JPH08270931A

JPH08270931A - 微粉炭燃焼装置及び燃焼方法

Info

Publication number: JPH08270931A
Application number: JP7109895A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kono; 豪河野; Yoshinobu Kobayashi; 啓信小林; Masayuki Taniguchi; 正行谷口; Hirofumi Okazaki; 洋文岡崎; Shigeki Morita; 茂樹森田
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1995-03-29
Filing date: 1995-03-29
Publication date: 1996-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】火炎内脱酸方式の微粉炭バーナによる微粉炭の
燃焼において、発生するＮＯｘを抑制できる手段を提供
する。【構成】火炎内脱酸方式の微粉炭バーナ１００の微粉炭
ノズル３内を通してそこから見える火炎の発光を採光器
１で導き、発光分析器１６で発光強度を検出して火炎の
温度４１ｂ或いは空気比４１ａを算出し、バーナへ供給
する微粉炭量或いは空気量或いは微粉炭の粒径を制御す
る。【効果】還元炎の温度或いは空気比を算出してバーナを
制御することにより、排出NOx量を低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微粉炭の燃焼装置及び
燃焼方法に係り、特に石炭焚ボイラに適用するのに好適
な燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】石炭焚ボイラは、通常、火炉の高さ方向
に複数段にわたってバーナを備え、各段に複数個のバー
ナを備えている。各段のバーナは、通常、火炉の壁面或
いは矩形の火炉のコーナー部に設置されている。そし
て、負荷にしたがい、使用するバーナの段数或いは各段
のバーナの個数が選択される。火炉の最上段のバーナの
上段には、バーナで燃焼せずに燃え残った一酸化炭素を
燃焼させるためのアフタエアポートが設けられることが
多い。

【０００３】石炭焚ボイラの如き微粉炭燃焼装置を運転
するにあたって、火炎の状態を詳しく調べ、微粉炭の量
や空気の量を制御する必要があることは云うまでもな
い。そのために、従来、フレームディテクタやビデオカ
メラを用いて火炎を検出し、火炎の位置，輝度，長さ等
の特徴量を画像処理によって抽出して燃焼状態を把握し
たり、或いは分光分析器を用いて火炎を解析したりする
ことが行われている。これらに関する刊行物には、特開
平2−306017 号公報，特開昭60−133217号公報，特開平
5−231642 号公報，特開昭60−129524号公報，特開平4
−184009 号公報，特開平2−208412 号公報，米国特許
第4435149 号明細書，米国特許第4528918 号明細書，米
国特許第4934926 号明細書等がある。火炎の発光強度か
ら空気比を演算する方法としては、Ｃ₂ラジカルとＣＨ
ラジカルの発光強度比から空気比を演算する方法が知ら
れている。

【０００４】微粉炭の燃焼において要求される一般的な
性質には、ＮＯｘ発生量が少ないこと、未燃分が少ない
ことがある。これらを改善するために、バーナの構造や
燃焼方式の検討がいろいろとされている。火炉の上段に
アフタエアポートを設けて二段燃焼を行うのはその１つ
であり、火炎内脱硝方式のバーナを使用するのもその１
つである。火炎内脱硝方式とは、火炎を内部の還元炎と
その周囲に形成される酸化炎との２重構造にし、火炎内
側に形成される酸素不足の還元炎を利用してＮＯｘを還
元し、外周に形成される酸素過剰の酸化炎を利用して未
燃分を少なくするものである。火炎内脱硝方式に関する
刊行物には、特開昭62−276310号公報，特公平2−59361
号公報等がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の光学的手段によ
り火炎の状態を調べる方法の多くは、火炎表面の発光強
度に基づいて火炎の温度を算出したり、空気比を演算す
るものである。火炎内脱硝方式のバーナを備えた微粉炭
燃焼装置において、この火炎表面の発光強度に基づいて
温度や空気比を算出してバーナに供給する微粉炭の量や
空気の量を制御しても、ＮＯｘ発生量を減少させる効果
は非常に乏しいことがわかった。

【０００６】従って、本発明の目的は、火炎内脱硝方式
のバーナを備えた微粉炭燃焼装置において、ＮＯｘ発生
量を少なくできる効果的な手段を備えた微粉炭燃焼装置
を提供することにある。

【０００７】本発明の他の目的は、火炎内脱硝方式のバ
ーナによる微粉炭の燃焼方法において、ＮＯｘ発生量を
少なくできる燃焼方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】火炎内脱硝方式のバーナ
による微粉炭の燃焼では、排ガス中のＮＯｘ濃度は還元
炎の温度或いは還元炎の空気比に大きく影響され、特に
還元炎の空気比により著しく影響され、ＮＯｘの発生を
抑えるようにバーナを制御するには、還元炎の空気比あ
るいは還元炎の温度を計測する必要があることを明らか
にした。本発明は、この知見に基づいている。

【０００９】本発明は、酸素不足の還元炎領域と酸素過
剰の酸化炎領域とを有する火炎を形成する微粉炭バーナ
を備えた微粉炭燃焼装置において、前記バーナによって
形成される還元炎領域の火炎温度と空気比の少なくとも
１つが設定された条件になるように該バーナに供給する
微粉炭と空気の量或いは微粉炭の粒径の少なくとも１つ
を制御する手段を備えたことを特徴とする微粉炭燃焼装
置にある。

【００１０】微粉炭を燃焼して、酸素不足の還元炎領域
と酸素過剰の酸化炎領域とからなる火炎を形成するため
に、微粉炭バーナとしては、空気で気流搬送して噴出す
る微粉炭ノズルの外周に少なくとも１つの環状の空気ノ
ズルを同心的に備えた微粉炭バーナを具備することが望
ましい。微粉炭ノズル及び空気ノズルに供給する微粉炭
の量或いは空気の量をコントロールすることによって、
該バーナにより形成される火炎内に還元炎領域と酸化炎
領域とを形成することができる。

【００１１】また、本発明は、微粉炭を空気で気流搬送
して噴出する微粉炭ノズルの外周に少なくとも１つの空
気ノズルを備えた微粉炭バーナにより微粉炭を燃焼し、
該バーナ近傍に微粉炭を完全燃焼するには酸素不足の還
元炎を形成し、該還元炎の外周に酸素過剰の酸化炎を形
成するようにした微粉炭燃焼方法において、前記還元炎
の発光から該還元炎の温度と空気比の少なくとを１つを
求め、これらの値が設定された状態になるように微粉炭
及び空気の供給条件を制御することを特徴とする微粉炭
燃焼方法にある。

【００１２】還元炎の温度と空気比の少なくとも１つを
検出するために、微粉炭ノズルの内部を通して該ノズル
から見える視野の火炎の発光を採光することが望まし
い。微粉炭ノズルの内部を通して見える火炎の視野は酸
素不足の火炎であり、この視野の火炎の発光を採光する
ことで還元炎の発光を採光することができる。

【００１３】微粉炭ノズルの内部を通して火炎の発光を
採光するために、採光器を微粉炭ノズルの内部に設ける
か或いは微粉炭ノズルの延長方向に設けることが望まし
い。特に、微粉炭ノズルの中心軸方向の該ノズルの曲が
り部外側に採光器を設けることが望ましい。微粉炭ノズ
ルの内部に採光器を設けるよりは外部に設けた方が、微
粉炭流の衝突による摩耗等の影響を受けないのでよい。
また、微粉炭ノズルの中心軸方向の曲がり部外側に採光
器を設けた方が、採光器を設置しやすいし、採光器を冷
却構造にしないで済むので有利である。また微粉炭ノズ
ルの中心軸の延長方向に採光器を設ければ火炎の発光を
採光もしやすい。

【００１４】火炎根元部から火炎先端方向に向かって微
粉炭ノズル径（Ｄ）の３倍までの距離に含まれる火炎の
発光を採光すれば、微粉炭ノズルに供給される微粉炭の
量や空気の量が変動し還元炎の大きさが変化しても、そ
れらの影響を受けることなく還元炎の発光を採光するこ
とができる。より完璧に還元炎の発光のみを採光するた
めには、火炎根元部から火炎先端方向に向かって微粉炭
ノズル径（Ｄ）の３倍まで距離の範囲内で且つ微粉炭ノ
ズルの延長方向にある領域の火炎の発光を採光すること
である。

【００１５】火炎の幅方向のほぼ中央部の発光を採光し
て該中央部の火炎の温度と空気比の少なくとも１つを算
出し、これに基づいて微粉炭バーナへ供給する微粉炭及
び空気の供給条件を制御するようにしても、火炎表面の
発光強度を検出して微粉炭量や空気量を制御するより
は、ＮＯｘの発生を抑える効果は大きい。

【００１６】火炎内脱硝方式のバーナでは、火炎を安定
化するために、微粉炭ノズルの先端部に径が外方に向け
て拡大したラッパ状のリングからなる保炎リングを設け
ているが、本発明の燃焼装置においてもそのような保炎
リングを設けることは好ましい。

【００１７】また、本発明は、微粉炭と水との混合流を
空気流と衝突させて微粉炭を霧化して噴出するアトマイ
ザ方式の微粉炭ノズルを備えたものにも適用できる。

【００１８】また、本発明において、酸化炎の発光を採
光し発光強度から酸化炎の空気比を求めて該酸化炎の空
気比が１或いはほぼ１になるように空気ノズルへ供給す
る空気量を制御する手段を設けることは好ましい。

【００１９】石炭焚ボイラでは、火炉内の水平方向に配
置された複数個のバーナをいずれも同様な条件で燃焼さ
せる場合が多い。各バーナには、いずれも微粉炭や空気
を同じように供給しているのに、還元炎の状態は異なる
場合が多い。これは主として微粉炭を供給する配管系統
の形状や配管長さの違いにより、微粉炭の量や粒径に差
が生ずることによる。各段のバーナの還元炎の状態にバ
ラツキがあると、燃焼振動や未燃分の増加などの弊害も
出てくる。本発明は、還元炎の温度或いは還元炎の空気
比から還元炎の燃焼状態を把握してバーナを制御するの
で、このような問題を生じない。

【００２０】火炎内脱硝方式のバーナによる微粉炭の燃
焼では、還元炎の輝度よりも酸化炎の輝度の方が高い。
従って、火炎の外側から火炎の発光を検出すると、酸化
炎と還元炎の発光が重畳された発光か、或いは酸化炎の
みの発光しか検出できない。このため、還元炎の空気比
を知ることができない。

【００２１】また、火炎の発光に含まれるＣ₂ラジカル
やＣＨラジカルの発光強度比から火炎の空気比を求めて
燃焼を制御する方法があるが、微粉炭燃焼では、火炎と
固体からの輻射があり、固体輻射は可視域から赤外域に
かけて連続的なスペクトルが含まれていることや、Ｃ₂
ラジカルやＣＨラジカルの発光は火炎中に含まれる微粉
炭やすす粒子により散乱，吸収されること等から、正確
な発光強度を計測する手法としては不適当である。

【００２２】火炉内の上段にアフタエアポートを配置し
てバーナ部で生じた未燃分を燃焼する二段燃焼方式の微
粉炭ボイラでは、アフタエアポート内にも火炎の発光を
採光する採光器を設けて、この部分で形成される火炎の
内部の発光を採光し、火炎内部の空気比を算出して該空
気比が１或いはほぼ１になるように空気の流量或いは旋
回強度を制御することが望ましい。

【００２３】

【作用】火炎内脱硝方式のバーナの微粉炭ノズルの内部
から見える視野の火炎の発光を微粉炭ノズル内を通して
採光することにより、還元炎の発光を検出できる。ま
た、採光した火炎の発光には、周辺の他の微粉炭バーナ
からの火炎の発光が含まれないので、そのバーナ自身の
火炎の発光を採光することができる。微粉炭ノズルの先
端に保炎リングを有するバーナでは、保炎リングの内側
に形成される火炎は還元炎しかないので、微粉炭ノズル
内の視点から保炎リングに向かって火炎を見ると、その
視野は還元炎になる。

【００２４】火炎の発光から火炎温度或いは空気比を算
出するために、採光した火炎の発光を発光分析器に導
く。そして発光強度を検出し火炎温度を算出する。算出
された火炎温度は、空気比演算器に入力する。空気比演
算器では、予め指定した炭種の組成や反応速度定数を用
いて平衡計算を行い、空気比に対する温度とガス組成の
表すなわち平衡ガス組成表を作成しておく。空気比演算
器は、この平衡ガス組成表を参照し、温度に対する空気
比を求める。得られた温度と空気比は燃焼制御手段へ入
力される。燃焼制御手段には燃料すなわち微粉炭や空気
の流量および燃料の粒径を制御する手段が含まれる。

【００２５】微粉炭燃焼では還元炎のＮＯｘ濃度は還元
炎の空気比によって決まり、空気比が小さいほどＮＯｘ
の濃度は低くなる。また微粉炭の粒径が細かいほどＮＯ
ｘの濃度を低く抑えられる。これらの関係から燃焼制御
手段では、空気比演算器から求めた空気比に対応するＮ
Ｏｘ濃度を求め、この値が設定値より大きいとき燃焼用
空気の流量を減少させるように空気流量調節手段に制御
信号を送る。また、粒径調節手段へ粒径を細かくするよ
うに信号を送る。

【００２６】発光分析器では、微粉炭ノズル内から光フ
ァイバで導かれた還元炎の発光を導いて２本のビームに
分け、二波長分析法により特定波長の発光強度比から還
元炎の温度を検出する。空気比演算器では、平衡ガス組
成表を参照し還元炎の温度に対する空気比を演算する。
検出された火炎の温度と空気比は微粉炭量演算器に入力
される。微粉炭量演算器は炭種データベースより現在燃
焼中の石炭の元素と組成，発熱量，石炭反応の頻度因子
や活性化エネルギー等から石炭の反応を計算するのに必
要な値を参照する。また、微粉炭量演算器は炭種情報に
加えて微粉炭流量計測器から微粉炭の流速を得るととも
に、粒径計測器から微粉炭粒径の値を得る。微粉炭量演
算器はこれらの情報を用いて、バーナから噴出した石炭
の燃焼過程をシミュレーションする。この際、気相の反
応速度は無限大で組成は平衡状態にあると仮定する。気
相のガス組成は平衡ガス組成表を参照して求める。微粉
炭量演算器から還元炎での燃料の燃焼量と燃焼率および
燃焼ガスと石炭の組成が計算され、石炭の燃焼量と燃焼
率から微粉炭量が推算される。微粉炭量は燃焼量を燃焼
率で除した値として計算される。

【００２７】以上のように還元炎の温度と空気比と炭種
データベースと平衡ガス組成表を基にして微粉炭量演算
器で計算した結果から微粉炭量が算出される。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００２９】図１は、ボイラの火炉内壁８に取り付けら
れた微粉炭バーナ１００に火炎の発光を採光する採光器
１を設置し、更に発光分析器１６及び燃焼制御手段３１
を設けた本発明の微粉炭燃焼装置の一実施例を示してい
る。燃焼制御手段は微粉炭バーナへ微粉炭及び空気を供
給する手段に対して制御信号を送るものである。この実
施例では、微粉炭ノズル３の曲がり部２３の外側のノズ
ル壁に採光器１を設けているが、これに限定されるもの
ではない。

【００３０】微粉炭バーナ１００の中心にある微粉炭ノ
ズル３から微粉炭と一次空気の混合物１０が火炉内に噴
出され、微粉炭ノズルの外側に同心円状に配置された二
次空気ノズル１１及び三次空気ノズル１２からそれぞれ
二次空気１１ａ，三次空気１２ａが供給される。二次空
気と三次空気にはいずれも各ノズル内に設けられた旋回
羽根９によって周方向に旋回がかけられる。微粉炭ノズ
ル３の先端には火炎を安定化するために保炎リング５が
取り付けられている。また、微粉炭ノズルの上流側の曲
がり部の壁面を貫通して助燃用油バーナ４が微粉炭ノズ
ル内の中央部に取り付けられている。微粉炭ノズルの曲
がり部の外側壁面には採光器１に火炎の発光を取り込む
ための小さな孔６５があいている。採光器は、鎖線で示
す視野の火炎の発光を前記した孔６５を通して採光す
る。採光器１には光ファイバー２１が接続されており、
採光器１で検出された発光は光ファイバー２１を経由し
て発光分析器１６へ導かれる。

【００３１】微粉炭ノズル３内に供給された微粉炭粒子
の多くは、曲がり部２３の部分でノズル壁面に衝突して
下流へ流れていく。微粉炭ノズル内に採光器を設けた場
合には微粉炭粒子の衝突により採光器が損傷を受けやす
く、微粉炭ノズルの曲がり部２３の外側壁面に採光器を
設けた場合でも、孔６５の部分から微粉炭粒子が侵入し
て採光器が摩耗により破損する恐れがある。しかし、採
光器の近傍にシール用空気６４の吹き込み口を設けてシ
ール用空気６４を微粉炭ノズル内に吹き込むことで、微
粉炭粒子が採光器側に侵入するのを防止することができ
る。採光器を微粉炭ノズル内の助燃用油バーナ４の内部
に設けることもできる。

【００３２】保炎リング５の内側には、火炉内に噴出さ
れた微粉炭と一次空気の混合物１０及び二次空気によっ
て酸素不足の還元炎６が形成される。還元炎６の外側に
は、三次空気ノズルから供給された空気によって酸素過
剰の酸化炎７が形成される。二次空気ノズル及び三次空
気ノズルからは、通常の微粉炭バーナの場合に、約４０
０℃に予熱された二次空気或いは三次空気が噴出される
が、微粉炭と予熱空気をバーナに供給しただけでは温度
が低いために着火しない。そこで、助燃用油バーナ４
が、火炉全体の予熱と燃焼開始時の微粉炭の着火のため
に用いられる。一旦、微粉炭の燃焼により火炎が形成さ
れれば、以降はその火炎からの輻射熱で微粉炭が加熱さ
れて燃焼が継続するので、助燃用油バーナは不要にな
る。

【００３３】微粉炭ノズル３により火炉内に噴出された
微粉炭は、火炎からの輻射によって急速に昇温する。石
炭の反応には、石炭中の揮発分がＨ₂やＣＯの形で放出
される熱分解反応と、石炭粒子表面の炭素が空気中の酸
素によって酸化されてＣＯ又はＣＯ₂の形で放出される
表面反応とがある。熱分解反応で放出される揮発分の速
度は昇温速度と石炭の粒径によって決まり、昇温速度が
速いほどまた粒径が細かいほど揮発分の放出速度は大き
くなる。昇温速度は微粉炭燃焼では１０⁴から１０⁵Ｋ
／ｓの値である。粒径２０μｍの粒子の昇温速度が９
００Ｋ／ｓのとき、揮発分の８０％が熱分解するのに約
２０ｍｓを要する。石炭の表面反応は石炭の表面積と表
面の温度ならびに酸素分圧によって決まり、表面積が大
きく、温度が高くかつ酸素分圧が大きいほど表面反応の
速度は大きくなる。

【００３４】熱分解反応と表面反応の速度を比べると熱
分解速度の方が圧倒的に速い。石炭が昇温されると先ず
熱分解反応が起こり揮発分が放出されつつ、表面反応に
よって石炭表面の炭素が酸化されていく。揮発分は主に
ＣＯ，ＣＯ₂，Ｈ₂，Ｈ₂Ｏとして放出され、可燃ガスで
あるＣＯとＨ₂は周囲にＯ₂があれば気相で燃焼し、それ
ぞれＣＯ₂とＨ₂Ｏになる。微粉炭の着火は、揮発分とし
て放出されたガスが気相で燃焼しておこり、その火炎が
微粉炭粒子表面に移って燃焼が継続される。熱分解反応
と表面反応は同時に進行するが、熱分解反応の方が早く
終了し、揮発分が全て放出されたのち表面反応が石炭の
表面から内部に向かって進行していく。上記した石炭の
燃焼過程により、微粉炭ノズル３から噴出された直後の
微粉炭は、火炎の輻射により昇温され、殆どの揮発分が
バーナの近傍で放出される。このとき石炭中に含まれる
窒素はＨＣＮやＮＨ₃の形で放出される。ＨＣＮとＮＨ₃
は周囲が酸化雰囲気ならばＯ₂と反応してＮＯｘにな
り、還元雰囲気ならばチャーよってＮ₂に転換される。
微粉炭燃焼で問題となるＮＯｘは、石炭中に含まれる窒
素が酸化されて生じるフューエルＮＯｘが殆どであるの
で、揮発分が放出される場所を還元雰囲気にすればＮＯ
ｘの発生を抑えられる。より多くの揮発分が還元雰囲気
中で放出されるほど石炭中に残る窒素が少なくなり、Ｎ
Ｏｘの発生量が少なくなる。揮発分の放出が不十分で、
多くの窒素を含んだままの石炭が酸化雰囲気で燃焼する
と、石炭中に残った窒素はそのまま酸化されてＮＯｘと
して放出されるため、ＮＯｘ濃度が高くなる。揮発分の
放出速度は石炭の表面積が大きいほど速くなるので、石
炭の粒径を細かくし揮発分の放出速度を速め、石炭中の
窒素の殆どが還元雰囲気で放出されるようにすればＮＯ
ｘの発生を抑えることができる。微粉炭バーナでは、還
元領域を大きくするか又は粒径を細かくすればフューエ
ルＮＯｘを抑えられる。

【００３５】酸化雰囲気や還元雰囲気を表す指標は気相
の空気比によって表される。気相の空気比は石炭から放
出された可燃性成分を完全燃焼するのに必要な理論酸素
量の比として定義される。気相の空気比が１よりも大き
いときには、石炭から放出された可燃成分はほぼ全てが
燃焼するが、供給した酸素は全部が消費されずに一部が
余るので酸化雰囲気になる。逆に気相の空気比が１より
も小さいときには、石炭から放出された可燃成分が燃え
残り、酸素は殆どなくなるので還元雰囲気になる。揮発
分が放出される領域の空気比を１より小さくして還元雰
囲気にすれば、フューエルＮＯｘを抑えられる。

【００３６】図２に、火炎内の空気比すなわち気相の空
気比とＮＯｘ濃度との関係を示す。Ａ炭，Ｂ炭，Ｃ炭の
３種類の石炭を用いた場合を例にあげた。ＮＯｘ濃度は
気相の空気比が小さくなるほど低くなる。気相の空気比
が１以下では炭種による影響は出にくい。特に気相の空
気比が０.９以下であれば、炭種によらずに気相の空気
比の値のみでＮＯｘ濃度が決まる。従って、どのような
炭種であってもＮＯｘ濃度を低く抑えられるように、還
元炎の気相の空気比の上限値を０.９に設定するのがよ
い。

【００３７】バーナ近傍で放出された揮発分に含まれる
可燃ガスは、一次空気および二次空気に含まれる酸素に
よりほとんど燃焼するが、石炭を空気不足で燃焼するた
めバーナ近傍には還元炎が形成される。還元炎内では酸
素分圧は０に近いので酸素による表面反応はほとんど起
こらず、ＣＯ₂やＨ₂Ｏによる表面反応が生ずる。三次空
気ノズルから三次空気が還元炎の外側に乱流混合により
供給されると、混合された部分の火炎は酸化雰囲気にな
り、燃え残った揮発分との表面反応により燃焼が進行す
る。

【００３８】火炎内側の還元炎の大きさを決める要因の
１つとして、三次空気の旋回強度がある。三次空気の旋
回強度は旋回羽根によって調節が可能である。三次空気
の旋回強度を強くすると、遠心力のために中心にある還
元炎への酸素の混合が遅くなり、還元炎が下流方向に伸
びる。旋回強度を更に強くすると三次空気の酸素は還元
炎にほとんど供給されずに多量の未燃焼炭素が生じるよ
うになる。フューエルＮＯｘは三次空気の旋回強度を強
くし還元炎の領域を大きくすれば低く抑えられるが、強
くしすぎると未燃分が多く生じるために最適値がある。
旋回強度を決める指標としてスワール数があり、スワー
ル数は円周方向の流体の運動量と、軸方向の運動量に圧
力差を加えた値の比で定義される。スワール数は約０.
２から0.4の間の値に設定するのがよい。二段燃焼を併
用する場合、三次空気はバーナ全体の空気比が０.７〜
０.９になるように流量を調整して供給される。

【００３９】発光分析器の細部の構成を図３に示す。こ
の図３では、微粉炭バーナの構造を簡略化して示してい
る。発光分析器１６では、還元炎からの発光を分光プリ
ズム５５で２つに分割する。分割した発光は任意の二波
長すなわち波長λ₁のフィルタ５０ａと波長λ₂のフィ
ルタ５０ｂを通過させる。任意の二波長の発光強度の比
から（１）式により火炎の温度が計算できる。

【００４０】 logＴ＝ａ log(Ｉλ₁／Ｉλ₂)＋ｂ …（１）ここでＩλ₁とＩλ₂はそれぞれ任意二波長の発光強度、
Ｔは絶対温度、ａ，ｂは定数である。波長λ₁とλ₂は、
火炎の発光に含まれるＯＨ，Ｃ₂，ＣＨの吸収帯の波長
と異なる値であれば任意の波長を選択できる。温度が既
知の黒体輻射炉についてそれぞれの波長の発光強度Ｉλ
₁とＩλ₂を計測し、絶対温度Ｔと発光強度比Ｉλ₁／Ｉ
λ₂を両対数紙にプロットすれば直線になり、この直線
の傾きからaの値が求まり、切辺からbの値が求まる。以
上のように定数ａ，ｂの値を求めておけば、同じ光学系
を用いて任意の火炎の発光から火炎の温度を検出でき
る。上記２本に分けたビームのうち１本を波長λ₁の発
光のみを通すフィルタ５０ａに、もう１本を波長λ₂の
みを通すフィルタ５０ｂに通し還元炎６の発光から波長
λ₁とλ₂の発光のみを抽出する。フィルタを通った発
光はそれぞれ光電子素子管５１で電気信号に変換され、
増幅器５２で昇圧される。昇圧された電圧の比は発光強
度の比Ｉλ₁／Ｉλ₂に相当し、演算器５３はこれらの電
圧の値から上記の演算を行い還元炎の温度４１ｂを電気
信号として空気比演算器１５に出力する。空気比演算器
１５は、還元炎の温度４１ｂから還元炎の空気比４１ａ
を算出する。微粉炭バーナの燃焼では、化学反応の進行
に比べで乱流による混合速度が遅く、拡散が律速にな
る。拡散律速の場合、気相の組成は平衡状態の組成に近
くなる。気相が平衡状態ならば、温度とガス組成は気相
の空気比のみで決まる。このことから空気比演算器１５
では、予め使用する炭種について種々の気相の空気比で
平衡計算を行い、気相の空気比と温度ならびにガス組成
の関係を平衡ガス組成表として作成しておく。空気比演
算器１５は、発光分析器１６から求められた還元炎の温
度４１bから前記平衡ガス組成表を参照して、温度４１b
に相当する空気比４１aを求める。平衡ガス組成表の例
を表１に示す。

【００４１】

【表１】

【００４２】算出された気相の空気比４１ａは還元炎６
の気相の空気比であるので、この値を用いてバーナのＮ
Ｏｘ発生量を制御できる。還元雰囲気では気相の空気比
の値でＮＯｘ濃度が決まるので、二次空気の供給量を制
御することで還元炎６の気相の空気比を変え、ＮＯｘの
量を制御できる。また、微粉炭粒径を細かくすることで
ＮＯｘの濃度を下げられるので、二次空気の流量を減ら
すかわりに微粉炭の粒径を細かくしてもよい。

【００４３】検出した還元炎の温度４１bと気相の空気
比４１aから微粉炭量がわかる。微粉炭量演算器の動作
を図４で説明する。図４中の矢印はデータの入力先と出
力先を示す。微粉炭量演算器は、内部に石炭の反応を評
価するための反応モデルを有する。空気比と温度には発
光分析器を用いて得られた値を使用する。炭種データベ
ースから、使用する石炭の熱分解と表面反応の反応速度
定数，石炭の元素組成，発熱量が定まる。還元炎での燃
料すなわち微粉炭の滞留時間は、還元炎の長さを燃料の
供給流速で除すと求まる。先ず、石炭の反応速度定数が
頻度因子と活性化エネルギーと温度の値から算出され、
これに滞留時間をかければ燃料の燃焼量が求まる。一
方、燃料の組成と発熱量，一次空気の温度と先に求めた
反応速度定数と燃料の滞留時間、ならびに空気比演算器
１５から得られた還元炎６の空気比４１ａとを用いて反
応モデルにより燃焼率が求まる。

【００４４】反応モデルの計算手順を図５に示す。この
反応モデルでは、ガス組成は平衡状態にあることと、ガ
スと石炭粒子の温度は等しいという２つの仮定を用い
る。反応モデルは、初期条件として石炭と燃焼用ガスの
組成と温度ならびに空気比を与えたとき、燃焼ガスと石
炭の組成，温度の変化を時間の経過とともに計算するも
ので、任意の時間の燃焼率も計算できる。

【００４５】反応モデルは、パラメータとして石炭の熱
分解反応と表面反応の速度定数，石炭の発熱量，石炭の
平均粒径等を必要とする。反応モデルに前記初期条件と
パラメータを入力し、還元炎の大きさと燃料の流速から
求めた滞留時間が経過したものとして石炭の燃焼率を計
算する。石炭の組成は近似的に揮発分，固定炭素，灰分
の３つに分け、それぞれの放出速度は熱分解の速度定数
と表面反応の速度定数から計算される。まず、初期温度
(一次空気の温度)における熱分解と表面反応速度の速度
定数を算出し、これに時間刻みをかけて、時間刻み内に
気相に放出された各化学種の量を求める。固体側の質量
は気相に放出された化学種と同じ質量だけ減少させる。
反応モデルは気相の空気比とそれに対するガス組成を平
衡ガス組成表として持っている。熱分解と表面反応によ
り気相中に放出された可燃ガスの組成から気相の空気比
を計算し、前記平衡ガス組成表からその空気比に対する
ガス組成を求める。一方、反応前のガス組成のエンタル
ピーと平衡組成でのエンタルピーの差を算出し、このエ
ンタルピー差に相当する熱量だけガスの温度を上げる。
初期のガスと石炭の組成，温度を新しい値に置き換え、
時間に時間刻みΔｔを加え、時間ｔが滞留時間と等しく
なるまで反応速度定数のところから計算を繰り返す。以
上の計算により任意時間におけるガスと石炭の組成，温
度が計算できる。また石炭組成の変化より任意時間の石
炭の燃焼率も計算できる。

【００４６】反応モデルの計算により還元炎内での燃料
の燃焼量と燃焼率が分かり、燃焼量を燃焼率で除すると
燃料の供給量がわかる。燃料の量は、燃えている火炎の
発光から推定した値であり、計測器による測定誤差や時
間遅れを含まない。

【００４７】原料の石炭２０は、粉砕機１９で粉砕され
た後、流量調節弁２９ａと流量計測器３８ａ，粒径計測
器３４を経由してバーナへ供給される。粉砕機１９を出
る粉砕炭の粒径は、粉砕機内に備えられた図示されてい
ない回転分級機により調節が可能であり、回転分級器の
回転数が大きいほど粒径は細かくなる。バーナには、送
風機３９と空気予熱器４０と流量調節弁２９ｂと流量計
測器３８ｂを介して燃焼用空気３０が供給される。

【００４８】発光分析器１６と空気比演算器１５により
算出された温度４１ｂと気相の空気比４１ａは、電気信
号に変換され燃焼制御手段３１と微粉炭量演算器３３に
入力される。微粉炭量演算器３３では、気相の空気比４
１ａと温度４１ｂならびに炭種情報４２から微粉炭量を
推定し、電気信号３６に変換して燃焼制御手段３１へ送
る。なお、図１の破線は信号の流れを示している。炭種
情報４２には熱分解と表面反応の頻度因子と活性化エネ
ルギー，石炭の元素組成，発熱量等が含まれ、炭種デー
タベース３５から指定炭種４３に対応する値が読み込ま
れる。燃焼制御手段３１では、燃料と空気の供給量をそ
れぞれ流量計測器３８ａ，３８ｂから入力する。微粉炭
の粒径は粒径計測器３４から入力する。さらに燃焼制御
手段３１には、還元炎の気相の空気比４１ａと温度４１
ｂならびに微粉炭量の電気信号３６が入力される。燃焼
制御手段３１では、これらの情報をもとに適切な燃料と
空気の供給量および微粉炭粒径を算出し、微粉炭量制御
手段４８と空気量制御手段４９と粒径制御手段２８に制
御信号を送り、それらを制御する。

【００４９】還元炎の気相の空気比が設定値より大きい
場合、燃焼制御手段３１は粒径制御手段２８に粒径を細
かくするように信号を送り、粒径制御手段２８は粉砕機
１９の回転分級器の回転数を上げるように制御信号１７
を出す。算出された気相の空気比４１ａと設定値との差
が大きく、粒径の変更では気相の空気比の値を設定値に
戻せない場合には、空気流量の変更による空気比の制御
が有効である。

【００５０】微粉炭量演算器３３によって得た微粉炭量
は流量計測器３８ａで検出した値よりも精度が高く、流
量系の取り付け位置による遅れを含まない。従ってより
正確な燃料供給量の指標としてこの微粉炭量を用いるこ
とができる。負荷指令値に対する微粉炭量指示値４４と
微粉炭量演算器３３により推定した微粉炭量とを比較
し、２つの値が異なる場合には微粉炭量演算器３３で求
めた微粉炭量が微粉炭量指示値４４に近づくように微粉
炭量制御手段４８に信号を送り、流量調節弁29ａを調節
する。

【００５１】本実施例によれば、バーナから排出される
ＮＯｘが最小となるように、燃料と空気の供給量ならび
に微粉炭の粒径を制御できる。また微粉炭量を高い精度
で推定でき、ボイラの熱管理や制御をより正確に行え
る。

【００５２】図６は、アフタエアポートを有する微粉炭
ボイラにおいて、アフタエアポートにより生ずる火炎の
発光を採光して空気比を算出する例を示している。図６
では、微粉炭バーナにより生ずる火炎１４の制御系に関
しては省略している。アフタエアポートの拡大図を図７
に示す。アフタエアポート７０は、水平方向に複数本並
べて火炉の片側または対向壁面に設置される。アフタエ
アポート７０の中心部から一次空気７１が噴出し、その
外側から二次空気７２が同心円状に旋回を伴って噴出す
る。二次空気７２の旋回強度は旋回羽根７５によって調
節可能である。アフタエアポートから供給された空気
は、バーナの燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素と混合
し、ＣＯの燃焼による火炎７７を形成する。アフタエア
ポートの風箱７４の外側から一次空気管７６内に採光器
６０を設け、ＣＯの燃焼による火炎７７の発光を光ファ
イバー２２で発光分析器１６に導く。発光分析器１６で
は、火炎７７の温度６１ｂが算出される。温度６１ｂは
空気比演算器１５に入力され空気比６１ａが算出され
る。以上のようにして算出された火炎７７の空気比61ａ
が１よりも小さいときには、アフタエアポートの空気流
量を上げるようにし、空気比が１よりも大きいときには
逆に下げるようにアフタエアポートの燃焼制御手段７３
を操作すれば、アフタエアポートでの空気比を常に１に
近い状態に保つことができる。

【００５３】本実施例によればアフタエアポートでのＣ
Ｏ燃焼時の空気比を１に保ち、未燃石炭と燃焼排ガス中
の酸素濃度を最小に抑えた効率の高い運転が可能であ
る。また、算出された空気比はガス分析等による遅れを
含まないため、急速な負荷変動にも容易に対応できる。

【００５４】以上の実施例では、いずれも微粉炭ノズル
の周りに二次空気ノズル及び三次空気ノズルがあり、微
粉炭ノズルの先端には保炎リングがあり、微粉炭と一次
空気の混合物が直進流で噴出し、二次空気及び三次空気
が旋回流で噴出する構造の微粉炭バーナを有する燃焼装
置について説明したが、これに限定されるものではな
い。還元炎の周囲に酸化炎が形成されるものであれば、
いずれの構造のバーナであってもよい。例えば、微粉炭
ノズルを挟んで１つ或いは２つの空気ノズルを積み重ね
た構造のものでも良いし、二次空気或いは三次空気を旋
回羽根を用いずにサイクロンで旋回させたものでも良
い。

【００５５】また、還元炎の空気比を算出してＮＯｘ発
生を抑制する例について説明したが、空気比と温度とは
相関があるので、還元炎の温度に基づいて微粉炭量或い
は空気量を制御することも可能である。

【００５６】微粉炭の燃焼において、未燃分を少なくす
るために酸化炎の空気比を検出して、その空気比が１に
なるように空気ノズルから噴出する空気の量を調節する
こともまた重要である。微粉炭ボイラでは、休止してい
るバーナがあるので、そのバーナに設置された採光器を
利用して酸化炎の火炎の発光を採光し、空気比を算出し
て、空気ノズルの空気量を制御することは極めて有効で
ある。酸化炎の空気比は１以上にすることが望ましい。

【００５７】

【発明の効果】火炎内脱酸方式の微粉炭バーナによる微
粉炭の燃焼において、火炎内側に形成される還元炎の温
度或いは空気比を算出して微粉炭或いは空気の供給量或
いは微粉炭の粒径を制御することにより、ＮＯｘの発生
を最小に抑えられる。

【００５８】またアフタエアポートによる火炎の発光強
度から空気比を求めて、その空気量を制御することによ
り、未燃分低減の効果をより一層高めることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す微粉炭燃焼装置の概略
構成図。

【図２】気相の空気比とＮＯｘ濃度との相関図。

【図３】発光分析器の概略構成図。

【図４】微粉炭量演算器による微粉炭量の計算方法を示
す説明図。

【図５】反応モデルの計算手順を示す図。

【図６】アフタエアポートを有する微粉炭ボイラとアフ
タエアポート部分で形成される火炎の空気比を算出する
手段を具備する燃焼装置の概略図。

【図７】アフタエアポート部分の拡大図。

【符号の説明】

１…採光器、３…微粉炭ノズル、５…保炎リング、６…
還元炎、７…酸化炎、９…旋回羽根、１０…微粉炭と一
次空気の混合物、１１…二次空気ノズル、１２…三次空
気ノズル、１５…空気比演算器、１６…発光分析器、２
１…光ファイバー、３１…燃焼制御手段、４１ａ…還元
炎の空気比、４１ｂ…還元炎の温度、７０…アフタエア
ポート、１００…微粉炭バーナ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷口正行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

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素不足の還元炎領域と酸素過剰の酸化炎
領域とを有する火炎を形成する微粉炭バーナを備えた微
粉炭燃焼装置において、前記バーナによって形成される還元炎領域の火炎温度と
空気比の少なくとも１つが設定された条件になるように
該バーナに供給する微粉炭と空気の量或いは微粉炭の粒
径の少なくとも１つを制御する手段を備えたことを特徴
とする微粉炭燃焼装置。
【請求項２】微粉炭を空気で気流搬送して噴出する微粉
炭ノズルの外周に少なくとも１つの環状の空気ノズルを
同心的に備えた微粉炭バーナを具備する燃焼装置におい
て、前記微粉炭ノズルの内部を通して該ノズルから見える視
野の火炎の発光を採光し、該発光から演算して求めた火
炎温度と空気比の少なくとも１つが設定された条件にな
るように前記微粉炭バーナへ供給する微粉炭と空気の供
給条件を制御する手段を備えたことを特徴とする微粉炭
燃焼装置。
【請求項３】請求項２において、前記酸素不足の火炎の
発光を採光する採光器を前記微粉炭ノズルの中心軸方向
の該ノズルの曲がり部外側に設けたことを特徴とする微
粉炭燃焼装置。
【請求項４】請求項２又は３において、前記採光した火
炎の発光強度から算出された火炎温度に基づいて空気比
を算出する手段を備えたことを特徴とする微粉炭燃焼装
置。
【請求項５】微粉炭を空気で気流搬送して噴出する微粉
炭ノズルの外周に同心的に少なくとも１つの環状の空気
ノズルを有する微粉炭バーナを具備し、該バーナにより
微粉炭を完全燃焼させるには酸素不足の還元炎領域と酸
素過剰の酸化炎領域とを有する火炎を形成するようにし
た燃焼装置において、前記微粉炭バーナにより形成される火炎内の火炎根元部
から火炎先端方向に向かって微粉炭ノズル径（Ｄ）の３
倍までの距離に含まれる火炎の発光を採光して求めた火
炎温度と空気比の少なくとも１つが設定された条件にな
るように前記微粉炭バーナへ供給する微粉炭及び空気の
供給条件を制御する手段を備えたことを特徴とする微粉
炭燃焼装置。
【請求項６】請求項５において、前記火炎根元部から火
炎先端方向に向かって微粉炭ノズル径（Ｄ）の３倍まで
の距離にあり且つ微粉炭ノズル延長方向の領域に含まれ
る火炎内部の発光から火炎温度と空気比の少なくとも１
つを算出して、これらが設定された条件になるように前
記微粉炭バーナへ供給する微粉炭及び空気の供給条件を
制御する手段を備えたことを特徴とする微粉炭燃焼装
置。
【請求項７】微粉炭を空気で気流搬送して噴出する微粉
炭ノズルの外周に少なくとも１つの環状の空気ノズルを
同心的に有する微粉炭バーナを具備し、微粉炭を完全燃
焼させるには酸素不足の還元炎と酸素過剰の酸化炎とを
有する火炎を形成するようにした燃焼装置において、前記微粉炭バーナにより形成される火炎の幅方向のほぼ
中心の火炎内部の発光を採光して火炎温度と空気比の少
なくとも１つを算出し、これらが設定された条件になる
ように前記微粉炭バーナへ供給する微粉炭及び空気の供
給条件を制御する手段を備えたことを特徴とする微粉炭
燃焼装置。
【請求項８】微粉炭を空気で気流搬送して噴出する微粉
炭ノズルの外周に少なくとも１つの環状の空気ノズルを
同心的に備えた微粉炭バーナを火炉の高さ方向に少なく
とも一段配置し、各段に複数個の該微粉炭バーナを配置
して、各バーナによりそれぞれ微粉炭を完全燃焼させる
には酸素不足の還元炎と酸素過剰の酸化炎とを有する火
炎を形成するようにした燃焼装置において、前記微粉炭バーナの全てに前記微粉炭ノズル内から見え
る視野の火炎の発光を採光する採光器を設け、該採光器
により採光した火炎の発光から火炎温度と空気比の少な
くとも１つを算出する手段と、算出された値が前記各段
の微粉炭バーナのいずれも同様になり且つ設定された条
件になるように各バーナへ供給する微粉炭及び空気の供
給条件を制御する手段を備えたことを特徴とする微粉炭
燃焼装置。
【請求項９】請求項２ないし８のいずれか１つにおい
て、前記微粉炭ノズルが微粉炭と水との混合流に空気流
を衝突させて微粉炭を霧化して噴出するアトマイザ方式
のノズルよりなることを特徴とする微粉炭燃焼装置。
【請求項１０】微粉炭を空気で気流搬送して噴出する微
粉炭ノズルの外周に少なくとも１つの環状の空気ノズル
を同心的に備えた微粉炭バーナを火炉の高さ方向に少な
くとも一段配置し、各段に複数個の該微粉炭バーナを配
置して、各バーナによりそれぞれ微粉炭を完全燃焼させ
るには酸素不足の還元炎と酸素過剰の酸化炎とを有する
火炎を形成するようにし、最上段の該微粉炭バーナの上
段にアフタエアポートを設けた燃焼装置において、前記微粉炭バーナの全てに微粉炭ノズル内から見える視
野の火炎の発光を採光する採光器を設け、該採光器で採
光した火炎の発光から火炎温度と空気比の少なくとも１
つを算出する手段と、得られた値が前記各段の微粉炭バ
ーナのいずれも同様になり且つ設定された条件になるよ
うに各バーナへ供給する微粉炭及び空気の供給条件を制
御する手段と、前記アフタエアポートから噴出された空
気と火炉内の未燃分とによって形成される火炎の内部の
発光を採光して空気比を算出し該空気比がほぼ１になる
ように該アフタエアポートへ供給する空気量と空気旋回
量の少なくとも一方を制御する手段とを備えたことを特
徴とする微粉炭燃焼装置。
【請求項１１】請求項２ないし１０のいずれか１つにお
いて、前記採光器によって採光した火炎の発光を分析す
る発光分析手段と、火炎の発光から算出された火炎温度
と空気比と炭種データベースと平衡ガス組成表とから微
粉炭供給量を演算する手段とを備えたことを特徴とする
微粉炭燃焼装置。
【請求項１２】請求項２ないし８と１０及び１１のいず
れか１つにおいて、前記微粉炭ノズル先端部に外方に向
けて径が拡大する保炎リングを有する微粉炭バーナを備
えたことを特徴とする微粉炭燃焼装置。
【請求項１３】請求項２ないし１２のいずれか１つにお
いて、前記微粉炭バーナによって形成される酸素過剰の
火炎の発光強度から空気比を検出し、該空気比がほぼ１
になるように前記空気ノズルへ供給する空気量を制御す
る手段を備えたことを特徴とする微粉炭燃焼装置。
【請求項１４】微粉炭を空気で気流搬送して噴出する微
粉炭ノズルの外周に少なくとも１つの空気ノズルを同心
的に備えた微粉炭バーナにより微粉炭を燃焼して、該バ
ーナ近傍に微粉炭を完全燃焼するには酸素不足の還元炎
を形成し、該還元炎の外周に酸素過剰の酸化炎を形成す
るようにした微粉炭燃焼方法において、前記還元炎の発光から該還元炎の温度と空気比の少なく
とを１つを求め、これらの値が設定された条件になるよ
うに前記バーナに供給する微粉炭と空気の供給条件を制
御するようにしたことを特徴とする微粉炭燃焼方法。
【請求項１５】請求項１４において、前記微粉炭ノズル
の内部から見える視野の火炎の発光を該ノズル内を通し
て採光して得た発光強度から火炎温度と空気比の少なく
とも１つを算出し、これらが設定された条件になるよう
に微粉炭及び空気の供給条件を制御するようにしたこと
を特徴とする微粉炭燃焼方法。
【請求項１６】請求項１４又は１５において、前記酸素
不足の火炎の空気比の上限値が０.９を超えないように
微粉炭及び空気の供給条件を制御することを特徴とする
微粉炭燃焼方法。