JP6258102B2 - 流動層式燃焼設備および流動層燃焼炉への流動媒体の供給方法 - Google Patents

流動層式燃焼設備および流動層燃焼炉への流動媒体の供給方法 Download PDF

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Description

本発明は、流動媒体を流動させながら燃料を燃焼する流動層燃焼炉を備えた流動層式燃焼設備および流動層燃焼炉への流動媒体の供給方法に関する。
このような分野の技術として、流動層燃料炉を備え、流動媒体として珪砂などの砂を炉内に導入し、流動媒体を循環させながら燃料を燃焼させる流動層式燃焼設備が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の技術では、例えば、粒度調整された流動媒体を炉内に導入することで、炉内における流動媒体の流動性を向上させている。
特開2011−122800号公報
従来の流動層式燃焼設備では、例えば空気などの搬送用流体を用いて流動媒体を搬送し、燃焼炉内に流動媒体を供給している。従来技術では設計時に見込んだ条件(紛体性状、外気条件、輸送距離、など)と実運用時の実態との違いを考慮し裕度をもった輸送能力としていた。しかしながら、粉粒体性状ごとに必要な輸送流速は異なり、設計した流速のまま運転を継続していると、本当に必要な流速(最適流速)と運用流速との差分、配管の摩耗速度が速くなり、設計時に見込んでいた寿命よりも短い配管寿命となっていた。
本発明は、流動媒体を供給するための供給配管の損傷の進行を抑制することが可能な流動層式燃焼設備および流動層燃焼炉への流動媒体の供給方法を提供することを目的とする。
本発明の流動層式燃焼設備は、流動媒体を流動させながら燃料を燃焼する流動層燃焼炉と、流動層燃焼炉に流動媒体を供給する供給部と、を備えた流動層式燃焼設備において、供給部は、流動媒体を輸送する気体を送風する送風部と、気体の流速を調整する流速調整部と、を備えている。
この流動層式燃焼設備では、流動層燃焼炉に流動媒体を供給する供給部において、流動媒体を輸送する気体の流速を調整することができるので、流動媒体が流れる配管の損傷を抑制することができる。例えば、気体の流速を低下させることで、配管の損傷の進行を抑制することができる。
また、流速調整部は、流速調整弁を有し、供給部は、送風部から送風された気体の一部を流速調整弁の上流側から排出する排出部を更に有するこの構成の流動層式燃焼設備では、流速調整弁の上流側で、送風部によって送風された気体の一部を排出することができ、流速調整弁の上流側において圧力上昇を抑制することができる。これにより、密閉構造を有する送風部を採用することができ、一定の流量で送風を継続しても、流速調整弁によって流速を低下させることができ、その際の余剰の気体を流速調整弁の上流側から排出することができる。その結果、流速調整弁の上流側の圧力上昇を抑えて、送風部の信頼性の低下を抑制することができる。
排出部は、流速調整弁の上流側の圧力を調整する圧力調整部を更に備えてい。これにより、排出部から気体の一部を排出することができると共に、圧力調整部によって流速調整弁の上流側の圧力を調整することができ、流速調整弁の上流側で圧力の低下を抑制して、流動媒体の輸送を好適に行いつつ、配管の損傷を抑制することができる。また、供給部は、流動媒体を貯留する流動媒体貯留部と、流動媒体貯留部に貯留された流動媒体を流動層燃焼炉に供給する流動媒体供給配管と、送風部と流動媒体供給配管とを接続する連絡配管と、を備え、流速調整弁は、連絡配管に設けられている構成でもよい。また、流速調整弁の下流側には、気体の流速を計測する流速検出部が設けられていてもよい。
本発明の流動層燃焼炉への流動媒体の供給方法は、流動媒体を流動させながら燃料を燃焼する流動層燃焼炉に流動媒体を供給する供給方法において、流動媒体を輸送する気体の流速を、流速調整弁を用いて調整する工程と、送風部から送風された気体の一部を流速調整弁の上流側から排出する工程と、流速調整弁の上流側の圧力を調整する工程と、を備えている。
この流動媒体の供給方法では、流動媒体を輸送する気体の流速を調整することができるので、気体の流速を調整して、流動媒体が流れる配管の損傷を抑制することができる。気体の流速を低下させることで、配管の損傷の進行を抑制することができる。
本発明の流動層式燃焼設備および流動層燃焼炉への流動媒体の供給方法によれば、流動媒体を供給するための供給配管の損傷の進行を抑制することができる。
本発明の一実施形態の流動層式燃焼設備の概略図である。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図1に示されるように、流動層式燃焼設備1は、循環流動層ボイラ(流動層燃焼炉)2と、流動媒体供給装置3と、排ガス処理装置4と、を備えている。循環流動層ボイラ2で使用される燃料としては、石炭のほか、バイオマス、プラスチック、タイヤ、汚泥、RFP(Refuse paper&Plastic Fuel;プラスチック系固体燃料)、RDF(Refuse Derived;ごみ固形燃料)、TDF(Tire Derived Fuel;廃タイヤ系固体燃料)、ペーパースラッジなどの幅広い燃料を使用することができる。その他の可燃物を燃料として、流動層燃焼炉内で燃焼させることもできる。
循環流動層ボイラ2は、流動層を形成し燃料を燃焼させる火炉21を有する。火炉21の側部には燃料を投入するための燃料投入口(不図示)が設けられている。火炉21では、例えば、石炭を供給するための燃料投入口と、バイオマスを供給するための燃料投入口とが設けられている。また、火炉21には、流動媒体を供給するための流動媒体供給口21aが設けられている。火炉21に流動媒体を供給する流動媒体供給装置3は、流動媒体供給口21aを通じて火炉21内に流動媒体を供給する。
火炉21の上部には燃料で発生する排ガスを排出するガス出口21bが形成され、ガス出口21bにはサイクロン22が接続されている。サイクロン22は、セパレータ、サイクロン分級装置、あるいはサイクロン分離器などと呼ばれ、固気分離装置として機能する。サイクロン22の入口22aは上記のガス出口21bに接続され、サイクロン22の排出口22bはバックパス24を介して後段の排ガス処理装置4に接続されている。また、サイクロン22の底部出口からはダウンカマーと称されるリターンライン23が下方に延びており、リターンライン23の下端は火炉21の下部側面に接続されている。
また、火炉21の底部には複数の開口が設けられ、この複数の開口を通じて火炉21内に空気が供給される。火炉21内では、底部から供給された空気によって、石炭、バイオマス及び流動媒体が流動して流動層を形成し、燃料が燃焼する。
サイクロン22には、火炉21で発生した排ガスが流動媒体を同伴しながら導入される。サイクロン22の内部では、排ガスの旋回流が形成され、この旋回流による遠心分離作用によって流動媒体と気体とが分離される。分離された流動媒体は、サイクロン22の底部から排出され、リターンライン23内を上から下へ流れ、リターンライン23を通過した流動媒体は火炉21の底部に戻される。これにより、流動媒体は、火炉21、サイクロン22及びリターンライン23を循環する。サイクロン22で流動媒体が取り除かれた排ガスは、排出口22bを通り後段のバックパス24に導入されて、排ガス処理装置4に導入される。
バックパス24は、排ガスを流通させるダクトである。バックパス24には、排ガスの熱を回収するための熱回収部25が設けられている。熱回収部25は、バックパス24の内部に導入されて排ガス流路を横切るように配置された伝熱管を有する。バックパス24内を流れる排ガスの熱は、伝熱管内を流れる流体(例えばボイラ給水)に伝熱されて回収される。
排ガスは、バックパス24内を上から下に流れ、バックパス24の底部から排出されて、排ガス処理装置4に導入される。排ガス処理装置4は、排ガスに同伴する飛灰等の微粒子を除去する共に、排ガスに対して脱硫処理を行う。排ガス処理装置4で処理された排ガスは、例えば煙突26から大気に放出される。
また、火炉21には炉壁管が形成されている。炉壁管はボイラ水を流通させるボイラーチューブと、ボイラーチューブから張り出し隣接するボイラーチューブ同士を接続するフィンとを有する。ボイラー給水は、ボイラーチューブ内を流れ、火炉21内の燃焼による熱が伝熱されて加熱され、水蒸気を発生させる。火炉21内で流動する流動媒体は、燃焼で発生した熱を炉壁管に伝達する熱伝達媒体として機能する。加熱により生じた水蒸気は、発電用タービンに供給されて発電に利用される。
流動媒体供給装置3は、火炉21に流動媒体を供給する供給部として機能する。流動媒体供給装置3は、流動媒体貯留部31と、送風部32と、流動媒体移送部33と、流速調整部34と、を備えている。
流動媒体貯留部31は、流動媒体を貯留する貯留槽であるホッパーを有する。ホッパーの底部には、流動媒体を流通させる配管L31が接続され、この配管L31が流動媒体移送部33に接続されている。ホッパー内に貯留された流動媒体は、ホッパー底部から抜き出られて、配管を通り流動媒体移送部33に導入される。
送風部32は、流動媒体を輸送するための輸送用気体を送風する。送風部32は、例えば空気を圧縮するブロワである。送風部32は、大気圧の空気を例えば50kPaまで昇圧する。送風部32の吐出口32aには、連絡配管L32が接続され、この連絡配管L32は流動媒体移送部33に接続されている。
流動媒体移送部33は、火炉21に接続された配管である流動媒体供給配管L33を有する。流動媒体供給配管L33は、配管L31及び連絡配管L32と接続されている。送風部32から送風された圧縮空気は、連絡配管L32及び流動媒体供給配管L33を通り、火炉21内に流入する。流動媒体貯留部31に通じる配管L31は、連絡配管L32の下流側に接続されている。連絡配管L32と配管L31との合流部P31から下流側の配管を流動媒体供給配管L33とする。
送風部32から吐出された圧縮空気は、連絡配管L32を通り、合流部P31を通過して、流動媒体供給配管L33を通り火炉21内に流入する。一方、流動媒体貯留部31から抜き出された流動媒体は、配管L31内を落下し、合流部P31から流動媒体供給配管L33内に導入され、圧縮空気によって輸送されて、火炉21内に供給される。
ここで、流動媒体供給装置3は、輸送用気体の流速を調整する流速調整部34として、流速調整弁34aを備えている。流速調整弁34aは、図示しない弁体を備え、弁体を駆動して弁開度を調整して流路の断面積を変更する。これにより、流速調整弁34aの下流側の輸送用気体の流量を調整して流速を調整する。
流速調整弁34aは、連絡配管L32の下流側に設けられ、合流部P31よりも上流側に配置されている。流速調整弁34aは、合流部P31の下流側であり、流動媒体供給配管L33に設けられているものでもよい。
また、流速調整弁34aの下流側の連絡配管L32には、輸送用気体の流速を計測するための流速検出部35が設けられている。流速検出部35としては例えばオリフィスを用いることができ、オリフィスを用いて差圧を検出して、流速を算出してもよい。その他の流速計を流速検出部35として使用してもよい。
また、流動媒体供給装置3は、送風部32から送風された輸送用気体の一部を流速調整弁34aの上流側から外部に排出する排出部36を更に備えている。排出部36は、連絡配管L32に接続された逃がし配管L34を有する。逃がし配管L34は、流速調整弁34aの上流側において、連絡配管L32から分岐された配管であり、連絡配管L32から輸送用気体の一部を大気中に放出する。
また、排出部36は、流速調整弁34aの上流側の輸送用気体の圧力を調整する圧力調整部37として、逃がし配管L34に設けられた圧力調整弁37aを有する。圧力調整弁37aは図示しない弁体を備え、弁体を駆動して弁開度を調整して流路の断面積を変更する。これにより、圧力調整弁37aを通過して大気放出される輸送用気体の流量を調整し、圧力調整弁37aの上流側の輸送用気体の圧力を好適に維持する。圧力調整弁37aが設けられていない場合には、流速調整弁34aによって弁開度を調整しても、上流側の輸送用気体が、逃がし配管L34を通じて、大気に放出されてしまい、流速調整弁34aの下流側に輸送用気体が流入せず、流動媒体を輸送することができなくなる。
次に、流動層式燃焼設備1の作用について説明する。
火炉21内には、燃料である石炭及びバイオマスが導入される。また、その他の可燃性の廃棄物を燃料として火炉21内に導入してもよい。火炉21内には、流動媒体が収容されており、火炉21に導入された燃料及び流動媒体は、火炉21の底部から導入された空気によって吹き上がられ流動しながら燃焼する。燃焼によって発生した排ガス及びこの排ガスに同伴する流動媒体は、火炉21の上部のガス出口21bからサイクロン22に導入される。
サイクロン22は、排ガスから流動媒体を分離する。流動媒体が取り除かれた排ガスは、排出口22bを通りバックパス24に流入して、熱回収部25で排熱が回収されて、排ガス処理装置4に流入する。排ガス処理装置4に流入した排ガスは、飛灰などの微粒子が除去されると共に脱硫処理が行われ、煙突26を通じて大気放出される。
一方、サイクロン22で分離された流動媒体は、リターンライン23を通り、火炉21の下部に戻される。
また、火炉21内の流動媒体は、燃焼によって加熱され、火炉21の炉壁管に熱を伝達する。炉壁管の内部を流れるボイラー給水は、加熱されて水蒸気を発生させる。発生した水蒸気は、例えば発電用タービンに供給されて発電に利用される。
流動媒体は、流動層式燃焼設備1の稼働前に、流動媒体供給装置3によって火炉21内に供給されている。また、流動媒体供給装置3は、火炉21の稼働中に流動媒体を火炉21内に供給してもよい。
次に、火炉21への流動媒体の供給方法について説明する。火炉21への流動媒体の供給は、流動媒体供給装置3を使用して行われる。
まず、流動媒体の供給方法では、送風部32によって空気を昇圧し、昇圧された空気である圧縮空気を連絡配管L32に供給する。連絡配管L32内を流れる圧縮空気は、流速調整弁34aを通過して、流動媒体供給配管L33に流入する。送風部32による吐出流量は、例えば一定のままに維持する。
流動媒体貯留部31には流動媒体が貯留されている。流動媒体の供給方法では、流動媒体貯留部31に貯留された流動媒体を、流動媒体貯留部31の底部から抜き出し、配管L31内を落下させて、合流部P31から流動媒体供給配管L33内に流入させる。流動媒体供給配管L33内に流入した流動媒体は、圧縮空気によって流されて流動媒体供給口21aを通過して、火炉21内に導入される。
ここで、流動媒体の供給方法は、流動媒体を輸送する気体の流速を調整する工程を含んでいる。この流動媒体の供給方法では、流速調整弁34aで弁開度を調整することで、流動媒体を輸送する気体の流速を調整している。流速調整弁34aで弁開度を大きくすることで、内部を流れる空気の流量を増やして流速を上昇させ、流速調整弁34aで弁開度を小さくすることで、内部を流れる空気の流量を減らして流速を低下させる。
また、流速検出部35で検出された流速に基づいて、流速調整弁34aを制御して、輸送用の空気の流速を調整することができる。流動媒体が流れる配管の摩耗損傷の進行の程度を抑制したい場合には、空気の流速を低下させる。
また、流動媒体の供給方法では、連絡配管L32を流れる輸送用の空気の一部を、流速調整弁34aの上流側で、逃がし配管L34に流入させて、流動層式燃焼設備1の外部に放出させる。このとき、逃がし配管L34に設けられた圧力調整弁37aの弁開度を調整して、流速調整弁34aより上流側の連絡配管L32内の圧力を調整する。圧力調整弁37aの弁開度を大きくすることで、流速調整弁34aの上流側の連絡配管L32内の圧力を低下させ、圧力調整弁37aの弁開度を小さくすることで、流速調整弁34aの上流側の連絡配管L32内の圧力を上昇させる。これにより、逃がし配管L34内を通って排出される空気の流量を調整する共に、流速調整弁34aの上流側の圧力を調整することができ、送風部32の吐出流量を一定としつつ、流速調整弁34aを通過する空気の流量を適正に調整して、流動媒体を好適に輸送して火炉21内に供給することができる。
このような流動層式燃焼設備1及び流動媒体の供給方法によれば、輸送用の空気の流速を調整することができるので、流動媒体が流れる流動媒体供給配管L33の摩耗損傷を抑制することができる。輸送用の空気の流速を低下させることで、流動媒体を流通させる配管の摩耗損傷の進行を抑制することができる。これにより、配管の寿命を延長することができ、配管の取替え頻度を抑えることができる。
また、流動媒体供給装置3では、送風部32から送風された輸送用の空気の一部を流速調整弁34aの上流側から流動媒体供給装置3の外部に排出することができるので、流速調整弁34aの上流側において圧力上昇を抑制することができる。これにより、密閉構造を有する送風部32を採用することができ、この送風部32による吐出流量を一定としても、流速調整弁34aによって流速を低下させることができ、その際の余剰の空気を流速調整弁34aの上流側から流動媒体供給装置3の外部に排出することができる。その結果、流速調整弁34aの上流側の圧力上昇を抑えて、送風部32の信頼性の低下を抑制することができる。
本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。
上記実施形態では、流動媒体を輸送する気体を空気としているが、その他の気体を送風することで、流動媒体を輸送してもよい。
また、上記の実施形態では送風部としてブロアを使用しているが、例えば、コンプレッサーなどその他の送風部でもよい。また、圧縮された気体が貯留されているボンベ(貯留容器)を連絡配管L32に接続し、ボンベから気体を送風してもよい。
上記実施形態では、流速調整弁34aを用いて、流動媒体供給配管L33を流れる輸送用の空気の流速を調整しているが、その他の方法により、輸送用の気体の流速を調整してもよい。例えば、送風部からの吐出流量を調節することで、輸送用の気体の流速を調整する送風部を備える構成でもよい。この場合は、送風部が気体の流速を調整する流速調整部を備えている。このような送風部を備える構成であっても、上記の実施形態と同様の作用効果を奏し、気体の流速を調整して、流動媒体が流れる配管の損傷を抑えることができる。さらに、送風部とは別に流速調整部を設ける必要がなくなる。
また、逃がし配管L34から排出される輸送用の気体の流量を調整する流速調整部を備えることで、流動媒体供給配管L33内の流速を上昇させたり、低下させたりしてもよい。このような流量調整部を備える場合でも、上記の実施形態と同様の作用効果を奏し、気体の流速を調整して、流動媒体が流れる配管の損傷を抑えることができ、送風部からの吐出流量を一定のままとして、流動媒体供給配管L33内の流速を調整することができる。
また、送風部において、輸送用の気体を吐出する回転機(ブロア、コンプレッサーなどの流体機械)の回転数を制御することで、吐出流量を調整する流量調整部を備え、輸送用の気体の流速を調整することもできる。回転機の回転数を上昇させることで、流速を上昇させ、回転機の回転数を低下させることで、流速を低下させてもよい。この場合には、回転機の回転数を制御する制御部(インバータ制御部)が、流量調整部となる。このような構成でも、上記の実施形態と同様の作用効果を奏し、気体の流速を調整することができ、流動媒体が流れる配管の損傷を抑えることができる。さらに、送風部とは別に流速調整部を設ける必要がなくなる。
また、流動媒体供給装置3は、排出部36として逃がし配管L34を備えているが、排出部36は連絡配管L32に設けられた開口部でもよい。この開口部から輸送用の気体を排出してもよい。この場合には、逃がし配管L34を設ける必要がなく、建設コストを抑制することができる。また、排出部36は、輸送用の気体を大気に放出しているが、昇圧された気体をその他の用途に用いることができる。例えば、流動媒体以外のその他の粉粒体の輸送に、排出部36から排出された気体を用いてもよい。これにより、送風部から吐出された輸送用気体を大気放出することなく有効利用することができる。また、流動媒体供給装置3は、排出部36を備えていない構成でもよい。これにより、上述したように、建設コストを抑制することができる。
また、上記実施形態では、循環流動層ボイラ2で発生した水蒸気を発電用のタービンに供給しているが、循環流動層ボイラ2で発生した水蒸気は、その他の回転機の駆動源として利用してもよく、その他の熱源として利用してもよく、水蒸気の用途は限定されない。
また、流動層燃焼炉は、循環流動層ボイラ2の火炉21に限定されず、流動媒体が循環しない流動層ボイラの火炉でもよく、ボイラを備えていない流動層燃焼炉でもよく、その他の焼却設備の流動層燃焼炉でもよい。
また、上記実施形態では、流動媒体として砂を採用しているが、流動媒体供給装置3で火炉21内に供給される流動媒体は、砂に限定されず、その他の粉粒体でもよい。例えば、火炉21から抜き出されたボトムアッシュ(炉底灰)を、流動媒体として火炉21に供給してもよい。また、砂とボトムアッシュとの混合物を、流動媒体供給装置3を用いて火炉21内に供給してもよい。このような構成によれば、ボトムアッシュの抜き出し量を調整することで、火炉21の温度及び圧力を調整することができる。また、流動媒体と共に、触媒、可燃物などの粉粒体を、流動媒体供給装置3を用いて、流動層燃焼炉に供給してもよい。このような構成によれば、触媒を火炉に投入するための触媒投入口や、可燃物を火炉に投入するための可燃物投入口を、流動媒体供給口と別に設ける必要がなく、共通の供給口とすることができる。これにより、建設コストを抑えることができる。
1…流動層式燃焼設備、2…循環流動層ボイラ、3…流動媒体供給装置(供給部)、4…排ガス処理装置、21…火炉(流動層燃焼炉)、21a…流動媒体供給口、21b…火炉ガス出口、22…サイクロン、22a…サイクロン入口、22b…サイクロン排出口、23…リターンライン、24…バックパス、25…熱回収部、26…煙突、31…流動媒体貯留部、32…送風部、32a…送風部吐出口、33…流動媒体移送部、34…流速調整部、34a…流速調整弁、35…流速検出部、36…排出部、37…圧力調整部、37a…圧力調整弁、L31…配管、L32…連絡配管、L33…流動媒体供給配管(供給配管)、L34…逃がし配管、P31…合流部。

Claims (4)

  1. 流動媒体を流動させながら燃料を燃焼する流動層燃焼炉と、
    前記流動層燃焼炉に前記流動媒体を供給する供給部と、を備えた流動層式燃焼設備において、
    前記供給部は、
    前記流動媒体を輸送する気体を送風する送風部と、
    前記気体の流速を調整する流速調整部と、を備え
    前記流速調整部は、流速調整弁を有し、
    前記供給部は、前記送風部から送風された前記気体の一部を前記流速調整弁の上流側から排出する排出部を更に有し、
    前記排出部は、前記流速調整弁の上流側の圧力を調整する圧力調整部を更に備えることを特徴とする流動層式燃焼設備。
  2. 前記供給部は、
    前記流動媒体を貯留する流動媒体貯留部と、
    前記流動媒体貯留部に貯留された前記流動媒体を前記流動層燃焼炉に供給する流動媒体供給配管と、
    前記送風部と前記流動媒体供給配管とを接続する連絡配管と、を備え、
    前記流速調整弁は、前記連絡配管に設けられている請求項1に記載の流動層式燃焼設備。
  3. 前記流速調整弁の下流側には、前記気体の流速を計測する流速検出部が設けられている請求項1又は2に記載の流動層式燃焼設備。
  4. 流動媒体を流動させながら燃料を燃焼する流動層燃焼炉に前記流動媒体を供給する供給方法において、
    前記流動媒体を輸送する気体の流速を、流速調整弁を用いて調整する工程と、
    送風部から送風された前記気体の一部を前記流速調整弁の上流側から排出する工程と、
    前記流速調整弁の上流側の圧力を調整する工程と、を備えたことを特徴とする流動層燃焼炉への流動媒体の供給方法。
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