(57)【要約】【課題】高温燃焼ガスと空気との混合を促進して未燃分の低減を図ってもＮＯｘの生成が抑えられる燃焼装置を提供する。【解決手段】理論空気比以下で燃料を火炉内で燃焼させるバーナと、そのバーナの後流側に配置されてバーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に噴出するＡＡＰを備えた燃焼装置において、前記バーナで燃料を燃焼することにより生成した燃焼ガスと前記ＡＡＰから噴出された燃焼用空気８とで形成される両者の混合領域に、窒素酸化物の生成を抑制する窒素酸化物生成抑制気体１０を供給する抑制気体供給手段９を設けたことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
理論空気比以下で燃料を火炉内で燃焼させるバーナと、そのバーナの後流側に配置されてバーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に噴出するエアポートを備えた燃焼装置において、
前記バーナで燃料を燃焼することにより生成した燃焼ガスと前記エアポートから噴出された燃焼用空気とで形成される両者の混合領域またはその混合領域の近傍に、窒素酸化物の生成を抑制する窒素酸化物生成抑制気体を供給する抑制気体供給手段を設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃焼装置において、前記エアポート内が、前記燃焼用空気を噴出する流路と、前記抑制気体を噴出する流路に区分けされていることを特徴とする燃焼装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃焼装置において、前記抑制気体が、燃焼排ガス、燃焼排ガスと空気の混合気体、空気のグルーブから選択された少なくとも１つの気体であることを特徴とする燃焼装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃焼装置において、前記エアポートの空気噴出口の外周部側から前記抑制気体が火炉内に噴出されることを特徴とする燃焼装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃焼装置において、前記エアポートの空気噴出口を取り囲むように前記抑制気体噴出口が環状に形成されていることを特徴とする燃焼装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃焼装置において、前記エアポートの空気噴出口を取り囲むように前記抑制気体噴出口が複数個周方向に配置されていることを特徴とする燃焼装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃焼装置において、前記エアポートの空気噴出口の一部を取り囲むように前記抑制気体噴出口がほぼ円弧状に形成されていることを特徴とする燃焼装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃焼装置において、前記エアポートの空気噴出口の外周部の一部に前記抑制気体噴出口が複数個集中して配置されていることを特徴とする燃焼装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８記載の燃焼装置において、前記エアポートの空気噴出口のバーナ側に前記抑制気体噴出口が配置されていることを特徴とする燃焼装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項記載の燃焼装置において、前記火炉内に再循環する排ガスの一部を分岐して窒素酸化物抑制気体として供給する系統を設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃焼装置において、抑制気体供給系統に抑制気体専用の送風機を設置したことを特徴とする燃焼装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の燃焼装置において、前記抑制気体が熱交換器によって温度を下げた後の排ガスであることを特徴とする燃焼装置。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項記載の燃焼装置において、前記火炉の幅方向に沿って複数のエアポートが設置され、各エアポートに前記抑制気体供給手段とその抑制気体の流量を調整する流量調整手段が設けられていることを特徴とする燃焼装置。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれか１項記載の燃焼装置において、前記火炉の幅方向に沿って複数のエアポートが設置され、各エアポートに前記抑制気体供給手段が設けられ、その複数のエアポートのうち火炉側壁に近いエアポートよりも火炉中央部に近いエアポートの方が抑制気体が多量に供給されることを特徴とする燃焼装置。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４記載の燃焼装置において、前記複数のエアポートに供給される抑制気体の合計供給流量が当該燃焼装置の負荷に応じて可変であることを特徴とする燃焼装置。
【請求項１６】
請求項１３または請求項１４記載の燃焼装置において、前記複数のエアポートに供給される抑制気体の合計供給流量が当該燃焼装置の窒素酸化物排出濃度に応じて可変であることを特徴とする燃焼装置。
【請求項１７】
バーナの後流側に配置されてバーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するエアポートを有するウインドボックスにおいて、
そのエアポート用ウインドボックス内に、前記バーナで燃料を燃焼することにより生成した燃焼ガスと前記エアポートから噴出された燃焼用空気とで形成される両者の混合領域またはその混合領域の近傍に、窒素酸化物の生成を抑制する抑制気体を供給するための抑制気体用ウインドボックスを設けたことを特徴とするウインドボックス。
【請求項１８】
請求項１７記載のウインドボックスにおいて、複数の前記エアポートに対して共通のエアポート用ウインドボックスが設けられ、そのエアポート用ウインドボックス内に前記複数の前記エアポートに対して共通の抑制気体用ウインドボックスが設けられていることを特徴とするウインドボックス。
【請求項１９】
請求項１７記載のウインドボックスにおいて、複数の前記エアポートに対して共通のエアポート用ウインドボックスが設けられ、そのエアポート用ウインドボックス内に前記複数のエアポートに対して個別の抑制気体用ウインドボックスが個別に設けられていることを特徴とするウインドボックス。
【請求項２０】
請求項１７記載のウインドボックスにおいて、前記エアポートの空気噴出口の外周部側に前記抑制気体用ウインドボックスの抑制気体噴出口が設けられていることを特徴とするウインドボックス。
【請求項２１】
請求項２０記載のウインドボックスにおいて、前記エアポートの空気噴出口を取り囲むように前記抑制気体噴出口が環状に形成されていることを特徴とするウインドボックス。
【請求項２２】
請求項２０記載のウインドボックスにおいて、前記エアポートの空気噴出口を取り囲むように前記抑制気体噴出口が複数個周方向に配置されていることを特徴とするウインドボックス。
【請求項２３】
請求項２０記載のウインドボックスにおいて、前記エアポートの空気噴出口の一部を取り囲むように前記抑制気体噴出口がほぼ円弧状に形成されていることを特徴とするウインドボックス。
【請求項２４】
請求項２０記載のウインドボックスにおいて、前記エアポートの空気噴出口の外周部の一部に前記抑制気体噴出口が複数個集中して配置されていることを特徴とするウインドボックス。
【請求項２５】
請求項２３または請求項２４記載のウインドボックスにおいて、前記エアポートの空気噴出口のバーナ側に前記抑制気体噴出口が配置されていることを特徴とするウインドボックス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、事業用ボイラ，産業用ボイラ等の燃焼装置に係り、特に未燃分の発生が少なく、高効率燃焼が可能で、かつ炉内での窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が抑制できる燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、事業用ボイラの火炉から排出される燃焼排ガス中に含まれる有害なＮＯｘを除去するため、火炉の後流側に脱硝装置を設けている。しかし、一方では脱硝装置の運転費用を節約するために低ＮＯｘ燃焼を行ない、火炉内で発生するＮＯｘ量をできるだけ少なくするように制御している。
【０００３】
この低ＮＯｘ燃焼法には、火炉内に空気を分割供給する二段燃焼法と、バーナに低ＮＯｘバーナを用いる方法があり、通常、これらを併用して低ＮＯｘ燃焼が行なわれている。
【０００４】
図２０（ａ）はボイラ燃焼装置の構成を示す概略正面図、同図（ｂ）はその燃焼装置の概略側面図である。水壁１で区画形成された火炉には、３段のバーナ２と１段のエアポート（以下、ＡＡＰと記す）３とが、それぞれ４列対向して取り付けられている。各バーナ２とＡＡＰ３に空気を供給するために、バーナ用ウインドボックス４とＡＡＰ用ウインドボックス５が設置されている。バーナ２では、空気比（バーナ空気量／理論空気量）が０．８程度の燃焼を行なう。すなわち、やや空気不足の燃焼を行なうことで、ＮＯｘの発生が低減される。後流のＡＡＰ３で不足分の空気を吹き込んで完全燃焼を行なわせる。
【０００５】
このように、二段燃焼法はＮＯｘの発生量を低減するのに有効な方法である。
従来のＡＡＰ構造を図２１に示す。水壁１に取り付けられたＡＡＰ用ウインドボックス５に高温空気流８が供給され、火炉内における高温燃焼ガス内に高温空気が噴流となって供給される。燃焼用空気は、プラントの発電効率を向上させるため通常３００℃程度に昇温しているので、高温空気流８と表現した。
【０００６】
ここで二段燃焼法の採用時には、燃焼領域が火炉の下流側に移っているため、ＡＡＰ３からの空気の混合が悪いと、排ガス中に未燃分（石炭中の未燃炭素、燃焼ガス中の一酸化炭素）が多く含まれることになる。そこで、燃焼効率が大きく経済性に影響する事業所用ボイラの火炉では、ＡＡＰ３からの空気の混合を促進させるため、図２２に示すような構造のＡＡＰも用いられている（特許文献１参照）。この構造において、旋回器６から供給される旋回流が混合を促進する。同時に、旋回流の中心部にダンパ７で流量を制御された直進流を噴射させて噴流の貫通力を確保することで、火炉の中央部まで空気を供給することができる。
【０００７】
図２３は、例えば特許文献２，３に開示されている燃焼装置の概略構成図である。水壁１にバーナ２と下段ポート１１と上段ポート１２が設置されている。下段ポート１１からは排ガスまたは低温空気１０を供給し、上段ポート１２からは高温空気８を供給する。
【０００８】
バーナ２と上段ポート１２は通常の二段燃焼法を実現する。ここで火炉内のバーナ上部において高温部となり、ここに高温空気８を供給するとＮＯｘが発生し易い。このため下段ポート１１からは排ガスまたは低温空気１０を供給することで、ガス温度を低下させてＮＯｘの発生を防止している。
【０００９】
しかしこの燃焼装置では、火炉内燃焼ガス全量の温度を低下させるために多量の排ガスまたは低温空気流１０を供給する必要があり、そのためにプラント発電効率の低下が著しい。
【００１０】
図２４は、さらに他の従来技術に係る燃焼装置の概略構成図である。図に示すようにバーナ２は３段対向、ＡＡＰ３は１段対向の形で配置されている。同図において２２は脱硝装置などの環境装置、２３は開閉弁、２４は空気予熱器、２５は押し込み送風機（ＦＤＦ）、２７は煙突、２８は排ガス再循環送風機（ＧＲＦ）、４１は火炉、４３は燃焼用空気流路、７０は排ガス、７１，７２，７３は後部伝熱管、７４は炉底ガス供給室である。
【００１１】
この構成の燃焼装置におけるＮＯｘ濃度の炉内分布を図２５に示す。同図の横軸はＮＯｘ濃度、縦軸は火炉高さ方向の距離を示している。
【００１２】
同図に示すように二段燃焼によって、バーナから供給される空気流量が理論空気流量を下回る場合、二段燃焼用空気が混合されるまでの炉内ガスは還元雰囲気であり、バーナ領域で発生したＮＯｘは、次第に低下する。ＡＡＰによる二段燃焼用空気の供給により酸化雰囲気に転ずるため、従来技術では実線で示すようにＮＯｘ量は増加する。増加するＮＯｘは、燃焼ガス中に含まれる未燃窒素化合物の酸化に起因するものと、空気中窒素の高温下での酸化に起因するもの（サーマルＮＯｘ）の２種類がある。微粉炭燃焼においては、低ＮＯｘ燃焼技術の高度化によって、ＮＯｘレベルは大幅に低下してきている。
【００１３】
ＮＯｘ低減の対象は燃料中の窒素に起源をもつフューエルＮＯｘが主体であったが、ＮＯｘレベルが２００ｐｐｍ以下も可能となった昨今においては、サーマルＮＯｘの存在も無視できなくなった。燃焼シミュレーションの結果、サーマルＮＯｘは全発生ＮＯｘ量の約半分に及ぶこともあることが明らかになった。また、サーマルＮＯｘのほとんどが、二段燃焼用空気の供給後に発生することも判明した。さらに、バーナから上昇してくる未燃成分が二段燃焼用空気により燃焼する初期段階で局所的に高温となり、急激にサーマルＮＯｘが生成することが分かった。
【００１４】
この現象を、図２６を用いて詳細に説明する。この図は従来技術からなるＡＡＰ構造と、ＡＡＰからの噴出空気と火炉４１内の高温燃焼ガスの混合状態を示しており、この例の場合、ＡＡＰ構造は２つの流路を有するタイプである。
【００１５】
二段燃焼用空気（ＡＡＰ一次空気１０５，ＡＡＰ二次空気１０６）は、二段燃焼空気用ウインドボックス１０１より中心側のＡＡＰ一次空気流路１０２と、外周側のＡＡＰ二次空気流路１０３を通して火炉４１内へ噴出される。前記ＡＡＰ二次空気１０６には、ＡＡＰ二次空気用レジスタ１０４によって適正な旋回が与えられる。
【００１６】
燃焼促進の観点から、二段燃焼用空気には高温空気が用いられることが多い。
未燃分を低減するため、ＡＡＰから供給される空気と燃焼炉内の高温燃焼ガスの混合促進が必要である。混合促進のために、空気噴流の噴出速度を増加して噴流の貫通を強化すること、あるいは空気噴流に旋回を与えることなどが行われる。
いずれの方法も、空気と高温燃焼ガスの混合領域で乱流強度が大きくなる。乱流強度が大きくなると、混合領域での酸化反応が促進されて、局所温度が上昇する。また、混合領域へは十分な空気供給がなされるため、酸素濃度も高い状態にある。従って、混合領域においては、サーマルＮＯｘ発生の要件である高温・高酸素濃度の条件が成立する。
【００１７】
サーマルＮＯｘを低減する技術として、燃焼用空気に排ガスの一部を混合する排ガス混合が油焚きボイラやガス焚きのボイラに対してよく使われている。図２７に排ガス混合を適用した燃焼装置の概略構成を示す。
【００１８】
排ガスの一部はガス再循環送風機２８によって戻され、その一部は炉底ガス供給室７４から炉内に供給されて、再熱蒸気温度の制御に使われている。また排ガスの一部は、ＮＯｘ低減のためにガス混合用流路２９を通して燃焼用空気流路４３に導入されている。３０は、ガス混合用流路２９上に設けられたガス混合調整ダンパである。
【００１９】
排ガスを混合された燃焼用空気はバーナ２とＡＡＰ３より炉内に供給される。
排ガス混合は、燃焼温度の低減と燃焼場の酸素濃度低下により、サーマルＮＯｘを効果的に低減できる手法である。この手法は、燃焼速度の速い油やガスを燃料とするボイラに対しては、問題なく適用可能である。しかし、燃焼速度が比較して遅い石炭焚きボイラに対して排ガス混合を適用すると、燃焼場全体の燃焼温度の低下と酸素濃度の低下によって、燃焼効率を大きく低下させる要因となる。
【００２０】
また、低ＮＯｘ石炭バーナ火炎の中では、一旦発生したＮＯｘが中間生成物によって還元される火炎内脱硝反応が存在するが、この火炎内脱硝反応は、火炎が高温となるほど脱硝効率が向上することが分かっている。排ガス混合によって火炎温度を下げると、脱硝効率の低下により、むしろ発生ＮＯｘを高めることもある。
【００２１】
【特許文献１】
特開昭５９−１０９７１４号公報
【００２２】
【特許文献２】
特開平３−２８６９０６号公報
【００２３】
【特許文献３】
実開平１−１０１０１１号公報
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように二段燃焼法は、火炉全体ではＮＯｘ低減効果を持つが、ＡＡＰ自体はＮＯｘを生成する効果を有する。従来のＡＡＰは、未燃分を低減して完全燃焼を図るために火炉内の高温燃焼ガスと空気との混合を促進した場合、ＡＡＰでの生成ＮＯｘが増えるという欠点がある。
【００２５】
さらに前述のように石炭焚き燃焼装置のサーマルＮＯｘを低減するために、排ガス混合を適用すると、燃焼効率の低下や火炎内脱硝反応の低下といった弊害が生じるという欠点がある。
【００２６】
本発明の目的は、このよう従来技術の欠点を解消し、高温燃焼ガスと空気との混合を促進して未燃分の低減を図ってもＡＡＰでのＮＯｘの生成が抑えられる燃焼装置ならびにウインドボックスを提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、理論空気比以下で燃料を火炉内で燃焼させるバーナと、そのバーナの後流側に配置されてバーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に噴出するＡＡＰを備えた燃焼装置において、前記バーナで燃料を燃焼することにより生成した燃焼ガスと前記ＡＡＰから噴出された燃焼用空気とで形成される両者の混合領域またはその混合領域の近傍に、窒素酸化物の生成を抑制する窒素酸化物生成抑制気体を供給する抑制気体供給手段を設けたことを特徴とするものである。
【００２８】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記ＡＡＰ内が、前記燃焼用空気を噴出する流路と、前記窒素酸化物生成抑制気体を噴出する流路に区分けされていることを特徴とするものである。
【００２９】
本発明の第３の手段は前記第１の手段又は第２の手段において、前記窒素酸化物生成抑制気体が、燃焼排ガス、燃焼排ガスと空気の混合気体、空気のグルーブから選択された少なくとも１つの気体であることを特徴とするものである。
【００３０】
本発明の第４の手段は前記第１の手段ないし第３の手段において、前記エアポートの空気噴出口の外周部側から前記抑制気体が火炉内に噴出されることを特徴とするものである。
【００３１】
本発明の第５の手段は前記第１の手段ないし第４の手段において、前記エアポートの空気噴出口を取り囲むように前記抑制気体噴出口が環状に形成されていることを特徴とするものである。
【００３２】
本発明の第６の手段は前記第１の手段ないし第４の手段において、前記エアポートの空気噴出口を取り囲むように前記抑制気体噴出口が複数個周方向に配置されていることを特徴とするものである。
【００３３】
本発明の第７の手段は前記第１の手段ないし第４の手段において、前記エアポートの空気噴出口の一部を取り囲むように前記抑制気体噴出口がほぼ円弧状に形成されていることを特徴とするものである。
【００３４】
本発明の第８の手段は前記第１の手段ないし第４の手段において、前記エアポートの空気噴出口の外周部の一部に前記抑制気体噴出口が複数個集中して配置されていることを特徴とするものである。
【００３５】
本発明の第９の手段は前記第７の手段または第８の手段において、前記エアポートの空気噴出口のバーナ側に前記抑制気体噴出口が配置されていることを特徴とするものである。
【００３６】
本発明の第１０の手段は前記第１の手段ないし第９の手段において、前記火炉内に再循環する排ガスの一部を分岐して窒素酸化物抑制気体として供給する系統を設けたことを特徴とするものである。
【００３７】
本発明の第１１の手段は前記第１０の手段において、前記抑制気体供給系統に抑制気体専用の送風機を設置したことを特徴とするものである。
【００３８】
本発明の第１２の手段は前記第１０の手段において、前記抑制気体が熱交換器によって温度を下げた後の排ガスであることを特徴とするものである。
【００３９】
本発明の第１３の手段は前記第１の手段ないし第１２の手段において、前記火炉の幅方向に沿って複数のエアポートが設置され、各エアポートに前記抑制気体供給手段とその抑制気体の流量を調整する流量調整手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００４０】
本発明の第１４の手段は前記第１の手段ないし第１３の手段において、前記火炉の幅方向に沿って複数のエアポートが設置され、各エアポートに前記抑制気体供給手段が設けられ、その複数のエアポートのうち火炉側壁に近いエアポートよりも火炉中央部に近いエアポートの方が抑制気体が多量に供給されることを特徴とするものである。
【００４１】
本発明の第１５の手段は前記第１３の手段または第１４の手段において、前記複数のエアポートに供給される抑制気体の合計供給流量が当該燃焼装置の負荷に応じて可変であることを特徴とするものである。
【００４２】
本発明の第１６の手段は前記第１３の手段または第１４の手段において、前記複数のエアポートに供給される抑制気体の合計供給流量が当該燃焼装置の窒素酸化物排出濃度に応じて可変であることを特徴とするものである。
【００４３】
本発明の第１７の手段は、バーナの後流側に配置されてバーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するエアポートを有するウインドボックスにおいて、そのエアポート用ウインドボックス内に、前記バーナで燃料を燃焼することにより生成した燃焼ガスと前記エアポートから噴出された燃焼用空気とで形成される両者の混合領域またはその混合領域の近傍に、窒素酸化物の生成を抑制する抑制気体を供給するための抑制気体用ウインドボックスを設けたことを特徴とするものである。
【００４４】
本発明の第１８の手段は前記第１７の手段において、複数の前記エアポートに対して共通のエアポート用ウインドボックスが設けられ、そのエアポート用ウインドボックス内に前記複数の前記エアポートに対して共通の抑制気体用ウインドボックスが設けられていることを特徴とするものである。
【００４５】
本発明の第１９の手段は前記第１７の手段において、複数の前記エアポートに対して共通のエアポート用ウインドボックスが設けられ、そのエアポート用ウインドボックス内に前記複数のエアポートに対して個別の抑制気体用ウインドボックスが個別に設けられていることを特徴とするものである。
【００４６】
本発明の第２０の手段は前記第１７の手段において、前記エアポートの空気噴出口の外周部側に前記抑制気体用ウインドボックスの抑制気体噴出口が設けられていることを特徴とするものである。
【００４７】
本発明の第２１の手段は前記第２０の手段において、前記エアポートの空気噴出口を取り囲むように前記抑制気体噴出口が環状に形成されていることを特徴とするものである。
【００４８】
本発明の第２２の手段は前記第２０の手段において、前記エアポートの空気噴出口を取り囲むように前記抑制気体噴出口が複数個周方向に配置されていることを特徴とするものである。
【００４９】
本発明の第２３の手段は前記第２０の手段において、前記エアポートの空気噴出口の一部を取り囲むように前記抑制気体噴出口がほぼ円弧状に形成されていることを特徴とするものである。
【００５０】
本発明の第２４の手段は前記第２０の手段において、前記エアポートの空気噴出口の外周部の一部に前記抑制気体噴出口が複数個集中して配置されていることを特徴とするものである。
【００５１】
本発明の第２５の手段は前記第２３の手段または第２４の手段において、前記エアポートの空気噴出口のバーナ側に前記抑制気体噴出口が配置されていることを特徴とするものである。
【００５２】
未燃分低減のためＡＡＰから供給される空気と火炉内の高温燃焼ガスの混合を促進するためには、空気噴流の噴出速度を増加して噴流の貫通を強化すること、あるいは空気噴流に旋回を与えることなどが行なわれる。いずれの場合も図２１、図２２に示す高温空気と高温燃焼ガスの混合界面での非定常乱れ（乱流強度）が強くなる。ここで従来のＡＡＰにおいては、乱流強度の大きな混合界面において、高温かつ高酸素濃度となる。これは、高温の燃焼ガスと高酸素濃度空気が直接接触するためである。
【００５３】
強い乱流強度、高温、高酸素濃度の条件が成立すると、ＮＯｘが生成する。従来のＡＡＰで未燃分低減のため混合促進を行なうと、この条件が成立するため、ＮＯｘが生成する。本発明においては、混合領域（混合界面）またはその近傍に低温、低酸素濃度の気体（排ガス、排ガスと空気の混合気体、低温空気など）を供給するため、ＮＯｘの生成がないかあるいは生成が抑制される。
【００５４】
【発明の実施形態】
次に本発明の実施形態を図を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係るＡＡＰの概略構成図である。水壁１にＡＡＰ用ウインドボックス５が設置され、それの内部にＮＯｘ生成抑制気体用ウインドボックス９が設置されて二重構造になっている。ＡＡＰ用ウインドボックス５の火炉側に形成されたＡＡＰ用空気噴出口５ａの外周部側に、抑制気体用ウインドボックス９の火炉側に形成された抑制気体用噴出口９ａが環状に設けられている。
【００５５】
ＡＡＰ用ウインドボックス５に高温空気流８が導入されて、ＡＡＰ用空気噴出口５ａから直進状に火炉内に噴射される。抑制気体用ウインドボックス９には排ガスからなるＮＯｘ生成抑制気体１０が導入されて、高温空気噴流の周囲、すなわち火炉内の高温燃焼ガスと高温空気（燃焼用空気）とで形成される両者の混合領域（図中の波線部分）またはその近傍に向けて炉内に噴出される。
【００５６】
前述のようにＡＡＰは二重構造になっており、中心部から高温空気８が、その外周部から抑制気体１０が火炉内に供給される。ここで、高温空気８の混合を促進するために高温空気噴流の噴射速度を増加しても、高温空気８と高温燃焼ガスの混合領域またはその近傍に低温で低酸素濃度の排ガスからなる抑制気体１０が供給されるため、ＮＯｘの生成が抑制される。すなわち、従来のＡＡＰでは不可能であった未燃分と生成ＮＯｘの同時低減を、本発明では実現できる。
【００５７】
なお、ＡＡＰから供給する高温空気に排ガスを混合すると、酸素濃度の低下と希釈によるガス温度低下のためＮＯｘの生成は抑制できるが、これは多量の排ガス再循環により発電プラントの効率が低下するので、好ましくない。本発明では、サーマルＮＯｘが発生する部位である高温空気と高温燃焼ガスの混合領域だけに少量の抑制気体１０を供給してＮＯｘ生成を抑制できるので、発電効率の低下はない。
【００５８】
本実施形態では、抑制気体１０として排ガスを用いたが、排ガスと空気の混合気体または低温空気をＡＡＰ流路の外周から供給しても、同様の効果がある。
【００５９】
図２は、第２実施形態に係るＡＡＰの概略構成図である。本実施形態では、ダンパ７で流量制御された高温空気の直進流、旋回器６を通る高温空気の旋回流、排ガスからなる抑制気体１０が火炉内に供給される構造になっている。すなわち、ＡＡＰは多重構造になっており、最外周から抑制気体１０を供給することによりＮＯｘ生成を抑制する。
【００６０】
多数のＡＡＰ３を配置する燃焼装置においては、ＡＡＰ用ウインドボックス５と抑制気体用ウインドボックス９の配置が問題となる。この第３、第４実施形態を図３と図４に示す。
【００６１】
図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線上の視野図である。この第３実施形態の場合、水壁１に複数のＡＡＰ３が設置されているが、共通のＡＡＰ用ウインドボックス５から高温空気流８が供給される。共通の抑制気体用ウインドボックス９がＡＡＰ用ウインドボックス５の内部に設置され、この共通抑制気体用ウインドボックス９を通して抑制気体１０を供給する。
【００６２】
図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線上の視野図である。この第４実施形態の場合、共通のＡＡＰ用ウインドボックス５の内部に、個別の抑制気体用ウインドボックス９が設置されている。
【００６３】
次に抑制気体である排ガスと空気の供給経路を図５ないし図７に示す実施形態に基づいて説明する。これらの図において１３は第１の送風機、１４は熱交換器、１５は第２の送風機である。図５に示す第５実施形態では、第２の送風機１５により排ガスからなる抑制気体を抑制気体用ウインドボックス９に供給している。この抑制気体のガス温度は約２５０〜３５０℃、酸素含有率は約２〜６％である。
【００６４】
図６に示す第６実施形態では、熱交換器１４を通った燃焼用空気と第２の送風機１５からの排ガスとを適量の割合に混合して、その混合気体からなる抑制気体を抑制気体用ウインドボックス９に供給している。例えば燃焼用空気を１０％程度混合した場合、この抑制気体のガス温度は約２５０〜３５０℃、酸素含有率は約５〜９％である。
【００６５】
図７に示す第７実施形態では、熱交換器１４を通さないで第１の送風機１５からの低温空気を抑制気体として直接抑制気体用ウインドボックス９に供給している。この抑制気体のガス温度は大気温度とほぼ等しく、酸素含有率は約２０％である。
【００６６】
石炭炊きの発電用燃焼装置に本発明を適用した効果を図８で説明する。アフタエア噴出速度を増加すると、燃焼ガスと空気の混合が促進するので、図８に示すように未燃分が低下する。この傾向は、本発明でも従来技術でも同じである。一方、アフタエア噴出速度の増加に伴い、ＮＯｘの排出量が増加する。これは一般に燃料の酸化反応である燃焼が促進する場合、窒素分の酸化も促進してＮＯｘが発生するためである。従来技術では、未燃分とＮＯｘの同時低減はできなかった。ところが本発明を適用すると、高温空気と高温燃焼ガスの混合領域でＮＯｘの発生が抑制されるため、図８に示すようにアフタエア噴出速度を増加させた場合のＮＯｘの発生は従来技術に比べて少ない。
【００６７】
図９は、第８実施形態に係る燃焼装置の概略構成図である。本実施形態の場合、排ガスの一部はガス再循環送風機２８によって炉底ガス供給室７４から火炉４１に供給されて、再熱蒸気温度の制御に供される。また、排ガスの他の一部は成抑制気体としてＡＡＰ用排ガス再循環送風機３７で昇圧され、ＡＡＰ用排ガス再循環流路３１を通ってＡＡＰ５から炉内に噴出される。
【００６８】
本実施形態では、ＡＡＰ用排ガス再循環送風機３７を専用に設置しているため、再熱蒸気温度制御に用いられる火炉底部からの排ガス再循環の条件によらず、ＡＡＰ用排ガス再循環として最適な条件設定が容易となる。
【００６９】
図１０はその実施形態に係る二段燃焼空気用ウインドボックス付近の拡大構成図、図１１はそのウインドボックス付近における空気噴流、ＡＡＰ用排ガス噴流ならびにバーナ部側からの未燃ガス上昇流の流れの状態を示す説明図である。
【００７０】
これらの図において３２はＡＡＰ用排ガス再循環量調整ダンパ、３３はＡＡＰ用排ガス供給管、３４はＡＡＰ用排ガス供給リング、３５はＡＡＰ用排ガス供給流路、３６はＡＡＰ用排ガス噴流、３８はバーナ部側からの未燃ガス上昇流、４１は火炉である。また１０１は二段燃焼空気用ウインドボックス、１０２はＡＡＰ一次空気流路、１０３はＡＡＰ二次空気流路、１０４はＡＡＰ二次空気用レジスタ、１０５はＡＡＰ一次空気、１０６はＡＡＰ二次空気、１０７は空気噴流である。
【００７１】
本実施形態の場合も、ＡＡＰ空気流路１０２，１０３の空気噴出口５ａの全体を取り囲むようにＡＡＰ用排ガス供給流路３５の抑制気体噴出口９ａが配置されている。ＡＡＰ用排ガス再循環量調整ダンパ３２によって所定の流量に調節された再循環ガスは、ＡＡＰ用排ガス供給管３３を通してＡＡＰ用排ガス供給リング３４に導かれ、図１１に示すようにＡＡＰ用排ガス供給流路３５を通り、抑制気体噴出口９ａからＡＡＰ用排ガス噴流３６として空気噴流１０７の外周部かその近傍に噴出される。
【００７２】
このようにＡＡＰ二次空気流路１０３の径方向外側に排ガス供給流路３５が設置されており、二段燃焼空気（空気噴流１０７）を取り囲んで排ガスが供給される。本構成により図１１に示すように、バーナ側からの未燃ガス上昇流３８中の未燃成分が二段燃焼用空気により燃焼を開始する混合領域あるいは（ならびに）その近傍に排ガスの供給ができる。
【００７３】
図１２は第９実施形態に係る二段燃焼空気用ウインドボックス付近の拡大構成図で、同図（ａ）はウインドボックス付近全体の構成図、同図（ｂ）は抑制気体噴出口の配置状態を示す図である。
【００７４】
本実施形態の場合、ＡＡＰ用排ガス供給流路３５が複数の排ガス供給ノズルによって形成され、その排ガス供給ノズルがＡＡＰ二次空気流路１０３中の外周部に設置されて、同図（ｂ）に示すようにＡＡＰ用排ガス供給流路３５の抑制気体噴出口９ａが周方向に複数設置されている。
【００７５】
この構造によれば、二段燃焼空気を取り囲んで排ガスが混合される。バーナから上昇してくる未燃成分が二段燃焼用空気により燃焼を開始する領域に排ガスの供給ができるのは図１１の例と同様である。本実施形態においては、既設の二段燃焼用空気口に比較的簡単な改造を施すことによって排ガス供給ノズルの設置が可能である。
【００７６】
図１３は第１０実施形態に係る二段燃焼空気用ウインドボックス付近の拡大構成図で、同図（ａ）はウインドボックス付近全体の構成図、同図（ｂ）は抑制気体噴出口の配置状態を示す図である。図１４は、そのウインドボックス付近における空気噴流、ＡＡＰ用排ガス噴流ならびにバーナ部側からの未燃ガス上昇流の流れの状態を示す説明図である。
【００７７】
本実施形態の場合、図１３（ｂ）に示すようにＡＡＰ二次空気流路１０３中の外周部の下側のみに半環状（円弧状）をした排ガス供給ノズルの抑制気体噴出口９ａが設置され、ここからＡＡＰ用排ガス噴流３６が噴出される（図１４参照）。図１４に示すように、バーナ部側から上昇してくる未燃成分が二段燃焼用空気により燃焼を開始するＡＡＰ空気噴流１０７の下側のみにＡＡＰ用排ガス噴流３６が形成できるので、少量の再循環ガスで同じＮＯｘ低減効果が得られる。
【００７８】
図１５は第１１実施形態に係る二段燃焼空気用ウインドボックス付近の拡大構成図で、同図（ａ）はウインドボックス付近全体の構成図、同図（ｂ）は抑制気体噴出口の配置状態を示す図である。
【００７９】
本実施形態の場合、ＡＡＰ二次空気流路１０３中の外周部の下側のみに集中して排ガス供給ノズルの抑制気体噴出口９ａが複数設置されている。この場合も図１４と同様に、バーナから上昇してくる未燃成分が二段燃焼用空気により燃焼を開始するＡＡＰ空気噴流の下側のみにＡＡＰ用排ガス噴流を形成できるので、少量の再循環ガスで同じＮＯｘ低減効果が得られる。
【００８０】
なお、前記第１０，１１実施形態の場合、ＡＡＰ用排ガス供給リング３４は、実際には完全な環状（リング状）ではなく、抑制気体噴出口９ａと対応させて半環状（半リング状）をした形状でも構わない。
【００８１】
図１６は、第１２実施形態に係る燃焼装置の概略構成図である。本実施形態の場合、空気予熱器２４などの熱交換器を通って熱回収された低温の排ガスをＡＡＰ用ウインドボックス５に供給しているため、温度低下によるサーマルＮＯｘ低減に効果がある。
【００８２】
図１７は、火炉内の巾方向における炉内ガス温度とＮＯｘ発生濃度の分布状態を示す図である。同図（ａ）に示すように、火炉の側壁寄り（図面に向かって左右端寄り）の方が炉内ガス温度が低く、火炉の中央部が高い。従って、同図（ｂ）に示すようにＮＯｘ発生濃度は温度の高い火炉の中央部で高くなる。火炉巾方向に複数のＡＡＰを有する場合は、火炉の側壁寄りよりも火炉の中央部により多くの排ガスを供給することにより、効果的にＮＯｘを低減することができる。
【００８３】
図１８は、缶前後に設置したＡＡＰ用排ガス再循環量調整ダンパ３２の後流側にある複数の調整ダンパ３２ａ〜３２ｈの開度調整を説明するための図である。
同図に示すように缶前側のＡＡＰ用排ガス再循環量調整ダンパ３２Ｘの後流側には、火炉の巾方向に配置された各ＡＡＰ（図示せず）に対して個別に調整ダンパ３２ａ〜３２ｄが設置されている。缶後側のＡＡＰ用排ガス再循環量調整ダンパ３２Ｙの後流側には、同様に調整ダンパ３２ｅ〜３２ｈが設置されている。
【００８４】
前述の図１７の結果から明らかなように、火炉の側壁寄りの方が炉内ガス温度が低く中央部が高くなっており、そのためにＮＯｘ発生濃度は温度の高い火炉の中央部で高くなっている。このような炉内ガス温度の状況に応じて缶前後とも側壁寄りに設置されている調整ダンパ３２ａ，３２ｄ，３２ｅと３２ｈのダンパ開度を小さく、炉内の中央部側に設置されている調整ダンパ３２ｂ，３２ｃと３２ｆ，３２ｇのダンパ開度をを大きく設定することで、ＮＯｘ発生量の多い火炉中央部に多くの排ガスを供給している。
【００８５】
火炉内のガス温度はボイラ負荷が高いほど高くなり、その結果、サーマルＮＯｘはボイラ負荷が高いほど高い。図１９はＡＡＰ再循環ガス流量設定の例を説明するための図で、横軸にボイラ負荷、縦軸にＡＡＰ排ガス再循環比を示している。ここでＡＡＰ排ガス再循環比は、下式によって求められる数値である。
【００８６】
2004190981.tif 000003
本例では、サーマルＮＯｘの影響が大きくなるボイラ負荷７５〜１００％の間でＡＡＰ用排ガスを供給し、ボイラ負荷１００％でのＡＡＰ排ガス再循環比は約３％とし、低負荷域（本例では７５％未満）では排ガス供給を停止している。ＮＯｘに問題のない低負荷域での排ガス供給を停止することで、燃焼効率低下を抑えている。
【００８７】
排ガスなどの抑制気体が複数のエアポートに供給される場合、抑制気体の合計供給流量が当該燃焼装置の負荷に応じて前述のように可変であり、また、抑制気体の合計供給流量が当該燃焼装置の窒素酸化物排出濃度に応じて可変であることが好ましい。
【００８８】
燃料の性状によっては、ＡＡＰ排ガス供給無しでもＮＯｘに問題ない場合もある。そのような場合には、ＡＡＰ排ガスを供給することなく、高効率を優先した運用が望ましい。すなわち、ＮＯｘ排出濃度に応じて合計の再循環ガス供給量を可変とすることで、最適な運用が可能となる。
【００８９】
【発明の効果】
請求項１，１７記載の手段によれば、サーマルＮＯｘを支配するＡＡＰ空気と高温燃焼ガスの混合領域の局所高温部にのみ窒素酸化物生成抑制気体を供給するため、炉内全体の温度低下を抑制して燃焼効率を維持しつつ、ＮＯｘ発生濃度を効果的に低減できる。本発明を適用した場合のＮＯｘ低減効果例を図２５の点線で示す。この結果から明らかなように本発明では、酸化領域に転ずるＡＡＰ下流のＮＯｘ生成が抑えられて、最終的に火炉出口ＮＯｘを大幅に低減できる。
【００９０】
請求項２，１８，１９記載の手段によれば、エアポート内に燃焼用空気流路と抑制気体流路を区分けして設けるから、大型化が抑制される。
【００９１】
請求項３記載の手段によれば、抑制気体として各種気体が適用可能である。
【００９２】
請求項４，５，６，２０，２１，２２記載の手段によれば、ＡＡＰ空気流の外周部全体を抑制気体流で覆うことができ、ＮＯｘ低減効果が大である。
【００９３】
請求項７，８，９，２３，２４，２５記載の手段によれば、少量の抑制気体で良好なＮＯｘ低減効果が得られる。
【００９４】
請求項１０記載の手段によれば、排ガスを抑制気体として有効利用することができ、格別に抑制気体を準備する必要がない。
【００９５】
請求項１１記載の手段によれば、再熱蒸気温度制御に用いられる排ガス再循環の条件によらず、ＮＯｘ生成抑制気体として最適な条件設定が容易となる。
【００９６】
請求項１２記載の手段によれば、抑制気体の温度低下によるサーマルＮＯｘ低減の効果がある。
【００９７】
請求項１３，１４記載の手段によれば、火炉内で効果的にＮＯｘを低減することができる。
【００９８】
請求項１５記載の手段によれば、ＮＯｘに問題のない低負荷域での抑制気体の供給を停止することで、燃焼効率の低下を抑えることができる。
【００９９】
請求項１６記載の手段によれば、ＮＯｘの排出濃度に応じて抑制気体の供給を制御することで、燃焼効率の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＡＡＰの概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るＡＡＰの概略構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係るＡＡＰの概略構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係るＡＡＰの概略構成図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る排ガスを抑制気体用ウインドボックスに供給する経路を説明するための燃焼装置の概略構成図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係る排ガスと空気の混合気体を抑制気体用ウインドボックスに供給する経路を説明するための燃焼装置の概略構成図である。
【図７】本発明の第７実施形態に係る低温空気を抑制気体用ウインドボックスに供給する経路を説明するための燃焼装置の概略構成図である。
【図８】本発明の適用効果を説明するための特性図である。
【図９】本発明の第８実施形態に係る燃焼装置の概略構成図である。
【図１０】その実施形態に係る二段燃焼空気用ウインドボックス付近の拡大構成図である。
【図１１】そのウインドボックス付近における空気噴流、ＡＡＰ用排ガス噴流ならびにバーナ部側からの未燃ガス上昇流の流れの状態を示す説明図である。
【図１２】本発明の第９実施形態に係る二段燃焼空気用ウインドボックス付近の拡大構成図である。
【図１３】本発明の第１０実施形態に係る二段燃焼空気用ウインドボックス付近の拡大構成図である。
【図１４】そのウインドボックス付近における空気噴流、ＡＡＰ用排ガス噴流ならびにバーナ部側からの未燃ガス上昇流の流れの状態を示す説明図である。
【図１５】本発明の第１１実施形態に係る二段燃焼空気用ウインドボックス付近の拡大構成図である。
【図１６】本発明の第１２実施形態に係る燃焼装置の概略構成図である。
【図１７】火炉内の巾方向における炉内ガス温度とＮＯｘ発生濃度の分布状態を示す図である。
【図１８】缶前後に設置したＡＡＰ用排ガス再循環量調整ダンパの後流側にある複数の調整ダンパの開度調整を説明するための図である。
【図１９】本発明の実施形態におけるＡＡＰ再循環ガス流量設定の例を説明するための図である。
【図２０】燃焼装置の概略構成図である。
【図２１】第１の従来例を示すＡＡＰの概略構成図である。
【図２２】第２の従来例を示すＡＡＰの概略構成図である。
【図２３】第３の従来例を示す燃焼装置の概略構成図である。
【図２４】第４の従来例を示す燃焼装置の概略構成図である。
【図２５】燃焼装置におけるＮＯｘ濃度の炉内分布状態を示す図である。
【図２６】従来のＡＡＰ構造と、ＡＡＰからの噴出空気と火炉内の高温燃焼ガスの混合状態を示す図である。
【図２７】第５の従来例を示す燃焼装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１：水壁、２：バーナ、３：ＡＡＰ、４：バーナ用ウインドボックス、５：ＡＡＰ用ウインドボックス、６：旋回器、７：ダンパ、８：高温空気流、９：抑制気体用ウインドボックス、９ａ：抑制気体用噴出口、１０：抑制気体、１０ａ：抑制気体用噴出口、１３：第１の送風機、１４：熱交換器、１５：第２の送風機、２２：環境装置、２３：開閉弁、２４：空気予熱器、２５：押し込み送風機（ＦＤＦ）、２６：燃料供給装置、２７：煙突、２８：排ガス再循環送風機（ＧＲＦ）、２９：ガス混合用流路、３０：ガス混合調整ダンパ、３１：ＡＡＰ用排ガス再循環流路、３２：ＡＡＰ用排ガス再循環量調整ダンパ、３３：ＡＡＰ用排ガス供給管、３４：ＡＡＰ用排ガス供給リング、３５：ＡＡＰ用排ガス供給流路、３６：ＡＡＰ用排ガス噴流、３７：ＡＡＰ用排ガス再循環送風機、３８：未燃ガス上昇流、４１：火炉、４３：燃焼用空気流路、７０：排ガス、７１〜７３：後部伝熱管、７４：炉底ガス供給室、１０１：二段燃焼空気用ウィンドボックス、１０２：ＡＡＰ一次空気流路、１０３：ＡＡＰ二次空気流路、１０４：ＡＡＰ二次空気用レジスタ、１０５：ＡＡＰ一次空気、１０６：ＡＡＰ二次空気、１０７：ＡＡＰ空気噴流
【図１】
2004190981.tif 000004
【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】
2004190981.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2004190981.tif 000018
【図１６】
2004190981.tif 000019
【図１７】
2004190981.tif 000020
【図１８】
2004190981.tif 000021
【図１９】
2004190981.tif 000022
【図２０】
2004190981.tif 000023
【図２１】
2004190981.tif 000024
【図２２】
2004190981.tif 000025
【図２３】
2004190981.tif 000026
【図２４】
2004190981.tif 000027
【図２５】
2004190981.tif 000028
【図２６】
2004190981.tif 000029
【図２７】
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