JPS6387516A - 石炭・水スラリ−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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、石炭・水スラリー燃焼装置に係り、特に、石
炭・水スラリーをＮＯｘ発生を迎えて高効率に燃焼させ
る石炭・スラリー燃焼装置に関するものである。

〔従来の技術〕

石炭・水スラリー（以下、ＣＷＭと称する）を燃焼する
燃焼装置は、ＣＷＭ燃焼用バーナ及び燃焼を制御する制
御装置を有している。しかして、ＣＷ　Ｍを燃焼させる
場合、後述のごとく着火性が大きな技術課題であるが、
微粒炭燃焼時の着火性改害を目的としたものとして特開
昭５９−２０８３０５号公報に記載されたものがある。

一方、流体を噴霧状態にして燃焼されるという観点から
は、火炎の短炎化を目的とした特開昭５９−１４５４０
５号公報に示された油燃料バーナ装置がある。

しかしながら、ＣＷＭ燃焼装置そのものについての従来
技術はあまり示されていない。

それでは、ＣＷＭ燃焼技術について以下述べて、問題点
を検討することにする。

ＣＷＭはその製造、輸送コストが低くハンドリング等の
面で大きな利点を有するが、燃料中に水分を多量に含む
ことになるため、従来の微粒炭に比較して燃焼効率が低
くなる恐れがある。ＣＷＭは微細粒子にして燃焼炉内に
噴霧される。ＣＷＭのように比較的粘性の高い液体の噴
霧には、一般に高速の噴霧媒体を噴霧媒質に衝突させる
二流体式アトマイザ−が用いられる。二流体アトマイザ
−は、噴霧媒体の流速が速い程微粒化性能が高く、アト
マイザ−から噴出されるＣＷＭ気流の速度は、空気搬送
による微粉炭の場合の５倍程度にもなる。

さらに、噴霧されたＣ　Ｗ　Ｍは、その着火に先たち水
分の蒸発域を必要とする。噴出速度が速く、かつ水分の
蒸発時間を必要とする結果、ＣＷＭの着火位置はバーナ
面から後流側にリフトじ易く、火炎温度も１００℃〜２
００℃程低いことが知られている。このような着火位置
の後退は、燃焼効率が低く、即ち燃焼後の灰の中に未然
カーボンの量が多くなり、又火災の安定性、窒素酸化物
（ＮＯｘ）の抑制に悪影響を及ぼす。

ＣＷ　Ｍの燃焼の場合も、他の燃料の燃焼と同じく、Ｎ
　Ｏｘの抑制が必要であり、少なくとも通常の微粉炭燃
焼なみのＮＯｘ排出抑制を求められる。

ＣＷＭを含めた各種燃料の燃焼時に発生するＮＯｘは、
燃焼用空気中の窒素（Ｎ２）が高温化で酸化されて発生
する熱生成ＮＯｘと、燃料中に含有する窒素骨（Ｎ）分
が燃焼時に酸化されて発生する燃料起源ＮＯｘに大別さ
れる。

これらの２種類のＮＯｘのうち、熱生成ＮＯｘの発生量
は、燃焼火災の温度に強く依存している。

ＣＷＭのように火災温度が低い場合には、Ｎ２と０２の
反応は抑制され、その発生量は比較的少ない。これに対
して燃料中に含有する窒素骨（Ｎ）のために生ずるＮＯ
ｘは、火炎温度によってあまり変化せずむしろ燃料中の
Ｎ含有量によって左右される。ＣＷＭの可燃成分である
石炭は、炭種によって０．５〜２．５重量％のＮ分を含
有している。

これは、ＬＮＧの０重量％、Ｃ重油の０．１　重量％に
比較して極めて高い。そのため燃料起源ＮＯｘの発生量
が多く、全ＮＯｘ発生量の大部分を占めている。微粒炭
の燃焼では、そのＮ　Ｏｘ低減のために火炎内部に還元
領域を安定に形成することが不可欠であることが知られ
ている。石炭は、空気不足の燃焼条件（低空気比燃焼条
件）下では、Ｈｚ、Ｃｏ等の還元性ガスを放出し還元領
域を形成する。このような還元領域下では、石炭中のＮ
分はＮ　Ｈ３，ＨＣＮ等の化合物として放出される。

これらの窒素化合物は、高濃度の０２共存下では直ちに
Ｎ　Ｏｘに酸化されるものの、０２濃度が底い場合には
ＮＯｘをＮ２に還元する作用を有する。

そこで微粒炭の低Ｎ　Ｏｘバーナには、燃焼用空気を大
きく分離し、これを徐々に混合させることによって、還
元領域と低０２′ａ度′領域（脱刷領域）を安定に形成
するように構成されているものがある。

これに対してＣＷＭは、水の蒸発時間だけ着火に要する
時間が長く、また、微粒化される時に高速で噴出される
ために、火炎がバーナ面より離れ易い。即ち、ＣＷ　Ｍ
と空気の混合が急速に進む後流域で燃焼が進むため、微
粉炭燃焼のような還元領域の形成が容易でなく、Ｎ　Ｏ
ｘの排出抑制が困難になる。また、着火性が低いことは
当然燃焼率低下の直接の原因であり、更には、火炎がバ
ーナより離れると、失火し易い不安定な燃焼状態になり
、燃焼装置の信頼性にも問題を生ずる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述したようにＣＷＭの燃焼では着火位置の後退が燃焼
特性に悪影響を及ぼすので、ＣＷＭの着火性を向上し、
着火位置を可能な限りバーナ近傍に引き寄せることが、
ＣＷＭ燃焼装置に必要なことである。着火位置を引き寄
せる方法としては、燃焼用空気を施回流として投入する
方法が知られている。たとえば、前述の特開昭５９−２
０８３０号公報に示される微粉炭バーナのように、３次
空気ノズルの位置を燃料ノズルから離し、かつ３次空気
を強度施回流として投入するバーナがある。微粉炭のよ
うに空気の噴出速度の流速で燃料が噴出される場合には
、強施回流として燃焼空気を投入するのは有効である。

しかしながら、ＣＷＭのように燃料ノズルから燃焼空気
流速よりも３〜５倍以上の高速で燃料が噴出される場合
には、空気の旅回力だけで保炎しようとすると、最適な
旅回強度範囲が非常に狭く、バーナの運転操作が困難に
なる。また、二流体アトマイザにおいて、噴霧媒体の流
速を下げ、ＣＷＭ噴出速度を低減すると、ＣＷＭの微粉
化が阻′Ｓされ、良好なＣＷＭの燃焼火災が得られない
。即ち、ＣＷＭの噴霧粒径が大きくなると、粉子の発熱
特性が悪くなるため、着火性が低下する。

また、油燃料を対象としたバーナとして、前述した火炎
の短炎化を目的にした特開昭５９−１４５４０５号公報
に示されるバーナ装置がある。この装置は、先端に燃料
を噴霧するバーナチップを装置したバーナガンと、この
バーンガンの周りを囲むように設けた旅回する１次空気
を供給するための１次スワラと、この１次スワラから供
給される１次空気と前記バーナチップから噴霧された燃
料を混合して燃焼させる１次バーナメタルと、この１次
バーナメタルの先端側の周りに所定間隙を置いて囲むよ
うに設けた２次バーナメタルと、この２次バーナメタル
と前記１次バーナメタルとの間隙に設けた旅回する二次
空気供給するための２次スワラと、前記２次バーナメタ
ルの先端側の周りに設けた３次空気供給用の３次空気ノ
ズルを具備し、前記１次バーナメタルの全長を前記１次
スワラの直径の２倍以下とするとともに、１次バーナメ
タルの先頭部内周面には前記１次スワラの直径よりも短
い長さの水平な筒部を形成し、かつ１次バーナメタルの
先端部外周には外側へ向けて３０度ないし６０度の角度
の拡がりをもつ錐状部を形成し、更に、前記２次バーナ
メタルの先頭部内周面を前記１次バーナメタルの外周面
と略相似の拡り角となるように形成したことを特徴とす
るものである。

この装置は、油燃料のように着火性の良いバーナに対し
ては、効果が大きいが、ＣＷ　Ｍのように着火性の低い
燃料に対しては、良い燃焼性を与えない、先ず、１次空
気ノズルを燃料ノズルの外周に設置し、この周りに設置
された１次バーナメタル内で燃料を燃焼しようとすると
、燃料の高速噴流によって形成される負圧領域が１次空
気によって解消されるために、１次バーナメタルによっ
て形成される着火領域への２次空気の巻き込みが無くな
り、着火性が阻害される。即ち、着火及び保炎は燃料流
の周囲に大きく安定な循環流を形成することが必要であ
り、１次空気の投入は、循環流の形成にとっては逆効果
である。更に、１次バーナメタルの先端を外側へ向けて
、２次空気と燃料の初期の混合を抑制する構造をとると
、ＣＷ　Ｍのように着火性の低い燃料の場合には、火炎
がバーナ面から離れ易くなる。

上記した従来技術をＣＷＭ燃焼に適用した場合の別の問
題点は、燃料である石炭の産地によって燃料比などの燃
料性状が変ることにより着火性を含む燃焼現象が大きく
左右されるという問題がある。

本発明の目的は、着火距離を短くすると共に、石炭性状
の変化するなどに外乱が生じたときでも燃焼状態を制御
できる石炭・水スラリー燃焼装置を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成する本発明は、スラリー状の燃料を微粒
化して噴出させる燃料ノズルと、前記燃料ノズルに対し
て同芯上に空間的にひろがった形状の予備燃焼室と、前
記予備燃焼室の外部に設けた燃焼室壁加熱用加熱器とす
るものである。

また、他の発明は、上記発明に加えて、火炎検出器と、
該検出器の信号を処理する制御装置と、前記加熱器の発
熱量を調節する制御装置とを設けて構成したものである
。

［作用〕 空間的にひろがりの大きい予備燃焼室を設けると、アト
マイザ−から高速度で噴出されたＣＷＭの速度は、燃料
ノズルに設けられた空間的にひろがりの大きい予備燃焼
室に拡散するために急速に低下することになる。これに
よりＣＷＭは短時間的にその温度が上昇することが可能
となる。

また、ＣＷＭが燃料ノズルから噴出されたのち急速に着
火するためには、ＣＷ　Ｍ内に含まれた比熱の大きい水
分を急速に蒸発させればよい。そこで、前記予備燃焼室
の壁を高温に保てば有効である。但し、この予備燃焼室
の壁には燃料ノズルから噴出したＣ　Ｗ　＞を内に含ま
れる微粉炭が衝突するので、この壁は耐摩耗特性の優れ
た材質の材料である熱伝導率の高いセラミック材で構成
した。

つまり、このセラミック材を用いて予備燃焼坊の壁を構
成し、壁の外側に加熱器を設け、予備燃焼室を高温に保
持したものである。

更に、ＣＷＭ内に含まれる微粉炭は、産地が相法すると
、その性状が大いに変化する。特に、微粉炭内の燃焼物
質中に比較的低温（５００℃以下）で気化する揮発分を
比較的多く含有するＣＷＭの場合は、着火も容易である
が、逆に燃焼物質中固形分の多いＣＷＭの場合は着火性
が悪い、前記予備燃焼室の外部に設けた加熱器を発熱さ
れるためにはエネルギーを要するが、ＣＷＭ内に含まれ
た微粉炭の性状の相異などが原因で、ＣＷＭの着火距離
などの燃焼状態を光学的に検出し、これを基に前記加熱
器の発熱温度を制御するようにしたので、加熱器は必要
なエネルギーを発生させ、性状の異なるＣＷＭについて
最適な燃焼となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例を示す構成図である。

第１図において、１は石炭・水スラリーの燃料を微粒化
した噴出させる燃料ノズル、２は前記予備燃焼室の外周
上に設置されＣＷＭの着火燃焼用空気を供給するノズル
で、３はＣＷＭが燃焼する場合の燃焼の後段階で消費さ
れる主燃焼用空気を供給するノズル４は燃料ノズル１と
同芯上に配置され空間的広がりの大きい予備燃料室、５
はノズル２，３の入口にそれぞれ設けられている旋回流
発生器であり、旋回流発生器５はノズル２，３から噴出
される空気を旋回流として噴出させるものである。６は
ＣＷＭ燃焼火炎である。７は前記予備燃焼室４の外側に
設けられた加熱器、８は前記加熱器７から発生する熱が
外部に逃げるのを防止するための断熱材、９は予備燃焼
室を構成する壁で、耐摩耗性と熱伝導側の両者が優れた
セラミック材料で構成されている。１０は前記燃焼火炎
６の燃焼状態を検出するための光学的検出器であり、光
学的検出器１０は、後述のごとく、光ファイバーまたは
イメージファイバーと、工業用カメラ（ＩＴＶ）とから
構成されている。１１は前記検出器１０からの火炎信号
を処理する計算機を主体とした制御装置、１２は前記加
熱器７の発熱量（または発熱温度）を調整する制御装置
１３は電源である。

上述のような構成の燃焼装置の作用を以下に説明する。

上記構成において、燃料であるＣＷＭは燃料ノズル１に
より平均粒径が、５０〜１００　（、ｌ’−ｍ）程度に
微粒化されて噴出される。ｗ粒化されたＣＷＭは燃料ノ
ズル１の直後に設置された予備燃焼室４において、含有
水分が急激に蒸発し、温度上昇の結果着火する。

着火用空気は図示矢符で示したように、流目された２次
空気のため負圧となっている予備燃焼室４に引きもどさ
れた２次空気の一部が供給される。

次に、残りの大半の２次空気１４によってＣＷＭの初期
燃焼が行われ、燃焼炉内で３次空気１５により完全燃焼
が行われる。

上述の燃料ノズルからのＣＷＭの噴出速度は、微粒化を
促進するため、微粉炭燃焼用バーナにおける搬送用空気
の速度に比較し、３〜５倍と高速である。

ＣＷＭ内の水分は周知のように比熱が大きいため高速度
で噴出されると、短時間内には温度が上昇できにくいが
、予備燃焼室４が空間的に大きいため、ここで流速が減
衰する。これによりＣＷＭが２次空気と混合する前にＣ
ＷＭ内の水分の蒸発する時間的余裕を生じ、また着火前
にＣＷＭが２次空気の一部との混合する時間も長くでき
、着火位置をバーナ面に近付けるのに有効となる。

上記ＣＷＭ内の水分の蒸発促進のためには、流速の減衰
化に加えて、予備燃焼室壁を高温化する。

このため、予備燃焼室壁９の外周に加熱器７を設けであ
る。前記９の材料特性としては耐摩耗性と高熱伝導率が
求められるが、現在この両者の特性を兼ねるセラミック
材が実用化されつつあるので、これを使用した。

将来材料技術の進歩によっては、予備燃焼室壁９と加熱
器７を一体の構造とすることも可能である。

予備燃焼室４はＣＷＭ内水分の蒸発促進室とでもいうべ
き機能をもっている。

更に、燃焼火炎６を検出器１０で検出して、制御装ｅ１
１１に取り込み、この制御装置１１で信号処理をして加
熱器温度制御装置にと制御することにより加熱器７の発
熱温度を制御する。

尚、本実施例では、火陥検出器１０を、高温の火炉内の
火炎情報をとり出す器具として光ファイバーとイメージ
ファイバーを採用している。

ところで、ＣＷＭ燃焼装置において、ＣＷＭ燃焼火炎の
平均値輝度のみから予備燃焼室壁温度制御信号を作り出
すようにするのであれば、火焔検出器１０は光ファイバ
を使えば充分であり、高価な画像（イメージ）伝送用フ
ァイバを用いる必要はない。

この場合には、制御装置１１は、第２図に示すように、
単に平均輝度を電気信号に変換する光電変換器１１０と
、基準とする輝度信号を設定する設定器１１１と、設定
器１１１からの基準輝度信号と光電変換器１１０からの
検出輝度と間の偏差を演算する演算器１１２と、その演
算器１１２からの信号に基づいて制御信号を出力する出
力回路１１３とを含んで、構成されている。これによれ
ば、燃焼装置全体のコストが低廉にできるが、平均輝度
しか知ることができないので、同一性状の石炭を原料と
したＣＷＭの燃焼として、未然分ＮＯｘが最低となる燃
焼を監視している保証は小さ高度な燃焼を実現するため
には、ＣＷＭの着火距離・バーナ軸上の輝度の変化の状
況・火炎内輝度分布、または火炎内温度分布などの信号
から予備燃焼室壁９の温度を制御する場合には、第３図
に示すように、火焔検出器１０としてはイメージファイ
バ１０′　を用い、また工業用テレビカメラ（ＩＴＶ）
１１０’　を用い、制御装置１１Ｊを電子計算機１１′
により構成し、必要に応じて火炎特徴抽出を行うように
したものである。ここで、ＣＷ　Ｍ火炎の着火距離のみ
を制御する場合であれば、イメージファイバー１０’　
と、白黒用ＩＴＶ１１０′とを用い、火炎の２次元輝度
信号から輝度の急速な変化点を着火距離と見做し、着火
距離が設定値より長い場合には、加熱器温度制御装置１
２を制御する。これにより、予備燃焼室壁９の温度を上
昇させる。

また、着火距離のほか、火炎形状までも制御したい場合
には、制御装置１１′の出力は、予備燃焼室壁９の温制
御をさせると共に流目流発生器５による２次または３次
空気の流口角度の制御をも合せて行うようにすればよい
。

尚、ＣＷＭの燃焼において、着火距離は未然分。

ＮＯｘ低減に大きな影響をもつが、この着火距離は、２
次空気との混合の具合、予備燃焼室温度で代表されるよ
うな燃焼器のあらゆる部分からの輻射熱ＣＷＭ燃焼火炎
からの輻射熱など多くの因子でよって決定される。燃焼
器あるいは火炉の温度が低いバーナ使用開始直属は着火
しにくい。このような使用開始同層から着火距離を規定
通りとするためには、本実施例による予備燃焼室壁温制
御は偉力を発揮する。即ち、バーナ使用開始直属もしく
は、それ以前から加熱器温度制御装置１１を用いて予備
燃焼室壁９の温度を上昇しておき、通常運転になったと
きには、火炎検出器１０からの検出信号を用いた制御と
すればよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、燃料率の向上とＮ　
Ｏｘの排出歇を低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るＣＷＭ燃焼装置の実施例を示す構
成図、第２図及び第３図は同実施例に用いる制御装置の
構成を示すブロック図である。 １・・・燃料ノズル、２・・・２次空気ノズル、３・・
・３次空気ノズル、４・・・予備燃焼室、５・・・流目
流発生器、７・・・加熱器、８・・・断熱材、９・・・
予備燃焼室壁、１０・・・火炎検出器、１１・・・制御
装置、１２・・・加熱器温度制御装置、１３・・・電源
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、スラリー状の燃料を微粒化して噴出させる燃料ノズ
   ルと、前記燃料ノズルに対して同芯上に空間的にひろが
   つた形状の予備燃焼室と、前記予備燃焼室の外部に設け
   た燃焼室壁加熱用加熱器とを備えてなる石炭・水スラリ
   ー燃焼装置。 ２、スラリー状の燃料を微粒化して噴出させる燃料ノズ
   ルと、前記燃料ノズルに対して同芯上に空間的にひろが
   つた形状の予備燃焼室と、前記予備燃焼室の外部に設け
   た燃焼室壁加熱用加熱器と、燃焼火炎の検出器と、この
   検出器の信号を処理する制御装置と、前記加熱の発熱量
   を調整する加熱制御装置とを備えてなることを特徴とす
   る石炭・スラリー用燃焼装置。