JPS581330B2 - 微粉炭に点火するためのア−ク加熱式点火方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、空気流内に浮遊（懸濁）させた微粉炭に点火
するための改良された方法及び装置に関し、特に、慣用
の浮遊石炭燃焼式蒸気ボイラーにおいて微粉炭に点火す
るために電気アーク式加熱装置を使用することに関する
。

過去数１０年間に設置された発電プラントの大部分は、
天然ガスまたは石油燃焼式蒸気ボイラーを使用する形式
のものである。

天然ガス及び石油は、いずれも石炭より使用するのに便
利であるため、在来の石炭燃焼式ボイラープラントは過
去数１０年間の間にすたれてしまった。

しかしながら、天然ガス及び石油の価格は、ここ数年来
着実に騰貴しており、加えて世界中ほとんどの国におい
てこれらの燃料に深刻な不足をきたしている。

一方、石炭は、まだ豊富に入手することのでさる燃料で
あり、その価格も安い。

従って、今日稼動している石炭燃焼式ボイラープラント
は、産業の基本的発電能力の重要な一部を占めている。

在来の浮遊石炭燃焼式蒸気ボイラーの作動においては、
微粉炭を空気流内に浮遊させ、導管を通して蒸気ボイラ
ーの多数の石炭バーナへ送給する。

石炭は、バーナから噴出したとき、通常、追加の空気と
混合され、点火される。

現在は一般に、天然ガスまたは石油式点火器によって微
粉炭に点火する方法を用いている。

将来石炭燃焼式蒸気ボイラープラントを電力のピーク需
要期中原子力発電装置と連携させて使用することが企図
されている。

このような応用例においては、石炭燃焼式蒸気ボイラー
は、いわゆる「ターンダウン」（絞り）状態、即ち設計
発電能力の約７０％以下の作動状態で作動される場合が
ある。

このような状態においては、石炭バーナへ供給される微
粉炭は、バーナノズルから間欠的に流出し、石炭／空気
火焔が微粉炭の凝固塊（スラッグ）と凝固塊の度で消え
てしまうおそれがある。

その場合、火焔を直ちに再点火しないと、燃焼不安定現
象を起すおそれがある。

更に、点火されなかった石炭が、ボイラー内の隠れた凹
所へ押しやられて堆積し、該凹所に爆発の危険を創生す
る可能性がある。

従って、石炭／空気火焔が消える可能性のある期間中火
焔を再点火し、安定させるようにするには天然ガスまた
は石油式点火器を常時作動させる必要がある。

蒸気ボイラーのサイズに応じて１２ないし４８個の石炭
バーナが使用される。

各石炭バーナのサイズ（容量）は、１バーナ当り約２０
メガワットから５０メガワットもの高容量のものにまで
及ぶ。

天然ガスまたは石油式点火器は、一般に、主バーナの熱
定格の約２％〜２０％の範囲の熱定格を有しているから
、そのような点火器を常時作動させておくことは費用的
に高くつくことは明らかである。

しかも、液状及びガス状炭化水素燃料の価格が将来にわ
たって謄貴していくので、そのような点火器を常時作動
させるにはますます高い費用を要することになる。

従って、本発明の目的は、空気流内に浮遊させた微粉炭
に点火するための改良された方法及び装置を提供するこ
とである。

本発明の他の目的は、慣用の浮遊石炭燃焼式蒸気ボイラ
ーの石炭バーナを通して空気流によって送給される微粉
炭に点火するための改良された方法及び装置を提供する
ことである。

本発明の更に他の目的は、高価な炭化水素燃料の消費を
必要としない上記方法及び装置を提供することである。

本発明の他の目的は、主動力源として電気を使用する上
記方法及び装置を提供することである。

本発明の更に他の目的は、炭化水素燃料に点火した結果
として得られる高温燃焼生成物ではなく、空気及び／ま
たは酸素のような酸化性熱ガスを使用することによって
石炭に点火するのに必要とされる総エネルギーを実質的
に削減するようにした石炭点火装置を提供することであ
る。

本発明の要旨は、空気流内に浮遊した微粉炭に点火する
のに電気アークによって加熱された高速酸化性ガスジェ
ットを使用することにある。

電気アーク式加熱装置は、ガスを極めて高温に加熱する
ことができる。

本発明の実施に当っては、一般に「渦流安定化式電気ア
ーク式加熱装置」と称されている加熱装置を使用する。

この装置は、一般に、アーク発生室と、該装置内を通し
てアーク安定化のためのガス渦流を創生するように該室
内へ接線方向に高圧ガスを導入するための手段と、前記
室内に前記ガスを加熱する電気アークを設定するための
１対の電極と、前記アークの長さ及び方向を磁気的に制
御するための手段と、前記室に連通させた噴射ノズルと
から成る。

前記室内に導入されたガスは、アークによって極めて高
い温度に加熱され、該加熱されたガスは、極めて高温の
高速ジェットガス流として前記ノズルを通して周囲雰囲
気へ噴出される。

本発明の実施においては、点火用ガスとして、高温状態
で微粉炭の自発的燃焼を維持する任意の酸化性不燃性ガ
スまたはガス混合物を使用することができる。

適当な点火用ガスとしては、空気、純粋の酸素、または
酸素濃厚空気、あるいは、空気及び／または酸素に窒素
、アルゴン、ヘリウム等の他の不燃性または不活性ガス
を混合した酸化性ガス混合物を挙げることができる。

特に本発明の実施においては、可燃性の炭化水素ガスま
たは固形物を含むガス混合物を排除する。

略述すれば、本発明の方法は、微粉炭の着火が自発的燃
焼によって起るまで電気アークにより加熱された高速の
点火用ガスジェットを微粉炭／空気流に向けて噴射させ
て接触させ、次いで、石炭／空気火焔を安定化させ、該
火焔が消えるのを防止するために随意に該点火用ガスジ
ェットを該微粉炭／空気流に接触した状態に維持するこ
とから成る。

更に、本発明は、燃焼室と、該燃焼室内へ微粉炭／空気
流を常時送給するための手段と、該燃焼室内において微
粉炭に点火するために高温高速点火用ガスジェットを創
生するための電気アーク式加熱装置から成る石炭バーナ
装置を提供する。

本発明のバーナ装置に使用される電気アーク式加熱装置
は、他の従来形式のアーク式加熱装置に比べて幾つかの
重要な利点を有する渦流安定化式のものである。

通常の発電プラントへ供給される石炭は、鉱山から直接
比較的大きな塊片の形で送られてくる。

この石炭塊を破砕し、コンベヤによって発電所設備内の
高所に設けられている石炭貯蔵庫へ持上げる。

次いで、貯蔵庫内の石炭を重力によって粉砕機へ供給し
、粉砕機によって石炭を微細粒子、即ち約５０〜２００
メッシュの粒子寸法にまで粉砕する。

このようにして微粉化された石炭を導管へ送り、空気流
内に浮遊させる。

この空気流の速度は、通常、約１００ｆｔ／秒である。

かくして、この微粉炭／空気流を導管を通して蒸気ボイ
ラーの多数の石炭バーナヘ送給する。

第１図には、石炭バーナから噴出する微粉炭に本発明に
従って点火する方法が概略的に図示されている。

図に示されるように、微粉炭／空気流は、石炭バーナ１
０の入口端１２に入り、バーナのノズル（図示せず）か
らバーナ出口端のすぐ前の燃焼帯域へ噴出する。

必須の要件ではないが、微粉炭／空気流は、バーナノズ
ルから矢印で示されるように広く分散させた形で噴出さ
せることが好ましい。

このようにバーナから噴出する微粉炭／空気流を偏向さ
せると、石炭の点火を容易にさせるので有利である。

後述するように微粉炭／空気流を分散させるためにバー
ナ出口端１４に適当な手段を設けることができる。

補助空気を、やはり矢印で示されるようにバーナ出口端
１４の周りに送り、燃焼帯域Ｃ内において微粉炭／空気
流に混合させる。

この補助空気は、周囲空気であってもよく、あるいは蒸
気ボイラーからの予加熱空気であってもよい。

この補助空気は、予熱されている場合、微粉炭／空気流
の温度を高めることにより石炭の着火を更に容易にする
働きをする。

石炭は、燃焼帯域Ｃにおいて微粉炭／空気流を電気アー
ク式加熱装置１８から噴出する高速点火用噴出ガスジェ
ット１６に接触させることによって点火される。

アーク式加熱装置１８は、バーナ１０の出口端１４に近
接させて配置する。

電気アーク式加熱装置１８は、第２図に詳細に示される
ように渦流安定化式の装置であり、基本的には、複数の
ガス導入孔２４を通して加圧ガスを供給することができ
るようにした中央室２２を有する円筒形の金属製トーチ
本体２０から成る。

トーチ本体２０に１対の筒状の非消耗型金属電極２６．
２８を取付けてある。

これらの電極は、例えば銅または銅合金で構成すること
ができる。

ガスの流れ方向でみて上流側の電極２６は、その一部を
中央室２２内に突入させて取付け、非導電性絶縁プッシ
ュ３０によってトーチ本体２０から絶縁させてある。

ノズルの役割をも果す下流側の電極２８の内端は中央室
２２に連通させてある。

この電極の最外端には流れ制限ノズル（図示せず）を設
けてもよく、あるいは設けなくてもよい。

高電圧電源３２を両電極２６．２８の間に直列に接続す
る。

空気または酸素のような点火用ガスを例えば２０〜１０
０ｐｓｉｇの圧力で複数の導入孔２４を通して中央室２
２内へ圧送する。

ガス導入孔２４は、ガスが室２２内へ接線方向に流入し
て該室内に電気アークを安定化させるガス渦流を創生す
るように構成してある。

電源３２によって上流側電極２６と下流側電極２８の間
に電気アークを設定する。

中央室２２内に創生される接線方向のガス流は、上流側
電極２６及び下流側電極２８に終端するアークを装置の
中心線に沿う方向に向ける作用をする。

更に、上流側電極２６の外端に巻回した界磁コイル３４
を付勢することによって上記アークの周りに磁界を誘起
させ、その磁界によってアークの端部を上流側電極２６
に位置づけし、回転させるようにする。

室２２内に流入するガスはアークによって極高温にまで
加熱され、高温高速の点火用ガスジェット３６として下
流側電極２８を通って噴出する。

このように電気アーク式加熱装置は極めて高い温度を受
けるので、例えば水等の冷却剤を該装置内を通して循環
させる。

冷却剤の循環は、装置の作動中必要であり、また該装置
が予熱補助空気を分配する風箱内のような発電ボイラー
の高温部に設置されている場合にも必要である。

冷却剤は、冷却剤入口３８を通して下流側電極２８内に
流入し、該電極、トーチ本体２０及び上流側電極２６内
を通る一連の通路（図示せず）を通って流れ、上流側電
極２６の冷却剤出口４０から流出する。

やはり作動中加熱する界磁コイル３４にも冷却剤を循環
させる適当な手段を設ける。

上述の形式の電気アーク式加熱装置の更に詳細な説明は
、１９６７年１月３１日発行の米国特許第３，３０１，
９９５号に記載されている。

この形式の加熱装置は約５，２００〜１５，０００°Ｆ
の温度のガスジェットを噴出する能力を有する。

ちなみに、天然ガスよたは石油式点火器が噴出すること
のできる火焔温度は、約３，５００〜５，２００°Ｆの
比較的低い範囲である。

微粉炭の着火は温度の上昇に指数関数的に応答するので
、石炭の点火用として電気アーク式加熱装置を使用する
ことは、従来技術に比べて重要な改良を意味することは
明らかである。

本発明において石炭に点火するのに電気アーク式加熱装
置を使用することは、点火温度が高いことの他にも幾つ
かの利点を有する。

電気アーク式加熱装置から噴出する熱ガスジェットは、
点火用ガスとして空気を使用した場合は、主として高温
酸素と窒素から成り、点火用ガスとして酸素を使用した
場合は、高温酸素だけから成る。

この点火用ガスジェットには化学的に不活性であり、石
炭の自発的燃焼を起させるのに微粉炭／空気流と混合さ
せなければならないような燃焼生成物は含まれてない。

更に、アークによって加熱された噴出ガスジェットは、
化学的に活性の高い、イオン化した成分と解離した成分
の両方を含ふでいる。

第３図を参照すると、本発明の特徴を組入れた石炭バー
ナ装置の１実施形態が示されている。

この石炭バーナは、いわゆる「ターゲット・ファイアド
」（ｔａｒｇｅｔ ｆｉｒｅｄ）式蒸気ボイラーに使用
するための円形型のものであり、図に示されるように、
適当な耐火材で構成し、蒸気ボイラー４４のバーナ入口
開口４６を囲繞して該ボイラーの壁に取付けたハウジン
グ４２と、ボイラーの外側壁５０から燃焼室５２内へ突
出させた筒状ノズル４８を有する。

粉砕機からの微粉炭は、空気流に浮遊せしめられてバー
ナノズルの外端に取付けたエルボ継手５４を通ってノズ
ル４８に流入し、該ノズルから燃焼室５２内へ噴出する
。

ノズル４８から噴出する微粉炭／空気流を広く分散され
たパターンに分配させるためにノズル４８の前方にロツ
ド５８に取付けた流れ偏向器５６を配置してある。

流れ偏向器５６は、例えば円形フレームに取付けた複数
の傾斜した邪魔板によって構成することができる。

ノズルから噴出するガス流の流れパターンは、ノズル内
のスパイダー６０に固定し、エルボ継手５４の蓋板６２
を貫通して延長させたロツド５８を移動させることによ
って調節することができる。

蒸気ボイラーからの予熱された補助空気は、バーナノズ
ル４８を囲繞する多数の調節自在の羽根６４の間を通っ
て流入し、燃焼室５２内で微粉炭／空気流と混合する。

蒸気ボイラーの外側壁５０に電気アーク式点火トーチＴ
を取付ける。

トーチＴは、第２図に示されたものと基本的に同じ構造
のものであり、そのノズルの役割をも果す電極を燃焼室
５２に近接させて配置する。

作動において、バーナノズル４８から噴出する微粉炭は
、トーチＴから噴射する高速の点火用ガスジェットによ
って自発的燃焼により点火される。

石炭／空気火焔を安定させ、火焔が消えるのを防止する
ために、必要ならば、一旦点火された後もトーチＴを連
続的に作動させておくことができる。

以上本発明の構成を円形型石炭バーナに関連して説明し
たが、いうまでもなく本発明はこれに限定されるもので
はなく、当分野において周知の他の形式の石炭バーナに
おいても微粉炭に点火するための手段として電気アーク
式加熱装置を使用することができる。

例えば、上述の電気アーク式加熱装置を慣用の「接線方
向燃焼式」蒸気ボイラーの石炭バーナにも組入れること
ができる。

本発明の重要な特徴は、点火トーチとしてガス渦流安定
化式の高電圧電気アーク式加熱装置を使用することにあ
る。

この高電圧トーチは、与えられた一定の電力において高
いアーク電圧を示し、低いアーク電流を示すので、この
ような高電圧アーク式加熱装置を使用することは非常に
有利である。

即ち、アーク電流が低いと、電極の摩耗率が低くなる（
電極摩耗率はアーク電流の１乗以上に比例する）ので、
それだけ点火器の運転コストが削減される。

更に、アークトーチの効率即ち投入電力のうちガスジェ
ットに与えられる電力の比率は、アーク電流に反比例す
るので、装置の運転コストが一層節減される。

アーク電流が低いと、投入電力のうちガスジェットに費
消される割合が大きく、冷却剤に無駄に使用される割合
が小さい。

空気流内の微粉炭の自発的燃焼は、以下のようにして生
じる。

石炭粒子が高い温度にまで加熱されると、まず揮発性物
質が粒子表面から飛び出して燃え始める。

その後、温度が更に上昇すると、残りの物質の燃焼が始
まる。

微粉炭は、本発明の方法によれば５００°Ｆ以上の温度
に加熱されたとき自発燃焼を起す。

本発明による場合、幾つかの最低限の条件が満たされれ
ば、微粉炭の着火が起ることが実験によって確認された
。

即ち、点火用ガスによる石炭の点火は、以下の式によっ
て定義される無次元パラメータ「ｆ」が約０．７０〜０
．８０の最小値に等しくなるか、あるいはそれを越えた
ときに起ることが確認された。

＋ｅ（−３．６５ｗｃ／ｗｐａ）−ｅ（−７．３ｗｃ／
ｗｐａ）ここで、Ｐｇａｓ＝アークによって加熱された
点火用噴出空気のエネルギー（ＫＷ） ｈ＝点火用噴出空気の総エンタルビ （ＢＴＵ／１ｂ） ｗｐａ＝石炭バーナ内を通る一次空気の 流量（１ｂ／ｓｅｃ） ｗｃ＝石炭バーナ内を通る微粉炭の流 量（１ｂ／ｓｅｃ） 実施例 作動容量８００ＭＷの浮遊石炭燃焼式蒸気ボイラーの石
炭バーナの１つに渦流安定化式高電圧アーク型点火トー
チを装置した。

この石炭バーナは、２０ＭＷの公称熱定格を有する１２
インチ径の円型石炭バーナであった。

６つの別個の条件で点火試験を行った。

試験手順は以下の如くであった。第１、第２、第３の試
験においては、点火器を作動させた状態で石炭粉砕機を
始動させ、次いで石炭供給機を始動させて、粉砕機から
の微粉炭の全排出量をバーナに通して送給した。

点火現象が認められなかった場合は、供給機を停止して
、粉砕機の中の石炭を全部排出させた。

各試験毎にボイラー内の微粉炭を除去した。

第４、第５及び第６の試験は、粉砕機からの石炭を隣接
する石炭バーナにも通すようにした点を除いて、同じ手
順に従って行った。

点火は第５と第６の試験において認められた。

試験の結果は下表の通りである。

上記の試験に使用した石炭バーナは、２０ＭＷの公称熱
定格を有するものであり、従来は、３８０ＫＷ（２０Ｍ
Ｗの熱定格の１．９％）の熱出力を供給する天然ガス式
のトーチによって点火されている形式のものである。

これに対して、本発明に基くアーク加熱式点火器は、５
６ＫＷの熱出力（２０ＭＷの熱定格の０．２８％）の熱
空気で点火を達成した。

これは、従来技術に対して顕著な改良であることを示す
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の概略説明図、第２図は本発明に
使用するための代表的な電気アーク式加熱装置の立断面
図、第３図は本発明の石炭バーナ装置の立断面図である
。 １０；石炭バーナ、１２；入口端、１４；出口端、１６
；点火用ガスジェット、Ｃ；燃焼帯域、１８；電気アー
ク式加熱装置、２０；トーチ本体、２２；中央室（ガス
室）、２４；ガス導入孔、２６；電極、２８；電極兼噴
出ノズル、４４；蒸気ボイラー、４８：バーナノズル、
５２；燃焼室、５６；流れ偏向器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 空気流内に浮遊させた微粉炭に点火する方法におい
   て、 空気または酸素、またはそれらの混合物、または空気ま
   たは酸素と、他の酸化性、非燃焼性または不活性ガスと
   の混合物から成る点火用ガスを、噴出ノズルを有するガ
   ス室内へ該室内にガスの渦流を創生するような態様で圧
   力下で導入し、前記ガス室内に１対の電極の間に電気ア
   ークを設定して前記点火用ガスを極めて高い温度にまで
   加熱し、該ガスを高温高速点火用ガスジェットとしてガ
   ス室の前記噴出ノズルから噴出させ、該ガスジェットを
   前記微粉炭／空気流に接触するように、導き、それによ
   って該微粉炭を自発的燃焼によって点火させることから
   成る微粉炭点火方法。 ２ 微粉炭／空気火焔を安定化させ、該火焔が消えるの
   を防止するために前記点火が起った後前記高温高速点火
   用ガスジェットを前記微粉炭／空気流に接触した状態に
   維持することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   微粉炭点火方法。 ３ 前記点火用ガスとして空気を使用し、前記電気アー
   クを高電圧電力によって設定し、前記噴出ノズルから噴
   出される該点火用高温空気ジェットを前記微粉炭／空気
   流に接触するように導き、下記の式即ち ＋ｅ（−３．６５ｗｃ／ｗｐａ）−ｅ（７．３ｗｃ／ｗ
   ｐａ）ここで、Ｐｇａｓ＝アークによって加熱された点
   火用噴出空気のエネルギー（ＫＷ） ｈ＝点火用噴出空気の総エンタルビ （ＢＴＵ／１ｂ） ｗｐａ＝石炭バーナ内を通る一次空気の 流量（１ｂ／ｓｅｃ） ｗｃ＝石炭バーナ内を通る微粉炭の流 量（１ｂ／ｓｅｃ） によって定義される無次元パラメータ「ｆ」が約０．７
   ０から０．８０までの範囲内で最小限の値に等しくなる
   か、またはそれを越えるように前記微粉爽並びに空気流
   の流量、前記高温高速空気ジェットのエネルギー、及び
   該空気ジェットの総エンタルビを所定の値に維持するこ
   とから成る特許請求の範囲第１項記載の微粉炭点火方法
   。 ４ 燃焼室と、該燃焼室内へ連続的に微粉炭／空気流を
   噴出させるための手段と、前記燃焼室内において前記微
   粉炭に点火するために高温高速点火用カスジェットを創
   生ずる電気アーク式加熱装置とを有する、空気流内に浮
   遊させた微粉炭に点火するための装置において、前記電
   気アーク加熱装置は、 （イ）該加熱装置を通してアーク安定化用ガス渦流を創
   生するように前記点火用ガスを前記ガス室内へ接線方向
   に圧力下で導入するための手段を備えたガス室と、 （ロ）前記点火用ガスを極めて高い温度に加熱するため
   に前記ガス室内に電気アークを設定するための１対の電
   極と、 （ハ）前記アークの長さ及び方向を磁気的に制御するた
   めの手段と、 （ニ）前記ガス室に連通させた点火用ガス噴出ノズルと
   から成ることを特徴とする微粉炭点火装置。 ５ 燃焼室と、該燃焼室内へ連続的に微粉炭／空気流を
   噴出させるための手段と、前記燃焼室内において前記微
   粉炭に点火するために高温高速点火用ガスジェットを創
   生する電気アーク式加熱装置とを有する、空気流内に浮
   遊させた微粉炭に点火するための装置において、前記電
   気アーク加熱装置は、 （イ）該加熱装置を通してアーク安定化用ガス渦流を創
   生するように前記点火用ガスを前記ガス室内へ接線方向
   に圧力下で導入するための手段を備えたガス室と、 （ロ）前記微粉炭／空気流の流れを分散させるために前
   記燃焼室内に配置した流れ偏向部材と、（ハ）前記点火
   用ガスを極めて高い温度に加熱するために前記ガス室内
   に電気アークを設定するための１対の電極と、 （ニ）前記アークの長さ及び方向を磁気的に制御するた
   めの手段と、 （ホ）前記ガス室に連通させた点火用ガス噴出ノズルと
   から成ることを特徴とする微粉炭点火装置。