JP4282035B2 - 加圧流動層ボイラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力容器内に流動層内伝熱管構造の火炉を配置する加圧流動層ボイラシステムに関し、特に、低流量でも能率良く冷却できる圧力容器への空気の投入方法、流動層内伝熱管の火炉壁貫通部およびベンド部の摩耗を防止する加圧流動層火炉構造、及びボイラの加圧部における冷却水の流路構造を簡便化し、製造工程及び冷却水気密性に好適なアンモニアまたはアンモニア水を注入するアンモニア注入装置を備えた加圧流動層ボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球温暖化の原因である二酸化炭素は地球規模でその排出量を少なくするよう求められている。排ガス量が多く影響度の大きい発電プラントでは、抑制策として高効率発電が実施されようとしているが、そのひとつに加圧流動層燃焼方式（ＰＦＢＣ）の発電プラントがある。
【０００３】
ＰＦＢＣ方式の加圧流動層ボイラは数十気圧に加圧した流動層で石炭を燃焼させ、その熱で蒸気を発生し蒸気タービンを回す。そして、さらに高温高圧の燃焼排ガスでガスタービンを回し、発電するものである。発電効率は既存の発電プラントが約４０％であるのに対し、５０％近い効率が達成でき、熱効率が約４０％と高い上に、流動層を形成する脱硫剤、例えば石灰石によって炉内脱硫されるため、脱硫装置が省けるというメリットがある。
【０００４】
図９に加圧流動層ボイラのシステムを示す。コンプレッサ１０１によって導入される燃焼用空気は火炉入口配管１０２を通って圧力容器１０３内の流動層ボイラ火炉１０５に導入され、石炭を燃焼する。石炭の燃焼によって発生する排ガスは、火炉出口配管１０６を通り、ガスタービン１０７に導入され、発電を行うと同時にコンプレッサ１０１の駆動力源となる。ガスタービン１０７を出た排ガスは、ガスタービン出口ダクト１０８からガス温度が約４００℃ と高温であるため、排熱回収ボイラ１０９の節炭器１１１内を通り熱回収され、さらに脱硝装置１１２で浄化された後、煙突ダクト１１３を経由して煙突１１４より放出される。
【０００５】
上記の加圧流動層ボイラシステムの構想は以前からあったが、実用化されるようになったのは最近になってからである。実用化を難しくしている理由の一つに、大きな火炉１０５を加圧保持する圧力容器１０３の問題がある。実用プラントでは火炉１０５の径は１０ｍのオーダになり、それを囲む圧力容器１０３は更に大きくなる。圧力容器１０３は製作が容易でない上に、容器１０３を耐熱温度以下にするための温度管理が必要となる。通常圧力容器１０３内に配置される火炉１０５の排ガス温度は約９００℃であるのに対し、圧力容器１０３の耐熱温度は約４００℃である。従って、圧力容器１０３は何らかの断熱構造を採用する必要がある。
【０００６】
圧力容器１０３の強制冷却を機能させるには火炉１０５と圧力容器１０３との間を確実に空気が流れている必要がある。そのためには空気流速を上げればよいが、空気量は燃焼用に限定されるので増やすことはできない。従って、火炉１０５と圧力容器１０３との間の空間を極力狭くして空気流速を上げなければならない。ところが、火炉１０５には蒸気配管や足場が付設されているため、火炉１０５と圧力容器１０３との間の空気の流路抵抗に差が生じ、流れにくい領域が発生する。また、温度上昇した空気は密度が小さくなるので浮力によって、上部に溜まり局所的な高温場を形成し、圧力容器１０３の温度を上げる。
【０００７】
図１０、図１１に実際の加圧流動層ボイラの構造図を示す。圧力容器１０３内に配置される火炉１０５の下部には圧力容器１０３内を加圧状態に保ちながら、コンプレッサ１０１（図９）からの燃焼用空気（約３９０℃）を取り入れる火炉入口配管１０２があり、分散板１１９によって一様に火炉１０５へ分散される。この時、燃料も配管１２０から吹き込まれ、流動化して燃焼する。砂や灰などの流動媒体を含む流動層１２２内には石灰石が混入されており、石炭に含まれる硫黄分を取り除く。また、流動層１２２内には伝熱管１２３が配置されており、燃料の燃焼による熱で伝熱管１２３内の水から発生した蒸気で蒸気タービン（図示せず）を回して発電する。火炉１０５の燃焼温度は約９００℃で、排ガス出口配管１０６内部には断熱材が張ってあり、圧力容器１０３に火炉１０５からの熱が伝わらないようにしている。
【０００８】
高温のヘッダ１２７及び排ガス出口配管１０６からの伝熱量を前記断熱材を入れることによって低下させているが、それだけでは耐熱温度以下に維持できない。そこで、冷却空気として燃焼用空気を火炉１０５に入る前に火炉１０５周りを通過させ、冷却している。冷却空気はその入口１２８から圧力容器１０３に入り、火炉１０５の表面を流れた後で冷却空気出口１２９に至り、一旦、圧力容器１０３から出る。その後、炉底から火炉１０５に再流入し、燃焼用空気となる。
【０００９】
また、従来の加圧流動層ボイラの火炉１０５の要部構造は図１２に示されるように横置多曲管で構成する層内の伝熱管１２３群の管長手方向のベンド部１２３ａは炉壁と一定のクリアランスを保って配置されるため、流動媒体が火炉壁と層内伝熱管１２３の壁貫通部１２３ｂおよび層内伝熱管ベンド部１２３ａの間のクリアランス部を吹き抜けて局所摩耗を発生するのを防止するために、層内伝熱管１２３の壁貫通部１２３ｂ側の火炉壁をテーパ構造として、燃焼空気とともに流動媒体が炉壁近傍を上昇するのを抑制し、炉壁近傍に粒子の下降流（矢印Ａ）を形成して気泡の上昇を防いでいる。
【００１０】
しかしながら、上記した加圧流動層火炉構造では炉壁をテーパ構造とするために、炉壁の曲げ加工を必要とする。さらに、炉壁が曲がっているため火炉１０５をサポートするバックステー１３０などの火炉支持構造に加えて、火炉１０５の保温材１３１およびケーシング構造１３２が複雑な構造になる。
【００１１】
加圧流動層ボイラは火炉１０５内に流動層１２２を形成する石灰石によって炉内脱硫されるため、脱硫装置が省けるというメリットがあることは既に述べたが、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）に関しては、低温燃焼によってＮＯｘ低減が図られたり、流動層１２２中のカーボンなどの還元物質によって起こるＮＯｘの還元によってＮＯｘ濃度が低減できるなどのメリットを持っている。しかし、ボイラ負荷が低い場合には流動層１２２の層高が低くなり、このときはカーボンによる還元が進まず、火炉１０５の出口ＮＯｘ濃度が上昇する欠点を有しており、必ずしもＮＯｘについては従来の微粉炭焚きボイラと比較して優位であるとは言えなかった。
【００１２】
図９に示す加圧流動層ボイラのシステムでは、アンモニア気化器１４１、コンプレッサ１４２、空気を導入してアンモニアを希釈する希釈器１４３、１４４からなるアンモニア注入装置を用いて火炉出口配管１０６に設けたアンモニア注入ノズル１４７から排ガス中にアンモニアを注入する無触媒脱硝装置領域及び排熱回収ボイラ１０９の節炭器１１１にアンモニアを注入して節炭器１１１内に設けられた脱硝触媒を有する有触媒脱硝装置１１２によって排ガス中のＮＯｘを還元して、煙突入口ＮＯｘを環境規制値以下にしている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の加圧流動層火炉構造では図１２に示すように火炉１０５の炉壁をテーパ構造とするために、炉壁の曲げ加工を必要とし、曲がっている炉壁をサポートするバックステー１３０などの火炉支持構造に加えて、火炉の保温材１３１およびケーシング構造１３２が設けられた複雑な構造になる問題点があるにもかかわらず、加圧流動層火炉構造でテーパ構造以外の方法での層内伝熱管群ベンド部と火炉壁間の局所摩耗を防止することについては配慮されていなかった。
【００１４】
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、加圧流動層火炉構造の炉壁をテーパ構造にすることなく、層内伝熱管の壁貫通部および層内伝熱管ベンド部の局所摩耗を防ぎ、炉およびサポート構造を容易にすることである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は次の解決手段によって解決される。
すなわち、請求項１記載の発明は、流動媒体と燃料を含む流動層を有する火炉と、該火炉を内包する高圧の圧力容器と、火炉からの伝熱を遮断するために火炉と圧力容器との間に設けた冷却用気体の流路と、火炉内の流動媒体を流動させ、燃料の流動燃焼を行うための空気供給手段と、流動層中に複数段配置した伝熱管群とを有する加圧流動層ボイラにおいて、火炉の炉壁を鉛直方向に垂直な壁面を有するストレート構造にし、火炉の底部の中央部側にのみ空気供給手段を配置し、該空気供給手段は分散板と該分散板に設けられた複数の空気ノズルを備え、該複数の空気ノズルの中の一番端部側の空気ノズルと最上段の伝熱管のベント部の最上部とを通る平面が炉壁のストレート構造部と交差する角度である安息角が１５度以上となるような箇所から分散板の中心部寄りに空気ノズル群を設置した加圧流動層ボイラである。
【００１６】
上記本発明で加圧流動層火炉構造の炉壁を鉛直方向に垂直な壁面を有するストレート構造にし、空気供給手段は分散板と該分散板に設けられた複数の空気ノズルを備え、該複数の空気ノズルの中の一番端部側の空気ノズルと最上段の伝熱管のベント部の最上部とを通る平面が炉壁のストレート構造部と交差する角度である安息角が１５度以上となるような箇所から分散板の中心部寄りに空気ノズル群を設置することにより空気ノズルから流動層内に吹き込まれた空気流れＡ（図８参照）が壁近傍の伝熱管ベント部まで達することが無く、炉の隅に流動層の流動停滞層あるいは固定層を形成することになる。
【００１７】
このため、流動層の流動停滞層または固定層に埋没する伝熱管ベンド部（図８のベンド部５ａ）には火炉壁との間にクリアランスがあるにも拘わらず、気泡が上昇することがないので層内伝熱管の火炉壁貫通部（図８の貫通部５ｂ）の摩耗を防止できる。
【００１８】
また、火炉構造の炉壁をストレート構造にすることで、伝熱管の加工は炉幅で折り返すだけの単純な形状となる上に、その層内伝熱管ベンド部は流動層の流動停滞層または固定層の中に埋まってしまうため、その層内伝熱管ベンド部の局所摩耗を防止することができる。
これにより、火炉はその炉壁にテーパ構造を採用することなく、層内伝熱管の壁貫通部および層内伝熱管ベンド部の局所摩耗を防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図１に本発明のＰＦＢＣ方式の加圧流動層ボイラの実施の形態を示す。図１に示す加圧流動層ボイラは図９に示したＰＦＢＣシステムに適用され、圧力容器１内に配置される火炉２の下部には火炉２内を加圧状態に保ちながら、図示しないコンプレッサからの燃焼用空気（約３９０℃）を取り入れる燃焼用空気入口８があり、火炉２内で形成される流動層４の底部に配置された分散板１１に設けられた空気噴出口から一様に火炉２内へ分散される。この時、燃料も火炉２内の流動層４内に挿入された燃料配管９から吹き込まれ、流動層４を流動化させながら燃焼する。砂や灰などの流動媒体を含む流動層４内には石灰石が混入されており、石炭に含まれる硫黄分を取り除く。また、流動層４内には伝熱管５が配置されており、燃焼用空気入口８から火炉２の底部に入った燃焼用空気と燃料配管９から入った石炭燃料とが混合して燃焼し、発生熱を伝熱管５に伝え、伝熱管５の内部を流れる水が加熱されて蒸気を発生する。伝熱管５内で発生した蒸気はヘッダ６に集められ、図示しない蒸気タービンへ送られ発電機を回す。
【００２０】
また、燃焼用空気入口８を通って圧力容器１内の流動層ボイラ火炉２に導入された燃焼用空気により流動層４内の石炭などの燃料が燃焼し、燃焼排ガスは燃焼ガス出口１０を通り、図示しないガスタービンに導入され、発電を行うと同時にコンプレッサの駆動力源となる。
【００２１】
火炉２内の燃料の燃焼温度は約９００℃であり、また燃焼ガス出口１０内部には断熱材が張ってあり、圧力容器１に火炉２からの熱が伝わらないようにしている。伝熱管５のヘッダ６は高温となり、この高温ヘッダ６及び排ガス出口１０からの伝熱量を前記断熱材を入れることによって低下させているが、それだけでは耐熱温度以下に維持できない。そこで、冷却空気として燃焼用空気を火炉２に入る前に火炉２の周りを通過させ、冷却している。冷却空気はその入口３から圧力容器１に入り、火炉２の表面を流れた後で圧力容器１の頂部に設けられた冷却空気出口７に至り、一旦、圧力容器１から出る。その後、炉底から火炉２に再流入し、燃焼用空気となる。
圧力容器１は、例えば高さ２２ｍ、幅１０ｍ、奥行き１４ｍであり、火炉２の出力は１２５ＭＷ相当である。
【００２２】
ここで、各部の温度は以下の通りである。
部位 温度℃
火炉 ４００℃、
冷却空気（入口） ３９０℃、
冷却空気（出口） ３９１℃、
流動層 ９００℃、
ヘッダ ４３０℃、
燃焼排ガス ９００℃、
【００２３】
そして、冷却空気の平均温度上昇は僅か１℃であるが、圧力容器１内にはヘッダ６のように温度の高い部位もあるため、局部的には圧力容器１の耐熱温度４００℃を超える可能性がある。局部的な温度上昇が発生すると圧力容器１に局所的な熱応力が発生し、寿命が低下する。従って、このような温度上昇はできるたけ避けねばならない。
【００２４】
図１に示す装置では、冷却空気入口３が圧力容器１の左側壁よりに寄せて設定してある。この効果を確認するために汎用熱流体解析プログラムを用いて解析した。
【００２５】
解析結果を図６、図７に示す。図６は従来技術（図６（ａ））の構造と本発明（図６（ｂ））の構造との差を図１などに示す圧力容器１と火炉２との間を流れる冷却空気の速度ベクトルを表示したものである。図６（ａ）に示す従来技術において冷却空気は火炉２周りを一様に流れるので、平均１ｍ／ｓ以下と速度ベクトルが小さい。これに対し、図６（ｂ）に示す本発明では内部に強い循環流が発生しており、同量の空気流量であるのにも係わらず速度ベクトルが格段に上昇している。
【００２６】
図７は冷却空気の温度を表示したものである。従来技術（図７（ａ））では圧力容器１上部の燃焼排ガス出口１０の接合部に４００℃近い領域が発生している。これに対し、本発明（図７（ｂ））では温度が４００℃近くになる領域がほとんど認められなく全体に均一温度である。
【００２７】
図５は冷却空気入口３の偏心量と温度偏差（＝冷却空気の最高温度−入口温度）の関係を前述の解析から求めたものである。縦軸は一様に冷却空気を投入する従来例を基準にして表示した。本発明では冷却空気入口３の圧力容器１の中央部からの偏心量が小さい場合には、冷却空気は火炉２の底部に衝突し、ほとんど均一に上昇するので、本発明の効果は冷却空気入口３が圧力容器１の中央部からはずれるほど急激に温度偏差が低下している。
【００２８】
図２はＰＦＢＣの圧力容器１の冷却空気入口３を圧力容器１の下部側壁から水平方向に向けて圧力容器１内に挿入した本発明の他の実施の形態を示したものである。前記入口３の冷却空気噴出口の先に燃焼用空気入口配管８があるので、冷却空気が衝突し、循環流の発生効率は悪いが、図面の奥行き方向で調整すれば衝突は避けられ図１に示す場合と同等な効果が得られる。
【００２９】
図３に示す例は圧力容器１の冷却空気入口３を圧力容器１の下部側壁から水平方向に向けて圧力容器１内に挿入したものと圧力容器１の底部から鉛直方向上方に向けて圧力容器１内に挿入したものからなる冷却空気入口３を複数箇所設けたもので、冷却空気噴流の方向が圧力容器１の水平面において右回りになるよう方向を合わせている。複数の冷却空気入口３の各噴出流が、火炉２の中心部を中心とする回転モーメント（＝半径×噴出モーメント）ができるだけ大きくなるように冷却空気の流速を調整すると効率がよい。
【００３０】
また、本例では圧力容器１の内部の所々にガイドベーン１５を設置し、空気が停滞せずに、平均空塔速度（冷却空気の体積流量／圧力容器１と火炉２との間にできる流路断面積）より速くなるようにしてある。
【００３１】
図４に示す例は圧力容器１の冷却空気入口３を圧力容器１の底部から鉛直方向上方に向けて燃焼用空気入口８の周りに等分割に複数箇所にわたり圧力容器１内に挿入し、圧力容器１の冷却空気出口７を燃焼ガス出口１０の周りに複数箇所等分割して設け、さらに、圧力容器１の内部の所々にガイドベーン１５を設置した構造である。このガイドベーン１５により空気が停滞せずに、平均空塔速度（冷却空気の体積流量／圧力容器１と火炉２との間にできる流路断面積）より速くなるようにして冷却空気噴流の方向が圧力容器１の水平面において右回りまたは左回りになるよう調整する。この場合にも、複数の冷却空気入口３の各噴出流が、火炉２の中心部を中心とする回転モーメント（＝半径×噴出モーメント）ができるだけ大きくなるように冷却空気の流速を調整すると効率がよい。
【００３２】
上記図３、図４に示すガイドベーン１５の設置方法はいろいろあるが、極端な場合には圧力容器１の内部に螺旋階段状のベーンを設けることも可能である。
【００３３】
従来技術に比べて、本発明の装置は、冷却空気入口３の設置位置を変えるだけなので、新規な部品を追加することなく達成できる。図１に示す実施の形態と図１０に示す従来技術例とで圧力容器１の寿命を試算比較したところ、図１に示すものは２０年以上寿命が向上していた。
【００３４】
本発明の他の実施の形態を図８に示す。
加圧流動層ボイラの火炉２の構造の炉壁を鉛直方向に垂直な壁面を有するストレート構造にし、最上段の層内伝熱管５のベント部５ａの最上部と分散板１１の一番端部側の空気ノズル１１ａとを結ぶ平面が炉壁のストレート構造部と交差する角度である安息角Ｘが１５度以上となるような箇所から分散板１１の中心部寄りに空気ノズル１１ａ群を設置する。そこで、空気ノズル１１ａから流動層４内に空気を吹き込むと流動層４内の流動媒体が流動化するが、空気ノズル１１ａのない位置に流動層４の流動停滞または固定層４ａとして流動化しない部分が生まれる。
【００３５】
これにより、層内伝熱管５の層内ベンド部５ａおよび壁貫通部５ｂは流動層４の前記流動停滞または固定層４ａに埋没することになり、この流動停滞または固定層４ａでは気泡と流動媒体が火炉壁との隙間を吹き上げることはない。なお、図１２に示すと同様に図８に示す火炉２には火炉２をサポートするバックステー１６などの火炉支持構造に加えて、火炉２のケーシング１７および保温材１８が設けられている。
【００３６】
本例による層内伝熱管５のベンド部５ａおよび壁貫通部５ｂの摩耗防止は次のようにして行う。
前述のように空気ノズル１１ａより空気を吹き込むと、流動層４に流動停滞または固定層４ａが形成され、火炉２内の流動層４の充填部分で火炉２が、あたかもテーパ構造であるかのようになり、流動媒体粒子の下降流Ａを形成する。
【００３７】
こうして、層内伝熱管５の壁貫通部５ｂの摩耗を防ぎ、さらに形成された前記流動停滞または固定層４ａの中に層内伝熱管ベンド部５ａが埋没するので、該ベンド部５ａの局所摩耗を防ぐことができる。加えて火炉壁面をストレート構造にすることで構造が単純化され、加工などが容易になり、加工および材料などのコストが低減される。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、加圧流動層ボイラの火炉壁をテーパ構造など複雑な構造とすることなく、層内伝熱管の壁貫通部および層内伝熱管ベンド部の摩耗を防止することを可能にすると同時に、コストを低減することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラの側断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラの側断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラの側断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラの側断面図である。
【図５】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラの火炉構造の効果を示した図である。
【図６】 本発明と従来技術の数値解析によって圧力容器内部の空気の速度ベクトルを見た図である。
【図７】 本発明と従来技術の数値解析によって圧力容器内部の空気の温度分布をみた図である。
【図８】 本発明の実施の形態の加圧流動層燃焼ボイラの火炉構造の要部側断面図である。
【図９】 従来技術の加圧流動層燃焼ボイラプラントの概略図である。
【図１０】 従来技術の加圧流動層燃焼ボイラの側断面図である。
【図１１】 従来技術の加圧流動層燃焼ボイラの側断面図である。
【図１２】 従来技術の加圧流動層燃焼ボイラの火炉の要部側断面図である。
【符号の説明】
１、１０３ 圧力容器 ２、１０５ 火炉
３ 冷却空気入口 ４ 流動層
４ａ 流動停滞または固定層 ５ 伝熱管
５ａ 伝熱管ベント部 ５ｂ 伝熱管壁貫通部
６ ヘッダ ７ 冷却空気出口
８ 燃焼用空気入口 ９ 燃料配管
１０ 燃焼ガス出口 １１ 分散板
１１ａ 空気ノズル １８ 保温材
１７ ケーシング １６ バックステー
２８ 火炉出口配管外管 ２７ セラミックファイバ
１０１ コンプレッサ １０２ 火炉入口配管
１０６ 火炉出口配管 １０７ ガスタービン
１０８ ガスタービン出口ダクト １１１ 節炭器
１１２ 有触媒脱硝装置 １１３ 煙突入口ダクト
１１４ 煙突
１４１ アンモニア気化器
１４２ アンモニアコンプレッサ
１４３、１４４ アンモニア希釈器
１４７ アンモニア注入ノズル

Claims (1)

1. 流動媒体と燃料を含む流動層を有する火炉と、該火炉を内包する高圧の圧力容器と、火炉からの伝熱を遮断するために火炉と圧力容器との間に設けた冷却用気体の流路と、火炉内の流動媒体を流動させ、燃料の流動燃焼を行うための空気供給手段と、流動層中に複数段配置した伝熱管群とを有する加圧流動層ボイラにおいて、
   火炉の炉壁を鉛直方向に垂直な壁面を有するストレート構造にし、火炉の底部の中央部側にのみ空気供給手段を配置し、該空気供給手段は分散板と該分散板に設けられた複数の空気ノズルを備え、該複数の空気ノズルの中の一番端部側の空気ノズルと最上段の伝熱管のベント部の最上部とを通る平面が炉壁のストレート構造部と交差する角度である安息角が１５度以上となるような箇所から分散板の中心部寄りに空気ノズル群を設置したことを特徴とする加圧流動層ボイラ。

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