JP3221582B2

JP3221582B2 - 低ＮＯｘ、及び低ＣＯ燃焼装置

Info

Publication number: JP3221582B2
Application number: JP26805592A
Authority: JP
Inventors: 敏広茅原; 収田中; 昭典川上; 哲志中井; 和弘池田
Original assignee: 株式会社三浦研究所
Priority date: 1992-09-09
Filing date: 1992-09-09
Publication date: 2001-10-22
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: CA2104744C; CN1085303A; TW230232B; CN1037290C; KR940007420A; US5353748A; JPH0694203A; KR0124381B1; CA2104744A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、多管式貫流ボイラ等
に用いて好適であって、ＮＯ_ｘの生成及びＣＯの排出を
抑制しつつ高負荷燃焼可能な低ＮＯ _ｘ及び低ＣＯ燃焼装
置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
ラにおいても有害燃焼排気物、特にＮＯｘ，ＣＯ等の一
層の低減が求められている。このような有害燃焼排気物
の低減化対策は種々提案されているが、その低減化対策
の一つとして、バーナの燃焼面に出来るだけ伝熱管を近
づけ、燃焼火炎中に伝熱管群を位置させて、熱交換と同
時に火炎の冷却を行うことでサーマルＮＯｘの発生を出
来るだけ抑制し、かつ高負荷燃焼を実現する技術が知ら
れている。しかしながら、この従来の対策によればＮＯ
ｘは低減できるもののＣＯ排出量が高めになるという問
題がある。これは、ＣＯについてはＮＯｘを低減する燃
焼火炎（燃焼ガスを含む）の急冷効果により反応が凍結
され高温での平衡組織をもった未反応物質をそそままの
形で系外へ排出してしまうという結果を招いていること
が原因の一つと考えられている。この問題を解決すべ
く、高負荷燃焼により発生した火炎の近傍またはこれに
接して置いた冷物体で火炎の温度を１０００℃以上、１
５００℃以下に制御した後、冷物体の後流側に設けた断
熱空間で火炎中の残留ＣＯを酸化反応させてＣＯ₂に変
成させる技術が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来技術を、次のような構成を有する省設置スペース型の
多管式貫流ボイラの低ＮＯｘ缶体、即ち、互いに平行を
なす一対の伝熱管壁によって燃焼火炎、燃焼ガスが流通
する燃焼・熱交換区域を画成し、燃焼・熱交換区域の一
側に燃焼バーナを配置し、他側から燃焼排ガスを排出
し、該燃焼・熱交換区域内の燃焼火炎、燃焼ガス中に位
置するごとく、互いに略平行で所定の間隔を存して設け
られる多数の伝熱管からなる伝熱管群を配置した構成の
缶体に適用した場合、断熱空間を形成するとＣＯは低減
できるもののＮＯｘの発生が多くなってしまい、低ＮＯ
ｘ缶体の長所が損なわれ、従来の非低ＮＯｘ仕様のボイ
ラと変わらなくなってしまうという問題がある。

【０００４】本願の発明者らは上述の問題に留意し、予
混合式燃焼バーナを用いた燃焼方法及び装置においてＮ
Ｏｘの生成及びＣＯの排出を抑制しつつ高負荷燃焼可能
な低ＮＯｘ及び低ＣＯ燃焼方法及び装置を提供すること
を技術的課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するためになされたものであって、請求項１の発
明は、燃焼火炎、燃焼ガスが流通する略矩形状の燃焼・
熱交換区域を、複数個の伝熱管を連結してなる一対の伝
熱管壁によって画成し、前記燃焼・熱交換区域の一側に
予混合式燃焼バーナを配置し、一端が前記予混合式燃焼
バーナに近接するごとく、前記燃焼・熱交換区域のほぼ
全域に複数個の伝熱管を配置して、前記予混合式燃焼バ
ーナからの火炎を前記伝熱管群により冷却してＮＯｘの
発生を抑制する一方、火炎温度が略１０００℃から１３
００℃の位置において、前記複数個の伝熱管の一部を数
本欠除させて、周囲に伝熱管を位置させた伝熱管非存在
領域を形成し、この伝熱管非存在領域においてＮＯｘを
抑制しつつＣＯを酸化させるようにしたことを特徴とす
ることを特徴とする。また、請求項２の発明は、請求項
１において、前記伝熱管壁は、複数個の伝熱管がフィン
状部材によって連結されていることを特徴とし、請求項
３の発明は、請求項１または２項において、燃焼・熱交
換区域のほぼ全域に配置される伝熱管は、燃焼火炎、燃
焼ガスの流通方向の複数の伝熱管列に整列されており、
この整列方向にほぼ直交して、伝熱管が間欠的に欠除さ
れていることを特徴とし、請求項４の発明は、請求項１
乃至３項のいずれかにおいて、予混合式平面燃焼バーナ
であることを特徴とし、請求項５の発明は、請求項１乃
至４項のいずれかにおいて、予混合式燃焼バーナ装置が
多管式ボイラーであることを特徴としている。

【０００６】

【作用】本発明によれば、伝熱管非存在空間における燃
焼火炎及び燃焼ガスは残留ＣＯを酸化反応させてＣＯ₂
に変成させるに十分な温度で、この局部的伝熱管非存在
空間での燃焼ガスの滞留により残留ＣＯは酸化反応して
ＣＯ₂に変成してＣＯが低減され、かつサーマルＮＯｘ
の発生も少ない温度域にあるので、ＮＯｘが抑制され
る。

【０００７】

【実施例】図１〜４は、この発明に係る低ＮＯｘ及び低
ＣＯ燃焼方法を実現する装置の一実施例を示すものであ
る。図１を参照して、(K) は多管式貫流ボイラの角型缶
体で、(10)(10)は、多数の伝熱管(11)(11)…を互いに略
平行で所定間隔を存して縦列配置し燃焼・熱交換区域
(N) を画成した伝熱管壁、(20)(20)…は、互いに略平行
であって所定間隔を存して上記伝熱管壁(10)(10)間に配
列される複数の略垂直伝熱管、(40)は、上記伝熱管壁(1
0)(10)間の一側開口部に配設した燃焼バーナ、(C) は、
上記伝熱管壁(10)(10)間の他側開口部に形成した燃焼排
ガス出口を示す。この燃焼排ガス出口は燃焼・熱交換区
域(N)の反バーナ側端部に設ければ良く、例えば伝熱管
壁(10)の一部を削除開口して形成することが出来る。伝
熱管(20)(20)…には以下各列毎に管番号(X1)(X2)…,(Y
1)(Y2) …,(Z1)(Z2) …を、伝熱管(11)(11)…には各列
毎に管番号(A1)(A2)…,(B1)(B2) …をそれぞれ付して説
明する。図２、３を参照して、上記伝熱管壁(10)(10)を
構成する伝熱管(11)(11)…及び伝熱管壁(10)(10)間に配
置する伝熱管(20)(20)…の上端並びに下端は、それぞ
れ、上部ヘッダ(13)及び下部ヘッダ(14)に接続されてい
る。

【０００８】上記伝熱管壁(10)は、この実施例では、そ
れぞれ複数本の伝熱管(11)を適宜の間隔をおいて縦列配
置し、各伝熱管(11)(11)…の隙間を、これら伝熱管(11)
(11)…の軸線方向に沿って延びる平板状のフィン状部材
(12)(12)…で閉鎖した構成のもので、これら伝熱管壁(1
0)(10)は、実質上互いに平行をなすように適宜の間隔を
おいて配置される。

【０００９】上記伝熱管壁(10)(10)間に配置される複数
の伝熱管(20)(20)…は、適宜の配列、例えば図示するよ
うに、３列の縦列配置で配置されており、伝熱管壁(10)
(10)の伝熱管(11)(11)…を含めて隣合う列の伝熱管同士
は千鳥状配置となっている。また、燃焼火炎、燃焼ガス
の流通路となる各伝熱管(11)(11)…，(20)(20)…相互の
間隙（間隔）は、各伝熱管(11)(20)の直径と略等しい
か、それ以下に設定するのが好ましく、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。

【００１０】上記の伝熱管(20)(20)…のうち、ＮＯｘの
発生を抑制しつつＣＯを低減させるに適した特定温度域
の位置を予め実験により求めて、この位置に伝熱管非存
在空間(VX3)(VZ3)を有する図１の缶体を構成する。実施
例では特定温度域を燃焼火炎（燃焼ガス）温度が約１０
００℃〜１３００℃の温度域とし、図１２に示す伝熱管
配列を有する缶体(K')を用い、図５に示すボイラ装置に
て実験により特定温度域の位置を求めた。尚、図１２で
曲線１は流路１での温度曲線、曲線２は流路２での温度
曲線である。図１２から本実施例では伝熱管(X3)(Z3)の
位置に伝熱管非存在空間(VX3)(VZ3)を形成している。こ
の伝熱管非存在空間(VX3)(VZ3)は、比較的狭いながらも
（広さが伝熱管間間隙部の広さの２倍と伝熱管断面積と
を加えた広さ）、燃焼ガス、火炎の滞留をもたらす局部
的滞留空間として機能し、上流の高温燃焼火炎領域で発
生した残留ＣＯを反応活性基と反応させて酸化させＣＯ
の低減をもたらすとともに、火炎温度が比較的低いので
ＮＯｘの発生を抑制することができる。伝熱管非存在空
間(VX3)(VZ3)での燃焼ガス滞留時間は計算によると、イ
ンプット：8.66Nm³/h,流路幅：0.0615m,流路断面積：0.
0246m², 燃焼ガス温度：1200℃とした時、約9.5msecと
推測される。図１の実施例では、伝熱管非存在空間(VX
3)(VZ3)の周囲に、伝熱管(A3)(A4)(X4)(Y3)(Y2)(X2)(Y
2)(Y3)(Z4)(B4)(B3)(Z2)が位置し、伝熱管非存在空間(V
X3)(VZ3)における高温部位の発生を防止しＮＯｘの発生
を抑制すると共に、省スペース性、熱効率性を良好に保
つよう構成している。伝熱管非存在空間(VX3)(VZ3)の上
流側には、伝熱管(11)(11)…と伝熱管(20)(20)…との間
及び伝熱管(20)(20)…同士の間に各伝熱管(11)(11)…，
(20)(20)…相互の間隙からなる４本の蛇行状の火炎流通
路(R1)(R2)(R3)(R4)が形成され、伝熱管非存在空間(VX
3)(VZ3)はそれぞれ２本の火炎流通路(R1)(R2)、(R3)(R
4)の合流部位に形成され、拡大火炎流通路となってい
る。その結果、伝熱管非存在空間(VX3)(VZ3)では異なる
火炎流通路を流れて来た燃焼ガスが混合し、この混合に
より未反応ＣＯと反応活性基及び／又は酸素原子との接
触を積極的に行わせるとともに、燃焼ガスの高温滞留時
間を長くすることで効果的なＣＯ低減を行わせるよう構
成している。

【００１１】上記燃焼バーナ(40)は、好ましくは予混合
式平面燃焼バーナ、例えば波板(41)と平板(42)とを交互
に積層して、多数の燃料噴出用小孔(43)を形成し、フレ
ーム分割板(44)で燃焼面を左右に分割した予混合式平面
燃焼バーナが用いられるが、予混合気を噴出する多数の
小孔を有するセラミックプレートバーナを用いても良い
し、気化燃焼油バーナの他種々のバーナを用いることも
可能である。この燃焼バーナ(40)の直前に位置する伝熱
管(20)との間隙は、所定距離、例えば、伝熱管(20)の直
径の略３倍に等しいか、それ以下に設定してあり、ま
た、伝熱管壁(10)(10)の伝熱管(11)(11)…のうち、燃焼
バーナ(40)に最も近接する伝熱管も上述の如き距離を基
準として設定してある。

【００１２】以上の構成において、燃焼バーナ(40)から
の燃焼火炎は、各伝熱管(11)(11)…，(20)(20)…間の隙
間空間においても燃焼を継続しながら、４本の燃焼火炎
流通路(R1)(R2)(R3)(R4)を通って排ガス出口(C) 方向へ
向けて流通し、その間に、各伝熱管(11)(11)…，(20)(2
0)…への伝熱（熱交換）を行うが、その際、燃焼バーナ
(40)と直前の伝熱管(20)及び各伝熱管(11)(10)…，(20)
(20)…の間隙を上述の如く狭く設定してあるため、燃焼
火炎及び燃焼ガスは高い流速を維持した状態で燃焼排ガ
ス出口(C) に向けて流通し、極めて高い接触伝熱率でも
って冷却される。

【００１３】火炎流通路(R1)(R2)(R3)(R4)を通過した燃
焼火炎及び燃焼ガスは伝熱管非存在空間(VX3)(VZ3)で合
流する。ここでは、燃焼火炎及び燃焼ガスの温度は約１
０００℃〜１３００℃であるので、ＮＯｘの生成が抑制
され、燃焼ガスはその高温滞留効果によって、上流の高
温燃焼火炎領域で発生したＣＯが反応活性基（ラジカ
ル）及び／又は酸素原子と反応し酸化してＣＯが減少す
る。又、各伝熱管非存在空間(VX3)(VZ3)の周囲には伝熱
管が配置され、即ち、所定距離の位置に伝熱面（伝熱
管）が存在するために温度上昇は約５０℃程度にとどま
り、反応温度上昇が抑制されて、ＮＯｘの発生が抑制さ
れる。更に、各伝熱管非存在空間(VX3)(VZ3)では異なる
火炎流通路(R1)(R2)、(R3)(R4)を流れて来た燃焼ガスが
衝突混合し、この混合により未反応ＣＯと反応活性基及
び／又は酸素原子との接触が積極的に行われ、かつ混合
による渦流の発生により燃焼ガスの高温滞留時間が長く
なり、ＣＯは大幅に低減する。

【００１４】上記した効果は実験によって確かめられて
いるので、以下にこれを説明する。実験に用いた装置は
図４に示され、図１〜３に示す構成の缶体(K) 、予混合
気をバーナ(40)へ供給するダクト(D) 及びウインドボッ
クス(W) 、燃焼排ガス出口(C) に接続するエコノマイザ
（給水予熱器）(E) 、蒸気取り出し管(J) 、ダクト(D)
に接続する送風機 (図示しない) 、排気筒(H) 、混合を
良くする為にダクト(D) に設けた金網(M1)(M2)等からな
り、燃料ガスはプロパンを用いてダクト(D)の部位(N)
から供給する。蒸気圧力は４．５〜５．０kg／ｃｍ²Ｇ
に保ち、過剰空気率を送風機の回転数の調整により変化
させて、各酸素濃度において排出されるＮＯｘ、ＣＯ濃
度を測定した。

【００１５】図６、７に実施例（伝熱管非存在空間を形
成した例）の測定結果を示している。この結果から分か
るように、図９〜１０に示す伝熱管非存在空間を形成し
ていない従来の缶体(K')を用いた測定結果と比較して、
ＮＯｘは殆ど変化がなく、ＣＯ濃度は従来例では２４〜
２７ｐｐｍあったものが、９〜１０ｐｐｍ（いずれもＯ
₂ ０％換算）と６３％もの減少効果が得られた。又、こ
の低いＣＯレベルの範囲が、例えば従来例での最低値を
敷居値とすれば、Ｏ₂ ２．５〜７．２％と測定範囲のほ
ぼ全域まで広がっており、少々劣悪な燃焼状態において
も、ＣＯの排出濃度が低く保たれることを意味してい
る。

【００１６】図８にはＮＯｘ、ＣＯの反応率を示し、Ｃ
Ｏの減少が伝熱管非存在空間で急激に減少していること
が分かる。尚、図１１に図８に対応する従来例の特性図
を示している。

【００１７】上記の実施例において、伝熱管の特定温度
域を略１０００℃から１３００℃としたのは、次の理由
によっても裏づけられる。即ち、ＣＯの低温度（１５０
０℃以下）での酸化反応が、一般に知られている次式に
従うとすれば、−d[ＣＯ]/dt=1.2×10¹¹［ＣＯ₂] [Ｏ]
^0.3[ Ｈ₂Ｏ]^0.5 exp^(-8050/T)各温度域における反応の
速度は図１３に示すようになり、極力、高温部分に伝熱
管非存在空間を形成することによって構造的に容易にＣ
Ｏを低減できる。しかし、ＮＯｘ反応速度係数と燃焼ガ
ス温度の関係を示す図１４によれば、１４００℃以上の
部分に伝熱管非存在空間を形成すれば、高温滞留時間が
長くなる分だけサーマルＮＯｘが多く発生するので、こ
の温度帯域は避ける必要があるからである。

【００１８】尚、本発明は上記の実施例に限定されるも
のではない。例えば以上の各実施例では、上記各伝熱管
壁(10)を、それぞれ複数本の伝熱管(11)(11)…を適宜の
間隔をおいて縦列配置し、各伝熱管(11)(11)…の隙間を
平板状のフィン状部材(12)で閉鎖した構成のものとした
が、伝熱管壁の構造は各伝熱管(11)の隙間を適宜の耐火
物で構成したものであっても、各伝熱管(11)を密接状態
で配列したものであってもよい。

【００１９】又、伝熱管壁間に配列する伝熱管の列数
は、上記の実施例に限定されないものであり、例えば図
１５に示すように伝熱管(20)を２列(X1)(X2)…、(Y1)(Y
2)…として、前記特定温度域に伝熱管非存在空間(VX3)
(VY3)を形成する。この場合、伝熱管非存在空間(VX3)(V
Z3)の周囲には伝熱管(X2)(A3)(A4)(X4)(Y4)(B4)(B3)(Y
2)が位置する。又、この実施例では伝熱管(11)と伝熱管
(20)とは千鳥配列で、伝熱管(20)(20)同士は千鳥配列と
なっていないが、本発明はこのような構成の缶体構造に
も適用される。更に、バーナ及び伝熱管は垂直方向でな
く、水平方向に配設した装置にも本発明は適用可能であ
る。又、図１６に示すように、伝熱管非存在空間は、燃
焼ガスの流れ方向に延設した形状にしても良い。又、上
記実施例では伝熱管非存在空間の周囲には伝熱管(11)と
伝熱管(20)を配置しているが、伝熱管(20)の列数が多い
場合、伝熱管(20)のみを配置してもよい。又、図１で(Y
0)にて示す部分に伝熱管を挿入し一層の低ＮＯｘを図る
よう構成しても良い。又、本発明は多管式の温水ボイ
ラ、水管ボイラ等に適用可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、予混
合式燃焼バーナによる燃焼火炎は伝熱管群にて冷却さ
れ、ＮＯ_ｘの発生が低減されるが、同冷却の際にＣＯが
発生する。然るに、伝熱管が欠除された伝熱管非存在空
間によって、冷却の際に発生した残留ＣＯを酸化反応さ
せてＣＯ_２に変成させる滞留時間が得られ、しかも、こ
の伝熱管非存在空間は、サーマルＮＯ_ｘの発生が少ない
温度域に形成されているので、低ＮＯ _ｘ、低ＣＯ燃焼装
置を実現することができる。また、この発明では、伝熱
管非存在空間の周囲には、複数個の伝熱管を連結してな
る伝熱管壁が存在するので、局所的な高温部分の発生が
防止され、ＮＯ _ｘの発生がより有効に抑制される。さら
に、燃焼・熱交換区域のほぼ全域に伝熱管が配置される
ので、伝熱面密度（＝伝熱面積／缶体容積）を低下させ
ることなく、低ＮＯ _ｘ化と低ＣＯ化とを実現することが
可能となり、それ故、特に、小型（省設置スペース型）
のボイラーにおいて有効に機能することになる。その
他、従来の断熱空間を形成するものと比較して、缶体壁
の温度上昇を小さくでき、温度上昇を防止するための缶
体壁内面の断熱材施工が不要となり、低コストで耐久性
に優れ、効率のよい装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明における一実施例の缶体の概略構造を
例示する平面図である。

【図２】同実施例の缶体カバーを外した状態の缶体側面
図である。

【図３】同実施例の缶体の要部断面図である。

【図４】同実施例のバーナの斜視図である。

【図５】この発明における一実施例装置全体の外観斜視
図である。

【図６】同実施例の缶体のＮＯｘ、ＣＯ排出特性図であ
る。

【図７】同実施例の缶体の異なるインプット時のＮＯ
ｘ、ＣＯ排出特性図である。

【図８】同実施例の缶体内のＮＯｘ生成、ＣＯ減少、反
応率特性図である。

【図９】従来例の缶体のＮＯｘ、ＣＯ排出特性図であ
る。

【図１０】従来例の缶体の異なるインプット時のＮＯ
ｘ、ＣＯ排出特性図である。

【図１１】従来例の缶体内のＮＯｘ生成、ＣＯ減少、反
応率特性図である。

【図１２】従来例における缶体内燃焼ガス温度特性図で
ある。

【図１３】ＣＯの酸化減少反応速度と燃焼ガス温度の関
係を示す特性図である。

【図１４】ＮＯｘ反応速度係数と燃焼ガス温度の関係を
示す特性図である。

【図１５】この発明の他の実施例の缶体の概略構造を示
す平面図である。

【図１６】この発明の他の実施例の缶体の概略構造を示
す平面図である。

【符号の説明】

(10) … 伝熱管壁 (11) … 伝熱管 (12) … フィン状部材 (20)(X3)(Z3) … 伝熱管 (40) … 燃焼バーナ (C) … 燃焼排ガス出口 (VX3)(VZ3)(VY3)(VX4)(VZ4) … 伝熱管非存在空間 (R1)(R2)(R3)(R4) … 火炎流通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池田和弘愛媛県松山市堀江町７番地三浦工業株式会社内合議体審判長大久保好二審判官滝本静雄審判官井上茂夫 (56)参考文献特開平４−356602（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−78247（ＪＰ，Ａ) 実開平３−5004（ＪＰ，Ｕ) 実開平２−28902（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F22B 21/04 F23C 11/00 316

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼火炎、燃焼ガスが流通する略矩形状
の燃焼・熱交換区域を、複数個の伝熱管を連結してなる
一対の伝熱管壁によって画成し、前記燃焼・熱交換区域の一側に予混合式燃焼バーナを配
置し、一端が前記予混合式燃焼バーナに近接するごとく、前記
燃焼・熱交換区域のほぼ全域に複数個の伝熱管を配置し
て、前記予混合式燃焼バーナからの火炎を前記伝熱管群
により冷却してＮＯｘの発生を抑制する一方、火炎温度が略１０００℃から１３００℃の位置におい
て、前記複数個の伝熱管の一部を数本欠除させて、周囲
に伝熱管を位置させた伝熱管非存在領域を形成し、この
伝熱管非存在領域においてＮＯｘを抑制しつつＣＯを酸
化させるようにしたことを特徴とする低ＮＯｘ及び低Ｃ
Ｏ燃焼装置。
【請求項２】請求項１において、前記伝熱管壁は、複
数個の伝熱管がフィン状部材によって連結されているこ
とを特徴とする低ＮＯｘ及び低ＣＯ燃焼装置。
【請求項３】請求項１または２項において、燃焼・熱
交換区域のほぼ全域に配置される伝熱管は、燃焼火炎、
燃焼ガスの流通方向の複数の伝熱管列に整列されてお
り、この整列方向にほぼ直交して、伝熱管が間欠的に欠
除されていることを特徴とする低ＮＯｘ及び低ＣＯ燃焼
装置。
【請求項４】請求項１乃至３項のいずれかにおいて、
予混合式燃焼バーナが予混合式平面燃焼バーナであるこ
とを特徴とする低ＮＯｘ及び低ＣＯ燃焼装置。
【請求項５】請求項１乃至４項のいずれかにおいて、
装置が多管式ボイラーであることを特徴とする低ＮＯｘ
及び低ＣＯ燃焼装置。