JPH0942602A

JPH0942602A - 水管式ボイラとその燃焼方法

Info

Publication number: JPH0942602A
Application number: JP21404296A
Authority: JP
Inventors: Takashi Moriyama; 隆森山; Junichi Sugioka; 純一杉岡; Hiroshi Tawara; 博史田原; Hiroshi Kobayashi; 広小林; Yoshiharu Ueda; 芳治植田; Atsumi Uenashi; 厚見上梨; Masamichi Yamamoto; 雅通山本; Kageyoshi Tou; 景良唐; Kiyomiki Ishitani; 清幹石谷
Original assignee: HIRAKAWA GUIDOM KK; Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: HIRAKAWA GUIDOM KK; Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 1997-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】ボイラのＮＯｘの生成を抑制しながら高負荷
燃焼を行わせて、局部伝熱面熱負荷を一定値以下に抑え
てボイラ火炉部分を著しく小さくして燃焼室に多数の吸
熱水管を密に配設した収熱水管内挿型燃焼室を有するボ
イラとその燃焼方法。【解決方法】燃焼ガスの燃焼を行う燃焼室として収熱
水管を直列に複数段配設され、かつ各段のバ−ナの空気
比をそれぞれ変化せしめた水管式ボイラとその燃焼方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は複数段の構成になる
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の生成を抑制して高負荷燃焼させ、ボイラの火炉
を著しく小さくすることによっ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。

【０００２】

【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〔図１
０〕に示す。〔図１０〕において１は燃焼室、２は２次
過熱器（Superheater ）、３は再熱蒸気管（Reheate
r）、４はボイラ水管で燃焼室は伝熱面積としては全体
の１０％程度で少ないものの、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−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、最終的には水管が焼損する所謂バ−ンアウト現象
を引き起すためである。これは燃焼と伝熱の相似則から
ボイラが大容量化するほど、ボイラの燃焼室の容積は単
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。従っ
て大容量の事業用や工業用の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
とになっていた。

【０００３】

【図１０】

【０００４】

【０００５】

【図１１】

【０００６】

【図１２】

【０００７】上記のように限界伝熱面熱負荷の存在とＮ
Ｏｘ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、それによって小型軽量化を図った燃焼室に多数
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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１は、水管式
ボイラにおいて、燃料ガス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燃室という）として、該収熱
水管内挿型燃焼室を直列に複数段配設され、複数段の各
段のバ−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。

【０００９】その第２は、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ィンを設けたことを特徴とする前記
１記載の水管式ボイラ。

【００１０】その第３は、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設し、各段のバ−ナの向きを主排
ガス流路のガス流速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−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る前記１又は２記載の水管
式ボイラ。

【００１１】その第４は、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−ナが単数又は複数個で配設され、１段目は空気過剰
の希薄燃焼、２段目は燃料のみか又は燃料と少量の空気
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前記１，２又は３記載の水管
式ボイラの燃焼方法。

【００１２】その第５は、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５０〜７
０％の燃料を燃焼させるようになしたことを特徴とする
前記１，２，３又は４記載の燃焼方法に関するものであ
る。

【００１３】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ガス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
収熱水管内挿型燃焼室として火炎温度を抑制して低ＮＯ
ｘ化を達成し、更に接触伝熱を促進してボイラの燃焼室
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って、空気過剰の
希薄燃焼や燃料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わしめてＮＯｘ
低減効果を奏せしめるものである。

【００１４】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薄燃焼により即座に発生するＮ
Ｏｘ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段目では最終適性空気比となるよう
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のバランスと各部の温度は
〔図１〕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った。本発明者等の試算によ
れば一次燃料比を全体の燃料の７０％以上に超過せしめ
ると第３段目に投入する燃料比Ｂ₃ が〔図１〕中の中段
の表に示すように零以下になってしまい、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〔図１〕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った。

【００１５】

【図１】

【００１６】本発明の特徴とするところは、燃焼室に収
熱水管群を配設することによって火炎のホットスポット
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
〔図１３〕のＢの直線に示す如くＮＯｘの発生量を本発
明の使用範囲１．５〜２．５０％においてＮＯｘが約２
５％程度以上低下することが認められた。〔図１３〕に
おいて、として現される。かつ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
することによっ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。

【００１７】

【図１３】

【００１８】従来の水管式ボイラにおいては、水管に火
炎をぶっ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
されていなかったが、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っつけても収熱水管の壁面から１
mm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、燃焼ガス温度が１２００℃以上であれば収熱水管と
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って、
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った。これより収
熱水管はむしろ燃焼を促進し、バ−ナヘッドから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
の方がずっと短くなる。この場合収熱水管の配列は流れ
に対してゴバン目配列〔図１４〕(A) より千鳥配列〔図
１４〕(B) の方がその効果は大きい。

【００１９】

【図１４】(A)

【００２０】

【図１４】(B)

【００２１】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って著しく小さいた
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〔図２〕に示す。〔図２〕
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〔図３〕に示す。９は対流伝熱量Ｑ_C 、１０
は輻射伝熱量Ｑ_R で、全伝熱面熱負荷（Q_r＋ Q_c）は限
界伝熱面熱負荷以下で全周にわたってほぼ均一になって
いる。なおバ−ナの特性によっては燃焼をより円滑に行
わせるために、バ−ナヘッ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、希薄燃焼
や燃料過剰の還元燃焼を同一燃焼室断面内でロ−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、或はバ−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、水管のピッチ(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。

【００２２】

【図２】

【００２３】

【図３】

【００２４】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
−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〔図１５〕(A) 又は内面に溝
又はフィンを設ける〔図１５〕(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−ナ、３段
目バ−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−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−ナ以降のバ−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〔図９〕。そし
て主排ガス流路のガス流速が２段目以降の各段バ−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。

【００２５】

【図１５】(A)

【００２６】

【図１５】(B)

【００２７】

【図９】

【００２８】

【実施例】次に図面によって本発明を説明する。〔図
４〕は本発明の一実施例の収熱水管内挿型燃焼室を３段
直列に配列した水管式ボイラの基本的フロ−、〔図５〕
は本発明の水管式ボイラの上下方向流れの縦配列の場合
の流路を示す一実施例、〔図７〕(A),(B) 及び(C) はそ
れぞれ〔図５〕に示す縦断面図の場合の異なった断面の
説明図、〔図６〕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、〔図８〕は〔図６〕の横配置
における全体概略断面図、〔図９〕は２段目以降のバ−
ナの向きを示す概略断面図である。〔図１〕、〔図４〕
においては、１段目、２段目の当該燃焼室には外径５
０．８mmφの水管がピッチ８０mmでびっしり密に詰って
る一実施例である。〔図４〕に示すように１段目の空気
比εは１．２５で、一次燃焼比ｘは０．６５、即ち全燃
焼量の６５％の燃料を希薄燃焼させるとともに燃焼ガス
は通常の燃焼室で到達する１８３５℃から本発明の燃焼
反応ゾ−ンにある収熱水管の熱除去により、１２００℃
にまで下ることによりpromptＮＯｘやサ−マルＮＯｘの
発生が抑制されるとともにＣＯの発生がない。上記１２
００℃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−ナと直交するような形で２段目燃焼室へ
導入される。（図５参照）

【００２９】

【図４】

【００３０】

【図５】

【００３１】

【図６】

【００３２】

【図７】(A),(B),(C)

【００３３】

【図８】

【００３４】２段目バ−ナでは燃料のみを流入し、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って１段目で発生したＮＯｘを
還元し、更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−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、ガス温度は既に
１２００℃未満に低下している。そのためここでのＮＯ
ｘ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っている。〔図１〕、〔図
４〕に示すように排ガスは従来のボイラと同様にス−パ
−ヒ−タ、接触水管伝熱面、エコノマイザ−、エアヒ−
タを通ってボイラ外に排出される。なお〔図６〕、〔図
８〕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−ナは〔図９〕に
示す如く排ガスと直交するか（バ−ナ６）又は上流に向
け多少角度をつけて（バ−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−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。更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。

【００３５】

【発明の効果】本発明の効果を纏めると次の通りであ
る。本発明は燃焼方式を全く変えた複数の燃焼室の組合
わせと何れも収熱水管内挿型燃焼室の採用によって、ボ
イラから排出されるＮＯｘをＮＯｘが約２５％程度以上
（図１３参照）低減しながら、当該燃焼室の容積を従来
の１／１０〜１／２０程度以下にでる。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、軽量化が可能となった。しかも
従来の炉壁水管においては、伝熱面熱負荷が均一で、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】

【図１】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−と排ガスの温度を示す一実
施例の模式図。

【図２】収熱水管内挿型燃焼室の一実施例の概略模型
図。

【図３】ボイラの燃焼室内挿型収熱水管の熱負荷分布を
示す図。

【図４】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−と熱量バランスを示す
一実施例。

【図５】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。

【図６】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。

【図７】(A),(B),(C)燃焼室の３段直列縦方向配置の一
実施例の概略断面図。

【図８】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。

【図９】２段目以降のバ−ナ６及び１６の向きを示す概
略断面図。

【図１０】従来型水管式ボイラの断面図。

【図１１】従来型水管式ボイラの燃焼室の構成を示す概
略断面図。

【図１２】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。

【図１３】本発明の一実施例としての予混合バ−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。

【図１４】(A)水管ボイラの収熱水管をゴバン目に配列
した場合の説明図。

【図１４】(B)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。

【図１５】(A)水管ボイラの収熱水管に断熱カバ−を付
けた説明図。

【図１５】(B)水管ボイラの収熱水管の内面にフィンを
付けた説明図。

【符号の説明】

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−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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田原博史大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者小林広大阪市北区大淀北１丁目９番36号株式会社ヒラカワガイダム内 (72)発明者植田芳治大阪市北区大淀北１丁目９番36号株式会社ヒラカワガイダム内 (72)発明者上梨厚見大阪市北区大淀北１丁目９番36号株式会社ヒラカワガイダム内 (72)発明者山本雅通大阪市北区大淀北１丁目９番36号株式会社ヒラカワガイダム内 (72)発明者唐景良大阪市北区大淀北１丁目９番36号株式会社ヒラカワガイダム内 (72)発明者石谷清幹兵庫県芦屋市岩園町８番７号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水管式ボイラにおいて、燃料ガスの燃焼
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複数段
配設され、複数段の各段のバ−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。
【請求項２】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
溝又はフィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の
水管式ボイラ。
【請求項３】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
平方向に配設し、各段のバ−ナの向きを主排ガス流路の
ガス流速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−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
たことを特徴とする請求項１又は２記載の水管式ボイ
ラ。
【請求項４】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−ナが単
数又は複数個で配設され、１段目は空気過剰の希薄燃
焼、２段目は燃料のみか又は燃料と少量の空気を投入し
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１，２又は３記載の水管式ボイ
ラの燃焼方法。
【請求項５】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，
２，３又は４記載の燃焼方法。