JPS6235567B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は微粉炭の直接点火、特に一次空気に乗
つた微粉炭を包含する燃料流の燃焼を開始させる
のに電気アークを用いることに関するものであ
る。更に詳しくは本発明は、付加的な点火エネル
ギ源を使用せずとも、大きな信頼性と反復性をも
つて、濃相石炭空気燃料流を電気的に点火するこ
とに向けられている。従つて、本発明の第１の目
的はそのような特徴を有する新規かつ改善された
方法を提供することにある。

従来技術 燃料コストと入手しやすさの問題のために、発
電設備において、天然ガスや石油よりも石炭を用
いることが次第に望ましくなつて来ている。現今
電気事業に用いられる型式の石炭焚き蒸気発生器
ボイラでは、安全かつ効率の良い運転を保証する
ために補助の液体および気体炭化水素燃料をも使
用して点火と低負荷火炎安定用エネルギとの両方
を与えている。例をとつて見ると、500MW石炭
焚き蒸気発生装置の１回の始動のために石油
70000ガロン（260000リツトル）を消費すること
は異常なことではないのである。明らかに、石炭
焚きのプラントにおいてこのような著しい量の補
助燃料を消費せしめる必要をなくすことは重要で
あり、また段々さし迫つた問題となつている。

天然ガスまたは石油と比較すると、ガス化され
てない形の石炭は点火するのが困難な燃料であ
る。事実最近までは、空気に乗つて運ばれる微粉
炭から成る燃料流を充分な信頼性をもつて直接点
火すること、すなわち、ひえ切つた炉内でこれを
点火させることは不可能と考えられていた。この
点結局微粉炭の点火のメカニズムはまだ充分には
解明されていないのである。石炭粒子の点火はそ
れらの表面の性質の作用であるか、またはこのよ
うな粒子からのガスの液化の結果であるか、さら
にはその両者であると信じられている。何れにし
ても、所期点火作用はおそらく加熱率に依存する
ものであり、従つて一般には著しい量の揮発分形
成分子を次々に放出して急速に加熱するように高
入力エネルギを供給することが望ましいと考えら
れている。ガスまたは石油の燃焼により予熱され
る炉においては、充分なエネルギが与えられて、
石炭粒子のすべてを点火することを保証している
ので、個々の粒子の点火を生じさせるメカニズム
はあまり重要なものではない。しかしながら、石
炭の送給が開始されるときには点火状態にある石
油またはガス燃料による高エネルギおよび炉壁の
高温度なしには、石炭空気燃料流は最近までは充
分な信頼性をもつて点火され得なかつた。最近の
研究成果、例えば米国特許第4241673号明細書記
載の技術によれば、適当な状態の下において、
“直接”すなわち付加的エネルギ源なしの、微粉
炭の点火が充分な信頼性をもつてできるようにな
つた。

勿論、充分な点火エネルギが石油空気燃料流に
供給されると、この石炭空気燃料流内に確立され
る条件により火焔がこの燃料混合物中に進行す
る。雲のようなにただよう微粉炭の点火は同時的
に起こることではない。典型的な微粉炭粒子（−
200＋300メツシユ）は１秒以内にもえ切つてしま
う。従つてもし火焔を伝播させる型式とするなら
ば、点火エネルギ源により点火された粒子は隣接
する粒子にエネルギを伝達してこれを点火するこ
ととなる。このような連続点火のための条件は火
炎ポケツト内に発生される熱量にある点火源から
燃料流へのエツルギの供給に起因するこの熱量は
吸熱液化による熱損失および輻射と対流とによる
熱損失より大きくなければならない。火炎の伝播
を保証する問題は、点火エネルギ源が、間欠的に
動作する場合にはその性質上特に深刻である。従
来のガスおよび石油燃料の使用を止めるのであれ
ば、点火エネルギ源として電気を使うこととな
る。電気を使う最も普通な型の場合火花放電とな
るが、この場合間欠作動が実際上強制されること
となる。

可燃燃料の火花放電点火は今迄重要な研究テー
マとなつて来ていた。火花放電点火装置から得ら
れる全火花放電エネルギは放電部の近くにある石
炭粒子を点火するのに充分であることは知られて
いるが、従来の火花放電点火装置による急速放電
は衝撃波を生ぜしめる。従つて、一次空気に乗る
石炭粒子を包含する燃料流中に従来型の火花放電
棒を配置して作動させることは望ましくないと思
われる。何故ならば、火花放電時に発生する衝撃
波は点火装置先端部から石炭粒子を押退けるよう
になり、点火とこれに続く火炎の伝播との可能性
を減ずるようなるからである。

上述のように、ひえ切つた炉においては、燃料
流は炉の中に注入するに当つて点火されねばなら
ない。従つて、微粉炭を包含する燃料流の直接点
火を果すという問題は、燃料混合物が或る速度で
動いているという事実により困難になるのであ
る。さらに燃料流には乱流が生じ易い。この乱流
は火炎の伝播を促進するものの、対流による熱損
失も生じせしめる。事実、対流による熱損失は、
乱流により生じさせられる火炎の伝播の利益を上
廻るのである。微粉炭を包含する燃料流をその進
行中に点火することの困難は、点火エネルギ源と
して用いられる火花放電のエネルギ量を増すこと
だけで克服することはできない。何故ならば、衝
撃波発生に関連する上述の問題があるから、およ
び点火装置の寿命が火花放電電流に反比例して短
くなるからである。

発明の開示 本発明は、先行技術の上述の欠陥および不利な
点を、点火エネルギ源として高エネルギ電気アー
クを用いて“低温”環境で微粉炭と空気との流れ
を“直接”点火することにより克服するものであ
る。本発明によれば、“濃相”燃料流がバーナに
供給されて、そこで電気アークを反復して確立す
ることにより点火せしめられる。こゝで“濃相”
とは、燃焼帯域へ放出する前の空気石炭輸送重量
比が大略1.0以下である燃料流を云うものとす
る。この電気アークの反復は燃料流中にプラズマ
の膨張収縮するポケツトを形成する。このプラズ
マポケツトは、燃料流の速度に比較すると高い割
合で反復形成される。燃料流速度が18−46メート
ル／秒（60−150フイート／秒）として、この電
気アークの反復率は８−12回／秒の範囲である。

また本発明によれば、電気アークにおけるエネ
ルギ放出の割合は、最初に点火された石炭粒子か
ら隣接する石炭粒子へのエネルギ伝達を最大にす
るように制御される。このことは、先行技術に比
較すると、電気アーク継続時間を増し、また電気
エネルギ放出量を制御して、最初の電気アーク形
成および生長の間に生ずる圧縮衝撃波を減小せし
めることにより達成される。上述のことはプラズ
マ形成の割合を減らし、また圧力勾配および結果
として生じる圧力波を減小させ、これによりまわ
りの石炭空気混合物が追いやられることをすくな
くする。

また本発明によれば、電気アークのサイクルが
制御され、乱流を最小限として、周期的放電によ
り形成される火炎ポケツトと共通の領域へ戻し
て、そのエネルギ量を加算せしめるので、火炎は
混合物中に亘つて広がり、バーナへの“２次”空
気の流れは、火炎の存在が確証されるまで遅らさ
れるのである。

好適な実施例 第１図において、バーナが符号１０で概略的に
示されている。炉にはこのようなバーナ、すなわ
ち機能的にバーナ１０と同じバーナが多数個配設
されている。これらのバーナは異なつた高さにグ
ループとなつて設けられている。バーナ１０は供
給管１２を有し、これを介して燃料流が点火帯域
に送られる。空気中に乗せられた微粉炭からなる
“濃相”燃料流は供給管１２を通して供給され
る。こゝに用いられている用語“濃相”は、石炭
空気混合物における空気対石炭重量比が、供給管
１２中で1.0またはそれ以下、好適には0.5または
それ以下であることを意味するものとする。

第１図および第２図において符号１６で示され
ている高エネルギ点火装置に引込められるように
取付けられており、その先端は供給管１２の直ぐ
下流に位置させることができる。第２図から判る
ように、点火装置１６は典型的には棒状の内部電
極１８と円筒形の外部電極２０とを有する。点火
装置１６の先端では内外部電極は半導体材料層２
２により分離されている。さらに点火装置先端部
近くでの内部電極と外部電極との間の支持および
電気的な絶縁はセラミツク円板２４により果され
ている。電極２０の内部は、セラミツク円板２４
と半導体２２以外のところでは符号２６で示され
ているようなエポキシ樹脂のような適当な絶縁物
質が満たされている。

バーナ１０はまた“２次”空気を供給管１２の
周りの点火帯域に供給するための装置を有してい
る。この２次空気通路は符号３０で示されてい
る。ここには流れ制御ダンパーを設けてある。図
示のバーナでは、この流れ制御ダンパーはダンパ
ー３２として示されている。このダンパー３２は
調節腕３４の操作により、２次空気流全通の状態
と完全閉鎖の状態との間で動かされる。２次空気
通路３０は多数の羽根（図示しない）を有する
が、これらは圧縮空気供給源（図示しない）から
２次空気通路３０へ送られてくる空気をうずまき
流とするように配置されている。２次空気通路３
０は発散ノズル３６において終つている。

バーナ１０はまた環状補助空気ノズル３８を包
含する。空気は、本発明による点火の時にこの補
助空気ノズルを通つて流れる。

内外部電極１８，２０の間に充分な電位差を与
えて、点火装置先端部の近傍の空気をイオン化せ
しめる。アークを発生させる装置は昇圧変圧器
T₁を包含する。この昇圧変圧器はその１次巻線
が適当な交流電源４０に接続されている。高電
位、例えば2500ボルト、が昇圧変圧器T₁の２次
巻線で得られ、ブリツジ型の整流器４２により直
流に変換される。第１図において見られるよう
に、整流器４２の一方の極性の端子はアースに接
続されている。点火装置１６の外部電極２０もア
ースに接続されている。整流器４２の他方の極性
の端子は、抵抗R₁とスパーク間隙４４の形とし
たスイツチ装置と、インダクタンスL₁とを包含
する直列回路により点火装置１６の内部電極１８
に接続されている。１対のコンデンサC₁および
C₂の形としたキヤパシタンスは、スパーク間隙
４４、インダクタンスL₁および点火装置１６に
より形成された直列回路と並列に接続されてい
る。

作動時には、スパーク間隙４４の降伏電圧を超
過するまで、コンデンサC₁およびC₂の中に電荷
が蓄積され、この電荷が降伏電圧をこえるとコン
デンサC₁，C₂は点火装置先端部を経てアースに
放電する。すると、内外部電極１８，２０の間の
空間にある空気はイオン化され、これによりアー
クは内部電極１８と、アースされた外部電極２０
との間に発生する。このようにして、コンデンサ
C₁およびC₂が特定の臨界電圧、実用上は約1800
ボルト、に充電されると、スパーク間隙４０が降
伏して、蓄積されたエネルギを電気アークの形で
点火装置１６を通つて送る。抵抗R₁はコンデン
サC₁およびC₂の再充電の時定数をきめる。この
ようにして点火装置の反復作動率が定められる。
インダクタンスL₁はアーク放電時間を増大さ
せ、点火装置先端部に“ソフト”なアークを生じ
させる。インダクタンスL₁が回路になければ、
点火装置先端部に発生するアークは、立上り、立
下りのするどいエネルギの放出となり、このため
衝撃波が発生し、石炭粒子の点火装置先端部から
押退けるようになろう。しかし本発明によればそ
のような欠点はない。濃相燃料流は比較的点火し
難いことを考慮して、インダクタンスL₁は所望
の作動率においてインダクタンス内でのエネルギ
の過剰な消費がないような寸法とする。インダク
タンスL₁は１μｈ−30μｈの範囲、典型的には
15μｈとする。

本発明によれば、１次輸送空気で運ばれる石炭
微粒子を包含する“濃相”燃料流を信頼性をもつ
て点火すために、次の条件が定められる。

(1) 燃料流は空気石炭重量比が1.0以下、なるべ
く0.5以下である。この重量比の下限は次に述
べる燃料流の速度と関連して微粒炭が空気に乗
つて流れ続けている限度まである。

(2) 燃料流の速度は46メートル／秒（150フイー
ト／秒）以下、なるべくは18−23メートル／秒
（60−75フイート／秒）の範囲である。

(3) 点火装置が作動される割合すなわち反復作動
率は８−12回／秒の範囲である。

(4) 点火装置の点火毎に消費されるエネルギは点
火装置先端部において６−12ジユールの範囲
で、ピーク電流は典型的に1500−2000Aであ
る。点火装置先端部における消費を10ジユール
にするために、定格30ジユールの電力供給源が
使用される。

(5) 点火装置先端部における各アークの持続時間
は100ないし200マイクロ秒の範囲、好適には
150マイクロ秒である。このアークはアーク電
流がゼロに５マイクロ秒以上落ちていない限り
連続しているものと考える。

(6) ２次空気は、アーク点火装置による石炭粒子
の点火が確認されるまで流すのを遅らす。

以上、本発明をその好適な実施例について詳述
したが、本発明はこの特定の実施例に限定される
ものではなく、本発明の精神を逸脱しないで幾多
の変化変形がなし得ることはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するために使用す
るハードウエアの概略説明図および第２図は本発
明を実施するときに使用される型式の点火装置の
断面図である。 １０……バーナ、１２……供給管、１４……デ
イフユーザコーン、１６……点火装置、１８……
内部電極、２０……外部電極、２２……半導体物
質、２４……セラミツク円板、２６……絶縁物
質、３０……２次空気通路、３２……ダンパー、
３６……発散ノズル、４０……交流電源、４２…
…整流器、４４……スパーク間隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 微粉炭燃料流中に配置された電気アーク点火
   装置以外の点火エネルギ源なしで微粉炭燃料流を
   点火する方法において、 輸送空気石炭重量比が１以下、速度が46メート
   ル／秒（150フイート／秒）以下で微粉炭が空気
   に乗つて流れ続けている燃料流を形成し、 この燃料流を点火帯域に向け、かつこの点火帯
   域に電気アーク点火装置を突き出させ、 この電気アーク点火装置の先端部における燃料
   流に間欠的に電気アークを生じさせ、この電気ア
   ークを８−12回／秒の反復作動率でくり返し、各
   電気アークを100−200マイクロ秒の間持続させ
   て、電気アーク点火装置の先端部において６−12
   ジユールのエネルギを消費せしめるようにしたこ
   とを特徴とする、微粉炭燃料流を点火する方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
   前記の間欠的な電気アークの発生に引続き前記点
   火帯域に２次空気の流れを確立せしめて前記電気
   アーク点火装置に向う点火石炭粒子の再循環を生
   じさせることを特徴とする、微粉炭燃料流を点火
   する方法。