請求項１において、前記主アフタエアノズルが前記バーナによる燃焼ガスの流れと直角或いはほぼ直角に設けられていることを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項９】
請求項７において、前記主アフタエアノズルの直上に前記副アフタエアノズルが配置されていることを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１０】
請求項７において、前記主アフタエアノズルの間の下流側に前記副アフタエアノズルが配置されていることを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１１】
請求項７において、前記副アフタエアノズルがボイラ側壁側に配置されていることを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１２】
請求項７において、前記副アフタエアノズルがボイラ側壁側に配置され、前記主アフタエアノズルが前記副アフタエアノズルよりもボイラ中央部側に配置されていることを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１３】
請求項１に記載のボイラによって石炭燃料の二段燃焼を行い、その際に主アフタエアノズルへ供給する空気量を調整して噴出流速を調整するようにしたことを特徴とする石炭焚きボイラの燃焼方法。
【請求項１４】
請求項１に記載のボイラによって石炭燃料の二段燃焼を行い、その際にバーナへ供給する空気量をＮＯｘ発生量が少なくなる所定の範囲に保ち、前記主アフタエアノズルとその他の副アフタエアノズルへ供給する空気量の配分を調整して前記主アフタエアノズルの噴出流速を調整するようにしたことを特徴とする石炭焚きボイラの燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二段燃焼式の石炭焚きボイラに係り、特に主アフタエアノズルと副アフタエアノズルを備えた石炭焚きボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラでは、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度低減が求められており、この要求に応えるために二段燃焼法が適用されている。この燃焼方法は、燃料を空気不足の状態で燃焼させた後、完全燃焼用の空気をアフタエアノズルから供給する方法である。
【０００３】
アフタエアノズルには、空気の混合と燃焼状態の改善のために、いくつかの構造が提案されている。たとえば、アフタエアノズルに、空気流路の外径が空気噴出口に向かってしだいに縮小する縮流部を持つ構造が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。また、燃焼ガスの主流れ方向にアフタエアノズルを二段に分けて配置する構成が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０-１２２５４６号公報（特許請求の範囲、図１）
【特許文献２】特開平１０-１５３３０２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最近のボイラでは、ＮＯｘのみでなく、ＮＯｘと一酸化炭素（ＣＯ）の同時低減が求められている。従来の二段燃焼式ボイラは、ＮＯｘおよびＣＯの一方を低減することはできても、ＮＯｘとＣＯの両方を同時に低減することは難しい。
【０００６】
本発明の目的は、ＮＯｘとＣＯを同時に低減できるようにした石炭焚きボイラとその燃焼方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、微粉炭等の石炭燃料と空気を空気不足の状態で燃焼させるバーナの下流側に、燃焼ガスを完全燃焼させるアフタエアノズルを有する石炭焚きボイラにおいて、前記アフタエアノズルを、燃焼ガス流れ方向に複数段に分けて配置し、空気供給量の多い主アフタエアノズル中に、出口の空気噴出口へ向かって流路外径が縮小する縮流部を設け、前記主アフタエアノズルの流れ方向下流側に、空気供給量の少ない副アフタエアノズルを設けた石炭焚きボイラである。
【０００８】
本発明は、前記の構成のボイラによって石炭燃料の二段燃焼を行い、その際に主アフタエアノズルへ供給する空気量を調整して主アフタエアノズルによる噴出流速を調整できるようにした燃焼方法である。
【０００９】
本発明はまた、前記の構成のボイラによって石炭燃料の二段燃焼を行い、その際にバーナへ供給する空気量をＮＯｘ発生量が少なくなる所定の範囲に保ち、主アフタエアノズルとその他の副アフタエアノズルへ供給する空気量の配分を調整して主アフタエアノズルの噴出流速を調整するようにした燃焼方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のボイラは、空気供給量の多い主アフタエアノズルに噴出流速を速める縮流部が備えられ、その下流に空気供給量の少ない副アフタエアノズルが備えられているので、両ノズルの空気流量配分を調整することでＮＯｘとＣＯを同時に低減することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明において、主アフタエアノズルの内部には、縮流部の最小流路面積を規定する部材を設けることが望ましい。また、主アフタエアノズルは、空気を直進流または旋回流で供給する１次及び２次ノズルと、前記１次及び２次ノズルの外側に設けられた３次空気を供給する３次ノズルとで構成し、前記３次ノズルをアフタエア噴流の中心軸方向に向けて中心方向の速度成分を持たせることが望ましい。また、主アフタエアノズル及び副アフタエアノズルへ供給する空気の全量を調節する機構と、主及び副アフタエアノズルへ供給する空気量の比を調節する機構を備えることが望ましい。
【００１２】
主アフタエアノズル及び副アフタエアノズルは、ボイラの火炉前壁と火炉後壁にそれぞれ複数個づつ配置されることが望ましい。また、副アフタエアノズルは、主アフタエアノズルの直上、或いは複数個の主アフタエアノズルの間で下流側、或いは火炉側壁の近くに配置されることが望ましい。本発明の他の特徴は、以下の実施例により明らかにされるであろう。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の実施例による微粉炭焚きボイラの火炉部の構成図である。火炉の壁面は、上部の火炉天井４４、下部のホッパ４７、側方の火炉前壁４５、火炉後壁４６、及び図３，６，７に示す火炉側壁４８で囲われ、それぞれの壁面には、図示しない水管が設置される。この水管により、火炉内燃焼空間２３で発生した燃焼熱の一部が吸収される。火炉内燃焼空間２３で生成した燃焼ガスは下方から上方へ流れ、燃焼後のガス４３となって排出される。燃焼後のガス４３は、図示しない後部伝熱部を通り、ここでガス中に含まれる熱が、さらに回収される。
【００１４】
火炉の下部には、バーナ３６が設置され、ここで空気不足の火炎３７が形成される。バーナ３６は、バーナ用１次空気と微粉炭の混合流４２を噴出する微粉炭ノズルとバーナ用２次空気を噴出する２次ノズルおよび３次空気を噴出する３次ノズルにより構成されている。石炭は図示しない粉砕器において、およそ１５０μｍ以下に粉砕された後、バーナ用１次空気で搬送され、バーナ用１次空気と微粉炭の混合流４２が、バーナ３６から火炉内に噴出される。バーナ用２次，三次空気４１も同時に、バーナ用ウインドボックス３８を経て、バーナ３６から噴出される。
【００１５】
バーナ３６の上方には、主アフタエアノズル３４が設置される。主アフタエアノズルの下流側には、副アフタエアノズル３５が設置される。主アフタエアノズル３４の構造は、噴出口付近で、空気の流れが主アフタエアノズル中心軸方向を向くように構成された、縮流型の構造である。構造の詳細は、図２，４，５で後述する。バーナ部で形成された空気不足の火炎３７から発生したＣＯなどの未燃焼成分の大部分は、主アフタエアノズルからの空気と混合することで完全燃焼（酸化）する。ただし、未燃焼成分と主アフタエア空気の混合時にＮＯｘが発生する。このＮＯｘは主にサーマルＮＯｘである。ＮＯｘの発生量は主アフタエアノズルから噴出する空気の流速（縮流部の最大流速）と関連があり、主アフタエア空気の流速の調整が重要である。さらに、主アフタエア空気の噴出条件をＮＯｘが低くなるように設定すると、酸化が不充分になりＣＯが発生しやすくなる傾向があるので、ＮＯｘとＣＯの性能バランスに留意して主アフタエア空気の噴出条件を設定する必要がある。
【００１６】
燃焼用空気４９は、空気流量配分調整機構a５１で、バーナ用２次，３次空気４１とアフタエア空気４０に配分される。アフタエア空気４０は空気流量配分調整機構c５３で、前壁側のアフタエアに流れる空気と後壁側のアフタエアに流れる空気に配分される。火炉後壁４６の上部には、ノーズ３９が設けられることが多い。このノーズ３９の影響により、副アフタエアノズル３５廻りの燃焼ガスの流れは非対称になる。前壁側と後壁側に流れるアフタエア空気の配分を調整することで、非対称な流れ場でもＮＯｘとＣＯを低減できる。
【００１７】
アフタエア空気４０はさらに、主/副アフタエア空気流量配分調整機構５０により、主/副アフタエアから供給する空気量を調整する。これにより、主アフタエア空気の噴出流速（縮流部の最大流速）が調整できる。噴出流速が高すぎるときには副アフタエア空気量を増やし、噴出流速が低すぎるときには逆にする。このとき副アフタエアの噴出流速も変化する。ただし、副アフタエアノズルから噴出される副アフタエアは主アフタエアに比べるとガス温度が低く、また、流量も少ないので、ＮＯｘ（サーマルＮＯｘ）発生に与える影響は小さい。また、副アフタエアの流量調整により主アフタエア空気量を調整できるので、バーナへ供給される２次、３次空気流量は常に一定にできる。これは、バーナ部で形成される空気不足の火炎３７の燃焼条件を、ここでのＮＯｘ発生量が最も少なくなる最適条件で常に運用できることを意味する。
【００１８】
この結果、バーナ部で発生するＮＯｘを常に最少に保つと同時に、主アフタエアノズルの空気噴出条件をＮＯｘとＣＯの総合性能が最適になるように保つこともできる。
【００１９】
なお、バーナへ供給される２次，３次空気４１もアフタエア空気４０と同様に、空気流量配分調整機構b５２で、前壁側のバーナに流れる空気と後壁側のバーナに流れる空気に配分される。
【００２０】
図２は、主アフタエアノズルの詳細構造の一例を示す断面図である。図２の主アフタエアノズルの基本構造は、噴流中心軸８を対称軸とした円筒形である。ノズルはウインドボックス外筒１とウインドボックス外壁１３で囲われており、ウインドボックス開口部５から矢印６で示すように燃焼用の空気が流入する。空気は矢印６の方向に沿って流れ、噴出口４から火炉内燃焼空間２３へ噴出される。噴出された空気は、火炉内燃焼空間２３で可燃ガスと混合して可燃ガスを燃焼させる。噴出口４の周囲には、水管１４が設けられている。アフタエアノズルの噴出口４側には、縮流部材２が設けられている。縮流部材２は、噴出口４側に向かって次第に口径が小さくなる構造である。この縮流部材２により、矢印６で示す空気の流れには、ノズル中心軸へ向かう速度成分が与えられ、縮流部３が形成される。縮流部３の入口近くに、縮流部の最小流路面積を規定する部材７を設ける。縮流部での空気の流速は、縮流部で最も開口面積が小さくなる部分の面積で規定される。図２の構成では、縮流部の最小流路面積を規定する部材7の先端部で縮流部の流速が最大になる。図2の縮流部の最小流路面積を規定する部材７は、噴出口４に向かって外径が次第に小さくなる構成とした。縮流部３内での流れの乱れを少なくするためである。乱れを少なくすることで、ＮＯｘの急激な増加を抑制しやすい。縮流部の最小流路面積を規定する部材７は支持材９に固定する。支持材９はガイド１２を介してウインドボックス外筒１に固定する。縮流部の最小流路面積を規定する部材７の内側には、過熱防止材１０を設けた。火炉内燃焼空間２３に形成された火炎からの放射熱で支持材９が焼損するのを防ぐためである。火炉内燃焼空間２３に形成された火炎放射熱が弱い場合や、他の方法で支持材９を冷却できる場合には、過熱防止材１０は必ずしも必要ない。
【００２１】
図３の（ａ）（ｂ）は、主アフタエアノズルと副アフタエアノズルの配置の一例を示している。図３の（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、主アフタエアノズル３４の配置を示している。図３の（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図であり、副アフタエアノズル３５の配置を示している。主アフタエアノズル３４は通常、バーナ燃焼ガスの流れと直角或いはほぼ直角に複数配置され、火炉前壁４５側と火炉後壁４６側に同数配置される。副アフタエアノズル３５の最も単純な配置方法は、主アフタエア３４の直上に配置することである。
【００２２】
次に主アフタエアノズル構造の変型例およびアフタエアノズル配置の変型例について述べるが、これらの変型例に限定されるものではない。
[主アフタエアノズル構造の変型例１]
図４は、主アフタエアノズルの詳細構造の変型例であり、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９を冷却するための冷却空気用の流路と、縮流部材２を冷却するための冷却空気用の流路を持つことが、図２と異なる。
【００２３】
縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９に、冷却空気孔２０を設ける。ウインドボックス開口部５から導入された空気の一部は、矢印２５で示すように冷却空気の流れとなり、冷却空気孔２０から放出される。その過程で、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９に衝突し、この支持材９を冷却できる。また、冷却空気孔２０から放出された空気の一部は、縮流部の最小流路面積を規定する部材７に衝突し、この部材を冷却することもできる。
【００２４】
さらに、図４では縮流部３の近傍に冷却空気案内板２１を設けている。これにより冷却空気導入口５８を通して冷却空気案内板２１と縮流部材２の間に冷却空気が流れ、縮流部材２を冷却できる。また、この冷却空気は噴出口４の最外周側を流れるため、噴出口４の周囲に付着した石炭灰を除去するためにも使用できる。噴出口４の周囲に付着した石炭灰の量が多くなったとき、縮流部材２と冷却空気案内板２１の間を流れる空気量を一時的に増やして付着灰を除去しやすくするためにも用いることができる。
【００２５】
なお、縮流部材２の角度は、縮流部の途中で変化してもよい。図４の構成では、縮流部の入口付近の角度が大きい。また、縮流部の出口付近の角度が小さい。ガイド１２の形状は、外周部分の一部を切り欠いた構造となっている。なお、ガイド１２の形状を図４のようにすると、縮流部３に流入する空気流の乱れを小さくすることができ、ＮＯｘを低減する上で有効である。
[主アフタエアノズル構造の変型例２]
図５は、主アフタエアノズルの別の変型例を示した断面図である。主アフタエアノズルの中心に１次ノズル３０、１次ノズル３０の外側に２次ノズル３１、２次ノズル２の外側に縮流３次ノズル２９が設置されている。この構造の主アフタエアノズルは、１次空気が矢印１６で示す方向に流れ、１次ノズルの外側を２次空気が矢印１７で示す方向に流れる。縮流３次ノズル２９から噴出する３次空気は矢印１５に示す方向に流れ、２次ノズル３１の出口にて矢印１７で示す２次空気の流れと合流して火炉内燃焼空間２３に流入する。ここで、２次ノズル３１の噴出方向は、噴流中心軸８に平行である。さらに、矢印１７で示す２次空気の流れには、２次空気レジスタ３２により旋回力が与えられるようになっている。縮流３次ノズル２９は噴流中心軸８の方向に向けて設置されているので、縮流を形成させることができる。
【００２６】
微粉炭は、燃料中に灰を含む。この場合、主アフタエアノズルの出口で縮流を形成すると、高温の燃焼ガス中で溶融した灰が空気ポート出口の水管１４付近に付着することがある。灰の付着が成長してクリンカを形成すると、流動を妨げたり、落下による水管の損傷を生じたりする可能性がある。このような場合は、クリンカが小さいときに３次空気の流量を低減し、２次空気の流量を増加してクリンカの温度を低下させることで、熱応力を発生させ、剥離すると良い。
[アフタエアノズル配置の変型例１]
図６は、主アフタエアノズルと副アフタエアノズルの配置の変型例である。図６の（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、主アフタエアノズルの配置を示す。図６の（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図であり、副アフタエアノズルの配置を示す。図６では、副アフタエアノズル３５が主アフタエアノズル３４の間の下流側に配置されている。主アフタエアノズル３４の間を通過する未燃焼成分は、主アフタエアノズル３４から噴出される空気と混合せずに火炉から排出されやすく、ＣＯ排出量を増加させる原因となりやすい。図６のように副アフタエアノズル３５を主アフタエアノズル３４の間の下流側に配置すると、この副アフタエアノズル３５から噴出された空気は、主アフタエアノズル３４の間を通過する未燃焼成分と混合しやすくなるので、ＣＯの低減が容易になる。
[アフタエアノズル配置の変型例２]
図７も、主アフタエアノズルと副アフタエアノズルの配置の変型例である。図７の（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、主アフタエアノズルの配置を示す。図７の（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図であり、副アフタエアノズルの配置を示す。この例では、副アフタエアノズル３５は火炉側壁４８の近傍に配置されている。未燃焼成分が主アフタアノズル３５と火炉側壁４８の間を通過するときに最もＣＯが発生しやすい。それは、火炉側壁４８付近のガス温度は低く、ここではＣＯや未燃焼成分の酸化速度が最も遅いためである。図７の構成では、主アフタアノズル３４と火炉側壁４８の間を通過する未燃焼成分を効率良く酸化させるため、副アフタエアノズル３５を火炉側壁４８側に配置した。主アフタアノズル３４よりも火炉側壁側に副アフタエアノズル３５を配置することで、主アフタアノズル３５と火炉側壁４８の間を通過した未燃焼成分の酸化が容易になり、ＣＯが低減できる。
[本発明の効果の検証]
図８は、火炎温度とＮＯｘ発生量の関係を検討した結果である。火炎温度は、空気不足の火炎から発生した未燃焼成分と主アフタエアから噴出した空気が混合し、燃焼する領域での最高温度である。図８中に丸印で示してあるのは実験結果であり、曲線は計算結果である。ＮＯｘは火炎温度と強く相関する。火炎温度が高くなるとＮＯｘは指数関数的に増加する。特に、火炎温度が１５００℃を超えると、ＮＯｘの増加が著しい。
【００２７】
図９は、図２の構成の主アフタエアノズルを用いて、縮流部の最大流速と火炎温度の関係を実験により検討した結果である。バーナ空気比は基準条件の±２％の範囲でほぼ一定とし、火炉空気比を変化させた。縮流部の最大流速が速くなると、火炎温度が徐々に増加する。縮流部の流速がある一定値を超えると、火炎温度が急激に増加する。これは、縮流部の最大流速がある一定値までの間は、ＮＯｘは緩やかに増加するが、ある一定値を超えると、ＮＯｘの増加が急激になることを意味する。なおＣＯは縮流部の最大流速が速くなると逆に減少した。
【００２８】
縮流部の最大流速が遅い時には、ＮＯｘは低いがＣＯは高い。一方、縮流部の最大流速が速すぎるときには、ＣＯは低いが、ＮＯｘが急激に高くなる。流速がある一定値に達するまでの間は、ＣＯは流速の増加にともない減少するが、ＮＯｘの増加は緩やかなため、ＮＯｘとＣＯの総合性能は、縮流部の最大流速にともない向上する。
【００２９】
縮流部の流速が遅い時（低速）、最適なとき（最適速度）、及び、速い時（高速）の３条件について、ＮＯｘとＣＯの関係を測定した結果を図１０に示す。ある一定値に達する直前に最適条件があり、このとき、ＮＯｘとＣＯの総合性能が最も良くなる。流速が最適値より速くても、遅くてもＮＯｘとＣＯの総合性能は低下する。
【００３０】
図１１は、図２の構成の主アフタエアノズルと従来技術の主アフタエアノズルを用いた場合について、ＮＯｘとＣＯの性能を比較した結果である。バーナ空気比および火炉空気比は基準条件の±２％の範囲内とした。従来技術の構成は、図５の構成から、縮流３次ノズル２９を除いたものである。符号１０６は、従来の構成で２次ノズルに旋回を与えない時の結果、符号１０５は、従来の構成で２次ノズルに旋回を与えた時の結果、符号１０４は、ノズルの口径を変えたときの結果である。符号１０１は、本発明の構成（図２）での結果であり、縮流部の最高流速を最適化したときの結果である。本発明の構成では、従来技術に比べて、ＮＯｘとＣＯが共に低減されることがわかる。図２，４及び５に示したような縮流型の主アフタエアノズルにすると同時に、縮流部の流速を最適化することが望ましい。
【００３１】
図１２に、主アフタエア空気の流速とＮＯｘ及びＣＯの関係を、従来技術と比較して示した。ここでの流速は、従来技術ではアフタエア噴出口での流速である。従来技術における流速とＮＯｘ及び未燃焼成分の関係は、特開２００３-２５４５１０号公報の図８に示されている。本発明での流速は、縮流部での最高流速である。符号１２１は従来技術のＮＯｘを示し、符号１２３は従来技術のＣＯを示す。また、符号１２２は本発明におけるＮＯｘを示し、符号１２４は本発明におけるＣＯを示す。
【００３２】
流速が速くなるとＮＯｘが増加する一方、ＣＯが減少する。これは、本発明と従来技術の両方に見られる。本発明が従来技術と相違する点は、流速がある一定値に達するまではＮＯｘの増加が緩やかなことである。このため、ある流速条件において、ＮＯｘとＣＯの総合性能に最適値を持つことである。従来技術では、流速が比較的低い条件でも、流速を増加したときのＮＯｘ増加率が大きい。このため、流速を変化させてもＮＯｘとＣＯの総合性能はあまり変化しない。
【００３３】
図１３は本発明に係るものであり、縮流部の流速とＮＯｘとＣＯの総合性能の関係を示した図である。流速を最適値に設定するとＮＯｘとＣＯを同時に低減できる。ただし、流速が最適値より速くなるとＮＯｘが急激に増加することにより、ＮＯｘとＣＯの総合性能が急激に低下する。流速を常に最適値付近に保つことが、性能向上の鍵となる。このためには、副アフタエアノズルを設け、副アフタエアノズルへ逃がす空気量を調整することで、主アフタエアノズル内の縮流部流速を常に最適値に保つことが有効である。また、この方法では、バーナへ供給する空気量を変えることなく、主アフタエアノズル内の縮流部流速を制御できるので、バーナ部での燃焼条件も、ＮＯｘ発生量の少ない最適状態に常に保つことができる。ただし、この方法を用いた場合には、主アフタエアノズル内の縮流部流速を変化させると、同時に副アフタエアアフタノズルから供給される空気の噴出速度も変化する。この変化がＮＯｘに与える影響を少なくするように、副アフタエアアフタノズルの配置を工夫することが望ましい。
【００３４】
火炉内の温度分布を計算することで、副アフタエアアフタノズルの配置方法の影響を検討した。図１４は火炉高さ方向の温度変化の例である。温度は、断面平均値である。破線１３２は、主アフタエアノズルの縮流部最大流速が大きいときの温度である。このケースでは主アフタエア付近での温度の極大値が１５００℃を超えており、ＮＯｘが高くなる。ＮＯｘを低減するには、主アフタエアノズルへ供給する空気量を減らし、主アフタエア付近での温度の極大値を低くする必要がある。実線１３１は、主アフタエアノズルへ供給する空気量を減らし、縮流部の最大流速を最適化したときの温度変化である。温度の極大値が低くなり、主アフタエア付近から発生するＮＯｘを低減できる。ただし、この場合、主アフタエアノズルへ供給する空気量を減少させると、副アフタエアノズルへ供給する空気量が増加するので、副アフタエア付近でＮＯｘが発生する可能性がある。
【００３５】
実線１３３は、本発明の構成での、副アフタエア付近の温度である。副アフタエアノズルは主アフタエアノズルよりも下流側に設けられているので、火炉壁への放熱により、副アフタエアノズル付近の雰囲気温度は１５００℃より低い。このため、副アフタエアノズルから噴出する空気流速の変化により雰囲気温度が変化しても、ＮＯｘ発生量へ与える影響は小さい。主アフタエア付近で発生するＮＯｘを低減することで、火炉全体から発生するＮＯｘを低減できる。
【００３６】
実線１３４は本発明の構成と異なり、主アフタエアノズルの上流側に副アフタエアノズルを設置したときの、副アフタエア付近の温度である。このときは、温度が１５００℃付近の雰囲気ガス中へ副アフタエアノズルからの空気が噴出される。この条件では空気流速の増加により温度が上昇すると、ＮＯｘが急激に増加しやすい。このため、主アフタエアノズルへの空気量を減少させて、ここで発生するＮＯｘを低減すると、副アフタエアノズルの空気流速が増加し、副アフタエア付近から発生するＮＯｘが逆に増加しやすくなる。このため、火炉全体から発生するＮＯｘを低減するのは難しい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明により、二段燃焼式の石炭焚きボイラにおいて、ＮＯｘとＣＯの同時低減が可能になった。これによる実用上の効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施例による微粉炭ボイラの火炉部の断面と、空気及び微粉炭の供給系統を示す図。
【図２】本発明の一実施例による主アフタエアノズルの構成と空気流れ方向を示す断面図。
【図３】本発明における主及び副アフタエアノズルの配置方法の一例を示す図。
【図４】本発明の別の実施例による主アフタエアノズルの断面図。
【図５】本発明の更に別の実施例による主アフタエアノズルの断面図。
【図６】主及び副アフタエアノズルの配置方法の変型例を示す図。
【図７】主及び副アフタエアノズル配置方法の他の変型例を示す図。
【図８】アフタエア燃焼部での火炎温度とＮＯｘ生成量の関係を示す図。
【図９】本発明の一実施例によるアフタエアノズルを用いたときの、縮流部の流速と火炎温度の関係を示す図。
【図１０】本発明の一実施例によるアフタエアノズルを用いて縮流部の流速を変えたときＮＯｘとＣＯの関係を示す図。
【図１１】本発明におけるＮＯｘとＣＯの特性の関係を、従来技術と比較した図。
【図１２】アフタエアの流速とＮＯｘ及びＣＯとの関係を、本発明の構成と従来技術とで比較した図。
【図１３】本発明の一実施例によるアフタエアノズルを用いたときの縮流部の流速と、ＮＯｘとＣＯ総合性能との関係を示す図。
【図１４】本発明の効果を検証した計算結果の例を示す図。
【符号の説明】
【００３９】
２…縮流部材、３…縮流部、４…噴出口、７…縮流部の最小流路面積を規定する部材、８…噴流中心軸、２３…火炉内燃焼空間、２９…縮流３次ノズル、３０…１次ノズル、３１…２次ノズル、３３…２次空気レジスタ、３４…主アフタエアノズル、３５…副アフタエアノズル、３６…バーナ、３７…空気不足の火炎、４０…アフタエア空気、４１…バーナ用２次，３次空気、４２…バーナ用１次空気と微粉炭との混合流、４３…燃焼後のガス、４５…火炉前壁、４６…火炉後壁、４８…火炉側壁、４９…燃焼用空気、５０…主/副アフタエア空気流量配分調整機構、５１…空気流量配分調整機構a。
【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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