JPS59185907A - 窒素酸化物の生成を抑制した高負荷燃焼水管ボイラ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃焼による窒素酸化物（以下ＮＯＸという）
の生成を著しく抑制し得るようにした低ＮＯｘ型高負荷
燃焼水管ボイラに関する。

ＮＯｘは大気汚染の一要因を成すものであるから、その
排出は極力抑制されねばならず、法律でも厳しく規制さ
れている。従って、産業用中小型ボイラに於いても、こ
れ迄にＮＯｘの低減を図るために様々の工夫が施されて
きた。その内でも、所謂二段燃焼方式はＮＯｘ低減の最
も有効な手段として認められており、且つ現実にも広く
採用されている。

この二段燃焼方式は、火炎温度を抑制し且つ酸素濃度を
低く押えることによりＮＯｘの生成を減少させるもので
あり、サーマルＮＯｘのみならず、燃料中の窒素化合物
から転化して生ずるフューエルＮＯｘに対しても低減効
果を発揮する。

第１図及び第２図は、前記二段燃焼方式を採用した従前
の産業用中小型ボイラの一例を示すものであり、燃焼室
Ａと接触伝熱部水管群Ｂを並列状＋２配置してボイラ本
体１を形成すると共に、燃焼室Ａの奥行寸法Ｌ１の中程
に設けた二次空気供給口Ｃから、燃焼火炎口の外周へ向
けて二次空気Ｅを吹込む構成としている。

しかし、前述の如く燃焼室Ａと接触伝熱部水管群Ｂを並
列状に配置した場合には、燃焼室Ａの横幅Ｌ２と接触伝
熱部水管群Ｂの横幅Ｌ３を合せた長さを所謂輸送限界り
内に納めなければならないため、燃焼室Ａは一般に横幅
が狭く且つ奥行の深い形状となっている。又、燃焼室Ａ
が前述の如き形状であることも相俟って、その燃焼火炎
りは旋回性の殆んど無い細長の直進状火炎となっている
。

ところが、燃焼火炎りが上述の如く火炎幅の狭い直進炎
であると、燃料と空気との円滑且つ迅速な混合が著しく
困難となり、完全燃焼を達成するためには燃焼室Ａの長
さを相当大きくしなければならない。従って、燃焼室負
荷が相対的に低下することになり、例えば油焚の場合に
は約８０　ＩＷ／７７ｚ’　ｈ程度となって、高い燃焼
室負荷を達成することができないという問題が内存する
。

更に、燃焼火炎りが火炎幅の狭い長炎となっているため
、二次空気供給口Ｃより吹込んだ二次空気Ｅの方も火炎
りと円滑に混合せず、その結果、ＮＯｘの抑制効果を十
分に挙げることができないという問題がある。尚第１図
及び第２図に於いて、２はボイラ本体の前壁、３は側壁
、３は側壁ヒレ付水管、４は後壁、４は後壁ヒレ付水管
、５は後部水管、６は二次空気供給管、７は煙突接続部
、８は上ドラム、９は下ドラムである。

本発明は、従前の二段燃焼方式により低ＮＯｘ化を図っ
た産業用中小型ボイラに於ける上述の如き問題の解決を
課題とするものであり、燃焼火炎そのものの形状を改め
ることにより、高い燃焼室負荷の下で然かもＮＯｘの大
幅な低減を可能とした水管ボイラを提供することを目的
とするものである。

本発明は、広角蒸気噴霧式液体バーナ等を用いて液体燃
料を微粒子化し、これを広角状に分散放出すると共に、
燃焼用−次空気を旋回状で放出することにより、燃焼火
炎を旋回させてこれを広角状の短炎とし、且つ旋回に主
って燃焼火炎の中心に生じた負圧域に向けて、燃焼室後
壁に設けた二次空気供給口から二次空気を吹付けること
を基本構成とするものである。

当該構成とすることにより、燃料と一次空気との混合が
良好になって低０２燃焼が可能となると共に、吹込んだ
二次空気が火炎中心部へ容易に到達することができ、燃
焼火炎と円滑且つ完全に混合してＮＯｘの低減率が大幅
に向上する。又、燃焼火炎が広角短炎となるため、燃焼
室の奥行寸法を小さくできると共に燃焼室の有効利用が
図れ、高負荷燃焼の達成が可能となる。例えば、油焚の
場合には約１５０万に＋Ｊ／　ｍ’・ｈの高負荷燃焼が
可能となる０ 以下、第３図乃至第９図に示す本発明の一実施例に基づ
いてその詳細を説明する。尚、第３図乃至第９図に於い
て、前記第１図及び第２図と同部位にはこれと同じ参照
番号を使用する。

第３図は本発明に係る水管ボイラの横断面図であり、第
４図は第３図のローロ脱断面図、第５図は第３図のハー
バ視断面である。ボイラ本体１は燃焼室Ａとその後方に
配置した接触伝熱部水′ば群Ｂとから構成されており、
又前記燃焼室Ａは前壁２と、側壁ヒレは水管３′より成
る側壁３と後壁ヒレ１寸水管４とより成る後壁４から形
成されている。

前記燃焼室へ〇前壁２中夫には、−次空気供給口ｌＯが
穿設されており、該−次空気供給口１０の外側に旋回用
ウィンドボックス１１と送風用外箱１２が夫々設Ｇ１ら
れている。

前記旋回用ウィンドボックス１１は第５図及び第６図に
示す如く、片側の開口部を閉塞した円筒体の、外周壁に
、一定のピッチで細幅のスリン）　１１　ａを開孔し、
その上方に羽根１１　ｂを傾斜状に取付けて形成されて
おり、その内径ｄ１は前記−次空気供給口１０の内径市
よりも大きく選定されている。また前記送風用外箱１２
は、旋回用ウィンドボックス１１よりも大きな内径を有
する円筒体であり、その外周壁には一次空気Ｆを円筒の
接線方向へ向けて供給するためのファン接続口１３が設
けられている。

当該送風用外箱１２と旋回用ウィンドボックス１１との
間隙Ｇは空気通路となっており、ファン接続口１３より
供給された一次空気Ｆは、外箱１２の内壁面に沿って回
転運動し、ウィンドボックス１１のスリット１１　ａを
通して旋回状でその内方へ放出される。

またウィンドボックス１１の内方へ旋回状で放出された
一次空気Ｆは、ボックス１１の内径ｄ、よりも小さな内
径ｄ２の空気供給口１０を通って旋回状で燃焼室Ａ内へ
入り、ここで空気の旋回流が急激に広がることになる。

尚、前記ウィンドボックスの口径ｄ＋と一次空気供給口
１０の口径ｄ２は、自由渦の法則ｕＩｄｔ　＝　ｕ２ｄ
２ニニ定（但し、ｕｌは空気の旋回ウィンドボックス入
口に於ける接線速度、ｕ２は空気の一次空気供給口にお
ける接線速度である）より、燃焼室Ａ内に於ける旋回空
気流Ｆの広がりが燃焼室Ａの寸法にうまく合致するよう
に決定される。また本実施例では、外箱１２と旋回用ウ
ィンドボックス１１を用いて一次空気Ｅを旋回するよう
にしているが、空気の旋回機構はこれに限定されるもの
ではなく、燃焼室Ａ内へ一次空気を旋回状で放出できる
ものであれば、如何なる構造であってもよいことは勿論
である。

１４は、旋回用ウィンドボックス１１及び−次空気供給
口１０の軸心上に配設した広角蒸気噴霧式液体燃料バー
ナであり、その噴出ノズルの先端が一次空気供給口１０
の燃焼室側壁面と同一平面上に位置するように取付けら
れている。又、該バーナ１４と対向する燃焼室Ａの後壁
４には、後壁ヒレ付水管４′のヒレを適宜に切欠いてス
リット状の二次空気供給口１５が形成されている。尚、
第３図及び第４図に於い〒５は後部水管、６は二次空気
供給管、７は煙突接続部、８は上ドラム、９は下ドラム
、Ｓはバーナ中心である。

前記第３図及び釦４図に示した本発明の第一実施例に於
いては、接触伝熱部水管群Ｂを燃焼室Ａの後方片側へ寄
せて配置しているが、第７図及び第８図に示す如く、燃
焼室Ａと接触伝熱部水管群Ｂとの軸心が一致するように
両者の配置を決めてもよい。この場合には、燃焼室の中
央部寄りに位置する。後壁ヒレ付水管４のヒレを切欠い
てスリット状の二次空気供給口１５　ａを形成し、該供
給口１５　ａから前壁２に向って二次空気の一部を供給
すると共に、燃焼室Ａの後壁ヒレ付水管４′と接触伝熱
部水管群Ｂの後部水管李との接続部のヒレを切欠いてス
リット状の二次空気供給口１５　ｂを形成し、該供給口
１５　ｂから燃焼室Ａ中央の負圧域へ向けて二次空気の
残りを供給する。

更に、前記第１及び第２実施例では、燃焼室Ａの後方に
接触伝熱部水管部Ｂを配置するようにしているが、場合
によっては、両者を並行状に配置するこきも可能である
。

第９図は、前記広角蒸気噴霧式液体燃料バーナ１４の要
部を示す部分縦断面図であり、本発明の出願人が先に特
開昭５７−５５３１０号として公開しているものである
。当該バーナ１４は蒸気供給口１６と液体燃料供給口１
７を夫々有しており、蒸気供給口１６から供給された噴
霧用蒸気は、蒸気通路１８を通って傾斜面を持つ蒸気量
制御リング２３と、突起面を持つ液体燃料供給用外管２
１とで形成された通路内を流量制御されながら流れ、ノ
ズルフレアー２２の面上へ液体燃料通路１９より吐出さ
れて来た液体燃料をカットしつつ微粒子化し、噴霧状に
して放散する。

一方、液体燃料供給内管２０と液体燃料供給外管２１及
びノズルフレアー２２は夫々軸方向へ摺動自在に組立て
られており、ボイラの１００％負荷時には第９図の仮線
位置に、またボイラの低負荷時には実線位置となる。即
ちボイラの１００％負荷時には、蒸気量は蒸気量制御リ
ング２３と液体燃料供給外管２１とが形成する最小断面
部により一定量に制御される。またこの状態に於いては
、ノズルフレアー２２とノズルキャップ２５が離れてい
るため、噴霧流はノズルキャンプ２５の影響をあまり受
けず、ノズルフレアー２２の形状に沿った広角噴霧パタ
ーンとなる。即ち、この広角噴霧パターンが一次空気の
旋回流と合致するように、ノズルフレアー２２の形状が
決められている。

更に、ボイラが低負荷率の場合には、前述の如く蒸気流
量制御リング２３と液体燃料供給外管２１とが形成する
最小断面部が狭くなり、それたけ蒸気量が制限されるこ
とになる。そして、この場合には、ノズルフレアー２２
とノズルキャップ２５が接近しているため、噴霧流はノ
ズルキャップ２５の影響を受けることになり、その噴霧
パターンはやや狭　　　　角となる。唯だ、低負荷率に
なれば、−次空気の旋回流の方も空気量の制御によって
弱くなりその広がりが小さくなるので、噴霧パターンが
−次空気の旋回流に合致するように、ノズルキャップ２
５の形状を決定する。

尚、広角蒸気噴霧式液体燃料バーナ１４ぼ、前述の如く
その噴出ノズルが一次空気供給口”】Ｏの燃焼室側壁面
と同一平面上に位置するよう取付けるのが最も好ましく
、こうすることにより、液体燃料の広角噴霧パターンと
空気の旋回流とが良く合致し、その結果液体燃料と空気
との混合が極めて円滑且つ完全に行なわれ、低０２燃焼
が可能となる。

又、本実施例では、バーナ１４として広角蒸気噴霧式液
体燃料バーナを使用しているが、液体燃料を噴霧状にし
且つ広角状で噴出できるものであれば、他の形式のバー
ナであってもよいことは勿論である。

燃料バーナ１４から蒸気によって霧化され、且つ広角度
の噴霧パターンで放出された燃料は、−次空気供給口１
０から旋回状で入射されてくる一次空気Ｆと混合し、所
謂旋回流燃焼を起生ずる。この場合、供給する一次空気
Ｆは、その空気過剰率が０９０〜１００程度になるよう
選定するのが最も望ましい。又、前述の如く放出される
液体燃料の噴霧パターンは、旋回する一次空気流Ｆの放
出形態と合致するように調整されているため、両者の混
合は極めて円滑且つ完全に行なわれる〇 一方、燃焼室Ａの後壁４に形成した二次空気供給口１５
からは、適宜量の二次空気Ｅが燃焼炎Ｉの中心部へ向け
て供給され、該二次空気Ｅにより所謂二段燃焼が行なわ
れる。尚、二次空気供給口１５の大きさは、ある程度の
噴出速度が保持できると共に、バーナノズルを中心にし
て空気の拡がりの大きい方が望ましい。

二段燃焼を終えた燃焼ガスＨは、接触伝熱部水管群Ｂを
構成する後部水管５の間を通って矢印方向へ流れ、煙突
接続部７より外方へ導出されて行く０ 本発明に於いては、上述の通り液体燃料を広角噴霧パタ
ーンで放出すると共に、−次空気Ｆを旋回流として放出
し、然かも一次空気の放出形態と燃料の噴霧パターンと
が略合致するようにしているため、両者の混合が極めて
円滑且つ確実に行なわれる。その結果低０２燃焼が可能
になると共に、局部的な高温域を生ずることもなく、大
幅な低ＮＯｘ化を図り得る。

又、燃焼が旋回流燃焼となるため、火炎は外側火炎と内
側火炎きから成る複合火炎となり、その結果内側火炎の
中央部には負圧域が発生し、火炎の戻りを伴なう自己再
循流が生ずることになる。

その結果、燃焼室Ａの後壁４から二次空気Ｅを供給する
ことにより、前記自己再循環流の存在する地点までの距
離が短かいこととも相俟って、供給した二次空気が再循
環流に乗って火炎中枢にまで確実に到達することになり
、極めて効果的な二段燃焼が行えて大幅な低ＮＯｘ化が
可能となる。

更に、燃焼が旋回流であるため、燃焼室Ａを断面方向に
も有効に使えると共にその奥行寸法Ｌ＋を短かくでき、
燃焼室空間の無駄が無くなる。その結果、燃焼室負荷を
高めることができ且つボイラの小形化を図り得る。その
うえ、ボイラが低負荷率となり、空気供給量が減少して
旋回空気流が弱まってその広がり角度が小さくなった場
合には、燃料バーナ１４の噴霧パターンの方もそれに合
致するように自動的に調整されるため、低０２燃焼が可
能となる。同様に、低負荷率時には二次空気供給口１５
からの空気噴出速度が減少するが、燃焼そのものが弱い
旋回流燃焼となるため火炎が伸び気味となり、その結果
低負荷率時に於いても効果的な二段燃焼が行え、低ＮＯ
ｘ化が実現できる。

上述の如く、本願発明はボイラの１００％負荷率から低
負荷率の全域に亘って、低０２燃焼と効果的な二段燃焼
が可能となり、従来のとの種水管ボイラに比較して燃焼
室負荷を２倍程度に高め得ると共に、大幅な低ＮＯ’ｘ
化とボイラ本体の小型化を図り得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従前の二段燃焼方式を採用した水管ボイラの
断面図であり、第２図は第１図のイーイ現断面図である
。 第３図は本発明に係る水管ボイラの断面図であり、第４
図は第３図のローロ視断面図、第５図は第３図のハーバ
：見所面図である。 第６図は旋回用ウィンドボックスの斜面図である０ 第７図は本発明の第２実施例に係るボイラの断面図であ
り、第８図は、第７図の二−二現断面図である。 第９図は、広角蒸気噴霧式液体燃料バーナの要部縦断面
図である。 Ａ　燃焼室 Ｂ　接触体熱部水管群 Ｃボイラ本体 Ｅ　二次空気 Ｆ　−次空気 Ｈ燃焼ガス ２　前壁 ３　側壁 ３　側壁ヒレ付水管 ４　後壁 ４　後壁ヒレ付水管 ５　後部水管 ６　二次空気供給管 ７　煙突接続部 ８　上ドラム ９　下ドラム １〇　　−次空気供給口 １１　　旋回用ウィンドボックス １２　　送風用外箱 １３　　ファン接続部 １４　　広角蒸気噴霧式液体燃料バーナ１５　　二次空
気供給口 特許出願人　　　　　　　株式会社田熊総合技術研究所
代表者志垣政信 手続補正書（自発） 昭和５８年８月３日 特許庁長官殿 １、事件の表示　　特願昭５８−６０４１６２、発明の
名称　　窒素酸化物の生成を抑制した高負荷燃焼水管ボ
イラー ３、　補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　大阪市北区堂島浜１丁目３番２３号氏名　株式
会社田熊総合研究所 代表者　志　垣　政　信 ４　　代　　理　　人 明細書の「特許請求の範囲の欄」及び「明６、　補正の
内容 （１）　　特許請求の範囲を別紙の通りに補正する。 （２）明細書１頁３〜４行目の「・・・・・ボイラ」を
「・・・・・・ボイラー」に補正する。 （３）明細書１頁２０行目の１・・・・・・ボイラ・・
・・・」を「・・・ボイラー・・・・・・」に補正する
。 （４）明細書３頁１３行目のｒ　８０　ｋｃａｌ　／ｎ
ｆ　＊　ＩＩＪを、「８０万１ｃａｌ／ｙｙｆ′・ｈ」
に補正する。 （５）　　明細書７頁１１行目の「−次空気Ｅ」を、「
−次空気Ｆ」に補正する。 （６）明細書８頁１３行目の「置する。後壁ヒレ付・・
　」を、「置する後壁ヒレ付・・・・」に補正する。 （７）　　明細書１４頁９行目の「がら低負荷率・・・
・・・」を、「から低負荷率・・・・・・」に補正する
。 特許請求の範囲 燃焼室（Ａ）の前壁（２）に−次空気供給口（１０）を
形成し、該−次空気供給口００）から燃焼室（Ｎ内へ燃
焼用−次空気（Ｆ）を旋回流として放出すると共に、前
記−次空気供給口（１０）を挿通して燃焼室（Ａ）内へ
、液体燃料を微粒子化し拡散噴出する燃料バーナ（１４
）を臨ましめ、該燃料バーナ（１４）と対向する燃焼室
（Ａ）の後壁−（４）（こは二次空気供給口（１５）を
形成し、該二次空気供給口α■から二次空気（Ｅ）を旋
回状の燃焼火炎（Ｉ）に向って吹込むことにより、窒素
酸化物の生成を抑制するようにしたことを特徴とする高
負荷燃焼水管ホイ　　ラ　−　。 手続補正書（自発） １、　事件の表示　　特願昭５８−６０４１６号２　発
明の名称　　窒素酸化物の生成を抑制した高負荷燃焼水
管ボイラー ３　補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　大阪市北区堂島浜１丁目３番２３号氏名　株式
会社田熊総合゛研究所 代表者　志　垣　政　信 ４゜代理人 ５　補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」及び「図面の簡単な説明
」の欄 ６、　補正の内容 （１）　　明細書の下記の箇所の・「ボイラ」を、「ボ
イラー」に補正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃焼室（Ａ）の前壁（２）に−次空気供給口ＱＯ）を形
   成し、該−次空気供給口α０）から燃焼室（ＡＪ内へ燃
   焼用−次空気（Ｆ）を旋回流として放出すると共に、前
   記−次空気供給口（１０を挿通して燃焼室（Ａ）内へ、
   液体燃料を微粒子化し拡散噴出する燃料バーナ（１４）
   を臨ましめ、該燃料バーナ（１４）と対向する燃焼室穴
   の後壁（４）には二次空気供給口０５）を形成し、該二
   次空気供給口（１のから二次空気（Ｅ）を旋回状の燃焼
   火炎（Ｉ）に向って吹込むことにより、窒素酸化物の生
   成を抑制するようにしたことを特徴とする高負荷燃焼水
   管ボイラ。