(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室の下部から気体を導入し固形物を流動させながら前記反応室で反応を行わせる流動床反応炉であって、熱交換を行うための炉壁管を有する上部壁部分と、この上部壁部分の下に設定され耐火物を有する下部壁部分と、を具備した流動床反応炉において、
前記上部壁部分における前記下部壁部分より上方に離間した位置に、内側に突出すると共に前記上部壁部分の周方向に沿って帯状を成し、前記位置より下の前記上部壁部分において前記固形物の流動による当該上部壁部分の摩耗減肉を防止する帯状耐火物を備え、
前記帯状耐火物は、その上面の内側に位置し内側に向けて下るように傾斜する傾斜面を有することを特徴とする流動床反応炉。
【請求項２】
前記帯状耐火物の高さＨは、１００ｍｍ≦Ｈ≦３００ｍｍの関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の流動床反応炉。
【請求項３】
前記帯状耐火物の突出長Ｌは、４０ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２記載の流動床反応炉。
【請求項４】
前記帯状耐火物は、セラミック焼成物であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の流動床反応炉。
【請求項５】
前記帯状耐火物は、耐火煉瓦であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の流動床反応炉。
【請求項６】
前記帯状耐火物は、前記炉壁管に配列されたスタッドピンをアンカーとして設けられていることを特徴とする請求項４記載の流動床反応炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動床反応炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、底部から供給される燃料と空気を流動材と混合し流動床（流動層）を形成しながら燃焼させ、この燃焼反応により、炉壁管内を流れる水と熱交換する流動床ボイラが知られている。この流動床ボイラでは、流動材の激しい撹拌や熱による炉内壁の摩耗減肉を防止すべく、流動床を形成する炉下部内壁を耐火物で構成している。このような流動床ボイラでは、耐火物の上面と、当該耐火物の上面から上方に所定距離離間した位置との間、すなわち、耐火物から上方の所定区間（例えば２ｍ）において、流動材等の粒子が炉壁管に沿って下降するのを繰り返し当該炉壁管に繰り返し衝突するため、この所定区間の炉壁管に対して、以下の特許文献１に記載のように、耐摩耗性金属より成る硬化肉盛層を溶接により設けるか、若しくは、耐摩耗性金属より成る保護皮膜層を溶着により設け、耐摩耗性の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−５０００３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記流動床ボイラにあっては、耐火物上面から所定区間に亘る広範囲に、耐摩耗性金属より成る硬化肉盛層を溶接により設けるか、若しくは、耐摩耗性金属より成る保護皮膜層を溶着により設けることから、コストが非常に高くなるという問題がある。また、このように炉壁管を覆う硬化肉盛層若しくは保護皮膜層が広範囲に亘るため、熱交換のための伝熱が阻害されるという問題もある。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、伝熱阻害要因を低減しつつ、低コストにて、炉内壁の摩耗減肉を防止できる流動床ボイラを始めとした流動床反応炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による流動床反応炉は、反応室の下部から気体を導入し固形物を流動させながら反応室で反応を行わせる流動床反応炉であって、熱交換を行うための炉壁管を有する上部壁部分と、この上部壁部分の下に設定され耐火物を有する下部壁部分と、を具備した流動床反応炉において、上部壁部分における下部壁部分より上方に離間した位置に、内側に突出すると共に上部壁部分の周方向に沿って帯状を成し、その位置より下の上部壁部分において固形物の流動による当該上部壁部分の摩耗減肉を防止する帯状耐火物を備え、帯状耐火物は、その上面の内側に位置し内側に向けて下るように傾斜する傾斜面を有することを特徴としている。
【０００７】
このような流動床反応炉によれば、熱交換を行うための炉壁管を備えた上部壁部分に沿って下降してくる粒子は、上部壁部分における下部壁部分より上方に離間した位置に設けられ内側に突出すると共に上部壁部分の周方向に沿って帯状を成す帯状耐火物に接触し、その流れが炉の内側に向かうことになる。このため、帯状耐火物より下の上部壁部分に対する粒子の接触が防止され、当該上部壁部分の摩耗減肉を防止できる。また、このように、帯状耐火物は、上部壁部分における下部壁部分より上方に離間した位置に帯状に設けられたものであるから、下部壁部分から上方の所定区間を硬化肉盛層若しくは保護皮膜層で覆う従来技術に比して、低コストであると共に、伝熱阻害要因を低減でき熱交換効率を向上できる。また、帯状耐火物は、その上面の内側に位置し内側に向けて下るように傾斜する傾斜面を有しているため、この傾斜面により、下降してくる粒子が積極的に炉の内側に寄せられるようになり、帯状耐火物より下の上部壁部分に対する接触が一層防止され、当該上部壁部分の摩耗減肉を一層防止できる。
【０００９】
また、帯状耐火物の高さＨは、１００ｍｍ≦Ｈ≦３００ｍｍの関係を満たすことが好ましい。これは、Ｌ＜１００ｍｍであると、帯状耐火物が短すぎて例えばスタッドピンで保持する場合には当該スタッドピンによる保持が難しく脱落の虞があるからであり、また、Ｌ＞３００ｍｍであると、伝熱阻害が大きくなってしまうからである。
【００１０】
また、帯状耐火物の突出長Ｌは、４０ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの関係を満たすことが好ましい。これは、Ｌ＜４０ｍｍであると、帯状耐火物が薄すぎて例えばスタッドピンで保持する場合には当該スタッドピンによる保持が難しく脱落の虞があり、且つ、下降してくる粒子が帯状耐火物より下の上部壁部分に接触しやすくなるからであり、また、Ｌ＞１００ｍｍであると、帯状耐火物が厚すぎて例えばスタッドピンで保持する場合には重すぎ脱落の虞があるからである。また、帯状耐火物は、セラミック焼成物又は耐火煉瓦であることが好ましい。また、帯状耐火物がセラミック焼成物である場合、帯状耐火物は炉壁管に配列されたスタッドピンをアンカーとして設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
このように本発明による流動床反応炉によれば、伝熱阻害要因を低減しつつ、低コストにて、下部壁部分から上方の所定区間の上部壁部分の摩耗減肉を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る流動床反応炉を示す概略断面構成図である。
【図２】図１に示す流動床反応炉の上部壁部分の要部を下部壁部分の上部と共に炉内側から見た図である。
【図３】図２のIII-III矢視図である。
【図４】図２のIV-IV矢視図である。
【図５】矩形筒形状を成す流動床反応炉及びサイクロンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明による流動床反応炉の好適な実施形態について図１〜図５を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る流動床反応炉を示す概略断面構成図、図２は、図１に示す流動床反応炉の上部壁部分の要部を下部壁部分の上部と共に炉内側から見た図、図３（ａ）は、図２のIII-III矢視図、図３（ｂ）は、図３（ａ）に溶接肉盛を施した図、図４は、図２のIV-IV矢視図、図５は、矩形筒形状を成す流動床反応炉及びサイクロンを示す図であって、図５（ａ）は一部破断側面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のV-V矢視図であり、ここでは、流動床反応炉を循環流動床（ＣＦＢ；Circulating FluidizedBed）ボイラとして説明する。
【００１４】
図１に示すように、循環流動床ボイラ１００は、矩形筒の上下端を閉じた形状を呈し、その下部は、下方に行くに従って幅方向（図１の左右方向）に狭まり矩形筒が小さくなる形状とされている。この循環流動床ボイラ１００は、矩形筒の上下端を閉じた形状を構成している炉壁１内が反応室２とされ、この反応室２の底部に設けた複数の開口３から燃焼空気を導入すると共に反応室２の下部から燃料（固形物）を導入し当該燃料を流動させながら反応室２で燃焼反応を行わせるものである。
【００１５】
この循環流動床ボイラ１００の炉壁１は、具体的には、図２及び図４に示すように、炉壁周方向（図の左右方向）に並設した水壁チューブ（炉壁管）４，４同士を平板状のフィン５で連結した所謂メンブレンパネルで構成されている。この水壁チューブ４は、反応室２での燃焼反応による熱を、当該水壁チューブ４内に流れる水と熱交換する。
【００１６】
これらの水壁チューブ４及びフィン５から成り炉壁を構成するメンブレンパネル１は、図１に示すように、底部から上方に所定距離離間した位置において、斜め下方且つ外方に向かって折り曲げられ、外方に所定距離向かったらさらに斜め下方且つ内方に向かって折り曲げられ、この折り曲げにより形成されたへこみ部に耐火物６が設けられている。
【００１７】
すなわち、炉壁は、図１及び図２に示すように、熱交換を行うための水壁チューブ４を有しメンブレンパネル１が露出する上部壁部分Ａと、この上部壁部分Ａの下に設定されて耐火物６を有し当該耐火物６によりメンブレンパネル１が覆われる下部壁部分Ｂと、を具備する構成とされている。そして、このように下部壁部分Ｂのへこみ部に耐火物６が収容されることで、上部壁部分Ａの内壁面と下部壁部分Ｂの耐火物６の表面とがほぼ面一に連続する構成とされている。
【００１８】
なお、耐火物６は、ここでは、セラミック焼成物等の耐火ライニングとされている。また、水が流れる水壁チューブ４に代えて、水蒸気が流れる炉壁管を用いて熱交換を行うようにしても良い。
【００１９】
この循環流動床ボイラ１００には、図５に示すように、サイクロン１１が付設されている。このサイクロン１１は、反応室２での燃焼反応により生じた燃焼ガス及び粒子を、サイクロン１１の上部の燃焼ガス導入口１１ａを通して導入して当該粒子を燃焼ガスから分離し、分離粒子をサイクロン１１の下部の粒子排出口１１ｂを通してボイラ下部に戻すものである。
【００２０】
ここで、この循環流動床ボイラ１００では、図１及び図２に示すように、下部壁部分Ｂの耐火物６の上端から上方に所定距離（約２ｍ）離間した位置までが特に上部壁部分の摩耗減肉が顕著となるため、本実施形態にあっては、この所定距離離間した位置に、内側に突出すると共に上部壁部分Ａの周方向に沿って帯状を成す帯状耐火物７を設けている。
【００２１】
この帯状耐火物７は、帯状に延びて棚段の如き構成とされ、図２及び図３に示すように、その上面の内側に位置し内側に向けて下るように傾斜する上部傾斜面８を有すると共に、その下面の内側に位置し内側に向けて上がるように傾斜する下部傾斜面９を有し、上部傾斜面８の内側の稜線と下部傾斜面９の内側の稜線との間の面は鉛直面１２とされている。なお、この帯状耐火物７は、上部壁部分Ａの全周に亘って連続的に設けられていても、周方向に断続的に設けられていても良い。
【００２２】
帯状耐火物７は、ここでは、セラミック焼成物とされている。このセラミック焼成物は、図３及び図４に示すように、水壁チューブ４の外周面に、当該水壁チューブ４の軸線方向に沿って、スタッドピン１０を千鳥状に（例えば軸線方向に沿って、外周面の真ん中、左側、真ん中、右側という順に離間して並ぶように）配列し溶接してアンカーとすると共に、これを内側から囲むように帯状耐火物の形状を成形するための型枠を配置し、この型枠内に耐火物を流し込み、固化、離型、焼成することで得られる。なお、耐火煉瓦等を用いることもできる。
【００２３】
このような構成を有する循環流動床ボイラ１００によれば、反応室２で燃焼反応が行われ、この燃焼反応による熱は水壁チューブ４に伝達されて熱交換が行われる。燃焼反応により生じた燃焼ガスは、粒子を伴いながら炉内中央側から上昇し後段のサイクロン１１へ排出され、残りの粒子は上部壁部分Ａに沿って下降する。
【００２４】
この上部壁部分Ａに沿って下降してくる粒子は、上部壁部分Ａにおける下部壁部分Ｂより上方に離間した位置に設けられ内側に突出すると共に上部壁部分Ａの周方向に沿って帯状を成す帯状耐火物７に接触し、その流れは炉の内側に向かう。このため、帯状耐火物７より下の上部壁部分Ｃ（図１参照）に対する粒子の接触が防止され、当該上部壁部分Ｃの摩耗減肉を防止できる。また、このように、帯状耐火物７は、上部壁部分Ａにおける下部壁部分Ｂより上方に離間した位置に帯状に設けられたものであるから、下部壁部分から上方の所定区間を硬化肉盛層若しくは保護皮膜層で覆う従来技術に比して、低コストであると共に、伝熱阻害要因を低減できる。すなわち、伝熱阻害要因を低減しつつ、低コストにて、下部壁部分Ｂから上方の所定区間の上部壁部分Ｃの摩耗減肉を防止できる。
【００２５】
加えて、本実施形態にあっては、帯状耐火物７は、セラミック焼成物や耐火煉瓦等とされているため、従来技術のように硬化肉盛層若しくは保護皮膜層を設ける場合に比して、一層低コスト化が図られている。
【００２６】
また、帯状耐火物７は、その上面の内側に位置し内側に向けて下るように傾斜する上部傾斜面８を有しているため、この傾斜面８により、下降してくる粒子が積極的に炉の内側に寄せられるようになり、帯状耐火物７より下の上部壁部分Ｃに対する接触が一層防止され、当該上部壁部分Ｃの摩耗減肉を一層防止できる。
【００２７】
ここで、帯状耐火物７の高さＨ（図３参照）は、１００ｍｍ≦Ｈ≦３００ｍｍの関係を満たすことが好ましい。これは、Ｌ＜１００ｍｍであると、帯状耐火物７が短すぎてスタッドピン１０で保持する場合に当該スタッドピン１０による保持が難しく脱落の虞があるからであり、また、Ｌ＞３００ｍｍであると、伝熱阻害が大きくなってしまうからである。
【００２８】
また、帯状耐火物７の突出長Ｌは、４０ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの関係を満たすことが好ましい。これは、Ｌ＜４０ｍｍであると、帯状耐火物７が薄すぎてスタッドピン１０で保持する場合に当該スタッドピン１０による保持が難しく脱落の虞があり、且つ、下降してくる粒子が帯状耐火物７より下の上部壁部分Ｃに接触しやすくなるからであり、また、Ｌ＞１００ｍｍであると、帯状耐火物７が厚すぎてスタッドピン１０で保持する場合に重すぎ脱落の虞があるからである。
【００２９】
さらにまた、図３（ｂ）に示すように、帯状耐火物７の上面から上方の短い範囲に亘る上部壁部分Ｆ（水壁チューブ４及びフィン５；メンブレンパネル）との間に、溶接肉盛１３を施すことが好ましい。このように溶接肉盛１３を設けることによって、帯状耐火物７の上面で粒子が上部壁部分Ｆ側に跳ね返った場合に当該溶接肉盛１３に当たることになり、上部壁部分Ｆの摩耗減肉を防止できる。
【００３０】
因みに、図５に示すように、２個のサイクロン１１が、矩形筒形状を成す循環流動床ボイラ１００の両端側（図５（ｂ）の上下端側）に各々付設されている場合、具体的には、サイクロン１１の上部の燃焼ガス導入口１１ａが、矩形筒形状を成す炉の上部の両端に各々接続され、サイクロン１１の下部の粒子排出口１１ｂが、燃焼ガス導入口１１ａの下方位置に各々接続される場合には、炉の両端側に粒子が戻されることになるから、炉の両端側の粒子排出口１１ｂの上方の上部壁部分の摩耗減肉が顕著となり、従って、この炉の両端側の粒子排出口１１ｂの上方のみに帯状耐火物７を設けるようにしても良い。なお、このような場合にあっても、循環流動床ボイラ１００の高さＬ１は、約１５ｍ（小型の場合）〜約４０ｍ（大型の場合）であり、帯状耐火物７は、Ｌ１の高さにかかわらず、下部壁部分Ｂの耐火物６の上端から上方にＬ２＝約２ｍ離れた位置に設けられている。
【００３１】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、上記実施形態においては、低コスト化の観点から、帯状耐火物７を、セラミック焼成物や耐火煉瓦等としているが、当該帯状耐火物とほぼ同形状の溶接肉盛としても良い。
【００３２】
また、上記実施形態においては、循環流動床ボイラ１００を矩形筒形状としているが、例えば、円筒形状等であっても良い。
【００３３】
また、上記実施形態においては、特に好適であるとして、循環流動床ボイラ１００に対する適用を述べているが、循環しない流動床ボイラに対しても適用でき、さらには、燃焼反応ではなく発熱を伴う化学反応を行う炉に対しても適用でき、要は、反応室の下部から気体（空気以外でも可）を導入し固形物（例えば燃料や反応対象物）を流動させながら反応室で反応を行わせる流動床反応炉に対して適用できる。
【符号の説明】
【００３４】
１…メンブレンパネル（炉壁）、２…反応室、３…開口、４…水壁チューブ（炉壁管）、５…フィン、６…耐火物、７…帯状耐火物、８…帯状耐火物の上部傾斜面、９…帯状耐火物の下部傾斜面、１０…スタッドピン、１１…サイクロン、１３…溶接肉盛、１００…循環流動床ボイラ（流動床反応炉）、Ａ…上部壁部分、Ｂ…下部壁部分、Ｃ…帯状耐火物より下の上部壁部分、Ｈ…帯状耐火物の高さ、Ｌ…帯状耐火物の突出長。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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