JP2840458B2 - 循環式流動床反応器を有する組合わせサイクル発電設備 - Google Patents

循環式流動床反応器を有する組合わせサイクル発電設備

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JP2840458B2 JP8531501A JP53150196A JP2840458B2 JP 2840458 B2 JP2840458 B2 JP 2840458B2 JP 8531501 A JP8531501 A JP 8531501A JP 53150196 A JP53150196 A JP 53150196A JP 2840458 B2 JP2840458 B2 JP 2840458B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、添付請求の範囲の独立項１の前段に記載し
た組合わせサイクル発電設備に関するものである。
加圧流動床反応器は、例えばアメリカ合衆国特許第48
69207号により公知である。それらの反応器の場合、反
応器室を内蔵する圧力容器が、過圧、すなわち２バール
を超える圧力、好ましくは約８〜16バール（燃焼器の場
合）に維持される。但し、その圧力は、設備によって大
きな違いもあれば、１つの設備内でも作動中に大きな変
動がある。しかし、この種の加圧反応器の著しく高額の
費用を要するのは、圧力容器自体である。圧力容器の容
量が増すにつれて、費用は、線形というより、むしろ幾
何的に増大する。したがって、構成部品の寸法を縮小
し、構成部品を再構成し、いずれかの構成部品を不要に
することで、圧力容器の費用及び価格競争に劇的な影響
を与えることができる。したがって、圧力容器の寸法は
最小限に維持することが望ましい。圧力容器内で大きな
空間を占める１つの構成部品は、従来式のホット・サイ
クロンである。従来式のサイクロン分離器が反応器室と
共に用いられる場合、圧力容器内には、かなりの無駄な
空間が生じるため、従来式のサイクロンを収容するに
は、それに対応して、圧力容器を大型に構成せねばなら
ない。サイクロンが、反応器室を内蔵する主圧力容器の
外部に配置されている場合は、別個の圧力容器を用意せ
ねばならない。また、反応器室から高温煙道ガスを外部
サイクロン分離器へ案内する導管及びシールや、外部サ
イクロン分離器と反応器の容器との間の再循環導管も、
用意せねばならない。これらの部材によって、更に、費
用が増大し、保守が複雑になる。
また、大気循環式流動床反応器であって、明らかに非
円形横断面の、通常は方形横断面の渦流室又はガス室を
内部に有するサイクロン分離器を備えた形式の反応器が
公知である。この種のシステムの場合、燃料の大気中燃
焼、及び大気圧を使用するために提案される幾何形状
は、主として製造費及び／又は設置費と、冷却反応器壁
への冷却サイクロの適応の成否とに左右される。類似の
加圧使用の場合には、別の明らかな利益が得られるが、
それらの利益は、重要とは見られないか、大気圧使用に
は適用できないかである。
アメリカ合衆国特許第4793292号の例で明らかなよう
に、加圧流動床使用時には、普通、重要と考えられるの
は、圧力容器のガス室を出来るだけ効果的に利用するこ
とである。この要求を満たすため、予め、反応器横断面
を出来るだけ厳密に圧力容器の円形形状に従って形成す
ることが試みられて来た。例えば、アメリカ合衆国特許
第4796292号には、反応器横断面のいくつかの変更態様
や、複数の平面的な壁から造られた別の反応器（分離器
を含む）も示され、これにより円形横断面の形成に取組
んでいる。
大気圧式反応器の場合には、横断面に対する特別な要
求は存在しない。しかし、明らかに非円形の単数又は複
数のサイクロン分離器が、円形サイクロン分離器を用い
る通常の方式と異なり、加圧流動床反応器と組合わされ
る場合には、円形サイクロン分離器への交差ダクトは省
略でき、非円形サイクロンを反応器に隣接配置すること
ができる。その結果、よりコンパクトな配置が可能にな
り、圧力容器の寸法を最小化でき、したがって、加圧流
動床反応器の経済的な構成が可能になる。別個の補助圧
力容器内に、圧力容器へ通じる外部サイクロンを配置す
ることの潜在的な利点も、したがって失われる。なぜな
ら、炉と非円形のサイクロンとを、円形空間内に密に適
合するように好都合にコンパクトに配置できるからであ
る。
本発明の目的は、改良型組合わせサイクル発電設備を
得ることである。
また、特に本発明の１つの目的は、加圧循環式流動床
（CFB）反応器と、CFB反応器に接続した熱交換手段と
を、組合わせサイクル発電設備内で、よりコンパクトに
配置することである。
更に、本発明の１つの目的は、組合わせサイクル発電
設備内の加圧容器内に、反応器、熱交換器、高温ガスフ
ィルタをコンパクトに配置することである。
したがって、本発明によれば、組合わせサイクル発電
設備は、添付請求の範囲第１項の特徴部に記載の構成を
有している。
本発明による組合わせサイクル発電設備は、通常、次
の装置から成っている： すなわち、 − ２バールを超える加圧ガスを得るためのガス圧縮
装置、例えば空気圧縮器又は空気／酸素圧縮器と、 − ガス圧縮装置を駆動するガスタービン装置と、 − 円形横断面を有し、２バールを超える圧力に耐え
ることができ、頂部と底部とを有する圧力容器と、 − 圧力容器に包囲され、事実上平面的な壁を有する
加圧流動床反応器と、 − 加圧ガスをガス圧縮装置から前記圧力容器へ送る
装置と、 − 前記反応器室内へ燃料を供給するための装置と、 − 前記反応器からの高温燃焼ガスを案内する装置
と、 − 前記圧力容器内に配置された少なくとも１つの遠
心分離器であり、前記反応器室からの高温燃焼ガスを案
内する前記装置へ接続された入口と、前記少なくとも１
つの分離器から、前記圧力容器の外部の膨張用ガスター
ビンへ通じる出口と、前記分離器から前記反応器室へ、
分離された固体粒子を再循環させる戻りダクトとを備え
た遠心分離器とが備えられている。遠心分離器は、内部
ガス室を画定する明らかに平面的な壁を有する立て型の
渦流室を有している。また、ガス室は、明らかに非円形
の横断面を有し、1.15以上の円状率を有している。
組合わせサイクル発電設備は、本発明の一好適実施態
様によれば、特に、圧力容器内に泡立ち＝吹き立て撹拌
（bubbling）流動床熱交換器室が設けられ、この熱交換
器室が、反応器室と連通し、反応器室とコンパクトな形
式で接続されていることが特徴である。熱交換器室は、
したがって、反応器室壁と共通の壁部分を共有してい
る。熱交換器室は、例えば反応器室内の、反応器室の底
部に配置し、それによって、反応器室側壁の区画と共通
の第２及び第３の側壁を有するようにするのが好まし
い。本発明の別の好ましい実施態様によれば、熱交換器
室が、分離器の下に配置され、分離器の横断面と類似の
横断面を有し、分離器側壁の延長部と共通の第２及び第
３の側壁区画を有している。
加圧流動床反応器内にサイクロン分離器をコンパクト
に配置することで、いくつかの利点が得られる。第１
に、コンパクトな特質と配置とのため、他の構成部品、
例えば、セラミック製キャンドルフィルタ又はハネカム
フィルタ等のセラミックフィルタ装置を、反応器室及び
サイクロン分離器と同じ圧力容器内に（例えばサイクロ
ン分離器の上方又は下方に）組付ける余地が得られ、こ
の結果、すべての場合に、第２圧力容器を、ガス濾過の
ために備える必要が必ずしもなくなり、それによって、
全システムの費用が著しく低減される。また、コンパク
トな配置の結果、加圧組合わせサイクルシステムの場合
に、別の利点が得られる。サイクロン分離器のみでな
く、全加圧循環流動床（PCFB）反応器のコンパクトな配
置の結果、圧力容器の最適空間利用が可能になる。組合
わせサイクル処理では、ガスタービン及び蒸気タービン
の操作が組合わされ、したがって、蒸気発生回路が、大
気循環式流動床（ACFB）の蒸気発生回路とは類似してい
ない。組合わせサイクル処理では、PCFB反応器からのガ
スは、ガスタービンの効率を満足のゆくレベルに維持す
るために、冷却しないのが好ましい（これに対し、ACFB
の場合は、ガスを冷却すべきである）。
第２に、コンパクトな性格と配置とのため、泡立ち即
ち吹き立て撹拌コンパクト型流動床熱交換器（CHEX）
を、本発明の特徴により、非円形サイクロンの下方に配
置する余地が得られる。この熱交換器は、上方に位置す
るサイクロンと類似の横断面を有し、非円形高温サイク
ロンの立ち下がり管からの、又は反応器内壁に沿った固
体の下降流からの高温固体を受容できるように構成され
ている。この熱交換器に組込まれている伝熱面は、その
場合、組合わせサイクル発電設備内に用いられる加熱流
体を得るのに利用できる。
第３に、組合わせサイクル処理は、超臨界かつウルト
ラ超臨界状態等の高圧蒸気の利用から利益を得ることが
できる。これは、オメガパネルを用いる反応器内、又は
泡立ち即ち吹き立て撹拌流動床（CHEX）内に伝熱面を設
け得ることによる。それによって、また蒸気の状態及び
温度を実現し、制御することができ、反応器とCHEXとの
異なる伝熱特性を利用できる。そのような超臨界的又は
ウルトラ超臨界的な使用の場合には、貫流蒸気サイクル
が利用され、自然循環を支える従来式の蒸気ドラムよ
り、むしろ蒸気分離器が用いられる。
本発明の一好適実施態様によれば、組合わせサイクル
発電設備は、圧力容器を加圧する加圧ガス（好ましくは
空気）を用意するガス圧力用圧縮器を有している。加圧
空気は、圧力容器に包囲されたPCFB反応器内で燃焼用空
気として利用される。PCFB反応器は、循環式流動床とし
て作動する。このような流動床の場合、かなりの量の固
体が、ガスと共に、PCFB反応器の反応器室上方部分内
へ、更には反応器の外部のサイクロン分離器のところ
へ、同伴される。ガスからは、サイクロン分離器内で粗
粒（通常は＞約25μｍ）を除去される。これらの分離さ
れた粗粒は再循環され、反応器室へ戻される。清浄化さ
れたガスは、（好ましく精密濾過後）事実上冷却されず
に、ガス圧縮器を駆動するようにされたガスタービン
と、電気を発生させる発電機とへ送られるのが好まし
い。膨張し、未だかなり高温のガスが、熱回収蒸気発生
器（HRSG）へ送られる。膨張ガスの熱は、大気へ逃がさ
れる前に、蒸気発生器内で蒸気発生に利用する。HRSG蒸
気発生回路は、本発明によれば、PCFB反応器の冷却表面
に接続されている。
本発明によるコンパクト型分離器を有するPCFB反応器
は、フィンを介して互いに結合された複数の管を有する
いわゆる膜壁を備えている。PCFB反応器の壁は、壁の管
内に蒸気を発生させることによって冷却するのが好まし
い。
本発明の有利な一実施例によれば、反応器室内部に、
好ましくはその上方区域に伝熱面を有している。このよ
うな伝熱面は、支配的な条件に適するいわゆるオメガパ
ネルとすることができる。また、この好適実施態様によ
れば、PCFBは、好ましくは反応器室底部区域にいわゆる
コンパクト型熱交換器（CHEX）を有している。CHEXは、
好ましくは反応器室に接続され、それによって、反応器
室から直接に固体材料を受取ることができ、当然また、
サイクロン分離器内のガスから分離された材料も、CHEX
内へ送られる。CHEXは、内部の固体材料の流動床内に浸
漬された伝熱面を有する泡立ち流動床熱交換器であるの
が好ましい。
CHEXは、非円形のコンパクトな分離器同様、本発明に
より、PCFB反応器の共通の蒸気発生膜壁を利用すること
により、PCFB反応器と接続される。また、共通の蒸気発
生回路は、前記構成部品のそれぞれの内部に区画を有す
るようにするのが好ましい。このようにして、例えば熱
膨張は、これらの構成部品のそれぞれに事実上類似の値
となり、その結果、信頼性のあるPCFBシステムが得られ
る。本発明によれば、極めて効率的かつ融通性のある組
合わせサイクル発電設備が、HRSG蒸気発生システムを、
PCFB反応器の蒸気発生システム、特に反応器室内の伝熱
面、すなわちCHEXの固体材料の流動床内に浸漬されたオ
メガパネル及び伝熱面と組合わせることによって、得ら
れる。この蒸気発生形式によって、蒸気の過熱及び／又
は再加熱が、全システムを適宜に利用することによって
達成できる。意外なことに、特に、本発明によるPCFB反
応器により、組合わせサイクル処理用の非並列（unpara
llel）システムが得られることが判明した。本発明によ
り、反応器室、固体分離器、流動床熱交換器（CHEX）を
含む、単一の圧力容器内の事実上すべての所要構成部品
区画を、前記圧力容器内の空間を最適利用することによ
って取囲むことが可能になる。
本発明の一好適実施態様によれば、組合わせサイクル
処理の蒸気サイクルは、PCFB反応器の蒸気発生膜壁と、
HRSG煙道ガス通路内の蒸気発生伝熱面と、CHEX内及びPC
FB反応器の反応器室内の蒸気過熱及び／又は再加熱伝熱
面とを介して行われる。蒸気発生膜壁及び面内に発生し
た蒸気は、発電用の蒸気タービンへ送られる前に過熱さ
れる。数段のタービン、例えば２段タービンを使用する
場合、第１（中間）段からの蒸気を、第２（次の／最
終）段へ送る前に再加熱するのが好ましい。また、本発
明により、PCFB反応器と接続した適当な過熱及び再加熱
熱交換面を、コンパクトなPCFB反応器を用意することに
より、かなり小直径の圧力容器内に配置することが可能
になる。
蒸気の過熱は、本発明により、発電設備の設計条件及
び使用負荷に応じて、過熱又は再加熱した蒸気を、PCFB
の反応器室内の伝熱面とCHEXの伝熱面とに、あるいは又
はその逆に、任意に方向付けるようにすることで制御す
るのが好ましい。低負荷条件の場合、CHEX内での除熱量
は、CHEXへの空気流を低減し、かつCHEXを通過する固体
流を迂回させることで、低減又はゼロにすることができ
る。したがって、本発明によれば、蒸気の過熱及び／又
は再加熱のために、固体を、CHEXへ送るか、又はCHEXを
迂回させることができる。PCFB反応器がコンパクトな構
成のため、すべての必要な部品を、単一の圧力容器内に
配置できる。
圧力容器内に配置される遠心分離器は、反応器室から
高温燃焼ガスを案内する装置に接続された入口と、分離
器から次の処理段階へ導くガス出口とを有している。こ
の出口は、通常、圧力容器の内側又は外側に配置された
セラミックフィルタ又は他の粒子除去部材から成り、ガ
スタービン内での減圧と低レベルの熱回収のために、最
終的に圧力容器から送出するための出口である。分離さ
れた固体粒子を分離器からCHEXへ、又は直接に反応器室
へ再循環させるための固体戻しダクトも備えてある。遠
心分離器は、内部ガス室を形成する明らかに非円筒形の
壁を有する立て型の渦流室を有し、内部ガス室は、明ら
かに非円形の横断面を有し、1.15以上の円状率（circul
arity）を有している。ガス室は、通常、方形横断面を
有し、事実上平らなパネルから造られたサイクロン分離
器を備えている。
遠心分離器は、第１遠心分離器を有しており、また、
既述のように、第１遠心分離器と等しい基本構成部品を
有する第２遠心分離器が備えられている。これらの分離
器は、反応器室の両側に配置して、反応器室の側壁に結
合するか、又は反応器室の同じ側に互いに隣接配置もし
くは上下配置する。上下配置して、一方の分離器のガス
出口からは上方へ、他方の（上方の）分離器からは、好
ましくは下方へ排出するようにすることによて、双方の
ガス出口に共通の１つのプレナムが得られる。反応器、
非円形の複数サイクロン、複数CHEX、また可能なら複数
セラミックフィルタを、圧力容器内に最適配置するため
に、事実上等しい多数の分離器をグループで（例えば対
で）反応器室の両側に取付けるようにする。反応器室
は、第１横断面面積を有し、分離器のそれぞれが、その
ガス室の第２横断面面積を有し、これらの横断面面積
が、事実上等しくされている。
圧力容器の加圧用のガス圧縮器は、圧力容器へ加圧下
で酸素含有ガスを導入し圧力容器内部を加圧する装置を
有している。加圧ガス流は、また反応器室底部から反応
器室に流動ガスを供給する装置を有している。反応器室
の長さに沿って複数のオメガパネルが配置されており、
分離器が、オメガパネルと平行に反応器室の長手側に取
付けられている。
反応器は、更に、圧力容器内の支持構造物に取付けた
複数のセラミックフィルタ装置、例えばキャンドル、モ
ノリシック、ハニカムいずれかのフィルタを有してい
る。セラミックフィルタ装置は、汚染ガス入口と、清浄
ガス出口と、灰出口とを有している。本明細書及びクレ
イムに用いた“セラミックフィルタ装置”という用語
は、従来式のセラミックキャンドル、モノリシックフィ
ルタ、ハニカムフィルタ、今後に開発される改良フィル
タであって、流動床反応器から出る煙道ガス等の高温ガ
スから、粒子を濾過し得るフィルタ装置をいう。セラミ
ックフィルタ装置を収容するには、多くの異なる構成を
利用できる。１つの構成によれば、分離器を、反応器室
の側部に沿って反応器室側壁に取付け、ガス出口を下方
に向け、支持構造物とセラミックフィルタ装置のフィル
タを、分離器と同じ側の反応器室側壁に、それも分離器
の下方に取付ける。フィルタ装置の各フィルタは、おお
よそ平行に延在する。
本発明の更に別の態様によれば、組合わせサイクル発
電設備が得られる。この発電設備には、２バールを超え
る圧力の圧縮空気を発生させる空気圧縮器と、空気圧縮
器を作動させるガスタービン装置と、断面円形の、前記
空気圧縮器に接続され、２バールを超える圧力に耐えら
れる圧力容器と、圧力容器に包囲された加圧循環式流動
床反応器とが備えられ、この反応器が、底部区域を有す
る事実上平面的な蒸気発生管壁を備えた、長方形横断面
の反応器室を有しており、また、前記反応器から高温燃
焼ガスを導出する装置と、前記圧力容器内に配置され、
高温燃焼ガスを受容し清浄化するため、反応器室に適合
する遠心分離器とが備えられ、この反応器室が、前記分
離器からのガスを前記圧力容器外へ排出するガス出口を
有しており、また前記遠心分離器が、ガス室を画定する
明らかに平面的な蒸気発生管壁を有する立て型渦流室を
有しており、更に、CHEX泡立ち流動床熱交換器室が備え
られ、この熱交換器室内部を画定する明らかに平面的な
蒸気発生管壁を有しており、また前記熱交換器室が、前
記反応器室の底部分に接続されており、更にガスタービ
ンから排出されるガスから熱を回収するため、ガスター
ビン装置に適合する熱回収ユニットが備えられ、更にま
た、蒸気タービンと、前記蒸気発生管壁を含む蒸気発生
表面と、蒸気過熱表面とを利用して蒸気発生サイクルが
行われる。
本発明の主な目的は、サイクロン分離器を有する加圧
循環式流動床反応器、及びコンパクト型の、圧力容器に
組込まれた泡立ち流動床熱交換器を有する組合わせサイ
クル発電設備を得ることにある。本発明のこの目的及び
他の目的は、本発明の詳細な説明及び添付クレイムから
明らかになるであろう。
図面の簡単な説明 図１は、本発明による加圧循環流動床を備えた組合わ
せサイクル発電設備の図。
図２は、本発明による加圧流動床反応器の一好適実施
態様の部分縦断立面図。
図３は、図２の２−２線に沿った横断面図。
図４は、反応器のいくぶん異なる実施態様の、図３同
様の横断面図。
図５は、図４の反応器の上方から見た斜視図で、圧力
容器自体は破線で示した図。
図６は、本発明による反応器の別の好適実施態様の側
面図で、サイクロン分離器ガス出口に隣接する圧力容器
に取付けられたフィルタ装置を示した図。
図７は、本発明による反応器の別の実施態様の断面図
で、種々の寸法関係を示した図。
図面の詳細な説明 図１は、加圧循環式流動床を有する組合わせサイクル
発電設備の図である。組合わせサイクル過程には、破線
で例示した符号“GTC"のガスタービン・サイクルと符号
“STC"の蒸気タービン・サイクルとが統合されている。
ガスタービン・サイクルは、空気を過圧に圧縮するため
のガス圧縮器１を含み、圧縮空気は、図１、図２、図３
に全体を符号10で示したPCFB反応器内へ送られる。PCFB
反応器は、支配的な圧力差に耐える圧力容器11によって
取囲まれている。圧縮ガスは、更に反応器内へ送られ、
反応器と圧力容器との間のガス室内で、反応ガスとして
用いられる。ここでは、本発明を、燃焼過程の場合につ
いて説明するが、別の過程、例えば気化の場合にも適用
できるものと理解されたい。空気及び燃料は、PCFB反応
器内の、過圧条件下の循環式流動床内で燃焼し、その結
果、高温煙道ガスが発生する。この煙道ガスは、サイク
ロン13から排出された後、全体を符号３で示した細密濾
過ユニッへ送られる。この細密濾過ユニット３は、処理
過程での高温（通常は600〜1000℃）及び高圧（通常は
２〜20バールに）に耐えるようにされている。細密濾過
ユニット３は、圧力容器11とは別個に示されているが、
後述するように、反応器10と同じ圧力容器11内に組付け
ておくこともできる。濾過されたガスは、ガスタービン
５へ送られ、そこで膨張する。ガスタービンには、また
ガスタービン５内へ供給する前にガス温度を高めるた
め、付加的な燃焼室７を備えることができる。膨張した
が未だ高温のガスが、熱回収蒸気発生器（HRSG）９シス
テムを通過し、スタック８を介して大気中に排出される
前に、ガスから熱を回収する。本発明による蒸気タービ
ンは、HRSG9とPCFBとの双方に接続されている。供給水
は、HRSG9で予熱熱交換器２を介して煙道ガスによって
加熱され、更に蒸発器４を介して蒸発される。簡単化す
るため、この過程を、極めて平易な形式に図示してあ
る。PCFB反応器は、好ましくはいわゆる膜壁で作られた
冷却壁で形成されている。図１には詳細には図示されて
いないが、蒸気ドラム14は、蒸気発生がPCFB反応器10内
で行われることを示している。蒸気ドラムの図は、この
文脈では、必ずしもドラムを必要とする蒸気発生のみを
指す（それのみが可能）ものではない。例えば、超臨界
的な貫流サイクルも、同じように利用できる。この組合
わせサイクル処理は、また、高圧蒸気、例えば、超臨界
的及びウルトラ超臨界的状態を、オメガパネルを用いて
反応器内に、又は泡立ち流動床CHEX内に高圧表面を配置
することによって、利用することで利益を受けることが
でき、それによって、蒸気の状態と温度と達成し制御す
ることができ、かつまた反応器とCHEXとの異なる伝熱特
性を利用できる。このような超臨界的及びウルトラ超臨
界的な使用の場合、貫流蒸気サイクルを利用でき、自然
環境を支える従来式の蒸気ドラムより、むしろ蒸気分離
器が用いられる。
これと関連するドラム又は蒸気分離器14は、PCFB10及
びHRSG9の蒸気発生設備を接続するための管路その他の
装置を有している。生成された蒸気は、HRSG過熱器６及
び／又はPCFBの過熱熱交換器を使用することによって、
過熱される。本発明による過熱熱交換器は、反応器室12
及び／又は本発明により組込まれたCHEX12′内に配置さ
れる。生成された過熱蒸気は、第１段の入口100（D/B）
から蒸気タービン５′へ入り、膨張し、発電設備を駆動
する。符号D/Bは、種々の制御方式及び／又は反応器入
口102、104及びタービン第１段入口100との種々の接続
を示すものである。これらの制御方式及び接続は、制御
変数として少なくとも蒸気入口温度106（T1）を有する
ように適用する。第１段出口107（A/C）からの膨張した
蒸気は、PCFB反応器10の入口108、110へ戻され、蒸気ガ
スから再加熱される。符号（A/C）も、また別の種々の
接続方式を示すものである。再加熱された蒸気は、反応
器出口102、104から第２段入口112（B/D）へ送られ、蒸
気ガスから最終的に膨張する。タービン５′からの蒸気
は復水器116へ送られ、凝縮した水は、更にステム（ste
m）サイクル回路内の予熱器２へ送られる。蒸気タービ
ン５′の機械式の回転出力部118は、発電機G120を回転
させるのに用いられる。基本蒸気発生回路は、作業過程
に応じて変更できる。本発明により、PCFB10内で蒸気の
過熱及び再加熱が、好都合にも可能になり、ほぼ中程度
の寸法の圧力容器でも可能である。
以上、本発明による循環式加圧流動床反応器の一好適
実施態様のおおよそを説明したが、図１の説明よりも詳
細に、図２及び図３の符号10の反応器について説明す
る。反応器10は、反応器室12を有する圧力容器11と、１
つ以上の（図２及び図３では２つ）遠心分離器（サイク
ロン）13とを有している。通常特殊鋼製の圧力容器11
は、横断面が円形であり（図３参照）、２バール以上の
（例えば約８〜16バール）の過圧に耐えることができ
る。圧力容器11は、頂部11′と底部11″とを有してい
る。
図１のガス圧縮器１は、圧力容器11を２バールを超え
る（例えば約８〜16）圧力に圧縮する。加圧は、圧力容
器11の頂部の管路16（図２）を介して圧力下の酸素含有
ガスを圧入することで行われる、ほぼ加圧ガス16の圧力
に達する圧力容器11は、その全容積が圧力密に構成され
ている。ガス16は、酸素含有ガス、好ましくは空気であ
り、底部区域を通過し反応器室12内へ入り上方へ流れる
ようにも使用され、反応器室12内に燃焼（気化）ガス及
び／又は流動ガスが得られる。反応器室内への燃料供給
（図２には符号18で略示）や、反応器室12への他の材
料、例えば汚染物質吸着剤（例えば石灰石）の供給（符
号19で略示）のために、従来形式の手段も用いられる。
燃料は、石炭、油、バイオマス、その他、通常固体粒子
形式の炭素又は水素含有燃料、更には、例えば水や吸着
剤と混合されて燃料となったスラリーなどである。ま
た、図２に符号20で示したように、反応器室12からの従
来式の灰排出部も備えている。
本発明による反応器10の単数又は複数の遠心分離器13
は、例えば特許出願（アメリカ合衆国特許第5281398
号）に記載のとおりである。すなわち、各分離器13が、
立て型の渦流室21（図２）を有している。この渦流室
は、明らかに非円筒形の壁22を有し、これらの壁22が、
明らかに非円形の横断面を有する渦流室、つまり内部ガ
ス室21を画定している。通常、ガス室21は、１を超える
値の、好ましくは1.1を超える値の、より好ましくは1.1
5以上の円状率を有している。図２及び図３に示された
好ましい構成では、ガス室21が、方形（例えば正方形）
横断面を有し、分離器13は、基本的には事実上平らで冷
却されたパネルで構成されている。この構成により、よ
りコンパクトな空間が得られるだけでなく、分離器13
を、円形の従来形式の分離器より安価に構成できる。
各分離器13は、また、内部に渦流ファインダ23を有
し、分離した固体粒子を分離器13から、例えば反応器室
12へ再循環させる戻しダクト24を有している。ガス室21
からのガス出口25が、渦流ファインダ23と同心的に設け
られている。図２及び図３に示した実施態様では、ガス
出口管路25は、圧力容器11の頂部を貫通する適当なシー
ルを貫通している。
反応器10内の構成部品のために、種々の水冷パネルが
設けられ、反応器室12内の燃焼による熱を回収し、構成
部品の寿命は長期にわたって維持される。好ましくは、
反応器室12の縦壁28と平行（幅29方向に対し直角）のオ
メガパネル27は、反応器室12からの熱を、蒸気タービン
に利用する過熱蒸気の形式で回収するために備えられて
いる。水冷パネルは、また分離器13と組合わせて備えら
れている。例えばパネル22は、複数の特許出願に開示さ
れているような水管で形成されている。図２及び図３の
実施態様では、２つのサイクロン分離器が、反応器室12
の１つの縦壁28に並置して取付けられている。この実施
態様は一例にすぎず、他の多くの配置形式が可能であ
る。
反応器10には、また、コンパクト型流動床熱交換器
（CHEX）12′が組込まれている。CHEX12′は、反応器10
の底部、それも単数又は複数のサイクロン13の下方に配
置するのが好ましい。こうすることによって、CHEXに
は、圧力容器11内で必ずしも特別な横断面区域を必要と
しなくなり、サイクロンが占めている空間の垂直投影内
に位置することができる。本発明によれば、単数又は複
数の分離器13とCHEX12′とを形成するのに、同じパネル
22を使用するのが好ましい。上下のコレクタ15、15′
は、それぞれ、蒸気を発生させる管壁が存在することを
示すためのものである。側壁は、事実上直線的であり、
後壁は、サイクロン及びCHEXの後壁を形成するために適
当に曲げてある。
本発明は、驚くほどさまざまな、かつまた有利な加圧
循環式流動床反応器を提供するものである。本発明によ
り、ガスタービンを駆動するための高温加圧ガスを生成
できると同時に、本発明によるコンパクト型加圧循環式
流動床を用いて蒸気を発生させる融通性のある手段が得
られる。煙道ガスが、反応器から出来るだけ高く排出さ
れ、サイクル内で使用するガスタービンの効率が最大化
され、したがって、ガスは、反応器から排出後、通常は
冷却されない。しかし、構成部品を過熱から守る必要が
ある場合には、必要な熱量だけガスから除去する。通常
は、PCFB反応器から排出されるガスの温度は、650〜950
℃である。蒸気の過熱及び／又は再加熱は、反応器室12
及び／又はCHEX泡立ち流動床内の熱交換器の設備を単一
の圧力容器11内に設けることが可能になる。
図４及び図５には、本発明による別の反応器10′が示
されている。この反応器10′は、サイクロン分離器の数
以外は、反応器10と事実上等しい。この実施態様の場
合、分離器10′の両側に分離器ユニットが配置され、各
ユニットが、２つの別個の渦流から成っている。本発明
によれば、コンパクト型熱交換器12′は、分離器ユニッ
ト13の下に配置されている。CHEXユニットは、泡立ち流
動床を有し、その中に熱交換器が浸漬されている。好ま
しくは、CHEXユニットは、その上方のサイクロン分離器
と共通の壁構造物を有するようにする。こうすることに
よって、圧力容器内での反応器10′の支持が効果的にな
り、本発明のこの特徴は、組合わせサイクル処理と結び
付けた場合、特に効果的である。
図６は、本発明による、セラミックフィルタ装置71を
備えた加圧循環式流動床反応器65の一実施態様を、いく
ぶんより詳細に略示した図である。圧力容器66内には、
反応室67と、方形横断面の、反応室の片側又は両側に配
置された１つ以上のサイクロン68と、サイクロン68から
の粒子を再循環させる管路69と、サイクロン68からのガ
スをセラミックフィルタ装置71へ導くガス出口70とが配
置されている。セラミックフィルタ装置71の個々のフィ
ルタは、図６には符号72で示され、大体において水平に
延在し、支持構造物73に取付けられ、一方の側には汚染
ガス入口74（管路70に接続されている）を、反対側には
清浄ガス室75を備え、圧力容器66を貫通し、次の処理へ
と通じる清浄ガス出口76と連通している。例えばフライ
アッシュ又はその他の粒子用の灰出口が符号77のところ
に設けられている。灰出口77は、フィルタ72を通過する
ガスから分離された粒子を廃棄するための出口である。
これらの粒子は、通常、フィルタ72を、例えばアメリカ
合衆国特許第5242472号に記載のように従来式に逆洗浄
する事で除去される（図示せず）。
図６に見られるように、圧力下の空気は、頂部の符号
78のところから、圧力容器66内へ導入されるが、符号79
で示したように別個に制御される流動空気が送入され、
符号80で示したように、燃料と吸着剤その他とが、反応
器室67へ加えられるにつれて、反応器室67の周囲を上方
へ流れ、また廃棄される灰は、反応器室67の底部の管路
81から排出される。本発明の原理を利用することによ
り、費用効果よく、反応器圧力容器66内に十分なフィル
タ区域を設けることができ、圧力容器66内に配置される
事実上最適寸法の反応器によって生成されるガスのすべ
てを、効果的に濾過できる。流動ガスの一部は、CHEX1
2′内へ供給され、その内部に泡立ち流動床ガス形成さ
れる。この実施態様の場合、CHEXは、サイクロン68の下
にはフィルタ装置が配置されるため、反応器室内に配置
される。しかし、この場合も、CHEXとフィルタ室とが、
圧力容器の横断面を増すことなしに配置されている。
図７は、特定寸法の圧力容器61に対し、最適寸法の反
応器室を数学的にどのように計算するか、その仕方を略
示したものである。圧力容器61は、内径Ｄを有し、反応
器室62は、幅ｗと長さＬとを有している。複数のサイク
ロン分離器63は、反応器室62の両側に示されて、ｘ個の
分離器63が備えられ、各分離器は、側部寸法ｄの方形横
断面を有している。
図７から明らかなように、反応器室62の横断面の面積
は、Ｌのｗ倍であり、分離器63の渦流室の面積は、ｘ
（この場合は８）のd2倍である。反応器室62の面積は、
渦流室63の面積と等しいのが望ましいので、正確には次
式で表される： ｘとＤに所望値を代入すると、反応器室62の最大面積
を数学的に計算可能である。もちろん、より経済的で費
用効果のよい解決策を、圧力容器の入口及び出口、種々
の付属部品の配置等の他の要因により得ることができる
ため、最大反応器室面積が、常に利用されるというわけ
ではないが、反応器室62の最大面積計算は、多くの事情
から価値がある。
本発明は、また、詳言すると、アメリカ合衆国特許第
5114581号及び第4793292号に記載のように、セラミック
フィルタ装置を使用することによって、遠心分離器から
排出されるガスの濾過用の別個の圧力容器を省略できる
利点を有している。この構成により、より大きいフィル
タ面積／容積比（area/volume ratio）が得られ、この
比によってフィルタユニットに要する空間が低減され、
フィルタユニットを直接に圧力容器内に配置可能にな
り、本発明による、圧力容器と方形サイクロン分離器と
の特定の組合わせにより、十分な内部空間が得られ、反
応器室及びサイクロン分離器とが配置されている同じ圧
力容器内に、セラミックフィルタを配置することができ
る。
このように、本発明により、コンパクトな、費用効果
のよい、効率的な加圧循環式流動床反応器と、PCFB反応
器を有する組合わせサイクル発電設備とが得られる。以
上、本発明を、現時点で最も実用的かつ好適と考えられ
る実施態様で図示し、説明したが、言うまでもなく本発
明の範囲内で多くの変更態様が可能であることが、当業
者には明らかであろう。本発明の範囲には、添付クレイ
ムの最も広い解釈が含まれ、したがって、すべての同等
の構成物及び装置を包含するものである。
フロントページの続き (72)発明者 エリクソン，ティモ フィンランド国 エフアイエヌ − 48100 コトカ，キルコカツ 19 イー 123 (72)発明者 プルキネン，テウボ アメリカ合衆国 92121 − 3269 カ リフォルニア州 サン ディエゴ，レー コ ロード 8925，フォスター ホイー ラー エナージー コーポレイション 内 (72)発明者 プロボル，スチーブン ジェイ. アメリカ合衆国 92131 カリフォルニ ア州サン ディエゴ，レガシー テラス 11396 (56)参考文献 特開 平７−99329（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F22B 1/02 F23C 11/02

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】組合わせサイクル発電設備であって、 − ２バールを超える圧力の加圧ガスを得るためのガス
    圧縮装置（１）と、 − ガス圧縮装置を駆動するためのガスタービン装置
    （５）と、 − 円形横断面を有し、２バールを超える圧力に耐える
    ことができ、頂部と底部（11′、11″）とを有する圧力
    容器（11）と、 − 圧力容器に包囲された加圧循環式流動床反応器（1
    0）とが備えられ、この循環式流動床反応器が、事実上
    平面的な壁を有しており、また − 加圧ガスを、ガス圧縮器から前記圧力容器へ送入す
    るための装置（16）と、 − 前記反応器室内へ燃料を供給するための装置（18）
    と、 − 前記反応器からの高温燃焼ガスを案内するための装
    置と、 − 前記圧力容器内に配置された少なくとも１つの遠心
    分離器（13）とが備えられ、前記遠心分離器（13）が、
    前記反応器室からの高温燃焼ガスを案内する前記装置へ
    接続された入口と、前記の少なくとも１つの分離器から
    前記圧力容器の外部の膨張用ガスタービンへ通じる出口
    と、分離された固体粒子を前記分離器から前記反応器室
    へ再循環させる戻りダクトとを備えており、更に 前記少なくとも１つの遠心分離器（13）が、内部ガス室
    を形成する明らかに平面的な壁を有する立て型の渦流室
    （21）を有し、前記ガス室が、明らかに非円形の横断面
    を有し、1.15以上の円状率を有する形式のものにおい
    て、 圧力容器内に配置された泡立ち流動床熱交換器室（1
    2′）が、前記反応器室と連通しており、前記流動床熱
    交換器室（12′）が、反応器室（12）の１つの壁と共通
    の壁部分を共有していることを特徴とする、組合わせサ
    イクル発電設備。
  2. 【請求項２】前記熱交換器室（12′）が、 − 前記渦流室（21）の下方に配置され、 − 渦流室（21）の横断面形と類似の横断面形を有し、 − 渦流室の各平面的な側壁の延長部によって、それぞ
    れ形成された第２及び第３の壁を有することを特徴とす
    る請求項１に記載された組合わせサイクル発電設備。
  3. 【請求項３】内部ガス室（21）が方形横断面を有し、か
    つ分離器が、分離器外周部に事実上平らな水管パネルを
    有することを特徴とする請求項１に記載された組合わせ
    サイクル発電設備。
  4. 【請求項４】前記少なくとも１つの遠心分離器（13）
    が、事実上等しい少なくとも２つの分離器を有し、これ
    ら２つの分離器が、反応器の１側面に互いに隣接並置さ
    れ、前記反応器室（12）の壁に結合されていることを特
    徴とする請求項１に記載された組合わせサイクル発電設
    備。
  5. 【請求項５】前記遠心分離器（13）が、事実上等しい少
    なくとも２つの分離器を有し、これらの２つの分離器
    が、前記反応器室（12）の反対側の側面に配置され、前
    記反応器室の壁に結合されていることを特徴とする請求
    項１に記載された組合わせサイクル発電設備。
  6. 【請求項６】前記遠心分離器（13）が、第１遠心分離器
    を有し、更に、前記圧力容器内に配置された前記第１遠
    心分離器と事実上等しい別の３つの遠心分離器を有し、
    前記分離器が、前記反応器室（12）の両側に、対をなし
    て互いに向かい合って隣接並置されて取付けられること
    を特徴とする請求項１に記載された組合わせサイクル発
    電設備。
  7. 【請求項７】熱交換器（12′）が、 − 反応器室の内部に配置され、 − 反応器室の事実上平面的な第２の壁と共通な第２の
    壁部分を共有し、 − 反応器室の事実上平面的な第３の壁と共通な第３の
    壁部分を共有することを特徴とする請求項１に記載され
    た組合わせサイクル発電設備。
  8. 【請求項８】前記圧力容器内の支持構造物（73）に取付
    けたセラミックフィルタ（72）を有し、これらセラミッ
    クフィルタが、汚染ガス入口（74）と、清浄ガス出口
    （76）と、灰出口（77）とを有し、前記汚染ガス入口が
    前記分離器のガス出口に接続されていることを特徴とす
    る請求項７に記載された組合わせサイクル発電設備。
  9. 【請求項９】前記分離器が、前記反応器室の１つの側に
    沿って取付けられ、反応器室の側壁に結合されており、
    また前記支持構造物（73）と前記フィルタ装置のセラミ
    ックフィルタ（72）とが、前記反応器室の、前記分離器
    が取付けられているのと同じ側壁に沿って取付けられ、
    前記セラミックフィルタが大体において水平に延在して
    いることを特徴とする請求項８に記載された組合わせサ
    イクル発電設備。
  10. 【請求項１０】前記分離器が、前記反応器室の１つの側
    に沿って取付けられ、反応器室の側壁に結合されてお
    り、また前記ガス出口が下方を向いており、更に前記支
    持構造物（73）と前記フィルタ装置のセラミックフィル
    タ（72）とが、前記分離器が取付けられているのと同じ
    前記反応器室側壁に、それも前記分離器の下方に取付け
    られ、前記セラミックフィルタ（72）が、大体において
    水平に延在していることを特徴とする請求項８に記載さ
    れた組合わせサイクル発電設備。
  11. 【請求項１１】ガス圧縮器が空気圧縮器であり、加圧ガ
    スを圧力容器内へ送入するための前記装置が、 − 圧力容器の内部を加圧するために、前記圧力容器の
    頂部に圧力下の空気を導入するための装置（16、78）
    と、 − 反応器室の底部から反応器室内へ流動空気を供給す
    るための装置（79）とを有することを特徴とする請求項
    １に記載された組合わせサイクル発電設備。
  12. 【請求項１２】１つ以上の大体において等しい分離器が
    備えられ、また前記反応器室が、第１横断面面積を有
    し、更に前記１つ以上の分離器のそれぞれが、そのガス
    室の第２横断面面積を有し、更にまた前記第１横断面面
    積が、複数の前記第２横断面面積の合計に事実上等しい
    ことを特徴とする請求項１に記載された組合わせサイク
    ル発電設備。
  13. 【請求項１３】Ｄが前記圧力容器の内径、ｄが各分離器
    ガス室の各側面の長さ、Ｌとｗとが前記反応器室の長さ
    と幅、ｘが分離器の数であり、また圧力容器の特定の直
    径Ｄに対する反応器室の最適面積が、次式、すなわち を解くことによって決定されることを特徴とする請求項
    12に記載された組合わせサイクル発電設備。
  14. 【請求項１４】− 前記反応器室が、長さと幅とを有
    し、更に、複数の伝熱パネル（27）を有しており、これ
    らの伝熱パネルが、前記反応器室内に備えられ、反応器
    室の長さに沿って延在しており、 − 前記分離器が、事実上等しい少なくとも２つの分離
    器から成り、これらの少なくとも２つの分離器が、前記
    反応器室の両側に、前記反応器室の長手方向の側壁に沿
    って、前記伝熱パネルと平行に取付けられていることを
    特徴とする請求項１に記載された組合わせサイクル発電
    設備。
  15. 【請求項１５】− ガスタービンから排出されるガスの
    熱を回収するため、ガスタービンに適合するようにされ
    た熱回収ユニット（９）と、 − 蒸気タービンと、蒸気発生表面と、蒸気過熱表面と
    を用いる蒸気発生サイクルとを有することを特徴とする
    請求項１に記載された組合わせサイクル発電設備。
  16. 【請求項１６】− 熱交換器室（12′）の前記共通の壁
    部分と、反応器室（12）と、渦流室（21）とが、蒸気発
    生表面を有しており、 − 前記熱回収ユニット（９）が、蒸気発生サイクル用
    の供給水の節減表面を有し、 − 前記熱交換器室及び／又は前記反応器室が蒸気過熱
    表面を有していることを特徴とする請求項15に記載され
    た組合わせサイクル発電設備。
  17. 【請求項１７】前記熱交換器室（12′）が蒸気再加熱表
    面を有し、前記反応器室（12）が蒸気再加熱表面を有す
    ることを特徴とする請求項16に記載された組合わせサイ
    クル発電設備。
  18. 【請求項１８】前記遠心分離器が第１横断面面積を有
    し、前記泡立ち流動床熱交換器室が第２横断面面積を有
    し、前記第２横断面面積が、第１横断面面積より小さい
    か、又は第１横断面面積に等しいことを特徴とする請求
    項１に記載された組合わせサイクル発電設備。
  19. 【請求項１９】前記蒸気発生サイクルが、超臨界的又は
    ウルトラ超臨界的長手方向の貫流蒸気サイクルであるこ
    とを特徴とする請求項15に記載された組合わせサイクル
    発電設備。
  20. 【請求項２０】− 循環式流動床反応器（10）が反応器
    室（12）を備えており、この反応器室が、長方形横断面
    を有し、底部分を備えた事実上平面的な蒸気発生管壁を
    有しており、 − 前記遠心分離器（13）が、内部ガス室を画定する明
    らかに平面的な蒸気発生管壁を有する立て型の渦流室
    （21）を有し、 − 前記熱交換器室（12′）が、内部を画定する明らか
    に平面的な蒸気発生管壁を有し、前記反応器室の底部分
    に接続されており、 更に、発電設備が、 − ガスタービンから排出されるガスから熱を回収する
    ために、ガスタービンに適合するようにされた熱回収ユ
    ニット（９）と、 − 蒸気タービンと、前記蒸気発生管壁を備えた蒸気発
    生表面と、蒸気過熱表面とを用いる蒸気発生サイクルと
    を有することを特徴とする請求項１に記載された組合わ
    せサイクル発電設備。
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