JPH0835604A - 水管ボイラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱伝達面積を効果的に確保するとともに、そ
の熱効率を向上し、しかも、対流伝熱による効率的な熱
伝達を行う。さらに、ＮＯ_X ，ＣＯ等の有害燃焼排気物
の発生を抑制するとともに、局部的高温部分を生成する
ことがない水管ボイラーの提供。 【構成】 複数本の垂直水管を２列に整列配置するとと
もに、各列の隣合う垂直水管同志をフィン状部材で連結
して水管壁を形成するとともに、この２列の水管壁の間
に燃焼反応領域を画成し、この燃焼反応領域内に多数本
の垂直水管が密に配置され、しかも、この垂直水管群と
水管壁の垂直水管のそれぞれの上下端に各ヘッダが連結
され、さらに前記燃焼反応領域内の一端側に予混合バー
ナが配置され、予混合バーナからの燃焼ガスを、前記垂
直水管群を交叉する方向に流通させる構成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃焼ガスを水管群に
対して交叉線方向に直線的に流通させる形式の水管ボイ
ラーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、水管ボイラーは、その構成要素
として比較的大きな容積を占める燃焼室を備えている。
たとえば、小型の多管式貫流ボイラーは、円筒型をなす
水管組立体（缶体）をベースとして製作されている。こ
れは、水管を環状に配置し、その内部を燃焼室とするの
が燃焼ガスとの熱交換効率を良くするために望ましいと
考えられていることによる。

【０００３】しかし、このような缶体構造とすると、ボ
イラーの設置場所や配置状態によっては比較的大きなス
ペースを占有することになり易いため、近年では、いわ
ゆる角型缶体構造をベースとした種々の多管式貫流ボイ
ラーが提案されている（たとえば、実開昭５６−１３６
９０４号公報参照）。

【０００４】また、近年では、環境汚染問題等により、
ボイラーからの有害燃焼排気物，とくにＮＯ_X ，ＣＯ等
をさらに低減することが求められている。このような有
害燃焼排気物の低減化対策として、燃焼ガス温度，すな
わち燃焼火炎の温度を下げることにより、ＮＯ_X ，とく
にサーマルＮＯ_X （thermal ＮＯ_X ）の生成を制御する
方法並びに燃焼ガス温度を一定の温度範囲に保つことに
より、ＣＯをＣＯ₂ に酸化させてＣＯの残留を阻止する
方法が知られている。より具体的には、実公昭５６−４
７４７７号公報に開示されているように、バーナ炎を水
冷壁などに当てたり、また特公昭５６−４６０４６号公
報に開示されているように、旋回する空気流の中心部で
過剰濃度の混合気を燃焼させたりして、燃焼温度を調整
するものや、あるいはまた特開昭６０−７８２４７号公
報に開示されているように、バーナ近傍の冷体物によっ
て燃焼ガス温度（燃焼火炎の温度）を調整した後、熱交
換器までの間の断熱空気内でＣＯを酸化させるもの等が
ある。この他、サーマルＮＯ_X 低減化対策としては、排
気ガスを再循環させる形式のものが公知である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】さて、従来の角型缶体
構造のボイラー，たとえば前記実開昭５６−１３６９０
４号公報に開示されているようなボイラーにおける熱交
換は、燃焼室に続く炉内を第１，第２ガス通路に画成す
る一対の水管パネルによってのみ行われるため、伝熱面
面積が非常に少ないものとなっている。また、この水管
パネルは、水管を密着させて配置しているため、互いに
接触する水管同志の間に扇状の領域，いわゆる死水域が
形成され、この死水域においては水管パネル間に比べて
ガス流速が低下し、このために水管への熱伝達率が低
く、実際の熱伝達に有効な面積は一層少ないものとなっ
ており、熱効率を向上する点において問題がある。ま
た、前記のように、燃焼室に連なる第１ガス通路の他
に、燃焼ガスがこの第１ガス通路から反転して流れる第
２ガス通路を設ける必要があるため、缶体の小型化は難
しく、この点においても前記缶体自体による熱効率の向
上を図る上での障害ともなる。

【０００６】そして、このボイラーにおいては、近年の
最重要課題である有害燃焼排気物，すなわちＮＯ_X ，Ｃ
Ｏ等の低減については何等の対策も施されていない。す
なわち、バーナの前面には、燃焼室とこれに連なる第１
ガス通路とを設けてあり、全体としてバーナ前面に広い
空間が存在するため、バーナから噴出された燃料（予混
合気を含む）は、そのまま高温度で燃焼する。したがっ
て、この燃焼の際にサーマルＮＯ_X が発生し、またＣＯ
₂ が熱解離してＣＯが発生すると云った問題が生じる。

【０００７】さらに、一般的に、バーナからの燃焼ガス
流は、水管への伝熱により下流側ほど温度が低下し、こ
れに伴なって体積が減少するため、前記のように単に水
管パネルを平行に配置した構造のボイラーでは、燃焼ガ
スの下流側において流速が低下し、伝熱効率が著しく低
下すると云う問題も生じる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記の課題
を解決するためになされたもので、複数本の垂直水管を
２列に整列配置するとともに、各列の隣合う垂直水管同
志をフィン状部材で連結して形成される水管壁と、前記
２列の水管壁の間に画成される燃焼反応領域内に、密に
配置される多数本の垂直水管群と、この垂直水管群と前
記水管壁の垂直水管のそれぞれの上下端に連結される上
下のヘッダと、前記燃焼反応領域内の一端側に配置され
る予混合バーナとから構成され、前記予混合バーナから
の燃焼ガスを、前記垂直水管群を交叉する方向に流通さ
せることを特徴としている。

【０００９】

【作用】この発明によれば、複数本の垂直水管を２列に
整列配置して、各列隣合う垂直水管同志をフィン状部材
で連結しており、ガス流速が低下して熱伝達率が低下す
る領域が形成されず、ガス通路に面する垂直水管の全表
面が伝熱に寄与することになり、熱伝達面積を効果的に
確保するとともに、その熱効率を向上する。また燃焼反
応領域内に多数本の垂直水管が配置されており、燃焼ガ
スが角垂直水管に直接接触して、対流伝熱により効率的
な熱伝達を行う。そして、燃焼ガスは、各垂直水管との
対流伝熱により、その温度が低く抑えられるとともに徐
々に低下し、ＮＯ_X ，ＣＯ等の有害燃焼排気物の発生を
抑制する。しかも、予混合バーナを用いているので、拡
散燃焼バーナを用いる場合などと異なり、事前に燃料と
空気とが混合されているため、混合過程をパスして即座
に燃焼工程に移行することになり、局部的高温部分を生
成することがない。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の具体的実施例を図面に基づ
いて詳細に説明する。図１および図２は、この発明を角
型多管式貫流ボイラーに適用した場合の実施例であっ
て、図１は缶体における各垂直水管の配列状態を示した
ものであり、また図２は各垂直水管と上下のヘッダとの
連結状態を示したものである。

【００１１】図１および図２において、角型多管式貫流
ボイラーにおける缶体の外郭を形成する水管壁１は、直
管状の複数本の垂直水管１ａを等間隔で配置してなるも
ので、隣合う垂直水管１ａ同志をフィン状部材６で連結
することにより、垂直水管１ａ同志の間隔を塞いだ状態
としてあり、矩形状とした１枚の壁部材として構成され
ている。これにより、この水管壁１は、缶体の外郭を画
成するとともに、伝熱面としての機能も具備している。
したがって、この水管壁１は、従来のボイラーのよう
に、ガス流速の低下に起因して熱伝達率が低下する領
域，いわゆる死水域が形成されない構成となっている。
これは、有効な熱伝達面積を充分に確保することにな
り、熱効率の向上に大きく寄与することになる。

【００１２】そして、このように構成した水管壁１を２
枚、所要の間隔を保持した状態で対面させ、かつ両者が
互いにほぼ平行をなすように配置し、一対となった水管
壁１，１をそれぞれ構成する各垂直水管１ａ，１ａ，…
の上下端を、上下のヘッダ１０，１１にそれぞれ連結し
てある。なお、この実施例における上下のヘッダ１０，
１１は、図２に示すように、それぞれ前記水管壁１の長
手方向に対して左右に独立した構成となっており、これ
らの上部ヘッダ１０同志および下部ヘッダ１１同志をそ
れぞれ外部配管（図示省略）等によって連結し、それぞ
れ一体化してある。

【００１３】前記一対の水管壁１，１の長手方向の一端
側には、予混合バーナ等のバーナ５が設けられており、
また他端側には排ガス出口８が設けられている。この結
果、前記一対の水管壁１，１と前記上下のヘッダ１０，
１１とにより、バーナ５からの燃焼ガスが実質上直線的
に通過するガス通路９を形成している。

【００１４】このガス通路９内には、前記バーナ５から
の燃焼ガスの流通を許容する間隔をもって、多数の垂直
水管２ａ，２ａ，…，３ａ，３ａ，…，４ａ，４ａ，…
が挿設されている。この際、各垂直水管２ａ，３ａ，４
ａの相互の間隔は、前記燃焼ガスと各垂直水管２ａ，３
ａ，４ａとの対流伝熱効率を向上させるためには、なる
べく狭く設定するのが好ましいが、極端に狭くすると、
各垂直水管２ａ，３ａ，４ａ回りのガス流速が速くなり
すぎて圧力損失が大きくなり、逆に極端に広くすると、
ガス流速が遅くなって前記対流伝熱効率が低下し、さら
に挿設する垂直水管２ａ，３ａ，４ａの本数も減少せざ
るを得ず、これは伝熱面積が減少することとなり、した
がって伝熱量自体も減少することとなる。この点におい
て、各垂直水管２ａ，３ａ，４ａの相互の間隔は、図１
に示すように、たとえば垂直水管（２ａ，３ａ，４ａ）
の直径以下とするのが好ましい。

【００１５】そして、前記各垂直水管２ａ，３ａ，４ａ
は、前記間隔を保持して前記ガス通路９のほぼ全域に亘
って挿設されている。このように、前記ガス通路９内の
ほぼ全域に亘って挿設された各垂直水管２ａ，３ａ，４
ａの上下端は、前記両水管壁１，１を構成する垂直水管
１ａ，１ａ，…と同様、前記上下のヘッダ１０，１１に
それぞれ連結してある。また、前記バーナ５と対面する
垂直水管２ａは、前記バーナ５に比較的近接した位置に
配置されており、前記バーナ５とこれに対面する垂直水
管２ａとの間隔もきわめて小さいものとなっている。す
なわち、この実施例においては、前記ガス通路９内にお
ける各垂直水管２ａ，３ａ，４ａの配置密度は、図１に
示すように、各垂直水管２ａ，３ａ，４ａの相互の間隔
の点から比較的密な状態で配置されていることになる。

【００１６】また、前記ガス通路９内に挿設された各垂
直水管２ａ，３ａ，４ａのうち、前記一対の水管壁１，
１に隣接する各垂直水管は、図１に示すように、前記両
水管壁１，１を構成する垂直水管１ａ，１ａ，…とそれ
ぞれ千鳥状配列となるように配置してある。このような
配列とすることにより、前記両水管壁１，１と前記両ヘ
ッダ１０，１１および前記各垂直水管２ａ，３ａ，４ａ
とにより構成される水管組立体２０の横幅（図１におけ
る左右方向の幅）を縮小することができるとともに、水
管組立体２０について定められた横幅（これは前記両ヘ
ッダ１０，１１の断面積に関する規定に基づいて設定さ
れる。）内により多くの垂直水管を挿設することができ
る。

【００１７】以上のように構成した水管組立体２０によ
れば、前記バーナ５からの燃焼ガスの流通経路，すなわ
ち前記ガス通路９を直線状に比較的長いものとして形成
することができ、前記燃焼ガスが最後尾の垂直水管４ａ
を通過するまでに要する時間が比較的長いものとなる。
すなわち、前記水管組立体２０内における前記燃焼ガス
の滞留時間が比較的長くなり、前記燃焼ガスは前記ガス
通路９内において前記各垂直水管１ａ，２ａ，３ａ，４
ａと順次対流伝熱を行い、これによりその温度が徐々に
低下する。したがって、前記ガス通路９の全体において
局所的に高温となる箇所がなく、ＮＯ_X ，とくにサーマ
ルＮＯ_X の発生をより効果的に抑制することができると
ともに、酸化したＣＯ₂ が熱解離によりＣＯを再び生成
することがない。

【００１８】さて、図１に示した実施例についてさらに
説明すると、前記各垂直水管２ａ，３ａ，４ａは、前記
水管壁１，１間にその長手方向に沿って２列状態で、前
記バーナ５側から前記排ガス出口８側に向けて所定本数
ずつ等間隔で配列してあり、その各々の垂直水管は、上
流側から裸管２ａ，ヒレ付管３ａ，エロフィン管４ａと
している。そして、これらの各垂直水管２ａ，３ａ，４
ａは、伝熱面密度（燃焼ガスの単位流路長さ当りの伝熱
面面積）の異なった３つの水管群２，３，４を構成し、
これら第１〜第３水管群２，３，４は、前記ガス通路９
内において前記バーナ５側から前記排ガス出口８側に向
けて、伝熱面密度の小なるものから大なるものの順に配
置している。

【００１９】この構成により、前記バーナ５からの燃焼
ガスは、前記ガス通路９内を、裸管２ａからなる第１水
管群２，ヒレ付管３ａからなる第２水管群３およびエロ
フィン管４ａからなる第３水管群４に対して対流伝熱を
行いながら通過し、前記排ガス出口８からエコノマイザ
（図示省略）を介して，あるいは直接煙突（図示省略）
から流出する。したがって、燃焼ガスは、前記のよう
に、上流側では高温で体積も大きいが、下流側では前記
各垂直水管２ａ，３ａ，４ａへの対流伝熱により低温と
なり、体積が減少して伝熱効率も低下する。しかしなが
ら、この発明においては、下流側ほど伝熱面密度を高め
ているため、前記各垂直水管２ａ，３ａ，４ａにおける
伝熱量は、上流側の垂直水管２ａから下流側の垂直水管
４ａに亘って低下することはなく、全体的にほぼ均一と
なり、燃焼ガスの温度も徐々に低下することになる。

【００２０】この点について、具体的な実験結果を説明
すると、燃焼面負荷が６００〜１２００×１０⁴ Ｋcal
／ｍ² ・ｈのバーナを用いた場合、図１のＡ点において
は、前記バーナ５からの燃焼ガスは火炎の存在を伴う燃
焼反応を継続しており、約１２００℃であり、またＢ点
においては、前記第１水管群２との対流伝熱により約５
００℃であり、さらにＣ点においては、前記第２水管群
３との対流伝熱により約３７０℃であると云う結果が得
られた。これにより、上流側の伝熱面密度の小なる第１
水管群２においては、火炎の存在を伴う燃焼ガスの温度
が低く抑えられているため、ＮＯ_X ，とくにサーマルＮ
Ｏ_X の発生がより一層効果的に抑制されることになる。
また、下流側の伝熱面密度の大なる第２水管群３および
第３水管群４においては、燃焼ガスの温度が徐々に低下
していくため、酸化したＣＯ₂ が熱解離によりＣＯを再
び生成することがなく、ＣＯの発生がより一層効果的に
抑制されることになる。ここにおいて、この具体的な実
験結果から見ると、燃焼ガスの温度測定地点のＡ点にお
いて、未だ燃焼反応が継続しており、火炎の存在が確認
されている点に鑑み、前記ガス通路９は、燃焼反応領域
とみることができる。

【００２１】ここで、前記バーナ５として、予混合バー
ナを用いた場合の具体例について、さらに説明すると、
この予混合バーナに空気比１．３の予混合気を供給して
燃焼させた場合、ＮＯ_X は、従来のものに比べて１／３
から１／２程度まで低減し、またＣＯは、十数ppm 以下
までに低減するという結果が得られた。このＮＯ_X ，Ｃ
Ｏ値は、排ガス循環装置付きのボイラーで循環率を１０
％としたものと同等であるが、この実施例においては、
全く循環させず、１方向にのみ燃焼ガスを流通させる形
式でこのような有害燃焼排気物の低減作用があり、しか
も排ガス循環用の複雑な配管が不要で、構造がきわめて
シンプルになる。

【００２２】なお、この具体例において、前記バーナ５
として予混合バーナを用いた場合について説明したが、
この理由を説明すると、つぎのとおりである。すなわ
ち、拡散燃焼バーナ，予混合バーナのいずれにしても、
燃焼の前段階として、燃料と空気との混合過程を経る必
要があるが、拡散燃焼バーナにあっては、燃料と空気と
の混合に供する領域あるいは空間と同時に時間が必要で
ある。したがって、拡散燃焼バーナにおいては、燃焼の
初期段階では燃料と空気との混合の不均一を招く可能性
を伴い、これは同時に局部的高温部分の生成，すなわち
ＮＯ_X の増大と、ＣＯが発生し易い状況を作り出すこと
になる。この結果、とくにＣＯの酸化については、酸化
するための高温領域を必要とするが、この高温領域を採
れない場合にはＣＯの排出量が多くなり、また高温領域
を設けるとすると缶体の奥行きが長くなり、缶体の大型
化を招くことになる。

【００２３】これに対して、予混合バーナにあっては、
事前に燃料と空気とが混合されているため、混合過程
（すなわち、拡散燃焼バーナにおいて必要とされている
領域あるいは空間と時間の点）をパスして即座に燃焼工
程に移行することになり、局部的高温部分を生成するこ
となく，すなわちＮＯ_X の生成量の少ない比較的良好な
燃焼を行うことができ、また上流側でＣＯが発生したと
しても、下流側でＣＯの酸化が行われるので、奥行きが
比較的短くてもＣＯの排出量を低減することができると
云う知見に基づいている。この点について、さらに付言
すると、この発明のような水管組立体２０に用いる前記
バーナ５として予混合バーナが、缶体のコンパクト化の
点および有害燃焼排気物低減化対策の点において、きわ
めて効果的なものであると云う知見に基づいている。

【００２４】つぎに、この発明第二実施例を示した図３
について説明する。図３の実施例においては、前記両水
管壁１，１は、ボイラー缶体のほぼ中程までの長さと
し、かつ下流側の横幅（図３における左右方向の幅）を
狭くしてある。そして、この両水管壁１，１間には、直
列に裸管の垂直水管２ａを配列してなる水管群２を配置
している。この水管群２より下流側には、たとえば図示
の実施例のごとく、前記両水管壁１，１の下流端にそれ
ぞれ連続した状態で、かつ上流側に形成されたガス通路
９に連なるガス通路９を形成するように、断熱壁７を両
側にそれぞれ配置し、この両断熱壁７，７間に、２列配
置のエロフィン管４ａからなる水管群４を配置してい
る。

【００２５】この第二実施例においても、前記第一実施
例（図１および図２）と同様に、燃焼ガスの流通方向上
流側から下流側に向けて、単位流路長さ当りの伝熱面面
積が増加しており、したがって前記のごとく、水管組立
体，すなわち缶体自体による伝熱効率の向上や、Ｎ
Ｏ_X ，ＣＯ等の有害排気物の低減を効果的に図ることが
できる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、燃焼
反応領域内に多数本の垂直水管を密に配置したものであ
るから、燃焼ガスを各垂直水管に直接接触させて、対流
伝熱により熱伝達を行わせることにより、燃焼ガスの温
度を低く抑えるとともに、その温度を徐々に比較的均一
に低下させながら通過させることになるため、ＮＯ_X や
ＣＯ等の有害燃焼排気物の発生を抑制することができ、
近年の最重要課題である有害燃焼排気物に関する公害対
策として頗る効果的なものとなる。

【００２７】また、この発明によれば、予混合バーナを
用いているので、拡散燃焼バーナを用いる場合などと異
なり、事前に燃料と空気とが混合されているため、混合
過程をパスして即座に燃焼工程に移行することになり、
局部的高温部分を生成することがない。

【００２８】また、この発明によれば、一対の水管壁と
上下のヘッダとにより画成された燃焼反応領域内を燃焼
ガスが実質上直線的に通過するように構成したものであ
るから、従来の角型缶体構造のボイラーのように、対向
する水管パネルの外側にガス通路を形成する必要がな
く、水管組立体の横幅の縮小をきわめて簡単，かつ容易
に行うことができる。

【００２９】また、この発明において、水管壁は、複数
本の垂直水管を２列に整列配置し、各列における隣合う
垂直水管同志をフィン状部材で連結したものであるか
ら、前記従来のボイラーのように、ガス流速が低下して
熱伝達効率が低下する領域，すなわち死水域が形成され
ず、ガス通路に面する垂直水管の全表面を伝熱に寄与さ
せることができ、熱伝達面積を効果的に確保することが
できるとともに、その熱効率を向上することができる。
そして、伝熱面積を広く取れることにより、同一容量で
比較した場合の全体の大きさを縮小することができ、設
置スペースの削減を可能とすることができる。したがっ
て、同一スペース内に多数のボイラーを設置することが
できるため、近年、効率化のために賞用されている多缶
設置システムに対してきわめて有効なボイラーを提供す
ることができる。

【００３０】因みに、この発明によるＮＯ_X 低減効果に
ついて、具体的な実験結果に基づいて説明すると、つぎ
のとおりである。すなわち、図４は、従来の円筒型をな
す水管組立体からなる燃焼室を有するボイラーと、この
発明に係るボイラーとのＮＯ_X の生成特性を示したもの
で、この発明によれば、ＮＯ_X は従来のボイラーと比較
して約１／２に低減しており、通常の運転点でのＮＯ_X
は３０〜４０ppm ときわめて低いものとなっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を角型多管式貫流ボイラーに適用した
場合の一実施例を示す概略的な横断面説明図である。

【図２】図１の水管組立体をバーナ側から見た一部破断
した正面説明図で、バーナを省略して図示している。

【図３】図１の角型多管式貫流ボイラーとは別の実施例
を示す概略的な横断面説明図である。

【図４】この発明に係るボイラーと従来のボイラーとの
ＮＯ_X の生成特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 水管壁 １ａ 垂直水管 ２ 第１水管群 ２ａ 垂直水管（裸管） ３ 第２水管群 ３ａ 垂直水管（ヒレ付管） ４ 第３水管群 ４ａ 垂直水管（エロフィン管） ５ バーナ ６ フィン状部材 ７ 断熱壁 ８ 排ガス出口 ９ ガス通路 １０ 上部ヘッダ １１ 下部ヘッダ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数本の垂直水管を２列に整列配置する
   とともに、各列の隣合う垂直水管同志をフィン状部材で
   連結して形成される水管壁と、前記２列の水管壁の間に
   画成される燃焼反応領域内に、密に配置される多数本の
   垂直水管群と、この垂直水管群と前記水管壁の垂直水管
   のそれぞれの上下端に連結される上下のヘッダと、前記
   燃焼反応領域内の一端側に配置される予混合バーナとか
   ら構成され、前記予混合バーナからの燃焼ガスを、前記
   垂直水管群を交叉する方向に流通させることを特徴とす
   る水管ボイラー。