(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形断面を形成する炉壁の複数箇所に設けたバーナから火炉内へ向けて投入される燃料及び燃焼用空気が旋回流を形成して燃焼するように構成された旋回燃焼型のボイラ構造において、
前記バーナ毎に形成される火炎が接近または接触する火炉壁面の火炎影響部近傍に、周辺より空気濃度の高い領域を形成する空気投入部を設け、
前記空気濃度の高い領域が、上下方向に火炉内部の還元燃焼ゾーンをカバーして形成され、かつ、前記空気投入部が、近接するバーナから低圧のバーナ２次空気をバイパスさせて導入するとともに、
前記空気投入部が、デスラッガノズルとノズル孔との間に形成されるリング状の空間を空気流路とし、円筒先端に円盤状の鍔部を備えて前記デスラッガノズルの周囲に設けられていることを特徴とするボイラ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭や硫黄分を含有する各種燃料に対応したボイラ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石炭や石油等を燃料とするボイラでは、空気を多段で投入することにより、主バーナから追加空気投入部までの間を還元雰囲気にして燃焼させる還元燃焼ゾーンを形成して低ＮＯｘ化を図っている。
一方、この還元燃焼ゾーンでは、腐食成分である硫化水素が多量に発生するため、火炉壁面は厳しい腐食環境下にある。このため、炉壁への溶射や定期的な炉壁パネル交換等のメンテナンスが必要となっている。また、上述した還元燃焼ゾーンは、炉内でも熱負荷が高い還元雰囲気となる領域であるため、スラグの付着も懸念されている。
【０００３】
このような問題に対処するため、火炉内の壁面側を目指して投入した空気により酸素濃度を高める技術が知られており、たとえば、矩形断面の火炉内四隅にバーナを設置して旋回流を形成するとともに、各バーナから炉壁側にオフセットした空気流を形成するものがある。（たとえば、特許文献１参照）
また、火炉壁の中央部に旋回火炎を発生させるバーナが設けられている微粉炭焚きボイラにおいては、火炎の進路を曲げるカーテンエアまたはカーテン排ガスを投入するノズルを設けて、バーナ周辺部のスラッギングを防止する技術が開示されている。（たとえば、特許文献２参照）
【特許文献１】米国特許第６２３７５１３号明細書
【特許文献２】特開平７−１１９９２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１の従来技術は、目指した壁面に到達するまでに空気中の酸素が消費されてしまうので、効果的に酸素濃度を増加させることができなかった。しかも、酸素濃度を高めるためには、空気の噴出流速を高める必要があるので、圧縮機等の補機動力が増加して好ましくない。
また、特許文献２の従来技術においても、火炎の進路を曲げる程度の高い流速でカーテンエアまたはカーテン排ガスを投入する必要があるため、やはり圧縮機等の補機動力が増加して好ましくない。
【０００５】
このような背景から、石炭や硫黄分を含有する各種燃料に対応し、矩形断面を形成する炉壁の複数箇所に設けたバーナから火炉内へ向けて投入される燃料及び燃焼用空気が旋回流を形成して燃焼するように構成された旋回燃焼型のボイラ構造においては、火炉内の炉壁に発生する腐食やスラッギングを効率よく抑制または防止することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、火炉内の炉壁に発生する腐食やスラッギングを効率よく抑制または防止することができるボイラ構造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、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るボイラ構造は、矩形断面を形成する炉壁の複数箇所に設けたバーナから火炉内へ向けて投入される燃料及び燃焼用空気が旋回流を形成して燃焼するように構成された旋回燃焼型のボイラ構造において、前記バーナ毎に形成される火炎が接近または接触する火炉壁面の火炎影響部近傍に、周辺より空気濃度の高い領域を形成する空気投入部を設け、前記空気濃度の高い領域が、上下方向に火炉内部の還元燃焼ゾーンをカバーして形成され、かつ、前記空気投入部が、近接するバーナから低圧のバーナ２次空気をバイパスさせて導入するとともに、前記空気投入部が、デスラッガノズルとノズル孔との間に形成されるリング状の空間を空気流路とし、円筒先端に円盤状の鍔部を備えて前記デスラッガノズルの周囲に設けられていることを特徴とするものである。
【０００７】
このようなボイラ構造によれば、バーナ毎に形成される火炎が接近または接触する火炉壁面の火炎影響部近傍に、周辺より空気濃度の高い領域を形成する空気投入部を設けたので、腐食やスラッギングが懸念される火炉壁面の領域に補機動力が小さくてすむ低流速の空気を投入し、空気濃度の高い領域を形成することができる。
【０００８】
上記の発明において、前記空気濃度の高い領域は、上下方向に火炉内部の還元燃焼ゾーンをカバーして形成されるので、腐食やスラッギングが懸念される火炉内の上下方向についても、低流速の空気投入により空気濃度の高い領域を形成することができる。
【０００９】
上記の発明において、前記空気投入部は、近接するバーナから低圧のバーナ２次空気をバイパスさせて導入するので、構造の大幅な変更や構成部品の増加を抑えて構造を簡素化することができる。
【００１０】
上記の発明において、前記空気投入部は、デスラッガノズルとノズル孔との間に形成されるリング状の空間を空気流路とし、円筒先端に円盤状の鍔部を備えて前記デスラッガノズルの周囲に設けられているので、スラッギングを生じやすい火炉壁面に空気濃度の高い領域を形成するとともに、熱的に厳しい状況にあるデスラッガノズル挿入部周辺を冷却することができる。
【発明の効果】
【００１１】
上述した本発明によれば、燃料及び燃焼用空気が旋回流を形成して燃焼するように構成された旋回燃焼型のボイラ構造において、火炉内の炉壁に腐食やスラッギングが発生しやすいと懸念される火炎影響部の近傍に空気投入部から低流速の空気を投入し、周辺部より空気濃度の高い領域を形成するようにしたので、投入空気の流速を増すための大きな補機動力を必要とすることがなく、火炎影響部及びその近傍の酸素濃度を高く維持することができる。
【００１２】
従って、火炉内の火炎影響部及びその近傍においては、酸素濃度が高い空気層の形成により部分的に還元雰囲気から酸化雰囲気となり、この結果、腐食やスラッギングが発生することを効率よく抑制または防止できる。特に、上述した本発明は、石炭焚きボイラにおいてはスラッギングの抑制に有効であり、また、硫黄分を含有する各種燃料に対応したボイラにおいては硫化水素に対する耐腐食性の向上に有効である。
さらに、上述した空気投入部で使用する空気として、近接するバーナから低圧のバーナ２次空気をバイパスさせて導入するようにすれば、ボイラ構造の大幅な変更や構成部品の増加を最小限に抑えて構造を簡素化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係るボイラ構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図５に示すボイラ１０は、低ＮＯｘ化を図るため、火炉１１内に燃焼用空気を多段投入して燃料を燃焼させるものである。この場合の多段投入は、火炉１１において複数のバーナ１２が設けられている領域のバーナ部Ｂａと、このバーナ部Ｂａより上部に追加空気投入ノズル１３が設けられている領域の追加空気投入部Ａａとにおいて、２段階の燃焼用空気投入を行うものである。すなわち、このボイラ１０においては、最初のバーナ部Ｂａで燃焼用空気必要量の７０％程度が投入され、残る３０％程度が追加空気投入部Ａａで投入されることにより、還元燃焼ゾーン及び完全燃焼ゾーンよりなるＮＯｘ対策の２段燃焼が行われている。
【００１４】
また、上述したボイラ１０は、たとえば図１（ａ）に示すように、火炉１１が矩形断面を有する旋回燃焼型である。旋回燃焼型のボイラ１０は、炉壁１１ａに設けた複数のバーナ１２から火炉１１内へ向けて投入される燃料及び燃焼用空気が、火炉１１内で旋回流の火炎を形成して燃焼するように構成されている。
なお、図１（ａ）に示す８コーナー炉の構成例では、水平断面で８箇所に設けられたバーナ１２から燃料及び燃焼用空気が投入され、火炉１１内には隣接する二つの旋回流が形成されている。
【００１５】
このようなボイラ１０に対し、本実施形態では、バーナ１２毎に形成される火炎が接近または接触する火炉壁面（炉壁１１ａ）の火炎影響部近傍に、周辺より空気濃度の高い領域を形成するための空気投入部２０を設けてある。具体的には、図１（ａ）に示す８コーナー炉の水平断面において、たとえば矩形を形成する各炉壁１１ａの適所に１箇所ずつ、合計４箇所の空気投入部２０が設けられている。
なお、空気濃度の高い領域の形成は、酸素濃度の高い領域の形成を意味しているので、このような領域では還元雰囲気が酸化雰囲気となる。
【００１６】
すなわち、火炉１１内の炉壁１１ａにおいて、腐食やスラッギングが懸念される箇所から低流速の空気を投入する空気投入部２０を設けることにより、周辺より空気濃度の高い領域を略壁面に沿って形成するものである。換言すれば、腐食やスラッギングが懸念される領域の炉壁１１ａを目指して空気を比較的高流速（たとえば４０ｍ／ｓｅｃ以上）で投入するのではなく、腐食やスラッギングが懸念される領域の壁面１１ａに設けた空気投入部２０から低流速（たとえば１０ｍ／ｓｅｃ程度）の空気を投入することにより、周辺より空気濃度の高い領域を形成している。
【００１７】
空気投入部２０は、たとえば近接するバーナ１２から低圧のバーナ２次空気をバイパスさせて導入し、この空気を火炉１１内に低流速で投入することにより、空気濃度の高い領域を形成するためのノズルである。この空気投入部２０から投入される空気は、火炉１１の平面視において火炎影響部近傍の炉壁１１ａに沿って空気濃度の高い領域を形成することになるが、さらに、火炉１１の上下方向においても火炉内部の還元燃焼ゾーンをカバーするため、上下方向にも複数段の空気投入部２０が設けられている。
【００１８】
すなわち、還元燃焼ゾーンは腐食成分である硫化水素が多量に発生する領域であり、しかも、火炉１１の中でも熱負荷の高い還元領域となる領域でもあるため、この領域の壁面１１ａは、厳しい腐食環境下にあるだけでなくスラグ付着の懸念もある。従って、還元燃焼ゾーンにおいては、火炎が接近または接触する炉壁１１ａの周辺に、バーナ１２と略同じ高さ位置となるように空気投入部２０を配設することになる。これは、火炎がバーナ１２から略水平方向へ伸びるように形成されるため、炉壁１１ａの火炎影響部もバーナ１２の設置位置と略同じ高さとなるためである。
【００１９】
また、還元燃焼ゾーンのバーナ１２は、通常上下に複数段配置されているので、炉壁１１ａの火炎影響部も上下に複数箇所形成されることとなる。従って、上述した空気投入部２０についても、バーナ１２の段数に合わせて、換言すれば火炎が形成される上下方向の段数に合わせて、上下方向に複数段を配設している。すなわち、腐食やスラッギングが懸念される火炉１１内の上下方向についても、低流速の空気投入により空気濃度の高い領域を形成することができる。
この結果、還元燃焼ゾーンにおいて、バーナ１２毎に形成される炉壁１１ａの火炎影響部周辺は、近傍に配設された空気投入部２０から投入される低流速の空気が周辺より空気濃度の高い領域を形成することにより、炉壁１１ａと火炎との間を遮断する空気層として機能する。このため、火炎影響部となっていた領域の炉壁１１ａは、火炎から受ける熱影響等が低減されるとともに、部分的な酸化雰囲気になることで腐食やスラッギングの低減または防止が可能となる。
【００２０】
また、上述した空気投入部２０は、火炎影響部近傍から周辺に投入すればよいので、補機動力が小さくてすむ低流速の空気を使用できる。すなわち、距離の離れた位置を目指して空気を投入する場合のように、大きな動力で運転される圧縮機等を用いて高圧で高流速の空気を投入する必要がなく、特に、バーナ１２から低圧の２次空気を導入して使用すれば、補記動力の低減に加えて、大幅な構造変更や構成部品の増加を抑えることが可能になって構造を簡素化できる。
【００２１】
また、上述した空気投入部２０は、たとえば図１（ｂ）に示すように、バーナ部Ｂａと追加空気投入部Ａａとの間にあるデスラッガノズル挿入部３０を利用し、デスラッガノズル３１の周囲に設けられている。このデスラッガノズル挿入部３０は、炉壁１１ａに付着したスラグを除去するための装置であり、たとえば図２に示すように、火炉１１内に挿入したデスラッガノズル３１から噴射する蒸気により炉壁１１ａを清掃するものである。
すなわち、デスラッガノズル挿入部３０は、火炉１１内でも還元雰囲気のため熱負荷が高く、スラグの付着が懸念される位置に設置されるため、上述した空気投入による空気濃度の高い領域を形成することが有効である。
【００２２】
ここで、デスラッガノズル挿入部３０の周囲に設けられる空気投入部２０の構成例について、図２を参照して説明する。
図２（ａ）において、デスラッガノズル挿入部３０には、デスラッガノズル３１が炉壁１１ａを貫通するノズル孔３２に挿入して取り付けられている。このデスラッガノズル３１には、蒸気ダクト３３を介してスラグ除去時に噴射する蒸気が供給される。なお、図中の符号３４は、後述する空気投入部２０のノズル本体２１とデスラッガノズル３１との間に設けられたシール部材である。
【００２３】
一方、空気投入部２０は、デスラッガノズル３１とノズル孔３２との間に形成されるリング状の空間を空気流路２２とし、円筒先端に円盤状の鍔部２１ａを備えたノズル本体２１が火炉１１内に取り付けられている。このノズル本体２１は、たとえばデスラッガノズル３１の外周にシール部材３４を介して固定され、火炉１１内の鍔部２１ａと炉壁１１とが所定の間隔で略平行に対向している。従って、ノズル本体２１から火炉１１内へ投入される空気は、鍔部２１ａに衝突することにより、炉壁１１ａに沿って周方向の全周へ向けて流出する。
【００２４】
また、空気投入部２０は、火炉１１の外壁側に設けられた風箱２３を備えている。風箱２３は、空気流路２２を介して火炉１１内のノズル本体２１と連通し、空気供給源２４から供給された空気を供給する。この場合の空気供給源２４は、たとえばバーナ１２から導入される低圧の２次空気を使用することが好ましいのであるが、必要に応じて１次空気や加圧した空気を使用してもよい。
【００２５】
このような空気投入部２０は、スラッギングを生じやすい領域にある火炉１１の炉壁１１ａに空気濃度の高い領域を形成するとともに、熱的に厳しい状況にあるデスラッガノズル挿入部３０の周辺を冷却することができる。従って、スラッギングを生じやすい炉壁１１ａの周辺には、周辺より空気濃度の高い空気層が形成されるので、部分的な酸化雰囲気により壁面の腐食が防止または低減されて火炉壁を長寿命化することができる。
【００２６】
また、空気投入部２０のノズル本体２１に供給される空気がデスラッガノズル３１の外周を通過するので、この空気の流れによって熱的に厳しいシール部材３４等を冷却することができる。
さらに、空気投入部２０が設けられた炉壁１１ａの近傍では、空気濃度が上昇することにより酸素濃度も上昇して酸化雰囲気となる。このような酸化雰囲気ではスラグの溶融温度が高くなるので、スラッギングの緩和が可能となる。
【００２７】
このようなボイラ構造によれば、バーナ１２毎に形成される火炎が接近または接触して火炎影響部となる炉壁１１ａの近傍に、周辺より空気濃度の高い領域を形成する空気投入部２０を設けたので、火炎影響部の周辺が酸素濃度の増加により部分的に還元雰囲気から酸化雰囲気となり、この結果、腐食やスラッギングを抑制または防止して壁面寿命を延ばすことができる。このようなボイラ構造は、石炭焚きボイラにおいては、特にスラッギング抑制に有効であり、また、硫黄分を含有する各種燃料に対応したボイラにおいては、特に耐腐食性の向上に有効となる。
【００２８】
ところで、空気投入部２０の水平断面位置については、火炉１１の形状、バーナ１２の位置や数、旋回流の火炎形成等の諸条件により最適位置が異なる。すなわち、バーナ１２の配置や形成される旋回流火炎等により、バーナ１２毎に形成される火炎が炉壁１１ａに接近または接触する火炎影響部の領域は異なるので、たとえば図１に示す８コーナー炉や図３及び図４に示す４コーナー炉のように、バーナ１２と空気投入部２０との位置関係はボイラ構造毎に異なった配置となる。
【００２９】
図１に示す構成例では、火炉１１が長方形とされ、対向する長辺の２面に各々４箇所のバーナ１２が配置されて左右二つの旋回流を形成している。この場合のバーナ１２は、各旋回流の略中心位置に向けて、すなわち、長方形を２分割して得られる正方形の略中心位置を向くように傾斜しているので、略楕円形状に近い旋回流が二つ形成されている。
従って、この場合の火炎が接近または接触する火炎影響部は、２箇所の角部と長辺中央部付近となり、これらの領域をカバーするようにして空気投入部２０が４箇所に設けられている。
【００３０】
また、図３に示す構成例（第１変形例）では、火炉１１が正方形とされ、各辺の中心位置からオフセットした４箇所のバーナ１２が配置されてひとつの旋回流を形成している。この場合のバーナ１２は、対向する壁面に向けられているので、各バーナ１２のオフセットにより旋回流が形成される。このようなバーナ１２の配置において、各火炎は、旋回流上流側に形成された火炎の影響により、下流側の壁面中央付近に向けて流れている。
従って、この場合の火炎影響部は各辺の中央部付近となるため、これらの領域をカバーするようにして、各辺中央部に空気投入部２０が４箇所に設けられている。
【００３１】
また、図４に示す構成例（第２変形例）では、火炉１１が正方形とされ、４箇所の角部にバーナ１２が配置されてひとつの旋回流を形成している。この場合の火炎影響部も各辺の中央部付近となるため、これらの領域をカバーするようにして、各辺中央部に空気投入部２０が４箇所に設けられている。
このように、空気投入部２０の設置位置については、バーナ１２の配置等に応じて適宜最適位置を選択すればよい。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るボイラ構造の一実施形態を示す図で、（ａ）は火炉の還元燃焼ゾーンを示す水平断面図、（ｂ）は外観概要を示す斜視図である。
【図２】デスラッガノズル挿入部に設けた空気投入部の構成例を示す図で、（ａ）は火炉の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視図である。
【図３】本発明に係るボイラ構造の第１変形例を示す図で、（ａ）は火炉の還元燃焼ゾーンを示す水平断面図、（ｂ）は外観概要を示す斜視図である。
【図４】本発明に係るボイラ構造の第２変形例を示す図で、（ａ）は火炉の還元燃焼ゾーンを示す水平断面図、（ｂ）は外観概要を示す斜視図である。
【図５】燃焼用空気を多段投入して燃料を燃焼させるボイラ構造の概要を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０    ボイラ
１１    火炉
１１ａ    炉壁
１２    バーナ
２０    空気投入部
３０    デスラッガノズル投入部
【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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