JP2000111002A - 水管ボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 伝熱効率を高め、更に低ＮＯｘ、低ＣＯ化が
できるコンパクトな構造の水管ボイラを提供する。 【解決手段】 前部水管群２６からバーナ２４と反対側
に、矩形の燃焼室３０を形成するように、前部水管群２
６の両端から垂直方向に前部水管群側は密着し、その後
一定の隙間を設けて水管を配列した側部水管群２７と、
燃焼室３０の後面に密接した水管を配列した後部水管壁
２８とを設け、側部水管群２７の外側に側部水管群２７
と隙間を設けてヒレ付水管で連結した外側側部水管壁３
２と、後部水管壁２８の外側に後部水管壁２８と隙間を
設けて周方向のフィン付水管で構成する２列目後部水管
群３５を設け、燃焼ガスがガスバーナ２４から前部水管
群２６の隙間、燃焼室３０、側部水管群２７の隙間、間
隙３３、後部水管壁２８と２列目後部水管群３５間の隙
間、隙間３６を通過するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＮＯｘ（窒素酸化
物）及びＣＯ（一酸化炭素）の排出濃度を減少させ、更
にボイラ効率を向上させた水管ボイラに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来の一般的な水管ボイラの構
造を示す横断面図、図９はその縦断面図である。図示す
るように、共に円環状の上部管寄せ（上部胴）１と下部
管寄せ（下部胴）２とを多数の内列水管３と外列水管４
で連通して環状の内外列水管群５，６を構成し、この内
列水管群５内に円形の燃焼室７を、内外列水管群５，６
の間に燃焼ガスのガス通路８を形成している。内列水管
群５に開口部１０を設けて燃焼室７とガス通路８とを連
通させるとともに、外列水管群６に開口部１１を設け
て、ガス通路８と煙道１２とを連通させた構造である。

【０００３】そして、燃焼室７の上端にバーナ１３が配
置され、このバーナ１３によって燃焼室７に火炎を下方
に向けて発生させ、この火炎による燃焼ガスは、開口部
１０からガス通路８を流れて、内列水管３及び外列水管
４との間で熱交換を行い、ガス温度を下げて煙道１２か
ら排出される。

【０００４】また、角型缶体のボイラであって、同様に
燃焼室を中央に配置して、その両側に内列水管群と外列
水管群とを２列並列に配置し、内列水管群の隙間及び内
列水管群と外列水管群間の隙間を燃焼ガスが流れるよう
にしたものが提案されている。この水管ボイラの構造に
よれば、燃焼ガスの流速が上流から下流までより均一に
なるように水管を配列することで、ボイラ効率の向上を
図るようにしたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の技
術においては、以下のような課題が残されていた。つま
り、図８及び図９の構造の水管ボイラにおいては、燃焼
室での輻射と燃焼室を形成する水管の隙間から流通する
燃焼ガスの対流による伝熱を受けているが、火炎が存在
している燃焼室に面する水管と燃焼ガス通路に面する水
管の温度分布が一定でなく、有効に伝熱を受ける水管が
少なく、伝熱効率という点で無駄な空間が多かった。し
かも、図８及び図９に示すような円筒型の缶体構造であ
る場合には、設置場所や配置状況によっては、占有スペ
ースが大きくなり易かった。また、燃焼排ガスの低ＮＯ
ｘ化が困難であった。

【０００６】また、上述した角型缶体のボイラにおいて
は、構造的にかなり縦長となって、設置スペースに問題
があるばかりでなく、低ＮＯｘ化に対する対応が考慮さ
れておらず、燃焼排ガスの低ＮＯｘ化が困難であった。

【０００７】本発明は、上述の事情に鑑みてなされたも
ので、缶体内のより効率的な水管群の配置を実現させて
伝熱効率を高めると共に、更に低ＮＯｘ、低ＣＯ化を図
ることができるようにして、且つコンパクトな構造の水
管ボイラを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、燃焼ガスを概略水平方向に噴出するバーナと、該バ
ーナの前面に１列以上のある距離をもって配置した複数
本の水管で構成する前部水管群と、該前部水管群からバ
ーナと反対側に、矩形の燃焼室を形成するように、前部
水管群の両端から垂直方向に前部水管群側は密着し、そ
の後一定の隙間を設けて水管を配列した側部水管群と、
燃焼室の後面に密接した水管を配列した後部水管壁とを
設け、前記側部水管群の外側に該側部水管群と隙間を設
けてヒレ付水管で連結した外側側部水管壁と、前記後部
水管壁の外側に該後部水管壁と隙間を設けて周方向のフ
ィン付水管で構成する２列目後部水管群を設け、燃焼ガ
スが前記バーナから前部水管群の隙間、燃焼室、側部水
管群の隙間、側部水管群と外側側部水管壁間の隙間、後
部水管壁と２列目後部水管群間の隙間、２列目後部水管
群の隙間を通過するように構成したことを特徴とする水
管ボイラである。

【０００９】このように構成した本発明によれば、バー
ナの燃焼で生じた火炎は前部水管群に衝突し、熱交換さ
れて温度が低下し、この火炎温度の低下によりＮＯｘの
発生量が低く抑えられる。同時にＣＯが発生するが、高
濃度のＣＯを含む燃焼ガスは前部水管群、側部水管群、
後部水管壁で囲まれた略矩形状の燃焼室に流入し、ここ
で残存ＣＯを酸化しＣＯ_２ ガスとして燃焼反応が完了
する。燃焼完了後の燃焼ガスは、側部水管群の隙間を通
過した後、側部水管群と外側側部水管壁との間のガス通
路、及び後部水管壁と２列目後部水管群間の隙間と第２
列後部水管群の隙間の後部ガス通路を流れて煙道から排
出され、これにより、効率的な熱伝達が達成される。

【００１０】請求項２に記載の発明は、前記側部水管群
を２列以上の複数列で構成したことを特徴とする請求項
１に記載の水管ボイラである。これにより、燃焼ガスが
第２の側部ガス通路を流れ、ここで水管との熱交換を行
わせることで、ボイラ効率を更に向上させることができ
る。

【００１１】請求項３に記載の発明は、前記バーナ及び
各種水管群を円筒状缶体内に収容したことを特徴とする
請求項１又は２に記載の水管ボイラである。これによ
り、製作が容易な従来の環状構造でありながら、合理的
な燃焼室を確保した水管配列構造が達成される。

【００１２】請求項４に記載の発明は、前記バーナ及び
各種水管群を角筒状缶体内に収容したことを特徴とする
ものである。これにより、角形形状で設置が容易な、且
つ高効率でコンパクト化した水管ボイラが得られる。

【００１３】請求項５に記載の発明は、前記角筒状缶体
は、左右対称に２つ割りにした半缶体を個別に製作し、
溶接により１つの缶体としたものであることを特徴とす
るものである。これにより、角型缶体を有する上述のボ
イラを容易に製造することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の水管
ボイラを図１乃至図７に基づいて説明する。尚、各図中
同一符号は、同一又は相当部分を示す。

【００１５】図１及び図２は、本発明の第１の実施の形
態の水管ボイラの構造を示す図で、図１は横断面図、図
２は図１のＩ−Ｉ線断面図である。上部管寄せ２０と下
部管寄せ２１は共に環状に形成され、これら上部管寄せ
２０と下部管寄せ２１とは、円筒状のケーシング２２内
に配置した多数の水管２３で連結されている。前記ケー
シング２２の一側面には、例えば短い火炎を水平方向に
形成する表面燃焼バーナ２４が設置され、ケーシング２
２の該バーナ２４の対向する側には煙道２５が設けられ
ている。このバーナ２４は、幅が狭く縦に長い長方形の
バーナであり、燃焼ガスを水管に対して常に略垂直に流
すことができるので、水管の長さ方向に沿って均一な温
度分布となり、水管の伝熱面を有効に利用できる。

【００１６】なお、この例では、バーナとして、短炎な
表面燃焼バーナを使用しているが、これに限定されるこ
となく、他の予混合バーナや先混合バーナであっても良
いことは勿論である。

【００１７】前記バーナ２４の前面には、水管２３を所
定間隔離間させて配置した前部水管群２６が設けられ、
この前部水管群２６の両端から前記煙道２５に向かっ
て、水管２３をバーナ２４側では互いに密着させ、煙道
２５側では所定間隔離間させて配置した側部水管群２７
が互いに平行に設けられている。更に、前記側部水管群
２７の後端部には、水管２３を互いに密着させて配置し
た後部水管壁２８が設けられている。これにより、前部
水管群２６、両側部水管群２７及び後部水管壁２８で包
囲された略矩形状の燃焼室３０が形成されている。

【００１８】更に、前記側部水管群２７を構成する煙道
２５側の隙間を有する水管２３の外側には、所定間隔離
間させて配置した水管２３をフィン３１で連結させた外
側側部水管壁３２が設けられ、この側部水管群２７と外
側側部水管壁３２の間に側部ガス通路３３が形成されて
いる。また、前記後部水管壁２８の外側には、所定のピ
ッチで周方フィン３４を有する水管２３を所定間隔離間
させて配置した外側後部水管群３５が設けられ、この後
部水管壁２８と外側後部水管群３５の間に後部ガス通路
３６が設けられている。

【００１９】ここに、外側側部水管壁３２のバーナ２４
側に位置する水管２３と、側部水管群２７を構成するバ
ーナ２４側の互いに密着させた水管の内の後方に位置す
る水管２３とは、長さ方向フィン３１ａで連結されて、
水管壁を構成している。また、前記側部ガス通路３３と
後部ガス通路３６は互いに連通し、更にこの後部ガス通
路３６は煙道２５に通じるようになっている。

【００２０】これによって、燃焼ガスは、バーナ２４か
ら前部水管群２６の隙間を通過して燃焼室３０に達し、
側部水管群２７の隙間から側部ガス通路３３に流入し、
この側部ガス通路３３から後部ガス通路３６を順次流れ
た後、外側後部水管群３５の隙間から煙道２５に達する
ように構成されている。

【００２１】次に上記構造の水管ボイラの作用について
説明する。燃料ガスと送風機（図示せず）より供給され
た空気が完全に予混合された予混合気は、バーナ２４に
供給され、ここで燃焼して火炎３７が生じる。すると、
この火炎３７は、前部水管群２６に衝突し熱交換されて
その温度が低下し、これによって、ＮＯｘの発生量が低
く抑えられる。また、火炎温度を約１３００℃以下に低
下させるとＣＯが発生するが、高濃度のＣＯを含む燃焼
ガスは、略矩形状の燃焼室３０に流入し、ここで残存Ｃ
Ｏを酸化してＣＯ_２ ガスとして、燃焼反応が完了す
る。燃焼完了後の燃焼ガスは、側部水管群２７の隙間か
ら側部ガス通路３３内に流入し、この側部ガス通路３３
から後部ガス通路３６を順次流れ、外側後部水管群３５
の隙間を通過した後、煙道２５から排気される。

【００２２】この実施の形態にあっては、側部ガス通路
３３の通過断面積を小さくしたり、外側後部水管群３５
の出口部に伝熱促進体を追加することにより、燃焼ガス
の通過流速を速くして、伝熱効率を良くすることができ
る。また、ＣＯの発生程度によっては、側部水管群２７
の隙間の大きさを変化させたり、炉内圧調整を行い、完
全に燃焼するようにして、ＣＯの発生を低減することが
できる。

【００２３】更に、周方向フィン３４を有する水管２３
を所定間隔離間させて配置して外側後部水管群３５を構
成することで、十分な伝熱量を得るのに必要なガス流速
と周方向フィン３４を有する水管２３の伝熱面積のバラ
ンスを、全体として伝熱効率が最も高くなるように設定
して、ボイラ効率を向上させることができる。

【００２４】この例では、周方向フィン３４を個々が分
離した円板状としたが、生産効率の良いスパイラル状の
フィンとしてもよい。また、フィンのピッチ（間隔）や
高さは一定としたが、これを適宜に変化させて、水管の
伝熱面積を燃焼ガスの流れの上流から下流に向けて順次
増加させるようにしてもよい。これにより、一層きめ細
かく各水管の伝熱量を均衡させて、全体としての伝熱効
率を向上させることができる。

【００２５】図３は、本発明の第２の実施の形態の水管
ボイラの構造を示す横断面図、図４は図３のII−II線断
面図である。この第２の実施の形態の水管ボイラが前記
第１の実施の形態の水管ボイラと相違する点は、第１の
実施の形態の水管ボイラにおいては、共に円環状の上部
管寄せ２０と下部管寄せ２１との間に円筒状のケーシン
グ２２を配置して、製作が比較的容易な環状構造の缶体
を構成しているのに対し、この第２の実施の形態におい
ては、共に矩形状（角型）の上部管寄せ２０ａと下部管
寄せ２１ａとの間に四角筒状のハウジング２２ａを配置
して、角型形状の缶体を構成している点である。その他
の点は両者同一である。

【００２６】この第２の実施の形態の水管ボイラによれ
ば、缶体を角型形状にすることで、設置スペースや配置
状況による占有スペースの増大を防止し、しかも、環状
構造と同等の燃焼効率の高い燃焼室と伝熱効率に優れた
水管の配置を確保することができる。

【００２７】図５は、本発明の第３の実施の形態の水管
ボイラの構造を示す横断面図、図６は図５のIII方向矢
視図である。この第３の実施の形態の水管ボイラが前記
第２の実施の形態の水管ボイラと相違する点は、第２の
実施の形態の水管ボイラにおいては、上部管寄せ２０
ａ、下部管寄せ２１ａ及びハウジング２２ａから角型形
状の缶体を一体に構成しているのに対し、この第３の実
施の形態においては、前記缶体を左右対称に２つ割にし
た半缶体４０ａ，４０ｂを個別に製作し、管板４１ａ，
４１ｂを互いに当接させつつ、両半缶体４０ａ，４０ｂ
間に溶接板４２を掛け渡し、この溶接板４２の両側端を
各半缶体４０ａ，４０ｂに溶接し、更に２つ割にした時
に分割面に位置する水管（すなわち、前記各実施の形態
の水管ボイラの後部水管群２２の中央に位置する水管）
を耐火材４３に置き換えた構造とした点である。その他
の点は第２の実施の形態の水管ボイラと同一である。

【００２８】このように構成することにより、例え大型
の水管ボイラであっても、この加工の便を図って、これ
を容易かつ迅速に製作することができる。

【００２９】図７は、本発明の第４の実施の形態の水管
ボイラの構造を示す横断面図である。この第４の実施の
形態の水管ボイラが前記第２の実施の形態の水管ボイラ
と相違する点は、外側側部水管壁３２と、側部水管群２
７との間に、中間列の側部水管群５０を設けたものであ
る。これにより、側部水管群５０と、外側側部水管壁３
２との間に第２の側部ガス通路５１を形成し、燃焼ガス
は、側部ガス通路３３からこの第２の側部ガス通路５１
を通過した後、後部ガス通路３６に流入するようにした
点である。その他の点は両者共、同一である。

【００３０】このように構成することにより、燃焼ガス
が第２の側部ガス通路５１内を流れ、この第２の側部ガ
ス通路５１を構成する水管群５０と熱交換を行うように
して、ボイラ効率を更に向上させることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のボイラに
よれば、燃焼ガスを水管に対して交差方向に流すように
した缶体で温度分布を均一にすることができ、燃焼室を
略矩形状に形成するとともに、水管群の配置を燃焼ガス
と十分に接触するようにしたことで、伝熱効率を高め、
しかも、構造的によりコンパクト化を図ることができ、
更に、低ＮＯｘ化及び低ＣＯ化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の水管ボイラの構造
を示す横断面図である。

【図２】図１のＩ−Ｉ線断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態の水管ボイラの構造
を示す横断面図である。

【図４】図３のII-II線断面図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態の水管ボイラの構造
を示す横断面図である。

【図６】図５のIII方向矢視図である。

【図７】本発明の第５の実施の形態の水管ボイラの構造
を示す横断面図である。

【図８】従来の水管ボイラの構造を示す横断面図であ
る。

【図９】同じく、縦断面図である。

【符号の説明】

２０，２０ａ 上部管寄せ ２１，２１ａ 下部管寄せ ２３ 水管 ２４ バーナ ２５ 煙道 ２６ 前部水管群 ２７ 側部水管群 ２８ 後部水管壁 ３０ 燃焼室 ３１，３１ａ 長さ方向フィン ３２ 外側側部水管壁 ３３ 側部ガス通路 ３４ 周方向フィン ３５ 外側（２列目）後部水管群 ３６ 後部ガス通路 ５０ 第２の側部水管群 ５１ 第２の側部ガス通路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼ガスを概略水平方向に噴出するバー
   ナと、該バーナの前面に１列以上のある距離をもって配
   置した複数本の水管で構成する前部水管群と、該前部水
   管群からバーナと反対側に、矩形の燃焼室を形成するよ
   うに、前部水管群の両端から垂直方向に前部水管群側は
   密着し、その後一定の隙間を設けて水管を配列した側部
   水管群と、燃焼室の後面に密接した水管を配列した後部
   水管壁とを設け、前記側部水管群の外側に該側部水管群
   と隙間を設けてヒレ付水管で連結した外側側部水管壁
   と、前記後部水管壁の外側に該後部水管壁と隙間を設け
   て周方向のフィン付水管で構成する２列目後部水管群を
   設け、燃焼ガスが前記バーナから前部水管群の隙間、燃
   焼室、側部水管群の隙間、側部水管群と外側側部水管壁
   間の隙間、後部水管壁と２列目後部水管群間の隙間、２
   列目後部水管群の隙間を通過するように構成したことを
   特徴とする水管ボイラ。
2. 【請求項２】 前記側部水管群を２列以上の複数列で構
   成したことを特徴とする請求項１に記載の水管ボイラ。
3. 【請求項３】 前記バーナ及び各種水管群を円筒状缶体
   内に収容したことを特徴とする請求項１又は２に記載の
   水管ボイラ。
4. 【請求項４】 前記バーナ及び各種水管群を角筒状缶体
   内に収容したことを特徴とする請求項１又は２に記載の
   水管ボイラ。
5. 【請求項５】 前記角筒状缶体は、左右対称に２つ割り
   にした半缶体を個別に製作し、溶接により１つの缶体と
   したものであることを特徴とする請求項４に記載の水管
   ボイラ。