JPH03102101A - 蒸気冷却サイクロン分離器を含む流動床蒸気発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は流動床蒸気発生装置、更に詳細にはサイクロン
分離が備えられ、装置内にて発生する蒸気によって冷却
されるかような装置に関する。

〈従来の技術〉 流動床蒸気発生装置はよく知られている。これらの装置
において、空気は化石燃料例えば、石炭とこの石炭の燃
焼の結果として放出されるイオウの吸着剤とを含む粒状
材料の床を通され、床を流動化し，比較的低い温度で燃
料のｍ焼を促進する。

水は熱交換関係において流動床へ通され、蒸気を発生す
る．燃焼装置は全離器を含み、この分離器は炉区域内の
流動床からのガスより随伴された粒状固体を分離し、床
内へ戻るようこの固体を再循環する。このことは、結果
として高い燃焼効率、高いイオウ吸収、低い窒素酸化物
類の放出及び燃料の柔軟性の魅力的な組み合せとなる。

これらの型式の装置の炉区域内にて利用される最も典型
的な流動床は普通，「パブリング」流動床と称されてお
り、この床内において粒状材料の床は比較的高密度かつ
明確に区別されたすなわち分別された上方面を有する。

流動床の他の型式としては「循環』流動床が利用される
。この技術によれば、流動床密度は典型的なパブリング
流動床の密度より低くすることができ、空気速度はパブ
リング流動床の空気速度に等しいかまたは大きく、しか
も床内を通過する煙道ガスは実質的に飽和される程度に
細かい粒状固体の相当量を随伴する。

また、循環流動床は比較的高い固体再循環によって特徴
づけられ、このことは燃料の熱放出パターンを無関係に
し、従って温度変動を最少限にし、故に低いレベルで熱
放射を安定化する。高い固体の再循環は、固体再循環の
ために固体からガスを分離するのに使われる機械装置の
効率を改良し、結果として生ずるイオウ吸着剤及び燃料
の滞留時間の増加はこの吸着剤及び燃料の消費を軽減す
る．しかしながら，これらの型式の流動床装置に関連し
ていくつかの問題がある。例えば，ボイラー内で発生し
た蒸気を過熱するために高価な冷却面に加えることがし
ばしば必要である。また，この装置内で発生した蒸気の
温度範囲を制御するにあたっても、困難が生ずる。さら
に、これらの型式の床は装置、例えば蒸気発生器に使用
され、この蒸気発生器は１以上のサイクロン分離器を含
んでおり、通常それらのサイクロン分離器の下方端部に
連結されたホッパーを備え、この分離器から固体粒子を
収集する。分離器とホッパーとは、外側ケーシングが比
較的低温になるように絶縁性とし、耐摩耗性とした一枚
構造の外側耐火性材料壁を通常備える。しかしながら、
適当な絶縁を達成するために、これらの壁は比較的厚く
なければならず、このことは余分に分離器及びホッパー
の容積、重量及び費用が加わり、且つ耐火性材料のひび
割れを防止するために制御された、比較的長い、起動及
び閉鎖時間を必要とする。また，これらの設計による外
側金属ケーシングは外側からさらに絶縁することができ
ず、なぜなら絶縁することは耐えられる最大の温度をは
るかに超える１．　５　０　０″Ｆ（８１５．６℃）の
高さまで，その温度を上昇させるからである。さらにま
た、上記態様にて据え付けられた慣用の分離器は耐火性
材料の壁の早期のひび割れを排除するためにオンライン
状態になる前に比較的長いヒートアップ時間を必要とし
、このことは不具合であり，工程の費用を一層高くする
。

さらに、流動床及びサイクロン分離器を利用する装置で
は流動床炉と分離器との間並びにサイクロン分離器と熱
回収区域との間に比較的高価で、高温な耐火性材料の張
らされたダクト工事と膨張継手とが要求される。

〈発明が解決しようとする課題〉 従って、本発明の目的は、先行技術の装置の上記欠点を
克服する流動床ボイラーを利用する蒸気発生装置を提供
することにある。

また、本発明の別の目的は別個の加熱表面の必要性を排
除する上記型式の装置を提供することにある。

また、本発明の別の目的は加熱されている流体の温度範
囲の改良された制御ができる上記型式の装置を提供する
ことにある。

さらに、本発明の別の目的はサイクロン分離器の外部表
面が比較的安定かつ低温に維持される上記型式の装置を
提供することにある。

さらにまた、本発明の別の目的は熱損失を軽減し、内部
耐火性材料の絶縁の要求を最少限にする上記型式の装置
を提供することにある。

また、本発明の別の目的はサイクロン分離器の容積、重
量及び費用が慣用の分離器のそれらよりはるかに少ない
上記型式の装置を提供することにある． さらに、本発明の別の目的は炉とサイクロン分離器との
間並びにサイクロン分離器と熱回収区域との間に高価で
高温な耐火性材料の張られたダクト工事及び膨張継手の
必要を最少限にする上記型式の装置を提供することにあ
る。

さらにまた、本発明の別の目的は比較的速い起動及び負
荷変更を許容する上記型式の装置を提供することにある
。

〈課題を解決するための手段〉 これら及び他の目的を履行するために本発明によれば、
サイクロン分離器は蒸気発生装置の炉区域と熱回収区域
との間に配設される。サイクロン分離器の壁は蒸気ドラ
ムからの蒸気を受容する管を備える。蒸気は分離器の壁
を通過し、熱回収区域に通される前にこの壁を冷却する
。炉区域内で発生した煙道ガス並びにこのガスに随伴さ
れた粒状材料は、分離のためにサイクロン分離器に通さ
れる。分離された粒状材料は炉区域に戻るよう再循環さ
れ、分離された気体は熱回収区域に通される。

〈実施例〉 添付図面の第１図を特に参照すると、参照番号１０は本
発明の流動床燃焼装置を概酩的に参照し、この装置は炉
区域１２、サイクロン分離器ｌ４及び熱回収区域１６を
含む。炉区域１２は，直立囲包体１８及びこの囲包体の
下方端部に配設される空気プレナム２０を含み、このプ
レナムは外部源から空気を受容する。空気分配器すなわ
ち格子２２は囲包体１８の下方端部と空気プレナム２０
との中間面に備えられ、このプレナムからの加圧された
空気が囲包体１８を通して上方に通過するようなされる
。囲包体ｌ８の後壁の上方部分を形成する管はこの壁の
平面より曲げられ、煙道ガス及び随伴された粒状材料の
ための出口１８ａを後述のように形成する。１以上の入
口２４は囲包体１８の壁を通して設置され、囲包体内へ
粒状材料を導入する。この粒状材料は石炭およびこの石
炭の燃焼の間発生したイオウを吸収させるための吸着材
料、例えば石灰石の比較的細かい粒子をよく知られた態
様にて含んでもよい。プレナム２０からの空気は後述の
ように粒状材料を流動化する。ドレインパイプは囲包体
１８の空気分配器２２及び／又は壁の開口に合致し，こ
の四包体から消費された粒状材料を排出することを理解
されたい。

囲包体１８の壁は離間して平行に垂直に延びる関係で配
設される複数の管によって形成され、かつ各管の直径方
向に対向する部分から延びる連続フィン（図示せず）に
よって連結されており、気体気密構造を形成するよう隣
接する管の間を溶接する。この構造は慣用なので、壁に
ついてはこれ以上詳細に記述しない。

流回路は水、蒸気及び／又は水一蒸気混合物（以下「流
体」と称する）を管を通して通過させるために備えられ
、この流体を例えば蒸気タービンを関動するような働き
を遂行するのに使用されつる程度まで加熱する。この目
的のためにヘッダ一は、便宜上図示しないが、囲包体ｌ
８を形成する壁の上下方端部に備えられ、各壁を形成す
る管に流体を導入しかつそこから流体を受け入れる．自
然循環蒸気ドラム３２は導管３４．３６と他の導管と図
示しないヘッダーとによって囲包体工８の壁に連結され
、後述のように流体流回路を確立する。この流体流回路
は，蒸気ドラム３２の上方区域をサイクロン分離器１４
に連結する下降管３８を含む。

サイクロン分離器１４は上方屋根区域４０、円錐形状の
下方ホッパー区域４２及び中間の円筒状区域４４を含ん
でもよい。下方リングヘッダ−４８はホッパ−４２の下
方端部に設けられ、上方リングヘッダ−５０は屋根区域
４０の上方に設けられる。

各区域４０，４２及び４６は連続し、離間して平行に分
離器１４の全高に延びる管５２の一群によって形成され
、管の下端部にてヘッダ−４８及び上端部にてヘッダ−
５０に連結される。第２図により良く示すように、管５
２は離隔し、連続フィン５４は各管の直径方向に対向す
る部分から延び，隣接する管の間は溶接される。このよ
うに形成された構造は内側耐火性材料５６と外側絶縁性
材料５８との間に配設される。耐火性材料５６は高伝導
性耐火材料の比較的薄い層でも可能であり、＃＠縁性材
料５８はいかなる慣用技術のもので構わない。

入口６０は円筒状区域４４の内部に備えられ、本発明の
譲受人に譲渡された米国特許第４７４６３３７号にてよ
り詳細に示されるように、管５２の一部分を円筒状区域
の平面から曲げることによって形成されてもよく、該特
許の開示は参考として組み込まれる。

ポッパー区域４２は中間区域４４から半径方向内方に管
５２を曲げることによって形成され、屋根区域４０は参
照番号５２ａによって示されるようある角度にて半径方
向内方に、次いで参照番号５２ｂによって示されるよう
にある角度にて上方に管５２を曲げることによって形成
される。

内側パイプすなわちシリンダー６２は円筒状区域４４内
に配設され、固体の金属性材料、例えばステンレス鋼か
ら形成され、屋根区域４０上方にわずかに延びる上方端
部分を有する。パイプ６２は曲げられた管部分５２ａ，
５２ｂによって形成される頂点によって規定される円形
開口内に直接延びる。環状チャンバー６４はパイプ６２
の外側表面と円筒状区域４４の内側表面との間に後述す
る理由で形成される。

排出管６６はホッパー区域４２の下方端部から延び、シ
ールポット６８に連結され、次いでパイプ６９によって
囲包体１８の後壁に連結される。

パイプ６９は囲包体１８の後壁に形成される開口に合致
して、後述のように分離器１４からの再循環された粒状
材料をこの囲包体内に戻るよう導入する。

蒸気ドラム３２は下降管３８及び枝管３８ａ，３８ｂを
経由して下方リングヘッダ−４８に連結される。このた
め蒸気ドラム３２からの流体は重力によってバイプ３８
ａ，３８ｂへ下降管３８によって運ばれ、自然対流によ
ってパイプ３８ａ，３８ｂからリングヘッダ−４８へ、
かつ分離器１４の管５２を通って上昇する。

便宜上図示しないが、炉区域１２の出口１８ａは適切な
気体チャンネル、囲包体等によって分離器１４の入口６
０に連結されることを理解されたい．囲包体１８からの
煙道ガス及び随伴された粒状材料は分離器の環状チャン
バー６４内を通過し、この粒状材料は慣用の態様にてこ
の環状チャンバー内で創出される遠心力によって煙道ガ
スから引き離される．分離された煙道ガスは、対流によ
って分離器１４内を上昇し，パイプ６２から排出する。

便宜上図示しないが、適切な配管等は後述のように熱回
収区域１６の上方部分内に形成される入口に分離器１４
のパイプ６２を連結することを理解されたい． 熱回収区域ｌ６は囲包体７０を含み、この囲包体の壁は
囲包体１８の壁に関連して記載したのと同じ態様にて連
結される複数の管によって形成される．熱回収区域１６
を形成する壁の上下方端部は蒸気ドラム３２を含む上述
の流体流回路に連結される。例えば、導管７４は枝導管
７４ａ，７４ｂによって分離器１４の上方リングヘッダ
−５０に連結される．２個のヘッダ−７６は、熱回収区
域１６の前後壁の上方端部に各々配設され、枝導管７４
ｃ，７４ｄによって各々導管７４に連結される。

１対の１次過熱器８０ａ，８０ｂ、最終過熱器８２ａ，
８２ｂ及び節炭器８４ａ，８４ｂはすべて熱交換管の複
数の束によって形成され、囲包体７０内に配設され、す
べてヘッダ−８８に連結される。ヘッダ−８８は蒸気ド
ラム３２を含む上述の流体流回路及び／又は蒸気タービ
ンあるいはその両方に連結されることを理解されたい。

囲包体の前壁の上方端部分を形成する管は、この壁の平
面から曲げられ、分離器１４のパイプ６２から気体を受
け入れるために入口７０ａを形成する。

従って，これらの気体は第１図中に鎖線によって示され
るように囲包体７０内を通過する。囲包体７０内におい
て、過熱器８０ａ，８０ｂ，８２ａ及び８２ｂそして節
炭器８４ａ，８４ｂを通して連続して通過する。出口７
０ｂは囲包体７０の後壁内に形成され、鎖線によってま
た示されるように気体を排出する。

分離器１４からの分離された固体は分離器のホッパー区
域４２から排出管６６内を通過し、その後，シールポッ
ト６８及び囲包体１８内への注入のためのパイプ６９を
通過する。

操作にあたり、入口２４から粒状燃料材料は囲包体１８
内へ導入されるが、必要に応じて同様の態様にて吸着材
料が導入されてもよい。外部源からの加圧された空気は
空気プレナム２０内に入って通過し、空気分配器２２を
通して囲包体↓８内を通過し、これらの材料を流動化す
る。

点火していない燃焼器（図示せず）等は粒状燃料材料を
点火するために備えられる。この材料の温度が受け入れ
られほどに高いレベルに達するとき、入口２４からの追
加の燃料は囲包体１８に排出される。

囲包体ｌ８内の粒状燃料材料は炉区域ｌ２内の熱によっ
て燃焼あるいは気化され，空気とガス状生成物との混合
物（以下「煙道ガス』と称する）は囲包体１８を通して
上昇し，囲包体内にて比較的細かい粒状材料を随伴すな
わち浄化する。空気プレナム２０を経由して空気分配器
２２を通して囲包体１８内部に導入される空気の速度は
囲包体ｌ８内の粒状材料の寸度に従って確立され、その
結果、循環流動床は形成される．すなわち、粒状材料は
床内の粒状材料の実質的な随伴すなわち浄化が達成され
る程度にまで流動化される．従って、囲包体１８の上方
部分を通過する煙道ガスは粒状材料で実質的に飽和され
る。

この飽和された煙道ガスは囲包体ｌ８の上方部分に進み
、出口１８ａより出て行き、その後第１図中の鎖線によ
って示されるように分離器１４の入口６０へ配管（図示
せず）を通して通過する．この入口６０は，粒状材料を
含む煙道ガスがチャンバー６４に対して実質的に接線方
向に入り，そのためチャンバー内では旋回するよう配置
される。

このように随伴された固体粒子は遠心力によって円筒状
区域４４の内側壁に対して吹き飛ばされ、その内側壁に
て集まり、重力によってホッパ−４２内へ落下する。

チャンパー６４内に残存する比較的清浄な気体は屋根区
域４０によって上方に流れていくのを防止されており、
そのため屋根区域の下方端を通してパイプ６２に入る。

気体はバイプ６２の全長を通過した後、このパイプの上
方端部から出ていく。

その後、この気体は熱回収区域ｌ６の入口７０ａへの配
管（図示せず）を通して進み、囲包体７０の全長を過熱
器８０ａ，８０ｂ，８２ａ及び８２ｂと節炭器８４ａ，
８４ｂとを横切って下方に通過した後、出口７０ｂを経
由して外部機器へ去る。

蒸気ドラム３２内に蓄積される流体は液体及び比較的熱
い流体を有する蒸気すなわち蒸気と、比較的冷たい流体
すなわち液体とに分離し、自然対流によって、蒸気はこ
のドラムの上方部分に上昇し、液体はドラムの下方部分
に落下する。ドラム３２の上方部分からの蒸気はパイプ
３８，３８ａ及び３８ｂを経由して分離器１４の下方リ
ングヘッダ−４８内へ通過し、対流によって平行な管５
２を通して上昇する。蒸気は、分離器１４の温度さらに
詳細には分離器内の煙道ガスの温度より低い温度なので
、分離器の温度は軽減される。蒸気は上方ヘッダ−５０
内にて集められ、パイプ７４，７４ａ，７４ｂ，７４ｃ
及び７４ｄを経由して熱回収区域１６のヘッダ−７６に
進む。この蒸気は囲包体７０を形成する壁の全長を通し
て下方ヘッダー（図示せず）に向かって下方に通過し，
このヘツダーは蒸気ドラム３２を含む流回路に連結され
る。

分離器内の分離された粒状材料はホッパー区域４２、バ
イプ６６及びシールポット６８を通って通過し、その後
パイプ６９を経由して囲包体１８内の循環流動床内へ戻
るよう注入される。従って、ドラムからの蒸気は、分離
器１４の下方端部に向かって下降し、管５２を通して平
行に上昇した後、熱回収区域１６に進む。

第３図及び第４図の実施態様は第１，２図の実ｍ態様に
類似しており、同じ参照番号によって参照される同一の
構成を含む。第３図の実施態様においては分離器１４の
下方部分に配置されたリングヘツダーは２個の分離区域
４８ａ，４８ｂに分割される。蒸気は蒸気ドラム３２の
上方部分から下降管３８を通って下方に通過し、枝導管
３８ａを通してリングへツダー区域４８ａへ上昇する。

この区域から蒸気は第３図に見られるように分離器１４
のほぼ左側面を形成する管５２を通して上昇する。分離
器１４の上方部分にあるリングヘッダーは導管７４′に
よって連結される２個の分離区１５０ａ，５０ｂに分割
される。このリングヘッダー区域５０ａ，５０ｂは別々
に分離器１４の左側面、右側面を形成する管５２に連結
され、その結果、分離器の左側面に形成される管５２を
通して上昇する蒸気はリングヘッダー区域５０ａに入り
、導管７４を経由してリングヘッダ−５０ｂに進んだ後
、分離器１４の右側面を形成する管５２を通して下方に
通過する。右側面を形成する管を通して下方に通過した
後，この蒸気は下方リングヘツダー区域４８ｂに入り、
ここから枝導管３８ｂに進む。上昇管７５は枝導管３８
ｂに連結され、熱回収区域１６のヘッダ−７６に別々に
連結される枝管７５ａ，７５ｂを含み、前記実施態様に
関連して記述したように囲包体７０の壁を通して蒸気を
通過させる。

従って，第３＠の実施態様によれば、蒸気は分離器１４
の下方部分に向って下降し、分離器の一部分を通して上
昇し、そして分離器の別の部分を通して下降し、それか
ら熱回収区域１６に向って上昇し、その後この熱回収区
域を通って下降する。

第４図の実施態様によれば，２個のリングヘッダー区域
４８ａ，４８ｂは前記実施態様と関連して記述したよう
に分離器１４の管５２の下方端部に流体流速通するよう
備えられ、２個のリングヘッダー区域５０ａ，５０ｂは
この管５２の上方端部に流体流速通するよう備えられる
。第４図の実施態様によれば，導管９０は蒸気ドラム３
２の上方部分より延び、枝導管９０ａ，９０ｂを経由し
て、リングヘツダー区域５０ａ，５０ｂへ別々に連結さ
れる．導管９２は枝導管９２ａ，９２ｂを経由して別々
に下方リングヘッダー区域４８ａ，４８ｂに連結され、
枝導管９２ｃ，９２ｄを経由して、別々に熱回収区域１
６のヘッダ−７６に連結される。

第４図の実施態様によれば、蒸気は導管９０及び枝導管
９０ａ，９０ｂを経由して蒸気ドラム３２の上方部分か
ら上方リングヘッダー区域５０ａ，Ｓｏｂへ別々に流れ
る。上方リングへッダー区域５０ａから蒸気は分離器１
４の左手部分を形成する管５２を通して下方に流れ，上
方リングヘツダー区域５０ｂから蒸気は第４図に見られ
るように分離器１４の右手部分を形戊する管を通して下
方に流れる．下方リングヘツダー区域４８ａ，４８ｂは
分離器１４の左右部分を形戊する管５２に別々に連結さ
れ，加えて枝導管９２ａ，９２ｂを経由して上昇管９２
に連結される。そのため蒸気は分離器１４の全長を通し
て下方に、下方リングヘッダ−４８ａ，４８ｂ内へ、そ
して枝導管９２ａ，９２ｂを通して流れた後、上昇管９
２を通して枝導管９２ｃ，９２ｄを経由して熱回収区域
１６のヘッダ−７６へ上昇管９２を通して上昇する。

いくつかの利点は本発明の装置から結果として生ずる。

例えば分離器１４の温度は分離器の壁を通して通過する
比較的低温の流体により相当軽減される。従って、分離
器１４からの熱損失は軽減され、内部耐火性材料絶縁の
要求は最少限にされる。また、分離器１４の容積、重量
及び費用は慣用の分離器のものより相当低くなり、起動
及び負荷変化は比較的迅速に完了されうる。さらに，炉
とサイクロン分離器との間並びにこの分離器と熱回収区
域との間の高価で高温の耐火性材料の張られたダクトエ
事及び膨張継手の必要を最少限にする。さらにまた、流
体の過熱はその温度範囲を制御する能力と同様に改良さ
れる。

前述の変形は、本発明の範囲内にてなされうろことを理
解されたい。例えば，分離器１４の内側パイプ６２は分
離器１４に類似する態様にて管より形成することができ
、この管は、蒸気ドラム３２を含む流回路に連結されう
る。また、リングヘッダ−４８．５０が添付図面中に記
載され、示されるが，いかなる他の適切なヘツダー装置
も本発明に関連して使用されうろことを理解されたい。

修正、変形及び代用の範囲は前記開示内容内に意図され
、いくつかの場合本発明のいくつかの特徴は他の特徴の
対応する使用なしに採用されるであろう。従って、特許
請求の範囲は広くかつ、本発明の範囲に一致する態様に
て解釈されるのが適当である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の略図、第２図は第１図の２−２
，ｉｉに沿う断面図、第３図及び第４図は本発明の別の
態様を描いた第ｌ図に類似する略図である。 １２・・炉区域、１４・・サイクロン分離器，ｌ６・・
熱回収区域、１８．７０・・囲包体、１８ａ・・出口、
２０・・プレナム、２２・・空気分配器、２４．６０・
・入口，３８・・下降管、５２・・管，５４・・連続フ
ィン、６２・・シリンダー、６４・・チャンバー、６８
・・シールポット、６９・・パイプ、７４．９０・・導
管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 流動床蒸気発生装置であって、 （Ａ）該装置は炉区域を備え、 該炉区域は （１）燃料を含む固体粒状材料を有する囲包体と、 （２）該囲包体内で上昇しかつ前記粒状材料の一部分を
   随伴する煙道ガスを生産するために前記粒状材料を流動
   化し、かつ前記燃料の燃焼あるいは気化を支持するのに
   十分な速度で前記囲包体内へ空気を導入する手段とを含
   んでおり、 （Ｂ）該装置はサイクロン分離器を備え、 該サイクロン分離器は （１）内側シリンダーと、 （２）チャンバーを形成するための前記内側シリンダー
   を囲む外側ハウジングとを含み、該外側ハウジングは （ａ）複数の平行な管と、 （ｂ）空気気密構造を形成するよう前記管を連結する手
   段とを含んでおり、 （ｃ）該装置は熱回収区域を備え、 該熱回収区域は （１）囲包体と、 （２）該囲包体内に配設された複数の管の束とを含み、
   該囲包体は （ａ）複数の平行な管と、 （ｂ）空気気密構造を形成するよう前記管を連結する手
   段とを含んでおり、 （Ｄ）該装置は遠心力によって前記煙道ガスから前記随
   伴された粒状材料を分離するために前記炉区域から前記
   チャンバーまで前記煙道ガスを通過させる手段と、 （Ｅ）前記分離器から前記炉区域に戻るよう分離された
   粒状材料を通過させる手段と、 （Ｆ）分離された煙道ガスを前記熱回収区域に通過させ
   る手段と、 （Ｇ）流体流回路手段とを備え、 該流体流回路手段は （１）蒸気ドラムと （２）前記分離器の前記外側ハウジングを形成する前記
   管に前記蒸気ドラムを連結し、前記外側ハウジングへ蒸
   気を通して前記分離器を冷却する手段と、 （３）前記熱回収区域の前記管に前記外側ハウジングを
   形成する管を連結する手段とを含んでおり、該手段によ
   り前記熱回収区域の前記管を通過する流体が前記分離さ
   れた煙道ガスによって熱せられること を特徴とする流動床蒸気発生装置。