JPH10506983A - 循環式流動床反応器を有する組合わせサイクル発電設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、組合わせサイクル発電設備、それも空気圧縮器１と、ガスタービン５と、圧力容器１１と、圧力容器に包囲された加圧循環式流動床ＣＦＢ反応器１０とを有する形式のものに関する。ＣＦＢ反応器は、反応器室１２と、前記反応器から出る高温燃焼ガスを導く装置と、高温燃焼ガスを受容し清浄化するための１つ以上の非円形遠心分離器１３とを有している。圧力容器内には、更に、泡立ち流動床熱交換器室１２′が配置され、この熱交換器室が、反応器室１２と接続され、反応器室と共通の壁部分を共有している。

Description

【発明の詳細な説明】 循環式流動床反応器を有する組合わせサイクル発電設備 本発明は、添付請求の範囲の独立項１の前段に記載した組合わせサイクル発電 設備に関するものである。 加圧流動床反応器は、例えばアメリカ合衆国特許第４８６９２０７号により公 知である。それらの反応器の場合、反応器室を内蔵する圧力容器が、過圧、すな わち２バールを超える圧力、好ましくは約８〜１６バール（燃焼器の場合）に維 持される。但し、その圧力は、設備によって大きな違いもあれば、１つの設備内 でも作動中に大きな変動がある。しかし、この種の加圧反応器の著しく高額の費 用を要するのは、圧力容器自体である。圧力容器の容量が増すにつれて、費用は 、線形というより、むしろ幾何的に増大する。したがって、構成部品の寸法を縮 小し、構成部品を再構成し、いずれかの構成部品を不要にすることで、圧力容器 の費用及び価格競争に劇的な影響を与えることができる。したがって、圧力容器 の寸法は最小限に維持することが望ましい。圧力容器内で大きな空間を占める１ つの構成部品は、従来式のホット・サイクロンである。従来式のサイクロン分離 器が反応器室と共に用いられる場合、圧力容器内には、かなりの無駄な空間が生 じるため、従来式のサイクロンを収容するには、それに対応して、圧力容器を大 型に構成せねばならない。サイクロンが、反応器室を内蔵する主圧力容器の外部 に配置されている場合は、別個の圧力容器を用意せねばならない。また、反応器 室から高温煙道ガスを外部サイクロン分離器へ案内する導管及びシールや、外部 サイクロン分離器と反応器の容器との間の再循環導管も、用意せねばならない。 これらの部材によって、更に、費用が増大し、保守が複雑になる。 また、大気循環式流動床反応器であって、明らかに非円形横断面の、通常は方 形横断面の渦流室又はガス室を内部に有するサイクロン分離器を備えた形式の反 応器が公知である。この種のシステムの場合、燃料の大気中燃焼、及び大気圧を 使用するために提案される幾何形状は、主として製造費及び／又は設置費と、冷 却反応器壁への冷却サイクロンの適応の成否とに左右される。類似の加圧使用の 場合には、別の明らかな利益が得られるが、それらの利益は、重要とは見られな いか、大気圧使用には適用できないかである。 アメリカ合衆国特許第４７９３２９２号の例で明らかなように、加圧流動床使 用時には、普通、重要と考えられるのは、圧力容器のガス室を出来るだけ効果的 に利用することである。この要求を満たすため、予め、反応器横断面を出来るだ け厳密に圧力容器の円形形状に従って形成することが試みられて来た。例えば、 アメリカ合衆国特許第４７９６２９２号には、反応器横断面のいくつかの変更態 様や、複数の平面的な壁から造られた別の反応器（分離器を含む）も示され、こ れにより円形横断面の形成に取組んでいる。 大気圧式反応器の場合には、横断面に対する特別な要求は存在しない。しかし 、明らかに非円形の単数又は複数のサイクロン分離器が、円形サイクロン分離器 を用いる通常の方式と異なり、加圧流動床反応器と組合わされる場合には、円形 サイクロン分離器への交差ダクトは省略でき、非円形サイクロンを反応器に隣接 配置することができる。その結果、よりコンパクトな配置が可能になり、圧力容 器の寸法を最小化でき、したがって、加圧流動床反応器の経済的な構成が可能に なる。別個の補助圧力容器内に、圧力容器へ通じる外部サイクロンを配置するこ との潜在的な利点も、したがって失われる。なぜなら、炉と非円形のサイクロン とを、円形空間内に密に適合するように好都合にコンパクトに配置できるからで ある。 本発明の目的は、改良型組合わせサイクル発電設備を得ることである。 また、特に本発明の１つの目的は、加圧循環式流動床（ＣＦＢ）反応器と、Ｃ ＦＢ反応器に接続した熱交換手段とを、組合わせサイクル発電設備内で、よりコ ンパクトに配置することである。 更に、本発明の１つの目的は、組合わせサイクル発電設備内の加圧容器内に、 反応器、熱交換器、高温ガスフィルタをコンパクトに配置することである。 したがって、本発明によれば、組合わせサイクル発電設備は、添付請求の範囲 第１項の特徴部に記載の構成を有している。 本発明による組合わせサイクル発電設備は、通常、次の装置から成っている： すなわち、 − ２バールを超える加圧ガスを得るためのガス圧縮装置、例えば空気圧縮器 又は空気／酸素圧縮器と、 − ガス圧縮装置を駆動するガスタービン装置と、 − 円形横断面を有し、２バールを超える圧力に耐えることができ、頂部と底 部とを有する圧力容器と、 − 圧力容器に包囲され、事実上平面的な壁を有する加圧流動床反応器と、 − 加圧ガスをガス圧縮装置から前記圧力容器へ送る装置と、 − 前記反応器室内へ燃料を供給するための装置と、 − 前記反応器からの高温燃焼ガスを案内する装置と、 − 前記圧力容器内に配置された少なくとも１つの遠心分離器であり、前記反 応器室からの高温燃焼ガスを案内する前記装置へ接続された入口と、前記少なく とも１つの分離器から、前記圧力容器の外部の膨張用ガスタービンへ通じる出口 と、前記分離器から前記反応器室へ、分離された固体粒子を再循環させる戻りダ クトとを備えた遠心分離器とが備えられている。遠心分離器は、内部ガス室を画 定する明らかに平面的な壁を有する立て型の渦流室を有している。また、ガス室 は、明らかに非円形の横断面を有し、１．１５以上の円状率を有している。 組合わせサイクル発電設備は、本発明の一好適実施態様によれば、特に、圧力 容器内に泡立ち＝吹き立て攪拌（bubbling）流動床熱交換器室が設けられ、この 熱交換器室が、反応器室と連通し、反応器室とコンパクトな形式で接続されてい ることが特徴である。熱交換器室は、したがって、反応器室壁と共通の壁部分を 共有している。熱交換器室は、例えば反応器室内の、反応器室の底部に配置し、 それによって、反応器室側壁の区画と共通の第２及び第３の側壁を有するように するのが好ましい。本発明の別の好ましい実施態様によれば、熱交換器室が、分 離器の下に配置され、分離器の横断面と類似の横断面を有し、分離器側壁の延長 部と共通の第２及び第３の側壁区画を有している。 加圧流動床反応器内にサイクロン分離器をコンパクトに配置することで、いく つかの利点が得られる。第１に、コンパクトな特質と配置とのため、他の構成部 品、例えば、セラミック製キャンドルフィルタ又はハネカムフィルタ等のセラミ ックフィルタ装置を、反応器室及びサイクロン分離器と同じ圧力容器内に（例え ばサイクロン分離器の上方又は下方に）組付ける余地が得られ、この結果、すべ ての場合に、第２圧力容器を、ガス濾過のために備える必要が必ずしもなくなり 、それによって、全システムの費用が著しく低減される。また、コンパクトな配 置の結果、加圧組合わせサイクルシステムの場合に、別の利点が得られる。サイ クロン分離器のみでなく、全加圧循環流動床（ＰＣＦＢ）反応器のコンパクトな 配置の結果、圧力容器の最適空間利用が可能になる。組合わせサイクル処理では 、ガスタービン及び蒸気タービンの操作が組合わされ、したがって、蒸気発生回 路が、大気循環式流動床（ＡＣＦＢ）の蒸気発生回路とは類似していない。組合 わせサイクル処理では、ＰＣＦＢ反応器からのガスは、ガスタービンの効率を満 足のゆくレベルに維持するために、冷却しないのが好ましい（これに対し、ＡＣ ＦＢの場合は、ガスを冷却すべきである）。 第２に、コンパクトな性格と配置とのため、泡立ち即ち吹き立て攪拌コンパク ト型流動床熱交換器（ＣＨＥＸ）を、本発明の特徴により、非円形サイクロンの 下方に配置する余地が得られる。この熱交換器は、上方に位置するサイクロンと 類似の横断面を有し、非円形高温サイクロンの立ち下がり管からの、又は反応器 内壁に沿った固体の下降流からの高温固体を受容できるように構成されている。 この熱交換器に組込まれている伝熱面は、その場合、組合わせサイクル発電設備 内に用いられる加熱流体を得るのに利用できる。 第３に、組合わせサイクル処理は、超臨界かつウルトラ超臨界状態等の高圧蒸 気の利用から利益を得ることができる。これは、オメガパネルを用いる反応器内 、又は泡立ち即ち吹き立て攪拌流動床（ＣＨＥＸ）内に伝熱面を設け得ることに よる。それによって、また蒸気の状態及び温度を実現し、制御することができ、 反応器とＣＨＥＸとの異なる伝熱特性を利用できる。そのような超臨界的又はウ ルトラ超臨界的な使用の場合には、貫流蒸気サイクルが利用され、自然循環を支 える従来式の蒸気ドラムより、むしろ蒸気分離器が用いられる。 本発明の一好適実施態様によれば、組合わせサイクル発電設備は、圧力容器を 加圧する加圧ガス（好ましくは空気）を用意するガス圧力用圧縮器を有している 。加圧空気は、圧力容器に包囲されたＰＣＦＢ反応器内で燃焼用空気として利用 される。ＰＣＦＢ反応器は、循環式流動床として作動する。このような流動床の 場 合、かなりの量の固体が、ガスと共に、ＰＣＦＢ反応器の反応器室上方部分内へ 、更には反応器の外部のサイクロン分離器のところへ、同伴される。ガスからは 、サイクロン分離器内で粗粒（通常は＞約２５μｍ）を除去される。これらの分 離された粗粒は再循環され、反応器室へ戻される。清浄化されたガスは、（好ま しくは精密濾過後）事実上冷却されずに、ガス圧縮器を駆動するようにされたガ スタービンと、電気を発生させる発電機とへ送られるのが好ましい。膨張し、未 だかなり高温のガスが、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）へ送られる。膨張ガスの 熱は、大気へ逃がされる前に、蒸気発生器内で蒸気発生に利用する。ＨＲＳＧ蒸 気発生回路は、本発明によれば、ＰＣＦＢ反応器の冷却表面に接続されている。 本発明によるコンパクト型分離器を有するＰＣＦＢ反応器は、フィンを介して 互いに結合された複数の管を有するいわゆる膜壁を備えている。ＰＣＦＢ反応器 の壁は、壁の管内に蒸気を発生させることによって冷却するのが好ましい。 本発明の有利な一実施例によれば、反応器室内部に、好ましくはその上方区域 に伝熱面を有している。このような伝熱面は、支配的な条件に適するいわゆるオ メガパネルとすることができる。また、この好適実施態様によれば、ＰＣＦＢは 、好ましくは反応器室底部区域にいわゆるコンパクト型熱交換器（ＣＨＥＸ）を 有している。ＣＨＥＸは、好ましくは反応器室に接続され、それによって、反応 器室から直接に固体材料を受取ることができ、当然また、サイクロン分離器内の ガスから分離された材料も、ＣＨＥＸ内へ送られる。ＣＨＥＸは、内部の固体材 料の流動床内に浸漬された伝熱面を有する泡立ち流動床熱交換器であるのが好ま しい。 ＣＨＥＸは、非円形のコンパクトな分離器同様、本発明により、ＰＣＦＢ反応 器の共通の蒸気発生膜壁を利用することにより、ＰＣＦＢ反応器と接続される。 また、共通の蒸気発生回路は、前記構成部晶のそれぞれの内部に区画を有するよ うにするのが好ましい。このようにして、例えば熱膨張は、これらの構成部品の それぞれに事実上類似の値となり、その結果、信頼性のあるＰＣＦＢシステムが 得られる。本発明によれば、極めて効率的かつ融通性のある組合わせサイクル発 電設備が、ＨＲＳＧ蒸気発生システムを、ＰＣＦＢ反応器の蒸気発生システム、 特に反応器室内の伝熱面、すなわちＣＨＥＸの固体材料の流動床内に浸漬された オメガパネル及び伝熱面と組合わせることによって、得られる。この蒸気発生形 式によって、蒸気の過熱及び／又は再加熱が、全システムを適宜に利用すること によって達成できる。意外なことに、特に、本発明によるＰＣＦＢ反応器により 、組合わせサイクル処理用の非並列（unparallel）システムが得られることが判 明した。本発明により、反応器室、固体分離器、流動床熱交換器（ＣＨＥＸ）を 含む、単一の圧力容器内の事実上すべての所要構成部品区画を、前記圧力容器内 の空間を最適利用することによって取囲むことが可能になる。 本発明の一好適実施態様によれば、組合わせサイクル処理の蒸気サイクルは、 ＰＣＦＢ反応器の蒸気発生膜壁と、ＨＲＳＧ煙道ガス通路内の蒸気発生伝熱面と 、ＣＨＥＸ内及びＰＣＦＢ反応器の反応器室内の蒸気過熱及び／又は再加熱伝熱 面とを介して行われる。蒸気発生膜壁及び面内に発生した蒸気は、発電用の蒸気 タービンヘ送られる前に過熱される。数段のタービン、例えば２段タービンを使 用する場合、第１（中間）段からの蒸気を、第２（次の／最終）段へ送る前に再 加熱するのが好ましい。また、本発明により、ＰＣＦＢ反応器と接続した適当な 過熱及び再加熱熱交換面を、コンパクトなＰＣＦＢ反応器を用意することにより 、かなり小直径の圧力容器内に配置することが可能になる。 蒸気の過熱は、本発明により、発電設備の設計条件及び使用負荷に応じて、過 熱又は再加熱した蒸気を、ＰＣＦＢの反応器室内の伝熱面とＣＨＥＸの伝熱面と に、あるいは又その逆に、任意に方向付けるようにすることで制御するのが好ま しい。低負荷条件の場合、ＣＨＥＸ内での除熱量は、ＣＨＥＸへの空気流を低減 し、かつＣＨＥＸを通過する固体流を迂回させることで、低減又はゼロにするこ とができる。したがって、本発明によれば、蒸気の過熱及び／又は再加熱のため に、固体を、ＣＨＥＸへ送るか、又はＣＨＥＸを迂回させることができる。ＰＣ ＦＢ反応器がコンパクトな構成のため、すべての必要な部品を、単一の圧力容器 内に配置できる。 圧力容器内に配置される遠心分離器は、反応器室からの高温燃焼ガスを案内す る装置に接続された入口と、分離器から次の処理段階へ導くガス出口とを有して いる。この出口は、通常、圧力容器の内側又は外側に配置されたセラミックフィ ルタ又は他の粒子除去部材から成り、ガスタービン内での減圧と低レベルの熱回 収のために、最終的に圧力容器から送出するための出口である。分離された固体 粒子を分離器からＣＨＥＸへ、又は直接に反応器室へ再循環させるための固体戻 しダクトも備えてある。遠心分離器は、内部ガス室を形成する明らかに非円筒形 の壁を有する立て型の渦流室を有し、内部ガス室は、明らかに非円形の横断面を 有し、１．１５以上の円状率（circularity）を有している。ガス室は、通常、 方形横断面を有し、事実上平らなパネルから造られたサイクロン分離器を備えて いる。 遠心分離器は、第１遠心分離器を有しており、また、既述のように、第１遠心 分離器と等しい基本構成部品を有する第２遠心分離器が備えられている。これら の分離器は、反応器室の両側に配置して、反応器室の側壁に結合するか、又は反 応器室の同じ側に互いに隣接配置もしくは上下配置する。上下配置して、一方の 分離器のガス出口からは上方へ、他方の（上方の）分離器からは、好ましくは下 方へ排出するようにすることによって、双方のガス出口に共通の１つのプレナム が得られる。反応器、非円形の複数サイクロン、複数ＣＨＥＸ、また可能なら複 数セラミックフィルタを、圧力容器内に最適配置するために、事実上等しい多数 の分離器をグループで（例えば対で）反応器室の両側に取付けるようにする。反 応器室は、第１横断面面積を有し、分離器のそれぞれが、そのガス室の第２横断 面面積を有し、これらの横断面面積が、事実上等しくされている。 圧力容器の加圧用のガス圧縮器は、圧力容器へ加圧下で酸素含有ガスを導入し 圧力容器内部を加圧する装置を有している。加圧ガス流は、また反応器室底部か ら反応器室に流動ガスを供給する装置を有している。反応器室の長さに沿って複 数のオメガパネルが配置されており、分離器が、オメガパネルと平行に反応器室 の長手側に取付けられている。 反応器は、更に、圧力容器内の支持構造物に取付けた複数のセラミックフィル タ装置、例えばキャンドル、モノリシック、ハニカムいずれかのフィルタを有し ている。セラミックフィルタ装置は、汚染ガス入口と、清浄ガス出口と、灰出口 とを有している。本明細書及びクレイムに用いた“セラミックフィルタ装置”と いう用語は、従来式のセラミックキャンドル、モノリシックフィルタ、ハニカム フィルタ、今後に開発される改良フィルタであって、流動床反応器から出る煙道 ガス等の高温ガスから、粒子を濾過し得るフィルタ装置をいう。セラミックフィ ルタ装置を収容するには、多くの異なる構成を利用できる。１つの構成によれば 、分離器を、反応器室の側部に沿って反応器室側壁に取付け、ガス出口を下方に 向け、支持構造物とセラミックフィルタ装置のフィルタとを、分離器と同じ側の 反応器室側壁に、それも分離器の下方に取付ける。フィルタ装置の各フィルタは 、おおよそ平行に延在する。 本発明の更に別の態様によれば、組合わせサイクル発電設備が得られる。この 発電設備には、２バールを超える圧力の圧縮空気を発生させる空気圧縮器と、空 気圧縮器を作動させるガスタービン装置と、断面円形の、前記空気圧縮器に接続 され、２バールを超える圧力に耐えられる圧力容器と、圧力容器に包囲された加 圧循環式流動床反応器とが備えられ、この反応器が、底部区域を有する事実上平 面的な蒸気発生管壁を備えた、長方形横断面の反応器室を有しており、また、前 記反応器から高温燃焼ガスを導出する装置と、前記圧力容器内に配置され、高温 燃焼ガスを受容し清浄化するため、反応器室に適合する遠心分離器とが備えられ 、この反応器室が、前記分離器からのガスを前記圧力容器外へ排出するガス出口 を有しており、また前記遠心分離器が、ガス室を画定する明らかに平面的な蒸気 発生管壁を有する立て型渦流室を有しており、更に、ＣＨＥＸ泡立ち流動床熱交 換器室が備えられ、この熱交換器室内部を画定する明らかに平面的な蒸気発生管 壁を有しており、また前記熱交換器室が、前記反応器室の底部分に接続されてお り、更にガスタービンから排出されるガスから熱を回収するため、ガスタービン 装置に適合する熱回収ユニットが備えられ、更にまた、蒸気タービンと、前記蒸 気発生管壁を含む蒸気発生表面と、蒸気過熱表面とを利用して蒸気発生サイクル が行われる。 本発明の主な目的は、サイクロン分離器を有する加圧循環式流動床反応器、及 びコンパクト型の、圧力容器に組込まれた泡立ち流動床熱交換器を有する組合わ せサイクル発電設備を得ることにある。本発明のこの目的及び他の目的は、本発 明の詳細な説明及び添付クレイムから明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明による加圧循環流動床を備えた組合わせサイクル発電設備の図 。 図２は、本発明による加圧流動床反応器の一好適実施態様の部分縦断立面図。 図３は、図２の２−２線に沿った横断面図。 図４は、反応器のいくぶん異なる実施態様の、図３同様の横断面図。 図５は、図４の反応器の上方から見た斜視図で、圧力容器自体は破線で示した 図。 図６は、本発明による反応器の別の好適実施態様の側面図で、サイクロン分離 器ガス出口に隣接する圧力容器に取付けられたフィルタ装置を示した図。 図７は、本発明による反応器の別の実施態様の断面図で、種々の寸法関係を示 した図。 図面の詳細な説明 図１は、加圧循環式流動床を有する組合わせサイクル発電設備の図である。組 合わせサイクル過程には、破線で例示した符号“ＧＴＣ”のガスタービン・サイ クルと符号“ＳＴＣ”の蒸気タービン・サイクルとが統合されている。ガスター ビン・サイクルは、空気を過圧に圧縮するためのガス圧縮器１を含み、圧縮空気 は、図１、図２、図３に全体を符号１０で示したＰＣＦＢ反応器内へ送られる。 ＰＣＦＢ反応器は、支配的な圧力差に耐える圧力容器１１によって取囲まれてい る。圧縮ガスは、更に反応器内へ送られ、反応器と圧力容器との間のガス室内で 、反応ガスとして用いられる。ここでは、本発明を、燃焼過程の場合について説 明するが、別の過程、例えば気化の場合にも適用できるものと理解されたい。空 気及び燃料は、ＰＣＦＢ反応器内の、過圧条件下の循環式流動床内で燃焼し、そ の結果、高温煙道ガスが発生する。この煙道ガスは、サイクロン１３から排出さ れた後、全体を符号３で示した細密濾過ユニッへ送られる。この細密濾過ユニッ ト３は、処理過程での高温（通常は６００〜１０００°Ｃ）及び高圧（通常は２ 〜２０バールに）に耐えるようにされている。細密濾過ユニット３は、圧力容器 １１とは別個に示されているが、後述するように、反応器１０と同じ圧力容器１ １内に組付けておくこともできる。濾過されたガスは、ガスタービン５へ送られ 、そこで膨張する。ガスタービンには、またガスタービン５内へ供給する前にガ ス温度を高めるため、付加的な燃焼室７を備えることができる。膨張したが未だ 高温のガスが、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）９システムを通過し、スタック８ を 介して大気中に排出される前に、ガスから熱を回収する。本発明による蒸気ター ビンは、ＨＲＳＧ９とＰＣＦＢとの双方に接続されている。供給水は、ＨＲＳＧ ９で予熱熱交換器２を介して煙道ガスによって加熱され、更に蒸発器４を介して 蒸発される。簡単化するため、この過程を、極めて平易な形式に図示してある。 ＰＣＦＢ反応器は、好ましくはいわゆる膜壁で作られた冷却壁で形成されている 。図１には詳細には図示されていないが、蒸気ドラム１４は、蒸気発生がＰＣＦ Ｂ反応器１０内で行われることを示している。蒸気ドラムの図は、この文脈では 、必ずしもドラムを必要とする蒸気発生のみを指す（それのみが可能）ものでは ない。例えば、超臨界的な貫流サイクルも、同じように利用できる。この組合わ せサイクル処理は、また、高圧蒸気、例えば、超臨界的及びウルトラ超臨界的状 態を、オメガパネルを用いて反応器内に、又は泡立ち流動床ＣＨＥＸ内に高圧表 面を配置することによって、利用することで利益を受けることができ、それによ って、蒸気の状態と温度と達成し制御することができ、かつまた反応器とＣＨＥ Ｘとの異なる伝熱特性を利用できる。このような超臨界的及びウルトラ超臨界的 な使用の場合、貫流蒸気サイクルを利用でき、自然循環を支える従来式の蒸気ド ラムより、むしろ蒸気分離器が用いられる。 これと関連するドラム又は蒸気分離器１４は、ＰＣＦＢ１０及びＨＲＳＧ９の 蒸気発生設備を接続するための管路その他の装置を有している。生成された蒸気 は、ＨＲＳＧ過熱器６及び／又はＰＣＦＢの過熱熱交換器を使用することによっ て、過熱される。本発明による過熱熱交換器は、反応器室１２及び／又は本発明 により組込まれたＣＨＥＸ１２′内に配置される。生成された過熱蒸気は、第１ 段の入口１００（Ｄ／Ｂ）から蒸気タービン５′へ入り、膨張し、発電設備を駆 動する。符号Ｄ／Ｂは、種々の制御方式及び／又は反応器入口１０２、１０４及 びタービン第１段入口１００との種々の接続を示すものである。これらの制御方 式及び接続は、制御変数として少なくとも蒸気入口温度１０６（Ｔ１）を有する ように適用する。第１段出口１０７（Ａ／Ｃ）からの膨張した蒸気は、ＰＣＦＢ 反応器１０の入口１０８、１１０へ戻され、蒸気ガスから再加熱される。符号（ Ａ／Ｃ）も、また別の種々の接続方式を示すものである。再加熱された蒸気は、 反応器出口１０２、１０４から第２段入口１１２（Ｂ／Ｄ）へ送られ、蒸気ガス から最終的に膨張する。タービン５′からの蒸気は復水器１１６へ送られ、凝縮 した水は、更にステム（stem）サイクル回路内の予熱器２へ送られる。蒸気ター ビン５′の機械式の回転出力部１１８は、発電機Ｇ１２０を回転させるのに用い られる。基本蒸気発生回路は、作業過程に応じて変更できる。本発明により、Ｐ ＣＦＢ１０内で蒸気の過熱及び再加熱が、好都合にも可能になり、ほぼ中程度の 寸法の圧力容器でも可能である。 以上、本発明による循環式加圧流動床反応器の一好適実施態様のおおよそを説 明したが、図１の説明よりも詳細に、図２及び図３の符号１０の反応器について 説明する。反応器１０は、反応器室１２を有する圧力容器１１と、１つ以上の（ 図２及び図３では２つ）遠心分離器（サイクロン）１３とを有している。通常特 殊鋼製の圧力容器１１は、横断面が円形であり（図３参照）、２バール以上の（ 例えば約８〜１６バール）の過圧に耐えることができる。圧力容器１１は、頂部 １１′と底部１１″とを有している。 図１のガス圧縮器１は、圧力容器１１を２バールを超える（例えば約８〜１６ ）圧力に圧縮する。加圧は、圧力容器１１の頂部の管路１６（図２）を介して圧 力下の酸素含有ガスを圧入することで行われる。ほぼ加圧ガス１６の圧力に達す る圧力容器１１は、その全容積が圧力密に構成されている。ガス１６は、酸素含 有ガス、好ましくは空気であり、底部区域を通過し反応器室１２内へ入り上方へ 流れるようにも使用され、反応器室１２内に燃焼（気化）ガス及び／又は流動ガ スが得られる。反応器室内への燃料供給（図２には符号１８で略示）や、反応器 室１２への他の材料、例えば汚染物質吸着剤（例えば石灰石）の供給（符号１９ で略示）のために、従来形式の手段も用いられる。燃料は、石炭、油、バイオマ ス、その他、通常固体粒子形式の炭素又は水素含有燃料、更には、例えば水や吸 着剤と混合されて燃料となったスラリーなどである。また、図２に符号２０で示 したように、反応器室１２からの従来式の灰排出部も備えている。 本発明による反応器１０の単数又は複数の遠心分離器１３は、例えば特許出願 （アメリカ合衆国特許第５２８１３９８号）に記載のとおりである。すなわち、 各分離器１３が、立て型の渦流室２１（図２）を有している。この渦流室は、明 らかに非円筒形の壁２２を有し、これらの壁２２が、明らかに非円形の横断面を 有する渦流室、つまり内部ガス室２１を画定している。通常、ガス室２１は、１ を超える値の、好ましくは１．１を超える値の、より好ましくは１．１５以上の 円状率を有している。図２及び図３に示された好ましい構成では、ガス室２１が 、方形（例えば正方形）横断面を有し、分離器１３は、基本的には事実上平らで 冷却されたパネルで構成されている。この構成により、よりコンパクトな空間が 得られるだけでなく、分離器１３を、円形の従来形式の分離器より安価に構成で きる。 各分離器１３は、また、内部に渦流ファインダ２３を有し、分離した固体粒子 を分離器１３から、例えば反応器室１２へ再循環させる戻しダクト２４を有して いる。ガス室２１からのガス出口２５が、渦流ファインダ２３と同心的に設けら れている。図２及び図３に示した実施態様では、ガス出口管路２５は、圧力容器 １１の頂部を貫通する適当なシールを貫通している。 反応器１０内の構成部品のために、種々の水冷パネルが設けられ、反応器室１ ２内の燃焼による熱を回収し、構成部品の寿命は長期にわたって維持される。好 ましくは、反応器室１２の縦壁２８と平行（幅２９方向に対し直角）のオメガパ ネル２７は、反応器室１２からの熱を、蒸気タービンに利用する過熱蒸気の形式 で回収するために備えられている。水冷パネルは、また分離器１３と組合わせて 備えられている。例えばパネル２２は、複数の特許出願に開示されているような 水管で形成されている。図２及び図３の実施態様では、２つのサイクロン分離器 が、反応器室１２の１つの縦壁２８に並置して取付けられている。この実施態様 は一例にすぎず、他の多くの配置形式が可能である。 反応器１０には、また、コンパクト型流動床熱交換器（ＣＨＥＸ）１２′が組 込まれている。ＣＨＥＸ１２′は、反応器１０の底部、それも単数又は複数のサ イクロン１３の下方に配置するのが好ましい。こうすることによって、ＣＨＥＸ には、圧力容器１１内で必ずしも特別な横断面区域を必要としなくなり、サイク ロンが占めている空間の垂直投影内に位置することができる。本発明によれば、 単数又は複数の分離器１３とＣＨＥＸ１２′とを形成するのに、同じパネル２２ を使用するのが好ましい。上下のコレクタ１５、１５′は、それぞれ、蒸気を発 生させる管壁が存在することを示すためのものである。側壁は、事実上直線的で あり、後壁は、サイクロン及びＣＨＥＸの後壁を形成するために適当に曲げてあ る。 本発明は、驚くほどさまざまな、かつまた有利な加圧循環式流動床反応器を提 供するものである。本発明により、ガスタービンを駆動するための高温加圧ガス を生成できると同時に、本発明によるコンパクト型加圧循環式流動床を用いて蒸 気を発生させる融通性のある手段が得られる。煙道ガスが、反応器から出来るだ け高く排出され、サイクル内で使用するガスタービンの効率が最大化され、した がって、ガスは、反応器から排出後、通常は冷却されない。しかし、構成部品を 過熱から守る必要がある場合には、必要な熱量だけガスから除去する。通常は、 ＰＣＦＢ反応器から排出されるガスの温度は、６５０〜９５０℃である。蒸気の 過熱及び／又は再加熱は、反応器室１２及び／又はＣＨＥＸ泡立ち流動床内の熱 交換器を利用することで行われる。本発明によれば、高温ガス及び過熱蒸気発生 用の設備を単一の圧力容器１１内に設けることが可能になる。 図４及び図５には、本発明による別の反応器１０′が示されている。この反応 器１０′は、サイクロン分離器の数以外は、反応器１０と事実上等しい。この実 施態様の場合、分離器１０′の両側に分離器ユニットが配置され、各ユニットが 、２つの別個の渦流から成っている。本発明によれば、コンパクト型熱交換器１ ２′は、分離器ユニット１３の下に配置されている。ＣＨＥＸユニットは、泡立 ち流動床を有し、その中に熱交換器が浸漬されている。好ましくは、ＣＨＥＸユ ニットは、その上方のサイクロン分離器と共通の壁構造物を有するようにする。 こうすることによって、圧力容器内での反応器１０′の支持が効果的になり、本 発明のこの特徴は、組合わせサイクル処理と結び付けた場合、特に効果的である 。 図６は、本発明による、セラミックフィルタ装置７１を備えた加圧循環式流動 床反応器６５の一実施態様を、いくぶんより詳細に略示した図である。圧力容器 ６６内には、反応室６７と、方形横断面の、反応室の片側又は両側に配置された １つ以上のサイクロン６８と、サイクロン６８からの粒子を再循環させる管路６ ９と、サイクロン６８からのガスをセラミックフィルタ装置７１へ導くガス出口 ７０とが配置されている。セラミックフィルタ装置７１の個々のフィルタは、図 ６には符号７２で示され、大体において水平に延在し、支持構造物７３に取付け られ、一方の側には汚染ガス入口７４（管路７０に接続されている）を、反対側 には清浄ガス室７５を備え、圧力容器６６を貫通し、次の処理へと通じる清浄ガ ス出口７６と連通している。例えばフライアッシュ又はその他の粒子用の灰出口 が符号７７のところに設けられている。灰出口７７は、フィルタ７２を通過する ガスから分離された粒子を廃棄するための出口である。これらの粒子は、通常、 フィルタ７２を、例えばアメリカ合衆国特許第５２４２４７２号に記載のように 従来式に逆洗浄する事で除去される（図示せず）。 図６に見られるように、圧力下の空気は、頂部の符号７８のところから、圧力 容器６６内へ導入されるが、符号７９で示したように別個に制御される流動空気 が送入され、符号８０で示したように、燃料と吸着剤その他とが、反応器室６７ へ加えられるにつれて、反応器室６７の周囲を上方へ流れ、また廃棄される灰は 、反応器室６７の底部の管路８１から排出される。本発明の原理を利用すること により、費用効果よく、反応器圧力容器６６内に十分なフィルタ区域を設けるこ とができ、圧力容器６６内に配置される事実上最適寸法の反応器によって生成さ れるガスのすべてを、効果的に濾過できる。流動ガスの一部は、ＣＨＥＸ１２′ 内へ供給され、その内部に泡立ち流動床ガス形成される。この実施態様の場合、 ＣＨＥＸは、サイクロン６８の下にはフィルタ装置が配置されるため、反応器室 内に配置される。しかし、この場合も、ＣＨＥＸとフィルタ室とが、圧力容器の 横断面を増すことなしに配置されている。 図７は、特定寸法の圧力容器６１に対し、最適寸法の反応器室を数学的にどの ように計算するか、その仕方を略示したものである。圧力容器６１は、内径Ｄを 有し、反応器室６２は、幅ｗと長さＬとを有している。複数のサイクロン分離器 ６３は、反応器室６２の両側に示されて、ｘ個の分離器６３が備えられ、各分離 器は、側部寸法ｄの方形横断面を有している。 図７から明らかなように、反応器室６２の横断面の面積は、Ｌのｗ倍であり、 分離器６３の渦流室の面積は、ｘ（この場合は８）のｄ²倍である。反応器室６ ２の面積は、渦流室６３の面積と等しいのが望ましいので、正確には次式で表さ れる： ｘとＤに所望値を代入すると、反応器室６２の最大面積を数学的に計算可能で ある。もちろん、より経済的で費用効果のよい解決策を、圧力容器の入口及び出 口、種々の付属部品の配置等の他の要因により得ることができるため、最大反応 器室面積が、常に利用されるというわけではないが、反応器室６２の最大面積計 算は、多くの事情から価値がある。 本発明は、また、詳言すると、アメリカ合衆国特許第５１１４５８１号及び第 ４７９３２９２号に記載のように、セラミックフィルタ装置を使用することによ って、遠心分離器から排出されるガスの濾過用の別個の圧力容器を省略できる利 点を有している。この構成により、より大きいフィルタ面積／容積比（area/vol ume ratio）が得られ、この比によってフィルタユニットに要する空間が低減さ れ、フィルタユニットを直接に圧力容器内に配置可能になり、本発明による、圧 力容器と方形サイクロン分離器との特定の組合わせにより、十分な内部空間が得 られ、反応器室及びサイクロン分離器とが配置されている同じ圧力容器内に、セ ラミックフィルタを配置することができる。 このように、本発明により、コンパクトな、費用効果のよい、効率的な加圧循 環式流動床反応器と、ＰＣＦＢ反応器を有する組合わせサイクル発電設備とが得 られる。以上、本発明を、現時点で最も実用的かつ好適と考えられる実施態様で 図示し、説明したが、言うまでもなく本発明の範囲内で多くの変更態様が可能で あることが、当業者には明らかであろう。本発明の範囲には、添付クレイムの最 も広い解釈が含まれ、したがって、すべての同等の構成物及び装置を包含するも のである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エリクソン，ティモ フィンランド国 エフアイエヌ − 48100 コトカ，キルコカツ 19 イー 123 (72)発明者 プルキネン，テウボ アメリカ合衆国 92121 − 3269 カリ フォルニア州 サン ディエゴ，レーコ ロード 8925，フォスター ホイーラー エナージー コーポレイション 内 (72)発明者 プロボル，スチーブン ジェイ. アメリカ合衆国 92131 カリフォルニア 州サン ディエゴ，レガシー テラス 11396

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 組合わせサイクル発電設備であって、 − ２バールを超える圧力の加圧ガスを得るためのガス圧縮装置（１）と、 − ガス圧縮装置を駆動するためのガスタービン装置（５）と、 − 円形横断面を有し、２バールを超える圧力に耐えることができ、頂部と底 部（１１′、１１″）とを有する圧力容器（１１）と、 − 圧力容器に包囲された加圧循環式流動床反応器（１０）とが備えられ、こ の循環式流動床反応器が、事実上平面的な壁を有しており、また − 加圧ガスを、ガス圧縮器から前記圧力容器へ送入するための装置（１６） と、 − 前記反応器室内へ燃料を供給するための装置（１８）と、 − 前記反応器からの高温燃焼ガスを案内するための装置と、 − 前記圧力容器内に配置された少なくとも１つの遠心分離器（１３）とが備 えられ、前記遠心分離器（１３）が、前記反応器室からの高温燃焼ガスを案内す る前記装置へ接続された入口と、前記の少なくとも１つの分離器から前記圧力容 器の外部の膨張用ガスタービンへ通じる出口と、分離された固体粒子を前記分離 器から前記反応器室へ再循環させる戻りダクトとを備えており、更に 前記少なくとも１つの遠心分離器（１３）が、内部ガス室を形成する明らかに 平面的な壁を有する立て型の渦流室（２１）を有し、前記ガス室が、明らかに非 円形の横断面を有し、１．１５以上の円状率を有する形式のものにおいて、 圧力容器内に配置された泡立ち流動床熱交換器室（１２′）が、前記反応器室 と連通しており、前記流動床熱交換器室（１２′）が、反応器室（１２）の１つ の壁と共通の壁部分を共有していることを特徴とする、組合わせサイクル発電設 備。 ２． 前記熱交換器室（１２′）が、 − 前記渦流室（２１）の下方に配置され、 − 渦流室（２１）の横断面形と類似の横断面形を有し、 − 渦流室の各平面的な側壁の延長部によって、それぞれ形成された第２及び 第３の壁を有することを特徴とする請求項１に記載された組合わせサイクル発電 設備。 ３． 内部ガス室（２１）が方形横断面を有し、かつ分離器が、分離器外周部 に事実上平らな水管パネルを有することを特徴とする請求項１に記載された組合 わせサイクル発電設備。 ４． 前記少なくとも１つの遠心分離器（１３）が、事実上等しい少なくとも ２つの分離器を有し、これら２つの分離器が、反応器の１側面に互いに隣接並置 され、前記反応器室（１２）の壁に結合されていることを特徴とする請求項１に 記載された組合わせサイクル発電設備。 ５． 前記遠心分離器（１３）が、事実上等しい少なくとも２つの分離器を有 し、これらの２つの分離器が、前記反応器室（１２）の反対側の側面に配置され 、前記反応器室の壁に結合されていることを特徴とする請求項１に記載された組 合わせサイクル発電設備。 ６． 前記遠心分離器（１３）が、第１遠心分離器を有し、更に、前記圧力容 器内に配置された前記第１遠心分離器と事実上等しい別の３つの遠心分離器を有 し、前記分離器が、前記反応器室（１２）の両側に、対をなして互いに向かい合 って隣接並置されて取付けられることを特徴とする請求項１に記載された組合わ せサイクル発電設備。 ７． 熱交換器（１２′）が、 − 反応器室の内部に配置され、 − 反応器室の事実上平面的な第２の壁と共通な第２の壁部分を共有し、 − 反応器室の事実上平面的な第３の壁と共通な第３の壁部分を共有すること を特徴とする請求項１に記載された組合わせサイクル発電設備。 ８． 前記圧力容器内の支持構造物（７３）に取付けたセラミックフィルタ（ ７２）を有し、これらセラミックフィルタが、汚染ガス入口（７４）と、清浄ガ ス出口（７６）と、灰出口（７７）とを有し、前記汚染ガス入口が前記分離器の ガス出口に接続されていることを特徴とする請求項７に記載された組合わせサイ クル発電設備。 ９． 前記分離器が、前記反応器室の１つの側に沿って取付けられ、反応器室 の側壁に結合されており、また前記支持構造物（７３）と前記フィルタ装置のセ ラミックフィルタ（７２）とが、前記反応器室の、前記分離器が取付けられてい るのと同じ側壁に沿って取付けられ、前記セラミックフィルタが大体において水 平に延在していることを特徴とする請求項８に記載された組合わせサイクル発電 設備。 １０． 前記分離器が、前記反応器室の１つの側に沿って取付けられ、反応器 室の側壁に結合されており、また前記ガス出口が下方を向いており、更に前記支 持構造物（７３）と前記フィルタ装置のセラミックフィルタ（７２）とが、前記 分離器が取付けられているのと同じ前記反応器室側壁に、それも前記分離器の下 方に取付けられ、前記セラミックフィルタ（７２）が、大体において水平に延在 していることを特徴とする請求項８に記載された組合わせサイクル発電設備。 １１． ガス圧縮器が空気圧縮器であり、加圧ガスを圧力容器内へ送入するた めの前記装置が、 − 圧力容器の内部を加圧するために、前記圧力容器の頂部に圧力下の空気を 導入するための装置（１６、７８）と、 − 反応器室の底部から反応器室内へ流動空気を供給するための装置（７９） とを有することを特徴とする請求項１に記載された組合わせサイクル発電設備。 １２． １つ以上の大体において等しい分離器が備えられ、また前記反応器室 が、第１横断面面積を有し、更に前記１つ以上の分離器のそれぞれが、そのガス 室の第２横断面面積を有し、更にまた前記第１横断面面積が、複数の前記第２横 断面面積の合計に事実上等しいことを特徴とする請求項１に記載された組合わせ サイクル発電設備。 １３． Ｄが前記圧力容器の内径、ｄが各分離器ガス室の各側面の長さ、Ｌと ｗとが前記反応器室の長さと幅、ｘが分離器の数であり、また圧力容器の特定の 直径Ｄに対する反応器室の最適面積が、次式、すなわち を解くことによって決定されることを特徴とする請求項１２に記載された組合わ せサイクル発電設備。 １４． − 前記反応器室が、長さと幅とを有し、更に、複数の伝熱パネル（ ２７）を有しており、これらの伝熱パネルが、前記反応器室内に備えられ、反応 器室の長さに沿って延在しており、 − 前記分離器が、事実上等しい少なくとも２つの分離器から成り、これらの 少なくとも２つの分離器が、前記反応器室の両側に、前記反応器室の長手方向の 側壁に沿って、前記伝熱パネルと平行に取付けられていることを特徴とする請求 項１に記載された組合わせサイクル発電設備。 １５． − ガスタービンから排出されるガスの熱を回収するため、ガスター ビンに適合するようにされた熱回収ユニット（９）と、 − 蒸気タービンと、蒸気発生表面と、蒸気過熱表面とを用いる蒸気発生サイ クルとを有することを特徴とする請求項１に記載された組合わせサイクル発電設 備。 １６． − 熱交換器室（１２′）の前記共通の壁部分と、反応器室（１２） と、渦流室（２１）とが、蒸気発生表面を有しており、 − 前記熱回収ユニット（９）が、蒸気発生サイクル用の供給水の節減表面を 有し、 − 前記熱交換器室及び／又は前記反応器室が蒸気過熱表面を有していること を特徴とする請求項１５に記載された組合わせサイクル発電設備。 １７． 前記熱交換器室（１２′）が蒸気再加熱表面を有し、前記反応器室（ １２）が蒸気再加熱表面を有することを特徴とする請求項１６に記載された組合 わせサイクル発電設備。 １８． 前記遠心分離器が第１横断面面積を有し、前記泡立ち流動床熱交換器 室が第２横断面面積を有し、前記第２横断面面積が、第１横断面面積より小さい か、又は第１横断面面積に等しいことを特徴とする請求項１に記載された組合わ せサイクル発電設備。 １９． 前記蒸気発生サイクルが、超臨界的又はウルトラ超臨界的長手方向の 貫流蒸気サイクルであることを特徴とする請求項１５に記載された組合わせサイ クル発電設備。 ２０． − 循環式流動床反応器（１０）が反応器室（１２）を備えており、 この反応器室が、長方形横断面を有し、底部分を備えた事実上平面的な蒸気発生 管壁を有しており、 − 前記遠心分離器（１３）が、内部ガス室を画定する明らかに平面的な蒸気 発生管壁を有する立て型の渦流室（２１）を有し、 − 前記熱交換器室（１２′）が、内部を画定する明らかに平面的な蒸気発生 管壁を有し、前記反応器室の底部分に接続されており、 更に、発電設備が、 − ガスタービンから排出されるガスから熱を回収するために、ガスタービン に適合するようにされた熱回収ユニット（９）と、 − 蒸気タービンと、前記蒸気発生管壁を備えた蒸気発生表面と、蒸気過熱表 面とを用いる蒸気発生サイクルとを有することを特徴とする請求項１に記載され た組合わせサイクル発電設備。