JPH06265105A - 微粉固体燃料燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微粉炭等をミルから直接主バーナに搬送して
燃焼させるボイラ火炉等において，低負荷まで燃焼を安
定させること。 【構成】 ミル（０８）から主バーナ（０２）に送られ
る微粉炭混合気の一部を分岐して、サイクロンセパレー
タ（102)で濃・淡の混合気に分離し，分岐しなかった残
りの混合気に濃混合気を再合流させる。淡混合気はサイ
クロンセパレータ(102）の上方から取出してアッパーバ
ーナ（０６）へ供給する。分岐点下流の調節弁（105)を
調節して分流比を変えることにより，主バーナ（０２）
に供給される燃料の濃度を，燃焼に適した値に自由に加
減できるので，低負荷まで安定燃焼させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，ボイラ，化学工業炉等
の火炉で微粉固体燃料を使用する燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の微粉固体燃料燃焼装置の一
例を示す全体系統図である。この図において，（０１）
は炉本体，（０２）は主バーナ本体，（０３）は主バー
ナ燃料ノズル，（０４）は主バーナ空気ノズル，（０
５）はオーバーファイアリングエア（以下ＯＦＡと記
す）ノズル，（０６）はアッパーバーナ（以下ＵＢと記
す）燃料ノズル，（０７）はアディショナルエア（以下
ＡＡと記す）ノズル，（０８）は石炭粉砕機，（０９）
は固体燃料，（１０）は搬送用空気，（１１）は通風
機，（１２）は微粉固体燃料混合気，（１３）はＵＢ燃
料混合気，（１４）は燃焼用空気，（１５）は微粉固体
燃料混合気輸送管，（１６）はＵＢ燃料混合気輸送管，
（１７）は燃焼用空気ダクト，（１８）はＯＦＡ，（１
９）はＯＦＡダクト，（２０）はＡＡ，（２１）はＡＡ
ダクト，（２２）は炉内，（２３）は主バーナ火炎，
（２４）は主バーナ燃焼排ガス，（２５）はＵＢ燃焼火
炎，（２６）は燃焼排ガスをそれぞれ示す。

【０００３】石炭粉砕機（０８）に送り込まれて来た固
体燃料（０９）は微粉化され，同時に送り込まれた搬送
用空気（１０）と混合して微粉固体燃料混合気（１２）
を形成，微粉固体燃料輸送管（１５）を通して主バーナ
本体（０２）とＵＢ燃料ノズル（０６）へ送り込まれ
る。

【０００４】主バーナ本体（０２）には主バーナ燃料ノ
ズル（０３）と主バーナ空気ノズル（０４）が組込まれ
ており，主バーナ本体（０２）へ送り込まれて来た微粉
固体燃料混合気（１２）は主バーナ燃料ノズル（０３）
から炉内（２２）へ噴射される。一方，燃焼用空気（１
４）は，通風機（１１）によって燃焼用空気ダクト（１
７）を通して送り込まれ，主バーナ本体（０２）用，Ｏ
ＦＡ（１８）およびＡＡ（２０）に分流されて，それぞ
れ主バーナ空気ノズル（０４），ＯＦＡノズル（０５）
およびＡＡノズル（０７）から炉内（２２）へ噴射され
る。

【０００５】主バーナ燃料ノズル（０３）から炉内（２
２）へ噴射された微粉固体燃料混合気（１２）は，図示
されてない着火源によって着火し，主バーナ火炎（２
３）を形成して燃焼を継続する。主バーナ火炎（２３）
は，着火点近傍では搬送用空気（１０）および主バーナ
燃料ノズル（０３）の周囲から吹き込まれる燃焼用空気
（１４）の一部によって供給される酸素と反応して燃焼
し，以後の燃焼ゾーンでは主バーナ空気ノズル（０４）
から吹き込まれる燃焼用空気（１４）中の酸素によって
燃焼が継続される。

【０００６】従来のボイラでは，窒素酸化物（以下、Ｎ
Ｏ_x と記す）の発生を抑制するために，主バーナ燃料ノ
ズル（０３）から吹き込まれる搬送用空気（１０）と主
バーナ燃料ノズル（０３）周囲および主バーナ空気ノズ
ル（０４）から吹き込まれる燃焼用空気（１４）との合
計は，主バーナ燃料ノズル（０３）から吹き込まれる微
粉固体燃料の量論化以下にしてあり，ＯＦＡノズル（０
５）以下の炉内（２２）は還元雰囲気状態となる。主バ
ーナ燃料ノズル（０３）から吹き込まれた微粉固体燃料
の燃焼によって発生したＮＯ_x は，燃焼領域が還元雰囲
気であるため還元される。したがってＯＦＡ（１８）投
入部直前では主バーナ燃焼排ガス（２４）中のＮＯ_x 濃
度は減少し，代ってＨＣＮ・ＮＨ₃ 等の中間生成物が発
生する。還元雰囲気であるからまた，主バーナ燃焼排ガ
ス（２４）中には相当の可燃分が残存する。

【０００７】次に、主バーナ燃焼排ガス（２４）中の可
燃分を燃焼させるために，ＯＦＡノズル（０５）からＯ
ＦＡ（１８）が炉内（２２）へ吹き込まれる。ＯＦＡ
（１８）の投入量は，主バーナ燃料ノズル（０３）から
吹き込まれる微粉固体燃料の量に対して，主バーナ本体
（０２）から投入される燃焼用空気（１４）および搬送
用空気（１０）とＯＦＡ（１８）の合計が空気比で 1.0
〜1.05となるようにする。このように，ＯＦＡ（１８）
投入によって主バーナ燃焼排ガス（２４）の燃焼を促進
するに当り，ＯＦＡ（１８）投入後の空気比を 1.0〜1.
05と低く設定するのは，ＯＦＡ（１８）投入によって生
じる酸化反応で主バーナ燃焼排ガス（２４）中の中間生
成物がＮＯ_x に転換するのを抑制するためである。

【０００８】ＯＦＡ（１８）投入部の上方（後流）には
ＵＢ燃料ノズル（０６）が装着されている。そして，微
粉固体燃料輸送管（１５）から分岐配管されたＵＢ燃料
混合気輸送管（１６）を通して送り込まれて来たＵＢ燃
料混合気（１３）は，このＵＢ燃料ノズル（０６）から
炉内（２２）へ吹き込まれる。ＵＢ燃料混合気（１３）
は微粉固体燃料混合気（１２）から分流されたものであ
り，搬送用空気（１０）と微粉固体燃料の重量比（ AIR
／COAL）および微粉固体燃料の粒度分布は，ほぼ微粉固
体燃料混合気（１２）のそれと同等と見做すことができ
る。ＵＢ燃料混合気（１３）の吹込みによって，ＵＢ燃
料混合気（１３）吹込部以降は還元雰囲気を形成し，Ｏ
ＦＡ（１８）吹込みによって増加したＮＯ_x が還元さ
れ，Ｎ₂ へ転換される。

【０００９】ＵＢ燃料ノズル（０６）の上方（後流）に
は単段または複数段（図示例では２段）のＡＡノズル
（０７）が設けられている。ＯＦＡ（１８）量とＵＢ燃
料混合気（１３）中の搬送用空気（１０）量との合計
は，主バーナ燃焼排ガス（２４）中の残存可燃分量とＵ
Ｂ燃料混合気（１３）中の微粉固体燃料量の和の量論比
以下であり，ＵＢ燃料混合気（１３）吹込部からＡＡ
（２０）吹込部までの炉内（２２）領域は，空気比を通
常0.75〜1.0 に設定して，ＵＢ燃料混合気（１３）吹込
みによるＮＯ_x の増加を抑制する。しかし，ＡＡ（２
０）吹込部までは還元雰囲気であるため，主バーナ燃焼
排ガス（２４）中に可燃分が残存する。この可燃分の燃
焼を完結し，クリーンな燃焼排ガス（２６）を形成する
ために，ＡＡ（２０）を吹込むのである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】主バーナ火炎（２３）
の着火安定性は，主バーナ燃料ノズル（０３）から炉内
（２２）へ吹込まれる微粉固体燃料混合気（１２）の搬
送用空気（１０）と微粉固体燃料の重量比（ AIR／COA
L）に大きく影響される。図６は微粉固体燃料火炎の着
火距離と AIR／COALの関係を示す図である。これは本発
明の発明者等が試験炉を用いて実施した実験の結果であ
るが，現在では一般的にも認められているデータであ
る。微粉固体燃料火炎の着火距離は AIR／COALが大きく
なるに従って大きくなる傾向を示すことが図６からわか
る。着火距離が大きいということは，火炎の着火安定性
が悪いことを意味する。

【００１１】図６によれば，火炎の着火が安定するのに
必要な着火距離は微粉固体燃料の固定炭素／揮発分比
（燃料比）が大きくなる程，小さな AIR／COALが必要と
なる。しかし石炭粉砕においては，石炭粉砕機（０８）
内に石炭と共に持ち込まれる水分を，石炭粉砕機（０
８）内で石炭を粉砕してその微粉化された石炭を空気で
搬送できるよう，乾燥することが必要である。そして石
炭粉砕量が大きい場合は，それなりに多くの搬送用空気
（１０）が必要となる。したがって AIR／COALを自在に
調整することはできない。

【００１２】図７は一般に使用されている石炭粉砕機
（０８）の石炭粉砕量（または燃焼負荷）と AIR／COAL
との関係について示したものである。この図は石炭粉砕
量が減少すると AIR／COALが大きくなる傾向を示してい
るが，これは微粉固体燃料混合気（１２）が，微粉固体
燃料混合気輸送管（１５）内で微粉固体燃料を沈降堆積
させることなく搬送されるためには，必要最低限の流速
を維持することが不可欠であるからである。したがって
搬送用空気（１０）を一定流量以下に絞ることはでき
ず，このため低負荷における安定燃焼が困難であった。
このように石炭粉砕機（０８）から主バーナ燃料ノズル
（０３）へ微粉固体燃料を直送して燃焼に供するシステ
ムでは，従来は自在に上記 AIR／COALの調整ができず，
したがって広負荷範囲での安定燃焼が困難であった。

【００１３】一方，ＮＯ_x 抑制に必要な還元雰囲気を形
成するために投入されるＵＢ燃料混合気（１３）は，後
流で投入されるＡＡ（２０）によって燃焼を完結する
が，ＡＡ（２０）投入部が火炉出口部近くにあるため，
ＡＡ（２０）投入によって形成される酸化雰囲気内にＵ
Ｂ燃料混合気（１３）が滞留する時間が短く，かつ周囲
の燃焼排ガス（２６）温度も低目になっている。そのた
めＵＢ燃料混合気（１３）中の微粉固体燃料は，燃焼完
結時間を短縮するために可能な限り微細化する必要があ
るが，従来は主バーナ燃料ノズル（０３）へ送り込まれ
る微粉固体燃料の粒径と同様なものが送り込まれていた
ので，未燃分が多く発生するという欠点があった。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は，前記従来の課
題を解決するために，粉砕機によって粉砕された微粉固
体燃料を主バーナ燃料ノズルへ直接空気搬送し，炉内に
吹込んで燃焼させる装置において，上記粉砕機の出口か
ら上記主バーナ燃料ノズルに至る微粉固体燃料混合気輸
送管から分岐する濃混合気形成用混合気輸送管と，入口
が上記濃混合気形成用混合気輸送管に接続され粉体出口
が上記微粉固体燃料混合気輸送管の上記分岐点の下流に
合流するサイクロン型のセパレータと，上記分岐点およ
び上記合流点の間の上記微粉固体燃料混合気輸送管に設
けられた混合気分流調節弁と，上記主バーナ燃料ノズル
の後流に設けられたＵＢ燃料ノズルに上記セパレータの
気体出口を接続する排気配管とを備えたことを特徴とす
る微粉固体燃料燃焼装置を提案するものである。

【００１５】

【作用】本発明においては，粉砕機によって粉砕されて
空気搬送される微粉固体燃料の一部を分岐してサイクロ
ン型のセパレータに導き，濃・淡の微粉固体燃料混合気
に分離する。そして濃微粉固体燃料混合気はセパレータ
の粉体出口から取出し，分岐しなかった残りの微粉固体
燃料混合気に再び合流させて主バーナで燃焼させる。上
記分岐点と合流点の間に設けられた混合気分流調節弁を
調節することにより，この濃微粉固体燃料混合気の燃料
濃度を加減する。また上記セパレータで分離された淡微
粉固体燃料混合気の方は，セパレータの気体出口から取
出し，アッパーバーナで燃焼させる。

【００１６】こうして，主バーナに供給される燃料の濃
度を燃焼に適した値に自由に調節できるので，低負荷ま
で安定燃焼させることができる。またアッパーバーナに
供給される燃料の粒子径が小さくなるので，未燃分を増
加させることなく，ＮＯ_x の発生を抑制できる。

【００１７】

【第１実施例】図１は本発明の第１実施例を示す全体系
統図，図２は同じく主要部を示す系統図，図３は同じく
主要部を示す縦断面図である。これらの図において，前
記図５により説明した従来のものと同様の部分について
は，冗長になるのを避けるため，同一の符号を付け詳し
い説明を省く。

【００１８】図１ないし図３中で新たに示された符号と
して，（101)は濃混合気形成用混合気輸送管，（102)は
サイクロン型セパレータ， (103)は濃混合気輸送本管，
(104) は排気配管，（105)は混合気分流調節弁，（106)
は濃微粉固体燃料混合気，(107）は淡微粉固体燃料混合
気，（108)は低 AIR／COAL混合気，（109)は排気合流管
をそれぞれ示す。

【００１９】本実施例においては，石炭粉砕機（０８）
出口部の微粉固体燃料混合気輸送管（１５）から単数ま
たは複数の濃混合気形成用混合気輸送管（101)が分岐さ
れ，それぞれサイクロン型セパレータ（102)の入口に接
続されている。そして，濃混合気形成用混合気輸送管
（101)を分岐した後の微粉固体燃料混合気輸送管（１
５）内には濃混合気分流調節弁（105)が設置される。サ
イクロン型セパレータ（102)の下部の粉体出口は，微粉
固体燃料混合気輸送管（１５）の濃混合気分流調節弁
（105)設置部後流に配管によって接続され，また上部の
気体出口は，排気配管（104)によって排気合流管（109)
に配管された後，更に各ＵＢ燃料ノズル（０６）に分岐
配管されている。

【００２０】石炭粉砕機（０８）によって粉砕され微粉
固体燃料混合気輸送管（１５）へ空気輸送されてきた微
粉固体燃料混合気（１２）は，混合気分流調節弁（105)
によって所定比率に分流されて，一方は濃混合気形成用
混合気輸送管（101)からサイクロン型セパレータ（102)
へ送り込まれ，他方は混合気分流調節弁（105)を通って
そのまま濃混合気輸送本管（103)へ送り込まれる。

【００２１】サイクロン型セパレータ（102)へ送り込ま
れた微粉固体燃料混合気（１２）は，濃微粉固体燃料混
合気（106)と淡微粉固体燃料混合気（107)に分離され
る。そして濃微粉固体燃料混合気（106)はサイクロン型
セパレータ（102)の下部の粉体出口から濃混合気輸送本
管（103)へ送り込まれて，別途送り込まれた微粉固体燃
料混合気（１２）と混合し，低 AIR／COAL混合気（108)
を形成する。低 AIR／COAL混合気(108）の AIR／COALの
値は，混合気分流調節弁（105)によって加減できる。低
AIR／COAL混合気(108）は濃混合気輸送本管（103)から
各主バーナ燃料ノズル（０３）へ送り込まれ，炉内（２
２）へ吹き込まれて燃焼に供される。

【００２２】一方，サイクロン型セパレータ（102)内で
濃微粉固体燃料混合気（106)と分離された淡微粉固体燃
料混合気（107)は，上部の気体出口から排気配管（104)
を経て排気合流管（109)へ送り込まれ，ＵＢ燃料ノズル
（０６）から炉内（２２）へ吹き込まれて燃焼に供され
る。淡微粉固体燃料混合気（107)中の微粉固体燃料は全
体の約１０％以下であり，粒径も極小微粒の微粉であ
る。

【００２３】図８は石炭粉砕機（１０）によって粉砕さ
れた微粉固体燃料の粒度分布の一例を示す図，図９は燃
焼場の酸素濃度が３％，燃焼温度が1300℃の時，炭素粒
子の径とその炭素粒子が燃焼消滅するのに要する時間と
の関係を示す図である。図８から，淡微粉固体燃料混合
気（107)中の微粉固体燃料の粒子径が１０μｍ以下であ
ることがわかる。また図９から，その微粉固体燃料の燃
焼完結に要する時間も極く短時間であることが推定でき
る。

【００２４】

【第２実施例】図４は本発明の第２実施例を示す全体系
統図である。この図においても，前記と同様の部分につ
いては同一の符号を付け詳しい説明を省く。

【００２５】本実施例が前記第１実施例と異る点は，Ｕ
Ｂ燃料ノズル（０６）を主バーナ本体（０２）の下方に
設け，サイクロン型セパレータ（102)の排気配管（104)
と連絡したＵＢ燃料混合気輸送管（１６）を連結して，
淡微粉固体燃料混合気（107)を炉内（２２）へ投入し燃
焼に供するようにしたことである。なおこの場合，ＵＢ
燃料ノズル（０６）の「ＵＢ」はアンダーバーナの略称
となる。

【００２６】この第２実施例は，例えば無煙炭のよう
に，高燃料比・低揮発分の難燃性石炭を燃料として使用
する場合に有利である。前記第１実施例のようにＵＢ燃
料ノズル（０６）が火炉出口に近いと，難燃性石炭の場
合は燃焼を完了しないままで火炉から排出される恐れが
あるが，本第２実施例の場合は，高温領域を長い滞留時
間を掛けて通ったのち火炉から排出されるので，燃焼完
結が容易である。

【００２７】本実施例におけるＯＦＡ（１８）とＡＡ
（２０）は，使用燃料の燃焼性によってその配分を設定
する。すなわち，著しく難燃性の石炭の場合はＯＦＡ
（１８）投入量を増加し，逆に幾らかでも難燃度の低い
石炭の場合はＡＡ（２０）投入量を増やすというような
調整を行なう。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば，石炭粉砕機から主バー
ナ燃料ノズルへ微粉固体燃料を直送して燃焼に供するシ
ステムにおいて，微粉固体燃料混合気の燃料濃度を燃焼
に適した値に自在に調節できるので，従来にない低負荷
まで安定燃焼させることができる。

【００２９】また，ＮＯ_x 抑制のために必要な還元雰囲
気の形成に用いるＵＢ燃料混合気中の微粉固体燃料の粒
子径が極小となるので，未燃分が増加することなくＮＯ
_x を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の第１実施例を示す全体系統図で
ある。

【図２】図２は上記第１実施例の主要部を示す系統図で
ある。

【図３】図３は上記第１実施例の主要部を示す縦断面図
である。

【図４】図４は本発明の第２実施例を示す全体系統図で
ある。

【図５】図５は従来の微固体燃料燃焼装置の一例を示す
全体系統図である。

【図６】図６は微粉固体燃料火炎の着火距離と AIR／CO
ALとの関係を示す図である。

【図７】図７は石炭粉砕量（または燃焼負荷）と AIR／
COALとの関係を示す図である。

【図８】図８は石炭粉砕機によって粉砕された微粉固体
燃料の粒度分布の一例を示す図である。

【図９】図９は炭素粒子の径とその炭素粒子が燃焼消滅
するのに要する時間との関係を示す図である。

【符号の説明】

（０１） 炉本体 （０２） 主バーナ本体 （０３） 主バーナ燃料ノズル （０４） 主バーナ空気ノズル （０５） ＯＦＡノズル （０６） ＵＢ燃料ノズル （０７） ＡＡノズル （０８） 石炭粉砕機 （０９） 固体燃料 （１０） 搬送用空気 （１１） 通風機 （１２） 微粉固体燃料混合気 （１３） ＵＢ燃料混合気 （１４） 燃焼用空気 （１５） 微粉固体燃料混合気輸送管 （１６） ＵＢ燃料混合気輸送管 （１７） 燃焼用空気ダクト （１８） ＯＦＡ （１９） ＯＦＡダクト （２０） ＡＡ （２１） ＡＡダクト （２２） 炉内 （２３） 主バーナ火炎 （２４） 主バーナ燃焼排ガス （２５） ＵＢ燃焼火炎 （２６） 燃焼排ガス （101) 濃混合気形成用混合気輸送管 （102) サイクロン型セパレータ （103) 濃混合気輸送本管 （104) 排気配管 （105) 混合気分流調節弁 （106) 濃微粉固体燃料混合気 （107) 淡微粉固体燃料混合気 （108) 低 AIR／COAL混合気 （109) 排気合流管

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粉砕機によって粉砕された微粉固体燃料
   を主バーナ燃料ノズルへ直接空気搬送し，炉内に吹込ん
   で燃焼させる装置において，上記粉砕機の出口から上記
   主バーナ燃料ノズルに至る微粉固体燃料混合気輸送管か
   ら分岐する濃混合気形成用混合気輸送管と，入口が上記
   濃混合気形成用混合気輸送管に接続され粉体出口が上記
   微粉固体燃料混合気輸送管の上記分岐点の下流に合流す
   るサイクロン型のセパレータと，上記分岐点および上記
   合流点の間の上記微粉固体燃料混合気輸送管に設けられ
   た混合気分流調節弁と，上記主バーナ燃料ノズルの後流
   に設けられたアッパーバーナ燃料ノズルに上記セパレー
   タの気体出口を接続する排気配管とを備えたことを特徴
   とする微粉固体燃料燃焼装置。