JP4729382B2

JP4729382B2 - 多管式貫流ボイラ

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Publication number: JP4729382B2
Application number: JP2005312403A
Authority: JP
Inventors: 伸章林本; 聡吉本; 大偉劉
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: JP2007120839A

Description

本発明は、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すると共に、両水冷壁の各水管の上端部及び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係り、熱伝達を行う水管の単位面積あたりの熱吸収量を増加させてボイラの小型化を図れると共に、低ＮＯｘ化及び低ＣＯ化を図れ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、この種の多管式貫流ボイラとしては、例えば、本件出願人が先に出願した特開２００５−２０１５１４号公報（特許文献１）に開示された構造の多管式貫流ボイラが知られている。

即ち、前記多管式貫流ボイラは、図５及び図６に示す如く、複数の水管２０ａ及びヒレ２０ｂから成る環状の内側の水冷壁２０と、内側の水冷壁２０の外方位置に同心円状に配設されて複数の水管２１ａ及びヒレ２１ｂから成る環状の外側の水冷壁２１と、内側の水冷壁２０と外側の水冷壁２１との間に形成された環状の燃焼室２２と、内側の水冷壁２０で囲まれた空間内に配設された複数の伝熱水管２３ａから成る伝熱水管群２３と、伝熱水管群２３と内側の水冷壁２０との隙間及び伝熱水管群２３の隙間に形成されて環状の燃焼室２２に連通する燃焼ガス通路２４と、両水冷壁２０，２１の各水管２０ａ，２１ａ及び伝熱水管群２３の各水管２３ａの上端部及び下端部に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と、外側の水冷壁２１の上端部に形成した焚き口２７と、焚き口２７に接続されたバーナ２８等を備えており、焚き口２７に接続したバーナ２８から燃焼室２２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２２壁面に沿ってその接線方向へ噴出して燃焼させ、燃焼室２２内に燃焼室２２壁面に沿う火炎Ｃ（サイクロン火炎）を形成すると共に、燃焼ガスＧを旋回させながら燃焼室２２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２０の下端部に形成した燃焼ガス通過口２９から燃焼ガス通路２４内へ流入させて燃焼ガス通路２４内を下方から上方へ向って流し、燃焼ガス通路２４の上端部に連通状に接続された煙道３０からボイラ外部へ排出する構成としている。

前記多管式貫流ボイラに於いては、火炎Ｃの表面積が比較的大きく、火炎Ｃが遠心力により外側の水冷壁２１内面を嘗めるように延びるため、放射特性が良く、又、火炎Ｃが輻射伝熱によって内側の水冷壁２０へも熱を与えるため、熱吸収がより一層良くなり、火炎Ｃが冷却されて火炎温度が全体的に低い温度に保たれる。然も、燃焼ガスＧが環状の燃焼室２２内を旋回してその一部が焚き口２７に戻るため、燃焼ガスＧによる排ガス再循環作用が得られる。その結果、この多管式貫流ボイラに於いては、燃焼室２２内でのＮＯｘの発生が抑制されて低ＮＯｘ化を図ることができる。
更に、前記多管式貫流ボイラに於いては、燃焼室２２壁面が水管２０ａ，２１ａとヒレ２０ｂ，２１ｂとにより凹凸状に形成されているため、水管２０ａ，２１ａの下流側に発生する渦流によりガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａの混合が促進されるうえ、サイクロン火炎Ｃが燃焼室２２内を旋回する長い火炎であり、ＣＯが燃焼室２２内で燃え切るまでの滞留時間を稼げる。その結果、この多管式貫流ボイラに於いては、燃焼室２２内でのＣＯの発生が抑制されて低ＣＯ化を図ることができる。

ところで、貫流ボイラの分野に於いては、燃焼量当たりの小型化が益々進んでおり、最近では蒸発量が２ｔ／ｈクラスの小型貫流ボイラの場合、燃焼室負荷が５０００ｋＷ／ｍ³ｈ以上にも達している。
このような、高負荷燃焼条件下に於いて、燃焼速度が速くて火炎温度が上昇する空気比１．１〜１．２の低空気比にて低ＮＯｘ化を達成するには、火炎温度の上昇を抑えてサーマルＮＯｘの生成を抑える必要がある。

そのためには、火炎表面積を増やして火炎からの放熱を多くする必要がある。即ち、燃焼室を狭くして水冷壁への輻射伝熱を促進するようにする。
例えば、燃焼室を円筒状に形成した場合（図７（Ａ）参照）、燃焼室の直径及び高さを５００ｍｍ（直径）×１０００ｍｍ（高さ）とし、この燃焼室での火炎充填率を１００％とすると、火炎表面積は約１．６ｍ²となる。
これに対して、燃焼室を細長い矩形状に形成した場合（図７（Ｂ）参照）、この燃焼室の容積が前記円筒状の燃焼室の容積と同じに成るように燃焼室の幅、高さ及び奥行の長さを１００ｍｍ（幅）×５００ｍｍ（高さ）×４０００ｍｍ（奥行の長さ）とし、この燃焼室での火炎充填率を１００％とすると、火炎表面積は４ｍ²となる。
又、幅を狭くした燃焼室に合わせて図８に示すように縦長細幅のバーナを使用し、表面積の広い火炎を形成して水冷壁への熱吸収を促進するようにする。
このように、燃焼室の幅を狭くして表面積の広い火炎を形成する縦長細幅のバーナを使用することによって、火炎温度の上昇を抑えてサーマルＮＯｘの発生を抑制することができる。

しかし、上述した従来の多管式貫流ボイラに於いては、環状の燃焼室２２の幅が比較的狭い幅に形成されているものの、バーナ２８先端の開口が円形に形成されているため、バーナ２８からの火炎が略円柱形状となり、火炎からの放熱も少なくなって火炎温度があまり下がらず、サーマルＮＯｘの発生を大幅に抑制し難いと云う問題があった。
又、前記多管式貫流ボイラに於いては、バーナ２８の先端部開口が外側の水冷壁２１内面の近傍位置にあるため、バーナ２８先端からの噴出火炎が広がって内側の水冷壁２０に衝突することにより、図９に示すようにバーナ２８先端と内側の水冷壁２０との間に火炎噴出方向と逆向きの渦流が発生し、この渦流が環状の燃焼室２２を旋回する燃焼ガスＧの再循環を妨げることになる。その結果、燃焼ガスＧの再循環量が少なくなり、燃焼ガスＧによる排ガス再循環作用があまり得られず、火炎Ｃの温度が上昇してＮＯｘの生成を大幅に抑制することができないと云う問題があった。
特開２００５−２０１５１４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、その目的は低ＮＯｘ化及び低ＣＯ化を図れると共に、熱伝達を行う水冷壁の単位面積当たりの熱吸収量を増加させてボイラ自体の小型化を図れ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すると共に、両水冷壁の各水管の上端部及び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、又、前記外側の水冷壁の上部にバーナを貫通状に設け、当該バーナから燃焼室の上部側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、燃焼室内に燃焼室壁面に沿う火炎を形成すると共に、燃焼ガスを燃焼室内で旋回させながら燃焼室の下部側へ流して排出するようにした多管式貫流ボイラに於いて、前記燃焼室の高さと幅の比率を５：１〜１０：１とし、又、前記バーナを縦長細幅のバーナとし、当該バーナの燃焼室に臨む先端部開口の高さと幅の比率を５：１〜１０：１とすると共に、燃焼室の幅とバーナの先端部開口の幅の比率を１〜１．５：１とし、バーナの先端部開口が外側の水冷壁内面から離間した位置になるようにバーナを外側の水冷壁に深く挿着し、バーナ先端からの噴出火炎が内側の水冷壁に当たるのを抑制し、火炎が内側の水冷壁に当たることにより形成される火炎噴出方向と逆向きの渦流の発生を抑えて環状の燃焼室内を旋回して来た燃焼ガスの再循環量を増やす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、外側の水冷壁の下端部を内方側へ折り曲げて燃焼室の下部空間を絞り込み、火炎及び燃焼ガスの降下を抑制して火炎及び燃焼ガスの燃焼室出口へのショートパスを防止す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、内側の水冷壁の下端部外面及び外側の水冷壁の下端部内面に火炎及び燃焼ガスの降下を抑制するフィンを設けて、火炎及び燃焼ガスの燃焼室出口へのショートパスを防止するようにしたことに特徴がある。

本発明の請求項１の多管式貫流ボイラは、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、外側の水冷壁の上部に縦長細幅のバーナを貫通状に設け、前記燃焼室の高さと幅の比率を５：１〜１０：１とし、又、前記バーナの燃焼室に臨む先端部開口の高さと幅の比率を５：１〜１０：１とすると共に、燃焼室の幅とバーナの先端部開口の幅の比率を１〜１．５：１としているため、バーナからの火炎が縦長で幅の細い火炎となり、火炎の表面積が大幅に増えることになる。その結果、本発明の請求項１の多管式貫流ボイラは、火炎からの放熱が多くなって水冷壁への輻射伝熱を促進すると共に、火炎温度が比較的低い温度に保たれてサーマルＮＯｘの生成を抑制することができる。
又、本発明の請求項１の多管式貫流ボイラは、バーナから燃焼室の上部側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、燃焼室内に燃焼室壁面に沿う火炎を形成すると共に、燃焼ガスを燃焼室内で旋回させながら燃焼室の下部側へ流して排出するようにしているため、火炎による輻射伝熱によって内側の水冷壁と外側の水冷壁の両方に熱を与えると共に、火炎が遠心力により外側の水冷壁内面を嘗めることによる接触伝熱によっても外側の水冷壁へ熱を与えることになる。その結果、本発明の請求項１の多管式貫流ボイラは、水冷壁への熱吸収率が大幅に向上し、ボイラ自体の小型化を図ることができる。
更に、本発明の請求項１の多管式貫流ボイラは、火炎が燃焼室内を旋回する長い火炎であり、バーナから噴出されたガス燃料が燃焼室内で燃え切るまでの滞留時間を稼げるため、ＣＯの発生を抑制することができる。
又、本発明の請求項１の多管式貫流ボイラは、縦長細幅のバーナを外側の水冷壁に深く挿着し、バーナ先端からの噴出火炎が内側の水冷壁に当たるのを抑制するようにしているため、バーナからの火炎が広がって内側の水冷壁に当たることにより形成される火炎噴出方向と逆向きの渦流の発生を抑えることができ、環状の燃焼室内を旋回して来た燃焼ガスの再循環量を増やすことができる。その結果、本発明の請求項１の多管式貫流ボイラは、燃焼ガスによる排ガス再循環作用が確実且つ良好に得られることになり、ＮＯｘの発生をより一層抑制することができる。

本発明の請求項２及び請求項３の多管式貫流ボイラは、上記効果に加えて更に次のような効果を奏することができる。
即ち、本発明の請求項２の多管式貫流ボイラは、外側の水冷壁の下端部を内方側へ折り曲げて燃焼室の下部空間を絞り込み、火炎及び燃焼ガスの降下を抑制して火炎及び燃焼ガスの燃焼室出口へのショートパスを防止するようにしているため、燃焼ガスの旋回が促進されると共に、水冷壁への熱伝達が促進され、燃焼ガスから熱を確実且つ良好に回収することができる。
更に、本発明の請求項３の多管式貫流ボイラは、内側の水冷壁の下端部外面及び外側の水冷壁の下端部内面に火炎及び燃焼ガスの降下を抑制するフィンを設け、火炎及び燃焼ガスの燃焼室出口へのショートパスを防止するようにしているため、燃焼ガスの旋回が促進されると共に、水冷壁への熱伝達が促進され、燃焼ガスから熱を確実且つ良好に回収することができる。

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及び図２は本発明の第１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から成る横断面形状が円形の内側の水冷壁１と、内側の水冷壁１の外周位置に同心円状に配設されて複数の水管２ａ及びヒレ２ｂから成る横断面形状が円形の外側の水冷壁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、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上部ヘッダー４及び下部ヘッダー５と、内側の水冷壁１で囲まれた空間内に配設されて上端部及び下端部が上部ヘッダー４及び下部ヘッダー５に夫々連通状に接続された複数の伝熱水管６ａから成る伝熱水管群６と、伝熱水管群６と内側の水冷壁１との隙間及び伝熱水管群６の隙間に形成されて燃焼室３に連通する燃焼ガス通路７と、外側の水冷壁２に貫通状に設けたバーナ８等から構成されており、バーナ８から燃焼室３の上部側にガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａを混合させて成る予混合ガスＦ′を燃焼室３内に燃焼室３壁面に沿ってその接線方向へ噴出して燃焼させ、燃焼室３内に燃焼室３壁面に沿う火炎Ｃ（サイクロン火炎）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た後、燃焼ガス通路７内へ流入させる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７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内の火炎Ｃによる輻射伝熱と、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６の伝熱水管６ａ内を流れるボイラ水への熱吸収は、燃焼ガス通路７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。

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。この内側の水冷壁１で囲まれた空間は、後述する伝熱水管群６が配設される燃焼ガス通路７となっている。
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を燃焼ガス通路７内へ均一に流入させる複数の燃焼ガス通過口９が形成されていると共に、内側の水冷壁１の上端部には、燃焼ガス通路７を通過した燃焼ガスＧを煙道１１へ導く燃焼ガス出口１０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。
又、外側の水冷壁２は、内側の水冷壁１の外周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。この環状の燃焼室３は、水冷壁１，２への火炎Ｃによる輻射伝熱を促進するために狭く形成されている。実験により確認したところでは、燃焼室３の高さと幅（内側の水冷壁１と外側の水冷壁２の間隔）の比率は５：１〜１０：１にするのが好ましい。この実施形態に於いては、燃焼室３の高さと幅の比率を１０：１としている。
更に、外側の水冷壁２の上端部には、煙道１１と内側の水冷壁１に形成した燃焼ガス出口１０とに夫々連通する燃焼ガス出口１２が形成されており、燃焼ガス通路７内の燃焼ガスＧが両水冷壁１，２に形成した燃焼ガス出口１０，１２から煙道１１へ流れるようになっている。
尚、内側の水冷壁１に形成した燃焼ガス出口１０と外側の水冷壁２に形成した燃焼ガス出口１２との間には、燃焼ガスＧが燃焼室３内へ流入しないように両燃焼ガス出口１０，１２と燃焼室３とを区画する耐火物１３が設けられている。

前記上部ヘッダー４及び下部ヘッダー５は、何れも中空構造に形成されており、上部ヘッダー４には、内側の水冷壁１及び外側の水冷壁２の各水管１ａ，２ａの上端部が、又、下部ヘッダー５には、内側の水冷壁１及び外側の水冷壁２の各水管１ａ，２ａの下端部が夫々連通状に接続されている。
尚、上部ヘッダー４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５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）。又、上部ヘッダー４の下面側及び下部ヘッダー５の上面側には、耐火物１３が夫々内張りされており、高温の燃焼ガスＧから保護されている。

前記伝熱水管群６は、内側の水冷壁１で囲まれた空間内に配設されており、上端部及び下端部が上部ヘッダー４及び下部ヘッダー５に夫々連通状に接続された複数本の伝熱水管６ａから成る。この伝熱水管群６を形成する複数の伝熱水管６ａは、内側の水冷壁１で囲まれた空間内に一定のピッチで配設されている。従って、伝熱水管群６と内側の水冷壁１との隙間及び伝熱水管群６の隙間には、燃焼室３及び煙道１１へ連通する燃焼ガス通路７が形成されることになる。
尚、伝熱水管群６の各伝熱水管６ａにフィン（図示省略）を取り付けて熱交換率の向上を図るようにしても良いことは勿論である。

前記バーナ８は、外側の水冷壁２の上部に貫通状に設けられており、このバーナ８には、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Ｆ′を燃焼室３内に噴出して燃焼させるようにした縦長細幅の予混合式のバーナ８が使用されている。
即ち、バーナ８は、縦長長方形状の燃焼筒８ａ内にガス燃料噴射孔８ｂ′を形成したガス燃料供給管８ｂを上下方向へ一定間隔ごとに配設すると共に、燃焼筒８ａの開口付近に保炎板８ｃを配設して成り、送風機（図示省略）から燃焼筒８ａ内に燃焼用空気Ａを流すと共に、燃焼筒８ａ内の燃焼用空気Ａ中にガス燃料供給管８ｂのガス燃料噴射孔８ｂ′からガス燃料Ｆを燃焼用空気Ａの流動方向と直交する方向へ噴射してガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａを混合し、この混合した予混合ガスＦ′を燃焼筒８ａの先端部開口から噴出させて燃焼させ、燃焼筒８ａ先端に縦長細幅の火炎Ｃを形成するように構成されている。
又、バーナ８は、火炎Ｃの表面積を増やして火炎Ｃからの放熱を促進するために縦長細幅に形成されている。実験により確認したところでは、バーナ８の先端部開口（燃焼筒８ａの先端部開口）の高さと幅の比率は５：１〜１０：１にすると共に、燃焼室３の幅とバーナ８の先端部開口の幅の比率は１〜１．５：１にするのが好ましい。この実施形態に於いては、燃焼室３の高さと幅の比率を５：１とすると共に、燃焼室３の幅とバーナ８の先端部開口の幅の比率を１．５：１としている。
更に、バーナ８は、バーナ８先端からの噴出火炎Ｃが広がって内側の水冷壁１に当たるのを防止するために外側の水冷壁２の上部に深く挿着されており、バーナ８からの火炎Ｃが内側の水冷壁１に当たることにより形成される火炎噴出方向と逆向きの渦流の発生を抑制できるようになっている。このとき、バーナ８の向きは、燃焼筒８ａの先端部開口から予混合ガスＦ′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。

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バーナ８の先端部に臨むように設けられており、バーナ８の先端部開口から燃焼室３内に噴出される予混合ガスＦ′に着火させるようになっている。又、パイロットバーナは、予混合ガスＦ′の着火後に停止されるものである。

以上のように構成された多管式貫流ボイラによれば、バーナ８から噴出された予混合ガスＦ′は、燃焼室３の上部に燃焼室３壁面に沿ってその接線方向へ噴出され、パイロットバーナにより着火されて予混合燃焼を行う。即ち、予混合ガスＦ′がバーナ８から燃焼室３の上部に燃焼室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壁面に沿う火炎Ｃ（サイクロン火炎）が形成される。

この多管式貫流ボイラは、縦長細幅のバーナ８を使用しているために前記火炎Ｃが縦長細幅の表面積の広い火炎Ｃであり、且つ火炎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、火炎Ｃの放射特性が良くなって冷却されることになり、火炎Ｃの温度が比較的低い温度に保たれることになる。その結果、燃焼室３内のサーマルＮＯｘの生成が抑制されることになる。
又、この多管式貫流ボイラは、燃焼ガスＧの一部が環状の燃焼室３内を周回してバーナ８の先端部に戻るため、燃焼ガスＧによる排ガス再循環作用が得られる。特に、この多管式貫流ボイラは、バーナ８を外側の水冷壁２に深く挿着し、バーナ８先端から噴出する火炎Ｃが内側の水冷壁１に当たるのを抑制するようにしているため、バーナ８からの火炎Ｃが広がって内側の水冷壁１に当たることにより形成される火炎噴出方向と逆向きの渦流の発生を抑えることができ、環状の燃焼室３内を旋回して来た燃焼ガスＧの再循環量を増やすことができる。その結果、燃焼ガスＧによる排ガス再循環作用が確実且つ良好に得られることになり、ＮＯｘの発生がより一層抑制されることになる。このとき、バーナ８の燃焼筒８ａの幅が狭いほど燃焼ガスＧの再循環の量が多くなる。又、バーナ８の燃焼筒８ａ内の予混合ガスＦ′の通過流速が定格時３０ｍ／ｓｅｃ以上であるため、燃焼筒８ａは予混合ガスＦ′によって冷却され、再循環した燃焼ガスＧの輻射熱による燃焼筒８ａの焼損の問題を回避することができる。
更に、この多管式貫流ボイラは、火炎Ｃによる輻射伝熱によって内側の水冷壁１と外側の水冷壁２の両方に熱を与えると共に、火炎Ｃが遠心力により外側の水冷壁２を嘗めることによる接触伝熱によっても外側の水冷壁２へ熱を与えるため、水冷壁１，２の熱吸収率が大幅に向上することになり、ボイラ自体の小型化を図ることができる。
加えて、この多管式貫流ボイラは、火炎Ｃが燃焼室３内を旋回しながら下降する長い火炎Ｃであり、バーナ８から噴出された予混合ガスＦ′が燃焼室３内で燃え切るまでの滞留時間を稼げるため、ＣＯの発生を抑制することができる。

そして、予混合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２２に熱を与えつつ、内側の水冷壁１の下端部に形成した燃焼ガス通過口９から燃焼ガス通路７内に均一に流入する。

燃焼ガス通路７内に流入した燃焼ガスＧは、伝熱水管群６と内側の水冷壁１に接触しながら燃焼ガス通路７内を下方から上方へ向かって流れ、燃焼ガス通路７内を上昇する間に接触伝熱により伝熱水管群６を形成する複数の伝熱水管６ａと内側の水冷壁１とに熱を与え、その後燃焼ガス出口１０，１２を通って煙道１１からボイラ外部へ排出される。

上述した本願発明の多管式貫流ボイラと従来の多管式貫流ボイラとを同じ条件下で運転した結果、従来の多管式貫流ボイラの場合、空気比１．１にてＮＯｘが５０ｐｐｍ（Ｏ₂＝０％換算値）のときに火炎Ｃの温度が約１４００℃であったのに対して、本願発明の多管式貫流ボイラの場合、燃焼室３の幅を狭めて火炎Ｃの表面積が広くなる縦長細幅のバーナ８を用いて伝熱促進効果を高めることにより火炎Ｃの温度を約１００℃下げることができ、又、バーナ８を外側の水冷壁２に深く挿着して燃焼ガスＧの再循環促進効果を高めることにより火炎Ｃの温度を更に約５０℃下げることができ、結果として火炎Ｃの温度が約１２５０℃となり、ＮＯｘ値２５ｐｐｍ以下を達成することができた。

図３は本発明の第２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から成る横断面形状が円形の内側の水冷壁１と、内側の水冷壁１の外周位置に同心円状に配設されて複数の水管２ａ及びヒレ２ｂから成る横断面形状が円形の外側の水冷壁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、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上部ヘッダー４及び下部ヘッダー５と、内側の水冷壁１で囲まれた空間内に配設されて上端部及び下端部が上部ヘッダー４及び下部ヘッダー５に夫々連通状に接続された複数の伝熱水管６ａから成る伝熱水管群６と、伝熱水管群６と内側の水冷壁１との隙間及び伝熱水管群６の隙間に形成されて燃焼室３に連通する燃焼ガス通路７と、外側の水冷壁２に貫通状に設けたバーナ８等から構成されており、燃焼室３の下部領域に対向する外側の水冷壁２の下端部を内方側へ折り曲げて燃焼室３の下部空間を絞り込み、火炎Ｃ及び燃焼ガスＧの降下を抑制して火炎Ｃ及び燃焼ガスＧの燃焼室３出口（燃焼ガス通過口９）へのショートパスを防止するようにしたものである。
このとき、外側の水冷壁２の折り曲げによる燃焼室３横断面の絞り比（燃焼室３の絞られていない部分の横断面積と燃焼室３の絞られた部分の横断面積の比率）は、３：１以上となるようにしている。

前記多管式貫流ボイラは、外側の水冷壁２の下端部を内方側へ折り曲げたこと以外は、図１及び図２に示す多管式貫流ボイラと同様構造に構成されており、図１及び図２の多管式貫流ボイラと同じ部位・部材には同一の参照番号を付し、その詳細な説明を省略する。

この多管式貫流ボイラは、図１及び図２に示す多管式貫流ボイラと同様の作用効果を奏することができる。特に、この多管式貫流ボイラは、外側の水冷壁２の下端部を内方側へ折り曲げて燃焼室３の下部空間を絞り込み、火炎Ｃ及び燃焼ガスＧの降下を抑制して火炎Ｃ及び燃焼ガスＧの燃焼室３出口へのショートパスを防止するようにしているため、燃焼ガスＧの旋回が促進されると共に、水冷壁１，２への熱伝達が促進され、燃焼ガスＧから熱を確実且つ良好に回収することができる。

図４は本発明の第３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から成る横断面形状が円形の内側の水冷壁１と、内側の水冷壁１の外周位置に同心円状に配設されて複数の水管２ａ及びヒレ２ｂから成る横断面形状が円形の外側の水冷壁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、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上部ヘッダー４及び下部ヘッダー５と、内側の水冷壁１で囲まれた空間内に配設されて上端部及び下端部が上部ヘッダー４及び下部ヘッダー５に夫々連通状に接続された複数の伝熱水管６ａから成る伝熱水管群６と、伝熱水管群６と内側の水冷壁１との隙間及び伝熱水管群６の隙間に形成されて燃焼室３に連通する燃焼ガス通路７と、外側の水冷壁２に貫通状に設けたバーナ８等から構成されており、燃焼室３の下部領域に対向する内側の水冷壁１の下端部外面及び外側の水冷壁２の下端部内面にフィン１４を燃焼室３の高さ方向に一定間隔ごとに設け、当該フィン１４により火炎Ｃ及び燃焼ガスＧの降下を抑制して火炎Ｃ及び燃焼ガスＧの燃焼室３出口（燃焼ガス通過口９）へのショートパスを防止するようにしたものである。
このとき、フィン１４による燃焼室３横断面の絞り比（燃焼室３の絞られていない部分の横断面積と燃焼室３のフィン１４により絞られた部分の横断面積の比率）は、３：１以上となるようにしている。

この多管式貫流ボイラは、内側の水冷壁１の下端部外面及び外側の水冷壁２の下端部内面に環状のフィン１４を設けたこと以外は、図１及び図２に示す多管式貫流ボイラと同様構造に構成されており、図１及び図２の多管式貫流ボイラと同じ部位・部材には同一の参照番号を付し、その詳細な説明を省略する。

この多管式貫流ボイラは、図１及び図２に示す多管式貫流ボイラと同様の作用効果を奏することができる。特に、この多管式貫流ボイラは、燃焼室３の下部領域に対向する内側の水冷壁１の下端部外面及び外側の水冷壁２の下端部内面にフィン１４を設け、当該フィン１４により火炎Ｃ及び燃焼ガスＧの降下を抑制して火炎Ｃ及び燃焼ガスＧの燃焼室３出口へのショートパスを防止するようにしているため、燃焼ガスＧの旋回が促進されると共に、水冷壁１，２への熱伝達が促進され、燃焼ガスＧから熱を確実且つ良好に回収することができる。

尚、上記各実施形態に係る多管式貫流ボイラに於いては、バーナ８から予混合ガスＦ′を燃焼室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、バーナ８からガス燃料Ｆと燃焼用空気Ａを燃焼室３内へ別々に噴出させて拡散燃焼させるようにしても良い。

更に、上記各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の上端部にバーナ８を一台だけ貫通状に設けるようにしたが、他の実施形態に係る多管式貫流ボイラに於いては、外側の水冷壁２の上端部にバーナ８を燃焼室３の周方向へ等角度ごとに貫通状に設け、各バーナ８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Ｆ′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。又、外側の水冷壁２の上端部にバーナ８の他に燃焼室３内に二次燃焼用空気を吹き込む二次燃焼空気供給管（図示省略）を貫通状に設けるようにしても良い。

本発明の第１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。本発明の第２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。本発明の第３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。従来の多管式貫流ボイラの概略縦断面図である。従来の多管式還流ボイラの概略横断面図である。燃焼室の形状と水冷壁の伝熱面積との関係を示す説明図である。火炎の表面積が広くなる縦長細幅のバーナの説明図である。従来の多管式貫流ボイラを示し、バーナの先端部に渦流が発生した状態の概略横断面図である。

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、４は上部ヘッダー、５は下部ヘッダー、８はバーナ、１４はフィン、Ａは燃焼用空気、Ｃは火炎、Ｆはガス燃料、Ｆ′は予混合ガス、Ｇは燃焼ガス。

Claims

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、両水冷壁の各水管の上端部及び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、又、前記外側の水冷壁の上部にバーナを貫通状に設け、当該バーナから燃焼室の上部側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、燃焼室内に燃焼室壁面に沿う火炎を形成すると共に、燃焼ガスを燃焼室内で旋回させながら燃焼室の下部側へ流して排出するようにした多管式貫流ボイラに於いて、前記燃焼室の高さと幅の比率を５：１〜１０：１とし、又、前記バーナを縦長細幅のバーナとし、当該バーナの燃焼室に臨む先端部開口の高さと幅の比率を５：１〜１０：１とすると共に、燃焼室の幅とバーナの先端部開口の幅の比率を１〜１．５：１とし、バーナの先端部開口が外側の水冷壁内面から離間した位置になるようにバーナを外側の水冷壁に深く挿着し、バーナ先端からの噴出火炎が内側の水冷壁に当たるのを抑制し、火炎が内側の水冷壁に当たることにより形成される火炎噴出方向と逆向きの渦流の発生を抑えて環状の燃焼室内を旋回して来た燃焼ガスの再循環量を増やすようにしたことを特徴とする多管式貫流ボイラ。」
外側の水冷壁の下端部を内方側へ折り曲げて燃焼室の下部空間を絞り込み、火炎及び燃焼ガスの降下を抑制して火炎及び燃焼ガスの燃焼室出口へのショートパスを防止するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の多管式貫流ボイラ。
内側の水冷壁の下端部外面及び外側の水冷壁の下端部内面に火炎及び燃焼ガスの降下を抑制するフィンを設け、火炎及び燃焼ガスの燃焼室出口へのショートパスを防止するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の多管式貫流ボイラ。