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(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】2024-01-04
(45)【発行日】2024-01-15
(54)【発明の名称】固体燃料バーナ
(51)【国際特許分類】
F23D 1/02 20060101AFI20240105BHJP
【ＦＩ】
F23D1/02 Z
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020568185
(86)(22)【出願日】2020-01-22
(86)【国際出願番号】 JP2020002138
(87)【国際公開番号】W WO2020153404
(87)【国際公開日】2020-07-30
【審査請求日】2021-07-12
【審判番号】
【審判請求日】2023-01-04
(31)【優先権主張番号】PCT/JP2019/002549
(32)【優先日】2019-01-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(74)【代理人】
【識別番号】100172524
【弁理士】
【氏名又は名称】長田 大輔
(72)【発明者】
【氏名】嶺 聡彦
(72)【発明者】
【氏名】馬場 彰
(72)【発明者】
【氏名】倉増 公治
(72)【発明者】
【氏名】川添 裕三
(72)【発明者】
【氏名】水戸 昌平
(72)【発明者】
【氏名】谷口 斉
(72)【発明者】
【氏名】北風 恒輔
【合議体】
【審判長】鈴木 充
【審判官】村山 美保
【審判官】間中 耕治
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／２０７５５９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平４－２４４０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特許第６２３１０４７（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】特開２００３－２４０２２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平９－１１２８２０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
F23D 1/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
固体燃料とその搬送気体の混合流体が流れ、火炉に向かって開口する燃料ノズルと、前記燃料ノズルの外周側に配置され、燃焼用気体を噴出させる燃焼用ガスノズルと、
前記燃料ノズルの中心側に設けられ、前記燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を前記混合流体に付与する燃料濃縮器とを備えた固体燃料バーナであって、
前記燃料濃縮器は、前記混合流体に旋回を与える複数の羽根を有し、各々の羽根が燃料ノズルの内側に全面固定されることなく前記燃料ノズルの内面から離れて配置されるものであって、前記混合流体の流れ方向の上流側に配置される第１の旋回器と、前記第１の旋回器に対して前記混合流体の流れ方向の下流側に配置され、前記複数の羽根の旋回方向が前記第１の旋回器とは逆方向である第２の旋回器と、を有し、
前記第２の旋回器に対して前記混合流体の流れ方向の下流側に、前記燃料ノズルの流路を流路断面における内側と外側とに区画する流路区画部材が設けられ、
前記第１の旋回器の外径は、前記流路区画部材の上流端の内径以下であり、
前記第１の旋回器で前記燃料ノズルの内周壁に向かって濃縮された前記固体燃料を、前記流路区画部材の外側に供給し、
前記流路区画部材は、上流端の内径が下流端の内径よりも大きい形状であり、
前記第２の旋回器の外径が、前記流路区画部材の上流端の内径よりも小さく、下流端の内径よりも大きいことを特徴とする固体燃料バーナ。
【請求項2】
前記燃料ノズルの流路は、内径が、前記第１の旋回器の上流側では同一または単調増加の上流部と、前記上流部の下流側に連通して内径が徐々に拡大する拡管部と、前記拡管部の下流側に連通して内径が一定の下流部と、を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の固体燃料バーナ。
【請求項3】
前記第１の旋回器の少なくとも一部が前記燃料ノズルの流路の上流部の範囲に位置し、前記第２の旋回器の少なくとも一部が前記燃料ノズルの流路の下流部の範囲に位置する
ことを特徴とする請求項２に記載の固体燃料バーナ。
【請求項4】
前記各旋回器の外径は、前記燃料ノズルの流路の上流部の内径未満であることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体燃料バーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体燃料を搬送して燃焼させる固体燃料バーナに関し、特にバイオマス粒子のように粒径の大きな燃料粒子に適した固体燃料バーナに関する。
【背景技術】
【0002】
火力発電プラント等のボイラに用いられる固体燃料バーナの着火性を向上させ、火炎の安定性を高めるため、燃料濃度を局部的に高めることが行われている。
一般に微粉炭等を燃料とする固体燃料バーナでは、燃料搬送ガスと燃料粒子との混合流体に対して、燃料ノズル内でノズル内壁面に向かう速度成分を付与して燃料粒子がノズル内壁面沿いに濃縮するような燃料濃縮器（機構）を設けることが多い。
一般に微粉炭等を燃料とする固体燃料バーナでは、燃料搬送ガスと燃料粒子との混合流体に対して、燃料ノズル内でノズル内壁面に向かう速度成分を付与して燃料粒子がノズル内壁面沿いに濃縮するような燃料濃縮器（機構）を設けることが多い。
【0003】
例えば、特許文献１（特許第６２３１０４７号明細書：ＪＰ６２３１０４７Ｂ２）では、燃料ノズル（１次空気ノズルと称することもある）（９）の中心部に、混合流体に旋回を付与する第一旋回器（６）と、第一旋回器（６）とは逆向きの旋回を付与する第二旋回器（７）とを設ける技術が記載されている。特許文献１記載の技術では、第一旋回器（６）で混合流体に強い旋回をかけて、固体燃料粒子を燃料ノズルの外周側（燃料ノズルの内壁面沿い）に移動させる。
続いて、第二旋回器（７）で第一旋回器（６）とは逆向きの旋回を付与することで混合流体の旋回を弱める。
したがって、バーナの開口部、燃料ノズルの先端部に設置された保炎器（１０）の周辺で固体燃料粒子が濃縮された状態が保たれ、バーナに供給される燃料濃度が低い低負荷時でも燃料粒子の着火性が高まり、火炎の安定性が向上する。
同時に、旋回が弱められた混合流体が開口部から噴出するので、混合流体が火炉内に過度に広がることなく、二次空気や三次空気等の燃焼用ガス（空気）との混合を緩やかにして窒素酸化物（ＮＯｘ）生成の抑制が図られる。
続いて、第二旋回器（７）で第一旋回器（６）とは逆向きの旋回を付与することで混合流体の旋回を弱める。
したがって、バーナの開口部、燃料ノズルの先端部に設置された保炎器（１０）の周辺で固体燃料粒子が濃縮された状態が保たれ、バーナに供給される燃料濃度が低い低負荷時でも燃料粒子の着火性が高まり、火炎の安定性が向上する。
同時に、旋回が弱められた混合流体が開口部から噴出するので、混合流体が火炉内に過度に広がることなく、二次空気や三次空気等の燃焼用ガス（空気）との混合を緩やかにして窒素酸化物（ＮＯｘ）生成の抑制が図られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第４９１９８４４号明細書（「００２１」～「００２３」）
【文献】特開２０１０－２４２９９９号公報（「００３３」）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
火力発電用石炭（微粉炭）焚ボイラにおける混燃用の燃料としては、木質系原料をペレットにしたものが多用されている。ここで、ペレットは、そのまま使用されるのではなく、粉砕装置として石炭用ミル（微粉炭機）をベースにした改良ミル（粉砕機・分級機）で粉砕・分級して得た燃料粒子を搬送気体で固体燃料バーナに搬送し、燃料粒子と搬送気体との混合流体がバーナに供給され、微粉炭と同様に燃焼される。
【0006】
しかしながら、バイオマス燃料は石炭に比べて微粉砕しにくく、ミルの粉砕動力が多大（粒径５０ｍｍの木質チップから石炭と同じ粒度にするのに概ね石炭の１０倍程度の動力が必要）となり、現状の微粉炭と同レベルまで微粒化することは困難である。また、バイオマス燃料を微粉化すると急速燃焼の可能性が高くなり、その防止対策も必要となる。これらのことから、バイオマス燃料は石炭に比べて、かなり粗い粒子の状態でミルから排出される（特許文献２；特許第４９１９８４４号公報、特許文献３；特開２０１０－２４２９９９号公報等参照）。
結果的に、粒子の粗いバイオマス燃料は、微粉炭に比べて着火性が低くなっている。
結果的に、粒子の粗いバイオマス燃料は、微粉炭に比べて着火性が低くなっている。
【0007】
一方、着火性の低い燃料を使用する場合に、混合流体の流速を下げれば着火しやすくなるが、粒子の大きなバイオマス燃料に対して流速を下げて粉砕装置からバーナまで搬送することは、搬送系統内での滞留を招く可能性があるため、現実的ではない。
よって、バーナで燃焼させる直前までは混合流体（燃料搬送気体）の流速を高く保つ必要がある。
このため、燃料ノズルの流路断面積を上流側、即ち粉砕装置から接続される燃料搬送系統（燃料搬送配管との接続部）側では小さく、下流側、即ち火炉開口部側では上流側よりも大きくして流速を低減することで、着火性を向上させることが考えられる。
ここで、特許文献３は、混合流体の燃料濃縮を図るための機構として、ベンチュリーと燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を付与する燃料濃縮器とを備え、燃料ノズルの火炉側開口部の内径が、ベンチュリーの上流端の内径よりも大きく形成された固体燃料バーナを開示している。このような構成であれば、搬送系統内では混合流体の流速を高く保持しながら、燃料粒子をバーナで燃焼させる直前に流速を低減できるので、着火性の向上が図られる。
一方、特許文献３に記載の固体燃料バーナの燃料ノズル上流側、ミルからバーナに至る燃料搬送配管との接続部には、曲管部が設けられている。混合流体は、燃料搬送配管から曲管部を経て燃料ノズルの直管部へと連通する流路を流れることになる。
発明者らのシミュレーションモデル等による解析の結果、このような構成では、曲管部を通過した高速の流体は上面に衝突後、反射されるように下方に流れやすく、特にベンチュリーでノズル中心軸側に燃料を濃縮した後、紡錘状の燃料濃縮器により、燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を付与すると、周方向の燃料粒子の偏りが生じ、燃料ノズル各部の長さの設定等によっては、燃料ノズルの上側の流体の流速が過度に遅くなりやすいことが判明した。そして、流速が過度に遅くなると、燃料の自重で燃料が径方向の中央部に向けて片寄りやすくなり、燃料ノズルの出口近傍では、上側の径方向外側において、燃料の濃度が低い領域が発生して、燃料の濃縮効果が下がる可能性があることがわかった。
よって、バーナで燃焼させる直前までは混合流体（燃料搬送気体）の流速を高く保つ必要がある。
このため、燃料ノズルの流路断面積を上流側、即ち粉砕装置から接続される燃料搬送系統（燃料搬送配管との接続部）側では小さく、下流側、即ち火炉開口部側では上流側よりも大きくして流速を低減することで、着火性を向上させることが考えられる。
ここで、特許文献３は、混合流体の燃料濃縮を図るための機構として、ベンチュリーと燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を付与する燃料濃縮器とを備え、燃料ノズルの火炉側開口部の内径が、ベンチュリーの上流端の内径よりも大きく形成された固体燃料バーナを開示している。このような構成であれば、搬送系統内では混合流体の流速を高く保持しながら、燃料粒子をバーナで燃焼させる直前に流速を低減できるので、着火性の向上が図られる。
一方、特許文献３に記載の固体燃料バーナの燃料ノズル上流側、ミルからバーナに至る燃料搬送配管との接続部には、曲管部が設けられている。混合流体は、燃料搬送配管から曲管部を経て燃料ノズルの直管部へと連通する流路を流れることになる。
発明者らのシミュレーションモデル等による解析の結果、このような構成では、曲管部を通過した高速の流体は上面に衝突後、反射されるように下方に流れやすく、特にベンチュリーでノズル中心軸側に燃料を濃縮した後、紡錘状の燃料濃縮器により、燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を付与すると、周方向の燃料粒子の偏りが生じ、燃料ノズル各部の長さの設定等によっては、燃料ノズルの上側の流体の流速が過度に遅くなりやすいことが判明した。そして、流速が過度に遅くなると、燃料の自重で燃料が径方向の中央部に向けて片寄りやすくなり、燃料ノズルの出口近傍では、上側の径方向外側において、燃料の濃度が低い領域が発生して、燃料の濃縮効果が下がる可能性があることがわかった。
【0008】
本発明は、固体燃料バーナにおいて、バイオマス燃料（木質系原料をペレットにしたもの等）をミルで粉砕して得られるような粒子の粗い燃料を使用する場合でも、燃料ノズル内に設けられた燃料濃縮器による燃料の濃縮効果を確保し、着火性と火炎の安定性を向上させることを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記技術的課題を解決するために、
請求項１に記載の発明の固体燃料バーナは、
固体燃料とその搬送気体の混合流体が流れ、火炉に向かって開口する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周側に配置され、燃焼用気体を噴出させる燃焼用ガスノズルと、
前記燃料ノズルの中心側に設けられ、前記燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を前記混合流体に付与する燃料濃縮器とを備えた固体燃料バーナであって、
前記燃料濃縮器は、前記混合流体に旋回を与える複数の羽根を有し、各々の羽根が燃料ノズルの内側に全面固定されることなく前記燃料ノズルの内面から離れて配置されるものであって、前記混合流体の流れ方向の上流側に配置される第１の旋回器と、前記第１の旋回器に対して前記混合流体の流れ方向の下流側に配置され、前記複数の羽根の旋回方向が前記第１の旋回器とは逆方向である第２の旋回器と、を有し、
前記第２の旋回器に対して前記混合流体の流れ方向の下流側に、前記燃料ノズルの流路を流路断面における内側と外側とに区画する流路区画部材が設けられ、
前記第１の旋回器の外径は、前記流路区画部材の上流端の内径以下であり、
前記第１の旋回器で前記燃料ノズルの内周壁に向かって濃縮された前記固体燃料を、前記流路区画部材の外側に供給し、
前記流路区画部材は、上流端の内径が下流端の内径よりも大きい形状であり、
前記第２の旋回器の外径が、前記流路区画部材の上流端の内径よりも小さく、下流端の内径よりも大きいこと
を特徴とする。
請求項１に記載の発明の固体燃料バーナは、
固体燃料とその搬送気体の混合流体が流れ、火炉に向かって開口する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周側に配置され、燃焼用気体を噴出させる燃焼用ガスノズルと、
前記燃料ノズルの中心側に設けられ、前記燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を前記混合流体に付与する燃料濃縮器とを備えた固体燃料バーナであって、
前記燃料濃縮器は、前記混合流体に旋回を与える複数の羽根を有し、各々の羽根が燃料ノズルの内側に全面固定されることなく前記燃料ノズルの内面から離れて配置されるものであって、前記混合流体の流れ方向の上流側に配置される第１の旋回器と、前記第１の旋回器に対して前記混合流体の流れ方向の下流側に配置され、前記複数の羽根の旋回方向が前記第１の旋回器とは逆方向である第２の旋回器と、を有し、
前記第２の旋回器に対して前記混合流体の流れ方向の下流側に、前記燃料ノズルの流路を流路断面における内側と外側とに区画する流路区画部材が設けられ、
前記第１の旋回器の外径は、前記流路区画部材の上流端の内径以下であり、
前記第１の旋回器で前記燃料ノズルの内周壁に向かって濃縮された前記固体燃料を、前記流路区画部材の外側に供給し、
前記流路区画部材は、上流端の内径が下流端の内径よりも大きい形状であり、
前記第２の旋回器の外径が、前記流路区画部材の上流端の内径よりも小さく、下流端の内径よりも大きいこと
を特徴とする。
【0013】
請求項２に記載の発明の固体燃料バーナは、請求項１に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズルの流路は、内径が、前記第１の旋回器の上流側では同一または単調増加の上流部と、前記上流部の下流側に連通して内径が徐々に拡大する拡管部と、前記拡管部の下流側に連通して内径が一定の下流部と、を有する、
ことを特徴とする。
前記燃料ノズルの流路は、内径が、前記第１の旋回器の上流側では同一または単調増加の上流部と、前記上流部の下流側に連通して内径が徐々に拡大する拡管部と、前記拡管部の下流側に連通して内径が一定の下流部と、を有する、
ことを特徴とする。
【0014】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記第１の旋回器の少なくとも一部が前記燃料ノズルの流路の上流部の範囲に位置し、
前記第２の旋回器の少なくとも一部が前記燃料ノズルの流路の下流部の範囲に位置する
ことを特徴とする。
前記第１の旋回器の少なくとも一部が前記燃料ノズルの流路の上流部の範囲に位置し、
前記第２の旋回器の少なくとも一部が前記燃料ノズルの流路の下流部の範囲に位置する
ことを特徴とする。
【0017】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記各旋回器の外径は、前記燃料ノズルの流路の上流部の内径未満である
ことを特徴とする。
前記各旋回器の外径は、前記燃料ノズルの流路の上流部の内径未満である
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0018】
請求項１に記載の発明によれば、２つの旋回器を有する燃料濃縮器と流路区画部材とを有することで、固体燃料バーナにおいて、バイオマス燃料（木質系原料をペレットにしたもの等）をミルで粉砕して得られるような粒子の粗い燃料を使用する場合でも、燃料ノズル内に設けられた燃料濃縮器による燃料の濃縮効果を確保し、着火性と火炎の安定性を向上させることができる。
また、流路区画部材を有しない場合に比べて、燃料ノズル外側（内壁沿い）への燃料粒子の濃縮効果を高くでき、かつその効果が消失しにくいので、燃料濃縮器としての第１の旋回器と第２の旋回器の組み合わせにおいて、過剰な旋回付与とその打ち消しの必要が無くなる。よって、バーナの圧力損失を低減できる。また、燃料濃縮器としての第１の旋回器と第２の旋回器の組み合わせをコンパクト化して、燃料ノズルの全長を短くすることもでき、部材の使用量抑制にもつながる。
また、各旋回器の羽根の外径が流路区画部材の上流端の内径より大きい場合に比べて、燃料を外周側に寄せたまま搬送ガスを内周側に分散することができるため、外周側の燃料の濃縮効果を向上させることができる。また、流路区画部材を通過する混合流体のガス側の流速をさらに低減させることができ、着火性や保炎性を向上させることができる。
また、ノズル開口部に向かって外周側（ノズル内壁側）流路の内径が小さくされることで、流路区画部材とノズルの内壁との間の混合流体の流路断面積が拡張することとなり、燃料粒子の流速が減速され、着火性と火炎の安定性をさらに向上させることができる。
また、流路区画部材の内周側（ノズル中心側）において、第２の旋回器による旋回の打ち消し効果を径方向全体に行きわたらせることができる。したがって、旋回が弱められた混合流体をバーナ開口部から噴出させ、混合流体が火炉内に過度に広がることなく、二次空気や三次空気等の燃焼用ガス（空気）との混合を緩やかにして窒素酸化物（ＮＯｘ）生成の抑制作用を高めることができる。
また、流路区画部材を有しない場合に比べて、燃料ノズル外側（内壁沿い）への燃料粒子の濃縮効果を高くでき、かつその効果が消失しにくいので、燃料濃縮器としての第１の旋回器と第２の旋回器の組み合わせにおいて、過剰な旋回付与とその打ち消しの必要が無くなる。よって、バーナの圧力損失を低減できる。また、燃料濃縮器としての第１の旋回器と第２の旋回器の組み合わせをコンパクト化して、燃料ノズルの全長を短くすることもでき、部材の使用量抑制にもつながる。
また、各旋回器の羽根の外径が流路区画部材の上流端の内径より大きい場合に比べて、燃料を外周側に寄せたまま搬送ガスを内周側に分散することができるため、外周側の燃料の濃縮効果を向上させることができる。また、流路区画部材を通過する混合流体のガス側の流速をさらに低減させることができ、着火性や保炎性を向上させることができる。
また、ノズル開口部に向かって外周側（ノズル内壁側）流路の内径が小さくされることで、流路区画部材とノズルの内壁との間の混合流体の流路断面積が拡張することとなり、燃料粒子の流速が減速され、着火性と火炎の安定性をさらに向上させることができる。
また、流路区画部材の内周側（ノズル中心側）において、第２の旋回器による旋回の打ち消し効果を径方向全体に行きわたらせることができる。したがって、旋回が弱められた混合流体をバーナ開口部から噴出させ、混合流体が火炉内に過度に広がることなく、二次空気や三次空気等の燃焼用ガス（空気）との混合を緩やかにして窒素酸化物（ＮＯｘ）生成の抑制作用を高めることができる。
【0022】
請求項２に記載の発明によれば、燃料ノズルが、第１の旋回器の上流側では同一または単調増加の直管状で、その下流側に連通して内径が徐々に拡大する拡管部、さらに拡管部の下流側に連通して内径が上流側よりも大きい直管状の下流部を有しており、搬送配管内では、粒径の大きな燃料粒子の滞留を招かぬように高流速で搬送しつつ、火炉開口部側では上流側よりも流路断面積が大きく流速が低減されることで、燃料の濃縮効果を確保しつつ、着火性と火炎の安定性が向上することができる。
【0023】
請求項３に記載の発明によれば、第１の旋回器については、燃料ノズル外側（内壁沿い）への燃料粒子の濃縮、第２の旋回器については、旋回の打ち消しを有効に作用させることができる。すなわち、第１の旋回器は、その羽根が長手方向の少なくとも一部において上流部にかかっており、上流部を流れてきた混合流体に対して効率よく径方向外向きの速度成分を与えることができる。
【0025】
請求項４に記載の発明によれば、燃料濃縮器を燃料ノズルの軸方向に引き出して取り外して、保守、点検を行うことができる。したがって、保守、点検の作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【発明を実施するための形態】
【0027】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例（以下、実施例と記載する）を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
【実施例1】
【0028】
図１は本発明の実施例１の燃焼システムの全体説明図である。
図１において、火力発電所等で使用される実施例１の燃焼システム（燃焼装置）１では、バイオマス燃料（固体燃料）がバンカ（燃料ホッパ）４に収容されている。バンカ４のバイオマス燃料は、ミル（粉砕機）５で粉砕される。粉砕された燃料は、ボイラ（火炉）６の固体燃料バーナ７に燃料配管８を通じて供給されて、燃焼される。なお、固体燃料バーナ７は、ボイラ６に複数設置されている。
図１において、火力発電所等で使用される実施例１の燃焼システム（燃焼装置）１では、バイオマス燃料（固体燃料）がバンカ（燃料ホッパ）４に収容されている。バンカ４のバイオマス燃料は、ミル（粉砕機）５で粉砕される。粉砕された燃料は、ボイラ（火炉）６の固体燃料バーナ７に燃料配管８を通じて供給されて、燃焼される。なお、固体燃料バーナ７は、ボイラ６に複数設置されている。
【0029】
ボイラ６から排出された排ガスは、脱硝装置９で脱硝される。脱硝された排ガスは、空気予熱器１０を通過する。空気予熱器１０では、ブロア１１から送られた空気と排ガスとの熱交換が行われる。したがって、排ガスが低温化されると共に、ブロア１１からの空気が加熱される。ブロア１１からの空気は、空気配管１２を通じて、固体燃料バーナ７およびボイラ６に燃焼用空気として供給される。
空気予熱器１０を通過した排ガスは、ガスガスヒータ（熱回収器）１３を通過する際に熱が回収されて低温化する。
空気予熱器１０を通過した排ガスは、ガスガスヒータ（熱回収器）１３を通過する際に熱が回収されて低温化する。
【0030】
ガスガスヒータ（熱回収器）１３を通過した排ガスは、乾式集塵機１４で排ガス中の塵等が回収、除去される。
乾式集塵機１４を通過した排ガスは、脱硫装置１５に送られて脱硫される。
脱硫装置１５を通過した排ガスは、湿式集塵機１６で排ガス中の塵等が回収、除去される。
湿式集塵機１６を通過した排ガスは、ガスガスヒータ（再加熱器）１７で再加熱される。
ガスガスヒータ（再加熱器）１７を通過した排ガスは、煙突１８から大気に排気される。
なお、ミル５自体の構成は、従来公知の種々の構成を使用可能であり、例えば、特開２０１０－２４２９９９号公報等に記載されているので詳細な説明は省略する。
乾式集塵機１４を通過した排ガスは、脱硫装置１５に送られて脱硫される。
脱硫装置１５を通過した排ガスは、湿式集塵機１６で排ガス中の塵等が回収、除去される。
湿式集塵機１６を通過した排ガスは、ガスガスヒータ（再加熱器）１７で再加熱される。
ガスガスヒータ（再加熱器）１７を通過した排ガスは、煙突１８から大気に排気される。
なお、ミル５自体の構成は、従来公知の種々の構成を使用可能であり、例えば、特開２０１０－２４２９９９号公報等に記載されているので詳細な説明は省略する。
【0031】
図２は実施例１の固体燃料バーナの説明図である。
図３は図２の矢印ＩＩＩ方向から見た図である。
図２、図３において、実施例１の固体燃料バーナ７は、搬送気体が流れる燃料ノズル２１を有する。燃料ノズル２１の下流端の開口は、ボイラ６の火炉２２の壁面（火炉壁、水管壁）２３に設けられている。燃料ノズル２１は、搬送気体の流れ方向の上流端部に曲管部の一例としてのエルボ２０が形成されている。エルボ２０では、混合流体の流れ方向が略９０°曲げられるように屈曲している。エルボ２０の上流端には、燃料配管８が接続される。燃料ノズル２１は中空の筒状に形成されており、燃料ノズル２１の内部には、固体燃料（粉砕されたバイオマス燃料）と搬送気体とからなる混合流体が流れる流路２４が形成されている。
図３は図２の矢印ＩＩＩ方向から見た図である。
図２、図３において、実施例１の固体燃料バーナ７は、搬送気体が流れる燃料ノズル２１を有する。燃料ノズル２１の下流端の開口は、ボイラ６の火炉２２の壁面（火炉壁、水管壁）２３に設けられている。燃料ノズル２１は、搬送気体の流れ方向の上流端部に曲管部の一例としてのエルボ２０が形成されている。エルボ２０では、混合流体の流れ方向が略９０°曲げられるように屈曲している。エルボ２０の上流端には、燃料配管８が接続される。燃料ノズル２１は中空の筒状に形成されており、燃料ノズル２１の内部には、固体燃料（粉砕されたバイオマス燃料）と搬送気体とからなる混合流体が流れる流路２４が形成されている。
【0032】
燃料ノズル２１の外周には、燃焼用空気を火炉２２に噴出する内側燃焼用ガスノズル（２次燃焼用ガスノズル）２６が設置されている。また、内側燃焼用ガスノズル２６の外周側には、外側燃焼用ガスノズル（３次燃焼用ガスノズル）２７が設置されている。各燃焼用ガスノズル２６，２７は、ウインドボックス（風箱）２８からの空気を火炉２２内に向けて噴出する。実施例１では、内側燃焼用ガスノズル２６の下流端には、燃料ノズル２１の中心に対して径方向外側に傾斜（下流側に行くに連れて径が拡大）するガイドベーン２６ａが形成されている。また、外側燃焼用ガスノズル２７の下流部には、軸方向に沿ったスロート部２７ａと、ガイドベーン２６ａに平行する拡大部２７ｂとが形成されている。したがって、各燃焼用ガスノズル２６，２７から噴出された燃焼用空気は、軸方向の中心から拡散するように噴出される。
【0033】
また、燃料ノズル２１の下流端の開口部には、保炎器３１が支持されている。
図２、図３において、燃料ノズル２１の流路断面の中心部には、点火バーナ（オイルガン）３２が貫通して配置されている。点火バーナ３２は、燃料ノズル２１の衝突板フランジ２０ａに支持された衝突板３２ａに貫通した状態で支持されている。
図２、図３において、燃料ノズル２１の流路断面の中心部には、点火バーナ（オイルガン）３２が貫通して配置されている。点火バーナ３２は、燃料ノズル２１の衝突板フランジ２０ａに支持された衝突板３２ａに貫通した状態で支持されている。
【0034】
燃料ノズル２１には、混合流体の流れ方向に対して、エルボ２０の下流側に、上流部の一例としての直管部２１ａが設けられている。直管部２１ａは、流路２４の断面積が同一の直管状に形成されている。
直管部２１ａの下流側には、下流側に行くにつれて内径（すなわち断面積）が拡大する拡大部２１ｂが接続されている。拡大部２１ｂの下流側には、下流端に向けて断面積が同一な直管状の下流部２１ｃが接続されている。
実施例１では、拡大部２１ｂの内壁が、直管部２１ａの延長線に対してなす角θ１は、１０°～１５°に設定されている。θ１が１０°未満の場合、燃料ノズル２１の軸方向の長さが長くなり、θ１が１５°を超える場合、混合流の流れに剥離が発生して、流れに澱みが発生して澱んだ部分に燃料が溜まりやすくなる問題があるため、θ１は１０°～１５°が好ましい。
直管部２１ａの下流側には、下流側に行くにつれて内径（すなわち断面積）が拡大する拡大部２１ｂが接続されている。拡大部２１ｂの下流側には、下流端に向けて断面積が同一な直管状の下流部２１ｃが接続されている。
実施例１では、拡大部２１ｂの内壁が、直管部２１ａの延長線に対してなす角θ１は、１０°～１５°に設定されている。θ１が１０°未満の場合、燃料ノズル２１の軸方向の長さが長くなり、θ１が１５°を超える場合、混合流の流れに剥離が発生して、流れに澱みが発生して澱んだ部分に燃料が溜まりやすくなる問題があるため、θ１は１０°～１５°が好ましい。
【0035】
燃料ノズルの形状が、上流側から直管部２１ａ（＝上流部）、拡大部２１ｂ、下流部２１ｃのように、直管、拡管、直管のように連通することは必ずしも必須のことではない。例えば、後述の流路区画部材が設けられていれば、着火性および火炎の安定性が向上し、全体を通じて直管状であっても問題ない場合もある。
ノズル全体を通じて、バイオマス燃料のような粒子の粗い燃料を使用しても旋回を過度に強める必要が無く、圧力損失や燃料粒子の旋回器（３４ａ，３４ｂ）への付着をできるように構成されていれば良い。
ノズル全体を通じて、バイオマス燃料のような粒子の粗い燃料を使用しても旋回を過度に強める必要が無く、圧力損失や燃料粒子の旋回器（３４ａ，３４ｂ）への付着をできるように構成されていれば良い。
【0036】
燃料ノズル２１の内部には、燃料濃縮器３４が配置されている。燃料濃縮器３４は、点火バーナ３２に支持されている。燃料濃縮器３４は、上流側の第１の旋回器３４ａと、下流側の第２の旋回器３４ｂとを有する。
第１の旋回器３４ａは、点火バーナ３２を軸とする螺旋状に形成された複数枚の第１の旋回羽根３４ｃを有する。また、第２の旋回器３４ｂは、第１の旋回羽根３４ｃとは逆方向（逆巻きの螺旋状）に傾斜する第２の旋回羽根３４ｄを有する。各旋回羽根３４ｃ，３４ｄは、燃料ノズル２１の内面に固定されておらず、旋回羽根３４ｃ，３４ｄの外周端は燃料ノズル２１の内面から離間して設置されている。
第１の旋回器３４ａは、点火バーナ３２を軸とする螺旋状に形成された複数枚の第１の旋回羽根３４ｃを有する。また、第２の旋回器３４ｂは、第１の旋回羽根３４ｃとは逆方向（逆巻きの螺旋状）に傾斜する第２の旋回羽根３４ｄを有する。各旋回羽根３４ｃ，３４ｄは、燃料ノズル２１の内面に固定されておらず、旋回羽根３４ｃ，３４ｄの外周端は燃料ノズル２１の内面から離間して設置されている。
【0037】
したがって、実施例１の燃料濃縮器３４では、燃料と搬送気体との混合流体に、第１の旋回器３４ａを通過する際に、径方向の外側に向かう旋回が付与される。よって、燃料が燃料ノズル２１の内壁面に向かって濃縮される。そして、第２の旋回器３４ｂを通過する際に逆の旋回が付与され、旋回が弱まる。よって、燃料濃縮器３４の下流側では、混合流体は、燃料が外周側に濃縮され且つ直進流に近い流れとなっている。
【0038】
このような拡管形状を有する燃料ノズル２１内に第１の旋回器３４ａと第２の旋回器３４ｂとを配置するにあたり、第１の旋回器３４ａについては、燃料ノズル２１外側（内壁沿い）への燃料粒子の濃縮、第２の旋回器３４ｂについては、旋回の打ち消しが有効に作用し、燃料の濃縮効果および旋回の打ち消し効果が損なわれにくくなるように燃料ノズル内の配置を適切に設定することが望ましい。
第１の旋回器３４ａは、その羽根３４ｃが長手方向（の少なくとも一部）において上流部（直管部２１ａ）にかかっていることが望ましい。これにより、上流部２１ａを流れてきた混合流体に対して効率よく径方向外向き（ノズル内壁向き）の速度成分を与えることができる。
第１の旋回器３４ａは、その羽根３４ｃが長手方向（の少なくとも一部）において上流部（直管部２１ａ）にかかっていることが望ましい。これにより、上流部２１ａを流れてきた混合流体に対して効率よく径方向外向き（ノズル内壁向き）の速度成分を与えることができる。
【0039】
また、第１の旋回器３４ａは、その羽根３４ｃの長手方向（燃料ノズルの軸方向）下流側端部が燃料ノズル２１の上流部（上流側の直管部２１ａ）と拡大部２１ｂ（上流部に連通する拡管部）との境界部と同じ位置かそれよりも下流側、即ち拡大部２１ｂ側に位置するように設けられることが望ましい。これは、燃料粒子のノズル内壁からの跳ね返りを少なくして、濃縮効果を高めるためである。過剰な旋回を付与しなくても済むので、第２の旋回器３４ｂによる旋回の打ち消し作用もあまり高めずに抑制することができ、２つの旋回器３４ａ，３４ｂを通じた燃料ノズル２１の流路内の圧力損失の増大を抑制するのにも効果がある。
また、第２の旋回器３４ｂについては、その羽根３４ｄが長手方向（の少なくとも一部）において下流部２１ｃ（下流側の直管部）にかかっていることが望ましい。即ち、その羽根の長手方向（燃料ノズル２１の軸方向）下流側端部が燃料ノズル２１の下流部２１ｃ（下流側の直管部）側に位置するように設けられることが望ましい。これにより、第２の旋回器３４ｂとして圧力損失を抑制しつつ、旋回の打ち消し効果が十分なものを第１の旋回器３４ａとの適切な間隔を空けて配置できる。
また、第２の旋回器３４ｂについては、その羽根３４ｄが長手方向（の少なくとも一部）において下流部２１ｃ（下流側の直管部）にかかっていることが望ましい。即ち、その羽根の長手方向（燃料ノズル２１の軸方向）下流側端部が燃料ノズル２１の下流部２１ｃ（下流側の直管部）側に位置するように設けられることが望ましい。これにより、第２の旋回器３４ｂとして圧力損失を抑制しつつ、旋回の打ち消し効果が十分なものを第１の旋回器３４ａとの適切な間隔を空けて配置できる。
【0040】
実施例１では、第１の旋回羽根３４ｃの外径ＤＷ１は、直管部の内径Ｄ１に対して、一例として７０％に設定されているが、６０％～８５％に設定することが好ましい。６０％未満では、付与される旋回が弱く燃料の濃縮効果が低くなる。また、８５％を超えると旋回流が強くなりすぎる場合がある。
第２の旋回羽根３４ｄの外径ＤＷ２は、第１の旋回羽根３４ｃの外径ＤＷ１以上の大きさに形成されている（すなわち、ＤＷ２≧ＤＷ１）。また、実施例１では、外径ＤＷ２＜内径Ｄ１に形成されている。さらに、第２の旋回羽根３４ｄの外径ＤＷ２は、下流部２１ｃの内径Ｄ２に対して、一例として６５％に設定されており、５５％～８０％に設定することが好ましい。５５％未満では、逆旋回で旋回を打ち消す効果が低くなる。また、８０％を超えると、メンテナンス時に点火バーナ３２を燃料ノズル２１から引き抜くことが困難になる。したがって、点火バーナ３２を引き抜かない構成の場合は、外径ＤＷ２が内径Ｄ２の８０％を超えたり、外径ＤＷ２≧内径Ｄ１としたりすることも可能である。
第２の旋回羽根３４ｄの外径ＤＷ２は、第１の旋回羽根３４ｃの外径ＤＷ１以上の大きさに形成されている（すなわち、ＤＷ２≧ＤＷ１）。また、実施例１では、外径ＤＷ２＜内径Ｄ１に形成されている。さらに、第２の旋回羽根３４ｄの外径ＤＷ２は、下流部２１ｃの内径Ｄ２に対して、一例として６５％に設定されており、５５％～８０％に設定することが好ましい。５５％未満では、逆旋回で旋回を打ち消す効果が低くなる。また、８０％を超えると、メンテナンス時に点火バーナ３２を燃料ノズル２１から引き抜くことが困難になる。したがって、点火バーナ３２を引き抜かない構成の場合は、外径ＤＷ２が内径Ｄ２の８０％を超えたり、外径ＤＷ２≧内径Ｄ１としたりすることも可能である。
【0041】
また、実施例１では、混合流の流れ方向に対して、燃料ノズル２１の下流端ｆｓから直管部２１ａの下流端（＝拡大部２１ｂの上流端）までの距離をＬ１とし、燃料ノズル２１の下流端ｆｓから下流部２１ｃの上流端（＝拡大部２１ｂの下流端）までの距離をＬ２とし、燃料ノズル２１の下流端ｆｓから第２の旋回器３４ｂの中央部までの距離をＬ４とし、燃料ノズル２１の下流端ｆｓから第１の旋回器３４ａの中央部までの距離をＬ５とした場合に、実施例１では、一例として、以下のように設定されている。
（１）Ｌ２＝Ｌ４
（２）Ｌ５－Ｌ４＝０．７×Ｄ２
（３）Ｌ５－Ｌ１＝０．１×Ｄ２
（１）Ｌ２＝Ｌ４
（２）Ｌ５－Ｌ４＝０．７×Ｄ２
（３）Ｌ５－Ｌ１＝０．１×Ｄ２
【0042】
なお、（１）については、Ｌ２≠Ｌ４とすることも可能である。
（２）については、０．７×Ｄ２～１．３×Ｄ２が好ましいことが燃焼試験で確認された。０．７未満になると、第１の旋回器３４ａの旋回で燃料が外径側に十分に到達する前に、第２の旋回器３４ｂで旋回が打ち消されることとなり、燃料の濃縮効果が低減する。１．３を超えると、旋回の打ち消しが遅くなって、燃料ノズル２１の下流端で旋回が強く残り、ＮＯｘが増える問題があった。
（２）については、０．７×Ｄ２～１．３×Ｄ２が好ましいことが燃焼試験で確認された。０．７未満になると、第１の旋回器３４ａの旋回で燃料が外径側に十分に到達する前に、第２の旋回器３４ｂで旋回が打ち消されることとなり、燃料の濃縮効果が低減する。１．３を超えると、旋回の打ち消しが遅くなって、燃料ノズル２１の下流端で旋回が強く残り、ＮＯｘが増える問題があった。
【0043】
（３）については、０×Ｄ２～０．５×Ｄ２とすることが好ましい。０未満、すなわち、Ｌ５－Ｌ１＜０の場合は、第１の旋回器３４ａの大部分が拡大部２１ｂに配置されることとなり、燃料ノズル２１の内径に対して第１の旋回羽根３４ｃの外径の比率が相対的に低下し、燃料の濃縮効果が下がる。一方、０．５を超えると、第１の旋回器３４ａで付与された旋回で外周側に片寄らせた燃料が、燃料ノズル２１の内周面に衝突して、反射される形で径方向内側に戻されやすくなり、燃料の濃縮効果が低下する。
【0044】
すなわち、実施例１では、第１の旋回器３４ａは、少なくとも一部が燃料ノズル２１の直管部（上流部）２１ａの範囲に位置する。また、第２の旋回器３４ｂは、少なくとも一部が燃料ノズル２１の下流部２１ｃの範囲に位置する。したがって、拡管形状（拡大部２１ｂ）を有する燃料ノズル２１内に第１の旋回器３４ａと第２の旋回器３４ｂとを配置するにあたり、第１の旋回器３４ａについては、燃料ノズル外側（内壁沿い）への燃料粒子の濃縮、第２の旋回器３４ｂについては、旋回の打ち消しが有効に作用し、燃料が損なわれにくくなっている。
第１の旋回器３４ａは、その羽根３４ｃが長手方向（の少なくとも一部）において上流部（直管部２１ａ）にかかっており、上流部２１ａを流れてきた混合流体に対して効率よく径方向外向き（ノズル内壁向き）の速度成分を与えることができる。
第１の旋回器３４ａは、その羽根３４ｃが長手方向（の少なくとも一部）において上流部（直管部２１ａ）にかかっており、上流部２１ａを流れてきた混合流体に対して効率よく径方向外向き（ノズル内壁向き）の速度成分を与えることができる。
【0045】
図４は実施例１の流路区画部材の説明図であり、図４（Ａ）は側面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶＢ－ＩＶＢ線断面図、図４（Ｃ）は変更例１の図４（Ｂ）に対応する図、図４（Ｄ）は変更例２の図４（Ｂ）に対応する図である。
図２、図３において、燃料濃縮器３４の下流側には、流路区画部材３６が配置されている。流路区画部材３６は、支持部材３７により燃料ノズル２１の内面に支持されている。実施例１の流路区画部材３６は、上流端Ｓ１から下流端Ｓ２に向かうに連れて内径が縮小する部分円錐状（コニカル形状）に形成されている。したがって、流路区画部材３６は、流路２４を外側流路２４ａと内側流路２４ｂとに区画する。
図３、図４において、支持部材３７は、径方向に沿って延びる板状に形成されている。支持部材３７は、周方向に対して間隔をあけて複数配置されている。図３において、実施例１では、支持部材３７は、保炎器３１の内周側突起３１ａどうしの間に対応する位置に配置されている。
図２、図３において、燃料濃縮器３４の下流側には、流路区画部材３６が配置されている。流路区画部材３６は、支持部材３７により燃料ノズル２１の内面に支持されている。実施例１の流路区画部材３６は、上流端Ｓ１から下流端Ｓ２に向かうに連れて内径が縮小する部分円錐状（コニカル形状）に形成されている。したがって、流路区画部材３６は、流路２４を外側流路２４ａと内側流路２４ｂとに区画する。
図３、図４において、支持部材３７は、径方向に沿って延びる板状に形成されている。支持部材３７は、周方向に対して間隔をあけて複数配置されている。図３において、実施例１では、支持部材３７は、保炎器３１の内周側突起３１ａどうしの間に対応する位置に配置されている。
【0046】
図２において、実施例１の固体燃料バーナ７では、燃料濃縮器３４の下流側に流路区画部材３６が配置されている。したがって、実施例１の固体燃料バーナ７では、第２の旋回器３４ｂによりノズル中心側の流体の旋回が弱められた下流側に流路区画部材３６が配置されており、流路が外周側（ノズル内壁側）と内周側（ノズル中心側）に区画・分離される。したがって、燃料濃縮器３４の第１の旋回羽根３４ｃで燃料ノズル２１の内周壁に向かって濃縮された燃料のほとんどが、外側流路２４ａに供給される。よって、燃料濃縮器３４により径方向の外側に向けられた粒子の流れを流路区画部材３６が妨げにくいと共に、外側流路２４ａにおいて径方向外側に向かう燃料が内周壁で反射されて再び中心軸側に向かおうとしても、流路区画部材３６で阻止される。よって、第１の旋回器３４ａによって一旦外周側（ノズル内壁側）に濃縮した燃料粒子が再分散されることが抑制され、濃縮効果がノズル開口部近傍まで保持される。
したがって、流路区画部材３６を有しない特許文献１に記載の構成に比べて、着火性の悪いバイオマス燃料を粉砕した固体燃料粒子を使用する場合でも、燃料の濃縮効果を確保することができる。
したがって、流路区画部材３６を有しない特許文献１に記載の構成に比べて、着火性の悪いバイオマス燃料を粉砕した固体燃料粒子を使用する場合でも、燃料の濃縮効果を確保することができる。
【0047】
特に、実施例１では、燃料濃縮器３４が燃料ノズル２１の内面に全面固定されていない。燃料濃縮器３４を燃料ノズル２１の内面に支持する構成では、支持する部位が濃縮される燃料粒子の衝突によって摩耗する。したがって、支持する部位を耐摩耗性の特殊材料で構成する必要があり、コストが増大する問題がある。これに対して実施例１では、燃料濃縮器３４が燃料ノズル２１に支持されておらず、摩耗する部位がなく、コストの増大を抑制可能である。
【0048】
また、実施例１の固体燃料バーナ７では、燃料ノズル２１内にベンチュリー、即ちノズル中心向きに燃料粒子の速度成分を付与する部材が曲管部（エルボ２０）を経た直後に無く、続いてその下流側に燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を付与する燃料濃縮器が配置される構成ではない。すなわち、特許文献３に記載の構成とは異なる。特許文献３の技術では、一旦ベンチュリーでノズル中心向きに燃料粒子の速度成分を付与し、次いで紡錘形状の燃料濃縮器により燃料ノズルの中心から離れる向きの速度成分を付与するというように向きが反転する２段階の濃縮作用を行うことになる。このため、燃料ノズルの長さをある程度確保する必要があるが、他の炉外機器、配管、構造物との関係上、これを短くするためには、ベンチュリーの絞りや燃料濃縮器の径方向の拡がりを急なものに設定する必要が出てくる。燃料ノズル上流側の曲管部では混合流体が急激に曲がるため、ノズル断面内における燃料粒子の分布に偏りが生じるが、ベンチュリーの絞りや燃料濃縮器の径方向の拡がりを急なものに設定するとこの偏りがそのまま下流側に残存しやすい。
【0049】
これに対して、実施例１に記載の固体燃料バーナ７では、混合流体は曲管部を経た流路において、燃料ノズル２１の中心向きの作用をうけることなく、第１の旋回器３４ａにより、燃料ノズル２１の中心から離れる向きの速度成分を付与され、濃縮作用が１段階で完了するので、燃料ノズル２１の長さを、特許文献３に記載の構成に比べて短縮できる。燃料ノズル２１の長さが短縮できれば、バーナ設置の自由度が増し、他の炉外機器、配管、構造物との干渉を回避できる利点がある。また旋回の効果により周方向（ノズル内壁沿い）の混合が促進されるので、周方向の燃料粒子の分布に偏りが生じにくく、着火性と火炎の安定性向上に効果がある。
【0050】
また、実施例１の固体燃料バーナ７では、流路区画部材３６を有しており、燃料ノズル２１外側（内壁沿い）への燃料粒子の濃縮効果が高く、かつその効果が消失しにくいので、燃料濃縮器３４としての第１の旋回器３４ａと第２の旋回器３４ｂの組み合わせにおいて、過剰な旋回付与とその打ち消しの必要が無くなるので、バーナの圧力損失の低減に効果がある。また、燃料濃縮器３４としての第１の旋回器３４ａと第２の旋回器３４ｂの組み合わせをコンパクト化して、燃料ノズル２１の全長を短くすることもでき、部材の使用量抑制にもつながる。
【0051】
さらに、実施例１の固体燃料バーナ７では、特許文献１の技術に比べて、粒径の粗い燃料粒子を含む混合流体に対して、燃料ノズル２１内壁沿いへの燃料粒子の濃縮とそのバーナ開口端部までの保持効果をより少ない旋回の付与で実現できる。即ち、一旦燃料ノズル２１内壁沿いへ濃縮された燃料粒子がノズル中心側に再分散しにくい、あるいは流速の低減による開口端の保炎器３１近傍での着火性の向上により、第１の旋回器３４ａにおける旋回の強さ、つまり第１の旋回羽根３４ｃの角度等を相対的に緩やかなものとすることができる。このことは、第２の旋回器３４ｂにおける旋回の打ち消し効果を相対的に緩やかなものにできることにつながる。これらのことから燃料ノズル２１内の圧力損失の低減が図られる。さらに、木質系原料のペレットを粉砕したような粒子の粗いバイオマス燃料でも、局部的な混合流体の滞留が生じにくいので、旋回器（旋回羽根）への燃料粒子の付着抑制が図られる。
【0052】
そして、実施例１では、流路区画部材３６がコニカル形状に形成されており、流路区画部材３６を通過する間に、流路区画部材３６と燃料ノズル２１との間を通過する流体の流速が低下する。そして、濃縮された燃料は流速が低下した状態で、火炉６に供給される。したがって、着火性の低いバイオマス燃料でも、着火性を確保することができる。
【0053】
また、実施例１の流路区画部材３６は、下流端Ｓ２における混合流体の流速が上流端Ｓ１における流速よりも低減されるように、下流端Ｓ２における外側流路２４ａの断面積が上流端Ｓ１における外側流路２４ａの断面積よりも拡大するようなコニカルな形状となっている。すなわち、実施例１では流路区画部材３６の上流端の内径ＤＳ１は、下流端の内径ＤＳ２よりも大きく形成されている。このような傾斜形状であれば、軸方向に沿った筒状の場合よりも、固体燃料粒子が傾斜面に沿って移動しやすく、上面に堆積しにくくなる。また、ＤＳ１＞ＤＳ２とすることで、ノズル開口部に向かって外周側（ノズル内壁側）流路の断面積が徐々に拡張することとなり、燃料粒子の流速が減速され、着火性と火炎の安定性の向上に一層効果がある。
なお、流路区画部材３６が軸方向に対して傾斜する傾斜角θ２を、１０°～１５°とすることが好ましい。なお、θ２を１０°～１５°にすることが好ましい理由は、θ１の場合と同様である。
なお、流路区画部材３６が軸方向に対して傾斜する傾斜角θ２を、１０°～１５°とすることが好ましい。なお、θ２を１０°～１５°にすることが好ましい理由は、θ１の場合と同様である。
【0054】
また、流路区画部材３６の上流端Ｓ１の内径ＤＳ１は、第１の旋回羽根３４ｃの外径ＤＷ１および第２の旋回羽根３４ｄの外径ＤＷ２以上に設定されている。ＤＳ１＜ＤＷ２の場合、ＤＳ１の外周流路に搬送ガスも流入してしまい、粒子濃度濃縮効果が薄くなる。そのため、ＤＳ１≧ＤＷ２にすることで、粒子は外周側に流入し、搬送ガスは外周及び内周に分配されるため、流路区画部材３６を通過する粒子濃度を濃縮する効果がある。別の見方をすると、第２の旋回器３４ｂによる旋回の打ち消し効果が流路内周側（ノズル中心側）に留められるので、外周側（ノズル内壁側）における燃料粒子濃縮の保持効果を一段と高く保つことができる。
【0055】
また、実施例１では、流路区画部材３６の下流端の内径ＤＳ２は、第２の旋回羽根３４ｄの外径ＤＷ２よりも小さく形成されている。すなわち、ＤＷ２＞ＤＳ２に設定されている。ＤＷ２＞ＤＳ２とすることで、流路区画部材３６の内周側（ノズル中心側）において、第２の旋回器３４ｂによる旋回の打ち消し効果を径方向全体に行きわたらせることができる。これにより、旋回が弱められた混合流体をバーナ開口部から噴出させ、混合流体が火炉６内に過度に広がることなく、二次空気や三次空気等の燃焼用ガス（空気）との混合を緩やかにして窒素酸化物（ＮＯｘ）生成の抑制作用を高めることができる。
【0056】
さらに、実施例１の流路区画部材３６は、燃料ノズル２１の内周壁側から支持部材３７によって支持されている。仮に、中心軸（点火バーナ３２）側から流路区画部材３６を支持すると、点火バーナ３２および／または燃料濃縮器３４の保守点検等の際に、衝突板３２ａとともに衝突板フランジ２０ａから分離して炉外へ引き抜く際、流路区画部材３６と支持部材３７とを切り離さないと直管部２１ａを通過させられない。すなわち、保守点検作業の作業性が低下する問題がある。これに対して、実施例１では、流路区画部材３６が燃料ノズル２１の内周壁側から支持されており、点火バーナ３２および／または燃料濃縮器３４の保守・点検が容易に行える。
【0057】
また、実施例１では、流路区画部材３６と支持部材３７（および燃料濃縮器３４）を、燃料ノズル２１の火炉２２側開口端部（下流端）ｆｓないしは固体燃料バーナ７の火炉２２壁面開口部から距離をあけて燃料ノズル２１内の流体流れ方向上流側、即ち、火炉２２の外側に設置している。より具体的には、図２に示すように、燃料ノズル２１の火炉側開口端部ｆｓから流路区画部材３６の下流端までの距離をＬ３とした場合、距離Ｌ３は、燃料ノズル２１の火炉側開口端部ｆｓにおける内径Ｄ２に対して、０．１５×Ｄ２～１．０×Ｄ２の範囲とすることが好ましい。０．１５未満では、流路区画部材３６が火炉からの輻射を受けやすくなる。
【0058】
したがって、０．１５×Ｄ２以上に設定することで、流路区画部材３６等が火炉（炉内）２２からの輻射の影響を軽減して、頻繁な保守が必要となる可能性を低減できる。また、燃料粒子が、特に流路区画部材３６の上面等に付着・堆積した場合でも発火するリスクや、付着堆積に至らずとも滞留傾向となって燃料ノズル２１内で着火するリスクを軽減することもでき、着火域を保炎器３１の下流側にしやすくできる。
なお、１．０×Ｄ２を超えると、流路区画部材３６の下流端Ｓ２が、各位置ｆｓおよび火炉壁面開口部から離れすぎる。よって、流路区画部材３６での流速低減後の区間が長くなる。流速低減後の区間が長くなると、燃料粒子が燃料ノズル２１の壁面に付着堆積する可能性が高くなったり、燃料ノズル２１が長大化して固体燃料バーナ７が大型化するといった問題がある。
なお、１．０×Ｄ２を超えると、流路区画部材３６の下流端Ｓ２が、各位置ｆｓおよび火炉壁面開口部から離れすぎる。よって、流路区画部材３６での流速低減後の区間が長くなる。流速低減後の区間が長くなると、燃料粒子が燃料ノズル２１の壁面に付着堆積する可能性が高くなったり、燃料ノズル２１が長大化して固体燃料バーナ７が大型化するといった問題がある。
【0059】
実施例１では、燃料ノズル２１は、直管部２１ａ、拡大部２１ｂ、下流部２１ｃに渡って、流路２４の断面積が同一または単調増加する構成、すなわち、断面積が減少する区間がない構成となっている。仮に、燃料濃縮器３４の上流端から流路区画部材３６の上流端Ｓ１までの間で燃料ノズル２１の断面積が減少する区間があると、断面積が減少する区間では流速が増大（加速）することとなる。そして、その後の流路区画部材３６の位置で流速が減速すると、いわば、脈動のような流れが形成される。このような場合、流速Ｆが低下しすぎる領域が生じ、燃料粒子の堆積、滞留が懸念される。
【0060】
これに対して、実施例１では、流路２４の断面積が減少する区間がなく、脈動のような流れが発生せず、流速Ｆは、燃料粒子の堆積、滞留が懸念される低流速の領域に陥ることなく滑らかに減速（漸減）される。よって、実施例１の固体燃料バーナ７では、燃料ノズル２１の内部は、流速Ｆが増大しない（単調減少または同一となる）ように、断面積が単調増加または同一となる（減少しない）ように設定されている。
したがって、燃料濃縮後は断面積が減少せず、流速が増大と減少を繰り返さないため、燃料の堆積、滞留が低減され、濃縮されたまま減速されて火炉６に向けて供給される。すなわち、燃料ノズル２１の配管内では、粒径の大きな燃料粒子の滞留を招かぬように高流速で搬送しつつ、火炉６開口部側では上流側よりも流路断面積が大きく流速が低減されることで、着火性と火炎の安定性が向上する。
したがって、燃料濃縮後は断面積が減少せず、流速が増大と減少を繰り返さないため、燃料の堆積、滞留が低減され、濃縮されたまま減速されて火炉６に向けて供給される。すなわち、燃料ノズル２１の配管内では、粒径の大きな燃料粒子の滞留を招かぬように高流速で搬送しつつ、火炉６開口部側では上流側よりも流路断面積が大きく流速が低減されることで、着火性と火炎の安定性が向上する。
【0061】
図２～図４において、実施例１の支持部材３７は、径方向に延びる放射状の板状に形成されており、混合流体に対して極力その流れを妨げない形態となっている。なお、実施例１では、支持部材３７は、長手方向の長さが流路区画部材３６と同じ長さの１枚の板状の部材を使用しているがこれに限定されず、板が複数に分かれていても、棒状の部材とすることも可能である。
ノズル軸方向で見た支持部材の断面形状は、流れを妨げないものであれば特に限定されず、流線形の翼状（図４（Ｃ）参照）、ひし形（図４（Ｄ））等でも良い。翼状、ひし形状の場合、流れ方向に沿って、流路が一旦縮小するため、燃料粒子の濃縮がさらに増強され、着火・保炎性が向上する効果がある。
ノズル軸方向で見た支持部材の断面形状は、流れを妨げないものであれば特に限定されず、流線形の翼状（図４（Ｃ）参照）、ひし形（図４（Ｄ））等でも良い。翼状、ひし形状の場合、流れ方向に沿って、流路が一旦縮小するため、燃料粒子の濃縮がさらに増強され、着火・保炎性が向上する効果がある。
【0062】
ここで、支持部材３７の形状が、下流側ほど周方向の厚みが大きなくさび状の構造の場合、混合流体の流れ方向に対して、支持部材の火炉への開口部に面した壁面ないし空間に向かって、混合流体が逆流する渦流が発生する。当該面状の部位は火炉からの輻射を受け高温となるため、耐熱性の高い部材の使用・被覆等の対策を考慮する必要がある。前述の渦流発生により燃料粒子が付着、成長ないし滞留する可能性もある。
【0063】
これに対して、実施例１の支持部材３７では、厚み方向が火炉２２に対向する板状に形成されており、燃料ノズル２１の開口面側から見た場合に、複数の板状の支持部材３７が線状となるように配置されている。よって、特許文献１に記載の構成に比べて、混合流体が逆流する渦流が発生しにくく、燃料粒子が付着、成長ないし滞留するのを抑制できる。また、火炉２２からの輻射を受け高温となることへの対策も少なくて済み経済的である。
また、実施例１の支持部材３７は、保炎器３１の内周側突起３１ａと重ならない位置に配置されており、重なる場合に比べて、混合気体の流れの抵抗が低減されている。
一方、ノズル軸方向で見た支持部材３７の断面形状が流線形の翼状、ひし形等流れ方向に沿って、流路が一旦縮小する例（図４（Ｃ），（Ｄ）に示される例）では、流路が一旦縮小して燃料粒子の濃縮した（即ち分布が生じた）領域の下流に保炎器の突起が位置するため、着火・保炎性が向上する効果がある。
また、実施例１の支持部材３７は、保炎器３１の内周側突起３１ａと重ならない位置に配置されており、重なる場合に比べて、混合気体の流れの抵抗が低減されている。
一方、ノズル軸方向で見た支持部材３７の断面形状が流線形の翼状、ひし形等流れ方向に沿って、流路が一旦縮小する例（図４（Ｃ），（Ｄ）に示される例）では、流路が一旦縮小して燃料粒子の濃縮した（即ち分布が生じた）領域の下流に保炎器の突起が位置するため、着火・保炎性が向上する効果がある。
【0064】
また、実施例１では、燃料ノズル（１次ノズル）２１の内径に関して、開口部（下流端）における内径Ｄ２は、直管部２１ａの内径Ｄ１よりも大きく設定されている。燃料ノズル２１の上流側（燃料搬送管）では流路内部で燃料粒子が付着堆積することを防ぐため、混合流体の流速をある程度高く保つ必要があるのに対し、着火性・保炎性の観点から、燃料ノズル（１次ノズル）２１の下流端においては流速を十分に低減する必要がある。よって、実施例１では、下流端における内径Ｄ２が直管部２１ａの内径Ｄ１よりも大きく設定されており、Ｄ１≦Ｄ２の場合に比べて、着火性・保炎性が向上している。
【0065】
（シミュレーション結果）
図５は比較例の説明図である。
次に、実施例１の効果を確認する実験（コンピュータシミュレーション）を行った。実験例１では、実施例１の構成において、第１の旋回羽根３４ｃの外径ＤＷ１と第２の旋回羽根３４ｄの外径ＤＷ２を同一とした。また、実験例２では、第２の旋回羽根３４ｄの外径ＤＷ２が、第１の旋回羽根３４ｃの外径ＤＷ１よりも大きい場合とした。また、比較例１では、図５の構成において実験を行った。すなわち、図５の構成では、実施例１の拡大部２１ｂや下流部２１ｃを有しない。また、図５の構成では、燃料濃縮器として、旋回羽根ではなく、燃料ノズルの断面積が減少して燃料を径方向の内側に濃縮した後、点火バーナに支持された下流側に行くほど径が大きくなる部材で燃料を径方向外側に移動させることで、径方向の外側に燃料を濃縮するベンチュリ０１を有する。
シミュレーションでは、燃料ノズル２１の下流端において、径方向の燃料の分布（割合）を測定した。結果を図６に示す。
図５は比較例の説明図である。
次に、実施例１の効果を確認する実験（コンピュータシミュレーション）を行った。実験例１では、実施例１の構成において、第１の旋回羽根３４ｃの外径ＤＷ１と第２の旋回羽根３４ｄの外径ＤＷ２を同一とした。また、実験例２では、第２の旋回羽根３４ｄの外径ＤＷ２が、第１の旋回羽根３４ｃの外径ＤＷ１よりも大きい場合とした。また、比較例１では、図５の構成において実験を行った。すなわち、図５の構成では、実施例１の拡大部２１ｂや下流部２１ｃを有しない。また、図５の構成では、燃料濃縮器として、旋回羽根ではなく、燃料ノズルの断面積が減少して燃料を径方向の内側に濃縮した後、点火バーナに支持された下流側に行くほど径が大きくなる部材で燃料を径方向外側に移動させることで、径方向の外側に燃料を濃縮するベンチュリ０１を有する。
シミュレーションでは、燃料ノズル２１の下流端において、径方向の燃料の分布（割合）を測定した。結果を図６に示す。
【0066】
図６はシミュレーション結果の説明図である。
図６において、比較例１では、径方向の外側の領域１の燃料の割合が少なく、径方向の中間の領域２の燃料の割合が多い結果となった。すなわち、外周側に燃料が濃縮されておらず、燃料の濃縮効果が不十分であった。
一方、実験例１では、外周側の領域１の燃料の割合が、領域１～領域３の全ての領域の中で最も多く、外周側に燃料が濃縮されていた。また、実験例２では、実験例１よりもさらに領域１の燃料の割合が多い結果が得られた。
図６において、比較例１では、径方向の外側の領域１の燃料の割合が少なく、径方向の中間の領域２の燃料の割合が多い結果となった。すなわち、外周側に燃料が濃縮されておらず、燃料の濃縮効果が不十分であった。
一方、実験例１では、外周側の領域１の燃料の割合が、領域１～領域３の全ての領域の中で最も多く、外周側に燃料が濃縮されていた。また、実験例２では、実験例１よりもさらに領域１の燃料の割合が多い結果が得られた。
【0067】
したがって、比較例１のように、流路区画部材３６が設けられていて、燃料濃縮器が設けられていても、拡大部２１ｂを有しない構成では、燃料の濃縮効果が十分でない。これに比べて、実施例１（実験例１，２）のように拡大部２１ｂを有する構成とすることで、断面積が拡大する拡大部２１ｂを通じて流速が低減されて着火性が向上すると共に、比較例１の構成に比べて、燃料の濃縮効果が向上して外周側に燃料が濃縮されることで、着火性、保炎性がさらに向上している。
【0068】
図７は本発明の固体燃料バーナを備えたボイラ（燃焼装置）の説明図であり、図７（Ａ）は缶（ボイラ）前後各３段の固体燃料バーナのうちの缶前側および缶後ろ側の最上段にバイオマス燃料を使用する、本発明の固体燃料バーナを設けた場合の説明図、図７（Ｂ）および図７（Ｄ）は缶前側の最上段にバイオマス燃料を使用する、本発明の固体燃料バーナを設けた場合の説明図、図７（Ｃ）および図７（Ｅ）は缶後ろ側の最上段にバイオマス燃料を使用する、本発明の固体燃料バーナを設けた場合の説明図である。
図７（Ａ）に示す形態では、固体燃料バーナ７のうち、最上段の固体燃料バーナ７には、バイオマス燃料が供給される。一方、中段と下段の固体燃料バーナ７′には、固体燃料の一例としての石炭が供給される。石炭は、バンカ４′に収容されたものがミル５′で粉砕されて微粉炭となり、中段と下段の固体燃料バーナ７′に供給される。なお、各段において、固体燃料バーナ７は、燃焼装置１の炉幅方向に沿って複数設置されている。
固体燃料バーナ７′の形態は、必ずしも上述した本発明の固体燃料バーナでなくても良い。
図７（Ａ）に示す形態では、固体燃料バーナ７のうち、最上段の固体燃料バーナ７には、バイオマス燃料が供給される。一方、中段と下段の固体燃料バーナ７′には、固体燃料の一例としての石炭が供給される。石炭は、バンカ４′に収容されたものがミル５′で粉砕されて微粉炭となり、中段と下段の固体燃料バーナ７′に供給される。なお、各段において、固体燃料バーナ７は、燃焼装置１の炉幅方向に沿って複数設置されている。
固体燃料バーナ７′の形態は、必ずしも上述した本発明の固体燃料バーナでなくても良い。
【0069】
図１に示すように、バイオマス燃料を使用した場合、粒子径の大きいバイオマス燃料が未着火のまま炉底に落下することがある。未着火のバイオマス燃料が炉底にたまると、メンテナンスの頻度を高くしないといけなくなったり、燃料の無駄が多くなったりする問題がある。
これらに対して、図７（Ａ）に示す形態では、最上段の固体燃料バーナ７のみでバイオマス燃料が使用される。したがって、最上段の固体燃料バーナ７で未着火のバイオマス燃料が発生しても、炉底に落下するまでの間に、中段と下段の固体燃料バーナ７′で着火されて燃え尽きやすい。特に、ボイラ６において、固体燃料バーナ７，７′が設置されている領域では、上方ほど高温になりやすい。したがって、最上段の固体燃料バーナ７でバイオマス燃料を使用すれば、下段の固体燃料バーナでバイオマス燃料を使用する場合に比べて、未着火のバイオマス燃料が発生しにくい。よって、図７（Ａ）に示す形態では、未着火のバイオマス燃料が炉底に落下しにくく、燃料の無駄等を抑制できる。
これらに対して、図７（Ａ）に示す形態では、最上段の固体燃料バーナ７のみでバイオマス燃料が使用される。したがって、最上段の固体燃料バーナ７で未着火のバイオマス燃料が発生しても、炉底に落下するまでの間に、中段と下段の固体燃料バーナ７′で着火されて燃え尽きやすい。特に、ボイラ６において、固体燃料バーナ７，７′が設置されている領域では、上方ほど高温になりやすい。したがって、最上段の固体燃料バーナ７でバイオマス燃料を使用すれば、下段の固体燃料バーナでバイオマス燃料を使用する場合に比べて、未着火のバイオマス燃料が発生しにくい。よって、図７（Ａ）に示す形態では、未着火のバイオマス燃料が炉底に落下しにくく、燃料の無駄等を抑制できる。
【0070】
また、缶前側および缶後側に各３段の固体燃料バーナを備えた既設の燃焼装置１において、最上段の固体燃料バーナ７のみでバイオマス燃料を使用するように変更することも可能である。したがって、既設の石炭のみを使用する燃焼装置１を、バイオマス燃料を使用する燃焼装置１に容易に転換することができる。
さらに、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）に示すように、固体燃料バーナ７，７′の段数が缶前後で異なる構成（あるいは、同数段備えているが、１つ休止させている構成）においても、缶前側または缶後側の最上段の１つの固体燃料バーナ７のみでバイオマス燃料を使用するように変更することも可能である。
さらに、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）に示すように、固体燃料バーナ７，７′の段数が缶前後で異なる構成（あるいは、同数段備えているが、１つ休止させている構成）においても、缶前側または缶後側の最上段の１つの固体燃料バーナ７のみでバイオマス燃料を使用するように変更することも可能である。
【0071】
なお、図１、図７において、固体燃料バーナ７，７′を上下方向に３段備えた構成を例示したが、これに限定されない。２段または４段以上の構成とすることも可能である。
このとき、バイオマス燃料を使用する固体燃料バーナ７は、最上段とすることが望ましいが、これに限定されない。最上段と中段の２段以上とすることも可能である。
また、例えば、図７（Ｄ）、図７（Ｅ）のように最上段において、一方の固体燃料バーナ７ではバイオマス燃料を使用し、他方の固体燃料バーナ７′では微粉炭を使用する構成とすることも可能である。すなわち、バイオマス燃料を使用する固体燃料バーナ７と、微粉炭を使用する固体燃料バーナ７′とを対向させる構成とすることも可能である。
このとき、バイオマス燃料を使用する固体燃料バーナ７は、最上段とすることが望ましいが、これに限定されない。最上段と中段の２段以上とすることも可能である。
また、例えば、図７（Ｄ）、図７（Ｅ）のように最上段において、一方の固体燃料バーナ７ではバイオマス燃料を使用し、他方の固体燃料バーナ７′では微粉炭を使用する構成とすることも可能である。すなわち、バイオマス燃料を使用する固体燃料バーナ７と、微粉炭を使用する固体燃料バーナ７′とを対向させる構成とすることも可能である。
【0072】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲で、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、支持部材３７の形状は、板状に限定されず、楔状やひし形状、台形状等任意の形状に変更可能である。
また、２次燃焼用ガスノズル２６と３次燃焼用ガスノズル２７を有する２段の燃焼用ガスノズル２６，２７の構成を例示したが、これに限定されず、燃焼用ガスノズルは１段または３段以上とすることも可能である。
例えば、支持部材３７の形状は、板状に限定されず、楔状やひし形状、台形状等任意の形状に変更可能である。
また、２次燃焼用ガスノズル２６と３次燃焼用ガスノズル２７を有する２段の燃焼用ガスノズル２６，２７の構成を例示したが、これに限定されず、燃焼用ガスノズルは１段または３段以上とすることも可能である。
【0073】
さらに、燃料濃縮器３４として、第１の旋回器３４ａと第２の旋回器３４ｂを２つ有する構成を例示したがこれに限定されない。３つ以上設けることも可能であるし、１つとすることも可能である。なお、旋回器を１つとした場合でも、流路区画部材３６において、旋回が弱まるため、流路区画部材３６を通過後の混合流体は旋回が弱まった状態で噴出される。また、流路区画部材３６での旋回の弱まりを考慮して、第２の旋回器３４ｂの逆旋回を付与する性能を第１の旋回器３４ａの旋回を付与する性能よりも低くすることも可能である。すなわち、第２の旋回羽根３４ｄの外径を短くしたり傾斜角を小さくしたり軸方向の長さを短くしたり等の変更が可能である。
【0074】
また、燃料ノズル２１として、下流部２１ｃを有する構成とすることが望ましいが、これに限定されない。下流部２１ｃを有さず、拡大部２１ｂの下流端が燃料ノズル２１の下流端となる構成とすることも可能である。この時は、Ｌ２＝０となるため、Ｌ２≠Ｌ４となる。
【符号の説明】
【0075】
７…固体燃料バーナ、
２１…燃料ノズル、
２２…火炉、
２４…混合流体の流路、
２４ａ…外側流路、
２６，２７…燃焼用ガスノズル、
３４…燃料濃縮器、
３４ｃ，３４ｄ…羽根
３６…流路区画部材。
２１…燃料ノズル、
２２…火炉、
２４…混合流体の流路、
２４ａ…外側流路、
２６，２７…燃焼用ガスノズル、
３４…燃料濃縮器、
３４ｃ，３４ｄ…羽根
３６…流路区画部材。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】