JP3625817B2 - 複合流動層炉および複合流動層炉の運転方法 - Google Patents
複合流動層炉および複合流動層炉の運転方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3625817B2 JP3625817B2 JP2003062188A JP2003062188A JP3625817B2 JP 3625817 B2 JP3625817 B2 JP 3625817B2 JP 2003062188 A JP2003062188 A JP 2003062188A JP 2003062188 A JP2003062188 A JP 2003062188A JP 3625817 B2 JP3625817 B2 JP 3625817B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- furnace
- fluidized bed
- partition wall
- gas
- air
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
- Y02E20/18—Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一つの炉でありながらガス化炉と酸化炉の二つの機能を有する複合流動層炉および複合流動層炉の運転方法に係り、特に、ガス化炉と酸化炉とを一体化した複合流動層炉および複合流動層炉の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、地球環境保全の立場からＣＯ２ 削減対策が重要となっている。またエネルギー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 削減対策と当面の石油代替エネルギーとして高効率でコンパクト、クリーンな石炭火力発電システムが期待されている。
一方、従来の微粉炭ボイラは炭種の制限や効率に限界があるなど問題があるため、常圧型流動床ボイラが多品種石炭用として開発されてきた。
ところが常圧型流動床ボイラ（ＡＦＢＣ）自体期待されたほどの機能を発揮出来ていないこと、また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出来ないため高効率化、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）へ移行しつつある。
【０００３】
従来の加圧型流動床ボイラの内、最も開発が進み、８０ＭＷｅ級の実証機が運転されているのはバブリング式加圧流動床ボイラであるが、次のような課題がある。
（Ａ）負荷制御方法における課題
現在は、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。すなわち、燃焼器内部から流動媒体を抜きだして別の貯留容器に送給し、流動層内伝熱面を露出させることによって熱伝達率を低下させて、熱回収量を減少させ、スチームタービン出力を低下させる。また燃料供給量が低下した流動層から排出される燃焼ガスはさらに露出した伝熱面で冷却されるため、燃焼器出口温度すなわちガスタービン入口温度が低下し、その結果ガスタービン出力が低下するものである。一方、負荷を上げる時はこの逆の方法をとる。
【０００４】
しかしながら、該層高変化方法には下記の問題がある。
▲１▼ 高温の流動媒体を燃焼器から出し入れする貯留容器が必要であり、しかも高温高圧下での操作は容易ではなく、さらに発熱密度が高い流動媒体を貯留容器内へ出し入れする際にはアグロメレーション（凝集灰）が発生する。
▲２▼ ボイラが加圧下にあるため、流動層内伝熱面を露出させたとき、スプラッシュゾーンでの摩耗の問題は常圧バブリング流動床ボイラ（ＡＦＢＣ）よりも大きな問題である。
▲３▼ 低負荷時流動層を出た燃焼排ガスが層内管に冷却されること、および層高が浅くなって燃焼ガスの層内滞留時間が減少することによって、一酸化炭素（ＣＯ）の発生量が増大する，又、ＮＯｘ（窒素酸化物）排出量も増加する。
【０００５】
（Ｂ）加圧容器の大型化
▲１▼ これまでのバブリング式加圧流動層ボイラは平面的に見て角型の燃焼器を円筒型の圧力容器に収納するようになっているため、どうしても無駄なスペースがあり、必然的に圧力容器が大型化しコストの上昇につながる。
それに対しては１９９３年５月サンディエゴにおける第１２回ＡＳＭＥ流動床国際会議において、
「ＰＲＩＮＣＩＰＬＥＳ ＡＮＤ ＤＥＳＩＧＮ ＰＨＩＬＯＳＯＰＨＹ ＦＯＲ Ａ ３５０ ＭＷｅ ＰＦＢＣ ＭＯＤＵＬＥ」として Ａ． Ｂ． Ｂ． Ｃａｒｂｏｎ， Ａ． Ｂ． の Ｊｉｍ Ａｎｄｅｒｓｏｎ らによる発表によれば、３５０ＭＷｅのような大型化にあたっては従来は図１４に示すように円形の圧力容器１４５に２基の矩形の燃焼器１４６を収容した平面構成であったバブリング式加圧流動層ボイラを図１５に示すように１つの燃焼器１４７を菱形に変形させ、さらにそれを３基組み合わせて１基の炉としてまとめ、全体の平面形状を六角形としてできるだけ円形に近付けて円形の圧力容器１４５に収容し、圧力容器の小型化をはかるとしているが、これはバブリング式加圧流動層の場合、円筒形にすると層内伝熱管の配列構成が極めて困難となるからである。
▲２▼ 負荷制御を行うために流動媒体を出し入れする貯蔵容器および配管等が必要であり、これら貯蔵容器等を圧力容器内部に収納すると圧力容器が大型化する。
【０００６】
（Ｃ）層内伝熱管の摩耗
従来のバブリング式加圧流動層ボイラは流動化速度の大きな層内に伝熱管を配置しているため伝熱管の摩耗が激しく、溶射等による表面硬化処理などの対策が必要である。
【０００７】
（Ｄ）給炭機構の複雑化
従来のバブリング式加圧流動層ボイラは層内での石炭等燃料の水平方向への拡散が不十分なことから、燃焼の不均一を避けるため多数の給炭管を配置しなければならず、給炭機構が複雑化するばかりでなく、各給炭管への均等な石炭の分配は難しく、万一、不均等が生じた場合は層内燃焼の不均一からアグロメレーションの発生を招き、運転不能となる。
【０００８】
（Ｅ）石灰石の消耗
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。
【０００９】
また、石炭ガス化複合発電も研究されており、そのシステムは石炭を全量ガス化し、ガス精製した後、ガスタービンに供給する複合発電システムであり、１３００℃級空冷ガスタービンを用いた場合の目標効率は発電端で４７．１％となっている。
一方、加圧型流動床ボイラについては海外で既に８０ＭＷｅ級の発電所が稼働していることや、脱硫装置不要などの利点があるものの、効率の点では石炭ガス化複合発電システムが優れているため、両者の特徴を合わせ持つ、より性能の優れたトッピングサイクル複合発電システムが検討されている。
本トッピングサイクル複合発電システムは基本的には、石炭をガス化炉において石炭ガスとチャーに分解し、チャーを流動床ボイラ（酸化炉）で燃焼させ、その燃焼排ガスと石炭ガスをガスタービン入口で混合燃焼させて高温ガスを発生させ、それによってガスタービンを高効率で運転するものである。
【００１０】
また、トッピングサイクル複合発電システムにおいても酸化炉に用いる流動床ボイラについては、前記と同じ問題点があり、またガス化炉についても固定床ガス化炉にはタールの残留問題があり、また噴流床ガス化炉には灰のスティック問題がある。
これに対し、流動床ガス化炉はその中間温度で運転するため、タールの問題や、灰のスティックが避けられ、また炉内脱硫も可能であるなど様々な利点もあるが、バブリング型加圧流動床ボイラを採用した場合にはやはり上記の（Ａ）〜（Ｄ）に掲げる問題点が残されている。
【００１１】
上述したトッピングサイクル複合発電システムに用いられているガス化炉と酸化炉について着目すると、これらガス化炉と酸化炉とは個別の炉として構成されており、ガス化炉において生成されたチャーを酸化炉で燃焼させるために酸化炉に送り込むことが行われている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ガス化炉と酸化炉とを一体化した複合流動層炉および複合流動層炉の運転方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するため本発明の複合流動層炉の運転方法は、仕切壁によってガス化炉と酸化炉に仕切られた大気圧以上の圧力で運転される複合流動層炉の運転方法であって、前記ガス化炉の内部に、流動化ガス速度に差をつけることによって流動媒体が沈降する部分と上昇する部分からなる流動媒体の循環流を形成し、燃料を前記ガス化炉に供給し、該供給された燃料を該ガス化炉でガス化してガスとチャーを生成し、該ガス化炉より該生成されたガスを排出し、該生成されたチャーを、該流動媒体とともに前記ガス化炉から前記酸化炉へ、前記仕切壁の連絡口を介して供給し、該供給されたチャーを該酸化炉で燃焼し、前記酸化炉の該仕切壁側の流動媒体を、該仕切壁に沿って沈降させ、前記ガス化炉の流動媒体の上昇する部分は、前記酸化炉の仕切壁に沿って流動媒体が沈降する部分と前記仕切壁を介して相対向するように配置し、該酸化炉内の該沈降させた流動媒体を、該仕切壁の連絡口を通して該ガス化炉に還流させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記酸化炉内に流動媒体の循環流を形成することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記酸化炉におけるチャーの完全燃焼による燃焼ガスは、該酸化炉の燃焼ガス出口から排出されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記ガス化炉は、炉底を前記仕切壁に向かって低くすることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記ガス化炉は、炉底を傾斜させたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記酸化炉の流動層内に層内伝熱管を配置することを特徴とする。
【００１４】
本発明の複合流動層炉は、仕切壁によってガス化炉と酸化炉に仕切られた大気圧以上の圧力で運転される複合流動層炉であって、流動化ガス速度に差をつけることによって流動媒体が沈降する部分と上昇する部分からなる流動媒体の循環流が内部に形成され、供給された燃料をガス化してガスとチャーを生成し、該生成されたガスを排出するガス化炉と、前記ガス化炉で生成されたチャーを燃焼させ、内部に流動媒体が沈降する部分を有する酸化炉と、前記ガス化炉で生成されたチャーを流動媒体とともに前記ガス化炉から前記酸化炉へ供給する連絡口を具備し、該酸化炉内の該沈降させた流動媒体が該ガス化炉に還流される連絡口を具備する仕切壁とを備え、前記ガス化炉の流動媒体の上昇する部分は、前記酸化炉の仕切壁に沿って流動媒体が沈降する部分と前記仕切壁を介して相対向するように配置したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の好ましい態様によれば、前記ガス化炉あるいは前記酸化炉の炉床は、前記仕切壁に向けて傾斜していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記ガス化炉は、生成ガスを外部に取り出すガス出口を有し、前記酸化炉は、チャーの完全燃焼による燃焼ガスを外部に取り出す燃焼ガス出口を有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記酸化炉の流動層内に層内伝熱管を配置することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記酸化炉内に流動媒体の循環流を形成することを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明によれば、ガス化炉に石炭と脱硫剤を供給して、流動層内で循環しながら、石炭は部分ガス化され、生成ガスはガス化炉上部のガス出口から外部に導出される。流動媒体の循環流の効果により投入した石炭や脱硫剤などがガス化炉流動層内全方位方向へ均一に分散し、簡素な給炭設備でありながら燃料の偏在が避けられ、クリンカ発生の恐れがない。
一方、ガス化されなかったチャーは酸化炉へ入り込み、流動層内で循環しながら完全燃焼される。そして、燃焼ガスは酸化炉の上部にある燃焼ガス出口から外部に取り出される。酸化炉に入る未燃チャー等が酸化炉流動層内を燃焼しつつ緩やかに沈降した後、仕切壁下部の連絡流路を通過してガス化炉流動層に還流する。流動媒体の循環流によって、酸化炉内で未燃チャー等が充分な滞留時間をとって完全燃焼をすることをより確実にする。
なお、酸化炉フリーボードに２次空気ノズルを設け、２段階燃焼させることも可能である。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、圧力容器内に燃焼器を配置し、該燃焼器内の流動層内に伝熱管を有する加圧流動層で石炭、オイルコークス等の燃料を燃焼し燃焼ガスをガスタービンに導入するようにした複合発電システムにおける加圧流動床ボイラにおいて、燃焼器の底部には、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、質量速度の大きい空気噴出部上方に該部分から噴出する流動化用空気の上向流をさえぎり、かつ該流動化用空気を質量速度の小さい空気噴出部上方に向けて反射転向せしめる傾斜仕切壁を設けて流動床主燃焼室を構成するとともに、該傾斜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、また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、前記熱回収室は前記仕切壁の上部及び下部にて前記主燃焼室と連絡せしめ、流動媒体の一部が前記傾斜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移動層の状態で沈降させたのち、前記傾斜仕切壁の下部連絡口から前記主燃焼室へ循環させるようにするとともに、該熱回収室の上方は前記主燃焼室の上方と一体となってフリーボードを形成し、該熱回収室からの燃焼ガスと前記主燃焼室からの燃焼ガスが混合するようにしてもよい。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、前記フリーボードにおいて、側面に単数もしくは複数の空気ノズルを設けて２次空気を吹き込み、前記主燃焼室および熱回収室からの燃焼ガスを混合攪拌し、該燃焼ガスに含まれる未燃物質を十分に燃焼させるように構成してもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記フリーボードにおいて、前記熱回収室と主燃焼室の間にはスクリーンを設け、粒径の大きな燃焼物が熱回収室へ飛び込むのを防止する一方、熱回収室からの燃焼ガスに整流効果を与えつつ通過させ、主燃焼室の燃焼ガスと十分に混合するように構成してもよい。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、圧力容器内に燃焼器を配置し、該燃焼器内の流動層内に伝熱管を有する加圧流動層で石炭、オイルコークス等の燃料を燃焼し燃焼ガスをガスタービンに導入するようにした複合発電システムにおける加圧流動床ボイラにおいて、前記燃焼器を円筒形にするとともに該燃焼器の燃焼ガス出口部を前記圧力容器に接続し、該燃焼器の円筒外壁と同心の円筒状仕切壁を設け、該円筒状仕切壁によって内側に主燃焼室を形成するとともに外側に環状の熱回収室を形成し、前記主燃焼室の炉床は中心部が高く周辺に向かって低くなる円錐状をなし、前記主燃焼室の炉床には外周部の方が中心部よりも大きい質量速度で流動化用空気を噴出させるように構成した空気分散装置を設け、前記円筒状仕切壁に質量速度の大きい空気噴出部上方に該部分から噴出する流動化用空気の上向流をさえぎり、かつ該流動化用空気を質量速度の小さい空気噴出部上方に向けて反射転向せしめるように円錐状の傾斜仕切部を設け、前記熱回収室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、前記熱回収室は前記仕切壁の上部及び下部にて前記主燃焼室と連絡せしめ、流動媒体の一部が前記仕切壁の上部から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移動層の状態で沈降させたのち、前記仕切壁の下部連絡口から前記主燃焼室へ循環させるようにしてもよい。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、前記熱回収室の上方は前記主燃焼室の上方と一体となってフリーボードを形成し、該熱回収室からの燃焼ガスと前記主燃焼室からの燃焼ガスが混合するようにしてもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記フリーボードにおいて、側面に単数もしくは複数の空気ノズルを設けて２次空気を吹き込み、前記主燃焼室および熱回収室からの燃焼ガスを混合攪拌し、該燃焼ガスに含まれる未燃物質を十分に燃焼させるように構成してもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記フリーボードにおいて、前記熱回収室と主燃焼室の間にはスクリーンを設け、粒径の大きな燃焼物が熱回収室へ飛び込むのを防止する一方、熱回収室からの燃焼ガスに整流効果を与えつつ通過させ、主燃焼室の燃焼ガスと十分に混合するように構成してもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記仕切壁の下部に設けられた前記主燃焼室と前記熱回収室との連絡口の下方の炉床部に散気装置を設け、連絡口を流動化するようにしてもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記熱回収室の伝熱面を放射状に配置された層内伝熱管で構成し、該層内伝熱管を用途別に蒸発管ブロック、蒸気過熱管ブロック、蒸気再熱管ブロックとして使用するため、平面的にみて数個の管群に分割してもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記燃焼器から導出される燃焼排ガスの通路には集塵装置を設置し、該集塵装置で捕集した飛灰を、前記圧力容器側面の開口部を通して前記熱回収室へ戻すように構成してもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記燃焼器から導出される燃焼排ガスの通路には集塵装置を設置し、該集塵装置で捕集した飛灰を、前記圧力容器側面の開口部を通して前記主燃焼室およびまたはフリーボードへ戻すように構成してもよい。
本発明の一実施形態によれば、ガス化炉で生成したチャーを酸化炉で燃焼させ、燃焼排ガスと前記ガス化炉からの発生ガスをガスタービン入口で混合燃焼し、高温ガスを発生させてガスタービンを駆動し、発電や燃焼用空気の圧縮などに利用するトッピングサイクル複合発電システムにおいて、前記ガス化炉及び／または酸化炉として加圧内部循環型流動床ボイラを利用してもよい。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、加圧流動床複合発電システムにおける流動層炉において、該流動層炉を円筒形にするとともに該流動層炉の円筒外壁と同心に円筒状仕切壁を設け、該円筒状仕切壁によって内側にガス化炉を形成するとともに外側に環状の酸化炉を形成し、前記ガス化炉の炉床は中心部が高く周辺に向かって低くなる円錐状をなし、前記ガス化炉の炉床には外周部の方が中心部よりも大きい質量速度で流動化用空気を噴出させるように構成した空気分散装置を設け、前記円筒状仕切壁には質量速度の大きい空気噴出部上方に該部分から噴出する流動化用空気の上向流をさえぎり、かつ該流動化用空気を質量速度の小さい空気噴出部上方に向けて反射転向せしめるように円錐状の傾斜仕切部を設け、前記酸化炉の底部に酸化炉散気装置を設けるとともに前記仕切壁の中間部及び下部にて前記ガス化炉と連絡せしめ、前記ガス化炉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、また質量速度の大きい空気噴出部上方に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中間部から前記酸化炉に入り込むようにし、前記酸化炉散気装置から噴出する散気量を制御して該酸化炉内の流動媒体を移動層の状態で沈降させたのち、前記仕切壁の下部連絡口から前記ガス化炉へ循環させるようにし、前記酸化炉の上方と前記ガス化炉の上方とは前記仕切壁によって仕切られてそれぞれ別のフリーボードを形成し、該酸化炉からの燃焼ガスと該ガス化炉からの発生ガスが混合しないようにし、それぞれ別のガス出口から外部に導出されるようにして、酸化炉とガス化炉を一体化してもよい。
【００２２】
上述の各実施形態によって以下に列挙する作用を奏する。
（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できるため、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、また、流動媒体の出し入れの際に生ずるアグロメレーション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ほぼ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できる。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。
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ほか、ガスタービン効率の低下を防げる。
さらに熱回収室の上方は主燃焼室の上方と一体となって広い空間のフリーボードを形成し、このフリーボード内で熱回収室からの燃焼ガスと主燃焼室からの燃焼ガスとが混合される。したがって、フリーボードにおける燃焼ガス滞留時間を長くすることができ、可燃分をフリーボード内で十分に燃焼させることができる。また、フリーボードにおいて、２次空気を吹き込むことにより、主燃焼室および熱回収室からの燃焼ガスを混合攪拌し、燃焼ガスに含まれる燃焼物質を十分に燃焼させることができる。
【００２３】
（２）大気圧以上の内部圧力を保持するように構成された圧力容器に収納された円筒形燃焼器の流動層内部に仕切壁を設けて、主燃焼室と熱回収室を分離し、該仕切壁は、円筒状仕切壁と円錐状仕切壁からなり、この円錐状仕切壁は流動化用空気の上向き流路をさえぎり、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させるとともに、主燃焼室には円錐状の炉床を設け、該炉床に配置した空気分散ノズルによって主燃焼室内を流動化するが、その際主燃焼室の約１／２程度の径の同心円の範囲内は最低流動化速度の１〜２．５倍程度の緩やかな流動化状態とし同心円の外側の環状部では最低流動化速度の４〜１２倍程度の強い流動化状態となるように空気分散ノズルからの吹き出し空気量を調節することにより、主燃焼室流動層内部では、流動媒体が中央から円錐状炉床面に沿いながら全方位に向かって緩やかに分散移動したのち、前記仕切壁の内側に沿って吹き上がるが、次第に中心方向への凝集力が高まり、流動層表面で最高に達すると一転その反力で周方向および上方向へ爆発的に流動媒体が飛散し、その結果多量の流動媒体が仕切壁を越えて前記熱回収室へ入り込む。
【００２４】
一方、流動層表面に残った流動媒体は中心付近で円筒状の流れとなって周囲の流動媒体を巻き込みながら沈降し、前記円錐状炉床中心付近に到達すると今度は再び水平周方向への移動に転じる循環流が生じる。この循環流によって、流動媒体が中央から円錐状炉床面に沿いながら、全方位に向かって緩やかに分散移動する拡散流が生じるため燃料や脱硫剤などの均一な拡散が行われることから、燃焼が均一となりアグロメレーションの発生がなく、また給炭口も少なくてすみ、給炭設備がきわめて簡素化されるなどの効果がある。流動層表面に残った流動媒体は中心付近で円筒状の流れとなって周囲の流動媒体を巻き込みながら沈降するため、燃料や脱硫剤などの層内滞留時間が長くとれ、燃焼効率の向上、脱硫効率の向上にきわめて効果的である。
【００２５】
一方、多量の流動媒体が仕切壁を越えて、熱回収室に入り込むが、この時、主燃焼室と熱回収室上部のフリーボードには熱回収室を囲うようにクシ歯状などの形状をしたスクリーンを設けることによって粒径の粗い石炭など固形燃料の混入を防止できることから、熱回収室流動層は最低流動化速度の２倍以内の緩やかな流動状態であるにもかかわらず、アグロメレーションの形成を避けることができる。このスクリーンは、熱回収室から発生する燃焼ガスに対してはバッフルの作用を果たし、主燃焼室から発生する燃焼ガスと十分に混合攪拌する効果が得られる。
【００２６】
特に、加圧流動床ボイラにおいては、燃焼排ガス中の未燃分が多いことは、燃焼効率の低下は当然であるが、さらに下流側に設けられた集塵装置、例えばサイクロン内で未燃分の燃焼が発生しアグロメレーションの形成が起きたり、またセラミックフィルタの場合にはフィルタ表面で燃焼しフィルタを破損するなどのトラブルが発生し、運転不能に立ち至るなど深刻な問題につながっている。そのため燃焼炉内で可燃分を完全に燃焼することが望ましく、前記スクリーンのバッフル作用による攪拌混合効果は、後述の２次空気の投入方法や、フリーボード高さ、フリーボードにおける燃焼ガス滞留時間などとも相乗的に作用し、燃料中の可燃分をフリーボード内で十分に燃焼させる上で大きな効果を発揮している。
【００２７】
（３）本発明の内部循環流動床ボイラは主燃焼室には伝熱面を有しないため、主燃焼室を還元雰囲気で燃焼することが可能である。そのため、燃焼用空気の分配比率の設定によって、主燃焼室には燃焼に必要な理論空気量以下の空気を供給するほか、熱回収室には制御に必要な空気量を投入し、さらに完全燃焼に必要な残りの空気量は２次空気としてフリーボードに設けた複数の２次空気ノズルを用いて、供給する２段燃焼を行う。その結果主燃焼室を還元雰囲気で燃焼し、還元燃焼によって石炭の揮発分放出を活発に行い、気相反応においてＣＨ４ などの炭化水素やＣＯあるいは気相のＮ化学種（ＮＨｉ、ＨＣＮなど）等が燃焼によって生成した窒素酸化物を還元するとともに、Ｎ化学種が酸化物へ転換する選択性を低下させる効果をもたらし、低ＮＯｘ燃焼が可能となるものである。
【００２８】
（４）仕切壁の下部、連絡流路の炉床に空気室と散気装置を設けたことによって連絡流路全体が流動化し、熱回収室を通って主燃焼室へ循環する流動媒体の量を増加することができる。前記空気室は熱回収制御用空気室と連通していてもよく、または該空気室とは独立して制御してもよく、独立制御の場合は熱回収室散気量とは無関係に流動媒体循環量を制御することができ、１種の調節弁のような作用を行わせることも可能である。その結果、矩形燃焼炉の場合よりも多量の流動媒体を潤滑することができ、矩形燃焼炉の場合と比較して熱回収室が大きくとれる円筒形の燃焼炉の特性を活かすことができる。
【００２９】
（５）熱回収室流動槽の内部に層内伝熱管を放射状に配置し、しかも用途別に蒸発管ブロック、蒸気過熱管ブロック、蒸気再熱管ブロックとして使用するため、平面で見て数個の管群に機能別に分割して配置したことにより熱回収室炉床部からの散気量をそれぞれのブロック毎に調整し、各ブロックの収熱量を独立して制御することが可能である。また、各ブロックの間には、メンテナンススペースが取ってあり、層内伝熱管の点検等に効果的である。また、メンテナンススペースは必ずしも必要でなく、メンテナンススペースを設けない場合は、よりコンパクトになる。
【００３０】
（６）燃焼排ガス系統に設けたサイクロンで捕集した飛灰を熱回収室に戻すように構成することにより、熱回収室内の平均粒子径および比重量が小さくなる。主燃焼室内の平均粒子径が０．６ｍｍ程度なのに対し、燃焼排ガスに同伴しサイクロンで捕集されリサイクルする粒子径ははるかに小さく、またチャーも含まれるため比重量も小さいからである。熱回収室においては、流動化ガス速度が最低流動化速度の２倍程度と小さいため、リサイクルした粒子が再飛散することなく、したがって熱回収室内の平均粒子径および比重量は主燃焼室に比べて小さくなる。
【００３１】
最低流動化速度（Ｕｍｆ）は流動媒体の粒径の２乗に比例し、また比重量とも比例するため、熱回収室の流動化速度は主燃焼室と比較してかなり小さくなる。従って熱回収制御用空気量は、熱回収室にリサイクルしない場合と比較して、かなり少なくてすむことになり、結果として熱回収室内の流動化ガス速度（Ｕ０ ）が小さくなる。熱回収室内に配置された層内伝熱管の摩耗速度は流動化ガス速度（Ｕ０ ）の３乗に比例することから、Ｕ０ が小さくなることにより、摩耗は大きく低減することになる。また、熱回収制御用空気は、主燃焼室の流動層温度をコントロールするため常に変動しているが、この空気量が少なくてすむことは、熱回収空気量の変動が燃焼に及ぼす影響を少なくすることであり、安定燃焼にきわめて効果的である。
【００３２】
（７）円筒形内部循環流動床ボイラから導出される燃焼排ガスの通路には集塵装置を設置し、かつ捕集した飛灰から未反応脱硫剤と未燃炭素分を回収するための分級装置を設け、該飛灰を粒径別に大中小３段階に分級し、中間の粒径の飛灰のみ主燃焼室およびまたはフリーボードおよびまたは燃料供給系統に戻すように構成したことにより、チャー濃度が最も高い通常１０〜６０μｍ程度の範囲の粒子のみ円筒形燃焼器へ戻すことができるため、最少の循環灰量でＮＯｘ低減、燃焼ガス系統の摩耗の低減、燃焼効率上昇などの効果を上げることが可能となる。
【００３３】
（８）トッピングサイクル複合発電システムにおいて、ガス化炉および／または酸化炉に加圧内部循環型流動床ボイラを用い、ガス化炉から排出される未燃チャーは全量生成ガスと同伴させ、６００℃以下に冷却され、その後段に設置した集塵装置で捕集したあと、酸化炉に導入して完全燃焼させ、その燃焼排ガスは酸化炉を出たあと６００℃以下に冷却され、後段に設置した集塵装置によりＮａ，Ｋを含んだ粒子を捕集排出し、清浄になった燃焼ガスと前記ガス化炉を出たあと集塵されてＮａ，Ｋを含んだ粒子を捕集排出し清浄になった生成ガスをトッピングサイクル燃焼器で混合燃焼し、発生した高温の燃焼ガスをガスタービンに導入するように構成したことにより、ガスタービンブレードの高温腐食の原因となるＮａ，Ｋ等のアルカリ金属が燃焼ガス中に含まれないため、ガスタービンの材質、設計が従来技術で対応することが可能である。
【００３４】
【発明の実施の形態】
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面を参照して説明する。
（実施例１）
図１は本発明の加圧円筒形内部循環型流動床ボイラの縦断面図を示し、図２（ａ）は図１のＩＩ（ａ）−ＩＩ（ａ）線断面図である。
図１に示す実施例は、円筒形の圧力容器に円筒形内部循環型流動床ボイラを内蔵した実施例であり、これを用いて本発明の概略の構成を説明する。
【００３５】
圧力容器１は円筒形状をなし、上面が燃焼ガス出口４を有する鏡板であり、下面は流動用空気入口３、熱回収室制御用空気入口５などを有する鏡板となっており、大気圧以上の内部圧力を保持できるように構成されている。なお、図１に示す圧力容器１は円筒形状をなすが、球形であっても良い。
【００３６】
圧力容器１の内部には円筒形燃焼器２が配置されており、該円筒形燃焼器２は水管を連結して構成された円筒外壁１１を有する１つの密閉容器になっており、その内部に燃焼室流動層が形成されている。円筒形燃焼器２の上端部には燃焼ガス出口２ａが設けてあり、この燃焼ガス出口２ａは圧力容器１の燃焼ガス出口４と接合されている。また円筒形燃焼器２の底部周囲は圧力容器１の下部鏡板の上に取り付けられた円筒形サポート７によって支持されている。
【００３７】
円筒形燃焼器２の流動層内部には仕切壁８が設けられ、この仕切壁８によって主燃焼室９と熱回収室１０とを分離している。仕切壁８は円筒外壁１１から取り出された水管によって構成され、この水管はさらに耐火耐熱材料によって被覆されている。仕切壁８は円筒形仕切壁８ａとこの円筒形仕切壁８の上部に形成された円錐状仕切壁８ｂとからなり、この円錐状仕切壁８ｂは流動化用空気の上向き流路をさえぎり、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、その結果主燃焼室９の内部に矢印で示すような旋回流が生じる。また主燃焼室９及び熱回収室１０の上方は一体となってフリーボード３１を形成している。熱回収室１０の上部のフリーボードと主燃焼室９の上部のフリーボードの間には、仕切壁などはなく一体の空間のフリーボード３１となっており、双方の燃焼ガスが相互に自由に行き交うように構成されている。
【００３８】
また熱回収室１０内には、円筒外壁１１の外側に設けた層内管用上部ヘッダー１３と層内管用下部ヘッダー１４とから分岐した層内伝熱管１５が配置されており、この層内伝熱管１５は図２（ａ）に示されるように平面的にみて放射状に配置されている。
圧力容器１の下部には給水入口１６が設置されており、給水入口１６から導入されたボイラ水は前記円筒外壁１１を経由したあと、連絡管１６ａを経由して層内管用下部ヘッダー１４に導入され、この層内管用下部ヘッダー管１４から層内伝熱管１５に分配される。そして、層内伝熱管１５で発生した蒸気は層内管用上部ヘッダー１３に集合し蒸気出口１７から外部に導出される。
【００３９】
一方、圧力容器１には均圧ノズル１８が設けられており、流動用空気入口３に連結する高圧の流動用空気系統１９から均圧空気系統１９ａを分岐して、該均圧ノズル１８に接続し、圧力容器１内部と円筒形燃焼器２内部が流動層の圧力損失分を除きほぼ均一な圧力とし、該燃焼器２が非耐圧構造となるように工夫している。ただし、この場合円筒形燃焼器２のフリーボード３１においては、流動層圧力損失分の外圧は受けることになる。また、均圧ノズル１８の手前で減圧弁等を設けて、圧力容器１と円筒形燃焼器２の間の空間３６とフリーボード３１が均圧になるようにする場合には円筒形燃焼器２の内、流動層より下部は流動層圧力損失分の内圧を受けることになる。また圧力容器１には給炭入口６が設けられ、この給炭入口６は給炭ノズル２２に連なっている。
【００４０】
主燃焼室９には、中心部が高く外周側へ向かうにつれて低くなった円錐状の炉床２０が設置され、該炉床２０に空気分散ノズル２１が設置されている。そして、流動化用空気入口３に連通した空気分散ノズル２１から流動化用空気を噴出し主燃焼室９内で流動媒体を流動化するようになっている。また、前記給炭ノズル２２は主燃焼室９の炉床２０近傍でかつ仕切壁８の近傍に開口している。空気分散ノズル２１の外周環状部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、空気分散ノズル２１の中央部から噴出する流動化用空気の質量速度は外周環状部よりも小さく選ばれている。これによって、主燃焼室９の約１／２程度の径の同心円の範囲内は最低流動化速度の１〜２．５倍程度の緩やかな流動化状態とし、同心円の外側の環状部では最低流動化速度の４〜１２倍程度の強い流動化状態となるようにし、主燃焼室流動層内部では、流動媒体が中央から円錐状炉床面に沿いながら全方位に向かって緩やかに分散移動したのち、前記外周環状部に至るとそこでは、流動化速度が大きいために移動方向は上向きに転じ、前記仕切壁８の内側に沿って吹き上がるが、次第に中心方向への凝集力が高まり、流動層表面で最高に達すると一転その反力で周方向および上方向へ爆発的に流動媒体が飛散する。
【００４１】
その結果多量の流動媒体が仕切壁８を越えて前記熱回収室１０へ入り込む。このとき熱回収室流動層は最低流動化速度の２倍以内の緩やかな流動状態であるのでアグロメレーションが発生しやすい状態にあり、粒径の粗い石炭など固形燃料の混入は避ける必要がある。そのためフリーボード３１には熱回収室１０を囲うようにクシ歯状の形状をした水管及びプロテクターからなるスクリーン１２が設けられており、このスクリーン１２により粗粒固形燃料の流入を防止するとともとに熱回収室１０から発生する燃焼ガスに対してはバッフルの効果を果たし、主燃焼室９から発生する燃焼ガスと十分に混合攪拌するようにしている。
【００４２】
特に加圧流動床ボイラにおいては、燃焼排ガス中の未燃分が多いことは、燃焼効率の低下は当然であるが、さらに下流側に設けられた集塵装置、例えばサイクロン内で未燃分の燃焼が発生しアグロメレーションの形成が起きたり、またセラミックフィルタの場合にはフィルタ表面で燃焼しフィルタを破損するなどのトラブルが発生し、運転不能に立ち至るなど深刻な問題につながってくる。
そのため、燃焼炉内で可燃分を完全に燃焼することが望ましく、前記スクリーン１２のバッフル作用による攪拌混合効果は、後述の２次空気の投入方法や、フリーボード高さ、フリーボードにおける燃焼ガス滞留時間などとも相乗的に作用し、燃焼中の可燃分をフリーボード内で十分に燃焼させる上で大きな効果を発揮している。
【００４３】
一方流動層表面に残った流動媒体は中心付近で円筒状の流れとなって周囲の流動媒体を巻き込みながら沈降し、前記円錐状炉床中心付近に到達すると今度は再び水平全周方向への移動に転じる循環流が生じる。この循環流の効果により炉床付近に設けた給炭ノズル２２から投入したＣＷＰ（Ｃｏａｌ Ｗａｔｅｒ Ｐａｓｔｅ）などが主燃焼室内全方位方向へ均一に分散し、簡素な給炭設備でありながら燃料の偏在が避けられ、クリンカ発生の恐れがない。
【００４４】
また熱回収室１０には、内周側より外周側に向かうにつれて高くなった逆円錐状の炉床２３が設置され、この炉床２３に空気分散ノズル２４が設置されている。熱回収室制御用空気入口５に連通した空気分散ノズル２４から空気を噴出し、熱回収室１０内を緩やかに流動させることにより、仕切壁８を越えて熱回収室１０に入る流動媒体が層内伝熱管１５で冷却されつつ熱回収室流動層内を緩やかに沈降した後、傾斜した炉床に沿って、前記仕切壁８の下部の連絡流路２７を通過し て主燃焼室流動層に還流する。その結果、主燃焼室９で発生した熱量が熱回収室１０の層内伝熱管１５を通じて有効に熱回収されることになる。
また円錐状仕切壁８ｂの背面にも空気導入パイプ２５、背面散気ノズル２６を設け、熱回収室１０に入ってきた流動媒体を流動化させ、部分的に燃焼させることが可能であるが、円錐状仕切壁８ｂの角度を大きくした場合には設けなくてもよい。
【００４５】
主燃焼室炉床２０の下方には流動燃焼用空気室２８が形成され、この流動燃焼用空気室２８は仕切壁８を支える水管２９に囲まれ、流動用空気入口３につながっている。また熱回収室炉床２３の下方には、熱回収制御用空気室３０が形成され、この熱回収制御用空気室３０は熱回収制御用空気入口５によって外部と接続している。
【００４６】
熱回収室１０の上方は主燃焼室９の上方と一体となって広い空間のフリーボード３１を形成し、このフリーボード３１内で熱回収室１０からの燃焼ガスと主燃焼室９からの燃焼ガスとが混合される。したがって、フリーボード３１における燃焼ガス滞留時間を長くすることができ、可燃分をフリーボード３１内で十分に燃焼させることができる。
またフリーボード３１には複数の２次空気ノズル３３が設置されており、二段燃焼方式の採用が可能になっている。なお、符号３４は２次空気入口である。本出願の内部循環流動床ボイラは主燃焼室９には伝熱面を有しないため、主燃焼室を還元雰囲気で燃焼することが可能である。還元燃焼によって石炭の揮発分放出を活発に行い、気相反応においてＣＨ４ などの炭化水素やＣＯあるいは気相のＮ化学種（ＮＨｉ、ＨＣＮなど）等が燃焼によって生成した窒素酸化物を還元するとともにＮ化学種が酸化物へ転換する選択性を低下させることから、低ＮＯｘ燃焼が可能である。
したがって主燃焼室９には燃焼に必要な理論空気量以下の空気を供給するほか、熱回収室１０には制御に必要な空気量を投入し、さらに完全燃焼に必要な残りの空気量は２次空気として２次空気ノズル３３からフリーボード３１に供給する２段燃焼方式を採用している。
【００４７】
また、フリーボード３１において燃焼ガスが燃焼ガス出口４に短絡して流れることを防ぎ、フリーボード内部で十分攪拌混合燃焼するようにバッフル３２を設けることも一つの選択である。ただ、２次空気による混合攪拌が十分な場合や空塔速度が遅くまたフリーボード高さが十分あり、燃焼ガスの短絡流れの可能性がない場合はバッフルの必要はない。
【００４８】
図２（ｂ）は図２（ａ）の変形例を示す図であり、図２（ｂ）に示すように、層内伝熱管群は、蒸発管ブロック４０、Ｎｏ．１蒸気過熱管ブロック４１、Ｎｏ．２蒸気過熱管ブロック４２、Ｎｏ．３蒸気過熱管ブロック４３、さらに蒸気再熱管ブロック４４と、機能別に分割して配置されており、貫流型の場合、図示はしないがそれぞれ連絡管を経由しながら、蒸発管ブロック４０、Ｎｏ．１蒸気過熱管ブロック４１、Ｎｏ．２蒸気過熱管ブロック４２、Ｎｏ．３蒸気過熱管ブロック４３の順に蒸気が流れる。
発生した過熱蒸気は高圧蒸気タービンに導かれたあと、再び蒸気再熱管ブロック４４に戻って加熱され、次に中圧蒸気タービンへ導入される。
【００４９】
このように機能別に分割して配置した結果、熱回収室炉床部からの散気量をそれぞれのブロック毎に制御することによって、各ブロックの収熱量を独立して制御することが可能である。また、各ブロックの間には、メンテナンススペース４５が取ってあり、層内伝熱管の点検等に効果的である。また、メンテナンススペースは必ずしも必要でなく、メンテナンススペースを設けない場合は本図よりももう少しコンパクトになる。
【００５０】
図３は負荷変化に応じた空気系統の制御方式を説明する説明図であり、負荷が変化したとき、蒸気出口（タービン入口蒸気系統）１７の蒸気流量が変化し、それに伴い流量計Ｆ３１の蒸気流量信号が変化する。演算器Ｙ０では、流量計Ｆ３１からの流量信号のほか、蒸気圧力調節計Ｐ３１の出力信号を合わせて演算し、出力信号を出力する。この出力信号は燃料系統に送られ、負荷に応じた燃料供給を行うようにするとともに、空気系統の演算器Ｙ０′に入力される。
【００５１】
演算器Ｙ０′では、Ｙ０からの入力信号のほか、燃焼排ガス系統５０に設けられた酸素濃度調節計Ａ２５の出力信号と熱回収制御用空気流量調節計Ｆ２１からの空気流量信号を組み合わせて演算し、酸素濃度調節計Ａ２５における酸素濃度が一定になるよう燃焼空気量を調節する。その結果、該燃焼空気量から熱回収室空気量を差し引いた残りの空気量を指示する信号を出力する。演算器Ｙ１，Ｙ２では該出力信号をもとに流動空気量と２次空気量が一定の比率で供給されるように演算が行われ、それぞれＹ１，Ｙ２からの出力信号によって流動空気流量調節計Ｆ２２、２次空気流量調節計Ｆ２４をコントロールする。
【００５２】
該比率の設定によって主燃焼室９には燃焼に必要な理論空気量以下の空気を供給するほか、熱回収室１０には制御に必要な空気量を投入し、さらに完全燃焼に必要な残りの空気量は２次空気としてフリーボード３１に供給する２段燃焼が可能となる。
したがって、主燃焼室９を還元雰囲気で燃焼することが出来、還元燃焼によって石炭の揮発分放出を活発に行い、気相反応においてＣＨ４ などの炭化水素やＣＯあるいは気相のＮ化学種（ＮＨｉ，ＨＣＮなど）等が生成した窒素酸化物を還元するとともに、Ｎ化学種が酸化物へ転換する選択性を低下させる結果、低ＮＯｘ燃焼が可能となるものである。
【００５３】
一方、蒸気圧力調節計Ｐ３１の出力信号は演算器Ｙ３１を経て流動層温度調節計Ｔ５８をコントロールする。すなわち、蒸気圧力が少し低下したときはＹ３１からの出力信号によってＴ５８の層温度設定値を少し低下させる。それに伴って流動層温度調節計Ｔ５８からの操作信号が変化し、演算器Ｙ２１を経由して熱回収空気流量調節計Ｆ２１に作用する結果、熱回収空気量を増加させる。
熱回収室における層内伝熱管の総括伝熱係数は図４に示すように熱回収室流動層内の流動化ガス速度（ｆｌｕｉｄｉｚｉｎｇ ｇａｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）とほぼ比例するので熱回収空気量すなわち流動化ガス速度の増加によって収熱量が増加し、蒸気圧力が回復する。蒸気圧力が設定値より増加した時はこの逆動作となり、熱回収空気量を減少させることにより蒸気圧力を低下させる。
このように主たる操作して燃料供給量の調整、副次的な操作として熱回収空気量の調整を行うことによって、負荷変化に伴う影響を最小限に抑え、素早く安定した制御を可能とするものである。
【００５４】
また、ガスタービン３８の出口ガスとコンプレッサ３９の空気取り入れ口を連結し、弁４９によって供給空気への燃焼排ガス混入量を調節することにより、ＮＯｘの低減や、低負荷時における流動化速度の増加による流動の安定をはかることが可能であるため、図３中には一応記載してあるが、基本的には設けないでシステムを構成することもできる。
【００５５】
図５は図１に示す円筒形燃焼器２の詳細構造を示す説明図である。図１のような円筒形の燃焼炉とした場合、熱回収室１０は仕切壁８の外側に環状となって広がり、矩形燃焼炉の場合と比較して熱回収室が大きくとれるため多数の伝熱管を配置することが可能である。したがってその特性を活かすためには矩形燃焼炉の場合よりも多量の流動媒体を循環する必要がある。
しかしながら、従来は仕切壁８の下部、連絡流路２７には散気装置がないため、熱回収室空気分散ノズル２４、主燃焼室空気分散ノズル２１からの流動空気によって副次的に流動化しているだけであり、図の符号２７ａのように流動が活発でない部分が存在した。それを解消するため仕切壁８の下部、連絡流路２７の炉床に空気室３０′と空気分散ノズル２４′を設けたものである。これによって連絡流路２７全体が流動化し、熱回収室１０を通って主燃焼室９へ循環する流動媒体の量を増加させることができる。
空気室３０′は熱回収制御用空気室３０と連通してもよく、または該空気室３０とは独立して制御してもよい。独立制御の場合は熱回収室散気量とは無関係に流動媒体循環量を制御することができ、１種の調節弁のような作用を行わせることも可能である。
【００５６】
（実施例２）
図６は燃焼排ガスの処理系統まで含めた本発明の第２実施例を示す説明図である。
図６に示されるように、圧力容器１から排出された燃焼排ガスは排ガス系統５０に導かれ、サイクロン５１に導入される。サイクロン５１で捕集された飛灰は重力で落下し、シール機構５２に貯留されつつ灰リサイクル空気５３によって、圧力容器１および円筒形燃焼器２の側面を貫通するリサイクル灰導入管５４を経由して熱回収室１０に戻される。
【００５７】
飛灰を熱回収室１０にリサイクルすることにより、熱回収室内の平均粒子径および比重量が小さくなる。主燃焼室９内の平均粒子径が０．６ｍｍ程度なのに対し、燃焼排ガスに同伴しサイクロンで捕集されリサイクルする粒子径ははるかに小さく、またチャーも含まれるため比重量も小さい。
熱回収室１０においては流動化ガス速度が最低流動化速度の２倍程度と小さいため、リサイクルした粒子が再飛散することなく、したがって熱回収室１０内の平均粒子径および比重量は主燃焼室９に比べて小さくなる。
【００５８】
最低流動化速度（Ｕｍｆ）は流動媒体の粒径の２乗に比例し、また比重量とも比例するため、熱回収室の最低流動化速度は主燃焼室と比較してかなり小さくなる。従って熱回収制御用空気量は、熱回収室にリサイクルしない場合と比較して、かなり少なくてすむことになり、結果として熱回収室内の流動化ガス速度（ＵＯ ）が小さくなる。
熱回収室内に配置された層内伝熱管の摩耗速度は流動化ガス速度（ＵＯ ）の３乗に比例することから、ＵＯ が小さくなることにより、摩耗は大きく低減することになる。
また、熱回収制御用空気量は、図３に示すように主燃焼室９の流動層温度をコントロールするため常に変動しているが、この空気量が少なくてすむことは、熱回収空気量の変動が燃焼に及ぼす影響を少なくすることになり、安定燃焼にきわめて効果的である。
【００５９】
また、図６に示されるように排ガスはサイクロン５１を経由してさらに集塵装置５５に導入される。該集塵装置５５は例えばセラミックフィルタや高温バグフィルタで構成される。そこで捕集された飛灰は灰クーラー５６で冷却された後にロックホッパ５７を通って大気圧下に放出される。一方、集塵され清浄になった高温の排ガスはガスタービン５８に導入される。
燃料については、原炭バンカ５９に貯留された石炭は破砕機６０によって粉砕されて攪拌槽６１に送られ、脱硫剤バンカ６２から投入される脱硫剤と水６４を攪拌混合してスラリー状の燃料を作り、スラリーポンプ６５によって燃焼器２に送られ、給炭ノズル２２から主燃焼室流動層内に供給される。
【００６０】
また、リサイクル灰導入管５４ａによりフリーボード３１に飛灰をリサイクルすることも可能である。この時、フリーボード内の粒子濃度が増加し、燃焼ガスの撹拌効果を増すとともに未燃チャーや未反応脱硫剤と燃焼ガスの接触効果を上げる。
その結果、燃焼効率の上昇、脱硫脱硝性能の向上につながる。
また、リサイクル灰導入官５４ａを延長して主燃焼室９の中央付近、移動層の層表面もしくは層中に飛灰をリサイクルＣ、下降する流動媒体に同伴させることにより主燃焼室流動層内で十分な滞留時間をとって未燃分の燃焼や、脱硫脱硝反応の向上に寄与させることも可能である。
【００６１】
図１に示す加圧内部循環型流動床ボイラは貫流型であるが、図６乃至図８においては強制循環型ボイラとして示す。強制循環型ボイラにおいては、汽水胴７１を設け、そこにボイラ給水系７０にて給水する一方、強制循環ポンプ７２によって強制循環配管７３を経由して水管壁や熱回収室層内の蒸発管に缶水を循環させる。
一方、汽水胴７１で発生した蒸気７４は、特に図示しないが連絡管によって熱回収室層内に設けた過熱管に送られ、そこで発生した過熱蒸気７４′は高圧蒸気タービンへと供給される。
【００６２】
（実施例３）
図７は、燃焼排ガスの処理系統まで含めた本発明の第３実施例を示す説明図である。
図７に示されるように、排ガス系統５０の途中に設けたサイクロン５１で捕集した飛灰を灰クーラ７７で冷却する。特に図示はしないが、この冷却用の媒体としてはボイラへの給水や、流動用空気などを用い、有効に熱回収をはかることが可能である。
冷却された飛灰はロックホッパ７８を介して分級槽７９に導入され、同じく集塵装置５５から、灰クーラー５６、ロックホッパ５７を介して得られた飛灰と混合して、分級される。本図では分級用空気８０を散気パイプ８１から投入して行う流動層分級の例を示すが、かならずしもこれに限定されるものではない。
【００６３】
分級槽７９で選択的に分離された通常６０μｍ以下の粒径の未反応脱硫剤や未燃炭素などは空気によってサイクロン８３に運ばれる。ここでさらに分級され、約１０μｍ以下の粒子は、集塵装置８４へ導入されて、移送空気と分離されたあと外部へ排出される。一方サイクロン８３から排出される粒径が１０〜６０μｍの飛灰は、シール弁８５、ロックホッパ８６、ロータリーバルブ８７を経てリサイクル灰圧送空気８８によって円筒形燃焼器２に投入される。
燃焼器２に戻すにあたり、リサイクル灰導入管５４によって、熱回収室に戻す方法をとる場合、図６の詳細説明に述べたような特徴が発揮出来るほかまた、リサイクル灰導入管５４ａによりフリーボード３１に飛灰をリサイクルすることの可能である。この時、フリーボード内の粒子濃度が増加し、燃焼ガスの撹拌効果を増すとともに未燃チャーや未反応脱硫剤と燃焼ガスの接触効率を上げる。
その結果、燃焼効率の上昇、脱硫脱硝性能の向上につながる。
【００６４】
また、リサイクル灰導入管５４ａを延長して主燃焼室９の中央付近、移動層の層表面もしくは層中に飛灰をリサイクルし、下降する流動媒体に同伴させることにより主燃焼室流動層内で十分な滞留時間をとって未燃分の燃焼や、脱硫脱硝反応の向上に寄与させることも可能である。
このように粒径別に３段階に分級し、チャー濃度が最も高い通常１０〜６０μｍ程度の範囲の粒子のみ円筒形燃焼器２へ戻すことにより、最少の循環灰量でＮＯｘ低減、燃焼ガス系統の摩耗の低減、燃焼効率上昇などの効果を上げることが可能となる。
【００６５】
また、本図ではサイクロン５１、集塵装置５５の２段集塵となっているが、サイクロン５１、灰クーラ７７、ロックホッパ７８を廃し、集塵装置５５単独とすることも可能である。また、その際灰クーラ５６、 ロックホッパ５７を介さないで加圧下で分級してもよい。集塵装置５５は通常セラミックフィルタが使用される。
【００６６】
図８は分級した飛灰を処理する他の例を示す図である。
分級槽７９で選択的に分離された通常６０μｍ以下の粒径の未反応脱硫剤や未燃炭素などは空気によってサイクロン８３に運ばれる。ここでさらに分級され、約１０μｍ以下の粒子は、集塵装置８４へ導入されて、移送空気と分離されたあと外部へ排出される。
一方サイクロン８３から排出される粒径が１０〜６０μｍの飛灰は、シール弁８５、ロックホッパ８６、ロータリーバルブ８７を経てから、ホッパ８９に貯留したあと、混合装置９０で石炭や脱硫剤と一緒に粒子状の燃料に混合され、燃料圧送空気によって円筒形燃焼器２に供給される。
一方、ロータリーバルブ８７から排出される１０〜６０μｍの飛灰を燃焼系ではなく２次空気３４によって空気輸送し、２次空気ノズル３３からフリーボード３１へ投入することも可能である。
【００６７】
（実施例４）
図９は本発明の実施例の一つであるとともに加圧流動床ボイラとしての全体系統図の一例を示す。
図９に示した系統を概略説明する。本図に示すボイラは貫流型ボイラとして構成されており、運転中はスラリー状の燃料をスラリーポンプ６５で燃焼器２に送り、主燃焼室９の流動層内に供給、燃焼する。燃焼排ガスは排ガス系統５０を通って、集塵装置５５によって除塵されたあと高圧ガスタービン１００、低圧ガスタービン１０１を駆動したあと、さらに排ガスクーラ１０２でボイラ給水を加熱し、煙突１０３から大気放出される。
【００６８】
一方、流動燃焼用空気はガスタービンで駆動される低圧コンプレッサー１０４、高圧コンプレッサー１０６によって昇圧され、一部は熱回収制御用空気として分岐し、熱回収制御用空気室３０に導入され、残りは流動燃焼用空気室２８に導入され、主燃焼室９内の流動媒体を旋回流動させながら燃焼を行う。
蒸気系統に関しては、給水はボイラ給水ポンプ１０７によって、途中排ガスクーラ１０２で加熱されつつ、ボイラに送られ、円筒壁を構成する水管を経由した後、熱回収室層内の蒸発管１０８、蒸気過熱管１０９を通って過熱蒸気となる。発生した過熱蒸気は高圧蒸気タービン１１０を駆動した後、再び燃焼器２に戻り、再熱用層内伝熱管１１１で加熱された後、中圧タービン１１２、低圧タービン１１３を駆動し、発電機１１４で発電した後、復水器１１５で復水となり、再びボイラ給水として使用される。
【００６９】
（実施例５）
図１０は本発明の実施例の１つとして内部循環型流動床ボイラをトッピングサイクル複合発電システムの酸化炉として組み込んだ実施例を示す。
また、特に図示はしないが図１０に示すトッピングサイクル複合発電システムのガス化炉として本発明による加圧円筒形流動床ボイラを使用することも可能である。
ガス化炉への応用については以下のように説明できる。すなわち、図１及び図３で詳述したように本願の加圧型内部循環型流動床ボイラの主燃焼室９には伝熱面が配置されていない。そのためＮＯｘ低減を目的として２段燃焼を行い、その結果主燃焼室９は空気比０．８程度の還元雰囲気での燃焼となっている。しかも主燃焼室９の内部では流動化ガス速度に差をつけるように構成しているため、主燃焼室移動層部では実質空気比は約０．５とガス化炉に近い運転となっている。そのため、トッピングサイクルのガス化炉に転換するのはきわめて容易であり、熱バランス上、層内熱回収が不要であれば熱回収制御用空気を停止すればよく、また層内伝熱管を除去してもよい。
【００７０】
ここでは、図１０に沿って概略系統を説明する。
まず、ガス化炉１２０に石炭１２１と脱硫剤１２２が供給されガス化炉１２０内部で空気１２４によって石炭ガスとチャー及び、ＣａＳなどに分解する。
チャー及び、ＣａＳなどはガス化炉１２０からと、および石炭ガス通路に設けられた集塵器１２３から排出され、通路１２５を通って、内部循環形流動床ボイラからなる酸化炉１２６に導入され、円筒形燃焼器２の炉床付近に供給される。供給先は必ずしも炉床付近でなくてもよく流動層層上でもよい。
【００７１】
酸化炉１２６には、石炭１２１、脱硫剤１２２を供給することも可能であり、給炭ノズル２２を通って主燃焼室９内に投入され前記チャーと一緒に燃焼する。一方、酸化炉１２６で発生した燃焼ガスは集塵器１２７で除塵されたあと、ガスタービン１２８入口の燃焼器１２９に導入され、そこでガス化炉１２０から排出され、集塵器１２３、集塵器１３０で除塵された石炭ガスと混合燃焼して高温ガスとなり、ガスタービン１２８を高効率で駆動する。
【００７２】
また、ガスタービン１２８はコンプレッサー１３１、発電機１３２を駆動する。ガスタービン１２８を出た排ガスは熱回収装置１３３で冷却されたのち大気放出される。
一方、ボイラで発生した過熱蒸気７４′は、蒸気タービン１３４と該タービン１３４に連結された発電機１３５を駆動したあと、復水器１３６で復水に戻り、ボイラ給水ポンプ１３７で再びボイラに給水される。なお、酸化炉１２６内部での加圧円筒形流動床ボイラの作動は実施例１乃至４の場合と同様である。
【００７３】
（実施例６）
図１１は本発明の実施例の１つとして加圧円筒形流動床ボイラをトッピングサイクル複合発電システムのガス化炉１２０および酸化炉１２６として組み込んだ実施例を示す。
図１１においては、ガス化炉１２０に石炭１２１、脱硫剤１２２を供給し、空気１９を供給することによって部分燃焼ガス化させる。酸化剤として空気のほか酸素１５０、あるいは水蒸気１５１を投入することも可能である。
【００７４】
ガス化炉１２０で発生する未燃チャー等は全量生成ガスと同伴させ、その後段に設置したガス冷却装置１４０で６００℃以下に冷却し、ガスタービンブレードの高温腐食の原因となるＮａ，Ｋ等のアルカリ金属を固化あるいは粒子表面に固定化し、該粒子を集塵装置１４１で捕集したあと、酸化炉１２６に導入して完全燃焼させる。酸化炉１２６の燃焼排ガスは酸化炉１２６を出たあと、後段に設置したガス冷却装置１４２で６００℃以下に冷却され、この冷却によって固化したＮａ，Ｋなどのアルカリ金属粒子は粒子集塵装置１４３で捕集排出される。集塵装置１４１，１４３には通常セラミックフィルタを使用する。
【００７５】
高温腐食の原因となるＮａ，Ｋを取り除いて清浄になった燃焼ガスと前記ガス化炉１２０を出たあと集塵されて清浄になった生成ガスを燃焼器１２９で混合燃焼するが、それぞれのガスを冷却した分、燃焼器１２９での燃焼温度が若干低下するので、燃焼温度の低下を防ぐためには、酸化炉１２６でなるべく空気過剰率を低くして運転することによって燃焼排ガス量を低減する。そのため燃焼器１２９で必要な酸素量は別途、酸素１５０として該燃焼器に供給する。
【００７６】
燃焼器１２９で発生した高温の燃焼ガスはガスタービン１２８を高効率で駆動する。そして、ガスタービン１２８はコンプレッサ１３１、発電機１３２を駆動する。ガスタービン１２８を出た排ガスは熱回収装置１３３で冷却されたのち大気放出される。なお、本実施例において、タービンブレードの材質が向上すれば、ガス冷却装置１４０，１４２を省略してもよい。
【００７７】
（実施例７）
図１２は、本発明の実施例の１つとして加圧円筒形流動床ボイラをトッピングサイクル複合発電システムのガス化炉と酸化炉とを一体化した炉として構成した例である。
加圧流動床複合発電システムにおける円筒形流動層炉２０１において、該流動層内に円筒外壁２０２と同心の仕切壁２０３を設け、該仕切壁２０３は円筒状仕切壁２０３ａおよび円錐状仕切壁２０３ｂからなり、該仕切壁２０３の中間部及び下部に空隙２０４，２０５を設けて連絡口とするほか、上端部は円筒外壁２０２の天井面と接続され、ガス出口２０６を形成している。
【００７８】
前記仕切壁２０３の内側をガス化炉２０７とし、外側の環状空間は酸化炉２０８として使用する。前記流動層炉の炉床は、ガス化炉２０７の炉床２０９では中心が高く、前記仕切壁２０３に向かって低くなる円錐状である。
酸化炉２０８の炉床２１２は内側に向かって傾斜しており、流動層炉全体では炉床断面がどの方向においても全体でＷ字形を形成している。また前記ガス化炉２０７の炉床２０９および酸化炉２０８の炉床２１２の下方には、それぞれ独立した空気室２１４〜２１７（後述）が設置されている。
【００７９】
ガス化炉２０７の炉床２０９に配置した空気分散ノズル２１０によってガス化炉流動層を流動化するが、その際ガス化炉２０７の約１／２程度の径の同心円の範囲内は最低流動化速度の１〜２．５倍程度の緩やかな流動化状態とし同心円の外側の環状部では最低流動化速度の４〜１２倍程度の強い流動化状態となるように空気分散ノズル２１０からの吹き出し空気量を調節する。その結果、ガス化炉流動層内部では、流動媒体が中央から円錐状炉床面に沿いながら全方位に向かって緩やかに分散移動し、その後前記外周環状部に至るとそこでは流動化速度が大きいため移動方向は上向きに転じる。すなわち流動媒体は前記仕切壁２０３の内側に沿って吹き上がるが、円錘状仕切壁２０３ｂの傾斜に従って次第に中心方向への凝集力が高まり、流動層表面で最高に達すると一転その反力で周方向および上方向へ爆発的に飛散する。
【００８０】
その結果、未燃チャー等多量の流動媒体が仕切壁２０３に設けられた連絡流路２０４を通過し、酸化炉２０８へ入り込む。
一方流動層表面に残った流動媒体は中心付近で円筒状の流れとなって周囲の流動媒体を巻き込みながら沈降し、前記円錐状炉床中心付近に到達すると今度は再び水平全周方向への移動に転じる循環流が生じる。この循環流の効果により炉床付近に設けた給炭ノズル２１１から投入した石炭や脱硫剤などがガス化炉流動層内全方位方向へ均一に分散し、簡素な給炭設備でありながら燃料の偏在が避けられ、クリンカ発生の恐れがない。
【００８１】
また酸化炉２０８の炉床２１２に空気分散ノズル２１３を設け、酸化炉２０８内を緩やかに流動させることにより、空隙２０４を通過して酸化炉２０８に入る未燃チャー等が酸化炉流動層内を燃焼しつつ緩やかに沈降した後、傾斜した炉床に沿って、前記仕切壁２０３下部の連絡流路２０５を通過してガス化炉流動層に還流する。なお、円錐状仕切壁２０３ｂの背面にも流動化用の空気導入パイプ、背面散気ノズルを設けることが可能であるが、円錐状仕切壁２０３ｂの角度を大きくした場合には設けなくてもよい。
【００８２】
また、酸化炉２０８の炉床２１２に設けた空気分散ノズルから吹き出す空気量を、円筒外壁２０２に沿った環状部分を大きな流動化速度、仕切壁２０３に沿った環状部分を小さな流動化速度になるように調節することによって、酸化炉の流動層内部に、仕切壁２０３に沿って沈降し円筒外壁２０２に沿って上昇する循環流を生じさせることも可能である。この循環流によって、酸化炉２０８内で未燃チャー等が十分な滞留時間をとって完全燃焼することをより確実とする。
【００８３】
したがって、それぞれの炉床に設けられた空気分散ノズルに空気を供給する空気室については、ガス化炉２０７の炉床２０９の下方には中央に少量の空気を供給する移動層空気室２１４があり、そのまわりは大きな流動化速度を与えるための流動層空気室２１５に囲まれ、それぞれ空気入口につながっている。
また、酸化炉２０８の炉床２１２の下部には、円錐状内壁側に空気室２１６が設けられ、円筒外壁側に空気室２１７が設けられ、それぞれ流動化空気量を制御できるようになっている。酸化炉２０８上部の円筒外壁２０２には燃焼ガス出口２１８が設けられている。
【００８４】
このようにして、中央のガス化炉２０７に石炭と脱硫剤を供給して、流動層内で循環しながら、石炭は部分ガス化され、生成ガスはガス化炉上部のガス出口２０６から外部へ導出される。一方ガス化されなかったチャーは空隙２０４から酸化炉２０８へ入り込み、流動層内で循環しながら完全燃焼される。そして、燃焼ガスは酸化炉２０８の上部にある燃焼ガス出口２１８から外部へ取り出される。なお、酸化炉フリーボードに２次空気ノズル２１９を設け、２段階燃焼させることも可能である。
【００８５】
（実施例８）
図１３はガスの処理系統まで含めた本発明の一例を示す実施例を示す系統図である。ガス化炉２０７に石炭２５１，脱硫剤２５２を供給し、空気２５３によって部分燃焼ガス化させる。酸化剤として空気のほか酸素１５０、あるいは水蒸気１５１を投入することも可能である。
【００８６】
ガス化炉２０７で発生する未燃チャー等は、全量生成ガスと同伴させ、その後段に設置したガス冷却装置２５４で６００℃以下に冷却し、ガスタービンブレードの高温腐食の原因となるＮａ，Ｋなどのアルカリ金属を固化あるいは粒子表面に固定化し、該粒子を集塵装置２５５で捕集する。
一方、空隙２０４を通過してガス化炉２０７から酸化炉２０８に導入された未燃チャーは酸化炉２０８内で完全燃焼し、その燃焼排ガスは燃焼ガス出口２１８を出たあと、後段に設置したガス冷却装置２５６で６００℃以下に冷却され、この冷却によって固化したＮａ，Ｋなどのアルカリ金属粒子は集塵装置２５７で捕集され、系外に排出される。
【００８７】
集塵装置２５５からの捕集粒子は空気輸送で酸化炉２０８へ供給する。集塵装置２５５，２５７には通常セラミックフィルタを使用し、高温腐食の原因となるＮａ，Ｋを取り除いて清浄になった生成ガスおよび燃焼排ガスは燃焼器２５８で混合燃焼され、発生した高温の燃焼ガスはガスタービン２６１を高効率で駆動する。そして、ガスタービン２６１はコンプレッサ２６２、発電機２６３を駆動する。ガスタービン２６１を出た排ガスは熱回収装置２６４で冷却されたのち大気放出される。なお、本実施例において、タービンブレードの材質が向上すれば、ガス冷却装置２５４，２５６を省略してもよい。
また、酸化炉２０８の流動層内に層内伝熱管２６５を配置することも可能である。さらに、流動層炉の外側に圧力容器２６６を設けて、流動層炉を非耐圧構造とすることも可能である。
【００８８】
上述した各実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）燃焼室と熱回収室を同一燃焼容器内部で機能的に分離したことにより、負荷制御は流動層高変化方法によることなく、熱回収室の風量調節による層内伝熱管の総括伝熱係数の変化により容易に行うことができるため、流動媒体の出し入れ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、また流動媒体の出し入れの際に生じ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流動層温度の変化が少ないことから、常にＮＯｘ，ＳＯｘ等の抑制に最適な温度条件で運転することが可能である。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）流動媒体が中央から円錐状炉床面に沿いながら全方位に向かって緩やかに分散移動する拡散流が生じるため燃料や脱硫剤などの均一な拡散が行われるため、燃焼が均一となりアグロメの発生がなく、また給炭口も中央付近に設けるだけでよく、給炭設備がきわめて簡素化されるなどの効果がある。
（３）流動層表面の流動媒体は中心付近で円筒状の流れとなって周囲の流動媒体を巻き込みながら沈降するため、燃料や脱硫剤などの層内滞留時間が長くとれ、燃焼効率の向上、脱硫効率の向上にきわめて効果的である。
（４）従来の矩形内部循環流動床ボイラの場合は長方形の相対する２辺に層内伝熱管が配置されているのに比べ、本発明の場合は全周を利用できるため、より多くの伝熱管が配置できることから、さらにコンパクトな構造となる。
（５）従来の加圧流動床ボイラは水管構造の矩形燃焼容器を圧力容器の中に納めているが、燃焼器内部と圧力容器内部の圧力変動が発生した場合に備えて、燃焼器を保護するため充分な補強が必要であるのに対し、本発明においては燃焼器が円筒であるため充分な強度をもっており、補強も簡便でよい。また、圧力容器と燃焼器が円と円の組み合わせであることから無駄なスペースが無く、コンパクトな配置となる。
（６）フリーボードに熱回収室を覆うように、クシ歯状などの形状をしたスクリーンを設けることによって、熱回収室への粒径の粗い石炭などの固形燃料の混入を避け、熱回収室におけるアグロメレーションの形成を防ぐほか、熱回収室から発生する燃焼ガスに対してバッフル作用を果たし、主燃焼室燃焼ガスと十分に混合攪拌する効果が得られる。
（７）加圧内部循環流動床ボイラは主燃焼室に伝熱面を有しないため、還元雰囲気で燃焼することができる。その結果、石炭の揮発分放出が活発に行われ、気相反応においてＣＨ４ などの炭化水素やＣＯあるいは気相のＮ化学種（ＮＨｉ，ＨＣＮなど）等が、生成した窒素化合物を還元するとともに、Ｎ化学種が酸化物へ転換する選択性を低下させる効果をもたらし、低ＮＯｘ燃焼が可能となる。
（８）熱回収室流動層内部に層内伝熱管を放射状に配置し、しかも用途別に蒸発管ブロック、蒸気過熱管ブロック、蒸気再熱管ブロックとして使用するため、平面で見て数個の管群に機能別に分割して配置したことにより、それぞれのブロック毎に熱回収空気量を調節することにより、蒸発管ブロック、蒸気過熱管ブロック、蒸気再熱管ブロックそれぞれの収熱量を独立して制御することが可能である。
（９）燃焼排ガス系統に設けたサイクロンで捕集した飛灰を熱回収室に戻すように構成することにより、熱回収室内の平均粒子径および比重量が小さくなる。その結果、最低流動化速度が小さくなり、熱回収空気量が少なくて済む。そのため、層内伝熱管の摩耗が大幅に低減するほか、熱回収空気量の変動が燃焼に及ぼす影響も小さくなり、安定燃焼にきわめて効果的である。
（１０）燃焼器から排出された燃焼ガスから回収した飛灰、未燃炭素分、未反応脱硫剤などを分級して、粒径が１０〜６０μｍの範囲の飛灰のみ主燃焼室もしくは熱回収室へ戻すことにより、最少の循環灰量でＮＯｘ低減、燃焼ガス系統の摩耗の低減、燃焼効率上昇などの効果を上げることが可能となる。従って、脱硝装置を省略できる可能性があり、また炉内脱硫において脱硫剤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可能である。
（１１）集塵装置で捕集した飛灰を、冷却したあと大気圧下で分級し、未燃炭素分や未反応脱硫剤を選択的に燃焼器に戻すようにしたことにより、高温の粒子を高圧下で取り扱うことに伴うスラッギングなどの問題を避けることができるほか、分級することによって有用な物質のみを戻すことになり取り扱う量が少なくなるなどの効果が生じる。また燃料系統にリサイクルし、スラリー状燃料に混練して燃焼器に供給することにより、燃焼器へのリサイクル系統を省略できるほか、未反応脱硫剤と燃料との接触も良好となり脱硫率の向上にも効果的である。
（１２）トッピングサイクル複合発電システムにおいて、ガス化炉およびまたは酸化炉に本願の加圧円筒形内部循環型流動床ボイラを用い、ガス化炉から排出される未燃チャーは全量生成ガスと同伴させ、６００℃以下に冷却され、その後段に設置した集塵装置で捕集したあと酸化炉に導入して完全燃焼させ、その燃焼排ガスは酸化炉を出たあと、６００℃以下に冷却され、後段に設置した集塵装置によりＮａ，Ｋを含んだ粒子を捕集排出し、清浄になった燃焼ガスと前記ガス化炉を出たあと集塵されてＮａ，Ｋを含んだ粒子を捕集排出し、清浄になった生成ガスをトッピング燃焼器で混合燃焼し、発生した高温の燃焼ガスをガスタービンに導入するように構成したことにより、ガスタービンブレードの高温腐食の原因となるＮａ，Ｋ等のアルカリ金属が燃焼ガス中に含まれないため、ガスタービンの材質、構造が従来技術で対応可能である。
（１３）加圧流動床複合発電システムにおける円筒形流動層炉において該流動層内に円筒外壁と同心の仕切壁を設け、該仕切壁の中間部および下部に空隙を設けて連絡口とするほか、上端部は円筒外壁の天井面と接し、ガス出口を形成しており、該仕切壁の内側をガス化炉とし、該仕切壁の外側の環状空間は酸化炉として使用することにより、１つの炉でありながら、ガス化炉と酸化炉の２つの機能を有する複合炉として高効率で運転することができる。
【００８９】
【発明の効果】
本発明によれば、ガス化炉に石炭と脱硫剤を供給して、流動層内で循環しながら、石炭は部分ガス化され、生成ガスはガス化炉上部のガス出口から外部に導出される。流動媒体の循環流の効果により投入した石炭や脱硫剤などがガス化炉流動層内全方位方向へ均一に分散し、簡素な給炭設備でありながら燃料の偏在が避けられ、クリンカ発生の恐れがない。
一方、ガス化されなかったチャーは酸化炉へ入り込み、流動層内で循環しながら完全燃焼される。そして、燃焼ガスは酸化炉の上部にある燃焼ガス出口から外部に取り出される。酸化炉に入る未燃チャー等が酸化炉流動層内を燃焼しつつ緩やかに沈降した後、仕切壁下部の連絡流路を通過してガス化炉流動層に還流する。流動媒体の循環流によって、酸化炉内で未燃チャー等が充分な滞留時間をとって完全燃焼をすることをより確実にする。
なお、酸化炉フリーボードに２次空気ノズルを設け、２段階燃焼させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加圧内部循環型流動床ボイラの一実施例を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は図１のＩＩ（ａ）−ＩＩ（ａ）線断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の変形例である。
【図３】負荷変化に応じた空気系統の制御方式を説明する説明図である。
【図４】層内管総括伝熱係数と空塔速度の関係を示す図である。
【図５】図１の円筒形燃焼器の詳細構造を示す説明図である。
【図６】本発明の燃焼排ガス処理系統を含めた一例を示す系統図である。
【図７】本発明の燃焼排ガス処理系統を含めた他の例を示す系統図である。
【図８】本発明の燃焼排ガス処理系統を含めた更に他の例を示す系統図である。
【図９】本発明の加圧内部循環型流動床ボイラの全体系統図である。
【図１０】本発明の内部循環型流動床ボイラをトッピングサイクル複合発電システムの酸化炉として組み込んだ例を示す系統図である。
【図１１】本発明の内部循環型流動床ボイラをトッピングサイクル複合発電システムのガス化炉および酸化炉として組み込んだ例を示す系統図である。
【図１２】本発明の内部循環型流動床ボイラをトッピングサイクル複合発電システムのガス化炉および酸化炉を一体化した炉を示す断面図である。
【図１３】本発明の燃焼排ガス処理系統を含めた１例を示す系統図である。
【図１４】従来のバブリング式加圧流動床ボイラを示す平面図である。
【図１５】従来のバブリング式加圧流動床ボイラを示す平面図である。
【符号の説明】
１ 圧力容器
２ 円筒形燃焼器
３ 流動用空気入口
４ 燃焼ガス出口
５ 熱回収制御用空気入口
６ 給炭入口
７ 円筒形サポート
８ 仕切壁
９ 主燃焼室
１０ 熱回収室
１１ 円筒外壁
１２ スクリーン
１３ 層内管用上部ヘッダー
１４ 層内管用下部ヘッダー
１５ 層内伝熱管
１６ 給水入口
１８ 均圧ノズル
１９ 流動用空気系統
２０ 主燃焼室炉床
２１ 主燃焼室空気分散ノズル
２２ 給炭ノズル
２３ 熱回収室炉床
２４ 熱回収室空気分散ノズル
２７ 連絡流路
２８ 流動燃焼用空気室
３０ 熱回収制御用空気室
３１ フリーボード
３３ ２次空気ノズル
５１ サイクロン
５５ 集塵装置
５８ ガスタービン
１００ 高圧ガスタービン
１０１ 低圧ガスタービン
１２０，２０７ ガス化炉
１２６，２０８ 酸化炉
２０１ 流動層炉
【発明の属する技術分野】
本発明は、一つの炉でありながらガス化炉と酸化炉の二つの機能を有する複合流動層炉および複合流動層炉の運転方法に係り、特に、ガス化炉と酸化炉とを一体化した複合流動層炉および複合流動層炉の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、地球環境保全の立場からＣＯ２ 削減対策が重要となっている。またエネルギー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 削減対策と当面の石油代替エネルギーとして高効率でコンパクト、クリーンな石炭火力発電システムが期待されている。
一方、従来の微粉炭ボイラは炭種の制限や効率に限界があるなど問題があるため、常圧型流動床ボイラが多品種石炭用として開発されてきた。
ところが常圧型流動床ボイラ（ＡＦＢＣ）自体期待されたほどの機能を発揮出来ていないこと、また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出来ないため高効率化、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）へ移行しつつある。
【０００３】
従来の加圧型流動床ボイラの内、最も開発が進み、８０ＭＷｅ級の実証機が運転されているのはバブリング式加圧流動床ボイラであるが、次のような課題がある。
（Ａ）負荷制御方法における課題
現在は、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。すなわち、燃焼器内部から流動媒体を抜きだして別の貯留容器に送給し、流動層内伝熱面を露出させることによって熱伝達率を低下させて、熱回収量を減少させ、スチームタービン出力を低下させる。また燃料供給量が低下した流動層から排出される燃焼ガスはさらに露出した伝熱面で冷却されるため、燃焼器出口温度すなわちガスタービン入口温度が低下し、その結果ガスタービン出力が低下するものである。一方、負荷を上げる時はこの逆の方法をとる。
【０００４】
しかしながら、該層高変化方法には下記の問題がある。
▲１▼ 高温の流動媒体を燃焼器から出し入れする貯留容器が必要であり、しかも高温高圧下での操作は容易ではなく、さらに発熱密度が高い流動媒体を貯留容器内へ出し入れする際にはアグロメレーション（凝集灰）が発生する。
▲２▼ ボイラが加圧下にあるため、流動層内伝熱面を露出させたとき、スプラッシュゾーンでの摩耗の問題は常圧バブリング流動床ボイラ（ＡＦＢＣ）よりも大きな問題である。
▲３▼ 低負荷時流動層を出た燃焼排ガスが層内管に冷却されること、および層高が浅くなって燃焼ガスの層内滞留時間が減少することによって、一酸化炭素（ＣＯ）の発生量が増大する，又、ＮＯｘ（窒素酸化物）排出量も増加する。
【０００５】
（Ｂ）加圧容器の大型化
▲１▼ これまでのバブリング式加圧流動層ボイラは平面的に見て角型の燃焼器を円筒型の圧力容器に収納するようになっているため、どうしても無駄なスペースがあり、必然的に圧力容器が大型化しコストの上昇につながる。
それに対しては１９９３年５月サンディエゴにおける第１２回ＡＳＭＥ流動床国際会議において、
「ＰＲＩＮＣＩＰＬＥＳ ＡＮＤ ＤＥＳＩＧＮ ＰＨＩＬＯＳＯＰＨＹ ＦＯＲ Ａ ３５０ ＭＷｅ ＰＦＢＣ ＭＯＤＵＬＥ」として Ａ． Ｂ． Ｂ． Ｃａｒｂｏｎ， Ａ． Ｂ． の Ｊｉｍ Ａｎｄｅｒｓｏｎ らによる発表によれば、３５０ＭＷｅのような大型化にあたっては従来は図１４に示すように円形の圧力容器１４５に２基の矩形の燃焼器１４６を収容した平面構成であったバブリング式加圧流動層ボイラを図１５に示すように１つの燃焼器１４７を菱形に変形させ、さらにそれを３基組み合わせて１基の炉としてまとめ、全体の平面形状を六角形としてできるだけ円形に近付けて円形の圧力容器１４５に収容し、圧力容器の小型化をはかるとしているが、これはバブリング式加圧流動層の場合、円筒形にすると層内伝熱管の配列構成が極めて困難となるからである。
▲２▼ 負荷制御を行うために流動媒体を出し入れする貯蔵容器および配管等が必要であり、これら貯蔵容器等を圧力容器内部に収納すると圧力容器が大型化する。
【０００６】
（Ｃ）層内伝熱管の摩耗
従来のバブリング式加圧流動層ボイラは流動化速度の大きな層内に伝熱管を配置しているため伝熱管の摩耗が激しく、溶射等による表面硬化処理などの対策が必要である。
【０００７】
（Ｄ）給炭機構の複雑化
従来のバブリング式加圧流動層ボイラは層内での石炭等燃料の水平方向への拡散が不十分なことから、燃焼の不均一を避けるため多数の給炭管を配置しなければならず、給炭機構が複雑化するばかりでなく、各給炭管への均等な石炭の分配は難しく、万一、不均等が生じた場合は層内燃焼の不均一からアグロメレーションの発生を招き、運転不能となる。
【０００８】
（Ｅ）石灰石の消耗
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。
【０００９】
また、石炭ガス化複合発電も研究されており、そのシステムは石炭を全量ガス化し、ガス精製した後、ガスタービンに供給する複合発電システムであり、１３００℃級空冷ガスタービンを用いた場合の目標効率は発電端で４７．１％となっている。
一方、加圧型流動床ボイラについては海外で既に８０ＭＷｅ級の発電所が稼働していることや、脱硫装置不要などの利点があるものの、効率の点では石炭ガス化複合発電システムが優れているため、両者の特徴を合わせ持つ、より性能の優れたトッピングサイクル複合発電システムが検討されている。
本トッピングサイクル複合発電システムは基本的には、石炭をガス化炉において石炭ガスとチャーに分解し、チャーを流動床ボイラ（酸化炉）で燃焼させ、その燃焼排ガスと石炭ガスをガスタービン入口で混合燃焼させて高温ガスを発生させ、それによってガスタービンを高効率で運転するものである。
【００１０】
また、トッピングサイクル複合発電システムにおいても酸化炉に用いる流動床ボイラについては、前記と同じ問題点があり、またガス化炉についても固定床ガス化炉にはタールの残留問題があり、また噴流床ガス化炉には灰のスティック問題がある。
これに対し、流動床ガス化炉はその中間温度で運転するため、タールの問題や、灰のスティックが避けられ、また炉内脱硫も可能であるなど様々な利点もあるが、バブリング型加圧流動床ボイラを採用した場合にはやはり上記の（Ａ）〜（Ｄ）に掲げる問題点が残されている。
【００１１】
上述したトッピングサイクル複合発電システムに用いられているガス化炉と酸化炉について着目すると、これらガス化炉と酸化炉とは個別の炉として構成されており、ガス化炉において生成されたチャーを酸化炉で燃焼させるために酸化炉に送り込むことが行われている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ガス化炉と酸化炉とを一体化した複合流動層炉および複合流動層炉の運転方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するため本発明の複合流動層炉の運転方法は、仕切壁によってガス化炉と酸化炉に仕切られた大気圧以上の圧力で運転される複合流動層炉の運転方法であって、前記ガス化炉の内部に、流動化ガス速度に差をつけることによって流動媒体が沈降する部分と上昇する部分からなる流動媒体の循環流を形成し、燃料を前記ガス化炉に供給し、該供給された燃料を該ガス化炉でガス化してガスとチャーを生成し、該ガス化炉より該生成されたガスを排出し、該生成されたチャーを、該流動媒体とともに前記ガス化炉から前記酸化炉へ、前記仕切壁の連絡口を介して供給し、該供給されたチャーを該酸化炉で燃焼し、前記酸化炉の該仕切壁側の流動媒体を、該仕切壁に沿って沈降させ、前記ガス化炉の流動媒体の上昇する部分は、前記酸化炉の仕切壁に沿って流動媒体が沈降する部分と前記仕切壁を介して相対向するように配置し、該酸化炉内の該沈降させた流動媒体を、該仕切壁の連絡口を通して該ガス化炉に還流させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記酸化炉内に流動媒体の循環流を形成することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記酸化炉におけるチャーの完全燃焼による燃焼ガスは、該酸化炉の燃焼ガス出口から排出されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記ガス化炉は、炉底を前記仕切壁に向かって低くすることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記ガス化炉は、炉底を傾斜させたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記酸化炉の流動層内に層内伝熱管を配置することを特徴とする。
【００１４】
本発明の複合流動層炉は、仕切壁によってガス化炉と酸化炉に仕切られた大気圧以上の圧力で運転される複合流動層炉であって、流動化ガス速度に差をつけることによって流動媒体が沈降する部分と上昇する部分からなる流動媒体の循環流が内部に形成され、供給された燃料をガス化してガスとチャーを生成し、該生成されたガスを排出するガス化炉と、前記ガス化炉で生成されたチャーを燃焼させ、内部に流動媒体が沈降する部分を有する酸化炉と、前記ガス化炉で生成されたチャーを流動媒体とともに前記ガス化炉から前記酸化炉へ供給する連絡口を具備し、該酸化炉内の該沈降させた流動媒体が該ガス化炉に還流される連絡口を具備する仕切壁とを備え、前記ガス化炉の流動媒体の上昇する部分は、前記酸化炉の仕切壁に沿って流動媒体が沈降する部分と前記仕切壁を介して相対向するように配置したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の好ましい態様によれば、前記ガス化炉あるいは前記酸化炉の炉床は、前記仕切壁に向けて傾斜していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記ガス化炉は、生成ガスを外部に取り出すガス出口を有し、前記酸化炉は、チャーの完全燃焼による燃焼ガスを外部に取り出す燃焼ガス出口を有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記酸化炉の流動層内に層内伝熱管を配置することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記酸化炉内に流動媒体の循環流を形成することを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明によれば、ガス化炉に石炭と脱硫剤を供給して、流動層内で循環しながら、石炭は部分ガス化され、生成ガスはガス化炉上部のガス出口から外部に導出される。流動媒体の循環流の効果により投入した石炭や脱硫剤などがガス化炉流動層内全方位方向へ均一に分散し、簡素な給炭設備でありながら燃料の偏在が避けられ、クリンカ発生の恐れがない。
一方、ガス化されなかったチャーは酸化炉へ入り込み、流動層内で循環しながら完全燃焼される。そして、燃焼ガスは酸化炉の上部にある燃焼ガス出口から外部に取り出される。酸化炉に入る未燃チャー等が酸化炉流動層内を燃焼しつつ緩やかに沈降した後、仕切壁下部の連絡流路を通過してガス化炉流動層に還流する。流動媒体の循環流によって、酸化炉内で未燃チャー等が充分な滞留時間をとって完全燃焼をすることをより確実にする。
なお、酸化炉フリーボードに２次空気ノズルを設け、２段階燃焼させることも可能である。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、圧力容器内に燃焼器を配置し、該燃焼器内の流動層内に伝熱管を有する加圧流動層で石炭、オイルコークス等の燃料を燃焼し燃焼ガスをガスタービンに導入するようにした複合発電システムにおける加圧流動床ボイラにおいて、燃焼器の底部には、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、質量速度の大きい空気噴出部上方に該部分から噴出する流動化用空気の上向流をさえぎり、かつ該流動化用空気を質量速度の小さい空気噴出部上方に向けて反射転向せしめる傾斜仕切壁を設けて流動床主燃焼室を構成するとともに、該傾斜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、また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、前記熱回収室は前記仕切壁の上部及び下部にて前記主燃焼室と連絡せしめ、流動媒体の一部が前記傾斜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移動層の状態で沈降させたのち、前記傾斜仕切壁の下部連絡口から前記主燃焼室へ循環させるようにするとともに、該熱回収室の上方は前記主燃焼室の上方と一体となってフリーボードを形成し、該熱回収室からの燃焼ガスと前記主燃焼室からの燃焼ガスが混合するようにしてもよい。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、前記フリーボードにおいて、側面に単数もしくは複数の空気ノズルを設けて２次空気を吹き込み、前記主燃焼室および熱回収室からの燃焼ガスを混合攪拌し、該燃焼ガスに含まれる未燃物質を十分に燃焼させるように構成してもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記フリーボードにおいて、前記熱回収室と主燃焼室の間にはスクリーンを設け、粒径の大きな燃焼物が熱回収室へ飛び込むのを防止する一方、熱回収室からの燃焼ガスに整流効果を与えつつ通過させ、主燃焼室の燃焼ガスと十分に混合するように構成してもよい。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、圧力容器内に燃焼器を配置し、該燃焼器内の流動層内に伝熱管を有する加圧流動層で石炭、オイルコークス等の燃料を燃焼し燃焼ガスをガスタービンに導入するようにした複合発電システムにおける加圧流動床ボイラにおいて、前記燃焼器を円筒形にするとともに該燃焼器の燃焼ガス出口部を前記圧力容器に接続し、該燃焼器の円筒外壁と同心の円筒状仕切壁を設け、該円筒状仕切壁によって内側に主燃焼室を形成するとともに外側に環状の熱回収室を形成し、前記主燃焼室の炉床は中心部が高く周辺に向かって低くなる円錐状をなし、前記主燃焼室の炉床には外周部の方が中心部よりも大きい質量速度で流動化用空気を噴出させるように構成した空気分散装置を設け、前記円筒状仕切壁に質量速度の大きい空気噴出部上方に該部分から噴出する流動化用空気の上向流をさえぎり、かつ該流動化用空気を質量速度の小さい空気噴出部上方に向けて反射転向せしめるように円錐状の傾斜仕切部を設け、前記熱回収室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、前記熱回収室は前記仕切壁の上部及び下部にて前記主燃焼室と連絡せしめ、流動媒体の一部が前記仕切壁の上部から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移動層の状態で沈降させたのち、前記仕切壁の下部連絡口から前記主燃焼室へ循環させるようにしてもよい。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、前記熱回収室の上方は前記主燃焼室の上方と一体となってフリーボードを形成し、該熱回収室からの燃焼ガスと前記主燃焼室からの燃焼ガスが混合するようにしてもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記フリーボードにおいて、側面に単数もしくは複数の空気ノズルを設けて２次空気を吹き込み、前記主燃焼室および熱回収室からの燃焼ガスを混合攪拌し、該燃焼ガスに含まれる未燃物質を十分に燃焼させるように構成してもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記フリーボードにおいて、前記熱回収室と主燃焼室の間にはスクリーンを設け、粒径の大きな燃焼物が熱回収室へ飛び込むのを防止する一方、熱回収室からの燃焼ガスに整流効果を与えつつ通過させ、主燃焼室の燃焼ガスと十分に混合するように構成してもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記仕切壁の下部に設けられた前記主燃焼室と前記熱回収室との連絡口の下方の炉床部に散気装置を設け、連絡口を流動化するようにしてもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記熱回収室の伝熱面を放射状に配置された層内伝熱管で構成し、該層内伝熱管を用途別に蒸発管ブロック、蒸気過熱管ブロック、蒸気再熱管ブロックとして使用するため、平面的にみて数個の管群に分割してもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記燃焼器から導出される燃焼排ガスの通路には集塵装置を設置し、該集塵装置で捕集した飛灰を、前記圧力容器側面の開口部を通して前記熱回収室へ戻すように構成してもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記燃焼器から導出される燃焼排ガスの通路には集塵装置を設置し、該集塵装置で捕集した飛灰を、前記圧力容器側面の開口部を通して前記主燃焼室およびまたはフリーボードへ戻すように構成してもよい。
本発明の一実施形態によれば、ガス化炉で生成したチャーを酸化炉で燃焼させ、燃焼排ガスと前記ガス化炉からの発生ガスをガスタービン入口で混合燃焼し、高温ガスを発生させてガスタービンを駆動し、発電や燃焼用空気の圧縮などに利用するトッピングサイクル複合発電システムにおいて、前記ガス化炉及び／または酸化炉として加圧内部循環型流動床ボイラを利用してもよい。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、加圧流動床複合発電システムにおける流動層炉において、該流動層炉を円筒形にするとともに該流動層炉の円筒外壁と同心に円筒状仕切壁を設け、該円筒状仕切壁によって内側にガス化炉を形成するとともに外側に環状の酸化炉を形成し、前記ガス化炉の炉床は中心部が高く周辺に向かって低くなる円錐状をなし、前記ガス化炉の炉床には外周部の方が中心部よりも大きい質量速度で流動化用空気を噴出させるように構成した空気分散装置を設け、前記円筒状仕切壁には質量速度の大きい空気噴出部上方に該部分から噴出する流動化用空気の上向流をさえぎり、かつ該流動化用空気を質量速度の小さい空気噴出部上方に向けて反射転向せしめるように円錐状の傾斜仕切部を設け、前記酸化炉の底部に酸化炉散気装置を設けるとともに前記仕切壁の中間部及び下部にて前記ガス化炉と連絡せしめ、前記ガス化炉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、また質量速度の大きい空気噴出部上方に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中間部から前記酸化炉に入り込むようにし、前記酸化炉散気装置から噴出する散気量を制御して該酸化炉内の流動媒体を移動層の状態で沈降させたのち、前記仕切壁の下部連絡口から前記ガス化炉へ循環させるようにし、前記酸化炉の上方と前記ガス化炉の上方とは前記仕切壁によって仕切られてそれぞれ別のフリーボードを形成し、該酸化炉からの燃焼ガスと該ガス化炉からの発生ガスが混合しないようにし、それぞれ別のガス出口から外部に導出されるようにして、酸化炉とガス化炉を一体化してもよい。
【００２２】
上述の各実施形態によって以下に列挙する作用を奏する。
（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できるため、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、また、流動媒体の出し入れの際に生ずるアグロメレーション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ほぼ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できる。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。
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ほか、ガスタービン効率の低下を防げる。
さらに熱回収室の上方は主燃焼室の上方と一体となって広い空間のフリーボードを形成し、このフリーボード内で熱回収室からの燃焼ガスと主燃焼室からの燃焼ガスとが混合される。したがって、フリーボードにおける燃焼ガス滞留時間を長くすることができ、可燃分をフリーボード内で十分に燃焼させることができる。また、フリーボードにおいて、２次空気を吹き込むことにより、主燃焼室および熱回収室からの燃焼ガスを混合攪拌し、燃焼ガスに含まれる燃焼物質を十分に燃焼させることができる。
【００２３】
（２）大気圧以上の内部圧力を保持するように構成された圧力容器に収納された円筒形燃焼器の流動層内部に仕切壁を設けて、主燃焼室と熱回収室を分離し、該仕切壁は、円筒状仕切壁と円錐状仕切壁からなり、この円錐状仕切壁は流動化用空気の上向き流路をさえぎり、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させるとともに、主燃焼室には円錐状の炉床を設け、該炉床に配置した空気分散ノズルによって主燃焼室内を流動化するが、その際主燃焼室の約１／２程度の径の同心円の範囲内は最低流動化速度の１〜２．５倍程度の緩やかな流動化状態とし同心円の外側の環状部では最低流動化速度の４〜１２倍程度の強い流動化状態となるように空気分散ノズルからの吹き出し空気量を調節することにより、主燃焼室流動層内部では、流動媒体が中央から円錐状炉床面に沿いながら全方位に向かって緩やかに分散移動したのち、前記仕切壁の内側に沿って吹き上がるが、次第に中心方向への凝集力が高まり、流動層表面で最高に達すると一転その反力で周方向および上方向へ爆発的に流動媒体が飛散し、その結果多量の流動媒体が仕切壁を越えて前記熱回収室へ入り込む。
【００２４】
一方、流動層表面に残った流動媒体は中心付近で円筒状の流れとなって周囲の流動媒体を巻き込みながら沈降し、前記円錐状炉床中心付近に到達すると今度は再び水平周方向への移動に転じる循環流が生じる。この循環流によって、流動媒体が中央から円錐状炉床面に沿いながら、全方位に向かって緩やかに分散移動する拡散流が生じるため燃料や脱硫剤などの均一な拡散が行われることから、燃焼が均一となりアグロメレーションの発生がなく、また給炭口も少なくてすみ、給炭設備がきわめて簡素化されるなどの効果がある。流動層表面に残った流動媒体は中心付近で円筒状の流れとなって周囲の流動媒体を巻き込みながら沈降するため、燃料や脱硫剤などの層内滞留時間が長くとれ、燃焼効率の向上、脱硫効率の向上にきわめて効果的である。
【００２５】
一方、多量の流動媒体が仕切壁を越えて、熱回収室に入り込むが、この時、主燃焼室と熱回収室上部のフリーボードには熱回収室を囲うようにクシ歯状などの形状をしたスクリーンを設けることによって粒径の粗い石炭など固形燃料の混入を防止できることから、熱回収室流動層は最低流動化速度の２倍以内の緩やかな流動状態であるにもかかわらず、アグロメレーションの形成を避けることができる。このスクリーンは、熱回収室から発生する燃焼ガスに対してはバッフルの作用を果たし、主燃焼室から発生する燃焼ガスと十分に混合攪拌する効果が得られる。
【００２６】
特に、加圧流動床ボイラにおいては、燃焼排ガス中の未燃分が多いことは、燃焼効率の低下は当然であるが、さらに下流側に設けられた集塵装置、例えばサイクロン内で未燃分の燃焼が発生しアグロメレーションの形成が起きたり、またセラミックフィルタの場合にはフィルタ表面で燃焼しフィルタを破損するなどのトラブルが発生し、運転不能に立ち至るなど深刻な問題につながっている。そのため燃焼炉内で可燃分を完全に燃焼することが望ましく、前記スクリーンのバッフル作用による攪拌混合効果は、後述の２次空気の投入方法や、フリーボード高さ、フリーボードにおける燃焼ガス滞留時間などとも相乗的に作用し、燃料中の可燃分をフリーボード内で十分に燃焼させる上で大きな効果を発揮している。
【００２７】
（３）本発明の内部循環流動床ボイラは主燃焼室には伝熱面を有しないため、主燃焼室を還元雰囲気で燃焼することが可能である。そのため、燃焼用空気の分配比率の設定によって、主燃焼室には燃焼に必要な理論空気量以下の空気を供給するほか、熱回収室には制御に必要な空気量を投入し、さらに完全燃焼に必要な残りの空気量は２次空気としてフリーボードに設けた複数の２次空気ノズルを用いて、供給する２段燃焼を行う。その結果主燃焼室を還元雰囲気で燃焼し、還元燃焼によって石炭の揮発分放出を活発に行い、気相反応においてＣＨ４ などの炭化水素やＣＯあるいは気相のＮ化学種（ＮＨｉ、ＨＣＮなど）等が燃焼によって生成した窒素酸化物を還元するとともに、Ｎ化学種が酸化物へ転換する選択性を低下させる効果をもたらし、低ＮＯｘ燃焼が可能となるものである。
【００２８】
（４）仕切壁の下部、連絡流路の炉床に空気室と散気装置を設けたことによって連絡流路全体が流動化し、熱回収室を通って主燃焼室へ循環する流動媒体の量を増加することができる。前記空気室は熱回収制御用空気室と連通していてもよく、または該空気室とは独立して制御してもよく、独立制御の場合は熱回収室散気量とは無関係に流動媒体循環量を制御することができ、１種の調節弁のような作用を行わせることも可能である。その結果、矩形燃焼炉の場合よりも多量の流動媒体を潤滑することができ、矩形燃焼炉の場合と比較して熱回収室が大きくとれる円筒形の燃焼炉の特性を活かすことができる。
【００２９】
（５）熱回収室流動槽の内部に層内伝熱管を放射状に配置し、しかも用途別に蒸発管ブロック、蒸気過熱管ブロック、蒸気再熱管ブロックとして使用するため、平面で見て数個の管群に機能別に分割して配置したことにより熱回収室炉床部からの散気量をそれぞれのブロック毎に調整し、各ブロックの収熱量を独立して制御することが可能である。また、各ブロックの間には、メンテナンススペースが取ってあり、層内伝熱管の点検等に効果的である。また、メンテナンススペースは必ずしも必要でなく、メンテナンススペースを設けない場合は、よりコンパクトになる。
【００３０】
（６）燃焼排ガス系統に設けたサイクロンで捕集した飛灰を熱回収室に戻すように構成することにより、熱回収室内の平均粒子径および比重量が小さくなる。主燃焼室内の平均粒子径が０．６ｍｍ程度なのに対し、燃焼排ガスに同伴しサイクロンで捕集されリサイクルする粒子径ははるかに小さく、またチャーも含まれるため比重量も小さいからである。熱回収室においては、流動化ガス速度が最低流動化速度の２倍程度と小さいため、リサイクルした粒子が再飛散することなく、したがって熱回収室内の平均粒子径および比重量は主燃焼室に比べて小さくなる。
【００３１】
最低流動化速度（Ｕｍｆ）は流動媒体の粒径の２乗に比例し、また比重量とも比例するため、熱回収室の流動化速度は主燃焼室と比較してかなり小さくなる。従って熱回収制御用空気量は、熱回収室にリサイクルしない場合と比較して、かなり少なくてすむことになり、結果として熱回収室内の流動化ガス速度（Ｕ０ ）が小さくなる。熱回収室内に配置された層内伝熱管の摩耗速度は流動化ガス速度（Ｕ０ ）の３乗に比例することから、Ｕ０ が小さくなることにより、摩耗は大きく低減することになる。また、熱回収制御用空気は、主燃焼室の流動層温度をコントロールするため常に変動しているが、この空気量が少なくてすむことは、熱回収空気量の変動が燃焼に及ぼす影響を少なくすることであり、安定燃焼にきわめて効果的である。
【００３２】
（７）円筒形内部循環流動床ボイラから導出される燃焼排ガスの通路には集塵装置を設置し、かつ捕集した飛灰から未反応脱硫剤と未燃炭素分を回収するための分級装置を設け、該飛灰を粒径別に大中小３段階に分級し、中間の粒径の飛灰のみ主燃焼室およびまたはフリーボードおよびまたは燃料供給系統に戻すように構成したことにより、チャー濃度が最も高い通常１０〜６０μｍ程度の範囲の粒子のみ円筒形燃焼器へ戻すことができるため、最少の循環灰量でＮＯｘ低減、燃焼ガス系統の摩耗の低減、燃焼効率上昇などの効果を上げることが可能となる。
【００３３】
（８）トッピングサイクル複合発電システムにおいて、ガス化炉および／または酸化炉に加圧内部循環型流動床ボイラを用い、ガス化炉から排出される未燃チャーは全量生成ガスと同伴させ、６００℃以下に冷却され、その後段に設置した集塵装置で捕集したあと、酸化炉に導入して完全燃焼させ、その燃焼排ガスは酸化炉を出たあと６００℃以下に冷却され、後段に設置した集塵装置によりＮａ，Ｋを含んだ粒子を捕集排出し、清浄になった燃焼ガスと前記ガス化炉を出たあと集塵されてＮａ，Ｋを含んだ粒子を捕集排出し清浄になった生成ガスをトッピングサイクル燃焼器で混合燃焼し、発生した高温の燃焼ガスをガスタービンに導入するように構成したことにより、ガスタービンブレードの高温腐食の原因となるＮａ，Ｋ等のアルカリ金属が燃焼ガス中に含まれないため、ガスタービンの材質、設計が従来技術で対応することが可能である。
【００３４】
【発明の実施の形態】
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面を参照して説明する。
（実施例１）
図１は本発明の加圧円筒形内部循環型流動床ボイラの縦断面図を示し、図２（ａ）は図１のＩＩ（ａ）−ＩＩ（ａ）線断面図である。
図１に示す実施例は、円筒形の圧力容器に円筒形内部循環型流動床ボイラを内蔵した実施例であり、これを用いて本発明の概略の構成を説明する。
【００３５】
圧力容器１は円筒形状をなし、上面が燃焼ガス出口４を有する鏡板であり、下面は流動用空気入口３、熱回収室制御用空気入口５などを有する鏡板となっており、大気圧以上の内部圧力を保持できるように構成されている。なお、図１に示す圧力容器１は円筒形状をなすが、球形であっても良い。
【００３６】
圧力容器１の内部には円筒形燃焼器２が配置されており、該円筒形燃焼器２は水管を連結して構成された円筒外壁１１を有する１つの密閉容器になっており、その内部に燃焼室流動層が形成されている。円筒形燃焼器２の上端部には燃焼ガス出口２ａが設けてあり、この燃焼ガス出口２ａは圧力容器１の燃焼ガス出口４と接合されている。また円筒形燃焼器２の底部周囲は圧力容器１の下部鏡板の上に取り付けられた円筒形サポート７によって支持されている。
【００３７】
円筒形燃焼器２の流動層内部には仕切壁８が設けられ、この仕切壁８によって主燃焼室９と熱回収室１０とを分離している。仕切壁８は円筒外壁１１から取り出された水管によって構成され、この水管はさらに耐火耐熱材料によって被覆されている。仕切壁８は円筒形仕切壁８ａとこの円筒形仕切壁８の上部に形成された円錐状仕切壁８ｂとからなり、この円錐状仕切壁８ｂは流動化用空気の上向き流路をさえぎり、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、その結果主燃焼室９の内部に矢印で示すような旋回流が生じる。また主燃焼室９及び熱回収室１０の上方は一体となってフリーボード３１を形成している。熱回収室１０の上部のフリーボードと主燃焼室９の上部のフリーボードの間には、仕切壁などはなく一体の空間のフリーボード３１となっており、双方の燃焼ガスが相互に自由に行き交うように構成されている。
【００３８】
また熱回収室１０内には、円筒外壁１１の外側に設けた層内管用上部ヘッダー１３と層内管用下部ヘッダー１４とから分岐した層内伝熱管１５が配置されており、この層内伝熱管１５は図２（ａ）に示されるように平面的にみて放射状に配置されている。
圧力容器１の下部には給水入口１６が設置されており、給水入口１６から導入されたボイラ水は前記円筒外壁１１を経由したあと、連絡管１６ａを経由して層内管用下部ヘッダー１４に導入され、この層内管用下部ヘッダー管１４から層内伝熱管１５に分配される。そして、層内伝熱管１５で発生した蒸気は層内管用上部ヘッダー１３に集合し蒸気出口１７から外部に導出される。
【００３９】
一方、圧力容器１には均圧ノズル１８が設けられており、流動用空気入口３に連結する高圧の流動用空気系統１９から均圧空気系統１９ａを分岐して、該均圧ノズル１８に接続し、圧力容器１内部と円筒形燃焼器２内部が流動層の圧力損失分を除きほぼ均一な圧力とし、該燃焼器２が非耐圧構造となるように工夫している。ただし、この場合円筒形燃焼器２のフリーボード３１においては、流動層圧力損失分の外圧は受けることになる。また、均圧ノズル１８の手前で減圧弁等を設けて、圧力容器１と円筒形燃焼器２の間の空間３６とフリーボード３１が均圧になるようにする場合には円筒形燃焼器２の内、流動層より下部は流動層圧力損失分の内圧を受けることになる。また圧力容器１には給炭入口６が設けられ、この給炭入口６は給炭ノズル２２に連なっている。
【００４０】
主燃焼室９には、中心部が高く外周側へ向かうにつれて低くなった円錐状の炉床２０が設置され、該炉床２０に空気分散ノズル２１が設置されている。そして、流動化用空気入口３に連通した空気分散ノズル２１から流動化用空気を噴出し主燃焼室９内で流動媒体を流動化するようになっている。また、前記給炭ノズル２２は主燃焼室９の炉床２０近傍でかつ仕切壁８の近傍に開口している。空気分散ノズル２１の外周環状部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、空気分散ノズル２１の中央部から噴出する流動化用空気の質量速度は外周環状部よりも小さく選ばれている。これによって、主燃焼室９の約１／２程度の径の同心円の範囲内は最低流動化速度の１〜２．５倍程度の緩やかな流動化状態とし、同心円の外側の環状部では最低流動化速度の４〜１２倍程度の強い流動化状態となるようにし、主燃焼室流動層内部では、流動媒体が中央から円錐状炉床面に沿いながら全方位に向かって緩やかに分散移動したのち、前記外周環状部に至るとそこでは、流動化速度が大きいために移動方向は上向きに転じ、前記仕切壁８の内側に沿って吹き上がるが、次第に中心方向への凝集力が高まり、流動層表面で最高に達すると一転その反力で周方向および上方向へ爆発的に流動媒体が飛散する。
【００４１】
その結果多量の流動媒体が仕切壁８を越えて前記熱回収室１０へ入り込む。このとき熱回収室流動層は最低流動化速度の２倍以内の緩やかな流動状態であるのでアグロメレーションが発生しやすい状態にあり、粒径の粗い石炭など固形燃料の混入は避ける必要がある。そのためフリーボード３１には熱回収室１０を囲うようにクシ歯状の形状をした水管及びプロテクターからなるスクリーン１２が設けられており、このスクリーン１２により粗粒固形燃料の流入を防止するとともとに熱回収室１０から発生する燃焼ガスに対してはバッフルの効果を果たし、主燃焼室９から発生する燃焼ガスと十分に混合攪拌するようにしている。
【００４２】
特に加圧流動床ボイラにおいては、燃焼排ガス中の未燃分が多いことは、燃焼効率の低下は当然であるが、さらに下流側に設けられた集塵装置、例えばサイクロン内で未燃分の燃焼が発生しアグロメレーションの形成が起きたり、またセラミックフィルタの場合にはフィルタ表面で燃焼しフィルタを破損するなどのトラブルが発生し、運転不能に立ち至るなど深刻な問題につながってくる。
そのため、燃焼炉内で可燃分を完全に燃焼することが望ましく、前記スクリーン１２のバッフル作用による攪拌混合効果は、後述の２次空気の投入方法や、フリーボード高さ、フリーボードにおける燃焼ガス滞留時間などとも相乗的に作用し、燃焼中の可燃分をフリーボード内で十分に燃焼させる上で大きな効果を発揮している。
【００４３】
一方流動層表面に残った流動媒体は中心付近で円筒状の流れとなって周囲の流動媒体を巻き込みながら沈降し、前記円錐状炉床中心付近に到達すると今度は再び水平全周方向への移動に転じる循環流が生じる。この循環流の効果により炉床付近に設けた給炭ノズル２２から投入したＣＷＰ（Ｃｏａｌ Ｗａｔｅｒ Ｐａｓｔｅ）などが主燃焼室内全方位方向へ均一に分散し、簡素な給炭設備でありながら燃料の偏在が避けられ、クリンカ発生の恐れがない。
【００４４】
また熱回収室１０には、内周側より外周側に向かうにつれて高くなった逆円錐状の炉床２３が設置され、この炉床２３に空気分散ノズル２４が設置されている。熱回収室制御用空気入口５に連通した空気分散ノズル２４から空気を噴出し、熱回収室１０内を緩やかに流動させることにより、仕切壁８を越えて熱回収室１０に入る流動媒体が層内伝熱管１５で冷却されつつ熱回収室流動層内を緩やかに沈降した後、傾斜した炉床に沿って、前記仕切壁８の下部の連絡流路２７を通過し て主燃焼室流動層に還流する。その結果、主燃焼室９で発生した熱量が熱回収室１０の層内伝熱管１５を通じて有効に熱回収されることになる。
また円錐状仕切壁８ｂの背面にも空気導入パイプ２５、背面散気ノズル２６を設け、熱回収室１０に入ってきた流動媒体を流動化させ、部分的に燃焼させることが可能であるが、円錐状仕切壁８ｂの角度を大きくした場合には設けなくてもよい。
【００４５】
主燃焼室炉床２０の下方には流動燃焼用空気室２８が形成され、この流動燃焼用空気室２８は仕切壁８を支える水管２９に囲まれ、流動用空気入口３につながっている。また熱回収室炉床２３の下方には、熱回収制御用空気室３０が形成され、この熱回収制御用空気室３０は熱回収制御用空気入口５によって外部と接続している。
【００４６】
熱回収室１０の上方は主燃焼室９の上方と一体となって広い空間のフリーボード３１を形成し、このフリーボード３１内で熱回収室１０からの燃焼ガスと主燃焼室９からの燃焼ガスとが混合される。したがって、フリーボード３１における燃焼ガス滞留時間を長くすることができ、可燃分をフリーボード３１内で十分に燃焼させることができる。
またフリーボード３１には複数の２次空気ノズル３３が設置されており、二段燃焼方式の採用が可能になっている。なお、符号３４は２次空気入口である。本出願の内部循環流動床ボイラは主燃焼室９には伝熱面を有しないため、主燃焼室を還元雰囲気で燃焼することが可能である。還元燃焼によって石炭の揮発分放出を活発に行い、気相反応においてＣＨ４ などの炭化水素やＣＯあるいは気相のＮ化学種（ＮＨｉ、ＨＣＮなど）等が燃焼によって生成した窒素酸化物を還元するとともにＮ化学種が酸化物へ転換する選択性を低下させることから、低ＮＯｘ燃焼が可能である。
したがって主燃焼室９には燃焼に必要な理論空気量以下の空気を供給するほか、熱回収室１０には制御に必要な空気量を投入し、さらに完全燃焼に必要な残りの空気量は２次空気として２次空気ノズル３３からフリーボード３１に供給する２段燃焼方式を採用している。
【００４７】
また、フリーボード３１において燃焼ガスが燃焼ガス出口４に短絡して流れることを防ぎ、フリーボード内部で十分攪拌混合燃焼するようにバッフル３２を設けることも一つの選択である。ただ、２次空気による混合攪拌が十分な場合や空塔速度が遅くまたフリーボード高さが十分あり、燃焼ガスの短絡流れの可能性がない場合はバッフルの必要はない。
【００４８】
図２（ｂ）は図２（ａ）の変形例を示す図であり、図２（ｂ）に示すように、層内伝熱管群は、蒸発管ブロック４０、Ｎｏ．１蒸気過熱管ブロック４１、Ｎｏ．２蒸気過熱管ブロック４２、Ｎｏ．３蒸気過熱管ブロック４３、さらに蒸気再熱管ブロック４４と、機能別に分割して配置されており、貫流型の場合、図示はしないがそれぞれ連絡管を経由しながら、蒸発管ブロック４０、Ｎｏ．１蒸気過熱管ブロック４１、Ｎｏ．２蒸気過熱管ブロック４２、Ｎｏ．３蒸気過熱管ブロック４３の順に蒸気が流れる。
発生した過熱蒸気は高圧蒸気タービンに導かれたあと、再び蒸気再熱管ブロック４４に戻って加熱され、次に中圧蒸気タービンへ導入される。
【００４９】
このように機能別に分割して配置した結果、熱回収室炉床部からの散気量をそれぞれのブロック毎に制御することによって、各ブロックの収熱量を独立して制御することが可能である。また、各ブロックの間には、メンテナンススペース４５が取ってあり、層内伝熱管の点検等に効果的である。また、メンテナンススペースは必ずしも必要でなく、メンテナンススペースを設けない場合は本図よりももう少しコンパクトになる。
【００５０】
図３は負荷変化に応じた空気系統の制御方式を説明する説明図であり、負荷が変化したとき、蒸気出口（タービン入口蒸気系統）１７の蒸気流量が変化し、それに伴い流量計Ｆ３１の蒸気流量信号が変化する。演算器Ｙ０では、流量計Ｆ３１からの流量信号のほか、蒸気圧力調節計Ｐ３１の出力信号を合わせて演算し、出力信号を出力する。この出力信号は燃料系統に送られ、負荷に応じた燃料供給を行うようにするとともに、空気系統の演算器Ｙ０′に入力される。
【００５１】
演算器Ｙ０′では、Ｙ０からの入力信号のほか、燃焼排ガス系統５０に設けられた酸素濃度調節計Ａ２５の出力信号と熱回収制御用空気流量調節計Ｆ２１からの空気流量信号を組み合わせて演算し、酸素濃度調節計Ａ２５における酸素濃度が一定になるよう燃焼空気量を調節する。その結果、該燃焼空気量から熱回収室空気量を差し引いた残りの空気量を指示する信号を出力する。演算器Ｙ１，Ｙ２では該出力信号をもとに流動空気量と２次空気量が一定の比率で供給されるように演算が行われ、それぞれＹ１，Ｙ２からの出力信号によって流動空気流量調節計Ｆ２２、２次空気流量調節計Ｆ２４をコントロールする。
【００５２】
該比率の設定によって主燃焼室９には燃焼に必要な理論空気量以下の空気を供給するほか、熱回収室１０には制御に必要な空気量を投入し、さらに完全燃焼に必要な残りの空気量は２次空気としてフリーボード３１に供給する２段燃焼が可能となる。
したがって、主燃焼室９を還元雰囲気で燃焼することが出来、還元燃焼によって石炭の揮発分放出を活発に行い、気相反応においてＣＨ４ などの炭化水素やＣＯあるいは気相のＮ化学種（ＮＨｉ，ＨＣＮなど）等が生成した窒素酸化物を還元するとともに、Ｎ化学種が酸化物へ転換する選択性を低下させる結果、低ＮＯｘ燃焼が可能となるものである。
【００５３】
一方、蒸気圧力調節計Ｐ３１の出力信号は演算器Ｙ３１を経て流動層温度調節計Ｔ５８をコントロールする。すなわち、蒸気圧力が少し低下したときはＹ３１からの出力信号によってＴ５８の層温度設定値を少し低下させる。それに伴って流動層温度調節計Ｔ５８からの操作信号が変化し、演算器Ｙ２１を経由して熱回収空気流量調節計Ｆ２１に作用する結果、熱回収空気量を増加させる。
熱回収室における層内伝熱管の総括伝熱係数は図４に示すように熱回収室流動層内の流動化ガス速度（ｆｌｕｉｄｉｚｉｎｇ ｇａｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）とほぼ比例するので熱回収空気量すなわち流動化ガス速度の増加によって収熱量が増加し、蒸気圧力が回復する。蒸気圧力が設定値より増加した時はこの逆動作となり、熱回収空気量を減少させることにより蒸気圧力を低下させる。
このように主たる操作して燃料供給量の調整、副次的な操作として熱回収空気量の調整を行うことによって、負荷変化に伴う影響を最小限に抑え、素早く安定した制御を可能とするものである。
【００５４】
また、ガスタービン３８の出口ガスとコンプレッサ３９の空気取り入れ口を連結し、弁４９によって供給空気への燃焼排ガス混入量を調節することにより、ＮＯｘの低減や、低負荷時における流動化速度の増加による流動の安定をはかることが可能であるため、図３中には一応記載してあるが、基本的には設けないでシステムを構成することもできる。
【００５５】
図５は図１に示す円筒形燃焼器２の詳細構造を示す説明図である。図１のような円筒形の燃焼炉とした場合、熱回収室１０は仕切壁８の外側に環状となって広がり、矩形燃焼炉の場合と比較して熱回収室が大きくとれるため多数の伝熱管を配置することが可能である。したがってその特性を活かすためには矩形燃焼炉の場合よりも多量の流動媒体を循環する必要がある。
しかしながら、従来は仕切壁８の下部、連絡流路２７には散気装置がないため、熱回収室空気分散ノズル２４、主燃焼室空気分散ノズル２１からの流動空気によって副次的に流動化しているだけであり、図の符号２７ａのように流動が活発でない部分が存在した。それを解消するため仕切壁８の下部、連絡流路２７の炉床に空気室３０′と空気分散ノズル２４′を設けたものである。これによって連絡流路２７全体が流動化し、熱回収室１０を通って主燃焼室９へ循環する流動媒体の量を増加させることができる。
空気室３０′は熱回収制御用空気室３０と連通してもよく、または該空気室３０とは独立して制御してもよい。独立制御の場合は熱回収室散気量とは無関係に流動媒体循環量を制御することができ、１種の調節弁のような作用を行わせることも可能である。
【００５６】
（実施例２）
図６は燃焼排ガスの処理系統まで含めた本発明の第２実施例を示す説明図である。
図６に示されるように、圧力容器１から排出された燃焼排ガスは排ガス系統５０に導かれ、サイクロン５１に導入される。サイクロン５１で捕集された飛灰は重力で落下し、シール機構５２に貯留されつつ灰リサイクル空気５３によって、圧力容器１および円筒形燃焼器２の側面を貫通するリサイクル灰導入管５４を経由して熱回収室１０に戻される。
【００５７】
飛灰を熱回収室１０にリサイクルすることにより、熱回収室内の平均粒子径および比重量が小さくなる。主燃焼室９内の平均粒子径が０．６ｍｍ程度なのに対し、燃焼排ガスに同伴しサイクロンで捕集されリサイクルする粒子径ははるかに小さく、またチャーも含まれるため比重量も小さい。
熱回収室１０においては流動化ガス速度が最低流動化速度の２倍程度と小さいため、リサイクルした粒子が再飛散することなく、したがって熱回収室１０内の平均粒子径および比重量は主燃焼室９に比べて小さくなる。
【００５８】
最低流動化速度（Ｕｍｆ）は流動媒体の粒径の２乗に比例し、また比重量とも比例するため、熱回収室の最低流動化速度は主燃焼室と比較してかなり小さくなる。従って熱回収制御用空気量は、熱回収室にリサイクルしない場合と比較して、かなり少なくてすむことになり、結果として熱回収室内の流動化ガス速度（ＵＯ ）が小さくなる。
熱回収室内に配置された層内伝熱管の摩耗速度は流動化ガス速度（ＵＯ ）の３乗に比例することから、ＵＯ が小さくなることにより、摩耗は大きく低減することになる。
また、熱回収制御用空気量は、図３に示すように主燃焼室９の流動層温度をコントロールするため常に変動しているが、この空気量が少なくてすむことは、熱回収空気量の変動が燃焼に及ぼす影響を少なくすることになり、安定燃焼にきわめて効果的である。
【００５９】
また、図６に示されるように排ガスはサイクロン５１を経由してさらに集塵装置５５に導入される。該集塵装置５５は例えばセラミックフィルタや高温バグフィルタで構成される。そこで捕集された飛灰は灰クーラー５６で冷却された後にロックホッパ５７を通って大気圧下に放出される。一方、集塵され清浄になった高温の排ガスはガスタービン５８に導入される。
燃料については、原炭バンカ５９に貯留された石炭は破砕機６０によって粉砕されて攪拌槽６１に送られ、脱硫剤バンカ６２から投入される脱硫剤と水６４を攪拌混合してスラリー状の燃料を作り、スラリーポンプ６５によって燃焼器２に送られ、給炭ノズル２２から主燃焼室流動層内に供給される。
【００６０】
また、リサイクル灰導入管５４ａによりフリーボード３１に飛灰をリサイクルすることも可能である。この時、フリーボード内の粒子濃度が増加し、燃焼ガスの撹拌効果を増すとともに未燃チャーや未反応脱硫剤と燃焼ガスの接触効果を上げる。
その結果、燃焼効率の上昇、脱硫脱硝性能の向上につながる。
また、リサイクル灰導入官５４ａを延長して主燃焼室９の中央付近、移動層の層表面もしくは層中に飛灰をリサイクルＣ、下降する流動媒体に同伴させることにより主燃焼室流動層内で十分な滞留時間をとって未燃分の燃焼や、脱硫脱硝反応の向上に寄与させることも可能である。
【００６１】
図１に示す加圧内部循環型流動床ボイラは貫流型であるが、図６乃至図８においては強制循環型ボイラとして示す。強制循環型ボイラにおいては、汽水胴７１を設け、そこにボイラ給水系７０にて給水する一方、強制循環ポンプ７２によって強制循環配管７３を経由して水管壁や熱回収室層内の蒸発管に缶水を循環させる。
一方、汽水胴７１で発生した蒸気７４は、特に図示しないが連絡管によって熱回収室層内に設けた過熱管に送られ、そこで発生した過熱蒸気７４′は高圧蒸気タービンへと供給される。
【００６２】
（実施例３）
図７は、燃焼排ガスの処理系統まで含めた本発明の第３実施例を示す説明図である。
図７に示されるように、排ガス系統５０の途中に設けたサイクロン５１で捕集した飛灰を灰クーラ７７で冷却する。特に図示はしないが、この冷却用の媒体としてはボイラへの給水や、流動用空気などを用い、有効に熱回収をはかることが可能である。
冷却された飛灰はロックホッパ７８を介して分級槽７９に導入され、同じく集塵装置５５から、灰クーラー５６、ロックホッパ５７を介して得られた飛灰と混合して、分級される。本図では分級用空気８０を散気パイプ８１から投入して行う流動層分級の例を示すが、かならずしもこれに限定されるものではない。
【００６３】
分級槽７９で選択的に分離された通常６０μｍ以下の粒径の未反応脱硫剤や未燃炭素などは空気によってサイクロン８３に運ばれる。ここでさらに分級され、約１０μｍ以下の粒子は、集塵装置８４へ導入されて、移送空気と分離されたあと外部へ排出される。一方サイクロン８３から排出される粒径が１０〜６０μｍの飛灰は、シール弁８５、ロックホッパ８６、ロータリーバルブ８７を経てリサイクル灰圧送空気８８によって円筒形燃焼器２に投入される。
燃焼器２に戻すにあたり、リサイクル灰導入管５４によって、熱回収室に戻す方法をとる場合、図６の詳細説明に述べたような特徴が発揮出来るほかまた、リサイクル灰導入管５４ａによりフリーボード３１に飛灰をリサイクルすることの可能である。この時、フリーボード内の粒子濃度が増加し、燃焼ガスの撹拌効果を増すとともに未燃チャーや未反応脱硫剤と燃焼ガスの接触効率を上げる。
その結果、燃焼効率の上昇、脱硫脱硝性能の向上につながる。
【００６４】
また、リサイクル灰導入管５４ａを延長して主燃焼室９の中央付近、移動層の層表面もしくは層中に飛灰をリサイクルし、下降する流動媒体に同伴させることにより主燃焼室流動層内で十分な滞留時間をとって未燃分の燃焼や、脱硫脱硝反応の向上に寄与させることも可能である。
このように粒径別に３段階に分級し、チャー濃度が最も高い通常１０〜６０μｍ程度の範囲の粒子のみ円筒形燃焼器２へ戻すことにより、最少の循環灰量でＮＯｘ低減、燃焼ガス系統の摩耗の低減、燃焼効率上昇などの効果を上げることが可能となる。
【００６５】
また、本図ではサイクロン５１、集塵装置５５の２段集塵となっているが、サイクロン５１、灰クーラ７７、ロックホッパ７８を廃し、集塵装置５５単独とすることも可能である。また、その際灰クーラ５６、 ロックホッパ５７を介さないで加圧下で分級してもよい。集塵装置５５は通常セラミックフィルタが使用される。
【００６６】
図８は分級した飛灰を処理する他の例を示す図である。
分級槽７９で選択的に分離された通常６０μｍ以下の粒径の未反応脱硫剤や未燃炭素などは空気によってサイクロン８３に運ばれる。ここでさらに分級され、約１０μｍ以下の粒子は、集塵装置８４へ導入されて、移送空気と分離されたあと外部へ排出される。
一方サイクロン８３から排出される粒径が１０〜６０μｍの飛灰は、シール弁８５、ロックホッパ８６、ロータリーバルブ８７を経てから、ホッパ８９に貯留したあと、混合装置９０で石炭や脱硫剤と一緒に粒子状の燃料に混合され、燃料圧送空気によって円筒形燃焼器２に供給される。
一方、ロータリーバルブ８７から排出される１０〜６０μｍの飛灰を燃焼系ではなく２次空気３４によって空気輸送し、２次空気ノズル３３からフリーボード３１へ投入することも可能である。
【００６７】
（実施例４）
図９は本発明の実施例の一つであるとともに加圧流動床ボイラとしての全体系統図の一例を示す。
図９に示した系統を概略説明する。本図に示すボイラは貫流型ボイラとして構成されており、運転中はスラリー状の燃料をスラリーポンプ６５で燃焼器２に送り、主燃焼室９の流動層内に供給、燃焼する。燃焼排ガスは排ガス系統５０を通って、集塵装置５５によって除塵されたあと高圧ガスタービン１００、低圧ガスタービン１０１を駆動したあと、さらに排ガスクーラ１０２でボイラ給水を加熱し、煙突１０３から大気放出される。
【００６８】
一方、流動燃焼用空気はガスタービンで駆動される低圧コンプレッサー１０４、高圧コンプレッサー１０６によって昇圧され、一部は熱回収制御用空気として分岐し、熱回収制御用空気室３０に導入され、残りは流動燃焼用空気室２８に導入され、主燃焼室９内の流動媒体を旋回流動させながら燃焼を行う。
蒸気系統に関しては、給水はボイラ給水ポンプ１０７によって、途中排ガスクーラ１０２で加熱されつつ、ボイラに送られ、円筒壁を構成する水管を経由した後、熱回収室層内の蒸発管１０８、蒸気過熱管１０９を通って過熱蒸気となる。発生した過熱蒸気は高圧蒸気タービン１１０を駆動した後、再び燃焼器２に戻り、再熱用層内伝熱管１１１で加熱された後、中圧タービン１１２、低圧タービン１１３を駆動し、発電機１１４で発電した後、復水器１１５で復水となり、再びボイラ給水として使用される。
【００６９】
（実施例５）
図１０は本発明の実施例の１つとして内部循環型流動床ボイラをトッピングサイクル複合発電システムの酸化炉として組み込んだ実施例を示す。
また、特に図示はしないが図１０に示すトッピングサイクル複合発電システムのガス化炉として本発明による加圧円筒形流動床ボイラを使用することも可能である。
ガス化炉への応用については以下のように説明できる。すなわち、図１及び図３で詳述したように本願の加圧型内部循環型流動床ボイラの主燃焼室９には伝熱面が配置されていない。そのためＮＯｘ低減を目的として２段燃焼を行い、その結果主燃焼室９は空気比０．８程度の還元雰囲気での燃焼となっている。しかも主燃焼室９の内部では流動化ガス速度に差をつけるように構成しているため、主燃焼室移動層部では実質空気比は約０．５とガス化炉に近い運転となっている。そのため、トッピングサイクルのガス化炉に転換するのはきわめて容易であり、熱バランス上、層内熱回収が不要であれば熱回収制御用空気を停止すればよく、また層内伝熱管を除去してもよい。
【００７０】
ここでは、図１０に沿って概略系統を説明する。
まず、ガス化炉１２０に石炭１２１と脱硫剤１２２が供給されガス化炉１２０内部で空気１２４によって石炭ガスとチャー及び、ＣａＳなどに分解する。
チャー及び、ＣａＳなどはガス化炉１２０からと、および石炭ガス通路に設けられた集塵器１２３から排出され、通路１２５を通って、内部循環形流動床ボイラからなる酸化炉１２６に導入され、円筒形燃焼器２の炉床付近に供給される。供給先は必ずしも炉床付近でなくてもよく流動層層上でもよい。
【００７１】
酸化炉１２６には、石炭１２１、脱硫剤１２２を供給することも可能であり、給炭ノズル２２を通って主燃焼室９内に投入され前記チャーと一緒に燃焼する。一方、酸化炉１２６で発生した燃焼ガスは集塵器１２７で除塵されたあと、ガスタービン１２８入口の燃焼器１２９に導入され、そこでガス化炉１２０から排出され、集塵器１２３、集塵器１３０で除塵された石炭ガスと混合燃焼して高温ガスとなり、ガスタービン１２８を高効率で駆動する。
【００７２】
また、ガスタービン１２８はコンプレッサー１３１、発電機１３２を駆動する。ガスタービン１２８を出た排ガスは熱回収装置１３３で冷却されたのち大気放出される。
一方、ボイラで発生した過熱蒸気７４′は、蒸気タービン１３４と該タービン１３４に連結された発電機１３５を駆動したあと、復水器１３６で復水に戻り、ボイラ給水ポンプ１３７で再びボイラに給水される。なお、酸化炉１２６内部での加圧円筒形流動床ボイラの作動は実施例１乃至４の場合と同様である。
【００７３】
（実施例６）
図１１は本発明の実施例の１つとして加圧円筒形流動床ボイラをトッピングサイクル複合発電システムのガス化炉１２０および酸化炉１２６として組み込んだ実施例を示す。
図１１においては、ガス化炉１２０に石炭１２１、脱硫剤１２２を供給し、空気１９を供給することによって部分燃焼ガス化させる。酸化剤として空気のほか酸素１５０、あるいは水蒸気１５１を投入することも可能である。
【００７４】
ガス化炉１２０で発生する未燃チャー等は全量生成ガスと同伴させ、その後段に設置したガス冷却装置１４０で６００℃以下に冷却し、ガスタービンブレードの高温腐食の原因となるＮａ，Ｋ等のアルカリ金属を固化あるいは粒子表面に固定化し、該粒子を集塵装置１４１で捕集したあと、酸化炉１２６に導入して完全燃焼させる。酸化炉１２６の燃焼排ガスは酸化炉１２６を出たあと、後段に設置したガス冷却装置１４２で６００℃以下に冷却され、この冷却によって固化したＮａ，Ｋなどのアルカリ金属粒子は粒子集塵装置１４３で捕集排出される。集塵装置１４１，１４３には通常セラミックフィルタを使用する。
【００７５】
高温腐食の原因となるＮａ，Ｋを取り除いて清浄になった燃焼ガスと前記ガス化炉１２０を出たあと集塵されて清浄になった生成ガスを燃焼器１２９で混合燃焼するが、それぞれのガスを冷却した分、燃焼器１２９での燃焼温度が若干低下するので、燃焼温度の低下を防ぐためには、酸化炉１２６でなるべく空気過剰率を低くして運転することによって燃焼排ガス量を低減する。そのため燃焼器１２９で必要な酸素量は別途、酸素１５０として該燃焼器に供給する。
【００７６】
燃焼器１２９で発生した高温の燃焼ガスはガスタービン１２８を高効率で駆動する。そして、ガスタービン１２８はコンプレッサ１３１、発電機１３２を駆動する。ガスタービン１２８を出た排ガスは熱回収装置１３３で冷却されたのち大気放出される。なお、本実施例において、タービンブレードの材質が向上すれば、ガス冷却装置１４０，１４２を省略してもよい。
【００７７】
（実施例７）
図１２は、本発明の実施例の１つとして加圧円筒形流動床ボイラをトッピングサイクル複合発電システムのガス化炉と酸化炉とを一体化した炉として構成した例である。
加圧流動床複合発電システムにおける円筒形流動層炉２０１において、該流動層内に円筒外壁２０２と同心の仕切壁２０３を設け、該仕切壁２０３は円筒状仕切壁２０３ａおよび円錐状仕切壁２０３ｂからなり、該仕切壁２０３の中間部及び下部に空隙２０４，２０５を設けて連絡口とするほか、上端部は円筒外壁２０２の天井面と接続され、ガス出口２０６を形成している。
【００７８】
前記仕切壁２０３の内側をガス化炉２０７とし、外側の環状空間は酸化炉２０８として使用する。前記流動層炉の炉床は、ガス化炉２０７の炉床２０９では中心が高く、前記仕切壁２０３に向かって低くなる円錐状である。
酸化炉２０８の炉床２１２は内側に向かって傾斜しており、流動層炉全体では炉床断面がどの方向においても全体でＷ字形を形成している。また前記ガス化炉２０７の炉床２０９および酸化炉２０８の炉床２１２の下方には、それぞれ独立した空気室２１４〜２１７（後述）が設置されている。
【００７９】
ガス化炉２０７の炉床２０９に配置した空気分散ノズル２１０によってガス化炉流動層を流動化するが、その際ガス化炉２０７の約１／２程度の径の同心円の範囲内は最低流動化速度の１〜２．５倍程度の緩やかな流動化状態とし同心円の外側の環状部では最低流動化速度の４〜１２倍程度の強い流動化状態となるように空気分散ノズル２１０からの吹き出し空気量を調節する。その結果、ガス化炉流動層内部では、流動媒体が中央から円錐状炉床面に沿いながら全方位に向かって緩やかに分散移動し、その後前記外周環状部に至るとそこでは流動化速度が大きいため移動方向は上向きに転じる。すなわち流動媒体は前記仕切壁２０３の内側に沿って吹き上がるが、円錘状仕切壁２０３ｂの傾斜に従って次第に中心方向への凝集力が高まり、流動層表面で最高に達すると一転その反力で周方向および上方向へ爆発的に飛散する。
【００８０】
その結果、未燃チャー等多量の流動媒体が仕切壁２０３に設けられた連絡流路２０４を通過し、酸化炉２０８へ入り込む。
一方流動層表面に残った流動媒体は中心付近で円筒状の流れとなって周囲の流動媒体を巻き込みながら沈降し、前記円錐状炉床中心付近に到達すると今度は再び水平全周方向への移動に転じる循環流が生じる。この循環流の効果により炉床付近に設けた給炭ノズル２１１から投入した石炭や脱硫剤などがガス化炉流動層内全方位方向へ均一に分散し、簡素な給炭設備でありながら燃料の偏在が避けられ、クリンカ発生の恐れがない。
【００８１】
また酸化炉２０８の炉床２１２に空気分散ノズル２１３を設け、酸化炉２０８内を緩やかに流動させることにより、空隙２０４を通過して酸化炉２０８に入る未燃チャー等が酸化炉流動層内を燃焼しつつ緩やかに沈降した後、傾斜した炉床に沿って、前記仕切壁２０３下部の連絡流路２０５を通過してガス化炉流動層に還流する。なお、円錐状仕切壁２０３ｂの背面にも流動化用の空気導入パイプ、背面散気ノズルを設けることが可能であるが、円錐状仕切壁２０３ｂの角度を大きくした場合には設けなくてもよい。
【００８２】
また、酸化炉２０８の炉床２１２に設けた空気分散ノズルから吹き出す空気量を、円筒外壁２０２に沿った環状部分を大きな流動化速度、仕切壁２０３に沿った環状部分を小さな流動化速度になるように調節することによって、酸化炉の流動層内部に、仕切壁２０３に沿って沈降し円筒外壁２０２に沿って上昇する循環流を生じさせることも可能である。この循環流によって、酸化炉２０８内で未燃チャー等が十分な滞留時間をとって完全燃焼することをより確実とする。
【００８３】
したがって、それぞれの炉床に設けられた空気分散ノズルに空気を供給する空気室については、ガス化炉２０７の炉床２０９の下方には中央に少量の空気を供給する移動層空気室２１４があり、そのまわりは大きな流動化速度を与えるための流動層空気室２１５に囲まれ、それぞれ空気入口につながっている。
また、酸化炉２０８の炉床２１２の下部には、円錐状内壁側に空気室２１６が設けられ、円筒外壁側に空気室２１７が設けられ、それぞれ流動化空気量を制御できるようになっている。酸化炉２０８上部の円筒外壁２０２には燃焼ガス出口２１８が設けられている。
【００８４】
このようにして、中央のガス化炉２０７に石炭と脱硫剤を供給して、流動層内で循環しながら、石炭は部分ガス化され、生成ガスはガス化炉上部のガス出口２０６から外部へ導出される。一方ガス化されなかったチャーは空隙２０４から酸化炉２０８へ入り込み、流動層内で循環しながら完全燃焼される。そして、燃焼ガスは酸化炉２０８の上部にある燃焼ガス出口２１８から外部へ取り出される。なお、酸化炉フリーボードに２次空気ノズル２１９を設け、２段階燃焼させることも可能である。
【００８５】
（実施例８）
図１３はガスの処理系統まで含めた本発明の一例を示す実施例を示す系統図である。ガス化炉２０７に石炭２５１，脱硫剤２５２を供給し、空気２５３によって部分燃焼ガス化させる。酸化剤として空気のほか酸素１５０、あるいは水蒸気１５１を投入することも可能である。
【００８６】
ガス化炉２０７で発生する未燃チャー等は、全量生成ガスと同伴させ、その後段に設置したガス冷却装置２５４で６００℃以下に冷却し、ガスタービンブレードの高温腐食の原因となるＮａ，Ｋなどのアルカリ金属を固化あるいは粒子表面に固定化し、該粒子を集塵装置２５５で捕集する。
一方、空隙２０４を通過してガス化炉２０７から酸化炉２０８に導入された未燃チャーは酸化炉２０８内で完全燃焼し、その燃焼排ガスは燃焼ガス出口２１８を出たあと、後段に設置したガス冷却装置２５６で６００℃以下に冷却され、この冷却によって固化したＮａ，Ｋなどのアルカリ金属粒子は集塵装置２５７で捕集され、系外に排出される。
【００８７】
集塵装置２５５からの捕集粒子は空気輸送で酸化炉２０８へ供給する。集塵装置２５５，２５７には通常セラミックフィルタを使用し、高温腐食の原因となるＮａ，Ｋを取り除いて清浄になった生成ガスおよび燃焼排ガスは燃焼器２５８で混合燃焼され、発生した高温の燃焼ガスはガスタービン２６１を高効率で駆動する。そして、ガスタービン２６１はコンプレッサ２６２、発電機２６３を駆動する。ガスタービン２６１を出た排ガスは熱回収装置２６４で冷却されたのち大気放出される。なお、本実施例において、タービンブレードの材質が向上すれば、ガス冷却装置２５４，２５６を省略してもよい。
また、酸化炉２０８の流動層内に層内伝熱管２６５を配置することも可能である。さらに、流動層炉の外側に圧力容器２６６を設けて、流動層炉を非耐圧構造とすることも可能である。
【００８８】
上述した各実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）燃焼室と熱回収室を同一燃焼容器内部で機能的に分離したことにより、負荷制御は流動層高変化方法によることなく、熱回収室の風量調節による層内伝熱管の総括伝熱係数の変化により容易に行うことができるため、流動媒体の出し入れ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、また流動媒体の出し入れの際に生じ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流動層温度の変化が少ないことから、常にＮＯｘ，ＳＯｘ等の抑制に最適な温度条件で運転することが可能である。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）流動媒体が中央から円錐状炉床面に沿いながら全方位に向かって緩やかに分散移動する拡散流が生じるため燃料や脱硫剤などの均一な拡散が行われるため、燃焼が均一となりアグロメの発生がなく、また給炭口も中央付近に設けるだけでよく、給炭設備がきわめて簡素化されるなどの効果がある。
（３）流動層表面の流動媒体は中心付近で円筒状の流れとなって周囲の流動媒体を巻き込みながら沈降するため、燃料や脱硫剤などの層内滞留時間が長くとれ、燃焼効率の向上、脱硫効率の向上にきわめて効果的である。
（４）従来の矩形内部循環流動床ボイラの場合は長方形の相対する２辺に層内伝熱管が配置されているのに比べ、本発明の場合は全周を利用できるため、より多くの伝熱管が配置できることから、さらにコンパクトな構造となる。
（５）従来の加圧流動床ボイラは水管構造の矩形燃焼容器を圧力容器の中に納めているが、燃焼器内部と圧力容器内部の圧力変動が発生した場合に備えて、燃焼器を保護するため充分な補強が必要であるのに対し、本発明においては燃焼器が円筒であるため充分な強度をもっており、補強も簡便でよい。また、圧力容器と燃焼器が円と円の組み合わせであることから無駄なスペースが無く、コンパクトな配置となる。
（６）フリーボードに熱回収室を覆うように、クシ歯状などの形状をしたスクリーンを設けることによって、熱回収室への粒径の粗い石炭などの固形燃料の混入を避け、熱回収室におけるアグロメレーションの形成を防ぐほか、熱回収室から発生する燃焼ガスに対してバッフル作用を果たし、主燃焼室燃焼ガスと十分に混合攪拌する効果が得られる。
（７）加圧内部循環流動床ボイラは主燃焼室に伝熱面を有しないため、還元雰囲気で燃焼することができる。その結果、石炭の揮発分放出が活発に行われ、気相反応においてＣＨ４ などの炭化水素やＣＯあるいは気相のＮ化学種（ＮＨｉ，ＨＣＮなど）等が、生成した窒素化合物を還元するとともに、Ｎ化学種が酸化物へ転換する選択性を低下させる効果をもたらし、低ＮＯｘ燃焼が可能となる。
（８）熱回収室流動層内部に層内伝熱管を放射状に配置し、しかも用途別に蒸発管ブロック、蒸気過熱管ブロック、蒸気再熱管ブロックとして使用するため、平面で見て数個の管群に機能別に分割して配置したことにより、それぞれのブロック毎に熱回収空気量を調節することにより、蒸発管ブロック、蒸気過熱管ブロック、蒸気再熱管ブロックそれぞれの収熱量を独立して制御することが可能である。
（９）燃焼排ガス系統に設けたサイクロンで捕集した飛灰を熱回収室に戻すように構成することにより、熱回収室内の平均粒子径および比重量が小さくなる。その結果、最低流動化速度が小さくなり、熱回収空気量が少なくて済む。そのため、層内伝熱管の摩耗が大幅に低減するほか、熱回収空気量の変動が燃焼に及ぼす影響も小さくなり、安定燃焼にきわめて効果的である。
（１０）燃焼器から排出された燃焼ガスから回収した飛灰、未燃炭素分、未反応脱硫剤などを分級して、粒径が１０〜６０μｍの範囲の飛灰のみ主燃焼室もしくは熱回収室へ戻すことにより、最少の循環灰量でＮＯｘ低減、燃焼ガス系統の摩耗の低減、燃焼効率上昇などの効果を上げることが可能となる。従って、脱硝装置を省略できる可能性があり、また炉内脱硫において脱硫剤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可能である。
（１１）集塵装置で捕集した飛灰を、冷却したあと大気圧下で分級し、未燃炭素分や未反応脱硫剤を選択的に燃焼器に戻すようにしたことにより、高温の粒子を高圧下で取り扱うことに伴うスラッギングなどの問題を避けることができるほか、分級することによって有用な物質のみを戻すことになり取り扱う量が少なくなるなどの効果が生じる。また燃料系統にリサイクルし、スラリー状燃料に混練して燃焼器に供給することにより、燃焼器へのリサイクル系統を省略できるほか、未反応脱硫剤と燃料との接触も良好となり脱硫率の向上にも効果的である。
（１２）トッピングサイクル複合発電システムにおいて、ガス化炉およびまたは酸化炉に本願の加圧円筒形内部循環型流動床ボイラを用い、ガス化炉から排出される未燃チャーは全量生成ガスと同伴させ、６００℃以下に冷却され、その後段に設置した集塵装置で捕集したあと酸化炉に導入して完全燃焼させ、その燃焼排ガスは酸化炉を出たあと、６００℃以下に冷却され、後段に設置した集塵装置によりＮａ，Ｋを含んだ粒子を捕集排出し、清浄になった燃焼ガスと前記ガス化炉を出たあと集塵されてＮａ，Ｋを含んだ粒子を捕集排出し、清浄になった生成ガスをトッピング燃焼器で混合燃焼し、発生した高温の燃焼ガスをガスタービンに導入するように構成したことにより、ガスタービンブレードの高温腐食の原因となるＮａ，Ｋ等のアルカリ金属が燃焼ガス中に含まれないため、ガスタービンの材質、構造が従来技術で対応可能である。
（１３）加圧流動床複合発電システムにおける円筒形流動層炉において該流動層内に円筒外壁と同心の仕切壁を設け、該仕切壁の中間部および下部に空隙を設けて連絡口とするほか、上端部は円筒外壁の天井面と接し、ガス出口を形成しており、該仕切壁の内側をガス化炉とし、該仕切壁の外側の環状空間は酸化炉として使用することにより、１つの炉でありながら、ガス化炉と酸化炉の２つの機能を有する複合炉として高効率で運転することができる。
【００８９】
【発明の効果】
本発明によれば、ガス化炉に石炭と脱硫剤を供給して、流動層内で循環しながら、石炭は部分ガス化され、生成ガスはガス化炉上部のガス出口から外部に導出される。流動媒体の循環流の効果により投入した石炭や脱硫剤などがガス化炉流動層内全方位方向へ均一に分散し、簡素な給炭設備でありながら燃料の偏在が避けられ、クリンカ発生の恐れがない。
一方、ガス化されなかったチャーは酸化炉へ入り込み、流動層内で循環しながら完全燃焼される。そして、燃焼ガスは酸化炉の上部にある燃焼ガス出口から外部に取り出される。酸化炉に入る未燃チャー等が酸化炉流動層内を燃焼しつつ緩やかに沈降した後、仕切壁下部の連絡流路を通過してガス化炉流動層に還流する。流動媒体の循環流によって、酸化炉内で未燃チャー等が充分な滞留時間をとって完全燃焼をすることをより確実にする。
なお、酸化炉フリーボードに２次空気ノズルを設け、２段階燃焼させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加圧内部循環型流動床ボイラの一実施例を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は図１のＩＩ（ａ）−ＩＩ（ａ）線断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の変形例である。
【図３】負荷変化に応じた空気系統の制御方式を説明する説明図である。
【図４】層内管総括伝熱係数と空塔速度の関係を示す図である。
【図５】図１の円筒形燃焼器の詳細構造を示す説明図である。
【図６】本発明の燃焼排ガス処理系統を含めた一例を示す系統図である。
【図７】本発明の燃焼排ガス処理系統を含めた他の例を示す系統図である。
【図８】本発明の燃焼排ガス処理系統を含めた更に他の例を示す系統図である。
【図９】本発明の加圧内部循環型流動床ボイラの全体系統図である。
【図１０】本発明の内部循環型流動床ボイラをトッピングサイクル複合発電システムの酸化炉として組み込んだ例を示す系統図である。
【図１１】本発明の内部循環型流動床ボイラをトッピングサイクル複合発電システムのガス化炉および酸化炉として組み込んだ例を示す系統図である。
【図１２】本発明の内部循環型流動床ボイラをトッピングサイクル複合発電システムのガス化炉および酸化炉を一体化した炉を示す断面図である。
【図１３】本発明の燃焼排ガス処理系統を含めた１例を示す系統図である。
【図１４】従来のバブリング式加圧流動床ボイラを示す平面図である。
【図１５】従来のバブリング式加圧流動床ボイラを示す平面図である。
【符号の説明】
１ 圧力容器
２ 円筒形燃焼器
３ 流動用空気入口
４ 燃焼ガス出口
５ 熱回収制御用空気入口
６ 給炭入口
７ 円筒形サポート
８ 仕切壁
９ 主燃焼室
１０ 熱回収室
１１ 円筒外壁
１２ スクリーン
１３ 層内管用上部ヘッダー
１４ 層内管用下部ヘッダー
１５ 層内伝熱管
１６ 給水入口
１８ 均圧ノズル
１９ 流動用空気系統
２０ 主燃焼室炉床
２１ 主燃焼室空気分散ノズル
２２ 給炭ノズル
２３ 熱回収室炉床
２４ 熱回収室空気分散ノズル
２７ 連絡流路
２８ 流動燃焼用空気室
３０ 熱回収制御用空気室
３１ フリーボード
３３ ２次空気ノズル
５１ サイクロン
５５ 集塵装置
５８ ガスタービン
１００ 高圧ガスタービン
１０１ 低圧ガスタービン
１２０，２０７ ガス化炉
１２６，２０８ 酸化炉
２０１ 流動層炉
Claims (11)
- 仕切壁によってガス化炉と酸化炉に仕切られた大気圧以上の圧力で運転される複合流動層炉の運転方法であって、
前記ガス化炉の内部に、流動化ガス速度に差をつけることによって流動媒体が沈降する部分と上昇する部分からなる流動媒体の循環流を形成し、
燃料を前記ガス化炉に供給し、
該供給された燃料を該ガス化炉でガス化してガスとチャーを生成し、
該ガス化炉より該生成されたガスを排出し、
該生成されたチャーを、該流動媒体とともに前記ガス化炉から前記酸化炉へ、前記仕切壁の連絡口を介して供給し、
該供給されたチャーを該酸化炉で燃焼し、
前記酸化炉の該仕切壁側の流動媒体を、該仕切壁に沿って沈降させ、
前記ガス化炉の流動媒体の上昇する部分は、前記酸化炉の仕切壁に沿って流動媒体が沈降する部分と前記仕切壁を介して相対向するように配置し、
該酸化炉内の該沈降させた流動媒体を、該仕切壁の連絡口を通して該ガス化炉に還流させることを特徴とする複合流動層炉の運転方法。 - 前記酸化炉内に流動媒体の循環流を形成することを特徴とする請求項１に記載の複合流動層炉の運転方法。
- 前記酸化炉におけるチャーの完全燃焼による燃焼ガスは、該酸化炉の燃焼ガス出口から排出されることを特徴とする請求項１または２に記載の複合流動層炉の運転方法。
- 前記ガス化炉は、炉底を前記仕切壁に向かって低くすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合流動層炉の運転方法。
- 前記ガス化炉は、炉底を傾斜させたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合流動層炉の運転方法。
- 前記酸化炉の流動層内に層内伝熱管を配置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の複合流動層炉の運転方法。
- 仕切壁によってガス化炉と酸化炉に仕切られた大気圧以上の圧力で運転される複合流動層炉であって、
流動化ガス速度に差をつけることによって流動媒体が沈降する部分と上昇する部分からなる流動媒体の循環流が内部に形成され、供給された燃料をガス化してガスとチャーを生成し、該生成されたガスを排出するガス化炉と、
前記ガス化炉で生成されたチャーを燃焼させ、内部に流動媒体が沈降する部分を有する酸化炉と、
前記ガス化炉で生成されたチャーを流動媒体とともに前記ガス化炉から前記酸化炉へ供給する連絡口を具備し、該酸化炉内の該沈降させた流動媒体が該ガス化炉に還流される連絡口を具備する仕切壁とを備え、
前記ガス化炉の流動媒体の上昇する部分は、前記酸化炉の仕切壁に沿って流動媒体が沈降する部分と前記仕切壁を介して相対向するように配置したことを特徴とする複合流動層炉。 - 前記ガス化炉あるいは前記酸化炉の炉床は、前記仕切壁に向けて傾斜していることを特徴とする請求項７に記載の複合流動層炉。
- 前記ガス化炉は、生成ガスを外部に取り出すガス出口を有し、前記酸化炉は、チャーの完全燃焼による燃焼ガスを外部に取り出す燃焼ガス出口を有することを特徴とする請求項７または８に記載の複合流動層炉。
- 前記酸化炉の流動層内に層内伝熱管を配置することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の複合流動層炉。
- 前記酸化炉内に流動媒体の循環流を形成することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の複合流動層炉。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003062188A JP3625817B2 (ja) | 1993-03-03 | 2003-03-07 | 複合流動層炉および複合流動層炉の運転方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6598593 | 1993-03-03 | ||
| JP5-65985 | 1993-03-03 | ||
| JP2003062188A JP3625817B2 (ja) | 1993-03-03 | 2003-03-07 | 複合流動層炉および複合流動層炉の運転方法 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05820894A Division JP3504324B2 (ja) | 1993-03-03 | 1994-03-03 | 加圧内部循環型流動床ボイラ |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004312360A Division JP4208817B2 (ja) | 1993-03-03 | 2004-10-27 | 燃料のガス化による発電方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003307302A JP2003307302A (ja) | 2003-10-31 |
| JP3625817B2 true JP3625817B2 (ja) | 2005-03-02 |
Family
ID=29404495
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003062188A Expired - Fee Related JP3625817B2 (ja) | 1993-03-03 | 2003-03-07 | 複合流動層炉および複合流動層炉の運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3625817B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11370982B2 (en) * | 2016-08-30 | 2022-06-28 | Thermochem Recovery International, Inc. | Method of producing liquid fuel from carbonaceous feedstock through gasification and recycling of downstream products |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5256807B2 (ja) | 2008-03-21 | 2013-08-07 | 株式会社Ｉｈｉ | ガス化設備の運転方法 |
| KR101495435B1 (ko) | 2013-07-16 | 2015-02-24 | 주식회사 포스코 | 타르 완전연소 기능을 갖는 코크스 오븐용 연소실 |
| CN117619133B (zh) * | 2024-01-25 | 2024-04-26 | 山东力净环保科技有限公司 | 一种烟道脱硫用脱硫剂喷射装置 |
-
2003
- 2003-03-07 JP JP2003062188A patent/JP3625817B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11370982B2 (en) * | 2016-08-30 | 2022-06-28 | Thermochem Recovery International, Inc. | Method of producing liquid fuel from carbonaceous feedstock through gasification and recycling of downstream products |
| US11634650B2 (en) | 2016-08-30 | 2023-04-25 | Thermochem Recovery International, Inc. | Method of producing liquid fuel from carbonaceous feedstock through gasification and recycling of downstream products |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003307302A (ja) | 2003-10-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1367115B1 (en) | Pressurized internal circulating fluidized-bed boiler | |
| US5156099A (en) | Composite recycling type fluidized bed boiler | |
| EP0082673B1 (en) | Fast fluidized bed reactor and method of operating the reactor | |
| US5313913A (en) | Pressurized internal circulating fluidized-bed boiler | |
| PL169798B1 (pl) | Urzadzenie reaktorowe z pulsujacym zlozem fluidalnym do spalania paliwa stalego orazsposób spalania paliwa stalego PL PL | |
| WO1999023431A1 (fr) | Four de gazeification et de chauffage a lit fluidise | |
| JP3504324B2 (ja) | 加圧内部循環型流動床ボイラ | |
| CA1332685C (en) | Composite circulating fluidized bed boiler | |
| JP3625817B2 (ja) | 複合流動層炉および複合流動層炉の運転方法 | |
| RU2324110C2 (ru) | Способ двухстадийного сжигания топлива и топка для его осуществления | |
| JP3015152B2 (ja) | 加圧内部循環型流動床ボイラ | |
| JP4208817B2 (ja) | 燃料のガス化による発電方法 | |
| US5277151A (en) | Integral water-cooled circulating fluidized bed boiler system | |
| JP3625818B2 (ja) | 加圧流動層炉 | |
| CN110864280B (zh) | 燃烧含碳固体燃料的反应器和装置以及含碳固体燃料的燃烧方法 | |
| JPH0399106A (ja) | 流動層燃焼装置の燃料供給方法 | |
| JPH0339808A (ja) | 流動床反応器及びその操作方法 | |
| JP3838699B2 (ja) | 円筒形流動層ガス化燃焼炉 | |
| JP3763656B2 (ja) | 循環流動床燃焼器 | |
| JPS61143610A (ja) | 多段流動層ボイラ− | |
| JPS62196522A (ja) | 流動床からの熱回収装置 | |
| Gutraj et al. | An Overview of Atmospheric Fluidized Bed Combustion Systems as Applied to Army Scale Central Heat Plants | |
| JPS6387520A (ja) | 未燃灰回収装置 | |
| JPS597810A (ja) | 流動床燃焼炉 | |
| JPS6383507A (ja) | 流動床燃焼装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040831 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20041027 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20041130 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20041130 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091210 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101210 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |