(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラーの垂直外壁面に対して水平方向へボイラーの内外へ延伸した一次空気送入管を設け、この一次空気送入管内の先端に一次空気送入管の軸方向に延伸した着火管を設けると共に前記一次空気送入管内の他端に燃料入口を設け、前記一次空気送入管の軸方向に延伸した環状の二次空気送入管を設け、この二次空気送入管の先端位置をこの二次空気送入管の中心軸に沿って移動可能に設けると共に、前記二次空気送入管の外側に実質的に中心軸を同じくする環状の三次空気送入管を設け、この三次空気送入管の先端に交換可能な三次空気噴出管を装着せしめてなることを特徴とするバーナー。
【請求項２】
前記二次空気送入管の外表面と三次空気送入管の内表面との距離が、一次空気送入管の内半径より大であることを特徴とする請求項１記載のバーナー。
【請求項３】
前記三次空気噴出管を前記三次空気送入管に対して軸方向へ位置調節可能であることを特徴とする請求項１または２記載のバーナー。
【請求項４】
前記一次空気送入管の軸線を水平軸の廻りに傾斜するように設けてなることを特徴とする請求項１、２または３記載のバーナー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば廃棄物を分別して得られる可燃固体（以下フラフという）あるいはこれに添加物を加え混合成型して得られる粒状燃料（以下ＲＤＦという）と、石炭を混合して粉砕することにより製造された粉状燃料（以下ハイブリツド燃料という）を安定に燃焼し、酸化窒素、塩化水素等の有害ガスの発生を抑止しながら効率よく燃焼するバーナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
微粉炭を燃焼するボイラーは主として火力発電用として確立した技術になっているが、燃焼ガス中の酸化窒素を低減することが要求されるようになってからは低酸化窒素バーナーの研究開発が行われ、これを達成するために多くの発明が提案されている。それらの発明に共通する考えの主なる所は、燃焼炎を燃料に対して必要な理論空気量よりも少ない空気量で燃焼する領域（以下濃燃焼域という）とそれよりも多い空気量で燃焼する領域（以下淡燃焼域という）とに分離し、濃燃焼域の温度を高すぎないように調節して酸化窒素の発生を抑えると共に微粉炭から発生する可燃ガス中の窒素分をアンモニアなどに転化させ、淡燃焼域からの燃焼ガスと混合させて酸化窒素の分解に役立たせるところである。上記の現象を具体化させる方法およびバーナー構造において各発明の特徴があった。その例としては例えば特許第２５２７９２２号、特許第２５６５６２号、特開平８−２８５２３１号などが知られている。
【０００３】
微粉炭燃焼のボイラーは通常水管壁であり、バーナーに対する高温の固体着火源がないので、揮発分の多い石炭でないと着火が不安定になり危険である。高揮発分石炭の資源量が多くないことから、低揮発分の石炭の使用が急がれており、そのためのバーナーの研究開発の結果として各種の発明が提案されている。しかしながら、安全性の立場からみればまだまだ不充分であり、例えば無煙炭あるいはピッチコークスを安定に燃焼できるボイラー用バーナーの技術はいまだ確立していない。
【０００４】
一方、一般廃棄物あるいは産業廃棄物は収集後に焼却し、固形物を溶融固化する技術が開発されて実用化の段階にきているが、社会・エネルギーシステム全体としてこれを見ると合理的な方法でない。廃棄物は出来るだけ分別し固形分は資源として回収し、可燃分はそのまま燃料としてあるいはＲＤＦとして燃焼して効率のよい発電を行えばその分だけ輸入燃料を低減させ地球規模の二酸化炭素発生抑止に貢献できるからである。
【０００５】
廃棄物から得られる可燃物には一般に蛋白質やアクリル樹脂などからの窒素分、および食品からの塩類、塩化ビニールなどが多く存在し、それらの微粉を微粉炭燃焼のために開発された前記技術によるバーナーで燃焼する場合には、酸化窒素の生成量が多く、かつ塩化水素および塩素ガスが発生して伝熱面を腐蝕するようになる。上述のＲＤＦには通常カルシウム分が混合されており、燃焼中に発生する塩化水素などを除去して、これらによる伝熱面の腐蝕を防止する役割を果たすが、燃焼中にその効果をあげるための条件は、低酸化窒素を目的として開発された公知のバーナーで得られるものと同一ではない。すなわち、微粉炭よりもずっと多い窒素とを有害な塩素分を含む可燃物を空間中で燃焼して、酸化窒素の発生を最大限に抑制し、且つ塩化水素を含有カルシウム分と反応ざて充分に除去するためには、前述の燃料過剰の濃燃焼域と空気過剰の淡燃焼域の混合条件を固定せず、ハイブリツド燃料中の廃棄物可燃分と微粉炭の混合比の広い範囲にわたつて、燃料の質的、量的変動およびボイラー負荷変動に対して酸化窒素抑制と塩化水素ガスなどの発生防止の両効果が最大になるように燃焼状態を調節することが必要になる。ＲＤＦではなく、フラフと微粉炭を混合して燃焼する場合には、石灰石あるいは消石灰などのカルシウム源をこれに添加して塩化水素などの除去を行うが、両種燃焼領域の混合状態を調節する必要があることは同様である。
【０００６】
【発明が解決しょうとする課題】
ハイブリッド燃料中に存在する塩類、塩化ビニールなどからの塩素分を、空間燃焼中にＲＤＦ中に分散して存在するカルシウム分と反応させて除去すると共に、酸化窒素の発生を抑制することは、公知の微粉炭専用バーナーの開発では考慮されておらず、特に脱塩反応の最適条件に調節することができない。
【０００７】
この発明の目的は、公知の微粉炭燃焼バーナーで得られるレベルの低酸化窒素燃焼と同時に、ハイブリツド燃料中に存在するカルシウム分による脱塩反応を、ハイブリッド燃料中の廃棄物可燃分と微粉炭混合比の広い領域にわたつて最適条件で進行させるように調節することのできるバーナーを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１よるこの発明のバーナーは、ボイラーの垂直外壁面に対して水平方向へボイラーの内外へ延伸した一次空気送入管を設け、この一次空気送入管内に一次空気送入管の軸方向に延伸した着火管を設けると共に前記一次空気送入管内の他端に燃料入口を設け、前記一次空気送入管の軸方向に延伸した環状の二次空気送入管を設け、この二次空気送入管の先端位置をこの二次空気送入管の中心軸に沿って移動可能に設けると共に、前記二次空気送入管の外側に実質的に中心軸を同じくする環状の三次空気送入管を設け、この三次空気送入管の先端に交換可能な三次空気噴出管を装着せしめてなることを特徴とするものである。
【０００９】
したがって、一次空気送入管内の他端に設けた燃料入口より燃料が供給されると共に、一次空気送入管より一次空気が送られて噴出され、二次空気送入管より二次空気が送られて噴出され、さらに三次空気送入管より三次空気が送られて三次空気噴出管から噴出されて燃焼室で燃焼される。しかも、燃料であるハイブリッド燃料量に対し、一次空気量は着火に必要な量に押さえ、二次空気量は一次空気量と合わせて理論空気量よりも低い値で送入することにより、炎の中心軸付近では還元性の燃料が過剰な燃焼が達成される。
【００１０】
未燃焼ガス成分および未燃焼炭素粒は、二次空気送入管の外側に送入される三次空気によって、ボイラー燃焼室中で燃焼を完了する。
【００１１】
請求項２によるこの発明のバーナーは、請求項１のバーナーにおいて、前記二次空気送入管の外表面と三次空気送入管の内表面との距離が、一次空気送入管の内半径より大であることを特徴とするものである。
【００１２】
したがって、前記二次空気送入管の外表面と三次空気送入管の内表面との距離が、一次空気送入管の内半径より大であるから、燃料過剰の濃燃焼域と、三次空気による空気過剰の淡燃焼域が分離され、両燃焼領域の混合条件が調節される。
【００１３】
請求項３によるこの発明のバーナーは、請求項１または２のバーナーにおいて、前記三次空気噴出管を前記三次空気送入管に対して軸方向へ位置調節可能であることを特徴とするものである。
【００１４】
したがって、前記三次空気噴出管を前記三次空気送入管に対して軸方向へ位置調節することにより、ハイブリッド燃料中の廃棄物可燃分と石炭との混合比の広い範囲に対して酸化窒素と塩化水素などの発生を抑制しながら燃焼が進行される。
【００１５】
請求項４によるこの発明のバーナーは、請求項１、２または３のバーナーにおいて、前記一次空気送入管の軸線を水平軸の廻りに傾斜するように設けてなることを特徴とするものである。
【００１６】
したがって、前記一次空気送入管の軸線が水平軸の廻りに傾斜するように設けられているから、ボイラー燃焼室内にて複数個のバーナーによって生成する火炎がボイラー中心部に望ましい形と温度の火炎柱を形成するように調節される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１を参照するに、ボイラー１の垂直外壁面３の下部には開口部５が形成されている。この開口部５には前記ボイラー１の垂直外壁面３に対して水平方向へボイラー１の内外へ延伸した一次空気送入管７が設けられている。この一次空気送入管７の中心軸が水平軸線に一致している。そして、この一次空気送入管７の内部には着火燃料を送入する着火管９が前記一次空気送入管７の軸線方向に沿って設けられている。しかも、この一次空気送入管７の先端には保炎器１１が取り付けられている。
【００１９】
前記着火管９の反対側（図１において左側）すなわち、一次空気送入管７内の他端には着火用燃料入口１３が設けられている。また、前記一次空気送入管７の左側における上部には一次空気を送入する送入管入口１５が設けられており、一次空気によって揚送される微粉状燃料が送入管入口１５から一次空気送入管７を経てボイラー燃焼内に噴出される。
【００２０】
前記一次空気送入管７の外側には環状の二次空気送入管１７が設けられている。この二次空気送入管１７の先端には保炎器１９が取り付けられていると共に、二次空気送入管１７の左側における上部には二次空気を送入する送入管入口２１が設けられている。前記保炎器１１、１９の形状、寸法は図１に示したものに限定されない。また、二次空気送入管１７の先端の形状は任意であり、必要によっては二次空気気流の旋回板を設けることもできる。
【００２１】
二次空気送入管１７はガイド管２３に挿入されており、二次空気送入管１７の先端の位置を図１の中では左右に調節できる。この二次空気送入管１７の外表面から一次空気送入管７の内半径以上の距離に内表面を有する環状の三次空気送入管２５が設けられている。この三次空気送入管２５の左側における下部には左側方向へ延伸し前記ボイラー１の外表面３より突出して三次空気を送入する送入管入口２７が設けられている。前記三次空気送入管２５の先端には環状の三次空気噴出管２９が挿入されており、三次空気送入管２５に対して左右方向へスライドして三次空気噴出管２９の先端を適宜調節できるようになつている。しかも、前記三次空気噴出管２９の先端には噴出孔３１が形成されていると共に、その先端の構造は任意であり、必要によっては三次空気の旋回板を設けることもできる。
【００２２】
前記三次空気送入管２５の左側には風箱３３が一体的に設けられており、また前記ガイド管２３、二次空気送入管１７によつて構成されるバーナーユニット３５は、中心点３７を有する球面状あるいは円柱面状の摺動面を有する摺動体３９を有し、前記ボイラー１の外壁面３に対して固定される摺動体受け４１が設けられている。
【００２３】
上記構成により、一次空気によって揚送されるハイブリッド燃料は一次空気の送入管入口１５から一次空気送入管７を経て図１の右方にある燃焼室へ噴出される。この際、一次空気送入管７の先端に設けられた保炎器１１は一次空気送入管７の先端で気体流により渦流を発生させ、ハイブリッド燃料の着火を促進して先端に安定な炎を形成する。
【００２４】
二次空気は送入管入口２１より送入され、二次空気送入管１７を通ってその先端から燃焼室に噴出し、一次空気によって着火したハイブリッド燃料に対し燃料過剰で還元性の燃焼を促進させる。三次空気は送入管入口２７より風箱３３、三次空気送入管２５を経て三次空気噴出管２９の先端から燃焼室内に噴出し、一次空気と二次空気によるハイブリッド燃料の還元性で燃料過剰の燃焼炎において発生した未燃焼ガスおよび未燃焼炭素分の燃焼を完了させる。この際の燃焼炎は空気過剰の酸化性炎にすることができる。
【００２５】
燃料過剰の還元性燃焼炎および空気過剰の酸化性炎は両方とも一般の燃焼炎に比べて温度が低くなり、そのために酸化窒素の発生が少ない。
【００２６】
ハイブリッド燃料中に多く含有される窒素分の一部は一次空気および二次空気による還元炎の燃焼によりアンモニア、ＨＣＮなどのガスに転化する。これらを含む還元性燃焼炎の燃焼ガスが、その外側に形成される酸化性の燃焼炎と混合することにより、後者において発生する酸化窒素ガスと反応してこれを低減する。
【００２７】
一方、ハイブリッド燃料中の塩素分は還元性燃焼炎においては塩化水素ガスに転化するものがあり、ＲＤＦ原料中のカルシウム分と反応して塩化カルシウムを生成し、その大部分は燃焼灰に吸着して分離される。この反応に適する燃焼条件は酸化窒素低減のための燃焼条件と一致せず、ハイブリッド燃料における廃棄物可燃分と微粉炭比の広い条件に対して、バーナー全体としての低酸化窒素と低塩化水素ガスの両方を実現するためには、一次、二次空気による還元性燃焼炎と、その周囲の三次空気による酸化燃焼炎の混合状態を上記条件に適合するように調節することが必要である。図１の三次空気送入管２５および三次空気噴出管２９はこれを実現するためのものであり、三次空気噴出管２９を三次空気送入管２５に対してスライドすることにより三次空気噴出の状態を調節する。
【００２８】
図１の三次空気噴出管２９の形状、寸法は図１のものに限定されず、例えば図２に示めされているように三次空気噴出管２９の中心軸４３との距離を大きくするものであってもよく、また、図３に示されているように三次空気噴出管２９の中心軸４３との距離を小さくするものでもよく、また、図４に示されているように三次空気噴出管２９の出口を傾斜させることもできる。
【００２９】
バーナー始動時における着火は気体あるいは液体燃料を燃料入口１３から着火管９に送入し、公知の方法によって着火させる。また、前記バーナーユニット３５は、中心点３７を有する球面状あるいは円柱面状の摺動面を有する摺動体３９を有し、ボイラー１の外壁面３に対して固定される摺動体受け４１の作用により、中心点３７のまわりに水平軸に対して４５度以内の角度まで自由に調節できるように構成されている。
【００３０】
ハイブリッド燃料の燃焼は燃焼後の灰分がボイラー１の内壁面に付着しないで固化した状態で分離できるように、ボイラー１の垂直中心軸のまわりに柱状の火炎を形成することが必要であるが、水平軸線に対して燃料流の噴射角度を調節することにより、低酸化窒素と低塩化水素の最適条件を保ちながら灰の溶融付着を防止して燃焼炎からの放射伝熱を充分に大きくすることができる。
【００３１】
図１における一次空気送入管７、二次空気送入管１７および三次空気送入管２５の中心軸が水平軸およびボイラー１の垂直中心軸に対する角度はボイラー１の外表面３に複数個取り付けたバーナーユニツト３５に関して必ずしも対称的である必要はなく、ハイブリッド燃料の廃棄物可燃分と石炭の混合比に対して最適燃焼状態が得られるような角度に調節されるものであればよい。
【００３２】
水平断面が正方形であるボイラー１において前述した複数のバーナー４５を設置する場合の例が図５に示されている。図５においてバーナー４５の中心軸４７はボイラー１の壁面４９に対して直角に示されているが、前述のように、その中心軸は水平面、水直面に対して任意な角度に調節できる。バーナー４５の設置は図５のものに限定されず、図６に示されているようにボイラー１の壁面４９には始めから傾角を有するもの、あるいは同じ平面状壁面に複数個だけ設置されるものであってもよい。ボイラー１の水平断面が図５のように正方形である場合に限らず矩形の場合であってもよく、また、図７に示されているように円形あるいは多角形のものであってもよく、また、高さ方向に複数個のバーナー４５が設置されてもよい。
【００３３】
なお、この発明は、前述した発明の実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことにより、その他の態様で実施し得るものである。
【００３４】
【発明の効果】
以上のごとき発明の実施の形態の説明より理解されるように、請求項１の発明によれば、一次空気送入管より一次空気によって揚送されたハイブリッド燃料が送られて噴出され、二次空気送入管より二次空気が送られて噴出され、さらに三次空気送入管より三次空気が送られて三次空気噴出管から噴出されて燃焼室で燃焼される。しかも、燃料であるハイブリッド燃料量に対し、一次空気量は着火に必要な量に押さえ、二次空気量は一次空気量と合わせて理論空気量よりも低い値で送入することにより、炎の中心軸付近では還元性で燃料の過剰な燃焼域が達成される。
【００３５】
未燃焼ガス成分および未燃焼炭素粒は、二次空気送入管の外側に送入される三次空気によって、ボイラー燃焼室中で燃焼を完了する。
【００３６】
したがって、廃棄物可燃分と微粉炭の混合比が広い範囲にわたり、質的および量的に変動の多いハイブリッド燃料の燃焼において酸化窒素と塩化水素など有害ガスの発生を防止し、かつボイラーの垂直中心軸のまわりに柱状の燃焼炎を形成することにより、燃焼中で溶融あるいは半溶融した灰がボイラー伝熱壁面に溶着することなく気相中で固化して沈下分離する燃焼状態を実現することができる。
【００３７】
請求項２の発明によれば、前記二次空気送入管の外表面と三次空気送入管の内表面との距離が、一次空気送入管の内半径より大であるから、燃料過剰の濃燃焼域と、三次空気による空気過剰の淡燃焼域が分離され、両燃焼領域の混合条件を調節せしめることができる。
【００３８】
請求項３の発明によれば、前記三次空気噴出管を前記三次空気送入管に対して軸方向へ位置調節することにより、ハイブリッド燃料中の廃棄物可燃分と石炭との混合比の広い範囲に対して酸化窒素と塩化水素などの発生を抑制しながら燃焼を進行せしめることができる。
【００３９】
請求項４の発明によれば、前記一次空気送入管の軸線が水平軸の廻りに傾斜するように設けられているから、ボイラー燃焼室内にて複数個のバーナーによって生成する火炎がボイラー中心部に望ましい形と温度の火炎柱を形成するように調節せしめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第一実施の形態のバーナーを示し、軸線を水平位置に保持する場合の軸線を含む垂直断面図である。
【図２】この発明の第一実施の形態のバーナーにおいて、内径と形状の異なる三次空気噴出管を取り付けた場合の断面図である。
【図３】内径と形状の異なる他の三次空気噴出管の断面図である。
【図４】内径と形状の異なる他の三次空気噴出管の断面図である。
【図５】この発明の第二の実施の形態のバーナーを示し、第一実施の形態のバーナーの複数個を周壁に配置するボイラーの平面断面図である。
【図６】この発明の第二の実施の形態の他のバーナーを示す水平断面図である。
【図７】この発明の第二の実施の形態のその他のバーナーを示す水平断面図である。
【符号の説明】
１  ボイラー
３  外壁面
５  開口部
７  一次空気送入管
９  着火管
１１、１９  保炎器
１３   燃料入口
１５、２１、２７  送入管入口
１７  二次空気送入管
２３  ガイド管
２５  三次空気送入管
２９  三次空気噴出管
３１  噴出孔
３３  風箱
３５  バーナーユニット
３７  中心点
３９  摺動体
４１  摺動体受け
４３、４７  中心軸
４５  バーナー
４９  壁面
【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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