(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】
(24)【登録日】2023-12-14
(45)【発行日】2023-12-22
(54)【発明の名称】燃焼炉及びボイラ
(51)【国際特許分類】
F23C 99/00 20060101AFI20231215BHJP
F23C 1/12 20060101ALI20231215BHJP
【ＦＩ】
F23C99/00 311
F23C1/12
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2021112260
(22)【出願日】2021-07-06
(62)【分割の表示】P 2017105319の分割
【原出願日】2017-05-29
(65)【公開番号】P2021165629
(43)【公開日】2021-10-14
【審査請求日】2021-07-06
【審判番号】
【審判請求日】2022-10-07
(73)【特許権者】
【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【弁理士】
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100169764
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 雄一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100167553
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 久典
(72)【発明者】
【氏名】大野 恵美
(72)【発明者】
【氏名】小崎 貴弘
(72)【発明者】
【氏名】石井 大樹
【合議体】
【審判長】間中 耕治
【審判官】槙原 進
【審判官】鈴木 充
(56)【参考文献】
【文献】実開昭６１－８９６１４（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２００２－２４３１０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６２－８７７０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２１７５７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１９１５３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５３－７９７８２（ＪＰ，Ｕ）
【文献】実公昭５１－３５００４（ＪＰ，Ｙ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
F23C 1/12
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
理論空気量よりも低い空気雰囲気に設定される火炉と、噴射孔が円形であり、炭素燃料と窒素含有燃料とを前記火炉に噴射して燃焼させる複数の複合バーナとを備え、
前記複合バーナは、軸中心に同心円状に設けられた二重筒から前記炭素燃料を噴射し、前記二重筒の外側に軸中心周りに所定角度で複数設けられた単筒から前記窒素含有燃料を噴射し、
前記火炉内において空気量が前記理論空気量よりも低い領域である空気不足領域における空気量は、空気過剰率という指標で示した場合に０．８～０．９程度である、
ことを特徴とする燃焼炉。
【請求項2】
理論空気量よりも低い空気雰囲気に設定される火炉と、炭素燃料と窒素含有燃料とを前記火炉に噴射して燃焼させる複数の複合バーナとを備え、
前記複合バーナは、軸中心又は軸中心周りに設けられた少なくとも一つの単筒から前記窒素含有燃料を噴射し、前記単筒よりも軸中心から遠く同心円状に設けられた二重筒から前記炭素燃料を噴射し、
前記火炉内において空気量が前記理論空気量よりも低い領域である空気不足領域における空気量は、空気過剰率という指標で示した場合に０．８～０．９程度であり、
前記単筒は、軸中心周りに所定角度で複数設けられている、
ことを特徴とする燃焼炉。
【請求項3】
前記炭素燃料は微粉炭であり、前記窒素含有燃料はアンモニアであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼炉。
【請求項4】
請求項１～３のいずれか一項に記載の燃焼炉を備えることを特徴とするボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃焼炉及びボイラに関する。
【背景技術】
【0002】
下記特許文献１には、アンモニアを含む燃料を燃焼させる複合エネルギーシステムが開示されている。この複合エネルギーシステムは、二酸化炭素の排出量を削減することを目的として、主燃料である天然ガスにアンモニアを添加して燃焼させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１６－０３２３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、アンモニアを燃料の一部として燃焼させた場合には燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加が懸念される。上記背景技術は、専ら二酸化炭素の排出量の削減を目的としており、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減さることについて何ら解決策を提示するものではない。天然ガスのような炭素燃料とアンモニアのような窒素含有燃料とを一緒に燃焼させる場合には、実用性の観点から窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することが必要不可欠である。
【0005】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、炭素燃料と窒素含有燃料とを一緒に燃焼させる場合における窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、本発明では、燃焼炉に係る第１の解決手段として、理論空気量よりも低い空気雰囲気に設定される火炉と、炭素燃料と窒素含有燃料とを前記火炉に噴射して燃焼させる複数の複合バーナとを備え、前記複合バーナは、軸中心に同心円状に設けられた二重筒から前記炭素燃料を噴射し、前記二重筒の外側に軸中心周りに所定角度で複数設けられた単筒から前記窒素含有燃料を噴射する、という手段を採用する。
【0007】
本発明では、燃焼炉に係る第２の解決手段として、理論空気量よりも低い空気雰囲気に設定される火炉と、炭素燃料と窒素含有燃料とを前記火炉に噴射して燃焼させる複数の複合バーナとを備え、前記複合バーナは、軸中心周りに所定角度で複数設けられた単筒から前記窒素含有燃料を噴射し、前記単筒よりも軸中心から遠く同心円状に設けられた二重筒から前記炭素燃料を噴射する、という手段を採用する。
【0008】
本発明では、燃焼炉に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記複合バーナは、予混合された前記炭素燃料及び前記窒素含有燃料を噴射する、という手段を採用する。
【0009】
本発明では、燃焼炉に係る第４の解決手段として、上記第１～第３のいずれかの解決手段において、前記炭素燃料は微粉炭であり、前記窒素含有燃料はアンモニアである、という手段を採用する。
【0010】
本発明では、ボイラに係る解決手段として、上記第１～第４のいずれかの解決手段に係る燃焼炉を備える、という手段を採用する。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、炭素燃料と窒素含有燃料とを一緒に燃焼させる場合における窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の第１実施形態に係る燃焼炉Ａ及び当該燃焼炉Ａを備えるボイラの要部構成を示す正面図である。
【図3】本発明の第２実施形態に係る燃焼炉Ｂ及び当該燃焼炉Ｂを備えるボイラの要部構成を示す断面図である。
【図4】本発明の第３実施形態に係る燃焼炉Ｃ及び当該燃焼炉Ｃを備えるボイラの要部構成を示す断面図である。
【図5】本発明の第３実施形態におけるバーナの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
【0014】
この第１実施形態に係るボイラは、火炉１、熱交換機器２、複数（合計２４個）のバーナＭ１１～Ｍ３４、Ｎ１１～Ｎ３４、微粉炭供給装置３及びアンモニア供給装置４を要部として備えている。なお、これら複数の構成要素のうち、火炉１の一部（下部）及び複数のバーナＭ１１～Ｍ３４、Ｎ１１～Ｎ３４は、第１実施形態に係る燃焼炉Ａを構成している。
【0015】
火炉１は、垂直かつ筒状に設けられた炉壁によって構成され、燃料を燃焼させて燃焼熱を発生させる炉体である。この火炉１では、燃料が燃焼することによって高温の燃焼ガスが発生する。このような火炉１の後段には、図示しない煙道が設けられている。上記燃焼ガスは、上記煙道を介して大気中に放出されるが、煙道を通過する間に窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫化物（ＳＯｘ）が除去される。なお、このような火炉１の底部には、燃料の燃焼によって発生する灰分を外部に排出する排出口１ａが設けられている。
【0016】
熱交換機器２は、上記火炉１の上部や炉壁に設けられた複数の伝熱管から構成されており、内部に水が流通している。この熱交換機器２は、過熱器や再熱器等、ボイラに設けられる熱交換機器を総称するものであり、燃焼ガスが有する燃焼熱を伝熱管内の水と熱交換させることにより水蒸気を発生させる。
【0017】
複数（合計２４個）のバーナＭ１１～Ｍ３４、Ｎ１１～Ｎ３４は、火炉１の下部に二次元状かつ対向配置されており、火炉１内に燃料を噴射して燃焼させる。すなわち、１２個のバーナＭ１１～Ｍ３４は、火炉１において対向する一対の炉壁の一方に直交配置され、残りの１２個のバーナＮ１１～Ｎ３４は、上記一対の炉壁の他方に直交配置されている。より詳細には、１２個のバーナＭ１１～Ｍ３４及びバーナＮ１１～Ｎ３４は、上下方向に３段かつ水平方向に４つ所定間隔を空けて直交配置されている。
【0018】
これら合計２４個のバーナＭ１１～Ｍ３４、Ｎ１１～Ｎ３４のうち、２０個のバーナＭ１１～Ｍ２４、Ｎ１１～Ｎ３４は、何れも微粉炭（炭素燃料）のみを燃料として火炉１内に噴射する微粉炭専用バーナ（炭素燃料専用バーナ）であり、本発明における第１のバーナに相当する。また、残り（４個）のバーナＭ３１～Ｍ３４は、何れもアンモニア（窒素含有燃料）のみを燃料として火炉１内に噴射するアンモニア専用バーナ（窒素含有燃料専用バーナ）であり、本発明における第２のバーナに相当する。
【0019】
なお、図示しないが、火炉１には複数のバーナＭ１１～Ｍ３４、Ｎ１１～Ｎ３４から噴射された燃料（アンモニアあるいは微粉炭）を着火させる着火装置が設けられている。各バーナＭ１１～Ｍ３４、Ｎ１１～Ｎ３４から火炉１内に噴射された燃料（アンモニアあるいは微粉炭）は、上記着火装置の働きによって着火して燃焼する。
【0020】
微粉炭供給装置３は、上述した２０個のバーナＭ１１～Ｍ２４、Ｎ１１～Ｎ３４（微粉炭専用バーナ）に微粉炭を供給する燃料供給装置である。この微粉炭供給装置３は、２０個のバーナＭ１１～Ｍ２４、Ｎ１１～Ｎ３４のうち各段毎に石炭ミルを備えており、当該石炭ミルを介して２０個のバーナＭ１１～Ｍ２４、Ｎ１１～Ｎ３４に微粉炭を供給する。すなわち、この微粉炭供給装置３は、合計５個の石炭ミルを備えており、各石炭ミルによって石炭を粉砕して微粉炭を生成する。
【0021】
このような５個の石炭ミルのうち、第１の石炭ミルは１つの段を構成する４個のバーナＭ１１～Ｍ１４に微粉炭を供給し、第２の石炭ミルは同じく１つの段を構成する４個のバーナＭ２１～Ｍ２４に微粉炭を供給し、第３の石炭ミルは同じく１つの段を構成する４個のバーナＮ１１～Ｎ１４に微粉炭を供給し、第４の石炭ミルは同じく１つの段を構成する４個のバーナＮ２１～Ｎ２４に微粉炭を供給し、第５の石炭ミルは同じく１つの段を構成する４個のバーナＮ３１～Ｎ３４に微粉炭を供給する。
【0022】
アンモニア供給装置４は、上述した４個のバーナＭ３１～Ｍ３４（アンモニア炭専用バーナ）にアンモニアを供給する燃料供給装置である。なお、アンモニアは、分子式（ＮＨ３）によって示されるように水素（Ｈ）と窒素（Ｎ）との化合物であり、構成原子として炭素（Ｃ）を含まない。また、このアンモニアは、難燃性の物質として知られるものの、メタン（ＣＨ３）と同様に３つの水素原子を有する水素キャリア物質であり、所定の高温環境下では比較的良好に燃焼する窒素含有燃料である。
【0023】
続いて、本第１実施形態に係る燃焼炉Ａ及びボイラの動作について詳しく説明する。 この燃焼炉Ａ及びボイラでは、２０個のバーナＭ１１～Ｍ２４、Ｎ１１～Ｎ３４（微粉炭専用バーナ）に微粉炭供給装置３から微粉炭が供給され、４個のバーナＭ３１～Ｍ３４（アンモニア炭専用バーナ）にアンモニア供給装置４からアンモニアが供給される。
【0024】
そして、２０個のバーナＭ１１～Ｍ２４、Ｎ１１～Ｎ３４（微粉炭専用バーナ）から火炉１内に微粉炭が噴射されて燃焼すると共に、４個のバーナＭ３１～Ｍ３４（アンモニア炭専用バーナ）から火炉１内にアンモニアが噴射されて燃焼する。この結果、火炉１内には、図１及び図２に示すように、微粉炭が燃焼することによって微粉炭火炎Ｓａが形成され、またアンモニアが燃焼することによってアンモニア火炎Ｓｂが形成される。
【0025】
ここで、火炉１内における空気雰囲気は、理論空気量よりも低い状態に維持される。すなわち、各バーナＭ１１～Ｍ３４、Ｎ１１～Ｎ３４は、火炉１内に微粉炭あるいはアンモニアを噴射するが、同時に一定量の燃焼用空気を火炉１内に供給する。この燃焼用空気の供給量は、火炉１内において微粉炭火炎Ｓａ及びアンモニア火炎Ｓｂを包含する空間の空気量が理論空気量よりも低くなるように設定される。図１及び図２では、火炉１内において空気量が理論空気量よりも低い領域を空気不足領域Ｓｋとしている。
【0026】
火炉１内では、微粉炭及びアンモニアが燃焼することによって燃焼熱を伴った燃焼ガスが発生する。そして、この燃焼ガスが火炉１内を上昇して熱交換機器２に作用することにより、燃焼ガスの燃焼熱によって水が気化して水蒸気が発生する。ボイラは、このようにして発生させた水蒸気を発電機等の外部機器に供給する。なお、熱交換機器２と熱交換された後の燃焼ガスは、火炉１から煙道を経由して外気に放出される。
【0027】
ここで、本第１実施形態に係る燃焼炉Ａ及びボイラでは、上述した空気不足領域Ｓｋ内で微粉炭及びアンモニアが燃焼するので、アンモニア（ＮＨ３）の熱分解によって発生するアンモニア原子（Ｎ）は、空気中の酸素（Ｏ２）の熱分解によって発生する酸素原子（Ｏ）と結合して一酸化窒素（ＮＯ）になることが抑制され、他のアンモニア原子（Ｎ）と結合してアンモニア分子（Ｎ２）となる。
【0028】
すなわち、空気不足領域Ｓｋでは、下式（１）の反応は抑制され、下式（２）の反応が活発になる。例えば、空気不足領域Ｓｋにおける空気量は、空気過剰率という指標で示した場合に０．８～０．９程度である。
ＮＨ３＋５／４Ｏ２→ＮＯ＋３／２Ｈ２Ｏ （１）
ＮＨ３＋３／４Ｏ２→１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ （２）
ＮＨ３＋５／４Ｏ２→ＮＯ＋３／２Ｈ２Ｏ （１）
ＮＨ３＋３／４Ｏ２→１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ （２）
【0029】
このような第１実施形態によれば、空気量が理論空気量よりも低い空気不足領域Ｓｋ内で微粉炭（炭素燃料）及びアンモニア（窒素含有燃料）を燃焼させるので、微粉炭（炭素燃料）及びアンモニア（窒素含有燃料）を一緒に燃焼させる場合における一酸化窒素（ＮＯ）等の窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することが可能である。
【0030】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る燃焼炉Ｂ及び当該燃焼炉Ｂを備えるボイラについて、図３を参照して説明する。なお、図３では、上述した図１及び図２に示した構成要素と同一の構成要素には同一符号を付している。
次に、本発明の第２実施形態に係る燃焼炉Ｂ及び当該燃焼炉Ｂを備えるボイラについて、図３を参照して説明する。なお、図３では、上述した図１及び図２に示した構成要素と同一の構成要素には同一符号を付している。
【0031】
この燃焼炉Ｂは、上述した燃焼炉Ａと同一の構成要素を備えているが、微粉炭（炭素燃料）とアンモニア（窒素含有燃料）とが予混合された混合燃料を複数（２４個）のバーナＭ１１～Ｍ３４、Ｎ１１～Ｎ３４から火炉１内に噴射する。すなわち、この燃焼炉Ｂにおける微粉炭供給装置３及びアンモニア供給装置４は、微粉炭（炭素燃料）とアンモニア（窒素含有燃料）とを混合した混合燃料を全てのバーナＭ１１～Ｍ３４、Ｎ１１～Ｎ３４に供給する。
【0032】
このような第２実施形態によれば、混合燃料が燃焼することによって混合火炎Ｓｃが火炉１内に形成される。この混合火炎Ｓｃは、上述した燃焼炉Ａと同様に空気不足領域Ｓｋ内に形成されるので、上式（１）の反応は抑制され、上式（２）の反応が活発になる。したがって、この第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、一酸化窒素（ＮＯ）等の窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することが可能である。
【0033】
〔第３実施形態〕
最後に、本発明の第３実施形態に係る燃焼炉Ｃ及び当該燃焼炉Ｃを備えるボイラについて、図４及び図５を参照して説明する。なお、図３では、上述した図１及び図２に示した構成要素と同一の構成要素には同一符号を付している。
最後に、本発明の第３実施形態に係る燃焼炉Ｃ及び当該燃焼炉Ｃを備えるボイラについて、図４及び図５を参照して説明する。なお、図３では、上述した図１及び図２に示した構成要素と同一の構成要素には同一符号を付している。
【0034】
この燃焼炉Ｃにおける複数（２４個）のバーナＰ１１～Ｐ３４、Ｑ１１～Ｑ３４は、個別に受け入れた微粉炭とアンモニアとを火炉１内に個別に噴射する複合バーナである。すなわち、この燃焼炉Ｃにおける微粉炭供給装置３は、全てのバーナＰ１１～Ｐ３４、Ｑ１１～Ｑ３４に微粉炭を供給し、アンモニア供給装置４は、全てのバーナＰ１１～Ｐ３４、Ｑ１１～Ｑ３４にアンモニアを供給する。
【0035】
このような燃焼炉Ｃでは、火炉１内において微粉炭とアンモニアとが個別にあるいは混合して燃焼することによって複合火炎Ｓｄが形成される。この複合火炎Ｓｄは、上述した燃焼炉Ａ，Ｂと同様に空気不足領域Ｓｋ内に形成されるので、上式（１）の反応は抑制され、上式（２）の反応が活発になる。したがって、この第３実施形態によれば、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、一酸化窒素（ＮＯ）等の窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することが可能である。
【0036】
ここで、第３実施形態における各バーナＰ１１～Ｐ３４、Ｑ１１～Ｑ３４（複合バーナ）として、図５に示す構造のものが例示できる。例えば、図５（ａ）に示す複合バーナＲａは、全体として略円筒状に形成されており、軸中心に同心円状に設けられた二重筒ｒ１から微粉炭を噴射し、この二重筒ｒ１の外側に軸中心周りに６０°毎の角度で６個設けられた単筒ｒ２からアンモニアを噴射する。すなわち、この複合バーナＲａは、軸中心に比較的近い内側から微粉炭を噴射し、軸心から比較的遠い外側からアンモニアを噴射する。
【0037】
一方、図５（ｂ）に示す複合バーナＲｂは、全体として略円筒状に形成されており、上記二重筒ｒ１に代えて、単筒ｒ２よりも軸心から遠い二重筒ｒ３を備え、この二重筒ｒ３から微粉炭を噴射する。すなわち、この複合バーナＲｂは、軸中心に比較的近い内側からアンモニアを噴射し、軸心から比較的遠い外側から微粉炭を噴射する。
【0038】
一方、図５（ｃ）に示す複合バーナＲｃは、全体として略円筒状に形成されており、軸心を含む単筒ｒ４からアンモニアを噴射し、この単筒ｒ４の外側に同心状に設けられた二重筒ｒ５から微粉炭を噴射する。すなわち、この複合バーナＲｃは、軸中心に比較的近い内側から軸心からアンモニアを噴射し、比較的遠い外側から微粉炭を噴射する。なお、この複合バーナＲｃにおける単筒ｒ４の先端は、単純な開口ではなく、複数の噴射孔が形成された円板を備える。
【0039】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では、炭素燃料の一種である微粉炭を燃料として採用し、また窒素含有燃料の一種であるアンモニアを燃料として採用したが、本発明はこれに限定されない。微粉炭以外の低炭素燃料を採用してもよいし、アンモニア以外の窒素含有燃料を採用してもよい。例えば、炭素燃料として天然ガスを採用してもよい。
（１）上記各実施形態では、炭素燃料の一種である微粉炭を燃料として採用し、また窒素含有燃料の一種であるアンモニアを燃料として採用したが、本発明はこれに限定されない。微粉炭以外の低炭素燃料を採用してもよいし、アンモニア以外の窒素含有燃料を採用してもよい。例えば、炭素燃料として天然ガスを採用してもよい。
【0040】
（２）上記各実施形態では、ボイラの燃焼炉Ａ～Ｃに本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、１あるいは複数のバーナを備える燃焼炉であれば、ボイラ以外にも適用可能である。
【0041】
（３）上記各実施形態では、火炉１の下部において合計２４個のバーナＭ１１～Ｍ３４、Ｎ１１～Ｎ３４、Ｐ１１～Ｐ３４、Ｑ１１～Ｑ３４を設けたが、本発明はこれに限定されない。本発明における複数のバーナの個数は２４個以外でもよく、また配置は直交配置でなくてもよい。例えば各バーナを同心円状に設けてもよい。
【0042】
（４）上記第３実施形態では、複合バーナの構成を例示したが、本発明における複合バーナはこれに限定されない。
【符号の説明】
【0043】
Ａ、Ｂ、Ｃ 燃焼炉
Ｍ１１～Ｍ３４、Ｎ１１～Ｎ３４ バーナ（専用バーナ）
Ｐ１１～Ｐ３４、Ｑ１１～Ｑ３４ バーナ（複合バーナ）
Ｓａ 微粉炭火炎
Ｓｂ アンモニア火炎
Ｓｃ 混合火炎
Ｓｄ 複合火炎
１ 火炉
２ 熱交換機器
３ 微粉炭供給装置
４ アンモニア供給装置
Ｍ１１～Ｍ３４、Ｎ１１～Ｎ３４ バーナ（専用バーナ）
Ｐ１１～Ｐ３４、Ｑ１１～Ｑ３４ バーナ（複合バーナ）
Ｓａ 微粉炭火炎
Ｓｂ アンモニア火炎
Ｓｃ 混合火炎
Ｓｄ 複合火炎
１ 火炉
２ 熱交換機器
３ 微粉炭供給装置
４ アンモニア供給装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】