JP6718296B2 - 流動層燃焼炉 - Google Patents

Description

本開示は流動層燃焼炉に関する。

固形燃料（例えばバイオマス燃料等）を流動化させて燃焼させるための流動層燃焼炉が知られている。
例えば、特許文献１には、炉内に設けられた流動媒体（流動材）及び固形燃料（都市ごみ）を含む混合層に、下方から流動化用のガスを噴出することにより流動層を形成し、該流動層にて燃焼対象物を燃焼する流動層燃焼装置が記載されている。

特開昭５６−４２００９号公報

ところで、流動層燃焼炉においては、流動層を形成する流動材に比べ粗大な固形燃料の粒子が流動層の下部に沈降し、粗大粒子が炉底部に偏在することになる。炉底部に偏在する粗大粒子が燃焼すると、反応熱によって、炉底部にホットスポットが形成される。そうすると、燃焼により生成する灰がホットスポットを含む炉底部において溶融し、クリンカが形成される場合がある。
炉底部においてクリンカが形成されると、炉底部から流動層に吹き込まれる流動化ガスの流れが乱されて流動層の流動状態が悪化し、粗大粒子の偏在が助長され、ホットスポットが形成されやすくなり、クリンカの発生リスクがさらに高まる。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、炉底部におけるクリンカの生成を抑制可能な流動層燃焼炉を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る流動層燃焼炉は、
流動材及び固形燃料が流動化された流動層部と、
前記流動層部の上方に位置するフリーボード部と、を備え、
前記流動層部は、前記流動層部と前記フリーボード部との境界位置である第１位置よりも下方の第２位置において、前記第１位置における前記流動層部の第１断面積Ａ_１よりも大きい第２断面積Ａ_２を有する。

上記（１）の構成によれば、第１位置よりも下方の第２位置における断面積（第２断面積Ａ_２）は、第１位置における断面積（第１断面積Ａ_１）よりも大きいため、流動層部において上下方向に流れる流動化ガスの流速は、第２位置において第１位置よりも小さい。このため、流動化ガスの流速が比較的小さい第２位置においては、流動材粒子のかさ密度が比較的大きい状態が維持されやすくなっている。
また、流動層部において、加熱による揮発成分の揮発や燃焼反応が進むに従い、固形燃料粒子において細孔が形成され、細孔部分を考慮した固形燃料粒子の密度が減少する。
このため、固形燃料粒子の沈降中における燃焼反応の進行に伴って形成される細孔部分を考慮した固形燃料粒子の密度が、第２位置における流動材粒子のかさ密度に比べて小さくなりやすい。よって、固形燃料粒子が第２位置付近の流動材粒子の層を通過して炉底部へ到達しにくくなり、炉底部におけるクリンカの生成を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記流動層部は、１．０９≦Ａ_２／Ａ_１≦１．７４を満たす。

上記（２）の構成によれば、流動層部がＡ_２／Ａ_１≦１．７４を満たすので、流動層部における第２位置近傍における流速をある程度確保して、流動化状態を安定して維持できる。一方、流動層部が１．０９≦Ａ_２／Ａ_１を満たすので、流動層部における第２位置において流動材粒子のかさ密度が比較的大きい状態を維持しやすくなる。よって、上記（２）の構成によれば、流動層を十分に流動化しながら、炉底部におけるクリンカの生成を抑制することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記流動層部内において、少なくとも前記第２位置において、前記流動材の非流動状態における粒子かさ密度の５０％以上のかさ密度を有する領域である粒子濃厚層が形成される。

粒子濃厚層は、流動材の非流動状態における粒子かさ密度の５０％以上のかさ密度を有する領域であり、流動層部において、気泡の存在する量が比較的少なくかさ密度が比較的大きい領域である。
上記（３）の構成によれば、流動層部内において、第１位置よりも下方の第２位置においてかさ密度が比較的大きい粒子濃厚層が形成されるので、比較的密度が小さい固形燃料粒子が、少なくとも第２位置に形成された粒子濃厚層を通過しにくくなり、固形燃料粒子の炉底部への到達を阻害することができる。よって、炉底部におけるクリンカの生成を抑制することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記流動層部の下部に導入されて上方に向かう流動化ガスの前記第２位置における流速Ｖが、前記流動層部における流動化が開始する最低ガス流速をＶ^＊とし、前記流動材の非流動状態における粒子かさ密度の５０％以上のかさ密度を有する領域である前記流動層部内の粒子濃厚層のかさ密度が５００ｋｇ／ｍ^３以上となるガス流速をＶ_ｔｈとしたとき、３Ｖ^＊≦Ｖ＜Ｖ_ｔｈを満たす。

上記（４）の構成によれば、流動化ガスの第２位置における流速Ｖが３Ｖ^＊≦Ｖを満たすので、流動層部における第２位置近傍における流速をある程度確保して、流動化状態を安定して維持できる。一方、流速ＶがＶ＜Ｖ_ｔｈを満たすので、流動層部における第２位置において流動材粒子のかさ密度が比較的大きい状態を維持しやすくなる。よって、上記（４）の構成によれば、流動層を十分に流動化しながら、炉底部におけるクリンカの生成を抑制することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、前記第２位置としての前記流動層部の最下部における前記第２断面積Ａ_２が前記第１断面積Ａ_１よりも大きい。

上記（５）の構成によれば、流動層部の最下部（炉底部）である第２位置において流動材粒子のかさ密度が比較的大きい状態が維持されやすくなっている。よって、流動層部の第２位置よりも上方において、固形燃料粒子が下降しながら燃焼する領域をできるだけ大きく確保しながら、炉底部におけるクリンカの生成を効果的に抑制することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、前記流動層部の断面積は、前記第１位置において最小となり、前記流動層部の最下部において最大となる。

上記（６）の構成では、流動層部の最上部（フリーボード部との境界位置）である第１位置において断面積が最小であるため、流動層部の最上部において流動化ガスの流速を大きくすることができ、流動層部の最上部付近において流動材及び固形燃料の流動化が促進されて固形燃料の燃焼が進みやすくなり、固形燃料の密度が減少しやすくなる。また、上記（６）の構成では、流動層部の最下部において断面積が最大であるため、流動層部の最下部において流動材粒子のかさ密度が比較的大きい状態が維持されやすくなっている。
よって、上記（６）の構成によれば、固形燃料の密度が減少しやすくなるとともに、流動層部の最下部よりも上方において固形燃料粒子が下降しながら燃焼する領域をできるだけ大きく確保できるため、炉底部におけるクリンカの生成を効果的に抑制することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
前記流動層部は、前記第１位置よりも下方において段差部を含み、
前記流動層部は、前記段差部の上方領域における断面積よりも、前記段差部の下方領域における断面積の方が大きい。

上記（７）の構成によれば、第１位置よりも下方において段差部を設けることにより、流動層において、段差部の上方領域における断面積よりも、段差部の下方領域における断面積の方を大きくすることができる。よって、比較的容易な施工により、第１位置よりも下方の第２位置における断面積（第２断面積Ａ_２）を、第１位置における断面積（第１断面積Ａ_１）よりも大きくすることができ、これにより炉底部におけるクリンカの生成を抑制することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記流動層部は、前記第１位置から前記段差部の位置までの高さ範囲において断面積が前記第１断面積Ａ_１で一定であり、前記段差部の位置から前記流動層部の最下部の位置までの高さ範囲において断面積が前記第２断面積Ａ_２で一定である。

上記（８）の構成によれば、第１位置から段差部の位置までの高さ範囲において断面積が一定であるとともに、段差部の位置から流動層部の最下部の位置までの高さ範囲において断面積が一定であるので、比較的容易な施工により段差部を設けることができる。
また、段差部よりも下方の高さ範囲では、比較的大きい流動層部の第２断面積Ａ２を確保できるため、炉底部側において流動材粒子のかさ密度が大きい領域を積極的に形成することができる。こうして、固形燃料の粗大粒子の炉底部への到達を効果的に阻害することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、前記流動層部は、下方に向かうにつれて断面積が徐々に増加するテーパ部を含む。

上記（９）の構成によれば、急激な断面積変化を伴う燃焼炉の形状を採用する場合に比べて、流動層部の断面積変化部周辺におけるガス流れの乱れや流動状態の低下といった問題が起きにくい。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、
前記流動層部は、前記第１位置から該第１位置よりも下方の第３位置までの高さ範囲において断面積が前記第１断面積Ａ_１で一定であり、前記第３位置から前記流動層部の最下部の位置までの高さ範囲において前記テーパ部を有する。

上記（１０）の構成によれば、比較的狭い第１断面積Ａ_１の領域が第１位置から第３位置までの高さ範囲に形成され、この領域におけるガス流速を比較的大きくし、この領域において流動化された固形燃料の燃焼反応を促進することができる。こうして、主として燃焼反応に寄与する燃焼空間を、流動層部の上方領域（第１位置〜第３位置の高さ範囲の領域）に積極的に形成することで、固形燃料の粗大粒子がこの領域よりも下方に沈降しにくくすることができる。また、ガス流速が比較的大きい燃焼空間を比較的広く確保しやすいため、固形燃料粒子の個体差に起因した密度のばらつきが大きい場合であっても、固形燃料の粗大粒子の炉底部への沈降を妨げやすくなる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、
前記流動層部は、前記第１位置から該第１位置よりも下方の第４位置までの高さ範囲において断面積が下方に向かうにつれて前記第１断面積Ａ_１から徐々に増加する前記テーパ部を有し、前記第４位置から前記流動層部の最下部の位置までの高さ範囲において断面積が一定である。

上記（１１）の構成によれば、第４位置よりも下方の高さ範囲では、比較的大きい流動層部の断面積を確保できるため、炉底部側において流動材粒子のかさ密度が大きい領域を積極的に形成することができる。こうして、固形燃料の粗大粒子の炉底部への到達を効果的に阻害することができる。
また、上記（１１）の構成によれば、第１位置よりも下方の第４位置から流動層部の最下部の位置までの高さ範囲において断面積が一定であるので、比較的施工が容易である。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（９）乃至（１１）の何れかの構成において、前記テーパ部は、水平方向に対する傾斜角θ［°］が４０≦θ≦８０を満たす。

上記（１２）の構成によれば、テーパ部の水平方向に対する傾斜角θを４０度以上に設定することで、第２断面積Ａ２の第１断面積Ａ１に対する比が過大になることを防止し、第２位置におけるガス流速の流動化開始速度に対する尤度を確保しやすくなる。また、傾斜角θを８０度以下に設定することで、第２断面積Ａ２の第１断面積Ａ１に対する比をある程度大きくして第２位置におけるガス流速を比較的小さくし、固形燃料の粗大粒子の炉底部への到達を効果的に阻害することができる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１２）の何れかの構成において、前記流動層部は、１ｍ以上の流動層高を有する。

上記（１３）の構成によれば、流動層部の流動層高さが１ｍ以上であるので、流動層部の上部から供給された固形燃料の粒子が、流動層部内を沈降する過程で、固形燃料粒子において燃焼が十分に進んで固形燃料粒子の密度（細孔部分を考慮した密度）が減少する。このため、固形燃料粒子が、比較的大きなかさ密度を有する第２位置付近の流動材粒子の層を通過しにくくなり、固形燃料の粗大粒子の炉底部への到達を阻害することができる。よって、炉底部におけるクリンカの生成を抑制することができる。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１３）の何れかの構成において、前記固形燃料は、バイオマスを含む。

上記（１４）の構成によれば、バイオマスを含む固形燃料を燃焼する流動層燃焼炉において、炉底部におけるクリンカの生成を抑制することができる。また、バイオマスの粒子密度は比較的小さいため、炉底部側における流動材粒子のかさ密度との間に有意な密度差を実現することができ、バイオマス粒子の炉底部への到達を上記（１）で述べた構成により効果的に阻害することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、炉底部におけるクリンカの生成を抑制可能な流動層燃焼炉が提供される。

一実施形態に係る流動層燃焼炉が適用された燃焼設備の概略構成図である。 一実施形態に係る流動層燃焼炉の概略構成図である。 一実施形態に係る流動層燃焼炉の概略構成図である。 一実施形態に係る流動層燃焼炉の概略構成図である。 一実施形態に係る流動層燃焼炉の概略構成図である。 流動化ガスの流速と流動材かさ密度との相関関係を模式的に示すグラフである。 一般的な流動層燃焼炉の構成の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

まず、図１を参照して、幾つかの実施形態に係る流動層燃焼炉が適用される燃焼設備について説明する。図１は、一実施形態に係る流動層燃焼炉が適用された燃焼設備の概略構成図である。同図に示すように、燃焼設備１００は、粒子状の固形燃料を燃焼させるための流動層燃焼炉１を含む。流動層燃焼炉１は、燃焼部５と、燃焼部５の下方に設けられる風箱４と、燃焼部５と風箱４との間に設けられた多孔板３とを含む。

風箱４には、ブロワから燃焼用空気（流動化ガス）８が供給されるようになっている。風箱４に流入した燃焼用空気８は、風箱４の上方に設けられた多孔板３の細孔２を介して、多孔板３の上方に位置する燃焼部５に供給される。

燃焼部５には、流動燃料供給管１７内を介して、不図示の燃料供給設備より粒子状の固形燃料６が供給されるとともに、不図示の流動材供給設備より粒子状の流動材７が供給されるようになっている。固形燃料６と流動材７は、搬送用空気１９によって搬送される間に混合され、多孔板３の上方に流動燃料２０として供給される。

幾つかの実施形態において、固形燃料６は、流動材７よりも密度が小さい固形燃料であってもよい。幾つかの実施形態では、固形燃料６は、バイオマス又は褐炭を含んでいてもよい。
幾つかの実施形態において、流動材７は、砂又は石灰石を含んでいてもよい。

燃焼部５に供給された流動燃料２０（流動材７及び固形燃料６）は、下方から上方に向かって燃焼部５に吹きこまれる燃焼用空気（流動化ガス）８により流動化されて、流動層部９を形成する。また、燃焼部５において、流動層部９の上方には、流動材７が充填されていないフリーボード部２１が形成される。
すなわち、流動層燃焼炉１は、流動材７及び固形燃料６が流動化された流動層部９と、流動層部９の上方に位置するフリーボード部２１とを備える。

流動層部９においては、固形燃料６と燃焼用空気８とが撹拌混合されて、固形燃料６が燃焼する。

次に、図２〜図５を参照して、幾つかの実施形態に係る流動層燃焼炉１についてより詳細に説明する。図２〜図５は、それぞれ、一実施形態に係る流動層燃焼炉１の概略構成図である。なお、図２〜図５においては、多孔板３に設けられる抜き出し管１０（図１参照）の図示を省略している。

幾つかの実施形態では、流動層燃焼炉１では、流動層部９は、流動層部９とフリーボード部２１との境界位置である第１位置２２よりも下方の第２位置２４において、第１位置２２における流動層部９の第１断面積Ａ_１よりも大きい第２断面積Ａ_２を有する。すなわち、Ａ_１及びＡ_２は、Ａ_１＜Ａ_２を満たす。なお、第１位置２２及び第２位置２４は、上下方向（鉛直方向）における位置のことである。

なお、図２〜図４に示す実施形態では、第２位置２４は流動層部９の最下部（炉底部２６）と同じ位置である。また、図５に示す実施形態では、流動層部９の最上部である第１位置２２と最下部（炉底部２６）との間において、流動層部９の径が拡大した所定の範囲（上下方向における範囲）が第２位置２４である。
なお、第２位置２４が上下方向における範囲にわたって存在する場合、第２位置２４における第２断面積Ａ_２は、上下方向の該範囲において一定であってもよいし、変化するようになっていてもよい。

ここで、図７は、一般的な流動層燃焼炉の構成の一例を示す図である。図７に示す流動層燃焼炉１０１では、流動層部９は、流動層部９とフリーボード部２１との境界位置である第１位置２２よりも下方の第２位置２４において、第１位置２２における流動層部９
における第１断面積Ａ_１よりも小さい第２断面積Ａ_２を有する。すなわち、Ａ_１及びＡ_２は、Ａ_１＞Ａ_２を満たす。また、流動層部９の断面積は、第１位置２２から下方の炉底部２６に近づくに従い減少し、炉底部２６（流動層部９の最下部）において最小となっている。

従来、流動層部の形状を、例えば図７に示すような、下方（炉底部）に近づくに従い断面積が減少するテーパ形状とすることによって、流動層の下部領域における流動化ガスの流速を大きくして炉底部の流動状態を良くすることにより、炉底部におけるクリンカの形成を抑制していた。

これに対し、本発明の幾つかの実施形態では、炉底部２６周辺において拡径部を設けて、炉底部２６付近における流動化ガスの流速を比較的小さくすることにより、流動材粒子のかさ密度が比較的大きい状態が維持されやすくしている。このような状態では、流動層における燃焼を経て比較的小さな密度を有する固体燃料粒子は、かさ密度が比較的大きい流動材粒子の層に入り込みにくく、炉底部２６付近まで沈降しにくい。

すなわち、図２〜図５に示す実施形態によれば、第１位置２２よりも下方の第２位置２４における断面積（第２断面積Ａ_２）は、第１位置２２における断面積（第１断面積Ａ_１）よりも大きいため、流動層部９において下方から上方へ向かって流れる流動化ガスの流速は、第２位置２４において第１位置２２よりも小さい。このため、流動化ガスの流速が比較的小さい第２位置２４においては、流動材粒子のかさ密度が比較的大きい状態が維持されやすくなっている。
また、流動層部９において、加熱による揮発成分の揮発や燃焼反応が進むに従い、固形燃料粒子において細孔が形成され、細孔部分を考慮した固形燃料粒子の密度が減少する。
このため、固形燃料粒子の沈降中における燃焼反応の進行に伴って形成される細孔部分を考慮した固形燃料粒子の密度が、第２位置２４における流動材粒子のかさ密度に比べて小さくなりやすい。よって、固形燃料粒子が第２位置２４付近の流動材粒子の層を通過して炉底部２６へ到達しにくくなり、炉底部２６におけるクリンカの生成を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、流動層部９内における少なくとも第２位置２４において、流動材７の非流動状態における粒子かさ密度の５０％以上のかさ密度を有する領域である粒子濃厚層が形成される。

ここで、粒子濃厚層は、流動材７の非流動状態における粒子かさ密度の５０％以上のかさ密度を有する領域であり、流動層部９において、気泡の存在する量が比較的少なくかさ密度が比較的大きい領域である。
流動層部９内において、第１位置２２よりも下方の第２位置２４においてかさ密度が比較的大きい粒子濃厚層が形成されるので、比較的密度が小さい固形燃料粒子が、少なくとも第２位置２４に形成された粒子濃厚層を通過しにくくなり、固形燃料粒子の炉底部２６への到達を阻害することができる。よって、炉底部２６におけるクリンカの生成を抑制することができる。

なお、流動状態における流動層中の粒子かさ密度は、例えば、レーザーを流動層中に照射した際のレーザーの回折光及び反射光の強度をセンサにより測定することで求めることができる。つまり、本計測により得られる波形データから、粒子濃厚層と気泡層の信号強度の違いを利用することにより、気泡相の存在を検知し、この流動層中の気泡相の存在空間割合を気泡相の検知時間と計測時間の比として算出される。そして、気泡相の存在空間割合から、気泡相の占める体積及び粒子濃厚層の体積についてそれぞれ計算できる。また、粒子濃厚層の粒子重量は、流動層の圧力損失と流動層の断面積の積により計算できる。この流動層の圧力損失は、流動層最下部と流動層最上部の差圧に相当する。さらに、この粒子濃厚層の体積と粒子濃厚層の粒子重量から粒子濃厚層のかさ密度について計算できる。なお、流動状態における流動層中のかさ密度は、レーザー計測だけでなく、流動状態を撮像して画像処理することにより計測することもできる。画像処理においても、粒子濃厚層と気泡層とでは強度に差がでるため、この強度差に基づいて、流動状態における流動層中の粒子かさ密度を求めることができる。

粒子かさ密度と流動化ガスの流速との間には相関関係があるため、流動層部９において所定の粒子かさ密度（例えば、流動材７の非流動状態における粒子かさ密度の５０％以上のかさ密度）を得るためには、該相関関係に応じた所定のガス流速で流動化ガスを流せばよい。

この点に関して、幾つかの実施形態では、流動層部９の下部に導入されて上方に向かう流動化ガスの第２位置２４における流速Ｖは、３Ｖ^＊≦Ｖ＜Ｖ_ｔｈを満たす。ここで、Ｖ^＊は、流動層部９における流動化が開始する最低ガス流速であり、Ｖ_ｔｈは、流動層部９内の粒子濃厚層（すなわち流動材７の非流動状態における粒子かさ密度の５０％以上のかさ密度を有する領域）のかさ密度が５００ｋｇ／ｍ^３以上となるガス流速である。
ここで、第２位置２４における流動化ガスの流速Ｖは、第２位置２４における流動化ガスの流量を、第２位置における流動層部９の断面積で除した値、すなわち第２位置２４における流動化ガスの平均流速のことである。

流動化ガスの第２位置２４における流速Ｖが３Ｖ^＊≦Ｖを満たせば、流動層部９における第２位置２４近傍における流速をある程度確保して、流動化状態を安定して維持できる。また、流速ＶがＶ＜Ｖ_ｔｈを満たせば、流動層部９における第２位置２４において流動材粒子のかさ密度が比較的大きい状態を維持しやすくなる。
よって、流動化ガスの第２位置２４における流速Ｖを上述の範囲内とすることで、流動層を十分に流動化しながら、炉底部２６におけるクリンカの生成を抑制することができる。

ここで、図６を用いて、ガス流速Ｖの上限値を規定する流速値として、粒子濃厚層のかさ密度が５００ｋｇ／ｍ^３以上となるガス流速を採用する理由について説明する。図６は、流動化ガスの流速と流動材かさ密度との相関関係を模式的に示すグラフである。
図６のグラフに示すように、流動化ガスの流速と流動材かさ密度とは相関関係があり、ガス流速が大きいほど流動材かさ密度は小さい傾向がある。よって、例えば上述した粒子濃厚層のように、所定値以上の流動材かさ密度を得たい場合には、図６のグラフに示すような相関関係に基づいて、当該流動材かさ密度に対応するガス流速以下のガス流速で流動化ガスを流通させる。
また、本発明者らの鋭意検討の結果、典型的な燃焼装置においては、流動層部９において、固形燃料粒子の沈降速度と燃焼速度を両立させるのに適した流動材かさ密度は、概ね５００ｋｇ／ｍ^３であることが見出された。
よって、上述の流動化ガスの流速Ｖの上限を規定する流速値として、流動材かさ密度が５００ｋｇ／ｍ^３であるときのガス流速Ｖ_ｔｈ（図６参照）を採用している。

幾つかの実施形態では、流動層部９は、第２位置における第２断面積Ａ_２の、第１位置における第１断面積Ａ_１に対する比Ａ_２／Ａ_１は、１．０９≦Ａ_２／Ａ_１≦１．７４を満たす。

流動層部９がＡ_２／Ａ_１≦１．７４を満たせば、流動層部９における第２位置２４近傍におけるガス流速をある程度確保して、流動化状態を安定して維持できる。一方、流動層部９が１．０９≦Ａ_２／Ａ_１を満たせば、流動層部９における第２位置２４において流動材粒子のかさ密度が比較的大きい状態を維持しやすくなる。これにより、流動層部９を十分に流動化しながら、炉底部２６におけるクリンカの生成を抑制することができる。
例えば、ある所定範囲内の流動層部９の高さ（炉底部２６に対する第１位置２２の高さ）を有する流動層燃焼炉１において、第２断面積Ａ_２の第１断面積Ａ_１に対する比Ａ_２／Ａ_１を上述の範囲内に調節することにより、上述の効果が得られる。

幾つかの実施形態では、図２〜図４に示すように、流動層部９の最下部（炉底部２６）が第２位置２４であり、流動層部９の最下部（炉底部２６）における第２断面積Ａ_２が第１位置２２における第１断面積Ａ_１よりも大きい。

この場合、流動層部９の最下部（炉底部２６）である第２位置２４において流動材粒子のかさ密度が比較的大きい状態が維持されやすくなり、流動層部９の第２位置２４よりも上方において、固形燃料粒子が下降しながら燃焼する領域をできるだけ大きく確保しながら、炉底部２６におけるクリンカの生成を効果的に抑制することができる。

幾つかの実施形態では、図２〜図４に示すように、流動層部９の断面積は、第１位置２２において最小となり、流動層部９の最下部（炉底部２６）において最大となっている。

このように、流動層部９の最上部（フリーボード部との境界位置）である第１位置２２において断面積が最小であるため、流動層部９の最上部において流動化ガスの流速を大きくすることができ、流動層部９の最上部付近において流動材７及び固形燃料６の流動化が促進されて固形燃料６の燃焼が進みやすくなり、固形燃料６の密度が減少しやすくなる。また、流動層部９の最下部（炉底部２６）において断面積が最大であるため、流動層部９の最下部（炉底部２６）において流動材粒子のかさ密度が比較的大きい状態が維持されやすくなっている。
よって、固形燃料６の密度が減少しやすくなるとともに、流動層部９の最下部（炉底部２６）よりも上方において固形燃料粒子が下降しながら燃焼する領域をできるだけ大きく確保できるため、炉底部２６におけるクリンカの生成を効果的に抑制することができる。

図１に示す例示的な実施形態では、流動層部９は、第１位置２２よりも下方において段差部３２を含む。そして、流動層部９は、段差部３２の上方領域２３における断面積よりも、段差部３２の下方領域３８における断面積の方が大きい。

このように、第１位置２２よりも下方において段差部３２を設けることにより、流動層部９において、段差部３２の上方領域２３における断面積よりも、段差部３２の下方領域３８における断面積の方を大きくすることができる。よって、比較的容易な施工により、第１位置２２よりも下方の第２位置２４における断面積（第２断面積Ａ２）を、第１位置２２における断面積（第１断面積Ａ１）よりも大きくすることができ、これにより炉底部２６におけるクリンカの生成を抑制することができる。

また、図１に示す例示的な実施形態では、流動層部９は、第１位置２２から段差部３２の位置までの高さ範囲（上方領域２３）において断面積が前記第１断面積Ａ_１で一定であり、段差部３２の位置から流動層部９の最下部（炉底部２６）の位置までの高さ範囲（下方領域３８）において断面積が前記第２断面積Ａ_２で一定である。

この場合、第１位置２２から段差部３２の位置までの高さ範囲（上方領域２３）において断面積が一定であるとともに、段差部３２の位置から流動層部９の最下部（炉底部２６）の位置までの高さ範囲（下方領域３８）において断面積が一定であるので、比較的容易な施工により段差部を設けることができる。
また、段差部３２よりも下方の高さ範囲（下方領域３８）では、比較的大きい流動層部９の第２断面積Ａ_２を確保できるため、炉底部２６側において流動材粒子のかさ密度が大きい領域を積極的に形成することができる。こうして、固形燃料６の粗大粒子の炉底部２６への到達を効果的に阻害することができる。

図３及び図４に示す例示的な実施形態では、流動層部９は、下方に向かうにつれて断面積が徐々に増加するテーパ部３４を含む。

この場合、急激な断面積変化を伴う燃焼炉の形状を採用する場合に比べて、流動層部９の断面積変化部周辺におけるガス流れの乱れや流動状態の低下といった問題が起きにくい。

図３に示す例示的な実施形態では、流動層部９は、第１位置２２から該第１位置２２よりも下方の第３位置２５までの高さ範囲２７において断面積が第１断面積Ａ_１で一定であり、第３位置２５から流動層部９の最下部（炉底部２６）の位置までの高さ範囲２８においてテーパ部３４を有する。

この場合、比較的狭い第１断面積Ａ_１の領域が第１位置２２から第３位置２５までの高さ範囲２７に形成され、この領域におけるガス流速を比較的大きくし、この領域において流動化された固形燃料６の燃焼反応を促進することができる。こうして、主として燃焼反応に寄与する燃焼空間を、流動層部９の上方領域（第１位置２２〜第３位置２５の高さ範囲２７の領域）に積極的に形成することで、固形燃料６の粗大粒子がこの領域よりも下方に沈降しにくくすることができる。また、ガス流速が比較的大きい燃焼空間を比較的広く確保しやすいため、固形燃料粒子の個体差に起因した密度のばらつきが大きい場合であっても、固形燃料６の粗大粒子の炉底部への沈降を妨げやすくなる。

図４に示す例示的な実施形態では、流動層部９は、第１位置２２から該第１位置２２よりも下方の第４位置２９までの高さ範囲において断面積が下方に向かうにつれて前記第１断面積Ａ_１から徐々に増加するテーパ部３４を有し、第４位置２９から流動層部９の最下部（炉底部２６）の位置までの高さ範囲３３において断面積が一定である。

この場合、第４位置２９よりも下方の高さ範囲３３では、比較的大きい流動層部９の断面積を確保できるため、炉底部２６側において流動材粒子のかさ密度が大きい領域を積極的に形成することができる。こうして、固形燃料６の粗大粒子の炉底部２６への到達を効果的に阻害することができる。
また、この場合、第１位置２２よりも下方の第４位置２９から流動層部９の最下部（炉底部２６）の位置までの高さ範囲３３において断面積が一定であるので、比較的施工が容易である。

幾つかの実施形態において、傾斜角θ［°］は、４０≦θ≦８０を満たすθであってもよい。ここで、テーパ部３４の傾斜角θ［°］は、図３及び図４に示すように、テーパ部３４の水平方向に対する傾斜角θ［°］である。

この場合、テーパ部３４の水平方向に対する傾斜角θを４０度以上に設定することで、第２断面積Ａ_２の第１断面積Ａ_１に対する比が過大になることを防止し、第２位置２４におけるガス流速の流動化開始速度に対する尤度を確保しやすくなる。また、傾斜角θを８０度以下に設定することで、第２断面積Ａ_２の第１断面積Ａ_１に対する比をある程度大きくして第２位置２４におけるガス流速を比較的小さくし、固形燃料６の粗大粒子の炉底部２６への到達を効果的に阻害することができる。

幾つかの実施形態では、流動層部９は、１ｍ以上の流動層高Ｈを有する。なお、流動層高さＨは、図２〜図５に示すように、流動層部９の最下部（炉底部２６）から最上部（第１位置２２）までの高さのことである。

この場合、流動層部９の流動層高Ｈが１ｍ以上であるので、流動層部９の上部から供給された固形燃料６の粒子が、流動層部内を沈降する過程で、固形燃料粒子において燃焼が十分に進んで固形燃料粒子の密度（細孔部分を考慮した密度）が減少する。このため、固形燃料粒子が、比較的大きなかさ密度を有する第２位置２４付近の流動材粒子の層を通過しにくくなり、固形燃料６の粗大粒子の炉底部への到達を阻害することができる。よって、炉底部２６におけるクリンカの生成を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ 流動層燃焼炉
２ 細孔
３ 多孔板
４ 風箱
５ 燃焼部
６ 固形燃料
７ 流動材
８ 燃焼用空気
９ 流動層部
１０ 抜き出し管
１１ａ バルブ
１１ｂ バルブ
１２ ホッパ
１７ 流動燃料供給管
１９ 搬送用空気
２０ 流動燃料
２１ フリーボード部
２２ 第１位置
２３ 上方領域
２４ 第２位置
２５ 第３位置
２６ 炉底部
２７ 高さ範囲
２８ 高さ範囲
２９ 第４位置
３２ 段差部
３３ 高さ範囲
３４ テーパ部
３８ 下方領域
１００ 燃焼設備
１０１ 流動層燃焼炉
Ａ_１ 第１断面積
Ａ_２ 第２断面積
Ｈ 流動層高さ
θ 傾斜角

Claims (12)

1. 流動材及び固形燃料が流動化された流動層部と、
   前記流動層部の上方に位置するフリーボード部と、を備え、
   前記流動層部は、前記流動層部と前記フリーボード部との境界位置である第１位置よりも下方の第２位置において、前記第１位置における前記流動層部の第１断面積Ａ_１よりも大きい第２断面積Ａ_２を有し、
   前記流動層部は、前記第１位置よりも下方において段差部を含み、
   前記流動層部は、前記段差部の上方領域における断面積よりも、前記段差部の下方領域における断面積の方が大きく、
   前記流動層部の下部に導入されて上方に向かう流動化ガスの前記第２位置における流速Ｖが、前記流動層部における流動化が開始する最低ガス流速をＶ ^＊ とし、前記流動材の非流動状態における粒子かさ密度の５０％以上のかさ密度を有する領域である前記流動層部内の粒子濃厚層のかさ密度が５００ｋｇ／ｍ ^３ 以上となるガス流速をＶ _ｔｈ としたとき、３Ｖ ^＊ ≦Ｖ＜Ｖ _ｔｈ を満たすことを特徴とする流動層燃焼炉。
2. 前記流動層部は、１．０９≦Ａ_２／Ａ_１≦１．７４を満たすことを特徴とする請求項１に記載の流動層燃焼炉。
3. 前記流動層部内において、少なくとも前記第２位置において、前記流動材の非流動状態における粒子かさ密度の５０％以上のかさ密度を有する領域である粒子濃厚層が形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の流動層燃焼炉。
4. 前記第２位置としての前記流動層部の最下部における前記第２断面積Ａ_２が前記第１断面積Ａ_１よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の流動層燃焼炉。
5. 前記流動層部の断面積は、前記第１位置において最小となり、前記流動層部の最下部において最大となることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の流動層燃焼炉。
6. 前記流動層部は、前記第１位置から前記段差部の位置までの高さ範囲において断面積が前記第１断面積Ａ_１で一定であり、前記段差部の位置から前記流動層部の最下部の位置までの高さ範囲において断面積が前記第２断面積Ａ_２で一定であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の流動層燃焼炉。
7. 前記流動層部は、下方に向かうにつれて断面積が徐々に増加するテーパ部を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の流動層燃焼炉。
8. 前記流動層部は、前記第１位置から該第１位置よりも下方の第３位置までの高さ範囲において断面積が前記第１断面積Ａ_１で一定であり、前記第３位置から前記流動層部の最下部の位置までの高さ範囲において前記テーパ部を有することを特徴とする請求項７に記載の流動層燃焼炉。
9. 前記流動層部は、前記第１位置から該第１位置よりも下方の第４位置までの高さ範囲において断面積が下方に向かうにつれて前記第１断面積Ａ_１から徐々に増加する前記テーパ部を有し、前記第４位置から前記流動層部の最下部の位置までの高さ範囲において断面積が一定であることを特徴とする請求項７に記載の流動層燃焼炉。
10. 前記テーパ部は、水平方向に対する傾斜角θ［°］が４０≦θ≦８０を満たすことを特徴とする請求項７乃至９の何れか一項に記載の流動層燃焼炉。
11. 前記流動層部は、１ｍ以上の流動層高を有することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の流動層燃焼炉。
12. 前記固形燃料は、バイオマスを含むことを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の流動層燃焼炉。

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