JP5032071B2 - 中心空気噴出口を有するバーナー - Google Patents

Description

本発明は、一般に燃料バーナーに関し、特に、バーナー火炎内に燃料リッチ内部燃焼域を作り出して、燃料燃焼を加速するように、バーナー火炎の中心へと酸素を直接供給することにより、低ＮＯ_X排出を実現する新規でかつ有用な粉砕石炭バーナー及び燃焼方法に関する。

ＮＯ_Xは、石炭及び他の化石燃料の燃焼中に生じる副生成物である。ＮＯ_Xの影響に関する環境問題が、米国を含む数カ国において、工場及び公益発電所からのＮＯ_X排出の大幅な削減を要求するＮＯ_X排出規制の法令を促進している。ＮＯ_X排出を低減するための現在の工業用方法及び装置は、従前に排出されていたレベルよりもＮＯ_X排出を低減することに成功している。しかしながら、現在のＮＯ_X排出規則の順守を維持するため、現在知られている方法及び装置の進歩を超える更なる発展が望まれている。

種々の低ＮＯ_Xバーナーが市販されており、該バーナーは、慣用バーナーと比べてＮＯ_Xを削減した態様にて粉砕石炭（ＰＣ）及び他の化石燃料に火をつけるために広く使用されている。そのようなバーナーの例には、ザ・バブコック・アンド・ウイルコックス・カンパニー（The Babcock & Wilcox Company）のＤＲＢ−ＸＣＬ（登録商標）バーナー及びＤＲＢ−４Ｚ（登録商標）バーナーがある。これらの及び他の低ＮＯ_Xバーナーの設計に共通なものは、二次空気（ＳＡ）を供給する複数の空気域によって囲まれる軸方向石炭ノズルである。作動中、一次空気（ＰＡ）ストリームに懸濁させられたＰＣは、軸方向ジェット（噴出物）として、半径方向への偏向（それ）をほとんどもしくは全く伴わずに、軸方向石炭ノズルを通じて炉内へと注入される。該ＰＣの点火は、ＳＡに渦を巻かせ（ＳＡを旋回させ）、これにより、入ってくる燃料ジェットに沿うホットガスの再循環を引き起こすことによって遂行される。

一般に、ＳＡのごく少量は、石炭ノズルに非常に近接している空気ノズルへと供給され、点火を遂行するために他の空気域へと供給されるＳＡよりも比較的大きい程度まで渦にされる。バーナーからの残りのＳＡは、バーナー火炎中へとゆっくりと混合して、これにより、該火炎の根元に燃料リッチ状態を与えるように、より少ない渦を利用して、バーナーにおいて更に（半径方向）外側の空気域を通じて導入される。そのような状態は、炭化水素の発生を促進し、炭化水素は、利用可能な酸素を奪い合い、ＮＯ_xを破壊し（消滅させ）、及び／又は、燃料結合窒素及び窒素分子のＮＯ_xへの酸化を抑制する役割を果たす。

ＮＯ_xの排出は、二段（段階的）燃焼により更に低下され得、該燃焼では、バーナーには、完全燃焼のため、より少ない化学量論酸素が供給される。結果としてバーナー火炎に燃料リッチ環境が生じる。該燃料リッチ環境は、ＮＯ_x前駆物質を、酸素希薄環境において未燃焼燃料と奪い合わせることにより、ＮＯ_xの形成を抑える。次いで、燃焼は、過剰な燃料がより低温で燃焼するバーナー上方の地点において過剰な酸素をボイラーに供給し、バーナー火炎から離れて、より低温にて燃焼が生じる際にサーマルＮＯ_xの生成を排除することにより、段階的に行われる。段階的に行うことはまた、燃焼プロセス中に酸素濃度を下げるのに役立ち、これは、燃料結合窒素（燃料ＮＯ_x）の酸化を抑制する。

二段燃焼のための酸素は、低ＮＯ_xバーナーを利用するシステムにおいて、オーバー・ファイア・エア（Over Fire Air （ＯＦＡ））口と一般に呼ばれてい空気段階（ステージング）口を介して空気の形態で、通常、供給される。参照により本明細書中に組み込まれるLaRueへの米国特許第５，６９７，３０６号及びLaRueへの米国特許第５，１９９，３５５号は、低ＮＯ_xバーナーを開示し、該バーナーは、更にＮＯ_x排出を減らすため、空気二段燃焼法と組み合わされ得る。

慣用バーナーとは異なり、低ＮＯ_xバーナーは、長い火炎を形成して、より高いレベルの未燃焼可燃物を作り出す傾向にある。長い火炎は、これらが炉の深さもしくは高さと適合しないかもしれないので、必ずしも望ましくはなく、また、火炎の衝突、スラッギング、及び又はボイラー管腐食により、ボイラー動作を損ない得る。

長い火炎は、燃料ジェットが炉内へと進行する際、該ジェットへの不十分な空気供給に起因する。低ＮＯ_xバーナーの外側空気域からのＳＡは、火炎軸に沿う空気供給の欠如のため、未燃焼の燃料が持続するように、効果的に下流燃料ジェットを浸透しない。高レベルの未燃燃料は、ＯＦＡを有する炉及びＯＦＡを有さない炉の両方において望ましくない。未燃の炭素及びＣＯの形態の未燃可燃物は、ボイラー効率を下げ、運転費を増す一方、未燃粉砕石炭は、その本質的な摩耗性により、炉自体に対する望ましくない腐食性損傷を引き起こし得る。

ＯＦＡシステムの前の不完全な空気／燃料の混合は、ＯＦＡ口まで持続する過度の量の望ましくない未燃燃料をもたらし得る。多量の未燃燃料がＯＦＡ域において空気により燃えようとする際、ＮＯ_x形成が増長し得、これにより、ＯＦＡによる二段燃焼の利益を最小にするかもしくは打ち消す。更に、これらの可燃物を、ＯＦＡ口において及びＯＦＡ口を越えて、完全に燃え尽きさせることは、次第に困難になり、これらが不効率性及び可動困難性を増大させる。

米国特許第５，６９７，３０６号明細書 米国特許第５，１９９，３５５号明細書

本発明は、典型的なＮＯ_xバーナーによって作り出される遅れ燃焼に関連した前述した問題を解決し、また、工業的及び公的ボイラーにおけるＮＯ_x排出を更に削減するため、化石燃料を燃焼させる新規なバーナー装置及び方法を導入する。

本発明に従うバーナーは、粉砕石炭（ＰＣ）もしくはガス状炭化水素に火をつけるのに適している。本発明は、第１環状域によって同心円状に囲まれる軸方向域を備えている。第１環状域は、バーナーを出る燃料ジェットを作り出し、その後、酸素雰囲気中の燃焼を介してバーナー火炎を形成するため、予め設定した速度で燃料をバーナーに供給する。軸方向域は、中心空気ジェットを作り出し、該ジェットは、バーナー火炎の内部軸線に沿ってバーナー火炎を突き通す。該中心空気ジェットは、バーナー火炎の中心軸線に沿って酸素を供給し、火炎の内側から外側への燃焼を可能し、他方、火炎の根元における全体的な燃料リッチ環境を維持し、これにより、ＮＯ_x形成を抑制する。

第１環状域を同心円状に囲む第２及び第３環状域によって供給される追加の酸素は、ＮＯ_x形成を更に低減する一方、燃焼を加速するための手段を与える。第２及び第３環状域の流れ調整機構は、燃料ジェット膨張を空気力学的に抑える。この空気力学的抑制内において、第２及び第３環状域を出る空気からの渦（渦流（swirl））が、火炎域の外側境界に沿って内部再循環域を作り出し、これが、ＮＯ_x形成を抑える。該内部再循環域（ＩＲＺ）は、火炎の外側空気リッチ周囲（外面）に沿って形成されるＮＯ_xが、再循環して燃料リッチ火炎コア中へと戻るようにする。中心空気ジェットの裏表を通じての徹底的な燃料を起因とするより熱い火炎温度は、未燃炭化水素基が、ＩＲＺ内で利用可能な酸素をあさるようにし、これにより、ＮＯ_xの形成を抑制し、他の窒素種へと戻るＮＯを低減する。ＩＲＺ内の外側からの及び内側から外側への燃料の加速された燃焼のため、火炎温度が高まるにつれ、より広く短い火炎エンベロープが生じる。

本発明の別の側面は、中心空気ジェットバーナーにおいてＮＯ_x排出を削減する方法であると考えられ得る。該方法は、第１環状域によって同心円状に囲まれる軸方向域を有するバーナーを準備する工程と、酸素を含む第１ガスを軸方向域に供給する工程にして、第１ガスが約５０００ｆｔ／ｍｉｎ〜約１０，０００ｆｔ／ｍｉｎの速度で軸方向域を出る該工程と、粉砕石炭を含むキャリヤーガス（搬送ガス）を第１環状域に供給する工程にして、キャリヤーガスが約３０００ｆｔ／ｍｉｎ〜約５０００ｆｔ／ｍｉｎの速度で第１環状域を出る該工程とを含む。

本発明の更に別の側面は、中心空気ジェットバーナーにおいてＮＯ_x排出を削減する方法であると考えられ得る。該方法は、四域バーナーを準備する工程にして、該バーナーでは、最も内側の領域が第１環状域によって同心円状に囲まれる軸方向域であり、第１環状域が第２環状域によって同心円状に囲まれ、第２環状域が第３環状域によって同心円状に囲まれる該方法と、軸方向域に酸素を含む第１ガスを供給する工程と、第１環状域に粉砕石炭を含むキャリヤーガスを供給する工程と、第２環状域に酸素を含む第２ガスを供給する工程と、第３環状域に酸素を含む第３ガスを供給する工程と、バーナーに約３０００ｆｔ／ｍｉｎを超える速度でキャリヤーガスを供給する工程と、バーナーにキャリヤーガスを超える速度で第１ガスを供給する工程と、バーナーにキャリヤーガスを超える速度で第２ガスを供給する工程と、バーナーにキャリヤーガスを超える速度で第３ガスを供給する工程と、第１ガスによりキャリヤーガスストリーム中の粉砕石炭を該ストリームの内側から燃焼させる工程と、第２ガス及び第３ガスによりキャリヤーガスストリーム中の粉砕石炭を該ストリームの外側から燃焼させる工程と、四つの環状域間の速度勾配を利用して、バーナー火炎中に再循環域を作り出す工程と、バーナー火炎における未燃石炭及び酸素の再循環により、ＮＯ_x形成を抑制して、燃焼を加速させる工程とを含む。

本発明を特徴付ける新規な種々の特徴は、この開示物に付加されかつその一部を形成する特許請求の範囲に詳細に指し示される。本発明、並びに本発明の作動の利点及び本発明の使用により得られる特定の利益をより良く理解するため、本発明の好ましい実施形態を例示する添付図面及び記述的事項が参照される。

図面を参照すれば、いくつかの図全体にわたり、一般に、同じ番号が同じかもしくは機能的に類似の特徴を示し、まず図１には、本発明に従って描かれたバーナーの概略断面図が示される。内部に軸方向域２５を形成する軸管６は、第１環状管３に同心状に囲まれ、該二つの管の間の領域は、第１環状域１１を形成する。第１環状管３の一部と軸管６との間に、フィーダーダクト９が半径方向に配置され、軸管６及び風箱５１がフィーダーダクト９の両端部と連通するようにされる。

図３を参照すれば、軸管６と風箱５１がフィーダーダクト９の両端部と流体連通するように、第１環状管３の少なくとも一部と軸管６（図３に示されず）との間に半径方向に配置されたフィーダーダクト９の上面図が与えられる。

図１に戻り、二次空気は、強制通風ファン（図示せず）によって供給され、空気加熱器（図示せず）において予熱され、風箱５１へと圧力を受ける。フィーダーダクト９は、次いで、ダンパー１０によって制御された速度で二次空気を風箱５１から軸管６へと供給する。空気流測定機構１２は、フィーダーダクト９を通って流れる二次空気を定量化する。

粉砕機（図示せず）は石炭を粉砕し、これは、一次空気と共に、バーナーエルボー２に接続される導管を通って搬送される。点火器（図示せず）が、バーナーの軸線に配置され得、該点火器は、エルボー２、栓５を貫通し、軸管６を通って延びる。

粉砕（された）石炭及び一次空気（ＰＡ／ＰＣ）１は、バーナーエルボー２を通過する。粉砕石炭は、一般に、エルボー２の外側半径に沿って進み、エルボー出口における外側半径に沿う流れへと濃縮する。粉砕石炭は、第１環状域１１に入り、デフレクター（そらせ板）４と遭遇し、デフレクター４は、石炭ストリームを栓５へと方向を変えて該石炭を分散させる。軸管６は、栓５の下流側部に取り付けられる。第１環状管３は、区域３Ａにおいて拡張し、大径区域３Ｂを形成する。分散した石炭は第１環状域１１に沿って進み、第１環状域１１において、（複数の）バー及び山形部（bars and chevrons）７が、燃料ジェット（噴出物）として第１環状域１１を出る前に粉砕石炭のより均一な分散を提供する。くさび形状部分９Ａ及び９Ｂ（図３）は、ＰＡ／ＰＣ１がフィーダーダクト９を過ぎて進行する際、ＰＡ／ＰＣ１のためのより起伏のある流路（more contoured flow path）を与える。

石炭を分散させて石炭が二次空気と相互作用する速度を高めるため、流れ調整機構３０が使用され得る。流れ調整機構３０は、局所的に流れを遮断して渦を引き起こすため、旋回羽根及び／又は一又は複数のブラッフボディ（bluff bodies）から構成され得る。

別の流れ調整機構１３は、軸管６の端部に配置され得、二次空気が軸方向域２５を出てバーナースロート（バーナーのど）８内へ、及び、中心空気ジェットの形態で炉（図示せず）内へと向かう際に、二次空気に対してより均等な流れを供給する。流れ調整装置１３は、より均一な流れを提供する、羽根、有孔板、もしくは一般的に使用されている他の機構であり得る。いくつかのケースでは、流れ調整機構１３は、石炭点火を更に加速して排出物質を減らすため、コア空気に渦を与え得る。

本発明の動作可能な方法に関連する側面は、燃料ジェットストリームがスロート８を出て炉に入る際、燃料ジェットストリーム内に中心空気ジェットを作り出すことである。好ましくは、中心空気ジェットは、火炎内に速度勾配を作り出すように、燃料ジェットの速度を超える速度を有し、上記速度勾配は、中心空気ジェットからの酸素を利用して、内側から外側への（十分な）燃料の点火を促進する。

最適な動作状態は、ＰＡ／ＰＣが、約３，０００ｆｔ／ｍｉｎ〜約５，０００ｆｔ／ｍｉｎ、より好ましくは約３，５００ｆｔ／ｍｉｎ〜約４，５００ｆｔ／ｍｉｎの速度で第１環状域を出る場合に生じる。最適な動作状態は、二次空気が、約５，０００ｆｔ／ｍｉｎ〜１０，０００ｆｔ／ｍｉｎ、より好ましくは約５，５００ｆｔ／ｍｉｎ〜７，５００ｆｔ／ｍｉｎの速度で軸方向域２５を出る場合に更に生じる。

ダンパー１５は、バーナー組立体への追加の二次空気の導入を制御する。開位置にある場合、ダンパー１５は、第１環状域１１を同心円状に囲む第２環状域１６内へと二次空気が流れることを許容する。ここで、第２環状域１６は、管３Ｂとバレル（胴部）１９との間の領域として定義される。ダンパー１５は、第２環状域１６を同心円状に囲む第３環状域１７内に二次空気が流れることを更に許容する。ここで、第３環状域１６は、バレル１９と外側バーナー域壁３８との間の領域として定義される。ダンパー１５は、一方の域に対して他方の域に比べて二次空気を優先的に絞るか、又は、両方の域に対してより少ない量の二次空気を供給するように配置され得る。点火器（図示せず）が、管６を通らない場合、環状域１７に随意的に位置付けられ得る。

燃焼のために二次空気を供給するために三つの環状域すべてを利用するための最適な動作状態は、二次空気がバーナーに供給する全酸素の約２０％〜約４０％、より好ましくは約２５％〜約３５％が軸方向域２５を通って与えられ、二次空気がバーナーに供給する全酸素の約１０％〜約３０％、より好ましくは約１５％〜約２５％が第２環状域１６を通って与えられ、二次空気がバーナーに供給する全酸素の約４０％〜約７０％、より好ましくは約５０％〜約６５％が第３環状空気域１７を通って与えられる場合に生じる。

空気流測定機構１８が、第２環状域１６及び第３環状域１７を通る二次空気流を測定する。最適な動作状態は、二次空気が、約３０００ｆｔ／ｍｉｎ〜約４５００ｆｔ／ｍｉｎ、より好ましくは約３１００ｆｔ／ｍｉｎ〜約３９００ｆｔ／ｍｉｎの速度で第２環状域１６を出る場合、更に、二次空気が、約５５００ｆｔ／ｍｉｎ〜約７５００ｆｔ／ｍｉｎ、より好ましくは約５７００ｆｔ／ｍｉｎ〜約６７００ｆｔ／ｍｉｎの速度で第３環状域１７を出る場合に生じる。

最適な空気分配状態は、一般に、軸方向域の内径が約９インチ〜約２０インチ、第１環状域の内径が約１５インチ〜約３０インチ、第２環状域の内径が約２０インチ〜約４０インチ、かつ第３環状域の内径が約２２インチ〜約５０インチである場合に生じる。

調整可能な羽根２１が、第２環状域１６を出る前に渦状二次空気を与えるため、第２環状域１６に位置付けられる。有孔板及びランプ（傾斜）等の他の空気分散機構も、第２環状域１６の端部に据え付けられ得る。固定された複数の羽根２２Ａ及び調整可能な複数の羽根２２Ｂは、第３環状域１７を通過する二次空気に渦を与える。渦空気が第３環状域１７を離れる際、羽根２３は、これはあるいは空気域出口の中央に配置され得るが、空気の一部を、一次燃焼域から離れるようにそらせる。

次に図２を参照すれば、矢印が二次空気及びＰＡ／ＰＣ１の流路を特定する図による描写が与えられる。

別の実施形態において、空気よりも高い濃度で酸素を含むガスが、二次空気の全部又は一部に代えて利用され得る。

別の代替実施形態において、粉砕石炭以外に炭化水素燃料が燃料として利用され得る。

別の代替実施形態において、中心（中央）導管が、軸管６が該中心導管を同心円状に囲むように軸方向域２５内に配置され得る。そのような実施形態において、該中心導管は、点火器、オイル噴霧器もしくはガス代替物、又は、濃縮酸素もしくは追加の炭化水素燃料を軸方向に又は半径方向分散により火炎コアへと導入するためのランスを収容し得る。

別の代替実施形態において、複数の中心導管が、軸管６が該複数の中心導管各々を同心円状に囲むように軸方向域２５内に配置され得る。そのような実施形態において、該複数の中心導管は、二以上のストリームにおいて濃縮酸素を供給し得、又は、複数導管の少なくとも一つが、燃料のために追加の石炭もしくは他の炭化水素燃料を供給し得る。

別の実施形態において、複数のフィーダーダクト及び／又はブースターファン又は導管が、追加の二次空気もしくは酸素を軸方向域２５に供給するために利用され得る。

別の実施形態において、ＮＯ_x排出を更に低減するため、本発明のバーナー及びＮＯ_x削減法に二段燃焼が利用され得る。

更に別の実施形態において、次の代替空気ダクティングシステムが立案され得る。すなわち、該システムにおいて、二次空気が風箱５１の外側壁５１Ｂを通って送られ、軸方向域２５を風箱５１と流体連通させる拡張されたバーナーエルボーの外側半径範囲又は他の箇所を通って軸方向域２５内に供給される。

本発明の原理の応用を例示するため、本発明の特定の実施形態が詳細に示され記述されたが、当業者には認識されるように、本発明は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の方法で具現化され得ることが理解されるであろう。

本発明の概略的断面図である。 矢印が空気及び石炭の流路を特定する、本発明の実施形態の概略図である。 供給ダクト９の位置を特定している、本発明のバーナー組立体実施形態の外側の図である。 本発明の複数の同心域を特定する、本発明の実施形態の概略横断面図である。

符号の説明

１ 粉砕石炭及び一次空気（ＰＡ／ＰＣ）
２ バーナーエルボー
３ 第１環状管
４ デフレクター
５ 栓
６ 軸管
９ フィーダーダクト
８ バーナースロート
１０ ダンパー
１１ 第１環状域
１２ 空気流測定機構
１３ 流れ調整機構
１５ ダンパー
１６ 第２環状域
１７ 第３環状域
２５ 軸方向域
３０ 流れ調整機構
５１ 風箱

Claims (14)

1. 中心空気ジェットバーナーであって、
   軸方向域を規定する軸管であって、当該軸管は、一端が閉じ、他端が解放している、軸管と、
   前記軸管を同心円状に囲むと共に、前記軸管との間に第１環状域を規定する環状管と、
   前記環状管を同心円状に囲むと共に、前記環状管との間に第２環状域を規定するバレルと、
   前記バレルを同心円状に囲むと共に、当該バレルとの間に第３環状域を規定するバーナー域壁と、
   前記軸管と前記環状管との間に半径方向に配置されるフィーダーダクトであって、当該フィーダーダクトは、前記軸方向域と風箱との間の流体の連絡を提供する、フィーダーダクトと、
   前記第１環状域内の前記フィーダーダクトの部分の周りにおいて粉砕石炭の流れを調整する手段と、
   前記フィーダーダクト内に配置された流れ調整ダンパーと、
   を備えた中心空気ジェットバーナー。
2. 前記軸方向域は、流れ調整機構を含む請求項１に記載の中心空気ジェットバーナー。
3. 前記第１環状域は、流れ調整機構を含む請求項１に記載の中心空気ジェットバーナー。
4. 前記第１環状域は、前記軸管の閉じた端部の上流側のデフレクターを含む請求項２に記載の中心空気ジェットバーナー。
5. 前記第１環状域に粉砕石炭を供給するための手段を更に備えた請求項３に記載の中心空気ジェットバーナー。
6. 前記第２環状域及び前記第３環状域が前記風箱に流体連通する、請求項３に記載の中心空気ジェットバーナー。
7. 前記第２環状域に羽根を更に備えた請求項６に記載の中心空気ジェットバーナー。
8. 前記第３環状域に羽根を更に備えた請求項７に記載の中心空気ジェットバーナー。
9. 前記第２及び第３環状域内の空気流測定装置及びダンパーを更に備えた請求項７に記載の中心空気ジェットバーナー。
10. 前記軸方向域によって同心円状に囲まれる導管を更に備えた請求項１に記載の中心空気ジェットバーナー。
11. 請求項１に記載の中心空気ジェットバーナーであって、
    前記軸方向域の直径は、約９インチ〜約２０インチであり、前記第１環状域の直径は、約１５インチ〜約３０インチである、中心空気ジェットバーナー。
12. 前記第２環状域の直径は、約２０インチ〜約４０インチである請求項１１に記載の中心空気ジェットバーナー。
13. 前記第３環状域の直径は、約２２インチ〜約５０インチである請求項１２に記載の中心空気ジェットバーナー。
14. 前記軸方向域によって同心円状に囲まれる導管を更に備えた請求項１３に記載の中心空気ジェットバーナー。

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