JP3185792B2

JP3185792B2 - ボイラー

Info

Publication number: JP3185792B2
Application number: JP20412999A
Authority: JP
Inventors: 保三浦; 敏広茅原; 誠二田井; 正敏三浦
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2001-07-11
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: JP2000046302A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、縦列配置した水
管群に対して燃焼火炎、燃焼ガスを交叉線方向に流動さ
せる形式の缶体を備えたボイラーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年では、環境汚染問題等により、ボイ
ラーにおいても有害燃焼排気物、特にＮＯＸ，ＣＯ等
の更なる低減化が求められている。このような有害燃焼
排気物の低減化対策としては、排気ガスを再循環させる
方法，予混合気に水を噴射する方法，燃料過剰で一次燃
焼させて、その後流で二次空気を混入して二次燃焼させ
る、所謂二段燃焼方法等や，バーナ近傍の冷体物により
燃焼ガス温度を調整した後、熱交換器までの間の断熱空
間内でＣＯを酸化させるもの等が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の低減化対策を従来のボイラー缶体に適用するのみで
は、ボイラーの大型化、複雑化を招き、コストも上昇す
る。又、バーナを高負荷燃焼のものとしてボイラの大容
量化を図ろうとすると、有害排気物の排出量が増加する
という問題がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記課題を
解決するためになされたもので、多数の垂直水管を１列
に整列配置すると共に隣り合う垂直水管同士をフィン状
部材で連結して水管壁を形成し、この水管壁２枚を互い
に間隔を存して対面させ配置し、空気比１以上の全一次
空気式の予混合燃焼バーナを前記１対の水管壁の長手方
向一端に設け、前記水管壁間にその長手方向一端から他
端へ向けて前記予混合燃焼バーナのガス通路を形成し、
多数の垂直水管を隣り合う垂直水管と所定の間隔を存し
て前記ガス通路のほぼ全域に亘って配置し、この垂直水
管のうち前記水管壁に対面する垂直水管を前記水管壁を
構成する垂直水管に対して千鳥状に配置した缶体を備
え、前記予混合燃焼バーナの直近の前記垂直水管と前記
予混合燃焼バーナとの距離を前記垂直水管の直径の略３
倍の長さに等しいかそれよりも小さく設定すると共に前
記ガス通路内の垂直水管および前記水管壁の垂直水管の
各垂直水管の相互の間隙を前記直径と等しいかそれ以下
に設定し、前記ガス通路内に配置した多数の垂直水管
は、伝熱面密度の異なった複数の水管群に構成され、こ
れら複数の水管群は、前記予混合燃焼バーナからの火炎
及び燃焼ガスの流通方向の上流側から下流側に向て伝熱
面密度が小なるものから大なるものの順に配置されてい
ることを特徴としている。

【０００５】

【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。本発明の実施例を説明するに当た
り、本発明の参考例を説明する。図１〜図５は、この参
考例に係る角型多管式貫流ボイラーを示すもので、図１
は一部を断面とした側面説明図，図２は缶体における垂
直水管の配置を説明する平断面説明図、図３はこの多管
式貫流ボイラーにおける節炭器の一部を断面とした側面
拡大説明図、図４は図３の側面図、図５は角型多管式貫
流ボイラーの全体を示す斜視説明図である。

【０００６】図面において、１は薄型のボイラー本体
で、断熱材を介してケーシング２にて缶体Ａを囲むこと
により形成されている。缶体Ａは、多数の垂直水管１０
を実質上平行に縦列配置することにより、全体で図示す
るような幅狭で縦長の略矩形状の角型缶体を構成してお
り、以下に、詳細に説明する。即ち、缶体Ａの外郭を構
成する水管壁１２は、直管状の垂直水管１０を等間隔で
配置してなるもので、隣合う垂直水管１０同士をフィン
状部材１１，１１…で連結することにより、垂直水管１
０同士の隙間を塞いだ状態としてあり、矩形形状とした
１枚の壁部材として構成されている。そして、このよう
に構成した水管壁１２を２枚、所要の間隔を保持した状
態で対面させ、かつ両者が互いに略平行をなすように配
置し、一対となった水管壁１２，１２の各垂直水管１
０，１０…の上下端を、上下のヘッダ１５，１６（図１
参照）にそれぞれ連結してある。

【０００７】前記一対の水管壁１２，１２の長手方向
（縦列方向、即ち図２における左右方向）の一端部には
後述する燃焼バーナ３が設けられており、また他端部に
はガス出口７が設けられている。この結果、前記一対の
水管壁１２，１２と前記上下のヘッダ１５，１６とによ
り、燃焼バーナ３からの燃焼火炎及び燃焼ガスが実質上
直線的に通過するガス通路８を形成している。このガス
通路８内には、前記燃焼バーナ３からの燃焼火炎及び燃
焼ガスの流通を許容する間隔をもって、多数の垂直水管
１０，１０…が挿設されている。

【０００８】各垂直水管１０相互の間隔は、図２に示す
ように、垂直水管１０の直径ｄと略等しいかそれ以下に
設定する。即ち、前記両水管壁１２における垂直水管１
０同士の間隙、前記ガス通路８に挿設した各水管列イ，
ロ，ハ…の垂直水管１０同士の間隙、水管列イ，ロ，ハ
…の各列の間隙並びに、前記両水管壁１２の垂直水管１
０と前記ガス通路８に挿設した垂直水管１０の隣合うも
の同士の間隙を、垂直水管１０の直径ｄと略等しいか、
それ以下に設定する。尚、これらの各間隙は、全て同一
であっても、互いに異なっていても、前述の条件内にあ
ればよい。そして、前記各垂直水管１０は、前記間隔を
保持して前記ガス通路８の略全域に亘って挿設されてい
る。このように、前記ガス通路８内の略全域に亘って挿
設された各垂直水管１０の上下端は、前記両水管壁１２
を構成する垂直水管１０，１０…と同様に前記上下のヘ
ッダ１５，１６にそれぞれ連結してある。

【０００９】また、前記ガス通路８内に挿設された各垂
直水管１０は、図示するように、前記両水管壁１２を構
成する垂直水管１０，１０…とそれぞれ千鳥配列となる
ように配置してある。更に、前記ガス通路８内において
前記燃焼バーナ３と対面する垂直水管１０，１０は、図
２に示すように、前記燃焼バーナ３に比較的近接した位
置に配置されており、前記燃焼バーナ３とこれに対面す
る垂直水管１０、即ち、第１の垂直水管列イの垂直水管
１０，１０との間隔もきわめて小さいものとなってい
る。即ち、前記燃焼バーナ３と、この直前に位置する第
１の垂直水管列イとの間隙は、所定距離、即ち、垂直水
管１０の直径ｄの略３倍に等しいかそれ以下に設定して
ある。また、水管壁１２の水管列のうち燃焼バーナ３に
最も近接する水管列も上述の如き所定距離を基準として
設定している。

【００１０】前記燃焼バーナ３は、全一次空気式の予混
合バーナで、空気比が１以上（好ましくは１〜１．５）
の混合気を使用するものである。即ち、燃料ガスに対し
て燃焼用空気の全量を前記の空気比となるように混合し
た混合気（以下、予混合気と称する。）を使用する形式
のものである。このような予混合バーナとしては、例え
ば、表面燃焼バーナ等がある。更に、この実施例におい
ての燃焼バーナ３は、缶体Ａの横幅が前記のように幅狭
であり、バーナ取付け用の間口（図示省略）が限られて
いるため、小型の高負荷燃焼バーナ（特願昭６３−１３
０９８２参照）が好ましい。

【００１１】そして、ボイラー本体１の頂面S１には、
前記燃焼バーナ３へ燃焼用空気を供給する送風機４が配
置されている。この送風機４は、遠心型のもので、その
吹出口４ａは、前記燃焼バーナ３の取付側に向けて下向
きに形成されており、ボイラー本体１の前面S２に配置
されたバーナダクト５を介して、前記燃焼バーナ３と接
続している。このバーナダクト５は、前記燃焼バーナ３
へ前記送風機４からの燃焼用空気と燃料ガスとを混合し
てなる予混合気を供給するもので、缶体Ａの横幅と略同
等か，あるいはそれ以下の横幅にて形成される。即ち、
バーナダクト５は、図示するような四角の筒形状とし、
その上端部を前記送風機４の吹出口４ａと接続してい
る。またその途中に燃料ガス供給ノズル（図示省略）を
配置し、缶体Ａに当接する部分に形成した開口部（図示
省略）から前記燃焼バーナ３へ前述空気比の予混合気を
供給するように取り付けられている。

【００１２】以上の構成において、燃焼用空気は、送風
機４からバーナダクト５を介して供給され、このバーナ
ダクト５の途中で燃料ガス供給ノズル（図示省略）から
の燃料ガスを伴って、予混合気として燃焼バーナ３へ供
給される。この際の予混合気は、前述したように空気比
が１以上（好ましくは１〜１．５）となるように、前記
の燃焼用空気と燃料ガスとが混合される。燃焼バーナ３
に供給された予混合気は、この燃焼バーナ３から噴出
し、燃焼バーナ３前面で燃焼火炎となり、缶体Ａ内の各
水管１０の隙間空間内を図２中左方から右方に向けて完
全燃焼しながら流動する。これに伴い燃焼火炎及び燃焼
ガスは各水管１０に熱伝達を行う。

【００１３】その際、燃焼バーナ３と第１の垂直水管列
イ、並びに両水管壁１２との間隙を上述の如く狭く設定
してあるため、燃焼バーナ３からの火炎は、各垂直水管
列イ，ロ，ハ…における各垂直水管１０の隙間を通し
て、ガス通路８に沿って缶体の長手方向に長く延びるこ
とになり、この隙間空間内でも燃焼反応が生じる。この
結果、燃焼バーナ３からの燃焼火炎は、第１の垂直水管
列イから次々と各垂直水管列ロ，ハ…に、また、両水管
壁１２にも接触し、順次伝熱を行い、火炎温度を例えば
1200℃〜1300℃程度に低く抑えることができ、サーマル
ＮＯｘ（thermal ＮＯｘ）の生成を抑制することができ
る。更に燃焼火炎は、各垂直水管１０によって、隣合う
垂直水管１０，１０…同士の隙間で渦流となるため、保
炎性が向上すると共に、未燃ガスが高温の燃焼ガス流に
急速に取込まれて完全燃焼が行われ、特にＣＯは酸化さ
れてＣＯ₂となる。また、燃焼反応後の燃焼ガスも、各
水管列並びに水管壁に接触しながら缶体の長手方向に通
過するようになり、比較的低い温度範囲に保たれる。従
って、ＣＯ₂のＣＯへの熱解離が抑制される。

【００１４】更に、前記燃焼バーナ３は、予め前述の空
気比にて燃焼用空気と燃料ガスとを混合した予混合気を
燃焼させるものであり、上記混合気は燃焼バーナ３に供
給されるまでに既に均一な混合状態となっている。その
ため、燃焼バーナ３の前方に向けて形成される燃焼火炎
は、水管に伝熱作用を及ぼして燃焼反応の生じない温度
領域まで温度降下するまでに、速やかに燃焼を完了する
ため、未燃焼部分が残留することなく、完全燃焼する。
これに対して、上記燃焼バーナ３が、先混合バーナや、
部分予混合バーナ等であった場合、上記の如くバーナ直
前に水管を配置した缶体構造においては、燃焼バーナか
ら噴出する燃料ガス、あるいは部分予混合気に空気を混
入するための噴出距離が大幅に不足する。このため、燃
料ガスに対して空気の混入が難しく、完全に燃焼させる
ことができない。また、十分な量の燃焼用空気を取り込
めたとしてもこの種缶体では、燃料ガスと十分に混合さ
れないまま燃焼が始まり、不完全燃焼部分が残留する。
特にこの不完全燃焼部分は、前述したような水管の火炎
温度抑制作用によって冷却されるため、そのまま缶体か
ら排出されるため、熱効率の低下につながる問題があ
る。

【００１５】加えて、前記の如き缶体構造とすることに
より、前記燃焼バーナ３からの燃焼ガスの流通経路、即
ち、ガス通路８を直線状に比較的長いものとして形成す
ることができる。従って、前記燃焼バーナ３からの燃焼
ガスを缶体Ａ内に、比較的低温状態で停留させておくこ
とができ、別個に燃焼室を形成する必要がなくなる。こ
のことは、缶体Ａがコンパクトになると同時に、燃焼ガ
スに渦流を与える作用によって有害排気物の低減につな
がる。

【００１６】例えば、従来の缶体とこの参考例に係る角
型多管式貫流ボイラーについて、外形寸法、燃焼負荷を
同一として有害排気物の生成量を調べると、ＮＯｘは70
〜80ppm から40ppm に低減し、ＣＯについては、この発
明における缶体Ａは50ppm 以下と低くなっている。これ
らＮＯｘ，ＣＯ値は、排ガス循環装置付きのボイラーで
循環率を10％としたものと同等であるが、この参考例に
係る角型多管式貫流ボイラーでは、全く循環させず、１
方向のみに燃焼ガスを流通させる形式でこのような有害
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。

【００１７】更に、前記の構成により、燃焼用空気、燃
焼ガスの流通経路は、所定の横幅によって区画された直
立空間内に形成される。この結果、ボイラー全体の横幅
を、流通経路が形成され得る幅にまで縮めることがで
き、従来の燃焼室を有する多管式貫流ボイラーに比べ
て、著しく幅狭とすることができる。また、この構成に
よれば、燃焼バーナ３が缶体Ａの一側端面に位置するこ
とになり、その保守、点検、交換等をきわめて容易に行
うことができる。

【００１８】加えて、この実施例における前記缶体Ａの
後面には、缶体Ａのガス出口７と連通した節炭器６が配
置されている。即ち、この節炭器６は、缶体Ａを介して
燃焼バーナ３と対向する側に配置してあり、その幅も、
前記缶体Ａの幅と略等しいものであって、この構成は以
下のようになっている。

【００１９】即ち、前記節炭器６は、図１〜図４に示す
ように、略Ｌ字型をなす筒状の節炭器ボディ２１内に、
水平方向に延びるフィン付の伝熱管２０を格子状に配列
した構成となっている。これら伝熱管２０の両端は、そ
れぞれ、節炭器ボディ２１の側面を貫通して開口させて
ある。そして、節炭器ボディ２１の一方の側面における
伝熱管２０の開口のうち、最上段の４個並びに最下段の
４個は、それぞれ、節炭器ボディ２１側面に配設した節
炭器ヘッダ２２ａ，２２ｂによって連通状態とし、中央
の２段の８個は同様の節炭器ヘッダ２２ｃによって連通
状態としている。一方、節炭器ボディ２１の他方の側面
における伝熱管２０の開口は、上方２段の８個の開口、
並びに、下方２段の８個の開口のそれぞれが、節炭器ボ
ディ２１側面に配設した節炭器ヘッダ２２ｄ，２２ｅに
よって連通状態にしてある。従って、これら伝熱管２０
と前記節炭器ヘッダ２２ａ〜２２ｅにより、上下方向に
蛇行する流路が簡潔な構成で容易に節炭器６に形成さ
れ、この節炭器６への水の出入は、節炭器ヘッダ２２
ａ，２２ｂに配設した入水管２３、出水管２４から行わ
れる。

【００２０】この節炭器６には、前記ガス通路８内での
熱伝達を終えた燃焼ガスが、缶体Ａの排ガス出口７から
流入する。この節炭器６に流入した燃焼ガスは、ここで
は上方に向けて流動し、更に、伝熱管２０との間で熱交
換を行う。ここで、前記節炭器６内の水は、最上段の４
本の伝熱管２０から最下段の４本の伝熱管２０に向けて
各節炭器ヘッダ２２ｄ，２２ｃ，２２ｅを介して流通さ
せてあるから、最上段の伝熱管２０内の水は比較的低温
となっており、節炭器６下流側における温度低下した燃
焼ガスからも効率よく熱回収を行うことができ、全体的
に、きわめて高効率で熱回収が行われ、燃焼ガスは、こ
の後排気筒（図示省略）から排気ガスとして排出され
る。

【００２１】尚、上記参考例の角型多管式貫流ボイラー
における送風機４やバーナダクト５の配置並びに形状
は、図６〜図８に示すように変更できる。

【００２２】ここで、この発明の実施例を図９に基づい
て説明する。図９において、前記ガス通路８内に挿設す
る多数の垂直水管を、伝熱面密度の異なった２以上の垂
直水管群として構成し、これら垂直水管群が燃焼ガスの
流れ方向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したもので、図示する
実施例においては、伝熱面密度の異なる３つの垂直水管
群を備えたものとしてある。即ち、前記上流側から順
に、平滑な垂直水管１０群，横ヒレ付水管１０’群，エ
ロフィン水管１０”群を配置してあり、各垂直水管群を
構成する各垂直水管は、前記両水管壁(12)間にその長手
方向に沿って２列状態で、前記燃焼バーナ３側から前記
ガス出口７側に向けて所定本数ずつ等間隔で配列してあ
る。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、空気
比１以上の全一次空気式の予混合燃焼バーナに、垂直水
管群を水管直径の３倍に等しいかそれ以下となるように
近接して配設し、垂直水管群を火炎及び燃焼ガスの流通
方向の上流側から下流側に向て伝熱面密度が小なるもの
から大なるものの順に配置するという簡単な構成によ
り、ＮＯｘおよびＣＯの排出量を低減できると共に、燃
焼火炎および燃焼ガスから効率よく燃焼ガス通路内の垂
直水管および水管壁に伝熱することで、高い熱回収効率
を実現して、ボイラーの小型化または大容量化が可能と
なる。また、ガス通路内の垂直水管および前記水管壁の
垂直水管の各垂直水管の相互の間隙を前記直径と等しい
かそれ以下に設定すると共にガス通路内に配設した垂直
水管のうち前記水管壁に対面する垂直水管を前記水管壁
を構成する垂直水管に対して千鳥状に配置することで、
缶体の横幅を狭くできると共に缶体全体の小型化を実現
できる。さらに、ガス通路内に配設した垂直水管のうち
前記水管壁に対面する垂直水管を前記水管壁を構成する
垂直水管に対して千鳥状に配置することにより、燃焼火
炎および燃焼ガスと水管壁およびその内側の垂直水管と
の伝熱を促進でき、前記の低ＮＯｘ化および熱回収率の
向上において効果を大ならしめるものである。従って、
低公害化、小型化（省スペース化）、大容量化という同
時解決の困難な技術的課題を同時に解決し得る産業上極
めて有用なボイラーを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の参考例の一部を断面とした側面
説明図である。

【図２】図２は同参考例の缶体における垂直水管の配置
を説明する平断面説明図である。

【図３】図３は同参考例における節炭器の一部を断面と
した側面拡大説明図である。

【図４】図４は図３の側面図である。

【図５】図５は同参考例のボイラーの全体を示す斜視説
明図である。

【図６】図６は他の参考例のボイラーの全体を示す斜視
説明図である。

【図７】図７は他の参考例の全体を示す斜視説明図であ
る。

【図８】図８は他の参考例の全体を示す斜視説明図であ
る。

【図９】図９は本発明の一実施例の垂直水管の配置を説
明する平断面説明図である。

【符号の説明】

Ａ缶体３燃焼バーナ７ガス出口８ガス通路１０垂直水管１１フィン状部材１２水管壁

フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−205105（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−135106（ＪＰ，Ｕ) 実公昭45−11441（ＪＰ，Ｙ１) ガスボイラテクニカルレポートＮｏ. 15「多缶設置専用ガススチームユニットシステム」，大阪ガス，昭和63年10月27 日 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F22B 21/04 F23C 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多数の垂直水管を１列に整列配置すると
共に隣り合う垂直水管同士をフィン状部材で連結して水
管壁を形成し、この水管壁２枚を互いに間隔を存して対
面させ配置し、空気比１以上の全一次空気式の予混合燃
焼バーナを前記１対の水管壁の長手方向一端に設け、前
記水管壁間にその長手方向一端から他端へ向けて前記予
混合燃焼バーナのガス通路を形成し、多数の垂直水管を
隣り合う垂直水管と所定の間隔を存して前記ガス通路の
ほぼ全域に亘って配置し、この垂直水管のうち前記水管
壁に対面する垂直水管を前記水管壁を構成する垂直水管
に対して千鳥状に配置した缶体を備え、前記予混合燃焼
バーナの直近の前記垂直水管と前記予混合燃焼バーナと
の距離を前記垂直水管の直径の略３倍の長さに等しいか
それよりも小さく設定すると共に前記ガス通路内の垂直
水管および前記水管壁の垂直水管の各垂直水管の相互の
間隙を前記直径と等しいかそれ以下に設定し、前記ガス
通路内に配置した多数の垂直水管は、伝熱面密度の異な
った複数の水管群に構成され、これら複数の水管群は、
前記予混合燃焼バーナからの火炎及び燃焼ガスの流通方
向の上流側から下流側に向けて伝熱面密度が小なるもの
から大なるものの順に配置され、前記予混合燃焼バーナ
の燃焼火炎を前記上流側水管群の間隙に流通させたこと
を特徴とするボイラー。