(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺の管体の管壁に配置したノズルから気流を噴出させて、ボイラの伝熱管に付着する灰を除去するスートブロアにおいて、
前記ノズルは、噴出口の気流噴出側に該噴出口の内径より大きい内径の筒が設けられてなり、前記噴出口の出口端と前記筒の内周との段部に断面が半円の凹部が形成されてなることを特徴とするスートブロア。
【請求項２】
前記噴出口内径をＤ1とし、前記筒の内径をＤ2とした場合に前記Ｄ1と前記Ｄ2が次の式を満足する関係であることを特徴とする請求項１に記載のスートブロア。
１．２≦Ｄ2／Ｄ1≦３．８
【請求項３】
前記噴出口内径をＤ1とし、前記筒の内径をＤ2とした場合に前記Ｄ1と前記Ｄ2が望ましくは次の式を満足する関係であることを特徴とする請求項１に記載のスートブロア。
１．７≦Ｄ2／Ｄ1≦３．１
【請求項４】
前記噴出口内径をＤ1とし、前記筒の長さをＬとした場合に前記Ｄ1と前記Ｌが次の式を満足する関係であることを特徴とする請求項１に記載のスートブロア。
１．６≦Ｌ／Ｄ1≦４．０
【請求項５】
前記噴出口内径をＤ1とし、前記筒の長さをＬとした場合に前記Ｄ1と前記Ｌが望ましくは次の式を満足する関係であることを特徴とする請求項１に記載のスートブロア。
２．２≦Ｌ／Ｄ1≦２．８
【請求項６】
前記凹部の断面の半円の半径をＲとし前記噴出口の内径をＤ1とした場合に次の式を満足する関係であることを特徴とする請求項１に記載のスートブロア。
０．３５≦Ｒ／Ｄ1＜０．７２
【請求項７】
前記ノズルは、前記筒の気流噴出側が前記管体の外壁から僅かに突出するように配置されてなることを特徴とする請求項１から請求項６のうちの何れかの請求項に記載のスートブロア。
【請求項８】
前記ノズルは、前記ノズルの気流流入側が前記管体の内壁から突出しないように配置されてなることを特徴とする請求項１から請求項６のうちの何れかの請求項に記載のスートブロア。
【請求項９】
請求項８に記載のスートブロアを火炉壁側へ退避させた場合に、前記スートブロアの管体及びノズルが収容可能な空間を火炉壁に設けると共に、前記管体へ冷却用気体を供給する手段を設けたことを特徴とするボイラの火炉。
【請求項１０】
前記筒の長さＬを０としたことを特徴とする請求項１に記載のスートブロア。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラの伝熱管に付着する灰を気流により除去するスートブロアに係わり、特に灰の除去効率を高めるために貫通力の大きな噴流を形成するノズルを備えたスートブロアに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラにおいて燃焼で生成し溶融した粒子状の飛散物が伝熱管に付着し、伝熱管の熱伝達率が低下すると共に火炉の圧力損失が増加し、ボイラ効率が低下する。付着物の組成によっては伝熱管を腐食させる原因となる。そのため伝熱管の付着物を除去するスートブロアを伝熱管群に設置し、定期的に蒸気若しくは圧縮空気を噴射している。
図１２は従来のスートブロアのノズルの構成を示す縦断面図である。
本図に示すノズル３ａは直線形であり、噴出気体２は３１ａから流入し、単純な円筒形である直線部３２ａを通過し、気体噴流５となって噴出する。
図１３は従来のスートブロアの他のノズルの構成を示す縦断面図である。
本図に示すノズル３ｂは末広がり形と直線形を組み合わせたものであり、噴出気体２は入口部３１ｂから流入し、流路断面積が拡大する拡大部３２ｂで噴流径が拡大し、直線出口部３３ｂを通過し気体噴流５となって噴出する。
図１４は従来のスートブロアの他のノズルの構成を示す縦断面図である。
本図に示すノズル３ｃは噴出口とつり鐘形空洞部３１ｃとを組み合わせたものであり、噴出気体２は入口部６から流入し、噴出口から気体噴流５となって噴出する。
図１５は従来のスートブロアの他のノズルの構成を示す縦断面図である。
本図に示すノズル３ｄは噴出口と円錐形空洞部３１ｄとを組み合わせたものであり、噴出気体２は入口部６から流入し、噴出口から気体噴流５となって噴出する。
これらのノズル３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄは気体噴流５の軸方向貫通力に対して下流までこの貫通力を維持しようとする配慮に欠けている。噴流中心において運動量の大きい気体噴流５が伝熱管に衝突すると、伝熱管の衝突面には見掛け上強い衝撃が加わるようになり付着している灰を効率良く除去できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近は液体燃料の石油も減圧蒸留残渣油、超重質油のように劣質化が一段と進み、固体燃料の石炭も溶融温度が低い灰分を含むものが使用され、伝熱管の汚れが無視できなくなっている。また、タービン入口蒸気温度の上昇に伴い伝熱管のメタル温度も上昇しているから、灰粒子が容易に溶融し伝熱管への付着力、付着量が増加する。そのため従来のスートブロアでは伝熱管へ強く付着した灰の除去が困難になっている。伝熱管へ付着した灰の除去効率を高めるために気体の噴射圧力を高くすれば、ノズル口径が同じ場合には気体の消費量が増加し、気体に蒸気を用いればボイラ効率を低下させ不経済である。一方、ノズル口径を小さくして噴射圧力を高くすれば、ノズルが早く摩耗し寿命が短くなる。
本発明の目的は、気流の噴出エネルギを下流まで保持し、灰の除去効率が高いスートブロアを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、長尺の管体の管壁に配置したノズルから気流を噴出させて、ボイラの伝熱管に付着する灰を除去するスートブロアにおいて、前記ノズルは、噴出口の気流噴出側に該噴出口の内径より大きい内径の筒が設けられてなり、前記噴出口の出口端と前記筒の内周との段部に断面が半円の凹部が形成されてなる構成とすることにより達成される。
この場合において、噴出口内径をＤ1とし、筒の内径をＤ2とした場合にＤ1とＤ2が次の式を満足する関係であることが望ましい。
１．２≦Ｄ2／Ｄ1≦３．８
また、噴出口内径をＤ1とし、筒の内径をＤ2とした場合にＤ1とＤ2が望ましくは次の式を満足する関係であることが望ましい。
１．７≦Ｄ2／Ｄ1≦３．１
また、噴出口内径をＤ1とし、筒の長さをＬとした場合にＤ1とＬが次の式を満足する関係であることが望ましい。
１．６≦Ｌ／Ｄ1≦４．０
また、噴出口内径をＤ1とし、筒の長さをＬとした場合にＤ1とＬが望ましくは次の式を満足する関係であることが望ましい。
２．２≦Ｌ／Ｄ1≦２．８
また、凹部の断面の半円の半径をＲとし噴出口の内径をＤ1とした場合に次の式を満足する関係であることが望ましい。
０．３５≦Ｒ／Ｄ1＜０．７２
さらに、ノズルは、筒の気流噴出側が管体の外壁から僅かに突出するように配置されてなる構成とすることができる。又は、ノズルの気流流入側が管体の内壁から突出しないように配置されてなる構成とすることができ、この場合は、スートブロアを火炉壁側へ退避させた場合に、スートブロアの管体及びノズルが収容可能な空間を火炉壁に設けると共に、管体へ冷却用気体を供給する手段を設けることが望ましい。さらに、筒の長さＬを０とすることができる。
【０００５】
噴出口から噴出する噴流に随伴する渦を巻く気流は上記構成の筒により噴出方向と反対方向に導かれて噴流の外周を循環する環状渦流となり、この環状渦流と噴流との速度勾配は緩慢であるから噴流の旋回、乱れを少なくし噴流の流れパターンを下流まで保持することにより、伝熱管に噴出エネルギが集中し高い灰の除去効率が得られる。特に筒と噴出口との段部に形成した凹部は環状渦流を滑らかに反転させるに適した構造である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図により説明する。
図１は本発明の実施の形態のノズルの構成を示す縦断面図である。
本実施の形態の空洞付ノズル３において、噴出気体２は丸みを有する入口部６から剥離の無い状態で噴出口４へ流入し、気体噴流５となって噴出する。この噴出口４は内径が僅かに拡大しているが最小内径をノズル噴出口内径をＤ1とする。噴出口４の出口端部の外周は凹状をなし噴出と反対方向に曲率半径Ｒの凹部７を形成している。また、凹部７の外縁を筒８により噴出方向に延長して空洞を形成している。噴出口４から噴出する気体噴流５は筒８の内部を貫通するようにして火炉内へ噴出する。筒８の筒の内径をＤ2とし、噴出口４の開口端から筒８の開口端までの長さをＬとする。
本実施の形態の空洞付ノズル３の緒元であるＤ2、Ｌ及びＲはノズル噴出口内径Ｄ1を基準として以下の式により定められる。これらの条件は実験により定めたものである。
筒８の内径をＤ2に関し、
１．２≦Ｄ2／Ｄ1≦３．８………………………………………………（１）
より望ましくは、
１．７≦Ｄ2／Ｄ1≦３．１………………………………………………（２）
筒８の長さをＬに関し、
１．６≦Ｌ／Ｄ1≦４．０………………………………………………（３）
より望ましくは、
２．２≦Ｌ／Ｄ1≦２．８………………………………………………（４）
凹部７の曲率半径Ｒに関し、
０．３５≦Ｒ／Ｄ1＜０．７２…………………………………………（５）
とする。
具体的にはＤ1を２０ｍｍとすると（２）式からＤ2／Ｄ1＝２．４とすれば、Ｄ2は４８ｍｍとなる。Ｌに関し（４）式からＬ／Ｄ1＝２．５とすればＬは５０ｍｍとなる。更に、Ｒに関し（５）式からＲ／Ｄ1＝０．５４とすればＲは１１ｍｍとなる。このようにして最適なノズルを計画できる。
これ以外の条件について筒８の仕様を設定すれば、噴流の貫通力が減衰して付着灰の除去効率が低下する。誤った形状を選定すれば筒８の無い場合より付着灰の除去効率が低下する恐れも有る。
【０００７】
次に本実施の形態のノズルをランス（管体）に装着したスートブロアを説明する。
図２は本発明の実施の形態のノズルをランスに装着した例を示す縦断面図である。
本図に示すようにランス１の先端で互いに軸方向に離して空洞付ノズル３を配置している。空洞付ノズル３は噴出側端部が僅かにランス１の外周から突出している。このような突出物の長さを極力短縮した構造とすることにより、スートブロアの停止時に火炉の外へ引き出す際に空洞付ノズル３が周囲の物体と衝突するトラブルを回避できる。
【０００８】
図３は本発明の実施の形態のノズルをランスに装着した他の例を示す縦断面図である。
図２に示す例はランス１の外側で起る問題に配慮したためランス１の内側で起る問題に対応出来ない。即ち、空洞付ノズル３の入口部６がランス１の内周側に突出しているので噴出気体２の圧力損失が増大したり、それぞれの空洞付ノズル３の噴出量に偏差を生じる。本図に示す例は空洞付ノズル３の入口部６の端部がランス１の内周面とほぼ同じ高さなので、図２に示す例でランス１の内側において発生する噴出気体２の流動の問題は回避できる。
【０００９】
図４は本発明の実施の形態のスートブロアの構成を示す縦断面である。
図３に示す例は空洞付ノズル３は噴出側端部が大きくランス１の外周から突出している。そのためスートブロアの停止時に火炉の外へ引き出すことが困難である。従って本図に示す例では火炉水壁１０にスートブロア収納空間１１を設け、停止時に火炉の外へ引き出さずにそこへ収納する。また、スートブロアの停止時に火炉からの輻射熱によりランス１及び空洞付ノズル３が焼損しないように冷却用空気１２をランス１へ供給し、冷却用空気の噴出流１２ａとして空洞付ノズル３から噴出させる。
【００１０】
図５は本発明の他の実施の形態のノズルの構成を示す縦断面図である。
図１に示す空洞付ノズル３は筒８が火炉側に突出する構造なので、図２に示すように入口部６をランス１内に収納するようにしたり、図４に示すように作動停止時には火炉から引き出さずに火炉水壁１０に設けたスートブロア収納空間１１を収納する工夫をしている。本図に示す空洞付ノズル３は筒８の長さＬを０とし凹部７のみで循環する環状渦流を作り出す。本実施の形態の空洞付ノズル３はランス１の外周面から殆ど突出していないので、スートブロアの火炉への挿入、抜き出しが容易になる。図１に示す空洞付ノズル３より灰の除去効率は低下するが従来のノズルよりは優れている。
【００１１】
次に本実施の形態の動作を説明する。
図６は本発明の実施の形態のノズル噴射圧力と衝突受圧力との関係を示す図表である。
本図は図１に示す空洞付ノズル３と図１２、図１３、図１４、図１５に示す従来技術のノズル３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとの性能を比較した結果を表したものである。横軸に噴射圧力Ｐ1を基準噴射圧力Ｐ2で割った無次元数をとり、縦軸に噴流中心衝突受圧力Ｐ3を従来技術においてＰ1＝Ｐ2とした場合の噴流中心衝突受圧力Ｐ4で割った無次元数をとっている。従来技術では噴射圧力Ｐ1を高めていっても無次元数の噴流中心衝突受圧力は緩慢に増加するのに対し、本実施の形態では急激に増加する。従来技術では噴射圧力Ｐ1を高めていくと渦、旋回等の乱により噴流パターンに異変が生じ噴流が分散するため噴流中心衝突受圧力Ｐ3が上昇しない。本実施の形態では噴出口４から噴出する際の不足膨張状態が下流まで維持され、噴流の貫通力が持続する。
【００１２】
図７は本発明の実施の形態のノズル内の噴流パターンを示す縦断面図である。
本図に示すように筒８の内部には気体噴流５を取り囲むような環状渦１３が安定して生じる。この環状渦１３を通じて外部からの巻き込み流入気体が安定して気体噴流５の内部に供給されるため、気体噴流５は乱れが少なく拡散が遅れ気味になり、下流でも気体噴流５の径が拡大せず強い貫通力が維持される。図１４、図１５に示す従来技術のノズル３ｃ、３ｄにおいて噴出口出口に空洞部を設けているが、このような形状では環状渦１３を安定して作り出すことは出来ない。
【００１３】
ここで開口部と噴流パターンの関係を説明する。
図８は一般的な開口部と噴流パターンの関係を示す説明図である。
噴出口の出口端面が平坦な開口条件の場合、本図において矢印で示した外周から入り込む気流が直角に折れ曲がって噴流に供給される。この際噴出口の出口において噴流と外周から入り込む気流との間に大きな速度勾配が生じるために噴流には渦、旋回等の乱れができ易くなる。本実施の形態では気体噴流５の外周に環状渦１３を作り出すことにより噴出口の出口における速度勾配を緩慢にして噴流パターンの改善を図るものである。
噴流中に渦、旋回が生じると噴流から特定の卓越周波数を有する騒音が発生するようになる。この卓越周波数が低ければ噴流の乱れが強く、噴流の拡散も早いことになる。
【００１４】
図９は本発明の実施の形態のノズル噴射圧力と卓越周波数の関係を示す図表である。
本図は図１に示す空洞付ノズル３と、図１２、図１３、図１４、図１５に示す従来技術のノズル３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのノズル噴射圧力と卓越周波数の関係を示す。図６と同様に横軸に噴射圧力Ｐ1を基準噴射圧力Ｐ2で割った無次元数をとり、縦軸に噴流騒音の卓越周波数ｆ1を従来技術においてＰ1＝Ｐ2とした場合の噴流騒音の卓越周波数ｆ2で割った無次元数をとっている。何れの場合も噴射圧力を高めていくと卓越周波数は低下するが、本実施の形態では卓越周波数は従来技術の２倍を越えている。この結果から本実施の形態の空洞付ノズル３は高圧噴射時にも低周波の乱れが発生せず、拡散し難い構造であることがわかる。
【００１５】
図１０は本発明の実施の形態と従来のスートブロアの作動回数を比較した図表である。
本図は図１に示す空洞付ノズル３と図１２に示すノズル３ａをそれぞれ用いたスートブロアの作動回数を比較している。本図の縦軸はスートブロアの作動回数Ｎ1を従来のスートブロアの作動回数Ｎ2で割ることにより無次元化したものである。スートブロアの作動回数は少ないほど灰の除去効率が高い。
【００１６】
図１１は本発明の実施の形態と従来のスートブロアの蒸気消費量を比較した図表である。
本実施の形態の空洞付ノズル３を用いたスートブロアは、従来のノズル３ａを用いたスートブロアの７０％弱まで作動回数を低減でき、従来の２／３まで蒸気消費量を節減できる。一般にボイラのスートブロアはボイラで発生した蒸気を用いるので、蒸気消費量の節減はボイラ効率の向上に貢献する。
本実施の形態の空洞付ノズル３の用途は、混合または拡散よりも噴流を遠くまで貫通させたり、噴流の衝突エネルギを集中させるものに適している。例えばボイラの低ＮＯｘ燃焼時における二段燃焼用空気の噴出に際しても貫通力が弱ければ火炉内の燃焼後流部全域までは空気が混合し難い。また、石炭ミルの停止時には残炭があると発火の恐れがあるので除去する必要がある。残炭の除去に空気噴流を用いるが衝突受圧力が大きければ、残炭は容易に石炭ミルから火炉へ放出される。
【００１７】
以上述べたように本実施の形態によれば、軸方向に貫通力を強くした噴流を生成できるので、灰付着部へ噴流が衝突した時のエネルギが大きくノズルから離れた部位に付着する灰も効率良く除去でき、１つのスートブロアがカバーする領域も拡大し設置する数が少なくなり設備費及び保守費を節減できる。
そして、灰の除去効率が高いので蒸気消費量が節減されてボイラ効率が向上すると共にスートブロアの作動回数も少なくなるから熱応力の繰返し発生による疲労破壊に至り難くスートブロアの寿命が長くなる。
また、灰付着部へ噴流が衝突した時のエネルギが大きいから除去し難い灰も容易に除去でき。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、噴出口から噴出する噴流の外周に循環する環状渦流が生成し、この環状渦流と噴流との速度勾配は緩慢であるから噴流のパターンの乱れが少なくなり噴流のパターンを下流まで保持するから、灰付着部に噴出エネルギが集中し高い灰の除去効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のノズルの構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態のノズルをランスに装着した例を示す縦断面図である。
【図３】本発明の実施の形態のノズルをランスに装着した他の例を示す縦断面図である。
【図４】本発明の実施の形態のスートブロアの構成を示す縦断面である。
【図５】本発明の他の実施の形態のノズルの構成を示す縦断面図である。
【図６】本発明の実施の形態のノズル噴射圧力と衝突受圧力との関係を示す図表である。
【図７】本発明の実施の形態のノズル内の噴流パターンを示す縦断面図である。
【図８】一般的な開口部と噴流パターンの関係を示す説明図である。
【図９】本発明の実施の形態のノズル噴射圧力と卓越周波数の関係を示す図表である。
【図１０】本発明の実施の形態と従来のスートブロアの作動回数を比較した図表である。
【図１１】本発明の実施の形態と従来のスートブロアの蒸気消費量を比較した図表である。
【図１２】従来のスートブロアのノズルの構成を示す縦断面図である。
【図１３】従来のスートブロアの他のノズルの構成を示す縦断面図である。
【図１４】従来のスートブロアの他のノズルの構成を示す縦断面図である。
【図１５】従来のスートブロアの他のノズルの構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１      ランス
２      噴出気体
２ａ    流入気体
３      空洞付ノズル
３ａ    ノズル
３１ａ  入口部
３２ａ  直線部
３ｂ    ノズル
３１ｂ  入口部
３２ｂ  拡大部
３３ｂ  直線出口部
３ｃ    ノズル
３１ｃ  釣鐘形空洞部
３ｄ    ノズル
３１ｄ  円錐形空洞部
４      噴出口
５      気体噴流
６      入口部
７      凹部
８      筒
１０    火炉水壁
１１    スートブロア収納空間
１２    冷却用空気
１２ａ  冷却用空気の噴出
１３    環状渦
【図１】
0003823215.tif 000002
【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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【図１１】
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【図１２】
0003823215.tif 000013
【図１３】
0003823215.tif 000014
【図１４】
0003823215.tif 000015
【図１５】
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