第章

7

微粉炭火力の運用性の
向上

第７章

微粉炭火力の運用性の向上 ● 目

CS推進室

受託推進グループ

部長

次

牧野

尚夫

横須賀研究所

エネルギー機械部

主任研究員

沖

裕壮

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

木本

政義

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

小野

哲夫

７−１

研究の背景 ………………………………………………………………………………………………………………… 77

７−２

低負荷燃焼安定性の改善 ………………………………………………………………………………………………… 77

７−３

低NOx燃焼との併用 ……………………………………………………………………………………………………… 81

７−４

今後の展開 ………………………………………………………………………………………………………………… 85

コラム２：微粉炭濃度・粒度計測技術 …………………………………………………………………………………………… 86

牧野76

尚夫（10ページに掲載）（7-1、7-4執筆）

沖裕壮（1989年入所）
これまで、微粉炭火力や石炭ガス化に関する研究に携わり、低負荷対応微粉炭バーナの開発や、事業用ボイラの伝熱・燃焼特性評価、
ボイラおよびガス化炉で生成する灰の溶融特性評価などを行ってきました。現在は、石炭ガス化炉を対象に、炭種等による生成灰特性の違いを予測する技術の開発に従事しています。
（7-2執筆）木本 政義（1988年入所）
これまで、微粉炭燃焼時の N O x ・灰中未燃分の同時低減技術や低負荷時の安定燃焼技術の開発を行うと共に、電気事業では未利用の低品位炭や高燃料比炭など多様な炭種の燃焼特性評価に従事してきました。現在は、石炭灰の有効利用量増大を図るための燃焼技術
や灰物性評価に関連した研究に携わっています。今後も、微粉炭燃焼技術の高度化に取り組んでいきたいと考えています。
（7-3執筆）小野 哲夫（1962年入所）
海外炭利用の初期には、貯炭場における
石炭自然発火の発生機構の解明とその対策を検討しました。その後、微粉炭濃度・粒度の計測技術の開発、および CWM の製造技術の開発と、一貫して石炭ハンドリングの問題を扱って来ています。
（コラム２執筆）

７−１

研究の背景

微粉炭火力は 1980 年代に入ると新設、あるいは石油

燃料が希薄の状態になり、安定燃焼が難しくなるという火力からの燃料転換などにより再び増加し、その電源に問題点を引き起こす。勿論、石炭の供給量の低下に応じ占める割合は、現在では 10 ％を超えるようになってきて搬送用空気量を減少すれば、この問題は解決できるが、ている。一方、1980 年代以前に、火力のほとんどを占その場合には搬送用空気の流速が低下するため、微粉炭

めていた石油火力の割合は急激に減少してきている。こが配管内に沈降しやすくなり、バーナへの微粉炭の安定のような電源構成上の割合の変化は、微粉炭火力に要請

供給が難しくなる。このような状況から、微粉炭火力にされる機能にも大きな変化をもたらしてきている。すな

おいては、低負荷時に希薄となった微粉炭の燃焼を安定

わち、従来、ベース電源として位置付けられていた微粉させるため、微粉炭流の一部を適切な濃度に濃縮する技

炭火力が、近年、ミドル・ピーク対応火力としての運用術の開発が重要になっている。

も要求されるようになってきており、負荷調整機能の向電力需要に応じた負荷運用性の向上のためには、低負荷時に微粉炭を安定に燃焼させる技術だけでなく、負荷上が望まれている。
微粉炭火力で負荷調整を行う場合、従来は、各バーナの上昇あるいは低下を行う、負荷変化時の変化速度（負への微粉炭供給量を低下させて調整することに加え、大荷追従性）を速くすることも重要である。負荷変化時に幅に負荷を低下させる場合は、一部のバーナを消火し、は、微粉炭の濃度が変動しやすく安定燃焼が困難になる燃焼に用いるバーナ本数を減少させることで行ってきた。

ため、微粉炭火力においては、石油火力に比べてどうし

しかし、バーナの点消火操作に時間を要するため負荷変ても変化速度を低くせざるを得ず、負荷追従性が悪いと化が遅くなると共に、下げられる負荷範囲も狭いといういう欠点があった。すなわち、負荷変化時においても、問題点があった。これに対し、各バーナの点消火を伴わ変動する微粉炭濃度を適切な濃度にまで調整できる機能

ずに負荷調整を行う方法は高い負荷追従性を有するが、を加えることにより負荷追従性の改善が可能になる。

その場合の負荷調整においては、要求される発電電力量

これらの、低負荷時に微粉炭が希薄となって燃焼安定に応じて各バーナへの微粉炭供給量を減少させることに性が悪くなる点、負荷変化時に微粉炭濃度が変動するこなる。微粉炭は固体であるため搬送が困難であり、微粉とにより、負荷変化速度を大きくできない点を改善する

炭火力では気流中に微粉炭粒子を浮遊させ、空気輸送のため、当研究所では微粉炭の濃縮機能を持つワイドレン

形態で搬送する。搬送された微粉炭はバーナよりボイラ

ジバーナ ⑴〜⑸および、一層の低 NOx 燃焼を可能にした

内に吹き出し、燃焼させる。低負荷時において微粉炭供

超低 NOx ワイドレンジバーナの開発を行った。本章で給量を減少させることは、搬送用空気中の微粉炭濃度をは、これらの技術について紹介する。

下げることになり、特に大きく負荷を下げる場合には、

７−２

低負荷燃焼安定性の改善
図 7-2-1 に、ミル負荷と A/C との関係を示す。

7-2-1

低負荷対応用バーナの概念

低負荷条件では、微粉炭供給量を減らすことになるが、微粉炭の搬送性を維持するために、搬送用空気量の低減

微粉炭バーナから噴出する微粉炭濃度は、通常、には限界がある。従って、負荷があるところまで低下す

Air/Coal(微粉炭搬送用空気量と微粉炭供給量の重量比、

ると A/C は急激に増加する。微粉炭バーナが安定燃焼

以降 A/C と表記)と呼ばれる指標を基に調節されている。

を維持できる A/C は 2.5 〜 3.0 程度までとされ、これに電中研レビュー No.46 ● 77

10

付帯機器を必要とすることなどから、新設火力に採用さ9れることはあっても、既設火力の改造時に採用されるこ8とは少なかった。

バーナ入口のA/C

7

そこで、当研究所と石川島播磨重工業㈱は、共同で、

従来バーナ

6

石油火力並の 20%負荷までの安定燃焼を可能にするとと5もに、既設火力へのリプレースにも対応できるように、

4

濃縮機構を設置したコンパクトな形式で安価な低負荷対

2

安定燃焼

1
0

従来型バーナとほぼ同じ大きさのバーナの内部に微粉炭

安定燃焼範囲の目安

3

応バーナの開発に着手した。

ワイドレンジバーナ高濃度部
0

20

40

60

80

100

ミル負荷（％）

図7-2-1

ミル負荷とA/Cの関係

7-2-2

微粉炭濃縮機構の基本構造

微粉炭バーナ内部の限られた空間で希薄な微粉炭を濃縮するには、遠心力の利用が有効と考え、図 7-2-3 に示相当する負荷 35 〜 40%が安定燃焼可能な最低負荷であす内部セパレート型ワイドレンジバーナ（以降ワイドレった。

ンジバーナと表記）を考案した。

安定燃焼範囲を拡大し、微粉炭ボイラの運用性を向上させるためには、低負荷時の希薄微粉炭流を局所的に濃ワイドレンジバーナは、濃度調整リングと呼ばれる環状構造物を内蔵し、先端が三重管構造となっている。

縮し、バーナ出口近傍の微粉炭濃度を局所的に高くする

接線方向から流入した旋回微粉炭流は、濃度調整リンことが有効である。既に、図 7-2-2 に示すようなバーナ

グを乗り越える際に外筒内面に集中する。濃度調整リン

外部に微粉炭濃縮機構を有する低負荷対応用バーナが開グをノズル先端方向に押し込むと、外筒内面に濃縮され発・実用化されているが、構造が複雑で、外部に大きなた微粉炭が、そのまま外筒と中間筒の間から噴出され、濃度調整リングをノズル先端から離すと、いったん濃縮された微粉炭が再分散し、微粉炭は中間筒と内筒の間か

微粉炭入口（１次空気）らも噴出される。このように、負荷に応じて濃度調整リ
ングを移動することにより、低負荷時にもバーナ出口微

高負荷位置
低負荷位置
低負荷位置

高負荷位置

粉炭濃度が局所的に高くなり、着火性が向上する。
濃縮した微粉炭を三重管構造のノズルの一部から噴出する場合、高濃度の微粉炭を、外周部、中間部、中心部のどこから噴出するのが、最も安定な燃焼を確保できるのかを検討した事例はない。そこで、燃焼量 150kg/h の微粉炭
濃度調整リング

３次空気 ２次空気（注） ：スプリッタダンパ：横置サイクロン：サイクロン出口ダンパ：点火トーチ：スワラ

図7-2-278

微粉炭：バーナノズル：油バーナ：ターシャリダンパ：低負荷ノズル

従来の低負荷対応微粉炭バーナの一例

内筒 中間筒 外筒

微粉炭流入口

図7-2-3

内部セパレート型ワイドレンジバーナの概要

三重管バーナを製作し、高濃度微粉炭流を模擬した微粉ることは構造的にも容易であるため、この方式を採用す

炭流と、低濃度微粉炭流を模擬した空気の噴出位置の組ることとした。

み合わせを変えて試験を行った。各条件の燃焼状態を比較したところ図 7-2-4 に示すような結果が得られた。

7-2-3

バーナ各部の最適化

すなわち、微粉炭の噴出位置の差異は、火炎形状に大きく影響し、微粉炭を外周部から噴出させた場合には火

微粉炭濃縮機構のポイントは、バーナに内蔵する濃度

炎角度が大きく輝度の強い短炎が容易に形成され、良好調整リングである。その形状により濃縮特性が大きく変な燃焼状態となった。一方、中間部から噴出した場合はわるため、形状および設置位置が濃縮特性に及ぼす影響

火炎形状が安定せず、中心部から噴出した場合は細長いの確認を行う必要がある。

火炎形状で着火点が不安定であった。これらの結果から、

そこで、バーナのアクリルモデルを製作し、バーナ内

微粉炭の濃縮流を外周側から噴出した条件が最も安定な部の可視化試験とバーナ出口における濃度測定試験を行火炎を形成できることが明らかとなった。遠心力によりい、最適なリング形状として台形型のリングを選定する

微粉炭を濃縮する場合、外周部から濃縮微粉炭を噴出すと共に、負荷に応じたリング設置位置の推奨値を把握した。
こうしてコールドフロー試験で最適と判断された形状のバーナを、当研究所石炭燃焼試験炉（燃焼量 120kg/h）用に製作し、燃焼試験を実施した。
その結果、燃料比 1.6 の海外炭を用いた燃焼試験で25%負荷まで安定燃焼が確保できることを確認した。さらに、目標の 20%負荷まで安定燃焼を可能とするため、低負荷で燃焼が不安定に至る状況を詳細に観察したとこ
ろ、微粉炭流の偏り（濃縮微粉炭流が、１〜２本程度の外周部から微粉炭を噴出した場合

筋状の流れとなり、バーナ出口のごく一部のみから噴出される現象。円周方向の微粉炭濃度分布が著しく不均一となったもの。）による火炎形状の崩れが一因であることが明らかとなった。そこで、図 7-2-5 に示すバーナ内

中間部から微粉炭を噴出した場合

偏流の著しいバーナの例

均一な微粉炭流が得られたバーナの例

中心部から微粉炭を噴出した場合

図7-2-4三重管バーナの燃焼状況

図7-2-5

バーナ内部構造最適化のための可視化試験

電中研レビュー No.46 ● 79

部流動状況の可視化試験を行い、バーナ内部に設置されこの図は、横軸に負荷を、縦軸に二次空気の旋回力をたディフレクター・アングル（微粉炭流の円周方向濃度調整するレジスタ開度をとり、各負荷において最適な燃分布を均一化するためにバーナ外筒内面に取り付けられ焼状態を保持できる領域をハッチングで示したものであた微粉炭分散用仕切棒）の長さ、本数、形状を最適化しる。

た。

通常、負荷の低下に伴い微粉炭が希薄になると、着火可視化試験による改造と燃焼試験による検証を繰り返点が離れ、火炎の吹き飛びが発生する。一般にこうしたした結果、ベンチスケール燃焼試験において、定格の場合、レジスタ開度を減少させて二次空気の旋回力を強20%負荷まで安定な燃焼を維持することに成功した。

化し、着火点を保持する調整がなされる。この図からわかるように、従来型バーナでは、負荷 30%までにレジス

7-2-4

タを絞りきってしまうため、調整が不可能となっている。

バーナ容量のスケールアップ

しかし、ワイドレンジバーナは 20%以下の極低負荷条件
ベンチスケール試験では良好な結果を得たが、実機ににおいても、濃度調整リングの移動等により、安定な燃

適用するにはバーナのスケールアップが不可欠である。

焼が維持でき、負荷 16%程度までの安定燃焼が可能にな

そこで、バーナ容量 2.35t/h のパイロットスケールバーった。

ナを製作し、燃焼試験を実施した。試験にあたっては、同容量の従来型バーナをあわせて製作し、その性能を比

7-2-5

ワイドレンジバーナの実用化較した。図 7-2-6 が比較試験の結果である。
スケールアップ試験の結果を受け、バーナ容量 7.3t/hの実機用バーナを作成し、四国電力㈱西条発電所２号ボ60
燃焼用空気レジスタ開度（％）

イラ（出力 250MW）において、実証試験を行った。目50

的は、実機におけるバーナ最低負荷性能の確認とバーナ
耐久性の検証（濃度調整リング等、直接微粉炭流にさら4030され摩耗が懸念される部位を中心とした摩耗特性の把握
火炎の吹き飛び領域と、耐摩耗鋼使用部位の選定）である。

最適燃焼領域20

本ボイラは３段４列対向燃焼のボイラで、最低負荷運

着火保持領域

転時には図 7-2-7 に示すＢミル系統およびＤミル系統の

10
0
10

16 バーナのうち、＊印の８本のバーナが使用される。
20

30

40

50

60

70

負荷（％：定格2.35t/h）

ル系統の４本のバーナをワイドレンジバーナに改造した。

ワイドレンジバーナの燃焼調整範囲

なお、一部バーナでは微粉炭による摩耗を考慮し、バー

燃焼用空気レジスタ開度（％）

60

ナの一部に耐摩耗材を使用した。

50

試験中のバーナの燃焼状態は、常設の火炎検出器（μ4030FR）および燃焼診断装置（FISS）に加え、応答速度の火炎の吹き飛び領域

最適燃焼領域缶20
着火保持領域

Bミル
30

40

50

60

後

＊

＊
＊

＊

＊

＊

＊

70

負荷（％：定格2.35t/h）

図7-2-6

缶

Cミル
＊

20

前

Aミル

10
0
10

80

最低負荷時に使用されるこの８本のバーナのうち、B ミ

パイロットスケールでの燃焼安定性の比較：通常バーナ：ワイドレンジバーナ＊：最低負荷での燃焼バーナ

図7-2-7

供試ボイラのバーナ配置

Dミル減できることを確認した。

速い特殊な２色式温度計を仮設し、複数の光学的燃焼診

バーナの耐久性については、耐摩耗鋼を使用したバー断装置により連続的に評価した。
その結果、最低負荷試験においては、プラントの運用

ナとステンレス製のバーナを約１年間運用した後に、そ最低負荷である 50MW まで、負荷変化中を含め、一時れぞれの摩耗状況を比較することにより検討した。その的な燃焼状態の悪化もなく、安定した燃焼を維持できる

結果、ごく一部の摩耗が顕著な箇所に硬化肉盛および溶ことが確認された。このように従来型バーナでは重油を射加工を施せば、濃度調整リングを含むほとんど全てが燃焼していた最低負荷 50MW まで、石炭専焼が可能とステンレス製でよいことがわかり、コストダウンがはかなったため、図 7-2-8 に示すように、低負荷時の重油使れることを確認した。

用量が大幅に削減されるとともに、負荷変化に必要な時

実機実証試験の結果をうけ、ワイドレンジバーナは順調

間が負荷降下時に 100 分、負荷上昇時に 55 分短縮され、に導入が進められている。そのコンパクトな構造から、迅速な負荷変化が可能となった。

リプレース需要も多く、前述した西条発電所２号ボイラ
を含む国内外 10 基のボイラに合計 190 本が設置され、また、ボイラ起動時には、ワイドレンジバーナの導入

順調に運用されている。

により、燃料を重油から石炭に切り替える時期が早くで発電器出力（MW）

きるため、一回の起動あたり約５トンの起動用重油を削

300
200

従来バーナ

200分

石炭→重油切替
ミル２台起動石炭→重油切替

250MW

ミル２台停止
100

50MW
重油専焼

0
18

20

22

4

8

10

発電器出力（MW）

時刻（時）ワイドレンジバーナバーナ

100分短縮

100分

250MW

ミル２台
停止

300
200

燃料切替不要の
スムーズな
負荷変化

100
0
18

250MW

ミル２台
起動

55分短縮

50MW
石炭専焼
20

22

4

8

10

重油不要
時刻（時）

図7-2-8バーナ導入による運用性改善

７−３

低 NOx 燃焼との併用た超低 NOx バーナ（CI-αバーナ）に組み込むことによ

7-3-1

超低 NOx バーナ用の微粉炭濃縮法の概念

り、幅広い負荷条件に対応でき、かつ NOx ・灰中未燃
分の大幅低減も可能な技術となる。当研究所では、石川
島播磨重工業と共同で、これら二つの機能を一体化した

前項のワイドレンジバーナの機能を、6-3 節に示され超低 NOx ・ワイドレンジバーナの開発を行った。

電中研レビュー No.46 ● 81

超低 NOx バーナは、定格負荷時の NOx ・灰中未燃分示したワイドレンジバーナと同じであり、微粉炭流が接の排出量が既存低 NOx バーナに比べて低いだけでなく、線方向から流入し、旋回が与えられるようになっている。

バーナ近傍の微粉炭の滞留時間を長くでき、燃焼を促進

微粉炭濃度の調節は、微粉炭通路に設置した移動可能なする構造であるため、既存低 NOx バーナの安定燃焼限

台形状リングにより行い、管出口部には、濃縮後の微粉

界の 40%負荷よりも低い、30%負荷での安定燃焼が可能

炭濃度をバーナ出口まで維持するための中間筒が組み込である⑹。この負荷での微粉炭濃度が本バーナの安定燃

まれている。1 次空気管出口部の形状は、超低 NOx バ

焼限界として考えると、当研究所の低負荷燃焼の目標でーナと同一の直管形状とし、微粉炭流入部から直管部まある負荷 20%時には、管内平均濃度に対し、1.5 倍以上

ではテーパをつけた絞り形状となっている。濃縮後の微の濃縮効果が必要であると考えられる。しかし、本バー

粉炭流の旋回抑制は、1 次空気管の軸方向に沿って設置

ナは、火炉へ噴出する際に微粉炭流に旋回があると、した整流板により行う形式となっている。

NOx の低減に重要な還元炎が効果的に形成できないという問題点があるため、旋回を利用するワイドレンジバ⑵

流線形リング式濃縮法

ーナの微粉炭濃縮方式をそのまま適用することはできな

流線形リング式濃縮法を用いるバーナの 1 次空気管構

いと考えられる。超低 NOx ・ワイドレンジバーナの開造を図 7-3-2 に示す。この形式のバーナでは、超低 NOx

発にあたっては、この点を考慮に入れ、以下の二つの微

バーナの 1 次空気管に設置した流線形状のリングのみで

粉炭濃縮方式を考案した。

微粉炭の濃縮を行っている。リングが移動可能であるこ①

ワイドレンジバーナと同じく旋回流により微粉炭をと、および管出口部に濃縮後の濃度維持のための中間筒

濃縮した後に、管出口部に設置した整流板により旋回が設置されていることは、接線流入式バーナと同様であを抑制する方式（接線流入式濃縮法）

る。

②

超低 NOx バーナの 1 次空気管の微粉炭流路に流線リングの形状は、流れ場のシミュレーションにより、形状のリングを設置し、無旋回の流れ場で濃縮する方

微粉炭粒子の濃縮特性を評価し、濃縮効果の最も大きな式（流線形リング式濃縮法）

形状を選定した⑺。リングを図 7-3-2 のような流線形にす

これらの概念に基づき、小型バーナを用いたコールド

ると、リング後流の渦生成が抑制でき、リング通過後のフロー試験により、十分な濃縮特性を有することを明ら

気流は内周側に滑らかに広げることができる。一方、微かにした後に、バーナ容量をスケールアップした際の濃粉炭は慣性によりリング通過後もしばらくは外周側を流縮特性への影響を把握した。引き続き、微粉炭濃縮が燃れるため、リング後流の外周側微粉炭濃度を高くできる。

焼特性に及ぼす影響を小型バーナおよび実規模級の大容

また、リング上流側の傾斜角を緩やかにしているので、量バーナを用いて明らかにした。

慣性力の大きな粗粒子の極端な衝突・反発が抑えられ、
例えばリング表面に衝突した後に 1 次空気管外周部にも7-3-2

衝突し、再度反発して内周側に戻ってきて濃縮効果を阻

微粉炭濃縮装置の構造害するような粒子挙動を防ぐことができる。
⑴

接線流入式濃縮法
接線流入式濃縮法を用いるバーナの 1 次空気管構造を
流線形リングリング位置

図 7-3-1 に示す。微粉炭の濃縮方式そのものは、前節に
整流板

旋回流入部

台形リング

中間筒
リング位置

1次空気
＋
微粉炭

リング通過直後に気流は広がるが、微粉炭は慣性力により気流から分離され外周部を流れるため濃縮が可能になる

中間筒

リング位置：リング頂点と中間筒との距離

1次空気＋微粉炭

図7-3-2
図7-3-182

接線流入式のバーナ1次空気管

流線形リング式のバーナ1次空気管

旋回抑制後のスワール数（1−────────────）×100（％）
旋回抑制前のスワール数

7-3-3

微粉炭の濃縮特性

接線流入式の小型バーナ（バーナ容量 0.12t/h）を例に、微粉炭濃縮性能を示す⑻⑼。図 7-3-3 は、負荷 20%相
当の微粉炭をバーナに供給し、１次空気管出口における管内周側および管外周側の微粉炭濃度比（１次空気管内
平均微粉炭濃度との比）とリング位置の関係を示してい
る。

100

80

記号

60

バーナ容量
0.12t/h
1.5t/h4020

微粉炭濃縮効果は、リング位置をバーナ出口に近づけ

数値解析結果（バーナ容量0.12t/h）
数値解析結果（バーナ容量1.5t/h）

0
0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

整流板係数（−）

るほど大きくなり、目標とする 1.5 倍までの濃縮が可能
図7-3-4であることが明らかとなった。濃縮の必要がない場合に整流板係数と旋回抑制率の関係

は、リング位置をバーナ出口から離すことで微粉炭濃度
は管内平均濃度に近づけられる。すなわち、リング位置

衰する。旋回抑制に最適な整流板設置条件を明らかにすの調整により負荷に応じて最適濃度に設定できることがるため、これら整流板の条件を定量化して、旋回抑制効

明らかになっている。

果との比較を行った。整流板条件の定量化指標として、実機で使用される数 t/h 〜 10t/h の容量のバーナは、

１次空気通路断面積に対する整流板の面積の比で表され小型バーナに比べ、微粉炭通路が拡大され、気流や微粉る整流板係数を定義した。小型バーナを対象に、様々な炭粒子の挙動も小型バーナとは異なる。そこで、バーナ整流板条件および初期旋回強度の影響を評価し、いずれ

容量 1.5t/h の大容量バーナにおいて、本接線流入式濃縮の条件に対しても、整流板係数が 1.2 以上の条件で旋回法の性能を評価し、小型バーナ同様、1.5 倍以上の濃縮をほぼ抑制できることが示された⑻⑼。また、この傾向効果が得られること、ならびにリング位置により濃度調は、1.5t/h の大容量バーナにおいても同様であり、バー⑽⑾

整が可能になることを明らかにしたナ容量に関わらず、整流板係数を 1.2 以上にすれば旋回。

接線流入式濃縮法の場合、微粉炭の濃縮後に気流の旋が抑制できることが明らかになった⑽⑾。

回を抑制する必要がある。１次空気管出口に設置する整なお、流線形リング式においても、接線流入式とほぼ同

流板の長さおよび枚数を増加させると、旋回する気流に様の濃縮特性がバーナ容量に関わらず得られており⑹⑿〜⒃、

対して衝突する面積が増加するので、気流の旋回力は減二種類の濃縮方式の性能は、ほぼ同程度であると考えられ
る。

2.0

記号

微粉炭濃度比（−）

1.5

測定点
内周側
外周側

7-3-4
⑴

実燃焼場での特性評価

微粉炭濃度調整による燃焼特性への影響
石炭燃焼試験炉において接線流入式濃縮法を用いた場

1.0

合の、バーナ負荷と燃焼効率（石炭中可燃分の燃焼した
1次空気管内微粉炭平均濃度割合）の関係を、濃縮機能を持たない超低 NOx バーナの関係とともに図 7-3-5 に示す。微粉炭濃縮により低負0.5

荷時の燃焼安定性が改善され、目標とした石油火力並の0.0

最低負荷 20%での安定燃焼が達成できた。また、微粉炭
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

リング位置（mm）

100の濃縮は、中間負荷領域における燃焼改善効果も有し、50%以下の負荷帯で濃縮機能を持つバーナの方が燃焼効

図7-3-3

リング位置と微粉炭濃度比の関係

率が高くなった。

電中研レビュー No.46 ● 83

⑵

100
99

接線流入式バーナにおいて、バーナ容量を 1.5t/h の大容

98

量バーナまでスケールアップしても、低負荷時の燃焼安97

燃焼効率（％）

スケールアップによる燃焼特性への影響

定性を、小型バーナの場合と同様、大きく改善できた⑽⑾。

96

図 7-3-7 には、小型バーナと大容量バーナの、負荷変化時

95

ニューランズ炭
バーナ容量：0.12t/h
二段燃焼率：30％

9493

安定燃焼限界

91
90

0

10

20

30

40

50

60

ずれにおいても目標とする 20%を達成できることがわかる。

濃縮機能
あり
なし

記号

92

の NOx ・灰中未燃分排出特性を示すが、最低負荷は、い7080

空気比が同じとなる 40%負荷以上で比較すると、バーナ容量をスケールアップした場合には、火炎が大きくなり、
90

100

還元炎も拡大されるので、全ての条件で小型バーナより

バーナ負荷（％）

も NOx 濃度は減少する。また、火炉容量の増大に伴い、
図7-3-5

濃縮機能の有無による燃焼効率の比較

火炉壁からの熱損失が減少するため、灰中未燃分濃度も同様に減少した。また、負荷に対する NOx ・灰中未燃分

各負荷に対してリング位置を変え、管出口の微粉炭濃度を変化させた際の燃焼効率および NOx 濃度を図 7-3-6の変化傾向は、小型バーナと大容量バーナで共通の特性を持った。

に示す。低負荷条件（50%および 25%負荷）では、リン

図 7-3-8 は、大容量バーナにおける負荷変化時のグ位置をバーナ出口に近づけ、外周部の微粉炭濃度を高NOx ・灰中未燃分排出特性を、接線流入式および流線

めるほど燃焼効率は増大し、その効果は負荷が低い条件

形リング式の濃縮装置を設置した超低 NOx バーナと、ほど顕著になる。この場合、NOx 濃度は、着火性の向濃縮機能を持たない超低 NOx バーナとで比較したもの

口に近づけ微粉炭を濃縮すると、微粉炭濃度が過濃になるため、燃焼効率は若干低下した。したがって、幅広い負荷帯で高い燃焼効率を維持するためには、負荷に応じてリング位置を調整することが望ましいと考えられる⑻⑼。
なお、この傾向は、濃縮法を流線形リング式とした場合

600

30

空気比1.24（0.12t/hバーナ）
500

バーナ容量 NOx 灰中未然分
0.12t/h
1.5t/h400

空気比1.24（1.5t/hバーナ） 15

200

10

100

5

0

0

10

20

30

接線流入式とほぼ同様であった⒁〜⒅。

95負荷［％］NOx 燃焼効率
ニューランズ炭83
バーナ容量：0.12t/h
5025
二段燃焼率：30％
20

90
85
80

70

100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

65
100

リング位置（mm）

図7-3-6

84

70

80

0
90 100 110

バーナ容量の差異が燃焼特性に及ぼす影響

20
濃縮時の安定燃焼限界

リング位置とNOx濃度、燃焼効率の関係

接線
流線形 濃縮機能
測定項目 流入式
リング式 なし
灰中未然分
NOx

500
400
300

15

10

空気比1.24

200
5
100
0

0

60

600

75

200

0

50

濃縮しない場合の安定燃焼限界

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0
90 100 110

バーナ負荷（％）（注：リングは、各負荷毎に灰中未然分が最も低減される位置に設置）

図7-3-8大容量バーナにおける性能比較

灰中未然分濃度（％）

600

NOx濃度（O26%換算）（ppm）

100

燃焼効率（％）

NOx濃度（O26％換算）（ppm）

700

300

40

バーナ負荷（％）

図7-3-7

400

20

300

でも、最低負荷ならびに各負荷に対する燃焼効率ともに、

500

25

灰中未然分濃度（％）

一方、83%負荷の高負荷条件では、リングをバーナ出

NOx濃度（O26％換算）（ppm）

上に伴い、若干増加する。

である⒀⒃。

機能を持つ超低 NOx バーナは、ワイドレンジバーナと濃縮機能を持つ超低 NOx バーナは、いずれの濃縮形

超低 NOx バーナの両方の優れた機能を有すことに加え、式でも目標とした 20%負荷での安定燃焼が可能であり、中間負荷帯での灰中未燃分の低減にも大きな効果を有す

また、100%負荷では濃縮機能を持たない超低 NOx バー

ることが明らかになった。この特性は、濃縮方式によらナとほぼ同等の NOx 濃度、灰中未燃分濃度を維持してずほぼ同一であるため、実機への適用に際しては、バー

いる。負荷を減少させた中間負荷帯では、NOx 濃度はナの設置スペース、給炭管との接続、加工の容易さ等の濃縮機能の有無によらずほぼ同等になるが、灰中未燃分

要素も考慮して、設置しやすい方式を選定すれば良いと濃度は濃縮機能を持つ場合の方が大幅に低減でき、その思われる。

差は、低負荷になるほど大きくなった。これより、濃縮

７−４

今後の展開

今後も、微粉炭火力に対する負荷調整機能の要求は

灰中未燃分の低減を図ると共に、負荷変化時の濃度変動

益々強くなってくるものと思われる。発電所によっては、に対して、如何に速やかにその変動を検知し、バーナ操

毎日起動・停止操作を行う DSS 運転なども要求される

作条件を追従させるかなど、さらなる機能向上が重要にようになると考えられている。

なると思われる。また、近年微粉炭火力の利用石炭種がその場合に最も重要な機能としては、本章で述べた低多様化しているため、燃焼性の悪い石炭に対しても十分

負荷時の燃焼安定性の改善技術、NOx･灰中未燃分排出

な低負荷運転、負荷追従運転が可能になるように技術を量の抑制技術ならびに、負荷追従性の高い燃焼技術だと高度化する必要がある。

考えられる。これに対する方策としては、低負荷時ある

なお、低負荷時にはミルも低負荷運転を行わざるを得

いは負荷変化時において、微粉炭濃度を適性値に調整すなくなるため、その粉砕部の摩耗等、周辺技術も問題にる機能が最も重要である。最低負荷に関しては、ワイドなってくると考えられる。これらの課題は低負荷運転のレンジバーナ、超低 NOx･ワイドレンジバーナのいずれ比率が高くなり、運転時間が長くなるほど、一層重要にもが、20 ％という極めて低いバーナ負荷においても安なってくるものと思われるが、少なくとも運転の初期か定燃焼可能であり、十分な機能を有していると言える。

ら生じるほど極端な問題ではないと思われ、長期間に亘

特に、超低 NOx･ワイドレンジバーナは、40 ％負荷までっての全体コストを総合的に評価した時に、どういう対NOx と灰中未燃分の濃度を定格負荷時とほぼ同等で維策を施すのが最適であるか、あるいは摩耗部の交換頻度持できるなど、低負荷であっても一定負荷運転に対してを多くすることで対処できるのか、などの観点から判断は非常に高い性能を有している。今後は、一層の NOx･

すべき課題と考えられる。

電中研レビュー No.46 ● 85

コラム２：微粉炭濃度･粒度計測技術
微粉炭火力発電所の中間負荷運用に当たっては、

濃度検出器は、微粉炭濃度の制御用として応答

低負荷時にも安定燃焼できることが不可欠である。

性が速く、連続かつ簡易に信号検出できる差圧式

当研究所では、これに対応する技術として、低負粉体流量計を採用することとした。採用に当たっ

荷時に濃度が低くなる微粉炭流を濃縮して安定かては、ボイラ微粉炭用として低濃度領域まで測定

つ低 NOx 燃焼が可能なワイドレンジバーナの開発できるように改良した。一方、粒度検出器としてを行なって来た。このバーナは、噴出する微粉炭は、大きい粒子から小さい粒子をルーバ型分級器を燃焼に最適な濃度に制御するものであり、負荷２段とサイクロン型分級器２段とで粒子径別に捕の低下に伴って低濃度となる微粉炭流の濃縮条件

集して、その粒子径と捕集率とから粒度分布を求を把握することが必要となる。条件把握のためにめる方法を開発した。

は、バーナに送られる微粉炭の濃度と共に、そのこれら改良・開発した計測機器をシステムアッ

粒度も必要であることから、これらのオンライン

プして、当研究所の石炭燃焼試験炉で濃度検出器

計測システムをワイドレンジバーナと共に開発しおよび粒度検出器の基礎特性評価を行い、精度良た。

く測定できることを検証した。さらに、本計測シ

濃度･粒度オンライン計測システムは、図に示す

ステムを、微粉炭火力発電所のボイラの微粉炭計

ように燃料管から微粉炭を管内流速と等しい速度測に用い、実機の微粉炭濃度・粒度計測にも充分でサンプリングし、濃度を検出した後、粒度検出適用できることを明らかにした。

器に導く構成とした。

リ等
ン速
グサ
機ン
構プ

濃
度
検
出
器

粒
度
検
出
器

差 圧
変換器

通
風
機

︵
微
粉
炭
管
︶

制御・監視盤微粉炭（火炉）（ワイドレンジバーナ）

図86

微粉炭濃度・粒度自動監視装置システムフロー