(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粉炭焚きボイラを構成する火炉を備え、この火炉を形成する火炉壁面の上流側に燃料の微粉炭と空気とを火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナを配置し、バーナの設置位
置よりも上部となる火炉壁面の下流側に空気を供給する複数のアフタエアポートを配置し、このアフタエアポートには供給空気量の多い主アフタエアポートと供給空気量の少ない副アフタエアポートとをそれぞれ備えた微粉炭焚きボイラにおいて、
前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートの下流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直上となる火炉壁面の位置に配置され、前記副アフタエアポートから噴出する空気に旋回流成分を与えて当該副アフタエアポートが設置される火炉壁の近傍に空気を供給し、
前記副アフタエアポートの断面中心が、前記主アフタエアポートの断面中心から主アフタエアポート口径の１倍以上５倍以下の範囲にあることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項２】
請求項１に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、主アフタエアポートから供給される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量は、副アフタエアポートから供給される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量に対して、３〜２０倍の範囲となるようにしたことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、主アフタエアポートは主アフタエア空気を火炉内部に噴出する空気噴出口へ向かって流路外径が縮小する縮流部を有し、噴出される空気が主アフタエアポート中心軸方向を向いて流れるように構成したことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、副アフタエアポートは副アフタエア空気を火炉内部に噴出する空気噴出口へ向かって拡大する構造を有し、同心軸上の多重管構造に形成され、中央にある流路から直進流を噴出し、その外周からは旋回流を供給するように構成したことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、主アフタエアポートと副アフタエアポートの両方に、空気流量を制御する機構が設けられていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、前記主アフタエアポートと前記副アフタエアポートを、火炉壁面に設置されて外部からアフタエア空気が供給される共通のウィンドウボックスの内部にそれぞれ配置したことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項７】
請求項１に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、前記主アフタエアポートと前記副アフタエアポートを、火炉壁面に設置されて外部からアフタエア空気が供給される共通のウィンドウボックスの内部にそれぞれ配置し、アフタエア空気を供給するアフタエア空気供給ダクトに空気流量調整機構を備え、バーナへ燃焼用の２次、３次空気を供給する２次、３次空気供給ダクトに、各バーナに独立して空気をそれぞれ供給できるように空気流量調整機構が配設されていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項８】
請求項７に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、複数のバーナに搬送される燃料の微粉炭量を計測する微粉炭流量計を、前記バーナに微粉炭を搬送する流路に設置し、この微粉炭流量計で計測した微粉炭量に基づいてバーナに供給する燃焼用の２次、３次空気量を調節する制御器が備えられていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項９】
請求項７に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、複数のバーナに搬送される燃料の微粉炭量を計測する微粉炭流量計を、前記バーナに微粉炭を搬送する流路に設置し、この微粉炭流量計で計測した微粉炭量に基づいて主及び副アフタエアポートに供給するアフタエア空気量を調節する制御器が備えられていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項１０】
火炉内の上流側で微粉炭と空気を空気不足の状態で燃焼させ、生成する燃焼ガスに対して火炉内の下流側で空気を供給して完全燃焼させるようにした微粉炭燃焼方法において、
前記完全燃焼用の空気供給口として前記火炉の対向する壁面に供給空気量の多い主アフタエアポートと供給空気量の少ない副アフタエアポートをそれぞれ複数個設けて、
前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートに対し火炉内を流れる燃焼ガスの流れにおいて下流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直上となる火炉壁面の位置に配置され、前記副アフタエアポートから噴出する空気に旋回流成分を与えて当該副アフタエアポートが設置される火炉壁の近傍に空気を供給し、
主アフタエアポート口径の１倍以上５倍以下の範囲に副アフタエアポートを配置し、主アフタエアポートから噴出される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量は副アフタエアポートから噴出される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量よりも多くしたことを特徴とする微粉炭燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微粉炭焚きボイラ及び微粉炭燃焼方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微粉炭焚きボイラでは、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度低減が求められており、この要求に応えるために、二段燃焼法が適用されている。この方法は、燃料を空気不足の状態で燃焼させた後、完全燃焼用の空気をアフタエアポートから供給する方法である。
【０００３】
アフタエアポートには、空気の混合と燃焼状態の改善のため、いくつかの構造が提案されている。その１つとして、アフタエアポートを主アフタエアポートと副アフタエアポートにより構成し、主アフタエアポート間に副アフタエアポートを配置したものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
また、アフタエアポートを上流側と下流側の二段に配置し、空気流量と噴流の向きなどを制御するようにした技術が開示されている（例えば、特許文献３、４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１８５１０号公報（要約）
【特許文献２】特開２００２−２４３１１２号公報（要約）
【特許文献３】特開平１−１５０７０７号公報
【特許文献４】特開平９−１２６４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び特許文献２には、ＮＯｘ低減と共に未燃分を低減できることが記載されている。
【０００７】
特に、特開平９−１２６４１５号公報には、微粉炭焚きボイラにアフタエア空気を供給する主アフタエアポートと副アフタエアポートとの配置を工夫して、副アフタエアポートを主アフタエアポートの上流側で、且つ隣接する主アフタエアポートのちょうど中間となる位置に配置した構造が開示されている。
【０００８】
上記微粉炭焚きボイラのアフタエアポートの配置構造では、副アフタエアポートから供給する副アフタエア空気によって火炉内の未燃焼成分と混合させて、酸化領域によって一酸化炭素（ＣＯ）を低減できる。
【０００９】
しかしながら上記構造の微粉炭焚きボイラでは、火炉内の未燃焼成分の燃焼に伴って燃焼温度が上昇するので、発生するＮＯｘの濃度が急上昇してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、火炉中央部及び火炉壁近傍へ効率よく空気を供給することにより燃焼ガスとの混合を促進し、ＮＯｘとＣＯを共に低減できるようにした微粉炭焚きボイラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の微粉炭焚きボイラは、微粉炭焚きボイラを構成する火炉を備え、この火炉を形成する火炉壁面の上流側に燃料の微粉炭と空気とを火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナを配置し、バーナの設置位置よりも上部となる火炉壁面の下流側に空気を供給する複数のアフタエアポートを配置し、このアフタエアポートには供給空気量の多い主アフタエアポートと供給空気量の少ない副アフタエアポートとをそれぞれ備えた微粉炭焚きボイラにおいて、前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートの下流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直上となる火炉壁面の位置に配置され、前記副アフタエアポートから噴出する空気に旋回流成分を与えて当該副アフタエアポートが設置される火炉壁の近傍に空気を供給し、前記副アフタエアポートの断面中心が、前記主アフタエアポートの断面中心から主アフタエアポート口径の１倍以上５倍以下の範囲にあることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の微粉炭焚きボイラは、火炉内の上流側で微粉炭と空気を空気不足の状態で燃焼させ、生成する燃焼ガスに対して火炉内の下流側で空気を供給して完全燃焼させるようにした微粉炭燃焼方法において、前記完全燃焼用の空気供給口として前記火炉の対向する壁面に供給空気量の多い主アフタエアポートと供給空気量の少ない副アフタエアポートをそれぞれ複数個設けて、前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートに対し火炉内を流れる燃焼ガスの流れにおいて下流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直上となる火炉壁面の位置に配置され、前記副アフタエアポートから噴出する空気に旋回流成分を与えて当該副アフタエアポートが設置される火炉壁の近傍に空気を供給し、主アフタエアポート口径の１倍以上５倍以下の範囲に副アフタエアポートを配置し、主アフタエアポートから噴出される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量は副アフタエアポートから噴出される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量よりも多くしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、火炉中央部及び火炉壁近傍へ効率よく空気を供給することにより燃焼ガスとの混合を促進し、ＮＯｘとＣＯを共に低減できるようにした微粉炭焚きボイラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施例による微粉炭ボイラの概略構成と、空気及び微粉炭の供給系統を示した図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】図２のＢ−Ｂ断面図。
【図４】主アフタエアポートの一実施例を示した断面図。
【図５】アフタエアポートの他の実施例を示したものであり、図１のＡ−Ａ断面に相当する図。
【図６】図５のＣ−Ｃ断面図。
【図７】アフタエアポートの更に別の実施例を示すものであり、図１のＡ−Ａ断面に相当する図。
【図８】副アフタエアポートの構造の一例を示した断面図。
【図９】主アフタエアポートの他の実施例を示した断面図。
【図１０】別の実施例による主アフタエアポートの断面図。
【図１１】主アフタエアポートの更に他の実施例を示す断面図。
【図１２】制御器で行われるアフタエア流量の制御例を示したブロック図。
【図１３】実施例８におけるバーナ及びアフタエアポートの配置を示した図。
【図１４】アフタエアの全流量に対する主アフタエアポートの流量比率と火炉出口のＣＯ濃度との関係を示した図。
【図１５】副アフタエアポートの位置と噴出方向を示した図。
【図１６】主アフタエアポートのエアポート構造を示した図。
【図１７】実施例９におけるバーナ及びアフタエアポートの配置を示した図。
【図１８】本発明の一実施例による微粉炭ボイラの概略構成と、空気及び微粉炭の供給系統を示した図。
【図１９】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たボイラの構成図。
【図２０】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たガスの混合状態を示す図。
【図２１】本発明の一実施例による微粉炭焚きボイラのガスの混合状態を示した図。
【図２２】図１９のＡ−Ａ’断面図。
【図２３】図１９のＢ−Ｂ’断面図。
【図２４】副アフタエアポートの他の実施例を示した断面図。
【図２５】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たボイラの構成図。
【図２６】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たガスの混合状態を示す図。
【図２７】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たボイラの構成図。
【図２８】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たガスの混合状態を示す図。
【図２９】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たボイラの構成図。
【図３０】本発明の一実施例による微粉炭ボイラの概略構成と、空気及び微粉炭の供給系統を示した図。
【図３１】制御装置で行われるバーナ用２次、３次空気流量の制御例を示したブロック図。
【図３２】制御装置で行われるアフタエア空気流量の制御例を示したブロック図。
【図３３】制御装置で行われる主アフタエア空気流量の制御例を示したブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
噴出された空気がアフタエアポート中心軸方向を向いて流れるようにした縮流型構造の主アフタエアポートは、ＮＯｘとＣＯの同時低減に極めて有効である。噴出された空気がアフタエアポート中心軸と平行方向に流れるようにした直進型構造の副アフタエアポートは、主アフタエアポートによって空気を混合できない壁際部分の燃焼ガスに空気を混合し、ＣＯを低減するのに効果がある。直進型の副アフタエアポートから噴出した空気は、火炉の壁から炉内中心に向かう流速の減衰が早いため、火炉の中心部まで空気が到達しにくい。よって、火炉中心の高温域でサーマルＮＯｘが発生することなく、壁際のガスの混合を促進し、ＣＯを低減することができる。副アフタエアポートを縮流型構造にすると、流速は減衰しにくくなり、火炉中心部まで空気が到達するためにサーマルＮＯｘが発生しやすい。
【００１６】
また、主アフタエアポート、又は主アフタエアポートと副アフタエアポートの両方に、空気流量を制御するダンパが設けることが望ましい。ダンパを設置すると、空気流量を微調整することが可能であるため、空気供給のバラツキが少なく、効率よく空気を混合することができる。
【００１７】
また、ウィンドウボックス内に仕切り板を設け、主アフタエアポートの空気流路と副アフタエアポートの空気流路を分割することが望ましい。このようにすれば、主アフタエアポート及び副アフタエアポートごとに、空気流量を調整することができる。
【００１８】
本発明では、アフタエア流量を制御する制御器を設けて、火炉前壁のバーナと後壁のバーナに供給する微粉炭量を判定して前壁と後壁の給炭量比を計算し、それに基づいて前壁と後壁のアフタエア流量を計算し、主アフタエアポートと副アフタエアポートに供給される空気流量の配分を決定することが望ましい。また、火炉前壁又は後壁に休止バーナがある場合には、休止バーナがある方のアフタエアポートへ供給する空気流量を、他方のアフタエアポートへ供給する空気流量よりも低く設定することが望ましい。このように、バナの可動条件に応じてアフタエア流量を制御することで、効果的にＮＯｘとＣＯを低減できる。
【００１９】
本発明においては、主アフタエアポートは火炉中央部へ到達可能な運動量の大きい空気を噴出するよう構成し、前記副アフタエアポートは火炉壁面近傍へ運動量の小さい空気を噴出する構成であって、副アフタエアポートの断面中心から主アフタエアポートの断面中心までの距離が、主アフタエアポート口径の1倍以上５倍以下となるように副アフタエアポートを設置することが望ましい。
【００２０】
副アフタエアポートを主アフタエアポートの上流側に配置した場合は、副アフタエアポートから副アフタエア空気を供給することによって火炉上流からの燃焼ガスがよどむ、すなわち火炉壁近傍の燃焼ガスの上昇流速が弱まる。このため、主アフタエアポートから供給される主アフタエア空気の流れが火炉壁近傍で燃焼ガスによって乱されることなく、火炉中央に供給することができる。
【００２１】
また、副アフタエアポートを主アフタエアポートの下流側に配置した場合、火炉上流からの燃焼ガスは主アフタエアポートの噴流と混合するが、一部は主アフタエアポートの間からすり抜ける。すり抜けた未燃焼ガスは、主アフタエアポートの下流では未燃焼ガスの上昇流速が弱まってよどんでいる。そのため、このよどみ域で副アフタエアポートから副アフタエア空気を供給すると、火炉壁近傍で燃焼ガスと空気との混合を促進させることができる。
【００２２】
逆に副アフタエアポートの断面中心位置が、主アフタエアポートの口径の５倍以上の長さになるように副アフタエアポートを主アフタエアポートの上流側に設置すると、副アフタエア空気と燃焼ガスによるよどみの効果が十分得られなくなる。また、主アフタエアポートの口径の５倍以上の長さになるように副アフタエアポートを主アフタエアポートの下流側に設置すると、主アフタエア空気と燃焼ガスのよどみ域に副アフタエア空気を供給できなくなるため混合は促進されない。また、副アフタエアポートの断面中心位置が、主アフタエアポートの口径の１倍以下の長さになるように副アフタエアポートを設置すると、副アフタエア空気が主アフタエア空気に巻き込まれるため上述の効果は得られない。
【００２３】
本発明では、主アフタエアポートから供給される主アフタエア空気の運動量は、副アフタエアポートから供給される副アフタエア空気の運動量に対して、３〜２０倍の範囲となるようにすることが望ましい。主アフタエア空気の運動量が副アフタエア空気の運動量の３倍より小さいと、副アフタエア空気の運動量が大きくなるため火炉壁近傍の未燃焼成分へ効率よく空気を混合できなくなる。また主アフタエア空気の運動量が小さくなるため火炉中央部まで空気が到達できなくなる。一方主アフタエア空気の運動量が副アフタエア空気の運動量の２０倍より大きくなると、副アフタエア空気の運動量、特に流量が小さすぎるため火炉壁近傍の未燃焼成分の燃焼に必要な空気を供給できなくなる。
【００２４】
また本発明では、主アフタエアポートは出口の空気噴出口へ向かって流路外径が縮小する縮流部を有し、噴出される空気が主アフタエアポート中心軸方向を向いて流れるようにすることが望ましい。このようにすると、主アフタエア空気の運動量が増加して火炉中心部まで噴流が到達し混合が促進されるため、ＮＯｘとＣＯの同時低減に極めて有効である。
【００２５】
また副アフタエアポートは、副アフタエア空気を火炉内部に噴出する空気噴出口へ向かって拡大する構造を有し、同心軸上の多重管構造に形成され、中央にある流路から直進流を噴出し、その外周からは旋回流を供給するようにすることが望ましい。副アフタエアポートから噴出された空気がアフタエアポート中心軸と平行方向に流れる、または旋回流が発生するようにすると、主アフタエアポートによって空気を混合できない壁際部分の燃焼ガスに空気を混合し、ＣＯを低減するのに効果がある。直進型または旋回型の副アフタエアポートから噴出した空気は、火炉の壁から炉内中心に向かう流速の減衰が早いため、火炉の中心部まで空気が到達しにくい。よって、火炉中央の高温域でサーマルＮＯｘが発生することなく、壁際のガスの混合を促進し、ＣＯを低減することができる。
【００２６】
また本発明では、主アフタエアポートは、噴出される空気が主アフタエアポート中心軸方向を向いて流れるように構成し、副アフタエアポートは副アフタエアポート中心軸と平行方向に直進流を噴出し、その外周から旋回流を噴出する構成とするとＮＯｘ、ＣＯの低減に特に効果的である。このようにすると、火炉中央へ向かう主アフタエア空気の運動量が増加して、火炉中央へ空気を効率よく供給できるだけでなく、副アフタエア空気は旋回によって壁近傍の未燃焼成分と効果的に混合できる。
【００２７】
また本発明では、主アフタエアポートと副アフタエアポートを、火炉壁面に設置されて外部からアフタエア空気が供給される共通のウィンドウボックスの内部にそれぞれ配置することが望ましい。このようにすれば、アフタエアエア空気の流量を低流量（低負荷）から高流量（高負荷）まで１つの弁で制御可能となる。特に主アフタエアポートは縮流部を有する構造、副アフタエアポートは旋回流を供給できる構造であり、ともに圧力損失が高いため、空気流量の制御が容易となる。更にウィンドウボックスを共通とすると、構造が簡素化され製作が容易になり、新たに主或いは副アフタエアポートを追加するときにも設置が容易である。
【００２８】
また主アフタエアポートの１つと副アフタエアポートの１つを一組にして、少なくとも一組を同一のウィンドウボックスに接続し、前記ウィンドウボックスの複数個を火炉壁面に一方向に並べて設置してもよい。このようにすれば、主アフタエア空気と副アフタエア空気の運動量の比率を変えることなく、火炉の中央部と火炉側壁部で噴出するアフタエア空気の流量を調整できるため、燃焼ガスの多い部分に効率よく空気を混合できるようになる。
【００２９】
また本発明では、最下流段バーナと主アフタエアポートの距離をＸ、主アフタエアポートと火炉下流にある熱交換機の底面までの距離をＹとすると、Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）が０．３〜０．６の範囲に主アフタエアポートを配置することが望ましい。主アフタエアポートの設置位置がＸ／（Ｘ＋Ｙ）＜０．３となると、還元領域が減少するためNOx発生量が増加する。またＸ／（Ｘ＋Ｙ）＞０．６より大きくなると、主及び副アフタエア空気投入後の滞留時間が減少して混合が不十分となるため、未燃焼成分が多くなる。
【００３０】
また本発明では、主アフタエアポートの口径は、火炉中央側に比べて側壁側が小さくなるように配置することが望ましい。火炉中央部近傍では火炉上流から流れてくる未燃焼ガスの上昇速度が特に大きくなる。したがって、側壁側の主アフタエアポートの口径を小さくすると、火炉中央部側へ供給される空気の運動量が側壁側に比べて大きくなるため、火炉中央部側に残留する未燃焼成分との混合が促進される。
【００３１】
また本発明では、主アフタエアポートと副アフタエアポートを、火炉壁面に設置されて外部からアフタエア空気が供給される共通のウィンドウボックスの内部にそれぞれ配置し、アフタエア空気を供給するアフタエア空気供給ダクトに空気流量調整機構を備える。そして、バーナへ燃焼用の２次、３次空気を供給する２次、３次空気供給ダクトに、各バーナに独立して空気をそれぞれ供給できるように空気流量調整機構を配設することが望ましい。このようにすると、アフタエアポートへ供給する空気とバーナへ供給する空気の比率を一定にしたまま、バーナの２次、３次空気流量を微調整することが可能になり、バーナの燃焼状態に応じて効率よく空気を供給できるようになる。このためバーナ部で発生するＮＯｘを常に最小に保つと同時に、主アフタエアの空気噴出条件をＮＯｘとＣＯの総合性能が最適になるよう保つことができる。
【００３２】
また主アフタエアポートの１つと副アフタエアポートの１つを一組にして、少なくとも一組を同一のウィンドウボックスに接続し、前記ウィンドウボックスの複数個を火炉壁面に一方向に並べて設置し、アフタエア空気を供給するアフタエア空気供給ダクトに空気流量調整機構を備え、バーナへ燃焼用の２次、３次空気を供給する２次、３次空気供給ダクトに、各バーナに独立して空気をそれぞれ供給できるように空気流量調整機構を配設することもできる。このようにするとバーナの２次、３次空気流量を微調整することができ、更に主アフタエア空気と副アフタエア空気の運動量の比率を変えることなく、火炉の中央部と火炉側壁部で噴出するアフタエア空気の流量を調整できるため、バーナの燃焼状態に応じて特に効率よく空気を供給できるようになる。
【００３３】
また本発明においては、複数のバーナに搬送される燃料の微粉炭量を計測する微粉炭流量計を、バーナに微粉炭を搬送する流路に設置し、この微粉炭流量計で計測した微粉炭量に基づいてバーナに供給する燃焼用の２次、３次空気量を調節する制御器が備えられていることが望ましい。微粉炭流量計を設置すると、微粉炭供給量の偏差に応じて空気を供給することが可能となる。更に制御器を設けて微粉炭供給量に応じてバーナ２次、３次空気流量を制御することで、効果的にＮＯｘとＣＯを低減できる。
【００３４】
また、複数のバーナに搬送される燃料の微粉炭量を計測する微粉炭流量計を、前記バーナに微粉炭を搬送する流路に設置し、この微粉炭流量計で計測した微粉炭量に基づいて主及び副アフタエアポートに供給するアフタエア空気量を調節する制御器が備えることもできる。微粉炭流量計を設置すると、微粉炭供給量の偏差に応じて空気を供給することが可能となる。更に制御器を設けて微粉炭供給量に応じてアフタエア空気流量を制御することで、効果的にＮＯｘとＣＯを低減できる。
【００３５】
本発明は、火炉の燃焼空間における酸素濃度を検出する複数の酸素濃度検出器と、酸素濃度検出器からの信号に基づいて複数の主アフタエアエアポートと副アフタエアポートの空気流量を個別に調整する制御装置を備え、複数の酸素濃度検出器からの信号により主アフタエアポートの空気流量と、副アフタエアポートの空気流量を制御することが望ましい。
【００３６】
火炉中央部の酸素濃度が低いときは主アフタエア空気を増加させるために副アフタエア空気量を減少させ、火炉側壁部の酸素濃度が低いときは副アフタエア空気を増加させるために主アフタエア空気量を減少させる。このようにすると、バーナの燃焼条件を一定にしたまま空気流量を制御できるため、バーナ部で発生するＮＯｘを最小に保つことができる。
【００３７】
以下、図面を用いて説明するが、本発明は以下の構造に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３８】
図１は本発明に係る微粉炭焚きボイラの概略構成図である。火炉１００の壁面は、上部の火炉天井４９、下部のホッパ４７、側方の火炉前壁４５、火炉後壁４６、及び火炉側壁４８（図２に記載）で囲われ、それぞれの壁面には、図示しない水管が設置される。この水管により、火炉燃焼空間２３で発生した燃焼熱の一部が吸収される。火炉燃焼空間２３で生成した燃焼気体は下方から上方へ流れ、燃焼後の気体５１となって排出される。燃焼後の気体５１は、図示しない後部伝熱部を通り、ここで気体中に含まれる熱が、さらに回収される。
【００３９】
火炉の下部には、バーナ５２が設置され、ここで空気不足の火炎５３が形成される。バーナは通常、火炉の前壁と後壁に、対向するように、それぞれ複数個設置される。石炭は図示しない粉砕器で、およそ１５０μｍ以下に粉砕した後、空気で搬送され、バーナ用１次空気と微粉炭５８は、バーナ５２から火炉内に噴出される。バーナ用２次、３次空気５６も同時に、バーナ用ウィンドウボックス（バーナ用２次、３次空気供給ダクト）５４を経て、バーナから噴出される。
【００４０】
バーナの上方には、主アフタエアポート３７が設置される。主アフタエアポートと同じ高さに副アフタエアポート３８（図２に記載）が設置される。主及び副アフタエアポートも通常、火炉の前壁と後壁にそれぞれ複数個設置される。主アフタエアポート３７の構造は、噴出口付近で空気の流れが主アフタエアポート中心軸方向を向くように構成された、縮流型の構造である。構造の詳細は後述する。バーナ部で形成された空気不足の火炎５３から発生したＣＯなどの未燃焼成分の大部分は、主アフタエアの空気と混合することで完全燃焼（酸化）する。ただし、未燃焼成分と主アフタエア空気の混合時に、ＮＯｘ（主にサーマルＮＯｘ）も発生する。ＮＯｘの発生量は主アフタエア空気の流速（縮流部の最大流速）と関連があり、主アフタエア空気の流速の調整が重要である。さらに、主アフタエア空気の噴出条件をＮＯｘが低くなるように設定すると、酸化が不充分になり、ＣＯが発生しやすくなる傾向があるので、ＮＯｘとＣＯの性能バランスに留意して、主アフタエア空気の噴出条件を設定する必要がある。
【００４１】
燃焼用空気５７は、空気流量配分調整機構４２で、バーナ用２次、３次空気５６とアフタエア空気５５に配分される。アフタエア空気５５は空気流量配分調整機構４３で、前壁側のアフタエアポートに流れる空気と後壁側のアフタエアポートに流れる空気に配分される。前壁側のアフタエアポートと後壁側のアフタエアポートの空気流量は、休止バーナの位置に応じて、制御器６１で設定されたアフタエア空気流量設定値に制御される。制御器６１には、給炭量検出器５９で検出されたミル給炭量６２と、アフタエア空気流量検出器６０で検出されたアフタエア空気流量６３が入力される。制御器６１では、休止バーナが火炉前壁側にある場合に、ミル給炭量６２に基づいて火炉前壁にあるアフタエア空気流量設定値を低く設定し、アフタエア空気流量６３を調整することができる。
【００４２】
火炉後壁４６の上部には、ノーズ５０が設けられることが多い。このノーズ５０の影響により、主アフタエアポート３７廻りの燃焼気体の流れは非対称になる。前壁側と後壁側に流れるアフタエア空気の配分を調整することで、非対称な流れ場でもＮＯｘとＣＯを低減できる。
【００４３】
アフタエア空気５５は、さらに主アフタエア空気流量調整機構４０と副アフタエア空気流量調整機構４１により、主及び副アフタエアから供給する空気量を調整する。これにより、主アフタエア空気の噴出流速（縮流部の最大流速）と副アフタエア空気の噴出流速が調整できる。主アフタエア空気の噴出流速が高すぎるときには副アフタエア空気量を増やし、噴出流速が低すぎるときには逆にする。副アフタエア空気は主アフタエアポートの間から噴出されるため、炉内で燃料が過剰に存在し空気不足になっているガスと、空気の混合が促進され、効率よくＣＯを低減できる。一方、副アフタエア空気は流量が少ないので、ＮＯｘ（サーマルＮＯｘ）発生に与える影響は小さい。また、副アフタエアを用いて主アフタエア空気量を調整できるので、バーナへ供給される２次、３次空気流量は常に一定にできる。これは、バーナ部で形成される空気不足の火炎５３の燃焼条件を、ここでのＮＯｘ発生量が最も少なくなる最適条件で常に運用できることを意味する。
【００４４】
この結果、バーナ部で発生するＮＯｘを常に最小に保つと同時に、主アフタエアの空気噴出条件をＮＯｘとＣＯの総合性能が最適になるよう保つことができる。
【００４５】
なお、バーナへ供給される２次、３次空気５６もアフタエア空気５５と同様に、空気流量配分調整機構４４で、前壁側のバーナに流れる空気と後壁側のバーナに流れる空気に配分される。
【００４６】
図２は、主／副アフタエアポート配置の一例であり、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は図２のＢ−Ｂ断面を燃焼空間側からみた図である。主アフタエアポート３７は通常、燃焼気体の流れと直角に複数配置され、火炉前壁４５側と火炉後壁４６側に同数配置される。副アフタエアポート３８は主アフタエアポート３７と同一のウィンドウボックスに配置される。副アフタエアポート３８の最も単純な配置方法は、主アフタエアポート３７の間に交互に配置することである。主アフタエア空気と副アフタエア空気の流路は仕切り板３９により分割され、主アフタエア空気調整機構４０と副アフタエア空気調整機構４１によりそれぞれの流路に流れる空気の量が調整される。
【００４７】
図４は、主アフタエアポートの詳細構造の一例である。ノズルの基本構造は、噴流中心軸８を対称軸とした円筒形である。ノズルはウィンドウボックス外筒１で囲われており、ウィンドウボックス開口部５から燃焼用の空気が流入する。空気は矢印６に沿って流れ、噴出口４から火炉内燃焼空間２３へ噴出される。噴出された空気は、火炉内燃焼空間２３で可燃ガスと混合して可燃ガスを燃焼させる。噴出口４の周囲には、水管１４が設けられている。アフタエアポートの噴出口４側には、縮流部材２を設ける。縮流部材２は、噴出口４側に向かって次第に口径が小さくなる構造である。この縮流部材２により、空気の流れ６には、ノズル中心軸へ向かう速度成分が与えられ、縮流部３が形成される。縮流部３の入口近くに、縮流部の最小流路面積を規定する部材７を設ける。縮流部での空気の流速は、縮流部で最も開口面積が小さくなる部分の面積で規定される。図４の構成では、縮流部の最小流路面積を規定する部材７の先端部で縮流部の流速が最大になる。図４の縮流部の最小流路面積を規定する部材７は、噴出口４に向かって外径が次第に小さくなる構成とした。縮流部３内での流れの乱れを少なくするためである。乱れを少なくすることでＮＯｘの急激な増加を抑制できる。ただし、他の構造であっても、本発明の目的を達成可能である。縮流部の最小流路面積を規定する部材７は、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９に固定する。縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９はガイド１２を介してウィンドウボックス外筒１に固定する。
【００４８】
縮流部の最小流路面積を規定する部材７の内側には、過熱防止材を設けた。火炉内燃焼空間２３に形成された火炎からの放射熱で、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９が焼損するのを防ぐためである。火炉内燃焼空間２３に形成された火炎放射熱が弱い場合や、他の方法で支持材９を冷却できる場合には、過熱防止材は必ずしも必要ない。
【実施例２】
【００４９】
本実施例では、アフタエアポートの配置を変えた場合について説明する。図５は、副アフタエアポート３８の配置の変型例であり、図１のＡ−Ａ断面図に相当する。図６は図５のＣ−Ｃ断面を燃焼空間側からみた図である。
【００５０】
同列のアフタエアポートに接続するウィンドウボックスを２つに分割し、同一のウィンドウボックスからそれぞれ主アフタエアポート３７と副アフタエアポート３８に空気を供給するようにした。このようにウィンドウボックスを分割して空気を供給すると、主及び副アフタエアの空気流量を微調整することが可能であるため、供給のバラツキが少なく、効率よく空気を混合することができる。
【実施例３】
【００５１】
本実施例では、アフタエアポート空気調整機構の変型例について説明する。図７は主及び副アフタエアの空気調整機構の変型例であり、図１のＡ−Ａ断面図に相当する。図８は、副アフタエアポートの詳細構造の一例である。
【００５２】
主アフタエア空気と副アフタエア空気の流路は同一であり、主アフタエアポート３７と副アフタエアポート３８に供給する空気流量はダンパ２４を開閉することにより調整される。このようにダンパ２４を設置すると、空気流量を微調整することが可能であるため、供給のバラツキが少なく、効率よく空気を混合することができる。ダンパ２４は主アフタエアポート３７に設置するだけでもよいが、主アフタエアポート３７と副アフタエアポート３８の両方に設置することが好ましい。
【実施例４】
【００５３】
本実施例では、主アフタエアポート構造の変型例を、図９を用いて説明する。縮流部の最小流路面積を規定する部材７を移動させるための内筒１５を持つこと、ウィンドウボックス開口部５から流入する空気を調整するスライドリング１１を持つことが、図４と異なる点である。
【００５４】
縮流部の最小流路面積を規定する部材７は、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９に固定する。縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９は、スライドリング１１に固定する。スライドリング１１は内筒１５に取り付ける。ただし、スライドリング１１と外筒は固定されておらず、スライドリング１１は図１のウィンドウボックス外壁１３方向、または、噴出口４方向へ移動可能である。スライドリング１１を移動することで、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９と縮流部の最小流路面積を規定する部材７も同時に移動する。縮流部の最小流路面積を規定する部材７を移動することで、縮流部の最小流路２２の面積が変化する。このとき、縮流部３の形状は、外径は一定のまま内径が変化し、その結果、縮流部３の流路断面積（ノズル中心軸に垂直な断面）が変化する。
【００５５】
スライドリング１１又は内筒１５のどちらかにガイドローラ１７を取り付けると、スライドリング１１をスムーズに移動できる。スライドリング１１にスライドリング移動棒固定機構１６、スライドリング移動棒１８、ハンドル１９を取り付けることで、ウィンドウボックス外壁１３の外側（図９で見ると左側）から、縮流部の最小流路面積を規定する部材７を移動させることができる。スライドリング１１をウィンドウボックス外筒１に取り付け、ウィンドウボックス開口部５の面積を変化させると、主アフタエアポートに流入する空気の総量を変化させることができる。空気総量の変化が不要である場合や他の方法で変化できる場合には、スライドリング１１をウィンドウボックス外筒１に取り付けなくてもよい。
【００５６】
スライドリング１１にガイド１２を取り付けると、スライドリング１１を移動させたときに縮流部の最小流路面積を規定する部材の芯がずれにくい。また、スライドリング１１と縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９を強固に固定できる。また、空気の流れ６を整流しやすい。
【実施例５】
【００５７】
本実施例では、主アフタエアポートの別の変型例について、図１０を用いて説明する。
【００５８】
図１０は、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９と、縮流部材２を冷却するための冷却空気用の流路と、ウィンドウボックス開口部５から流入する空気を調整するダンパ２４を持つことが、図４と異なる点である。
【００５９】
縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９に、冷却空気孔２０を設ける。ウィンドウボックス開口部５から導入された空気の一部は、冷却空気の流れ２５となり、冷却空気孔２０から放出される。その過程で、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材９に衝突し、この部材を冷却できる。また、冷却空気孔２０から放出された空気の一部は、縮流部の最小流路面積を規定する部材７に衝突し、この部材を冷却することもできる。
【００６０】
さらに、縮流部３の近傍に冷却空気案内板２１を設けた。冷却空気案内板２１と縮流部材２の間には冷却空気が流れ、縮流部材２を冷却できる。また、この冷却空気は噴出口４の最外周側を流れるため、噴出口４の周囲に付着した石炭灰を除去するためにも使用できる。さらに、噴出口４の周囲に付着した石炭灰の量が多くなったとき、縮流部材２と冷却空気案内板２１との間を流れる空気量を一時的に増やして、付着灰を除去しやすくするとよい。なお、縮流部材２の角度は、縮流部の途中で変化してもよい。
【００６１】
ダンパ２４をウィンドウボックス外筒１に取り付け、ウィンドウボックス開口部５の面積を変化させると、主アフタエアポートに流入する空気の総量を変化させることができる。
【実施例６】
【００６２】
本実施例では、主アフタエアポート構造の更に別の変型例について、図１１を用いて説明する。図１１では、空気ポートの中心に１次ノズル２６、１次ノズル２６の外側に２次ノズル２７、２次ノズル２７の外側に３次ノズル２８が設置されている。３次ノズルから噴出する３次空気３５は、２次ノズル２７の出口で２次空気３４と合流して燃焼空間２３に流入する。ここで、２次ノズル２７の噴出方向は、空気ポートの噴流中心軸８に平行である。さらに、２次空気３４には、２次空気レジスタ３２により旋回力を与えられるようになっている。３次ノズルは軸に対して内向きに設置されており、縮流を形成させるのに好適な構造である。２次空気３４と３次空気３５の流量を変化させることで、２次空気と３次空気の合流後の方向を調整することができる。たとえば、３次空気３５の流量をゼロとすれば、２次空気と３次空気が合流した後の内向きの角度はゼロとなる。また、２次空気３４の流量をゼロとすれば、３次ノズルの方向に噴出する。噴出方向の調整により炉内で燃料が過剰に存在し、空気不足になっているガスと空気を好適に混合して未燃分を低減できる。さらに、２次空気の旋回の強さによっても、混合状態を調整可能である。流量の調整のために、１次ダンパ２９、２次ダンパ３０、３次ダンパ３１が設置されている。
【００６３】
微粉炭は、燃料中に灰を含む。この場合、アフタエアポートの出口で縮流を形成すると、高温の燃焼ガス中で溶融した灰が空気ポート出口の水管１４付近に付着することがある。灰の付着が成長してクリンカを形成すると、流動を妨げたり、落下による水管の損傷を生じたりする可能性がある。このような場合は、クリンカが小さいうちに、３次空気の流量を低減し、２次空気の流量を増加してクリンカの温度を低下させることで、熱応力を発生させ、剥離させるのが良い。
【実施例７】
【００６４】
本実施例では、アフタエアポートの空気流量制御方法について、図１と図１２を用いて説明する。ミルから供給されたミル給炭量６２は給炭量検出器５９により計量され、信号が制御器６１に入力される。またアフタエア空気流量６３はアフタエア空気流量検知器６０により計量され、信号が制御器６１に入力される。制御器６１では前壁と後壁の給炭量６２を常時判定して、前壁と後壁の給炭量比を計算し、前壁と後壁のアフタエア空気流量が計算される。制御器６１からの信号により、アフタエア空気流量調整機構開度指令６４が主アフタエア流量調整機構４０と、副アフタエア流量調整機構４１に送られ、火炉内燃焼空間２３へ噴出するアフタエア空気流量が制御される。休止バーナが火炉前壁側にある場合は、ミル給炭量６２に基づいて火炉前壁にあるアフタエア空気流量設定値を低く設定し、アフタエア空気流量６３を調整することができる。逆に休止バーナが火炉後壁側にある場合は、ミル給炭量６２に基づいて火炉後壁にあるアフタエア空気流量設定値を低く設定し、アフタエア空気流量６３を調整することができる。本制御方法を用いれば、バーナの稼動条件に応じてアフタエア空気流量を制御することができるため、効果的にＮＯｘ、ＣＯを低減できる。
【実施例８】
【００６５】
本発明の実施例を、図１３を用いて説明する。図１３は、ボイラの火炉前壁４５のポート配置を示したものである。ボイラ下部に、複数列・複数段のバーナ５２が配置されており、その下流にアフタエアポート３７、３８が配置されている。バーナ５２と同列上には主アフタエアポート３７があり、その両隣に副アフタエアポート３８が設けてある。即ち、隣接する２個の主アフタエアポート３７の間に２個の副アフタエアポート３８を配置する。主アフタエアポート３７と副アフタエアポート３８の間隔は、主アフタエアポート間（即ち、バーナ間）の距離の１／４〜１／３となっている。なお、図１３では主アフタエアポート間（即ち、バーナ間）の距離の１／３である。
【００６６】
そして、バーナ５２と同列に配置した主アフタエアポート３７からは高速で多量の空気を噴出することにより、火炉中央での未燃ガスのすり抜けを防止し、主アフタエアポート３７の両隣に配置した副アフタエアポート３８からは主アフタエアポート３７よりも少ない量の空気を流すことにより、火炉前壁４５及び火炉後壁４６（図１を参照）近傍での未燃ガスのすり抜けを防止する。このように、アフタエアポートを主・副の２種類とし、主アフタエアポートの供給空気量よりも少ない空気を供給する複数の副アフタエアポートを主アフタエアポート間に設置することで、火炉中央部でのすり抜けを防止し、かつ火炉前壁及び後壁でのすり抜けも抑制可能となる。従って、炉内の混合を促進しかつ急速な混合を抑制できるため、火炉出口でのＣＯ濃度、ＮＯｘ濃度を低減することが可能である。
【００６７】
なお、主アフタエアポート３７から噴出する空気流量は、アフタエアポートからの全空気量（即ち、主アフタエアポート及び副アフタエアポートから噴出する空気量の合計）の７０〜９０％にすることが望ましい。主アフタエアポート３７の空気流量が６０％以下になると、高速で噴出しても貫通力が維持できなくなり、火炉中央部で未燃ガスのすり抜けが生じてしまうためである。
【００６８】
また、主アフタエアポート３７間に複数の副アフタエアポート３８を配置する場合、副アフタエアポート３８からの噴流方向は、副アフタエアポート３８に隣接する主アフタエアポート３７の噴流と交差しない向きに副アフタエアポート３８の噴出孔を配置し、前記の主アフタエアポート３７の噴出方向に対して０〜１５°に傾けることが望ましい。副アフタエアポート３８からの噴流は、主アフタエアポート３７からの噴流に比べ流量が少ないため主アフタエアポート３７からの噴流よりも貫通力が小さく、火炉１００の壁面に沿って流れやすい。そのため、副アフタエアポート３８間のすり抜けが生じやすいので、隣接する主アフタエアポート３７からの噴流と交差しないように配置する（即ち、隣接する副アフタエアポート３８間では両者の噴流が交差するように配置する）ことにより、副アフタエアポート３８間のすり抜け防止になる。
【００６９】
そして、主アフタエアポート３７は、同心軸上の多重管構造であることが望ましい。中央部の円管からは、直進流を噴出し、外周からは旋回流を噴出する。直進流と旋回流の流量比率を変化させることにより、アフタエアポートからの主流貫通力を調整することが可能となる。
【００７０】
ここで、本実施例における作用・効果を説明する。石炭等の化石固体燃料を燃焼するボイラのうち、ボイラ火炉前壁と火炉後壁に燃焼装置（バーナ）を設け火炉の中央で火炎を衝突させて燃焼させる方式では、ＮＯｘの低減は燃焼装置（バーナ）の性能によるところが多い。すなわち、燃焼装置（バーナ）の燃料搬送流と燃焼用空気流を分離することにより、バーナ火炎内で燃焼域の間に還元域を形成した高温還元炎を形成し、バーナ部でのＮＯｘ生成量を抑制する。但し、燃焼装置（バーナ）の燃料搬送流と燃焼用空気流を分離するとバーナ部で高温還元炎が形成されるため、火炉内で不均一なガス流れが生じたり、火炉断面方向で未燃燃料分（未燃ガス）の分布が生じ、ＣＯが発生しやすくなる。そのため、そのような不均一な未燃ガスの断面分布に応じたアフタエアポートからの二段燃焼用空気投入方法が重要となる。
【００７１】
また、火炉中央で火炎を衝突させるため、火炉中央部分には燃焼ガスが生じ、火炉前壁及び後壁近傍には未燃ガスという分布が生じる。そのため、バーナ間及び火炉前壁と後壁近傍には高ＣＯ濃度、高ＮＯｘ濃度が発生しやすくなる。
【００７２】
以上より、アフタエアポートからの噴流と火炉内燃焼ガスとの混合促進が必要である。但し、アフタエアポート噴流の噴出速度を単に増加して急速に混合させるとアフタエアポートの後流（下流側）において未燃ガスが急速燃焼し局所高温部が形成されるため、サーマルＮＯｘが生成される問題が生じる。逆にアフタエアポートの噴出速度を単に遅くすると、噴流が火炉中央部に到達せず未燃ガスがすり抜けてしまうという問題が生ずる。従って、いかにサーマルＮＯｘを発生させないで火炉中央部のすり抜けを防止しつつ混合促進させるかが課題である。
【００７３】
ここで、図１４に、アフタエアポートに使用する全空気量に対する主アフタエアポート３７の流量比率を変えたときにおける火炉出口のＣＯ濃度変化を示す。主アフタエアポート３７の流量比率を６０％にすると火炉出口のＣＯ濃度は急増する。これは、主アフタエアポート３７からの空気噴流に貫通力がなくなり、火炉中央部でのすりぬけが生じるためである。よって、主アフタエアポート３７の流量比率は７０％以上にすることが望ましい。
【００７４】
なお、アフタエアポートに使用する全空気量に対する副アフタエアポート３８からの流量割合が多いと、火炉前壁４５及び火炉後壁４６の近傍でエアポート噴流の割合は多くなる。一方、副アフタエアポート３８からの噴流割合が少ないと、副アフタエアポート３８間の火炉壁面近傍で未燃ガスのすり抜けが生じる。そのため、副アフタエアポート３８からの流量割合が少ないときには、副アフタエアポート３８からの噴流方向は、副アフタエアポート３８に隣接する主アフタエアポート３７の噴流と交差しない向きに副アフタエアポート３８の噴出孔を配置し、前記の主アフタエアポート３７の噴出方向に対して０〜１５°傾けることにより、副アフタエアポート間のすりぬけを防止することができる。
【００７５】
図１６に、副アフタエアポート３８からの空気噴出方向の一例を示す。主アフタエアポート３７間に配置された副アフタエアポート３８が一つの場合（図１６の（１）に相当）は、主アフタエアポート３７間の中央に副アフタエアポート３８を配置し、副アフタエアポート３８からの空気噴出方向は主アフタエアポート３７の噴流と同方向に噴出する。主アフタエアポート３７間に副アフタエアポート３８が複数個ある場合（図１６の（２）に相当）は、副アフタエアポート３８は主アフタエアポート３７間で等間隔に配置し、火炉中央部での主アフタエアポート３７間の中央位置に向けて空気を噴出させる。
【００７６】
図１７に、主アフタエアポート３７のエアポート構造の一例を示す。主アフタエアポート３７は同心軸上の多重円管構造になっている。中心部の円管からは直進流を噴出し、外周からは旋回流を噴出する。主アフタエアポート３７を多重管にし、直進流と旋回流の複合ポートにすることにより、貫通力の調整（火炉中央での未燃ガスすり抜け防止）および、主アフタエアポート３７と副アフタエアポート３８間の未燃ガス混合促進（旋回流の効果）が期待できる。
【００７７】
このように本実施例では、主アフタエアポート３７と副アフタエアポート３８は、両者の間隔を主アフタエアポート間（即ちバーナ間）の距離の１／４〜１／３であって等間隔に設置した。但し、火炉前壁４５及び火炉後壁４６近傍での未燃ガスのすり抜け防止が可能であれば、上記数値に限られず、また、等間隔に設置しなくてもよい。
【実施例９】
【００７８】
本発明の実施例を、図１８を用いて説明する。図１８は、副アフタエアポート３８の配置を主アフタエアポート３７よりも上流側に設置した場合におけるボイラの火炉前壁４５のポート配置を示す。
【００７９】
アフタエアポートからの空気噴流の周囲は未燃ガスとの混合により高温域を形成する。そこで、単一のアフタエアポート噴流で局所高温域を生成するよりも、噴流を分割して緩慢燃焼にさせることにより噴流周囲の局所高温域を小さくすることができ、サーマルＮＯｘの抑制に効果がある。本実施例では、副アフタエアポート３８を主アフタエアポート３７よりも上流側に配置することにより、主アフタエアポート３７からの噴流と未燃ガスの急速混合を抑制し、緩慢燃焼させることにより更なるサーマルＮＯｘ抑制の効果がある。
【００８０】
図１８では、副アフタエアポート３８は主アフタエアポート３７間の距離の１／３分だけ上流側に位置する例を示したが、数値は前記に限定されない。
【００８１】
また、副アフタエアポート３８を主アフタエアポート３７より下流側に配置した場合には、副アフタエアポート３８は火炉前壁４５及び火炉後壁４６近傍の未燃ガスのすり抜けを抑制する役割を果たし、ＣＯを抑制することが可能である。
【実施例１０】
【００８２】
図１９は本発明に係る微粉炭焚きボイラの概略構成図である。火炉の壁面は、上部の火炉天井４９、下部のホッパ４７、側方の火炉前壁４５、火炉後壁４６、ノーズ５０、及び火炉側壁４８（図２０に記載）で囲われ、それぞれの壁面には、図示しない水管が設置される。この水管により、火炉燃焼空間２３で発生した燃焼熱の一部が吸収される。燃焼熱は、火炉下流に設置された熱交換器９４で主に回収される。熱交換器９４は火炉天井４９で固定され、火炉の上流側へ熱伸びする構造となっている。火炉燃焼空間２３で生成した燃焼気体は下方から上方へ流れ、排出される。燃焼後の気体は、図示しない後部伝熱部を通り、ここで気体中に含まれる熱が、さらに回収される。
【００８３】
バーナの下流には、主アフタエアポート３７が設置される。主アフタエアポートは通常、火炉の前壁と後壁にそれぞれ複数個設置される。主アフタエアポート３７の構造は、噴出口付近で空気の流れが主アフタエアポート中心軸方向を向くように構成された、縮流型の構造である。構造の詳細は後述する。バーナ部で形成された空気不足の火炎から発生したＣＯなどの未燃焼成分の大部分は、主アフタエアの空気と混合することで完全燃焼（酸化）する。ただし、未燃焼成分と主アフタエア空気の混合時に、ＮＯｘ（主にサーマルＮＯｘ）も発生する。ＮＯｘの発生量は主アフタエア空気の運動量（縮流部の最大流速）と関連があり、主アフタエア空気の運動量の調整が重要である。さらに、主アフタエア空気の噴出条件をＮＯｘが低くなるように設定すると、酸化が不充分になり、ＣＯが発生しやすくなる傾向があるので、ＮＯｘとＣＯの性能バランスに留意して、主アフタエア空気の噴出条件を設定する必要がある。
【００８４】
主アフタエアポート３７の下流には副アフタエアポート３８が設置される。副アフタエアポート３８も通常、火炉の前壁と後壁にそれぞれ複数個設置される。副アフタエアポート３８の構造は、旋回流を供給できる構造である。構造の詳細は後述する。空気不足の火炎から発生したＣＯなどの未燃焼成分の大部分は、主アフタエアの空気と混合することで完全燃焼するが、一部は主アフタエアポート３７の間からすり抜ける。ＮＯｘを発生することなく未燃焼成分に効果的にガスを混合するためには、副アフタエア空気の運動量調整が重要である。
【００８５】
副アフタエアポート３８の設置位置は、副アフタエアポート３８の断面中心位置と主アフタエアポート３７の断面中心位置の距離が、主アフタエアポート３７の口径の１から５倍となるように配置することが望ましい。副アフタエアポート３８の断面中心位置が、主アフタエアポート３７における口径の５倍以上の長さより下流側に位置すると、主アフタエアポート３７の近傍でよどんでいる未燃焼成分７０へ副アフタエア空気７１を供給できなくなるため、火炉壁近傍のＣＯ濃度が増加する。逆に、副アフタエアポート３８の断面中心位置が、主アフタエアポート３７における口径の５倍以上の長さより上流側に位置すると、主アフタエアポート３７から供給される主アフタエア空気７２の流れが炉壁近傍で未燃焼ガスによって乱されるため、火炉中央に空気を供給できなくなる。更に、ガス温度が高い条件で副アフタエア空気７１が噴出されるためＮＯｘ濃度が増加する。また、副アフタエアポート３８は主アフタエアポート３７の口径の1倍以上離れたところに設置しないと、副アフタエアが主アフタエアポートからの噴流に巻き込まれるため、副アフタエアポートの効果が得られなくなる。
【００８６】
燃焼用空気は、空気流量配分調整機構４２で、バーナ用２次、３次空気５６とアフタエア空気５５に配分される。バーナへ供給される２次、３次空気５６は、空気流量配分調整機構４４で前壁側のバーナに流れる空気と後壁側のバーナに流れる空気に配分される。前壁側のバーナと後壁側のバーナに流れるバーナ用２次、３次空気５６は、微粉炭流量計７３で計測された微粉炭流量７４に応じて、制御器６１で設定されたバーナ用２次、３次空気流量設定値に制御される。制御器６１には、微粉炭流量計７３で測定された微粉炭流量７４とバーナ用２次、３次空気流量検出器７５で検出されたバーナ用２次、３次空気流量７６が入力される（図２０）。制御器６１では、１つのミルから供給される微粉炭量に偏差がある場合に、微粉炭流量７４に基づいて微粉炭が多く供給されているバーナ５２のバーナ用２次、３次空気流量７６を多くし、また微粉炭が少なく供給されているバーナ５２のバーナ用２次、３次空気流量７６を少なくし、個々のバーナの空気流量を独立して調整することができる。
【００８７】
アフタエア空気５５はアフタエア空気流量調整機構７７で、前壁側のアフタエアポートに流れる空気と後壁側のアフタエアポートに流れる空気に配分される。前壁側のアフタエアポートと後壁側のアフタエアポートの空気は、更に主アフタエア流量調整機構と副アフタエア流量調整機構により、主及び副アフタエアポートに流れる空気に配分される。これにより、主アフタエア空気の運動量と副アフタエア空気の運動量が調整できる。空気流量調整機構の詳細は後述する。主アフタエア空気の運動量が大きすぎるときには副アフタエア空気量を増やし、運動量が小さすぎるときには逆にする。副アフタエア空気は主アフタエアポート３７の下流で噴出し、主アフタエアポート３７の間からすり抜けた未燃焼成分に空気を供給するため、効率よくＣＯを低減できる。一方、副アフタエア空気は運動量が少なく、噴出した空気は下流側の低温部で未燃焼成分と混合するため、ＮＯｘ（サーマルＮＯｘ）発生に与える影響は小さい。また、副アフタエアを用いて主アフタエア空気量を調整できるので、バーナ５２へ供給される２次、３次空気流量７６は常に一定にできる。これは、バーナ部で形成される空気不足の火炎の燃焼条件を、ここでのＮＯｘ発生量が最も少なくなる最適条件で常に運用できることを意味する。この結果、バーナ部で発生するＮＯｘを常に最小に保つと同時に、主アフタエアの空気噴出条件をＮＯｘとＣＯの総合性能が最適になるよう保つことができる。
【００８８】
図２０は火炉前壁側から見たボイラの構成図である。主アフタエアポート３７と副アフタエアポート３８は同一のウィンドウボックス１に配置される。ウィンドウボックス１を共通とすると、ウィンドウボックス１へ供給される空気は１つの弁で調整できるため、制御が容易となる。副アフタエアポート３８の配置方法の１つは、主アフタエアポート３７の下流側に配置することである。バーナ５２は、バーナ用２次、３次空気供給ダクト５４が独立して接続され、個別に空気流量を制御できる。バーナ用２次、３次空気供給ダクト５４の流路にはバーナ用２次、３次空気流量調整機構７８が設置され、バーナ５２に流れる空気の量が調整される。また微粉炭を搬送する流路には微粉炭流量計７３が設置され、微粉炭流量計７３で計測された微粉炭流量７４に応じて、制御器６１で設定されたバーナ用２次、３次空気流量設定値に制御される。
【００８９】
副アフタエアポートの配置が空気と未燃焼成分の混合に及ぼす効果について、図２１、図２２を用いて説明する。図２１は火炉前壁側から見たボイラの前壁近傍のガス混合状態を、図２２は本発明による微粉炭焚きボイラのガスの混合状態を示す図である。バーナ５２で発生した未燃焼成分７０は、下流の主アフタエアポート３７から供給される空気と混合して酸化されるが、一部の未燃焼成分７０は主アフタエアポート３７の間からすり抜ける（図２１）。副アフタエアポート３８を主アフタエアポート３７における口径の１〜５倍の範囲に設置することにより、副アフタエアポート３８から供給した空気は、主アフタエアポート３７の間からすり抜けた未燃焼成分７０がよどんでいる火炉壁近傍に空気を供給できる。また、副アフタエア空気７１は運動量が小さいため、未燃焼成分７０とすぐには混合せずに火炉下流の低温域７９で混合する（図２１）。これによりサーマルＮＯｘの発生とＣＯの発生を同時に抑制することができる。
【００９０】
主アフタエア空気７２の運動量は副アフタエア空気７１の運動量の３〜20倍とすることが望ましい。例えば、主アフタエア空気72と副アフタエア71の流量比率を３：１、主アフタエア空気72の噴出流速を30m/s，副アフタエア71の噴出流速を15m/sとすると運動量比率は10倍となる。このようにすると、主アフタエア空気７２は火炉中央部へ効率よく供給され、未燃焼成分７０と急速に混合するため、効率よくＣＯを低減できる。また副アフタエア空気７１は火炉壁近傍へ効率よく供給され、火炉下流の低温域７９で未燃焼成分７０と副アフタエア空気７１が緩慢に混合するため、サーマルＮＯｘの発生を抑制できる。
【００９１】
図２３は、主アフタエアポートの構成、及び主アフタエアポートから噴出されるガスの混合状態を表しており、図１９のＡ−Ａ’断面図である。主アフタエアポート３７は通常、燃焼気体の流れと直角に複数配置され、火炉前壁４５側と火炉後壁４６側に同数配置される。図示されていないが、下流には副アフタエアポート３８が主アフタエアポート３７と同一のウィンドウボックス１に配置されている。主アフタエアポート３７へ供給される空気は、アフタエア空気流量調節機構７７により空気の量が調整され、更に主アフタエア空気流量調整機構４０によりそれぞれの流路に流れる空気の量が調整される。
【００９２】
主アフタエアポート３７の口径は、火炉中央側に比べて側壁側が小さくなるように配置される。側壁側の主アフタエア空気７２の口径を小さくして運動量を増加させると火炉中央部まで噴流が到達できるため、火炉中央部近傍をすり抜ける未燃焼成分７０に効率よく空気を供給することができる。
【００９３】
図２４は、副アフタエアポートの構成、及び副アフタエアポートから噴出されるガスの混合状態を表しており、図１９のＢ−Ｂ’断面図である。副アフタエアポート３８は通常、燃焼気体の流れと直角に複数配置され、火炉前壁４５側と火炉後壁４６側に同数配置される。図示されていないが、上流には主アフタエアポート３７が副アフタエアポート３８と同一のウィンドウボックス１に配置されている。副アフタエアポート３８へ供給される空気は、アフタエア空気流量調節機構７７により空気の量が調整され、更に副アフタエア空気流量調整機構４１によりそれぞれの流路に流れる空気の量が調整される。副アフタエア空気７１は、運動量を小さくして主アフタエアポート３７の間からすり抜けた未燃焼成分７０に空気を供給する。このようにすると、副アフタエア空気７１は、ガス温度の高い領域で未燃焼成分７０と混合することなく、温度の低い下流域で混合される。
【００９４】
図２５に、副アフタエアポートのエアポート構造の一例を示す。副アフタエアポート３８は同心軸上の多重円管構造になっている。中心部の円管８５からは直進流を噴出し、外周部８６からはレジスタ８７により旋回流を噴出する構造になっている。副アフタエア空気７１の流量は副アフタエア空気流量調整機構４１により調整することができる。副アフタエアポート３８を多重管にし、直進流と旋回流の複合ポートにすることにより、貫通力の調整（火炉中央での未燃ガスすり抜け防止）および、主アフタエアポート３７間の未燃ガス混合促進（旋回流の効果）が期待できる。
【実施例１１】
【００９５】
本実施例では、副アフタエアポートの配置を変えた場合について図２６、図２７を用いて説明する。図２６は、副アフタエアポート３８の配置の変型例であり、火炉前壁側から見たボイラの構成図である。図２７は火炉前壁側から見たボイラの構成図であり、前壁近傍のガスの混合状態を示す図である。主アフタエアポート３７と副アフタエアポート３８は同一のウィンドウボックス１に配置される。副アフタエアポート３８は、主アフタエアポート３７の上流側に配置される。このように副アフタエアポート３８を配置すると、副アフタエアポート３８から供給された副アフタエア空気７１によって、火炉上流からの燃焼ガス流れによどみが生じる。このため、主アフタエアポート３７から供給される主アフタエア空気７２の流れが火炉壁近傍で燃焼ガスによって乱されることなく、火炉中央に供給することができる。一方副アフタエア空気７１は運動量が小さく、火炉壁近傍に生じた燃焼ガスのよどみ域へ空気を供給できるため、未燃焼成分７０との混合が促進される。これにより主アフタエアポート３７の間に残留する未燃焼成分７０と効率よく混合される。
【実施例１２】
【００９６】
本実施例では、副アフタエアポートの配置を変えた場合について図２８、図２９を用いて説明する。図２８は、副アフタエアポート３８の配置の変型例であり、火炉前壁側から見たボイラの構成図である。図２９は火炉前壁側から見たボイラの構成図であり、前壁近傍のガスの混合状態を示す図である。主アフタエアポート３７と副アフタエアポート３８は同一のウィンドウボックス１に配置される。副アフタエアポート３８は、主アフタエアポート３７の間に交互に配置される。このように副アフタエアポート３８を配置すると、副アフタエア空気７１は主アフタエアポート３７の間から噴出されるため、主アフタエアポート３７の間からすり抜ける未燃焼成分７０へ直接空気を混合できるため、効率よくＣＯを低減できる。ここで副アフタエア空気７１の運動量を大きくすると、未燃焼成分７０と急速に混合して温度が上昇するため、サーマルＮＯｘが発生する。このため副アフタエア空気７１は運動量に特に留意して噴出する必要がある。副アフタエア空気７１の運動量を小さくすることにより、主アフタエアポート３７の間に副アフタエアポート３８を配置した場合でも、サーマルＮＯｘの発生を抑制しつつ主アフタエアポート３７の間に残留する未燃焼成分７０と効率よく混合される。
【実施例１３】
【００９７】
本実施例では、アフタエアポートの空気流量制御方法を変えた構成について、図３０を用いて説明する。図３０は、ウィンドウボックス１の配置の変型例であり、火炉前壁側から見たボイラの構成図である。少なくとも１組の主アフタエアポート３７と副アフタエアポート３８が同一のウィンドウボックス１に配置される。このようにすると、主アフタエア空気７２と副アフタエア空気７１の運動量の比率を変えることなく、火炉の中央部と火炉側壁部で噴出するアフタエア空気の流量を調整できる。副アフタエアポート３８の配置方法の１つは、主アフタエアポート３７の下流側に配置することである。ウィンドウボックス１はアフタエア空気供給ダクトが接続され、個別に空気流量を制御できる。アフタエア空気供給ダクトの流路にはアフタエア空気流量調整機構７７が設置され、主アフタエアポート３７及び副アフタエアポート３８に流れる空気の量が調整される。バーナ５２は、バーナ用２次、３次空気供給ダクト５４が独立して接続され、個別に空気流量を制御できる。バーナ用２次、３次空気供給ダクト５４の流路にはバーナ用２次、３次空気流量調整機構７８が設置され、バーナ５２に流れる空気の量が調整される。また微粉炭を搬送する流路には微粉炭流量計７３が設置され、微粉炭流量計７３で計測された微粉炭流量７４に応じて、制御器６１で設定されたアフタエア空気流量設定値に制御される。
【実施例１４】
【００９８】
本実施例では、アフタエアポートの空気流量制御方法について説明する。
【００９９】
図２０と図３２を用いて説明する。ミルから供給された微粉炭流量７４は微粉炭流量計７３により計量され、信号が制御器６１に入力される。またバーナ用２次、３次空気流量７６はバーナ用２次、３次空気流量検知器７５により計量され、信号が制御器６１に入力される。制御器６１ではバーナに供給される微粉炭流量７４を常時判定して、バーナ用２次、３次空気流量７６が計算される。制御器６１からの信号により、バーナ用２次、３次空気流量調整機構開度指令８０がバーナ用２次、３次空気流量調整機構７８に送られ、火炉内燃焼空間２３へ噴出するバーナ用２次、３次空気流量７６が制御される。微粉炭供給量が多い箇所が火炉前壁側にある場合は、火炉前壁のバーナ用２次、３次空気流量７６を多くし、後壁側のバーナ用２次、３次空気流量７６を少なくすることができる。また微粉炭供給量が多い箇所が火炉側壁部にある場合は、火炉側壁部のバーナ用２次、３次空気流量７６を多くし、火炉中央部のバーナ用２次、３次空気流量７６を少なくすることができる。本制御方法を用いれば、バーナ一台あたりに供給される微粉炭流量に応じてバーナ用２次、３次空気流量７６を制御し、火炉上流で発生する未燃焼成分７０へ空気を供給できるため、効果的にＣＯを低減できる。
【０１００】
次に、図３０と図３３を用いて説明する。ミルから供給された微粉炭流量７４は微粉炭流量計７３により計量され、信号が制御器６１に入力される。またアフタエア空気流量６３はアフタエア空気流量検知器６０により計量され、信号が制御器６１に入力される。制御器６１ではバーナに供給される微粉炭流量７４を常時判定して、アフタエア空気流量６３が計算される。制御器６１からの信号により、アフタエア空気流量調整機構開度指令６４がアフタエア空気流量調整機構７７に送られ、火炉内燃焼空間２３へ噴出するアフタエア空気流量６３が制御される。微粉炭供給量が多い箇所が火炉前壁側にある場合は、火炉前壁のアフタエア空気流量６３を多くし、後壁側のアフタエア空気流量６３を少なくすることができる。また微粉炭供給量が多い箇所が火炉側壁部にある場合は、火炉側壁部のアフタエア空気流量６３を多くし、火炉中央部のアフタエア空気流量６３を少なくすることができる。本制御方法を用いれば、バーナ一台あたりに供給される微粉炭流量に応じてアフタエア空気流量６３を制御し、バーナ部でＮＯｘ発生量が最小となる燃焼条件に保ったまま火炉上流で発生する未燃焼成分７０へ空気を供給できるため、効果的にＮＯｘ、ＣＯを低減できる。
【０１０１】
また、図３１と図３４を用いて説明する。燃焼ガスの酸素濃度測定値８１は、後部伝熱部の下流に設置されている酸素濃度検知器８２により計量され、信号が制御装置６１に入力される。また主アフタエア空気流量８９は主アフタエア空気流量検知器９０により計量され、信号が制御装置６１に入力される。制御装置６１では酸素濃度が低い箇所の上流に設置されているアフタエアエアポートの空気量を常時判定して、主アフタエアポート３７と副アフタエアポート３８の空気量を計算し、主アフタエア空気流量８９が決定される。制御装置６１からの信号により、主アフタエア空気流量調整機構開度指令９１が主アフタエア空気流量調整機構４０に送られ、火炉内燃焼空間２３へ噴出する空気流量が制御される。酸素濃度が低い箇所が火炉中央にある場合は、主アフタエアポート３７の空気流量を多くし、副アフタエア空気流量を調整することができる。逆に酸素濃度が低い箇所が火炉壁近傍にある場合は、主アフタエアポート３７の空気流量を少なくし、副アフタエア空気流量を調整することができる。本制御方法を用いれば、出口の酸素濃度に応じて主アフタエア空気流量、副アフタエア空気流量を制御し、未燃焼ガスへ効率よく空気を供給できるため、効果的にＮＯｘ、ＣＯを低減できる。
【符号の説明】
【０１０２】
１…ウィンドウボックス外筒、２…縮流部材、３…縮流部、４…噴出口、５…ウィンドウボックス開口部、７…縮流部の最小流路面積を規定する部材、９…縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材、１１…スライドリング、１３…ウィンドウボックス外壁、２３…火炉内燃焼空間、２４…ダンパ、２６…１次ノズル、２７…２次ノズル、２８…３次ノズル、３７…主アフタエアポート、３８…副アフタエアポート、３９…仕切り板、４０…主アフタエア流量調整機構、４１…副アフタエア流量調整機構、４２…空気流量配分調整機構、４３…空気流量配分調整機構、４４…空気流量調整配分機構、４５…火炉前壁、４６…火炉後壁、４８…火炉側壁、４９…火炉天井、５０…ノーズ、５１…燃焼後の気体、５２…バーナ、５３…空気不足の火炎、５４…バーナ用ウィンドウボックス、５５…アフタエア空気、５７…燃焼用空気、５９…給炭量検出器、６０…流量検出器、６１…制御器、６３…アフタエア空気流量、１００…火炉。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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