JPH10220708A - 循環流動層燃焼炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼ガスとの間に高い熱伝達係数をとること
ができ、燃焼室を可及的に低くできるコンパクトな循環
流動層燃焼炉を提供する。 【解決手段】 燃焼室３の下部領域に粒状の流動媒体６
による流動層７を形成すると共に、流動層７から吹き上
げられて燃焼ガス８と共に燃焼室３上部の排気口９から
排出された流動媒体６ａを流動層７へと返戻させるよう
に構成した循環流動層燃焼炉である。燃焼室３の上部領
域に、排気口９に向かう燃焼ガス８との間で熱交換を行
なう蒸気過熱器２１を配置する。蒸気過熱器２１は、排
気口９へと向かう燃焼ガス８の流れに直交する方向に一
定間隔を隔てて並列する複数の伝熱管部材２５を具備す
る。各伝熱管部材２５は、上記燃焼ガス８の流れと平行
する平面上に整列する複数の伝熱管２５ａからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室の下部領域
に粒状の流動媒体による流動層を形成すると共に、流動
層から吹き上げられて燃焼ガスと共に燃焼室上部の排気
口から排出された流動媒体を流動層へと返戻させるよう
に構成した循環流動層燃焼炉に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】流動層燃焼炉は、石炭，木屑といった一
般的な固形燃料は勿論、これ以外のバイオマス，下水汚
泥，都市ごみ，産業廃棄物，ごみ固形燃料（ＲＤＦ）等
の幅広い燃料を効率よく燃焼させることができ、従前か
ら広く実用に供されている。その中でも、循環流動層燃
焼炉については、近年、著しく技術開発が進められて実
用数も大幅に増加している。

【０００３】従来の循環流動層燃焼炉（以下「従来炉」
という）１にあっては、一般に、図６に示す如く、燃焼
室３の下部領域に、底壁部４ａから噴出させた一次空気
５により粒状の流動媒体（一般に、砂が使用されてい
る）６をバブリングさせることにより、流動媒体６によ
る流動層（濃厚層）７を形成すると共に、流動媒体６の
一部６ａを流動層７から燃焼室３の上部領域へと吹き上
げて、この流動媒体６ａを燃焼ガス８と共に燃焼室３の
上部に設けた排気口９から排出させ、再び流動層７に返
戻させるように構成されており、付設したボイラ２によ
り燃焼ガス８から熱回収を行なうように構成されてい
る。

【０００４】すなわち、流動層７から吹き上げられた流
動媒体６ａは、燃焼ガス８と共に排気口９からサイクロ
ン１０に導入されて、サイクロン１０により燃焼ガス８
から分離，捕集され、サイクロン１０から流動層７に返
戻されるようになっている。つまり、燃焼室３において
は、流動層７を構成する流動媒体６と吹き上げられて循
環する流動媒体６ａとによる循環流動層が形成されるよ
うになっている。而して、燃料供給口１１から流動層７
に投入された燃料１２は流動媒体６と攪拌されつつ燃焼
され、燃焼ガス８及び流動媒体６ａに随伴して排気口９
へと上昇する未燃成分は、燃焼室３の上部領域におい
て、燃焼ガス８及び流動層７から吹き上げられた流動媒
体６ａと混合攪拌されつつ、二次燃焼空気１３の供給に
より完全燃焼（二次燃焼）される。このとき、燃焼室３
内を上昇する燃焼ガス８と流動媒体６，６ａとの流速差
が相当に大きいため、燃焼室３の全領域で燃料１２と流
動媒体６，６ａとの混合攪拌が活発に行なわれ、燃焼反
応が極めて急速に進行する。その結果、比較的低い空気
過剰率でもって燃料１２をほぼ完全に燃焼させることが
可能となり、未燃焼損失が減少してボイラ効率を高める
ことが可能になると共に、低空気過剰率下に於ける二段
燃焼の採用等により低ＮＯｘ燃焼が達成できる。

【０００５】一方、燃焼ガス８は、燃焼室３に排気口９
に接続されたサイクロン１０及びサイクロン１０の出口
部に接続された煙道１４を経て大気中に放出されるが、
この間においてボイラ２により熱回収されるようになっ
ている。すなわち、ボイラ２は、燃焼室３の周壁及びサ
イクロン１０の胴壁並びに煙道１４に蒸気ドラム１５に
接続された水管群を配設してなり、燃焼室３及び煙道１
４において燃焼ガス８との熱交換によってボイラ蒸気１
６を発生させると共に、これを煙道１４に配設された水
管群の一部で構成される蒸気過熱器１７で過熱して、そ
の過熱蒸気１６ａによりタービン発電機１８を駆動さ
せ、タービン発電を行なうように構成されている。而し
て、燃焼室３の周壁は、その全面を水管群からなる輻射
伝熱部に構成されていて、高温の燃焼室３（内部ガス温
度は、通常、８００〜９００℃）からの輻射熱を受ける
と共に、流動媒体６の一部が燃焼室周壁に沿ってダウン
フローすることによる接触伝熱を受けることになる。蒸
気過熱器１７は、一般に、煙道１４内のガス温度が最も
高いサイクロン出口部付近に配置されていて、蒸気過熱
を効果的に行いうるように工夫されている。また、煙道
１４には、水管群の他、排ガス処理装置等が設けられて
いて、燃焼ガス８を大気中に放出するに問題のない性状
に処理するようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来炉１で
は、容量が大きくなるに従い燃焼室３の高さ（炉高）が
高くなるといった問題があり、高温高圧化に伴い蒸気過
熱器１７の伝熱面積が大きくなるといった問題がある。

【０００７】すなわち、循環流動層の容量を増したとき
は、燃焼室３の容積（炉容積）が大きくなるのに対し、
燃焼室における輻射伝熱部を構成する燃焼室周壁の面積
はさほど大きくならず、充分な輻射伝熱面積を確保する
ことができない。したがって、循環流動層の容量増に見
合う輻射伝熱面積を確保して、燃焼室温度を適正（８０
０〜９００℃）に維持するためには、燃焼室３の高さを
高くせざるを得ない。また、発電効率アップのため、発
生蒸気の高温高圧化に伴い蒸気過熱器１７での吸収熱量
が増大して、煙道１４に配置する蒸気過熱器１７の伝熱
面積が大きくなってしまう。

【０００８】本発明は、このような問題を生じることな
く、燃焼ガスとの間に高い熱伝達係数をとることがで
き、燃焼室を可及的に低くすることができるコンパクト
な循環流動層燃焼炉を提供することを目的とするもので
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の循環流動層燃焼
炉にあっては、上記の目的を達成すべく、特に、燃焼室
の上部領域に、排気口に向かう燃焼ガスとの間で熱交換
を行なう蒸気過熱器又はボイラ缶水加熱用熱交換器を配
設しておくことを提案するものである。而して、かかる
蒸気過熱器又はボイラ缶水加熱用熱交換器は、排気口へ
と向かう燃焼ガスの流れに直交する方向に一定間隔を隔
てて並列する複数の伝熱管部材を具備するものとしてお
くことが好ましい。ここに、各伝熱管部材は、上記燃焼
ガスの流れと平行する平面上に整列する複数の伝熱管か
らなるものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図５に基づいて具体的に説明する。なお、以下の説明
において、前後とは図１又は図２における左右を、また
左右とは図３における左右を夫々意味するものとする。

【００１１】図１及び図３〜図５は第１の実施の形態を
示したもので、この実施の形態における循環流動層燃焼
炉１₁ は、後述する構成の蒸気過熱器２１を燃焼室３の
上部領域に配置した点を除いて、冒頭で述べた従来炉１
と同様構造をなすものである。すなわち、燃焼室３の下
部領域には、燃焼室３の底壁部４ａから一次空気５を噴
出させることにより、燃焼室３の下部領域に粒状の流動
媒体（一般に、砂が使用されている）６による流動層
（濃厚層）７が形成されている。流動層７を構成する流
動媒体６の一部６ａは、流動層７から燃焼室３の上部領
域へと吹き上げられて、燃焼ガス８と共に排気口９から
排出される。排気口９は、燃焼室３の後壁４ｃの上部に
開口されており、サイクロン１０の入口部に接続されて
いる。排気口９から排出された流動媒体６ａは、サイク
ロン１０により燃焼ガス８から分離，捕集されて、サイ
クロン１０から流動層７に返戻されるようになってお
り、燃焼室３において流動媒体６，６ａによる循環流動
層が形成される。燃焼室３の前壁４ｂには、燃料供給口
１１及び二次空気１３の吹込ノズルが設けられている。
燃料供給口１１から流動層７に投入された燃料１２は流
動媒体６と攪拌されつつ燃焼され、燃焼ガス８及び流動
媒体６ａに随伴して排気口９へと上昇する未燃成分は、
燃焼室３の上部領域において、燃焼ガス８及び流動層７
から吹き上げられた流動媒体６ａと混合攪拌されつつ、
二次燃焼空気１３の供給により完全燃焼（二次燃焼）さ
れる。一方、燃焼ガス８は、燃焼室３からサイクロン１
０を経て、サイクロン１０の出口部に接続された煙道１
４から大気中に放出され、この間においてボイラ２によ
り熱回収される。すなわち、ボイラ２は、蒸気ドラム１
５に接続された水管群及び蒸気過熱器２１を具備してお
り、水管群は燃焼室３の周壁（つまり前後壁４ｂ，４ｃ
及び左右壁４ｄ，４ｄ）並びにサイクロン１０の胴壁及
び煙道１４内に配設されている。特に、燃焼室３の周壁
４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｄは、全面的に、水管群で構成さ
れた輻射伝熱部に構成されていて、高温の燃焼室３から
の輻射熱を受ける。また、この燃焼室３の周壁は、流動
媒体６の一部が接触しつつダウンフローすることによ
り、流動媒体６からの接触伝熱を受ける。

【００１２】而して、この実施の形態における循環流動
層燃焼炉１₁ にあっては、燃焼室３の上部領域に、次の
ような構成の蒸気過熱器２１を配設することにより、燃
焼室３における燃焼を妨げることなく、高温（一般に、
８００〜９００℃）の燃焼ガス８との間に高い熱伝達係
数をとることができるため、蒸気過熱器２１の必要伝熱
面積が小さくなり、且つ燃焼室３の高さを可及的に低く
しうるように工夫されている。

【００１３】すなわち、蒸気過熱器２１は、図１及び図
３〜図５に示す如く、燃焼室３の天井壁４ｅ上に配置し
た入口ヘッダ２３及び出口ヘッダ２４と、両ヘッダ２
３，２４に連結されて、天井壁４ｅを貫通して燃焼室３
の上部領域に垂下する複数の伝熱管部材２５とを具備し
てなる。

【００１４】入口ヘッダ２３は、蒸気ドラム１５の蒸気
部に蒸気供給管２６を介して接続されている。出口ヘッ
ダ２４は、過熱蒸気供給管２７を介して過熱蒸気使用
部、例えばタービン発電機１８のタービン部に接続され
ている。両ヘッダ２３，２４は、前後方向に平行して延
びる閉塞管である。

【００１５】複数の伝熱管部材２５は、排気口９に向か
う燃焼ガス８（及び流動媒体６ａ）の流れに直交する方
向つまり前後方向に等間隔Ｓ₁ を隔てて並列配置されて
いる。各伝熱管部材２５は、図３〜図５に示す如く、上
記燃焼ガス８の流れと平行する平面上、つまり左右方向
に平行する平面上に整列する複数の伝熱管２５ａからな
るパネル構造をなす（この例では、特にメンブレンパネ
ル構造をなす）。すなわち、各伝熱管２５ａはＵ字状に
屈曲された同一径のパイプからなり、両端部をヘッダ２
３，２４に連通接続してある。そして、各伝熱管２５ａ
の下端屈曲部の曲率は外側のもの程大きくなっていて、
複数の伝熱管２５ａが近接した平行形態で上記平面上に
整列されている。したがって、各伝熱管部材２５は、こ
れを前後方向及び下方向から見た場合に、伝熱管２５ａ
の外径寸法に相当する厚さの薄板であるかの如き形態と
なっている（図４参照）。また、各伝熱管部材２５にお
ける伝熱管群の下端屈曲部は、流動媒体６ａの衝突によ
る摩耗を防止するための摩耗防止用カバー２５ｂで被覆
されている。このカバー２５ｂは、耐熱鋼板をＵ字状に
折曲加工してなるもので、伝熱管群の下端屈曲部にその
下方から密接嵌合されている。勿論、カバー２５ｂは耐
摩耗炉材等で同様形状に構成しておくことも可能であ
る。また、カバー２５ｂの上端面と伝熱管群の周面との
段差部には、図５に示す如く、耐熱耐摩耗性鋳鉄材等か
らなる耐摩耗ブロック２５ｃが取り付けられている。こ
のブロック２５ｃは断面三角形状をなすもので、カバー
２５ｂの厚みによる伝熱管２５ａの周面との段差を解消
して、カバー２５ｂの上端面に流動媒体６ａ等のダウン
フローを円滑にし、それによる摩耗を防止するように工
夫されている。

【００１６】ところで、隣接する伝熱管部材２５，２５
の相互間隔Ｓ₁ （図４参照）は３００ｍｍ以上に設定し
ておくことが好ましい。すなわち、Ｓ₁ ≧３００ｍｍで
あれば、伝熱管部材２５の存在が排気口９への燃焼ガス
８（及び流動媒体６ａ）の流れを妨げることにならず、
燃焼室３の上部領域での燃焼状態を伝熱管部材２５を配
置しない場合と同様に維持することができるからであ
り、且つ燃焼ガス８との間で高い熱伝達係数を得ること
ができるからである。また、伝熱管部材２５と燃焼室３
の前壁４ｂとの間隔Ｓ₂ （図３参照）は、１５０ｍｍ以
上に設定しておくことが好ましい。すなわち、Ｓ₂ ≧１
５０ｍｍであれば、水管群で構成される燃焼室周壁に沿
ってダウンフローする流動媒体６ａによって伝熱管２５
ａが摩耗されることがないからである。また、伝熱管部
材２５と燃焼室３の後壁４ｃとの間隔Ｓ₃ （図３参照）
は、排気口９に向かう流れによる摩耗を防止するため
に、炉の形状，大きさにもよるが、一般に、６００ｍｍ
以上に設定しておくことが好ましい。なお、伝熱管部材
２５は、保守点検，交換等の作業を容易に行なわしめる
べく、燃焼室３の天井壁４ｅを貫通して上下方向に挿脱
できるようになっている。

【００１７】以上のように構成された蒸気過熱器２１に
よれば、燃焼室３の周壁，サイクロン１０の胴壁，煙道
１４に配設された水管群により得られた蒸気１６が、蒸
気ドラム１５から蒸気供給管２６及び入口ヘッダ２３を
経て各伝熱管部材２５に導入される。一方、排気口９に
向かって上昇する燃焼ガス８及び流動媒体６ａは、各伝
熱管部材２５，２５間を通過する。したがって、各伝熱
管部材２５に導入された蒸気１６は、伝熱管２５ａ内を
流動する間に、燃焼ガス８及び流動媒体６ａのとの熱交
換により過熱される。そして、過熱蒸気１６ａは、出口
ヘッダ２４から過熱蒸気供給２７を介してタービン発電
機１８のタービン部に供給されて、タービン発電を行な
う。

【００１８】したがって、図４に示す如く、伝熱管部材
２５が、燃焼ガス８及び流動媒体６ａの流れに直交する
方向に３００ｍｍ以上の間隔Ｓ₁ をなして平行に配置さ
れたものであること、及び各伝熱管部材２５が上記流れ
に直交する方向における厚みの薄いメンブレンパネル構
造体であることから、伝熱管部材２５の存在が排気口９
に向かう燃焼ガス８及び流動媒体６ａの流れを妨げるこ
とがなく、燃焼ガス８との間で高い熱伝達率を得ること
ができる。また、所望の過熱蒸気１６ａを得るに必要な
蒸気過熱器２１の伝熱面積を、従来炉１における如く煙
道１４に配置した蒸気過熱器１７に比して、可及的に小
さくすることができる。そして、燃焼室３における熱吸
収が燃焼室周壁の水管群による他、蒸気過熱器２１によ
っても行なわれることから、つまり燃焼室周壁による輻
射伝熱面積の不足分を蒸気過熱器２１の伝熱管部材２５
によって充分に補うことができるから、燃焼室３の高さ
を可及的に低くしつつ、燃焼室３における熱吸収を充分
に行い得る。

【００１９】ところで、伝熱管２５ａの屈曲部で構成さ
れる伝熱管部材２５の下端部は、排気口９へと上昇する
流動媒体６ａが衝突して摩耗損傷する虞れがあるが、か
かる虞れは摩耗防止用カバー２５ｂによって確実に排除
される。しかも、伝熱管部材２５と燃焼室周壁（前壁４
ｂ）との間隔Ｓ₂ を１５０ｍｍ以上としておくことによ
って、燃焼室周壁をダウンフローする流動媒体６ａによ
って伝熱管部材２５が摩耗することもない。したがっ
て、伝熱管部材２５が流動層７から吹き上げられる流動
媒体６ａとの衝突を回避できない燃焼室３の上部領域に
配置されているにも拘わらず、伝熱管部材２５の摩耗損
傷が可及的に防止され、蒸気過熱器２１の耐久性を充分
に確保することができる。

【００２０】また、図２〜図５は第２の実施の形態を示
したもので、この実施の形態における循環流動層燃焼炉
１₂ は、燃焼室３の上部領域に蒸気過熱器２１に代えて
ボイラ缶水加熱用熱交換器２２を配設した点を除いて、
第１の実施の形態における循環流動層燃焼炉１₁ と同様
構造をなすものでなり、これと同一の作用効果を奏しう
るものである。すなわち、燃焼室３の上部領域に、蒸気
過熱器２１と同様構造のボイラ缶水加熱用熱交換器２２
を配設することにより、燃焼室３における燃焼を妨げる
ことなく、高温（一般に、８００〜９００℃）の燃焼ガ
ス８との間に高い熱伝達係数をとることができ、燃焼室
３の高さを可及的に低くしうるのであり、その他、上記
した各作用効果を奏しうるのである。

【００２１】而して、ボイラ缶水加熱用熱交換器２２
は、図２〜図５に示す如く、蒸気過熱器２１と同様構造
をなすもので、燃焼室３の天井壁４ｅ上に配置した入口
ヘッダ２３及び出口ヘッダ２４と、両ヘッダ２３，２４
から燃焼室３の上部領域に垂下する複数の伝熱管部材２
５とを具備してなる。

【００２２】すなわち、入口ヘッダ２３は蒸気ドラム１
５の缶水部に缶水供給管２８を介して接続されており、
出口ヘッダ２４は蒸気供給管２９を介して蒸気ドラム１
５の蒸気部に接続されている。缶水供給管２８には缶水
循環ポンプ３０が配設されている。伝熱管部材２５は、
排気口９に向かう燃焼ガス８（及び流動媒体６ａ）の流
れに直交する方向つまり前後方向に等間隔Ｓ₁ （上記し
たように、Ｓ₁ ≧３００ｍｍとしておくことが好まし
い）を隔てて並列配置されている。各伝熱管部材２５
は、上記燃焼ガス８の流れと平行する平面上、つまり左
右方向に平行する平面上に整列する複数の伝熱管２５ａ
からなるパネル構造（メンブレンパネル構造等）をな
す。各伝熱管部材２５における伝熱管群の下端屈曲部
は、流動媒体６ａの衝突による摩耗を防止するための摩
耗防止用カバー２５ｂで被覆されており、カバー２５ｂ
の上端面と伝熱管群の周面との段差部には耐摩耗性鋳鉄
材等からなる耐摩耗ブロック２５ｃが取り付けられてい
る。

【００２３】以上のように構成された熱交換器２２によ
れば、ボイラ缶水１６ｂが缶水循環ポンプ３０により缶
水供給管２８及び入口ヘッダ２３を経て各伝熱管部材２
５に導入される。一方、排気口９に向かって上昇する燃
焼ガス８及び流動媒体６ａは、各伝熱管部材２５，２５
間を通過する。したがって、各伝熱管部材２５に導入さ
れた缶水１６ｂは、伝熱管２５ａ内を流動する間に、燃
焼ガス８及び流動媒体６ａのとの熱交換により加熱され
る。その蒸気１６は、出口ヘッダ２４から蒸気供給２９
から蒸気ドラム１５に供給される。このときにおいて
も、上記循環流動層燃焼炉１₁ の蒸気過熱器２１と同様
に、各伝熱管部材２５がメンブレンパネル構造体である
こと等から、伝熱管部材２５の存在が排気口９に向かう
燃焼ガス８及び流動媒体６ａの流れを妨げることがな
い。したがって、燃焼室３での燃焼を妨げることなく、
燃焼ガス８との間で高い熱伝達率を得ることができ、燃
焼室周壁による輻射伝熱面積の不足分を熱交換器２２の
伝熱管部によって充分に補うことができる。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明からも容易に理解されるよう
に、本発明の循環流動層燃焼炉によれば、燃焼室におけ
る燃焼を妨げることなく、高温の燃焼ガスとの間に高い
熱伝達係数をとることができる。したがって、循環流動
層の容量を増したときにも、燃焼室における輻射伝熱面
積を充分に確保しつつ、燃焼室の高さつまり炉高を可及
的に低くすることができ、ひいては循環流動層燃焼炉並
びにこれを含む燃焼設備全体の小型化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る循環流動層燃焼炉の第１の実施の
形態を示す縦断側面図である。

【図２】本発明に係る循環流動層燃焼炉の第２の実施の
形態を示す縦断側面図である。

【図３】図１の要部（蒸気過熱器）又は図２の要部（缶
水加熱用熱交換器）の拡大図である。

【図４】図３のIV−IV線に沿う一部切欠の縦断正面図で
ある。

【図５】図４の要部を拡大して示す詳細図である。

【図６】従来炉を示す縦断側面図である。

【符号の説明】

１₁ ，１₂ …循環流動層燃焼炉、２…ボイラ、３…燃焼
室、４ａ…底壁、４ｂ…前壁、４ｃ…後壁、４ｄ…左右
壁、４ｅ…天井壁、５…一次空気、６，６ａ…流動媒
体、７…流動層、８…燃焼ガス、９…排気口、１０…サ
イクロン、１１…燃料供給口、１２…燃料、１３…二次
空気、１４…煙道、１５…蒸気ドラム、１６…蒸気、１
６ａ…過熱蒸気、１６ｂ…ボイラ缶水、１８…タービン
発電機、２１…蒸気過熱器、２２…ボイラ缶水加熱用熱
交換器、２３…入口ヘッダ、２４…出口ヘッダ、２５…
伝熱管部材、２５ａ…伝熱管、２５ｂ…摩耗防止用カバ
ー、２５ｃ…耐摩耗ブロック。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室の下部領域に粒状の流動媒体によ
   る流動層を形成すると共に、流動層から吹き上げられて
   燃焼ガスと共に燃焼室上部の排気口から排出された流動
   媒体を流動層へと返戻させるように構成した循環流動層
   燃焼炉において、燃焼室の上部領域に、排気口に向かう
   燃焼ガスとの間で熱交換を行なう蒸気過熱器又はボイラ
   缶水加熱用熱交換器を配設したことを特徴とする循環流
   動層燃焼炉。
2. 【請求項２】 前記蒸気過熱器又はボイラ缶水加熱用熱
   交換器が、排気口へと向かう燃焼ガスの流れに直交する
   方向に一定間隔を隔てて並列する複数の伝熱管部材を具
   備するものであり、各伝熱管部材が、上記燃焼ガスの流
   れと平行する平面上に整列する複数の伝熱管からなるも
   のであることを特徴とする、請求項１に記載する循環流
   動層燃焼炉。