JP2006125689A - 流動層ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】管内圧力損失増加やコスト高を招くことなく、流動層内に設置する層内伝熱管の変形を防止すると共に層内伝熱管群への塊状物詰り発生を抑制することができる流動層ボイラの層内伝熱管支持構造を提供する。
【解決手段】流動媒体を流動させて供給された燃料を燃焼させる流動層と、該流動層内に設置され、前記燃料の燃焼熱を回収する複数の層内伝熱管と、該複数の層内伝熱管をグループ毎に連結し、その荷重を支持する主サポート部材とを有する流動層ボイラにおいて、前記主サポート部材に支持された層内伝熱管の二以上を独立に保持する中間サポート部材を一以上設置したことを特徴とする流動層ボイラ。
【選択図】 図１

Description

本発明は流動層ボイラに係り、特に層内伝熱管として薄肉チューブを用いた場合でも層内伝熱管構造の信頼性を向上させることができる伝熱管支持構造を有する流動層ボイラに関する。

図７は、流動層ボイラの流動層の流動状態図を示す図である。図７において、流動層２は、石灰石を主成分とする流動媒体１に、空気３がその底部に設けた分散板４から均一に吹きこまれることにより形成され、吹き込まれた空気３の気泡５により流動媒体１を活発に運動させ、浮遊流動化させる。この流動層２に小粒径に粉砕された化石燃料や液体燃料等が投入されると、該燃料は流動状態で効率よく燃焼すると共に燃料中の硫黄分が流動媒体１の石灰石と反応して脱硫され、排ガス中の硫黄酸化物が除去される。流動層で発生した熱は、流動層内に設置された層内伝熱管６で吸収、回収される。

層内伝熱管６の配置方式としては、図８(a) に示すように層内伝熱管６を断面からみて四角形に配列したインライン方式と、図８(b) に示すように該四角形配置の間にさらに層内伝熱管６を千鳥状に配列したスタッガード方式とが知られている。インライン方式に比べてスタッガード方式は、層内伝熱管６を密に配置できるため、流動層で発生する気泡５の成長を抑制でき、層内伝熱管６の摩耗がインライン方式よりも少なく、また気泡５が蛇行しながら層内伝熱管６に接触するため、熱効率が高いなどのメリットを有し、商業用ボイラではスタッガード方式が採用されている。
これらの層内伝熱管の支持構造としては、図９(a) に示すように層内伝熱管６の自重支持や、必然的な流動層の流動による振動防止等を図る目的で、主サポート部材８が設置され、該主サポート部材８には、図９(b) に示すような各層内伝熱管６を束ねるためのハニカムプレート１０が用いられている。

しかし、このような層内伝熱管支持構造では、図１０に示すように層内伝熱管６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄなどの各層内伝熱管の管内流体温度や管メタル温度が全く同一になるとは限らず、管メタル温度がそれぞれ異なる場合には、一部の層内伝熱管が変形し、隣接管と接触したり、流動媒体の流れが変化して層内伝熱管の摩耗が加速する場合がある。このような問題は、層内伝熱管の肉厚アップ等による管剛性を改善することにより対応できるが、全体的な層内伝熱管の肉厚アップは管内圧力損失増加やコスト面などの問題を発生させる。
また主サポート部材８を構成するハニカムプレート１０は、図１１に示すように２枚のハニカムプレート１０を接合する合せ溶接１１や栓溶接１２により一体化製作するものであり、形状としては略対象形状とはなっても溶接部の熱影響や溶接形状により細部まで完全に対象形状とすることはできないため、溶接部の割れが生じるおそれがあった。

さらに、流動層で燃料の不完全燃焼が発生した場合や、層内構造物等の影響で流動状態の悪い部位がある場合には、未燃分が周辺の流動媒体の一部を溶融して塊が発生しやすくなる。この塊状物はアグロメと称され、直には壊れないため、度々層内伝熱管同士の間に詰ることがあり、この場合には、層内伝熱管群の隙間が塞がれ、局所流れが発生し、層内伝熱管の異常摩耗発生や、伝熱性能低下などの被害をもたらす。特にこのような被害は層内伝熱管の伝熱面積の調整等の目的でプロテクタが設置された場合に生じ易い。

流動層ボイラの層内伝熱管の支持構造に関する技術としては、特許文献１には、伝熱管などのサポート管を確実に支持して経済的にサポート管の振れを防止するために、平面部と湾曲部を有する一対の板材を火炉の炉壁部に支持させて複数個設け、各一対の板材の湾曲部により前記伝熱管を挟持させ、各一対の板材の平面部同士を溶接接合した伝熱管の振動防止構造が提案されている。また特許文献２には、層内伝熱管の摩耗を効果的に防止し、かつボイラ負荷が減少しても流動層の温度が低下しない層内伝熱管のカバー構造として、複数本づつ複数段に配置された層内伝熱管のうち、最上段の層内伝熱管にはその外表面の全部に、また前記最上段以外の段の前記流動層内伝熱管には前記流動層の内部を上昇するガスの流れの上流側に位置する外表面のみに、各々カバーを取り付けることが提案されている。
特開２０００−２６６３１１号公報 特公平７−１０９２８１号公報

本発明の課題は、上記従来の技術を改善し、管内圧力損失増加やコスト高を招くことなく、流動層内に設置する層内伝熱管の変形を防止すると共に層内伝熱管群への塊状物詰り発生を抑制することができる伝熱管支持構造を備えた流動層ボイラを提供することにある。

上記課題を達成するために本願で特許請求される発明は以下の通りである。
（１）流動媒体を流動させて供給された燃料を燃焼させる流動層と、該流動層内に設置され、前記燃料の燃焼熱を回収する複数の層内伝熱管と、該複数の層内伝熱管をグループ毎に連結し、その荷重を支持する主サポート部材とを有する流動層ボイラにおいて、前記主サポート部材に支持された層内伝熱管の二以上を独立に保持する中間サポート部材を一以上設置したことを特徴とする流動層ボイラ。
（２）前記主サポート部材および中間サポート部材は、前記層内伝熱管を保持するための貫通孔を備えた一体型の構造を有し、かつ該中間サポート部材に形成された貫通孔が、前記層内伝熱管の長さ方向への熱伸びによる変位を拘束しないような隙間を隔てて形成されていることを特徴とする（１）に記載の流動層ボイラ。
（３）前記層内伝熱管の外周にプロテクタがその長さ方向に断続的に設置され、かつ該プロテクタは隣接する層内伝熱管同士で流動層断面からみて互い違いになるように設置されていることを特徴とする（１）または（２）に記載の流動層ボイラ。

本発明によれば、層内伝熱管の肉厚等のサイズアップなしに温度アンバランスによる層内伝熱管の変形やアグロメ詰まりを防止できるため、管内圧力損失増加やコスト高を招くことなく、またサポート部材自体の損傷も回避できるため、層内伝熱管の信頼性を向上させることができる。さらに層内伝熱管のプロテクタ配置を断続設置とすることにより、層内伝熱管群へのアグロメ詰りを防止でき、所望の伝熱性能を得ることができる。

以下、本発明を図面により詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す流動層ボイラの層内伝熱管支持構造の説明図である。図２は本発明の一実施例を示す層内伝熱管の中間サポート部材の説明図であり、(a) は層内伝熱管を挿入した状態の中間サポート部材の説明図、(b) は該中間サポート部材の正面図である。また、図３は該中間サポート部材の使用状態説明図、図４は本発明の一実施例を示す主サポート部材の説明図、図５は流動層ボイラにおける該主サポート部材全体の説明図である。

図１において、４本の層内伝熱管６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは、１グループとなって複数の主サポート部材８、８Ａに支持されており、主サポート部材８と主サポート部材８Ａの間には、層内伝熱管６ａ、６ｂを独立に保持するための中間サポート部材７が設置されている。主サポート部材８、８Ａは、複数の層内伝熱管をグループ毎に連結してその荷重を支持する役割を有し、中間サポート部材７は、主サポート部材８に支持された二以上の層内伝熱管をさらに独立に保持し、温度アンバランスによって層内伝熱管が変形するのを防止する役割を有する。

また、上記主サポート部材８、８Ａおよび中間サポート部材７は、それぞれの層内伝熱管を支持または保持するための貫通孔を備えた一体型の構造を有する。これらの部材の貫通孔は、層内伝熱管の形状にほぼ合致するように一体成形されているため、図１１に示すような従来のハニカムプレートを溶接等で接合した接合部がなく、溶接部の熱影響や溶接形状により溶接部に割れ等が生じることがなくなる。従って、主サポート部材および中間サポート部材自体の信頼性を向上させることができる。

上記中間サポート部材７の貫通孔の径は、層内伝熱管の長さ方向の熱伸びによる変形を拘束しないように、図２に示すように層内伝熱管６ａ、６ｂの径よりもやや大きく形成される。例えば、中間サポート部材７の貫通孔内壁面と、挿入された層内伝熱管６ａ、６ｂとの間には、１ｍｍ程度の隙間９が形成される。これにより、層内伝熱管６ａ、６ｂと中間サポート部材７があたかも一体構造物のように構成されると同時に、２本の層内伝熱管６ａ、６ｂと中間サポート部材７の間に微小間隙が確保され、中間サポート部材７により層内伝熱管６ａ、６ｂの軸方向の熱伸びが拘束されることがなく、断面方向への変形のみが防止される構造となるため、支持構造のさらなる剛性アップが可能となり、信頼性が向上する。なお、上記微小間隙の大きさは層内伝熱管の変形の程度に応じて適宜選定するのが好ましい。また中間サポート部材７で保持する層内伝熱管の本数は２本に限られず、また主サポート部材間に設置される中間サポート部材の設置個数も２個以上設置してもよい。

さらに本発明において、層内伝熱管の伝熱面調整等のために層内伝熱管外壁にプロテクタを設置する際には、層内伝熱管群の隙間が塞がれるのを防止するため、図６に示すようにプロテクタ１５を伝熱管の外周にその長さ方向に断続的に設置し、かつプロテクタ１５が設置される層内伝熱管に隣接する層内伝熱管は裸管のままとし、プロテクタ１５の設置位置が隣接する層内伝熱管同士で流動層断面からみて互い違い千鳥状になるように設置することが好ましい。

アグロメ等の塊状物が層内伝熱管同士の間に詰る現象は、層内伝熱管が変形し、管群間隙間が極端に狭くなった場合や、図１２に示すように層内伝熱管の伝熱面積調整等の目的でプロテクタ１７を連続的に設置した場合に発生し、アグロメ１６がプロテクタ同士間の隙間に詰り、管群の隙間が塞がれ、局所流れが発生し、層内伝熱管の異常摩耗発生や、伝熱性能低下などを発生させる。これは、プロテクタ１７の設置により物理的に隙間が狭くなることのほか、プロテクタ１７のメタル温度が層内伝熱管よりも高くなることにより発生する。すなわち、アグロメ１６がプロテクタ１７に接触した際、特に隣接するプロテクタに挟まれるような状態では両プロテクタ１７に架橋するような状態でアグロメ１６が固着しやすい。
このような問題は、本発明のようにプロテクタ１５を層内伝熱管の外周にその長さ方向に断続的に設置し、その設置位置が隣接する層内伝熱管同士で前述のように互い違いになるようにすることにより、解消することができ、アグロメ詰まりに伴う異常摩擦や伝熱阻害などの不具合の発生を防止できため、層内伝熱管の信頼性をさらに向上させることができる。

本発明によれば、流動層ボイラの層内伝熱管の変形等が発生しても、主サポート部材の他に一体成形された中間サポート部材で変形を部分的に分散支持するので、支持構造の強化とともに、その安定性を高めることができる。また伝熱管にプロテクタを設置した場合は、管群へのアグロメ詰りに伴う異常摩耗や伝熱阻害などの不適合を防止できるため、流動層ボイラの信頼性が向上する。

本発明の一実施例を示す流動層ボイラの層内伝熱管支持構造の説明図。 本発明の一実施例を示す層内伝熱管の中間サポート部材の説明図で、(a) は層内伝熱管を挿入した状態の中間サポート部材の断面図、(b) は該中間サポート部材の正面図。 本発明の一実施例を示す中間サポート部材の使用状態説明図。 本発明の一実施例を示す主サポート部材の説明図。 本発明の一実施例を示す流動層ボイラにおける主サポート部材全体の説明図。 本発明における層内伝熱管のプロテクタの配置例を示す図で、(a) はプロテクタが設置された主サポート部材設置の側面説明図、(b) は(a) のＡ−Ａ線矢視断面図。 流動層の流動状態説明図。 層内伝熱管の配置を説明する図で、(a) はインライン方式による配置、(b) はスタッガード方式による配置の説明図。 従来技術による主サポート部材に支持された層内伝熱管の説明図で、(a) はその側面図、(b) は(a) のＢ−Ｂ線矢視断面図。 従来技術による層内伝熱管の変形を説明する図。 従来技術による主サポート部材の使用状態説明図。 従来技術によるプロテクタ設置とアグロメ詰まりの説明図で、(a) はプロテクタが設置された主サポート部材設置の側面説明図、(b) は(a) のＡ−Ａ線矢視断面図。

符号の説明

１…流動媒体、２…流層層、４…分散板、５…気泡、６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ…層内伝熱管、７…中間サポート部材、８、８Ａ…主サポート部材、９…隙間、１０…ハニカムプレート、１１…合せ溶接、１２…栓溶接、１５…プロテクタ、１６…アグロメ、１７…プロテクタ。

Claims (3)

1. 流動媒体を流動させて供給された燃料を燃焼させる流動層と、該流動層内に設置され、前記燃料の燃焼熱を回収する複数の層内伝熱管と、該複数の層内伝熱管をグループ毎に連結し、その荷重を支持する主サポート部材とを有する流動層ボイラにおいて、前記主サポート部材に支持された層内伝熱管の二以上を独立に保持する中間サポート部材を一以上設置したことを特徴とする流動層ボイラ。
2. 前記主サポート部材および中間サポート部材は、前記層内伝熱管を保持するための貫通孔を備えた一体型の構造を有し、かつ該中間サポート部材に形成された貫通孔が、前記層内伝熱管の長さ方向への熱伸びによる変位を拘束しないような隙間を隔てて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流動層ボイラ。
3. 前記層内伝熱管の外周にプロテクタがその長さ方向に断続的に設置され、かつ該プロテクタは隣接する層内伝熱管同士で流動層断面からみて互い違いになるように設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の流動層ボイラ。
   

Images