JP3015152B2

JP3015152B2 - 加圧内部循環型流動床ボイラ

Info

Publication number: JP3015152B2
Application number: JP3183513A
Authority: JP
Inventors: 孝裕大下; 秀一永東; 敬久三好; 誠一郎豊田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 2000-03-06
Anticipated expiration: 2015-03-06
Also published as: JPH05106807A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は加圧内部循環型流動床ボ
イラに係り、特に加圧流動層で石炭、オイルコークスな
どの燃料を燃焼せしめて、燃焼ガスをガスタービンに導
入するようにした加圧流動床式複合発電システムにおけ
る加圧内部循環型流動床ボイラに関する。

【０００２】

【従来の技術】今後ますます深刻になってくる大気汚染
からくる地球環境破壊を考慮すると、ＣＯ₂ 削減対策が
重要になっている。また、エネルギ問題については原子
力と石油には大きく頼れない現状を鑑みると、石炭に頼
らざるを得なくなる時代がくると推測されている。この
ような観点から、ＣＯ₂削減対策と石油代替エネルギと
して、高効率でコンパクト、クリーンな石炭火力が期待
できる発電システムが求められている。

【０００３】さて、この場合、炭種に制限がある微粉炭
ボイラではエネルギ事情の安定化のためには問題がある
ため、常圧型流動床ボイラ（ＡＦＢＣ）等が多品種石炭
用として開発されてきた。

【０００４】ところが、常圧型流動床ボイラ（ＡＦＢ
Ｃ）自体期待された程の機能を発揮できていないこと、
又、常圧型流動床ボイラでは蒸気タービンしか設置する
ことができないため高効率化、大出力化に限界があるこ
とから、ガスタービンを利用した複合発電システムが可
能な加圧型流動床ボイラ（ＰＦＢＣ）へ移行してきてい
る。

【０００５】次に、従来の加圧型流動床ボイラを利用し
た複合発電システムを図１５を参照して説明する。

【０００６】圧力容器３０内には、コンバスタ３１が配
設されており、このコンバスタ３１の底部にはコンプレ
ッサ３２から高圧空気が供給されるようになっている。
コンバスタ３１に隣接してベッド材貯蔵容器３３が配設
されており、このベッド材貯蔵容器３３とコンバスタ３
１とは連通されていて、コンバスタ３１とベッド材貯蔵
容器３３との間で流動媒体が移動可能になっている。ま
た、コンバスタ３１内の伝熱管３４は蒸気タービン３５
に連通されている。

【０００７】一方、コンバスタ３１の上部に隣接して集
塵装置３６が配設されており、排ガスは集塵装置３６に
よって除塵された後、ガスタービン３７に導入されるよ
うになっている。次に、前述した構成の加圧流動床式複
合発電システムの動作を説明する。

【０００８】石炭は粗粉砕され脱硫剤（石灰石など）と
ともにコンバスタ３１内に供給される。コンバスタ３１
内では流動媒体（ベッド材、石炭、脱硫剤、灰等の混合
物）により、コンプレッサ３２からの高圧空気で高層高
（約４ｍ）の流動層が形成される。石炭は流動層の中で
空気と撹拌され、加圧下で燃焼する。層内で発生した熱
は流動層内伝熱管３４により蒸気として回収され、蒸気
タービン３５を駆動し、発電機を駆動する。

【０００９】排ガスはボイラから排出され、集塵装置３
６により集塵された後、ガスタービン３７を駆動する。
ガスタービン３７はコンプレッサ３２を駆動するととも
に、余剰の動力で発電機を駆動する。

【００１０】ガスタービン出口の排ガスは必要に応じＮ
Ｏx, 媒塵を低減し、節炭器３８にて熱回収された後、
煙突３９から排出される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上述した図
１５に示す従来の加圧流動床式発電システムにおいて
は、流動層高を変化させて負荷制御する方法が採用され
ている。即ち、コンバスタ３１内から流動媒体を抜き出
してベッド材貯蔵容器３３に送給し、流動層内伝熱面を
露出させることによって、負荷制御を行っている。しか
して、この負荷制御方法においては、伝熱面を露出させ
ることによる熱伝達率の低下のため回収熱量が低下す
る。一方、流動層から排出されるガスは露出した伝熱面
で冷やされるため、ボイラ出口即ちガスタービン入口ガ
ス温度が低下し、ガスタービン出力を低下させるように
なっている。しかしながら、該層高変化法は、高温の流
動媒体を火炉から出したり入れたりする設備（貯蔵容器
３３）が必要であり、高温・高圧下でのその操作は並大
抵ではなく、発熱密度が高い層粒子を貯蔵容器内へ出し
入れする際にアグロメが発生するという問題点がある。

【００１２】また、ボイラが加圧下にあるため、常圧流
動床ボイラ（ＡＦＢＣ）以上にスプラッシュゾーンにお
ける層内伝熱管の摩耗という問題点がある。さらに、流
動層を出たガスが層内管に冷却されること、及び層高が
浅くなってガスの層内滞留時間が短くなることによって
一酸化炭素（ＣＯ）の発生量が増大するという問題点が
ある。

【００１３】さらに、上述した図１５に示す従来の加圧
流動床式発電システムにおいては、脱硫を行うために石
灰石を流動媒体に混合させていたが、この石灰石は摩耗
が激しく、脱硫反応に十分寄与することなく集塵装置３
６から飛灰として飛散してしまっていた。そのため、火
力発電所が要求する高い脱硫率は望めず、脱硫率を上げ
ようとすると膨大な量の廃棄物（飛灰）を作ることにな
るという問題点がある。

【００１４】本発明は、前述した点に鑑みてなされたも
ので、その目的とする処は、流動層高を変化させること
なく負荷制御を行うことができ、アグロメの発生及び一
酸化炭素の発生を最小限に抑えることができるととも
に、石灰石の利用率の向上を図り、かつ脱硫率を上げる
ことができる複合発電システムにおける加圧内部循環型
流動床ボイラを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ため、本発明の加圧内部循環型流動床ボイラは加圧容器
内にコンバスタを配設し、該コンバスタ内の加圧流動層
で、石炭、オイルコークス等の燃料を燃焼する加圧流動
床ボイラにおいて、コンバスタの底部には、上方に向け
て少なくとも一側が他側より大きい質量速度で流動化用
空気を噴出させる空気分散装置を備えるとともに、該空
気分散装置の上方に仕切壁を設けて流動床主燃焼室を構
成するとともに、該仕切壁によって前記主燃焼室と仕切
られた熱回収室を形成せしめ、該熱回収室内には受熱流
体を通じた伝熱面を配備するとともに該熱回収室の底部
に熱回収室散気装置を設け、前記主燃焼室においては前
記空気分散装置からの噴出空気量を制御して質量速度の
小さい空気噴出部上方には流動媒体が沈降拡散する移動
層を形成し、質量速度の大きい空気噴出部上方において
は流動媒体が活発に流動化し前記移動層上部に向かって
旋回せしめることにより旋回流動床を形成せしめるとと
もに、流動媒体の一部が前記仕切壁の上部を越えて前記
熱回収室に入り込むようにし、前記熱回収室散気装置か
ら噴出する散気量を制御して該熱回収室内の流動媒体を
沈降循環させるようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００１６】

【作用】前述した構成からなる本発明によれば、燃焼室
と熱回収室とを同一炉内にて機能的に分離したことによ
り、負荷制御は流動層高変化法によることなく、熱回収
室の風量調節による層内伝熱管の総括熱伝達係数の変化
により容易に行うことが出来るため、流動媒体の出し入
れなどに伴う複雑な操作や設備が不要であり、又、流動
媒体の出し入れの際に生ずるアグロメの発生を防止でき
る。また、負荷変化時であっても流動層温度を一定に保
持できることから、常にＮＯx,ＳＯx等の抑制に最適な
温度条件で運転することが出来る。しかも、層内伝熱管
は緩やかな流動状態にある熱回収室にのみ存在するた
め、激しい流動状態にある流動層内に配置された場合に
比べ摩耗が少ない。

【００１７】また、流動層内部に旋回流が形成されるた
め、流動層内での流れの滞留が無く、石炭等の燃料が均
一に分散燃焼するため、アグロメの発生を防止できる。
そして、流動層を出たガスが層内管で冷却されることが
ないため、一酸化炭素（ＣＯ）の発生量を低く抑えるこ
とができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明に係る加圧内部循環型流動床ボ
イラの実施例を図１乃至図１３を参照して説明する。

【００１９】図１は本発明に係る加圧内部循環型流動床
ボイラを備えた複合発電システムの基本構成図である。
同図において、符号１は圧力容器であり、この圧力容器
１内にはコンバスタ２が設置されている。圧力容器１は
コンプレッサ３に連通されており、圧力容器１内は所定
圧力に加圧されるようになっている。また、コンバスタ
２内の伝熱管４は蒸気タービン５の入口に連通されてい
る。そして、蒸気タービン５の出口はコンデンサ６、節
炭器７を介して伝熱管４に連通されており、蒸気サイク
ルが形成されている。

【００２０】また、コンバスタ２の上部より排ガスが排
出されるようになっており、コンバスタ２より排出され
た排ガスは複数段の集塵装置８を介してガスタービン９
に導入されるようになっている。ガスタービン９の出口
の排ガスは、節炭器７で熱回収された際、煙突１０から
排出される。１段目の集塵装置８により補集された飛
灰、チャー、石灰微粒子等は、コンバスタフリーボード
部に戻されて再循環されるようになっている。

【００２１】次に、加圧内部循環型流動床ボイラの詳細
構造を図２及び図３を参照して説明する。

【００２２】圧力容器１内に設置されたコンバスタ２内
には、図３に示されるように底部に流動化用の多数のノ
ズル１２ｎが列設された流動化用空気分散装置１２が設
けられており、これらノズル１２ｎを有した空気分散装
置１２は、両側縁部Ａ，Ｃが中央部Ｂより低く，コンバ
スタ２の中心線に対してほぼ対称的な山形断面状（屋根
状）に列設されている。そして、コンプレッサ３から送
られる流動化用空気は、流動化用空気導入管１３、圧力
容器１を経てノズル１２ｎから上方に噴出せしめるよう
になっており、空気分散装置１２の両側縁部Ａ，Ｃから
噴出する流動化用空気の質量速度は、炉内の流動媒体の
流動層を形成するのに十分な速度とするが、空気分散装
置１２の中央部Ｂから噴出する流動化用空気の質量速度
は両側縁部Ａ，Ｃよりも小さく選ばれている。

【００２３】前記空気分散装置１２の両側端のやや上方
には、仕切壁１８が設置されている。仕切壁１８は垂直
仕切壁１８ａと傾斜仕切壁１８ｂとからなり、この傾斜
仕切壁１８ｂは流動化用空気の上向き流路をさえぎり、
両側縁部Ａ、Ｃのノズル１２ｎから噴出される流動化用
空気を炉内中央に向けて反射転向させる反射壁として機
能し、この傾斜仕切壁１８ｂと噴出する流動化用空気の
質量速度の差により図３中矢印で示す方向の旋回流が生
ずる。一方、この仕切壁１８の背面とコンバスタ壁間に
熱回収室１９が形成され、運転中に流動媒体の一部が傾
斜仕切壁１８ｂの上部を越えて熱回収室１９に入り込む
ように構成されている。そして、熱回収室１９内には前
記伝熱管４（図１にて既に説明）が配設されており、熱
回収室１９を下方に移動する流動媒体と熱交換を行うこ
とにより流動媒体から熱を回収するようになっている。

【００２４】本発明においては、傾斜仕切壁１８ｂの傾
斜部分は、水平に対して１０度ないし６０度、好ましく
は２５度ないし４５度傾斜させて設けると共に、その炉
底に対する水平方向投影長さｌを当該炉底部水平長さＬ
の１／６ないし１／２の長さ、好ましくは１／４ないし
１／２の長さに形成される。

【００２５】この傾斜仕切壁の水平に対する角度及び水
平方向投影長さは、何れも流動床主燃焼室における流動
媒体の流動状態ならびに熱回収室に入り込む粒子の量に
影響を与える。なお、Ｌとｌの意義、及び流動媒体の流
れの様子のみを記載した図面を図１２に示す。

【００２６】一方、傾斜部分の角度が水平に対し１０度
より小さくてもあるいは６０度より大きくても良好な旋
回流が形成されず燃料の燃焼状態が悪くなる。この角度
は２５度ないし４５度が好ましく、特に約３５度の角度
で設置するのが好ましい。

【００２７】また傾斜仕切壁の炉底に対する水平方向投
影長さｌが当該炉底部の長さＬの１／２より大きい場
合、図１３に示すように傾斜仕切壁により反射転向させ
られた流動媒体が上部へ吹き上がり、石炭等の燃料も上
方へ吹き上げるため、燃焼室に投下される燃料の燃焼状
態が悪くなる。

【００２８】一方、図１４に示すように、傾斜仕切壁の
炉底に対する投影長さｌが炉底部水平長さＬの１／６よ
り小さい場合も燃焼室における流動媒体の旋回流の形
成、特に炉中心部における移動層の形成状態が悪化し、
前と同様燃料の呑み込み拡散効果が悪くなるとともに熱
回収室への流動媒体の反転流も不十分となる。

【００２９】また、熱回収室１９の下部にはコンプレッ
サ３から導入管２１を経て空気等のガスを導入する熱回
収室散気装置２２が設けられている。熱回収室散気装置
２２は、図３に示されるように列設された多数のノズル
２３ｎを備えた傾斜板２３から構成されており、傾斜板
２３は燃焼室側からコンバスタ壁側に向かうにつれて高
くなるように傾斜して配設されている。熱回収室１９の
散気装置２２を設置した近傍には開口部２４が設けら
れ、熱回収室１９に入り込んだ流動媒体は、運転状態に
よって連続的又は断続的に移動層を形成しつつ沈降し、
開口部２４から燃焼部へ循環する。

【００３０】一方、熱回収室１９の上部で傾斜仕切壁１
８ｂの背面側に散気装置２９が設けられている。この散
気装置２９は熱回収室１９に入ってきた石炭を噴き飛ば
し燃焼させるとともに撹拌・拡散させるようになってい
る。なお、散気装置２９の近傍には、伝熱管４は配置さ
れていない。

【００３１】熱回収室１９における流動媒体の沈降循環
量は、熱回収室散気風量、燃焼部の流動化用空気量によ
って制御される。すなわち、流動媒体が熱回収室１９に
入り込む量Ｇ₁ は図４に示すように燃焼部を流動させる
ために空気分散装置１２から噴出する流動化用空気、特
に両側縁部Ａ，Ｃにあるノズル１２ｎから噴出する流動
化用空気の量を増やすと、増加する。また、図５に示す
ように熱回収室散気風量を０〜１Ｇmfの範囲で変化させ
ると、熱回収室内を沈降する流動媒体量は、ほぼ比例し
て変化し、熱回収室散気風量が１Ｇmf以上の場合にほぼ
一定となる。この一定となる流動媒体量は熱回収室に入
り込む流動媒体量Ｇ₁ にほぼ等しく、熱回収室内を沈降
する流動媒体量はＧ₁ に応じた量となる。この両風量を
調節することにより、熱回収室１９内を沈降する流動媒
体の沈降量は制御される。

【００３２】０〜１Ｇmfの固定層の範囲において流動媒
体が沈降するのは、熱回収室と流動床主燃焼室との流動
媒体の重量差（流動層高差）によるものであり、１Ｇmf
以上では流動媒体層高は移動層部が若干高いか、ほぼ同
一となる。そして、この循環流を補佐するものが傾斜仕
切壁による十分な流動媒体量の熱回収室への反転流であ
る。

【００３３】ここで、流動層高と流動媒体循環量（該反
転流）の関係について詳しく説明する。

【００３４】流動層表面が傾斜仕切壁上端より低い位置
にある場合、傾斜仕切壁に沿って下より上昇する空気流
は、傾斜仕切壁によって方向性を与えられ、傾斜仕切壁
に沿って流動層より噴出し、それに伴い流動媒体も方向
性を与えられて噴出する。噴出した空気流は、流動層内
と異なり流路内に充填されていた流動媒体が無くなり流
路断面が急激に広がるところから噴流も拡散し数ｍ／秒
以下の流速のゆるやかな流れとなって上方に排気され、
従って同伴されていた流動媒体は、その流速によって運
ばれるには粒径が１mm前後と大きいため、重力や排ガス
との摩擦により運動エネルギを失い落下する。

【００３５】ところで、流動層表面が、傾斜仕切壁の上
端より上にある場合には、仕切壁によって寄せ集められ
た流動化空気の一部は、旋回流型流動床炉同様に方向性
を持って反射仕切壁に沿って吹き出すが、もう一部は気
泡の破裂による突沸現象により花火のように反射仕切壁
上端よりほぼ直上に沸出し全周囲に落下する。そのため
流動媒体の一部は、傾斜仕切壁の背面、即ち熱回収室へ
大量に入り込むことになる。

【００３６】即ち、傾斜仕切壁の上端より上にある程、
傾斜仕切壁による噴出流動媒体の方向性は真上方向に近
くなる。そのため傾斜仕切壁の上端を少し越えた程度の
場合が流動媒体の熱回収室へ入り込む量が大となる。

【００３７】図４に、流動床主燃焼室における傾斜仕切
壁下部の流動空気量と熱回収室に循環される流動媒体循
環量との関係を示す。

【００３８】例えばＬ₁ の状態で運転していて、流動媒
体の摩耗等により飛散して流動層高が下がると、流動媒
体循環量は一気に、例えば１／１０以下に少なくなり、
必要な熱回収が行えないという状態に陥る。そこで重要
になってくるのが該流動空気量であり、４Ｇmf以上好ま
しくは６Ｇmf以上であれば流動層高が変化しても、Ｇ₁
／Ｇ₀は１以上となり、必要十分量の流動媒体循環量が
得られるわけである。

【００３９】また、熱回収室底部の散気装置から噴出さ
れる空気の質量速度が０〜３Ｇmf、好ましくは０〜２Ｇ
mfとし、傾斜仕切壁下方の空気分散装置１２から噴出す
る流動化用空気の質量速度が４〜２０Ｇmf、好ましくは
６〜１２Ｇmfとすることにより、つまり、燃焼室側を熱
回収室側より常に大きな値とすることにより、流動媒体
の熱回収室から流動床主燃焼室への戻り量を制御するこ
とができる。

【００４０】また、熱回収室の移動層について補足する
と、学術的な表現では０〜１Ｇmfが固定層であり、１Ｇ
mf以上を流動層というが、安定な流動層を形成するため
には最低２Ｇmf以上必要なことは一般に知られている。
一方、本発明による常時沈降移動している移動層（movi
ng bed）の場合には、１.５〜２Ｇmf程度まではバブリ
ングによる移動層の破壊を生じることなく、良好な沈降
移動層を形成する。これは流動媒体粒子が振動するよう
に沈降・移動しながら細かく動いているため、流動用空
気が小さな気泡となって層上部へ均一に流れるからであ
ると考えられる。

【００４１】一方、熱回収部での伝熱係数は熱回収室散
気風量を０〜２Ｇmfまで変化させると図７に示すように
大きく変化する。

【００４２】ここで、熱回収室における移動層の形成に
よる負荷応答特性等の特性を説明する。

【００４３】一般的な総括熱伝達係数と流動化速度の関
係を図６に示す。流動化速度０〜１Ｇmfの間での総括熱
伝達係数の増加はわずかであり、１Ｇmfを超えた時点で
急激に増加する。本現象を利用した流動床ボイラのター
ンダウン法として、Ｗing Ｐanel Ｔype が紹介されて
いるがＤＯＥ Report ，６０２１（２），６５５〜６
６３（１９８５））、流動化速度の変化による熱伝達係
数は insensitive（固定層） or too sensitivie（流動
層）と紹介されている。

【００４４】なお、外国での特許明細書によると、本技
術と同じように燃焼室と熱回収室とを区分したものがい
くつか見られるが、仕切の構成はほとんど垂直であり、
熱回収室の流動媒体は固定層と流動層への変化であり、
熱回収量小の時は固定層、熱回収量大の時は流動層とな
って下から上へ噴き上げる方法が主である。これは、垂
直仕切りでは、傾斜仕切りのような反転流が生じにくい
ため、燃焼室と熱回収室を共に流動状態（水のような状
態）にして両者の流動媒体を交流せざるを得ないことに
よる。仕切を傾斜した構成のものもあるが、スクリュー
で循環する方法であり、散気空気によるものではない。

【００４５】熱回収室移動層における総括熱伝達係数と
熱回収室散気風量の関係を図７に示す。総括熱伝達係数
は図７に示すようにほぼリニヤに変化するため、熱回収
量、流動層主燃焼室温度が任意に制御可能となる。しか
もその制御は熱回収室散気風量の変化だけで容易に行え
る。

【００４６】また、層内伝熱管の摩耗速度は流動化速度
の３乗に比例すると言われており、その関係を図示した
ものが図８である。すなわち、熱回収室の移動層に吹き
込まれる散気風量を０〜３Ｇmf、好ましくは０〜２Ｇmf
にすることにより、伝熱管の摩耗の問題も解消できる。

【００４７】熱回収量を制御するためには、前述のよう
に、流動媒体循環量を制御すると同時に熱伝達係数を制
御する。すなわち、熱回収室の散気風量を増加させる
と、流動媒体循環量が増加すると同時に熱伝達係数が増
加し、相乗効果として熱回収量は大幅に増加する。この
ことは、流動層中の流動媒体の温度の面から考えれば、
流動媒体の温度が所定の温度以上に上昇するのを防ぐ効
果にあたる。

【００４８】熱回収室１９に散気ガスを導入する手段と
しては種々の装置が考えられるが、一般的には熱回収室
１９内のスペースを有効に利用するため熱回収室１９の
底部に設置される。

【００４９】また散気装置２２において、散気空気を噴
出するノズル２３ｎは、流動媒体を熱回収室１９より燃
焼室へ導き易くするため、燃焼室側へ向かって噴き出す
ようにしている。

【００５０】また、ノズルの口径は、散気風量２Ｇmfで
散気装置２２の全長にわたってほぼ均一な散気風量を出
すように口径を決めるのが好ましい。すなわち、この時
が、熱回収室の全ての伝熱面が最高の熱回収量を得るこ
とができ、しかも伝熱面の摩耗も全ての伝熱面におい
て、摩耗速度を小さくすることができるからである。

【００５１】図３において、符号２６は炉上部に設けら
れた燃料投入口であり、石炭、オイルコークス等の燃料
はニューマチックコンベア（図示せず）によってコンバ
スタ２内に投入されるようになっている。

【００５２】次に、前述のように構成された加圧内部循
環型流動床ボイラの作用を説明する。

【００５３】燃料投入口２６より炉内に投入された燃料
Ｆは、流動化用空気により旋回流動している流動媒体と
共に流動しながら燃焼する。この時、空気分散装置１２
の上方中央部Ｂ付近の上方にある流動媒体は激しい上下
動は伴わず、弱い流動状態にある下降移動層を形成して
いる。この移動層の幅は、上方は狭いが裾の方は左右に
拡散していき、裾の一部は空気分散装置１２の両側縁部
Ａ，Ｃの上方に達しているので、この両側縁部Ａ，Ｃか
らの大きな質量速度の流動化用空気の噴射を受けて吹き
上げられる。すると、裾の一部の流動媒体が除かれるの
で、分散板１２の中央部Ｂの真上の層は自重で下降す
る。この層の上方には、後述のように流動層からの流動
媒体が補給されて堆積し、これを繰り返して空気分散装
置１２の中央部Ｂの上方の流動媒体は徐々に連続的に下
降する移動層を形成する。

【００５４】空気分散装置１２の両側縁部Ａ，Ｃ上に移
動した流動媒体は上方に吹き上げられるが、傾斜仕切壁
１８ｂに当たって反射転向して炉の中央に向かって旋回
せしめられ、中央部の移動層の頂部に落下し、再び前述
のように循環されると共に、流動媒体の一部は傾斜仕切
壁１８ｂの上部を越えて熱回収室１９内に入り込む。そ
して熱回収室１９に堆積した流動媒体の沈降速度が遅い
場合には、熱回収室の上部には安息角を形成し、余剰の
流動媒体は傾斜仕切壁上部から流動床主燃焼室に落下す
る。

【００５５】熱回収室１９内に入り込んだ流動媒体は、
散気装置２２から吹き込まれるガスによって緩やかな流
動が行われつつ徐々に下降する沈降循環層が形成され、
伝熱管４との熱交換が行われたのち、開口部２４から流
動床主燃焼室へ還流される。

【００５６】熱回収室１９内では散気装置２２から導入
される散気空気の質量速度は０〜３Ｇmf、好ましくは０
〜２Ｇmfの範囲内の値から選ばれる。

【００５７】その理由は、図７に示される如く２Ｇmf以
下で熱伝達係数は最小から最大まで変化し、且つ、図８
に示される如く摩耗速度が小さい範囲で制御できるから
である。

【００５８】また、熱回収室は炉内の主燃焼領域外であ
り、還元性雰囲気のような強い腐食性領域ではないため
に、従来のものと比べて伝熱管４が腐食を受けにくく、
また、前述のようにこの部分では流動速度も低いため、
伝熱管４の摩耗も極めて少ない。流動化用空気の質量速
度０〜２Ｇmfの範囲において、実際には流動媒体温度及
び粒径にもよるが、例えば８００℃において空気速度は
０〜０.４ｍ／秒（空塔速度）と極めて低速度である。

【００５９】また、熱回収室１９内の伝熱は、流動媒体
と伝熱管４との直接接触による伝熱に加えて、流動媒体
の移動により不規則に振動しながら上昇するガスを媒体
とした伝熱がある。後者は、通常のガス−固体間の接触
伝熱に対し、伝熱の妨げとなる固体表面の境界層がほと
んど存在せず、また流動媒体同志が移動によってよく撹
拌されるために、静止媒体と異なり粉体の中での伝熱が
無視できるようになり、極めて大きな伝熱特性を示す。
したがって、本発明の熱回収室においては、通常の燃焼
ガスボイラに比較して５倍以上の熱伝達係数をとること
ができる。

【００６０】このように、流動媒体と伝熱面との伝熱現
象は流動の強弱に大きく依存しており、散気装置２２か
ら導入するガス量の調節による流動媒体循環量も調節で
き、且つ、移動層による熱回収室１９を炉内において主
燃焼室から独立させることで、コンパクトでかつターン
ダウン比が大きくて制御容易な流動層による熱回収装置
とすることができる。

【００６１】このようにして、層内で発生した熱は熱回
収室１９内の伝熱管４により蒸気として回収され、蒸気
タービン５を駆動して、発電機を駆動し、発電する（図
１参照）。

【００６２】一方、排ガスはボイラの上部から排出さ
れ、複数段の集塵装置８により集塵された後、ガスター
ビン９を駆動する。ガスタービン９はコンプレッサ３を
駆動するとともに、発電機を駆動し発電する。また、１
段目の集塵装置８により補集された飛灰、チャー、石灰
微粒子等はコンバスタフリーボード部に戻されて炉内に
供給され再循環される。

【００６３】ガスタービン出口の排ガスは、必要に応じ
ＮＯx, 媒塵を低減し、節炭器７で熱回収された後、煙
突１０から排出される。

【００６４】石炭や石油コークスのように燃焼速度の遅
い燃料を用いたボイラにおいては、蒸発量を急に変化さ
せたくとも燃焼速度に見合った速度でしか変化できない
場合が多く、バブリング式ボイラにおいては流動層温度
を介して熱回収を行うためにそれより更に劣る。

【００６５】しかしながら、本発明においては熱回収室
における伝熱量を、熱回収室散気量を変化させることに
より、瞬時に数倍ないし数分の一に変化させることがで
きる。従って、燃料供給量変化による流動層への入熱量
変化は燃焼速度に左右されるため、時間遅れを生じるけ
れども、本発明の熱回収室における流動媒体からの熱回
収量は熱回収室散気量で急速に変化させることができ、
入熱量と熱回収量の応答速度の差を流動媒体の温度の一
時的な温度変化として、流動層を形成する流動媒体の顕
熱蓄熱能により吸収できる。このため熱を無駄なく利用
することができ、従来の石炭だきボイラの類にはなかっ
た追従性の良い蒸発量制御が可能となる。

【００６６】図３においては、空気分散装置１２を山形
構造としたが、両側縁部Ａ，Ｃのノズル１２ｎから噴出
する流動化用空気量を４Ｇmf以上とすれば、傾斜仕切壁
の作用により流動層主燃焼室に旋回流を形成することが
できるため、石炭のような不燃物含有量の少ない燃焼物
を燃焼させる場合には空気分散装置１２は水平でも良
い。

【００６７】以上述べたように本発明の流動床ボイラの
熱回収性能は極めて優れたものであるが、次に本発明の
ボイラの制御方法について説明する。

【００６８】即ち、本発明においては、熱回収室からの
熱回収量は負荷に応じて熱回収室散気装置から噴出する
ガス量を制御することにより制御し、かつ、流動床主燃
焼室の温度は該燃焼室の温度又は蒸気圧力に基づいて燃
料投入量を制御することにより行うものであるが、本発
明のボイラは熱伝達係数が任意に調整でき、かつ熱回収
量の変化は流動媒体の顕熱の変化として吸収しうるので
負荷変動に直ちに応答できるとともに安定した状態でボ
イラを運転できる。

【００６９】図３に基づいて説明すると、例えば伝熱管
４から引き出される蒸気の温度が不足した場合には、蒸
気引出し管４０上の温度検出機４１で検知された温度に
基づいて熱回収室散気装置２２への散気用空気調整用バ
ルブ４３の開度制御器４２によりバルブ４３を開の方向
に制御し、散気用空気の吹込み量を大とすることにより
熱回収量を増加し、蒸気の温度を負荷に対応した温度ま
で引上げる。

【００７０】また、流動層の温度を温度検出器４４によ
り検知し、該温度に基づいて流動床主燃焼室への燃料供
給量及び／又はノズル１２ｎへの空気供給量を制御する
ことにより流動層主燃焼室の温度が一定範囲内でコント
ロールされる。

【００７１】また、別の方法では、例えば負荷変動で必
要蒸気量が変化した場合、蒸気圧力が最も速く追従して
変化するため、この圧力信号によって流動床主燃焼室へ
の燃料供給量を制御するという方法もとられる。

【００７２】実際に蒸気流量を１００％から６５％にス
テップ変化をした場合の応答特性を図９及び図１０に示
す。

【００７３】図９は、蒸気量及び蒸気圧力の変化を示
し、図１０は流動層温度の変化を示したものであるが、
図９に見られるように蒸発量の変化速度がはやく、１０
０％負荷から７５％負荷までは約１分で到達し、全体と
しては３分４０秒で安定した。

【００７４】一方、その間の圧力変動は＋０.１〜−０.
３kg／cm² の範囲に収まっており流動層温度についても
図１０に示すごとく、＋１１℃〜−３℃の幅で変化をす
るにとどまっており、約２０分後には＋４℃で安定し
た。即ち、本発明による制御方式における応答の早さ、
及び安定した制御性を実証するものである。

【００７５】更に図１１には蒸発量を１００％→５５％
→３０％→５５％と連続ステップ変化を行った場合の応
答特性を示すが、この場合でも応答が早くかつ安定した
制御性が得られることがわかる。

【００７６】

【発明の効果】本発明の効果を以下に列挙する。（１）燃焼室と熱回収室とを同一炉内にて機能的に分離
したことにより、負荷制御は流動層高変化法によること
なく、熱回収室の風量調節による層内伝熱管の総括熱伝
達係数の変化により容易に行うことが出来るため、流動
媒体の出し入れなどに伴う複雑な操作や設備（ベッド材
貯蔵容器等）が不要であり、又、流動媒体の出し入れの
際に生ずるアグロメの発生を防止できる。また、負荷変
化時であっても、流動層温度を一定に保持できることか
ら、常にＮＯx, ＳＯx等の抑制に最適な温度条件で運転
することが出来る。しかも、層内伝熱管は緩やかな流動
状態にある熱回収室にのみ存在するため、激しい流動状
態にある流動層内に配置された場合に比べ摩耗が少な
い。（２）流動層内部に旋回流が形成されるため、流動層内
での流れの滞留が無く、石炭等の燃料が均一に分散燃焼
するため、アグロメの発生を防止できる。また、流動層
を出たガスが層内管で冷却されることがないため、一酸
化炭素（ＣＯ）の発生量を低く抑えることができ、又、
燃料比の高い石炭についても高い燃焼効率を期待できる
ため幅広い炭種に適応が可能である。そして、投入され
た石炭等の燃料の分散が速やかに行われるため石炭の供
給方法を簡素化出来る。（３）コンバスタ出口の排ガスから回収された飛灰、チ
ャー、石灰微粒子をコンバスタフリーボード部へ戻すこ
とにより、脱硝装置を省略出来る可能性があり、又、炉
内脱硫において石灰石利用率の向上が期待できるととも
に脱硫率を上げることができる。。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る加圧内部循環型流動床ボイラを備
えた複合給電システムの基本構成図。

【図２】本発明に係る加圧内部循環型流動床ボイラの断
面図。

【図３】本発明に係る加圧内部循環型流動床ボイラの詳
細構造を示す断面図。

【図４】流動床主燃焼室における傾斜仕切壁下部の流動
空気量（Ｇmf）と流動媒体循環量の関係を示す図。

【図５】熱回収室散気風量（Ｇmf）と熱回収室の下降移
動層沈降速度の関係を示す図。

【図６】従来のバブリング式ボイラにおける流動化質量
速度（Ｇmf）と総括熱伝達係数の関係を示す図。

【図７】加圧内部循環型流動床ボイラにおける熱回収室
散気風量（Ｇmf）と総括熱伝達係数の関係を示す図。

【図８】流動化質量速度と伝熱管の摩耗速度の関係を示
す図。

【図９】蒸気流量がステップ変化した場合の蒸気量及び
蒸気圧力の経時変化を示す図。

【図１０】蒸気流量がステップ変化した場合の流動層温
度の経時変化を示す図。

【図１１】蒸気流量を連続ステップ変化した場合の応答
図。

【図１２】炉底部水平長さＬと傾斜仕切壁の水平方向投
影長さｌの関係による流動床主燃焼室の流動パターンを
示した図。

【図１３】炉底部水平長さＬと傾斜仕切壁の水平方向投
影長さｌの関係による流動床主燃焼室の流動パターンを
示した図。

【図１４】炉底部水平長さＬと傾斜仕切壁の水平方向投
影長さｌの関係による流動床主燃焼室の流動パターンを
示した図。

【図１５】従来の加圧流動床ボイラを備えた複合発電シ
ステムの基本構成図。

【符号の説明】

１圧力容器２コンバスタ３コンプレッサ４伝熱管５蒸気タービン７節炭器８集塵装置９ガスタービン１２流動化用空気分散装置１８仕切壁１８ｂ傾斜仕切壁１９熱回収室２２熱回収室散気装置２３傾斜板２４開口部２６燃料投入口２９散気装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者豊田誠一郎東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (56)参考文献特開平２−290402（ＪＰ，Ａ) 特開平２−282601（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−196522（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23C 10/16 F23C 10/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加圧容器内にコンバスタを配設し、該コ
ンバスタ内の加圧流動層で、石炭、オイルコークス等の
燃料を燃焼する加圧流動床ボイラにおいて、コンバスタ
の底部には、上方に向けて少なくとも一側が他側より大
きい質量速度で流動化用空気を噴出させる空気分散装置
を備えるとともに、該空気分散装置の上方に仕切壁を設
けて流動床主燃焼室を構成するとともに、該仕切壁によ
って前記主燃焼室と仕切られた熱回収室を形成せしめ、
該熱回収室内には受熱流体を通じた伝熱面を配備すると
ともに該熱回収室の底部に熱回収室散気装置を設け、前
記主燃焼室においては前記空気分散装置からの噴出空気
量を制御して質量速度の小さい空気噴出部上方には流動
媒体が沈降拡散する移動層を形成し、質量速度の大きい
空気噴出部上方においては流動媒体が活発に流動化し前
記移動層上部に向かって旋回せしめることにより旋回流
動床を形成せしめるとともに、流動媒体の一部が前記仕
切壁の上部を越えて前記熱回収室に入り込むようにし、
前記熱回収室散気装置から噴出する散気量を制御して該
熱回収室内の流動媒体を沈降循環させるようにしたこと
を特徴とする加圧内部循環型流動床ボイラ。
【請求項２】前記仕切壁の上部背面側に散気装置を設
け、該散気装置近傍には層内伝熱管を配置せず、該散気
装置の散気により熱回収室に入ってきた燃料を燃焼させ
るとともに攪拌・拡散させるようにしたことを特徴とす
る請求項１記載の加圧内部循環型流動床ボイラ。
【請求項３】前記熱回収室散気装置は、前記主燃焼室
側に向かって低くなるように傾斜しており、熱回収室の
流動媒体を主燃焼室に向かって導くようにしたことを特
徴とする請求項１記載の加圧内部循環型流動床ボイラ。
【請求項４】前記熱回収室散気装置の散気空気の方向
を主燃焼室側へ向け、熱回収室の流動媒体を主燃焼室に
向かって導くようにしたことを特徴とする請求項１記載
の加圧内部循環型流動床ボイラ。
【請求項５】前記コンバスタ出口の排ガスから飛灰、
チャー、石灰微粒子等を補集する集塵装置を設け、該集
塵装置によって補集された補集粒子をコンバスタフリー
ボード部へ戻すことを特徴とする請求項１記載の加圧内
部循環型流動床ボイラ。