(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
缶体の左右側面には、垂直方向に延びる複数の伝熱管壁用伝熱管を前面側から後面側に向けて一列に並べ、隣り合う伝熱管壁用伝熱管の間に伝熱管壁用フィンを設けることで２列の伝熱管壁を形成しておき、伝熱管壁で挟まれた空間を燃焼ガス流動空間として燃焼ガス流動空間内には垂直方向に延びる多数の伝熱管群用伝熱管からなる伝熱管群を設け、伝熱管群の伝熱管に対して交差方向に燃焼ガスを流す構成の管群構造ボイラにおいて、伝熱管群及び伝熱管壁を、おおむね１０００℃より高い燃焼ガスが流れる上流域とそれよりも下流部分とに区分し、さらに上流域の伝熱管群を、燃焼装置に最も近い部分である上流域前部とそれ以外の部分である上流域後部に区分し、下流部分でも中流域と下流域に区分しておき、伝熱管壁用伝熱管の配置ピッチは、下流部分よりも上流域の方が小さくなるようにするとともに、上流域前部には径の大きな伝熱管、上流域後部には径の小さな伝熱管、それより下流となる中流域では、中間の径を持った伝熱管を設置したことにより、上流域後部では伝熱管の間に広めの空間を開けるようにしていることを特徴とする管群構造ボイラ。
【請求項２】
請求項１に記載の管群構造ボイラにおいて、前記下流部分を中流域と下流域に分割することで燃焼ガス流動空間内に設けている伝熱管群及び伝熱管壁を、上流域、中流域、下流域に区分し、伝熱管壁用伝熱管及び伝熱管群用伝熱管の配置ピッチは、上流域＜中流域＜下流域としており、下流域に向けて伝熱管の伝熱面積が大きくなるように伝熱管表面の加工を行っていることを特徴とする管群構造ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多数の伝熱管と伝熱管をつなぐ伝熱管壁用フィンによって２列の平行な伝熱管壁を形成し、伝熱管壁の間には多数の伝熱管からなる伝熱管群を設置しておき、燃焼ガスを伝熱管群の伝熱管に対して交差方向に流すことで伝熱管内の缶水を加熱する管群構造ボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許第２９４８５１９号公報に記載があるように、一対の伝熱管壁を左右に間隔を開けて設置し、伝熱管壁の間を燃焼ガス流動空間としておき、燃焼ガス流動空間の一方の開口部に燃焼装置、他方の開口部に燃焼ガス出口を配置し、燃焼ガス流動空間内には多数の伝熱管を設けた構成のボイラが知られている。この管群構造ボイラでは、燃焼装置のすぐ近くに伝熱管を設置しているため、燃焼装置で発生した火炎は伝熱管によってすぐに温度が低下することになり、火炎が高温で滞留する時間を短くすることによってＮＯｘ発生量を低減することができる。また、燃焼ガス流動空間内に伝熱管を詰め込む構成であるため、ボイラの設置面積を小さくすることができるという利点もある。
【０００３】
しかし上記のような管群構造のボイラでは、燃焼装置に近い上流側の燃焼ガスは高温であって、伝熱管との熱交換を行うことで燃焼ガス温度は徐々に低下していくものであるため、伝熱管に対する加熱量は場所によって異なることになる。燃焼ガス流上流側の伝熱管壁では、高温の燃焼ガスによって強く加熱されるために隣り合う伝熱管間をつなぐ伝熱管壁用フィンは高温となる。伝熱管壁用フィンは高温になると膨張するため、上流の伝熱管壁では伝熱管壁用伝熱管と伝熱管壁用フィンの間にかかる熱応力が大きくなり、耐久性が低くなるという問題がある。
【０００４】
また、特許第２９４８５１９号では伝熱管非存在空間を形成することでＣＯの発生量を低減している。燃焼ガス流動空間内に伝熱管を設置していると、燃焼が完了する前に伝熱管によって火炎温度を低下することになり、燃焼が不完全になるとＣＯ発生量が多くなる。そのため、伝熱管非存在空間を設け、ＣＯを酸化させるための空間を開けているのであるが、伝熱管群から伝熱管を抜いた構成の場合には燃焼ガス流に偏流が生じることがある。伝熱管を設置している伝熱管存在空間と伝熱管を抜いた伝熱管非存在空間があると、燃焼ガスは抵抗の少ない伝熱管非存在空間に集中するため、伝熱管非存在空間の下流には多くの燃焼ガスが流れ、それ以外の部分では燃焼ガスの流量が減少することになる。伝熱管群での燃焼ガス流に偏りが発生すると、ボイラ全体での熱吸収効率が低下することにもなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許２９４８５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、低ＮＯｘや省スペースといった管群構造ボイラの利点を維持したままで耐久性を高くし、ＣＯの発生量も低減することのできる管群構造ボイラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、缶体の左右側面には、垂直方向に延びる複数の伝熱管壁用伝熱管を前面側から後面側に向けて一列に並べ、隣り合う伝熱管壁用伝熱管の間に伝熱管壁用フィンを設けることで２列の伝熱管壁を形成しておき、伝熱管壁で挟まれた空間を燃焼ガス流動空間として燃焼ガス流動空間内には垂直方向に延びる多数の伝熱管群用伝熱管からなる伝熱管群を設け、伝熱管群の伝熱管に対して交差方向に燃焼ガスを流す構成の管群構造ボイラにおいて、伝熱管群及び伝熱管壁を、おおむね１０００℃までの燃焼ガスが流れる上流域とそれよりも下流部分とに区分し、さらに上流域の伝熱管群を上流域前部と上流域後部に区分しておき、伝熱管壁用伝熱管の配置ピッチは、下流部分よりも上流域の方が小さくなるようにするとともに、上流域前部には径の大きな伝熱管を設置し、上流域後部には径の小さな伝熱管を設置していることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記の管群構造ボイラにおいて、前記下流部分を中流域と下流域に分割することで燃焼ガス流動空間内に設けている伝熱管群及び伝熱管壁を、上流域、中流域、下流域に区分し、伝熱管壁用伝熱管及び伝熱管群用伝熱管の配置ピッチは、上流域＜中流域＜下流域としており、下流域に向けて伝熱管の伝熱面積が大きくなるように伝熱管表面の加工を行っていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
燃焼ガス流の上流域に当たる伝熱管壁では、伝熱管壁用フィンの前後方向長さが小さくなるために伝熱管壁用フィン部分の温度上昇が抑制され、伝熱管壁用フィンと伝熱管壁用伝熱管の間に掛かる熱応力が小さくなるため伝熱管壁用フィン部分の耐久性が向上する。また、燃焼ガス流上流域後部の伝熱管群用伝熱管の径を小さくしたことで、伝熱管群用伝熱管の配列は変更せずに伝熱管の間隔を広くすることができ、間隔が広がることで燃焼ガスの急激な温度低下が抑えられ、燃焼を完了させることができるためにＣＯの発生量を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を実施しているボイラの燃焼ガス流動空間部分を横方向に切断した断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施しているボイラの燃焼ガス流動空間部分を横方向に切断した断面図であり、ボイラの上方から見た図である。ボイラは、缶体上部に設けている上部管寄せ（図示せず）と、缶体下部に設けている下部管寄せ（図示せず）の間を多数の垂直な伝熱管でつないでおり、下部から供給した水を伝熱管内で加熱して蒸気を発生し、上部から蒸気を取り出す多管式貫流ボイラである。ボイラの缶体は、側面に設けた２列の伝熱管壁８と、伝熱管壁８によって挟まれた空間である燃焼ガス流動空間７に設けている伝熱管群からなっている。伝熱管壁８は、多数の伝熱管壁用伝熱管１によって形成し、伝熱管群は多数の伝熱管群用伝熱管２によって形成している。伝熱管壁８は、垂直方向に延びる伝熱管壁用伝熱管１を横一列に並べ、各隣り合う伝熱管の間を伝熱管壁用フィン３で連結したものであり、２列の伝熱管壁８によって缶体の外壁を構成している。
【００１２】
燃焼ガス流動空間７は図の左側から右側へ向けて燃焼ガスが流れるものであり、燃焼ガス流動空間７の両端部に開口部を開けており、図の左側を燃焼装置設置部５、図の右側を燃焼ガス出口６としている。燃焼装置設置部５では、燃焼ガス流動空間７の方向に向けて火炎を発生する燃焼装置（図示せず）を設置しておき、燃焼装置での燃焼を行うと、燃焼によって発生した燃焼ガスは燃焼ガス流動空間内を右方向に流れ、燃焼ガス出口６から排気筒（図示せず）へと排出される。
【００１３】
伝熱管壁及び伝熱管群は、燃焼ガスの流動方向に沿って、上流域・中流域・下流域に区分しておく。上流域・中流域・下流域の区分は、燃焼ガス温度がおおむね１０００℃程度よりも高い部分を上流域、６００℃程度よりも低い部分を下流域、その間の部分が中流域となる。なお、燃焼ガス温度は測定場所や燃焼状態などで様々に変化するものであるため、前記の温度は目安としてのものであり、状況によって前後することがある。また、前記の上流域では、燃焼装置に最も近い部分である上流域前部とそれ以外の部分である上流域後部に区分している。
【００１４】
伝熱管壁８での伝熱管壁用伝熱管１の配置ピッチ（隣り合う伝熱管壁用伝熱管１の中心軸間距離）は、上流域・中流域・下流域で異なる値としている。伝熱管壁用伝熱管１の上流域でのピッチをＡ、中流域でのピッチをＢ、下流域でのピッチをＣとした場合、各ピッチの大きさはＡ＜Ｂ＜Ｃとなり、上流域、中流域、下流域の順にピッチを大きくしていく。伝熱管壁用伝熱管の配置ピッチが異なると、隣り合う伝熱管壁用伝熱管の間をつなぐ伝熱管壁用フィンの前後方向長さが異なる。上流域での伝熱管壁用フィン３は丸棒など前後方向は短い伝熱管壁用フィンを使用し、中流域と下流域での伝熱管壁用フィン３は平板状のものであって、中流域よりも下流域の伝熱管壁用フィンの方が前後方向の長さが長いものを使用する。伝熱管群用伝熱管２の配置ピッチも、伝熱管壁用伝熱管の配置ピッチに合わせて設置しており、上流域・中流域・下流域の順に配置ピッチは広くなっている。
【００１５】
本実施例での伝熱管壁用伝熱管１は、すべて同じ径のものを使用しているが、伝熱管群用伝熱管２は、場所によって径の大きさを変えた伝熱管を使用している。伝熱管群の伝熱管は、上流域前部には径の大きな伝熱管、上流域後部には径の小さな伝熱管を使用し、中流域と下流域はその間の径を持った伝熱管を使用している。伝熱管は、径が大きい方が燃焼ガスから受ける熱量が大きくなるため、熱吸収の点では有利である。しかし上流域の配置ピッチを小さくしてる部分に径の大きな伝熱管を使用すると、燃焼ガスが流れる空間が狭くなり、燃焼ガスと伝熱管群用伝熱管２の間で行われる熱交換量が大きくなる。すると、燃焼ガスの温度が早期に低下し、燃焼反応が不完全に終わってＣＯの発生量が増大することになる。そのため上流域後部の伝熱管群用伝熱管２は径の小さなものを使用するようにしている。つまり、燃焼装置に近い上流域前部の伝熱管には径の大きな伝熱管を使用することで、燃焼装置で発生させた高温の燃焼ガスを早期に冷却するようにしており、燃焼ガスが高温で滞留する時間を短くすることでＮＯｘの発生量を抑えるようにしている。そして伝熱管群の上流域後部の伝熱管は径の小さな伝熱管を使用し、伝熱管の間に広めの空間を開けるようにしている。伝熱管の距離が広がり、燃焼ガスが流れる流路の面積が大きくなると、燃焼ガスの温度低下が抑えられ、その間に燃焼を完了させることができるためにＣＯの発生量が少なくなる。
【００１６】
中流域や下流域を流れる燃焼ガスは、上流域を流れる燃焼ガスに比べると温度が低下しており、燃焼ガスのボリュームも小さくなっているため、伝熱管が吸収することのできる熱量は少なくなる。そこで、伝熱管群の中流域以降の伝熱管には、表面に熱吸収用フィン４を設置しておき、伝熱管の伝熱面積は下流へ向けて大きくなるようにしておく。伝熱管表面に熱吸収用フィン４を設置すると、伝熱面の面積が増加するために、温度の低下した燃焼ガスからでも多くの熱を吸収することができる。
【００１７】
ボイラの運転を行うと、燃焼装置設置部５に設けた燃焼装置（図示せず）から燃焼ガス流動空間内の伝熱管群へ向けて火炎を発生することになる。伝熱管群の最上流域である上流域前部では径の大きな伝熱管を密に配置しており、火炎は燃焼反応が進行している途中で伝熱管によって熱が奪われるため、火炎温度の上昇は抑制される。火炎温度が高くなると、ＮＯｘ発生量が多くなるが、火炎温度の上昇を防止することでＮＯｘ発生量を少なくすることができる。
【００１８】
伝熱管群の上流域前部を通過した燃焼ガスは、次に伝熱管群の上流域後部を流れる。上流域後部では径の小さな伝熱管を配置しているため、伝熱管の間には比較的大きな空間が開いており、伝熱管による燃焼ガス温度の低下は緩やかになる。この間に燃焼反応は進行するためにＣＯの発生量を減少させることができる。また、上流域後部では伝熱管を一様に配置しており、燃焼ガス流動用の空間が特定の位置に偏ることはないため、上流域後部を流れる燃焼ガスは偏ることなく流れ、そこより下流の中流域以降でも効率よく熱交換することができる。
【００１９】
中流域以降の燃焼ガス流は、上流域での熱交換によって温度が低下しており、燃焼ガスのボリュームは低下している。しかし中流域以降の伝熱管は、表面に熱吸収用フィン４を設けており、熱吸収用フィン４からも熱の吸収を行うため、温度の低下した燃焼ガスからも多くの熱を吸収することができる。また、燃焼ガスの温度は、中流域よりも下流域の方がさらに低くなっているため、下流域の熱吸収用フィン４は中流域の熱吸収用フィン４よりも大きなものを設置しておく。下流域での熱吸収用フィン４の伝熱面積を大きくしておくことで、温度の低下した燃焼ガスからも効果的に熱を吸収することができる。
【００２０】
また、燃焼ガスは伝熱管群だけでなく、伝熱管壁８に対しても加熱を行っている。伝熱管壁では隣り合う伝熱管の間に伝熱管壁用フィン３を設けることで伝熱管壁とするものであるが、伝熱管壁用フィン３には燃焼ガスの熱を吸収して伝熱管壁用伝熱管１へ送る熱伝達の働きもある。伝熱管壁用フィン３に対する加熱は、燃焼ガス温度が高い部分ほど強くなり、伝熱管壁用フィン３の長さが長くなるほど多くなるため、加熱量の大きさは伝熱管壁用フィンに接触する燃焼ガス温度と伝熱管壁用フィンの伝熱面積によって定まる。伝熱管壁用フィンへの加熱量が大きくなると、伝熱管壁用フィンは熱による膨張が大きくなるため、上流域での伝熱管壁用フィンの前後方向長さが長いと、高温の燃焼ガスによって加熱されるために大きな熱応力が発生することになる。伝熱管壁における伝熱管の配置ピッチは、上流域＜中流域＜下流域となるように配置し、伝熱管壁用フィンの前後方向長さは、上流域で短くすることで、伝熱管壁の上流域で大きな熱応力が発生することを防止でき、伝熱管壁の耐久性（寿命）を高めることができる。
【符号の説明】
【００２１】
１  伝熱管壁用伝熱管
２  伝熱管群用伝熱管          
３  伝熱管壁用フィン          
４  熱吸収用フィン          
５  燃焼装置設置部          
６  燃焼ガス出口          
７  燃焼ガス流動空間              
８  伝熱管壁              
【図１】
0005872146.tif 000002