(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気とを混合した燃料ガスを火炉内に吹き込む燃料ノズルと、
該燃料ノズル内の先端側に、燃料ガス流れ方向に幅が拡大する拡幅部によって燃料ガス流れを分割する複数のスプリッタと、
を備え、
前記スプリッタは、前記拡幅部の燃料ガス流れ下流端の幅を部分的に減少させるスリットが形成されたスリット付きスプリッタを備え、
前記スリット付きスプリッタの前記スリットを形成する面が、燃料ガス流れの下流側から前記燃料ノズルを正面視した場合の前記スプリッタの長手軸線方向に、燃料ガス流れを偏向させる傾斜面とされていることを特徴とする燃焼バーナ。
【請求項２】
前記スプリッタは、燃料ガス流れ方向に異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼バーナ。
【請求項３】
前記スプリッタの拡幅部の下流端における隅部には、角部が除去された角除去部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼バーナ。
【請求項４】
前記燃料ノズルを上下又は左右に回動させるノズル角度調整機構を備え、
前記燃料ノズル内には、前記ノズル角度調整機構の回動方向に直交する方向に延在する整流板が固定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃焼バーナ。
【請求項５】
火炉と、
該火炉に設けられた請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃焼バーナと、
前記火炉の下流側に設けられた煙道と、
該煙道に設けられた熱交換器と、
を有することを特徴とするボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼バーナ及びこれを備えたボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微粉炭燃料を燃焼させる燃焼バーナとして、スプリッタと呼ばれる保炎器をバーナの燃料ノズル内の出口に複数本設置したものが知られている（下記特許文献参照）。そして、スプリッタの下流に再循環領域を形成し、微粉炭の燃焼を維持している。このように、燃料ノズルの中心軸状付近で着火及び保炎を行うこと（以下「内部着火」ないし「内部保炎」という。）で空気不足下での還元燃焼を行い低ＮＯｘ燃焼を実現させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−２０５５１０号公報
【特許文献２】特開２００９−２０４２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
低ＮＯｘ燃焼のためには内部保炎を行うことが好ましいが、スプリッタの端部には角部が存在し、この角部を起点として着火が生じてしまうおそれがある。角部は燃料ノズルの外周に近いため、角部で着火すると燃料ノズルの外周において着火が生じる。燃料ノズルの外側には燃焼用空気供給ノズル等が存在しており酸素が多く存在するため、外部着火が生じるとＮＯｘが多く発生してしまうという問題がある。
このような外部着火を避けるために、スプリッタ長さを短くして角部を燃料ノズルの外周から遠ざけることが考えられる。しかし、スプリッタの長さが短くなると着火性能ないし保炎性能が低下するおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、スプリッタの角部を起因とする着火を抑えることで低ＮＯｘ燃焼を実現できる燃焼バーナ及びこれを備えたボイラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の燃焼バーナ及びこれを備えたボイラは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる燃焼バーナは、燃料と空気とを混合した燃料ガスを火炉内に吹き込む燃料ノズルと、該燃料ノズル内の先端側に、燃料ガス流れ方向に幅が拡大する拡幅部によって燃料ガス流れを分割する複数のスプリッタとを備え、前記スプリッタの拡幅部の下流端における隅部には、角部が除去された角除去部が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
スプリッタの拡幅部の下流端における隅部に角部が形成されていると、燃料ノズル内周面側からの輻射を受けて角部を起点として着火が生じ、燃料ノズルの外周部における外部着火が発生するおそれがある。燃料ノズルの外側には燃焼用空気供給ノズル等が存在しており酸素が多く存在するため、外部着火が生じるとＮＯｘが多く発生してしまう。
そこで、角部を除去した角除去部を形成することとして燃料ノズルの外周における着火ないし保炎を抑制することとした。
角部除去部としては、例えば、角部を面取りしたテーパ部が挙げられる。
【０００８】
さらに、本発明の燃焼バーナによれば、前記スプリッタは、燃料ガス流れ方向に異なる位置に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
スプリッタを燃料ガス流れ方向において異なる位置、つまり燃料ガス流れ方向の上流側と下流側にずらして配置することにより、スプリッタを燃料ガス流れ方向の同じ位置に配置する場合に比べてスプリッタの拡幅部が占める面積を減少させることができる。これにより、燃料ガスの増速を抑えることで、燃料ガスの流れ方向の下流側に向かう燃料ガスの流速を、上流側に向かう燃料ガスの燃焼速度に近づけることができ、燃料ガスがさらに下流側へ流れる前に、早く着火させることができ、火炎の保炎性を向上させることができる。
また、燃料ガス流れ上流側に位置するスプリッタで早期に着火を図り、下流側に位置するスプリッタで着火ないし保炎を強化することができる。
また、燃料ガス流れ上流側に位置するスプリッタで燃料を下流側のスプリッタの再循環領域に導き、下流側のスプリッタの着火ないし保炎を強化することができる。
【００１０】
さらに、本発明の燃焼バーナによれば、前記スプリッタは、前記拡幅部の燃料ガス流れ下流端の幅を部分的に減少させるスリットが形成されたスリット付きスプリッタを備え、前記スリット付きスプリッタの前記スリットを形成する面が、燃料ガス流れの下流側から前記燃料ノズルを正面視した場合の前記スプリッタの長手軸線方向に、燃料ガス流れを偏向させる傾斜面とされていることを特徴とする。
【００１１】
スリットを形成する傾斜面によりスプリッタの長手軸線の方向に燃料ガス流れを偏向させるので、燃料ガス流れを長手軸線方向にも乱すことができ、さらに保炎性能を向上させることができる。特に、スリットを構成する各面によってスリットを３次元的に形成することができ、保炎性能を向上させることができる。
【００１２】
さらに、本発明の燃焼バーナによれば、前記燃料ノズルを上下又は左右に回動させるノズル角度調整機構を備え、前記燃料ノズル内には、前記ノズル角度調整機構の回動方向に直交する方向に延在する整流板が固定されていることを特徴とする。
【００１３】
ノズル角度調整機構の回動方向に直交する方向に延在する整流板を設けることで、燃料ノズルの角度が変化した方向に追従するように燃料ガスの流れ角度を変化させることができる。これにより、ノズル角度を変化させても所望の燃焼状態を維持することができる。
整流板は、１枚でも複数枚でも良く、整流の効果を得るために燃料ノズルの中央付近に設けることが好ましい。
【００１４】
また、本発明のボイラは、火炉と、該火炉に設けられた上記のいずれかに記載の燃焼バーナと、前記火炉の下流側に設けられた煙道と、該煙道に設けられた熱交換器とを有することを特徴とする。
【００１５】
上記の燃焼バーナを備えることにより、低ＮＯｘ燃焼を行うボイラを提供することができる。
【発明の効果】
【００１６】
スプリッタの隅部に形成した角除去部により外部着火を抑えることで、内部保炎を強化して低ＮＯｘ燃焼を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料ノズルを示した正面図である。
【図２】図１の燃料ノズルを水平面で切断した断面図である。
【図３】スリット付きスプリッタを示した斜視図である。
【図４】図１のテーパ部を示した斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料ノズルを示した正面図である。
【図６】図５の変形例を示した正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態の燃焼バーナは、主として石炭をミルで砕いた微粉炭燃料（燃料）を燃焼するものであり、ボイラ（図示せず）に設けられる。燃焼バーナは、煙道に過熱器や蒸発器等の熱交換を備えたボイラに対して複数設けられ、火炉内で火炎を形成する。
図１には、燃焼バーナ１の正面図が示されている。燃焼バーナ１は、内側に位置する燃料ノズル３と、燃料ノズル３を取り囲む燃焼用空気供給ノズル４とを備えている。
燃焼用空気供給ノズル４は、２次空気のみが流通する流路となっており、火炉内に向けて直進するように空気を供給する。すなわち、燃焼用空気供給ノズル４から流出する空気は、燃料ノズル３から流出する燃料ガスと平行に交差しないように流される。なお、図示しないが、燃焼用空気供給ノズル４の外側には、燃焼用空気を供給する燃焼用３次空気ノズルが設けられる。
【００１９】
燃料ノズル３は、図１に示したように、正面視して矩形状の断面を有しており、内部に微粉炭と空気とが混合された燃料ガスが流される。なお、以下の各実施形態において、燃料ガス流れの下流側を単に下流側と言い、燃料ガス流れの上流側を単に上流側と言う。
燃料ノズル３内には、スプリッタ５，６，７が複数本設けられており、本実施形態では５本設けられている。各スプリッタ５，６，７は、長手軸線が燃料ノズル３の下壁部３ａ側から対向する上壁部３ｂ側へと延在して設けられている。すなわち、各スプリッタ５、６，７が縦方向に設けられた縦スプリッタとなっている。各スプリッタ５，６，７の上下端は、それぞれ支持部材８によって、燃料ノズル３の壁部に対して固定されている。
燃料ノズル３は、スプリッタ５，６，７とともに上下方向に回動可能とされたノズル角度調整機構を備えている。
なお、スプリッタ５，６，７は、燃料ガス流れを分割する機能を有する部材であり、内部から空気を噴射する機能は備えていない。
【００２０】
スプリッタは、中央と水平方向における両端に設けられたスリット付きスプリッタ５，６と、中央のスリット付きスプリッタ５の両隣に設けられたスリット無しスプリッタ７とを備えている。このように、スリット付きスプリッタ５，６と隣り合う位置にスリット無しスプリッタ７が配置されている。
【００２１】
スプリッタ５、６，７は、図２に示されているように、燃料ガス流れ方向に幅が拡大する拡幅部１０を備えている。また、拡幅部１０の上流側には上下方向に延在する板状部１１が燃料ガス流れ方向に沿って設けられている。
拡幅部１０は、図２のように断面視した場合に略三角形状となっている。中央のスリット付きスプリッタ５とスリット無しスプリッタ７の拡幅部１０は、図２のように断面視した場合に両側に広がっている。一方、水平方向における両端に位置するスリット付きスプリッタ６の拡幅部１０は、燃料ノズル３の中央側に向けて広がっているが、燃料ノズル３の壁部側には広がっていない。このように両側に位置するスリット付きスプリッタ６の下流側を直線状とすることで、燃料ノズル３の壁面とスリット付きスプリッタ６との間を流れる燃料ガスを燃焼用空気供給ノズル４から流出する空気流側に偏向しないようにしている。これにより、燃料ノズル３の外周側で生じる外部着火を抑制することができる。
【００２２】
スリット付きスプリッタ５，６の下流端５ａ，６ａは、図２に示されているように、燃料ノズル３の下流端３ｃ位置に揃えられている。スリット無しスプリッタ７の下流端７ａは、スリット付きスプリッタ７の下流端５ａ，６ａよりも上流側に所定距離Ｓだけ離間した位置に設けられている。
ここで、所定距離Ｓは、燃料ノズル３の開口における等価円径をＤとすると、０．００１Ｄ以上１．０Ｄ以下、好ましくは０．０３Ｄ以上０．５Ｄ以下、さらに好ましくは０．０５Ｄ以上０．３Ｄ以下とされる。
上記の下限値および上限値は、次の観点から決定される。下限値を下回ると、スリット付きスプリッタ５，６とスリット無しスプリッタ７との距離が近くなりすぎて、これらスプリッタをずらして流路断面積を確保した利点が得られない。一方、上限値を上回ると、スリット無しスプリッタ７によって形成された再循環領域がスリット付きスプリッタ５，６の手前で消滅してしまい、スリット無しスプリッタ７の再循環領域にスリット付きスプリッタ５，６から燃料を案内するという利点が得られない。
なお、図２の矢印Ａに示すように、上流側に位置するスリット無しスプリッタ７を燃料ガス流れ方向に移動させて所定距離Ｓを調整するようにしてもよい。
【００２３】
図１に示されているように、スリット無しスプリッタ７は、下流端７ａの幅がスリット無しスプリッタ７の長手軸線（縦方向軸線）の方向に一定とされている。一方、中央のスリット付きスプリッタ５には、下流端５ａの幅を部分的に減少させる複数のスリットＳＬが形成されている。中央のスリット付きスプリッタ５には、両側部にスリットＳＬが同じ高さ位置で設けられている。これらスリットにより、スリット付きスプリッタ５には、幅広部Ｗ１と幅狭部Ｗ２が形成されることになる。
【００２４】
図３には、スリットＳＬの具体的な形状が示されている。スリットＳＬは、スリット付きスプリッタ５の下流端５ａをコの字状に切り欠いている。さらに、スリットＳＬを形成する上面ＳＬ１及び下面ＳＬ２は、燃料ガス流れをスプリッタ５の長手軸線方向（本実施形態では上下方向）に偏向させる面とされている。すなわち、上面ＳＬ１によって燃料ガス流れは下方向に偏向され、下面ＳＬ２によって燃料ガス流れは上方向に偏向される。
【００２５】
図１に示されているように、両端のスリット付きスプリッタ６にも中央のスリット付きスプリッタ５と同様のスリットＳＬが形成されているが、燃料ノズル３の中央側の辺にのみスリットＳＬが設けられている。これは、燃料ノズル３の壁部側にもスリットＳＬを設けると、そこが着火面となり外部着火のおそれがあるからである。
【００２６】
スリットＳＬは、なるべく燃料ノズル３の中央側で着火ないし保炎が行われるように、スプリッタ５，６の長手方向における中央部に設け、上下の両端部にはスリットＳＬを設けないことが好ましい。
スリットＳＬを設ける範囲Ｌ１としては、スプリッタ５，６の長さをＬ０とした場合、Ｌ１／Ｌ０が０．８以下、好ましくは０．５以下とされる。
【００２７】
図１に示されているように、燃料ノズル３内には、２つの整流板１５ａ，１５ｂが固定されている。各整流板１５ａ，１５ｂは、燃料ノズル３の高さ方向の中央位置から対称とされた高さ位置に設けられており、水平方向に延在する板状体とされている。
【００２８】
両端のスリット付きスプリッタ６の燃料ノズル３の中央部側の上下の隅部には、テーパ部（角除去部）２０が形成されている。
テーパ部２０は、角部が除去されていればその形状は問わないが、図４に示すように、角部を形成する３面のそれぞれの頂角θ１，θ２，θ３が除去されるような形状であればよい。したがって、テーパ面のような平面であっても良いし、曲面で構成されていてもよい。
【００２９】
上記構成の燃焼バーナ１によれば、以下の作用効果を奏する。
スプリッタ６の隅部に角部を除去したテーパ部２０を形成することとしたので、燃料ノズル３の内周面側からの輻射を受けて角部を起点とする着火が生じ、燃料ノズル３の外周部で発生する外部着火を抑制することができる。これにより、内部着火を強化することができ、燃焼バーナ火炎領域でのＮＯｘ発生を低減し、火炉全体での低ＮＯｘ燃焼が実現できる。
なお、テーパ部（角除去部）２０は、他のスプリッタ、すなわち中央のスリット付きスプリッタ５やスリット無しスプリッタ７に設けることとしても良い。
【００３０】
スリットＳＬを形成する傾斜面ＳＬ１，ＳＬ２によりスプリッタ５，６の長手軸線の方向に燃料ガス流れを偏向させるので、燃料ガス流れを長手軸線方向にも乱すことができ、さらに保炎性能を向上させることができる。特に、スリットＳＬを構成する各面によってスリットＳＬを３次元的に形成することができ、保炎性能を向上させることができる。
【００３１】
スプリッタ５，６，７を燃料ガス流れ方向に異なる位置に配置することにより、スプリッタ５，６，７を燃料ガス流れ方向の同じ位置に配置する場合に比べてスプリッタの拡幅部１０が占める面積を減少させることができる。これにより、燃料ガスの増速を抑えることで、燃料ガスの流れ方向の下流側に向かう燃料ガスの流速を、上流側に向かう燃料ガスの燃焼速度に近づけることができ、燃料ガスがさらに下流側へ流れる前に、早く着火させることができ、火炎の保炎性を向上させることができる。
燃料ガス流れ上流側に位置するスリット無しスプリッタ７で燃料を下流側のスリット付きスプリッタ５，６の再循環領域に案内し、下流側のスリット付きスプリッタ５，６の着火ないし保炎を強化することができる。このように、燃料を案内する機能を主とする場合にはスリット無しスプリッタ７を用いるのが好ましい。
【００３２】
ノズル角度調整機構の回動する上下方向に直交する水平方向に延在する整流板１５ａ，１５ｂを設けることとしたので、燃料ノズル３の角度が変化する上下方向に追従するように燃料ガスの流れ角度を変化させることができる。これにより、所望の燃焼状態を得ることができる。
なお、整流板は、１枚でも３枚以上でも良く、整流の効果を得るために燃料ノズルの中央付近に設けることが好ましい。
【００３３】
なお、本実施形態では、スプリッタの本数を５本としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、２〜４本であっても、６本以上であっても良い。
また、上述した各実施形態では、スプリッタ５，６，７が上下方向に延在する縦スプリッタを一例として説明したが、スプリッタ５，６，７が水平方向に延在する横スプリッタに対しても本発明を適用できる。
【００３４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図５及び図６を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に対して、スプリッタの角部を除去したテーパ部が形成されている点で共通するが、スプリッタの配置が異なる。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付しその説明を省略する。
図５に示された燃焼バーナ１は、水平方向に延在する横スプリッタ２２，２３と、上下方向に延在する縦スプリッタ２４，２５とを組み合わせたものである。このよに、横スプリッタ２２，２３と縦スプリッタ２４，２５とを交差させてもよい。図５では、テーパ部２０が縦スプリッタ２４，２５の四隅に設けられている。燃料ノズル３の上下に多くの空気が存在する場合には、外部着火を抑制するために、縦スプリッタ２４，２５の四隅にテーパ部を設けることが好ましい。
また、図６に示すように、横スプリッタ２２，２３の四隅にもテーパ部２０を設けても良い。この構成は、燃料ノズル３の上下だけでなく左右にも空気が多く存在する場合に好ましい。
【００３５】
なお、本実施形態では、横スプリッタが２本、縦スプリッタが２本の組合せとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、横スプリッタが１本、縦スプリッタが３本のように任意の本数の組合せが可能である。スプリッタの本数は燃料ノズルの寸法により最適となるよう設計される。
さらに、本実施形態では、燃料として微粉炭を主に説明したが、これに限定されず、石油コークス、石油残渣物、バイオマス燃料（固形状チップやペレット，スラリ状）についても本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  燃焼バーナ
３  燃料ノズル
４  燃焼用空気供給ノズル
５  スリット付きスプリッタ
６  スリット付きスプリッタ
７  スリット無しスプリッタ
１０  拡幅部
１５  整流板
２０  テーパ部（角除去部）
【図１】
0006632841.tif 000002
【図２】
0006632841.tif 000003
【図３】
0006632841.tif 000004
【図４】
0006632841.tif 000005
【図５】
0006632841.tif 000006
【図６】
0006632841.tif 000007