燃烧器及燃烧装置的制作方法

本发明涉及使用固体燃料的燃烧器及具有上述燃烧器的燃烧装置。

背景技术：

已知有如下的技术：在使将煤粉碎而得到的粉煤等固体燃料燃烧的燃烧器中，在燃料喷嘴的外周侧设置二次空气喷嘴，利用引导叶片使二次空气扩散，从而扩大燃烧器的开口端的下游侧的还原区域(专利文献1-3)。

另外，也已知有如下的技术：在使用lng(液化天然气)等气体燃料的燃烧器中，为了减少nox而调整气体燃料的喷出方向、角度(专利文献4、5)。

此外，也已知有为了应对切换运用固体燃料和气体燃料而组合粉煤燃烧器和气体燃烧器的技术(专利文献6、7)。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平04-214102号公报

专利文献2：日本专利第3344694号公报

专利文献3：日本专利第5794419号公报

专利文献4：日本实全昭56-075507号公报

专利文献5：日本特公昭57-061125号公报

专利文献6：日本专利第2526236号公报

专利文献7：日本特公平06-023607号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

在使用了氨(nh3)作为燃料的情况下，在燃烧后不产生co2，因此正在进行无co2氨的直接燃烧的研究。作为在燃烧时应该考虑的内容，相对于在专利文献4、5所记载的天然气等一般的气体燃料中几乎不包含n(氮)成分，在氨中包含重量比率大到82％的n成分，容易生成nox。这与在燃料中包含n成分的煤具有共通性。

在锅炉内，存在氧气浓度的高低分布，但若能够向始终是还原条件的固体燃料燃烧器(参照专利文献1-3)的一次燃烧域(还原区域)注入氨，则能够进行稳定地抑制了nox的上升的混合燃烧。

在专利文献6、7所记载的结构中，供给气体燃料的气体喷嘴的下游端配置于比稳焰器靠下游侧处。专利文献6、7所记载的技术是切换使用固体燃料和气体燃料的前提，不是对固体燃料和气体燃料进行混合燃烧的前提，因此，即使气体喷嘴延伸至比稳焰器靠下游侧处，问题也较少。但是，在以专利文献6、7的结构进行混合燃烧的情况下，存在比稳焰器靠下游侧的气体喷嘴会烧损的问题。

本发明的技术课题是提供能够对固体燃料和氨进行混合燃烧的燃烧器及具备所述燃烧器的燃烧装置。

用于解决课题的手段

上述本发明的课题能够通过采用下述的结构而达成。

技术方案1所述的发明是一种燃烧器，其特征在于，具备：燃料供给喷嘴，被供给固体燃料与该固体燃料的输送气体的混合流；流路，配置于上述燃料供给喷嘴的外侧，对燃烧用空气以从上述混合流分离的方式进行供给；氨供给喷嘴，能够向还原区域供给氨，上述还原区域是在比上述燃料供给喷嘴的出口靠下游侧处通过对燃料的点火和燃烧的进行而输送气体中的氧气被消耗从而成为了低氧气浓度的区域。

技术方案2所述的发明根据技术方案1所述的燃烧器，其特征在于，上述燃烧器具备第一引导部件，上述第一引导部件设置于上述混合流与上述燃烧用空气的隔板前端部，对上述燃烧用空气进行引导以使上述燃烧用空气从上述混合流分离。

技术方案3所述的发明根据技术方案2所述的燃烧器，其特征在于，上述燃烧器具备下游端配置在比上述第一引导部件靠上述燃烧用空气的流向的上游侧处的上述氨供给喷嘴。

技术方案4所述的发明根据技术方案1～3中任一项所述的燃烧器，其特征在于，上述燃烧器具备第二引导部件，上述第二引导部件设置于上述燃烧用空气的流路出口部，强化外周空气从上述混合流的分离。

技术方案5所述的发明根据技术方案4所述的燃烧器，其特征在于，上述燃烧器具备下游端配置在比上述第二引导部件靠上述燃烧用空气的流向的下游侧处的上述氨供给喷嘴。

技术方案6所述的发明根据技术方案1～5中任一项所述的燃烧器，其特征在于，上述燃烧器具备回旋产生器，上述回旋产生器配置于上述燃烧用空气的流路，使上述燃烧用空气从上述混合流分离。

技术方案7所述的发明根据技术方案1～6中任一项所述的燃烧器，其特征在于，上述燃烧器具备能够调整氨的喷射角度的上述氨供给喷嘴。

技术方案8所述的发明根据技术方案1～7中任一项所述的燃烧器，其特征在于，能够调整基于固体燃料的燃烧的热输入与基于氨的燃烧的热输入的比率。

技术方案9所述的发明根据技术方案8所述的燃烧器，其特征在于，将基于氨的燃烧的热输入的比率设为50％以下。

技术方案10所述的发明是一种燃烧装置，其特征在于，具备：火炉，设置有技术方案1～7中任一项所述的燃烧器；及追加喷嘴，在上述火炉中比燃烧器靠下游侧处对燃烧用的空气的一部分以分离的方式进行供给。

技术方案11所述的发明根据技术方案10所述的燃烧装置，其特征在于，将从上述燃烧器供给的总空气流量设为理论空气量以下。

发明效果

根据技术方案1所述的发明，能够提供通过朝向还原区域供给氨，而使用氨作为气体燃料并抑制了氮氧气化物的上升的能够对固体燃料和氨进行混合燃烧的燃烧器。

根据技术方案2所述的发明，除了上述技术方案1所述的发明的效果之外，与不利用第一引导部件将燃烧用空气从混合流分离的情况相比，燃烧空气不容易向还原区域混合，能够生成还原作用强的还原区域。

根据技术方案3所述的发明，除了上述技术方案2所述的发明的效果之外，与氨供给喷嘴的下游端不配置于比第一引导部件靠燃烧用空气的流向的上游侧处的情况相比，能够抑制氨供给喷嘴的烧损。

根据技术方案4所述的发明，除了上述技术方案1～3中任一项所述的发明的效果之外，与不利用第二引导部件强化外周空气从混合流的分离的情况相比，燃烧空气不容易向还原区域混合，能够生成还原作用强的还原区域。

根据技术方案5所述的发明，能够不受沿着第二引导部件扩散的燃烧用空气的流向的影响地供给氨，容易向还原区域供给氨。

根据技术方案6所述的发明，除了上述技术方案1～5中任一项所述的发明的效果之外，与不利用回旋产生器使外周空气从混合流分离的情况相比，燃烧空气不容易向还原区域混合，能够生成还原作用强的还原区域。

根据技术方案7所述的发明，除了上述技术方案1～6中任一项所述的发明的效果之外，能够调整还原区域中的氨的分布。

根据技术方案8所述的发明，除了上述技术方案1～7中任一项所述的发明的效果之外，通过调整基于固体燃料的燃烧的热输入与基于氨的燃烧的热输入的比率，能够优化燃烧而抑制氮氧化物的上升。

根据技术方案9所述的发明，除了上述技术方案8所述的发明的效果之外，通过将基于氨的燃烧的热输入的比率设为50％以下，能够确保将火焰稳定化所需的固体燃料的流量。

根据技术方案10所述的发明，与不具有追加喷嘴的情况相比，能够抑制氮氧化物的上升。

根据技术方案11所述的发明，除了上述技术方案10所述的发明的效果之外，通过将从燃烧器供给的总空气流量设为理论空气量以下，能够抑制还原作用的下降，抑制氮氧化物的上升。

附图说明

图1是本发明的实施例1的燃烧系统的整体说明图。

图2是实施例1的燃烧器的说明图。

图3是从图2中的箭头iii方向观察时的图。

图4是本实施例的燃烧器的氨供给喷嘴的前端部分的放大图。

图5是氨供给喷嘴的前端部的主要部分剖视图。

图6是氨供给喷嘴的主体与弯曲的喷嘴连接部之间的连结部分的详细说明图。

图7是氨的供给方向的说明图，图7(a)是与图2对应的说明图，图7(b)是向中心轴方向斜着喷射氨的情况下的说明图，图7(c)是偏离中心轴地斜着喷射氨的情况下的说明图。

具体实施方式

以下示出本发明的实施方式。

实施例1

图1是本发明的实施例1的燃烧系统的整体说明图。

在图1中，在火力发电站等中使用的实施例1的燃烧系统(燃烧装置)1中，粉煤(固体燃料)收纳于料仓(燃料料斗)4。料仓4的固体燃料由磨粉机(粉碎机)5粉碎。粉碎后的燃料通过燃料配管8而向锅炉6的燃烧器7供给并燃烧。另外，燃烧器7在锅炉6中设置有多个。另外，作为固体燃料，不限定于粉煤，例如也能够使用生物质燃料。

在锅炉6中设置有向燃烧器7的下游侧(上方)供给燃烧用空气的追加喷嘴3。

图2是实施例1的燃烧器的说明图。

图3是从图2中的箭头iii方向观察时的图。

在图2、图3中，实施例1的燃烧器(混合燃烧燃烧器)7具有供混合流流动的燃料喷嘴21。燃料喷嘴21的下游端的开口配置于锅炉6的火炉22的壁面(火炉壁、水管壁)23附近。在燃料喷嘴21的上游侧连接有燃料配管8。燃料喷嘴21形成为中空的筒状，在燃料喷嘴21的内部形成有供固体燃料(粉煤)和输送气体流动的流路24。

在燃料喷嘴21的外周设置有向火炉22喷出燃烧用空气的内侧燃烧用空气喷嘴(二次燃烧用空气喷嘴)26。在二次燃烧用空气喷嘴26的内部形成有供二次空气(二次燃烧用空气)流动的二次空气流路11。

另外，在内侧燃烧用空气喷嘴26的外周侧设置有外侧燃烧用空气喷嘴(三次燃烧用空气喷嘴)27。在三次燃烧用空气喷嘴27的内部形成有供三次空气(三次燃烧用空气)流动的三次空气流路12。

各燃烧用空气喷嘴26、27从风室(风箱)28朝向火炉22内喷出空气。在实施例1中，在内侧燃烧用空气喷嘴26的下游端形成有相对于燃料喷嘴21的中心向径向外侧倾斜(随着靠近下游侧而直径扩大)的引导叶片(第二引导部件)26a。另外，在外侧燃烧用空气喷嘴27的下游部形成有沿着轴向的喉部27a和与引导叶片26a平行的扩大部27b。因此，从各燃烧用空气喷嘴26、27喷出后的燃烧用空气以从轴向的中心扩散的方式被喷出(以从流路24的混合流离开的方式被引导)。

在图2中，在内侧燃烧用空气喷嘴26的上游部设置有用于调整二次燃烧用空气(二次空气)的流量的滑动式的调节风门26c。

另外，在外侧燃烧用空气喷嘴27的上游部设置有对三次燃烧用空气(三次空气)赋予回旋成分的回旋产生器27c。

另外，在燃料喷嘴21的下游端的开口部设置有稳焰器31。在稳焰器31的径向外侧形成有朝向径向上的外侧延伸的引导叶片(第一引导部件)31a。因此，通过稳焰器31的引导叶片31a，相对于在流路24中流动的混合流，在内侧燃烧用空气喷嘴26中流动的燃烧用空气以向径向的外侧分离的方式被引导。

在图2中，在燃料喷嘴21的内壁面设置有文丘里管33。文丘里管33具有：上游侧的直径缩小部33a、续接于直径缩小部33a的下游侧的最小直径部33b及续接于最小直径部33b的下游侧的直径扩大部33c。在直径缩小部33a中，随着靠近下游侧而流路24的内径缩小。另外，在直径扩大部33c中，随着靠近下游侧而流路24的内径扩大。

因此，在实施例1的文丘里管33中，供给到燃料喷嘴21的燃料与输送气体的混合流体在通过直径缩小部33a时被向径向的内侧聚拢。因此，能够使偏向燃料喷嘴21的内壁面附近的燃料向中心侧移动。

在文丘里管33的下游侧设置有燃料浓缩器34。燃料浓缩器34具有：上游侧的直径扩大部34a、续接于直径扩大部34a的下游侧的最大径部34b及续接于最大径部34b的下游侧的直径缩小部34c。直径扩大部34a随着靠近下游侧而外径扩大。直径缩小部34c随着靠近下游侧而外径缩小。

因此，在实施例1的燃料浓缩器34中，对于燃料和输送气体的混合流体，在通过直径扩大部34a时赋予朝向径向的外侧的速度成分。由此，燃料被朝着燃料喷嘴21的内壁面浓缩。

在图2中，在风室28的外壁的外侧配置有氨供给管41。对氨供给管41供给有高压的氨气(气体燃料)。在氨供给管41上连接有多个氨供给喷嘴42。在本实施例中，如图3所示，氨供给喷嘴42沿着周向而隔开间隔地配置有八个。

氨供给喷嘴42具有直管状的喷嘴主体43和连接喷嘴主体43与氨供给管41的弯曲的喷嘴连接部44。

图4是本实施例的燃烧器的氨供给喷嘴的前端部分的放大图。

图5是氨供给喷嘴的前端部的主要部分剖视图。

在图2中，喷嘴主体43经由未图示的引导管及密封件而以能够以轴向43b为中心进行旋转的方式支撑于氨供给管41。喷嘴主体43贯通风室28、外侧燃烧用空气喷嘴27、内侧燃烧用空气喷嘴26的壁面。在图2、图4中，喷嘴主体43的下游端43a相对于燃烧用空气的流动方向配置于比设置于内侧燃烧用空气喷嘴26末端部的引导叶片26a靠下游侧且比设置于稳焰器31的引导叶片31a靠上游侧处。

图6是氨供给喷嘴的主体与弯曲的喷嘴连接部之间的连结部分的详细说明图。

图7是氨的供给方向的说明图，图7(a)是与图2对应的说明图，图7(b)是向中心轴方向斜着喷射氨的情况下的说明图，图7(c)是偏离中心轴地斜着喷射氨的情况下的说明图。

在图5中，在喷嘴主体43的前端部形成有相对于轴向43b以角度θ倾斜的喷射口43c。另外，在图6中，实施例的喷嘴主体43以能够相对于固定支撑于连接部44的接受部46以轴向43b为中心进行旋转的方式被支撑。另外，喷嘴主体43与连接部44经由o型圈47而被密封(密闭)。在喷嘴主体43上设置有用于旋转调整的把手48。在试运转时或维护时，手动地操作把手48而进行旋转调整，从而能够如图7(b)及图7(c)所示那样自如地设定喷射方向。

(实施例1的作用)

在具备上述结构的实施例1的燃烧器7中，粉煤与运送空气的混合流体从燃料喷嘴21向火炉22内喷出。另外，燃烧用空气分为内侧燃烧用空气(二次空气)和外侧燃烧用空气(三次空气)而向火炉22供给。二次空气通过设置于稳焰器31的引导叶片31a而向外侧扩散地供给，三次空气通过设置于内侧燃烧用空气喷嘴26的引导叶片26a而向外侧扩散地供给，因此在混合流体与由二次空气及三次空气构成的外周空气51之间形成循环漩涡52。火炉22内的高温气体乘上循环漩涡52内的循环流而返回燃烧器7的出口部，因此混合流体在燃烧器7的出口附近被急速地点火。

在此，从燃料喷嘴21供给的粉煤由燃料浓缩器34向外周侧(燃料喷嘴的内壁面附近)浓缩，形成粉煤浓缩区域。并且，火炉22内的高温气体返回粉煤浓缩区域附近，因此急速点火的性能进一步提高。

通过急速点火而在燃烧器7的出口的中心轴附近形成一次燃烧区域53。由于外周空气51以离开一次燃烧区域53的方式供给，因此一次燃烧区域53成为了燃料过剩(空气不足)的还原条件。

具体而言，在通过急速点火而从燃烧器7的出口部形成的一次燃烧区域53的内部，进行急速的燃烧反应。通过燃烧的进行而氧气(o2)被急速地消耗。并且，从燃料(粉煤)中的n成分生成氮氧化物(no)，从燃烧的主成分急剧地生成作为中间生成物的碳化氢自由基(·hc)。在o2下降后的还原强化条件下，通过产生的氮氧化物(no)与碳化氢自由基(·hc)的反应而生成包含氮元素的自由基(·nx)，通过·nx与no的反应，no被还原成n2。

当向该还原区域(一次燃烧区域)53中喷出氨(nh3)时，经由·nh自由基而优先进行向n2的还原反应。

因此，在实施例1的燃烧器7中，对固体燃料和氨进行混合燃烧并抑制氮氧化物的上升。

另外，在实施例1的燃烧器7中，在混合流体与燃烧用空气(外周空气51)的隔板(燃料喷嘴21)前端部设置有稳焰器31的引导叶片31a，将外周空气51(的二次空气)从混合流体可靠地分离。因此，与不分离的情况相比，能够生成还原条件强的还原区域53。

此外，在实施例1的燃烧器7中，通过内侧燃烧用空气喷嘴26的引导叶片26a也强化了外周空气51从混合流的分离。由此，与不设置引导叶片26a的情况相比，能够生成还原条件强的还原区域53。

另外，在实施例1的燃烧器7中，在外侧燃烧用空气喷嘴27设置有回旋产生器27c，三次空气(外周空气51)不容易向混合流混合，从混合流的分离被强化。因此，与不设置回旋产生器27c的情况相比，能够生成还原条件强的还原区域53。

另外，在实施例1的燃烧器7中，氨供给喷嘴42的下游端配置于比稳焰器31的引导叶片31a靠上游侧处。当氨供给喷嘴42延伸至比稳焰器31靠火炉22的内部处时，氨供给喷嘴42可能会烧损。与此相对，在实施例1中，氨供给喷嘴42配置于比引导叶片31a靠上游侧处，通过基于从上游侧送入的二次空气的密封而被保护以免受火焰影响，并且由二次空气冷却。因此，抑制了氨供给喷嘴42的烧损。

此外，在实施例1的燃烧器7中，氨供给喷嘴42的下游端配置于比内侧燃烧用空气喷嘴26的引导叶片26a靠下游侧处。因此，能够不受沿着引导叶片26a扩散的燃烧用空气的流动的影响地供给氨，容易向还原区域供给氨。

另外，在实施例1的燃烧器7中，构成为能够调整氨供给喷嘴42的喷射方向。因此，如图7(a)所示，也能够使氨向还原区域53的中心部集中。另外，如图7(b)所示，也能够使氨靠近还原区域53的外缘部。由此，在还原区域53内，能够自如地调整氨的集中、分散。因此，能够根据使用的粉煤的种类、n成分的比例、燃烧用空气的量等使用环境，根据为了将氨中的n成分高效地还原成n2而合适的分散程度来调整喷射方向。

此外，在实施例1中，在氨供给管41的上游部设有未图示的控制阀，能够控制氨的供给量。因此，能够根据为了将氨中的n成分高效地还原成n2而合适的比例而调整、控制固体燃料与氨的比例(混合比)。

尤其是，优选以使基于氨的燃烧的热输入的比率成为50％以下的方式控制粉煤与氨的比例。当增多氨的热输入而过度减少粉煤时，火焰可能会不稳定，因此优选以使基于氨的燃烧的热输入的比率成为50％以下的方式进行调整。

另外，在实施例1中，设置有向在火炉22中比燃烧器7靠下游侧处供给燃烧用空气的追加喷嘴3。因此，通过在燃烧器7中的燃烧后在追加喷嘴3的位置以后也进行燃烧(二级燃烧)，能够减少火炉22内的氮氧化物的产生。

此外，在实施例1中，从燃烧器7供给的总空气量(来自燃料喷嘴21的混合流体中包含的空气、二次空气、三次空气的总量)被设定成还原区域53中的还原反应所需的理论空气量以下。因此，能够抑制空气多而还原区域53中的还原变弱从而nox的产生量上升。

(变更例)

以上，虽然详述了本发明的实施例，但本发明不限定于上述实施例，能够在权利要求书所记载的本发明的主旨的范围内进行各种变更。以下例示本发明的变更例(h01)～(h04)。

(h01)在上述实施例中，氨供给喷嘴42优选设为能够调整喷射方向的结构，但不限定于此。也能够设为喷射方向不能调整的结构。另外，例示了使喷嘴主体43旋转来调整喷射方向的结构，但不限定于此。例如，能够预先设为在前端部形成多个喷射口且能够利用闸门来开闭各喷射口的结构，采用根据喷射方向而开闭闸门的结构等任意的结构。

(h02)在上述实施例中，氨供给喷嘴42的下游端优选设为比稳焰器31的引导叶片31a靠上游侧且比内侧燃烧用空气喷嘴26的引导叶片26a靠下游侧，但不限定于此。也能够在进行了烧损对策的基础上配置于比稳焰器31的引导叶片31a靠下游侧处，或者提高氨的喷射压力并配置于比内侧燃烧用空气喷嘴26的引导叶片26a靠上游侧处。

(h03)在上述实施例中，优选设置回旋产生器27c，但也能够设为不设置的结构。另外，回旋产生器27c虽然例示了设置于外侧燃烧用空气喷嘴27的上游部的结构，但也能够设置于下游部(出口附近)。

(h04)在上述实施例中，引导叶片26a、31a的形状和大小不限定于实施例所例示的结构，能够根据设计和规格等而任意变更。另外，虽然优选设置引导叶片26a、31a，但也能够设为不设置的结构。

附图标记说明

1…燃烧装置，

3…追加喷嘴，

7…燃烧器，

21…燃料供给喷嘴，

22…火炉，

26、27…燃烧用空气喷嘴，

26a…第二引导部件，

27c…回旋产生器，

31a…第一引导部件，

42…氨供给喷嘴，

53…还原区域。

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