JP4250084B2 - 炉システム - Google Patents

Description

本発明はタワー型ディストリビュータを含む炉システムに関する。

多くの工業プロセスは、異種の相を含む流れ(heterogeneous flows)を多数の受容体に均等に分配する技術を必要としている。例えば、電力業界において、粉炭（ＰＣ）は粉砕機と接続しているパイプ（ダクト）を通って炉の１つ以上受容体（以下バーナという）に移送される。このＰＣは、キャリアガス、例えば空気によってパイプシステム内を運ばれる。そのさい、ＰＣと空気によって異種の相を含む流れ（２相流または多相流）が生成される。
理想的には、１つの粉砕機を用いて１つ以上のこのような流れを炉の多数のバーナに供給できるとよい。

しかし、１つの流れが長いパイプ内を移動すると、その流れ内の固体粒子は、一般的に撚りロープの形状のパターンに凝集するという望ましくない事態が生じる。この現象は一般的に「ロープ化(roping)またはレーン化(laning)」と呼ばれている。従って、１つの流れを多数の流れに分流して分配し、これら多数の流れをそれぞれのバーナに移送しても、均等な量のＰＣを各バーナに供給することができない。これらの流れの不均衡の程度は多数の流れの間において約±３０％にも至ることがある。

同様に、複数の源からの流れを多数のバーナに送給する場合、「ロープ化」が生じるので、これらの流れを各バーナに均等な流れとして供給するように組合せることが困難である。

これらの問題を解決するために、従来、いくつかの方法が試みられている。例えば、流れの不均衡の程度を低減させる１つの方法として、各キャリアパイプに調整可能なオリフィスを設置し、各オリフィス内の抵抗を調整する方法が挙げられる。この方法は有用ではあるが、すべての場合に期待通りの結果を得ることができない。

最近、各パイプ内の石炭流と空気流に関する情報をリアルタイムに得ることができるオンライン流れ測定装置が開発されている。この監視機器を上記の調整可能なオリフィスと組合せて用いることにより、流れの測定と修正を行なうことができる。しかし、この方法は複雑なコンピュータアルゴリズムを用いて連続的に調整する必要があるという大きな制約がある。

このように、流れの不均衡を調整するためのこれらの方法は一般的にコスト、労力、および時間に関して効果的ではない。実際、多くの方法は一般的に良好な流れの均衡を得ることができず、流れの均衡を長時間維持できず、余分の電力消費を必要とする高い圧力降下を防ぐことができず、また流量の変化をもたらす非線形の流れを防ぐことができない。

本発明の炉システムに用いられるタワー型ディストリビュータ・アセンブリは、単一の流れ源または複数の流れ源のいずれかからでも実質的に均等な多数の（固体とキャリアガスからなる）混合流れを生成するように構成されている。

本発明の一実施態様によれば、タワー型ディストリビュータ・アセンブリは４つの部分、具体的には、入口部、混合部、回復部および出口部を備える。一例として、入口部は１つ以上の流入流れをタワー型ディストリビュータ・アセンブリ内に通過させる第１細長通路を備えている。混合部はその１つ以上の流入流れを受け、それらを混合し、単一の乱流状態の十分に混合された（すなわち、均質な）流れを作り、これを回復部に送るようになっている。回復部は第２細長通路を備えている。この第２細長通路はその直径の半分以上の長さを有している。第２細長通路の長さは以下のように選択されるとよい。
すなわち、単一の乱流状態の十分に混合された流れがその乱流状態を消失して十分に混合された流れとなり、それが層流として回復部から出口部へ送られるのに十分な時間になるように、第２細長通路の長さを選択する。出口部は単一の層流状態の十分に混合された流れを分割し、分割した流れをバーナに移送するための多数の出口パイプに送る。

他の実施態様によれば、炉システムは粉砕機と、第１パイプ分配システムと、前述のタワー型ディストリビュータ・アセンブリと、第２パイプ分配システムと、多数の炉用バーナを備えている。

本発明の他の態様による方法は、固体とキャリアガスからなる十分に混合された均等な多数の流れをバーナシステム内に供給するように構成されている。第１段階において、１つ以上の流れを入口部の第１細長通路内に流入させる。第２段階において、その１つ以上の流れを混合部において混合し、乱流状態の十分に混合された流れを生成させる。第３段階において、乱流状態の十分に混合された流れを回復部に流入させ、その十分に混合された流れを回復部内において移動させることによって、単一の層流状態の十分に混合された流れを生成する。第４段階において、単一の層流状態の十分に混合された流れを出口部に送り、この流れを分流し、多数のバーナに分配する。

本発明の目的は、単一の層流状態にある十分に混合された均質な流れを生成することができるタワー型ディストリビュータを含む炉システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、流れが均等な重量と密度を有するように流れ内への固体粒子の分配を改善するタワー型ディストリビュータを含む炉システムを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、多数の不均等な流れから実質的に均等な多数の出口流れを得ることができるタワー型ディストリビュータを含む炉システムを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、タワー型ディストリビュータの入口部に結合するパイプの幾何学的な形状をもち、空気力学に効果的に単一の層流状態にある均質な流れを生成することができるコスト効率のよい手段をもつタワー型ディストリビュータを含む炉システムを提供することにある。

本発明の概念を除けば、固体燃料バーナシステムの装置と方法はよく知られているので、その詳細な説明は省略する。例えば、本発明の概念に影響を与えることはないが、バーナは燃料とキャリアガスを炉の燃焼ゾーン内に噴射する燃焼機器の一部である燃焼噴射器からなるとよい。なお、異なる図面における同一の番号は同様の要素を示すものとする。

本発明の原理によるバーナシステムを説明するためのブロック図を図１に示す。バーナシステム１０は、石炭粉砕機（燃料準備プラントまたは燃料を準備する粉砕機）５０、多数の代表的な供給パイプ（供給のみを目的とするパイプ）１０２−１から１０２−Ｎおよび１０３−１から１０３−Ｎ、タワー型ディストリビュータ・アセンブリ２００、バーナ１０４−１から１０４−Ｎによって代表される多数のバーナおよびボイラー炉で構成されている。なお、図面では、燃焼ゾーン６５を備えたボイラー炉の一部６０を図示し、以下、この部分をボイラー炉６０と呼ぶ。説明を簡単にするため、供給パイプ１０２−１、１０２−２、１０３−１、１０３−２、１０３−３および１０３−Ｎ、およびバーナ１０４−１、１０４−２、１０４−３および１０４−Ｎを例として、本発明の概念を説明する。
しかし、本発明はそのような例によって制限されず、どのような供給パイプとバーナの数および組合せにも適用される。

一例として、固体燃料例えば石炭、および移送媒体（すなわち、キャリアガス。例えば、空気）を石炭粉砕機５０によって代表される燃料準備プラントに供給する。石炭粉砕機５０は石炭を粉砕し、粉砕された石炭をキャリアガスによって多数のバーナに分配する。この分配はまず供給パイプ１０２−１から１０２−Ｎを介して行なわれる。前述したように、１つの流れが長いパイプ内を移動すると、「ロープ化」の現象が生じる。例えば、パイプ１０２−１内の流れをバーナ１０４−１および１０４−２に移送するためのパイプ１０３−１および１０３−２に分配（または分流）すると、パイプ１０３−１および１０３−２間に流れの不均衡が生じる。そこで、本発明によれば、タワー型ディストリビュータ・アセンブリ２００を用いて、多数の流入流れ（あるいは１つの流入流れ）を混合し、その混合された流れを多数の流出流れに分割（または分流）することによって、多数の流出流れの間において固体燃料を実質的に均等に分配する。

詳細は後述するが、タワー型ディストリビュータ・アセンブリ２００は、図２、図７に示すように対向して配置されたパイプ１０２−１および１０２−２によって移送された流れを入口部で集合し、次いで混合し、混合された流れの乱流状態を回復させ、次いで分割し、多数の均衡の取れた流出流れをパイプ１０３−１から１０３−Ｎを介してバーナ１０４−１から１０４−Ｎに移送する。バーナ１０４−１から１０４−Ｎはこれらの流出流れを燃焼用のボイラー炉６０の燃焼ゾーン６５に送給し、燃焼ゾーン６５において燃焼させる。

図２は、図１のタワー型ディストリビュータ・アセンブリ２００を具体的に説明するための側面図である。タワー型ディストリビュータ・アセンブリ２００は４つの部分、具体的には、入口部２０５、混合部（またはミキサー）２１０、回復部２１５、および出口部２２０を備えている。図２における燃料流れの方向は矢印２０１によって示す。一例として、タワー型ディストリビュータ２００の全体的な形状は略円筒形である。

入口部２０５は、第１細長通路２０６と遷移部２０７とで構成されている。入口部２０５は、１つ以上の流れがタワー型ディストリビュータ・アセンブリ内に入る場所である。第１細長通路２０６は、矢印２０１の方向に沿った長さＬ_Iと直径Ｄ₂₀₆（図３を参照）を有する円形断面を有する。直径Ｄ₂₀₆をここでは入口部の出口直径とも呼ぶ。好ましくは、第１細長通路２０６の長さＬ_Iは、直径Ｄ₂₀₆の２倍以下であるとよい。入口部２０５は、遷移部２０７を介してパイプ１０２−１および１０２−２と連結している。遷移部２０７は、これらのパイプから流入する多数の流れを集め、単一の流れを第１細長通路２０６に送る。遷移部２０７は、第１細長通路２０６の円形の断面を非円形の接続パイプに適合させるために正方形または矩形から円形に遷移する形状を備えている。なお、この種の遷移部は本発明において必ずしも必要ではなく、パイプ分配システムにおける異なる幾何学的形状の部分を互いに適合できるように形成されていればよい。この遷移を容易にするために、入口部２０５の直径２０１（図３を参照）は、入口部２０５の直径Ｄ₂₀₆よりも大きいかまたは小さくてよい（大きい直径２０１の例を図３に示し、小さい直径２０１の例を図６に示す）。直径２０１をここでは入口部の入口直径とも呼ぶ。

混合部２１０は、１つ以上の流入流れを受け、それらの流れを混合し、単一の乱流状態の十分に混合された（すなわち、均質な）流れを作り、これを回復部２１５に送るようになっている。一例として、混合部２１０は当該技術分野において知られている撹拌器で構成される。例えば、２０００年３月２８日にメンツアらに付与された米国特許第６、０４２、２６３号に図示および記載されている撹拌器が挙げられる。しかし、乱流を生じさせる他の形式の装置または要素を混合部２１０に用いることもできる。乱流を生じさせる装置として、どのようなものでもよく、例えば、羽根車を用いてもよいし、コスト、寸法、および材料を考慮して、さらに別の乱流を生じさせる装置を選択してもよい。

図３について簡単に説明する。混合部２１０は前述の米国特許第６、０４２、２６３号に記載されているような撹拌要素２１１を備えている。撹拌要素２１１に、撹拌領域２１２および２１３が隣接している。撹拌要素２１１は、好ましくは矢印２０１の方向において混合部２１０の長さの中間に位置し、撹拌領域２１２および２１３の長さは矢印２０１の方向において実質的に等しくなるように構成されているとよい。しかし、撹拌要素２１１は混合部２１０の長さに沿ったどの位置に配置されていてもよく、従って、撹拌領域２１２と２１３の長さが異なってもよい。撹拌領域２１２は入口部２０５からの単一の流れを受け、この単一の流れを撹拌要素２１１に送る。撹拌要素２１１はその流れ内に乱流を生じさせて、撹拌領域２１３に送る。この撹拌領域２１３は、単一の乱流状態の十分に混合された流れを回復部２１５に送給するようになっている。好ましくは、混合部２１０の長さはその混合部２１０の直径Ｄ₂₁₀（図示せず）以下であるとよい。

図２に戻って、回復部２１５は混合部２１０の下流側に配置され、（矢印２０１の方向における）長さＬ_Rを有する第２細長通路２１６を備えている。一例として、長さＬ_Rはその第２細長通路２１６の直径Ｄ₂₁₆の半分以上であるとよい。特に、本発明の一態様によれば、第２細長通路２１６の長さは以下のように選択されるとよい。すなわち、単一の乱流状態の十分に混合された流れが回復部２１５内を移動するのに必要な時間が、その流れの乱流状態が実質的に消失して十分に混合された流れが実質的に層流として回復部２１５から出口部２２０に送られるのに十分な時間になるように、第２細長通路２１６の長さを選択するとよい。
なお、流れの方向における撹拌領域２１３の長さも流れに影響を与える。従って、回復部の有効長さＬ_Eは第２細長通路に対して図３に示すように定められる。すなわち、長さＬ_Eは回復部２１５の長さＬ_Rと流れの方向における撹拌領域２１３の長さを含む。この場合、一例として、長さＬ_Eは直径Ｄ₂₁₆の半分以上であるとよい。このように、ここで用いられる用語「回復部の長さ」は長さＬ_Eであってもよい。

出口部２２０は、回復部２１５から送られる流れを多数の流出流に分離、分流、または分割する。この例の場合、出口部２２０は回復部２１５から単一の層流状態の十分に混合された流れを受け、この流れを分割し、最終的なバーナ１０４−１、１０４−２、１０４−３および１０４−Ｎに移送するための４つの出口パイプ（１０３−１、１０３−２、１０３−３および１０３−Ｎ）に送るようになっている。回復部２１５からの流れは層流状態の十分に混合された（すなわち、均質な）流れなので、この流れを多数の流出流れに分流させても流れの不均衡は生じない。出口部２２０は多数の内部セパレータを有する円錐台の形状を有する。内部セパレータは、回復部２１５から送られてくる２相流を所定の数の流れに分離し、それらの流れをそれぞれの出口パイプに導く。好ましくは、矢印２０１の方向における出口部２２０の長さは、その出口部２２０の直径Ｄ（図３を参照）の２倍以下であるとよい。直径Ｄ₂₂₀をここでは出口部の入口直径とも呼ぶ。入口部２０５と同様、出口部２２０も遷移部として作用する。従って、この遷移を容易にするために、出口部２２０の直径２２１はその出口部の入口直径Ｄ₂₂₀（図
３を参照）よりも大きいかまたは小さくてよい。ここで、直径２２１を出口部の出口直径とも呼ぶ。タワー型ディストリビュータ２００の出口部２２０の詳細な上面図を図４に示す。

前述したように、タワー型ディストリビュータ・アセンブリは多数の不均質流れを受け、それらを単一の流れに集め、その単一の流れを混合して単一の乱流状態の流れを生成し、単一の乱流状態の流れを単一の層流状態の流れに変換し、この単一の層流状態の流れを多数の流出流れに分流する。ここで、各流出流れは他の流出流れと実質的に同じ量の固体燃料を含む。従って、前述したような多数の流れの間で流れの不均衡の問題を解消することができる。

図１、図２および図３に示すように、タワー型ディストリビュータ・アセンブリ２００は多数の流入流れを受けるように構成されている。しかし、タワー型ディストリビュータ・アセンブリは単一の流れを受けて、その単一の流れを多数の受容体に分配するように構成してもよい。この例を図５に示す。図示のように、単一の供給パイプ１０２−１からの流入流れがタワー型ディストリビュータ・アセンブリ２００に送られる。なお、図５において、図１〜４の番号と同一の番号は同様の要素を示し、ここではそれらの説明を省略する。

本発明の原理によるタワー型ディストリビュータ・アセンブリの他の変更例を図６および図７に示す。これらの図では具体的な寸法（インチ）も例示した。

以上、本発明を具体的な実施例について説明したが、これらの実施例は本発明の原理と用途の単なる例示にすぎない。例えば、本発明を単一の固体燃料バーナシステムを例にして説明したが、本発明は、例えば、主固体燃料と副固体燃料を用いる共同炊きバーナシステムにも適用可能である。また、タワー型ディストリビュータ・アセンブリの断面は製造の容易さと簡素化の観点から円形断面としたが、他の断面、例えば、特に制限はしないが、多角形であってもよい。同様に、４つの部分を有するタワー型ディストリビュータ・アセンブリを例にして説明したが、さらに追加的な部分を有するタワー型ディストリビュータ・アセンブリであってもよい。すなわち、例示した実施例に基づいて多くの変更例をなすことが可能であり、また、請求の範囲に定義される本発明の精神と範囲から逸脱することなく他の構成を考案することも可能であると理解されるべきである。

本発明の原理によるバーナシステムを説明するためのブロック図である。 図１のバーナシステムに用いられる本発明の原理によるタワー型ディストリビュータ・アセンブリの具体的な実施例の側面図である。 図２のタワー型ディストリビュータ・アセンブリをさらに具体的に示す側面図である。 図２のタワー型ディストリビュータ・アセンブリの上面図である。 本発明の原理によるタワー型ディストリビュータ・アセンブリの他の実施例の側面図である。 本発明の原理によるタワー型ディストリビュータ・アセンブリの他の寸法入りの実施例を示す図である。 本発明の原理によるタワー型ディストリビュータ・アセンブリの他の寸法入りの実施例を示す図である。

Claims (10)

1. 炉と、キャリアガスと少なくとも一種の固体燃料が不均質に含まれている不均質流れを送るための少なくとも１つの供給パイプと、この供給パイプに連結され、前記不均質流れを受け入れ、不均質流れを実質的に等しい量の固体燃料を有する複数の流出流れにそれぞれ分配するタワー型ディストリビュータと、前記炉に連結され、炉において燃焼させるための複数の流出流れをそれぞれ受ける複数のバーナとを備える炉システムにおいて、
   前記タワー型ディストリビュータが、前記キャリアガスと少なくとも一種の固体燃料が不均質に含まれている不均質流れを受け入れる入口部と、
   前記入口部に連結され、乱流を生じさせて前記の不均質流れを混合し、単一の混合流れを生成する混合手段を含む混合部と、
   前記混合部の下流側に配置され、前記単一の混合流れを受けて、この混合流れが前記回復部に沿って移動する間に前記乱流状態が実質的に消失して層流状態の混合流れが生じるような長さを有する回復部と、
   前記層流状態の混合流れを受け入れ、この流れを、実質的に等しい量の固体燃料を有する複数の流出流れにそれぞれ分流する出口とを備え、
   前記回復部の長さがその直径の寸法の少なくとも半分に形成され、かつ前記混合部の長さよりも長く形成されていることを特徴とする炉システム。
2. 前記入口部は入口直径と出口直径を有し、前記入口直径は前記出口直径よりも大きくし、前記出口部は入口直径と出口直径を有し、前記入口直径は前記出口直径よりも小さくし、前記入口部に少なくとも１つの供給パイプが連結されていることを特徴とする請求項１に記載の炉システム。
3. 前記混合手段が撹拌器を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の炉システム。
4. 前記混合手段が羽根車を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の炉システム。
5. 前記入口部が前記少なくとも１つのパイプの幾何学的形状に適合するように形成されている遷移部を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の炉システム。
6. 前記入口部が遷移部と第１細長通路からなることを特徴とする、請求項１に記載の炉システム。
7. 前記遷移部に複数の供給パイプを連結したことを特徴とする、請求項６に記載の炉システム。
8. 前記遷移部に、対向して配置した２本の供給パイプを連結したことを特徴とする、請求項７に記載の炉システム。
9. 前記出口部に４本の出口パイプを連結したことを特徴とする、請求項１に記載の炉システム。
10. 前記出口部を多数の内部セパレータを有する円錐台の形状に形成し、これらをそれぞれ出口パイプに導くようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の炉システム。

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