| 【発明の名称】 |
循環型流動層ボイラ |
| 【発明者】 |
【氏名】明用 和幸
【氏名】田頭 健二
【氏名】鳥居 功
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| 【要約】 |
【課題】設置面積の増加を伴うことなくサイクロンの性能を向上させ、循環型流動層ボイラをより一層高効率化することを目的としている。
【解決手段】循環型流動層ボイラ１は、流動材が循環する燃焼室内に燃料を供給して燃焼させる外部循環型流動床炉１０と、該外部循環型流動床炉１０に接続され主として流動材の固体から燃焼ガスの気体を分離させるサイクロン２０とを具備している。この循環型流動層ボイラ１において、主として流動材及び燃焼ガスよりなる固気２相流を外部循環型流動床炉１０からサイクロン２０へ導くサイクロン導入路３０の少なくとも一部を、外部循環型流動床炉１０の側壁１３に沿わせて設けた。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 流動材が循環する燃焼室内に燃料を供給して燃焼させる外部循環型流動床炉と、該外部循環型流動床炉に接続され主として流動材の固体から燃焼ガスの気体を分離させるサイクロンとを具備してなる循環型流動層ボイラにおいて、主として前記流動材及び燃焼ガスよりなる固気２相流を前記外部循環型流動床炉から前記サイクロンへ導くサイクロン導入路の少なくとも一部を、前記外部循環型流動床炉の外壁面に沿わせて設けたことを特徴とする循環型流動層ボイラ。
【請求項２】 前記外壁面が側壁であることを特徴とする請求項１記載の循環型流動層ボイラ。
【請求項３】 前記サイクロンを左右一対設け、前記サイクロン導入路を前記側壁の中央に配置した出口開口に接続すると共に前記側壁に沿って左右に振り分けて設けたことを特徴とする請求項２記載の循環型流動層ボイラ。
【請求項４】 前記サイクロンを左右一対設け、前記サイクロン導入路を互いに対向する側壁にそれぞれ配置した出口開口に接続すると共に、それぞれの側壁に沿って左右逆向きに設けたことを特徴とする請求項２記載の循環型流動層ボイラ。
【請求項５】 前記サイクロン導入路が前記側壁のほぼ全長にわたって設けられたことを特徴とする請求項４記載の循環型流動層ボイラ。
【請求項６】 前記サイクロン導入路の前記出口開口に対向する壁面に膨出部を設けたことを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の循環型流動層ボイラ。
【請求項７】 前記外壁面が上壁であることを特徴とする請求項１記載の循環型流動層ボイラ。
【請求項８】 前記サイクロンを左右一対設け、前記サイクロン導入路を前記上壁の中央に配置した出口開口に接続すると共に、前記上壁に沿って左右に振り分けて設けたことを特徴とする請求項７記載の循環型流動層ボイラ。
【請求項９】 前記サイクロンを左右一対設け、前記サイクロン導入路を前記上壁の左右側壁近傍にそれぞれ配置した出口開口に接続して、それぞれのサイクロン導入路が上壁に沿って横断するように設けられたことを特徴とする請求項７記載の循環型流動層ボイラ。
【請求項１０】 前記出口開口が対角位置にあることを特徴とする請求項９記載の循環型流動層ボイラ。
【請求項１１】 前記サイクロン導入路の前記出口開口に対向する壁面に膨出部を設けたことを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の循環型流動層ボイラ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固気２相を分離させるサイクロンを備えた循環型流動層ボイラに係り、特に、サイクロンの効率を向上させることで循環型流動層ボイラの効率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】砂などを流動材として用いて炉内を循環させ、炉内温度を一定に保つことで優れた燃焼効率及び脱硫効率が得られる循環型流動層ボイラにおいては、固体の流動材と気体の燃焼ガスとを分離させるサイクロンが必要となる。図９は循環型流動層ボイラを用いた発電システムの構成図であり、図中の符１は循環型流動層ボイラ、２は燃料バンカ、３は添加剤バンカ、４は流動層型熱交換器、５は対流伝熱部５ａ、給水加熱部５ｂ、及び空気予熱器５ｃよりなる熱交換器、６は集塵装置、７は蒸気タービン、８は発電機、９は煙突、１０は外部循環型流動床炉（以下流動床炉）、２０はサイクロンである。
【０００３】この発電システムでは、流動床炉１０内で燃料を燃焼させて発生した燃焼ガスを流動材と共に固気２相の状態でサイクロン２０へ導く。サイクロン２０では、流動材の砂が主成分である固体と、気体の燃焼ガスとに分離される。この燃焼ガスはサイクロン２０の上部から熱交換器５に導かれ、対流伝熱部５ａ及び空気予熱器５ｃを通過する際に蒸気及び空気を加熱する。この燃焼ガスは、集塵装置６へ送られてフライアッシュが除去された後、煙突９より大気に放出される。一方、流動層型熱交換器４内には対流伝熱部５ａで加熱された蒸気が供給される。この蒸気は、流動層型熱交換器４により再加熱され、高温の蒸気となって蒸気タービン７へ送られて発電機８を駆動して発電する。
【０００４】上述した流動床炉１０は矩形断面の縦長柱状容器であり、その内部である燃焼室１１内には、底部付近に燃料バンカ２及び添加剤バンカ３から燃料及び添加剤が供給される。さらに、流動床炉１０の底面から１次空気が供給され、側面からは２次空気が供給される。この結果、流動床炉１０内に充填された流動材、底部付近に供給される燃料及び添加剤は、１次空気と共にたとえば５〜７ｍ／ｓｅｃ程度の適当な流速で燃焼室１０内を上昇する。この時、たとえば８５０℃程度の高温に保たれる流動材と共に上昇する燃料は、２次空気の供給を得て燃焼し燃焼ガスとなる。また、燃焼ガスが燃焼室１１内を上昇する過程では石灰や石灰石等の添加剤とも反応し、燃焼ガスに含まれている硫黄分を除去するいわゆる脱硫が行われる。なお、流動材として使用される砂の平均粒径は、通常０．２〜０．３mm程度である。
【０００５】こうして燃焼室１１内で燃焼した燃焼ガスの気体は、主成分が流動材の固体と共に固気２相流となり、燃焼室１１の上部に設けられた出口開口１２からサイクロン２０へ送られる。出口開口１２とサイクロン２０の入口開口２１との間は、サイクロン導入路３０によって接続されている。そして、サイクロン２０内においては、気体である燃焼ガスと固体である流動材とが分離し、燃焼ガスは上部の出口開口２２から熱交換器５へ導かれ、流動材は底部に落下して流動材出口２３から再度直接燃焼室１１内へ導かれるラインと、流動層型熱交換器４にて熱交換後炉内に戻されるラインに分かれて粒子が循環している。このように構成された流動層ボイラ１では、高温の流動材が系内を循環するので炉内温度が全域にわたってほぼ一定に保たれる。このため、優れた燃焼効率が得られ、また、燃焼ガスの脱硫を燃焼室１１内で同時に行うことができるという利点を有している。
【０００６】また、上述した従来の循環型流動層ボイラ１では、図１０及び図１１に示す構成例のように、流動床炉１０に隣接してサイクロン２０が設置されている。すなわち、流動床炉１０の側壁に出口開口１２を設けて、サイクロン２０の入口開口２１との間を最短距離で直線的に接続するようサイクロン導入路３０が配設されている。これは、循環型流動層ボイラ１全体の大きさをコンパクトにするという思想に基づくものであり、サイクロン２０において十分な回収率が得られる上、敷地面積や建設コストを低減できるという利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、サイクロン２０を備えた従来の循環型流動層ボイラ１においては、プラント全体をできるだけコンパクトにすることで、設置面積や建設コストを低減することに重点がおかれてきた。しかしながら、近年は省エネルギの推進や低公害化を促進することがより一層重要な課題となってきている。このような背景から、循環型流動層ボイラ１においてもより一層の高効率化が望まれており、特に、サイクロン２０の性能を向上させることにより、固体の未燃焼燃料を効率よく回収して燃焼効率を向上させ、また、固体の未反応カルシウムを効率よく回収して脱硫性能を向上させることが強く望まれる。
【０００８】石炭やコークスなどの固体燃料を使用した場合、粒子径がある程度大きい未燃焼固体燃料はサイクロン２０で流動材と共に回収されて再度燃焼室１０内に供給されるのに対して、粒子径の小さい固体燃料はサイクロン２０での回収率が極めて低い。このため、サイクロン２０の性能が向上して小さな粒子径の固体燃料でも回収できるようになると、その分燃焼効率を向上させることができる。また、未反応添加剤についても同様のことがいえ、粒子径が大きいものについては流動材や固体燃料と共にサイクロン２０において回収可能であるが、粒子径の小さいものについては回収率が極めて低い。このため、サイクロン２０の性能が向上して小さな粒子径の未反応添加剤でも回収できるようになると、その分脱硫効率を向上させることができるのである。すなわち、従来構造の循環型流動層ボイラにおいては、サイクロン２０の回収率自体は１００パーセントに近い極めて高いものであるが、燃焼ガスと共に流出する未回収固体には粒子径の小さい未燃焼固体燃料や未反応添加剤が高い割合で含まれている。従って、これを効率よく回収できれば、燃焼効率や脱硫効率がより一層向上することが見込まれるのである。
【０００９】一般に、サイクロン２０の性能を向上させる有効な手段として、直径をＤとしたサイクロン２０の入口助走区間（整流区間）Ｌ、すなわちサイクロン導入路３０の入口長さ（直線部分）を長くし、Ｌ／Ｄを大きな値に設定することが知られている。しかし、上述した従来構造のままで単に入口助走区間Ｌを長くすると、サイクロン２０の位置が流動床炉１０から離れてしまうため、循環型流動層ボイラ１全体としての設置面積が大きくなり、コスト面で極めて不利になるという問題が生じる。また、サイクロン２０が流動床炉１０から離れると、その支持構造が複雑になったり支持部材の強度を増す必要が生じるなどして、コストアップの要因になる。
【００１０】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、設置面積の増加を伴うことなくサイクロンの性能を向上させ、循環型流動層ボイラをより一層高効率化することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。請求項１に記載の循環型流動層ボイラは、流動材が循環する燃焼室内に燃料を供給して燃焼させる外部循環型流動床炉と、該外部循環型流動床炉に接続され主として流動材の固体から燃焼ガスの気体を分離させるサイクロンとを具備してなる循環型流動層ボイラにおいて、主として前記流動材及び燃焼ガスよりなる固気２相流を前記外部循環型流動床炉から前記サイクロンへ導くサイクロン導入路の少なくとも一部を、前記外部循環型流動床炉の外壁面に沿わせて設けたことを特徴とするものである。
【００１２】このような循環型流動層ボイラによれば、サイクロン導入路の少なくとも一部を外壁面に沿って設けることで、全体の設置面積をほとんど増すことなく入口助走区間Ｌを長くして、サイクロンの性能を向上させることが可能になる。このため、従来はほとんど回収できなかった粒子径の小さい固体についても、その回収率を向上させることができるようになる。
【００１３】上述した循環型流動層ボイラにおいては、前記外壁面が側壁であることが好ましい。そして、前記サイクロンを左右一対設け、前記サイクロン導入路を前記側壁の中央に配置した出口開口に接続すると共に前記側壁に沿って左右に振り分けて設けるとよい。あるいは、前記サイクロンを左右一対設け、前記サイクロン導入路を互いに対向する側壁にそれぞれ配置した出口開口に接続すると共に、それぞれの側壁に沿って左右逆向きに設けるとよく、この場合、前記サイクロン導入路が前記側壁のほぼ全長にわたって設けるのが好ましい。また、上記循環型流動層ボイラにおいては、前記サイクロン導入路の前記出口開口に対向する壁面に膨出部を設けることにより、滑らかな流路を形成するとよい。
【００１４】上述した循環型流動層ボイラにおいては、前記外壁面が上壁であることが好ましい。そして、前記サイクロンを左右一対設け、前記サイクロン導入路を前記上壁の中央に配置した出口開口に接続すると共に、前記上壁に沿って左右に振り分けて設けるとよい。あるいは、前記サイクロンを左右一対設け、前記サイクロン導入路を前記上壁の左右側壁近傍にそれぞれ配置した出口開口に接続して、それぞれのサイクロン導入路が上壁に沿って横断するように設けるとよく、この場合、前記出口開口が対角位置にあることが好ましい。また、上記循環型流動層ボイラにおいては、前記サイクロン導入路の前記出口開口に対向する壁面に膨出部を設けることにより、滑らかな流路を形成するとよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る循環型流動層ボイラの一実施形態を、図面に基づいて説明する。図１に示す循環型流動層ボイラの第１の実施形態において、（ａ）は要部を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。この循環型流動層ボイラ１は、外部循環型流動床炉（以下流動床炉）１０とサイクロン２０とを具備して構成される。このうち、流動床炉１０は、砂などの流動材が循環する燃焼室１１内に燃料及び空気を供給して燃焼させる炉であり、長辺ａ及び短辺ｂよりなる矩形断面を有する縦長の柱状容器となっている。流動床炉１０の側壁１３には、主として流動材及び燃焼ガスよりなる固気２相流をサイクロン２０へ送出する出口開口１４が設けられている。この出口開口１４は側壁１３の上部中央に配設されるが、好ましくは矩形断面の長辺ａ側となる側壁を利用して設ければよい。なお、出口開口１４の開口面積については、固気２相流が適当な流速となるよう考慮して決められる。
【００１６】出口開口１４の外側には、固気２相流を流動床炉１０からサイクロン２０へ導くための流路としてサイクロン導入路３０が側壁１３に沿って設けられている。このサイクロン導入路３０は、出口開口１４から左右に振り分けられ、流動床炉１０の左右に隣接して一対設けられたサイクロン２０の入口開口２１にそれぞれ直線的に接続されている。従って、サイクロン２０の位置は、流動床炉１０の外壁に沿って設けられた直線状のサイクロン導入路３０が入口開口２１にスムーズに接続されるようにすればよい。また、流動床炉１０の短辺ｂ側の側壁との間には、間隙Ｓが設けられている。この間隙Ｓは、サイクロン２０の回収効率を上げるためには大きくするのが好ましいのであるが、同時に循環型流動層ボイラのコンパクト化や低コスト化を妨げることにもなるため、状況に応じた最適値を適宜決定すればよい。
【００１７】この結果、流動床炉１０の出口開口１４とサイクロン２０の入口開口２１との間は、その一部が側壁１３に沿う直線状のサイクロン導入路３０によって接続され、長さＬ１の入口助走区間が形成される。なお、サイクロン導入路３０は直線とするのが最適ではあるが、曲率の小さな緩やかな曲線としてもよい。
【００１８】このような構成とすれば、流動床炉１０とサイクロン２０との間に大きな間隙Ｓを設けなくても従来より長い助走区間Ｌ１を形成することができる。具体的には、間隙Ｓを図４の助走区間Ｌと同じ（Ｓ＝Ｌ）にした場合、サイクロン導入路３０の断面積分だけ流動床炉１０の外側に膨出するものの、サイクロン２０の位置を幅拡大方向に変更しなくてすむため、循環型流動層ボイラの設置面積はほとんど同じにすることができる。また、サイクロン導入路３０の少なくとも一部が側壁１３に沿うものであるから、その支持等を簡単な構造で容易に行うことができ、コスト面でも有利になる。なお、サイクロン２０を４基設置する場合には、出口開口１４を両方の長辺ａに開口し同様のサイクロン導入路３０を側壁に沿って設ければよい。
【００１９】図２に示した循環型流動層ボイラは、第１の実施形態として図１に示したものの変形例である。この変形例では、サイクロン導入路３０の出口開口１４と対向する壁面に膨出部３１を設けてある。この膨出部３１により、流動床炉３０から流出する固気２相流は９０度の急激な方向転換をしなくてすむ。このため、スムーズな方向転換が可能になり、流れの乱れが低減されることで助走区間における整流を容易にする。なお、図示の膨出部３１は直線を組み合わせた断面形状となっているが、曲線の壁面により膨出部３１を形成してもよい。
【００２０】図３は循環型流動層ボイラの第２の実施形態を示すもので、流動床炉１０の左右に一対のサイクロン２０を設け、側壁１３に沿ってサイクロン導入路３０を設ける点は同様である。しかし、この実施形態では、互いに対向する側壁１３にそれぞれ出口開口１４ａ，１４ｂが設けられ、これらの出口開口１４ａ，１４ｂとサイクロン２０の入口開口２１とを接続する２本のサイクロン導入路３０がそれぞれの側壁１３に沿って設けられている。この場合、それぞれの出口開口１４ａ，１４ｂをサイクロン導入路３０を介して実際に接続する側のサイクロン２０から遠い端部位置に配設し、サイクロン導入路３０を側壁１３の全長にわたって設けるようにすれば、より長い助走区間Ｌ２を得ることができる。なお、この場合のサイクロン導入路３０においても、図２に示すように、出口開口と対向する壁面に膨出部を設けて、固気２相流のスムーズな方向転換を可能にしてもよい。
【００２１】図４は循環型流動層ボイラの第３の実施形態を示すものである。この実施形態は、流動床炉１０の上壁１５に出口開口１４を設けてあり、左右一対あるサイクロン２０の入口開口２１との間を左右に振り分け上壁１５に沿わせたサイクロン導入路３０で接続した点が異なっている。この場合、出口開口１４は上壁１５における長辺ａの中央部に配置するのが好ましく、図１に示す第１の実施形態と同様に、延長された助走区間Ｌ１を得ることができる。また、サイクロン導入路３０を上壁１５に沿わせて設けることで、設置面積が増すのを防ぐことができ、しかも、側壁１３に沿わせたものより上壁１５の存在により支持構造が容易になる。なお、この場合のサイクロン導入路３０についても、図５に示す変形例のように出口開口と対向する壁面に膨出部３１を設けて、固気２相流のスムーズな方向転換を可能にしてもよい。
【００２２】図６は循環型流動層ボイラの第４の実施形態を示すもので、流動床炉１０の左右に一対のサイクロン２０を設け、上壁１５に沿ってサイクロン導入路３０を設ける点は同様である。しかし、この実施形態では、２本のサイクロン導入路３０を上壁１５に沿って設け、同上壁１５の左右側壁である短辺ｂの近傍にそれぞれ配置した出口開口１４ａ，１４ｂに一端を接続してある。サイクロン導入路３０の他端は上壁１５に沿って流動床炉１０を横断し、サイクロン２０の入口開口２１に接続される。この場合、好適には二つの出口開口１４ａ，１４ｂを上壁１５の対角位置にそれぞれ配置して、長辺ａを最大限有効に利用することでより長い助走区間Ｌ２を得るとよい。ここで、対角位置とは必ずしも上壁１５の長辺ａと短辺ｂとが交わる位置に限定されるものではない。なお、この場合のサイクロン導入路３０においても、図５に示すように、出口開口と対向する壁面に膨出部を設けて、固気２相流のスムーズな方向転換を可能にしてもよい。
【００２３】上述したような構成としてサイクロン導入路３０の助走区間Ｌを長くすると、図７に示すように、サイクロン効率を向上させることができる。ここで、Ｄはサイクロン２０の直径であり、助走区間Ｌを長くしてＬ／Ｄの値が大きくなると、サイクロン効率が向上することが分かる。また、図８に示す粒子径と部分回収効率との関係を見ると、Ｌ／Ｄの値が大きくなれば粒子径の小さいものでも効率よく回収できることが分かる。特に、粒子径が大きい場合にはＬ／Ｄ値に係わらず１００％またはそれに近い回収率を得られるが、粒子径が小さくなるとＬ／Ｄ値の大きいものほど回収率が高いことが示されている。これは、循環型流動層ボイラ１において、従来回収率の低かった未燃固体燃料粒子や未反応カルシウム粒子の回収率が高まることを意味している。換言すれば、集塵装置６で回収されてフライアッシュと共に廃棄される量が減少することを意味している。ここで、未燃固体燃料とは石炭やコークスなどを意味している。
【００２４】このように未燃固体燃料や未反応カルシウムの回収率が向上すると、回収された未燃固体燃料及び未反応カルシウムは流動床炉１０の燃焼室１１に再度供給されて燃焼または脱硫に寄与することができるため、循環型流動層ボイラとしての燃焼効率を向上させ、また、脱硫効率をも向上させることができる。なお、石油などの液体燃料を使用する循環型流動層ボイラの場合には、サイクロン２０の効率向上が燃焼効率の向上に寄与することはないものの、未反応カルシウムの回収率向上により脱硫効率を向上させることができる。また、未燃固体燃料や未反応カルシウムの回収率が高いと、燃焼ガスと共に熱交換器５を通過する際に伝熱管などに付着して汚れの原因となる可能性が低下するので、メンテナンス間隔を長くして運転できるという利点もある。
【００２５】なお、出口開口１４の位置については、上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば側壁１３や上壁１５の中央以外にも適宜設けることが可能であり、また、サイクロン導入路３０を長辺ａに沿って配置するだけではなく、最大長さは短くなるものの、短辺ｂに沿って配置してもよい。
【００２６】
【発明の効果】上述した本発明の循環型流動層ボイラによれば、設置面積をほとんどあるいは全く増すことなくサイクロンの助走区間を長くすることが可能になるので、サイクロン効率を向上させて粒子径の小さい未燃燃料や未反応カルシウムを高い割合で回収することができる。このため、循環型流動層ボイラの燃焼効率や脱硫効率を向上させることができ、省エネルギや低公害化の促進に大きな効果を奏する。また、設置面積を増すことな助走区間を長くし、しかも、サイクロン導入路を簡単な支持構造で支持することが可能になるので、コスト面でも有利になる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年４月２７日（２０００．４．２７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１２７３７
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴 （外３名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−３１１５０３（Ｐ２００１−３１１５０３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１１月９日（２００１．１１．９） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１２８３８０（Ｐ２０００−１２８３８０） |
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