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WO2023127678A1 - バーナ及び燃焼炉 - Google Patents

バーナ及び燃焼炉 Download PDF

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WO2023127678A1
WO2023127678A1 PCT/JP2022/047291 JP2022047291W WO2023127678A1 WO 2023127678 A1 WO2023127678 A1 WO 2023127678A1 JP 2022047291 W JP2022047291 W JP 2022047291W WO 2023127678 A1 WO2023127678 A1 WO 2023127678A1
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WO
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gas fuel
gas
burner
air
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/047291
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English (en)
French (fr)
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孝二 谷口
篤徳 加藤
俊 矢原
泰申 山口
Original Assignee
川崎重工業株式会社
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Filing date
Publication date
Application filed by 川崎重工業株式会社 filed Critical 川崎重工業株式会社
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Priority to CN202280080518.3A priority patent/CN118355231A/zh
Priority to EP22915901.7A priority patent/EP4459184A1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C1/00—Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air
    • F23C1/12—Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air gaseous and pulverulent fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/005—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or pulverulent fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D1/00—Burners for combustion of pulverulent fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D91/02—Burners specially adapted for specific applications, not otherwise provided for for use in particular heating operations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L9/00—Passages or apertures for delivering secondary air for completing combustion of fuel 
    • F23L9/02—Passages or apertures for delivering secondary air for completing combustion of fuel  by discharging the air above the fire
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2204/00—Burners adapted for simultaneous or alternative combustion having more than one fuel supply
    • F23D2204/20—Burners adapted for simultaneous or alternative combustion having more than one fuel supply gaseous and pulverulent fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14021—Premixing burners with swirling or vortices creating means for fuel or air
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present disclosure relates to a burner using gas fuel as an auxiliary fuel and a combustion furnace equipped with the burner.
  • Patent Literature 1 discloses a burner capable of co-firing solid fuel and ammonia.
  • the burner of Patent Document 1 includes a fuel supply nozzle that ejects a mixture of a solid fuel such as pulverized coal and a carrier gas for the solid fuel, and is disposed outside the fuel supply nozzle to direct combustion air from the mixture in a radial direction.
  • An air nozzle that separates and blows out to the outside, and an ammonia supply nozzle that blows ammonia gas from the downstream side of the outlet of the fuel supply nozzle are provided.
  • the ammonia supply nozzle supplies ammonia gas toward a reduction zone (primary combustion zone) immediately downstream of the outlet of the fuel supply nozzle where oxygen is consumed by fuel combustion and has a low oxygen concentration.
  • the strongest high-temperature reduction region is formed forward between the outlet of the fuel supply nozzle and the outlet of the air nozzle, where the secondary A circulation vortex is formed by the flow of air and tertiary air. Since combustible components and heat are accumulated in the circulation vortex, the conditions for easy combustion are maintained, and it becomes a starting point of ignition, and a high-temperature reduction region is formed in the circulation vortex and downstream of the circulation vortex. Therefore, it is believed that jetting gaseous fuel such as ammonia toward the circulation vortex is more advantageous than jetting ammonia toward the primary combustion region as in Patent Document 1 in order to increase combustion efficiency.
  • An object of the present invention is to propose a structure capable of enhancing combustion efficiency.
  • a burner includes: A multiple tube including an inner tube coaxially arranged around the burner axis and a plurality of outer tubes arranged outside the inner tube,
  • the multiple tube is a fuel ejection port disposed at a downstream end of the inner pipe for ejecting a mixture of main fuel and primary combustion air supplied to the inner pipe; a secondary air outlet disposed on the outer periphery of the fuel outlet for blowing out the secondary combustion air supplied between the plurality of outer tubes; gas fuel as an auxiliary fuel which is disposed between the fuel injection port and the secondary air outlet and which is supplied between the inner tube and the plurality of outer tubes; and an annular gas fuel outlet that blows out toward the boundary of the flow.
  • the combustion furnace includes a hot reduction zone with a reducing atmosphere, provided with at least one of said burners; and a low-temperature oxidation zone having a lower temperature and an oxidizing atmosphere than the high-temperature reduction zone, into which the combustion gas generated in the high-temperature reduction zone flows.
  • the combustion efficiency of the gas fuel is increased while suppressing disturbance of the circulation vortex and deterioration of the combustion reaction in the circulation vortex. I can suggest the structure to get.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a boiler equipped with a burner according to one embodiment of the present disclosure.
  • 2 is a schematic cross-sectional view of a burner according to the present disclosure;
  • FIG. 3 is a partially enlarged view of the burner shown in FIG. 2.
  • FIG. FIG. 4 is a view of the burner shown in FIG. 2 as viewed in the axial direction of the burner.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a boiler 10 including a burner 5 according to one embodiment of the present disclosure.
  • the boiler 10 shown in FIG. 1 includes a combustion furnace 2 that burns fuel, and a boiler body 40 and a superheater 42 that generate steam using the heat of combustion.
  • the boiler 10 is a pulverized coal-fired thermal boiler, and uses powdered or granular fossil fuel (solid fuel) as main fuel.
  • solid fuel powdered or granular fossil fuel
  • the boiler to which the burner 5 according to the present disclosure is applied is not limited to a pulverized coal-fired boiler, and may be a mixed combustion boiler using pulverized coal and biomass as the main fuel, a petroleum residue-fired boiler using petroleum residue as the main fuel, or the like. may
  • a vertical combustion chamber 20 is formed inside the combustion furnace 2 .
  • the combustion furnace 2 according to the present embodiment is an inverted vertical furnace.
  • a throttle section 23 is provided between the reduction zone 21 and the low-temperature oxidation zone 22 .
  • the combustion furnace 2 may be a vertical furnace in which the high temperature reduction zone 21 is formed in the lower part of the combustion chamber 20 and the low temperature oxidation zone 22 is formed in the upper part of the combustion chamber 20 .
  • the combustion furnace 2 to which the burner 5 according to the present disclosure is applied may be a combustion furnace other than the vertical furnace.
  • a portion of the inner wall of the combustion furnace 2 that forms the high-temperature reduction zone 21 is covered with a refractory material 25 .
  • a plurality of burners 5 for blowing out fuel and first-stage combustion air to a high-temperature reduction zone 21 are provided on the furnace wall at the bottom of the combustion furnace 2 .
  • a mixture of fuel and air is blown out from each burner 5 into the combustion chamber 20 to generate a flame.
  • a plurality of burners 5 are provided on each of a pair of opposing furnace walls.
  • Each furnace wall is provided with at least one burner stage in the vertical direction, and each burner stage is formed by a plurality of burners 5 arranged horizontally.
  • the plurality of burners 5 facing each other in this way are arranged in a staggered manner so that the burner axes of the burners 5 do not cross each other.
  • the outlet of the high-temperature reduction zone 21 is connected to the inlet of the low-temperature oxidation zone 22 through the throttle section 23 .
  • the smallest horizontal cross-sectional area of the constricted portion 23 is about 20 to 50% of the horizontal cross-sectional area of the high temperature reduction zone 21 .
  • a plurality of air nozzles 26 are provided on the upper furnace wall of the combustion furnace 2 . Air for second stage combustion is blown from each air nozzle 26 into the low temperature oxidation zone 22 .
  • a plurality of stages of air nozzles are provided in the vertical direction, and each air nozzle stage is formed by a plurality of air nozzles 26 aligned in the horizontal direction.
  • a cooling section 24 is formed between the constricted section 23 and the plurality of air nozzles 26 .
  • the furnace wall of the cooling part 24 is a water-cooled wall in which the water pipes of the boiler body 40 are stretched.
  • the outlet 11 of the low temperature oxidation zone 22 is connected with the inlet of the flue 28 .
  • a heat transfer tube 43 of a boiler body 40 is provided in the flue 28 .
  • An exhaust gas treatment system 30 is connected to the outlet of the flue 28 .
  • the air ratio between the fuel supplied to the high-temperature reduction zone 21 and the air for the first-stage combustion is maintained at less than 1 (for example, about 0.7).
  • the high temperature reduction zone 21 covered with the refractory material 25 is less susceptible to temperature drop in the furnace than the rest of the furnace.
  • the high-temperature reduction zone 21 has a high-temperature reduction atmosphere of about 1500° C. on average (an air-deficient atmosphere in which the amount of air is lower than the theoretical amount of air), and the gasification of the fuel is promoted in the high-temperature reduction zone 21. .
  • the fuel is gasified to generate combustion gas.
  • the resulting combustion gas flows through the throttle 23 into the low temperature oxidation zone 22 .
  • the second stage combustion air supplied from the air nozzle 26 to the low temperature oxidation zone 22 maintains the air ratio of the low temperature oxidation zone 22 at 1 or more (for example, about 1.1).
  • the low-temperature oxidation zone 22 has an oxidizing atmosphere, and the combustion of the combustion gas is promoted in the low-temperature oxidation zone 22 .
  • the burner 5 provided in the boiler 10 configured as described above is a co-combustion burner that uses a solid fuel as a main fuel and a hydrogen-containing gaseous fuel as an auxiliary fuel.
  • Solid fuels are fossil fuels in powder or granular form, for example pulverized coal.
  • ammonia gas containing hydrogen and nitrogen is used as the gas fuel.
  • hydrogen gas or by-product gas generated in a plant may be used as the gas fuel.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the burner 5 according to the present disclosure
  • FIG. 3 is an enlarged view of the vicinity of the fuel ejection port 71a of the burner 5 in FIG.
  • FIG. 4 is a view of the burner 5 shown in FIG. 2 as seen from the axial direction X of the burner.
  • the burner 5 comprises a multi-tube 7 made up of a plurality of tubes arranged coaxially about a given burner axis 70 .
  • the extending direction of the burner axis 70 is called "burner axis direction X".
  • the multiplex tube 7 includes an inner tube 71 extending in the burner axial direction X and a plurality of outer tubes (that is, a first outer tube 91, a second outer tube 72, and a third outer tube 73) arranged outside the inner tube 71. )including.
  • the inner tube 71 is supplied with powdery solid fuel and carrier air that carries the solid fuel.
  • the carrier air becomes primary air (primary combustion air).
  • a circumferentially continuous first flame stabilization plate 77 is provided at the downstream end of the inner pipe 71 .
  • the first flame stabilization plate 77 expands in diameter like a trumpet as it progresses toward the downstream end of the inner tube 71 .
  • a fuel ejection port 71 a is formed at the downstream end of the inner pipe 71 by the first flame stabilization plate 77 .
  • a mixture 51 of solid fuel and carrier air is ejected from the fuel ejection port 71a.
  • a swirl adjustment plate 711 is provided inside the downstream end of the inner pipe 71 and upstream of the first flame stabilization plate 77 .
  • a dispersing vane 713 is provided in the inner tube 71 and upstream of the swirl adjusting plate 711 .
  • a heavy oil burner 79 through which the burner axis 70 passes is inserted in the axial center of the inner tube 71 .
  • the downstream end of the heavy oil burner 79 is located near the downstream end of the inner pipe 71 . Therefore, the cross section of the flow path at the downstream end of the inner tube 71 has an annular shape (which can also be rephrased as a donut shape) centering on the burner axis 70 .
  • a first outer tube 91 is provided on the outer periphery of the inner tube 71 . Between the inner tube 71 and the first outer tube 91, a first flow path 91f having an annular flow path cross section is formed. Gas fuel 90 is supplied to the first flow path 91f from a gas fuel source. Also, the gas supplied to the first flow path 91f may be selectively switched between gas fuel 90 and combustion air.
  • the gas fuel outlet 91a which is the downstream end of the first flow path 91f, is an annular opening positioned on the outer peripheral side of the fuel ejection port 71a of the inner pipe 71, in other words, an opening continuous in the circumferential direction.
  • the gas fuel 90 is ejected from the gas fuel outlet 91a.
  • a gas fuel guide 91b is provided that expands in diameter like a trumpet as it goes downstream.
  • the downstream end of the gas fuel guide 91 b may be located upstream or downstream of the downstream end of the first flame stabilization plate 77 .
  • the downstream end of the gas fuel guide 91b faces the inner peripheral side of the burner axial direction X, so that the gas fuel 90 blown from the gas fuel outlet 91a approaches the air-fuel mixture 51 blown from the inner pipe 71, in other words. is guided radially inward.
  • a second outer tube 72 is provided around the outer circumference of the first outer tube 91 . Between the second outer tube 72 and the first outer tube 91, a second flow path 72f having an annular cross section is formed. Secondary air 52 (secondary combustion air) is supplied to the second flow path 72f.
  • the secondary air outlet 72a which is the downstream end of the second flow path 72f, is located on the outer peripheral side of the gas fuel outlet 91a, and blows off the secondary air 52 on the outer peripheral side of the gas fuel 90 blown from the gas fuel outlet 91a.
  • a third outer tube 73 is provided on the outer circumference of the second outer tube 72 . Between the third outer tube 73 and the second outer tube 72, a third flow path 73f having an annular cross section is formed. Thus, in the burner 5 , triple passages are formed on the outer circumference of the inner tube 71 by the multiple tubes 7 .
  • Tertiary air 53 (tertiary combustion air) is supplied from the wind box to the third flow path 73f.
  • the tertiary air outlet 73a which is the downstream end of the third flow path 73f, is positioned on the outer peripheral side of the secondary air outlet 72a, and blows off the tertiary air 53 on the outer peripheral side of the secondary air 52 ejected from the secondary air outlet 72a.
  • a second flame stabilization plate 72b is provided at the downstream end of the second outer tube 72, the diameter of which expands like a trumpet toward the downstream side.
  • the downstream end of the gas fuel guide 91b may be upstream or downstream of the downstream end of the second flame stabilization plate 72b.
  • an outer guide 73b is provided at the opening edge of the downstream end of the third outer tube 73, the outer guide 73b increasing in diameter like a trumpet toward the downstream side.
  • the secondary air 52 ejected from the secondary air outlet 72a is guided radially outward away from the air-fuel mixture 51 ejected from the inner pipe 71 by the first flame stabilization plate 77 and the second flame stabilization plate 72b.
  • the tertiary air 53 ejected from the third outer tube 73 is guided radially outward away from the secondary air 52 ejected from the second outer tube 72 by the second flame stabilization plate 72b and the outer guide 73b.
  • the mixed gas 51 of solid fuel and primary air supplied to the inner tube 71 is ejected as a swirl flow from the fuel ejection port 71a by the action of the dispersion vanes 713 and the swirl adjustment plate 711 .
  • secondary air 52 is blown out from the secondary air outlet 72a
  • tertiary air 53 is blown out from the tertiary air outlet 73a, on the outer peripheral side of the fuel ejection port 71a.
  • the secondary air 52 is blown out so as to expand radially outward around the burner axis 70 by the action of the gas fuel guide 91b and the second flame stabilization plate 72b.
  • the tertiary air 53 is blown out so as to expand radially outward due to the action of the second flame stabilization plate 72b and the outer guide 73b.
  • a circulating vortex 55 is generated due to a decrease in pressure. High temperature combustion gas stays in the circulation vortex 55 .
  • an outer circulation vortex 55a and an inner circulation vortex 55b radially inner than the outer circulation vortex 55a are formed.
  • Each of the outer circulating vortex 55a and the inner circulating vortex 55b is composed of a forward flow toward the downstream side and a reverse flow returning toward the upstream side.
  • the swirl of the tertiary air 53 forms the circulation area 50 radially inside the circulation vortex 55 .
  • a circulation flow is generated in which the jet flow of the air-fuel mixture 51 ejected from the fuel ejection port 71a is returned toward the fuel ejection port 71a, and the hot combustion gas and the unburned circulation gas are constantly exchanged.
  • the volatile components of the solid fuel in the air-fuel mixture 51 are quickly combusted, and the circulation vortex 55 generates an outer peripheral ignition flame.
  • Combustion occurs by mixing the combustion air and the air-fuel mixture 51 step by step in the order of the secondary air 52 and the tertiary air 53 .
  • the burner 5 it is possible to switch between single combustion of solid fuel and mixed combustion of solid fuel and gas fuel.
  • the combustion air is supplied to the first flow path 91f, or the supply of the gas fuel to the first flow path 91f is stopped.
  • the gas fuel 90 is supplied to the first flow path 91f, and the gas fuel 90 blows out from the gas fuel outlet 91a. In the burner 5 , such switching between mono-firing and mixed-firing can be performed without stopping the operation of the boiler 10 .
  • the flow of the gas fuel 90 blown out from the gas fuel outlet 91a merges with the outermost flow of the circulation vortex 55, that is, the forward flow toward the downstream side due to the action of the gas fuel guide 91b. As a result, the gas fuel 90 is taken into the circulation vortex 55, which is the starting point of ignition, so that the gas fuel 90 can be efficiently burned.
  • the burner 5 is A multiplex tube 7 including an inner tube 71 arranged coaxially around a burner axis 70 and a plurality of outer tubes 91 , 72 , 73 arranged outside the inner tube 71 is provided.
  • the multi-pipe 7 a fuel ejection port 71a disposed at the downstream end of the inner pipe 71 and ejecting the mixture 51 of the main fuel and the primary combustion air supplied to the inner pipe 71; a secondary air outlet 72a arranged on the outer periphery of the fuel ejection port 71a for blowing out the secondary combustion air 52 supplied between the plurality of outer tubes 91 and 72;
  • a gas fuel 90 as an auxiliary fuel is arranged between the fuel injection port 71a and the secondary air outlet 72a and is supplied between the inner pipe 71 and the plurality of outer pipes 91, 72, 73, and the air-fuel mixture 51. It is characterized by having an annular gas fuel outlet 91 a that blows out toward the boundary portion of the flow of the subsequent combustion air 52 .
  • the gas fuel 90 emitted from the gas fuel outlet 91a disposed between the fuel ejection port 71a and the secondary air outlet 72a is combined with the flow of the mixture 51 and the flow of the secondary air 52. flows toward the circulation vortex 55 generated at the boundary of the , and merges with the flow of the circulation vortex 55.
  • the gas fuel outlet 91a is an annular opening surrounding the fuel ejection port 71a, compared with the case where the gas fuel outlet is one or a plurality of small diameter nozzles, when supplying the same amount of gas fuel 90, the gas The blowing speed of the fuel 90 can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the circulation vortex 55 from being disturbed by the confluence of the gas fuel 90 and the slowdown of the combustion reaction in the circulation vortex 55 due to the temperature drop of the circulation vortex 55 .
  • the burner 5 may be provided with a gas fuel guide 91b that guides the gas fuel 90 blown out from the gas fuel outlet 91a toward the circulation vortex 55 generated at the boundary between the flow of the air-fuel mixture 51 and the secondary air 52.
  • a gas fuel guide 91b guides the gas fuel 90 so as to contact the downstream flow of the circulation vortex 55 .
  • the gas fuel guide 91 b guides the flow of the gas fuel 90 so as to come into contact with the forward flow toward the downstream side of the circulation vortex 55 , so that the gas fuel 90 moves toward the circulation vortex 55 are taken into the circulation vortex 55 without disturbing the flow of the
  • the gas fuel outlet 91 a may be switchable so as to blow out combustion air instead of the gas fuel 90 .
  • the burner 5 can be switched between combustion of only the main fuel and combustion of the main fuel and the auxiliary fuel.
  • the main fuel may be gas fuel or liquid fuel.
  • the main fuel and the auxiliary fuel may be the same type of fuel.
  • the gas fuel 90 may be ammonia gas.
  • the combustion furnace 2 includes a high temperature reduction zone 21 with a reducing atmosphere provided with at least one burner 5 as described above, and a high temperature reduction zone 21 into which the combustion gas generated in the high temperature reduction zone 21 flows.
  • a low temperature oxidation zone 22 having a lower temperature and an oxidizing atmosphere.
  • the solid fuel and the nitrogen-rich gas fuel are co-combusted in the high-temperature reduction zone 21, so that NOx generated from the nitrogen contained in the solid fuel and the gas fuel is produced in the furnace. Denitrification is performed, and NOx emissions can be suppressed. Furthermore, the combustion efficiency can be improved because the water gasification reaction in which the water produced from the hydrogen contained in the solid fuel and/or the gas fuel is converted into active gas occurs. Here, if the gas fuel is ammonia gas, a large amount of water undergoing the water-gasification reaction is generated, so the combustion efficiency can be further improved.

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Abstract

バーナは、バーナ軸線を中心として同軸に配置された内管と当該内管の外側に配置された複数の外管とを含む多重管を備える。多重管が、内管の下流端に配置されて、内管へ供給された主燃料及び一次燃焼用空気の混合気を噴出する燃料噴出口と、燃料噴出口の外周に配置されて、複数の外管同士の間へ供給された二次燃焼用空気を吹き出す二次空気出口と、燃料噴出口と二次空気出口の間に配置されて、内管と複数の外管との間へ供給された補助燃料としてのガス燃料を混合気と二次燃焼用空気の流れの境界部分へ向けて吹き出す環状のガス燃料出口とを有する。

Description

バーナ及び燃焼炉
　本開示は、ガス燃料を補助燃料として用いるバーナ及び当該バーナを備える燃焼炉に関する。
　二酸化炭素（ＣＯ２）削減の時流から、火力ボイラにおいて二酸化炭素を発生させないＣＯ２フリー燃料の使用が求められている。このような燃料として、水素リッチなガス燃料である水素（Ｈ２）やアンモニア（ＮＨ３）が例示される。例えば、特許文献１では、固体燃料とアンモニアとを混焼可能なバーナが開示されている。
　特許文献１のバーナは、微粉炭などの固体燃料と該固体燃料の搬送ガスとの混合気を噴き出す燃料供給ノズルと、燃料供給ノズルの外側に配置されて、燃焼用空気を混合気から径方向外側へ分離して噴き出す空気ノズルと、燃料供給ノズルの出口よりも下流側からアンモニアガスを噴き出すアンモニア供給ノズルとを備える。アンモニア供給ノズルは、燃料供給ノズルの出口の直ぐ下流側において燃料の燃焼によって酸素が消費されて低酸素濃度となった還元領域（一次燃焼領域）に向けて、アンモニアガスを供給する。
特開２０１９－２０３６３１号公報
　特許文献１に開示されたバーナ構造では、最も強い高温還元領域が形成されるのは、燃料供給ノズルの出口と空気ノズルの出口の間の前方であり、ここでは混合気とその外周の二次空気及び三次空気の流れによって循環渦が形成される。この循環渦内は可燃成分や熱が蓄えられるため、燃焼しやすい条件が維持され、着火の起点となるとともに、循環渦内及び循環渦の下流に高温還元領域が形成される。従って、特許文献１のようにアンモニアを一次燃焼領域へ向けて噴出するよりも、アンモニアなどのガス燃料を循環渦へ向けて噴出することが、燃焼効率を高めるうえで有利であると考えられる。一方で、循環渦へ向けてガス燃料を噴出する場合、ガス燃料の流速が増えると、ガス燃料の噴流によって循環渦の流れが乱されることや、未反応のガス燃料の流入による循環渦の温度低下によって循環渦内の燃焼反応が抑制されることが懸念される。
　本開示は以上の事情に鑑みてされたものであり、ガス燃料を補助燃料として用いるバーナにおいて、循環渦を乱したり循環渦中の燃焼反応を低下させたりすることを抑制しつつ、ガス燃料の燃焼効率を高め得る構造を提案することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るバーナは、
バーナ軸線を中心として同軸に配置された内管と当該内管の外側に配置された複数の外管とを含む多重管を備え、
前記多重管が、
前記内管の下流端に配置されて、前記内管へ供給された主燃料及び一次燃焼用空気の混合気を噴出する燃料噴出口と、
前記燃料噴出口の外周に配置されて、前記複数の外管同士の間へ供給された二次燃焼用空気を吹き出す二次空気出口と、
前記燃料噴出口と前記二次空気出口の間に配置されて、前記内管と前記複数の外管との間へ供給された補助燃料としてのガス燃料を前記混合気と前記二次燃焼用空気の流れの境界部分へ向けて吹き出す環状のガス燃料出口とを有することを特徴としている。
　また、本開示の一態様に係る燃焼炉は、
少なくとも１つの上記バーナが設けられた、還元雰囲気の高温還元ゾーンと、
前記高温還元ゾーンで生じた燃焼ガスが流入する、前記高温還元ゾーンよりも低温且つ酸化雰囲気の低温酸化ゾーンと、を備えることを特徴としている。
　上記した本開示の一態様によれば、ガス燃料を補助燃料として用いるバーナにおいて、循環渦を乱したり循環渦中の燃焼反応を低下させたりすることを抑制しつつ、ガス燃料の燃焼効率を高め得る構造を提案できる。
図１は、本開示の一実施形態に係るバーナを備えるボイラの概略構成を示す図である。 図２は、本開示に係るバーナの概略断面図である。 図３は、図２に示すバーナの一部拡大図である。 図４は、図２に示すバーナをバーナ軸線方向から見た図である。
　以下、図面を参照して本開示の実施の形態を説明する。まず、本開示の一実施形態に係るバーナ５を備えるボイラ１０の概略構成から説明する。
〔ボイラ１０の概略構成〕
　図１は、本開示の一実施形態に係るバーナ５を備えるボイラ１０の概略構成を示す図である。図１に示すボイラ１０は、燃料を燃焼する燃焼炉２と、その燃焼熱を利用して蒸気を生成するボイラ本体４０及び過熱器４２とを備える。ボイラ１０は、微粉炭焚きの火力ボイラであって、粉体又は粒体状の化石燃料（固体燃料）を主燃料とする。但し、本開示に係るバーナ５が適用されるボイラは、微粉炭焚きボイラに限定されず、微粉炭及びバイオマスを主燃料とする混焼ボイラ、石油残渣を主燃料とする石油残渣焚きボイラなどであってもよい。
　燃焼炉２の内部には竪型の燃焼室２０が形成されている。本実施形態に係る燃焼炉２は倒立式の竪型炉であって、燃焼室２０の上部には高温還元ゾーン２１が形成され、燃焼室２０の下部には低温酸化ゾーン２２が形成され、高温還元ゾーン２１と低温酸化ゾーン２２との間には絞り部２３が設けられている。但し、燃焼炉２は、燃焼室２０の下部に高温還元ゾーン２１が形成され、燃焼室２０の上部に低温酸化ゾーン２２が形成された竪型炉であってもよい。或いは、本開示に係るバーナ５が適用される燃焼炉２は、竪型炉以外の態様の燃焼炉であってもよい。
　燃焼炉２の内壁のうち高温還元ゾーン２１を形成している部分は耐火材２５で覆われている。燃焼炉２の下部の炉壁には、高温還元ゾーン２１へ燃料及び一段目燃焼用の空気を吹き出す複数のバーナ５が設けられている。各バーナ５から燃焼室２０内へ燃料及び空気の混合気が吹き出して、火炎が生じる。複数のバーナ５は、対向する一対の炉壁の各々に設けられている。各炉壁には上下方向に少なくとも１段のバーナ段が設けられており、各バーナ段は水平方向に並ぶ複数のバーナ５で形成されている。このように対向配置された複数のバーナ５は、各バーナ５のバーナ軸線が交差しないように対向千鳥配置されている。
　高温還元ゾーン２１の出口は、絞り部２３を介して低温酸化ゾーン２２の入口と接続されている。絞り部２３の最も小さい水平断面積は、高温還元ゾーン２１の水平断面積の２０～５０％程度である。
　燃焼炉２の上部の炉壁には、複数の空気ノズル２６が設けられている。各空気ノズル２６から低温酸化ゾーン２２へ二段目燃焼用の空気が吹き出す。本実施形態では、上下方向に複数段の空気ノズル段が設けられており、各空気ノズル段は水平方向に並ぶ複数の空気ノズル２６で形成されている。低温酸化ゾーン２２のうち絞り部２３と複数の空気ノズル２６との上下間は冷却部２４となっている。冷却部２４の炉壁は、ボイラ本体４０の水管が張り巡らされた水冷壁となっている。
　低温酸化ゾーン２２の出口１１は煙道２８の入口と接続されている。煙道２８には、ボイラ本体４０の伝熱管４３が設けられている。煙道２８の出口には排ガス処理系統３０が接続されている。
　上記構成のボイラ１０において、高温還元ゾーン２１に供給される燃料と一段目燃焼用の空気との空気比は、１未満（例えば０．７程度）に維持される。その上、耐火材２５で覆われた高温還元ゾーン２１は、炉の他の部分と比較して炉内温度が下がりにくい。これにより、高温還元ゾーン２１は平均約１５００℃の高温の還元雰囲気（空気量が理論空気量よりも低い空気不足の雰囲気）となっており、高温還元ゾーン２１では燃料のガス化が促進される。
　高温還元ゾーン２１では、燃料がガス化して燃焼ガスが生じる。生じた燃焼ガスは、絞り部２３を通じて低温酸化ゾーン２２に流入する。空気ノズル２６から低温酸化ゾーン２２へ供給される二段目燃焼用の空気によって、低温酸化ゾーン２２の空気比は１以上（例えば、１．１程度）に維持される。これにより、低温酸化ゾーン２２は酸化雰囲気となっており、低温酸化ゾーン２２では燃焼ガスの燃焼が促進される。
　低温酸化ゾーン２２では、燃焼ガス中の未燃分の燃焼が完結する。低温酸化ゾーン２２からの燃焼排ガスは、煙道２８を通じて排ガス処理系統３０へ流出する。煙道２８や炉壁に設けられた伝熱管４３で燃焼排ガスの熱が回収され、ボイラ本体４０で蒸気が生成される。生成された蒸気は、例えば、発電設備の蒸気タービンで利用される。
〔バーナ５〕
　上記構成のボイラ１０に備わるバーナ５は、固体燃料を主燃料とし、水素分を含むガス燃料を補助燃料として利用する混焼バーナである。固体燃料は、例えば微粉炭などの、粉体又は粒体状の化石燃料である。本実施形態ではガス燃料として、水素分と窒素分とを含むアンモニアガスが採用されている。但し、ガス燃料として、水素ガスや、プラントで発生する副生ガスが採用されてもよい。
　図２は、本開示に係るバーナ５の概略断面図であり、図３は、図２のバーナ５の燃料噴出口７１ａ近傍の拡大図である。図４は、図２に示すバーナ５をバーナ軸線方向Ｘから見た図である。図２、図３、及び図４に示すように、バーナ５は、所定のバーナ軸線７０を中心として同軸に配置された複数の管からなる多重管７を備える。このバーナ軸線７０の延伸方向を「バーナ軸線方向Ｘ」と称する。多重管７は、バーナ軸線方向Ｘに延びる内管７１と、内管７１の外側に配置された複数の外管（即ち、第１外管９１、第２外管７２、及び第３外管７３）を含む。
　内管７１には、粉末状の固体燃料と当該固体燃料を搬送する搬送空気とが供給される。搬送空気は、一次空気(一次燃焼用空気)となる。内管７１の下流端には、周方向に連続する第１保炎板７７が設けられている。第１保炎板７７は、内管７１の下流端へ進むに従ってラッパ状に拡径する。第１保炎板７７によって内管７１の下流端に燃料噴出口７１ａが形成されている。燃料噴出口７１ａからは、固体燃料及び搬送空気から成る混合気５１が噴出する。
　内管７１の下流端内部であって、第１保炎板７７の上流側には、旋回調整板７１１が設けられている。内管７１内であって、旋回調整板７１１よりも上流側には分散羽根７１３が設けられている。
　内管７１の軸心部には、バーナ軸線７０が通る重油バーナ７９が挿入されている。重油バーナ７９の下流側端部は内管７１の下流側端部の近傍に位置する。そのため、内管７１の下流端の流路断面は、バーナ軸線７０を中心とする円環状（ドーナツ状とも換言できる）となっている。
　内管７１の外周には、第１外管９１が設けられている。内管７１と第１外管９１との間には、流路断面が環状の第１流路９１ｆが形成されている。第１流路９１ｆには、ガス燃料源からガス燃料９０が供給される。また、第１流路９１ｆへ供給される気体は、ガス燃料９０と燃焼用空気との間で選択的に切り替えられてもよい。
　第１流路９１ｆの下流端であるガス燃料出口９１ａは、内管７１の燃料噴出口７１ａの外周側に位置する環状の開口、換言すれば、円周方向に連続した開口である。内管７１から噴出する混合気５１の外周側において、ガス燃料出口９１ａからガス燃料９０が吹き出す。
　第１外管９１の下流端には、下流側に進むに従ってラッパ状に拡径するガス燃料ガイド９１ｂが設けられている。ガス燃料ガイド９１ｂの下流端は、第１保炎板７７の下流端よりも上流側、又は、下流側にあってよい。ガス燃料ガイド９１ｂの下流端はバーナ軸線方向Ｘよりも内周側へ向いており、これによりガス燃料出口９１ａから吹き出すガス燃料９０は、内管７１から噴き出す混合気５１に近づくように、換言すれば、径方向内側へ向かうように誘導される。
　第１外管９１の外周には、第２外管７２が設けられている。第２外管７２と第１外管９１との間には、流路断面が環状の第２流路７２ｆが形成されている。第２流路７２ｆには、二次空気５２（二次燃焼用空気）が供給される。第２流路７２ｆの下流端である二次空気出口７２ａは、ガス燃料出口９１ａの外周側に位置し、ガス燃料出口９１ａから吹き出すガス燃料９０の外周側において二次空気５２を吹き出す。
　第２外管７２の外周には第３外管７３が設けられている。第３外管７３と第２外管７２の間には、流路断面が環状の第３流路７３ｆが形成されている。このように、バーナ５には、多重管７によって、内管７１の外周に三重の流路が形成されている。第３流路７３ｆには、風箱から三次空気５３（三次燃焼用空気）が供給される。第３流路７３ｆの下流端である三次空気出口７３ａは、二次空気出口７２ａの外周側に位置し、二次空気出口７２ａから噴出する二次空気５２の外周側において三次空気５３を吹き出す。
　第２外管７２の下流端には、下流側に進むに従ってラッパ状に拡径する第２保炎板７２ｂが設けられている。ガス燃料ガイド９１ｂの下流端は、第２保炎板７２ｂの下流端よりも上流側又は下流側にあってよい。更に、第３外管７３の下流端の開口縁には、下流側に進むに従ってラッパ状に拡径する外側ガイド７３ｂが設けられている。第１保炎板７７及び第２保炎板７２ｂによって、二次空気出口７２ａから噴出する二次空気５２は、内管７１から噴き出す混合気５１から径方向外側へ離れるように誘導される。また、第２保炎板７２ｂ及び外側ガイド７３ｂによって、第３外管７３から噴出する三次空気５３は、第２外管７２から噴き出す二次空気５２から径方向外側へ離れるように誘導される。
　上記構成のバーナ５では、内管７１へ供給された固体燃料と一次空気の混合気５１が、分散羽根７１３及び旋回調整板７１１の作用によって燃料噴出口７１ａから旋回流れとして噴出する。また、燃料噴出口７１ａの外周側において、二次空気出口７２ａから二次空気５２が吹き出し、三次空気出口７３ａから三次空気５３が吹き出す。二次空気５２は、ガス燃料ガイド９１ｂ及び第２保炎板７２ｂの作用によって、バーナ軸線７０を中心として径方向外側へ広がるように吹き出す。同様に、三次空気５３は、第２保炎板７２ｂ及び外側ガイド７３ｂの作用によって、径方向外側へ広がるように吹き出す。
　混合気５１の流れと二次空気５２の流れの境界部分では、圧力の低下により循環渦５５が生じる。循環渦５５内には高温の燃焼ガスが滞留する。本実施形態では、図３に示すように、外循環渦５５ａと、外循環渦５５ａよりも径方向内側の内循環渦５５ｂとが形成されている。外循環渦５５ａ及び内循環渦５５ｂの各々は、下流側へ向かう順流と、上流側へ戻ってくる逆流によって構成されている。三次空気５３の旋回によって、循環渦５５の径方向内側に循環領域５０が形成される。循環領域５０では、燃料噴出口７１ａから出た混合気５１の噴出流を燃料噴出口７１ａへ向けて戻す循環流が生じ、高温の燃焼ガスと未燃の循環ガスとの交換が絶えず行われる。これにより、混合気５１中の固体燃料の揮発成分が速やかに燃焼して、循環渦５５で外周着火炎が生じる。更に、二次空気５２、三次空気５３の順に段階的に燃焼用空気と混合気５１とが混合されることによって燃焼が生じる。
　バーナ５では、固体燃料の専焼と、固体燃料及びガス燃料の混焼とを切り替えることができる。固体燃料の専焼時には、第１流路９１ｆへ燃焼用空気が供給される、又は、第１流路９１ｆへのガス燃料の供給が停止される。固体燃料及びガス燃料の混焼時には、第１流路９１ｆへガス燃料９０が供給され、ガス燃料９０がガス燃料出口９１ａから吹き出す。バーナ５では、このような専焼と混焼との切替を、ボイラ１０の運転を停止することなく行うことができる。
　ガス燃料出口９１ａから吹き出したガス燃料９０の流れは、ガス燃料ガイド９１ｂの作用によって、循環渦５５の最も外側の流れ、即ち、下流側へ向かう順流の流れと合流する。これにより、ガス燃料９０は着火の起点である循環渦５５内に取り込まれ、ガス燃料９０を効率的に燃焼させることができる。
〔総括〕
　以上に説明したように、本開示の一態様に係るバーナ５は、
バーナ軸線７０を中心として同軸に配置された内管７１と当該内管７１の外側に配置された複数の外管９１，７２，７３とを含む多重管７を備える。
そして、多重管７が、
内管７１の下流端に配置されて、内管７１へ供給された主燃料及び一次燃焼用空気の混合気５１を噴出する燃料噴出口７１ａと、
燃料噴出口７１ａの外周に配置されて、複数の外管９１，７２同士の間へ供給された二次燃焼用空気５２を吹き出す二次空気出口７２ａと、
燃料噴出口７１ａと二次空気出口７２ａの間に配置されて、内管７１と複数の外管９１，７２，７３との間へ供給された補助燃料としてのガス燃料９０を混合気５１と二次燃焼用空気５２の流れの境界部分へ向けて吹き出す環状のガス燃料出口９１ａとを有することを特徴としている。
　上記構成のバーナ５によれば、燃料噴出口７１ａと二次空気出口７２ａの間に配置されたガス燃料出口９１ａから出たガス燃料９０は、混合気５１の流れと二次空気５２の流れとの境界に生じる循環渦５５へ向けて流れ、循環渦５５の流れと合流する。ガス燃料出口９１ａは燃料噴出口７１ａを包囲する環状の開口であるから、仮にガス燃料出口が１又は複数の小径ノズルである場合と比較して、同量のガス燃料９０を供給するに際し、ガス燃料９０の吹出速度を抑えることができる。よって、ガス燃料９０の合流により循環渦５５が乱されたり、循環渦５５の温度低下によって循環渦５５内の燃焼反応が鈍化したりすることを抑制することができる。
　上記のバーナ５は、ガス燃料出口９１ａから吹き出すガス燃料９０を、混合気５１と二次空気５２の流れの境界部分に生じる循環渦５５へ向けて案内するガス燃料ガイド９１ｂを備えていてよい。ここで、ガス燃料ガイド９１ｂは、ガス燃料９０を循環渦５５の下流側へ向かう順流の流れと当接するように案内することが、更に望ましい。
　ガス燃料９０が循環渦５５の上流側へ向かう逆流の流れに当接するように吹き出すと、ガス燃料９０の流れによって循環渦５５が乱されるおそれがある。これに対し、本開示に係るバーナ５では、ガス燃料ガイド９１ｂがガス燃料９０の流れを循環渦５５の下流側へ向かう順流の流れと当接するように案内するので、ガス燃料９０は循環渦５５の流れを乱すことなく循環渦５５に取り込まれる。
　上記のバーナ５において、ガス燃料出口９１ａはガス燃料９０に代えて燃焼用空気を吹き出すように切替可能であってよい。
　上記構成のバーナ５によれば、バーナ５を主燃料のみの燃焼と、主燃料及び補助燃料の燃焼とを切り替えることができる。なお、上記実施形態では、主燃料として固体燃料が用いられているが、主燃料はガス燃料又は液体燃料であってもよい。また、主燃料と補助燃料とが同種の燃料であってもよい。或いは、上記構成のバーナ５において、ガス燃料９０がアンモニアガスであってよい。
　また、本開示に係る燃焼炉２は、少なくとも１つの上記のバーナ５が設けられた、還元雰囲気の高温還元ゾーン２１と、高温還元ゾーン２１で生じた燃焼ガスが流入する、高温還元ゾーン２１よりも低温且つ酸化雰囲気の低温酸化ゾーン２２と、を備える。
　上記構成の燃焼炉２によれば、高温還元ゾーン２１で固体燃料と窒素分を多く含むガス燃料との混焼が行われることにより、固体燃料及びガス燃料に含まれる窒素分から生成するＮＯｘの炉内脱硝が行われ、ＮＯｘの排出を抑えることができる。更に、固体燃料及び／又はガス燃料に含まれる水素分から生成された水が活性ガスに変換される水性ガス化反応が生じることから燃焼効率を向上させることができる。ここで、ガス燃料がアンモニアガスであれば、水性ガス化反応する水が多く発生するので、燃焼効率を更に向上させることができる。
　本開示の前述の説明は、例示及び説明の目的で提示されたものであり、本開示を本明細書に開示される形態に限定することを意図するものではない。例えば、前述の詳細な説明では、本開示の様々な特徴は、本開示を合理化する目的で１つの実施形態にまとめられている。但し、本開示に含まれる複数の特徴は、上記で論じたもの以外の代替の実施形態、構成、又は態様に組み合わせることができる。

Claims (6)

  1. 　バーナ軸線を中心として同軸に配置された内管と当該内管の外側に配置された複数の外管とを含む多重管を備え、
    　前記多重管が、
    前記内管の下流端に配置されて、前記内管へ供給された主燃料及び一次燃焼用空気の混合気を噴出する燃料噴出口と、
    前記燃料噴出口の外周に配置されて、前記複数の外管同士の間へ供給された二次燃焼用空気を吹き出す二次空気出口と、
    前記燃料噴出口と前記二次空気出口の間に配置されて、前記内管と前記複数の外管との間へ供給された補助燃料としてのガス燃料を前記混合気と前記二次燃焼用空気の流れの境界部分へ向けて吹き出す環状のガス燃料出口とを有する、
    バーナ。
  2. 　前記ガス燃料出口から吹き出す前記ガス燃料を、前記混合気と前記二次燃焼用空気の流れの境界部分に生じる循環渦へ向けて案内するガス燃料ガイドを備える、
    請求項１に記載のバーナ。
  3. 　前記ガス燃料ガイドは、前記ガス燃料を前記循環渦のうち下流側へ向かう順流の流れと当接するように案内する、
    請求項２に記載のバーナ。
  4. 　前記ガス燃料出口は、前記ガス燃料に代えて燃焼用空気を吹き出すように切替可能である、
    請求項１～３のいずれか一項に記載のバーナ。
  5. 　前記ガス燃料がアンモニアガスである、
    請求項１～４のいずれか一項に記載のバーナ。
  6. 　少なくとも１つの請求項１～５のいずれか一項に記載のバーナが設けられた、還元雰囲気の高温還元ゾーンと、
    　前記高温還元ゾーンで生じた燃焼ガスが流入する、前記高温還元ゾーンよりも低温且つ酸化雰囲気の低温酸化ゾーンと、を備える、
    燃焼炉。
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