JP6160105B2

JP6160105B2 - 微粉炭バーナ

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Publication number: JP6160105B2
Application number: JP2013024468A
Authority: JP
Inventors: 田村　雅人; 雅人田村
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-02-12
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-02-12
Also published as: JP2014153014A

Description

本発明は、ボイラ火炉の壁面に設けられ、微粉炭を燃焼させる微粉炭バーナ、特に微粉炭着火用としてプラズマトーチを具備する微粉炭バーナに関するものである。

微粉炭バーナに於いて、微粉炭の着火用としてプラズマトーチを用いるものがある。プラズマトーチは高温のプラズマを発生するので、揮発分の低い微粉炭に対しても着化性がよく、又プラズマトーチを用いることで燃料供給系が油供給系を必要とせず、微粉炭の供給系の１系統でよくなり、設備の簡略化が図れる。又、プラズマが高温であることから、火炉内が冷えた状態での起動、即ち冷缶起動が可能となる。

然し乍ら、着火手段としてプラズマトーチを用いる場合、プラズマにより形成される高温領域が狭い為、着火の安定性、又形成される火炎の安定性に問題があった。

尚、特許文献１には、バーナータイルを有する微粉炭燃焼バーナーの中心にプラズマトーチを組込み、プラズマジェットの高温部に微粉炭と一次空気を吹込み、二次空気をプラズマジェットを囲む様に旋回させて供給することで、微粉炭を完全燃焼させるプラズマ助燃燃焼炉用バーナーが開示されている。

特開平６−２６５１０９号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、起動時の着火の安定性及び通常時の火炉に形成される火炎の安定性の向上を図る微粉炭バーナを提供するものである。

本発明は、火炉に向って開口し、微粉炭と搬送用空気とが混合された微粉炭混合流を旋回させながら噴出する外筒ノズルと、該外筒ノズルの内部に該外筒ノズルと同心に設けられ補助燃焼用空気を噴出する内筒ノズルとを有するノズル本体と、該ノズル本体の周囲から燃焼用空気を噴出する２次空気調整装置と、プラズマを噴出するプラズマトーチとを具備し、前記外筒ノズルの内面に微粉炭濃度を上昇させる滞留部を形成し、該滞留部より噴出される前記微粉炭混合流にプラズマが噴出する様前記プラズマトーチが配設された微粉炭バーナに係るものである。

又本発明は、前記外筒ノズルの内面に設けられた軸心方向に沿って延在する複数のディフレクタアングルを更に具備し、他のディフレクタアングルよりも軸心方向に向って突出したディフレクタアングルにより滞留部形成部材が形成され、前記滞留部は前記滞留部形成部材により形成された微粉炭バーナに係るものである。

又本発明は、前記滞留部形成部材に隣接して前記外筒ノズルの内面に形成された凹溝を更に具備し、前記滞留部は前記滞留部形成部材と前記凹溝とにより形成された微粉炭バーナに係るものである。

又本発明は、前記外筒ノズルの内面に形成された凹溝を更に具備し、前記滞留部は前記凹溝により形成された微粉炭バーナに係るものである。

更に又本発明は、前記滞留部は円周等間隔に複数形成された微粉炭バーナに係るものである。

本発明によれば、火炉に向って開口し、微粉炭と搬送用空気とが混合された微粉炭混合流を旋回させながら噴出する外筒ノズルと、該外筒ノズルの内部に該外筒ノズルと同心に設けられ補助燃焼用空気を噴出する内筒ノズルとを有するノズル本体と、該ノズル本体の周囲から燃焼用空気を噴出する２次空気調整装置と、プラズマを噴出するプラズマトーチとを具備し、前記外筒ノズルの内面に微粉炭濃度を上昇させる滞留部を形成し、該滞留部より噴出される前記微粉炭混合流にプラズマが噴出する様前記プラズマトーチが配設されたので、プラズマにより形成される高温領域を高濃度の微粉炭混合流が通過することで着火安定性が向上し、前記火炉の温度が低い起動時であっても微粉炭の安定した着火性を得ることができると共に、前記火炉の温度が上昇した通常時に於いても該火炉に形成される火炎の安定性を向上させることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係る微粉炭バーナを示す概略立断面図である。（Ａ）は本発明の第１の実施例に係る外筒ノズル及びその周辺部の構成を示す説明図であり、（Ｂ）は本発明の第１の実施例の変形例を示す外筒ノズル及びその周辺部の構成の説明図である。本発明の第２の実施例に係る微粉炭バーナを示す概略立断面図である。（Ａ）は本発明の第２の実施例に係る外筒ノズル及びその周辺部の構成を示す説明図であり、（Ｂ）は本発明の第２の実施例の変形例を示す外筒ノズル及びその周辺部の構成の説明図である。（Ａ）は本発明の第３の実施例に係る外筒ノズル及びその周辺部の構成を示す説明図であり、（Ｂ）は本発明の第３の実施例の変形例を示す外筒ノズル及びその周辺部の構成の説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず図１、図２（Ａ）に於いて、本発明の第１の実施例に於ける微粉炭バーナ１について説明する。

図１中、２はボイラ（図示せず）の火炉、３は該火炉２の炉壁を示している。該炉壁３にスロート４が設けられ、前記炉壁３の反火炉２側にウインドボックス５が取付けられ、該ウインドボックス５の内部に前記微粉炭バーナ１が前記スロート４と同心に設けられている。

前記微粉炭バーナ１は、該微粉炭バーナ１の中心軸心上にノズル本体６を有し、又前記スロート４に連設し、前記ノズル本体６の先端部を囲む様に設けられ、該ノズル本体６と同心の２次空気調整装置７を有している。

前記ノズル本体６は、外筒ノズル８と、該外筒ノズル８と同心多重に設けられた内筒ノズル９とを具備し、前記外筒ノズル８と前記内筒ノズル９との間には、中空筒状の空間で、前記火炉２側端が開口された燃料導通空間１１を形成している。

前記外筒ノズル８の内周面には、母線に沿って延在し、且つ周方向に所定の角度ピッチで所要数、例えば４５°間隔で断面が三角形状のディフレクタアングル１２が配設されている。又、該ディフレクタアングル１２のうちの１つは、他のディフレクタアングル１２よりも前記外筒ノズル８の軸心に向って突出する高さが高い滞留部形成部材１３となっている。尚、該滞留部形成部材１３は、全長に亘って高くなっている必要はなく、先端部のみ高くなっていればよい。先端部の軸方向の長さは、先端から所定の長さ、例えば後述する滞留部１６が形成されるのに充分な長さとなっている。

前記外筒ノズル８の基部（前記反火炉２側の端部）には、微粉炭混合流導入管１４が接線方向から連通されている。該微粉炭混合流導入管１４は、微粉炭ミル（図示せず）に接続され、前記微粉炭混合流導入管１４を介して搬送用空気である１次空気と微粉炭とが混合された微粉炭混合流１５が前記燃料導通空間１１に接線方向から流入する。

前記微粉炭混合流１５は、前記燃料導通空間１１内部を旋回しながら先端側に向って流動する。前記微粉炭混合流１５は、流動の過程で前記滞留部形成部材１３により微粉炭濃度が上昇した前記滞留部１６を形成しつつ、前記外筒ノズル８の先端（前記火炉２側端）から噴出される様になっている。

又、前記外筒ノズル８の外側には、前記ウインドボックス５を貫通してプラズマトーチ１７が設けられている。該プラズマトーチ１７は、先端に向って漸次前記外筒ノズル８に接近する様傾斜しており、前記プラズマトーチ１７の先端は前記滞留部１６の先端の近傍に位置している。

前記ウインドボックス５には２次空気送風ダクト１８が連通しており、該２次空気送風ダクト１８を介して燃焼用空気である２次空気１９が前記ウインドボックス５内に流入する。

又、前記内筒ノズル９の基部には、３次空気導入管２１の一端が連通し、他端は前記ウインドボックス５の内部に開口する。前記３次空気導入管２１には３次空気流量調整弁２２が設けられている。前記３次空気導入管２１は、前記ウインドボックス５から前記２次空気１９の一部を取入れ、前記３次空気流量調整弁２２で流量調整し、補助燃焼用空気である３次空気２３として前記内筒ノズル９内に導いている。

前記２次空気調整装置７は、前記ノズル本体６の先端部を収納する補助空気調整機構２４と、該補助空気調整機構２４の外側に同心多重に設けられた主空気調整機構２５から構成されている。

前記補助空気調整機構２４は、先端に向って縮径する第１空気ガイドダクト２６と、円周等間隔で回転可能に多数設けられたインナ空気ベーン２７とを有し、全てのインナ空気ベーン２７はリンク機構（図示せず）を介して同期回動可能であり、空気流れに対する傾斜角を変更可能となっている。又、前記主空気調整機構２５は、先端に向って縮径する第２空気ガイドダクト２８と、円周等間隔で回転可能に多数設けられたアウタ空気ベーン２９とを有し、全てのアウタ空気ベーン２９は、前記インナ空気ベーン２７と同様にリンク機構（図示せず）を介して同期回動可能であり、空気流れに対する傾斜角を変更可能となっている。

尚、前記第２空気ガイドダクト２８の先端は、前記スロート４に連続し、前記第１空気ガイドダクト２６の先端は前記炉壁３の内壁面から後退した位置にあり、前記外筒ノズル８、前記内筒ノズル９の先端も前記炉壁３の内壁面から後退した位置となっている。

次に、前記微粉炭バーナ１での燃焼について説明する。

微粉炭ミル（図示せず）により粉砕された微粉炭が１次空気により搬送され、微粉炭混合流１５として前記微粉炭混合流導入管１４より前記燃料導通空間１１の基部に供給され、前記微粉炭混合流１５は前記燃料導通空間１１内を旋回しながら前記火炉２に向って流動する。

前記微粉炭混合流１５は、前記燃料導通空間１１を流動する過程で、前記ディフレクタアングル１２により前記微粉炭混合流１５中の微粉炭濃度が均一化され、旋回が抑制されて軸心方向への速度が与えられると共に、前記滞留部形成部材１３により旋回する前記微粉炭混合流１５が堰き止められることで該微粉炭混合流１５の一部が滞留し、前記滞留部形成部材１３に隣接して微粉炭濃度が上昇した前記滞留部１６が形成される。

前記微粉炭混合流１５が前記外筒ノズル８の先端より噴出される際には、前記プラズマトーチ１７より噴出されたプラズマが前記滞留部１６の先端より噴出された高濃度の前記微粉炭混合流１５と交差し、微粉炭が着火される。

又、前記ウインドボックス５には燃焼用空気である前記２次空気１９が送給され、該２次空気１９は前記アウタ空気ベーン２９により旋回力、或は旋回力と風量が調整され、前記第２空気ガイドダクト２８を介して前記スロート４に送出される。

尚、前記第２空気ガイドダクト２８に取込まれた前記２次空気１９の一部は前記インナ空気ベーン２７を介して前記第１空気ガイドダクト２６の内部に取込まれ、２次補助燃焼用空気として噴出される。又、前記インナ空気ベーン２７は空気流れに対して傾斜しており、取込んだ一部の前記２次空気１９の旋回力、或は旋回力と風量を調整する様になっている。

前記アウタ空気ベーン２９による旋回力と風量の調整、前記インナ空気ベーン２７による旋回力と風量の調整で前記２次空気１９の供給量及び流れの状態が変化し、微粉炭の燃焼状態が調整される。

又、前記２次空気１９の一部が、前記３次空気導入管２１を介して３次空気２３として取込まれる。該３次空気２３は、前記内筒ノズル９の内部を流れ、該内筒ノズル９の先端より前記スロート４に噴出される。

前記３次空気２３が噴出されることで、微粉炭の燃焼状態が調整される。従って、前記２次空気１９の調整、前記３次空気２３の調整等により微粉炭の燃焼状態が最適となる様に調整される。

上述の様に、第１の実施例では、前記ディフレクタアングル１２の１つを前記外筒ノズル８の軸心に向って突出させて前記滞留部形成部材１３を形成し、該滞留部形成部材１３により前記微粉炭混合流１５を滞留させて微粉炭濃度を上昇させた前記滞留部１６を形成し、該滞留部１６から噴出される高濃度の前記微粉炭混合流１５と交差させる様に前記プラズマトーチ１７よりプラズマを噴出し、着火している。

従って、プラズマにより形成される高温領域を多量の微粉炭（高濃度微粉炭混合流）が通過することとなり、微粉炭の着火安定性が向上し、前記火炉２の温度が低いボイラの起動時（冷缶起動時）であっても、プラズマが高温であることから微粉炭の安定した着火性を得ることができると共に、前記火炉２の温度が上昇した通常時に於いても、該火炉２内に形成される火炎の安定性を向上させることができる。

図２（Ｂ）は第１の実施例に於ける前記微粉炭バーナ１の変形例を示している。第１の実施例に於ける変形例では、前記滞留部形成部材１３を円周等間隔で複数、例えば４箇所に形成している。

上記変形例では、前記滞留部１６が４箇所に形成されるが、該滞留部１６も前記滞留部形成部材１３と同様に円周等間隔で形成されることとなるので、旋回する前記微粉炭混合流１５の流れを偏流させることなく安定した旋回流とすることができる。

次に、図３、図４（Ａ）に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。尚、図３、図４（Ａ）中、図１、図２（Ａ）中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施例では、外筒ノズル８の内面に設けられたディフレクタアングル１２のうちの１つを取除き、取除かれた該ディフレクタアングル１２が設けられていた箇所に先端から軸方向に所定の長さ、例えば滞留部１６が形成されるのに充分な長さを有する凹溝３１が形成されている。

又、ウインドボックス５を貫通し、先端に向って漸次前記外筒ノズル８に接近するプラズマトーチ１７の先端が、前記凹溝３１の先端の近傍に位置している。

第２の実施例に於いては、微粉炭混合流１５が燃料導通空間１１を流動する過程で、前記ディフレクタアングル１２により前記微粉炭混合流１５中の微粉炭濃度が均一化され、旋回が抑制されて軸心方向への速度が与えられると共に、旋回する前記微粉炭混合流１５が前記凹溝３１内に流入することで前記微粉炭混合流１５の一部が前記凹溝３１内に滞留し、該凹溝３１内に微粉炭濃度が上昇した前記滞留部１６が形成される。

前記微粉炭混合流１５が前記外筒ノズル８の先端より噴出される際には、前記プラズマトーチ１７より噴出されたプラズマが、前記凹溝３１の先端より噴出された高濃度の前記微粉炭混合流１５と交差し、微粉炭が着火される。

上述の様に、第２の実施例に於いては、前記ディフレクタアングル１２の１つを取除き、該ディフレクタアングル１２が設けられていた箇所に前記凹溝３１を形成し、該凹溝３１内に前記滞留部１６を形成して該滞留部１６から噴出される高濃度の前記微粉炭混合流１５と交差する様に前記プラズマトーチ１７よりプラズマを噴出し、着火している。

従って、プラズマにより形成される高温領域を多量の微粉炭（高濃度微粉炭混合流）が通過することとなり、微粉炭の着火安定性が向上し、火炉２（図１参照）の温度が低いボイラの起動時（冷缶起動時）であっても、プラズマが高温であることから、微粉炭の安定した着火性を得ることができると共に、前記火炉２の温度が上昇した通常時に於いても、該火炉２内に形成される火炎の安定性を向上させることができる。

図４（Ｂ）は第２の実施例に於ける前記微粉炭バーナ１の変形例を示している。第２の実施例に於ける変形例では、前記凹溝３１を円周等間隔で複数、例えば４箇所に形成している。

上記変形例では、前記滞留部１６も前記凹溝３１と同様に円周等間隔で形成されることとなるので、旋回する前記微粉炭混合流１５の流れを偏流させることなく安定した旋回流とすることができる。

次に、図５（Ａ）に於いて、本発明の第３の実施例について説明する。尚、図５（Ａ）中、図１、図２（Ａ）中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第３の実施例は、第１の実施例と第２の実施例とを組合わせたものであり、ディフレクタアングル１２のうちの１つを、他のディフレクタアングル１２よりも外筒ノズル８の軸心に向って突出する高さが高い滞留部形成部材３２とすると共に、該滞留部形成部材３２の微粉炭混合流１５の反旋回側に隣接して、前記外筒ノズル８の内面に凹溝３３が形成されている。尚、前記滞留部形成部材３２と前記凹溝３３は、共に滞留部１６が形成されるのに充分な長さを有しているものとする。

又、ウインドボックス５を貫通し、先端に向って漸次前記外筒ノズル８に接近するプラズマトーチ１７の先端が、前記凹溝３３の先端の近傍に位置している。

第３の実施例に於いても、前記微粉炭混合流１５が燃料導通空間１１を流動する過程で、前記ディフレクタアングル１２により前記微粉炭混合流１５中の微粉炭濃度が均一化され、旋回が抑制されて軸心方向への速度が与えられる。又、旋回する前記微粉炭混合流１５が前記凹溝３３内に流入すると共に、前記滞留部形成部材３２に堰き止められることで、前記微粉炭混合流１５の一部が滞留し、前記凹溝３３内及び前記滞留部形成部材３２に隣接した箇所に微粉炭濃度が上昇した前記滞留部１６が形成される。

前記微粉炭混合流１５が前記外筒ノズル８の先端より噴出される際には、前記プラズマトーチ１７より噴出されたプラズマが、前記滞留部１６から噴出された高濃度の前記微粉炭混合流１５と交差し、微粉炭が着火される。

第３の実施例に於いても、第１の実施例、第２の実施例と同様、プラズマにより形成される高温領域を多量の微粉炭（高濃度微粉炭混合流）が通過することとなるので、微粉炭の着火安定性が向上し、火炉２（図１参照）の温度が低いボイラの起動時（冷缶起動時）であっても、プラズマが高温であることから微粉炭の安定した着火性を得ることができると共に、前記火炉２の温度が上昇した通常時に於いても、該火炉２内に形成される火炎の安定性を向上させることができる。

図５（Ｂ）は第３の実施例に於ける前記微粉炭バーナ１の変形例を示している。第３の実施例に於ける変形例では、前記滞留部形成部材３２及び前記凹溝３３を円周等間隔で複数、例えば４箇所に形成している。

上記変形例では、前記滞留部１６も前記滞留部形成部材３２及び前記凹溝３３同様に円周等間隔で形成されることとなるので、旋回する前記微粉炭混合流１５の流れを偏流させることなく安定した旋回流とすることができる。

又、第１の実施例〜第３の実施例に於いては、前記火炉２の温度が低いボイラ起動時（冷缶起動時）であっても、安定して微粉炭を着火させることができるので、ボイラ起動時に前記火炉２の温度を上昇させる為の油バーナ等が不要となり、製作コスト、燃料コストの低減を図ることができる。

又、第１の実施例〜第３の実施例に於いては、微粉炭の着火手段として前記プラズマトーチ１７を用いる場合について説明したが、着火手段としてプラズマ以外の手段を用いる場合、或は褐炭等の低品位炭を燃焼させる場合に於いても、前記滞留部１６を形成し、微粉炭濃度の上昇した領域を作ることで、着火安定性の向上や前記火炉２内に形成される火炎の安定性の向上を図ることができる。

尚、第１の実施例〜第３の実施例に於いては、前記プラズマトーチ１７を前記外筒ノズル８の周囲に前記ウインドボックス５を貫通させて設けているが、前記プラズマトーチ１７はプラズマにより形成される高温領域を前記滞留部１６にて濃度が上昇した前記微粉炭混合流１５が通過する様に設ければよく、例えば前記プラズマトーチ１７を傾斜させた状態で前記内筒ノズル９内に挿通しても良い。

１微粉炭バーナ
２火炉
６ノズル本体
７２次空気調整装置
８外筒ノズル
９内筒ノズル
１１燃料導通空間
１２ディフレクタアングル
１３滞留部形成部材
１５微粉炭混合流
１６滞留部
１７プラズマトーチ
１９２次空気
２３３次空気
３１凹溝
３２滞留部形成部材
３３凹溝

Claims

火炉に向って開口し、微粉炭と搬送用空気とが混合された微粉炭混合流を旋回させながら噴出する外筒ノズルと、該外筒ノズルの内部に該外筒ノズルと同心に設けられ補助燃焼用空気を噴出する内筒ノズルとを有するノズル本体と、該ノズル本体の周囲から燃焼用空気を噴出する２次空気調整装置と、プラズマを噴出するプラズマトーチと、前記外筒ノズルの内面に設けられた軸心方向に沿って延在する複数のディフレクタアングルとを具備し、他のディフレクタアングルよりも軸心方向に向って突出したディフレクタアングルにより滞留部形成部材が形成され、該滞留部形成部材により前記外筒ノズルの内面の先端部に微粉炭濃度を上昇させる滞留部を形成し、該滞留部より噴出される前記微粉炭混合流にプラズマが噴出する様前記プラズマトーチが配設されたことを特徴とする微粉炭バーナ。
前記滞留部形成部材に隣接して前記外筒ノズルの内面に形成された凹溝を更に具備し、前記滞留部は前記滞留部形成部材と前記凹溝とにより形成された請求項１の微粉炭バーナ。
火炉に向って開口し、微粉炭と搬送用空気とが混合された微粉炭混合流を旋回させながら噴出する外筒ノズルと、該外筒ノズルの内部に該外筒ノズルと同心に設けられ補助燃焼用空気を噴出する内筒ノズルとを有するノズル本体と、該ノズル本体の周囲から燃焼用空気を噴出する２次空気調整装置と、プラズマを噴出するプラズマトーチと、前記外筒ノズルの内面に形成された凹溝とを具備し、該凹溝により前記外筒ノズルの内面の先端部に微粉炭濃度を上昇させる滞留部を形成し、該滞留部より噴出される前記微粉炭混合流にプラズマが噴出する様前記プラズマトーチが配設されたことを特徴とする微粉炭バーナ。
前記滞留部は円周等間隔に複数形成された請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の微粉炭バーナ。