ボイラ
【課題】火炉空間を有効利用できると共に、局部的に熱負荷が高くなることを防止して、水壁管やバーナ構成部材等の損傷を抑制できるボイラの提供である。
【解決手段】水平断面が方形状の火炉３と、該火炉３の各壁面２ａ〜２ｄに上下方向に複数段設置されたバーナ１とを備えたボイラにおいて、各壁面２ａ〜２ｄに設置されるバーナ１の全てを各壁面２ａ〜２ｄの幅方向中心位置（Ｃ１，Ｃ２など）よりも左右いずれかの側であって、全ての壁面において同じ側に配置すると共に、各壁面２ａ〜２ｄにおけるバーナ１の分布が上段のバーナ１は比較的壁面の側端部側で、下段のバーナ１は比較的壁面の幅方向中心位置側になるように配置する。火炉３上方に比べて輻射強度の弱い火炉３下方のバーナ１の輻射強度を強めることができ、火炉３下方の未燃燃料を燃焼域が広い火炉３上方のバーナ１で燃焼できる。そして、火炉３内に未燃領域や熱負荷の高い部分の発生を防止できる。
【解決手段】水平断面が方形状の火炉３と、該火炉３の各壁面２ａ〜２ｄに上下方向に複数段設置されたバーナ１とを備えたボイラにおいて、各壁面２ａ〜２ｄに設置されるバーナ１の全てを各壁面２ａ〜２ｄの幅方向中心位置（Ｃ１，Ｃ２など）よりも左右いずれかの側であって、全ての壁面において同じ側に配置すると共に、各壁面２ａ〜２ｄにおけるバーナ１の分布が上段のバーナ１は比較的壁面の側端部側で、下段のバーナ１は比較的壁面の幅方向中心位置側になるように配置する。火炉３上方に比べて輻射強度の弱い火炉３下方のバーナ１の輻射強度を強めることができ、火炉３下方の未燃燃料を燃焼域が広い火炉３上方のバーナ１で燃焼できる。そして、火炉３内に未燃領域や熱負荷の高い部分の発生を防止できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電用のボイラに係り、特に火炉の空間を燃焼に有効利用できるようなバーナの配置を有するボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の火力発電用のボイラとしては、水平断面が方形状（角部が短い辺となっている多角形状のものを含む。以下同様）の火炉壁を有するものが知られており、火力発電用のボイラの主なバーナ配置と燃焼に関する形式として、以下の２つの形式が広く用いられている。
【０００３】
一つは、火炉壁の対向する２つの面にそれぞれバーナを配置して、両面のバーナからの火炎が火炉の中央側で互いに向い合う、例えば対向燃焼式と呼ばれるボイラである。一例として、下記特許文献１には、対向する２つの面のエアポート段の相対するバーナ群を、軸心をずらせて配設する燃焼装置が開示されており、相対するバーナの軸心をずらすことで、バーナの火炎を対向壁に到達させて熱伝達率を向上させている。
【０００４】
もう一つは、１以上の火炉壁、典型的には前後左右の４つの火炉壁もしくは角部のそれぞれにバーナを配置し、各バーナからの火炎が火炉中央の空間部の仮想円まわりに向けて延び、一方向に旋回するファイアーボールが形成される、例えば旋回燃焼式又はタンジェンシャル燃焼式と呼ばれるボイラである。なお、ファイアーボールとは、火炉内に形成される球状火炎の総称である。
【０００５】
例として、下記特許文献２から特許文献４がある。
特許文献２には、各壁面にバーナが配置され、各バーナの噴出方向軸線を、平面視において、火炉内壁面の端部から、該バーナが配設された火炉内壁幅の一辺の長さの２５％未満の距離に配置するようにした燃焼装置が開示されている。バーナをコーナ部から火炉壁面に配置することで、四隅に器材が密集することを防止して、且つ炉内の空間の有効利用を図っている。
【０００６】
また、特許文献３には、微粉炭混合気ノズル内に濃淡分離体を配設して、仮想円の周囲に微粉炭火炎が形成するファイアボルテックス（ファイアーボール）中心側に吹き込む量を多く、ファイアボルテックス外周側に吹き込む量を淡くすることで、微粉炭火炎の火炉内壁面への衝突を防いでスラッギングを低減し、バーナの大容量化を可能とした微粉炭バーナが開示されている。
【０００７】
更に、特許文献４には、旋回燃焼式のバーナユニットを二つ以上備えた蒸気発生装置において、隣接するバーナユニットの間に対向燃焼式のバーナを備える蒸気発生装置が開示されている。対向燃焼式のバーナを隣接するバーナユニットの間に備えることで、隣接する水冷壁での放散熱量や吸収熱量を均一化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５８−１９５７０４号公報
【特許文献２】特開平１１−１４１８０６号公報
【特許文献３】特開平１０−２１３３０９号公報
【特許文献４】特開平８−１７８２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これらのボイラを大型化する場合、それにあわせてバーナ１個あたりの容量（出力）を増大させ、火炉に開口するバーナの径を大きくすると、以下のような問題が生じうる。
【００１０】
図１１には、対向燃焼式ボイラの火炉の水平断面図の一例を示す。
図１１に示すように、このボイラの火炉炉壁２のうち、火炉前壁１３および火炉後壁１４には、燃料を火炉３内に投入して燃焼を行うバーナ１が、火炉の幅方向に複数列、上下方向に複数段、設置されている。
【００１１】
ボイラの大型化に伴い、隣接するバーナ同士の間隔が拡がるので、図１１に示すように燃焼に未使用の未燃領域５の範囲が大きくなって、無駄なスペースが生じ、火炉３内の空間が有効に利用されない。
【００１２】
そして、バーナ１の個々の火炎４が大きくなるため、火炉３内の熱負荷に偏差が生じた場合に、各バーナ１における出力調整、すなわち熱負荷の調整がしにくい。したがって、局部的に熱負荷が高い部分が発生しやすく、火炉壁面に設置された水壁管を傷める可能性が高まる。上記特許文献１記載の構成のように、相対するバーナ群を、軸心をずらせて配設しても、ボイラの大型化に伴う未燃領域の拡大や熱負荷の調整等の問題は解消されない。
【００１３】
一方、前述の旋回燃焼式ボイラでは、旋回流を発生させるため、バーナはある程度、火炉炉壁の局部に密集した配置となることが多い。このため、火炉壁面に水壁管が存在せず、水壁管から離れた局部的に熱負荷が高い領域が広くなりやすく、バーナの構成部材等を傷める可能性が高まる。上記特許文献２記載の構成のように、バーナをコーナ部から火炉壁面に配置すれば、四隅に器材が密集することを防止できるものの、あまり有効な解決策とは言えない。
【００１４】
火炉炉壁に設置される熱吸収を行うための水壁管は、火炉壁面中のバーナの設置部位を避けるようにバーナ周辺で曲げられて配置されるが、火炉に開口するバーナの径が大きくなったり、密集した配置となったりすると、バーナを避けるための水壁管の加工数が増加し、製作コストの増大、対象部位の耐久性への影響等が懸念される。上記特許文献３記載の構成によってはバーナの大容量化が可能となるが、バーナの容量を大きくすると、上記問題が生じる。
【００１５】
特に水壁管全体を流れる流体の熱吸収を均一化するために採用されることが多い、スパイラル水壁管を有するボイラでは、この問題が顕著となる。すなわち、火炉の上下方向に連続して配置されるバーナの領域が大きくなると、これを迂回しなければならない水壁管の本数が多くなるので、加工数の増加や対象部位の耐久性への影響が大きい。そして、水壁管を曲げる範囲が大きくなり、曲げ部の熱に対する強度が低下してリークが発生しやすくなる等の問題も生じうる。
【００１６】
したがって、旋回燃焼式ボイラでは、スパイラル水壁管に対して、水壁管全体を流れる流体の熱吸収に偏差が生じやすい垂直水壁管（鉛直方向に流体が流れる水壁管）が採用される場合が多い。
【００１７】
一方、バーナ１個あたりの容量（出力）を大きくせずに、その設置数を増やすと（例えば上記特許文献４に記載の構成）、設備コストが増加する。また、局部的にバーナの配置を密集させると、近接するバーナ間の熱負荷が増大するために水壁管を傷める可能性が高まる。
【００１８】
本発明の課題は、火炉空間を有効利用できると共に、局部的に熱負荷が高くなることを防止して、水壁管やバーナ構成部材等の損傷を抑制できるボイラを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の課題は、ボイラの火炉壁に設置するバーナを適度に分散させて配置し、火炉全体としては、旋回燃焼が可能となるように構成したボイラによって解決される。具体的に本発明の課題は、次の手段により解決することができる。
【００２０】
請求項１記載の発明は、水平断面が方形状の炉壁から形成される火炉と、該火炉の炉壁の各壁面に上下方向に複数段設置されたバーナとを備えたボイラにおいて、各壁面に設置されるバーナ全てを各壁面の幅方向中心位置よりも左右いずれかの側であって、全ての壁面において同じ側に配置すると共に、各壁面におけるバーナの分布が上段のバーナは比較的壁面の側端部側であって、下段のバーナは比較的壁面の前記幅方向中心位置側になるように配置するボイラである。
【００２１】
請求項２記載の発明は、上下方向に最も低い位置に配置されるバーナから最も高い位置に配置されるバーナまで、順にｊ＝１、２、…、ｎとし、各バーナについて、各壁面の幅方向中心位置からの距離をＬ１、Ｌ２、…、Ｌｎとし、任意のｘ番目のバーナについて、各壁面の幅方向中心位置からの距離をＬｘとしたとき、ｘ＝ｎの場合を除いてＬ１からＬｘまでの総和がＬ（ｎ−ｘ＋１）からＬｎまでの総和よりも小さい関係となるように配置する請求項１記載のボイラである。
なお、方形状とは、角部が短い辺となっている多角形状のものを含む意である。
【００２２】
（作用）
以下の説明は、燃料として石炭を粉砕した微粉炭を用いるボイラを前提にしているが、本発明の対象とするボイラは、植物（例えば、木材チップ等のバイオマス）や廃棄物由来の固体燃料、液体燃料、気体燃料など燃料の種類は石炭に限らず、それらのうち、複数種を混焼させるボイラであっても良い。また、これらの燃料を同時に燃焼させても良いし、切り替えて燃焼させても良い。
【００２３】
図２には、水平断面が方形状の火炉の各壁面（同一水平断面上）にバーナを一つずつ設置して、その設置位置と輻射強度との関係を示す。すなわち、四方の火炉壁面に一つずつバーナを設置した時の火炉壁近傍の輻射強度を比較したものである。また、図３には、火炉壁における輻射強度の測定位置（火炉壁近傍の斜線部Ｓ付近）を示す。
【００２４】
図２の横軸の炉壁方向距離とは、炉壁の幅方向の距離のことであり、例えば、図３に示すように、火炉の正面視で図中の０は炉壁前面の左端部、１．０は炉壁前面の右端部に相当する。そして、図２の実線は各バーナを火炉炉壁の中心部（幅方向中心位置）に設置した場合を示し、点線は各バーナを火炉炉壁の側端部（角部）に設置した場合を示す。
【００２５】
旋回燃焼では、図２に示すように、バーナ１を火炉炉壁２の中心部（幅方向中心位置）に近づけて設置するほど、炉壁幅方向の距離に関わらず、どの箇所でも輻射強度が強く着火しやすい状態にあることが分かる。火炉上方のバーナ１は、火炉下方のバーナ１による燃焼によって火炎４及び熱風が上昇することにより輻射強度が強くなる。
【００２６】
しかし、火炉下方のバーナ１はこのような燃焼による輻射の影響を受けにくい。火炉下方のバーナ１は、その下にある水冷ホッパのために火炎４からの輻射熱が奪われ、冷却される傾向にある。
【００２７】
そこで、バーナの着火を促進させるためには火炉下方に設置するバーナを火炉炉壁の中心部に近づけて設置し、輻射強度を強めることが望ましい。
また、火炉上方に設置するバーナは火炉炉壁の角部に近づけて設置する。火炉炉壁の角部に近づけてバーナを設置して、燃料を噴射、燃焼させた場合、火炉の内部に形成されるファイアーボールの径が大きくなる。
【００２８】
したがって、火炉上方に設置されたバーナ部分の同一水平断面上における燃焼域が拡大されることにより、火炉下方に設置されたバーナの燃焼によって発生した未燃燃料を捕捉し、燃焼させることが可能となる。
【００２９】
そして、本発明によれば、火炉炉壁の四面に火炉上部から下部に向かって火炉炉壁の側端部側から火炉の中心方向へバーナを複数段設置し、各段の水平断面上の複数のバーナ（例えば、４つ）で旋回燃焼を行うことにより、火炉内にファイアーボールを形成する。
この上段から下段に向けてのバーナの配置に関しては、全ての壁面において幅方向中心位置からの左右が同じ側の面に角部から中心部にかけて配置すると、各段のバーナは全ての壁面にバランス良く配置されるため、各段のバーナ部の水平断面上におけるファイアーボールは比較的均整の取れたきれいな球状を形成できる。
このファイアーボールは火炉炉壁から火炉中心部の間で広範囲に形成することが可能であるため、火炉内に未燃領域や熱負荷の高い部分が生じることを防止できる。
【００３０】
以上のことから、請求項１記載の発明によれば、各壁面に設置されるバーナ全てを各壁面の幅方向中心位置よりも左右いずれかの側であって、全ての壁面において同じ側に配置すると共に、各壁面におけるバーナの分布が上段のバーナは比較的壁面の側端部側であって、下段のバーナは比較的壁面の幅方向中心位置側になるように配置することで、火炉下方の輻射強度を強めることができると共に、未燃燃料を燃焼させることが可能となり、更に熱負荷の高い部分が生じることを防止できる。
【００３１】
例えば、上下方向に最も低い位置に配置されるバーナから最も高い位置に配置されるバーナまで、順にｊ＝１、２、…、ｎとし、各バーナについて、各壁面の幅方向中心位置からの距離をＬ１、Ｌ２、…、Ｌｎとし、任意のｘ番目のバーナについて、各壁面の幅方向中心位置からの距離をＬｘとしたとき、ｘ＝ｎの場合を除いて、Ｌ１からＬｘまでの総和がＬ（ｎ−ｘ＋１）からＬｎまでの総和よりも小さい関係となるように配置されると良い。
【００３２】
請求項２記載の発明によれば、このような関係となるように各壁面にバーナを配置することによって、複数のバーナが分布する状態では、全体として上段のバーナが比較的壁面の側端部側に、下段のバーナが比較的壁面の幅方向中心位置側になるように配置される。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、火炉内の未燃領域が縮小され、火炉内の熱負荷の偏差が低減することによって火炉空間を有効利用できると共に、水壁管やバーナ構成部材等の損傷のリスクを低減できるボイラを提供することができる。具体的には以下の効果を有する。
【００３４】
請求項１記載の発明によれば、火炉上方のバーナは比較的壁面の側端部に近く、火炉下方のバーナは比較的壁面の幅方向中心位置に近いため、火炉上方に比べて輻射強度の弱い火炉下方のバーナの輻射強度を強めることができると共に、火炉下方のバーナの燃焼によって発生した未燃燃料を燃焼域が広い火炉上方のバーナによって燃焼させることが可能となる。そして、各段のバーナは全ての壁面にバランス良く配置されるため、火炉内に未燃領域や熱負荷の高い部分が生じることを防止できる。
【００３５】
請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、各壁面のバーナをＬ１からＬｘまでの総和がＬ（ｎ−ｘ＋１）からＬｎまでの総和よりも小さい関係となるように配置することで、簡便、且つ確実に、上段のバーナが比較的壁面の側端部側に、下段のバーナが比較的壁面の幅方向中心位置側になるように配置できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態のボイラの火炉構造を示した図（斜視図）である。
【図２】水平断面が方形状の火炉の各壁面にバーナを一つずつ設置した場合のその設置位置と輻射強度との関係を示した図である。
【図３】図２の火炉壁における輻射強度の測定位置を示した図である。
【図４】図４（ａ）は、火炉炉壁に設置するバーナの分布を表した図であり、図４（ｂ）は、バーナの本数を６本とした場合の設置例を示した図であり、図４（ｃ）は、バーナの本数を５本とした場合の設置例を示した図である。
【図５】図１のボイラの火炉炉壁の展開図（簡略図）の例である。
【図６】図１中のＡ−Ａ断面（下段バーナ）におけるバーナの配置例を示した図（水平断面図）である。
【図７】図１中のＢ−Ｂ断面（上段バーナ）におけるバーナの配置例を示した図（水平断面図）である。
【図８】図１中のＢ−Ｂ断面（上段バーナ）におけるバーナの配置例を示した図（水平断面図）である。
【図９】本発明の一実施形態のボイラのバーナの断面図である。
【図１０】混合気噴出ノズルと燃焼用空気ノズルを交互に配置した例を示した図である。
【図１１】対向燃焼式ボイラのバーナの配置形態の一例を示した図（水平断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下に、本発明の実施形態を説明する。
【実施例１】
【００３８】
図１には、本発明の一実施形態のボイラの火炉構造を示す。
本実施例は、火炉３と、微粉炭等の燃料と空気の混合気（微粉炭混合気）を火炉３に供給する燃料搬送管６と、燃焼用空気を搬送する燃焼用空気搬送管７と、燃料搬送管６によって搬送される燃料を火炉３内に噴出し、燃焼用空気搬送管７によって搬送される搬送燃焼用空気と燃焼させるバーナ１と、火炉３の内壁に設置され、燃料の燃焼により発生した熱により水を加熱し蒸気を生成する火炉水壁管１７，１８などから構成される。燃料である微粉化された石炭は、搬送用空気と混合され微粉炭混合気を形成し、燃料搬送管６を通してバーナ１の本体に設けられた混合気噴出ノズル１１（図９）に搬送され、火炉３内へ噴出する。
【００３９】
火炉３の水壁管１７，１８の構成は、上方で水平断面積が縮小するノーズ部２０付近より下方のバーナ等が配置される領域では、内部流体が下部から上部に向かってらせん状に上昇するスパイラル水壁管１７になっている。そして、ノーズ部２０付近よりも上方では、内部流体が下部から上部に向かって垂直（鉛直方向）に上昇する垂直水壁管１８になっている。
【００４０】
なお、図１はボイラの概略構成の一例を示すものであり、ノーズ部２０の有無、水壁管の配置、スパイラル水壁管１７と垂直水壁管１８などの水壁管の種類やその範囲については、本実施例に限定されるものではない。
【００４１】
図９には、図１のボイラのバーナの流路断面構造の例を示す。本実施例では、混合気噴出ノズル１１の外周に燃焼用空気ノズル１２が設けられており、押し込みファン（図示せず）等から搬送されてきた燃焼用空気を燃焼用空気ノズル１２から火炉３内へ投入する。
【００４２】
図１のスパイラル水壁管１７の巻き方向は、ボイラの上側から見て時計回りに内部流体が上昇するような例を示しているが、同様のバーナの配置に対して巻き方向が逆、すなわちボイラ上側から見て反時計回りに内部流体が上昇するようにしても良い。
【００４３】
なお、バーナ１の流路断面構造は本実施例に限定されるものではなく、混合気噴出ノズル１１と燃焼用空気ノズル１２とが別々に独立して配置されるものであっても良い。
例えば、スパイラル水壁管１７の長手方向に沿って、混合気噴出ノズル１１と燃焼用空気ノズル１２とが交互に配置されるものが挙げられる。図１０には、混合気噴出ノズル１１と燃焼用空気ノズル１２を交互に配置した例を示す。
【００４４】
図１０（ａ）には、ボイラの火炉構造（斜視図）を示し、図１０（ｂ）には、図１０（ａ）のＤ部の拡大図を示す。なお、混合気噴出ノズル１１と燃焼用空気ノズル１２は各水平断面上で一対設けても良いし、複数対設けても良い。
【００４５】
図１０（ａ）及び（ｂ）に示す形態の混合気噴出ノズル１１と燃焼用空気ノズル１２を設置する場合、それらの配列がスパイラル水壁管１７の長手方向に沿う方向になっていることが望ましい。したがって、図１０（ｂ）に示された右上がりのノズルの配置の場合は、スパイラル水壁管１７の傾斜が図１に示されているものとは逆の右上がりの形態とすることが望ましい。
【００４６】
そして、このような形態であれば、混合気噴出ノズル１１と燃焼用空気ノズル１２の開口径がそれぞれ小さくなるので、これらのノズルを迂回するスパイラル水壁管１７の本数が少なく、曲げ加工の量も小さくできるので、製作コストの増大を招きにくい。また、スパイラル水壁管１７の曲げ加工に伴い対象部位の耐久性が低下する可能性も低減でき、本実施例のバーナ配置との組合せにより、その効果が一層大きくなる。
【００４７】
ここで、バーナ１の距離に関して、各バーナ１の各壁面２ａ〜２ｄの幅方向中心（中心線Ｃ１、中心線Ｃ２）からの距離は、混合気噴出ノズル１１の中心軸を基準とする。
火炉３に設置されるバーナ１は火炉炉壁２の各壁面（四面）２ａ〜２ｄに上下方向に複数段設置される。火炉３の上方に設置するバーナ１は火炉炉壁２の側端部側に設置する。また、コーナ（角部）１６に設置しても良い。
【００４８】
一方、火炉３の下方に設置するバーナ１は図１中の中心線Ｃ１及び中心線Ｃ２で示される火炉炉壁２の幅方向中心位置に近づけて配置し、より下方に設置するバーナ１ほど中心線Ｃ１及び中心線Ｃ２に近づけて配置する。
【００４９】
本実施例では、各段のバーナ部の水平断面上には、四面に各１個ずつの計４個のバーナ１を設置しているが、必ずしも各壁面１個のみに限定されるものではなく、複数個のバーナ１を設置しても良い。
【００５０】
基本的にバーナ１を適度に分散させて配置し、火炉３の全体としては、旋回燃焼が可能に構成できれば良いため、４つの壁面２ａ〜２ｄに設置される複数のバーナ１の全てが各壁面の幅方向中心位置よりも左右いずれかの側であって、全ての壁面において同じ側に配置すると共に、上段のバーナ１は比較的火炉炉壁２の側端部側に配置し、下段のバーナ１は比較的壁面の幅方向中心位置側に配置する。そして、以下の条件（１）〜（３）を満たすように配置すると良い。
【００５１】
(１) 火炉炉壁２に設置される複数のバーナ１全てを各壁面２ａ〜２ｄの幅方向中心位置（中心線Ｃ１、中心線Ｃ２など）よりも左右いずれかの側に配置する。
（２）(１)に関し、各壁面２ａ〜２ｄに設置されるバーナは、全ての壁面において中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２など）からの左右が同じ側に配置する。
（３）各壁面２ａ〜２ｄに設置されるバーナ１の本数をｎとし、
上下方向に最も低い位置（最下段）に配置されるバーナ１から最も高い位置に配置されるバーナ１まで、順にｊ＝１、２、…、ｎとし、
各バーナ１について、各壁面２ａ〜２ｄの幅方向中心位置からの距離をＬ１、Ｌ２、…、Ｌｎ（ｎは段数）とし、
任意のｘ番目のバーナについて、各壁面２ａ〜２ｄの幅方向中心位置からの距離をＬｘとしたとき、ｘ＝ｎの場合を除いて、Ｌ１からＬｘまでの総和がＬ（ｎ−ｘ＋１）からＬｎまでの総和よりも小さくなるように配置する。
【００５２】
図４には、上記（３）の概念図を示す。図４（ａ）には、火炉炉壁２の壁面２ａに設置するバーナ１の分布を表した図を示し、図４（ｂ）には、バーナ１の本数を６本とした場合の設置例を示し、図４（ｃ）には、バーナ１の本数を５本とした場合の設置例を示している。
【００５３】
複数のバーナ１が分布する状態では、図４（ａ）に示すように、全体的に見て上段のバーナ１の領域IIは下段のバーナ１の領域Ｉよりも火炉炉壁２のコーナ１６側に配置され、下段のバーナ１の領域Ｉは上段のバーナ１の領域IIよりも中心線Ｃ１側に配置される。
【００５４】
図１では、各壁面２ａ〜２ｄに設置される複数のバーナ１を上段から下段に向けて壁面のコーナ１６側から中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２など）の方向へ順次傾斜状に配置しているが、図４（ｂ）や図４（ｃ）に示すように、任意の上段のバーナ１が任意の下段のバーナ１よりも幅方向中心位置（中心線Ｃ１）に近い場合があっても良い。すなわち、複数のバーナ１の分布が全体として概ね図４（ａ）に示されるようになればよい。
【００５５】
このようにバーナ１を配置することで、上段のバーナ１と下段のバーナ１の配置関係が全ての壁面において比較的バランスがとれたものとなり、火炉上方と下方に形成されるファイアーボール１５が均整の取れたきれいな球状となる。
なお、複数のバーナ１を上段から下段に向けて壁面のコーナ１６側から中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２など）の方向へ順次傾斜状に配置した場合は、例えば図１に示すようにｎ＝５（５段）の時はＬ５＞Ｌ４＞Ｌ３＞Ｌ２＞Ｌ１という関係になる。
【００５６】
例えば、図５には火炉炉壁２の四面の展開図の例を示すが、図５（ａ）ではバーナ１を全ての壁面において中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２など）から右側に配置しており、バーナ１の配置が四面とも全て右上がり傾斜となる。図５（ｂ）ではバーナ１を全ての壁面において中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２など）から左側に配置しており、バーナ１の配置が四面とも全て右下がり傾斜となる。
【００５７】
このように、火炉炉壁２の各壁面２ａ〜２ｄにバーナ１を配置することで、各壁面２ａ〜２ｄのバーナ１の配置方向が同じとなり、同じ段のバーナ１が全ての壁面にバランス良く配置されるため、各段のバーナ部の水平断面上におけるファイアーボール１５が均整の取れたきれいな球状を形成できる。
【００５８】
更に、火炉炉壁２の前面２ａの炉壁幅をＷａ、火炉炉壁２の右側面２ｂの炉壁幅をＷｂとしたとき、同一水平断面上に設置した特定のバーナ１（火炉炉壁２の各壁面で対応する位置関係にあるバーナ同士）は、下からｘ段目（ｘは１以上ｎ以下の整数）のバーナ１の中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２）からの距離をＬｘとすると、四面でＬｘ／(Ｗａ／２)及びＬｘ／(Ｗｂ／２)が一定となるようにバーナ１を配置することが望ましい。
【００５９】
すなわち、更に火炉炉壁２の後面２ｃの炉壁幅をＷｃ、火炉炉壁２の左側面２ｄの炉壁幅をＷｄとし、火炉炉壁２の中心線をそれぞれ中心線Ｃ３及び中心線Ｃ４としたとき（図５）、Ｌｘ／(Ｗａ／２)、Ｌｘ／(Ｗｂ／２)、Ｌｘ／(Ｗｃ／２)及びＬｘ／(Ｗｄ／２)が一定となるようにバーナ１を配置する。
【００６０】
このように火炉炉壁２の各壁面２ａ〜２ｄにバーナ１を配置すると、同じ段のバーナ１が全ての壁面にとてもバランス良く配置されるため、各段のバーナ部の水平断面上におけるファイアーボール１５がいびつな形状とならず、非常に均整の取れたきれいな球状を形成できる。
【００６１】
そして、上述のようにバーナ１を火炉炉壁２に設置し、バーナ１から燃料および燃焼用空気を火炉３内に噴出することで、火炉炉壁２の四面（壁面２ａ〜２ｄ）から噴出されるバーナ１からの火炎４の旋回流が発生し、火炉３内部にファイアーボール１５が形成される。
【００６２】
火炉３の内部にファイアーボール１５を形成する旋回燃焼では、各バーナ１からの燃料等の噴出をファイアーボール１５の接線方向になるようにし、火炉３の中心にファイアーボール１５の外周に沿った旋回流を発生させて燃料と燃焼用空気の混合を促進し、燃焼性の向上を図っている。
【００６３】
また、旋回燃焼では、図２に示すようにバーナ１を火炉炉壁２の中心線Ｃ１〜Ｃ４に近づけて設置するほど輻射強度が強く着火しやすい状態にある。火炉上方のバーナ１は、火炉下方のバーナ１による燃焼によって火炎４及び熱風が上昇することにより輻射強度が強くなる。しかし、火炉下方のバーナ１はこのような燃焼による輻射の影響を受けにくい。
【００６４】
火炉下方のバーナ１は、その下にある水冷ホッパ（図示せず）のために火炎４からの輻射熱が奪われ、冷却される傾向にある。したがって、バーナ１の着火を促進させるためには火炉３の下方に設置するバーナ１を火炉炉壁２の中心線Ｃ１〜Ｃ４に近づけて設置し、輻射強度を強めることが望ましい。
【００６５】
一方、火炉上方に設置するバーナ１は火炉炉壁２のコーナ１６に近づけて設置する。火炉炉壁２のコーナ１６に近づけてバーナ１を設置し、燃料を噴射、燃焼させた場合、火炉３の内部に形成されるファイアーボール１５の径が大きくなる。したがって、火炉３の上方に設置されたバーナ１部分の同一水平断面上における燃焼域が拡大されることにより、火炉３の下方に設置されたバーナ１の燃焼によって発生した未燃燃料を捕捉し、燃焼させることが可能となる。
【００６６】
以上のことから、火炉炉壁２に設置されるバーナ１を各壁面２ａ〜２ｄの上部から下部に向けてコーナ１６から中心線Ｃ１〜Ｃ４の方向へ配置することで、輻射強度を強めることができると共に、未燃燃料を燃焼させることが可能となる。
【００６７】
そして、上段から下段に向けてのバーナ１の配置は、全ての壁面において中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２など）からの左右が同じ側に配置することで、ファイアーボール１５を火炉炉壁２から火炉中心部の間で広範囲に形成することが可能となり、火炉３内に未燃領域が生じることを防止できる。
【００６８】
図６には、図１中のＡ−Ａ断面（下段バーナ）におけるバーナ１の配置例（水平断面図）を示す。
火炉炉壁２の中心線Ｃ１〜Ｃ４にバーナ１を設置した場合、旋回燃焼により形成されるファイアーボール１５の径が小さくなる。したがって、バーナ１からの火炎４が噴出する方向を火炉３の中心方向から側壁方向へ向け、形成されるファイアーボール１５の径を拡大することが望ましい。具体的には、図６に示すように火炉炉壁２の平面視の幅方向中心線Ｃａ又は中心線Ｃｂに対して、０°＜θ１≦４５°となるようにバーナ１を設置すると良い。
【００６９】
図７及び図８には、図１中のＢ−Ｂ断面（上段バーナ）におけるバーナ１の配置例を示す。火炉炉壁２のコーナ１６にバーナ１を設置した場合、図７に示すようにバーナ１からの火炎４が火炉炉壁２内に設置されたスパイラル水壁管１７に接触することにより、スパイラル水壁管１７が損傷予測域１０で損傷し、リークが発生する恐れがある。したがって、火炉炉壁２のコーナ１６に設置したバーナ１は火炉３の中心方向に向けて燃料を噴霧、燃焼させることが望ましい。
【００７０】
具体的には、図８に示すように、火炎４の噴出方向が火炉炉壁２に対して０°＜θ２≦４５°となるように各バーナ１を設置することで、スパイラル水壁管１７の損傷を防止できる。
なお、隣接する壁面に設置したバーナ１の火炎４の噴出方向は略直交するように、対向する壁面に設置したバーナ１の火炎４の噴出方向は略平行となるように、各壁面２ａ〜２ｄにバーナ１を設置する。
【００７１】
微粉炭等の燃料と空気の混合気を火炉３に供給する燃料搬送管６は、燃料である石炭を微粉砕するミル等の粉砕装置（図示せず）と接続される。この粉砕装置がメンテナンス、故障等により停止した場合は、バーナ１への燃料の供給が停止される。本実施例では、同一水平断面上に設置された４個のバーナ１による旋回燃焼によって燃料を燃焼させている。
【００７２】
したがって、同一水平断面上にあるバーナ１に別々の粉砕装置から燃料を供給するように接続した場合、一部の粉砕装置がメンテナンス、故障等により停止すると４個のバーナ１のうち、一部のバーナ１の燃焼が停止されるため、同一水平断面上に設置された４個のバーナ１の全てで燃焼が行われなくなり、ファイアーボール１５の形成が失われる。したがって、旋回燃焼によるファイアーボール１５の形成を維持するためには、同一水平断面上にあるバーナ１には同じ粉砕装置から燃料が供給されることが望ましい。
【００７３】
同一水平断面上にあるバーナ１に同じ粉砕装置から燃料を供給することで、ボイラの火炉３が大型化してもボイラの火炉炉壁２に設置するバーナ１を適度に分散させて配置し、火炉３全体としては、旋回燃焼が可能となるので、燃焼に未使用の未燃領域の範囲が大きくならず、火炉３の空間が無駄なく燃焼に有効利用できる。
【００７４】
また、バーナ１が火炉炉壁２の局部に密集しないので、壁面に水壁管１７，１８が存在しない領域を小さくでき、水壁管１７，１８から離れた局部的に熱負荷の高い領域が生じない。したがって、バーナ１の構成部材等が損傷する可能性が低い。
【００７５】
更に、バーナ１を避けるための水壁管１７，１８の加工数も少なく、製作コストを抑制でき、対象部位の耐久性への影響等も小さい。
特にスパイラル水壁管１７を有するボイラでは、スパイラル水壁管１７を曲げる範囲が小さくて済み、曲げ部の熱に対する強度の低下も生じにくく、水壁管１７，１８全体を流れる流体の熱吸収を均一化させることができる。
【００７６】
また、バーナ１に大容量バーナではなく小容量バーナを設置すると、各バーナ１における出力調整、すなわち熱負荷の調整がしやすくなり、局部的に熱負荷が高い部分が発生することを防止できる。
さらに、小容量バーナは大容量バーナに比べてバーナ径が小さいため、バーナ１を避けるための水壁管１７，１８の加工数を低減することができ、急な角度で水壁管１７，１８を曲げる必要もなくなるため、曲げ部の熱に対する強度の低下を防止し、リークの発生を防ぐことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明によれば、火力発電用のボイラに限らず、特に火炉空間を燃焼に有効利用できるようなバーナ配置を有するボイラにおいても利用可能性がある。
【符号の説明】
【００７８】
１ バーナ ２ 火炉炉壁
３ 火炉 ４ 火炎
５ 未燃領域 ６ 燃料搬送管
７ 燃焼用空気搬送管 １０ 火炎による水壁管損傷予測域
１１ 混合気噴出ノズル １２ 燃焼用空気ノズル
１３ 火炉前壁 １４ 火炉後壁
１５ ファイアーボール １６ 火炉炉壁コーナ
１７ スパイラル水壁管 １８ 垂直水壁管
２０ ノーズ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電用のボイラに係り、特に火炉の空間を燃焼に有効利用できるようなバーナの配置を有するボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の火力発電用のボイラとしては、水平断面が方形状（角部が短い辺となっている多角形状のものを含む。以下同様）の火炉壁を有するものが知られており、火力発電用のボイラの主なバーナ配置と燃焼に関する形式として、以下の２つの形式が広く用いられている。
【０００３】
一つは、火炉壁の対向する２つの面にそれぞれバーナを配置して、両面のバーナからの火炎が火炉の中央側で互いに向い合う、例えば対向燃焼式と呼ばれるボイラである。一例として、下記特許文献１には、対向する２つの面のエアポート段の相対するバーナ群を、軸心をずらせて配設する燃焼装置が開示されており、相対するバーナの軸心をずらすことで、バーナの火炎を対向壁に到達させて熱伝達率を向上させている。
【０００４】
もう一つは、１以上の火炉壁、典型的には前後左右の４つの火炉壁もしくは角部のそれぞれにバーナを配置し、各バーナからの火炎が火炉中央の空間部の仮想円まわりに向けて延び、一方向に旋回するファイアーボールが形成される、例えば旋回燃焼式又はタンジェンシャル燃焼式と呼ばれるボイラである。なお、ファイアーボールとは、火炉内に形成される球状火炎の総称である。
【０００５】
例として、下記特許文献２から特許文献４がある。
特許文献２には、各壁面にバーナが配置され、各バーナの噴出方向軸線を、平面視において、火炉内壁面の端部から、該バーナが配設された火炉内壁幅の一辺の長さの２５％未満の距離に配置するようにした燃焼装置が開示されている。バーナをコーナ部から火炉壁面に配置することで、四隅に器材が密集することを防止して、且つ炉内の空間の有効利用を図っている。
【０００６】
また、特許文献３には、微粉炭混合気ノズル内に濃淡分離体を配設して、仮想円の周囲に微粉炭火炎が形成するファイアボルテックス（ファイアーボール）中心側に吹き込む量を多く、ファイアボルテックス外周側に吹き込む量を淡くすることで、微粉炭火炎の火炉内壁面への衝突を防いでスラッギングを低減し、バーナの大容量化を可能とした微粉炭バーナが開示されている。
【０００７】
更に、特許文献４には、旋回燃焼式のバーナユニットを二つ以上備えた蒸気発生装置において、隣接するバーナユニットの間に対向燃焼式のバーナを備える蒸気発生装置が開示されている。対向燃焼式のバーナを隣接するバーナユニットの間に備えることで、隣接する水冷壁での放散熱量や吸収熱量を均一化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５８−１９５７０４号公報
【特許文献２】特開平１１−１４１８０６号公報
【特許文献３】特開平１０−２１３３０９号公報
【特許文献４】特開平８−１７８２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これらのボイラを大型化する場合、それにあわせてバーナ１個あたりの容量（出力）を増大させ、火炉に開口するバーナの径を大きくすると、以下のような問題が生じうる。
【００１０】
図１１には、対向燃焼式ボイラの火炉の水平断面図の一例を示す。
図１１に示すように、このボイラの火炉炉壁２のうち、火炉前壁１３および火炉後壁１４には、燃料を火炉３内に投入して燃焼を行うバーナ１が、火炉の幅方向に複数列、上下方向に複数段、設置されている。
【００１１】
ボイラの大型化に伴い、隣接するバーナ同士の間隔が拡がるので、図１１に示すように燃焼に未使用の未燃領域５の範囲が大きくなって、無駄なスペースが生じ、火炉３内の空間が有効に利用されない。
【００１２】
そして、バーナ１の個々の火炎４が大きくなるため、火炉３内の熱負荷に偏差が生じた場合に、各バーナ１における出力調整、すなわち熱負荷の調整がしにくい。したがって、局部的に熱負荷が高い部分が発生しやすく、火炉壁面に設置された水壁管を傷める可能性が高まる。上記特許文献１記載の構成のように、相対するバーナ群を、軸心をずらせて配設しても、ボイラの大型化に伴う未燃領域の拡大や熱負荷の調整等の問題は解消されない。
【００１３】
一方、前述の旋回燃焼式ボイラでは、旋回流を発生させるため、バーナはある程度、火炉炉壁の局部に密集した配置となることが多い。このため、火炉壁面に水壁管が存在せず、水壁管から離れた局部的に熱負荷が高い領域が広くなりやすく、バーナの構成部材等を傷める可能性が高まる。上記特許文献２記載の構成のように、バーナをコーナ部から火炉壁面に配置すれば、四隅に器材が密集することを防止できるものの、あまり有効な解決策とは言えない。
【００１４】
火炉炉壁に設置される熱吸収を行うための水壁管は、火炉壁面中のバーナの設置部位を避けるようにバーナ周辺で曲げられて配置されるが、火炉に開口するバーナの径が大きくなったり、密集した配置となったりすると、バーナを避けるための水壁管の加工数が増加し、製作コストの増大、対象部位の耐久性への影響等が懸念される。上記特許文献３記載の構成によってはバーナの大容量化が可能となるが、バーナの容量を大きくすると、上記問題が生じる。
【００１５】
特に水壁管全体を流れる流体の熱吸収を均一化するために採用されることが多い、スパイラル水壁管を有するボイラでは、この問題が顕著となる。すなわち、火炉の上下方向に連続して配置されるバーナの領域が大きくなると、これを迂回しなければならない水壁管の本数が多くなるので、加工数の増加や対象部位の耐久性への影響が大きい。そして、水壁管を曲げる範囲が大きくなり、曲げ部の熱に対する強度が低下してリークが発生しやすくなる等の問題も生じうる。
【００１６】
したがって、旋回燃焼式ボイラでは、スパイラル水壁管に対して、水壁管全体を流れる流体の熱吸収に偏差が生じやすい垂直水壁管（鉛直方向に流体が流れる水壁管）が採用される場合が多い。
【００１７】
一方、バーナ１個あたりの容量（出力）を大きくせずに、その設置数を増やすと（例えば上記特許文献４に記載の構成）、設備コストが増加する。また、局部的にバーナの配置を密集させると、近接するバーナ間の熱負荷が増大するために水壁管を傷める可能性が高まる。
【００１８】
本発明の課題は、火炉空間を有効利用できると共に、局部的に熱負荷が高くなることを防止して、水壁管やバーナ構成部材等の損傷を抑制できるボイラを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の課題は、ボイラの火炉壁に設置するバーナを適度に分散させて配置し、火炉全体としては、旋回燃焼が可能となるように構成したボイラによって解決される。具体的に本発明の課題は、次の手段により解決することができる。
【００２０】
請求項１記載の発明は、水平断面が方形状の炉壁から形成される火炉と、該火炉の炉壁の各壁面に上下方向に複数段設置されたバーナとを備えたボイラにおいて、各壁面に設置されるバーナ全てを各壁面の幅方向中心位置よりも左右いずれかの側であって、全ての壁面において同じ側に配置すると共に、各壁面におけるバーナの分布が上段のバーナは比較的壁面の側端部側であって、下段のバーナは比較的壁面の前記幅方向中心位置側になるように配置するボイラである。
【００２１】
請求項２記載の発明は、上下方向に最も低い位置に配置されるバーナから最も高い位置に配置されるバーナまで、順にｊ＝１、２、…、ｎとし、各バーナについて、各壁面の幅方向中心位置からの距離をＬ１、Ｌ２、…、Ｌｎとし、任意のｘ番目のバーナについて、各壁面の幅方向中心位置からの距離をＬｘとしたとき、ｘ＝ｎの場合を除いてＬ１からＬｘまでの総和がＬ（ｎ−ｘ＋１）からＬｎまでの総和よりも小さい関係となるように配置する請求項１記載のボイラである。
なお、方形状とは、角部が短い辺となっている多角形状のものを含む意である。
【００２２】
（作用）
以下の説明は、燃料として石炭を粉砕した微粉炭を用いるボイラを前提にしているが、本発明の対象とするボイラは、植物（例えば、木材チップ等のバイオマス）や廃棄物由来の固体燃料、液体燃料、気体燃料など燃料の種類は石炭に限らず、それらのうち、複数種を混焼させるボイラであっても良い。また、これらの燃料を同時に燃焼させても良いし、切り替えて燃焼させても良い。
【００２３】
図２には、水平断面が方形状の火炉の各壁面（同一水平断面上）にバーナを一つずつ設置して、その設置位置と輻射強度との関係を示す。すなわち、四方の火炉壁面に一つずつバーナを設置した時の火炉壁近傍の輻射強度を比較したものである。また、図３には、火炉壁における輻射強度の測定位置（火炉壁近傍の斜線部Ｓ付近）を示す。
【００２４】
図２の横軸の炉壁方向距離とは、炉壁の幅方向の距離のことであり、例えば、図３に示すように、火炉の正面視で図中の０は炉壁前面の左端部、１．０は炉壁前面の右端部に相当する。そして、図２の実線は各バーナを火炉炉壁の中心部（幅方向中心位置）に設置した場合を示し、点線は各バーナを火炉炉壁の側端部（角部）に設置した場合を示す。
【００２５】
旋回燃焼では、図２に示すように、バーナ１を火炉炉壁２の中心部（幅方向中心位置）に近づけて設置するほど、炉壁幅方向の距離に関わらず、どの箇所でも輻射強度が強く着火しやすい状態にあることが分かる。火炉上方のバーナ１は、火炉下方のバーナ１による燃焼によって火炎４及び熱風が上昇することにより輻射強度が強くなる。
【００２６】
しかし、火炉下方のバーナ１はこのような燃焼による輻射の影響を受けにくい。火炉下方のバーナ１は、その下にある水冷ホッパのために火炎４からの輻射熱が奪われ、冷却される傾向にある。
【００２７】
そこで、バーナの着火を促進させるためには火炉下方に設置するバーナを火炉炉壁の中心部に近づけて設置し、輻射強度を強めることが望ましい。
また、火炉上方に設置するバーナは火炉炉壁の角部に近づけて設置する。火炉炉壁の角部に近づけてバーナを設置して、燃料を噴射、燃焼させた場合、火炉の内部に形成されるファイアーボールの径が大きくなる。
【００２８】
したがって、火炉上方に設置されたバーナ部分の同一水平断面上における燃焼域が拡大されることにより、火炉下方に設置されたバーナの燃焼によって発生した未燃燃料を捕捉し、燃焼させることが可能となる。
【００２９】
そして、本発明によれば、火炉炉壁の四面に火炉上部から下部に向かって火炉炉壁の側端部側から火炉の中心方向へバーナを複数段設置し、各段の水平断面上の複数のバーナ（例えば、４つ）で旋回燃焼を行うことにより、火炉内にファイアーボールを形成する。
この上段から下段に向けてのバーナの配置に関しては、全ての壁面において幅方向中心位置からの左右が同じ側の面に角部から中心部にかけて配置すると、各段のバーナは全ての壁面にバランス良く配置されるため、各段のバーナ部の水平断面上におけるファイアーボールは比較的均整の取れたきれいな球状を形成できる。
このファイアーボールは火炉炉壁から火炉中心部の間で広範囲に形成することが可能であるため、火炉内に未燃領域や熱負荷の高い部分が生じることを防止できる。
【００３０】
以上のことから、請求項１記載の発明によれば、各壁面に設置されるバーナ全てを各壁面の幅方向中心位置よりも左右いずれかの側であって、全ての壁面において同じ側に配置すると共に、各壁面におけるバーナの分布が上段のバーナは比較的壁面の側端部側であって、下段のバーナは比較的壁面の幅方向中心位置側になるように配置することで、火炉下方の輻射強度を強めることができると共に、未燃燃料を燃焼させることが可能となり、更に熱負荷の高い部分が生じることを防止できる。
【００３１】
例えば、上下方向に最も低い位置に配置されるバーナから最も高い位置に配置されるバーナまで、順にｊ＝１、２、…、ｎとし、各バーナについて、各壁面の幅方向中心位置からの距離をＬ１、Ｌ２、…、Ｌｎとし、任意のｘ番目のバーナについて、各壁面の幅方向中心位置からの距離をＬｘとしたとき、ｘ＝ｎの場合を除いて、Ｌ１からＬｘまでの総和がＬ（ｎ−ｘ＋１）からＬｎまでの総和よりも小さい関係となるように配置されると良い。
【００３２】
請求項２記載の発明によれば、このような関係となるように各壁面にバーナを配置することによって、複数のバーナが分布する状態では、全体として上段のバーナが比較的壁面の側端部側に、下段のバーナが比較的壁面の幅方向中心位置側になるように配置される。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、火炉内の未燃領域が縮小され、火炉内の熱負荷の偏差が低減することによって火炉空間を有効利用できると共に、水壁管やバーナ構成部材等の損傷のリスクを低減できるボイラを提供することができる。具体的には以下の効果を有する。
【００３４】
請求項１記載の発明によれば、火炉上方のバーナは比較的壁面の側端部に近く、火炉下方のバーナは比較的壁面の幅方向中心位置に近いため、火炉上方に比べて輻射強度の弱い火炉下方のバーナの輻射強度を強めることができると共に、火炉下方のバーナの燃焼によって発生した未燃燃料を燃焼域が広い火炉上方のバーナによって燃焼させることが可能となる。そして、各段のバーナは全ての壁面にバランス良く配置されるため、火炉内に未燃領域や熱負荷の高い部分が生じることを防止できる。
【００３５】
請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、各壁面のバーナをＬ１からＬｘまでの総和がＬ（ｎ−ｘ＋１）からＬｎまでの総和よりも小さい関係となるように配置することで、簡便、且つ確実に、上段のバーナが比較的壁面の側端部側に、下段のバーナが比較的壁面の幅方向中心位置側になるように配置できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態のボイラの火炉構造を示した図（斜視図）である。
【図２】水平断面が方形状の火炉の各壁面にバーナを一つずつ設置した場合のその設置位置と輻射強度との関係を示した図である。
【図３】図２の火炉壁における輻射強度の測定位置を示した図である。
【図４】図４（ａ）は、火炉炉壁に設置するバーナの分布を表した図であり、図４（ｂ）は、バーナの本数を６本とした場合の設置例を示した図であり、図４（ｃ）は、バーナの本数を５本とした場合の設置例を示した図である。
【図５】図１のボイラの火炉炉壁の展開図（簡略図）の例である。
【図６】図１中のＡ−Ａ断面（下段バーナ）におけるバーナの配置例を示した図（水平断面図）である。
【図７】図１中のＢ−Ｂ断面（上段バーナ）におけるバーナの配置例を示した図（水平断面図）である。
【図８】図１中のＢ−Ｂ断面（上段バーナ）におけるバーナの配置例を示した図（水平断面図）である。
【図９】本発明の一実施形態のボイラのバーナの断面図である。
【図１０】混合気噴出ノズルと燃焼用空気ノズルを交互に配置した例を示した図である。
【図１１】対向燃焼式ボイラのバーナの配置形態の一例を示した図（水平断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下に、本発明の実施形態を説明する。
【実施例１】
【００３８】
図１には、本発明の一実施形態のボイラの火炉構造を示す。
本実施例は、火炉３と、微粉炭等の燃料と空気の混合気（微粉炭混合気）を火炉３に供給する燃料搬送管６と、燃焼用空気を搬送する燃焼用空気搬送管７と、燃料搬送管６によって搬送される燃料を火炉３内に噴出し、燃焼用空気搬送管７によって搬送される搬送燃焼用空気と燃焼させるバーナ１と、火炉３の内壁に設置され、燃料の燃焼により発生した熱により水を加熱し蒸気を生成する火炉水壁管１７，１８などから構成される。燃料である微粉化された石炭は、搬送用空気と混合され微粉炭混合気を形成し、燃料搬送管６を通してバーナ１の本体に設けられた混合気噴出ノズル１１（図９）に搬送され、火炉３内へ噴出する。
【００３９】
火炉３の水壁管１７，１８の構成は、上方で水平断面積が縮小するノーズ部２０付近より下方のバーナ等が配置される領域では、内部流体が下部から上部に向かってらせん状に上昇するスパイラル水壁管１７になっている。そして、ノーズ部２０付近よりも上方では、内部流体が下部から上部に向かって垂直（鉛直方向）に上昇する垂直水壁管１８になっている。
【００４０】
なお、図１はボイラの概略構成の一例を示すものであり、ノーズ部２０の有無、水壁管の配置、スパイラル水壁管１７と垂直水壁管１８などの水壁管の種類やその範囲については、本実施例に限定されるものではない。
【００４１】
図９には、図１のボイラのバーナの流路断面構造の例を示す。本実施例では、混合気噴出ノズル１１の外周に燃焼用空気ノズル１２が設けられており、押し込みファン（図示せず）等から搬送されてきた燃焼用空気を燃焼用空気ノズル１２から火炉３内へ投入する。
【００４２】
図１のスパイラル水壁管１７の巻き方向は、ボイラの上側から見て時計回りに内部流体が上昇するような例を示しているが、同様のバーナの配置に対して巻き方向が逆、すなわちボイラ上側から見て反時計回りに内部流体が上昇するようにしても良い。
【００４３】
なお、バーナ１の流路断面構造は本実施例に限定されるものではなく、混合気噴出ノズル１１と燃焼用空気ノズル１２とが別々に独立して配置されるものであっても良い。
例えば、スパイラル水壁管１７の長手方向に沿って、混合気噴出ノズル１１と燃焼用空気ノズル１２とが交互に配置されるものが挙げられる。図１０には、混合気噴出ノズル１１と燃焼用空気ノズル１２を交互に配置した例を示す。
【００４４】
図１０（ａ）には、ボイラの火炉構造（斜視図）を示し、図１０（ｂ）には、図１０（ａ）のＤ部の拡大図を示す。なお、混合気噴出ノズル１１と燃焼用空気ノズル１２は各水平断面上で一対設けても良いし、複数対設けても良い。
【００４５】
図１０（ａ）及び（ｂ）に示す形態の混合気噴出ノズル１１と燃焼用空気ノズル１２を設置する場合、それらの配列がスパイラル水壁管１７の長手方向に沿う方向になっていることが望ましい。したがって、図１０（ｂ）に示された右上がりのノズルの配置の場合は、スパイラル水壁管１７の傾斜が図１に示されているものとは逆の右上がりの形態とすることが望ましい。
【００４６】
そして、このような形態であれば、混合気噴出ノズル１１と燃焼用空気ノズル１２の開口径がそれぞれ小さくなるので、これらのノズルを迂回するスパイラル水壁管１７の本数が少なく、曲げ加工の量も小さくできるので、製作コストの増大を招きにくい。また、スパイラル水壁管１７の曲げ加工に伴い対象部位の耐久性が低下する可能性も低減でき、本実施例のバーナ配置との組合せにより、その効果が一層大きくなる。
【００４７】
ここで、バーナ１の距離に関して、各バーナ１の各壁面２ａ〜２ｄの幅方向中心（中心線Ｃ１、中心線Ｃ２）からの距離は、混合気噴出ノズル１１の中心軸を基準とする。
火炉３に設置されるバーナ１は火炉炉壁２の各壁面（四面）２ａ〜２ｄに上下方向に複数段設置される。火炉３の上方に設置するバーナ１は火炉炉壁２の側端部側に設置する。また、コーナ（角部）１６に設置しても良い。
【００４８】
一方、火炉３の下方に設置するバーナ１は図１中の中心線Ｃ１及び中心線Ｃ２で示される火炉炉壁２の幅方向中心位置に近づけて配置し、より下方に設置するバーナ１ほど中心線Ｃ１及び中心線Ｃ２に近づけて配置する。
【００４９】
本実施例では、各段のバーナ部の水平断面上には、四面に各１個ずつの計４個のバーナ１を設置しているが、必ずしも各壁面１個のみに限定されるものではなく、複数個のバーナ１を設置しても良い。
【００５０】
基本的にバーナ１を適度に分散させて配置し、火炉３の全体としては、旋回燃焼が可能に構成できれば良いため、４つの壁面２ａ〜２ｄに設置される複数のバーナ１の全てが各壁面の幅方向中心位置よりも左右いずれかの側であって、全ての壁面において同じ側に配置すると共に、上段のバーナ１は比較的火炉炉壁２の側端部側に配置し、下段のバーナ１は比較的壁面の幅方向中心位置側に配置する。そして、以下の条件（１）〜（３）を満たすように配置すると良い。
【００５１】
(１) 火炉炉壁２に設置される複数のバーナ１全てを各壁面２ａ〜２ｄの幅方向中心位置（中心線Ｃ１、中心線Ｃ２など）よりも左右いずれかの側に配置する。
（２）(１)に関し、各壁面２ａ〜２ｄに設置されるバーナは、全ての壁面において中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２など）からの左右が同じ側に配置する。
（３）各壁面２ａ〜２ｄに設置されるバーナ１の本数をｎとし、
上下方向に最も低い位置（最下段）に配置されるバーナ１から最も高い位置に配置されるバーナ１まで、順にｊ＝１、２、…、ｎとし、
各バーナ１について、各壁面２ａ〜２ｄの幅方向中心位置からの距離をＬ１、Ｌ２、…、Ｌｎ（ｎは段数）とし、
任意のｘ番目のバーナについて、各壁面２ａ〜２ｄの幅方向中心位置からの距離をＬｘとしたとき、ｘ＝ｎの場合を除いて、Ｌ１からＬｘまでの総和がＬ（ｎ−ｘ＋１）からＬｎまでの総和よりも小さくなるように配置する。
【００５２】
図４には、上記（３）の概念図を示す。図４（ａ）には、火炉炉壁２の壁面２ａに設置するバーナ１の分布を表した図を示し、図４（ｂ）には、バーナ１の本数を６本とした場合の設置例を示し、図４（ｃ）には、バーナ１の本数を５本とした場合の設置例を示している。
【００５３】
複数のバーナ１が分布する状態では、図４（ａ）に示すように、全体的に見て上段のバーナ１の領域IIは下段のバーナ１の領域Ｉよりも火炉炉壁２のコーナ１６側に配置され、下段のバーナ１の領域Ｉは上段のバーナ１の領域IIよりも中心線Ｃ１側に配置される。
【００５４】
図１では、各壁面２ａ〜２ｄに設置される複数のバーナ１を上段から下段に向けて壁面のコーナ１６側から中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２など）の方向へ順次傾斜状に配置しているが、図４（ｂ）や図４（ｃ）に示すように、任意の上段のバーナ１が任意の下段のバーナ１よりも幅方向中心位置（中心線Ｃ１）に近い場合があっても良い。すなわち、複数のバーナ１の分布が全体として概ね図４（ａ）に示されるようになればよい。
【００５５】
このようにバーナ１を配置することで、上段のバーナ１と下段のバーナ１の配置関係が全ての壁面において比較的バランスがとれたものとなり、火炉上方と下方に形成されるファイアーボール１５が均整の取れたきれいな球状となる。
なお、複数のバーナ１を上段から下段に向けて壁面のコーナ１６側から中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２など）の方向へ順次傾斜状に配置した場合は、例えば図１に示すようにｎ＝５（５段）の時はＬ５＞Ｌ４＞Ｌ３＞Ｌ２＞Ｌ１という関係になる。
【００５６】
例えば、図５には火炉炉壁２の四面の展開図の例を示すが、図５（ａ）ではバーナ１を全ての壁面において中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２など）から右側に配置しており、バーナ１の配置が四面とも全て右上がり傾斜となる。図５（ｂ）ではバーナ１を全ての壁面において中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２など）から左側に配置しており、バーナ１の配置が四面とも全て右下がり傾斜となる。
【００５７】
このように、火炉炉壁２の各壁面２ａ〜２ｄにバーナ１を配置することで、各壁面２ａ〜２ｄのバーナ１の配置方向が同じとなり、同じ段のバーナ１が全ての壁面にバランス良く配置されるため、各段のバーナ部の水平断面上におけるファイアーボール１５が均整の取れたきれいな球状を形成できる。
【００５８】
更に、火炉炉壁２の前面２ａの炉壁幅をＷａ、火炉炉壁２の右側面２ｂの炉壁幅をＷｂとしたとき、同一水平断面上に設置した特定のバーナ１（火炉炉壁２の各壁面で対応する位置関係にあるバーナ同士）は、下からｘ段目（ｘは１以上ｎ以下の整数）のバーナ１の中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２）からの距離をＬｘとすると、四面でＬｘ／(Ｗａ／２)及びＬｘ／(Ｗｂ／２)が一定となるようにバーナ１を配置することが望ましい。
【００５９】
すなわち、更に火炉炉壁２の後面２ｃの炉壁幅をＷｃ、火炉炉壁２の左側面２ｄの炉壁幅をＷｄとし、火炉炉壁２の中心線をそれぞれ中心線Ｃ３及び中心線Ｃ４としたとき（図５）、Ｌｘ／(Ｗａ／２)、Ｌｘ／(Ｗｂ／２)、Ｌｘ／(Ｗｃ／２)及びＬｘ／(Ｗｄ／２)が一定となるようにバーナ１を配置する。
【００６０】
このように火炉炉壁２の各壁面２ａ〜２ｄにバーナ１を配置すると、同じ段のバーナ１が全ての壁面にとてもバランス良く配置されるため、各段のバーナ部の水平断面上におけるファイアーボール１５がいびつな形状とならず、非常に均整の取れたきれいな球状を形成できる。
【００６１】
そして、上述のようにバーナ１を火炉炉壁２に設置し、バーナ１から燃料および燃焼用空気を火炉３内に噴出することで、火炉炉壁２の四面（壁面２ａ〜２ｄ）から噴出されるバーナ１からの火炎４の旋回流が発生し、火炉３内部にファイアーボール１５が形成される。
【００６２】
火炉３の内部にファイアーボール１５を形成する旋回燃焼では、各バーナ１からの燃料等の噴出をファイアーボール１５の接線方向になるようにし、火炉３の中心にファイアーボール１５の外周に沿った旋回流を発生させて燃料と燃焼用空気の混合を促進し、燃焼性の向上を図っている。
【００６３】
また、旋回燃焼では、図２に示すようにバーナ１を火炉炉壁２の中心線Ｃ１〜Ｃ４に近づけて設置するほど輻射強度が強く着火しやすい状態にある。火炉上方のバーナ１は、火炉下方のバーナ１による燃焼によって火炎４及び熱風が上昇することにより輻射強度が強くなる。しかし、火炉下方のバーナ１はこのような燃焼による輻射の影響を受けにくい。
【００６４】
火炉下方のバーナ１は、その下にある水冷ホッパ（図示せず）のために火炎４からの輻射熱が奪われ、冷却される傾向にある。したがって、バーナ１の着火を促進させるためには火炉３の下方に設置するバーナ１を火炉炉壁２の中心線Ｃ１〜Ｃ４に近づけて設置し、輻射強度を強めることが望ましい。
【００６５】
一方、火炉上方に設置するバーナ１は火炉炉壁２のコーナ１６に近づけて設置する。火炉炉壁２のコーナ１６に近づけてバーナ１を設置し、燃料を噴射、燃焼させた場合、火炉３の内部に形成されるファイアーボール１５の径が大きくなる。したがって、火炉３の上方に設置されたバーナ１部分の同一水平断面上における燃焼域が拡大されることにより、火炉３の下方に設置されたバーナ１の燃焼によって発生した未燃燃料を捕捉し、燃焼させることが可能となる。
【００６６】
以上のことから、火炉炉壁２に設置されるバーナ１を各壁面２ａ〜２ｄの上部から下部に向けてコーナ１６から中心線Ｃ１〜Ｃ４の方向へ配置することで、輻射強度を強めることができると共に、未燃燃料を燃焼させることが可能となる。
【００６７】
そして、上段から下段に向けてのバーナ１の配置は、全ての壁面において中心線Ｃ１（又は中心線Ｃ２など）からの左右が同じ側に配置することで、ファイアーボール１５を火炉炉壁２から火炉中心部の間で広範囲に形成することが可能となり、火炉３内に未燃領域が生じることを防止できる。
【００６８】
図６には、図１中のＡ−Ａ断面（下段バーナ）におけるバーナ１の配置例（水平断面図）を示す。
火炉炉壁２の中心線Ｃ１〜Ｃ４にバーナ１を設置した場合、旋回燃焼により形成されるファイアーボール１５の径が小さくなる。したがって、バーナ１からの火炎４が噴出する方向を火炉３の中心方向から側壁方向へ向け、形成されるファイアーボール１５の径を拡大することが望ましい。具体的には、図６に示すように火炉炉壁２の平面視の幅方向中心線Ｃａ又は中心線Ｃｂに対して、０°＜θ１≦４５°となるようにバーナ１を設置すると良い。
【００６９】
図７及び図８には、図１中のＢ−Ｂ断面（上段バーナ）におけるバーナ１の配置例を示す。火炉炉壁２のコーナ１６にバーナ１を設置した場合、図７に示すようにバーナ１からの火炎４が火炉炉壁２内に設置されたスパイラル水壁管１７に接触することにより、スパイラル水壁管１７が損傷予測域１０で損傷し、リークが発生する恐れがある。したがって、火炉炉壁２のコーナ１６に設置したバーナ１は火炉３の中心方向に向けて燃料を噴霧、燃焼させることが望ましい。
【００７０】
具体的には、図８に示すように、火炎４の噴出方向が火炉炉壁２に対して０°＜θ２≦４５°となるように各バーナ１を設置することで、スパイラル水壁管１７の損傷を防止できる。
なお、隣接する壁面に設置したバーナ１の火炎４の噴出方向は略直交するように、対向する壁面に設置したバーナ１の火炎４の噴出方向は略平行となるように、各壁面２ａ〜２ｄにバーナ１を設置する。
【００７１】
微粉炭等の燃料と空気の混合気を火炉３に供給する燃料搬送管６は、燃料である石炭を微粉砕するミル等の粉砕装置（図示せず）と接続される。この粉砕装置がメンテナンス、故障等により停止した場合は、バーナ１への燃料の供給が停止される。本実施例では、同一水平断面上に設置された４個のバーナ１による旋回燃焼によって燃料を燃焼させている。
【００７２】
したがって、同一水平断面上にあるバーナ１に別々の粉砕装置から燃料を供給するように接続した場合、一部の粉砕装置がメンテナンス、故障等により停止すると４個のバーナ１のうち、一部のバーナ１の燃焼が停止されるため、同一水平断面上に設置された４個のバーナ１の全てで燃焼が行われなくなり、ファイアーボール１５の形成が失われる。したがって、旋回燃焼によるファイアーボール１５の形成を維持するためには、同一水平断面上にあるバーナ１には同じ粉砕装置から燃料が供給されることが望ましい。
【００７３】
同一水平断面上にあるバーナ１に同じ粉砕装置から燃料を供給することで、ボイラの火炉３が大型化してもボイラの火炉炉壁２に設置するバーナ１を適度に分散させて配置し、火炉３全体としては、旋回燃焼が可能となるので、燃焼に未使用の未燃領域の範囲が大きくならず、火炉３の空間が無駄なく燃焼に有効利用できる。
【００７４】
また、バーナ１が火炉炉壁２の局部に密集しないので、壁面に水壁管１７，１８が存在しない領域を小さくでき、水壁管１７，１８から離れた局部的に熱負荷の高い領域が生じない。したがって、バーナ１の構成部材等が損傷する可能性が低い。
【００７５】
更に、バーナ１を避けるための水壁管１７，１８の加工数も少なく、製作コストを抑制でき、対象部位の耐久性への影響等も小さい。
特にスパイラル水壁管１７を有するボイラでは、スパイラル水壁管１７を曲げる範囲が小さくて済み、曲げ部の熱に対する強度の低下も生じにくく、水壁管１７，１８全体を流れる流体の熱吸収を均一化させることができる。
【００７６】
また、バーナ１に大容量バーナではなく小容量バーナを設置すると、各バーナ１における出力調整、すなわち熱負荷の調整がしやすくなり、局部的に熱負荷が高い部分が発生することを防止できる。
さらに、小容量バーナは大容量バーナに比べてバーナ径が小さいため、バーナ１を避けるための水壁管１７，１８の加工数を低減することができ、急な角度で水壁管１７，１８を曲げる必要もなくなるため、曲げ部の熱に対する強度の低下を防止し、リークの発生を防ぐことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明によれば、火力発電用のボイラに限らず、特に火炉空間を燃焼に有効利用できるようなバーナ配置を有するボイラにおいても利用可能性がある。
【符号の説明】
【００７８】
１ バーナ ２ 火炉炉壁
３ 火炉 ４ 火炎
５ 未燃領域 ６ 燃料搬送管
７ 燃焼用空気搬送管 １０ 火炎による水壁管損傷予測域
１１ 混合気噴出ノズル １２ 燃焼用空気ノズル
１３ 火炉前壁 １４ 火炉後壁
１５ ファイアーボール １６ 火炉炉壁コーナ
１７ スパイラル水壁管 １８ 垂直水壁管
２０ ノーズ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平断面が方形状の炉壁から形成される火炉と、該火炉の炉壁の各壁面に上下方向に複数段設置されたバーナとを備えたボイラにおいて、
各壁面に設置されるバーナ全てを各壁面の幅方向中心位置よりも左右いずれかの側であって、全ての壁面において同じ側に配置すると共に、各壁面におけるバーナの分布が上段のバーナは比較的壁面の側端部側であって、下段のバーナは比較的壁面の前記幅方向中心位置側になるように配置することを特徴とするボイラ。
【請求項２】
上下方向に最も低い位置に配置されるバーナから最も高い位置に配置されるバーナまで、順にｊ＝１、２、…、ｎとし、
各バーナについて、各壁面の幅方向中心位置からの距離をＬ１、Ｌ２、…、Ｌｎとし、
任意のｘ番目のバーナについて、各壁面の幅方向中心位置からの距離をＬｘとしたとき、
ｘ＝ｎの場合を除いてＬ１からＬｘまでの総和がＬ（ｎ−ｘ＋１）からＬｎまでの総和よりも小さい関係となるように配置することを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項１】
水平断面が方形状の炉壁から形成される火炉と、該火炉の炉壁の各壁面に上下方向に複数段設置されたバーナとを備えたボイラにおいて、
各壁面に設置されるバーナ全てを各壁面の幅方向中心位置よりも左右いずれかの側であって、全ての壁面において同じ側に配置すると共に、各壁面におけるバーナの分布が上段のバーナは比較的壁面の側端部側であって、下段のバーナは比較的壁面の前記幅方向中心位置側になるように配置することを特徴とするボイラ。
【請求項２】
上下方向に最も低い位置に配置されるバーナから最も高い位置に配置されるバーナまで、順にｊ＝１、２、…、ｎとし、
各バーナについて、各壁面の幅方向中心位置からの距離をＬ１、Ｌ２、…、Ｌｎとし、
任意のｘ番目のバーナについて、各壁面の幅方向中心位置からの距離をＬｘとしたとき、
ｘ＝ｎの場合を除いてＬ１からＬｘまでの総和がＬ（ｎ−ｘ＋１）からＬｎまでの総和よりも小さい関係となるように配置することを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１４９８２１（Ｐ２０１２−１４９８２１Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８９７７（Ｐ２０１１−８９７７）
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
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