(57)【要約】【課題】  蒸気を発生させる際に用いられ、とりわけ環状の内側水管壁と外側水管壁との間に環状の燃焼室を形成した形式の多管式貫流ボイラに於て、伝熱管の単位面積当りの熱吸収量を増加させてボイラ本体の小型化を達成し、同時に低環境負荷即ち低ＮＯｘ、低ＣＯを満たす。【解決手段】  内側水管壁２、外側水管壁３、燃焼室４、伝熱水管群５、上部ヘッダ６、下部ヘッダ７、バーナ８、燃焼室出口９とで構成し、とりわけ燃焼室４とバーナ８と燃焼室出口９を縦長の長方形状にすると共に、バーナ８と燃焼室出口９を燃焼室４の略中位に位置すべく配置する。【選択図】        図１
2007309578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の内側水管壁及び外側水管壁と、内側水管壁と外側水管壁の間に形成された環状の燃焼室と、内側水管壁の内側の空間に燃焼ガス通路が形成されるべく設けられた伝熱水管群と、内側水管壁と外側水管壁と伝熱水管群に連通して設けられた上部ヘッダ及び下部ヘッダと、外側水管壁に貫通して設けられて燃料ガスと燃焼用空気を燃焼室の接線方向に噴出して燃焼させるバーナと、燃焼室の下流側でバーナ近傍の内側水管壁に設けられて燃焼ガスを燃焼ガス通路に導く燃焼室出口とを備え、前記燃焼室とバーナと燃焼室出口は、縦長の長方形状にされていると共に、バーナと燃焼室出口は、燃焼室の略中位に位置すべく配置されている事を特徴とする多管式貫流ボイラ。
【請求項２】
バーナは、高さと幅の比率を５：１〜２０：１にすると共に、燃焼室の幅とバーナの幅の比率を１〜１．５：１にした請求項１に記載の多管式貫流ボイラ。
【請求項３】
燃焼室の下流側の幅が徐々に狭くなる様にした請求項１に記載の多管式貫流ボイラ。
【請求項４】
燃焼室の下流側の内側水管壁及び外側水管壁にフィンを設けた請求項１に記載の多管式貫流ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気を発生させる際に用いられ、とりわけ環状の内側水管壁と外側水管壁との間に環状の燃焼室を形成した形式の多管式貫流ボイラの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の多管式貫流ボイラとしては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されたものが知られている。
【０００３】
当該多管式貫流ボイラは、環状の内側水管壁及び外側水管壁と、内側水管壁と外側水管壁の間に形成された環状の燃焼室と、内側水管壁の内側の空間に燃焼ガス通路が形成されるべく設けられた伝熱水管群と、内側水管壁と外側水管壁と伝熱水管群に連通して設けられた上部ヘッダ及び下部ヘッダと、外側水管壁に貫通して設けられて燃料ガスと燃焼用空気を燃焼室の接線方向に噴出して燃焼させるバーナと、内側水管壁の下部に設けられて燃焼ガスを燃焼ガス通路に導く燃焼室出口とを備え、前記バーナは、円形状にされて燃焼室の上位に配置されて居り、バーナからの火炎が下方へ螺旋状に旋回する様にされていた。
【０００４】
この様なものは、火炎の表面積が比較的大きく、火炎が遠心力に依り外側水管壁の内面を嘗める様に延びる為に放射特性が良くなると共に、火炎が輻射伝熱に依って内側水管壁へも熱を与える為に熱吸収がより一層良くなり、火炎が冷却されて火炎温度が全体的に低い温度に保たれる。然も、燃焼ガスが環状の燃焼室内を旋回してその一部がバーナ側に戻る為に燃焼ガスに依る排ガス再循環作用が得られる。その結果、燃焼室内でのＮＯｘの発生が抑制され低ＮＯｘ化を図る事ができる。
加えて、燃焼室を形成する壁面が内側水管壁及び外側水管壁に依り凹凸状に形成されている為に燃焼室の下流側に発生する渦流に依り燃料ガスと燃焼用空気の混合が促進される上、サイクロン火炎が燃焼室内を旋回する長い火炎となり、ＣＯが燃焼室内で燃え切るまでの滞留時間を稼ぐ事ができる。その結果、燃焼室内でのＣＯの発生が抑制され低ＣＯ化を図る事ができる。
【０００５】
ところで、貫流ボイラの分野に於ては、燃焼量当たりの小型化が益々進んで居り、最近では蒸発量が２ｔ／ｈクラスの小型貫流ボイラの場合、燃焼室負荷が５０００ｋＷ／ｍ3ｈ以上にも達している。
この様な高負荷燃焼条件下に於て、燃焼速度が速くて火炎温度が上昇する空気比１．１〜１．２の低空気比にて低ＮＯｘ化を達成するには、火炎温度の上昇を抑えてサーマルＮＯｘの生成を抑える必要がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０１５１４号公報
【特許文献２】特開２００５−３３７５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、従来の多管式貫流ボイラに於ては、環状の燃焼室の幅が比較的狭く形成されているものの、バーナが円形状に形成されている為にバーナからの火炎が略円柱形状となり、火炎からの放熱も少なくなって火炎温度があまり下がらず、サーマルＮＯｘの発生を大幅に抑制し難かった。又、バーナからの噴出火炎が広がって内側水冷壁に衝突する事に依りバーナ先端と内側水冷壁との間に火炎噴出方向と逆向きの渦流が発生し、この渦流が環状の燃焼室を旋回する燃焼ガスの再循環を妨げる事になる。その結果、燃焼ガスの再循環量が少なくなり、燃焼ガスに依る排ガス再循環作用が余り得られず、火炎の温度が上昇してＮＯｘの生成を大幅に抑制する事ができなかった。
【０００８】
本発明は、叙上の問題点に鑑み、これを解消する為に創案されたもので、その課題とする処は、伝熱管の単位面積当りの熱吸収量を増加させてボイラ本体の小型化を達成し、同時に低環境負荷即ち低ＮＯｘ、低ＣＯを満たし得る多管式貫流ボイラを提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の多管式貫流ボイラは、基本的には、環状の内側水管壁及び外側水管壁と、内側水管壁と外側水管壁の間に形成された環状の燃焼室と、内側水管壁の内側の空間に燃焼ガス通路が形成されるべく設けられた伝熱水管群と、内側水管壁と外側水管壁と伝熱水管群に連通して設けられた上部ヘッダ及び下部ヘッダと、外側水管壁に貫通して設けられて燃料ガスと燃焼用空気を燃焼室の接線方向に噴出して燃焼させるバーナと、燃焼室の下流側でバーナ近傍の内側水管壁に設けられて燃焼ガスを燃焼ガス通路に導く燃焼室出口とを備え、前記燃焼室とバーナと燃焼室出口は、縦長の長方形状にされていると共に、バーナと燃焼室出口は、燃焼室の略中位に位置すべく配置されている事に特徴が存する。
【００１０】
燃料ガスと燃焼用空気は、バーナから燃焼室の接線方向に噴射されて燃焼されると共に、燃焼室の壁面に沿う火炎が形成される。燃焼後の燃焼ガスは、燃焼室内を周回して燃焼室出口へ流入する成分と、再びバーナへ戻って排ガス再循環を行う成分に分岐される。燃焼室出口へ流入した燃焼ガスは、燃焼ガス通路を通過して伝熱水管群に熱を与えた後に外部へ排出される。
燃焼室とバーナと燃焼室出口は、縦長の長方形状にされていると共に、バーナと燃焼室出口は、燃焼室の略中位に位置すべく配置されている為、バーナからの火炎が縦長で幅の細い火炎となり、火炎の表面積が大幅に増える事になる。その結果、火炎からの放熱が多くなって内側水管壁及び外側水管壁への輻射伝熱を促進すると共に、火炎温度が比較的低い温度に保たれてサーマルＮＯｘの生成を抑制する事ができる。
燃焼室出口は、燃焼ガスが燃焼室を周回してＣＯが消える完全燃焼した位置に設けられている為、ＣＯの発生を抑制する事ができる。
燃料ガスと燃焼用空気を燃焼室の接線方向へ噴出して燃焼させ、燃焼室の壁面に沿う火炎を形成すると共に、燃焼ガスを燃焼室内で一巡させて燃焼室出口から排出する様にしているので、火炎による輻射伝熱に依って内側水管壁と外側水管壁の両方に熱を与えると共に、火炎が遠心力に依り外側水管壁の内面を嘗める事による接触伝熱に依っても外側水管壁へ熱を与える事になる。その結果、水管壁への熱吸収率が大幅に向上し、ボイラ自体の小型化を図る事ができる。
【００１１】
バーナは、高さと幅の比率を５：１〜２０：１にすると共に、燃焼室の幅とバーナの幅の比率を１〜１．５：１にするのが好ましい。この様にすれば、バーナからの火炎が縦長で幅の細い火炎となり、火炎の表面積が大幅に増える事になる。その結果、火炎からの放熱が多くなって水管壁への輻射伝熱を促進すると共に、火炎温度が比較的低い温度に保たれてサーマルＮＯｘの生成を抑制する事ができる。
【００１２】
燃焼室の下流側の幅が徐々に狭くなる様にするのが好ましい。この様な構造は、例えば外側水管壁と内側水管壁の中心同士を偏心させたり、外側水管壁又は内側水管壁が燃焼室の下流側に行くに連れてその半径が変化する円錐曲線にしたりする事に依り形成される。この様にすれば、燃焼ガスの流速が増大する事に依り接触伝熱が促進される。
【００１３】
燃焼室の下流側の内側水管壁及び外側水管壁にフィンを設けるのが好ましい。この様にすれば、燃焼ガスの放熱が促進される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に依れば、次の様な優れた効果を奏する事ができる。
（１）  内側水管壁、外側水管壁、燃焼室、伝熱水管群、上部ヘッダ、下部ヘッダ、バーナ、燃焼室出口とで構成し、とりわけ燃焼室とバーナと燃焼室出口を縦長の長方形状にすると共に、バーナと燃焼室出口を燃焼室の略中位に位置すべく配置した為、伝熱管の単位面積当りの熱吸収量を増加させてボイラ本体の小型化を図る事ができると共に、低環境負荷即ち低ＮＯｘ、低ＣＯを満たす事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第一例に係る多管式貫流ボイラを示す横断平面図。図２は、図１の縦断正面図。図３は、図１のａ−ｂ−ｃ−ｄ−ａに於ける展開図である。
【００１６】
多管式貫流ボイラ１は、内側水管壁２、外側水管壁３、燃焼室４、伝熱水管群５、上部ヘッダ６、下部ヘッダ７、バーナ８、燃焼室出口９によりその主要部が構成されている。
【００１７】
内側水管壁２及び外側水管壁３は、環状のもので、内側水管壁２の外側に同心状に外側水管壁３が配設されている。内側水管壁２は、複数本の水管１０を環状に配列して隣接する水管１０を上下方向へ延びる帯板状のヒレ１１で連結する事に依り形成されて居り、横断面形状が円形の気密構造に構成されている。外側水管壁３は、内側水管壁２と同様に、複数本の水管１２を環状に配列して隣接する水管１２を上下方向へ延びる帯板状のヒレ１３で連結する事に依り形成されて居り、横断面形状が円形の気密構造に構成されている。
【００１８】
燃焼室４は、内側水管壁２と外側水管壁３の間に形成された環状のもので、断面形状が高さに対して幅が狭い所謂縦長の長方形状を呈している。
【００１９】
伝熱水管群５は、内側水管壁２の内側に燃焼ガス通路１４が形成されるべく設けられたもので、内側水管壁２の内側に同心状に設けられた内壁１５と、内側水管壁２と内壁１５との間に所定間隔毎に環状に配列された水管１６と、これの外側に上下方向に所定間隔毎に付設されたフィン１７とを備えている。
内壁１５は、円筒状を呈して居り、燃焼室出口９とは反対側の位置には、縦長の長方形状を呈する燃焼ガス出口１８が形成されていると共に、内部の下側が閉塞されて上側が開放されている。
そして、内側水管壁２と水管１６との間、水管１６と内壁１５との間、水管１６同志の間、燃焼ガス出口１８、内壁１５の内部には、燃焼ガスが通流する燃焼ガス通路１４が形成されている。
【００２０】
上部ヘッダ６及び下部ヘッダ７は、内側水管壁２と外側水管壁３と伝熱水管群５に連通して設けられたもので、何れも中空構造の環状に形成されて居り、内側水管壁２と外側水管壁３と伝熱水管群５の各水管１０、１２、１６の上端が上部ヘッダ６に、これらの下端が下部ヘッダ７に夫々連通状に接続されている。
而して、図略しているが、上部ヘッダ６には、気水分離器等を備えた蒸気管が接続されていると共に、下部ヘッダ７には、給水ポンプ等を備えた給水管が接続されている。
上部ヘッダ６の下面側及び下部ヘッダ７の上面側には、耐火物１９が夫々内張りされている。上部ヘッダ６の中心部には、燃焼ガス通路１４に連通する燃焼ガス排出口２２が形成されて居り、図略しているが、これには、エコノマイザ（節炭器）や煙突が接続される。
【００２１】
バーナ８は、外側水管壁３に貫通して設けられて燃料ガスＡと燃焼用空気Ｂを燃焼室４の接線方向に噴出して燃焼させるもので、火炎Ｃの表面積を増やして火炎Ｃの放熱を促進する為に縦長の長方形状を呈して居り、燃焼用空気Ｂを噴出させる縦長の長方形状を呈する空気供給筒２０と、これの内部に上下方向に所定間隔毎に配設されて燃料ガスＡを噴出させる複数の燃料供給管２１とを備えている。
而して、図略しているが、空気供給筒２０には、空気供給源である送風機が接続されていると共に、燃料供給管２１には、燃料ガス供給源が接続されている。
【００２２】
燃焼室出口９は、燃焼室４の下流側でバーナ８近傍の内側水管壁２に設けられて燃焼ガスＤを燃焼ガス通路１４に導くもので、バーナ８からの火炎Ｃの燃焼が完結する領域Ｅの直後に設けられて居り、縦長の長方形状にされている。
【００２３】
前記燃焼室４とバーナ８と燃焼室出口９と燃焼ガス出口１８は、夫々縦長の長方形状にされていると共に、バーナ８と燃焼室出口９と燃焼ガス出口１８は、燃焼室４の略中位に位置すべく配置されている。燃焼室４及びバーナ８の高さと幅の比率は、実験結果に基けば、５：１〜２０：１にするのが好ましく、この例では、略１０：１にしている。燃焼室３の幅とバーナ８の幅の比率は１〜１．５：１にするのが好ましく、この例では、略１．５：１にしている。燃焼室出口９と燃焼ガス出口１８の高さは、この例では、燃焼室４の高さと略同じにしてあると共に、燃焼ガス出口１８の幅は、燃焼室出口９の幅より小さくしてある。
【００２４】
尚、多管式貫流ボイラ１には、図略しているが、パイロットバーナが設けられている。このパイロットバーナは、そのパイロット炎がバーナ８の先端部に臨む様に設けられて居り、バーナ８から噴出される燃料ガスＡ及び燃焼用空気Ｂに着火されると共に、着火後には停止される様になっている。
【００２５】
次に、この様な構成に基づいてその作用を述解する。
燃料ガスＡと燃焼用空気Ｂは、バーナ８から燃焼室４の接線方向に噴射されてパイロットバーナに依り着火されて燃焼されると共に、燃焼室４の壁面に沿う火炎Ｃが形成される。燃焼後の燃焼ガスＤは、燃焼室４内を旋回して燃焼室出口９へ流入する成分と、再びバーナ８へ戻って排ガス再循環を行う成分に分岐される。燃焼室出口９へ流入した燃焼ガスＤは、左右に分流されて内側水管壁２と内壁１５との間に形成された燃焼ガス通路１４を通過して伝熱水管群５のフィン１７付の水管１６に熱を与える。その後、合流されて内壁１５に形成された燃焼ガス出口１８を経て内壁１５の内側に達した後、ここを上昇して燃焼ガス排出口２２からボイラの外部へ排出される。
【００２６】
燃焼室４とバーナ８と燃焼室出口９と燃焼ガス出口１８は、縦長の長方形状にされていると共に、バーナ８と燃焼室出口９と燃焼ガス出口１８は、燃焼室４の略中位に位置すべく配置されている為、バーナ８からの火炎Ｃが縦長で幅の狭いものとなり、火炎Ｃの表面積が大幅に増える事になる。その結果、火炎Ｃからの放熱が多くなって内側水管壁２及び外側水管壁３への輻射伝熱を促進すると共に、火炎温度が比較的低い温度に保たれてサーマルＮＯｘの生成を抑制する事ができる。
燃焼室出口９は、燃焼ガスＤが燃焼室４を旋回してＣＯが消える所謂完全燃焼した領域Ｅの直後の位置に設けられている為、ＣＯの発生を抑制する事ができる。
【００２７】
燃料ガスＡと燃焼用空気Ｂを燃焼室４の接線方向へ噴出して燃焼させ、燃焼室４の壁面に沿う火炎Ｃを形成すると共に、燃焼ガスＤを燃焼室４内で略一巡させて燃焼室出口９から排出する様にしている為、火炎Ｃによる輻射伝熱に依って内側水管壁２と外側水管壁３の両方に熱を与えると共に、火炎Ｃが遠心力に依り外側水管壁３の内面を嘗める事に依る接触伝熱に依っても外側水管壁３へ熱を与える事になる。その結果、内側水管壁２及び外側水管壁３への熱吸収率が大幅に向上し、ボイラ自体の小型化を図る事ができる。
【００２８】
燃焼ガスＤの一部が環状の燃焼室４内を旋回してバーナ８の先端部に戻るので、燃焼ガスＤに依る排ガス再循環作用が得られる。特に、バーナ８からの火炎Ｃが縦長狭幅になる様にして、内側水管壁２に当たるのを抑制している為、火炎Ｃの噴出方向と逆向きの渦流の発生を抑える事ができ、環状の燃焼室４内を旋回して来た燃焼ガスＤの再循環量を増やす事ができる。その結果、燃焼ガスＤに依る排ガス再循環作用が確実且つ良好に得られる事になり、ＮＯｘの発生がより一層抑制される。この時、バーナ８の幅が狭いほど燃焼ガスＤの再循環の量が多くなる。
【００２９】
バーナ８からの燃焼ガスＤは、噴出速度が３０ｍ／ｓを超える高速である為、直進性を持ち、必ず燃焼室４内を旋回する方向へ流れる為にバーナ８から燃焼室出口９へショートパスする事がないと共に、バーナ８の空気供給筒２０が燃焼用空気Ｂに依って冷却され、再循環した燃焼ガスＤの輻射熱による空気供給筒２０の焼損の問題を回避する事ができる。
【００３０】
上述した本発明の多管式貫流ボイラ１と従来の多管式貫流ボイラとを同じ条件下で運転した結果、従来の多管式貫流ボイラの場合、空気比１．１にてＮＯｘが５０ｐｐｍ（Ｏ2 ＝０％換算値）の時に火炎Ｃの温度が約１４００℃であったのに対して、本発明の多管式貫流ボイラ１の場合、燃焼室４の幅を狭めて火炎Ｃの表面積が広くなる縦長細幅のバーナ８を用いて伝熱促進効果を高める事に依り火炎Ｃの温度を約２００℃下げる事ができ、結果として火炎Ｃの温度が約１２００℃となり、ＮＯｘ値１０ｐｐｍ以下、ＣＯ値１０ｐｐｍ以下を達成する事ができた。
【００３１】
次に、本発明の第二例を、図４に基づいて説明する。
図４は、本発明の第二例に係る多管式貫流ボイラを示す横断平面図である。
第二例は、燃焼室４の幅を第一例とは異ならせたものである。
つまり、内側水管壁２の中心Ｆと外側水管壁３の中心Ｇを偏心させる事に依り燃焼室４の下流側の幅が徐々に狭くなる様にしたものである。
この様にすれば、燃焼室４の幅が一定のものに比べて、燃焼ガスＤの流速が増大して接触伝熱が促進される。その結果、燃焼室出口９の燃焼ガスＤの温度を更に下げる事が可能となると共に、バーナ８への再循環ガスの温度が従来よりも下がる事からバーナ８の燃焼がより一層緩慢となって低ＮＯｘ化を図る事ができる。
又、この様に、燃焼室４の上流から下流に亘って燃焼室４を形成する内側水管壁２及び外側水管壁３に掛かる熱負荷を一定化する事に依りボイラ缶水の水位差が生じなくなり、ボイラとして安定した蒸気の供給が可能となる。
【００３２】
次に、本発明の第三例を、図５に基づいて説明する。
図５は、本発明の第三例に係る多管式貫流ボイラを示す横断平面図である。
第三例は、第二例と同様に、燃焼室４の幅を第一例とは異ならせたものである。
つまり、内側水管壁２又は外側水管壁３が燃焼室４の下流側に行くに連れてその半径が変化する所謂円錐曲線Ｈを為す事に依り燃焼室４の下流側の幅が徐々に狭くなる様にしたものである。
この様にすれば、燃焼室４の幅が一定のものに比べて、燃焼ガスＤの流速が増大して接触伝熱が促進される。その結果、第二例と同様の効果を得る事ができる。
【００３３】
次に、本発明の第四例を、図６に基づいて説明する。
図６は、本発明の第四例に係る多管式貫流ボイラを示す横断平面図である。
第四例は、燃焼室４を形成する内側水管壁２及び外側水管壁３を第一例とは異ならせたものである。
つまり、燃焼室４の下流側の内側水管壁２及び外側水管壁３にフィン２３を設ける様にしたものである。フィン２３は、平面略扇状を呈して居り、内側水管壁２及び外側水管壁３の燃焼室４側に上下方向に所定間隔毎に付設されている。
この様にすれば、フィン２３に依り燃焼ガスＤの放熱が促進される。その結果、第二例と同様の効果を得る事ができる。
【００３４】
尚、伝熱水管群５は、先の例では、内壁１５やフィン１７を備えたものであったが、これに限らず、例えばこれらの一方や両方を割愛したものても良い。
バーナ８は、先の例では、燃料ガスＡと燃焼用空気Ｂを燃焼室４へ別々に噴出させて燃焼させるものであったが、これに限らず、例えば燃料ガスＡと燃焼用空気Ｂを予め混合してこの予混合ガスを燃焼室４へ噴射させて予混合燃焼させる様にしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第一例に係る多管式貫流ボイラを示す横断平面図。
【図２】図１の縦断正面図。
【図３】図３は、図１のａ−ｂ−ｃ−ｄ−ａに於ける展開図。
【図４】本発明の第二例に係る多管式貫流ボイラを示す横断平面図。
【図５】本発明の第三例に係る多管式貫流ボイラを示す横断平面図。
【図６】本発明の第四例に係る多管式貫流ボイラを示す横断平面図。
【符号の説明】
【００３６】
１…多管式貫流ボイラ、２…内側水管壁、３…外側水管壁、４…燃焼室、５…伝熱水管群、６…上部ヘッダ、７…下部ヘッダ、８…バーナ、９…燃焼室出口、１０…水管、１１…ヒレ、１２…水管、１３…ヒレ、１４…燃焼ガス通路、１５…内壁、１６…水管、１７…フィン、１８…燃焼ガス出口、１９…耐火物、２０…空気供給筒、２１…燃料供給管、２２…燃焼ガス排出口、２３…フィン、Ａ…燃料ガス、Ｂ…燃焼用空気、Ｃ…火炎、Ｄ…燃焼ガス、Ｅ…完全燃焼領域、Ｆ…内側水管壁の中心、Ｇ…外側水管壁の中心、Ｈ…円錐曲線。
【図１】
2007309578.tif 000003
【図２】
2007309578.tif 000004
【図３】
2007309578.tif 000005
【図４】
2007309578.tif 000006
【図５】
2007309578.tif 000007
【図６】
2007309578.tif 000008