JP3581928B2 - 小型貫流ボイラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気を発生させる多管式貫流ボイラに関し、詳細には、環状水管壁で形成された火炉を備え、火炉の上部に燃焼バーナを装着して燃焼させ、燃焼火炎及び燃焼ガスにより蒸気を発生させる小型貫流ボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
多管式貫流ボイラにおいて、多数の垂直水管（以下、水管という）を環状に配置してなる環状水管壁を半径方向に間隙を空けて同心状に２列設け、内側の環状水管壁で囲まれた空間を火炉とし、内側と外側の環状水管壁間の空間を燃焼ガス通路（以下、ガス通路という）とするものが知られている。この多管式貫流ボイラは、火炉の上部に装着された燃焼バーナにより燃焼し、発生した燃焼ガスが内側の環状水管壁に形成された火炉出口からガス通路に流入し、外側の環状水管壁に形成されたガス通路出口から煙道に流出するようになつている。すなわち、内側の環状水管壁の水管が火炉に面する側において燃焼による放射伝熱を吸収する放射伝熱部で、内側及び外側の環状水管壁の水管がガス通路に面する側において燃焼ガスの熱を吸収する接触伝熱部であり、燃焼火炎及び燃焼ガスからの熱を吸収して蒸気を発生するようになつている。そして、構造がコンパクトで伝熱効率がよいことから、伝熱面積と蒸気圧力が比較的低く設定された小型貫流ボイラの主流として採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、小型貫流ボイラについては、この規格の範囲内で蒸気発生量を増大させること、すなわち大容量化することが要望されている。ところが、大容量化することにより燃焼ガス量が増加し、接触伝熱部における燃焼ガスの圧力損失が大きくなり、吸収熱量に対する圧力損失の割合を適性範囲に設定し難い。その結果、所要の吸収熱量を確保するためには、燃焼空気圧力を必要以上に増加せねばならず、送風機が大型化し、その消費電力が多大になるという問題点がある。
【０００４】
すなわち、小型貫流ボイラにおいては、従来からこの圧力損失の改善に対して各種の提案がなされている。例えば、ガス通路に面する内側及び外側の環状水管壁の水管の配列ピツチ角を同一に設定すること（例、実開昭５６−１２８９０１号公報等参照）、ひれ状フイン付管、環状フイン付管等を水管として使用すること（例、実開昭５７−６１３０２号公報、特開昭６０−２３２４０２号公報、実公昭６１−４３０４２号公報、特公平６−１３９２１号公報等参照）、ガス通路を上下に仕切つて燃焼ガスを下部から上部に流入させること（例、特開平３−７０９０１号公報参照）等である。ところが、これらの技術によつても、燃焼ガスが火炉から急激に向きを替え、しかも２分割されて狭長なガス通路に流入し、あるいは下部から上部に急激に向きを替え、しかも２分割されて内側と外側の環状水管壁管の上部における狭長なガス通路に流入するため、燃焼ガスの吸収熱量に対する圧力損失の割合が増大し、所要の蒸気発生量に必要とされる燃焼ガス量を高い圧力で供給せねばならず、圧力損失の問題は十分に解決されているとはいえない状況である。従つて、大容量化する場合には、燃焼ガス量が増加することから、吸収熱量に対する圧力損失の割合は益々増大することになる。
【０００５】
そこで、圧力損失の原因が従来の多管式貫流ボイラの構造自体、すなわち内側の環状水管壁と外側の環状水管壁とを同心状に配置した構造で、吸収熱量に対する圧力損失の適性割合が同心状配置寸法等で制約されていることにあることから、従来の多管式貫流ボイラの構造についてさらに検討した。その結果、放射伝熱部と接触伝熱部とを伝熱的に分離した構造にし得るならば、従来の多管式貫流ボイラの利点を生かしつつ前記同心状配置寸法の制約が解除され、吸収熱量に対する圧力損失の割合を適性範囲に設定し得るようにガス通路の形状、面積等を設定し、送風機の大型化を伴うことなく小型貫流ボイラの規格の範囲内で大容量化し得るということが明らかになつた。
【０００６】
本発明は、前記従来の状況に鑑みてなされたもので、その課題は、送風機の大型化を伴うことなく大容量化をなし得る小型貫流ボイラを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明では、放射伝熱部である火炉を多数の水管を環状に配置してなる環状水管壁で形成し、接触伝熱部であるガス通路を両側が多数の水管を直線状に配置してなる直線状水管壁で形成し、ガス通路内に多数の水管からなる水管群を配置し、放射伝熱部と接触伝熱部とを伝熱的に分離した構造としている。これにより、放射伝熱部と接触伝熱部とをそれぞれ個別に最適化し、接触伝熱部については吸収熱量に見合つた圧力損失に設定することができ、燃焼ガス量いいえれば燃焼空気圧力を過剰に増加させず、所要の容量の送風機を使用し得る。
【０００８】
本発明の小型貫流ボイラは、多数の水管を環状に配置し、一部の水管を除いて密封連結してなる一列の環状水管壁で形成され、環状水管壁の密封連結されていない部位の開口を火炉出口とし、環状水管壁の上部に燃焼バーナを装着して燃焼させる火炉と、両側が多数の水管を直線状に配置し互いに密封連結してなる一列の直線状水管壁でそれぞれ形成され、各直線状水管壁の一端側を環状水管壁の火炉出口の両側を画成する水管に密封連結して火炉出口に接続されたガス通路と、ガス通路内に互いに間隙を空けて配置された多数の水管からなる水管群とを備えてなることを特徴としている。また、本発明の小型貫流ボイラは、多数の水管を一部を除いて環状に配置し、水管が配置されていない部位を除いて各水管を密封連結してなる一列の環状水管壁で形成され、環状水管壁の密封連結されていない部位の開口を火炉出口とし、環状水管壁の上部に燃焼バーナを装着して燃焼させる火炉と、両側が多数の水管を直線状に配置し互いに密封連結してなる一列の直線状水管壁でそれぞれ形成され、各直線状水管壁の一端側を環状水管壁の火炉出口の両側を画成する水管に密封連結して火炉出口に接続されたガス通路と、ガス通路内に互いに間隙を空けて配置された多数の水管からなる水管群とを備えてなることを特徴とするものでもよい。
【０００９】
ガス通路は、火炉に対して放射方向、放射方向から平行に偏位した方向、放射方向に交差する方向のいずれの方向に向けて配置されていてもよい。ガス通路内に配置された水管群は、火炉出口側から順に配置された前段水管群と後段水管群とからなり、前段水管群は厚肉のひれ状フインを有するひれ状フイン付管からなる水管を備え、後段水管群は薄肉で幅広の環状フインを有する環状フイン付管からなる水管を備えていてもよい。ひれ状フインの肉厚は、吸収熱量の増加とフイン焼損とのバランスに基づいて設定され、環状フインの肉厚及び面積は温度低下した燃焼ガスからの吸収熱量の増加と圧力損失の低下を両立させるように設定されている。なお、環状フイン付管は、フインが水管の外周に連続して設けられた水管で、フインが鍔状で管の長手方向に並列状に多数設けられたもの、管の長手方向に螺旋状に設けられたもの等をも含む。水管群の水管の配列は、千鳥配列、碁盤目配列等いずれでもよいが、吸収熱量からみれば千鳥配列が好ましい。火炉出口に環状水管壁の水管が無い場合には、前段水管群の火炉出口に面する最前列及び２列目の水管は、フインの無い裸管とすることが好ましく、火炉出口における高温の燃焼ガスによる吸収熱量の急増とフインの焼損を防止し得る。
【００１０】
火炉出口は、上部側が閉じられていてもよく、燃焼バーナの保炎部直近からの未燃燃焼ガスのショートパスを防止し、一酸化炭素の排出量を低減させ得る。その際、火炉出口に環状水管壁の水管が無い場合には、ガス通路に配置された前段水管群の火炉出口に面する最前列の水管を裸管とし、該最前列の水管間及び直線状水管壁の前端の水管との間隙の上部側をシールフインで連結して閉じてもよい。火炉出口に環状水管壁の一部の水管が間隙を空けて配置されている場合には、火炉出口に配置されている環状水管壁の水管間の間隙の上部側をシールフインで連結して閉じてもよい。これらの場合には、火炉出口に面する水管とその下流の水管との間にはガス通路内の水管群におけるよりも広い空間が設けられていることが好ましく、ガス通路の下部側から流入する燃焼ガスが前記空間で上部側へも拡散し、特に後段水管群における下部側への偏流を抑制して上下に均一に拡散して流し得る。また、ガス通路の出口面積は、通路面積よりも小さく設定されていることが好ましく、ガス通路出口における燃焼ガスの温度低下によるガス流速の低下を抑制し、ガス流速を高めることによる吸収熱量の増加を図り得る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図に基づいて説明する。図１〜３は、第１実施形態の概念的な説明図である。図１〜３において、１は小型貫流ボイラ、２は上部に燃焼バーナ（図示せず）を装着して燃焼させる火炉である。３は下部管寄せ、４は上部管寄せである。上部管寄せ４は、図２に示すように、環状部と矩形状部とが一体に組合わされた形状であり、下部管寄せ３も同様の形状である。５は環状水管壁で、図１及び図３に示すように、下部管寄せ３と上部管寄せ４との環状部をその一部、すなわち矩形状部と接続する付近を除いて多数の水管６で連結し、各水管６の間隙をシールフイン７で閉じて形成されている。この環状水管壁５と各管寄せ３、４で囲まれた環状の空間が火炉２となり、水管６が取付けられていない部位が全高にわたつて開口された火炉出口８である。
【００１２】
１１はガス通路、１２は直線状水管壁である。直線状水管壁１２は、図１及び図３に示すように、下部管寄せ３と上部管寄せ４との矩形状部の両側寄りを多数の水管１３で連結し、各水管１３の間隙をシールフイン１４で閉じて形成されている。各直線状水管壁１２と各管寄せ３、４で囲まれた縦断面矩形状の空間がガス通路１１である。各直線状水管壁１２は、前端の水管１３が火炉出口８の両側にある環状水管壁の水管６とシールフイン１５で連結され、環状水管壁５に密封状に接続されている。なお、ガス通路１１の形状は、縦断面及び横断面が矩形状であるが、他の形状でもよい。小型貫流ボイラ１の容量に応じて燃焼ガスの吸収熱量に対する圧力損失の割合が所定範囲になるように設定されていればよく、例えば横断面がガス通路出口２５側に向けて順次狭くなる形状でもよい。
【００１３】
ガス通路１１には、火炉出口８側から順に配置された前段水管群１６と後段水管群１７とからなる水管群１８が設けられている。各水管群の水管１９、２１、２３は、図３に示すように、下部管寄せ３と上部管寄せ４との矩形状部を連結して取付けられている。前段水管群１６は、火炉出口８寄り、すなわち燃焼ガスの流れ方向の上流側に配置され、図１及び図３に示すように、千鳥配列で設けられている。最前列の水管１９は、火炉出口８に面して配置され、燃焼火炎による放射熱を受けるとともに、１．３００℃程度の高温の燃焼ガスに接触することになるため、裸管からなつている。最前列の水管１９間及び直線状水管壁１２の前端の水管１３との間隙が上部側においてシールフイン２０で連結されている。２列目以降の水管２１は、両側に水平に突出したひれ状フイン２２が管の長手方向に並列状に多数取付けられたひれ状フイン付管からなり、ひれ状フイン２２がガス通路１１の幅方向に向くように配置されている。ひれ状フインの肉厚は、吸収熱量の増加とフイン焼損とのバランスに基づいて設定されている。前段水管群１６の２列目以降の水管２１が配置された部位における直線状水管壁の水管１３には、ガス通路１１側に水平に突出してひれ状フイン２２が取付けられている。なお、最前列の水管１９と２列目の水管２１との間には２列目以降の水管２１の配列よりも広い空間が設けられている。２列目以降の水管２１のひれ状フイン２２は、隣接する水管２１と接触しないように間隙を空けて設けられている。
【００１４】
後段水管群１７は、前段水管群１６の後方に同様の千鳥配列で設けられている。後段水管群の水管２３は、薄肉で幅広の環状フイン２４を有する環状フイン付管からなり、環状フイン２４の肉厚及び面積は温度低下した燃焼ガスからの吸収熱量の増加と圧力損失の低下を両立させるように設定されている。
【００１５】
２５は、ガス通路１１の出口で、出口規制部材２６によりガス通路１１を側方に狭めて形成されており、その面積がガス通路１１の通路面積よりも小さく設定されている。これにより、ガス通路出口２５における燃焼ガスの流速が高められ、ガス通路内の水管群１６、１７、１８により熱吸収されて温度低下した燃焼ガスからも効率良く熱回収される。ガス通路出口２５の面積は、大きな圧力損失を招かない程度に設定される。なお、９は下部管寄せ３に水を供給する給水管、１０は上部管寄せ４に集められた蒸気が流出する蒸気出口である。
【００１６】
第１実施形態の小型貫流ボイラ１は、前記のように構成されており、その作用を説明する。火炉２の上部に燃焼バーナ（図示せず）を装着して燃焼し、発生した燃焼ガスが火炉出口８から噴出してガス通路１１に流入し、ガス通路１１を通過してガス通路出口２５から煙道（図示せず）に流出する。この間、放射伝熱部である火炉２においては、火炉２を形成する環状水管壁の水管６が主として燃焼火炎による放射伝熱を受け、環状水管壁の水管６を流れる水が熱吸収して蒸気になる。発生した蒸気は、水管６の上部で同様にして熱吸収し、高温の蒸気になつて上部管寄せ４に流入する。一方、接触伝熱部であるガス通路１１においては、火炉出口８から流入した燃焼ガスが前段水管群１６、後段水管群１７及び両側の直線状水管群１２に接触しながら流れ、それぞれの水管１３、１９、２１、２３が燃焼ガスから接触伝熱を受け、水管１３、１９、２１、２３を流れる水が熱吸収して蒸気になる。発生した蒸気は、それぞれの水管１３、１９、２１、２３の上部で同様にして熱吸収し、高温の蒸気なつて上部管寄せ４に流入する。
【００１７】
ところで、燃焼ガスについては、１，３００℃程度の高温状態でガス通路１１の下部側から流入する。流入する際、前段水管群１６の最前列の水管１９の下部側を通り抜け、熱吸収される。最前列の水管１９を通過した後、２列目の水管２１との空間において上部側にも拡散し、２列目以降の水管２１に接触しながら均一に流れる。そして、その間に水管２１に設けられたひれ状フイン２２にも接触しながら流れ、ひれ状フイン２２によつても熱吸収される。前段水管群１６を通過した後、後段水管群１７に流入し、水管２３及び環状フイン２４に接触しながら流れて熱吸収される。後段水管群１７に流入する際には、約６００℃に温度低下しているが、水管２３が薄肉で幅広の環状フイン２４を有するものであるため、効率良く熱吸収される。後段水管群１７を通過した後、ガス通路出口２５から煙道に流出するが、ガス通路出口２５の面積が通路面積よりも小さいことから、後段水管群１７を通過した後の温度が３００℃程度まで低下しているにもかかわらず、流速を低下させないで流出することになる。
【００１８】
次に、図４は本発明の第２実施形態の概念的な説明図である。第２実施形態は、第１実施形態の変形例で、ガス通路１１を火炉２の放射方向から平行に偏位した方向に向けて配置したものである。図４に示すように、ガス通路１１の側方で火炉２の後方にスペースが生じることから、このスペースを送風機等の補機の設置に使用し得る。なお、図１と同一の符号は、同一の機能部材を意味する。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、放射伝熱部である火炉と接触伝熱部であるガス通路とが伝熱的に分離されているため、それぞれに要求される条件に応じて個別に設定し得る。しかも、接触伝熱部であるガス通路については、通路形状、通路面積、水管の配列、水管の形態等についても自由度が高く、吸収熱量に対する圧力損失の割合を低減し、しかも吸収熱量を増加させることが可能であり、圧力損失を補充するために必要とされる以上に燃焼ガス圧力を増加する必要がなく、所要の容量の送風機を採用することができる。従つて、大型の送風機を使用しないで小型貫流ボイラの規格範囲内において蒸気発生量を増大させること、すなわち小型貫流ボイラの大容量化が可能になつた。火炉の環状水管壁が１列で、火炉の外側寸法すなわち全幅寸法が小さくなるため、小型貫流ボイラの設置間口が減少する。そして、従来と同一規模の蒸気発生プラントに適用する場合には、１台当たりの蒸気発生量が多いことから、設置台数を減少することができ、大幅な省スペース化が可能になつた。また、火炉に対するガス通路の配置を自由に選択し得ることから、例えば火炉に対して放射方向から平行に偏位した方向に向けて配置する場合には、送風機等の補機の設置スペースをガス通路の側方で火炉の後方に確保することができ、全体として大幅な省スペース化が可能になつた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の要部の概念的説明図である。図３のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図に相当する図であるが、要部である火炉及びガス通路における水管の配列構造を中心として示し、他の部材を省略している。
【図２】本発明の第１実施形態の小型貫流ボイラの概念的平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の要部の概念的説明図である。図２のＡ−Ａ線に沿う断面図に相当する図であるが、要部である火炉及びガス通路における水管の配列構造を中心として示し、他の部材を省略している。
【図４】本発明の第２実施形態の要部の概念的説明図で、図１に対応する図である。要部である火炉及びガス通路における水管の配列構造を中心として示し、他の部材を省略している。
【符号の説明】
１ 小型貫流ボイラ ２ 火炉
３ 下部管寄せ ４ 上部管寄せ
５ 環状水管壁 ６ 環状水管壁の水管
８ 火炉出口 １１ 燃焼ガス通路（ガス通路）
１２ 直線状水管壁 １３ 直線状水管壁の水管
１６ 前段水管群 １７ 後段水管群
１８ 燃焼ガス通路（ガス通路）に配置された水管群
１９ 前段水管群の最前列の水管
２１ 前段水管群の２列目以降の水管 ２２ ひれ状フイン
２３ 後段水管群の水管 ２４ 環状フイン
２５ 燃焼ガス通路出口（ガス通路出口）

Claims (5)

1. 多数の垂直水管（６）を環状に配置し、一部の垂直水管（６）を除いて密封連結してなる一列の環状水管壁（５）で形成され、環状水管壁（５）の密封連結されていない部位の開口を火炉出口（８）とし、環状水管壁（５）の上部に燃焼バーナを装着して燃焼させる火炉（２）と、両側が多数の垂直水管（１３）を直線状に配置し互いに密封連結してなる一列の直線状水管壁（１２）でそれぞれ形成され、各直線状水管壁（１２）の一端側を環状水管壁（５）の火炉出口（８）の両側を画成する垂直水管（６）に密封連結して火炉出口（８）に接続された燃焼ガス通路（１１）と、燃焼ガス通路（１１）内に互いに間隙を空けて配置された多数の垂直水管（１９，２１，２３）からなる水管群（１６，１７，１８）とを備えてなることを特徴とする小型貫流ボイラ。
2. 多数の垂直水管（６）を一部を除いて環状に配置し、垂直水管（６）が配置されていない部位を除いて各垂直水管（６）を密封連結してなる一列の環状水管壁（５）で形成され、環状水管壁（５）の密封連結されていない部位の開口を火炉出口（８）とし、環状水管壁（５）の上部に燃焼バーナを装着して燃焼させる火炉（２）と、両側が多数の垂直水管（１３）を直線状に配置し互いに密封連結してなる一列の直線状水管壁（１２）でそれぞれ形成され、各直線状水管壁（１２）の一端側を環状水管壁（５）の火炉出口（８）の両側を画成する垂直水管（６）に密封連結して火炉出口（８）に接続された燃焼ガス通路（１１）と、燃焼ガス通路（１１）内に互いに間隙を空けて配置された多数の垂直水管（１９，２１，２３）からなる水管群（１６，１７，１８）とを備えてなることを特徴とする小型貫流ボイラ。
3. 火炉出口（８）に配置されている環状水管壁（５）の垂直水管（６）間の間隙の上部側がシールフイン（２０）で連結して閉じられている請求項１記載の小型貫流ボイラ。
4. 燃焼ガス通路（１１）に配置された水管群（１６，１７，１８）の火炉出口（８）に面する最前列の垂直水管（１９）が裸管からなり、該最前列の垂直水管（１９）間及び直線状水管壁（１２）の前端の垂直水管（１３）との間隙の上部側がシールフイン（２０）で連結して閉じられている請求項２記載の小型貫流ボイラ。
5. 燃焼ガス通路（１１）内に配置された水管群（１８）は、肉厚のひれ状フイン（２２）が設けられた垂直水管（２１）を備えた前段水管群（１６）と、薄肉で幅広の環状フイン（２４）が設けられた垂直水管（２３）を備えた後段水管群（１７）とからなる請求項１〜４のいずれか１記載の小型貫流ボイラ。

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