(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに略平行に、かつ間隔を存して燃焼火炎の流通方向に沿って配置され、複数の水管(6)(6)‥‥を含む一対の水管壁(3),(3) と、この水管壁(3),(3) によって画成される燃焼・熱交換区域(N) の一側に配置され、複数の火炎を形成し燃焼量を高低に調整する予混合式平面バーナ(2) と、前記燃焼・熱交換区域(N) の他側に設けた燃焼排ガス出口手段(5) と、互いに略平行で所定の間隔を存して前記予混合式平面バーナ手段(2)からの燃焼火炎と交差するように前記燃焼・熱交換区域(N)のほぼ全域に設けられる多数の水管(4)(4)‥‥からなる水管群とを備えるものにおいて、前記水管壁(3),(3)を構成する水管との間に隙間を形成するように前記バーナ手段(2) からの各火炎の境界部分に対応させて複数の水管からなる水管の小グループ(G),(G1),(G2) を配置し、前記予混合式平面バーナ(2)からの各火炎を高燃焼量時および低燃焼量時前記隙間に流通させるように構成したことを特徴とする水管ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、ＮＯx 及びＣＯの排出濃度を減少した貫流ボイラ，自然循環式水管ボイラ，強制循環式水管ボイラ等の水管ボイラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、環境汚染問題により、ボイラにおいても有害燃焼排気物、特にＮＯx ，ＣＯ等の一層の排出濃度の低減が求められている。
このような有害燃焼排気物の排出濃度の低減化対策は種々提案されている。
その低減化対策の一つとして、バーナにできるだけ水管を近づけ、燃焼火炎中に水管群を位置させて、熱交換と同時に火炎の冷却を行うことでthermal ＮＯx の生成をできるだけ抑制し、かつ、高負荷燃焼を実現する技術が米国特許第５，０２０，４７９号にて知られている。
【０００３】
尚、本書で用いる「燃焼火炎」とは、現在燃焼反応を起している最中の高温ガスのことをいい、この高温ガス中には燃焼を完了していない可燃性予混合ガスと燃焼によって生成された燃焼済みガスとを含む。また、火炎は燃焼ガスと言い換えてもよい。
【０００４】
しかしながら、この従来の対策によればＮＯx の排出濃度は低減できるもののＣＯの排出濃度が僅かに高めになるという問題がある。その原因の一つは、ＣＯについては、ＮＯx を低減するためになされる燃焼火炎の冷却が急冷効果をもたらし、これにより燃焼反応が凍結され一部は高温での平衡濃度のまま未反応物質、つまりＣＯ等として系外に排出してしまうことによるのではないかと考えられている。
この問題を解決すべく、高負荷燃焼により生成した火炎の近傍又は、これに接して置いた冷物体で火炎の温度を１０００℃以上、１５００℃以下に制御した後、冷物体の後流側に設けた断熱空間で火炎中の残留ＣＯを酸化反応させてＣＯ2 に変成させる技術が、特開昭６０−７８２４７号公報にて提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この技術はＣＯの排出の低減を目的としてなされたもので、ＮＯx の生成の抑制を目的とはしていない。このため、断熱空間を設ける位置によっては燃焼火炎の断熱空間温度が高くなり、ＮＯx （thermal ＮＯx ）が生成されてしまう。
更に、燃焼火炎の流速が大きい場合、断熱空間を燃焼火炎流れ方向の長さを長く確保することで、必要とするＣＯからＣＯ2 への変成を図ることができるが、そうすると熱効率の低下を招き、缶体の小型化を実現できないという問題がある。
【０００６】
更に、一般にボイラなどは要求される熱量によってバーナ手段（燃焼機器）の燃焼量も調整する必要があり、そのため、バーナ手段の燃焼量の調整によっては、上記の冷体物や断熱空間の相対的な位置が相違してしまう。
即ち、バーナ手段と、缶体側の断熱空間，水管の配置は、常用される出力、或は定格出力での燃焼時に、ＮＯx やＣＯの生成量が少なくなるように決定される。従って、低負荷での燃焼時には燃焼火炎が水管によって有効に急冷されず、そのため、ＮＯx の生成量が増大し、一方、過大な燃焼時においては、バーナ手段前面の水管が過熱するという問題がある。
【０００７】
また、バーナ手段は、予混合気や燃料、空気の噴出孔の周囲はこれらの気体の噴出によって十分冷却可能であるが、それ以外の箇所周囲は、上記のような高温のガスに晒されるため、耐熱性に関する工夫が必要である。
【０００８】
加えて、上記のような狭い空間で良好な燃焼反応領域を構成する必要があって、バーナ手段側の工夫も必要であり、そのための構造が複雑化していた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、互いに略平行に、かつ間隔を存して燃焼火炎の流通方向に沿って配置され、複数の水管‥‥を含む一対の水管壁と、この水管壁 によって画成される燃焼・熱交換区域 の一側に配置され、複数の火炎を形成し燃焼量を高低に調整する予混合式平面バーナ と、前記燃焼・熱交換区域の他側に設けた燃焼排ガス出口手段 と、互いに略平行で所定の間隔を存して前記予混合式平面バーナ手段からの燃焼火炎と交差するように前記燃焼・熱交換区域のほぼ全域に設けられる多数の水管からなる水管群とを備えるものにおいて、前記水管壁を構成する水管との間に隙間を形成するように前記バーナ手段からの各火炎の境界部分に対応させて複数の水管からなる水管の小グループを配置し、前記予混合式平面バーナからの各火炎を高燃焼量時および低燃焼量時前記隙間に流通させるように構成したことを特徴とする水管ボイラである。
【００１０】
【作用】
この発明に係る水管ボイラによれば、燃焼量の高低にかかわらず、バーナ手段の燃焼火炎が水管の隙間から後流側の隙間に向けて確実に流入することになり、燃焼火炎の両側からの水管による冷却により、ＮＯx の生成を抑制する。
【００１１】
【実施例】
図１は、この発明を水管ボイラの一種である多管式貫流ボイラに適用した実施例の缶体の横断面を示す概略構成図である。
図面において、多管式貫流ボイラの缶体(1) は、後記バーナ手段(2) から噴出される燃焼火炎の流通方向（缶体の長手方向）に沿って配置した垂直の水管壁（以下、単に管壁と称する）(3),(3) と、互いに略平行であって所定間隔を存して上記管壁(3),(3) 間に燃焼火炎と交差するように配設される多数の略垂直の水管(4)(4)‥‥（水管群を構成する）と、上記管壁(3),(3) 間の一側開口部に配設した予混合式の比較的フラットな火炎を形成するバーナ手段(2) と、上記管壁(3),(3) 間の他側開口部に形成した燃焼排ガス出口手段（以下単に排ガス出口と称する）(5) 等から構成される。管壁(3),(3) は燃焼・熱交換区域(N) を画成する。この排ガス出口(5) は燃焼・熱交換区域(N) の反バーナ側端部に設ければよく、例えば管壁の一部を削除開口して形成することができる。
【００１２】
上記バーナ手段(2) は、周知のコルゲートタイプの予混合式平面燃焼バーナを用い、更に、保炎性を高めるために、周知の火炎分割手段などを用いて複数個（図示する実施例では２個）の主火炎を形成する形式のものとしてある。
尚、上記バーナ手段(2) は、上記のコルゲートタイプの予混合式平面燃焼バーナ以外にも、予混合気を噴出する多数の小孔を有するセラミックプレートバーナを用いても良いし、気化燃焼油バーナの他、種々のバーナを用いることも可能である。要するに、複数方向に延びる主火炎を形成するものであれば、１個のバーナ手段に限らず、複数のバーナ手段によるものでも良い。
【００１３】
上記管壁(3),(3) は、この実施例では、夫々、複数本の水管(6) を適宜の間隔をおいて燃焼火炎の流通方向に並んで配設され、各水管(6)(6)‥‥の隙間をこれら水管(6)(6)‥‥の軸線方向に沿って延びる平板状のフィン状部材(7)(7)‥‥で閉鎖した構成のものである。
これらの管壁(3),(3) は、実質上互いに平行をなすように適宜の間隔をおいて配置され、各管壁(3),(3) の外側にはカバー体(8),(8) を取付け、管壁(3),(3) との間に断熱空間(9),(9) を形成している。尚、この断熱空間(9),(9) 内には、場合によってはグラスウール等の適宜の断熱材を充填しても良い。
【００１４】
水管(4)(4)‥‥は燃焼火炎の流れ方向に配列される３つの水管列X,Y,Z が含まれている。以下の説明では、この各列名X,Y,Z に、バーナ手段(2) から離れる方向に順次添字1,2,3,‥‥を附して管番号(X1),(X2),‥‥，(Y1),(Y2),‥‥，(Z1),(Z2),‥‥とし、管壁(3),(3) を構成する水管(6)(6)‥‥には各列毎に管番号(A1),(A2),‥‥，(B1),(B2),‥‥を夫々附して説明する。
【００１５】
上記管壁(3),(3) を構成する水管(6)(6)‥‥及び管壁(3),(3) 間に配置する水管(4)(4)‥‥の上端並びに下端は、夫々、上部ヘッダ及び下部ヘッダ（共に図示省略）に連通接続される。そして、この両ヘッダは管壁(3),(3) の上下端部と気密に接合され、管壁(3),(3) と共同して燃焼・熱交換区域(N) の上下左右の四方を気密に区画して燃焼火炎及び燃焼済みガスが缶体外部に漏れないように構成する。そして、残りの２方の開口のうち、一方はバーナ手段(2) を取付け、他方の開口には排気筒（図示省略）を接続する。蒸気ボイラにおいては、通常運転時下部ヘッダの全体と水管(6)(6)‥‥，(4)(4)‥‥の途中までは常時水で満たされ、水管(6)(6)‥‥，(4)(4)‥‥の上部と上部ヘッダ内は蒸気で満たされている。
【００１６】
上記管壁(3),(3) 間に配置する複数の水管(4)(4)‥‥は、上述のように３列X,Y,Z を燃焼火炎の流通方向に並列に配設してある。そして、バーナ手段(2) に最も近接し対面する２本の水管(X1),(Z1) は実質上互いに密接する小グループ（以下、密接水管群と称す。）(G) を構成した状態で、上記管壁(3),(3) 間の略中央に配置してある。
この密接水管群(G) 以降の水管は、管壁(3),(3) の水管(6)(6)‥‥を含めて隣り合う列の水管同志は千鳥状配列となっている。また燃焼火炎の流通路となる各水管(6)(6)‥‥，(4)(4)‥‥相互の間隔は、各水管(6) の外径と等しいか、それ以下に設定するのが好ましく、これらの各間隔は、全て同一であっても、互いに異なっていても、前述の条件内にあれば良い。
【００１７】
上記のバーナ手段(2) ，バーナ手段(2) の直前に位置する密接水管群(G) ，管壁(3),(3) を構成する最前列側の水管(A1),(B1) 相互の位置関係は以下のように設定してある。
まず、密接水管群(G) を、その両側の管壁(3),(3) を構成する水管(A1),(B1) との間に隙間を形成するように配置する。上記バーナ手段(2) は、その燃焼量に関係なく、主火炎が上記の各隙間に対して侵入するように設ける。
【００１８】
更に、上記バーナ手段(2) と密接水管群(G) 並びに水管(A1)(B1)(X1)(Z1)との位置関係は、バーナ手段(2) からの主火炎（燃焼ガスの高温領域）が、予混合気の噴出方向両側の水管(A1)(B1)(X1)(Z1)と接触する位置、即ち、バーナ手段からの燃焼火炎が、バーナ手段(2) に対面する水管への伝熱によって冷却され、温度低下する位置関係としてある。
従って、燃焼火炎が、密接水管群(G) と管壁(3),(3) との間の隙間を通過する際には、その両側の水管(A1)(X1)(Z1)(B1)によって急速に冷却され、温度低下するため、thermal ＮＯx の生成を防止できる。
【００１９】
更に、水管(X1),(Y1),(Z1)と水管(A1),(B1) との間の隙間を通過した燃焼火炎は、それら水管より後流側の各水管間の隙間空間においても上述のように燃焼反応を継続しながら上記管壁間を排ガス出口に向けて流通し、その間に、各水管への伝熱を行う。その際にも、燃焼火炎は、燃焼反応を継続しながらその後流側の水管との間で伝熱を行って、温度低下するため、thermal ＮＯx の生成を防止できる。
しかも上記バーナ手段(2) の燃焼量に関係なく、主火炎が上記の各隙間に対して侵入するように設けてあるため、ボイラの運転状況に関係なく、常に低ＮＯx ，低ＣＯが達成できる。
【００２０】
次に、この発明に係る第２の実施例を図２を参照しながら説明する。
この第２の実施例は、第１の実施例の密接水管群を燃焼火炎の流通方向後流側の領域にまで拡大したもので、具体的には、管壁(3),(3) 間に位置する各列の水管のうち、最もバーナ手段(2) 寄りの水管(X1)(Y1)(Z1)でもって実質上互いに密接する密接水管群(G1)を構成したものである。
【００２１】
上記の密接水管群(G1)は、３本の水管(X1),(Y1),(Z1)によって三角形状を呈しており、この状態で上記管壁(3),(3) 間の略中央に配置してある。尚、この密接水管群(G1)の後流側の水管の配置は上述の第１の実施例と同様の要領で配置してある。
【００２２】
このような配置にすると、上記第１実施例で燃焼に伴って振動や騒音が発生する場合、それらの低減を行うことができる。
即ち、各水管の隙間においては、バーナ手段(2) に近接する側の隙間ほど燃焼火炎（燃焼ガス）の流速が速く、水管の下流側においてその両側に燃焼火炎（燃焼ガス）主流と逆方向に渦巻く渦流（カルマン渦）が発生する。このような渦流が相互に影響を及ぼし合って著しい振動や騒音が発生する場合があるが、上記のように、バーナ手段(2) 直前の密接水管群(G1)を燃焼火炎の流通方向下流側に向けて延長した形状とすることにより、水管(X1)(Z1)の後流両側に発生する渦流を水管(Y1)によって相互に隔絶し、互いに及ぼし合っていた影響を除去し、燃焼に伴う振動、騒音の発生を有効に抑制することができる。
【００２３】
尚、以上の第１，２の実施例においては、バーナ手段(2) の火炎の形成数に合せて、バーナ手段(2) の火炎の直前に位置する水管を適宜の水管小グループ（密接水管群）としたことにより、このバーナ手段(2) の直前の水管の熱負荷の調整を行なえるという利点も有している。
【００２４】
以上の説明においては、ボイラ缶体を構成する管壁(3),(3) を互いに平行に配置してあり燃焼火炎の流通方向に対しての間隔は同一となっているが、この発明においては、管壁間の間隔が部分的に相違するものであってもよく、また、管壁間の間隔が順次、増加或は減縮するように構成したものであっても良い。
図３に、管壁間の間隔が部分的に相違するボイラに適用した実施例を示す。
【００２５】
この第３の実施例は、管壁(3'),(3') 間の間隔を、バーナ手段(2) 側について狭くしたもので、管壁(3')(3')を構成する水管のうちバーナ手段(2) 側の水管(A1)〜(A3)，(B1)〜(B3)が構成する管壁部分（以下、前部管壁という）の間隔をその後流側の管壁部分（以下、後部管壁という）の間隔よりも狭くしてある。そのため、この前部管壁間には水管列のうちの中央の１列（Ｙ列）のみが位置し、後部管壁間は上記の各実施例同様３列（Ｘ〜Ｚ列）が位置する。尚、水管(A1)〜(A3)，(B1)〜(B3)が構成する前部管壁も後部管壁と同様に実質上互いに平行としてある。
【００２６】
そして、前部管壁間の略中間に位置する列の水管は２本を密接配置し、この２本の水管(Y1)(Y2)と前部管壁を構成する水管(A1)〜(A3)，(B1)〜(B3)とが略千鳥状に配列となるように構成してある。また、上記の前部管壁と密接水管群(G2)との間に形成される隙間の後流には水管(X1)(X2)‥‥，(Z1)(Z2)‥‥が位置することになる。
【００２７】
以上の構成により、この第３の実施例においても、上記各実施例と同様にバーナ手段(2) からの燃焼火炎は、その燃焼量に関係なく、前部管壁と密接水管群(G2)との間の隙間に対して確実に侵入し、後部管壁間の水管群の隙間を経て排ガス出口(5) に向かう。そして、この燃焼火炎は、管壁間を流通する際に、燃焼を継続しながら各水管(4)(4)‥‥，(6)(6)‥‥と伝熱を行う。
【００２８】
ここで、バーナ手段(2) の燃焼量が少ない場合、即ちボイラが低負荷運転状態の場合は、バーナ手段(2) からの燃焼火炎は短く、この燃焼火炎の高温領域は、主に前部管壁と密接水管群(G2)との伝熱により冷却され、温度低下する。従って、燃焼火炎が、前部管壁と密接水管群(G2)との間の隙間を通過する際には、その両側の水管(A1)〜(A3)，(Y1)〜(Y2)，(B1)〜(B3)によって急速に冷却され、温度低下するため、thermal ＮＯx の生成を防止できる。そして、前部管壁と密接水管群との間の隙間を通過した燃焼火炎は、それら水管より後流側の各水管間の隙間空間においても上述のように燃焼反応を継続しながら上記管壁間を排ガス出口(5) に向けて流通し、その間に、各水管への伝熱を行う。その際にも、燃焼火炎は、燃焼反応を継続しながらその後流側の水管との間で伝熱を行って、温度低下するため、thermal ＮＯx の生成を防止できる。
【００２９】
一方、バーナ手段(2) の燃焼量が多い場合、即ちボイラが高負荷運転状態の場合は、バーナ手段(2) からの燃焼火炎は長く、この燃焼火炎の高温領域は、主に後部管壁とその間の水管群との伝熱により冷却され、温度低下する。従って、燃焼火炎が、前部管壁と密接水管群(G2)との間の隙間を通過する際には、その両側の水管(A1)〜(A3)，(Y1)〜(Y2)，(B1)〜(B3)によって燃焼火炎の一部が冷却され、後部管壁とその間の水管群の隙間を通過する際には、管(A4)(A5)〜，(X1)(X2)〜，(Y3)(Y4)〜，(Z1)(Z2)〜，(B4)(B5)〜によって急速に冷却され、温度低下する。そして、それら水管より後流側の各水管間の隙間空間においても燃焼反応を継続しながら後部管壁間を排ガス出口(5) に向けて流通し、その間に、各水管への伝熱を行う。その際にも、燃焼火炎は、燃焼反応を継続しながらその後流側の水管との間で伝熱を行って、温度低下するため、thermal ＮＯx の生成を防止できる。
【００３０】
従って、この第３の実施例においても、上記各実施例同様にバーナ手段(2) の燃焼量、即ち、ボイラの運転状況に関係なく、確実に燃焼火炎の高温領域を冷却することができ、従って、常に低ＮＯx ，低ＣＯが達成できる。
【００３１】
加えて、この第３の実施例においては水管(Y1)(Y2)からなる密接水管群(G2)が上記の第２の実施例の密接水管群(G1)に比べ、（燃焼火炎流通方向の長さ）／（燃焼火炎流通方向に対する幅）の値が大きいため、振動・騒音の低減効果が一層向上する。
【００３２】
以上の説明においては、１台のボイラ缶体に、火炎を適宜に分割してなる単独のバーナ手段をしたものであるが、この発明においては複数のユニットからなり、各ユニット毎に火炎を形成するようにしたバーナ手段であっても構わない。
【００３３】
更に、以上の各実施例の説明では、管壁(3),(3) 間に配列する複数の水管群を、管壁間に３列配置したものであったが、列数はこれに限らず、また偶数列をなす縦列配置の缶体においても適用することができる。
【００３４】
加えて、水管の小グループは、以上の各実施例においては水管が互いに実質上密接する密接水管群としてあるが、この発明における水管小グループはこのように必ずしも密接配置する必要はなく、他の水管が構成する水管列（或は水管群）から区画されていればよい。
【００３５】
また、以上の第１〜３実施例における管壁(3),(3) は、それぞれ複数本の水管を適宜の間隔をおいて縦列配置し、各水管の隙間を平板状のフィン状部材で閉鎖した構成のものとしたが、この発明では管壁の構造は、各水管を密接状態で配列したものであってもよい。
【００３６】
尚、以上の第１〜３の実施例においては、多管式の貫流ボイラであって蒸気を発生するものについて適用した例を説明したが、この発明は温水を生成するものであってもよく、またボイラ形式は貫流ボイラに限らず、自然循環式水管ボイラ，強制循環式水管ボイラ等全ての水管ボイラに適用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
この発明に係る水管ボイラによれば、燃焼量の高低にかかわらず、バーナ手段の燃焼火炎が水管の隙間から後流側の隙間に向けて確実に流入することになり、燃焼火炎の両側から水管によって冷却する構成となるため、どの燃焼範囲においてもＮＯx の生成を抑制することができる。
この事により、ＮＯx 低減効果の高い燃焼範囲を従来より飛躍的に拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る水管ボイラにおける缶体構造を示す平面図である。
【図２】第２の実施例を示す要部拡大平面図である。
【図３】第３の実施例を示す要部拡大平面図である。
【符号の説明】
(2)   バーナ手段
(3)   管壁（水管壁）
(4)   水管
(5)   排ガス出口（燃焼排ガス出口手段）
(6)   水管
(G)   密接水管群（水管の小グループ）
(G1)  密接水管群（水管の小グループ）
(G2)  密接水管群（水管の小グループ）
(N)   燃焼・熱交換区域
【図１】
0003662599.tif 000002
【図２】
0003662599.tif 000003
【図３】
0003662599.tif 000004