JPH05172301A - 加圧循環流動層ボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加圧循環型の流動層ボイラにおいて、管の摩
損を生じさせることなく伝熱面積を増大させること。 【構成】 火炉（６）内に複数枚の鉛直な水冷隔壁（２
３）を配置して熱吸収するとともに、火炉下部の前後側
壁から炉底に平行に空気（４１）を噴出して流動材を攪
拌混合する。また、フィン付伝熱管（３０）による外部
熱交換器（１０）を流動材の循環系統に設けて、そこで
も熱吸収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、石炭焚きガスタービン
複合発電プラントに適用される加圧循環型流動層ボイラ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、石炭焚きガスタービン複合発電プ
ラントにおいては、一般に加圧気泡型流動床ボイラが採
用されており、いわゆる循環型流動層ボイラは実用化さ
れていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】

１） 加圧流動床ボイラを循環流動層方式にする場合、
加圧により体積流量が減少（圧力に反比例）するので、
ガス流速および反応時間を一定とすれば、火炉（コンバ
スタ）が大幅に縮少され、それに伴って水冷壁の伝熱面
積が大幅に減少する。したがって、コンバスタだけでは
必要加熱面積を確保できず、層内管の挿入等が必要とな
る。この場合、空塔速度が３〜５ｍ／ｓと大きいので、
通常の管列構造では激しく摩耗して実用に耐えない。 ２） 循環流動層ボイラでは、サイクロンで９９％以上
の粒子が捕捉され、コンバスタへ再循環されるが、２０
〜４０ｇ／Ｎｍ³ の粒子はサイクロンをすり抜けて、燃
焼ガスとともに後流のガスタービンの方へ飛散してい
く。そこで後流側にセラミックポーラスフィルター等の
除塵装置を設ける必要があるが、コストが高く、またＮ
ａ，Ｋ，Ｖ等の低融点金属が付着して長期的に閉塞する
可能性もある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記従来の課
題を解決するために、加圧下で流動材を循環使用する流
動層ボイラにおいて、火炉内に挿入された複数の鉛直な
水冷隔壁と、上記火炉の下部前後側壁に等間隔で配さ
れ、炉底に平行に空気を噴出する複数個のジェットエア
ノズルと、上記火炉のガス出口に設けられたロータリー
セパレーター付のサイクロンと、上記サイクロンの下端
から上記火炉の下部へ戻る循環管路に設置され、フィン
付伝熱管を介し循環粒子で缶水または蒸気を加熱する熱
交換器とを備えたことを特徴とする加圧循環流動層ボイ
ラを提案するものである。

【０００５】

【作用】本発明は前記のとおり構成され、次の作用を生
じる。 １） 火炉内下部に複数の水冷隔壁を設けるので、循環
粒子が直接壁面に衝突するのを避けることができ、しか
も伝熱面積を広く確保できる。 ２） 炉底と平行に複数のジェットエアノズルを設ける
ので、循環粒子の攪拌混合が促進される。 ３） 火炉出口にロータリーセパレーター付のサイクロ
ンを設けるので、後流のガスタービン等には超微粒子だ
けが導かれ、腐蝕、摩耗を防止できる。 ４） 流動材の循環系統にフィン付伝熱管を有する熱交
換器を設けるので、ボイラの熱吸収を大幅に補足するこ
とができ、ボイラ全体をコンパクト化できる。

【０００６】

【実施例】図１は、本発明の一実施例に係る加圧循環型
流動層ボイラとガスタービンとの複合プラントを示す系
統図である。吸気系統（１）から吸入された空気は、空
気圧縮機（２）によって必要圧力まで加圧された後、燃
焼エア供給系統（３）から一次エア系統または二次エア
系統（５）を経て、コンバスタ（６）に導入される。ま
た同時に、給炭系統（１９）から石炭が供給され、更に
ＳＯｘ制御のため、石灰石供給系統（２０）から石灰石
（ＣａＣＯ₃ ）が投入される。コンバスタ（６）におい
ては、供給された石炭が循環する循環灰とともに燃焼す
る反応が起こり、同時に脱硫・脱硝反応も起こる。循環
粒子はロータリーセパレーター付のサイクロン（７）に
おいて燃焼ガスから分離捕集され、ホットリサイクル系
統（８）とコールドリサイクル系統（９）を通ってコン
バスタ（６）に戻る。コールドリサイクル系統（９）に
はスパイラルフィン付伝熱管で構成された外部熱交換器
（１０）が設置されており、循環粒子と缶水（または過
熱蒸気等）との間で熱交換される。一方、４μｍ以下の
微粒子だけを含んでサイクロン（７）を出た燃焼ガス
は、高温ガス供給系統（１３）を通ってパワータービン
（１４）に導入される。そして、パワータービン（１
４）と連結された発電機（１５）により電力を発生させ
た後、燃焼ガスはガスタービン排気系統（１６）を通
り、排ガスボイラ（１７）で熱回収される。更に、バグ
フィルター（１２）で完全に除塵された後、煙突（１
８）から大気に放出される。

【０００７】上記複合プラントの構成要素（４）ないし
（１１）は、本発明の実施例に係る加圧循環流動層ボイ
ラである。次にこれについて、図２ないし図６を参照し
ながら説明する。図２は実施例たる加圧循環流動層ボイ
ラの縦断側面図、図３はコンバスタ部分を示す斜視図、
図４は図２のＩＶ−ＩＶ水平断面図、図５は図２のＶ−
Ｖ矢視縦断面図、図６は水冷隔壁を示す斜視図である。

【０００８】これらの図においてコンバスタ（火炉）
（６）は水冷管壁構造で四周を長方形に構成され、上下
端はそれぞれ水冷壁ヘッダー（２８）に溶接されてい
る。さらにこのコンバスタ（６）内の空間には、複数枚
の鉛直な水冷隔壁（２３）が側壁と並行に、すなわちガ
ス流れと並行に、設置されている。この水冷隔壁（２
３）の上下端もそれぞれヘッダーに連結されている。高
速の粒子流れを有する循環流動層ボイラでは、通常コン
バスタ内に伝熱管を挿入することは摩耗の面から実用的
でないが、いわゆる壁面に対しては粒子の衝突が起こら
ないので、摩耗を発生することなく熱伝達が可能とて
る。一方、火炉下部は還元雰囲気となっているので、管
の表面に酸化被膜が形成されず、腐蝕を伴なう強い摩耗
が発生しやすい。そこでこれを避けるため、下部につい
てはコンバスタ壁面と同様に耐火材等のコーティングを
施工して、管壁が燃焼ガスと直接接触するのを防止す
る。これにより腐蝕、摩耗を防止できる。

【０００９】なお、水冷隔壁（２３）相互の間隔は基本
的に構造上許容され、かつ、循環粒子の滞溜時間が少く
とも２．５〜３．０秒以上は確保できる火炉高さとの関
連で決まる必要枚数等より決まってくるが、発明者等の
検討によれば、２００ｍｍ以上で、かつ２０００ｍｍ以
下であれば、充分目的は達せられると判断される。最適
ピッチはそのプラントの容量の大小により変わるもので
ある。

【００１０】缶水ドラム（２９）は圧力容器（２２）の
外側または内側に設置され、それぞれ連絡管で各ヘッダ
ーに連結されて、缶水の循環系統を構成する。圧力容器
（２２）の内面は加圧空気の温度と同じになるので、圧
力容器（２２）の外側に保温を施工する。

【００１１】コンバスタ（火炉）（６）の燃焼ガス出口
部には、燃焼ガスと循環粒子をサイクロン（７）に導く
ダクトがあり、これらガスと粒子は、サイクロン（７）
へ導かれて、循環粒子と燃焼ガスに分離される。このサ
イクロン（７）のガス出口部には、高速回転のロータリ
ーセパレーター（３９）が設置される。ガスタービンに
エロージョン等のダメージを与えるのは、通常４μｍ以
上の粒子であるので、これ以上の粒径の粒子を、モータ
（４０）で駆動される高速回転（９００〜１０００ｒｐ
ｍ以上）のロータリーセパレーター（３９）で衝突分離
し、サイクロン出口の粒子を粒径４μｍ以下の微粒子だ
けに限定する。

【００１２】サイクロン（７）で分離された燃焼ガス
は、高温ガス配管（１３）を通り、図１のガスタービン
（１４）に導かれる。一方、循環粒子の方は循環粒子下
降系統（３６）を経て、シールポット（３２）に一旦停
滞し、一部は循環粒子導入配管（コールドリサイクル系
統）（３２）から外部熱交換器（１０）へ導かれる。そ
してここで循環粒子と缶水との熱交換が行なわれる。循
環粒子はその後、循環粒子排出配管（３３）を通ってコ
ンバスタ（６）の下部に戻される。残りの循環粒子はホ
ットリサイクル系統（８）を通って直接コンバスタ
（６）に戻される。サイクロン（７）および粒子循環系
統は、いずれも耐圧構成となっており、内部には耐火材
（２５）が施工される。また外部熱交換器（１０）は、
外部熱交用圧力容器（３４）内に収納されている。

【００１３】外部熱交換器（１０）の伝熱管としては、
スパイラルフィン等のフィン付伝熱管（３０）を採用す
る。ボイラの必要熱吸収を確保するための伝熱面積を、
もしコンバスタ（６）の壁面および水冷隔壁（２３）だ
けでまかなうとすれば、巨大なコンバスタ高さが必要と
なって、実用的でない。そこでフィン付伝熱管（３０）
を有する外部熱交換器（１０）を設けて、熱吸収するの
である。循環流動層ボイラでは、循環粒子の平均径は２
００〜３００μｍ以下であるので、通常エコノマイザー
等に採用されているスパイラルフィン仕様（フィン枚数
２〜４枚／インチ／フィン高さ１０〜１９ｍｍ／フィン
厚さ）で充分対応できる。また層内管およびフィンの摩
耗をさけるため、外部熱交換器（１０）は、空塔速度を
充分に低い値にして設計される。

【００１４】燃焼用エアは、加圧エア入口配管（２６）
から圧力容器（２２）内に吹き込まれ、一次、二次エア
としてコンバスタ（火炉）（６）内に投入される。燃料
についても、通常の循環流動層ボイラと同様に、シール
ポット（３７）部等より投入される。また、火炉下部に
は、循環粒子と燃料、石灰石等との混合攪拌を促進する
ために、前後側壁部よりジェットエアを噴射するジェッ
トエアノズル（４１）が設置される。すなわち、水冷隔
壁（２３）の設置により粒子の攪拌が妨げられるのを防
ぐため、火炉（６）下部の前後側壁に多数のジェットエ
アノズル（４１）を設け、炉底と平行にジェットエアを
噴射して、火炉下部で循環粒子の攪拌混合を促進する。

【００１５】本実施例は循環流動層ボイラなので、気泡
型流動床ボイラよりも低公害（低ＮＯｘ、低ＳＯｘ、高
効率）特性が優れている。そしてコンバスタ内に複数の
水冷隔壁（２３）を設置したので、循環粒子は直接壁面
をアタックすることなく、水冷隔壁（２３）と並行に流
れ、かつ伝熱面積を大きく確保できる。また外部熱交換
器（１０）をスパイラルフィン管等のフィン付管で構成
したので、全体としてコンパクトな加圧循環流動層ボイ
ラを構成できる。更に、ジェットエアを火炉下部に噴射
するので、循環粒子が充分に攪拌混合される。加えて、
ロータリーセパレーター付サイクロンの採用により、４
μｍ以下の微粒子だけが燃焼ガスとともにガスタービン
に導入されるので、微粒子によるエロージョンの問題は
発生しない。したがって、セラミックポーラスフィルタ
ー等の高価な精密除塵装置を設置する必要がなくなる。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、次の効果が得られる。 １） 従来型の石炭焚き発電プラントに比して高効率で
ある。 ２） 低公害（低ＮＯｘ、低ＳＯｘ、低未燃分）特性が
優れている。 ３） コンパクトな機器構成にできる。

【図面の簡単な説明】

【００１７】

【図１】図１は本発明の一実施例に係る加圧循環型流動
層ボイラとガスタービンとの複合プラントを示す系統図
である。

【００１８】

【図２】図２は上記加圧循環流動層ボイラの縦断側面図
である。

【００１９】

【図３】図３は図２中のコンバスタ部分を示す斜視図で
ある。

【００２０】

【図４】図４は図２のＩＶ−ＩＶ水平断面図である。

【００２１】

【図５】図５は図２のＶ−Ｖ矢視縦断面図である。

【００２２】

【図６】図６は図２中の水冷隔壁を示す斜視図である。

【００２３】

【符号の説明】

（１） 吸気系統 （２） 空気圧縮機 （３） 加圧空気供給系統 （４） 一次エア系統 （５） 二次エア系統 （６） 火炉（コンバスタ） （７） サイクロン （８） ホットリサイクル系統 （９） コールドリサイクル系統 （１０） 外部熱交換器 （１１） 外部熱交戻り系統 （１２） バクフィルター （１３） 高温ガス供給系統（高温ガス配管） （１４） パワータービン（ガスタービン） （１５） 発電機 （１６） ガスタービン排気系統 （１７） 排ガスボイラ （１８） 煙突 （１９） 石炭供給系統 （２０） 石灰石供給系統 （２２） 圧力容器 （２３） 水冷隔壁 （２５） 耐火材 （２６） 加圧エア入口配管 （２７） 風室 （２８） 水冷壁ヘッダー （２９） 缶水ドラム （３０） フィン付伝熱管 （３２） 循環粒子導入配管（コールドリサイクル） （３３） 循環粒子排出配管（コールドリサイクル） （３４） 外部熱交用圧力容器 （３６） 循環粒子下降系統 （３７） シールポット （３９） ロータリーセパレーター （４０） ロータリーセパレーター駆動用モータ （４１） ジェットエアノズル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加圧下で流動材を循環使用する流動層ボ
   イラにおいて、火炉内に挿入された複数の鉛直な水冷隔
   壁と、上記火炉の下部前後側壁に等間隔で配され、炉底
   に平行に空気を噴出する複数個のジェットエアノズル
   と、上記火炉のガス出口に設けられたロータリーセパレ
   ーター付のサイクロンと、上記サイクロンの下端から上
   記火炉の下部へ戻る循環管路に設置され、フィン付伝熱
   管を介し循環粒子で缶水または蒸気を加熱する熱交換器
   とを備えたことを特徴とする加圧循環流動層ボイラ。