JP2002541419A - 化石燃料貫流ボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 化石燃料（Ｂ）用の燃焼室（４）を備え、高温ガス側においてこの燃焼室（４）に水平煙道（６）を介して垂直煙道（８）が後置接続される貫流ボイラ（２）に関する。貫流ボイラの運転中、燃焼室（４）の出口範囲（３４）と水平煙道（６）の入口範囲（３２）との温度差を特に小さくするため、並行して媒体流（Ｓ）が供給される多数の蒸発管（１０）のうち、若干の蒸発管（１０）を、燃焼室（４）の囲壁（９）に入り込む前に、燃焼室（４）を通して導く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、化石燃料用の燃焼室を有し、この燃焼室の高温ガス側に水平煙道を
介して垂直煙道が後置接続され、燃焼室の囲壁が垂直に配置され互いに気密溶接
された蒸発管で形成された貫流ボイラに関する。

【０００２】 ボイラを備えた原動所において、燃料の含有エネルギはボイラ内で媒体流を蒸
発するために利用される。媒体流は、通常蒸気発生回路内を導かれる。ボイラで
用意された蒸気は、例えば蒸気タービンを駆動するためおよび／又は密閉外部プ
ロセスで利用される。蒸気が蒸気タービンを駆動すると、タービンの軸を介して
、通常発電機又は作業機械が駆動される。発電機の場合、これにより発生された
電流は、複合電力系統および／又は独立電力系統に供給される。

【０００３】 そのボイラは貫流ボイラとして形成される。貫流ボイラは、VGBクラフトベル
クステヒニーク(Kraftwerkstechnik) ７３（１９９３年）、第４号、第３５２
〜３６０頁に掲載のＪ．フランケ、Ｗ．ケーラー、Ｅ．ウィッチョー共著の論文
「ベンソンボイラの蒸発器構想」で公知である。貫流ボイラでは、蒸発管として
設けられた蒸気発生管の加熱は、媒体流を蒸気発生管の一回の通過で蒸発させる
。

【０００４】 貫流ボイラは通常、垂直構造の燃焼室を備えている。これは、燃焼室がほぼ垂
直方向への加熱媒体又は高温ガスの通過に対し設計されることを意味する。燃焼
室には、高温ガス側に水平煙道が後置接続され、高温ガス流が燃焼室から水平煙
道に移行する際、高温ガスのほぼ水平方向への転向が行われる。しかしそのよう
な燃焼室は、一般に温度に応じて燃焼室長さが変化するため、燃焼室を懸垂支持
する架台を必要とする。これは、貫流ボイラの製造および組み立てに際しかなり
高い技術的経費がかかることを意味し、その経費は、貫流ボイラの構造高さが大
きくなればなる程高くなる。これは特に、全負荷時に８０ｋｇ／秒より大きな蒸
気出力に対し設計された貫流ボイラに当てはまる。

【０００５】 貫流ボイラは圧力の制限を受けないので、主蒸気圧は、液状媒体と蒸気状媒体
の間にほんの僅かな密度差しか存在しない水の臨界圧（Ｐ_kri＝２２１バール）
よりかなり高くできる。高い主蒸気圧は、高い熱効率を助長し、従って燃料とし
て例えば石炭や活性炭を燃やす化石燃料式原動所のＣＯ₂の発生量を減らす。

【０００６】 特別な問題は、貫流ボイラの煙道や燃焼室の囲壁を、そこで生ずる管壁温度又
は材料温度に応じ設計することにある。約２００バール迄の未臨界圧力範囲にお
いて、燃焼室の囲壁温度は、蒸発管の内周面の湿りが保障されるとき、主に水の
飽和温度の高さによって決定される。これは、例えば内周面に表面組織を有する
蒸発管を利用することによって達成される。そのため、特に内側フィン（ひれ）
付き蒸発管が考慮され、その貫流ボイラへの採用は、例えば上述の文献で知られ
ている。この所謂フィン付き管、即ち内周面にフィンが付けられた管は、管内壁
から媒体流への特に良好な熱伝達率を有する。

【０００７】 貫流ボイラの管壁が互いに溶接されているとき、ボイラの運転中、異なった温
度の管壁間に熱応力が生ずることは、経験的に避けられない。これは、特に燃焼
室とこれに後置接続された水平煙道との接続部分に、即ち燃焼室の出口範囲の蒸
発管と水平煙道の入口範囲の蒸気発生管との間に生ずる。この熱応力により貫流
ボイラの寿命が著しく短縮され、極端な場合に管に亀裂が生じる。

【０００８】 本発明の課題は、特に安価な製造費および組立費しか必要とせず、運転中に燃
焼室とこれに後置接続された水平煙道との接続部の温度差が小さくなる、冒頭に
述べた形式の化石燃料式貫流ボイラを提供することにある。これは特に、互いに
直接又は間接的に隣接する燃焼室の蒸発管と、燃焼室に後置接続された水平煙道
の蒸気発生管とに適用される。

【０００９】 この課題は、本発明に基づき、貫流ボイラが水平煙道の高さに配置された多数
のバーナを有し、多数の蒸発管に各々並行して媒体流が供給され、燃焼室の出口
範囲において、並行して媒体流を供給される若干の蒸発管が、燃焼室の囲壁に入
り込む前に、燃焼室を通して導かれることによって解決される。

【００１０】 本発明は、特に安価な製造・組立費で作れる貫流ボイラは、単純に形成できる
懸垂構造物を有さねばならないと言う考えから出発している。技術的に非常に安
価に作れる燃焼室懸垂支持用の架台は、貫流ボイラの比較的低い構造高さに伴い
生ずる。貫流ボイラの特に低い構造高さは、燃焼室を水平構造に形成することで
得られる。そのため、バーナを燃焼室壁に水平煙道の高さに配置する。これによ
り、貫流ボイラの運転中、高温ガスは燃焼室をほぼ水平の主流れ方向に流れる。

【００１１】 更に水平燃焼室を備えた貫流ボイラの運転中、燃焼室と水平煙道との接続部の
温度差を、熱応力による過早の材料疲労を確実に防止するため特に小さくせねば
ならない。燃焼室の出口範囲と水平煙道の入口範囲での熱応力による材料疲労を
確実に防止するには、この温度差を、特に互いに直接又は間接的に隣接する燃焼
室の蒸発管と水平煙道の蒸気発生管との間で、特に小さくせねばならない。

【００１２】 しかし貫流ボイラの運転中、媒体流が供給される蒸発管の入口部分は、燃焼室
に後置接続された水平煙道の蒸気発生管の入口部分よりも非常に低温である。即
ち、水平煙道の蒸気発生管に流入する高温媒体流に比べ比較的冷たい媒体流が、
蒸発管に流入する。即ち、貫流ボイラの運転中、蒸発管は入口部分が、水平煙道
の入口部分における蒸気発生管よりも冷たい。従って、燃焼室と水平煙道との接
続部に、熱応力による材料疲労が生ずることが予期される。

【００１３】 しかしいま燃焼室の蒸発管に低温媒体流でなく高温媒体流が流入すれば、蒸発
管の入口部分と蒸気発生管の入口部分との温度差は、低温媒体流が蒸発管に流入
する場合程は大きくならない。水平煙道の蒸気発生管に間接又は直接に接続され
た蒸発管に、加熱により媒体流の予熱を行う管が直接接続されているか、その蒸
発管の一部であるとき、温度差は一層小さくなる。このため、若干の蒸発管は燃
焼室の囲壁に入り込む前に燃焼室を通して導かれる。その場合、この若干の蒸発
管は、媒体流が並行して供給される多数の蒸発管に付属している。

【００１４】 水平煙道および／又は垂直煙道の側壁は、好適には、垂直に配置され互いに気
密溶接され且つ並行して媒体流が供給される蒸気発生管で形成されている。

【００１５】 好適には、燃焼室の並列接続された多数の蒸発管に、各々媒体流用の共通の入
口管寄せ装置が前置接続され、共通の出口管寄せ装置が後置接続される。即ち、
この実施態様で形成された貫流ボイラは、並列接続された多数の蒸発管間の確実
な圧力バランスを可能にし、並列接続された全ての蒸発管は同じ総圧力損失を示
す。これは、低加熱蒸発管に比べ、高加熱蒸発管において流量が増大することを
意味する。これは、水平煙道又は垂直煙道の並行して媒体流が供給される多数の
蒸気発生管に対しても適用され、媒体流側において、各々共通の入口管寄せ装置
が前置接続され、共通の出口管寄せ装置が後置接続される。

【００１６】 好適には、燃焼室の正面壁の蒸発管は、媒体流側において、燃焼室の側壁を形
成する囲壁の蒸発管に前置接続されている。これにより、燃焼室の高加熱正面壁
の特に良好な冷却が保障される。

【００１７】 本発明の他の実施態様において、燃焼室の多数の蒸発管の内径は、燃焼室にお
ける蒸発管の各々の位置に応じ選定される。このようにして、蒸発管は燃焼室内
の高温ガス側の予設定可能な加熱温度分布に適合される。こうして蒸発管の貫流
に影響を及ぼすことで、蒸発管の出口における温度差が特に確実に小さくなる。

【００１８】 蒸発管内を導かれる媒体流に燃焼室の熱を特に良好に伝達するため、多数の蒸
発管の内周面に各々多条ねじを形成するフィンを設けるのがよい。その場合、管
軸線に対して垂直な平面と管内周面に設けられたフィンのフランクとの成す傾斜
角αは、６０°より小さく、好適には５５°より小さい。

【００１９】 即ち内側フィンのない蒸発管、所謂平滑管として形成した蒸発管の場合、所定
の蒸気含有量から特に良好な熱伝達に必要な管壁の湿りがもはや維持できない。
湿りが不足すると、所々に乾いた管壁が生ずる。そのような乾いた管壁への移行
は、熱伝達挙動が悪い所謂熱伝達危機を生じ、このために一般に、この個所で管
壁温度が特に著しく上昇する。しかしこの熱伝達危機は、内側フィン付き蒸発管
においては平滑管と異なり、蒸気含有量が０．９より大きいとき、即ち蒸発の完
了直前に初めて生ずる。その理由は、スパイラル状フィンによって流れに旋回が
与えられることにある。異なる遠心力に基づき、水分は蒸気分から分離され、管
壁を伝って搬送される。これにより、管壁の湿りは高い蒸気含有量迄維持され、
従って、熱伝達危機の場所に既に流速が生ずる。これは、熱伝達危機にも係らず
非常に良好な熱伝達を生じさせ、その結果、管壁温度が低下する。

【００２０】 好適には、燃焼室の多数の蒸発管は、媒体流の流量を減少するための手段を有
する。その手段を絞り装置として形成するのが特に有利である。その装置は、例
えば各蒸発管の内部において或る個所で管内径を狭める蒸発管内への組込み物で
ある。燃焼室の蒸発管に媒体流を供給する多数の並列配管を有する配管系におけ
る、流量を減少するための手段も有効である。その配管系は、媒体流が並行して
供給される蒸発管の入口管寄せ装置にも前置接続される。この配管系の１つ又は
複数の配管に、例えば絞り弁が設けられる。蒸発管を通る媒体流の流量を減少す
るための手段により、個々の蒸発管を通る媒体流の流量が、燃焼室におけるその
都度の加熱量に適合させられる。これによって、蒸発管の出口における媒体流の
温度差が、追加的に特に確実に小さくされる。

【００２１】 隣接する蒸発管ないし蒸気発生管は長手側が、好適には、帯金所謂フィンを介
して互いに気密溶接されている。このフィンは管の製造過程において既に管と固
く結合され、これと共に単一品を形成している。管とフィンとから成るこの単一
品はフィン付き管とも呼ばれる。フィン幅は蒸発管ないし蒸気発生管への入熱量
に影響を与える。従ってフィン幅は、貫流ボイラにおける各々の蒸発管ないし蒸
気発生管の各々の位置に関係して、高温ガス側の予設定できる加熱温度分布に合
わされている。その加熱温度分布として、経験値から求められた代表的な加熱温
度分布あるいはまた例えば段階的な加熱温度分布のような大体の推定でもよい。
適当に選定されたフィン幅によって、種々の蒸発管ないし蒸気発生管が著しく異
なって加熱される場合でも、全ての蒸発管ないし蒸気発生管への入熱量は、蒸発
管ないし蒸気発生管の出口における温度差が特に小さくされるように、得られる
。このようにして、材料の早過ぎる疲労は確実に防止される。これによって、貫
流ボイラは特に長い寿命を持つ。

【００２２】 好適には、水平煙道内に複数の過熱器を配置し、これらの過熱器を高温ガスの
主流れ方向に対してほぼ垂直に配置し、その管を媒体流の貫流に対して並列接続
する。懸垂構造で配置され且つ隔壁加熱器とも呼ばれるこれらの過熱器は、主に
対流加熱され、媒体流側において燃焼室の蒸発管に後置接続される。これによっ
て、高温ガスの熱の特に良好な利用が保障される。

【００２３】 好適には、垂直煙道は複数の対流加熱器を有し、これら加熱器は高温ガスの主
流れ方向に対しほぼ垂直に配置された管で形成される。対流加熱器のこれらの管
は、媒体流の貫流に対し並列接続される。対流加熱器も主に対流で加熱される。

【００２４】 更に高温ガスの熱の特に完全な利用を保障するため、垂直煙道は好ましくはエ
コノマイザを有する。

【００２５】 好適には燃焼室の正面壁、即ち燃焼室の水平煙道への流出開口と反対側に位置
する壁にバーナが配置される。このような構成の貫流ボイラは、特に簡単に燃料
の燃焼長に適合させられる。燃料の燃焼長とは、所定の平均高温ガス温度での水
平方向の高温ガス速度と、燃料の火炎の燃焼時間ｔ_Aとの積を意味する。その都
度の貫流ボイラにおける最大燃焼長は、貫流ボイラの全負荷時、所謂全負荷運転
時の蒸気出力Ｍにおいて生ずる。燃料の火炎の燃焼時間ｔ_Aは、平均粒度の微粉
炭が、所定の平均高温ガス温度で完全燃焼するために必要な時間である。

【００２６】 水平煙道の材料損傷と例えば高温溶融灰の侵入に基づく不所望の汚れを特に減
らすため、燃焼室の正面壁から水平煙道の入口範囲迄の距離で規定される燃焼室
の長さは、貫流ボイラの全負荷時における燃料の燃焼長と少なくとも同じとする
とよい。燃焼室の下部は灰出しホッパとして形成し、燃焼室の水平長さは、通常
灰出しホッパ上縁から燃焼室天井までの燃焼室高さの少なくとも８０％である。

【００２７】 化石燃料の燃焼熱を特に良好に利用するために、好適には、燃焼室の長さＬ（
ｍ）は、全負荷時における貫流ボイラの蒸気出力Ｍ（ｋｇ／秒）、化石燃料の火
炎の燃焼時間ｔ_A（秒）および燃焼室からの高温ガスの出口温度Ｔ_BRK（℃）の関
数として選定される。その場合、全負荷時の貫流ボイラの所定の蒸気出力Ｍにお
いて、近似的に、次の（１）式および（２）式のうち大きい方の値が適用される
。

【数１】 Ｌ（Ｍ、ｔ_A）＝（Ｃ₁＋Ｃ₂・Ｍ）・ｔ_A （１）

【数２】 Ｌ（Ｍ、Ｔ_BRK）＝Ｃ₃・Ｔ_BRK＋Ｃ₄）Ｍ＋Ｃ₅（Ｔ_BRK）²＋Ｃ₆・Ｔ_BRK＋Ｃ₇ （２）

【００２８】 ここでＣ₁＝８ｍ／秒、Ｃ₂＝０．００５７ｍ／ｋｇ、Ｃ₃＝−１．９０５・１
０^-4（ｍ・秒）／（ｋｇ℃）、Ｃ₄＝０．２８６（秒・ｍ）／ｋｇ、Ｃ₅＝３・１
０^-4ｍ／（℃）²、Ｃ₆＝−０．８４２ｍ／℃、Ｃ₇＝６０３．４１ｍである。

【００２９】 ここで近似的とは、各々の式で規定された燃焼室長さＬの値の＋２０／−１０
％が許容偏差であることを意味する。

【００３０】 燃焼室の下部は、灰出しホッパとして形成するとよい。かくして、貫流ボイラ
の運転中、化石燃料の燃焼時に生ずる灰は、特に簡単に排出され、例えば灰出し
ホッパ下に配置した灰出し装置に排出される。化石燃料は固形の石炭である。

【００３１】 本発明により得られる利点は、特に幾本かの蒸発管を燃焼室の囲壁に入り込む
前に燃焼室を通して導くことで、貫流ボイラの運転中、燃焼室と水平煙道の接続
部の直ぐ周辺の温度差が、特に小さくなることにある。従って貫流ボイラの運転
中、燃焼室と水平煙道の接続部における互いに直接隣接する燃焼室の蒸発管と、
水平煙道の蒸気発生管との間の温度差により生ずる熱応力が、例えば管亀裂を生
ずる恐れがある値よりもかなり低く保たれる。これに伴い、貫流ボイラに水平燃
焼室を非常な長寿命で用いることができる。高温ガスのほぼ水平の主流れ方向に
対し燃焼室を設計することで、貫流ボイラの構造は特にコンパクトになり、その
結果、貫流ボイラを、蒸気タービンを備える原動所に組み入れる際に、貫流ボイ
ラから蒸気タービン迄の接続管を特に短くすることを可能にする。

【００３２】 以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお各図において同一部
分には同一符号を付してある

【００３３】 図１の貫流ボイラ２は、蒸気タービン設備も有する原動所（図示せず）に付属
している。貫流ボイラは全負荷時に少なくとも８０ｋｇ／秒の蒸気出力に対して
設計されている。貫流ボイラ２で発生された蒸気は蒸気タービンを駆動するため
に利用され、この蒸気タービンは発電機を駆動する。発電機で発生した電力は、
複合電力系統あるいは独立電力系統への給電に利用される。

【００３４】 化石燃料貫流ボイラ２は、水平構造に形成された燃焼室４を備える。この燃焼
室４の高温ガス側には、水平煙道６を介し垂直煙道８が後置接続されている。燃
焼室４の下部は灰出しホッパ５により形成され、その上縁は終点Ｘ、Ｙを含む補
助線で示す。貫流ボイラ２の運転中、灰出しホッパ５を通して、化石燃料Ｂの灰
がその下に設けた灰出し装置７に排出される。燃焼室４の囲壁９は、垂直に配置
され互いに気密溶接された多数の蒸発管１０で形成されている。そのＮ本の蒸発
管１０には、並行して媒体流Ｓが供給される。正面壁１１は燃焼室４の囲壁９で
ある。追加的に水平煙道６の側壁１２ないし垂直煙道８の側壁１４も、垂直に配
置され互いに気密溶接された多数の蒸気発生管１６、１７で形成される。この場
合、その蒸気発生管１６、１７は各々並行して媒体流Ｓが供給される。

【００３５】 燃焼室４の多数の蒸発管１０には、媒体流側において、媒体流Ｓに対する入口
管寄せ装置１８が前置接続され、出口管寄せ装置２０が後置接続されている。入
口管寄せ装置１８は多数の並行入口管寄せを備える。蒸発管１０の入口管寄せ装
置１８に媒体流Ｓを供給するため配管系１９が設けられている。この配管系１９
は並列接続された多数の配管を有し、これらの配管は各々、入口管寄せ装置１８
の１つの入口管寄せに接続されている。

【００３６】 同様に、水平煙道６の側壁１２の媒体流Ｓが並行して供給される蒸気発生管１
６に、共通の入口管寄せ装置２１が前置接続されている。その場合、蒸気発生管
１６の入口管寄せ装置２１に媒体流Ｓを導入するため、同様に配管系１９が設け
られている。この配管系１９はここでも多数の並列接続された配管を有する。こ
れらの配管は各々入口管寄せ装置２１の入口管寄せに接続されている。

【００３７】 入口管寄せ装置１８、２１と出口管寄せ装置２０、２２を備えた貫流ボイラ２
をこのように形成することで、並列接続された全ての蒸発管１０ないし蒸気発生
管１６が同じ総圧力損失を有するよう、燃焼室４の互いに並列接続された蒸発管
１０間、ないし水平煙道６の互いに並列接続された蒸気発生管１６間の圧力を特
に確実にバランスできる。これは、高加熱蒸発管１０ないし高加熱蒸気発生管１
６において、低加熱蒸発管１０ないし低加熱蒸気発生管１６に比べ流量が増大せ
ねばならないことを意味する。

【００３８】 蒸発管１０は管内径Ｄを有し、内周面にフィン４０を有する（図２参照）。こ
のフィン４０は多条ねじの形をし、フィン高さＲを有する。その管軸線に対して
垂直な平面４２と管内周面に設けられたフィン４０のフランク４４との成す傾斜
角αは５５°より小さい。これにより、蒸発管１０の内壁から蒸発管１０内を導
かれる媒体流Ｓへの特に高い熱伝達率が、同時に低い管壁温度が得られる。

【００３９】 燃焼室４の蒸発管１０の管内径Ｄは、燃焼室４内における各蒸発管１０の位置
に関係して選定される。このようにして、貫流ボイラ２は蒸発管１０の種々の強
さの加熱量に合わされる。このような燃焼室４の蒸発管１０の設計は、蒸発管１
０の出口における温度差を特に小さくすることを、特に確実に保障する。

【００４０】 媒体流Ｓの流量を減少する手段として、蒸発管１０の一部に絞り装置（図示せ
ず）が装備されている。絞り装置は、或る個所で管内径Ｄを狭める孔開き絞り板
として形成され、貫流ボイラ２の運転中に低加熱蒸発管１０における媒体流Ｓの
流量を減少させ、これにより、媒体流Ｓの流量が加熱量に適合させる。

【００４１】 更に、蒸発管１０内での媒体流Ｓの流量を減少する手段として、配管系１９の
１つ又は複数の配管に、絞り装置特に絞り弁が装備されている（図示せず）。

【００４２】 互いに隣接する蒸発管１０ないし蒸気発生管１６、１７は、それらの長手側が
フィンを介して互いに、詳述しない方法で気密溶接されている。つまり、そのフ
ィン幅を適当に選定することで、蒸発管１０ないし蒸気発生管１６、１７の加熱
量が制御される。従って、各フィン幅は、貫流ボイラ２における各蒸発管１０な
いし蒸気発生管１６、１７の位置に関係する予め設定できる高温ガス側の加熱温
度分布に合わされている。温度分布は、経験値から求めた代表的な加熱温度分布
であるか、或いは大体の推定でもよい。これにより、蒸発管１０ないし蒸気発生
管１６、１７が著しく異なる加熱を受ける場合でも、蒸発管１０ないし蒸気発生
管１６、１７の出口における温度差は、特に小さくできる。かくして、材料の疲
労を確実に防止し、貫流ボイラ２の長寿命を保障できる。

【００４３】 水平燃焼室４を配管敷設して形成する際、互いに気密溶接された個々の蒸発管
１０の加熱量が、貫流ボイラ２の運転中に非常に異なってしまうことにつき考慮
せねばならない。そのため、蒸発管１０の内側フィン、隣接する蒸発管１０への
フィン結合および管内径Ｄについて、全蒸発管１０が異なる加熱量にも係らずほ
ぼ同じ出口温度を有し、貫流ボイラ２のあらゆる運転状態において全蒸発管１０
の十分な冷却が保障されるように設計する。貫流ボイラ２の運転中における若干
の蒸発管１０の低加熱は、絞り装置の組込みにより補助的に考慮する。

【００４４】 燃焼室４における蒸発管１０の管内径Ｄは、燃焼室４内における蒸発管１０の
各々の位置に関係して選定される。貫流ボイラ２の運転中に強く加熱される蒸発
管１０は、貫流ボイラ２の運転中に弱く加熱される蒸発管１０よりも、大きな管
内径Ｄとされる。これにより、管内径が全て同じにされている場合に比べ、大き
な管内径Ｄを持つ蒸発管１０内における媒体流Ｓの流量が増大し、これに伴い、
異なった加熱量による蒸発管１０の出口における温度差は減少される。蒸発管１
０内における媒体流Ｓの流量を加熱量に合わせる別の処置は、蒸発管１０の一部
におよび／又は媒体流Ｓを供給するために用意された配管系１９に、絞り装置を
組み込むことにある。これに対して、加熱量を蒸発管１０内における媒体流Ｓの
流量に適合させるために、フィン幅が燃焼室４内における蒸発管１０の位置に関
係して選定される。上述の全ての処置は、個々の蒸発管１０が大きく異なって加
熱されるにも係らず、貫流ボイラ２の運転中に、蒸発管１０内を導かれる媒体流
Ｓの比熱量がほぼ同じとなり、これによって、蒸発管１０の出口における温度差
が小さくなる。蒸発管１０の内側フィンは、貫流ボイラ２のあらゆる負荷状態に
おいて、異なる加熱量および異なる媒体流Ｓの流量にも係らず、蒸発管１０の特
に確実な冷却が保障されるよう設計されている。

【００４５】 水平煙道６は隔壁伝熱面として形成された多数の過熱器２３を備える。これら
の過熱器２３は高温ガスＧの主流れ方向２４に対し垂直に懸垂構造で配置され、
その管は媒体流Ｓの貫流に対し各々並列接続されている。過熱器２３は主に対流
加熱され、媒体流側において燃焼室４の蒸発管１０に後置接続されている。

【００４６】 垂直煙道８は、主に対流加熱される多数の対流加熱器２６を備える。これら対
流加熱器２６は、高温ガスＧの主流れ方向２６に対しほぼ垂直に配置された管で
構成されている。これら管は、媒体流Ｓの貫流に対し各々並列接続されている。
更に垂直煙道８内にエコノマイザ２８が配置されている。垂直煙道８は出口側が
別の熱交換器、例えば空気加熱器に開口し、そこから、集塵機を介して煙突に通
じている。垂直煙道８に後置接続された構造部品は、図１には示していない。

【００４７】 貫流ボイラ２は、特に低い構造高さの水平燃焼室４で実現され、従って特に安
価な製造費および組立費で建設できる。このために、貫流ボイラ２の燃焼室４は
化石燃料用の多数のバーナ３０を有している。これらバーナ３０は、燃焼室４の
正面壁１１に、水平煙道６の高さで配置されている。

【００４８】 特に高い効率を得るため、化石燃料Ｂを特に完全燃焼させ、高温ガス側から見
て水平煙道６の最初の過熱器２３の材料損傷および例えば高温溶融灰の侵入によ
るその過熱器２３の汚染を特に確実に防止できるようにするため、燃焼室４の長
さＬを、これが貫流ボイラ２の全負荷運転中に燃料Ｂの燃焼長を越えるように選
定してある。長さＬは燃焼室４の正面壁１１から水平煙道６の入口範囲３２迄の
距離である。燃料Ｂの燃焼長は、所定の平均高温ガス温度時における水平方向の
高温ガス速度と、燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_Aとの積として規定される。その
都度の貫流ボイラ２における最大燃焼長は、貫流ボイラ２の全負荷運転中に生ず
る。燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_Aは、例えば平均粒度の微粉炭が所定の平均高
温ガス温度時に完全燃焼するために必要とする時間である。

【００４９】 化石燃料Ｂの燃焼熱の特に良好な利用を保障するため、燃焼室４の長さＬ（ｍ
）は、全負荷時における燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度Ｔ_BRK（℃）、燃
料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_A（秒）、貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍ（ｋｇ／秒）に
関係して適当に選定される。燃焼室４の水平長さＬは、燃焼室４の高さＨの約８
０％である。高さＨは、図１において終点Ｘ、Ｙを含む線で示す燃焼室４の灰出
しホッパ上縁から燃焼室天井迄の距離である。燃焼室４の長さＬは、近似的に次
の式（１）、（２）によって決定される。

【数３】 Ｌ（Ｍ、ｔ_A）＝（Ｃ₁＋Ｃ₂・Ｍ）・ｔ_A （１）

【数４】 Ｌ（Ｍ、Ｔ_BRK）＝Ｃ₃・Ｔ_BRK＋Ｃ₄）Ｍ＋Ｃ₅（Ｔ_BRK）²＋Ｃ₆・Ｔ_BRK＋Ｃ₇ （２）

【００５０】 ここでＣ₁＝８ｍ／秒、Ｃ₂＝０．００５７ｍ／ｋｇ、Ｃ₃＝−１．９０５・１
０^-4（ｍ・秒）／（ｋｇ℃）、Ｃ₄＝０．２８６（秒・ｍ）／ｋｇ、Ｃ₅＝３・１
０^-4ｍ／（℃）²、Ｃ₆＝−０．８４２ｍ／℃、Ｃ₇＝６０３．４１ｍである。

【００５１】 この場合の許容偏差は、近似的に、各式で規定される燃焼室長さＬの＋２０％
／−１０％である。全負荷時における貫流ボイラ２の所定の蒸気出力Ｍに対して
貫流ボイラ２を設計する際、燃焼室４の長さＬに対し、式（１）、（２）からの
大きい方の値が適用される。

【００５２】 貫流ボイラ２の考え得る設計例として、全負荷時における貫流ボイラ２の蒸気
出力Ｍに関する燃焼室４の長さＬに対して、図３の座標系に、６つの曲線Ｋ₁〜
Ｋ₆を記してある。それら曲線には、次のパラメータが対応する。即ち、Ｋ₁、Ｋ ₂ 、Ｋ₃に各々式（１）におけるｔ_A＝３秒、ｔ_A＝２．５秒、ｔ_A＝２秒が対応し
、Ｋ₄、Ｋ₅、Ｋ₆に各々式（２）におけるＴ_BRK＝１２００℃、Ｔ_BRK＝１３００
℃、Ｔ_BRK＝１４００℃が対応している。

【００５３】 従って、燃焼室４の長さＬを決定するために、例えば燃焼時間ｔ_A＝３秒およ
び燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度Ｔ_BRK＝１２００℃に対し、曲線Ｋ₁、Ｋ ₄ が関与する。これにより、貫流ボイラ２の全負荷時に所定の蒸気出力Ｍの場合
に、燃焼室４の長さＬは次のようになる。即ち各々曲線Ｋ₄に基づいて、Ｍ＝８
０ｋｇ／秒の場合、Ｌ＝２９ｍ、Ｍ＝１６０ｋｇ／秒の場合、Ｌ＝３４ｍ、Ｍ＝
５６０ｋｇ／秒の場合、Ｌ＝５７ｍとなる。

【００５４】 即ち常に、実線で示す曲線Ｋ₄が適用される。

【００５５】 燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_A＝２．５秒および燃焼室４からの高温ガスＧの
出口温度Ｔ_BRK＝１３００℃に対し、例えば曲線Ｋ₂、Ｋ₅が関与する。これによ
り、貫流ボイラ２の全負荷時、所定の蒸気出力Ｍにおいて、燃焼室４の長さＬは
次のようになる。即ち、Ｍ＝８０ｋｇ／秒の場合曲線Ｋ₂に基づきＬ＝２１ｍ、
Ｍ＝１８０ｋｇ／秒の場合、曲線Ｋ₂、Ｋ₅に基づきＬ＝２３ｍ、Ｍ＝５６０ｋｇ
／秒の場合曲線Ｋ₅に基づいてＬ＝３７ｍとなる。

【００５６】 即ち、蒸気出力Ｍ＝１８０ｋｇ／秒迄は、実線で示す曲線Ｋ₂の部分が適用さ
れ、このＭの値の範囲では破線で示された曲線Ｋ₅は適用されない。１８０ｋｇ
／秒より大きなＭの値に対して、実線で示された曲線Ｋ５の部分が適用され、こ
のＭの値の範囲では破線で示された曲線Ｋ₂は適用されない。

【００５７】 燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_A＝２秒および燃焼室４からの高温ガスＧの出口
温度Ｔ_BRK＝１４００℃に対し、例えば曲線Ｋ₃、Ｋ₆が関与する。これにより、
貫流ボイラ２の全負荷時、所定の蒸気出力Ｍの場合に、燃焼室４の長さＬは次の
ようになる。即ち、Ｍ＝８０ｋｇ／秒の場合曲線Ｋ₃に基づいてＬ＝１８ｍ、Ｍ
＝４６５ｋｇ／秒の場合曲線Ｋ₃、Ｋ₆に基づいてＬ＝２１ｍ、Ｍ＝５６０ｋｇ／
秒の場合曲線Ｋ₆に基づいてＬ＝２３ｍとなる。

【００５８】 即ち蒸気出力Ｍ＝４６５ｋｇ／秒迄の範囲では実線で示す曲線Ｋ₃が適用さ
れ、破線で示す曲線Ｋ₆は適用されない。４６５ｋｇ／秒より大きなＭの値には
、実線で示す曲線Ｋ₆の部分が適用され、破線で示す曲線Ｋ₃は適用されない。

【００５９】 貫流ボイラ２の運転中、燃焼室４の出口範囲３４と水平煙道６の入口範囲３２
の間に比較的小さな温度差が生ずるようにすべく、図１に示す接続部分Ｚに蒸発
管５０、５１が特別な形態で導かれている。接続部分Ｚは図４に詳細に示され、
燃焼室４の出口範囲３４と水平煙道６の入口範囲３２を含んでいる。蒸発管５０
は、水平煙道６の側壁１２に直接溶接された燃焼室４の囲壁９のそれであり、蒸
発管５２は、蒸発管５０に直接隣接する燃焼室４の囲壁９のそれである。

【００６０】 これら両蒸発管５０、５２は、これらに並列接続された蒸発管１０と共に、共
通の入口管寄せ装置１８から出ている。しかし蒸発管５０並びに蒸発管５２は、
まずほぼ水平方向に高温ガスＧの主流れ方向と逆向きに、燃焼室４の外を導かれ
ている。それから燃焼室４に入り込み、そして本発明に基づき燃焼室４に入り込
んだ際、直ちに燃焼室４の囲壁９の構成部分とはなっていない。即ち、これら蒸
発管５０、５２は、高温ガスＧの主流れ方向２４と逆向きに延ばすため、燃焼室
４の外でそのほぼ垂直な経路から分岐される範囲迄、高温ガスＧの主流れ方向２
４に沿って燃焼室４内を戻されている。これら蒸発管５０、５２は、ループ後に
初めて、燃焼室４の囲壁９に溶接され、燃焼室４の囲壁９の一部となる。

【００６１】 この特別な管案内によって、貫流ボイラ２の運転中、蒸発管５０、５２は燃焼
室４の囲壁９に入り込む前に予熱される。即ち貫流ボイラ２の運転中、蒸発管５
０、５２に導入された媒体流Ｓが加熱、即ち予熱される。これに伴って媒体流Ｓ
は、蒸発管５０、５２に直接隣接する燃焼室４の蒸発管１０の場合よりも比較的
高い温度で、燃焼室４の囲壁９に流入する。蒸発管５０、５２はこの特別な管案
内によって、貫流ボイラ２の運転中、その入口部分Ｅが、それに直接隣接する燃
焼室４の囲壁９の蒸発管１０よりも比較的高い温度を持つ。これによって貫流ボ
イラ２の運転中、燃焼室４と水平煙道６との接続部３６における温度差は確実に
小さくなる。

【００６２】 燃焼室４の蒸発管１０ないし水平煙道６の蒸気発生管１６における媒体流Ｓの
考え得る温度Ｔｓに対する例として、図５における座標系に、相対管長Ｒと幾つ
かの温度Ｔｓ（℃）との関係が、曲線Ｕ₁〜Ｕ₄で記してある。曲線Ｕ₁は、水平
煙道６の蒸気発生管１６の温度経過、Ｕ₂は蒸発管１０の相対管長Ｒに沿った温
度経過、Ｕ₃は特別に導かれた蒸発管５０の温度経過、Ｕ₄は燃焼室４の囲壁９の
蒸発管５２の温度経過である。図示の曲線を参照して、燃焼室４の囲壁９におけ
る入口部分Ｅで蒸発管５０、５２を特別に案内することにより、水平煙道６の側
壁１２の蒸気発生管１６に対する温度差がかなり減少することが明らかである。
例えば、蒸発管５０、５２の温度は、蒸発管５０、５２の入口部分Ｅで４５Ｋ（
ケルビン）だけ高められる。これにより、貫流ボイラ２の運転中、燃焼室４と水
平煙道６との接続部３６において、入口部分Ｅにおける蒸発管５０、５２と水平
煙道６の蒸気発生管１６の特に小さな温度差が保障される。

【００６３】 貫流ボイラ２の運転中、バーナ３０に化石燃料Ｂが供給される。バーナ３０の
火炎Ｆは水平に延びる。燃焼室４の構造に伴い、燃焼中に生ずる高温ガスＧの流
れは、ほぼ水平の主流れ方向２４に生ずる。ガスＧは水平煙道６を通りほぼ底に
向かって延びる垂直煙道８に達し、そこから煙突（図示せず）を通って出る。

【００６４】 エコノマイザ２８に流入する媒体流Ｓは、貫流ボイラ２の燃焼室４の、蒸発管
１０の入口管寄せ装置１８に到達する。貫流ボイラ２の燃焼室４の垂直に配置さ
れ互いに気密溶接された多数の蒸発管１０内で、媒体流Ｓの蒸発と、場合によっ
ては部分的な過熱とが行われる。その際生じた蒸気ないし水・蒸気混合物は、媒
体流Ｓ用の出口管寄せ装置２０内に集められる。蒸気ないし水・蒸気混合物は、
そこから水平煙道６および垂直煙道８の壁を通り水平煙道６の過熱器２３に到達
する。この過熱器２３において蒸気が一層過熱され、この蒸気は続いて使用に供
され、例えば蒸気タービンの駆動に利用される。

【００６５】 貫流ボイラの運転中、蒸発管５０、５２の特別な案内により、燃焼室４の出口
範囲３４と水平煙道６の入口範囲３２との間の温度差が特に小さくなる。その場
合、燃焼室４の長さＬを全負荷時の貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍに関係して選定す
ることで、化石燃料Ｂの燃焼熱を確実に利用することができる。更に、貫流ボイ
ラ２はその特に低い構造高さおよびコンパクトな構造により、特に安価な製造費
と組立費で建設できる。その場合、非常に安い技術的費用で作れる架台を利用で
きる。蒸気タービンと低い構造高さの貫流ボイラ２とを備えた原動所の場合、貫
流ボイラ２から蒸気タービン迄の接続配管は、特に短く設計できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 二煙道形の化石燃料式貫流ボイラの概略側面図。

【図２】 個々の蒸発管の概略縦断面図。

【図３】 燃焼室の長さＬと蒸気出力Ｍとの関係を示した曲線図。

【図４】 燃焼室と水平煙道との接続部の概略構成図。

【図５】 媒体流の温度Ｔｓと蒸発管の相対管長Ｒとの関係を示した曲線図。

【符号の説明】

２ 貫流ボイラ ４ 燃焼室 ６ 水平煙道 ８ 垂直煙道 ９ 燃焼室の囲壁 １０ 蒸発管 １２ 水平煙道の側壁 １４ 垂直煙道の側壁 １６ 蒸気発生管 １７ 蒸気発生管 １８ 入口管寄せ装置 １９ 配管系 ２０ 出口管寄せ装置 ２３ 過熱器 ２６ 対流加熱器 ３０ バーナ ４０ フィン Ｂ 燃料

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化石燃料（Ｂ）用の燃焼室（４）を有し、この燃焼室（４）
   の高温ガス側に水平煙道（６）を介して垂直煙道（８）が後置接続され、燃焼室
   （４）が水平煙道（６）の高さに配置された多数のバーナ（３０）を有し、燃焼
   室（４）の囲壁（９）が垂直に配置され互いに気密溶接された多数の蒸発管（１
   ０）で形成され、多数の蒸発管（１０）が各々並行して媒体流（Ｓ）を供給され
   、燃焼室（４）の出口範囲（３４）において、並行して媒体流（Ｓ）が供給され
   る若干の蒸発管（１０）が、燃焼室（４）の囲壁（９）に入り込む前に、燃焼室
   （４）を通して導かれることを特徴とする化石燃料貫流ボイラ。
2. 【請求項２】 水平煙道（６）の側壁（１２）が、垂直に配置され互いに気
   密溶接され且つ並行して媒体流（Ｓ）が供給される蒸気発生管（１６）で形成さ
   れたことを特徴とする請求項１記載の貫流ボイラ。
3. 【請求項３】 垂直煙道（８）の側壁（１４）が、垂直に配置され互いに気
   密溶接され且つ並行して媒体流（Ｓ）が供給される蒸気発生管（１７）で形成さ
   れたことを特徴とする請求項１又は２記載の貫流ボイラ。
4. 【請求項４】 並行して媒体流（Ｓ）が供給される多数の蒸発管（１０）に
   、媒体流側において各々、共通の入口管寄せ装置（１８）が前置接続され、共通
   の出口管寄せ装置（２０）が後置接続されたことを特徴とする請求項１ないし３
   の１つに記載の貫流ボイラ。
5. 【請求項５】 水平煙道（６）又は垂直煙道（８）の並行して媒体流（Ｓ）
   が供給される多数の蒸気発生管（１６、１７）に、媒体流側において、各々共通
   の入口管寄せ装置（２１）が前置接続され、共通の出口管寄せ装置（２２）が後
   置接続されたことを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の貫流ボイラ。
6. 【請求項６】 正面壁（１１）が燃焼室（４）の囲壁（９）であり、この正
   面壁（１１）の蒸発管（１０）が並行して媒体流（Ｓ）を供給されることを特徴
   とする請求項１ないし５の１つに記載の貫流ボイラ。
7. 【請求項７】 燃焼室（４）の正面壁（１１）の蒸発管（１０）が、媒体流
   側において、燃焼室（４）の他の囲壁（９）に前置接続されたことを特徴とする
   請求項１ないし６の１つに記載の貫流ボイラ。
8. 【請求項８】 燃焼室（４）における多数の蒸発管（１０）の管内径（Ｄ）
   が、燃焼室（４）における蒸発管（１０）の各々の位置に関係して選定されたこ
   とを特徴とする請求項１ないし７の１つに記載の貫流ボイラ。
9. 【請求項９】 多数の蒸発管（１０）が、その内周面に各々多条ねじを形成
   するフィン（４０）を有することを特徴とする請求項１ないし８の１つに記載の
   貫流ボイラ。
10. 【請求項１０】 管軸線に対して垂直な平面（４２）と管内周面に設けられ
    たフィン（４０）のフランクとの成す傾斜角（α）が、６０°、好適には５５°
    より小さいことを特徴とする請求項９記載の貫流ボイラ。
11. 【請求項１１】 多数の蒸発管（１０）が各々絞り装置を有することを特徴
    とする請求項１ないし１０の１つに記載の貫流ボイラ。
12. 【請求項１２】 媒体流（Ｓ）を燃焼室（４）の蒸発管（１０）に供給する
    ための配管系（１９）が設けられ、該配管系（１９）が媒体流（Ｓ）の流量を減
    少するために、多数の絞り装置特に絞り弁を有することを特徴とする請求項１な
    いし１１の１つに記載の貫流ボイラ。
13. 【請求項１３】 隣接する蒸発管（１０）ないし蒸気発生管（１６、１７）
    がフィンを介して互いに気密溶接され、そのフィン幅が、燃焼室（４）における
    水平煙道（６）および／又は垂直煙道（８）の蒸発管（１０）ないし蒸気発生管
    （１６、１７）のその都度の位置に関係して選定されたことを特徴とする請求項
    １ないし１２の１つに記載の貫流ボイラ。
14. 【請求項１４】 水平煙道（６）内に複数の過熱器（２３）が懸垂構造で配
    置されたことを特徴とする請求項１ないし１３の１つに記載の貫流ボイラ。
15. 【請求項１５】 垂直煙道（８）内に複数の対流加熱器（２６）が配置され
    たことを特徴とする請求項１ないし１４の１つに記載の貫流ボイラ。
16. 【請求項１６】 バーナ（３０）が燃焼室（４）の正面壁（１１）に配置さ
    れたことを特徴とする請求項１ないし１５の１つに記載の貫流ボイラ。
17. 【請求項１７】 燃焼室（４）の正面壁（１１）から水平煙道（６）の入口
    範囲（３２）迄の距離で規定される燃焼室（４）の長さ（Ｌ）が、貫流ボイラ（
    ２）の全負荷時における燃料（Ｂ）の燃焼長と少なくとも同じであることを特徴
    とする請求項１ないし１６の１つに記載の貫流ボイラ。
18. 【請求項１８】 燃焼室（４）の長さＬ（ｍ）が、全負荷時の蒸気出力（Ｍ
    ）、燃料（Ｂ）の火炎（Ｆ）の燃焼時間（ｔ_A）および／又は燃焼室（４）から
    の高温ガス（Ｇ）の出口温度（Ｔ_BRK）の関数として、近似的に次式で選定され
    、 Ｌ（Ｍ、ｔ_A）＝（Ｃ₁＋Ｃ₂・Ｍ）・ｔ_A （１） Ｌ（Ｍ、Ｔ_BRK）＝Ｃ₃・Ｔ_BRK＋Ｃ₄）Ｍ＋Ｃ₅（Ｔ_BRK）²＋Ｃ₆・Ｔ_BRK＋Ｃ₇ （２） ここでＣ₁＝８ｍ／秒、Ｃ₂＝０．００５７ｍ／ｋｇ、Ｃ₃＝−１．９０５・１
    ０^-4（ｍ・秒）／（ｋｇ℃）、Ｃ₄＝０．２８６（秒・ｍ）／ｋｇ、Ｃ₅＝３・１
    ０^-4ｍ／（℃）²、Ｃ₆＝−０．８４２ｍ／℃、Ｃ₇＝６０３．４１ｍであり、全
    負荷時の所定の蒸気出力（Ｍ）に対し、各燃焼室（４）の大きい方の長さ（Ｌ）
    が適用されることを特徴とする請求項１ないし１７の１つに記載の貫流ボイラ。
19. 【請求項１９】 燃焼室（４）の下部が灰出しホッパ（５）として形成され
    たことを特徴とする請求項１ないし１８の１つに記載の貫流ボイラ。