(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離管により固体燃料と輸送用気体より成る固気二相流を濃縮流と希薄流とに分離し、それらが前記分離管出口で隣合わせで供給され、かつ、当該分離管の出口先端に内部保炎器が設置された微粉炭バーナにおいて、前記内部保炎器の位置での前記希薄流の流速を前記濃縮流の流速より速くする希薄流増速手段を設けたことを特徴とする微粉炭バーナ。
【請求項２】
請求項１において、前記増速手段は、前記分離管における前記希薄流の流路の先端部分又は先端近傍部分を狭める手段であることを特徴とする微粉炭バーナ。
【請求項３】
請求項１において、前記増速手段は、前記分離管における前記希薄流の流路の断面積を前記濃縮流の流路の断面積より小さくする手段であることを特徴とする微粉炭バーナ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３において、前記増速手段は、前記濃縮流の流路側に設けられた抵抗体を有することを特徴とする微粉炭バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はボイラ等に用いられる微粉炭燃焼システムにおいて使用される微粉炭バーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラ等に用いられる微粉炭燃焼システムは、分級機を内蔵した微粉炭機（ミル）で石炭を粉砕し、分級により所定の大きさ以下の微粉炭を搬送用空気でバーナ部へ供給する構成となっている。このような微粉炭燃焼システムを図１７により説明する。
【０００３】
図１７は微粉炭燃焼システムの系統図である。この図で、１はボイラ火炉、２は風箱、３は微粉炭バーナ、４はガス再循環投入ダクト、５、６は熱交換器、である。７は排ガスＧの流れから排ガスを取り出してガス再循環投入ダクト４へ供給するガス再循環ファン、８は風箱２へ空気を供給するＦＤＦ、９は搬送用空気を供給する一次空気ファン、１０は各流体の流量を調節するダンパである。１１は石炭を貯蔵する石炭バンカ、１２は分級機を内蔵し石炭バンカ１１の石炭を粉砕するミル、１３は石炭バンカ１１の石炭をミル１２へ供給する石炭フィーダ、１４は濃縮器である。
一次空気ファン９で供給された一次空気はミル１２で粉砕された所定の大きさ以下の微粉炭を濃縮器１４へ固気二相流として搬送し、濃縮器１４では濃縮流と希薄流とに分離し、分離された希薄流は管路１５により、又、濃縮流は管路１６により微粉炭バーナ３へ供給される。
【０００４】
上記微粉炭燃焼システムでは、２段燃焼法による低ＮＯX 化が用いられる。２段燃焼法には外部式と内部式がある。外部式の２段燃焼法は、燃焼炉のバーナゾーンでの空気比（燃料に対する必要空気の割合で１が量論的当量）を１以下の燃料リッチな条件に保つことで生成ＮＯX を還元して低ＮＯX 化を図り、未燃焼燃料についてはバーナゾーンの後流に設置されている空気挿入口から空気を投入して完全に燃焼させる方式である。又、内部式２段燃焼法は、二次、三次空気に旋回をかけ、一次空気でのみ着火燃焼している微粉炭との混合を遅らせるバーナゾーンでの燃焼法であり、ＮＲ、ＮＲ２等の微粉炭低ＮＯX バーナで実用化されている。
【０００５】
又、広域負荷対応、さらには高燃料比炭等多炭種対応においては、微粉炭流の固体濃度を高めるために固体とガスの慣性力の差を利用した分離装置をバーナ内部に設置し、又は、サイクロン、ベント管等の固気分離器をバーナ外部に設置することで、着火保炎を促進する手段が実用化されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記２段燃焼法における外部式および内部式併用による低ＮＯX 化技術により、ボイラ出口でのＮＯX 排出量は、１００〜１５０ｐｐｍ前後〔燃料比（固定炭素／揮発分）の値が２、石炭中のＮ分が1.5 ％の基準炭で、灰中未燃分５％以下〕まで低下できるようになった。しかし、環境対策の観点から、燃焼排ガスに含まれるＮＯX 排出量の規制は厳しくなる一方であり、ボイラ出口ＮＯX 排出濃度も１００ｐｐｍ以下の低い値とすることが要求されるようになっている。
【０００７】
又、最低負荷切下げによる広域負荷運転においては、現状バーナの最低負荷は３０〜４０％に対して、次世代ボイラでは、バーナ大容量化に伴い２５％以下での安定燃焼が重要課題となっている。これに加えて、石炭の輸入依存度が１００％に近い我が国では、炭種に左右されない安定した低ＮＯX 化、広域負荷対応の技術の確率が必要不可欠である。
【０００８】
このようなＮＯX 排出量１００ｐｐｍ以下の低ＮＯX 対策および広域負荷対応をめざしたものとしては、微粉炭を濃縮流と希薄流に分離して供給するバーナの濃縮流の流れの中に内部保炎器を設置して着火保炎を強化する方法が特願平６−２７７７３３号で提案されている。
【０００９】
しかし、このような技術の問題点は、内部保炎器が濃縮流内にあるため、希薄流側への着火保炎には役立たない点である。その対策として、濃縮流と希薄流とを分離壁を介して分離供給させ、しかもその分離壁先端に内部保炎器を設置して濃縮流、希薄流の両者を着火保炎させる方法が考えられるが、その場合には、内部保炎器の後流の再循環領域への巻き込みが濃縮流、希薄流の両方から起こり、特に、希薄流からの流れ込みが多くなると保炎効果が薄れてしまうという問題が生じる。
【００１０】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、超低ＮＯX 化を維持しつつ、着火保炎を強化することができ、ひいては広域負荷運転、多炭種にも対応することができる微粉炭バーナを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、分離管により固体燃料と輸送用気体より成る固気二相流を濃縮流と希薄流とに分離し、それらが前記分離管出口で隣合わせで供給され、かつ、当該分離管の出口先端に内部保炎器が設置された微粉炭バーナにおいて、前記内部保炎器の位置での前記希薄流の流速を前記濃縮流の流速より速くする希薄流増速手段を設けたことを特徴とする。
【００１２】
【作用】
希薄流の流速が濃縮流の流速より大きいので、多くの微粉炭を含んだ濃縮流が希薄流に巻き込まれて内部保炎器の後流の再循環領域へ流れ、巻き込まれた濃縮流に含まれる多くの微粉炭の燃焼により再循環領域が高温になり、内部保炎器の近傍を通過する未着火の微粉炭への着火保炎を促進し、着火保炎を強化する。
【００１３】
【発明の実施形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図、図２は第２の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。各図で、２０は濃縮流希薄流分離管（以下、単に分離管という。）であり、希薄流Ｃ0 と濃縮流Ｃ1 とを分離する。２００は分離管２０の先端部分において中心側に狭められたテーパ部、２０１は希薄流Ｃ0 が流れる希薄流流路、２０２は濃縮流Ｃ1 が流れる濃縮流流路を示す。２１は外周保炎リング、２２は分離管２０の出口先端に設置された内部保炎器、２３は着火用の重油ノズルである。２４は濃縮流流路２０２に設けられたベンチュリ型抵抗体である。２５、２６はそれぞれ二次空気Ａ2 、三次空気Ａ3 に旋回を与えるスワラである。なお、各図で、内部保炎器２３の右側部分がボイラ火炉１の内部となる。
【００１４】
これら各実施形態では、分離管２０の先端部分に中心側に狭められたテーパ部２００を設けたので、希薄流流路２０１の出口ｄ1 が狭められ、一方、濃縮流流路２０２の出口ｄ2 は拡げられ、これにより、希薄流Ｃ0 の流速が濃縮流Ｃ1 の流速より大きくなり、出口において濃縮流Ｃ1 が希薄流Ｃ0 に巻き込まれ、微粉炭を多く含んだ濃縮流Ｃ1 が内部保炎器２２の後流の再循環領域（図で内部保炎器２２の右側の領域）へ流れ、巻き込まれた濃縮流に含まれる多くの微粉炭の燃焼により再循環領域が高温になり、内部保炎器２２の近傍を通過する未着火の微粉炭への着火保炎を促進し、着火保炎を強化することになる。
【００１５】
なお、ベンチュリ型抵抗体２４は、希薄流側出口断面積を小さくすることで入口でのガス流配分が変わり、希薄流側への流れ込みが減少するのを防止するために設けられるものであり、抵抗体をベンチュリ型とすることにより微粉炭が淀まないようにすることが望ましい。しかし、このベンチュリ型抵抗体２４は必ずしも必要ではなく、ベンチュリ型抵抗体２４を除去した構成が第２の実施形態である図２に示されている。
【００１６】
上記の巻き込み動作を図３および図４を参照しながらさらに詳細に説明する。濃縮流Ｃ1 の再循環領域への流れ込みの量は、両者の流れの運動量の大きさに依存する。流体の運動量の大きさは、流体密度に流速の二乗を乗じた量で与えられる。そこで、希薄流Ｃ0 の密度をρ0 、速度をｖ0 とすると、希薄流Ｃ0 の運動量はρ0 ・ｖ0 2 となり、濃縮流Ｃ1 の密度をρ1 、速度をｖ1 とすると、濃縮流Ｃ1 の運動量はρ1 ・ｖ1 2 となる。図３は希薄流Ｃ0 の運動量と濃縮流Ｃ1 の運動量の比に対する濃縮流Ｃ1 の再循環領域における濃度（濃縮流Ｃ1 の再循環領域への巻き込み量）を表わす図であり、横軸には希薄流Ｃ0 の運動量と濃縮流Ｃ1 の運動量の比（ρ0 ・ｖ0 2 ／ρ1 ・ｖ1 2 ）が、縦軸には濃縮流Ｃ1 の再循環領域における濃度がとってある。図３から、希薄流Ｃ0 の運動量と濃縮流Ｃ1 の運動量の比が大きいほど濃縮流Ｃ1 の再循環領域への巻き込み量が大きくなることが判る。
【００１７】
ここで、図４および図３を用いて希薄流Ｃ0 と濃縮流Ｃ1 の流速決定方法の一例を示す。図４はバーナ負荷に対する平均微粉炭濃度を表わす図であり、横軸にバーナ負荷が、縦軸に平均微粉炭濃度（空気１ｋｇにおける微粉炭重量であり、Ｃ／Ａで表わす。）がとってある。通常、微粉炭バーナ内での微粉炭の搬送の流速は２０〜２５ｍ／ｓであり、１５ｍ／ｓ以下では火炎吹き飛びの危険性がある。そこで、本実施形態では、希薄流Ｃ0 の流速は２０〜３０ｍ／ｓ、濃縮流Ｃ1 の流速は１５〜２５ｍ／ｓの範囲内に限定する。
【００１８】
図４から、バーナ負荷５０％における、Ｃ／Ａは０.３３ となる。この場合、濃縮能力１.３ 倍のバーナでは、空気は均等配分されるとして、濃縮側のＣ／Ａは０.４３ （０.３３ ×１.３ ）、希薄側のＣ／Ａは０.２３ となる。Ｃ／Ａ＝１が燃焼の当量比に相当し、その時の内部保炎器２２の再循環領域内の温度は最も高く、着火保炎の最適値となる。微粉炭は２００メッシュ通過８０％前後では２０μｍ以下を約３０％含み、慣性力の比較的小さい約２０μｍ以下の粒子が再循環領域へ巻き込まれる。
【００１９】
今、濃縮流Ｃ1 の再循環領域内での体積濃度をＣ11とすると、再循環領域内でＣ／Ａ＝１を確保するためには、
０.３［０.４３ Ｃ11＋０.２３ （１−Ｃ11）］＝１
が成立しなければならない。上式から、Ｃ11＝０.５ となる。
この体積濃度を得るためには、図３に破線で示すように、希薄流Ｃ0 の運動量と濃縮流Ｃ1 の運動量の比が２.１ となるように選定すればよい。ρ0 ／ρ1 は０.２３ ／０.４３ であるから、ｖ0 ／ｖ1 ＝１.９ となる。
例えば、希薄流Ｃ0 の流速を３０ｍ／ｓに選定すると、濃縮流Ｃ1 の流速は約１６ｍ／ｓとなる。
上記各実施形態では、希薄流の流速を速くし濃縮流の流速を遅くするため、分離管２０の先端部分に中心側に狭まるテーパ部２００が形成される。上記の流速を実現するためには、テーパ部２００の形状が、（濃縮流路２０２の出口断面積）／（希薄流路２０１の出口断面積）＝１.９ になるように形成すればよい。
【００２０】
このように、上記各実施形態では、希薄流の流速を濃縮流の流速より速くしたので、希薄流により濃縮流を再循環領域へ巻き込むことができ、微粉炭を濃縮流と希薄流とに分離して供給する微粉炭バーナの超低ＮＯX 化を維持しつつ、着火保炎を強化することができ、ひいては広域負荷運転、多炭種にも対応することができる。
【００２１】
以下、希薄流Ｃ0 の流速を速く、濃縮流Ｃ1 の流速を遅くするいくつかの実施形態を図示する。以下の各図では、図１に示す部分と同一又は等価な部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００２２】
図５および図６は第３および第４の実施形態の微粉炭バーナを示す図である。これらの図で、２８は内部濃縮器、Ｆは重油ノズル２３を通る中心線を示す。これら各実施形態では、微粉炭は固気二相流体（Ａ＋Ｃ）として供給され、内部濃縮器２８を経てその後流の分離管２０で希薄流Ｃ0 と濃縮流Ｃ1 に分離される。図５にはベンチュリ型抵抗体２４を備えたものが示され、図６にはベンチュリ型抵抗体を備えていないものが示されている。
【００２３】
図７および図８は第５および第６の実施形態の微粉炭バーナを示す図である。これら各実施形態では、分離管２０にテーパ部は形成されておらず、その代わり、希薄流流路２０１の断面積Ｄ201 が小さく、濃縮流流路２０２の断面積Ｄ202 が大きく形成されている。このような断面積の差により、当然、希薄流Ｃ0 の流速を濃縮流Ｃ1 の流速より大きくすることができる。図７にはベンチュリ型抵抗体を備えていないものが示され、図８にはベンチュリ型抵抗体２４を備えているものが示されている。
【００２４】
図９および図１０は第７および第８の実施形態の微粉炭バーナを示す図である。これら各実施形態では、微粉炭は固気二相流体（Ａ＋Ｃ）として供給され、適宜の手段で矢印Ｓに示すように旋回を与えられる。この旋回により、外側（周壁側）が濃縮流Ｃ1 、内側が希薄流Ｃ0 となって分離し、分離管２０に入る。図９にはベンチュリ型抵抗体２４を備えたものが示され、図１０にはベンチュリ型抵抗体を備えていないものが示されている。
【００２５】
図１１および図１２は第９および第１０の実施形態の微粉炭バーナを示す図である。これらの図で、３０はベンチュリである。これら各実施形態では、微粉炭は固気二相流体（Ａ＋Ｃ）として供給され、ベンチュリ３０によって濃縮をかけられ、希薄流Ｃ0 は外側に、濃縮流Ｃ1 は中心側に分離される。図１１にはベンチュリ型抵抗体２４を備えたものが示され、図１２にはベンチュリ型抵抗体を備えていないものが示されている。
【００２６】
図１３および図１４は第１１および第１２の実施形態の微粉炭バーナを示す図である。図１および図２に示す各実施形態においては、希薄流Ｃ0 が中心側に、濃縮流Ｃ1 が外側に分離されていたのに対して、これら本実施形態では、逆に、希薄流Ｃ0 が外側に、濃縮流Ｃ1 が中心側に分離される。この場合、当然、テーパ部２００は、図１および図２に示すテーパ部２００とは逆に、外側に拡げられた形状に形成される。このような形態で分離されても動作および効果は変わらない。図１３にはベンチュリ型抵抗体２４を備えたものが示され、図１４にはベンチュリ型抵抗体を備えていないものが示されている。
【００２７】
図１５は第１３の実施形態の微粉炭バーナを示す図である。上記各実施形態においては、テーパ部２００が分離管２０の先端部に形成されていたが、本実施形態では、先端部から少し離れた部分に中心側に狭められる形状で形成されている。希薄流Ｃ0 が中心側に、濃縮流Ｃ1 が外側に分離される。図１５の（ａ）にはベンチュリ型抵抗体を備えていないものが示され、図１５の（ｂ）にはベンチュリ型抵抗体２４を備えているものが示されている。
【００２８】
図１６は第１４の実施形態の微粉炭バーナを示す図である。上記図１４に示す実施形態と同じく、本実施形態でも、テーパ部２００が先端部から少し離れた部分に外側に拡げられる形状で形成されている。テーパ部２００の形状から希薄流Ｃ0 が外側に、濃縮流Ｃ1 が中心側に分離されることになる。図１６の（ａ）にはベンチュリ型抵抗体を備えていないものが示され、図１６の（ｂ）にはベンチュリ型抵抗体２４を備えているものが示されている。
【００２９】
なお、上記各実施形態の説明では、外周保炎リングを備えた微粉炭バーナについて説明したが、外周保炎リングを備えていないものにも適用できるのは明らかである。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明では、希薄流の流速を濃縮流の流速より速くしたので、希薄流により濃縮流を再循環領域へ巻き込むことができ、微粉炭を濃縮流と希薄流とに分離して供給する微粉炭バーナの超低ＮＯX 化を維持しつつ、着火保炎を強化することができ、ひいては広域負荷運転、多炭種にも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図３】希薄流の運動量と濃縮量の運動量の比に対する濃縮流の再循環領域における濃度を表わす図である。
【図４】バーナ負荷に対する平均微粉炭濃度を表わす図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図８】本発明の第６の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図９】本発明の第７の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図１０】本発明の第８の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図１１】本発明の第９の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図１２】本発明の第１０の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図１３】本発明の第１１の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図１４】本発明の第１２の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図１５】本発明の第１３の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図１６】本発明の第１４の実施形態に係る微粉炭バーナを示す図である。
【図１７】微粉炭燃焼システムの系統図である。
【符号の説明】
２０  分離管
２１  外周保炎リング
２２  内部保炎器
２３  重油ノズル
２４  ベンチュリ型抵抗体
２００  テーパ部
２０１  希薄流流路
２０２  濃縮流流路
【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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