JP2971422B2 - 燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は火力プラントもしく
は化学プラント製品のボイラ、もしくは化学工業炉等に
適用される燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来の旋回燃焼方式を採用した
ボイラ火炉の水平断面の概念ならびに、該断面における
燃焼火炎の概念を示す図である。図に示すように、矩形
の火炉１には、その四隅の各コーナー部１０に燃料等を
噴射するバーナー６が配設されている。図８は、他の従
来技術による火炉１を示す。この火炉１は、図７に示す
火炉と異なり、バーナー６が火炉コーナ部１０ではな
く、火炉前壁２に２箇所および火炉後壁３に２箇所配置
され、火炉の左右側壁４，５には、配設されていない。
これ以外の構成は図７と同じである。

【０００３】図７および図８に示すこれらの火炉１は、
それぞれの炉内１ａにある一定の径を有する仮想円７を
設定している。また、両図において燃焼および燃焼用空
気の火炉内噴出方向軸線９が、その仮想円７に接するよ
うに設定されており、バーナー６から火炉１へ噴出され
る燃料と燃焼用空気はこの軸線に沿って火炉内１ａに噴
出され燃焼することにより、火炎８を形成する。従来技
術においては、安定で高性能を得ることができる旋回燃
焼火炎を形成するために、バーナー６の全てを図７に示
すように、火炉コーナー部１０に配置するか、もしくは
図８に示すようにお互いに相対する火炉壁面、すなわち
火炉前壁２と火炉後壁３に配置するか、もしくは火炉右
側壁４と火炉左側壁５に配置し、適切な仮想円７の直径
を選定することによって、安定した旋回燃焼火炎を得よ
うとしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７に
示すような火炉１のコーナー部１０に、バーナー６が配
置されるような場合には、ボイラの四隅部分にボイラ支
持鉄骨やバーナー６に燃料を供給するための配管類が密
集することになり、メインテナンス時などにバーナー６
を火炉１の外部へ引き抜くためのメインテナンス用スペ
ースが不足気味となるようなことがある。また、図８に
示すように相対する火炉前壁２と火炉後壁３にバーナー
６が配置されるような場合には、火炉右側壁４もしくは
火炉左側壁５の近傍で燃料の燃焼に有効に寄与しない空
間が生じることが懸念されている。本発明は、上記課題
に鑑みてなされたもので、バーナーを火炉のコーナー部
に配置することなく、かつ炉内の燃料ガスの旋回成分を
均一にすることにより、炉内に燃料の燃焼に有効に寄与
しない空間が生じにくくする燃焼装置を提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、方形の横方向断面を有する火炉であって、
該火炉の壁部に火炎を形成する複数本のバーナーを設
け、該バーナーの噴出する燃料もしくは空気のいづれか
一方、もしくはその両方の噴出方向軸線、もしくはその
延長線が、上記火炉の炉内に設定した仮想円に接するよ
うにバーナーを配置した燃焼装置において、上記火炉の
壁部のいずれにもバーナーが配置され、該バーナーの噴
出方向軸線を、平面視において、火炉内壁面の端部か
ら、該バーナーが配設された火炉内壁幅の１辺の長さの
２５％未満の距離に配置するようにしている。

【０００６】また、本発明は上記目的を達成するため
に、方形の横方向断面を有する火炉であって、該火炉の
壁部に火炎を形成する複数本のバーナーを設け、該バー
ナーの噴出する燃料もしくは空気のいづれか一方、もし
くはその両方の噴出方向軸線、もしくはその延長線が、
上記火炉の炉内に設定した仮想円に接するようにバーナ
ーを配置した燃焼装置において、上記火炉の壁部のいず
れにもバーナーが配置され、該バーナの噴出方向軸線
を、平面視において、火炉内壁面の端部から、該バーナ
ーが配設された火炉内壁面の長さの２５％未満の距離に
配置するようにし、かつ、少なくとも１本以上のバーナ
ーが、該バーナーの噴出方向軸線、若しくはその延長線
を、上記仮想円に同心円状に設定した１個以上の第２の
仮想円に接するようにしている。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
による燃焼装置の構成について図面を参照しながら説明
する。図１は、本発明に係る燃焼装置の火炉１を示す。
図に示すように、水平方向断面が方形の火炉１には、バ
ーナー６の噴出する燃料もしくは空気のいずれか一方、
もしくはその両方の方向軸線である火炉内噴出方向軸線
９が、仮想円７に接するように、バーナー６が設置され
ている。本実施の形態による火炉１が、図７及び図８に
示した火炉と異なるのは、バーナー６が、火炉前壁２、
火炉後壁３、火炉右側壁４および火炉左側壁５のそれぞ
れの壁面に１ヶ所ずつ、合わせて４ヶ所に設置されてい
ることである。

【０００８】各壁部におけるバーナー６の取付場所は、
バーナー６の火炉内噴出方向軸線９と火炉壁面が成す交
点が、火炉コーナー部（コーナーポイント）１０から長
さＬ１だけ離れるようにして配置されている。長さＬ１
の値は、火炉１を平面視して、火炉１の内壁幅の１辺の
長さＬに対して１５％である。なお、本実施の形態で
は、各壁部における長さＬ１を、図１に示すように各火
炉コーナー部１０から炉内１ａを反時計周り方向にＬ１
だけ離している。

【０００９】次に、本発明の第１の実施の形態の作用に
ついて説明する。図２の線図は、横軸に上記した火炉１
の内壁幅の１辺の長さＬに対する火炉コーナー部１０か
らバーナー６の火炉内噴出方向軸線９までの長さＬ１の
割合（Ｌ１／Ｌ）の百分率をとり、縦軸に火炉内部にお
ける燃焼ガスの流速成分のうち、水平面内における旋回
方向の流速成分分布について、該流速成分の平均値に対
する最大の偏差をとって、両者の関係を示したものであ
る。

【００１０】図に示すように、火炉内部における燃焼ガ
スの流速成分の内、水平面内における旋回方向の流速成
分分布の成分の平均値に対する最大偏差が、長さＬ１と
Ｌの割合の取り方によって変化することを示している。
最大偏差が大きくなるということは、その分だけ火炉内
部における燃料ガスの旋回成分が不均一であるというこ
とを意味しており、火炉内の空間に有効度の低い部分が
生じることを示唆している。図２によれば、Ｌ１とＬの
割合が約２５％となる部分で最大偏差が大きく変化して
いる。したがって、本実施の形態のようにその割合を１
５％に設定することによって、火炉有効度を大きく取る
ことができることが判り、逆にその割合を約２５％以上
に設定すると、有効度が低くなって性能が低くなること
が判る。

【００１１】したがって、バーナー６を各火炉壁面にそ
れぞれ１ヶ所ずつ均等に配置し、かつ、火炉コーナー部
１０とバーナー６との間の長さＬ１を、本実施の形態の
ように２５％未満に適切に選定することにより、図８に
示す従来技術にて課題となっていた火炉右側壁４もしく
は火炉左側壁５近傍における炉内１ａの空間の有効利用
の向上の問題を解決し、火炉全体を有効に使用して燃焼
性能を向上させることができる。以上のことから、従来
技術の課題となっていたメインテナンス用スペースの確
保と同時に、ボイラー全体としてのコンパクト化の問題
を解決し、かつ性能を確保することが可能となる。

【００１２】このように、本実施の形態では、バーナー
６を火炉コーナー部１０ではなく、各火炉壁面に配置す
ることによって、燃料配管等といったバーナー６の付帯
設備も火炉コーナー部１０に配置されることがなくな
る。その結果、ボイラの四隅部分に器材が密集すること
を緩和することができ、バーナー６のメインテナンス用
スペースを十分に確保できるようになることと併せて、
ボイラ支持鉄骨配置に自由度を持たせることができるよ
うになることが見込まれ、コンパクトなボイラの設計が
可能となる。

【００１３】次に、本発明の第２の実施の形態による燃
焼装置の構成について図面を参照しながら説明する。図
３に示すように、本実施の形態においても図１と同様
に、水平方向断面が方形の火炉１には、バーナー６が火
炉前壁２、火炉後壁３、火炉右側壁４、火炉左側壁５の
それぞれの壁面に１ヶ所ずつ設置されている。そして、
バーナー６の火炉内噴出方向軸線９が、仮想円７に接す
るように、バーナー６が設置されている。火炉コーナー
部１０とバーナー６の火炉内噴出方向軸線９までの距離
Ｌ１は、平面視において、火炉１の内壁幅の一辺が成す
長さＬの１５％の長さに設定されている。本実施の形態
が第１の実施の形態と異なるのは、各壁部における長さ
Ｌ１を、上記第１の実施の形態では、各火炉コーナー部
１０から炉内１ａを反時計周り方向にＬ１だけ離して設
置しているのに対し、本実施の形態では各火炉コーナー
部１０から時計周り方向にＬ１だけ離して設置している
ことである。

【００１４】次に、本発明の第２の実施の形態の作用に
ついて説明する。上記したように、本実施の形態ではバ
ーナー６の設置ヶ所を各火炉コーナー部１０から時計周
り方向にＬ１だけ離して設置している。ボイラーの構造
上、第１の実施の形態の図１に示した位置にバーナー６
を設置できないときに、本実施の形態は有効である。他
の効果については、第１の実施の形態と同様である。す
なわち、バーナー６を火炉コーナー部１０ではなく、各
火炉壁面に配置することによって、燃料配管等といった
バーナー６の付帯設備も火炉コーナー部１０に配置され
ることがなくなる。その結果、ボイラの四隅部分に器材
が密集することを緩和することができ、バーナー６のメ
インテナンス用スペースは十分に確保できるようになる
ことと併せて、ボイラ支持鉄骨配置に自由度を持たせる
ことができるようになることが見込まれ、コンパクトな
ボイラの設計が可能となる。

【００１５】また、バーナー６を各火炉壁面にそれぞれ
１ヶ所ずつ均等に配置し、かつ、火炉コーナー部１０と
バーナー６との間の距離Ｌ１を、本実施の形態のように
適切に選定することにより、図８に示す従来技術にて課
題となっていた火炉右側壁４もしくは火炉左側壁５近傍
における火炉１の空間の有効利用を図ることの問題を解
決し、火炉全体を有効に使用して燃焼性能を向上させる
ことができる。以上のことから、従来技術の課題となっ
ていたメインテナンス用スペースの確保と同時に、ボイ
ラー全体としてのコンパクト化の問題を解決し、かつそ
の性能を確保することが可能となる。

【００１６】次に、本発明の第３の実施の形態による燃
焼装置の構成について図面を参照しながら説明する。図
４に示すように本実施の形態では、上記した第１の実施
の形態と同様に方形の火炉１のバーナー６が、火炉前壁
２、火炉後壁３、火炉右側壁４及び火炉左側壁５のそれ
ぞれの壁面に１ヶ所ずつの４ヶ所に設置されている。本
実施の形態が、上記した第１の実施の形態と異なるの
は、仮想円７と径の異なる第２仮想円１１が、仮想円７
と同心円状に設定したことである。すなわち、火炉右側
壁４と火炉左側壁５のバーナー６の火炉噴出方向軸線９
が仮想円７に接するように設置されている。火炉前壁２
と火炉後壁３のバーナー６の火炉内噴出方向軸線９が、
仮想円１１に接するように設置されている。火炉コーナ
ー部１０とバーナー６の火炉内噴出方向軸線９までの長
さＬ１は、平面視において、火炉１の内壁幅の一辺が成
す長さＬの１５％の長さに設定されている。

【００１７】次に、本発明の第３の実施の形態の作用に
ついて説明する。本実施の形態では、炉内１ａ２個の仮
想円７，１１を設けている。図４に示すように、火炉右
側壁４と火炉左側壁５に対するのバーナー６の設置角度
θ１と、火炉前壁２と火炉後壁３に対するバーナー６の
設置角度θ２と、バーナー６の設置角度を変えることが
できる。すなわち、上記第１の実施の形態では、本来火
炉前壁２と火炉後壁３のバーナー６の設置角度がθ１で
あったのに対し、設置角度をθ２にすることにより、第
１の実施の形態よりもバーナー６の配置の自由度が増
し、火炉噴出方向軸線９の方向を変えることにより、炉
内１ａ空間の有効利用度をより繊細に調製することが可
能となる。また、バーナー６の設置角度を変えることに
より、火炉１の外壁に取り付けられるバーナーパネル等
の向きを変えることができ、その設置の自由度が増す。
以上のことから、上記第１の実施の形態と同様に、従来
技術の課題となっていたメインテ用ナンススペースの確
保と同時に、ボイラー全体としてのコンパクト化の問題
を解決し、かつ性能を確保することが可能となる。

【００１８】次に、本発明の第４の実施の形態による燃
焼装置の構成について図面を参照しながら説明する。図
５に示すように、本実施の形態においても図１と同様
に、水平方向断面が方形の火炉１には、バーナー６が火
炉前壁２、火炉後壁３、火炉右側壁４および火炉左側壁
５のそれぞれの壁面に１ヶ所ずつ設置されている。そし
て、バーナー６の火炉内噴出方向軸線９が、仮想円７に
接するように、バーナー６が設置されている。本実施の
形態では、仮想円７の直径をｄとしている。直径ｄの値
は、火炉幅の長さＬと火炉奥行きの長さＭを加えた和の
１２．５％〔仮想円直径＝（火炉幅＋火炉奥行き）×
０．１２５〕と大径化している。なお、火炉コーナー部
１０とバーナー６の火炉内噴出方向軸線９までの距離Ｌ
１は、平面視において、火炉１の内壁幅の一辺が成す長
さＬの１５％の長さに設定されている。

【００１９】次に、本発明の第４の実施の形態の作用に
ついて説明する。図６は、横軸を炉内１ａで発生する燃
焼ガスの高さ方向の位置（燃焼ガスの床からの高さ／炉
内の全高）とし、縦軸を炉内１ａに発生する旋回燃焼火
炎渦の実効スワール数Ｓweとし、仮想円６の直径ｄをパ
ラメータとして、三者の相関関係について示している。
ここで、実効スワール数Ｓweとは、炉内１ａで発生する
燃焼ガスが炉内１ａを流動する際に発生する流速につい
て、仮想円７の円周方向の成分、すなわち火炉内旋回方
向成分をＶθ、火炉内上昇方向成分をＶz 、炉内１ａの
ある部分に存在する燃焼ガス要素の仮想円７の中心から
の距離をｒ、火炉の流体力学的等価半径をＲとした場合
に、燃焼ガス要素の旋回成分と上昇成分との比を、火炉
の水平方向断面積Ａ全体で積分することによって得られ
る指数であり、次式で表される。

【００２０】

【数１】 すなわち、実効スワール数Ｓweは、燃焼ガスの火炉内の
ある断面における旋回の強さを示す指数であり、本指数
の数値が大きい程、燃焼ガスの旋回力が大きい、すなわ
ち旋回燃焼火炎渦が安定して形成されることを意味して
いる。図３では、仮想円７の直径ｄを火炉幅Ｌの半分の
長さと火炉奥行きＭの長さを加えた和の５％の長さ〔仮
想円直径＝（火炉幅＋火炉奥行き）×０．０５〕とした
場合、１２．５％とした場合、また２５％とした場合の
３例について示すが、直径ｄが大きくなるにつれて、実
効スワール数Ｓweも大きく確保できることが判る。

【００２１】また、本発明による場合、従来技術と同等
以上に旋回燃焼火炎渦を安定して形成するためには、少
なくとも仮想円７の直径ｄは火炉幅Ｌの長さと火炉奥行
きＭの長さを加えた和の５％を超える長さ〔仮想円直径
＞（火炉幅＋火炉奥行き）×０．０５〕より大きくする
必要があることが判る。以上のことから、本発明により
旋回燃焼火炎渦を安定して形成、すなわち燃焼性能を十
分に確保しながら、仮想円７の直径ｄの範囲内で、バー
ナー６の設定角度θ３をボイラー全体が大きくならない
ように設定できることから、バーナー６の配置上の自由
度を拡大することが可能となり、その結果、従来技術の
課題となっていたボイラー全体をコンパクト化する問題
を解決することが可能となる。

【００２２】以上の作用によって、第１の実施の形態と
同様に従来技術の課題となっていたメインテナンス用ス
ペースの確保と同時に、ボイラー全体としてのコンパク
ト化の問題を解決し、かつ性能を確保することが可能と
なる。さらに仮想円７の直径とバーナー６の配置との相
互作用を考慮した最適な選択を行うことによって、一層
の性能向上効果が期待できる。以上、本発明の各実施の
形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定
されることなく本発明の技術的思想に基づいて種々の変
形が可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、火
炉の壁部のいずれにもバーナーが配置され、該バーナー
の噴出方向軸線を、平面視において、火炉内壁面の端部
から、該バーナーが配設された火炉内壁幅の１辺の長さ
の２５％未満の距離に配置するようにしたので、バーナ
ーを火炉コーナー部ではなく、各火炉壁面に配置するこ
とができる。その結果、ボイラの四隅部分に器材が密集
することを緩和することができ、バーナーのメインテナ
ンス用スペースを十分に確保できるようになった。ま
た、火炉左側壁近傍における炉内の空間の有効利用の向
上を図り、火炉全体を有効に使用して燃焼性能を向上さ
せることができる。また、火炉の壁部のいずれにもバー
ナーが配置され、該バーナの噴出方向軸線を、平面視に
おいて、火炉内壁面の端部から、該バーナーが配設され
た火炉内壁面の長さの２５％未満の距離に配置するよう
にし、かつ、少なくとも１本以上のバーナーが、該バー
ナーの噴出方向軸線、若しくはその延長線を、上記仮想
円に同心円状に設定した１個以上の第２の仮想円に接す
るようにしたので、さらにバーナーの配置の自由度が増
し、火炉内空間の有効利用度をより繊細に調製すること
が可能となる。また、仮想円の直径が、火炉幅の長さと
火炉奥行きの長さを加えた和の５％を超える長さ〔仮想
円直径＞（火炉幅＋火炉奥行き）×０．０５〕であるの
で、旋回燃焼火炎渦を安定して形成しながら、バーナー
の配置上の自由度を拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に関わる燃焼装置を
採用したボイラ火炉の水平断面の概念ならびに、該断面
における燃焼火炎の概念を示す概略平面図である。

【図２】本発明ならびに本第１の実施の形態におけるバ
ーナー配置が火炉性能に及ぼす効果を示す線図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に関わる燃焼装置を
採用したボイラ火炉の水平断面の概念ならびに、該断面
における燃焼火炎の概念を示す概略平面図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態に関わる燃焼装置を
採用したボイラ火炉の水平断面の概念ならびに、該断面
における燃焼火炎の概念を示す概略平面図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態に関わる燃焼装置を
採用したボイラ火炉の水平断面の概念ならびに、該断面
における燃焼火炎の概念を示す概略平面図である。

【図６】本発明ならびに本第４の実施の形態におけるバ
ーナー配置が火炉性能に及ぼす効果を示す線図である。

【図７】従来のボイラ火炉の水平断面の概念ならびに、
該断面における燃焼火炎の概念を示す概略平面図であ
る。

【図８】他の従来のボイラ火炉の水平断面の概念ならび
に、該断面における燃焼火炎の概念を示す概略平面図で
ある。

【符号の説明】

１ 火炉 ２ 火炉前壁 ３ 火炉後壁 ４ 火炉右側壁 ５ 火炉左側壁 ６ バーナー ７，１１ 仮想円 ８ 火炎 ９ 火炉内噴出方向軸線 １０ 火炉コーナー部

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 方形の横方向断面を有する火炉であっ
   て、該火炉の壁部に火炎を形成する複数本のバーナーを
   設け、該バーナーの噴出する燃料もしくは空気のいづれ
   か一方、もしくはその両方の噴出方向軸線、もしくはそ
   の延長線が、上記火炉の炉内に設定した仮想円に接する
   ようにバーナーを配置した燃焼装置において、上記火炉
   の壁部のいずれにもバーナーが配置され、該バーナーの
   噴出方向軸線を、火炉内壁面の端部から、該バーナーが
   配設された火炉内壁幅の１辺の長さの２５％未満の距離
   に配置するようにしたことを特徴とする燃焼装置。
2. 【請求項２】 方形の横方向断面を有する火炉であっ
   て、該火炉の壁部に火炎を形成する複数本のバーナーを
   設け、該バーナーの噴出する燃料もしくは空気のいづれ
   か一方、もしくはその両方の噴出方向軸線、もしくはそ
   の延長線が、上記火炉の炉内に設定した仮想円に接する
   ようにバーナーを配置した燃焼装置において、上記火炉
   の壁部のいずれにもバーナーが配置され、該バーナの噴
   出方向軸線を、火炉内壁面の端部から、該バーナーが配
   設された火炉内壁面の長さの２５％未満の距離に配置す
   るようにし、かつ、少なくとも１本以上のバーナーが、
   該バーナーの噴出方向軸線、若しくはその延長線を、上
   記仮想円に同心円状に設定した１個以上の第２の仮想円
   に接するようにしたことを特徴とする燃焼装置。
3. 【請求項３】 上記仮想円の直径が、火炉幅の長さと火
   炉奥行きの長さを加えた和の５％を超える長さ〔仮想円
   直径＞（火炉幅＋火炉奥行き）×０．０５〕であること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃焼装
   置。