JP6085570B2 - 流動層ボイラの層内伝熱管 - Google Patents
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Description
また、伝熱管をスタッドと耐火物で覆うことにより伝熱管の減肉を低減するようにした伝熱管の耐摩耗構造が特開平5−187789号公報(特許文献1)に開示されている。しかしながら、特許文献1に開示された構造は、伝熱管を耐火物で覆うことにより、熱伝達率が下がり、伝熱面積が多く必要になる。また、伝熱管と耐火物により径が太くなり伝熱管を配置しづらいという欠点がある。
一方、特開平7−217801号公報(特許文献2)では、伝熱管の摩耗による減肉を防止する方法として、プロテクタを取り付ける方法や肉盛りや溶射する方法が提案されているが、プロテクタを取り付けると伝熱が大幅に阻害されるという問題があり、また肉盛りや溶射はコストが高いという問題があった(段落〔0004〕参照)と記載して従来の減肉対策の問題点を指摘し、伝熱管自体を耐摩耗性に優れた高クロム鋼又はステンレス鋼とすることを提案している。しかしながら、特許文献2に記載された方法では、摩耗による減肉は防止できるが、摩耗と同時に溶融塩腐食を直接受ける環境においては、耐久性に劣るという問題点がある。
本発明によれば、流動媒体の熱は、プロテクタおよび充填層を介して水管に伝達され、水管内の流体が加熱される。水管とプロテクタとの間に介在する充填層を低い熱伝導率とすることにより、プロテクタと水管の間の熱伝達率を下げることができる。したがって、プロテクタ表面と水管表面の間の温度差を大きくすることができる。これにより、伝熱管の溶融塩腐食を抑えて減肉量が少なく、耐久性に優れた層内伝熱管とすることができる。
本発明によれば、充填層の熱伝導率が0.4〜1.4W/mKであるため、プロテクタと水管の間の熱伝達率を下げることができる。したがって、プロテクタ表面と水管表面の間の温度差を大きくすることができ、プロテクタの表面温度を450〜650℃の高温に保つことができる。
本発明によれば、充填層の空隙は低い熱伝導率を有した空気からなるため、プロテクタと水管の間の熱伝達率を下げることができる。この場合、熱伝達率を下げすぎると非効率になるので、プロテクタの表面温度が450〜650℃、好ましくは、480〜620℃になるように、充填層の充填材の材質、形状および厚さを適宜選定する。
本発明によれば、上記範囲の充填率を採用することにより、プロテクタが熱膨張した際、充填材の重力沈降によって充填層の表面(上面)とプロテクタの内面との間に形成される隙間、すなわち空気層の厚みを小さくし、水管への熱伝達を確保することができる。
本発明によれば、プロテクタをSUS304,SUS316,SUS310S等のステンレス鋼で構成することにより、溶融塩腐食による減肉を抑制することができる。
本発明によれば、プロテクタの外面に熱交換効率が優れたフィンを設けたため、流動媒体からプロテクタへの熱伝達率を高めることができる。したがって、経済的な熱伝達量を確保することができる。
本発明の好ましい態様によれば、前記フィンは螺旋状のフィンであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記フィンはピン形状のフィンであることを特徴とする。
本発明によれば、燃料のカロリー等に応じて、流動層に供給する流動化空気の空気量を調節することにより、流動層の温度を700〜900℃に制御する。そして、700〜900℃に維持された流動層の熱をプロテクタおよび充填層を介して水管に伝達し、水管内の飽和水を加熱する。水管とプロテクタとの間に介在する充填層により、プロテクタと水管の間の熱伝達率を下げることができる。したがって、プロテクタ表面と水管表面の間の温度差を大きくすることができ、プロテクタの表面温度を450〜650℃の高温に保つことができる。
本発明によれば、層内伝熱管が配置される流動層(移動層)の流動化条件をu0/umf=2.0〜4.0にすることにより、流動層(移動層)の流動化を活発にして流動媒体からプロテクタへの熱伝達率を高くすることができる。これにより、プロテクタと水管との間に充填層が介在した層内伝熱管であっても、総括熱伝達率および総熱通過量を肉盛の層内伝熱管と同程度に保つことができる。したがって、経済的な熱伝達量を確保することができる。
本発明によれば、燃料を燃焼する燃焼室と、熱回収をする熱回収室とが分離されているため、燃料中の不燃物が層内伝熱管に絡まる等のトラブルが生ずることがない。また、熱回収室における流動化空気の空気量を制御することにより、層内伝熱管の熱回収量を制御することができる。
(1)層内伝熱管を水管と充填材とプロテクタで構成し、水管とプロテクタとの間に介在する充填層を設置することにより、プロテクタと水管の間の熱伝達率を下げることができる。したがって、プロテクタ表面と水管表面の間の温度差を大きくすることができ、プロテクタの表面温度を450〜650℃の高温に保つことができる。これにより、伝熱管の溶融塩腐食を抑えて減肉量が少なく、耐久性に優れた層内伝熱管を提供できる。
(2)プロテクタをSUS304,SUS316,SUS310S等のステンレス鋼で構成することにより、溶融塩腐食による減肉を抑制することができる。
(3)層内伝熱管が配置される流動層(移動層)の流動化条件をu0/umf=2.0〜4.0にすることにより、流動層(移動層)の流動化を活発にして流動媒体からプロテクタへの熱伝達率を高くしている。これにより、プロテクタと水管との間に充填層が介在した層内伝熱管であっても、総括熱伝達率および総熱通過量を肉盛の層内伝熱管と同程度に保つことができる。したがって、経済的な熱伝達量を確保することができる。
(4)プロテクタの外面に熱交換効率が優れたフィンを設けたため、流動媒体からプロテクタへの熱伝達率を高めることができる。したがって、経済的な熱伝達量を確保することができる。
図1は、本発明に係る層内伝熱管を備えた流動層ボイラの一実施形態を示す模式的断面図である。図1に示すように、流動層ボイラ1は、略円筒形状又は略四角筒形状の炉本体2と、廃棄物やRDF等の燃料を燃焼させる流動層3と、流動層3を支える炉床底板4とを備え、流動層3内には層内伝熱管5が設置されている。流動層3内には、層内伝熱管5を埋めるように珪砂等の流動砂である流動媒体が充填されている。炉床底板4には、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出するための多数の散気ノズルが形成されている。
図3は、層内伝熱管5の模式的断面図である。図3に示すように、層内伝熱管5は、内部に流体(缶水)が流れる水管6と、水管6の外周側に設けられ水管6を保護するプロテクタ8と、水管6とプロテクタ8との間に設けられる充填層7とから構成されている。水管6は、厚さ4〜8mmのボイラ・熱交換器用鋼管、例えばSTB410Sから構成されており、水管6内を流れる流体(缶水)は2MPa〜12MPaの飽和水である。充填層7は、砂、ステンレス粉、酸化マグネシウム、鉄、アルミナ等の固体粒子の充填材を充填させたものであり、厚さ2〜4mmの円筒状に形成されている。充填層の熱伝導率は、例えば「粉体の反応、日刊工業新聞社、p.54−57」に示される計算により算出され、0.4〜1.4W/mKとなるようにしている。充填層の熱伝導率がこの範囲内で充填して使用できるものであれば、上記で列挙した以外の種類・材質の充填材を用いることができる。
充填材は、粉粒状が好ましい。また、充填材の充填率は0.5以上0.9以下が好ましく、より好ましくは0.6以上0.8以下である。ここで、水管6とプロテクタ8の間の空隙に充填材を充填する際の充填率とは、次式による。
充填率[−]=充填物が占める体積[m3]/水管外面とプロテクタ内面の空隙の体積[m3]
上記範囲の充填材の充填率を採用することによって、プロテクタが熱膨張した際、充填材の重力沈降によって充填層の表面(上面)とプロテクタの内面との間に形成される隙間、すなわち空気層の厚みを小さくし、水管への熱伝達を確保することができる。
本発明は、(1)〜(3)の構成を採用することにより、プロテクタ8の表面温度が450〜650℃、好ましくは480〜620℃の高温に保たれる。
従来の層内伝熱管は、水管の表面改質にステンレス材による3mmの肉盛を採用したものを用いている。図4Aに示すように、流動層の温度を800℃および缶水の温度を300℃とし、流動層に供給する流動化空気の空気量をu0/umf=1.5とした場合、流動媒体(砂)から肉盛への熱伝達率は210W/m2K、肉盛の表面温度は320℃、肉盛内面基準(水管外表面基準)で総括熱伝達率は222W/m2K、総熱通過量は111118W/m2である。なお、肉盛の表面温度と水管の表面温度との温度差は20℃である。
ちなみに水管外表面基準では総括熱伝達率は263W/m2K、総熱通過量は131586W/m2である。
図5は、層内伝熱管5の正面図である。図5においては、2本の層内伝熱管5が並列して配置された伝熱管群が示されている。層内伝熱管5は直管部と曲がり管部とを有し、直管部には多数のフィン9が設置されている。
図6は、層内伝熱管5の縦断面図である。図6に示す層内伝熱管5は、図3に示す層内伝熱管5と同様に、水管6、充填層7、プロテクタ8から構成されることに加えて、プロテクタ8の外周にフィン9を備えている。フィン9は、SUS304,SUS316,SUS310S等のステンレス鋼板からなり、プロテクタ8の外周面の上下に固定されている。
2 炉本体
3 流動層
4 炉床底板
5 層内伝熱管
6 水管
7 充填層
8 プロテクタ
9,34,35 フィン
11 流動層ボイラ
12 炉本体
13 仕切壁
14 燃焼室
15 熱回収室
17 不燃物排出口
18 開口部
20 流動床
21 移動層
22 流動層
23 流動床
30 炉床底板
31 炉床底板
32,32,33,33 空気箱
Claims (12)
- 流動層ボイラの流動層内に配置される層内伝熱管において、
前記層内伝熱管は、内部を流体が流れる水管と、前記水管の外周側に設けられ前記水管を保護するための円筒状のプロテクタと、前記水管と前記プロテクタの間に設けられる充填層とから構成され、
前記プロテクタはステンレス鋼からなり、前記充填層の熱伝導率を0.4〜1.4W/mKとし、前記充填層の熱伝導率を前記プロテクタの熱伝導率より低くすることを特徴とする流動層ボイラの層内伝熱管。 - 前記プロテクタの表面温度が450〜650℃に保たれることを特徴とする請求項1記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
- 前記充填層は、固体粒子の充填材を充填して形成されることを特徴とする請求項1記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
- 前記充填層は、固体粒子の充填材の充填率が0.5以上0.9以下であることを特徴とする請求項3記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
- 前記充填層の厚みは、2〜4mmであることを特徴とする請求項1記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
- 前記ステンレス鋼は、SUS304またはSUS316またはSUS310Sであることを特徴とする請求項1記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
- 前記プロテクタは、外面にフィンを備えることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
- 前記フィンは螺旋状のフィンであることを特徴とする請求項7記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
- 前記フィンはピン形状のフィンであることを特徴とする請求項7記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
- 燃料を流動層内で燃焼させ、燃焼熱を層内伝熱管で回収する流動層ボイラにおいて、
前記層内伝熱管は、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の層内伝熱管であり、
前記流動層の温度を700〜900℃に制御することを特徴とする流動層ボイラ。 - 前記流動層の層内伝熱管が設けられる部分の流動化空気の空気量をu0/umf=2.0〜4.0にしたことを特徴とする請求項10記載の流動層ボイラ。
- 前記流動層ボイラは、燃料を燃焼させるための燃焼室と、前記層内伝熱管が配置され燃焼熱を回収する熱回収室とを備え、熱回収室の流動化空気の空気量をu0/umf=2.0〜4.0にして流動媒体が前記燃焼室と前記熱回収室とを循環する内部循環流動層ボイラであることを特徴とする請求項10記載の流動層ボイラ。
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