JP2019100575A - 流動床監視方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流動床炉の流動床に含まれる流動阻害因子の割合を監視する技術を提案する。【解決手段】炉内下部に充填された流動媒体を炉底から吹き出す流動用ガスで流動させてなる流動床が形成された流動床炉において、流動床の状態を監視する流動床監視方法であって、流動床内に高さ方向のセグメントを規定し、そのセグメントの上端レベルと下端レベルとの圧力差を検出し、検出された圧力差に基づいて、セグメントに含まれる、流動床の密度を低下させることにより流動床の流動性を低下させる流動阻害因子の割合を求め、流動床炉の運転中に流動阻害因子の割合を監視する。【選択図】図４

Description

本発明は、流動床炉の流動床の状態を監視する技術に関関する。

従来から、炉内下部に充填された流動媒体を炉底から吹き出す流動用ガスで流動させてなる流動床が形成された、流動床炉が知られている。流動床炉では、一般に、運転中の流動床の状態を目視確認することができない。そこで、流動床炉の運転中に、流動床の状態をセンサ等を用いて検出する技術が提案されている。

例えば、特許文献１では、炉内壁表面に沿って流動床の深さの異なる位置に圧力センサを２個以上配置し、それらの圧力センサで得られた測定値を基に、流動床の高さレベルを検出することが記載されている。

また、例えば、特許文献２では、流動床内で高さの異なる２点に圧力取出し孔を設け、その２点の圧力差を測定して、それらの値の時間的変化から流動材の粒子形状の増大（劣化）を間接的に予測することが記載されている。

また、例えば、特許文献３では、流動床内に、深さ方向に分散して配置された複数の温度センサと、炉下部に並べられた風箱の並び方向に分散して配置された複数の温度センサとを備え、それらの温度センサから得られる温度分布から流動床の局所的な流動不良部位を特定することが記載されている。

特開平３−１０５１９３号公報 特開平７−１９４１３号公報 特開２００７−２７１２０３号公報

ところで、上記のような流動床炉において、流動床内の空気比を例えば０．２〜０．６の低空気比条件として、流動床内で燃料を部分燃焼（ガス化）させるものがある。このような低空気比条件の燃焼では、流動床内に燃料の燃え残りである未燃チャー（未燃炭素）が多く発生する。一般に、未燃チャーの比重は流動媒体（例えば、珪砂など）の比重より小さいため、流動床中の未燃チャーの割合が増大すると、流動床の体積が膨張して密度が低下し、流動特性が悪化するおそれがある。

また、流動床炉において、流動媒体として、イルメナイト（Ｆｅ系）などの酸素吸蔵放出材料と、Ｎｉ鉱石などの炭素のガス化促進材料とを含む複数の材料の混合物を使用する場合、流動床内のガス化促進材料の割合が過剰となると、流動床の体積が膨張して密度が低下し、流動特性が悪化するおそれがある。

また、流動床炉において、流動媒体として、珪砂と、珪砂のアルカリ成分を吸収する材料(ゼオライトやカルシウム酸化物などの多孔質物質)からなる凝集防止剤とを含む複数の材料の混合物を使用する場合、流動床内の凝集防止剤の割合が過剰となると、流動床の体積が膨張して密度が低下し、流動特性が悪化するおそれがある。

上記のように、流動床に含まれる未燃炭素、ガス化促進材料、凝集防止剤などの流動阻害因子の増加（過剰）によって流動床の流動特性が悪化することがわかっており、それを回避するために、流動床における流動阻害因子の割合を監視することは有用である。そこで、本発明では、流動床炉の流動床に含まれる流動阻害因子の割合を監視する装置及び方法を提案する。

本発明の一態様に係る流動床監視方法は、炉内下部に充填された流動媒体を炉底から吹き出す流動用ガスで流動させてなる流動床が形成された流動床炉において、前記流動床の状態を監視する流動床監視方法であって、
前記流動床内に高さ方向のセグメントを規定し、そのセグメントの上端レベルと下端レベルとの圧力差を検出し、
検出された前記圧力差に基づいて、前記セグメントに含まれる、前記流動床の密度を低下させることにより当該流動床の流動性を低下させる流動阻害因子の割合を求め、
前記流動床炉の運転中に前記流動阻害因子の割合を監視することを特徴としている。

ここで、例えば、前記流動床に燃料が供給されていない状態の前記セグメントの上端レベルと下端レベルとの圧力差である圧力差基準値と、検出された前記圧力差との差から、前記流動阻害因子の割合を求めることができる。

また、本発明の一態様に係る流動床監視装置は、炉内下部に充填された流動媒体を炉底から吹き出す流動用ガスで流動させてなる流動床が形成された流動床炉において、前記流動床の状態を監視する流動床監視装置であって、
前記流動床内に高さ方向のセグメントが規定され、
前記流動床と接触している前記流動床炉の内壁に設けられ、前記セグメントの上端レベルと下端レベルとの圧力差を検出する圧力センサと、
検出された前記圧力差に基づいて、前記セグメントに含まれる、前記流動床の密度を低下させることにより当該流動床の流動性を低下させる流動阻害因子の割合を求める演算部と、
前記流動床炉の運転中に前記流動阻害因子の割合を監視する監視部とを、備えることを特徴としている。

ここで、例えば、前記演算部は、前記流動床に燃料が供給されていない状態の前記セグメントの上端レベルと下端レベルとの圧力差である圧力差基準値と、検出された前記圧力差との差から、前記流動阻害因子の割合を求めることができる。

上記流動床監視方法及び装置によれば、流動床炉の運転中に、流動床中の未燃炭素（未燃チャーを含む）などの流動阻害因子の割合を監視することができる。そして、流動床中の流動阻害因子の割合の変化に基づいて、流動床中の流動阻害因子の割合の増大に起因する流動床の流動特性の悪化を予測することができる。これにより、流動床の流動特性が悪化する前に適切な処理を行って、流動床の流動特性の悪化を回避することができる。

上記流動床監視方法において、前記流動阻害因子の割合を、高さレベルの異なる２以上の前記セグメントで求め、前記流動床炉の運転中に２以上の前記セグメントの前記流動阻害因子の割合を監視してよい。

同様に、上記流動床監視装置において、前記演算部は、前記流動阻害因子の割合を、高さレベルの異なる２以上の前記セグメントで求め、前記監視部は、前記流動床炉の運転中に２以上の前記セグメントの前記流動阻害因子の割合を監視してよい。

上記流動床監視方法及び装置によれば、流動床の高さレベルの異なる複数位置において、流動床の流動阻害因子の割合を監視することができる。

上記流動床監視方法において、２以上の前記セグメントの前記流動阻害因子の割合から、前記流動床における局所的な前記流動阻害因子の割合の増大がみつかると、所定の処理を行ってよい。

同様に、上記流動床監視装置において、前記監視部は、２以上の前記セグメントの前記流動阻害因子の割合から、前記流動床における局所的な前記流動阻害因子の割合の増大がみつかると、所定の処理を行ってよい。

上記流動床監視方法及び装置によれば、流動床における局所的な流動阻害因子の割合が増大を検出して、その状況に応じた対処を行うことにより、流動床の流動特性の悪化を防ぐことができる。

上記流動床監視方法において、２以上の前記セグメントの前記流動阻害因子の割合から、前記流動床の全体的な前記流動阻害因子の割合の増大がみつかると、所定の処理を行ってよい。

同様に、上記流動床監視装置において、前記監視部は、２以上の前記セグメントの前記流動阻害因子の割合から、前記流動床の全体的な前記流動阻害因子の割合の増大がみつかると、所定の処理を行ってよい。

上記流動床監視方法及び装置によれば、流動床における全体的な流動阻害因子の割合が増大を検出して、その状況に応じた対処を行うことにより、流動床の流動特性の悪化を防ぐことができる。

本発明によれば、流動床炉の流動床に含まれる流動阻害因子の割合を監視することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る流動床炉を含む燃焼システムの概略構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る流動床炉の概略構成を示す図である。 図３は、流動床炉の流動床部の拡大図である。 図４は、流動床監視装置の構成を示す図である。 図５は、或るセグメントにおける未燃炭素濃度と差圧との関係を示す図表である。

〔燃焼システム１００の構成〕
まず、本発明の一実施形態に係る流動床炉１を含む燃焼システム１００の構成について説明する。図１に示す燃焼システム１００は、石炭、バイオマス、ＲＤＦ、都市ごみ、産業廃棄物などの燃料（燃焼対象物）を燃焼して、その排熱を回収するシステムである。

燃焼システム１００は、燃料を燃焼する流動床炉１を備えている。流動床炉１の燃焼排ガス系統３には、熱交換装置３１、サイクロン式集塵機３２、バグフィルタ３３、及び誘引ファンである誘引ブロワ３４が設けられている。流動床炉１の燃焼排ガスは、熱交換装置３１で排熱が回収され、サイクロン式集塵機３２及びバグフィルタ３３で塵が分離され、その一部が誘引ブロワ３４によって図示されない煙突を通じて系外へ排出される。

燃焼排ガス系統３のバグフィルタ３３の下流側には排ガス再循環系統４が接続されている。排ガス再循環系統４には、ガス再循環ブロワ４０が設けられており、このガス再循環ブロワ４０によって燃焼排ガス系統３の燃焼排ガスの一部が、流動床炉１へ戻される。排ガス再循環系統４によって流動床炉１へ戻された燃焼排ガスは、流動用ガス（一次燃焼ガス）、二次燃焼用ガス、及び三次燃焼用ガスとして利用される。

〔流動床炉１の構成〕
次に、本発明の一実施形態に係る流動床炉１の構成について説明する。図２に示す流動床炉１は、炉下部の流動床部１１及びその上方のフリーボード部１２からなる燃焼室が設けられた炉本体１０と、流動床炉１の運転を制御する運転制御装置１５と、流動床監視装置９とを備えている。フリーボード部１２の下部には、燃焼室の余の部分と比較してガス通路断面積が絞られた絞り部１３が存在する。フリーボード部１２では、燃焼ガスが下から上に向かって流れ、フリーボード部１２の上部に接続された煙道には、熱交換装置３１を構成する伝熱管が設置されている。

図３は、流動床部１１の拡大図である。図２及び図３に示すように、流動床部１１には珪砂などの流動媒体が充填された流動層５１と、流動層５１へその底部から流動用ガスを供給する流動用ガス供給装置５２と、流動層５１を３つのセル６１，６２，６３に仕切る仕切壁４１，４２とによって、内部循環流動床が形成されている。

第１仕切壁４１は、流動床部１１を含む炉本体１０の下部分を、燃焼領域５３と熱回収領域５４とに仕切っている。第２仕切壁４２は、熱回収領域５４において、第１仕切壁４１に近接し、且つ、第１仕切壁４１と平行に設けられている。これらの仕切壁４１，４２によって、流動床部１１は、炉本体１０の第１側壁１０ａと第１仕切壁４１との間に形成された「燃焼セル６１」、第１仕切壁４１と第２仕切壁４２との間に形成された「循環セル６２」、及び、第２仕切壁４２と炉本体１０の第２側壁１０ｂとの間に形成された「収熱セル６３」の３つのセルに仕切られている。収熱セル６３には、過熱器管又は蒸発器管などの伝熱管６４が設けられている。この伝熱管６４を通過する熱媒体により熱回収が行われる。

燃焼領域５３の上方には、鉛直方向に直線状に延びる燃焼室が形成されている。一方、熱回収領域５４の上方には、熱回収領域５４の上部を塞ぐ天井壁４３が設けられている。第１仕切壁４１の上端は天井壁４３に近接しており、第１仕切壁４１の上端と天井壁４３との間に未燃ガス供給口６８となる上部連通口が形成されている。第１仕切壁４１の下端は第２仕切壁４２の下端よりも高く、これにより、第１仕切壁４１の下部に流動媒体が流通する下部連通口５５が形成されている。また、第２仕切壁４２の上部及び下部には、循環セル６２と収熱セル６３とを連通し、流動媒体が流通する連通口５６，５７が形成されている。

流動用ガス供給装置５２は、燃焼セル６１、循環セル６２、及び収熱セル６３の各々に独立して流量が調整された流動用ガスを供給する。燃焼セル６１、循環セル６２、及び収熱セル６３の各セルの底部には、側方へ向けて開口した多数の吹出口を有する一又は複数の散気管８０が設けられている。各散気管８０は、第１仕切壁４１及び第２仕切壁４２の下端よりも下方に配置されている。但し、流動用ガス供給装置５２は、散気管８０の代わりに、各セル６１，６２，６３の底部に配置された風箱と、風箱の上部を塞ぐように設けられたガス分散板とを備えていてもよい（いずれも図示略）。

散気管８０はセル６１，６２，６３ごとにヘッダで連結されており、各ヘッダにはダンパ（又はバルブ）等の流量調整手段８１ａ，８２ａ，８３ａ及び流量計８１ｂ，８２ｂ，８３ｂを備えた流動用ガス供給配管８１，８２，８３が接続されている。燃焼セル６１の底部に配置される散気管８０と接続される流動用ガス供給配管８１、及び、循環セル６２の底部に配置される散気管８０と接続される流動用ガス供給配管８２へは、押込ブロワ７９によって空気が供給される。また、収熱セル６３の底部に配置される散気管８０と接続される流動用ガス供給配管８３には排ガス再循環系統４が接続されている。

運転制御装置１５は、流動層５１において燃焼セル６１及び収熱セル６３の温度を検出する温度センサ（図示略）及び流量計８１ｂ，８２ｂ，８３ｂなどの検出値に基づいて、各流動用ガス供給配管８１，８２，８３の流動用ガスの流量を調整するように、流量調整手段８１ａ，８２ａ，８３ａを動作させる。燃焼セル６１及び循環セル６２の底部からは、流動用ガスとして空気が吹き出し、収熱セル６３の底部からは、流動用ガスとして燃焼排ガスが吹き出す。

ここで、燃焼セル６１の流動用ガスの空塔速度は収熱セル６３の流動用ガスの空塔速度よりも大きく、且つ、循環セル６２の流動用ガスの空塔速度は、燃焼セル６１の流動用ガスの空塔速度及び収熱セル６３の流動用ガスの空塔速度よりも大きくなるように、流動用ガスの流量が調整される。これにより、燃焼セル６１の流動媒体は第１仕切壁４１の下部連通口５５を通って循環セル６２へ移動し、循環セル６２の流動媒体は第２仕切壁４２の上部連通口５６を通って収熱セル６３へ移動し、収熱セル６３の流動媒体は第２仕切壁４２の下部連通口５７を通って燃焼セル６１及び循環セル６２へ循環するような、流動媒体の流れが生じる。このような流動媒体の循環によって、燃焼セル６１で高温となった流動媒体の持つ熱エネルギーが、収熱セル６３において外部へ取り出され、温度が低下した流動媒体が燃焼セル６１へ戻されることによって、燃焼セル６１の流動媒体の温度上昇が抑制される。

フリーボード部１２において、運転時における流動床部１１の表層部の直ぐ上方であって、第１側壁１０ａには、燃料投入口６５が開口している。燃料投入口６５は、絞り部１３よりも燃焼ガスの流れの上流側に位置する。この燃料投入口６５へ、図示されない燃料供給装置によって燃料が供給される。燃料投入口６５から炉内へ投入された燃料は、流動床部１１の燃焼セル６１の上部に落下する。

フリーボード部１２において、燃料投入口６５よりも燃焼ガスの流れの下流側であって絞り部１３のあたりの炉壁には、未燃ガス供給口６８が開口している。未燃ガス供給口６８からは、熱回収領域５４の流動層５１に配置された散気管８０から流動層５１内へ吹き出されて、流動層５１を通過したあとの空気及び燃焼排ガスの混合気が、二次燃焼用ガスとして吹き出す。但し、未燃ガス供給口６８の他に、二次燃焼用ガスを吹き出す供給口が設けられてもよい。

フリーボード部１２において、未燃ガス供給口６８よりも燃焼ガスの流れの下流側の炉壁には複数の三次燃焼用ガス供給口６９が開口している。複数の三次燃焼用ガス供給口６９は、複数の高さ位置に分散して設けられている。また、それらの三次燃焼用ガス供給口６９から吹き出した三次空気の拡散領域に含まれる炉壁には、温度センサ７０が設けられている。

三次燃焼用ガスの空気含有量は、空気に燃焼排ガスを混合させることにより調整される。そのために、三次燃焼用ガス供給口６９への空気の供給路と燃焼排ガスの供給路とには、ダンパ（又はバルブ）等の流量調整手段８８，８９が設けられている。運転制御装置１５は、或る箇所の温度センサ７０で検出された温度が所定の範囲を超える場合は、三次燃焼用ガスの流量を所定流量に維持しながら、その箇所へ供給される三次燃焼用ガスの空気含有量が減るように、また、検出された温度が所定の範囲を下回る場合は、その箇所へ供給される三次燃焼用ガスの空気含有量が増えるように、流量調整手段８８，８９の開度を調整する。

〔流動床炉１の運転方法〕
ここで、上記構成の流動床炉１の運転方法について説明する。流動床炉１では、流動床部１１において低空気比燃焼が行われる。より詳細には、流動床部１１とフリーボード部１２との総空気比を１よりも大きい値としながら、流動床部１１の燃焼セル６１の空気比（即ち、一次空気比）、及び燃料投入口６５の周囲の空気比（二次空気比）がいずれも１未満の低空気比となるように、燃焼セル６１への流動化空気及び二次燃焼用ガスの供給量、及び／又は、その空気含有量が調整される。望ましくは、一次空気比は、二次空気比よりも低い。例えば、流動床部１１とフリーボード部１２との総空気比を１．２とする場合に、一次空気比を０．４とし、二次空気比を０．８としてよい。

酸素濃度の低い還元雰囲気の流動床部１１では、燃料の緩慢な乾燥と熱分解によって、可燃性熱分解ガスと熱分解残渣が生じる。熱分解残渣や燃料の燃え残りは、燃焼セル６１の底部であって、第１側壁１０ａと第１仕切壁４１との間の中間位置に設けられた流動媒体及び不燃物の抜出口７２から炉外へ排出される。流動床部１１で生じた熱分解ガスは二次燃焼用ガスで燃焼し、その燃焼ガス中の未燃分は、フリーボード部１２において三次燃焼用ガスで完全燃焼し、その燃焼排ガスが燃焼排ガス系統３へ排出される。

上記構成に係る流動床炉１の燃焼セル６１では、燃料を低空気比燃焼させることから、空気比が１以上の場合と比較して、燃焼セル６１における燃料の未燃分（未燃チャー）の割合が大きい。前述の例のように一次空気比を０．４とする場合には、従来の空気比が０．８〜０．９程度の場合と比較して、燃焼セル６１における未燃チャーの割合はとりわけ大きくなる。燃焼セル６１の未燃チャーの割合が増えると、未燃チャーの密度は流動媒体と比較して低いので、流動層５１の密度が低下する。流動層５１の密度が低下すると、流動層５１の体積が膨張して流動特性が悪化するおそれがある。

また、燃焼セル６１での未燃チャーの割合が増えると、流動媒体の循環によって、収熱セル６３にも未燃チャーが流入することがある。収熱セル６３では、流動層５１中に未燃炭素が存在しないか、存在してもその割合が極めて小さいことが望ましい。

そこで、流動床炉１では、流動床監視装置９を備えて、流動床部１１の燃焼セル６１及び収熱セル６３について流動層５１の未燃炭素（未燃チャーを含む）の割合を監視して、未燃炭素の割合に応じた処理を行うようにしている。なお、流動層５１の密度を低下させることにより当該流動層５１の流動性を低下させる流動阻害因子は複数種類が存在し得るが、ここでは、その一つである未燃炭素の割合を監視する。以下、流動床監視装置９及びそれが行う流動床監視方法について詳細に説明する。

〔流動床監視装置９〕
図４は、流動床監視装置９の構成を示す図である。図４では、複数のセグメントＳのうちの１つが強調して示されている。図４に示すように、流動床監視装置９は、複数の圧力センサ９１と、演算部９２と、監視部９３とを備えている。

複数の圧力センサ９１は、流動床炉１の炉本体１０において、流動床部１１の流動層５１と接触している内壁に設けられており、異なる高さレベルに配置されている。それら複数の圧力センサ９１によって、異なる２点の高さレベル間の圧力差を測定することができる。本実施形態では、複数の圧力センサ９１が、流動床部１１の炉壁に高さ方向に等間隔で並んでいる。そして、高さ方向に隣接する２つの圧力センサ９１の高さレベル間を１つのセグメントＳとし、各セグメントＳの上端レベルの圧力検出値と下端レベルの圧力検出値とを用いて、各セグメントＳの上端レベルと下端レベルとの圧力差（以下、「セグメントＳの差圧」と称する）を測定する。但し、複数の圧力センサ９１に代えて、セグメントＳの上端レベルと下端レベルに配置された一対のプローブで当該セグメントＳの差圧を検出する、１又は複数の差圧センサを用いてもよい。

演算部９２は、いわゆるコンピュータであって、プロセッサと、メモリ及び通信インターフェイスなどとを備えおり（いずれも図示略）、プロセッサがメモリに記憶された所定のプログラムを実行することにより、演算部９２としての機能を発揮する。通信インターフェイスは、プロセッサによって制御されることによって、無線又は有線の通信手段を利用して、複数の圧力センサ９１から検出信号を受信し、また、監視部９３などとデータを送受信する。

演算部９２は、複数の圧力センサ９１の検出信号を取得し、複数の圧力センサ９１の検出値から各セグメントＳの差圧を求める。但し、前述の通り、複数の圧力センサ９１に代えて差圧センサが用いられる場合は、各差圧センサの検出値をセグメントＳの差圧として取得してよい。

更に、演算部９２は、各セグメントＳについて、セグメントＳの差圧から当該セグメントＳの未燃炭素割合を求める。セグメントＳの未燃炭素割合は、セグメントＳの差圧と、対象セルの流動用ガスの流速（空塔速度）との関数で表すことができる。

図５は、或るセグメントＳにおける、未燃炭素濃度［ｗｔ％］と差圧［ｋＰａ］との関係を示す図表である。この図表では、対象セルの流動用ガスの流速ｆがＦ１，Ｆ２，Ｆ３（Ｆ１＞Ｆ２＞Ｆ３）である場合の、セグメントＳの未燃炭素濃度と差圧との関係が示されている。未燃炭素濃度［ｗｔ％］は、対象セグメントＳにおける、未燃炭素重量／（流動媒体重量＋未燃炭素重量）×１００で表される。セグメントＳの未燃炭素濃度は、セグメントＳの差圧が大きくなるに従って低下する。換言すれば、セグメントＳの未燃炭素濃度は、セグメントＳの差圧が小さくなるに従って増大する。これは、未燃炭素分は珪砂よりも比重が小さいことから、セグメントＳの未燃炭素濃度が増えると、未燃炭素濃度がそれよりも低い状態と比較して、セグメントＳの流動媒体の重量が軽くなり、その結果、セグメントＳの差圧（差圧力）が低下するためである。

演算部９２では、上記のようなセグメントＳの未燃炭素濃度と差圧との関係に基づいて、検出されたセグメントＳの差圧から未燃炭素濃度を算出する。なお、セグメントＳの未燃炭素濃度と差圧との関係は、予め実験により又はシミュレーションにより求めて、演算部９２に記憶されている。

演算部９２は、上記の未燃炭素割合の算出手法に代えて、セグメントＳの未燃炭素濃度がゼロである状態（即ち、流動床部１１に燃料が供給されていない状態）のセグメントＳの差圧である「圧力差基準値」を、予め実験又はシミュレーションによって求めて記憶しておき、検出されたセグメントＳの差圧と圧力差基準値との差から、セグメントＳの未燃炭素割合を求めるように構成されていてもよい。

監視部９３は、いわゆるコンピュータであって、プロセッサと、メモリ及び通信インターフェイスなどとを備えおり（いずれも図示略）、プロセッサがメモリに記憶された所定のプログラムを実行することにより、監視部９３としての機能を発揮する。通信インターフェイスは、プロセッサによって制御されることによって、無線又は有線の通信手段を利用して、監視部９３、運転制御装置１５などとデータを送受信する。

監視部９３は、演算部９２が求めた各セグメントＳの未燃炭素割合を取得して、運転中の流動床炉１の未燃炭素割合の値やその変化を監視する。更に、監視部９３は、監視中に所定の状態が検出されると、警告やその処置を運転制御装置１５へ伝達する。

例えば、監視部９３は、流動層５１の表層から流動層５１の高さ寸法の１／３の範囲に含まれるセグメントＳにおいて、未燃炭素割合が所定の閾値を超えたことを検出すると、流動層５１で過剰な未燃炭素が浮いている状態が推定されるので、燃料の投入量を減らすように運転制御装置１５へ信号を送る。

例えば、監視部９３は、流動層５１の底から流動層５１の高さ寸法の１／３の範囲に含まれるセグメントＳにおいて、未燃炭素割合が所定の閾値を超えたことを検出すると、流動層５１の下部で過剰の未燃炭素が滞留している状態が推定されるので、流動用ガスの流量を増加させるように運転制御装置１５へ信号を送る。なお、流動層５１の下部で過剰の未燃炭素が滞留している状態では、流動層５１へ流動用ガスを供給しても流動化しなくなるおそれがあるので、上記の場合には、監視部９３は流動床炉１の運転を停止するように運転制御装置１５へ信号を送ってもよい。

監視部９３が未燃炭素割合を監視するセグメントＳは、単数であっても、複数であってもよい。また、セグメントＳは、流動層５１の高さ方向全域が１つのセグメントＳとして規定されてもよいし、流動層５１の高さ方向に亘って連続する複数のセグメントＳが規定されたり、流動層５１の高さ方向に分散する複数のセグメントＳが規定されてもよい。流動層５１に複数のセグメントＳが規定される場合には、監視部９３は、運転中の流動床炉１の未燃炭素割合を監視するにあたり、高さレベルの異なる２以上のセグメントＳの未燃炭素割合を比較して、流動床部１１の状態を推定するとよい。

例えば、監視部９３は、２以上のセグメントＳの未燃炭素割合を比較して、流動層５１における局所的な未燃炭素割合の増大を検出することができる。このように、流動層５１における局所的な未燃炭素割合の増大がみつかると、監視部９３は、流動層５１の未燃炭素割合が増大している部分に応じた処理を行う。例えば、局所的な未燃炭素割合の増大がみつかったセグメントＳが流動層５１の表層又は表層に近い部分である場合には、そのセグメントＳが流動層５１の表層に上がってくるタイミングで燃料の投入量を減らすように運転制御装置１５へ信号を送る。例えば、局所的な未燃炭素割合の増大がみつかったセグメントＳが流動層５１の底部又は底部に近い部分である場合には、監視部９３は、流動層５１の流動不良が予測されるタイミングに合わせて流動用ガスの流量を増加させるように運転制御装置１５へ信号を送る。

例えば、監視部９３は、２以上のセグメントＳの未燃炭素割合を比較して、流動層５１の高さ方向全体に亘る未燃炭素割合の増大を検出することができる。ここで、２以上のセグメントＳは、流動層５１の高さ方向に亘って分散しているか、流動層５１の高さ方向に亘って連続しているとよい。このように、流動層５１における全体的な未燃炭素割合の増大がみつかると、監視部９３は、燃料投入量の減少、流動用ガスの流量の増加、流動媒体の増加、及び、流動床炉１の運転停止の対応処理群のうち少なくとも１つの処理を行うように運転制御装置１５へ信号を送る。

なお、上記においては監視部９３が運転制御装置１５が取る対処を運転制御装置１５へ指示しているが、監視部９３は推定される流動層５１の状態を運転制御装置１５へ伝達する処理のみを行ってもよい。この場合、運転制御装置１５は、監視部９３から取得した推定される流動層５１の状態に基づいて、その状態に対応する処理を行う。

以上に説明したように、本実施形態に係る流動床監視装置９は、炉内下部に充填された流動媒体を炉底から吹き出す流動用ガスで流動させてなる流動層５１が形成された流動床炉１において、流動層５１の状態を監視するものであって、流動層５１内に高さ方向のセグメントＳが規定され、流動層５１と接触している流動床炉１の内壁に設けられ、セグメントＳの上端レベルと下端レベルとの圧力差を検出する圧力センサ９１と、検出された圧力差に基づいて、セグメントＳの未燃炭素割合を求める演算部９２と、流動床炉１の運転中に流動層５１の未燃炭素割合を監視する監視部９３とを備えることを特徴としている。なお、流動層５１は流動床と読み替えることができる。

ここで、演算部９２は、例えば、流動層５１に燃料が供給されていない状態のセグメントＳの上端レベルと下端レベルとの圧力差である圧力差基準値と、検出された圧力差との差から、未燃炭素割合を求めることができる。

同様に、本実施形態に係る流動床監視方法は、流動層５１内に高さ方向のセグメントＳを規定し、そのセグメントＳの上端レベルと下端レベルとの圧力差を検出し、検出された圧力差に基づいて、セグメントＳの未燃炭素割合を求め、流動床炉１の運転中に流動層５１の未燃炭素割合を監視することを特徴としている。

上記の流動床監視装置９及び流動床監視方法によれば、流動床炉１の運転中に、流動層５１中の未燃チャーなどの未燃炭素の割合を監視することができる。そして、流動層５１中の未燃炭素の割合の変化に基づいて、流動層５１中の未燃炭素の割合の増大に起因する流動層５１の流動特性の悪化を予測することができる。これにより、流動層５１の流動特性が悪化する前に適切な処理を行うことが可能となり、流動層５１の流動特性の悪化を回避することができる。

また、本実施形態に係る流動床監視装置９の監視部９３では、以下に例示される流動層５１の未燃炭素割合の監視方法を行うように構成されている。但し、監視部９３は、それらの監視方法のうち、少なくとも１つを行うように構成されていてよい。
（１）流動層５１の表層から流動層５１の高さ寸法の１／３の範囲に含まれるセグメントＳにおいて、未燃炭素割合が所定の閾値を超えると、所定の処理を行う。（２）流動層５１の底から流動層５１の高さ寸法の１／３の範囲に含まれるセグメントＳにおいて、未燃炭素割合が所定の閾値を超えると、所定の処理を行う。
（３）２以上のセグメントＳの未燃炭素割合から、流動層５１における局所的な未燃炭素割合の増大がみつかると、所定の処理を行う。
（４）２以上のセグメントＳの未燃炭素割合から、流動層５１の全体的な未燃炭素割合の増大がみつかると、所定の処理を行う。

上記のような未燃炭素割合の監視方法で流動層５１の未燃炭素割合が監視されることにより、流動層５１中の未燃炭素の割合の増大に起因して流動層５１の流動特性が悪化する前に、それを予測することができる。そして、流動層５１の流動特性が悪化する前に適切な処理を行うことによって、流動層５１の流動特性の悪化を回避することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の精神を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。

例えば、上記実施形態に係る流動床炉１の流動床部１１は内部循環流動床であるが、外部循環流動床などの他の態様の流動床においても、本発明に係る流動床監視装置９及び方法を適用して、流動床の未燃炭素割合を検出し、それを監視することができる。

また、上記実施形態において、流動層５１の密度を低下させることにより当該流動層５１の流動性を低下させる流動阻害因子が未燃炭素の場合について説明したが、流動阻害因子は未燃炭素に限定されない。

例えば、流動媒体として、イルメナイト（Ｆｅ系）などの酸素吸蔵放出材料と、Ｎｉ鉱石などの炭素のガス化促進材料とを含む複数の材料の混合物を使用した流動床炉では、流動阻害因子として流動層５１中のガス化促進材料の割合を監視してもよい。この場合、上記実施形態において、未燃炭素を「ガス化促進材料」と読み替えることによって、流動層５１中のガス化促進材料の割合の監視、及び、ガス化促進材料の割合の流動特性の悪化を予測することができる。

また、例えば、流動媒体として、珪砂と、珪砂のアルカリ成分を吸収する材料(ゼオライトやカルシウム酸化物などの多孔質物質)からなる凝集防止剤とを含む複数の材料の混合物を使用した流動床炉では、流動阻害因子として流動層５１中の凝集防止剤の割合を監視してもよい。この場合、上記実施形態において、未燃炭素を「凝集防止剤」と読み替えることによって、流動層５１中の凝集防止剤の割合の監視、及び、凝集防止剤の割合の流動特性の悪化を予測することができる。

１ ：流動床炉
３ ：燃焼排ガス系統
４ ：排ガス再循環系統
１０ ：炉本体
１０ａ ：第１側壁
１０ｂ ：第２側壁
１１ ：流動床部
１２ ：フリーボード部
１３ ：絞り部
１５ ：運転制御装置
３１ ：熱交換装置
３２ ：サイクロン式集塵機
３３ ：バグフィルタ
３４ ：誘引ブロワ
４０ ：ガス再循環ブロワ
４１ ：第１仕切壁
４２ ：第２仕切壁
４３ ：天井壁
５１ ：流動層
５２ ：流動用ガス供給装置
５３ ：燃焼領域
５４ ：熱回収領域
５５，５６，５７ ：連通口
６１ ：燃焼セル
６２ ：循環セル
６３ ：収熱セル
６４ ：伝熱管
６５ ：燃料投入口
６８ ：未燃ガス供給口
６９ ：三次燃焼用ガス供給口
７０ ：温度センサ
７２ ：抜出口
７９ ：押込ブロワ
８０ ：散気管
８１，８２，８３ ：流動用ガス供給配管
８１ａ，８２ａ，８３ａ ：流量調整手段
８１ｂ，８２ｂ，８３ｂ ：流量計
８８，８９ ：流量調整手段
９ 流動床監視装置
９１ ：圧力センサ
９２ ：演算部
９３ ：監視部
１００ ：燃焼システム

Claims (10)

1. 炉内下部に充填された流動媒体を炉底から吹き出す流動用ガスで流動させてなる流動床が形成された流動床炉において、前記流動床の状態を監視する流動床監視方法であって、
   前記流動床内に高さ方向のセグメントを規定し、そのセグメントの上端レベルと下端レベルとの圧力差を検出し、
   検出された前記圧力差に基づいて、前記セグメントに含まれる、前記流動床の密度を低下させることにより当該流動床の流動性を低下させる流動阻害因子の割合を求め、
   前記流動床炉の運転中に前記流動阻害因子の割合を監視する、
   流動床監視方法。
2. 前記流動床に燃料が供給されていない状態の前記セグメントの上端レベルと下端レベルとの圧力差である圧力差基準値と、検出された前記圧力差との差から、前記流動阻害因子の割合を求める、
   請求項１に記載の流動床監視方法。
3. 前記流動阻害因子の割合を、高さレベルの異なる２以上の前記セグメントで求め、
   前記流動床炉の運転中に２以上の前記セグメントの前記流動阻害因子の割合を監視する、
   請求項１又は２に記載の流動床監視方法。
4. ２以上の前記セグメントの前記流動阻害因子の割合から、前記流動床における局所的な前記流動阻害因子の割合の増大がみつかると、所定の処理を行う、
   請求項３に記載の流動床監視方法。
5. ２以上の前記セグメントの前記流動阻害因子の割合から、前記流動床の全体的な前記流動阻害因子の割合の増大がみつかると、所定の処理を行う、
   請求項３に記載の流動床監視方法。
6. 炉内下部に充填された流動媒体を炉底から吹き出す流動用ガスで流動させてなる流動床が形成された流動床炉において、前記流動床の状態を監視する流動床監視装置であって、
   前記流動床内に高さ方向のセグメントが規定され、
   前記流動床と接触している前記流動床炉の内壁に設けられ、前記セグメントの上端レベルと下端レベルとの圧力差を検出する圧力センサと、
   検出された前記圧力差に基づいて、前記セグメントに含まれる、前記流動床の密度を低下させることにより当該流動床の流動性を低下させる流動阻害因子の割合を求める演算部と、
   前記流動床炉の運転中に前記流動阻害因子の割合を監視する監視部とを、備える、
   流動床監視装置。
7. 前記演算部が、前記流動床に燃料が供給されていない状態の前記セグメントの上端レベルと下端レベルとの圧力差である圧力差基準値と、検出された前記圧力差との差から、前記流動阻害因子の割合を求める、
   請求項６に記載の流動床監視装置。
8. 前記演算部は、前記流動阻害因子の割合を、高さレベルの異なる２以上の前記セグメントで求め、
   前記監視部は、前記流動床炉の運転中に２以上の前記セグメントの前記流動阻害因子の割合を監視する、
   請求項６又は７に記載の流動床監視装置。
9. 前記監視部は、２以上の前記セグメントの前記流動阻害因子の割合から、前記流動床における局所的な前記流動阻害因子の割合の増大がみつかると、所定の処理を行う、
   請求項８に記載の流動床監視装置。
10. 前記監視部は、２以上の前記セグメントの前記流動阻害因子の割合から、前記流動床の全体的な前記流動阻害因子の割合の増大がみつかると、所定の処理を行う、
    請求項８に記載の流動床監視装置。

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