JPH02298703A - 微粉炭バーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する燃焼装置に係
り、特に微粉炭の燃焼時に大幅な低ＮＯｘ化を達成する
微粉炭バーナに関するものである。

［従来の技術］ 最近の燃料事情の変化により、大力発電所用人型ボイラ
を始めようとする事業用ボイラにおいては、石炭を主燃
料とする石炭専焼ボイラが増加している。

この石炭専焼ボイラにおいては、石炭を粉砕機で、例え
ば２００メツシュ通過量７０％程度の微粉炭に粉砕して
１石炭燃焼の燃焼効率の向上を計っている。

しかしながら、化石燃料中には、Ｃ，Ｈ等の燃料成分の
他にＮ分が含まれ、特に微粉炭には気体燃料や液体燃料
に比較してＮ分含有量が多い。

従って、微粉炭の燃焼時に発生するＮＯｘは気体燃料お
よび液体燃料の燃焼時に発生するＮＯｘよりも多く、こ
のためにＮＯｘを極力低減させることが要望されている
。

各種燃料の燃焼時に発生するＮＯｘは、サーマル（Ｔｈ
ｅｒａｍｌ）　Ｎ　Ｏｘとフューエル（Ｆｕｅｌ）ＮＯ
ｘとに大別されるが、サーマルＮＯｘは燃焼用空気中の
窒素が酸化されて発生するものであり、火炎温度の依存
性が大きく、火炎温度が高温になる程サーマルＮＯｘの
発生量が増加する。一方フニーエルＮＯｘは燃料中のＮ
分が酸化されて発生するものであり、火炎内の酸素濃度
の依存性が大きく、酸素が過剰に存在する程燃料中のＮ
分はフューエルＮＯｘになりやすい。

これらのＮＯｘ発生を抑制するための燃焼方法としては
、燃焼用空気を多段に分割して注入する多段燃焼法、低
酸素温度の燃焼排ガスを燃焼領域に混入する排ガス再循
環法等があるが、これらの低ＮＯｘ燃焼法はいずれも低
酸素燃焼によって燃焼火炎の温度を下げることにより、
サーマルＮＯｘの発生を抑制することにある。

ところが、サーマルＮＯｘとフューエルＮＯｘの中で、
燃焼温度の低下によってそのＮ　Ｏｘ発生量を抑制でき
るのはサーマルＮＯｘであり、フューエルＮＯｘの発生
量は燃焼温度に対する依存性は少ない。

従って、火炎温度の低下を目的とした従来の燃焼方法は
、Ｎ分の含有量の少ない気体燃料、液体燃料の燃焼には
有効であるが、通常１〜２ｗｔ％の窒素が多量に含まれ
ている微粉炭燃焼の燃焼に対しては効果は小さい。

一方、微粉炭の燃焼機構は、揮発成分が放出される微粉
炭の熱分解過程、放出された揮発成分の燃焼過程、更に
、熱分解後の可燃性固体成分（以下チャーという）の燃
焼過程からなる。

この揮発成分の燃焼速度は固体成分の燃焼速度よりもは
るかに早く、規制成分は燃焼の初期で燃焼する。また熱
分解過程では、微粉炭中に含有されたＮ分も、他の可燃
性固体成分と同様に揮発されて放出されるものと、チャ
ー中に残るものとに分かれる。

従って、微粉炭燃焼時に発生するフューエルＮＯｘは、
揮発性Ｎ分からのＮＯｘと、チャー中のＮ分からのＮＯ
ｘとに分れ、フューエルＮＯｘの中で、チャーからのフ
ューエルＮ　Ｏｘはチャーが燃焼することによって初め
て生成するため、燃焼の後手までＮＯｘの生成が続き、
この対策が重要なポイントとなる。

揮発性Ｎ分は、燃焼の初期過程および酸素不足の燃焼領
域でＮＨ，、ＨＣＮ等の化合物になることが知られてい
る。これらの窒素化合物は、酸素と反応してＮＯｘにな
る他に、発生したＮＯｘを窒素に分解する還元剤にもな
り得る。

この窒素化合物によるＮＯｘ還元反応は、ＮＯｘとの共
存系において進行するものであり、ＮＯｘが共存しない
反応系では、大半の窒素化合物はＮＯｘに酸化される。

また、還元物質の生成は低酸素濃度雰囲気になる程進行
しゃすて。

このように微粉炭燃焼時のＮＯｘ低減法としては、還元
性をもつ揮発性窒素化合物とＮＯｘとを共存させ、窒素
化合物によりＮＯｘを窒素に還元する燃焼方法が有効で
ある。

すなわち、ＮＯｘの前叩物質であるＮＨ，等の還元性窒
素化合物をＮＯｘの還元に利用することにより、発生し
たＮＯｘの消滅とＮＯｘ前駆物質の消滅を行なわせる燃
焼方法がＮＯｘ低減には有効である。

第１３図は微粉炭焚ボイラの概略系統図、第１４図は第
１３図の脱硝バーナの拡大断面図、第１５図は主バーナ
と脱硝バーナからの火炎の混合状態を示す断面図である
。

第１３図において、ボイラ火炉１の前側壁２、後側壁３
には主バーナ４，５，６，７、脱硝バーナ８，９がボイ
ラ火炉１の底部から頂部へと順に配置されている。

そして、脱硝バーナ８，９の上方には低ＮＯｘ化のため
のアフタエアポート１０．１１が設けられ、各主バーナ
４，５，６，７、と脱硝バーナ８゜９へは午前風箱１２
１缶後風箱１３より、アフタエアポート１０，１１へは
午前アフタエア風箱１４、午後アフタエア風箱１５より
それぞれ空気が供給される。

一方、主バーナ４．．５，６，７、脱硝バーナ８゜９へ
の給炭はコールバンカ１６の石炭が石炭供給機１７より
ミル１８へ送られて、ミル１８内で粉砕される。

そして、ミル１８内で微粉炭中の粗粒子は図示していな
い分級装置で分離され、再びミル１８内の粉砕部に戻さ
れ再粉砕されて微粉炭になる。

この粉砕された微粉炭はミル１８より微粉炭管１９より
主バーナ４，５，６，７、と脱硝バーナ８，９へ供給さ
れる。

他方、午前風箱１２、午後風箱１３、午前アフタエア風
箱１４および午後アフタエア風箱１５への燃焼用空気は
、押込通風機２０によって昇圧された後、空気予熱器２
１で加熱され、風道２２゜風量調整ダンパ２３、風道２
４より各風箱１２゜１３．１４．１５へ供給される。

この様にミル１８、微粉炭管１９から主バーナ４．５，
６，７、脱硝バーナ８，９へ供給された微粉炭は、各風
箱１２，１３，１４．１５へ供給された燃焼用空気によ
ってボイラ火炉１内で燃焼すると、主バーナ４，５，６
，７、脱硝バーナ８゜９の位置するボイラ火炉１内には
主燃焼領域２５、脱硝燃焼領域２６、アフタエアポート
１０，１１の位置するボイラ火炉１内にはアフタ燃焼領
域２７が形成される。

またボイラは部分負荷時の蒸気温度制御用としてホッパ
２８へ排ガスが排ガス再循環ファン２９、排ガス再循環
通路３０より供給され、低ＮＯｘ対策のために排ガス再
循環ファン２９の出口から風道２４の燃焼用空気へ排ガ
スを混合する排ガスダクト３１が設けられている。

ボイラ火炉１内での脱硝燃焼は、各主バーナ４゜５．６
，７、脱硝バーナ８，９へ供給される微粉炭を燃焼させ
るに必要な理論空気量よりも少ない空気量を風箱１２．
１３から供給して燃焼させた後、不足分の空気量を午前
、後アフタエア風箱１４゜１５のアフタエアポート１０
．１１から供給して完全燃焼を図るのである。

従って、主燃焼領域２５．脱硝燃焼領域２６では還元火
炎を形成するために、微粉炭中の窒素分は酸化が防止さ
れ化学的に安定なＮ２となる。

一方、アフタ燃焼領域２７では空気不足のために主燃焼
領域２５、脱硝燃焼領域２６で残った可燃分（主として
チャー）にアフタエアポート１０．１１からアフタエア
を供給して完全燃焼を図るので、ここでの火炎は酸化炎
となる。

なお、第１４図は従来技術の脱硝バーナ８，９を示すも
ので、２，３は前側壁および後側壁、３２は保炎器、３
３は重油バーナである。

第１５図には従来技術の炉内脱硝用脱硝バーナ８．９に
よるボイラ火炉１内でのガス流れを示す。

通常、主バーナ４，５，６．７からの燃焼ガスに対して
、炉内脱硝バーナ８，９からの燃焼ガス量は少なく、従
って、ボイラ火炉１の中心部への貫通力に欠ける。つま
り、第１５図に示すように、主バーナ４，５，６，７か
らの主バーナ火炎３４に対してボイラ火炉１の前側壁２
、後側壁３に沿う脱硝バーナ火炎３５となり、主バーナ
火炎３４と脱硝バーナ火炎３５との混合は脱硝燃焼にお
いては好ましくない。

［発明が解決しようとする課題］ 第１５図に示す従来技術の脱硝バーナ８，９における微
粉炭流は、脱硝バーナ８，９の先端からボイラ火炉１内
に投入される際ノズル出口部において、半径方向に広が
る。通常この広がり角度は、微粉炭流が、超音速流で無
い場合、必ず正となる。

したがって、微粉炭の持つ、運動量を増加しても、ノズ
ル出口部において広がってしまうために、微粉炭の持つ
貫通力を有効利用できない。

他方、脱硝バーナ８，９による脱硝効果をあげるために
は脱硝バーナ８，９の貫通力を増す必要がある。しかし
、単純に、脱硝バーナ８，９の運動量を増すために、微
粉炭と微粉炭搬送用の１次空気の流速を増加すると、流
速が火炎の伝播速度を超えるために、着火保炎が不安定
になり、未燃分が増加したり、負荷の制御が困難になる
等の弊害が生ずる。

本発明はかかる従来技術の欠点を解消しようとするもの
で、その目的とするところは、脱硝バーナからの貫通力
を強化して、脱硝燃焼を行なうことができる微粉炭バー
ナを提供するにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は前述の目的を達成するために、脱硝バーナの微
粉炭供給管に縮小部を設け、かつ微粉炭供給管内に微粉
炭流れを中心に向わせる抵抗体を配置したものである。

［作用］ 微粉炭供給管に縮小部を設け、抵抗体を配置することに
よって、亜音速でも脱硝バーナ出口部の微粉炭流れを脱
硝バーナの中心軸に向けることができる。

従って微粉炭の炉内における貫通力を増すことができる
とともに、脱硝バーナノズルの外周に設置する保炎器に
大きな逆流空間が生じてボイラ火炉内の高音燃焼ガスを
効率良く保炎器まで戻すことができるため脱硝バーナか
らの燃焼ガスを主バーナからの燃焼ガスと効率よく混合
し、しかも火炎の安定化も計ることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る脱硝バーナの拡大断面図
、第２図は第１図の脱硝バーナと主バーナの関係を示す
断面図、第３図（Ａ）　、　（Ｂ）は従来の脱硝バーナ
の燃焼特性を示し、第３図（Ｃ）　、　（Ｄ）は本発明
の実施例に係る脱硝バーナの燃焼特性を示す説明図、第
４図、第５図は脱硝バーナの特性曲線図、第６図は主バ
ーナと脱硝バーナからの火炎の混合状態を示す断面図、
第７図は本発明の実施例に係る脱硝バーナの火炎の断面
図、第８図は第７図の■−■線断面図、第９図は燃焼特
性を比較した図、第１０図、第１１図および第１２図は
他の実施例を示す脱硝バーナの断面図である。

第１図において、符号１はボイラ火炉、２，３は前側壁
および後側壁、８，９は脱硝バーナ、３２は保炎器で従
来のものと同一のものを示す。

３６は脱硝バーナ８，９の微粉炭供給管、３７は縮小部
、３８は微粉炭供給管３６内に配置された抵抗体である
。

この様な構造において、第１４図に示す従来技術の脱硝
バーナと第１図に示す本発明の実施例に係る脱硝バーナ
の異なる点は、従来技術の脱硝バーナ８，９においては
、第１４図に示す如く微粉炭供給管３６に保炎器３２を
取り付けた構造であったが、第１図の脱硝バーナ８，９
においては、微粉炭供給管３６と保炎器３２の間に先端
を絞ったノズル構造の縮小部３７を設け、微粉炭供給管
３６内に抵抗体３８を配置した点で異なる。

つまり１石炭焚はボイラにおいて効率的に、ＮＯｘを還
元するためには、微粉炭燃料の選択と脱硝バーナ８，９
からの燃焼ガスを主バーナ４゜５．６．７からの燃焼ガ
スと効率よく接触させて混合することが重要であるが、
従来技術の脱硝バーナ８，９においては脱硝バーナ８，
９への空気比が低下すると、燃焼用空気の持つ運動量も
減少するために、燃焼ガスがボイラ火炉１の中心部にま
で到達しにくくなり、ＮＯｘを多く含む燃焼ガスとの混
合が悪く脱硝燃焼を行なうことができない。

しかしながら、第１図に示す脱硝バーナ８，９において
は、脱硝バーナ８，９への空気比が低下しても縮小部３
７と抵抗体３８によって燃焼用空気の持つ運動量が増加
するために、ボイラ火炉１の中心部まで脱硝バーナ８，
９の燃焼ガスが到着し、脱硝燃焼を行なうことができる
のである。

第２図は、本発明の脱硝バーナ８，９と従来型の微粉炭
主バーナ４，５，６，７を組み合わせた例を示す。第２
図のものにおいては、脱硝バーナ８．９に送る微粉炭を
図中に示す微粉炭流路切り替え器３９により、切り替え
脱硝バーナ８，９に送る系統を示している。これは、本
発明の脱硝バーナ８，９は、その構造から第１４図に示
すように重油バーナ３３等を組み込みにくい理由による
。

従って１重油バーナ３３を起動し、油のみでも１００％
負荷がとれるようにするために、切り替えバーナ４０を
設ける。この切り替えバーナ４０の１１によりバーナ間
での空気比を同じにする事ができるために、通常燃焼と
脱硝燃焼を使い分けることができるようになる。もちろ
ん、炉内脱硝燃焼専用として用いられ、重油バーナ４０
で１００％負荷をとる必要が無い場合には図中の切り替
えバーナ４０は不要となる。

第３図には従来型脱硝バーナと本発明になる脱硝バーナ
の燃焼特性を示した。

第３図（Ａ）は、従来型脱硝バーナ近傍における粒子の
流れれを示したものであるａ　ｍ　１　ｖ　１は、実線
で示す１次空気と微粉炭のもつ運動量、ｍ２ｖ２は破線
で示す燃焼用空気（二次空気）の持つ運動量を示す。（
ｍ：質量流量、■＝流速）バーす部の空気比が高い場合
燃焼用空気の持つ運動量ｎ、　２　ｖ　２が、微粉炭噴
流のそれを超えるために、微粉炭粒子の飛行軌跡４１は
大きく湾曲して、保炎器３２に戻り、保炎器３２の後方
に火炎面４２が作られ、安定した保炎が行なわれる。

第３図（Ｂ）は従来型脱硝バーナを用いて脱硝燃焼を行
なう場合であるが、空気比を０．９以下に下げるために
、微粉炭粒子は、保炎器３２まで戻らなくなる。これは
、破線で示す２次空気量の低下により、燃焼用空気の持
つ運動量ｍ２ｖ２が低下し、逆流域が形成されにくくな
るためである。

第３図（Ｃ）は、脱硝バーナの中心部に抵抗体（コーン
）３８を配置した例を示した。抵抗体（コーン）３８の
効果によって、破線で示す２次空気と実線で示す微粉炭
流の間に空間ができ、粒子は戻りやすくなるが、火炎面
４２は若干吹き飛び状態となる。

第３図（Ｄ）は、第３図（Ｃ）に加えて、２次空気の運
動量を増やした場合を示した。微粉炭流の運動量と２次
空気の運動量の比率を従来型脱硝バーナによる従来燃焼
条件のそれに近付けることによって、安定な保炎ができ
るようになる。

第４図に、従来型脱硝バーナと本発明になる脱硝バーナ
において、バーナ軸方向の微粉炭粒子の速度成分を軸方
向距離に対して示した。ｕ　／　ｕ　。

は初速度に対する速度比を示す。なお第４図は実験デー
タであり、実験に用いた微粉炭の粒度は２ｏＯメツシユ
（７４μｍ）通過量７５％で、微粉炭とそれを搬送する
空気の質量流量比は０．６とした。

第４図中、軸方向距離に対して速度比はしばらく１．０
を保持するが、これはポテンシャルコアの長さを示す。

従来型脱硝バーナと比較して、本発明の脱硝バーナのポ
テンシャルコアが長く、また軸方向速度が１／２となる
距離も５０％程度長くなり、貫通力が増しているが、こ
れは抵抗体３８の効果によって比重の大きい微粉炭粒子
が脱硝バーナの中心軸上に集められる様になって慣性力
が増すとともに、半径方向に粒子が拡散しにくいためと
考えられる。

第５図には、本発明の抵抗体３８を微粉炭配管３６の内
に挿入し、かつ、平行スロートを持つ脱硝バーナにおい
て、２次空気の持つ運動量ｍ２ｖ２と１次空気十微粉炭
の持つ運動量ｍ　１　ｖ　１との比率と火炉出口の未燃
分の関係を実験装置によって得たものである。この第５
図から２次空気の運動量ｍ２ｖ２が小さい場合には十分
な逆流域が得られないため、未燃分が高くなり、本発明
の脱硝バーナの場合ｍ’２ｖ２とｍ１ｖｌの比率が３．
０で未燃分が最も小さくなることが分った。

以上述べたように、第６図に示す本発明の脱硝バーナ８
，９においては脱硝燃焼であっても脱硝バーナ８，９か
らの貫通力が増加するので、主バーナ火炎３４と脱硝バ
ーナ３５との混合がよくなり、脱硝燃焼を行なうことが
できる。

第７図には１本発明になる脱硝バーナ近傍の火炎の断面
図、第８図には、第７図の■−■線視固視図した。第７
図及び第８図の脱硝バーナによれば、保炎器３２におい
て、脱硝バーナ火炎３５が存在し、微粉炭流４４にたい
する着火源が存在する。しかし、微粉炭流４４は、抵抗
体３８の効果によって、軸方向の運動量が維持され、脱
硝バーナ火炎３５は図に示すように細長い形状となる。

また、２次空気４３との拡散も抑えられるために、脱硝
バーナ火炎３５は微粉炭流４４の外側にのみ存在しやす
くなる。また、微粉炭流４４の内部は第８図に示すよう
に、粒子４５は脱硝バーナ火炎３５から輻射熱４６を受
け、揮発分４７を放出する。しかし微粉炭流４４の中心
部は、輻射熱４６が到達しにくくまた、酸素が欠乏する
ために、微粉炭粒子のままか、燃料中のＮ分が、気相に
放出され、ＨＣＮかＮＨ３の状態で火炉の中心部まで運
ばれ、主流燃焼ガスと効率良く接触して、主流燃焼ガス
中のＮＯｘを還元する。

第９図には、従来形脱硝バーナと本発明になる脱硝バー
ナの燃焼特性比較を示す。

図中の曲線Ａは従来型脱硝バーナによるＮＯｘと灰中未
燃分の関係を示す。曲線Ｂは２５度広がった従来型空気
スロートに加えて微粉炭供給管に抵抗体を取り付けた場
合の燃焼特性を示す。曲線Ｃは平行スロートに抵抗体を
つけた場合を示した。

なお、抵抗体を取り付けた場合にはその位置の影響につ
いても直線りで示した。Ｏ位置は、抵抗体の先端部が、
微粉炭供給管の先端部に一致する場合を示し、＋は炉内
に挿入した場合、−は引き抜いた場合を表す。

この第９図から、抵抗体に加えて、平行スロートが、Ｎ
Ｏｘと、未燃分の低減に有効であることが分かる。

第１０図から第１２図のものは他の実施例を示すもので
ある。

第１０図のものは、微粉炭を分散して、バーナ出口部に
おける偏流をなくすために、抵抗体３８の上流に微粉炭
分散器４８をとりつけたものである。微粉炭分散器４８
．の材質は、セラミックス等耐摩耗性に優れたものを用
いる。

さらに、二次空気（燃焼用空気）４３に対しても、軸方
向の運動量を増すために、バーナスロート４９の平行部
を長くする構造とし、半径方向の開口距離をＸとして、
平行部長さをＺとすると、Ｚ／Ｌが少なくとも２以上に
なるようにする。

さて、本発明の脱硝用バーナ８，９は、ノズル出口にお
いて保炎が可能であれば、空気旋回器を有する脱硝バー
ナのみならず、種々の燃焼装置に適用できる。

、第１１図、第１２図のものにおいては、燃焼用空気旋
回器を用いない脱硝バーナに抵抗体３８を取り付けた例
を示す。微粉炭流４４を絞り、かつ抵抗体３８を取つけ
ることによって、ノズル出口部における微粉炭流４４は
バーナ中心軸に向くようになり、二次空気（燃焼用空気
）４３の流路と。

微粉炭流４４の間には、ギャップが生じ、ここを、保炎
器３２とすることができる。

このような構造においては、バーナノズル及び抵抗体３
８は、非ずしも軸対象形状でなくても。

同等の効果を得ることができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、微粉炭焚きボイラにおいて脱硝バーナ
の性能が向上し、炉内において、燃焼ガスの混合拡散が
促進されるためにＮ　Ｏｘの低減はもちろん、火炉のコ
ンパクト化が実現できる。

一方、従来の低空気比燃焼の脱硝バーナにおいてみられ
た火炎の不安定性が無くなり、負荷変化時においても安
定した燃焼を行なうことができ、負荷変化時や低負荷時
においても、効果的な脱硝効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る脱硝バーナの拡大断面図
、第２図は第１図の脱硝バーナと主バーナの関係を示す
断面図、第３図（Ａ）、　（８）は従来の脱硝バーナの
燃焼特性を示す説明図、第３図（Ｃ）。 （Ｄ）は本発明の実施例に係る脱硝バーナの燃焼特性を
示す説明図、第４図および第５図は脱硝バーナの特性曲
線図、第６図は主バーナと脱硝バーナからの火炎の混合
状態を示す断面図、第７図は脱硝バーナ火炎の断面図、
第８図は第７図の■−■線断面図、第９図は燃焼特性を
比較した図、第１０図、第１１図および第１２図は他の
実施例を示す脱硝バーナの断面図、第１３図は微粉炭焚
ボイラの概略系統図、第１４図は従来の脱硝バーナの断
面図、第１５図は主バーナと脱硝バーナか九の火炎の混
合状態を示す断面図である。 ４．５，６，７・・・・・・主バーナ、８，９・・・・
・・脱硝バーナ、１０，１１・・・・・・アフタエアポ
ート、３６・・・・・・微粉炭供給管、３７・・・・・
・縮小部、３８・・・・・・抵抗体。 ｍ１図 薯６図 第２図 第３図 第４図 ↑ ｘ／Ｘｏ＝／、３ 第５図 一一會ｍＡｈ　／　ｍＮｔ 第８図 第９゛図 □未燃分 第１Ｏ図 第１１ヨ　　　第１２図 第１４図 第１５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 微粉炭を燃焼させる主バーナの上方に、微粉炭を燃焼さ
   せる脱硝バーナとアフタエアポートを設け、バーナ部に
   おける空気比（燃焼用空気量／理論空気量）が０．９以
   下で微粉炭を燃焼するものにおいて、 前記脱硝バーナの微粉炭供給管に縮小部を設け、かつ微
   粉炭供給管内に微粉炭流れを中心に向わせる抵抗体を配
   置したことを特徴とする微粉炭バーナ。