JPH04268104A - 微粉炭燃焼装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】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燃焼装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、我が国においては重油供給量のひ
つ迫から、石油依存度の是正を計るために、従来の重油
専焼から石炭専焼へと燃料を変換しつつあり、特に事業
用火力発電ボイラにおいては、石炭専焼の大容量火力発
電所が建設されている。一方、最近の電力需要の特徴と
して、原子力発電の伸びと共に、負荷の最大、最小差も
増加し、火力発電用ボイラをベースロード用から負荷調
整用へと移行する傾向にある。この火力発電用ボイラを
負荷に応じて圧力を変化させて変圧運転する、いわゆる
全負荷運転では超臨界圧域、部分負荷運転では亜臨界圧
域で運転する変圧運転ボイラとすることによつて、部分
負荷運転での発電効率を数％向上させることができる。 このためにこの石炭専焼火力においては、ボイラ負荷が
常に全負荷で運転されるものは少なく、負荷を昼間は７
５％負荷、５０％負荷、２５％負荷、１５％負荷へと負
荷を上げ、下げして運転したり、あるいは夜間は運転を
停止するなど、いわゆる高頻度起動停止（Ｄａｉｌｙ　
　Ｓｔａｒｔ　　Ｓｔｏｐ以下単にＤＤＳという）運転
を行なつて中間負荷を担う石炭専焼火力へと移行しつつ
ある。

【０００３】またＤＤＳ運転を行なう石炭専焼ボイラに
おいては、起動時から全負荷に至るまで微粉炭のみで全
負荷帯を運転するものは少なく、石炭専焼ボイラといえ
ども起動時、低負荷時には微粉炭以外の軽油，重油，ガ
ス等を補助燃料として用いている。それは起動時におい
ては石炭専焼ボイラからミルウオーミング用の排ガス、
加熱空気が得られず、このためにミルを運転することが
できず石炭を微粉炭に粉砕することができないからであ
る。また、低負荷時にはミルのターンダウン比がとれな
いこと、微粉炭自体の着火性が悪いことなどの理由によ
つて軽油，重油，ガス等を補助燃料として用いている。 例えば起動時に補助燃料として軽油，重油を用いる場合
には、起動時から１５％負荷までは軽油を補助燃料とし
てボイラを焚き上げ、１５％負荷から４０％負荷までは
軽油から重油へ補助燃料を変更して焚き上げ、４０％負
荷以上になると補助燃料の重油と主燃料の微粉炭を混焼
して順次補助燃料の重油量を少なくするとともに主燃料
の微粉炭量を多くして微粉炭の混焼比率を上げて実質的
な石炭専焼へと移行する。

【０００４】一方、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メツシユ通過量７０％程度
の微粉炭に粉砕して、石炭燃焼の燃焼効率の向上を計つ
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。従つて、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Ｎ
ＯＸ　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（Ｔｈｅｒ
ａｍｌ）ＮＯＸ　とフユーエル（Ｆｕｅｌ）ＮＯＸ　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。一方フユーエル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分はフユーエルＮＯＸ　になりやすい。これらのＮＯ
Ｘ　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、低酸素濃度の
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
によつ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　とフユーエルＮＯＸ　の中で、燃焼温度の
低下によつてそのＮＯＸ　発生量を抑制できるのはサー
マルＮＯＸ　であり、フユーエルＮＯＸ　の発生量は燃
焼温度に対する依存性は少ない。従つて、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。

【０００５】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（以下チヤー
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、揮発成分は
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、他の可燃成分と同様に揮発されて
放出されるものと、チヤー中に残るものとに分かれる。 従つて、微粉炭燃焼時に発生するフユーエルＮＯＸ　は
、揮発性Ｎ分からのＮＯＸ　と、チヤー中のＮ分からの
ＮＯＸ　とに分かれ、特にチヤーからのフユーエルＮＯ
Ｘ　はチヤーが燃焼することによつて初めて生成するた
め、燃焼の後半まで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ＮＨ３　，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やす
い。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　の前駆物質である
ＮＨ３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。

【０００６】図４は従来の微粉炭燃焼装置の縦断面図で
ある。微粉炭バーナ１は、微粉炭と一次空気、あるいは
微粉炭と排ガスの混合流体を火炉２内に噴射する微粉炭
供給管３と、曲成されたエルボ４によつて構成され、こ
のエルボ４には混合流体の流れを変えるスプラツシユプ
レート５が配置されて、その内側に微粉炭供給通路６が
形成される。そして、この微粉炭供給管３の外周には、
ウインドボツクス７から炉壁８のバーナポート９へ燃焼
用空気を供給するために、ウインドボツクス７内を仕切
板１０、スリーブ１１によつて二次空気通路１２と三次
空気通路１３に区画し、二次空気通路１２、三次空気通
路１３にはそれぞれ二次ベーン１４、三次エアレジスタ
１５を配置して二次、三次空気通路１２，１３の燃焼用
空気量を制御する。なお、１６は微粉炭を放射状に拡大
して燃焼用空気との拡散を促進するインペラ、１７はベ
ンチユリ、１８は起動用バーナである。この様な構造に
おいて、微粉炭供給空路６からの燃料はその先端に位置
するインペラ１６によつて火炉２内へ噴射され、二次空
気通路１２、三次空気通路１３から火炉２内へ噴射され
る燃焼用空気によつて燃焼する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図４に示す
従来の微粉炭燃焼装置においては、微粉炭供給管６から
の燃料を折角一次空気（搬送用空気）によつて低空気比
で燃焼させようとしても二次，三次空気通路１２，１３
からの燃焼用空気の一部が微粉炭供給管３の先端部で燃
焼用空気として巻き込まれて低空気比が阻害され、サー
マルＮＯＸ　やフユーエルＮＯＸ　を低下させることは
できない。本発明はかかる従来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、サーマルＮＯＸ　
やフユーエルＮＯＸ　を低下させることができる微粉炭
燃焼装置を提供することにある。

【０００８】

【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、燃料供給通路の少なくとも一方に火炎を
冷却する冷却媒体注入配管を設けたものである。

【０００９】

【作用】燃料供給空路へ冷却媒体注入配管から水や蒸気
などの冷却媒体を注入することによつて火炎が冷却され
るので、サーマルＮＯＸ　は低減でき、冷却媒体のＨ２
　Ｏ分子と燃料中のＣ，Ｈ，Ｎ等が急激に反応して・Ｃ
Ｈ，・ＮＨ，・Ｈ，・ＣＮ等のラジカルの発生量が増加
するのでフユーエルＮＯＸ　の低減が同時に計れる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図１は本発明の実施例に係る微粉炭燃焼装置の縦断
面図、図２は図１の他の実施例を示すもので起動用バー
ナの概略系統図、図３は縦軸にＮＯＸ　発生レベル、横
軸に水蒸気注入量を示した特性曲線図である。図１から
図２において、符号１から符号１８は従来のものと同一
のものを示す。１９は微粉炭燃料供給通路、２０は冷却
媒体注入配管、２１はベンチユリ、２２は起動用バーナ
１８の蒸気配管、２３は噴霧蒸気流量計、２４は噴霧蒸
気流量調節弁、２５は噴霧蒸気止弁、２６は噴霧蒸気フ
レキシブルホース、２７は蒸気通路、２８は油燃料配管
、２９は油止弁、３０は油フレキシブルホース、３１は
補助燃料供給通路、３２は冷却媒体注入配管、３３は水
止弁、３４は水逆止弁、３５は蒸気パージ弁、３６は蒸
気パージ逆止弁である。この様な構造において実施例を
説明する以前に、図３に示す発明者等の行なつた実験デ
ータから紹介する。図３の曲線Ａで示すように水蒸気注
入量の増加に伴い火炉出口でのＮＯＸ　の発生レベルは
低下する傾向を示すことが確認された。この時の反応と
して考察されるのは、まずＮＯＸ　の生成量の内のサー
マルＮＯＸ　に対して火炎内に水蒸気が注入されること
で、冷却媒体として作用し火炎温度が低下する。特に水
の噴霧時においてはその瞬間的蒸発時の潜熱分の影響が
大きく、仮に水分が燃料量（重量比）に対して２０％混
入されると火炎温度は約１００℃低下する。この結果、
主として燃焼用空気中のＮ分とＯ２　との反応により生
成するサーマルＮＯＸ　の生成が抑制されることが判明
した。次に燃料中のＮ分から生成するフユーエルＮＯＸ
　に関しては、温度依存性が小さく燃料中のＮ分量に依
存し易いとされている。しかしながら１０００℃以上の
高温雰囲気下においては、いわゆる高温還元炎の形成に
より大きくその生成量を抑えることができる。水蒸気を
高温炎に注入した場合には、炭化水素系燃料のＣ，Ｈ，
Ｏ，Ｎ等が微粉炭バーナ近傍ではまだ完全に燃焼しきつ
ていないため高温下で中間生成物を生成し易い。この雰
囲気に注入された水蒸気が存在するとＨ２　ＯのＨとＯ
が燃料中のＣ，Ｈ，Ｏ，Ｎ分子と反応しＣＨ，ＣＯ，Ｎ
Ｈ，ＨＣＮ等種々のラジカル（中間生成物）を生成する
。これが同時に発生するＮＯＸ　と下流側で反応し、炉
の出口でのＮＯＸ　生成レベルが低下するものと考えら
れる。又、この時、同時に石炭等の燃料では、ＣがＨ２
　Ｏによつて、いわゆる水添ガス化反応を引き起こし固
体からガス体に変化する反応も伴うため、排ガス中の未
然カーボン量も減少し、火炎温度が低下するにもかかわ
らず燃焼効率が低下（未燃分が増加）することはなかつ
た。以下、図１を用いて実施例の説明をするが、図１に
示す微粉炭燃焼装置と図４に示す従来の微粉炭燃焼装置
の異なる点は、微粉炭燃料供給路１９に冷却媒体注入配
管２０を設けたことである。図１に示す微粉炭供給管６
内を搬送用一次空気によつて流れる微粉炭は微粉炭バー
ナ１より火炉２内へ噴射される。微粉炭バーナ１の中心
には起動用バーナ１８が配置され、起動用バーナ１８に
は油及び噴霧蒸気がそれぞれ油フレキシブルホース３０
、噴霧蒸気フレキシブルホース２６を通つて起動用バー
ナ１８内に入り、火炉２内へ噴射されて燃焼する。一方
、燃焼用二次、三次空気はウインドボツクス７より二次
ベーン１４、三次エアレジスタ１５を通つて起動用バー
ナ１８および微粉炭バーナ１の周囲より火炉２内へ投入
され微粉炭あるいは噴霧された油と炉内で混合されて燃
焼する。微粉炭燃料供給通路１９の流路途中には冷却媒
体注入配管２０及びその下流側にベンチユリ２１が設け
られ、冷却媒体注入配管２０より微粉炭燃料供給通路１
９内へ蒸気が注入される。この様に微粉炭燃料供給通路
１９内へ冷却媒体注入配管２０から蒸気を注入すると、
直ぐ下流に設けられたベンチユリ２１を通る間に整流・
混合され微粉炭−空気流中に均一に蒸気が拡散する。こ
の流れが微粉炭バーナ１から火炉２内へ投入されると微
粉炭の燃焼火炎中の水蒸気分子の存在により前述したよ
うにサーマルＮＯＸ　、フユーエルＮＯＸ　が低下する
のである。

【００１１】図２に示すものは他の実施例を示すもので
、図１においては微粉炭燃料供給通路１９内へ冷却媒体
注入配管２０から蒸気を注入したが、図２のものは起動
用バーナ１８から蒸気と水を注入するようにしたもので
ある。つまり、前述したようにボイラ負荷が４０％以上
においては図１の微粉炭バーナ１と起動用バーナ１８を
併用して微粉炭バーナ１の混焼比率を上げて行くが、起
動用バーナ１８の燃焼時においては油燃料配管２８から
油止弁２９、油フレキシブルホース３０からなる補助燃
料供給通路３１を経て起動用バーナ１８へ油燃料を供給
し、蒸気配管２２、噴霧蒸気流量計２３、噴霧蒸気流量
調節弁２４、噴霧蒸気止弁２５、噴霧蒸気フレキシブル
ホース２６からなる噴霧蒸気通路２７を経て起動用バー
ナ１８へ噴霧用蒸気を供給して起動用バーナ１８は燃焼
する。一方、起動用バーナ１８の消火時には油止弁２９
を閉じ、噴霧蒸気止弁２５、蒸気パージ弁３５を開いて
噴霧蒸気通路２７、補助燃料供給通路３１から蒸気を噴
霧して微粉炭バーナ１の燃焼時に微粉炭バーナ１の中心
部に位置する起動用バーナ１８から火炉２内へ蒸気を炉
内火炎中に噴出することによつてサーマルＮＯＸ　、フ
ユーエルＮＯＸ　を低減することができる。また、噴霧
蒸気止弁２５と蒸気パージ弁３５を同時に開くことによ
つて、起動用バーナ１８内の噴霧蒸気通路２７、補助燃
料供給通路３１の両通路から常に蒸気が流れることにな
り、起動用バーナ１８内の残油のパージと同時に炉内輻
射熱による起動用バーナ１８の焼損防止することもでき
る。この様に起動用バーナ１８の蒸気パージラインを冷
却媒体注入配管２０として利用してもよい。

【００１２】図２の他の実施例においては、補助燃料供
給通路３１に水止弁３４を有する冷却媒体注入配管（水
配管）３２を設けたものである。この場合、油止弁２９
、蒸気パージ弁３５を閉じ、噴霧蒸気止弁２５、水止弁
３３を開いて冷却媒体注入配管３２から補助燃料供給配
管３１へ水を供給し、この水を噴霧蒸気通路２７からの
噴霧蒸気によつて微粉炭バーナ１の火炎内へ噴霧する。 この様に微粉炭バーナ１から噴出する微粉炭の高温火炎
中に水微粒子と蒸気とが拡散されて噴霧されるので、水
が火炎内で蒸発する際に潜熱を奪うため、火炎温度の低
下が蒸気のみの場合より大きく、サーマルＮＯＸ　、フ
ユーエルＮＯＸ　に対する低減効果が大きい特徴がある
。

【００１３】

【発明の効果】本発明によればサーマルＮＯＸ　、フユ
ーエルＮＯＸ　を低減することができ、しかもＤＳＳ運
転時であつても酸性雨等の環境問題も改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る微粉炭燃焼装置の縦断面
図である。

【図２】図１の他の実施例を示すもので起動用バーナの
概略系統図である。

【図３】縦軸にＮＯＸ　発生レベル、横軸に水蒸気注入
量を示した特性曲線図である。

【図４】従来の微粉炭燃焼装置の縦断面図である。

【符号の説明】

１　　微粉炭バーナ １８　　起動用バーナ １９　　微粉炭燃料供給通路 ２０　　冷却媒体注入配管 ３１　　補助燃料供給通路 ３２　　冷却媒体注入配管

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　微粉炭と搬送用媒体の混合流体を搬送
   する微粉炭燃料供給通路の先端に微粉炭バーナと、この
   微粉炭バーナ内に配置され補助燃料供給通路を有する起
   動用バーナとを有し、微粉炭バーナからの微粉炭を燃焼
   させるものにおいて、前記燃料供給通路の少なくとも一
   方に火炎を冷却する冷却媒体注入配管を設けたことを特
   徴とする微粉炭燃焼装置。