(57)【要約】【課題】  微粉炭を燃焼させる燃焼装置において、微粉炭の着火・燃焼性を安定に保ちながら、窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量を大幅に減少することの可能な微粉炭燃焼装置を提供する。【解決手段】  石炭を粉砕して微粉炭にするとともに、燃焼排気ガスの一部を搬送ガスとして前記微粉炭を送出する微粉炭供給手段と、前記微粉炭を前記燃焼炉に噴出させて供給するノズル手段と、高温に加熱した燃焼用空気を燃焼炉に供給して微粉炭を燃焼させる燃焼用空気供給手段とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粉炭を燃焼炉に供給して燃焼させる微粉炭燃焼装置において、
石炭を粉砕して微粉炭にするとともに、燃焼排気ガスの一部を搬送ガスとして前記微粉炭を送出する微粉炭供給手段と、
前記微粉炭を前記燃焼炉に噴出させて供給するノズル手段と、
高温に加熱した燃焼用空気を燃焼炉に供給して微粉炭を燃焼させる燃焼用空気供給手段と
を備えることを特徴とする微粉炭燃焼装置。
【請求項２】
前記燃焼用空気供給手段は、
前記燃焼炉から排出される燃焼排気ガスにより前記燃焼用空気を高温に加熱するとともに燃焼排気ガスを冷却する熱交換手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の微粉炭燃焼装置。
【請求項３】
燃焼排気ガス中に含まれる粉塵を除去する粉塵除去手段を備え、粉塵を除去した燃焼排気ガスを前記微粉炭供給手段に供給することを特徴とする、請求項１又は２のいずれかに記載の微粉炭燃焼装置。
【請求項４】
前記微粉炭供給手段は、前記搬送ガス量を調節する調節手段を備え、燃焼炉に供給する微粉炭を調量することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の微粉炭燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粉炭焚ボイラ等に好適に使用される微粉炭燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、石炭を粉砕して製造する微粉炭を燃料として燃焼させる微粉炭燃焼装置が例えば、ボイラ等において使用されている。
これらの微粉炭燃焼装置においては、空気中の窒素の酸化に伴なう窒素酸化物（いわゆる「サーマルＮＯ」）及び微粉炭に含まれる窒素化合物等に起因するＮＯｘ（いわゆる「フューエルＮＯ」）の発生量が多いことが問題とされてきた。かかるＮＯｘ量を低減させるために、燃焼用バーナ周辺の燃焼域を還元性雰囲気とすることが考えられる。従来、このような目的を達成しつつかつ酸素濃度の低い還元雰囲気での着火性や火炎安定性の低下を防止するため、燃焼用空気を旋回流とし、バーナ近傍に内部循環流を形成させるようにしてきている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
一方、従来、気体燃料を対象として開発されてきた高温空気燃焼技術が微粉炭燃焼装置にも適用されてきている。高温空気燃焼技術は、熱交換器により燃焼排気ガス（以下「排ガス」という）から熱を回収し、その回収熱により燃焼用空気を例えば８００℃以上に加熱した上で、燃料と混合して燃焼させる技術である。本技術により高温高速燃焼による高燃費とサーマルＮＯの低減が期待できる。また、上記高温空気燃焼技術の熱交換器として好適に使用できる、蓄熱式熱交換器の開発等も行われてきている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平８−１１００１４号公報
【特許文献２】特開平８−１５２１０５号公報
【特許文献３】特開２００１−２１５０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のように高温空気燃焼技術により、空気中の窒素の酸化によるサーマルＮＯの大幅な減少が達成されているが、燃料起因のフューエルＮＯのさらなる減少が期待されるところである。このためには、燃焼バーナ近傍の酸素濃度を下げ、低酸素・還元雰囲気を達成することが重要であるが、従来技術においては、そのような条件下では微粉炭の着火・燃焼性が低下し安定した燃焼を行わせることは殆ど不可能であった。
【０００５】
上述の事情に鑑み、本発明においては、微粉炭を燃焼させる燃焼装置において、微粉炭の着火・燃焼性を安定に保ちながら、ＮＯｘの放出量を更に減少することの可能な微粉炭燃焼装置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】
上記目的の達成のため、請求項１の発明においては、微粉炭を燃焼炉に供給して燃焼させる微粉炭燃焼装置において、石炭を粉砕して微粉炭にするとともに、燃焼排気ガスの一部を搬送ガスとして前記微粉炭を送出する微粉炭供給手段と、前記微粉炭を前記燃焼炉に噴出させて供給するノズル手段と、高温に加熱した燃焼用空気を燃焼炉に供給して微粉炭を燃焼させる燃焼用空気供給手段とを備えることを特徴とする微粉炭燃焼装置が提供される。
【０００７】
排ガス中のＮＯｘを更に低減するためには、微粉炭を燃焼する燃焼雰囲気を還元性雰囲気に保つことが有効である。このため、ガス中の酸素濃度が低下した排ガスを微粉炭に混合させ、微粉炭の搬送手段としてかかる排ガスを使用することにより、微粉炭が燃焼する際にノズル手段出口近傍の雰囲気中の酸素濃度を大幅に低減させ、還元性雰囲気としてＮＯｘを低減させる。このような方法は、搬送ガス中の酸素濃度が低いため、通常微粉炭等の着火性が悪くなり、又燃焼を安定して継続させることができないが、本燃焼装置においては高温に加熱した燃焼用空気を採用しているため、還元性雰囲気での燃焼後の火炎を安定させ燃焼を完結させることができる。
【０００８】
燃焼用空気の加熱は高温であるほど望ましく、例えば８００℃以上に加熱することが好適である。
また、排ガスの一部が再び燃焼空気の一部としても使用されることにより、排ガス中に含まれるＮＯｘが還元され、その分ＮＯｘ量を低減させる効果もある。さらに、微粉炭を搬送する排ガス中の酸素濃度が低いため、微粉炭供給手段内における微粉炭火災の可能性を小とすることも可能である。
【０００９】
請求項２の発明は、前記燃焼用空気供給手段は、燃焼炉から排出される燃焼排気ガスにより前記燃焼用空気を高温に加熱するとともに燃焼排気ガスを冷却する熱交換手段を備えることを特徴とする。
熱交換手段により排ガスからの熱を回収して燃焼用空気を高温に加熱するので、燃焼炉の熱効率を向上させる。また、熱交換手段により高温の排ガスを冷却するので、後段の微粉炭供給手段使用する材料の高温耐熱性を考慮しないで済み、高温の燃焼排気ガスと微粉炭とが混合することによる火災を未然に防止することができる。
【００１０】
請求項３の発明は、燃焼排気ガス中に含まれる粉塵を除去する粉塵除去手段を備え、粉塵を除去した燃焼排気ガスを前記微粉炭供給手段に供給することを特徴とする。
排ガス中には多量の粉塵などが含まれており、粉塵除去手段により粉塵を除去して微粉炭供給手段のバルブ装置や排風器の目詰まりや閉塞を防止して装置の安定な作動や運転を確保するするものである。
【００１１】
請求項４の発明は、前記微粉炭供給手段は、前記搬送ガス量を調節する調節手段を備え、燃焼炉に供給する微粉炭を調量することを特徴とする。
搬送ガス量を調節することにより燃焼炉に供給する微粉炭量や還元燃焼域での空気比を調量し、燃焼炉の運転を制御すると共に還元燃焼域で還元されるＮＯｘ量、すなわち燃焼炉から排出されるＮＯｘ量を制御する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の微粉炭燃焼装置に依れば、微粉炭を還元雰囲気で燃焼させるので、燃料起因のＮＯｘの生成が抑制され、その後に高温に加熱された燃焼用空気を供給して燃焼を完結させるので、火炎の安定性が確保され、燃焼炉全体から排出されるＮＯｘ量を顕著に減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る微粉炭燃焼装置１の実施形態の例を図１に示す。
図１に示す燃焼装置１は、例えばボイラ用の燃焼炉２に適用され、該燃焼炉２に微粉炭を供給する微粉炭供給装置３、燃焼炉２から排出される高温の排気ガスから熱を回収し、燃焼用空気を高温に加熱して燃焼炉２に供給する蓄熱式熱交換器（熱交換手段）１０等を備えている。
【００１４】
微粉炭供給装置３は、微粉炭の原料である石炭を粉砕し、これを燃焼炉２へ送出するためのもので、従来公知のものであから、その詳細な説明は省略する。微粉炭供給装置３の入り口側には、該装置３に石炭を供給する供給ライン６と、燃焼炉２において発生し、冷却、除塵された排ガスの一部を微粉炭供給装置３へ供給する配管５の一端が接続しており、配管５の他端は、分岐調節弁４が接続している。この分岐調節弁４は、後述する蓄熱式熱交換器１０からの排ガス路である配管１５ｂ、１７の途中に配設されており、排ガスの一部を抽出して且つその量を調節して微粉炭供給装置３へ供給する。微粉炭供給装置３に供給された排ガスは、搬送ガスとして微粉炭を装置３から送出し、後述する燃焼ノズル９へと微粉炭を搬送する。
【００１５】
燃焼炉２からの排ガスは、前述した配管１７を通して図示しない排ガス処理装置にて処理の後、大気中へ放出される。
一方、微粉炭供給装置３の送出側には、配管８ａ、８ｂが接続されており、下流側の配管８ｂには、燃焼炉２の炉壁に取り付けられ、先端が炉内に臨む燃焼ノズル（ノズル手段）９が接続されている。配管８ａ、８ｂ間には、ブロア（排風器）７が配設されており、このブロア７は、微粉炭供給装置３から送出され、排ガスにより搬送される微粉炭を昇圧して燃焼ノズル９に供給する。
【００１６】
なお、微粉炭供給手段は、微粉炭供給装置３、分岐調節弁４、配管５、ブロア７、配管８ａ、８ｂ等から構成される。
燃焼ノズル９は、その先端部に形成させた噴出口の形状、位置、方向により、微粉炭燃料を旋回流を形成しつつコーン状に炉内に噴出させる。燃焼ノズル９には、ノズル９と同軸に燃焼空気供給器（スワラー）１３が取り付けられており、その出口には、後述する高温の燃焼用空気を旋回させて噴出させるための多数のベーン１３ｂが設けられている。燃焼空気供給器１３には、配管１３ａを介して後述する熱交換器１０の、燃焼用空気送出側に接続されている。
【００１７】
蓄熱式熱交換器１０は、特に限定しないが、例えば特許文献３に記載される従来公知の回転式のものが好適である。この種の回転式熱交換器は、切替式熱交換器と比較して、連続して排ガスから熱を回収し、連続して燃焼用空気を加熱することができる利点がある。
蓄熱式熱交換器１０の排気ガス導入口には、燃焼炉２に連通する配管１４ａ、１４ｂが接続し、配管１４ａ、１４ｂ途中にはサイクロン１２が配設されている。サイクロン１２は、排ガス中に含まれる粉塵等をある程度除去し、後段側装置における閉塞などを防止する。サイクロン１２を通過した排ガスは配管１４ｂを通じて蓄熱式熱交換器１０に供給される。蓄熱式熱交換器１０の排気ガス排出口には、配管１５ａ、及び前述した配管１５ｂがこの順で接続されており、配管１５ａ、１５ｂ間にはバグフィルタ（粉塵除去手段）１１が配設されている。
【００１８】
一方、蓄熱式熱交換器１０の空気導入口には、図示しない給気システム（給気ブロワ等）へ接続し燃焼用空気が供給される配管１６が、空気送出口には、加熱された燃焼用空気を燃焼炉２へ供給する配管１３ａがそれぞれ接続されている。
熱交換器１０は、燃焼炉２からの高温の排ガスから熱を回収して燃焼用空気を高温（例えば８００℃〜１０００℃）に加熱して前述の燃焼空気供給器１３に供給する。排ガスは熱交換器で冷却されてバグフィルタ等の後段の設備に供給される。このため、後段側の設備が高温に耐えられるように設計する必要はない。
【００１９】
バグフィルタ１１は、蓄熱式熱交換器１０を通過した排ガス中に、なお含まれている、特に微細な粒径の粉塵を除去し分岐調節弁４等における閉塞をほぼ完全に防止する。バグフィルタ１１を通過した排ガスは前述の配管１５ｂを通じて前述の分岐調節弁４に供給される。
次に本燃焼装置１の使用方法を記す。
【００２０】
微粉炭供給装置（石炭粉砕ミル）３は、前述したとおり、石炭供給ライン６から供給された石炭を、粉砕して微粉炭を製造するとともにに製造した微粉炭を配管５を通して供給される搬送ガス（排ガス）により配管８ａへ送出し、ブロア７により配管８ｂを通して燃焼ノズル９へ供給する。
このとき、搬送ガス中の酸素濃度を３〜１０％程度に調節することにより、燃焼ノズル９近傍領域を火炎の吹き飛びが生じない燃焼可能な還元雰囲気にすることができ、従って、大気中に放出されるＮＯｘ量を所望の値に設定することができる。
【００２１】
搬送ガス中の酸素濃度を決定し、搬送ガス中の酸素濃度を減らした分（空気中の酸素濃度を減らした分）燃焼用空気（二次空気）量を若干増やして炉内オーバーオールとしての燃焼用酸素量が変わらないようにする。本発明においては、燃焼用空気（二次空気）が高温（８００℃以上）に加熱されているために、酸素濃度が低くても火炎の吹き飛びが生じることもなく、還元雰囲気で安定して微粉炭を燃焼させることができる。
【００２２】
一方、高温の二次空気は、燃焼空気供給器１３のベーン１３ｂにより旋回流を形成して炉内に供給されるが、燃焼ノズル９から噴出し、火炎を形成するする微粉炭火炎コーンより外側に噴出させ、燃焼ノズル９近傍に形成される還元燃焼領域に悪影響を及ぼさないように、すなわち、二次空気と燃焼ノズル９から噴出する排気ガスとがノズル近傍で直ちに混合して、還元燃焼領域の形成を阻害し、酸化雰囲気で微粉炭を燃焼させないように配慮する必要がある。燃焼空気供給器１３からの二次空気は、微粉炭火炎コーンの後流域に大きな循環領域を形成し、その領域で微粉炭火炎コーンからの燃焼を完結し、火炎を安定させる。二次空気が８００℃以上に加熱されているので、局所的にみて広い空気比範囲でも燃焼を維持させることができ、高い燃焼効率とサーマルＮＯの発生を抑制することができる。
【００２３】
このような燃焼方法により、低酸素濃度・還元性雰囲気の中で燃焼した火炎を高温の燃焼用空気中において安定的させ燃焼を完結させることにより、安定的な燃焼を行うとともに排ガス中のＮＯｘ量を低減させることができる。
なお、本実施形態においては、配管１４ａ、１４ｂ間にサイクロン１２を、配管１５ａ、１５ｂ間にバグフィルタ１１をそれぞれ配設したが、このサイクロン１２及び／またはバグフィルタ１１は、フライアッシュ等の粉塵発生の少ない燃料を使用する場合には省略可能である。
【００２４】
また、本実施形態においては、燃焼用空気を供給する配管１３ａを燃焼ノズル９と同軸としてノズル廻りに設置したが、図２に示すように燃焼ノズル９から噴出する微粉炭が還元雰囲気で安定な火炎を形成することのできる範囲内で、燃焼ノズル９から離して燃焼空気供給器１３Ａを設置するようにしてもよい。図２に示す実施形態の詳細な構成及び作用効果は、図１に示す燃焼装置の説明から容易に推測することができるので、図１の対応する構成要素と同じ符号を付し、説明を省略する。
【００２５】
また、本実施形態においては、説明簡略のため、燃焼炉２に設置する燃焼ノズル９と燃焼空気供給器１３の組を一基のみとして説明したが、複数の組を、例えば、同じ側の炉壁に配置してもよいし、対向する炉壁に設置してもよいことは勿論のことである。
【実施例１】
【００２６】
本発明の有効性を確認するため、小型の燃焼炉及び燃焼装置により、微粉炭搬送に通常の空気（酸素濃度２１％）と排ガス（酸素濃度１０％）を使用して微粉炭を燃焼させた場合の排ガス中のＮＯｘ濃度の比較を行った。
試験条件
炉形式：水冷ジャケット横置角形炉
炉内寸法：１６００Ｗ×８００Ｈ×８０００Ｌ
燃焼量：微粉炭１５０ｋｇ／ｈ相当
２次空気（燃焼用空気）温度：８００℃
【００２７】
試験結果を図３に示す。図３より搬送ガスとして排ガスを使用することにより、低酸素濃度・還元性雰囲気が達成され、排ガス中のＮＯｘ濃度が大幅に減少することが明らかである。なお、試験結果によれば搬送ガスとして排ガスを使用した場合にも高温二次空気により火炎を安定した燃焼ができることを確認することができ、図３より明らかなように、排気ガス中の酸素濃度を変化させると更にＮＯｘ排出濃度を低減させることができることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態にかかる微粉炭燃焼装置１の概略を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の別の実施形態にかかる微粉炭燃焼装置１の概略を示すシステム構成図である。
【図３】本発明の実施例１の試験結果を示すグラフであって、搬送ガスとして排ガスを使用した場合と通常の空気を使用した場合の排ガス中のＮＯｘ濃度の相違を示す。
【符号の説明】
【００２９】
１  微粉炭燃焼装置
２  燃焼炉
３  粉砕・混合装置
４  分岐調節弁（調節手段）
７  ブロア（排風器）
９  燃焼ノズル（ノズル手段）
１０  蓄熱式熱交換器（熱交換手段）
１１  バグフィルタ（粉塵除去手段）
１３、１３Ａ  燃焼空気供給器（スワラー）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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