(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炉に設けられる燃料を一次空気と共に還元燃焼させるバーナの下流側に配置される前記還元燃焼状態の燃料の完全燃焼を図る空気を火炉内に投入するアフターエアポートにおいて、  
中心部に設けた主流の燃焼用の一次空気が流れる筒状の一次空気ノズルと、
該一次空気ノズルの外周部に設けられる燃焼用の二次空気が流れる二次空気ノズルと、
筒状の一次空気ノズルの火炉側の開口端部にガス流れに直交又はほぼ直交する向きに設けた一次空気流路を縮小する板状のエッジ部材と  
を備えたことを特徴とするアフターエアポート。
【請求項２】
板状のエッジ部材の先端部には傾斜部を設けた請求項１記載のアフターエアポート。
【請求項３】
板状のエッジ部材には二次空気ノズルの火炉側の開口端部に対応する箇所に開口部を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のアフターエアポート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラ出口部における窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の発生レベルをミニマムに抑制するのに好適なボイラ燃焼装置用のアフターエアポートに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラ燃焼装置に用いるバーナはボイラ排ガス中のＮＯｘ濃度低減を目的に、一般的には二段燃焼方式のものが用いられている。二段燃焼方式のバーナは燃焼用空気を二段階に分けてバーナ部に供給し、空気比を１以下（通常は０．７５〜０．９５）で燃料を還元燃焼させ、その後流側のアフターエアポート部で不足分の空気を投入して完全燃焼させる構成である。
【０００３】
前記二段燃焼方式のバーナは、バーナ部からアフターエアポート部にかけて燃料を低空気比状態で燃焼させることにより、結果としてサーマルＮＯｘとフュエルＮＯｘのいずれに対しても低減効果がある。従って、ガス、油及び微粉炭等の燃料種にかかわらず、燃焼ガスのＮＯｘ濃度を低減することが可能である。
【０００４】
燃焼ガスのＮＯｘ濃度を低減する方法として、アフターエアポートを多段に設け、アフターエアを分割供給する方法がある。図１０には微粉炭焚きボイラの火炉に用いられる対向燃焼方式のバーナにおける代表的な二段アフターエアポートの構成を示す。
【０００５】
火炉３１にバーナ３２ａ、３２ｂが２段、対向位置の火炉壁面に設置され、火炉３１の空間の有効活用による燃焼ガスの低ＮＯｘ化を目的に、上段バーナ３２ｂの上方に上下２段のアフターエアポート３３ａ、３３ｂがそれぞれ対向に設置されている。
【０００６】
ＦＤＦ３６からエアヒータ３７を介して予熱された燃焼用空気がダンパ３８で流量調整されながら、ウインドボックス３９でバーナ部とアフターエアポート部にそれぞれ分配されて火炉３１に投入される。バーナ部からアフターエアポート３３ａ、３３ｂまでの二段燃焼ゾーンでは理論空気比以下で運用されるため、火炉３１内には未燃ガスが残存する。未燃ガスはアフターエアポート部より下流側（火炉上方）でアフターエアと混合し、燃焼を完結する。火炉３１を出た燃焼排ガスは脱硝装置４１及びエアヒータ３７を介して、煙突４２より排出される。
【０００７】
図１０に示す従来の二段燃焼技術は同一形状のアフターエアポート３３ａ、３３ｂを多段に設置していたため、同一の二段燃焼比率では、上流側エアポート３３ａのエア量を増加させると下流側エアポート３３ｂのエア量が減少し、下流側のアフターエアは充分な貫通力がなくなるので、多段にアフターエアを供給することによる効果が発揮できなく、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度が上昇すること、あるいはＣＯ濃度並びに未燃分が増加するという問題があった。
【０００８】
上記問題点を解決してバーナ空気比等の燃焼条件変化にかかわらず、アフターエアポート近傍の火炉内での混合を適正に保持することにより、ボイラ出口部における燃焼ガス中のＮＯｘやＣＯ並びにばいじん（未燃分）の発生レベルをミニマムに抑制するアフターエアポートを有するボイラ燃焼装置の発明について本出願人は特許出願を行った（特許文献１）。
【０００９】
上記特許文献１の発明について、図１１のアフターエアポート断面図で説明する。  
エアポート４は燃焼用空気を２分割して供給できるように、第１分割空気２１が供給される一次スリーブ２２と該一次スリーブ２２の外周に第２分割空気２３が供給される二次スリーブ２４が設けられたデュアル型のアフターエアポート構造である。
【００１０】
エアポート４の一次スリーブ２２には、その開口部２２ａからの供給空気量を調整するスライドダンパ２６が設けられている。また、二次スリーブ２４にもその開口部２４ａを開閉するスライドダンパ２７が設けられている。各スライドダンパ２６、２７はそれぞれ駆動装置２８、２９で駆動される。また、二次スリーブ２４には燃焼用空気に旋回力と貫通力を付与するために旋回器３０が設けられている。この旋回器３０はドライバ３１により制御されて燃焼用空気の旋回力と貫通力を適正化することにより、アフターエアポート部近傍の火炉３１内での未燃ガスのすり抜けを最小限度に抑えることが可能となる。
【００１１】
図１１に示すアフターエアポートを用いるバーナにおいては、バーナの燃焼条件により、上流側アフターエア量を上げた場合にアフターエア量の増加があってもアフターエアの貫通力がベース条件と同等になるようにアフターエアポートの空気流路面積を広げるため、火炉中央部においても良好な混合が行われ、ＮＯｘが上昇することはない。
【００１２】
また、上流側アフターエア量をベース条件より下げた場合には、アフターエアポートの空気流路面積を狭くして貫通力を確保する操作を行うことにより、火炉中央部で未燃ガスのすり抜け現象を防止でき、良好な混合が行われるため、ＣＯ発生量及びばいじん（未燃分）が増加することはない。
【特許文献１】特開平１１−３０４１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記特許文献１記載の発明でも、アフターエアポートからの旋回空気噴流では、火炉壁近傍の未燃ガスを十分に低減することができず、また、アフターエアポート（ＡＡＰ）とはいえ、バーナとほぼ同等の構造を有することから製作コストからも改善の必要があった。
【００１４】
石炭焚ボイラの火炉のバーナの上段に設けられるＡＡＰの特徴は、ＡＡＰ近傍すなわちボイラ火炉壁近傍の未燃ガスを効果的に混合することにある。ＡＡＰの流速を増加させて多くのガスを同伴することで、混合できることは周知であるが、流速増加による燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の増大と、そのための動力増大の問題が発生する。したがって、低流速で、未燃ガスと燃料用空気との混合効果を高めることが必要である。
【００１５】
図６にノズル構造の違いによる燃料用空気と周囲ガスとの混合効果について比較して示している。図６（ａ）には縮流型ノズルでの空気の流速分布を示し、図６（ｂ）には直管ノズルとの比較例である。図６（ａ）に示す縮流型ノズルでは、出口部分の流速分布が平坦で、十分に乱流が発達していないことが分かる。一方図６（ｂ）に示す直管型ノズルでは、管が長く、その管壁の影響で、空気の流速分布は正規分布となる。周囲ガスの同伴巻き込みでは、図６（ａ）に示す平坦な流速分布を有する縮流型ノズルが優れている。
【００１６】
本発明の課題は、エアポート出口部分において低流速で、未燃ガスと燃料用空気との混合効果を高めることができるアフタエア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】
【００１７】
本発明の上記課題は次の構成により解決される。  
請求項１記載の発明は、火炉に設けられる燃料を一次空気と共に還元燃焼させるバーナの下流側に配置される前記還元燃焼状態の燃料の完全燃焼を図る空気を火炉内に投入するアフターエアポートにおいて、中心部に設けた主流の燃焼用の一次空気が流れる筒状の一次空気ノズルと、該一次空気ノズルの外周部に設けられる燃焼用の二次空気が流れる二次空気ノズルと、筒状の一次空気ノズルの火炉側の開口端部にガス流れに直交又はほぼ直交する向きに設けた一次空気流路を縮小する板状のエッジ部材とを備えたアフターエアポートである。
【００１８】
請求項２記載の発明は、板状のエッジ部材の先端部には傾斜部を設けた請求項１記載のアフターエアポートである。  
請求項３記載の発明は、板状のエッジ部材には二次空気ノズルの火炉側の開口端部に対応する箇所に開口部を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のアフターエアポートである。
【００１９】
本発明では、縮流型ノズルの前記基本特性をＡＡＰ構造に反映して、一次空気の流れを一次空気ノズルの火炉側の開口端部に設けたエッジ部材で一次空気ノズルの流路断面積を急速に絞り込むことで、平坦なガス流速分布を得る構造とした。  
さらに、一次空気ノズルの流路壁近傍で流速分布がつきやすいので、境界層厚み分を排除するために、傾斜部をエッジ部材の先端に設けて、エッジ先端部でガス噴流周囲の流速に減衰されないようにした。
【００２０】
図７に、本発明になるＡＡＰと従来型ＡＡＰとの火炉出口でのガス中のＣＯ濃度低減効果について比較した。各ＡＡＰの流速変化幅は一定で３５ｍ／ｓ〜４５ｍ／ｓである。  
図７によれば、同じ流速範囲ではあるが、本発明になるＡＡＰの方が従来型ＡＡＰに比較して火炉出口の噴流近傍の３次元ＸＹＺ軸の内のＸ−Ｚ軸方向の運動エネルギーｕ2（流速の二乗）が大きく、その分、火炉出口でのガス中のＣＯ濃度低減が効果的に行われることを示している。
【００２１】
さて、ＡＡＰの火炉出口で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燃焼ガス中に含まれる灰も同伴することから、ＡＡＰの火炉出口部分における、灰付着ポテンシャルの低減が必要である。  
このメカニズムと防止策を、図８と図９のＡＡＰの火炉出口部における炉壁構造で説明する。一次空気（２）は空気流に旋回がない自由噴流であることから、エッジ部材（１６）部分では炉内燃焼ガスを巻き込み、灰が図９で示すように火炉の炉壁（１ａ）に付着する。この理由は、エッジ部材（１６）後流部分に負圧が発生し、循環域が形成されるためである。灰は初期状態ではエッジ部材（１６）の後方に少量付着であるが、次第にガス噴流に沿って成長すると予測される。
【００２２】
エッジ部材（１６）の後方の静圧を増加させることでエッジ部材（１６）の後方側の炉壁（１ａ）に付着する灰の量を少なくする必要がある。しかし多量にこの領域に空気を供給すると、エッジ部材（１６）による高流速が破壊されるので、少量をエッジ部材（１６）後の炉壁（１ａ）に沿って噴出することが望ましい。このため、二次空気（６）を少量旋回して供給する方法を用いる。または末広がりの炉壁に沿って空気を供給する方法では旋回は不要である。そして二次空気（６）の供給方法としては、図８に示すようにエッジ部材（１６）を構成する板に二次空気（６）の噴射用の開口部（１６ａ）を設けて、火炉に向けて前記開口部（１６ａ）から噴射する方法を本発明の一つとして採用した。
【００２３】
本発明によれば、火炉中央部まで到達する空気の流れと、火炉壁近傍の混合を加速する空気の流れを形成することは言うまでもないが、一次空気ノズル近傍において周囲ガスの強い同伴流が発生し、この同伴流が灰を巻き込んで、一次空気ノズル近傍へ付着溶融する現象が懸念される。しかしながら、二次空気の効果的な投入によって、壁近傍の負圧を除去できることから、信頼性の高い、低ＮＯｘ濃度及び低ＣＯ濃度の生成排ガスを得る運用が可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１記載の発明によれば、燃焼用空気が火炉中央部と火炉壁近傍で未燃ガスと良く混合するだけでなく、火炉壁近傍に燃焼用空気噴流を供給できるので、負圧を除去できることから、信頼性の高い、低ＮＯｘ濃度及び低ＣＯ濃度の生成燃焼ガスを得る運用が可能となる。
【００２５】
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エッジ部材の先端部でガス噴流周囲の流速に減衰されないようにして、一次空気ノズルの流路壁近傍で流速分布が形成され難くした。  
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加えてエッジ部材の開口部から二次空気が流れ、エッジ後方の静圧を増加させることでエッジの後方側の炉壁に付着する灰の量を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の実施例を図面とともに説明する。  
図１に本実施例のＡＡＰ構造の断面図を示す。本実施例のＡＡＰ構造は二重構造になっており、火炉１の炉壁１ａの開口部に臨む位置に設けた風箱３内の中心部には一次空気２を供給する一次空気ノズル５と、該一次空気ノズル５の回りに二次空気６を供給する二次空気ノズル７が設けられている。一次空気ノズル５はボックス状のケース９に設けた開口部９ａから供給される風箱３内の空気を一次空気２として火炉１に向けて吹き出す構成である。前記ボックス状のケース９に設けた開口部９ａの開度は一次空気流量調節用スライドゲート１０を風箱３の外側に設けたゲート調整レバー１２の操作で調整される。また、二次空気ノズル７には旋回器１３を配置しており、風箱３からの燃焼用空気を旋回器１３で旋回させながら火炉１内に供給する。旋回器１３は風箱３の外側に設けたドライバ１４の操作で二次空気６の旋回角度を調整できる構成になっている。
【００２７】
また、火炉壁１ａの外壁部分と二次空気ノズル７の間にはエッジ板１６が火炉壁１ａの外壁平面に沿って設けられ、一次空気ノズル５を横断する方向に伸びている。またエッジ板１６の二次空気ノズル７の出口と接する部分は開口部１６ａが設けられている。
【００２８】
したがって、一次空気２は、ボックス状のケース９で二次空気６と分けられ、その流量は一次空気流量調節スライドゲート１２の操作で適正量に調整された後、一次空気ノズル５に流入し、二次空気ノズル７のノズル壁部で次第に流路断面積を縮小されながら流速を増して火炉１内へ噴出される。炉内の噴出する直前で一次空気２はエッジ板１６によって遮られるので、さらに流速を増大されて炉内に噴出するため、火炉１内に噴出された一次空気２は火炉中央部まで達する貫通能力を有する。
【００２９】
また、二次空気ノズル７内の二次空気６は旋回器１３により、旋回をかけられてエッジ板１６の開口部１６ａから火炉１内の炉壁１ａの傾斜面に沿って火炉１内に噴出し、低流速で火炉壁１ａ近傍に拡散混合して、火炉壁１ａ近傍の希薄未燃ガスを燃焼させる。
【００３０】
また、図２には他の実施例のＡＡＰ構造の断面図を示す。図２に示す実施例における図１の実施例との相違点は二次空気ノズル７には旋回器１３を設けず、二次空気ノズル７の入口に二次空気流量調節用スライドゲート１９を設け、風箱３の外側に設けた二次空気流量調節用スライドゲート調整レバー２０で二次空気ノズル７への二次空気の供給量を調整できる構成になっていることである。その他の構成は図１に示す実施例と同じであるので、図１と同じ符号を付して、その説明は省略する。
【００３１】
図２に示すのＡＡＰ構造では、図１に示す実施例とは二次空気ノズル７から火炉１内に噴出する二次空気６に旋回がかけられていないだけであり、その作用効果は図１のＡＡＰ構造とほぼ同じである。本実施例によれば、二次空気６に旋回がかけられた場合と比較すると、半径方向に空気が回り込みにくいことから炉内広がり部分における灰の付着は、旋回がある場合と比較すると若干多いが問題が無いレベルである。
【００３２】
図３と図４にはそれぞれ火炉１から見た図１及び図２のＡＡＰ構造の正面図である。二次空気６に旋回をかけるＡＡＰ構造の場合には、図３に示すようにエッジ板１６の開口部１６ａはスリット構造とし、二次空気６に旋回をかけないＡＡＰ構造の場合には図４のエッジ板１６にマルチノズル１６ａ’を有する構造とする。いずれの場合も、エッジ板１６によって発生する負圧の調整と、火炉壁１ａに付着する灰の防止が目的である。
【００３３】
図５には他の実施例のＡＡＰ構造の断面図を示すが、この実施例のエッジ部分の構造が図２に示すエッジ部分がガス流れ方向に対して急激に縮小する構造であるのに対して、ガス流れに平行であることだけが相違し、その他の構成は同じである。図５に示すＡＡＰ構造はエッジ板１６の先端部がガス流れに平行であるために、図１に示すＡＡＰ構造に比較してエッジ板１６の内側が焼損変形しにくく、長期にわたって性能を発揮するという作用効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明のＡＡＰ構造は安価で燃焼排ガスの低ＮＯｘ効果の高い燃焼システムが得られるので、ボイラなどの低ＮＯｘ燃焼装置に利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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】図１のＡＡＰ構造に正面図である。
【図４】図２のＡＡＰ構造に正面図である。
【図５】本発明の一実施例のＡＡＰ構造の断面図である。
【図６】ＡＡＰ構造の違いによるノズル出口部分におけるガス流速分布を説明する図である。
【図７】従来型ＡＡＰ構造と本発明になるＡＡＰ構造における火炉出口ガス中のＣＯ濃度の低減性能を比較して示す図である。
【図８】ＡＡＰ構造の二次空気による灰付着防止原理を説明する図である。
【図９】ＡＡＰ構造の火炉出口近傍における灰付着状況を説明する図である。
【図１０】従来技術のボイラ燃焼装置の構成図である。
【図１１】従来技術のＡＡＰ構造の断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    火炉                              １ａ  火炉壁
２    一次空気                          ３    風箱
４    エアポート                        ５    一次空気ノズル
６    二次空気                          ７    二次空気ノズル
９    ボックス状のケース                ９ａ  開口部
１０  一次空気流量調節用スライドゲート  １２  ゲート調整レバー
１３  旋回器                            １４  ドライバ
１６  エッジ板                          １６ａ  開口部
１９  二次空気流量調節用スライドゲート  ２０  ゲート調整レバー
２１  第１分割空気                      ２２  一次スリーブ
２２ａ  開口部                          ２３  第２分割空気
２４  二次スリーブ                      ２４ａ  開口部
２６，２７  スライドダンパ              ２８，２９  駆動装置
３０  旋回器                            ３１  ドライバ
３１  火炉                              ３２ａ  下段バーナ   
３２ｂ  上段バーナ                      ３３ａ  上流側アフターエアポート
３３ｂ  下流側アフターエアポート        ３６  ＦＤＦ
３７  エアヒータ                        ３８  ダンパ
４１  脱硝装置                          ４２  煙突
【図１】
0004628922.tif 000002
【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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