圧力容器、加圧流動層ボイラ及びアンモニア注入装置

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【発明の名称】	圧力容器、加圧流動層ボイラ及びアンモニア注入装置
【発明者】	【氏名】吉廻秀久【氏名】坂田太郎【氏名】山下由香【氏名】岩瀬徹哉【氏名】河崎照文【氏名】石田孝行【氏名】牧野秀則
【要約】	【課題】火炉壁と圧力容器との間の空間を効果的に冷却すること、加圧流動層火炉構造の炉壁をテーパ構造にすることなく、層内伝熱管の壁貫通部および層内伝熱管ベンド部ぼ局所摩耗を防ぎ、炉およびサポート構造を容易にすること、及びアンモニア注入ノズルの冷却のための構造を簡略化することである。【解決手段】冷却用気体流路は、火炉２と圧力容器１との間に設けた冷却用気体の流路に開口した少なくとも一つの冷却用気体噴出ノズル３を設け、圧力容器１の内側に噴出した冷却用気体が火炉２に直接衝突しないように、前記冷却用気体噴出ノズル３の中心軸を冷却用気体の噴出中心軸を火炉２の重心からずらして配置する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】高圧の火炉を内包する圧力容器であって、火炉からの伝熱を遮断するために火炉と圧力容器との間に冷却用気体の流路を設け、該冷却用気体流路は、火炉と圧力容器との間に設けた冷却用気体の流路に向けて開口した少なくとも一つの冷却用気体噴出手段を設け、圧力容器の内側に噴出した冷却用気体が火炉に直接衝突しないように、前記冷却用気体噴出手段の冷却用気体の噴出中心軸を圧力容器の重心からずらして配置したことを特徴とする圧力容器。
【請求項２】冷却用気体の噴出手段の中心軸と圧力容器重心との距離である前記手段の偏心長さを、冷却用気体によって発生する回転モーメント（＝前記偏心長さ×冷却用気体の質量流量×冷却用気体の噴出速度）の値を０以上とするように設定したことを特徴とする請求項１記載の圧力容器。
【請求項３】複数の冷却用気体の噴出手段のそれぞれの回転モーメントの和が０とならないようにしたことを特徴とする請求項１記載の圧力容器。
【請求項４】冷却用気体の噴出手段は圧力容器の上部に設けたことを特徴とする請求項１記載の圧力容器。
【請求項５】火炉と圧力容器との間に設けた冷却用気体の流路に冷却用気体の噴出手段からの冷却用気体の流れを誘導するガイドベーンを配置したことを特徴とする請求項１記載の圧力容器。
【請求項６】高圧の火炉を内包する圧力容器であって、火炉からの伝熱を遮断するために火炉と圧力容器との間に冷却用気体の流路を設け、該冷却用気体流路は、冷却用気体が圧力容器の内壁近傍を通過する際に、平均流速（冷却用気体の体積流量／圧力容器と火炉との間の流路面積）以上となる構成を備えたことを特徴とする圧力容器。
【請求項７】流動媒体を含む流動層を有する火炉と該火炉内の流動媒体を流動させ、燃料の流動燃焼を行うための空気供給手段を有し、該流動層中に伝熱管群を配置した加圧流動層ボイラにおいて、該火炉内に該流動燃焼用空気を偏りを持たせて供給することにより該流動層の下部コーナーの一部分の流動を停滞または固定させる停滞層または固定層領域を形成させることを特徴とする加圧流動層ボイラ。
【請求項８】火炉は、炉壁面を鉛直方向に向けて配置されたスレート構造の炉壁を備え、流動層の流動停滞層または固定層領域に流動層内伝熱管のベント部が配置されることを特徴とする請求項７記載の加圧流動層ボイラ。
【請求項９】火炉底部に設けられる燃焼用空気噴出ノズルを火炉底部の中央部側にのみ配置したことを特徴とする請求項７記載の加圧流動層ボイラ。
【請求項１０】火炉出口の燃焼ガス出口流路に設けたアンモニア供給手段と当該アンモニア供給手段から燃焼ガス出口流路に向けてアンモニアを供給するアンモニア注入ノズルを備えたアンモニア注入装置において、筒状のアンモニア供給手段からなり、該アンモニア供給手段の管軸方向に該アンモニア供給手段内の流路を二分する冷却水仕切板を取り付け、該冷却水仕切板に前記燃焼ガス出口流路に向けて開口した複数の孔を設けて前記アンモニア注入ノズルとすることを特徴とするアンモニア注入装置。
【請求項１１】冷却水仕切板とアンモニア供給手段の内壁は溶接で接合したことを特徴とする請求項１０記載のアンモニア注入装置。
【請求項１２】アンモニア供給手段の先端部にはアンモニア注入ノズル底板が設置されていることを特徴とする請求項１０記載のアンモニア注入装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧力容器内に流動層内伝熱管構造の火炉を配置する加圧流動層ボイラシステムに関し、特に、低流量でも能率良く冷却できる圧力容器への空気の投入方法、流動層内伝熱管の火炉壁貫通部およびベンド部の摩耗を防止する加圧流動層火炉構造、及びボイラの加圧部における冷却水の流路構造を簡便化し、製造工程及び冷却水気密性に好適なアンモニアまたはアンモニア水を注入するアンモニア注入装置のノズル構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】地球温暖化の原因である二酸化炭素は地球規模でその排出量を少なくするよう求められている。排ガス量が多く影響度の大きい発電プラントでは、抑制策として高効率発電が実施されようとしているが、そのひとつに加圧流動層燃焼方式（ＰＦＢＣ）の発電プラントがある。
【０００３】ＰＦＢＣ方式の加圧流動層ボイラは数十気圧に加圧した流動層で石炭を燃焼させ、その熱で蒸気を発生し蒸気タービンを回す。そして、さらに高温高圧の燃焼排ガスでガスタービンを回し、発電するものである。発電効率は既存の発電プラントが約４０％であるのに対し、５０％近い効率が達成でき、熱効率が約４０％と高い上に、流動層を形成する脱硫剤、例えば石灰石によって炉内脱硫されるため、脱硫装置が省けるというメリットがある。
【０００４】図１０に加圧流動層ボイラのシステムを示す。コンプレッサ１０１によって導入される燃焼用空気は火炉入口配管１０２を通って圧力容器１０３内の流動層ボイラ火炉１０５に導入され、石炭を燃焼する。石炭の燃焼によって発生する排ガスは、火炉出口配管１０６を通り、ガスタービン１０７に導入され、発電を行うと同時にコンプレッサ１０１の駆動力源となる。ガスタービン１０７を出た排ガスは、ガスタービン出口ダクト１０８からガス温度が約４００℃ と高温であるため、排熱回収ボイラ１０９の節炭器１１１内を通り熱回収され、さらに脱硝装置１１２で浄化された後、煙突ダクト１１３を経由して煙突１１４より放出される。
【０００５】上記の加圧流動層ボイラシステムの構想は以前からあったが、実用化されるようになったのは最近になってからである。実用化を難しくしている理由の一つに、大きな火炉１０５を加圧保持する圧力容器１０３の問題がある。実用プラントでは火炉１０５の径は１０ｍのオーダになり、それを囲む圧力容器１０３は更に大きくなる。圧力容器１０３は製作が容易でない上に、容器１０３を耐熱温度以下にするための温度管理が必要となる。通常圧力容器１０３内に配置される火炉１０５の排ガス温度は約９００℃であるのに対し、圧力容器１０３の耐熱温度は約４００℃である。従って、圧力容器１０３は何らかの断熱構造を採用する必要がある。
【０００６】圧力容器１０３の強制冷却を機能させるには火炉１０５と圧力容器１０３との間を確実に空気が流れている必要がある。そのためには空気流速を上げればよいが、空気量は燃焼用に限定されるので増やすことはできない。従って、火炉１０５と圧力容器１０３との間の空間を極力狭くして空気流速を上げなければならない。ところが、火炉１０５には蒸気配管や足場が付設されているため、火炉１０５と圧力容器１０３との間の空気の流路抵抗に差が生じ、流れにくい領域が発生する。また、温度上昇した空気は密度が小さくなるので浮力によって、上部に溜まり局所的な高温場を形成し、圧力容器１０３の温度を上げる。
【０００７】図１１、図１２に実際の加圧流動層ボイラの構造図を示す。圧力容器１０３内に配置される火炉１０５の下部には圧力容器１０３内を加圧状態に保ちながら、コンプレッサ１０１（図１０）からの燃焼用空気（約３９０℃）を取り入れる火炉入口配管１０２があり、分散板１１９によって一様に火炉１０５へ分散される。この時、燃料も配管１２０から吹き込まれ、流動化して燃焼する。砂や灰などの流動媒体を含む流動層１２２内には石灰石が混入されており、石炭に含まれる硫黄分を取り除く。また、流動層１２２内には伝熱管１２３が配置されており、燃料の燃焼による熱で伝熱管１２３内の水から発生した蒸気で蒸気タービン（図示せず）を回して発電する。火炉１０５の燃焼温度は約９００℃で、排ガス出口配管１０６内部には断熱材が張ってあり、圧力容器１０３に火炉１０５からの熱が伝わらないようにしている。
【０００８】高温のヘッダ１２７及び排ガス出口配管１０６からの伝熱量を前記断熱材を入れることによって低下させているが、それだけでは耐熱温度以下に維持できない。そこで、冷却空気として燃焼用空気を火炉１０５に入る前に火炉１０５周りを通過させ、冷却している。冷却空気はその入口１２８から圧力容器１０３に入り、火炉１０５の表面を流れた後で冷却空気出口１２９に至り、一旦、圧力容器１０３から出る。その後、炉底から火炉１０５に再流入し、燃焼用空気となる。
【０００９】また、従来の加圧流動層ボイラの火炉１０５の要部構造は図１３に示されるように横置多曲管で構成する層内の伝熱管１２３群の管長手方向のベンド部１２３ａは炉壁と一定のクリアランスを保って配置されるため、流動媒体が火炉壁と層内伝熱管１２３の壁貫通部１２３ｂおよび層内伝熱管ベンド部１２３ａの間のクリアランス部を吹き抜けて局所摩耗を発生するのを防止するために、層内伝熱管１２３の壁貫通部１２３ｂ側の火炉壁をテーパ構造として、燃焼空気とともに流動媒体が炉壁近傍を上昇するのを抑制するとともに、炉壁近傍に粒子の下降流（矢印Ａ）を形成して気泡の上昇を防いでいる。
【００１０】しかしながら、上記した加圧流動層火炉構造では炉壁をテーパ構造とするために、炉壁の曲げ加工を必要とする。さらに、炉壁が曲がっているため火炉１０５をサポートするバックステー１３０などの火炉支持構造に加えて、火炉１０５の保温材１３１およびケーシング構造１３２が複雑な構造になる。
【００１１】加圧流動層ボイラは火炉１０５内に流動層１２２を形成する石灰石によって炉内脱硫されるため、脱硫装置が省けるというメリットがあることは既に述べたが、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）に関しては、低温燃焼によってＮＯｘ低減が図られたり、流動層１２２中のカーボンなどの還元物質によって起こるＮＯｘの還元によってＮＯｘ濃度が低減できるなどのメリットを持っている。しかし、ボイラ負荷が低い場合には流動層１２２の層高が低くなり、このときはカーボンによる還元が進まず、火炉１０５の出口ＮＯｘ濃度が上昇する欠点を有しており、必ずしもＮＯｘについては従来の微粉炭焚きボイラと比較して優位であるとは言えなかった。
【００１２】図１０に示す加圧流動層ボイラのシステムでは、アンモニア気化器１４１、コンプレッサ１４２、空気を導入してアンモニアを希釈する希釈器１４３、１４４からなるアンモニア注入装置から火炉出口配管１０６に設けたアンモニア注入ノズル１４７から排ガス中にアンモニアを注入する無触媒脱硝装部及び節炭器１１１にアンモニアを注入して節炭器１１１内に設けられた脱硝触媒を有する有触媒脱硝装置１１２によって排ガス中のＮＯｘを還元して、煙突入口ＮＯｘを環境規制値以下にしている。
【００１３】アンモニアは熱分解を起こしやすいという特性を有しており、アンモニア注入ノズル１４７から排ガス中にアンモニアを注入することで気相還元反応によってＮＯｘを還元することができるが、アンモニア注入ノズル１４７においてアンモニアが熱分解しないよう、アンモニアを冷却する必要がある。
【００１４】そのため、図１４（図１４（ａ）は縦断面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＡ－Ａ線断面図）に示すように、アンモニア注入ノズル１４７は３重管構造となっており、アンモニア配管１４８の周りに冷却水内管１４９を配置している。冷却水内管１４９は２重管構造であり、アンモニア配管１４７側の空間に入口から冷却水が入り、冷却水内管１４９とアンモニア注入ノズル１４７の間から出口へ向けて流れる構造として、アンモニア配管１４８内のアンモニア又はアンモニア水を冷却していた。また、アンモニア配管１４８には冷却水内管１４９を貫通してアンモニア噴霧口１４８ａが排ガス流路を構成する火炉出口配管１０６内に臨んである。この噴霧口１４８ａにの冷却水内管１４９を貫通する部分は溶接接続されている。
【００１５】また、何層ものセラミックスファイバ１５１を外管１５２の内側に張り付けた構成から成る火炉出口配管１０６の構造上、太いアンモニア注入ノズル１４７を挿入することは難しい作業となる。摩耗等の問題があり、好ましくない。高温高圧下でのアンモニア注入ノズル１４７を高温、高圧下の排ガス中に挿入することは難しい作業になる。さらに、アンモニア注入ノズル１４７は排ガス中の高濃度のダストにさらされるため摩耗度が高く、アンモニア注入ノズル１４７を抜き出してメンテナンスする必要がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】従来技術の圧力容器１０３の強制冷却が機能するために火炉１０５と圧力容器１０３との間の空間を極力狭くして空気流速を上げなければならない。ところが、前記したように火炉１０５には蒸気配管や足場が付属するため、火炉１０５と圧力容器１０３との間の空間には、どうしても流路抵抗に差が生じ、流れにくい領域が発生する問題点があった。また、温度上昇した空気は密度が小さくなるので浮力によって、上部に溜まり局所的な高温場を形成し、圧力容器１０３の温度を上げることも大きな問題点であった。そこで、本発明の第１の課題は火炉壁と圧力容器との間の空間を効果的に冷却することである。
【００１７】また、上記した従来の加圧流動層火炉構造では図１３に示すように炉壁をテーパ構造とするために、炉壁の曲げ加工を必要とし、曲がっている炉壁をサポートするバックステー１３０などの火炉支持構造に加えて、火炉の保温材１３１およびケーシング構造１３２が設けられた複雑な構造になる問題点があるにもかかわらず、加圧流動層火炉構造でテーパ構造以外の方法での層内伝熱管群ベンド部と火炉壁間の局所摩耗を防止することについては配慮されていなかった。
【００１８】そこで、本発明の第２の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、加圧流動層火炉構造の炉壁をテーパ構造にすることなく、層内伝熱管の壁貫通部および層内伝熱管ベンド部の局所摩耗を防ぎ、炉およびサポート構造を容易にすることである。
【００１９】また、図１４に示す従来技術のアンモニア注入ノズル１４７はアンモニアの冷却には適していたが、３重管構造のためアンモニア注入ノズル１４７の径が大きくなる。そのため、セラミックスファイバ１５１を設けた火炉出口配管１０６に注入するには好ましくなかった。さらに、アンモニア注入ノズル１４７を製作する際に３重管内の２管目を溶接することが困難なため、冷却水内管１４９内を流れる導入される冷却水と排出する冷却水の流路間の気密性にも問題があった。また、アンモニア注入ノズル１４７が３重管である場合には、重量が大きくなり、火炉出口配管１０６に設置されるアンモニア注入ノズル１４７のメンテナンス性にも問題があった。
【００２０】そこで、本発明の第３の課題は、アンモニア注入ノズル１４７の冷却のための構造を簡略化することで、その重量を低減し、メンテナンス性を向上すると共に、冷却水流路の気密性を向上させることである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明の上記第１の課題は、高圧の火炉を内包する圧力容器であって、火炉からの伝熱を遮断するために火炉と圧力容器との間に冷却用気体の流路を設け、該冷却用気体流路は、冷却用気体が圧力容器の内壁近傍を通過する際に、平均流速（冷却用気体の体積流量／圧力容器と火炉との間の流路面積）以上となる構成を備えた圧力容器により解決される。
【００２２】また、本発明の上記第１の課題は、高圧の火炉を内包する圧力容器であって、火炉からの伝熱を遮断するために火炉と圧力容器との間に冷却用気体の流路を設け、該冷却用気体流路は、火炉と圧力容器との間に設けた冷却用気体の流路に向けて開口した少なくとも一つの冷却用気体噴出手段を設け、圧力容器の内側に噴出した冷却用気体が火炉に直接衝突しないように、前記冷却用気体噴出手段の圧力容器の重心からずらして配置した圧力容器により解決される。
【００２３】上記本発明によれば、冷却気体流入口方向が圧力容器の重心に対して偏っているので、圧力容器と火炉との間に空気の循環流が発生し、少量の空気でも流速を速くすることができる。その結果、火炉に付属する蒸気配管や足場による流路抵抗で、浮力による高温空気の溜まりが発生することを防止できる。
【００２４】また、本発明の上記第２の課題は、流動層を有する火炉と該火炉内の流動媒体を流動させ、燃料の流動燃焼を行うための空気供給手段を有し、該流動層中に伝熱管群を配置して熱交換を行う加圧流動層ボイラにおいて、該火炉内に該流動燃焼用空気を偏りを持たせて供給することにより該流動層の下部コーナーの一部分の流動を停滞または固定させる停滞層または固定層領域を形成させる加圧流動層ボイラにより解決される。
【００２５】上記本発明で加圧流動層火炉構造の炉壁を、例えばストレート構造にすることにより、炉壁の加工、火炉をサポートするためのバックステーなどの火炉支持構造および火炉の保温剤、ケーシング構造の加工が容易になる。さらに、火炉を安定な構造にするため、火炉支持構造物の材料を低減でき、加工および材料などのコストを低減する。さらに、火炉底部に設けられる燃焼用空気噴出ノズルの設置場所を、例えば安息角が１５度になるように設置することにより空気ノズルから流動層内に吹き込まれた空気流れＡ（図８参照）が壁近傍の伝熱管ベンド部まで達することが無く、炉の隅に流動層の流動停滞層あるいは固定層を形成することになる。
【００２６】このため、流動層の流動停滞層または固定層に埋没する伝熱管ベンド部（図８のベンド部５ａ）には火炉壁との間にクリアランスがあるにも関わらず、気泡が上昇することがないので層内伝熱管の火炉壁貫通部（図８の貫通部５ｂ）の摩耗を防止できる。
【００２７】また、火炉構造の炉壁をストレート構造にすることで、伝熱管の加工は炉幅で折り返すだけの単純な形状となる上に、その層内伝熱管ベンド部は流動層の流動停滞層または固定層の中に埋まってしまうため、その層内伝熱管ベンド部の局所摩耗を防止することができる。これにより、火炉はその炉壁にテーパ構造を採用することなく、層内伝熱管の壁貫通部および層内伝熱管ベンド部の局所摩耗を防止することができる。
【００２８】また、本発明の上記第３の課題は、火炉出口の燃焼ガス出口流路に設けたアンモニア供給手段と当該アンモニア供給手段から燃焼ガス出口流路に向けてアンモニアを供給するアンモニア注入ノズルを備えたアンモニア注入装置において、筒状のアンモニア供給手段からなり、該アンモニア供給手段の管軸方向に該アンモニア供給手段内の流路を二分する冷却水仕切板を取り付け、該冷却水仕切板に前記燃焼ガス出口流路に向けて開口した複数の孔を設けて前記アンモニア注入ノズルとすることにより解決される。
【００２９】アンモニア注入装置を従来技術の３重管から本発明の２重管にすることでアンモニア注入ノズル径が従来技術に比べ約８０％となり、火炉燃焼ガス出口の高温高圧配管へのアンモニアの注入が容易になると共に、アンモニア注入ノズルの圧損が低減できるため、加圧流動層複合発電プラントのプラント効率が向上する。また、従来技術と同様にアンモニアノズル底板が設置されており、高温ガス配管からの抜き差しができ、更に従来技術に比べアンモニア注入ノズル重量が５０％低減できるので、メンテナンスする際のアンモニア注入ノズルの抜き差しが容易になる。
【００３０】一方、アンモニア注入ノズルの製作方法は、例えば図９に示すようにアンモニア配管２１に冷却水仕切板２５を溶接し、その後、冷却水仕切板２５にアンモニア注入ノズル外管２２の縦割り管を冷却水仕切板２５に溶接し、冷却水仕切板２５にアンモニア配管２１を貫通するように複数のキリ穴２５ａをあけることで製作可能となる。
【００３１】また、図９に本発明の前記溶接部、図１４に従来技術の溶接部を示すが、３重管構造の場合、アンモニア注入ノズルの溶接を図１４に示す通り溶接する必要があり、製作が困難である上に、冷却水のシール性に問題があったが、２重管にすることで、図９の溶接部を溶接するのみで、製作が容易である上に冷却水のシール性にも問題ない構造になる。こうして、アンモニア注入ノズル１４７の製造工程を簡略化することができるのみならず、アンモニア注入ノズル１４７の重量が低減でき、メンテナンス性が向上すると共に、冷却水の気密性が向上する効果がある。
【００３２】さらに、図９に示す例にあるようにアンモニア注入ノズル１４７には底板２３があるので、火炉出口配管１０６からの抜き差しができ、更に従来技術に比べアンモニア注入ノズル１４７の重量が５０％低減できるので、メンテナンスする際のアンモニア注入ノズル１４７の抜き差しが容易になる。
【００３３】また、火炉出口配管１０６などの高温ガス配管への挿入が容易になるため、高温ガス配管の摩耗などのトラブルの頻度が低減でき、プラント全体の信頼性が向上する。
【００３４】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図１に本発明のＰＦＢＣ方式の加圧流動層ボイラの実施の形態を示す。図１に示す加圧流動層ボイラは図１０に示したＰＦＢＣシステムに適用され、圧力容器１内の配置される火炉２の下部には火炉２内を加圧状態に保ちながら、図示しないコンプレッサからの燃焼用空気（約３９０℃）を取り入れる燃焼用空気入口８があり、分散板１１に設けられた空気噴出口から一様に火炉２へ分散される。この時、燃料も燃料配管９から吹き込まれ、流動化して燃焼する。砂や灰などの流動媒体を含む流動層４内には石灰石が混入されており、石炭に含まれる硫黄分を取り除く。また、流動層４内には伝熱管５が配置されており、燃焼用空気入口８から火炉２の底部に入った燃焼用空気と燃料配管９から入った石炭燃料とが混合して燃焼し、発生熱を伝熱管５に伝え伝熱管内部の水が加熱されて蒸気を発生する。伝熱管５内で発生した蒸気はヘッダ６に集められ、図示しない蒸気タービンへ送られ発電機を回す。
【００３５】また、燃焼用空気入口８を通って圧力容器１内の流動層ボイラ火炉２に導入された燃焼用空気により流動層４内の石炭などの燃料が燃焼し、燃焼排ガスは燃焼ガス出口１０を通り、図示しないガスタービンに導入され、発電を行うと同時にコンプレッサの駆動力源となる。
【００３６】火炉２の燃焼温度は約９００℃であり、また燃焼ガス出口１０内部には断熱材が張ってあり、圧力容器１に火炉２からの熱が伝わらないようにしている。伝熱管５のヘッダ６は高温となり、この高温ヘッダ６及び排ガス出口１０からの伝熱量を前記断熱材を入れることによって低下させているが、それだけでは耐熱温度以下に維持できない。そこで、冷却空気として燃焼用空気を火炉２に入る前に火炉２周りを通過させ、冷却している。冷却空気はその入口３から圧力容器１に入り、火炉２の表面を流れた後で冷却空気出口７に至り、一旦、圧力容器１から出る。その後、炉底から火炉２に再流入し、燃焼用空気となる。圧力容器１は、例えば高さ２２ｍ、幅１０ｍ、奥行き１４ｍであり、火炉２の出力は１２５ＭＷ相当である。
【００３７】ここで、各部の温度は以下の通りである。
部位温度℃火炉４００冷却空気（入口）３９０冷却空気（出口）３９１流動層９００ヘッダ４３０燃焼排ガス９００【００３８】そして、冷却空気の平均温度上昇は僅か１℃であるが、圧力容器１内にはヘッダ６のように温度の高い部位もあるため、局部的には圧力容器１の耐熱温度４００℃を超える可能性がある。局部的な温度上昇が発生すると圧力容器１に局所的な熱応力が発生し、寿命が低下する。従って、このような温度上昇はできるたけ避けねばならない。
【００３９】図１に示す装置では、冷却空気入口３が圧力容器１の左側壁よりに寄せて設定してある。この効果を確認するために汎用熱流体解析プログラムを用いて解析した。
【００４０】解析結果を図６、図７に示す。図６は従来技術（図６（ａ））の構造と本発明（図６（ｂ））の構造との差を図１などに示す圧力容器１と火炉２との間を流れる冷却空気の速度ベクトルを表示したものである。図６（ａ）に示す従来技術において冷却空気は火炉２周りを一様に流れるので、平均１ｍ／ｓ以下と速度ベクトルが小さい。これに対し、図６（ｂ）に示す本発明では内部に強い循環流が発生しており、同量の空気流量であるのにも係わらず速度ベクトルが格段に上昇している。
【００４１】図７は冷却空気の温度を表示したものである。従来技術（図７（ａ））では圧力容器１上部の燃焼排ガス出口１０の接合部に４００℃近い領域が発生している。これに対し、本発明（図７（ｂ））では温度が４００℃近くになる領域がほとんど認められなく全体に均一温度である。
【００４２】図５は冷却空気入口３の偏心量と温度偏差（＝冷却空気の最高温度－入口温度）の関係を前述の解析から求めたものである。縦軸は一様に冷却空気を投入する従来例を基準にして表示した。本発明では冷却空気入口３の偏心量が小さい場合には、冷却空気は火炉２の底部に衝突し、ほとんど均一に上昇するので、本発明の効果は冷却空気入口３が火炉２からはずれる条件から急激に温度偏差が低下している。
【００４３】図２はＰＦＢＣの圧力容器１の冷却空気入口３を水平方向にした本発明の他の実施の形態を示したものである。前記入口３の冷却空気噴出口の先に燃焼用空気入口配管８があるので、冷却空気が衝突し、循環流の発生効率は悪いが、図面の奥行き方向で調整すれば衝突は避けられ図１に示す場合と同等な効果が得られる。
【００４４】図３に示す例は圧力容器１の冷却空気入口３を複数箇所設けたもので、冷却空気噴流の方向が圧力容器１の水平面において右回りになるよう方向を合わせている。複数の冷却空気入口３の各噴出流が、火炉２の中心部を中心とする回転モーメント（＝半径×噴出モーメント）ができるだけ大きくなるように冷却空気の流速を調整すると効率がよい。
【００４５】また、本例では圧力容器１の内部の所々にガイドベーン１５を設置し、空気が停滞せずに、平均空塔速度（冷却空気の体積流量／圧力容器１と火炉２との間にできる流路断面積）より速くなるようにしてある。
【００４６】図４に示す例は圧力容器１の冷却空気入口３を燃焼用空気入口８の周りに等分割に複数箇所設け、圧力容器１の冷却空気出口７を燃焼用空気出口８の周りに複数箇所等分割して設け、さらに、圧力容器１の内部の所々にガイドベーン１５を設置し、このガイドベーン１５により空気が停滞せずに、平均空塔速度（冷却空気の体積流量／圧力容器１と火炉２との間にできる流路断面積）より速くなるようにして冷却空気噴流の方向が圧力容器１の水平面において右回りまたは左回りになるよう調整する。この場合にも、複数の冷却空気入口３の各噴出流が、火炉２の中心部を中心とする回転モーメント（＝半径×噴出モーメント）ができるだけ大きくなるように冷却空気の流速を調整すると効率がよい。
【００４７】上記図３、図４に示すガイドベーン１５の設置方法はいろいろあるが、極端な場合には圧力容器１の内部に螺旋階段状のベーンを設けることも可能である。
【００４８】従来技術に比べて、本発明の冷却空気入口３の設置位置を変えるだけなので、新規な部品を追加することなく達成できる。図１に示す実施の形態と図１１に示す従来技術例とで圧力容器１の寿命を試算比較したところ、図１に示すものは２０年以上寿命が向上していた。
【００４９】本発明の他の実施の形態を図８に示す。加圧流動層ボイラの火炉２の構造の炉壁を鉛直方向に垂直な壁面を有するストレート構造にし、最上段の層内伝熱管５のベント部５ａの最上部と分散板１１の一番端部側の空気ノズル１１ａとを結ぶ平面が炉壁のストレート構造部と交差する角度である安息角Ｘが１５度以上となるような箇所から分散板１１の中心部寄りに空気ノズル１１ａ群を設置する。そこで、空気ノズル１１ａから流動層４内に空気を吹き込むと流動層４内の流動媒体が流動化するが、空気ノズル１１ａのない位置に流動層４の流動停滞または固定層４ａとして流動化しない部分が生まれる。
【００５０】これにより、層内伝熱管５の層内ベンド部５ａおよび壁貫通部５ｂは流動層４の前記流動停滞または固定層４ａに埋没することになり、この流動停滞または固定層４ａでは気泡と流動媒体が火炉壁との隙間を吹き上げることはない。なお、図１３に示すと同様に図８に示す火炉２には火炉２をサポートするバックステー１６などの火炉支持構造に加えて、火炉２のケーシング１７および保温材１８が設けられている。
【００５１】本例による層内伝熱管５のベンド部５ａおよび壁貫通部５ｂの摩耗防止は次のようにして行う。前述のように空気ノズル１１ａより空気を吹き込むと、流動層４に流動停滞または固定層４ａが形成され、火炉２内の流動層４充填部分で火炉２が、あたかもテーパ構造であるかのようになり、流動媒体粒子の下降流Ａを形成する。
【００５２】こうして、層内伝熱管５の壁貫通部５ｂの摩耗を防ぎ、さらに形成された前記流動停滞または固定層４ａの中に層内伝熱管ベンド部５ａが埋没するので、該ベンド部５ａの局所摩耗を防ぐことができる。加えて火炉壁面をストレート構造にすることで構造が単純化され、加工などが容易になり、加工および材料などのコストが低減される。
【００５３】図９（図９（ａ）は断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ－Ａ線断面図）には、図１０に示す加圧流動層ボイラシステムに適用される火炉出口配管１０６に希釈アンモニアを導入するアンモニア注入ノズル１４７に適用される本発明の実施の形態の詳細図を示す。
【００５４】アンモニア注入ノズル１４７はアンモニアまたはアンモニア水（ＮＨ_４ＯＨ）を導入するアンモニア配管２１、火炉出口配管１０６にアンモニアを噴霧するアンモニア注入ノズル外管２２、アンモニア注入ノズル１４７先端部を塞ぐ底板２３および流入冷却水流路２４ａと流出冷却水流路２４ｂの流路を区別する冷却水仕切板２５、そして冷却水仕切板２５にキリ穴で開けられた複数のアンモニア噴霧開口部２５ａで構成される。また、火炉出口配管１０６は何層ものセラミックスファイバ２７を外管２８の内側に張り付けた構成からなる。
【００５５】アンモニアは、アンモニア配管２１とアンモニア注入ノズル外管２２の間の空間中の冷却水仕切入板２５によって構成される流入冷却水流路２４ａと流出冷却水流路２４ｂの流路内をそれぞれ流れる流入冷却水及び流出冷却水によって冷却されながらアンモニア配管２１内に導入される。
【００５６】また、アンモニア配管２１に導入されたアンモニアは冷却水仕切板２５内に複数箇所設けられたアンモニア噴霧開口部２５ａを通って、ＮＯｘを含む火炉出口排ガスが流れている火炉出口配管１０６内に噴霧され、ＮＯｘと反応してＮＯｘを窒素に還元する。
【００５７】アンモニア注入ノズル１４７は、アンモニア配管２１に冷却水仕切板２５を溶接することで作製する。さらに、冷却水仕切板２５にアンモニア注入ノズル外管２２である縦割り管を冷却水仕切板２５に溶接し、冷却水仕切板２５にアンモニア配管２１とアンモニア注入ノズル外管２２を貫通するようにキリ穴をあけて複数のアンモニア噴霧開口部２５ａを設ける。こうして、図９に示す溶接部を溶接するのみで、冷却水の気密性が保持可能となった。
【００５８】さらに、アンモニア注入ノズル１４７製作過程が１）アンモニア配管２１とノズル外管２２に冷却水仕切板２５を溶接する、２）アンモニア注入ノズル１４７を縦割りにしたものを冷却水仕切板２５に溶接する、３）冷却水仕切板２５にアンモニア噴霧開口部２５ａをあける工程からなり、アンモニア注入ノズル１４７の製作を容易にするという利点を有している。
【００５９】さらに、アンモニア注入ノズル１４７として図１４に示す従来技術の３重管を本発明では２重管にし、管径を小さくすることによって、何層ものセラミックスファイバ２７によって構成される高温高圧ガス配管（図１０で示す火炉出口配管１０６）へのアンモニア注入ノズル１４７の挿入が容易となる。
【００６０】こうして本発明によれば、アンモニア注入ノズル１４７の製造工程を簡略化することができるのみならず、アンモニア注入ノズル１４７の重量が低減でき、メンテナンス性が向上すると共に、冷却水の気密性が向上する効果がある。
【００６１】さらに、アンモニア注入ノズル１４７には底板２３があるので、火炉出口配管１０６からの抜き差しができ、更に従来技術に比べアンモニア注入ノズル１４７の重量が５０％低減できるので、メンテナンスする際のアンモニア注入ノズル１４７の抜き差しが容易になる。また、火炉出口配管１０６などの高温ガス配管への挿入が容易になるため、高温ガス配管の摩耗などのトラブルの頻度が低減でき、プラント全体の信頼性が向上する。
【００６２】
【発明の効果】本発明は加圧流動層燃焼ボイラの火炉壁と圧力容器との間の空間を効果的に冷却するように冷却空気の流入口が圧力容器の重心に対して偏っているので、圧力容器と火炉との間に空気の循環流が発生し、少量の空気でも流速を速くすることができる。その結果、火炉に付属する蒸気配管や足場による流路抵抗で、浮力による高温空気の溜まりが発生することを防止できる。
【００６３】また、本発明によれば、加圧流動層ボイラの火炉壁をテーパ構造など複雑な構造とすることなく、層内伝熱管の壁貫通部および層内伝熱管ベンド部の摩耗を防止することを可能にすると同時に、コストを低減することを可能にする。
【００６４】さらに、本発明のアンモニア注入装置によれば、製造工程が従来技術に比べ比較的簡略化できるのみならず、アンモニア注入ノズルの重量が低減でき、メンテナンス性が向上すると共に、冷却水の気密性が向上する効果がある。さらに、高温ガス配管へのアンモニア注入ノズルの挿入が容易になるため、高温ガス配管の摩耗などのトラブルの頻度が低減でき、プラント全体の信頼性が向上する。

【出願人】	【識別番号】０００００５４４１【氏名又は名称】バブコック日立株式会社
【出願日】	平成１１年３月１１日（１９９９．３．１１）
【代理人】	【識別番号】１０００９６５４１【弁理士】【氏名又は名称】松永孝義
【公開番号】	特開２０００－２５７８０８（Ｐ２０００－２５７８０８Ａ）
【公開日】	平成１２年９月２２日（２０００．９．２２）
【出願番号】	特願平１１－６５４５１