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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】2024-06-04
(45)【発行日】2024-06-12
(54)【発明の名称】バーナ及びその制御方法、並びに、燃焼炉
(51)【国際特許分類】
F23D 17/00 20060101AFI20240605BHJP
F23D 1/00 20060101ALI20240605BHJP
【ＦＩ】
F23D17/00 103
F23D1/00 B
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2020204513
(22)【出願日】2020-12-09
(65)【公開番号】P2022091595
(43)【公開日】2022-06-21
【審査請求日】2023-10-04
(73)【特許権者】
【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】武藤 貞行
(72)【発明者】
【氏名】矢原 俊
【審査官】柳本 幸雄
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－２００１４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－２０３６３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２０／０５４７４８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１１０８７３３２６（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２００６－１６２２０８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２３Ｄ １７／００
Ｆ２３Ｄ １／００
Ｆ２３Ｃ １／００－ １／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
バーナ軸線方向に延びる円筒状を呈し、下流端に設けられた保炎板により形成された燃料噴出口を有し、固体燃料及び搬送空気が導入される燃料供給ノズルと、前記燃料供給ノズルの外周側に配置され、燃焼用空気を前記燃料供給ノズルから噴出する混合気から分離して供給する少なくとも１つの流路と、
前記燃料供給ノズル内に挿入され、前記燃料噴出口より上流側に位置するガス燃料供給口を有し、前記燃料供給ノズル内に窒素分を含むガス燃料を供給するガス燃料供給管と、を備える、
バーナ。
【請求項2】
前記ガス燃料がアンモニアガスである、請求項１に記載のバーナ。
【請求項3】
バーナ軸線方向に延びる円筒状を呈し、下流端に設けられた保炎板により形成された燃料噴出口を有し、固体燃料及び搬送空気が導入される燃料供給ノズルと、前記燃料供給ノズルの外周側に配置され、燃焼用空気を前記燃料供給ノズルから噴出する混合気から分離して供給する少なくとも１つの流路と、
前記燃料供給ノズル内に挿入され、下流端に設けられたガス燃料供給口を有し、当該ガス燃料供給口から前記固体燃料及び前記搬送空気からなる混合気体へ窒素分を含むガス燃料を供給するガス燃料供給管と、
前記燃料噴出口に対し前記ガス燃料供給口が前記バーナ軸線方向に変位可能となるように、前記ガス燃料供給管を前記バーナ軸線方向に変位可能に支持するノズル支持装置と、を備える、
バーナ。
【請求項4】
前記ガス燃料供給管を前記バーナ軸線方向に変位させるアクチュエータを備える、請求項３に記載のバーナ。
【請求項5】
前記バーナ軸線方向に沿った前記燃料噴出口に対する前記ガス燃料供給口の位置を検出する位置検出器と、前記ガス燃料供給口から供給される前記ガス燃料の流量であるガス燃料供給量を検出する流量検出器と、
前記ガス燃料供給量が所定の範囲にあるときに、前記ガス燃料供給量の増加に従って前記ガス燃料供給口の位置が前記燃料噴出口から上流側へ離れるように、前記アクチュエータを動作させる制御装置と、を備える、
請求項４に記載のバーナ。
【請求項6】
前記制御装置は、前記燃料噴出口の下流側に形成される再循環領域の前記バーナ軸線方向の中心における前記ガス燃料の流速が一定となるように前記ガス燃料供給口の目標位置を求め、前記ガス燃料供給口の位置が前記目標位置となるように前記アクチュエータを動作させる、
請求項５に記載のバーナ。
【請求項7】
前記燃料噴出口の下流側に形成される再循環領域の火炎強度を検出する火炎強度検出装置と、前記バーナ軸線方向に沿った前記燃料噴出口に対する前記ガス燃料供給口の位置を検出する位置検出器と、
検出された前記火炎強度に基づいて前記アクチュエータを動作させて前記ガス燃料供給口の位置を調整することにより、前記再循環領域の前記火炎強度が所定の値となるように制御する制御装置と、を備える、
請求項４に記載のバーナ。
【請求項8】
燃焼排ガスのＮＯｘ値を検出するＮＯｘセンサと、前記バーナ軸線方向に沿った前記燃料噴出口に対する前記ガス燃料供給口の位置を検出する位置検出器と、
前記ＮＯｘ値に基づいて前記アクチュエータを動作させて前記ガス燃料供給口の位置を調整することにより、前記ＮＯｘ値を所定の基準ＮＯｘ値の範囲となるように制御する制御装置と、を備える、
請求項４に記載のバーナ。
【請求項9】
前記ガス燃料がアンモニアガスである、請求項３～８のいずれか一項に記載のバーナ。
【請求項10】
請求項１～９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。
【請求項11】
バーナ軸線方向に延びる円筒状を呈し、下流端に設けられた保炎板により形成された燃料噴出口を有し、固体燃料及び搬送空気が導入される燃料供給ノズルと、前記燃料供給ノズルの外周側に配置され、燃焼用空気を前記燃料供給ノズルから噴出する混合気から分離して供給する少なくとも１つの流路と、
前記燃料供給ノズル内に挿入され、下流端に設けられたガス燃料供給口を有し、当該ガス燃料供給口から前記固体燃料及び前記搬送空気からなる混合気体へ窒素分を含むガス燃料を供給するガス燃料供給管と、
前記ガス燃料供給管を前記バーナ軸線方向に変位させるアクチュエータとを備えるバーナの制御方法であって、
前記バーナ軸線方向に沿った前記燃料噴出口に対する前記ガス燃料供給口の位置を検出し、
前記ガス燃料供給口から供給される前記ガス燃料の流量であるガス燃料供給量を検出し、
前記ガス燃料供給量が所定の範囲にあるときに、前記ガス燃料供給量の増加に従って前記ガス燃料供給口の位置が前記燃料噴出口から上流側へ離れるように、前記アクチュエータを動作させる、
バーナの制御方法。
【請求項12】
前記燃料噴出口の下流側に形成される再循環領域の前記バーナ軸線方向の中心における前記ガス燃料の流速が一定となるように前記ガス燃料供給口の目標位置を求め、前記ガス燃料供給口の位置が前記目標位置となるように前記アクチュエータを動作させる、請求項１１に記載のバーナの制御方法。
【請求項13】
前記燃料噴出口の下流側に形成される再循環領域の火炎強度を検出し、前記再循環領域の火炎強度が所定の基準温度となるように、検出された前記火炎強度に基づいて前記ガス燃料供給口の位置を調整するように前記アクチュエータを動作させる、
請求項１１に記載のバーナの制御方法。
【請求項14】
燃焼排ガスのＮＯｘ値を検出し、前記ＮＯｘ値が所定の基準ＮＯｘ値の範囲となるように、前記ＮＯｘ値に基づいて前記ガス燃料供給口の位置を調整するように前記アクチュエータを動作させる、
請求項１１に記載のバーナの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体燃料と窒素分を含むガス燃料とを混焼す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、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。このような燃料の一つとして、アンモニア（ＮＨ３）が挙げられる。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、加圧すると常温でも液化することから比較的扱い易く、ＣＯ2フリー燃料として注目されている。一方で、アンモニアは多くの窒素分を含むことから、ＮＯｘを生成しやすい。そこで、特許文献１では、ＮＯｘの上昇を抑えた固体燃料とアンモニアガスとの混焼が可能なバーナが提案されている。
【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】
【文献】特開２０１９－１７４０５１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のように、空気と予混合されていないアンモニアガスが酸素リーンな再循環領域（還元領域）に供給されることによって、優先的に窒素（Ｎ２）への還元反応が進行して炉内脱硝反応が促進される。この結果、燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物の濃度が抑制され得る。
【0006】
しかし、アンモニアガスは比較的に燃焼速度の遅いガスであることから、再循環領域へ直接的に供給されるアンモニアガスの量が過剰となると、再循環領域で燃え切らずに循環するガス燃料の量が増えて、再循環領域のガス温度が局所的に低下するおそれがある。
【0007】
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、固体燃料とガス燃料とを混焼するバーナ及びそれを備える燃焼炉であって、バーナの出口近傍に形成される再循環領域の局所温度低下を回避することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様に係るバーナは、
バーナ軸線方向に延びる円筒状を呈し、下流端に設けられた保炎板により形成された燃料噴出口を有し、固体燃料及び搬送空気が導入される燃料供給ノズルと、
前記燃料供給ノズルの外周側に配置され、燃焼用空気を前記燃料供給ノズルから噴出する混合気から分離して供給する少なくとも１つの流路と、
前記燃料供給ノズル内に挿入され、前記燃料噴出口より上流側に位置するガス燃料供給口を有し、前記燃料供給ノズル内に窒素分を含むガス燃料を供給するガス燃料供給管と、を備えることを特徴としている。
バーナ軸線方向に延びる円筒状を呈し、下流端に設けられた保炎板により形成された燃料噴出口を有し、固体燃料及び搬送空気が導入される燃料供給ノズルと、
前記燃料供給ノズルの外周側に配置され、燃焼用空気を前記燃料供給ノズルから噴出する混合気から分離して供給する少なくとも１つの流路と、
前記燃料供給ノズル内に挿入され、前記燃料噴出口より上流側に位置するガス燃料供給口を有し、前記燃料供給ノズル内に窒素分を含むガス燃料を供給するガス燃料供給管と、を備えることを特徴としている。
【0009】
上記構成のバーナによれば、ガス燃料は燃料供給ノズル内で搬送空気と予混合されたうえで燃料噴出口から噴出する。よって、燃料噴出口の下流側に形成される再循環領域において、ガス燃料の燃焼速度の上昇に起因して燃え切れないガス燃料の増加を抑制することができる。その結果、再循環領域の局所温度低下を回避することができる。
【0010】
また、本発明の別の一態様に係るバーナは、
バーナ軸線方向に延びる円筒状を呈し、下流端に設けられた保炎板により形成された燃料噴出口を有し、固体燃料及び搬送空気が導入される燃料供給ノズルと、
前記燃料供給ノズルの外周側に配置され、燃焼用空気を前記燃料供給ノズルから噴出する混合気から分離して供給する少なくとも１つの流路と、
前記燃料供給ノズル内に挿入され、下流端に設けられたガス燃料供給口を有し、当該ガス燃料供給口から前記固体燃料及び前記搬送空気からなる混合気体へ窒素分を含むガス燃料を供給するガス燃料供給管と、
前記燃料噴出口に対し前記ガス燃料供給口が前記バーナ軸線方向に変位可能となるように、前記ガス燃料供給管を前記バーナ軸線方向に変位可能に支持するノズル支持装置と、を備えることを特徴している。
バーナ軸線方向に延びる円筒状を呈し、下流端に設けられた保炎板により形成された燃料噴出口を有し、固体燃料及び搬送空気が導入される燃料供給ノズルと、
前記燃料供給ノズルの外周側に配置され、燃焼用空気を前記燃料供給ノズルから噴出する混合気から分離して供給する少なくとも１つの流路と、
前記燃料供給ノズル内に挿入され、下流端に設けられたガス燃料供給口を有し、当該ガス燃料供給口から前記固体燃料及び前記搬送空気からなる混合気体へ窒素分を含むガス燃料を供給するガス燃料供給管と、
前記燃料噴出口に対し前記ガス燃料供給口が前記バーナ軸線方向に変位可能となるように、前記ガス燃料供給管を前記バーナ軸線方向に変位可能に支持するノズル支持装置と、を備えることを特徴している。
【0011】
上記構成のバーナによれば、ガス燃料供給口の燃料噴出口からの燃料供給ノズル内への後退量を調節することが可能である。よって、ガス燃料供給量が増加した場合に、ガス燃料供給口の後退量を増加させることにより、燃料噴出口の直ぐ下流側に形成される再循環領域の燃料ガスの流れの流速の増加が抑制され、再循環領域を保持することができる。これにより、再循環領域の局所温度低下を回避することができる。
【0012】
また、本発明の一態様に係るバーナの制御方法は、
バーナ軸線方向に延びる円筒状を呈し、下流端に設けられた保炎板により形成された燃料噴出口を有し、固体燃料及び搬送空気が導入される燃料供給ノズルと、
前記燃料供給ノズルの外周側に配置され、燃焼用空気を前記燃料供給ノズルから噴出する混合気から分離して供給する少なくとも１つの流路と、
前記燃料供給ノズル内に挿入され、下流端に設けられたガス燃料供給口を有し、当該ガス燃料供給口から前記固体燃料及び前記搬送空気からなる混合気体へ窒素分を含むガス燃料を供給するガス燃料供給管と、
前記ガス燃料供給管を前記バーナ軸線方向に変位させるアクチュエータとを備えるバーナの制御方法であって、
前記バーナ軸線方向に沿った前記燃料噴出口に対する前記ガス燃料供給口の位置を検出し、
前記ガス燃料供給管からのガス燃料供給量を検出し、
前記ガス燃料供給量が所定の範囲にあるときに、前記ガス燃料供給量の増加に従って前記ガス燃料供給口の位置が前記燃料噴出口から上流側へ離れるように、前記アクチュエータを動作させることを特徴としている。
バーナ軸線方向に延びる円筒状を呈し、下流端に設けられた保炎板により形成された燃料噴出口を有し、固体燃料及び搬送空気が導入される燃料供給ノズルと、
前記燃料供給ノズルの外周側に配置され、燃焼用空気を前記燃料供給ノズルから噴出する混合気から分離して供給する少なくとも１つの流路と、
前記燃料供給ノズル内に挿入され、下流端に設けられたガス燃料供給口を有し、当該ガス燃料供給口から前記固体燃料及び前記搬送空気からなる混合気体へ窒素分を含むガス燃料を供給するガス燃料供給管と、
前記ガス燃料供給管を前記バーナ軸線方向に変位させるアクチュエータとを備えるバーナの制御方法であって、
前記バーナ軸線方向に沿った前記燃料噴出口に対する前記ガス燃料供給口の位置を検出し、
前記ガス燃料供給管からのガス燃料供給量を検出し、
前記ガス燃料供給量が所定の範囲にあるときに、前記ガス燃料供給量の増加に従って前記ガス燃料供給口の位置が前記燃料噴出口から上流側へ離れるように、前記アクチュエータを動作させることを特徴としている。
【0013】
上記構成のバーナの制御方法によれば、ガス燃料供給量が増加した場合に、ガス燃料供給口の後退量が増加することにより、燃料噴出口の直ぐ下流側に形成される再循環領域の燃料ガスの流れの流速の増加が抑制され、再循環領域を保持することができる。これにより、再循環領域の局所温度低下を回避することができる。よって、再循環領域において、燃え切れないガス燃料の増加を抑制することができる。
【0014】
また、本発明の別の一態様に係る燃焼炉は、少なくとも１つの前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。
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。
【0015】
上記構成のバーナ及び燃焼炉によれば、高温還元ゾーン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に対して炉内脱硝が行われ、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。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、固体燃料とガス燃料とを混焼するバーナ及びそれを備える燃焼炉において、バーナの出口近傍に形成される再循環領域の局所温度低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。まず、本発明の一実施形態に係るバーナを備えるボイラ１０の概略構成から説明する。
【0019】
〔ボイラ１０の概略構成〕
図１は、本発明の一実施形態に係るバーナ５（５Ａ～５Ｄ）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及び過熱器４２とを備える。ボイラ１０は、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。
図１は、本発明の一実施形態に係るバーナ５（５Ａ～５Ｄ）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及び過熱器４２とを備える。ボイラ１０は、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。
【0020】
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では、燃焼室２０の下部には高温還元ゾーン２１が形成され、燃焼室２０の上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が形成されている。但し、燃焼炉２は、燃焼室２０の上部に高温還元ゾーン２１が形成され、燃焼室２０の下部に低温酸化ゾーン２２が形成された態様であってもよい。
【0021】
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。耐火材２５は、約２０００℃の高温に耐え得る。燃焼炉２の下部の炉壁には、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。
【0022】
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。
【0023】
高温還元ゾーン２１の出口（即ち、高温還元ゾーン２１の上部）は、絞り部２３を介して低温酸化ゾーン２２の入口（即ち、低温酸化ゾーン２２の下部）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。
【0024】
燃焼炉２の上部の炉壁には、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。
【0025】
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。
【0026】
低温酸化ゾーン２２の出口（即ち、低温酸化ゾーン２２の上部）は煙道２８の入口と接続されている。煙道２８の上流部分には、過熱器４２の過熱器管４３が設けられている。また、煙道２８の過熱器管４３より下流部分の壁に、ボイラ本体４０の水管（図示略）が張り巡らされていてもよい。煙道２８の過熱器管４３より下流側には、排煙脱硝装置４１が設けられている。排煙脱硝装置４１は、例えば、排ガスと接触する固体触媒を収納した容器と、触媒の上流側に薬剤を適量注入する装置とで構成される。煙道２８において排煙脱硝装置４１の上流側には第１ＮＯｘセンサ３２が設けられており、排煙脱硝装置４１の下流側には第２ＮＯｘセンサ３３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。排ガス処理系統３０は、燃焼排ガスの余熱を利用してバーナ５へ送る空気を予熱する節炭器３１が設けられている。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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（即ち、完全燃焼する）。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水管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。また、煙道２８に設けられた過熱器管４３で燃焼排ガスの熱が回収され、過熱器４２で過熱蒸気が生成される。生成された過熱蒸気は、例えば、発電設備の蒸気タービン（図示略）で利用される。
【0030】
燃料が燃焼すると、燃料中に含まれる窒素分が酸化されてフューエルＮＯｘが生成し、空気中の窒素が高温酸化されてサーマルＮＯｘが生成する。還元雰囲気下では高温燃焼になるほどＮＯｘ発生量が少なく、酸化雰囲気下では低温燃焼になるほどＮＯｘ発生量が少ない。本実施の形態に係るボイラ１０では、高温還元ゾーン２１の高温還元雰囲気下で燃料を燃焼させることによりフューエルＮＯｘの発生が抑制され、低温酸化ゾーン２２の低温酸化雰囲気下で燃焼ガス中の未燃分を完全に燃焼させることによりサーマルＮＯｘの発生が抑制される。本実施の形態に係るボイラ１０では、上記のような二段燃焼方式を採用することにより、効果的にＮＯｘ発生量が低減されている。更に、高温還元ゾーン２１では燃料の燃焼により水（Ｈ２Ｏ）が生成され、この水が水素（Ｈ２）や一酸化炭素（ＣＯ）といった活性ガスに変換される水性ガス化反応が生じ、燃焼効率が高められる。
【0031】
〔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、窒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。上記構成のボイラ１０においては、水性ガス化反応の作用により燃焼効率を向上させる観点から、ガス燃料は、水素分を多く含むことが望ましい。このようなガス燃料として、アンモニアガスが挙げられる。
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、窒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。上記構成のボイラ１０においては、水性ガス化反応の作用により燃焼効率を向上させる観点から、ガス燃料は、水素分を多く含むことが望ましい。このようなガス燃料として、アンモニアガスが挙げられる。
【0032】
バーナ５によって生じる火炎は、還元条件の再循環領域を有する。この再循環領域の還元条件下で燃焼が行われることにより、ＮＯｘの発生が抑制される。バーナ５の定常火炎は、燃焼速度と混合気の流速の釣り合いのうえに形成されている。しかし、再循環領域に流れ込むガス燃料が過剰であったり、燃焼速度の遅いガス燃料であったりする場合には、再循環領域で燃え切れないガス燃料が増加して、再循環領域の温度が局所的に低下する。これは、水性ガス化反応が弱まることにもつながる。この事象は、再循環領域に流れ込むガス燃料の過剰分が多いほど、ガス燃料の燃焼速度が遅いほど、顕著に表れる。そこで、本実施形態に係るバーナ５では、ガス燃料の供給量やガス燃料の種類に応じて、ガス燃料の供給方法を最適化できる構造を有する。以下では、バーナ５の第１～４実施形態について説明する。
【0033】
〔第１実施形態〕
図２は、本発明の第１実施形態に係るバーナ５Ａの概略断面図である。図２に示すバーナ５Ａは、燃料供給ノズル７１を備える。燃料供給ノズル７１は、所定のバーナ軸線７０を軸心とする円筒状を呈する。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。燃料供給ノズル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導入される。搬送空気は、一次空気(一次燃焼用空気)となる。
図２は、本発明の第１実施形態に係るバーナ５Ａの概略断面図である。図２に示すバーナ５Ａは、燃料供給ノズル７１を備える。燃料供給ノズル７１は、所定のバーナ軸線７０を軸心とする円筒状を呈する。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。燃料供給ノズル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導入される。搬送空気は、一次空気(一次燃焼用空気)となる。
【0034】
燃料供給ノズル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、燃料供給ノズル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によって燃料噴出口７１ａが形成されている。燃料供給ノズル７１の下流端内部であって、第１保炎板７７の上流側には、旋回度調整羽根７１１が設けられている。燃料供給ノズル７１内であって、旋回度調整羽根７１１よりも上流側には分散羽根７１３が設けられている。
【0035】
燃料供給ノズル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の下流側端部は燃料供給ノズル７１の下流側端部の近傍に位置する。そのため、燃料供給ノズル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（ドーナツ状）となっている。
【0036】
燃料供給ノズル７１内には、少なくとも１本のガス燃料供給管９１が挿入されている。ガス燃料供給管９１の下流端は、バーナ軸線方向Ｘを向いたガス燃料供給口９１ａとなっている。ガス燃料供給管９１には、高圧のガス燃料が導入され、ガス燃料供給口９１ａから燃料供給ノズル７１内へ高圧のガス燃料が供給される。
【0037】
ガス燃料供給口９１ａは、燃料噴出口７１ａよりも気体の流れの上流側に位置する。つまり、ガス燃料供給口９１ａは、燃料噴出口７１ａからバーナ軸線方向Ｘに沿って燃料供給ノズル７１内へ後退した位置にある。燃料噴出口７１ａに対するガス燃料供給口９１ａのバーナ軸線方向Ｘの位置を「ガス燃料供給位置ｘg」と称する。バーナ５Ａは、ガス燃料供給管９１をバーナ軸線方向Ｘに変位可能に支持する支持装置８１を有する。或る例では、支持装置８１は、ガス燃料供給管９１を保持する治具と、当該治具に取り付けられたスライダと、スライダが走行するレールとから構成される。また別の例では、支持装置８１は、ガス燃料供給管９１を保持する治具と、当該治具に取り付けられたピニオンと、ピニオンが噛合するラックとから構成される。但し、支持装置８１の態様は上記に限定されない。
【0038】
上記のようにガス燃料供給位置ｘgが燃料噴出口７１ａから後退しているため、ガス燃料供給口９１ａから供給されたガス燃料は、燃料供給ノズル７１内で固体燃料及び搬送空気と混合する。燃料噴出口７１ａからは、固体燃料、ガス燃料、及び搬送気体から成る混合気５１が噴出する。
【0039】
燃料供給ノズル７１の外周には、内側スロート７２が設けられている。内側スロート７２と燃料供給ノズル７１との間に形成された流路７２ｆには、図示されない風箱から二次空気（二次燃焼用空気）が供給される。内側スロート７２の下流端である二次空気出口７２ａは、燃料供給ノズル７１の燃料噴出口７１ａの外周側に位置し、燃料供給ノズル７１から噴出する混合気５１の外周側において二次空気出口７２ａから二次空気５２が噴き出す。
【0040】
内側スロート７２の外周には外側スロート７３が設けられている。外側スロート７３と内側スロート７２との間に形成された流路７３ｆには、図示されない風箱から三次空気（三次燃焼用空気）が供給される。外側スロート７３の出口７３ａは燃料供給ノズル７１の燃料噴出口７１ａの外周側に位置し、内側スロート７２から噴出する二次空気５２の外周側において外側スロート７３の出口７３ａから三次空気５３が噴き出す。
【0041】
内側スロート７２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第２保炎板７２ｂが設けられている。更に、外側スロート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、燃料供給ノズル７１から噴き出す混合気５１から径方向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、外側スロート７３から噴出する三次空気５３は、内側スロート７２から噴き出す二次空気５２から径方向外側へ離れるように誘導される。このように、二次空気５２と三次空気５３とは、バーナ軸線７０から径方向へ広がるように噴出する。
【0042】
上記構成のバーナ５Ａでは、分散羽根７１３及び旋回度調整羽根７１１の作用によって、混合気５１は燃料供給ノズル７１の燃料噴出口７１ａから旋回流れとして噴出する。この混合気５１の旋回流れ及び第１保炎板７７の作用によって、燃料噴出口７１ａの直ぐ下流に再循環領域５０が形成される。この再循環領域５０では、燃料噴出口７１ａからの混合気５１の噴出流を燃料噴出口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、燃料供給ノズル７１の燃料噴出口７１ａの直ぐ下流側且つ再循環領域５０の径方向外側で外周着火炎５５が生じる。このように、酸素との混合が比較的少ない早期の着火によって初期発生ＮＯｘが抑制される。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脱硝燃焼が生じ、ＮＯｘの発生が抑制される。
【0043】
再循環領域５０は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高温の還元条件となっている。そのため、再循環領域５０では、固体燃料中の窒素分から生成された窒素酸化物（ＮＯ）が窒素（Ｎ２）へと還元される。アンモニアは窒素酸化物に含まれる酸素と結合する性質がある。そのため、ガス燃料がアンモニアガス（ＮＨ３）である場合に、還元条件の再循環領域５０へアンモニアガスが供給されると、優先的に窒素と水（Ｈ２Ｏ）への還元反応が進行する。このようにして、固体燃料とアンモニアガスとの混焼において、窒素酸化物の生成が抑制され、水素ガスシフト反応する水が生成される。
【0044】
〔ガス燃料供給位置ｘgの演算方法〕
図３は、燃料噴出口７１ａを基準とするガス燃料供給位置ｘgの演算方法を説明する図である。図３に示すように、燃料噴出口７１ａのバーナ軸線方向Ｘの位置をｘ＝０とする。燃料噴出口７１ａのバーナ軸線方向Ｘの位置は、保炎板７７の下流端のバーナ軸線方向Ｘの位置である。燃料供給ノズル７１内へ後退するに従ってｘの数値は大きくなる。つまり、燃料供給ノズル７１内へ後退した位置は正の値であり、燃料供給ノズル７１外へ進出した位置は負の値である。ガス燃料供給口９１ａのバーナ軸線方向Ｘの位置（即ち、ガス燃料供給位置ｘg）をｘ＝ｘgとする。燃料噴出口７１ａに対する再循環領域５０の中心５０ｃの位置は一定であると仮定し、ガス燃料供給口９１ａと再循環領域５０の中心５０ｃとのバーナ軸線方向Ｘの距離をＬとする。ガス燃料供給口９１ａからのガス燃料供給量をＱ、ガス燃料供給管９１の管半径をｒ0、ガス燃料供給管９１の管断面積をＡとする。
図３は、燃料噴出口７１ａを基準とするガス燃料供給位置ｘgの演算方法を説明する図である。図３に示すように、燃料噴出口７１ａのバーナ軸線方向Ｘの位置をｘ＝０とする。燃料噴出口７１ａのバーナ軸線方向Ｘの位置は、保炎板７７の下流端のバーナ軸線方向Ｘの位置である。燃料供給ノズル７１内へ後退するに従ってｘの数値は大きくなる。つまり、燃料供給ノズル７１内へ後退した位置は正の値であり、燃料供給ノズル７１外へ進出した位置は負の値である。ガス燃料供給口９１ａのバーナ軸線方向Ｘの位置（即ち、ガス燃料供給位置ｘg）をｘ＝ｘgとする。燃料噴出口７１ａに対する再循環領域５０の中心５０ｃの位置は一定であると仮定し、ガス燃料供給口９１ａと再循環領域５０の中心５０ｃとのバーナ軸線方向Ｘの距離をＬとする。ガス燃料供給口９１ａからのガス燃料供給量をＱ、ガス燃料供給管９１の管半径をｒ0、ガス燃料供給管９１の管断面積をＡとする。
【0045】
ガス燃料の噴流は再循環領域５０の逆流領域に逆らって流れるので、ガス燃料の噴流速度が大きすぎると再循環領域５０が損なわれるおそれがある。再循環領域５０のはたらきは燃焼状態に直結することから、再循環領域５０の中心５０ｃにおけるガス燃料の流速Ｖには最適値が存在すると考えることができる。再循環領域５０の中心５０ｃにおけるガス燃料の流速Ｖを最適値に保持することにより、安定した再循環領域５０が維持される。再循環領域５０の中心５０ｃにおけるガス燃料の流速Ｖは、次式（１）で表すことができる。
【0046】
【数1】
【0047】
式（１）において変数は、ガス燃料供給量Ｑ、及び、ガス燃料供給口９１ａと再循環領域５０の中心５０ｃとのバーナ軸線方向Ｘの距離Ｌである。再循環領域５０の中心５０ｃにおけるガス燃料の流速Ｖを所定の値に維持するために、例えば、ガス燃料供給量Ｑが２倍となれば、距離Ｌも２倍となる。つまり、ガス燃料供給量Ｑの変化に応じて距離Ｌを調整することにより、再循環領域５０の中心５０ｃにおけるガス燃料の流速Ｖを一定に保持することができる。
【0048】
再循環領域５０の中心５０ｃにおける最適なガス燃料の流速Ｖは、ガス燃料及び固体燃料の種類などに応じたバーナ５Ａに固有の値であって、シミュレーションや実験等の結果に基づいて設定されてよい。ガス燃料供給量Ｑに基づいて再循環領域５０の中心５０ｃにおけるガス燃料の流速Ｖが一定となるような距離Ｌが求められ、この距離Ｌに基づいてガス燃料供給口９１ａのバーナ軸線方向Ｘの位置ｘgが求められる。
【0049】
なお、ガス燃料供給位置ｘgの調整は、ガス燃料供給量Ｑが所定の範囲にある場合にのみ行われてもよい。つまり、図４に示すように、ガス燃料供給量Ｑが所定の閾値ＱAを超えるまでは、ガス燃料供給位置ｘgを所定の基準位置ｘ0とし、ガス燃料供給量Ｑが所定の閾値ＱAを超えてから、ガス燃料供給量Ｑの増加に伴って燃料噴出口７１ａからの距離が大きくなるようにガス燃料供給位置ｘgが変化してよい。
【0050】
また、ガス燃料供給位置ｘgの調整において、検出されたガス燃料供給量に基づくガス燃料供給量Ｑが所定の最小供給量Ｑ0を大幅に下回る場合に、図５に示すように、ガス燃料供給位置ｘgはマイナスの値をとってもよい。この場合、ガス燃料供給口９１ａが燃料噴出口７１ａより進出した状態となる。但し、ガス燃料供給管９１の溶損が想定されることから、ガス燃料供給位置ｘgに下限値が設けられる。なお、最小供給量Ｑ0は、燃焼を維持するために必要なガス燃料の最小の供給量であって、予め設定されている。
【0051】
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態を説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係るバーナ５Ｂの概略断面図である。なお、本実施形態の説明においては、前述の第１実施形態に係るバーナ５Ａと同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。
次に、第２実施形態を説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係るバーナ５Ｂの概略断面図である。なお、本実施形態の説明においては、前述の第１実施形態に係るバーナ５Ａと同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。
【0052】
図６に示すように、第２実施形態に係るバーナ５Ｂは、前述の第１実施形態に係るバーナ５Ａにおいて支持装置８１に加えて、ガス燃料供給位置ｘgをガス燃料供給量Ｑの検出値に応じて自動的に調整する位置調整装置８Ｂを備えたものである。よって、以下では位置調整装置８Ｂについて詳細に説明し余の説明を省略する。
【0053】
位置調整装置８Ｂは、アクチュエータ８５と、位置検出器８６と、流量検出器８７と、制御装置８８とからなる。
【0054】
アクチュエータ８５は、ガス燃料供給管９１をバーナ軸線方向Ｘに変位させる。アクチュエータ８５は、例えば、空気圧シリンダ、電動シリンダ、電動モータとラックアンドピニオン、などのうち少なくとも１つが用いられてよい。なお、アクチュエータ８５は、ガス燃料供給管９１の全体を変位させるものに限らず、ガス燃料供給管９１の下流側部分のみを変位させるものであってよい。アクチュエータ８５の動作により、ガス燃料供給口９１ａのバーナ軸線方向Ｘの位置、即ち、ガス燃料供給位置ｘgが変位する。
【0055】
位置検出器８６は、燃料噴出口７１ａを基準とするガス燃料供給位置ｘgを直接的又は間接的に検出する。位置検出器８６は、アクチュエータ８５のピストンのストロークやモータの回転位置などの動作量を検出するセンサであって、その検出値に基づいてガス燃料供給位置ｘgが間接的に検出されてよい。また、位置検出器８６は、ガス燃料供給管９１の変位量を直接的に検出する接触式又は非接触式の変位センサであってよい。
【0056】
流量検出器８７は、ガス燃料供給管９１から固体燃料と搬送空気の混合気へのガス燃料供給量Ｑを直接的又は間接的に検出する。流量検出器８７は、ガス燃料供給管９１又はガス燃料供給管９１へのガス燃料供給系統に設けられて、ガス燃料供給管９１へ導入されるガス燃料の流量を検出する流量センサであってよい。或いは、流量検出器８７は、ガス燃料供給系統に設けられたバルブの開度や、圧縮ポンプの送出量を検出するセンサであって、その検出値に基づいてガス燃料供給量Ｑが間接的に検出されてよい。
【0057】
制御装置８８は、流量検出器８７で検出されたガス燃料供給量Ｑに基づいて、位置検出器８６で検出されるガス燃料供給位置ｘgを調整するようにアクチュエータ８５を動作させることにより、再循環領域５０の中心５０ｃにおける流速を一定に制御する。
【0058】
図７は、制御装置８８による制御の流れを示すブロック図である。制御装置８８は、流量検出器８７で検出されたガス燃料供給量Ｑを取得する。続いて、制御装置８８の目標位置演算器は、取得したガス燃料供給量Ｑに基づいて、ガス燃料供給口９１ａと再循環領域５０の中心５０ｃとの距離Ｌを求め、距離Ｌに基づいてガス燃料供給位置ｘgの目標位置ｘpを求める。そして、制御装置８８は、位置検出器８６で検出されるガス燃料供給位置ｘgが目標位置ｘpと等しくなるようにアクチュエータ８５を動作させる。詳細には、制御装置８８は、目標位置ｘpと位置検出器８６で検出されたガス燃料供給位置ｘgとの偏差を求め、この偏差に基づいて制御量を求め、制御量に基づいてアクチュエータ８５の操作量を求め、操作量をアクチュエータ８５へ出力する。
【0059】
このように、本実施形態に係るバーナ５Ｂでは、位置調整装置８Ｂの動作により、再循環領域５０の中心５０ｃにおけるガス燃料の流速が所定の値に維持されるように、ガス燃料供給位置ｘgが自動調整される。よって、ガス燃料供給量Ｑに短期的または長期的な変動が生じた場合であっても、再循環領域５０の適切な温度が維持され、再循環領域５０の還元条件下でＮＯｘの発生を抑制した燃焼を生じさせることができる。
【0060】
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態を説明する。図８は、本発明の第３実施形態に係るバーナ５Ｃの概略断面図である。なお、本実施形態の説明においては、前述の第１実施形態及び第２実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。
次に、第３実施形態を説明する。図８は、本発明の第３実施形態に係るバーナ５Ｃの概略断面図である。なお、本実施形態の説明においては、前述の第１実施形態及び第２実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。
【0061】
ガス燃料の流量の変化によって再循環領域５０で燃え切れない燃料が増加すると、再循環領域５０において局所的な温度の低下が生じる。そこで、図８に示すように、第３実施形態に係るバーナ５Ｃは、前述の第１実施形態に係るバーナ５Ａにおいて、支持装置８１に加えて、ガス燃料供給位置ｘgを再循環領域５０の火炎強度の変化に応じて自動的に調整する位置調整装置８Ｃを備えたものである。よって、以下では位置調整装置８Ｃについて詳細に説明し余の説明を省略する。
【0062】
位置調整装置８Ｃは、アクチュエータ８５と、位置検出器８６と、火炎強度検出装置９０と、制御装置８９とを備える。アクチュエータ８５及び位置検出器８６についての詳細な説明は、前述の第２実施形態の説明を引用して省略する。
【0063】
火炎強度検出装置９０は、火炎から発せられる光（例えば、赤外線や紫外線）を検出する火炎センサと、火炎センサの検出値に基づいて火炎強度（発光強度）を計測する演算器とを有する（いずれも図示略）。例えば、火炎センサとして、火炎の色や波長などを検出する光学式火炎センサが用いられる。この場合には、火炎の色や波長などに基づいて火炎の火炎強度を演算で求めることができる。火炎強度検出装置９０は、従来のバーナに使用されている公知の構成のものを採用することができる。
【0064】
制御装置８９は、火炎強度検出装置９０で検出された火炎強度に基づいて、ガス燃料供給位置ｘgを調整するようにアクチュエータ８５を動作させることにより、再循環領域５０の火炎強度を一定に制御する。より詳細には、制御装置８９は、火炎強度検出装置９０で検出される火炎強度が所定の基準強度となるように、ガス燃料供給位置ｘgの目標位置ｘpを求める。例えば、検出された火炎強度が基準強度より低くなる場合には、現在検出されたガス燃料供給位置ｘgよりも目標位置ｘpが燃料噴出口７１ａから離れるように、目標位置ｘpの値を演算する。ここで、制御装置８９は、検出された火炎強度と目標位置ｘpとの関係を予め記憶しておき、これを利用して目標位置ｘpを求めてもよい。そして、制御装置８９は、位置検出器８６で検出されるガス燃料供給位置ｘgが目標位置ｘpと等しくなるようにアクチュエータ８５を動作させる。
【0065】
このように、本実施形態に係るバーナ５Ｃでは、位置調整装置８Ｃの動作により、再循環領域５０の適切な火炎強度が維持されるように、ガス燃料供給口９１ａの位置が自動調整される。よって、ガス燃料供給量に短期的または長期的な変動が生じた場合であっても、再循環領域５０の適切な温度が維持され、再循環領域５０の還元条件下でＮＯｘの発生を抑制した燃焼を生じさせることができる。
【0066】
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態を説明する。図９は本発明の第４実施形態に係るバーナ５Ｄの概略断面図である。なお、本実施形態の説明においては、前述の第１実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。
次に、第４実施形態を説明する。図９は本発明の第４実施形態に係るバーナ５Ｄの概略断面図である。なお、本実施形態の説明においては、前述の第１実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。
【0067】
ガス燃料の流量の変化によって再循環領域５０で燃え切れない燃料が増加すると、高温還元燃焼が弱まり、燃焼排ガスに含まれるＮＯｘが増加する。そこで、図９に示すように、第４実施形態に係るバーナ５Ｄは、前述の第１実施形態に係るバーナ５Ａにおいて支持装置８１に加えて、ガス燃料供給位置ｘgをボイラ１０からの排ガスのＮＯｘ値に応じて自動的に調整する位置調整装置８Ｄを備えたものである。よって、以下では位置調整装置８Ｄについて詳細に説明し余の説明を省略する。
【0068】
位置調整装置８Ｄは、アクチュエータ８５と、位置検出器８６と、ＮＯｘセンサ（第２ＮＯｘセンサ３３又は第１ＮＯｘセンサ３２）と、制御装置９２とを備える。アクチュエータ８５及び位置検出器８６についての詳細な説明は、前述の第２実施形態の説明を引用して省略する。
【0069】
図１に示すように、第２ＮＯｘセンサ３３は、ボイラ１０の出口に設けられて、ボイラ１０からの排気のＮＯｘ値を検出する。但し、ＮＯｘセンサは、ボイラ１０の煙道２８において排煙脱硝装置４１の上流側に設けられた第１ＮＯｘセンサ３２であってもよい。
【0070】
制御装置９２は、第２ＮＯｘセンサ３３（又は第１ＮＯｘセンサ３２）で検出されたＮＯｘ値に基づいて、位置検出器８６で検出されるガス燃料供給口９１ａの位置ｘgを調整するようにアクチュエータ８５を動作させることにより、排ガスに含まれるＮＯｘの量（ＮＯｘ値）を所定の基準ＮＯｘ値の範囲に制御する。より詳細には、制御装置８９は、第２ＮＯｘセンサ３３（又は第１ＮＯｘセンサ３２）で検出されるＮＯｘ値が所定の基準ＮＯｘ値の範囲となるように、ガス燃料供給口９１ａの目標位置ｘpを求める。例えば、検出されたＮＯｘ値が基準ＮＯｘ値より大きい場合には、検出されたガス燃料供給位置ｘgよりも目標位置ｘpの値が大きくなるように、目標位置ｘpを求める。ここで、制御装置９２は、検出されたＮＯｘ値と目標位置ｘpとの関係を予め記憶しておき、これを利用して目標位置ｘpを求めてもよい。そして、制御装置９２は、位置検出器８６で検出されるガス燃料供給位置ｘgが目標位置ｘpとなるようにアクチュエータ８５を動作させる。
【0071】
このように、本実施形態に係るバーナ５Ｄでは、位置調整装置８Ｄの動作により、ＮＯｘ値が基準ＮＯｘ値の範囲に収まるように、即ち、再循環領域５０の適切な燃焼が維持されるように、ガス燃料供給口９１ａの位置が自動調整される。よって、ガス燃料供給量に短期的または長期的な変動が生じた場合であっても、ボイラ１０の排ガスのＮＯｘ値が抑えられる。
【0072】
〔総括〕
以上に説明した通り、本実施形態に係る燃焼炉２は、少なくとも１つのバーナ５，５Ａ～５Ｄ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。
以上に説明した通り、本実施形態に係る燃焼炉２は、少なくとも１つのバーナ５，５Ａ～５Ｄ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。
【0073】
そして、上記第１実施形態に係るバーナ５Ａは、バーナ軸線方向Ｘに延びる円筒状を呈し、下流端に設けられた保炎板７７により形成された燃料噴出口７１ａを有し、固体燃料及び搬送空気が導入される燃料供給ノズル７１と、燃料供給ノズル７１の外周側に配置され、燃焼用空気５２，５３を燃料供給ノズル７１から噴出する混合気５１から分離して供給する少なくとも１つの流路７２ｆ，７３ｆと、燃料供給ノズル７１内に挿入され、燃料噴出口７１ａより上流側に位置するガス燃料供給口９１ａを有し、燃料供給ノズル７１内に窒素分を含むガス燃料を供給するガス燃料供給管９１と、を備える。
【0074】
上記構成のバーナ５Ａによれば、ガス燃料は燃料供給ノズル７１内で搬送空気と予混合されたうえで燃料噴出口７１ａから噴出する。例えば、ガス燃料がアンモニアのように燃焼速度の遅い燃料である場合や、大量のガス燃料が一度に供給される場合に、ガス燃料供給位置ｘgを燃料噴出口７１ａよりも燃料供給ノズル７１内へ後退させることにより、ガス燃料と搬送空気（一次空気）との混合時間を確保することができる。これにより、ガス燃料が部分的に予混合された状態となって、当量比（理論空燃比／実際の空燃比）が１に近づき、ガス燃料の燃焼速度を底上げすることができる。よって、燃料噴出口７１ａの下流側に形成される再循環領域５０において、ガス燃料の燃焼速度が上昇して、燃え切れないガス燃料の増加を抑制することができる。その結果、再循環領域５０の局所温度低下を回避することができる。
【0075】
また、別の観点から、第１実施形態に係るバーナ５Ａは、バーナ軸線方向Ｘに延びる円筒状を呈し、下流端に設けられた保炎板７７により形成された燃料噴出口７１ａを有し、固体燃料及び搬送空気が導入される燃料供給ノズル７１と、燃料供給ノズル７１の外周側に配置され、燃焼用空気５２，５３を燃料供給ノズル７１から噴出する混合気５１から分離して供給する少なくとも１つの流路７２ｆ，７３ｆと、燃料供給ノズル７１内に挿入され、下流端に設けられたガス燃料供給口９１ａを有し、当該ガス燃料供給口９１ａから固体燃料及び搬送空気からなる混合気体へ窒素分を含むガス燃料を供給するガス燃料供給管９１と、燃料噴出口７１ａに対しガス燃料供給口９１ａがバーナ軸線方向Ｘに変位可能となるように、ガス燃料供給管９１をバーナ軸線方向Ｘに変位可能に支持するノズル支持装置８１と、を備える。上記構成のバーナ５Ａは、ガス燃料供給管９１をバーナ軸線方向Ｘに変位させるアクチュエータ８５を更に備えてよい。
【0076】
上記構成のバーナ５Ａによれば、ガス燃料供給口９１ａの燃料噴出口７１ａからの燃料供給ノズル７１内への後退量（即ち、ガス燃料供給位置ｘg）を調節することが可能である。よって、ガス燃料供給量が増加した場合に、ガス燃料供給口９１ａの後退量を増加させることにより、再循環領域５０の中心５０ｃにおけるガス燃料の流速の増大を抑えることができ、再循環領域５０を維持することができる。また、ガス燃料供給口９１ａが燃料噴出口７１ａよりも後退していることで、燃料供給ノズル７１内でのガス燃料と搬送空気との予混合の度合いを高めることができる。よって、燃料噴出口７１ａの下流側に形成される再循環領域５０において、ガス燃料の燃焼速度が上昇して、燃え切れないガス燃料の増加を抑制することができる。その結果、再循環領域５０の局所温度低下を回避することができる。
【0077】
また、第２実施形態に係るバーナ５Ｂは、第１実施形態に係るバーナ５Ａに加えて、バーナ軸線方向Ｘに沿った燃料噴出口７１ａに対するガス燃料供給口９１ａの位置ｘgを検出する位置検出器８６と、ガス燃料供給管９１からのガス燃料供給量を検出する流量検出器８７と、検出されたガス燃料供給量に基づいて、ガス燃料供給量が所定の範囲にあるときに、ガス燃料供給量の増加に従ってガス燃料供給口９１ａの位置が燃料噴出口７１ａから上流側へ離れるように、アクチュエータ８５を動作させる制御装置８８とを、備える。
【0078】
第２実施形態に係るバーナ５Ｂの制御方法は、バーナ軸線方向Ｘに延びる円筒状を呈し、下流端に設けられた保炎板７７により形成された燃料噴出口７１ａを有し、固体燃料及び搬送空気が導入される燃料供給ノズル７１と、燃料供給ノズル７１の外周側に配置され、燃焼用空気を燃料供給ノズル７１から噴出する混合気５１から分離して供給する少なくとも１つの流路７２ｆ，７３ｆと、燃料供給ノズル７１内に挿入され、下流端に設けられたガス燃料供給口９１ａを有し、当該ガス燃料供給口９１ａから固体燃料及び搬送空気からなる混合気体へ窒素分を含むガス燃料を供給するガス燃料供給管９１と、ガス燃料供給管９１をバーナ軸線方向Ｘに変位させるアクチュエータ８５とを備えるバーナ５Ｂの制御方法であって、
バーナ軸線方向Ｘに沿った燃料噴出口７１ａに対するガス燃料供給口９１ａの位置を検出し、
ガス燃料供給管９１からのガス燃料供給量を検出し、
ガス燃料供給量が所定の範囲にあるときに、ガス燃料供給量の増加に従ってガス燃料供給口９１ａの位置が燃料噴出口７１ａから上流側へ離れるように、アクチュエータ８５を動作させるものである。
バーナ軸線方向Ｘに沿った燃料噴出口７１ａに対するガス燃料供給口９１ａの位置を検出し、
ガス燃料供給管９１からのガス燃料供給量を検出し、
ガス燃料供給量が所定の範囲にあるときに、ガス燃料供給量の増加に従ってガス燃料供給口９１ａの位置が燃料噴出口７１ａから上流側へ離れるように、アクチュエータ８５を動作させるものである。
【0079】
上記構成のバーナ５Ｂ及びその制御方法によれば、第１実施形態に係るバーナ５Ａの作用効果に加えて、以下のような作用効果を奏する。即ち、ガス燃料供給量が増加した場合に、再循環領域５０におけるガス燃料の流速の増大が抑えられるように、ガス燃料供給口９１ａの位置が自動的に調整される。
【0080】
上記のバーナ５Ｂにおいて、制御装置８８は、燃料噴出口７１ａの下流側に形成される再循環領域５０のバーナ軸線方向Ｘの中心５０ｃにおけるガス燃料の流速が一定となるようにガス燃料供給口９１ａの目標位置ｘpを求め、ガス燃料供給口９１ａの位置ｘgが目標位置ｘpとなるようにアクチュエータ８５を動作させてよい。
【0081】
同様に、上記のバーナ５Ｂの制御方法において、燃料噴出口７１ａの下流側に形成される再循環領域５０のバーナ軸線方向Ｘの中心５０ｃにおけるガス燃料の流速が一定となるようにガス燃料供給口９１ａの目標位置ｘpを求め、ガス燃料供給口９１ａの位置ｘgが目標位置ｘpとなるようにアクチュエータ８５を動作させてよい。
【0082】
これにより、再循環領域５０のバーナ軸線方向Ｘの中心５０ｃにおけるガス燃料の流速を一定とすることができ、安定した再循環領域５０が維持される。
【0083】
また、上記第３実施形態に係るバーナ５Ｃは、第１実施形態に係るバーナ５Ａに加えて、燃料噴出口７１ａの下流側に形成される再循環領域５０の火炎強度を検出する火炎強度検出装置９０と、バーナ軸線方向Ｘに沿った燃料噴出口７１ａに対するガス燃料供給口９１ａの位置ｘgを検出する位置検出器８６と、検出された火炎強度に基づいてアクチュエータ８５を動作させてガス燃料供給口９１ａの位置ｘgを調整することにより、再循環領域５０の火炎強度が所定の値となるように制御する制御装置８９と、を備える。
【0084】
同様に、第３実施形態に係るバーナ５Ｃの制御方法は、燃料噴出口７１ａの下流側に形成される再循環領域５０の火炎強度を検出し、再循環領域５０の火炎強度が所定の基準温度となるように、検出された火炎強度に基づいてガス燃料供給口９１ａの位置ｘgを調整するようにアクチュエータ８５を動作させるものである。
【0085】
上記構成のバーナ５Ｃ及びその制御方法によれば、ガス燃料供給量の変動などによって、再循環領域５０に局所的な低温箇所が生じた場合に、再循環領域５０の火炎強度が適切に保たれるようにガス燃料供給口９１ａの位置ｘgが自動的に調整される。
【0086】
また、第４実施形態に係るバーナ５Ｄは、第１実施形態に係るバーナ５Ａに加えて、燃焼排ガスのＮＯｘ値を検出するＮＯｘセンサ３３と、バーナ軸線方向Ｘに沿った燃料噴出口７１ａに対するガス燃料供給口９１ａの位置ｘgを検出する位置検出器８６と、ＮＯｘ値に基づいてアクチュエータ８５を動作させてガス燃料供給口９１ａの位置ｘgを調整することにより、ＮＯｘ値を所定の基準ＮＯｘ値の範囲となるように制御する制御装置９２と、を備える。
【0087】
同様に、第４実施形態に係るバーナ５Ｄの制御方法は、燃焼排ガスのＮＯｘ値を検出し、ＮＯｘ値が所定の基準ＮＯｘ値の範囲となるように、ＮＯｘ値に基づいてガス燃料供給口９１ａの位置ｘgを調整するようにアクチュエータ８５を動作させるものである。
【0088】
上記構成のバーナ５Ｄ及びその制御方法によれば、ガス燃料供給量の変動に起因する再循環領域５０に局所温度低下が回避され、排ガスのＮＯｘ値の増加を抑制することができる。
【0089】
そして、上記構成のバーナ５Ａ～５Ｄを備える燃焼炉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る場合に、アンモニアは燃焼性に乏しいため単純に混焼すると燃焼効率が低下するが、本発明が適用されることにより燃焼効率の低下を抑えることができる。
【0090】
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。上記の構成は、例えば、以下のように変更することができる。
【0091】
例えば、上記実施形態において、ボイラ１０の燃焼炉２は高温還元ゾーン２１と低温酸化ゾーン２２とが形成されて二段燃焼が行われるものであるが、バーナ５（バーナ５Ａ～Ｄ）が適用される燃焼炉は上記構成に限定されない。上記本実施形態に係るバーナ５（バーナ５Ａ～Ｄ）は、低ＮＯｘを実現する固体燃料とガス燃料との混焼バーナとして広く適用することができる。
【0092】
また、上記実施形態の位置調整装置８Ｂ～８Ｄでは、ガス燃料供給管９１が燃料供給ノズル７１に抜き差しされることによってガス燃料供給口９１ａが変位するが、位置調整装置８Ｂ～８Ｄはこれに限定されない。例えば、ガス燃料供給管９１が、燃料供給ノズル７１に挿入された外筒と、当該外筒に内挿された内筒とからテレスコピックに伸長・短縮可能に構成され、内筒が外筒に対して進退変位することでガス燃料供給口９１ａが変位してもよい。
【符号の説明】
【0093】
２ ：燃焼炉
５，５Ａ～５Ｄ：バーナ
８Ｂ～８Ｄ：位置調整装置
１０ ：ボイラ
２０ ：燃焼室
２１ ：高温還元ゾーン
２２ ：低温酸化ゾーン
３２，３３ ：ＮＯｘセンサ
５０ ：再循環領域
５０ｃ ：中心
５１ ：混合気
５２，５３ ：燃焼用空気
７０ ：バーナ軸線
７１ ：燃料供給ノズル
７１ａ ：燃料噴出口
７２ｆ，７３ｆ：（燃焼用空気の）流路
７７ ：保炎板
８１ ：ノズル支持装置
８５ ：アクチュエータ
８６ ：位置検出器
８７ ：流量検出器
８８，８９，９２：制御装置
９０ ：火炎強度検出装置
９１ ：ガス燃料供給管
９１ａ ：ガス燃料供給口
５，５Ａ～５Ｄ：バーナ
８Ｂ～８Ｄ：位置調整装置
１０ ：ボイラ
２０ ：燃焼室
２１ ：高温還元ゾーン
２２ ：低温酸化ゾーン
３２，３３ ：ＮＯｘセンサ
５０ ：再循環領域
５０ｃ ：中心
５１ ：混合気
５２，５３ ：燃焼用空気
７０ ：バーナ軸線
７１ ：燃料供給ノズル
７１ａ ：燃料噴出口
７２ｆ，７３ｆ：（燃焼用空気の）流路
７７ ：保炎板
８１ ：ノズル支持装置
８５ ：アクチュエータ
８６ ：位置検出器
８７ ：流量検出器
８８，８９，９２：制御装置
９０ ：火炎強度検出装置
９１ ：ガス燃料供給管
９１ａ ：ガス燃料供給口
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】