特許 5908091 固体燃料バーナと該固体燃料バーナを備えた燃焼装置の運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5908091

(24)【登録日】2016年4月1日

(45)【発行日】2016年4月26日

(54)【発明の名称】固体燃料バーナと該固体燃料バーナを備えた燃焼装置の運転方法

(51)【国際特許分類】

   F23D 1/00 20060101AFI20160412BHJP

   F23C 99/00 20060101ALI20160412BHJP

【ＦＩ】

   F23D1/00 B

   F23C99/00 305

   F23C99/00 309

【請求項の数】7

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2014-530536(P2014-530536)

(86)(22)【出願日】2013年8月9日

(86)【国際出願番号】JP2013071595

(87)【国際公開番号】WO2014027611

(87)【国際公開日】20140220

【審査請求日】2014年7月9日

(31)【優先権主張番号】特願2012-179673(P2012-179673)

(32)【優先日】2012年8月14日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100137752

【弁理士】

【氏名又は名称】亀井 岳行

(74)【代理人】

【識別番号】100096541

【弁理士】

【氏名又は名称】松永 孝義

(74)【代理人】

【識別番号】100133318

【弁理士】

【氏名又は名称】飯塚 向日子

(74)【代理人】

【識別番号】100174953

【弁理士】

【氏名又は名称】佐々木 豪

(72)【発明者】

【氏名】若松 仁

(72)【発明者】

【氏名】木山 研滋

(72)【発明者】

【氏名】下郡 三紀

(72)【発明者】

【氏名】嶺 聡彦

(72)【発明者】

【氏名】多田隈 聡

(72)【発明者】

【氏名】大谷津 紀之

(72)【発明者】

【氏名】越智 健一

(72)【発明者】

【氏名】倉増 公治

(72)【発明者】

【氏名】越智 佑介

(72)【発明者】

【氏名】岡▲崎▼ 洋文

【審査官】 黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００９／１２５５６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特許第４８９６１４３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 国際公開第２０１２／０９８８４８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｄ １／００

Ｆ２３Ｃ ９９／００

Ｆ２３Ｌ ９／０６

Ｆ２３Ｎ ３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体燃料と該固体燃料の搬送ガスとの混合流体が流れる円筒状の固体燃料流路を有し、火炉壁面に開口した固体燃料ノズルと、前記固体燃料の燃焼用ガスが流れるウインドボックスから連通し、前記固体燃料ノズルの外周側に形成される２次燃焼用ガス流路を構成する２次燃焼用ガスノズルと、２次燃焼用ガスノズルの外周側に形成される３次燃焼用ガス流路を構成する３次燃焼用ガスノズルを備えた固体燃料バーナにおいて、
前記固体燃料ノズル内に、該固体燃料ノズル内の固体燃料流路の横断面を縮小させる絞り部を有するベンチュリーと該ベンチュリーの後流側に固体燃料ノズル内の混合流体の流れを外向きに変える流路拡大部を有する燃料濃縮器を備え、
前記固体燃料ノズルの火炉壁面に設けた開口部における開口形状を扁平形状とし、
前記固体燃料ノズルは、該固体燃料ノズルの外周壁のノズル中心軸に垂直な断面形状が、
（ａ）前記固体燃料流路に接続した固体燃料導入部から前記ベンチュリーの絞り部まで円形であり、
（ｂ）前記ベンチュリーの絞り部から火炉壁面の開口部に至るまでの間は前記中心軸から外側へ水平方向に単調に拡がり、徐々に扁平度合いが増大する部分を有し、
（ｃ）火炉壁面の開口部において扁平度合いが最大の扁平形状となるように形成されており、
前記２次燃焼用ガスノズルは、該２次燃焼用ガスノズルの外壁の前記中心軸に垂直な断面形状が、２次燃焼用ガスノズルの出口部において扁平形状であり、
前記３次燃焼用ガスノズルは、該３次燃焼用ガスノズルの外周壁の前記中心軸に垂直な断面形状が、火炉壁面の開口部で円形であり、平行な複数の流路を形成するように仕切り板で分割され、
３次燃焼用ガス流路に対して水平な部位と、火炉内で噴出する３次燃焼用ガスの流れを前記水平部位から火炉側に接続された３次燃焼用ガスノズルの外周壁方向に向かう傾斜部位から構成される３次燃焼用ガス案内板を、前記３次燃焼用ガスノズル内の３次燃焼用ガス流路であって２次燃焼用ガスノズルの外周のうち、上部と下部にそれぞれ備え、
前記ウインドボックスは、平行な複数の流路を形成するように仕切り板で上下に２分割され、前記２分割された流路のうち一部の流路は前記３次燃焼用ガスノズルの上側へ、残りの流路は３次燃焼用ガスノズルの下側へ接続され、各々の流路を流れる燃焼用ガスの流量を調節する１以上の燃焼用ガス流量調節手段を設けたことを特徴とする固体燃料バーナ。

【請求項2】

固体燃料ノズルの先端外周部に、固体燃料ノズルを取り囲んで形成される保炎器を配置し、
２次燃焼用ガスノズル内の２次燃焼用ガス流路の燃焼用ガス流入部から火炉壁面の開口部に向かって該２次燃焼用ガス流路の流路断面積を順次縮小する構造としたことを特徴とする請求項１記載の固体燃料バーナ。

【請求項3】

燃焼用ガス流入部から出口部に向かって２次燃焼用ガス流路の流路断面積の縮小率を３０％〜８０％としたことを特徴とする請求項２記載の固体燃料バーナ。

【請求項4】

２次燃焼用ガス流路の燃焼用ガス流入部のガス流入方向を火炉壁面に垂直な向きに設け、複数の開口部を有する平板を配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の固体燃料バーナ。

【請求項5】

２次燃焼用ガス流路の燃焼用ガス流入部に配置される平板の開口部を２次燃焼用ガス流路内での２次燃焼用ガスの流速が該流路の周方向で均等になるように配置したことを特徴とする請求項４記載の固体燃料バーナ。

【請求項6】

２次燃焼用ガス流路の燃焼用ガス流入部の断面積に対する平板の開口部の開口比率を０．０５〜０．３０としたことを特徴とする請求項５に記載の固体燃料バーナ。

【請求項7】

請求項１から６のいずれかに記載の固体燃料バーナを火炉壁面の少なくとも一面に配置した燃焼装置の運転方法であって、
燃焼装置の負荷に応じて前記固体燃料バーナの仕切り板で上下に２分割され、前記２分割された各々の３次燃焼用ガス流路を流れる燃焼用ガスの流量を燃焼用ガス流量調節手段で調節することを特徴とする燃焼装置の運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は固体燃料バーナに係り、特にバーナから火炉内へ噴出する火炎を火炉上下方向に対して可変とすることで燃焼炉から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）量を低減可能な固体燃料バーナの構造に関する。

【背景技術】

【0002】

石炭等の固体燃料（以下、微粉炭と言うことがある。）を燃焼させるボイラ等の燃焼装置では、微粉炭の燃焼に伴い、空気中の窒素の酸化に起因するサーマルＮＯｘ及び燃料中に含まれる窒素に起因するフューエルＮＯｘが生成する。このうち、燃料由来のフューエルＮＯｘを低減する燃焼技術として、二段燃焼技術が適用されている。二段燃焼技術とは、微粉炭を燃焼させるための燃焼用ガスを、固体燃料（微粉炭）バーナとボイラ内の微粉炭バーナ上方に設置された二段燃焼用ガス（空気）供給口へ供給し、微粉炭を微粉炭バーナでは還元燃焼させ、二段燃焼用ガス供給口付近で完全燃焼させる技術である。

【0003】

本燃焼技術では、微粉炭バーナからは微粉炭の完全燃焼に必要な酸素量より少ない酸素を含む燃焼用ガスを投入することで、ボイラ内に酸素が欠乏する還元域を形成する。そして、この還元域でフューエルＮＯｘの窒素への還元反応を促進する。また、還元域の後流では、二段燃焼用ガス供給口から完全燃焼に必要な残りの酸素量を含む燃焼用ガス（二段燃焼用空気）を供給し、微粉炭を完全燃焼させる。

【0004】

ボイラ火炉内での前記還元域をより拡大し、効果的に排ガス中で生成したＮＯｘを還元するために、特開２０１１−５２８７１号公報では、次のような発明が開示されている。すなわち、ボイラ火炉壁面に対して垂直方向から火炉内に噴出する微粉炭ノズルの周りにボイラ火炉壁面に平行な方向から導入する燃焼用ガス（燃焼用空気）を供給するに際して微粉炭ノズルの周りで燃焼用ガスを上下方向に２分して供給し、同時に２分した燃焼用ガス流路の燃焼用ガス量を変化させている。これにより、微粉炭バーナから火炉内に噴出する燃焼用ガスの運動量を調節してボイラ負荷に対応させると共に、例えば、火炉内で形成される火炎を、ボイラ火炉内で下向きに傾け、還元域の拡大及び排ガス中のＮＯｘ濃度の低下（低ＮＯｘ化ということがある。）を図っている。

【0005】

また、ボイラプラントにおいて、ボイラ火炉の微粉炭バーナにより得られる高温の排ガスにより複数の伝熱管内を流れる流体を加熱して得た蒸気を利用するための流体経路、さらに得られた蒸気を再利用するための複雑な流体経路を流体が通る場合に、各伝熱管が設置される伝熱部において流体への規定の伝熱量を得ることが重要である。それゆえ各伝熱部に対して燃焼ガスの温度及び流体流量を制御する必要がある。

【0006】

そこで、火炉内での燃料の燃焼位置を変えることで各伝熱管内の流体への燃焼ガスからの伝熱量を制御することができる発明がある（ＷＯ２００９−０４１０８１Ａ１）。この発明に記載された例では、微粉炭バーナに設けた燃焼用ガス（空気）の噴出ノズル出口を上下の２つに分割し、それぞれの燃焼用ガス流量を独立して調整することで燃料の燃焼位置を上下に変更して、燃焼ガスから各伝熱管内の流体への伝熱量を制御している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１１−５２８７１号公報

【特許文献2】ＷＯ２００９−０４１０８１Ａ１

【特許文献3】ＷＯ２００９−１２５５６６Ａ１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

前述の特許文献１では、微粉炭バーナからボイラ内に噴出する燃焼用ガスの流路を上半分と下半分に２つに分けて（以下、単に「上下方向で」ということがある）、それぞれの流路での燃焼用ガス流量を制御し、上下方向を流れる燃焼用ガスの流量に差を与えることで燃焼用ガス流路の上半分の流路と下半分の流路から噴出される流体の運動量に偏差を与え、火炎を偏向させている。

【0009】

この特許文献１記載の方法で火炎を偏向させる場合、バーナ負荷が高い条件、すなわち、バーナへの燃料供給量が多く、燃料を完全燃焼させる燃焼用ガスを多量に供給する場合では、前記燃焼用ガス流路の上方向と下方向での燃焼用ガス流量をそれぞれ制御することにより、燃焼用ガスノズルの上方向と下方向からそれぞれ噴出する流体の流速の差異が拡大する。これにより運動量偏差も大きくなり、効果的に火炎を偏向させることができる。

【0010】

しかし、バーナ負荷が小さい場合、すなわち燃焼用ガス供給量が少量である場合、上半分と下半分に２つに分けた燃焼用ガス流路でのそれぞれの流量を制御して流量偏差を与えた場合でも、燃焼用ガスの上下方向の流量差は高負荷時ほど大きくならない。つまり、バーナが低負荷時には、上下方向で燃焼用ガス流量に偏差を与えても流速差が小さいため運動量偏差が小さくなる。そのためバーナ低負荷時においては、燃焼用ガスの運動量変化のみでは火炎を効果的に偏向させることができず、火炉内の還元域の拡大及び排ガス中のＮＯｘ濃度を低下させることは不可能であった。

【0011】

また、微粉炭バーナから噴出する燃焼用ガス（空気）の流れは、バーナの構造、特に燃焼用ガスの流路の形態に大きく影響される。特に、微粉炭ノズルの流体の流れに直交する断面形状を扁平なものとする微粉炭バーナにおいては、偏流が発生しやすい。偏流が生じると、前記バーナからの火炎の安定性が悪くなるといった課題がある。とりわけ、微粉炭ノズルの出口外周部に設置した保炎器近傍での流れが重要となり、微粉炭ノズルの外周部から噴出する燃焼用ガスの噴流を周方向で均等に配分することができるか否かが鍵である。

【0012】

そこで本発明の課題は、比較的簡単な構造の燃焼用ガスノズルを用いて、低負荷時においても火炎を偏向させることができる固体燃料バーナと該固体燃料バーナを備えた燃焼装置の運転方法を提供することである。また、本発明の課題は、固体燃料バーナ出口で燃焼用ガスを可能な限り固体燃料ノズル出口の外周部の周方向で均等になるようにした固体燃料バーナと該固体燃料バーナを備えた燃焼装置の運転方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記本発明の課題は次の解決手段により達成される。
請求項１記載の発明は、固体燃料と該固体燃料の搬送ガスとの混合流体が流れる円筒状の固体燃料流路（２）を有し、火炉壁面（１８）に開口した固体燃料ノズル（８）と、前記固体燃料の燃焼用ガスが流れるウインドボックス（３）から連通し、前記固体燃料ノズル（８）の外周側に形成される２次燃焼用ガス流路（４）を構成する２次燃焼用ガスノズル（１０）と、２次燃焼用ガスノズル（１０）の外周側に形成される３次燃焼用ガス流路（５）を構成する３次燃焼用ガスノズル（１５）を備えた固体燃料バーナにおいて、前記固体燃料ノズル（８）内に、該固体燃料ノズル（８）内の固体燃料流路（２）の横断面を縮小させる絞り部（７ａ）を有するベンチュリー（７）と該ベンチュリー（７）の後流側に固体燃料ノズル（８）内の混合流体の流れを外向きに変える流路拡大部を有する燃料濃縮器（６）を備え、前記固体燃料ノズル（８）の火炉壁面（１８）に設けた開口部（３２）における開口形状を扁平形状とし、前記固体燃料ノズル（８）は、該固体燃料ノズル（８）の外周壁のノズル中心軸（Ｃ）に垂直な断面形状が、（ａ）前記固体燃料流路（２）に接続した固体燃料導入部から前記ベンチュリー（７）の絞り部（７ａ）まで円形であり、（ｂ）前記ベンチュリー（７）の絞り部（７ａ）から火炉壁面（１８）の開口部（３２）に至るまでの間は前記中心軸（Ｃ）から外側へ水平方向に単調に拡がり、徐々に扁平度合いが増大する部分を有し、（ｃ）火炉壁面（１８）の開口部（３２）において扁平度合いが最大の扁平形状となるように形成されており、前記２次燃焼用ガスノズル（１０）は、該２次燃焼用ガスノズル（１０）の外壁の前記中心軸（Ｃ）に垂直な断面形状が、２次燃焼用ガスノズル（１０）の出口部において扁平形状であり、前記３次燃焼用ガスノズル（１５）は、該３次燃焼用ガスノズル（１５）の外周壁の前記中心軸（Ｃ）に垂直な断面形状が、火炉壁面（１８）の開口部（３２）で円形であり、平行な複数の流路を形成するように仕切り板（１４）で分割され、３次燃焼用ガス流路（５）に対して水平な部位と、火炉（１１）内で噴出する３次燃焼用ガスの流れを前記水平部位から火炉（１１）側に接続された３次燃焼用ガスノズル（１５）の外周壁方向に向かう傾斜部位から構成される３次燃焼用ガス案内板（１６）を、前記３次燃焼用ガスノズル（１５）内の３次燃焼用ガス流路（５）であって２次燃焼用ガスノズル（１０）の外周のうち、上部と下部にそれぞれ備え、前記ウインドボックス（３）は、平行な複数の流路を形成するように仕切り板（１４）で上下に２分割され、前記２分割された流路のうち一部の流路は前記３次燃焼用ガスノズル（１５）の上側へ、残りの流路は３次燃焼用ガスノズル（１５）の下側へ接続され、各々の流路を流れる燃焼用ガスの流量を調節する１以上の燃焼用ガス流量調節手段（３０）を設けた固体燃料バーナである。

【0014】

ここで、上記「扁平形状」とは、図３（ａ）の長方形、図３（ｂ）の楕円形、図３（ｃ）の半円形と長方形を組み合わせた形状、図３（ｄ）の幅が広い多角形などの形状であり、長径や長辺Ｗと短径や短辺Ｈを有する平べったい形状と定義する。

【0015】

図３（ａ）において、４つの角部の一部又は全部は曲線状であっても良い。同様に、図３（ｄ）において、多角形の角部の一部又は全部が曲線状であっても良い。また、上記の各形状において、曲線部の曲率は一定の曲率であることに限定されない。

【0016】

また、「扁平度合い」とは、長径や長辺Ｗと短径や短辺Ｈの比Ｗ／Ｈであると定義する。従って、徐々に扁平度合いが増加するとは、固体燃料ノズル（８）の中心軸（Ｃ）に直交する断面の比Ｗ／Ｈが少しずつ増加していくことを意味し、最大の扁平形状とは、固体燃料ノズル（８）の内で比Ｗ／Ｈが最も大きな部分の形状を指す。

【0017】

実用上、火炉壁面（１８）の開口部（３２）における前記比Ｗ／Ｈは、１．５〜２．５の範囲に設定される。比Ｗ／Ｈが約１．５を下回ると、扁平度合い（率）の増加が十分ではなく、火炉（１１）内での火炎の幅広方向への拡がりが小さいため、本発明による燃料の高効率で低ＮＯｘの燃焼性能を達成できない。また、比Ｗ／Ｈが約２．５を上回ると、固体燃料ノズル（８）の出口における長径や長辺Ｗの寸法が大きくなりすぎて、固体燃料ノズル（８）を火炉壁面（１８）のバーナ開口部（３２）に設置するのが困難となる。

【0018】

請求項２記載の発明は、固体燃料ノズル（８）の先端外周部に、固体燃料ノズル（８）を取り囲んで形成される保炎器（９）を配置し、２次燃焼用ガスノズル（１０）内の２次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）から火炉壁面（１８）の開口部（３２）に向かって該２次燃焼用ガス流路（４）の流路断面積を順次縮小する構造とした請求項１記載の固体燃料バーナである。

【0019】

請求項３記載の発明は、燃焼用ガス流入部（１７）から出口部に向かって２次燃焼用ガス流路（４）の流路断面積の縮小率を３０％〜８０％とした請求項２記載の固体燃料バーナである。

【0020】

請求項４記載の発明は、２次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）のガス流入方向を火炉壁面（１８）に垂直な向きに設け、複数の開口部（１７ａａ，１７ｂａ，１７ｃａ，１７ｄａ）を有する平板（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ）を配置した請求項１から３のいずれかに記載の固体燃料バーナである。

【0021】

請求項５記載の発明は、２次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）に配置される平板（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ）の開口部（１７ａａ，１７ｂａ，１７ｃａ，１７ｄａ）を２次燃焼用ガス流路（４）内での２次燃焼用ガスの流速が該流路（４）の周方向で均等になるように配置した請求項４記載の固体燃料バーナである。

【0022】

請求項６記載の発明は、２次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）の断面積に対する平板（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ）の開口部（１７ａａ，１７ｂａ，１７ｃａ，１７ｄａ）の開口比率を０．０５〜０．３０とした請求項５に記載の固体燃料バーナである。

【0023】

請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の固体燃料バーナ（３１）を火炉壁面（１８）の少なくとも一面に配置した燃焼装置（１１）の運転方法であって、燃焼装置（１１）の負荷に応じて、前記固体燃料バーナ（３１）の仕切り板（１４）で上下に２分割され、前記２分割された各々の３次燃焼用ガス流路（５）を流れる燃焼用ガスの流量を燃焼用ガス流量調節手段（３０）で調節する燃焼装置（１１）の運転方法である。

【発明の効果】

【0024】

請求項１記載の発明によれば、３次燃焼用ガスノズル（１５）内の３次燃焼用ガス流路（５）上であって２次燃焼用ガスノズル（１０）の外周のうち、上部と下部にそれぞれ案内板（１６）を設けることで、３次燃焼用ガスノズル（１５）から火炉（１１）へ噴出される燃焼用ガスに、火炉（１１）の水平方向だけではなく、火炉（１１）の上下方向（鉛直方向）への速度成分を与えることが可能となる。従って、燃焼用ガスの前記上下方向の流速を増大させることが可能となり、燃焼用ガス流量が少ない低負荷条件においても燃焼用ガスの上下方向の運動量偏差を大きくし、安定に火炎を偏向させることで、燃焼排ガスの低ＮＯｘ化を実現可能な固体燃料バーナを提供することができる。

【0025】

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記２次空気流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）から火炉（１１）内への噴出口である出口部に向かって、該流路（４）の流路断面積が順次縮小していくことにより、２次空気流路（４）の出口部に向けて周方向で、順次均一の流速に近づく。

【0026】

請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明の効果に加えて、２次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）から出口部に向かって該２次燃焼用ガス流路（４）の流路断面積の縮小率（定義は後述）を３０％〜８０％としたので、最大流速と最小流速の比があまり大きく変化しないため、２次燃焼用ガス流路（４）の出口部周方向における流速を均等化でき、２次燃焼用ガス流れの偏流が無くなる。 請求項４記載の発明によれば、請求項１から３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、２次空気流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）のガス流入方向を火炉壁面（１８）に垂直な向きに設け、複数の開口部（１７ａａ，１７ｂａ，１７ｃａ，１７ｄａ）を有する平板（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ）を配置したことにより、火炉（１１）内での２次空気の噴出量を２次空気流路（４）の出口部の周方向で均等化できる。従って、保炎器（９）の近傍に形成される火炎の安定化に寄与するとともに、燃焼性も良好となるため一酸化炭素（ＣＯ）や燃料の未燃分の低減にも繋がる。特に、最外周部の３次燃焼用ガス流路（５）内の３次燃焼用ガス流量を火炉（１１）の上下で変更できる固体燃料バーナ（３１）では、この２次燃焼用ガスノズル（１０）の出口部での２次燃焼用ガスの噴出量を周方向で均等化でき、均等化が保炎強化の面から重要である。

【0027】

請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の発明の効果に加えて、２次燃焼用ガス流路（４）の燃焼用ガス流入部（１７）に配置される平板（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ）の開口部（１７ａａ，１７ｂａ，１７ｃａ，１７ｄａ）を２次燃焼用ガス流路（４）内での２次燃焼用ガスの流速が該流路（４）内の周方向で均等になるように配置したので、二次燃焼ガス流路（４）の出口部での２次空気の噴出量を周方向で均等化でき、保炎強化を図ることができる。

【0028】

請求項６記載の発明によれば、請求項５記載の発明の効果に加えて、２次燃焼用ガス流入部（１７）の断面積に対する平板（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ）の開口部（１７ａａ，１７ｂａ，１７ｃａ，１７ｄａ）の開口比率を０．０５〜０．３０に設定することで２次燃焼用ガスの最大流速と最小流速の比が２以下になるので、２次燃焼用ガス流路（４）の出口部周方向における流速を均等化でき、２次燃焼用ガス流れの偏流が無くなる。

【0029】

請求項７記載の発明によれば、例えば、ボイラなどの燃焼装置が低負荷であるときは、火炉（１１）内で形成される火炎を上方に向け、伝熱管群と火炎の距離を近づけて、伝熱管近傍のガス温度を上昇させるとともに、火炎を下方に向けたときに比べて火炎の輻射熱を伝熱管群により多く与えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の一実施例に係る微粉炭バーナの側断面図（図１（ａ））と平面断面図（図１（ｂ））、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図（図１（ｃ））を示す。

【図2】図１の微粉炭バーナを火炉側から見た正面図（図１（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図）を示す。

【図3】図１の微粉炭ノズルの開口部の各種横断面形状を示す。

【図4】図２の微粉炭バーナの微粉炭ノズル内の微粉炭主流の流動状態を説明する図（図４（ａ）は側断面図）と火炉側から見た正面図（図４（ｂ））と水平断面図（図４（ｃ））と図２の微粉炭ノズル出口部の微粉炭濃度測定結果を示す図（図４（ｄ））である。

【図5】図１の微粉炭バーナの各種３次空気案内板の斜視図を示す。

【図6】図１の微粉炭バーナの構成により火炉内の火炎を下方に変更する場合のダンパ開度（図６（ａ））と火炉内での火炎方向を示す模式図（図６（ｂ））である。

【図7】図１の微粉炭バーナの構成により火炉内の火炎を上方に変更する場合のダンパ開度（図７（ｂ））と火炉内での火炎方向を示す模式図（図７（ｂ））である。

【図8】本発明の一実施例の微粉炭バーナ（３次燃焼用ガス案内板を有する微粉炭バーナ）を備えた火炉と３次燃焼用ガス案内板のない微粉炭バーナを備えた火炉における、火炉出口での排ガス中のＮＯｘの挙動を示す図である。

【図9】本発明の一実施例の微粉炭バーナ（３次燃焼用ガス案内板を有する微粉炭バーナ）を備えた火炉と３次燃焼用ガス案内板のない微粉炭バーナを備えた火炉における、火炎偏向時の排ガス中のＮＯｘの挙動を示す図である。

【図10】本発明の一実施例の微粉炭バーナの２次空気流入部の断面積に対する２次空気出口部の断面積の縮小率と２次空気流路の出口部での最大流速と最小流速の比の関係を示す図である。

【図11】本発明の一実施例の微粉炭バーナの２次空気流路の流入部に設けた平板の平面図（図１１（ａ））と該平板の半分の斜視図（図１１（ｂ））である。

【図12】本発明の一実施例の微粉炭バーナの２次空気流路の流入部に設けた平板の他の実施例であり、図１２（ａ）は平板の平面図、図１２（ｂ）は該平板の半分の斜視図である。

【図13】本発明の一実施例の微粉炭バーナの２次空気流路の流入部に設けた平板の他の実施例（平面図）である。

【図14】本発明の一実施例の微粉炭バーナの２次空気流入部の開口比率と２次空気流路の出口部での流速分布との実測値の関係図である。

【図15】本発明の一実施例の微粉炭バーナの２次空気流路の２次空気流入部に平板を設置しない場合（図１５（ａ））と設置した場合（図１５（ｂ））における２次空気流入部の流速分布の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

本発明の実施の形態について図面とともに説明する。
図１は、本発明の実施例に係る固体燃料バーナの構成図であり、図１（ａ）に固体燃料バーナの縦断面図を示し、図１（ｂ）に固体燃料バーナの水平断面図を示し、図１（ｃ）に図１（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図を示す。

【0032】

本実施例は、固体燃料バーナの中心に点火バーナ１、その外周に搬送ガスによって固体燃料を火炉１１（図６参照）に供給する固体燃料流路２（微粉炭を用いることが多いので微粉炭流路２ということがある。）と該流路２に接続される固体燃料ノズル８（微粉炭を用いることが多いので微粉炭ノズル８ということがある。）、固体燃料流路２の外周部に設けられる２次燃焼用ガス（通常は空気を利用するので、２次燃焼用ガスを、以下２次空気ということがある）流路４と該流路４に接続され、微粉炭ノズル８の外周から燃焼用ガスを火炉１１に噴出する２次燃焼用ガスノズル（２次空気ノズル）１０、及び２次燃焼用ガス（２次空気）流路４の外周部に設けられる３次燃焼用ガス（通常は空気を利用するので、３次燃焼用ガスを３次空気ということがある）流路５と該３次燃焼用ガス流路５に接続され、２次燃焼用ガスノズル１０の外周から３次燃焼用ガス（３次空気）を火炉１１に噴出する３次燃焼用ガスノズル（３次空気ノズルということがある）１５が配置されている。

【0033】

前記点火バーナ１、微粉炭ノズル８、２次空気ノズル１０及び３次空気ノズル１５は、火炉１１の壁面１８に設けられた火炉開口部３２から火炉１１内に向けてそれぞれの噴出物を噴出する。

【0034】

これら点火バーナ１、微粉炭ノズル８、２次空気ノズル１０及び３次空気ノズル１５は火炉壁面１８に設けられた開口部３２を囲んで微粉炭又は燃焼用空気を燃焼用空気流路１９から供給するウインドボックス３内に配置されている。

【0035】

また、本実施例に示す微粉炭バーナにおける微粉炭ノズル８の先端部には保炎器９を設け、また微粉炭ノズル８内の微粉炭流路２上に該微粉炭流路２の縮小部材として絞り部７ａを有するベンチュリー部７を設け、該ベンチュリー部７の下流側に、微粉炭微粒子を微粉炭流路２の内壁側に濃縮させながら火炉１１内に噴出させるための濃縮器６を備えている。

【0036】

さらに、２次空気ノズル１０の出口先端には３次空気案内部材２４を設けている。該３次空気案内部材２４はバーナ中心軸Ｃに対して外側に４５度の傾斜角度で設けることが望ましい。また、２次空気ノズル１０の外周部には３次空気案内板１６が設けられている。さらに、３次空気流路５を上下に２分割する３次空気仕切り板１４（図６）が設けられている。

【0037】

ここで、微粉炭ノズル８、２次空気ノズル１０及び３次空気ノズル１５の詳細な構造を説明する。
図２には、火炉１１側から見た微粉炭バーナの正面図（図１（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図）を示す。保炎器９は、該保炎器９の後流側に循環流を形成して着火性と保炎効果を高めるように微粉炭ノズル８の先端部にリング状に設けられる。微粉炭ノズル８側には、さめ歯状の突起を形成したものを用いても良い。

【0038】

図２に示すように、微粉炭ノズル８は、火炉壁面１８の火炉開口部３２で扁平形状の開口形状を有する。ここで、前記扁平形状の一例を図３に示す。扁平形状とは、図３（ａ）の長方形、図３（ｂ）の楕円、図３（ｃ）の半円と長方形を組み合わせた形状、図３（ｄ）の幅が広い多角形などの形状であり、長径や長辺Ｗと短径や短辺Ｈを有する平べったい形状をいう。

【0039】

火炉１１の開口部３２よりも前流側のバーナ３１の中心軸Ｃに対して垂直な断面形状は、図示していない微粉炭導入部から微粉炭流路２を縮小するベンチュリー７の絞り部７ａまでは円形であり、絞り部７ａから火炉壁面１８の開口部３２までの間は、バーナ中心軸Ｃから外側へ水平方向に徐々に単調に拡がることで扁平度合いが徐々に増加し、火炉壁面１８の開口部３２では扁平度合いが最大となる形状としている。

【0040】

ここで、前記扁平度合いとは、長辺Ｗと短辺Ｈの比（Ｗ／Ｈ）と定義する。従って、徐々に扁平度合いが増加するとは、微粉炭ノズル８の中心軸Ｃに直交する断面の長辺Ｗと短辺Ｈの比（Ｗ／Ｈ）が少しずつ増加していくことを意味し、最大の扁平形状とは、微粉炭ノズル８内で長辺Ｗと短辺Ｈの比（Ｗ／Ｈ）が最も大きな部分の形状を指す。

【0041】

微粉炭導入部から微粉炭ノズル８の出口までの、微粉炭ノズル８内の微粉炭の主流の流れを図４に示す。図４（ａ）は微粉炭ノズル８の縦方向断面図であり、図４（ｂ）は微粉炭ノズル８の水平方向断面図である。微粉炭ノズル８内のベンチュリー７以降の流れにおいて、図４の中で斑点模様を施した部分３５は、微粉炭の濃縮された領域を模式的に表示したものである。

【0042】

前記微粉炭と搬送ガスの混合流体はベンチュリー７の絞り過程において中心軸Ｃに向かって縮流となり、燃料濃縮器サポート管３４に沿った円環状の流れを形成する。この流れが燃焼濃縮器６に到達すると、燃料濃縮器６の前面の傾斜部により外向きに流れが変えられる。

【0043】

なお、燃料濃縮器６の構造例としては、燃料濃縮器サポート管３４を中心軸として軸方向断面積が増大する円錐状の前面傾斜部と、その後流側に軸方向断面積がほぼ同一の円柱状の平行部、さらにその後流側に軸方向断面積が減少する円錐状の後面傾斜部が形成されたものが挙げられる。後面傾斜部が位置する微粉炭ノズル８内の流路は、流路断面積が大きく増大することから流路拡大部と称することもある。

【0044】

微粉炭導入部で微粉炭ノズル８内の微粉炭の流量分布が均一でない場合においても、ベンチュリー７の絞り部で燃料が一旦、中心軸Ｃ方向に集められ、その後、燃料濃縮器６で拡げられる過程で、周方向の燃料流量分布は均一化される。燃料濃縮器６で拡げられた微粉炭の流れの中で、鉛直方向成分の流れは図４（ａ）に示すようにすぐに上下の微粉炭ノズル８の内周壁の水平部に衝突して、直進方向に変えられ、水平方向成分の流れは燃料濃縮器６の前面の傾斜部で与えられた外向きの速度成分が微粉炭ノズル８の出口部まで保存され、微粉炭の主流は微粉炭ノズル８の出口以降の火炉１１に流入後も拡がり続ける。

【0045】

上記した微粉炭ノズル８の構造及びベンチュリー７と燃料濃縮器６の組合せにより、微粉炭の流れを扁平形状として扁平度合い（率）を微粉炭ノズル８の出口以降も拡大させるとともに、保炎器９の周りの微粉炭ノズル８の内周壁の近傍の燃料濃度分布を均一とすることができる。

【0046】

図４（ｄ）は図１の微粉炭ノズル８の出口部の微粉炭濃度測定結果を示す図であり、本実施例の微粉炭ノズル８の出口部で燃料濃度の分布を測定した一例を示す。
微粉炭ノズル８の中央部の燃料濃度／平均燃料濃度は０．８倍以下と希薄で、外周部に近づくほど燃料濃度は濃くなる。そして最外周部の燃料濃度は平均濃度の１．４倍以上となり、平均濃度の１．５倍程度に濃縮される。また、微粉炭ノズル８の周方向の濃度分布は均一であり、たとえば着火に重要な役割を果たす保炎器９に最も近い微粉炭ノズル８の最外周部の燃料濃度偏差は、燃料濃度／平均燃料濃度で±０．１倍程度に抑えられている。

【0047】

このように、微粉炭ノズル８の周方向で均一な燃料濃度が得られることにより、安定した着火保炎性が得られる。
また、微粉炭ノズル８の外周に備えられた２次空気ノズル１０及び３次空気ノズル１５は、火炉壁面１８の出口部において、それぞれ扁平形状及び円形である。また、２次空気ノズル１０の外周部の出口先端には、ノズル１０の全周にわたって、微粉炭バーナの中心軸Ｃに対して外周側に燃焼用空気を導く３次空気案内部材２４が設けられている。なお、前記案内部材２４は、バーナ中心軸Ｃからバーナ外周側へ角度４５度で傾斜させることが望ましい。

【0048】

前記３次空気ノズル１５には、当該ノズル１５の内壁と２次空気ノズル１０の外壁に接続され、３次空気流路５を２分割する３次空気流路仕切り板１４が設けられ、さらに、３次空気ノズル１５の３次空気流入部１２には複数の開口部材１３を重ね合わせて開口面積を調節できる開口部を設けている。

【0049】

また、３次空気ノズル１５内の３次空気流路５には、３次空気案内板１６が設けられる。図５の斜視図に３次空気案内板１６として用いることができる形状の例を示す。３次空気ノズル１５内の３次空気流路５の流れ方向に対して平行な面を有する３次空気案内板１６の水平部１６ａと、前記水平部１６ａから流路出口側（火炉側）に接続された３次空気ノズル１５の外周隔壁方向に向かう傾斜部１６ｂ、及び前記水平部１６ａと２次空気ノズル１０を接続し、３次空気案内板１６を支持する支持部１６ｃから構成される。

【0050】

前記支持部１６ｃは２次空気ノズル１０の外周壁平行部、すなわち２次空気ノズル１０の外周壁が平ら形状となっている部位の火炉壁面１８に平行な方向（２次空気ノズル１０の径方向）の両端に接続され、支持部１６ｃと水平部１６ａとを併せた構造は、中心が空洞の直方体形状である。３次空気案内板１６の傾斜部１６ｂは３次ノズル１５の外周隔壁に沿う方向に図５（ａ）に示すような円弧形状（三日月形状）とすることが望ましいが、その他の例として、図５（ｂ），図５（ｃ）に示すような三角形または四角形であっても良く、その形状は限定されない。また、３次空気案内板１６は３次空気案内部材２４と異なり、３次空気ノズル１５内の３次空気流路５上に全周にわたって連続的には設置されておらず、少なくとも仕切り板１４が設置されている箇所では該案内板１６は設置されない。

【0051】

次に、微粉炭ノズル８、２次空気ノズル１０及び３次空気ノズル１５の機能を説明する。
微粉炭ノズル８は微粉炭を搬送ガスと共に火炉１１内へ噴出する機能を持つ。微粉炭ノズル８の火炉壁面１８に位置する開口部３２の形状を扁平形状とすることで、微粉炭ノズル８から火炉１１内へ噴出する微粉炭を図２中で図示したＸ方向及びＸ’方向に分散して噴出することができる。これにより、複数の微粉炭バーナ３１を設置した火炉１１において、隣接した微粉炭バーナ３１の間の空間に微粉炭を供給して燃焼させることが可能となり、火炉１１内の空間を有効利用することができる。

【0052】

２次空気ノズル１０及び３次空気ノズル１５は、微粉炭を燃焼させる燃焼用空気を火炉１１に供給する機能を持つ。３次空気ノズル１５の構造は火炉壁面１８の開口部３２での構造を円形、２次空気ノズル１０の構造は火炉壁面１８の開口部３２での構造を扁平形状とする。これらの構造により、火炉壁面１８の開口部３２において、図２中で図示したＸ方向及びＸ’方向で示された２次空気ノズル１０の円弧部と３次空気ノズル１５の外周壁との間の断面積に対し、図２中で図示したＹ方向及びＹ’方向で示された２次空気ノズル１０の扁平部と３次空気ノズル１５の外周壁との間の断面積を大きくしている。従って、図２中に図示したＹ方向及びＹ’方向から噴出する燃焼用空気量が増大するため、Ｙ方向又はＹ’方向へ効果的に燃焼用空気を集中させることができる。

【0053】

また、図６，図７に示すように２次空気ノズル１０の外周壁と３次空気ノズル１５の内周壁には仕切り板１４が設置され、該仕切り板１４で３次空気流路５を上下に２分割している。該仕切り板１４はウインドボックス３内を上下に２分割する仕切り板１４でもある。そのため上下に２分割された３次空気流路５に導入するウインドボックス３から３次空気量を各々ダンパ３０ａ〜３０ｄで調整することにより、各々の流路を流れる燃焼用空気の運動量に偏差を与えることが可能となり、微粉炭バーナ３１から噴出する火炎をＹ方向又はＹ’方向へ偏向させることができる。

【0054】

次に、３次空気案内部材２４と３次空気案内板１６の機能を説明する。
まず、３次空気案内部材２４は、バーナ中心軸からバーナ外周側へ向けて拡大する傾斜面を有しており、３次空気ノズル１５から噴出される燃焼用ガス（空気）の流れをノズル外周方向へ導く作用を持つ。該案内部材２４により最も影響を受けるのは３次空気ノズル１５の内周壁近傍を流れる流体であり、該流体が火炉１１に噴出される際に３次空気ノズル１５の外周方向への速度成分を得ることが可能となる。３次空気案内板１６も３次空気案内部材２４と同様に、３次空気流路５を微粉炭バーナ３１の外周側に導く作用がある。

【0055】

一方、３次空気案内板１６は、３次空気流路５内における３次空気ノズル１５の外周壁近傍を流れる３次空気を図２中のＹ方向及びＹ’方向に導くため、３次空気案内部材２４と３次空気案内板１６を同時に設けることにより、３次空気ノズル１５の内周壁側及び外周壁側のそれぞれ単独ではなく、両方を流れる３次空気を微粉炭バーナ３１の外周に導くことができる。従って、効果的に微粉炭バーナ３１の外周方向、特に図２中のＹ方向及びＹ’方向の速度成分を得ることができる。

【0056】

以上の構造、機能を有する微粉炭バーナ３１の特徴は、次の（１）、（２）の通りである。
（１）燃焼用ガス（空気）を図２中のＹ方向又はＹ’方向から火炉１１へ集中して噴出させる。
（２）３次空気案内板１６により前記Ｙ方向又はＹ’方向への速度成分を強制的に持たせる。

【0057】

これらにより、ボイラの低負荷時、つまり、燃焼用空気の供給量が少ない条件においても、Ｙ方向又はＹ’方向への速度成分を有する燃焼用空気量を増大させることが可能となる。従って、本構造の微粉炭バーナ３１を用いて３次空気流路５を２分割して流れる燃焼用空気量を個々に制御した場合、ボイラの低負荷時においても、Ｙ方向又はＹ’方向へ流れる流体の運動量に効果的に偏差を与えることが可能となり、微粉炭バーナ３１から噴出する火炎を偏向させることができる。

【0058】

本実施例では、２分割した３次空気流量の制御方法としてウインドボックス３の燃焼用空気入口のダンパ（バタフライダンパなど）３０ａ〜３０ｄを用いて説明するが、パンチングプレート（金属板に沢山の孔が空いたもの）等の他の流量制御手段を用いても良い。図６（ａ）に示すように仕切り板１４で２分割した３次空気流路５のうち、３次空気流路５の上半分の流路に３次空気を供給するダンパ３０ａ，３０ｂの開度を小さくし（図中では全閉で表示）、下半分の流路に３次空気を供給するダンパ３０ｃ，３０ｄの開度を大きくし（図中では全開で表示）、下半分の３次空気流路５から噴出する燃焼用空気量を大きくした場合、図６（ｂ）の火炉１１の模式図に示すように微粉炭バーナ３１から噴出する火炎２８の向きが下方へと偏向し、火炎２８と二段燃焼用空気供給口２９間の還元域を拡大させることができる。なお、前記２分割した３次空気流路５に燃焼用ガスを供給するダンパ３０ａ，３０ｂとダンパ３０ｃ，３０ｄの開度の差を大きくすればするほど火炎２８が大きく偏向する。

【0059】

図７（ａ）には、３次空気流路５の下半分の流路から噴出する燃焼用空気量に対して、３次空気流路５の上半分の流路から噴出する燃焼用空気量を多くした場合のダンパ３０ａ〜３０ｄの開度を示し、図７（ｂ）に図７（ａ）に示す開度の制御時における火炉１１内での火炎２８の向きを示す。

【0060】

図７（ａ）と図７（ｂ）に示すダンパ３０ａ〜３０ｄの開度の制御操作を行った場合、微粉炭バーナ３１から噴出する火炎２８の向きを上方へ偏向させて、火炎２８と二段燃焼用空気供給口２９の間の火炉１１内の還元域が縮小するため、この操作は燃焼排ガスの低ＮＯｘ濃度化（単に低ＮＯｘ化ということがある。）を目的には行われない。

【0061】

図７（ａ）と図７（ｂ）に示すダンパ３０ａ〜３０ｄの開度の制御操作は、例えば、ボイラの低負荷時において、火炉１１内の上方部位に設置された伝熱管群への熱吸収量を増加させる必要がある場合などに用いられ、その目的は火炎２８を上方に向け、伝熱管群と火炎２８の距離を近づけて、伝熱管近傍のガス温度を上昇させるとともに、火炎２８の輻射熱を伝熱管群に与えることにある。

【0062】

図８に、ボイラ１００％負荷時（石炭を最大供給量、火炉に投入してボイラを運転する条件）において図６及び図７に示すダンパ３０ａ〜３０ｄの開度の制御操作を行った時の火炉１１の出口での排ガス中のＮＯｘ濃度の挙動を示す。白帯は、３次空気案内板１６のある本実施例の微粉炭バーナ３１の場合を示し、色の付いた帯は、３次空気案内板１６のない微粉炭バーナの場合を示している。

【0063】

図８に示されるように、下段ダンパ３０ｃ，３０ｄの開度を大きくし、火炎２８を火炉１１の鉛直方向の壁面１８に対して下向きに偏向させることにより、火炎２８と二段燃焼用空気供給口２９間の還元域が拡大し、火炉１１内でのＮＯｘ生成量を基準条件（火炎偏向無し）に対して低減可能となる。また、ボイラ負荷の高い本条件では３次空気ノズル１５から噴出される流体の流量が多い。そのため、図８に示すように、３次空気案内板１６を設置しない場合でも３次空気ノズル１５内の上側と下側の流路に流量偏差を与えることで基準条件に対してある程度ＮОｘの生成を低減可能である。

【0064】

図９には、ボイラの低負荷時において火炎２８を下方に偏向した時のＮＯｘ濃度の挙動を示す。３次空気ノズル１５から噴出される流体の流量が少ない本条件では、３次空気案内板１６を設置しない場合、３次空気ノズル１５内の上側と下側の流路に十分な流量偏差を与えることができない。その結果、火炎が下向きに偏向せず、ＮОｘ生成量の低減効果が得られない。本実施形態のように、３次空気案内板１６を設置することで図８に示す高負荷時（ボイラ１００％負荷）と同様に火炉１１内でのＮＯｘ生成量を基準条件に対して低減可能である。

【0065】

これは前述した通り、３次空気案内板１６と３次空気案内部材２４を設けることにより、３次空気ノズル１５の内周壁側及び外周壁側両方を流れる３次空気を微粉炭バーナ３１の外周に導くことができるため、３次空気ノズル１５内の上側と下側の流路に流量偏差を与えた場合、効果的に図２中のＹ方向またはＹ’方向の速度成分を得ることができる。これにより、両流路を流れる流体の流量が少ない低負荷時においても運動量偏差を与えることができるため、微粉炭バーナ３１から噴出する火炎を下方に偏向させることが可能となり、ボイラ低負荷時においても効果的にＮＯｘ生成量を低減することができる。

【0066】

次に２次空気流路４の２次空気ノズル１０からの２次空気の噴出を周方向で均等化することで火炎の安定を図るための構成について説明する。 ２次空気流路４は、２次空気流入部（２次空気入口部）１７から火炉１１側の２次空気出口に向かって流路断面積が順次縮小する構造となっている。なお、微粉炭バ−ナ３１では、微粉炭と搬送ガスの出口部である微粉炭ノズル８の出口部での流体の流速は約１９ｍ／秒であり、２次空気と３次空気との流量比（２次空気と３次空気との合計流量に対する微粉炭ノズル８の出口部での流体流量の単位時間当たりの比率）は約１／５である。

【0067】

まず、２次空気流路４の出口部での流速分布に対する２次空気流入部１７の断面積と２次空気流路４の出口部付近の断面積との比の影響を検討した。
本発明者らが独自に組み上げた流動試験装置を用いて、前記断面積比率と２次空気流路４の出口部での流速分布との関係を実験から評価した。装置は図１に示す出口形状を有する微粉炭バーナ３１と同形状のものを製作し、流入部１７の断面積と出口部近傍の断面積の比を変えて、２次空気流路４の出口部を周方向で１６等分して各部の流速を熱線風速計で測定した。なお、流体は常温の空気を用いた。流速の均等化を示す指標としては、１６等分した各部の流速のうち最大流速と最小流速の比をとって評価した。最大流速と最小流速の比が１になれば、流速が均等化していることを示す。

【0068】

図１０に評価対象とした２次空気流入部１７の断面積に対する２次空気出口部の断面積の縮小率と２次空気流路４での最大流速と最小流速の比の関係を示す。図１０における横軸の断面積縮小率は下記で定義したものである。ただし、ここでは２次空気流入部１７に平板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを設置していない。また、２次空気流入部１７の出口部断面積は保炎器９が無い状態、言い換えれば２次空気流路４が保炎器９によって、縮小される直前の断面積を指す。

【0069】

断面積縮小率＝（１−出口部断面積／流入部断面積）×１００（％）
この結果、縮小率４０％までは最大流速と最小流速の比が大きく減少し、それ以降は次第に減少して１に近づく。縮小率を３０％以上にすると、最大流速と最小流速の比が２以下であった。しかし、断面積縮小率をあまり大きくすると、後述する開口比率と同様に流入するガス量が減少してしまうため、２次空気流路４の断面積縮小率は、３０〜８０％に設定するのが望ましい。

【0070】

また、図１１や図１２に示すように、２次空気流路４の２次空気流入部１７は、ガス流入方向を火炉壁面１８に垂直な向きに設け、複数の開口部を配置した平板を設けても良い。

【0071】

図１１には、２次空気流路４の２次空気流入部１７に設けた平板１７ａの形状に関する実施例を示す。図１１（ａ）には平板１７ａの平面図を示し、図１１（ｂ）には平板１７ａの半分の斜視図を示す。

【0072】

図１１（ａ）に示す実施例では、角丸長方形の平板１７ａに複数の円形開口部１７ａａを上下及び左右対称に設けている。なお、内部の大きな円形開口部は微粉炭ノズル８の設置部である。また、この平板１７ａは取り付けやすくするために図１１（ｂ）に示すように、左右に半割り構造となっている。この実施例では、２次空気流入部１７に設けた平板１７ａの開口比率は、約９％である。

【0073】

図１２には、２次空気流入部１７に配置する平板の他の実施例を示す。図１１に示す実施例とは微粉炭ノズル８用の開口部の配置が若干異なるが、同様な構造であり、２次空気流入部１７に設けた平板１７ｂの開口比率は約１１％である。図１２（ａ）には平板１７ｂの平面図を示し、図１２（ｂ）には平板１７ｂの半分の斜視図を示す。

【0074】

なお、図１１と図１２に示す実施例では、２次空気流入部１７の平板１７ａ，１７ｂの開口部１７ａａ，１７ｂａを円形としたが、本実施形態では、このような形状に限定されず、図１３（ａ）に示すような平板１７ｃで楕円形の開口部１７ｃａを設けたものや、図１３（ｂ）に示すような平板１７ｄで四角形（正方形や長方形）などの多角形の開口部１７ｄａを設けたものでもよく、開口部の形状は特に限定されない。また、平板全体から均等に２次空気を噴出するため、小径の開口部を平板全体に配置してもよい。

【0075】

また、２次空気流入部１７近傍において、望ましくは、開口比率が後述の範囲に相当するものであれば、平板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄに限らず、スクリーン、ルーバ、網状物等、整流効果が発揮される各種の部材が適用できる。

【0076】

また、２次空気流入部１７の構造によって、平板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄも角丸長方形だけでなく、円形、角型など様々な形状を採用することができる。しかし、２次空気流路４の出口部の横断面方向の流速を均等にするためには、２次空気流入部１７の平板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの開口部１７ａａ，１７ｂａ，１７ｃａ，１７ｄａの配置は上下及び左右対称であることが望ましい。

【0077】

この２次空気流入部１７の平板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの開口比率について２次空気流路４の出口部での流速分布について前述と同様な流動試験で検討した結果を図１４に示す。図１４の結果から、前記開口比率０．１０付近で２次空気流路４の出口部の最大流速と最小流速の比が最小となり、開口比率０．３０以下において最大流速と最小流速の比が２以下であった。しかし、開口比率をあまり小さくすると、流入するガス量が極端に減少してしまうため、２次空気流入部１７の断面積に対する開口部１７ａａ，１７ｂａ，１７ｃａ，１７ｄａの開口比率は、０．０５〜０．３０に設定することが２次空気流路４の出口部での流速を均一にするために望ましい。

【0078】

図１５に、２次空気流路４の２次空気流入部１７に図１１や図１２等に示す開口部１７ａａ，１７ｂａ，１７ｃａ，１７ｄａ付きの平板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを設置しない場合（図１５（ａ））と設置した場合（図１５（ｂ））における２次空気流入部１７の流速分布の模式図を示す。２次空気の流れる方向と強さを矢印の向きと長さで示す。

【0079】

図１５（ａ）に示す平板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを設置しない場合、ウインドボックス３内のガス流の方向により（図１５に示す例では図面の左上方から２次空気が供給されている。）、２次空気流路４の２次空気流入部１７に流入すると偏流となり、流速分布も２次空気流入部１７の断面で差異が生じてしまう。このような偏流や流速分布は、２次空気流路４の出口部の流速分布に影響することが推察される。一方、図１５（ｂ）に示す２次空気流入部１７の開口部１７ａａ，１７ｂａ，１７ｃａ，１７ｄａ付きの平板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを設置した場合は、平板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄによる抵抗で、前記偏流や流速分布の差異は解消されて、２次空気流入部１７に流入する空気流は、ほぼ均一流速の直進流のみとなる。

【0080】

火炎偏向時においても安定火炎を形成するには、２次空気の噴流を周方向で均一化することが必須条件である。例えば、３次空気案内板１６によって３次空気に上下方向の速度成分を与え、仕切り板１４で上下に２分割された３次空気流路５に導入する３次空気量を各々ダンパ３０ａ〜３０ｄで調整することにより、３次空気流路５の上半分の流路から噴出する燃焼用空気量に対して、３次空気流路５の下半分の流路から噴出する燃焼用空気量を多くし、火炎２８を下向きに形成させた場合（図６）、２次空気流入部１７の断面で偏流、例えば上側ほど流速が大きくなる流速分布が生じると、２次空気の噴出流が３次空気の噴出流に同伴されなくなる。

【0081】

その結果、火炉１１に噴出される燃焼用ガスの運動量に効果的に偏差を与えることが不可能となり、微粉炭バーナ３１から噴出する火炎を目的とした方向に偏向させることができなくなる。つまり、安定な偏向火炎を形成できなくなる。

【0082】

そこで、２次空気流入部１７に開口部１７ａａ，１７ｂａ，１７ｃａ，１７ｄａ付きの平板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを設けることで２次空気の噴流が周方向で均一になるため、３次空気流路５の下半分と上半分の流路から噴出する燃焼用空気量を調整して火炎を偏向させる場合に、２次空気が３次空気の噴流に同伴されるため、運動量の偏差を容易に発生させることができる。これにより安定して火炎を偏向させることが可能となる。

【0083】

また、２次空気流路４は、２次空気流入部１７から２次空気出口に向かって流路断面積が縮小する構造であることから、出口部付近では周方向で均等な流速となり整流効果も高い。

【産業上の利用可能性】

【0084】

本発明は、微粉炭バーナに限らず、他の固体燃料バーナにも利用可能性がある。

【符号の説明】

【0085】

１ 点火バーナ ２ 微粉炭流路
３ ウインドボックス ４ ２次空気流路
５ ３次空気流路 ６ 燃料濃縮器
７ ベンチュリー ７ａ 流路絞り部
８ 微粉炭ノズル ９ 保炎器
１０ ２次空気ノズル １１ 火炉
１２ ３次空気流入部 １３ ３次用開口部材
１４ 仕切り板 １５ ３次空気ノズル
１６ ３次空気案内板 １７ ２次空気流入部
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ 平板
１７ａａ，１７ｂａ，１７ｃａ，１７ｄａ 開口部
１８ 火炉壁面 １９ 燃焼用空気流路
２４ ３次空気案内部材 ２８ バーナ火炎
２９ 二段燃焼用空気供給口
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ ダンパ
３１ 固体燃料（微粉炭）バーナ
３２ 火炉開口部（バーナスロート部）
３４ 燃料濃縮器サポート管

【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】