JPH0470523B2 - - Google Patents

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JPH0470523B2
JPH0470523B2 JP63227181A JP22718188A JPH0470523B2 JP H0470523 B2 JPH0470523 B2 JP H0470523B2 JP 63227181 A JP63227181 A JP 63227181A JP 22718188 A JP22718188 A JP 22718188A JP H0470523 B2 JPH0470523 B2 JP H0470523B2
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water tube
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water
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Yasuhiko Suesada
Takashi Moryama
Junichi Sugioka
Hiroshi Tawara
Hiroshi Kobayashi
Yoshiharu Ueda
Atsumi Uenashi
Masamichi Yamamoto
Kageyoshi To
Kyomiki Ishitani
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Kansai Denryoku KK
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/40—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes
    • F24H1/406—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes the tubes forming a membrane wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F23C6/045—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure
    • F23C6/047—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure with fuel supply in stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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  • Combustion Of Fluid Fuel (AREA)
  • Control Of Steam Boilers And Waste-Gas Boilers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自然循環式、強制循環式又は貫流式水
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
ることによつて、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
容積を占めており、ボイラの性能とコストを大き
く左右するものであるため、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（Superheater）、３は再熱
蒸気管（Reheater）、４はボイラ水管で燃焼室は
伝熱面積としては全体の10％程度で少いものの、
占有容積そのものは全体の60％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
容量の事業用や工業用等のボイラにおいてもその
熱負荷の値は10万Kcal／m3Ｈ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、最終的には水管が燃損する所
謂バーンアウト現象を引きおこすためである。
これは燃料と伝熱の相似則からボイラが大容量
化するほど、ボイラの燃料室の、容積は単位寸法
の３乗に比例して増加するのに反して、水壁面積
は単位寸法の２乗に比例するだけであるため適当
な伝熱面熱負荷に小さく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。
従つ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
化することになつていた。
〔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１１図
に示した。１は燃焼室、５ａは燃焼室水壁管であ
る。第１２図に従来型水管式ボイラの燃焼室水壁
管の熱負荷の分布を示した。第１２図に示すよう
に、従来型水管式ボイラの燃焼室水壁管５ａの特
性として、水壁管５ａは燃焼火炎からの輻射伝熱
（Q0Kcal／m2Ｈ）を受けるが、これは燃料室７に
示す如く半周でしかなく、反対面の炉壁側の半周
８は伝熱には全く寄与しない。また燃焼室側の半
周面では第１２図の矢印で示すような伝熱面熱負
荷の大きさに分布がある。設計上、その最大熱負
荷はバーンアウ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つた。
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、この場合も燃焼室燃負荷
を一気に引き上げ、著しい効果を奏するには至つ
ていなかつた。
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さ火炎のかたまりの状
態ではその中心部にホツトスポツトが発生し、
NOxの排出量が増大して公害問題を惹き起すと
いう問題点もあつた。
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い。そこで
従来の限界を突き破るためには、従来よりも上記
限界伝熱面熱負荷の格段に高い高負荷燃焼と該高
負荷燃焼下における低NOx化を可能ならしめる
新規な水管式ボイラを必要とすることになる。
上記に鑑み、本発明はNOxの生成を抑制しな
がら、高負荷燃焼を行なわせて、局部伝熱面熱負
荷を一定値以下に抑えながら、ボイラ火炉部分を
著しく小さくし、それによつて小型軽量化を図つ
た燃焼室に多数の熱吸収水管を密に配設挿入した
収熱水管内挿型燃焼室を有する水管式ボイラ並び
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反応部
（燃焼火炎部）に多数の熱吸収水管を密に配設挿
入した収熱水管内挿型燃焼室として火炎温度を抑
制して低NOx化を達成し、更に接触伝熱を促進
してボイラの燃料室を極端に小さくしたものであ
る。
更に、ボイラの大型化や排ガスの低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つて、空気過剰の希
簿燃焼や燃焼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
しめる構成は上記単燃焼室方式よりも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
単数又は複数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３段直列に配置し、第１段目では空
気比1.25程度の空気過剰の希簿燃焼により即座に
発生するNOx所謂プロンプト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３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（一次燃料比ｘ）は50〜70％の範
囲にすることが効果的であることがわかつた。
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
り、また一次燃料比を全体の燃料の70％以上に超
過せしめること第３段目に投入する燃料比B3が
第１図中の中段の表に示すように零以下になつて
しまい、物質のバランス上不可能になり、また第
一次燃料比を50％未満にすると、第２段収熱水管
群出口温度が第１図の下部に記載した点のよう
に800℃程度まで下りすぎて、第２段収熱水管群
が過大ということになり、伝熱効率上不利にな
る。従来の水管式ボイラにおいても上記のような
燃料と空気の比率を段階的に変化させるNOxの
低減対策は試みられていたが不充分であつた。
本発明の特徴とするところは、単数の燃焼室で
もその中に収熱水管群を配設することによつて火
炎のホツトスポツ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あり、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。その効果は本発明者等の研究結果によると第
１３図のＢの直線に示す如くNOxの発生量を本
発明の使用範囲1.5〜2.5O2％においてNOxが約25
％程度以上低下することが認められた。第１３図
におて、 換算NOx値＝21−O2換算値／21−O2測定値×NOx測定値 として現わされる。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つ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CO、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つたが、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１mm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の発生や未燃焼分が存在するが、収熱水管
と収熱水管との間に上記に記載した１mmを超過し
た適当な例えば数10mm程度の隙間を設けることに
よつて、その空間において残存するCOや未燃焼
分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た部分でのCO消滅が著しい
ことがわかつた。これより収熱水管はむしろ燃焼
を促進し、バーナヘツドから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
ずつと短かくなる。この場合収熱水管の配列は流
れに対してゴバン目配列（第１４図Ａ）より千鳥
配列（第１４図Ｂ）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つて著しく小
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収熱
水管５ｂまわりの伝熱面熱負荷の分布を第３図に
示す。９は対流伝熱量Qc、１０は輻射伝熱量QR
で、全伝熱面熱負荷（QR＋QC）は限界伝熱面熱
負荷以下で全周にわたつてほぼ均一になつてい
る。
なおバーナの特性によつては燃焼をより円滑に
行なわせるために、バーナヘツド近傍での収熱水
管を一部分省いて空間を作るようにして、空気過
剰燃焼、希簿燃焼や燃料過剰の還元燃焼を同一燃
焼室断面内でローカルに生ぜしめてもよい。
またこの収熱水管内挿型燃焼室における収熱水
管の配列としては接触伝熱効果を上げるために、
収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、収熱水管群間では流速を或程
度低下させる必要があるため、水管のピツチ(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。
Ｐ／Ｄが1.1未満では、水管まわりのガス流速
が早くなり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（第１
５図Ａ）、又は内面に溝又はフインを設ける（第
１５図Ｂ）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、３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。本発明のボイラでは１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
バーナの向きを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1/
２〜1/5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〕
次に図面によつて本発明を説明する。
第２図は本発明の一実施例の収熱水管内挿型燃
焼室の単独の場合の断面図、第４図は本発明の一
実施例の収熱水管内挿型燃焼室を三段直列配列し
た水管式ボイラの基本的フロー、第５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Ａ，Ｂ及びＣはそれ
ぞれ第５図に示す縦断面図の場合の異なつた断面
の説明図、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を示す図、第８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図及び第４図においては、１段目、２段目の
当該燃焼室には外径50.8mmφの水管がピツチ80mm
でびつしり密に詰まつている一実施例である。
第４図に示すように、１段目の空気被εは1.25
で、一次燃料比ｘは0.65、即ち全燃料量の65％の
燃料を希簿燃焼させるととも、燃料ガスは通常の
燃料室で到達する1835℃から本発明の燃焼室の燃
焼反応ゾーンにある収熱水管の熱除去により1200
℃にまで下がることによりpromptNOxやサーマ
ルNOxの発生が抑制される。上記1200℃の排ガ
スは１段目燃焼室終端で下流側へと流路をとり、
２段目バーナ噴流と直交するような形で２段目燃
焼室へ導入される。（第５図参照）２段目バーナ
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εを0.9まで下げ、還元燃焼を行
うことによつて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εが1.05の適正値にな
り、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つている。第１図、第４
図に示すように排ガスは従来のボイラと同様にス
ーパーヒータ、接触水管伝熱面、エコノマイザ
ー、エアヒータを通つ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り、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、３段目のバーナは第９図に示す如く排ガ
スと直交するか〔バーナ６〕又は上流に向け多少
角度をつけて〔バーナ１６〕取付けられる。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1/2〜1/5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
燃焼室の組合わせといずれも収熱水管内挿型燃焼
室の採用によつて、ボイラから排出されるNOx
をNOxが約25％程度以上（第１３図参照）低減
しながら、当該燃焼室の容積を従来の1/10〜1/20
程度以下にできて、そのためボイラの大きさを従
来の1/2程度以下にすることに成功したもので、
ボイラの小型、軽量化が可能となつた。
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、各段の伝熱要素をパ
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図は本発明の収熱水管内挿型燃焼室を３段
階直列に配置した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は２段、３段
となる場合の収熱水管内挿型燃焼室の一実施例の
概略模型図、第３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
発明の収熱水管内挿型燃焼室を３段に直列配置し
たボイラの燃料、空気の基本的フローと熱量バラ
ンスを示す一実施例、第５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Ａ，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６及び
１６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水壁管の熱負荷
分布を示す図、第１３図は本発明の一実施例とし
ての予混合バーナの排ガス中の酸素量に対する換
算NOx値で、Ａは燃焼室に収熱水管のない場合
の従来のボイラ、Ｂは本発明の燃焼室に収熱水管
を設けた場合の一実施例を示す図である。第１４
図Ａは本発明の水管ボイラの収熱水管を基盤目に
配列した場合の説明図、第１４図Ｂは本発明の水
管ボイラの収熱水管を千鳥目に配列した場合の説
明図、第１５図Ａは本発明の水管ボイラの収熱水
管に断熱カバーを付けた説明図、第１５図Ｂは本
発明の水管ボイラの収熱水管の内面にフインを付
けた説明図。 １……燃焼室、５ａ……燃焼室水冷壁管、５ｂ
……燃焼室内挿型収熱水管、６……バーナ、７…
…燃焼室水冷壁管の燃焼室側、８……燃焼室水冷
壁管の炉壁側、９……対流伝熱量、１０……輻射
熱量、１１……１段目燃焼室、１２……２段目燃
焼室、１３……３段目燃焼室、Ａ……燃焼室に収
熱水管のない場合の従来のボイラ、Ｂ……本発明
の燃焼室に収熱水管を設けた場合。

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
    焼反応部（燃焼火炎部）に多数の熱吸収水管を密
    に配設挿入した燃焼室（以下収熱水管内挿型燃焼
    室という）として、該収熱水管内挿型燃焼室を直
    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てなる
    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バーナヘツド近
    傍の収熱水管を一部除いた全空間に収熱水管間の
    ピツチ(P)と収熱水管の直径(D)との比を1.1≦Ｐ／
    Ｄ≦2.0になるように収熱水管群を配設するか、
    又は燃焼ガス温度が1200℃程度以下の燃焼室段に
    おいては、全空間にわたつて収熱水管を除いたこ
    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
    に溝又はフイ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う請求項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、１段目は空気過剰の
    希簿燃焼、２段目は燃料のみか又は燃料と小量の
    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。
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