JP2013160489A - 循環流動層ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】循環流動層ボイラの下部耐火壁直上域の蒸発管の摩耗減肉を効果的に抑制する。
【解決手段】循環流動層ボイラの火炉の炉壁１２は、上下方向に所定間隔を置いて並置された多数の蒸発管１４と、蒸発管１４の間に介在した仕切り壁１６とで構成されている。炉壁１２の下部には耐火壁１８が炉壁１２に内張りされ、耐火壁１８の上端は、水平面をなす肩部１８ａが形成されている。肩部１８ａには流動粒子Ｐが安息角βで堆積する。蒸発管１４の間で仕切り壁１６の内面に沿って窪みが形成され、肩部１８ａより上方域の該窪みに耐火材が充填され、耐火材層２０を形成している。耐火材層２０によって肩部１８ａに堆積した流動粒子Ｐの表面に沿って蒸発管１４側に偏流する流動粒子Ｐの流れを抑制し、蒸発管１４の摩耗減肉を抑制できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、炉壁を構成する蒸発管の減肉摩耗を抑制可能にした循環流動層ボイラに関する。

循環流動層ボイラは、粒状の流動材を燃焼室に収納し、炉底から空気を吹き込んで、流動材を炉内で循環させることで、固体燃料を効率良く燃焼させるようにしたものである。図６に示すように、一般的な循環流動層ボイラ１００は、火炉１０２の炉底１０２ａに空気aを吹き込み、外部から供給される石炭等の燃料ｆ、予め火炉１０２内に収納された流動材（けい砂などの不活性粒子又は石灰石などの脱硫剤）、及び炉底近傍に帰還する未燃灰等の流動粒子Ｐを流動化し、循環流動流を形成して燃焼を促進する。火炉１０２の炉壁１０３は、互いに所定間隔をもって上下方向に配置された多数の蒸発管１０４と、蒸発管１０４の間に設けられた仕切り壁とで構成されている。

燃焼室の下部は火力が強く、炉壁を高温から遮蔽すると共に、流動粒子Ｐによって蒸発管１０４が摩耗しないように、炉壁の下部には耐火材からなる耐火壁１０６が内張りされている。流動粒子Ｐは、燃焼室内の中央で上昇し、炉壁の近傍で炉壁に沿って下降する循環流を形成する。サイクロン１０８で排ガスと分離された流動粒子Ｐは、循環ライン１１０から外部の熱交換器１１２に入り、熱交換器１１２で冷却された後、火炉１０２の底部に戻される。

サイクロン１０８で流動粒子Ｐと分離された排ガスは、誘引ファン１１８で熱交換器１１４に送られ、熱交換器１１４で冷却される。その後、排ガスはバグフィルタ１１６で塵埃を除去された後、煙突１２０が大気に放出される。

かかる循環流動層ボイラにおいて、特に、廃棄物を焼却する循環流動層ボイラにおいては、炉壁下部に内張りされた耐火壁直上域の蒸発管に発生する流動粒子Ｐによる摩耗減肉が問題となっている。この摩耗減肉が発生する理由を図７で説明する。図７において、炉壁１０３を構成する蒸発管１０４が上下方向に並置され、蒸発管１０４の間に仕切り壁１２２が設けられている。炉壁下部に内張りされた耐火壁１０６の肩部１０６ａに、流動粒子Ｐが安息角を形成して堆積している。

蒸発管１０４の間で仕切り壁１２２の表面に形成された窪みに沿って流動粒子Ｐが下降する。流動粒子Ｐは、安息角を形成して堆積した流動粒子層の表面に沿って蒸発管側へ向かう偏流を形成する。この流動粒子Ｐの偏流によって蒸発管１０４の表面が摩耗し、減肉領域Ｍ及び最大減肉領域Ｍ_Ｘが発生する。従来、この対策のひとつとして、減肉領域に耐摩耗材を溶射又は肉盛溶接し、減肉領域を補修していた。しかし、溶射膜や肉盛溶接部に流動粒子Ｐが衝突することで、溶射膜や肉盛溶接部が摩耗し、結局、蒸発管１０４が摩耗するおそれがある。近年、バイオマス燃料や高Ｃｌ燃料の使用により、溶射膜や肉盛溶接部の腐食劣化が早まり、耐火壁直上域の蒸発管の摩耗減肉が問題となっている。

特許文献１には、かかる問題を解決するための炉壁構造が開示されている。この炉壁構造を図８で説明する。図８において、炉壁２０２が、上下方向に所定間隔で配置された多数の蒸発管２０４と、蒸発管２０４の間に配置された仕切り壁２０６とで構成されている。炉壁下部に内張りされた耐火壁２０８の肩部２１０は、凸部面２１２と凹部面２１４とが交互に形成されている。凸部面２１２及び凹部面２１４は、燃焼室側に向けて下方に傾斜する傾斜面になっている。凸部面２１２が肩部直上の蒸発管１０４を覆うように形成され、凹部面２１４は仕切り壁２０６に面して配置されている。

かかる構成において、上方から落下し肩部２１０に衝突した流動粒子Ｐが、跳ね返って肩部直上域の蒸発管１０４に衝突するのを防止している。また、凸部面２１２及び凹部面２１４を傾斜面とすることで、肩部２１０に衝突した流動粒子Ｐが燃焼室側に跳ね返るようにし、蒸発管１０４に衝突するのを防止している。これによって、蒸発管１０４の摩耗減肉を防止している。

特開平８−２５４３０１号公報

特許文献１に開示された循環流動層ボイラの炉壁構造のように、肩部２１０が傾斜面を形成していても、流動粒子の堆積を完全に防止することは困難である。そのため、肩部２１０に流動粒子が堆積すると、図７に示すように、堆積した流動粒子層の表面に沿って、凸部面２１２より上方域で蒸発管側へ向かう流動粒子の偏流が起きる。この偏流によって、凸部面２１２の上方域の蒸発管に摩耗減肉が起きる虞がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、循環流動層ボイラの下部耐火壁直上域の蒸発管の摩耗減肉を効果的に抑制することを目的とする。

本発明は、蒸発管を上下方向に並置して形成した炉壁で燃焼室を形成し、炉壁の下部に耐火材を内張りした耐火壁を形成した循環流動層ボイラを対象とする。本発明は、少なくとも耐火壁肩部直上域において、蒸発管の間の仕切り壁内側に上下方向に形成された窪みに耐火材を充填して耐火材層を形成するようにしたものである。これによって、炉壁に沿って下降し、耐火壁肩部に堆積した流動粒子の表面に沿って蒸発管側に偏流する流動粒子の流れを抑制することができる。そのため、流動粒子の偏流によって発生する蒸発管の摩耗減肉を抑制することができる。

本発明において、耐火壁肩部直上域の蒸発管の肉厚を薄くすることで蒸発管の外周を小径化し、この小径部の外周面に耐火材被膜を形成するとよい。これによって、耐火壁肩部直上域の蒸発管を耐火材被膜で覆うことができるので、耐火壁肩部直上域の蒸発管の表面が流動粒子の偏流に晒されることがなくなる。そのため、該領域の蒸発管の摩耗減肉を抑制することができる。

また、前記構成に加えて、耐火材層の外面と耐火材被膜の外面とが上下方向に連続面を形成するように構成するとよい。これによって、耐火材層と耐火材被膜との境界で流動粒子の乱流が発生するのを防止できる。そのため、該境界で発生する流動粒子の乱流によって発生する耐火材被膜の摩耗減肉を抑制でき、耐火材被膜を長寿命化できる。

本発明において、仕切り壁内面から耐火壁の端面までの突出距離がＸ＝３０〜３００ｍｍであり、耐火材層の上端が耐火壁肩部の上方２．０Ｘから天井までの範囲にあるとよい。耐火壁の施工範囲は通常この範囲であり、耐火材層の施工範囲は、施工後の循環流動層ボイラの運転中の剥離分を考慮に入れ、かつ余裕をもたせた上で、前記範囲が好ましい。この範囲に耐火材層を施工することで、蒸発管の摩耗減肉領域に耐火材層を確実に形成できる。

また、仕切り壁内面から耐火壁の端面までの突出距離をＸ＝３０〜３００ｍｍとし、耐火材層の上端を耐火壁肩部の上方２．０Ｘから天井までの範囲としたとき、蒸発管の小径部が肩部から肩部の上方（０．５〜１．９）Ｘまでの範囲に形成されるとよい。蒸発管の小径部をこの範囲に形成することで、蒸発管の摩耗減肉部位を耐火材被膜で確実に覆い、蒸発管の摩耗減肉を防止できる。

本発明によれば、少なくとも耐火壁肩部直上域において、蒸発管の間の仕切り壁内側に上下方向に形成された窪みに耐火材を充填して耐火材層を形成するようにしたので、炉壁に沿って下降し耐火壁肩部に堆積した流動粒子の表面に沿って蒸発管側に偏流する流動粒子の流れを抑制することができる。これによって、耐火壁肩部直上域の蒸発管の摩耗減肉を抑制できる。

本発明の第１実施形態に係る循環流動層ボイラの炉壁構造の正面図である。 図１中のＡ―Ａ線に沿う平面視断面図である。 図１中のＢ―Ｂ線に沿う側面視断面図である。 本発明の第２実施形態に係る循環流動層ボイラの炉壁構造の正面図である。 図４中のＣ―Ｃ線に沿う側面視断面図である。 一般的な循環流動層ボイラの構成図である。 従来の循環流動層ボイラの耐火壁肩部直上域の流動粒子の挙動を示す斜視図である。 従来の別な循環流動層ボイラの炉壁構造を示す斜視図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明の第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１〜図３において、循環流動層ボイラの火炉の炉壁１２は、上下方向に所定間隔を置いて並置された多数の蒸発管１４と、蒸発管１４の間に介在した仕切り壁１６とで構成され、炉壁１２の内側に燃焼室Ｃを形成している。燃焼室Ｃの下部は火力が強く、かつ流動粒子Ｐの流動も激しい。そのため、蒸発管１４を燃焼室Ｃの高温雰囲気から遮蔽すると共に、流動粒子Ｐにより蒸発管１４が摩耗しないように、炉壁１２に耐火壁１８が内張りされている。耐火壁１８の上端は、狭い水平面からなる肩部１８ａが形成されている。

耐火壁１８に上方で、蒸発管１４の間で、仕切り壁１６の内面に沿って上下方向の窪みが形成され、該窪みに耐火材が充填され、表面が平面をなす耐火材層２０が形成されている。耐火材層２０は、例えば、流し込み、塗り込み、吹付け等の施工方法で施工される。耐火材層２０を厚く形成しすぎると、円弧面を形成した蒸発管１４の表面に耐火材が施工されるので、燃焼室Ｃに露出した蒸発管１４の表面積が縮小される。そのため、蒸発管１４の内部を流れる水への熱伝達量が少なくなるため、耐火材層２０の厚さには上限がもうけられる。

即ち、図２に示すように、耐火材層２０の表面と蒸発管１４の外周面との交点Ｑとを結ぶ線をＴとし、蒸発管１４の中心Ｏ同士を結ぶ中心線ｉとする。中心線ｉと線Ｔとのなす角度をαとすると、角度αを４５°以下とすることが望ましい。角度αを４５°以下とすることで、燃焼室Ｃに露出した蒸発管１０４の表面積を確保できる。耐火材層２０は、最低限肩部１８ａの直上域のみ施工すればよい。

蒸発管１４の内部に水が流れ、該水は燃焼室Ｃの熱で蒸気となる。燃焼室Ｃに収納された流動粒子Ｐは、炉底に吹き込まれる空気によって流動する。即ち、流動粒子Ｐは、燃焼室Ｃ内の中央で上昇し、炉壁１２の近傍で炉壁１２に沿って下降する循環流を形成する。図３に示すように、炉壁１２に沿って下降した流動粒子Ｐは、肩部１８ａに安息角βを形成して堆積する。

本実施形態によれば、蒸発管１４の間の仕切り壁１６の内側に耐火材層２０が形成されているので、炉壁１２に沿って下降する流動粒子Ｃの流れを低減できる。そのため、肩部１８ａに堆積した流動粒子Ｐの表面に沿って蒸発管１４側に偏流する流動粒子Ｐの流れを抑制できる。これによって、流動粒子Ｐの偏流によって発生する蒸発管１４の摩耗減肉を抑制できる。

仕切り壁１６の内面から耐火壁１８の端面までの突出距離Ｘ（図３参照）は、通常Ｘ＝３０〜３００ｍｍである。本実施形態において、耐火材層２０が施工される範囲は、肩部１８ａの上方域であり、耐火材層２０の上端は肩部１８ａの上方で２．０Ｘから天井までの範囲にするとよい。これによって、施工後の循環流動層ボイラの運転時の剥離を考慮に入れて、かつさらに余裕をもたせた上で、蒸発管１４の摩耗減肉領域に耐火材層２０を確実に形成できる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図４及び図５に基づいて説明する。図４及び図５において、炉壁３２は、上下方向に所定間隔を置いて並置された多数の蒸発管３４と、蒸発管３４の間に介在した仕切り壁３６とで構成され、その内側に燃焼室Ｃを形成している。炉壁３２の下部には、耐火壁３８が内張りされている。耐火壁３８の上端は、狭い水平面を形成した肩部３８ａが形成されている。

耐火壁３８の上方で、蒸発管３４の間に、仕切り壁３６の内面に沿って上下方向に窪みが形成され、該窪みに耐火材が充填され、耐火材層４０が形成されている。耐火材層４０は、最低限肩部３８ａの直上域のみ施工すればよい。また、第１実施形態で説明したように、耐火材層４０を厚く形成しすぎると、燃焼室Ｃに露出した蒸発管３４の表面積が縮小され、蒸発管３４の内部を流れる水への熱伝達量が少なくなる。そのため、耐火材層４０の厚さには上限がもうけられる。

耐火壁３８の肩部３８ａの直上域において、蒸発管３４の肉厚は他の部位の肉厚より低減され、外径も他の部位より小径化された小径部４４が形成されている。小径部４４の内径は蒸発管３４の他の部位の内径と同一である。例えば、蒸発管３４の他の部位では、蒸発管１４の外径が５０ｍｍであり、内径が３０ｍｍであるのに対し、小径部４４では、蒸発管１４の外径が４０ｍｍであり、内径は３０ｍｍとする。小径部４４は、肩部３８ａの直上域のみに形成すればよい。小径部４４の表面には耐火材被膜４２が被覆されている。耐火材層４０の表面と耐火材被膜４２の表面は、上下方向に連続した同一平面を形成している。

燃焼室Ｃに収納された流動粒子Ｐは、炉底に吹き込まれる空気によって流動する。即ち、流動粒子Ｐは、燃焼室Ｃ内の中央で上昇し、炉壁３２の近傍で炉壁３２に沿って下降する循環流を形成する。そのため、炉壁３２に沿って下降した流動粒子Ｐは、肩部３８ａに堆積する。肩部３８ａで流動粒子Ｐは安息角βを形成して堆積している。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、蒸発管３４の間に形成される窪みに耐火材層４０が形成されているので、炉壁３２に沿って下降する流動粒子の下降流を低減できる。そのため、肩部３８ａに堆積した流動粒子Ｐの表面に沿って蒸発管３４側に偏流する流動粒子Ｐの流れを抑制できるので、蒸発管３４の摩耗減肉を抑制できる。また、流動粒子Ｐの偏流が起る領域の蒸発管３４、即ち、小径部４４の表面を耐火材被膜４２で覆っているので、該直上領域の蒸発管表面が流動粒子Ｐの偏流に晒されることがなくなる。そのため、該直上領域の蒸発管３４の摩耗減肉を防止できる。

さらに、耐火材層４０の外面と耐火材被膜４２の外面とが上下方向に連続面を形成しているので、耐火材層４０と耐火材被膜４２との境界で流動粒子Ｐの乱流が発生するのを防止できる。そのため、流動粒子Ｐの乱流発生による耐火材被膜４２の摩耗減肉を抑制でき、耐火材被膜４２を長寿命化できる。

本実施形態において、仕切り壁３６の内面から耐火壁３８の端面までの通常の突出距離Ｘに対し、耐火壁肩部直上域で耐火材層４０が施工される範囲は、肩部３８ａの上方域であり、耐火材層４０の上端は、肩部３８ａの上方２．０Ｘから天井までの範囲にする。また、蒸発管３４の小径部４４を肩部３８ａから肩部３８ａの上方（０．５〜１．９）Ｘまでの範囲に形成するとよい。これによって、施工後の循環流動層ボイラの運転時の剥離を考慮に入れても、余裕をもって蒸発管３４の摩耗減肉領域に耐火材層４０を確実に形成できる。また、蒸発管３４の摩耗減肉部位を耐火材被膜４２で確実に覆い、蒸発管３４の摩耗減肉を防止できる。

本発明によれば、循環流動層ボイラの下部耐火壁直上域の蒸発管の摩耗減肉を、簡単な炉壁構造によって効果的に抑制できる。

１２、３２，１０３、２０２ 炉壁
１４、３４，１０４，２０４ 蒸発管
１６、３６，１２２、 仕切り壁
１８、３８，１０６，２０８ 耐火壁
１８ａ、３８ａ、２１０ 肩部
２０、４０ 耐火材層
４２ 耐火材被膜
４４ 小径部
１００ 循環流動層ボイラ
１０２ 火炉
１０２ａ 炉底
１０８ サイクロン
１１０ 循環ライン
１１２，１１４ 熱交換器
１１６ バグフィルタ
１１８ 誘引ファン
１２０ 煙突
２１２ 凸部面
２１４ 凹部面
Ｃ 燃焼室
Ｍ 減肉領域
Ｍ_Ｘ 最大減肉領域
Ｐ 流動粒子
Ｏ 中心
ｉ 中心線
β 安息角

Claims (5)

1. 蒸発管を上下方向に並置して形成した炉壁で燃焼室を形成し、該炉壁の下部に耐火材を内張りした耐火壁を形成した循環流動層ボイラにおいて、
   少なくとも前記耐火壁肩部直上域において、前記蒸発管の間の仕切り壁内側に上下方向に形成された窪みに耐火材を充填して耐火材層を形成し、炉壁に沿って下降し前記耐火壁の上端肩部直上域で蒸発管側に偏流する流動粒子の流れを抑制するように構成したことを特徴とする循環流動層ボイラ。
2. 前記耐火壁肩部直上域の蒸発管の肉厚を薄くすることで該蒸発管の外周を小径化し、この小径部の外周面に耐火材被膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の循環流動層ボイラ。
3. 前記耐火材層の外面と前記耐火材被膜の外面とが上下方向に連続面を形成するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の循環流動層ボイラ。
4. 前記仕切り壁内面から前記耐火壁の端面までの突出距離がＸ＝３０〜３００ｍｍであり、前記耐火材層の上端が前記肩部の上方２．０Ｘから天井までの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の循環流動層ボイラ。
5. 前記仕切り壁内面から前記耐火壁の端面までの突出距離がＸ＝３０〜３００ｍｍであり、前記耐火材層の上端が前記肩部の上方２．０Ｘから天井までの範囲にあり、前記小径部が前記肩部から肩部の上方（０．５〜１．９）Ｘまでの範囲に形成されることを特徴とする請求項２に記載の循環流動層ボイラ。

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