JP2000257808A - 圧力容器、加圧流動層ボイラ及びアンモニア注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【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。

Description

【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１
０８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１０
ｍ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１０
３の耐熱温度は約４００℃である。従って、圧力容器１
０３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１
０５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１２
２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１
０６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１０
５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１
２３ａ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１
０５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１２
２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、１
４４からなるアンモニア注入装置から火炉出口配管１０
６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１５
１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１４
７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１４
７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１
０３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１
４７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２２
ｍ、幅１０ｍ、奥行き１４ｍであり、火炉２の出力は１
２５ＭＷ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４
００℃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１
１ａ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１
６などの火炉支持構造に加えて、火炉２のケーシング１
７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１４
７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２
４ａ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１
４７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。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラ
の側断面図である。

【図２】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラ
の側断面図である。

【図３】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラ
の側断面図である。

【図４】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラ
の側断面図である。

【図５】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラ
の火炉構造の効果を示した図である。

【図６】 本発明と従来技術の数値解析によって圧力容
器内部の空気の速度ベクトルを見た図である。

【図７】 本発明と従来技術の数値解析によって圧力容
器内部の空気の温度分布をみた図である。

【図８】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラ
の火炉構造の要部側断面図である。

【図９】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラ
システムのアンモニア注入ノズル構造図である。

【図１０】 従来技術の加圧流動層燃焼ボイラプラント
の概略図である。

【図１１】 従来技術の加圧流動層燃焼ボイラの側断面
図である。

【図１２】 従来技術の加圧流動層燃焼ボイラの側断面
図である。

【図１３】 従来技術の加圧流動層燃焼ボイラの火炉の
要部側断面図である。

【図１４】 従来技術の加圧流動層ボイラの火炉出口配
管に設けられるアンモニア注入ノズル構造図である。

【符号の説明】

１、１０３ 圧力容器 ２、１０５ 火炉 ３ 冷却空気入口 ４ 流動層 ４ａ 流動停滞または固定層 ５ 伝熱管 ５ａ 伝熱管ベント部 ５ｂ 伝熱管壁貫
通部 ６ ヘッダ ７ 冷却空気出口 ８ 燃焼用空気入口 ９ 燃料配管 １０ 燃焼ガス出口 １１ 分散板 １１ａ 空気ノズル １８ 保温材 １７ ケーシング １６ バックステ
ー ２１ アンモニア配管 ２５ 冷却水仕切
板 ２５ａ アンモニア噴霧開口部 ２２ アンモニア
注入ノズル外管 ２８ 火炉出口配管外管 ２７ セラミック
ファイバ １０１ コンプレッサ １０２ 火炉入口
配管 １０６ 火炉出口配管 １０７ ガスター
ビン １０８ ガスタービン出口ダクト １１１ 節炭器 １１２ 有触媒脱硝装置 １１３ 煙突入口
ダクト １１４ 煙突 １４１ アンモニア気化器 １４２ アンモニ
アコンプレッサ １４３、１４４ アンモニア希釈器 １４７ アンモニア注入ノズル

フロントページの続き (72)発明者 山下 由香 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 岩瀬 徹哉 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 河崎 照文 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 石田 孝行 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 牧野 秀則 広島県呉市宝町６番９号 バブ日立エンジ ニアリング株式会社内 Ｆターム(参考） 3K064 AA06 AB01 AC01 AE01 AE10 AF04 BA13 BA24

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。
7. 【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。
8. 【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。
9. 【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。
10. 【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。
11. 【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。
12. 【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。