JPS6064110A - 低ΝＯｘ燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は窒素酸化物（以下「ＮＯＸ」と略称する）を
低減する燃焼装置に係り、特に微粉炭の燃焼時に大幅な
低ＮＯｘ化を達成できる燃焼装置に関する。

最近の燃料小情の変化により、火力発電所用おいても石
炭を燃料とするものが増加している。

この場合、石炭は微粉砕され、例えば２００メツシュ通
過ｆｉ７ｏ％程度の微粉炭とされ、燃焼性。

制御性を向上させるようにしている。この微粉炭燃焼技
術そのものは、古くより確立され今や重油並みの高効率
燃焼が可能となっている。ガス、油量様微粉炭燃焼器も
種々のものが開発されかつ使用されているが、その最も
基本的かつ最も高負荷高効率燃焼に適した形式として、
微粉炭供給管を中心軸に有する環状空気旋回型バーナが
挙げられる。該バーナにおいては、石炭はミルで微粉に
粉砕された後、燃焼用空気の２０％程度の搬送用空気に
よって気流輸送され、バーナ口より火炉に投入される。

残りの燃焼用空気は、−重もしくは二重に環状分離され
た状態でバーナ口近傍で通常はある程度の旋回を与えら
れて該微粉炭噴流の周囲より噴出される。

微粉炭は、この適度な旋回流によって生ずるバーナスロ
ート近傍の再循環流と、場合によってはインペラの追設
によって保炎をされ定常燃焼が維持される。単に微粉炭
を燃焼させるにあたっては、この種の燃焼器により所期
の目的は通常十分に達成される。

しかしながら、周知の通り、燃焼によって副成するＮＯ
ｘは往々にして高負荷燃焼バーナにおいて発生しやすく
、これが大気汚染の元凶の一成分であるところから、幾
つかの基本的バーナ改良もしくは火炉全体の燃焼改善が
行われて来ている。微粉炭燃焼において特に問題となる
のは、微粉炭中に大量に（通常は１〜２ｗｔ％）含有さ
れる有機形態の窒素（以下Ｆｕｅｌ　Ｎと称す）に起因
するＮＯＸ　（以下Ｆｕｅｌ　ＮＯｘと称す）であり、
排ガス中ＮＯｘの大部分を占めている。

ここで、Ｆｕｅｌ　ＮからのＮＯｘとＮ２の成牛反応は
各々次式（ＬＬ　（２）に示すとおりであり、かつ両反
応が競合的に行なわれている。

＋０２ Ｆｕｅｌ　Ｎ　−ＮＯｘ　＝−（１） −１−Ｎ。

Ｆｕｅｌ　Ｎ−ｍ−中ｇ　−（２） 従ってＮ２の生成を優先し且つ成る程度高温負荷燃焼を
維持させるためには、高温還元炎の確保が重要なポイン
トとなる。

一般に二段燃焼と呼ばれる燃焼法はこの燃焼反応の応用
であり、バーナゾーンで空気不足状態を作って高温還元
炎を形成させ、不足分をノく一ナゾーン後流の俗称アフ
タエアポートより投入することにより火炉全体で燃焼改
善を行なってＮＯｘ排出量を低減するものである。現在
においては、一般的な石炭において新設ボイラの場合２
００ｐｐｍ程度までＮＯｘ排出濃度は抑制されるに至っ
ている。

しかしながら、微粉炭の燃焼にあっては、空気不足なバ
ーナゾーンで還元気と共に残存する燃え残りの石炭粒子
（チャー）をアフタエアによって完全燃焼せしめるには
相当のボイラ（火炉）空間を必要とする。従って上記燃
焼法は原理的には極めて有効な低ＮＯｘ燃焼法であるに
もかかわらず、ある程度の限界を有している。

このことからボイラ全体の燃焼を制御する代りに、各バ
ーナが各々前記原理に基づいて低ＮＯｘ燃焼を行うよう
構成した、いわゆるデュアルレジスタタイプのバーナが
開発された。第１図はこのデュアルレジスタタイプのバ
ーナを示す。図中、微粉炭は気流輸送用空気（−次空気
）と共に微粉炭流１ｏとなって微粉炭管４１がら炉内に
噴射する。この微粉炭流は火炉内に噴射して低空気比で
燃焼し、還元性中間生成物を生成しＮＯｘの一部を気相
還元する。一方この火炎の外周部に対しては、二次エア
レジスタ６１を経、がつ空気ベーン７１で旋回力を与え
られた二次空気２０が、またさらにその外周に対しては
三次エアレジスタ６２を経て供給される三次空気３ｏが
噴射される。これにより気相還元後の火炎に対して空気
を供給し、未燃分を燃焼させるように構成しである。こ
れによりバーナ単体で二段燃焼が行われ、ＮＯｘは４０
０ｐｐｍ程度（低減率４０％程度）に低減されることが
実証されている。この形式のバーナにおいては、低ＮＯ
ｘ化を達成するためにはバーナスロート近傍の火炉内で
はバーナ火炎と、二次、三次、の空気が分離され良好な
還元雰囲気が形成されること、及びこの火炎の下流側に
おいては逆にこれら各空気と火炎（またはガス）が混合
して未燃分を良好に燃焼させることが要求される。しか
しながら、この種のタイプのバーナでは、通常、二次空
気２０と三次空気３０はスリーブで分離されてはいるも
のの実際にはバーナスロート出口近傍では微粉炭流、二
次空気噴流及び三次空気噴流は容易に混合し燃焼初期に
おいて高温還元炎を十分に分離維持することが不可能で
あり、この種の燃焼装置でこれ以上のＮＯｘ低減は極め
て困難であることが判明した。

この発明は上述した問題点に鑑み構成したものであり、
ＮＯｘ低減率を大幅に向上させた燃焼装置を提供するこ
とにある。

要するにこの発明は気体通路、及びまたは燃料通路の火
炉側端部に対して渦流形成部材を配置し、この渦流によ
り気体と燃料流とを分割して還元性雰囲気を良好に形成
し、ＮＯｘの気相還元を効果的に行える装置を提供する
ことにある。

先ず、この発明の実施例を示す前に、この発明に至った
技術的ポイントのいくつかについて説明する。先に述べ
たようにバーナ単体で二段燃焼的効果を生ぜしめ且つこ
れによっても高効率燃焼を維持して灰中未燃分の十分な
る抑制を行なうには次の各々の技術的ポイントに応じた
改良が必要である。

（１）微粉炭流を出来る限り拡散散布させない。

（２）　（１）によって生ずる微粉炭気流の高温還元炎
を維持する。

（３）最外周空気を（１）（２）で形成される初期燃焼
域と出来る限り分離する。（高温還元炎によるＮＯｘ抑
制） （４）（３ンの操作後、ある程度の滞留時間を経た後今
度は該高温還元炎と最外周エアの混合を良好に行う（未
燃分の低減）。

上記のうち（ＬＬ　（２）は微粉炭流について、（３）
（４）は最外周空気についての流体力学上の技術的ポイ
ントであるが、（１）（，２）あるいは（３）（４）は
各々一般的には相矛循する問題をかかえている。

例えば（１）に示す拡散散布の抑制、達成のためには通
常用いられるような菊状インペラは使用出来ず、従って
（２）の高温還元炎達成には新らたな工夫を要す。又、
（３）の空気の分離達成にあたってはその後流で（４）
の効果的な混合達成のための新らたな工夫を要す〇 つまりバーナ毎の低ＮＯｘ化を飛躍的に向上させるため
には、単に最外周空気の混合を遅延させて二段燃焼的効
果を生ぜしめるという従来の概念を涜篤する必要があり
、この発明は上記（１）〜（４）項について技術的解決
を図ったものである。

第２図はこの発明の一実施例を示す。

先ず、微粉炭管４１の火炉側開口はその口径を開口端に
向って拡大するよう構成した外向きフレームキャップ（
以下単に「フレームキャップ」と称する）１００となっ
ている。このフレームキャップ１００は微粉炭管４１と
一体的に形成する外別個に形成した後、微粉炭管端部に
装着するようにしてもよい。また、このフレームキャッ
プを複数枚のフレームキャップ構成片によって菊片の開
閉を行い、フレームキャップの口径を変化させるよう構
成してもよい。

次に微粉炭管４１の外周部にはスリーブ４２が、さらに
その外周部には他のスリーブ４３が各々気体通過用の環
状の通路を形成するよう配置しである。これらスリーブ
は従来型スリーブと同様に先端部の口径を拡大しない形
状、つまりスリーブ全体を円筒を切断した形状に形成す
る外、図示の如く、フレームキャップ１００と同様に開
口端に向って口径を拡大させる漏」−状部１０１゜１０
２を形成すると後述の如く気体の分離をより効果的に行
うことができる。なお、フレームキャップ及び漏斗状部
共に火炉側開口端に向って部材壁の厚みを漸増させるこ
とによりこれらフレームキャップ、漏斗状部の外径部が
内径部よりも急角度で開口端に向って展開するよう構成
してもよい。

以上の構成の装置において、−次空気と微粉炭とから成
る微粉炭流１０は微粉炭管４１を経て炉内にｕＭ　ａｃ
ｔ　１．優位するが−この鳩舎、詰粉１お管に対しては
インペラは設置しておらず、かつ微粉炭流はフレームキ
ャップ１００において形成される小さな渦流１０３によ
って外側に拡散するのを抑制され、このためバーナ軸心
１０４を中心としてバーナ近傍に高温還元炎１０５を形
成する。この高温還元炎の・Ｎ　Ｈ，・ＯＮ等のラジカ
ルおよびＣＯ等の還元性中間生成物によってＮＯｘをＮ
２に気相還元する。つまり、フレームキャップによって
微粉炭の拡散を防止できるので高温還元域を従来型バー
ナに比較してバーナ側に近づけることができ、従来型の
スリーブを用いて二次空気、三次空気を噴射してもこれ
ら空気の混合点より上流側に高温還元域が形成されるの
で比較的良好な気相還元が行える。

しかし、以下の様にして二次空気及び三次空気を噴射す
ればより効果的である。つまり二次空気ダンパ３２１．
三次空気ダンパ３３１の制御及びもしくは二次、三次個
別空気ファンの設置による二次空気２０．三次空気３０
の末端旋回器たる二次空気でベーン７１および三次エア
レジスタ６２上流の圧力及び風量の独立制御方式により
、この二次空気及び三次空気を高温還元炎１０５と分離
する。

この場合、三次空気３０の圧力はエアレジスタ６２の上
流側で１２０ｍｍＡｇ以」二で運転すると良好な結果が
得られることが確認できた。またこの際三次空気と二次
空気の風量は約４＝１とすると効果的であることもＵ（
Ｉ認できた。

以上により、三次空気３０は強力な旋回力と適切な風量
が維持されバーナスロートにおいて二次空気、三次空気
共に広い角度で炉内に噴射し前述の如く高温還元炎がバ
ーナ近傍で形成されるのと相まって両者の混合は僅かで
あり良好な気相還元を行える。またこの高温還元炎の下
流側においては二次空気、三次空気の噴射エネルギーも
低下しバーナ軸心１０４側に流れ込み、未燃分の燃焼を
行う。

なお、スロート径の小さなバーナをこの発明に係るバー
ナに改造する場合には以上の空気供給方式をバックアッ
プするために、各スリーブ４２、４３の先端に漏斗状部
１０１．１０２を形成するときわめて効果的である。

又、少量の二次空気２０を、三次空気とは異なる旋回強
度をもって噴出させることにより、図中Ａで示される如
き固定された循環渦を形成させることが出来ることも実
験により確認された。

この循環渦Ａの存在により、最外周空気（当実施例では
三次空気Ｂ）は、この循環渦のまわりで一旦微粉炭流ｌ
Ｏとは極めて効果的に分離されしかもこの渦の存在のた
めに、その後流では微粉炭流により形成した高温還元炎
１０５の後流との混合改善が成される。

更に、排ガス通路５０は、微粉炭流と二次空気の空間的
分離のために有効であり必ずしも多量の排ガスを必要と
するものでは無く、実用的な見地からも従来バーナに比
して問題とはならない。

第３図は第２図に示すバーナに対する各気体及び微粉炭
の供給系統を示す。図中符号２００は・−＝、−、Ｊ−
ｉ０八に＆＋）　＋　１８蛸、Ｍ４か批鉛才Ａ　Ｓル、
３０１は排ガス再循環ファン、３０２は二次空気ファン
、３０３は三次空気ファンである。

この発明になるバーナ装置は、ボイラ火炉に対してアフ
タエアポート等を形成していない旧型のボイラに対して
大きな効果を発揮し、ボイラ本体の改造を行なうことな
く大幅な低ＮＯｘ化が達成できるが、この型式のボイラ
に限らず、二段燃焼型ボイラ、炉内脱硝型ボイラにおい
ても効果的である。

第４図は各型式のボイラを示し、（ａ）は無対策型、（
ｂ）は二段燃焼型、（Ｃ）は炉内脱硝型である。

図中符号４００はこの発明に係るバーナ、４１０はアフ
タエアポート、４２０はこの発明に係るノく−すの空気
比を低下させて脱硝専用のバーナとしたものを示す。

先ず無対策型（ａ）については上述のとおりであるが、
（ｂ）に示す二段燃焼の場合には各バーナから供給され
る二次、三次の各空気がアフタエアとして機能し、各バ
ーナ毎に未燃分をあらかじめ燃焼させるため、従来型の
二段燃焼に比較して灰中未燃分の抑制を効果的に行うこ
とができる。また極く最近第４図（０）に示す如く火炉
内に燃料過濃混合気を投入して火炉内で局所的にＮＯｘ
の気相還元を行なう燃焼法（炉内脱硝法）が紹介されて
いるが、本燃焼法においては炉内局所に燃料過濃域を形
成する為に、逆に主燃焼ゾーンでは空気過剰気味となり
、この主燃焼ゾーンで多量のＮＯｘを発生させてしまい
結果的には十分なるＮＯｘ低減効果を得がたい場合があ
るが、本発明によるバーナを主燃焼域に設置することで
この種の問題は大幅に改善される。

第５図にこの発明のバーナによるＮＯｘ低減効果を示す
。■は従来のデュアルエアレジスタによる最小ＮＯｘ排
出濃度、ＩＩはこの発明によるバーナで従来のデュアル
エアレジスタバーナと同一操作条件で運転した場合、■
は操作条件を変化させて運転した際の最小ＮＯｘ排出濃
度である。

なおこの実験に当っては日本炭を使用した。

この日本炭の性状は燃料比（固定炭素分／揮発分）が約
１、窒素含有率１．１％　ｄｒｙ　ａｓｈ　ｆｒｅｅで
あり、５００Ｋｇ−ｃｏａｌ／ｈ　、バーナ空気過剰率
１２０％で運転した。

この発明を実施することにより、各バーナにおいて高温
還元火炎と空気の分離が効果的に行えるのでＮＯｘの気
相還元を効果的に行うことができ従来の型式のバーナに
比較してＮＯｘの排出量を大幅に低減することができる
。

さらに各バーナでＢｏｘの除去を行うので、新設の燃焼
装置のみでなく、既設の装置に対しても燃焼装置自体に
ついては改造することな〈実施できるので幅広い分野に
おいて実施可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の低ＮＯｘバーナの断面図、第２図はこの
発明に係る低ＮＯｘ燃焼装置の断面図、第３図は第２図
の装置に供給する燃料、気体の系統図、第４図（ａ）な
いしくｃ）はボイラ火炉断面図、第５図は各燃焼装置の
ＮＯｘ排出量を示す線図である。 １０　・・・・・・微粉炭流 ２０　・・・・・・二次空気 ３０・・・・・・三次空気 皿・−＝−・フレームキャップ １０１、１０２・・・・・・漏斗状部 第１図 ｎ 第２図 手続補正書　（自発） 昭和５８年１１月１５日 特許庁長官若杉和夫　殿 １、事件の表示 昭和５８　年　特　許　願第１７２：１４７号２、発明
の名称　低ＮＱｘ燃焼装置ａ ３、　補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　＋９ｉ　東京都千代田区大手町２丁目６番２号氏　
名（名称）　（５４４）バブコック日立株式会社４、代
理人 氏　名　ＮＫ渋谷コータース　電話　（４６０）　６０
７２補正の内容 １、「発明の詳細な説明」の欄について。 （１）明細書第１２頁上から第５行目［１２ｏｍｍＡｇ
　Ｊとあるものを１１２０ｍｍＡｑＪに訂正する。 （以上）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　燃焼装置の燃料通路及びまたは気体通路の火炉側
   端部またはその近傍に、渦流形成部材を一以上設け、燃
   料流と気体流、及びまたは気体流相互の分割を行うよう
   構成したことを特徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。 ２・　燃料通路の火炉側端部に対し、その開口端に向っ
   て口径を拡大するフレームキャップを形成して保炎用渦
   流形成部材とすることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の低ＮＯｘ燃焼装置。　３ ３・　二次空気通路及びまたは三次空気通路の火炉側端
   部を、開口端に向って口径を拡大する漏斗状部とし、こ
   の漏斗状部を前記渦流形成部材としたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の低ＮＯｘ燃焼
   装置。 なるよう各空気通路に旋回部材を配置し、かつこれら二
   次空気及び三次空気の供給量を独立に制御し得るよう構
   成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第
   ３項のいづれかに記載の低ＮＯｘ燃焼装置。 ５、渦流形成部材の開口端の口径を可変とし、かつこの
   口径の調節を装置外部から行えるよう構成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第２項または第３項記載の低Ｎ
   Ｏｘ燃焼装置。 ６・　渦流形成部材の部材壁厚みを火炉側開口端に向っ
   て漸増させるよう構成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の低１９０Ｘ燃焼装置。