JPH059684B2

JPH059684B2 -

Info

Publication number: JPH059684B2
Application number: JP4705984A
Authority: JP
Inventors: Kyoshi Narato; Mitsuaki Haneda; Yoshinobu Kobayashi; Tooru Inada; Norio Arashi; Keizo Ootsuka; Tadahisa Masai
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1984-03-14
Filing date: 1984-03-14
Publication date: 1993-02-05
Also published as: JPS60194211A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は微粉炭燃焼装置に係り、特に、補助用
燃料である軽油及び重油を使用せずに、微粉炭を
常温から点火し、安定な微粉炭燃焼火炎を形成す
るためのアーク式点火トーチを内蔵する微粉炭バ
ーナに関する。

〔発明の背景〕

従来、微粉炭ボイラには、燃料となる微粉炭の
他に補助燃料として軽油及び重油等の石油系燃料
が用いられている。補助燃料の使用目的は、ボイ
ラのスタートアツプ用と、負荷変動の際に、燃焼
状態を安定させるためとに大別される。前者は、
微粉炭の着火性が常温で悪いこと、従来使用され
る点火トーチは、ガス燃料あるいは石油系燃料な
どの比較的点火しやすい燃料に使用されるスパー
ク式のものが流用されていることなどから、常温
で微粉炭を点火するのは困難であつた。そこで、
ボイラのスタートアツプには燃焼性の良い軽油及
び重油などの石油系燃料が使用され、ボイラ内の
温度が上つた時点で、石油系燃料と微粉炭を切換
え、微粉炭専焼に移行する運転方法が通例であつ
た。これら石油系燃料を使用するため多量の補助
燃料を必要とし、また、補助燃料の貯蔵及び供給
設備費などの経済的に大きな負担がユーザ側に課
せられていた。

そこで、これら補助燃料の低減もしくは補助燃
料を使用しないで、微粉炭の安定な燃焼を行なう
技術が特公昭58−1330号公報で開示されている。
この新しい燃焼方法は第１図に示すように、アー
ク点火トーチ２（プラズマアーク溶接機などに使
用されている。）を用いて、プラズマアークフレ
ーム３を微粉炭バーナ１から噴出する微粉炭／空
気流４に接触させ、高温のフレーム３によつて微
粉炭を着火させる方法である。アーク式点火トー
チ２を用いた微粉炭の点火は従来の問題点を解決
するには有効な方法であると考えられる。しか
し、この技術には単に与えられる点火トーチ側か
らの点火エネルギ（及びエンタルピ）と微粉炭／
空気流の各々の濃度で定義される着火パラメータ
の指定された領域内で着火することが記載されて
いるが、発明者らは実験の結果微粉炭／空気流の
流速にアーク式点火トーチ２からのプラズマアー
クフレーム３を接触した場合、単に微粉炭／空気
流４の各々の濃度及びプラズマトーチ側の点火エ
ネルギが前記公報に記載される着火パラメータの
領域であつても、安定な着火ができなかつた。こ
の原因として、プラズマアークフレームの貫通力
が微粉炭／空気流の流速によつて影響されること
に起因する。この原因を発明者らの実験結果の一
例である第２図に基づいて詳細に説明する。第２
図ａはプラズマアークフレーム３が微粉炭／空気
流４の流速が大であるために微粉炭／空気流４に
充分接触できず、微粉炭の着火が安定して実施で
きない場合を示す概念図である。第２図ｂは微粉
炭／空気流４の流速が小さく、逆に、プラズマア
ークフレーム３の高温部分を混合流が避けて通過
し、微粉炭の着火が安定に実施できない概念図で
ある。また、先に示した第１図のようにアーク式
点火トータ２を微粉炭バーナ１から離し、微粉
炭／空気流の噴出直後に設置した場合、微粉炭の
供給量及び空気量は操作側で把握できるが、噴出
された後流側では、空気の流れ及びバーナ構造に
よつて微粉炭濃度が一様でなくなり、操作条件だ
けではトーチからのアークフレームの位置する示
所で、前記公報に記載される着火領域内にあるこ
との判断は困難であり、必ずしも、着火領域にあ
るとは限らない。従つて、従来のように、単に、
微粉炭量、空気量及び点火エネルギのみでは着火
領域を限定することはできない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、アーク式点火トーチを備えた
微粉炭バーナを提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明の要点は、プラズマアークフレームと微
粉炭／空気流との接触を効率良く実施し、また、
微粉炭／空気流の操作条件で微粉炭の着火領域内
にあることなど、制御面での操作を簡略化し、安
定に微粉炭の着火が実施できるようにアーク式点
火トーチを微粉炭バーナと一体化構造にした点に
ある。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を第３図ないし第８図を用いて
詳細に説明する。

第３図は本発明の一実施例のアーク式点火トー
チを備えた微粉炭バーナの全体構成図である。ア
ーク式点火トーチ２はバーナが円筒状である場
合、中心部に設置する。その外側には微粉炭／空
気流の噴出ノズル８、さらに、外周側に二次空気
ノズル９及び三次空気ノズル１０が配置される。
二次空気ノズル９及び三次空気ノズル１０には
各々の空気に旋回運動を与えるための旋回器１
１，１２が配置される。本発明の微粉炭バーナ１
に使用されるアーク式点火トーチの詳細構造を第
４図に示す。本発明のバーナでは先端が針状のタ
ングステン製電極１４を−極に使用し、銅製ノズ
ル１５を＋極に構成し、高周波電源１７によつて
両極間に電気アークを発生する。本発明では、プ
ラズマガスとしてアルゴンガス（Ar）２１を使
用し、プラズマアークフレーム３を形成した。プ
ラズマアーク部３′は8000℃以上の高温領域とな
るがアークフレーム３の先端部は8000℃以下であ
る。このプラズマアークフレーム３に微粉炭／空
気流を効果的に接触することが前提条件となる。
また、アーク発生部は高温になるためタングステ
ン製電極１４及びノズル１５は冷却構造体とし、
冷却水２０，２２がノズル内側に流入できるよう
にした。外周部はシールドキヤツプ１６が絶縁筒
１８に支持され、ノズル１５とシールドキヤツプ
間にシールドガス１９が流出できるようにし、通
常は空気をシールドガス１９として使用した。プ
ラズマフレーム３の長さは、プラズマガス２１の
流量及び高周波電源１７からの出力で決定される
プラズマアーク出力によつて左右される。発明者
らの実験結果では、ノズル１５の噴出流速は20℃
換算で、3m／ｓ以上とすることが好ましく、プ
ラズマアーク出力は1.5KW以上であると良好な
プラズマアークフレーム３が形成できることを確
認している。アーク式点火トーチは円筒状の微粉
炭バーナ１では中心部に位置するように説明して
きたが、微粉炭の着火には微粉炭／空気流の噴出
状態と、プラズマアークフレームの接触が最も重
要な因子となる。第５図は本発明の微粉炭バーナ
の微粉炭／空気流ノズル８の先端部の詳細構造を
示す。微粉炭／空気流ノズル先端の保炎器２３
は、微粉炭／空気流の噴出速度によつてトーチ２
の内側及び外側に動き得る構造体とした。微粉炭
の常温での着火は通常の火炉壁からの放射のない
苛酷な条件で行なうため、着火領域は狭くなる。
そこで、常に、着火を安定して行なうために発明
したのが可動型の保炎器２３である。微粉炭／空
気流の噴出速度は逆火防止のため、ある一定の流
速以上に保たれる。これは微粉炭燃焼火炎の伝播
速度より大きな速度で噴出することが必要条件と
なる。一般には、10m／ｓ以上に設定されてい
る。そこで、本発明では噴出速度は10m／ｓ以上
にするように微粉炭／空気流を設定し、且つ、
17m／ｓ以下では保炎器２３の向きがトーチ側の
内側に傾斜するように保炎器２３の重量を調整し
た。このように構成することによつて、微粉炭／
空気流がプラズマアークフレーム３に接触しやす
くなり、微粉炭を安定に着火することができる。
プラズマアークフレーム３を形成している期間
は、微粉炭に点火エネルギが与えられているから
微粉炭は安定して燃焼することができる。微粉炭
の着火によつて微粉炭燃焼火炎の温度が高まるの
で、時間が経過していくほど、微粉炭は火炎面か
らの放射によつて安定して燃焼させることができ
る。このように常温から微粉炭を着火する場合に
は、噴出流速は小さい方が好ましいが、逆火の立
場からは、10m／ｓ以上が好ましく、発明者らは
17m／ｓ以下にすることが常温での着火には有利
であることを見い出した。従つて、常温からの着
火条件は微粉炭の濃度に起因する着火限界の他に
噴出速度も一つの着火に影響する因子の一つであ
る。また、着火する時点では10〜17m／ｓの領域
で微粉炭／空気流を噴出させるが、ノズル構造が
決定されると、単一バーナから供給される微粉炭
量を増加するためには、必然的に一次空気量も増
加し、おのずと噴出速度は増加する。そこで本発
明では約17m／ｓ以上になると保炎器２３の重量
に打ち勝つて噴出時の圧力が高くなり、保炎器２
３を外側に向けるように保炎器２３の重量を決定
した。この外側への保炎器２３の角度θは保炎器
２３の外側に設けられた支持板２４によつて制約
を受け、θが10度以上になるように設置した。こ
のように保炎器２３による保炎効果を得るには、
外向きにし、微粉炭が噴出された直後に微粉炭が
外側に広がる効果と、二次空気が噴出された直後
に保炎器２３によつて二次空気の一部が微粉炭／
空気流に巻き込まれるため、火炎は保炎器２３の
近傍から形成されて微粉炭の燃焼が良好に実施さ
れる。プラズマアークフレーム３の照射時間は火
炎温度が高まり、火炉壁など雰囲気温度が高まつ
て、放射により微粉炭の火炎が継続できる条件に
なつた時点を基準に決定される。

次に、第６図、第７図を用いて微粉炭濃度とプ
ラズマアーク出力によつて決定される微粉炭の着
火限界と、着火後、プラズマアークフレームを停
止し、火炎を継続して形成するための条件を実験
結果に基づいて説明する。第６図、第７図に示す
実験結果は、微粉炭として国内の太平洋炭を用
い、粒径が200メツシユ（74μm）以下80％になる
ように調整したものを使用した。石炭中の揮発分
は約38％、固定炭素分は同様に約38〜39％、灰分
は14％程度である。微粉炭／空気流の噴出速度は
15m／ｓ一定、微粉炭濃度は微粉炭供給量を調整
して変化させた。また、空気温度は10℃である。
なお、微粉炭バーナの構造は第３図に示す本発明
のバーナを用い、一次空気量30Nm³／ｈ、二次空
気量、40Nm³／ｈ、三次空気量60Nm³／ｈで行な
つた。第６図の横軸は微粉炭／一次空気（搬送用
空気）の比率を示す。第６図の結果から、微粉炭
濃度に応じた限界プラズマアーク出力が存在する
こと、プラズマアーク出力を増加していくと、着
火限界が低濃度側に移行していることが判る。し
かし、プラズマアークが出力を増加しても着火で
きない領域が存在し、微粉炭と一次空気の比率が
0.15以下では着火しないため、0.15が微粉炭濃度
から決定される着火限界となる。次に、微粉炭濃
度を増加していくと、プラズマアーク出力は低出
力側で着火できるが、1KW以下になると濃度に
は無関係に着火できなくなり、プラズマアーク出
力から決定される着火限界となる。従つて、第６
図に示すように、着火領域となる範囲内で微粉炭
濃度とプラズマアーク出力を決定することが必要
である。プラズマアークフレームを遮断して火炎
を安定に継続していく上での保炎効果を第７図に
示す。第７図は第６図と同様の条件下で常温で着
火し、プラズマアークフレームを微粉炭空気流に
接触させ、バーナ先端の温度を熱電対を設けて測
定し、バーナ先端の温度とプラズマアークフレー
ムを遮断したときに火炎を形成しているか、ある
いは、消炎したかをバーナ近傍にテレビカメラ
（ITV）を設置して観察したものである。この結
果、バーナ先端の温度が約50℃以下では、プラズ
マアークフレームを遮断すると吹き消えることが
明らかとなつた。約50〜100℃の範囲では、火炎
が存在する場合と、吹き消える場合とがあり不安
定な領域である。次に、バーナ先端部の温度が
100℃以上になると火炎は安定して残り、保炎さ
れる領域となる。従つて、バーナ先端の温度をプ
ラズマアークフレームの遮断する制御因子に利用
すれば、微粉炭の着火後のプラズマアークフレー
ムの運転を制御でき、無駄にエネルギを消費する
こともなくなる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、プラズマアークフレームと微
粉炭／空気流との接触を効率良く行なうことがで
き、また、微粉炭／空気流の操作条件で微粉炭の
着火領域内にあることなど、制御面での操作を簡
略化し、安定した微粉炭の着火ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来構成図、第２図は従来の問題点の
説明図、第３図ないし第５図は本発明のアーク式
点火トーチを内蔵する微粉炭バーナの構成図、第
６図、第７図は微粉炭の着火及び保炎に必要な条
件を示す実験結果の図である。１…微粉炭バーナ、２…アーク式点火トーチ、
８…微粉炭／空気流ノズル、９…二次空気ノズ
ル、１０…三次空気ノズル、１１，１２…旋回
路。

Claims

【特許請求の範囲】

１中心部に電気アークフレームを放射できるよ
うにした点火用プラズマトーチを配置し、その外
側に同心円状に微粉炭および一次空気の混合流を
噴出するノズルを設け、さらに、その外側に二次
空気ノズル及び三次空気ノズルを同心円状に配置
し、前記混合流を噴出するノズルの先端部を該混
合流の噴出速度が17m／ｓ以下の時に前記プラズ
マトーチ側に傾斜しそれ以上の噴出速度の時に反
対側に傾斜するように向きが変わりうる構造とし
たことを特徴とするアーク式点火トーチを備えた
微粉炭バーナ。