JP3823215B2 - スートブロア - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラの伝熱管に付着する灰を気流により除去するスートブロアに係わり、特に灰の除去効率を高めるために貫通力の大きな噴流を形成するノズルを備えたスートブロアに関する。
【0002】
【従来の技術】
ボイラにおいて燃焼で生成し溶融した粒子状の飛散物が伝熱管に付着し、伝熱管の熱伝達率が低下すると共に火炉の圧力損失が増加し、ボイラ効率が低下する。付着物の組成によっては伝熱管を腐食させる原因となる。そのため伝熱管の付着物を除去するスートブロアを伝熱管群に設置し、定期的に蒸気若しくは圧縮空気を噴射している。
図12は従来のスートブロアのノズルの構成を示す縦断面図である。
本図に示すノズル3aは直線形であり、噴出気体2は31aから流入し、単純な円筒形である直線部32aを通過し、気体噴流5となって噴出する。
図13は従来のスートブロアの他のノズルの構成を示す縦断面図である。
本図に示すノズル3bは末広がり形と直線形を組み合わせたものであり、噴出気体2は入口部31bから流入し、流路断面積が拡大する拡大部32bで噴流径が拡大し、直線出口部33bを通過し気体噴流5となって噴出する。
図14は従来のスートブロアの他のノズルの構成を示す縦断面図である。
本図に示すノズル3cは噴出口とつり鐘形空洞部31cとを組み合わせたものであり、噴出気体2は入口部6から流入し、噴出口から気体噴流5となって噴出する。
図15は従来のスートブロアの他のノズルの構成を示す縦断面図である。
本図に示すノズル3dは噴出口と円錐形空洞部31dとを組み合わせたものであり、噴出気体2は入口部6から流入し、噴出口から気体噴流5となって噴出する。
これらのノズル3a、3b、3c及び3dは気体噴流5の軸方向貫通力に対して下流までこの貫通力を維持しようとする配慮に欠けている。噴流中心において運動量の大きい気体噴流5が伝熱管に衝突すると、伝熱管の衝突面には見掛け上強い衝撃が加わるようになり付着している灰を効率良く除去できる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近は液体燃料の石油も減圧蒸留残渣油、超重質油のように劣質化が一段と進み、固体燃料の石炭も溶融温度が低い灰分を含むものが使用され、伝熱管の汚れが無視できなくなっている。また、タービン入口蒸気温度の上昇に伴い伝熱管のメタル温度も上昇しているから、灰粒子が容易に溶融し伝熱管への付着力、付着量が増加する。そのため従来のスートブロアでは伝熱管へ強く付着した灰の除去が困難になっている。伝熱管へ付着した灰の除去効率を高めるために気体の噴射圧力を高くすれば、ノズル口径が同じ場合には気体の消費量が増加し、気体に蒸気を用いればボイラ効率を低下させ不経済である。一方、ノズル口径を小さくして噴射圧力を高くすれば、ノズルが早く摩耗し寿命が短くなる。
本発明の目的は、気流の噴出エネルギを下流まで保持し、灰の除去効率が高いスートブロアを提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、長尺の管体の管壁に配置したノズルから気流を噴出させて、ボイラの伝熱管に付着する灰を除去するスートブロアにおいて、前記ノズルは、噴出口の気流噴出側に該噴出口の内径より大きい内径の筒が設けられてなり、前記噴出口の出口端と前記筒の内周との段部に断面が半円の凹部が形成されてなる構成とすることにより達成される。
この場合において、噴出口内径をD1とし、筒の内径をD2とした場合にD1とD2が次の式を満足する関係であることが望ましい。
1.2≦D2/D1≦3.8
また、噴出口内径をD1とし、筒の内径をD2とした場合にD1とD2が望ましくは次の式を満足する関係であることが望ましい。
1.7≦D2/D1≦3.1
また、噴出口内径をD1とし、筒の長さをLとした場合にD1とLが次の式を満足する関係であることが望ましい。
1.6≦L/D1≦4.0
また、噴出口内径をD1とし、筒の長さをLとした場合にD1とLが望ましくは次の式を満足する関係であることが望ましい。
2.2≦L/D1≦2.8
また、凹部の断面の半円の半径をRとし噴出口の内径をD1とした場合に次の式を満足する関係であることが望ましい。
0.35≦R/D1<0.72
さらに、ノズルは、筒の気流噴出側が管体の外壁から僅かに突出するように配置されてなる構成とすることができる。又は、ノズルの気流流入側が管体の内壁から突出しないように配置されてなる構成とすることができ、この場合は、スートブロアを火炉壁側へ退避させた場合に、スートブロアの管体及びノズルが収容可能な空間を火炉壁に設けると共に、管体へ冷却用気体を供給する手段を設けることが望ましい。さらに、筒の長さLを0とすることができる。
【0005】
噴出口から噴出する噴流に随伴する渦を巻く気流は上記構成の筒により噴出方向と反対方向に導かれて噴流の外周を循環する環状渦流となり、この環状渦流と噴流との速度勾配は緩慢であるから噴流の旋回、乱れを少なくし噴流の流れパターンを下流まで保持することにより、伝熱管に噴出エネルギが集中し高い灰の除去効率が得られる。特に筒と噴出口との段部に形成した凹部は環状渦流を滑らかに反転させるに適した構造である。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図により説明する。
図1は本発明の実施の形態のノズルの構成を示す縦断面図である。
本実施の形態の空洞付ノズル3において、噴出気体2は丸みを有する入口部6から剥離の無い状態で噴出口4へ流入し、気体噴流5となって噴出する。この噴出口4は内径が僅かに拡大しているが最小内径をノズル噴出口内径をD1とする。噴出口4の出口端部の外周は凹状をなし噴出と反対方向に曲率半径Rの凹部7を形成している。また、凹部7の外縁を筒8により噴出方向に延長して空洞を形成している。噴出口4から噴出する気体噴流5は筒8の内部を貫通するようにして火炉内へ噴出する。筒8の筒の内径をD2とし、噴出口4の開口端から筒8の開口端までの長さをLとする。
本実施の形態の空洞付ノズル3の緒元であるD2、L及びRはノズル噴出口内径D1を基準として以下の式により定められる。これらの条件は実験により定めたものである。
筒8の内径をD2に関し、
1.2≦D2/D1≦3.8………………………………………………(1)
より望ましくは、
1.7≦D2/D1≦3.1………………………………………………(2)
筒8の長さをLに関し、
1.6≦L/D1≦4.0………………………………………………(3)
より望ましくは、
2.2≦L/D1≦2.8………………………………………………(4)
凹部7の曲率半径Rに関し、
0.35≦R/D1<0.72…………………………………………(5)
とする。
具体的にはD1を20mmとすると(2)式からD2/D1=2.4とすれば、D2は48mmとなる。Lに関し(4)式からL/D1=2.5とすればLは50mmとなる。更に、Rに関し(5)式からR/D1=0.54とすればRは11mmとなる。このようにして最適なノズルを計画できる。
これ以外の条件について筒8の仕様を設定すれば、噴流の貫通力が減衰して付着灰の除去効率が低下する。誤った形状を選定すれば筒8の無い場合より付着灰の除去効率が低下する恐れも有る。
【0007】
次に本実施の形態のノズルをランス(管体)に装着したスートブロアを説明する。
図2は本発明の実施の形態のノズルをランスに装着した例を示す縦断面図である。
本図に示すようにランス1の先端で互いに軸方向に離して空洞付ノズル3を配置している。空洞付ノズル3は噴出側端部が僅かにランス1の外周から突出している。このような突出物の長さを極力短縮した構造とすることにより、スートブロアの停止時に火炉の外へ引き出す際に空洞付ノズル3が周囲の物体と衝突するトラブルを回避できる。
【0008】
図3は本発明の実施の形態のノズルをランスに装着した他の例を示す縦断面図である。
図2に示す例はランス1の外側で起る問題に配慮したためランス1の内側で起る問題に対応出来ない。即ち、空洞付ノズル3の入口部6がランス1の内周側に突出しているので噴出気体2の圧力損失が増大したり、それぞれの空洞付ノズル3の噴出量に偏差を生じる。本図に示す例は空洞付ノズル3の入口部6の端部がランス1の内周面とほぼ同じ高さなので、図2に示す例でランス1の内側において発生する噴出気体2の流動の問題は回避できる。
【0009】
図4は本発明の実施の形態のスートブロアの構成を示す縦断面である。
図3に示す例は空洞付ノズル3は噴出側端部が大きくランス1の外周から突出している。そのためスートブロアの停止時に火炉の外へ引き出すことが困難である。従って本図に示す例では火炉水壁10にスートブロア収納空間11を設け、停止時に火炉の外へ引き出さずにそこへ収納する。また、スートブロアの停止時に火炉からの輻射熱によりランス1及び空洞付ノズル3が焼損しないように冷却用空気12をランス1へ供給し、冷却用空気の噴出流12aとして空洞付ノズル3から噴出させる。
【0010】
図5は本発明の他の実施の形態のノズルの構成を示す縦断面図である。
図1に示す空洞付ノズル3は筒8が火炉側に突出する構造なので、図2に示すように入口部6をランス1内に収納するようにしたり、図4に示すように作動停止時には火炉から引き出さずに火炉水壁10に設けたスートブロア収納空間11を収納する工夫をしている。本図に示す空洞付ノズル3は筒8の長さLを0とし凹部7のみで循環する環状渦流を作り出す。本実施の形態の空洞付ノズル3はランス1の外周面から殆ど突出していないので、スートブロアの火炉への挿入、抜き出しが容易になる。図1に示す空洞付ノズル3より灰の除去効率は低下するが従来のノズルよりは優れている。
【0011】
次に本実施の形態の動作を説明する。
図6は本発明の実施の形態のノズル噴射圧力と衝突受圧力との関係を示す図表である。
本図は図1に示す空洞付ノズル3と図12、図13、図14、図15に示す従来技術のノズル3a、3b、3c、3dとの性能を比較した結果を表したものである。横軸に噴射圧力P1を基準噴射圧力P2で割った無次元数をとり、縦軸に噴流中心衝突受圧力P3を従来技術においてP1=P2とした場合の噴流中心衝突受圧力P4で割った無次元数をとっている。従来技術では噴射圧力P1を高めていっても無次元数の噴流中心衝突受圧力は緩慢に増加するのに対し、本実施の形態では急激に増加する。従来技術では噴射圧力P1を高めていくと渦、旋回等の乱により噴流パターンに異変が生じ噴流が分散するため噴流中心衝突受圧力P3が上昇しない。本実施の形態では噴出口4から噴出する際の不足膨張状態が下流まで維持され、噴流の貫通力が持続する。
【0012】
図7は本発明の実施の形態のノズル内の噴流パターンを示す縦断面図である。
本図に示すように筒8の内部には気体噴流5を取り囲むような環状渦13が安定して生じる。この環状渦13を通じて外部からの巻き込み流入気体が安定して気体噴流5の内部に供給されるため、気体噴流5は乱れが少なく拡散が遅れ気味になり、下流でも気体噴流5の径が拡大せず強い貫通力が維持される。図14、図15に示す従来技術のノズル3c、3dにおいて噴出口出口に空洞部を設けているが、このような形状では環状渦13を安定して作り出すことは出来ない。
【0013】
ここで開口部と噴流パターンの関係を説明する。
図8は一般的な開口部と噴流パターンの関係を示す説明図である。
噴出口の出口端面が平坦な開口条件の場合、本図において矢印で示した外周から入り込む気流が直角に折れ曲がって噴流に供給される。この際噴出口の出口において噴流と外周から入り込む気流との間に大きな速度勾配が生じるために噴流には渦、旋回等の乱れができ易くなる。本実施の形態では気体噴流5の外周に環状渦13を作り出すことにより噴出口の出口における速度勾配を緩慢にして噴流パターンの改善を図るものである。
噴流中に渦、旋回が生じると噴流から特定の卓越周波数を有する騒音が発生するようになる。この卓越周波数が低ければ噴流の乱れが強く、噴流の拡散も早いことになる。
【0014】
図9は本発明の実施の形態のノズル噴射圧力と卓越周波数の関係を示す図表である。
本図は図1に示す空洞付ノズル3と、図12、図13、図14、図15に示す従来技術のノズル3a、3b、3c、3dのノズル噴射圧力と卓越周波数の関係を示す。図6と同様に横軸に噴射圧力P1を基準噴射圧力P2で割った無次元数をとり、縦軸に噴流騒音の卓越周波数f1を従来技術においてP1=P2とした場合の噴流騒音の卓越周波数f2で割った無次元数をとっている。何れの場合も噴射圧力を高めていくと卓越周波数は低下するが、本実施の形態では卓越周波数は従来技術の2倍を越えている。この結果から本実施の形態の空洞付ノズル3は高圧噴射時にも低周波の乱れが発生せず、拡散し難い構造であることがわかる。
【0015】
図10は本発明の実施の形態と従来のスートブロアの作動回数を比較した図表である。
本図は図1に示す空洞付ノズル3と図12に示すノズル3aをそれぞれ用いたスートブロアの作動回数を比較している。本図の縦軸はスートブロアの作動回数N1を従来のスートブロアの作動回数N2で割ることにより無次元化したものである。スートブロアの作動回数は少ないほど灰の除去効率が高い。
【0016】
図11は本発明の実施の形態と従来のスートブロアの蒸気消費量を比較した図表である。
本実施の形態の空洞付ノズル3を用いたスートブロアは、従来のノズル3aを用いたスートブロアの70%弱まで作動回数を低減でき、従来の2/3まで蒸気消費量を節減できる。一般にボイラのスートブロアはボイラで発生した蒸気を用いるので、蒸気消費量の節減はボイラ効率の向上に貢献する。
本実施の形態の空洞付ノズル3の用途は、混合または拡散よりも噴流を遠くまで貫通させたり、噴流の衝突エネルギを集中させるものに適している。例えばボイラの低NOx燃焼時における二段燃焼用空気の噴出に際しても貫通力が弱ければ火炉内の燃焼後流部全域までは空気が混合し難い。また、石炭ミルの停止時には残炭があると発火の恐れがあるので除去する必要がある。残炭の除去に空気噴流を用いるが衝突受圧力が大きければ、残炭は容易に石炭ミルから火炉へ放出される。
【0017】
以上述べたように本実施の形態によれば、軸方向に貫通力を強くした噴流を生成できるので、灰付着部へ噴流が衝突した時のエネルギが大きくノズルから離れた部位に付着する灰も効率良く除去でき、1つのスートブロアがカバーする領域も拡大し設置する数が少なくなり設備費及び保守費を節減できる。
そして、灰の除去効率が高いので蒸気消費量が節減されてボイラ効率が向上すると共にスートブロアの作動回数も少なくなるから熱応力の繰返し発生による疲労破壊に至り難くスートブロアの寿命が長くなる。
また、灰付着部へ噴流が衝突した時のエネルギが大きいから除去し難い灰も容易に除去でき。
【0018】
【発明の効果】
本発明によれば、噴出口から噴出する噴流の外周に循環する環状渦流が生成し、この環状渦流と噴流との速度勾配は緩慢であるから噴流のパターンの乱れが少なくなり噴流のパターンを下流まで保持するから、灰付着部に噴出エネルギが集中し高い灰の除去効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態のノズルの構成を示す縦断面図である。
【図2】本発明の実施の形態のノズルをランスに装着した例を示す縦断面図である。
【図3】本発明の実施の形態のノズルをランスに装着した他の例を示す縦断面図である。
【図4】本発明の実施の形態のスートブロアの構成を示す縦断面である。
【図5】本発明の他の実施の形態のノズルの構成を示す縦断面図である。
【図6】本発明の実施の形態のノズル噴射圧力と衝突受圧力との関係を示す図表である。
【図7】本発明の実施の形態のノズル内の噴流パターンを示す縦断面図である。
【図8】一般的な開口部と噴流パターンの関係を示す説明図である。
【図9】本発明の実施の形態のノズル噴射圧力と卓越周波数の関係を示す図表である。
【図10】本発明の実施の形態と従来のスートブロアの作動回数を比較した図表である。
【図11】本発明の実施の形態と従来のスートブロアの蒸気消費量を比較した図表である。
【図12】従来のスートブロアのノズルの構成を示す縦断面図である。
【図13】従来のスートブロアの他のノズルの構成を示す縦断面図である。
【図14】従来のスートブロアの他のノズルの構成を示す縦断面図である。
【図15】従来のスートブロアの他のノズルの構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1 ランス
2 噴出気体
2a 流入気体
3 空洞付ノズル
3a ノズル
31a 入口部
32a 直線部
3b ノズル
31b 入口部
32b 拡大部
33b 直線出口部
3c ノズル
31c 釣鐘形空洞部
3d ノズル
31d 円錐形空洞部
4 噴出口
5 気体噴流
6 入口部
7 凹部
8 筒
10 火炉水壁
11 スートブロア収納空間
12 冷却用空気
12a 冷却用空気の噴出
13 環状渦
Claims (10)
- 長尺の管体の管壁に配置したノズルから気流を噴出させて、ボイラの伝熱管に付着する灰を除去するスートブロアにおいて、
前記ノズルは、噴出口の気流噴出側に該噴出口の内径より大きい内径の筒が設けられてなり、前記噴出口の出口端と前記筒の内周との段部に断面が半円の凹部が形成されてなることを特徴とするスートブロア。 - 前記噴出口内径をD1とし、前記筒の内径をD2とした場合に前記D1と前記D2が次の式を満足する関係であることを特徴とする請求項1に記載のスートブロア。
1.2≦D2/D1≦3.8 - 前記噴出口内径をD1とし、前記筒の内径をD2とした場合に前記D1と前記D2が望ましくは次の式を満足する関係であることを特徴とする請求項1に記載のスートブロア。
1.7≦D2/D1≦3.1 - 前記噴出口内径をD1とし、前記筒の長さをLとした場合に前記D1と前記Lが次の式を満足する関係であることを特徴とする請求項1に記載のスートブロア。
1.6≦L/D1≦4.0 - 前記噴出口内径をD1とし、前記筒の長さをLとした場合に前記D1と前記Lが望ましくは次の式を満足する関係であることを特徴とする請求項1に記載のスートブロア。
2.2≦L/D1≦2.8 - 前記凹部の断面の半円の半径をRとし前記噴出口の内径をD1とした場合に次の式を満足する関係であることを特徴とする請求項1に記載のスートブロア。
0.35≦R/D1<0.72 - 前記ノズルは、前記筒の気流噴出側が前記管体の外壁から僅かに突出するように配置されてなることを特徴とする請求項1から請求項6のうちの何れかの請求項に記載のスートブロア。
- 前記ノズルは、前記ノズルの気流流入側が前記管体の内壁から突出しないように配置されてなることを特徴とする請求項1から請求項6のうちの何れかの請求項に記載のスートブロア。
- 請求項8に記載のスートブロアを火炉壁側へ退避させた場合に、前記スートブロアの管体及びノズルが収容可能な空間を火炉壁に設けると共に、前記管体へ冷却用気体を供給する手段を設けたことを特徴とするボイラの火炉。
- 前記筒の長さLを0としたことを特徴とする請求項1に記載のスートブロア。
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