JP5606209B2 - 循環流動層ボイラの火炉構造 - Google Patents

Description

本発明は、高温の粒子媒体を熱風により流動化させ、その中に燃料を投入して燃焼させる循環流動層ボイラの火炉構造に関する。

流動層ボイラの火炉は、たとえば図３及び図４に示すような炉壁１により、燃焼室２が区画されている。この場合の炉壁１は、蒸気を流す複数の水冷壁管３が上下方向に並置され、隣接する水冷壁管３の間が平坦な板材のフィン４より結合されている。このような炉壁１は、水冷壁管３の内部を流れる蒸気により冷却されていることから、水冷壁とも呼ばれている。
また、上述した炉壁１は、厳しい温度条件となる燃焼室２の下部が、厚さをＷとした耐火材５に覆われた構造となっている。

このような循環流動層ボイラの火炉では、砂等の流動材及び石炭等の燃料を積極的に飛散させて燃焼させている。このため、燃焼室２の内部では、炉壁１の壁面付近を失速した流動材が下向きに高密度で落下している。従って、この流動材の流れが火炉下方の耐火材５に当たる際、流動材の流れが横向きとなるため、耐火材５への乗り継ぎ部（耐火材５の上端面５ａ付近）では、炉壁１が局所的に激しく摩耗する。
なお、図中の符号６は耐火材５の上端面５ａに堆積した流動材、αは炉壁１の下端部側を絞る角度、βは流動材６の安息角である。

上述した炉壁の局所的摩耗を防止する従来技術としては、たとえば下記の特許文献１に開示されたものがある。
図５及び図６は、特許文献１に開示された従来の構成例であり、炉壁１には燃焼室２の外側へ膨出するベンド部７が設けられている。図５に示す構成例では、耐火材５がベンド部７の内部空間領域から下方へ設けられており、従って、耐火材５の上端開始位置は鉛直な上部の炉壁面より外側となる。また、図６に示す構成例では、耐火材５の上端部側がフィン４の燃焼室壁面と略同一な垂直面となるように設けられている。

特公平７−１１７２２９号公報

しかしながら、上述した特許文献１の従来技術は、下記の問題が指摘されている。
図５に示す構成例の場合、上向きに流れるガス流（図中の破線矢印参照）と流動材の下降流（図中の実線矢印参照）との干渉により、流動材の流れに乱れが発生する。このようにして流動材の流れに乱れが発生すると、ベンド部７の近傍において炉壁１の摩耗が進行する。
また、図６に示す構成例のように、耐火材５の上端部側を垂直面にしても、水冷配管３との乗り継ぎ部には僅かなギャップが形成される。従って、このギャップが流動材の流れの特異点となり、流動材の流れに乱れを発生させるため、ベンド部７の近傍においては、炉壁１に同様の摩耗が進行する。なお、耐火材５に垂直面を形成した部分は、テーパ形状の耐火材５となるため、欠けて破損しやすいという問題も指摘されている。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ガスの上昇流と流動材の下降流との干渉を防止または抑制し、ベンド部近傍に生じている水冷壁の局所的な摩耗を低減することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る循環流動層ボイラの火炉構造は、複数の水冷壁管をフィンにより連結してなる炉壁が燃焼室を区画し、前記炉壁の下部内面を覆って耐火材が設けられている循環流動層ボイラの火炉構造において、前記耐火材との乗り継ぎ部で前記炉壁をいったん炉外側へ膨出させたベンド部を備え、前記耐火材は、前記ベンド部の炉内側空間に上端面を形成して炉内下方へ設けられるとともに、前記上端面の炉内側端部が、前記ベンド部の上方で前記炉壁を形成する前記フィンの炉内側面から垂下される鉛直線より炉内中心側にあり、
前記耐火材及び前記ベンド部は、前記燃焼室内を循環して前記上端面に堆積する流動材の安息角βがなす傾斜面と、前記水冷壁管の炉内側端面との接点が、前記フィンの炉内側面から垂下される鉛直線より炉外側となるように設定されていることを特徴とするものである。

このような循環流動層ボイラの火炉構造によれば、耐火材との乗り継ぎ部で炉壁をいったん炉外側へ膨出させたベンド部を備え、耐火材は、ベンド部の炉内側空間に上端面を形成して炉内下方へ設けられるとともに、上端面の炉内側端部が、ベンド部の上方で炉壁を形成するフィンの炉内側面から垂下される鉛直線より炉内中心側にある。このため、ガス及び流動材の流れにとってベンド部が特異点とはなりうるものの、耐火材との乗り継ぎ部近傍では、耐火材の上端面に堆積する流動材が炉壁の露出部を最小限に抑え、かつ、炉内中心側へ突出した耐火材が上向きのガス流を炉壁から離間させる。こうして炉壁から離間したガス流は、流動材による炉壁の直撃を防止する。
さらに、耐火材及びベンド部は、燃焼室内を循環して上端面に堆積する流動材の安息角βがなす傾斜面と、水冷壁管の炉内側端面との接点が、フィンの炉内側面から垂下される鉛直線より炉外側となるように設定されているので、耐火材の上端面に堆積する流動材で覆うことができる炉壁の面積を増すことができる。この結果、接点付近における露出面の面積が減少し、接点付近における局部的な摩耗を低減できる。

上記の発明において、前記上端面は前記ベンド部の上方に設けられていることが好ましい。
また、上記の発明において、前記上端面の炉内側端部を前記フィンの炉内側面から垂下される鉛直線より炉内側へ厚くすることが好ましく、この場合、前記耐火材は、前記上端面の炉内側端面から前記フィンの炉内側面までの長さＬ１と、前記水冷壁管の炉内側端部から前記フィンの炉内側面までの長さＬ２とが、関係式Ｌ１＞Ｌ２となるように厚くすることが望ましい。
また、上記の発明において、前記耐火材は、前記炉内下方から前記上端部側へ傾斜部を介して厚くすることが望ましい。
また、上記の発明において、耐火材の上端面に流動材を積極的に堆積させるため、前記上端面は、１または複数の溝を設けた水平面あるいは前記炉壁側が下がる傾斜面を備えた面であることが好ましい。

上述した本発明の循環流動層ボイラの火炉構造によれば、燃焼室内における耐火材との乗り継ぎ部近傍では、耐火材の上端面に堆積する流動材が炉壁の露出部を最小限に抑え、かつ、炉内中心側へ突出した耐火材が炉壁に対する流動材の直撃を防止する。このため、ガスの上昇流と流動材の下降流との干渉が防止または抑制され、ベンド部近傍に生じていた流動材による水冷壁の局所的な摩耗を確実に低減することができる。

本発明に係る循環流動層ボイラの火炉構造の一実施形態を示す図であり、（ａ）は耐火材との乗り継ぎ部周辺を示す炉壁の構造図、（ｂ）は（ａ）の要部を断面にした図である。 図１の循環流動層ボイラを備えた循環流動層燃焼装置の概要を示す構成図である。 循環流動層ボイラの火炉構造に係る従来技術を示す図であり、（ａ）は耐火材との乗り継ぎ部周辺を示す炉壁の構造図、（ｂ）は（ａ）の要部を断面にした図である。 図３（ａ）に示す炉壁を燃焼室側から見た正面図である。 循環流動層ボイラの火炉構造に係る他の従来技術として、耐火材との乗り継ぎ部周辺を示す炉壁の構造図である。 循環流動層ボイラの火炉構造に係る他の従来技術として、耐火材との乗り継ぎ部周辺を示す炉壁の構造図である。

以下、本発明に係る循環流動層ボイラの火炉構造について、その一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２は、本発明に係る循環流動層ボイラを備えた循環流動層燃焼装置の概要を示す図である。図２に示すように、循環流動層燃焼装置１０は、循環流動層ボイラ１１と、燃焼炉から循環される流動材を分離するサイクロン１２と、排ガス熱交換手段１３と、排ガス中の煤塵を除去するバグフィルタ１４とを具備するものである。
なお、図２において、１１ａは炉底、１５は燃料、１６は空気、１７は低温粒子、１８は循環粒子、１９はシールポット、２０は高温粒子循環ライン、２１は低温粒子循環ライン、２２は外部熱交換器、２３は誘因ファン、２４は煙突を図示する。

上述した循環流動層ボイラ１１は、図１に示すように、複数の水冷壁管（蒸気管）３をフィン４により連結してなる炉壁１が燃焼室２を区画している。すなわち、上下方向に配列された水冷壁管３は、互いに隣接する配管同士がフィン４を介して連結されることにより、水冷壁となる炉壁１を形成している。
そして、炉壁１の下部内面側には、すなわち、炉壁１の炉底１１ａ側には、燃焼室（炉内）２側の面を覆う耐火材５Ａが設けられている。この耐火材５Ａは、火力の強い燃焼室２内の領域において、炉壁１を構成する水冷壁管３を炉内の高温から遮蔽するとともに、流動材や未燃灰等の粒子により水冷壁管３が摩耗しないよう保護するものである。
なお、図１には、厚さをＷとした従来の耐火材５が想像線で示されている。

この炉壁１は、耐火材５Ａとの乗り継ぎ部において、炉壁１をいったん炉外側へ膨出させたベンド部７を備えている。ここで、耐火材５Ａとの乗り継ぎ部は、耐火材５Ａを設けた炉内下部の壁面から耐火材５Ａのない炉内上部の壁面に切り替わっていく壁面領域であり、具体的には、耐火材５Ａの上端面５ａから耐火材５Ａのない炉壁１の下端部近傍（ベンド部７の上端側近傍）までの炉内壁面領域となる。
すなわち、本実施形態の耐火材５Ａは、ベンド部７が炉外方向へ凸状に膨出した空間内を上端として上端面５ａを形成し、燃焼室２の下端部となる炉底１１ａ側まで連続して、流動層循環ボイラ１１内において最も火力の強い燃焼室２の下部領域内面を覆うように設けられている。
なお、図中の符号６は耐火材５Ａの上端面５ａに堆積している流動材、αは炉壁１の下端部側を絞る角度、βは流動材６の安息角である。

このような循環流動層燃焼装置１０は、空気ノズルから空気１６を循環流動層ボイラ１１の内部に吹き込み、外部から供給される石炭等の燃料１５及び炉底１１１ａの近傍から帰還される未燃灰、そして予め循環流動層ボイラ１１の内部に収納された流動材６等を混合して流動化し、流動層を形成して燃焼を促進する。この場合、一般的に使用される流動材６としては、たとえば珪砂などの不活性粉粒体や、石灰石などの脱硫剤がある。
上述した循環流動層ボイラ１１において、流動材６や未燃灰等の粒子の挙動について注目すると、流動材６等の粒子は、循環流動層ボイラ１１内の中央部でガス流とともに上昇するが、水冷壁管３等で形成される炉壁１の近傍では、ほとんどが失速して炉壁１に沿って降下する。

本実施形態の耐火材５Ａは、ベンド部７の炉内側空間に上端面５ａを形成して炉内下方へ設けられるとともに、上端面５ａの炉内側端部が、ベンド部７の上方で炉壁１を形成するフィン４の炉内側面から垂下される鉛直線８より炉内中心側にある。
すなわち、図１において、耐火材５Ａの上端部側でかつ炉内側となる端面５ｂは、フィン４の炉内側となる面より炉内中心側に突出した位置にある。換言すれば、図１に示すフィン４の炉内側面から耐火材５Ａの端面５ｂまでの長さＬ１は、フィン４の炉内側となる面から水冷壁管３の炉内側端部までの長さＬ２より大（Ｌ１＞Ｌ２）となる。

この結果、下方から上方へ向かうガスの流れは、炉内中心側へ突出した耐火材５Ａの端面５ｂに沿って流れるため、乗り継ぎ部周辺では炉壁１から離間した上昇流となる。
従って、耐火材５Ａの乗り継ぎ部周辺では、ガス流に乗った流動材６が炉壁１から離れた位置を上昇していくので、炉壁１に対して流動材６が直撃することを防止または抑制できる。

また、上述した耐火材５Ａ及びベンド部７は、燃焼室２内を循環して上端面５ａに堆積する流動材６の安息角βがなす傾斜面６ａと、水冷壁管３の炉内側端面との接点Ａが、フィン４の炉内側面から垂下した鉛直線８よりも炉外側となるように設定されている。
すなわち、上述した接点Ａは、ベンド部７よりも上方に炉内側端面を形成する水冷壁管３の炉内側端部を基準として、炉外側となる位置にある。この結果、接点Ａの周辺では、耐火材５Ａの上端面に堆積する流動材６で覆うことができる炉壁面積を増し、流動材６の流れと接する炉壁１の露出部が減少する。従って、接点Ａ付近においては、上向きのガス流れと流動材６の下降流とが干渉して流れに乱れを生じた場合でも、上端面５ａに堆積した流動材６に保護されて、流動材６の流れによる局部的な摩耗を低減できる。

ところで、上述した耐火材５Ａの上端面５ａは、短時間で確実に安息角βの傾斜面６ａを形成するように、積極的に流動材６を堆積させることが望ましい。
このため、耐火材５Ａの上端面５ａは、たとえば水平面の他、水平面に１または複数の溝を設けた面や、炉壁１側が下がるように傾斜させて三角形断面の溝を形成した面のような溝状の断面形状とすればよい。

このように、上述した循環流動層ボイラ１１の火炉構造によれば、耐火材５Ａとの乗り継ぎ部で炉壁１をいったん炉外側へ膨出させたベンド部７を備えており、しかも、耐火材５Ａは、ベンド部７の炉内側空間に上端面５ａを形成して炉内下方へ設けられている。この耐火材５Ａは、さらに、上端面５ａの炉内側端部が、ベンド部７の上方で炉壁１を形成するフィン４の炉内側面から垂下される鉛直線８より炉内中心側にある。
このため、ガス及び流動材６の流れにとってベンド部７の壁面変化が特異点となるが、耐火材５Ａとの乗り継ぎ部近傍では、耐火材５Ａの上端面５ａに堆積する流動材６が炉壁１の露出面積を低減して最小限に抑え、かつ、炉内中心側へ突出した耐火材５Ａが炉壁１に対する流動材６の直撃を防止する。従って、ガスの上昇流と流動材の下降流との干渉が防止または抑制され、ベンド部７の近傍に生じていた流動材６による炉壁１の局所的な摩耗を確実に低減することができる。

また、上述した実施形態によれば、乗り継ぎ部の耐久性を上げるために金属溶射を実施する場合、堆積した流動材６を除去すれば金属溶射の施工が可能になるから、金属溶射膜のメンテナンスも容易である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 炉壁
２ 燃焼室
３ 水冷壁管
４ フィン
５Ａ 耐火材
５ａ 上端面
６ 流動材
６ａ 傾斜面
７ ベンド部
８ 鉛直線
１０ 循環流動層燃焼装置
１１ 流動層循環ボイラ
１１ａ 炉底

Claims (6)

1. 複数の水冷壁管をフィンにより連結してなる炉壁が燃焼室を区画し、前記炉壁の下部内面を覆って耐火材が設けられている循環流動層ボイラの火炉構造において、
   前記耐火材との乗り継ぎ部で前記炉壁をいったん炉外側へ膨出させたベンド部を備え、
   前記耐火材は、前記ベンド部の炉内側空間に上端面を形成して炉内下方へ設けられるとともに、前記上端面の炉内側端部が、前記ベンド部の上方で前記炉壁を形成する前記フィンの炉内側面から垂下される鉛直線より炉内中心側にあり、
   前記耐火材及び前記ベンド部は、前記燃焼室内を循環して前記上端面に堆積する流動材の安息角βがなす傾斜面と、前記水冷壁管の炉内側端面との接点が、前記フィンの炉内側面から垂下される鉛直線より炉外側となるように設定されていることを特徴とする循環流動層ボイラの火炉構造。
2. 前記上端面が前記ベンド部の上方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の循環流動層ボイラの火炉構造。
3. 前記上端面の炉内側端部を前記フィンの炉内側面から垂下される鉛直線より炉内側へ厚くしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の循環流動層ボイラの火炉構造。
4. 前記耐火材は、前記上端面の炉内側端面から前記フィンの炉内側面までの長さＬ１と、前記水冷壁管の炉内側端部から前記フィンの炉内側面までの長さＬ２とが、関係式Ｌ１＞Ｌ２となるように厚くすることを特徴とする請求項３に記載の循環流動層ボイラの火炉構造。
5. 前記耐火材は、前記炉内下方から前記上端部側へ傾斜部を介して厚くしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の循環流動層ボイラの火炉構造。
6. 前記上端面は、１または複数の溝を設けた水平面あるいは前記炉壁側が下がる傾斜面を備えた面であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の循環流動層ボイラの火炉構造。

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