JP2005127617A - 多管式貫流ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】 水冷壁の単位面積当たりの熱吸収量を増加させる共に、低ＮＯｘ化及び低ＣＯ化を図れるようにする。
【解決手段】 水冷壁１により燃焼室１０，１１を形成した多管式貫流ボイラに於いて、燃焼室の底部にガス燃料と燃焼用空気を混合させて成る予混合ガスＧを燃焼室の横断面に均一に分配する予混合ガス供給部５を設け、当該予混合ガス供給部５の上に予混合ガスＧを撹拌しながら通過させる一次粒子層６を形成すると共に、一次粒子層６上方の水冷壁１で囲まれた空間を一次燃焼室１０とし、又、燃焼室の中間部に二次空気供給管８により供給された二次空気Ａを燃焼室の横断面に均一に分配する二次空気分配器７を設け、当該二次空気分配器７の上に一次燃焼室１０からの一次燃焼ガスＧ１と二次空気分配器７からの二次空気Ａを撹拌混合しながら通過させる二次粒子層９を形成すると共に、二次粒子層９上方の水冷壁１で囲まれた空間を二次燃焼室１１とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃焼室を有するボイラ、特に燃焼室を複数の水管及びヒレから成る水冷壁で形成した多管式貫流ボイラの改良に係り、低ＮＯｘ化、低ＣＯ化及び水冷壁への熱吸収率の向上を図れるようにした多管式貫流ボイラに関するものである。

一般に、先混合拡散燃焼バーナを搭載した多管式貫流ボイラに於いては、燃焼用空気を多段に分割して供給する方法や排ガスの一部をバーナへ再循環させる排ガス再循環方法等によって、ＮＯｘの排出を抑えることが行われて来た。特に、ガスを燃料とするガス焚き拡散燃焼に於いては、燃料噴射ノズルの多岐化による濃淡燃焼方式を採用して低ＮＯｘ化を図り、又、油を燃料とする油焚き拡散燃焼に於いては、油燃料の微粒化噴霧等により低ＮＯｘ化を図っている。
これらの拡散燃焼方式では、ノズルから噴出させた燃料の周囲へ燃焼用空気を圧送して両者を強制混合させ、この燃焼ガスを燃焼室内で燃焼させるようにしているため、より大きな燃焼室を必要とすることになる。又、火炎の形状から燃焼室の形状が制約されたり、燃焼用空気の整流や火炎の安定化機構を必要とする。その結果、先混合拡散燃焼バーナを搭載した多管式貫流ボイラに於いては、必然的にボイラ自体が大型化すると云う問題がある。

これに対して、基本的にガス焚きである予混合表面燃焼バーナを搭載した多管式貫流ボイラの場合、予混合表面燃焼バーナは、ガス燃料と燃焼用空気を予混合させて成る予混合ガスがセラミック等の多孔質材等により形成された予混合ガス分割プレートに供給され、予混合ガス分割プレートに均一に拡散されてその表面で燃焼を行うようにしているため、火炎が予混合ガス分割プレートの表面に分散され、微小な分割火炎が多数形成されることになる。その結果、予混合表面燃焼バーナは、先混合拡散燃焼バーナに比較して短炎化を図れると共に、ＮＯｘの排出量も大幅に抑えることができる等の利点を有するものであり、多管式貫流ボイラの小型化に適したバーナである。

一方、貫流ボイラの分野に於いては、小型化が益々進んでおり、最近では蒸発量が２ｔ／ｈクラスの小型貫流ボイラの場合、火炉負荷が５０００ｋＷ／ｍ³ｈにも達し、先混合拡散燃焼バーナの火炎の大きさは送風機の性能等から略限界に達している。
従って、近年貫流ボイラに於いては、小型化を図るために予混合表面燃焼バーナが搭載されるようになって来ている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

しかし、予混合表面燃焼バーナを搭載した多管式貫流ボイラに於いても、予混合ガスの予混合ガス分割プレートへの供給が不均一である場合、燃焼温度が安定せず、表面燃焼領域に於いて局部的な高温を生じることになり、その結果、サーマルＮＯｘが発生し、ＮＯｘの低減を図り得ないと云う問題がある。
又、予混合ガス分割プレートが一般的にセラミック等の多孔質材により形成されているため、予混合ガス分割プレート上に生じる温度差によって予混合ガス分割プレートに歪やクラックが発生したり、或いは目詰まりを引き起こしたりすると云う問題もある。
特開平７−１２３０１号公報 特開平１１−２９４７０２号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は低ＮＯｘ化及び低ＣＯ化を図れると共に、水冷壁の単位面積当たりの熱吸収量を増加させることができるようにした多管式貫流ボイラを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１の発明は、複数の水管及びヒレから成る水冷壁により燃焼室を形成し、水冷壁の各水管の上下端部を上部ヘッダー及び下部ヘッダーに夫々連通状に接続して成る多管式貫流ボイラに於いて、燃焼室の底部にガス燃料と燃焼用空気を混合させて成る予混合ガスを燃焼室の横断面に均一に分配する予混合ガス供給部を設け、当該予混合ガス供給部の上に予混合ガスを撹拌しながら通過させる一次粒子層を形成すると共に、一次粒子層上方の水冷壁で囲まれた空間を一次燃焼室とし、又、燃焼室の中間部に二次空気供給管により供給された二次空気を燃焼室の横断面に均一に分配する二次空気分配器を設け、当該二次空気分配器の上に一次燃焼室からの一次燃焼ガスと二次空気分配器からの二次空気を撹拌混合しながら通過させる二次粒子層を形成すると共に、二次粒子層上方の水冷壁で囲まれた空間を二次燃焼室としたことに特徴がある。

本発明の請求項２の発明は、請求項１に記載の多管式貫流ボイラに於いて、二次空気分配器の下方位置に隔壁を設けて二次空気分配器と隔壁との間に二次燃焼室への入口空間を形成し、又、燃焼室を形成する水冷壁の外側位置に複数の水管及びヒレから成る水冷壁を配設して内側の水冷壁の一次燃焼室を形成する部分と外側の水冷壁との間にガス通路を形成すると共に、当該ガス通路内に一次燃焼ガスを通過させる粒子層を形成し、更に、内側の水冷壁の一部に、一次燃焼室内の一次燃焼ガスをガス通路へ均一に流出させるガス出口と、ガス通路内の粒子層を通過した一次燃焼ガスを入口空間及び二次空気分配器へ均一に流入させるガス入口とを夫々形成したことに特徴がある。

本発明の請求項３の発明は、一次粒子層が、耐熱性を有する多数のセラミック粒子又は金属粒子を予混合ガス供給部の上に点接触状態で積層することにより形成されており、セラミック粒子間又は金属粒子間に予混合ガスが撹拌されながら通過する微細通路が形成されていることに特徴がある。

本発明の請求項４の発明は、二次空気分配器が、耐熱性を有する多孔質性のセラミック材又は金属材によりプレート状に形成されており、多孔質性のセラミック材又は金属材の微細孔から二次空気を二次燃焼室の横断面に均一に噴出させると共に、当該微細孔により一次燃焼室内の一次燃焼ガスを二次燃焼室へ通過させる構成としたことに特徴がある。

本発明の請求項５の発明は、二次空気供給管が、耐熱性を有するセラミック材又は金属材により形成されており、一次燃焼室に一本又は複数本配置され、その下流側端部が二次空気分配器の下面側に連通状に接続されていることに特徴がある。

本発明の請求項６の発明は、二次粒子層が、耐熱性を有する多数のセラミック粒子又は金属粒子を二次空気分配器の上に点接触状態で積層することにより形成されており、セラミック粒子間又は金属粒子間に一次燃焼ガスと二次空気が撹拌混合されながら通過する微細通路が形成されていることに特徴がある。

本発明の請求項７の発明は、一次燃焼室に於いて空気比０．７〜０．８の条件下で燃焼を行うと共に、二次燃焼室に於いて全空気比１．２〜１．３の条件下で燃焼を行うようにしたことに特徴がある。

本発明の請求項８の発明は、粒子層が、耐熱性を有する多数のセラミック粒子又は金属粒子をガス通路内に点接触状態で積層することにより形成されており、セラミック粒子間又は金属粒子間に一次燃焼ガスが通過する微細通路が形成されていることに特徴がある。

本発明の請求項１の多管式貫流ボイラは、予混合ガスを一次粒子層を通過させて一次燃焼室内で空気比０．７〜０．８の条件下で燃焼させるようにしているため、一次燃焼室内に多数の微小火炎が形成されて火炎温度が１２００℃〜１３００℃に保たれると共に、一次燃焼室内に還元雰囲気燃焼領域が形成されることになる。その結果、大幅な低ＮＯｘ化を図れる。
又、この多管式還流ボイラに於いては、一次燃焼ガスと二次空気が二次粒子層内で撹拌混合されて混合ムラのない状態で二次燃焼室に供給され、ここで全空気比１．２〜１．３の条件下で一次燃焼ガスを完全燃焼させるようにしているため、ＣＯの発生を抑制することができ、大幅な低ＣＯ化を図れる。
更に、この多管式貫流ボイラに於いては、一次燃焼室内での水冷壁への熱吸収は、火炎輻射に加えて一次粒子層を形成するセラミック粒子又は金属粒子、二次空気供給管及び二次空気分配器の固体輻射により行われ、又、二次燃焼室内での水冷壁への熱吸収は、火炎輻射に加えて二次粒子層を形成するセラミック粒子又は金属粒子の固体輻射により行われるため、熱吸収率が大幅に向上する。その結果、本発明の多管式貫流ボイラは、燃焼室を形成する水冷壁への熱吸収を火炎輻射のみで行うようにした従来のボイラに比較して小型化を図れる。
本発明の請求項２の多管式貫流ボイラは、上記効果に加えて更に次のような効果を相することができる。即ち、この多管式貫流ボイラは、粒子層を通過する一次燃焼ガスが内側の水冷壁及び外側の水冷壁と粒子層を形成するセラミック粒子又は金属粒子に夫々熱を与え、然も、粒子層を形成するセラミック粒子又は金属粒子の固体輻射と流動による接触熱伝導により内側の水冷壁及び外側の水冷壁へ熱が与えられるため、水冷壁への熱吸収がより一層促進される。又、一次燃焼ガスが粒子層を通過することにより、二次燃焼を開始するまでの還元対流時間を稼ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る多管式貫流ボイラの概略縦断面図を示し、当該多管式貫流ボイラは、同心円状に配設された複数の水管１ａ，２ａ及びヒレ１ｂ，２ｂから成る横断面形状が円形の内側の水冷壁１及び外側の水冷壁２と、両水冷壁１，２の各水管１ａ，２ａの上端部及び下端部に夫々連通状に接続された上部ヘッダー３及び下部ヘッダー４と、内側の水冷壁１で囲まれた空間の底部に配設された予混合ガス供給部５と、予混合ガス供給部５の上に形成された一次粒子層６と、内側の水冷壁１で囲まれた空間の中間部に配設された二次空気分配器７と、二次空気分配器７に二次空気Ａを供給する二次空気供給管８と、二次空気分配器７の上に形成された二次粒子層９と、一次粒子層６の上方に形成された一次燃焼室１０と、二次粒子層９の上方に形成された二次燃焼室１１と、内側の水冷壁１と外側の水冷壁２との間に形成された環状のガス通路１２等から構成されており、一次燃焼室１０内で予混合ガスＧを空気比０．７〜０．８の条件下で一次燃焼させると共に、二次燃焼室１１内で一次燃焼ガスＧ１を二次空気Ａにより全空気比１．２〜１．３の条件下で二次燃焼させ、二次燃焼室１１内の二次燃焼ガスＧ２をガス通路１２へ流すようにしたものである。

従って、前記多管式貫流ボイラに於いては、内側の水冷壁１の水管１ａ内を流れるボイラ水への熱吸収は、一次燃焼室１０内の一次火炎による輻射伝熱と、二次燃焼室１１内の二次火炎による輻射伝熱と、ガス通路１２を流れる二次燃焼ガスＧ２による接触伝熱（対流伝熱）と、一次粒子層６の粒子、二次粒子層９の粒子、二次空気分配器７及び二次空気供給管８の固体輻射とによって行われ、又、外側の水冷壁２の水管２ａ内を流れるボイラ水への熱吸収は、ガス通路１２を流れる二次燃焼ガスＧ２による接触伝熱（対流伝熱）のみによって行われることになる。

前記内側の水冷壁１は、複数本の水管１ａを環状に並列配置して隣接する水管１ａを上下方向へ延びる帯板状のヒレ１ｂで連結することにより形成されており、横断面形状が円形の気密構造に構成されている。この内側の水冷壁１で囲まれた空間は、その空間の中間部に配設した二次空気分配器７及び二次粒子層９により上下に区分けされており、下側の空間が一次燃焼室１０となっていると共に、上側の空間が二次燃焼室１１となっている。
又、内側の水冷壁１の上端部には、ヒレ１ｂの上端部を切り欠くことにより二次燃焼室１１内の二次燃焼ガスＧ２を流出させる内側ガス出口１３が形成されており、二次燃焼室１１内の二次燃焼ガスＧ２が前記内側ガス出口１３から環状のガス通路１２へ均一に流出するようになっている。

前記外側の水冷壁２は、内側の水冷壁１と同様に複数本の水管２ａを環状に並列配置して隣接する水管２ａを上下方向に延びる帯板状のヒレ２ｂで連結することにより形成されており、横断面形状が円形の気密構造に構成されている。この外側の水冷壁２は、内側の水冷壁１の外周位置に内側の水冷壁１と同心円状に配置されており、内側の水冷壁１との間で二次燃焼ガスＧ２が通過する環状のガス通路１２を形成するようになっている。
又、外側の水冷壁２の下端部には、ヒレ２ｂの下端部を切り欠くことによりガス通路１２内の二次燃焼ガスＧ２を流出させる外側ガス出口１４が形成されており、ガス通路１２内を流れて来た二次燃焼ガスＧ２が前記外側ガス出口１４から煙道（図示省略）へ排出されるようになっている。

前記上部ヘッダー３及び下部ヘッダー４は、何れも環状の中空構造に形成されており、内側の水冷壁１及び外側の水冷壁２の各水管１ａ，２ａの上下端部に連通状に接続されている。この上部ヘッダー３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、下部ヘッダー４には給水ポンプ等を備えた給水管が接続されている（何れも図示省略）。又、上部ヘッダー３には、二次燃焼室１１の上面を閉塞する耐火物製の天井壁１５が設けられている。

前記予混合ガス供給部５は、一次燃焼室１０の底部に設けられており、ガス燃料と燃焼用空気を混合させて成る予混合ガスＧを一次燃焼室１０の横断面に均一に分配するものである。この予混合ガス供給部５は、パンチングメタル等の多孔板や金網等により形成されており、一次燃焼室１０の底部で且つ下部ヘッダー４に水平姿勢で取り付けられている。
又、予混合ガス供給部５の下方位置には、予混合ガス供給部５の下面側を覆う風箱１６が設けられており、予混合ガスＧを予混合ガス供給部５の下面側全域へ同時に供給できるようになっている。
尚、風箱１６内へ供給される予混合ガスＧは、ガス燃料と燃焼用空気との混合が充分に行われており、混合ムラのない高い混合精度の予混合ガスＧであることは勿論である。

前記一次粒子層６は、耐熱性を有する多数のセラミック粒子又は金属粒子を予混合ガス供給部５の上に点接触状態で積層することにより形成されており、セラミック粒子間又は金属粒子間には予混合ガスＧを撹拌しながら通過させる微細通路が形成されている。この一次粒子層６上方の内側の水冷壁１で囲まれた空間が一次燃焼室１０となっている。
尚、一次粒子層６を形成するセラミック粒子又は金属粒子は、その径が小さ過ぎると、一次粒子層６を支持する予混合ガス供給部５の孔や網目が必要以上に小さくなり、これが目詰まり等のトラブルを生じる虞があるうえ、一次粒子層６内に於ける圧力損失が増加する。反対にセラミック粒子又は金属粒子の径が大き過ぎると、圧力損失は減少するものの、一次粒子層６の上面に於いて予混合ガスＧの燃焼が不安定になり易い。又、セラミック粒子又は金属粒子の径に拘わらず、一次粒子層６の厚さが厚くなり過ぎると、圧力損失が必要以上に増大して、必要とされる送風機能力が過大となる。反対に一次粒子層６の厚さが薄くなり過ぎると、予混合ガスＧの燃焼が不安定になる虞があり、逆火を引き起こす可能性が極めて高くなる。このような理由から、セラミック粒子又は金属粒子の径や一次粒子層６の厚さは、燃焼条件等に応じて適宜に設定しておくことが好ましい。

前記二次空気分配器７は、耐熱性を有する多孔質性のセラミックス材又は金属材により円形のプレート状に形成されており、多孔質性のセラミックス材又は金属材の微細孔から二次空気Ａを二次燃焼室１１の横断面に均一に噴出させると共に、前記微細孔を介して一次燃焼室１０内の一次燃焼ガスＧ１を二次燃焼室１１へ通過させる構造となっている。
例えば、二次空気分配器７は、アルミナ等のセラミックス粉末を円板状に成形したうえ、この成形物を適当温度で焼成することによって得られるものであり、全面的に微細孔を有する再結晶セラミックス焼結体で形成するようにしても良く、或いは鉄、クロム、ケイ素、アルミニウム、イットリウム等の合金から成る長繊維の焼結体で形成するようにしても良い。
そして、二次空気分配器７は、内側の水冷壁１の中間部内面に取り付けた耐火物製の環状の支持部材１７に水平姿勢で支持されており、内側の水冷壁１で囲まれた空間を上下に区分けするようになっている。
尚、二次空気分配器７の空隙率及び厚さ等は、二次空気Ａを二次燃焼室１１の横断面に均一に分配すると共に、一次燃焼ガスＧ１を均一に通過させるように夫々設定されている。

前記二次空気供給管８は、耐熱性を有するセラミック材又は金属材によりパイプ状に形成されており、一次燃焼室１０に一本又は複数本配置され、その下流側端部が二次空気分配器７の下面側に連通状に接続されている。この例では、二次空気供給管８は、予混合ガス供給部５の中心部を貫通して一次燃焼室１０の中心位置に一本だけ配設されており、その下流側端部が二次空気分配器７の下面側中央部に連通状に接続されていると共に、その上流側端部が二次空気送風機（図示省略）に接続されている。

前記二次粒子層９は、耐熱性を有する多数のセラミック粒子又は金属粒子を二次空気分配器７の上に点接触状態で積層することにより形成されており、セラミック粒子間又は金属粒子間には一次燃焼ガスＧ１及び二次空気Ａを撹拌混合しながら通過させる微細通路が形成されている。この二次粒子層９上方の内側の水冷壁１で囲まれた空間が二次燃焼室１１となっている。
尚、二次粒子層９のセラミック粒子又は金属粒子の径や二次粒子層９の厚さは、燃焼条件等に応じて最適な値に設定されていることは勿論である。

そして、前記多管式貫流ボイラに於いては、一次燃焼室１０では空気比（空気過剰率）０．７〜０．８の燃焼を行うように予混合ガスＧの一次空気の量が設定されていると共に、二次燃焼室１１では全空気比（空気過剰率）１．２〜１．３の燃焼を行うように二次空気Ａの量が設定されている。又、多管式貫流ボイラには、図示していない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一次粒子層６の上面へ向く姿勢で一次粒子層６の上方近傍位置に設置されている。

以上のように構成された多管式貫流ボイラによれば、ボイラ底部の風箱１６内に供給されたガス燃料と燃焼用空気を予混合して成る予混合ガスＧは、予混合ガス供給部５により一次燃焼室１０の横断面に均一に分配されて一次粒子層６内へ均一に流入し、一次粒子層６内で撹拌されながら一次粒子層６を通過し、パイロットバーナ（図示省略）により着火されることにより、一次燃焼室１０内で燃焼を開始する。

このとき、一次燃焼室１０に於いては、０．７〜０．８の空気比で予混合ガスＧを燃焼させているため、一次燃焼室１０内に還元性雰囲気の燃焼領域が形成される。又、一次粒子層６の上面に形成される一次火炎は、多数の微小火炎となるうえ、一次燃焼室１０を形成する内側の水冷壁１へ燃焼熱を放出し、１２００℃〜１３００℃の比較的低い温度に保たれる。その結果、一次燃焼室１０内に於けるＮＯｘの発生が抑制されることになる。更に、一次燃焼室１０に於いては、一次火炎の輻射に加えて一次粒子層６を形成するセラミック粒子又は金属粒子、二次空気供給管８及び二次空気分配器７の固体輻射により内側の水冷壁１への熱吸収が促進される。加えて、一次粒子層６は、セラミック粒子又は金属粒子を相互に接着しない点接触状態で積層して成り、その上面で予混合ガスＧを表面燃焼させているため、一次粒子層６がクラックや目詰まり等を生ずる虞がない。

一次燃焼室１０内で発生した一次燃焼ガスＧ１は、引き続き二次空気分配器７の微細孔を通って二次粒子層９内に均一に流入し、二次粒子層９内で二次空気分配器７から二次燃焼室１１の横断面に均一に分配放出される二次空気Ａと撹拌混合されながら二次粒子層９を通過し、二次粒子層９上方の二次燃焼室１１内で二次燃焼を行う。

このとき、二次燃焼室１１に於いては、全空気比１．２〜１．３の条件で一次燃焼ガスＧ１を二次空気Ａにより二次燃焼させているため、一次燃焼ガスＧ１が完全燃焼される。然も、二次燃焼室１１に於いては、一次燃焼ガスＧ１と二次空気Ａが二次粒子層９内で撹拌混合されて混合ムラのない状態で燃焼される。その結果、ＣＯの発生が抑制されることになる。又、二次燃焼室１１に於いては、二次粒子層９の上面に形成される二次火炎の輻射に加えて二次粒子層９を形成するセラミック粒子又は金属粒子の固体輻射により内側の水冷壁１への熱吸収が促進される。

二次燃焼室１１内で発生した二次燃焼ガスＧ２は、内側の水冷壁１に形成した内側ガス出口１３からガス通路１２内に流入し、ガス通路１２内を下降する間に内側の水冷壁１及び外側の水冷壁２へ熱を与えた後、外側の水冷壁２に形成した外側ガス出口１４から煙道（図示省略）を通って外部へ排出されて行く。

このように、上述した多管式還流ボイラに於いては、一次燃焼室１０で多数の微小火炎が形成されると共に、火炎温度が１２００℃〜１３００℃に保たれ、然も、予混合ガスＧを空気比１以下で燃焼させて一次燃焼室１０内に還元雰囲気燃焼領域を形成するようにしているため、大幅な低ＮＯｘ化を図れる。
又、この多管式還流ボイラに於いては、一次燃焼ガスＧ１と二次空気Ａが二次粒子層９内で撹拌混合されて混合ムラのない状態で二次燃焼室１１に供給され、ここで全空気比１．２〜１．３の燃焼を行うようにしているため、一次燃焼ガスＧ１が完全燃焼されて大幅な低ＣＯ化を図れる。
更に、この多管式貫流ボイラによれば、ボイラ水への熱吸収は、一次燃焼室１０及び二次燃焼室１１に於ける一次火炎及び二次火炎による輻射伝熱と、一次粒子層６及び二次粒子層９を形成するセラミック粒子又は金属粒子、二次空気分配器７及び二次空気供給管８の固体輻射とによって行われている。その結果、水冷壁１の単位面積当たりの熱吸収量が増加することになり、ボイラ自体の小型化を図れる。

図２は本発明の他の実施の形態に係る多管式貫流ボイラの概略縦断面図を示し、当該多管式貫流ボイラは、上述した構造の多管式貫流ボイラ（図１に示すもの）に改良を加えたものであり、二次空気分配器７の下方位置に隔壁１８を設けて二次空気分配器７と隔壁１８との間に二次燃焼室１１への入口空間１９を形成し、又、内側の水冷壁１の一次燃焼室１０を形成する部分と外側の水冷壁２との間に一次燃焼ガスＧ１が通過する環状のガス通路１２を形成すると共に、当該ガス通路１２内に一次燃焼ガスＧ１を通過させる粒子層２０を形成し、更に、内側の水冷壁１の一部に、一次燃焼室１０内の一次燃焼ガスＧ１を水平方向へ流出させて環状のガス通路１２へ均一に流入させるガス出口２１と、ガス通路１２内の粒子層２０を通過した一次燃焼ガスＧ１を入口空間１９及び二次空気分配器７へ均一に流入させるガス入口２２とを夫々形成したものである。

即ち、前記隔壁１８は、耐火材により円形のプレート状に形成されており、二次空気分配器７の下方位置で且つ内側の水冷壁１の内面に水平姿勢で取り付けられている。これによって、二次空気分配器７と隔壁１８との間には、二次燃焼室１１への入口空間１９が形成されることになる。
又、ガス通路１２は、内側の水冷壁１と外側の水冷壁２との間に形成された環状の空間内で且つ二次空気分配器７と略同じ高さ位置に耐火物２３を設けることによって、内側の水冷壁１の一次燃焼室１０を形成する部分と外側の水冷壁２との間に形成されている。
更に、粒子層２０は、耐熱性を有する多数のセラミック粒子又は金属粒子をガス通路１２内で且つガス通路１２の下部に設けた耐火物２３の上に点接触状態で積層することにより形成されており、セラミック粒子間又は金属粒子間には一次燃焼ガスＧ１を通過させる微細通路が形成されている。
そして、ガス出口２１は、内側の水冷壁１のヒレ１ｂの下端部を適宜に切り欠くことにより形成されており、一次燃焼室１０内の一次燃焼ガスＧ１を一次燃焼室１０から水平方向へ流出させてガス通路１２へ均一に流入させるようになっている。又、ガス入口２２は、内側の水冷壁１の入口空間１９に対向する部分のヒレ１ｂを適宜に切り欠くことにより形成されており、ガス通路１２内の粒子層２０を通過した一次燃焼ガスＧ１を入口空間１９へ均一に流入させるようになっている。
尚、この多管式貫流ボイラは、隔壁１８、入口空間１９、粒子層２０、ガス出口２１及びガス入口２２等を設けたこと以外は、図１に示す多管式貫流ボイラと同様構造に構成されており、図１の多管式貫流ボイラと同じ部位・部材には同一の参照番号を付し、その詳細な説明を省略する。

以上のように構成された多管式貫流ボイラによれば、ボイラ底部の風箱１６内に供給された予混合ガスＧは、予混合ガス供給部５により一次燃焼室１０の横断面に均一に分配されて一次粒子層６内へ均一に流入し、一次粒子層６内で撹拌されながら一次粒子層６を通過し、パイロットバーナ（図示省略）により着火されることにより、一次燃焼室１０内で燃焼を開始する。

一次燃焼室１０内で発生した一次燃焼ガスＧ１は、ガス出口２１から水平方向へ均一に流出してガス通路１２内へ均一に流入し、ガス通路１２内の粒子層２０を下方から上方へ向かって流れ、ガス入口２２に至る。
このとき、粒子層２０を通過する一次燃焼ガスＧ１は、内側の水冷壁１及び外側の水冷壁２と粒子層２０を形成するセラミック粒子又は金属粒子に夫々熱を与える。又、粒子層２０を形成するセラミック粒子又は金属粒子は、固体輻射と流動による接触熱伝導により内側の水冷壁１及び外側の水冷壁２へ熱を与える。

粒子層２０を通過した一次燃焼ガスＧ１は、ガス入口２２から入口空間１９内へ均一に流入すると共に、二次空気分配器７の微細孔を通って二次粒子層９内に均一に流入し、二次粒子層９内で二次空気分配器７から二次燃焼室１１の横断面に均一に分配放出される二次空気Ａと撹拌混合されながら二次粒子層９を通過し、二次粒子層９上方の二次燃焼室１１内で二次燃焼を行う。

二次燃焼室１１内で発生した二次燃焼ガスＧ２は、内側の水冷壁１に形成した内側ガス出口１３から内側の水冷壁１と外側の水冷壁２との間の空間に流入して水冷壁１，２へ熱を与えた後、前記空間から煙道（図示省略）を通って外部へ排出されて行く。

この多管式貫流ボイラは、図１に示す多管式貫流ボイラと同様の作用効果を奏することができる。然も、この多管式貫流ボイラは、粒子層２０を通過する一次燃焼ガスＧ１が内側の水冷壁１及び外側の水冷壁２と粒子層２０を形成するセラミック粒子又は金属粒子に夫々熱を与えると共に、粒子層２０を形成するセラミック粒子又は金属粒子の固体輻射と流動による接触熱伝導により内側の水冷壁１及び外側の水冷壁２へ熱を与えるため、水冷壁１，２への熱吸収がより一層促進される。又、一次燃焼ガスＧ１が粒子層２０を通過することにより、二次燃焼を開始するまでの還元対流時間を稼ぐことができる。

尚、上記各実施の形態に於いては、本発明は、多管式貫流ボイラの構造を呈しているが、燃焼室を水冷壁で形成したボイラであれば、他の構造を呈するボイラとしても良い。例えば、本発明は、自然循環ボイラや強制循環ボイラ等の構造にしても良い。

又、上記各実施の形態に於いては、多管式貫流ボイラの水冷壁１，２及び燃焼室１０，１１の横断面形状を円形に形成すると共に、上部ヘッダー３及び下部ヘッダー４を環状に形成するようにしたが、他の実施の形態に於いては、多管式貫流ボイラの水冷壁１，２、燃焼室１０，１１、上部ヘッダー３及び下部ヘッダー４の形状を矩形に形成するようにしても良い。

更に、上記各実施の形態に於いては、一次燃焼室１０内に一本の二次空気供給管８を配設するようにしたが、他の実施の形態に於いては、一次燃焼室１０内に複数本の二次空気供給管８を等間隔毎に配設し、各二次空気供給管８の下流側端部を二次空気分配器７の下面側に連通状に接続するようにしても良い。この場合には、二次空気分配器７へ均等に二次空気Ａを供給することができ、二次空気分配器７から二次空気Ａを二次燃焼室１１の横断面へより均一に分配することができる。

本発明の実施の形態に係る多管式貫流ボイラの概略縦断面図である。 本発明の他の実施の形態に係る多管式貫流ボイラの概略縦断面図である。

符号の説明

１は内側の水冷壁、１ａは水管、１ｂはヒレ、２は外側の水冷壁、２ａは水管、２ｂはヒレ、３は上部ヘッダー、４は下部ヘッダー、５は予混合ガス供給部、６は一次粒子層、７は二次空気分配器、８は二次空気供給管、９は二次粒子層、１０は一次燃焼室、１１は二次燃焼室、１２はガス通路、１８は隔壁、１９は入口空間、２０は粒子層、２１はガス入口、２２はガス出口、Ａは二次空気、Ｇは予混合ガス、Ｇ１は一次燃焼ガス、Ｇ２は二次燃焼ガス。

Claims (8)

1. 複数の水管及びヒレから成る水冷壁により燃焼室を形成し、水冷壁の各水管の上下端部を上部ヘッダー及び下部ヘッダーに夫々連通状に接続して成る多管式貫流ボイラに於いて、燃焼室の底部にガス燃料と燃焼用空気を混合させて成る予混合ガスを燃焼室の横断面に均一に分配する予混合ガス供給部を設け、当該予混合ガス供給部の上に予混合ガスを撹拌しながら通過させる一次粒子層を形成すると共に、一次粒子層上方の水冷壁で囲まれた空間を一次燃焼室とし、又、燃焼室の中間部に二次空気供給管により供給された二次空気を燃焼室の横断面に均一に分配する二次空気分配器を設け、当該二次空気分配器の上に一次燃焼室からの一次燃焼ガスと二次空気分配器からの二次空気を撹拌混合しながら通過させる二次粒子層を形成すると共に、二次粒子層上方の水冷壁で囲まれた空間を二次燃焼室としたことを特徴とする多管式貫流ボイラ。
2. 請求項１に記載の多管式貫流ボイラに於いて、二次空気分配器の下方位置に隔壁を設けて二次空気分配器と隔壁との間に二次燃焼室への入口空間を形成し、又、燃焼室を形成する水冷壁の外側位置に複数の水管及びヒレから成る水冷壁を配設して内側の水冷壁の一次燃焼室を形成する部分と外側の水冷壁との間にガス通路を形成すると共に、当該ガス通路内に一次燃焼ガスを通過させる粒子層を形成し、更に、内側の水冷壁の一部に、一次燃焼室内の一次燃焼ガスをガス通路へ均一に流出させるガス出口と、ガス通路内の粒子層を通過した一次燃焼ガスを入口空間及び二次空気分配器へ均一に流入させるガス入口とを夫々形成したことを特徴とする多管式貫流ボイラ。
3. 一次粒子層は、耐熱性を有する多数のセラミック粒子又は金属粒子を予混合ガス供給部の上に点接触状態で積層することにより形成されており、セラミック粒子間又は金属粒子間に予混合ガスが撹拌されながら通過する微細通路が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多管式貫流ボイラ。
4. 二次空気分配器は、耐熱性を有する多孔質性のセラミック材又は金属材によりプレート状に形成されており、多孔質性のセラミック材又は金属材の微細孔から二次空気を二次燃焼室の横断面に均一に噴出させると共に、当該微細孔により一次燃焼室内の一次燃焼ガスを二次燃焼室へ通過させる構成としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多管式貫流ボイラ。
5. 二次空気供給管は、耐熱性を有するセラミック材又は金属材により形成されており、一次燃焼室に一本又は複数本配置され、その下流側端部が二次空気分配器の下面側に連通状に接続されていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項４に記載の多管式貫流ボイラ。
6. 二次粒子層は、耐熱性を有する多数のセラミック粒子又は金属粒子を二次空気分配器の上に点接触状態で積層することにより形成されており、セラミック粒子間又は金属粒子間に一次燃焼ガスと二次空気が撹拌混合されながら通過する微細通路が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多管式貫流ボイラ。
7. 一次燃焼室に於いて空気比０．７〜０．８の条件下で燃焼を行うと共に、二次燃焼室に於いて全空気比１．２〜１．３の条件下で燃焼を行うようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多管式貫流ボイラ。
8. 粒子層は、耐熱性を有する多数のセラミック粒子又は金属粒子をガス通路内に点接触状態で積層することにより形成されており、セラミック粒子間又は金属粒子間に一次燃焼ガスが通過する微細通路が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の多管式貫流ボイラ。

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