JPH0665707U - バーナ部が缶水面下に位置する二段燃焼式の燃焼室を有するボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＮＯｘ，煤塵，ＣＯの発生を効果的に抑制で
きるようにする。 【構成】 バーナスロート４から燃焼室２内に理論燃焼
空気量より少ない一次空気１２を旋回流をなして供給
し、バーナスロート４の側方に設けた複数の空気噴出ノ
ズル１６から燃焼室２内に一次空気１２量より多い二次
空気１８を供給する。空気噴出ノズル１６は、バーナス
ロート４の周辺環状領域に、二次空気１８を一次空気１
２による一次燃焼部１４の下流側中心に向けて噴出させ
るべく且つ空気噴出ノズル１６からの噴出空気流１８´
がその上流側においては相互に干渉しないように、燃焼
室２の軸線に対して１０°〜３０°に傾斜された状態で
所定間隔を隔てて配置されている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、バーナ部が缶水面下に位置する二段燃焼式の燃焼室を有するボイラ に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

一般に、燃焼室における窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低減させる燃焼方式と しては、排ガス循環燃焼方式，水添燃焼方式，水蒸気噴射燃焼方式がよく知られ ているが、次のような問題がある。

【０００３】 すなわち、排ガス循環燃焼方式は、排ガスの一部をバーナ部に再循環して酸素 分圧を下げることによって低ＮＯｘ化を図るものであるが、燃焼用送風機により 排ガスを強制循環させる場合、火炎の不安定や燃焼用空気系の汚れ等を避けるた めに、排ガス再循環量を或る程度以上増大させることができず、充分な低ＮＯｘ 化を図り得ない。また排ガスを自己循環させる場合、低負荷条件下では排ガスの 再循環率が低下するために、効果的な低ＮＯｘ化を図り得ない。さらに、何れの 場合にも送風機能力を必要以上に高くしておく必要があり、コスト面での問題も ある。

【０００４】 また、水添燃焼，水蒸気噴射燃焼方式は、燃焼室に水，水蒸気を吹き込んで火 炎温度を下げることによって低ＮＯｘ化を図るものであるが、水添燃焼方式では 、水の吹き込みにより缶体腐食が生じる虞れがあり、ボイラ効率も低下する。さ らに、ポンプ等の水吹き込み装置が別途必要となり、コスト面でも問題がある。 また、水蒸気噴射燃焼方式では、ボイラの発生蒸気を利用すると、ボイラ効率が 低下し、ボイラの発生蒸気を利用しない場合或いは利用できない場合には、蒸気 発生装置等が別途必要となり、大幅なコストアップとなる。

【０００５】 そこで、本考案者は、先に、特願平４−１０３０１８号に開示される如く、二 段燃焼バーナによる燃焼方式を開発した。すなわち、燃焼室内において、理論燃 焼空気量より少ない一次空気を旋回流をなして供給させることにより一次燃焼さ せると共に、この一次燃焼部の下流側に一次空気量より多い二次空気を供給させ ることにより二次燃焼させるのである。かかる二段燃焼方式によれば、上記した 如きボイラ機能上，コスト上での問題を生じることなく、ＮＯｘの発生を大幅に 低減することができ、しかも煤塵，ＣＯの発生も効果的に抑制することができる 。

【０００６】 而して、かかる二段燃焼方式を、温水ボイラや炉筒煙管ボイラの如きバーナ部 が缶水面下に位置する燃焼室を有するボイラに適用した場合、バーナスロートリ ングや二次空気ノズル等の熱損を防止するために、二段燃焼バーナを取付ける燃 焼室端部壁をボイラ本体外に臨ませた耐火構造物に構成しておくのが普通である 。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】

しかし、このようにバーナ取付部をボイラ本体外に臨む耐火構造物としておく と、どうしても全体構造が複雑化，大型化することになり、近時の軽量化，コン パクト化といった要請を満足させることができない。しかも、耐火構造物は、そ の材質上、寿命（一般に４〜５年）があり、定期的に補修する必要がある。

【０００８】 本考案は、 バーナ部が缶水面下に位置する燃焼室を有する温水ボイラ等において、このよう な問題を生じることなく二段燃焼方式を採用することができ、高負荷燃焼におい ても大幅なＮＯｘ低減を図りうるボイラを提供することを目的とするものである 。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

本考案は、上記の目的を達成すべく、缶水を貯留する金属板壁構造のボイラ本 体と、缶水面下に位置するボイラ本体壁部分に近接対向する金属板製の燃焼室端 部壁を有して、缶水中に浸漬配置された燃焼室と、燃焼室に取付けられた二段燃 焼バーナとを具備するボイラであって、二段燃焼バーナが、燃焼室の軸線に一致 して配置された金属製筒体であって、ボイラ本体壁部分を貫通して燃焼室端部壁 の中心孔部に固着されたバーナスロートリングと、ボイラ本体壁部分に取り付け られており、内部がバーナスロートリングに連通する一次空気供給室とボイラ本 体壁部分で兼用構成された周壁部分を有する二次空気供給室とに区画された風箱 と、風箱に設けられており、一次空気供給室からバーナスロートに供給させる一 次空気量を理論空気量以下に制御させると共に一次空気をバーナスロートから燃 焼室に旋回流をなして供給させる一次空気供給機構と、二次空気供給室の前記周 壁部分と燃焼室端部壁とに、二次空気供給室の二次空気を一次空気による一次燃 焼部の下流側中心に向けて噴出させるべく、燃焼室の軸線に対して傾斜する状態 で貫通固着された、金属製筒体からなる複数の二次空気ノズルと、風箱に設けら れており、二次空気ノズルから燃焼室に一次空気量より多い二次空気を供給させ る二次空気供給機構と、を具備するものであることを特徴とする、バーナ部が缶 水面下に位置する二段燃焼式の燃焼室を有するボイラを提案する。

【００１０】

【作用】

バーナスロートリング及び二次空気ノズル等のバーナ構成部材の周辺領域は缶 水領域であるから、耐火構造物としておかずとも、これらの部材が熱損するよう なことがない。したがって、バーナが取り付けられる燃焼室端部壁が、ボイラ本 体内に位置する金属板製のものとしても何ら支障はない。その結果、燃焼室全体 を、耐火構造部分を全く含まない金属板壁構造としてボイラ本体内に配置してお くことができ、軽量化，コンパクト化を図ることができる。また、寿命のある耐 火構造物を不要とすることから、その定期的な補修を必要とせず、保守管理費を 含むコスト面でも有利となる。

【００１１】

【実施例】

以下、本考案の構成を図１〜図３に示す実施例に基づいて具体的に説明する。

【００１２】 この実施例のボイラは、図１に示す如く、ボイラ本体１と火炉たる燃焼室２と 二段燃焼バーナ３とを具備する温水ボイラ（出力：５０万Ｋｃａｌ／ｈ、火炉負 荷：約２５０万Ｋｃａｌ／ｍ³ ｈ、バーナ制御方式：３位置制御）のものである 。

【００１３】 ボイラ本体１は、図１に示す如く、缶水４を貯留せる金属板壁構造のものであ る。燃焼室２は、図１及び図２に示す如く、缶水４中に浸漬配置された金属板壁 構造の円筒体（内径５５０ｍｍ，軸長９００ｍｍ）である。バーナ３が取り付け られる燃焼室端部壁は金属製の皿形鏡板２ａに構成されており、この鏡板２ａは 缶水面下に位置するボイラ本体壁部分たる缶板部分１ａに近接対向せしめられて いる。

【００１４】 二段燃焼バーナ３は、図１に示す如く、風箱５とバーナスロートリング６と二 次空気供給機構７と一次空気供給機構８と複数の二次空気ノズル９…とを具備す る。

【００１５】 風箱５は、図１に示す如く、缶板部分１ａの外面に取り付けられており、内部 を、燃焼室２の軸線に一致する円形（外径３６０ｍｍ）の一次空気供給室１１と これを同心状に囲繞する円環形（外径４６０ｍｍ）の二次空気供給室１２に区画 してある。一次空気供給室１１はバーナスロートリング６に連通されており、二 次空気室１２の内側壁たるノズル取付部１２ａは缶板部分１ａで兼用構成されて いる。

【００１６】 バーナスロートリング６は、図１及び図２に示す如く、燃焼室２の軸線に一致 させて一次空気供給室１１の内側壁１１ａに取り付けられた金属製筒体であり、 ノズル取付部１２ａを貫通して鏡板２ａの中心孔部に固着されている。バーナス ロートリング６はノズル取付部１２ａ及び鏡板２ａに溶接により固着されている 。バーナスロートリング６内には、燃料噴霧ノズル１３，コーン１４，コーンス ロートリング１４ａ，ディフューザ（保炎板）１５，点火電極（図示せず）が配 設されている。なお、ノズル１３のノズルホルダ１３ａを複数の芯出しガイド１ ６…によりコーンスロートリング１４ａに支持させるようにして、ノズル１３の 芯出しを正確且つ容易に行いうるように図っている。

【００１７】 二次空気供給機構７は、図１及び図３に示す如く、二次空気供給室１２に空気 供給ダクト１７を連通接続すると共に、このダクト１７にモータ１８により開度 制御される風量自動制御ダンパ１９を配設して、送風機（図示せず）によりダク ト１７から二次空気供給室１２に供給される空気量を燃焼負荷に応じて自動制御 するように構成されている。この実施例では、この空気量（空気比）を１．２〜 １．５の範囲で制御している。

【００１８】 一次空気供給機構８は、図１及び図３に示す如く、一次空気供給室１１を二次 空気供給室１２に連通させ、その連通部１１ｂに手動ダンパ２０を配設すると共 に、二次空気供給室１２とバーナスロートリング６との連通部に旋回ベーン２１ …をバーナスロートリング６の外周に沿って並列配置してなる。すなわち、二次 空気供給室１２に供給された二次空気１０ａの一部を連通部１１ｂから一次空気 供給室１１に導いて、これを一次空気１０ｂとしてバーナスロートリング６から 燃焼室２に供給させるのであり、燃焼室２には旋回ベーン２１…により一次空気 １０ｂが旋回流をなして供給されるようになっている。また、ダンパ２０の開度 は人為的に調節されるもので、予め設定された開度に固定されるものであるが、 前記自動ダンパ１９による空気制御量を考慮して、燃焼室２に供給される一次空 気量が理論空気量以下となるように設定される。この実施例では、一次空気量が 理論燃焼空気量に対して０．２〜０．６となるように設定してある。なお、手動 ダンパ２０が配設される連通部１１ｂは、４０×１１０ｍｍの矩形断面をなして いる。ところで、一次空気１０ｂのスワール数Ｓはスロート径，旋回ベーン２１ の形状等によって決定されるが、通常、旋回流のスワール数Ｓが０．３〜０．６ となるように設計しておくことが好ましい。けだし、スワール数Ｓが０．３未満 であると、火炎が長大になって、燃焼室２が大型化し、０．６を超えると、ノズ ル１３からの噴霧燃料が燃焼室２の周壁に衝突して、カーボン化する虞れがある からである。ここに、スワール数とはＳ＝Ｇφ／（Ｇｘ／（ｄ／２））で定義さ れる旋回の度合をいう（Ｇφ：噴流内の角運動量，Ｇｘ：噴流内の軸線方向運動 量，ｄ：バーナスロートの直径）。

【００１９】 このように、一次空気供給機構８により一次空気１０ｂが理論燃焼空気量より 少ない状態で供給されることから、点火電極の放電により燃料噴霧ノズル１３か らの噴霧燃料（この実施例では灯油）に着火させると、燃焼室２においては還元 燃焼且つ気化燃焼をなす一次燃焼部１０ｃが形成されることになる。しかも、一 次燃焼部１０ｃにおいては一次空気１０ｂが旋回流をなして供給されることから 、ディフューザ１５による負圧部の形成とも相俟って、生成した還元ガスたる燃 焼ガスが再循環せしめられて、滞留時間の増大，噴霧油の気化促進が図られ、安 定した燃焼が継続されることになる。また、ディフューザ１５により一次空気１ ０ｂが均一な旋回流をなして燃焼室２に供給されることから、ヒートスポットの 発生を効果的に防止される。さらに、バーナスロートリング６の周辺領域が缶水 領域であるにも拘わらず、コーン１４により火炎が可及的に安定する。これらの ことから、一次燃焼部１０ｃにおけるＮＯｘ低減と火炎安定とが効果的に実現さ れる。

【００２０】 二次空気ノズル９…は、図１及び図２に示す如く、金属筒（径２１６．３ｍｍ ）からなるもので、バーナスロートリング６と同心領域に配して、燃焼室２と二 次空気供給室１２とを連通させるべく、鏡板２ａとノズル取付部１２ａとに溶接 により貫通固着されている。これらのノズル９…は、二次空気１０ａを前記一次 燃焼部１０ｃの下流側中心に向けて噴出させるべく、燃焼室２の軸線に対して所 定角度θをなす傾斜姿勢とされている。ところで、ノズル９からの噴出空気流１ ０´ａは下流側に向かうに従って漸次拡散されていくが、ノズル９…の相互間隔 ，本数及び傾斜角度θは、上記噴出空気流が上流側においては相互に干渉せず、 下流側において拡散，相互干渉して、一次燃焼ガスの再循環領域の下方に入り込 むように、一次燃焼ガスの再循環力，燃焼室２の形状等に応じて適宜に設定され る。一般には、４，５本のノズル９…をθ＝１０〜３０°の傾斜姿勢で等間隔配 置しておくのが好ましい。この実施例では、図１及び図２に示す如く、５本のノ ズル（口径２７．６ｍｍ）９…を２０°の傾斜姿勢で等間隔配置してある。

【００２１】 このように二次空気１０ａを燃焼室２に吹き込むことにより、一次燃焼ガスの 再循環領域の下流側において拡散燃焼による二次燃焼部１０ｄが形成され、燃焼 室２内での完全燃焼が達成されることになる。したがって、上記構成の温水ボイ ラにあっては、一次空気１０ｂ及び二次空気１０ａの供給により、上流側におい ては還元炎と酸化炎とが明瞭に区別されて混在し、下流側に至るに従ってこれら 両炎が徐々に拡散，混合していく状態で二段燃焼され、高負荷条件下においても ＮＯｘを効果的に低減することができ、ＣＯ，煤塵の発生も良好に抑制すること ができる。しかも、燃焼室２の周壁が缶水４に接する水冷壁となるため、火炎の 冷却によりサーマルＮＯｘの低減を効果的に図ることができる。さらに、バーナ 部の寸法精度を、燃焼室端部壁２ａを耐火構造物とする場合に比して容易に高め ることができ、これによって更なる低ＮＯｘ化を実現することができる。

【００２２】 上記実施例の構成のものにおいて、手動ダンパ２０の開度を１０°，３０°と して負荷１００％，５０％の条件下で燃焼実験を行い、夫々の場合についてＮＯ ｘ発生量（ｐｐｍ（Ｏ₂ ＝０％換算、以下において同じ）），ＣＯ発生量（ｐｐ ｍ），スモールスケールＮｏ．（煤塵発生度の主たる指標）を測定した。その結 果は、ダンパ開度を１０°とした場合には図５に示す通りであり、ダンパ開度を ３０°とした場合には図６に示す通りであった。なお、図５及び図６において、 実線は１００％負荷の場合を示し、鎖線は５０％負荷の場合を示す。また、ダン パ開度を１０°とした負荷１００％の場合及びダンパ開度を３０°とした場合に おけるスモールスケールＮｏ．については、何れも０であったため図示していな い。

【００２３】 かかる灯油を燃料とした燃焼実験の結果からも明らかなように、本考案に係る ボイラによれば、ＮＯｘ発生量，ＣＯ発生量，スモールスケールＮｏ．の何れに ついてもこれらが著しく低減されることが理解され、更には、都道府県自治体の うち最も厳しい東京都の規制（油焚きでＮＯｘ＜８０ｐｐｍ，ガス焚きでＮＯｘ ＜６０ｐｐｍ）をも充分クリアすることができ、しかも将来、油焚きについても ガス焚き並みの規制が行われるような場合にも、これに充分対処することができ ることが理解される。

【００２４】 なお、本考案は上記実施例に限定されるものではなく、本考案の基本原理を逸 脱しない範囲において適宜に改良・変更することができる。

【００２５】 例えば、バーナスロートリング６及び二次空気ノズル９…が取り付けられる燃 焼室端部壁２ａは、図４に示す如く、平板形状（Ａ図）や截頭円錐板形状（Ｂ図 ）としてもよく、その形状は任意である。また、風箱５において、図４に示す如 く、一次空気供給室１１の内側壁１１ａもボイラ本体壁部分１ａで兼用構成する ようにしてもよい。

【００２６】 また、各空気供給機構８，９の構成も任意であり、例えば、手動ダンパ２０は オリフィス構造のものとしてもよい。また、ダクト１７におけるダンパ１９の上 流側部分と一次空気供給室１１とを連通させ、この連通部に手動ダンパ２０（又 はオリフィス）を配設するようにして、一次空気量制御と二次空気量制御とを各 別に行うようにしてもよい。また、一次空気量制御用のダンパ２０も負荷に応じ て自動制御されるものとしておいてもよい。

【００２７】 また、本考案は、温水ボイラのみならず、炉筒煙管ボイラ等、バーナ部が缶水 面下に位置する二段燃焼式の燃焼室を有する各種ボイラに適用することができる 。

【００２８】

【考案の効果】

以上の説明からも明らかなように、本考案によれば、バーナ部を構成するため の耐火構造物が不要となり、ボイラの軽量，小形化及び保守管理費等のコストダ ウンを図ることができる。しかも、二段燃焼によるＮＯｘ低減効果を高負荷条件 下においても如何なく発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係るボイラの一実施例を示す縦断側面
図である。

【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。

【図３】図１のIII−III線に沿う断面図である。

【図４】変形例を示す断面図である。

【図５】ダンパ開度を１０°とした場合における、ＮＯ
ｘ発生量，ＣＯ発生量，スモールスケールＮＯ．につい
ての測定結果を示すグラフである。

【図６】ダンパ開度を３０°とした場合における、ＮＯ
ｘ発生量，ＣＯ発生量，スモールスケールＮＯ．につい
ての測定結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１…ボイラ本体、１ａ…缶板部分（ボイラ本体壁部
分）、２…燃焼室、２ａ…鏡板（燃焼室端部壁）、３…
二段燃焼バーナ、４…缶水、５…風箱、６…バーナバー
ナスロートリング、７…二次空気供給機構、８…一次空
気供給機構、９…二次空気ノズル、１０ａ…二次空気、
１０ｂ…一次空気、１０ｃ…一次燃焼部、１０ｄ…二次
燃焼部、１１…一次空気供給室、１２…二次空気供給
室、１２ａ…ノズル取付部（ボイラ本体壁部分で兼用構
成された二次空気室の周壁部分）、１４…コーン、１４
ａ…コーンスロートリング、１５…ディフューザ、１９
…風量自動制御ダンパ、２０…手動ダンパ、２１…旋回
ベーン。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 缶水を貯留する金属板壁構造のボイラ本
   体と、缶水面下に位置するボイラ本体壁部分に近接対向
   する金属板製の燃焼室端部壁を有して、缶水中に浸漬配
   置された燃焼室と、燃焼室に取付けられた二段燃焼バー
   ナとを具備するボイラであって、二段燃焼バーナが、燃
   焼室の軸線に一致して配置された金属製筒体であって、
   ボイラ本体壁部分を貫通して燃焼室端部壁の中心孔部に
   固着されたバーナスロートリングと、ボイラ本体壁部分
   に取り付けられており、内部がバーナスロートリングに
   連通する一次空気供給室とボイラ本体壁部分で兼用構成
   された周壁部分を有する二次空気供給室とに区画された
   風箱と、風箱に設けられており、一次空気供給室からバ
   ーナスロートに供給させる一次空気量を理論空気量以下
   に制御させると共に一次空気をバーナスロートから燃焼
   室に旋回流をなして供給させる一次空気供給機構と、二
   次空気供給室の前記周壁部分と燃焼室端部壁とに、二次
   空気供給室の二次空気を一次空気による一次燃焼部の下
   流側中心に向けて噴出させるべく、燃焼室の軸線に対し
   て傾斜する状態で貫通固着された、金属製筒体からなる
   複数の二次空気ノズルと、風箱に設けられており、二次
   空気ノズルから燃焼室に一次空気量より多い二次空気を
   供給させる二次空気供給機構と、を具備するものである
   ことを特徴とする、バーナ部が缶水面下に位置する二段
   燃焼式の燃焼室を有するボイラ。