JPH08200618A - 微粉炭燃焼バーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低負荷でも安定に燃焼でき、かつＮＯｘ濃度を
低減できる微粉炭バーナを提供する。 【構成】微粉炭を一次空気で搬送するノズル１０２の内
周に、上流から旋回流発生器１２０と分離強化手段１１
９と分離空間１２７と整流器１０９を配置する。旋回流
発生器には、複数の投入口から微粉炭を流入させる。 【効果】微粉炭ノズル口縁の微粉炭濃度を高め、しかも
ノズル内の円周方向の微粉炭濃度を一様にできるので、
微粉炭量が少なくても火炎を安定に保つことができ、Ｎ
Ｏｘ低減も達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、石炭焚ボイラや石炭燃
焼炉に使用するのに好適な微粉炭燃焼バーナに係り、特
に負荷低下時の火炎の安定性が優れている微粉炭燃焼バ
ーナに関する。

【０００２】

【従来の技術】石炭焚ボイラや石炭燃焼炉から発生する
ＮＯｘを少なくするために、微粉炭燃焼バーナの構造が
いろいろ検討されている。その一つとして、石炭粒子と
搬送用空気との混合物を噴出する微粉炭ノズルを中央に
備え、その外側に燃焼用空気を旋回流にして噴出する少
なくとも一つの空気ノズルを同心状に備えたバーナがあ
る。空気ノズルは、通常、同心状に二つ備えられてい
る。

【０００３】この種の微粉炭燃焼バーナでは、微粉炭ノ
ズルの噴出口の近傍に燃料過剰で燃焼する還元炎領域が
形成され、その還元炎を取り囲むように酸素濃度の高い
酸化炎領域が形成されて、火炎内脱硝燃焼が行われる。
還元炎領域では、石炭中の窒素が燃焼初期の熱分解時に
シアン化水素（ＨＣＮ）やアンモニア(ＮＨ₃）などの窒
素化合物に分解されて気相中へ放出される。これらの窒
素化合物は酸化されてＮＯｘになる一方で、酸素濃度の
低い条件下ではＮＯｘを還元する効果があり、発生した
ＮＯｘを還元する。酸化炎領域では、酸素濃度の高い燃
焼を行って、還元炎領域で燃焼しきれなかった未燃分を
完全に燃焼させる。

【０００４】他方、原子力発電が電力供給のベースロー
ドとなる今日では、従来、一定負荷で運用されてきた石
炭火力も負荷変動の高い運用を要求されている。石炭焚
ボイラにおいても、石炭燃焼のみで燃焼する負荷を可能
な限り低減しようとする傾向にある。しかし、バーナに
よる石炭粒子の燃焼では、石炭粒子の量を少なくすると
火炎が不安定になる。そこで、石炭粒子の量を少なくし
ても火炎が不安定にならないようにする工夫がされてい
る。このようにしたバーナの一例が、特開平2−259308
号公報及び特開平3−241208 号公報に示されており、石
炭粒子と搬送空気との混合物を旋回させることによっ
て、微粉炭ノズル内の外周側を流れる石炭粒子の濃度を
中央を流れる石炭粒子の濃度よりも高めている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】石炭焚ボイラの排出Ｎ
Ｏｘ濃度を低減するためには、火炎内脱硝方式を用いた
微粉炭バーナにおいて、還元炎領域におけるＮＯｘの還
元反応を促進させることが重要になる。これには、燃焼
用空気の供給方法を改善するばかりでなく、石炭粒子の
供給方法を改善して燃料過剰燃焼を達成させ、還元炎領
域における石炭粒子の熱分解の能力を高めることが有効
になる。

【０００６】石炭焚ボイラの運用性を高めるためには、
短い時間で負荷を変動させる必要がある。この観点です
ぐれた方法は、微粉炭バーナの運用下限を低負荷まで拡
げることである。

【０００７】しかし、微粉炭バーナにおいては、石炭粒
子をバーナに供給するための搬送管内を流れる石炭粒子
の流速をある一定速度以下には下げることができず、こ
のため搬送管に供給する空気の流量を減らすにも限度が
ある。石炭粒子の流速が遅すぎると搬送管の内部に石炭
粒子が沈降し搬送管を閉塞する原因になり、また、火炉
の火炎が搬送管へ逆流する原因になる。

【０００８】このため、微粉炭バーナの運用下限を低負
荷まで拡げる方法では、石炭流量とともに空気流量を減
らす際に、ある程度の負荷まできたら搬送空気の流量を
一定にし石炭の供給量を減少させることで対応しなけれ
ばならない。石炭の供給量のみが減少すると、搬送空気
に含まれる石炭の濃度が低くなり、火炎が微粉炭ノズル
の出口近傍に形成されにくくなり、石炭粒子と燃焼用空
気の混合が進んだのちに石炭粒子が燃焼するようにな
る。この結果、火炎内にＮＯｘの還元領域を形成しにく
くなる。

【０００９】このようなことから、従来技術では、石炭
粒子と搬送空気との混合物を旋回させることによって、
微粉炭ノズル内に局部的に石炭粒子の濃度の高い領域を
作り、石炭粒子の量が少ない負荷低下時でも火炎が安定
に形成されるようにしている。

【００１０】しかし、実際問題として、石炭粒子と搬送
空気との混合物を単純に旋回させても、負荷低下時に火
炎を安定に保つことはできず、失火しやすい。

【００１１】本発明の目的は、微粉炭ノズルの外周に少
なくとも一つの空気ノズルを同心状に備えるとともに、
微粉炭ノズル内の石炭粒子と搬送空気との混合物を旋回
させてノズル内外周側の石炭粒子濃度を局部的に高くし
たバーナにおいて、負荷低下時の火炎の安定性がすぐ
れ、しかもＮＯｘの還元効果がすぐれた微粉炭燃焼バー
ナを提供することにある。

【００１２】本発明の他の目的は、低負荷まで石炭のみ
で安定に燃焼させることができるとともに、負荷変化率
を高めることができる微粉炭ボイラ発電システムを提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記（１）な
いし（１８）のバーナによって達成される。

【００１４】（１）石炭粒子と搬送用空気との混合物を
直進流で噴出する微粉炭ノズルの外周に燃焼用空気を旋
回流にして噴出する少なくとも一つの空気ノズルを同心
状に備え、前記石炭粒子と搬送用空気との混合物を旋回
させる旋回流発生手段と該旋回流発生手段によって形成
された旋回流を直進流に変える整流手段とを備え、該旋
回流発生手段における石炭粒子と搬送用空気との混合物
の供給口を旋回方向の複数箇所に備えた微粉炭燃焼バー
ナ。

【００１５】（２）前記（１）のバーナにおいて、微粉
炭ノズル内に複数の羽根を有する旋回流発生手段を備
え、該旋回流発生手段における石炭粒子と搬送用空気と
の混合物の供給口を羽根と羽根との間に設け且つ複数箇
所に設けた微粉炭燃焼バーナ。

【００１６】（３）前記（１）のバーナにおいて、微粉
炭ノズルの後端側壁面の複数箇所の接線方向に石炭粒子
と搬送用空気との混合物の供給口を備え、該混合物が接
線方向から供給されることによって旋回流が形成される
ようにした微粉炭燃焼バーナ。

【００１７】（４）前記（１）ないし（３）のいずれか
のバーナにおいて、整流手段として、石炭粒子と搬送用
空気との混合物の旋回を妨げる抵抗体を設けた微粉炭燃
焼バーナ。

【００１８】（５）前記（４）のバーナにおける抵抗体
として、微粉炭ノズル内に複数の板状部材を放射状に設
けた微粉炭燃焼バーナ。

【００１９】（６）前記（１）ないし（５）のいずれか
のバーナにおいて、旋回流発生手段と整流手段との間
に、旋回流に含まれる石炭粒子のうちの相対的に小さな
微粒子をノズル内中央部に慣性力によって移動させるの
に充分な空間を設けた微粉炭燃焼バーナ。

【００２０】（７）石炭粒子と搬送用空気との混合物を
直進流で噴出する微粉炭ノズルの外周に燃焼用空気を旋
回流にして噴出する少なくとも一つの空気ノズルを同心
状に備え、石炭粒子と搬送用空気との混合物を旋回させ
る旋回流発生手段と，該微粉炭ノズル内を出口方向に向
かって流れる該混合物の旋回流の強さを次第に弱める手
段と，該旋回流を直進流に変える整流手段とを備え、該
旋回流発生手段における石炭粒子と搬送用空気との混合
物の供給口を旋回方向の複数箇所に備えた微粉炭燃焼バ
ーナ。

【００２１】（８）前記（７）のバーナにおいて、石炭
粒子と搬送用空気との混合物の旋回流の強さを弱める手
段として、微粉炭ノズルの流路断面積を下流側に向かっ
て拡大する手段を備えた微粉炭燃焼バーナ。

【００２２】（９）前記（８）のバーナにおいて、流路
断面積拡大手段として、微粉炭ノズルの軸中心部に円錐
状をなし円錐の頂部が下流側を向けた部材を配置した微
粉炭燃焼バーナ。

【００２３】（１０）石炭粒子と搬送用空気との混合物
を直進流で噴出する微粉炭ノズルの外周に燃焼用空気を
旋回流にして噴出する少なくとも一つの空気ノズルを同
心状に備え、石炭粒子と搬送用空気との混合物を旋回さ
せる旋回流発生手段と，該微粉炭ノズル内を出口方向に
向かって流れる該混合物の旋回流を複数個の環状の流れ
に分割する分配手段と，該分配手段によって複数の流れ
に分割された旋回流を直進流へ変換する整流手段とを備
え、該旋回流発生手段における石炭粒子と搬送用空気と
の混合物の供給口を旋回方向の複数箇所に備えた微粉炭
燃焼バーナ。

【００２４】（１１）石炭粒子と搬送用空気との混合物
を直進流で噴出する微粉炭ノズルの外周に燃焼用空気を
旋回流にして噴出する少なくとも一つの空気ノズルを同
心状に備え、前記石炭粒子と搬送用空気との混合物を旋
回させる旋回流発生手段と，該微粉炭ノズル内を出口方
向に向かって流れる該混合物の旋回流の強さを次第に弱
める手段と，前記微粉炭ノズルの噴出口近傍にて該旋回
流を複数個の環状の流れに分割する分配手段と，該旋回
流を直進流に変える整流手段とを備え、該旋回流発生手
段における石炭粒子と搬送用空気との混合物の供給口を
旋回方向の複数箇所に備えた微粉炭燃焼バーナ。

【００２５】（１２）前記（１０）又は（１１）のバー
ナにおける前記分配手段として、微粉炭ノズル内に該ノ
ズルと軸心を同じにする少なくとも一つの筒状部材を設
けた微粉炭燃焼バーナ。

【００２６】（１３）前記（１２）のバーナにおいて、
筒状部材の筒の内径及び外径をほぼ一定にし、微粉炭ノ
ズルの上流側に位置する該筒状部材の外面に傾斜を設け
た微粉炭燃焼バーナ。

【００２７】（１４）前記（１２）のバーナにおいて、
筒状部材の筒の内径及び外径を上流側で大きくし下流側
で小さくすることによって該筒状部材の下端における微
粉炭と搬送空気との混合物の流速を筒の内外でほぼ等し
くした微粉炭燃焼バーナ。 （１５）前記（１）ないし（１４）のいずれかのバーナ
において、旋回流発生手段で発生させる旋回流の強さを
変える手段を備えた微粉炭燃焼バーナ。

【００２８】（１６）前記（１５）のバーナにおいて、
微粉炭ノズル内に複数の羽根を有する旋回流発生手段を
備え、該羽根の傾きを変えることによって旋回流の強さ
が変えられるようにした微粉炭燃焼バーナ。

【００２９】（１７）前記（１５）又は（１６）のバー
ナにおける旋回流発生手段で発生させる旋回流の強さ
を、低負荷時に大きくなり、高負荷時に小さくなるよう
に変える手段を備えた微粉炭燃焼バーナ。

【００３０】（１８）前記（１）ないし（１７）のいず
れかのバーナにおいて、微粉炭ノズル内にオイルバーナ
を備えた微粉炭燃焼バーナ。

【００３１】本発明のバーナにおいて、石炭粒子と搬送
空気（以下、一次空気ともいう）との混合物の旋回流を
直進流に変換する整流手段として、板状部材を微粉炭ノ
ズル中心部から放射状に複数枚取り付けた場合には、こ
の板状部材を微粉炭ノズルの流路幅全体に渡って取り付
けるようにすることが望ましく、これにより、旋回流を
間断なく直進流に変換することができる。

【００３２】微粉炭ノズル内の旋回流発生手段の下流に
は、旋回に伴う遠心力によって外周側に相対的に粒径の
大きい粗粒を集め、中心側に相対的に粒径の小さい微粒
を集めるために必要な分離空間を設けることが望まし
い。分離空間を設けることにより、石炭粒子の粒子径に
よる分別効果が高まる。また、この分離空間に微粉炭ノ
ズルの流路段面積を下流に向けて次第に大きくする手段
を設けることにより、ノズルの外周側の石炭粒子の平均
径を大きくし、中心側の平均径を小さくする効果がより
高まる。

【００３３】旋回流発生器は、その軸芯に一体的に取り
付けた支持棒を介して駆動機に接続させることが望まし
い。旋回流発生器を駆動機によって調節可能にすれば、
微粉炭ノズルを流れる搬送空気の旋回強度の調節が可能
になる。旋回強度を調節することにより、ノズルの中心
部を流れる石炭粒子のうち相対的に大きな粒子がノズル
内外周側に移動する割合を調節することができ、ノズル
内外周部の石炭濃度を中心部の石炭濃度よりも相対的に
高くすることができる。

【００３４】また、本発明においては、負荷指令に応じ
て旋回流発生器の旋回強度及び搬送気体の流量調節弁の
開度を制御するようにした制御手段を設けることが望ま
しく、これにより石炭粒子の低負荷時には、旋回流発生
器の旋回強度を高めて微粉炭ノズル口縁の石炭濃度を高
めることができる。

【００３５】本発明においては、微粉炭ノズルを少なく
とも二つの同心状の流路に分割できる分配器を前記分離
空間の下流側に配置することができる。この分配器は整
流手段の上流側に配置することが望ましい。分配器とし
ては、筒状の部材を用いることができる。そして、筒状
部材を用いる場合には、筒状部材の半径方向の径を石炭
粒子の流れ方向の上流側と下流側とで変化させ、下流側
に向かうにつれて径が小さくなるようにすることが望ま
しい。また、半径方向の径が縮小した部分の下流に径が
一定の部分を設けることが更に望ましい。

【００３６】石炭粒子と搬送空気との混合物の旋回流を
直進流の変える整流器は、分配器の下流側に設けるのが
良く、分配器の下流側の一部に整流器を取り付けても良
い。例えば、分配器の半径方向の径が縮小したのち一定
の径になったところに整流器を配置するのが良い。

【００３７】旋回流発生器には、石炭粒子と搬送空気と
の混合物が複数の箇所から供給できるようにする。これ
により、該混合物の旋回方向における石炭粒子の濃度の
バラツキをなくし、円周方向の濃度を一様に保つことが
できる。石炭粒子と搬送空気との混合物の供給口の数
は、多ければ多いに越したことはない。

【００３８】本発明の燃焼方法は、石炭流量の少ない低
負荷において石炭搬送空気を定流量で供給し、かつ石炭
供給量が少なくなるにつれて旋回強度を高めることにあ
る。石炭専焼が困難な更に低負荷時には、微粉炭ノズル
の内部に助燃用のノズル例えばオイルバーナを設けて、
油燃焼を行うことが望ましい。

【００３９】本発明の微粉炭ボイラ発電システムは、石
炭を燃焼するボイラ火炉の壁面の高さ方向複数箇所に微
粉炭燃焼バーナを設け、該バーナよりも上段にアフタエ
アポートを設け、該火炉内に石炭の燃焼によって発生し
た熱を吸収して蒸気を発生させる伝熱管を設け、該伝熱
管で得られた蒸気によって発電する蒸気タービンと発電
機を設け、更に発電負荷が小さいときには前記微粉炭燃
焼バーナのうち上段バーナのみを運用し発電負荷が大き
くなるにつれて中断及び下段バーナへと運用を拡げてい
くバーナ制御装置を設け、前記微粉炭燃焼バーナとし
て、石炭粒子と搬送用空気との混合物を直進流で噴出す
る微粉炭ノズルの外周に燃焼用空気を旋回流にして噴出
する少なくとも一つの空気ノズルを有し、該石炭粒子と
搬送用空気との混合物を旋回させる旋回流発生手段と該
旋回流発生手段によって形成された旋回流を直進流に変
える整流手段と、該旋回流発生手段における石炭粒子と
搬送用空気との混合物の供給口を旋回方向の複数箇所に
備えた微粉炭燃焼バーナを具備することによって構築さ
れる。

【００４０】

【作用】石炭焚ボイラにおいて、ＮＯｘ濃度を低くする
には、火炎の外周部に酸素濃度の高い雰囲気で燃焼する
酸化炎領域を形成し、酸化炎領域の内部に燃料過剰で燃
焼する還元炎領域を形成するのが有効である。これに
は、微粉炭バーナにおいて、相対的に還元炎領域へ供給
される確率が高いバーナの中央部に、石炭粒子と搬送空
気との混合物を噴出する微粉炭ノズルを設けると効果が
ある。

【００４１】微粉炭バーナをこのように構成し、更に微
粉炭ノズル内を流れる石炭粒子の濃度を外周側或いは中
心部側の一方で局部的に高くすることにより、石炭料の
少ない低負荷時であっても石炭を安定して燃焼させるこ
とができ、しかも火炎内脱硝燃焼を達成して排出ＮＯｘ
濃度を低減することができる。

【００４２】このためには、石炭粒子を気流搬送する微
粉炭ノズルの外周に燃焼用空気を供給する少なくとも一
つの空気ノズルを同心状に設け、微粉炭ノズル内を流れ
る石炭粒子及び搬送空気を旋回させ、旋回させるにあた
り石炭粒子と搬送空気の混合物を複数箇所から旋回器へ
供給するようにし、かつ微粉炭ノズル内に旋回流を直進
流に変える整流手段を設けることが必要になる。このよ
うにすることによって、旋回流における石炭粒子の濃度
を円周方向で一様にすることができ、低負荷時でも石炭
を安定に燃焼できる。なお、整流手段を設けない場合に
は、石炭粒子と燃焼空気との混合物が旋回流のままで微
粉炭ノズルから噴出され、ノズルから噴出後、放射状に
拡がってしまい、還元炎領域に石炭粒子の量を充分に供
給できない。

【００４３】本発明のバーナによれば、従来技術の特開
平3−241208 号公報に記載された発明のように、微粉炭
ノズルの後端に接線方向に向けて１ヶ所の微粉炭流入口
を持つバーナにありがちな、微粉炭燃料と搬送気体の噴
流が筋状に流れることによるノズル出口の微粉炭濃度の
不均一さを生ずることがなく、これによる火炎の不安定
性もなくなる。

【００４４】旋回流発生器の下流側に位置した分離空間
では、上流で発生した旋回流による遠心力を粒子径の大
きな粒子ほど強く働かせるので、微粉炭ノズルの中心部
を流れる比較的粒径の大きな石炭粒子をノズルの外周部
へ移動させることができる。この結果、微粉炭ノズル中
心部の流路を流れる石炭粒子の粒径は相対的に小さくな
る。火炎中心部の還元炎領域へ石炭粒子が供給される確
率は、微粉炭ノズルの中心部から石炭粒子を供給するほ
ど高くなる。微粒子は石炭重量に対する表面積の割合が
粗粒子よりも高いので、反応性が高く、微粒子をノズル
中心部に集めるようにようにすれば、還元炎領域におけ
る二酸化炭素や水による石炭の熱分解反応を促進するこ
とができる。これによって、還元炎領域における石炭粒
子から得られるＮＯｘ前駆物質の発生量が増加するの
で、酸化炎領域で発生したＮＯｘを還元する能力が高ま
り、微粉炭バーナによる石炭の燃焼で発生するＮＯｘ濃
度を低減することができる。

【００４５】微粉炭ノズル内に旋回流発生器を設ける場
合に好ましい態様としては、ノズル内に流路断面積を縮
小する部材を設け、ノズル噴出方向に向かって一旦、流
路断面積を縮小したのち拡大するようにし、流路断面積
が最小になった位置に旋回羽根を設けることである。こ
れによって、次の三つの作用，効果が生じる。第一の作
用は、流路断面積縮小部材により、微粉炭ノズル内の流
路が縮小することによる作用である。石炭粒子が外周方
向へ移動するときに生ずる慣性力によって、粒子は搬送
気体よりも外周方向に移動するので、石炭粒子はノズル
の外周壁の近傍に多く集まり、外周の石炭粒子の濃度を
高めることができる。第二の作用は、ノズル内の流路が
最も小さい位置に旋回羽根を取り付けることによる作用
である。旋回羽根を外周方向に離すほど旋回流の発生効
率は高まるので、旋回流発生器の圧力損失を高めること
なく、強い旋回流を発生させることができる。第三の作
用は、旋回羽根の下流側でノズル内の流路を狭めること
による作用である。これによって、搬送気体がノズル内
の中央に移動し、追随して慣性の小さい微粒子が中心部
側へ移動する。慣性の大きい粗粒子は気体ほどに追随せ
ずに直進するので、ノズル内の外周側を流れる石炭粒子
の量の方が多くなる。これら三点の作用によって、石炭
粒子がノズル内の外周壁に多く集まるので、着火保炎性
能を高めることができる。

【００４６】旋回流発生器及びその後に続く分離空間の
作用により微粉炭ノズルの外周部へ多く集められた粗粒
子は、該ノズルの外周部を流れていた微粉炭とも一体的
に混合してノズルの口縁部から火炉へ供給される。この
ノズル口縁部から供給される石炭粒子の濃度は石炭と空
気の供給量で定まる濃度よりも相対的に高くなるから、
前記口縁部から形成される石炭によって形成される火炎
を安定化させることができる。これによって、微粉炭ノ
ズルに近い領域において燃焼する石炭粒子の量を増やす
ことができるので、火炎の温度を高めることができる。
高温の火炎は還元炎領域の温度も同時に高めるので、還
元炎領域における石炭の熱分解能力も同時に高くなる。
これによって、還元炎領域におけるＮＯｘの還元反応が
促進され、微粉炭バーナによる石炭の燃焼で発生するＮ
Ｏｘ濃度を低減することができる。

【００４７】整流器は、分離空間を旋回して流れる搬送
空気の抵抗体となることによって、搬送空気を直進する
流れに変換して石炭粒子を微粉炭ノズルから炉内へ噴出
することができる。これによって、旋回流で噴出される
ことによって起こりがちな石炭粒子の径方向の分散を抑
制することができる。

【００４８】旋回流発生器の下流側には、分離空間にお
ける粒子径による選択的な分離供給能力を増強するため
の分離強化手段を設けることができる。分離強化手段は
流れ方向における旋回の速度成分を減衰させる機能を有
するので、旋回流による遠心力と粒子の慣性力を大きな
粒子ほど強く働かせる。これにより、より小さな粒子径
の石炭粒子をも旋回流で燃料ノズル外周の壁面へ移動す
ることができる。

【００４９】分離強化手段による粒径分離能力を高める
のに最も好ましい例は、旋回流発生器の下流側の微粉炭
ノズルの流路断面積が下流側に向かって次第に大きくな
ることを特徴とする形状である。このようにすると、流
路断面積の比較的小さな部分は旋回方向の速度成分の大
きな旋回流を発生することができるので、この旋回流で
石炭粒子も旋回方向の速度成分を高めて微粉炭ノズルの
内部を供給することができる。旋回流で粒子に作用する
遠心力は相対的に大きな粒子ほど強く作用するので、こ
のような粒子は微粉炭ノズルの外周側の壁面に近い領域
に集められる。更に、石炭粒子に働く慣性力は比較的大
きな粒子ほど大きいから、気体の旋回方向の速度成分が
下流に向けて小さくなる領域で、比較的大きな粒子と気
体の速度差は大きくなる。この速度差によって、より多
くの粒子を微粉炭ノズルの外周壁面に近い領域に集める
ことができる。

【００５０】旋回流発生手段は旋回流の強度を変化させ
る旋回強度調整手段を有することができる。これには旋
回羽根の付いた旋回流発生器を支持棒に取り付け、支持
棒をノズルの外部に取り付けた駆動装置に接続して回転
させることが望ましい。別の旋回強度調整手段では、旋
回羽根の角度を変えることによっても達成できる。

【００５１】旋回強度調整手段によって微粉炭ノズルに
配した旋回流発生器の強度を変える好ましい例は、該ノ
ズルを流れる石炭粒子の流量をもとに旋回流の強度を調
整することである。例えば、石炭流量が設定値よりも少
なくなると、石炭流量の減少と共に旋回流発生器の旋回
強度を高めることができる。これによって、石炭粒子の
供給量が少なくなっても、ノズル口縁部の石炭濃度を高
めることができるので、低負荷でもノズル口縁に近い領
域に安定に火炎を形成することができる。火炎がノズル
口縁に保たれれば、石炭粒子と燃焼用空気の混合が進む
前に石炭粒子を燃焼させることができるので、低負荷の
時でも火炎の中に還元炎領域を形成できる。これによっ
て、ＮＯｘは還元炎領域で窒素に還元できるから、低負
荷時のＮＯｘ濃度を低減できる。

【００５２】分配器は分離空間でノズル径方向に類別さ
れた石炭粒子の粒径分布を保存する機能を有する。分配
器は、例えば、微粉炭ノズルと同心状に配置された筒状
の流路でその機能を達成することができる。これによっ
て、径方向に類別された石炭粒子がノズル内の乱流の作
用によって該ノズルの径方向に再び均質化されるの防止
することができる。微粉炭ノズルの口縁の石炭濃度が高
まれば、火炎をより安定に形成することができ、火炎内
の還元炎領域におけるＮＯｘの還元能力を高めてバーナ
のＮＯｘ濃度を低減することができる。

【００５３】整流器は、分配器の下流側に設けると、石
炭粒子の分離性能を高めることができる。整流器は、流
れを阻止することによって旋回成分をなくして直進流に
変える。このとき、微粉炭ノズルの外周部に集めた石炭
粒子も気体の流れが乱されることによって再び散らば
る。従って、整流器を分配器の上流側に設ける構造の場
合、石炭粒子の再飛散が生ずるので、粒子は径方向に混
合し、旋回流による分離効果が減少する。

【００５４】旋回流発生器は、旋回流で発生させた遠心
力を粒子に与える。遠心力は、例えば特開平4−214102
号公報に記載されたような流れ方向を変えることによっ
て発生させる慣性力よりも大きな力を粒子へ作用させる
ことができる。このため、慣性による分離方法よりも、
分離できる粒子の径いわゆる分離限界粒子径を小さくす
ることができる。即ち、石炭粒子を旋回流で供給する方
法を採用することによって、分離限界粒子径を小さくで
き、より小さな粒子までもノズル口縁へ供給することが
できる。これによって、まず、還元炎領域へ供給される
石炭粒子は小さくなるので、この領域における石炭粒子
はより反応しやすくなる。反応性が高まれば、ＮＯｘ還
元能力は向上し、低ＮＯｘ燃焼を達成できる。次に、ノ
ズル口縁における石炭粒子の濃度をより高めることがで
きるので、石炭の着火能力を高めることができる。これ
によって、石炭濃度の希薄な操作条件においても、石炭
粒子の濃度を高くできるので、火炎を安定に保つことが
できる。

【００５５】筒状の分配器の含軸断面の形状を変えるこ
とによって、分配器出口における気体の速度を変えるこ
とができる。例えば、分配器の筒の径をノズルの上流側
で大きくし、下流側で小さくすることによって、流路断
面積を変化させると、分配器の外周側の流路は気体の速
度を低減し、分配器の内周側の流路は気体の速度を増加
する。これによって、微粉炭ノズルの出口における気体
の噴出速度が径方向に一様にすることができる。同心状
の二つの噴流の速度差が小さければ、両者の噴流は互い
に混合し難くなるので、石炭粒子の径方向の分散状態
を、ノズルから離れてもノズル出口における分散状態と
同様に保持し続けることができる。これによって、還元
炎領域に供給される石炭の粒子径を小さくすることがで
きるので、還元炎領域におけるＮＯｘの還元反応は促進
され、ＮＯｘ濃度を低減できる。

【００５６】

【実施例】以下、本発明の微粉炭バーナの実施例につい
て説明する。ただし、本発明はこの実施例に限定される
ものではない。

【００５７】〔実施例１〕 （ｉ）バーナの構造 図１と図２に示した微粉炭バーナについて説明する。図
１は微粉炭バーナの中心軸を含む断面図である。図２は
図１に示した微粉炭バーナを火炉１００側から見た側面
図である。本実施例の微粉炭バーナは、バーナ中心部に
取り付けられた微粉炭ノズル１０２と，微粉炭ノズル１
０２と同心円状に配置された二次空気１０６を供給する
二次空気ノズル１０３と，二次空気ノズル１０３の外周
に取り付けられた三次空気１０７を供給する三次空気ノ
ズル１０４とから構成される。微粉炭ノズル１０２は一
次空気（搬送空気）と石炭粒子との混合気１０５を供給
する。二次空気ノズル１０３と三次空気ノズル１０４
は、ウィンドボックス101へ供給された燃焼用空気を火
炉１００へ供給する流路である。

【００５８】微粉炭ノズル１０２は、一次スロート１１
１を外壁とする管状の流路である。本実施例の微粉炭バ
ーナの場合、火炉１００の内壁に取り付けられた水管
（図示せず）を予熱するための助燃用のオイルガン１０
８が微粉炭ノズル１０２の中心部に取り付けられてい
る。微粉炭ノズル１０２は、火炉１００から上流側に向
かうにつれて保炎器１１０と整流器１０９と分離空間１
２７と分離強化手段１１９と旋回流発生器１２０を有す
る。

【００５９】保炎器１１０は、二次空気ノズル１０３側
へ一部を突き出した円盤状の部材と、前記円盤状の部材
の外周端に接続されて火炉側に向かうにつれて径の大き
くなるコーン部材と、前記円盤状の部材の内周端に接続
されるとともに円周方向に配置された矩形をなす複数枚
の突起１２６から構成される。

【００６０】整流器１０９は、オイルガン１０８を中心
に放射状に配置された、石炭粒子の流れ方向に幅を有す
る複数枚の板状部材で構成される。図２に示した例で
は、板状部材と突起１２６とが同一で投影する位置関係
に配置されている。

【００６１】分離空間１２７は、オイルガン１０８を内
周壁とし一次スロート１１１を外周壁とする円環状の流
路である。

【００６２】分離強化手段１１９は、流速の旋回成分が
下流に向かって変化する手段を有する。図１に示した微
粉炭バーナの分離強化手段１１９の一例は、ベンチュリ
の形状をなし、流路が下流に向かうにつれて減少する縮
流部と、流路が一定となる環状部と、流路が下流に向か
うにつれて増加する拡大部とから構成される。

【００６３】旋回流発生器１２０は、少なくとも二つの
流入口より石炭粒子を流入させて旋回流１２１を発生す
る手段を有する。このためには、石炭粒子を一次スロー
ト１１１の接線方向から旋回流発生器１２０に流入さ
せ、しかも複数箇所から流入させるようにするのがよ
い。このようにした場合、接線方向へ石炭粒子を供給す
るノズルの本数が多く、該ノズル口径を一次スロート１
１１の半径方向へ投影した長さが一次スロート半径の１
／２より小さい条件で、一次スロート口縁における石炭
濃度分布の周方向偏差を小さくできた。一方、接線方向
へ石炭粒子を供給するノズルを狭くすると、石炭粒子を
供給するための圧力損失が増大する。これより、（該ノ
ズル口径を一次スロート半径方向へ投影した長さ）×
（該ノズルの本数）が一次スロートの半径よりも大きく
なるようにするのが望ましい。

【００６４】更に望ましい旋回流発生器１２０の一例
は、図１に示した軸流型の旋回流発生器である。この旋
回流発生器１２０は微粉炭ノズル１０２の周方向に配置
した複数枚の扇型の羽根を有しており、これらの羽根が
流路中心部の断面縮小部材（分離強化手段１１９）に固
定されている。断面縮小部材はオイルガン１０８に固定
されている。

【００６５】二次空気ノズル１０３は、一次スロート１
１１を内周壁とし二次スロート112を外周壁とする円環
状の流路である。二次空気ノズル１０３はレジスタベー
ン１１６を介してウィンドボックス１０１へ接続されて
いる。

【００６６】レジスタベーン１１６は、二次空気１０６
を旋回流で供給する。このレジスタベーンは半径流型の
レジスタベーンであり、流路の周方向に配した複数の板
状の羽根と、この羽根と一体的に取り付けられた支持棒
から構成される。レジスタベーン１１６の旋回流の強度
は、図に示されていない駆動装置によって羽根の角度を
変えて調整される。

【００６７】三次空気ノズル１０４は、二次スロート１
１２を内周壁とし、三次スロート１１３を外周壁とする
円環状の流路である。三次空気ノズル１０４は、レジス
タベーン１１４を介してウィンドボックス１０１へ接続
されている。

【００６８】レジスタベーン１１４は、三次空気１０７
を旋回流で供給する。このレジスタベーンは半径流型の
レジスタベーンであり、流路の周方向に配した複数の板
状の羽根と、この羽根と一体的に取り付けられた支持棒
から構成される。レジスタベーン１１４の旋回流の強度
は、図に示されていない駆動装置によって羽根の角度を
変えて調整される。なお、符号の１１５及び１１７はい
ずれも支持板を示し、１１８は側壁を示している。

【００６９】（ii）作用 旋回流発生器１２０は、少なくとも二つの流入口を有し
ているので、旋回流が微粉炭ノズル内の周方向に一様に
形成される。石炭粒子はこの旋回流によって運ばれるか
ら、石炭粒子と搬送空気は微粉炭ノズル１０２の周方向
に一様に分散することができる。

【００７０】旋回流発生器は、旋回流で発生させた遠心
力を粒子に与えることができる。遠心力は、流れの変化
で発生する慣性力よりも大きいので、分離限界粒子径を
小さくすることができる。本実施例の旋回流発生器を採
用した場合には、５０μｍ以上の粒径の石炭粒子を一次
スロートの口縁部へ供給することができた。これは、主
流の方向を単に変化させる慣性による分離方法に較べて
分離限界粒子径を４０％低減したことになった。

【００７１】このように、石炭粒子を旋回流で供給する
方法を採用することによって、還元炎領域へ供給される
石炭粒子は従来よりも小さくなるので、石炭粒子はより
反応しやすくなり、低ＮＯｘ燃焼を達成できる。更に、
一次スロート口縁の石炭濃度もより高くなるので、石炭
の着火能力が高くなり、燃料希薄な操作条件においても
安定な火炎を形成できる。

【００７２】分離強化手段１１９は、流速の旋回成分を
下流に向かって減衰させる手段を有するので、大きな粒
子ほど旋回流による遠心力と粒子の慣性力を強く作用さ
せることができる。第１の実施例による分離強化手段１
１９は旋回流発生器１２０の下流側の微粉炭ノズルの流
路断面積が下流側に向かって次第に大きくする形状であ
る。このようにすると、流路断面積の比較的小さな部分
は旋回方向の速度成分の大きな流れを発生することがで
きるので、石炭粒子は旋回方向の速度成分を高めて微粉
炭ノズルの内部に供給される。旋回流による遠心力は相
対的に大きな粒子ほど強く作用するので、このような粒
子は微粉炭ノズルの外周側の壁面に近い領域に集められ
る。更に、石炭粒子に働く慣性力は比較的大きな粒子ほ
ど大きいから、気体の旋回方向の速度成分が下流に向け
て小さくなる領域で、比較的大きな粒子と気体の速度差
は大きくなる。この速度差によって、より多くの粒子が
微粉炭ノズルの外周壁面に近い領域に集まることができ
る。

【００７３】分離空間１２７は、粒子が旋回流で流れる
滞留時間を調整することができる。これによって、微粉
炭ノズル１０２の中心部を流れる粒子１２２において相
対的に大きな粒子を微粉炭ノズル１０２の外周に近い領
域を流れる粒子１２３と一体的に供給することができ
る。これによって、微粉炭ノズル１０２の下端における
石炭粒子の粒径は、微粉炭ノズル１０２の中心部におい
て相対的に粒子径の小さい微粒１２５となり、内周壁近
傍において相対的に大きな粗粒１２４となる。第一の実
施例の場合、中心部の粒子１２２から外周部の粒子１２
３へ移動する粒子は６０μｍ以上の粒子であった。

【００７４】整流器１０９は、分離空間１２７における
流速の旋回成分の抵抗体として作用して旋回方向の速度
成分を減衰させて直進流に変換させるので、石炭粒子を
火炉へ直進流で供給することができる。これによって、
火炉へ供給された石炭粒子が径方向へ拡散することによ
って生ずる燃焼用空気と石炭粒子の混合を抑制すること
ができるので、還元炎領域が火炎の内部に良好に形成で
きる。

【００７５】第一の実施例における微粉炭ノズル１０２
の口縁における石炭濃度と速度の径方向の分布を図３に
示す。濃度と速度は流路全体の平均値で規格化してお
り、この規格化した値が１になることは微粉炭ノズル１
０２が石炭粒子を流路全体に渡って一様に供給している
ことを示している。また、半径方向の距離は微粉炭ノズ
ル１０２の半径で規格化した。第一の実施例の微粉炭バ
ーナによれば、規格化した径方向の距離が０.６ よりも
大きな領域で相対的に高濃度の石炭粒子を相対的に速い
速度で供給することができる。

【００７６】保炎器は、高濃度で供給される石炭粒子を
巻き込んで着火させるので、微粉炭バーナ近傍における
石炭粒子の燃焼を高めることができる。

【００７７】（iii）効果 図４及び図５に微粉炭ノズルの出口における石炭の濃度
分布を示す。石炭粒子には、７５μｍ以下の粒子の重量
が８０％の粒径分布を有するものを用い、少なくとも二
つの流入口を旋回流発生器に持つ本実施例の濃度分布
（図４）と、特開平3−241208 号公報に記載された一つ
の流入口を持ついわゆるサイクロンによって旋回流を発
生させた場合の濃度分布（図５）とを比較した。石炭濃
度は、平均濃度を１とし、この濃度との相対値として示
した。例えば、濃度１.２ とは、平均濃度よりも２０％
高い濃度の石炭が流れていることを示す。本実施例の微
粉炭ノズルの場合、等濃度曲線は同心円状をなしてお
り、石炭濃度は周方向に偏差を持たずに供給されてい
る。これに対し、サイクロンによる方法の場合には、等
濃度曲線は同心円状に形成されておらず、ノズルの一部
で濃度が高くなっている。例えば、ノズルの外周壁の近
くの濃度は１.８と１.０に較べて８０％の差が認められ
る。

【００７８】両者の差は、旋回流の発生のさせ方によ
る。即ち、旋回流発生器には少なくとも二つの流入口か
ら石炭を投入し、これによって旋回流を発生させること
により、石炭粒子はノズル内で一様に分散するようにな
る。一つの流入口を持つサイクロンによって旋回流を発
生させる場合には、石炭粒子と空気の噴流はサイクロン
の内壁を一本の筋状に流れる。この筋が石炭濃度の高い
位置に相当するため、微粉炭ノズル口縁における石炭濃
度の周方向の不均一さが生ずる。低負荷でバーナを運用
する場合、石炭濃度は希薄になるが、微粉炭ノズル口縁
で最も希薄な処から火炎が失火する。従って、周方向に
濃度の偏差が少ない本実施例の方が、より低負荷まで火
炎を保炎器に保持できる。

【００７９】分離強化手段１１９を旋回流発生器１２０
の下流に設けることによって、粒子を燃料ノズル１０２
の内壁に近い領域へ集める能力を高めることができる。

【００８０】分離空間１２７は、微粉炭ノズル１０２の
中心部を流れる相対的に大きな粒子を該ノズルの内壁に
近い領域へ移動させることができるので、石炭粒子の平
均粒径はノズルの内壁ほど大きくなる。

【００８１】整流器１０９は、分離空間１２７における
流速の旋回成分の抵抗体として作用して旋回流の速度成
分を減衰して直進流に変換するので、石炭粒子を火炉１
００へ直進流で供給することができる。これによって、
微粉炭の径方向への拡散は抑制され、還元炎領域が火炎
の内部に良好に形成できるので、石炭の燃焼で生ずるＮ
Ｏｘ濃度を低減することができる。

【００８２】第一の実施例の微粉炭バーナにおいて、整
流器１０９の有無によるＮＯｘ濃度を測定した。石炭粒
子が旋回流で火炉１００へ供給される場合、理論空気量
の１０％多い空気を供給する空気過剰率の条件における
ＮＯｘ濃度は、整流器無しの場合には４５０ppm である
のに対し、整流器１０９を取り付けた場合のＮＯｘ濃度
は同じ空気過剰率で３００ppm の性能を示した。

【００８３】更に整流器１０９は噴流を直進流に変換し
て供給するので、微粉炭ノズル102の下端における流速
分布に火炉１００から微粉炭ノズルに向かう逆向きの流
れを作ることもなく、かつ、微粉炭の火炎が伝播する速
度よりも低い流速の領域を作ることもない。これによっ
て、火炉１００の火炎が微粉炭ノズル１０２の内部へ伝
播するために生ずるバーナの焼損を回避できる。

【００８４】図６に、バーナ負荷と火炎輝度の関係を示
す。バーナ負荷とは、定格の燃料供給量に対する燃料
（石炭）の供給割合を示しており、火炎輝度はバーナ負
荷100％時の火炎輝度を１００とした相対値で示してい
る。慣性を利用して一次スロート口縁へ石炭を供給した
従来例の場合には、石炭の供給量を少なくしてバーナ負
荷を低減したときに不安定な火炎になるために火炎の輝
度は低下し、バーナ負荷が３５％の条件で失火の状態に
なる。これに対し、本実施例の場合には、バーナ負荷１
５％まで安定な火炎を形成することができる。

【００８５】第一の実施例における微粉炭バーナは図３
に示した濃度と速度で微粉炭を供給することができるの
で、保炎器１１０近傍を流れる微粉炭の濃度は高くな
り、バーナ近傍における微粉炭の燃焼量を高めることが
できる。この領域を高温化することによって同時に還元
炎領域の温度も高まるので、還元炎領域における熱分解
反応の促進によってＮＯｘの還元が促進される。

【００８６】〔実施例２〕 （iv）バーナの構造 第二の実施例について説明する。図７は、第二の実施例
の微粉炭バーナの断面図である。

【００８７】第二の実施例のバーナは、微粉炭ノズル１
０２の整流器の位置に、微粉炭ノズル１０２と同心状に
分配器１３０を取り付けている。この分配器１３０は、
微粉炭ノズル１０２を分配器１３０の内部を流れる内管
１３１と外部を流れる外管１３２に分割する。

【００８８】整流器は、分配器１３０によって径方向に
分割されるので、内管１３１に位置した整流器１０９ａ
と、外管１３２に位置した整流器１０９ｂとに分割され
る。分離空間における粒径操作を効果的に達成するに
は、分配器１３０で微粉炭ノズル１０２を同心状に分割
した後に、整流器１０９を配置するのがよい。

【００８９】（ｖ）作用 分配器１３０は、分離空間１２７で微粉炭ノズル１０２
の内壁側を流れる粗粒１２４と中心部を流れる微粒１２
５へ分離した微粉炭の流れを該ノズルの下端まで保持す
る。

【００９０】整流器１０９ａは、分配器１３０の内管１
３１へ供給される一次空気と石炭粒子の混合気の噴流の
旋回流を直進流へ変換する。

【００９１】整流器１０９ｂは、分配器１３０の外管１
３２へ供給される一次空気と石炭粒子の混合気の噴流の
旋回流を直進流へ変換する。

【００９２】（vi）効果 分配器１３０は、粗粒１２４と微粒１２５に分離した粉
体が乱流の作用によって次第に混合することを抑制する
ので、微粉炭ノズル１０２の下端における外管１３２に
おける石炭濃度を第一の実施例よりも高くすることがで
き、内管１３１における石炭濃度を第一の実施例よりも
低くすることができる。図９に分配器による効果を示
す。

【００９３】第二の実施例を用いて石炭を燃焼したとき
のＮＯｘ濃度について説明する。図１０は内管１３１か
ら微粉１２５を供給し、外管１３２から粗粉１２４を供
給した時のＮＯｘ濃度を、内管１３１と外管１３２の空
気比を変えて測定した結果を示す。ここで、空気比とは
石炭粒子を完全に燃焼するのに要する空気流量に対する
一次空気流量の割合を示す。図１０で燃焼した時の微粉
１２５は５３μｍ以下の粒径分布の石炭粒子であり、粗
粉１２４は１００μｍ以下の粒径分布の石炭粒子であ
る。図１１に示す１００μｍ以下の粒径分布を持つ石炭
粒子を内管１３１と外管１３２から供給した時のＮＯｘ
濃度と比較すると、内管１３１から微粉１２５を供給す
ることによってＮＯｘ濃度は約２０％低減すると共に、
ＮＯｘを低減できる内管１３１と外管１３２の空気比の
条件を広くできる。これは、内管１３１から供給される
微粉１２５が主として還元炎領域へ供給されるためであ
る。即ち、微粉１２５は粗粉１２４に比べて反応性に富
み、酸素を消費した還元炎領域においても二酸化炭素や
水によって熱分解される固体成分の量が微粉１２５ほど
多いため、酸化炎領域から混合する気体による還元炎雰
囲気の形成を抑制する現象を緩和できるので、還元炎領
域におけるＮＯｘの還元反応を促進できるからである。

【００９４】第二の実施例の微粉炭バーナにおける旋回
流発生器１２０を図８に示す。この旋回流発生器１２０
は、円錐の形状をなすコーン１４０と，コーン１４０の
下流側に位置し下流に向けて流路面積の拡大するディフ
ューザの間に位置した半径流型の旋回流発生器である。
旋回流発生器１２０は、流路の周方向に配した複数の板
状の羽根と、この羽根と一体的に取り付けられた支持棒
から構成される。支持棒はコーン１４０とディフューザ
によって支持されており、図示されていない駆動装置に
よって羽根の角度を変えることができる。

【００９５】第二の実施例の旋回流発生器１２０は、石
炭粒子を一次スロート１１１の内周面に供給した後に、
石炭粒子と一次空気に旋回流を与えることができるの
で、分離空間１２７の一次スロート内周面へ供給される
石炭濃度を高めることができる。これによって、外管１
３２から供給される石炭濃度は図７に示す構造の旋回流
発生器１２０よりも高くなるので、保炎器１１０におい
て燃焼する石炭の割合が増えて還元炎領域の温度を高め
るので、ＮＯｘの還元反応を促進して低ＮＯｘ燃焼を達
成できる。

【００９６】〔実施例３〕 （vii）バーナの構造 第三の実施例について説明する。図１２は第三の実施例
の微粉炭バーナの微粉炭ノズルのみを示した断面図であ
り、図１３は第三の実施例の旋回流発生器120の鳥瞰図
である。

【００９７】第三の実施例のバーナは、旋回流発生器１
２０の旋回強度を変える手段と，石炭粉砕器１５４の粉
砕量を変える手段と，粉砕された石炭粒子を搬送する空
気の流量を変える手段を有し、石炭の供給量の指令に基
づいて旋回強度を変える手段と粉砕量を変える手段と空
気流量を変える手段を制御する手段を有する。

【００９８】旋回強度を変える手段の一例は、旋回流発
生器１２０の上流側に旋回流発生器１２０と一体的に取
り付けられた支持棒１５１と，支持棒１５１を支えるサ
ポート１５０と、支持棒１５１を駆動する駆動機１５２
から構成される。支持棒151は制御機１５３の指令を受
けて駆動機１５２によって支持棒１５１の軸芯を中心に
回転する。サポート１５０は、支持棒１５１の回転を支
えると共に、支持棒１５１の外周面を経て燃料ノズル１
０２の系外へ微粉炭が流出するのを防止する。

【００９９】粉砕量を変える手段は制御機１５３の負荷
指令を受けて粉砕機１５４へ供給する石炭量を変える。

【０１００】空気流量を変える手段は、粉砕機１５４へ
供給する一次空気の配管に設けた流量調節弁１５５の開
度によって一次空気流量を調節する。

【０１０１】制御機１５３は、旋回流発生器１２０の回
転数と、粉砕機１５４の石炭粉砕量と、流量調節弁１５
５の開度を調節する。

【０１０２】（viii）作用と効果 第三の実施例の微粉炭バーナの動作を図１４を用いて説
明する。図１４はバーナ負荷に対する旋回流発生器１２
０の旋回羽根の回転数と粉砕機１５４の粉砕量と流量調
節弁１５５の操作量の関係を示す。前記操作量は操作量
の最大値を100％とした開度で示す。

【０１０３】第三の実施例の微粉炭バーナの負荷が１０
０％から５０％の領域では、旋回羽根の回転数の開度を
一定にし、粉砕量と流量調節弁の開度は負荷と共に減少
させる。即ち、旋回流発生器１２０の旋回強度を保った
まま、石炭の流量と一次空気の流量との比率を一定にし
て運転する。

【０１０４】微粉炭バーナの負荷が５０％以下の領域で
は、一次空気の配管内における粒子の沈降を防ぐ最低流
速の制約により、流量調節弁の開度は一定に保たれ、一
次空気流量はバーナ負荷によらず一定量流れる。粉砕量
の開度はバーナ負荷と共に減少する。一方、旋回羽根の
回転数の開度はバーナ負荷を減少させると共に高くな
り、微粉炭ノズル１０２の内部における旋回強度を強く
する。

【０１０５】旋回流発生器１２０の旋回羽根の回転数の
開度が増加すると、分離空間１２７における一次空気の
旋回強度が増加する。一次空気の旋回強度が増加すれ
ば、石炭粒子も旋回流で供給されるので、分離空間１２
７における中心部の粒子１２２の中で相対的に大きな粒
子が外周部の粒子１２３と一体的に一次スロート１１１
の内周壁の近傍から粗粒１２４として供給される。一
方、中心部の粒子１２２から供給された微粒１２５は一
次スロート１１１の中心部から供給される。

【０１０６】中心部の粒子１２２から粗粒１２５へ供給
される粒子の量は旋回羽根の回転数の開度を高めるにつ
れて多くなる。これによって、バーナ負荷が５０％以下
で一次空気に占める石炭流量の少ない条件においても、
粗粒１２４の石炭濃度を６０％以上のバーナ負荷の条件
における石炭濃度に近くすることができる。このため、
油などの助燃用の燃料を必要としたバーナの負荷を従来
よりも低負荷側へ移動することができ、石炭専焼するバ
ーナ負荷の帯域が広がるので、助燃用の油の使用量を少
なくすることができる。

【０１０７】〔実施例４〕第四の実施例について説明す
る。図１５は第四の実施例の微粉炭バーナの分配器の断
面図であり、これ以外の微粉炭バーナの構造は第一から
第三の実施例に示したバーナの構造と同じである。

【０１０８】第四の実施例の微粉炭バーナは、一次スロ
ート１１１の内部に配した分配器１３０に微粉炭ノズル
１０２の下端における速度分布を調整する機能を設けた
点にある。第四の実施例の一例では、図１５に示すよう
に分配器１３０を流路方向に位置した速度調節部１６０
と軸流部１６１の二つの領域に分割している。

【０１０９】図１５の場合には、分配器１３０の上流側
における一次空気の速度が一次スロート１１１の内周壁
へ近付くにつれて高くなる分布を示し、この速度分布を
分配器１３０の下流側で均一にする目的で分配器１３０
の形状を決定した。

【０１１０】即ち、速度調節部１６０は円錐状の形状を
なし、円錐状の速度調節部１６０によって作られる内管
１３１の流路断面積が小さくなるように設定されてい
る。

【０１１１】軸流部１６１は円筒状の形状をなし、この
円筒が一次スロート１１１と同心状に位置する。円筒に
よって作られる内管１３１の流路断面積は流路方向によ
らず一定である。

【０１１２】一次スロート１１１の下端における石炭濃
度と速度の半径方向の分布を図１６に示す。速度調節部
１６０の外周側の流路の断面積は下流に向けて大きくな
るので、この流路を流れる一次空気の流速を下げること
ができる。速度調節部１６０の内周側の断面積は下流に
向けて小さくなるので、この流路を流れる一次空気の速
度を高めることができる。これによって、一次空気の噴
出速度は一次スロート１１１の下端の径方向で一様な値
にすることができる。一方、石炭濃度は分配器１３０へ
流入する石炭粒子と一次空気流量の割合で決定するの
で、分離空間127によって形成された粗粒１２４が流入
する外管１３２の石炭濃度は内管１３１よりも高くする
することができる。

【０１１３】第四の実施例における分配器１３０は分配
器１３０の含軸断面の形状を変えることによって石炭濃
度と速度を独立に変えることができる。本実施例で示し
たような外管１３２と内管１３１から供給される二つの
噴流の速度差を小さくする場合、両者の噴流の混合は最
も抑制されるので、内管１３１から供給される微粒１２
５をより保存して還元炎の領域へ供給することができ
る。微粉１２５は体積当りの表面積が大きいために、還
元炎領域においても二酸化炭素や水と反応し易く、ＮＯ
ｘを還元する前駆物質を発生させるので、低ＮＯｘ燃焼
を達成できる。 （実施例５）第五の実施例の微粉炭ボイラ発電システム
について図１７を用いて説明する。この実施例の発電シ
ステムは、石炭を燃焼する火炉２００と，火炉に取り付
けた本発明の微粉炭バーナ２０１と，アフタエアポート
２０２と，微粉炭バーナとアフタエアポートへ空気を供
給する空気供給系統２０９と，石炭粉砕器２０３と，石
炭の火炎で発生した熱を吸収する伝熱管２０６と，伝熱
管で発生した蒸気によって発電するための蒸気タービン
２０７と発電機２０８とから構成されている。

【０１１４】単位時間に５０００ＭＷの発電を行う能力
を持つ微粉炭ボイラ発電システムの場合、火炉２００の
両側に取り付けられた微粉炭バーナは、火炉の高さ方向
に３段，火炉の奥行き方向に４列、配置されている。ま
た、アフタエアポートは、最上段の微粉炭バーナよりも
更に上段に取り付けられている。石炭粉砕器２０３によ
って、石炭は７５μｍ以下の粒径を持つ微粉炭の重量割
合が６０％から９０％の間になるように粉砕され、搬送
空気によって微粉炭バーナへと搬送される。

【０１１５】石炭の燃焼に用いられる空気は、空気供給
系統２０９から供給され、空気流量調節弁２０４，２０
５によってその流量を調節される。

【０１１６】蒸気２１１は、火炉の内壁を構成する伝熱
管で加熱された後、火炉の流路内部に取り付けられた複
数の伝熱管２０６によって加圧蒸気に変換される。蒸気
タービン２０７は、前記の加圧蒸気によって発電機２０
８を駆動して発電する。

【０１１７】本実施例の運転方法の一例を図１８に示
す。図１８は、微粉炭ボイラ発電システムの発電負荷を
１７％から１００％へ変化させる場合の各微粉炭バーナ
の負荷特性を経時変化で示す。図１８の（イ）は従来の
バーナを使用した例を示し、（ロ）は本発明のバーナを
使用した実施例を示す。従来例の場合、微粉炭バーナ２
０１ａと２０１ｄを５０％の負荷で運用し、負荷を１０
０％へ上昇させ、順次、微粉炭バーナ２０１ｂと２０１
ｅ，微粉炭バーナ２０１ｃと２０１ｆを起動する手順を
踏む。

【０１１８】これに対し、本発明の微粉炭バーナを使用
した場合には、従来よりも低負荷でも石炭だけで燃焼さ
せることができるため、発電負荷１７％の状態で、微粉
炭バーナ２０１ａと２０１ｄと２０１ｂと２０１ｅを２
５％の負荷で運用することができる。従って、微粉炭ボ
イラ発電システムの発電負荷を１００％へ向上させるに
は、微粉炭バーナ２０１ｃと２０１ｆを起動させればよ
いことになる。

【０１１９】このため、石炭粉砕器２０３の負荷変化率
を同じ条件で比較すると、本実施例で負荷１００％まで
要する時間は、従来の２／３ですむことになる。即ち、
微粉炭ボイラ発電システムの負荷変化率を従来の１.５
倍に高めることができる。

【０１２０】更に、微粉炭バーナを起動停止する場合、
石炭粉砕器２０３の起動停止を伴う空気や石炭の投入が
生じ、一酸化炭素や窒素酸化物の排出量が一時的に変化
しやすくなる。しかし、本実施例を適用すると、石炭粉
砕器２０３の起動停止の回数を減らすことができるの
で、一酸化炭素や窒素酸化物の排出量を安定に制御する
ことができるようになる。

【０１２１】

【発明の効果】本発明によれば、ＮＯｘ濃度を低減でき
る微粉炭バーナを提供することができる。また、微粉炭
のみで燃焼できるバーナの負荷を広くすることによって
油などの助燃材の使用量を少なくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による微粉炭バーナの一実施例を示す断
面図である。

【図２】図１のバーナを火炉側から見た側面図である。

【図３】本発明の実施例によるバーナの微粉炭ノズルの
口縁における石炭濃度と速度の径方向の分布を示す線図
である。

【図４】本実施例によるバーナの微粉炭ノズルの出口に
おける石炭濃度分布を示す図である。

【図５】従来のバーナの微粉炭ノズルの出口における石
炭濃度分布を示す図である。

【図６】バーナ負荷と火炎輝度との関係を示すグラフで
ある。

【図７】第二の実施例による微粉炭バーナの断面図であ
る。

【図８】第二の実施例における旋回流発生器の側面図で
ある。

【図９】分配器の石炭濃度の及ぼす効果を示すグラフで
ある。

【図１０】微粉炭ノズル内を二つの流路に分割し内管に
微粉を供給し、外管に粗粉を供給した時のＮＯｘ濃度を
空気比を変えて示した図である。

【図１１】微粉炭ノズル内の内管と外管に同じ粒径の石
炭粒子を供給したときのＮＯｘ濃度を空気比を変えて示
した図である。

【図１２】第三の実施例の微粉炭バーナにおける微粉炭
ノズル部分の断面図である。

【図１３】第三の実施例の旋回流発生器を示す鳥瞰図で
ある。

【図１４】バーナ負荷に対する旋回流発生器の旋回羽根
の回転数と石炭粉砕機の粉砕量と流量調節弁の操作量の
関係を示すグラフである。

【図１５】第四の実施例の微粉炭バーナにおける分配器
の断面図である。

【図１６】第四の実施例のバーナを用いたときの石炭濃
度と石炭と搬送空気の混合気噴流の速度の関係を示す線
図である。

【図１７】本発明のバーナを具備するボイラ発電システ
ムの概略構成図である。

【図１８】（イ）及び（ロ）ともに、ボイラ発電システ
ムにおける各微粉炭バーナの負荷特性を経時変化で示し
たグラフである。

【符号の説明】

１０２…微粉炭ノズル、１０３…二次空気ノズル、１０
４…三次空気ノズル、１０５…一次空気と微粉炭の混合
気、１０６…二次空気、１０７…三次空気、１０８…オ
イルガン、１０９…整流器、１１０…保炎器、１１９…
分離強化手段、１２０…旋回流発生器、１２１…旋回
流、１２７…分離空間、１３０…分配器、１３１…内
管、１３２…外管、１５１…支持棒、１５２…駆動機、
１５３…制御機、１５４…粉砕機、１５５…流量調節
弁、１６０…速度調節部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 豪 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 岡▲崎▼ 洋文 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 森田 茂樹 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】石炭粒子と搬送用空気との混合物を直進流
   で噴出する微粉炭ノズルの外周に燃焼用空気を旋回流に
   して噴出する少なくとも一つの空気ノズルを同心状に備
   えた微粉炭燃焼バーナにおいて、前記石炭粒子と搬送用
   空気との混合物を旋回させる旋回流発生手段と該旋回流
   発生手段によって形成された旋回流を直進流に変える整
   流手段とを備え、該旋回流発生手段における石炭粒子と
   搬送用空気との混合物の供給口を旋回方向の複数箇所に
   備えたことを特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記微粉炭ノズル内に
   複数の羽根を有する旋回流発生手段を備え、該旋回流発
   生手段における石炭粒子と搬送用空気との混合物の供給
   口を羽根と羽根との間に設け且つ複数箇所に設けたこと
   を特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
3. 【請求項３】請求項１において、前記微粉炭ノズルの後
   端側壁面の複数箇所の接線方向に石炭粒子と搬送用空気
   との混合物の供給口を備え、該混合物が接線方向から供
   給されることによって旋回流が形成されるようにしたこ
   とを特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれか一つにおい
   て、前記整流手段として、石炭粒子と搬送用空気との混
   合物の旋回を妨げる抵抗体を設けたことを特徴とする微
   粉炭燃焼バーナ。
5. 【請求項５】請求項４において、前記抵抗体として、前
   記微粉炭ノズル内に複数の板状部材を放射状に設けたこ
   とを特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
6. 【請求項６】請求項１ないし５のいずれか一つにおい
   て、前記旋回流発生手段と前記整流手段との間に、旋回
   流に含まれる石炭粒子のうちの相対的に小さな微粒子を
   ノズル内中央部に慣性力によって移動させるのに充分な
   空間を設けたことを特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
7. 【請求項７】石炭粒子と搬送用空気との混合物を直進流
   で噴出する微粉炭ノズルの外周に燃焼用空気を旋回流に
   して噴出する少なくとも一つの空気ノズルを同心状に備
   えた微粉炭燃焼バーナにおいて、前記石炭粒子と搬送用
   空気との混合物を旋回させる旋回流発生手段と，該微粉
   炭ノズル内を出口方向に向かって流れる該混合物の旋回
   流の強さを次第に弱める手段と，該旋回流を直進流に変
   える整流手段とを備え、該旋回流発生手段における石炭
   粒子と搬送用空気との混合物の供給口を旋回方向の複数
   箇所に備えたことを特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
8. 【請求項８】請求項７において、前記石炭粒子と搬送用
   空気との混合物の旋回流の強さを弱める手段として、前
   記微粉炭ノズルの流路断面積を下流側に向かって拡大す
   る手段を備えたことを特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
9. 【請求項９】請求項８において、前記流路断面積拡大手
   段として、前記微粉炭ノズルの軸中心部に円錐状をなし
   円錐の頂部が下流側を向けた部材を配置したことを特徴
   とする微粉炭燃焼バーナ。
10. 【請求項１０】石炭粒子と搬送用空気との混合物を直進
    流で噴出する微粉炭ノズルの外周に燃焼用空気を旋回流
    にして噴出する少なくとも一つの空気ノズルを同心状に
    備えた微粉炭燃焼バーナにおいて、前記石炭粒子と搬送
    用空気との混合物を旋回させる旋回流発生手段と，該微
    粉炭ノズル内を出口方向に向かって流れる該混合物の旋
    回流を複数個の環状の流れに分割する分配手段と，該分
    配手段によって複数の流れに分割された旋回流を直進流
    へ変換する整流手段とを備え、該旋回流発生手段におけ
    る石炭粒子と搬送用空気との混合物の供給口を旋回方向
    の複数箇所に備えたことを特徴とする微粉炭燃焼バー
    ナ。
11. 【請求項１１】石炭粒子と搬送用空気との混合物を直進
    流で噴出する微粉炭ノズルの外周に燃焼用空気を旋回流
    にして噴出する少なくとも一つの空気ノズルを同心状に
    備えた微粉炭燃焼バーナにおいて、前記石炭粒子と搬送
    用空気との混合物を旋回させる旋回流発生手段と，該微
    粉炭ノズル内を出口方向に向かって流れる該混合物の旋
    回流の強さを次第に弱める手段と，前記微粉炭ノズルの
    噴出口近傍にて該旋回流を複数個の環状の流れに分割す
    る分配手段と，該旋回流を直進流に変える整流手段とを
    備え、該旋回流発生手段における石炭粒子と搬送用空気
    との混合物の供給口を旋回方向の複数箇所に備えたこと
    を特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
12. 【請求項１２】請求項１０又は１１において、該分配手
    段として、該微粉炭ノズル内に該ノズルと軸心を同じに
    する少なくとも一つの筒状部材を設けたことを特徴とす
    る微粉炭燃焼バーナ。
13. 【請求項１３】請求項１２において、前記筒状部材の筒
    の内径及び外径をほぼ一定にし、微粉炭ノズルの上流側
    に位置する該筒状部材の外面に傾斜を設けたことを特徴
    とする微粉炭燃焼バーナ。
14. 【請求項１４】請求項１２において、前記筒状部材の筒
    の内径及び外径を上流側で大きくし下流側で小さくする
    ことによって該筒状部材の下端における微粉炭と搬送空
    気との混合物の流速を筒の内外でほぼ等しくしたことを
    特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
15. 【請求項１５】請求項１ないし１４のいずれかにおい
    て、前記旋回流発生手段で発生させる旋回流の強さを変
    える手段を備えたことを特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
16. 【請求項１６】請求項１５において、前記微粉炭ノズル
    内に複数の羽根を有する旋回流発生手段を備え、該羽根
    の傾きを変えることによって旋回流の強さが変えられる
    ようにしたことを特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
17. 【請求項１７】請求項１５又は１６において、前記旋回
    流発生手段で発生させる旋回流の強さを低負荷時に大き
    くなり、高負荷時に小さくなるように変える手段を備え
    たことを特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
18. 【請求項１８】請求項１ないし１７のいずれかにおい
    て、前記微粉炭ノズル内にオイルバーナを備えたことを
    特徴とする微粉炭燃焼バーナ。
19. 【請求項１９】石炭を燃焼するボイラ火炉の壁面の高さ
    方向複数箇所に微粉炭燃焼バーナを設け、該バーナより
    も上段にアフタエアポートを設け、該火炉内に石炭の燃
    焼によって発生した熱を吸収して蒸気を発生させる伝熱
    管を設け、該伝熱管で得られた蒸気によって発電する蒸
    気タービンと発電機を設け、更に発電負荷が小さいとき
    には前記微粉炭燃焼バーナのうち上段バーナのみを運用
    し発電負荷が大きくなるにつれて中断及び下段バーナへ
    と運用を拡げていくバーナ制御装置を設け、前記微粉炭
    燃焼バーナとして、石炭粒子と搬送用空気との混合物を
    直進流で噴出する微粉炭ノズルの外周に燃焼用空気を旋
    回流にして噴出する少なくとも一つの空気ノズルを有
    し、該石炭粒子と搬送用空気との混合物を旋回させる旋
    回流発生手段と該旋回流発生手段によって形成された旋
    回流を直進流に変える整流手段と，該旋回流発生手段に
    おける石炭粒子と搬送用空気との混合物の供給口を旋回
    方向の複数箇所に備えた微粉炭燃焼バーナを具備し、こ
    れによって微粉炭ボイラ発電システムを構築したことを
    特徴とする微粉炭ボイラ発電システム。