JP5022204B2

JP5022204B2 - 舶用ボイラ構造

Info

Publication number: JP5022204B2
Application number: JP2007324692A
Authority: JP
Inventors: 潤司今田; 勲内田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2027-12-17
Also published as: KR20100087365A; EP2224166A1; JP2009145013A; KR101331645B1; CN101883951B; KR20130099249A; US20100251945A1; EP2224166A4; WO2009078191A1; CN101883951A

Description

本発明は、船舶に搭載される舶用ボイラや舶用リヒートボイラ等の舶用ボイラ構造に関するものである。

従来、船舶に搭載される舶用ボイラは、発電所等で使用される陸用ボイラと比較して、設置スペースの制約が大きいことからコンパクトな構造が優先されている。
図５に示す従来の舶用ボイラ１において、火炉２の上部には１または複数のバーナ３が設置されている。バーナ３で燃料を燃焼させて発生した燃焼ガスは、火炉２の下流に配設されたフロントバンクチューブ４、過熱器５及び蒸発管群（リアバンクチューブ）６を順番に通過してチューブ内を流れる水等の流体と熱交換する。こうして熱交換を終えた燃焼ガスは、出口側ガスダクト７を通ってガス出口８から舶用ボイラ１の外部へ排出される。なお、図中の符号９は水ドラム、１０は蒸気ドラム、１１及び１２はヘッダである。

このような舶用ボイラ１においては、バーナ３の燃焼で発生した燃焼ガスが過熱器５及び蒸気管群６を均一に流れるようにするため、蒸発管群６の出口側に整流板を設けることが提案されている。（たとえば、特許文献１参照）
特開２００２−２４３１０６号公報（図１参照）

ところで、上述した従来の舶用ボイラ構造においては、燃焼ガスのガス温度分布にアンバランスが生じるため、過熱器５の下部に腐食が集中するという問題がある。
また、コンパクト化により火炉２が小さい舶用ボイラ１は、特に、バーナ３が過熱器５側にチルトして設けられているような場合、バーナ３の火炎が過熱器５側に向けて傾くので、この火炎に近い過熱器５の領域では、高温により過熱器５を構成するチューブの減肉が促進される原因になっている。
また、舶用ボイラではコンパクト化のため火炉熱負荷が高く、ＮＯｘレベルが高くなるという問題も指摘されており、たとえば油専焼の舶用ボイラ１では、３００〜４００ｐｐｍ程度になることもある。

上述した燃焼ガス温度のアンバランスは、図中に矢印Ｇで示すように、燃焼ガスの大半が火炉２の炉底部を通って流れることに起因しており、過熱器５を通過する燃焼ガスの温度分布は、過熱器下部の中央ほど高温となる傾向にある。また、過熱器５の温度は、チューブ内を流れる蒸気にも温度差があるため、蒸気温度の高い下流側ほど高温となる。
従って、上述した舶用ボイラ１の過熱器５においては、下部ほど腐食が大きくなり、さらに、同じ下部でもチューブ内を流れる蒸気温度の高い位置ほど腐食が大きくなる。すなわち、過熱器５においては、高温となる領域ほど腐食が大きくなるという問題がある。

このような背景から、舶用ボイラ構造においては、過熱器を構成するチューブに生じる部分的な腐食・減肉の進行（腐食進行の偏り）を防止または抑制するため、火炉内の温度分布を改善し、過熱器を通過する燃焼ガスの温度分布を均一化することが求められる。また、近年の環境問題に対応するため、燃焼ガスに含まれるＮＯｘレベルを低減できる舶用ボイラ構造が求められている。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、過熱器を通過する燃焼ガスの温度分布を均一化して腐食進行の偏りを改善するとともに、燃焼ガスに含まれるＮＯｘレベルを低減できる舶用ボイラ構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る舶用ボイラ構造は、火炉上部に設置したバーナの燃焼で発生した燃焼ガスが、火炉から過熱器及び蒸発管群を通過して流れるように構成された舶用ボイラ構造において、前記火炉の底部から燃焼用空気の一部をボトム空気として供給するボトム空気ポートを設け、該ボトム空気ポートがバーナ中心線より前記過熱器側に位置するとともに、前記ボトム空気の吹出方向が鉛直上向きから前記バーナ方向へ傾斜する範囲に設定され、前記ボトム空気として使用する燃焼用空気は、全空気量の３０パーセント以下に設定されるとともに、２０〜１００ｍ／ｓの流速が確保されていることを特徴とするものである。

このような舶用ボイラ構造によれば、火炉の底部から燃焼用空気の一部をボトム空気として供給するボトム空気ポートを設け、該ボトム空気ポートがバーナ中心線より過熱器側に位置するとともに、ボトム空気の吹出方向が鉛直上向きからバーナ方向へ傾斜する範囲に設定され、ボトム空気として使用する燃焼用空気は、全空気量の３０パーセント以下に設定され、かつ、２０〜１００ｍ／ｓの流速が確保されているので、ボトム空気の流れにより火炉内における燃焼ガスのフローパターンを変化させることができる。すなわち、炉底部から過熱器に向かう燃焼ガスの流れは、ボトム空気の流れを受けることにより、いったん過熱器とは逆向きに押しやられることになるので、炉底部側に集中する流れを解消し、過熱器に向けて略均一に流入させることができる。また、このようなボトム空気の投入は、燃焼ガス中のＮＯｘ低減に有効な燃焼用空気の２段投入となる。

この場合、ボトム空気として使用する燃焼用空気は、火炉のコンパクト化との両立を図るため、全空気量の３０％程度以下とすることが好ましい。
また、ボトム空気ポートの吹出方向は、鉛直上向き（０度）からバーナ方向へ４５度程度の範囲に設定することが望ましい。
また、ボトム空気ポートの数は、１）バーナ本数以上とするか、あるいは、２）連続的なスリット状とすることにより、ボトム空気には２０〜１００ｍ／ｓ程度の高流速を確保することが望ましい。

本発明に係る舶用ボイラ構造は、火炉上部に設置したバーナの燃焼で発生した燃焼ガスが、火炉から過熱器及び蒸発管群を通過して流れるように構成された舶用ボイラ構造において、前記火炉の上部から燃焼用空気の一部をサイド空気として供給するサイド空気ポートを設け、該サイド空気ポートがバーナ中心線より前記過熱器側に位置するとともに、前記サイド空気の吹出方向が鉛直下向きを基準にして前記過熱器及び前記バーナの両方向へ傾斜する範囲内に設定され、前記サイド空気として使用する燃焼用空気は、全空気量の３０パーセント以下に設定されるとともに、２０〜６０ｍ／ｓの流速が確保されていることを特徴とするものである。

このような舶用ボイラ構造によれば、火炉の上部から燃焼用空気の一部をサイド空気として供給するサイド空気ポートを設け、該サイド空気ポートがバーナ中心線より過熱器側に位置するとともに、サイド空気の吹出方向が鉛直下向きを基準にして過熱器及びバーナの両方向へ傾斜する範囲内に設定され、前記サイド空気として使用する燃焼用空気は、全空気量の３０パーセント以下に設定されるとともに、２０〜６０ｍ／ｓの流速が確保されているので、サイド空気の流れにより火炉内における燃焼ゾーン及び燃焼ガスのフローパターンを変化させることができる。すなわち、火炉内の燃焼ゾーンは、サイド空気の流れ方向により調整可能となるので、たとえば燃焼ゾーンを過熱器から遠ざける方向に移動させれば、火炎も過熱器から離れて燃焼ガスのフローパターンが変化する。

また、サイド空気の流れ方向を適宜調整することにより、コンパクトな舶用ボイラの火炉においても、火炎が過熱器に向かって傾くことを防止できる。
また、サイド空気を投入することで、燃焼ガス中のＮＯｘ低減に有効な燃焼用空気の拡散度合いを調整できる。
また、サイド空気の投入は、過熱器チューブ側の上部にエアカーテンを形成するので、過熱器上部のバイパス流を低減することができる。

この場合、サイド空気として使用する燃焼用空気は、火炉のコンパクト化との両立を図るため、全空気量の３０％程度以下とすることが好ましい。
また、サイド空気ポートの吹出方向は、鉛直下向き（０度）を中心に過熱器方向及びバーナ方向へ各々３０度程度の範囲（−３０度〜＋３０度）に設定することが望ましい。

また、本発明のサイド空気ポートは、バーナと同じ風箱内に配置されていることが好ましい。
この場合、サイド空気ポートの数及び配置については、１）バーナ本数と同一として真横に配置する、２）バーナ本数より１少ない数としてバーナ間に配置する、３）連続的なポートにスリットを設けてバーナの横に配置する、という３つのケースが可能であり、サイド空気には２０〜６０ｍ／ｓ程度の高流速を確保することが望ましい。

上述した本発明によれば、舶用ボイラの火炉内においては、ボトム空気やサイド空気の影響により炉底部に集中していた燃焼ガスのフローパターンを変化させることができる。この結果、過熱器入口における燃焼ガス温度が均一化し、従来の温度アンバランスを解消または低減することができるので、過熱器の下部に集中していた腐食進行の偏りを改善した舶用ボイラ構造を提供することができる。
また、ボトム空気の採用は燃焼空気を二段投入することになるので、そして、サイド空気の投入は燃焼用空気の拡散度合いを調整可能とするので、燃焼ガスに含まれるＮＯｘレベルを低減した舶用ボイラ構造となる。

以下、本発明に係る舶用ボイラ構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す舶用ボイラ１Ａは、火炉２の上部に１または複数のバーナ３が風箱３ａ内に設置されている。このバーナ３は、燃焼用空気を用いて供給された燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成して下流の熱交換器に供給する。
バーナ３で発生した燃焼ガスは、火炉２の下流に配設されている熱交換器を通過して熱交換する。図示の構成では、フロントバンクチューブ４、過熱器５及び蒸発管群（リアバンクチューブ）６の順番に熱交換器が配置され、燃焼ガスは各熱交換器のチューブ内を流れる水等の流体と熱交換して加熱する。こうして熱交換を終えた燃焼ガスは、出口側ガスダクト７を通ってガス出口８から舶用ボイラ１の外部へ排出される。なお、図中の符号９は水ドラム、１０は蒸気ドラム、１１及び１２はヘッダである。

＜第１の実施形態＞
本実施形態の舶用ボイラ構造は、図１及び図２に示すように、バーナ３の燃焼で発生した燃焼ガスが、火炉２から過熱器５及び蒸発管群６を通過して流れるように構成された舶用ボイラ１Ａに対し、火炉２の炉底部２ａから燃焼用空気の一部をボトム空気として供給するボトム空気ポート２０を設けてある。このボトム空気ポート２０は、バーナ３の中心線ＣＬより過熱器５側に位置しており、さらに、ボトム空気ポート２０から噴出するボトム空気の吹出方向は、鉛直上向きからバーナ３の方向へ傾斜する角度範囲θ１に設定されている。
なお、上述したボトム空気ポート２０は、火炉２の外部に形成されたボトム空気ダクト２１に接続され、このダクトを通って供給される。

また、ボトム空気ポート２０は、たとえば図２（ａ）に示すように、バーナ３の本数と同数にして、ボトム空気が噴出する流速を高く設定している。すなわち、平面視でバーナ３の真横となる位置にボトム空気ポート２０を配置し、燃焼用空気の一部を使用するボトム空気の流速が所定値以上の高流速を維持して投入されるようになっている。
ここで使用可能なボトム空気量は、火炉２内における良好な燃焼等を考慮すると、燃焼用空気全体の３０％程度以下とすることが好ましい。なお、ボトム空気ポート２０から投入されるボトム空気の流速は、後述する燃焼ガスのフローパターンに十分な影響を及ぼすためには、火炉２の大きさ等諸条件に応じて２０〜１００ｍ／ｓ程度の高流速を確保することが望ましい。

また、ボトム空気ポート２０の吹出方向は、バーナ３より過熱器５側の位置において、鉛直上向きの０度からバーナ方向へ４５度程度の範囲に設定することが望ましい。すなわち、図１における角度範囲θ１は、ボトム空気の流れが炉底部２ａに集中しようとする燃焼ガスの流れ（図中の二点鎖線矢印Ｇ参照）を過熱器５から遠ざける方向へ効率よく押しやることができるように、概ね０〜４５度の範囲とすることが望ましい。

上述したボトム空気ポート２０を備えている舶用ボイラ構造においては、ボトム空気の流れにより火炉２内における燃焼ガスのフローパターンを変化させることができる。すなわち、炉底部２ａから過熱器５に向かう燃焼ガスの流れは、上向きに流れるボトム空気の流れを受けることにより、図中に実線矢印Ｇ１で示すように、いったん過熱器５とは逆向きに押しやられることになる。このため、燃焼ガスの流れは、炉底部２ａ側へ向かう流れが一部阻止され、火炉２内の上方へ旋回して流れるので、炉底部２ａ側に集中していた従来の流れが解消され、過熱器５に向けて略均一に流入するようになる。

換言すれば、上述したボトム空気を投入することにより、燃焼ガスのフローパターンを変更し、炉底部２ａから過熱器５に流れ込んでいた燃焼ガスをいったん過熱器５とは逆側へ押しやることで、過熱器５側に均一に押し込まれる。これにより、過熱器５の炉底部２ａ側となる過熱器下部においては、腐食が促進される高温ガス領域が小さくなる。
また、燃焼ガスの流れが、上向きに投入されるボトム空気の対向流と衝突する効果により、燃焼ガスの混合が促進されて過熱器５における入口全体の温度アンバランスを低減するという作用効果も得られる。

このように、舶用ボイラ１Ａの火炉２内においては、過熱器５の入口における燃焼ガス温度が均一化するので、従来の温度アンバランスを解消または低減することができる。従って、過熱器５の下部に集中していた腐食進行の偏りを改善し、耐久性や信頼性を向上させることができる。
また、上述したボトム空気の採用は、バーナ３の燃焼空気を二段投入することを意味しているので、燃焼ガスに含まれるＮＯｘレベルを低減することも可能になる。

ところで、上述した実施形態では、ボトム空気ポート２０の数はバーナ３の本数と同数にしたが、投入するボトム空気の高流速を確保するため、バーナ本数以上のポート数を設けてもよい。また、図２（ｂ）に示す変形例のように、適当に仕切２２を入れた連続的なスリット状のボトム空気ポート２０Ａを採用してもよい。

＜第２の実施形態＞
続いて、本発明による舶用ボイラ構造の第２の実施形態を図３及び図４に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、舶用ボイラ１Ｂに対し、火炉２の上部から燃焼用空気の一部をサイド空気として供給するサイド空気ポート３０が設けられている。このサイド空気ポート３０は、バーナ３と同じ風箱３ａの内部に設けられている。
また、このサイド空気ポート３０は、バーナ中心線ＣＬより過熱器５側に配置されるとともに、サイド空気の吹出方向は、鉛直下向きを基準にして過熱器５及びバーナ３の両方向へ傾斜する角度範囲±θ２内で調整可能に設定されている。すなわち、この場合のθ２は３０度程度に設定することが好ましく、従って、サイド空気ポート３０は、吹出方向には±３０度の角度範囲内でチルト可能な調整機構を設けることが望ましい。

また、サイド空気ポート３０は、たとえば図４（ａ）に示すように、バーナ３と同じ風箱３ａ内に、バーナ３の本数と同数となるように設けられている。これは、燃焼空気の一部を使用しているサイド空気について、噴出する流速を高く設定するためである。すなわち、図示の例では、各バーナ３の真横となる位置にサイド空気ポート３０を配置し、サイド空気の流速が所定値以上の高流速を維持して投入されるようになっている。
ここで使用可能なボトム空気量は、火炉２内における良好な燃焼等を考慮すると、燃焼用空気全体の３０％程度以下とすることが好ましい。なお、サイド空気ポート３０から投入されるサイド空気の流速は、後述する燃焼ガスのフローパターンに十分な影響を及ぼすためには、火炉２の大きさ等諸条件に応じて２０〜６０ｍ／ｓ程度の高流速を確保することが望ましい。

このような構成とすれば、サイド空気ポート３０から投入されるサイド空気の流れにより、火炉２内に形成される燃焼ゾーン及び燃焼ガスのフローパターンを変化させることができる。すなわち、火炉２内に形成される燃焼ゾーンは、投入されるサイド空気の流れ方向に応じて調整可能となるので、たとえばサイド空気の吹出方向をバーナ３側へ傾斜させれば、火炉２内の燃焼ゾーンを過熱器５から遠ざける方向へ移動させることができる。
この結果、バーナ３から投入した燃料が燃焼する火炎についても、過熱器５から離れた位置に形成されることとなる。従って、過熱器５に対する火炎の直接的な影響は勿論のこと、燃焼ガスのフローパターンについても、図中に矢印Ｇ２で示すように変化させることができる。すなわち、燃焼ガスの流れは、サイド空気の影響によりいったん過熱器５から離れる方向へ向かう流れを形成するので、炉底部２ａへ集中していた従来の流れが改善され、過熱器５の全面にわたって略均一に流れるように変化する。換言すれば、上述したサイド空気の投入により、燃焼ガスのフローパターンを変更し、過熱器５の入口に生じていた温度アンバランスを低減することができる。

また、上述したサイド空気ポート３０の傾斜角度θ２を変化させることにより、サイド空気の流れ方向を適宜調整することが可能になるので、コンパクトな舶用ボイラ１Ｂの火炉２においては、火炎が過熱器５に向かって傾くことを防止できる。この結果、過熱器５のチューブに向かう方向に傾いた火炎の直接的な影響を受けて、チューブの減肉が促進されるといった問題を解消することができる。
また、上述したサイド空気ポート３０からサイド空気を投入することにより、燃焼用空気の拡散度合いを調整できるので、燃焼ガス中のＮＯｘを低減することも可能になる。

また、上述したサイド空気の投入は、過熱器５のチューブ側において、上部にサイド空気によるエアカーテンを形成することができる。このようなエアカーテンの形成は、過熱器５の上部を通過して流れる燃焼ガスのバイパス流を低減することができる。すなわち、過熱器５を通過して熱交換する燃焼ガス量を増すことになるので、舶用ボイラ１Ｂの効率向上にも有効である。

ところで、上述した実施形態では、サイド空気ポート３０の数及び配置について、バーナ３の本数と同一として真横に配置しているが、これに限定されることはない。
図４（ｂ）に示す第１変形例では、バーナ３の本数より１だけ少ない数のサイド空気ポート３０が、隣接するバーナ３，３間に配置されている。また、図４（ｃ）に示す第２変形例では、連続的なサイド空気ポート３０Ａに適宜スリット３１を設けて区分し、バーナ３の横に配置した構成とされる。これらの変形例においても、噴出するサイド空気には２０〜６０ｍ／ｓ程度の高流速が確保されている。

このように、上述した本発明の舶用ボイラ構造によれば、舶用ボイラ１Ａ，１Ｂの火炉２内においては、ボトム空気やサイド空気の影響により炉底部２ａに集中していた燃焼ガスのフローパターンをコントロールして変化させることができる。この結果、過熱器５の入口においては、従来の温度アンバランスが解消または低減され、燃焼ガス温度の均一化が促進されるので、過熱器５の下部に集中していたチューブの腐食進行について、偏りを改善した舶用ボイラ構造となる。
また、ボトム空気の採用は燃焼空気を二段投入することになるので、そして、サイド空気の投入は燃焼用空気の拡散度合いを調整可能とするので、いずれの場合においても、燃焼ガスに含まれるＮＯｘレベルを低減した舶用ボイラ構造となる。

すなわち、本発明の舶用ボイラ構造は、燃焼用空気の投入方法を変化させることで、火炎の燃焼状態、ガスフローパターンをコントロールし、過熱器５の入口温度に生じていたアンバランスを低減するとともに、燃焼用空気を段階的に投入することによりＮＯｘの削減を可能にしたものである。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば蒸発管群６の下流にリヒートバーナ及びリヒートファーネスを備えた舶用リヒートボイラにも適用可能であるなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る舶用ボイラ構造について、第１の実施形態を示す縦断面図である。ボトム空気ポートの配置例を示す図で、（ａ）は図１の要部平面図、（ｂ）は（ａ）の変形例を示す要部平面図である。本発明に係る舶用ボイラ構造について、第２の実施形態を示す縦断面図である。サイド空気ポートの配置例を示す図で、（ａ）は図３の要部平面図、（ｂ）は（ａ）の第１変形例を示す要部平面図、（ｃ）は（ａ）の第２変形例を示す要部平面図である。従来の舶用ボイラ構造例を示す縦断面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ舶用ボイラ
２火炉
３バーナ
５過熱器
６蒸発管群
２０，２０Ａボトム空気ポート
３０，３０Ａサイド空気ポート

Claims

火炉上部に設置したバーナの燃焼で発生した燃焼ガスが、火炉から過熱器及び蒸発管群を通過して流れるように構成された舶用ボイラ構造において、
前記火炉の底部から燃焼用空気の一部をボトム空気として供給するボトム空気ポートを設け、該ボトム空気ポートがバーナ中心線より前記過熱器側に位置するとともに、前記ボトム空気の吹出方向が鉛直上向きから前記バーナ方向へ傾斜する範囲に設定され、
前記ボトム空気として使用する燃焼用空気は、全空気量の３０パーセント以下に設定されるとともに、２０〜１００ｍ／ｓの流速が確保されていることを特徴とする舶用ボイラ構造。
火炉上部に設置したバーナの燃焼で発生した燃焼ガスが、火炉から過熱器及び蒸発管群を通過して流れるように構成された舶用ボイラ構造において、
前記火炉の上部から燃焼用空気の一部をサイド空気として供給するサイド空気ポートを設け、該サイド空気ポートがバーナ中心線より前記過熱器側に位置するとともに、前記サイド空気の吹出方向が鉛直下向きを基準にして前記過熱器及び前記バーナの両方向へ傾斜する範囲内に設定され、
前記サイド空気として使用する燃焼用空気は、全空気量の３０パーセント以下に設定されるとともに、２０〜６０ｍ／ｓの流速が確保されていることを特徴とする舶用ボイラ構造。
前記サイド空気ポートは、前記バーナと同じ風箱内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の舶用ボイラ構造。