JP4400921B2

JP4400921B2 - 多管式貫流ボイラ

Info

Publication number: JP4400921B2
Application number: JP2004152877A
Authority: JP
Inventors: 静夫片岡; 晴男野上; 伸章林本
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2024-05-24
Also published as: JP2005337515A

Description

本発明は、燃焼室を有するボイラ、特に、複数の水管及びヒレから成る二つの環状の水冷壁を同心円状に配設して内側の水冷壁と外側の水冷壁との間に環状の燃焼室を形成すると共に、内側の水冷壁で囲まれた空間に接触熱伝達を行う環状の燃焼ガス通路を形成した多管式貫流ボイラに係り、接触熱伝達を行う水管の単位面積当たりの熱吸収量を増加させるようにした多管式貫流ボイラに関するものである。

従来、多管式貫流ボイラとしては、燃焼室を円筒状に形成した多管式貫流ボイラや燃焼室を矩形状に形成した多管式貫流ボイラが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

即ち、燃焼室を円筒状に形成した多管式貫流ボイラは、図５に示す如く、内方に円形の燃焼室２０を形成する環状の水冷壁２１と、水冷壁２１の外方位置に同心円状に配設されて水冷壁２１との間に燃焼室２０に連通する環状の燃焼ガス通路２２を形成する環状の水冷壁２３（又はシェル）と、燃焼室２０の上部に配設されたバーナ２４と、両水冷壁２１，２３の水管の上下端部が夫々連通状に接続された上部ヘッダー２５及び下部ヘッダー２６等から成り、バーナ２４の燃焼により発生した燃焼ガスＧが燃焼室２０内で輻射伝熱により内側の水冷壁２１の水管へ熱を与えた後、内側の水冷壁２１に形成したスリット２７から環状の燃焼ガス通路２２内に流入し、ここで接触伝熱により内側の水冷壁２１及び外側の水冷壁２３の各水管へ熱を与えた後、外側の水冷壁２３に形成した燃焼ガス出口２８からボイラ外部へ排出されるように構成されている。
又、この多管式貫流ボイラは、その接触伝熱部に於いて燃焼ガスＧと接触する水管に複数のフィン（図示省略）を取り付け、伝熱面積を増加することによって、熱吸収量の増大を図っている。

一方、燃焼室を矩形状に形成した多管式貫流ボイラは、図６に示す如く、対向状に配置された直線状の水冷壁３０と、両水冷壁３０で囲まれた空間の上流側に形成された燃焼室３１と、両水冷壁３０で囲まれた空間の下流側に形成されて複数の伝熱水管３２ａから成る伝熱水管群３２を配設した燃焼ガス通路３３と、燃焼室３１の側面側又は底面側に配設されたバーナ３４と、両水冷壁３０の水管及び伝熱水管３２ａの上下端部が夫々連通状に接続された上部ヘッダー３５及び下部ヘッダー３６等から成り、バーナ３４の燃焼により発生した燃焼ガスＧが燃焼室３１内で輻射伝熱により水冷壁３０の水管へ熱を与えた後、燃焼ガス通路３３内に流入してここで接触伝熱により伝熱水管群３２及び水冷壁３０の各水管へ熱を与え、燃焼ガス出口３７からボイラ外部へ放出されるように構成されている。
又、この多管式貫流ボイラは、その接触伝熱部に於いて燃焼ガスＧと接触する伝熱水管３２ａに複数のフィン（図示省略）を取り付け、伝熱面積を増加することによって、熱吸収量の増大を図っている。

しかし、前記両多管式貫流ボイラは、何れもボイラ内を通過した燃焼ガスＧが一般的に上向きに放出される構造となっているため、接触伝熱部に於いてここを流れる燃焼ガスＧは図７に示すように上部寄りの偏流となり、接触伝熱部の下部領域に接触伝熱が有効に行われない領域Ｚが発生すると云う問題があった。

一方、本件出願人は、接触伝熱部に於いて燃焼ガスＧの偏流が生じることなく接触伝熱が有効に行われるようにした多管式貫流ボイラを開発し、これを先に特許出願（特願２００４−７５７０）している。

即ち、前記多管式貫流ボイラは、図８及び図９に示す如く、複数の水管４０ａ及びヒレ４０ｂから成る環状の水冷壁４０と、内側の水冷壁４０の外方位置に同心円状に配設されて複数の水管４１ａ及びヒレ４１ｂから成る環状の水冷壁４１と、両水冷壁４０，４１の間に形成された環状の燃焼室４２と、両水冷壁４０，４１の各水管４０ａ，４１ａの上下端部が夫々連通状に接続された上部ヘッダー４３及び下部ヘッダー４４と、内側の水冷壁４０で囲まれた空間内に配設されて上下端部が上部ヘッダー４３及び下部ヘッダー４４に夫々連通状に接続された複数の伝熱水管４５ａから成る伝熱水管群４５と、伝熱水管群４５と内側の水冷壁４０との隙間及び伝熱水管群４５の隙間に形成された燃焼ガス通路４６等から成り、外側の水冷壁４１の上端部に形成した焚き口４７から燃焼室４２内にガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａ（又は予混合ガス）を燃焼室４２壁面に沿ってその接線方向へ噴出して燃焼させ、燃焼室４２内に燃焼室４２壁面に沿うサイクロン火炎Ｃを形成すると共に、燃焼ガスＧを旋回させながら燃焼室４２内を上方から下方へ向かって流した後、当該燃焼ガスＧを内側の水冷壁４０の下端部に形成した燃焼ガス通過口４８から燃焼ガス通路４６内へ流入させて燃焼ガス通路４６内を下方から上方へ向って流し、燃焼ガス通路４６の上端部に連通状に接続された煙道４９からボイラ外部へ排出する構成としている。

又、この多管式貫流ボイラの接触伝熱部の構造としては、図８及び図９に示す構造の他に、各伝熱水管４５ａの外周面に、複数のフィンを相対する伝熱水管４５ａに対して交互に且つ伝熱水管４５ａの長手方向に垂直に取り付け、燃焼ガス通路４６内に流入した燃焼ガスＧが燃焼ガス通路４６を下方から上方へジグザグ状に流れるようにした構造のもの、各伝熱水管４５ａの外周面に、複数のフィンを隣接する伝熱水管４５ａに対して階段状に且つ伝熱水管４５ａの長手方向に垂直に取り付け、燃焼ガス通路４６内に流入した燃焼ガスＧが燃焼ガス通路４６を下方から上方へ旋回しながら流れるようにした構造のもの、或いは各伝熱水管４５ａの外周面に、複数のフィンを放射状に且つ伝熱水管４５ａの長手方向に平行に取り付け、燃焼ガス通路内４６に流入した燃焼ガスＧが燃焼ガス通路４６を下方から上方へフィンと接触しながら流れるようにした構造のもの等が夫々提案されている（何れも図示省略）。
上述した構造の接触伝熱部を備えた多管式貫流ボイラに於いては、何れも接触伝熱部に於いて燃焼ガスＧの偏流が生じると云うことがなく、接触伝熱が有効に行われる等の利点を有する。

ところで、燃焼ガスＧと水管の接触によって行われる接触熱伝達に於いては、一般的に燃焼ガスＧが水管に対して平行に流れるようにした管平行流に比較して、燃焼ガスＧが水管に対して交差する状態で流れるようにした管直交流の方が熱伝達率に於いて優れていることが知られている。
ところが、上述した多管式貫流ボイラ（図８及び図９に示すもの）は、その接触伝熱部に於いて燃焼ガスＧの流れる方向が伝熱水管４５ａに対して平行流又は平行流に近い流れとなっているため、接触伝熱部に於いては熱伝達率をあまり高めることができないと云う問題があった。
又、従来の多管式貫流ボイラは、燃焼ガスＧがボイラ本体の側面から水平方向へ放出される構造となっているため、図１０（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示す如く、燃焼ガスＧをエコノマイザ５０へ通して煙突５１から大気中へ放出する場合や燃焼ガスＧをエコノマイザ５０を通さずに煙突５１から大気中へ放出する場合、何れも燃焼ガスＧの流れを水平方向から鉛直方向へ曲げるためのＬ型の煙道ダクト５２が必要であり、このＬ型の煙道ダクト５２をエコノマイザ５０やボイラ本体に接続しなければならなかった。その結果、従来の多管式貫流ボイラに於いては、ボイラから排出された燃焼ガスＧがＬ字状に流れることになり、スムースな排煙を行い難くなるうえ、ボイラ外に設置されたＬ型の煙道ダクト５２によりボイラの小型化が妨げられると云う問題があった。
特開２０００−１８５０２号公報特開２０００−３９１０１号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は接触熱伝達を行う水管の単位面積当たりの熱吸収量を増加させてボイラの高効率化及び小型化を図れると共に、燃焼ガスの排出をスムースに行えるようにした多管式貫流ボイラを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１の発明は、複数の水管及びヒレから成る二つの環状の水冷壁を同心円状に配設して内側の水冷壁と外側の水冷壁との間に環状の燃焼室を形成し、又、内側の水冷壁で囲まれた空間内に、当該内側の水冷壁と同心円状に円筒状の鋼板材又は円筒状の耐火材から成る内壁を配設し、前記内側の水冷壁と内壁との間に環状の燃焼ガス通路を形成して内側の水冷壁の下端部に形成した複数の燃焼ガス通過口により前記燃焼室と燃焼ガス通路とを連通させ、前記内側の水冷壁及び外側の水冷壁の各水管の上下端部を上部ヘッダー及び下部ヘッダーに夫々連通状に接続して成る多管式貫流ボイラであって、前記外側の水冷壁の上端部に燃焼室の上端部に開口する焚き口を形成し、当該焚き口から燃焼室内にガス燃料と燃焼用空気又はガス燃料と燃焼用空気を混合させて成る予混合ガスを燃焼室壁面に沿ってその接線方向へ噴出して燃焼させ、燃焼により発生した燃焼ガスを燃焼室内で旋回させながら燃焼室内を上方から下方へ流して燃焼ガス通過口から燃焼ガス通路内に流入させ、又、前記環状の燃焼ガス通路内に一本又は複数本の伝熱水管を内壁の外周面及び内側の水冷壁の内周面に沿う姿勢で螺旋状に配設し、当該伝熱水管の上下端部を上部ヘッダー及び下部ヘッダーに夫々連通状に接続すると共に、伝熱水管の外周面に伝熱水管の長手方向に対して垂直なフィンを一定間隔毎に或いは下方から上方へ向って徐々に間隔が狭くなるように取り付け、燃焼ガス通路内に流入した燃焼ガスが、伝熱水管に取り付けたフィンにより伝熱水管と交差するようにして燃焼ガス通路内を下方から上方へ向って螺旋状に流れるようにしたことに特徴がある。

本発明の請求項２の発明は、複数の水管及びヒレから成る二つの環状の水冷壁を同心円状に配設して内側の水冷壁と外側の水冷壁との間に環状の燃焼室を形成し、又、内側の水冷壁で囲まれた空間内に、当該内側の水冷壁と同心円状に複数の水管及びヒレから成る環状の水冷壁により形成した内壁を配設し、前記内側の水冷壁と内壁との間に環状の燃焼ガス通路を形成して内側の水冷壁の下端部に形成した複数の燃焼ガス通過口により前記燃焼室と燃焼ガス通路とを連通させ、前記内側の水冷壁、外側の水冷壁及び内壁の各水管の上下端部を上部ヘッダー及び下部ヘッダーに夫々連通状に接続して成る多管式貫流ボイラであって、前記外側の水冷壁の上端部に燃焼室の上端部に開口する焚き口を形成し、当該焚き口から燃焼室内にガス燃料と燃焼用空気又はガス燃料と燃焼用空気を混合させて成る予混合ガスを燃焼室壁面に沿ってその接線方向へ噴出して燃焼させ、燃焼により発生した燃焼ガスを燃焼室内で旋回させながら燃焼室内を上方から下方へ流して燃焼ガス通過口から燃焼ガス通路内に流入させ、又、前記環状の燃焼ガス通路内に一本又は複数本の伝熱水管を内壁の外周面及び内側の水冷壁の内周面に沿う姿勢で螺旋状に配設し、当該伝熱水管の上下端部を上部ヘッダー及び下部ヘッダーに夫々連通状に接続すると共に、伝熱水管の外周面に伝熱水管の長手方向に対して垂直なフィンを一定間隔毎に或いは下方から上方へ向って徐々に間隔が狭くなるように取り付け、燃焼ガス通路内に流入した燃焼ガスが、伝熱水管に取り付けたフィンにより伝熱水管と交差するようにして燃焼ガス通路内を下方から上方へ向って螺旋状に流れるようにしたことに特徴がある。

本発明の請求項３の発明は、上部ヘッダーを中空構造の環状に形成してその中央部に形成された空間を燃焼ガス排出口とすると共に、当該燃焼ガス排出口に環状の燃焼ガス通路の上方の出口側を連通させ、燃焼ガス通路内を流れて来た燃焼ガスをボイラ中心部に集合させて上部ヘッダーの燃焼ガス排出口からボイラ外部へ排出するようにしたことに特徴がある。

本発明の請求項１の発明は、二つの環状の水冷壁を同心円状に配設して両水冷壁間に環状の燃焼室を形成し、又、内側の水冷壁で囲まれた空間内に、当該内側の水冷壁と同心円状に円筒状の鋼板材又は円筒状の耐火材から成る内壁を配設し、前記内側の水冷壁と内壁との間に環状の燃焼ガス通路を形成して内側の水冷壁の下端部に形成した複数の燃焼ガス通過口により前記燃焼室と燃焼ガス通路とを連通させ、前記内側の水冷壁及び外側の水冷壁の各水管の上下端部を上部ヘッダー及び下部ヘッダーに夫々連通状に接続して成る多管式貫流ボイラに於いて、前記外側の水冷壁の上端部に燃焼室の上端部に開口する焚き口を形成し、当該焚き口から燃焼室内にガス燃料と燃焼用空気又はガス燃料と燃焼用空気を混合させて成る予混合ガスを燃焼室壁面に沿ってその接線方向へ噴出して燃焼させ、燃焼により発生した燃焼ガスを燃焼室内で旋回させながら燃焼室内を上方から下方へ流して燃焼ガス通過口から燃焼ガス通路内に流入させ、又、前記環状の燃焼ガス通路内に伝熱水管を内壁の外周面及び内側の水冷壁の内周面に沿う姿勢で螺旋状に配設し、当該伝熱水管の上下端部を上部ヘッダー及び下部ヘッダーに夫々連通状に接続すると共に、伝熱水管の外周面に伝熱水管の長手方向に対して垂直なフィンを一定間隔毎に或いは下方から上方へ向って徐々に間隔が狭くなるように取り付ける構成としている。その結果、燃焼ガス通路内に流入した燃焼ガスは、伝熱水管に取り付けたフィンにより伝熱水管と交差するようにして燃焼ガス通路内を下方から上方へ向って螺旋状に流れることになる。即ち、本発明の請求項１の多管式貫流ボイラは、燃焼ガスと各水管との接触伝熱部に於いて燃焼ガスの流れが各水管に対して交差する直交流若しくは傾斜直交流となり、燃焼ガスが水管に対して平行に流れる管平行流に比較して各水管の単位面積当たりの熱吸収量を増加させることができ、ボイラの高効率化及び小型化を図ることができる。

本発明の請求項２の発明は、二つの環状の水冷壁を同心円状に配設して両水冷壁間に環状の燃焼室を形成し、又、内側の水冷壁で囲まれた空間内に、当該内側の水冷壁と同心円状に複数の水管及びヒレから成る環状の水冷壁により形成した内壁を配設し、前記内側の水冷壁と内壁との間に環状の燃焼ガス通路を形成して内側の水冷壁の下端部に形成した複数の燃焼ガス通過口により前記燃焼室と燃焼ガス通路とを連通させ、前記内側の水冷壁、外側の水冷壁及び内壁の各水管の上下端部を上部ヘッダー及び下部ヘッダーに夫々連通状に接続して成る多管式貫流ボイラに於いて、前記外側の水冷壁の上端部に燃焼室の上端部に開口する焚き口を形成し、当該焚き口から燃焼室内にガス燃料と燃焼用空気又はガス燃料と燃焼用空気を混合させて成る予混合ガスを燃焼室壁面に沿ってその接線方向へ噴出して燃焼させ、燃焼により発生した燃焼ガスを燃焼室内で旋回させながら燃焼室内を上方から下方へ流して燃焼ガス通過口から燃焼ガス通路内に流入させ、又、前記環状の燃焼ガス通路内に伝熱水管を内壁の外周面及び内側の水冷壁の内周面に沿う姿勢で螺旋状に配設し、当該伝熱水管の上下端部を上部ヘッダー及び下部ヘッダーに夫々連通状に接続すると共に、伝熱水管の外周面に伝熱水管の長手方向に対して垂直なフィンを一定間隔毎に或いは下方から上方へ向って徐々に間隔が狭くなるように取り付ける構成としている。その結果、燃焼ガス通路内に流入した燃焼ガスは、伝熱水管に取り付けたフィンにより伝熱水管と交差するようにして燃焼ガス通路内を下方から上方へ向って螺旋状に流れることになる。即ち、本発明の請求項２の多管式貫流ボイラは、燃焼ガスと各水管との接触伝熱部に於いて燃焼ガスの流れが各水管に対して交差する直交流若しくは傾斜直交流となり、燃焼ガスが水管に対して平行に流れる管平行流に比較して各水管の単位面積当たりの熱吸収量を増加させることができ、ボイラの高効率化及び小型化を図ることができる。

本発明の請求項３の発明は、上部ヘッダーを中空構造の環状に形成してその中央部に形成された空間を燃焼ガス排出口とし、この燃焼ガス排出口に環状の燃焼ガス通路の上方の出口側を連通させる構成としているため、燃焼ガス通路内を流れて来た燃焼ガスがボイラ中心部に集合して上部ヘッダーの燃焼ガス排出口から排出されることになる。即ち、本発明の請求項３の多管式貫流ボイラは、燃焼ガスを鉛直方向へ排出する構成としているため、燃焼ガスをエコノマイザへ通してから大気中へ放出する場合や燃焼ガスをエコノマイザを通さずに大気中へ放出する場合、燃焼ガス排出口にエコノマイザや煙突を接続するだけで良く、従来の多管式貫流ボイラのようにＬ型の煙道ダクトを設置して燃焼ガスの流れの向きを変更したりする必要もない。その結果、通風抵抗が小さくなってスムースな排煙を行えると共に、より一層ボイラの小型化を図れることになる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１乃至図３は本発明の実施形態に係る多管式貫流ボイラを示し、当該多管式貫流ボイラは、複数の水管１ａ及びヒレ１ｂから成る環状の内側の水冷壁１と、内側の水冷壁１の外方位置に同心円状に配設されて複数の水管２ａ及びヒレ２ｂから成る環状の外側の水冷壁２と、内側の水冷壁１と外側の水冷壁２との間に形成された環状の燃焼室３と、外側の水冷壁２に形成した焚き口４に接続されたガス燃料供給管５及び燃焼用空気供給管６と、内側の水冷壁１の内方位置に同心円状に配設された環状の内壁７と、内側の水冷壁１と内壁７との間に形成されて燃焼室３に連通する環状の燃焼ガス通路８と、両水冷壁１，２の各水管１ａ，２ａの上端部及び下端部に夫々連通状に接続された環状の上部ヘッダー９及び下部ヘッダー１０と、燃焼ガス通路８内に螺旋状に配設されて上下端部が上部ヘッダー９及び下部ヘッダー１０に夫々連通状に接続された複数本のフィン１１付きの伝熱水管１２ａから成る伝熱水管群１２等から構成されており、ガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａを焚き口４から燃焼室３内に燃焼室３壁面に沿ってその接線方向へ噴出して拡散燃焼させ、燃焼室３内に燃焼室３壁面に沿うサイクロン火炎Ｃを形成すると共に、燃焼ガスＧを旋回させながら燃焼室３内を上方から下方へ向かって流し、その後燃焼ガスＧを燃焼室３内から燃焼ガス通路８内へ流入させて伝熱水管１２ａのフィン１１により伝熱水管群１２の各伝熱水管１２ａと交差するようにして燃焼ガス通路８内を入口側から出口側へ向って螺旋状に流すようにしたものである。

この多管式貫流ボイラに於いては、内側の水冷壁１の水管１ａ内を流れるボイラ水への熱吸収は、燃焼室３内のサイクロン火炎Ｃによる輻射伝熱と、燃焼室３内を流れる燃焼ガスＧによる接触伝熱（対流伝熱）と、燃焼ガス通路８内を流れる燃焼ガスＧによる接触伝熱とによって行われ、又、外側の水冷壁２の水管２ａ内を流れるボイラ水への熱吸収は、燃焼室３内のサイクロン火炎Ｃによる輻射伝熱と、サイクロン火炎Ｃが遠心力により外側の水冷壁２内面を嘗めることによる接触伝熱と、燃焼室３内を流れる燃焼ガスＧによる接触伝熱とによって行われ、更に、伝熱水管群１２の伝熱水管１２ａ内を流れるボイラ水への熱吸収は、燃焼ガス通路８内を流れる燃焼ガスＧによる接触伝熱のみによって行われることになる。

具体的には、前記内側の水冷壁１は、複数本の水管１ａを環状に並列配置して隣接する水管１ａを上下方向へ延びる帯板状のヒレ１ｂで連結することにより形成されており、横断面形状が円形の気密構造に構成されている。
又、内側の水冷壁１の下端部には、ヒレ１ｂの下端部を切り欠くことにより燃焼室３内の燃焼ガスＧを内側の水冷壁１で囲まれた空間に形成された環状の燃焼ガス通路８内へ均一に流入させる複数の燃焼ガス通過口１３が形成されている。

前記外側の水冷壁２は、内側の水冷壁１と同様に複数本の水管２ａを環状に並列配置して隣接する水管２ａを上下方向に延びる帯板状のヒレ２ｂで連結することにより形成されており、横断面形状が円形の気密構造に構成されている。この外側の水冷壁２は、内側の水冷壁１の外方位置に内側の水冷壁１と同心円状に配置されており、内側の水冷壁１との間で環状の燃焼室３を形成するようになっている。
又、外側の水冷壁２の上端部には、環状の燃焼室３の一端部（上端部）に開口する焚き口４が形成されており、当該焚き口４に連通状に接続したガス燃料供給管５及び燃焼用空気供給管６からガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａを供給し、これらを焚き口４から燃焼室３内に噴出できるようになっている。このとき、焚き口４、ガス燃料供給管５及び燃焼用空気供給管６の向きは、焚き口４から燃焼室３内にガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａを燃焼室３壁面に沿ってその接線方向へ噴出できるように設定されている。

前記内壁７は、鋼板材により円筒状に形成されており、内側の水冷壁１の内方位置に水冷壁１と同心円状に配置されて内側の水冷壁１との間で環状の燃焼ガス通路８を形成するようになっている。この内壁７の下端部は、下部ヘッダー１０に気密状に接続され、又、内壁７の上端部は、上部ヘッダー９から一定の間隔だけ離れた位置に配置されている。これによって、内壁７の上端と上部ヘッダー９との間には、一定の幅を有する環状の燃焼ガス出口１４が形成されることになる。

前記上部ヘッダー９及び下部ヘッダー１０は、何れも中空構造の環状に形成されており、両ヘッダー９，１０には内側の水冷壁１及び外側の水冷壁２の各水管１ａ，２ａの上下端部が夫々連通状に接続されている。
又、上部ヘッダー９は、その中央部に形成された円形の空間が燃焼ガス通路８の燃焼ガス出口１４に連通する燃焼ガス排出口１５に形成されており、燃焼ガス通路８内を流れて来た燃焼ガスＧをボイラ中心部に集合させて燃焼ガス排出口１５からボイラ外部へ排出させるようになっている。
尚、上部ヘッダー９には、気水分離器等を備えた蒸気管が接続されていると共に、下部ヘッダー１０には、給水ポンプ等を備えた給水管が接続されている（何れも図示省略）。

前記伝熱水管群１２は、環状の燃焼ガス通路８内に円周方向へ一定の間隔で配置された複数本のフィン１１付きの伝熱水管１２ａから成り、燃焼ガスＧとの接触により熱交換を行う接触伝熱部を構成するものである。
各伝熱水管１２ａは、環状の燃焼ガス通路８内に円周方向へ同一のピッチで且つ内壁７の外周面及び内側の水冷壁１の内周面に沿いながら螺旋状に巻かれた状態で配設されており、その上下端部が上部ヘッダー９及び下部ヘッダー１０に夫々連通状に接続されている。又、各伝熱水管１２ａのフィン１１は、ベア管（伝熱水管１２ａ）の外周面にその長手方向に対して垂直で且つベア管の長手方向へ一定間隔毎に取り付けられており、伝熱面積を増加させて熱吸収量の増大を図ると共に、燃焼ガス通路８内に流入した燃焼ガスＧが伝熱水管１２ａと交差して流れるようにするためのものである。

尚、前記多管式貫流ボイラには、図示していないがパイロットバーナが設けられている。このパイロットバーナは、そのパイロット炎が焚き口４に臨むように設けられており、焚き口４から燃焼室３内に噴出されるガス燃料Ｇ及び燃焼用空気Ａに着火させるようになっている。

以上のように構成された多管式貫流ボイラによれば、ガス燃料供給管５及び燃焼用空気供給管６を経て焚き口４に供給されたガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａは、焚き口４から燃焼室３内に燃焼室３壁面に沿ってその接線方向へ噴出されて強制混合されると共に、パイロットバーナにより着火されて拡散燃焼を行う。
即ち、ガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａが焚き口４から燃焼室３内に燃焼室３壁面に沿ってその接線方向へ噴出されることから、燃焼室３内には燃焼室３壁面に沿うサイクロン火炎Ｃが形成される。このとき、焚き口４から噴出されたガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａは、燃焼室３壁面（内側の水冷壁１外面及び外側の水冷壁２内面）が水管１ａ，２ａとヒレ１ｂ，２ｂとにより凹凸状に形成されているため、水管１ａ，２ａの下流側に発生する渦流により混合が促進されることになる。

前記サイクロン火炎Ｃは、表面積が大きく、サイクロン火炎Ｃが遠心力により外側の水冷壁２内面を嘗めるように延びるため、放射特性が良くなって冷却されることになり、火炎温度が比較的低い温度に保たれる。その結果、燃焼室３内のＮＯｘの発生が抑制されることになる。然も、燃焼ガスＧの一部が環状の燃焼室３内を周回して焚き口４に戻るため、燃焼ガスＧによる排ガス再循環作用によりＮＯｘの発生がより一層抑制されることになる。
又、サイクロン火炎Ｃは、輻射伝熱に加えて火炎が遠心力により外側の水冷壁２内面を嘗めることによる接触伝熱により外側の水冷壁２へ熱を放出する。即ち、外側の水冷壁２の水管２ａ内を流れるボイラ水への熱吸収は、サイクロン火炎Ｃによる輻射伝熱に加えてサイクロン火炎Ｃとの接触による接触伝熱とによって行われるため、外側の水冷壁２への熱吸収が促進される。同様にサイクロン火炎Ｃは、輻射伝熱及び接触伝熱によって内側の水冷壁１へも熱を放出し、内側の水冷壁１の水管１ａ内を流れるボイラ水へも熱を与える。
更に、サイクロン火炎Ｃは、燃焼室３内を旋回しながら下降する長い火炎であり、焚き口４から噴出されたガス燃料Ｆが燃焼室３内で燃え切るまでの対流距離を稼げるため、ＣＯの発生を抑制することができる。

そして、拡散燃焼により発生した燃焼ガスＧは、燃焼室３内を旋回しながら上方から下方へ向かって流れ、燃焼室３内を下降する間に接触伝熱により内側の水冷壁１と外側の水冷壁２に熱を与えつつ、内側の水冷壁１に形成した燃焼ガス通過口１３から燃焼ガス通路８内に均一に流入する。

燃焼ガス通路８内に流入した燃焼ガスＧは、伝熱水管群１２と内側の水冷壁１内面に接触しながら燃焼ガス通路８内を下方（入口側）から上方（出口側）へ向かって流れ、燃焼ガス通路８内を上昇する間に接触伝熱により伝熱水管群１２を形成する複数の伝熱水管１２ａと内側の水冷壁１の水管１ａとに熱を与える。
このとき、燃焼ガス通路８内の燃焼ガスＧは、フィン１１付の伝熱水管１２ａが燃焼ガス通路８内に内壁７の外周面及び内側の水冷壁１の内周面に沿いながら螺旋状に巻かれた状態で配設されているため、伝熱水管１２ａに取り付けたフィン１１により伝熱水管１２ａと交差するようにして燃焼ガス通路８内を下方（入口側）から上方（出口側）へ向って螺旋状に流れることになる。即ち、燃焼ガスＧと伝熱水管１２ａ及び燃焼ガスＧと内側の水冷壁１の水管１ａが接触する接触伝熱部に於いては、図３に示す如く、燃焼ガスＧの流れが各伝熱水管１２ａに対して交差する直交流若しくは傾斜直交流となり、伝熱水管１２ａ及び水管１ａの単位面積当たりの熱吸収量を増加させることができ、ボイラの高効率化及び小型化を図ることができる。

燃焼ガス通路８内を下方から上方へ向って螺旋状に流れた燃焼ガスＧは、環状の燃焼ガス出口１４を通ってボイラ中心部に集められ、上部ヘッダー９の中心部に形成した燃焼ガス排出口１５からボイラ外部へ排出される。
このとき、燃焼ガスＧが鉛直方向へ排出されるため、燃焼ガスＧをエコノマイザ１６へ通してから大気中へ放出する場合や燃焼ガスＧをエコノマイザ１６を通さずに大気中へ放出する場合、燃焼ガス排出口１５にエコノマイザ１６や煙突１７を接続するだけで良く、燃焼ガスＧの流れの方向を変えるＬ型の煙道ダクトを省略することができる（図４参照）。その結果、通風抵抗が小さくなってスムースな排煙を行えると共に、より一層ボイラの小型化を図れることになる。

尚、上記の実施形態に係る多管式貫流ボイラ（図１乃至図３に示すもの）に於いては、内壁７を円筒状の鋼板材により形成するようにしたが、他の実施形態に係る多管式貫流ボイラに於いては、内壁７を複数の水管及びヒレから成る環状の水冷壁により形成し、これを内側の水冷壁１の内方位置に同心円状に配置して内側の水冷壁１との間に環状の燃焼ガス通路８を形成すると共に、内壁７の各水管の上下端部を上部ヘッダー９及び下部ヘッダー１０に夫々連通状に接続するようにしても良い。この場合、内壁７のヒレの上端部を切り欠いて上部ヘッダー９の燃焼ガス排出口１５に連通する燃焼ガス出口１４を形成することは勿論である。又、円筒状の鋼板材又は環状の水冷壁に換えて内壁７を耐火材により円筒状に形成し、耐火材から成る内壁７を内側の水冷壁１の内方位置に同心円状に配置して内側の水冷壁１との間に環状の燃焼ガス通路８を形成するようにしても良い。

上記の実施形態に係る多管式貫流ボイラに於いては、伝熱水管１２ａの外周面に伝熱水管１２ａの長手方向に対して垂直なフィン１１を一定間隔毎に取り付けるようにしたが、他の実施形態に係る多管式貫流ボイラに於いては、伝熱水管１２ａの外周面に伝熱水管１２ａの長手方向に対して垂直なフィン１１を入口側（下方）から出口側（上方）へ向って徐々に間隔が狭くなるように取り付け、燃焼ガスＧの流速を徐々に上げて行き、接触伝熱をより効果的に行えるようにしても良い。

上記の実施形態に係る多管式貫流ボイラに於いては、燃焼ガス通路８内に複数本のフィン１１付きの伝熱水管１２ａを配設するようにしたが、他の実施形態に係る多管式貫流ボイラに於いては、一本のフィン１１付きの伝熱水管１２ａを環状の燃焼ガス通路８内に内壁７の外周面及び内側の水冷壁１の内周面に沿いながら螺旋状に巻かれた状態で配置し、この伝熱水管１２ａの上下端部を上部ヘッダー９及び下部ヘッダー１０に夫々連通状に接続するようにしても良い。

上記の実施形態に係る多管式貫流ボイラに於いては、焚き口４にガス燃料供給管５及び燃焼用空気供給管６を接続し、焚き口４からガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａを燃焼室３内に噴出させて燃焼させるようにしたが、他の実施形態に係る多管式還流ボイラに於いては、焚き口４にガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａを混合させて成る予混合ガスを供給する予混合ガス供給管を接続し、予混合ガスを焚き口４から燃焼室３内に燃焼室３壁面に沿ってその接線方向へ噴出して予混合燃焼させ、燃焼室３内に燃焼室３壁面に沿うサイクロン火炎Ｃを形成すると共に、燃焼ガスＧを旋回させながら燃焼室３内を上方から下方へ向かって流すようにしても良い。

上記の実施形態に係る多管式貫流ボイラに於いては、外側の水冷壁２に焚き口４を一つだけ形成するようにしたが、他の実施形態に係る多管式貫流ボイラに於いては、外側の水冷壁２に複数の焚き口４を燃焼室３の周方向へ等角度毎に形成し、各焚き口４から燃焼室３内にガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａ又はガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａを混合させて成る予混合ガスを燃焼室３壁面に沿ってその接線方向へ噴出して燃焼させるようにしても良い。この場合には、燃焼ガスＧの旋回流強さを促進させることができると共に、ターンダウン燃焼時の切り替えを良好に行えることになる。

上記の実施形態に係る多管式貫流ボイラに於いては、外側の水冷壁２に焚き口４のみを形成するようにしたが、他の実施形態に係る多管式貫流ボイラに於いては、焚き口４の下流側位置で且つ外側の水冷壁２に燃焼室３に開口する二次燃焼用空気の空気供給口（図示省略）を形成し、前記焚き口４から燃焼室３内に噴出されるガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａ又は予混合ガスを空気比１以下の条件下で燃焼させて焚き口４の下流側領域に一次燃焼ゾーンを形成し、又、前記空気供給口から燃焼室３内に二次燃焼用空気を燃焼室３壁面に沿ってその接線方向へ噴出して一次燃焼ゾーンで発生した一次燃焼ガスと撹拌混合すると共に、当該一次燃焼ガスを全空気比１．１〜１．５の条件下で燃焼させて空気噴出口の下流側領域に二次燃焼ゾーンを形成するようにしても良い。この場合には、サーマルＮＯｘの発生を抑制することができると共に、一次燃焼ガスが二次燃焼ゾーンで完全燃焼されてＣＯの発生が抑制されることになる。

本発明の実施形態に係る多管式貫流ボイラの概略縦断面図である。図１に示す多管式貫流ボイラの概略横断面図である。図１に示す多管式貫流ボイラの接触伝熱部の概略展開図である。本発明の多管式貫流ボイラにエコノマイザや煙突を接続した状態を示し、（Ａ）は多管式貫流ボイラにエコノマイザ及び煙突を直列状に接続した状態の概略正面図、（Ｂ）は多管式貫流ボイラに煙突を接続した状態の概略正面図である。従来の多管式貫流ボイラを示し、（Ａ）は多管式貫流ボイラの概略縦断面図、（Ｂ）は多管式貫流ボイラの概略横断面図である。従来の他の多管式貫流ボイラを示し、（Ａ）は多管式貫流ボイラの概略縦断面図、（Ｂ）は多管式貫流ボイラの概略横断面図である。従来の多管式貫流ボイラの接触伝熱部での燃焼ガスの流れを示す概略展開図である。従来の更に他の多管式貫流ボイラの概略縦断面図である。図８に示す多管式貫流ボイラの概略横断面図である。従来の多管式貫流ボイラにエコノマイザや煙突を接続した状態を示し、（Ａ）は多管式貫流ボイラにエコノマイザ、Ｌ型の煙道ダクト及び煙突を順次接続した状態の概略正面図、（Ｂ）は多管式貫流ボイラにＬ型の煙道ダクトを介してエコノマイザ及び煙突を接続した状態の概略正面図、（Ｃ）は多管式貫流ボイラにＬ型の煙道ダクトを介して煙突を接続した状態の概略正面図である。

符号の説明

１は内側の水冷壁、１ａは水管、１ｂはヒレ、２は外側の水冷壁、２ａは水管、２ｂはヒレ、３は燃焼室、７は内壁、８は燃焼ガス通路、９は上部ヘッダー、１０は下部ヘッダー、１１はフィン、１２ａは伝熱水管、１５は燃焼ガス排出口、Ｇは燃焼ガス。

Claims

複数の水管（１ａ），（２ａ）及びヒレ（１ｂ），（２ｂ）から成る二つの環状の水冷壁（１），（２）を同心円状に配設して内側の水冷壁（１）と外側の水冷壁（２）との間に環状の燃焼室（３）を形成し、又、内側の水冷壁（１）で囲まれた空間内に、当該内側の水冷壁（１）と同心円状に円筒状の鋼板材又は円筒状の耐火材から成る内壁（７）を配設し、前記内側の水冷壁（１）と内壁（７）との間に環状の燃焼ガス通路（８）を形成して内側の水冷壁（１）の下端部に形成した複数の燃焼ガス通過口（１３）により前記燃焼室（３）と燃焼ガス通路（８）とを連通させ、前記内側の水冷壁（１）及び外側の水冷壁（２）の各水管（１ａ），（２ａ）の上下端部を上部ヘッダー（９）及び下部ヘッダー（１０）に夫々連通状に接続して成る多管式貫流ボイラであって、前記外側の水冷壁（２）の上端部に燃焼室（３）の上端部に開口する焚き口（４）を形成し、当該焚き口（４）から燃焼室（３）内にガス燃料（Ｆ）と燃焼用空気（Ａ）又はガス燃料（Ｆ）と燃焼用空気（Ａ）を混合させて成る予混合ガスを燃焼室（３）壁面に沿ってその接線方向へ噴出して燃焼させ、燃焼により発生した燃焼ガス（Ｇ）を燃焼室（３）内で旋回させながら燃焼室（３）内を上方から下方へ流して燃焼ガス通過口（１３）から燃焼ガス通路（８）内に流入させ、又、前記環状の燃焼ガス通路（８）内に一本又は複数本の伝熱水管（１２ａ）を内壁（７）の外周面及び内側の水冷壁（１）の内周面に沿う姿勢で螺旋状に配設し、当該伝熱水管（１２ａ）の上下端部を上部ヘッダー（９）及び下部ヘッダー（１０）に夫々連通状に接続すると共に、伝熱水管（１２ａ）の外周面に伝熱水管（１２ａ）の長手方向に対して垂直なフィン（１１）を一定間隔毎に或いは下方から上方へ向って徐々に間隔が狭くなるように取り付け、燃焼ガス通路（８）内に流入した燃焼ガス（Ｇ）が、伝熱水管（１２ａ）に取り付けたフィン（１１）により伝熱水管（１２ａ）と交差するようにして燃焼ガス通路（８）内を下方から上方へ向って螺旋状に流れるようにしたことを特徴とする多管式貫流ボイラ。
複数の水管（１ａ），（２ａ）及びヒレ（１ｂ），（２ｂ）から成る二つの環状の水冷壁（１），（２）を同心円状に配設して内側の水冷壁（１）と外側の水冷壁（２）との間に環状の燃焼室（３）を形成し、又、内側の水冷壁（１）で囲まれた空間内に、当該内側の水冷壁（１）と同心円状に複数の水管及びヒレから成る環状の水冷壁により形成した内壁（７）を配設し、前記内側の水冷壁（１）と内壁（７）との間に環状の燃焼ガス通路（８）を形成して内側の水冷壁（１）の下端部に形成した複数の燃焼ガス通過口（１３）により前記燃焼室（３）と燃焼ガス通路（８）とを連通させ、前記内側の水冷壁（１）、外側の水冷壁（２）及び内壁（７）の各水管（１ａ），（２ａ）の上下端部を上部ヘッダー（９）及び下部ヘッダー（１０）に夫々連通状に接続して成る多管式貫流ボイラであって、前記外側の水冷壁（２）の上端部に燃焼室（３）の上端部に開口する焚き口（４）を形成し、当該焚き口（４）から燃焼室（３）内にガス燃料（Ｆ）と燃焼用空気（Ａ）又はガス燃料（Ｆ）と燃焼用空気（Ａ）を混合させて成る予混合ガスを燃焼室（３）壁面に沿ってその接線方向へ噴出して燃焼させ、燃焼により発生した燃焼ガス（Ｇ）を燃焼室（３）内で旋回させながら燃焼室（３）内を上方から下方へ流して燃焼ガス通過口（１３）から燃焼ガス通路（８）内に流入させ、又、前記環状の燃焼ガス通路（８）内に一本又は複数本の伝熱水管（１２ａ）を内壁（７）の外周面及び内側の水冷壁（１）の内周面に沿う姿勢で螺旋状に配設し、当該伝熱水管（１２ａ）の上下端部を上部ヘッダー（９）及び下部ヘッダー（１０）に夫々連通状に接続すると共に、伝熱水管（１２ａ）の外周面に伝熱水管（１２ａ）の長手方向に対して垂直なフィン（１１）を一定間隔毎に或いは下方から上方へ向って徐々に間隔が狭くなるように取り付け、燃焼ガス通路（８）内に流入した燃焼ガス（Ｇ）が、伝熱水管（１２ａ）に取り付けたフィン（１１）により伝熱水管（１２ａ）と交差するようにして燃焼ガス通路（８）内を下方から上方へ向って螺旋状に流れるようにしたことを特徴とする多管式貫流ボイラ。
上部ヘッダー（１０）を中空構造の環状に形成してその中央部に形成された空間を燃焼ガス排出口（１５）とすると共に、当該燃焼ガス排出口（１５）に環状の燃焼ガス通路（８）の上方の出口側を連通させ、燃焼ガス通路（８）内を流れて来た燃焼ガス（Ｇ）をボイラ中心部に集合させて上部ヘッダー（１０）の燃焼ガス排出口（１５）からボイラ外部へ排出するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多管式貫流ボイラ。