(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料と搬送用気体を火炉へ送り込む一次流路と、該一次流路の先端部に設けた保炎器と、前記一次流路の外側に設けた複数の燃焼用空気を導入する燃焼用空気流路と、該燃焼用空気流路のさらに外周に設けられ、燃焼排ガスの一部を導入する排ガス再循環流路とを備えたことを特徴とするバーナ。
【請求項２】
請求項１記載のバーナを用いて燃料を燃焼させる燃焼炉と、該燃焼炉から排出する排ガスを再循環させてバーナへ導入する排ガス再循環流路と、該排ガス再循環流路に設けられた排ガス流量調節手段及び／又は排ガスの旋回方向及び／又は旋回強度を調節する手段とを備えた燃焼装置。
【請求項３】
請求項１のバーナを複数個備え、燃焼排ガスの混合流量を各バーナで個別にまたは一律に調節できる排ガス再循環流路と各排ガス再循環流路に設けられた流量調整手段および／または排ガス再循環流路切換手段を設けた燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼装置に係り、特に排ガス中の窒素酸化物を低減するのに好適な燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微粉炭焚ボイラの排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する有効な手段として、火炎内でＮＯｘを還元する、いわゆる火炎内脱硝技術が実用化されている。図３は火炉１１６内での排ガス脱硝を効果的に行わせるのに好適なバーナの側断面図を示す。
【０００３】
バーナには３つの流路が構成されており、内側の燃料流路１０１には燃料（微粉炭）と搬送用気体の混合流体１０５が導入される。燃料流路１０１の外周部には燃焼用空気供給用流路が設けられ、風箱１１５から供給される燃焼用空気が２次空気１０６と３次空気１０７に分割され、２次空気流路１０２と３次空気流路１０３から火炉１１６に投入される。２次空気流路１０２と３次空気流路１０３にはそれぞれ燃焼用空気を旋回させながらバーナ口から噴出させるための２次空気旋回器１１１と３次空気旋回器１１３をそれぞれ設けている。
【０００４】
また、２次空気流路１０２と３次空気流路１０３の間には流路分離器１１２が設置されており、この流路分離器１１２により３次空気１０７が混合流体１０５と混合するタイミングを２次空気が混合流体１０５と混合するタイミングより遅らせ、火炎内部に燃料過剰な還元領域を形成させている。燃料流路１０１の出口外周部には保炎器１１０が設けられていて、該保炎器１１０により火炎はバーナ口より形成され還元領域内で燃焼が急速に進行する。
【０００５】
図４は、図３に示すバーナを用いたテスト炉での燃焼試験における火炎内のＯ２濃度分布、温度分布およびＮＯｘ温度分布を示す。燃焼の進行に伴い火炎内でＯ２は急速に消費され、Ｏ２濃度はバーナから離れるにつれて低下している。ＮＯｘはバーナ近傍で大量に生成されるが、Ｏ２濃度の低下に伴い還元反応が促進されるため、ＮＯｘ濃度はバーナから離れるに従い急速に低下している。
【０００６】
また、火炉１１６内でのＮＯｘ低減をさらに促進するため、二段燃焼法が適用されている。図５には二段燃焼法を適用したボイラの燃料燃焼系統例を示す。微粉炭と搬送用気体の混合流体１０５はバーナ１２２を通して火炉１１６へ導入される。燃焼用空気１２４はバーナ用空気流量調節ダンパ１２５および二段燃焼用空気流量調節ダンパ１２６により配分調節された後、バーナ用の風箱１１５および二段燃焼用風箱１２８とそれぞれバーナ１２２および二段燃焼用空気供給装置１２９を介して火炉１１６へ投入される。また、図５の例では火炉１１６から排出する排ガス１３０の一部は再循環ガス１３１として火炉１１６に戻され、再熱蒸気温度制御に使用される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の火炉内脱硝型バーナと二段燃焼法の組合せにより、燃料比（固定炭素／揮発分）２．５以下、窒素分２．０％以下の石炭に対して、排ガス中のＮＯｘ濃度はＮＯｘ１２０ｐｐｍ（Ｏ２  ６％換算）のレベルまで到達している。上述のＮＯｘ濃度低減技術は、石炭中の窒素分のＮＯｘへの転換、すなわちフュエルＮＯｘ量を抑えることが主体である。ＮＯｘ濃度レベルの低下に伴い、空気中のＮ２が高温下でＯ２と反応して生成する、いわゆるサーマルＮＯｘ濃度の比率が無視できなくなった。
【０００８】
サーマルＮＯｘ濃度を抑制するためには、火炎温度の低下および燃焼場のＯ２濃度の低下が有効であることが知られている。したがって、ボイラ排ガスの一部を再循環させて燃焼用空気と混合する、いわゆる排ガス混合は、サーマルＮＯｘ抑制に有効な実用化された技術の一つである。
【０００９】
図６に排ガス混合を作るボイラの燃料燃焼の系統例を示す。図６の系統図では図５に示す系統図に示す部材と同一機能を奏する部材には同一番号を付して、その説明は省略する。
【００１０】
火炉１１６から排出する排ガス１３０の一部は再循環ガス１３１としてガス再循環ファン１３２によって燃料燃焼系に戻され、その中の一部は再熱蒸気温度制御のために再循環ガス流量調節ダンパ１３３によって火炉底部から火炉１１６へ導入され、他の一部は排ガス混合流量調節ダンパ１３４によって所定の流量に調節された後、混合器１３５で燃焼用空気１２４に混合される。
【００１１】
前記再循環ガスが混合した燃焼用空気は空気流量調節ダンパ１２５、１２６で所定の流量に調節された後、バーナ用風箱１１５および二段燃焼用風箱１２８にそれぞれ導かれる。燃焼用空気１２４と再循環ガス１３１の混合気は図３に示したように、風箱（ウィンドボックス）１１５から２次空気流路１０２および３次空気流路１０３を通って火炉１１６へ導かれる。２次空気１０６および３次空気１０７の一部は、これらの燃焼用空気１２４の流れの内周側に形成される混合流体１０５の中の微粉炭と搬送用気体に徐々に混合しながら火炎を形成していく。
【００１２】
しかしながら燃焼用空気１２４に排ガス混合を行った場合、風箱１１５内のＯ２濃度が一律に低下するため、前記のように火炎を形成していく過程で、バーナ近傍での燃料の燃焼性が低下する。燃料の燃焼性の低下は、バーナ近傍に形成される還元領域での燃焼率低下を招き、火炎内脱硝の機能を低下させるため、ＮＯｘ濃度は上昇する結果となる。
【００１３】
すなわち、サーマルＮＯｘ生成抑制のための排ガス混合がフュエルＮＯｘの生成量を上昇させ、仕上がりＮＯｘの生成抑制に効果が無い結果となる。上記問題は、排ガス混合により燃料の燃焼性が低下することが原因である。このことは、３次空気１０７に排ガスを混合することを開示した特開昭６０−３０９１２号公報の発明の場合も同様である。
【００１４】
前記公報には、２次空気の外周に排ガスを空気に混合するかまたは単独で供給する低ＮＯｘバーナが記載されており、その目的は火炎最外周ゾーンでのサーマルＮＯｘの発生防止にあるとしている。しかしながら前記公報に記載された低ＮＯｘバーナには、本出願の従来技術（図３）にも記載されている外周保炎器１１０がなく、燃料流路から火炉に噴出した直後に着火保炎領域が生じておらず、いわば不安定な状態にある。さらに、そういった状況で２次空気の外周から排ガスを空気に混合するか又は単独で供給することは、安定して燃料を燃焼させるための空気量の不足および２次空気への外乱となり、結果として燃料燃焼性が低下することになる。
【００１５】
火炉１１６での燃料の燃焼により生成する排ガスを火炉１１６の炉底より再度、火炉１１６内に導入する図５に示す従来技術においても排ガス投入量を増加させることによりＮＯｘ生成量が低下する現象が確認されている。しかしながら、本方式は、炉内全体の温度を低下させることによりＮＯｘが低下するメカニズムであるため、ＮＯｘ生成量の低減効果が小さい。また、雰囲気温度が最も低く、火炎安定性確保の面で最も厳しい条件下にある最下段バーナ近傍から排ガスが導入されるため、排ガス投入量の増加は火炎の不安定化を招く要因となっている。
【００１６】
本発明の課題は、火炎安定性および燃料の燃焼性を維持して火炎内脱硝性能を低下させることなく、サーマルＮＯｘ濃度を効果的に低減可能な燃焼装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は、バーナ近傍の燃焼性に影響を及ぼさないバーナ最外周部から再循環ガスを導入することにより達成される。
すなわち、本発明は固体燃料と搬送用気体を火炉へ送り込む一次流路と、該一次流路の先端部に設けた保炎器と、前記一次流路の外側に設けた複数の燃焼用空気を導入する燃焼用空気流路と、該燃焼用空気流路のさらに外周に設けられ、燃焼排ガスの一部を導入する排ガス再循環流路とを備えたバーナである。
【００１９】
また、本発明には上記バーナを用いて燃料を燃焼させる燃焼炉と、該燃焼炉から排出する排ガスを再循環させてバーナへ導入する排ガス再循環流路と、該排ガス再循環流路に設けられた排ガス流量調節手段および／または排ガスの旋回方向及び／又は旋回強度を調節する手段とを備えた燃焼装置も含まれる。
【００２０】
さらに、本発明には、上記バーナを複数個備え、燃焼排ガスの混合流量を各バーナで個別にまたは一律に調節できる排ガス再循環流路と各排ガス再循環流路に設けられた流量調整手段および／または排ガス再循環流路切換手段を設けた燃焼装置も含まれる。
【００２１】
【作用】
バーナから火炉内に向けて噴出する燃料（微粉炭など、以下微粉炭として説明する。）とその搬送用気体からなる微粉炭流を取り囲む燃焼用空気流れの中で、内周側の燃焼用空気流の空気は、微粉炭とその搬送用気体に対してバーナ近傍で高い酸素濃度を維持するため、微粉炭の燃焼性を低下させることはない。本発明によれば、バーナより噴出する流体の最外周部より導入された再循環排ガスは、徐々に内周側の燃焼用空気と混合して火炎内脱硝領域後流の酸化流域における酸素濃度を低下させ、効果的にサーマルＮＯｘの生成を抑制することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について以下説明する。
図１に本発明のバーナの側断面図を示す。微粉炭および燃焼用空気の導入方法および流路構成は従来技術からなるバーナの構造例である図３に示すものと同じである。
【００２３】
バーナの最内部の燃料流路１には微粉炭と搬送用気体の混合流体５が導入される。燃料流路１の外周部には燃焼用空気供給用流路が設けられ、風箱１７から供給される燃焼用空気が２次空気６と３次空気７に分割され、２次空気流路２と３次空気流路３から火炉１８に投入される。２次空気流路２と３次空気流路３にはそれぞれ燃焼用空気を旋回させながらバーナ口から噴出させるための２次空気旋回器１１と３次空気旋回器１３をそれぞれ設けている。
【００２４】
また、２次空気流路２と３次空気流路３の間には３次空気７が燃料と混合するタイミングを２次空気６が燃料と混合するタイミングより遅らせ、火炎内部に燃料過剰な還元領域を形成させるための流路分離器１２が設置されている。燃料流路１の出口外周部には保炎器１０が設けられていて、該保炎器１０により火炎はバーナ口より形成され還元領域内で燃焼が急速に進行する。
【００２５】
本発明からなるバーナの特徴は、３次空気流路３の外周に火炉１８からの排ガスが再循環される再循環ガス流路４を設けたことである。再循環ガス８は、専用の再循環ガス供給管１５を通して再循環ガス供給室１６に導かれ、再循環ガス用旋回器１４で適正な旋回を与えられた後、火炉１８へ投入される。
【００２６】
図２には図１に示すバーナが用いられるボイラの燃料燃焼系統例を示す。微粉炭と搬送用気体の混合流体２１はバーナ２２を通して火炉１８へ導入される。燃焼用空気２４はバーナ用空気流量調節ダンパ２５および二段燃焼用空気流量調節ダンパ２６により配分調節された後、バーナ用の風箱１７および二段燃焼用風箱２８とそれぞれバーナ２２および二段燃焼用空気供給装置２９を介して火炉１８へ投入される。
【００２７】
図６の従来技術からなる系統例に比較して、図２の系統例では火炉１８から排出する排ガス３０の一部は再循環ガス３１としてガス再循環ファン３２により再循環ガス調節ダンパ３３により所定の流量に調節されて火炉１８に戻され、再熱蒸気温度制御に使用される。また、再循環ガス３１の一部はバーナ用再循環ガス調節ダンパ３４により所定の流量に調節した後、バーナ２２へ直接導入される。バーナ口で図１に示す再循環ガス供給管１５に接続される。
【００２８】
バーナ２２の内周側の２次空気６および３次空気７の一部は、中心の微粉炭と搬送用気体の混合流体５と徐々に混合しながら、還元雰囲気の中で燃焼を進行させフュエルＮＯｘの生成を抑制する。一方、バーナ最外周から導入された再循環ガス３１は、３次空気７と徐々に混合して３次空気７が内周還元領域に合流する酸化領域において酸素濃度を低下させ、サーマルＮＯｘの生成を抑制する。再循環ガス３１の流量および旋回方向、強度を調節することにより酸化領域での酸素濃度の調整が可能であり、サーマルＮＯｘを効果的に抑えることができる。
【００２９】
最外周再循環ガス３１の代わりに、再循環ガス供給管１５に再循環ガス３１と燃焼用空気２４の混合気体を導入してもよい。
【００３０】
また、燃焼性の高い燃料に対しては、３次空気に再循環ガスを混合することによって、最外周流路を省略することも可能である。この場合は前記特開昭６０−３０９１２号公報記載の発明とは外周保炎器１０が有る点で相違する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、火炎内脱硝効率を維持して火炎外周部のサーマルＮＯｘの抑制が可能となり、ボイラ出口ＮＯｘをさらに低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態のバーナの構造例を示す図である。
【図２】  本発明の実施の形態の燃焼装置の系統例を示す図である。
【図３】  従来技術からなるバーナの構造例を示す図である。
【図４】  従来技術からなるバーナを用いた燃焼場でのＯ２分布、温度分布及びＮＯｘ濃度分布の例を示す。
【図５】  従来技術からなる燃焼装置系統の例を示す。
【図６】  従来技術からなる燃焼装置系統の例を示す。
【符号の説明】
１    燃料流路                ４    再循環ガス流路
６    ２次空気                ７    ３次空気
１０  保炎器                  １１  ２次空気旋回器
１２  流路分離器              １３  ３次空気旋回器
１４  再循環ガス用旋回器      １５  再循環ガス供給管
１６  再循環ガス供給室        １７  風箱
１８  火炉                    ２１  混合流体
２２  バーナ                  ２４  燃焼用空気
２５  バーナ用空気流量調節ダンパ
２６  二段燃焼用空気流量調節ダンパ
２８  二段燃焼用風箱          ２９  二段燃焼用空気供給装置
３０  排ガス                  ３１  再循環ガス
３２  ガス再循環ファン        ３３  再循環ガス調節ダンパ
３４  バーナ用再循環ガス調節ダンパ
【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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