固体燃料バーナ及びそれを備えた燃焼装置
【課題】
固体燃料の搬送気体に酸素濃度の低い気体を利用するものであっても、搬送気体や燃料粒子が流れる燃料ノズル出口の流速分布と燃料粒子の濃度分布を平滑化し、燃料ノズル出口の直後から安定に火炎を形成すること。
【解決手段】
本発明では、上記課題を解決するために、固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルの外側に配置され酸素含有気体を噴出する少なくとも１つの燃焼用気体噴出ノズルと、前記燃料ノズルの周方向の速度成分を持つ酸素含有気体を噴出させ、該燃料ノズル内に突出させて設けられた少なくとも２つの酸素含有気体追加ノズルとを備え、前記燃料ノズル内の酸素含有気体追加ノズルの下流側で、かつ、該酸素含有気体追加ノズルの周方向間に、前記燃料ノズルを流れる混合流体の流れに対して抵抗体となる障害物を設けたことを特徴とする。
固体燃料の搬送気体に酸素濃度の低い気体を利用するものであっても、搬送気体や燃料粒子が流れる燃料ノズル出口の流速分布と燃料粒子の濃度分布を平滑化し、燃料ノズル出口の直後から安定に火炎を形成すること。
【解決手段】
本発明では、上記課題を解決するために、固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルの外側に配置され酸素含有気体を噴出する少なくとも１つの燃焼用気体噴出ノズルと、前記燃料ノズルの周方向の速度成分を持つ酸素含有気体を噴出させ、該燃料ノズル内に突出させて設けられた少なくとも２つの酸素含有気体追加ノズルとを備え、前記燃料ノズル内の酸素含有気体追加ノズルの下流側で、かつ、該酸素含有気体追加ノズルの周方向間に、前記燃料ノズルを流れる混合流体の流れに対して抵抗体となる障害物を設けたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体燃料を気流搬送して燃焼する固体燃料バーナ及びそれを備えた燃焼装置に係り、特に、水分及び揮発分の多い燃料を粉砕して気流搬送し、浮遊燃焼させるものに好適な固体燃料バーナ及びそれを備えた燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
木材やモミ殼、ヤシ殼等の植物由来のバイオマス、ピートや褐炭、亜炭などの石炭化度の低い石炭などの燃料は、揮発分が多く、また、含有する水分が多いので、空気雰囲気では、貯蔵、粉砕、搬送過程において自然発火しやすく、瀝青炭などと比べて扱いにくいことが知られている。
【０００３】
これらの燃料を粉砕して燃焼する場合は、自然発火を防止するために、燃料の搬送気体として、酸素濃度を低下させた燃焼排ガスと酸素含有気体との混合気体が使われることがある。特に燃焼排ガスは、燃料周囲の酸素濃度を低下させ、燃料の酸化反応(燃焼)を抑制し、自然発火を防ぐものである。また、燃焼排ガスは、その保有熱により、燃料中の水分を乾燥させる機能も持っている。
【０００４】
しかし、低酸素濃度の搬送気体で搬送された燃料粒子は、固体燃料バーナから噴出する際に燃焼（酸化）反応が、燃料粒子の周囲の酸素濃度が低いことで制限される。このため、空気で搬送した場合と比べて燃焼速度が低く、固体燃料バーナの出口直後から安定に火炎を形成することが、空気で搬送させる場合よりも難しくなる。
【０００５】
上述した自然発火を防止しつつ火炎を安定に形成させるものとして、固体燃料バーナの燃料ノズル内に、酸素含有気体を噴出する追加空気ノズルを突出させて設けることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
この特許文献１に記載の固体燃料バーナは、追加空気ノズルの出口を燃料ノズルの周方向に有し、この出口から周方向に酸素含有気体を噴出することで、燃料ノズルの外周側隔壁近く（以下、燃料ノズル外周部という）に酸素濃度の高い部分を形成するものである。この特許文献１に記載の固体燃料バーナによれば、燃料ノズル外周部では、燃料粒子は周囲の酸素濃度が高まるため、燃焼（酸化）反応が早まり、燃料ノズル出口近傍から火炎を形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１４０４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の固体燃料バーナでは、酸素含有気体を噴出する追加空気ノズル（以下、追加ノズルという）は、燃料ノズル内に突出して設けられているため、追加ノズルの設置部分においては、燃料ノズル流路の断面積が縮小し、その縮小部分（以下、縮流部という）では、燃料ノズルを流れる混合気体の流速が上昇する。このため、燃料ノズル内で一旦流速が上昇するので、追加ノズルより下流の部分には、周方向に速度分布の差が生じる。即ち、追加ノズルの下流は、流路断面積と流量から求めた平均流速に比べて流速が低く、追加ノズルに挟まれた流路（縮流部）の下流は、平均流速よりも高くなる。
【０００９】
更に、混合気体で搬送される燃料粒子は、混合気体より慣性力が高い。縮流部にて燃料粒子の流速が上がると、その下流においては、燃料粒子の流速の低下が混合気体より遅れる。このため、燃料ノズルの出口では、燃料粒子の噴出速度は混合気体よりも高い。また、縮流部に燃料粒子が集まり、追加ノズルの下流は、燃料粒子の濃度が低くなる。
【００１０】
その結果、燃料ノズルの出口においては、燃料粒子や混合流体の流速と、燃料粒子の濃度が周方向に不均一となる。流速の高い部分は、燃料ノズルの出口外周の循環流に滞留する高温ガスとの接触時間が短くなり、燃料粒子の反応が進むまえに循環流との接触が終わるため、火炎が燃料ノズルから離れて形成し易くなる。即ち、固体燃料バーナの燃料ノズル出口の直後から安定に火炎を形成することが難しくなる。
【００１１】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、固体燃料の搬送気体に酸素濃度の低い気体を利用するものであっても、搬送気体や燃料粒子が流れる燃料ノズル出口の流速分布と燃料粒子の濃度分布を平滑化し、燃料ノズル出口の直後から安定に火炎を形成することのできる固体燃料バーナ及びそれを備えた燃焼装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の固体燃料バーナは、上記目的を達成するために、固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルの外側に配置され酸素含有気体を噴出する少なくとも１つの燃焼用気体噴出ノズルと、前記燃料ノズルの周方向の速度成分を持つ酸素含有気体を噴出させ、該燃料ノズル内に突出させて設けられた少なくとも２つの酸素含有気体追加ノズルとを備え、前記酸素含有気体追加ノズルの少なくとも１つには、前記燃料ノズルの周方向にノズル出口を有している固体燃料バーナにおいて、前記燃料ノズル内の前記酸素含有気体追加ノズルの下流側で、かつ、該酸素含有気体追加ノズルの周方向間に、前記燃料ノズルを流れる混合流体の流れに対して抵抗体となる障害物を設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の燃焼装置は、上記目的を達成するために、上記構成の固体燃料バーナを複数本備えた火炉と、燃料ホッパと、給炭機と、該給炭機の下流側の燃焼排ガス配管内で燃焼装置の上部から抜き出した燃焼排ガスと混合した燃料を導入する粉砕機と、該粉砕機で粉砕された燃料を前記固体燃料バーナに供給する燃料配管と、前記固体燃料バーナに空気を供給するブロアとを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、固体燃料の搬送気体に酸素濃度の低い気体を利用するものであっても、搬送気体や燃料粒子が流れる燃料ノズル出口の流速分布と燃料粒子の濃度分布を平滑化し、燃料ノズル出口の直後から安定に火炎を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による固体燃料バーナの実施例１の構造であり、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側の循環流近くから形成させた状態を示す断面図である。
【図２】実施例１の固体燃料バーナを火炉側から見た概略構造を示す図である。
【図３】実施例１の固体燃料バーナの酸素含有気体ノズルと障害物の構造と燃料ノズル内での燃料噴流すなわち燃料およびその搬送気体の流れとを説明する模式図である。
【図４】本発明による固体燃料バーナの実施例１の変形例を説明する模式図である。
【図５】本発明による固体燃料バーナの実施例１の別の変形例を説明する模式図である。
【図６】本発明による固体燃料バーナの実施例２の構造であり、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側の循環流近くから形成させた状態を示す断面図である。
【図７】本発明による固体燃料バーナの実施例３の構造であり、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側の循環流近くから形成させた状態を示す断面図である。
【図８】実施例３の固体燃料バーナを火炉側から見た概略構造を示す図である。
【図９】本発明による固体燃料バーナを用いた燃焼装置の概略構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図示した実施例に基づいて本発明の固体燃料バーナについて説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１及び図２は、本発明の固体燃料バーナの実施例１を示すものである。該図に示す如く、固体燃料バーナは、中心部にオイルガン５を備え、その外側に燃料粒子とその搬送気体（以下、混合流体という）１１が流れる燃料ノズル１を備えている。燃料ノズル１の外周側隔壁４の外側には、燃焼用気体１２及び１３を火炉１０内に噴出する燃焼用気体噴出ノズルである２次ノズル２及び３次ノズル３を有し、３次ノズル３の外周は、火炉１０側に伝熱管７を有する火炉壁６に接続されている。
【００１８】
また、２次ノズル２及び３次ノズル３には、その上流側に、流量を調整するダンパ８、９及び燃料ノズル１の流れに対し周方向の速度成分を誘起する旋回器１４が備えられている。また、２次ノズル２及び３次ノズル３は、その上流側がウインドボックス１５に接続されている。上述したオイルガン５は、固体燃料バーナの起動時等に、火炉１０内の温度を高め、燃料粒子への着火を促進させるのに使用される。
【００１９】
燃料ノズル１の外周側隔壁４の先端部、即ち火炉１０の出口側は、燃料ノズル１から噴出する混合流体の流れ１１と２次ノズル２から噴出する燃焼用気体の流れ１２の間となり、圧力が低下する。この部分は、低い圧力となることで、混合流体の流れ１１や燃焼用気体の流れ１２とは逆方向の流れが誘起される。この逆方向の流れを循環流１６と呼ぶ。
【００２０】
循環流１６内には、下流から燃料の燃焼で生じた高温ガスが流れ込み、滞留する。この高温ガスと混合流体の流れ１１中の燃料粒子とが、固体燃料バーナの出口で混合し、更に火炉１０内からの輻射熱により、燃料粒子の温度が上昇して着火する。
【００２１】
２次ノズル２と３次ノズル３は、隔壁１７で隔てられ、隔壁１７の先端部分は、燃料ノズル１を流れる混合流体の流れ１１に対して、３次ノズル３の出口から噴出する燃焼用気体の流れ１３が角度を持つように噴出させるガイド１８が形成されている。
【００２２】
このように、燃焼用気体を噴出するノズル（例えば、２次ノズル２や３次ノズル３）出口に、燃焼用気体の噴出方向をバーナ中心軸から離れる方向に誘導するガイド１８を設けると、循環流１６を形成するのに役立つ。
【００２３】
本実施例の固体燃料バーナでは、燃料搬送気体に空気よりも酸素濃度を低下させた気体を用いることが多い。このような搬送気体としては、例えば、燃焼排ガスと空気との混合気体が挙げられる。酸素濃度を空気より低くすることで、燃料周囲の酸素濃度を低下させ、燃料の酸化反応(燃焼)を抑制し、燃料ノズル１や燃料ノズル１に接続する上流側の配管、或いは粉砕機内部での自然発火を防ぐことができる。また、高温の燃焼排ガスを利用することで、その保有熱により、燃料中の水分を乾燥させることも可能である。
【００２４】
このような低酸素濃度での燃料搬送が適した燃料としては、木材やモミ殼、ヤシ殼等の植物由来のバイオマス、ピートや褐炭、亜炭などの石炭化度の低い石炭などが挙げられる。
【００２５】
このように、低酸素濃度の燃料搬送気体で搬送された燃料粒子の着火を促進するため、燃料ノズル１内に酸素含有気体を噴出する追加ノズル２０を、燃料ノズル１内に突出させて設置されている。この追加ノズル２０は、滑らかに燃料ノズル１内の流路断面積が縮小、拡大形成されるように、段階的に縮小、拡大変化する形状である。酸素含有気体の噴出孔２１は、追加ノズル２０の側面（燃料ノズル１の周方向）に、その一部が設けられている。
【００２６】
図１に示す本実施例の固体燃料バーナでは、追加ノズル２０は、流量調整用のダンパ２２を介してウインドボックス１５に接続されており、酸素含有気体として燃焼用気体を噴出孔２１から噴出させる。尚、図１の構成にとらわれず、別途、固体燃料バーナの外側から酸素含有気体を導入することも可能である。
【００２７】
追加ノズル２０から燃料ノズル１を流れる混合流体の流れ１１に対して、周方向に酸素含有気体を噴出させることで、燃料ノズル１の外周側隔壁４近く（以下、燃料ノズル外周部という）に、酸素濃度の高い部分を形成する。このため、燃料ノズル外周部では、燃料粒子は周囲の酸素濃度が高まるため、燃焼（酸化）反応が早まり、燃料ノズル１の出口近傍から火炎２４を形成することができる。
【００２８】
そして、実施例１では、燃料ノズル１内の追加ノズル２０の下流側で、かつ、追加ノズル２０の周方向間に、燃料ノズル１を流れる混合流体の流れに対して抵抗体となる障害物３０を設けている。以下、この障害物３０について、図１乃至図３を用いて説明する。尚、図３では、燃料ノズル１の外周側隔壁４を省いて記載している。
【００２９】
該図に示す如く、障害物３０は、燃料ノズル１の外周側隔壁４の近くに設置されている追加ノズル２０の下流側で、追加ノズル２０の周方向間に設置され、図３に示すように、周方向に隣接する追加ノズル２０により、燃料ノズル１の流路断面積が狭まった縮流部３１の下流側に位置している。
【００３０】
燃料ノズル１の流路断面積が狭まった縮流部３１にて、燃料ノズル１を流れる混合流体の流れ１１の流速は加速される。縮流部３１の下流側では、滑らかに流路断面積が増加し、追加ノズル２０の噴出孔２１から噴出する酸素含有気体の流れ２３が、混合流体の流れ１１と混合する。縮流部３１で加速された混合流体の流れ１１は、流路断面積が拡がることでその流速が低下していくが、縮流部３１からの距離が短いと流速分布は周方向に不均一となる。即ち、縮流部３１の下流は流速が高く、追加ノズル２０の下流は流速が低い。特に、混合流体の流れ１１中の固体燃料粒子は、ガス成分より比重が重く、慣性力が強いため、その流速の不均一は大きい。また、縮流部３１の下流は、固体燃料粒子の濃度（以下、燃料濃度という）が高く、追加ノズル２０の下流は、固体燃料粒子の濃度が低くなりやすい。
【００３１】
燃料濃度分布や流速分布が不均一となると、燃料濃度の低い部分は燃料粒子間の火炎伝播が遅れる。また、流速の高い部分は、燃料ノズル出口外周の循環流に滞留する高温ガスとの接触時間が短くなる。このため、燃料粒子の反応が進み難く、火炎２４が燃料ノズル１から離れて形成し易くなる。即ち、固体燃料バーナの燃料ノズル出口の直後から安定に火炎２４を形成することが難しくなる。
【００３２】
一方、障害物３０を燃料ノズル１の流路断面積が狭まった縮流部３１の下流側に設けると、障害物３０により流動抵抗が増えるため、混合流体の流れ１１は周方向に拡がりやすくなる。このため、燃料ノズル１の出口外周部分は、燃料濃度分布や流速分布の周方向の不均一が小さくなる。即ち、燃料濃度の低い部分や流速の高い部分が少なくなるため、燃料粒子の反応が進み、火炎２４が燃料ノズル１の直後から安定に形成することができる。
【００３３】
このような実施例１の構成とすることにより、混合流体の流れ１１は、追加ノズル２０により形成された燃料ノズル１の縮流部３１を通過後、その一部が障害物３０により周方向に分散するため、燃料粒子や混合流体が周方向に分散するので、燃料ノズル出口において、周方向の流速差や燃料粒子の濃度差が小さくなり、平滑化される。このため、流速の高い部分が少なくなり、燃料ノズル出口外周の循環流に滞留する高温ガスとの接触時間が長くなり循環流との接触時間が長いので、燃料粒子の反応が進み、火炎２４が燃料ノズル１に近い位置で形成される。即ち、固体燃料バーナの燃料ノズル出口の直後から安定に火炎を形成し、安定燃焼し易くなる。
【００３４】
従って、固体燃料の搬送気体に酸素濃度の低い気体を利用するものであっても、搬送気体や燃料粒子が流れる燃料ノズル出口の流速分布と燃料粒子の濃度分布を平滑化し、燃料ノズル出口の直後から安定に火炎を形成することができる。
【００３５】
尚、障害物３０の形状は、図３に示すような円柱型の他、図４に示すように、下流側から段階的に拡大して途中から段階的に縮小することで、滑らかに流路断面積が変わるひし形の形状、又は図５に示すように、上流側が円柱型で下流側に行くに従い段階的に縮小することで、下流側が滑らかに流路断面積が変わる形状としても良い。
【００３６】
図４又は図５のように、下流側が滑らかに流路断面積が変わることで、障害物３０の下流に混合流体の流れ１１の流速の低い部分が出来にくくなる。このため、燃料ノズル１の出口での流速分布が均一になる。また、燃料ノズル１内の流速の低い部分に、燃料粒子が堆積し難くなる。
【００３７】
更に、図３や図５のように上流側が円柱形状とすることで、燃料粒子が衝突した際、周方向に分散し易くなる。また、図４のように上流側が平面となると、燃料粒子の流れに対して衝突角度が一定の範囲となるため、摩耗を抑制し易くなる。尚、障害物３０の上流側は燃料粒子が衝突するので、セラミックのような耐摩耗材を用いることが望ましい。また、障害物３０の下流側は火炉１０内からのふく射熱を受け易いので、ステンレス等の耐熱金属から成る耐熱材を用いることが望ましい。
【実施例２】
【００３８】
図６は、本発明の固体燃料バーナの実施例２を示すものである。図６に示す実施例２と図１に示す実施例１との相違点は、以下の３点であり、他の構成は、実施例１と略同一である。
【００３９】
１）燃料ノズル１の内部に、追加ノズル２０の上流側で燃料ノズル１の流路断面積を外側から縮小し拡大する形状のベンチュリ４０と、燃料ノズル１の流路断面積を内側から縮小し拡大する濃縮器４１を有すること。
【００４０】
２）燃料ノズル１の外周側隔壁４の下流側先端に、燃料ノズル１から噴出する混合流体の流れ１１と２次ノズル２から噴出する燃焼用気体の流れ１２に対し障害となる保炎器１９を有すること。
【００４１】
３）燃料ノズル１の内部で追加ノズル２０が位置する部分に、燃料ノズル１の流路を内周側と外周側にそれぞれ分割する分配器４２を設け、この分配器で分割された前記燃料ノズルの流路に前記追加ノズルと前記障害物が位置すること。
【００４２】
相違点１は、燃料ノズル１の内周側隔壁４の近くに、燃料粒子を濃縮する構成についてである。
【００４３】
ベンチュリ４０は、燃料ノズル１の流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大する形状を持ち、濃縮器４１は、燃料ノズル１の流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状を持っている。混合流体の流れ１１内の燃料粒子は、搬送ガスよりも慣性力が高い。このため、流路断面積が拡大する部分において、搬送ガスが速やかに拡がるのに対し、燃料粒子はそのまま留まる傾向を示す。
【００４４】
燃料粒子は、ベンチュリ４０の下流側で中央部分、更に濃縮器４１の下流側では、燃料ノズル１の外周側の外周側隔壁４の近傍に留まり、燃料粒子が外周側に濃縮されるため、燃料ノズル１の出口部分において、燃料ノズル１の出口の循環流１６近くの燃料粒子の濃度が高まる。高い濃度の燃料粒子では火炎伝播が進み、固体燃料バーナの燃料ノズル１の出口の直後から安定に火炎２４を形成し易くなる。
【００４５】
相違点２は、燃料ノズル１の外周側隔壁４の下流に形成される循環流１６を拡大する構成についてである。
【００４６】
燃料ノズル１の外周側隔壁４の先端部に、側を流れる混合流体の流れ１１や燃焼用気体の流れ１２の向きを変える保炎器１９を用いると、外周側隔壁４の下流部は、側を流れる２つの流れ、即ち、混合流体の流れ１１と燃焼用気体の流れ１２が離れるため、圧力が低下する。このため循環流１６の領域が拡大する。循環流１６内は、高温のガスが滞留する。燃料粒子の反応が進み高温となった下流側のガスが、循環流１６を流れて固体燃料バーナの近くに戻るので、循環流１６内を滞留するガスの温度が上昇する。この高温のガスが燃料ノズル１から噴出する燃料粒子と混合するので、燃焼反応が早まるため、燃料粒子の火炎伝播が進み、固体燃料バーナの燃料ノズル１の出口の直後から安定に火炎２４を形成し易くなる。
【００４７】
相違点３は、本発明の対象とする障害物３０に密接に係る部分の構成である。
【００４８】
分配器４２により燃料ノズル１の流路は、内周側の流路４３と外周側の流路４４に分割される。このうち、外周側の流路４４は、その下流側が循環流１６に近い。特に、分配器４２は、図６に示すようにバーナ軸である燃料ノズル１内のオイルガン５に対して垂直方向から見たとき（図６のＹ-Ｙ’方向）に、追加空気ノズル２０の出口である噴出孔２１と、障害物３０が重なる位置に設けることが望ましい。このとき追加ノズル２０の噴出孔２１と障害物３０は、外周側の流路４４に位置している。
【００４９】
外周側の流路４４は、追加ノズル２０から噴出する酸素含有気体により混合流体の酸素濃度が高くなる。このとき、分配器４２により流路が区分されているため、分配器４２が無い場合よりも酸素含有気体の拡散が少なく、酸素濃度が上昇する。更に障害物３０により、混合流体の流れ１１に乱れが生じた場合も、酸素や燃料粒子は内周側に拡散しないため、酸素濃度と燃料濃度を高く維持できる。
【００５０】
このような実施例２のように構成することによっても、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、実施例２によれば、酸素濃度と燃料濃度が高いまま燃料ノズル出口まで混合流体の外周部の流れが形成されるため、循環流１６と混合する際に、高い酸素濃度と燃料濃度により燃料粒子の火炎伝播が進み、固体燃料バーナの燃料ノズル出口の直後から安定に火炎２４を形成し易くなる。
【実施例３】
【００５１】
図７及び図８は、本発明の固体燃料バーナの実施例３を示し、歯付き(toothed)保炎器を採用した例である。
【００５２】
該図に示す如く、実施例３では、燃料ノズル１の出口である外周側隔壁４の下流端に、燃料ノズル１から噴出する固体燃料とその搬送気体との流れ及び追加ノズル２０から噴出する混合気体の流れ１１を妨げる板形状のエッジ５０が突出した歯付き(toothed)保炎器１９を設けている。
【００５３】
これにより、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、実施例３によれば、燃料ノズル１の出口下流側において、混合流体が拡散し、その外周部に存在する循環流１６と混合流体が混合するが、このとき、エッジ５０に保炎器１９が設置されているので、循環流１６を流れる高温のガスと混合流体が混合し、燃料粒子の周囲の温度が高くなるため、燃料粒子の火炎伝播が進み、固体燃料バーナの燃料ノズル出口の直後から安定に火炎２４を形成し易くなる。
【００５４】
尚、安定に火炎２４を形成するため、エッジ５０は、流れに対して垂直な平面を有する流路断面積を急に変化させる形状が望ましい。断面積を急に変化させることで、下流側に圧力の低い低流速部分や循環流を形成し易くなる。
【００５５】
一方、燃料ノズル１内に設けた障害物３０は、その下流側にも外周側隔壁４を設けることで、混合流体の流れ１１は、燃料ノズル１の径方向に拡散出来ない。このため、主に周方向に拡散し、燃料ノズル１の出口外周部分は、燃料濃度分布や流速分布の周方向の不均一が小さくなるため、障害物３０は、燃料ノズル１内に設けることが望ましい。また、障害物３０の下流側は、滑らかに流路断面積を変化させる形状が望ましい。流路を滑らかに変化させることで、圧力の低い低流速部分や循環流が形成し難くなる。このため、燃料粒子が燃料ノズル１内に堆積し難くなるため、障害物３０の下流側は、滑らかに流路断面積を変化させる形状が望ましい。流路を滑らかに変化させることで、圧力の低い低流速部分や循環流が形成し難くなる。
【実施例４】
【００５６】
図９は、本発明の固体燃料バーナを用いた燃焼装置を示すものである
該図に示す実施例４では、燃焼装置(火炉)５１の上下方向に二段、実施例１乃至３のいずれかで説明した固体燃料バーナ５２を設置してある。燃料は、燃料ホッパ５３から給炭機５４を通して粉砕機５５に供給され、粉砕機５５で粉砕された後、燃料配管５７を通じて固体燃料バーナ５２に供給される。このとき、火炉５１の上部の排出口６０から抜き出した燃焼排ガスの一部を、給炭機５４の下流側の燃焼排ガス配管５６内で燃料と混合して粉砕機５５に導入している。
【００５７】
燃料を高温の燃焼ガスと混合すると、燃料中に含まれる水分が蒸発する。また、酸素濃度が低下するので、粉砕機５５で粉砕の際に高温となっても、自然着火や爆発を抑制できる。褐炭の場合、搬送気体の酸素濃度は、６〜１５％程度のことが多い。固体燃料バーナ５２と、その下流側に設けたアフタエアポート５９には、ブロア５８から空気が供給されている。
【００５８】
本実施例では、固体燃料バーナ５２から燃料の完全燃焼に必要な空気量よりも少ない空気を投入し、アフタエアポート５９から残りの空気を供給する二段燃焼方式を用いる。
【００５９】
尚、本発明の固体燃料バーナを用いた燃焼装置は、アフタエアポート５９を設けずに、固体燃料バーナ５２から必要な空気をすべて投入する単段燃焼方式にも適用できる。また、固体燃料バーナ５２の設置位置は、図９のように前後壁に設置するほか、片側の壁、またはコーナ部に設けることも可能である。
【００６０】
更に、図９では、粉砕機５５と固体燃料バーナ５２の間に一時的な燃料貯蔵部を持たない場合を示すが、粉砕後の燃料貯蔵部を持たすことも可能である。更に、燃料ホッパ５３を複数有し、状況に合せて、使用する燃料ホッパ５３を切り替えることも可能である。
【００６１】
固体燃料バーナ５２として、実施例１乃至３に記載の固体燃料バーナ５２を用いることで、燃料搬送ガスの酸素濃度が低い場合でも、燃料ノズル１の出口外周部分は燃料濃度分布や流速分布の周方向の不均一が小さくなる。即ち、燃料濃度の低い部分や流速の高い部分が少なくなるため、燃料粒子の反応が進み、火炎２４が燃料ノズル１の直後から安定に形成することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１…燃料ノズル、２…２次ノズル、３…３次ノズル、４、１７…外周側隔壁、５…オイルガン、６…火炉壁、７…伝熱管、８、９、２２…ダンパ、１０、５１…火炉、１１…混合流体の流れ、１２、１３…燃焼用気体の流れ、１４…旋回器、１５…ウインドボックス、１６…循環流、１８…ガイド、１９…保炎器、２０…追加ノズル、２１…噴出孔、２３…酸素含有気体の流れ、２４…火炎、３０…障害物、３１…縮流部、４０…ベンチュリ、４１…濃縮器、４２…分配器、４３、４４…流路、５０…エッジ、５２…固体燃料バーナ、５３…燃料ホッパ、５４…給炭機、５５…粉砕機、５６…燃料排ガス配管、５７…燃料配管、５８…ブロア、５９…アフタエアポート、６０…排出口。
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体燃料を気流搬送して燃焼する固体燃料バーナ及びそれを備えた燃焼装置に係り、特に、水分及び揮発分の多い燃料を粉砕して気流搬送し、浮遊燃焼させるものに好適な固体燃料バーナ及びそれを備えた燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
木材やモミ殼、ヤシ殼等の植物由来のバイオマス、ピートや褐炭、亜炭などの石炭化度の低い石炭などの燃料は、揮発分が多く、また、含有する水分が多いので、空気雰囲気では、貯蔵、粉砕、搬送過程において自然発火しやすく、瀝青炭などと比べて扱いにくいことが知られている。
【０００３】
これらの燃料を粉砕して燃焼する場合は、自然発火を防止するために、燃料の搬送気体として、酸素濃度を低下させた燃焼排ガスと酸素含有気体との混合気体が使われることがある。特に燃焼排ガスは、燃料周囲の酸素濃度を低下させ、燃料の酸化反応(燃焼)を抑制し、自然発火を防ぐものである。また、燃焼排ガスは、その保有熱により、燃料中の水分を乾燥させる機能も持っている。
【０００４】
しかし、低酸素濃度の搬送気体で搬送された燃料粒子は、固体燃料バーナから噴出する際に燃焼（酸化）反応が、燃料粒子の周囲の酸素濃度が低いことで制限される。このため、空気で搬送した場合と比べて燃焼速度が低く、固体燃料バーナの出口直後から安定に火炎を形成することが、空気で搬送させる場合よりも難しくなる。
【０００５】
上述した自然発火を防止しつつ火炎を安定に形成させるものとして、固体燃料バーナの燃料ノズル内に、酸素含有気体を噴出する追加空気ノズルを突出させて設けることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
この特許文献１に記載の固体燃料バーナは、追加空気ノズルの出口を燃料ノズルの周方向に有し、この出口から周方向に酸素含有気体を噴出することで、燃料ノズルの外周側隔壁近く（以下、燃料ノズル外周部という）に酸素濃度の高い部分を形成するものである。この特許文献１に記載の固体燃料バーナによれば、燃料ノズル外周部では、燃料粒子は周囲の酸素濃度が高まるため、燃焼（酸化）反応が早まり、燃料ノズル出口近傍から火炎を形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１４０４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の固体燃料バーナでは、酸素含有気体を噴出する追加空気ノズル（以下、追加ノズルという）は、燃料ノズル内に突出して設けられているため、追加ノズルの設置部分においては、燃料ノズル流路の断面積が縮小し、その縮小部分（以下、縮流部という）では、燃料ノズルを流れる混合気体の流速が上昇する。このため、燃料ノズル内で一旦流速が上昇するので、追加ノズルより下流の部分には、周方向に速度分布の差が生じる。即ち、追加ノズルの下流は、流路断面積と流量から求めた平均流速に比べて流速が低く、追加ノズルに挟まれた流路（縮流部）の下流は、平均流速よりも高くなる。
【０００９】
更に、混合気体で搬送される燃料粒子は、混合気体より慣性力が高い。縮流部にて燃料粒子の流速が上がると、その下流においては、燃料粒子の流速の低下が混合気体より遅れる。このため、燃料ノズルの出口では、燃料粒子の噴出速度は混合気体よりも高い。また、縮流部に燃料粒子が集まり、追加ノズルの下流は、燃料粒子の濃度が低くなる。
【００１０】
その結果、燃料ノズルの出口においては、燃料粒子や混合流体の流速と、燃料粒子の濃度が周方向に不均一となる。流速の高い部分は、燃料ノズルの出口外周の循環流に滞留する高温ガスとの接触時間が短くなり、燃料粒子の反応が進むまえに循環流との接触が終わるため、火炎が燃料ノズルから離れて形成し易くなる。即ち、固体燃料バーナの燃料ノズル出口の直後から安定に火炎を形成することが難しくなる。
【００１１】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、固体燃料の搬送気体に酸素濃度の低い気体を利用するものであっても、搬送気体や燃料粒子が流れる燃料ノズル出口の流速分布と燃料粒子の濃度分布を平滑化し、燃料ノズル出口の直後から安定に火炎を形成することのできる固体燃料バーナ及びそれを備えた燃焼装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の固体燃料バーナは、上記目的を達成するために、固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルの外側に配置され酸素含有気体を噴出する少なくとも１つの燃焼用気体噴出ノズルと、前記燃料ノズルの周方向の速度成分を持つ酸素含有気体を噴出させ、該燃料ノズル内に突出させて設けられた少なくとも２つの酸素含有気体追加ノズルとを備え、前記酸素含有気体追加ノズルの少なくとも１つには、前記燃料ノズルの周方向にノズル出口を有している固体燃料バーナにおいて、前記燃料ノズル内の前記酸素含有気体追加ノズルの下流側で、かつ、該酸素含有気体追加ノズルの周方向間に、前記燃料ノズルを流れる混合流体の流れに対して抵抗体となる障害物を設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の燃焼装置は、上記目的を達成するために、上記構成の固体燃料バーナを複数本備えた火炉と、燃料ホッパと、給炭機と、該給炭機の下流側の燃焼排ガス配管内で燃焼装置の上部から抜き出した燃焼排ガスと混合した燃料を導入する粉砕機と、該粉砕機で粉砕された燃料を前記固体燃料バーナに供給する燃料配管と、前記固体燃料バーナに空気を供給するブロアとを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、固体燃料の搬送気体に酸素濃度の低い気体を利用するものであっても、搬送気体や燃料粒子が流れる燃料ノズル出口の流速分布と燃料粒子の濃度分布を平滑化し、燃料ノズル出口の直後から安定に火炎を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による固体燃料バーナの実施例１の構造であり、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側の循環流近くから形成させた状態を示す断面図である。
【図２】実施例１の固体燃料バーナを火炉側から見た概略構造を示す図である。
【図３】実施例１の固体燃料バーナの酸素含有気体ノズルと障害物の構造と燃料ノズル内での燃料噴流すなわち燃料およびその搬送気体の流れとを説明する模式図である。
【図４】本発明による固体燃料バーナの実施例１の変形例を説明する模式図である。
【図５】本発明による固体燃料バーナの実施例１の別の変形例を説明する模式図である。
【図６】本発明による固体燃料バーナの実施例２の構造であり、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側の循環流近くから形成させた状態を示す断面図である。
【図７】本発明による固体燃料バーナの実施例３の構造であり、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側の循環流近くから形成させた状態を示す断面図である。
【図８】実施例３の固体燃料バーナを火炉側から見た概略構造を示す図である。
【図９】本発明による固体燃料バーナを用いた燃焼装置の概略構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図示した実施例に基づいて本発明の固体燃料バーナについて説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１及び図２は、本発明の固体燃料バーナの実施例１を示すものである。該図に示す如く、固体燃料バーナは、中心部にオイルガン５を備え、その外側に燃料粒子とその搬送気体（以下、混合流体という）１１が流れる燃料ノズル１を備えている。燃料ノズル１の外周側隔壁４の外側には、燃焼用気体１２及び１３を火炉１０内に噴出する燃焼用気体噴出ノズルである２次ノズル２及び３次ノズル３を有し、３次ノズル３の外周は、火炉１０側に伝熱管７を有する火炉壁６に接続されている。
【００１８】
また、２次ノズル２及び３次ノズル３には、その上流側に、流量を調整するダンパ８、９及び燃料ノズル１の流れに対し周方向の速度成分を誘起する旋回器１４が備えられている。また、２次ノズル２及び３次ノズル３は、その上流側がウインドボックス１５に接続されている。上述したオイルガン５は、固体燃料バーナの起動時等に、火炉１０内の温度を高め、燃料粒子への着火を促進させるのに使用される。
【００１９】
燃料ノズル１の外周側隔壁４の先端部、即ち火炉１０の出口側は、燃料ノズル１から噴出する混合流体の流れ１１と２次ノズル２から噴出する燃焼用気体の流れ１２の間となり、圧力が低下する。この部分は、低い圧力となることで、混合流体の流れ１１や燃焼用気体の流れ１２とは逆方向の流れが誘起される。この逆方向の流れを循環流１６と呼ぶ。
【００２０】
循環流１６内には、下流から燃料の燃焼で生じた高温ガスが流れ込み、滞留する。この高温ガスと混合流体の流れ１１中の燃料粒子とが、固体燃料バーナの出口で混合し、更に火炉１０内からの輻射熱により、燃料粒子の温度が上昇して着火する。
【００２１】
２次ノズル２と３次ノズル３は、隔壁１７で隔てられ、隔壁１７の先端部分は、燃料ノズル１を流れる混合流体の流れ１１に対して、３次ノズル３の出口から噴出する燃焼用気体の流れ１３が角度を持つように噴出させるガイド１８が形成されている。
【００２２】
このように、燃焼用気体を噴出するノズル（例えば、２次ノズル２や３次ノズル３）出口に、燃焼用気体の噴出方向をバーナ中心軸から離れる方向に誘導するガイド１８を設けると、循環流１６を形成するのに役立つ。
【００２３】
本実施例の固体燃料バーナでは、燃料搬送気体に空気よりも酸素濃度を低下させた気体を用いることが多い。このような搬送気体としては、例えば、燃焼排ガスと空気との混合気体が挙げられる。酸素濃度を空気より低くすることで、燃料周囲の酸素濃度を低下させ、燃料の酸化反応(燃焼)を抑制し、燃料ノズル１や燃料ノズル１に接続する上流側の配管、或いは粉砕機内部での自然発火を防ぐことができる。また、高温の燃焼排ガスを利用することで、その保有熱により、燃料中の水分を乾燥させることも可能である。
【００２４】
このような低酸素濃度での燃料搬送が適した燃料としては、木材やモミ殼、ヤシ殼等の植物由来のバイオマス、ピートや褐炭、亜炭などの石炭化度の低い石炭などが挙げられる。
【００２５】
このように、低酸素濃度の燃料搬送気体で搬送された燃料粒子の着火を促進するため、燃料ノズル１内に酸素含有気体を噴出する追加ノズル２０を、燃料ノズル１内に突出させて設置されている。この追加ノズル２０は、滑らかに燃料ノズル１内の流路断面積が縮小、拡大形成されるように、段階的に縮小、拡大変化する形状である。酸素含有気体の噴出孔２１は、追加ノズル２０の側面（燃料ノズル１の周方向）に、その一部が設けられている。
【００２６】
図１に示す本実施例の固体燃料バーナでは、追加ノズル２０は、流量調整用のダンパ２２を介してウインドボックス１５に接続されており、酸素含有気体として燃焼用気体を噴出孔２１から噴出させる。尚、図１の構成にとらわれず、別途、固体燃料バーナの外側から酸素含有気体を導入することも可能である。
【００２７】
追加ノズル２０から燃料ノズル１を流れる混合流体の流れ１１に対して、周方向に酸素含有気体を噴出させることで、燃料ノズル１の外周側隔壁４近く（以下、燃料ノズル外周部という）に、酸素濃度の高い部分を形成する。このため、燃料ノズル外周部では、燃料粒子は周囲の酸素濃度が高まるため、燃焼（酸化）反応が早まり、燃料ノズル１の出口近傍から火炎２４を形成することができる。
【００２８】
そして、実施例１では、燃料ノズル１内の追加ノズル２０の下流側で、かつ、追加ノズル２０の周方向間に、燃料ノズル１を流れる混合流体の流れに対して抵抗体となる障害物３０を設けている。以下、この障害物３０について、図１乃至図３を用いて説明する。尚、図３では、燃料ノズル１の外周側隔壁４を省いて記載している。
【００２９】
該図に示す如く、障害物３０は、燃料ノズル１の外周側隔壁４の近くに設置されている追加ノズル２０の下流側で、追加ノズル２０の周方向間に設置され、図３に示すように、周方向に隣接する追加ノズル２０により、燃料ノズル１の流路断面積が狭まった縮流部３１の下流側に位置している。
【００３０】
燃料ノズル１の流路断面積が狭まった縮流部３１にて、燃料ノズル１を流れる混合流体の流れ１１の流速は加速される。縮流部３１の下流側では、滑らかに流路断面積が増加し、追加ノズル２０の噴出孔２１から噴出する酸素含有気体の流れ２３が、混合流体の流れ１１と混合する。縮流部３１で加速された混合流体の流れ１１は、流路断面積が拡がることでその流速が低下していくが、縮流部３１からの距離が短いと流速分布は周方向に不均一となる。即ち、縮流部３１の下流は流速が高く、追加ノズル２０の下流は流速が低い。特に、混合流体の流れ１１中の固体燃料粒子は、ガス成分より比重が重く、慣性力が強いため、その流速の不均一は大きい。また、縮流部３１の下流は、固体燃料粒子の濃度（以下、燃料濃度という）が高く、追加ノズル２０の下流は、固体燃料粒子の濃度が低くなりやすい。
【００３１】
燃料濃度分布や流速分布が不均一となると、燃料濃度の低い部分は燃料粒子間の火炎伝播が遅れる。また、流速の高い部分は、燃料ノズル出口外周の循環流に滞留する高温ガスとの接触時間が短くなる。このため、燃料粒子の反応が進み難く、火炎２４が燃料ノズル１から離れて形成し易くなる。即ち、固体燃料バーナの燃料ノズル出口の直後から安定に火炎２４を形成することが難しくなる。
【００３２】
一方、障害物３０を燃料ノズル１の流路断面積が狭まった縮流部３１の下流側に設けると、障害物３０により流動抵抗が増えるため、混合流体の流れ１１は周方向に拡がりやすくなる。このため、燃料ノズル１の出口外周部分は、燃料濃度分布や流速分布の周方向の不均一が小さくなる。即ち、燃料濃度の低い部分や流速の高い部分が少なくなるため、燃料粒子の反応が進み、火炎２４が燃料ノズル１の直後から安定に形成することができる。
【００３３】
このような実施例１の構成とすることにより、混合流体の流れ１１は、追加ノズル２０により形成された燃料ノズル１の縮流部３１を通過後、その一部が障害物３０により周方向に分散するため、燃料粒子や混合流体が周方向に分散するので、燃料ノズル出口において、周方向の流速差や燃料粒子の濃度差が小さくなり、平滑化される。このため、流速の高い部分が少なくなり、燃料ノズル出口外周の循環流に滞留する高温ガスとの接触時間が長くなり循環流との接触時間が長いので、燃料粒子の反応が進み、火炎２４が燃料ノズル１に近い位置で形成される。即ち、固体燃料バーナの燃料ノズル出口の直後から安定に火炎を形成し、安定燃焼し易くなる。
【００３４】
従って、固体燃料の搬送気体に酸素濃度の低い気体を利用するものであっても、搬送気体や燃料粒子が流れる燃料ノズル出口の流速分布と燃料粒子の濃度分布を平滑化し、燃料ノズル出口の直後から安定に火炎を形成することができる。
【００３５】
尚、障害物３０の形状は、図３に示すような円柱型の他、図４に示すように、下流側から段階的に拡大して途中から段階的に縮小することで、滑らかに流路断面積が変わるひし形の形状、又は図５に示すように、上流側が円柱型で下流側に行くに従い段階的に縮小することで、下流側が滑らかに流路断面積が変わる形状としても良い。
【００３６】
図４又は図５のように、下流側が滑らかに流路断面積が変わることで、障害物３０の下流に混合流体の流れ１１の流速の低い部分が出来にくくなる。このため、燃料ノズル１の出口での流速分布が均一になる。また、燃料ノズル１内の流速の低い部分に、燃料粒子が堆積し難くなる。
【００３７】
更に、図３や図５のように上流側が円柱形状とすることで、燃料粒子が衝突した際、周方向に分散し易くなる。また、図４のように上流側が平面となると、燃料粒子の流れに対して衝突角度が一定の範囲となるため、摩耗を抑制し易くなる。尚、障害物３０の上流側は燃料粒子が衝突するので、セラミックのような耐摩耗材を用いることが望ましい。また、障害物３０の下流側は火炉１０内からのふく射熱を受け易いので、ステンレス等の耐熱金属から成る耐熱材を用いることが望ましい。
【実施例２】
【００３８】
図６は、本発明の固体燃料バーナの実施例２を示すものである。図６に示す実施例２と図１に示す実施例１との相違点は、以下の３点であり、他の構成は、実施例１と略同一である。
【００３９】
１）燃料ノズル１の内部に、追加ノズル２０の上流側で燃料ノズル１の流路断面積を外側から縮小し拡大する形状のベンチュリ４０と、燃料ノズル１の流路断面積を内側から縮小し拡大する濃縮器４１を有すること。
【００４０】
２）燃料ノズル１の外周側隔壁４の下流側先端に、燃料ノズル１から噴出する混合流体の流れ１１と２次ノズル２から噴出する燃焼用気体の流れ１２に対し障害となる保炎器１９を有すること。
【００４１】
３）燃料ノズル１の内部で追加ノズル２０が位置する部分に、燃料ノズル１の流路を内周側と外周側にそれぞれ分割する分配器４２を設け、この分配器で分割された前記燃料ノズルの流路に前記追加ノズルと前記障害物が位置すること。
【００４２】
相違点１は、燃料ノズル１の内周側隔壁４の近くに、燃料粒子を濃縮する構成についてである。
【００４３】
ベンチュリ４０は、燃料ノズル１の流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大する形状を持ち、濃縮器４１は、燃料ノズル１の流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状を持っている。混合流体の流れ１１内の燃料粒子は、搬送ガスよりも慣性力が高い。このため、流路断面積が拡大する部分において、搬送ガスが速やかに拡がるのに対し、燃料粒子はそのまま留まる傾向を示す。
【００４４】
燃料粒子は、ベンチュリ４０の下流側で中央部分、更に濃縮器４１の下流側では、燃料ノズル１の外周側の外周側隔壁４の近傍に留まり、燃料粒子が外周側に濃縮されるため、燃料ノズル１の出口部分において、燃料ノズル１の出口の循環流１６近くの燃料粒子の濃度が高まる。高い濃度の燃料粒子では火炎伝播が進み、固体燃料バーナの燃料ノズル１の出口の直後から安定に火炎２４を形成し易くなる。
【００４５】
相違点２は、燃料ノズル１の外周側隔壁４の下流に形成される循環流１６を拡大する構成についてである。
【００４６】
燃料ノズル１の外周側隔壁４の先端部に、側を流れる混合流体の流れ１１や燃焼用気体の流れ１２の向きを変える保炎器１９を用いると、外周側隔壁４の下流部は、側を流れる２つの流れ、即ち、混合流体の流れ１１と燃焼用気体の流れ１２が離れるため、圧力が低下する。このため循環流１６の領域が拡大する。循環流１６内は、高温のガスが滞留する。燃料粒子の反応が進み高温となった下流側のガスが、循環流１６を流れて固体燃料バーナの近くに戻るので、循環流１６内を滞留するガスの温度が上昇する。この高温のガスが燃料ノズル１から噴出する燃料粒子と混合するので、燃焼反応が早まるため、燃料粒子の火炎伝播が進み、固体燃料バーナの燃料ノズル１の出口の直後から安定に火炎２４を形成し易くなる。
【００４７】
相違点３は、本発明の対象とする障害物３０に密接に係る部分の構成である。
【００４８】
分配器４２により燃料ノズル１の流路は、内周側の流路４３と外周側の流路４４に分割される。このうち、外周側の流路４４は、その下流側が循環流１６に近い。特に、分配器４２は、図６に示すようにバーナ軸である燃料ノズル１内のオイルガン５に対して垂直方向から見たとき（図６のＹ-Ｙ’方向）に、追加空気ノズル２０の出口である噴出孔２１と、障害物３０が重なる位置に設けることが望ましい。このとき追加ノズル２０の噴出孔２１と障害物３０は、外周側の流路４４に位置している。
【００４９】
外周側の流路４４は、追加ノズル２０から噴出する酸素含有気体により混合流体の酸素濃度が高くなる。このとき、分配器４２により流路が区分されているため、分配器４２が無い場合よりも酸素含有気体の拡散が少なく、酸素濃度が上昇する。更に障害物３０により、混合流体の流れ１１に乱れが生じた場合も、酸素や燃料粒子は内周側に拡散しないため、酸素濃度と燃料濃度を高く維持できる。
【００５０】
このような実施例２のように構成することによっても、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、実施例２によれば、酸素濃度と燃料濃度が高いまま燃料ノズル出口まで混合流体の外周部の流れが形成されるため、循環流１６と混合する際に、高い酸素濃度と燃料濃度により燃料粒子の火炎伝播が進み、固体燃料バーナの燃料ノズル出口の直後から安定に火炎２４を形成し易くなる。
【実施例３】
【００５１】
図７及び図８は、本発明の固体燃料バーナの実施例３を示し、歯付き(toothed)保炎器を採用した例である。
【００５２】
該図に示す如く、実施例３では、燃料ノズル１の出口である外周側隔壁４の下流端に、燃料ノズル１から噴出する固体燃料とその搬送気体との流れ及び追加ノズル２０から噴出する混合気体の流れ１１を妨げる板形状のエッジ５０が突出した歯付き(toothed)保炎器１９を設けている。
【００５３】
これにより、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、実施例３によれば、燃料ノズル１の出口下流側において、混合流体が拡散し、その外周部に存在する循環流１６と混合流体が混合するが、このとき、エッジ５０に保炎器１９が設置されているので、循環流１６を流れる高温のガスと混合流体が混合し、燃料粒子の周囲の温度が高くなるため、燃料粒子の火炎伝播が進み、固体燃料バーナの燃料ノズル出口の直後から安定に火炎２４を形成し易くなる。
【００５４】
尚、安定に火炎２４を形成するため、エッジ５０は、流れに対して垂直な平面を有する流路断面積を急に変化させる形状が望ましい。断面積を急に変化させることで、下流側に圧力の低い低流速部分や循環流を形成し易くなる。
【００５５】
一方、燃料ノズル１内に設けた障害物３０は、その下流側にも外周側隔壁４を設けることで、混合流体の流れ１１は、燃料ノズル１の径方向に拡散出来ない。このため、主に周方向に拡散し、燃料ノズル１の出口外周部分は、燃料濃度分布や流速分布の周方向の不均一が小さくなるため、障害物３０は、燃料ノズル１内に設けることが望ましい。また、障害物３０の下流側は、滑らかに流路断面積を変化させる形状が望ましい。流路を滑らかに変化させることで、圧力の低い低流速部分や循環流が形成し難くなる。このため、燃料粒子が燃料ノズル１内に堆積し難くなるため、障害物３０の下流側は、滑らかに流路断面積を変化させる形状が望ましい。流路を滑らかに変化させることで、圧力の低い低流速部分や循環流が形成し難くなる。
【実施例４】
【００５６】
図９は、本発明の固体燃料バーナを用いた燃焼装置を示すものである
該図に示す実施例４では、燃焼装置(火炉)５１の上下方向に二段、実施例１乃至３のいずれかで説明した固体燃料バーナ５２を設置してある。燃料は、燃料ホッパ５３から給炭機５４を通して粉砕機５５に供給され、粉砕機５５で粉砕された後、燃料配管５７を通じて固体燃料バーナ５２に供給される。このとき、火炉５１の上部の排出口６０から抜き出した燃焼排ガスの一部を、給炭機５４の下流側の燃焼排ガス配管５６内で燃料と混合して粉砕機５５に導入している。
【００５７】
燃料を高温の燃焼ガスと混合すると、燃料中に含まれる水分が蒸発する。また、酸素濃度が低下するので、粉砕機５５で粉砕の際に高温となっても、自然着火や爆発を抑制できる。褐炭の場合、搬送気体の酸素濃度は、６〜１５％程度のことが多い。固体燃料バーナ５２と、その下流側に設けたアフタエアポート５９には、ブロア５８から空気が供給されている。
【００５８】
本実施例では、固体燃料バーナ５２から燃料の完全燃焼に必要な空気量よりも少ない空気を投入し、アフタエアポート５９から残りの空気を供給する二段燃焼方式を用いる。
【００５９】
尚、本発明の固体燃料バーナを用いた燃焼装置は、アフタエアポート５９を設けずに、固体燃料バーナ５２から必要な空気をすべて投入する単段燃焼方式にも適用できる。また、固体燃料バーナ５２の設置位置は、図９のように前後壁に設置するほか、片側の壁、またはコーナ部に設けることも可能である。
【００６０】
更に、図９では、粉砕機５５と固体燃料バーナ５２の間に一時的な燃料貯蔵部を持たない場合を示すが、粉砕後の燃料貯蔵部を持たすことも可能である。更に、燃料ホッパ５３を複数有し、状況に合せて、使用する燃料ホッパ５３を切り替えることも可能である。
【００６１】
固体燃料バーナ５２として、実施例１乃至３に記載の固体燃料バーナ５２を用いることで、燃料搬送ガスの酸素濃度が低い場合でも、燃料ノズル１の出口外周部分は燃料濃度分布や流速分布の周方向の不均一が小さくなる。即ち、燃料濃度の低い部分や流速の高い部分が少なくなるため、燃料粒子の反応が進み、火炎２４が燃料ノズル１の直後から安定に形成することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１…燃料ノズル、２…２次ノズル、３…３次ノズル、４、１７…外周側隔壁、５…オイルガン、６…火炉壁、７…伝熱管、８、９、２２…ダンパ、１０、５１…火炉、１１…混合流体の流れ、１２、１３…燃焼用気体の流れ、１４…旋回器、１５…ウインドボックス、１６…循環流、１８…ガイド、１９…保炎器、２０…追加ノズル、２１…噴出孔、２３…酸素含有気体の流れ、２４…火炎、３０…障害物、３１…縮流部、４０…ベンチュリ、４１…濃縮器、４２…分配器、４３、４４…流路、５０…エッジ、５２…固体燃料バーナ、５３…燃料ホッパ、５４…給炭機、５５…粉砕機、５６…燃料排ガス配管、５７…燃料配管、５８…ブロア、５９…アフタエアポート、６０…排出口。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルの外側に配置され酸素含有気体を噴出する少なくとも１つの燃焼用気体噴出ノズルと、前記燃料ノズルの周方向の速度成分を持つ酸素含有気体を噴出させ、該燃料ノズル内に突出させて設けられた少なくとも２つの酸素含有気体追加ノズルとを備え、前記酸素含有気体追加ノズルの少なくとも１つには、前記燃料ノズルの周方向にノズル出口を有している固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズル内の前記酸素含有気体追加ノズルの下流側で、かつ、該酸素含有気体追加ノズルの周方向間に、前記燃料ノズルを流れる混合流体の流れに対して抵抗体となる障害物を設けたことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項２】
請求項１に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記障害物は、少なくとも２つの前記酸素含有気体追加ノズルにより前記燃料ノズルの流路断面積が狭まる部分の下流側に設けられていることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズル内の前記酸素含有気体追加ノズルが少なくとも位置する部分に、該燃料ノズルの流路を内周側と外周側に分割する分配器を配置し、該分配器で分割された前記燃料ノズルの流路に前記酸素含有気体追加ノズルと前記障害物が位置することを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項４】
請求項３に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記分配器は、前記燃料ノズル内の中心部に位置するオイルガンに対して垂直方向から見たときに、前記酸素含有気体追加ノズルのノズル出口と前記障害物と重なる位置に設けられていることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の固体燃焼バーナにおいて、
前記酸素含有気体追加ノズルの上流側の前記燃料ノズル内に、該燃料ノズルの流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大する形状のベンチュリと、前記燃料ノズルの流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状の濃縮器とが設置されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズルの出口である外周側隔壁の先端に、少なくとも前記酸素含有気体追加ノズルから噴出する酸素含有気体の流れを妨げる保炎器が設置されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項７】
請求項６に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記保炎器は、前記燃料ノズルの出口にエッジが突出した歯付き保炎器であることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の固体燃料バーナにおいて、
前記障害物は、断面が円柱形、或いは下流側が滑らかに流路断面積が変わるひし形、又は上流側が円柱形で、下流側が滑らかに流路断面積が変わる形状であることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項９】
請求項８に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記障害物は、その上流側が耐摩耗材、下流側が耐熱材で形成されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の固体燃料バーナを複数本備えた火炉と、燃料ホッパと、給炭機と、該給炭機の下流側の燃焼排ガス配管内で燃焼装置の上部から抜き出した燃焼排ガスと混合した燃料を導入する粉砕機と、該粉砕機で粉砕された燃料を前記固体燃料バーナに供給する燃料配管と、前記固体燃料バーナに空気を供給するブロアとを備えていることを特徴とする燃焼装置。
【請求項１】
固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルの外側に配置され酸素含有気体を噴出する少なくとも１つの燃焼用気体噴出ノズルと、前記燃料ノズルの周方向の速度成分を持つ酸素含有気体を噴出させ、該燃料ノズル内に突出させて設けられた少なくとも２つの酸素含有気体追加ノズルとを備え、前記酸素含有気体追加ノズルの少なくとも１つには、前記燃料ノズルの周方向にノズル出口を有している固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズル内の前記酸素含有気体追加ノズルの下流側で、かつ、該酸素含有気体追加ノズルの周方向間に、前記燃料ノズルを流れる混合流体の流れに対して抵抗体となる障害物を設けたことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項２】
請求項１に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記障害物は、少なくとも２つの前記酸素含有気体追加ノズルにより前記燃料ノズルの流路断面積が狭まる部分の下流側に設けられていることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズル内の前記酸素含有気体追加ノズルが少なくとも位置する部分に、該燃料ノズルの流路を内周側と外周側に分割する分配器を配置し、該分配器で分割された前記燃料ノズルの流路に前記酸素含有気体追加ノズルと前記障害物が位置することを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項４】
請求項３に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記分配器は、前記燃料ノズル内の中心部に位置するオイルガンに対して垂直方向から見たときに、前記酸素含有気体追加ノズルのノズル出口と前記障害物と重なる位置に設けられていることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の固体燃焼バーナにおいて、
前記酸素含有気体追加ノズルの上流側の前記燃料ノズル内に、該燃料ノズルの流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大する形状のベンチュリと、前記燃料ノズルの流路断面積を内側から滑らかに縮小し拡大する形状の濃縮器とが設置されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズルの出口である外周側隔壁の先端に、少なくとも前記酸素含有気体追加ノズルから噴出する酸素含有気体の流れを妨げる保炎器が設置されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項７】
請求項６に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記保炎器は、前記燃料ノズルの出口にエッジが突出した歯付き保炎器であることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の固体燃料バーナにおいて、
前記障害物は、断面が円柱形、或いは下流側が滑らかに流路断面積が変わるひし形、又は上流側が円柱形で、下流側が滑らかに流路断面積が変わる形状であることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項９】
請求項８に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記障害物は、その上流側が耐摩耗材、下流側が耐熱材で形成されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の固体燃料バーナを複数本備えた火炉と、燃料ホッパと、給炭機と、該給炭機の下流側の燃焼排ガス配管内で燃焼装置の上部から抜き出した燃焼排ガスと混合した燃料を導入する粉砕機と、該粉砕機で粉砕された燃料を前記固体燃料バーナに供給する燃料配管と、前記固体燃料バーナに空気を供給するブロアとを備えていることを特徴とする燃焼装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２５５６００（Ｐ２０１２−２５５６００Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２８８８８（Ｐ２０１１−１２８８８８）
【出願日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
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