知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023096456
(43)【公開日】2023-07-07
(54)【発明の名称】バーナ及び燃焼炉
(51)【国際特許分類】
F23D 17/00 20060101AFI20230630BHJP
F23D 1/00 20060101ALI20230630BHJP
F23C 1/04 20060101ALI20230630BHJP
F23C 9/08 20060101ALI20230630BHJP
【ＦＩ】
F23D17/00 103
F23D1/00 Z
F23C1/04
F23C9/08 503
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021212245
(22)【出願日】2021-12-27
(71)【出願人】
【識別番号】000000974
【氏名又は名称】川崎重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000556
【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】谷口 孝二
(72)【発明者】
【氏名】加藤 篤徳
(72)【発明者】
【氏名】矢原 俊
(72)【発明者】
【氏名】山口 泰申
【テーマコード（参考）】
3K065
3K091
【Ｆターム（参考）】
3K065QB11
3K065QC03
3K065RA02
3K091AA03
3K091BB02
3K091CC06
3K091CC12
3K091CC23
3K091CC24
3K091GA24
(57)【要約】
【課題】ガス燃料を補助燃料として用いるバーナにおいて、循環渦の乱れや循環渦内の燃焼反応を低下を抑制しつつ、ガス燃料の燃焼効率を高め得る構造を提案する。
【解決手段】バーナは、主燃料及び一次燃焼用空気の混合気を噴出する主燃料出口と、主燃料出口の周囲に配置された保炎板とを有する第１ノズルと、第１ノズルと同軸に配置され、主燃料出口の外周において二次燃焼用空気を吹き出す二次空気出口を有する第２ノズルと、第１ノズルの外面に沿ってバーナ軸線と平行に延びる複数の補助燃料噴射ノズルと、を備える。複数の補助燃料噴射ノズルは、保炎板の外周縁に沿って並んだ複数の補助燃料出口、又は、保炎板の外周縁の内側且つ内周縁の外側に配置された複数の補助燃料出口を有し、複数の補助燃料出口は混合気の流れと二次燃焼用空気の流れとの境界部分へ向けて補助燃料としてのガス燃料を噴出する。
【選択図】図２
【解決手段】バーナは、主燃料及び一次燃焼用空気の混合気を噴出する主燃料出口と、主燃料出口の周囲に配置された保炎板とを有する第１ノズルと、第１ノズルと同軸に配置され、主燃料出口の外周において二次燃焼用空気を吹き出す二次空気出口を有する第２ノズルと、第１ノズルの外面に沿ってバーナ軸線と平行に延びる複数の補助燃料噴射ノズルと、を備える。複数の補助燃料噴射ノズルは、保炎板の外周縁に沿って並んだ複数の補助燃料出口、又は、保炎板の外周縁の内側且つ内周縁の外側に配置された複数の補助燃料出口を有し、複数の補助燃料出口は混合気の流れと二次燃焼用空気の流れとの境界部分へ向けて補助燃料としてのガス燃料を噴出する。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
バーナ軸線を中心とする筒状を呈し、主燃料及び一次燃焼用空気の混合気を噴出する主燃料出口と、前記主燃料出口の周囲に配置された保炎板とを有する第１ノズルと、
前記第１ノズルと同軸に配置され、前記主燃料出口の外周において二次燃焼用空気を吹き出す二次空気出口を有する第２ノズルと、
前記第１ノズルの外面に沿って前記バーナ軸線と平行に延びる複数の補助燃料噴射ノズルと、を備え、
複数の補助燃料噴射ノズルは、前記保炎板の外周縁に沿って並んだ複数の補助燃料出口、又は、前記保炎板の外周縁の内側且つ内周縁の外側に配置された複数の補助燃料出口を有し、前記複数の補助燃料出口は前記主燃料出口から出る前記混合気の流れと前記二次空気出口から出る前記二次燃焼用空気の流れとの境界部分へ向けて補助燃料としてのガス燃料を噴出する、
バーナ。
前記第１ノズルと同軸に配置され、前記主燃料出口の外周において二次燃焼用空気を吹き出す二次空気出口を有する第２ノズルと、
前記第１ノズルの外面に沿って前記バーナ軸線と平行に延びる複数の補助燃料噴射ノズルと、を備え、
複数の補助燃料噴射ノズルは、前記保炎板の外周縁に沿って並んだ複数の補助燃料出口、又は、前記保炎板の外周縁の内側且つ内周縁の外側に配置された複数の補助燃料出口を有し、前記複数の補助燃料出口は前記主燃料出口から出る前記混合気の流れと前記二次空気出口から出る前記二次燃焼用空気の流れとの境界部分へ向けて補助燃料としてのガス燃料を噴出する、
バーナ。
【請求項2】
前記複数の補助燃料噴射ノズルは、前記第１ノズルの外面と接合されている、
請求項１に記載のバーナ。
請求項１に記載のバーナ。
【請求項3】
前記複数の補助燃料噴射ノズルの下流端が前記保炎板に通されている、
請求項１又は２に記載のバーナ。
請求項１又は２に記載のバーナ。
【請求項4】
前記保炎板は外周縁に複数の切り欠きを有し、前記切り欠きに前記複数の補助燃料噴射ノズルの下流端が通されている、
請求項１又は２に記載のバーナ。
請求項１又は２に記載のバーナ。
【請求項5】
前記複数の補助燃料出口は、前記混合気の流れと前記二次燃焼用空気の流れとの境界部分に生じる循環渦の下流側へ向かう順流へ向けて前記ガス燃料を噴出する、
請求項１～４のいずれか一項に記載のバーナ。
請求項１～４のいずれか一項に記載のバーナ。
【請求項6】
前記循環渦は、外循環渦と当該外循環渦よりも前記バーナ軸線に近い内循環渦とを含んでおり、
前記複数の補助燃料出口は、前記バーナ軸線を中心として実質的同一の回転位置に配置された内側の補助燃料出口と外側の補助燃料出口とを含み、前記内側の補助燃料出口は前記内循環渦の下流側へ向かう順流へ向けて前記ガス燃料を噴出し、前記外側の補助燃料出口は前記外循環渦の下流側へ向かう順流へ向けて前記ガス燃料を噴出する、
請求項５に記載のバーナ。
前記複数の補助燃料出口は、前記バーナ軸線を中心として実質的同一の回転位置に配置された内側の補助燃料出口と外側の補助燃料出口とを含み、前記内側の補助燃料出口は前記内循環渦の下流側へ向かう順流へ向けて前記ガス燃料を噴出し、前記外側の補助燃料出口は前記外循環渦の下流側へ向かう順流へ向けて前記ガス燃料を噴出する、
請求項５に記載のバーナ。
【請求項7】
前記複数の補助燃料出口は、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１～６のいずれか一項に記載のバーナ。
請求項１～６のいずれか一項に記載のバーナ。
【請求項8】
前記ガス燃料がアンモニアガスである、
請求項１～７のいずれか一項に記載のバーナ。
請求項１～７のいずれか一項に記載のバーナ。
【請求項9】
少なくとも１つの請求項１～８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。
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１９－２０３６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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、ガス燃料の流量が増えると、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。
【0006】
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内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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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する筒状を呈し、主燃料及び一次燃焼用空気の混合気を噴出する主燃料出口と、前記主燃料出口の周囲に配置された保炎板とを有する第１ノズルと、
前記第１ノズルと同軸に配置され、前記主燃料出口の外周において二次燃焼用空気を吹き出す二次空気出口を有する第２ノズルと、
前記第１ノズルの外面に沿って前記バーナ軸線と平行に延びる複数の補助燃料噴射ノズルと、を備え、
複数の補助燃料噴射ノズルは、前記保炎板の外周縁に沿って並んだ複数の補助燃料出口、又は、前記保炎板の外周縁の内側且つ内周縁の外側に配置された複数の補助燃料出口を有し、前記複数の補助燃料出口は前記主燃料出口から出る前記混合気の流れと前記二次空気出口から出る前記二次燃焼用空気の流れとの境界部分へ向けて補助燃料としてのガス燃料を噴出することを特徴としている。
バーナ軸線を中心とする筒状を呈し、主燃料及び一次燃焼用空気の混合気を噴出する主燃料出口と、前記主燃料出口の周囲に配置された保炎板とを有する第１ノズルと、
前記第１ノズルと同軸に配置され、前記主燃料出口の外周において二次燃焼用空気を吹き出す二次空気出口を有する第２ノズルと、
前記第１ノズルの外面に沿って前記バーナ軸線と平行に延びる複数の補助燃料噴射ノズルと、を備え、
複数の補助燃料噴射ノズルは、前記保炎板の外周縁に沿って並んだ複数の補助燃料出口、又は、前記保炎板の外周縁の内側且つ内周縁の外側に配置された複数の補助燃料出口を有し、前記複数の補助燃料出口は前記主燃料出口から出る前記混合気の流れと前記二次空気出口から出る前記二次燃焼用空気の流れとの境界部分へ向けて補助燃料としてのガス燃料を噴出することを特徴としている。
【0008】
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。
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。
【発明の効果】
【0009】
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内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。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。
【0012】
〔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。
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。
【0013】
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。
【0014】
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の上部の炉壁には、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。
【0015】
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。
【0016】
燃焼炉２の下部の炉壁には、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（図示略）が張り巡らされた水冷壁となっている。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
〔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。
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。
【0022】
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の出口近傍の拡大図である。図２及び図３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第１ノズル７１、第２ノズル７２、及び、第３ノズル７３から成る多重ノズルを備える。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。
【0023】
第１ノズル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。第１ノズル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、第１ノズル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によって第１ノズル７１の下流端に主燃料出口７１ａが形成されている。主燃料出口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。
【0024】
第１ノズル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。第１ノズル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。
【0025】
第１ノズル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の下流端は第１ノズル７１の下流端の近傍に位置する。そのため、第１ノズル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となっている。
【0026】
第１ノズル７１の外周には、第２ノズル７２が設けられている。第１ノズル７１と第２ノズル７２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、風箱から二次空気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、主燃料出口７１ａの外周に位置し、主燃料出口７１ａから噴出する混合気５１の流れの外周側へ二次空気５２を吹き出す。
【0027】
第２ノズル７２の外周には第３ノズル７３が設けられている。第３ノズル７３と第２ノズル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。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。
【0028】
第２ノズル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。更に、第３ノズル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、第１ノズル７１から噴き出す混合気５１から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ノズル７３から噴出する三次空気５３は、第２ノズル７２から噴き出す二次空気５２から外側へ離れるように誘導される。
【0029】
図４は、バーナ５の出口をバーナ軸線方向Ｘの前方から見た図である。図２，３及び４に示すように、第１ノズル７１の外面には複数の補助燃料噴射ノズル９１が周方向に並んで配置されている。補助燃料噴射ノズル９１の径は第１ノズル７１の径と比較して十分に小さい。各補助燃料噴射ノズル９１は、第１ノズル７１の外面に沿ってバーナ軸線方向Ｘに延伸している。第２流路７２ｆにおける二次空気５２の流れを阻害しないために、補助燃料噴射ノズル９１は第１ノズル７１の外面を這った態様であることが望ましい。本実施形態において、各補助燃料噴射ノズル９１は第１ノズル７１の外面と接合されて、複数の補助燃料噴射ノズル９１と第１ノズル７１とが一体となっている。第１ノズル７１と補助燃料噴射ノズル９１は、溶接によって化学的に接合されていてもよいし、ボルトなどによって機械的に接合されていてもよい。
【0030】
補助燃料噴射ノズル９１内の第１流路９１ｆには、ガス燃料源からガス燃料９０が供給される。補助燃料噴射ノズル９１の下流端である補助燃料出口９１ａからは、ガス燃料９０が噴出する。また、第１流路９１ｆは、ガス燃料９０に加えて燃焼用空気が供給されるように構成されてもよい。この場合、補助燃料出口９１ａから噴出する気体は、ガス燃料９０、燃焼用空気、並びに、ガス燃料９０及び燃焼用空気の混合気の間で切り替え可能であってよい。
【0031】
複数の補助燃料出口９１ａは、主燃料出口７１ａと二次空気出口７２ａとの間に配置される。複数の補助燃料出口９１ａは、第１ノズル７１の下流端に設けられた第１保炎板７７の外周縁に沿って周方向に並んでいる。複数の補助燃料出口９１ａは、周方向に偏りなく配置されることが望ましい。図４に示す例では、複数の補助燃料噴射ノズル９１は第１保炎板７７の外周縁と接しており、複数の補助燃料出口９１ａは第１保炎板７７の外周縁よりも僅かに外側において第１保炎板７７の外周縁に沿って配置されている。
【0032】
上記構成のバーナ５では、第１ノズル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の作用によって主燃料出口７１ａから旋回流れとして噴出する。また、主燃料出口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、第１保炎板７７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。
【0033】
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よりもバーナ軸線７０に近い内循環渦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、主燃料出口７１ａから出た混合気５１の噴出流を主燃料出口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。
【0034】
バーナ５では、固体燃料の専焼と、ガス燃料の専焼と、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。ガス燃料の専焼時には、第１ノズル７１へ燃焼用空気が供給されるとともに第１流路９１ｆへガス燃料が供給される。固体燃料及びガス燃料の混焼時には、第１ノズル７１へ固体燃料及び燃焼用空気が供給されるとともに第１流路９１ｆへガス燃料９０が供給される。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。
【0035】
補助燃料出口９１ａから噴出したガス燃料９０の流れは、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。
【0036】
〔バーナ５の変形例１〕
図５は、変形例１に係るバーナ５Ａの出口をバーナ軸線方向Ｘの前方から見た図である。図５に示す変形例１に係るバーナ５Ａでは、上記実施形態に係るバーナ５と比較して補助燃料噴射ノズル９１の補助燃料出口９１ａの配置が異なる。変形例１に係るバーナ５Ａでは、第１保炎板７７の外周縁に複数の切り欠きが設けられており、この切り欠きに補助燃料噴射ノズル９１の下流端が通されている。切り欠きの断面は、補助燃料噴射ノズル９１の断面の一部又は全部が嵌る形状であってよい。この場合、補助燃料出口９１ａの一部分が第１保炎板７７の外周縁よりも内側に配置され、残部が第１保炎板７７の外周縁よりも外側に配置される。変形例１に係るバーナ５Ａでは、第１保炎板７７の外周縁の凹凸が低減される結果、補助燃料出口９１ａが、二次空気出口７２ａから吹き出す二次空気５２の流れ、及び、主燃料出口７１ａから吹き出す混合気５１の流れに与える影響を抑えることができる。
図５は、変形例１に係るバーナ５Ａの出口をバーナ軸線方向Ｘの前方から見た図である。図５に示す変形例１に係るバーナ５Ａでは、上記実施形態に係るバーナ５と比較して補助燃料噴射ノズル９１の補助燃料出口９１ａの配置が異なる。変形例１に係るバーナ５Ａでは、第１保炎板７７の外周縁に複数の切り欠きが設けられており、この切り欠きに補助燃料噴射ノズル９１の下流端が通されている。切り欠きの断面は、補助燃料噴射ノズル９１の断面の一部又は全部が嵌る形状であってよい。この場合、補助燃料出口９１ａの一部分が第１保炎板７７の外周縁よりも内側に配置され、残部が第１保炎板７７の外周縁よりも外側に配置される。変形例１に係るバーナ５Ａでは、第１保炎板７７の外周縁の凹凸が低減される結果、補助燃料出口９１ａが、二次空気出口７２ａから吹き出す二次空気５２の流れ、及び、主燃料出口７１ａから吹き出す混合気５１の流れに与える影響を抑えることができる。
【0037】
〔バーナ５の変形例２〕
図６は、変形例２に係るバーナ５Ｂの出口をバーナ軸線方向Ｘの前方から見た図である。図６に示すように、変形例２に係るバーナ５Ｂでは、バーナ軸線７０を中心とした同じ回転位置に内側及び外側の複数の補助燃料出口９１ａが配置されている。また、内側及び外側の複数の補助燃料出口９１ａは、第１保炎板７７の外周縁の内側且つ第１保炎板７７の内周縁の外側に配置されている。図６に示す例では、補助燃料噴射ノズル９１の下流端が第１保炎板７７を貫いている。但し、図７に示すように、第１保炎板７７の外周縁に複数の扇形の切り欠き７７ａが設けられて、この切り欠き７７ａに補助燃料噴射ノズル９１の下流端が通されてもよい。
図６は、変形例２に係るバーナ５Ｂの出口をバーナ軸線方向Ｘの前方から見た図である。図６に示すように、変形例２に係るバーナ５Ｂでは、バーナ軸線７０を中心とした同じ回転位置に内側及び外側の複数の補助燃料出口９１ａが配置されている。また、内側及び外側の複数の補助燃料出口９１ａは、第１保炎板７７の外周縁の内側且つ第１保炎板７７の内周縁の外側に配置されている。図６に示す例では、補助燃料噴射ノズル９１の下流端が第１保炎板７７を貫いている。但し、図７に示すように、第１保炎板７７の外周縁に複数の扇形の切り欠き７７ａが設けられて、この切り欠き７７ａに補助燃料噴射ノズル９１の下流端が通されてもよい。
【0038】
図８は、変形例２に係るバーナ５Ｂの出口の拡大断面図である。図８に示すように、内側の補助燃料出口９１ａから噴出したガス燃料９０の流れは、内循環渦５５ｂにおいて下流側へ向かう順流と合流する。換言すれば、内側の補助燃料出口９１ａから噴出したガス燃料９０の流れが内循環渦５５ｂにおいて下流側へ向かう順流と合流するように、内側の補助燃料出口９１ａの位置及び向きが調整される。また、外側の補助燃料出口９１ａから噴出したガス燃料９０の流れは、外循環渦５５ａにおいて下流側へ向かう順流と合流する。換言すれば、外側の補助燃料出口９１ａから噴出したガス燃料９０の流れが外循環渦５５ａにおいて下流側へ向かう順流と合流するように、外側の補助燃料出口９１ａの位置及び向きが調整される。このように、外循環渦５５ａ及び内循環渦５５ｂの各々にガス燃料９０を供給して、各補助燃料出口９１ａからのガス燃料９０の噴出流速を抑えつつガス燃料９０の混焼率を高めることができる。
【0039】
〔総括〕
以上に説明したように、本開示に係るバーナ５，５Ａ，５Ｂは、
バーナ軸線７０を中心とする筒状を呈し、主燃料及び一次燃焼用空気の混合気５１を噴出する主燃料出口７１ａと、主燃料出口７１ａの周囲に配置された保炎板７７とを有する第１ノズル７１と、
第１ノズル７１と同軸に配置され、主燃料出口７１ａの外周において二次燃焼用空気５２を吹き出す二次空気出口７２ａを有する第２ノズル７２と、
第１ノズル７１の外面に沿ってバーナ軸線７０と平行に延びる複数の補助燃料噴射ノズル９１と、を備える。そして、
複数の補助燃料噴射ノズル９１は、保炎板７７の外周縁に沿って並んだ複数の補助燃料出口９１ａ、又は、保炎板７７の外周縁の内側且つ内周縁の外側に配置された複数の補助燃料出口９１ａを有し、複数の補助燃料出口９１ａは主燃料出口７１ａから出る混合気５１の流れと二次空気出口７２ａから出る二次空気５２の流れとの境界部分へ向けて補助燃料としてのガス燃料９０を噴出する。
以上に説明したように、本開示に係るバーナ５，５Ａ，５Ｂは、
バーナ軸線７０を中心とする筒状を呈し、主燃料及び一次燃焼用空気の混合気５１を噴出する主燃料出口７１ａと、主燃料出口７１ａの周囲に配置された保炎板７７とを有する第１ノズル７１と、
第１ノズル７１と同軸に配置され、主燃料出口７１ａの外周において二次燃焼用空気５２を吹き出す二次空気出口７２ａを有する第２ノズル７２と、
第１ノズル７１の外面に沿ってバーナ軸線７０と平行に延びる複数の補助燃料噴射ノズル９１と、を備える。そして、
複数の補助燃料噴射ノズル９１は、保炎板７７の外周縁に沿って並んだ複数の補助燃料出口９１ａ、又は、保炎板７７の外周縁の内側且つ内周縁の外側に配置された複数の補助燃料出口９１ａを有し、複数の補助燃料出口９１ａは主燃料出口７１ａから出る混合気５１の流れと二次空気出口７２ａから出る二次空気５２の流れとの境界部分へ向けて補助燃料としてのガス燃料９０を噴出する。
【0040】
上記構成のバーナ５，５Ａ，５Ｂによれば、補助燃料出口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へ向けて流れる。これにより、ガス燃料９０は着火の起点である循環渦５５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。また、ガス燃料９０は複数の補助燃料出口９１ａから分散して噴出するから、補助燃料出口９１ａが単数である場合と比較して同量のガス燃料９０を供給するための噴射流速を低く抑えることができる。これにより、噴出するガス燃料９０によって循環渦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。なお、噴射流速を低く抑えるという観点から、補助燃料出口９１ａは少なくとも２つあればよいが、多数であることが望ましい。
【0041】
上記構成のバーナ５，５Ａ，５Ｂにおいて、複数の補助燃料噴射ノズル９１は、第１ノズル７１の外面と接合されていてよい。
【0042】
これにより、複数の補助燃料噴射ノズル９１と第１ノズル７１とを一体的に取り扱うことができる。また、複数の補助燃料噴射ノズル９１が第１ノズル７１の外面に沿っていることで、複数の補助燃料噴射ノズル９１が第２流路７２ｆにおける二次空気５２の流れ場に与える影響を抑えることができる。
【0043】
上記構成のバーナ５Ａ，５Ｂにおいて、複数の補助燃料噴射ノズル９１の下流端が保炎板７７に通されていてよい。
【0044】
これにより、保炎板７７の外周縁の内側に補助燃料出口９１ａを設けることが可能となる。
【0045】
上記構成のバーナ５Ａにおいて、保炎板７７は外周縁に複数の切り欠きを有し、この切り欠きに複数の補助燃料噴射ノズル９１の下流端が通されていてよい。
【0046】
これにより、保炎板７７の外周縁の内側に補助燃料出口９１ａを設けることが可能となる。また、保炎板７７の外周縁の凹凸を抑えることができる。
【0047】
上記構成のバーナ５，５Ａ，５Ｂにおいて、複数の補助燃料出口９１ａが、混合気５１の流れと二次空気５２の流れとの境界部分に生じる循環渦５５の下流側へ向かう順流へ向けてガス燃料９０を噴出するように構成されていてよい。
【0048】
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５，５Ａ，５Ｂでは、循環渦５５の下流側へ向かう順流へ向けてガス燃料９０が噴出するので、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。
【0049】
上記構成のバーナ５Ｂにおいて、循環渦５５は、外循環渦５５ａと当該外循環渦５５ａよりもバーナ軸線７０に近い内循環渦５５ｂとを含んでおり、
複数の補助燃料出口９１ａは、バーナ軸線７０を中心として実質的同一の回転位置に配置された内側の補助燃料出口９１ａと外側の補助燃料出口９１ａとを含み、内側の補助燃料出口９１ａは内循環渦５５ｂの下流側へ向かう順流へ向けてガス燃料９０を噴出し、外側の補助燃料出口９１ａは外循環渦５５ａの下流側へ向かう順流へ向けてガス燃料９０を噴出するように構成されていてよい。
複数の補助燃料出口９１ａは、バーナ軸線７０を中心として実質的同一の回転位置に配置された内側の補助燃料出口９１ａと外側の補助燃料出口９１ａとを含み、内側の補助燃料出口９１ａは内循環渦５５ｂの下流側へ向かう順流へ向けてガス燃料９０を噴出し、外側の補助燃料出口９１ａは外循環渦５５ａの下流側へ向かう順流へ向けてガス燃料９０を噴出するように構成されていてよい。
【0050】
これによりガス燃料９０の流量を大きくした場合であっても、複数の補助燃料出口９１ａから噴出したガス燃料９０が外循環渦５５ａと内循環渦５５ｂに分散して供給されることから、循環渦５５へ向けて流れるガス燃料９０の噴出流速を抑えることができる。そして、噴出するガス燃料９０によって循環渦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。
【0051】
上記のバーナ５，５Ａ，５Ｂにおいて、複数の補助燃料出口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。
【0052】
上記構成のバーナ５，５Ａ，５Ｂ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５，５Ａ，５Ｂにおいて、ガス燃料９０がアンモニアガスであってよい。
【0053】
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５，５Ａ，５Ｂ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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【符号の説明】
【0056】
２ ：燃焼炉
５，５Ａ，５Ｂ ：バーナ
２１ ：高温還元ゾーン
２２ ：低温酸化ゾーン
５１ ：混合気（主燃料と一次燃焼用空気の混合気）
５２ ：二次空気（二次燃焼用空気）
５３ ：三次空気（三次燃焼用空気）
５５ ：循環渦
５５ａ ：外循環渦
５５ｂ ：内循環渦
７０ ：バーナ軸線
７１ ：第１ノズル
７１ａ ：主燃料出口
７２ ：第２ノズル
７２ａ ：二次空気出口
７２ｂ ：第２保炎板
７２ｆ ：第２流路
７３ ：第３ノズル
７３ａ ：三次空気出口
７３ｆ ：第３流路
７７ ：第１保炎板
９０ ：ガス燃料
９１ ：補助燃料噴射ノズル
９１ａ ：補助燃料出口
９１ｆ ：第１流路
５，５Ａ，５Ｂ ：バーナ
２１ ：高温還元ゾーン
２２ ：低温酸化ゾーン
５１ ：混合気（主燃料と一次燃焼用空気の混合気）
５２ ：二次空気（二次燃焼用空気）
５３ ：三次空気（三次燃焼用空気）
５５ ：循環渦
５５ａ ：外循環渦
５５ｂ ：内循環渦
７０ ：バーナ軸線
７１ ：第１ノズル
７１ａ ：主燃料出口
７２ ：第２ノズル
７２ａ ：二次空気出口
７２ｂ ：第２保炎板
７２ｆ ：第２流路
７３ ：第３ノズル
７３ａ ：三次空気出口
７３ｆ ：第３流路
７７ ：第１保炎板
９０ ：ガス燃料
９１ ：補助燃料噴射ノズル
９１ａ ：補助燃料出口
９１ｆ ：第１流路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】