(57)【要約】【課題】火炉壁近傍の未燃焼ガス混合の安定化と、火炉中央部到達機能の独立化、エアポートノズルなどの近傍の着火安定化による希薄未燃焼ガスの酸化分解が可能で、低ＮＯｘ燃焼が実現できる簡易構造の噴流ポートを提供すること。【解決手段】二次空気３の流れがＡＡＰ１７の外周側から中心軸に向かう速度成分を持つように空気流れの上流側から中心軸に向かって斜めに形成された縮流生成用二次空気流路２３と該二次空気流路２３の出口部に火炉１のスロート部１ａに沿うガス流れを案内する案内板１０を設け、二次空気流路２３の上流側に旋回器８を設けたガス噴出ポートである。二次空気流路２３の出口部近傍の火炉１内において噴流周囲の大きな乱れが発生し、周囲の燃焼ガスを同伴しやすくなり、旋回器８により形成されるガスの旋回噴流は縮流に比べて噴流の広がりが大きくなり上昇未燃ガスのすり抜けを防止し、案内板１０は炉壁での灰付着を防ぐ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炉の炉壁に設けられ、火炉内へガスを噴出させるための複数のガス流路からなる気体ガス噴出ポートであって、
少なくとも一の気体流路は、気体流れがポートの外周側からポートの中心軸に向かう速度成分を持つように気体流れの上流側から中心軸に向かって斜めに形成された縮流生成用流路と、該縮流生成用流路の出口部に配置して火炉壁に沿うガス流れを案内する案内板と、前記縮流生成用流路の上流側に設けた旋回器とを備えたことを特徴とするガス噴出ポート。
【請求項２】
前記縮流生成用流路は、気体流れがポートの外周側からポートの中心軸に向かう速度成分を持つ気体流れの他に中心軸沿いに火炉内に向かう速度成分を有することを特徴とする請求項１記載のガス噴出ポート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラ火炉などの火炉へ空気などのガスを噴出させるガス噴出ポートに係わり、特に火炉中心部への噴流到達と火炉壁近傍のガス混合促進を両立するのに好適なガス噴出ポートに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラ火炉壁には、空気や燃焼排ガス等の気体を炉内に噴出させる各種のポートが設けられている。例えば、燃焼装置として燃料と燃焼用空気とを噴出させるバーナや、二段燃焼用空気を投入するためのアフターエアポート（ＡＡＰ、オーバーエアポート、ＯＦＡとも称される）等が該当する。
【０００３】
図４に代表的な微粉炭燃焼用の火炉を示す。図４（ａ）は石炭焚ボイラの火炉１の前壁又は後壁の概略構造図であり、図４（ｂ）は側断面図である。水壁で構成された火炉１には３段の低ＮＯｘバーナ１６と１段のエアポート１７とがそれぞれ４列対向するように火炉壁に取り付けられている。低ＮＯｘバーナ１６では空気比（バーナ空気量／理論空気量）が０．８程度になるような燃焼を行い、ＡＡＰ１７でバーナ１６での燃焼で不足した分だけ空気量を吹き込んで完全燃焼を行う二段燃焼法が用いられている。
【０００４】
バーナゾーンで発生するＮＯｘ量はバーナ空気比が低いほど少ないので、このような二段燃焼炉で発生するＮＯｘ濃度は低ＮＯｘバーナ１６だけを使用する場合よりも格段に低い値となる。このように二段燃焼法はＮＯｘ発生量を低減するのに有効な方法である。
【０００５】
しかし、燃焼領域が火炉１の下流側へ移っているために、ＡＡＰ１７付近での空気と不完全燃焼した燃料との混合効率が悪いと排ガス中に未燃分を含むことがある。図４に示す低ＮＯｘバーナ１６とエアポート１７の各風箱４、４には排ガスの熱等を利用したエアヒータ３２で３００℃程度に予熱された空気３４が振り分けられて供給される。
【０００６】
風箱４、４からバーナ１６やエアポート１７の２つ以上に分割された空気流路に空気が供給される。特にバーナ１６に関しては風箱４からの空気はバーナ１６の中心軸上にある燃料と一次空気（燃料搬送用空気）との混合流には供給されず、前記混合流の流路の外周部に設けられる図示していない二次空気流路、三次空気流路に供給される。バーナ１６が微粉炭バーナである場合にはミル３３から供給される微粉炭が搬送用空気３５と共にバーナ１６の前記混合流の流路に供給される。なお、火炉から出た燃焼排ガスは再循環ライン３７を経由して再び火炉内に供給され、前記微粉炭の不完全燃焼反応に利用される。
【０００７】
このようなＡＡＰ１７の機能として、空気噴流を火炉１内の中央部まで到達させつつ、火炉壁近傍のガス混合を促進して、未燃焼ガスの火炉下流側へのすり抜けを防止する必要がある。このため、ＡＡＰ１７の外周側から中心軸方向に向けた流れを強めてポート出口部を構成する火炉壁のスロート部１ａ（図１参照）を通過させ、空気噴流がＡＡＰ１７の中心軸に集中しつつスロート部１ａ周辺のガスを巻き込むような流れ、いわゆる縮流を形成するのに適した構造を採るものがある。
【０００８】
なお、本明細書でいうガス噴出ポートは、ガスを火炉内に噴出させるポートであれば、アフターエアポートに限らず、燃焼排ガスの投入用ポート、燃料を燃焼させるためのバーナ用のポートなどをいう。また、該ポートが設けられる火炉壁面の開口部をスロート部ということにする。
【０００９】
特許文献１及び特許文献２には縮流を伴う二段燃焼用空気を火炉に投入するためのＡＡＰの発明が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−１３２８１１号公報
【特許文献２】特開２００６−１３２７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＡＡＰ１７からの空気流の流速を増加させることで、通常の流速（３５〜４５ｍ／ｓ）の場合と比較して、火炉１内の燃焼ガスをより多く同伴して火炉１内での空気と燃焼ガスの混合効果が増加することは周知である。
【００１１】
しかし、ＡＡＰ１７からの空気流の流速増加により、火炉１の中心部分まで空気噴流が到達し、この領域において火炉１内の未燃焼ガスと良く混合することで燃焼温度が増加してサーマルＮＯｘが増大する問題がある。
【００１２】
さらに、ＡＡＰ１７からの空気流の流速を増加するためには、ＡＡＰ設置部における風箱４と火炉１との差圧を現状レベル以上に増加する必要があることから、そのためのファン動力増大の問題が発生する。したがって、いかに低流速で空気と燃焼ガスとの混合効果を得ることができるかが課題となる。
【００１３】
また、できるだけ簡易な構造で強い空気流の貫通力を維持したまま、火炉１の中央部分での空気と燃焼ガスとの急速混合を防止することが難しいだけでなく、ＡＡＰ１７の周囲での未燃焼ガスを同伴させて、前記未燃焼ガスがすり抜けて火炉１の出口から外部に排出してしまうことを防止することも難しかった。
【００１４】
本発明の課題は、火炉壁近傍の未燃焼ガス混合の安定化と、火炉中央部到達機能の独立化、エアポートノズルなどの近傍の着火安定化による希薄未燃焼ガスの酸化分解が可能で、低ＮＯｘ燃焼が実現できる簡易構造の噴流ポートを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の課題は次の構成によって解決される。  
請求項１記載の発明は、火炉の炉壁に設けられ、火炉内へガスを噴出させるための複数のガス流路からなる気体ガス噴出ポートであって、少なくとも一の気体流路は、気体流れがポートの外周側からポートの中心軸に向かう速度成分を持つように気体流れの上流側から中心軸に向かって斜めに形成された縮流生成用流路と、該縮流生成用流路の出口部に配置して火炉壁に沿うガス流れを案内する案内板と、前記縮流生成用流路の上流側に設けた旋回器とを備えたガス噴出ポートである。
【００１６】
請求項２記載の発明は、前記縮流生成用流路は、気体流れがポートの外周側からポートの中心軸に向かう速度成分を持つ気体流れの他に中心軸沿いに火炉内に向かう速度成分を有する請求項１記載のガス噴出ポートである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１記載の発明によれば、ガスの縮流により、縮流生成用流路の出口部近傍の火炉内において噴流周囲に大きな乱れが発生し、周囲の燃焼ガスを同伴しやすくなり、旋回器により形成されるガスの旋回噴流は縮流に比べて噴流の広がりが大きいため、上昇未燃ガスのすり抜けを防止することができる。こうして請求項１記載の発明のガス噴出ポートにより、ガス中のＣＯガス、未燃分の低減を図ることができる。さらに縮流生成用流路の出口部に配置して火炉壁に沿うガス流れを案内する案内板により、火炉壁での灰の付着防止ができる。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、縮流生成用流路は、気体流れがポートの外周側からポートの中心軸に向かう速度成分を持つ気体流れの他に中心軸沿いに火炉内に向かう速度成分を有するので、ＡＡＰ出口部に多少燃焼灰が付着して、該出口部の断面形状が変形したとしても、気体流れの貫通力が保たれるので、噴出方向が変化することがなく、一定の気体流れの噴流パターンが維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施例を図面と共に説明する。  
図１に本実施例になるＡＡＰ１７の断面構造図を示す。  
風箱４内に設けられるＡＡＰ１７は２重構造になっており、一次空気流路２２内を流れる中心空気である一次空気２は直進流であるが、火炉１の中央部にまで到達する貫通能力は無い。一方、一次空気流路２２の出口部付近で一次空気２と合流する二次空気流路２３内を流れる二次空気３は二次空気流路２３の入口部に設けた二次空気レジスタ８により旋回機能を有しており、火炉壁近傍の希薄未燃ガスを燃焼させることができ、低流速で火炉壁近傍に拡散混合して、火炉壁近傍に局在する未燃焼ガスを酸化する。また二次空気３は一次空気２の噴流に対して、一次空気噴流の中心軸に向けて傾斜角度を有する噴流となり、一次空気噴流を縮流させる効果が得られる。
【００２０】
一次空気２の火炉１内への噴流量は一次空気流路２２の開口部２２ａを開閉するスライドゲート５の開度を調整レバー６で調整し、二次空気３の火炉１内への噴流量は二次空気流路２３の入口部のスライドゲート９の開度を調整レバー１３で調整して行うことで一次空気２と二次空気３の各噴流の流量調整が可能となる。また二次空気３の噴流の旋回強度の調整は風箱４の外側に設けた二次空気レジスタドライブ７の操作によりレジスタ８の回転軸８ａを操作して行う。また、二次空気流路２３の出口外周側にはルーバ１０を設置した。
【００２１】
図６には、比較例の縮流機能を有したＡＡＰ構造を示すが、図１で説明する本実施例のＡＡＰ構造と比較して、比較例のＡＡＰ構造は一次空気２の噴流の周囲に旋回噴流が無いことが特徴である。
【００２２】
図６に示すＡＡＰ構造の中で一次空気２の火炉１内への噴流量は一次空気流路２２の開口部２２ａを開閉するスライドゲート５の開度を調整レバー６で調整され、一次空気２は直進流となってＡＡＰ１７の軸方向に流れ、火炉１内に噴出する。また一次空気流路２２の外周部に該一次空気流路２２と同軸上に設けられた二次空気流路２３内を流れる二次空気３は二次空気レジスタ８で旋回が掛けられた後、直進流となってＡＡＰ１７の軸方向に流れ、火炉１内へ噴出する。さらに、二次空気流路２３の外周に設けた三次空気流路２４内を流れる三次空気２５はＡＡＰ１７の中心軸に向けて傾斜角度を持って噴出供給される。すなわち、比較例のＡＡＰ１７は直進、旋回、縮流の３つの流れを合成して縮流機能を有する噴流を形成する。このうち、直進流は一次空気２と二次空気３の二つの流れを個別の空気供給流路２２，２３により実現していた。
【００２３】
一方、図１に示す本実施例のＡＡＰ１７は、図６に示す比較例の直進流を形成する一次空気２に噴流形成機能は残すものの、旋回流と縮流を形成する機能を二次空気流路２３に持たせている。言い換えると、本発明のＡＡＰ１７では、比較例の旋回流と縮流の二つの異なる空気流路２３，２４からの噴流の混合で形成するのではなく、一つの二次空気流路２３で旋回流と縮流の機能を有する構成とした特徴を有する。このような構成によりＡＡＰ構造を簡略化でき、重量低減と製作費用の低減が可能となる。
【００２４】
ところで、縮流型ノズルと直管ノズルとを比較した場合、縮流型ノズルでは、ノズル出口部（火炉スロート部１ａ）の流速分布が平坦分布であり、十分に乱流が発達しない。一方、直管型ノズルでは、直管が比較的長く、その壁面の影響によりノズル出口部では空気流速分布は正規分布となる。火炉スロート部１ａにおける火炉内壁面付近の周囲ガスの同伴巻き込み能は、ノズル出口部の平坦な流速分布を有する縮流型ノズルの方が優れている。
【００２５】
この基本特性をＡＡＰ構造に反映して、本実施例では空気の流れを出口部分でその流路断面積を急速に絞り込むことで、平坦な流速分布を得るＡＡＰ構造とした。
【００２６】
縮流型ノズルのＡＡＰ構造は噴流周囲の乱れが大きく周囲の燃焼ガスを同伴しやすいのであるが、欠点もある。欠点の一つは、噴流の広がりは旋回噴流の方が縮流より大きくなることである。噴流の広がりが大きいと、ＡＡＰ１７，１７間の上昇未燃ガスのすり抜けを防止することができ、ガス中のＣＯガス、未燃分の低減を図ることができる。
【００２７】
図５に、図１、図２に示す本実施例のＡＡＰ構造を用いた場合の排ガス中のＣＯ濃度とＮＯｘ濃度の相対比を示す。図５に示すように、縮流機能と旋回機能を備えたハイブリット型ではそれぞれ縮流機能だけのＡＡＰ構造と旋回流機能だけのＡＡＰ構造に比較してガス中のＣＯ濃度が比較的低減されることが分かる。
【００２８】
次に実機ボイラにおいて燃焼ガスのすり抜けが発生するメカニズムについて記載する。  実機ボイラにおけるＡＡＰ１７は、バーナ１６の上方にバーナ１６と同じ列上に構成されるのが通常である。この理由は、バーナ１６及びＡＡＰ１７のサポート構造が格子状になっており、それぞれの配置位置を調整することが難しいことに加えて、バーナ１６からの高濃度燃焼ガスが、火炉１内で十分に混合されず、そのまま火炉内を上昇するため、ＡＡＰ１７がバーナ１６と同じ列上に構成されていることが完全燃焼に対して最も効果的であるためである。
【００２９】
しかし、バーナ１６は近年大容量化による設置本数削減が進んでおり、複数のバーナ１６の相互の間隔が大きくなり、それに伴って複数のＡＡＰ１７の相互の間隔も増加する傾向が強いので、未燃焼ガスのすり抜けも発生しやすくなっている。
【００３０】
以上の理由から、燃焼ガスのすり抜けを防止するには、縮流機能と旋回機能を持ったＡＡＰ構造が望ましいことが分かる。
【００３１】
さらに、ＡＡＰ構造は火炉スロート部１ａにおける灰付着防止を図る必要がある。バーナ１６からの燃焼ガスが火炉１内を上昇してＡＡＰ１７に達する場合に、燃焼ガス中に含まれる灰も同伴することから、ＡＡＰ出口部（火炉スロート部１ａ）における灰付着ポテンシャルの低減が必要である。火炉スロート部１ａにおける灰付着のメカニズムと防止策を、図７と図２により説明する。なお、図７と図２において、図１で説明した部材と同一部材は同一符号を付して、その説明は省略する。
【００３２】
図７には二次空気流路２３内を流れる二次空気３の一部３ａの流れが火炉スロート部１ａから剥離縮流化した状況を示している。このため、ＡＡＰ１７からの空気流れが剥離するので、ボイラ火炉１内部の灰を含んだ燃焼ガスが火炉スロート部１ａに逆流して、この領域では灰が滞留し易くなるために、火炉スロート部１ａには灰付着部１８が形成される。
【００３３】
また、図２には二次空気流路２３の出口外周側にルーバ１０を設置した構造を示している。このルーバ１０によって、二次空気３の一部３ａが火炉スロート部１ａの壁面をシールする効果が得られるため、二次空気３により形成される縮流が同伴する燃焼灰による灰付着部１８の形成量を小さくすることができる。
【００３４】
なお、図２に示す灰付着部１８の形成をまったく無くすことはできない。しかしながら、火炉スロート部１ａの壁面における多少の灰付着は、ＡＡＰ１７の性能に影響せず、またボイラ性能にも影響しないので、無視してかまわない。しかし、図７に示すような大量の灰付着部１８があると、ボイラを運転停止した場合にＡＡＰ１７の内部へ剥離して脱落する可能性がある。
【００３５】
また、図３には図１、図２に示す一次空気２の直進流用の一次空気流路２２を断熱材２６で塞ぎ、図１などに示す二次空気流路２３を用いる二次空気３の縮流用の流路だけを設けた場合のＡＡＰ構造の例である。この構造では直進流がない分、図１などに示すＡＡＰ構造に比較して、空気流の縮流度が高く、火炉１の未燃ガスを同伴しやすくなることから、ＣＯ低減と未燃分低減により効果的になる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、安価で低ＮＯｘ効果の高い燃焼システムに採用し得るＡＡＰ構造として利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例のＡＡＰ構造の断面図である。
【図２】本発明の一実施例のＡＡＰ構造の断面図である。
【図３】本発明の一実施例のＡＡＰ構造の断面図である。
【図４】石炭焚事業用ボイラのバーナ及びＡＡＰの配置図である。
【図５】本発明の一実施例のＡＡＰ構造を用いた場合の排ガス中のＣＯ濃度とＮＯｘ濃度の相対比を示す図である。
【図６】比較例の縮流構造を有するＡＡＰ構造の断面図である。
【図７】従来技術の一実施例のＡＡＰ構造の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  火炉                      １ａ  スロート部
２  一次空気                  ３  二次空気
３ａ  二次空気の一部          ４  風箱
５，９  スライドゲート        ６，１３  開度調整レバー
７  二次空気レジスタドライブ
８  二次空気レジスタ          ８ａ  回転軸
１０  ルーバ                  １６  バーナ
１７  エアポート（ＡＡＰ）    １８  灰付着部
２２  一次空気流路            ２２ａ  開口部
２３  二次空気流路            ２４  三次空気流路
２５  三次空気                ２６  断熱材
３２  エアヒータ              ３４，３５  空気
３３  ミル                    ３７  再循環ライン
【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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