(57)【要約】【課題】  褐炭などの低品位固体燃料の搬送気体に酸素濃度の低い気体(燃焼排ガス)を利用するバーナにおいて、燃料の着火を促進し、かつ燃焼灰に起因するスラッキングを防止するのに適した固体燃料バーナおよびその燃焼方法を提供する。【解決手段】  燃料ノズル１１の周方向の速度成分を持つ追加空気を噴出させる追加空気ノズル１２を燃料ノズル１１内に設け、燃料ノズル１１内での燃料と空気との混合を促進する。さらに、燃焼負荷の違いにより追加空気ノズル１２から供給する空気量を変える。低負荷時は、追加空気ノズル１２から供給する空気量を増やし、燃料ノズル１１出口外側の下流部に形成される循環流１９の酸素濃度を高めて、安定に燃焼させる。高負荷時は、追加空気ノズル１２から供給する空気量を減らし、燃料ノズル１１から離れた位置に火炎を形成させ、バーナ構造物や火炉壁が受ける輻射熱を抑制する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する燃料ノズルと、前記燃料ノズルの外側に配置され空気を噴出する少なくとも１つの空気ノズルとを有する固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズルの周方向の速度成分を持つ追加空気を噴出させる少なくとも１つの追加空気ノズルを前記燃料ノズル内に突出させて設けた
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項２】
請求項１に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記追加空気ノズルが、前記燃料ノズルを流れる混合流体の流路断面積を滑らかに縮小し拡大する形状であり、前記燃料ノズルを流れる混合流体に対して垂直方向の速度成分を有する空気を噴出する噴出口を側面に形成した
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項３】
請求項２に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記追加空気ノズルの上流に、前記燃料ノズルの流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大する形状のベンチュリと、前記燃料ノズルの流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状の濃縮器とを備えた
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項４】
請求項２に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズル内に流路を分割する分配器とを有し、
バーナ軸に対して垂直方向から見たときに前記追加空気ノズルの出口が前記分配器と重なる位置にある
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項５】
請求項２に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記追加空気ノズルの上流に、前記燃料ノズルの流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大する形状のベンチュリと、前記燃料ノズルの流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状の濃縮器とを備え、
前記燃料ノズル内に流路を分割する分配器を有し、
バーナ軸に対して垂直方向から見たときに前記追加空気ノズルの出口が前記分配器と重なる位置にある
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項６】
請求項５に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記分配器により分割される燃料ノズル流路のうち前記分配器の上流側先端部において追加空気ノズルが設置されている側の流路断面積の方が、前記濃縮器により縮小された流路断面積よりも大きい
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項７】
請求項２に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記追加空気ノズルの上流に、前記燃料ノズルの流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状の濃縮器を備え、
前記燃料ノズル内に流路を分割する分配器を有し、
バーナ軸に対して垂直方向から見たときに前記追加空気ノズルの出口が前記分配器と重なる位置にある
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項８】
請求項２に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズルと前記空気ノズルとを隔てる隔壁先端に、前記燃料ノズルから噴出する固体燃料とその搬送気体との流れおよび前記空気ノズルから噴出する空気の流れを妨げる保炎器を設けた
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項９】
請求項１に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記追加空気ノズルが、前記燃料ノズルを流れる混合流体の流路断面積を滑らかに縮小し拡大する形状であり、前記燃料ノズルを流れる混合流体に対して垂直方向の速度成分を有する空気を噴出する噴出口を側面に形成し、前記燃料ノズルを流れる混合流体に対して平行方向の速度成分を有する空気を噴出する噴出口を最下流部に形成した
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項１０】
請求項９に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記追加空気ノズルの上流に、前記燃料ノズルの流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大する形状のベンチュリと、前記燃料ノズルの流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状の濃縮器とを備えた
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項１１】
請求項９に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズル内に流路を分割する分配器とを有し、
バーナ軸に対して垂直方向から見たときに前記追加空気ノズルの出口が前記分配器と重なる位置にある
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項１２】
請求項９に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記追加空気ノズルの上流に、前記燃料ノズルの流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大する形状のベンチュリと、前記燃料ノズルの流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状の濃縮器とを備え、
前記燃料ノズル内に流路を分割する分配器を有し、
バーナ軸に対して垂直方向から見たときに前記追加空気ノズルの出口が前記分配器と重なる位置にある
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記分配器により分割される燃料ノズル流路のうち前記分配器の上流側先端部において追加空気ノズルが設置されている側の流路断面積の方が、前記濃縮器により縮小された流路断面積よりも大きい
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項１４】
請求項９に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記追加空気ノズルの上流に、前記燃料ノズルの流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状の濃縮器を備え、
前記燃料ノズル内に流路を分割する分配器を有し、
バーナ軸に対して垂直方向から見たときに前記追加空気ノズルの出口が前記分配器と重なる位置にある
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項１５】
請求項９に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズルと前記空気ノズルとを隔てる隔壁先端に、前記燃料ノズルから噴出する固体燃料とその搬送気体との流れおよび前記空気ノズルから噴出する空気の流れを妨げる保炎器を設けた
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項１６】
請求項９に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズルと前記空気ノズルとを隔てる隔壁先端に、前記燃料ノズルから噴出する固体燃料とその搬送気体との流れおよび前記空気ノズルから噴出する空気の流れを妨げる歯付き(toothed)保炎器を設けた
ことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項１７】
請求項１に記載の固体燃料バーナの燃焼方法において、
燃焼負荷が低い場合は、前記追加空気ノズルから供給する空気量を増やし、
燃焼負荷が高い場合は、前記追加空気ノズルから供給する空気量を減らす
ことを特徴とする固体燃料バーナの燃焼方法。
【請求項１８】
請求項１に記載の固体燃料バーナの燃焼方法において、
燃焼負荷が低い場合は、前記追加空気ノズルから供給する空気量を増やし、
前記空気ノズルのうち最も内側の空気ノズルから供給する空気量を減らしまたは旋回流速を増やし、
燃焼負荷が高い場合は、前記追加空気ノズルから供給する空気量を減らし、前記空気ノズルのうち最も内側の空気ノズルから供給する空気量を増やしまたは旋回強度を減らす
ことを特徴とする固体燃料バーナの燃焼方法。
【請求項１９】
燃料ノズルの周方向の速度成分を持つ追加空気を噴出させる少なくとも１つの追加空気ノズルを前記燃料ノズル内に突出させて設けた固体燃料バーナを複数本備えた火炉と、燃料ホッパと、給炭機と、前記給炭機の下流側の燃焼排ガス配管内で燃焼装置の上部から抜き出した燃焼排ガスと混合した燃料を導入する粉砕機と、前記粉砕機で粉砕された燃料を前記固体燃料バーナに供給する燃料配管と、前記固体燃料バーナに空気を供給するブロアと、低負荷条件において前記固体燃料バーナ毎に形成される火炎を監視する低負荷火炎検知器または温度計または放射強度計と、高負荷条件においては前記固体燃料バーナから離れた位置に形成される火炎を監視する高負荷火炎検知器または温度計または放射強度計と、前記計測器からの信号に基づき前記追加空気ノズルから噴出する空気量を制御する制御手段とを備えた燃焼装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の燃焼装置の運用方法において、
前記燃焼装置を高い燃焼負荷で運用する場合は、固体燃料バーナから離れた位置から固体燃料の火炎を形成し、
前記燃焼装置を低い燃焼負荷で運用する場合は、固体燃料バーナの燃料ノズル出口直後から固体燃料の火炎を形成することを特徴とする燃焼装置の運用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体燃料を気流搬送して燃焼する固体燃料バーナに係り、特に、木材，ピート，石炭などの水分および揮発分の多い燃料を粉砕し、気流搬送し、浮遊燃焼させるのに適した固体燃料バーナ，固体燃料バーナの燃焼方法，固体燃料バーナを備えた燃焼装置，その燃焼装置の運用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
木材，ピート，褐炭や亜炭に代表される石炭化度の低い石炭などの燃料は、揮発分が多いので、空気雰囲気では、貯蔵，粉砕，搬送過程において自然発火しやすく、瀝青炭などと比べて扱いにくい。自然発火を防止するために、これらの燃料を粉砕して燃焼する場合は、燃料の搬送気体として、酸素濃度を低下させた燃焼排ガスと空気との混合気体が使われることがある。燃焼排ガスは、燃料周囲の酸素濃度を低下させ、燃料の酸化反応(燃焼)を抑制し、自然発火を防ぐ。また、燃焼排ガスは、その保有熱により、燃料中の水分を乾燥させる機能も持っている。
【０００３】
しかし、低酸素濃度の搬送気体で搬送された燃料は、固体燃料バーナから噴出する際の酸化反応が、燃料周囲の酸素濃度により制限され、空気で搬送した場合と比べて、燃焼速度が低い。通常、燃料は空気ノズルから噴出した空気と混合した後に、酸化反応が活発となるので、燃焼は空気との混合速度で律速される。したがって、燃料の燃え切り時間は、空気で搬送する場合と比べて長くなり、燃焼装置すなわち火炉の出口における未燃焼分が増える。
【０００４】
また、緩慢に燃焼するので、火炎温度が低い。その結果、高温(約１０００℃以上)の還元雰囲気で活発となる窒素酸化物ＮＯｘの窒素への還元反応を利用しにくくなり、火炉出口におけるＮＯｘは、燃料を空気搬送する場合と比べて、高くなる傾向がある。
【０００５】
低酸素濃度の搬送気体で搬送された燃料の着火を早める方法として、燃料ノズル出口近傍で、燃料搬送気体の酸素濃度を高める方法がある。例えば、燃料ノズルの外側に追加空気ノズルを設ける構造や燃料ノズルの中心に追加空気ノズルを設ける構造が提案されている。これらの追加空気ノズルは、燃料ノズル出口での燃料と空気との混合を促進する。
【０００６】
しかし、これらの従来例のように、追加空気ノズルから噴出する空気が、燃料噴流すなわち燃料およびその搬送気体と平行に噴出すると、燃料噴流と追加空気ノズルから噴出する空気との流速差が小さいので、燃料噴流と追加空気との混合は、緩慢となる。
【０００７】
通常、追加空気ノズル出口から燃料ノズル出口までの距離は、１ｍ以内である。燃料噴流の流速は、約１２ｍ／ｓ以上であるから、燃料ノズル内での燃料粒子と追加空気との混合時間は、約０.１秒以下と短く、燃料粒子と平行方向に追加空気を噴出すると、混合は十分できない。
【０００８】
一方、燃料ノズル内での燃料粒子と追加空気との混合時間を長くするために、追加空気ノズルの設置位置を燃料ノズルの上流側に設ける場合、酸素濃度が高くなると、燃料ノズル内で燃料が着火してしまういわゆる逆火現象が生じる危険性がある。したがって、追加空気ノズル出口から燃料ノズル出口までの距離を長くできない。
【０００９】
そこで、発明者らは、燃料ノズル内に追加空気ノズルを設け、燃料ノズルを流れる燃料噴流とほぼ垂直方向に追加空気ノズルから空気を噴出させる構造と、燃料ノズル内に追加空気ノズルと流路を分割する分配器とを設け、バーナ軸に対して垂直方向から見たときに追加空気ノズルの出口が分配器と重なる位置にあるようにした構造とを提案した(例えば、特許文献１参照)。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３-２４０２２７号公報  (第７〜９頁  図１〜図４)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１に記載されているように、追加空気ノズルを燃料ノズルの外周隔壁に設け、流れる燃料噴流とほぼ垂直方向にすなわちノズルの径方向に空気を噴出させると、追加空気ノズルの下流部分は酸素濃度が高くなるものの、追加空気ノズルが無い部分は酸素濃度が相対的に低い。その結果、燃料ノズル出口部分で周方向に酸素濃度の高い部分と低い部分とが形成される。酸素濃度の分布を均一化するには、追加空気ノズルの本数を増やす必要があり、製作コストの上昇を招く。
【００１２】
また、追加空気ノズルを燃料ノズルの外周隔壁に設ける場合、追加空気ノズル出口の開口部が燃料噴流と平行となるので、燃料粒子が追加空気ノズル出口の開口部に衝突しやすい。このため、追加空気ノズルの磨耗や燃料粒子の逆流が起きる可能性がある。
【００１３】
本発明の目的は、褐炭などの低品位固体燃料の搬送気体に酸素濃度の低い気体を利用する固体燃料バーナにおいて、追加空気ノズル出口から燃料ノズル出口までの距離を変えずに、高負荷条件から低負荷条件まで、広範囲にわたって、燃料ノズル内での燃料粒子と空気との混合を促進し、かつ、燃料ノズル内の燃料濃度と酸素濃度とが燃料ノズル内の平均値よりも高い領域を形成し、安定燃焼させる手段を備えた固体燃料バーナ，燃料粒子と空気との混合を促進し安定燃焼させる手段を備えた固体燃料バーナの燃焼方法，固体燃料バーナを備えた燃焼装置，その燃焼装置の運用方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記目的を達成するために、固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する燃料ノズルと、燃料ノズルの外側に配置され空気を噴出する少なくとも１つの空気ノズルとを有する固体燃料バーナにおいて、燃料ノズルの周方向の速度成分を持つ追加空気を噴出させる少なくとも１つの追加空気ノズルを燃料ノズル内に突出させて設けた固体燃料バーナを提案する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、褐炭や亜炭などの石炭化度の低い石炭など燃焼性が比較的劣る固体燃料であっても、追加空気ノズル出口から燃料ノズル出口までの距離を変えずに、高負荷条件から低負荷条件まで広範囲にわたって、燃料ノズル内での燃料粒子と空気との混合を促進し安定燃焼させ、しかも燃焼灰に起因するスラッキングを防止する手段を備えた固体燃料バーナ，固体燃料バーナの燃焼方法，固体燃料バーナを備えた燃焼装置，その燃焼装置の運用方法，石炭焚きボイラが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
追加空気ノズルは、燃料ノズルを流れる混合流体の流路断面積を滑らかに縮小し拡大する形状であり、燃料ノズルを流れる混合流体に対して垂直方向の速度成分を有する空気を噴出する噴出口を側面に形成する。
【００１７】
追加空気ノズルは、また、燃料ノズルを流れる混合流体の流路断面積を滑らかに縮小し拡大する形状であり、燃料ノズルを流れる混合流体に対して垂直方向の速度成分を有する空気を噴出する噴出口を側面に形成し、燃料ノズルを流れる混合流体に対して平行方向の速度成分を有する空気を噴出する噴出口を最下流部に形成することもできる。
【００１８】
追加空気ノズルの上流には、燃料ノズルの流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大する形状のベンチュリと、燃料ノズルの流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状の濃縮器とを備えてもよい。
【００１９】
燃料ノズル内に流路を分割する分配器とを有し、バーナ軸に対して垂直方向から見たときに追加空気ノズルの出口が分配器と重なる位置にあることも可能である。
【００２０】
追加空気ノズルの上流には、燃料ノズルの流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大する形状のベンチュリと、燃料ノズルの流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状の濃縮器とを備え、燃料ノズル内に流路を分割する分配器を有し、バーナ軸に対して垂直方向から見たときに前記追加空気ノズルの出口が分配器と重なる位置にある構造も採用できる。
【００２１】
この場合は、分配器により分割される燃料ノズル流路のうち分配器の上流側先端部において追加空気ノズルが設置されている側の流路断面積の方が、濃縮器により縮小された流路断面積よりも大きいようにする。
【００２２】
追加空気ノズルの上流には、燃料ノズルの流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状の濃縮器を備え、燃料ノズル内に流路を分割する分配器を有し、バーナ軸に対して垂直方向から見たときに前記追加空気ノズルの出口が分配器と重なる位置にあるようにしてもよい。
【００２３】
燃料ノズルと空気ノズルとを隔てる隔壁先端に、燃料ノズルから噴出する固体燃料とその搬送気体との流れおよび空気ノズルから噴出する空気の流れを妨げる保炎器を設けることができる。
【００２４】
燃料ノズルと空気ノズルとを隔てる隔壁先端に、燃料ノズルから噴出する固体燃料とその搬送気体との流れおよび空気ノズルから噴出する空気の流れを妨げる歯付き(toothed)保炎器を設けることも可能である。
【００２５】
燃料ノズル出口に燃料噴流に対し障害となる向きに歯付き(toothed)保炎器を設けると、保炎器により燃料噴流の乱れが増加して空気と混合し、燃焼反応が進み、燃料の着火が促進される。
【００２６】
本発明の固体燃料バーナの燃焼方法においては、燃焼負荷が低い場合は、前記追加空気ノズルから供給する空気量を増やし、燃焼負荷が高い場合は、前記追加空気ノズルから供給する空気量を減らす。
【００２７】
さらに、燃焼負荷が低い場合は、追加空気ノズルから供給する空気量を増やし、空気ノズルのうち最も内側の空気ノズルから供給する空気量を減らしまたは旋回流速を増やし、燃焼負荷が高い場合は、追加空気ノズルから供給する空気量を減らし、空気ノズルのうち最も内側の空気ノズルから供給する空気量を増やしまたは旋回強度を減らす。
【００２８】
本発明は、上記いずれかの固体燃料バーナを複数本備えた火炉と、燃料ホッパと、給炭機と、給炭機の下流側の燃焼排ガス配管内で燃焼装置の上部から抜き出した燃焼排ガスと混合した燃料を導入する粉砕機と、粉砕機で粉砕された燃料を固体燃料バーナに供給する燃料配管と、固体燃料バーナに空気を供給するブロアと、低負荷条件において固体燃料バーナ毎に形成される火炎を監視する低負荷火炎検知器または温度計または放射強度計と、高負荷条件においては固体燃料バーナから離れた位置に形成される火炎を監視する高負荷火炎検知器または温度計または放射強度計と、計測器からの信号に基づき追加空気ノズルから噴出する空気量を制御する制御手段とを備えた燃焼装置を提案する。
【００２９】
燃焼装置を高い燃焼負荷で運用する場合は、固体燃料バーナから離れた位置から固体燃料の火炎を形成し、燃焼装置を低い燃焼負荷で運用する場合は、固体燃料バーナの燃料ノズル出口直後から固体燃料の火炎を形成する。
【００３０】
本発明の固体燃料バーナは、石炭，木材，ピートなどの水分や揮発分が多い固体燃料を扮さし、気流搬送させて浮遊燃焼させる際に、燃料の搬送気体の酸素濃度が２１％よりも低い場合に特に適した固体燃料バーナである。
【００３１】
本発明の固体燃料バーナは、固体燃料とその搬送気体との混合流体を噴出する燃料ノズルと、燃料ノズルの外側に配置され空気を噴出する少なくとも１つの空気ノズルと、燃料ノズル内に混合流体の流れに対してほぼ垂直に空気を噴出する追加空気ノズルとを有し追加空気ノズルの出口のうち、少なくとも１つは、燃料ノズルの周方向にノズル出口を有する固体燃料バーナである。
【００３２】
追加空気ノズルは、燃料ノズル内に露出し、流路断面積を狭める。追加空気ノズル出口の磨耗防止や燃料粒子の逆流防止の観点からは、追加空気ノズル出口は追加空気により狭められた流路断面積が拡大する部分に設けることが望ましい。
【００３３】
追加空気ノズルのうち,少なくとも１つは燃料ノズルの周方向にノズル出口を有する。このノズル出口から噴出する空気は燃料ノズルに対して周方向の速度成分を持ち、燃料ノズルを流れる燃料噴流に対してほぼ垂直に噴出する。このため、空気を平行方向に噴出させる場合よりも、燃料粒子と追加空気噴流との速度差が大きくなり、混合が進む。特に、燃料粒子は、気体に比べて密度が大きいので、慣性力により追加空気噴流中に混合する。
【００３４】
また、追加空気が燃料ノズルの周方向に噴出する。空気を径方向や軸方向に噴出する場合に比べ、周方向への空気の混合が良くなる。このため、燃料ノズルの外周部に追加空気ノズルを設けると、径方向や軸方向に噴出する場合に比べて、少ない追加空気ノズルで外周部に空気を均一に混合できる。
【００３５】
固体燃料バーナにおいては、燃料ノズル出口の外周部からその外側に存在する空気や燃焼ガスが混合すると、燃料粒子の着火，燃焼が開始する。このため、燃料ノズルの外周部に空気を均一に混合すれば、酸素濃度が高まり、着火や燃焼反応が促進される。このため、燃料ノズル出口に火炎を安定に形成できる。
【００３６】
なお、燃料ノズル内に露出する追加空気ノズルの隔壁は、燃料ノズルを流れる燃料噴流の流動抵抗を減らすため、流路断面積が滑らかに変化する形状が望ましい。特に、燃料ノズルの周方向に隔壁が拡大，縮小する形状とすることで、燃料ノズルの外周部分の燃料粒子の濃度を保つことが可能である。
【００３７】
燃料ノズル内に露出する追加空気ノズル隔壁の上流部には耐磨耗材料を施工することが望ましい。隔壁の上流部は燃料ノズルの流路断面積を狭め、燃料噴流の流れを妨げる。このため燃料粒子が隔壁に衝突しやすい。耐磨耗材料を施工することで、磨耗を防止できる。
【００３８】
また、追加空気ノズルの出口はノズルを形成する隔壁が燃料ノズルの軸方向と平行か、流路を拡大する部分に設けることが望ましい。このような位置に設置することで、燃料粒子が追加空気ノズルの出口から逆流することや、出口部の磨耗を抑制できる。
【００３９】
追加空気ノズルの出口のうち、少なくとも１つの出口は、追加空気ノズル隔壁の最下流部に設けることが望ましい。最下流部に出口を設けることで、追加空気ノズル内に入り込んだ燃料粒子を容易に排出できる。燃料粒子の堆積を防止することで、追加空気ノズルの閉塞やバーナの焼損を防止できる。
【００４０】
追加空気ノズルの出口から燃料ノズル出口までの距離は、燃料ノズル内での燃料粒子の着火による逆火や焼損を防ぐ意味から、燃料ノズル内で、高酸素濃度である追加空気の滞留時間が、燃料の着火遅れ時間(約０.１秒)以下となることが望ましい。通常、燃料搬送気体は、流速１２〜２０ｍ／ｓで燃料ノズル内を流れるので、追加空気ノズルの出口から燃料ノズル出口までの距離は、１ｍ以下となる。
【００４１】
本発明の固体燃料バーナの燃料ノズルに、バーナ上流側から順に燃料ノズルの断面積を一旦縮小した後、拡大する流路縮小部材を設けることが望ましい。流路断面積を縮小すると、燃料ノズルを流れる燃料搬送気体の流速が高まるので、瞬間的な流速低下により燃料ノズル内に火炎が形成されたとしても、流路縮小部材よりも上流側への逆火を防止できる。
【００４２】
なお、流路縮小部材は、燃料搬送気体の流動抵抗を減らすため、ベンチュリのように、流路断面積が滑らかに変化する形状が望ましい。
【００４３】
さらに、燃料ノズルの内部に、バーナ上流側から順に、燃料ノズルの流路断面積を減少させる部分と増加させる部分とからなる濃縮器を設けると、燃料粒子には、濃縮器に沿って外周方向に向かう速度成分が誘起される。燃料粒子は、搬送気体よりも慣性力が大きいので、燃料ノズルの外側隔壁の内周に片寄って流れてノズル出口に到達する。したがって、燃料ノズルの外側隔壁の内周に濃縮された燃料噴流が生じる。
【００４４】
本発明の固体燃料バーナの燃料ノズルに、燃料ノズルの流路を分割する分配器を設け、分割された片側の流路に追加空気ノズルを設けることが望ましい。追加空気ノズルを設ければ、燃料粒子の一部は追加空気の隔壁に衝突し、分散する。そこで、分配器を設けると、燃料粒子の分散を抑制できる。
【００４５】
また、追加空気ノズルにより燃料ノズルの断面積が狭まり、燃料噴流に対して流動抵抗が増える。さらに、追加空気が燃料噴流と垂直に混合する際も流動抵抗となる。搬送気体は流動抵抗のために、追加空気ノズルの配置された流路側を避けて流れる。しかし、燃料粒子は慣性力により搬送気体よりも直進性が強いので、搬送気体の流量の減少に比べて、燃料粒子の減少が少ない。その結果、追加空気ノズル側の流路では搬送期待が追加空気に置き換わり、燃料粒子の周囲の酸素濃度は搬送ガスの酸素濃度よりも高くなる。このため、燃料ノズルから噴出後は高い酸素濃度により着火や燃焼反応が促進され、燃料ノズル出口に火炎を安定に形成できる。
【００４６】
特に、燃料ノズルを内側と外側に分割する分配器を設け、追加空気ノズルを外側の流路に設ける場合、燃料ノズルの外周側で酸素濃度が高くなり、燃料ノズル出口でノズルの外縁部から安定に火炎を形成できる。さらに、燃料ノズルの内部に、バーナ上流側から順に、燃料ノズルの流路断面積を減少させる部分と増加させる部分とからなる濃縮器を設け、その下流側に分配器と追加空気ノズルを設けると、燃料ノズルの外周部は酸素濃度と燃料濃度が高くなる。
【００４７】
燃料ノズルの外側隔壁の内周に沿って流れる燃料粒子は、燃料ノズル出口付近で燃料ノズル外側の空気ノズルから噴出する空気と混合する。また、後述の保炎器の後流側にできる循環流の高温ガスと接触して着火しやすくなる。
【００４８】
燃料ノズルと空気ノズルとの隔壁先端部に、燃料ノズルから噴出する固体燃料混合物や空気の流れに対する障害物(保炎器)を設けることが望ましい。保炎器の下流側では、圧力が低下し、下流から上流に向かう循環流が形成される。循環流内には、燃料ノズルや空気ノズルから噴出する燃料，燃料搬送気体，空気と、下流からの高温ガスとが滞留する。その結果、循環流内が高温となり、燃料噴流の着火源として作用する。したがって、火炎は、燃料ノズル出口部分から安定に形成される。
【００４９】
本発明の固体燃料バーナは、燃焼負荷に応じて、追加空気ノズルから噴出する空気量を変えることもできる。
【００５０】
燃焼負荷が低い場合は、追加空気ノズルから噴出する空気量を増やす。この場合は、追加空気ノズルから噴出する空気により、分配器で隔てられた燃料ノズル流路のうち、追加空気ノズルが設置された流路では、酸素濃度が高まる。その結果、燃料の燃焼反応が促進され、燃料の着火が早まり、燃料ノズル近くから火炎を形成できる。
【００５１】
燃焼負荷が高い場合は、追加空気ノズルから噴出する空気量を減らす。この場合は、搬送気体の酸素濃度が低いので、燃料の燃焼反応が進まず、燃料の着火が遅れ、燃料ノズルから離れた位置に火炎を形成できる。
【００５２】
固体燃料バーナやその外側の火炉壁の温度が高すぎると、燃焼灰が固体燃料バーナ構造物や火炉壁に付着し、付着物が成長するスラッキングと呼ばれる現象が現れる。
【００５３】
本発明により火炎が固体燃料バーナから離れると、固体燃料バーナやその外側の火炉壁の温度が低下し、スラッキングを抑制できる。
【００５４】
固体燃料バーナやその周囲の火炉壁に設けた温度計，放射温度計，火炎検知器などからの信号に基づき、追加空気ノズルから噴出する空気量を変更すると、固体燃料バーナの火炎の形成位置を制御できる。
【００５５】
これまでは、固体燃料の燃焼灰の融点が低く、スラッキングが生じやすい場合の対策を述べた。固体燃料の燃焼灰の融点が高い場合、または、火炉の熱負荷が低くスラッキングが問題にならない場合は、燃料ノズル出口から固体燃料バーナの火炎を形成してもよい。
【００５６】
一方、燃焼負荷が低い場合は、固体燃料バーナの燃料ノズルおよび追加空気ノズルからそれぞれ供給される空気量の合計と燃料中の揮発分を完全燃焼させるのに必要な空気量との比、すなわち、揮発分に対する空気比を０.８５〜０.９５となるように空気量を調整することが望ましい。
【００５７】
燃焼負荷が低い場合は、安定燃焼が難しい。そこで、揮発分に対する空気比を０.８５〜０.９５とすると、火炎温度が高くなり、安定燃焼を維持しやすくなる。空気量を変えると、火炉内での火炎の形成位置を変えて、固体燃料バーナや火炉壁への火炎からの放射(輻射)熱量を調整できる。
【００５８】
高負荷条件においては、火炉内の熱負荷が高いので、火炎を固体燃料バーナから離れた位置に形成させることが望ましい。
【００５９】
本発明の固体燃料バーナの燃焼方法によると、燃焼装置の高負荷条件においては、固体燃焼バーナから離れた位置で燃料が着火し、火炎は、火炉中央部分に形成される。高負荷条件で火炎を監視するには、固体燃料バーナの火炎が集まる火炉の中央部分の火炎を監視することが望ましい。
【００６０】
低負荷条件においては、火炉内の熱負荷が低いので、火炎を固体燃料バーナに近づけても、固体燃料バーナやその周囲の火炉壁の温度は、高負荷条件の場合よりも低く、スラッキングは、生じにくい。
【００６１】
燃焼装置の低負荷条件においては、固体燃料バーナ近くで燃料が着火して火炎を形成する。このとき、個別の固体燃料バーナ毎に火炎が形成され、火炉内で火炎がそれぞれ分かれて形成される場合もある。また、火炉内の温度が高負荷条件の場合と比べて低いので、燃料の燃え切りにかかる時間が長くなる。したがって、固体燃料バーナから火炎が離れると、燃料が火炉出口に到達する前に燃え切ることができず、燃焼効率の低下や未燃焼分の増大の恐れがある。そこで、低負荷条件においては、個別の固体燃料バーナ出口に形成される個々の火炎を監視することが望ましい。
【００６２】
本発明の固体燃料バーナでは、燃料ノズルの外側に空気ノズル(外側空気ノズル)を設け、外側空気ノズルの出口に空気の噴出方向を決めるガイドを設け、外側空気をバーナ中心軸から広げて噴出させることができる。このような構造の場合、燃料は、外側空気に沿って広がるので、燃料ノズルから噴出後の燃料の速度が下がり、固体燃料バーナ近くでの滞留時間が増える。その結果、火炉内での燃料の滞留時間が増えて、燃焼効率が上がり、未燃焼分の排出が減る。
【００６３】
また、最外側空気ノズルからの噴流を誘導するガイドを調節し、外側空気噴流が固体燃料バーナやその外側の火炉壁に沿うような角度にすると、外側空気は、固体燃料バーナやその外側の火炉壁を冷却でき、スラッキングを抑制できる。
【００６４】
本発明の固体燃料バーナを複数本火炉壁面に設けた燃焼装置としては、石炭焚きボイラ，ピート焚きボイラ，バイオマス(木材)焚きボイラなどがある。
【００６５】
本発明の固体燃料バーナまたは固体燃料バーナの外側の火炉壁面に温度計または放射温度計を設置し、これらの計測器の信号に基づき、固体燃料バーナの追加空気ノズルから噴出する空気量を変えるように燃焼装置を運用すると、燃焼負荷変化に応じて火炎が適正な位置に形成されるように制御できる。
【００６６】
火炎が適正な位置に形成されているかどうかの目安は、例えば次のように決める。燃焼装置が低負荷の場合には、火炉内の火炎の先端が燃料ノズル出口外側の火炉壁面付近から形成され、燃焼装置が高負荷の場合には、燃料ノズル出口から０.５ｍ以上離れた火炉内で火炎が形成されるように燃焼装置を運用する。
【００６７】
燃焼装置を高負荷で運用する場合は、本発明の固体燃料バーナの火炎が集まる火炉内の中央部分またはその近傍の火炎を火炎検出器または目視で監視し、燃焼装置を低負荷で運用する場合は、本発明の固体燃料バーナ出口に形成される個々の火炎を監視して燃焼装置を適正に運用する。
【００６８】
次に、図１〜図１２を参照して、本発明による固体燃料バーナ，固体燃料バーナの燃焼方法，固体燃料バーナを備えた燃焼装置，その燃焼装置の運用方法の実施形態を説明する。
【実施形態１】
【００６９】
図１は、本発明による固体燃料バーナの実施形態１の構造を示す断面図であり、実施形態１の固体燃料バーナを低負荷条件で使用する場合に、固体燃料バーナの火炎２０を保炎器２３の下流側の循環流１９近くから形成させた状態を示す図である。図２は、実施形態１の固体燃料バーナを火炉４１側から見た概略構造を示す図である。
【００７０】
実施形態１の固体燃料バーナは、中心部に助燃用のオイルガン２４を備え、助燃用のオイルガン２４の周囲に燃料噴流すなわち燃料およびその搬送気体１６を噴出する燃料ノズル１１を備えている。
【００７１】
燃料ノズル１１の中心部を貫通して設けられた助燃用のオイルガン２４は、固体燃料バーナの起動時に燃料着火に使用する。
【００７２】
燃料ノズル１１内には、上流側から流路縮小部材(ベンチュリ)３２，障害物(濃縮器)３３を設置してある。ベンチュリ３２は、燃料ノズル１１の流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大する形状を持ち、濃縮器３３は、燃料ノズル１１の流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状を持っている。
【００７３】
燃料ノズル１１の外側には、燃料ノズル１１と同心円状の空気噴出用の外側空気ノズルすなわち二次空気ノズル１３，三次空気ノズル１４などがある。
【００７４】
燃料ノズル１１外側の先端部すなわち火炉出口側には、保炎器２３と呼ばれる障害物が設けられている。保炎器２３は、燃料ノズル１１から燃料噴流すなわち燃料およびその搬送気体１６や二次空気ノズル１３を流れる二次空気の流れ１７に対して、障害物として働く。したがって、保炎器２３の下流側(火炉４１側)の圧力が低下し、この部分には、燃料噴流１６や二次空気の流れ１７とは、逆方向の流れが誘起される。この逆方向の流れを循環流１９と呼ぶ。
【００７５】
循環流１９内には、下流から燃料の燃焼で生じた高温ガスが流れ込み、滞留する。この高温ガスと燃料噴流１６中の燃料とが、固体燃料バーナ出口で混合し、更に火炉４１内からの輻射熱により燃料粒子の温度が上昇して、着火する。
【００７６】
二次空気ノズル１３と三次空気ノズル１４とは、隔壁２９で隔てられ、隔壁２９の先端部分は、燃料噴流１６に対して三次空気の流れ１８が角度を持つように噴出させるガイド２５を形成してある。外周空気ノズル(二次空気ノズル１３，三次空気ノズル１４など)の流路出口に空気の噴出方向をバーナ中心軸から離れる方向に誘導するガイド２５を設けると、保炎器２３とともに、循環流１９を形成するのに役立つ。
【００７７】
実施形態１では、二次空気ノズル１３および三次空気ノズル１４から噴出する空気に旋回力を与えるために、二次空気ノズル１３，三次空気ノズル１４に、旋回器２７，２８を設ける。
【００７８】
火炉壁を構成するバーナスロート３０は、三次空気ノズルの外周壁を兼ねる。火炉壁には、水管３１が設けられている。
【００７９】
図３は、実施形態１の固体燃料バーナの追加空気ノズル１２の構造と燃料ノズル内１１での燃料噴流すなわち燃料およびその搬送気体の流れとを説明する模式図である。
【００８０】
実施形態１の固体燃料バーナには、複数本の追加空気ノズル１２が、ノズル出口が燃料ノズル１１の外側隔壁２２から固体燃料バーナ中心軸に向かう方向に配置されている。
【００８１】
追加空気ノズル１２は、燃料噴流の流れに対し、濃縮器３３の下流側，燃料ノズル１１の外側隔壁２２近くに設けられる。追加空気ノズル１２の出口１２Ａ，１２Ｂは、追加空気ノズル１２の隔壁の側面に位置し、燃料ノズル１１の周方向に追加空気を噴出する。追加空気の噴流２１は、燃料噴流１６とほぼ垂直に交差し、混合する。追加空気ノズル１２の最後部には、運転モード切替時などに、出口１２Ａ，１２Ｂなどから逆流した燃料粒子を排出するための出口１２Ｚを形成してもよい。
【００８２】
図３では、追加空気ノズル２本のみを記載し、その周囲の燃料噴流１６と追加空気２１との関係を示している。図３において、左上から右下方向が燃料ノズルの軸方向，右上から左下方向が燃料ノズルの周方向，上下方向が燃料ノズルの径方向を示す。追加空気ノズル１２は、図示しない隔壁２２の二次空気ノズル１３側が円筒形，燃料ノズル１１側が燃料ノズル１１の上流と下流側にそれぞれ狭まる直方体の形状であり、図示しない隔壁２２は円筒形と直方体との接合部分にある。
【００８３】
図３において、燃料噴流１６は、燃料ノズル１１の軸方向に左上から右下方向に流れる。また、追加空気の噴流２１は、追加空気ノズル１２の円筒形の上部からノズル内に入り、直方体の形状部分の側面の出口１２Ａ，１２Ｂから燃料ノズル１１内に噴出する。
【００８４】
追加空気ノズル１２から噴出する追加空気の噴流２１は、燃料ノズル１１の周方向(図３の右上−左下方向)への速度成分を持つ。このため、軸方向に噴出する燃料噴流１６とほぼ直角に交差するため、燃料粒子と空気との速度差が、平行に噴出する場合よりも大きくなり、混合が進む。特に、燃料粒子は、気体と比べて密度が高いので、慣性力により追加空気噴流中に混合する。
【００８５】
さらに、実施形態１では、追加空気ノズル１２の隔壁は燃料ノズルの流路断面積を滑らかに縮小・拡大する形状である。追加空気ノズル１２の出口１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｚを隔壁の側面や下流側の縮小部に設けると、燃料ノズルを流れる燃料粒子が追加空気ノズル１２内に流れることを抑制できる。このため、追加空気ノズルの出口部分の磨耗を抑制できる。また、追加空気ノズルの隔壁の断面積を滑らかに変えて、燃料噴流１６の乱れの発生を抑え、燃料粒子の分散を抑制できる。図３のように、追加空気ノズル１２の隔壁を燃料ノズルの周方向に拡大，縮小すると、隔壁に衝突する燃料粒子が燃料ノズルの径方向に分散することを防止し、燃料ノズル１１外周部の燃料濃度の低下を抑制できる。
【００８６】
追加空気の流量を増やすと、追加空気の噴流２１と燃料噴流１６とが混合するので、追加空気ノズル１２が設置された燃料ノズル１１の外周部は流動抵抗が大きい。このため、追加空気量を増やすと、燃料ノズル１１の外周部を流れる搬送気体が減る。一方、燃料粒子は、慣性力が気体と比べて大きいから、流動抵抗に関わらず外周部を流れるので、燃料粒子量はほとんど変わらない。
【００８７】
したがって、追加空気量を増やすと、燃料粒子とともに燃料ノズル１１の外周部を流れる搬送気体が減る。搬送気体が、追加空気２１に置き換わるので、搬送気体と追加空気２１とが単純に混合する場合と比べて、酸素濃度の希釈が少なく、酸素濃度が高くなる。
【００８８】
さらに、図３では、追加空気ノズル１２を形成する隔壁の最下流部分にも、１つの出口１２Ｚを設けてある。最下流部に出口１２Ｚを設けると、追加空気ノズル１２内に入り込んだ燃料粒子を容易に排出できる。燃料粒子の堆積を防止すれば、追加空気ノズル１２の閉塞やバーナの焼損を防止できる。
【００８９】
実施形態１によれば、燃料ノズル１１から噴出した燃料噴流１６においては、高い酸素濃度と燃料濃度とにより、燃焼反応が進みやすく、火炎２０が、燃料ノズル出口に安定して形成される。
【００９０】
追加空気ノズル１２の出口から燃料ノズル１１の出口までの距離は、酸素濃度が高い場合に生じやすくなる燃料ノズル１１内での燃料の着火による燃料ノズル１１の焼損や逆火を防ぐように決められる。燃料ノズル１１の焼損や逆火を防ぐには、燃料ノズル１１内での追加空気の噴流２１との混合後の燃料の滞留時間が、燃料の着火遅れ時間よりも短いことが望ましい。
【００９１】
通常は、微粉炭などよりも着火遅れ時間の短いガス燃料の着火遅れ時間(約０.１秒)を目安にする。燃料搬送気体は、流速１２〜２０ｍ／ｓで燃料ノズル１１内を流れるので、追加空気ノズル１２の出口から燃料ノズル１１の出口までの距離は、１ｍ以下となる。
【００９２】
さらに、実施形態１では、燃料ノズル１１内に設けられた流路を縮小する流路縮小部材(ベンチュリ)３２が、燃料ノズル１１の上流側の外側隔壁２２に設けられている。燃料ノズル１１内で流路を一旦縮小した後に拡大するための障害物(濃縮器)３３が、燃料ノズル１１中心部のオイルガン２４の外側部に設けられている。障害物３３は、流路縮小部材３２よりもバーナ下流側(火炉４１側)に設けられている。
【００９３】
ベンチュリ３２は、燃料搬送気体および燃料粒子に燃料ノズル中心方向の速度成分を誘起させる。さらに、濃縮器３３をベンチュリ３２よりも下流側に設けると、燃料搬送気体と燃料粒子は、燃料ノズルの外側隔壁２２方向への速度成分を誘起される。燃料粒子は、燃料搬送気体と比べて、慣性力が大きいので、燃料搬送気体の流れに追随できない。このため、燃料粒子は、流路の変更方向と反対側壁面近くに高濃度の領域を形成する。ベンチュリ３２と濃縮器３３とにより燃料ノズルの外側隔壁２２方向への速度成分を誘起されるので、燃料粒子の多くが燃料ノズル１１の外側隔壁２２に沿って流れる。
【００９４】
追加空気ノズル１２から噴出する空気は、燃料ノズル１１の外周部を流れるので、燃料濃度が高く、かつ、酸素濃度の高い領域が、燃料ノズル１１の外側隔壁２２の内側壁面に片寄って形成される。その結果、燃料ノズル１１から噴出した燃料粒子は、高い燃料濃度と酸素濃度とにより燃焼反応が進みやすく、火炎２０が燃料ノズル出口に安定に形成される。
【００９５】
このとき、燃料ノズル１１の外側隔壁２２の内側壁面を流れる燃料噴流１６は、燃料ノズル１１の出口付近で外側空気ノズルから噴出する空気と混合しやすい。さらに、保炎器２３の後流側にできる循環流の高温ガスと混合すると、燃料粒子の温度が上がり、着火しやすくなる。その結果、火炎２０が、燃料ノズル出口に安定に形成される。
【００９６】
追加空気ノズル１２から燃料ノズル１１の周方向に空気を噴出し、燃料噴流１６に対して空気をほぼ垂直に交差させると、燃料ノズル１１の外側隔壁２２近傍の酸素濃度が高くなる。燃料粒子と空気との混合が進み、火炎２０が、燃料ノズル１１の出口に安定に形成される。したがって、従来よりも低い負荷で安定に燃焼を継続できる。
【００９７】
実施形態１では、燃料の搬送気体に燃焼排ガスを利用し、燃料ノズル１１を流れる燃料噴流１６中の酸素濃度を低くしている。このような燃焼方法を適用する事例としては、褐炭や亜炭に代表される石炭化度の低い石炭，ピート，木材の燃焼がある。
【００９８】
高い熱負荷で褐炭や亜炭を燃焼させる場合、空気と燃料との混合が良い条件においては、燃料に含まれる揮発分が多いので、固体燃料バーナの近くで燃える燃料量が多くなり、熱負荷が局所的に高くなる。このとき、火炎２０からの輻射熱により、バーナ構造物や火炉壁が高温となることがある。
【００９９】
燃焼灰の溶融温度が低い場合、燃焼灰が付着して溶融し、スラッキングが生じる恐れがある。スラッキングにより付着した燃焼灰が成長すると、固体燃料バーナの流路の閉塞や、火炉壁の熱吸収バランスの不安定を招く恐れがある。最悪の場合、燃焼装置を停止させる必要が生じる場合がある。特に、褐炭や亜炭は、燃焼灰の溶融温度が瀝青炭と比べて低いので、スラッキングが生じやすい。
【０１００】
そこで、実施形態１においては、固体燃料バーナの負荷に応じて火炎２０の形成位置を変え、高負荷で生じやすいスラッキングによる不具合を解決する。すなわち、高負荷条件においては、固体燃料バーナから離れた位置に火炎２０を形成させ、低負荷条件においては、燃料ノズル１１の出口近くから火炎２０を形成させる。低負荷条件においては、火炎２０を火炉壁や固体燃料バーナに近づけても、固体燃料バーナから投入される燃料量が定格負荷と比べて、十分に低いので、火炉４１内の熱負荷が低く、固体燃料バーナやその周囲の火炉壁の温度は、高負荷条件の場合よりも低くなる。したがって、スラッキングが生じない。
【０１０１】
一方、低負荷条件においては、火炎２０を燃料ノズル１１の出口近くから形成させ、保炎器２３およびガイド２５の下流側に形成される循環流１９に高温ガスを滞留させる。さらに、追加空気ノズル１２の流量調節弁３４を開けて空気を供給し、保炎器２３近くの燃料噴流１６中の酸素濃度を高める。その結果、酸素濃度が低い場合と比べて、燃焼速度が高くなるので、燃料粒子の着火が早まり、燃料ノズル１１近くから火炎２０を形成できる。
【０１０２】
高負荷条件においては、固体燃料バーナ４２から離れた位置に火炎２０を形成させ、固体燃料バーナ近くの熱負荷を低減させる。実施形態１では、追加空気ノズル１２の流量調節弁３４を閉め低負荷条件の場合と比べて、空気供給量を低減させる。このとき、保炎器２３近くでの燃料噴流１６中の酸素濃度は、低負荷条件のときよりも低くなり、燃焼速度も遅くなる。その結果、保炎器２３の下流側にできる循環流１９の温度が低くなり、固体燃料バーナ構造物が受ける輻射熱量を低減し、スラッキングを抑制できる。
【０１０３】
図４は、実施形態１の固体燃料バーナを高負荷条件で使用する場合に、固体燃料バーナの火炎２０を保炎器２３の下流側の循環流１９から離して形成させた状態を示す断面図である。
【０１０４】
図５は、実施形態１の固体燃料バーナ４２を用いた火炉の構造を示す水平断面図である。固体燃料バーナ４２を高負荷条件で使用する場合、失火の危険を低減するため、火炎２０同士を火炉４１内で混合し、安定燃焼させることが望ましい。
【０１０５】
図５では、固体燃料バーナ４２が、火炉壁の四隅に設置される構造を示している。固体燃料バーナ４２が、燃焼装置の対向する面に設置される対向燃焼方式の場合も同じように、火炎が固体燃料バーナ４２から離れた位置で形成する場合は、失火の危険を低減するため、火炎２０同士を火炉４１内で混合し、安定燃焼させることが望ましい。
【０１０６】
実施形態１では、固体燃料の燃焼灰の融点が低く、スラッキングを生じやすい場合の対策を述べた。固体燃料の燃焼灰の融点が高い場合、または、火炉の熱負荷が低くスラッキングが問題にならない場合は、図１に示すように、燃料ノズル１１出口から固体燃料バーナ４２の火炎を形成してもよい。
【０１０７】
火炉の固体燃料バーナ４２の下流側に空気供給口を有する場合、燃焼により発生する窒素酸化物ＮＯｘを低減するには、固体燃料バーナ４２から供給される空気量の合計とを完全燃焼させるのに必要な空気量との比、すなわち、バーナ空気比を１以下となるように、空気量を調整することが望ましい。
【０１０８】
燃料の大部分は、燃料ノズル１１内に含まれる上記ノズルから供給される空気と混合して燃焼し(第一段階)、その後、二次空気の流れ１７や三次空気の流れ１８が混合して燃焼する(第二段階)。さらに、固体燃料バーナ４２よりも下流側の火炉４１内に空気を供給するアフタエアポート４９(図９参照)が設置されている場合、燃料は、このアフタエアポート４９から供給される空気と混合し、完全燃焼する(第三段階)。燃料中の揮発分は、固定炭素と比べて、燃焼速度が速いので、上記第一段階で燃焼する。
【０１０９】
バーナ空気比を１以下にすると、酸素不足であるが、燃料の燃焼は、促進され、高い火炎温度で燃焼できる。第一段階での燃焼により、燃料は、酸素が不足する還元燃焼となり、燃料中の窒素や空気中の窒素から生じる窒素酸化物ＮＯｘを無害な窒素に転換し、火炉４１から排出されるＮＯｘ量を低減できる。燃料は、高温で反応するから、第二段階の反応が促進され、未燃焼分を低減できる。
【０１１０】
実施形態１の固体燃料バーナ４２は、火炉４１内から見た図２に示すように、円柱状の燃料ノズル１１，二次空気ノズル１３，三次空気ノズル１４が、同心円状に配置された円形状である。
【実施形態２】
【０１１１】
図６は、本発明による固体燃料バーナの実施形態２を火炉４１側から見た概略構造を示す図である。
【０１１２】
図６では、図２の場合に比べて、濃縮器３３が無く、二次空気ノズル１３，三次空気ノズル１４などの外側空気ノズルの少なくとも一部が、燃料ノズル１１を挟むように設置されている。この他、燃料ノズル１１を角型にした構造、濃縮器３３を角型にした構造、または、二次空気ノズル１３，三次空気ノズル１４などの外側空気ノズルを１つのノズルとする構造、外側空気ノズルを３つ以上に分割する構造を採用してもよい。
【実施形態３】
【０１１３】
図７は、本発明による固体燃料バーナの実施形態３の構造と、この固体燃料バーナを低負荷条件で使用する場合に、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側の循環流近くから形成させた状態とを示す断面図である。
【０１１４】
実施形態３では、固体燃料バーナ４２の燃料ノズル１１内に内側空気ノズル３８を設け、風箱２６と配管で接続してある。固体燃料バーナに供給される空気の一部を内側空気ノズル３８から噴出する。
【０１１５】
空気を燃料ノズル１１内から混合すると、外側空気ノズル１３，１４のみから混合する場合に比べて、燃料と空気との混合が早まる。また、内側空気ノズル３８から多量の空気を噴出すると、側を流れる燃料噴流１６の流速が早まり、燃料の着火位置を固体燃料バーナ４２から離すことができる。
【０１１６】
したがって、高負荷条件において固体燃料バーナ４２から離れた位置に火炎を形成する場合、追加空気ノズル１２から噴出する空気流量を減らし、内側空気ノズル３８から噴出する空気流量を増やせばよい。
【０１１７】
図７では、燃料ノズル１１の濃縮器３３の下流側に流路を分割する分配器３５を有する。分配器３５により流路を隔てると、燃料粒子や搬送気体，追加空気の混合が抑制されるので、追加空気ノズルへの燃料粒子の衝突による燃料の分散や追加空気の中心軸近傍への拡散を抑制できる。
【実施形態４】
【０１１８】
図８は、歯付き(toothed)保炎器を採用した本発明による固体燃料バーナの実施形態４を火炉側から見た概略構造を示す図である。
【０１１９】
実施形態４では、燃料ノズル１１の出口に板形状のエッジを突出した歯付き(toothed)保炎器５４を設けたので、燃料は、歯付き(toothed)保炎器５４を回りこんで着火しやすくなる。すなわち、歯付き(toothed)保炎器５４の下流側で着火する。
【実施形態５】
【０１２０】
図９は、保炎器および濃縮器を持たない本発明による固体燃料バーナの実施形態５の構造と、低負荷条件にある固体燃料バーナから噴出される燃料が燃焼装置で燃焼している状態とを示す断面図である。
【０１２１】
実施形態５の固体燃料バーナは、燃料ノズル１１内に濃縮器を持たない。また、燃料ノズル１１と外側空気ノズル１３とを隔てる隔壁２２の先端に保炎器２３を持たない。
【０１２２】
図１に示す固体燃料バーナでは、燃料ノズル１１内に濃縮器３３を設けた。これに対して、実施形態５のように、濃縮器３３を持たない場合でも、燃料ノズル１１の周方向に追加空気の噴流２１を噴出させると、燃料ノズル１１内を流れる燃料噴流にほぼ垂直に交差するので、燃料粒子と空気との速度差が、平行に噴出する場合よりも大きくなる。したがって、実施形態１と同様に、燃料粒子と空気との混合が進む。
【０１２３】
また、保炎器２３を持たない場合も、保炎器がある場合に比べて、効果は小さくなるが、隔壁２２の下流側には循環流１９が形成される。この循環流１９に滞留する高温ガスと燃料粒子とが混合すると、燃料粒子の温度が上がり、着火しやすくなる。その結果、火炎２０が、燃料ノズル出口に安定に形成される。
【実施形態６】
【０１２４】
図１０は、本発明による固体燃料バーナの実施形態６の構造と、低負荷条件にある固体燃料バーナから噴出される燃料が燃焼装置で燃焼している状態とを示す断面図である。
【０１２５】
実施形態６と実施形態１との主な違いは、燃料ノズル１１が角型であり、燃料ノズル１１の隣に空気ノズル１３を備えたことである。
【０１２６】
燃料ノズル１１内は、上流側から障害物(濃縮器)３３と分配器３５とが配置され、障害物３３は、燃料ノズル１１の空気ノズル１３とは、反対側の隔壁に位置する。追加空気ノズル１２は、燃料ノズル１１内の濃縮器３３とは反対側に設けられる。追加空気ノズル１２の出口１２Ａ，１２Ｂは、追加空気ノズルを構成する隔壁の側面に設けられる。
【０１２７】
燃料ノズル１１と空気ノズル１３とを隔てる隔壁２２の先端部すなわち火炉出口側には、保炎器２３と呼ばれる障害物が設けられている。
【０１２８】
空気ノズル１３から噴出する空気と燃料粒子とが混合する隔壁２２の下流では、火炎２０が形成されやすい。この隔壁２２の下流に保炎器２３を設けると、火炉４１内から高温の燃焼ガスが、循環流１９に滞留する。この高温ガスと燃料噴流１６中の燃料とが、固体燃料バーナ４２の出口で混合し、更に火炉４１内からの輻射熱により燃料粒子の温度が上昇して、着火する。
【０１２９】
保炎器２３の空気ノズル１３側には、空気の流れ１７が、燃料噴流１６に対して角度を持つように噴出させるガイド２５を形成してある。ガイド２５は、空気の噴出方向をバーナ中心軸から離れる方向に誘導するので、保炎器２３の下流側の圧力が低下し、循環流１９を形成するのに役立つ。なお、実施形態１に記載したように、保炎器２３やガイド２５を設けない場合も、効果は小さくなるものの、隔壁２２の下流側から火炎を形成できるので、保炎器２３やガイド２５は、必須要件ではない。
【０１３０】
実施形態６では、燃料ノズル１１内に燃料噴流に対してほぼ垂直に空気を噴出する追加空気ノズル１２を備えている。追加空気ノズル１２から噴出する追加空気の噴流２１を燃料噴流に対しほぼ直角に噴出させると、燃料粒子と空気との速度差が、平行に噴出する場合よりも大きくなり、混合が進む。特に、燃料粒子は、気体に比べ、密度が大きいため、慣性力により追加空気噴流中に混合する。
【０１３１】
さらに、実施形態６では、追加空気ノズル１２の出口が、バーナ軸に対して分配器３５と重なる位置にある。追加空気の噴流２１は、分配器３５により濃縮器３３側隔壁への噴出を妨げられ、分配器３５の空気ノズル側流路３７を流れる。
【０１３２】
分配器３５の空気ノズル側流路３７は、追加空気の噴流２１が混合するので、反対側流路３６と比べて、流動抵抗が大きい。追加空気量を増やすと、空気ノズル側流路３７を流れる搬送気体が減る。一方、燃料粒子は、慣性力が気体と比べて、大きいことから流動抵抗に関わらず外側流路３７に流入するので、燃料粒子量は、ほとんど変わらない。
【０１３３】
したがって、追加空気量を増やすと、燃料粒子とともに空気ノズル側流路３７に入る搬送気体が減る。搬送気体が追加空気に置き換わるので、搬送気体と追加空気とが単純に混合する場合と比べて、酸素濃度の希釈が少なく、酸素濃度が高くなる。また、分配器３５は、追加空気と搬送気体との混合時に発生する乱れにより燃料粒子が分散することを抑制する。その結果、分配器３５の空気ノズル側流路３７では、酸素濃度が高くなる。
【０１３４】
また、燃料搬送気体と燃料粒子とは、障害物(濃縮器)３３により、燃料ノズルの外側隔壁２２方向への速度成分を誘起される。燃料粒子は、燃料搬送気体と比べて、慣性力が大きいので、分配器３５の空気ノズル側流路３７に沿って流れ、この領域の燃料濃度を高める。
【０１３５】
なお、実施形態６では、分配器３５と濃縮器３３とを設けたが、追加空気ノズル１２を単独で設置した場合でも、酸素濃度上昇の効果はそれなりにあるので、分配器３５や濃縮器３３は、本発明の必須要件ではない。
【実施形態７】
【０１３６】
図１１は、本発明による固体燃料バーナを採用した燃焼装置の概略構造を示す図である。
【０１３７】
実施形態７では、燃焼装置(火炉)４１の上下方向に二段，水平方向に火炉４１の四隅から中央に向かって固体燃料バーナ４２を設置してある。燃料は、燃料ホッパ４３から給炭機４４を通して粉砕機４５に供給される。燃料は、粉砕機４５で粉砕された後、燃料配管を通じてバーナ４２に供給される。このとき、火炉４１の上部から抜き出した燃焼排ガスの一部を給炭機４４の下流側の燃焼排ガス配管５５内で燃料と混合し、粉砕機４５に導入している。
【０１３８】
燃料を高温の燃焼ガスと混合すると、燃料中に含まれる水分が蒸発する。また、酸素濃度が低下するので、粉砕機４５で粉砕する際に燃料が高温となっても、自然着火や爆発を抑制できる。褐炭の場合、搬送気体の酸素濃度は、６〜１５％程度のことが多い。固体燃料バーナ４２とその下流側に設けたアフタエアポート４９には、ブロア４６から空気を供給する。
【０１３９】
実施形態７では、固体燃料バーナ４２から燃料の完全燃焼に必要な空気量よりも少ない空気を投入し、アフタエアポート４９から残りの空気を供給する二段燃焼方式を用いる。
【０１４０】
なお、本発明は、アフタエアポート４９を設けずに、固体燃料バーナ４２から必要な空気をすべて投入する単段燃焼方式にも適用できる。
【実施形態８】
【０１４１】
図１２は、本発明による固体燃料バーナを採用した他の燃焼装置の概略構造を示す図である。
【０１４２】
図１１の実施形態７は、粉砕機４５と固体燃料バーナ４２との間に、一時的な燃料貯蔵部を持たない構成を採用している。これに対して、実施形態８は、粉砕機４５と固体燃料バーナ４２との間に、燃料ホッパ５７を持っている。
【０１４３】
実施形態８は、粉砕機４５から燃料ホッパ５７までの配管５５を流れる搬送気体と、燃料ホッパ５７から固体燃料バーナ４２までの燃料配管５６を流れる搬送気体とを違う気体とする燃料供給方式にも適用できる。
【０１４４】
図１２に示す燃料供給方式では、配管５５内で燃料粒子の水分蒸発により熱容量が大きくなった搬送気体を燃料ホッパ５７で分離し、火炉４１の固体燃料バーナ４２よりも下流側で火炉４１内に投入している。
【０１４５】
このように搬送気体を分離すると、固体燃料バーナ４２に供給される搬送気体に含まれる水分が減るので、固体燃料バーナ４２で形成される火炎２０の火炎温度が上がり、窒素酸化物や未燃焼分の量が低下する。
【０１４６】
図１１または図１２に示す燃焼装置において、高い燃焼負荷で固体燃料を燃焼させる場合に、燃焼灰が固体燃料バーナ構造物や火炉壁に付着し、付着物が成長するスラッキングと呼ばれる現象が現れることがある。スラッキングの可能性が高い場合、燃焼負荷に応じて固体燃料バーナ４２の燃焼方式を変更すると、スラッキングを抑制できる。
【０１４７】
すなわち、高負荷条件においては、固体燃料バーナ４２から離れた位置に火炎２０を形成させると、固体燃料バーナ４２近くの熱負荷を低減できる。また、低負荷条件においては、燃料ノズル１１出口から火炎２０を形成する。このような燃焼方式において、燃焼装置を安全に運用するには、火炎の監視が必要となる。
【０１４８】
本発明では、燃焼方式が負荷に応じて変わるので、監視方式も変更する方が望ましい。すなわち、低負荷条件において、固体燃料バーナ４２毎に形成される火炎を監視するには、火炎検知器４７を個々の固体燃料バーナ４２に設置する必要がある。一方、高負荷条件において、固体燃料バーナ４２から離した位置に火炎を形成するには、火炉中心部を監視する火炎検知器４８を設置する必要がある。それぞれの負荷と燃焼方法とに応じて、火炎検知器４７，４８の信号を選択し、火炎を監視する。
【０１４９】
さらに、高負荷条件における固体燃料バーナ構造物および火炉４１壁へのスラッキングを低減するために、図示していない温度計や輻射量測定器を火炉４１壁面や固体燃料バーナ４２に設置し、その信号に基づいて追加空気流量を調整することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】本発明による固体燃料バーナの実施形態１の構造と、この固体燃料バーナを低負荷条件で使用する場合に、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側の循環流近くから形成させた状態とを示す断面図である。
【図２】実施形態１の固体燃料バーナを火炉側から見た概略構造を示す図である。
【図３】実施形態１の固体燃料バーナの追加空気ノズルの構造と燃料ノズル内での燃料噴流すなわち燃料およびその搬送気体の流れとを説明する模式図である。
【図４】実施形態１の固体燃料バーナを高負荷条件で使用する場合に、固体燃料バーナの火炎を燃料ノズルの隔壁先端から離して形成させた状態を示す断面図である。
【図５】実施形態１の固体燃料バーナを用いた火炉の構造を示す水平断面図である。
【図６】本発明による固体燃料バーナの実施形態２を火炉側から見た概略構造を示す図である。
【図７】本発明による固体燃料バーナの実施形態３の構造と、この固体燃料バーナを低負荷条件で使用する場合に、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側の循環流近くから形成させた状態とを示す断面図である。
【図８】歯付き(toothed)保炎器を採用した本発明による固体燃料バーナの実施形態４を火炉側から見た概略構造を示す図である。
【図９】保炎器および濃縮器を持たない本発明による固体燃料バーナの実施形態５の構造と、低負荷条件にある固体燃料バーナから噴出される燃料が燃焼装置で燃焼している状態とを示す断面図である。
【図１０】本発明による固体燃料バーナの実施形態６の構造と、低負荷条件にある固体燃料バーナから噴出される燃料が燃焼装置で燃焼している状態とを示す断面図である。
【図１１】本発明による固体燃料バーナを採用した燃焼装置の概略構造を示す図である。
【図１２】本発明による固体燃料バーナを採用した他の燃焼装置の概略構造を示す図である。
【符号の説明】
【０１５１】
１１  燃料ノズル
１２  追加空気ノズル
１３  外側空気ノズル(二次空気ノズル)
１４  外側空気ノズル(三次空気ノズル)
１６  燃料とその搬送気体の流れ(燃料噴流)
１７  二次空気の流れ
１８  三次空気の流れ
１９  循環流
２０  火炎の輪郭
２１  追加空気の噴流
２２  燃料ノズルの外側隔壁
２３  障害物(保炎器)
２４  オイルガン
２５  ガイド
２６  風箱
２７  旋回器
２８  旋回器
２９  隔壁
３０  バーナスロート
３１  水管
３２  流路縮小部材(ベンチュリ)
３３  障害物(濃縮器)
３４  流量調節弁
３５  分配器
３６  反対側流路
３７  空気ノズル側流路
３８  内側空気ノズル
４１  火炉
４２  固体燃料バーナ
４３  燃料ホッパ
４４  給炭機
４５  粉砕機
４６  ブロア
４７  低負荷火炎検知器
４８  高負荷火炎検知器
４９  アフタエアポート
５４  歯付き(toothed)保炎器
５５  燃焼排ガス配管
５６  燃料配管
５７  燃料ホッパ
５８  燃料排ガス排出口
５９  燃焼排ガス吸引口
【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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【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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