JPH0555763B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は窒素酸化物（以下「NOx」と略称
する）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化を達成できる燃焼装置
に関する。

最近の燃料事情の変化により、火力発電所用大
型ボイラを始めとする事業所用大型ボイラにおい
ても石炭を燃料とするものが増加している。この
場合、石炭は微粉砕され、例えば200メツシユ通
過量70％程度の微粉炭とされ、燃焼性、制御性を
向上させるようにしている。この微粉炭燃焼技術
そのものは、古くより確立され今や重油並みの高
効率燃焼が可能となつている。ガス、油同様微粉
炭燃焼器も種々のものが開発されかつ使用されて
いるが、その最も基本的かつ最も高負荷高効率燃
焼に適した形式として、微粉炭供給管を中心軸に
有する環状空気旋回型バーナが挙げられる。該バ
ーナにおいては、石炭はミルで微粉に粉砕された
後、燃焼用空気の20％程度の搬送用空気によつて
気流輸送され、バーナ口より火炉に投入される。
残りの燃焼用空気は、一重もしくは二重に環状分
離された状態でバーナ口近傍で通常はある程度の
旋回を与えられて該微粉炭噴射流の周囲より噴出
される。

微粉炭は、この適度な旋回流によつて生ずるバ
ーナスロート近傍の再循環流と、場合によつては
インペラの追設によつて保炎をされ定常燃焼が維
持される。単に微粉炭を燃焼させるにあたつて
は、この種の燃焼器により所期の目的は通常十分
に達成される。

しかしながら、周知の通り、燃焼によつて副成
するNOxは往々にして高負荷燃焼バーナにおい
て発生しやすく、これが大気汚染の元凶の一成分
であるところから、幾つかの基本的バーナ改良も
しくは火炉全体の燃焼改善が行われて来ている。
微粉炭燃焼において特に問題となるのは、微粉炭
中に大量に（通常は１〜2wt％）含有される有機
形態の窒素（以下Fuel Ｎと称す）に起因する
NOx（以下Fuel NOxと称す）であり、排ガス中
NOxの大部分を占めている。

ここで、Fuel ＮからのNOxとN₂の成生反応
は各々次式(1)、(2)に示すとおりであり、かつ両反
応が競合的に行なわれている。

Fuel Ｎ＋O₂ ―――→ NOx ……(1) Fuel Ｎ＋NO ―――→ N₂ ……(2) 従つてN₂の生成を優先し且つ或る程度高温負
荷燃焼を維持させるためには、高温還元炎の確保
が重要なポイントとなる。

一般に二段燃焼と呼ばれる燃焼法はこの燃焼反
応の応用であり、バーナゾーンで空気不足状態を
作つて高温還元炎を形成させ、不足分をバーナゾ
ーン後流の俗称アフタエアポートより投入するこ
とにより火炉全体で燃焼改善を行なつてNOx排
出量を低減するものである。現在においては、一
般的な石炭において新設ボイラの場合200ppm程
度までNOx排出濃度は抑制されるに至つている。

しかしながら、微粉炭の燃焼にあつては、空気
不足なバーナゾーンで還元気と共に残存する燃え
残りの石炭粒子（チヤー）をアフタエアによつて
完全燃焼せしめるには相当のボイラ（火炉）空間
を必要とする。従つて上記燃焼法は原理的には極
めて有効な低NOx燃焼法であるにもかかわらず、
ある程度の限界を有している。

このことからボイラ全体の燃焼を制御する代り
に、各バーナが各々前記原理に基づいて低NOx
燃焼を行うよう構成した、いわゆるデユアルレジ
スタタイプのバーナが開発された。第１図はこの
デユアルレジスタタイプのバーナを示す。図中、
微粉炭は気流輸送用空気（一次空気）と共に微粉
炭流１０となつて微粉炭管４１から炉内に噴射す
る。この微粉炭流は火炉内に噴射して低空気比で
燃焼し、還元性中間生成物を生成しNOxの一部
を気相還元する。一方この火炎の外周部に対して
は、二次エアレジスタ６１を経、かつ空気ベーン
７１で旋回力を与えられた二次空気２０が、また
さらにその外周に対しては三次エアレジスタ６２
を経て供給される三次空気３０が噴射される。こ
れにより気相還元後の火炎に対して空気を供給
し、未燃分を燃焼させるように構成してある。こ
れによりバーナ単体で二段燃焼が行われ、NOx
は400ppm程度（低減率40％程度）に低減される
ことが実証されている。この形式のバーナにおい
ては、低NOx化を達成するためにはバーナスロ
ート近傍の火炉内ではバーナ火炎と、二次、三
次、の空気が分離され良好な還元雰囲気が形成さ
れること、及びこの火炎の下流側においては逆に
これら各空気と火炎（またはガス）が混合して未
燃分を良好に燃焼させることが要求される。しか
しながら、この種のタイプのバーナでは、通常、
二次空気２０と三次空気３０はスリーブで分離さ
れてはいるものの実際にはバーナスロート出口近
傍では微粉炭流、二次空気分流及び三次空気噴流
は容易に混合し燃焼初期において高温還元炎を十
分に分離維持することが不可能であり、この種の
燃焼装置でこれ以上のNOx低減は極めて困難で
あることが判明した。

この発明は上述した問題点に鑑み構成したもの
であり、NOx低減率を大幅に向上させた燃焼装
置を提供することにある。

要するにこの発明は、一次空気と微粉炭の混合
体を火炉内に供給する微粉炭管をバーナ中央部に
設け、該微粉炭管先端に開口端に向かつて口径を
拡大する保炎用フレームキヤツプを設け、微粉炭
管外側にスリーブを設け、前記微粉炭管と該スリ
ーブとの間にベーンを有する二次空気通路を、さ
らに該スリーブの外側に三次エアレジスタを有す
る三次空気通路を形成し、そのスリーブの先端は
前記微粉炭管先端まで延び、その火炉側先端部に
口径拡大する漏斗状部を設け、三次空気がバーナ
出口部において一次空気と微粉炭および二次空気
と混合することのないように構成したことを特徴
とする低NOx燃焼装置である。

先ず、この発明の実施例を示す前に、この発明
に至つた技術的ポイントのいくつかについて説明
する。先に述べたようにバーナ単体で二段燃焼的
効果を生ぜしめ且つこれによつても高効率燃焼を
維持して灰中未燃分の十分なる抑制を行なうには
次の各々の技術的ポイントに応じた改良が必要で
ある。

(1) 微粉炭流を出来る限り拡散散布させない。

(2) (1)によつて生ずる微粉炭気流の高温還元炎を
維持する。

(3) 最外周空気を(1)(2)で形成される初期燃焼域と
出来る限り分離する。（高温還元炎によるNOx
抑制） (4) (3)の操作後、ある程度の滞留時間を経た後今
度は該高温還元炎と最外周エアの混合を良好に
行う（未燃分の低減）。

上記のうち(1)、(2)は微粉炭流について、(3)(4)は
最外周空気についての流体力学上の技術的パイン
トであるが、(1)(2)あるいは(3)(4)は各々一般的には
相矛循する問題をかかえている。

例えば(1)を示す拡散散布の抑制、達成のために
は通常用いられるような菊状インペラは使用出来
ず、従つて(2)の高温還元炎達成には新らたな工夫
を要す。又、(3)の空気の分離達成にあたつてはそ
の後流で(4)の効果的な混合達成のための新らたな
工夫を要す。

つまりバーナ毎の低NOx化を飛躍的に向上さ
せるためには、単に最外周空気の混合を遅延させ
て二段燃焼的効果を生ぜしめるという従来の概念
を凌篤する必要があり、この発明は上記１〜４項
について技術的解決を図つたものである。

第２図はこの発明の一実施例を示す。

先ず、微粉炭管４１の火炉側開口はその口径を
開口端に向つて拡大するよう構成した外向きフレ
ームキヤツプ（以下単に「フレームキヤツプ」と
称する）１００となつている。このフレームキヤ
ツプ１００は微粉炭管４１と一体的に形成する外
別個に形成した後、微粉炭管端部に装着するよう
にしてもよい。また、このフレームキヤツプを複
数枚のフレームキヤツプ構成片によつて菊花状に
形成し、外部からの操作によつて各構成片の開閉
を行い、フレームキヤツプの口径を変化させるよ
う構成してもよい。

次に微粉炭管４１の外周部にはスリーブ４２
が、さらにその外周部には他のスリーブ４３が
各々気体通過用の環状の通路を形成するよう配置
してある。これらスリーブは従来型スリーブと同
様に先端部の口径を拡大しない形状、つまりスリ
ーブ全体を円筒を切断した形状に形成する外、図
示の如く、フレームキヤツプ１００と同様に開口
端に向つて口径を拡大させる漏斗状部１０１，１
０２を形成すると後述の如く気体の分離をより効
果的に行うことができる。なお、フレームキヤツ
プ及び漏斗状部共に火炉側開口端に向つて部材壁
の厚みを漸増させることによりこれらフレームキ
ヤツプ、漏斗状部の外径部が内径部よりも急角度
で開口端に向つて展開するよう構成してもよい。

以上の構成の装置において、一次空気と微粉炭
とから成る微粉炭流１０は微粉炭管４１を経て炉
内に噴射し燃焼するが、この場合、微粉炭管に対
してはインペラは設置しておらず、かつ微粉炭流
はフレームキヤツプ１００において形成される小
さな過流１０３によつて外側に拡散するのを抑制
され、このためバーナ軸心１０４を中心としてバ
ーナ近傍に高温還元炎１０５を形成する。この高
温還元炎１０５と空気の分離を十分にするため微
粉炭管４１の火炎側端部に過流１０３を生ぜしめ
るフレームキヤツプ１００を形成し、三次空気通
路を形成するスリーブ４２の火炎側端部にまた漏
斗状部を形成することにより、三次空気Ｂをバー
ナ中心軸より図示斜め外側に円錐面状に流し、高
温還元炎１０５の上流で混合することなく後流で
未燃分を燃焼させるようにできる。

また二次空気流れは、高温還元炎１０５と前記
三次空気Ｂとを隔てるほぼその位置が固定する循
環渦Ａを形成しバーナ出口近傍における火炎との
離隔を好適にする。

これは、スリーブの先端部が微粉炭管先端まで
延び、更に先端部に漏斗状部が設けられているこ
とによる。この高温還元炎１０５の・NH₂₁・
CN等のラジカルおよびCO等の還元性中間生成物
によつてNOxをN₂に気相還元する。つまり、フ
レームキヤツプによつて微粉炭の拡散を防止でき
るので高温還元域を従来型バーナに比較してバー
ナ側に近づけることができ、従来型のスリーブを
用いて二次空気、三次空気を噴射してもこれら空
気の混合点より上流側に高温還元域が形成される
ので比較的良好な気相還元が行える。

しかし、以下の様にして二次空気及び三次空気
を噴射すればより効果的である。つまり二次空気
ダンパ３２１、三次空気ダンパ３３１の制御及び
もしくは二次、三次個別空気フアンの設置による
二次空気２０、三次空気３０の末端旋回器たる旋
回部材たるベーン７１および三次エアレジスタ６
２及びその上流の圧力及び風量の独立制御手段と
により、この二次空気及び三次空気を高温還元炎
１０５から好適に分離する。

この場合、三次空気３０の圧力はエアレジスタ
６２の上流側で120mmAg以上で運転すると良好な
結果が得られることが確認できた。またこの際三
次空気と二次空気の風量は約４：１とすると効果
的であることも確認できた。

以上により、三次空気３０は強力な旋回力と適
切な風量が維持されバーナスロートにおいて二次
空気、三次空気共に広い角度で炉内に噴射し前述
の如く高温還元炎がバーナ近傍で形成されるのと
相まつて両者の混合は僅かであり良好な気相還元
を行える。またこの高温還元炎の下流側において
は二次空気、三次空気の噴射エネルギーも低下し
バーナ軸心１０４側に流れ込み、未燃分の燃焼を
行う。

なお、スロート径の小さなバーナをこの発明に
係るバータに改造する場合には以上の空気供給方
式をバツクアツプするために、各スリーブ４２，
４３の先端に漏斗状部１０１，１０２を形成する
ときわめて効果的である。

また、少量の二次空気２０を、三次空気とは異
なり旋回強度をもつて噴出させることにより、図
中Ａで示される如き固定された循環渦を形成させ
ることが出来ることも実験により確認された。こ
の循環渦Ａの存在により、最外周空気（当実施例
では三次空気Ｂ）は、この循環渦のまわりで一且
微粉炭流１０とは極めて効果的に分離されしかも
この渦の存在のために、その後流では微粉炭流に
より形成した高温還元炎１０５の後流と混合改善
が成される。

更に、排ガス通路５０は、微粉炭流と二次空気
の空間的分離のために有効であり必ずしも多量の
排ガスを必要とするものでは無く、実用的な見地
からも従来バーナに比して問題とはならない。

第３図は第２図に示すバーナに対する各気体及
び微粉炭の供給系統を示す。図中符号２００はバ
ーナ４００に対して微粉炭を供給するミル、３０
１は排ガス再循環フアン、３０２は二次空気フア
ン、３０３は三次空気フアンである。

この発明になるバーナ装置は、ボイラ火炉に対
してアフタエアポート等を形成していない旧型の
ボイラに対して大きな効果を発揮し、ボイラ本体
の改造を行なうことなく大幅な低NOx化が達成
できるが、この型式のボイラに限らず、二段燃焼
型ボイラ、炉内脱硝型ボイラにおいても効果的で
ある。

第４図は各型式のボイラを示し、ａは無対策
型、ｂは二段燃焼型、ｃは炉内脱硝型である。図
中符号４００はこの発明に係るバーナ、４１０は
アフタエアポート、４２０はこの発明に係るバー
ナの空気比を低下させて脱硝専用のバーナとした
ものを示す。

先ず無対策型ａについては上述のとおりである
が、ｂに示す二段燃焼の場合には各バーナから供
給される二次、三次の各空気がアフタエアとして
機能し、各バーナ毎に未燃分をあらかじめ燃焼さ
せるため、従来型の二段燃焼に比較して灰中未燃
分の抑制を効果的に行うことができる。また極く
最近第４図ｃに示す如く火炉内に燃料過濃混合気
を投入して火炉内で局所的にNOxの気相還元を
行なう燃焼法（炉内脱硝法）が紹介されている
が、本燃焼法においては炉内局所に燃料過濃域を
形成する為に、逆に主燃焼ゾーンでは空気過剰気
味となり、この主燃焼ゾーンで多量のNOxを発
生させてしまい結果的には十分なるNOx低減効
果を得がたい場合があるが、本発明によるバーナ
を主燃焼域に設置することでこの種の問題は大幅
に改善される。

第５図にこの発明のバーナによるNOx低減効
果を示す。は従来のデユアルエアレジスタによ
る最小NOx排出濃度、はこの発明によるバー
ナで従来のデユアルエアエジスタバーナと同一操
作条件で運転した場合、は操作条件を変化させ
て運転した際の最小NOx排出濃度である。

なおこの実験に当つては日本炭を使用した。こ
の日本炭の性状な燃料比（固定炭素分／揮発分）
が約１、窒素含有率1.1％dry ash freeであり、
500Kg−coal／ｈ、バーナ空気過剰率120％で運転
した。

この発明を実施することにより、保炎はフレエ
ームキヤツプで、三次空気の円錐面流れ形成の機
能はスリーブ及び漏斗状部で夫々独立した構成部
材により行うので、保炎という機能と、三次空気
の隔離という相互に矛盾する機能を同時に最適化
することができた。これにより従来の型式のバー
ナに比較してNOxの排出量を大幅に低減するこ
とができる。

さらに各バーナでNOxの除去を行うので、新
設の燃焼装置のみでなく、既設の装置に対しても
燃焼装置自体については改造することなく実施で
きるので幅広い分野において実施可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の低NOxバーナの断面図、第２
図はこの発明に係る低NOx燃焼装置の断面図、
第３図は第２図の装置に供給する燃料、気体の系
統図、第４図ａないしｃはボイラ火炉断面図、第
５図は各燃焼装置のNOx排出量を示す線図であ
る。 １０……微粉炭流、２０……二次空気、３０…
…三次空気、１００……フレームキヤツプ、１０
１，１０２……漏斗状部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一次空気と微粉炭の混合体を火炉内に供給す
   る微粉炭管をバーナ中央部に設け、該微粉炭管先
   端に開口端に向かつて口径を拡大する保炎用フレ
   ームキヤツプを設け、微粉炭管外側にスリーブを
   設け、前記微粉炭管と該スリーブとの間にベーン
   を有する二次空気通路を、さらに該スリーブの外
   側に三次エアレジスタを有する三次空気通路を形
   成し、そのスリーブの先端は前記微粉炭管先端ま
   で延び、その火炉側先端部に口径拡大する漏斗状
   部を設け、三次空気がバーナ出口部において一次
   空気と微粉炭および二次空気と混合することのな
   いように構成したことを特徴とする低NOx燃焼
   装置。 ２ 二次空気と三次空気の各空気通路に設けた旋
   回部材により二次空気及び三次空気の供給量を独
   立に制御し得るよう構成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の低NOx燃焼装置。 ３ フレームキヤツプの開口端の口径を可変と
   し、かつこの口径の調節を装置外部から行なえる
   よう構成した特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の低NOx燃焼装置。 ４ 漏斗状部の部材壁厚みを火炉側開口端に向つ
   漸増させるよう構成したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の低NOx燃焼装置。