JP4069882B2 - ボイラ - Google Patents

Description

この発明は、予混合式ガスバーナを用いたボイラに関するものである。

周知のように、予混合式ガスバーナは、ダクトの一端に送風機が設けられ、他端に保炎部材が設けられた構成となっており、前記ダクト内で、前記送風機からの燃焼用空気と燃料ガス供給管からの燃料ガスとが予め混合されるようになっている。そして、燃料ガスと燃焼用空気との予混合気が、前記保炎部材へ供給され、燃焼する。

前記予混合式ガスバーナにおいては、燃料ガスと燃焼用空気とを均一に混合させる必要があり、混合が不均一であると、燃焼性に影響し、ＮＯｘやＣＯなどの有害燃焼生成物が増加する。そこで、従来の予混合式ガスバーナにおいては、前記ダクト内に絞り部材を設け、この絞り部材の下流側に燃料ガス供給管を配置することにより、前記絞り部材で燃焼用空気の流れを整流し、整流した後の燃焼用空気へ燃料ガスを供給して、燃料ガスと燃焼用空気との混合が均一となるようにしている（特許文献１参照）。

前記構造は、燃焼用空気の流れを途中で絞っているため、圧力損失が大きくなり、大型の送風機を用いる必要があった。また、前記構造は、前記絞り部材により絞られた状態から拡大して流れる途中の燃焼用空気へ燃料ガスを供給する構成であるため、燃料ガスと燃焼用空気との混合を均一とするには、前記絞り部材の中心と前記燃料ガス供給管の中心とを燃焼用空気の流れ方向において同軸上に位置させる必要があった。両者のずれが大きいと、燃料ガスと燃焼用空気との混合が不均一となるため、その組立てに際しては、高い精度を必要としていた。すなわち、前記構造においては、燃料ガスと燃焼用空気との混合を均一とすることに関して、さらなる改良が求められており、混合の均一化によりＮＯｘやＣＯの排出量をさらに低減することが求められていた。

また、ボイラにおけるＮＯｘの生成を抑制する方法としては、バーナからの火炎を伝熱管に接触させて冷却し、火炎温度を低下させる方法がある（特許文献２参照）。この方法によれば、ＮＯｘの排出量は３５〜４０ppmまで低減することができるが、近年さらなる低ＮＯｘ化が求められていた。

実開平４−２５９２０号公報 米国特許第５３５３７４８号公報（日本国特許第３２２１５８２号）

この発明が解決しようとする課題は、予混合式ガスバーナを用いたボイラにおいて、燃料ガスと燃焼用空気との混合性を向上させ、ＮＯｘやＣＯの排出量を低減することである
。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、複数の伝熱管を有する缶体と、燃料ガスと燃焼用空気とを混合するダクトを有する予混合式ガスバーナと、長手方向に沿って多数の燃料ガス噴出孔を有するとともに、前記ダクト内に燃焼用空気の流れ方向と直交する方向に配置された複数の燃料ガス供給管と、前記ダクトの下流端に設けられ、前記伝熱管に近接して配置された保炎部材とを備え、隣接する前記各燃料ガス供給管における前記各燃料ガス噴出孔は、各燃料ガス噴出孔からの燃料ガスが、互いに衝突することなく、互い違いの方向へ噴出するように、互いに半ピッチずれて構成され、前記保炎部材からの火炎を前記伝熱管により冷却してＮＯｘの発生を抑制するようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、燃料ガスと燃焼用空気との混合性を格段に向上させることができる。したがって、均一に混合された予混合気を生成することができ、ＮＯｘやＣＯなどの有害燃焼生成物の排出量を非常に低く抑えることができるボイラを提供することが可能となる。また、従来のような絞り部材が設けられていないため、圧力損失を小さくすることができ、燃焼用空気供給手段として小型のものを用いることができる。

つぎに、この発明の実施の形態について説明する。まず、この発明に係る予混合式ガスバーナについて説明する。この発明に係る予混合式ガスバーナは、燃料ガスと燃焼用空気とを混合するダクトを備え、このダクトの一端に燃焼用空気供給手段が接続されているとともに、他端に保炎部材が設けられている。前記燃焼用空気供給手段としては、たとえば送風機が設けられている。前記保炎部材は、たとえば多数の保炎孔を備え、平板形状をしている。

また、前記ダクト内には、長手方向に沿って多数の燃料ガス噴出孔を有する燃料ガス供給管が複数設けられている。この各燃料ガス供給管は、燃焼用空気の流れ方向と直交する方向に配置されており、燃焼用空気の流れ方向に対して並列に配置されている。そして、前記各燃料ガス供給管は、互いに平行に所定の間隔をおいて配置されており、隣接する前記各燃料ガス供給管間を燃焼用空気が流れるようになっている。前記燃料ガス供給管の本数は、前記ダクトの断面積や、燃焼用空気が前記燃料ガス供給管の側方を通過する際の圧力損失などを勘案して設定され、通常２〜４本となる。

また、前記各燃料ガス供給管において、前記各燃料ガス噴出孔は、その長手方向に沿って等ピッチで２列設けられ、各列は、前記各燃料ガス供給管の長手軸に対して互いにほぼ反対側の位置に配置されている。そして、隣接する前記各燃料ガス供給管において、互いに対向する前記各燃料ガス噴出孔は、その配列ピッチが半ピッチずつずれて配置されている。そうすることにより、隣接する前記各燃料ガス供給管における前記各燃料ガス噴出孔からの燃料ガスが、互いに衝突することなく、互い違いの方向へ噴出するようになっている。ここにおいて、前記各燃料ガス噴出孔の直径や配列ピッチは、燃料ガスの流速や圧力損失などを勘案して設定され、通常は、直径が４〜６mmに設定され、各列における配列ピッチが１０〜２５mmに設定される。また、前記各燃料ガス噴出孔の列数は、実施に応じて、３列以上，たとえば４列とすることもできる。

ところで、前記各燃料ガス供給管を前記ダクト内に設けるにあたっては、燃焼用空気の
偏流が少なく、前記ダクト内の流路断面における速度分布にバラツキが少ない領域に設ける。すなわち、前記ダクトにおける前記各燃料ガス供給管の上流側において、直角に曲がっている屈曲部をなるべく設けず、また屈曲部を設ける場合は、偏流を緩和するガイドベーンを設ける。また、前記ダクトにおける前記各燃料ガス供給管の上流側には、燃焼用空気の流量を調節するダンパ部材をなるべく設けず、前記燃焼用空気供給手段の回転数をインバータにより制御して燃焼用空気の流量を調節するようにし、前記ダンパ部材を設ける場合は、前記各燃料ガス供給管から充分に離れた位置に設ける。

つぎに、前記構成における作用について説明する。前記構成において、前記各燃料ガス噴出孔から噴出した燃料ガスは、前記燃焼用空気供給手段からの燃焼用空気と混合されて、予混合気となる。そして、この予混合気は、前記保炎部材へ至り、前記保炎部材から噴出して燃焼し、火炎が形成される。

ここにおいて、燃料ガスと燃焼用空気との混合は、つぎのようにして行われる。燃焼用空気が前記各燃料ガス供給管の近傍を通過する際、燃焼用空気に対して、燃料ガスが、前記各燃料ガス噴出孔により細分化されて供給され、また複数の前記燃料ガス供給管から分割されて供給される。これにより、燃料ガスと燃焼用空気との接触領域が、格段に増加し、両者の混合が促進される。したがって、両者が均一に混合した予混合気を生成することができ、ＮＯｘやＣＯなどの有害燃焼生成物の排出量を非常に低く抑えることができる。すなわち、均一に混合した予混合気を生成することにより、火炎に局所的な高温部が発生するのが抑制されて、低ＮＯｘ化が実現されるとともに、混合ムラに伴う燃焼時のＣＯの発生が抑制される。

また、隣接する前記各燃料ガス供給管における前記各燃料ガス噴出孔からは、燃料ガスが、互い違いの方向へ噴出し、燃料ガスの噴出が互いに阻害されないので、燃料ガスの噴出方向の到達距離が長くなる。したがって、燃料ガスと燃焼用空気との混合促進にさらに効果的である。

さらに、前記構成によれば、従来のような絞り部材が設けられていないため、圧力損失を小さくすることができ、前記燃焼用空気供給手段として小型のものを用いることができる。

つぎに、この発明に係るボイラについて説明する。この発明に係るボイラは、前記予混合式ガスバーナを備えているとともに、上部管寄せと下部管寄せとを複数の伝熱管で連結した缶体を備えている。そして、前記保炎部材を前記伝熱管に近接させて配置し、前記保炎部材からの火炎を前記伝熱管により冷却してＮＯｘの発生を抑制するようにしている。すなわち、火炎を前記伝熱管に接触させて火炎温度を低下させ、ＮＯｘの発生を抑制するようにしている。

したがって、前記ボイラにおいては、前記予混合式ガスバーナにおける燃料ガスと燃焼用空気との混合性の向上に伴い、火炎に局所的な高温部が発生するのが抑制されて、低ＮＯｘ化が実現されるとともに、前記缶体における火炎の冷却により、低ＮＯｘ化が実現される。したがって、２つの低ＮＯｘ化の相乗効果により、大幅にＮＯｘの排出量を低減することができる。

また、前記予混合式ガスバーナによれば、圧力損失を小さくすることができるため、前記ボイラにＮＯｘ低減手段を追加して、さらなる低ＮＯｘ化を図る場合においても、前記燃焼用空気供給手段を大型化する必要がない。前記ＮＯｘ低減手段としては、たとえば排ガス再循環装置や蒸気噴射装置などがある。前記排ガス再循環装置は、前記ボイラからの排ガスの一部を燃焼用空気へ混入して火炎温度を低下させることにより、ＮＯｘの発生を
抑制するものである。また、前記蒸気噴射装置は、蒸気を火炎へ噴射して火炎温度を低下させることにより、ＮＯｘの発生を抑制するものである（蒸気に代えて水を噴射することも可能）。前記排ガス再循環装置および前記蒸気噴射装置は、どちらか一方を設けることもできるし、両方設けることもできる。

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。まず、この発明に係る予混合式ガスバーナ１の一実施例について説明する。図１に示すように、前記予混合式ガスバーナ１は、燃料ガスと燃焼用空気とを混合するダクト２を備え、このダクト２の一端に燃焼用空気供給手段３としての送風機（以下、「送風機３」と云う。）が接続されているとともに、他端に保炎部材４が設けられている。前記送風機３は、モータ（図示省略）により羽根車（図示省略）を回転させて、空気を供給する構成になっている。また、前記保炎部材４は、平板形状をしており、その表面に多数の保炎孔（図示省略）を備えている。

前記ダクト２内には、上流側から順にダンパ部材５および２本の燃料ガス供給管６，６が設けられている。前記ダンパ部材５は、前記送風機３からの燃焼用空気の流量を調整するものであり、モータ（図示省略）によりその開度が制御されるようになっている。前記各燃料ガス供給管６は、燃料ガスの供給元管（図示省略）から２本に分岐し、燃焼用空気の流れ方向と直交する方向に配置されており、燃焼用空気の流れ方向に対して並列に配置されている。また、前記各燃料ガス供給管６は、前記ダンパ部材５から所定距離（通常は、３０cm以上）離れた位置，すなわち燃焼用空気の偏流が少ない領域に設けられている。また、前記各燃料ガス供給管６の上流側近傍には、従来の絞り部材を設けない構造となっている。

ここにおいて、前記各燃料ガス供給管６の詳細を図２および図３に拡大して示す。前記各燃料ガス供給管６は、その長手方向に沿って多数の燃料ガス噴出孔７，７，…を有している。すなわち、前記各燃料ガス供給管６は、前記ダクト２の内壁側およびその反対側（隣接する前記燃料ガス供給管６側）にそれぞれ１列ずつ、前記各燃料ガス噴出孔７を備えている。また、前記各燃料ガス供給管６は、互いに平行に所定の間隔をおいて配置されており、前記ダクト２内の流路断面を左側流路８，中央流路９および右側流路１０の３つに分割するように配置されている。具体的には、前記ダクト２内の横幅Ａ，前記両燃料ガス供給管６間の距離Ｂおよび前記ダクト２の内壁と前記各燃料ガス供給管６との距離Ｃにおいて、Ｂ＝Ａ／２，Ｃ＝Ｂ／２としている。そして、前記各流路８，９，１０における最も狭い箇所の流路断面積が、前記各流路８，９，１０へ噴出する燃料ガスの量に応じて、１：２：１に設定されている。

また、前記各燃料ガス噴出孔７は、前記各燃料ガス供給管６の長手方向において、配列ピッチＤにて配置されており、前記両燃料ガス供給管６を並べた状態で、前記両燃料ガス供給管６における前記各燃料ガス噴出孔７が、半ピッチ（Ｄ／２）ずつずれた位置となるように、前記両燃料ガス供給管６は設置されている。すなわち、前記両燃料ガス供給管６において、前記中央流路９に面する互いに対向する前記各燃料ガス噴出孔７の位置関係が、いわゆる千鳥状となっている。これは、対向する前記各燃料ガス噴出孔７からの燃料ガスが、互いに衝突することなく、互い違いの方向へ噴出し、燃料ガスの噴出方向の到達距離が長くなるようにするためである。

さらに、前記各燃料ガス噴出孔７は、燃料ガスの噴出方向が燃焼用空気の流れ方向に対してやや上流側へ向くように配置されている。すなわち、図２に示すように、燃料ガスの噴出方向が、燃焼用空気の流れ方向に対して直交する方向（図２における水平方向）から上流側へ向けて噴出角θだけ傾斜している。これは、燃料ガスを前記各燃料ガス供給管６
から水平方向へできるだけ遠く離れた位置まで到達させるとともに、前記各燃料ガス供給管６から燃焼用空気の流れの上流側方向へもできるだけ離れた位置まで到達させて、燃料ガスと燃焼用空気との接触領域を増加させるためである。前記噴出角θは、燃料ガスの噴出速度および燃焼用空気の流速を勘案して設定され、通常２５〜５０°に設定される。図示した実施例では、前記噴出角θは３０°に設定されている。

以下、前記構成における作用について説明する。前記構成において、前記送風機３からの燃焼用空気が、前記両燃料ガス供給管６の近傍を通過する際、前記各流路８，９，１０のすぐ上流側において、前記各燃料ガス噴出孔７から噴出した燃料ガスが、燃焼用空気と混合される。前記燃料ガス供給管６を複数とすることにより、燃料ガスが複数箇所に分割されて供給される。すなわち、図示した実施例では、大きく分けて４つに分割されて供給される。したがって、燃料ガスと燃焼用空気との接触領域が、格段に増加し、両者の混合が促進される。

また、前記両燃料ガス供給管６における前記各燃料ガス噴出孔７からは、燃料ガスが、互い違いの方向へ噴出し、燃料ガスの噴出が互いに阻害されないので、燃料ガスの噴出方向の到達距離が長くなる。したがって、燃料ガスと燃焼用空気との混合促進にさらに効果的である。

このようにして、燃料ガスと燃焼用空気は、混合されて予混合気となり、前記保炎部材４へ至る間にさらに混合される。そして、この予混合気は、前記保炎部材４から噴出して燃焼し、火炎が形成される。

以上のように、前記構成によれば、燃料ガスと燃焼用空気との混合性が格段に向上し、均一に混合された予混合気が前記保炎部材４で燃焼するため、火炎に局所的な高温部が発生するのが抑制されて、低ＮＯｘ化が実現されるとともに、混合ムラに伴う燃焼時のＣＯの発生が抑制される。したがって、ＮＯｘやＣＯなどの有害燃焼生成物の排出量を非常に低く抑えることができる。また、前記構成によれば、従来のような絞り部材が設けられていないため、圧力損失を小さくすることができ、前記送風機３として小型のものを用いることができる。したがって、前記送風機３の消費電力を低減することができるとともに、前記予混合式ガスバーナ１をコンパクトで低コストのものとすることができる。

つぎに、前記予混合式ガスバーナ１を用いたボイラの一実施例について、図４および図５に基づいて説明する。このボイラは、缶体１１を備え、この缶体１１の側面に前記予混合式ガスバーナ１が設けられている。前記缶体１１は、矩形の上部管寄せ１２および下部管寄せ１３を備え、これらの両管寄せ１２，１３間には、複数の伝熱管１４，１４，…が千鳥状に５列配置されている。前記各伝熱管１４の上端および下端は、前記上部管寄せ１２および前記下部管寄せ１３にそれぞれ接続してある。そして、前記各伝熱管１４のうち両外側の列における各伝熱管１４は、縦ヒレ部材１５，１５，…により隣り合うもの同士を連結することにより、一対の伝熱管壁１６，１６を構成している。

前記各伝熱管壁１６間の一端側には、前記予混合式ガスバーナ１が設けられており、また他端側には、排ガス出口１７を有する煙突１８が設けられている。したがって、前記各伝熱管壁１６間には、前記予混合式ガスバーナ１から前記排ガス出口１７へ至るガス通路１９が形成されている。また、前記予混合式ガスバーナ１における前記保炎部材４は、前記ガス通路１９の入口側における前記各伝熱管１４に近接して配置されており、前記保炎部材４からの火炎を前記各伝熱管１４により冷却してＮＯｘの発生を抑制するようにしている。そして、前記ガス通路１９の途中においては、前記伝熱管１４を設けない燃焼反応継続領域２０，２０を形成し、これらの各燃焼反応継続領域２０でＣＯの酸化を促進する
ようにしている。

以下、前記ボイラにおける作用について説明する。前記予混合式ガスバーナ１において、前記のようにして均一に混合された予混合気は、前記保炎部材４から噴出して燃焼し、火炎２１が形成される。この火炎２１は、前記ガス通路１９のほぼ中央部分まで延び、前記各伝熱管１４に接触して、前記各伝熱管１４内の被加熱流体との熱交換により冷却される。よって、火炎温度が１４００℃以下に低下して、ＮＯｘの発生が抑制される。また、燃焼反応で生じたＣＯやＨＣなどの中間生成物は、前記各燃焼反応継続領域２０で所定の温度に維持され、酸化反応が促進される。このようにして、前記ガス通路１９内においては、燃焼および熱交換の両方が行われ、燃焼がほぼ完了したガスは、排ガスとして前記煙突１８から外部へ排出される。また、熱交換により加熱された前記各伝熱管１４内の被加熱流体は、蒸気となって前記上部管寄せ１２から外部へ供給される。

以上のように、前記ボイラにおいては、前記予混合式ガスバーナ１における燃料ガスと燃焼用空気との混合性の向上に伴う低ＮＯｘ化と、前記缶体１１における前記火炎２１の冷却による低ＮＯｘ化との相乗効果により、大幅にＮＯｘの排出量を低減することができ、ＮＯｘの排出量は２０ppm以下となる。すなわち、予混合気が均一であるので、局所的な高温部が発生せず、火炎冷却の効果を確実に得ることができる。また、ＣＯの発生量低減に関しても大きな効果を得ることができ、ＣＯの排出量は、従来のものより２０〜３０％低減され、２５ppm以下とすることができる。

さらに、前記予混合式ガスバーナ１によれば、圧力損失を小さくすることができるため、前記ボイラに排ガス再循環装置や蒸気噴射装置などのＮＯｘ低減手段（図示省略）を追加して、さらなる低ＮＯｘ化を図る場合においても、前記送風機３を大型化する必要がない。前記ＮＯｘ低減手段を設ける場合、前記排ガス再循環装置および前記蒸気噴射装置のうち１つを設けるかまたは２つを組み合わせて設け、そうすることにより、さらにＮＯｘの排出量を低減することができ、ＮＯｘの排出量は１５ppm以下とすることができる。

ところで、前記ボイラにおいては、実施に応じて、前記各燃焼反応継続領域２０を設けない構造とすることもできる。すなわち、前記各燃焼反応継続領域２０内にも前記伝熱管１４を設けて、これらの伝熱管１４の間の流路で燃焼反応を継続させるようにする。

この発明に係る予混合式ガスバーナの一実施例を示す説明図である。 図１の要部を拡大して示す縦断面図である。 図２のIII−III線に沿った断面を示す横断面図である。 この発明に係るボイラの一実施例を示す縦断面図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿った断面を示す横断面図である。

符号の説明

１ 予混合式ガスバーナ
２ ダクト
４ 保炎部材
６ 燃料ガス供給管
７ 燃料ガス噴出孔
１１ 缶体
１４ 伝熱管

Claims (1)

1. 複数の伝熱管１４を有する缶体１１と、燃料ガスと燃焼用空気とを混合するダクト２を有する予混合式ガスバーナ１と、長手方向に沿って多数の燃料ガス噴出孔７を有するとともに、前記ダクト２内に燃焼用空気の流れ方向と直交する方向に配置された複数の燃料ガス供給管６と、前記ダクト２の下流端に設けられ、前記伝熱管１４に近接して配置された保炎部材４とを備え、
   隣接する前記各燃料ガス供給管６における前記各燃料ガス噴出孔７は、各燃料ガス噴出孔７からの燃料ガスが、互いに衝突することなく、互い違いの方向へ噴出するように、互いに半ピッチずれて構成され、
   前記保炎部材４からの火炎を前記伝熱管１４により冷却してＮＯｘの発生を抑制するようにしたことを特徴とするボイラ。

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