JP5717425B2 - ボイラ - Google Patents
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例えば図10に示す舶用ボイラ1は、上部にバーナ2が設けられた火炉3と、火炉3の側部に接続されるガス流路に配設された各種伝熱管とを有する。伝熱管は、燃焼ガス流れ方向の最も上流側にフロントバンクチューブ7が配設され、その下流側に過熱器管8が配設され、さらに過熱器管8の下流側に蒸発管9が配設されている。この舶用ボイラ1では、バーナ2から噴出する燃料と空気の混合ガスを火炉3内で燃焼させて燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは火炉3からフロントバンクチューブ7、過熱器8、蒸発管群9の順に略水平方向に通過し、上記した各伝熱管内を通流する蒸気又は水等の流体と熱交換した後にガス出口6より外部に排出される。
一方、燃焼ガスの流量分布を均一にする技術として、特許文献2(特開2002−243106号公報)には、蒸発管群の出口側に整流板を設けた構成が開示されている。これは、整流板の角度を調整することによって過熱器や蒸発管群を流れる燃焼ガスの流動パターンが均一になるようにしたものである。
また、特許文献2に開示されるように整流板を設置する構成は、熱回収効率の向上には寄与するものの、整流板が伝熱管群の出口側に配置されているため最も上流側の過熱器管の熱負荷が高くなることは避けられず、過熱器管の部分的な減肉は阻止できなかった。
さらにまた、上記した特許文献1及び特許文献2は、腐食減肉の低減又は熱効率の向上のみを目的としたものであり、NOx低減には新たに別の構成を備える必要があった。
なお、本発明において板状偏向部材の設置部位は、燃焼ガス温度及び流量の分布と蒸気温度の分布とにより腐食が進行しやすい過熱器管部位を推定し、この推定された過熱器管部位に板状偏向部材を設置することが好ましい。ここで前記推定とは具体的に、燃焼ガス温度及び流量の分布と蒸気温度の分布をシミュレーション又は実測により求め、ここから腐食減肉しやすい過熱器管部位を求めてもよいし、過去の運転履歴から腐食しやすい過熱器管部位を特定してもよい。
火炉上部にバーナが設置され、火炉側部にガス流路が接続され、該ガス流路に過熱器管群8が配設された舶用ボイラ1においては、燃焼ガスが過熱器管の下部に集中してしまう。そこで本構成では過熱器管の高さ方向下部に板状偏向部材を設置することによって、最も燃焼ガス流量が大きい過熱器管部位の腐食減肉を低減できるとともに、板状偏向部材が小さい面積であっても十分な量の自己再循環ガスを生成することができ低NOx化にも大きく寄与することとなる。
このように、蒸発管と板状偏向部材とを接触して配置することにより蒸発管内を流れる冷却水の冷熱が板状偏向部材に伝熱してこの板状偏向部材が冷やされ、高温環境下におかれる板状偏向部材の腐食を抑制することができる。
このように、板状偏向部材を耐火材で形成することによりコストを安価にでき、さらに耐火材は形状の自由度が大きいため板状偏向部材の設置部位にかかわらず容易に設置できる。なお、耐火材は、焼成した成形耐火材であっても不定形耐火材であってもよい。
このように板状偏向部材を蒸発管同士の間に設置されたフィンで構成することにより、板状偏向部材の設置面積を最小限に抑えることができる。
また、燃焼ガス温度及び蒸気温度から決定される過熱器管温度と、燃焼ガス流量との両方に基づいて板状偏向部材の設置部位を設定する構成とすることにより、最も腐食減肉が進行しやすい過熱器管部位に確実に板状偏向部材を設置することができる。
さらに、板状偏向部材により偏向した燃焼ガスが自己再循環ガスとなりバーナの主燃焼部のガス温度を低減し、低NOx化を図ることが可能となる。
本発明の実施形態に係る構成はボイラ全般に適用可能であるが、特に、船舶に搭載される舶用ボイラ、舶用リヒートボイラ若しくはFPSO(Floating Production, Storage and Offloading system:浮体式海洋石油・ガス生産貯蔵積出設備)向けボイラ等の舶用ボイラ構造を有するボイラに好適に用いられ、以下の実施形態では一例として舶用ボイラに適用した場合につき説明している。
舶用ボイラ1は、主に、バーナ2を有する火炉3と、火炉3の側部に接続されるガス流路に配置されたフロントバンクチューブ7、過熱器管群8、蒸発管群9と、過熱器管群8と火炉3との間に設置された板状偏向部材10とを備える。
蒸発管群9は管内を水が通流しており、この水と燃焼ガスとが熱交換することにより蒸気を生成する。この構成は過熱器管群8と略同一であるが、一般に蒸発管群9は過熱器管群8よりも多数の伝熱管から構成される。
なお、板状偏向部材10の設置部位については後述する。
図3に示す第1構成例において板状偏向部材10は、フロントバンクチューブ7の火炉側前面に設置される。板状偏向部材10を耐火材で形成する場合は、一枚の大判の板状耐火材を成形し、図4に示すようにU字状の固定治具11によりこの板状耐火材をフロントバンクチューブ7に取り付けてもよい。板状偏向部材10を金属材料で形成する場合は、一枚の大判の金属板をフロントバンクチューブ7にスポット溶接等で固定してもよいし、図4に示すようにU字状の固定治具11により金属板をフロントバンクチューブ7に取り付けてもよい。この場合、固定治具11とフロントバンクチューブ7との間に隙間をもたせておくことが好ましく、これにより金属板とフロントバンクチューブ7の線膨張係数に差がある場合にも適用可能となる。
板状偏向部材10の設置部位は、過熱器管群8のうち燃焼ガス流れ方向最上流側に配置された過熱器管列8aを通過する燃焼ガス温度及び流量の分布と、最上流側の過熱器管列8aを流れる蒸気温度の分布とに基づいて腐食が進行しやすい過熱器管部位を推定し、この推定された過熱器管部位に板状偏向部材10を設置する。ここで前記した推定とは具体的に、燃焼ガス温度及び流量の分布と蒸気温度の分布をシミュレーション又は実測により求め、ここから腐食減肉しやすい過熱器管部位を求めてもよいし、過去の運転履歴から腐食しやすい過熱器管部位を特定してもよい。
過熱器管群8は、火炉側に位置する直管状の過熱器管と、その下流側に位置する直管状の過熱器管とが上方の屈曲管で接続され、それぞれがヘッダ81、82に接続された構成となっている。ヘッダ81、82の管内は所定間隔で仕切られ、一つの仕切られたヘッダに複数本の過熱器管が接続されて、図中矢印で示す蒸気流れ方向に蒸気が流れるようになっている。
同図において、板状偏向部材19の高さ方向の構成は図8と同一である。一方、板状偏向部材10の幅Wは過熱器管列8aの幅W0より小さくなっている。この板状偏向部材10の幅Wと、幅方向における板状偏向部材10の設置部位は、過熱器管列8aを通過する燃焼ガス温度及び流量の分布と、過熱器管列8aを流れる蒸気温度の分布とに基づいて設定される。
また、燃焼ガス温度及び蒸気温度から決定される過熱器管温度と、過熱器管列8aを通過する燃焼ガス流量との両方に基づいて板状偏向部材10の設置部位を設定する構成とすることにより、最も腐食減肉しやすい過熱器管部位に確実に板状偏向部材10を設置することができる。
さらに、板状偏向部材10により偏向した燃焼ガスが自己再循環ガスとなりバーナの主燃焼部のガス温度を低減し、低NOx化を図ることが可能となる。
2 バーナ
3 火炉
7 フロントバンクチューブ
8 過熱器管群
8a 過熱器管列
9 蒸発管群
10 板状偏向部材
11 固定治具
Claims (6)
- バーナの燃焼により火炉内の燃焼空間内に発生した燃焼ガスが、前記火炉の側部に接続されるガス流路に配設された過熱器管群を通って流れるように構成されたボイラにおいて、
前記バーナは、前記火炉の上部において下方に向けて設置され、該バーナにより発生して前記燃焼空間内を下方に向けて通流する燃焼ガス流れが向きを変えて前記過熱器管群を通流するようになっており、
前記過熱器管群と前記火炉の出口との間に、前記ガス流路を部分的に遮蔽して前記燃焼ガス流れを偏向させる板状偏向部材を前記燃焼空間の高さ方向下部に設置し、前記板状偏向部材の設置部位が、前記過熱器管群のうち燃焼ガス流れ方向最上流側に配置された過熱器管列を通過する燃焼ガス温度及び流量の分布と、前記最上流側の過熱器管列を流れる蒸気温度の分布とに基づいて設定されており、
前記板状偏向部材は、前記バーナにより発生して前記過熱器管群に向かう前記燃焼ガス流れの少なくとも一部が前記板状偏向部材に衝突して前記バーナ側に戻る前記燃焼ガスの循環流を前記燃焼空間内に形成するように構成されたことを特徴とするボイラ。 - 前記板状偏向部材は、前記過熱器管の下端から該過熱器管の全長の1/8以上1/3以下の高さまで設置されたことを特徴とする請求項1に記載のボイラ。
- 前記板状偏向部材は、前記ガス流路を流れる前記燃焼ガス流れに対して垂直に配置されたことを特徴とする請求項1に記載のボイラ。
- 前記過熱器管群と前記火炉出口との間に、蒸発管が配設されたボイラであって、
前記板状偏向部材が金属材料で形成されているとともに該板状偏向部材が前記蒸発管に接触した状態で設置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のボイラ。 - 前記板状偏向部材が耐火材で形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のボイラ。
- 前記板状偏向部材は、隣り合う前記蒸発管同士の間に設置された複数のフィンから構成されることを特徴とする請求項3又は4に記載のボイラ。
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