(57)【要約】【課題】燃焼炉内にて燃焼空間の有効活用を促進させ、ガス中の酸素濃度アンバランスの抑制、ガス温度アンバランスの抑制を実現すること。【解決手段】燃焼炉１の対向する一方の前壁Ａにバーナ１２と後壁Ｂのバーナ１１が同一水平面又はほぼ同一水平面に配置されて、各バーナ中心軸２，３同士が互いにわずかにずれた位置に配置されており、前壁Ａに設けられたバーナ１１からの火炎の一部は対向位置の後壁Ｂに設けられたバーナ１２からの火炎と衝突するが、一部は衝突しない。このような各バーナ１１，１２からの火炎の中で対向する前後壁Ａ，Ｂと衝突しない火炎は、側壁Ｃとバーナ火炎との間の空間を燃焼空間として使い、側壁Ｃに近い火炎は側壁側に膨らむ方向（図２の矢印（Ｒ）方向）に押しやられるため、領域（イ）、（イ’）に生じていた燃焼に有効に使われていなかった燃焼炉内の空間を縮小する作用がある。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する壁面の同一高さ又はほぼ同一高さ位置に複数のバーナの組をそれぞれ配置し、前記バーナの組をバーナ火炎の流れる方向に少なくとも一段配置した燃焼炉において、
対向する壁面の同一高さ又はほぼ同一高さ位置にある少なくとも一段のバーナの組は、対向する壁面で互いのバーナの中心軸の水平方向の延長線のなす距離がずれた位置に配置されていることを特徴とする燃焼炉。
【請求項２】
対向する壁面での互いのバーナ中心軸の延長線のなす前記水平距離は、バーナのスロート径Ｄの０．２〜１．５倍の間の値であることを特徴とする請求項１記載の燃焼炉。
【請求項３】
請求項１記載の燃焼炉を蒸気発生装置の燃焼炉として用いることを特徴とするボイラ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼炉と該燃焼炉を蒸気発生装置の燃焼炉とするボイラ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３には、ボイラ装置の燃焼炉における基本的なバーナ配置である対向する前後壁Ａ，Ｂにバーナ４，５をそれぞれ配置するバーナの配置構造（対向燃焼配置ということがある）を燃焼炉１の側壁の側から見た図を示す。バーナ４とバーナ５は燃焼炉１にてお互いに各々が対向する前後壁Ａ，Ｂの位置に配置される。このとき、同一水平方向に複数のバーナ４，５が配置され、該バーナ４，５をバーナ火炎の流れる方向である上下方向に複数段配置する。
【０００３】
図３の対向燃焼配置構造の燃焼炉の従来技術の一つの水平断面図を図６に示す。対向する炉壁Ａ又はＢの少なくとも一段のバーナ４又は５の組は、対向する炉壁Ｂ又はＡで互いのバーナ５又は４の中心軸の延長線が同一水平面上にあるよう配置されており、対向する各々のバーナ４及び５から燃焼ガスは衝突し、ガス流れ６及びガス流れ７に示すように流れ方向をほぼ１８０度変えて再びバーナ４又は５の火炎の根元へ戻る循環流れの形態を示している。
【０００４】
また、対向燃焼配置のその他の公知例として、図７のように、バーナ４とバーナ５はお互いが向き合ってはいるが、対向する壁面のバーナ間隔の中間位置に来るよう配置される、いわゆる千鳥配列や、特開２００２−１２２３０４号公報記載の発明のように、いずれも向き合うバーナの火炎が衝突しないよう配置し、炉内で大きな旋回流を水平面に形成することを目的としたものがある。
【０００５】
更に、特開平７−１１９９２３号公報記載の発明のように、燃焼炉の４つの壁面にそれぞれバーナを配置し、炉内の旋回流を起こすいわゆるタンジェンシャル燃焼方式もある。
【特許文献１】特開２００２−１２２３０４号公報
【特許文献１】特開平７−１１９９２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術では、バーナの大容量化に伴い燃焼炉内で有効に活用できない領域が大きくなり、ガス温度のアンバランスが生じ、結果として燃焼炉の後流に設置された後部伝熱部での収熱アンバランスを生じさせていた。  
図７に示す従来技術では、領域（ロ）が有効に活用されない。領域（ロ）の反対側壁面に設置されるバーナ４は、火炎が直接燃焼炉１の側壁Ｃに当たる、いわゆる干渉を防ぐため燃焼炉１の側壁Ｃとの間に充分な距離を保つ必要がある。しかし、バーナの大容量化によりこの距離は大きくなっている。結果として、バーナ４の対向位置である反対側に位置する領域（ロ）が大きくなり、燃焼空間として有効に活用されない領域が拡大する。この領域（ロ）は、燃焼空間として活用されていないため、ガス中の酸素濃度が高く、またガス温度は低い。従って、ガス温度アンバランスがボイラ装置の後部伝熱部での収熱アンバランスを生じさせる。
【０００７】
図６のバーナ中心軸の延長線を水平方向で同一線上とする配置は、領域（ロ）を最小限にするには有効な手段であったが、バーナの大容量化に伴い、やはりガス温度のアンバランスが生じることになる。  
図８にそのメカニズムを示す。一方の炉壁Ａ又はＢのバーナ４又は５から投じられたガス流れが対向する他方の炉壁Ｂ又はＡに配置されたバーナ５又は４からのガス流れと衝突し、バーナ火炎の根元に戻ってくる循環流を形成することが、この対向配置の理想とするところであるが、実際には図８に示すように火炎（ガス流れ）は各バーナ中心軸同士に沿って理想的に衝突することはなく、燃焼炉１内の微妙な横方向の流れなどが影響し、どちらかにずれる。バーナ４，５が比較的小容量の時には本現象の影響も小さかったが、バーナ４，５の大容量化によりバーナ４，５と燃焼炉１の側壁Ｃとの距離は長くなっているため、燃焼空間として有効に活用されない領域（イ）が拡大してきた。特に、本例の場合には各バーナ４，５の中心軸の延長線同士が同一線上にあるため、わずかな外乱により図８に示す状態から図９に示す状態に容易に変化し、領域（ロ）が新たに燃焼に有効に使われない空間となる（チャタリング現象）。結果としてガス温度の分布が時間の変化と伴に変わる不安定な現象なため、本現象がボイラ装置の燃焼炉１内において発生したとき、バーナレジスタの開度などハード側でのこの現象を解消するための対策が講じられなくなる問題があった。
【０００８】
図１０は燃焼炉１で生じたガス温度アンバランスが後部伝熱部へ与える影響として最も顕著な例を示している。図１０（ａ）はボイラ装置の燃焼炉１と後部伝熱部８，９の縦断面図、図１０（ｂ）は燃焼炉１のバーナ設置部の水平断面図、図１０（ｃ）は後部伝熱部８，９の水平断面図である。
【０００９】
燃焼炉１のバーナ火炎が当たらない領域（イ）では酸素濃度が高く、ガス温度が低い領域のガスは後流側の後部伝熱部８においては領域（ハ）に流れる。わかりやすい例として、図１０のように後部伝熱部が分割壁１０により伝熱部８と伝熱部９に分かれていた場合、伝熱部８に配置された伝熱管は領域（ハ）の影響を受けるため、この領域（ハ）の部位の伝熱管の収熱が低く、一方で伝熱部８の領域（ハ）の反対側に配置された伝熱管の収熱は高くなる。結果として伝熱部８の出口蒸気は缶の左右で温度差を生じる。同様に伝熱部９では燃焼炉１の領域（イ’）の影響を受けた領域（ハ’）のため、伝熱部８とは左右逆の蒸気温度分布が生じるという問題があった。
【００１０】
また、特開２００２−１２２３０４号公報及び特開平７−１１９９２３号公報記載の発明は、バーナからの火炎を衝突させずに旋回流を形成するようなバーナ配置を用いている。火炎の旋回流は、衝突方式とは混合手法が異なるが、燃料と燃焼空気の混合促進という点では有効な手法である。ただし矩形の燃焼炉断面内に円形又は楕円形の旋回流をおくことから、燃焼炉の４隅など旋回流の影響が及びにくい領域が生じるという点では、図７の従来技術と同様の問題がある。
【００１１】
特開２００２−１２２３０４号公報記載の発明のような火炉の各側壁面の中央付近にバーナを設置するタンジェンシャル燃焼のほかに、燃焼炉の側壁隅部（コーナ）にバーナを配置するタンジェンシャル燃焼、いわゆるコーナファイアリングの場合もある。この燃焼方式は燃焼炉の隅部を燃焼空間として有効に活用するという点で優れているが、バーナからの火炎と燃焼炉壁との距離が、対向燃焼方式に比べ非常に近づいため、火炎の燃料炉壁との干渉によって生ずる腐食などの問題を解決する別の工夫が必要であった。  
本発明の課題は、燃焼炉内にて燃焼空間の有効活用を促進させ、ガス中の酸素濃度アンバランスの抑制、ガス温度アンバランスの抑制を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の上記課題は次の解決手段により達成される。  
請求項１記載の発明は、対向する壁面の同一高さ又はほぼ同一高さ位置に複数のバーナの組をそれぞれ配置し、前記バーナの組をバーナ火炎の流れる方向に少なくとも一段配置した燃焼炉において、対向する壁面の同一高さ又はほぼ同一高さ位置にある少なくとも一段のバーナの組は、対向する壁面で互いのバーナの中心軸の水平方向の延長線のなす距離がずれた位置に配置されている燃焼炉である。
【００１３】
請求項２記載の発明は、対向する壁面での互いのバーナ中心軸の延長線のなす前記水平距離は、バーナのスロート径Ｄの０．２〜１．５倍の間の値である請求項１記載の燃焼炉である。  
請求項３記載の発明は、請求項１記載の燃焼炉を蒸気発生装置の燃焼炉として用いるボイラ装置である。
【００１４】
請求項１記載の発明によれば、燃焼炉の前壁と後壁の同一水平面又はほぼ同一水平面に配置されている各バーナの中心軸の延長線は水平方向に互いにわずかにずれた位置（このずれをオフセット距離ということがある）に配置されているので、一方の炉壁に設けられたバーナからの火炎（ガス流れ）の一部は対向位置の炉壁に設けられたバーナからの火炎（ガス流れ）と衝突するが、一部は衝突しない。
【００１５】
図２に示すように一対の側壁Ｃに隣接する前後壁Ａ，Ｂに設けられる各バーナ１２，１１からの火炎の中で対向する壁面と衝突しないガス流れは、側壁Ｃとバーナ火炎との間の空間を燃焼空間として使い、側壁Ｃに近い火炎は側壁側に膨らむ方向（図２の矢印（Ｒ）の方向）に押しやられるため、領域（イ）、（イ’）に生じていた燃焼に有効に使われていなかった燃焼炉１内の空間を縮小する作用がある。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１記載の発明によれば、燃焼に有効に使われていなかった燃焼炉内の空間を縮小するので大容量の燃焼炉でも燃焼炉内で均一な燃焼が行われ、排ガス中の未燃炭素の発生量、一酸化炭素の発生量の低減にも有効な燃焼が行われる。
【００１７】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、オフセット距離をバーナスロート径の０．２Ｄから１．５Ｄの間にすると燃焼に有効に使用されない燃焼炉内の空間を縮小する効果がある。  
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果をボイラ装置で効果的に使用でき、蒸気発生効率が従来より高まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施例を図面と共に説明する。  
図１は本発明の実施例の燃焼炉の水平断面図を示す。本図はバーナをその中心軸で表しており、燃焼炉１の対向する一方の壁面である前壁Ａにバーナ中心軸２が配置され、他方の壁面である後壁Ｂにバーナ中心軸３が配置され、これらのバーナ中心軸２とバーナ中心軸３同士の延長線同士の水平方向の距離Ｌを当該バーナのスロート径をＤとしたとき、Ｄの０．２倍から１．５倍となるよう配置している。
【００１９】
図２に本実施例の作用を示す燃焼炉のバーナ設置部の燃焼炉水平断面図を示す。バーナ１１とバーナ１２は燃焼炉１内で互いに向き合う燃焼炉１の前後の対向する前後壁Ａ，Ｂの同一水平面又はほぼ同一水平面に配置されているが、前壁Ａと後壁Ｂの各バーナ中心軸２，３の延長線同士は水平方向に互いにわずかにずれた位置に配置されている。この場合、一方の炉壁Ａ又はＢに設けられたバーナ１１又は１２からの火炎（ガス流れ）の一部は対向位置の炉壁Ｂ又はＡに設けられたバーナ１２又は１１からの火炎（ガス流れ）と衝突するが、一部は衝突しない。このような火炎の衝突態様を、ここではオフセット衝突と呼ぶことにする。
【００２０】
燃焼炉１の前後壁Ａ，Ｂの両端部を接続する壁面である一対の側壁Ｃに隣接する前後壁Ａ，Ｂに設けられるバーナ１１又は１２からの火炎の中で対向する炉壁Ａ又はＢと衝突しないガス流れは、側壁Ｃとバーナ火炎との間の空間を燃焼空間として使う。特に、オフセット衝突の際に生じた力の反作用で、側壁Ｃに近い火炎は側壁側に膨らむ方向に図中の矢印（Ｒ）方向に押しやられるため、領域（イ）、（イ’）に生じていた燃焼に有効に使われていなかった燃焼炉１内の空間を縮小する作用がある。
【００２１】
対向する前後壁Ａ，Ｂにそれぞれ配置され、対向する炉壁同士で位置に最も近い位置にある２つのバーナの中心軸２，３間の距離Ｌ（オフセット距離Ｌ）を変えることにより、オフセット衝突により生ずる反作用力の方向を制御することができ、たとえば、図２のように領域（イ）を最小とする最適なオフセット距離Ｌの設定が可能である。
【００２２】
図５に本実施例の効果の一例を示す。横軸は前記オフセット距離Ｌ、縦軸にガス中の酸素濃度偏差を示す。曲線（イ）は図２における領域（イ）及び領域（イ’）におけるガス中の酸素濃度偏差、曲線（ロ）は図２における領域（ロ）及び領域（ロ’）におけるガス中の酸素濃度偏差を示す。また破線（ハ）は酸素濃度アンバランス指数を示す。酸素濃度アンバランス指数が小さいほど、ガス中の酸素濃度アンバランスが小さく、ガス温度アンバランスも小さいことを示す。曲線（イ）と曲線（ロ）から酸素濃度アンバランス指数が求まるが、酸素濃度アンバランス指数はバーナの型式、容量や、燃焼炉に配置されるバーナの位置に影響され、また、オフセット距離がバーナスロート径の０．２Ｄから１．５Ｄの間で燃焼に有効に使用されない燃焼炉１内の空間を縮小する効果があることが分かる。  また、ガス中の酸素濃度アンバランスがなくなるということは燃焼炉１内で均一な燃焼が行われていることであり、本実施例により排ガス中の未燃炭素の発生量、一酸化炭素の発生量の低減にも効果がある。
【００２３】
Ｌ＝０．２Ｄなどオフセット距離が小さい場合、酸素濃度、ガス温度アンバランスの抑制という点での効果は小さいが、図８と図９に示すように燃焼ガスの流れ方向が時間の経過と共にずれが生じることが原因で燃焼ガスの不安定なガス温度分布の変化（チャタリング現象）の発生を抑える効果があるため、ガス温度アンバランスが発生してもその分布は一つのパターンに固定される。従って、バーナレジスタ開度の調整や水、蒸気経路側での調整などハード面の対策が有効となる効果がある。
【００２４】
燃焼炉１の対向する前後壁Ａ，Ｂに配置されたバーナ１１，１２（図２）間において、対向する前後壁Ａ，Ｂの同一高さ位置又はほぼ同一高さ位置にそれぞれ配置されたバーナ１１，１２の組が上下方向に一段しかない場合、その一段のバーナに対して本実施例を適用する。
【００２５】
図３に一例を示すように、対向する前後壁Ａ，Ｂの同一高さ位置にそれぞれ配置されたバーナ１１，１２の組がそれぞれの炉壁Ａ，Ｂに上下方向に複数段ある場合には、本実施例を全べての段のバーナ１１，１２に適用するのが望ましい。しかしボイラ構造あるいはバーナ配置上の制限で、特定の一段のみに本実施が適用できる場合、上段側のバーナ段に本実施例を適用するのがより効果的である。これは上段側のバーナの組に本実施例を適用した場合には、上段側のバーナ１１，１２の組だけの酸素濃度アンバランス指数を小さくする効果だけでなく、下段側のバーナ１１，１２の組において発生したガス中の酸素濃度の高い領域を、上段側のバーナ１１，１２の組において低減することができるからである。
【００２６】
図４に本発明のその他の実施例を示す。この実施例の場合の対向する前壁Ａに配置されるバーナと後壁Ｂに配置されるバーナの同士のオフセットされた配置位置は必ずしも全てのバーナで同じ方向に規則的に配置されるものである必要はない。また、前後壁Ａ，Ｂに配置されるバーナ中心軸２，３の延長線同士のオフセット距離Ｌ自体も同一である必要もない。  
また図示はしていないが、側壁にもっとも近い前後壁の位置に配置されたバーナのみに対して選択的に実施しても効果はある。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
バーナと燃焼炉の大容量化に対応可能なバーナの配置構造としてボイラ装置などの燃焼炉としての利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明となる燃焼炉でのバーナ配置を示す平面図である。
【図２】図１の燃焼炉での作用を示す燃焼炉のバーナ設置部の水平断面図である。
【図３】本発明となる燃焼炉での対向燃焼バーナ配置を示す側面図である。
【図４】本発明となる燃焼炉での対向燃焼バーナ配置を示す平面図である。
【図５】本発明となる燃焼炉での対向燃焼バーナ配置の効果を説明する図である。
【図６】従来の燃焼炉での対向燃焼バーナ配置を示す平面図である。
【図７】従来の燃焼炉での対向燃焼バーナの千鳥配置を示す平面図である。
【図８】従来の燃焼炉でのバーナ大容量化によるガス流れを示す平面図である。
【図９】図８の別パターンを示す燃焼炉の平面図である。
【図１０】従来の燃焼炉での分布が後部伝熱部へ影響を及ぼすことを示す側面図（図１０（ａ））及び燃焼炉の平面図（図１０（ｂ））と後部伝熱部の平面図（図１０（ｃ））である。
【符号の説明】
【００２９】
１    燃焼炉                            ２，３  バーナ中心軸
４，５  バーナ                          ６，７  ガス流れ
８，９  伝熱部                          １０  分割壁
１１，１２  バーナ                      Ａ    前壁
Ｂ    後壁                              Ｃ    側壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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