(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粉炭を含む一次空気が流れる微粉炭ノズルと、この微粉炭ノズルの外周に同心円状に配置された二次空気ノズルと、該微粉炭ノズルの外周側でノズル出口に配置された保炎器とを備え、微粉炭を含む一次空気を微粉炭ノズルから火炉に噴出する微粉炭バーナにおいて、
前記微粉炭ノズル内に中心軸から外周に向けて放射状に形成される板状部材を設け、
前記微粉炭ノズル内の前記板状部材の下流側で、前記微粉炭ノズル内を流れる微粉炭を含む一次空気の噴流の周方向における濃度分布を、バーナの中心軸に対して周方向で微粉炭の高濃度部分と低濃度部分とが存在するようにし、
前記微粉炭ノズル内の前記板状部材の下流側で、前記微粉炭ノズル内を流れる微粉炭を含む一次空気の噴流に対して垂直な断面で、前記微粉炭の高濃度部分が中心軸から外周に向けて放射状に形成されるように構成したことを特徴とする微粉炭バーナ。
【請求項２】
請求項１記載の微粉炭バーナであって、
前記微粉炭ノズルの内部に、前記微粉炭ノズルを貫通して火炉に燃料油を供給するオイルガンと、
前記微粉炭ノズル内径を狭めるベンチュリ及び該ベンチュリの下流であって、前記オイルガンの先端部近傍を膨らませて形成した微粉炭濃度調節器を備えたことを特徴とする微粉炭バーナ。
【請求項３】
断面がほぼ方形の微粉炭ノズルと、該微粉炭ノズルを挟んで両側に配置されている断面がほぼ方形の２個の空気ノズルと、前記微粉炭ノズルと前記空気ノズルとを区画する隔壁を備えた微粉炭バーナにおいて、
前記隔壁の端部は、バーナ中心軸から離れる方向に折り曲げて形成され、
前記微粉炭ノズルの内部に複数枚の平行板状部材を設け、
前記平行板状部材を前記２個の空気ノズルにより挟まれている方向に向けて、平行に間隔を開けて配置することにより、前記微粉炭ノズルから噴出される微粉炭を含む一次空気の噴流が、微粉炭の高濃度部分と低濃度部分によって交互に形成され、
微粉炭の高濃度部分が前記２個の空気ノズルに向かう直線を含み、
この直線と平行に形成されるように構成したことを特徴とする微粉炭バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭を気流搬送して燃焼させる微粉炭バーナに係り、特に窒素酸化物濃度の低減に有効な微粉炭バーナと、この微粉炭バーナを用いた燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微粉炭の燃焼時に発生するＮＯx (窒素酸化物)は、ほとんどが石炭中に含まれる窒素が酸化されて発生する、いわゆるフューエルＮＯx であるが、これは、石炭中の窒素は燃焼初期の熱分解反応時にＨＣＮ(シアン化水素)やＮＨ3 (アンモニア)として気相中に放出される。
ところで、これらの窒素化合物は、高い酸素濃度条件のもとでは、酸化されてＮＯx になるが、酸素濃度が低いときには還元されて無害なＮ2 (窒素)となる。
【０００３】
現在、石炭焚きボイラや石炭燃焼炉から発生するＮＯx を少なくするため、種々の微粉炭燃焼法が検討されているが、代表的な燃焼法として、火炎内に空気不足の領域を形成し、この領域で石炭から放出されたＨＣＮやＮＨ3 によるＮＯx の還元反応を利用する方法がある。
【０００４】
この方法では、まずバーナ部において、空気が不足した状態で燃料過剰燃焼を行った後、火炎後流で完全燃焼用の空気を投入し、残存する可燃成分を燃焼するもので、このような燃焼方法によるバーナとしては、例えば特開昭６２−２７６３１０号公報に記載のものがあるが、これは、燃焼用空気を一次、二次、三次に分割して供給し、さらに三次空気を旋回流として与え、火炎中心部の石炭との混合を遅らせることにより、ＮＯx 還元領域を広げるようにしたものである。
【０００５】
ここで、微粉炭燃焼で発生するＮＯx を抑制するには、微粉炭の着火を早め、酸素の消費を促進し、火炎内に形成されるＮＯx 還元領域を拡大する必要があるが、この微粉炭の着火を早める方法としては、例えば特開平８−２００６１８号公報や特開平２−５３６８８号公報、又は特開平９−１５９１０９号に記載のものがある。
【０００６】
これらの方法では、微粉炭ノズル内に旋回流発生器や流路の縮小、拡大部を設け、微粉炭と空気の慣性力の違いを利用し、遠心力により微粉炭をノズル外周部に集め、これにより微粉炭の着火を早めるようにしたものである。
【０００７】
そこで、まず、上記特開平２−５３６８８号公報に記載の従来技術について、図１３と図１４により説明すると、ここで、図１３は微粉炭バーナの中心軸(破線で示してある)を含む側断面図で、図１４は微粉炭バーナのノズルを中心軸に沿って見た正面図で、図１３の矢印Ｘ方向から見た図に相当する。
【０００８】
これらの図において、１１はバーナ中心部に取付けられた微粉炭ノズルで、この微粉炭ノズル１１の外側に同心円状に順次配置された二次ノズル１２と三次ノズル１３が設けられている。
そして、まず微粉炭ノズル１１は、一次スロート１４を外周壁とする管状の流路として作られたもので、二次ノズル１２は、一次スロート１４を内周壁とし、二次スロート１５を外周壁とする円環状の流路であり、更に三次ノズル１４は、二次スロート１５を内周壁とし、三次スロート１６を外周壁とする円環状の流路である。
ここで、微粉炭ノズル１１は、搬送用空気と石炭粒子(微粉炭)の混合流からなる一次空気１７を噴出させる働きをし、二次ノズル１２と三次ノズル１３は、それぞれ二次空気１８、三次空気１９を噴出させる働きをするものであり、このように、一次、二次、三次と３種類のノズル同心円状に配置することにより流れの対象性が良くなる。
【０００９】
この従来例では、微粉炭ノズル１１を貫通してオイルガン２０が設けてあり、これに重油などの燃料油を供給することにより、バーナ起動時での燃焼開始を容易にすると共に、低負荷燃焼時にも燃料油を供給することにより燃焼が維持できるようにしている。
【００１０】
微粉炭ノズル１１は、図示してない微粉炭搬送管に上流側で接続され、これにより微粉炭と搬送用空気の混合流からなる一次空気１７が供給され、これと同時に、図示してない空気ブロワから風箱２１に圧力空気が導入され、二次空気１８と三次空気１９となって二次ノズル１２と三次ノズル１３に供給され、夫々のノズルから噴出される。
【００１１】
このとき、三次ノズル１３の入口側の内部には、旋回ベーンからなる旋回流発生装置２２が設置されている。
一方、微粉炭ノズル１１の内部にはベンチュリ２３が設置されており、これによりノズルの内径を一時的に狭め、搬送用空気を整流化する働きと、一時的に流速を高めて、微粉炭搬送管内に火炎が戻る(逆火)を防ぐ働きが得られるようにしてある。
【００１２】
このベンチュリ２３の下流には、オイルガン２０の先端部近傍を膨らませて形成させた紡錘形の微粉炭濃度調節器２４が設置され、これにより微粉炭ノズル１１の内周側流路を狭め、石炭粒子と空気の混合流からなる一次空気１７が外周側に寄せられるようにする。
【００１３】
微粉炭濃度調節器２４の先端から火炉１０内に向かっては流路が拡大しているので、微粉炭ノズル１１から噴出した一次空気１７の内、空気は半径方向に広がり、噴出速度が低下するが、微粉炭は慣性力により直進するため、微粉炭ノズル１１の出口付近では外周側での微粉炭濃度が高くなる。
【００１４】
微粉炭ノズル１１の出口には保炎器２５が設けられているが、この保炎器２５は、二次ノズル１２の出口に一部が突き出されたリング状の部材と、このリング状の部材の外周端面から火炉１０側に向かって広がっているコーン部材とで形成されており、そのリング状の部材の内周端面には、微粉炭ノズル１１の中心に向かって突き出した矩形の突起２６が、円周方向に沿って複数個設けられている。
【００１５】
この保炎器２５は一次空気１７と二次空気１８の流れに対して障害物として働き、これにより、保炎器２５の下流側は圧力が低下し、一次空気１７と二次空気１８の噴出方向とは逆向きの流れ(逆流)が現れる領域(逆流域)を作り出し、この結果、燃焼時、この逆流域に高温の燃焼ガスが滞留し、微粉炭の着火を促進する働きが得られるようにする。
【００１６】
二次空気１８と三次空気１９は、火炉１０内に噴出された微粉炭の完全燃焼に必要な空気となるが、このとき三次空気１９は、旋回流発生器２２により旋回が与えられて噴出されるので、三次ノズル１３から噴出後、遠心力により中心軸から離れ、バーナの近傍では、図１４に低濃度部分３６と、高濃度部分３７で示すように、中心軸近くを流れる微粉炭とは離れて流れ、このため微粉炭の着火領域２７の下流では完全燃焼に必要な空気が不足し、還元雰囲気２８が形成される。
【００１７】
上記したように、石炭中の窒素は燃焼初期の熱分解反応時にＨＣＮやＮＨ3 として気相中に放出されるが、これらの窒素化合物は、還元雰囲気２８内では、ＮＯx 還元反応により、ＮＯx を還元して無害なＮ2 にしてしまう働きをするが、このＮＯx 還元反応は、酸素濃度が低く、高温であるほど促進される。
従って、この還元雰囲気２８の形成により、微粉炭燃焼におけるＮＯx の生成を抑制できることになる。
【００１８】
三次空気１９は、バーナから離れ、下流に進むにつれて旋回流速が減衰し、中心軸近くを流れる微粉炭と混合して酸化雰囲気２９を形成する。
このように三次空気１９と微粉炭が混合することにより、完全燃焼に必要な空気が微粉炭に供給され、火炉１０の出口で微粉炭中に残る未燃焼分(以下、灰中未燃分という)は減少する。
【００１９】
通常、火炉１０の中には、微粉炭の完全燃焼に必要な空気量の１.１〜１.２倍の空気を投入し、灰中未燃分が充分に抑制されるようにするが、更にこの従来例では、空気が一次と二次、三次と分割して供給し、これにより火炎内の酸素濃度を調節しているので、ＮＯx や灰中未燃分が充分に抑制できる最適な燃焼状態が容易に形成できる。
【００２０】
次に、特開平９−１５９１０９号に記載の従来技術について図１５と図１６により説明すると、ここでも、図１５は微粉炭バーナの中心軸(破線で示してある)を含む側断面図で、図１６は微粉炭バーナのノズルを中心軸に沿って見た正面図であり、これらの図において、３８は旋回発生器で、３９は整流板であり、その他の構成は、図１３と図１４で説明した従来技術と同じである。
【００２１】
旋回発生器３８は微粉炭ノズル１１の中に設置され、これにより一次空気と微粉炭を含む一次空気１７にも旋回を与え、微粉炭を遠心力により外周側に集めて高濃度の領域が形成されるようにし、このあと、この微粉炭ノズル１１から噴出されたときに微粉炭の飛散を防ぐため、整流板３９を設け、これにより旋回が止められてから噴出されるようにしたものである。
【００２２】
従って、この場合には、図１６に示すように、外周の一部に、局部的に濃度の高い部分３７が形成される。
なお、このとき、整流板３９は、一次空気１７の旋回だけを抑え、流れが乱されないようにする必要があるので、極力薄い板材で作るのが通例である。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、バーナから噴出した微粉炭の着火促進と還元雰囲気の形成について充分な配慮がされているとはいえず、ＮＯx 抑制に不満が残るという問題があった。
上記従来技術で説明したように、ＮＯx の抑制には火炎内での還元雰囲気２８の形成が重要であり、更にＮＯx を低減するには微粉炭を早く着火させ、一次空気を消費して高温の還元領域２８を形成させる必要がある。
【００２４】
また、この着火の促進と火炎の高温化は燃焼反応を早め、灰中未燃分を抑制する働きも持つので、着火の促進が燃焼性能の向上のポイントとなる。
すなわち、微粉炭燃焼で発生するＮＯx の抑制には、まず、微粉炭の着火を早める必要があり、ここで上記の従来技術では、外周部の微粉炭濃度が高められているので、微粉炭ノズルから噴出する微粉炭噴流の外周部での着火は早められているが、しかし、中心部では燃料濃度が低く、着火が遅れるため、ＮＯx 還元領域の形成も遅れてしまう。
【００２５】
また、上記従来技術のように、微粉炭噴流に旋回を与えるようにすると、微粉炭は微粉炭ノズルから噴出後、遠心力により径方向へ飛散することがあり、このとき、飛散した微粉炭は微粉炭噴流外周の酸素濃度の高い領域で燃焼するため、ＮＯx 濃度が高くなってしまう。
また、微粉炭噴流の外周部の微粉炭濃度を極度に高めた場合も微粉炭が飛散しやすい。
【００２６】
本発明の目的は、ＮＯx 還元領域の拡大が容易で、ＮＯx 発生量の抑制が充分に得られるようにした微粉炭バーナと、この微粉炭バーナを用いた燃焼装置を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、微粉炭を含む一次空気が流れる微粉炭ノズルと、この微粉炭ノズルの外周に同心円状に配置された二次空気ノズルと、該微粉炭ノズルの外周側でノズル出口に配置された保炎器とを備え、微粉炭を含む一次空気を微粉炭ノズルから火炉に噴出する微粉炭バーナにおいて、前記微粉炭ノズル内に中心軸から外周に向けて放射状に形成される板状部材を設け、前記微粉炭ノズル内の前記板状部材の下流側で、前記微粉炭ノズル内を流れる微粉炭を含む一次空気の噴流の周方向における濃度分布を、バーナの中心軸に対して周方向で微粉炭の高濃度部分と低濃度部分とが存在するようにし、前記微粉炭ノズル内の前記板状部材の下流側で、前記微粉炭ノズル内を流れる微粉炭を含む一次空気の噴流に対して垂直な断面で、前記微粉炭の高濃度部分が中心軸から外周に向けて放射状に形成されるようにして達成される。
【００２８】
このとき、前記微粉炭ノズルの内部に、前記微粉炭ノズルを貫通して火炉に燃料油を供給するオイルガンと、前記微粉炭ノズル内径を狭めるベンチュリ及び該ベンチュリの下流であって、前記オイルガンの先端部近傍を膨らませて形成した微粉炭濃度調節器を備えるようにしても、上記目的が達成される。
【００２９】
さらに上記目的は、断面がほぼ方形の微粉炭ノズルと、該微粉炭ノズルを挟んで両側に配置されている断面がほぼ方形の２個の空気ノズルと、前記微粉炭ノズルと前記空気ノズルとを区画する隔壁を備えた微粉炭バーナにおいて、前記隔壁の端部は、バーナ中心軸から離れる方向に折り曲げて形成され、前記微粉炭ノズルの内部に複数枚の平行板状部材を設け、前記平行板状部材を前記２個の空気ノズルにより挟まれている方向に向けて、平行に間隔を開けて配置することにより、前記微粉炭ノズルから噴出される微粉炭を含む一次空気の噴流が、微粉炭の高濃度部分と低濃度部分によって交互に形成され、微粉炭の高濃度部分が前記２個の空気ノズルに向かう直線を含み、この直線と平行に形成されるようにしても達成される。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による微粉炭バーナと、この微粉炭バーナを用いた燃焼装置について、図示の実施形態により詳細に説明する。但し、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
【００３１】
図１と図２は、本発明による微粉炭バーナの第１の実施形態例で、ここで、図１は微粉炭バーナの中心軸を含む側断面図で、図２は微粉炭バーナの中心軸方向から正面図で、図１の矢印Ｘ方向から見た図に相当するものであり、これらの図において、３０は板状部材であり、その他の構成部分は、図１３と図１４に示した従来技術と同じである。
【００３２】
既に説明したように、ＮＯx の抑制には火炎内での還元雰囲気２８の形成が重要である。さらにＮＯx を低減するには微粉炭を早く着火させ、一次空気を消費して高温の還元領域２８を形成する必要がある。また、着火の促進と火炎の高温化は燃焼反応を早め、灰中未燃分を抑制する働きも持つ。このため、着火の促進が燃焼性能の向上についてのポイントとなる。
【００３３】
そこで、この実施形態では、板状部材３０を設け、これにより微粉炭の着火促進と火炎の高温化が得られるようにしたものであり、この板状部材３０は、図示のように、微粉炭ノズル１１内の微粉炭濃度調節器２４の外周端面に、中心軸から放射状に取り付けられている。
【００３４】
次に、この板状部材３０の詳細について説明すると、まず図３(a)は、図１における微粉炭ノズル１１の一部を拡大した図で、同図(b)は板状部材３０の詳細図であり、更に図３(c)は、板状部材３０を図３(b)の矢印Ｙ方向から見た図である。
【００３５】
これらの図から明らかなように、板状部材３０は、一次空気１７の流れに沿って板厚が増している前縁部３１と、１０ｍｍ以上のかなりの厚さを有する中央部３２、それに板厚が減少してゆく後縁部３３で形成されている。
【００３６】
ここで、前縁部３１と後縁部３３は、微粉炭ノズル１１内を通る一次空気１７が板状部材３０の表面に沿って滑らかに、剥離を生じないようにして通過するように設けたものであり、流れの方向に徐々に板厚が変化してゆくような断面形状にしてある。
【００３７】
この結果、微粉炭ノズル１１内での一次空気１７は、図３(c)に示すように、板状部材３０に沿って流れ、ここで流路が狭まるので加速される。
一次空気１７は、上記したように、微粉炭と空気が混合したものであるが、この中の空気は、板状部材３０を通過後、流路の拡大に伴い、破線の矢印３５で示すように広がって流れる。
【００３８】
一方、一次空気１７中の微粉炭は板状部材３０を通過後、慣性力により直進するため、矢印３４で示すようにに流れ、このため、板状部材３０の下流部では微粉炭の濃度が低下し、板状部材３０に挟まれた流路の下流部では微粉炭濃度が増加され、低濃度部分３６と高濃度部分３７が形成される。
【００３９】
ここで、この板状部材３０は、図３(a)に示されているように、中心軸から放射状に設けられており、このため、微粉炭ノズル１１の出口において、一次空気１７の噴流に垂直な断面で見ると、図２に示すように、一次空気１７の中の微粉炭濃度がノズルの中心に対して円周方向に分布をもち、低濃度部分３６と高濃度部分３７とが中心軸から放射状に形成される。
【００４０】
なお、図１３に示した従来技術では、図１４に示されているように、外周部の微粉炭濃度は高まるが、中心部分の微粉炭濃度は低くなるので、周辺部に高濃度部分３７が形成された径方向分布になり、このとき更に図１５の従来技術では、旋回発生器３８により一次空気１７に旋回を与え、遠心力により一次空気１７の中の微粉炭を外周部に集めてから、整流板３９により旋回を止めるようにしている結果、図１６に示されているように、外周部に微粉炭濃度の高い部分が分布する上、高濃度部分３７が局部的に形成されてしまうことになる。
【００４１】
図４(a)は微粉炭ノズルの出口での微粉炭濃度分布の測定した結果を、縦軸に径方向距離(ｒ／ｒ0)を、そして横軸に相対濃度をとって示したものである。  ここでｒ0 は微粉炭ノズルの半径で、ｒは中心軸からの径方向の距離であり、横軸の相対濃度とは、供給した混合流中の微粉炭量と空気量の比を１とし、各測定位置での微粉炭量と空気量の比を示したものである。
【００４２】
このときの測定条件は、まず図１の実施形態については、図４(b)に示すように、板状部材３０の間の下流位置での微粉炭濃度の測定結果をＡ、板状部材３０の下流位置での微粉炭濃度をＢとしたものであり、比較のため、図１３に示した従来技術のバーナでの微粉炭濃度の測定結果をＣに示してある。
【００４３】
この図４(a)から明らかなように、従来技術のバーナでは、測定結果Ｃにみられるように、径方向距離(ｒ／ｒ0)＝１での内周部の微粉炭濃度は平均濃度の約１.２倍になっており、これが径方向距離(ｒ／ｒ0)＝０.５の内周部分では０.５倍まで低下しており、図１４に示した径方向での濃度分布の存在が確認された。
【００４４】
次に、図１の本発明の実施形態によるバーナでは、測定結果Ａの場合、径方向距離(ｒ／ｒ0)＝０.７５の内周部分で平均濃度の１.４倍まで微粉炭濃度が高められ、他方、測定結果Ｂの場合には、同じ径方向距離(＝ｒ／ｒ0)＝０.７５の内周部分で平均濃度の０.８倍程度であり、明らかに板状部材３０の下流では微粉炭濃度が低く、従って、図２に示した放射状に微粉炭濃度の高い部分が形成されていることが確認された。
【００４５】
更に、この図４(a)によれば、その測定結果Ａと測定結果Ｃから、相対濃度が１のときで比較して、本発明の実施形態によれば、中心方向での微粉炭濃度が高い領域が約２０％、従来技術よりも拡大されていることが判る。
【００４６】
図１に戻り、微粉炭ノズル１１から火炉１０内に噴出した一次空気１７中の微粉炭は、保炎器２５の近傍の逆流域に滞留する高温ガスにより着火される。
この着火した微粉炭粒子は燃焼により温度が上昇し、これにより近くの微粉炭粒子を加熱していくことで次々と着火させ、この結果、燃焼が広がってゆく。
【００４７】
この燃焼が広がってゆく現象は火炎伝播と呼ばれ、この火炎伝播は、火炉１０内に噴射された一次空気１７の外周部から内周に向かって進む。
このとき、この火炎伝播が早い速度でノズル中心部まで進めば、微粉炭全体の着火が早くなり、ＮＯx の低減につながる。
【００４８】
従って、この火炎伝播速度の向上が命題になるが、この火炎伝播速度は、一次空気１７中の微粉炭の濃度に強い相関性を持つ。
図５は、実験によって得た微粉炭の濃度と火炎伝播速度との関係を示したもので、この図５から明らかなように、微粉炭濃度を上げるにつれ火炎伝播速度が上昇することが判る。
【００４９】
この図５は、微粉炭の流速を１８〔ｍ／ｓ〕としたときの火炎伝播速度を縦軸にし、横軸に微粉炭濃度を石炭と空気の重量比で示したものであるが、このときの１８〔ｍ／ｓ〕という流速条件は、一次ノズルから噴出する微粉炭流速とほぼ同じ条件である。
【００５０】
ところで、微粉炭バーナは、石炭量と一次空気量の比Ｃ／Ａ(Coal／Air)について、通常、Ｃ／Ａ≒０.４３〔kg／kg〕という条件のもとで燃焼させるが、このときの火炎伝播速度は約０.０５〔ｍ／ｓ〕になる。
従来技術によるバーナでは、図１４に示したように、外周部は微粉炭濃度が高いため火炎伝播は早いが、中心近くは微粉炭濃度が低いので火炎伝播が遅く、従って、微粉炭全体の着火に遅れが生じてしまい、ＮＯx の充分な低減にはつながらない。
【００５１】
これに対して、図１の実施形態によるバーナでは、かなり厚みのある板状部材３０が微粉炭ノズル１１内に位置し、これにより図２に示したように、バーナーの中心軸に対して微粉炭濃度に周方向の分布を持たせ、中心軸から放射状に微粉炭濃度の高い部分が形成されるようにしてあるため、外周から中心部への火炎伝播はこの高濃度部分を通って高速度で伝播する。
【００５２】
この結果、中心部分を流れる微粉炭の着火が早まり、ここで火炎伝播は着火した部分から周囲の全方向に向かって広がるため、微粉炭全体の着火も早まることになる。
従って、この図１の実施形態によれば、ＮＯx を大幅に低減させることができる。
【００５３】
また、この実施形態によれば、バーナ近傍での還元領域が拡大されるので、燃焼に伴うＮＯX の充分な低減が得られるだけではなく、更に、還元雰囲気後流における完全燃焼用空気と微粉炭の混合進行が急速に得られるので、燃焼率の向上が充分に得られる。
【００５４】
なお、微粉炭濃度は、混合流中での一次空気量を減らすだけで簡単に増加させることができるから、これにより火炎伝播速度を高めることも可能ではある。  しかし、この一次空気は、微粉炭を搬送する役割りも担っているので、単純に減らすことはできない。
【００５５】
しかし、図１の実施形態では、図２に示すように、放射状に微粉炭濃度の高い部分を形成されているので、一次空気１７中の空気量を全体的には減らすことなく、充分に火炎伝播速度を高めることができる。
【００５６】
いま、図１の実施形態において、板状部材３０の合計断面積が微粉炭ノズル１１の流路断面積の約２０％を占めるように、各板状部材３０の厚さを設定したとすると、これにより板状部材３０の間に形成される濃度の濃い部分３７での微粉炭濃度は、Ｃ／Ａで約０.５４〔ｋｇ／ｋｇ〕にまで高められ、このときの火炎伝播速度は約０.１〔ｍ／ｓ〕になり、通常の場合の約２倍に高められる。
【００５７】
更に、板状部材３０の合計断面積が微粉炭ノズル１１の流路断面積の約６０％を占めるようにした場合には、濃度の濃い部分３７での微粉炭濃度は、Ｃ／Ａで約１.００〔ｋｇ／ｋｇ〕にまで高くなり、火炎伝播速度は約０.３〔ｍ／ｓ〕にも達し、通常の場合の約５倍にまで高められる。
【００５８】
しかし、これ以上、すなわち６０％以上にしても、火炎伝播速度は変わらない上、この６０％のときでも、微粉炭ノズル１１からの一次空気１７の噴出速度は５０〔ｍ／ｓ〕にも達しているので、一次空気１７による微粉炭ノズル１１内面での摩耗の点からも、これが限度であるといえる。
【００５９】
次に、図６はバーナ中心軸上でのガス濃度の測定結果で、測定条件は、微粉炭ノズル１１の直径が０.１６７〔ｍ〕で、微粉炭の供給量が５００〔ｋｇ／ｈ〕であり、ここで、本発明とは図１の実施形態の場合の特性で、従来例とは図１３の従来技術の場合の特性である。
【００６０】
まず図６(a)に示すＯ2 (酸素)の場合についてみると、着火した微粉炭は急激に酸素を消費するので、バーナからの軸方向距離が大きくなるに従って酸素濃度が低下するが、このとき、この図から、本発明の方が従来例より早く減少しており、本発明の方が酸素を早く消費していることが判る。
【００６１】
これは、図１に示した本発明の実施形態によるバーナが、図１３の従来技術によるバーナよりも還元雰囲気２８を早く形成できることを意味する。
なお、この図６(a)から明らかなように、何れの場合も、バーナからの軸方向距離が０.８〔ｍ〕のとき酸素濃度３％に低下する。
【００６２】
次に図６(b)に示すＮＯx (窒素酸化物)の場合についてみると、従来例では、バーナからの軸方向距離が０.５〔ｍ〕の位置になってから窒素酸化物の生成が始まるが、本発明では、位置が０.３〔ｍ〕のところで早くも窒素酸化物の生成が開始され、従来例よりも０.２〔ｍ〕、ノズル側に近いところから窒素酸化物を生成し始めることが判る。
【００６３】
これは、本発明のバーナの方が、従来例のバーナよりも早く微粉炭の着火が得られていることを意味する。
このとき、窒素酸化物が最も多く生成される位置は、何れのバーナの場合でも０.８〔ｍ〕であり、この後は、生成が減少してゆく。
【００６４】
次に、図７は、バーナから約７〔ｍ〕下流の燃焼炉(火炉１０)の出口でのＮＯx 濃度と燃焼率との関係を示したもので、測定条件は図示の通りである。
この図７から明らかなように、ＮＯx 濃度は燃焼率によって変化する。
そこで、燃焼率９９.５％のところで比較すると、従来例では約２６０〔ppｍ〕になるのに対して、本発明では、約２０５〔ppｍ〕になり、従って、本発明によれば、ＮＯx を５５〔ppｍ〕も低減できることが判った。
【００６５】
ところで、上記実施形態における板状部材３０については、図８(a)に示すように、平板のままにしても良く、本発明は、このようにした実施形態によっても所期の目的を達成することができる。
しかし、この図８(a)に示すように、板状部材３０を平板にした場合には、その上流端面に微粉炭粒子が垂直に衝突し、また、下流端面では、流れがはく離し易く、これらのことは微粉炭の流れを乱し、微粉炭の周方向での濃度分布形成に多少なりとも妨げとなる虞れがある。
【００６６】
従って、本発明の実施形態としては、図３に示すように、一次空気１７の流れに沿って、前縁部３１では徐々に板厚が増加し、後縁部３３では徐々に板厚が減少する形状の板状部材３０の方がが望ましい。
この図３に示す板状部材３０では、微粉炭は前縁部３１の側面に斜めに衝突するため、板状部材３０の摩耗が抑制できる。
【００６７】
また、後縁部３３では、一次空気が板状部材３０に沿って流れるので、微粉炭との分離が滑らかに得られる。
ここで、この図３の板状部材３０の場合には、前縁部３１には耐摩耗材を、後縁部３３には、火炉１０内からの放射熱を受けるので、耐熱材を貼ることが望ましい。
【００６８】
更に、この板状部材３０としては、図８(b)に示すように、翼型形状をしたものや、図８(c)に示すように、図３に示した中央部３２がなく、前縁部３１と後縁部３３だけからなる形状のものを用いてもよい。
【００６９】
一方、この板状部材３０の微粉炭ノズル１１内での設置位置と、一次空気１７の流れに沿った方向での長さについては、図１の実施形態に限定されるものではなく、任意に設定することができる。
【００７０】
例えば板状部材３０が出口まで到達せず、流路の途中まで到達している形状にしてもよい。このとき、濃度分布調節器２４を挿入した場合、ノズル出口で噴流の外周部と板状部材３０の下流部に微粉炭の高濃度領域が形成される。
【００７１】
また、板状部材３０を濃度分布調節器２４の上流側や下流側に設けるようにしてもよい。
この場合、図３の場合に比して流路が広がるため、一次空気の流速が一層低下されることになり、この結果、ノズルなどの摩耗や圧力損失を低減させることができる。
【００７２】
ここで、板状部材３０を上流側に移動させた場合には、板状部材３０を通過した後、また微粉炭ノズル１１内にある状態で微粉炭と一次空気の再混合が起るので、図３の場合に比して、濃度差が少なくなってしまう。
【００７３】
一方、板状部材３０を火炉１０側に近づけた場合には、炉内からの放射熱により温度が上昇しやすいので、板状部材３０はノズルの出口からなるべく離して設置するのが望ましく、通常、微粉炭ノズル１１の出口からノズル直径の０.５〜１.０倍以上離して設置してやれば良い。
但し、このように、板状部材３０をノズル出口から離して設置すると、微粉炭の流速を減衰する空間が生まれてしまうので、この点を考慮して実施する必要がある。
【００７４】
ところで、図１に示した実施形態では、二次ノズル１２と三次ノズル１３の２個の空気ノズルを有しているが、本発明は、１個の空気ノズルを有するバーナとして実施してもよく、また、濃度分布調節器２４を省略して実施してもよい。
【００７５】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図９と図１０は、本発明による微粉炭バーナの第２の実施形態例で、ここで、図９は微粉炭バーナの中心軸を含む側断面図で、図１０は微粉炭バーナの中心軸方向から正面図で、図９の矢印Ｘ方向から見た図に相当するものであり、これらの図において、４０は平行板状部材、４１は空気ノズル、４２は隔壁、４３はバーナスロートであり、その他の構成部分は、図１と図２に示した第１の実施形態と同じである。
【００７６】
この実施形態では、特に図１０から明らかなように、微粉炭ノズル１１は、その断面形状がほぼ方形(正方形又は矩形)に作られ、その対向する一方の２面、図では上下にある面が隔壁４２で区画された上で、同じく方形断面の一対の空気ノズル４１により挟まれた形に作られている。
【００７７】
従って、この実施形態では、微粉炭ノズル１１は隔壁４２とバーナスロート４３の側面で囲まれた流路として形成され、空気ノズル４１も隔壁４２とバーナスロート４３に囲まれた流路として形成されている。
【００７８】
微粉炭ノズル１１には、図１の場合と同じく一次空気１７が供給されるが、燃焼用空気４４は、図示してない空気ブロワから風箱２１に供給された上で、空気ノズル４１から噴出されるようになっているが、このとき、隔壁４２が火炉１０側の端部で、図示のように中心軸から離れる方向に折曲げてあるので、燃焼用空気４４は、空気ノズル４１から噴出する際、矢印４５で示すように流れ、このため、矢印４６で示した微粉炭の流れから離れて流れるようにされる。
【００７９】
このとき、隔壁４２の下流側は、一次空気空気１７の流れに対して障害物となるので、隔壁４２の下流側で圧力の低下が起る。
この結果、ここには、微粉炭流と燃焼用空気の噴出方向とは逆向きの流れ(逆流)が生じ、これが燃焼時での高温の燃焼ガスの滞留をもたらし、微粉炭の着火が促進される。
【００８０】
燃焼用空気４４は、供給量としては微粉炭の完全燃焼に必要な量が供給されるが、このとき、バーナの近傍では中心軸近くを流れる微粉炭とは離れて流れることから、微粉炭の着火領域２７の下流部分では完全燃焼させるのに必要な空気が不足し、還元雰囲気２８が形成される。
そして、この還元雰囲気２８内でＮＯx 還元反応が進む。
【００８１】
既に説明したように、このＮＯx 還元反応は酸素濃度が低く、高温であるほど促進されるから、ＮＯx を低減するには微粉炭を早く着火させ、一次空気を消費して高温の還元領域を形成する必要がある。
また、着火の促進と火炎の高温化は燃焼反応を早め、灰中未燃分を抑制する働きも持つ。
【００８２】
このため、着火の促進が燃焼性能の向上のポイントとなるが、この図９の実施形態では、微粉炭ノズル１１内に平行板状部材４０を、両側の空気ノズル４１に挟まれる方向(以下、これを長手方向と記す)に向けて取付けてあるが、この平行板状部材４０は、一次空気１７の流れに対して、上流部と下流部では板厚が変化し、中央部には約１０〔ｍｍ〕以上の平板部を有する形状に作られている。
【００８３】
この結果、一次空気１７は、平行板状部材４０の間で流路が狭まるので加速され、ついで、この平行板状部材４０を通過後、流路の拡大に伴って広がって流れようとする。
【００８４】
しかし、このとき、一次空気１７中の微粉炭は、慣性力により平行板状部材４０を通過後も直進し、このため、平行板状部材４０の下流部での微粉炭濃度は低下し、平行板状部材４０の間に挟まれた流路の下流部では微粉炭濃度が高まる。
【００８５】
このため、微粉炭ノズル１１の出口で一次空気の噴流に垂直な断面、つまり図９の矢印Ｘ−Ｘ方向から見た図１０に示されているように、微粉炭の低濃度部分３６が平行板状部材４０と同じ部分に、そして高濃度部分３７は平行板状部材４０の間に、それぞれ交互に長手方向に並んで平行に形成される。
【００８６】
一次空気１７により噴出された微粉炭は、隔壁４２の下流の逆流部に滞留する高温ガスにより着火され、火炎伝播が始まるが、このときの火炎伝播は外周部から内周に向かって進む。
従って、この火炎伝播がノズル中心部まで早く進めは微粉炭全体の着火が早まるので、ＮＯx の低減につながる。
【００８７】
この図９の実施形態にによれば、図１０から明らかなように、微粉炭が濃く分布した高濃度部分３７が、中心軸に向かって形成されているので、火炎伝播はこの高濃度部分３７を伝って高速で進み、短時間で中心軸まで到達する。
また、火炎伝播は同時に四方八方に向かって進むので、微粉炭全体の着火も、均一な濃度分布の場合よりも早く進む。
【００８８】
このため、微粉炭ノズルから噴出後、微粉炭は速やかに着火し、酸素を消費すし、この結果、還元雰囲気２８の領域は上流側に大きく広がり、従って、この実施形態によれば、ＮＯx 生成量を充分に抑えることができる。
【００８９】
ところで、この実施形態では、図１の実施形態とは異なり、微粉炭ノズル１１の中に微粉炭濃度調整器２４が設けられていないが、同じく微粉炭濃度調整器を設けて実施してもよく、これを設けたことによる作用効果も同じく期待できる。
【００９０】
本実施例では微粉炭ノズル内に濃度分布調節器を設けていないが、第１の実施例のように濃度分布調節器２４を設けた場合も同様の効果がある。また、放射状に板状部材３０を設けた場合も同様の効果がある。
【００９１】
次に、本発明による燃焼装置について、図示の実施形態により説明する。
上記実施形態による微粉炭バーナは、各種の焼却炉などの燃焼装置に使用されているが、図１１は、以上に説明した本発明の一実施形態による微粉炭バーナを用いた燃焼装置の第１の実施形態で、この図１１において、バーナ５０は例えば図１で説明した本発明の一実施形態によるものである。
【００９２】
このバーナー５０には、微粉炭管５１により、微粉炭と搬送用空気の混合流からなる一次空気１７が供給されるようになっている。
このため、貯炭場５３から運ばれた石炭は微粉砕機５４により微粉炭にされ、ブロア５５から供給される空気により搬送され、微粉炭管５１を通ってバーナ５０に供給され、ノズルから火炉１０に噴出される。
【００９３】
一方、燃焼用の空気は別のブロア５６により供給され、このとき、一部はバーナ５０に供給されて二次空気と三次空気になるが、残りは、バーナ５０よりも火炉１０内で下流側に設けられている空気供給口５７に供給され、ここから火炉１０内に供給されるようになっている。
【００９４】
このように空気を分割して火炉１０に供給すると、バーナ５０の近傍で酸素不足になり、この結果、還元雰囲気２８が形成し易くなるからであり、また、このように、下流側で空気を追加することにより、灰中未燃分も低下させることもできるからであり、このような燃焼方法を二段燃焼方法と呼ぶ。
【００９５】
ところで、この二段燃焼方法では、まずバーナ５０からは、微粉炭の完全燃焼に必要な空気の約０.７〜０.９５倍の空気を投入し、次に空気供給口５７からは残りの空気を投入し、火炉全体で、微粉炭の完全燃焼に必要な空気の約１.１〜１.２５倍の空気を投入し、これにより、完全燃焼雰囲気５８で微分炭の完全燃焼が得られるようにするのである。
【００９６】
次に、図１２は、同じく本発明による微粉炭バーナーを適用した燃焼装置の他の一例で、この燃焼装置では、図１１の燃焼装置における空気供給口５７を設けないで、バーナ５０から燃焼に必要な全空気量を投入するようになっており、この方法を単段燃焼方式と呼ぶ。
【００９７】
この単段燃焼方式では、二段燃焼方式に比して、火炉１０からのＮＯx 排出量は多くなるが、火炉１０の壁面での酸素濃度が高まるため、石炭中の硫黄分による火炉１０壁面の腐食(硫化腐食)が抑えられるので、火炉の耐用時間が永くとれるとうい利点がある。
【００９８】
このように、燃焼装置としては、二段燃焼方式と単段燃焼方式の何れの場合でも、ＮＯx の低減のためには、火炎内に高温の還元雰囲気２８を形成し、微粉炭中の窒素分をＮＨ3 やＨＣＮのような還元物質として放出し、ＮＯx の窒素への還元反応を促進する必要がある。
【００９９】
ここで、これら図１１と図１２において、バーナ５０として、例えば図１で説明した本発明の一実施形態による微粉炭バーナを適用することにより微粉炭の着火が早まっている。
従って、これら図１１と図１２に記載の燃焼装置によれば、バーナ５０の近傍での酸素の消費が早められ、還元雰囲気２８が形成される領域を広くすることができ、この結果、ＮＯx 生成量を低減されることができる。
【０１００】
また、これら図１１と図１２に記載の燃焼装置によれば、同じく着火が早まることにより、火炉１０内での燃焼時間も長くできるので、燃焼が充分に進み、灰中未燃分も低減されることができる。
【０１０１】
なお、これら図１１と図１２の実施形態では、図１に示した本発明による微粉炭バーナの実施形態を適用した場合について説明したが、図９で説明した本発明による微粉炭バーナの実施形態を適用して実施してもよいことは、いうまでもない。
【０１０２】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な構成で充分に微粉炭の着火の促進が得られ、バーナ近傍での還元領域の拡大が得られるので、ＮＯX の発生が充分に低減された微粉炭バーナを容易に提供することができる。
また、この結果、本発明によれば、還元雰囲気後流における完全燃焼用空気と微粉炭の混合進行が急速に得られるので、燃焼率の向上が充分に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による微粉炭バーナの第１の実施形態を示す側断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態を示す正面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における板状部材の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の動作を説明するための特性図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の動作を説明するための特性図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の動作を説明するための特性図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の動作を説明するための特性図である。
【図８】本発明の第１の実施形態における板状部材の説明図である。
【図９】本発明による微粉炭バーナの第２の実施形態を示す側断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態を示す正面図である。
【図１１】本発明による燃焼装置の第１の実施形態を示す説明図である。
【図１２】本発明による燃焼装置の第２の実施形態を示す説明図である。
【図１３】従来技術による微粉炭バーナの一例を示す側断面図である。
【図１４】従来技術による微粉炭バーナの一例を示す正面図である。
【図１５】従来技術による微粉炭バーナの他の一例を示す側断面図である。
【図１６】従来技術による微粉炭バーナの他の一例を示す正面図である。
【符号の説明】
１０  火炉
１１  微粉炭ノズル
１２  二次ノズル
１３  三次ノズル
１４  一次スロート
１５  二次スロート
１６  三次スロート
１７  一次空気(微粉炭と搬送用空気の混合流)
１８  二次空気
１９  三次空気
２０  オイルガン
２１  風箱
２２  旋回流発生器
２３  ベンチュリ
２４  微粉炭濃度調節器
２５  保炎器
２６  突起
２７  着火雰囲気
２８  還元雰囲気
２９  酸化雰囲気
３０  板状部材
３１  板状部材の前縁部
３２  板状部材の平行部
３３  板状部材の後縁部
３４、３５  矢印
３６  低濃度部分
３７  高濃度部分
３８  旋回発生器
３９  整流板
４０  平行板状部材
４１  空気ノズル
４２  隔壁
４３  バーナスロート
４４  燃焼用空気
４５、４６  矢印
５０  バーナ
５１  微粉炭管
５２  空気供給管
５３  貯炭場
５４  微粉炭粉砕機
５５、５６  ブロア
５８  完全燃焼雰囲気
【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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