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WO2013141311A1 - 微粉炭バイオマス混焼バーナおよび燃料燃焼方法 - Google Patents

微粉炭バイオマス混焼バーナおよび燃料燃焼方法 Download PDF

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WO2013141311A1
WO2013141311A1 PCT/JP2013/058116 JP2013058116W WO2013141311A1 WO 2013141311 A1 WO2013141311 A1 WO 2013141311A1 JP 2013058116 W JP2013058116 W JP 2013058116W WO 2013141311 A1 WO2013141311 A1 WO 2013141311A1
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WO
WIPO (PCT)
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fuel
biomass
pulverized coal
biomass fuel
burner
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2013/058116
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
孝二 谷口
篤徳 加藤
俊 矢原
裕 田部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Motors Ltd
Original Assignee
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Jukogyo KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to EP13764750.9A priority patent/EP2829796B1/en
Priority to DK13764750.9T priority patent/DK2829796T3/en
Priority to IN8007DEN2014 priority patent/IN2014DN08007A/en
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    • F23G7/10—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of field or garden waste or biomasses
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    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2209/00—Safety arrangements
    • F23D2209/20—Flame lift-off / stability

Definitions

  • the present invention relates to a pulverized coal biomass burner and a fuel combustion method for burning biomass fuel together with pulverized coal.
  • biomass Since organic matter circulates on earth repeatedly through repeated decomposition, absorption, and release, CO2 emitted when burning organic matter balances the balance by securing the same amount of CO2 absorption sources. be able to. Thus, since biomass is a carbon neutral fuel, biomass power generation holds great expectations as a new energy capable of saving fossil fuels and reducing CO2 emissions. Examples of biomass that can be easily collected include wood pellets and wood chips. Further, since the biomass fuel has a low nitrogen component content, if biomass is used as an auxiliary fuel in a coal-fired boiler, it is possible to reduce NOx in combustion exhaust gas.
  • coal-fired thermal power generation boilers As a boiler using biomass, there is a mixed-fired boiler that burns a powdered fuel obtained by mixing pulverized coal and biomass fuel.
  • a typical method is to use a conventional pulverized coal-fired boiler to add biomass raw material to a mill that finely pulverizes coal, such as a roller mill, to produce a mixed fuel of pulverized coal and biomass, and place this on the carrier air. It burns with a pulverized coal burner.
  • the coal is usually pulverized coal of 200 ⁇ m or less, preferably about 70 ⁇ m.
  • coal and biomass raw materials are processed together to finely pulverize the biomass fuel.
  • the product particle size deteriorates and coarse components of 100 ⁇ m or more increase, and the particle size distribution of the product fuel spreads to both coarse and fine.
  • a large power is required and the basic unit is increased.
  • combustion characteristics differ between biomass fuel and coal.
  • the volatile content is twice that of coal.
  • the calorific value is 2/3 of coal in the case of wood pellets and 1/2 in the case of wood chips.
  • the ash content is 1/10 or less of coal in the case of wood pellets and wood chips.
  • the amount of air required for combustion differs between biomass fuel and pulverized coal. For this reason, when both are co-fired with a constant amount of air, the combustion is not necessarily in an appropriate state depending on the mixing ratio of combustible pulverized coal and biomass.
  • the industrial performance value of biomass fuel mixing ratio (heat ratio) in boilers using pulverized coal burners is 3%, and the limit is estimated to be about 5%.
  • biomass-burning burner In order to obtain a high co-firing rate of biomass fuel, it is conceivable to add a biomass-burning burner to combust pulverized coal and biomass fuel.
  • biomass fuel As the biomass fuel is finely pulverized, the power required for pulverization increases and the basic unit increases. On the other hand, biomass fuel is easier to burn than coal if it has the same particle size, so there is no need to make the pulverized particles smaller.
  • the pulverizer can be operated under conditions suitable for biomass fuel independently of the pulverized coal. Further, it is possible to operate the boiler by selecting an appropriate mixed combustion ratio for the pulverized coal fuel.
  • Patent Document 1 discloses a biomass-burning burner that is applied to a mixed-fired boiler in which pulverized coal and biomass fuel are separately introduced into a furnace and burned.
  • the biomass fuel injection nozzle of the disclosed biomass-burning burner is provided at the center of the center of the nozzle, and is provided at the upstream of the nozzle to disperse the biomass fuel and to increase the flow rate of the fuel.
  • a combustion air nozzle for supplying a swirl flow.
  • the biomass-burning burner is optimized to burn a predetermined amount of biomass fuel, and the number of installed biomass burners can be determined according to the biomass fuel processing amount required in the furnace to which it is applied.
  • Patent Document 1 describes an example in which a mixed firing rate of 15% is realized.
  • Patent Document 2 it used as a biomass fuel combustion burner which diverts a starter or auxiliary
  • a boiler is disclosed.
  • Patent Document 2 does not describe a specific form of a biomass-burning burner, problems in use, a solution, or the like.
  • Patent Document 3 discloses a pulverized coal-burning burner. The disclosed burner is suitable for pulverized coal having a larger calorific value than that of biomass fuel, a large amount of air necessary for combustion, a large specific gravity, and a small optimum particle size. For this reason, it cannot be diverted as it is for biomass fuel.
  • Biomass used as auxiliary fuel in a pulverized coal biomass co-fired boiler or the like is more desirable as the combustion amount is larger.
  • the supply of biomass raw materials is not always stable at present. Accordingly, the problem to be solved by the present invention is not only to burn a large amount of biomass fuel as an auxiliary fuel, but also to a pulverized coal biomass co-burning burner and a fuel combustion method capable of burning only pulverized coal when the biomass fuel is not sufficient Is to provide.
  • a pulverized coal biomass co-burner includes a biomass fuel injection nozzle having a biomass fuel injection nozzle for injecting biomass fuel conveyed by primary air for biomass fuel as a biomass fuel flow, and a biomass fuel injection nozzle.
  • a pulverized coal fuel injection nozzle having a pulverized coal fuel injection port surrounding the opening of the outlet and having a pulverized coal fuel jet ejected as a pulverized coal fuel flow by the primary air for the pulverized coal fuel, and an opening of the pulverized coal fuel outlet
  • a secondary air nozzle having a secondary air jet port for jetting secondary air
  • a tertiary air nozzle surrounding the secondary air jet port and having a tertiary air jet port for jetting a swirling flow of the tertiary air.
  • Coal biomass burner Coal biomass burner.
  • the fuel combustion method of the present invention is a fuel combustion method of burning biomass fuel and pulverized coal fuel using the pulverized coal biomass mixed burner of the present invention.
  • the biomass fuel injection nozzle converts a biomass fuel flow into a swirl flow that swirls around the axis of the biomass fuel transfer pipe, and converts the fuel concentration into a biomass fuel transfer.
  • a biomass fuel swirl blade that is thinly distributed on the axis side of the tube and is densely distributed on the outer peripheral wall side of the biomass fuel transfer tube.
  • the pipe end of the biomass fuel jet outlet is parallel to the pipe axis.
  • the biomass fuel ejection nozzle is further provided with a biomass fuel rectifying plate that is provided on the inner wall of the pipe upstream of the pipe end and suppresses the swirling of the fuel flow ejected from the biomass fuel ejection port.
  • the pulverized coal fuel injection nozzle converts the pulverized coal fuel transfer pipe that forms the flow path of the pulverized coal fuel flow and the swirl flow that swirls around the outer periphery of the biomass fuel injection nozzle into the fuel concentration.
  • a pulverized coal fuel swirl blade that is thinly distributed on the shaft side of the pulverized coal fuel transfer pipe and densely distributed on the outer peripheral wall side of the pulverized coal fuel transfer pipe, and a flame holder that opens in a funnel shape at the pipe end of the pulverized coal fuel injection port
  • a pulverized coal fuel rectifying plate that is provided on the inner wall of the pipe upstream of the flame stabilizer and suppresses the swirling of the fuel flow ejected from the pulverized coal fuel injection port.
  • the secondary air ejected from the secondary air outlet forms a buffer flow between the pulverized coal fuel flow and the swirling flow of the tertiary air.
  • the pulverized coal fuel stream is formed so that the biomass fuel stream ejected from the biomass fuel jet outlet is wrapped in the pulverized coal fuel stream ejected from the pulverized coal fuel jet outlet.
  • the biomass fuel flow carried by air is swirled inside the biomass fuel injection nozzle, resulting in a fuel flow in which the fuel component is concentrated on the tube wall side of the nozzle. Thereafter, the biomass fuel flow is suppressed in the degree of swirl, and is jetted into the furnace as a fuel flow that does not expand in diameter from the straight tubular opening of the biomass fuel jet port provided on the burner shaft side. Further, the pulverized coal fuel flow conveyed by air is swirled inside the pulverized coal fuel injection nozzle, and becomes a fuel flow in which the fuel component is concentrated on the tube wall side of the nozzle.
  • the pulverized coal fuel flow is jetted into the furnace with the degree of swirl being suppressed and wrapping the jet flow of biomass fuel from the outer periphery of the biomass fuel flow.
  • Secondary air is supplied to the outer periphery of the pulverized coal fuel flow, and tertiary air is supplied to the outer periphery of the secondary air.
  • a flame holder is provided at the pipe end of the pulverized coal fuel outlet, so that the pulverized coal is dispersed in the furnace and a relatively large reverse flow region is generated, thereby facilitating the ignition of the burner and the flame. It is easy to hold. Further, the pulverized coal fuel flow is guided to a flame holder opened like a funnel, and is ejected into the furnace to diffuse. In this case, by mixing the secondary and tertiary air combustion air ejected from the combustion air outlet, the mixing of the pulverized coal fuel and air is delayed, and combustion is performed in a reducing atmosphere to reduce NOx. Can be achieved.
  • Biomass fuel is ejected into a flame of pulverized coal with good flame holding properties, and ignites and holds the flame. For this reason, biomass fuel can be stably burned over a wide range from a low mixing rate to a high mixing rate with respect to pulverized coal fuel.
  • the pulverized coal biomass burned burner of the present invention can be burned well even at a biomass burned rate of 60% (weight ratio), and can burn only pulverized coal.
  • the pulverized coal fuel supply path and the biomass fuel supply path are independent.
  • biomass fuel and pulverized coal fuel can be pulverized to a particle size suitable for each using separate pulverizers.
  • energy efficiency is improved by adjusting the biomass fuel to have a particle size distribution of about 2 mm or less without applying excessive power.
  • the optimal primary air amount for conveyance can be selected independently about biomass fuel and pulverized coal, respectively.
  • the pulverized coal biomass burner of the present invention can burn a large amount of biomass fuel as an auxiliary fuel for pulverized coal. Moreover, since biomass fuel is burned in a reducing atmosphere, the production of NOx can be suppressed. Furthermore, due to the carbon neutrality of biomass fuel, an increase in CO2 in the atmosphere can be substantially suppressed as compared to the case of fossil fuel combustion. Furthermore, the pulverized coal biomass mixed-fired boiler to which the pulverized coal biomass mixed-burner of the present invention is applied reduces coal consumption by using biomass fuel as an auxiliary fuel, reduces NOx in exhaust gas, and is derived from fossil fuel. The amount of CO2 emission can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a pulverized coal biomass mixed combustion burner according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a jet outlet portion of the burner.
  • the pulverized coal biomass burner 1 of the present embodiment includes a biomass fuel injection nozzle 20 at the center, and the pulverized coal fuel injection nozzle 30, the secondary air nozzle 40, and the tertiary are sequentially coaxially arranged outside the biomass fuel injection nozzle 20.
  • An air nozzle 50 is provided.
  • the biomass fuel injection nozzle 20 supplies the biomass fuel conveyed by the primary air for biomass fuel into the furnace from the center of the pulverized coal biomass burner 1.
  • the biomass fuel injection nozzle 20 has a biomass fuel introduction pipe 21, a biomass fuel reflector 22, a biomass fuel transfer pipe 23, and a biomass fuel injection port 24.
  • a biomass fuel swirl vane 25 is provided upstream of the biomass fuel outlet 24 in the biomass fuel transport pipe 23.
  • the biomass fuel swirl vane 25 is provided in the flow path of the biomass fuel flow in the biomass fuel transport pipe 23.
  • the biomass fuel swirl vane 25 can be fixed to the outer wall of the auxiliary fuel nozzle 10.
  • a biomass fuel rectifying plate 26 is provided on the inner wall of the pipe at the end of the biomass fuel outlet 24.
  • the biomass fuel rectifying plate 26 is composed of a plurality of barrier plates arranged substantially parallel to the tube axis.
  • the biomass fuel rectifying plate 26 has a function of suppressing the biomass fuel discharge angle at the pipe opening by slowing the swirling speed of the biomass fuel flow and weakening the centrifugal force.
  • the pulverized coal fuel injection nozzle 30 supplies the pulverized coal fuel conveyed by the primary air for pulverized coal from the periphery of the biomass fuel injection port 24 into the furnace.
  • the pulverized coal fuel injection nozzle 30 includes a pulverized coal fuel introduction pipe 31, a pulverized coal fuel reflector 32, a pulverized coal fuel transfer pipe 33, and a pulverized coal fuel ejection port 34.
  • a pulverized coal fuel swirl blade 35 is provided at an intermediate portion of the pulverized coal fuel transfer pipe 33.
  • a pulverized coal fuel rectifying plate 36 is provided on the inner wall of the tip of the pulverized coal fuel transfer pipe 33.
  • a pulverized coal fuel flame holder 37 is provided at the pulverized coal fuel jet port 34.
  • the pulverized coal fuel flame stabilizer 37 has a funnel-shaped widening ring that expands the jet flow outward, and in the middle of the widening ring, a stagnation or a reverse flow is formed in the jet flow, so that ignitability and flame holding properties are achieved. In order to improve this, a minute step is provided.
  • the pulverized coal fuel flow ejected from the pulverized coal fuel ejection port 34 into the furnace is formed so as to wrap up the biomass fuel flow ejected from the biomass fuel ejection port 24.
  • Secondary air nozzle 40 is provided so as to surround pulverized coal fuel injection nozzle 30.
  • the secondary air nozzle 40 includes a secondary air introduction pipe 41, a secondary air conveyance pipe 42, and a secondary air widening ring 43.
  • the secondary air nozzle 40 takes in the secondary air swirling from a spiral wind box (not shown) and supplies the secondary air into the furnace through a secondary air supply port formed around the pulverized coal fuel outlet 34. .
  • the secondary air is supplied to the outside of the pulverized coal fuel flow through the secondary air widening ring 43 provided at the secondary air supply port.
  • a tertiary air nozzle 50 is provided so as to surround the secondary air nozzle 40.
  • the tertiary air nozzle 50 includes a tertiary air introduction pipe 51, a tertiary air throat 52, and a tertiary air widening ring 53.
  • the tertiary air nozzle 50 takes in the tertiary air swirling from a spiral wind box (not shown), and supplies the tertiary air to the outside of the pulverized coal fuel flow from the tertiary air supply port formed so as to surround the secondary air supply port.
  • the swirling strength of the tertiary air can be adjusted by a tertiary air swirling vane 54 provided at the intake port.
  • the auxiliary fuel nozzle 10 includes an auxiliary fuel transfer pipe 11 and an auxiliary fuel injection port 12 provided at the axial position of the pulverized coal biomass mixed burner 1.
  • the auxiliary fuel nozzle 10 is a fuel supply pipe that supplies liquid fuel or gas fuel for auxiliary use or start-up used when troubles occur in the pulverized coal system. By adding the auxiliary fuel nozzle 10, the stability of operation can be improved.
  • the pilot burner and the flame detector are installed also in the pulverized coal biomass mixed combustion burner 1 of a present Example.
  • the biomass fuel ejection nozzle 20 includes a biomass fuel transfer pipe 23 arranged in a horizontal direction, and a biomass fuel introduction pipe 21 connected to the biomass fuel transfer pipe 23 in a substantially vertical direction via a vent portion 28. Including. The biomass fuel flow flowing in from the biomass fuel introduction pipe 21 collides with the flat biomass reflector 22 provided in the vent portion 28 and is bent by approximately 90 °.
  • the introduced biomass fuel flow is smoothly bent by the curved pipe. For this reason, heavy fuel particles in the flow are unevenly distributed on the outer peripheral side of the curved pipe due to centrifugal force. As a result, at the curved pipe outlet, the fuel distribution in the pipe becomes uneven in the circumferential direction.
  • the biomass fuel flow collides with the flat biomass reflector 22 to disturb the flow, the uniformity of the fuel distribution in the pipe in the circumferential direction can be improved.
  • the biomass fuel flow conveyed by the primary air passes through the vent portion 28 provided with the biomass reflector 22 so that the bias in the circumferential direction is alleviated.
  • the concentration distribution of biomass fuel in the cross section of the flow is disturbed. Therefore, the fuel concentration distribution of the biomass fuel flow is adjusted by providing the biomass fuel swirl blade 25 downstream of the vent portion 28.
  • the biomass fuel swirl vane 25 is configured by providing a plurality of swirl vanes in the flow path downstream of the vent portion in the biomass fuel transport pipe 23.
  • the blades of the swirl blade are inclined with respect to the tube axis.
  • the swirl vanes swirl the inflowing biomass fuel flow around its axis, and use centrifugal force to distribute the fuel concentration thinly toward the center and densely toward the outer periphery, and adjust the concentration distribution to be substantially the same in the circumferential direction.
  • a biomass fuel rectifying plate 26 is provided on the inner wall of the pipe immediately upstream of the biomass fuel outlet 24 through which fuel is injected into the furnace.
  • the biomass fuel rectifying plate 26 can kill the swirl force of the biomass fuel flow given by the biomass fuel swirl blade 25 and can suppress the divergence angle of the fuel flow after ejection.
  • the biomass fuel rectifying plates 26 are arranged at substantially equal intervals in the circumferential direction, and are constituted by a plurality of flat plates provided along the tube axis. The number, size, inclination with respect to the tube axis, and the like of the flat plate in the biomass fuel rectifying plate 26 can be appropriately determined according to the swirl force of the biomass fuel flow and the divergence angle after ejection.
  • the tip of the biomass fuel jet port 24 is not provided with a funnel-like opening as seen in the pulverized coal fuel jet port 34 or the like, and is almost straight. For this reason, it is possible to discharge the biomass fuel flow to the core portion of the pulverized coal fuel flow formed on the outside without much spreading.
  • the pulverized coal fuel ejection nozzle 30 in the present embodiment is also connected to the pulverized coal fuel transfer pipe 33 arranged in the horizontal direction in a substantially vertical direction with respect to the pulverized coal fuel transfer pipe 33 via the vent portion 38.
  • a pulverized coal fuel introduction pipe 31 a pulverized coal fuel introduction pipe 31.
  • the pulverized coal fuel flow carried by the primary air flowing in from the pulverized coal fuel introduction pipe 31 collides with the flat pulverized coal fuel reflector 32 provided in the vent portion 38 and is bent by approximately 90 °. Since the pulverized coal fuel flow in this embodiment collides with the flat pulverized coal fuel reflector 32, the uniformity of the fuel distribution in the pipe in the circumferential direction can be improved.
  • the fuel concentration distribution of the pulverized coal fuel flow in the pulverized coal fuel transfer pipe 33 is adjusted using the pulverized coal fuel swirl blade 35 provided in the flow path of the pulverized coal fuel transfer downstream of the vent portion.
  • the pulverized coal fuel swirl vane 35 is configured by providing a plurality of swirl vanes between the outer wall of the biomass fuel transfer pipe 23 and the inner wall of the pulverized coal fuel transfer pipe 33.
  • the blades of the swirl blade are inclined with respect to the tube axis.
  • the swirl vane turns the inflowing pulverized coal fuel flow into a swirl flow swirling around the axis so that the fuel concentration is thinly distributed on the center side and densely on the outer peripheral side, and the concentration distribution is substantially the same in the circumferential direction. Arrange.
  • the pulverized coal fuel flow that has been swirled by the pulverized coal fuel swirl vanes 35 is jetted into the furnace from a pulverized coal fuel jet port 34 provided so as to surround the biomass fuel jet port 24.
  • a pulverized coal fuel rectifying plate 36 is provided on the inner wall of the pipe immediately upstream of the pulverized coal fuel outlet 34.
  • the pulverized coal fuel rectifying plate 36 kills the turning force of the pulverized coal fuel flow ejected into the furnace and suppresses the divergence angle of the fuel flow after ejection.
  • the pulverized coal fuel flame holder 37 is formed in a funnel shape and a step is provided to form a backflow vortex, thereby improving flame holding performance.
  • the pulverized coal fuel rectifying plate 36 is composed of a plurality of flat plates arranged substantially at equal intervals in the circumferential direction and substantially parallel to the tube axis, similar to the one provided at the biomass fuel outlet 24.
  • the number, size, direction, and the like of the pulverized coal fuel rectifying plate 36 can be determined as appropriate according to the turning force of the pulverized coal fuel flow and the divergence angle after ejection.
  • a biomass fuel stream is present, a pulverized coal fuel stream is formed to envelop it.
  • the pulverized coal fuel keeps the biomass fuel covered like a sheath immediately after being released into the furnace, and the biomass fuel becomes a pulverized coal flame. Wrapped and burned. For this reason, ignition and flame holding of biomass fuel can be ensured.
  • the secondary air and the tertiary air are mixed with the pulverized coal fuel flow extending from the pulverized coal fuel outlet 34 into the furnace to burn the pulverized coal fuel as part of the combustion air.
  • the secondary air is supplied as a buffer flow inside the tertiary air flow supplied in large quantities.
  • the supplied secondary air initially contacts the pulverized coal fuel stream and bends it inward, delaying the pulverized coal fuel stream from associating with the swirling flow of the tertiary air, thereby increasing the fuel concentration.
  • pulverized coal biomass burner 1 shown in FIGS. 1 and 2
  • air is taken in from a spiral wind box in order to form a swirling flow of tertiary air around the pulverized coal fuel outlet 34.
  • a tertiary air swirl vane 54 is provided in the vicinity of the intake port from the wind box of the tertiary air introduction pipe 51 of the tertiary air nozzle 50 so that the swirl strength can be adjusted.
  • secondary air also turns into a swirl flow like the tertiary air by introducing from a spiral wind box.
  • the burner shown in the figure is not provided with swirl vanes, but can be installed as required.
  • the biomass fuel stream is supplied from the core side of the burning pulverized coal fuel stream, so that it is easily ignited in the pulverized coal flame and the flame is stably maintained. Therefore, restrictions on the mixing ratio of biomass fuel and pulverized coal fuel are small, and a large amount of biomass fuel can be burned.
  • the pulverized coal biomass mixed combustion burner 1 can be used as a dedicated combustion burner for burning only the pulverized coal fuel.
  • the pulverized coal can be burned satisfactorily by supplying the biomass fuel injection nozzle 20 with air at a lower speed than the carrier air for the pulverized coal and biomass fuel as the core air.
  • pulverized coal burners usually require fine pulverization of coal in order to increase combustion efficiency. Usually, it is used as pulverized coal of 200 ⁇ m or less, preferably about 70 ⁇ m. Also in the biomass mixed burner of the present embodiment, for example, when the pulverized coal fuel that is treated so that the fuel particle diameter is 74 ⁇ m or less and occupy 80% is exclusively burned, the fuel conveyance to A / C (fuel (kg / h)) By adjusting the amount of air (Nm 3 / h): unit Nm 3 / kg) to a range of 1.7 to 3.0, pulverized coal is burned at a load factor of 40% to 100% with respect to the rated value. It has been confirmed that it can.
  • biomass fuel when the raw material is pulverized, as the particle size becomes smaller, the pulverization power increases rapidly and the economic efficiency deteriorates. Moreover, since biomass fuel is easier to burn than coal if the particle size is the same, the pulverized particles can be enlarged. For this reason, it is preferable to use a biomass fuel that has been pulverized to a particle size distribution of approximately 2 mm.
  • pulverized coal fuel is combusted by the pulverized coal fuel injection nozzle 30, and biomass fuel is supplied from the biomass fuel injection nozzle 20 into the pulverized coal flame for ignition and flame holding.
  • Biomass fuel is processed into granules having a particle size different from that of pulverized coal using a dedicated pulverizer different from that of pulverized coal.
  • the biomass fuel granules are conveyed by an air flow independent of the pulverized coal and supplied to the biomass fuel ejection nozzle 20.
  • the pulverized coal fuel and the biomass fuel can be burned with high efficiency in accordance with the optimum combustion conditions, without being limited by the mixed combustion rate.
  • FIG. 3 shows the burner load and A / C (the amount of air transported) when the proportion of biomass fuel in the fuel is 60 wt% (40 wt% for pulverized coal) in the pulverized coal biomass burner 1 of this embodiment.
  • the horizontal axis represents the burner load factor (%) as a percentage of the rating
  • the vertical axis represents A / C (Nm 3 / kg) related to biomass fuel.
  • ⁇ indicates a case where the ignitability and flame holding properties are good and the flame is stable in the combustion experiment
  • a X indicates a case where the flame holding properties are poor and the combustion is poor.
  • the shaded area shown in the figure is the recommended driving area.
  • the pulverized coal biomass mixed burner 1 of this example has a straight line from Bio A / C 0.5 to 1.6 when the load ratio is 100% at a biomass mixed combustion rate of 60 wt%.
  • the load factor is about 50%, it is an operation recommended region sandwiched by the straight line from Bio A / C 0.5 to 2.4 drawn in view of the plot position of poor combustion, and the upper side is The flame holding property can be assured by passing through the upper end point of the straight line when the load factor is 100% and the upper end point of the straight line when the load factor is about 50% and avoiding the x mark indicating poor combustion.
  • the graph represented by a thick solid line represents the transport limit flow velocity of 14.5 m / s at which the fuel does not stay in the pipe in the horizontally installed biomass fuel injection nozzle 20. In a practical device, it is desirable to operate in a dark shaded area above this curve.
  • the transport limit flow velocity changes according to the mounting posture of the biomass fuel ejection nozzle 20.
  • the pulverized coal biomass burner of the present invention By applying the pulverized coal biomass burner of the present invention to a new or existing boiler to constitute a pulverized coal biomass burner, combustion at a high biomass cofire rate can be realized.
  • the consumption of coal can be reduced by burning a large amount of biomass fuel, and thus CO2 emission originating from fossil fuel can be suppressed.
  • the biomass fuel is combusted in a reducing atmosphere, so that the NOx of the combustion exhaust gas can be reduced.
  • Pulverized coal biomass burner 10 Auxiliary fuel nozzle 11 Auxiliary fuel conveyance pipe 12 Auxiliary fuel injection nozzle 20 Biomass fuel injection nozzle 21 Biomass fuel introduction pipe 22 Biomass reflector 23 Biomass fuel conveyance pipe 24 Biomass fuel injection outlet 25 Biomass fuel swirl vane 26 Biomass fuel rectifier plate 28 Biomass fuel vent part 30 Pulverized coal fuel injection nozzle 31 Pulverized coal fuel introduction pipe 32 Pulverized coal fuel reflector 33 Pulverized coal fuel transport pipe 34 Pulverized coal fuel outlet 35 Pulverized coal fuel swirl blade 36 Pulverized coal fuel rectifier 36 Plate 37 Pulverized coal fuel flame holder 38 Pulverized coal fuel vent 40 Secondary air nozzle 41 Secondary air introduction pipe 42 Secondary air conveying pipe 43 Secondary air widening ring 50 Tertiary air nozzle 51 Tertiary air introduction pipe 52 Tertiary air throat 53 Tertiary air widening ring 54 Tertiary air swirl vane

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Abstract

　補助燃料としてバイオマス燃料を大量に燃焼させることができ、バイオマス燃料が十分でない場合は微粉炭のみでも燃焼させることができる微粉炭バイオマス混焼バーナを提供する。微粉炭バイオマス混焼バーナ１は、微粉炭バイオマス混焼バーナ１の軸に沿ったバイオマス燃料噴出ノズル２０と、バイオマス燃料噴出ノズルを取り囲む微粉炭燃料噴出ノズル３０と、微粉炭燃料噴出ノズルを取り囲む二次空気ノズル４０と、二次空気噴出ノズルを取り囲む三次空気ノズル５０と、を備えている。炉内に形成される着火保炎性の良い微粉炭燃料の火炎の内側に、バイオマス燃料流を噴出させるようにする。

Description

微粉炭バイオマス混焼バーナおよび燃料燃焼方法
　本発明は、バイオマス燃料を微粉炭と一緒に燃焼させる微粉炭バイオマス混焼バーナおよび燃料燃焼方法に関する。
　近年、地球温暖化対策の計画的な推進実行が望まれている。最近では、日本において排出される温室効果ガスのうちエネルギー起源のＣＯ２が約９割を占める。さらに全発電のうち石炭火力発電が５０％のＣＯ２を排出する状況にある。従って、石炭焚き火力発電設備に関して、環境負荷の低い新エネルギーの利用促進が求められる。
　有機物は、地球上で自然に分解・吸収・放出を繰り返して循環しているため、有機物を燃焼するときに排出されるＣＯ２は、同量のＣＯ２吸収源を確保することで、収支を均衡させることができる。このように、バイオマスはカーボンニュートラルな燃料であるので、バイオマス発電は、化石燃料の節約とＣＯ２排出量の削減が可能な新エネルギーとして大きな期待を担っている。収集が容易なバイオマスとして、木質ペレット、木質チップなどがある。
　また、バイオマス燃料は窒素成分の含有量が少ないため、石炭焚きボイラにおいてバイオマスを補助燃料として使用すれば、燃焼排ガスの低ＮＯｘ化を図ることができる。
　このような状況の下、新エネルギー等の利用を推進するため、石炭焚き火力発電用ボイラにおいて、バイオマスを補助燃料として利用したバイオマス混焼方式の導入が求められている。
　バイオマスを使用するボイラとして、微粉炭とバイオマス燃料を混合した粉体燃料を燃焼させる混焼ボイラがある。代表的な方式は、従来の微粉炭焚きボイラを利用して、たとえばローラミルなど石炭を微粉砕するミルにバイオマス原料を加えて微粉炭とバイオマスの混合燃料を製造し、これを搬送空気に載せて微粉炭バーナで燃焼させるものである。
　ローラミルでは、バーナの燃焼効率を上げるため、石炭を通常２００μｍ以下、好ましくは７０μｍ程度の微粉炭にする。このとき、石炭とバイオマス原料を一緒に処理してバイオマス燃料も微細に粉砕する。製造された混合燃料は、製品粒度が悪化して１００μｍ以上の粗い成分が増加し、製品燃料の粒度分布が粗い方と細かい方の両方に広がる。また、バイオマス原料を微粉砕するためには大きな動力が必要となり原単位を増加させる。
　さらに、バイオマス燃料と石炭では燃焼特性が異なる。たとえば揮発分は、石炭の２倍である。発熱量は、木質ペレットの場合は石炭の２／３、木質チップの場合は１／２である。また灰分は、木質ペレットや木質チップの場合は、石炭の１／１０以下である。一方、バイオマス燃料と微粉炭では燃焼に必要な空気量が異なる。このため、一定の空気量で両者を混焼する場合、燃焼可能な微粉炭とバイオマスの混合比によっては、燃焼が必ずしも適正な状態でなくなる。微粉炭バーナを使ったボイラにおけるバイオマス燃料混合比（熱量比）の工業的実績値は３％であり、限界は５％程度と推定される。
　バイオマス燃料の高い混焼率を得るため、バイオマス専焼バーナを併設して微粉炭とバイオマス燃料をそれぞれ燃焼させるようにすることが考えられる。
　バイオマス燃料は、細かく粉砕するほど粉砕に要する動力が増大し、原単位を増加させる。一方、バイオマス燃料は、同じ粒径であれば石炭より燃えやすいため、粉砕粒を小さくする必要がない。
　微粉炭専焼バーナとバイオマス専焼バーナを併用する場合は、微粉炭と独立して、バイオマス燃料に適した条件で粉砕機を運転することができる。また、微粉炭燃料に対して適宜な混焼割合を選んでボイラを運転することができる。
　特許文献１には、微粉炭とバイオマス燃料を別系統でそれぞれ火炉に投入して燃焼させる混焼ボイラに適用するバイオマス専焼バーナが開示されている。開示されたバイオマス専焼バーナのバイオマス燃料噴出ノズルは、ノズル内の中心部中央に設けられ、バイオマス燃料の偏流を防止する分散装置と、ノズル内の上流部に設けられ、燃料の流速を上昇させて分散装置にバイオマス燃料粒子を衝突させるためのベンチュリーと、ノズルの先端に設けられ、バイオマス燃料の流れを急拡大させる階段状拡大構造の保炎器と、ノズルの外側に設けられ、二次空気の旋回流を供給する燃焼用空気ノズルと、を備えている。
　バイオマス専焼バーナは、所定量のバイオマス燃料を燃焼させるために最適化したものであり、適用する火炉において求められるバイオマス燃料処理量に応じて設置数を決めることができる。特許文献１には、混焼率１５％を実現した実施例が記載されている。
　また、特許文献２には、微粉炭とバイオマス燃料の混焼バーナを使用したボイラ、および、起動用または補助用バーナを流用してバイオマス燃料を間欠供給して燃焼させるバイオマス燃料燃焼用バーナとして使用したボイラが開示されている。ただし、特許文献２には、バイオマス専焼バーナの具体的形態、使用上の問題点、解決方法などが記載されていない。
　なお、特許文献３は、微粉炭専焼バーナを開示したものである。開示されたバーナは、バイオマス燃料と比較して発熱量が大きく、燃焼に必要な空気量が大きく、比重が大きく、最適な粒度が小さい微粉炭に適合するものである。このため、そのままバイオマス燃料用に転用することはできない。
特開２００５－２９１５３４号公報 特開２００５－２９１５２４号公報 特開平９－２６１１２号公報
　微粉炭バイオマス混焼ボイラなどで補助燃料として使用するバイオマスは、燃焼量が大きいほど望ましい。しかし、バイオマス原料の供給は、現状では必ずしも安定していない。
　そこで本発明が解決しようとする課題は、補助燃料としてバイオマス燃料を大量に燃焼させるだけでなく、バイオマス燃料が十分でない場合は微粉炭のみでも燃焼させることができる微粉炭バイオマス混焼バーナおよび燃料燃焼方法を提供することである。
　上記課題を解決するため、本発明の微粉炭バイオマス混焼バーナは、バイオマス燃料用一次空気によって搬送されたバイオマス燃料をバイオマス燃料流として噴出するバイオマス燃料噴出口を有するバイオマス燃料噴出ノズルと、バイオマス燃料噴出口の開口を取り囲むとともに微粉炭燃料用一次空気によって搬送された微粉炭燃料を微粉炭燃料流として噴出する微粉炭燃料噴出口を有する微粉炭燃料噴出ノズルと、微粉炭燃料噴出口の開口を取り囲むとともに二次空気を噴出する二次空気噴出口を有する二次空気ノズルと、二次空気噴出口を取り囲むとともに三次空気の旋回流を噴出する三次空気噴出口を有する三次空気ノズルと、を備える微粉炭バイオマス混焼バーナである。
　また本発明の燃料燃焼方法は、本発明の微粉炭バイオマス混焼バーナを用いてバイオマス燃料および微粉炭燃料を燃焼させる燃料燃焼方法である。
　バイオマス燃料噴出ノズルは、バイオマス燃料流の流路を形成するバイオマス燃料搬送管と、バイオマス燃料流を前記バイオマス燃料搬送管の軸周りに旋回する旋回流に変換して、燃料濃度を、バイオマス燃料搬送管の軸側に薄く、バイオマス燃料搬送管の外周壁側に濃く分布させるバイオマス燃料旋回羽根と、を備える。バイオマス燃料噴出口の管端は、管軸に平行になっている。バイオマス燃料噴出ノズルは、管端の上流の管内壁に設けられ、該バイオマス燃料噴出口から噴出する燃料流の旋回を抑制するバイオマス燃料整流板をさらに備える。
　また、微粉炭燃料噴出ノズルは、微粉炭燃料流の流路を形成する微粉炭燃料搬送管と、微粉炭燃料流を、バイオマス燃料噴出ノズルの外周を旋回する旋回流に変換して、燃料濃度を、微粉炭燃料搬送管の軸側に薄く、微粉炭燃料搬送管の外周壁側に濃く分布させる微粉炭燃料旋回羽根と、微粉炭燃料噴出口の管端にロート状に開口する保炎器と、保炎器の上流の管内壁に設けられ、微粉炭燃料噴出口から噴出する燃料流の旋回を抑制する微粉炭燃料整流板と、を備える。
　さらに、二次空気噴出口から噴出する二次空気が、微粉炭燃料流と三次空気の旋回流の間に緩衝流を形成する。バイオマス燃料噴出口から噴出するバイオマス燃料流が微粉炭燃料噴出口から噴出する微粉炭燃料流に包み込まれるように、微粉炭燃料流が形成される。
　本発明の微粉炭バイオマス混焼バーナでは、空気搬送されたバイオマス燃料流が、バイオマス燃料噴出ノズルの内部で旋回流化され、ノズルの管壁側で燃料成分が濃くなった燃料流となる。その後、バイオマス燃料流は、旋回度を抑制されて、バーナ軸側に設けられるバイオマス燃料噴出口の直管状の開口部から比較的径が拡がらない燃料流となって炉内に噴出する。
　さらに、空気搬送された微粉炭燃料流が、微粉炭燃料噴出ノズルの内部で旋回流化され、ノズルの管壁側で燃料成分が濃くなった燃料流となる。その後、微粉炭燃料流は、旋回度を抑制されて、バイオマス燃料流の外周部からバイオマス燃料の噴出流を包むようにして炉内に噴出される。
　微粉炭燃料流の外周には二次空気が供給され、さらに二次空気の外周に三次空気が供給される。
　微粉炭燃料噴出口の管端に保炎器が設けられるため、炉内に微粉炭を分散させ、かつ比較的大きな逆流域を発生させて、これによって、バーナの着火を容易にし、かつ火炎を保持し易くさせている。
　また、微粉炭燃料流は、ロート状に開口する保炎器に導かれ炉内に噴出されて拡散する。この場合、燃焼用空気の噴出口から噴出する二次空気や三次空気の燃焼用空気を外側にそらせて流すことにより、微粉炭燃料と空気の混合を遅らせ、還元雰囲気で燃焼させてＮＯｘの低減を図ることができる。
　バイオマス燃料は、保炎性の良い微粉炭の火炎中に噴出されて、着火し保炎する。このため、バイオマス燃料は、微粉炭燃料に対して低い混合率から高い混合率まで広い範囲で、安定して燃焼することができる。本発明の微粉炭バイオマス混焼バーナは、バイオマス混焼率６０％（重量比）でも良好な燃焼ができ、かつ、微粉炭のみを燃焼させることもできる。
　本発明の微粉炭バイオマス混焼バーナでは、微粉炭燃料の供給路とバイオマス燃料の供給路は独立している。このため、バイオマス燃料と微粉炭燃料は、それぞれ別の粉砕機を用いて、それぞれに適した粒度まで粉砕することができる。たとえば、バイオマス燃料を、過剰な動力を掛けない約２ｍｍ以下の粒度分布を持つように調整することにより、エネルギー効率が向上する。また、バイオマス燃料と微粉炭について、それぞれ独立に最適な搬送用一次空気量を選択することができる。
　本発明の微粉炭バイオマス混焼バーナは、バイオマス燃料を、微粉炭に対する補助燃料として大量に燃焼させることができる。また、バイオマス燃料を還元雰囲気中で燃焼させるため、ＮＯｘの生成を抑制することができる。さらに、バイオマス燃料のカーボンニュートラル性のため、化石燃料の燃焼の場合と比較して、大気中のＣＯ２増加を実質的に抑制することができる。
　さらに、本発明の微粉炭バイオマス混焼バーナを適用した微粉炭バイオマス混焼ボイラは、バイオマス燃料を補助燃料として使用することにより石炭消費量を削減すると共に、排ガス中のＮＯｘを低減し、かつ化石燃料起源のＣＯ２排出量を削減することができる。
本発明の１実施例に係る微粉炭バイオマス混焼バーナの概略断面図である。 本実施例に係る微粉炭バイオマス混焼バーナの噴出口部分の拡大断面図である。 本実施例の微粉炭バイオマス混焼バーナの運転範囲を示すバーナ負荷・Ａ／Ｃ関係図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
　図１は本発明の１実施例に係る微粉炭バイオマス混焼バーナの概略断面図、図２はバーナの噴出口部分の拡大断面図である。
　本実施例の微粉炭バイオマス混焼バーナ１は、図１に示すように、バイオマス燃料噴出ノズル２０を中心に備え、その外側に同軸に順次、微粉炭燃料噴出ノズル３０、二次空気ノズル４０および三次空気ノズル５０を備える。なお、バイオマス燃料噴出ノズル２０の管軸に、補助用あるいは起動用の液体燃料やガス燃料を供給する補助燃料ノズル１０を設けても良い。
　バイオマス燃料噴出ノズル２０は、バイオマス燃料用一次空気によって搬送されたバイオマス燃料を、微粉炭バイオマス混焼バーナ１の中心から炉内に供給するものである。バイオマス燃料噴出ノズル２０は、バイオマス燃料導入管２１、バイオマス燃料反射板２２、バイオマス燃料搬送管２３およびバイオマス燃料噴出口２４を有している。
　バイオマス燃料搬送管２３内のバイオマス燃料噴出口２４の上流に、バイオマス燃料旋回羽根２５が設けられる。バイオマス燃料旋回羽根２５は、バイオマス燃料搬送管２３内のバイオマス燃料流の流路中に設けられている。例えばバイオマス燃料旋回羽根２５を補助燃料ノズル１０の外壁に固定することができる。
　さらに、バイオマス燃料噴出口２４の端部における管内壁に、バイオマス燃料整流板２６が設けられる。バイオマス燃料整流板２６は、管軸に対してほぼ平行に並べた複数の障壁板で構成されるものである。バイオマス燃料整流板２６は、バイオマス燃料流の旋回速度を緩め遠心力を弱めて、管口におけるバイオマス燃料の放出角度を抑制する働きを有する。
　微粉炭燃料噴出ノズル３０は、微粉炭用一次空気によって搬送された微粉炭燃料をバイオマス燃料噴出口２４の周囲から炉内に供給するものである。微粉炭燃料噴出ノズル３０は、微粉炭燃料導入管３１、微粉炭燃料反射板３２、微粉炭燃料搬送管３３および微粉炭燃料噴出口３４を有している。
　微粉炭燃料搬送管３３の中間部に、微粉炭燃料旋回羽根３５が設けられる。また、微粉炭燃料搬送管３３の先端部の管内壁に、微粉炭燃料整流板３６が設けられる。さらに微粉炭燃料噴出口３４には、微粉炭燃料保炎器３７が設けられる。微粉炭燃料保炎器３７は、噴出流を外側に拡大させるロート状の拡幅リングを有しており、拡幅リングの中間には、噴出流に停滞や逆流を形成させて着火性や保炎性を向上させるために微小な段差が設けられている。
　微粉炭燃料噴出口３４から炉内に噴出される微粉炭燃料流は、バイオマス燃料噴出口２４から噴出されるバイオマス燃料流を包み込むように形成される。
　微粉炭燃料噴出ノズル３０を取り囲むように、二次空気ノズル４０が設けられる。二次空気ノズル４０は、二次空気導入管４１、二次空気搬送管４２および二次空気拡幅リング４３を備えている。二次空気ノズル４０は、図示しない渦巻き形状の風箱から旋回する二次空気を取り込んで、微粉炭燃料噴出口３４の周囲に形成した二次空気供給口から二次空気を炉内に供給する。二次空気は、二次空気供給口に設けられた二次空気拡幅リング４３を介して、微粉炭燃料流の外側に供給される。
　さらに、二次空気ノズル４０を取り囲むように三次空気ノズル５０が設けられる。三次空気ノズル５０は、三次空気導入管５１、三次空気スロート５２および三次空気拡幅リング５３を備えている。三次空気ノズル５０は、図示しない渦巻き形状の風箱から旋回する三次空気を取り込み、二次空気供給口を囲むように形成した三次空気供給口から、微粉炭燃料流の外側に三次空気を供給する。なお、三次空気の旋回強度は、取り込み口に設けた三次空気旋回ベーン５４で調整することができる。
　補助燃料ノズル１０は、微粉炭バイオマス混焼バーナ１の軸位置に設けられた補助燃料搬送管１１と補助燃料噴出口１２で構成されている。補助燃料ノズル１０は、微粉炭系統のトラブル時などに使用する補助用あるいは起動用の液体燃料やガス燃料を供給する燃料供給管である。補助燃料ノズル１０を付加することにより、運転の安定性を高めることができる。
　また、図示しないが、本実施例の微粉炭バイオマス混焼バーナ１にも、パイロットバーナや火炎検知器が設置されている。
　本実施例におけるバイオマス燃料噴出ノズル２０では、水平に設置した配管中においてバイオマス燃料が滞留しないよう、流速１４．５ｍ／ｓ程度以上になる量の一次空気が用いられる。なお、バイオマス燃料流の流速は、速すぎても着火・保炎性が劣化するので、３０ｍ／ｓ程度までに抑えることが好ましい。
　バイオマス燃料噴出ノズル２０は、水平方向に配置されたバイオマス燃料搬送管２３と、バイオマス燃料搬送管２３に対してベント部２８を介してほぼ垂直の方向に接続されたバイオマス燃料導入管２１と、を含む。バイオマス燃料導入管２１から流入するバイオマス燃料流は、ベント部２８に設けられた平らなバイオマス反射板２２に衝突してほぼ９０°曲げられる。
　ベント部２８が曲管で形成されている場合は、導入されたバイオマス燃料流が曲管によって滑らかに曲げられる。このため、流れ中の重い燃料粒子は、遠心力のために曲管の外周側に偏在するようになる。この結果、曲管出口では、配管内の燃料分布が周方向に不均等になる。ここで本実施例のノズルでは、平板のバイオマス反射板２２にバイオマス燃料流を衝突させて流れを乱すため、配管内の燃料分布の周方向における均等性を高めることができる。
　一次空気で搬送されたバイオマス燃料流は、バイオマス反射板２２を設けたベント部２８を通過することによって、周方向における偏りが緩和する。一方、流れの断面におけるバイオマス燃料の濃度分布は乱れている。従って、ベント部２８の下流にバイオマス燃料旋回羽根２５を設けることによって、バイオマス燃料流の燃料濃度分布を調整する。
　バイオマス燃料旋回羽根２５は、バイオマス燃料搬送管２３におけるベント部下流の流路中に旋回羽根を複数設けることで構成される。旋回羽根の羽根は、管軸に対して傾いている。旋回羽根は、流入するバイオマス燃料流を軸周りに旋回させ、遠心力を使って燃料濃度を中心側に薄く外周側に濃く分布させると共に、濃度分布が周方向にほぼ同一になるように整える。
　さらに、炉内に燃料を噴出させるバイオマス燃料噴出口２４の直ぐ上流の管内壁に、バイオマス燃料整流板２６が設けられる。バイオマス燃料整流板２６は、バイオマス燃料旋回羽根２５で与えられたバイオマス燃料流の旋回力を殺ぎ、噴出後の燃料流の放散角を抑えることができる。バイオマス燃料整流板２６は、周方向にほぼ等間隔に配置され、管軸に沿って設けた複数の平板で構成される。バイオマス燃料整流板２６における平板の数、大きさ、管軸に対する傾きなどは、バイオマス燃料流の旋回力および噴出後の放散角に応じて適宜に決めることができる。
　なお、バイオマス燃料噴出口２４の先端には、微粉炭燃料噴出口３４などに見られるロート状の開口は設けられておらず、ほぼ直管の状態になっている。このため、バイオマス燃料流を余り拡げずに、外側に形成される微粉炭燃料流の芯の部分に放出することができる。
　また、本実施例における微粉炭燃料噴出ノズル３０も、水平方向に配置された微粉炭燃料搬送管３３と、微粉炭燃料搬送管３３に対してベント部３８を介してほぼ垂直の方向に接続された微粉炭燃料導入管３１と、を含む。微粉炭燃料導入管３１から流入する、一次空気によって搬送された微粉炭燃料流は、ベント部３８に設けられた平らな微粉炭燃料反射板３２に衝突してほぼ９０°曲げられる。本実施例における微粉炭燃料流は、平板の微粉炭燃料反射板３２に衝突されるため、配管内の燃料分布の周方向における均等性を高めることができる。
　さらに、ベント部下流の微粉炭燃料搬送の流路中に設けられた微粉炭燃料旋回羽根３５を用いて、微粉炭燃料搬送管３３内の微粉炭燃料流の燃料濃度分布を調整する。
　微粉炭燃料旋回羽根３５は、バイオマス燃料搬送管２３の外壁と微粉炭燃料搬送管３３の内壁との間に旋回羽根を複数設けることで構成される。旋回羽根の羽根は、管軸に対して傾いている。旋回羽根は、流入する微粉炭燃料流を軸周りに旋回する旋回流にすることにより、燃料濃度を中心側に薄く外周側に濃く分布させると共に、濃度分布が周方向にほぼ同一になるように整える。
　微粉炭燃料旋回羽根３５で旋回流となった微粉炭燃料流は、バイオマス燃料噴出口２４を取り囲むように設けられた微粉炭燃料噴出口３４から、炉内に噴出される。
　微粉炭燃料噴出口３４の直ぐ上流の管内壁に、微粉炭燃料整流板３６が設けられる。微粉炭燃料整流板３６は、炉内に噴出される微粉炭燃料流の旋回力を殺いで、噴出後の燃料流の放散角を抑えるようにしている。また、微粉炭燃料保炎器３７をロート状にしかつ段を設けることで逆流渦を形成し、保炎性を向上させている。
　微粉炭燃料整流板３６は、バイオマス燃料噴出口２４に設けられたものと同様に、周方向にほぼ等間隔に配置された、管軸にほぼ平行な複数の平板で構成される。微粉炭燃料整流板３６における平板の数、大きさ、向きなどは、微粉炭燃料流の旋回力と噴出後の放散角に応じて適宜に決めることができる。
　バイオマス燃料流が存在するときは、これを包み込むように微粉炭燃料流が形成される。
　バイオマス燃料流は微粉炭燃料流より放出角が小さいため、炉内に放出された直後も、微粉炭燃料がバイオマス燃料を鞘のように覆った状態を維持して、バイオマス燃料が微粉炭火炎に包まれて燃焼する。このため、バイオマス燃料の着火および保炎を確実にすることができる。
　二次空気と三次空気は、微粉炭燃料噴出口３４から炉内に拡がる微粉炭燃料流に混ざって、燃焼用空気の一部として微粉炭燃料を燃焼させる。
　二次空気は、大量に供給される三次空気流の内側に緩衝流として供給される。　供給された二次空気は、微粉炭燃料流と初めに接触してこれを内側に屈曲させて、微粉炭燃料流が三次空気の旋回流と会合するのを遅らせ、これによって燃料濃度が高い状態を持続させることにより、安定した着火性能を確保し、かつ保炎性を向上させる作用を有する。また、低酸素での燃焼時間を確保して、より効果的にＮＯｘを低減させることができる。
　図１および図２に示す微粉炭バイオマス混焼バーナ１においては、微粉炭燃料噴出口３４の周囲に三次空気の旋回流を形成するために、渦巻き形状の風箱から空気を取り入れる。また、三次空気ノズル５０の三次空気導入管５１の風箱からの取り入れ口近傍に三次空気旋回ベーン５４を設けて、旋回強度を調整できるようにしている。なお、二次空気も、三次空気と同様に、渦巻き形状の風箱から導入することで旋回流になる。図に示したバーナには旋回ベーンを設けていないが、必要に応じて設置することもできる。
　バイオマス燃料流は、燃焼している微粉炭燃料流の芯側から供給されるので、微粉炭火炎中で容易に着火され安定に火炎が保持される。したがって、バイオマス燃料と微粉炭燃料の混合率に対する制約が小さく、大量のバイオマス燃料を燃焼させることができる。また、バイオマス燃料が不足する場合には、微粉炭バイオマス混焼バーナ１を、微粉炭燃料のみを燃焼させる専焼バーナとして利用することもできる。なお、微粉炭を専焼させるときには、バイオマス燃料噴出ノズル２０にコアエアとして、微粉炭およびバイオマス燃料の搬送空気よりも低速の空気を供給することにより、微粉炭を良好に燃焼させることができる。
　従来の微粉炭バーナでは、通常、燃焼効率を上げるため石炭を微粉砕する必要がある。通常は２００μｍ以下、好ましくは７０μｍ程度の微粉炭にして使用している。
　本実施例のバイオマス混焼バーナにおいても、たとえば、燃料の粒子径が７４μｍ以下で８０％を占めるように処理された微粉炭燃料を専焼するとき、Ａ／Ｃ（燃料（ｋｇ／ｈ）に対する燃料搬送空気量（Ｎｍ３／ｈ）：単位Ｎｍ３／ｋｇ）を１．７～３．０の範囲に調整することにより、定格値に対する負荷率が４０％～１００％の範囲で微粉炭を燃焼させることができることが確かめられている。
　一方、バイオマス燃料では、原料を粉砕するときは粒度が小さくなるにつれて、粉砕電力が急激に増大し、経済性が悪くなる。また、バイオマス燃料は、同じ粒径であれば石炭よりも燃えやすいので、粉砕粒を大きくすることができる。このため、バイオマス燃料では、ほぼ２ｍｍアンダーの粒度分布まで粉砕したものを使用することが好ましい。
　本実施例の微粉炭バイオマス混焼バーナ１では、微粉炭燃料を微粉炭燃料噴出ノズル３０で燃焼させ、またバイオマス燃料をバイオマス燃料噴出ノズル２０から微粉炭火炎の中に供給して着火・保炎させる。バイオマス燃料は、微粉炭と異なる専用の粉砕機を用いて、微粉炭と異なる粒度を持つ粒体に加工される。バイオマス燃料の粒体は、微粉炭と独立した空気流によって搬送されて、バイオマス燃料噴出ノズル２０に供給される。
　このように、微粉炭燃料とバイオマス燃料は、混焼率に余り縛られることなく、それぞれ最適な燃焼条件に合わせて高い効率で燃焼されることができる。
　図３は、本実施例の微粉炭バイオマス混焼バーナ１において、燃料中のバイオマス燃料の割合が６０重量％（微粉炭は４０重量％）であるときのバーナ負荷とＡ／Ｃ（搬送空気量を燃料投入量で割った値）の関係を示す図である。図においては、横軸が、定格に対する割合としてバーナ負荷率（％）を表し、縦軸が、バイオマス燃料に係るＡ／Ｃ（Ｎｍ３／ｋｇ）を表す。図中の○印は、燃焼実験において着火性と保炎性が良好で火炎が安定していたケースを示し、×印は、保炎性等が悪く燃焼が不良であったケースを示す。図に示した影の領域が、運転推奨領域である。
　本実施例の微粉炭バイオマス混焼バーナ１は、図３に示すように、バイオマス混焼率６０重量％においては、負荷率１００％のときの、バイオＡ／Ｃ０．５から１．６までの直線と、負荷率約５０％のときの、燃焼不良のプロット位置に鑑みて引かれた、バイオＡ／Ｃ０．５から２．４までの直線とによって挟まれた運転推奨領域であって、その上辺が、負荷率１００％のときの上記直線の上側端点と負荷率約５０％のときの上記直線の上側端点とを通るとともに燃焼が不良な×印を避けて引かれた、保炎性が保証できる上限界線で仕切られ、その下辺が直線で仕切られた運転推奨領域において、工業的に使用ができることが分かった。
　なお、負荷率５０％以下では、バイオマス燃料流中の燃料濃度が小さくなり、安定した着火や保炎が得られ難くなるので、勧められない。
　図中に太い実線で表したグラフは、水平に設置したバイオマス燃料噴出ノズル２０において、管内に燃料が滞留しない搬送限界流速１４．５ｍ／ｓを表したものである。実地の装置では、この曲線より上の、濃い影の領域で運転することが望ましい。なお、搬送限界流速は、バイオマス燃料噴出ノズル２０の取付姿勢に応じて変化する。
　本発明の微粉炭バイオマス混焼バーナを新設のあるいは既存のボイラに適用して微粉炭バイオマス混焼ボイラを構成することにより、高いバイオマス混焼率での燃焼を実現することができる。本実施例の微粉炭バイオマス混焼バーナを使用した微粉炭バイオマス混焼では、大量のバイオマス燃料を燃焼させることにより、石炭消費量の節減ができ、このため化石燃料起源のＣＯ２放散を抑制することができる。また、微粉炭バイオマス混焼ボイラでは、バイオマス燃料を還元雰囲気中で燃焼させるため、燃焼排ガスの低ＮＯｘ化を図ることができる。
１　微粉炭バイオマス混焼バーナ
１０　補助燃料ノズル
１１　補助燃料搬送管
１２　補助燃料噴出口
２０　バイオマス燃料噴出ノズル
２１　バイオマス燃料導入管
２２　バイオマス反射板
２３　バイオマス燃料搬送管
２４　バイオマス燃料噴出口
２５　バイオマス燃料旋回羽根
２６　バイオマス燃料整流板
２８　バイオマス燃料ベント部
３０　微粉炭燃料噴出ノズル
３１　微粉炭燃料導入管
３２　微粉炭燃料反射板
３３　微粉炭燃料搬送管
３４　微粉炭燃料噴出口
３５　微粉炭燃料旋回羽根
３６　微粉炭燃料整流板
３７　微粉炭燃料保炎器
３８　微粉炭燃料ベント部
４０　二次空気ノズル
４１　二次空気導入管
４２　二次空気搬送管
４３　二次空気拡幅リング
５０　三次空気ノズル
５１　三次空気導入管
５２　三次空気スロート
５３　三次空気拡幅リング
５４　三次空気旋回ベーン

Claims (12)

  1. 　微粉炭バイオマス混焼バーナであって、
    　バイオマス燃料用一次空気によって搬送されたバイオマス燃料をバイオマス燃料流として噴出するバイオマス燃料噴出口を有するバイオマス燃料噴出ノズルと、
    　前記バイオマス燃料噴出口の開口を取り囲むとともに微粉炭燃料用一次空気によって搬送された微粉炭燃料を微粉炭燃料流として噴出する微粉炭燃料噴出口を有する微粉炭燃料噴出ノズルと、
    　前記微粉炭燃料噴出口の開口を取り囲むとともに二次空気を噴出する二次空気噴出口を有する二次空気ノズルと、
    　前記二次空気噴出口を取り囲むとともに三次空気の旋回流を噴出する三次空気噴出口を有する三次空気ノズルと、を備え、
    　前記バイオマス燃料噴出ノズルは、前記バイオマス燃料流の流路を形成するバイオマス燃料搬送管と、前記バイオマス燃料流を前記バイオマス燃料搬送管の軸周りに旋回する旋回流に変換して、燃料濃度を、前記バイオマス燃料搬送管の軸側に薄く、前記バイオマス燃料搬送管の外周壁側に濃く分布させる、バイオマス燃料旋回羽根を備え、
    　前記バイオマス燃料噴出口の管端が、管軸に平行になっており、
    　前記バイオマス燃料噴出ノズルは、管端の上流の管内壁に設けられ、前記バイオマス燃料噴出口から噴出する前記バイオマス燃料流の旋回を抑制するバイオマス燃料整流板をさらに備え、
    　前記微粉炭燃料噴出ノズルは、前記微粉炭燃料流の流路を形成する微粉炭燃料搬送管と、前記微粉炭燃料流を、前記バイオマス燃料噴出ノズルの外周を旋回する旋回流に変換して、燃料濃度を前記微粉炭燃料搬送管の外周壁側に濃く分布させる微粉炭燃料旋回羽根と、前記微粉炭燃料噴出口の管端に設けられ、ロート状に開口する保炎器と、前記保炎器の上流の管内壁に設けられ、前記微粉炭燃料噴出口から噴出する前記微粉炭燃料流の旋回を抑制する微粉炭燃料整流板と、を備え、
    　前記二次空気噴出口から噴出する前記二次空気が、前記微粉炭燃料流と前記三次空気の旋回流との間に緩衝流を形成し、
    　前記バイオマス燃料噴出口から噴出した前記バイオマス燃料流が前記微粉炭燃料噴出口から噴出した前記微粉炭燃料流に包み込まれるように、前記微粉炭燃料流が形成されることを特徴とする微粉炭バイオマス混焼バーナ。
  2. 　前記バイオマス燃料噴出ノズルは、前記バイオマス燃料旋回羽根の上流に位置するバイオマス燃料ベント部を有し、前記微粉炭燃料噴出ノズルは、前記微粉炭燃料旋回羽根の上流に位置する微粉炭燃料ベント部を有することを特徴とする請求項１記載の微粉炭バイオマス混焼バーナ。
  3. 　前記バイオマス燃料用一次空気は、前記バイオマス燃料噴出ノズルの管内で燃料搬送流の速度を１４．５ｍ／ｓから３０ｍ／ｓの範囲内に収める量が供給されることを特徴とする請求項１記載の微粉炭バイオマス混焼バーナ。
  4. 　前記バイオマス燃料用一次空気は、前記バイオマス燃料噴出ノズルの管内で燃料搬送流の速度を１４．５ｍ／ｓから３０ｍ／ｓの範囲内に収める量が供給されることを特徴とする請求項２記載の微粉炭バイオマス混焼バーナ。
  5. 　燃料中のバイオマス燃料の割合が６０重量％である場合、前記微粉炭バイオマス混焼バーナの負荷率が１００％のときの、バイオマス燃料に係るＡ／Ｃが０．５から１．６までの直線と、前記微粉炭バイオマス混焼バーナの負荷率が５０％のときの、バイオマス燃料のＡ／Ｃに係る０．５から２．４までの直線とによって挟まれた運転推奨領域において前記微粉炭バイオマス混焼バーナが使用されるよう、前記バイオマス燃料用一次空気が供給される、請求項１記載の微粉炭バイオマス混焼バーナ。
  6. 　燃料中のバイオマス燃料の割合が６０重量％である場合、前記微粉炭バイオマス混焼バーナの負荷率が１００％のときの、バイオマス燃料に係るＡ／Ｃが０．５から１．６までの直線と、前記微粉炭バイオマス混焼バーナの負荷率が５０％のときの、バイオマス燃料のＡ／Ｃに係る０．５から２．４までの直線とによって挟まれた運転推奨領域において前記微粉炭バイオマス混焼バーナが使用されるよう、前記バイオマス燃料用一次空気が供給される、請求項２記載の微粉炭バイオマス混焼バーナ。
  7. 　燃料中のバイオマス燃料の割合が６０重量％である場合、前記微粉炭バイオマス混焼バーナの負荷率が１００％のときの、バイオマス燃料に係るＡ／Ｃが０．５から１．６までの直線と、前記微粉炭バイオマス混焼バーナの負荷率が５０％のときの、バイオマス燃料のＡ／Ｃに係る０．５から２．４までの直線とによって挟まれた運転推奨領域において前記微粉炭バイオマス混焼バーナが使用されるよう、前記バイオマス燃料用一次空気が供給される、請求項３記載の微粉炭バイオマス混焼バーナ。
  8. 　燃料中のバイオマス燃料の割合が６０重量％である場合、前記微粉炭バイオマス混焼バーナの負荷率が１００％のときの、バイオマス燃料に係るＡ／Ｃが０．５から１．６までの直線と、前記微粉炭バイオマス混焼バーナの負荷率が５０％のときの、バイオマス燃料のＡ／Ｃに係る０．５から２．４までの直線とによって挟まれた運転推奨領域において前記微粉炭バイオマス混焼バーナが使用されるよう、前記バイオマス燃料用一次空気が供給される、請求項４記載の微粉炭バイオマス混焼バーナ。
  9. 　請求項１記載の微粉炭バイオマス混焼バーナを用いてバイオマス燃料および微粉炭燃料を燃焼させることを特徴とする燃料燃焼方法。
  10. 　前記バイオマス燃料用一次空気は、前記バイオマス燃料噴出ノズルの管内で燃料搬送流の速度を１４．５ｍ／ｓから３０ｍ／ｓの範囲内に収める量が供給されることを特徴とする請求項９記載の燃料燃焼方法。
  11. 　燃料中のバイオマス燃料の割合が６０重量％である場合、前記微粉炭バイオマス混焼バーナの負荷率が１００％のときの、バイオマス燃料に係るＡ／Ｃが０．５から１．６までの直線と、前記微粉炭バイオマス混焼バーナの負荷率が５０％のときの、バイオマス燃料のＡ／Ｃに係る０．５から２．４までの直線とによって挟まれた運転推奨領域において、前記微粉炭バイオマス混焼バーナが使用されることを特徴とする請求項９記載の燃料燃焼方法。
  12. 　燃料中のバイオマス燃料の割合が６０重量％である場合、前記微粉炭バイオマス混焼バーナの負荷率が１００％のときの、バイオマス燃料に係るＡ／Ｃが０．５から１．６までの直線と、前記微粉炭バイオマス混焼バーナの負荷率が５０％のときの、バイオマス燃料のＡ／Ｃに係る０．５から２．４までの直線とによって挟まれた運転推奨領域において、前記微粉炭バイオマス混焼バーナが使用されることを特徴とする請求項１０記載の燃料燃焼方法。
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