JP2824619B2

JP2824619B2 - 角型多管式貫流ボイラー

Info

Publication number: JP2824619B2
Application number: JP5246253A
Authority: JP
Inventors: 保三浦; 収田中; 誠二田井
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 1993-09-06
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 1998-11-11
Anticipated expiration: 2013-11-11
Also published as: JPH07180801A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃焼ガスを垂直水管
に対して交叉線方向に直線的に流通させる形式の角型多
管式貫流ボイラーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、貫流ボイラー等の水管ボイラー
は、その構成要素として比較的大きな容積を占める燃焼
室を備えている。たとえば、小型の多管式貫流ボイラー
は、円筒型をなす水管組立体（缶体）をベースとして製
作されている。これは、水管を環状に配置し、その内部
を燃焼室とするのが燃焼ガスとの熱交換効率を良くする
ために望ましいと考えられていることによる。

【０００３】しかし、このような缶体構造とすると、ボ
イラーの設置場所や配置状態によっては比較的大きなス
ペースを占有することになり易いため、近年では、いわ
ゆる角型缶体構造をベースとした種々の多管式貫流ボイ
ラーが提案されている（たとえば、実開昭５６−１３６
９０４号公報参照）。

【０００４】また、近年では、環境汚染問題等により、
ボイラーからの有害燃焼排気物，とくにＮＯ_ｘ，ＣＯ等
をさらに低減することが求められている。このような有
害燃焼排気物の低減化対策として、燃焼ガス温度，すな
わち燃焼火炎の温度を下げることにより、ＮＯ_ｘ，とく
にサーマルＮＯ_ｘ（ｔｈｅｒｍａｌＮＯ_ｘ）の生成を
制御する方法並びに燃焼ガス温度を一定の温度範囲に保
つことにより、ＣＯをＣＯ_２に酸化させてＣＯの残留を
阻止する方法が知られている。より具体的には、実公昭
５６−４７４７７号公報に開示されているように、バー
ナ炎を水冷壁などに当てたり、また特公昭５６−４６０
４６号公報に開示されているように、旋回する空気流の
中心部で過剰濃度の混合気を燃焼させたりして、燃焼温
度を調整するものや、あるいはまた特開昭６０−７８２
４７号公報に開示されているように、バーナ近傍の冷体
物によって燃焼ガス温度（燃焼火炎の温度）を調整した
後、熱交換器までの間の断熱空気内でＣＯを酸化させる
もの等がある。この他、サーマルＮＯ_ｘ低減化対策とし
ては、排気ガスを再循環させる形式のものが公知であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】さて、従来の角型缶体
構造のボイラー，たとえば前記実開昭５６−１３６９０
４号公報に開示されているようなボイラーにおける熱交
換は、燃焼室に続く炉内を第１，第２ガス通路に画成す
る一対の水管パネルによってのみ行われるため、伝熱面
面積が非常に少ないものとなっている。また、この水管
パネルは、水管を密着させて配置しているため、互いに
接触する水管同志の間に扇状の領域，いわゆる死水域が
形成され、この死水域においては水管パネル間に比べて
ガス流速が低下し、このために水管への熱伝達率が低
く、実際の熱伝達に有効な面積は一層少ないものとなっ
ており、熱効率を向上する点において問題がある。ま
た、前記のように、燃焼室に連なる第１ガス通路の他
に、燃焼ガスがこの第１ガス通路から反転して流れる第
２ガス通路を設ける必要があるため、缶体の小型化は難
しく、この点においても前記缶体自体による熱効率の向
上を図る上での障害ともなる。

【０００６】そして、このボイラーにおいては、近年の
最重要課題である有害燃焼排気物，すなわちＮＯ_ｘ，Ｃ
Ｏ等の低減については何等の対策も施されていない。す
なわち、バーナの前面には、燃焼室とこれに連なる第１
ガス通路とを設けてあり、全体としてバーナ前面に広い
空間が存在するため、バーナから噴出された燃料（予混
合気を含む）は、そのまま高温度で燃焼する。したがっ
て、この燃焼の際にサーマルＮＯ_ｘが発生し、またＣＯ
_２が熱解離してＣＯが発生すると云った問題が生じる。

【０００７】さらに、一般的に、バーナからの燃焼ガス
流は、水管への伝熱により下流側ほど温度が低下し、こ
れに伴なって体積が減少するため、前記のように単に水
管パネルを平行に配置した構造のボイラーでは、燃焼ガ
スの下流側において流速が低下し、伝熱効率が著しく低
下すると云う問題も生じる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上述課題を
解決するためになされたもので、一端側に予混合バーナ
を設け、他端側を燃焼ガス出口としたガス通路内に、前
記予混合バーナからの燃焼ガスの流通を許容する間隔を
もって、当該ガス通路のほぼ全域に亘って多数の水管を
設けた角型多管式貫流ボイラーであって、前記多数の水
管は、伝熱面密度の異なった複数群の水管群に構成さ
れ、これら複数群の水管群は、前記ガス通路内における
燃焼ガスの上流側から下流側に向けて、伝熱面密度の小
なるものから大なるものの順に配置されていることを特
徴とする。

【０００９】

【００１０】

【実施例】以下、この発明の具体的実施例を図面に基づ
いて詳細に説明する。図１および図２は、この発明に係
る角型多管式貫流ボイラーの第一実施例であって、図１
は缶体における各垂直水管の配列状態を示したものであ
り、また図２は各垂直水管と上下のヘッダとの連結状態
を示したものである。

【００１１】図１および図２において、角型多管式貫流
ボイラーにおける缶体の外郭を形成する水管壁１は、直
管状の複数本の垂直水管１ａを等間隔で配置してなるも
ので、隣合う垂直水管１ａ同志をフィン状部材６で連結
することにより、垂直水管１ａ同志の間隔を塞いだ状態
としてあり、矩形状とした１枚の壁部材として構成され
ている。これにより、この水管壁１は、缶体の外郭を画
成するとともに、伝熱面としての機能も具備している。
したがって、この水管壁１は、従来のボイラーのよう
に、ガス流速の低下に起因して熱伝達率が低下する領
域，いわゆる死水域が形成されない構成となっている。
これは、有効な熱伝達面積を充分に確保することにな
り、熱効率の向上に大きく寄与することになる。

【００１２】そして、このように構成した水管壁１を２
枚、所要の間隔を保持した状態で対面させ、かつ両者が
互いにほぼ平行をなすように配置し、一対となった水管
壁１，１をそれぞれ構成する各垂直水管１ａ，１ａ，…
の上下端を、上下のヘッダ１０，１１にそれぞれ連結し
てある。なお、この実施例における上下のヘッダ１０，
１１は、図２に示すように、それぞれ前記水管壁１の長
手方向に対して左右に独立した構成となっており、これ
らの上部ヘッダ１０同志および下部ヘッダ１１同志をそ
れぞれ外部配管（図示省略）等によって連結し、それぞ
れ一体化してある。

【００１３】前記一対の水管壁１，１の長手方向の一端
側には、予混合バーナ等のバーナ５が設けられており、
また他端側には排ガス出口８が設けられている。この結
果、前記一対の水管壁１，１と前記上下のヘッダ１０，
１１とにより、バーナ５からの燃焼ガスが実質上直線的
に通過するガス通路９を形成している。

【００１４】このガス通路９内には、前記バーナ５から
の燃焼ガスの流通を許容する間隔をもって、多数の垂直
水管２ａ，２ａ，…，３ａ，３ａ，…，４ａ，４ａ，…
が挿設されている。この際、各垂直水管２ａ，３ａ，４
ａの相互の間隔は、前記燃焼ガスと各垂直水管２ａ，３
ａ，４ａとの対流伝熱効率を向上させるためには、なる
べく狭く設定するのが好ましいが、極端に狭くすると、
各垂直水管２ａ，３ａ，４ａ回りのガス流速が速くなり
すぎて圧力損失が大きくなり、逆に極端に広くすると、
ガス流速が遅くなって前記対流伝熱効率が低下し、さら
に挿設する垂直水管２ａ，３ａ，４ａの本数も減少せざ
るを得ず、これは伝熱面積が減少することとなり、した
がって伝熱量自体も減少することとなる。この点におい
て、各垂直水管２ａ，３ａ，４ａの相互の間隔は、図１
に示すように、たとえば垂直水管（２ａ，３ａ，４ａ）
の直径以下とするのが好ましい。

【００１５】そして、前記各垂直水管２ａ，３ａ，４ａ
は、前記間隔を保持して前記ガス通路９のほぼ全域に亘
って挿設されている。このように、前記ガス通路９内の
ほぼ全域に亘って挿設された各垂直水管２ａ，３ａ，４
ａの上下端は、前記両水管壁１，１を構成する垂直水管
１ａ，１ａ，…と同様、前記上下のヘッダ１０，１１に
それぞれ連結してある。また、前記バーナ５と対面する
垂直水管２ａは、前記バーナ５に比較的近接した位置に
配置されており、前記バーナ５とこれに対面する垂直水
管２ａとの間隔もきわめて小さいものとなっている。す
なわち、この実施例においては、前記ガス通路９内にお
ける各垂直水管２ａ，３ａ，４ａの配置密度は、図１に
示すように、各垂直水管２ａ，３ａ，４ａの相互の間隔
の点から比較的密な状態で配置されていることになる。

【００１６】また、前記ガス通路９内に挿設された各重
直水管２ａ，３ａ，４ａのうち、前記一対の水管壁１，
１に隣接する各垂直水管は、図１に示すように、前記両
水管壁１，１を構成する垂直水管１ａ，１ａ，…とそれ
ぞれ千鳥状配列となるように配置してある。このような
配列とすることにより、前記両水管壁１，１と前記両ヘ
ッダ１０，１１および前記各垂直水管２ａ，３ａ，４ａ
とにより構成される水管組立体２０の横幅（図１におけ
る左右方向の幅）を縮小することができるとともに、水
管組立体２０について定められた横幅（これは前記両ヘ
ッダ１０，１１の断面積に関する規定に基づいて設定さ
れる。）内により多くの垂直水管を挿設することができ
る。

【００１７】以上のように構成した水管組立体２０によ
れば、前記バーナ５からの燃焼ガスの流通経路、すなわ
ち前記ガス通路９を直線状に比較的長いものとして形成
することができ、前記燃焼ガスが最後尾の垂直水管４ａ
を通過するまでに要する時間が比較的長いものとなる。
すなわち、前記水管組立体２０内における前記燃焼ガス
の滞留時間が比較的長くなり、前記燃焼ガスは前記ガス
通路９内において前記各垂直水管１ａ，２ａ，３ａ，４
ａと順次対流伝熱を行い、これによりその温度が徐々に
低下する。したがって、前記ガス通路９の全体において
局所的に高温となる箇所がなく、ＮＯ_ｘ，とくにサーマ
ルＮＯ_ｘの発生をより効果的に抑制することができると
ともに、酸化したＣＯ_２が熱解離によりＣＯを再び生成
することがない。

【００１８】さて、図１に示した実施例についてさらに
説明すると、前記各垂直水管２ａ，３ａ，４ａは、前記
水管壁１，１間にその長手方向に沿って２列状態で、前
記バーナ５側から前記排ガス出口８側に向けて所定本数
ずつ等間隔で配列してあり、その各々の垂直水管は、上
流側から裸管２ａ，ヒレ付管３ａ，エロフィン管４ａと
している。そして、これらの各垂直水管２ａ，３ａ，４
ａは、伝熱面密度（燃焼ガスの単位流路長さ当りの伝熱
面面積）の異なった３つの水管群２，３，４を構成し、
これら第１〜第３水管群２，３，４は、前記ガス通路９
内において前記バーナ５側から前記排ガス出口８側に向
けて、伝熱面密度の小なるものから大なるものの順に配
置している。

【００１９】この構成により、前記バーナ５からの燃焼
ガスは、前記ガス通路９内を、裸管２ａからなる第１水
管群２，ヒレ付管３ａからなる第２水管群３およびエロ
フィン管４ａからなる第３水管群４に対して対流伝熱を
行いながら通過し、前記排ガス出口８からエコノマイザ
（図示省略）を介して，あるいは直接煙突（図示省略）
から流出する。したがって、燃焼ガスは、前記のよう
に、上流側では高温で体積も大きいが、下流側では前記
各垂直水管２ａ，３ａ，４ａへの対流伝熱により低温と
なり、体積が減少して伝熱効率も低下する。しかしなが
ら、この発明においては、下流側ほど伝熱面密度を高め
ているため、前記各垂直水管２ａ，３ａ，４ａにおける
伝熱量は、上流側の垂直水管２ａから下流側の垂直水管
４ａに亘って低下することはなく、全体的にほぼ均一と
なり、燃焼ガスの温度も徐々に低下することになる。

【００２０】この結果、前述したような構造の缶体で、
燃焼面負荷が６００〜１２００×１０^４Ｋｃａｌ／ｍ^２
ｈのバーナを用いた場合、図中Ａ点で約１２００℃，Ｂ
点で約５５０℃，Ｃ点で約３７０℃という結果が得られ
ている。従って、この発明の缶体においては、上流側の
伝熱面密度の小なる水管群においても、燃焼ガス温度が
低くおさえられ、ＮＯ_ｘ特にｔｈｅｒｍａｌＮＯ_ｘの
発生が防止でき、しかも上流側においても燃焼ガス温度
が１２００℃程度であるため、ＣＯが発生していても上
流側でＣＯ_２に酸化されてしまい、以下下流側では徐々
に温度が下がるため、ＣＯ_２が再び分離してＣＯとなる
のも防止できる。

【００２１】ここで、前記バーナ５として、予混合バー
ナを用いた場合の具体例について、さらに説明すると、
この予混合バーナに空気比１．３の予混合気を供給して
燃焼させた場合、ＮＯ_ｘは、従来のものに比べて１／３
から１／２程度まで低減し、またＣＯは、十数ｐｐｍ以
下までに低減するという結果が得られた。このＮＯ_ｘ，
ＣＯ値は、排ガス循環装置付きのボイラーで循環率を１
０％としたものと同等であるが、この実施例において
は、全く循環させず、１方向にのみ燃焼ガスを流通させ
る形式でこのような有害燃焼排気物の低減作用があり、
しかも排ガス循環用の複雑な配管が不要で、構造がきわ
めてシンプルになる。

【００２２】なお、この具体例において、前記バーナ５
として予混合バーナを用いた場合について説明したが、
この理由を説明すると、つぎのとおりである。すなわ
ち、拡散燃焼バーナ，予混合バーナのいずれにしても、
燃焼の前段階として、燃料と空気との混合過程を経る必
要があるが、拡散燃焼バーナにあっては、燃料と空気と
の混合に供する領域あるいは空間と同時に時間が必要で
ある。したがって、拡散燃焼バーナにおいては、燃焼の
初期段階では燃料と空気との混合の不均一を招く可能性
を伴い、これは同時に局部的高温部分の生成，すなわち
ＮＯ_ｘの増大と、ＣＯが発生し易い状況を作り出すこと
になる。この結果、とくにＣＯの酸化については、酸化
するための高温領域を必要とするが、この高温領域を採
れない場合にはＣＯの排出量が多くなり、また高温領域
を設けるとすると缶体の奥行きが長くなり、缶体の大型
化を招くことになる。

【００２３】これに対して、予混合バーナにあっては、
事前に燃料と空気とが混合されているため、混合過程
（すなわち、拡散燃焼バーナにおいて必要とされている
領域あるいは空間と時間の点）をパスして即座に燃焼工
程に移行することになり、局部的高温部分を生成するこ
となく，すなわちＮＯ_ｘの生成量の少ない比較的良好な
燃焼を行うことができ、また上流側でＣＯが発生したと
しても、下流側でＣＯの酸化が行われるので、奥行きが
比較的短くてもＣＯの排出量を低減することができると
云う知見に基づいている。この点について、さらに付言
すると、この発明のような水管組立体２０に用いる前記
バーナ５として予混合バーナが、缶体のコンパクト化の
点および有害燃焼排気物低減化対策の点において、きわ
めて効果的なものであると云う知見に基づいている。

【００２４】つぎに、この発明に係る角型多管式貫流ボ
イラーの第二実施例を示した図３について説明する。図
３の実施例においては、前記両水管壁１，１は、ボイラ
ー缶体のほぼ中程までの長さとし、かつ下流側の横幅
（図３における左右方向の幅）を狭くしてある。そし
て、この両水管壁１，１間には、直列に裸管の垂直水管
２ａを配列してなる水管群２を配置している。この水管
群２より下流側には、たとえば図示の実施例のごとく、
前記両水管壁１，１の下流端にそれぞれ連続した状態
で、かつ上流側に形成されたガス通路９に連なるガス通
路９を形成するように、断熱壁７を両側にそれぞれ配置
し、この両断熱壁７，７間に、２列配置のエロフィン管
４ａからなる水管群４を配置している。

【００２５】この第二実施例においても、前記第一実施
例（図１および図２）と同様に、燃焼ガスの流通方向上
流側から下流側に向けて、単位流路長さ当りの伝熱面面
積が増加しており、したがって前記のごとく、水管組立
体，すなわち缶体自体による伝熱効率の向上や、Ｎ
Ｏ_ｘ，ＣＯ等の有害排気物の低減を効果的に図ることが
できる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る角
型多管式貫流ボイラーは、燃焼ガス流通方向の上流側か
ら下流側に向けて、順次伝熱面密度を増加させた水管群
を配列したことにより、燃焼ガスからの熱伝達を上流側
から下流側まで略均一化させることができて、局所的な
熱伝達効率の低下を防止できる。このため、ボイラー自
体の効率の向上が図れ、ランニングコストの低減も可能
となる。又、この発明のボイラーでは、燃焼ガスが比較
的均一に温度低下しながら通過し、その温度を低く抑え
られるため、ＮＯｘやＣＯ等の有害排気物の発生がほと
んどなく、公害対策上も有利である。更に、この発明の
ボイラーは、横幅の縮小が容易に行えるから同一効率で
比較した場合の全体の大きさを縮小し、設置スペースの
削減を可能にし、同一スペースでも多くのボイラーが設
置できるため、近年、効率化のために賞用されている多
缶設置システムに対して極めて有効なボイラーを提供す
ることができる。

【００２７】

【００２８】

【００２９】

【００３０】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る角型多管式貫流ボイラーの第一
実施例を示す概略的な横断面説明図である。

【図２】図１の水管組立体をバーナ側から見た一部破断
した正面説明図で、バーナを省略して図示している。

【図３】この発明に係る角型多管式貫流ボイラーの第二
実施例を示す概略的な横断面説明図である。

【符号の説明】

１水管壁１ａ垂直水管２第１水管群２ａ垂直水管（裸管）３第２水管群３ａ垂直水管（ヒレ付管）４第３水管群４ａ垂直水管（エロフィン管）５バーナ６フィン状部材７断熱壁８排ガス出口９ガス通路１０上部ヘッダ１１下部ヘッダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田井誠二愛媛県松山市堀江町７番地三浦工業株式会社内 (56)参考文献特開昭60−205105（ＪＰ，Ａ) 実公昭39−1002（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F22B 21/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一端側に予混合バーナを設け、他端側を
燃焼ガス出口としたガス通路内に、前記予混合バーナか
らの燃焼ガスの流通を許容する間隔をもって、当該ガス
通路のほぼ全域に亘って多数の水管を設けた角型多管式
貫流ボイラーであって、前記多数の水管は、伝熱面密度の異なった複数群の水管
群に構成され、これら複数群の水管群は、前記ガス通路内における燃焼
ガスの上流側から下流側に向けて、伝熱面密度の小なる
ものから大なるものの順に配置されていることを特徴と
する角型多管式貫流ボイラー。
【請求項２】複数本の水管（１ａ）を２列に整列配置
すると共に、各列の隣り合う水管同志をフィン状部材
（６）で連結して一対の水管壁（１，１）を形成し、前記一対の水管壁（１，１）は、前記複数群の水管群
（２ａ，３ａ，４ａ）の少なくとも一部を取り囲んでい
ることを特徴とする請求項１に記載の角型多管式貫流ボ
イラー。
【請求項３】前記水管壁（１，１）を構成する複数本
の水管（１ａ）と、前記水管壁（１，１）の内側に位置
する水管とが千鳥配置となっていることを特徴とする請
求項２に記載の角型多管式貫流ボイラー。