(57)【要約】【課題】水位を伝熱管の途中に設定している多管式貫流ボイラにおいて、伝熱管の上部が過熱されることを防止する。【解決手段】垂直方向に長い多数の伝熱管４を環状に配置した構造の缶体と、環状に配置した前記伝熱管列の中央部分に設ける燃焼室６を持ち、前記燃焼室内の上部に燃焼装置５を設け、燃焼装置５による燃焼によって前記伝熱管内の缶水を加熱するようにしている多管式貫流ボイラにおいて、燃焼装置５は多数の小孔を設けた筒状の燃焼部を持ち、燃焼部では前記小孔から予混合ガスを噴射することによって筒部外側表面で燃焼を行うものであり、燃焼部には下方ほど径を細くしていく円錐台形部９と、円錐台形部の下方に設置した円筒形部８を持っていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直方向に長い多数の伝熱管を環状に配置した構造の缶体と、環状に配置した前記伝熱管列の中央部分に設ける燃焼室を持ち、前記燃焼室内の上部に燃焼装置を設け、燃焼装置による燃焼によって前記伝熱管内の缶水を加熱するようにしている多管式貫流ボイラにおいて、
燃焼装置は多数の小孔を設けた筒状の燃焼部を持ち、燃焼部では前記小孔から予混合ガスを噴射することによって筒部外側表面で燃焼を行うものであり、燃焼部は下方ほど径を細くしていく円錐台形部と、円錐台形部の下方に円筒形部を持っていることを特徴とする多管式貫流ボイラ。  
【請求項２】
請求項１に記載の多管式貫流ボイラにおいて、円錐台形とした燃焼部の面に対して垂直方向へ延長線を延ばした場合、前記伝熱管と交差する箇所はボイラの設定水位よりも下方になるように配置していることを特徴とする多管式貫流ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直な伝熱管を環状に並べ、伝熱管列によって囲まれた中央部分を燃焼室としておき、燃焼室内で燃焼を行う燃焼装置によって伝熱管を加熱するようにしている多管式貫流ボイラに関するものである。より詳しくは、バーナは予混合ガスを伝熱管方向へ噴射して燃焼を行うものであって、伝熱管途中の高さ位置に設定している水位を保つように水位制御を行っている多管式貫流ボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上部に環状の上部管寄せ、下部にも環状の下部管寄せを設けておき、上下の管寄せ間を多数の垂直な伝熱管で連結することで構成した缶体を持つ多管式貫流ボイラが広く普及している。このボイラでは、環状に並べた伝熱管列の中央部分が燃焼室となり、燃焼室上部に下向きのバーナを設置しておき、燃焼室内でバーナによる燃焼を行うことで、燃焼室を取り囲む伝熱管を加熱する。
【０００３】
特開２００６−１８３９２７号公報には、燃焼室内にバーナを設置しておき、伝熱管群の内周面に向けて予混合ガスを噴射するボイラの記載がある。特開２００６−１８３９２７号公報に記載のボイラは、内側伝熱管群に近接して設けたバーナから略水平に（内側伝熱管群に対しては略垂直に）予混合ガスを噴射するものである。この状態で燃焼を行うと、内側伝熱管群に直接接触するような火炎が形成されることになる。このような構造にすると、火炎を伴うガスを即座に内側伝熱管群の内周面に衝突させるため、火炎等が効果的に冷却されて（火炎等の温度上昇を抑制するため）、ＮＯｘの生成量を低減することができるとされている。
【０００４】
ところで貫流ボイラは、一続きの流路を形成しておき、一方から供給した水を流しながら加熱し、他方から蒸気を取り出すものである。そして貫流ボイラでは、伝熱管内の途中に設定した高さ位置まで水を入れておき、バーナによる燃焼で伝熱管を加熱することで、伝熱管表面からの熱を伝熱管内の缶水に伝え、缶水温度を上昇させる。缶水は伝熱管内を上昇しながら加熱され、伝熱管内で沸騰温度まで上昇すると蒸気を発生する。伝熱管はバーナからの熱を受けると温度の上昇が発生するが、伝熱管内に缶水があるならば、伝熱管が吸収した熱は伝熱管内面に接触している缶水に移動するため、伝熱管温度はある程度までしか上昇しない。では、水位を伝熱管の途中に設定しておくと、水位位置より上方の伝熱管では伝熱管内面で接触してる缶水が存在しないことになる。そうなると、缶水による伝熱管の冷却が行えないということになり、上部の伝熱管では温度の上昇が継続し、伝熱管が過熱されてしまうということが考えられる。しかし実際は、伝熱管内では缶水の沸騰が発生しており、沸騰による沸き上がりによって缶水は設定水位よりも上部まで達している。そのため、水位より上方の伝熱管でも缶水に接触することになる。缶水の沸き上がりによって上部の伝熱管でも内面に缶水が存在することになれば過熱は発生しない。
【０００５】
逆に水位が高すぎた場合には、持ち上げられる缶水の量が多くなる。ボイラの蒸気出口には気水分離器を設けておき、蒸気と缶水は気水分離器で分離するようにしているが、気水分離器に達する缶水量が多くなると、気水分離器で缶水を分離しきれなくなり、分離できなかった缶水が蒸気に含まれることで蒸気の乾き度が低下することになる。そのため、貫流ボイラでは伝熱管途中に水位を設定しておき、適正な水位を維持することができるように、精密な水位制御を行っている。
【０００６】
ただし、燃焼を開始した直後の場合、燃焼装置による伝熱管の加熱は行われているが、缶水の沸き上がりはまだ発生していないため、設定水位より上方の伝熱管では沸き上がりの缶水による冷却が行われないということがある。その場合、設定水位より上方の伝熱管では温度が上昇し続けることになる。特に缶水が冷えている状態で燃焼を開始する冷缶起動時は、伝熱管内で缶水が沸騰するまでの時間が長くなってしまい、伝熱管上部の温度がより高くなることがあった。伝熱管が過熱されることによって、ゆがみが発生したり、接合部で断裂が発生することになると、ボイラは早期に交換しなければならなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１８３９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、水位を伝熱管の途中に設定している多管式貫流ボイラにおいて、伝熱管の上部が過熱されることを防止することのできる多管式貫流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】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、垂直方向に長い多数の伝熱管を環状に配置した構造の缶体と、環状に配置した前記伝熱管列の中央部分に設ける燃焼室を持ち、前記燃焼室内の上部に燃焼装置を設け、燃焼装置による燃焼によって前記伝熱管内の缶水を加熱するようにしている多管式貫流ボイラにおいて、燃焼装置は多数の小孔を設けた筒状の燃焼部を持ち、燃焼部では前記小孔から予混合ガスを噴射することによって筒部外側表面で燃焼を行うものであり、燃焼部には下方ほど径を細くしていく円錐台形部と、円錐台形部の下方に設置した円筒形部を持っていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記の多管式貫流ボイラにおいて、円錐台形とした燃焼部の面に対して垂直方向へ延長線を延ばした場合、前記伝熱管と交差する箇所はボイラの設定水位よりも下方になるように配置していることを特徴とする。
【００１１】
バーナの燃焼部に下方ほど径を細くしていく円錐台形部を設けておくと、燃焼部から噴射している予混合ガスは、傾斜している円錐台形の面に対して垂直方向へ噴射することになるため、バーナの燃焼部から斜め下方に向けて火炎を発生することになる。火炎の燃焼によって発生する熱は、予混合ガスの噴射方向に流れるため、その延長線上にある伝熱管を加熱する。予混合ガスの噴射方向を斜め下方としておいた場合、バーナの燃焼部から伝熱管に達するまでの間に下方へと移動していくため、バーナ火炎が伝熱管を加熱することになる部分の高さ位置を低くすることができる。伝熱管内での缶水の沸き上がりが小さい場合であっても伝熱管での過熱を防止でき、バーナ火炎により加熱される部分が伝熱管の設定水位より低い位置となるようにしておくと、伝熱管の過熱は発生しなくなる。
【００１２】
また、燃焼部を円錐形にすると、先端側では燃焼を行う部分の面積は小さくなる。そして燃焼を行う面積が小さくなると、燃焼面負荷が大きくなって火炎がリフトするなどの影響が出る場合もあった。そこで、燃焼部の形状を途中までは下方ほど径を小さくした円錐台形とするが、その下方には円筒形の燃焼部を設けるようにしており、このことによって燃焼部の面積を確保している。そのために、燃焼面負荷が高くなり過ぎるといったことはなく、安定した燃焼状態を確保できる。なお、この部分はバーナの下端部分であり、燃焼を行う高さ位置が低いものであるため、傾斜を設けずともこの部分で発生した熱が加熱する伝熱管部分は低い位置となり、伝熱管の過熱は問題ない。
【発明の効果】
【００１３】
蒸気負荷が小さく缶水の沸き上がりが小さい運転状態においても、バーナ火炎を設定水位より下方へ向けて形成するため、上部伝熱管が過熱されることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施例における多管式貫流ボイラの概要説明図
【図２】図１のＡ−Ａ断面図
【図３】図１の燃焼装置部分の概要説明図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施例における多管式貫流ボイラの概要説明図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１の燃焼装置部分の概要説明図である。ボイラ１は上部に上部管寄せ２、下部に下部管寄せ３を設けている。上下の管寄せは、上部管寄せ２は下面、下部管寄せ３は上面が平らな断面半丸形であって、環状に形状している。上部管寄せ２と下部管寄せ３の間は、環状に並べた多数の垂直な伝熱管４で連結しておく。各伝熱管４は、間にわずかなすき間を開けて並べており、伝熱管４の間を燃焼ガスが抜け出ることができるようにしている。伝熱管列の外側には炉壁と断熱材層１３を設け、炉壁の一部分には排ガス出口１２の開口を設けており、排ガス出口１２の先に排ガスを排出する煙突１４を接続する。
【００１６】
ボイラ内への給水は下部管寄せ３から行う。下部管寄せ３の下方に給水配管を接続し、給水配管途中に設けている給水ポンプ（図示せず）を作動することによって下部管寄せ３へ給水を行う。下部管寄せ３には伝熱管４を多数接続しているため、下部管寄せ内に入った水は多数設けている伝熱管４へ分岐して上向きに流れる。ボイラの給水制御は、ボイラの缶体部分と上下で接続している水位検出装置１０にて検出したボイラ内水位に基づいて行う。ボイラの運転時には、伝熱管４の途中に設定している所定水位を保つように給水ポンプの作動を制御する。水位検出装置１０では、給水を開始する高さ位置と、給水を停止する高さ位置で水の有無を検出しておく。水位検出装置１０にて検出している水位が、給水開始水位未満になると、給水ポンプの作動を行ってボイラへの給水を行い、給水を行うことでボイラ内水位が上昇し、検出水位が給水停止水位以上になると給水ポンプの作動を停止する。
【００１７】
ボイラ１の中心部分であって、環状に並べた伝熱管４によって囲まれる円柱状の空間が燃焼室６となり、燃焼室６の上部に燃焼装置５を設ける。燃焼装置５は、燃焼用空気を供給する送風機１５、燃料ガスを供給する燃料供給部１６、供給してきた燃焼用空気と燃料ガスを混合して予混合ガスとする混合室１７、燃焼室内で燃焼を行う予混合バーナ７などからなる。
【００１８】
予混合バーナ７は、先端部分に円筒形の燃焼部を持っている。燃焼部は、多数の小孔が開いた金属製の筒からなっており、予混合ガスを筒の小孔から外へ噴射し、筒の外表面付近で燃焼を行う。燃焼部には、先端側である下部燃焼域８と根本側である上部燃焼域９を分けて設定しておき、上部燃焼域９は先側を細くした円錐台形状とし、下部燃焼域８は径の変わらない円筒形状としている。この時、下部燃焼域８はボイラ運転時の設定水位よりも低い位置になるように、予混合バーナ７の下端部に設けておく。また、円錐台形とした部分は、燃焼部の面に対して垂直方向へ延長線を延ばした場合、前記伝熱管と交差する箇所はボイラの設定水位よりも下方になるように、傾斜の角度や上部燃焼域９の高さ位置を設定しておく。
【００１９】
ボイラの運転制御について説明する。ボイラで運転を開始する場合、まず水位検出装置１０で検出している水位が給水停止水位よりも低い場合には、給水停止水位となるまで給水ポンプを作動し、水位を給水停止水位まで上昇させておく。ボイラでは、燃焼装置５による燃焼を開始する前に燃焼室６内を換気するプレパージを行う。燃料供給部１６からの燃料供給は停止したままで、送風機１５の作動を行うと、燃焼室内へは空気のみを供給することになり、燃焼室６内に未燃ガスが残っていたとしても未燃ガスは煙突１４を通して排出される。ボイラ内水位が十分に高く、かつプレパージも終了すると、予混合バーナ７による燃焼を開始する。
【００２０】
予混合バーナ７での燃焼域部分にはパイロットバーナ（図示せず）を設けておき、パイロットバーナで発生させている火種を使用して燃焼を行う。パイロットバーナを燃焼させている状態で、上部燃焼域９及び下部燃焼域８の小孔から予混合ガスを噴射すると、パイロットバーナの火炎が上部燃焼域及び下部燃焼域８の表面で燃え広がり、燃焼域の全面で燃焼する。
【００２１】
予混合バーナ７の燃焼部に達した予混合ガスは、上部燃焼域９及び下部燃焼域８から燃焼室６へ噴射するものであり、その際には上部燃焼域９と下部燃焼域８の燃焼面に対して垂直な方向へ予混合ガスを噴射する。予混合バーナ７での火炎は、上部燃焼域９及び下部燃焼域８の外側表面近くで発生し、高温の燃焼ガスは予混合ガス噴射方向の延長線上に流れていく。
【００２２】
この場合、下部燃焼域８では垂直な燃焼面を持ち、予混合ガスの噴射方向は燃焼面に対して垂直になるために、水平方向へ予混合ガスを噴射する。この場合の火炎の熱は、伝熱管４の下部燃焼域８と同じ高さ位置部分を最初に加熱する。その後、燃焼ガスは燃焼室６に面している伝熱管４の表面に沿って流れながらさらに伝熱管４の加熱を行い、さらに伝熱管４のすき間を通して伝熱管列の外側へ流れ、外側からも伝熱管を加熱する。火炎の熱は、予混合バーナ７の燃焼面に近い部分で最も高くなっており、燃焼ガスが伝熱管４と接触しながら熱交換を行うことで温度を低下させていくものとなる。
【００２３】
そして上部燃焼域９は、下部燃焼域８よりも高い位置になるが、上部燃焼域９では下方ほど径が細くなる円錐台形状としており、上部燃焼域９から噴射する予混合ガスは傾斜している燃焼面に対して垂直になるため、斜め下方へ噴射することになる。この場合、上部燃焼域９で発生する火炎の熱は、伝熱管４までの距離を伝わる間に下方へ下がるため、バーナ火炎により加熱される伝熱管４の高さ位置は、予混合バーナ７の上部燃焼域９を設置している高さ位置よりも低い位置とできる。
【００２４】
燃焼開始直後の場合には伝熱管４内での缶水の沸き上がりは少ないため、もしこの時に火炎による加熱部が伝熱管４の水位よりも高い位置にあると、内周面側で缶水に接触していない部分がバーナ火炎により加熱されることとなり、缶水による冷却が行われないということになると、伝熱管が過熱されることとなる。本実施例では、下部燃焼域８は伝熱管４の水位よりも低い位置としておき、下部燃焼域８からの火炎が最初に加熱する伝熱管の部分は、内周面側で缶水に接触している部分としておく。この部分では、内側にある缶水によって冷却されるために、伝熱管が過熱される問題はない。
【００２５】
また、上下方向に長くなる燃焼域の全てを伝熱管内の設定水位よりも低い位置に設置しようとすると、予混合バーナ７の燃焼部は燃焼室６内に大きく入り込ませることが必要となり、予混合バーナの全長が長くなってしまう。バーナの全長が長くなるとバーナ取り外し時にはボイラの上方に大きなメンテスペースが必要になり、扱いづらいものとなる。そこで、上下に長い燃焼域の全てを設定水位よりも低い位置に設置することはせず、上部の燃焼域では、燃焼部を傾斜させることでバーナ火炎の形成方向を伝熱管内の設定水位よりも低くなるようにすることで、伝熱管４の上部が過熱されることがなくなる。
【００２６】
また、予混合バーナ７において燃焼部を先細り形状にすると、燃焼を行う部分の面積が小さくなる。燃焼量が同じで燃焼面積が小さくなると、単位面積当たりの燃焼負荷が増大することになり、予混合バーナ７では火炎のリフトなどが発生することがある。しかし本実施例では、燃焼面を先細り形状とするのは上部燃焼域９のみとし、上部燃焼域９の下方に円筒形の下部燃焼域８を設けることで燃焼面積は確保するようにしている。このことにより、燃焼面の面積を確保することができ、火炎にリフトが発生するなど不安定な燃焼状態を防止することができる。
【００２７】
なお、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１  ボイラ        
２  上部管寄せ          
３  下部管寄せ          
４  伝熱管
５  燃焼装置          
６  燃焼室
７  予混合バーナ
８  下部燃焼域
９  上部燃焼域
１０  水位検出装置
１１  気水分離器
１２  排ガス出口
１３  断熱材層
１４  煙突  
１５  送風機
１６  燃料供給部
１７  混合室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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