JP5844021B1 - 流動層熱交換器 - Google Patents

Abstract

流動層ボイラ１２の流動層熱交換器１０であって、流動層ボイラに隣接した前壁１６と、前壁に向かい合った後壁１８と、２つの側壁６０、６０’とを有し、それぞれの壁が水管パネルとして形成されており、熱交換器はまた、流動層ボイラから熱交換器に高温の粒子を導入するための、熱交換器の上方部分の第１のセクションに配置された入口開口部２４と、粒子から熱を回収するための熱交換面３４と、冷却された粒子をオーバーフローとして熱交換器から流動層ボイラに戻すための、熱交換器の上方部分の第２のセクションに配置された出口開口部３６とを有し、また熱交換器はさらに、熱交換器の上方部分の第１のセクション３８と第２のセクション４０との間に隔壁２６を有し、隔壁は、前壁から熱交換器の中央セクションまで延び、また隔壁は、熱交換器の少なくとも１つの側壁６０、６０’から水管を曲げることによって形成される、流動層熱交換器１０。

Description

本発明は、流動層ボイラの流動層熱交換器に関する。本発明は特に、流動層ボイラに隣接した前壁と、前壁に向かい合った後壁と、２つの側壁とを有する流動層熱交換器であって、それぞれの壁が水管パネルとして形成されており、流動層熱交換器はまた、流動層ボイラから熱交換器に高温の粒子を導入するための、熱交換器の上方部分の第１のセクションに配置された入口開口部と、粒子から熱を回収するための、熱交換器内に配置された熱交換面と、冷却された粒子をオーバーフローとして熱交換器から流動層ボイラに戻すための、熱交換器の上方部分の第２のセクションに配置された出口開口部とを有し、また熱交換器がさらに、熱交換器の上方部分の第１のセクションと第２のセクションとの間に隔壁を有する、流動層熱交換器に関する。

通常、熱交換器を取り囲む前壁、後壁、及び側壁は、主として垂直であり、また一般に知られている「管・フィン・管」構造（ｔｕｂｅ−ｆｉｎ−ｔｕｂｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）を有する。それゆえ各壁の管は、通常水又は蒸気である伝熱流体を上部ヘッダ又は他の水管パネルへと上方に搬送するために、壁の下方に配置された水平下部ヘッダに接続される。典型的には、囲い壁の水管は、ドラム・ボイラにおける蒸発面や貫流ボイラにおける水予熱面として機能する。

流動層熱交換器は一般に、ボイラの炉から熱交換器に搬送される高温固体粒子から熱を回収するために、流動層ボイラで使用される。熱交換器での冷却後、冷却された粒子は、炉に戻される。流動層熱交換器は、循環流動層ボイラの熱循環系に接続され、或いは炉から直接に高温固体粒子を受け取る場合がある。また、高温固体粒子が熱循環系即ち流動層ボイラの粒子分離機から、及び直接に炉からも熱交換器に受け入れられることも、一般的である。

熱交換器の基本的な要件又は所望される特性には、熱交換器において十分な熱量を回収できること、回収される熱量を所望に応じて制御できること、熱交換器を問題なく連続して使用できること、及び、例えば環境への排出量が増加することにより熱交換器の運用がボイラでの処理に悪影響を与えることがないことが含まれる。

米国特許第７，２４０，６３９号は、回収熱の効率的な制御に特に有利な流動層熱交換器を含む循環流動層ボイラを開示している。この流動層熱交換器は、炉から直接に、また、ボイラの粒子分離機から、高温固体粒子を熱交換器の上部に導入するための、入口開口部を備える。粒子の一部は、熱交換面で冷却され、上昇チャネルを通じて熱交換器の底部から排出されて炉に戻る。他の粒子は、特に高負荷において、別の開口部及び排出チャネルを通じて、冷却されることなしにオーバーフローとして炉に排出されうる。この構成の欠点は、炉に隣接して上昇チャネルが存在することにより、熱交換器の重心がさらに炉から遠ざかる傾向があることであり、それにより熱交換器の支持がより困難になる。

米国特許第６，３３６，５００号は、熱交換器の傾斜上壁及び垂直後壁に隣接した入口チャネルを通じて高温粒子をボイラの粒子分離機から熱交換器の底部に導入するための入口開口部を有する流動層熱交換器を備えた循環流動層ボイラを、図３に示している。粒子は、熱交換器の熱交換面で冷却され、オーバーフローとして排出されて炉に戻る。この構成の欠点は、後壁に隣接して入口チャネルが存在することにより、熱交換器の重心がさらに炉から遠ざかる傾向があることである。

米国特許第５，５３３，４７１号は、ボイラの炉から熱交換器の上部に直接高温粒子を導入するための入口開口部を有する流動層熱交換器を備えた流動層ボイラを、図３に示している。粒子は、熱交換器の傾斜上壁に隣接して配置された傾斜隔壁によって形成された傾斜入口チャネルに沿って搬送される。粒子は、熱交換器の熱交換面で冷却された後、熱交換器の上部からオーバーフローとして排出されて炉に戻る。この構成の欠点は、入口チャネルが、入来粒子流に摩擦を生じさせ、また、熱交換器に導入することのできる粒子の最大量を制限しうることである。また、一部の状況では、入口チャネル及び出口チャネルが、熱交換器内に積もる又は生じる粗い粒子若しくは凝集粒子により、少なくとも部分的に閉塞する可能性がある。

上述した従来技術文献では、固体粒子は、熱交換器の前壁、上壁、又は後壁に隣接して形成されたチャネルに沿って、熱交換器へ又は熱交換器から搬送される。チャネルを形成する隔壁の構造は開示されていないが、一般的な技術によれば、隔壁は、非冷却耐火物構造又は耐火物被覆金属板構造として作られうる。しかし、構造の耐久性又は熱収支の観点から、一般には、冷却隔壁がより良好な解決法とされる。隣接壁に近接した冷却隔壁は、有利には、水管の一部を隣接壁から外に曲げ、隔壁に沿って隣接壁の水管に平行に延ばし、最後に隣接壁に戻るように曲げることによって構成されうる。炉壁の水管を曲げることによって排出チャネルを形成する実例が、米国特許第５，５２６，７７５号に示されている。しかし、そのような構成は、かなり複雑なものになる場合があり、また、隣接壁から水管を曲げて隔壁に沿わせることにより、隣接壁の水管の数が減り、それにより壁に害を及ぼす熱応力が生じるという欠点を有する場合がある。

固体粒子がチャネルに沿って熱交換器へ又は熱交換器から搬送される構成は、特に高負荷において、熱交換器に入ってゆく高温固体粒子の一部が熱交換器を通ることができずに熱交換器を迂回させられて冷却されずに炉に戻されるという状況を引き起こす場合がある。したがって、十分なエネルギーを回収するには、熱交換器及び熱交換面は、比較的低い温度まで粒子を冷却するために、熱交換器内での粒子の滞留時間を延ばすように比較的大きく作られなければならない。大きな熱交換器は広い空間を必要とし、また、支持をより困難にする。熱交換器内の比較的低い温度は、場合によっては不要な化学反応をもたらす可能性がある。特に、ＣＯ_２分圧が高い酸素燃焼では、低すぎる温度により熱交換器内でＣａＯの再炭酸化がもたらされる可能性がある。

米国特許第７，２４０，６３９号 米国特許第６，３３６，５００号 米国特許第５，５３３，４７１号 米国特許第５，５２６，７７５号

本発明の一つの目的は、上述の問題のうちの少なくとも幾つかが最小限に抑えられる、流動層ボイラの流動層熱交換器を提供することである。

一つの観点によれば、本発明は、流動層ボイラに隣接した前壁と、前壁に向かい合った後壁と、２つの側壁とを備える流動層ボイラの流動層熱交換器であって、それぞれの壁が水管パネルとして形成されており、流動層熱交換器がさらに、流動層ボイラから熱交換器に高温の粒子を導入するための、熱交換器の上方部分の第１のセクションに配置された入口開口部と、粒子から熱を回収するための、熱交換器内に配置された熱交換面と、冷却された粒子をオーバーフローとして熱交換器から流動層ボイラに戻すための、熱交換器の上方部分の第２のセクションに配置された出口開口部とを有し、また熱交換器がさらに、熱交換器の上方部分の第１のセクションと第２のセクションとの間に隔壁を有し、隔壁は、前壁から熱交換器の中央セクションまで延在し、また隔壁は、熱交換器の少なくとも１つの側壁から水管を曲げることによって形成される、流動層熱交換器に関する。

隔壁が熱交換器の中央セクションまで延在するという表現により、本明細書では、隔壁が、前壁及び後壁からほぼ等間隔である熱交換器の部分まで延在することが示される。したがって隔壁は、前壁又は後壁に隣接して配置されるのではなく、前壁から熱交換器の中央セクションに向けられる。隔壁は、熱交換器の全奥行き、即ち後壁と前壁との間の距離の好ましくは３０〜７０％、さらに好ましくは４０〜６０％だけ前壁及び後壁から離間した熱交換器の部分まで、前壁から延在する。本発明の利点は、隔壁が前壁からのみ熱交換器の中央セクションまで延在して、後壁付近までは延在しないので、入来粒子がそれらの流れに比較的広い断面積を有することである。したがって粒子の流路には、熱交換器への粒子流を制限するであろう狭窄が存在しない。

冷却された粒子をオーバーフローとして熱交換器からボイラに戻すという表現により、本明細書では、主たる流動層、即ち熱交換面が配置された流動層の上部から、直接に粒子が熱交換器から排出されることが示される。したがって熱交換器の出口は、粒子が熱交換器の底部から上方へ排出される上昇チャネルを有していない。有利には、熱交換器の流動層は分割されない。したがって、熱交換面が２つのセクションに配置される流動層の部分のうちの本質的な部分を分割する隔壁、例えば垂直隔壁は存在しない。

本明細書において、熱交換器の少なくとも１つの側壁から水管を曲げることにより隔壁が形成されるという表現は、熱交換器の少なくとも１つの側壁の対応する水管の延長である水管を隔壁が含むことを意味する。

熱交換器を通過する粒子流は、本構成の上記特徴を利用することにより、比較的高い粒子流量を可能とするように容易に設計することができるので、実際には、熱交換器において非常な低温まで粒子を冷却することなく、任意の所望の熱回収率を得ることができる。したがって熱交換器は比較的小さくすることができる。さらに、低水準の冷却により、特に酸素燃焼において、不要な化学反応の危険性が最小限に抑えられる。

熱交換器の中央セクションまで延在する隔壁を作ることにより、隔壁のための冷却手段を構成することが、熱交換器の後壁又は前壁に隣接する隔壁の場合よりも難しくなる。１つの可能性は、隔壁の下方端部に横向きヘッダを配置して、隔壁に沿って前壁へ流れる水を水管に提供することである。しかし、そのような構成では、水管を前壁からさらに延ばすことが比較的難しくなる。したがって本発明は、熱交換器の少なくとも１つの側壁から水管を曲げることにより隔壁が形成される解決法を提供する。

本発明の好ましい一実施例によれば、隔壁は、隔壁の中央セクションに向かって延在する第１の水平セクションとして、及び隔壁の中央セクションから前述の側壁に戻る第２の水平セクションとして、少なくとも１つの側壁から管を曲げることによって形成される。隔壁は好ましくは、隔壁の中央セクションに向かって延在する第１の水平セクションとして、及び中央セクションから側壁に戻る第２の水平セクションとして、２つの側壁のそれぞれから管を曲げることによって形成される。有利には、第１の水平セクションは、第２の水平セクションの下方に配置される。

隔壁は、熱交換器に導入された粒子をより後壁に近づけて炉からさらに遠ざけるように誘導するために、前壁から見て下向きに傾斜していることが好ましい。それにより、熱交換器の上面の任意の位置において熱交換器へ導入された粒子は、熱交換器の後部分へ誘導される。粒子は、前壁の出口開口部を通じて熱交換器から排出され、したがって粒子は熱交換器の流動層内で前壁に向かって水平に進む。流動層の流動化速度を変化させることにより、熱交換面周辺での粒子の運動及び熱交換器での熱回収率の効率的な制御が可能になる。したがってこの構成は、例えば過熱蒸気又は再熱蒸気の温度を制御するための効率的な手段を提供する。

本発明の好ましい一実施例によれば、熱交換面は、出口開口部の下縁の垂直レベルよりも下方に配置される。出口開口部の下縁は、熱交換器内に生じる流動層の上面の垂直レベルを画定するので、この構成は、使用時には熱交換面が常に流動層に埋め込まれるという利点を提供する。隔壁の下方端部は、好ましくは出口開口部の下縁とほぼ同じ垂直レベルに、さらに好ましくは出口開口部の下縁を僅かに下回る垂直レベルに位置する。これは、隔壁の下方端部が出口開口部の下縁よりも高いレベルに位置する場合では、粒子が熱交換面で冷却されることなしに流動層の表面上で入口から出口へ直接浮動する可能性があるので、有利である。隔壁の下方端部は、出口開口部の下縁の垂直レベルよりも好ましくは多くとも０．２ｍ、さらに好ましくは多くとも０．１ｍ下方に位置する。

本発明の好ましい一実施例によれば、熱交換器の下方に風箱（ウィンドボックス）が配置され、この風箱は、大部分が隔壁の下方に位置する第１のセクションと、大部分が隔壁の下方には位置しない第２のセクションとに分割される。したがって、風箱の第１のセクション及び第２のセクションの上方にある流動層の各部分は、それぞれ流動層の出口側及び入口側と呼ぶことができる。分割された風箱は、流動層の入口側及び出口側で異なる流動速度を有することを可能とする。流動層での粒子の循環を促進するために、流動層の入口側よりも流動層の出口側で僅かに高い流動化速度が使用されることが好ましい。酸素燃焼では、第１及び第２の風箱セクションを通じて異なる酸素含有量の流動化ガスを導入させることが可能になる。また、特に大型の流動層熱交換器において、第１及び第２の風箱セクションのうちの少なくとも１つを、２つのセクションに、さらには２つよりも多くのセクションに、さらに分割することが可能になる。

上記の簡単な説明、並びに本発明のさらなる目的、特徴、及び利点は、本発明による目下好ましいが例示的な実施例に関する以下の詳細な説明を添付の図面と併せて参照することにより、さらに詳細に理解されるであろう。

本発明の一実施例による熱交換器の垂直断面概略図である。 本発明の一実施例による熱交換器の隔壁を形成する側壁管の垂直断面概略図である。

図１は、流動層ボイラの炉１２に接続された熱交換器１０を概略的に示す。熱交換器は、前壁１６、後壁１８、及び２つの側壁によって囲まれている。粒子が、前壁にある開口部２０を通じて熱交換器に導入されて、粒子分離機（図示せず）からの粒子を戻すチャネル２２の下方端部を通過する。したがって、前壁１６にある開口部２０、及びチャネル２２の下方端部は一般に、熱交換器の入口開口部２４を形成するものであると言える。或いは、本発明の他の実施例では、熱交換器の入口開口部は、例えば、前壁にある１つ若しくは複数の開口部だけで、又は粒子分離機からの粒子を戻す１つ若しくは複数のチャネルの下方端部だけで形成されうる。本発明によれば、入口開口部２４を介して熱交換器に導入される粒子のうちの少なくとも一部は、傾斜した隔壁２６により、熱交換器１０の前壁側から熱交換器の後壁側の方へ誘導される。

風箱３０及びノズル３２を通じて熱交換器に導入された流動化ガスによって流動化された粒子の層２８が、熱交換器１０の下方部分に生じる。粒子から熱を回収するために、熱交換面３４が熱交換器の下方部分に配置される。熱交換面での冷却後、粒子は、前壁１６にある出口開口部３６を通じて、熱交換器１０からオーバーフローとして排出されて炉１２に戻される。

流動層２８の高さは出口開口部３６の下縁の垂直レベルによって画定されるので、出口開口部は、熱交換器１０の上方部分に配置される。したがって隔壁２６は、熱交換器１０の上方部分を、入口開口部２４を含む第１のセクション３８と、出口開口部３６を含む第２のセクション４０とに分割する。

流動層２８の上部に落下する粒子によって熱交換面３４が摩滅するのを防ぐために、熱交換面３４は、有利には、出口開口部３６の下縁４２の垂直レベルよりも下方に配置される。本発明の好ましい一実施例によれば、隔壁２６は、出口開口部３６の下縁４２とほぼ同じ垂直レベルに位置する下方端部４４を有する。隔壁２６の下方端部４４は、出口開口部３６の下縁４２の垂直レベルから０．２ｍの範囲内に位置することが好ましく、さらには０．１ｍの範囲内に位置することが好ましい。粒子が流動層２８の表面上で流動層の後側から出口開口部３６まで直接浮動するのを防ぐために、隔壁２６の下方端部４４は有利には、出口開口部３６の下縁４２の垂直レベルを僅かに下回る垂直レベルに位置する。

隔壁２６は、有利には、水平面から約４５度の角度、好ましくは３０度から６０度の間の角度、さらに好ましくは４０度から５０度の間の角度で、前壁１６から熱交換器の中央セクションへ下向きに延在する。隔壁２６の下方端部４４は有利には、前壁１６及び後壁１８から同じくらい離れている。隔壁の下方端部４４は、水平断面において、好ましくは後壁１８と前壁１６との間の距離の３０〜７０％、さらに好ましくは４０〜６０％だけ、前壁１６から離間される。

熱交換器１０の前壁１６は、炉１２と共通の壁であることが好ましい。前壁１６は、図１では炉１２の下方セクションの形状のために傾斜しているが、他の実施例では、例えば垂直でありうる。したがって、前壁１６は、下部ヘッダ４８から上部ヘッダ（図１には図示せず）へ水を導く主に垂直の複数の水管４６の水管パネルとして、即ち、管・フィン・管構造として形成される。熱交換器１０の入口開口部２４及び出口開口部３６は、水管パネルから数本の水管４６’を外に曲げることによって前壁１６に形成されることが好ましい。出口開口部３６は、熱交換器１０からの粒子を誘導するため、また、粒子が出口開口部３６を通って炉１２から熱交換器に入るのを防ぐために、シュート状構造５０を備えていてもよい。

熱交換器１０の側壁は、下部ヘッダ５２から上部ヘッダ（図示せず）へ水を導く主に垂直の複数の水管の水管パネルとして、即ち、管・フィン・管構造として形成されることが好ましい。隔壁２６は、耐火物の層５６によって覆われた水管５４で形成されることが好ましい。本発明の好ましい一実施例によれば、隔壁２６は、熱交換器の少なくとも１つの側壁、好ましくは２つの側壁から水管を曲げることによって形成される。したがって、側壁の形成は、前壁１６における水管の配置を弱体化又は複雑化するものではない。

本発明の好ましい一実施例によれば、熱交換器１０の下方の風箱３０は、大部分が隔壁２６の下方には位置しない第１のセクション３０と、大部分が隔壁２６の下方に位置する第２のセクション３０’とに分割される。

熱交換器の側壁から水管を曲げることによって隔壁２６を形成する例示的な方法が、図２に示されている。したがって、図２は、側壁６０、６０’の下部ヘッダ５２、５２’及び垂直水管５８、５８’を垂直断面図で示す。水管５８、５８’は、垂直レベルＬ１において、第１の水平セクション６２、６２’を形成するために隔壁２６の中央セクション６４に向かって曲げられる。水管は、中央セクション６４において、中央セクション６４から側壁６０、６０’に戻る第２の水平セクション６６、６６’を形成するために曲げ返される。水管５４として図１に示される第１及び第２の水平セクション６２、６２’、６６、６６’は、隔壁２６において耐火物層５６によって覆われる。有利には、各水管の第１の水平セクション６２、６２’は、同一の管の第２の水平セクション６６、６６’の直下に位置する。水管は、側壁６０、６０’において、垂直の水管として続くように上方に再度曲げられる。

本明細書において、本発明は、実例として目下最も好ましいと考えられる実施例に関連して説明されたが、本発明は、開示された実施例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれる本発明の特徴及び他の幾つかの応用の様々な組合せ又は変更を含むように意図されていることが、理解されるべきである。

Claims (11)

1. 流動層ボイラ（１２）の流動層熱交換器（１０）であって、
   前記流動層ボイラに隣接した前壁（１６）、前記前壁に向かい合った後壁（１８）、及び２つの側壁（６０、６０’）であって、それぞれ水管パネルとして形成された前壁、後壁、及び側壁と、
   前記流動層ボイラから前記熱交換器に高温の粒子を導入するための、前記熱交換器の上方部分の第１のセクションに配置された入口開口部（２４）と、
   前記粒子から熱を回収するための熱交換面（３４）と、
   冷却された粒子をオーバーフローとして前記熱交換器から前記流動層ボイラに戻すための、前記熱交換器の前記上方部分の第２のセクションに配置された出口開口部（３６）と
   を有し、さらに
   前記熱交換器の前記上方部分の前記第１のセクション（３８）と前記第２のセクション（４０）との間に隔壁（２６）を有している流動層熱交換器（１０）において、
   前記隔壁は前記前壁から前記熱交換器の中央セクションまで延び、また前記隔壁は、前記隔壁の中央セクション（６４）に向かって延びる第１の水平セクション（６２、６２’）として、及び前記隔壁の前記中央セクションから前記側壁に戻る第２の水平セクション（６６、６６’）として、前記熱交換器の少なくとも１つの側壁（６０、６０’）から水管を曲げることによって形成されることを特徴とする流動層熱交換器（１０）。
2. 前記隔壁（２６）が、前記前壁（１６）及び前記後壁（１８）からほぼ等間隔である前記熱交換器の部分まで延びていることを特徴とする請求項１に記載の流動層熱交換器。
3. 前記隔壁（２６）が、前記前壁と前記後壁との間の距離の３０〜７０％、好ましくは４０〜６０％だけ前記前壁（１６）及び前記後壁（１８）から離間した前記熱交換器の部分まで前記前壁（１６）から延びていることを特徴とする請求項１に記載の流動層熱交換器。
4. 前記隔壁（２６）が、前記熱交換器に導入された粒子を前記炉からさらに離れる方向に誘導するように下向きに傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の流動層熱交換器。
5. 前記隔壁（２６）が、前記隔壁の中央セクション（６４）に向かって延びる第１の水平セクション（６２、６２’）として、及び前記隔壁の前記中央セクションから前記側壁に戻る第２の水平セクション（６６、６６’）として、前記熱交換器の前記２つの側壁（６０、６０’）のそれぞれから水管を曲げることによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の流動層熱交換器。
6. 前記第１の水平セクション（６２、６２’）が、前記第２の水平セクション（６６、６６’）の直下に位置することを特徴とする請求項１及び５のいずれかに記載の流動層熱交換器。
7. 前記隔壁が、前記出口開口部（３６）の下縁（４２）とほぼ同じ垂直レベルに下方端部（４４）を有することを特徴とする請求項１に記載の流動層熱交換器。
8. 前記隔壁（２６）が、前記出口開口部（３６）の下縁（４２）の垂直レベルから０．２ｍの範囲内、好ましくは０．１ｍの範囲内の垂直レベルに下方端部（４４）を有することを特徴とする請求項７に記載の流動層熱交換器。
9. 前記隔壁（２６）が、前記出口開口部（３６）の下縁（４２）の垂直レベルよりも下方に下方端部（４４）を有することを特徴とする請求項１に記載の流動層熱交換器。
10. 前記熱交換面（３４）が、前記出口開口部（３６）の下縁（４２）の垂直レベルよりも下方に配置されることを特徴とする請求項１に記載の流動層熱交換器。
11. 前記熱交換器（１０）の下方に風箱が配置され、前記風箱は、大部分が前記隔壁（２６）の下方には位置しない第１のセクション（３０）と、大部分が前記隔壁（２６）の下方に位置する第２のセクション（３０’）とに分割されることを特徴とする請求項１に記載の流動層熱交換器。

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