JPH07110101A - モノチューブボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃焼反応領域の温度を制御して有害排気物の
排出量を低減すると共に、伝熱管への均一な伝熱を行な
って熱伝達向上、並びに局部過熱防止を達成し、更に、
小型化可能なモノチューブボイラを提供すること。 【構成】 伝熱管(1) を螺旋状に巻回し、１重または多
重の筒形状をなす缶体(K) を形成し、上記缶体(K) の最
内周の伝熱管(1) で囲まれた空間を燃焼室(2) としてな
るモノチューブボイラにおいて、多数の予混合ガス噴出
孔(11)を備えた予混合式バーナ(B) を、当該予混合ガス
噴出孔(11)からの燃焼火炎が上記最内周の伝熱管(1) と
接触するように前記燃焼室(2) に挿入配置したことを第
１の特徴とし、触媒を担持させてなる触媒反応器を備え
てなる触媒燃焼バーナを、前記触媒反応器の外周面が前
記最内周の伝熱管(1) との間に触媒反応器からの燃焼ガ
スが流通し得る僅かな隙間を残して位置させたことを第
２の特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃焼反応領域の温度
を制御して有害排気物の排出量を低減すると共に、伝熱
管への均一な伝熱を行なって熱伝達向上、並びに局部過
熱防止を達成し、更に小型化可能なモノチューブボイラ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】所謂モノチューブボイラは、一般に、被
加熱流体を流通させる伝熱管を螺旋状に巻回して１重或
は多重の円筒形状となし、この内部を燃焼室空間とし、
この燃焼室空間に対し、ブラスト式或はブンゼン式の拡
散燃焼バーナを燃焼室空間の一端側に同軸状態に臨ませ
て配置し、燃焼室空間の軸線方向に燃焼火炎を形成する
ように構成してある。そして、ボイラ稼動時において
は、上記の燃焼火炎からの輻射伝熱及び燃焼ガスとの接
触伝熱により伝熱管内の被加熱流体を加熱するという構
成をとっている。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】上記従来のモノチュー
ブボイラにおいては次のような問題があった。 (1) 上記のようにバーナが１箇所に集中して設けられて
いるので、缶体を構成する伝熱管全体を加熱するために
は、燃焼負荷の高く設定できる大型のバーナが必要にな
り、装置の大型化を招く。また、このような大型のバー
ナにおいては、燃焼性の調節が困難である。 (2) 燃焼バーナとしては、燃焼範囲が広く、燃焼量の調
整が容易であるために拡散燃焼バーナが主に利用されて
いるが、このバーナでは、燃焼炎が大きく、長くなるた
め、広い燃焼室空間が必要となり、ボイラ全体としても
設置スペースが大きくなってしまうといった問題点が生
じる。 (3) 上記のように広い燃焼室空間において、バーナーか
らの燃料（予混合ガスを含む）自由に燃焼させた場合、
特に拡散燃焼させた場合は、燃焼反応領域が大きくな
り、thermal ＮＯx の発生源となる高温の領域が各部に
存在することになるため、低ＮＯx 化が難しい。 (4) バーナが缶体の一箇所に集中して設けられており、
また、上記のようにバーナ前面の燃焼室空間が広いた
め、バーナからの伝熱管表面迄の距離に大幅に相違する
ものが生じ、また、バーナからの燃焼ガスに偏流を生じ
易い。そのため、伝熱管の各部において加熱度合いが不
均一になり、伝熱管の場所によっては、過熱、更には、
焼損してしまう。しかも、この燃焼ガスの偏流により伝
熱管の場所によっては、輻射伝熱、接触伝熱が有効に行
われない部分が生じ、伝熱効率の向上を阻害する。 上記の過熱の問題を解決するものとしては、例えば、特
開昭５８−２０５００３号公報、特開昭６１−２５６１
０１号公報に記載のものがあるが、これらのボイラにお
いては、低ＮＯx 化についての対策が採られていない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の事情に
鑑みて成されたもので、その目的は、燃焼反応領域の温
度を制御して有害排気物の排出量を低減すると共に、伝
熱管への均一な伝熱を行なって熱伝達向上、並びに局部
過熱防止を達成し、更に、小型化可能なモノチューブボ
イラを提供することにある。

【０００５】具体的には、伝熱管を螺旋状に巻回し、１
重または多重の筒形状をなす缶体を形成し、上記缶体の
最内周の伝熱管で囲まれた空間を燃焼室としてなるモノ
チューブボイラにおいて、多数の予混合ガス噴出孔を備
えた予混合式バーナを、当該予混合ガス噴出孔からの燃
焼火炎が上記最内周の伝熱管と接触するように前記燃焼
室に挿入配置したことを第１の特徴とし、触媒を担持さ
せてなる触媒反応器を備えてなる触媒燃焼バーナを、前
記触媒反応器の外周面が前記最内周の伝熱管との間に触
媒反応器からの燃焼ガスが流通し得る僅かな隙間を残し
て位置させたことを第２の特徴とする。

【０００６】

【実施例】以下、本発明を、伝熱管を１重の円筒形状に
巻回してなる缶体を備えたモノチューブボイラに適用し
た一実施例（以下、第１実施例という）を図１，２を参
照しながら説明する。第１実施例におけるモノチューブ
ボイラは、一本の伝熱管(1) を密接状態で螺旋状に巻回
して１重の円筒形状の缶体(K) を構成し、その内側を燃
焼室(2) としてある。ここで、伝熱管(1) の一端側（図
の下方側）を給水口(3) として、図示しない給水手段を
接続し、伝熱管(1) の他端（図の上方側）を、蒸気或は
温水の取出口(4) としてある。

【０００７】上記缶体(K) の外側には、適度の間隙をお
いてボイラ外壁(5) を設けてあり、該外壁(5) と缶体
(K) との間には適宜の耐火物を充填した断熱層(6) とし
てある。上記燃焼室(2) の内部には、缶体(K) 上部から
予混合式バーナ(B) を挿設してある。

【０００８】缶体(K) 下部は、耐火物によって燃焼室
(2) の下端側開口部を絞ることによって煙道(7) を構成
してある。従って、上記予混合式バーナ(B) からの火炎
並びに燃焼ガスは、燃焼室(2) から上記煙道(7) を経
て、図示しない煙突等の排気手段から排ガスとして排出
する構成である。

【０００９】上記予混合式バーナ(B) は、この第１実施
例においては、多数の予混合ガス噴出孔(11)を形成して
なる保炎体(10)を備えた形式のものであって、混合ガス
入口(13)を備えた支持部材(12)と、この支持部材(12)の
先端に設けた円筒形状の保炎体(10)とで構成してある。
上記の保炎体(10)としては、例えば、平板状と波板状の
リボン材を交互に多数枚積層し、平板状と波板状のリボ
ン材間の隙間を予混合ガス噴出孔としたもの，発泡セラ
ミック，発泡金属，セラミック粒子焼結ブロック等の多
孔質材料自体の微細な通路を予混合ガスの噴出孔とした
もの，或は、セラミック，陶磁器製等の耐熱素材に予混
合ガス噴出孔を形成したものを用いることができる。

【００１０】上記缶体(K) と予混合式バーナ(B) との位
置関係は、以下のように設定してある。即ち、保炎体(1
0)から噴出する予混合ガスの燃焼開始面が、燃焼室空間
を画成する伝熱面に近接すると共に、燃焼開始面後流側
の燃焼反応領域、特にそのうちの高温度領域に上記伝熱
面が位置するように両者を配置する。尚、上記燃焼開始
面とは、予混合ガスの噴出速度と予混合ガスの燃焼速度
とが等しくなった位置であり、燃焼反応領域はこの燃焼
開始面の後流側に形成される。そのため、火炎（視認し
難い不輝炎等も含む）も、この燃焼反応領域内に含まれ
る。より具体的には、保炎体(10)の予混合ガス噴出孔(1
1)からの燃焼火炎が上記最内周の伝熱管(1) の伝熱面の
略全域と接触するように予混合式バーナ(B) の保炎体(1
0)を燃焼室(2) に挿入配置する。このような配置によ
り、予混合式バーナ(B) の保炎体(10)表面と燃焼室(2)
を画成する伝熱面との間隙は、極めて狭いものとなる。

【００１１】次に、上記構造においてその作用について
説明する。ボイラを稼働すると、上記伝熱管(1) の一端
側の給水口(3) から図示しない給水手段により給水を開
始し、伝熱管(1) 内水位が所定の水位に達すると、予混
合式バーナ(B) に点火する。

【００１２】この予混合式バーナ(B) への点火動作とし
ては、まず、燃料ガスと燃焼用の空気を所要の比率で適
正に混合してなる予混合ガスを、混合ガス入口(13)か
ら、支持部材(12)を介して円筒形状の保炎体(10)内部に
供給し、保炎体(10)表面においてスパークロッド等の適
宜の点火手段によって着火する。すると、保炎体(10)表
面の多数の予混合ガス噴出孔(11)から噴出される予混合
ガスは燃焼を開始し、上述の燃焼開始面以降に燃焼反応
領域を形成する。この燃焼反応領域においては、燃焼の
酸化反応により、光（即ち、火炎）と熱が発生し、この
燃焼反応領域中の伝熱管(1) に対し、輻射伝熱並びに接
触伝熱により伝熱を行ない、燃焼ガス自体の温度を更に
低下しながら、伝熱管(1) と保炎体(10)の隙間を流通
し、煙道(7) から系外に流出する。一方伝熱管(1) 内の
水は、上記の輻射伝熱及び接触伝熱により伝熱管(1) を
介して加熱され、蒸気、或は温水となって取出口(4) か
ら系外に移送される。

【００１３】このとき、予混合式バーナ(B) の保炎体(1
0)は、その表面が燃焼室(2) 内の伝熱管(1) 表面に対応
する状態で円筒状に設けられているため、その保炎体(1
0)表面が従来に比べて格段に広く、保炎体(10)の単位面
積当りの燃焼負荷を小さく設定できることになる。従っ
て、保炎体(10)からは予混合ガスの均一な噴出が容易に
達成でき、燃焼性の調整が非常に容易で、保炎体(10)表
面側に安定した燃焼状態を容易に得ることができる。ま
た、このように保炎体(10)の単位表面積当りの燃焼負荷
を低く抑えられることにより、燃料の完全燃焼が容易に
達成できるため、ＣＯの生成も極低く抑えることができ
る。

【００１４】また、上述のように、燃焼開始面を伝熱管
(1) 表面に近接させて配置し、当該燃焼開始面後流側の
燃焼反応領域（火炎の形成流域を含む）中に伝熱管(1)
が位置するように構成してあるので、燃焼反応領域中の
高温領域は、伝熱管(1) への熱伝達によって速やかに温
度低下する。従って、燃焼反応領域における高温度領域
を除去することが可能となるため、thermal ＮＯx の生
成を抑制できる。

【００１５】上記の第１実施例においては、予混合ガス
噴出孔(11)を備えた保炎体(10)を燃焼室形状に沿った形
状に成形した予混合式バーナ(B) を用いているが、保炎
体(10)は燃焼室(2) に添う形状に一体的に形成する必要
はなく、複数の保炎体を燃焼室(2) を画成する伝熱管
(1) 表面に近接させて配置することにより、結果とし
て、燃焼室(2) に添う形状としたものであっても良い。
更に、予混合式バーナは、上記第１実施例のような保炎
体(10)を備えたものに限らず、ラインバーナ等の他の形
式の予混合式バーナも適用することができる。

【００１６】図３，４は、予混合式バーナとしてライン
バーナ(L) を用いた実施例（以下、第２実施例という）
を示すものである。尚、この第２実施例は、上記の第１
実施例の予混合式バーナ(B) をラインバーナ(L) とした
ものであり、各実施例において共通する構成部材には同
一参照符号を付して重複する説明を省略する。

【００１７】第２実施例において、ラインバーナ(L)
は、上記燃焼室(2) 内に、複数のバーナユニット（図示
する例においては１２ユニット）(20)を円形状に配置し
てあり、各バーナユニット(20)の一端（図面の上方側端
部）を環状をなす予混合ガス供給管(21)に接続してあ
る。この予混合ガス供給管(21)には第１実施例同様の混
合ガス入口(13)を設けてあり、各バーナユニット(20)へ
の予混合ガスの供給は予混合ガス供給管(21)を介して行
う。上記各バーナユニット(20)は、直管状の予混合ガス
流通管(22)を備え、この流通管(22)の周面の長手方向に
沿って予混合ガスの噴出孔（或は噴出ノズル）(11)を形
成してある。このラインバーナ(L) と缶体(K) との位置
関係は、上記第１実施例同様、各バーナユニット(20)の
噴出孔(11)からの予混合ガスの燃焼開始面が、燃焼室空
間を画成する伝熱管(1) 表面に近接すると共に、燃焼開
始面後流側の燃焼反応領域、特にそのうちの高温度領域
（火炎を含む）に上記伝熱面が位置するように設定して
ある。この第２実施例においての作用効果は、上記第１
実施例と同様であるので省略する。

【００１８】次に、第２の発明の実施例（以下、第３実
施例という）について、以下に説明する。尚、この第３
実施例においては、上記第１実施例における予混合式バ
ーナ(B) を触媒燃焼バーナとしたものである。この実施
例は、外観上は上記図１，２に示す第１実施例と略同様
の形状を示すため、図面を省略している。第３実施例に
おいて、上記触媒燃焼バーナは、上記混合ガス入口(13)
を備えた支持部材(12)の先端に、上記保炎体(10)と同様
の外観形状をなす、触媒反応（燃焼）を行う触媒反応器
とで構成してあり、燃焼室(2) の内部に缶体(K) 上部か
ら挿設してある。

【００１９】上記の触媒反応器は、Ｐｔ，Ｐｄ等の貴金
属、Ｙ，Ｌａ等の希土類元素、或は両者の混合物を担持
した触媒、若しくは、複合酸化物触媒を担持した触媒を
多孔質の円筒形形状に成形したものである。より詳細に
は、円筒形状の触媒反応器の内部から外表面に至る微細
な予混合ガス流通経路の壁面を触媒活性面としたもの
で、触媒反応器自体は、セラミック，陶磁器製等の耐熱
性素材をハニカム状や多孔質状に形成したもの等を用い
る。

【００２０】そして、上記缶体と触媒燃焼バーナとの位
置関係は、以下のように設定する。即ち、触媒反応器の
外表面が、燃焼室空間を画成する伝熱面に近接する位置
に両者を配置する。この際、上記の図１，２に示す実施
例の予混合式バーナ(B) に比べ、この実施例における触
媒燃焼バーナは、燃焼室空間を画成する伝熱面に対して
より近づけて配設することができる。その理由は、触媒
燃焼バーナは、燃料を燃焼用空気中の酸素との反応（燃
焼反応）を触媒によって促進し、通常の反応温度よりも
低温度で燃焼反応を維持し、また、燃焼反応は予混合ガ
スが触媒活性面に接触した箇所から開始しており、触媒
燃焼器の外表面では、予混合ガスの大半が燃焼反応を完
結しているため、図１，２に示す第１実施例の予混合式
バーナ(B) のように燃焼開始面を形成する空間を必要と
しないためである。従って、触媒反応器と燃焼室空間を
画成する伝熱管(1) との間隔は、両者間に、少なくとも
触媒反応器からの燃焼ガスが流通し得る僅かな隙間を残
した状態で良い。

【００２１】以上のように構成したモノチューブボイラ
について、その動作要領を、第１実施例と同様の箇所を
省略し、相違点についてのみ説明する。ボイラ稼動後、
この触媒燃焼バーナへの点火動作としては、まず、触媒
反応器を、触媒反応が開始する温度（現状では、一般に
300〜 350℃）にまで予め昇温しておく。次に、予混合
ガスを、混合ガス入口(13)より導入し、支持部材(12)を
通じ円筒状の触媒反応器内部に供給する。この時、燃料
ガスと燃焼用の空気との混合割合は、触媒反応器での燃
焼温度が触媒の耐熱温度以下となる割合である。

【００２２】すると、上記触媒反応器は、前述のように
触媒反応の開始温度まで予め昇温してあるため、予混合
ガスは触媒反応器内においてＣＯ等の未燃分を生じるこ
となく低温度で完全燃焼する。この際の燃焼は低温で行
われるため、従来から問題となるthermal ＮＯx の発生
が殆ど無い。この触媒反応器での燃焼、即ち、触媒燃焼
は、予混合ガスと触媒との接触により、低温で行われる
ため、殆ど火炎の生じない燃焼であり、触媒反応器の外
表面からは、ほぼ燃焼が完結した状態の燃焼ガスが流出
する。この触媒燃焼により生成した燃焼ガスは、輻射伝
熱並びに接触伝熱により伝熱管(1) を加熱し、燃焼ガス
自体の温度を更に低下しながら、伝熱管(1) と触媒燃焼
器の隙間を流通し、煙道(7) から系外に排出される。

【００２３】以上の各実施例では、伝熱管(1) を密接状
態で螺旋状に巻回してなる缶体(K)を用いたモノチュー
ブボイラであるが、この発明はそのような構成の缶体
(K) に限らず、例えば伝熱管(1) を互いに隙間をあけて
螺旋状に巻回し、缶体(K) 外周と缶体(K) カバーとの間
に燃焼ガス通路(15)を形成したもの（図５参照）や、更
に、上記従来の技術の項目で示したような２重円筒状の
缶体(K) や、更に多重の円筒状の缶体(K) にも容易に適
用することができ、また、上記の燃焼ガス通路の形成要
領と、缶体(K) の構成とを相互に組み合わせた缶体(K)
に適用することも可能である。

【００２４】尚、上記の図５に示す実施例（以下、第４
実施例という）のものは、第１実施例同様の予混合式バ
ーナ(B) を適用したものであるが、巻回して缶体(K) を
構成する伝熱管(1) 間に隙間を形成してある。従って、
保炎体(10)の前面に伝熱管(1) が存在しない、即ち、伝
熱管(1) 管の隙間が対向する箇所が生じる。この箇所に
おいては、保炎体(10)の他の箇所よりも予混合ガス噴出
孔(11)の形成密度を高くし、他の箇所よりも後流側まで
燃焼開始面（或は火炎）が延びるように設定しても良
い。このような構成とすることにより、燃焼負荷を高め
ることができ、しかも伝熱管(1) 隙間に向けて延びる燃
焼反応領域は、隙間を画成する伝熱管(1) によってその
高温度領域を有効に除去されるため、上述同様、therma
l ＮＯx の生成が抑制できる。

【００２５】

【発明の効果】本発明に係るモノチューブボイラによれ
ば、伝熱管に対する加熱を均一に行えて、単位伝熱面積
当たりの伝熱量を倍加することができ、伝熱効率が大幅
に増加すると共に、伝熱管の局部的な加熱を防止でき、
伝熱管の過熱、焼損等の問題が解消する。しかも、保炎
体或は触媒反応器の直前に伝熱管が位置することになる
ため、保炎体或は触媒反応器の単位表面積当たりの燃焼
負荷が小さく、伝熱管への熱伝達によって高温度領域を
生じないため、ＮＯx （thermal ＮＯx ）の発生が低減
され、公害規制面からも安全なボイラとすることができ
る。更に、上記単位表面積当たりの燃焼負荷が小さくな
るため、燃焼量の調節が容易であり、非常に良好な燃焼
反応状態を安定して維持することができる。加えて、燃
焼室、即ち、バーナとこのバーナに対向する伝熱管外周
面との距離を小さくできるため、ボイラ全体をコンパク
トに構成することができる。更に、触媒反応器を触媒燃
焼バーナを、燃焼室を画成する最内周の伝熱管との間に
環状の間隙が残留するように触媒反応器表面を位置させ
て配置したことにより、上記の効果に加えて、一層の低
ＮＯx 化を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例（第１実施例）の概略構成
を示す縦断側面図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。

【図３】この発明の他の実施例（第２実施例）の概略構
成を示す縦断側面図である。

【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

【図５】この発明の更に他の実施例（第４実施例）の概
略構成を示す縦断側面図である。

【符号の説明】

(1) 伝熱管 (B) 予混合式バーナ (K) 缶体 (2) 燃焼室 (10) 保炎体 (11) 予混合ガス噴出孔

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 伝熱管(1) を螺旋状に巻回し、１重また
   は多重の筒形状をなす缶体(K) を形成し、上記缶体(K)
   の最内周の伝熱管(1) で囲まれた空間を燃焼室(2) とし
   てなるモノチューブボイラにおいて、多数の予混合ガス
   噴出孔(11)を備えた予混合式バーナ(B) を、当該予混合
   ガス噴出孔(11)からの燃焼火炎が上記最内周の伝熱管
   (1) と接触するように前記燃焼室(2) に挿入配置したこ
   とを特徴とするモノチューブボイラ。
2. 【請求項２】 伝熱管(1) を螺旋状に巻回して１重また
   は多重の円筒形状の缶体(K) を形成し、上記缶体(K) 内
   部の最内周の伝熱管(1) で囲まれた空間を燃焼室(2) と
   してなるモノチューブボイラにおいて、触媒を担持させ
   てなる触媒反応器を備えてなる触媒燃焼バーナを、前記
   触媒反応器の外周面が前記最内周の伝熱管(1) との間に
   触媒反応器からの燃焼ガスが流通し得る僅かな隙間を残
   して位置させたことを特徴とするモノチューブボイラ。