JPH09500442A - 超臨界値蒸気の加圧循環流動床ボイラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 循環流動床ボイラーは、流動床燃焼室（１４）と、流動する固体を燃焼室を通して再循環する再循環系統とを備え，超臨界値圧力に耐える複数のチューブ（５８）は、室の底における入口ヘッダー（５４）と燃焼室（１４）の頂上における出口室（５６）との間で冷却流体を循環するように燃焼室（１４）の壁のまわりに配置される。水、蒸気分離（６６）は、過熱器（７０）へ蒸気を方向づけ、常態の運転の際に迂回される。

Description

【発明の詳細な説明】 超臨界値蒸気の加圧循環流動床ボイラー 本発明は、発電所に関し、特に、超臨界値の蒸気圧力において運転する加圧循 環流動床（ＰＣＦＢ）ボイラーの発電所に関する。 化石燃料を電力に変換するための一層効率的な発電所に対する常に増大する必 要性は、電力発生産業に存在する。該必要性は、通常燃料を清浄燃焼することの 要求と費用が更に一層大きくなるにつれて、ますます増大する。一層効率的な発 電所に対するこの要求は、幾つかの大きい通常の発電所に対する超臨界値ボイラ ー設計の発達へ導いた。 超臨界値運転は、蒸気が液体から分離しないように、即ち、単一位相の流体の ように、２２１１８ KPa（３２０８psi）以上の圧力においてである。超臨界値 電力設計は、化石燃料焚きの通常の発電所に使用された。これ等の大きい通常の 発電所は、代表的に、大気圧に非常に近い炉圧を有している。 超臨界値ボイラーの設計における主な関心事は、運転状態の下で燃焼装置壁チ ューブを通る十分な水の質量の流れを確立して維持することである。これは、通 常のボイラーの燃焼装置における火炎の存在によって複雑になる。燃焼装置にお ける火炎の存在は、水壁に対して高い熱流量を生じ、従って、一層高い質量の流 れは、チューブ壁の温度を低く保つためにチューブを通して必要である。 一層高い効率の発電所に対する必要性は、世界の多くの地域に豊富に存在する 石炭のような低品位の硫黄含有燃料を変換するために更に一層大きくなる。これ 等の低品位の燃料は、通常の燃焼装置で燃焼されるとき、大気汚染を生じる。多 くのこれ等の燃料は、特に有害で不浄であるSO₂ のような化合物を形成する燃焼 過程において反応する硫黄のような不純物を含む。ガス洗浄装置を有する系統は 、発電所の排気ガスからこれ等の汚染物を除去するために開発された。しかしな がら、これ等の系統は、非常に高価であり、大抵の発電所に対して屡々費用効果 的でない。 循環する流動床の燃焼装置は、電力用蒸気タービンのための蒸気を発生するの に硫黄含有燃料を燃焼するために近年開発された。循環する流動床の燃焼装置は 、燃焼装置の加圧によって更に改良された。加圧循環流動床燃焼装置は、非変位 格子上に支持される粒状石灰石またはその他の吸収剤材料の混合物により大気圧 よりもかなり高い圧力において作用する。加圧空気の上方への流れは、格子を通 過して材料を持上げて流動化する。これは、液体の自由に流れる特性を有し安定 な燃焼のための環境を与える床粒子の乱流混合物を生じる。床に導入される燃料 は、効果的に燃焼し、該燃焼によって解放される二酸化硫黄は、か焼石灰石によ って化学的に捕捉される。灰と、か焼石灰石とを含む固体の混合物は、粒子の寸 法がサイクロンを通る逃避のために十分に低減されるまで燃焼装置を通して再循 環される。 硫黄含有燃料が燃焼される際、硫黄は、二酸化物を形成するように酸素によっ て燃焼する。石灰石は、燃焼温度によってか焼され、次に、二酸化硫黄は、硫酸 カルシウムを形成するように酸化カルシウムおよび酸素に反応する。硫黄の除去 は、二酸化硫黄分子と酸化カルシウム粒子との間の接触に依存する。 出願者は、装置を見出して開発し、これにより、硫黄含有燃料を燃焼する加圧 流動床燃焼装置（ＰＣＦＢ）は、超臨界値の蒸気圧力において運転するように構 成される。加圧循環流動床の燃焼室は、大気圧よりも著しく上の上昇される圧力 において作用する。ＰＣＦＢボイラーは、通常のボイラーの複雑さを回避するの に役立つ幾つかの利点を有している。これ等は、同一の熱効率に対して一層小さ い横断面の燃焼装置を含む。所要の壁チューブの数が少く、従って、該チューブ を通る所要の質量の流れは、容易に維持可能である。 本発明の主な目的は、超臨界値蒸気の条件の下で運転するように新規な加圧循 環流動床ボイラー系統を提供することである。 本発明の主な面によると、加圧循環流動床（ＰＣＦＢ）ボイラーを有する発電 所は、室の底における第１ヘッダーと室の頂上における第２ヘッダーとの間で壁 を通る冷却用流体を循環するために超臨界値圧力に耐えるような燃焼装置壁の管 を有する第１回路と、該ボイラーの下流の過熱器回路と、始動の際に蒸気を該過 熱器回路へ方向づけ蒸気から水を分離する水、蒸気分離器と、常態の運転状態の 際に該分離器を迂回するための迂回管路とを備えている。 本発明の上述およびその他の目的および利点は、添付図面に関連して読むとき 、下記の説明によって明らかになり、ここに、 第１図は、本発明による循環流動床燃焼装置系統の概略の表示であり、 第２図は、本発明による循環流動床燃焼系統の流体回路を示す概略図である。 図面の第１図を参照すると、本発明によって全体的に構成され符号１０によっ て全体的に示される加圧循環流動床（ＰＣＦＢ）の発電所が概略的に示される。 示される実施例では、ボイラーないし炉のハウジング１２は、燃料および石灰石 の送給のためにその底において入口を有し燃焼および流動化のために粒子および 一次空気を再循環する全体的に垂直な矩形の形状の燃焼室１４を形成する。ハウ ジング１２は、ボイラーのまわりを流れる加圧二次空気を受取る圧力容器１６内 に包囲される。この空気は、二次空気噴射ポートを経て燃焼装置へ進入する以前 にボイラーおよびその構成要素を冷却する。加圧空気は、ガスタービンの圧縮機 によって供給される。石炭のような燃料の燃焼は、蒸気サイクルのための大部分 の熱を発生する燃焼装置において生じる。一次および二次の空気のこの分割は、 ＮＯ_x 放出を低減する。 燃料は、ホッパー１８のような好適な源から送給され、水および石灰石または その他の吸収剤に混合され、ポンプ２０のように導管を経て燃焼装置の底へ送給 される。ガスタービンの圧縮機２２は、管路２４，２６を経てＰＣＦＢ燃焼装置 へ燃焼用空気を供給する。燃焼装置内のガスまたは空気の速度は、１０３５−１ ７２０ KPa（１５０−２５０psia）の圧力範囲において約４．６ｍ／秒（１５フ ィート／秒）である。燃焼装置の全体にわたる連続的な混合と、高温ループ内の 固体の熱慣性とのため、ガス温度は、燃焼装置の底から頂上までほぼ一定である 。 例示されるような加圧流体床系統は、超臨界値運転、即ち、２２１３５ KPa（ ３２０８psi）以上の蒸気圧力、好ましくは２４１５０から３７９５０ KPa（３ ５００から５５００psi）の範囲の蒸気圧力による運転に対して構成される。従 って、燃焼室の壁は、垂直に配置される水管ないし水チューブで内張りされる。 これ等のチューブは、高圧であり、肝要な質量の流れを達成するために２．５か ら５cm（１から２インチ）の範囲内の直径を有している。 高温サイクロン２８は、循環する流動体化燃料と、吸収剤とを受取って固体を 高温ガスから分離し、３０におけるループシールを経て燃焼室の底へ戻す。高温 排気ガスは、微細粒子を高温煙道ガスから分離するセラミックフィルターのよう な高温フィルターを経てダクト系統３２に沿って送られる。次に、高温煙道ガス は、電力を発生する発電機３４と、圧縮機とを駆動するガスタービンのエキスパ ンダー３３へ送られる。ガスタービンからの排気は、高圧エコノマイザ（econom izer）３６と、低圧エコノマイザ３８とへ送られた後、煙突４０へ送られる。 本発明により、ボイラーは、約５４０℃の温度において２４１５０ KPaから３ ７９５０ KPa（３５００psiから５５００psi）までの超臨界値範囲内の運転を可 能にするように燃焼室の内部に高圧蒸気チューブを備えている。出願者は、循環 床燃焼室の一層小さい寸法により、循環する加圧流動床のボイラーが超臨界値蒸 気運転のために設けられる従来のボイラーの幾つかの複雑さを持たないことを発 見した。ＰＣＦＢの燃焼装置横断面寸法が同一の熱効率に対する従来のボイラー のものよりも小さいため、燃焼装置の壁チューブの冷却のために適正な速度を維 持することは、一層容易である。 図面の第２図を参照すると、本発明のボイラーに対する水、蒸気回路の概略の 表示が示される。本発明の好適実施例により、燃焼装置の壁は、燃焼室の底にお けるヘッダー５４に結合されて該ヘッダーから燃焼室の頂上における上側ヘッダ ー５６まで垂直に延びる高圧チューブで形成ないし内張りされる。これは、ヘッ ダー５４と、ヘッダー５６との間の平行な回路である。従って、該壁は、超臨界 値蒸気圧力に耐えるように設計される高圧チューブ５８で内張りされる。エコノ マイザ３６からの給水は、燃焼室の底におけるヘッダー系統５４内へ送給管６０ を経て送られ、ヘッダー５６へチューブを経て流れ、このとき、蒸気は、管路６ ２によって管路６４および水分離器６６へ流れる。次に、分離器からの蒸気は、 管路６８を経て過熱器７０へ送られ、次に、過熱器７０か主蒸気７２を経て蒸気 タービンの高圧段７５の入口へ流れる。弁Ｖ２を含む管路７４は、蒸気を水分離 器へ迂回し、最初の始動の際、または非常に低い負荷において、閉鎖されたまま である。超臨界値状態が到達されると、燃焼装置ヘッダーからの蒸気は、弁７６ を経て過熱器へ直接に流通可能である。 水分離器から分離される水は、管路７８および弁８０を経て脱気器またはドレ ーンタンクへ排出される。該燃焼装置は、低温再熱蒸気を管路８４を経て受取っ てそれを管路８６を経て蒸気タービンの中間段８８へ戻す再熱器８２を有してい る。中間状態から排出される蒸気は、第１図に示されるようにタービンの低圧状 態９２へ管路９０を経て送られてもよい。該蒸気タービンは、電力を発生するよ うに発電機９４を駆動する。 該蒸気タービンから排出される蒸気は、管路９６を経て凝縮器９８を通りポン プ１００によって低圧給水加熱器１０２を通って管路１０４を経て低圧エコノマ イザ３８へ送られる。エコノマイザ３８からの水は、管路１０６を経て脱気器１ ０８へ送られ、ポンプ１１０を経て高圧給水加熱器１１２を通り管路１１４によ って高圧エコノマイザ３６へ圧送される。 超臨界値の範囲内で運転するための循環する加圧流動床のボイラー系統の構造 は、実際的であって従来の系統に優る幾つかの利点を有することが判明した。こ れ等の利点の中には、変化する負荷条件の下で一層容易に運転して、水壁チュー ブを通る適正な質量の流れを維持する能力がある。付加的な利点は、流動床ボイ ラーに対してだけではなく達成され従来の系統のものに優る著しく容易な効率で ある。一層低い燃焼温度は、ＮＯ_x の形成を低減するのを扶助する。その伴われ るフィルターを有し循環する加圧流動床の炉は、代りの従来の系統よりもかなり 少い空間を必要とする。該系統は、多くの面で、特に一層少い燃料送給個所にお いて複雑さが一層少い。 次に続く単純化されるないし複雑さが少い負荷は、燃焼装置への燃料送給割合 および一次対二次の空気の比率を変更することによって達成される。循環する流 動床の燃焼装置は、他の系統よりも著しく広い種類の燃料を効率的に利用する能 力をも有している。従って、該系統は、超臨界値の蒸気条件に対して理想的に適 合され、従って、付加的な高い効率を達成することが判明した。 多くの変更および改変は、前述の開示において可能であり、或る場合には、幾 つかの特徴は、他の特徴の対応する使用なしに採用可能である。従って、本発明 は、特定の実施例に関して図示説明されたが、多くの変更および変形は、添付請 求の範囲に記載されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく該実 施例に実施可能なことが理解されるべきである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年９月２５日 【補正内容】 請求の範囲 １．超臨界値状態において常時運転し水循環系統を有する加圧循環流動床ボイ ラーであって、該ボイラーは加圧流動床燃焼室を備え，該室が、垂直の方向づけ と、ほぼ矩形の横断面とを有する燃焼室を限定する複数の直立する周辺側壁によ って限定され，更に、燃料を該室に導入する装置と，粒状吸収剤を該燃焼室に導 入する装置と，前記燃料および該吸収剤を流動状態に確立して維持する装置と， 該燃料および該吸収剤の少くとも一部を再循環する装置と，超臨界値圧力に耐え る複数の高圧チューブを有する第１熱（heat）交換器回路とを備え，該回路が、 前記燃焼装置の下側部分における給水入口ヘッダーと、前記燃焼室の上側部分に おける出口ヘッダーと、該室の底における該入口ヘッダーと該出口ヘッダーとの 間で壁を通して水を循環するために前記直立する周辺壁の各々を内張りする複数 の高圧チューブとを有し，更に、過熱器回路と，該出口ヘッダーの下流で該第１ 回路における蒸気から水を分離して該蒸気を該過熱器回路へ方向づける装置と， 常態の運転状態の際に該分離する装置を迂回する装置とを備え、且つ水を給水入 口ヘッダー中に供給するためにエコノマイザーと脱気器を介して給水加熱器に連 結されている該ボイラーに於いて、水を分離する装置内で分離された水を該脱気 器内に導く装置を有することを特徴とする該ボイラー。 ２．請求の範囲第１項に記載のボイラーにおいて，前記高圧チューブが、前記 燃焼室の壁における２５．４mmから５０．８mm（１″から２″）までのチューブ を含むボイラー。 ３．請求の範囲第２項に記載のボイラーにおいて，前記チューブが、少くとも ２２１３５ KPa（３２０８psi）までの圧力に耐えるように設計されるボイラー 。 ４．請求の範囲第１項に記載のボイラーにおいて，前記チューブが、少くとも ２２１３５ KPa（３２０８psi）までの圧力に耐えるように設計されるボイラー 。 ５．請求の範囲第４項に記載のボイラーにおいて，前記チューブが、前記入口 ヘッダーから前記出口ヘッダーまで平行に流れるように垂直に延びるボイラー。 ６．請求の範囲第１項に記載のボイラーにおいて，前記チューブが、前記入口 ヘッダーから前記出口ヘッダーまで平行に流れるように垂直に延びるボイラー。 ７．請求の範囲第６項に記載のボイラーにおいて，前記高圧チューブが、前記 燃焼室の壁における２５．４mmから５０．８mm（１″から２″）までのチューブ を含むボイラー。 ８．超臨界値状態において運転し水循環系統を有する超臨界値の加圧循環流動 床ボイラーであって，加圧流動床燃焼室を備え，該室が、垂直の方向づけと、ほ ぼ矩形の横断面とを有する燃焼室を限定する複数の直立する周辺側壁によって限 定され，更に、燃料を該室に導入する装置と，粒状吸収剤を該燃焼室に導入する 装置と，前記燃料および該吸収剤を流動状態に確立して維持する装置と，該燃料 および該吸収剤の少くとも一部を再循環する装置と，前記燃焼室の前記直立する 周辺壁の各々を内張りして該壁内を垂直に延び超臨界値圧力に耐える複数の高圧 チューブを有する第１熱交換器回路とを備え，該回路が、該燃焼室の底における 給水入口ヘッダーと、該燃焼室の頂上における出口ヘッダーとを有し，更に、該 第１回路の下流の過熱器回路と，該第１回路内の蒸気から水を分離して該蒸気を 該過熱器回路へ方向づける前記出口ヘッダーの下流の蒸気水分離装置と，常態の 運転状態の際に該蒸気水分離装置を迂回する装置とを備え、且つ水を給水入口ヘ ッダー中に供給するためにエコノマイザーと脱気器を介して給水加熱器に連結さ れている該ボイラーに於いて、水を分離する装置内で分離された水を該脱気器内 に導く装置を有することを特徴とする該ボイラー。 ９．請求の範囲第８項に記載のボイラーにおいて，前記高圧チューブが、直径 において２５．４mmから５０．８mm（１″から２″）までであるボイラー。 10．請求の範囲第９項に記載のボイラーにおいて，前記チューブが、少くとも ２２１３５ KPa（３２０８psi）までの圧力に耐えるように設計されるボイラー 。 11．請求の範囲第１項に記載のボイラーにおいて，前記チューブが、前記入口 ヘッダーから前記出口ヘッダーまで平行に流れるように垂直に延びるボイラー。 12．超臨界値状態の下で運転するように水循環系統を有する超臨界値の加圧循 環流動床ボイラーであって，加圧流動床燃焼室を備え，該室が、垂直の方向づけ と、ほぼ矩形の横断面とを有する燃焼室を限定する複数の直立する周辺壁によっ て限定され，更に、固体燃料を該燃焼室へ導入する装置と，粒状吸収剤を該燃焼 室へ導入する装置と，前記燃料および該吸収剤を流動状態に確立して維持するよ うに加圧空気を該室に導入する装置と，該燃料および該吸収剤の少くとも一部を 分離して再循環するためにサイクロン分離器を有する装置と，前記ボイラーの底 における給水入口ヘッダーと、前記燃焼室の頂上における出口ヘッダーと、該室 の底における該入口ヘッダーから該室の頂上における該出口ヘッダーまで前記直 立する周辺壁を通して冷却水を循環するように該壁の各々を内張し約２４１５０ KPa（３５００psi）の超臨界値圧力に耐えるために直径において２５．４mmか ら５０．８mm（１″から２″）までの複数の高圧チューブとを有する第１熱交換 器回路と，該第１回路の下流の過熱器回路と，該第１回路内の蒸気から水を分離 して該蒸気を該過熱器回路へ方向づける前記出口ヘッダーの下流の蒸気、水分離 装置と，常態の運転状態の際に該蒸気、水分離装置を迂回する装置とを備え、且 つ水を給水入口ヘッダー中に供給するためにエコノマイザーと脱気器を介して給 水加熱器に連結されている該ボイラーに於いて、水を分離する装置内で分離され た水を該脱気器内に導く装置を有することを特徴とする該ボイラー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．超臨界値状態において常時運転し水循環系統を有する加圧循環流動床ボイ ラーにおいて，加圧流動床燃焼室を備え，該室が、垂直の方向づけと、ほぼ矩形 の横断面とを有する燃焼室を限定する複数の直立する周辺側壁によって限定され ，更に、燃料を該室に導入する装置と，粒状吸収剤を該燃焼室に導入する装置と ，前記燃料および該吸収剤を流動状態に確立して維持する装置と，該燃料および 該吸収剤の少くとも一部を再循環する装置と，超臨界値圧力に耐える複数の高圧 チューブを有する第１ビート（beat）交換器回路とを備え，該回路が、前記燃焼 装置の下側部分における給水入口ヘッダーと、前記燃焼室の上側部分における出 口ヘッダーと、該室の底における該入口ヘッダーと該出口ヘッダーとの間で壁を 通して水を循環するために前記直立する周辺壁の各々を内張りする複数の高圧チ ューブとを有し，更に、過熱器回路と，該出口ヘッダーの下流で該第１回路にお ける蒸気から水を分離して該蒸気を該過熱器回路へ方向づける装置と，常態の運 転状態の際に該分離する装置を迂回する装置とを備えるボイラー。 ２．請求の範囲第１項に記載のボイラーにおいて，前記高圧チューブが、前記 燃焼室の壁における２５．４mmから５０．８mm（１″から２″）までのチューブ を含むボイラー。 ３．請求の範囲第２項に記載のボイラーにおいて，前記チューブが、少くとも ２２１３５ KPa（３２０８psi）までの圧力に耐えるように設計されるボイラー 。 ４．請求の範囲第１項に記載のボイラーにおいて，前記チューブが、少くとも ２２１３５ KPa（３２０８psi）までの圧力に耐えるように設計されるボイラー 。 ５．請求の範囲第４項に記載のボイラーにおいて，前記チューブが、前記入口 ヘッダーから前記出口ヘッダーまで平行に流れるように垂直に延びるボイラー。 ６．請求の範囲第１項に記載のボイラーにおいて，前記チューブが、前記入口 ヘッダーから前記出口ヘッダーまで平行に流れるように垂直に延びるボイラー。 ７．請求の範囲第６項に記載のボイラーにおいて，前記高圧チューブが、前記 燃焼室の壁における２５．４mmから５０．８mm（１″から２″）までのチューブ を含むボイラー。 ８．超臨界値状態において運転し水循環系統を有する超臨界値の加圧循環流動 床ボイラーにおいて，加圧流動床燃焼室を備え，該室が、垂直の方向づけと、ほ ぼ矩形の横断面とを有する燃焼室を限定する複数の直立する周辺側壁によって限 定され，更に、燃料を該室に導入する装置と，粒状吸収剤を該燃焼室に導入する 装置と，前記燃料および該吸収剤を流動状態に確立して維持する装置と，該燃料 および該吸収剤の少くとも一部を再循環する装置と，前記燃焼室の前記直立する 周辺壁の各々を内張りして該壁内を垂直に延び超臨界値圧力に耐える複数の高圧 チューブを有する第１熱交換器回路とを備え，該回路が、前記燃焼室の底におけ る給水入口ヘッダーと、該燃焼室の頂上における出口ヘッダーとを有し，更に、 該第１回路の下流の過熱器回路と，該第１回路内の蒸気から水を分離して該蒸気 を該過熱器回路へ方向づける前記出口ヘッダーの下流の蒸気水分離装置と，常態 の運転状態の際に該蒸気水分離装置を迂回する装置とを備えるボイラー。 ９．請求の範囲第８項に記載のボイラーにおいて，前記高圧チューブが、直径 において２５．４mmから５０．８mm（１″から２″）までであるボイラー。 10．請求の範囲第９項に記載のボイラーにおいて，前記チューブが、少くとも ２２１３５ KPa（３２０８psi）までの圧力に耐えるように設計されるボイラー 。 11．請求の範囲第１項に記載のボイラーにおいて，前記チューブが、前記入口 ヘッダーから前記出口ヘッダーまで平行に流れるように垂直に延びるボイラー。 12．超臨界値状態の下で運転するように水循環系統を有する超臨界値の加圧循 環流動床ボイラーにおいて，加圧流動床燃焼室を備え，該室が、垂直の方向づけ と、ほぼ矩形の横断面とを有する燃焼室を限定する複数の直立する周辺壁によっ て限定され，更に、固体燃料を該燃焼室へ導入する装置と，粒状吸収剤を該燃焼 室へ導入する装置と，前記燃料および該吸収剤を流動状態に確立して維持するよ うに加圧空気を該室に導入する装置と，該燃料および該吸収剤の少くとも一部を 分離して再循環するためにサイクロン分離器を有する装置と，前記ボイラーの底 における給水入口ヘッダーと、前記燃焼室の頂上における出口ヘッダーと、該室 の底における該入口ヘッダーから該室の頂上における該出口ヘッダーまで前記直 立する周辺壁を通して冷却水を循環するように該壁の各々を内張し約２４１５０ KPa（３５００psi）の超臨界値圧力に耐えるために直径において２５．４mmから ５ ０．８mm（１″から２″）までの複数の高圧チューブとを有する第１熱交換器回 路と，該第１回路の下流の過熱器回路と，該第１回路内の蒸気から水を分離して 該蒸気を該過熱器回路へ方向づける前記出口ヘッダーの下流の蒸気、水分離装置 と，常態の運転状態の際に該蒸気、水分離装置を迂回する装置とを備えるボイラ ー。