JP3403269B2 - ガス燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多管式ボイラ等に使用
するガス燃焼装置の改良に係り、耐熱セラミック粒体の
比較的薄い充填層を燃焼層として下方よりその内部へ予
混合ガスを供給することにより、低ＮＯx 、高出力密度
の安定した燃焼が行なえ、燃焼装置の大幅な小型化と高
性能化を達成できるようにしたガス燃焼装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】多管式ボイラ等に使用するガス燃焼装置
としては、従来から燃焼室内でガスと空気を強制混合
しつつ燃焼させる型式のブラスト燃焼装置、多数の小
孔を有するセラミックプレートの表面上で予混合ガスを
燃焼させる型式の表面燃焼装置（実開平２−１３３５１
７号等）及びセラミック粒体に金属触媒を担持させた触
媒層内で、予混合ガスを触媒の酸化作用を利用して燃焼
させる型式の触媒燃焼装置（特開平５−２２３２０１号
等）等が開発・利用されている。

【０００３】しかし、前記ブラスト燃焼装置は、噴出ガ
ス（又は部分予混合ガス）の周囲へ空気を圧送して両者
を強制混合させ、該混合ガスを燃焼室内で拡散燃焼させ
るものであるため、より大きな燃焼用空間を必要とする
ことになる。その結果、必然的にガス燃焼装置が大型化
し、その結果ボイラ設備等も大形になると云う難点があ
る。

【０００４】また、前記表面燃焼装置に於いては、セラ
ミックプレート上の炎口の存在する箇所と存在しない箇
所との間に生じる温度差により、プレートに歪やクラッ
クがしばしば起生する。その結果、現実には容量の大き
な燃焼装置の製作が困難であり、実用上容量が３０万Ｋ
ｃａｌ／ｈ以下のものに限定されるうえ、逆火や火炎の
リフト現象を生じ易く、安定した燃焼を行ない難いと云
う問題がある。

【０００５】更に、前記触媒燃焼装置では、触媒又は予
混合ガスを触媒活性化温度にまで予熱する必要があるう
え、触媒の熱劣化が不可避であり、経済性や燃焼の安定
性等の点に多くの問題が残されている。

【０００６】一方、上述の如き従前の燃焼装置に於ける
問題を一挙に解決するものとして、図１４に示す如く、
燃焼装置本体３０の底面に水冷分配格子３１を配設し、
その上方にセラミック粒体３２ａを充填して燃焼層３２
を形成すると共に、該燃焼層３２内に冷却水管３３を水
平状に配置し、前記水冷分配格子３１を通して燃焼層３
２内へ供給した予混合ガス３４を、粒体３２ａの外表面
及び粒体相互の間隙内で拡散燃焼させ、発生熱を冷却水
管３３を介して外部へ取り出すようにしたガス燃焼装置
が、先きに開発されている。

【０００７】上記図１４のガス燃焼装置は、広い空気比
の範囲に亘って比較的安定した燃焼が行なえる。また、
未燃焼有害物質やＮＯx の発生が少ないうえ、伝熱特性
にも優れ、ガス燃焼装置（又はこれを用いたボイラ設
備）の大幅な小形化が達成できると云う優れた効用を有
している。しかし、当該ガス燃焼装置にも解決すべき多
くの問題が残されている。先ず第１の問題はガス燃焼装
置の停止に手数がかかり、冷却水循環に要するエネルギ
ー消費が増大する点である。即ち、燃焼層３２が、直径
２〜２０ｍｍ程度のセラミック粒体を本体３０のほぼ全
内部空間内へ充填することにより形成されている。その
ため、必然的に燃焼器本体３０そのものの熱容量が大き
くなり、ガス燃焼装置を停止した場合には、停止後も相
当長時間に亘って冷却水を循環させる必要があり、循環
ポンプの動力費が増加すると云う問題がある。

【０００８】第２の問題は、冷却水を強制循環させる必
要があり、所謂自然循環方式の冷却システムを採用でき
ないと云う点である。即ち、前記図１４のガス燃焼装置
では、燃焼層３２内へ冷却水管３３を水平状態に埋設す
ると共に、燃焼層３２をセラミック粒体３２ａの充填層
等から形成する構成としているため、冷却システムは、
構造上強制循環方式とせざるを得ない。その結果、極く
小型のガス燃焼装置であっても、強制循環方式の冷却シ
ステムを必要とすることになり、設備費や冷却システム
のランニングコストの引下げを図り難いと云う難点があ
る。

【０００９】第３の問題は、逆火の防止と燃焼の安定性
の点である。前述の通り、図１４のガス燃焼装置は燃焼
量及び予混合ガスの空気比が変化しても比較的安定した
拡散燃焼が行なえると共に、水冷分配格子３１を設ける
ことにより、逆火もほぼ完全に防止されることになって
いる。しかし、現実には逆火を百％完全に防止できるま
でには至っておらず、安全性の点に若干問題が残されて
いる。即ち、水冷分配格子３１を通して供給された予混
合ガス３４は、燃焼層３２の下流側に設置した点火源３
５により点火され、着火直後の燃焼火炎は燃焼層３２の
上方空間３０ａ内に形成される。また、当該火炎によっ
て燃焼層３２が加熱されるに従って、一種の逆火現象で
燃焼ラインは粒体３２ａ間を上流側（下方側）へ移行
し、冷却分配格子３１からそのクエンチング部だけ離れ
た下流側の燃焼層内に於いて、継続燃焼をすることにな
る。しかし、図１４の燃焼装置では、水冷分配格子３１
が単に多孔板３１ａ、３１ａ間に冷却水管３１ｂを配列
しただけの極く簡単な構成とされており、予混合ガスの
供給方式（例えば、濃予混合ガスと希薄予混合ガスとの
混合供給や予混合ガスの噴出スピードの調整等）につい
ては何等考慮されていないため、逆火（フラッシュバッ
ク）を完全に防止できると云う迄には至っていないと云
う難点がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、比較的大径
の多孔性セラミック粒体３２ａの充填層より成る燃焼層
３２を備えた図１４のような構成のガス燃焼装置に於け
る上述の如き問題、即ち燃焼装置停止後のエネルギー
消費が増大すること、自然循環冷却方式が構造上採用
できないこと、逆火を生ずる可能性が若干残ってお
り、安全性に欠けること等の問題を解決せんとするもの
であり、自然循環冷却方式であってしかもガス燃焼装置
の小型・大容量化が図れると共に、逆火防止も完全で安
全性に優れ、そのうえ燃焼装置の発停を簡単に繰り返す
ことができるようにしたガス燃焼装置を提供するもので
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】先ず、冷却水循環に要す
る消費エネルギー及び装置停止後のエネルギー消費の問
題に対しては、多管貫流ボイラ本体の上部ヘッダ８及び
下部ヘッダ９を、断面形状が四角形で且つ平面視が細長
状のほぼ四角形となるように形成し、両ヘッダ８、９間
を水管５、６及びヒレ７等で連通せしめて水冷壁を形成
すると共に、当該水冷壁の内側に細幅の燃焼室１４を形
成し、更に、前記下部ヘッダ９の下方に予混合ガス供給
装置１６を設けると共に、その上方の燃焼室１４の下方
部に、粒径が１０〜３０ｍｍφの比較的粒径の大きなセ
ラミック粒体１５ａを１００〜４００ｍｍの高さに充填
して燃焼層１５を形成した構成とすることにより、冷却
水の自然循環を可能にして問題の解決を図っている。

【００１２】また、逆火を防止して安全性を高める対策
としては、燃焼層１５の下部を、幅８０ｍｍ以下（実施
例の１．５ｔ／ｈの多管貫流ボイラでは６０ｍｍ）の下
部ヘッダー９間の間隙内に位置せしめ、セラミック粒体
１５ａよりも温度の低い下部ヘッダー９への伝熱及び予
混合ガスによる冷却等で予混合ガス供給部のセラミック
粒体の温度を下げ、定常燃焼層内の燃焼位置を燃焼層１
５内の下流側に位置せしめる構成とすることにより、問
題の解決を図っている。

【００１３】加えて、第１実施例の予混合ガス供給装置
にあっては、予混合ガス１９の燃焼層への供給方法を幅
１０ｍｍ以下で、コーナを半円形として流れのよどみを
なくし、供給方向に平行部がある複数のノズル１６ｂよ
り供給する方法とすると共に、ノズル１６ｂ部分を供給
予混合ガス１９で冷却する構成としている。また、ノズ
ル１６ｂの予混合ガス流速を１０ｍ／ｓｅｃ以上とする
と共に、ウィンドボックス１６ａの形態を先端に行くほ
ど断面積が減少する形態として、各ノズル１６ｂへ均一
に予混合ガス１９が供給される構成とし、これにより予
混合ガス１９の逆火防止を図っている。

【００１４】また、第２実施例の予混合ガス供給装置１
６では、予混合ガス１９の燃焼層１５への供給を、燃焼
限界を外れた濃度の希薄予混合ガス１９ａと濃予混合ガ
ス１９ｂを適宜の流量比で燃焼層１５へ供給し、比較的
大径のセラミック粒子１５ａを充填した下部ヘッダー９
と下部ヘッダー９の間で適正混合気に混合することによ
り、定常燃焼位置を燃焼層の下流側に設定するようにし
ている。更に、多孔板の孔径、数を適宜に選定すること
により、予混合ガス１９供給速度が１０ｍ／ｓｅｃ以上
になるように設定し、これによってガス供給部の一層の
冷却と消炎を図っている。

【００１５】更に、第３実施例の予混合ガス供給装置１
６では、予混合ガス供給部を、細長で且つ横断面の形状
が漏斗状を呈する樋状ケーシング１６ｉとし、又その外
周を水冷却として予混合ガスの冷却をはかると共に、多
孔板１６ｇを樋状ケーシング１６ｉの拡大内方に密着さ
せ、充填するセラミック粒体１５ａのさらなる冷却をは
かった構造とすることにより、安全性の向上を図ってい
る。

【００１６】即ち、本件請求項１に記載の発明は、水冷
壁により形成した細幅の燃焼室１４の底面に細長状の予
混合ガス流通孔１４ｂを形成すると共にその下方に予混
合ガス供給装置１６を配設し、当該予混合ガス供給装置
１６の予混合ガスノズル１６ｂの先端を前記燃焼室１４
の底面の予混合ガス流通孔１４ｂへ対向せしめると共
に、燃焼室１４の下方の予混合ガスノズル１６ｂの上方
にセラミック粒体１５ａを１００〜４００ｍｍの高さに
充填して燃焼層１５を形成し、前記予混合ガスノズル１
６ｂを通して予混合ガス１９を燃焼層１５内へ供給して
拡散燃焼させることを発明の基本構成とするものであ
る。

【００１７】また、本件請求項３に記載の発明は、水冷
壁により形成した細幅の燃焼室１４の底面の予混合ガス
１９の流通部を多孔板１６ｇとし、該多孔板１６ｇの上
方にセラミック粒体１５ａを１００〜４００ｍｍの高さ
に充填して成る燃焼層１５を形成すると共に、前記多孔
板１６ｇの下方に予混合ガス供給装置１６を配設し、該
多孔板１６ｇの孔を通して予混合ガス１９を燃焼層１５
内へ供給して拡散燃焼させることを発明の基本構成とす
るものである。

【００１８】

【作用】予混合ガス供給装置１６から燃焼室底面の予混
合ガス流通孔１４ｂ又は多孔板１６ｇの孔を通して、空
気比λが可燃範囲に調整された予混合ガス１９（又は、
濃予混合ガス１９ａと希薄予混合ガス１９ｂ）をセラミ
ック粒体を所定の高さに充填して成る燃焼層１５内へ供
給し、パイロットバーナ１７を作動する。これにより予
混合ガス１９に着火され、燃焼室１４の空間部１４ｄに
於いて燃焼が始まる。前記着火燃焼により燃焼層１５の
温度が上昇すると、所謂逆火現象により火炎が燃焼層１
５内へ順次移行し、燃焼室１４の底面の予混合ガス流通
孔１４ｂ又は多孔板１６ｇから一定の距離だけ離れた点
まで火炎が来ると、前記火炎の移行は停止して、安定し
た表面拡散燃焼が行なわれる。

【００１９】燃焼層１５内の熱はセラミック粒体１５ａ
を介しての伝熱や輻射により燃焼層１５に接する両側水
冷壁や下部ヘッダー９、多孔板１６ｇへ伝熱される。ま
た、燃焼ガスの熱は内・外水管５、６へ伝熱され、その
後燃焼ガスは煙道１３を通して外部へ排出されて行く。

【００２０】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明
する。図１は本発明に係るガス燃焼装置の縦断側面図で
あり、図２は図１のＡ−Ａ視断面図（セラミック粒子充
填後）、図３は図１のＡ−Ａ視断面図（セラミック粒子
充填前）、図４は図１のＢ−Ｂ視断面図、図５は図１の
Ｃ−Ｃ視断面図、図６は図４のア部拡大図、図７は図１
のＤ−Ｄ視断面図である。

【００２１】上記図１乃至図７に於いて１はケーシン
グ、２はカバー、３は耐熱ブロック、４は燃焼用空気、
５は外側水管、６は内側水管、７は水管のヒレ、８は上
部ヘッダー、９は下部ヘッダー、１０は燃料ガス、１
１、１２は燃焼ガス通路、１３は煙道、１４は燃焼室、
１５は燃焼層、１６は予混合ガス供給装置、１７はパイ
ロットバーナ、１８は火炎検知器、１９は予混合ガス、
２０は燃焼ガスである。

【００２２】燃焼装置本体は図１及び図２に示す如く、
横断面形状が細幅の長方形の四角柱状に形成されてお
り、長手方向の両側面はケーシング１、耐熱ブロック
３、内・外側水管５、６及び水管ヒレ７等により所謂水
管壁構造に形成されている。また、燃焼装置本体の一方
の短辺側の背面側には煙道１３が、他方の短辺側（正面
側）には耐熱ブロック３が夫々設けられており、該耐熱
ブロック３を貫通せしめて後述するパイロットバーナ１
７や火炎検知器１８が挿着されている。更に、前記外側
水管５の内側には所定の間隔を置いてヒレ付の内側水管
６が一列状に配列されており、内・外両水管５、６の間
の間隙が燃焼ガス通路１１となっている。

【００２３】尚、前記内側水管列６の正面側の複数本
は、図１及び図５に示す如く燃焼ガス通路１２を形成す
るためにその中間部分のヒレ７が切除されており、当該
ヒレ７を切除した内側水管６の間隙通路１２を通して、
燃焼ガス２０が図２の矢印のように流通する。 また、
前記各外側水管５及び各内側水管６の上端部及び下端部
は、上部ヘッダ８及び下部ヘッダ９へ夫々連結されてお
り、所謂冷却水自然循環型の多管式ボイラが構成されて
いる。

【００２４】前記燃焼装置本体の両側の内側水管列６の
間は細幅状の燃焼室１４となっており、その底面１４ａ
には、後述する予混合ガス供給装置１６からの予混合ガ
ス１９を流通させる予混合ガス流通孔１４ｂが設けられ
ている。また、前記燃焼室１４の底面１４ａの上には、
粒径が１０〜３０ｍｍφ程度の耐熱性のセラミック粒体
１５ａが、所定の高さ例えば１００〜４００ｍｍ程度の
高さに充填されており、当該粒体１５ａの充填層により
本発明の燃焼層１５が形成されている。尚、本実施例で
は燃焼室１４の底面１４ａにスリット状の予混合ガス流
通孔１４ｂを形成するようにしているが、後述する第２
及び第３実施例の予混合ガス供給装置１６を用いる場合
には、燃焼室１４の底面１４ａは多孔板により形成さ
れ、当該多孔板の孔を通して予混合ガス１９が燃焼層１
５内へ供給される。

【００２５】前記予混合ガス供給装置１６は第１図に示
す如く、燃焼室１４下方の下部ヘッダー９の下方にその
長手方向に沿って配設されており、燃焼室１４下方の下
部ヘッダー９により囲まれた細幅四角形の燃焼室底面１
４ａの下面側に、予混合ガス供給装置１６を形成するウ
ィンドボックス１６ａと予混合ガスノズル１６ｂとが設
けられている。即ち、当該予混合ガス供給装置図５乃至
図９に示す如く、燃焼室１４の底面１４ａの下方に設け
た断面が四角形状で且つ先端に行くに従って幅寸法を減
じた横長状のウィンドボックス１６ａと、ウィンドボッ
クス１６ａ内に長手方向に配設した予混合ガスノズル１
６ｂとから構成されている。また、前記予混合ガスノズ
ル１６ｂは、高さ約５０ｍｍ以上の両側壁板１６ｃ、１
６ｃの間に、２枚の隔壁板１６ｄ、１６ｄを夫々の間隔
を３〜１０ｍｍに保持して平行状に配設することにより
形成されており、側壁板１６ｃと隔壁板１６ｄの間及び
両隔壁板１６ｄ、１６ｄの間がガス流通路１６ｅになっ
ている。更に、前記細幅状のガス通路１６ｅは長手方向
に適宜のピッチで仕切壁板１６ｆにより区画されており
（本実施例では５枚の仕切壁板１６ｆにより６区分に分
割されている。）、各ガス通路１６ｅの両端部は断面形
状が半円状となるように仕上げられている。

【００２６】尚、ウィンドボックス１６ａの形状を、先
端に行くほど幅寸法を減じた形状とすると共に、ガス通
路１６ｅの横幅、高さ及び断面形状を夫々上述の如き値
と形状にすることにより、予混合ガスノズル１６ｂから
の予混合ガスは、その噴出速度が約１０ｍ／ｓｅｃ以上
となると共に、一定速度の均等な流れとなって円滑に流
通し、よどみ部分を生ずることなく燃焼層１５へ供給さ
れて行く。また、予混合ガスノズル１６ｂの先端部分は
高速の予混合ガス流によって十分に冷却されることにな
り、後述するように所謂予混合ガスへの逆火が有効に防
止される。

【００２７】前記ウィンドボックス１６ａ内へは、送風
機（図示省略）により所定量の燃焼用空気４が供給され
ている。また、ウィンドボックス１６ａの予混合ガスノ
ズル１６ｂより上流側には、予混合ガス形成機構２１が
設けられている。即ち、予混合ガス供給機構２１は、燃
焼用空気４の流れと直交状に配設した複数本（本実施例
では２本）のガス供給管２１ａから形成されており、当
該ガス供給管２１ａには図９に示す如く、燃焼用空気４
と直交する方向に比較的大口径のガス噴出口２１ｂが、
また、空気４の流れ方向に順次口径を小さくした複数個
のガス噴出口２１ｃ、２１ｄが夫々形成されている。
尚、前記ガス噴出口２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの列は、ガ
ス供給管２１ａの長手方向に適宜のピッチで複数列設け
るのが望ましい。

【００２８】図１０、図１１及び図１２は、本発明で使
用する予混合ガス供給装置１６の第２実施例を示すもの
である。当該第２実施例に係る予混合ガス供給装置１６
は図１０に示す如く、燃焼室１４の底面１４ａを形成す
る多孔板１６ｇと、その下方に設けた断面が四角形状の
横長状のウィンドボックス１６ａと、ウィンドボックス
１６ａ内に長手方向に配設され、側面に複数のガス噴出
口２２ａを設けたガス供給主管２２と、主管２２から上
方へ向けて分岐され、先端部にガス噴出口２３ａを設け
た分岐管２３と、分岐管２３の上方部及び多孔板１６ｇ
の孔の一部を囲繞するカバー体１６ｈから構成されてい
る。

【００２９】尚、前記ウィンドボックス１６ａ内へは送
風機（図示省略）より所定量の燃焼用空気４が供給され
ており、ガス噴出口２２ａからの噴出ガスが混合される
ことにより、ボックス１６ａ内で希薄予混合ガス１９ａ
が形成される。また、前記カバー体１６ｈ内では、ガス
噴出口２３ａからの噴出ガスとカバー体１６ｈの下方開
口から流入した希薄予混合ガス１９ａとが混合され、濃
予混合ガス１９ｂが形成される。更に、本第２実施例で
はガス供給主管２２をウィンドボックス１６ａ内へ配設
し、主管２２に直接にガス噴出口２２ａを設けている
が、主管２２をウィンドボックス１６ａの外側に位置せ
しめ、小分岐管を介してウィンドボックス１６ａ内へガ
スを供給するようにしてもよい。加えて、前記多孔板１
６ｇの孔径は、該多孔板を流通する予混合ガス１９の流
速が約６〜２０ｍ／ｓｅｃ程度になるように選定されて
いる。前記流速が約６ｍ／ｓｅｃより下降すると逆火が
発生し易くなり、また逆に２０ｍ／ｓｅｃを越えると、
圧力損失が増加して送風機能力が過大になる。

【００３０】図１３は本発明で使用する予混合ガス供給
装置１６の第３実施例を示すものであり、燃焼室１４の
底面構造と予混合ガス供給装置１６の構造を除いて、そ
の他の装置構造は前記第１実施例及び第２実施例の場合
と基本的に同一である。即ち、本実施例では、図１３に
示す如く、前記燃焼室１４の底面１４ａの一部を形成
する多孔板１６ｇが、底面１４ａのその他の部分よりも
若干溝状に下方へ窪められており、その内部にセラミッ
ク粒体１５ａを充填する構造としている点、及び予混
合ガス供給装置１６を水冷構造としている点が、前記第
１実施例及び第２実施例の場合と異なっている。

【００３１】図１３を参照して、予混合ガス供給装置１
６は燃焼室１４を形成する下部ヘッダー９の下方に配設
されており、下部ヘッダー９により囲まれた細幅の四角
形状の燃焼室１４の底面１４ａに細幅状の四角形状の孔
１４ｃを形成すると共に、当該孔１４ｃの下方に断面四
角状の細長状のウィンドボックス１６ａを配設し、当該
ウィンドボックス１６ａと前記孔１４ｃとの間を上方部
の幅が拡大した漏斗状の樋状のケーシング１６ｉにより
連通する構成としている。また、前記樋状のケーシング
１６ｉの上方拡大部内の一段下った位置には、多孔板１
６ｇが水平に配設されており、その上方にセラミック粒
体１５ａが積層されている。更に、前記樋状ケーシング
１６ｉの外方は冷却水ケーシング１６ｊにより囲繞され
ており、ケーシング１６ｉとケーシング１６ｊとの間に
冷却水通路２４が形成され、冷却水が流通される。

【００３２】尚、前記細長の樋状ケーシング１６ｉの端
部は、その横断面形状が半円形となるように形成されて
いる。また、樋状ケーシング１６ｉの下方部（細幅の部
分）の平行部の高さ寸法は約１５〜３０ｍｍに選定され
ている。更に、樋状ケーシング１６ｉの上方部の横幅寸
法は、上方へ行くほど大きくされており、下方部の横幅
の１．５〜２．０倍に選定されている。加えて、前記ウ
ィンドボックス１６ａは先端へ行くほどその横幅寸法を
小さくした形状に形成されている。その結果、前記樋状
ケーシング１６ｉ内を流れる予混合ガス１９の流れは、
ケーシング１６ｉの全域に亘って極めて均一なものとな
る。

【００３３】ウィンドボックス１６ａの上流側で第１実
施例の場合と同様にして形成された予混合ガス１９は、
樋状ケーシング１６ｉ及び多孔板１６ｇを通して燃焼層
１５内へ供給されて行く。また、樋状ケーシング１６ｉ
や多孔板１６ｇ及び多孔板１６ｇの近傍に位置するセラ
ミック粒体１５ａ等は冷却水通路２４内を流れる冷却水
により強制冷却され、これによって所謂予混合ガス１９
への逆火が防止される。

【００３４】次に、本発明のガス燃焼装置の作動につい
て説明する。ガス燃焼装置の作動に際しては、先ずウィ
ンドボックス１６ａ内へ所定量の燃焼用空気４を供給す
ると共に、ガス供給管２１ａから燃料ガス１０を供給す
る。その結果、ウィンドボックス１６ａ内の上流側で
は、空気流内へ直角及び傾斜方向に噴射されたガス噴出
口２１ｂ、２１ｃ、２１ｄからの燃料ガス１０が混合さ
れ、適宜の空気比の予混合ガス１９が形成される。

【００３５】前記形成された予混合ガスは、各予混合ガ
スノズル１６ｂを通して燃焼層１５内へ均一に供給さ
れ、パイロットバーナ１７からの火源により着火され、
燃焼層１５の外部下流（燃焼室の上方空間１４ｄ）で燃
焼を開始する。尚、前記燃焼層１５の外部下流で燃焼が
開始されたあとの燃焼層１５内に於ける拡散燃焼の機構
は、後述する第２実施例に係る予混合ガス燃焼装置１６
を使用した場合と全く同一であるため、ここでは説明を
省略する。

【００３６】而して、第２実施例に係る予混合ガス燃焼
装置の場合には、先ず、ウィンドボックス１６ａ内へ所
定量の燃焼用空気４を供給すると共に、ガス供給主管２
２のガス噴出口２２ａから燃料ガス１０を直角方向に噴
出することにより、空気比が約２以上の希薄予混合１９
ａが形成される。また、カバー体１６ｈの内部では、下
方より流入した前記希薄予混合ガス１９ａ内に分岐管２
３の噴出口２３ａからの燃料ガスが混合され、空気比
０．５以下の濃予混合ガス１９ｂが形成される。

【００３７】前記濃予混合ガス１９ｂは、カバー体１６
ｈで覆われた部分の多孔板１６ｇを通して燃焼層１５内
へ、また、前記希薄予混合ガス１９ａは多孔板１６ｇの
カバー体１６ｈで覆われていない部分を通して燃焼層１
５内へ夫々流入し、燃焼層１５の下部の下部ヘッダー９
間に充填した比較的大径のセラミック粒体１５ａ間を通
る間に適正混合気に混合され、パイロットバーナ１７か
らの火源により着火され、燃焼を開始する。即ち、着火
当初の冷態時には、燃焼層１５の外部下流で予混合ガス
１９の燃焼が始まり、時間が経過して燃焼層１５内のセ
ラミック粒体１５ａが加熱されてくると、一種の逆火現
象によって火炎はセラミック粒体層の内方へ順次移行
し、各粒体１５ａの外表面及び粒体相互の間隙内で予混
合ガス１９の所謂拡散燃焼が行われる。

【００３８】一方、燃焼室１４の底面１４ａを形成する
多孔板１６ｇは、供給された予混合ガス１９が流れるこ
とにより常時冷却される。また、両側の下部ヘッダー９
の間隙が狭まくされているため、セラミック粒体１５ａ
から温度の低い下部ヘッダー９への伝熱が効率よく行な
われる。更に、濃・希予混合ガス１９ａ、１９ｂの混合
過程が存在するため、通常燃焼部は多孔板１６ｇより下
流側へ若干離れた燃焼層１５内に位置することになる。
これ等のことによって、多孔板１４ａの上部近傍のセラ
ミック粒体１５ａの温度も比較的低温に保持される。ま
た、多孔板１６ｇの孔より燃焼層１５内へ噴出される予
混合ガス１９の速度が所定の速度（約６〜２０ｍ／ｓ）
に保持されている。更に、多孔板１６ｇの孔を通して燃
焼層１５内へ噴出された直後の希薄予混合ガス１９ａ及
び濃予混合ガス１９ｂは、何れも夫々燃焼限界を外れた
ガス濃度に設定されている。その結果、前記燃焼層１５
の上面側より順次内方へ移行して来た火炎は、多孔板１
６ｇの下流側近傍でその移動を停止することになり、火
炎が多孔板１６ｇの下流側へ移行することはない。これ
により、所謂逆火による危険状態の発生は完全に防止さ
れることになる。

【００３９】予混合ガス１９の燃焼により燃焼層１５内
に生じた熱は、セラミック粒体１５ａを介しての伝熱や
輻射により内側水管６及び下部ヘッダー９へ伝熱され、
これにより火炎温度の上昇が抑制（約１４００℃以下）
されると共に、燃焼層１５内での燃焼が所謂濃炎燃焼と
なる。その結果、ＮＯx の発生が有効に抑制され、排出
ガス中のＮＯx 濃度は約４０ｐｐｍ（Ｏ₂ ＝０％換算）
以下となる。また、燃焼層１５内に水管が配設されてい
ないため、火炎のクェンチングでＣＯ等の未燃分が多発
することもない。更に、燃焼層１５を形成する各粒体表
面で均等に燃焼が行われるため、燃焼層１５そのものの
温度分布勾配が小さくなると共に、燃焼層１５自体が充
填層であるため、燃焼層１５にクラックを生じると云う
ことは全く無い。

【００４０】燃焼層１５内で生じた燃焼ガス２０は、図
２に示す如く内側水管６の水管ヒレ７を切除して形成し
た燃焼ガス通路１２を通して、内外両水管列６、７の間
隙に形成された通路１１内へ流入し、水管６、７内の水
を熱交換をしたあと煙道１３より燃焼装置外へ排出され
て行く。

【００４１】尚、本実施例に於いては、ケーシング１の
外形寸法が高さ約１３５０ｍｍ、短辺側横幅４００ｍ
ｍ、長辺側横幅１２００ｍｍ、水管外形６０．３φｍ
ｍ、セラミック粒体１５ａの外径１２φｍｍ、セラミッ
ク粒体１５ａの充填層高さ（燃焼層１５の高さ）２００
ｍｍ、定常運転時の希薄予混合ガス１９ａの空気比λ＝
２及び供給量９２４Ｎｍ³ ／ｈ、濃予混合ガス１９ｂの
空気比λ＝０．５及び供給量２６４Ｎｍ³ ／ｈ、出力８
１万ｋｃａｌ／ｈに夫々設定されており、定常運転時の
燃焼層１５内の火炎温度は約１４００℃以下であって、
発生ＮＯx も４０ｐｐｍ（Ｏ₂ ＝０換算）以下になるも
のと算定されている。

【００４２】

【発明の効果】本発明では水管壁で形成した燃焼室１４
の底面１４ａの予混合ガス流通孔１４ｂ又は多孔板１６
ｇ上に、セラミック粒体１５ａから成る厚さ１００〜４
００ｍｍの比較的薄い充填層を形成してこれを燃焼層１
５とし、当該燃焼層１５内で予混合ガス１９を表面拡散
燃焼させる構成としている。その結果、従前の燃焼室内
の全域にセラミック粒体１５ａ等を充填する構成のガス
燃焼装置に比較して、燃焼層１５部分の熱容量が著しく
減少し、運転停止時の冷却等に要するエネルギー損失を
低減できると共に、装置の起動・停止を迅速に行うこと
ができる。また、燃焼層１５が比較的薄いセラミック粒
体１５ａ等の充填層であるため、燃焼層にクラック等を
生ずる虞れが少ない。そのため、高出力密度の燃焼装置
の製作が可能となり、装置そのものの大幅な小型化が可
能となる。更に、燃焼室１４を竪向水管による水冷壁構
造とし、これによって燃焼層１５及び燃焼ガス２０内の
熱を吸収する構成としているため、水管５、６の冷却水
の自然循環システムの採用が可能となる。その結果、冷
却水の強制循環に要するエネルギーが不要となり、多管
貫流ボイラ形式であり乍ら高出力密度が得られると共
に、大出力（約１００万ｋｃａｌ／ｈ程度）の装置も容
易に製作することができる。

【００４３】例えば、本発明のガス燃焼装置を容量１．
５ｔ／ｈ多管貫流ボイラへ適用した場合、従前のブラス
ト燃焼方式に於いては、その火炎形状から燃焼室の形状
が規制されるため、ボイラ本体（缶体）のみでも約１１
５０ｍｍφの直径を必要とする。これに対して、本発明
を適用した場合には、ボイラ本体の幅は約４００ｍｍで
十分であり、缶体幅を約３５％に減少することができ
る。また、缶体の高さについても、ブラスト燃焼の場合
に必要とする燃焼用空気の整流や火炎安定化機構を簡易
化できると共に、その一部をボイラ本体内で構成するこ
とができるため、従前の場合の缶体高さ１９００ｍｍを
約１３５０ｍｍ程度の高さに減らすことができ、据付搬
入が容易になると共に所要床面積も少なくなる。

【００４４】本発明で使用する第２実施例の予混合ガス
供給装置１６では、燃焼室１４の底板を形成する下部ヘ
ッダー９の下方に予混合ガス供給装置１６を設け、燃焼
限界を外れた濃度の希薄予混合ガス１９ａと濃予混合ガ
ス１９ｂを適宜の流量比で燃焼層１５内へ供給すると共
に、多孔板１６ｇの孔径、板厚等を調整することによ
り、供給予混合ガスの流速を適宜の値に保持する構成と
している。また、燃焼層１５の下部は、両下部ヘッダー
９、９間の幅の狭まいところに比較的粒径の大きいセラ
ミック粒体１５ａを充填して構成されており、供給され
た希薄・濃予混合ガス１９ａ、１９ｂは、この燃焼層下
部で適正混合気になると共に、セラミック粒体１５ａか
ら温度の低い下部ヘッダー９への伝熱が行なわれるた
め、定常燃焼帯は下部ヘッダー９より上方位置、即ち下
部ヘッダー９の間へ充填したセラミック１５ａよりも下
流側に位置することになる。その結果、燃焼層１５内を
上流側へ向かって移行する火炎は、多孔板１６ｇから冷
却、混合距離だけ離れた位置近傍で確実にストップし、
逆火等を生ずる危険の殆ど無い安定した燃焼が行なえる
と共に、火炎温度もほぼ１４００℃程度に抑制され、燃
焼排ガス中のＮＯx 及びＣＯ等の濃度を大幅に引き下げ
ることができる。

【００４５】本発明で使用する第３実施例の予混合ガス
燃焼装置では、多孔板１６ｇを樋状ケーシング１６ｉの
内方へ納めると共に、樋状ケーシング１６ｉを冷却水用
ケーシング１６ｊで囲い、多孔板１６ｇ及びその上方の
セラミック粒体１５ａを水冷却する構造の予混合ガス燃
焼装置１６を用いている。また、樋状ケーシング１６ｉ
は、予混合ガス通過流速が６ｍ／ｓｅｃ以上となり且つ
流れのよどみを生じない形状に形成されているので、予
混合ガスの冷却、消炎機能を具備している。更に、燃焼
層１５の下部は、両下部ヘッダー９、９の間の幅の狭ま
い温度の低い部分にセラミック粒体１５ａを充填するこ
とにより形成されており、予混合ガス１９による冷却並
びにセラミック粒体１５ａから下部ヘッダー９への良好
な伝熱により、定常燃焼帯は両下部ヘッダー９、９間へ
充填したセラミック粒体１５ａより下流側に位置するこ
とになる。その結果、多孔板１６ｇやその上方に積層さ
れたセラミック粒体１５ａが能率よく冷却され、逆火防
止機能が高まって安定性が著しく向上すると共に、より
安定した燃焼を継続することができる。本発明は上述の
通り優れた実用的効用を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガス燃焼装置の縦断側面図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ視断面図（セラミック粒子充填
後）である。

【図３】図１のＡ−Ａ視断面図（セラミック粒子充填
前）である。

【図４】図１のＢ−Ｂ視断面図である。

【図５】図１のＣ−Ｃ視断面図である。

【図６】図４のア部拡大図である。

【図７】図１のＤ−Ｄ視断面図である。

【図８】図７のイ部拡大図である。

【図９】図１のウ部の作用説明図である。

【図１０】予混合装置の第２実施例を示す横断面図であ
る。

【図１１】図１０のＡ−Ａ視断面図の一部を示すもので
ある。

【図１２】図１０のＢ−Ｂ視断面図である。

【図１３】予混合装置の第３実施例を示す横断面図であ
る。

【図１４】従前の多孔性粒体の充填層からなる燃焼層を
備えたガス燃焼装置の縦断面概要図である。

【符号の説明】

１はケーシング、２はカバー、３は耐熱ブロック、４は
燃焼用空気、５は外側水管、６は内側水管、７は水管ヒ
レ、８は上部ヘッダ、９は下部ヘッダ、１０は燃料ガ
ス、１１・１２は燃焼ガス通路、１３は煙道、１４は燃
焼室、１４ａは燃焼室底面、１４ｂは予混合ガス流通
孔、１４ｃ細幅の四角形孔、１４ｄは燃焼室空間部、１
５は燃焼層、１５ａはセラミック粒体、１６は予混合ガ
ス供給装置、１６ａはウィンドボックス、１６ｂは予混
合ガスノズル、１６ｃは側壁板、１６ｄは隔壁板、１６
ｅはガス流通路、１６ｆは仕切壁板、１６ｇは多孔板、
１６ｈはカバー体、１６ｉは樋状ケーシング、１６ｊは
冷却水ケーシング、１７はパイロットバーナ、１８は火
炎検知器、１９は予混合ガス、１９ａは希薄予混合ガ
ス、１９ｂは濃予混合ガス、２０は燃焼ガス、２１は予
混合ガス形成機構、２１ａはガス供給管、２１ｂ、２１
ｃ、２１ｄはガス噴出口、２２はガス供給主管、２２ａ
はガス噴出口、２３は分岐管、２３ａはガス噴出口、２
４は冷却水通路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−217704（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−101817（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−193836（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−87304（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−223201（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−131225（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−133517（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−144304（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−77602（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭53−5601（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23C 11/00 312 F22B 21/04 F22B 21/36 F23D 14/16

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水冷壁により形成した細幅の燃焼室（１
   ４）の底面に細長状の予混合ガス流通孔（１４ｂ）を形
   成すると共にその下方に予混合ガス供給装置（１６）を
   配設し、当該予混合ガス供給装置（１６）の予混合ガス
   ノズル（１６ｂ）の先端を前記燃焼室（１４）の底面の
   予混合ガス流通孔（１４ｂ）へ対向せしめると共に、燃
   焼室（１４）の下方の予混合ガスノズル（１６ｂ）の上
   方にセラミック粒体（１５ａ）を１００〜４００ｍｍの
   高さに充填して燃焼層（１５）を形成し、前記予混合ガ
   スノズル（１６ｂ）を通して予混合ガス（１９）を燃焼
   層（１５）内へ供給して拡散燃焼させることを特徴とす
   るガス燃焼装置。
2. 【請求項２】 予混合ガス供給装置（１６）を、断面形
   状が四角形の細長状を呈し且つ先端部へ向って順次断面
   積が減少するウインドボックス（１６ａ）と，前記ウイ
   ンドボックス（１６ａ）内に配設され、縦向に並置した
   高さが５０ｍｍ以上の二枚の側壁板（１６ｃ）、（１６
   ｃ）の間に複数の隔壁板（１６ｄ）を３〜１０ｍｍの間
   隔を置いて平行状に配列すると共に、前記側壁板（１６
   ｃ）と隔壁板（１６ｄ）の間及び隔壁板（１６ｄ）相互
   の間に仕切壁板（１６ｆ）を適宜のピッチで縦向きに介
   存させることにより、端部の断面形状が半円形の複数の
   ガス流通路（１６ｅ）が形成された予混合ガスノズル
   （１６ｂ）と，ウインドボックス（１６ａ）の入口部に
   配設され、燃焼用空気（４）内へ燃料ガス（１０）を混
   合する予混合ガス形成機構（２１）とから構成された請
   求項１に記載のガス燃焼装置。
3. 【請求項３】 水冷壁により形成した細幅の燃焼室（１
   ４）の底面の予混合ガス（１９）の流通部を多孔板（１
   ６ｇ）とし、該多孔板（１６ｇ）の上方にセラミック粒
   体（１５ａ）を１００〜４００ｍｍの高さに充填して成
   る燃焼層（１５）を形成すると共に、前記多孔板（１６
   ｇ）の下方に予混合ガス供給装置（１６）を配設し、該
   多孔板（１６ｇ）の孔を通して予混合ガス（１９）を燃
   焼層（１５）内へ供給して拡散燃焼させることを特徴と
   するガス燃焼装置。
4. 【請求項４】 予混合ガス供給装置（１６）を、燃焼室
   （１４）の底面の多孔板（１６ｇ）の下方を囲うウィン
   ドボックス（１６ａ）と、ウィンドボックス（１６ａ）
   に沿って配設したガス供給主管（２２）と、ガス供給主
   管（２２）より分岐して先端部を多孔板（１６ｇ）へ向
   け立上げた分岐管（２３）と、多孔板（１６ｇ）の裏面
   側の一部及び分岐管（２３）の先端部を囲繞するカバー
   体（１６ｈ）と、分岐管（２３）の先端部側面に設けた
   ガス噴出口（２３ａ）と、ガス供給主管（２２）からウ
   ィンドボックス（１６ａ）内へガスを供給するガス噴出
   口（２２ａ）とから形成し、前記カバー体（１６ｈ）の
   内方に位置する多孔板（１６ｇ）の孔を通して濃予混合
   ガス（１９ｂ）を、また前記カバー体（１６ｈ）の外方
   に位置する多孔板（１６ｇ）の孔を通して希薄予混合ガ
   ス（１９ａ）を夫々燃焼層（１５）内へ供給する構成と
   した請求項３に記載のガス燃焼装置。
5. 【請求項５】 予混合ガス供給装置（１６）を、燃焼室
   （１４）の底面の多孔板（１６ｇ）の下方を囲う細長で
   且つ横断面形状が漏斗状を呈する樋状ケーシング（１６
   ｉ）と，樋状ケーシング（１６ｉ）の下方に配設され、
   該樋状ケーシング（１６ｉ）と連通する断面形状が四角
   形の細長状を呈し且つ先端部へ向って順次断面積が減少
   するウィンドボックス（１６ａ）と，前記樋状ケーシン
   グ（１６ｉ）の外方に配設され、樋状ケーシング（１６
   ｉ）の外周部に冷却水通路（２４）を形成する冷却水ケ
   ーシング（１６ｊ）と，ウィンドボックス（１６ａ）の
   入口部に配設され、燃焼用空気（４）内へ燃料ガス（１
   ０）を混合する予混合ガス形成機構（２１）とから構成
   するようにした請求項３に記載のガス燃焼装置。
6. 【請求項６】 燃焼室（１４）をヒレ付の外側水管
   （５）及び内側水管（６）から成る水冷壁により細幅の
   四角柱状に形成すると共に、長辺側の一側寄りの内側水
   管（６）のヒレ（７）を切除して燃焼ガス通路（１２）
   を形成し、燃焼室（１４）内の燃焼ガス（２０）を前記
   燃焼ガス通路（１２）及び内・外両水管（５）、（６）
   間に形成した燃焼ガス通路（１１）を通して外部へ排出
   する構成とした請求項１又は請求項３に記載のガス燃焼
   装置。
7. 【請求項７】 燃焼層（１５）の下方部を形成するセラ
   ミック粒体（１５ａ）の粒径を１０〜３０ｍｍφとする
   と共に、燃焼層（１５）下方部を、燃焼室（１４）のの
   下方に設けた下部ヘッダー（９）により囲繞された細幅
   状の空間部に位置せしめる構成とした請求項１又は請求
   項３に記載のガス燃焼装置。