(57)【要約】      （修正有）【課題】炉内での燃焼の直前に石炭粒子と一次空気とのより均一な混合物をもたらすことで、炉の効率を高め、煙道ガス中の例えばＮＯｘなどの汚染物質を少なくする改良された石炭ノズルアセンブリ蒸気発生装置のための石炭ノズルアセンブリを提供する。【解決手段】ノズル先端部を一端に有している細長いノズル本体３を備えており、ノズル先端部５は、２つのチャネル１４．１、１４．２を備え、各々のチャネル１４．１、１４．２は、湾曲した流路または曲がった流路を有しており、ノズル先端部５は、チャネル１４．１、１４．２を互いに隔てる分割手段１１をさらに備え、チャネル１４．１、１４．２のノズル本体３から遠い方の端部におけるチャネル１４．１、１４．２の流路の方向は、０°〜９０°の間の角度（α）を囲む、石炭ノズルアセンブリ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気発生装置のための石炭ノズルアセンブリであって、一端にノズル先端部（５）を有している細長いノズル本体（３）を備えており、前記ノズル先端部（５）は、２つのチャネル（１４．１、１４．２）を備え、各々のチャネル（１４．１、１４．２）は、湾曲した流路または曲がった流路を有しており、前記ノズル先端部（５）は、前記チャネル（１４．１、１４．２）を互いに隔てる分割手段（１１）をさらに備え、前記チャネル（１４．１、１４．２）の前記ノズル本体（３）から遠い方の端部における前記チャネル（１４．１、１４．２）の流路の方向は、０°よりも大きくかつ９０°以下である角度（α）を囲む、石炭ノズルアセンブリ。
【請求項２】
蒸気発生装置のための石炭ノズルアセンブリであって、細長いノズル本体（３）と、一端に２つのノズル先端部（１５．１、１５．２）を有している内側シェル（３．１）とを備え、前記２つのノズル先端部（１５．１、１５．２）の上流において前記内側シェル（３．１）内に位置し、前記ノズル本体（３）からの流れを前記２つのノズル先端部（１５．１、１５．２）へと分割する分割手段（２１）をさらに備えており、前記２つのノズル先端部（１５．１、１５．２）の流路の方向が、０°よりも大きくかつ９０°以下である角度（α）を囲んでいる、石炭ノズルアセンブリ。
【請求項３】
前記ノズル先端部（５、１５．１、１５．２）は、前記細長い本体（３）または前記内側シェル（３．１）の長手軸に直交する軸を中心にして枢動するように取り付けられている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の石炭ノズルアセンブリ。
【請求項４】
前記ノズル本体（３）または前記内側シェル（３．１）と、前記ノズル先端部（５、１５．１、１５．２）とは、部分的に重なり合っている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の石炭ノズルアセンブリ。
【請求項５】
空気ハウジング（１８）を備える、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の石炭ノズルアセンブリ。
【請求項６】
前記ノズル本体（３）および／または前記内側シェル（３．１）ならびに前記ノズル先端部（５、１５．１、１５．２）と、前記空気ハウジング（１８）とが、二次空気を運ぶための少なくとも１つのチャネル（２２）を境界付ける、ことを特徴とする請求項５に記載の石炭ノズルアセンブリ。
【請求項７】
前記ノズル本体（３）および／または前記内側シェル（３．１）は、矩形または角錐台の縦断面を有する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の石炭ノズルアセンブリ。
【請求項８】
前記チャネル（１４．１、１４．２）の前記ノズル本体（３）から遠い方の端部における前記チャネル（１４．１、１４．２）の流路の方向は、１５°よりも大きく、好ましくは３０°よりも大きく、かつ／または７５°未満であり、好ましくは６０°未満である角度（α）を囲む、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の石炭ノズルアセンブリ。
【請求項９】
各々のノズル先端部（５、１５．１、１５．２、１５）は、出口面（１３．１、１３．２、２３．１、２３．２）を備え、少なくとも１つ、好ましくは２つのせん断バー（２９）が、前記出口面（１３．１、１３．２、２３．１、２３．２）の付近に配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の石炭ノズルアセンブリ。
【請求項１０】
空気および石炭粒子の流れを導くための１つ以上のスプリッタプレート（２５）を備える、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の石炭ノズルアセンブリ。
【請求項１１】
触媒（３５）が前記ノズル先端部（５）の内壁に適用されている、ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の石炭ノズルアセンブリ。
【請求項１２】
前記触媒（３５）は、これに限られるわけではないが５００℃〜９００℃の好ましい温度範囲において触媒活性を有するペロブスカイト型である、ことを特徴とする請求項１１に記載の石炭ノズルアセンブリ。
【請求項１３】
前記触媒（３５）は、金属でドープされたランタンストロンチウムチタン酸塩である、ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の石炭ノズルアセンブリ。
【請求項１４】
炉と、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の少なくとも１つの石炭ノズルアセンブリとを備える蒸気発生システム。
【請求項１５】
炉と、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の少なくとも１つの石炭ノズルアセンブリとを備える蒸気発生システムを、当該蒸気発生システムの負荷の関数として、さらには／あるいは燃焼燃料に応じて、試運転時に前記ノズル先端部（５、１５．１、１５．２）の角度（α）を最初に調節し、さらには／あるいは当該システムの動作の最中にノズル先端部（５、１５．１、１５．２）の角度（α）を調節することによって、動作させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一次空気に取り込まれた固体粒子の流れを燃焼器または炉へと導くための蒸気発生装置用のノズルアセンブリに関する。さらに、本発明は、炉と少なくとも１つの石炭ノズルアセンブリとを含む蒸気発生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体燃料燃焼システムは、空気の流れにて炉へと吹き込まれる典型的には石炭である粉末状の固体燃料を燃焼させる。この炉は、典型的には、発電などの種々の用途のための蒸気を生成するボイラである。
【０００３】
微粉化された石炭粒子は、一次空気によって石炭粉砕装置から石炭ノズルアセンブリへとダクト装置を通って運ばれるときに、種々の経路において凝集する傾向がある。結果としての石炭粒子と一次空気との部分的な分離が、他の悪影響の中でもとりわけ、炉における燃焼効率を低下させ、煙道ガス中の汚染物質を増加させ、これは望ましくない。
【０００４】
米国特許第８９５５７７６号明細書から、固体燃料炉用のノズルであって、一次空気および石炭粒子の流れを炉へと導くために、ノズルの出口領域に互いに平行に配置された何枚かの平坦な案内羽根を備える固定式のノズルが知られている。
【０００５】
ノズルおよび案内羽根は、例えば鋳造によって一体的に形成されている。案内羽根は、互いにおおむね平行であり、結果として、ノズルを出て炉に進入する前に、部分的に凝集した石炭粒子と一次空気との最適な混合物を得ることができない。
【０００６】
現在では、炉内での燃焼の直前に石炭粒子と一次空気とのより均一な混合物をもたらすことで、炉の効率を高め、煙道ガス中の例えばＮＯｘなどの汚染物質を少なくする改良された石炭ノズルアセンブリが、必要とされている。
【発明の概要】
【０００７】
第１の実施形態において、石炭ノズルアセンブリは、ノズル先端部を一端に有している細長いノズル本体を備え、前記ノズル先端部は、２つのチャネルを備え、各々のチャネルは、湾曲した流路または曲がった流路を有しており、ノズル先端部は、チャネルを互いに隔てる分割手段をさらに備え、チャネルのノズル本体から遠い方の端部におけるチャネルの流路の方向は、０°よりも大きくかつ９０°以下である角度を囲む。
【０００８】
第２の実施形態において、石炭ノズルアセンブリは、細長いノズル本体と、２つのノズル先端部を一端に有している内側シェルとを備え、このノズルアセンブリは、前記２つのノズル先端部の上流において内側シェル内に位置し、前記ノズル本体からの流れを２つのノズル先端部へと分割する分割手段をさらに備え、この第２の実施形態の２つのノズル先端部の流路の方向は、０°よりも大きくかつ９０°以下である角度を囲んでいる。
【０００９】
本発明の両方の実施形態は、２段階のアプローチを利用する。第１の段階は、石炭粒子および一次空気の非一様な流れがノズル本体を出てノズル先端部に進入するときに生じる。この流れは、分割手段によって先端部の内部の２つの部分流に分割される。２つの部分流は、第２の段階であるノズル先端部を出るときの互いの交差およびせん断を生じるように、第１の実施形態による先端部の内部で方向が変えられ、あるいは２つのノズル先端部によって方向が変えられる。とりわけこの交差およびせん断を達成するために、ノズル先端部を出る部分流が通過する出口面は、９０°よりも大きくかつ１８０°よりも小さい角度を囲む。このせん断は、２つの部分流の外部での混合を引き起こし、石炭流の分散を助けて、燃焼をきわめて効率的にし、排出物を少なくする。
【００１０】
本発明による石炭ノズルアセンブリは、単に先端部の内部における混合に頼るよりもむしろ、燃焼が生じる直前に炉内で石炭粒子および一次空気を混合することにより、石炭および一次空気の良好に混合されたかなり均質な流れを生成する。
【００１１】
炉内の局所的に異なる動作状態に応じた石炭粒子および一次空気のさらに改善された混合を可能にするために、ノズル先端部は、細長い本体の長手軸に対して直交する軸を中心にして枢動するように取り付けられている。ほとんどの場合、この軸は水平である。
【００１２】
石炭粒子および一次空気のほぼ１００％がノズル先端部に確実に進入するように、ノズル本体は、ノズル先端部に部分的に重なっている。
【００１３】
特許請求されるノズル先端部の平面壁および湾曲壁は、ノズル先端部の矩形の断面を境界付ける。さらに、ノズル本体は、矩形または角錐台の縦断面を有することで、ノズル先端部に進入する前の一次空気および石炭粒子の速度を高めることができる。
【００１４】
チャネルのノズル本体から遠い方の端部におけるチャネルの流路の方向が、１５°よりも大きく、好ましくは３０°よりも大きく、かつ／または７５°よりも小さく、好ましくは６０°よりも小さい角度αを囲むと好都合であることが、明らかになっている。
【００１５】
チャネルの流路の方向の間の角度αをこの限界の範囲内に保つことで、ノズル先端部の前方に安定かつきれいな火炎がもたらす石炭および空気の２つの部分流の良好な交差およびせん断がもたらされる。
【００１６】
引火点を先端部に近づけ、火炎の安定性を向上させるために、１つまたは２つのせん断バーを、出口面の付近において各々のノズル先端部に取り付けることができる。
【００１７】
冷却の目的、および一次空気と石炭粒子との混合物をさらに改善するために、二次空気の周囲が、石炭ノズル先端部を取り囲むことができる。
【００１８】
混合能力のさらなる改善のために、各々のノズル先端部は、空気および石炭粒子の流れを導くように２つの平面壁の間を延びるスプリッタプレートを備える。
【００１９】
さらなる利点が、図面、その説明、および特許請求の範囲に開示される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によるノズル本体およびノズル先端部の第１の実施形態の側面図（分解図）である。
【図２】ノズル先端部を取り囲む外側ハウジングの側面図である。
【図３】図１および図２によるノズル本体ならびに取り付けられたノズル先端部および外側ハウジングの側面図である。
【図４】特許請求される石炭ノズルアセンブリの第２の実施形態の概略の断面図である。
【図５】図４による第２の実施形態を通る石炭および一次空気の流れを示している。
【図６】第２の実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１が、本発明によるノズル本体３およびノズル先端部５の分解側面図を示している。ノズル先端部５は、対称軸３１を有する。この実施形態のノズル先端部５は、２つの平行な平面壁７から構成され、そのうちの１つだけを図１では見て取ることができる。
【００２２】
この実施形態のノズル先端部５は、２つの湾曲した壁または曲がった壁９をさらに備える。これら２対の壁７、９が、ノズル先端部５の外側境界またはハウジングである。
【００２３】
このハウジングの内側に、分割手段１１が配置されている。分割手段１１は、一方の（平面）壁７から他方の（平面）壁７まで延びている。分割手段１１は、前縁１２によってノズル本体３からの流れを２つの部分流へと分割するように形作られている。湾曲壁９と分割手段１１との間に、２つのノズル型チャネル１４．１、１４．２が形成されている。この実施形態のチャネル１４の断面は、矩形である（図１では見て取ることができない）。
【００２４】
これにより、一次空気および同伴の石炭粒子の流路は、湾曲し、あるいは曲げられる。本発明との関連における用語「流路」は、一次空気および石炭の主たる方向または運搬方向を意味するように理解されなければならない。これに加えて、例えば一次空気の乱流に起因して、一次空気の流れの流路からの局所的および／または一時的なずれが生じ得る。これらのずれは、流路の方向に影響を与えない。
【００２５】
上記定義の流路は、流路を視覚化するように図中に適切に図示することが不可能であるため、図面は矢印（参照番号なし）を含んでいる。
【００２６】
さらに、流路およびノズル先端部５を出るときの流路の方向を視覚化するために、湾曲した長手軸および一直線の長手軸３３．１、３３．２が図中に示されている。特許請求される発明との関連において、用語「長手軸３３．１、３３．２」および「流路」は、同義語である。
【００２７】
したがって、チャネル１４．１、１４．２の長手軸３３．１、３３．２も、湾曲しており、あるいは曲がっている。この実施形態において、チャネル１４．１、１４．２は、ノズル先端部５の対称軸３１に関して対称に配置されている。
【００２８】
一次空気および石炭粒子は、矢印によって示されるように、ノズル本体３ならびにチャネル１４．１および１４．２を通って流れる。空気および石炭粒子は、出口面１３．１および１３．２を介してチャネル１４．１、１４．２を出る。この実施形態の出口面１３．１、１３．２の断面は、矩形である（図１では見て取ることができない）。
【００２９】
ノズル本体３から遠い（さらには、出口面１３．１および１３．２に近い）チャネル１４．１、１４．２の端部における長手軸３３．１、３３．２は、０°より大きくかつ９０°以下である角度αを囲んでいる。この特定の実施形態において、角度αは、約６０°である。これは、出口面１３．１、１３．２を介してチャネル１４．１、１４．２から出る一次空気の流れの方向が、角度αに等しい角度を囲むことを意味する。出口面を介してノズル先端部を出るときの一次空気の流れの方向は、出口面に対して垂直である。
【００３０】
一次空気および石炭粒子に曝されるノズル先端部５の内面に、触媒３５を適用することが可能である。
【００３１】
湾曲したチャネルまたは曲がったチャネル１４．１、１４．２は、空気および石炭粒子の部分流を、ノズル先端部５を出た後かつ燃焼の直前に交差してせん断するように導く。これにより、燃焼前および燃焼中に、一次空気と石炭粒子とのより均一な混合物が得られる。したがって、火炎の効率が向上し、排出物が減少する。
【００３２】
選択肢（図１には図示せず）として、スプリッタプレートを、出口面１３．１、１３．２の近くのチャネル１４．１、１４．２内に配置することができる。
【００３３】
図２が、外側ハウジングまたは空気ハウジング１８の側面図を示している。空気ハウジング１８は、ノズル本体３およびノズル先端部５を取り囲み、かつノズル本体３およびノズル先端部５から離間している。燃焼空気または二次空気が、一方側のノズル本体３およびノズル先端部５と、他方側の空気ハウジング１８との間に定められる領域に進入する。換言すると、二次空気の周囲が、石炭ノズル先端部５を取り囲む。
【００３４】
図３が、特許請求されるノズル先端部の組み立てられた第１の実施形態を示している。分かり易くするために、すべての参照番号が描かれているわけではない。
【００３５】
選択肢として、ノズル先端部５は、１対の枢支部材１６、２０によって空気ハウジング１８に枢動可能に接続される。図１では、枢支ピン１６を見て取ることができる。空気ハウジング１８は、枢支ピン１６のための軸受２０を備える（図２を参照）。枢支部材１６，２０は、燃料および燃焼空気を炉の垂直軸に対して上方または下方に向けることができるように、ノズル先端部５を軸（大抵の場合、水平軸）を中心にして回転させ、あるいは傾けることを可能にする。ノズル先端部５の枢支接続は、空気の方向を約±３０°の範囲内で変更することを可能にする。簡略化された実施形態においては、ノズル先端部５が、枢動可能には取り付けられていない。
【００３６】
図１および図３から理解できるとおり、火炎の引火点がノズル先端部５に近づき、改善された火炎安定性をもたらすように、出口面１３．１および１３．２の近くにおいてせん断バー２９が出口面１３．１および１３．２から出る空気および石炭粒子を旋回させ、方向付ける。せん断バー２９は、任意である。
【００３７】
図３において、一方側においては空気ハウジング１８によって限定され、他方側においてはノズル本体３およびノズル先端部５によって限定されるチャネル２２を見て取ることができる。このチャネル２２を通って、二次空気の周囲が炉へと流入する。炉への進入に先立ち、二次空気は、ノズル先端部５を冷却するほか、石炭粒子と空気とを燃焼の前に混合する。二次空気を加速するために、チャネル２２の高さを出口面１３．１、１３．２の付近で最小限に抑えることが、さらに有利である。
【００３８】
図４および図５が、特許請求される発明の第２の実施形態を示している。同様の部分には、第１の実施形態（図１〜図３）と同じ参照番号が付されている。
【００３９】
この実施形態において、ノズル本体３は、ノズルアセンブリ１の内側シェル３．１に取り付けられる。さらに、２つのノズル先端部１５．１および１５．２の各々が、枢支ピン１６およびそれぞれの軸受２０によって内側シェル３．１に枢動可能に取り付けられる。
【００４０】
ノズル先端部１５．１および１５．２の入口の上流において、分割手段２１が内側シェル３．１内に設置され、ノズル本体３を通る流れを２つの部分流へと分割し、内側シェル３．１と協働して２つのチャネル１４．１、１４．２を形成する。各々のチャネル１４．１、１４．２は、ノズル本体３を通る流れの約半分を、ノズル先端部１５．１および１５．２の各々へと供給する。
【００４１】
ノズル先端部１５．１および１５．２の流路および長手軸３３．１および３３．２の方向は、９０°と０°との間の角度α（図示されている角度は、約４０°である）を囲んでいる。これは、ノズルアセンブリ１の外部での２つの部分流の交差およびせん断を促進し、上述の肯定的な結果をもたらす。
【００４２】
両方のノズル先端部１５．１および１５．２を別個独立に傾けることができるため、ノズル先端部１５．１および１５．２の流路および／または長手軸３３．１および３３．２の間の角度αを、最適な燃焼が達成されるように調節することが可能である。さらに、火炎の引火点を調節することが可能である。
【００４３】
第１の実施形態と同様に、外側ハウジング１８および内側シェル３．１ならびにノズル先端部１５．１、１５．２は、ノズル先端部１５．１および１５．２を冷却するための二次空気の周囲が流れるチャネル２２を限定する。
【００４４】
外側ハウジング１８および内側シェル３．１を、おおむね約＋／−３０°の角度だけ傾けることができるように、枢支ピン３７、３９によって枢動可能に取り付けることが可能である。
【００４５】
混合能力をさらに改善するために、各々のノズル先端部１５．１、１５．２、および１５は、空気および石炭粒子の流れを導くために出口面１３．１、１３．１、２３．１、および２３．３の付近に配置されたスプリッタプレート２５を備えてもよい。
【００４６】
図５が、ノズルアセンブリ１を通る一次空気の流れを示し、ノズル先端部１５．１、１５．２を出た後の２つの部分流の交差およびせん断をさらに示している。
【００４７】
図６が、第２の実施形態の斜視図を示している。この斜視図から、外側ハウジング１８とノズル本体３．１との間に、ノズル先端部１５．１および１５．２を冷却するためのチャネル２２が存在することを、見て取ることができる。
【００４８】
さらに、空気ハウジング１８と内側シェル３．１との間に、複数のリブ２４が配置されていることを、見て取ることができる。それらは、空気ハウジング１８の内面および細長いノズル本体３．１の外面に溶接され、ノズル先端部１の構造骨格を形成する。さらに、リブ２４は、二次空気のための案内手段として機能することができる。
【００４９】
図６に示されるように、出口面２３．１および２３．２は、１８０°の角度を囲むことができる（これは、流路が平行であることを意味する）。場合によっては、これが、ノズル１５．１および１５．２を出る一次空気および石炭粒子の流れのための最適な方向であるかもしれない。
【００５０】
特許請求される超低ＮＯｘバーナノズルのＮＯｘ排出をさらに低減するために、触媒３５が、一次空気および石炭粒子に曝されるノズル先端部の表面に適用される。噴射された燃料中の揮発性物質の触媒燃焼が、揮発性物質または固体燃料の部分燃焼に由来するＮＯｘ種の還元にとって好ましい温度で達成される。さらに、ノズル先端部の内部における触媒燃焼は、下流の火炎の質を向上させ、したがって炉内のＮＯｘ排出物を低減する。
【００５１】
噴射された燃料中の揮発性物質の触媒燃焼が、揮発性物質または固体燃料の部分燃焼に由来するＮＯｘ種の還元にとって好ましい温度で達成される。また、ノズル先端部の出口面の付近における触媒燃焼も、火炎の質を改善し、したがって炉内のＮＯｘ排出物を低減する。
【００５２】
本発明の一実施形態において、触媒は、これに限られるわけではないが５００℃〜９００℃の好ましい温度範囲で触媒活性を有するペロブスカイト型である。本発明の一実施形態において、触媒は、ランタン、ストロンチウム、および／またはチタン酸塩であり、金属でドープされる。このような金属は、これらに限られるわけではないが、Ｆｅ、Ｍｎ、およびＣｏである。
【００５３】
さらに、特許請求される発明は、炉と、上記請求のうちの１つによる少なくとも１つの石炭ノズルアセンブリとを備える蒸気発生システムを、最適な燃焼が達成されるように試運転時にノズル先端部５、１５．１、１５．２の角度αを最初に調節することによって動作させるための方法に関する。
【００５４】
さらに、システムの動作の最中にノズル先端部５、１５．１、１５．２の角度αを、蒸気発生システムの負荷の関数として調節し、さらには／あるいは化学組成および／または粒子サイズなどの燃焼燃料の特性に応じて調節する方法に関する。
【符号の説明】
【００５５】
１  ノズルアセンブリ、ノズル先端部
３  ノズル本体
３．１  内側シェル
５  石炭ノズル先端部
７  平面壁
９  湾曲壁
１１  分割手段
１２  前縁
１３．１、１３．２  出口面
１４  チャネル
１５．１、１５．２  ノズル先端部
１６  枢支ピン、枢支部材
１７  平坦な平行壁
１８  空気ハウジング、外側ハウジング
２０  軸受
２１  分割手段
２２  チャネル
２３．１、２３．２  出口面
２４  リブ
２５  スプリッタプレート
２９  せん断バー
３１  対称軸
３３．１、３３．２  長手軸
３５  触媒
３７  枢支ピン
３９  枢支ピン
α  角度
【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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【外国語明細書】
2019052838000001.pdf