JP3784587B2 - 低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナ - Google Patents
低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微粉炭燃焼装置に係わり、特に低ＮＯｘ燃焼及び未燃焼分の低減が要求されるバーナにおいて超低ＮＯｘで高燃焼率かつ安定に燃焼するのに好適な低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
オイルショック以降、我が国の事業用火力発電ボイラにおいては微粉炭焚ボイラが急速に増加し、数多く建設されている。これら事業用火力発電ボイラに用いられる微粉炭燃焼システムの一例を図１１に示す。図１１に示すように分級機を内蔵した微粉炭機１２４（以下ミルと称す）で石炭を粉砕し、分級により所定の大きさ以下の微粉を搬送用空気でボイラ火炉１２１のバーナ部１２８へ直接供給する燃焼システムが実用化されている。そして、微粉炭燃焼用バーナとしては、ＮＯｘ低減を目的としたもの、広域負荷（最低負荷の切り下げ）を目的としたものを中心に開発実用化が行われている。
【０００３】
微粉炭バーナの低ＮＯｘ化技術としては、例えば、図３（ａ）に示すように燃焼用空気を一次流、二次流及び三次流に分割し、火炎中心部にＮＯｘ還元領域１３を形成しやすいように、二次流、三次流にそれぞれ旋回をかけて、一次流空気のみで着火燃焼している微粉炭流との混合を遅らせる燃焼用空気の３分割方式バーナがあり、微粉炭低ＮＯｘバーナ（特許第１７５０４５９号他）で実用化されている。
【０００４】
また、広域負荷対応（バーナ最低負荷の切り下げ）技術としては、
ａ．サイクロン、ベント管など空気を抜くことで濃縮する固気分離器をバーナ外部に設置する方法（特許第１９０７２９６号、実用新案登録第１９５６７２７号他）、
ｂ．微粉炭流の固体濃度を高めるために固体とガスの慣性力の差を利用した分離装置をバーナ内部に設置する方法（特開平１−２１００４４号他）、
ｃ．バーナ出口に保炎器と称する突起を設置すること（特許第１７５０４５９号）で、その後流に微粉炭流の渦流再循環領域を形成し、着火保炎を促進する方法などが考案され、実用化されている。
【０００５】
図１（ａ）に一例として低ＮＯｘバーナの断面概略図を示す。火炉壁５に設けられるバーナ中心部にある一次流路をミル１２４（図１１）からの微粉炭と搬送用空気の混相流が流れ、その外周に二次流路２と三次流路３が設けられ、それぞれ二次燃焼用空気と三次燃焼用空気が流れている。一次流路１内には、逆火防止のためのベンチュリ部７が設けられており、また、一次流路壁バーナ出口先端には、流れを遮る位置に置かれた外周保炎器８があり、その後流には再循環領域１５が形成される。この再循環領域１５内へは３０μｍ以下の小さい粒子がガス流れに同伴されて巻き込まれ、燃焼して高温のガス体を形成しており、その温度が高ければ高いほど保炎器８近傍を通過する未着火の微粉炭への着火保炎を促進する。
【０００６】
こうして現状のバーナ構造は、低ＮＯｘを目的とした燃焼用空気３分割方式を持ち、着火性の向上を図る目的で、前述のａ．かｂ．のどちらかの方法、それらにｃ．の方法を組み合わせたａ＋ｃ、またはｂ＋ｃ方法を採用して、バーナ単体での低ＮＯｘ化及び広域負荷（最低負荷の切り下げ）運転を達成しようとしている。その結果、燃料比（固定炭素／揮発分）１〜２前後の微粉炭（２００メッシュパス８０％）に対して、ボイラ出口での排出ＮＯｘ値は１５０〜２００ｐｐｍ（６％Ｏ２換算）、未燃分５％以下を達成できる技術を確立している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の低ＮＯｘバーナを設置した微粉炭焚きボイラにおいて、燃料である石炭の種類としては、比較的燃焼性のよい燃料比（固定炭素／揮発分）が１〜２前後の石炭が用いられ、その粒度は２００メッシュ通過率（２００メッシュパス）で８０％前後である。
【０００８】
そして、外部及び内部二段燃焼法の併用及び単段燃焼用バーナによる低ＮＯｘ化の技術により、ボイラ出口でのＮＯｘ排出量が１００〜１５０ｐｐｍ前後（燃料比が２、石炭中の窒素分１．５％の基準炭で、灰中未燃分５％以下）まで下げられるようになった。しかしながら、環境対策としての燃焼排ガスに含まれるＮＯｘ排出量の規制は厳しくなる一方で、ボイラ出口ＮＯｘ排出濃度も１００ｐｐｍ以下の低い値が要求される。これに加えて、石炭の輸入依存度が１００％に近い我が国では炭種に依らず、安定した低ＮＯｘ化ができる技術の確立は必要不可欠である。
【０００９】
また、ＮＯｘ排出量が１００ｐｐｍ以下にする燃焼排ガス中の低ＮＯｘ化対策としては、バーナ部での内部二段燃焼法のさらなる強化をねらって、一次流路壁の外周保炎器８からの着火保炎だけでなく、微粉炭を搬送している一次空気の流れの中に低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１（図１参照）を設置し、着火・保炎を強化する方法（特開平９−２０３５０５号、特開平１０−３８２１７号、特開平１０−２２０７０７号）を提案している。
【００１０】
しかし、この低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１については、大きさ、形状、設置位置などの違いによって、その着火促進性及び保炎性に大きな差があり、最適な設計のものを用いないと目標としているＮＯｘ排出濃度が得られない。しかし前記最適値がどこにあるか、全く分かっていないのが現状である。
【００１１】
本発明の課題は、炭種に依らず、ＮＯｘ排出濃度が低く、安定した燃焼が得られる固体燃料燃焼バーナを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は、固体燃料と輸送用気体からなる固気二相流が流れる一次流路と燃焼用空気がその周囲に流れる空気流路を有し、バーナ出口部分の一次流路壁先端部に保炎器を設け、かつ一次流路出口部の一次流路内に低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナであって、低ＮＯｘ及び燃焼促進器は径方向に切れ込みがある円環リング形状であり、その寸法及び寸法比が
ａ．円環リングの幅（ｄ）が３０ｍｍ以上
ｂ．径方向の切れ込みの凹部深さ（ｄ’）が円環リング幅（ｄ）に対する比（ｄ’／ｄ）が０．３≦ｄ’／ｄ≦０．４
ｃ．径方向の切れ込みの周方向の長さ（ｒθ’）の最大値が５．５≦ｒθ’≦８．０
ｄ．径方向の切れ込みが等間隔にあり、その間隔の比率（θ’／θ）が０．２≦θ’／θ≦０．４５
であり、
ｅ．低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置位置が前記保炎器の位置から鉛直方向に下ろした垂線を基準にしてバーナ軸方向に対して、前後１５度以内
である条件ａ．〜ｅ．の少なくとも一つの条件を満足する低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナにより解決される。
【００１３】
また、低ＮＯｘ及び燃焼促進器のバーナの半径方向の取付位置を一次流路半径（ｒｏ）に対し、中心軸から０．５ｒｏ〜０．７ｒｏとすることが望ましい。
【００１４】
また、低ＮＯｘ及び燃焼促進器の一次流路内の固気二相流の流れ方向の投影面積が、前記条件ａ．〜ｄ．の内、少なくとも一つの条件を満足する低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナでもよい。
【００１５】
【作用】
図３に微粉炭バーナの低ＮＯｘ化機構を示す。図３（ａ）は低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設けない例、図３（ｂ）は低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設けた例を示す。図３の微粉炭バーナには微粉炭と搬送用空気の混相流が流れる一次流路１があり、その外周に二次流路２と三次流路３が設けられ、それぞれ二次燃焼用空気と三次燃焼用空気が流れ、火炉１２１内でこれらの旋回流が形成される。一次流路壁バーナ出口先端には外周保炎器８が設けられ、その後流には再循環領域１５が形成される。一次流路１から火炉１２１内に噴出する混相流は未着火領域１２を形成した後、酸素を消費して燃焼するが、酸素（Ｏ２）消失点１４を過ぎるとＮＯｘ還元領域１３を形成する。
【００１６】
前記燃焼ガスの低ＮＯｘ化にはバーナ出口での微粉炭流への着火を促進し、ＮＯｘ還元領域１３の開始点である酸素消失点１４をバーナ近傍へ近づけることによりＮＯｘ還元領域１３を拡大することが必要である。そのため、本発明では、図３（ｂ）に示すように最適形状等を有する低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設ける。
【００１７】
微粉炭粒子の着火促進には、バーナ出口で着火に必要なエネルギー（簡単には熱、更には温度）が十分供給されなければならないことから、微粉炭粒子が着火領域にかなりの時間の間、滞留することが必要となってくる。すなわち、微粉炭粒子速度を低減させることが有効である。
【００１８】
図５に示すバーナ近傍の火炉１２１内での微粉炭を含む混相流を模擬した一次空気の流動の例で説明すると、低流速域（ＬＶＲ、流速１０ｍ／ｓ以下の領域とする）２０が広いほど、より多くの粒子がバーナの近くで着火する。なお、図５（ｂ）、図５（ｃ）の断面は図５（ａ）のＬ／ｒｏ＝０．４の位置での流動解析結果である。
【００１９】
更に図２の火炉側から見たバーナ正面の１／４部分図に示すように、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置することにより、その外周長（濡れぶち長さ）が長くなり、火炉１２１（図１１）からの輻射熱を受けやすくなる。
【００２０】
また、バーナ出口での混相流の乱れも重要で、乱流熱伝達が促進され、粒子の昇温を早め、着火を加速する。微粉炭を含む混相流中に低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置することは、図９（ｂ）に示すように，その後流に形成される混相流の逆流域（再循環領域）２６がその周辺の微粉炭流をも巻き込んで低流速域２０（図５（ｂ）に対応）を広げるだけでなく、保炎器８の端からの乱流渦（再循環領域）１５生成による乱流域形成２１（図５（ｃ）に対応）の役目をして着火・保炎促進を行っている。
【００２１】
これらは低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の大きさ、形状に大きく依存し、コールドモデル流動実験で、いろいろな形状の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置したときのバーナ出口の低流速域２０と強乱流域（乱流エネルギ４０ｍ２／ｓ２以上）２１を測定し、最適な形状を見いだした。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
図１１に微粉炭焚きボイラの燃焼系統図を示す。石炭はバンカ１３３に貯蔵され、燃焼装置の付加に応じて石炭フィーダ１３４からミル１２４に送られる。微粉炭搬送用空気はＰＡＦ１２５で加圧され、熱交換器１２１０を通過後、一次熱空気ダクト１３０と一次熱空気ダンパ１２２を経由してミル１２４に送られる。ミル１２４で粉砕された微粉炭は送炭管１３２を通して微粉炭バーナ１２８に搬送される。一方、燃焼用空気は、ＦＤＦ（Force Draft Fan）１２９から熱交換機１２１０を通過後、風箱１２７に入り、図１（ａ）に示すバーナ部のウインドボックス６を経て二次流路２と三次流路３へ搬送される。ボイラ火炉１２１での微粉炭の燃焼により生成した排ガスは脱硝装置１３５、熱交換機１２１０を通過後、集塵機１３６、脱硫装置１３７で順次浄化処理される。また、ボイラ火炉１２１出口の排ガスの一部はＧＲＦ１２１１を経由して火炉１２１の底部にあるＧＲ投入ダクト１２１２から火炉１２１に再循環する。
【００２３】
バーナ部の側断面図は図１（ａ）に示す通りである。微粉炭と一次空気の混合流体が供給される一次流路１の外側に二次空気供給用の二次流路２があり、更にその外側に三次空気供給用の三次流路３がある。二次流路２、三次流路３には燃焼用空気を旋回させるためのベーン９、スワーラ１０がそれぞれ設けられている。一次流路１の中心部には微粉炭着火用のオイルガン４を設け、一次流路１出口部の前流側にはベンチュリ７が設置されている。また、一次流路１と二次流路２を仕切るノズル先端に外周保炎器８を設け、一次流路１出口には低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１が設置されている。低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１は図１（ｂ）、図１（ｃ）に示すように幅ｄのリング状平面を有し、その平面部には半径方向の外周と内周の円周方向に均等間隔の複数の切込み１１ａ、１１ｂを設けている。
【００２４】
図１１に示す微粉炭焚きボイラの燃焼系統図において、燃焼用空気は、ＦＤＦ１２９から熱交換機１２１０内で約３５０℃に加熱後、風箱１２７に入り、図１（ａ）に示すバーナ部の二次流路２、三次流路３へ搬送される。ミル１２４で粉砕された微粉炭は微粉炭バーナ１２８に搬送され、図１（ａ）に示すバーナの一次流路１へ導かれる。
【００２５】
一次流路１に供給される一次空気と混合後の微粉炭の濃度（Ｃ／Ａ）は混合前に比べて低下するので、一次流路１の出口部の前流側には固体粒子と空気との慣性力の差を利用したベンチュリ７によって、微粉炭流（混相流）に濃縮をかけ、濃縮流を一次流路１の外周側、希薄流を一次流路１の中心側に分離して供給する。そして、濃縮流は二次流路２の出口近傍の外周保炎器８を囲むように通過する。外周保炎器８と低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１近傍では、その後流に乱流渦による再循環領域１５、２６が形成され、この領域１５、２６内に２０μｍ以下の比較的小さい微粉炭粒子が巻き込まれ、その巻き込まれた微粉炭が燃焼することで、微粉炭が着火し易くなっている。
【００２６】
また、図２に示すように低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置したことにより、一次空気の受熱面積が拡大して火炉１２１内からの輻射熱を多く取り入れ、高温再循環領域２６が高温ガスの火種となって、近傍を通過する微粉炭の着火促進に役立っている。
【００２７】
例えば，燃料比２以下の比較的燃焼性のよい石炭の２００メッシュパス６０％の粒度の粗いものを用いた場合、２０μｍ以下の微粒子の割合が小さく、再循環領域２６へ巻き込まれる微粉炭量が減り、着火性を悪くする。そこで、バーナ内部で高温の二次空気とベンチュリ７の後流側の一次流路１の壁面近くで間接的に接触させることにより、微粉炭は昇温され、一部の揮発成分を放出させ、その揮発ガスが再循環領域２６へ巻き込まれることで、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１後流の再循環領域２６の着火性を維持できる。
【００２８】
また、粒度は２００メッシュパス８０％以上あるが、揮発分の少ない高燃料比の微粉炭の場合、高温の二次空気との接触で微粉炭粒子自身の温度を高めることで着火性を維持する。
【００２９】
これらの効果は低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の形状及び設置位置によって顕著に現れる。そこで適正な低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の形状を見いだすべく数値計算及びコールドモデルによる流れ解析結果より条件を決定した。
【００３０】
まず、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１近傍の微粉炭粒子の着火機構の解析結果から決定する。実機における流速２２ｍ／ｓ、２００メッシュパス８０％の燃料比１〜２の微粉炭を対象とし、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の幅ｄを変化させて、再循環領域１５、２６内で着火に必要な最小の微粉炭濃度（Ｃ／Ａ）を計算した。その結果を図９（ｂ）に示す。
【００３１】
図９（ｂ）によると、微粉炭濃度（Ｃ／Ａ）の値が小さいほど着火性が良好である、つまり、微粉炭の濃度が薄くても着火をすることを意味し、着火性の目安となる。結果は、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の幅ｄを１０ｍｍ、２０ｍｍと大きくすると着火性は向上する。そして、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の幅ｄが３０ｍｍを過ぎると、着火性改善効果は小さくなり、５０ｍｍ以上では変化しなくなる。すなわち、着火性を損なわない最小の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の幅ｄは３０ｍｍであることが判明した。
【００３２】
次に、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の外周部に設けた切込み１１ａの形状（切込み込み幅（ｒθ’）（ｒはバーナ中心軸からの燃焼促進器１１の幅ｄの中心部までの半径方向の距離とする）、深さ（ｄ’）、隣接する切込み１１ａ同士の間隔（θ’／θ））を決めるため、コールドモデルによる流動実験を行った。図４にコールドモデル流動実験装置の系統を示す。
【００３３】
低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の内周部に設けた切込み１１ｂの形状（切込み込み幅、深さ）は外周側のそれらと同じとする。
【００３４】
図４に示すモデルバーナは一次流路１のみを備えたものであり、一次空気はＰＡＦ（Primary Air Fan）１２５から供給する。モデルバーナの一次流路１途中でトレーサ粒子１７を一次空気に混入し、レーザ流速計（ＬＤＶ：Laser Doppler Velosimeter（レーザドップラ流速計）、ＰＤＰＡ：Phase Doppler Particle Analyzer（位相ドップラ粒子解析装置））１６と信号処理機１８を用いてバーナ出口部分の流速分布を計測した。
【００３５】
流速分布を計測した後のトレーサ粒子１７はＩＤＦ１９で吸引される空気流に同伴されてバグフィルタ１３６で回収される。
【００３６】
また、二次空気流の乱れについては等方性乱流渦を仮定した乱流エネルギー３／２ｕ'２（ｕ'は軸方向流速変動）分布を求めた。実験は、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の切込み１１ａ、１１ｂの形状について、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の断面積一定の条件で、切込み幅（ｒθ’）、凹凸比（ｄ’／ｄ）、切込み間隔（θ’／θ）を変えて実験をした。
【００３７】
図５にバーナ近傍の空気流動を示すように、バーナ出口近傍の軸方向流速分布及び乱流エネルギー分布計測結果から、低流速域２０（ＬＶＲ：１０ｍ／ｓ以下）と強乱流域２１（ＳＴＲ：４０ｍ２／ｓ２以上）の占める割合の大きい形状を選択し、解析をした。
【００３８】
また、図６にはコールドモデル流動実験結果の一例として、従来の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設けてない低ＮＯｘバーナ（基準型バーナ：日立−ＮＲ２型を模擬）と低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１（タイプ１とタイプ２）を設置したバーナの、各々の一次流路１出口の等速度分布及び等乱流エネルギ分布を示す。
【００３９】
この図の流速分布については分かりやすいように、高流速域２３（２０ｍ／ｓ以上の領域）と流速変動幅３ｍ／ｓ以上の領域２４にそれぞれ斜線を入れている。低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１は、幅７ｍｍで深さ１０ｍｍの切込み１１ａ、１１ｂを３５度間隔で設けたとき（低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１：タイプ２）が最も良く、基準型では、低流速域２０は６５％、強乱流域２１は２８％なのに対し、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１付きのバーナでは低流速域２０は６４％、強乱流域２１は４１％となった。低流速域２０の変動は小さいものの強乱流域２１の増大が顕著で、着火・保炎性能は向上すると期待される。
図６のハッチングのない部分は低流速域２０を表し、ハッチングのある部分は強乱流域２１を表す。
【００４０】
図６に示す結果に基づき、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１として、切込み１１ａ、１１ｂのない円環状のものと、切込み１１ａ、１１ｂを入れたものを作製し、燃焼実験を行い、火炉１２１（図１１）出口のＮＯｘ濃度を測定、確認した。結果を図８に示すように、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１としては切込み１１ａ、１１ｂを入れたものの方がＮＯｘ値は低く、切込み１１ａ、１１ｂがあることによる効果が示された。
【００４１】
そこで、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の適正形状であるが、更にコールドモデルによっていろいろな形状について流動実験を行い、バーナ近傍の低流速域（ＬＶＲ）２０と強乱流域（ＳＴＲ）２１を測定し、その結果を図７に示し、図７により低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の適正形状を決めた。
【００４２】
切込み１１ａ、１１ｂの凹凸比（ｄ’／ｄ）は、図７（ｂ）に示すように切込み深さｄ’を変えて実験をすると、低流速域（ＬＶＲ）２０はほとんど変わらない。しかし、強乱流域（ＳＴＲ）２１は切込み深さｄ’が大きくなる流れの剥離が大きくなるため、その領域は増加し、切込み深さｄ’が７ｍｍ以上になるとほとんど変わらなくなる。ただし、切込み深さｄ’を１０ｍｍ以上にすると若干低流速域２０が小さくなるので、これを上限とした。凹凸比（ｄ’／ｄ）で表せば０．３≦ｄ’／ｄ≦０．４となる。
【００４３】
つぎに、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の凹部切込み１１ａ、１１ｂの周方向長さ（ｒθ’）を決める。図７（a）に周方向長さ（ｒθ’）を変えてコールドモデル実験をしたときの結果を示す。低流速域（ＬＶＲ）２０及び強乱流域（ＳＴＲ）２１が最大となる周方向長さ長さは７ｍｍである。そこを境にそれぞれの領域が小さくなるが、それぞれの領域が最大値とほぼ変わらない周方向長さ（ｒθ’）は、下は５．５ｍｍ、上は８．０ｍｍまである。従って、それら以下または以上にすると低流速域（ＬＶＲ）２０及び強乱流域（ＳＴＲ）２１が小さくなり、着火の促進及びＮＯｘ還元領域１３の拡大につながらなくなる。つまり切込み幅（ｒθ’）は５．５〜８．０ｍｍで最大の効果を示すことになることが分かった。
【００４４】
さらに、その切込み間隔（θ’／θ）の条件であるが、最適条件を見つけるべく、その間隔を変えて行ったコールドモデル実験結果を図７（ｃ）に示す。この間隔（θ’／θ）は低流速域（ＬＶＲ）２０にはあまり影響はなく、強乱流域（ＳＴＲ）２１への影響が大きい。つまり切込み１１ａ、１１ｂの数が多い程乱流を発生させる。従って切込み間隔（θ’／θ）が大きくなると強乱流域（ＳＴＲ）２１は大きくなる。しかし、実験結果では０．２［−］以上になると，その影響は薄れほぼ一定になる。この乱れから乱流渦（再循環流）２６を発生させ、乱流熱伝達を促進させるためには、切込み間隔（θ’／θ）の下限値は０．２［−］とする。最大値としては、切込み間隔（θ’／θ）を０．５［−］とすると、低流速域（ＬＶＲ）２０が大きく減少するため、０．４５［−］とする。したがって、切れ込み間隔（θ’／θ）は０．２≦θ’／θ≦０．４５［−］とすることが望ましい。
【００４５】
この低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の軸（流れ）方向への設置位置であるが、この軸方向の位置により炭種、粒度に応じて二次空気との接触混合時間を調節し、着火性の劣るものは混合位置をより前流側に設置して着火性の確保を図る。図示はしないが、コールドモデルによる実験では外周保炎器８より前流側へ低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を移動させると、一次空気の外周空気が中心軸方向へ流れるパターンへ変わる。
【００４６】
つまり、一次空気の外周の暖かい二次空気が一次空気へ流れ、一次空気の温度を上昇させ着火の促進、ＮＯｘ還元領域１３（図３）の拡大が図れる。特に外周保炎器８の位置から鉛直方向に下ろした垂線を基準にしてバーナ軸方向に対して、前流側へ１５度の位置で中心軸方向への流れが強くなることが分かった。従って、使用する炭種による空気との混合条件をも加味すると、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の軸方向の設置位置は外周保炎器８の位置を基準にして３０度以内（図１（ｂ）参照）にすることが望ましい。
【００４７】
図９（ａ）に示すように、従来の日立−ＮＲ型、ＮＲ２型バーナは一次流路１出口に保炎器８があり、後流に再循環領域（逆流域）１５を形成する。これが高温の火種となって、近傍を通過する微粉炭を着火する。このとき、火炎は一次流路１の外周側から中心部へ進行するが、バーナ近傍の中心部には未着火領域１２が形成される。このバーナの一次流路１内に低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置すると、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の後流側の再循環領域（逆流域）２６からも火炎伝播が起こり、バーナ中心部の未着火域１２の大きさを減少させる。この未着火域１２の体積は低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の半径方向の位置によって変化し、無次元半径方向位置ｒ／ｒ０が０．６［−］で最小となる。
【００４８】
図９（ａ）の縦軸の無次元未着火領域は外周保炎器８のみの未着火領域１２の体積で無次元化したものである。図９（ａ）から、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１をｒ／ｒ０＝０．６［−］に設置すると、外周保炎器８のみを設置した場合（ｒ／ｒ０＝１．０［−］）に対し、未着火領域１２は約１／３に減る。したがって、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置すると、これだけ着火が早まり、バーナ出口近傍のＮＯｘ還元領域１３を拡大し、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の低減に役立つのである。バーナの半径方向の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の取付位置としては、その前後で未着火領域１２が変わらない範囲として０．５ｒ０〜０．７ｒ０とすることが望ましい。
【００４９】
これまでの適正条件を基に低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を製作、従来の基準型バーナ（図６のＮＲ２型）のＮＯｘ濃度と比較した結果を図１０に示す。従来の基準型バーナより２６％ＮＯｘ濃度の低減効果を達成できることが分かり、最適形状の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置することにより、要求されている環境基準値である低ＮＯｘ濃度１００ｐｐｍ以下を達成することが可能となる。
【００５０】
また、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の後流側での流体の流れや渦の発生は流体の抵抗係数（例えば車の形状係数Ｃｄ値（Ｃｄ＝Ｄ／（１／２ρｕ２Ａ）、 Ｄ：抵抗力 ρ：密度 ｕ：主流速度 Ａ：投影面積）など）に大きく影響する。
【００５１】
従って、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を正面から見た時の面積（投影面積）及びその形状を規定した条件（請求項３のａ．〜ｄ．）の１つ若しくは複数の条件を満足するときは同等な性能を発揮する。
【００５２】
【発明の効果】
本発明になる微粉炭燃焼装置によれば、従来の微粉炭バーナではなし得なかった燃料比の比較的高い高燃料比炭に対しても、低ＮＯｘで且つ高効率燃焼（低未燃分）が可能である。また、通常の２００メッシュパス８０％の微粉炭を本発明の低ＮＯｘ及び燃焼促進器を取り付けて燃焼させる場合には、バーナ近傍でのＮＯｘ低減効果が非常に大きくなるため、バーナ部後流の完全燃焼用アディショナル空気投入位置をよりバーナ部に近くにすることが可能となり、これはボイラ火炉のコンパクト化へ大きく貢献する。
【００５３】
また燃焼用二次空気、三次空気の投入の無い単段燃焼用ボイラにおいてもバーナ近傍の受熱が多くなり，保炎器などの保炎部の着火促進及び燃焼性に優れ、低ＮＯｘ燃焼及び高効率燃焼（低未燃分）が可能となる。更に広範囲の燃料種における石炭にも安定着火が得られ、広域負荷運転なども可能となり、バーナ操作の安定性に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の低ＮＯｘ及び燃焼促進器を取り付けた微粉炭燃焼用バーナの側断面図（図１（ａ））、図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置部分のバーナの１／４側断面の拡大図（図１（ｂ））と図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の１／４平面の拡大図（図１（ｃ））である。
【図２】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器設置によるバーナ近傍の着火促進効果を説明するバーナの火炉側から見た１／４部分平面図である。
【図３】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による作用（図３（ｂ））を従来例（図３（ａ））と比較して説明する図である。
【図４】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による効果のコールドモデル流動実験装置の説明図である。
【図５】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置によるバーナ近傍の流動体の流動分布などの一例を示す図である。
【図６】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による効果のコールドモデル実験結果を説明する図である。
【図７】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の形状による低流速及び強乱流域の影響をグラフ化した図である。
【図８】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による燃焼実験結果（１）を従来技術と比較して示す図である。
【図９】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器のの半径方向位置（図９（ａ））と幅（図９（ｂ））を説明する図である。
【図１０】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による燃焼実験結果（２）を従来技術と比較して示す図である。
【図１１】 微粉炭焚きボイラ系統図である。
【符号の説明】
１ 一次空気流路 ２ 二次空気流路
３ 三次空気流路 ４ オイルガン
５ 炉壁 ６ ウインドボックス
７ ベンチュリ ８ 外周保炎器
９ ベーン（旋回器） １０ スワーラ（旋回器）
１１ 低ＮＯｘ及び燃焼促進器 １２ 未着火領域
１３ ＮＯｘ還元領域 １４ ＮＯｘ還元領域開始点
１５ 再循環領域 １６ レーザ流速計
１７ トレーサ粒子 １８ 信号処理機
１９ 誘引通風機（ＩＤＦ）
２０ 低流速域（ＬＶＲ：流速１０ｍ／ｓ以下の領域）
２１ 強乱流域（ＳＴＲ：乱れ度４０ｍ２／ｓ２）
２３ 高流速域（２０ｍ／ｓ以 上）
２４ 流速変動大の領域（変動幅３ｍ／ｓ以上）
２６ 逆流域（再循環領域） １２５ ＰＡＦ
１３６ バグフィルタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、微粉炭燃焼装置に係わり、特に低ＮＯｘ燃焼及び未燃焼分の低減が要求されるバーナにおいて超低ＮＯｘで高燃焼率かつ安定に燃焼するのに好適な低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
オイルショック以降、我が国の事業用火力発電ボイラにおいては微粉炭焚ボイラが急速に増加し、数多く建設されている。これら事業用火力発電ボイラに用いられる微粉炭燃焼システムの一例を図１１に示す。図１１に示すように分級機を内蔵した微粉炭機１２４（以下ミルと称す）で石炭を粉砕し、分級により所定の大きさ以下の微粉を搬送用空気でボイラ火炉１２１のバーナ部１２８へ直接供給する燃焼システムが実用化されている。そして、微粉炭燃焼用バーナとしては、ＮＯｘ低減を目的としたもの、広域負荷（最低負荷の切り下げ）を目的としたものを中心に開発実用化が行われている。
【０００３】
微粉炭バーナの低ＮＯｘ化技術としては、例えば、図３（ａ）に示すように燃焼用空気を一次流、二次流及び三次流に分割し、火炎中心部にＮＯｘ還元領域１３を形成しやすいように、二次流、三次流にそれぞれ旋回をかけて、一次流空気のみで着火燃焼している微粉炭流との混合を遅らせる燃焼用空気の３分割方式バーナがあり、微粉炭低ＮＯｘバーナ（特許第１７５０４５９号他）で実用化されている。
【０００４】
また、広域負荷対応（バーナ最低負荷の切り下げ）技術としては、
ａ．サイクロン、ベント管など空気を抜くことで濃縮する固気分離器をバーナ外部に設置する方法（特許第１９０７２９６号、実用新案登録第１９５６７２７号他）、
ｂ．微粉炭流の固体濃度を高めるために固体とガスの慣性力の差を利用した分離装置をバーナ内部に設置する方法（特開平１−２１００４４号他）、
ｃ．バーナ出口に保炎器と称する突起を設置すること（特許第１７５０４５９号）で、その後流に微粉炭流の渦流再循環領域を形成し、着火保炎を促進する方法などが考案され、実用化されている。
【０００５】
図１（ａ）に一例として低ＮＯｘバーナの断面概略図を示す。火炉壁５に設けられるバーナ中心部にある一次流路をミル１２４（図１１）からの微粉炭と搬送用空気の混相流が流れ、その外周に二次流路２と三次流路３が設けられ、それぞれ二次燃焼用空気と三次燃焼用空気が流れている。一次流路１内には、逆火防止のためのベンチュリ部７が設けられており、また、一次流路壁バーナ出口先端には、流れを遮る位置に置かれた外周保炎器８があり、その後流には再循環領域１５が形成される。この再循環領域１５内へは３０μｍ以下の小さい粒子がガス流れに同伴されて巻き込まれ、燃焼して高温のガス体を形成しており、その温度が高ければ高いほど保炎器８近傍を通過する未着火の微粉炭への着火保炎を促進する。
【０００６】
こうして現状のバーナ構造は、低ＮＯｘを目的とした燃焼用空気３分割方式を持ち、着火性の向上を図る目的で、前述のａ．かｂ．のどちらかの方法、それらにｃ．の方法を組み合わせたａ＋ｃ、またはｂ＋ｃ方法を採用して、バーナ単体での低ＮＯｘ化及び広域負荷（最低負荷の切り下げ）運転を達成しようとしている。その結果、燃料比（固定炭素／揮発分）１〜２前後の微粉炭（２００メッシュパス８０％）に対して、ボイラ出口での排出ＮＯｘ値は１５０〜２００ｐｐｍ（６％Ｏ２換算）、未燃分５％以下を達成できる技術を確立している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の低ＮＯｘバーナを設置した微粉炭焚きボイラにおいて、燃料である石炭の種類としては、比較的燃焼性のよい燃料比（固定炭素／揮発分）が１〜２前後の石炭が用いられ、その粒度は２００メッシュ通過率（２００メッシュパス）で８０％前後である。
【０００８】
そして、外部及び内部二段燃焼法の併用及び単段燃焼用バーナによる低ＮＯｘ化の技術により、ボイラ出口でのＮＯｘ排出量が１００〜１５０ｐｐｍ前後（燃料比が２、石炭中の窒素分１．５％の基準炭で、灰中未燃分５％以下）まで下げられるようになった。しかしながら、環境対策としての燃焼排ガスに含まれるＮＯｘ排出量の規制は厳しくなる一方で、ボイラ出口ＮＯｘ排出濃度も１００ｐｐｍ以下の低い値が要求される。これに加えて、石炭の輸入依存度が１００％に近い我が国では炭種に依らず、安定した低ＮＯｘ化ができる技術の確立は必要不可欠である。
【０００９】
また、ＮＯｘ排出量が１００ｐｐｍ以下にする燃焼排ガス中の低ＮＯｘ化対策としては、バーナ部での内部二段燃焼法のさらなる強化をねらって、一次流路壁の外周保炎器８からの着火保炎だけでなく、微粉炭を搬送している一次空気の流れの中に低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１（図１参照）を設置し、着火・保炎を強化する方法（特開平９−２０３５０５号、特開平１０−３８２１７号、特開平１０−２２０７０７号）を提案している。
【００１０】
しかし、この低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１については、大きさ、形状、設置位置などの違いによって、その着火促進性及び保炎性に大きな差があり、最適な設計のものを用いないと目標としているＮＯｘ排出濃度が得られない。しかし前記最適値がどこにあるか、全く分かっていないのが現状である。
【００１１】
本発明の課題は、炭種に依らず、ＮＯｘ排出濃度が低く、安定した燃焼が得られる固体燃料燃焼バーナを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は、固体燃料と輸送用気体からなる固気二相流が流れる一次流路と燃焼用空気がその周囲に流れる空気流路を有し、バーナ出口部分の一次流路壁先端部に保炎器を設け、かつ一次流路出口部の一次流路内に低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナであって、低ＮＯｘ及び燃焼促進器は径方向に切れ込みがある円環リング形状であり、その寸法及び寸法比が
ａ．円環リングの幅（ｄ）が３０ｍｍ以上
ｂ．径方向の切れ込みの凹部深さ（ｄ’）が円環リング幅（ｄ）に対する比（ｄ’／ｄ）が０．３≦ｄ’／ｄ≦０．４
ｃ．径方向の切れ込みの周方向の長さ（ｒθ’）の最大値が５．５≦ｒθ’≦８．０
ｄ．径方向の切れ込みが等間隔にあり、その間隔の比率（θ’／θ）が０．２≦θ’／θ≦０．４５
であり、
ｅ．低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置位置が前記保炎器の位置から鉛直方向に下ろした垂線を基準にしてバーナ軸方向に対して、前後１５度以内
である条件ａ．〜ｅ．の少なくとも一つの条件を満足する低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナにより解決される。
【００１３】
また、低ＮＯｘ及び燃焼促進器のバーナの半径方向の取付位置を一次流路半径（ｒｏ）に対し、中心軸から０．５ｒｏ〜０．７ｒｏとすることが望ましい。
【００１４】
また、低ＮＯｘ及び燃焼促進器の一次流路内の固気二相流の流れ方向の投影面積が、前記条件ａ．〜ｄ．の内、少なくとも一つの条件を満足する低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナでもよい。
【００１５】
【作用】
図３に微粉炭バーナの低ＮＯｘ化機構を示す。図３（ａ）は低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設けない例、図３（ｂ）は低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設けた例を示す。図３の微粉炭バーナには微粉炭と搬送用空気の混相流が流れる一次流路１があり、その外周に二次流路２と三次流路３が設けられ、それぞれ二次燃焼用空気と三次燃焼用空気が流れ、火炉１２１内でこれらの旋回流が形成される。一次流路壁バーナ出口先端には外周保炎器８が設けられ、その後流には再循環領域１５が形成される。一次流路１から火炉１２１内に噴出する混相流は未着火領域１２を形成した後、酸素を消費して燃焼するが、酸素（Ｏ２）消失点１４を過ぎるとＮＯｘ還元領域１３を形成する。
【００１６】
前記燃焼ガスの低ＮＯｘ化にはバーナ出口での微粉炭流への着火を促進し、ＮＯｘ還元領域１３の開始点である酸素消失点１４をバーナ近傍へ近づけることによりＮＯｘ還元領域１３を拡大することが必要である。そのため、本発明では、図３（ｂ）に示すように最適形状等を有する低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設ける。
【００１７】
微粉炭粒子の着火促進には、バーナ出口で着火に必要なエネルギー（簡単には熱、更には温度）が十分供給されなければならないことから、微粉炭粒子が着火領域にかなりの時間の間、滞留することが必要となってくる。すなわち、微粉炭粒子速度を低減させることが有効である。
【００１８】
図５に示すバーナ近傍の火炉１２１内での微粉炭を含む混相流を模擬した一次空気の流動の例で説明すると、低流速域（ＬＶＲ、流速１０ｍ／ｓ以下の領域とする）２０が広いほど、より多くの粒子がバーナの近くで着火する。なお、図５（ｂ）、図５（ｃ）の断面は図５（ａ）のＬ／ｒｏ＝０．４の位置での流動解析結果である。
【００１９】
更に図２の火炉側から見たバーナ正面の１／４部分図に示すように、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置することにより、その外周長（濡れぶち長さ）が長くなり、火炉１２１（図１１）からの輻射熱を受けやすくなる。
【００２０】
また、バーナ出口での混相流の乱れも重要で、乱流熱伝達が促進され、粒子の昇温を早め、着火を加速する。微粉炭を含む混相流中に低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置することは、図９（ｂ）に示すように，その後流に形成される混相流の逆流域（再循環領域）２６がその周辺の微粉炭流をも巻き込んで低流速域２０（図５（ｂ）に対応）を広げるだけでなく、保炎器８の端からの乱流渦（再循環領域）１５生成による乱流域形成２１（図５（ｃ）に対応）の役目をして着火・保炎促進を行っている。
【００２１】
これらは低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の大きさ、形状に大きく依存し、コールドモデル流動実験で、いろいろな形状の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置したときのバーナ出口の低流速域２０と強乱流域（乱流エネルギ４０ｍ２／ｓ２以上）２１を測定し、最適な形状を見いだした。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
図１１に微粉炭焚きボイラの燃焼系統図を示す。石炭はバンカ１３３に貯蔵され、燃焼装置の付加に応じて石炭フィーダ１３４からミル１２４に送られる。微粉炭搬送用空気はＰＡＦ１２５で加圧され、熱交換器１２１０を通過後、一次熱空気ダクト１３０と一次熱空気ダンパ１２２を経由してミル１２４に送られる。ミル１２４で粉砕された微粉炭は送炭管１３２を通して微粉炭バーナ１２８に搬送される。一方、燃焼用空気は、ＦＤＦ（Force Draft Fan）１２９から熱交換機１２１０を通過後、風箱１２７に入り、図１（ａ）に示すバーナ部のウインドボックス６を経て二次流路２と三次流路３へ搬送される。ボイラ火炉１２１での微粉炭の燃焼により生成した排ガスは脱硝装置１３５、熱交換機１２１０を通過後、集塵機１３６、脱硫装置１３７で順次浄化処理される。また、ボイラ火炉１２１出口の排ガスの一部はＧＲＦ１２１１を経由して火炉１２１の底部にあるＧＲ投入ダクト１２１２から火炉１２１に再循環する。
【００２３】
バーナ部の側断面図は図１（ａ）に示す通りである。微粉炭と一次空気の混合流体が供給される一次流路１の外側に二次空気供給用の二次流路２があり、更にその外側に三次空気供給用の三次流路３がある。二次流路２、三次流路３には燃焼用空気を旋回させるためのベーン９、スワーラ１０がそれぞれ設けられている。一次流路１の中心部には微粉炭着火用のオイルガン４を設け、一次流路１出口部の前流側にはベンチュリ７が設置されている。また、一次流路１と二次流路２を仕切るノズル先端に外周保炎器８を設け、一次流路１出口には低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１が設置されている。低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１は図１（ｂ）、図１（ｃ）に示すように幅ｄのリング状平面を有し、その平面部には半径方向の外周と内周の円周方向に均等間隔の複数の切込み１１ａ、１１ｂを設けている。
【００２４】
図１１に示す微粉炭焚きボイラの燃焼系統図において、燃焼用空気は、ＦＤＦ１２９から熱交換機１２１０内で約３５０℃に加熱後、風箱１２７に入り、図１（ａ）に示すバーナ部の二次流路２、三次流路３へ搬送される。ミル１２４で粉砕された微粉炭は微粉炭バーナ１２８に搬送され、図１（ａ）に示すバーナの一次流路１へ導かれる。
【００２５】
一次流路１に供給される一次空気と混合後の微粉炭の濃度（Ｃ／Ａ）は混合前に比べて低下するので、一次流路１の出口部の前流側には固体粒子と空気との慣性力の差を利用したベンチュリ７によって、微粉炭流（混相流）に濃縮をかけ、濃縮流を一次流路１の外周側、希薄流を一次流路１の中心側に分離して供給する。そして、濃縮流は二次流路２の出口近傍の外周保炎器８を囲むように通過する。外周保炎器８と低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１近傍では、その後流に乱流渦による再循環領域１５、２６が形成され、この領域１５、２６内に２０μｍ以下の比較的小さい微粉炭粒子が巻き込まれ、その巻き込まれた微粉炭が燃焼することで、微粉炭が着火し易くなっている。
【００２６】
また、図２に示すように低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置したことにより、一次空気の受熱面積が拡大して火炉１２１内からの輻射熱を多く取り入れ、高温再循環領域２６が高温ガスの火種となって、近傍を通過する微粉炭の着火促進に役立っている。
【００２７】
例えば，燃料比２以下の比較的燃焼性のよい石炭の２００メッシュパス６０％の粒度の粗いものを用いた場合、２０μｍ以下の微粒子の割合が小さく、再循環領域２６へ巻き込まれる微粉炭量が減り、着火性を悪くする。そこで、バーナ内部で高温の二次空気とベンチュリ７の後流側の一次流路１の壁面近くで間接的に接触させることにより、微粉炭は昇温され、一部の揮発成分を放出させ、その揮発ガスが再循環領域２６へ巻き込まれることで、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１後流の再循環領域２６の着火性を維持できる。
【００２８】
また、粒度は２００メッシュパス８０％以上あるが、揮発分の少ない高燃料比の微粉炭の場合、高温の二次空気との接触で微粉炭粒子自身の温度を高めることで着火性を維持する。
【００２９】
これらの効果は低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の形状及び設置位置によって顕著に現れる。そこで適正な低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の形状を見いだすべく数値計算及びコールドモデルによる流れ解析結果より条件を決定した。
【００３０】
まず、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１近傍の微粉炭粒子の着火機構の解析結果から決定する。実機における流速２２ｍ／ｓ、２００メッシュパス８０％の燃料比１〜２の微粉炭を対象とし、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の幅ｄを変化させて、再循環領域１５、２６内で着火に必要な最小の微粉炭濃度（Ｃ／Ａ）を計算した。その結果を図９（ｂ）に示す。
【００３１】
図９（ｂ）によると、微粉炭濃度（Ｃ／Ａ）の値が小さいほど着火性が良好である、つまり、微粉炭の濃度が薄くても着火をすることを意味し、着火性の目安となる。結果は、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の幅ｄを１０ｍｍ、２０ｍｍと大きくすると着火性は向上する。そして、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の幅ｄが３０ｍｍを過ぎると、着火性改善効果は小さくなり、５０ｍｍ以上では変化しなくなる。すなわち、着火性を損なわない最小の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の幅ｄは３０ｍｍであることが判明した。
【００３２】
次に、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の外周部に設けた切込み１１ａの形状（切込み込み幅（ｒθ’）（ｒはバーナ中心軸からの燃焼促進器１１の幅ｄの中心部までの半径方向の距離とする）、深さ（ｄ’）、隣接する切込み１１ａ同士の間隔（θ’／θ））を決めるため、コールドモデルによる流動実験を行った。図４にコールドモデル流動実験装置の系統を示す。
【００３３】
低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の内周部に設けた切込み１１ｂの形状（切込み込み幅、深さ）は外周側のそれらと同じとする。
【００３４】
図４に示すモデルバーナは一次流路１のみを備えたものであり、一次空気はＰＡＦ（Primary Air Fan）１２５から供給する。モデルバーナの一次流路１途中でトレーサ粒子１７を一次空気に混入し、レーザ流速計（ＬＤＶ：Laser Doppler Velosimeter（レーザドップラ流速計）、ＰＤＰＡ：Phase Doppler Particle Analyzer（位相ドップラ粒子解析装置））１６と信号処理機１８を用いてバーナ出口部分の流速分布を計測した。
【００３５】
流速分布を計測した後のトレーサ粒子１７はＩＤＦ１９で吸引される空気流に同伴されてバグフィルタ１３６で回収される。
【００３６】
また、二次空気流の乱れについては等方性乱流渦を仮定した乱流エネルギー３／２ｕ'２（ｕ'は軸方向流速変動）分布を求めた。実験は、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の切込み１１ａ、１１ｂの形状について、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の断面積一定の条件で、切込み幅（ｒθ’）、凹凸比（ｄ’／ｄ）、切込み間隔（θ’／θ）を変えて実験をした。
【００３７】
図５にバーナ近傍の空気流動を示すように、バーナ出口近傍の軸方向流速分布及び乱流エネルギー分布計測結果から、低流速域２０（ＬＶＲ：１０ｍ／ｓ以下）と強乱流域２１（ＳＴＲ：４０ｍ２／ｓ２以上）の占める割合の大きい形状を選択し、解析をした。
【００３８】
また、図６にはコールドモデル流動実験結果の一例として、従来の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設けてない低ＮＯｘバーナ（基準型バーナ：日立−ＮＲ２型を模擬）と低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１（タイプ１とタイプ２）を設置したバーナの、各々の一次流路１出口の等速度分布及び等乱流エネルギ分布を示す。
【００３９】
この図の流速分布については分かりやすいように、高流速域２３（２０ｍ／ｓ以上の領域）と流速変動幅３ｍ／ｓ以上の領域２４にそれぞれ斜線を入れている。低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１は、幅７ｍｍで深さ１０ｍｍの切込み１１ａ、１１ｂを３５度間隔で設けたとき（低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１：タイプ２）が最も良く、基準型では、低流速域２０は６５％、強乱流域２１は２８％なのに対し、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１付きのバーナでは低流速域２０は６４％、強乱流域２１は４１％となった。低流速域２０の変動は小さいものの強乱流域２１の増大が顕著で、着火・保炎性能は向上すると期待される。
図６のハッチングのない部分は低流速域２０を表し、ハッチングのある部分は強乱流域２１を表す。
【００４０】
図６に示す結果に基づき、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１として、切込み１１ａ、１１ｂのない円環状のものと、切込み１１ａ、１１ｂを入れたものを作製し、燃焼実験を行い、火炉１２１（図１１）出口のＮＯｘ濃度を測定、確認した。結果を図８に示すように、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１としては切込み１１ａ、１１ｂを入れたものの方がＮＯｘ値は低く、切込み１１ａ、１１ｂがあることによる効果が示された。
【００４１】
そこで、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の適正形状であるが、更にコールドモデルによっていろいろな形状について流動実験を行い、バーナ近傍の低流速域（ＬＶＲ）２０と強乱流域（ＳＴＲ）２１を測定し、その結果を図７に示し、図７により低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の適正形状を決めた。
【００４２】
切込み１１ａ、１１ｂの凹凸比（ｄ’／ｄ）は、図７（ｂ）に示すように切込み深さｄ’を変えて実験をすると、低流速域（ＬＶＲ）２０はほとんど変わらない。しかし、強乱流域（ＳＴＲ）２１は切込み深さｄ’が大きくなる流れの剥離が大きくなるため、その領域は増加し、切込み深さｄ’が７ｍｍ以上になるとほとんど変わらなくなる。ただし、切込み深さｄ’を１０ｍｍ以上にすると若干低流速域２０が小さくなるので、これを上限とした。凹凸比（ｄ’／ｄ）で表せば０．３≦ｄ’／ｄ≦０．４となる。
【００４３】
つぎに、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の凹部切込み１１ａ、１１ｂの周方向長さ（ｒθ’）を決める。図７（a）に周方向長さ（ｒθ’）を変えてコールドモデル実験をしたときの結果を示す。低流速域（ＬＶＲ）２０及び強乱流域（ＳＴＲ）２１が最大となる周方向長さ長さは７ｍｍである。そこを境にそれぞれの領域が小さくなるが、それぞれの領域が最大値とほぼ変わらない周方向長さ（ｒθ’）は、下は５．５ｍｍ、上は８．０ｍｍまである。従って、それら以下または以上にすると低流速域（ＬＶＲ）２０及び強乱流域（ＳＴＲ）２１が小さくなり、着火の促進及びＮＯｘ還元領域１３の拡大につながらなくなる。つまり切込み幅（ｒθ’）は５．５〜８．０ｍｍで最大の効果を示すことになることが分かった。
【００４４】
さらに、その切込み間隔（θ’／θ）の条件であるが、最適条件を見つけるべく、その間隔を変えて行ったコールドモデル実験結果を図７（ｃ）に示す。この間隔（θ’／θ）は低流速域（ＬＶＲ）２０にはあまり影響はなく、強乱流域（ＳＴＲ）２１への影響が大きい。つまり切込み１１ａ、１１ｂの数が多い程乱流を発生させる。従って切込み間隔（θ’／θ）が大きくなると強乱流域（ＳＴＲ）２１は大きくなる。しかし、実験結果では０．２［−］以上になると，その影響は薄れほぼ一定になる。この乱れから乱流渦（再循環流）２６を発生させ、乱流熱伝達を促進させるためには、切込み間隔（θ’／θ）の下限値は０．２［−］とする。最大値としては、切込み間隔（θ’／θ）を０．５［−］とすると、低流速域（ＬＶＲ）２０が大きく減少するため、０．４５［−］とする。したがって、切れ込み間隔（θ’／θ）は０．２≦θ’／θ≦０．４５［−］とすることが望ましい。
【００４５】
この低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の軸（流れ）方向への設置位置であるが、この軸方向の位置により炭種、粒度に応じて二次空気との接触混合時間を調節し、着火性の劣るものは混合位置をより前流側に設置して着火性の確保を図る。図示はしないが、コールドモデルによる実験では外周保炎器８より前流側へ低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を移動させると、一次空気の外周空気が中心軸方向へ流れるパターンへ変わる。
【００４６】
つまり、一次空気の外周の暖かい二次空気が一次空気へ流れ、一次空気の温度を上昇させ着火の促進、ＮＯｘ還元領域１３（図３）の拡大が図れる。特に外周保炎器８の位置から鉛直方向に下ろした垂線を基準にしてバーナ軸方向に対して、前流側へ１５度の位置で中心軸方向への流れが強くなることが分かった。従って、使用する炭種による空気との混合条件をも加味すると、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の軸方向の設置位置は外周保炎器８の位置を基準にして３０度以内（図１（ｂ）参照）にすることが望ましい。
【００４７】
図９（ａ）に示すように、従来の日立−ＮＲ型、ＮＲ２型バーナは一次流路１出口に保炎器８があり、後流に再循環領域（逆流域）１５を形成する。これが高温の火種となって、近傍を通過する微粉炭を着火する。このとき、火炎は一次流路１の外周側から中心部へ進行するが、バーナ近傍の中心部には未着火領域１２が形成される。このバーナの一次流路１内に低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置すると、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の後流側の再循環領域（逆流域）２６からも火炎伝播が起こり、バーナ中心部の未着火域１２の大きさを減少させる。この未着火域１２の体積は低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の半径方向の位置によって変化し、無次元半径方向位置ｒ／ｒ０が０．６［−］で最小となる。
【００４８】
図９（ａ）の縦軸の無次元未着火領域は外周保炎器８のみの未着火領域１２の体積で無次元化したものである。図９（ａ）から、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１をｒ／ｒ０＝０．６［−］に設置すると、外周保炎器８のみを設置した場合（ｒ／ｒ０＝１．０［−］）に対し、未着火領域１２は約１／３に減る。したがって、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置すると、これだけ着火が早まり、バーナ出口近傍のＮＯｘ還元領域１３を拡大し、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の低減に役立つのである。バーナの半径方向の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の取付位置としては、その前後で未着火領域１２が変わらない範囲として０．５ｒ０〜０．７ｒ０とすることが望ましい。
【００４９】
これまでの適正条件を基に低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を製作、従来の基準型バーナ（図６のＮＲ２型）のＮＯｘ濃度と比較した結果を図１０に示す。従来の基準型バーナより２６％ＮＯｘ濃度の低減効果を達成できることが分かり、最適形状の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置することにより、要求されている環境基準値である低ＮＯｘ濃度１００ｐｐｍ以下を達成することが可能となる。
【００５０】
また、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の後流側での流体の流れや渦の発生は流体の抵抗係数（例えば車の形状係数Ｃｄ値（Ｃｄ＝Ｄ／（１／２ρｕ２Ａ）、 Ｄ：抵抗力 ρ：密度 ｕ：主流速度 Ａ：投影面積）など）に大きく影響する。
【００５１】
従って、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を正面から見た時の面積（投影面積）及びその形状を規定した条件（請求項３のａ．〜ｄ．）の１つ若しくは複数の条件を満足するときは同等な性能を発揮する。
【００５２】
【発明の効果】
本発明になる微粉炭燃焼装置によれば、従来の微粉炭バーナではなし得なかった燃料比の比較的高い高燃料比炭に対しても、低ＮＯｘで且つ高効率燃焼（低未燃分）が可能である。また、通常の２００メッシュパス８０％の微粉炭を本発明の低ＮＯｘ及び燃焼促進器を取り付けて燃焼させる場合には、バーナ近傍でのＮＯｘ低減効果が非常に大きくなるため、バーナ部後流の完全燃焼用アディショナル空気投入位置をよりバーナ部に近くにすることが可能となり、これはボイラ火炉のコンパクト化へ大きく貢献する。
【００５３】
また燃焼用二次空気、三次空気の投入の無い単段燃焼用ボイラにおいてもバーナ近傍の受熱が多くなり，保炎器などの保炎部の着火促進及び燃焼性に優れ、低ＮＯｘ燃焼及び高効率燃焼（低未燃分）が可能となる。更に広範囲の燃料種における石炭にも安定着火が得られ、広域負荷運転なども可能となり、バーナ操作の安定性に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の低ＮＯｘ及び燃焼促進器を取り付けた微粉炭燃焼用バーナの側断面図（図１（ａ））、図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置部分のバーナの１／４側断面の拡大図（図１（ｂ））と図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の１／４平面の拡大図（図１（ｃ））である。
【図２】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器設置によるバーナ近傍の着火促進効果を説明するバーナの火炉側から見た１／４部分平面図である。
【図３】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による作用（図３（ｂ））を従来例（図３（ａ））と比較して説明する図である。
【図４】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による効果のコールドモデル流動実験装置の説明図である。
【図５】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置によるバーナ近傍の流動体の流動分布などの一例を示す図である。
【図６】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による効果のコールドモデル実験結果を説明する図である。
【図７】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の形状による低流速及び強乱流域の影響をグラフ化した図である。
【図８】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による燃焼実験結果（１）を従来技術と比較して示す図である。
【図９】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器のの半径方向位置（図９（ａ））と幅（図９（ｂ））を説明する図である。
【図１０】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による燃焼実験結果（２）を従来技術と比較して示す図である。
【図１１】 微粉炭焚きボイラ系統図である。
【符号の説明】
１ 一次空気流路 ２ 二次空気流路
３ 三次空気流路 ４ オイルガン
５ 炉壁 ６ ウインドボックス
７ ベンチュリ ８ 外周保炎器
９ ベーン（旋回器） １０ スワーラ（旋回器）
１１ 低ＮＯｘ及び燃焼促進器 １２ 未着火領域
１３ ＮＯｘ還元領域 １４ ＮＯｘ還元領域開始点
１５ 再循環領域 １６ レーザ流速計
１７ トレーサ粒子 １８ 信号処理機
１９ 誘引通風機（ＩＤＦ）
２０ 低流速域（ＬＶＲ：流速１０ｍ／ｓ以下の領域）
２１ 強乱流域（ＳＴＲ：乱れ度４０ｍ２／ｓ２）
２３ 高流速域（２０ｍ／ｓ以 上）
２４ 流速変動大の領域（変動幅３ｍ／ｓ以上）
２６ 逆流域（再循環領域） １２５ ＰＡＦ
１３６ バグフィルタ
Claims (3)
- 固体燃料と輸送用気体からなる固気二相流が流れる一次流路と燃焼用空気がその周囲に流れる空気流路を有し、バーナ出口部分の一次流路壁先端部に保炎器を設け、かつ一次流路出口部の一次流路内に低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナであって、
低ＮＯｘ及び燃焼促進器は径方向に切れ込みがある円環リング形状であり、その寸法及び寸法比が
ａ．円環リングの幅（ｄ）が３０ｍｍ以上
ｂ．径方向の切れ込みの凹部深さ（ｄ’）が円環リング幅（ｄ）に対する比（ｄ’／ｄ）が０．３≦ｄ’／ｄ≦０．４
ｃ．径方向の切れ込みの周方向の長さ（ｒθ’）の最大値が５．５≦ｒθ’≦８．０
ｄ．径方向の切れ込みが等間隔にあり、その間隔の比率（θ’／θ）が０．２≦θ’／θ≦０．４５
であり、
ｅ．低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置位置が前記保炎器の位置から鉛直方向に下ろした垂線を基準にしてバーナ軸方向に対して、前後１５度以内
である条件ａ．〜ｅ．の少なくとも一つの条件を満足することを特徴とする低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナ。 - 低ＮＯｘ及び燃焼促進器のバーナの半径方向の取付位置の中心を一次流路半径（ｒｏ）に対し、中心軸から０．５ｒｏ〜０．７ｒｏとすることを特徴とする請求項１記載の低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナ。
- 低ＮＯｘ及び燃焼促進器の一次流路内の固気二相流の流れ方向の投影面積が、
ａ．円環リングの幅（ｄ）が３０ｍｍ以上
ｂ．径方向の切れ込みの凹部深さ（ｄ’）が円環リング幅（ｄ）に対する比（ｄ’／ｄ）が０．３≦ｄ’／ｄ≦０．４
ｃ．径方向の切れ込みの周方向の長さ（ｒθ’）の最大値が５．５≦ｒθ’≦８．０
ｄ．径方向の切れ込みが等間隔にあり、その間隔の比率（θ’／θ）が０．２≦θ’／θ≦０．４５
である条件ａ．〜ｄ．の内、少なくとも一つの条件を満足することを特徴とする請求項１記載の低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナ。
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