JP5496688B2

JP5496688B2 - 流動床反応炉

Info

Publication number: JP5496688B2
Application number: JP2010002174A
Authority: JP
Inventors: 清隆矢野
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-01-07
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-01-07
Also published as: JP2011141086A

Description

本発明は、流動床反応炉に関する。

従来、底部から供給される燃料と空気を流動材と混合し流動床（流動層）を形成しながら燃焼させ、この燃焼反応により、炉壁管内を流れる水と熱交換する流動床ボイラが知られている。この流動床ボイラでは、流動材の激しい撹拌や熱による炉内壁の摩耗減肉を防止すべく、流動床を形成する炉下部内壁を耐火物で構成している。このような流動床ボイラでは、耐火物の上面と、当該耐火物の上面から上方に所定距離離間した位置との間、すなわち、耐火物から上方の所定区間（例えば２ｍ）において、流動材等の粒子が炉壁管に沿って下降するのを繰り返し当該炉壁管に繰り返し衝突するため、この所定区間の炉壁管に対して、以下の特許文献１に記載のように、耐摩耗性金属より成る硬化肉盛層を溶接により設けるか、若しくは、耐摩耗性金属より成る保護皮膜層を溶着により設け、耐摩耗性の向上を図っている。

特開２００３−５０００３号公報

しかしながら、上記流動床ボイラにあっては、耐火物上面から所定区間に亘る広範囲に、耐摩耗性金属より成る硬化肉盛層を溶接により設けるか、若しくは、耐摩耗性金属より成る保護皮膜層を溶着により設けることから、コストが非常に高くなるという問題がある。また、このように炉壁管を覆う硬化肉盛層若しくは保護皮膜層が広範囲に亘るため、熱交換のための伝熱が阻害されるという問題もある。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、伝熱阻害要因を低減しつつ、低コストにて、炉内壁の摩耗減肉を防止できる流動床ボイラを始めとした流動床反応炉を提供することを目的とする。

本発明による流動床反応炉は、反応室の下部から気体を導入し固形物を流動させながら反応室で反応を行わせる流動床反応炉であって、熱交換を行うための炉壁管を有する上部壁部分と、この上部壁部分の下に設定され耐火物を有する下部壁部分と、を具備した流動床反応炉において、上部壁部分における下部壁部分より上方に離間した位置を、この位置より上に連続する鉛直姿勢の上部壁部分に対して、斜め下方且つ外方に向かって折り曲げた折曲部とし、下部壁部分の上端の位置を、斜め下方且つ外方に向かって折り曲げると共に、外方に所定距離向かった位置を、斜め下方且つ内方に向かって折り曲げたことを特徴としている。

このような流動床反応炉によれば、上部壁部分における下部壁部分より上方に離間した位置が、この位置より上に連続する鉛直姿勢の上部壁部分に対して、斜め下方且つ外方に向かって折り曲げた折曲部とされるため、鉛直姿勢の上部壁部分に沿って下降してくる粒子は、折曲部より下の上部壁部分から内側に離れた位置を下降していく。このため、折曲部より下の上部壁部分に対する粒子の接触が防止され、当該上部壁部分の摩耗減肉を防止できる。また、このように、折曲部は、上部壁部分における下部壁部分より上方に離間した位置を折り曲げたものであるから、下部壁部分から上方の所定区間を硬化肉盛層若しくは保護皮膜層で覆う従来技術に比して、低コストであると共に、伝熱阻害要因を低減することができる。

ここで、折曲部による鉛直面に対する半径方向のへこみ長Ｄは、４０ｍｍ≦Ｄ≦１００ｍｍの関係を満たすことが好ましい。これは、Ｄ＜４０ｍｍであると、下降してくる粒子が、折曲部より下の上部壁部分に接触しやすくなるからであり、また、Ｄ＞１００ｍｍであると、折曲部より上の上部壁部分が当該折曲部より下の壁部分に対して大きく絞られ、吹き上げ流速が折曲部より上方と下方で極端に差が出てしまい、流動床としての所望の性能が出難くなるからである。

このように本発明による流動床反応炉によれば、伝熱阻害要因を低減しつつ、低コストにて、下部壁部分から上方の所定区間の上部壁部分の摩耗減肉を防止できる。

本発明の一実施形態に係る流動床反応炉を示す概略断面構成図である。図１に示す流動床反応炉の上部壁部分の要部を下部壁部分の上部と共に炉内側から見た図である。矩形筒形状を成す流動床反応炉及びサイクロンを示す図である。

以下、本発明による流動床反応炉の好適な実施形態について図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る流動床反応炉を示す概略断面構成図、図２は、図１に示す流動床反応炉の上部壁部分の要部を下部壁部分の上部と共に炉内側から見た図、図３は、矩形筒形状を成す流動床反応炉及びサイクロンを示す図であって、図３（ａ）は一部破断側面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のIII-III矢視図であり、ここでは、流動床反応炉を循環流動床（ＣＦＢ；Circulating FluidizedBed）ボイラとして説明する。

図１に示すように、循環流動床ボイラ１００は、矩形筒の上下端を閉じた形状を呈し、その下部は、下方に行くに従って幅方向（図１の左右方向）に狭まり矩形筒が小さくなる形状とされている。この循環流動床ボイラ１００は、矩形筒の上下端を閉じた形状を構成している炉壁１内が反応室２とされ、この反応室２の底部に設けた複数の開口３から燃焼空気を導入すると共に反応室２の下部から燃料（固形物）を導入し当該燃料を流動させながら反応室２で燃焼反応を行わせるものである。

この循環流動床ボイラ１００の炉壁１は、具体的には、図２に示すように、炉壁周方向（図の左右方向）に並設した水壁チューブ（炉壁管）４，４同士を平板状のフィン５で連結した所謂メンブレンパネルで構成されている。この水壁チューブ４は、反応室２での燃焼反応による熱を、当該水壁チューブ４内に流れる水と熱交換する。

これらの水壁チューブ４及びフィン５から成り炉壁を構成するメンブレンパネル１は、図１に示すように、底部から上方に所定距離離間した位置Ｚにおいて、斜め下方且つ外方に向かって折り曲げられ、外方に所定距離向かったらさらに斜め下方且つ内方に向かって折り曲げられ、この折り曲げにより形成されたへこみ部に耐火物６が設けられている。

すなわち、炉壁は、図１及び図２に示すように、熱交換を行うための水壁チューブ４を有しメンブレンパネル１が露出する上部壁部分Ａと、この上部壁部分Ａの下に設定されて耐火物６を有し当該耐火物６によりメンブレンパネル１が覆われる下部壁部分Ｂと、を具備する構成とされている。そして、このように下部壁部分Ｂのへこみ部に耐火物６が収容されることで、上部壁部分Ａの内壁面と下部壁部分Ｂの耐火物６の表面とがほぼ面一に連続する構成とされている。

なお、耐火物６は、ここでは、セラミック焼成物等の耐火ライニングとされている。また、水が流れる水壁チューブ４に代えて、水蒸気が流れる炉壁管を用いて熱交換を行うようにしても良い。

この循環流動床ボイラ１００には、図３に示すように、サイクロン１１が付設されている。このサイクロン１１は、反応室２での燃焼反応により生じた燃焼ガス及び粒子を、サイクロン１１の上部の燃焼ガス導入口１１ａを通して導入して当該粒子を燃焼ガスから分離し、分離粒子をサイクロン１１の下部の粒子排出口１１ｂを通してボイラ下部に戻すものである。

ここで、この循環流動床ボイラ１００では、図１及び図２に示すように、下部壁部分Ｂの耐火物６の上端から上方に所定距離（約２ｍ）離間した位置までが特に上部壁部分の摩耗減肉が顕著となるため、本実施形態にあっては、この所定距離離間した上部壁部分Ａの位置を折曲部Ｘとして、この位置より上に連続する鉛直姿勢の上部壁部分Ｕに対して、斜め下方且つ外方に向かって折り曲げている。

また、上部壁部分Ａが折曲部Ｘにより外方に所定距離（へこみ長）Ｄ広がると、この広がった位置を第２折曲部Ｙとして下側に向かうように上部壁部分Ａをさらに折り曲げ、この折り曲げられて下方に延びる上部壁部分Ａの下端が下部壁部分Ｂの上記へこみ部の上端に連設されるように構成されている。

このような構成を有する循環流動床ボイラ１００によれば、反応室２で燃焼反応が行われ、この燃焼反応による熱は水壁チューブ４に伝達されて熱交換が行われる。燃焼反応により生じた燃焼ガスは、粒子を伴いながら炉内中央側から上昇し後段のサイクロン１１へ排出され、残りの粒子は上部壁部分Ｕに沿って下降する。

この上部壁部分Ｕに沿って下降してくる粒子は、折曲部Ｘより下の上部壁部分Ｃから内側に離れた位置を下降して行く。このため、折曲部Ｘより下の上部壁部分Ｃに対する粒子の接触が防止され、当該上部壁部分Ｃの摩耗減肉を防止できる。また、折曲部Ｘは、上部壁部分Ａにおける下部壁部分Ｂより上方に離間した位置を折り曲げたものであるから、下部壁部分から上方の所定区間を硬化肉盛層若しくは保護皮膜層で覆う従来技術に比して、低コストであると共に、伝熱阻害要因を低減できる。すなわち、伝熱阻害要因を低減しつつ、低コストにて、下部壁部分Ｂから上方の所定区間の上部壁部分Ｃの摩耗減肉を防止できる。

また、本実施形態にあっては、メンブレンパネル１は折曲構造とされているため、直線構造に比して剛性が上がり、その結果、メンブレンパネル１を外側から補強している例えばＨ鋼等から構成したバックステー（補強部材）を小型化できるという利点もある。

ここで、折曲部Ｘによる鉛直面（上部壁部分Ｕ）に対する半径方向のへこみ長Ｄ（図１参照）は、４０ｍｍ≦Ｄ≦１００ｍｍの関係を満たすことが好ましい。これは、Ｄ＜４０ｍｍであると、下降してくる粒子が、折曲部Ｘより下の上部壁部分Ｃに接触しやすくなるからであり、また、Ｄ＞１００ｍｍであると、折曲部Ｘより上の上部壁部分Ｕが当該折曲部Ｘより下の壁部分に対して大きく絞られ、吹き上げ流速が折曲部Ｘより上方と下方で極端に差が出てしまい、流動床としての所望の性能が出難くなるからである。

図３では、サイクロン１１が、矩形筒形状を成す循環流動床ボイラ１００の両端側（図３（ｂ）の上下端側）に各々付設されている例を示しているが、この場合も、循環流動床ボイラ１００の高さＬ１は、約１５ｍ（小型の場合）〜約４０ｍ（大型の場合）であり、折曲部Ｘは、Ｌ１の高さにかかわらず、下部壁部分Ｂの耐火物６の上端から上方にＬ２＝約２ｍ離れた位置に設けられている。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、上記実施形態においては、循環流動床ボイラ１００を矩形筒形状としているが、例えば、円筒形状等であっても良い。

また、上記実施形態においては、特に好適であるとして、循環流動床ボイラ１００に対する適用を述べているが、循環しない流動床ボイラに対しても適用でき、さらには、燃焼反応ではなく発熱を伴う化学反応を行う炉に対しても適用でき、要は、反応室の下部から気体（空気以外でも可）を導入し固形物（例えば燃料や反応対象物）を流動させながら反応室で反応を行わせる流動床反応炉に対して適用できる。

１…メンブレンパネル（炉壁）、２…反応室、３…開口、４…水壁チューブ（炉壁管）、５…フィン、６…耐火物、１００…循環流動床ボイラ（流動床反応炉）、Ａ…上部壁部分、Ｂ…下部壁部分、Ｃ…折曲部より下の上部壁部分、Ｄ…折曲部のへこみ長、Ｕ…折曲部より上に連続する鉛直姿勢の上部壁部分、Ｘ…折曲部、Ｙ…第２折曲部。

Claims

反応室の下部から気体を導入し固形物を流動させながら前記反応室で反応を行わせる流動床反応炉であって、熱交換を行うための炉壁管を有する上部壁部分と、この上部壁部分の下に設定され耐火物を有する下部壁部分と、を具備した流動床反応炉において、
前記上部壁部分における前記下部壁部分より上方に離間した位置を、この位置より上に連続する鉛直姿勢の上部壁部分に対して、斜め下方且つ外方に向かって折り曲げた折曲部とし、
前記下部壁部分の上端の位置を、斜め下方且つ外方に向かって折り曲げると共に、外方に所定距離向かった位置を、斜め下方且つ内方に向かって折り曲げたことを特徴とする流動床反応炉。
前記折曲部による前記鉛直面に対する半径方向のへこみ長Ｄは、４０ｍｍ≦Ｄ≦１００ｍｍの関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の流動床反応炉。