微粉炭焚きボイラ及び微粉炭燃焼方法
【課題】本発明の目的は、火炉中央部及び火炉壁近傍へ効率よく空気を供給することにより燃焼ガスとの混合を促進し、NOxとCOを共に低減できるようにした微粉炭焚きボイラを提供することにある。
【解決手段】本発明は、前記主アフタエアポートは火炉中央部へ到達可能な運動量の大きい空気を噴出するよう構成し、前記副アフタエアポートは火炉壁面近傍へ運動量の小さい空気を噴出する構成であって、前記副アフタエアポートの断面中心が、前記主アフタエアポートの断面中心から主アフタエアポート口径の1倍以上5倍以下の範囲にあることを特徴とする。
本発明によれば、火炉中央部及び火炉壁近傍へ効率よく空気を供給することにより燃焼ガスとの混合を促進し、NOxとCOを共に低減できるようにした微粉炭焚きボイラを提供することができる。
【解決手段】本発明は、前記主アフタエアポートは火炉中央部へ到達可能な運動量の大きい空気を噴出するよう構成し、前記副アフタエアポートは火炉壁面近傍へ運動量の小さい空気を噴出する構成であって、前記副アフタエアポートの断面中心が、前記主アフタエアポートの断面中心から主アフタエアポート口径の1倍以上5倍以下の範囲にあることを特徴とする。
本発明によれば、火炉中央部及び火炉壁近傍へ効率よく空気を供給することにより燃焼ガスとの混合を促進し、NOxとCOを共に低減できるようにした微粉炭焚きボイラを提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は微粉炭焚きボイラ及び微粉炭燃焼方法に関する。
【背景技術】
【0002】
微粉炭焚きボイラでは、窒素酸化物(NOx)濃度低減が求められており、この要求に応えるために、二段燃焼法が適用されている。この方法は、燃料を空気不足の状態で燃焼させた後、完全燃焼用の空気をアフタエアポートから供給する方法である。
【0003】
アフタエアポートには、空気の混合と燃焼状態の改善のため、いくつかの構造が提案されている。その1つとして、アフタエアポートを主アフタエアポートと副アフタエアポートにより構成し、主アフタエアポート間に副アフタエアポートを配置したものが知られている(例えば、特許文献1、2参照)。
【0004】
また、アフタエアポートを上流側と下流側の二段に配置し、空気流量と噴流の向きなどを制御するようにした技術が開示されている(例えば、特許文献3、4参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平5−18510号公報(要約)
【特許文献2】特開2002−243112号公報(要約)
【特許文献3】特開平1−150707号公報
【特許文献4】特開平9−126415号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1及び特許文献2には、NOx低減と共に未燃分を低減できることが記載されている。
【0007】
特に、特開平9−126415号公報には、微粉炭焚きボイラにアフタエア空気を供給する主アフタエアポートと副アフタエアポートとの配置を工夫して、副アフタエアポートを主アフタエアポートの上流側で、且つ隣接する主アフタエアポートのちょうど中間となる位置に配置した構造が開示されている。
【0008】
上記微粉炭焚きボイラのアフタエアポートの配置構造では、副アフタエアポートから供給する副アフタエア空気によって火炉内の未燃焼成分と混合させて、酸化領域によって一酸化炭素(CO)を低減できる。
【0009】
しかしながら上記構造の微粉炭焚きボイラでは、火炉内の未燃焼成分の燃焼に伴って燃焼温度が上昇するので、発生するNOxの濃度が急上昇してしまうという問題がある。
【0010】
本発明の目的は、火炉中央部及び火炉壁近傍へ効率よく空気を供給することにより燃焼ガスとの混合を促進し、NOxとCOを共に低減できるようにした微粉炭焚きボイラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の微粉炭焚きボイラは、微粉炭焚きボイラを構成する火炉を備え、この火炉を形成する火炉壁面の上流側に燃料の微粉炭と空気とを火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナを配置し、バーナの設置位置よりも上部となる火炉壁面の下流側に空気を供給する複数のアフタエアポートを配置し、このアフタエアポートには供給空気量の多い主アフタエアポートと供給空気量の少ない副アフタエアポートとをそれぞれ備えた微粉炭焚きボイラにおいて、前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートの下流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直上となる火炉壁面の位置に配置されるか、前記副アフタエアポートは主アフタエアポートの上流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直下となる火炉壁面の位置に配置されており、前記副アフタエアポートの断面中心が、前記主アフタエアポートの断面中心から主アフタエアポート口径の1倍以上5倍以下の範囲にあることを特徴とする。
【0012】
また、本発明の微粉炭燃焼方法は、火炉内の上流側で微粉炭と空気を空気不足の状態で燃焼させ、生成する燃焼ガスに対して火炉内の下流側で空気を供給して完全燃焼させるようにした微粉炭燃焼方法において、前記完全燃焼用の空気供給口として前記火炉の対向する壁面に供給空気量の多い主アフタエアポートと供給空気量の少ない副アフタエアポートをそれぞれ複数個設けて、前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートに対し火炉内を流れる燃焼ガスの流れにおいて下流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直上となる火炉壁面の位置に配置されるか、前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートに対し火炉内を流れる燃焼ガスの流れにおいて上流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直下となる火炉壁面の位置に配置されており、主アフタエアポート口径の1倍以上5倍以下の範囲に副アフタエアポートを配置し、主アフタエアポートから噴出される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量は副アフタエアポートから噴出される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量よりも多くしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、火炉中央部及び火炉壁近傍へ効率よく空気を供給することにより燃焼ガスとの混合を促進し、NOxとCOを共に低減できるようにした微粉炭焚きボイラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の一実施例による微粉炭ボイラの概略構成と、空気及び微粉炭の供給系統を示した図。
【図2】図1のA−A断面図。
【図3】図2のB−B断面図。
【図4】主アフタエアポートの一実施例を示した断面図。
【図5】アフタエアポートの他の実施例を示したものであり、図1のA−A断面に相当する図。
【図6】図5のC−C断面図。
【図7】アフタエアポートの更に別の実施例を示すものであり、図1のA−A断面に相当する図。
【図8】副アフタエアポートの構造の一例を示した断面図。
【図9】主アフタエアポートの他の実施例を示した断面図。
【図10】別の実施例による主アフタエアポートの断面図。
【図11】主アフタエアポートの更に他の実施例を示す断面図。
【図12】制御器で行われるアフタエア流量の制御例を示したブロック図。
【図13】実施例8におけるバーナ及びアフタエアポートの配置を示した図。
【図14】アフタエアの全流量に対する主アフタエアポートの流量比率と火炉出口のCO濃度との関係を示した図。
【図15】副アフタエアポートの位置と噴出方向を示した図。
【図16】主アフタエアポートのエアポート構造を示した図。
【図17】実施例9におけるバーナ及びアフタエアポートの配置を示した図。
【図18】本発明の一実施例による微粉炭ボイラの概略構成と、空気及び微粉炭の供給系統を示した図。
【図19】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たボイラの構成図。
【図20】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たガスの混合状態を示す図。
【図21】本発明の一実施例による微粉炭焚きボイラのガスの混合状態を示した図。
【図22】図19のA−A’断面図。
【図23】図19のB−B’断面図。
【図24】副アフタエアポートの他の実施例を示した断面図。
【図25】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たボイラの構成図。
【図26】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たガスの混合状態を示す図。
【図27】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たボイラの構成図。
【図28】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たガスの混合状態を示す図。
【図29】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たボイラの構成図。
【図30】本発明の一実施例による微粉炭ボイラの概略構成と、空気及び微粉炭の供給系統を示した図。
【図31】制御装置で行われるバーナ用2次、3次空気流量の制御例を示したブロック図。
【図32】制御装置で行われるアフタエア空気流量の制御例を示したブロック図。
【図33】制御装置で行われる主アフタエア空気流量の制御例を示したブロック図。
【発明を実施するための形態】
【0015】
噴出された空気がアフタエアポート中心軸方向を向いて流れるようにした縮流型構造の主アフタエアポートは、NOxとCOの同時低減に極めて有効である。噴出された空気がアフタエアポート中心軸と平行方向に流れるようにした直進型構造の副アフタエアポートは、主アフタエアポートによって空気を混合できない壁際部分の燃焼ガスに空気を混合し、COを低減するのに効果がある。直進型の副アフタエアポートから噴出した空気は、火炉の壁から炉内中心に向かう流速の減衰が早いため、火炉の中心部まで空気が到達しにくい。よって、火炉中心の高温域でサーマルNOxが発生することなく、壁際のガスの混合を促進し、COを低減することができる。副アフタエアポートを縮流型構造にすると、流速は減衰しにくくなり、火炉中心部まで空気が到達するためにサーマルNOxが発生しやすい。
【0016】
また、主アフタエアポート、又は主アフタエアポートと副アフタエアポートの両方に、空気流量を制御するダンパが設けることが望ましい。ダンパを設置すると、空気流量を微調整することが可能であるため、空気供給のバラツキが少なく、効率よく空気を混合することができる。
【0017】
また、ウィンドウボックス内に仕切り板を設け、主アフタエアポートの空気流路と副アフタエアポートの空気流路を分割することが望ましい。このようにすれば、主アフタエアポート及び副アフタエアポートごとに、空気流量を調整することができる。
【0018】
本発明では、アフタエア流量を制御する制御器を設けて、火炉前壁のバーナと後壁のバーナに供給する微粉炭量を判定して前壁と後壁の給炭量比を計算し、それに基づいて前壁と後壁のアフタエア流量を計算し、主アフタエアポートと副アフタエアポートに供給される空気流量の配分を決定することが望ましい。また、火炉前壁又は後壁に休止バーナがある場合には、休止バーナがある方のアフタエアポートへ供給する空気流量を、他方のアフタエアポートへ供給する空気流量よりも低く設定することが望ましい。このように、バナの可動条件に応じてアフタエア流量を制御することで、効果的にNOxとCOを低減できる。
【0019】
本発明においては、主アフタエアポートは火炉中央部へ到達可能な運動量の大きい空気を噴出するよう構成し、前記副アフタエアポートは火炉壁面近傍へ運動量の小さい空気を噴出する構成であって、副アフタエアポートの断面中心から主アフタエアポートの断面中心までの距離が、主アフタエアポート口径の1倍以上5倍以下となるように副アフタエアポートを設置することが望ましい。
【0020】
副アフタエアポートを主アフタエアポートの上流側に配置した場合は、副アフタエアポートから副アフタエア空気を供給することによって火炉上流からの燃焼ガスがよどむ、すなわち火炉壁近傍の燃焼ガスの上昇流速が弱まる。このため、主アフタエアポートから供給される主アフタエア空気の流れが火炉壁近傍で燃焼ガスによって乱されることなく、火炉中央に供給することができる。
【0021】
また、副アフタエアポートを主アフタエアポートの下流側に配置した場合、火炉上流からの燃焼ガスは主アフタエアポートの噴流と混合するが、一部は主アフタエアポートの間からすり抜ける。すり抜けた未燃焼ガスは、主アフタエアポートの下流では未燃焼ガスの上昇流速が弱まってよどんでいる。そのため、このよどみ域で副アフタエアポートから副アフタエア空気を供給すると、火炉壁近傍で燃焼ガスと空気との混合を促進させることができる。
【0022】
逆に副アフタエアポートの断面中心位置が、主アフタエアポートの口径の5倍以上の長さになるように副アフタエアポートを主アフタエアポートの上流側に設置すると、副アフタエア空気と燃焼ガスによるよどみの効果が十分得られなくなる。また、主アフタエアポートの口径の5倍以上の長さになるように副アフタエアポートを主アフタエアポートの下流側に設置すると、主アフタエア空気と燃焼ガスのよどみ域に副アフタエア空気を供給できなくなるため混合は促進されない。また、副アフタエアポートの断面中心位置が、主アフタエアポートの口径の1倍以下の長さになるように副アフタエアポートを設置すると、副アフタエア空気が主アフタエア空気に巻き込まれるため上述の効果は得られない。
【0023】
本発明では、主アフタエアポートから供給される主アフタエア空気の運動量は、副アフタエアポートから供給される副アフタエア空気の運動量に対して、3〜20倍の範囲となるようにすることが望ましい。主アフタエア空気の運動量が副アフタエア空気の運動量の3倍より小さいと、副アフタエア空気の運動量が大きくなるため火炉壁近傍の未燃焼成分へ効率よく空気を混合できなくなる。また主アフタエア空気の運動量が小さくなるため火炉中央部まで空気が到達できなくなる。一方主アフタエア空気の運動量が副アフタエア空気の運動量の20倍より大きくなると、副アフタエア空気の運動量、特に流量が小さすぎるため火炉壁近傍の未燃焼成分の燃焼に必要な空気を供給できなくなる。
【0024】
また本発明では、主アフタエアポートは出口の空気噴出口へ向かって流路外径が縮小する縮流部を有し、噴出される空気が主アフタエアポート中心軸方向を向いて流れるようにすることが望ましい。このようにすると、主アフタエア空気の運動量が増加して火炉中心部まで噴流が到達し混合が促進されるため、NOxとCOの同時低減に極めて有効である。
【0025】
また副アフタエアポートは、副アフタエア空気を火炉内部に噴出する空気噴出口へ向かって拡大する構造を有し、同心軸上の多重管構造に形成され、中央にある流路から直進流を噴出し、その外周からは旋回流を供給するようにすることが望ましい。副アフタエアポートから噴出された空気がアフタエアポート中心軸と平行方向に流れる、または旋回流が発生するようにすると、主アフタエアポートによって空気を混合できない壁際部分の燃焼ガスに空気を混合し、COを低減するのに効果がある。直進型または旋回型の副アフタエアポートから噴出した空気は、火炉の壁から炉内中心に向かう流速の減衰が早いため、火炉の中心部まで空気が到達しにくい。よって、火炉中央の高温域でサーマルNOxが発生することなく、壁際のガスの混合を促進し、COを低減することができる。
【0026】
また本発明では、主アフタエアポートは、噴出される空気が主アフタエアポート中心軸方向を向いて流れるように構成し、副アフタエアポートは副アフタエアポート中心軸と平行方向に直進流を噴出し、その外周から旋回流を噴出する構成とするとNOx、COの低減に特に効果的である。このようにすると、火炉中央へ向かう主アフタエア空気の運動量が増加して、火炉中央へ空気を効率よく供給できるだけでなく、副アフタエア空気は旋回によって壁近傍の未燃焼成分と効果的に混合できる。
【0027】
また本発明では、主アフタエアポートと副アフタエアポートを、火炉壁面に設置されて外部からアフタエア空気が供給される共通のウィンドウボックスの内部にそれぞれ配置することが望ましい。このようにすれば、アフタエアエア空気の流量を低流量(低負荷)から高流量(高負荷)まで1つの弁で制御可能となる。特に主アフタエアポートは縮流部を有する構造、副アフタエアポートは旋回流を供給できる構造であり、ともに圧力損失が高いため、空気流量の制御が容易となる。更にウィンドウボックスを共通とすると、構造が簡素化され製作が容易になり、新たに主或いは副アフタエアポートを追加するときにも設置が容易である。
【0028】
また主アフタエアポートの1つと副アフタエアポートの1つを一組にして、少なくとも一組を同一のウィンドウボックスに接続し、前記ウィンドウボックスの複数個を火炉壁面に一方向に並べて設置してもよい。このようにすれば、主アフタエア空気と副アフタエア空気の運動量の比率を変えることなく、火炉の中央部と火炉側壁部で噴出するアフタエア空気の流量を調整できるため、燃焼ガスの多い部分に効率よく空気を混合できるようになる。
【0029】
また本発明では、最下流段バーナと主アフタエアポートの距離をX、主アフタエアポートと火炉下流にある熱交換機の底面までの距離をYとすると、X/(X+Y)が0.3〜0.6の範囲に主アフタエアポートを配置することが望ましい。主アフタエアポートの設置位置がX/(X+Y)<0.3となると、還元領域が減少するためNOx発生量が増加する。またX/(X+Y)>0.6より大きくなると、主及び副アフタエア空気投入後の滞留時間が減少して混合が不十分となるため、未燃焼成分が多くなる。
【0030】
また本発明では、主アフタエアポートの口径は、火炉中央側に比べて側壁側が小さくなるように配置することが望ましい。火炉中央部近傍では火炉上流から流れてくる未燃焼ガスの上昇速度が特に大きくなる。したがって、側壁側の主アフタエアポートの口径を小さくすると、火炉中央部側へ供給される空気の運動量が側壁側に比べて大きくなるため、火炉中央部側に残留する未燃焼成分との混合が促進される。
【0031】
また本発明では、主アフタエアポートと副アフタエアポートを、火炉壁面に設置されて外部からアフタエア空気が供給される共通のウィンドウボックスの内部にそれぞれ配置し、アフタエア空気を供給するアフタエア空気供給ダクトに空気流量調整機構を備える。そして、バーナへ燃焼用の2次、3次空気を供給する2次、3次空気供給ダクトに、各バーナに独立して空気をそれぞれ供給できるように空気流量調整機構を配設することが望ましい。このようにすると、アフタエアポートへ供給する空気とバーナへ供給する空気の比率を一定にしたまま、バーナの2次、3次空気流量を微調整することが可能になり、バーナの燃焼状態に応じて効率よく空気を供給できるようになる。このためバーナ部で発生するNOxを常に最小に保つと同時に、主アフタエアの空気噴出条件をNOxとCOの総合性能が最適になるよう保つことができる。
【0032】
また主アフタエアポートの1つと副アフタエアポートの1つを一組にして、少なくとも一組を同一のウィンドウボックスに接続し、前記ウィンドウボックスの複数個を火炉壁面に一方向に並べて設置し、アフタエア空気を供給するアフタエア空気供給ダクトに空気流量調整機構を備え、バーナへ燃焼用の2次、3次空気を供給する2次、3次空気供給ダクトに、各バーナに独立して空気をそれぞれ供給できるように空気流量調整機構を配設することもできる。このようにするとバーナの2次、3次空気流量を微調整することができ、更に主アフタエア空気と副アフタエア空気の運動量の比率を変えることなく、火炉の中央部と火炉側壁部で噴出するアフタエア空気の流量を調整できるため、バーナの燃焼状態に応じて特に効率よく空気を供給できるようになる。
【0033】
また本発明においては、複数のバーナに搬送される燃料の微粉炭量を計測する微粉炭流量計を、バーナに微粉炭を搬送する流路に設置し、この微粉炭流量計で計測した微粉炭量に基づいてバーナに供給する燃焼用の2次、3次空気量を調節する制御器が備えられていることが望ましい。微粉炭流量計を設置すると、微粉炭供給量の偏差に応じて空気を供給することが可能となる。更に制御器を設けて微粉炭供給量に応じてバーナ2次、3次空気流量を制御することで、効果的にNOxとCOを低減できる。
【0034】
また、複数のバーナに搬送される燃料の微粉炭量を計測する微粉炭流量計を、前記バーナに微粉炭を搬送する流路に設置し、この微粉炭流量計で計測した微粉炭量に基づいて主及び副アフタエアポートに供給するアフタエア空気量を調節する制御器が備えることもできる。微粉炭流量計を設置すると、微粉炭供給量の偏差に応じて空気を供給することが可能となる。更に制御器を設けて微粉炭供給量に応じてアフタエア空気流量を制御することで、効果的にNOxとCOを低減できる。
【0035】
本発明は、火炉の燃焼空間における酸素濃度を検出する複数の酸素濃度検出器と、酸素濃度検出器からの信号に基づいて複数の主アフタエアエアポートと副アフタエアポートの空気流量を個別に調整する制御装置を備え、複数の酸素濃度検出器からの信号により主アフタエアポートの空気流量と、副アフタエアポートの空気流量を制御することが望ましい。
【0036】
火炉中央部の酸素濃度が低いときは主アフタエア空気を増加させるために副アフタエア空気量を減少させ、火炉側壁部の酸素濃度が低いときは副アフタエア空気を増加させるために主アフタエア空気量を減少させる。このようにすると、バーナの燃焼条件を一定にしたまま空気流量を制御できるため、バーナ部で発生するNOxを最小に保つことができる。
【0037】
以下、図面を用いて説明するが、本発明は以下の構造に限定されるものではない。
【実施例1】
【0038】
図1は本発明に係る微粉炭焚きボイラの概略構成図である。火炉100の壁面は、上部の火炉天井49、下部のホッパ47、側方の火炉前壁45、火炉後壁46、及び火炉側壁48(図2に記載)で囲われ、それぞれの壁面には、図示しない水管が設置される。この水管により、火炉燃焼空間23で発生した燃焼熱の一部が吸収される。火炉燃焼空間23で生成した燃焼気体は下方から上方へ流れ、燃焼後の気体51となって排出される。燃焼後の気体51は、図示しない後部伝熱部を通り、ここで気体中に含まれる熱が、さらに回収される。
【0039】
火炉の下部には、バーナ52が設置され、ここで空気不足の火炎53が形成される。バーナは通常、火炉の前壁と後壁に、対向するように、それぞれ複数個設置される。石炭は図示しない粉砕器で、およそ150μm以下に粉砕した後、空気で搬送され、バーナ用1次空気と微粉炭58は、バーナ52から火炉内に噴出される。バーナ用2次、3次空気56も同時に、バーナ用ウィンドウボックス(バーナ用2次、3次空気供給ダクト)54を経て、バーナから噴出される。
【0040】
バーナの上方には、主アフタエアポート37が設置される。主アフタエアポートと同じ高さに副アフタエアポート38(図2に記載)が設置される。主及び副アフタエアポートも通常、火炉の前壁と後壁にそれぞれ複数個設置される。主アフタエアポート37の構造は、噴出口付近で空気の流れが主アフタエアポート中心軸方向を向くように構成された、縮流型の構造である。構造の詳細は後述する。バーナ部で形成された空気不足の火炎53から発生したCOなどの未燃焼成分の大部分は、主アフタエアの空気と混合することで完全燃焼(酸化)する。ただし、未燃焼成分と主アフタエア空気の混合時に、NOx(主にサーマルNOx)も発生する。NOxの発生量は主アフタエア空気の流速(縮流部の最大流速)と関連があり、主アフタエア空気の流速の調整が重要である。さらに、主アフタエア空気の噴出条件をNOxが低くなるように設定すると、酸化が不充分になり、COが発生しやすくなる傾向があるので、NOxとCOの性能バランスに留意して、主アフタエア空気の噴出条件を設定する必要がある。
【0041】
燃焼用空気57は、空気流量配分調整機構42で、バーナ用2次、3次空気56とアフタエア空気55に配分される。アフタエア空気55は空気流量配分調整機構43で、前壁側のアフタエアポートに流れる空気と後壁側のアフタエアポートに流れる空気に配分される。前壁側のアフタエアポートと後壁側のアフタエアポートの空気流量は、休止バーナの位置に応じて、制御器61で設定されたアフタエア空気流量設定値に制御される。制御器61には、給炭量検出器59で検出されたミル給炭量62と、アフタエア空気流量検出器60で検出されたアフタエア空気流量63が入力される。制御器61では、休止バーナが火炉前壁側にある場合に、ミル給炭量62に基づいて火炉前壁にあるアフタエア空気流量設定値を低く設定し、アフタエア空気流量63を調整することができる。
【0042】
火炉後壁46の上部には、ノーズ50が設けられることが多い。このノーズ50の影響により、主アフタエアポート37廻りの燃焼気体の流れは非対称になる。前壁側と後壁側に流れるアフタエア空気の配分を調整することで、非対称な流れ場でもNOxとCOを低減できる。
【0043】
アフタエア空気55は、さらに主アフタエア空気流量調整機構40と副アフタエア空気流量調整機構41により、主及び副アフタエアから供給する空気量を調整する。これにより、主アフタエア空気の噴出流速(縮流部の最大流速)と副アフタエア空気の噴出流速が調整できる。主アフタエア空気の噴出流速が高すぎるときには副アフタエア空気量を増やし、噴出流速が低すぎるときには逆にする。副アフタエア空気は主アフタエアポートの間から噴出されるため、炉内で燃料が過剰に存在し空気不足になっているガスと、空気の混合が促進され、効率よくCOを低減できる。一方、副アフタエア空気は流量が少ないので、NOx(サーマルNOx)発生に与える影響は小さい。また、副アフタエアを用いて主アフタエア空気量を調整できるので、バーナへ供給される2次、3次空気流量は常に一定にできる。これは、バーナ部で形成される空気不足の火炎53の燃焼条件を、ここでのNOx発生量が最も少なくなる最適条件で常に運用できることを意味する。
【0044】
この結果、バーナ部で発生するNOxを常に最小に保つと同時に、主アフタエアの空気噴出条件をNOxとCOの総合性能が最適になるよう保つことができる。
【0045】
なお、バーナへ供給される2次、3次空気56もアフタエア空気55と同様に、空気流量配分調整機構44で、前壁側のバーナに流れる空気と後壁側のバーナに流れる空気に配分される。
【0046】
図2は、主/副アフタエアポート配置の一例であり、図1のA−A断面図である。図3は図2のB−B断面を燃焼空間側からみた図である。主アフタエアポート37は通常、燃焼気体の流れと直角に複数配置され、火炉前壁45側と火炉後壁46側に同数配置される。副アフタエアポート38は主アフタエアポート37と同一のウィンドウボックスに配置される。副アフタエアポート38の最も単純な配置方法は、主アフタエアポート37の間に交互に配置することである。主アフタエア空気と副アフタエア空気の流路は仕切り板39により分割され、主アフタエア空気調整機構40と副アフタエア空気調整機構41によりそれぞれの流路に流れる空気の量が調整される。
【0047】
図4は、主アフタエアポートの詳細構造の一例である。ノズルの基本構造は、噴流中心軸8を対称軸とした円筒形である。ノズルはウィンドウボックス外筒1で囲われており、ウィンドウボックス開口部5から燃焼用の空気が流入する。空気は矢印6に沿って流れ、噴出口4から火炉内燃焼空間23へ噴出される。噴出された空気は、火炉内燃焼空間23で可燃ガスと混合して可燃ガスを燃焼させる。噴出口4の周囲には、水管14が設けられている。アフタエアポートの噴出口4側には、縮流部材2を設ける。縮流部材2は、噴出口4側に向かって次第に口径が小さくなる構造である。この縮流部材2により、空気の流れ6には、ノズル中心軸へ向かう速度成分が与えられ、縮流部3が形成される。縮流部3の入口近くに、縮流部の最小流路面積を規定する部材7を設ける。縮流部での空気の流速は、縮流部で最も開口面積が小さくなる部分の面積で規定される。図4の構成では、縮流部の最小流路面積を規定する部材7の先端部で縮流部の流速が最大になる。図4の縮流部の最小流路面積を規定する部材7は、噴出口4に向かって外径が次第に小さくなる構成とした。縮流部3内での流れの乱れを少なくするためである。乱れを少なくすることでNOxの急激な増加を抑制できる。ただし、他の構造であっても、本発明の目的を達成可能である。縮流部の最小流路面積を規定する部材7は、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9に固定する。縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9はガイド12を介してウィンドウボックス外筒1に固定する。
【0048】
縮流部の最小流路面積を規定する部材7の内側には、過熱防止材を設けた。火炉内燃焼空間23に形成された火炎からの放射熱で、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9が焼損するのを防ぐためである。火炉内燃焼空間23に形成された火炎放射熱が弱い場合や、他の方法で支持材9を冷却できる場合には、過熱防止材は必ずしも必要ない。
【実施例2】
【0049】
本実施例では、アフタエアポートの配置を変えた場合について説明する。図5は、副アフタエアポート38の配置の変型例であり、図1のA−A断面図に相当する。図6は図5のC−C断面を燃焼空間側からみた図である。
【0050】
同列のアフタエアポートに接続するウィンドウボックスを2つに分割し、同一のウィンドウボックスからそれぞれ主アフタエアポート37と副アフタエアポート38に空気を供給するようにした。このようにウィンドウボックスを分割して空気を供給すると、主及び副アフタエアの空気流量を微調整することが可能であるため、供給のバラツキが少なく、効率よく空気を混合することができる。
【実施例3】
【0051】
本実施例では、アフタエアポート空気調整機構の変型例について説明する。図7は主及び副アフタエアの空気調整機構の変型例であり、図1のA−A断面図に相当する。図8は、副アフタエアポートの詳細構造の一例である。
【0052】
主アフタエア空気と副アフタエア空気の流路は同一であり、主アフタエアポート37と副アフタエアポート38に供給する空気流量はダンパ24を開閉することにより調整される。このようにダンパ24を設置すると、空気流量を微調整することが可能であるため、供給のバラツキが少なく、効率よく空気を混合することができる。ダンパ24は主アフタエアポート37に設置するだけでもよいが、主アフタエアポート37と副アフタエアポート38の両方に設置することが好ましい。
【実施例4】
【0053】
本実施例では、主アフタエアポート構造の変型例を、図9を用いて説明する。縮流部の最小流路面積を規定する部材7を移動させるための内筒15を持つこと、ウィンドウボックス開口部5から流入する空気を調整するスライドリング11を持つことが、図4と異なる点である。
【0054】
縮流部の最小流路面積を規定する部材7は、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9に固定する。縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9は、スライドリング11に固定する。スライドリング11は内筒15に取り付ける。ただし、スライドリング11と外筒は固定されておらず、スライドリング11は図1のウィンドウボックス外壁13方向、または、噴出口4方向へ移動可能である。スライドリング11を移動することで、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9と縮流部の最小流路面積を規定する部材7も同時に移動する。縮流部の最小流路面積を規定する部材7を移動することで、縮流部の最小流路22の面積が変化する。このとき、縮流部3の形状は、外径は一定のまま内径が変化し、その結果、縮流部3の流路断面積(ノズル中心軸に垂直な断面)が変化する。
【0055】
スライドリング11又は内筒15のどちらかにガイドローラ17を取り付けると、スライドリング11をスムーズに移動できる。スライドリング11にスライドリング移動棒固定機構16、スライドリング移動棒18、ハンドル19を取り付けることで、ウィンドウボックス外壁13の外側(図9で見ると左側)から、縮流部の最小流路面積を規定する部材7を移動させることができる。スライドリング11をウィンドウボックス外筒1に取り付け、ウィンドウボックス開口部5の面積を変化させると、主アフタエアポートに流入する空気の総量を変化させることができる。空気総量の変化が不要である場合や他の方法で変化できる場合には、スライドリング11をウィンドウボックス外筒1に取り付けなくてもよい。
【0056】
スライドリング11にガイド12を取り付けると、スライドリング11を移動させたときに縮流部の最小流路面積を規定する部材の芯がずれにくい。また、スライドリング11と縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9を強固に固定できる。また、空気の流れ6を整流しやすい。
【実施例5】
【0057】
本実施例では、主アフタエアポートの別の変型例について、図10を用いて説明する。
【0058】
図10は、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9と、縮流部材2を冷却するための冷却空気用の流路と、ウィンドウボックス開口部5から流入する空気を調整するダンパ24を持つことが、図4と異なる点である。
【0059】
縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9に、冷却空気孔20を設ける。ウィンドウボックス開口部5から導入された空気の一部は、冷却空気の流れ25となり、冷却空気孔20から放出される。その過程で、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9に衝突し、この部材を冷却できる。また、冷却空気孔20から放出された空気の一部は、縮流部の最小流路面積を規定する部材7に衝突し、この部材を冷却することもできる。
【0060】
さらに、縮流部3の近傍に冷却空気案内板21を設けた。冷却空気案内板21と縮流部材2の間には冷却空気が流れ、縮流部材2を冷却できる。また、この冷却空気は噴出口4の最外周側を流れるため、噴出口4の周囲に付着した石炭灰を除去するためにも使用できる。さらに、噴出口4の周囲に付着した石炭灰の量が多くなったとき、縮流部材2と冷却空気案内板21との間を流れる空気量を一時的に増やして、付着灰を除去しやすくするとよい。なお、縮流部材2の角度は、縮流部の途中で変化してもよい。
【0061】
ダンパ24をウィンドウボックス外筒1に取り付け、ウィンドウボックス開口部5の面積を変化させると、主アフタエアポートに流入する空気の総量を変化させることができる。
【実施例6】
【0062】
本実施例では、主アフタエアポート構造の更に別の変型例について、図11を用いて説明する。図11では、空気ポートの中心に1次ノズル26、1次ノズル26の外側に2次ノズル27、2次ノズル27の外側に3次ノズル28が設置されている。3次ノズルから噴出する3次空気35は、2次ノズル27の出口で2次空気34と合流して燃焼空間23に流入する。ここで、2次ノズル27の噴出方向は、空気ポートの噴流中心軸8に平行である。さらに、2次空気34には、2次空気レジスタ32により旋回力を与えられるようになっている。3次ノズルは軸に対して内向きに設置されており、縮流を形成させるのに好適な構造である。2次空気34と3次空気35の流量を変化させることで、2次空気と3次空気の合流後の方向を調整することができる。たとえば、3次空気35の流量をゼロとすれば、2次空気と3次空気が合流した後の内向きの角度はゼロとなる。また、2次空気34の流量をゼロとすれば、3次ノズルの方向に噴出する。噴出方向の調整により炉内で燃料が過剰に存在し、空気不足になっているガスと空気を好適に混合して未燃分を低減できる。さらに、2次空気の旋回の強さによっても、混合状態を調整可能である。流量の調整のために、1次ダンパ29、2次ダンパ30、3次ダンパ31が設置されている。
【0063】
微粉炭は、燃料中に灰を含む。この場合、アフタエアポートの出口で縮流を形成すると、高温の燃焼ガス中で溶融した灰が空気ポート出口の水管14付近に付着することがある。灰の付着が成長してクリンカを形成すると、流動を妨げたり、落下による水管の損傷を生じたりする可能性がある。このような場合は、クリンカが小さいうちに、3次空気の流量を低減し、2次空気の流量を増加してクリンカの温度を低下させることで、熱応力を発生させ、剥離させるのが良い。
【実施例7】
【0064】
本実施例では、アフタエアポートの空気流量制御方法について、図1と図12を用いて説明する。ミルから供給されたミル給炭量62は給炭量検出器59により計量され、信号が制御器61に入力される。またアフタエア空気流量63はアフタエア空気流量検知器60により計量され、信号が制御器61に入力される。制御器61では前壁と後壁の給炭量62を常時判定して、前壁と後壁の給炭量比を計算し、前壁と後壁のアフタエア空気流量が計算される。制御器61からの信号により、アフタエア空気流量調整機構開度指令64が主アフタエア流量調整機構40と、副アフタエア流量調整機構41に送られ、火炉内燃焼空間23へ噴出するアフタエア空気流量が制御される。休止バーナが火炉前壁側にある場合は、ミル給炭量62に基づいて火炉前壁にあるアフタエア空気流量設定値を低く設定し、アフタエア空気流量63を調整することができる。逆に休止バーナが火炉後壁側にある場合は、ミル給炭量62に基づいて火炉後壁にあるアフタエア空気流量設定値を低く設定し、アフタエア空気流量63を調整することができる。本制御方法を用いれば、バーナの稼動条件に応じてアフタエア空気流量を制御することができるため、効果的にNOx、COを低減できる。
【実施例8】
【0065】
本発明の実施例を、図13を用いて説明する。図13は、ボイラの火炉前壁45のポート配置を示したものである。ボイラ下部に、複数列・複数段のバーナ52が配置されており、その下流にアフタエアポート37、38が配置されている。バーナ52と同列上には主アフタエアポート37があり、その両隣に副アフタエアポート38が設けてある。即ち、隣接する2個の主アフタエアポート37の間に2個の副アフタエアポート38を配置する。主アフタエアポート37と副アフタエアポート38の間隔は、主アフタエアポート間(即ち、バーナ間)の距離の1/4〜1/3となっている。なお、図13では主アフタエアポート間(即ち、バーナ間)の距離の1/3である。
【0066】
そして、バーナ52と同列に配置した主アフタエアポート37からは高速で多量の空気を噴出することにより、火炉中央での未燃ガスのすり抜けを防止し、主アフタエアポート37の両隣に配置した副アフタエアポート38からは主アフタエアポート37よりも少ない量の空気を流すことにより、火炉前壁45及び火炉後壁46(図1を参照)近傍での未燃ガスのすり抜けを防止する。このように、アフタエアポートを主・副の2種類とし、主アフタエアポートの供給空気量よりも少ない空気を供給する複数の副アフタエアポートを主アフタエアポート間に設置することで、火炉中央部でのすり抜けを防止し、かつ火炉前壁及び後壁でのすり抜けも抑制可能となる。従って、炉内の混合を促進しかつ急速な混合を抑制できるため、火炉出口でのCO濃度、NOx濃度を低減することが可能である。
【0067】
なお、主アフタエアポート37から噴出する空気流量は、アフタエアポートからの全空気量(即ち、主アフタエアポート及び副アフタエアポートから噴出する空気量の合計)の70〜90%にすることが望ましい。主アフタエアポート37の空気流量が60%以下になると、高速で噴出しても貫通力が維持できなくなり、火炉中央部で未燃ガスのすり抜けが生じてしまうためである。
【0068】
また、主アフタエアポート37間に複数の副アフタエアポート38を配置する場合、副アフタエアポート38からの噴流方向は、副アフタエアポート38に隣接する主アフタエアポート37の噴流と交差しない向きに副アフタエアポート38の噴出孔を配置し、前記の主アフタエアポート37の噴出方向に対して0〜15°に傾けることが望ましい。副アフタエアポート38からの噴流は、主アフタエアポート37からの噴流に比べ流量が少ないため主アフタエアポート37からの噴流よりも貫通力が小さく、火炉100の壁面に沿って流れやすい。そのため、副アフタエアポート38間のすり抜けが生じやすいので、隣接する主アフタエアポート37からの噴流と交差しないように配置する(即ち、隣接する副アフタエアポート38間では両者の噴流が交差するように配置する)ことにより、副アフタエアポート38間のすり抜け防止になる。
【0069】
そして、主アフタエアポート37は、同心軸上の多重管構造であることが望ましい。中央部の円管からは、直進流を噴出し、外周からは旋回流を噴出する。直進流と旋回流の流量比率を変化させることにより、アフタエアポートからの主流貫通力を調整することが可能となる。
【0070】
ここで、本実施例における作用・効果を説明する。石炭等の化石固体燃料を燃焼するボイラのうち、ボイラ火炉前壁と火炉後壁に燃焼装置(バーナ)を設け火炉の中央で火炎を衝突させて燃焼させる方式では、NOxの低減は燃焼装置(バーナ)の性能によるところが多い。すなわち、燃焼装置(バーナ)の燃料搬送流と燃焼用空気流を分離することにより、バーナ火炎内で燃焼域の間に還元域を形成した高温還元炎を形成し、バーナ部でのNOx生成量を抑制する。但し、燃焼装置(バーナ)の燃料搬送流と燃焼用空気流を分離するとバーナ部で高温還元炎が形成されるため、火炉内で不均一なガス流れが生じたり、火炉断面方向で未燃燃料分(未燃ガス)の分布が生じ、COが発生しやすくなる。そのため、そのような不均一な未燃ガスの断面分布に応じたアフタエアポートからの二段燃焼用空気投入方法が重要となる。
【0071】
また、火炉中央で火炎を衝突させるため、火炉中央部分には燃焼ガスが生じ、火炉前壁及び後壁近傍には未燃ガスという分布が生じる。そのため、バーナ間及び火炉前壁と後壁近傍には高CO濃度、高NOx濃度が発生しやすくなる。
【0072】
以上より、アフタエアポートからの噴流と火炉内燃焼ガスとの混合促進が必要である。但し、アフタエアポート噴流の噴出速度を単に増加して急速に混合させるとアフタエアポートの後流(下流側)において未燃ガスが急速燃焼し局所高温部が形成されるため、サーマルNOxが生成される問題が生じる。逆にアフタエアポートの噴出速度を単に遅くすると、噴流が火炉中央部に到達せず未燃ガスがすり抜けてしまうという問題が生ずる。従って、いかにサーマルNOxを発生させないで火炉中央部のすり抜けを防止しつつ混合促進させるかが課題である。
【0073】
ここで、図14に、アフタエアポートに使用する全空気量に対する主アフタエアポート37の流量比率を変えたときにおける火炉出口のCO濃度変化を示す。主アフタエアポート37の流量比率を60%にすると火炉出口のCO濃度は急増する。これは、主アフタエアポート37からの空気噴流に貫通力がなくなり、火炉中央部でのすりぬけが生じるためである。よって、主アフタエアポート37の流量比率は70%以上にすることが望ましい。
【0074】
なお、アフタエアポートに使用する全空気量に対する副アフタエアポート38からの流量割合が多いと、火炉前壁45及び火炉後壁46の近傍でエアポート噴流の割合は多くなる。一方、副アフタエアポート38からの噴流割合が少ないと、副アフタエアポート38間の火炉壁面近傍で未燃ガスのすり抜けが生じる。そのため、副アフタエアポート38からの流量割合が少ないときには、副アフタエアポート38からの噴流方向は、副アフタエアポート38に隣接する主アフタエアポート37の噴流と交差しない向きに副アフタエアポート38の噴出孔を配置し、前記の主アフタエアポート37の噴出方向に対して0〜15°傾けることにより、副アフタエアポート間のすりぬけを防止することができる。
【0075】
図16に、副アフタエアポート38からの空気噴出方向の一例を示す。主アフタエアポート37間に配置された副アフタエアポート38が一つの場合(図16の(1)に相当)は、主アフタエアポート37間の中央に副アフタエアポート38を配置し、副アフタエアポート38からの空気噴出方向は主アフタエアポート37の噴流と同方向に噴出する。主アフタエアポート37間に副アフタエアポート38が複数個ある場合(図16の(2)に相当)は、副アフタエアポート38は主アフタエアポート37間で等間隔に配置し、火炉中央部での主アフタエアポート37間の中央位置に向けて空気を噴出させる。
【0076】
図17に、主アフタエアポート37のエアポート構造の一例を示す。主アフタエアポート37は同心軸上の多重円管構造になっている。中心部の円管からは直進流を噴出し、外周からは旋回流を噴出する。主アフタエアポート37を多重管にし、直進流と旋回流の複合ポートにすることにより、貫通力の調整(火炉中央での未燃ガスすり抜け防止)および、主アフタエアポート37と副アフタエアポート38間の未燃ガス混合促進(旋回流の効果)が期待できる。
【0077】
このように本実施例では、主アフタエアポート37と副アフタエアポート38は、両者の間隔を主アフタエアポート間(即ちバーナ間)の距離の1/4〜1/3であって等間隔に設置した。但し、火炉前壁45及び火炉後壁46近傍での未燃ガスのすり抜け防止が可能であれば、上記数値に限られず、また、等間隔に設置しなくてもよい。
【実施例9】
【0078】
本発明の実施例を、図18を用いて説明する。図18は、副アフタエアポート38の配置を主アフタエアポート37よりも上流側に設置した場合におけるボイラの火炉前壁45のポート配置を示す。
【0079】
アフタエアポートからの空気噴流の周囲は未燃ガスとの混合により高温域を形成する。そこで、単一のアフタエアポート噴流で局所高温域を生成するよりも、噴流を分割して緩慢燃焼にさせることにより噴流周囲の局所高温域を小さくすることができ、サーマルNOxの抑制に効果がある。本実施例では、副アフタエアポート38を主アフタエアポート37よりも上流側に配置することにより、主アフタエアポート37からの噴流と未燃ガスの急速混合を抑制し、緩慢燃焼させることにより更なるサーマルNOx抑制の効果がある。
【0080】
図18では、副アフタエアポート38は主アフタエアポート37間の距離の1/3分だけ上流側に位置する例を示したが、数値は前記に限定されない。
【0081】
また、副アフタエアポート38を主アフタエアポート37より下流側に配置した場合には、副アフタエアポート38は火炉前壁45及び火炉後壁46近傍の未燃ガスのすり抜けを抑制する役割を果たし、COを抑制することが可能である。
【実施例10】
【0082】
図19は本発明に係る微粉炭焚きボイラの概略構成図である。火炉の壁面は、上部の火炉天井49、下部のホッパ47、側方の火炉前壁45、火炉後壁46、ノーズ50、及び火炉側壁48(図20に記載)で囲われ、それぞれの壁面には、図示しない水管が設置される。この水管により、火炉燃焼空間23で発生した燃焼熱の一部が吸収される。燃焼熱は、火炉下流に設置された熱交換器94で主に回収される。熱交換器94は火炉天井49で固定され、火炉の上流側へ熱伸びする構造となっている。火炉燃焼空間23で生成した燃焼気体は下方から上方へ流れ、排出される。燃焼後の気体は、図示しない後部伝熱部を通り、ここで気体中に含まれる熱が、さらに回収される。
【0083】
バーナの下流には、主アフタエアポート37が設置される。主アフタエアポートは通常、火炉の前壁と後壁にそれぞれ複数個設置される。主アフタエアポート37の構造は、噴出口付近で空気の流れが主アフタエアポート中心軸方向を向くように構成された、縮流型の構造である。構造の詳細は後述する。バーナ部で形成された空気不足の火炎から発生したCOなどの未燃焼成分の大部分は、主アフタエアの空気と混合することで完全燃焼(酸化)する。ただし、未燃焼成分と主アフタエア空気の混合時に、NOx(主にサーマルNOx)も発生する。NOxの発生量は主アフタエア空気の運動量(縮流部の最大流速)と関連があり、主アフタエア空気の運動量の調整が重要である。さらに、主アフタエア空気の噴出条件をNOxが低くなるように設定すると、酸化が不充分になり、COが発生しやすくなる傾向があるので、NOxとCOの性能バランスに留意して、主アフタエア空気の噴出条件を設定する必要がある。
【0084】
主アフタエアポート37の下流には副アフタエアポート38が設置される。副アフタエアポート38も通常、火炉の前壁と後壁にそれぞれ複数個設置される。副アフタエアポート38の構造は、旋回流を供給できる構造である。構造の詳細は後述する。空気不足の火炎から発生したCOなどの未燃焼成分の大部分は、主アフタエアの空気と混合することで完全燃焼するが、一部は主アフタエアポート37の間からすり抜ける。NOxを発生することなく未燃焼成分に効果的にガスを混合するためには、副アフタエア空気の運動量調整が重要である。
【0085】
副アフタエアポート38の設置位置は、副アフタエアポート38の断面中心位置と主アフタエアポート37の断面中心位置の距離が、主アフタエアポート37の口径の1から5倍となるように配置することが望ましい。副アフタエアポート38の断面中心位置が、主アフタエアポート37における口径の5倍以上の長さより下流側に位置すると、主アフタエアポート37の近傍でよどんでいる未燃焼成分70へ副アフタエア空気71を供給できなくなるため、火炉壁近傍のCO濃度が増加する。逆に、副アフタエアポート38の断面中心位置が、主アフタエアポート37における口径の5倍以上の長さより上流側に位置すると、主アフタエアポート37から供給される主アフタエア空気72の流れが炉壁近傍で未燃焼ガスによって乱されるため、火炉中央に空気を供給できなくなる。更に、ガス温度が高い条件で副アフタエア空気71が噴出されるためNOx濃度が増加する。また、副アフタエアポート38は主アフタエアポート37の口径の1倍以上離れたところに設置しないと、副アフタエアが主アフタエアポートからの噴流に巻き込まれるため、副アフタエアポートの効果が得られなくなる。
【0086】
燃焼用空気は、空気流量配分調整機構42で、バーナ用2次、3次空気56とアフタエア空気55に配分される。バーナへ供給される2次、3次空気56は、空気流量配分調整機構44で前壁側のバーナに流れる空気と後壁側のバーナに流れる空気に配分される。前壁側のバーナと後壁側のバーナに流れるバーナ用2次、3次空気56は、微粉炭流量計73で計測された微粉炭流量74に応じて、制御器61で設定されたバーナ用2次、3次空気流量設定値に制御される。制御器61には、微粉炭流量計73で測定された微粉炭流量74とバーナ用2次、3次空気流量検出器75で検出されたバーナ用2次、3次空気流量76が入力される(図20)。制御器61では、1つのミルから供給される微粉炭量に偏差がある場合に、微粉炭流量74に基づいて微粉炭が多く供給されているバーナ52のバーナ用2次、3次空気流量76を多くし、また微粉炭が少なく供給されているバーナ52のバーナ用2次、3次空気流量76を少なくし、個々のバーナの空気流量を独立して調整することができる。
【0087】
アフタエア空気55はアフタエア空気流量調整機構77で、前壁側のアフタエアポートに流れる空気と後壁側のアフタエアポートに流れる空気に配分される。前壁側のアフタエアポートと後壁側のアフタエアポートの空気は、更に主アフタエア流量調整機構と副アフタエア流量調整機構により、主及び副アフタエアポートに流れる空気に配分される。これにより、主アフタエア空気の運動量と副アフタエア空気の運動量が調整できる。空気流量調整機構の詳細は後述する。主アフタエア空気の運動量が大きすぎるときには副アフタエア空気量を増やし、運動量が小さすぎるときには逆にする。副アフタエア空気は主アフタエアポート37の下流で噴出し、主アフタエアポート37の間からすり抜けた未燃焼成分に空気を供給するため、効率よくCOを低減できる。一方、副アフタエア空気は運動量が少なく、噴出した空気は下流側の低温部で未燃焼成分と混合するため、NOx(サーマルNOx)発生に与える影響は小さい。また、副アフタエアを用いて主アフタエア空気量を調整できるので、バーナ52へ供給される2次、3次空気流量76は常に一定にできる。これは、バーナ部で形成される空気不足の火炎の燃焼条件を、ここでのNOx発生量が最も少なくなる最適条件で常に運用できることを意味する。この結果、バーナ部で発生するNOxを常に最小に保つと同時に、主アフタエアの空気噴出条件をNOxとCOの総合性能が最適になるよう保つことができる。
【0088】
図20は火炉前壁側から見たボイラの構成図である。主アフタエアポート37と副アフタエアポート38は同一のウィンドウボックス1に配置される。ウィンドウボックス1を共通とすると、ウィンドウボックス1へ供給される空気は1つの弁で調整できるため、制御が容易となる。副アフタエアポート38の配置方法の1つは、主アフタエアポート37の下流側に配置することである。バーナ52は、バーナ用2次、3次空気供給ダクト54が独立して接続され、個別に空気流量を制御できる。バーナ用2次、3次空気供給ダクト54の流路にはバーナ用2次、3次空気流量調整機構78が設置され、バーナ52に流れる空気の量が調整される。また微粉炭を搬送する流路には微粉炭流量計73が設置され、微粉炭流量計73で計測された微粉炭流量74に応じて、制御器61で設定されたバーナ用2次、3次空気流量設定値に制御される。
【0089】
副アフタエアポートの配置が空気と未燃焼成分の混合に及ぼす効果について、図21、図22を用いて説明する。図21は火炉前壁側から見たボイラの前壁近傍のガス混合状態を、図22は本発明による微粉炭焚きボイラのガスの混合状態を示す図である。バーナ52で発生した未燃焼成分70は、下流の主アフタエアポート37から供給される空気と混合して酸化されるが、一部の未燃焼成分70は主アフタエアポート37の間からすり抜ける(図21)。副アフタエアポート38を主アフタエアポート37における口径の1〜5倍の範囲に設置することにより、副アフタエアポート38から供給した空気は、主アフタエアポート37の間からすり抜けた未燃焼成分70がよどんでいる火炉壁近傍に空気を供給できる。また、副アフタエア空気71は運動量が小さいため、未燃焼成分70とすぐには混合せずに火炉下流の低温域79で混合する(図21)。これによりサーマルNOxの発生とCOの発生を同時に抑制することができる。
【0090】
主アフタエア空気72の運動量は副アフタエア空気71の運動量の3〜20倍とすることが望ましい。例えば、主アフタエア空気72と副アフタエア71の流量比率を3:1、主アフタエア空気72の噴出流速を30m/s,副アフタエア71の噴出流速を15m/sとすると運動量比率は10倍となる。このようにすると、主アフタエア空気72は火炉中央部へ効率よく供給され、未燃焼成分70と急速に混合するため、効率よくCOを低減できる。また副アフタエア空気71は火炉壁近傍へ効率よく供給され、火炉下流の低温域79で未燃焼成分70と副アフタエア空気71が緩慢に混合するため、サーマルNOxの発生を抑制できる。
【0091】
図23は、主アフタエアポートの構成、及び主アフタエアポートから噴出されるガスの混合状態を表しており、図19のA−A’断面図である。主アフタエアポート37は通常、燃焼気体の流れと直角に複数配置され、火炉前壁45側と火炉後壁46側に同数配置される。図示されていないが、下流には副アフタエアポート38が主アフタエアポート37と同一のウィンドウボックス1に配置されている。主アフタエアポート37へ供給される空気は、アフタエア空気流量調節機構77により空気の量が調整され、更に主アフタエア空気流量調整機構40によりそれぞれの流路に流れる空気の量が調整される。
【0092】
主アフタエアポート37の口径は、火炉中央側に比べて側壁側が小さくなるように配置される。側壁側の主アフタエア空気72の口径を小さくして運動量を増加させると火炉中央部まで噴流が到達できるため、火炉中央部近傍をすり抜ける未燃焼成分70に効率よく空気を供給することができる。
【0093】
図24は、副アフタエアポートの構成、及び副アフタエアポートから噴出されるガスの混合状態を表しており、図19のB−B’断面図である。副アフタエアポート38は通常、燃焼気体の流れと直角に複数配置され、火炉前壁45側と火炉後壁46側に同数配置される。図示されていないが、上流には主アフタエアポート37が副アフタエアポート38と同一のウィンドウボックス1に配置されている。副アフタエアポート38へ供給される空気は、アフタエア空気流量調節機構77により空気の量が調整され、更に副アフタエア空気流量調整機構41によりそれぞれの流路に流れる空気の量が調整される。副アフタエア空気71は、運動量を小さくして主アフタエアポート37の間からすり抜けた未燃焼成分70に空気を供給する。このようにすると、副アフタエア空気71は、ガス温度の高い領域で未燃焼成分70と混合することなく、温度の低い下流域で混合される。
【0094】
図25に、副アフタエアポートのエアポート構造の一例を示す。副アフタエアポート38は同心軸上の多重円管構造になっている。中心部の円管85からは直進流を噴出し、外周部86からはレジスタ87により旋回流を噴出する構造になっている。副アフタエア空気71の流量は副アフタエア空気流量調整機構41により調整することができる。副アフタエアポート38を多重管にし、直進流と旋回流の複合ポートにすることにより、貫通力の調整(火炉中央での未燃ガスすり抜け防止)および、主アフタエアポート37間の未燃ガス混合促進(旋回流の効果)が期待できる。
【実施例11】
【0095】
本実施例では、副アフタエアポートの配置を変えた場合について図26、図27を用いて説明する。図26は、副アフタエアポート38の配置の変型例であり、火炉前壁側から見たボイラの構成図である。図27は火炉前壁側から見たボイラの構成図であり、前壁近傍のガスの混合状態を示す図である。主アフタエアポート37と副アフタエアポート38は同一のウィンドウボックス1に配置される。副アフタエアポート38は、主アフタエアポート37の上流側に配置される。このように副アフタエアポート38を配置すると、副アフタエアポート38から供給された副アフタエア空気71によって、火炉上流からの燃焼ガス流れによどみが生じる。このため、主アフタエアポート37から供給される主アフタエア空気72の流れが火炉壁近傍で燃焼ガスによって乱されることなく、火炉中央に供給することができる。一方副アフタエア空気71は運動量が小さく、火炉壁近傍に生じた燃焼ガスのよどみ域へ空気を供給できるため、未燃焼成分70との混合が促進される。これにより主アフタエアポート37の間に残留する未燃焼成分70と効率よく混合される。
【実施例12】
【0096】
本実施例では、副アフタエアポートの配置を変えた場合について図28、図29を用いて説明する。図28は、副アフタエアポート38の配置の変型例であり、火炉前壁側から見たボイラの構成図である。図29は火炉前壁側から見たボイラの構成図であり、前壁近傍のガスの混合状態を示す図である。主アフタエアポート37と副アフタエアポート38は同一のウィンドウボックス1に配置される。副アフタエアポート38は、主アフタエアポート37の間に交互に配置される。このように副アフタエアポート38を配置すると、副アフタエア空気71は主アフタエアポート37の間から噴出されるため、主アフタエアポート37の間からすり抜ける未燃焼成分70へ直接空気を混合できるため、効率よくCOを低減できる。ここで副アフタエア空気71の運動量を大きくすると、未燃焼成分70と急速に混合して温度が上昇するため、サーマルNOxが発生する。このため副アフタエア空気71は運動量に特に留意して噴出する必要がある。副アフタエア空気71の運動量を小さくすることにより、主アフタエアポート37の間に副アフタエアポート38を配置した場合でも、サーマルNOxの発生を抑制しつつ主アフタエアポート37の間に残留する未燃焼成分70と効率よく混合される。
【実施例13】
【0097】
本実施例では、アフタエアポートの空気流量制御方法を変えた構成について、図30を用いて説明する。図30は、ウィンドウボックス1の配置の変型例であり、火炉前壁側から見たボイラの構成図である。少なくとも1組の主アフタエアポート37と副アフタエアポート38が同一のウィンドウボックス1に配置される。このようにすると、主アフタエア空気72と副アフタエア空気71の運動量の比率を変えることなく、火炉の中央部と火炉側壁部で噴出するアフタエア空気の流量を調整できる。副アフタエアポート38の配置方法の1つは、主アフタエアポート37の下流側に配置することである。ウィンドウボックス1はアフタエア空気供給ダクトが接続され、個別に空気流量を制御できる。アフタエア空気供給ダクトの流路にはアフタエア空気流量調整機構77が設置され、主アフタエアポート37及び副アフタエアポート38に流れる空気の量が調整される。バーナ52は、バーナ用2次、3次空気供給ダクト54が独立して接続され、個別に空気流量を制御できる。バーナ用2次、3次空気供給ダクト54の流路にはバーナ用2次、3次空気流量調整機構78が設置され、バーナ52に流れる空気の量が調整される。また微粉炭を搬送する流路には微粉炭流量計73が設置され、微粉炭流量計73で計測された微粉炭流量74に応じて、制御器61で設定されたアフタエア空気流量設定値に制御される。
【実施例14】
【0098】
本実施例では、アフタエアポートの空気流量制御方法について説明する。
【0099】
図20と図32を用いて説明する。ミルから供給された微粉炭流量74は微粉炭流量計73により計量され、信号が制御器61に入力される。またバーナ用2次、3次空気流量76はバーナ用2次、3次空気流量検知器75により計量され、信号が制御器61に入力される。制御器61ではバーナに供給される微粉炭流量74を常時判定して、バーナ用2次、3次空気流量76が計算される。制御器61からの信号により、バーナ用2次、3次空気流量調整機構開度指令80がバーナ用2次、3次空気流量調整機構78に送られ、火炉内燃焼空間23へ噴出するバーナ用2次、3次空気流量76が制御される。微粉炭供給量が多い箇所が火炉前壁側にある場合は、火炉前壁のバーナ用2次、3次空気流量76を多くし、後壁側のバーナ用2次、3次空気流量76を少なくすることができる。また微粉炭供給量が多い箇所が火炉側壁部にある場合は、火炉側壁部のバーナ用2次、3次空気流量76を多くし、火炉中央部のバーナ用2次、3次空気流量76を少なくすることができる。本制御方法を用いれば、バーナ一台あたりに供給される微粉炭流量に応じてバーナ用2次、3次空気流量76を制御し、火炉上流で発生する未燃焼成分70へ空気を供給できるため、効果的にCOを低減できる。
【0100】
次に、図30と図33を用いて説明する。ミルから供給された微粉炭流量74は微粉炭流量計73により計量され、信号が制御器61に入力される。またアフタエア空気流量63はアフタエア空気流量検知器60により計量され、信号が制御器61に入力される。制御器61ではバーナに供給される微粉炭流量74を常時判定して、アフタエア空気流量63が計算される。制御器61からの信号により、アフタエア空気流量調整機構開度指令64がアフタエア空気流量調整機構77に送られ、火炉内燃焼空間23へ噴出するアフタエア空気流量63が制御される。微粉炭供給量が多い箇所が火炉前壁側にある場合は、火炉前壁のアフタエア空気流量63を多くし、後壁側のアフタエア空気流量63を少なくすることができる。また微粉炭供給量が多い箇所が火炉側壁部にある場合は、火炉側壁部のアフタエア空気流量63を多くし、火炉中央部のアフタエア空気流量63を少なくすることができる。本制御方法を用いれば、バーナ一台あたりに供給される微粉炭流量に応じてアフタエア空気流量63を制御し、バーナ部でNOx発生量が最小となる燃焼条件に保ったまま火炉上流で発生する未燃焼成分70へ空気を供給できるため、効果的にNOx、COを低減できる。
【0101】
また、図31と図34を用いて説明する。燃焼ガスの酸素濃度測定値81は、後部伝熱部の下流に設置されている酸素濃度検知器82により計量され、信号が制御装置61に入力される。また主アフタエア空気流量89は主アフタエア空気流量検知器90により計量され、信号が制御装置61に入力される。制御装置61では酸素濃度が低い箇所の上流に設置されているアフタエアエアポートの空気量を常時判定して、主アフタエアポート37と副アフタエアポート38の空気量を計算し、主アフタエア空気流量89が決定される。制御装置61からの信号により、主アフタエア空気流量調整機構開度指令91が主アフタエア空気流量調整機構40に送られ、火炉内燃焼空間23へ噴出する空気流量が制御される。酸素濃度が低い箇所が火炉中央にある場合は、主アフタエアポート37の空気流量を多くし、副アフタエア空気流量を調整することができる。逆に酸素濃度が低い箇所が火炉壁近傍にある場合は、主アフタエアポート37の空気流量を少なくし、副アフタエア空気流量を調整することができる。本制御方法を用いれば、出口の酸素濃度に応じて主アフタエア空気流量、副アフタエア空気流量を制御し、未燃焼ガスへ効率よく空気を供給できるため、効果的にNOx、COを低減できる。
【符号の説明】
【0102】
1…ウィンドウボックス外筒、2…縮流部材、3…縮流部、4…噴出口、5…ウィンドウボックス開口部、7…縮流部の最小流路面積を規定する部材、9…縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材、11…スライドリング、13…ウィンドウボックス外壁、23…火炉内燃焼空間、24…ダンパ、26…1次ノズル、27…2次ノズル、28…3次ノズル、37…主アフタエアポート、38…副アフタエアポート、39…仕切り板、40…主アフタエア流量調整機構、41…副アフタエア流量調整機構、42…空気流量配分調整機構、43…空気流量配分調整機構、44…空気流量調整配分機構、45…火炉前壁、46…火炉後壁、48…火炉側壁、49…火炉天井、50…ノーズ、51…燃焼後の気体、52…バーナ、53…空気不足の火炎、54…バーナ用ウィンドウボックス、55…アフタエア空気、57…燃焼用空気、59…給炭量検出器、60…流量検出器、61…制御器、63…アフタエア空気流量、100…火炉。
【技術分野】
【0001】
本発明は微粉炭焚きボイラ及び微粉炭燃焼方法に関する。
【背景技術】
【0002】
微粉炭焚きボイラでは、窒素酸化物(NOx)濃度低減が求められており、この要求に応えるために、二段燃焼法が適用されている。この方法は、燃料を空気不足の状態で燃焼させた後、完全燃焼用の空気をアフタエアポートから供給する方法である。
【0003】
アフタエアポートには、空気の混合と燃焼状態の改善のため、いくつかの構造が提案されている。その1つとして、アフタエアポートを主アフタエアポートと副アフタエアポートにより構成し、主アフタエアポート間に副アフタエアポートを配置したものが知られている(例えば、特許文献1、2参照)。
【0004】
また、アフタエアポートを上流側と下流側の二段に配置し、空気流量と噴流の向きなどを制御するようにした技術が開示されている(例えば、特許文献3、4参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平5−18510号公報(要約)
【特許文献2】特開2002−243112号公報(要約)
【特許文献3】特開平1−150707号公報
【特許文献4】特開平9−126415号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1及び特許文献2には、NOx低減と共に未燃分を低減できることが記載されている。
【0007】
特に、特開平9−126415号公報には、微粉炭焚きボイラにアフタエア空気を供給する主アフタエアポートと副アフタエアポートとの配置を工夫して、副アフタエアポートを主アフタエアポートの上流側で、且つ隣接する主アフタエアポートのちょうど中間となる位置に配置した構造が開示されている。
【0008】
上記微粉炭焚きボイラのアフタエアポートの配置構造では、副アフタエアポートから供給する副アフタエア空気によって火炉内の未燃焼成分と混合させて、酸化領域によって一酸化炭素(CO)を低減できる。
【0009】
しかしながら上記構造の微粉炭焚きボイラでは、火炉内の未燃焼成分の燃焼に伴って燃焼温度が上昇するので、発生するNOxの濃度が急上昇してしまうという問題がある。
【0010】
本発明の目的は、火炉中央部及び火炉壁近傍へ効率よく空気を供給することにより燃焼ガスとの混合を促進し、NOxとCOを共に低減できるようにした微粉炭焚きボイラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の微粉炭焚きボイラは、微粉炭焚きボイラを構成する火炉を備え、この火炉を形成する火炉壁面の上流側に燃料の微粉炭と空気とを火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナを配置し、バーナの設置位置よりも上部となる火炉壁面の下流側に空気を供給する複数のアフタエアポートを配置し、このアフタエアポートには供給空気量の多い主アフタエアポートと供給空気量の少ない副アフタエアポートとをそれぞれ備えた微粉炭焚きボイラにおいて、前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートの下流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直上となる火炉壁面の位置に配置されるか、前記副アフタエアポートは主アフタエアポートの上流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直下となる火炉壁面の位置に配置されており、前記副アフタエアポートの断面中心が、前記主アフタエアポートの断面中心から主アフタエアポート口径の1倍以上5倍以下の範囲にあることを特徴とする。
【0012】
また、本発明の微粉炭燃焼方法は、火炉内の上流側で微粉炭と空気を空気不足の状態で燃焼させ、生成する燃焼ガスに対して火炉内の下流側で空気を供給して完全燃焼させるようにした微粉炭燃焼方法において、前記完全燃焼用の空気供給口として前記火炉の対向する壁面に供給空気量の多い主アフタエアポートと供給空気量の少ない副アフタエアポートをそれぞれ複数個設けて、前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートに対し火炉内を流れる燃焼ガスの流れにおいて下流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直上となる火炉壁面の位置に配置されるか、前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートに対し火炉内を流れる燃焼ガスの流れにおいて上流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直下となる火炉壁面の位置に配置されており、主アフタエアポート口径の1倍以上5倍以下の範囲に副アフタエアポートを配置し、主アフタエアポートから噴出される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量は副アフタエアポートから噴出される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量よりも多くしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、火炉中央部及び火炉壁近傍へ効率よく空気を供給することにより燃焼ガスとの混合を促進し、NOxとCOを共に低減できるようにした微粉炭焚きボイラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の一実施例による微粉炭ボイラの概略構成と、空気及び微粉炭の供給系統を示した図。
【図2】図1のA−A断面図。
【図3】図2のB−B断面図。
【図4】主アフタエアポートの一実施例を示した断面図。
【図5】アフタエアポートの他の実施例を示したものであり、図1のA−A断面に相当する図。
【図6】図5のC−C断面図。
【図7】アフタエアポートの更に別の実施例を示すものであり、図1のA−A断面に相当する図。
【図8】副アフタエアポートの構造の一例を示した断面図。
【図9】主アフタエアポートの他の実施例を示した断面図。
【図10】別の実施例による主アフタエアポートの断面図。
【図11】主アフタエアポートの更に他の実施例を示す断面図。
【図12】制御器で行われるアフタエア流量の制御例を示したブロック図。
【図13】実施例8におけるバーナ及びアフタエアポートの配置を示した図。
【図14】アフタエアの全流量に対する主アフタエアポートの流量比率と火炉出口のCO濃度との関係を示した図。
【図15】副アフタエアポートの位置と噴出方向を示した図。
【図16】主アフタエアポートのエアポート構造を示した図。
【図17】実施例9におけるバーナ及びアフタエアポートの配置を示した図。
【図18】本発明の一実施例による微粉炭ボイラの概略構成と、空気及び微粉炭の供給系統を示した図。
【図19】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たボイラの構成図。
【図20】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たガスの混合状態を示す図。
【図21】本発明の一実施例による微粉炭焚きボイラのガスの混合状態を示した図。
【図22】図19のA−A’断面図。
【図23】図19のB−B’断面図。
【図24】副アフタエアポートの他の実施例を示した断面図。
【図25】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たボイラの構成図。
【図26】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たガスの混合状態を示す図。
【図27】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たボイラの構成図。
【図28】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たガスの混合状態を示す図。
【図29】本発明の一実施例による火炉前壁側から見たボイラの構成図。
【図30】本発明の一実施例による微粉炭ボイラの概略構成と、空気及び微粉炭の供給系統を示した図。
【図31】制御装置で行われるバーナ用2次、3次空気流量の制御例を示したブロック図。
【図32】制御装置で行われるアフタエア空気流量の制御例を示したブロック図。
【図33】制御装置で行われる主アフタエア空気流量の制御例を示したブロック図。
【発明を実施するための形態】
【0015】
噴出された空気がアフタエアポート中心軸方向を向いて流れるようにした縮流型構造の主アフタエアポートは、NOxとCOの同時低減に極めて有効である。噴出された空気がアフタエアポート中心軸と平行方向に流れるようにした直進型構造の副アフタエアポートは、主アフタエアポートによって空気を混合できない壁際部分の燃焼ガスに空気を混合し、COを低減するのに効果がある。直進型の副アフタエアポートから噴出した空気は、火炉の壁から炉内中心に向かう流速の減衰が早いため、火炉の中心部まで空気が到達しにくい。よって、火炉中心の高温域でサーマルNOxが発生することなく、壁際のガスの混合を促進し、COを低減することができる。副アフタエアポートを縮流型構造にすると、流速は減衰しにくくなり、火炉中心部まで空気が到達するためにサーマルNOxが発生しやすい。
【0016】
また、主アフタエアポート、又は主アフタエアポートと副アフタエアポートの両方に、空気流量を制御するダンパが設けることが望ましい。ダンパを設置すると、空気流量を微調整することが可能であるため、空気供給のバラツキが少なく、効率よく空気を混合することができる。
【0017】
また、ウィンドウボックス内に仕切り板を設け、主アフタエアポートの空気流路と副アフタエアポートの空気流路を分割することが望ましい。このようにすれば、主アフタエアポート及び副アフタエアポートごとに、空気流量を調整することができる。
【0018】
本発明では、アフタエア流量を制御する制御器を設けて、火炉前壁のバーナと後壁のバーナに供給する微粉炭量を判定して前壁と後壁の給炭量比を計算し、それに基づいて前壁と後壁のアフタエア流量を計算し、主アフタエアポートと副アフタエアポートに供給される空気流量の配分を決定することが望ましい。また、火炉前壁又は後壁に休止バーナがある場合には、休止バーナがある方のアフタエアポートへ供給する空気流量を、他方のアフタエアポートへ供給する空気流量よりも低く設定することが望ましい。このように、バナの可動条件に応じてアフタエア流量を制御することで、効果的にNOxとCOを低減できる。
【0019】
本発明においては、主アフタエアポートは火炉中央部へ到達可能な運動量の大きい空気を噴出するよう構成し、前記副アフタエアポートは火炉壁面近傍へ運動量の小さい空気を噴出する構成であって、副アフタエアポートの断面中心から主アフタエアポートの断面中心までの距離が、主アフタエアポート口径の1倍以上5倍以下となるように副アフタエアポートを設置することが望ましい。
【0020】
副アフタエアポートを主アフタエアポートの上流側に配置した場合は、副アフタエアポートから副アフタエア空気を供給することによって火炉上流からの燃焼ガスがよどむ、すなわち火炉壁近傍の燃焼ガスの上昇流速が弱まる。このため、主アフタエアポートから供給される主アフタエア空気の流れが火炉壁近傍で燃焼ガスによって乱されることなく、火炉中央に供給することができる。
【0021】
また、副アフタエアポートを主アフタエアポートの下流側に配置した場合、火炉上流からの燃焼ガスは主アフタエアポートの噴流と混合するが、一部は主アフタエアポートの間からすり抜ける。すり抜けた未燃焼ガスは、主アフタエアポートの下流では未燃焼ガスの上昇流速が弱まってよどんでいる。そのため、このよどみ域で副アフタエアポートから副アフタエア空気を供給すると、火炉壁近傍で燃焼ガスと空気との混合を促進させることができる。
【0022】
逆に副アフタエアポートの断面中心位置が、主アフタエアポートの口径の5倍以上の長さになるように副アフタエアポートを主アフタエアポートの上流側に設置すると、副アフタエア空気と燃焼ガスによるよどみの効果が十分得られなくなる。また、主アフタエアポートの口径の5倍以上の長さになるように副アフタエアポートを主アフタエアポートの下流側に設置すると、主アフタエア空気と燃焼ガスのよどみ域に副アフタエア空気を供給できなくなるため混合は促進されない。また、副アフタエアポートの断面中心位置が、主アフタエアポートの口径の1倍以下の長さになるように副アフタエアポートを設置すると、副アフタエア空気が主アフタエア空気に巻き込まれるため上述の効果は得られない。
【0023】
本発明では、主アフタエアポートから供給される主アフタエア空気の運動量は、副アフタエアポートから供給される副アフタエア空気の運動量に対して、3〜20倍の範囲となるようにすることが望ましい。主アフタエア空気の運動量が副アフタエア空気の運動量の3倍より小さいと、副アフタエア空気の運動量が大きくなるため火炉壁近傍の未燃焼成分へ効率よく空気を混合できなくなる。また主アフタエア空気の運動量が小さくなるため火炉中央部まで空気が到達できなくなる。一方主アフタエア空気の運動量が副アフタエア空気の運動量の20倍より大きくなると、副アフタエア空気の運動量、特に流量が小さすぎるため火炉壁近傍の未燃焼成分の燃焼に必要な空気を供給できなくなる。
【0024】
また本発明では、主アフタエアポートは出口の空気噴出口へ向かって流路外径が縮小する縮流部を有し、噴出される空気が主アフタエアポート中心軸方向を向いて流れるようにすることが望ましい。このようにすると、主アフタエア空気の運動量が増加して火炉中心部まで噴流が到達し混合が促進されるため、NOxとCOの同時低減に極めて有効である。
【0025】
また副アフタエアポートは、副アフタエア空気を火炉内部に噴出する空気噴出口へ向かって拡大する構造を有し、同心軸上の多重管構造に形成され、中央にある流路から直進流を噴出し、その外周からは旋回流を供給するようにすることが望ましい。副アフタエアポートから噴出された空気がアフタエアポート中心軸と平行方向に流れる、または旋回流が発生するようにすると、主アフタエアポートによって空気を混合できない壁際部分の燃焼ガスに空気を混合し、COを低減するのに効果がある。直進型または旋回型の副アフタエアポートから噴出した空気は、火炉の壁から炉内中心に向かう流速の減衰が早いため、火炉の中心部まで空気が到達しにくい。よって、火炉中央の高温域でサーマルNOxが発生することなく、壁際のガスの混合を促進し、COを低減することができる。
【0026】
また本発明では、主アフタエアポートは、噴出される空気が主アフタエアポート中心軸方向を向いて流れるように構成し、副アフタエアポートは副アフタエアポート中心軸と平行方向に直進流を噴出し、その外周から旋回流を噴出する構成とするとNOx、COの低減に特に効果的である。このようにすると、火炉中央へ向かう主アフタエア空気の運動量が増加して、火炉中央へ空気を効率よく供給できるだけでなく、副アフタエア空気は旋回によって壁近傍の未燃焼成分と効果的に混合できる。
【0027】
また本発明では、主アフタエアポートと副アフタエアポートを、火炉壁面に設置されて外部からアフタエア空気が供給される共通のウィンドウボックスの内部にそれぞれ配置することが望ましい。このようにすれば、アフタエアエア空気の流量を低流量(低負荷)から高流量(高負荷)まで1つの弁で制御可能となる。特に主アフタエアポートは縮流部を有する構造、副アフタエアポートは旋回流を供給できる構造であり、ともに圧力損失が高いため、空気流量の制御が容易となる。更にウィンドウボックスを共通とすると、構造が簡素化され製作が容易になり、新たに主或いは副アフタエアポートを追加するときにも設置が容易である。
【0028】
また主アフタエアポートの1つと副アフタエアポートの1つを一組にして、少なくとも一組を同一のウィンドウボックスに接続し、前記ウィンドウボックスの複数個を火炉壁面に一方向に並べて設置してもよい。このようにすれば、主アフタエア空気と副アフタエア空気の運動量の比率を変えることなく、火炉の中央部と火炉側壁部で噴出するアフタエア空気の流量を調整できるため、燃焼ガスの多い部分に効率よく空気を混合できるようになる。
【0029】
また本発明では、最下流段バーナと主アフタエアポートの距離をX、主アフタエアポートと火炉下流にある熱交換機の底面までの距離をYとすると、X/(X+Y)が0.3〜0.6の範囲に主アフタエアポートを配置することが望ましい。主アフタエアポートの設置位置がX/(X+Y)<0.3となると、還元領域が減少するためNOx発生量が増加する。またX/(X+Y)>0.6より大きくなると、主及び副アフタエア空気投入後の滞留時間が減少して混合が不十分となるため、未燃焼成分が多くなる。
【0030】
また本発明では、主アフタエアポートの口径は、火炉中央側に比べて側壁側が小さくなるように配置することが望ましい。火炉中央部近傍では火炉上流から流れてくる未燃焼ガスの上昇速度が特に大きくなる。したがって、側壁側の主アフタエアポートの口径を小さくすると、火炉中央部側へ供給される空気の運動量が側壁側に比べて大きくなるため、火炉中央部側に残留する未燃焼成分との混合が促進される。
【0031】
また本発明では、主アフタエアポートと副アフタエアポートを、火炉壁面に設置されて外部からアフタエア空気が供給される共通のウィンドウボックスの内部にそれぞれ配置し、アフタエア空気を供給するアフタエア空気供給ダクトに空気流量調整機構を備える。そして、バーナへ燃焼用の2次、3次空気を供給する2次、3次空気供給ダクトに、各バーナに独立して空気をそれぞれ供給できるように空気流量調整機構を配設することが望ましい。このようにすると、アフタエアポートへ供給する空気とバーナへ供給する空気の比率を一定にしたまま、バーナの2次、3次空気流量を微調整することが可能になり、バーナの燃焼状態に応じて効率よく空気を供給できるようになる。このためバーナ部で発生するNOxを常に最小に保つと同時に、主アフタエアの空気噴出条件をNOxとCOの総合性能が最適になるよう保つことができる。
【0032】
また主アフタエアポートの1つと副アフタエアポートの1つを一組にして、少なくとも一組を同一のウィンドウボックスに接続し、前記ウィンドウボックスの複数個を火炉壁面に一方向に並べて設置し、アフタエア空気を供給するアフタエア空気供給ダクトに空気流量調整機構を備え、バーナへ燃焼用の2次、3次空気を供給する2次、3次空気供給ダクトに、各バーナに独立して空気をそれぞれ供給できるように空気流量調整機構を配設することもできる。このようにするとバーナの2次、3次空気流量を微調整することができ、更に主アフタエア空気と副アフタエア空気の運動量の比率を変えることなく、火炉の中央部と火炉側壁部で噴出するアフタエア空気の流量を調整できるため、バーナの燃焼状態に応じて特に効率よく空気を供給できるようになる。
【0033】
また本発明においては、複数のバーナに搬送される燃料の微粉炭量を計測する微粉炭流量計を、バーナに微粉炭を搬送する流路に設置し、この微粉炭流量計で計測した微粉炭量に基づいてバーナに供給する燃焼用の2次、3次空気量を調節する制御器が備えられていることが望ましい。微粉炭流量計を設置すると、微粉炭供給量の偏差に応じて空気を供給することが可能となる。更に制御器を設けて微粉炭供給量に応じてバーナ2次、3次空気流量を制御することで、効果的にNOxとCOを低減できる。
【0034】
また、複数のバーナに搬送される燃料の微粉炭量を計測する微粉炭流量計を、前記バーナに微粉炭を搬送する流路に設置し、この微粉炭流量計で計測した微粉炭量に基づいて主及び副アフタエアポートに供給するアフタエア空気量を調節する制御器が備えることもできる。微粉炭流量計を設置すると、微粉炭供給量の偏差に応じて空気を供給することが可能となる。更に制御器を設けて微粉炭供給量に応じてアフタエア空気流量を制御することで、効果的にNOxとCOを低減できる。
【0035】
本発明は、火炉の燃焼空間における酸素濃度を検出する複数の酸素濃度検出器と、酸素濃度検出器からの信号に基づいて複数の主アフタエアエアポートと副アフタエアポートの空気流量を個別に調整する制御装置を備え、複数の酸素濃度検出器からの信号により主アフタエアポートの空気流量と、副アフタエアポートの空気流量を制御することが望ましい。
【0036】
火炉中央部の酸素濃度が低いときは主アフタエア空気を増加させるために副アフタエア空気量を減少させ、火炉側壁部の酸素濃度が低いときは副アフタエア空気を増加させるために主アフタエア空気量を減少させる。このようにすると、バーナの燃焼条件を一定にしたまま空気流量を制御できるため、バーナ部で発生するNOxを最小に保つことができる。
【0037】
以下、図面を用いて説明するが、本発明は以下の構造に限定されるものではない。
【実施例1】
【0038】
図1は本発明に係る微粉炭焚きボイラの概略構成図である。火炉100の壁面は、上部の火炉天井49、下部のホッパ47、側方の火炉前壁45、火炉後壁46、及び火炉側壁48(図2に記載)で囲われ、それぞれの壁面には、図示しない水管が設置される。この水管により、火炉燃焼空間23で発生した燃焼熱の一部が吸収される。火炉燃焼空間23で生成した燃焼気体は下方から上方へ流れ、燃焼後の気体51となって排出される。燃焼後の気体51は、図示しない後部伝熱部を通り、ここで気体中に含まれる熱が、さらに回収される。
【0039】
火炉の下部には、バーナ52が設置され、ここで空気不足の火炎53が形成される。バーナは通常、火炉の前壁と後壁に、対向するように、それぞれ複数個設置される。石炭は図示しない粉砕器で、およそ150μm以下に粉砕した後、空気で搬送され、バーナ用1次空気と微粉炭58は、バーナ52から火炉内に噴出される。バーナ用2次、3次空気56も同時に、バーナ用ウィンドウボックス(バーナ用2次、3次空気供給ダクト)54を経て、バーナから噴出される。
【0040】
バーナの上方には、主アフタエアポート37が設置される。主アフタエアポートと同じ高さに副アフタエアポート38(図2に記載)が設置される。主及び副アフタエアポートも通常、火炉の前壁と後壁にそれぞれ複数個設置される。主アフタエアポート37の構造は、噴出口付近で空気の流れが主アフタエアポート中心軸方向を向くように構成された、縮流型の構造である。構造の詳細は後述する。バーナ部で形成された空気不足の火炎53から発生したCOなどの未燃焼成分の大部分は、主アフタエアの空気と混合することで完全燃焼(酸化)する。ただし、未燃焼成分と主アフタエア空気の混合時に、NOx(主にサーマルNOx)も発生する。NOxの発生量は主アフタエア空気の流速(縮流部の最大流速)と関連があり、主アフタエア空気の流速の調整が重要である。さらに、主アフタエア空気の噴出条件をNOxが低くなるように設定すると、酸化が不充分になり、COが発生しやすくなる傾向があるので、NOxとCOの性能バランスに留意して、主アフタエア空気の噴出条件を設定する必要がある。
【0041】
燃焼用空気57は、空気流量配分調整機構42で、バーナ用2次、3次空気56とアフタエア空気55に配分される。アフタエア空気55は空気流量配分調整機構43で、前壁側のアフタエアポートに流れる空気と後壁側のアフタエアポートに流れる空気に配分される。前壁側のアフタエアポートと後壁側のアフタエアポートの空気流量は、休止バーナの位置に応じて、制御器61で設定されたアフタエア空気流量設定値に制御される。制御器61には、給炭量検出器59で検出されたミル給炭量62と、アフタエア空気流量検出器60で検出されたアフタエア空気流量63が入力される。制御器61では、休止バーナが火炉前壁側にある場合に、ミル給炭量62に基づいて火炉前壁にあるアフタエア空気流量設定値を低く設定し、アフタエア空気流量63を調整することができる。
【0042】
火炉後壁46の上部には、ノーズ50が設けられることが多い。このノーズ50の影響により、主アフタエアポート37廻りの燃焼気体の流れは非対称になる。前壁側と後壁側に流れるアフタエア空気の配分を調整することで、非対称な流れ場でもNOxとCOを低減できる。
【0043】
アフタエア空気55は、さらに主アフタエア空気流量調整機構40と副アフタエア空気流量調整機構41により、主及び副アフタエアから供給する空気量を調整する。これにより、主アフタエア空気の噴出流速(縮流部の最大流速)と副アフタエア空気の噴出流速が調整できる。主アフタエア空気の噴出流速が高すぎるときには副アフタエア空気量を増やし、噴出流速が低すぎるときには逆にする。副アフタエア空気は主アフタエアポートの間から噴出されるため、炉内で燃料が過剰に存在し空気不足になっているガスと、空気の混合が促進され、効率よくCOを低減できる。一方、副アフタエア空気は流量が少ないので、NOx(サーマルNOx)発生に与える影響は小さい。また、副アフタエアを用いて主アフタエア空気量を調整できるので、バーナへ供給される2次、3次空気流量は常に一定にできる。これは、バーナ部で形成される空気不足の火炎53の燃焼条件を、ここでのNOx発生量が最も少なくなる最適条件で常に運用できることを意味する。
【0044】
この結果、バーナ部で発生するNOxを常に最小に保つと同時に、主アフタエアの空気噴出条件をNOxとCOの総合性能が最適になるよう保つことができる。
【0045】
なお、バーナへ供給される2次、3次空気56もアフタエア空気55と同様に、空気流量配分調整機構44で、前壁側のバーナに流れる空気と後壁側のバーナに流れる空気に配分される。
【0046】
図2は、主/副アフタエアポート配置の一例であり、図1のA−A断面図である。図3は図2のB−B断面を燃焼空間側からみた図である。主アフタエアポート37は通常、燃焼気体の流れと直角に複数配置され、火炉前壁45側と火炉後壁46側に同数配置される。副アフタエアポート38は主アフタエアポート37と同一のウィンドウボックスに配置される。副アフタエアポート38の最も単純な配置方法は、主アフタエアポート37の間に交互に配置することである。主アフタエア空気と副アフタエア空気の流路は仕切り板39により分割され、主アフタエア空気調整機構40と副アフタエア空気調整機構41によりそれぞれの流路に流れる空気の量が調整される。
【0047】
図4は、主アフタエアポートの詳細構造の一例である。ノズルの基本構造は、噴流中心軸8を対称軸とした円筒形である。ノズルはウィンドウボックス外筒1で囲われており、ウィンドウボックス開口部5から燃焼用の空気が流入する。空気は矢印6に沿って流れ、噴出口4から火炉内燃焼空間23へ噴出される。噴出された空気は、火炉内燃焼空間23で可燃ガスと混合して可燃ガスを燃焼させる。噴出口4の周囲には、水管14が設けられている。アフタエアポートの噴出口4側には、縮流部材2を設ける。縮流部材2は、噴出口4側に向かって次第に口径が小さくなる構造である。この縮流部材2により、空気の流れ6には、ノズル中心軸へ向かう速度成分が与えられ、縮流部3が形成される。縮流部3の入口近くに、縮流部の最小流路面積を規定する部材7を設ける。縮流部での空気の流速は、縮流部で最も開口面積が小さくなる部分の面積で規定される。図4の構成では、縮流部の最小流路面積を規定する部材7の先端部で縮流部の流速が最大になる。図4の縮流部の最小流路面積を規定する部材7は、噴出口4に向かって外径が次第に小さくなる構成とした。縮流部3内での流れの乱れを少なくするためである。乱れを少なくすることでNOxの急激な増加を抑制できる。ただし、他の構造であっても、本発明の目的を達成可能である。縮流部の最小流路面積を規定する部材7は、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9に固定する。縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9はガイド12を介してウィンドウボックス外筒1に固定する。
【0048】
縮流部の最小流路面積を規定する部材7の内側には、過熱防止材を設けた。火炉内燃焼空間23に形成された火炎からの放射熱で、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9が焼損するのを防ぐためである。火炉内燃焼空間23に形成された火炎放射熱が弱い場合や、他の方法で支持材9を冷却できる場合には、過熱防止材は必ずしも必要ない。
【実施例2】
【0049】
本実施例では、アフタエアポートの配置を変えた場合について説明する。図5は、副アフタエアポート38の配置の変型例であり、図1のA−A断面図に相当する。図6は図5のC−C断面を燃焼空間側からみた図である。
【0050】
同列のアフタエアポートに接続するウィンドウボックスを2つに分割し、同一のウィンドウボックスからそれぞれ主アフタエアポート37と副アフタエアポート38に空気を供給するようにした。このようにウィンドウボックスを分割して空気を供給すると、主及び副アフタエアの空気流量を微調整することが可能であるため、供給のバラツキが少なく、効率よく空気を混合することができる。
【実施例3】
【0051】
本実施例では、アフタエアポート空気調整機構の変型例について説明する。図7は主及び副アフタエアの空気調整機構の変型例であり、図1のA−A断面図に相当する。図8は、副アフタエアポートの詳細構造の一例である。
【0052】
主アフタエア空気と副アフタエア空気の流路は同一であり、主アフタエアポート37と副アフタエアポート38に供給する空気流量はダンパ24を開閉することにより調整される。このようにダンパ24を設置すると、空気流量を微調整することが可能であるため、供給のバラツキが少なく、効率よく空気を混合することができる。ダンパ24は主アフタエアポート37に設置するだけでもよいが、主アフタエアポート37と副アフタエアポート38の両方に設置することが好ましい。
【実施例4】
【0053】
本実施例では、主アフタエアポート構造の変型例を、図9を用いて説明する。縮流部の最小流路面積を規定する部材7を移動させるための内筒15を持つこと、ウィンドウボックス開口部5から流入する空気を調整するスライドリング11を持つことが、図4と異なる点である。
【0054】
縮流部の最小流路面積を規定する部材7は、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9に固定する。縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9は、スライドリング11に固定する。スライドリング11は内筒15に取り付ける。ただし、スライドリング11と外筒は固定されておらず、スライドリング11は図1のウィンドウボックス外壁13方向、または、噴出口4方向へ移動可能である。スライドリング11を移動することで、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9と縮流部の最小流路面積を規定する部材7も同時に移動する。縮流部の最小流路面積を規定する部材7を移動することで、縮流部の最小流路22の面積が変化する。このとき、縮流部3の形状は、外径は一定のまま内径が変化し、その結果、縮流部3の流路断面積(ノズル中心軸に垂直な断面)が変化する。
【0055】
スライドリング11又は内筒15のどちらかにガイドローラ17を取り付けると、スライドリング11をスムーズに移動できる。スライドリング11にスライドリング移動棒固定機構16、スライドリング移動棒18、ハンドル19を取り付けることで、ウィンドウボックス外壁13の外側(図9で見ると左側)から、縮流部の最小流路面積を規定する部材7を移動させることができる。スライドリング11をウィンドウボックス外筒1に取り付け、ウィンドウボックス開口部5の面積を変化させると、主アフタエアポートに流入する空気の総量を変化させることができる。空気総量の変化が不要である場合や他の方法で変化できる場合には、スライドリング11をウィンドウボックス外筒1に取り付けなくてもよい。
【0056】
スライドリング11にガイド12を取り付けると、スライドリング11を移動させたときに縮流部の最小流路面積を規定する部材の芯がずれにくい。また、スライドリング11と縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9を強固に固定できる。また、空気の流れ6を整流しやすい。
【実施例5】
【0057】
本実施例では、主アフタエアポートの別の変型例について、図10を用いて説明する。
【0058】
図10は、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9と、縮流部材2を冷却するための冷却空気用の流路と、ウィンドウボックス開口部5から流入する空気を調整するダンパ24を持つことが、図4と異なる点である。
【0059】
縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9に、冷却空気孔20を設ける。ウィンドウボックス開口部5から導入された空気の一部は、冷却空気の流れ25となり、冷却空気孔20から放出される。その過程で、縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材9に衝突し、この部材を冷却できる。また、冷却空気孔20から放出された空気の一部は、縮流部の最小流路面積を規定する部材7に衝突し、この部材を冷却することもできる。
【0060】
さらに、縮流部3の近傍に冷却空気案内板21を設けた。冷却空気案内板21と縮流部材2の間には冷却空気が流れ、縮流部材2を冷却できる。また、この冷却空気は噴出口4の最外周側を流れるため、噴出口4の周囲に付着した石炭灰を除去するためにも使用できる。さらに、噴出口4の周囲に付着した石炭灰の量が多くなったとき、縮流部材2と冷却空気案内板21との間を流れる空気量を一時的に増やして、付着灰を除去しやすくするとよい。なお、縮流部材2の角度は、縮流部の途中で変化してもよい。
【0061】
ダンパ24をウィンドウボックス外筒1に取り付け、ウィンドウボックス開口部5の面積を変化させると、主アフタエアポートに流入する空気の総量を変化させることができる。
【実施例6】
【0062】
本実施例では、主アフタエアポート構造の更に別の変型例について、図11を用いて説明する。図11では、空気ポートの中心に1次ノズル26、1次ノズル26の外側に2次ノズル27、2次ノズル27の外側に3次ノズル28が設置されている。3次ノズルから噴出する3次空気35は、2次ノズル27の出口で2次空気34と合流して燃焼空間23に流入する。ここで、2次ノズル27の噴出方向は、空気ポートの噴流中心軸8に平行である。さらに、2次空気34には、2次空気レジスタ32により旋回力を与えられるようになっている。3次ノズルは軸に対して内向きに設置されており、縮流を形成させるのに好適な構造である。2次空気34と3次空気35の流量を変化させることで、2次空気と3次空気の合流後の方向を調整することができる。たとえば、3次空気35の流量をゼロとすれば、2次空気と3次空気が合流した後の内向きの角度はゼロとなる。また、2次空気34の流量をゼロとすれば、3次ノズルの方向に噴出する。噴出方向の調整により炉内で燃料が過剰に存在し、空気不足になっているガスと空気を好適に混合して未燃分を低減できる。さらに、2次空気の旋回の強さによっても、混合状態を調整可能である。流量の調整のために、1次ダンパ29、2次ダンパ30、3次ダンパ31が設置されている。
【0063】
微粉炭は、燃料中に灰を含む。この場合、アフタエアポートの出口で縮流を形成すると、高温の燃焼ガス中で溶融した灰が空気ポート出口の水管14付近に付着することがある。灰の付着が成長してクリンカを形成すると、流動を妨げたり、落下による水管の損傷を生じたりする可能性がある。このような場合は、クリンカが小さいうちに、3次空気の流量を低減し、2次空気の流量を増加してクリンカの温度を低下させることで、熱応力を発生させ、剥離させるのが良い。
【実施例7】
【0064】
本実施例では、アフタエアポートの空気流量制御方法について、図1と図12を用いて説明する。ミルから供給されたミル給炭量62は給炭量検出器59により計量され、信号が制御器61に入力される。またアフタエア空気流量63はアフタエア空気流量検知器60により計量され、信号が制御器61に入力される。制御器61では前壁と後壁の給炭量62を常時判定して、前壁と後壁の給炭量比を計算し、前壁と後壁のアフタエア空気流量が計算される。制御器61からの信号により、アフタエア空気流量調整機構開度指令64が主アフタエア流量調整機構40と、副アフタエア流量調整機構41に送られ、火炉内燃焼空間23へ噴出するアフタエア空気流量が制御される。休止バーナが火炉前壁側にある場合は、ミル給炭量62に基づいて火炉前壁にあるアフタエア空気流量設定値を低く設定し、アフタエア空気流量63を調整することができる。逆に休止バーナが火炉後壁側にある場合は、ミル給炭量62に基づいて火炉後壁にあるアフタエア空気流量設定値を低く設定し、アフタエア空気流量63を調整することができる。本制御方法を用いれば、バーナの稼動条件に応じてアフタエア空気流量を制御することができるため、効果的にNOx、COを低減できる。
【実施例8】
【0065】
本発明の実施例を、図13を用いて説明する。図13は、ボイラの火炉前壁45のポート配置を示したものである。ボイラ下部に、複数列・複数段のバーナ52が配置されており、その下流にアフタエアポート37、38が配置されている。バーナ52と同列上には主アフタエアポート37があり、その両隣に副アフタエアポート38が設けてある。即ち、隣接する2個の主アフタエアポート37の間に2個の副アフタエアポート38を配置する。主アフタエアポート37と副アフタエアポート38の間隔は、主アフタエアポート間(即ち、バーナ間)の距離の1/4〜1/3となっている。なお、図13では主アフタエアポート間(即ち、バーナ間)の距離の1/3である。
【0066】
そして、バーナ52と同列に配置した主アフタエアポート37からは高速で多量の空気を噴出することにより、火炉中央での未燃ガスのすり抜けを防止し、主アフタエアポート37の両隣に配置した副アフタエアポート38からは主アフタエアポート37よりも少ない量の空気を流すことにより、火炉前壁45及び火炉後壁46(図1を参照)近傍での未燃ガスのすり抜けを防止する。このように、アフタエアポートを主・副の2種類とし、主アフタエアポートの供給空気量よりも少ない空気を供給する複数の副アフタエアポートを主アフタエアポート間に設置することで、火炉中央部でのすり抜けを防止し、かつ火炉前壁及び後壁でのすり抜けも抑制可能となる。従って、炉内の混合を促進しかつ急速な混合を抑制できるため、火炉出口でのCO濃度、NOx濃度を低減することが可能である。
【0067】
なお、主アフタエアポート37から噴出する空気流量は、アフタエアポートからの全空気量(即ち、主アフタエアポート及び副アフタエアポートから噴出する空気量の合計)の70〜90%にすることが望ましい。主アフタエアポート37の空気流量が60%以下になると、高速で噴出しても貫通力が維持できなくなり、火炉中央部で未燃ガスのすり抜けが生じてしまうためである。
【0068】
また、主アフタエアポート37間に複数の副アフタエアポート38を配置する場合、副アフタエアポート38からの噴流方向は、副アフタエアポート38に隣接する主アフタエアポート37の噴流と交差しない向きに副アフタエアポート38の噴出孔を配置し、前記の主アフタエアポート37の噴出方向に対して0〜15°に傾けることが望ましい。副アフタエアポート38からの噴流は、主アフタエアポート37からの噴流に比べ流量が少ないため主アフタエアポート37からの噴流よりも貫通力が小さく、火炉100の壁面に沿って流れやすい。そのため、副アフタエアポート38間のすり抜けが生じやすいので、隣接する主アフタエアポート37からの噴流と交差しないように配置する(即ち、隣接する副アフタエアポート38間では両者の噴流が交差するように配置する)ことにより、副アフタエアポート38間のすり抜け防止になる。
【0069】
そして、主アフタエアポート37は、同心軸上の多重管構造であることが望ましい。中央部の円管からは、直進流を噴出し、外周からは旋回流を噴出する。直進流と旋回流の流量比率を変化させることにより、アフタエアポートからの主流貫通力を調整することが可能となる。
【0070】
ここで、本実施例における作用・効果を説明する。石炭等の化石固体燃料を燃焼するボイラのうち、ボイラ火炉前壁と火炉後壁に燃焼装置(バーナ)を設け火炉の中央で火炎を衝突させて燃焼させる方式では、NOxの低減は燃焼装置(バーナ)の性能によるところが多い。すなわち、燃焼装置(バーナ)の燃料搬送流と燃焼用空気流を分離することにより、バーナ火炎内で燃焼域の間に還元域を形成した高温還元炎を形成し、バーナ部でのNOx生成量を抑制する。但し、燃焼装置(バーナ)の燃料搬送流と燃焼用空気流を分離するとバーナ部で高温還元炎が形成されるため、火炉内で不均一なガス流れが生じたり、火炉断面方向で未燃燃料分(未燃ガス)の分布が生じ、COが発生しやすくなる。そのため、そのような不均一な未燃ガスの断面分布に応じたアフタエアポートからの二段燃焼用空気投入方法が重要となる。
【0071】
また、火炉中央で火炎を衝突させるため、火炉中央部分には燃焼ガスが生じ、火炉前壁及び後壁近傍には未燃ガスという分布が生じる。そのため、バーナ間及び火炉前壁と後壁近傍には高CO濃度、高NOx濃度が発生しやすくなる。
【0072】
以上より、アフタエアポートからの噴流と火炉内燃焼ガスとの混合促進が必要である。但し、アフタエアポート噴流の噴出速度を単に増加して急速に混合させるとアフタエアポートの後流(下流側)において未燃ガスが急速燃焼し局所高温部が形成されるため、サーマルNOxが生成される問題が生じる。逆にアフタエアポートの噴出速度を単に遅くすると、噴流が火炉中央部に到達せず未燃ガスがすり抜けてしまうという問題が生ずる。従って、いかにサーマルNOxを発生させないで火炉中央部のすり抜けを防止しつつ混合促進させるかが課題である。
【0073】
ここで、図14に、アフタエアポートに使用する全空気量に対する主アフタエアポート37の流量比率を変えたときにおける火炉出口のCO濃度変化を示す。主アフタエアポート37の流量比率を60%にすると火炉出口のCO濃度は急増する。これは、主アフタエアポート37からの空気噴流に貫通力がなくなり、火炉中央部でのすりぬけが生じるためである。よって、主アフタエアポート37の流量比率は70%以上にすることが望ましい。
【0074】
なお、アフタエアポートに使用する全空気量に対する副アフタエアポート38からの流量割合が多いと、火炉前壁45及び火炉後壁46の近傍でエアポート噴流の割合は多くなる。一方、副アフタエアポート38からの噴流割合が少ないと、副アフタエアポート38間の火炉壁面近傍で未燃ガスのすり抜けが生じる。そのため、副アフタエアポート38からの流量割合が少ないときには、副アフタエアポート38からの噴流方向は、副アフタエアポート38に隣接する主アフタエアポート37の噴流と交差しない向きに副アフタエアポート38の噴出孔を配置し、前記の主アフタエアポート37の噴出方向に対して0〜15°傾けることにより、副アフタエアポート間のすりぬけを防止することができる。
【0075】
図16に、副アフタエアポート38からの空気噴出方向の一例を示す。主アフタエアポート37間に配置された副アフタエアポート38が一つの場合(図16の(1)に相当)は、主アフタエアポート37間の中央に副アフタエアポート38を配置し、副アフタエアポート38からの空気噴出方向は主アフタエアポート37の噴流と同方向に噴出する。主アフタエアポート37間に副アフタエアポート38が複数個ある場合(図16の(2)に相当)は、副アフタエアポート38は主アフタエアポート37間で等間隔に配置し、火炉中央部での主アフタエアポート37間の中央位置に向けて空気を噴出させる。
【0076】
図17に、主アフタエアポート37のエアポート構造の一例を示す。主アフタエアポート37は同心軸上の多重円管構造になっている。中心部の円管からは直進流を噴出し、外周からは旋回流を噴出する。主アフタエアポート37を多重管にし、直進流と旋回流の複合ポートにすることにより、貫通力の調整(火炉中央での未燃ガスすり抜け防止)および、主アフタエアポート37と副アフタエアポート38間の未燃ガス混合促進(旋回流の効果)が期待できる。
【0077】
このように本実施例では、主アフタエアポート37と副アフタエアポート38は、両者の間隔を主アフタエアポート間(即ちバーナ間)の距離の1/4〜1/3であって等間隔に設置した。但し、火炉前壁45及び火炉後壁46近傍での未燃ガスのすり抜け防止が可能であれば、上記数値に限られず、また、等間隔に設置しなくてもよい。
【実施例9】
【0078】
本発明の実施例を、図18を用いて説明する。図18は、副アフタエアポート38の配置を主アフタエアポート37よりも上流側に設置した場合におけるボイラの火炉前壁45のポート配置を示す。
【0079】
アフタエアポートからの空気噴流の周囲は未燃ガスとの混合により高温域を形成する。そこで、単一のアフタエアポート噴流で局所高温域を生成するよりも、噴流を分割して緩慢燃焼にさせることにより噴流周囲の局所高温域を小さくすることができ、サーマルNOxの抑制に効果がある。本実施例では、副アフタエアポート38を主アフタエアポート37よりも上流側に配置することにより、主アフタエアポート37からの噴流と未燃ガスの急速混合を抑制し、緩慢燃焼させることにより更なるサーマルNOx抑制の効果がある。
【0080】
図18では、副アフタエアポート38は主アフタエアポート37間の距離の1/3分だけ上流側に位置する例を示したが、数値は前記に限定されない。
【0081】
また、副アフタエアポート38を主アフタエアポート37より下流側に配置した場合には、副アフタエアポート38は火炉前壁45及び火炉後壁46近傍の未燃ガスのすり抜けを抑制する役割を果たし、COを抑制することが可能である。
【実施例10】
【0082】
図19は本発明に係る微粉炭焚きボイラの概略構成図である。火炉の壁面は、上部の火炉天井49、下部のホッパ47、側方の火炉前壁45、火炉後壁46、ノーズ50、及び火炉側壁48(図20に記載)で囲われ、それぞれの壁面には、図示しない水管が設置される。この水管により、火炉燃焼空間23で発生した燃焼熱の一部が吸収される。燃焼熱は、火炉下流に設置された熱交換器94で主に回収される。熱交換器94は火炉天井49で固定され、火炉の上流側へ熱伸びする構造となっている。火炉燃焼空間23で生成した燃焼気体は下方から上方へ流れ、排出される。燃焼後の気体は、図示しない後部伝熱部を通り、ここで気体中に含まれる熱が、さらに回収される。
【0083】
バーナの下流には、主アフタエアポート37が設置される。主アフタエアポートは通常、火炉の前壁と後壁にそれぞれ複数個設置される。主アフタエアポート37の構造は、噴出口付近で空気の流れが主アフタエアポート中心軸方向を向くように構成された、縮流型の構造である。構造の詳細は後述する。バーナ部で形成された空気不足の火炎から発生したCOなどの未燃焼成分の大部分は、主アフタエアの空気と混合することで完全燃焼(酸化)する。ただし、未燃焼成分と主アフタエア空気の混合時に、NOx(主にサーマルNOx)も発生する。NOxの発生量は主アフタエア空気の運動量(縮流部の最大流速)と関連があり、主アフタエア空気の運動量の調整が重要である。さらに、主アフタエア空気の噴出条件をNOxが低くなるように設定すると、酸化が不充分になり、COが発生しやすくなる傾向があるので、NOxとCOの性能バランスに留意して、主アフタエア空気の噴出条件を設定する必要がある。
【0084】
主アフタエアポート37の下流には副アフタエアポート38が設置される。副アフタエアポート38も通常、火炉の前壁と後壁にそれぞれ複数個設置される。副アフタエアポート38の構造は、旋回流を供給できる構造である。構造の詳細は後述する。空気不足の火炎から発生したCOなどの未燃焼成分の大部分は、主アフタエアの空気と混合することで完全燃焼するが、一部は主アフタエアポート37の間からすり抜ける。NOxを発生することなく未燃焼成分に効果的にガスを混合するためには、副アフタエア空気の運動量調整が重要である。
【0085】
副アフタエアポート38の設置位置は、副アフタエアポート38の断面中心位置と主アフタエアポート37の断面中心位置の距離が、主アフタエアポート37の口径の1から5倍となるように配置することが望ましい。副アフタエアポート38の断面中心位置が、主アフタエアポート37における口径の5倍以上の長さより下流側に位置すると、主アフタエアポート37の近傍でよどんでいる未燃焼成分70へ副アフタエア空気71を供給できなくなるため、火炉壁近傍のCO濃度が増加する。逆に、副アフタエアポート38の断面中心位置が、主アフタエアポート37における口径の5倍以上の長さより上流側に位置すると、主アフタエアポート37から供給される主アフタエア空気72の流れが炉壁近傍で未燃焼ガスによって乱されるため、火炉中央に空気を供給できなくなる。更に、ガス温度が高い条件で副アフタエア空気71が噴出されるためNOx濃度が増加する。また、副アフタエアポート38は主アフタエアポート37の口径の1倍以上離れたところに設置しないと、副アフタエアが主アフタエアポートからの噴流に巻き込まれるため、副アフタエアポートの効果が得られなくなる。
【0086】
燃焼用空気は、空気流量配分調整機構42で、バーナ用2次、3次空気56とアフタエア空気55に配分される。バーナへ供給される2次、3次空気56は、空気流量配分調整機構44で前壁側のバーナに流れる空気と後壁側のバーナに流れる空気に配分される。前壁側のバーナと後壁側のバーナに流れるバーナ用2次、3次空気56は、微粉炭流量計73で計測された微粉炭流量74に応じて、制御器61で設定されたバーナ用2次、3次空気流量設定値に制御される。制御器61には、微粉炭流量計73で測定された微粉炭流量74とバーナ用2次、3次空気流量検出器75で検出されたバーナ用2次、3次空気流量76が入力される(図20)。制御器61では、1つのミルから供給される微粉炭量に偏差がある場合に、微粉炭流量74に基づいて微粉炭が多く供給されているバーナ52のバーナ用2次、3次空気流量76を多くし、また微粉炭が少なく供給されているバーナ52のバーナ用2次、3次空気流量76を少なくし、個々のバーナの空気流量を独立して調整することができる。
【0087】
アフタエア空気55はアフタエア空気流量調整機構77で、前壁側のアフタエアポートに流れる空気と後壁側のアフタエアポートに流れる空気に配分される。前壁側のアフタエアポートと後壁側のアフタエアポートの空気は、更に主アフタエア流量調整機構と副アフタエア流量調整機構により、主及び副アフタエアポートに流れる空気に配分される。これにより、主アフタエア空気の運動量と副アフタエア空気の運動量が調整できる。空気流量調整機構の詳細は後述する。主アフタエア空気の運動量が大きすぎるときには副アフタエア空気量を増やし、運動量が小さすぎるときには逆にする。副アフタエア空気は主アフタエアポート37の下流で噴出し、主アフタエアポート37の間からすり抜けた未燃焼成分に空気を供給するため、効率よくCOを低減できる。一方、副アフタエア空気は運動量が少なく、噴出した空気は下流側の低温部で未燃焼成分と混合するため、NOx(サーマルNOx)発生に与える影響は小さい。また、副アフタエアを用いて主アフタエア空気量を調整できるので、バーナ52へ供給される2次、3次空気流量76は常に一定にできる。これは、バーナ部で形成される空気不足の火炎の燃焼条件を、ここでのNOx発生量が最も少なくなる最適条件で常に運用できることを意味する。この結果、バーナ部で発生するNOxを常に最小に保つと同時に、主アフタエアの空気噴出条件をNOxとCOの総合性能が最適になるよう保つことができる。
【0088】
図20は火炉前壁側から見たボイラの構成図である。主アフタエアポート37と副アフタエアポート38は同一のウィンドウボックス1に配置される。ウィンドウボックス1を共通とすると、ウィンドウボックス1へ供給される空気は1つの弁で調整できるため、制御が容易となる。副アフタエアポート38の配置方法の1つは、主アフタエアポート37の下流側に配置することである。バーナ52は、バーナ用2次、3次空気供給ダクト54が独立して接続され、個別に空気流量を制御できる。バーナ用2次、3次空気供給ダクト54の流路にはバーナ用2次、3次空気流量調整機構78が設置され、バーナ52に流れる空気の量が調整される。また微粉炭を搬送する流路には微粉炭流量計73が設置され、微粉炭流量計73で計測された微粉炭流量74に応じて、制御器61で設定されたバーナ用2次、3次空気流量設定値に制御される。
【0089】
副アフタエアポートの配置が空気と未燃焼成分の混合に及ぼす効果について、図21、図22を用いて説明する。図21は火炉前壁側から見たボイラの前壁近傍のガス混合状態を、図22は本発明による微粉炭焚きボイラのガスの混合状態を示す図である。バーナ52で発生した未燃焼成分70は、下流の主アフタエアポート37から供給される空気と混合して酸化されるが、一部の未燃焼成分70は主アフタエアポート37の間からすり抜ける(図21)。副アフタエアポート38を主アフタエアポート37における口径の1〜5倍の範囲に設置することにより、副アフタエアポート38から供給した空気は、主アフタエアポート37の間からすり抜けた未燃焼成分70がよどんでいる火炉壁近傍に空気を供給できる。また、副アフタエア空気71は運動量が小さいため、未燃焼成分70とすぐには混合せずに火炉下流の低温域79で混合する(図21)。これによりサーマルNOxの発生とCOの発生を同時に抑制することができる。
【0090】
主アフタエア空気72の運動量は副アフタエア空気71の運動量の3〜20倍とすることが望ましい。例えば、主アフタエア空気72と副アフタエア71の流量比率を3:1、主アフタエア空気72の噴出流速を30m/s,副アフタエア71の噴出流速を15m/sとすると運動量比率は10倍となる。このようにすると、主アフタエア空気72は火炉中央部へ効率よく供給され、未燃焼成分70と急速に混合するため、効率よくCOを低減できる。また副アフタエア空気71は火炉壁近傍へ効率よく供給され、火炉下流の低温域79で未燃焼成分70と副アフタエア空気71が緩慢に混合するため、サーマルNOxの発生を抑制できる。
【0091】
図23は、主アフタエアポートの構成、及び主アフタエアポートから噴出されるガスの混合状態を表しており、図19のA−A’断面図である。主アフタエアポート37は通常、燃焼気体の流れと直角に複数配置され、火炉前壁45側と火炉後壁46側に同数配置される。図示されていないが、下流には副アフタエアポート38が主アフタエアポート37と同一のウィンドウボックス1に配置されている。主アフタエアポート37へ供給される空気は、アフタエア空気流量調節機構77により空気の量が調整され、更に主アフタエア空気流量調整機構40によりそれぞれの流路に流れる空気の量が調整される。
【0092】
主アフタエアポート37の口径は、火炉中央側に比べて側壁側が小さくなるように配置される。側壁側の主アフタエア空気72の口径を小さくして運動量を増加させると火炉中央部まで噴流が到達できるため、火炉中央部近傍をすり抜ける未燃焼成分70に効率よく空気を供給することができる。
【0093】
図24は、副アフタエアポートの構成、及び副アフタエアポートから噴出されるガスの混合状態を表しており、図19のB−B’断面図である。副アフタエアポート38は通常、燃焼気体の流れと直角に複数配置され、火炉前壁45側と火炉後壁46側に同数配置される。図示されていないが、上流には主アフタエアポート37が副アフタエアポート38と同一のウィンドウボックス1に配置されている。副アフタエアポート38へ供給される空気は、アフタエア空気流量調節機構77により空気の量が調整され、更に副アフタエア空気流量調整機構41によりそれぞれの流路に流れる空気の量が調整される。副アフタエア空気71は、運動量を小さくして主アフタエアポート37の間からすり抜けた未燃焼成分70に空気を供給する。このようにすると、副アフタエア空気71は、ガス温度の高い領域で未燃焼成分70と混合することなく、温度の低い下流域で混合される。
【0094】
図25に、副アフタエアポートのエアポート構造の一例を示す。副アフタエアポート38は同心軸上の多重円管構造になっている。中心部の円管85からは直進流を噴出し、外周部86からはレジスタ87により旋回流を噴出する構造になっている。副アフタエア空気71の流量は副アフタエア空気流量調整機構41により調整することができる。副アフタエアポート38を多重管にし、直進流と旋回流の複合ポートにすることにより、貫通力の調整(火炉中央での未燃ガスすり抜け防止)および、主アフタエアポート37間の未燃ガス混合促進(旋回流の効果)が期待できる。
【実施例11】
【0095】
本実施例では、副アフタエアポートの配置を変えた場合について図26、図27を用いて説明する。図26は、副アフタエアポート38の配置の変型例であり、火炉前壁側から見たボイラの構成図である。図27は火炉前壁側から見たボイラの構成図であり、前壁近傍のガスの混合状態を示す図である。主アフタエアポート37と副アフタエアポート38は同一のウィンドウボックス1に配置される。副アフタエアポート38は、主アフタエアポート37の上流側に配置される。このように副アフタエアポート38を配置すると、副アフタエアポート38から供給された副アフタエア空気71によって、火炉上流からの燃焼ガス流れによどみが生じる。このため、主アフタエアポート37から供給される主アフタエア空気72の流れが火炉壁近傍で燃焼ガスによって乱されることなく、火炉中央に供給することができる。一方副アフタエア空気71は運動量が小さく、火炉壁近傍に生じた燃焼ガスのよどみ域へ空気を供給できるため、未燃焼成分70との混合が促進される。これにより主アフタエアポート37の間に残留する未燃焼成分70と効率よく混合される。
【実施例12】
【0096】
本実施例では、副アフタエアポートの配置を変えた場合について図28、図29を用いて説明する。図28は、副アフタエアポート38の配置の変型例であり、火炉前壁側から見たボイラの構成図である。図29は火炉前壁側から見たボイラの構成図であり、前壁近傍のガスの混合状態を示す図である。主アフタエアポート37と副アフタエアポート38は同一のウィンドウボックス1に配置される。副アフタエアポート38は、主アフタエアポート37の間に交互に配置される。このように副アフタエアポート38を配置すると、副アフタエア空気71は主アフタエアポート37の間から噴出されるため、主アフタエアポート37の間からすり抜ける未燃焼成分70へ直接空気を混合できるため、効率よくCOを低減できる。ここで副アフタエア空気71の運動量を大きくすると、未燃焼成分70と急速に混合して温度が上昇するため、サーマルNOxが発生する。このため副アフタエア空気71は運動量に特に留意して噴出する必要がある。副アフタエア空気71の運動量を小さくすることにより、主アフタエアポート37の間に副アフタエアポート38を配置した場合でも、サーマルNOxの発生を抑制しつつ主アフタエアポート37の間に残留する未燃焼成分70と効率よく混合される。
【実施例13】
【0097】
本実施例では、アフタエアポートの空気流量制御方法を変えた構成について、図30を用いて説明する。図30は、ウィンドウボックス1の配置の変型例であり、火炉前壁側から見たボイラの構成図である。少なくとも1組の主アフタエアポート37と副アフタエアポート38が同一のウィンドウボックス1に配置される。このようにすると、主アフタエア空気72と副アフタエア空気71の運動量の比率を変えることなく、火炉の中央部と火炉側壁部で噴出するアフタエア空気の流量を調整できる。副アフタエアポート38の配置方法の1つは、主アフタエアポート37の下流側に配置することである。ウィンドウボックス1はアフタエア空気供給ダクトが接続され、個別に空気流量を制御できる。アフタエア空気供給ダクトの流路にはアフタエア空気流量調整機構77が設置され、主アフタエアポート37及び副アフタエアポート38に流れる空気の量が調整される。バーナ52は、バーナ用2次、3次空気供給ダクト54が独立して接続され、個別に空気流量を制御できる。バーナ用2次、3次空気供給ダクト54の流路にはバーナ用2次、3次空気流量調整機構78が設置され、バーナ52に流れる空気の量が調整される。また微粉炭を搬送する流路には微粉炭流量計73が設置され、微粉炭流量計73で計測された微粉炭流量74に応じて、制御器61で設定されたアフタエア空気流量設定値に制御される。
【実施例14】
【0098】
本実施例では、アフタエアポートの空気流量制御方法について説明する。
【0099】
図20と図32を用いて説明する。ミルから供給された微粉炭流量74は微粉炭流量計73により計量され、信号が制御器61に入力される。またバーナ用2次、3次空気流量76はバーナ用2次、3次空気流量検知器75により計量され、信号が制御器61に入力される。制御器61ではバーナに供給される微粉炭流量74を常時判定して、バーナ用2次、3次空気流量76が計算される。制御器61からの信号により、バーナ用2次、3次空気流量調整機構開度指令80がバーナ用2次、3次空気流量調整機構78に送られ、火炉内燃焼空間23へ噴出するバーナ用2次、3次空気流量76が制御される。微粉炭供給量が多い箇所が火炉前壁側にある場合は、火炉前壁のバーナ用2次、3次空気流量76を多くし、後壁側のバーナ用2次、3次空気流量76を少なくすることができる。また微粉炭供給量が多い箇所が火炉側壁部にある場合は、火炉側壁部のバーナ用2次、3次空気流量76を多くし、火炉中央部のバーナ用2次、3次空気流量76を少なくすることができる。本制御方法を用いれば、バーナ一台あたりに供給される微粉炭流量に応じてバーナ用2次、3次空気流量76を制御し、火炉上流で発生する未燃焼成分70へ空気を供給できるため、効果的にCOを低減できる。
【0100】
次に、図30と図33を用いて説明する。ミルから供給された微粉炭流量74は微粉炭流量計73により計量され、信号が制御器61に入力される。またアフタエア空気流量63はアフタエア空気流量検知器60により計量され、信号が制御器61に入力される。制御器61ではバーナに供給される微粉炭流量74を常時判定して、アフタエア空気流量63が計算される。制御器61からの信号により、アフタエア空気流量調整機構開度指令64がアフタエア空気流量調整機構77に送られ、火炉内燃焼空間23へ噴出するアフタエア空気流量63が制御される。微粉炭供給量が多い箇所が火炉前壁側にある場合は、火炉前壁のアフタエア空気流量63を多くし、後壁側のアフタエア空気流量63を少なくすることができる。また微粉炭供給量が多い箇所が火炉側壁部にある場合は、火炉側壁部のアフタエア空気流量63を多くし、火炉中央部のアフタエア空気流量63を少なくすることができる。本制御方法を用いれば、バーナ一台あたりに供給される微粉炭流量に応じてアフタエア空気流量63を制御し、バーナ部でNOx発生量が最小となる燃焼条件に保ったまま火炉上流で発生する未燃焼成分70へ空気を供給できるため、効果的にNOx、COを低減できる。
【0101】
また、図31と図34を用いて説明する。燃焼ガスの酸素濃度測定値81は、後部伝熱部の下流に設置されている酸素濃度検知器82により計量され、信号が制御装置61に入力される。また主アフタエア空気流量89は主アフタエア空気流量検知器90により計量され、信号が制御装置61に入力される。制御装置61では酸素濃度が低い箇所の上流に設置されているアフタエアエアポートの空気量を常時判定して、主アフタエアポート37と副アフタエアポート38の空気量を計算し、主アフタエア空気流量89が決定される。制御装置61からの信号により、主アフタエア空気流量調整機構開度指令91が主アフタエア空気流量調整機構40に送られ、火炉内燃焼空間23へ噴出する空気流量が制御される。酸素濃度が低い箇所が火炉中央にある場合は、主アフタエアポート37の空気流量を多くし、副アフタエア空気流量を調整することができる。逆に酸素濃度が低い箇所が火炉壁近傍にある場合は、主アフタエアポート37の空気流量を少なくし、副アフタエア空気流量を調整することができる。本制御方法を用いれば、出口の酸素濃度に応じて主アフタエア空気流量、副アフタエア空気流量を制御し、未燃焼ガスへ効率よく空気を供給できるため、効果的にNOx、COを低減できる。
【符号の説明】
【0102】
1…ウィンドウボックス外筒、2…縮流部材、3…縮流部、4…噴出口、5…ウィンドウボックス開口部、7…縮流部の最小流路面積を規定する部材、9…縮流部の最小流路面積を規定する部材の支持材、11…スライドリング、13…ウィンドウボックス外壁、23…火炉内燃焼空間、24…ダンパ、26…1次ノズル、27…2次ノズル、28…3次ノズル、37…主アフタエアポート、38…副アフタエアポート、39…仕切り板、40…主アフタエア流量調整機構、41…副アフタエア流量調整機構、42…空気流量配分調整機構、43…空気流量配分調整機構、44…空気流量調整配分機構、45…火炉前壁、46…火炉後壁、48…火炉側壁、49…火炉天井、50…ノーズ、51…燃焼後の気体、52…バーナ、53…空気不足の火炎、54…バーナ用ウィンドウボックス、55…アフタエア空気、57…燃焼用空気、59…給炭量検出器、60…流量検出器、61…制御器、63…アフタエア空気流量、100…火炉。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
微粉炭焚きボイラを構成する火炉を備え、この火炉を形成する火炉壁面の上流側に燃料の微粉炭と空気とを火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナを配置し、バーナの設置位置よりも上部となる火炉壁面の下流側に空気を供給する複数のアフタエアポートを配置し、このアフタエアポートには供給空気量の多い主アフタエアポートと供給空気量の少ない副アフタエアポートとをそれぞれ備えた微粉炭焚きボイラにおいて、
前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートの下流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直上となる火炉壁面の位置に配置されるか、前記副アフタエアポートは主アフタエアポートの上流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直下となる火炉壁面の位置に配置されており、
前記副アフタエアポートの断面中心が、前記主アフタエアポートの断面中心から主アフタエアポート口径の1倍以上5倍以下の範囲にあることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項2】
請求項1に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、主アフタエアポートから供給される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量は、副アフタエアポートから供給される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量に対して、3〜20倍の範囲となるようにしたことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、主アフタエアポートは主アフタエア空気を火炉内部に噴出する空気噴出口へ向かって流路外径が縮小する縮流部を有し、噴出される空気が主アフタエアポート中心軸方向を向いて流れるように構成したことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項4】
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、副アフタエアポートは副アフタエア空気を火炉内部に噴出する空気噴出口へ向かって拡大する構造を有し、同心軸上の多重管構造に形成され、中央にある流路から直進流を噴出し、その外周からは旋回流を供給するように構成したことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項5】
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、主アフタエアポートは噴出される空気が主アフタエアポート中心軸方向を向いて流れるように構成し、副アフタエアポートは副アフタエアポート中心軸と平行方向に直進流を噴出し、その外周から旋回流を噴出する構成を有することを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項6】
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、主アフタエアポートと副アフタエアポートの両方に、空気流量を制御する機構が設けられていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項7】
請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、前記主アフタエアポートと前記副アフタエアポートを、火炉壁面に設置されて外部からアフタエア空気が供給される共通のウィンドウボックスの内部にそれぞれ配置したことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項8】
請求項1に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、前記主アフタエアポートの口径は、火炉中央側に比べて側壁側が小さくなるように配置したことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項9】
請求項1に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、前記主アフタエアポートと前記副アフタエアポートを、火炉壁面に設置されて外部からアフタエア空気が供給される共通のウィンドウボックスの内部にそれぞれ配置し、アフタエア空気を供給するアフタエア空気供給ダクトに空気流量調整機構を備え、バーナへ燃焼用の2次、3次空気を供給する2次、3次空気供給ダクトに、各バーナに独立して空気をそれぞれ供給できるように空気流量調整機構が配設されていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項10】
請求項9に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、複数のバーナに搬送される燃料の微粉炭量を計測する微粉炭流量計を、前記バーナに微粉炭を搬送する流路に設置し、この微粉炭流量計で計測した微粉炭量に基づいてバーナに供給する燃焼用の2次、3次空気量を調節する制御器が備えられていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項11】
請求項9に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、複数のバーナに搬送される燃料の微粉炭量を計測する微粉炭流量計を、前記バーナに微粉炭を搬送する流路に設置し、この微粉炭流量計で計測した微粉炭量に基づいて主及び副アフタエアポートに供給するアフタエア空気量を調節する制御器が備えられていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項12】
請求項1に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、前記火炉の燃焼空間における酸素濃度を検出する複数の酸素濃度検出器と、前記酸素濃度検出器からの信号に基づいて複数の前記主アフタエアエアポートと副アフタエアポートの空気流量を個別に調整する制御装置を備え、複数の前記酸素濃度検出器からの信号により火炉中央部の酸素濃度が低いと特定されたならば副アフタエアポートの空気量を減少させるようにし、火炉壁近傍の酸素濃度が低いと特定されたならば副アフタエア空気の空気量を増加させるようにしたことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項13】
火炉内の上流側で微粉炭と空気を空気不足の状態で燃焼させ、生成する燃焼ガスに対して火炉内の下流側で空気を供給して完全燃焼させるようにした微粉炭燃焼方法において、
前記完全燃焼用の空気供給口として前記火炉の対向する壁面に供給空気量の多い主アフタエアポートと供給空気量の少ない副アフタエアポートをそれぞれ複数個設けて、
前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートに対し火炉内を流れる燃焼ガスの流れにおいて下流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直上となる火炉壁面の位置に配置されるか、前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートに対し火炉内を流れる燃焼ガスの流れにおいて上流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直下となる火炉壁面の位置に配置されており、
主アフタエアポート口径の1倍以上5倍以下の範囲に副アフタエアポートを配置し、主アフタエアポートから噴出される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量は副アフタエアポートから噴出される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量よりも多くしたことを特徴とする微粉炭燃焼方法。
【請求項14】
請求項13に記載の微粉炭燃焼方法において、前記主アフタエアポートは主アフタエアポート中心軸方向を向いて空気が流れるように主アフタエア空気を噴出し、前記副アフタエアポートは副アフタエアポート中心軸と平行方向に流れる直進流と、その外周に旋回流が流れるように副アフタエア空気を噴出することを特徴とする微粉炭燃焼方法。
【請求項1】
微粉炭焚きボイラを構成する火炉を備え、この火炉を形成する火炉壁面の上流側に燃料の微粉炭と空気とを火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナを配置し、バーナの設置位置よりも上部となる火炉壁面の下流側に空気を供給する複数のアフタエアポートを配置し、このアフタエアポートには供給空気量の多い主アフタエアポートと供給空気量の少ない副アフタエアポートとをそれぞれ備えた微粉炭焚きボイラにおいて、
前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートの下流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直上となる火炉壁面の位置に配置されるか、前記副アフタエアポートは主アフタエアポートの上流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直下となる火炉壁面の位置に配置されており、
前記副アフタエアポートの断面中心が、前記主アフタエアポートの断面中心から主アフタエアポート口径の1倍以上5倍以下の範囲にあることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項2】
請求項1に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、主アフタエアポートから供給される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量は、副アフタエアポートから供給される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量に対して、3〜20倍の範囲となるようにしたことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、主アフタエアポートは主アフタエア空気を火炉内部に噴出する空気噴出口へ向かって流路外径が縮小する縮流部を有し、噴出される空気が主アフタエアポート中心軸方向を向いて流れるように構成したことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項4】
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、副アフタエアポートは副アフタエア空気を火炉内部に噴出する空気噴出口へ向かって拡大する構造を有し、同心軸上の多重管構造に形成され、中央にある流路から直進流を噴出し、その外周からは旋回流を供給するように構成したことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項5】
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、主アフタエアポートは噴出される空気が主アフタエアポート中心軸方向を向いて流れるように構成し、副アフタエアポートは副アフタエアポート中心軸と平行方向に直進流を噴出し、その外周から旋回流を噴出する構成を有することを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項6】
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、主アフタエアポートと副アフタエアポートの両方に、空気流量を制御する機構が設けられていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項7】
請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、前記主アフタエアポートと前記副アフタエアポートを、火炉壁面に設置されて外部からアフタエア空気が供給される共通のウィンドウボックスの内部にそれぞれ配置したことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項8】
請求項1に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、前記主アフタエアポートの口径は、火炉中央側に比べて側壁側が小さくなるように配置したことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項9】
請求項1に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、前記主アフタエアポートと前記副アフタエアポートを、火炉壁面に設置されて外部からアフタエア空気が供給される共通のウィンドウボックスの内部にそれぞれ配置し、アフタエア空気を供給するアフタエア空気供給ダクトに空気流量調整機構を備え、バーナへ燃焼用の2次、3次空気を供給する2次、3次空気供給ダクトに、各バーナに独立して空気をそれぞれ供給できるように空気流量調整機構が配設されていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項10】
請求項9に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、複数のバーナに搬送される燃料の微粉炭量を計測する微粉炭流量計を、前記バーナに微粉炭を搬送する流路に設置し、この微粉炭流量計で計測した微粉炭量に基づいてバーナに供給する燃焼用の2次、3次空気量を調節する制御器が備えられていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項11】
請求項9に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、複数のバーナに搬送される燃料の微粉炭量を計測する微粉炭流量計を、前記バーナに微粉炭を搬送する流路に設置し、この微粉炭流量計で計測した微粉炭量に基づいて主及び副アフタエアポートに供給するアフタエア空気量を調節する制御器が備えられていることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項12】
請求項1に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、前記火炉の燃焼空間における酸素濃度を検出する複数の酸素濃度検出器と、前記酸素濃度検出器からの信号に基づいて複数の前記主アフタエアエアポートと副アフタエアポートの空気流量を個別に調整する制御装置を備え、複数の前記酸素濃度検出器からの信号により火炉中央部の酸素濃度が低いと特定されたならば副アフタエアポートの空気量を減少させるようにし、火炉壁近傍の酸素濃度が低いと特定されたならば副アフタエア空気の空気量を増加させるようにしたことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
【請求項13】
火炉内の上流側で微粉炭と空気を空気不足の状態で燃焼させ、生成する燃焼ガスに対して火炉内の下流側で空気を供給して完全燃焼させるようにした微粉炭燃焼方法において、
前記完全燃焼用の空気供給口として前記火炉の対向する壁面に供給空気量の多い主アフタエアポートと供給空気量の少ない副アフタエアポートをそれぞれ複数個設けて、
前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートに対し火炉内を流れる燃焼ガスの流れにおいて下流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直上となる火炉壁面の位置に配置されるか、前記副アフタエアポートは前記主アフタエアポートに対し火炉内を流れる燃焼ガスの流れにおいて上流側となる火炉壁面であって、主アフタエアポートの直下となる火炉壁面の位置に配置されており、
主アフタエアポート口径の1倍以上5倍以下の範囲に副アフタエアポートを配置し、主アフタエアポートから噴出される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量は副アフタエアポートから噴出される空気のアフタエア流路の最縮流部流路断面積での流速と流量との積で規定される運動量よりも多くしたことを特徴とする微粉炭燃焼方法。
【請求項14】
請求項13に記載の微粉炭燃焼方法において、前記主アフタエアポートは主アフタエアポート中心軸方向を向いて空気が流れるように主アフタエア空気を噴出し、前記副アフタエアポートは副アフタエアポート中心軸と平行方向に流れる直進流と、その外周に旋回流が流れるように副アフタエア空気を噴出することを特徴とする微粉炭燃焼方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
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【図18】
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【図22】
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【図26】
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【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【公開番号】特開2012−122720(P2012−122720A)
【公開日】平成24年6月28日(2012.6.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−33521(P2012−33521)
【出願日】平成24年2月20日(2012.2.20)
【分割の表示】特願2007−553911(P2007−553911)の分割
【原出願日】平成19年1月10日(2007.1.10)
【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6月28日(2012.6.28)
【国際特許分類】
【出願日】平成24年2月20日(2012.2.20)
【分割の表示】特願2007−553911(P2007−553911)の分割
【原出願日】平成19年1月10日(2007.1.10)
【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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