本発明は、石炭やバイオマス等を燃料とする固体燃料バーナに関する。

固体燃料を用いた燃焼装置において、安定した着火や保炎を達成するためには、バーナ出口の保炎部に十分な濃度の燃料を含む混合流体(燃料及びその搬送気体との混合流体)を供給することが要求される。バーナ内部で固体燃料の濃縮を図る従来技術としては、下記特許文献1及び特許文献2がある。

特許文献1には、固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する、曲管部と直管部を有する微粉炭管において、曲管部の直後に、流路を中心軸寄りに絞る絞り部を設け、直管部の出口手前の旋回器(スワラ)により旋回をかけて火炉に噴出、燃焼する微粉炭バーナが開示されている。

特許文献2には、図21に示すような微粉炭バーナ21が開示されている。固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する、曲管部25と直管部22を有する微粉炭供給管29において、直管部22の中心軸には液体燃料噴射管28が設けられ、微粉炭供給管29の周囲には二次空気供給管23と三次空気供給管24が配置され、火炉13に向かって二次空気流と三次空気流が供給される。更に、曲管部25の混合流体の流れの下流に旋回羽根26を設けることで周方向の微粉炭濃度を均一にし、バーナ出口近傍に旋回度調整羽根27を設置して流れの旋回強度を低減し、直進流に近くすることで微粉炭の火炎の着火性を向上させる構成が開示されている。

特許平2−50008号公報

特許第2756098号公報

前記特許文献1に記載の構成によれば、出口部手前の旋回器により混合流体に旋回をかけることで、火炉内に分散させて、着火性や保炎性を確保しているが、混合流体が炉内に過度に広がると、二次空気や三次空気等の燃焼用空気と早期に混合して窒素酸化物(NOx)の低減化には不利となる。

前記特許文献2に記載の構成によれば、微粉炭供給管の曲がり部付近の旋回羽根と出口付近の調整羽根によって、炉内に投入する混合流体を最適な旋回度に調整できる。 一方、微粉炭は、混合流体の流れ場中で微粉炭の局所濃度が濃い部分から着火して、周囲に火炎が燃え広がる。即ち、微粉炭の着火性を向上させるためには、流れ場中に局所的に微粉炭濃度が濃い部分を作る必要がある。これは、特に微粉炭の平均濃度が低い低負荷時の燃焼安定性を向上させるために重要である。

従って、混合流体中の微粉炭濃度はある程度不均一なほうが良く、バーナの開口縁部(燃料ノズルの端縁部)又は、そこに設けた保炎器に微粉炭濃度の濃い部分が形成されるようにすることで着火性が高まり、より低い負荷でも安定燃焼させることができる。

しかしながら、前記特許文献2では周方向の微粉炭濃度を均一にすることに主眼が置かれており、特段に低い負荷の場合には周方向で均等に着火下限濃度を下回ることになる場合もある。その結果、火炎の着火が困難となり、安定燃焼が維持できなくなる。

また、特許文献2の調整羽根は、微粉炭供給管の軸心とほぼ平行をなすように複数の羽根が管の内壁に取り付けられた整流板であるため、板の軸心方向の長さがある程度ないと、旋回度を低減するための作用は得られず、羽根の大型化、ひいてはバーナの大型化を招く。更に、旋回羽根と調整羽根の設置や取り付けにも手間が掛かるため、メンテナンス性や設置コストの面でも好ましくない。

本発明の課題は、燃料濃度の低い低負荷時でも着火性、火炎の安定性に優れ、低コストで、メンテナンス性に優れた固体燃料バーナを提供することにある。

上記本発明の課題は、下記の構成を採用することにより達成できる。 請求項1記載の発明は、火炉(13)の壁面のスロート(13a)に設けられた固体燃料バーナ(1)であって、バーナ中心軸周りに設けられ、火炉(13)に向かって開口を有する直管部(2)と、該直管部(2)に連続する曲管部(5)とを備え、曲管部(5)に供給される固体燃料とその搬送気体の混合流体を直管部(2)の開口から火炉(13)に噴出する燃料ノズル(9)と、前記直管部(2)内のバーナ中心軸側に設けられ、混合流体に旋回を与える第一の旋回手段(6)と、前記第一の旋回手段(6)の混合流体の流れ方向下流のバーナ中心軸側に設けられ、混合流体に第一の旋回手段(6)とは逆方向の旋回を与える第二の旋回手段(7)とを設けた固体燃料バーナである。

請求項2記載の発明は、前記直管部(2)の開口外周に保炎器(10)を設けた請求項1記載の固体燃料バーナである。 請求項3記載の発明は、火炉(13)の壁面のスロート(13a)に設けられた固体燃料バーナ(1)であって、バーナ中心軸周りに設けられ、火炉(13)に向かって開口を有する直管部(2)と、該直管部(2)に連続する曲管部(5)とを備え、曲管部(5)に供給される固体燃料とその搬送気体の混合流体を直管部(2)の開口から火炉(13)に噴出する燃料ノズル(9)と、前記直管部(2)内に設けられ、周方向に設置された複数の羽根(6a)から構成され、混合流体に旋回を与える第一旋回器(6)と、前記直管部(2)内の第一旋回器(6)の混合流体の流れ方向下流に設けられ、周方向に設置された複数の羽根(7a)から構成され、前記第一旋回器(6)の羽根(6a)の設置向きとは逆向きに設置された第二旋回器(7)とを設けた固体燃料バーナである。

請求項4記載の発明は、前記直管部(2)の開口外周に保炎器(10)を設けた請求項3記載の固体燃料バーナである。 請求項5記載の発明は、前記第一旋回器(6)及び第二旋回器(7)は、燃料ノズル(9)の内壁から離して設けられている請求項3又は請求項4に記載の固体燃料バーナである。

請求項6記載の発明は、前記第二旋回器(7)の各羽根(7a)のバーナ中心軸方向に対する設置角度が、第一旋回器(6)の各羽根(6a)のバーナ中心軸方向に対する設置角度と同じ又はそれよりも小さくなるように、前記第二旋回器(7)の各羽根(7a)が設置されている請求項3から請求項5の何れか1項に記載の固体燃料バーナである。

請求項7記載の発明は、前記第二旋回器(7)の各羽根(7a)の径方向の長さが、第一旋回器(6)の各羽根(6a)の径方向の長さと同じ又はそれよりも短い請求項3から請求項5の何れか1項に記載の固体燃料バーナである。

請求項8記載の発明は、前記第二旋回器(7)の各羽根(7a)の横幅が、第一旋回器(6)の各羽根(6a)の横幅と同じ又はそれよりも小さい請求項3から請求項5の何れか1項に記載の固体燃料バーナである。

請求項9記載の発明は、前記曲管部(5)内に固体燃料粒子の分散器(14)を設けた請求項1から請求項8の何れか1項に記載の固体燃料バーナである。 請求項10記載の発明は、前記分散器(14)は、バーナ中心軸に設けた油バーナ(8)の、混合流体の流れに対向する側の側面に設置されている請求項9記載の固体燃料バーナである。

(作用) 微粉炭などの固体燃料の着火性を向上させるには、バーナ出口縁部又は、そこに設けた保炎器近傍での燃料濃度を増加させることが必要である。保炎器によって渦流が形成されることで、保炎器近傍で常時燃焼の種火となる火炎が形成されるため、燃料の燃焼が促進される。渦は固体燃料と搬送気体との混合を促進すると共に、逆向きの流れでもあるので火炎を保持しやすくする作用がある。そして、燃料を着火させるには燃料濃度をある一定値以上にする必要があるので、燃料の平均濃度が低い低負荷時には、バーナ出口縁部や保炎器近傍での燃料濃度を増加させることが特に重要である。

発明者らは、混合流体の旋回流による遠心効果を用いて、燃料ノズルの出口外周にある保炎器近傍での燃料濃度を増加させることを考えた。保炎器近傍での燃料濃度を増加させるためには、燃料ノズルの中心部を流れる燃料を外周側に移動させることが重要である。一方、燃料ノズルの外周側(ノズルの内壁近傍)を流れる燃料は移動させる必要はない。

固体燃料が通過する流路のバーナ入口の曲管部においては、遠心力による偏流により固体燃料濃度が高い領域から低い領域までの濃度分布が生じやすい。このため、曲管部の下流のバーナ中心軸側に、第一の旋回手段を設け、バーナ中心部を流れる燃料を径方向(外周側)に移動させる。

一方、燃料ノズルの出口で混合流体に強い旋回が掛かっていると、固体燃料が火炉内のバーナ外周側に飛び散る。この現象が発生すると、火炎の安定性が低下し、NOxの排出量が増加する。従って、混合流体が火炉内に噴出される前に旋回強度を弱める必要がある。そこで、第一の旋回手段の混合流体の流れ方向の下流に第一の旋回手段とは逆方向に旋回をかける第二の旋回手段を設けることで、旋回強度を一気に低減できる。

即ち、請求項1記載の発明によれば、曲管部によって濃度分布が生じた混合流体を、第一の旋回手段により中心軸から径方向に移動させて、内壁近傍の燃料濃度を増加させ、更に第二の旋回手段により逆旋回をかけることで旋回強度を一気に低減できる。従って、混合流体の流路長さを確保する必要もなく、燃料ノズルやバーナの大型化を招くことはない。そして、混合流体の旋回力が弱まることで、燃料ノズル出口における着火性が良好となり、火炎の安定性が向上する。

また、請求項3記載の発明によっても、曲管部によって濃度分布が生じた混合流体に第一旋回器により旋回をかけることで、内壁近傍の燃料濃度を増加させ、更に第二旋回器により逆旋回をかけることで旋回強度を一気に低減できる。更に、第一旋回器と第二旋回器を、それぞれ周方向に設置した複数の旋回羽根から構成することで、簡素な構成となり、これらの旋回器を容易に形成できる。

更に、請求項2や請求項4記載の発明によれば、上記請求項1や請求項3に記載の発明の作用に加えて、燃料ノズル出口に設けた保炎器によって火炎の着火性や保炎性が一層良好となり、火炎の安定性の向上効果が高い。

請求項5記載の発明によれば、上記請求項3又は請求項4に記載の発明の作用に加えて、第一旋回器と第二旋回器を燃料ノズルの内壁から離して設けることで、バーナ中心部を流れる燃料は径方向に移動するものの、旋回羽根の端部と燃料ノズルの内壁間を流れる、燃料ノズル内壁近傍の混合流体は旋回による作用を殆ど受けず、そのまま直進し、出口に向かう流れとなる。従って、旋回強度を弱める作用も大きく、燃料ノズル内壁近傍の固体燃料がバーナ外周に飛び散ることを防止できる。また、各旋回器の旋回羽根の設置や取り外しが容易となる。

また、第一旋回器によって旋回が掛かった混合流体に第二旋回器により逆旋回をかける際に、第二旋回器の各羽根のバーナ中心軸方向に対する設置角度や各羽根の径方向の長さ、各羽根の横幅などを第一旋回器の各羽根のそれらと変えることで、旋回の強度を変更できる。

第二旋回器の各羽根の設置角度を、第一旋回器の各羽根の設置角度よりも大きくした場合や、第二旋回器の各羽根の径方向の長さを、第一旋回器の各羽根の径方向の長さよりも長くした場合や、第二旋回器の各羽根の横幅を、第一旋回器の各羽根の横幅よりも大きくした場合は、中心軸寄りのみならず、外周側の混合流体にも強い逆旋回をかけることになる。

そこで、請求項6記載の発明によれば、上記請求項3から請求項5の何れか1項に記載の発明の作用に加えて、第二旋回器の各羽根の設置角度が、第一旋回器の各羽根の設置角度と同じ又はそれよりも小さいことで、混合流体に強い逆旋回が掛からず、燃料ノズル出口における旋回強度を適正に保つことが出来る。

また、請求項7記載の発明によっても、上記請求項3から請求項5の何れか1項に記載の発明の作用に加えて、第二旋回器の各羽根の径方向の長さが、第一旋回器の各羽根の径方向の長さと同じ又はそれよりも短いことで、混合流体に強い逆旋回が掛からず、燃料ノズル出口における旋回強度を適正に保つことが出来る。

また、請求項8記載の発明によっても、上記請求項3から請求項5の何れか1項に記載の発明の作用に加えて、第二旋回器の各羽根の横幅が、第一旋回器の各羽根の横幅と同じ又はそれよりも小さいことで、混合流体に強い逆旋回が掛からず、燃料ノズル出口における旋回強度を適正に保つことが出来る。

尚、混合流体は曲管部を経由することにより、遠心力が作用するため、曲管部を通過後の固体燃料は、遠心力の作用方向に偏った状態となる。そこで、請求項9記載の発明によれば、上記請求項1から請求項8の何れか1項に記載の発明の作用に加えて、曲管部に固体燃料粒子の分散器を設けることで、混合流体中の固体燃料粒子の偏りが低減される。

更に、請求項10記載の発明によれば、上記請求項9記載の発明の作用に加えて、分散器を、バーナ中心軸の油バーナの、混合流体の流れに対向する側の側面に設置することで、混合流体は分散器に当たった後、バーナ中心軸から径方向に迂回するため、固体燃料粒子を燃料ノズルの外周側に分散させることができる。

本発明の固体燃料バーナは、燃料濃度の低い低負荷時における火炎の安定性を向上させることができる。具体的には、以下の効果を奏する。 請求項1記載の発明によれば、燃料ノズルの内壁近傍の燃料濃度を増加させると共に、燃料ノズル出口での混合流体の旋回力を弱めることで、着火性や火炎の安定性が向上する。また、燃料ノズルやバーナの大型化を招くこともない。

また、請求項3記載の発明によっても、燃料ノズルの内壁近傍の燃料濃度を増加させると共に、燃料ノズル出口での混合流体の旋回力を弱めることで、着火性や火炎の安定性が向上する。更に、第一旋回器と第二旋回器が簡素な構成であることから、バーナの大型化を招くことなく、これらの旋回器を容易に低コストで設置できる。

更に、請求項2や請求項4記載の発明によれば、上記請求項1や請求項3に記載の発明の効果に加えて、保炎器によって燃料ノズル出口における火炎の着火性や保炎性が一層良好となり、火炎の安定性の向上効果がより一層高くなる。

更に、請求項5記載の発明によれば、上記請求項3又は請求項4に記載の発明の効果に加えて、固体燃料がバーナ外周に飛び散ることを防止できることで、更に火炎の安定性が向上し、NOx排出量が低減する。また、各旋回器の旋回羽根の設置や取り外しが容易となり、メンテナンス性が向上する。

請求項6から請求項8記載の発明によれば、上記請求項3から請求項5の何れか1項に記載の発明の効果に加えて、燃料ノズル出口における旋回強度を適正に保つことができ、着火性及び火炎の安定性が向上する。

請求項9記載の発明によれば、上記請求項1から請求項8の何れか1項に記載の発明の効果に加えて、分散器により固体燃料粒子の偏りが低減されることで、それよりも下流側での旋回効果を、より一層高めることが出来る。

請求項10記載の発明によれば、上記請求項9記載の発明の作用に加えて、混合流体は分散器によって、バーナ中心軸から径方向、更に周方向へ流れ、固体燃料粒子が燃料ノズルの外周側に分散することで、固体燃料バーナを安定燃焼させることが出来る。

本発明の一実施例である固体燃料バーナの一部断面を示す側面図である(実施例1)。

図2(A)は、図1の第一旋回器の正面図(火炉側から見た図)であり、図2(B)は、図2(A)の第一旋回器のS1視図であり、図2(C)は、図1の第二旋回器の正面図であり、図2(D)は、図2(C)の第二旋回器のS2視図である。

図3(A)は、実施例1のバーナの半径方向の粒子濃度分布を示した図であり、図3(B)は、比較として用いたバーナの半径方向の粒子濃度分布を示した図である。

実施例1のバーナと比較例のバーナの、バーナ出口近傍の旋回強度分布を示した図である。

高負荷時における、実施例1のバーナと比較例のバーナの、出口外周側濃度の周方向分布を比較した図である。

低負荷時における、実施例1のバーナと比較例のバーナの、出口外周側濃度の周方向分布を比較した図である。

本発明の他の実施例である固体燃料バーナの一部断面を示す側面図である(実施例2)。

図8(A)は、図7の第一旋回器の正面図(火炉側から見た図)であり、図8(B)は、図8(A)のS1視図であり、図8(C)は、図7の第二旋回器の正面図であり、図8(D)は、図8(C)のS2視図である。

本発明の他の実施例である固体燃料バーナの一部断面を示す側面図である(実施例3)。

図10(A)は、図9の第一旋回器の正面図(火炉側から見た図)であり、図10(B)は、図10(A)のS1視図であり、図10(C)は、図9の第二旋回器の正面図であり、図10(D)は、図10(C)のS2視図である。

本発明の他の実施例である固体燃料バーナの一部断面を示す側面図である(実施例4)。

図12(A)は、図11の第一旋回器の正面図(火炉側から見た図)であり、図12(B)は、図12(A)のS1視図であり、図12(C)は、図11の第二旋回器の正面図であり、図12(D)は、図12(C)のS2視図である。

旋回器を変えた場合の、バーナ出口近傍の旋回強度分布を示した図である。

本発明の他の実施例である固体燃料バーナの一部断面を示す側面図である(実施例4)。

本発明の他の実施例である固体燃料バーナの一部断面を示す側面図である(実施例5)。

図16(A)は、図15の要部の斜視図であり、図16(B)は、図15の要部の拡大図であり、図16(C)は、図16(B)のA−A線矢視断面図であり、図16(D)は、図16(B)のB−B線矢視断面図である。

粒子分散器がない場合の混合流体の流れ場を示した図であり、図17(A)は、側面図であり、図17(B)は、正面図である。

粒子分散器がある場合の混合流体の流れ場を示した図であり、図18(A)は、側面図であり、図18(B)は、正面図である。

低負荷時における、実施例5のバーナと比較例のバーナの、出口外周側濃度の周方向分布を比較した図である。

本発明の他の実施例である固体燃料バーナの一部断面を示す側面図である(実施例5)。

従来の固体燃料バーナの一部断面を示す側面図である。

以下に、本発明の実施の形態を示す。

図1には本発明の一実施例による固体燃料バーナの一部断面を示した側面図(概略図)を示す。 火炉13の壁面スロート13aに設けられた固体燃料バーナ1は、90°の曲がり部を持つ曲管部5と曲管部5に連続する直管部2とを有し、微粉の燃料と搬送気体との混合流体(固気二相流)が流れる断面円形の燃料供給用のノズル9を備え、直管部2の中心軸上には油バーナ8が設けられている。

尚、固体燃料としては、石炭やバイオマス、又はこれらの混合物であっても良い。また、固体燃料の搬送気体としては、通常空気が使用されるが、燃焼排ガスと空気との混合気体等も適用でき、燃料種および搬送気体の種類は問わない。本実施形態では、固体燃料として微粉炭を、搬送気体として空気を用いた例を示しており、燃料供給用のノズル9は一次空気ノズル9とも言う。

直管部2の先端は火炉13に向かって開口しており、一次空気ノズル9に矢印A方向(下方)から供給される微粉炭と1次空気の混合流体は曲管部5を通過してほぼ90°向きを変え、直管部2から火炉13に向かって流れ、前記開口(一次空気ノズル9の出口)から噴出される。曲管部5は縦断面形状がL字型でもU字型でも良く、図示例のように角部が複数箇所あるものでも良い。また、曲管部5の曲がり部の角度は90°に限らず、それよりも大きくても小さくても構わない。曲管部5としては、エルボ管、ベンド管などが用いられる。

更に、一次空気ノズル9の周囲には二次空気ノズル3と三次空気ノズル4が同心円状に配置され、火炉13に向かって二次空気と三次空気が供給される。これらの空気流は外周方向に広がるように噴出される。更に、火炉13側に向かって末広がり状(円錐状)の保炎器(保炎リング)10が、一次空気ノズル9の出口周囲であって且つ一次空気ノズル9と二次空気ノズル3との間に設けられている。尚、保炎器10を設置しないバーナも本実施形態に含まれる。

保炎器10の下流側(火炉13側)には循環流が形成され、循環流には一次空気ノズル9から噴出した燃料と空気との混合気、二次空気、高温な燃焼ガスなどが流入し、滞留する。また、火炉13からの輻射熱を受けて燃料粒子の温度が上昇する。これらの効果で、固体燃料は保炎器10の下流側で着火し、火炎が保炎される。一次空気ノズル9の中心軸上に設置された油バーナ8の先端からは油燃料が供給される。油燃料は固体燃料バーナ1を起動させるときに用いる。 また、二次空気ノズル3と三次空気ノズル4に供給される空気は、図示しない流量調整部材(ダンパやエアレジスタなど)により、空気の流量及び流速を調整、制御可能である。

微粉炭の着火性を向上させるには、バーナ出口の保炎器10近傍での燃料濃度を増加させることが必要である。微粉炭の着火には微粉炭濃度をある一定値以上にする必要があるので、微粉炭の平均濃度が低い低負荷時には、保炎器10近傍での燃料濃度を増加させることが特に重要である。

そこで、混合流体に旋回を与えることで、その遠心効果により保炎器10近傍での燃料濃度を増加させることが可能となる。そのためには、一次空気ノズル9の中心部(円筒状のノズル断面の中心軸側)の油バーナ8周辺を流れる微粉炭を外周側(径方向外側、内壁9a近傍)に移動させることが重要である。一方、一次空気ノズル9の内壁9a近傍を流れる微粉炭は移動させる必要はない。

そこで、曲管部5直後の直管部2の入り口部であって、一次空気ノズル9の中心部に、第一旋回器(第一の旋回手段)6を設け、一次空気ノズル9の中心部を流れる微粉炭を外周側に移動させた。第一旋回器6は、油バーナ8の外周に取り付けた複数の板状の旋回羽根6aから構成した。また、曲管部5を通過直後の領域では、一次空気ノズル9の内壁9a近傍を流れる混合流体には旋回を与える必要が無いので、旋回羽根6aの外周端部は内壁9aから離して設置した。

一次空気ノズル9の出口で混合流体に強い旋回がかかっていると、火炉13内で微粉炭粒子が固体燃料バーナ1の外周側へ飛び散ることで、火炎の安定性が低下し、NOx排出量が増加することは上述の通りである。従って、混合流体が火炉13内に噴出される前に旋回強度を弱める必要がある。本実施形態では、第一旋回器6の下流側に第二旋回器(第二の旋回手段)7として、第一旋回器6と同様に、複数の板状の旋回羽根7aを油バーナ8の外周に取り付けた。これらの旋回器6、7は固定式のものとした。

図2には、図1の第一旋回器及び第二旋回器部分の図を示しており、図2(A)及び(C)は、それぞれ正面図を示し、図2(B)及び(D)は、それぞれ図2(A)の第一旋回器のS1視図及び図2(C)の第二旋回器のS2視図を示している。尚、旋回器6,7にぶつからずにすり抜ける粒子を少なくするため、各旋回器6,7は火炉13から見て、(A)、(C)に示すように、重複しないように設置しているが、特にこの配置に限定されない。

図2に示すように、第二旋回器7の旋回羽根7aの向きを第一旋回器6の旋回羽根6aの向きと逆にすることで一次空気ノズル9の出口での混合流体の旋回強度を弱めた。 図1の例では、旋回羽根6aと旋回羽根7aの羽根の向き(中心軸回りの旋回の方向)は互いに逆であるが、各旋回羽根6a、7aの形状や大きさなどは全て同一とし、各旋回羽根6a、7aのバーナ中心軸方向に対する設置角度も同じとした。尚、図示例では、各旋回羽根6a、7aの数を4つずつとしているが、これよりも多くても少なくても良く、バーナ1の大きさによって適宜変更すれば良い。また、必ずしも各旋回羽根6a、7aを周方向に均等に設ける必要はないが、均等にすることで、一部だけに強い旋回がかかることがなくなる。

尚、旋回羽根6aと旋回羽根7aの向きが逆であれば、旋回羽根6aと旋回羽根7aの形状、大きさや設置角度等は異なっていても良い。また、旋回羽根6aと旋回羽根7aは共にバーナ中心軸上に設ける必要はなく、内壁9aに接しても良いが、下記の理由から、バーナ中心軸上に設けたり、内壁9aから離して設置した方が好ましい。

混合流体は、曲管部5を通過することで、円筒状のノズル断面の周方向及び半径方向に濃度分布が生じる。そして、濃度分布が生じた混合流体のうち、第一旋回器6の旋回羽根6aと内壁9aとの空隙を通過する流れは、周方向に生じた濃度分布がノズル出口に向かって持続するような流れとなる。

一方、中心軸側を流れる混合流体は、第一旋回器6の旋回羽根6aにより、その下流側では、円筒状のノズル断面の半径方向外側に向かって拡がり、内壁9a側へ微粉炭が濃縮するような流れとなる。 このため、内壁9a近傍を流れる混合流体は、上記二つの流れが重畳する結果、旋回による多少の撹拌効果を受けるものの、周方向に生じた濃度分布がノズル出口に向かって持続されつつ、更に微粉炭濃度が高まってゆく傾向を示す。

ここで、第二旋回器7の下流側では旋回羽根7aの作用により、円筒状のノズル断面全体として見ると、旋回流が弱められる(又は消失する)が、ノズル内壁9a近傍を流れる混合流体の微粉炭濃度は微粉炭粒子の流れ方向に働く慣性力により、ノズル出口部(端縁部)まで持続する傾向を示す。

図2に示すように、旋回羽根6aと旋回羽根7aを内壁9aから離して設置することで、各旋回羽根6a、7aの端部と内壁9a間を流れる混合流体はそのままノズル出口に向かって持続するような流れとなるため、内壁9a近傍の燃料濃度を高く保持できる。

各旋回羽根6a、7aの径方向の長さに特に限定はないが、羽根の直径を一次空気ノズル9の内径の50〜75%にするのが望ましい。各旋回羽根6a、7aの直径が75%よりも大きいと、一次空気ノズル9の外周側を流れる流体に旋回成分が残りやすくなる。また、各旋回羽根6a、7aの直径が大きすぎるとこれらの設置や取り外しが難しくなり、メンテナンス性が低下する。一方、各旋回羽根6a、7aの直径が50%よりも小さいと、一次空気ノズル9の外周側への粒子の濃縮が不十分となる。

図3(A)には図1のバーナ1の半径方向の粒子濃度分布を示し、図3(B)には、比較として用いたバーナの半径方向の粒子濃度分布を示す。図1の矢印A方向から、バーナの定格負荷条件量での空気と微粉炭を流した条件で、k−εモデルによる流体解析を実施し、一次空気ノズル9の出口の微粉炭粒子の濃度分布を計算した。

尚、比較として用いたバーナは、旋回器を全く設置しておらず、図1の構造のバーナから旋回器6,7を取り除いた構造である。各図の横軸原点は、一次空気ノズル9の中心軸、即ち油バーナ8の設置部であり、半径方向距離が大きくなるほど内壁9aに近づくことを示している。微粉炭濃度は、半径方向距離が同じ位置で測定した濃度の、周方向の平均値である。第一旋回器6及び第二旋回器7による旋回の効果によって、内壁9a近傍の微粉炭濃度が高くなることが分かる。

図21のバーナ21と比較するため、本実施例の効果をさらに検証した。 図21のバーナ21が、微粉炭供給管29内に旋回羽根26が設けられている点は図1のバーナ1と共通する。また、旋回力を弱めるためにバーナ出口には整流板27が設置されている。しかし、図21のバーナ21では旋回羽根26が微粉炭供給管29の内壁29aに接して取り付けられており、旋回羽根26と内壁29aとの間には空隙がない。整流板27も同様に、内壁29aに取り付けられており、中心軸からは離れて設置されている。

図4には、図1のバーナ1と比較例のバーナの、バーナ出口近傍の旋回強度分布を示す。図1のバーナと、図1のバーナと構造は同じだが旋回器の形と設置方法を変えたバーナの、定格負荷条件量での空気と微粉炭を図1のA方向から流した条件で、図3の場合と同様にk−εモデルによる流体解析を実施し、一次空気ノズル9内のバーナ出口断面での空気の旋回強度分布を計算した。この流体解析では、微粉炭の濃度分布と旋回強度分布の両方の数値が算出される。

図4の原点は一次空気ノズル9の中心軸(油バーナ8の設置部)である。横軸は中心軸からの半径方向距離を示し、半径方向距離が大きくなるほど内壁9aに近づくことを示している。本明細書中、旋回強度とは、半径方向距離が同じ位置で測定した旋回強度(旋回方向流速成分/主流方向流速成分)の、周方向平均値を言う。

旋回方向には火炉13から見て時計回りと反時計回りがあるので、図4には旋回の方向が判るように、二つの軸を示した。 実線Bは、図1のバーナ1(第一旋回器6と第二旋回器7を内壁9aから離して設置)の旋回強度分布を示し、一点鎖線Cは、図1のバーナ1の第二旋回器7がない場合(第一旋回器6はあり、内壁9aから離して設置)の旋回強度分布を示し(比較例1)、破線Dは、図1のバーナ1の第二旋回器7がなく、第一旋回器6を内壁9aに接するように設置した場合(比較例2)の旋回強度分布を示している。

比較例1(一点鎖線C)では、一次空気ノズル9の中心部(原点側)の旋回強度が強いが、一次空気ノズル9の外周側の旋回強度は弱くなった。これは、第一旋回器6の旋回羽根6aが一次空気ノズル9の中心部にのみ設置されているからである。しかし、それでも外周側の旋回強度は比較的強いと言える。

一方、実施例(実線B)の二つの旋回器6、7を互いに羽根6a、7aの向きが逆になるよう取り付けた場合には、中心部には旋回がかかっているが、外周側には旋回がかかっていなかった。一次空気ノズル9の中心部を流れる混合流体は、中心部には旋回がかかっているため、外周側へ移動する。

これにより、一次空気ノズル9の保炎器10近傍の粒子濃度が高くなる。また、一次空気ノズル9の外周側には旋回がかかっていないため、外周側へ移動した微粉炭粒子が火炉13内で、バーナ1の外周へ飛び散ることはない。

これに対して、比較例2(破線D)では、一次空気ノズル9の外周側に強い旋回がかかっている。一次空気ノズル9の中心部にも旋回がかかっているため、一次空気ノズル9の保炎器10近傍の粒子濃度を高める効果はある。しかし、一次空気ノズル9の外周側の旋回強度が強いので、バーナ出口の旋回強度を調整するのが難しくなる。従って、図21に示したバーナ21においても、旋回羽根26や整流板27は一次空気ノズル9の内壁9aに接しているため、同様の問題が生じると言える。

次に、微粉炭の濃度分布を計算し、本実施例の効果をさらに検証した結果を図5と図6に示す。図5は、微粉炭の平均濃度が高い、高負荷時の濃度分布であり、図6は、微粉炭の平均濃度が低い、低負荷時の濃度分布である。図5(A)及び図6(A)に示すように、一次空気ノズル9の最外周側の濃度分布を、周方向に沿って示した。左横の位置を0°として、火炉13から見て時計回りに濃度を測定し、位置を角度で示した。図5(B)及び図6(B)には、図1のバーナ1における微粉炭の濃度分布を示し、図5(C)及び図6(C)には、比較例2のバーナにおける微粉炭の濃度分布を示す。

図1のバーナと比較例2のバーナの定格負荷条件量での微粉炭の濃度分布を、図3の場合と同様にk−εモデルによる流体解析で計算した。 これらのバーナでは、曲管部5での遠心効果により微粉炭が濃縮されるため、上側(曲がり部の外側)の微粉炭濃度が濃くなりやすい傾向がある。

比較例2の場合は、全周にわたりほぼ粒子濃度が均等になる。即ち、第一旋回器6の旋回羽根6aが内壁9aに接しているため、一次空気ノズル9の外周側の旋回強度が強く、外周側の微粉炭が攪拌されて均一な濃度になる。従って、図5(C)や図6(C)に示すように、周方向の濃度変化がない。一方、図1のバーナ1では、一次空気ノズル9の中心部の旋回力は強いが外周部にはそれ程旋回がかかっていないので、外周側の微粉炭はあまり攪拌されない。このため、周方向の濃度分布でみると、微粉炭濃度の濃い部分と薄い部分が生じる。

図5及び図6には、着火下限濃度Eを合わせて示した。バーナで安定燃焼させるためには、少なくとも一部の微粉炭濃度が着火下限濃度Eを超える必要がある。微粉炭濃度が着火下限濃度Eを超える箇所があるとそこで火炎が形成され、周囲に火炎が伝播する。負荷が高い、平均微粉炭濃度の高い条件では、図5(B)、(C)に示すように、共に微粉炭濃度は着火下限濃度Eを超えており、両者に差は無い。

負荷が低い、平均微粉炭濃度が低い条件の場合、比較例2では、図6(C)に示すように、局所的に微粉炭濃度が高い箇所がなく、全ての領域で微粉炭濃度が着火下限濃度Eを下回るため、安定燃焼とはならない。尚、すべての位置で微粉炭濃度が着火下限濃度Eを超える必要はなく、図6(B)に示すように、局所的に微粉炭濃度が濃い領域があり、その濃度が着火下限濃度Eを超えていれば、負荷が低い条件でも安定燃焼が可能となる。

以上のことから、本実施例により、曲管部5によって濃度分布が生じた混合流体を、第一旋回器6により中心部から径方向外側に移動させて、内壁9a近傍の燃料濃度を増加させ、更に第二旋回器7により逆旋回をかけることで旋回強度を一気に低減できる。従って、保炎器10がないバーナ1でも、内壁9a近傍の燃料濃度が高く、旋回強度が低減された状態であれば、一次空気ノズル9出口の着火性が良好となる。また、混合流体の流路長さを確保する必要もなく、一次空気ノズル9やバーナ1の大型化を招くことはない。

更に、一次空気ノズル9出口に保炎器10を設けることで、着火性及び保炎性がより良好となり、火炎の安定性向上及びNOx排出量の抑制効果がより一層高くなる。また、各旋回羽根6a、7aを油バーナ8の外周に取り付けるという簡素な構成で、これら第一旋回器6と第二旋回器7を容易に形成できる。また、旋回羽根6a、7aを内壁9aから離して取り付けることで、火炎の安定性の向上効果も高まり、安定燃焼が可能となる。更に、旋回羽根6a、7aの設置や取り外しが容易となり、メンテナンス性が向上する。

図7には、本発明の他の実施例である固体燃料バーナ1の一部断面を示した側面図(概略図)を示す。図8には、図7の第一旋回器及び第二旋回器部分の図を示しており、図8(A)及び(C)は、それぞれ正面図を示し、図8(B)及び(D)は、それぞれS1視図とS2視図を示している。

本実施例では、第二旋回器7の旋回羽根7aのバーナ中心軸方向に対する設置角度を、第一旋回器6の旋回羽根6aの設置角度より小さくしており、それ以外の構成は、実施例1の固体燃料バーナ1と同じである。このように、第二旋回器7の旋回羽根7aの設置角度と第一旋回器6の旋回羽根6aの設置角度を変えても、実施例1と同様の効果を奏する。

尚、第一旋回器6と第二旋回器7の軸方向の位置には特に制限がないため、様々な例を示している。特に作用効果に違いはない。他の実施例においても同様である。

図9には、本発明の他の実施例である固体燃料バーナ1の一部断面を示した側面図(概略図)を示す。図10には、図9の第一旋回器及び第二旋回器部分の図を示しており、図10(A)及び(C)は、それぞれ正面図を示し、図10(B)及び(D)は、それぞれS1視図とS2視図を示している。

本実施例では、第二旋回器7の旋回羽根7aの径方向の長さを、第一旋回器6の旋回羽根6aの径方向の長さよりも短くして、全体的に小さくしている。それ以外の構成は、実施例1の固体燃料バーナ1と同じである。従って、旋回羽根6aと旋回羽根7aの設置角度及び形状は同じである。このように、第二旋回器7の旋回羽根7aの径方向の長さと第一旋回器6の旋回羽根6aの径方向の長さを変えても、実施例1と同様の効果を奏する。

図11には、本発明の他の実施例である固体燃料バーナ1の一部断面を示した側面図(概略図)を示す。図12には、図11の第一旋回器及び第二旋回器部分の図を示しており、図12(A)及び(C)は、それぞれ正面図を示し、図12(B)及び(D)は、それぞれS1視図とS2視図を示している。

本実施例では、第二旋回器7の旋回羽根7aの横幅を、第一旋回器6の旋回羽根6aの横幅よりも小さくして、細い形状としている。それ以外の構成は、実施例1の固体燃料バーナ1と同じである。従って、旋回羽根6aと旋回羽根7aの設置角度及び半径方向の長さは同じである。このように、第二旋回器7の旋回羽根7aの横幅と第一旋回器6の旋回羽根6aの横幅を変えても、実施例1と同様の効果を奏する。

以下に、第一旋回器6と第二旋回器7の各旋回羽根6a、7aの設置角度、径方向の長さ、横幅の三つの条件を変えて、更に検証を重ねた結果を示す。図13には、旋回器を変えた場合の、バーナ出口近傍の旋回強度分布を示す。図1の矢印A方向から、バーナの定格負荷条件量での空気と微粉炭を流した条件で、図4の場合と同様にk−εモデルによる流体解析を実施した。

破線Fは、排ガス流れ方向の上流側、下流側ともに各旋回羽根6a、7aの直径を一次空気ノズル9の内径の75%、設置角度を30°にした場合を示し、一点鎖線Gは、上流側の旋回羽根6aの直径を1次空気ノズル9の内径の75%、設置角度を45°にし、下流側の旋回羽根7aの直径を1次空気ノズル9の内径の75%、設置角度を25°にした場合を示し、実線Hは、上流側の旋回羽根6aの直径を一次空気ノズル9の内径の75%、設置角度を30°にし、下流側の旋回羽根7aの直径を1次空気ノズル9の内径の50%、設置角度を45°にした場合を示す。また、破線Jは、上流側の旋回羽根6aの直径を1次空気ノズル9の内径の75%、設置角度を30°に、下流側の旋回羽根7aの直径を1次空気ノズル9の内径の75%、設置角度を45°にした場合を示す。尚、各旋回羽根6a、7aの横幅は同じとした。

図4の場合と同様に、一次空気ノズル9内のバーナ出口断面での空気の旋回強度分布を計算した。 火炎の安定性向上とNOx排出量の抑制に必要な条件は、一次空気ノズル9の最外周側の旋回強度をできるだけ小さくすることである。一次空気ノズル9の最外周側の微粉炭濃度は高いため、この領域の旋回強度が強いと、最外周側の微粉炭がバーナ1の周囲に飛び散ることで、火炎の安定性が低下し、NOx濃度が高くなる。一方、一次空気ノズル9の中心部付近には微粉炭があまりないので、中心部の旋回強度が強くても燃焼性能に与える影響は小さい。

破線F(実施例1)では、一次空気ノズル9の中心部の旋回強度は比較的大きいが、一次空気ノズル9の外周側では旋回強度がほぼゼロになる。また、一点鎖線G(実施例2)では、一次空気ノズル9の中心部の旋回強度が小さくなる。外周側の旋回強度は破線Fよりはやや大きいが、小さな値である。一方、第二旋回器7の旋回羽根7aの設置角度が大きい場合を破線Jで示すが、この場合は一次空気ノズル9の外周側でも旋回強度がやや強くなる。

しかし、実線Hに示すように、第二旋回器7の旋回羽根7aの設置角度が大きくても、旋回羽根7aの直径が小さい場合は、一点鎖線Gと類似の旋回強度分布となる。また、中心部から外周部の全域で旋回強度の平均値をとるとほぼゼロとなる。尚、図示しないが、第二旋回器7の旋回羽根7aの横幅を小さくして、その他の条件は第一旋回器6の旋回羽根6aと同じとした場合(実施例4)の旋回強度分布も、実施例2(一点鎖線G)と類似の旋回強度分布となる。従って、このことから、第二旋回器7の旋回羽根7aの横幅が小さい時と大きい時との違いとして、第二旋回器7の旋回羽根7aの設置角度や直径の大小と同様の作用の違いがあることが分かる。

以上のことから、第一旋回器6の下流側の第二旋回器7の旋回羽根7aは以下の条件を満たすことが好ましい。 (1)旋回羽根7aの径方向の長さは、第一旋回器6の旋回羽根6aの径方向の長さと同等か、それよりも小さい。 (2)旋回羽根7aの設置角度は、旋回羽根6aの設置角度と同等か、それよりも小さい。 (3)旋回羽根7aの横幅は、旋回羽根6aの横幅と同等か、それよりも小さい。

また、第一旋回器6と第二旋回器7の設置位置と間隔には特に制約は無い。このことは全ての実施例に共通する。例えば図14に示すように、第一旋回器6と第二旋回器7を離して設置しても良い。尚、バーナ出口近傍に第二旋回器7を設けると、バーナ出口に強い旋回成分が残って石炭粒子が火炉13内に広く散らばり、NOx濃度が高くなることが考えられるため、出口から若干離した方が好ましい。

図15には、本発明の他の実施例である固体燃料バーナの一部断面を示した側面図を示す。図16(A)は、図15の要部(ノズル9の内部)の斜視図を示し、図16(B)には、図15の要部の図を示し、図16(C)には、図16(B)のA−A線矢視断面図を示し、図16(D)には、図16(B)のB−B線矢視断面図を示す。

本実施例の固体燃料バーナ1は、前記各実施例の固体燃料バーナとは、第一旋回器6の上流側であって、油バーナ8の根元側に位置する曲管部5の空間内に微粉炭粒子の分散器14を配置している点及び保炎器10を設置していない点で異なる。具体的には、図16に示すように、分散器14は平面部を有する板状部材であり、平面部が曲管部5の曲がり部の上流側を向くようにして油バーナ8の側面に取り付けられている。すなわち、曲管部5に導入される固体燃料とその搬送気体の混合流体の流れに対向する向きとなる。また、第一旋回器6と第二旋回器7は火炉13から見て、重複するように設置しているが、実施例1等に示すように、重複しないような配置でも良い。

図17には、分散器14がない、図1のバーナ1の混合流体の流れ場を示した模式図を示し、図17(A)は側面図、図17(B)は正面図である。また、図18には、分散器14がある、図15のバーナ1の混合流体の流れ場を示した模式図を示し、図18(A)は側面図、図18(B)は正面図である。

図17及び図18では、分散器14の有無による混合流体の流れ場の違いを示している。先ず、図17の分散器14がない場合の流れ場について説明する。曲管部5の下方から供給される混合流体は、曲管部5を経由することにより直管部2の出口方向(一次空気ノズル9の中心軸方向)に流れの向きがほぼ90°に曲げられる。その際、混合流体には遠心力が作用するため、曲管部5を通過後の一次空気ノズル9を断面として見たときに、流線L1のように遠心力の作用方向に微粉炭が偏った状態(図示例では、一次空気ノズル9の上半分の内壁9a近傍の微粉炭濃度が高い部分)となる。この場合でも、前述した第一旋回器6と第二旋回器7の適用により、部分負荷時(低負荷時)などの平均微粉炭濃度が低いときにも微粉炭濃度が着火下限濃度Eを超える状態(図6)を形成できるが、バーナの安定燃焼という観点からは、微粉炭濃度が着火下限濃度Eを超える領域をより広げることが望ましい。

次に、図18の分散器14がある場合の流れ場について説明する。本実施例では、曲管部5に分散器14を配置したことで、曲管部5に供給される混合流体から見ると、分散器14が障害物となる。これにより、混合流体は分散器14を迂回する向き(周方向)に流れの向きが変わる。また、一部の微粉炭は分散器14の平面部に衝突し、曲管部5での遠心効果による一次空気ノズル9の上側(曲がり部の外側)に微粉炭が集中することが緩和される。その結果、流線L2のように、第一旋回器6と第二旋回器7によるノズル外周側の周方向への微粉炭高濃度領域を広げる効果がある。

図19には、低負荷時の、平均微粉炭濃度が低いときの濃度分布を示す。図3の場合と同様に、k−εモデルによる流体解析を実施した。図19(B)は、図6(B)に本実施例のバーナ1による濃度分布(一点鎖線Mで示す)を追加した図であり、図19(C)は、図6(C)と同じ図である。

本実施例によれば、分散器14により微粉炭濃度が一次空気ノズル9の上側に集中する状態が緩和され、微粉炭の高濃度領域が周方向に広がるように作用する。従って、部分負荷時などの平均微粉炭濃度が低いときにおいても、混合流体が一次空気ノズル9の外周側に分散することで、微粉炭濃度が着火下限濃度Eを超える領域が広範囲となり、バーナの安定燃焼が可能となる。

また、図15等には、第二旋回器7の旋回羽根7aの径方向の長さを、第一旋回器6の旋回羽根6aの径方向の長さよりも短くした場合を示しているが、第一旋回器6と第二旋回器7の各旋回羽根6a、7aの設置角度、径方向の長さ、横幅はそれぞれ同じでも、異なっていても良く、本実施例の範囲に属することは言うまでもない。また、図20に示すように、図15のバーナ1に保炎器10を設置しても良く、その場合は火炎の安定性の向上及びNOx排出量の抑制効果が更に高くなる。

固体燃料を用いたバーナ装置として、利用可能性がある。

1、21 固体燃料バーナ 2、22 直管部 3 二次空気ノズル 4 三次空気ノズル 5、25 曲管部 6 第一旋回器 7 第二旋回器 8 油バーナ 9 一次空気ノズル 10 保炎器 13 火炉 14 粒子分散器 23 二次空気供給管 24 三次空気供給管 26 旋回羽根 27 調整羽根(整流板) 28 液体燃料噴射管 29 微粉炭供給管