ボイラおよび低ＮＯｘ燃焼方法
【課題】 装置の小型化と有害物質（ＮＯｘ、ＣＯ、煤等）の低減を実現可能なボイラを提供することを課題とする。
【解決手段】 本発明は、環状に配列された水管群１３，１４，１５を有する缶体１０と、前記水管群１３，１４，１５の中央部に配設されたバーナ２０とを備えたボイラ１であって、前記水管群が複数列設けられ、内側水管群１３の一部に外側水管群１５内周面に連通するガス流路たる開口部が形成されており、前記バーナ２０からの予混合ガスが前記内側水管群１３の内周面に対して所定角度をなして噴出され、前記内側水管群１３の軸方向に沿ったガスの流れが形成された後、前記ガス流路たる開口部を介して、前記内側水管群１３と前記外側水管群１５との間の環状ガス流路に沿ったガスの流れが形成されることを特徴としている。
【解決手段】 本発明は、環状に配列された水管群１３，１４，１５を有する缶体１０と、前記水管群１３，１４，１５の中央部に配設されたバーナ２０とを備えたボイラ１であって、前記水管群が複数列設けられ、内側水管群１３の一部に外側水管群１５内周面に連通するガス流路たる開口部が形成されており、前記バーナ２０からの予混合ガスが前記内側水管群１３の内周面に対して所定角度をなして噴出され、前記内側水管群１３の軸方向に沿ったガスの流れが形成された後、前記ガス流路たる開口部を介して、前記内側水管群１３と前記外側水管群１５との間の環状ガス流路に沿ったガスの流れが形成されることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラおよび低ＮＯｘ燃焼方法に関するものである。詳しくは、本発明は、環状に配列された水管群を有する缶体と、水管群の中央部に配設されたバーナとを備えたボイラに関するものである。また、本発明は、予混合燃焼により生成されるガスを冷却することによりＮＯｘを低減する低ＮＯｘ燃焼方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、環状に配列された水管群を有する缶体を備えたボイラはよく知られており、このようなボイラにおいては、一般的に、その水管群の中央部にバーナが配設されている。つまり、このような構成のボイラにおいては、環状に配列された水管群の中央部が、バーナから供給された燃料を燃焼させるための燃焼室として機能する。
【０００３】
また、バーナの燃料としてガス燃料を用いる場合においては、燃焼性向上技術および有害物質（ＮＯｘ、ＣＯ、煤等）の低減化技術に関して多くの提案がなされており（例えば、特許文献１参照）、実際に効果を得ている例もある。
【０００４】
ところで、上述したような水管群を有するボイラは、その中央部に燃焼室を有する構造であるため、その小型化が困難であった。
【０００５】
また、小型化を図るためには、ボイラ効率の向上、すなわち、熱回収量を高めることが必要となる。そのためには、燃焼ガスの流速を高めて熱伝達率を向上させる必要があるが、そうすると缶体圧損が高まるため、大型の送風機を設けなければならない。このように、大型の送風機を用いると、電力消費量を増大させることとなるため、総合的に判断してボイラ効率の向上を図ることとはならず、結果的に小型化を図ることもできない。
【０００６】
さらに、特許文献１によれば、燃焼室内で燃焼ガスを循環させてＣＯや煤の発生量を少なくするとの記載があるが、これを実現するためには、燃焼室内に広い循環領域が必要となって、ボイラの小型化とは相反するものとなる。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−５６８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであって、装置の小型化と有害物質（ＮＯｘ、ＣＯ、煤等）の低減を実現可能なボイラおよび低ＮＯｘ燃焼方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第一の態様は、環状に配列された水管群を有する缶体と、前記水管群の中央部に配設されたバーナとを備えたボイラであって、前記バーナが予混合ガス噴出部を有し、前記予混合ガス噴出部から前記水管群の内周面に対して所定角度をなして、予混合ガスが噴出されることを特徴としている。ここで、「所定角度」とは、垂直のみならず、前記予混合ガスの噴出方向と前記水管群の内周面とが垂直から若干傾いている状態をも含む概念である（以下、特に説明しない場合は同様の概念である。）。例えば、前記予混合ガスの噴出方向と前記水管群の内周面とが、垂直から３０°程度傾いている場合を含んでいる。また、本発明の第一の態様においては、前記予混合ガスの噴出方向と前記水管群の内周面とが、垂直から１５°以下の範囲で傾いている構成が好ましい。より好ましくは、前記予混合ガス噴出部から前記水管群の内周面に対して垂直に、予混合ガスが噴出されることである。
【００１０】
このような構成によれば、前記水管群の中央部に設けられたバーナから前記水管群内周面全体に放射状に予混合ガスを噴出させることによって、バーナにて形成される火炎を効果的に冷却することができる。つまり、かかる構成によれば、燃焼反応中のガスの温度を積極的に抑制して、ＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１１】
また、本発明の第二の態様は、環状に配列された水管群を有する缶体と、前記水管群の中央部に配設されたバーナとを備えたボイラであって、前記水管群が複数列設けられ、内側水管群の一部に外側水管群内周面に連通するガス流路が形成されており、前記バーナからの予混合ガスが前記内側水管群の内周面に対して所定角度をなして噴出され、前記内側水管群の軸方向に沿ったガス（ここで、「ガス」とは、燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスの少なくとも一方を含む概念であり、燃焼ガスと称することもできる。つまり、「ガス」とは、燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスの両方を有する場合、燃焼反応中のガスのみを有する場合、あるいは燃焼反応が完了したガスのみを有する場合の、いずれをも含む概念である。以下、特に説明しない場合は同様の概念である。）の流れが形成された後、前記ガス流路を介して、前記内側水管群と前記外側水管群との間の環状ガス流路に沿ったガスの流れが形成されることを特徴としている。
【００１２】
このような構成によれば、前記水管群の中央部に設けられたバーナから前記水管群内周面全体に放射状に予混合ガスを噴出させることによって、バーナにて形成される火炎を効果的に冷却することができる。そして、その後、前記内側水管群の軸方向に沿ったガスの流れを形成し、さらに、前記ガス流路を介して、前記内側水管群と前記外側水管群との間の環状ガス流路に沿ったガスの流れを形成することによって、燃焼反応が促進されて、ＣＯの酸化と共に効果的に熱回収を図ることができる。また、このような構成によれば、燃焼反応中のガスは前記内側水管群の軸方向に沿った流れとなるため、前記バーナが安定した燃焼状態を維持可能であれば、特に広い燃焼室を必要としない。つまり、かかる構成によれば、熱回収を効果的に行い、広い燃焼室を必要としないため、効率的に装置の小型化を実現できる。したがって、このような構成によれば、ＮＯｘおよびＣＯの低減と共に、装置の小型化を図ることが可能なボイラを得ることができる。
【００１３】
さらに、本発明の第二の態様においては、前記環状ガス流路内および前記環状ガス流路の後流側の少なくとも一方に、伝熱促進体が設けられている構成が好ましい。
【００１４】
この好ましい構成によれば、前記伝熱促進体を設けることによって、より効果的に熱回収を行うことが可能となる。
【００１５】
また、本発明においては、前記環状に配列された水管群が３列以上設けられている構成が好ましい。
【００１６】
さらに、本発明の第三の態様は、環状に配列された水管群を有する缶体と、前記水管群の中央部に配設されたバーナとを備えたボイラであって、前記バーナが予混合ガスを略水平に噴出すべく構成されており、前記バーナが前記水管群の内周面に近接して設けられていることを特徴としている。つまり、本発明の第三の態様は、前記バーナからの予混合ガスが前記水管群の内周面に対して略垂直に噴出される構成であって、この予混合ガスを噴出する前記バーナと前記水管群の内周面とが近接していることを特徴としている。
【００１７】
このような構成によれば、前記バーナからのガスが前記水管群によって直ちに冷却されるため、ＮＯｘの低減を図ることができる。加えて、前記バーナ（予混合ガス噴出部）に近接して前記水管群が設けられているため、ボイラをより小型化できる。
【００１８】
また、本発明は、予混合燃焼により生成されるガスを冷却することによりＮＯｘを低減する低ＮＯｘ燃焼方法であって、前記ガスを冷却部に衝突させる工程（衝突冷却工程）と、前記冷却部に沿った前記ガスの流れを形成する工程（接触流動冷却工程）とを備えたことを特徴としている。
【００１９】
このような構成にかかる低ＮＯｘ燃焼方法によれば、衝突冷却工程と接触流動冷却工程とを有しているため、ガス温度を効果的に抑制して（低減させて）、低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００２０】
ここで、冷却部とは、ボイラを構成する一つ一つの水管は勿論のこと、複数の水管にて構成される水管群も含み、冷却部の形状は平面状であっても、凹凸を有していても、また円筒状であってもよい。
【００２１】
さらに、上記低ＮＯｘ燃焼方法においては、衝突冷却工程と接触流動冷却工程とが連続して行われる構成が好ましい。また、衝突冷却工程時においては、前記ガスが前記冷却部に対して所定角度をなして衝突する構成が好ましい。さらに、前記ガスが前記冷却部に対して面状に噴出される構成が好ましい。この低ＮＯｘ燃焼方法は、ボイラ以外の燃焼装置、例えば、吸収式冷凍装置の再熱器にも適用可能である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、装置の小型化と有害物質（ＮＯｘ、ＣＯ、煤等）の低減を実現可能なボイラを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態にかかるボイラについて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態にかかるボイラの概略図を示したものである。ここで、図１は、本実施形態にかかるボイラの縦断面の説明図を示している。また、図２は、図１のII−II線に沿う横断面の説明図を示している。また、図３および図４は、本実施形態にかかるボイラに設けられたバーナの概略図を示したものである。ここで、図３は、本実施形態にかかるバーナの縦断面の説明図を示し、図４は、図３のIV−IV線に沿う横断面の説明図を示している。さらに、図５および図６は、本実施形態にかかるボイラの燃焼状態（ガスの流れ）の概略図を示したものである。ここで、図５は、本実施形態にかかるボイラの燃焼状態の縦断面の説明図を示し、図６は、図５のVI−VI線に沿う横断面の説明図を示している。ここで、「ガス」とは、燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスの少なくとも一方を含む概念であり、燃焼ガスと称することもできる。つまり、「ガス」とは、燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスの両方を有する場合、燃焼反応中のガスのみを有する場合、あるいは燃焼反応が完了したガスのみを有する場合の、いずれをも含む概念である。以下、特に説明しない場合は同様の概念である。
【００２５】
図１および図２に示すように、本実施形態にかかるボイラ１は、環状に配列された水管群を有する缶体１０と、これらの水管群の中央部に配設されたバーナ２０とを用いて構成されており、バーナ２０上方位置には、燃焼用空気をバーナ２０に供給する、ウインドボックス３０が設けられている。
【００２６】
缶体１０は、上部ヘッダ１１と下部ヘッダ１２との間に複数の水管群（内側水管群１３、中間水管群１４、外側水管群１５）を立設して構成されている。それぞれの水管群１３，１４，１５は、略同心円上の環状に配列されており、内側水管群１３から所定間隔を隔てて外側水管群１５が設けられ、内側水管群１３と外側水管群１５との間に形成される環状ガス流路１９内に、中間水管群１４が設けられている。
【００２７】
また、本実施形態においては、内側水管群１３は、基本的に水管を密接させた状態で環状に構成されており、その一部に内側開口部１６（本発明の「ガス流路」に相当）が設けられている。この内側開口部１６は、内側水管群１３内部で生成されたガスを環状ガス流路１９に導くべく機能する。さらに、中間水管群１４は、水管間に略均等の所定間隔を有した状態で環状に構成されている。また、外側水管群１５は、水管間に略均等の所定間隔を有した状態で環状に構成されており、各水管間には、隣接する水管間の隙間をなくすべく連接されたフィン部１７が設けられている。この外側水管群１５の一部には、外側開口部１８が設けられており、この外側開口部１８は、燃焼反応のほぼ完了したガスを缶体外部に排出するための排出部として機能する。つまり、ガスは、外側開口部１８に集められた後、缶体の下方位置に設けられた排気筒９１を介して缶体外部に排出される。
【００２８】
本実施形態にかかるボイラにおいては、後述すべく、バーナ２０と内側水管群１３とは、缶体１０の小型化等のために、近接して設けられることが好ましく、具体的には、内側水管群１３の内周面直径（同心状に配設された内側水管群１３の内接円直径）Ｄと、バーナ２０と内側水管群１３との間隔ｔとが、以下の関係を有することが好ましい。
【００２９】
（数１）
０．６ ≦ （Ｄ−２ｔ）／Ｄ ＜ １．０
【００３０】
なお、上記数１の「（Ｄ−２ｔ）／Ｄ」の上限値は、バーナ２０が内側水管群１３にどれだけ近づくのかを示しており、近づけば近づくほど火炎が冷却され、ＮＯｘの低減効果が期待できる。したがって、バーナ２０が安定して燃焼可能であれば、「（Ｄ−２ｔ）／Ｄ」の値は大きいことが好ましく、バーナ２０の燃焼性等を考慮すれば、０．９５以下であることがより好ましい。
【００３１】
内側水管群１３の内周面直径Ｄと、バーナ２０と内側水管群１３との間隔ｔとを具体的に例示すれば、例えば、内周面直径Ｄとしては２００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度、バーナ２０と内側水管群１３との間隔ｔとしては１０ｍｍ〜１５０ｍｍ程度が好ましい。一例としては、内周面直径Ｄが４００ｍｍで、バーナ２０と内側水管群１３との間隔ｔが４０ｍｍである場合があげられる。
【００３２】
また、本実施形態にかかるボイラにおいては、内側水管群１３の内周面直径Ｄと、水管群の軸方向長さ（缶体１０内に表出している水管の軸方向長さ）Ｌとが、以下の関係を有することが好ましい。
【００３３】
（数２）
１．５ ≦ Ｌ／Ｄ ≦ ５．０
【００３４】
内側水管群１３の内周面直径Ｄと、水管群の軸方向長さＬとを具体的に例示すれば、例えば、内周面直径Ｄとしては２００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度、水管群の軸方向長さＬとしては３００ｍｍ〜３０００ｍｍ程度が好ましい。一例としては、内周面直径Ｄが４００ｍｍで、水管群の軸方向長さＬが８２０ｍｍである場合があげられる。
【００３５】
本実施形態にかかるボイラ１を構成するバーナ２０は、図１および図２に示すように、内側水管群１３に近接して設けられており、具体的には、図３および図４に示すような構成を有している。
【００３６】
図３および図４においては、その詳細な構造は省略しているが、本実施形態にかかるバーナ２０は、プレート間に後述の予混合ガスＧの流路を形成するように複数のプレート（凹凸状または波板状プレートおよび平面プレート等）を積層した状態で、予混合ガスを噴出する予混合ガス噴出部２１が構成されている。
【００３７】
積層されるそれぞれのプレートには、所定数（本実施形態においては１０個）の穴部２２が設けられており、積層されたプレートを上下で挟持する上部板部２５と下部板部２６とにも、同数の穴部が設けられている。そして、積層されたプレートを上部板部２５および下部板部２６にて挟持した状態で、穴部２２に連結棒部材２３を挿通させ、連結棒部材２３の上下をナット等の締結部材２４にて締結して、バーナ２０が構成される。
【００３８】
また、本実施形態においては、その断面形状が図４に示すように十角形であるため、十面の面状の予混合ガス噴出部２１を有するバーナ２０となる。このようなバーナ２０において、燃料（ガス燃料）と燃焼用空気とが予めミキシングされた予混合ガスＧは、図３および図４の矢印にて示すように、バーナ２０の内部からそれぞれの予混合ガス噴出部２１を経て、放射状且つ面状に噴出されることとなる。
【００３９】
本実施形態にかかるボイラは、以上のように構成されており、その構成に基づき、次のような作用効果を有する。以下、図１、図２、図３および図４に加え、図５および図６を用いて、その作用効果を具体的に説明する。
【００４０】
本実施形態においては、以上のように、内側水管群１３に近接して設けられたバーナ２０から略水平に（内側水管群１３に対しては略垂直に）予混合ガスが噴出されるため、その予混合ガスにパイロットバーナ（図示省略）で着火することによって、バーナ２０の予混合ガス噴出部２１から、内側水管群１３に直接接触するような面状の火炎Ｆが形成されることとなる。
【００４１】
そして、本実施形態においては、缶体１０形状およびバーナ２０の構成に基づき、図５および図６に示すように、ボイラ１の缶体１０内をガスＦＧが流動する。
【００４２】
まず、ボイラ１の縦断面方向におけるガスの流動状態に着目すれば、図５に示すように、バーナ２０から火炎Ｆを形成しながら、ガスＦＧ１が略水平に噴出され、その燃焼反応中のガスＦＧ１は、内側水管群１３の内周面（本発明の「冷却部」に相当）に対して略垂直に衝突する（本発明の「ガスを冷却部に衝突させる工程」（衝突冷却工程）に相当）。次いで、内側水管群１３の内周面に衝突したガスＦＧ１は、内側水管群１３の内周面に沿って軸方向下方側に流動するガスＦＧ２となる（本発明の「冷却部に沿ったガスの流れを形成する工程」（接触流動冷却工程）に相当）。ここで、ガスＦＧ１は、各水管の凹凸を含んだ領域に衝突して、その後、ガスＦＧ２は、この凹凸を含んだ領域に沿って接触しながら流動する。したがって、本実施形態においては、各水管が密接して構成された凹凸を含んだ内側水管群１３の内周面が、本発明の「冷却部」に相当する。
【００４３】
また、ボイラ１の横断面方向におけるガスの流動状態に着目すれば、図６に示すように、予混合ガス噴出部２１から略水平に噴出されたガスＦＧ１は、内側水管群１３の内周面に対して略垂直に衝突した後、内周面に沿って流動するガスＦＧ３となって、このガスＦＧ３は、内側水管群１３の開口部１６に流出する。開口部１６を経て環状ガス流路１９に流入したガスは、主に、ガスＦＧ４として内側水管群１３と中間水管群１４との間を流動し、ガスＦＧ５として中間水管群１４と外側水管群１５との間を流動した後、外側開口部１８および排気筒９１を経て缶体１０外部に排出される。
【００４４】
本実施形態にかかるボイラにおいては、缶体１０内にて以上のようにガスが流動するため、装置の小型化と有害物質（ＮＯｘ、ＣＯ、煤等）の低減を図ることができる。
【００４５】
具体的には、まず、火炎Ｆを伴うガスＦＧ１を即座に内側水管群１３の内周面に衝突させて（衝突冷却工程）、内側水管群１３の内周面（管壁）に沿ったガスＦＧ２の流れを形成することによって（接触流動冷却工程）、ガス温度（特に燃焼反応中のガス温度）を抑制しつつ、効果的に熱回収を行うことができる。
【００４６】
従来技術にかかるボイラ（例えば、特許文献１に記載のボイラ）においては、缶体の燃焼室内で火炎を下方向に形成するため、燃焼室に隣接する水管群における熱回収は放射によるもののみであった。したがって、従来技術によれば、火炎生成直後における回収熱量が小さく、水管群の後流側に多くの対流伝熱部を設けて積極的に熱回収を行う必要があった。また、このような従来の構成によれば、火炎生成直後の温度上昇を抑えることができないため、ＮＯｘ生成量が大きくなる。さらに、水管群の後流側に多くの対流伝熱部を設ける必要があるため、装置が大型化する。
【００４７】
これに対し、本実施形態にかかるボイラにおいては、上述したように、火炎Ｆを伴うガスＦＧ１を即座に内側水管群１３の内周面に衝突させるため、火炎Ｆ等が効果的に冷却されて（火炎等の温度上昇を抑制するため）、ＮＯｘの生成量を低減することができる。また、火炎Ｆを伴うガスＦＧ１を内側水管群１３の内周面に衝突させた後、内側水管群１３の内周面（管壁）に沿った燃焼反応中のガスＦＧ２の流れが形成されるため、内側水管群１３内周面においては、放射のみならず、対流熱伝達が効果的に行われることとなる。すなわち、この内側水管群１３内周面が対流伝熱部として機能することとなるため、ガス温度を抑制しつつ、効率よく熱回収を行うことができる。
【００４８】
さらに、本実施形態においては、内側水管群１３内部から内側開口部１６を経て流出したガスに含まれるＣＯが、環状ガス流路１９内にて酸化される。したがって、本実施形態によれば、外側開口部１８から排出されるガス中のＣＯの低減も図ることができる。加えて、この環状ガス流路１９内には、中間水管群１４も設けられているため、熱回収も促進することができる。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態にかかるボイラは、内側水管群１３に近接してバーナ２０を設け（つまり、水管群１３，１４，１５を縮径させて）、バーナ２０からの予混合ガスを内側水管群１３に対して略垂直に衝突させる構成であるため、上述したようなガスの流れを形成させ得る。したがって、本実施形態によれば、火炎形成直後における火炎等の冷却によって低ＮＯｘ化を図り（具体的には、従来の丸型ボイラと比較して（当社比）、ＮＯｘ値を約１／２に低減可能となった）、環状ガス流路内におけるガス流速の低下によってガスの酸化を促進させて低ＣＯ化を図ることができる。また、本実施形態によれば、ガス流動の改善（ガスＦＧ２の内側水管群１３の軸方向流れ）、および環状ガス流路内構造（中間水管群１４の存在）等によって、効率的な熱回収を実現すると共に、水管群１３，１４，１５を縮径させているため、効果的にボイラの小型化を実現することができる。
【００５０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で必要に応じて種々の変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５１】
上記実施形態においては、中間水管群１４が全て通常の水管（特にフィン等が設けられていない水管（ベア管））を用いて構成された場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。したがって、例えば、図７に示すように、中間水管群１４の一部の水管として、エロフィン管１４Ａを用いてもよい（ここで図７は、他の実施形態における図２に相当する図である。）。エロフィン管１４Ａにはその周囲にフィン部４１（本発明の「伝熱促進体」に相当）が設けられているため、環状ガス流路１９内における伝熱面積が増大することとなる。したがって、このような構成によれば、熱回収量が高まると共に、ガス流速を低下させてＣＯの酸化を促進させることができる。
【００５２】
なお、本発明にかかる伝熱促進体としては、上述したエロフィン管１４Ａのフィン部４１の他に、セレートフィン（セレートフィン管）、スパインフィン（スパインフィン管）、スタッドフィン（スタッドフィン管）、あるいは横ひれ（横ひれ水管）等も適用可能である。
【００５３】
また、上記実施形態においては、略同心円状に三列の水管群を配設した缶体を用いてボイラを構成する場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、必要に応じて、二列あるいは四列以上の水管群を配設して缶体を構成してもよい。
【００５４】
さらに、上記実施形態において、缶体１０は、略同心円状に配列された内側水管群１３、中間水管群１４、および外側水管群１５を用いて構成される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、缶体を構成する水管群の配設状態は必要に応じて変更可能である。したがって、例えば、図８および図９に示すような配列の水管群を有する缶体を用いてもよい（ここで図８および図９は、それぞれ他の実施形態における図２に相当する図である。）。
【００５５】
図８および図９は、それぞれ他の実施形態にかかるボイラの横断面の説明図を示したものである。
【００５６】
図８は、ひらがなの「の」の字を想起させる「の字」水管群５１と、このの字水管群５１の間隙ガス流路５２中に配設された間隙水管群５３とを用いて缶体が構成されている。の字水管群５１は、隣接する水管同士が密接状態に配設された第一水管５１Ａによる水管群と、所定の間隔を有しつつ水管間をフィン部５１Ｃにて連接された第二水管５１Ｂによる水管群とを用いて構成されている。そして、上述したように、の字水管群５１には間隙ガス流路５２が設けられており、バーナ２０にて生ずるガスは、この間隙ガス流路５２および缶体の下方位置に設けられた排気筒９２を介して缶体外に排出される。間隙ガス流路５２内に配設された間隙水管群５３は、所定間隔を有しつつ配設された第三水管５３Ａによる水管群と、所定間隔を有しつつ配設されたエロフィン管５３Ｂによる水管群とを用いて構成されている。
【００５７】
図９は、略同心円状に配設された内側水管群５５と外側水管群５６とを用いて、缶体が構成されている。内側水管群５５は、二箇所の開口部５７，５８を設けた部分以外は、密接状態で配設された通常の水管（ベア管）５５Ａを用いて構成された水管群である。また、外側水管群５６は、所定間隔を有しつつ配設されたエロフィン管５６Ａによる水管群である。さらに、この外側水管群５６の外側には、ガス案内用カバー５９が配設されている。この図９に示した缶体においては、バーナ２０にて生ずるガスは、内側水管群５５の内周面に衝突して、この内周面に沿って流動した後、開口部５７，５８を介して外側水管群５６に達する。外側水管群５６に達したガスは、その後、外側水管群５６を構成する各エロフィン管５６Ａ間の隙間を経てガス案内用カバー５９に達する。そして、ガスは、ガス案内用カバー５９に沿って流動した後、缶体の下方位置に設けられている二つの排気筒９３，９４を介して缶体外部に排出される。この二つの排気筒９３，９４は、集合排気筒（図示省略）に接続されている。
【００５８】
図８および図９にて示した缶体を用いた場合であっても、図１から図６を用いて説明した実施形態と同様に、バーナ２０と水管群（の字水管群５１、内側水管群５５）の内周面とを近接させ、バーナ２０から水管群の内周面に対して略垂直に予混合ガスを噴出させ、ガスの効果的な流動状態（例えば、図５および図６にて説明したような流動状態）を形成させれば、装置の小型化と有害物質の低減を実施可能なボイラを得ることができる。なお、この図８および図９においては、それぞれ水管群の一部にエロフィン管５３Ｂ，５６Ａを用いた場合について説明しているが、これらは必要に応じて（例えば、熱回収量の調整等のために）、通常のベア管を用いて構成してもよい。また、この図８および図９に示した部分以外についても、熱回収量増大等のために、必要に応じてエロフィン管を採用してもよい。
【００５９】
さらに、本発明にかかるバーナ形状は、上記実施形態の形状に限定されるものではなく、水管群の内周面に近接させた状態で、略水平に（水管内周面に対しては略垂直に）予混合ガスを噴出可能であれば、如何なる形状であってもよい（例えば、特開平１１−１４１８１５号公報に示されるバーナ形状であってもよい）。したがって、例えば、図１０に示すように、予混合ガス噴出部８１が若干傾斜しているバーナ８０を用いてもよい。この図１０は、バーナ８０以外は、図１等と同様の構成要素を有するボイラ６０の縦断面の説明図である。なお、このバーナ８０は、図３および図４等にて説明したバーナ２０と略同様の構成を有しており、傾斜した予混合ガス噴出部８１を構成するために、積層させるプレートの大きさが上から下になるに従って小さくなる点が異なる。そして、このバーナ８０は、予混合ガスの噴出方向と水管群の内周面とが、垂直から１５°程度傾くように構成されている。
【００６０】
本発明によれば、この図１０に示したようなバーナ８０を用いた場合であっても、バーナ８０と内側水管群１３の内周面とを近接させ、バーナ８０から略水平に（内側水管群１３の内周面に対して略垂直に）予混合ガスを噴出させ、ガスの効果的な流動状態（例えば、図５および図６にて説明したような流動状態）を形成させれば、装置の小型化と有害物質の低減を実施可能なボイラを得ることができる。
【００６１】
また、上述した各実施形態においては、図５および図６にて説明したガスの流動状態（ガスが内側水管群内周面に衝突した後に、内側水管群の軸方向に流動する状態）を形成するために、内側水管群の一部（一箇所あるいは二箇所）以外は、隣接する水管同士が密接して配設された構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。したがって、例えば、水管同士はある間隔を有して配設し、各水管隙間に縦ひれ等を設けるような構成としてもよい。このような構成であれば、水管同士は離間していても縦ひれ等を設けることによって内側水管群内周面の隙間が塞がれた状態となるので、先に説明した種々の実施形態と同様に、図５および図６にて説明したガス流動状態を形成して、同様の作用効果を得ることができる。
【００６２】
さらに、上述した実施形態においては、「冷却部」が密接した水管群であって、具体的には、各水管の凹凸を含んだ内側水管群１３の内周面である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。つまり、本発明においては、ガスの噴出方向等との関係で、「衝突冷却工程」および「接触流動冷却工程」を構成可能であれば、「冷却部」形状は、特に限定されない。したがって、例えば、「冷却部」は、ボイラを構成する一つ一つの水管であってもよい。また、「冷却部」形状は、平面状であっても、凹凸を有していても、円筒状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態にかかるボイラの縦断面の説明図である。
【図２】図１のII−II線に沿う横断面の説明図である。
【図３】本実施形態にかかるボイラに設けられたバーナの縦断面の説明図である。
【図４】図３のIV−IV線に沿う横断面の説明図である。
【図５】本実施形態にかかるボイラの燃焼状態の概略図であって、具体的には本実施形態にかかるボイラ内におけるガスの流動状態の縦断面の説明図である。
【図６】図５のVI−VI線に沿う横断面の説明図であって、具体的には本実施形態にかかるボイラ内におけるガスの流動状態の横断面の説明図である。
【図７】他の実施形態にかかる缶体を用いて構成されたボイラの横断面の説明図である。
【図８】他の実施形態にかかる缶体を用いたボイラの横断面の説明図であって、具体的には、の字水管群を用いた場合を示している。
【図９】他の実施形態にかかる缶体を用いたボイラの横断面の説明図であって、具体的には、内外二列水管群を用いた場合を示している。
【図１０】他の実施形態にかかるバーナを用いて構成されたボイラの縦断面の説明図である。
【符号の説明】
【００６４】
１，６０…ボイラ
１０…缶体
１１…上部ヘッダ
１２…下部ヘッダ
１３…内側水管群
１４…中間水管群
１４Ａ…エロフィン管
１５…外側水管群
１６…内側開口部
１７…フィン部
１８…外側開口部
１９…環状ガス流路
２０，８０…バーナ
２１，８１…予混合ガス噴出部
２２…穴部
２３…連結棒部材
２４…締結部材
２５…上部板部
２６…下部板部
３０…ウインドボックス
４１…フィン部
５１…の字水管群
５２…間隙ガス流路
５３…間隙水管群
５５…内側水管群
５６…外側水管群
５７，５８…開口部
５９…ガス案内用カバー
９１，９２，９３，９４…排気筒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラおよび低ＮＯｘ燃焼方法に関するものである。詳しくは、本発明は、環状に配列された水管群を有する缶体と、水管群の中央部に配設されたバーナとを備えたボイラに関するものである。また、本発明は、予混合燃焼により生成されるガスを冷却することによりＮＯｘを低減する低ＮＯｘ燃焼方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、環状に配列された水管群を有する缶体を備えたボイラはよく知られており、このようなボイラにおいては、一般的に、その水管群の中央部にバーナが配設されている。つまり、このような構成のボイラにおいては、環状に配列された水管群の中央部が、バーナから供給された燃料を燃焼させるための燃焼室として機能する。
【０００３】
また、バーナの燃料としてガス燃料を用いる場合においては、燃焼性向上技術および有害物質（ＮＯｘ、ＣＯ、煤等）の低減化技術に関して多くの提案がなされており（例えば、特許文献１参照）、実際に効果を得ている例もある。
【０００４】
ところで、上述したような水管群を有するボイラは、その中央部に燃焼室を有する構造であるため、その小型化が困難であった。
【０００５】
また、小型化を図るためには、ボイラ効率の向上、すなわち、熱回収量を高めることが必要となる。そのためには、燃焼ガスの流速を高めて熱伝達率を向上させる必要があるが、そうすると缶体圧損が高まるため、大型の送風機を設けなければならない。このように、大型の送風機を用いると、電力消費量を増大させることとなるため、総合的に判断してボイラ効率の向上を図ることとはならず、結果的に小型化を図ることもできない。
【０００６】
さらに、特許文献１によれば、燃焼室内で燃焼ガスを循環させてＣＯや煤の発生量を少なくするとの記載があるが、これを実現するためには、燃焼室内に広い循環領域が必要となって、ボイラの小型化とは相反するものとなる。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−５６８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであって、装置の小型化と有害物質（ＮＯｘ、ＣＯ、煤等）の低減を実現可能なボイラおよび低ＮＯｘ燃焼方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第一の態様は、環状に配列された水管群を有する缶体と、前記水管群の中央部に配設されたバーナとを備えたボイラであって、前記バーナが予混合ガス噴出部を有し、前記予混合ガス噴出部から前記水管群の内周面に対して所定角度をなして、予混合ガスが噴出されることを特徴としている。ここで、「所定角度」とは、垂直のみならず、前記予混合ガスの噴出方向と前記水管群の内周面とが垂直から若干傾いている状態をも含む概念である（以下、特に説明しない場合は同様の概念である。）。例えば、前記予混合ガスの噴出方向と前記水管群の内周面とが、垂直から３０°程度傾いている場合を含んでいる。また、本発明の第一の態様においては、前記予混合ガスの噴出方向と前記水管群の内周面とが、垂直から１５°以下の範囲で傾いている構成が好ましい。より好ましくは、前記予混合ガス噴出部から前記水管群の内周面に対して垂直に、予混合ガスが噴出されることである。
【００１０】
このような構成によれば、前記水管群の中央部に設けられたバーナから前記水管群内周面全体に放射状に予混合ガスを噴出させることによって、バーナにて形成される火炎を効果的に冷却することができる。つまり、かかる構成によれば、燃焼反応中のガスの温度を積極的に抑制して、ＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１１】
また、本発明の第二の態様は、環状に配列された水管群を有する缶体と、前記水管群の中央部に配設されたバーナとを備えたボイラであって、前記水管群が複数列設けられ、内側水管群の一部に外側水管群内周面に連通するガス流路が形成されており、前記バーナからの予混合ガスが前記内側水管群の内周面に対して所定角度をなして噴出され、前記内側水管群の軸方向に沿ったガス（ここで、「ガス」とは、燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスの少なくとも一方を含む概念であり、燃焼ガスと称することもできる。つまり、「ガス」とは、燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスの両方を有する場合、燃焼反応中のガスのみを有する場合、あるいは燃焼反応が完了したガスのみを有する場合の、いずれをも含む概念である。以下、特に説明しない場合は同様の概念である。）の流れが形成された後、前記ガス流路を介して、前記内側水管群と前記外側水管群との間の環状ガス流路に沿ったガスの流れが形成されることを特徴としている。
【００１２】
このような構成によれば、前記水管群の中央部に設けられたバーナから前記水管群内周面全体に放射状に予混合ガスを噴出させることによって、バーナにて形成される火炎を効果的に冷却することができる。そして、その後、前記内側水管群の軸方向に沿ったガスの流れを形成し、さらに、前記ガス流路を介して、前記内側水管群と前記外側水管群との間の環状ガス流路に沿ったガスの流れを形成することによって、燃焼反応が促進されて、ＣＯの酸化と共に効果的に熱回収を図ることができる。また、このような構成によれば、燃焼反応中のガスは前記内側水管群の軸方向に沿った流れとなるため、前記バーナが安定した燃焼状態を維持可能であれば、特に広い燃焼室を必要としない。つまり、かかる構成によれば、熱回収を効果的に行い、広い燃焼室を必要としないため、効率的に装置の小型化を実現できる。したがって、このような構成によれば、ＮＯｘおよびＣＯの低減と共に、装置の小型化を図ることが可能なボイラを得ることができる。
【００１３】
さらに、本発明の第二の態様においては、前記環状ガス流路内および前記環状ガス流路の後流側の少なくとも一方に、伝熱促進体が設けられている構成が好ましい。
【００１４】
この好ましい構成によれば、前記伝熱促進体を設けることによって、より効果的に熱回収を行うことが可能となる。
【００１５】
また、本発明においては、前記環状に配列された水管群が３列以上設けられている構成が好ましい。
【００１６】
さらに、本発明の第三の態様は、環状に配列された水管群を有する缶体と、前記水管群の中央部に配設されたバーナとを備えたボイラであって、前記バーナが予混合ガスを略水平に噴出すべく構成されており、前記バーナが前記水管群の内周面に近接して設けられていることを特徴としている。つまり、本発明の第三の態様は、前記バーナからの予混合ガスが前記水管群の内周面に対して略垂直に噴出される構成であって、この予混合ガスを噴出する前記バーナと前記水管群の内周面とが近接していることを特徴としている。
【００１７】
このような構成によれば、前記バーナからのガスが前記水管群によって直ちに冷却されるため、ＮＯｘの低減を図ることができる。加えて、前記バーナ（予混合ガス噴出部）に近接して前記水管群が設けられているため、ボイラをより小型化できる。
【００１８】
また、本発明は、予混合燃焼により生成されるガスを冷却することによりＮＯｘを低減する低ＮＯｘ燃焼方法であって、前記ガスを冷却部に衝突させる工程（衝突冷却工程）と、前記冷却部に沿った前記ガスの流れを形成する工程（接触流動冷却工程）とを備えたことを特徴としている。
【００１９】
このような構成にかかる低ＮＯｘ燃焼方法によれば、衝突冷却工程と接触流動冷却工程とを有しているため、ガス温度を効果的に抑制して（低減させて）、低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００２０】
ここで、冷却部とは、ボイラを構成する一つ一つの水管は勿論のこと、複数の水管にて構成される水管群も含み、冷却部の形状は平面状であっても、凹凸を有していても、また円筒状であってもよい。
【００２１】
さらに、上記低ＮＯｘ燃焼方法においては、衝突冷却工程と接触流動冷却工程とが連続して行われる構成が好ましい。また、衝突冷却工程時においては、前記ガスが前記冷却部に対して所定角度をなして衝突する構成が好ましい。さらに、前記ガスが前記冷却部に対して面状に噴出される構成が好ましい。この低ＮＯｘ燃焼方法は、ボイラ以外の燃焼装置、例えば、吸収式冷凍装置の再熱器にも適用可能である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、装置の小型化と有害物質（ＮＯｘ、ＣＯ、煤等）の低減を実現可能なボイラを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態にかかるボイラについて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態にかかるボイラの概略図を示したものである。ここで、図１は、本実施形態にかかるボイラの縦断面の説明図を示している。また、図２は、図１のII−II線に沿う横断面の説明図を示している。また、図３および図４は、本実施形態にかかるボイラに設けられたバーナの概略図を示したものである。ここで、図３は、本実施形態にかかるバーナの縦断面の説明図を示し、図４は、図３のIV−IV線に沿う横断面の説明図を示している。さらに、図５および図６は、本実施形態にかかるボイラの燃焼状態（ガスの流れ）の概略図を示したものである。ここで、図５は、本実施形態にかかるボイラの燃焼状態の縦断面の説明図を示し、図６は、図５のVI−VI線に沿う横断面の説明図を示している。ここで、「ガス」とは、燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスの少なくとも一方を含む概念であり、燃焼ガスと称することもできる。つまり、「ガス」とは、燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスの両方を有する場合、燃焼反応中のガスのみを有する場合、あるいは燃焼反応が完了したガスのみを有する場合の、いずれをも含む概念である。以下、特に説明しない場合は同様の概念である。
【００２５】
図１および図２に示すように、本実施形態にかかるボイラ１は、環状に配列された水管群を有する缶体１０と、これらの水管群の中央部に配設されたバーナ２０とを用いて構成されており、バーナ２０上方位置には、燃焼用空気をバーナ２０に供給する、ウインドボックス３０が設けられている。
【００２６】
缶体１０は、上部ヘッダ１１と下部ヘッダ１２との間に複数の水管群（内側水管群１３、中間水管群１４、外側水管群１５）を立設して構成されている。それぞれの水管群１３，１４，１５は、略同心円上の環状に配列されており、内側水管群１３から所定間隔を隔てて外側水管群１５が設けられ、内側水管群１３と外側水管群１５との間に形成される環状ガス流路１９内に、中間水管群１４が設けられている。
【００２７】
また、本実施形態においては、内側水管群１３は、基本的に水管を密接させた状態で環状に構成されており、その一部に内側開口部１６（本発明の「ガス流路」に相当）が設けられている。この内側開口部１６は、内側水管群１３内部で生成されたガスを環状ガス流路１９に導くべく機能する。さらに、中間水管群１４は、水管間に略均等の所定間隔を有した状態で環状に構成されている。また、外側水管群１５は、水管間に略均等の所定間隔を有した状態で環状に構成されており、各水管間には、隣接する水管間の隙間をなくすべく連接されたフィン部１７が設けられている。この外側水管群１５の一部には、外側開口部１８が設けられており、この外側開口部１８は、燃焼反応のほぼ完了したガスを缶体外部に排出するための排出部として機能する。つまり、ガスは、外側開口部１８に集められた後、缶体の下方位置に設けられた排気筒９１を介して缶体外部に排出される。
【００２８】
本実施形態にかかるボイラにおいては、後述すべく、バーナ２０と内側水管群１３とは、缶体１０の小型化等のために、近接して設けられることが好ましく、具体的には、内側水管群１３の内周面直径（同心状に配設された内側水管群１３の内接円直径）Ｄと、バーナ２０と内側水管群１３との間隔ｔとが、以下の関係を有することが好ましい。
【００２９】
（数１）
０．６ ≦ （Ｄ−２ｔ）／Ｄ ＜ １．０
【００３０】
なお、上記数１の「（Ｄ−２ｔ）／Ｄ」の上限値は、バーナ２０が内側水管群１３にどれだけ近づくのかを示しており、近づけば近づくほど火炎が冷却され、ＮＯｘの低減効果が期待できる。したがって、バーナ２０が安定して燃焼可能であれば、「（Ｄ−２ｔ）／Ｄ」の値は大きいことが好ましく、バーナ２０の燃焼性等を考慮すれば、０．９５以下であることがより好ましい。
【００３１】
内側水管群１３の内周面直径Ｄと、バーナ２０と内側水管群１３との間隔ｔとを具体的に例示すれば、例えば、内周面直径Ｄとしては２００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度、バーナ２０と内側水管群１３との間隔ｔとしては１０ｍｍ〜１５０ｍｍ程度が好ましい。一例としては、内周面直径Ｄが４００ｍｍで、バーナ２０と内側水管群１３との間隔ｔが４０ｍｍである場合があげられる。
【００３２】
また、本実施形態にかかるボイラにおいては、内側水管群１３の内周面直径Ｄと、水管群の軸方向長さ（缶体１０内に表出している水管の軸方向長さ）Ｌとが、以下の関係を有することが好ましい。
【００３３】
（数２）
１．５ ≦ Ｌ／Ｄ ≦ ５．０
【００３４】
内側水管群１３の内周面直径Ｄと、水管群の軸方向長さＬとを具体的に例示すれば、例えば、内周面直径Ｄとしては２００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度、水管群の軸方向長さＬとしては３００ｍｍ〜３０００ｍｍ程度が好ましい。一例としては、内周面直径Ｄが４００ｍｍで、水管群の軸方向長さＬが８２０ｍｍである場合があげられる。
【００３５】
本実施形態にかかるボイラ１を構成するバーナ２０は、図１および図２に示すように、内側水管群１３に近接して設けられており、具体的には、図３および図４に示すような構成を有している。
【００３６】
図３および図４においては、その詳細な構造は省略しているが、本実施形態にかかるバーナ２０は、プレート間に後述の予混合ガスＧの流路を形成するように複数のプレート（凹凸状または波板状プレートおよび平面プレート等）を積層した状態で、予混合ガスを噴出する予混合ガス噴出部２１が構成されている。
【００３７】
積層されるそれぞれのプレートには、所定数（本実施形態においては１０個）の穴部２２が設けられており、積層されたプレートを上下で挟持する上部板部２５と下部板部２６とにも、同数の穴部が設けられている。そして、積層されたプレートを上部板部２５および下部板部２６にて挟持した状態で、穴部２２に連結棒部材２３を挿通させ、連結棒部材２３の上下をナット等の締結部材２４にて締結して、バーナ２０が構成される。
【００３８】
また、本実施形態においては、その断面形状が図４に示すように十角形であるため、十面の面状の予混合ガス噴出部２１を有するバーナ２０となる。このようなバーナ２０において、燃料（ガス燃料）と燃焼用空気とが予めミキシングされた予混合ガスＧは、図３および図４の矢印にて示すように、バーナ２０の内部からそれぞれの予混合ガス噴出部２１を経て、放射状且つ面状に噴出されることとなる。
【００３９】
本実施形態にかかるボイラは、以上のように構成されており、その構成に基づき、次のような作用効果を有する。以下、図１、図２、図３および図４に加え、図５および図６を用いて、その作用効果を具体的に説明する。
【００４０】
本実施形態においては、以上のように、内側水管群１３に近接して設けられたバーナ２０から略水平に（内側水管群１３に対しては略垂直に）予混合ガスが噴出されるため、その予混合ガスにパイロットバーナ（図示省略）で着火することによって、バーナ２０の予混合ガス噴出部２１から、内側水管群１３に直接接触するような面状の火炎Ｆが形成されることとなる。
【００４１】
そして、本実施形態においては、缶体１０形状およびバーナ２０の構成に基づき、図５および図６に示すように、ボイラ１の缶体１０内をガスＦＧが流動する。
【００４２】
まず、ボイラ１の縦断面方向におけるガスの流動状態に着目すれば、図５に示すように、バーナ２０から火炎Ｆを形成しながら、ガスＦＧ１が略水平に噴出され、その燃焼反応中のガスＦＧ１は、内側水管群１３の内周面（本発明の「冷却部」に相当）に対して略垂直に衝突する（本発明の「ガスを冷却部に衝突させる工程」（衝突冷却工程）に相当）。次いで、内側水管群１３の内周面に衝突したガスＦＧ１は、内側水管群１３の内周面に沿って軸方向下方側に流動するガスＦＧ２となる（本発明の「冷却部に沿ったガスの流れを形成する工程」（接触流動冷却工程）に相当）。ここで、ガスＦＧ１は、各水管の凹凸を含んだ領域に衝突して、その後、ガスＦＧ２は、この凹凸を含んだ領域に沿って接触しながら流動する。したがって、本実施形態においては、各水管が密接して構成された凹凸を含んだ内側水管群１３の内周面が、本発明の「冷却部」に相当する。
【００４３】
また、ボイラ１の横断面方向におけるガスの流動状態に着目すれば、図６に示すように、予混合ガス噴出部２１から略水平に噴出されたガスＦＧ１は、内側水管群１３の内周面に対して略垂直に衝突した後、内周面に沿って流動するガスＦＧ３となって、このガスＦＧ３は、内側水管群１３の開口部１６に流出する。開口部１６を経て環状ガス流路１９に流入したガスは、主に、ガスＦＧ４として内側水管群１３と中間水管群１４との間を流動し、ガスＦＧ５として中間水管群１４と外側水管群１５との間を流動した後、外側開口部１８および排気筒９１を経て缶体１０外部に排出される。
【００４４】
本実施形態にかかるボイラにおいては、缶体１０内にて以上のようにガスが流動するため、装置の小型化と有害物質（ＮＯｘ、ＣＯ、煤等）の低減を図ることができる。
【００４５】
具体的には、まず、火炎Ｆを伴うガスＦＧ１を即座に内側水管群１３の内周面に衝突させて（衝突冷却工程）、内側水管群１３の内周面（管壁）に沿ったガスＦＧ２の流れを形成することによって（接触流動冷却工程）、ガス温度（特に燃焼反応中のガス温度）を抑制しつつ、効果的に熱回収を行うことができる。
【００４６】
従来技術にかかるボイラ（例えば、特許文献１に記載のボイラ）においては、缶体の燃焼室内で火炎を下方向に形成するため、燃焼室に隣接する水管群における熱回収は放射によるもののみであった。したがって、従来技術によれば、火炎生成直後における回収熱量が小さく、水管群の後流側に多くの対流伝熱部を設けて積極的に熱回収を行う必要があった。また、このような従来の構成によれば、火炎生成直後の温度上昇を抑えることができないため、ＮＯｘ生成量が大きくなる。さらに、水管群の後流側に多くの対流伝熱部を設ける必要があるため、装置が大型化する。
【００４７】
これに対し、本実施形態にかかるボイラにおいては、上述したように、火炎Ｆを伴うガスＦＧ１を即座に内側水管群１３の内周面に衝突させるため、火炎Ｆ等が効果的に冷却されて（火炎等の温度上昇を抑制するため）、ＮＯｘの生成量を低減することができる。また、火炎Ｆを伴うガスＦＧ１を内側水管群１３の内周面に衝突させた後、内側水管群１３の内周面（管壁）に沿った燃焼反応中のガスＦＧ２の流れが形成されるため、内側水管群１３内周面においては、放射のみならず、対流熱伝達が効果的に行われることとなる。すなわち、この内側水管群１３内周面が対流伝熱部として機能することとなるため、ガス温度を抑制しつつ、効率よく熱回収を行うことができる。
【００４８】
さらに、本実施形態においては、内側水管群１３内部から内側開口部１６を経て流出したガスに含まれるＣＯが、環状ガス流路１９内にて酸化される。したがって、本実施形態によれば、外側開口部１８から排出されるガス中のＣＯの低減も図ることができる。加えて、この環状ガス流路１９内には、中間水管群１４も設けられているため、熱回収も促進することができる。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態にかかるボイラは、内側水管群１３に近接してバーナ２０を設け（つまり、水管群１３，１４，１５を縮径させて）、バーナ２０からの予混合ガスを内側水管群１３に対して略垂直に衝突させる構成であるため、上述したようなガスの流れを形成させ得る。したがって、本実施形態によれば、火炎形成直後における火炎等の冷却によって低ＮＯｘ化を図り（具体的には、従来の丸型ボイラと比較して（当社比）、ＮＯｘ値を約１／２に低減可能となった）、環状ガス流路内におけるガス流速の低下によってガスの酸化を促進させて低ＣＯ化を図ることができる。また、本実施形態によれば、ガス流動の改善（ガスＦＧ２の内側水管群１３の軸方向流れ）、および環状ガス流路内構造（中間水管群１４の存在）等によって、効率的な熱回収を実現すると共に、水管群１３，１４，１５を縮径させているため、効果的にボイラの小型化を実現することができる。
【００５０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で必要に応じて種々の変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５１】
上記実施形態においては、中間水管群１４が全て通常の水管（特にフィン等が設けられていない水管（ベア管））を用いて構成された場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。したがって、例えば、図７に示すように、中間水管群１４の一部の水管として、エロフィン管１４Ａを用いてもよい（ここで図７は、他の実施形態における図２に相当する図である。）。エロフィン管１４Ａにはその周囲にフィン部４１（本発明の「伝熱促進体」に相当）が設けられているため、環状ガス流路１９内における伝熱面積が増大することとなる。したがって、このような構成によれば、熱回収量が高まると共に、ガス流速を低下させてＣＯの酸化を促進させることができる。
【００５２】
なお、本発明にかかる伝熱促進体としては、上述したエロフィン管１４Ａのフィン部４１の他に、セレートフィン（セレートフィン管）、スパインフィン（スパインフィン管）、スタッドフィン（スタッドフィン管）、あるいは横ひれ（横ひれ水管）等も適用可能である。
【００５３】
また、上記実施形態においては、略同心円状に三列の水管群を配設した缶体を用いてボイラを構成する場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、必要に応じて、二列あるいは四列以上の水管群を配設して缶体を構成してもよい。
【００５４】
さらに、上記実施形態において、缶体１０は、略同心円状に配列された内側水管群１３、中間水管群１４、および外側水管群１５を用いて構成される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、缶体を構成する水管群の配設状態は必要に応じて変更可能である。したがって、例えば、図８および図９に示すような配列の水管群を有する缶体を用いてもよい（ここで図８および図９は、それぞれ他の実施形態における図２に相当する図である。）。
【００５５】
図８および図９は、それぞれ他の実施形態にかかるボイラの横断面の説明図を示したものである。
【００５６】
図８は、ひらがなの「の」の字を想起させる「の字」水管群５１と、このの字水管群５１の間隙ガス流路５２中に配設された間隙水管群５３とを用いて缶体が構成されている。の字水管群５１は、隣接する水管同士が密接状態に配設された第一水管５１Ａによる水管群と、所定の間隔を有しつつ水管間をフィン部５１Ｃにて連接された第二水管５１Ｂによる水管群とを用いて構成されている。そして、上述したように、の字水管群５１には間隙ガス流路５２が設けられており、バーナ２０にて生ずるガスは、この間隙ガス流路５２および缶体の下方位置に設けられた排気筒９２を介して缶体外に排出される。間隙ガス流路５２内に配設された間隙水管群５３は、所定間隔を有しつつ配設された第三水管５３Ａによる水管群と、所定間隔を有しつつ配設されたエロフィン管５３Ｂによる水管群とを用いて構成されている。
【００５７】
図９は、略同心円状に配設された内側水管群５５と外側水管群５６とを用いて、缶体が構成されている。内側水管群５５は、二箇所の開口部５７，５８を設けた部分以外は、密接状態で配設された通常の水管（ベア管）５５Ａを用いて構成された水管群である。また、外側水管群５６は、所定間隔を有しつつ配設されたエロフィン管５６Ａによる水管群である。さらに、この外側水管群５６の外側には、ガス案内用カバー５９が配設されている。この図９に示した缶体においては、バーナ２０にて生ずるガスは、内側水管群５５の内周面に衝突して、この内周面に沿って流動した後、開口部５７，５８を介して外側水管群５６に達する。外側水管群５６に達したガスは、その後、外側水管群５６を構成する各エロフィン管５６Ａ間の隙間を経てガス案内用カバー５９に達する。そして、ガスは、ガス案内用カバー５９に沿って流動した後、缶体の下方位置に設けられている二つの排気筒９３，９４を介して缶体外部に排出される。この二つの排気筒９３，９４は、集合排気筒（図示省略）に接続されている。
【００５８】
図８および図９にて示した缶体を用いた場合であっても、図１から図６を用いて説明した実施形態と同様に、バーナ２０と水管群（の字水管群５１、内側水管群５５）の内周面とを近接させ、バーナ２０から水管群の内周面に対して略垂直に予混合ガスを噴出させ、ガスの効果的な流動状態（例えば、図５および図６にて説明したような流動状態）を形成させれば、装置の小型化と有害物質の低減を実施可能なボイラを得ることができる。なお、この図８および図９においては、それぞれ水管群の一部にエロフィン管５３Ｂ，５６Ａを用いた場合について説明しているが、これらは必要に応じて（例えば、熱回収量の調整等のために）、通常のベア管を用いて構成してもよい。また、この図８および図９に示した部分以外についても、熱回収量増大等のために、必要に応じてエロフィン管を採用してもよい。
【００５９】
さらに、本発明にかかるバーナ形状は、上記実施形態の形状に限定されるものではなく、水管群の内周面に近接させた状態で、略水平に（水管内周面に対しては略垂直に）予混合ガスを噴出可能であれば、如何なる形状であってもよい（例えば、特開平１１−１４１８１５号公報に示されるバーナ形状であってもよい）。したがって、例えば、図１０に示すように、予混合ガス噴出部８１が若干傾斜しているバーナ８０を用いてもよい。この図１０は、バーナ８０以外は、図１等と同様の構成要素を有するボイラ６０の縦断面の説明図である。なお、このバーナ８０は、図３および図４等にて説明したバーナ２０と略同様の構成を有しており、傾斜した予混合ガス噴出部８１を構成するために、積層させるプレートの大きさが上から下になるに従って小さくなる点が異なる。そして、このバーナ８０は、予混合ガスの噴出方向と水管群の内周面とが、垂直から１５°程度傾くように構成されている。
【００６０】
本発明によれば、この図１０に示したようなバーナ８０を用いた場合であっても、バーナ８０と内側水管群１３の内周面とを近接させ、バーナ８０から略水平に（内側水管群１３の内周面に対して略垂直に）予混合ガスを噴出させ、ガスの効果的な流動状態（例えば、図５および図６にて説明したような流動状態）を形成させれば、装置の小型化と有害物質の低減を実施可能なボイラを得ることができる。
【００６１】
また、上述した各実施形態においては、図５および図６にて説明したガスの流動状態（ガスが内側水管群内周面に衝突した後に、内側水管群の軸方向に流動する状態）を形成するために、内側水管群の一部（一箇所あるいは二箇所）以外は、隣接する水管同士が密接して配設された構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。したがって、例えば、水管同士はある間隔を有して配設し、各水管隙間に縦ひれ等を設けるような構成としてもよい。このような構成であれば、水管同士は離間していても縦ひれ等を設けることによって内側水管群内周面の隙間が塞がれた状態となるので、先に説明した種々の実施形態と同様に、図５および図６にて説明したガス流動状態を形成して、同様の作用効果を得ることができる。
【００６２】
さらに、上述した実施形態においては、「冷却部」が密接した水管群であって、具体的には、各水管の凹凸を含んだ内側水管群１３の内周面である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。つまり、本発明においては、ガスの噴出方向等との関係で、「衝突冷却工程」および「接触流動冷却工程」を構成可能であれば、「冷却部」形状は、特に限定されない。したがって、例えば、「冷却部」は、ボイラを構成する一つ一つの水管であってもよい。また、「冷却部」形状は、平面状であっても、凹凸を有していても、円筒状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態にかかるボイラの縦断面の説明図である。
【図２】図１のII−II線に沿う横断面の説明図である。
【図３】本実施形態にかかるボイラに設けられたバーナの縦断面の説明図である。
【図４】図３のIV−IV線に沿う横断面の説明図である。
【図５】本実施形態にかかるボイラの燃焼状態の概略図であって、具体的には本実施形態にかかるボイラ内におけるガスの流動状態の縦断面の説明図である。
【図６】図５のVI−VI線に沿う横断面の説明図であって、具体的には本実施形態にかかるボイラ内におけるガスの流動状態の横断面の説明図である。
【図７】他の実施形態にかかる缶体を用いて構成されたボイラの横断面の説明図である。
【図８】他の実施形態にかかる缶体を用いたボイラの横断面の説明図であって、具体的には、の字水管群を用いた場合を示している。
【図９】他の実施形態にかかる缶体を用いたボイラの横断面の説明図であって、具体的には、内外二列水管群を用いた場合を示している。
【図１０】他の実施形態にかかるバーナを用いて構成されたボイラの縦断面の説明図である。
【符号の説明】
【００６４】
１，６０…ボイラ
１０…缶体
１１…上部ヘッダ
１２…下部ヘッダ
１３…内側水管群
１４…中間水管群
１４Ａ…エロフィン管
１５…外側水管群
１６…内側開口部
１７…フィン部
１８…外側開口部
１９…環状ガス流路
２０，８０…バーナ
２１，８１…予混合ガス噴出部
２２…穴部
２３…連結棒部材
２４…締結部材
２５…上部板部
２６…下部板部
３０…ウインドボックス
４１…フィン部
５１…の字水管群
５２…間隙ガス流路
５３…間隙水管群
５５…内側水管群
５６…外側水管群
５７，５８…開口部
５９…ガス案内用カバー
９１，９２，９３，９４…排気筒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状に配列された水管群を有する缶体と、前記水管群の中央部に配設されたバーナとを備えたボイラであって、
前記バーナが予混合ガス噴出部を有し、
前記予混合ガス噴出部から前記水管群の内周面に対して所定角度をなして、予混合ガスが噴出される
ことを特徴とするボイラ。
【請求項２】
環状に配列された水管群を有する缶体と、前記水管群の中央部に配設されたバーナとを備えたボイラであって、
前記水管群が複数列設けられ、内側水管群の一部に外側水管群内周面に連通するガス流路が形成されており、
前記バーナからの予混合ガスが前記内側水管群の内周面に対して所定角度をなして噴出され、前記内側水管群の軸方向に沿ったガスの流れが形成された後、前記ガス流路を介して、前記内側水管群と前記外側水管群との間の環状ガス流路に沿ったガスの流れが形成される
ことを特徴とするボイラ。
【請求項３】
前記環状ガス流路内および前記環状ガス流路の後流側の少なくとも一方に、伝熱促進体が設けられている
請求項２に記載のボイラ。
【請求項４】
前記環状に配列された水管群が３列以上設けられている
請求項１から３のいずれか１項に記載のボイラ。
【請求項５】
予混合燃焼により生成されるガスを冷却することによりＮＯｘを低減する低ＮＯｘ燃焼方法であって、
前記ガスを冷却部に衝突させる工程と、
前記冷却部に沿った前記ガスの流れを形成する工程と
を備えたことを特徴とする低ＮＯｘ燃焼方法。
【請求項１】
環状に配列された水管群を有する缶体と、前記水管群の中央部に配設されたバーナとを備えたボイラであって、
前記バーナが予混合ガス噴出部を有し、
前記予混合ガス噴出部から前記水管群の内周面に対して所定角度をなして、予混合ガスが噴出される
ことを特徴とするボイラ。
【請求項２】
環状に配列された水管群を有する缶体と、前記水管群の中央部に配設されたバーナとを備えたボイラであって、
前記水管群が複数列設けられ、内側水管群の一部に外側水管群内周面に連通するガス流路が形成されており、
前記バーナからの予混合ガスが前記内側水管群の内周面に対して所定角度をなして噴出され、前記内側水管群の軸方向に沿ったガスの流れが形成された後、前記ガス流路を介して、前記内側水管群と前記外側水管群との間の環状ガス流路に沿ったガスの流れが形成される
ことを特徴とするボイラ。
【請求項３】
前記環状ガス流路内および前記環状ガス流路の後流側の少なくとも一方に、伝熱促進体が設けられている
請求項２に記載のボイラ。
【請求項４】
前記環状に配列された水管群が３列以上設けられている
請求項１から３のいずれか１項に記載のボイラ。
【請求項５】
予混合燃焼により生成されるガスを冷却することによりＮＯｘを低減する低ＮＯｘ燃焼方法であって、
前記ガスを冷却部に衝突させる工程と、
前記冷却部に沿った前記ガスの流れを形成する工程と
を備えたことを特徴とする低ＮＯｘ燃焼方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−１８３９２７（Ｐ２００６−１８３９２７Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７６９７２（Ｐ２００４−３７６９７２）
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（０００１７５２７２）三浦工業株式会社 (1,055)
【出願人】（５０４１４３５２２）株式会社三浦プロテック (488)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（０００１７５２７２）三浦工業株式会社 (1,055)
【出願人】（５０４１４３５２２）株式会社三浦プロテック (488)
【Ｆターム（参考）】
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