(57)【要約】【課題】ＮＯｘと未燃分を低減するのに好適な二段燃焼用空気ポートを提供する。【解決手段】ボイラ火炉の可燃性の燃焼ガスが流れる燃焼空間に、完全燃焼のための追加の空気を供給する二段燃焼用空気ポートを、ポート内部に、空気の噴流が内向きに噴出するようにした少なくとも二つのノズルを備えた構造とする。空気の噴流が内向きに噴出する少なくとも二つのノズルは、ポート中心軸を挟んで対向し且つ間隔をあけて配置する。対向配置された少なくとも二つの２つのノズルから噴出する噴流が、燃焼空間で衝突し、これにより、バーナから供給された燃料と空気の燃焼により形成され可燃ガスとの混合が促進され、ＮＯｘ及び未燃分が低減される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナより供給される燃料と空気の燃焼により形成される燃焼ガスが流れる炉内の燃焼空間に、追加の空気を供給する二段燃焼用空気ポートにおいて、ポート内部に空気の噴流が内向きに噴出されるようにした少なくとも二つのノズルが、ポート中心軸を挟んで対向し且つ間隔をあけて設置されていることを特徴とする二段燃焼用空気ポート。
【請求項２】
請求項１において、少なくとも二つの前記ノズルを、燃焼ガスの流れ方向に設置したことを特徴とする二段燃焼用空気ポート。
【請求項３】
請求項１において、少なくとも二つの前記ノズルの出口が一つの孔であることを特徴とする二段燃焼用空気ポート。
【請求項４】
請求項３において、前記孔の断面形状が矩形であることを特徴とする二段燃焼用空気ポート。
【請求項５】
請求項１において、前記ノズルの上流に空気流量調整用のダンパが備えられていることを特徴とする二段燃焼用空気ポート。
【請求項６】
請求項１において、ポート中心軸を挟んで対向配置された少なくとも二つの前記ノズルの間に、さらにポート中心軸の方向に空気を噴出するノズルが備えられていることを特徴とする二段燃焼用空気ポート。
【請求項７】
請求項１において、前記バーナより供給される燃料が石炭であり、石炭を空気不足の状態で燃焼させることにより形成される可燃性の燃焼ガスに対して、追加の空気を供給するものであることを特徴とする二段燃焼用空気ポート。
【請求項８】
燃料と空気を噴出するバーナと、前記バーナより供給される燃料と空気の燃焼により形成される可燃性の燃焼ガスに対して追加の空気を供給する二段燃焼用空気ポートとを具備するボイラにおいて、前記二段燃焼用空気ポートに、空気の噴流が内向きに噴出される少なくとも二つのノズルが、ポート中心軸を挟んで対向し且つ間隔をあけて設置されていることを特徴とするボイラ。
【請求項９】
請求項８において、前記二段燃焼用空気ポートに備えられた少なくとも二つの前記ノズルが、いずれも燃焼ガスの流れ方向に配置されていることを特徴とするボイラ。
【請求項１０】
請求項８において、前記二段燃焼用空気ポートのポート中心軸を挟んで対向する少なくとも二つの前記ノズルの間に、さらにポート中心軸の方向に空気を噴出するノズルが備えられていることを特徴とするボイラ。
【請求項１１】
請求項８において、前記バーナから燃料として石炭が供給されることを特徴とするボイラ。
【請求項１２】
請求項８において、前記二段燃焼用空気ポートの前記ノズルの上流に空気流量調整用のダンパが備えられていることを特徴とするボイラ。
【請求項１３】
バーナより供給される燃料と空気の燃焼により形成される可燃性の燃焼ガスが流れる炉内の燃焼空間に、二段燃焼用空気ポートから追加の空気を供給する方法であって、前記二段燃焼用空気ポートを、ポート内部に空気の噴流が内向きに噴出されるようにした少なくとも二つのノズルが、ポート中心軸を挟んで対向し且つ間隔をあけて配置された構造とし、前記二段燃焼用空気ポートを前記燃焼ガスが流れる方向に前記ノズルが配置されるように設置し、前記燃焼ガスのＮＯｘ濃度が高い場合にポート中心軸を挟んで対向する前記ノズルのうち燃焼ガスの流れ方向上流側に位置するノズルの空気流量を増加させるようにしたことを特徴とする二段燃焼用空気ポートの運用方法。
【請求項１４】
バーナより供給される燃料と空気の燃焼により形成された可燃性の燃焼ガスが流れる炉内の燃焼空間に、二段燃焼用空気ポートから追加の空気を供給する方法であって、前記二段燃焼用空気ポートを、ポート内部に空気の噴流が内向きに噴出されるようにした少なくとも二つのノズルが、ポート中心軸を挟んで対向し且つ間隔をあけて配置された構造とし、前記二段燃焼用空気ポートを前記燃焼ガスが流れる方向に前記ノズルが配置されるように設置し、前記燃焼ガスのＣＯ濃度が高い場合にポート中心軸を挟んで対向する前記ノズルのうち燃焼ガスの流れ方向下流側に位置するノズルの空気流量を増加させるようにしたことを特徴とする二段燃焼用空気ポートの運用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナより供給される燃料と空気の燃焼により形成される可燃性の燃焼ガスに対して、追加の空気を供給する二段燃焼用空気ポートとその運用方法及びボイラに関する。本発明は、バーナより石炭と空気を供給して燃焼する燃焼装置に対して特に好適である。
【背景技術】
【０００２】
燃焼装置では、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度低減、一酸化炭素（ＣＯ）などの未燃分低減が求められている。これらの要求に応えるために、バーナから燃料と空気を投入し、空気不足の状態で燃焼した後に再度、空気を追加投入して完全燃焼させる二段燃焼方式が採用されている。二段燃焼方式のボイラでは、二段燃焼用空気ポート（以下、アフタエアポートと呼ぶ）から投入されるアフタエアの混合促進による未燃分の低減が要求されている。この改善策として、複数個のアフタエアポートを多段に設置して、アフタエアを多段に投入する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３０２１１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＮＯｘやＣＯを低減するためには、アフタエアポートを多段に設置することが一つの有効な方法である。しかし、この方法では、多段の空気量配分を決めることが難しく、また操作範囲が狭いという問題点がある。さらに、コストが高くなるという問題点がある。
【０００５】
本発明の目的は、多段に設置しなくても、ＮＯｘ或いはＣＯの低減が図れるようにしたアフタエアポートを提供することにある。また、アフタエアポートの運用方法、並びにアフタエアポートを備えた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】
【０００６】
本発明は、ポート内部に空気の噴流が内向きに噴出されるようにした少なくとも二つのノズルを、ポート中心軸を挟んで対向し且つ間隔をあけて設置したことを特徴とするアフタエアポートにある。
【０００７】
また、本発明は、燃料と空気を噴出するバーナと、前記バーナより供給される燃料と空気の燃焼により形成される可燃性の燃焼ガスに対して追加の空気を供給する二段燃焼用空気ポートとを具備し、二段燃焼用空気ポートに、空気の噴流が内向きに噴出されるようにした少なくとも二つのノズルが、ポート中心軸を挟んで対向し且つ間隔をあけて設置されていることを特徴とするボイラにある。
【０００８】
また、本発明は、前述の構造を有するアフタエアポートを、可燃性の燃焼ガスが流れる方向にノズルが配置されるように備え、燃焼ガスのＮＯｘ濃度が高い場合に、ポート中心軸を挟んで対向するノズルのうち、燃焼ガスの流れ方向上流側に配置されたノズルの空気流量を増加させるようにしたことを特徴とするアフタエアポートの運用方法にある。
【０００９】
また、本発明は、前述の構造を有するアフタエアポートを、可燃性の燃焼ガスが流れる方向にノズルが配置されるように備え、燃焼ガスのＣＯ濃度が高い場合に、ポート中心軸を挟んで対向するノズルのうち、燃焼ガスの流れ方向下流側に配置されたノズルの空気流量を増加させるようにしたことを特徴とするアフタエアポートの運用方法にある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、アフタエアポートの中心軸を挟んで両側に配置されたノズルから、空気の噴流が内向きに噴出されて燃焼空間で衝突し、これにより、一次燃焼ガスとの混合が促進されるので、ＮＯｘ及び未燃分が低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のアフタエアポートでは、ポート中心軸を挟んで対向して配置された、空気の噴流を内向きに噴出する複数個のノズルの間に、さらにポート中心軸の方向に空気が噴出されるようにした追加のノズルを備えることができる。この追加のノズルを使用することにより、内向きに噴出する空気の流量、流速を調整することができる。
【００１２】
空気の噴流を内向きに噴出するノズルは、通常の場合には、ポート中心軸を挟んで両側に、それぞれ一個設ければ十分である。
【００１３】
アフタエアポートに備えられた複数個のノズルは、バーナより供給された燃料と空気の燃焼により形成された燃焼ガスの流れ方向に配置されることが望ましい。燃焼ガスの流れ方向に対して垂直の方向に複数個のノズルを配置することも可能であるが、これよりは、燃焼ガスの流れ方向にノズルを配置した方が、未燃分及びＮＯｘ低減に対する効果が大きい。
【００１４】
アフタエアポートは、炉内に噴出するノズルの出口が一つの孔であるのが良く、また、この出口の孔は角形、丸形等が可能であるが、角形、中でも矩形とするのが良い。更に、空気の噴流を内向きに噴出するノズルの上流には、空気流量調整用のダンパを設置することが望ましい。本発明は、バーナの燃料として石炭を使用する燃焼装置に適する。
【００１５】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明するが、以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明によるアフタエアポートの実施形態の一例を示した縦断面図であり、図２は正面図、図３は横断面図である。図１に示すように、空気はウインドボックス２０から供給される。空気は、上部ノズル１８と下部ノズル１９に分離されて、上部噴流１２と下部噴流１３を形成する。二つの噴流は、衝突して合流後の噴流１４を形成し、燃焼空間１６に供給される。二つの噴流を衝突させることで、噴流と燃焼ガス１５の混合を促進させることができる。
【００１７】
噴流を衝突させるために、上部ノズル１８と下部ノズル１９は、噴流がポートの中心軸の方向に向けて噴出されるように構成される。すなわち、噴流が内向きに噴出されるように構成される。上部ノズル１８と下部ノズル１９の空気噴出角度の最適値は、燃焼状態により異なるが、１０°〜４５°の範囲にするのが良い。本実施例では、上部ノズル１８と下部ノズル１９の間に、更にポート中心軸方向に空気の噴流を噴出する一次ノズル１を設置した。
【００１８】
上部ノズル１８と下部ノズル１９は、図１に示すように、燃焼ガス１５の流れ方向に配置することが望ましい。図１には示さないが、燃焼ガス１５の流れ方向に対して垂直な向きに並んで配置することもできる。
【００１９】
ボイラの場合、火炉壁３にウインドボックス２０が設置され、ウインドボックス外壁１７にアフタエアポートが取り付けられる。火炉壁３は水管４で形成されており、アフタエアポートのノズル外壁２の先端部分を水管で形成すると、ノズル先端部分を冷却することができる。
【００２０】
上部噴流１２と下部噴流１３の流量は、個別に調整できるようにすることが望ましい。このために、図１に示すように、上部ノズル１８の上流に空気調整ダンパ７，８を設置し、下部ノズルの上流に空気調整ダンパ９，１０を設置するのが良い。
【００２１】
合流後の噴流１４を水平に向ける場合、すなわち燃焼ガス１５の流れ方向に対して垂直の方向に噴流１４が噴出されるようにする場合には、空気調整ダンパ７，８，９，１０の全てを開くと流速が最も遅くなる。流量が一定ならば、内側の空気調整ダンパ８，９を閉じると入口の流速が速くなり、上部噴流１２と下部噴流１３の速度を上げることができる。ウインドボックス２０の圧力が同じ場合には、空気調整ダンパを閉じると流量が低下する。空気調整ダンパ７，８，９，１０の全てを閉じると流量が最も少なくなる。さらに流速を低下させるためには、一次空気ダンパ５を全開にして、一次ノズル１を流れる一次空気６の流量を増加させる。
【００２２】
次に、噴流１４を上方に向ける場合について、図４を用いて説明する。なお、噴流１４を下方に向ける場合には、上方に向ける場合と上下反対の操作をすればよい。上部噴流１２と下部噴流１３の流量を制御すると噴出方向を制御可能である。図４に示す構造のアフタエアポートにおいて、上部ノズル１８の空気調整ダンパ７，８を閉じると、上部噴流１２の流量を低下させることができる。この場合、下部噴流１３の流量は増加するので、合流後の噴流１４は上方に向く。この結果、燃焼ガス１５と噴流１４の空気の混合が遅れるので、ＮＯｘ濃度が低下する。混合が遅くなるために未燃分が高くなる可能性はあるが、下部噴流の流速が速まるので下流における混合を促進し、未燃分を低下させることができる。上方に噴流１４を向けて、さらに流速を遅くしたい場合には、一次空気ダンパ５をあけて、一次ノズル１からの空気の流量を増加させる。この条件では、下部噴流１３の流量が低下し、合流後の噴流１４の流速が低下する。
【００２３】
図５には、本発明のアフタエアポートをボイラ火炉に適用した例を示した。ボイラの火炉１０５は水管で形成され、通常は横断面がほぼ四角形の形をしている。火炉１０５の前壁と後壁に、それぞれバーナ用ウインドボックス１０４が設置され、そのウインドボックス内に複数個のバーナ１１４が多段に設置される。本実施例では三段にバーナが設置されている。バーナ１１４には空気と燃料が供給される。これらが燃焼して、可燃ガス１０１の流れを形成する。この可燃ガス１０１とアフタエアポート５０からの噴流１４とが混合して完全燃焼し燃焼ガス１０６となる。バーナ１１４とアフタエアポート５０の空気流量は、空気調整ダンパ１０９と空気調整ダンパ１１０により調整可能である。空気供給ライン１０８を流れる空気は、空気調整ダンパ１０９とバーナ用空気供給ライン１１１を通って、バーナ用ウインドボックス１０４へ供給される。また、空気供給ライン１０８を流れる空気は、空気調整ダンパ１１０と空気供給ライン１１２を通ってウインドボックス２０に供給される。ボイラの燃焼調整にあたっては、最初に、バーナの燃焼状態が最適となるように制御装置１１５により空気調整ダンパ１０９を調整し、バーナの空気量を調整する。次に、アフタエアにおける燃焼状態が最適となるように、空気調整ダンパ１１０並びに空気調整ダンパ７，８，９，１０を調整する。
【００２４】
次にアフタエアポートのダンパの開閉制御方法について説明する。まず、ＮＯｘ濃度が高い場合について説明する。図５では、ガスセンサー１１６が火炉の下流に設置されている。ガスセンサー１１６で測定したＮＯｘ濃度が高い場合には、アフタエアポートの流速を低くする操作を行う。すなわち、空気調整ダンパ７，８，９，１０と一次空気ダンパ５を開く。もう一つの方法は、空気調整ダンパ７、８を開き、上部ノズル１８の空気の流量を多くし、噴流１４が火炉の上流方向へ向かって噴出されるようにする。
【００２５】
次に、ＣＯ濃度が高い場合について説明する。ガスセンサー１１６で測定したＣＯ濃度が高い場合には、一次空気ダンパ５を閉じて全体的に流速を速くする。また、上部ノズル１８の空気調整ダンパ７、８、もしくは下部ノズル１９の空気調整ダンパ９，１０を閉じて流速を速くしても良い。上部ノズル１８の空気の流量を多くするほどＣＯ濃度は低下する。ＣＯ以外の未燃分が多い場合にも、この方法は有効である。
【００２６】
次に、アフタエアポートの温度が高い場合について説明する。アフタエアポートに、後述の図７に示すように温度センサー３０を設置する。温度が高くなるとアフタエアポートの故障が起こりやすくなる。温度が高い場合には、アフタエアポートの空気流量を増加させる。但し、アフタエアポートの空気流量を変化させると、バーナの燃焼を最適な状態に保てないことがある。このような場合には、アフタエアポートの一次空気流量を増加させると良い。または、上部ノズル１８の上側の空気調整ダンパ７と下部ノズル１９の下側の空気調整ダンパ１０を閉じて、内側の空気流速を上げることが有効である。
【００２７】
図８は三次元の燃焼、流動、伝熱の数値解析により、ボイラ火炉内の燃焼状態を予測した結果を示している。燃料は微粉炭である。バーナ空気比は０．８で、火炉全体の空気比は１．１５である。図８のＣＯ、ＮＯｘは火炉出口における平均値である。条件Ａはアフタエアポートのノズルが円形であり、ノズルが複数個に分割されていない場合である。条件Ｂは本発明の実施例で、図１に示すようにノズル出口の孔を矩形とし、上部ノズル１８と下部ノズル１９に分割した場合である。本発明の場合には、同一ＮＯｘ濃度で比較してＣＯ濃度を大幅に低減できることが分かった。
【００２８】
以上、出口の孔が角形、特に矩形のアフタエアポートを用いた場合について説明したが、出口の孔が丸形のアフタエアポートでも代替可能である。
【実施例２】
【００２９】
図６は、本発明によるアフタエアポートの別の実施例を示したものである。図１に示した実施例では、中心に一次空気を流しているが、本実施例では一次空気を供給しない。一次空気を流して全体の空気流速を調整しない場合には、図６のような形状にすると構造が簡単になる。図６において、上部ノズル１８と下部ノズル１９は、いずれもノズル外壁２とノズル内壁１１によって形成されている。ノズル外壁２とノズル内壁１１は支持板２３によって固定されている。上部ノズル１８と下部ノズル１９の間のアフタエアポート中心部分を固定する必要があれば、上部ノズル側のノズル内壁１１と下部ノズル側のノズル内壁１１の間を板２２で固定すれば良い。ノズル内壁１１は輻射熱で加熱されるので、孔２２を設置しておき、冷却するのが良い。
【実施例３】
【００３０】
図７はアフタエアポートの更に別の実施例を示している。本実施例では、図１の実施例に加えて、ダンパの自動開閉機能を追加した。空気調整ダンパ７，８，９，１０には上下ノズル移動用ロッド２８が接続されている。ロッドの先には、モータボックス２６が設置されており、モータでダンパを動作させることができる。また、一次空気ダンパ５も一次空気移動用ロッド２９と一次空気用モータボックス２７を用いて移動することができる。これらのモータボックスを図５に示した制御装置１１５の制御信号により動作させる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例によるアフタエアポートの縦断面図である。
【図２】図１に示したアフタエアポートの正面図である。
【図３】図１に示したアフタエアポートの横断面図である。
【図４】図１に示したアフタエアポートの空気流動状態を変えた場合の説明図である。
【図５】本発明の一実施例によるボイラのシステム構成図である。
【図６】本発明の別の実施例によるアフタエアポートの構造を示す断面図である。
【図７】本発明の更に他の実施例によるアフタエアポートの構造を示す断面図である。
【図８】アフタエアポートの構造の違いによる性能の差を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…一次ノズル、２…ノズル外壁、３…火炉壁、４…水管、５…一次空気ダンパ、６…一次空気、７…空気調整ダンパ、８…空気調整ダンパ、９…空気調整ダンパ、１０…空気調整ダンパ、１１…ノズル内壁、１２…上部噴流、１３…下部噴流、１４…噴流、１５…燃焼ガス、１６…燃焼空間、１７…ウインドボックス外壁、１８…上部ノズル、１９…下部ノズル、２０…ウインドボックス、３０…温度センサー、１０４…バーナ用ウインドボックス、１０５…火炉、１０６…燃焼ガス、１０９…空気調整ダンパ、１１０…空気調整ダンパ、１１４…バーナ、１１５…制御装置、１１６…ガスセンサー。
【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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