JPH11132403A

JPH11132403A - 多管式水管ボイラ

Info

Publication number: JPH11132403A
Application number: JP31615797A
Authority: JP
Inventors: Akinori Kawakami; 昭典川上; Takashi Morimatsu; 隆史森松; Tatsuki Kobayashi; 立季小林
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 1999-05-21

Abstract

(57)【要約】【課題】多管式水管ボイラにおいて、燃焼装置と缶体
とを一体的に構成することにより、燃焼形態と水管配置
とのマッチングを図り、ボイラの小型化と低ＮＯx 化を
達成すること。【解決手段】ほぼ全面から予混合気を噴出する面状の
噴出部材７を備え、この噴出部材７の予混合気噴出面９
にほぼ密接させた状態で第一水管１１を配置し、前記第
一水管１１よりも予混合気噴出方向下流側の燃焼反応領
域に複数の第二水管１２，１２，…を配置した構成であ
る。さらに、前記第一水管１１が複数本配置され、隣り
合う第一水管１１間の隙間を適宜変更した構成であり、
前記第一水管１１の隣り合うもの同士の隙間が、前記各
第一水管１１の外径とほぼ同等かそれ以下とした構成で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、貫流ボイラ，自
然循環式水管ボイラ，強制循環式水管ボイラなどの水管
ボイラにおいて、複数の水管によって缶体を構成した多
管式水管ボイラに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃焼室内に多数の水管を配設し、これら
の水管間の隙間で燃料を燃焼させ、ボイラの小型化と水
管による火炎の冷却効果により低ＮＯx 化を図った多管
式水管ボイラがある。このような多管式水管ボイラは、
実開平２−２８９０２号公報や特開平２−２７２２０７
号公報にて公知である。

【０００３】しかしながら、前述の多管式水管ボイラに
おいては、燃焼性の良好な燃焼装置を前提としており、
前述のような効果を得るためには、燃焼装置と水管との
位置関係も重要な要素となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、多管式水管ボイラにおいて、燃焼装置と
缶体とを一体的に構成することにより、燃焼形態と水管
配置とのマッチングを図り、ボイラの小型化と低ＮＯx
化を達成することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記課題を
解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明
は、ほぼ全面から予混合気を噴出する面状の噴出部材を
備え、この噴出部材の予混合気噴出面にほぼ密設させた
状態で第一水管を配置し、前記第一水管よりも予混合気
噴出方向下流側の燃焼反応中ガスの存在する領域に複数
の第二水管を配置したことを特徴としている。

【０００６】さらに、請求項２に記載の発明は、前記第
一水管が複数本配置され、隣り合う第一水管間の隙間を
適宜変更したことを特徴としており、請求項３に記載の
発明は、前記第一水管の隣り合うもの同士の隙間が、前
記各第一水管の外径とほぼ同等かそれ以下であることを
特徴としており、請求項４に記載の発明は、前記第一水
管と隣り合う前記各第二水管の隙間および前記各第二水
管の隣り合うもの同士の隙間が、前記各第二水管の外径
とほぼ同等かそれ以下であることを特徴としている。さ
らに、請求項５に記載の発明は、前記予混合気噴出面
が、平面状，湾曲面状，円筒面状のいずれかであること
を特徴としている。

【０００７】

【発明の実施の形態】この発明は、多管式水管ボイラと
して実施される。さらに、この発明の多管式水管ボイラ
は、蒸気ボイラや温水ボイラのほか、熱媒を加熱する熱
媒ボイラなどとして適用される。

【０００８】この発明の多管式水管ボイラは、面状の噴
出部材を備え、この噴出部材のほぼ全面から予混合気を
噴出する。この噴出部材の予混合気噴出面には、第一水
管をほぼ密接状態で１本あるいは複数本配置する。そし
て、この第一水管よりも予混合気噴出方向下流側の燃焼
反応中ガスの存在する領域（以下、「燃焼反応領域」と
いう）には、複数の第二水管を配置する。前記燃焼反応
中ガスとは、前記噴出部材の下流側において、燃焼反応
を生じている最中の高温のガスをいう。前記燃焼反応領
域としては、好ましくは燃焼反応中ガスに火炎が生じて
いる領域または燃焼反応中ガスの温度が９００℃以上の
高温の燃焼反応中ガスが存在する領域とする。ここでい
う火炎は、燃焼反応が活発に行われている燃焼反応中ガ
スに生じる現象である。この火炎は、目視できる場合も
あるし、目視し難い場合や目視できない場合もある。

【０００９】このような構成により、前記噴出部材から
の予混合気は、前記第一水管の存在によりその噴出領域
が分割されるため、前記第一水管の下流側に形成される
火炎も分割された状態となる。そして、この火炎を含む
燃焼反応中ガスから前記各第二水管によって熱回収を行
う。このように前記第一水管によって予混合気の噴出領
域を分割すると、分割されたそれぞれの領域において火
炎が形成される。前述のように、火炎は、燃焼反応が活
発に行われている領域において生じる現象であり、前述
の分割によってこの焼反応が活発に行われている領域が
拡大されるため、安定した燃焼を達成する。また、火炎
が分割して形成されるため、各火炎は小さいものとな
り、その内部の高温の領域も縮小化するので、サーマル
ＮＯx の発生を防止することができる。さらに、分割さ
れた火炎を前記各第二水管に接触させることで、燃焼さ
せながら伝熱を行うことができ、そのため、火炎を効果
的に冷却することができるため、低ＮＯx 化を達成でき
る。この理由は、ゼルドビッチ（Zeldovich ）機構で説
明されるように、サーマルＮＯx は、燃焼反応の温度が
高いほど、その生成速度が著しく増えて生成量も増加す
るが、燃焼反応の温度が低いほど、その生成速度が減っ
て生成量が減少するためである。とくに燃焼反応の温度
が１４００℃以下の場合には、サーマルＮＯx の生成速
度は著しく遅くなる。

【００１０】さらに、この発明の多管式水管ボイラにお
いては、前記第一水管の下流側に形成される渦流によっ
て保炎されるため、前記第一水管の予混合気噴出方向下
流側に火炎が形成される。そのため、前記噴出部材や前
記第一水管の側方においては、予混合気の噴出による冷
却が行なわれる。また、このように第一水管によって火
炎を分割するため、燃焼装置側で火炎を分割するものよ
りもさらに保炎性を高めることができる。

【００１１】また、前記第一水管を構成する水管は、通
常円柱状のものであり（楕円柱状のものもある）、前記
噴出部材からの予混合気は、前記第一水管の周面に沿っ
て流れる。そのため、前記第一水管は、この予混合気の
流れによって冷却され、過熱を防止できる。さらに、前
記第一水管を複数本配置する場合には、前記噴出部材か
らの予混合気は、前記各第一水管間を通過する際に一旦
絞られてから噴出するため、予混合気の流速を高めて燃
焼反応領域を下流側に向けて長く形成することができ
る。したがって、火炎を含む燃焼反応中ガスは、前記各
第二水管との伝熱を行いながら燃焼することになり、燃
焼温度が所定の温度範囲内に調整されるため、この点で
も低ＮＯx 化を達成できる。

【００１２】さらに、この発明の多管式水管ボイラで
は、前記第一水管の本数は、１本に限らず、複数本とす
ることもできる。前記第一水管を複数本とする場合に
は、隣り合う第一水管間の隙間は、前記各第一水管の外
径とほぼ同等かそれ以下に設定することもできる。とく
に、前記第一水管を複数本とする場合には、隣り合う第
一水管間の隙間を全て同じにすることも、適宜異ならせ
ることもできる。隣り合う第一水管間の隙間を適宜異な
らせる場合には、前記各第一水管間の隙間から延びる火
炎の大きさも適宜異なるため、火炎の固有振動数を分散
し、振動燃焼を防止できる。そのため、前記各第一水管
は、前記各第一水管の隙間が同じものが隣り合わないよ
うに配置するのが好ましい。

【００１３】さらに、この発明の多管式水管ボイラで
は、前記第一水管と隣り合う前記各第二水管の隙間およ
び前記各第二水管の隣り合うもの同士の隙間が、前記各
第二水管の外径とほぼ同等かそれ以下とする。この構成
により、前記各第一水管や前記各第二水管の下流側に渦
流を生じさせ、この渦流によって保炎性を高めることが
できる。ここで、前記第二水管の配置は、千鳥状とする
ことも、格子状とすることもできる。

【００１４】さらに、この発明の多管式水管ボイラで
は、実施する缶体の形状に応じて、前記予混合気噴出面
を、平面状，湾曲面状，円筒面状のいずれかとすること
ができる。たとえば、多管式水管ボイラの缶体を所謂角
型とする場合には、前記予混合気噴出面を平面状あるい
は湾曲面状に形成し、所謂丸型とする場合には、前記予
混合気噴出面を円筒面状とする。前記多管式貫流ボイラ
の缶体を角型とする場合には、小形化や省スペース化の
点で有利であり、丸型とする場合には、製造コストの点
で有利である。

【００１５】

【実施例】以下、この発明に係る多管式水管ボイラの第
一実施例について、図１および図２を参照しながら説明
する。図１は、この発明の第一実施例の横断面の説明
図、図２は、図１の縦断側面の説明図である。

【００１６】図１および図２において、多管式水管ボイ
ラの缶体１は、所定の距離を離して配置した上部ヘッダ
２と下部ヘッダ３とを有している。この上部ヘッダ２と
下部ヘッダ３との間には一対の水管壁４，４を配置して
ある。前記各水管壁４は、複数の壁構成水管５，５，…
を縦列配置し、隣り合う壁構成水管５，５間の隙間を適
宜の閉鎖部材６で閉鎖したものである。前記各水管壁４
は互いに平行に対面させて配置される。そして前記各壁
構成水管５の両端は、それぞれ前記上部ヘッダ２および
下部ヘッダ３に接続してある。そして、前記上部ヘッダ
２，前記下部ヘッダ３および前記各水管壁４によってほ
ぼ矩形の缶体１の外隔が構成される。そして、前記缶体
１の一方の開口部には予混合気の噴出部材７が配置さ
れ、他方の開口部には排ガス出口８が形成される。

【００１７】前記噴出部材７は、ほぼ矩形平面状の予混
合気噴出面９を有している。前記噴出部材７は、多孔質
の部材、あるいは少なくとも耐熱性を有する素材を板状
に形成し、そのほぼ全面に予混合気の噴出孔（図示省
略）を形成したものを利用することができる。前記噴出
部材７には、予混合気の供給流路１０を接続してある。

【００１８】前記噴出部材７の予混合気噴出方向下流側
には、前記予混合気噴出面９にほぼ密接させた状態で複
数（第一実施例では５本）の第一水管１１，１１，…を
配置してある。前記各第一水管１１は、予混合気噴出面
の両側部分とその間に配置され、前記各第一水管１１は
ほぼ等間隔としてある。前記各第一水管１１は、それぞ
れの上端および下端を前記上部ヘッダ２および前記下部
ヘッダ３に接続してある。前記各第一水管１１の隣り合
うもの同士の各隙間は、第一実施例では等間隔としてあ
る。また、前記各第一水管１１の隣り合うもの同士の隙
間は、前記各第一水管１１の外径とほぼ同等かそれ以下
に設定するが、この第一実施例においては、前記各第一
水管１１の外径とほぼ同等としてある。

【００１９】前記各第一水管１１よりも予混合気噴出方
向の下流側には、複数の第二水管１２，１２，…を配置
してある。これらの第二水管１２，１２，…も、それぞ
れの上端および下端を前記上部ヘッダ２および前記下部
ヘッダ３のそれぞれに接続してある。前記噴出部材７か
らの予混合気の燃焼により、前記各第一水管１１の下流
側には燃焼反応領域が形成されるが、この燃焼反応領域
に、前記各第二水管１２を位置させてある。前記各第二
水管１２は、第一実施例では、前記各第一水管１１を含
めてほぼ格子状配置となっている。また、前記各第二水
管１２のうち、前記各水管壁４に隣接するものについて
は、前記各壁構成水管５に対して千鳥状配置となってい
る。そして、前記各第二水管１２の相互の隙間は、前記
各第二水管１２の外径とほぼ同等かそれ以下に設定する
が、この第一実施例では、前記各第二水管１２の外径と
ほぼ同等としてある。

【００２０】以上の構成において、前記供給流路１０か
ら予混合気を供給すると、この予混合気は、前記噴出部
材７を介して前記予混合気噴出面９のほぼ全面から前記
各第一水管１１側に向けて噴出する。そして、この予混
合気に適宜の着火手段（図示省略）によって着火し、燃
焼を開始させる。ここで、予混合気は、前記予混合気噴
出面９のほぼ全面から噴出するが、前記各第一水管１１
の存在によって分断され、前記各第一水管１１間の隙間
から噴出する。そのため、予混合気の燃焼によって生じ
る火炎は前記各第一水管１１の隙間の数に対応して形成
される。すなわち、火炎は、前記各第一水管１１によっ
て分割された状態となる。このように前記噴出部材７の
全面に形成されるはずの火炎を分割することにより、燃
焼反応が活発に行われる領域を拡大し、安定した燃焼を
行うことができる。また、前記予混合気の噴出により、
前記各第一水管１１の下流側にはこの予混合気の渦流が
生じ、この渦流によって前記各第一水管１１間に形成さ
れる各火炎は安定して保炎される。

【００２１】そして、前記各第一水管１１間に形成され
た火炎は、前記各第二水管１２間の隙間に流入する。前
記各第二水管１２間の隙間に流入した各火炎は、これら
の隙間を通過する間に、前記各第二水管１２の下流側に
渦流を形成するが、この渦流によっても保炎されるとと
もに燃焼反応が促進される。また、前記各第二水管１２
間の隙間に流入した各火炎は、前記各第二水管１２との
間で伝熱を行うとともにその両側から前記各第二水管１
２によって冷却されるため、火炎温度を効果的に低減で
き、燃焼温度を所定の範囲内に維持することができるた
め、サーマルＮＯx の発生を防止できる。また、火炎を
分割して形成すると、分割後の各火炎が大きくなるのを
防止できるため、各火炎の内部の高温の領域を縮小化す
ることができ、この点においてサーマルＮＯx の低減化
が図れる。

【００２２】さらに、前記予混合気噴出面９は平面状で
あり、前記各第一水管１１は、ほぼ円筒形状であるた
め、前記予混合気噴出面９に前記各第一水管１１をほぼ
密接状態で配置しても隙間が生じる。そのため、前記予
混合気噴出面９から前記各第一水管１１の上流側の周面
に向けて噴出した予混合気は、前記各第一水管１１の周
面に沿って流れた後、前記各第一水管１１間の隙間に向
けて噴出する予混合気と合流する。そのため、前記予混
合気噴出面９からの予混合気は、前記各第一水管１１に
よって一旦絞られてから噴出するため、予混合気の流速
を高めて燃焼反応領域を下流側に向けて長く形成するこ
とができる。また、前記各第一水管１１の上流側におい
ては、予混合気の流れによって冷却される。

【００２３】さらに、この第一実施例において、隣り合
う第一水管１１間の隙間を前記各第一水管１１の外径と
ほぼ同等あるいはそれ以下としているため、予混合気の
噴出速度の大きい高負荷燃焼時においても火炎の分割を
確実に行うことができ、燃焼量に関係なく前述の火炎の
分割による効果を得ることができる。またこの第一実施
例においては、前記各第二水管１２も隣り合うもの同士
の隙間を前記各第二水管１２の外径以下に設定してい
る。この設定によると、前記各第一水管１１間の隙間を
流れる予混合気や前記各第二水管１２間の隙間を流れる
火炎を含む燃焼反応中ガスの流速を高め、圧力損失の増
大を防止できる。そして、予混合気や燃焼反応中ガスの
流速を高く維持することにより、前記各第一水管１１や
前記各第二水管１２の下流側に渦流を発生させ、前述の
保炎性の向上を図り、また燃焼性の改善を図ることがで
きる。

【００２４】以上の説明において、前記各第一水管１１
は、前記予混合気噴出面９に密接させてほぼ等間隔に配
置したものであるが、この発明においては、隣り合う第
一水管１１同士の間隔が適宜異なるように配置すること
もできる。この場合の第二実施例について図３を参照し
ながら説明する。図３は、この発明の第二実施例の要部
の横断面の説明図である。ここで、この図３は、前記図
２に対応する個所の要部を示すものである。以下の第二
実施例の説明では、前記第一実施例に対応する構成部材
には同一参照番号を附してその詳細説明を省略する。

【００２５】図３において、前記各第一水管１１は、前
記予混合気噴出面９に対して４本が配置されており、中
央の２本の第一水管１１，１１間の隙間を広く、これら
の中央の２本の第一水管１１，１１とその外側の第一水
管１１，１１との間の隙間を狭く設定してある。また、
第二実施例においては、前記各第一水管１１のうち前記
予混合気噴出面９の幅方向両側に位置する第一水管１１
を、前記予混合気噴出面９の両側縁よりも幅方向の中心
側に寄せて配置し、前記各第一水管１１間の３つの隙間
とその外側からの合計５箇所に火炎を分割する構成であ
る。この構成によると、前記各第一水管１１間の隙間か
ら延びる火炎の大きさも、中央側が大きく外側のものほ
ど小さくなっている。このように各火炎の大きさが異な
ると、各火炎の固有振動数も異なるため、火炎全体とし
てみると固有振動数が分散することになり、振動燃焼を
防止することができる。

【００２６】さらに、この発明の多管式水管ボイラで
は、火炎を含む燃焼反応中ガスが前記各第二水管１２の
隙間を流通しながら燃焼と伝熱を行うが、燃焼反応中ガ
スはこの伝熱によって前記各第二水管１２の下流側ほど
温度が低下し、その流速も減少するため、熱回収量も低
下する。そこで、前記各第二水管１２の下流側において
は、前記各第二水管１２の有効長さを短くし、前述の流
速の低下を抑制して熱回収量の低下を防止することもで
きる。この場合の第三実施例を図４を参照しながら説明
する。ここで、以下の説明においては、前記各実施例と
対応する構成部材には同一の参照番号を附してその詳細
説明を省略する。すなわち、図４に示すように、前記各
第二水管１２と前記上部ヘッダ２との接合部に施工する
上部耐火物層１３および前記各第二水管１２と前記下部
ヘッダ３との接合部に施工する下部耐火物層１４の厚み
を下流側ほど厚くし、前記各第二水管１２の下流側ほど
その有効長さを短くするとともに前記燃焼反応中ガスの
通路の幅や高さを小さく設定している。この構成によ
り、前記各第二水管１２の下流側での燃焼反応中ガスの
流速の低下を防止して熱回収量を増加させることができ
るため、前記各第二水管１２における熱負荷を均一化す
ることができる。

【００２７】さらに、以上の説明では、前記予混合気噴
出面９は、平面状としてあるが、この発明においては、
実施する缶体の形状に応じて、前記予混合気噴出面９
を、平面状，湾曲面状，円筒面状のいずれかとすること
ができる。たとえば、図５に示す第四実施例のように、
前記予混合気噴出面９を湾曲面状とすることもできる。
さらに、この第四実施例においては、前記各第二水管１
２を千鳥状配置とし、前記各第一水管１１との間隔を狭
くすることで、缶体の小型化を達成している。そのう
え、前記予混合気噴出面９を湾曲形状とすることによ
り、前記各第一水管１１の間から噴出する各火炎は放射
状に形成されるため、千鳥状配列の各第二水管１２間の
隙間に向けて各火炎を流通させることができる。

【００２８】さらに、前記予混合気噴出面９を図６に示
す第五実施例のように、円筒面状とすることもできる。
この第五実施例における噴出部材７は、円筒形状であり
その軸線方向から予混合気を供給する構成である。前記
噴出部材７の周囲には、８本の第一水管１１，１１，…
を等間隔にほぼ密着状態で配置してある。この配置で
は、前記各第一水管１１は、前記噴出部材７の周囲に環
状に配置された状態となっている。そして、前記各第一
水管１１より予混合気噴出方向の下流側には、複数の第
二水管１２，１２，…を配置してある。これらの第二水
管１２は、前記噴出部材７の周囲に多重の環状をなすよ
うに配置してある。この第五実施例においては、前記予
混合気噴出面９を円筒形状とすることにより、前記各第
一水管１１の間から噴出する火炎は、前記噴出部材７の
全周囲に向けて放射状に形成されることになる。また、
前記噴出部材７は、多管式水管ボイラの缶体１８のほぼ
中央に位置し、前記噴出部材７の周囲を前記各第一水管
１１および前記各第二水管１２が取り囲む構成であるた
め、予混合気の燃焼による熱を前記各第一水管１１およ
び前記各第二水管１２に均等に作用させることができ
る。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る多
管式水管ボイラによれば、面状の噴出部材のほぼ全面か
ら噴出する予混合気によって形成される火炎を、この噴
出部材の予混合気噴出面にほぼ密接させた状態で配置し
た第一水管によって分割するとともに、この第一水管の
下流側に形成される渦流によって保炎し、さらにこの第
一水管の下流側に配置した複数の第二水管の下流側に形
成される渦流によっても保炎することができるため、安
定した燃焼が可能となる。

【００３０】さらに、前記第一水管および前記各第二水
管とによって保炎しながら燃焼を行うため、この燃焼と
前記第一水管および前記各第二水管への伝熱が同時に進
行する。そのため、燃焼温度を所定の温度範囲内に調整
できるため、サーマルＮＯxの発生を抑制できる。

【００３１】さらに、この発明に係る多管式水管ボイラ
によれば、前記第一水管を複数配置する場合に、隣り合
う第一水管間の隙間を適宜調整することにより、前記第
一水管によって分割されて形成される各火炎の大きさを
調整し、各火炎の個々の固有振動数を分散させることで
振動燃焼を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第一実施例の横断面の説明図であ
る。

【図２】図１の縦断側面の説明図である。

【図３】この発明の第二実施例の要部の横断面の説明図
である。

【図４】この発明の第三実施例の縦断側面の説明図であ
る。

【図５】この発明の第四実施例の横断面の説明図であ
る。

【図６】この発明の第五実施例の横断面の説明図であ
る。

【符号の説明】

１缶体２上部ヘッダ３下部ヘッダ４水管壁５壁構成水管６閉鎖部材７噴出部材８排ガス出口９予混合気噴出面１０予混合気の供給経路１１第一水管１２第二水管１３上部耐火物層１４下部耐火物層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ほぼ全面から予混合気を噴出する面状の
噴出部材７を備え、この噴出部材７の予混合気噴出面９
にほぼ密接させた状態で第一水管１１を配置し、前記第
一水管１１よりも予混合気噴出方向下流側の燃焼反応中
ガスの存在する領域に複数の第二水管１２，１２，…を
配置したことを特徴とする多管式水管ボイラ。
【請求項２】前記第一水管１１が複数本配置され、隣
り合う第一水管１１間の隙間を適宜変更したことを特徴
とする請求項１に記載の多管式水管ボイラ。
【請求項３】前記第一水管１１の隣り合うもの同士の
隙間が、前記各第一水管１１の外径とほぼ同等かそれ以
下であることを特徴とする請求項２に記載の多管式水管
ボイラ。
【請求項４】前記第一水管１１と隣り合う前記各第二
水管１２の隙間および前記各第二水管１２の隣り合うも
の同士の隙間が、前記各第二水管１２の外径とほぼ同等
かそれ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項
３のいずれかに記載の多管式水管ボイラ。
【請求項５】前記予混合気噴出面９が、平面状，湾曲
面状，円筒面状のいずれかであることを特徴とする請求
項１乃至請求項４のいずれかに記載の多管式水管ボイ
ラ。