JPH02272207A - 水管式ボイラとその燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 零発用は自然循環式、強制循環式又拡貫流式水管ボイラ
において、ＮＯｘの生成を抑制せしめて高負荷燃焼させ
、ボイラの火炉を著しく小さくすることによって、ボイ
ラの小型軽量化を達成した収熱水管内挿型燃焼室を備え
た新規な水管式ボイラと該水管式ボイラの燃焼方法に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来、ボイラの燃焼室はボイラの構造上最大の容積を占
めておシ、ボイラの性能とコストを大きく左右するもの
である九め、その小型化が要望されていた。従来型水管
式ボイラの一例の概略断面図を第１０図に示す。第１０
図において（１）は燃焼室、（２）は２次過熱器（５ｕ
ｐｅｒｈｅａｔｅｒ　）　５（３）は再熱蒸気管（Ｒｅ
ｈｅａｔｅｒ）、１４）はボイラ水管で燃焼室は伝熱面
積としてに全体の１０％程度で少いものの、ｅｅａ−占
有容積そのものは全体の５０−程度を占めている。

これは燃焼室熱負荷が小さいためで、例えば大容量の事
業用ボイラにおいてもその熱負荷の値は！Ｏ万Ｋｃａ／
／ｆｆｉ”Ｈのオーダのレベルでしかない。

その理由は従来型のような、大きな燃焼火炎を水冷壁伝
熱管がこれをとり囲むという設計では燃焼室熱負荷を高
くすると伝熱面熱負荷が必然的に上昇し、最終的には水
管が焼損する所謂バーンアウト現象を引きおこすためで
ある。

これは燃焼と伝熱の相似則からボイラが大容量化する＃
１ど、容積は寸法の８乗に比例して増加するのに反して
、水壁面積は寸法の２乗に比例するだけであるため適当
々伝熱面熱負荷に押えるために燃焼室熱負荷を小さくし
なければならないという制約があるためである。

従って大容量の事業用ボイラの燃焼室は巨大な空間を必
要とし、そのため必然的にボイラが大型化することにな
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来型水管式ボイラの燃焼室の構成を第Ｕ図に示した。

ｆｌ）は燃焼室、（５ａ）は燃焼室氷壁管である。

第ル図に従来型水管式ボイラの燃焼室氷壁管の熱負荷の
分布を示した０第戎図に示すように、従来型水管式ボイ
ラの燃焼室氷壁管（５ａ）の特性として、氷壁管（６ａ
）は燃焼火炎からの輻射伝熱（ＱｏＫｃａｌ！／？ｎ”
Ｈ）を受けるが、これは燃焼室側（力の半周でしかなく
、反対面の炉壁側の半周（８）は伝熱には全く寄与しな
い。ま九燃焼室側の半周面では第認図の矢印で示すよう
な伝熱面熱負荷の大きさの分布を示す。設計上、その最
大熱負荷はバーンアクトを起さない限界伝熱面熱負荷以
下にする必要があるから、結局従来型ボイラの火炉にお
いては水管全周の全吸収熱量は極めて低い値となるとい
う設計上の問題点があった〇 これに対して従来は上記の限界伝熱面熱負荷を引き上げ
るための工夫、例えば内面の溝付水管の採用なども試み
られたが、この場合も燃焼室熱負荷を一気に引き上げ、
著しい効果を奏するには至っていなかった。

一方、燃焼室熱負荷を高くすると従来のような燃焼室の
場合における大きな火炎のがたまシの状態ではその中心
部にホットスポットが発生し、ＮＯｘの排出量が増大し
て公害問題を惹き起すという問題点もあった。

上記のように限界伝熱面熱負荷の存在とＮＯｘの生成を
抑制するためには従来の装置のままではボイラ火炉を小
さくすることはできなめ。そこで従来の限界を突き破る
ためには、従来よシもめる新規な水管式ボイラを必要と
することになる０ 一定値以下に抑えながら、ボイラ火炉部分を著しく小さ
くシ、それによって小型軽量化を図った収熱水管内挿型
燃焼室を有する水管弐ボイラ並びに該ボイラの燃焼方法
を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は前記の目的を達成するために、水管式ボイラに
おいて燃料の燃焼を行なう燃焼部（バーナ）に連設する
単数の燃焼室内に多数の勧窄収熱水管を配設することに
より火炎温度を抑制して低ＮＯｘ化を達成し、更に接触
伝熱を促進してボイラの燃焼室を極端に小さくしたもの
である。

更に大型化や低ＮＯｘ化などの設計上の問題から、該収
熱水管内挿型燃焼室を複数段配設し、各段の燃焼部にお
ける空気比をそれぞれ変化させることによって、空気過
剰の希薄燃焼や燃料過剰の還元燃焼を適宜組合わせ最終
段で通常の適正な空気比にして完全燃焼を行なわしめる
構成は上記本燃焼室方式よりもＮＯｘ低減効果は大きい
。

この種の燃焼方法は上記単独の該収熱水管内挿型燃焼室
においてもここに取付けた本数又は複数碌のバーナにお
いて同様の方法により同様の効果がある。

本発明の収熱水管内挿型燃焼室の燃料と空気の投入によ
る燃焼方法としては例えば、収熱水管内挿型燃焼室をａ
段丘列に配置し、第１段目では空気比！、２５程度の空
気過剰の希薄燃焼により即座に発生するＮＯｘ所謂プロ
ンプ）　ＮＯｘ　（ｐｒｏｍｐｔＮＯｘ　）の生成を抑
制し、第２段目では燃料のみか、又は燃料に少量の空気
を投入して空気比１以下の還元雰囲気燃焼とし、ＮＯｘ
の還元をはかり、第８段目では最終適正空気比となるよ
うに空気比を１．０５程度になした燃焼方法であり、こ
の燃焼方法が全体のまとまりと効果の点から好適である
。

この場合における全体の熱量バランスと各部の温度は第
１図に示す通りで、全燃焼量に対する第１段目の燃焼量
（−次燃料比Ｘ）は５０〜７０チの範囲にすることが効
果的であることがわかったＯ 本発明者等の試算によれば一次燃料比を７０％を超過せ
しめることは物質バランスから不可能であシ、ま九−次
燃料比を５０チ未満にすると第２段収熱水管群出口温度
が下りすぎて第２段収熱水管群の伝熱上不利になる。従
来の水管式ボイラにおいてもＮＯｘの低減対策は試みら
れていたが不充分であった。

本発明の特徴とするところは、単数へ、の燃焼室でもそ
の中に収熱水管群を配設することによって火炎のホット
スポットを作らずに接触伝熱を促進して火炎温度を抑制
するところにちゃ、このことがみかけ上の燃焼室熱負荷
を著しく高くすることができるとともに低ＮＯｘ化のた
めに有利に作用するが、更に多段燃焼室の特徴とすると
ころは、何れの燃焼部においてもその中に収熱水管群を
配設することによって熱除去を伴ないながら、しかも段
階的に各々の燃焼反応を行なわせるところにある。これ
らの方法は比較的良質の燃料例えばガス燃料においては
特に有効である。

従来の水管式ボイラにおいては、水管に火炎をぶつつけ
るような燃焼方法ではＣＯ１未燃分の発生及び水管の焼
損を伴なうという考え方のため、全く採用されていなか
ったが、本発明者等の基礎的研究の結果から収熱水管に
火炎をぶつつけても収熱水管の壁面から１ｔｌ１以内の
ごく薄い部分では確かに火炎のクエンチング現象（冷却
現象）によるＣＯの発生や未燃焼金が存在するが、収熱
水管と収熱水管との間に数１０ｆｌ程度の隙間を設ける
ことによって、その空間において残存するＣＯや未燃焼
′りが燃焼して消滅することが判明した。

特に水管後流部の流れの乱れ九部分でのＣＯ消滅が著し
いことがわかった。これより収熱水管はむしろ燃焼を促
進し、バーナヘッドからＣＯの消滅する迄の距離（火炎
の長さ）は収熱水管がある場合の方がずっと短かくなる
。この場合収熱水管の配列は流れに対してゴバン目配列
より千鳥配列の方がその効果は大きい。

更に燃料燃焼部の火炎中に存在する収熱水管は周囲から
ほぼ均一な輻射伝熱を受けるが、輻射ガス層の有効厚さ
が従来型燃焼室と違って著しく小さいため、その伝熱量
は従来型に比べてそれほど大きくなく、むしろガスの流
れによる接触伝熱の方が大きい。本発明によるボイラ燃
焼室の構成を第２図に示す。第２図における燃焼室内挿
型成熱水管（６ｂ）まわシの伝熱面熱負荷の分布を第８
図に示す。（９）は対流伝熱（ＱＣ）、ｉｌｌは輻射伝
熱（ＱＲ）で、全伝熱面熱負荷（Ｑ代＋Ｑｃ　）は限界
伝熱面熱負荷以下で全周にわたってほぼ均一になってい
る。

なおバーナの特性によっては燃焼をより円滑に行なわせ
るために、バーナヘッド近傍での収熱水管を一部分省い
て空間を作るようにして、空気過剰燃焼、希薄燃焼や燃
料過剰の還元燃焼を同−燃焼室断面内でローカルに生ぜ
しめてもよいＯ またこの収熱水管の配列としては接触伝熱効果を上げる
ために、成熱水管群中では火炎又は燃焼ガスをある程度
早い流速にする必要があり、或いはバーナの燃焼断面熱
負荷特性から、収熱水管前面では流速を成程度低下させ
る必要がある九め、水管のピッチ（Ｐ）と水管直径（Ｄ
）の比（Ｐ／Ｄ　）を１．１〜２．０にすることが望ま
しい０Ｐ／Ｄが１．１未満では、水管まわりのガス流速
が早くなシすぎて圧力損失が大きくなることや、燃焼に
必要な流れ方向に直角な断面積がとれなくなり、燃焼上
問題があり、またＰ／Ｄが２．０を超過すると、ガス流
速が遅くなり、収熱水管の伝熱性能が悪化し、結局燃焼
室の小型化ができないということになる。

更にバーナの特性により一部熱負荷の高い水管の場合は
、その外面に断熱被覆を設けるか、又は内面に溝又はフ
ィンを設けると伝熱面の焼損を防ぐために有効である。

また本発明の複数段燃焼室型ボイラにおいては、排ガス
主流に対して２段目バーナ、８段目バーナの燃料と空気
を如何にうまく混合させるかという問題がある０木発明
のボイラでは■段目バーナから下流に向けて、上下方向
か又は水平方向にガス流路をとるが、この場合２段目バ
ーナ以降のノ（−すの向きのガス流路とほぼ直交又は対
向するように設ける（第９図）。そして主排ガス流路の
ガス流速が２段目以降の各段バーナ噴流速度の２”６と
なるように主排ガス流路面積を調整するのが混合性能向
上上、効果的である。

〔実施例〕

次に図面によって本発明を説明する。

第２図は本発明の一実施例の成熱水管内挿型燃暁室が単
独の場合の断面図、第４図は本発明の一実施例の３段直
列配列の水管式ボイラの基本的フロー、第６図は本発明
の水管式ボイラの上下方向流れの縦配置の場合の流路を
示す一実施例、第７図は第５図の縦配置の場合の概略断
面図、第６図は他の一実施例の水平方向流れの横配置の
場合の流路含水す図、Ｍ８図は第６図の横配置における
全体概略断面図、第９図は２段目以降のバーナの向きを
示す概略断面図である。

第１図、第４図及び第５図においては、１段目、２段目
の当該燃焼室には外径５ｏ、５ａｌＩｊの水管がピッチ
８０ｆｉでびりしり密に詰っている一実施例である。

第４図に示すように、１段目の空気比（色）は１．２６
で、−次燃料比（Ｘ）は０．６６、即ち全燃焼量のｓｓ
％の燃料を希薄燃焼させるとともに、燃焼ガスは１８８
５℃から１２００℃まで熱除去されるためｐｒｏｍＰｔ
ＮＯｘやサーマルＮＯｘの発生が抑制される。上記１２
００℃の排ガスは１段目燃焼室終端で上方へとすでは燃
料のみを注入し、１段目からの排ガスと混合させて空気
比（＠）を０．９まで下げ、還元燃焼を行うことによっ
て１段目で発生したＮＯｘを還元し、さらに熱除去され
て排ガス温度は１０７４℃まで低下する。

２段目燃焼室からの排ガスはそのまま横方向への流路を
とるが、これと直交する形で３段目バーナから燃料と空
気とが投入される。これらの排ガスはすぐ混合し、空気
比（６）が１．０５の適正値になｐ、１２００℃まで排
ガス温度が上昇する。

この場合３段目燃焼室には水管が全く挿入されていない
構造となしている。即ち３段目燃焼室では酸化燃焼状態
にあるものの、ガス温度はすでに１２００℃未満に低下
している。そのためここでのＮＯｘの生成はごく少ない
ため本実施例では収熱水管が全く挿入されていない構造
となっている。

第１図、第４図に示すように排ガスは従来ボイラと同様
にスーパーヒータ、接触水管伝熱面、エコノマイデー、
エアヒータを通ってボイラ外に排出される。

なお第６図、第８図は横配列の場合で、燃焼ガス流路を
水平方向にとシ、各段の収熱水管内挿型燃焼室を水平方
向に並べたものである。ここで、２段目、８段目のバー
ナは排ガスと直交するか、又は第９図に示す如く上流に
向は多少角度をつけて取付けられる０この場合主排ガス
流路のガス流速を２段目以降のバーナ噴流速度の−〜−
になるように流路面積をとると混合性能向上に効果的で
ある。

さらに上記横配置の場合は、各段伝熱要素をパネル状に
製作して、それらを現地で簡単に組立てできる利点があ
る。

〔発明の効果〕

本発明の効果を纒めると次の通りである。

本発明は燃焼方式を全く変えた単数又は複数の１革燃焼
室の組合わせといずれも成熱水管内挿型燃焼、室の採用
によって、ボイラから排出されるＮＯｘを低減しながら
、当該燃焼室の容積を従来のｍ〜１程度以下にできて、
そのためボイラの大きさをに 従来のｉ程度以下にすることに成功したもので、ボイラ
の小型、軽量化が可能となった。

しかも従来の炉壁水管においては、伝熱面熱負荷が不均
一で、一部焼損の危険にさらされていたが、本発明の燃
焼室内挿型収熱水管では、均一伝熱面熱負荷で伝熱面熱
負荷の限界値以下に設計することができるため、ボイラ
の信頼性、安全性が向上する効果を奏する。

更に、各段の収熱水管内挿型燃焼室を水平方向に並べた
横配置の場合には、各段の伝熱要素をノくネル状に製作
して、現地で簡単に組立てられるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の３段階直列配置式ボイラの燃料と空気
のフローと排ガスの温度を示す一実施例の模式図、第２
図は本発明の燃焼室が単段の場合あるい社２段、８段と
なる場合の一実施例の概略模型図、第８図は本発明のボ
イラの燃焼室内挿型収熱水管の熱負荷分布を示す図、第
４図は本発明の８段丘列配置のボイラの燃料、空気の基
本的フローと熱量バランスを示す一実施例、第６図は本
発明燃焼室の上下方向流れの縦配置の場合の流路構成を
示す一実施例、第６図は本発明燃焼室の水平方向流れの
横配置の場合を示す他の一実施例、第７図、（４）、Ｃ
Ｂ）、（Ｃ）は本発明の燃焼室の３段直列縦方向配置の
一実施例の概略断面図、第８図は本発明の燃焼室の３段
直列横−配置の場合の他の一実施例の概略断面図、第９
図は本発明の２段目以降のバーナの向きを示す概略断面
図、第１０図は従来型水管式ボイラの断面図、第１１図
は従来型水管式ボイラの燃焼室の構成を示す概略断面図
、第１２図は従来型水管式ボイラの燃焼室氷壁管の熱負
荷分布を示す図である。 燃焼室 燃焼室内挿型収熱水管 燃焼室側 対流熱 １段目燃焼室 ８段目燃焼室 燃焼室水冷壁管 バーナ 炉壁側 輻射熱 ２段目燃焼室

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水管式ボイラにおいて、燃料の燃焼を行う燃焼部（
   バーナ）に連設する燃焼室を収熱水管内挿型燃焼室とし
   て、これを直列に単段又は複数段配設し、各段の燃焼室
   のバーナが単数又は複数個で構成され、複数段の場合は
   各段のバーナの空気比をそれぞれ変化せしめたことを特
   徴とする水管式ボイラ。 ２、水管式ボイラにおいて、各段の収熱水管内挿型燃焼
   室内の燃焼部の全空間又は一部空間を除いた全空間に収
   熱水管間のピッチ（Ｐ）と収熱水管の直径（Ｄ）の比を
   １．１≦Ｐ／Ｄ≦２．０になるように収熱水管群を配設
   するか、燃焼ガス温度が１２００℃程度以下の燃焼室段
   においては、全空間にわたつて水管を除いたことを特徴
   とする請求項１記載の水管式ボイラ。 ３、水管式ボイラにおいて、それぞれの収熱水管の外面
   に断熱被覆を設けるか、又は収熱水管の内面に溝又はフ
   ィンを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の水
   管式ボイラ。 ４、水管式ボイラにおいて、収熱水管内挿型燃焼室を複
   数個配設する場合各段を上下方向か又は水平方向に配置
   し、各段のバーナの向きを主排ガス流路と直交又は対向
   するように設け、主排ガス流路のガス流速が２段目以降
   の各段のバーナの噴流速度の１／２〜１／５になるよう
   に主排ガス流路の面積を調整したことを特徴とする請求
   項１又は２又は３記載の水管式ボイラ。 ５、水管式ボイラにおいて、収熱水管内挿型燃焼室を３
   段直列に配置し、各段の燃焼室のバーナが単数又は複数
   個で構成され、１段目は空気過剰の希薄燃焼、２段目は
   燃料のみか、又は燃料と少量の空気を投入して空気比を
   １以下の還元燃焼、３段目は最終的に適正空気比となる
   ように燃料と空気とを供給して燃焼せしめることを特徴
   とする請求項１又は２又は３又は４記載の水管式ボイラ
   の燃焼方法。 ６、水管式ボイラにおいて、燃焼室を３段直列に配設し
   、１段目では全燃焼量の５０〜７０％のの燃料を燃焼さ
   せるようになしたことを特徴とする請求項１又は２又は
   ３又は４又は５記載の水管式ボイラの燃焼方法。