JP3848809B2 - 付加空気ノズルを備えた燃焼装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼炉内に燃焼用空気ノズルから噴出される燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼させ、その燃焼ガス中に付加空気ノズルから付加空気を噴出させて残存可燃物を燃焼せしめるようにした、付加空気ノズルを備えた燃焼装置、特にボイラの燃焼炉における付加空気ノズルから付加空気を噴出させる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電用等のボイラにおいては、近年、燃焼炉内において燃焼用空気ノズルから噴出される燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼させ、残存燃料と中間生成物とを付加空気ノズルから付加空気即ちアデイッショナルエアを噴出させて完全燃焼させるようにした燃焼システムが採用されている。
【０００３】
図１３はかかる付加空気ノズルを有する燃焼システムを用いたボイラ装置の系統図であり、同図において、１はボイラ本体、２は火炉、４はバーナ風箱、３及び４ａは、該バーナ風箱４内に縦方向に複数列かつ周方向にも複数列設けられた燃料供給ノズル及び空気ノズル、５は前記燃料供給ノズル３の上方つまり下流側に周方向に複数個設けられたアデイッショナルエアポート、５ａは該アデイッショナルエアポート内に設けられた付加空気ノズル即ちアデイッショナルエアノズルである。
【０００４】
１３は燃料供給装置、１８は該燃料供給装置１３と前記燃料供給ノズル３とを接続する燃料供給ラインである。６は前記ボイラ本体１の上部に設置された蒸気管群、７は脱硝装置、９は吸引送風機、１２は押込送風機、８は空気加熱器、１０は脱硫装置、１１は集塵装置である。
また、１５は燃焼用空気ラインで、前記空気ノズル４ａに接続される主バーナ燃焼用空気ライン１６と、前記アデイッショナルエアノズル５ａに接続されるアデイッショナルエアライン１７とに分岐されている。
【０００５】
かかるボイラ装置の燃焼システムにおいて、押込送風機１２から燃焼用空気ライン１５を通して送られた燃焼用空気２１は、空気加熱器８において、ボイラ本体１から蒸気管群６及び脱硝装置７を経た炉内ガス２０と熱交換を行い昇温せしめられる。
【０００６】
かかる昇温がなされた燃焼用空気２１は主バーナ燃焼用空気２２とアデイッショナルエア２３とに分流され、前者は主バーナ燃焼用空気ライン１６を通ってバーナ風箱４の空気ノズル４ａへ、後者はアデイッショナルエアライン１７を通ってアデイッショナルエアポート５のアデイッショナルエアノズル５ａへ夫々送られる。前記主バーナ燃焼用空気２２は、通常、３００℃前後に設定される。
【０００７】
前記燃焼用空気２１は空気ノズル４ａから火炉２内に吹き込まれ、前記燃料供給装置１３から燃料供給ライン１８を経て燃料供給ノズル３から火炉２内に噴射される主バーナ用燃料２４の燃焼に供される。
前記のようにして火炉２内に噴射された主バーナ用燃料２４及び空気ノズル４ａから火炉２内に吹き込まれた燃焼用空気２１は、図示しない着火源によって着火せしめられ、主バーナ火炎１９を形成する。
そして、該主バーナ火炎１９は空気ノズル４ａから火炉２内に供給された燃焼用空気２２によって燃焼を継続し、後述するようなアデイッショナルエア２３による燃焼がなされる。
【０００８】
前記火炉２内における燃焼時において、前記該主バーナ火炎１９の燃焼継続に使用される主バーナ燃焼用空気２２の量は、通常、燃料供給ノズル３から投入される主バーナ用燃料２４の理論燃焼空気量以下に設定される。その結果、前記アデイッショナルエアポート５よりも上流側の火炉２内には還元雰囲気の燃焼ゾーン１２１が形成される。
【０００９】
前記還元燃焼ゾーン１２１では、主バーナ用燃料２４の燃焼によって発生した窒素酸化物（以下ＮＯｘという）が還元されて消滅し、代わってシアン、アンモニア等の中間生成物が発生する。また、理論燃焼空気量以下での燃焼であるため、投入された燃料の完全燃焼は不可能であり、炉内ガス２０中には可燃物が残存する。尚、前記還元燃焼ゾーンにおける空気比は低い程、前記ＮＯｘの還元効果は大きいが、前記のように、炉内ガス２０中の残存可燃物の量が増大する。
【００１０】
しかして、前記燃焼により炉内ガス２０あるいは主バーナ火炎１９は、燃焼を継続しながら上昇し、アデイッショナルエアポート５の位置でアデイッショナルエアノズル５ａからアデイッショナルエア２３が投入され、前記残存可燃物及び中間生成物の酸化が行なわれ、火炉２の出口までに燃焼を完了する。
炉内ガス２０は火炉２から蒸気管群６に送られ、ここで該蒸気管群６の管内を流れる水と熱交換して蒸気を発生させた後、脱硝装置７、空気加熱器８、吸引送風機９、脱硫装置１０、及び集塵装置１１を経て、煙突から大気中に放出される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示されるような燃焼システムを用いたボイラ装置における、火炉２内の高さと燃焼ガス温度の関係の実測結果の一例を図１１に示す。同図に明らかなように、ＡＡで示されるアデイッショナルエアポート５の位置では、アデイッショナルエア２３の投入により最高温度よりも３００〜４００℃低くなる。
【００１２】
また、図１２にはアデイッショナルエア温度（ＡＡ温度）とバイジン（煤塵）低減率の関係の実測結果の一例を示す。同図に明らかなように、ＡＡ温度を上昇させればアデイッショナルエア２３の噴出速度が大きくなるとともに雰囲気温度が高まることの相乗効果により煤塵発生量が大幅に低減される。
【００１３】
しかしながら、図１３に示される従来技術にあっては、アデイッショナルエアポート５火炉２の出口までの酸化燃焼ゾーン１２２では、図１１に示されるように、アデイッショナルエア２３の投入により炉内ガス２０の温度が低い状態にあることから、残存可燃物及び中間生成物の燃焼が完全に行なわれ難く、かかる燃焼を完全に終結せしめるには、アデイッショナルエアポート５から火炉２の出口までの酸化燃焼ゾーン１２２における炉内ガス２０の滞留時間を長く採ることを要し、このため、火炉２の高さが高くなり、ボイラーが大型化する。
【００１４】
また、かかる従来技術にあっては、前記のように、酸化燃焼ゾーン１２２における炉内ガス２０の温度が低く、燃焼を完全に終結できないことから、燃焼の完全終結をなすには、前記還元燃焼ゾーン１２１での空気量を増加することにより該還元燃焼ゾーン１２１での燃焼状態を酸化雰囲気側に移さざるを得ず、このため、ＮＯｘの発生量を低減することが困難となる。
【００１５】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、付加空気ノズル（アデイッショナルエアノズル）を備えた燃焼装置において、燃焼炉（火炉）の高さを増大することなく、燃焼炉内で燃焼の完全終結をなさしめ、かつＮＯｘの発生量を抑制し得る燃焼装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、燃焼炉内に空気ノズルから噴出される燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼させ、その燃焼ガス中に付加空気ノズルから付加空気を噴出させて残存可燃物を燃焼せしめるようにした燃焼装置において、内部に複数の付加空気噴出路が形成され、付加空気を前記燃焼炉内の燃焼ガスからの輻射熱により昇温させる輻射変換体と、前記付加空気が導入されるとともに、前記輻射変換体に併設されて出口側が前記付加空気噴出路に連通された輻射変換室と、該輻射変換室内の付加空気を加熱する空気加熱装置とを備えたことを特徴とする付加空気ノズルを備えた燃焼装置を提案する。
【００１７】
請求項２ないし３記載の発明は、請求項１記載の発明の具体的手段に係り、請求項２記載の発明は、請求項１において、前記輻射変換室を前記輻射変換体の内部に形成し、該輻射変換体は前記輻射変換室の付加空気入口側及び出口側の双方に前記付加空気噴出路が設けられてなることを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１において、前記輻射変換体は前記付加空気ノズル内に複数個設けられ、各輻射変換体の間に前記輻射変換室が設けられてなることを特徴とする。
【００１９】
かかる発明における輻射変換体は、多孔質セラミックスフォーム、金属またはセラミックス製多孔筒、金属またはセラミックス製細管群、等の熱容量の大きい材料で構成するのがよい。
【００２０】
かかる発明によれば、燃焼炉（火炉）の上流側つまり還元燃焼ゾーンにおいては、空気ノズルから噴出される燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼を行い、これによりＮＯｘの発生量が抑制される。
そして、この燃焼ガスは燃焼を継続しながら上昇し、付加空気ポートの位置で付加空気ノズル（アデイッショナルエアノズル）から付加空気（アデイッショナルエア）が投入され、前記還元燃焼ゾーンでの燃焼による残存可燃物及び中間生成物の酸化が行なわれ、燃焼炉の出口までに燃焼を完了する。
【００２１】
かかる燃焼時において、前記付加空気ノズルに設けられた輻射変換体は、燃焼炉内の燃焼ガスからの輻射熱により加熱されて昇温せしめられる。そして、前記付加空気ノズルに導入された付加空気（アデイッショナルエア）は、輻射変換室内において、空気加熱装置によって加熱されて昇温せしめられた後、さらに前記のようにして高温に蓄熱された輻射変換体の付加空気噴出路を通過する際に該輻射変換体の蓄熱により加熱されてさらに昇温し、高温の付加空気となって該付加空気ノズルから炉内に吹き出され、燃焼ガス中の残存可燃物及び中間生成物の酸化、燃焼に供される 。
【００２２】
従って、かかる発明によれば、付加空気を、輻射変換室内における空気加熱装置による加熱、及び輻射変換体での燃焼ガスからの輻射熱による加熱、の２段階の加熱により昇温せしめるので、燃焼炉内には高温の付加空気が投入されることとなり、還元燃焼ゾーンから送られてきた燃焼ガス中の残存可燃物及び中間生成物を短時間で完全に燃焼せしめることができる。
【００２３】
これにより、燃焼ガスの燃焼の完全終結に要する付加空気ノズルから燃焼炉出口までの燃焼ガスの滞留時間を短縮することができ、燃焼炉（火炉）の高さを増大することなく、付加空気ノズルから燃焼炉出口までの酸化燃焼ゾーンの完全燃焼を実現できる。
また、前記のように、付加空気ノズルから燃焼炉出口までの酸化燃焼ゾーンにおける燃焼効率が上昇することにより、上流側の還元燃焼ゾーンにおける空気比を低く設定できることとなり、これによりＮＯｘの発生量を抑制できる。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項１において、前記輻射変換体の温度を検出する温度センサと、該温度センサからの輻射変換体温度の検出値と設定温度とを比較して温度偏差を算出する比較手段と、該温度偏差に基づき前記空気加熱装置の燃料量を制御する燃料量制御手段とをそなえたことを特徴とする。
【００２５】
かかる発明によれば、輻射変換体の温度を検出し、この温度検出値に基づき燃料量制御手段によって空気加熱装置の燃料量を制御することにより、前記付加空気を酸化燃焼ゾーンにおける燃焼効率が最大レベルになるような所望の温度に常時保持することができる。
【００２６】
請求項５記載の発明は、燃焼炉内に空気ノズルから噴出される燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼させ、その燃焼ガス中に付加空気ノズルから付加空気を噴出させて残存可燃物を燃焼せしめるようにした燃焼装置において、内部に複数の付加空気噴出路及び前記燃焼炉内の燃焼ガスを導入する燃焼ガス吸引路が形成され前記付加空気を前記燃焼炉内の燃焼ガスからの輻射熱により昇温させる輻射変換体と、内部の中央部位に前記付加空気が通流する付加空気通路が設けられるとともに、該付加空気通路の外周部位には前記燃焼ガス吸引路を経た燃焼ガスを該付加空気通路に噴出するガス吸引孔を有し、該付加空気通路を通流する付加空気によるエジェクタ作用により前記ガス吸引孔から燃焼ガスを吸引して混合空間にて付加空気と混合させる燃焼ガス吸引ノズルとを備えたことを特徴とする付加空気ノズルを備えた燃焼装置にある。
【００２７】
かかる発明によれば、輻射変換体の上流側に設けられた燃焼ガス吸引ノズルに、燃焼炉内の燃焼ガスを導き、該燃焼ガス吸引ノズルの中央部位に設けられた付加空気通路を流れる付加空気によるエジェクタ作用で、外周側のガス吸引孔から該燃焼ガスを吸引して該付加空気と混合してこれを昇温せしめるので、前記発明のような格別な加熱装置を必要とせず、簡単な構造かつ低コストの装置で以って前記燃焼効率の上昇効果及びＮＯｘ発生量の抑制効果を得ることができる。
【００２８】
請求項６記載の発明は、請求項５において、前記燃焼ガス吸引ノズルは前記付加空気ノズルの内部に往復動可能に設けられ、前記燃焼ガス吸引ノズルを往復駆動して該燃焼ガス吸引ノズルの外周と付加空気ノズルとの間に形成される空気通路を開閉し前記付加空気通路を通流する付加空気のエジェクタ作用を調整する吸引ノズル操作装置を備えたことを特徴とする。
【００２９】
かかる発明によれば、吸引ノズル操作装置によって、燃焼ガス吸引ノズルの外周と付加空気ノズルとの間の空気通路の開度を調節することにより、付加空気による燃焼ガス吸引のエジェクタ作用を調整することができ、これにより、燃焼ガスの吸引量を調整し付加空気の温度を適温に制御できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３１】
図１は本発明の実施形態における、第１実施例に係るアデイッショナルエアノズルの縦断面図、図２は第２実施例に係るアデイッショナルエアノズルの縦断面図、図３は前記第１、２実施例におけるアデイッショナルエア加熱用燃料の制御ブロック図である。図４は第３実施例に係るアデイッショナルエアノズルの縦断面図で、（Ａ）は燃焼排ガス吸引ノズル閉時、（Ｂ）は開時を示す。図５は本発明の実施形態におけるアデイッショナルエアノズルを備えたボイラ装置の系統図である。図６は前記アデイッショナルエアノズル用輻射変換体の第１例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｅ矢視図である。図７は前記輻射変換体の第２例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＦ−Ｆ矢視図である。図８は前記輻射変換体の第３例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視図である。図９は前記輻射変換体の第４例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ矢視図である。図１０はアデイッショナルエアノズルの温度分布を示す線図、図１１はボイラ火炉における燃焼ガス温度分布線図、図１２はアデイッショナルエア温度と煤塵低減率の関係線図である。図１３は従来技術を示す図５対応図である。
【００３２】
本発明に係るアデイッショナルエアノズルを備えたボイラ装置の系統図を示す図５において、１はボイラ本体、２は火炉、４はバーナ風箱、３及び４ａは、該バーナ風箱４内に縦方向に複数列かつ周方向にも複数列設けられた燃料供給ノズル及び空気ノズルである。 ５は前記燃料供給ノズル３の上方つまり下流側に周方向に複数個設けられたアデイッショナルエアポート、５ａは該アデイッショナルエアポート内に設けられた付加空気ノズル即ちアデイッショナルエアノズルであり、詳細は後述する。１０５は高温化されたアデイッショナルエアである。
【００３３】
１３は燃料供給装置、１８は該燃料供給装置１３と前記燃料供給ノズル３とを接続する燃料供給ラインである。６は前記ボイラ本体１の上部に設置された蒸気管群、７は脱硝装置、９は吸引送風機、１２は押込送風機、８は空気加熱器、１０は脱硫装置、１１は集塵装置である。
また、１５は燃焼用空気ラインで、前記空気ノズル４ａに接続される主バーナ燃焼用空気ライン１６と、前記アデイッショナルエアノズル５ａに接続されるアデイッショナルエアライン１７とに分岐されている。
以上の基本構成は従来技術と同様である。本発明は前記アデイッショナルエアノズル５ａ（付加空気ノズル）の改良に係るものである。
【００３４】
即ち、前記アデイッショナルエアノズルの第１実施例を示す図１において、アデイッショナルエアポート５に設けられたアデイッショナルエアノズル５ａの内部には輻射変換体１０１が固定されている。該輻射変換体１０１は、多孔質セラミックスフォーム、金属またはセラミックス製多孔筒、金属またはセラミックス製細管群、等の熱容量の大きい材料で構成する。１０２は該輻射変換体１０１の内部をくり貫いて形成された輻射変換室であり、前記輻射変換体１０１は該輻射変換室１０２により火炉２側と入口側とに区画され、該火炉２側と入口側の内部には複数の高温化エア通路１０７が夫々穿孔されている。そして、該輻射変換体１０１は、前記火炉２からの輻射効果の大きい火炉２側の厚さを入口側よりも厚く形成されている。
【００３５】
１０３は前記アデイッショナルエアポート５に取り付けられたエア加熱バーナで、前記燃料供給ライン１８から分岐されたエア加熱燃料ライン１０６に接続され、アデイッショナルエア加熱用の燃料を前記輻射変換室１０２内に噴射する。０５ｂはアデイッショナルエアポート５の入口室で、前記アデイッショナルエアライン１７からアデイッショナルエア２３が導入される。
尚、前記エア加熱バーナ１０３用燃料１０４は、前記主バーナ用燃料２４がガス体または液体の場合には前記主バーナ用燃料２４と同一あるいは供給し易い方の燃料とし、前記主バーナ用燃料２４が固体の場合はガス体または液体のうち供給し易い方のものを用いる。
【００３６】
図６〜図９は前記輻射変換体１０１の実施例を示す。
図６のものは、多孔質セラミックスフォームをアデイッショナルエアノズル５ａの断面全体に装着している。この場合は、アデイッショナルエア２３を加熱するための熱効率は高いが、通風損失が大きいため、高温化アデイッショナルエア１０５の吹込み速度が小さくてもよい火炉２内壁面近傍の燃焼に使用する。
【００３７】
図７のものは、多孔質セラミックスフォームに高温化エア通路１０７として複数の円形孔あるいは角孔からなる小孔を穿孔している。この場合は、アデイッショナルエア２３を加熱するための熱効率は若干低いが、小孔を設けたことによって通風損失が小さくなるので、高温化アデイッショナルエア１０５の吹込み速度が大きいものに使用する。
【００３８】
図８のものは、金属またはセラミックス製多孔筒をアデイッショナルエアノズル５ａの断面全体に装着している。該多孔筒の、高温化エア通路１０７としての小孔は円形孔、角孔、偏平角孔、楕円孔等の何れでもよく、内壁面の伝熱面積が大きいものを用いるのがよい。この場合は、前記２つの実施例に比べると伝熱面積が小さいものの、通風損失が小さいので、高温化アデイッショナルエア１０５の吹込み速度が大きいものに使用する。
【００３９】
図９のものは、多数の金属またはセラミックス製細管をアデイッショナルエアノズル５ａの断面全体に装着している。この場合は、図８の実施例と同様に伝熱面積が小さいものの、通風損失が小さいので、高温化アデイッショナルエア１０５の吹込み速度が大きいものに使用する。
【００４０】
かかる構成からなるアデイッショナルエアノズルを用いたボイラ装置の運転時において、押込送風機１２から燃焼用空気ライン１５を通して送られた燃焼用空気２１は、空気加熱器８において、ボイラ本体１から蒸気管群６及び脱硝装置７を経た炉内ガス２０と熱交換を行い昇温せしめられる。
【００４１】
かかる昇温がなされた燃焼用空気２１は主バーナ燃焼用空気２２とアデイッショナルエア２３とに分流され、前者は主バーナ燃焼用空気ライン１６を通ってバーナ風箱４の空気ノズル４ａへ、後者はアデイッショナルエアライン１７を通ってアデイッショナルエアポート５のアデイッショナルエアノズル５ａへ夫々送られる。前記主バーナ燃焼用空気２２は、通常、３００℃前後に設定される。
【００４２】
前記燃焼用空気２１は空気ノズル４ａから火炉２内に吹き込まれ、前記燃料供給装置１３から燃料供給ライン１８を経て燃料供給ノズル３から火炉２内に噴射される主バーナ用燃料２４の燃焼に供される。
前記のようにして火炉２内に噴射された主バーナ用燃料２４及び空気ノズル４ａから火炉２内に吹き込まれた燃焼用空気２１は、図示しない着火源によって着火せしめられ、主バーナ火炎１９を形成する。そして、該主バーナ火炎１９は空気ノズル４ａから火炉２内に供給された主バーナ燃焼用空気２２によって燃焼を継続し、後述するようなアデイッショナルエア２３による燃焼がなされる。
【００４３】
前記火炉２内における燃焼時において、前記該主バーナ火炎１９の燃焼継続に使用される主バーナ燃焼用空気２２の量は、通常、燃料供給ノズル３から投入される主バーナ用燃料２４の理論燃焼空気量以下に設定される。その結果、前記アデイッショナルエアポート５よりも上流側の火炉２内には還元雰囲気の燃焼ゾーン１２１が形成される。
【００４４】
前記還元燃焼ゾーン１２１では、主バーナ用燃料２４の燃焼によって発生した窒素酸化物（以下ＮＯｘという）が還元されて消滅し、代わってシアン、アンモニア等の中間生成物が発生する。また、理論燃焼空気量以下での燃焼であるため、投入された燃料の完全燃焼は不可能であり、炉内ガス２０中には可燃物が残存する。尚、前記還元燃焼ゾーンにおける空気比は低い程、前記ＮＯｘの還元効果は大きいが、前記のように、炉内ガス２０中の残存可燃物の量が増大する。
【００４５】
前記燃焼により炉内ガス２０あるいは主バーナ火炎１９は、燃焼を継続しながら上昇し、アデイッショナルエアポート５の位置でアデイッショナルエアノズル５ａからアデイッショナルエア２３が投入され、前記残存可燃物及び中間生成物の酸化が行なわれ、火炉２の出口までに燃焼を完了する。
炉内ガス２０は火炉２から蒸気管群６に送られ、ここで該蒸気管群６の管内を流れる水と熱交換して蒸気を発生させた後、脱硝装置７、空気加熱器８、吸引送風機９、脱硫装置１０、及び集塵装置１１を経て、煙突から大気中に放出される。
以上に記載した燃焼作用は図１３に示された従来技術と同様である。
【００４６】
前記のように、火炉２の上流側つまり還元燃焼ゾーン１２１においては、空気ノズル４ａから噴出される主バーナ燃焼用空気２２中に燃料供給ノズル３から燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼を行い、これによりＮＯｘの発生量が抑制される。
そして、この燃焼ガスは燃焼を継続しながら上昇し、アデイッショナルエアポート５の位置でアデイッショナルエアノズル５ａから、後述するように高温化されたアデイッショナルエア１０５が投入され、前記還元燃焼ゾーン１２１での燃焼による残存可燃物及び中間生成物の酸化が行なわれ、火炉２の出口までに燃焼を完了する。
【００４７】
かかる燃焼時において、前記アデイッショナルエアノズル５ａに設けられた輻射変換体１０１は、火炉２内の燃焼ガスからの輻射熱により加熱されて昇温せしめられる。
一方、前記アデイッショナルエアノズル５ａの入口室０５ｂに導入されたアデイッショナルエア２３は、該入口室０５ｂ側の輻射変換体１０１内を通って輻射変換室１０２内に入る。
【００４８】
そして該アデイッショナルエア２３は、輻射変換室１０２内においてエア加熱バーナ１０３から噴射されるエア加熱用燃料１０４によって加熱され昇温せしめられた後、さらに前記のようにして高温に蓄熱された輻射変換体１０１の高温化エア通路１０７を通過する際に該輻射変換体１０１の蓄熱により加熱されてさらに昇温し、高温化アデイッショナルエア１０５となって該アデイッショナルエアノズル５ａから火炉２内の酸化燃焼ゾーン１２２に吹き出され、燃焼ガス中の残存可燃物及び中間生成物の酸化、燃焼に供される 。
【００４９】
従って、かかる実施例によれば、アデイッショナルエア２３を、輻射変換室１０２内におけるエア加熱バーナ１０３による加熱、及び輻射変換体１０１での燃焼ガスからの輻射熱による加熱の２段階の加熱により昇温せしめるので、火炉２内には高温化されたアデイッショナルエア１０５が投入されることとなり、還元燃焼ゾーン１２１から送られてきた燃焼ガス中の残存可燃物及び中間生成物を短時間で完全に燃焼せしめることができ、燃焼効率が上昇する。
【００５０】
また、前記のように、アデイッショナルエアノズル５ａから火炉２出口までの酸化燃焼ゾーン１２２における燃焼効率が上昇することにより、上流側の還元燃焼ゾーン１２１における空気比を低く設定できることとなり、これによりＮＯｘの発生量を抑制できる。
【００５１】
また、前記輻射変換体１０１には温度センサ１０８が取り付けられ、該輻射変換体１０１の温度を常時検出している。
図３に示すように、該温度センサ１０８にて検出された輻射変換体１０１の温度は、燃料量制御装置１１５の温度比較器１１６に入力される。１１７は変換体温度設定器であり、前記高温化アデイッショナルエア１０５が適正温度になるような輻射変換体１０１の温度が設定されている。
【００５２】
前記温度比較器１１６においては、前記輻射変換体温度の検出値と変換体温度設定器１１７に設定された設定温度とを比較して温度偏差を算出し、燃料量算出器１１８に入力する。該燃料量算出器１１８においては、前記温度偏差に基づきＰＩＤ演算を行って前記エア加熱バーナ１０３の燃料噴射量を算出する。そして、この燃料噴射量を受けてバーナ燃料調整器１１９においてはエア加熱バーナ１０３の燃料噴射量を調整する。
【００５３】
従って、かかる手段によれば、輻射変換体１０１の温度を検出し、この温度検出値に基づき燃料量制御装置１１５によってエア加熱バーナ１０３の燃料噴射量を制御することにより、前記アデイッショナルエア１０５を酸化燃焼ゾーン１２２における燃焼効率が最大レベルになるような所望の温度に保持可能となる。
【００５４】
図２に示されるアデイッショナルエアノズル５ａの第２実施例においては、前記輻射変換体１０１を前記アデイッショナルエアノズル５ａに２個設け、各輻射変換体１０１の間に前記輻射変換室１０２を設けている。
かかる実施例の場合は、２つの輻射変換体１０１間の距離を変えることにより、輻射変換室１０２の容積を簡単に調整することができ、また輻射変換室１０２の形成が簡単にできる。
その他の構成は、図１に示す第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００５５】
図１０は前記輻射変換体１０１の効果を確認するための実験結果を示す。同図のＡは図２と同様な２つの輻射変換体１０１間に設けた輻射変換室１０２内でガス燃料を燃焼させた場合、Ｂは輻射変換室無しでガス燃料を単に空気通路内で燃焼させた場合の空気流方向の温度分布を示す。同図に明らかなように、輻射変換室１０２及び輻射変換体１０１を設ける場合（Ａ）の方が、これらを設けない場合よりも大幅に高温となっている。
【００５６】
図４に示される第３実施例に係るアデイッショナルエアノズルにおいては、輻射変換体１０１の内部に、多数の高温化エア通路１０７とともに、前記火炉２内の炉内ガス２０を導入する燃焼排ガス吸引通路１０１ａを形成している。
１１０は燃焼排ガス吸引ノズルで、前記アデイッショナルエアノズル５ａの入口側に往復動可能に取り付けられている。該燃焼排ガス吸引ノズル１１０は、内部の中央部位に前記アデイッショナルエア２３が通流する空気通路１１０ｃが設けられるとともに、該空気通路１１０ｃの外周部位には前記輻射変換体１０１の燃焼排ガス吸引通路１０１ａを経た炉内ガス２０を該空気通路１１０ｃに噴出するための吸引孔１１０ａが設けられている。
【００５７】
１１１は吸引ノズル操作器で、前記アデイッショナルエアノズル５ａの入口側の内部に往復動可能に取り付けられた前記燃焼排ガス吸引ノズル１１０に連結され、該燃焼排ガス吸引ノズル１１０を往復駆動して該燃焼排ガス吸引ノズル１１０の外周とアデイッショナルエアノズル５ａとの間に形成されるエア通路１１０ｂを開閉する。
【００５８】
かかる第３実施例にによれば、輻射変換体１０１の上流側に設けられた燃焼排ガス吸引ノズル１１０に、火炉２内の炉内ガス２０を輻射変換体１０１の燃焼排ガス吸引通路１０１ａを通して導き、該燃焼排ガス吸引ノズル１１０の中央部位に設けられた空気通路１１０ｃを流れるアデイッショナルエア２３によるエジェクタ作用で、外周側の吸引孔１１０ａから炉内ガス２０を吸引してアデイッショナルエア２３と混合室１０９内で混合してこれを昇温せしめる。
【００５９】
また、前記吸引ノズル操作器１１１によって、燃焼排ガス吸引ノズル１１０の外周とアデイッショナルエアノズル５ａとの間のエア通路１１０ｂの開度を調節することにより、アデイッショナルエア２３による炉内ガス２０吸引のエジェクタ作用を調整することができ、これにより、炉内ガス２０の吸引量を調整し、高温化アデイッショナルエア１０５の温度を適温に制御できる。
【００６０】
【発明の効果】
以上記載の如く請求項１ないし３記載の発明によれば、付加空気を、輻射変換室内における空気加熱装置による加熱、及び輻射変換体での燃焼ガスからの輻射熱による加熱の、２段階の加熱により昇温せしめるので、燃焼炉内には高温の付加空気が投入されることとなり、還元燃焼ゾーンから送られてきた燃焼ガス中の残存可燃物及び中間生成物を短時間で完全に燃焼せしめることができる。
【００６１】
これにより、燃焼ガスの燃焼の完全終結に要する付加空気ノズルから燃焼炉出口までの燃焼ガスの滞留時間を短縮することができ、燃焼炉（火炉）の高さを増大することなく、付加空気ノズルから燃焼炉出口までの酸化燃焼ゾーンの完全燃焼を実現できる。
また、前記のように、付加空気ノズルから燃焼炉出口までの酸化燃焼ゾーンにおける燃焼効率が上昇することにより、上流側の還元燃焼ゾーンにおける空気比を低く設定できることとなり、これによりＮＯｘの発生量を抑制できる。
【００６２】
また、請求項４のように構成すれば、輻射変換体の温度を検出し、この温度検出値に基づき燃料量制御手段によって空気加熱装置の燃料量を制御することにより、前記付加空気を酸化燃焼ゾーンにおける燃焼効率が最大レベルになるような所望の温度に常時保持することができる。
【００６３】
また、請求項５のように構成すれば、輻射変換体の上流側に設けられた燃焼ガス吸引ノズルに、燃焼炉内の燃焼ガスを導き、該燃焼ガス吸引ノズルの中央部位に設けられた付加空気通路を流れる付加空気によるエジェクタ作用で、外周側のガス吸引孔から該燃焼ガスを吸引して該付加空気と混合してこれを昇温せしめるので、前記発明のような格別な加熱装置を必要とせず、簡単な構造かつ低コストの装置で以って前記燃焼効率の上昇効果及びＮＯｘ発生量の抑制効果を得ることができる。
【００６４】
さらに請求項６のように構成すれば、吸引ノズル操作装置によって、燃焼ガス吸引ノズルの外周と付加空気ノズルとの間の空気通路の開度を調節することにより、付加空気による燃焼ガス吸引のエジェクタ作用を調整することができ、これにより、燃焼ガスの吸引量を調整し付加空気の温度を適温に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態における、第１実施例に係るアデイッショナルエアノズルの縦断面図である。
【図２】 第２実施例に係るアデイッショナルエアノズルの縦断面図である。
【図３】 前記第１、２実施例におけるアデイッショナルエア加熱用燃料の制御ブロック図である。
【図４】 第３実施例に係るアデイッショナルエアノズルの縦断面図で、（Ａ）は燃焼排ガス吸引ノズル閉時、（Ｂ）は開時を示す。
【図５】 本発明の実施形態におけるアデイッショナルエアノズルを備えたボイラ装置の系統図である。
【図６】 前記アデイッショナルエアノズル用輻射変換体の第１例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｅ矢視図である。
【図７】 前記輻射変換体の第２例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＦ−Ｆ矢視図である。
【図８】 前記輻射変換体の第３例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視図である。
【図９】 前記輻射変換体の第４例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ矢視図である。
【図１０】 アデイッショナルエアノズルの温度分布を示す線図である。
【図１１】 ボイラ火炉における燃焼ガス温度分布線図である。
【図１２】 アデイッショナルエア温度と煤塵低減率の関係線図である。
【図１３】 従来技術を示す図５対応図である。
【符号の説明】
１ ボイラ本体
２ 火炉
３ 燃料供給ノズル
４ バーナ風箱
４ａ 空気ノズル
５ アデイッショナルエアポート
５ａ アデイッショナルエアノズル
０５ｂ 入口室
６ 蒸気管群
８ 空気加熱器
９ 吸引送風機
１２ 押込送風機
１３ 燃料供給装置
１４ 排ガスライン
１５ 燃焼用空気ライン
１６ 主バーナ燃料用空気ライン
１７ アデイッショナルエアライン
１８ 燃料供給ライン
２３ アデイッショナルエア
２４ 主バーナ用燃料
１０１ 輻射変換体
１０２ 輻射変換室
１０３ エア加熱バーナ
１０５ 高温化アデイッショナルエア
１０６ エア加熱燃料ライン
１０７ 高温化エア通路
１０８ 温度センサ
１１０ 燃焼排ガス吸引ノズル
１１０ａ 吸引孔
１１０ｂ エア通路
１１０ｃ 空気通路
１１１ 吸引ノズル操作器
１１５ 燃料量制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼炉内に燃焼用空気ノズルから噴出される燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼させ、その燃焼ガス中に付加空気ノズルから付加空気を噴出させて残存可燃物を燃焼せしめるようにした、付加空気ノズルを備えた燃焼装置、特にボイラの燃焼炉における付加空気ノズルから付加空気を噴出させる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電用等のボイラにおいては、近年、燃焼炉内において燃焼用空気ノズルから噴出される燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼させ、残存燃料と中間生成物とを付加空気ノズルから付加空気即ちアデイッショナルエアを噴出させて完全燃焼させるようにした燃焼システムが採用されている。
【０００３】
図１３はかかる付加空気ノズルを有する燃焼システムを用いたボイラ装置の系統図であり、同図において、１はボイラ本体、２は火炉、４はバーナ風箱、３及び４ａは、該バーナ風箱４内に縦方向に複数列かつ周方向にも複数列設けられた燃料供給ノズル及び空気ノズル、５は前記燃料供給ノズル３の上方つまり下流側に周方向に複数個設けられたアデイッショナルエアポート、５ａは該アデイッショナルエアポート内に設けられた付加空気ノズル即ちアデイッショナルエアノズルである。
【０００４】
１３は燃料供給装置、１８は該燃料供給装置１３と前記燃料供給ノズル３とを接続する燃料供給ラインである。６は前記ボイラ本体１の上部に設置された蒸気管群、７は脱硝装置、９は吸引送風機、１２は押込送風機、８は空気加熱器、１０は脱硫装置、１１は集塵装置である。
また、１５は燃焼用空気ラインで、前記空気ノズル４ａに接続される主バーナ燃焼用空気ライン１６と、前記アデイッショナルエアノズル５ａに接続されるアデイッショナルエアライン１７とに分岐されている。
【０００５】
かかるボイラ装置の燃焼システムにおいて、押込送風機１２から燃焼用空気ライン１５を通して送られた燃焼用空気２１は、空気加熱器８において、ボイラ本体１から蒸気管群６及び脱硝装置７を経た炉内ガス２０と熱交換を行い昇温せしめられる。
【０００６】
かかる昇温がなされた燃焼用空気２１は主バーナ燃焼用空気２２とアデイッショナルエア２３とに分流され、前者は主バーナ燃焼用空気ライン１６を通ってバーナ風箱４の空気ノズル４ａへ、後者はアデイッショナルエアライン１７を通ってアデイッショナルエアポート５のアデイッショナルエアノズル５ａへ夫々送られる。前記主バーナ燃焼用空気２２は、通常、３００℃前後に設定される。
【０００７】
前記燃焼用空気２１は空気ノズル４ａから火炉２内に吹き込まれ、前記燃料供給装置１３から燃料供給ライン１８を経て燃料供給ノズル３から火炉２内に噴射される主バーナ用燃料２４の燃焼に供される。
前記のようにして火炉２内に噴射された主バーナ用燃料２４及び空気ノズル４ａから火炉２内に吹き込まれた燃焼用空気２１は、図示しない着火源によって着火せしめられ、主バーナ火炎１９を形成する。
そして、該主バーナ火炎１９は空気ノズル４ａから火炉２内に供給された燃焼用空気２２によって燃焼を継続し、後述するようなアデイッショナルエア２３による燃焼がなされる。
【０００８】
前記火炉２内における燃焼時において、前記該主バーナ火炎１９の燃焼継続に使用される主バーナ燃焼用空気２２の量は、通常、燃料供給ノズル３から投入される主バーナ用燃料２４の理論燃焼空気量以下に設定される。その結果、前記アデイッショナルエアポート５よりも上流側の火炉２内には還元雰囲気の燃焼ゾーン１２１が形成される。
【０００９】
前記還元燃焼ゾーン１２１では、主バーナ用燃料２４の燃焼によって発生した窒素酸化物（以下ＮＯｘという）が還元されて消滅し、代わってシアン、アンモニア等の中間生成物が発生する。また、理論燃焼空気量以下での燃焼であるため、投入された燃料の完全燃焼は不可能であり、炉内ガス２０中には可燃物が残存する。尚、前記還元燃焼ゾーンにおける空気比は低い程、前記ＮＯｘの還元効果は大きいが、前記のように、炉内ガス２０中の残存可燃物の量が増大する。
【００１０】
しかして、前記燃焼により炉内ガス２０あるいは主バーナ火炎１９は、燃焼を継続しながら上昇し、アデイッショナルエアポート５の位置でアデイッショナルエアノズル５ａからアデイッショナルエア２３が投入され、前記残存可燃物及び中間生成物の酸化が行なわれ、火炉２の出口までに燃焼を完了する。
炉内ガス２０は火炉２から蒸気管群６に送られ、ここで該蒸気管群６の管内を流れる水と熱交換して蒸気を発生させた後、脱硝装置７、空気加熱器８、吸引送風機９、脱硫装置１０、及び集塵装置１１を経て、煙突から大気中に放出される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示されるような燃焼システムを用いたボイラ装置における、火炉２内の高さと燃焼ガス温度の関係の実測結果の一例を図１１に示す。同図に明らかなように、ＡＡで示されるアデイッショナルエアポート５の位置では、アデイッショナルエア２３の投入により最高温度よりも３００〜４００℃低くなる。
【００１２】
また、図１２にはアデイッショナルエア温度（ＡＡ温度）とバイジン（煤塵）低減率の関係の実測結果の一例を示す。同図に明らかなように、ＡＡ温度を上昇させればアデイッショナルエア２３の噴出速度が大きくなるとともに雰囲気温度が高まることの相乗効果により煤塵発生量が大幅に低減される。
【００１３】
しかしながら、図１３に示される従来技術にあっては、アデイッショナルエアポート５火炉２の出口までの酸化燃焼ゾーン１２２では、図１１に示されるように、アデイッショナルエア２３の投入により炉内ガス２０の温度が低い状態にあることから、残存可燃物及び中間生成物の燃焼が完全に行なわれ難く、かかる燃焼を完全に終結せしめるには、アデイッショナルエアポート５から火炉２の出口までの酸化燃焼ゾーン１２２における炉内ガス２０の滞留時間を長く採ることを要し、このため、火炉２の高さが高くなり、ボイラーが大型化する。
【００１４】
また、かかる従来技術にあっては、前記のように、酸化燃焼ゾーン１２２における炉内ガス２０の温度が低く、燃焼を完全に終結できないことから、燃焼の完全終結をなすには、前記還元燃焼ゾーン１２１での空気量を増加することにより該還元燃焼ゾーン１２１での燃焼状態を酸化雰囲気側に移さざるを得ず、このため、ＮＯｘの発生量を低減することが困難となる。
【００１５】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、付加空気ノズル（アデイッショナルエアノズル）を備えた燃焼装置において、燃焼炉（火炉）の高さを増大することなく、燃焼炉内で燃焼の完全終結をなさしめ、かつＮＯｘの発生量を抑制し得る燃焼装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、燃焼炉内に空気ノズルから噴出される燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼させ、その燃焼ガス中に付加空気ノズルから付加空気を噴出させて残存可燃物を燃焼せしめるようにした燃焼装置において、内部に複数の付加空気噴出路が形成され、付加空気を前記燃焼炉内の燃焼ガスからの輻射熱により昇温させる輻射変換体と、前記付加空気が導入されるとともに、前記輻射変換体に併設されて出口側が前記付加空気噴出路に連通された輻射変換室と、該輻射変換室内の付加空気を加熱する空気加熱装置とを備えたことを特徴とする付加空気ノズルを備えた燃焼装置を提案する。
【００１７】
請求項２ないし３記載の発明は、請求項１記載の発明の具体的手段に係り、請求項２記載の発明は、請求項１において、前記輻射変換室を前記輻射変換体の内部に形成し、該輻射変換体は前記輻射変換室の付加空気入口側及び出口側の双方に前記付加空気噴出路が設けられてなることを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１において、前記輻射変換体は前記付加空気ノズル内に複数個設けられ、各輻射変換体の間に前記輻射変換室が設けられてなることを特徴とする。
【００１９】
かかる発明における輻射変換体は、多孔質セラミックスフォーム、金属またはセラミックス製多孔筒、金属またはセラミックス製細管群、等の熱容量の大きい材料で構成するのがよい。
【００２０】
かかる発明によれば、燃焼炉（火炉）の上流側つまり還元燃焼ゾーンにおいては、空気ノズルから噴出される燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼を行い、これによりＮＯｘの発生量が抑制される。
そして、この燃焼ガスは燃焼を継続しながら上昇し、付加空気ポートの位置で付加空気ノズル（アデイッショナルエアノズル）から付加空気（アデイッショナルエア）が投入され、前記還元燃焼ゾーンでの燃焼による残存可燃物及び中間生成物の酸化が行なわれ、燃焼炉の出口までに燃焼を完了する。
【００２１】
かかる燃焼時において、前記付加空気ノズルに設けられた輻射変換体は、燃焼炉内の燃焼ガスからの輻射熱により加熱されて昇温せしめられる。そして、前記付加空気ノズルに導入された付加空気（アデイッショナルエア）は、輻射変換室内において、空気加熱装置によって加熱されて昇温せしめられた後、さらに前記のようにして高温に蓄熱された輻射変換体の付加空気噴出路を通過する際に該輻射変換体の蓄熱により加熱されてさらに昇温し、高温の付加空気となって該付加空気ノズルから炉内に吹き出され、燃焼ガス中の残存可燃物及び中間生成物の酸化、燃焼に供される 。
【００２２】
従って、かかる発明によれば、付加空気を、輻射変換室内における空気加熱装置による加熱、及び輻射変換体での燃焼ガスからの輻射熱による加熱、の２段階の加熱により昇温せしめるので、燃焼炉内には高温の付加空気が投入されることとなり、還元燃焼ゾーンから送られてきた燃焼ガス中の残存可燃物及び中間生成物を短時間で完全に燃焼せしめることができる。
【００２３】
これにより、燃焼ガスの燃焼の完全終結に要する付加空気ノズルから燃焼炉出口までの燃焼ガスの滞留時間を短縮することができ、燃焼炉（火炉）の高さを増大することなく、付加空気ノズルから燃焼炉出口までの酸化燃焼ゾーンの完全燃焼を実現できる。
また、前記のように、付加空気ノズルから燃焼炉出口までの酸化燃焼ゾーンにおける燃焼効率が上昇することにより、上流側の還元燃焼ゾーンにおける空気比を低く設定できることとなり、これによりＮＯｘの発生量を抑制できる。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項１において、前記輻射変換体の温度を検出する温度センサと、該温度センサからの輻射変換体温度の検出値と設定温度とを比較して温度偏差を算出する比較手段と、該温度偏差に基づき前記空気加熱装置の燃料量を制御する燃料量制御手段とをそなえたことを特徴とする。
【００２５】
かかる発明によれば、輻射変換体の温度を検出し、この温度検出値に基づき燃料量制御手段によって空気加熱装置の燃料量を制御することにより、前記付加空気を酸化燃焼ゾーンにおける燃焼効率が最大レベルになるような所望の温度に常時保持することができる。
【００２６】
請求項５記載の発明は、燃焼炉内に空気ノズルから噴出される燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼させ、その燃焼ガス中に付加空気ノズルから付加空気を噴出させて残存可燃物を燃焼せしめるようにした燃焼装置において、内部に複数の付加空気噴出路及び前記燃焼炉内の燃焼ガスを導入する燃焼ガス吸引路が形成され前記付加空気を前記燃焼炉内の燃焼ガスからの輻射熱により昇温させる輻射変換体と、内部の中央部位に前記付加空気が通流する付加空気通路が設けられるとともに、該付加空気通路の外周部位には前記燃焼ガス吸引路を経た燃焼ガスを該付加空気通路に噴出するガス吸引孔を有し、該付加空気通路を通流する付加空気によるエジェクタ作用により前記ガス吸引孔から燃焼ガスを吸引して混合空間にて付加空気と混合させる燃焼ガス吸引ノズルとを備えたことを特徴とする付加空気ノズルを備えた燃焼装置にある。
【００２７】
かかる発明によれば、輻射変換体の上流側に設けられた燃焼ガス吸引ノズルに、燃焼炉内の燃焼ガスを導き、該燃焼ガス吸引ノズルの中央部位に設けられた付加空気通路を流れる付加空気によるエジェクタ作用で、外周側のガス吸引孔から該燃焼ガスを吸引して該付加空気と混合してこれを昇温せしめるので、前記発明のような格別な加熱装置を必要とせず、簡単な構造かつ低コストの装置で以って前記燃焼効率の上昇効果及びＮＯｘ発生量の抑制効果を得ることができる。
【００２８】
請求項６記載の発明は、請求項５において、前記燃焼ガス吸引ノズルは前記付加空気ノズルの内部に往復動可能に設けられ、前記燃焼ガス吸引ノズルを往復駆動して該燃焼ガス吸引ノズルの外周と付加空気ノズルとの間に形成される空気通路を開閉し前記付加空気通路を通流する付加空気のエジェクタ作用を調整する吸引ノズル操作装置を備えたことを特徴とする。
【００２９】
かかる発明によれば、吸引ノズル操作装置によって、燃焼ガス吸引ノズルの外周と付加空気ノズルとの間の空気通路の開度を調節することにより、付加空気による燃焼ガス吸引のエジェクタ作用を調整することができ、これにより、燃焼ガスの吸引量を調整し付加空気の温度を適温に制御できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３１】
図１は本発明の実施形態における、第１実施例に係るアデイッショナルエアノズルの縦断面図、図２は第２実施例に係るアデイッショナルエアノズルの縦断面図、図３は前記第１、２実施例におけるアデイッショナルエア加熱用燃料の制御ブロック図である。図４は第３実施例に係るアデイッショナルエアノズルの縦断面図で、（Ａ）は燃焼排ガス吸引ノズル閉時、（Ｂ）は開時を示す。図５は本発明の実施形態におけるアデイッショナルエアノズルを備えたボイラ装置の系統図である。図６は前記アデイッショナルエアノズル用輻射変換体の第１例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｅ矢視図である。図７は前記輻射変換体の第２例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＦ−Ｆ矢視図である。図８は前記輻射変換体の第３例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視図である。図９は前記輻射変換体の第４例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ矢視図である。図１０はアデイッショナルエアノズルの温度分布を示す線図、図１１はボイラ火炉における燃焼ガス温度分布線図、図１２はアデイッショナルエア温度と煤塵低減率の関係線図である。図１３は従来技術を示す図５対応図である。
【００３２】
本発明に係るアデイッショナルエアノズルを備えたボイラ装置の系統図を示す図５において、１はボイラ本体、２は火炉、４はバーナ風箱、３及び４ａは、該バーナ風箱４内に縦方向に複数列かつ周方向にも複数列設けられた燃料供給ノズル及び空気ノズルである。 ５は前記燃料供給ノズル３の上方つまり下流側に周方向に複数個設けられたアデイッショナルエアポート、５ａは該アデイッショナルエアポート内に設けられた付加空気ノズル即ちアデイッショナルエアノズルであり、詳細は後述する。１０５は高温化されたアデイッショナルエアである。
【００３３】
１３は燃料供給装置、１８は該燃料供給装置１３と前記燃料供給ノズル３とを接続する燃料供給ラインである。６は前記ボイラ本体１の上部に設置された蒸気管群、７は脱硝装置、９は吸引送風機、１２は押込送風機、８は空気加熱器、１０は脱硫装置、１１は集塵装置である。
また、１５は燃焼用空気ラインで、前記空気ノズル４ａに接続される主バーナ燃焼用空気ライン１６と、前記アデイッショナルエアノズル５ａに接続されるアデイッショナルエアライン１７とに分岐されている。
以上の基本構成は従来技術と同様である。本発明は前記アデイッショナルエアノズル５ａ（付加空気ノズル）の改良に係るものである。
【００３４】
即ち、前記アデイッショナルエアノズルの第１実施例を示す図１において、アデイッショナルエアポート５に設けられたアデイッショナルエアノズル５ａの内部には輻射変換体１０１が固定されている。該輻射変換体１０１は、多孔質セラミックスフォーム、金属またはセラミックス製多孔筒、金属またはセラミックス製細管群、等の熱容量の大きい材料で構成する。１０２は該輻射変換体１０１の内部をくり貫いて形成された輻射変換室であり、前記輻射変換体１０１は該輻射変換室１０２により火炉２側と入口側とに区画され、該火炉２側と入口側の内部には複数の高温化エア通路１０７が夫々穿孔されている。そして、該輻射変換体１０１は、前記火炉２からの輻射効果の大きい火炉２側の厚さを入口側よりも厚く形成されている。
【００３５】
１０３は前記アデイッショナルエアポート５に取り付けられたエア加熱バーナで、前記燃料供給ライン１８から分岐されたエア加熱燃料ライン１０６に接続され、アデイッショナルエア加熱用の燃料を前記輻射変換室１０２内に噴射する。０５ｂはアデイッショナルエアポート５の入口室で、前記アデイッショナルエアライン１７からアデイッショナルエア２３が導入される。
尚、前記エア加熱バーナ１０３用燃料１０４は、前記主バーナ用燃料２４がガス体または液体の場合には前記主バーナ用燃料２４と同一あるいは供給し易い方の燃料とし、前記主バーナ用燃料２４が固体の場合はガス体または液体のうち供給し易い方のものを用いる。
【００３６】
図６〜図９は前記輻射変換体１０１の実施例を示す。
図６のものは、多孔質セラミックスフォームをアデイッショナルエアノズル５ａの断面全体に装着している。この場合は、アデイッショナルエア２３を加熱するための熱効率は高いが、通風損失が大きいため、高温化アデイッショナルエア１０５の吹込み速度が小さくてもよい火炉２内壁面近傍の燃焼に使用する。
【００３７】
図７のものは、多孔質セラミックスフォームに高温化エア通路１０７として複数の円形孔あるいは角孔からなる小孔を穿孔している。この場合は、アデイッショナルエア２３を加熱するための熱効率は若干低いが、小孔を設けたことによって通風損失が小さくなるので、高温化アデイッショナルエア１０５の吹込み速度が大きいものに使用する。
【００３８】
図８のものは、金属またはセラミックス製多孔筒をアデイッショナルエアノズル５ａの断面全体に装着している。該多孔筒の、高温化エア通路１０７としての小孔は円形孔、角孔、偏平角孔、楕円孔等の何れでもよく、内壁面の伝熱面積が大きいものを用いるのがよい。この場合は、前記２つの実施例に比べると伝熱面積が小さいものの、通風損失が小さいので、高温化アデイッショナルエア１０５の吹込み速度が大きいものに使用する。
【００３９】
図９のものは、多数の金属またはセラミックス製細管をアデイッショナルエアノズル５ａの断面全体に装着している。この場合は、図８の実施例と同様に伝熱面積が小さいものの、通風損失が小さいので、高温化アデイッショナルエア１０５の吹込み速度が大きいものに使用する。
【００４０】
かかる構成からなるアデイッショナルエアノズルを用いたボイラ装置の運転時において、押込送風機１２から燃焼用空気ライン１５を通して送られた燃焼用空気２１は、空気加熱器８において、ボイラ本体１から蒸気管群６及び脱硝装置７を経た炉内ガス２０と熱交換を行い昇温せしめられる。
【００４１】
かかる昇温がなされた燃焼用空気２１は主バーナ燃焼用空気２２とアデイッショナルエア２３とに分流され、前者は主バーナ燃焼用空気ライン１６を通ってバーナ風箱４の空気ノズル４ａへ、後者はアデイッショナルエアライン１７を通ってアデイッショナルエアポート５のアデイッショナルエアノズル５ａへ夫々送られる。前記主バーナ燃焼用空気２２は、通常、３００℃前後に設定される。
【００４２】
前記燃焼用空気２１は空気ノズル４ａから火炉２内に吹き込まれ、前記燃料供給装置１３から燃料供給ライン１８を経て燃料供給ノズル３から火炉２内に噴射される主バーナ用燃料２４の燃焼に供される。
前記のようにして火炉２内に噴射された主バーナ用燃料２４及び空気ノズル４ａから火炉２内に吹き込まれた燃焼用空気２１は、図示しない着火源によって着火せしめられ、主バーナ火炎１９を形成する。そして、該主バーナ火炎１９は空気ノズル４ａから火炉２内に供給された主バーナ燃焼用空気２２によって燃焼を継続し、後述するようなアデイッショナルエア２３による燃焼がなされる。
【００４３】
前記火炉２内における燃焼時において、前記該主バーナ火炎１９の燃焼継続に使用される主バーナ燃焼用空気２２の量は、通常、燃料供給ノズル３から投入される主バーナ用燃料２４の理論燃焼空気量以下に設定される。その結果、前記アデイッショナルエアポート５よりも上流側の火炉２内には還元雰囲気の燃焼ゾーン１２１が形成される。
【００４４】
前記還元燃焼ゾーン１２１では、主バーナ用燃料２４の燃焼によって発生した窒素酸化物（以下ＮＯｘという）が還元されて消滅し、代わってシアン、アンモニア等の中間生成物が発生する。また、理論燃焼空気量以下での燃焼であるため、投入された燃料の完全燃焼は不可能であり、炉内ガス２０中には可燃物が残存する。尚、前記還元燃焼ゾーンにおける空気比は低い程、前記ＮＯｘの還元効果は大きいが、前記のように、炉内ガス２０中の残存可燃物の量が増大する。
【００４５】
前記燃焼により炉内ガス２０あるいは主バーナ火炎１９は、燃焼を継続しながら上昇し、アデイッショナルエアポート５の位置でアデイッショナルエアノズル５ａからアデイッショナルエア２３が投入され、前記残存可燃物及び中間生成物の酸化が行なわれ、火炉２の出口までに燃焼を完了する。
炉内ガス２０は火炉２から蒸気管群６に送られ、ここで該蒸気管群６の管内を流れる水と熱交換して蒸気を発生させた後、脱硝装置７、空気加熱器８、吸引送風機９、脱硫装置１０、及び集塵装置１１を経て、煙突から大気中に放出される。
以上に記載した燃焼作用は図１３に示された従来技術と同様である。
【００４６】
前記のように、火炉２の上流側つまり還元燃焼ゾーン１２１においては、空気ノズル４ａから噴出される主バーナ燃焼用空気２２中に燃料供給ノズル３から燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼を行い、これによりＮＯｘの発生量が抑制される。
そして、この燃焼ガスは燃焼を継続しながら上昇し、アデイッショナルエアポート５の位置でアデイッショナルエアノズル５ａから、後述するように高温化されたアデイッショナルエア１０５が投入され、前記還元燃焼ゾーン１２１での燃焼による残存可燃物及び中間生成物の酸化が行なわれ、火炉２の出口までに燃焼を完了する。
【００４７】
かかる燃焼時において、前記アデイッショナルエアノズル５ａに設けられた輻射変換体１０１は、火炉２内の燃焼ガスからの輻射熱により加熱されて昇温せしめられる。
一方、前記アデイッショナルエアノズル５ａの入口室０５ｂに導入されたアデイッショナルエア２３は、該入口室０５ｂ側の輻射変換体１０１内を通って輻射変換室１０２内に入る。
【００４８】
そして該アデイッショナルエア２３は、輻射変換室１０２内においてエア加熱バーナ１０３から噴射されるエア加熱用燃料１０４によって加熱され昇温せしめられた後、さらに前記のようにして高温に蓄熱された輻射変換体１０１の高温化エア通路１０７を通過する際に該輻射変換体１０１の蓄熱により加熱されてさらに昇温し、高温化アデイッショナルエア１０５となって該アデイッショナルエアノズル５ａから火炉２内の酸化燃焼ゾーン１２２に吹き出され、燃焼ガス中の残存可燃物及び中間生成物の酸化、燃焼に供される 。
【００４９】
従って、かかる実施例によれば、アデイッショナルエア２３を、輻射変換室１０２内におけるエア加熱バーナ１０３による加熱、及び輻射変換体１０１での燃焼ガスからの輻射熱による加熱の２段階の加熱により昇温せしめるので、火炉２内には高温化されたアデイッショナルエア１０５が投入されることとなり、還元燃焼ゾーン１２１から送られてきた燃焼ガス中の残存可燃物及び中間生成物を短時間で完全に燃焼せしめることができ、燃焼効率が上昇する。
【００５０】
また、前記のように、アデイッショナルエアノズル５ａから火炉２出口までの酸化燃焼ゾーン１２２における燃焼効率が上昇することにより、上流側の還元燃焼ゾーン１２１における空気比を低く設定できることとなり、これによりＮＯｘの発生量を抑制できる。
【００５１】
また、前記輻射変換体１０１には温度センサ１０８が取り付けられ、該輻射変換体１０１の温度を常時検出している。
図３に示すように、該温度センサ１０８にて検出された輻射変換体１０１の温度は、燃料量制御装置１１５の温度比較器１１６に入力される。１１７は変換体温度設定器であり、前記高温化アデイッショナルエア１０５が適正温度になるような輻射変換体１０１の温度が設定されている。
【００５２】
前記温度比較器１１６においては、前記輻射変換体温度の検出値と変換体温度設定器１１７に設定された設定温度とを比較して温度偏差を算出し、燃料量算出器１１８に入力する。該燃料量算出器１１８においては、前記温度偏差に基づきＰＩＤ演算を行って前記エア加熱バーナ１０３の燃料噴射量を算出する。そして、この燃料噴射量を受けてバーナ燃料調整器１１９においてはエア加熱バーナ１０３の燃料噴射量を調整する。
【００５３】
従って、かかる手段によれば、輻射変換体１０１の温度を検出し、この温度検出値に基づき燃料量制御装置１１５によってエア加熱バーナ１０３の燃料噴射量を制御することにより、前記アデイッショナルエア１０５を酸化燃焼ゾーン１２２における燃焼効率が最大レベルになるような所望の温度に保持可能となる。
【００５４】
図２に示されるアデイッショナルエアノズル５ａの第２実施例においては、前記輻射変換体１０１を前記アデイッショナルエアノズル５ａに２個設け、各輻射変換体１０１の間に前記輻射変換室１０２を設けている。
かかる実施例の場合は、２つの輻射変換体１０１間の距離を変えることにより、輻射変換室１０２の容積を簡単に調整することができ、また輻射変換室１０２の形成が簡単にできる。
その他の構成は、図１に示す第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００５５】
図１０は前記輻射変換体１０１の効果を確認するための実験結果を示す。同図のＡは図２と同様な２つの輻射変換体１０１間に設けた輻射変換室１０２内でガス燃料を燃焼させた場合、Ｂは輻射変換室無しでガス燃料を単に空気通路内で燃焼させた場合の空気流方向の温度分布を示す。同図に明らかなように、輻射変換室１０２及び輻射変換体１０１を設ける場合（Ａ）の方が、これらを設けない場合よりも大幅に高温となっている。
【００５６】
図４に示される第３実施例に係るアデイッショナルエアノズルにおいては、輻射変換体１０１の内部に、多数の高温化エア通路１０７とともに、前記火炉２内の炉内ガス２０を導入する燃焼排ガス吸引通路１０１ａを形成している。
１１０は燃焼排ガス吸引ノズルで、前記アデイッショナルエアノズル５ａの入口側に往復動可能に取り付けられている。該燃焼排ガス吸引ノズル１１０は、内部の中央部位に前記アデイッショナルエア２３が通流する空気通路１１０ｃが設けられるとともに、該空気通路１１０ｃの外周部位には前記輻射変換体１０１の燃焼排ガス吸引通路１０１ａを経た炉内ガス２０を該空気通路１１０ｃに噴出するための吸引孔１１０ａが設けられている。
【００５７】
１１１は吸引ノズル操作器で、前記アデイッショナルエアノズル５ａの入口側の内部に往復動可能に取り付けられた前記燃焼排ガス吸引ノズル１１０に連結され、該燃焼排ガス吸引ノズル１１０を往復駆動して該燃焼排ガス吸引ノズル１１０の外周とアデイッショナルエアノズル５ａとの間に形成されるエア通路１１０ｂを開閉する。
【００５８】
かかる第３実施例にによれば、輻射変換体１０１の上流側に設けられた燃焼排ガス吸引ノズル１１０に、火炉２内の炉内ガス２０を輻射変換体１０１の燃焼排ガス吸引通路１０１ａを通して導き、該燃焼排ガス吸引ノズル１１０の中央部位に設けられた空気通路１１０ｃを流れるアデイッショナルエア２３によるエジェクタ作用で、外周側の吸引孔１１０ａから炉内ガス２０を吸引してアデイッショナルエア２３と混合室１０９内で混合してこれを昇温せしめる。
【００５９】
また、前記吸引ノズル操作器１１１によって、燃焼排ガス吸引ノズル１１０の外周とアデイッショナルエアノズル５ａとの間のエア通路１１０ｂの開度を調節することにより、アデイッショナルエア２３による炉内ガス２０吸引のエジェクタ作用を調整することができ、これにより、炉内ガス２０の吸引量を調整し、高温化アデイッショナルエア１０５の温度を適温に制御できる。
【００６０】
【発明の効果】
以上記載の如く請求項１ないし３記載の発明によれば、付加空気を、輻射変換室内における空気加熱装置による加熱、及び輻射変換体での燃焼ガスからの輻射熱による加熱の、２段階の加熱により昇温せしめるので、燃焼炉内には高温の付加空気が投入されることとなり、還元燃焼ゾーンから送られてきた燃焼ガス中の残存可燃物及び中間生成物を短時間で完全に燃焼せしめることができる。
【００６１】
これにより、燃焼ガスの燃焼の完全終結に要する付加空気ノズルから燃焼炉出口までの燃焼ガスの滞留時間を短縮することができ、燃焼炉（火炉）の高さを増大することなく、付加空気ノズルから燃焼炉出口までの酸化燃焼ゾーンの完全燃焼を実現できる。
また、前記のように、付加空気ノズルから燃焼炉出口までの酸化燃焼ゾーンにおける燃焼効率が上昇することにより、上流側の還元燃焼ゾーンにおける空気比を低く設定できることとなり、これによりＮＯｘの発生量を抑制できる。
【００６２】
また、請求項４のように構成すれば、輻射変換体の温度を検出し、この温度検出値に基づき燃料量制御手段によって空気加熱装置の燃料量を制御することにより、前記付加空気を酸化燃焼ゾーンにおける燃焼効率が最大レベルになるような所望の温度に常時保持することができる。
【００６３】
また、請求項５のように構成すれば、輻射変換体の上流側に設けられた燃焼ガス吸引ノズルに、燃焼炉内の燃焼ガスを導き、該燃焼ガス吸引ノズルの中央部位に設けられた付加空気通路を流れる付加空気によるエジェクタ作用で、外周側のガス吸引孔から該燃焼ガスを吸引して該付加空気と混合してこれを昇温せしめるので、前記発明のような格別な加熱装置を必要とせず、簡単な構造かつ低コストの装置で以って前記燃焼効率の上昇効果及びＮＯｘ発生量の抑制効果を得ることができる。
【００６４】
さらに請求項６のように構成すれば、吸引ノズル操作装置によって、燃焼ガス吸引ノズルの外周と付加空気ノズルとの間の空気通路の開度を調節することにより、付加空気による燃焼ガス吸引のエジェクタ作用を調整することができ、これにより、燃焼ガスの吸引量を調整し付加空気の温度を適温に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態における、第１実施例に係るアデイッショナルエアノズルの縦断面図である。
【図２】 第２実施例に係るアデイッショナルエアノズルの縦断面図である。
【図３】 前記第１、２実施例におけるアデイッショナルエア加熱用燃料の制御ブロック図である。
【図４】 第３実施例に係るアデイッショナルエアノズルの縦断面図で、（Ａ）は燃焼排ガス吸引ノズル閉時、（Ｂ）は開時を示す。
【図５】 本発明の実施形態におけるアデイッショナルエアノズルを備えたボイラ装置の系統図である。
【図６】 前記アデイッショナルエアノズル用輻射変換体の第１例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｅ矢視図である。
【図７】 前記輻射変換体の第２例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＦ−Ｆ矢視図である。
【図８】 前記輻射変換体の第３例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視図である。
【図９】 前記輻射変換体の第４例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ矢視図である。
【図１０】 アデイッショナルエアノズルの温度分布を示す線図である。
【図１１】 ボイラ火炉における燃焼ガス温度分布線図である。
【図１２】 アデイッショナルエア温度と煤塵低減率の関係線図である。
【図１３】 従来技術を示す図５対応図である。
【符号の説明】
１ ボイラ本体
２ 火炉
３ 燃料供給ノズル
４ バーナ風箱
４ａ 空気ノズル
５ アデイッショナルエアポート
５ａ アデイッショナルエアノズル
０５ｂ 入口室
６ 蒸気管群
８ 空気加熱器
９ 吸引送風機
１２ 押込送風機
１３ 燃料供給装置
１４ 排ガスライン
１５ 燃焼用空気ライン
１６ 主バーナ燃料用空気ライン
１７ アデイッショナルエアライン
１８ 燃料供給ライン
２３ アデイッショナルエア
２４ 主バーナ用燃料
１０１ 輻射変換体
１０２ 輻射変換室
１０３ エア加熱バーナ
１０５ 高温化アデイッショナルエア
１０６ エア加熱燃料ライン
１０７ 高温化エア通路
１０８ 温度センサ
１１０ 燃焼排ガス吸引ノズル
１１０ａ 吸引孔
１１０ｂ エア通路
１１０ｃ 空気通路
１１１ 吸引ノズル操作器
１１５ 燃料量制御装置
Claims (6)
- 燃焼炉内に空気ノズルから噴出される燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼させ、その燃焼ガス中に付加空気ノズルから付加空気を噴出させて残存可燃物を燃焼せしめるようにした燃焼装置において、内部に複数の付加空気噴出路が形成され、付加空気を前記燃焼炉内の燃焼ガスからの輻射熱により昇温させる輻射変換体と、前記付加空気が導入されるとともに、前記輻射変換体に併設されて出口側が前記付加空気噴出路に連通された輻射変換室と、該輻射変換室内の付加空気を加熱する空気加熱装置とを備えたことを特徴とする付加空気ノズルを備えた燃焼装置。
- 前記輻射変換室を前記輻射変換体の内部に形成し、該輻射変換体は前記輻射変換室の付加空気入口側及び出口側の双方に前記付加空気噴出路が設けられてなることを特徴とする請求項１記載の付加空気ノズルを備えた燃焼装置。
- 前記輻射変換体は前記付加空気ノズル内に複数個設けられ、各輻射変換体の間に前記輻射変換室が設けられてなることを特徴とする請求項１記載の付加空気ノズルを備えた燃焼装置。
- 前記輻射変換体の温度を検出する温度センサと、該温度センサからの輻射変換体温度の検出値と設定温度とを比較して温度偏差を算出する比較手段と、該温度偏差に基づき前記空気加熱装置の燃料量を制御する燃料量制御手段とをそなえたことを特徴とする請求項１記載の付加空気ノズルを備えた燃焼装置。
- 燃焼炉内に空気ノズルから噴出される燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出して、理論空気量以下の還元雰囲気で燃焼させ、その燃焼ガス中に付加空気ノズルから付加空気を噴出させて残存可燃物を燃焼せしめるようにした燃焼装置において、内部に複数の付加空気噴出路及び前記燃焼炉内の燃焼ガスを導入する燃焼ガス吸引路が形成され前記付加空気を前記燃焼炉内の燃焼ガスからの輻射熱により昇温させる輻射変換体と、内部の中央部位に前記付加空気が通流する付加空気通路が設けられるとともに、該付加空気通路の外周部位には前記燃焼ガス吸引路を経た燃焼ガスを該付加空気通路に噴出するガス吸引孔を有し、該付加空気通路を通流する付加空気によるエジェクタ作用により前記ガス吸引孔から燃焼ガスを吸引して混合空間にて付加空気と混合させる燃焼ガス吸引ノズルとを備えたことを特徴とする付加空気ノズルを備えた燃焼装置。
- 前記燃焼ガス吸引ノズルは前記付加空気ノズルの内部に往復動可能に設けられ、前記燃焼ガス吸引ノズルを往復駆動して該燃焼ガス吸引ノズルの外周と付加空気ノズルとの間に形成される空気通路を開閉し前記付加空気通路を通流する付加空気のエジェクタ作用を調整する吸引ノズル操作装置を備えたことを特徴とする請求項５記載の付加空気ノズルを備えた燃焼装置。
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