(57)【要約】【課題】  循環流動層炉や循環流動層燃焼装置において、流動層内へ戻す流動砂内の飛廃含有量を減少させて熱媒体である砂の流動性悪化や性状変化に起因するトラブルの発生を防止すると共に、炉本体の高さ寸法の低減や製造コストの引下げ等を可能にしたボイラや燃焼装置に用いる循環流動層炉に関するものである。【解決手段】  炉本体１とサイクロン２を備えた循環流動層炉において、前記サイクロン２を内筒を備えないサイクロンとすると共に、前記炉本体１の混合流体出口1dとサイクロン２の混合流体入口2dの間を、断面形状が四角形で且つサイクロン２の水平方向接線に対して角度αをもって配設固定したダクト６により連通する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉本体とサイクロンを備えた循環流動層炉において、前記サイクロンを内筒を備えないサイクロンとすると共に、前記炉本体の混合流体出口とサイクロンの混合流体入口の間を、断面形状が四角形で且つサイクロンの水平方向接線に対して角度αをもって配設固定したダクトにより連通する構成としたことを特徴とする循環流動層炉。
【請求項２】
ダクトの配設固定角度αを１５〜２０度とした請求項1に記載の循環流動層炉。
【請求項３】
サイクロン入口近傍のサイクロン中心側の側壁面に、ダクト横幅調機構を備えたダクトとした請求項１に記載の循環流動層炉。
【請求項４】
ダクト内を流通する燃焼ガスと流動砂との混合流体の燃焼ガスの流速を４m/sec以上とすると共にダクトの断面形状を、ダクトの横幅wに対して高さhをその２倍以上とするようにした請求項１または請求項２に記載の循環流動層炉
【請求項５】
サイクロンの円筒胴部の高さをダクトの横幅wの3〜5倍に、円錐部を含めたサイクロン全体の高さLをダクトの高さhの５〜６倍、円筒胴部の径ｄをダクトの横幅wの3〜5倍とするようにしたした請求項１または請求項２に記載の循環流動層炉。
【請求項６】
ダクトのサイクロン側接続部の中心pを、サイクロンの円筒胴部の上面から円筒胴部の高さL’の1/2〜1/4下方に位置させて接続するようにした請求項１または請求項２に記載の循環流動層炉。
【請求項７】
炉本体の燃焼室及びサイクロンの円筒胴部を水冷構造とするようにした請求項１または請求項２に記載の循環流動層炉。
【請求項８】
炉本体の燃焼室及び流動層部、ダクト、サイクロンの円筒胴部及び円錐部、ループシール部並びに砂循環路を含む流動砂の循環径路の全てを水冷構造とした請求項１または請求項２に記載の循環流動層炉。
【請求項９】
炉本体の燃焼室及び流動層部、ダクト、サイクロンの円筒胴部及び円錐部、ループシール部並びに砂循環路を含む流動砂の循環径路の全てを耐火物構造とした請求項１または請求項２に記載の循環流動層炉。
【請求項１０】
ダクト横幅調整機構を、サイクロン中心側の側壁面を外方へ突出させた半円筒状の膨出部と、当該膨出部の内部空間内に回動可能に縦向に配設した断面形状が扇形の横幅調整体と、当該横幅調整体を支持する支軸とから成り、横幅調整体の回動によりその一側をダクト通路内へ移動してダクト横幅wを調整する構成とした請求項３に記載の循環流動層炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所謂循環流動層ボイラや都市ごみ焼却施設で用いる循環流動層炉の改良に関するものであり、特に、バイオマスや石炭等を燃料とする循環流動層炉の炉本体とサイクロン間を繋ぐダクトやサイクロンの構造及び形態を改変することにより、炉本体内へ戻す流動砂の飛灰含有量を減少させて砂の流動性悪化や性状変化に起因するトラブルの発生を防止すると共に、サイクロンでの熱吸収量を増大させて炉本体の高さ寸法の短縮や製造コストの低減等を可能にした循環流動層炉に関するものである。  
【背景技術】
【０００２】
一般に、循環流動層炉は各種の固形燃料に対して優れた燃焼性能を有するものであり、発電用ボイラや都市ごみ焼却施設の燃焼装置として多用されている。その中でも、特に、バイオマスや石炭を燃料とする循環流動層ボイラは、循環流動層炉が具備する優れた燃焼特性の故に、従前から広く実用に供されている。
【０００３】
図６は、この種循環流動層ボイラの一例を示すものであり、炉本体１とサイクロン２とループシール部３とバックパス部４等から循環流動層ボイラが形成されており、当該循環流動層ボイラを形成する炉本体１とサイクロン２とループシール部３とバックパス部４等の構成材による吸収熱及びループシール部３、バックパス部４内に設けた熱交換器５類による吸収熱により、発電用の高温高圧の過熱蒸気Stを発生させるよう構成されている（特開２００１−２熱交換器１０１号等）。
【０００４】
尚、図６において、６はダクト、７は砂循環路、８は流動砂戻口、９は流動ノズル、１０はドレーン排出口、１１・１２は一次空気供給室、１３は蒸気ドラムはであり、また、A1~A3は空気流、Fは燃料、Gは燃焼ガス、Goは低温排ガス、Sは流動砂、Bは燃焼ガスと流動砂の混合流体、S’は排出砂、Woはボイラ給水、wはダクトの横幅（図示省略）、hはダクトの高さ、Stは過熱蒸気である。更に、１a1は流動層部、1a2は燃焼室、1aはメンブレン炉壁、1a’は水管（図示省略）、1bは炉材、1cは燃料供給口、１ｄは混合流体出口、2aはサイクロンの円筒胴部、2bはサイクロンの円錐部、2cは燃焼ガス出口、,2dは混合流体入口、１３aは管寄である。
【０００５】
前記燃料供給口1cより供給された燃料Fは、流動層部１a1において、流動ノズル9からの空気流A1により熱媒体である流動砂Sと混合され、所謂流動層燃焼されることにより燃焼ガスGや飛灰等の燃焼残渣が発生する。この燃焼残渣を含んだ燃焼ガスGは、熱媒体である流動砂Sと一緒に炉本体1内を上昇し、燃焼室1a2で高温流動砂Sによる伝熱促進により可燃物を完全燃焼させた後、ダクト6を通してサイクロン2内へ導入される。
【０００６】
サイクロン２へ導入された燃焼残渣を含んだ燃焼ガスGと流動砂Sとの混合流体Bは、ここで流動砂Sと、飛灰等を含んだ燃焼ガスGとに分離され、分離された流動砂Sは砂循環路７、ループシール部３、流動砂戻口８を通して流動層部１a1内へ戻され、また、燃焼残渣を含んだ燃焼ガスGはバックパス部４を通して低温排ガスGoとされ、排ガス処理装置（図示省略）等へ送られることにより、内部の飛灰等が除去される。
尚、上記循環流動層ボイラの炉本体１やサイクロン２の構造や動作は既に公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
【０００７】
上記循環流動層ボイラの循環流動層炉では、炉本体１内を上昇する燃焼ガスGと流動砂Sとの流速差が大きいため、炉本体１内の全域で燃料Fと流動砂Sとの攪拌混合が旺盛に行なわれ、燃焼反応が急速に進行する。その結果、低い空気過剰率でもって燃料Fを完全燃焼させることができ、未燃焼物損失の減少によるボイラ効率の向上や低空気過剰率による低NOX燃焼が可能となる等の優れた効用を有するものである。
【０００８】
しかし、当該循環流動層炉にも未だ多くの問題が残されており、その中でも、（イ） 熱媒体である流動砂Sに燃焼ガスG内の飛灰が固着して、流動砂Sの流動性や性状が変化したり、クリンカトラブルが多発すること、及び、（ロ） 炉本体1 の背丈が相対的に高くなり、炉本体1の製造費や補修費の引下げが図れないこと等が、早急に解決されるべき問題となっている。
【０００９】
上記（イ）の問題は、サイクロン２の分離機能に関係する問題であり、従前の円筒胴部2aと円錐部2bを備えた標準的なサイクロン２では、本来分離回収されるべきでない燃焼ガスG内の燃焼残渣である飛灰が流動砂Sと一緒に分離回収され、これが炉本体１内へ戻されることに起因して発生する問題である。
【００１０】
即ち、燃焼ガスG内の燃焼残渣である飛灰が流動砂Sと共に分離回収されると、溶融飛灰が炉本体1やサイクロン２、ループシール部３等の内壁面へ固着したり（クリンカの発生）、流動砂Sの外表面に固着してその流動性や外径、伝熱特性等を変化させ、燃焼特性に変動を来たしたり、ドレーン排出口１０から取り出す流動砂S’の増加を招くことになる。
また、水平状のダクト６場合には、ダクト６の底面に飛灰や流動砂Sの堆積物が生じ易くなり、堆積物が生じてダクト６の断面積が減少すると、流通する燃焼ガスGと流動砂Sの混合流体Bの流速が大幅に上昇し、サイクロン２の円筒胴部２aに磨耗を生じることになる。
【００１１】
これに対して、上記（ロ）の問題は、主として流動砂Sの循環流動や炉本体１の燃焼特性、炉壁での熱吸収特性等に関係する問題である。
即ち、流動砂Sの循環流動性を確保するには、炉本体１内の高温燃焼ガスGの流速を相当の高速度とする必要があり、加えて、完全燃焼の達成や熱吸収量のバランス等の点から、高温燃焼ガスGを一定時間炉本体1内に滞在させる必要がある。その結果、必然的に炉本体1の背丈が高くなることになり、例えば、燃料Fの低位発熱量3,700kcal/kg、供給量１００ton/日、発生蒸気５００℃・１００kgの炉本体（実稼動炉）の場合、炉本体１の外形寸法（概略）は横幅３m・奥行３m・高さ２０m程度となり、循環流動層炉の建設や補修費の点に多くの問題が存在する（特開２００１−２３５１０１号等）。
【００１２】
一方、循環流動層炉の流動砂Sは、ボイラの運転時間の経過と共にその粒径が小さくなる傾向があるため、燃焼残渣を含んだ燃焼ガスGと流動砂Sの混合流体Bから流動砂Sを分離するサイクロン２は、その分級性能を適宜に調整できる方が望ましい。
【００１３】
そのため、従前から図7に示すように、水平なダクト６に可変ガイドベーン１8を設け、この可変ガイドベーン１8の傾斜角度φを変化させることにより、サイクロン２の分級性能を調整するようにした技術が開発されている（特開２０００−２１０５９５号等）。
しかし、大量の８００℃を超える高温燃焼ガスGと流動砂Sの混合流体Bが高速で流通する水平ダクト6に可変ガイドベーン18を設置することは、技術的に容易でなく、しかも、水平ダクト6内の可変ガイドベーン18は流通路を塞ぐダンパーとしの作用をし、混合流体Bの流れ方向を変更する機能を十分に発揮することが出来ないと云う問題がある。
【００１４】
また、サイクロン２の分級性能を調整する技術として、図８に示すように、サイクロン２の燃焼ガス出口2c内へ内塔１9を上下位置調整可能に配設し、この内塔１９の上下位置を調整することにより、分級粒径を調節する技術が開発されている（特開平０３−７９９０６号等）。
しかし、８００℃を超える温度域で前記内筒1９を上下動自在に固定するためには、複雑な内筒１５の保持機構を必要とし、製造コストやメンテナンスの点に多くの問題が存在する。
【００１５】
尚、従前の循環流動層炉では、現実には前記内筒１９の上下方向位置を固定する構成としたサイクロン２が広く利用されている。しかし、当該内筒１９を均一に冷却することは技術的に相当困難なことであり、８００℃を越える燃焼ガスGと流動砂Sの混合流体Bにより内筒１９に変形や焼損が生じたり、飛灰の付着によるトラブルが多発している。また、内筒１９が変形或いは焼損すると、その設置位置が高所であるため取換等に多くの手数を必要とし、補修費が高騰する等の問題がある。
【００１６】
同様に、従前の循環流動層炉で使用されているサイクロン２は、何れも図９に示すように、円筒胴部2aと、これと同等若しくは大きい長さを有する円錐部2bとを備えた形態に構成されており、且つ、大多数の円筒胴部2a及び円錐部2bは、強制水冷却構造又は強制水冷却構造と耐火壁構造の組合せ若しくは耐火壁構造とされている（特開２００３−８３５０７号等）。
【００１７】
即ち、ヒレ付き水管を用いて水冷壁構造のサイクロン本体を形成し、その内周面に伝熱製耐火材を内張りすることによりサイクロン２が形成されているため、円錐部2bを構成する水管1a’の配列数によって円筒胴部2aの水管1a’の配列数が限定され、その結果、円筒胴部2aの水管間隔が大きくなって、伝熱性能を高めることが困難になると云う問題がある。
また、円筒胴部2aと円錐部2bの境界部分で水管1a’を彎曲させる必要があり、その加工に手数が掛かると言う問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００１−２３５１０１号公報
【特許文献２】特開２０００−２１０５９５号公報
【特許文献３】特開平０３−７９９０６号公報
【特許文献４】特開２００３−８３５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本願発明は、従前の循環流動層炉に於ける上述の如き問題、即ち、（イ）従前の円筒胴部2aと、これとほぼ同等若しくは大きい長さを有する円錐部2bを備えた標準的なサイクロン２では、本来分離回収すべきでない燃焼ガスG内の燃焼残渣である飛灰が流動砂Sと一緒に分離回収され、これが炉本体1内へ戻されることに起因してクリンカトラブルや流動砂Sの流動性の低下、ダクト内底面への付着物の堆積によるサイクロン2の円筒胴部2aの磨耗等を生じること、（ロ）炉本体1 の背丈が相対的に高くなり、炉本体1の製造費や補修費の引下げが図れないこと、（ハ）サイクロン2が円筒胴部2aと円錐部2bを備えた形状に形成されており、水管壁の伝熱面を大きくし難いうえ水管壁の加工に手数が掛かること、等の問題を解決せんとするものであり、サイクロン２の形状に改良を加えると共に、炉本体１とサイクロン２間を連通するダクト６の設置角度や設置位置、通路横幅の調整機構を改良することにより、構造が簡単で背丈を低くでき、しかも飛灰の混合循環に起因するクリンカトラブル等を大幅に減少させることを可能にした循環流動層炉を提供することを発明の主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本願請求項１の発明は、炉本体１とサイクロン２を備えた循環流動層炉において、前記サイクロン２を内筒を備えないサイクロンとすると共に、前記炉本体１の混合流体出口1dとサイクロンの混合流体入口2dの間を、断面形状が四角形で且つサイクロン２の水平方向接線に対して角度αをもって配設固定したダクト６により連通する構成としたことを発明の基本構成としたものである。
【００２１】
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、ダクト６の配設固定角度αを15〜２０度としたものである。
【００２２】
請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、サイクロン入口近傍のサイクロン中心側の側壁面に、ダクト横幅調機構を備えたダクトとしたものである。
【００２３】
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、ダクト６内を流通する燃焼ガスGと流動砂Sとの混合流体Bの燃焼ガスの流速を４m/sec以上とすると共に、ダクトの断面形状をダクトの横幅wに対して高さhがその2倍以上のものとしたものである。
【００２４】
請求項５の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、サイクロン２の円筒胴部2aの高さをダクト6の横幅wの3〜5倍に、円錐部2bを含めたサイクロン2の全体の高さLをダクト６の高さhの５〜６倍、円筒胴部2aの径dをダクト6の横幅wの3〜5倍とするようにしたしたものである。
【００２５】
請求項６の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、ダクト６のサイクロン側s接続部の中心pを、サイクロン２の円筒胴部2aの上面から円筒胴部2aの高さL’の1/2〜1/4下方に位置させて接続するようにしたものである。
【００２６】
請求項７の発明は、請求項１の発明に於いて、炉本体１の燃焼室1a2及びサイクロン2の円筒胴部2aを水冷構造とするようにしたものである。
【００２７】
請求項８の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、炉本体１の燃焼室1a2及び流動層部1a2、ダクト6、サイクロン2の円筒胴部2a及び円錐部2b、ループシール部3並びに砂循環路7を含む流動砂の循環径路の全てを水冷構造としたものである。
【００２８】
請求項９の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、炉本体１の燃焼室1a2及び流動層部1a2、ダクト6、サイクロン2の円筒胴部2a及び円錐部2b、ループシール部3並びに砂循環路7を含む流動砂の循環径路の全てを耐火物構造としたものである。
【００２９】
請求項１０の発明は、請求項3の発明に於いて、ダクト横幅調整機構を、サイクロン中心側の側壁面を外方へ突出させた半円筒状の膨出部と、当該膨出部の内部空間内に回動可能に縦向に配設した断面形状が扇形の横幅調整体と、当該横幅調整体を支持する支軸とから成り、横幅調整体の回動によりその一側をダクト通路内へ移動してダクト横幅wを調整する構成としたものである。
【発明の効果】
【００３０】
本願発明では、サイクロン１として内筒を具備せず且つ比較的長尺の円筒胴部2aを主体とする形態のサイクロンを用いるとともに、前記炉本体１の混合流体出口1dとサイクロンの混合流体入口2dの間を、断面形状が四角形で且つサイクロン２の水平方向接線に対して角度αをもって配設固定したダクト６により連通するようにしているため、燃焼ガスG内の飛灰を効率よく燃焼ガスGと一緒に後段の排ガス処理装置へ排出することができ、これにより各部のクリンカトラブル等を防止できると共に、サイクロン１の局所的な磨耗の発生や流動砂Sの性状変化等を防止することができる。
【００３１】
また、サイクロン２の形態を円筒胴部2aを主体とするものにしているため、サイクロン２の組立加工が簡単化できると共に、冷却用水管を蜜に配列することができて熱吸収量の増大を図ることが可能となる。その結果、炉本体１側での熱吸収量を減少させることが出来、結果として、炉本体１やサイクロン２の高さの低減が可能となり、製造コストや補修費の削減等を図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係る循環流動層炉を用いたボイラの基本構成を示す系統図である。
【図２】本発明で使用するサイクロンの基本形態を示す説明図である。
【図３】サイクロンにおける四角状ダクトの傾斜角度等と、流動砂の全体集塵率及び飛灰の部分集塵率の関係を示す曲線である。
【図４】本発明で使用するダクトの横幅調整機構の一例を示す横断面概要図である
【図５】四角状ダクトの横幅wが変化した場合のサイクロンにおけるダクトの傾斜角度等と飛灰の部分集塵率の関係を示す曲線である。
【図６】従前の循環流動層炉を用いたボイラの構成を示す系統図である。
【図７】従前のサイクロンのガイドベーン式分級性能調整装置の説明図である。
【図８】従前のサイクロンの内筒移動式分級性能調整装置の説明図である。
【図９】従前のサイクロンの基本形態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る循環流動層炉を用いたボイラの基本構成を示す系統図であり、図１に於いて、１は炉本体、２はサイクロン、３はループシール部、４はバックパス部、５は熱交換器、６はダクト、７は砂循環路、８は流動砂戻口、９は流動ノズル、１０はドレーン排出口、１１・１２は一次空気供給室、１３は蒸気ドラムである。
【００３４】
また、図１において、A1~A3は空気流、Fは燃料、Gは燃焼ガス、Goは低温排ガス、Sは流動砂（熱媒体）、S’は排出砂、Woはボイラ給水、Stは過熱蒸気であり、更に、1a1は流動層部、1a2は燃焼室、1aはメンブレン炉壁、1a’は水管、1bは炉材、1cは燃料供給口、１ｄは混合流体出口、2aは円筒胴部、2bは円錐部、2cは燃焼ガス出口、2dは混合流体入口、１３aは管寄である。
尚、図１〜図３において、前記図６~図９と同一の部位・部材には、これと同じ参照番号を使用している。
【００３５】
前記燃料供給口1cより供給された燃料Fは、流動層部1a1において、流動ノズル９からの空気流A1により熱媒体である流動砂Sと混合され、所謂流動層燃焼されることにより燃焼ガスGや飛灰等の燃焼残渣が発生する。この燃焼残渣を含んだ燃焼ガスGは、熱媒体である流動砂Sと一緒に炉本体1内を上昇し、燃焼室1a2で高温流動砂Sによる伝熱促進により可燃物が完全燃焼されたあと、ダクト6を通してサイクロン2内へ導入される。
【００３６】
サイクロン2内へ導入された燃焼残渣を含んだ燃焼ガスGと流動砂Sとの混合流体Bは、ここで流動砂Sと、飛灰等を含んだ燃焼ガスGとに分離され、分離された流動砂Sは砂循環路７，ループシール部３、流動砂戻口８を通して流動層部2a内へ戻される。また、燃焼残渣を含んだ燃焼ガスGはバックパス部4を通して低温排ガスGoとされ、排ガス処理装置等へ送られることにより,内部の飛灰等が除去される。
尚、上記循環流動層炉の炉本体１やサイクロン２の基本的な構造や動作については、前記図６に示した循環流動層炉の場合と同様であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００３７】
図１を参照して、本発明においては、サイクロン１の形態、及び炉本体１の背丈、並びに炉本体１とサイクロン２間を連通するダクト６の取付け構造が、夫々従前の図４に示した循環流動層炉の場合と異なっており、これ等の相違点を除いたその他の部分の構成は、図４の場合と略同じである。
【００３８】
即ち、炉本体１は、断面形状が四角筒形又は円筒形に形成されており、その内部に流動層部1a1と燃焼室1a2が設けられている。この流動層部1a1及び燃焼室1a2は、水管相互間をヒレ板で溶接連結した吸熱部を構成するメンブレン炉壁によりその主要部が形成されており、流動層部1a1の下方には一次空気供給室１１が設けられている。また、前記燃焼室1a2を形成するメンブレン壁の内側外表面には、厚さ２０〜８０mmの高伝熱性炉材（炭化珪素等）が設けられており、更に、流動層部1a1を形成するメンブレン炉壁の内側外表面には、厚さ５０〜１００ｍｍのプレキャスターブロックやキャスター等の炉材が設けられ、メンブレン壁面が夫々保護されている。
【００３９】
前記ダクト６は断面形状が四角形に形成されており、サイクロン２の円筒胴部2aの上方側部へ所定の傾斜角度αでもって、傾斜姿勢で取付け固定されている。
即ち、当該ダクト６の断面積（高さh、横幅w（図示省略））は、流動砂Sと燃焼ガスGの混合流体Bを円滑に循環流動させると云う観点から、ダクト６内を流通する燃焼ガスGの流速が４m/sec以上、望ましくは５~７m/secとなるように選定する必要があり、本実施形態においては、横幅wが400mm、高さhが1000mmの四角筒形ダクトが使用されている。
【００４０】
尚、前記ダクト６の傾斜角度αは、ダクト６内の燃焼ガスGの流速及び必要とするサイクロン２の分級性能から適宜(０~３０度)に決定され、本実施形態においては、後述するように、実稼動循環流動層炉を模擬した試験装置を用いて、燃焼ガスGの流速とダクト６の傾斜角度αとサイクロン２の分級性能の関係を求めると共に、サイクロン２で分離した流動砂S内に含まれる飛灰量や流動砂Sの粒径等を調査することにより、傾斜角度αを２０度と設定している。
【００４１】
また、当該ダクト６のサイクロン２への導入部分は、図１に示すように、サイクロン２の側壁面と交差する中心位置ｐが、円筒胴部2aの天井部からその全高Lの１/３~1/６の高さ位置となるように取付けするのが、サイクロン２に於ける流動砂Sの分離効率等の点から望ましい。
尚、上記ダクト６の導入部分の中心位置pは、炉本体１とサイクロン２との間の間隔距離、即ちダクト６の長さ寸法により変化すことになるが、当該ダクト６の長さは１〜４mの範囲に選定されており、本実施形態に於いては、炉本体１とサイクロン２との間の間隔距を１．５mとしている。
【００４２】
更に、当該ダクト６の前記断面形状は、横幅w（図示省略）に対して高さhはその２倍以上とするのが、ダクト６の底面への流動砂Sの堆積固着を防止するという点等から最も望ましいことが確認されている。本実施形態においては、上記の通り、横幅wは400mm、高さhは1000mmの四角筒形ダクトとしている。
【００４３】
前記サイクロン２は、図１及び図２に示しように、従前のサイクロン２とは形態を著しく異にするものであり、水管壁構造の比較的長い高さLの円筒胴部2aと、極く短い高さL’’の円錐部2bとから円筒胴形に形成されている。即ち、円筒胴部2aのみで流動砂Sの分離部が形成されており、この水管壁構造の円筒胴部2aにおいて、全吸収熱量の約1/４〜１/３の熱が吸収されることになる。
【００４４】
尚、水管壁構造の円筒胴部2aの下方部には、極短い円錐部2bが設けられているが、この円錐部2bは流動砂Sのガイド体の機能のみを果たすものであり、流動砂Sと燃焼ガスGとの分離機能は全く有していない。また、当該円錐部2bは、通常は水管壁構造でなしに鋼板と耐熱性炉材等の組合せにより構成されている。
【００４５】
当該サイクロン２は、図２のように、水管壁構造の比較的長い円筒胴部2aのみで流動砂Sの分離部が形成されており、且つ、従前の内筒に相当する部材が設けられていない。
下向きの傾斜角度αで、燃焼室1a2からサイクロン２の接線へ傾斜導入された高速の燃焼ガスGと流動砂Sの混合流体Bは、サイクロン内で２〜４回転の流線を経ることにより、ほぼ完全に燃焼ガスGと流動砂Sとに分離されることが確認されている、即ち、燃焼ガスGと流動砂Sとの分離に必要なサイクロン２内での流線は、２〜４回転分の流線で十分であり、従って、サイクロン２の円筒胴部2aの高さは、分離性能の点のみからからすれば、２〜４回転の流線が得られるだけの高さL’があれば十分である。
【００４６】
尚、当該円筒胴部2aの高さL’は、分離性能の他に、炉本体１と円筒胴部2aとにおける熱吸収量のバランス等を考慮して、通常は、円筒胴部2aの高さL’は、ダクト高さhの３〜６倍程度の高さに選定されている。
また、前記サイクロン２の全高L（L’+L’’）や直径dは、循環流動層炉の容量に応じて適宜に選定されるものであることは勿論であるが、一般には、円筒胴部2aの高さL’は８〜２０m、直径は１．５〜４ｍ程度に選定され、本実施形態ではサイクロンの全高さL’を約15m、直径ｄを約２．５mとしている。
【００４７】
前記炉本体１の上方の混合流体出口１ｄと、サイクロン２の円筒胴部2aとの間を連通するダクト６の傾斜角度αは、前述の通り、０度以上〜３０度以下に選定されている。即ち、当該傾斜角度αは、次のよう実機を用いた試験結果から決定されたものである。
先ず、図４に示した如き従前の標準形サイクロンを用いて、サイクロン２へ流入する流動砂Sと燃焼ガスGの混合流体Bの流速と傾斜角度と集塵率の関係を、内筒１５がある場合及び内筒１５が無い場合の夫々について、測定調査した。
【００４８】
即ち、集塵率については、混合流体Bを対象とした流動砂の集塵率と、流動砂内の飛灰の集塵率とを夫々測定し、この測定結果から、従前の標準形サイクロンの場合には、飛灰の大部分が流動砂と一緒に分離回収されて循環していること、及び内筒１５を無くしてダクト６の傾斜角角度を大きくするほど、飛灰の集塵率が低下することを見出した。
また、この測定結果を基にして、燃料の種類を変化させて同様の飛灰集塵率の試験を繰り返し行ない、そのテスト結果から、燃料が木屑等のバイオマス燃料又は石炭等の場合には、ダクト傾斜角度αを１５〜２５度に選定するのが、飛灰の集塵（飛灰の分離除去）の上から最適であることを見出した。
【００４９】
図３は、上記標準形サイクロンの集塵率試験結果を示すものであり、図３（a）は、流動砂Sと燃焼ガスGの混合流体Bからの流動砂Sの集塵率、即ち飛灰を含んだ流動砂Sを主体とする固形物の集塵率（Wt%）を示すものであり、△は、標準型サイクロン（全高約８．０００mm、直径約１．５００mmφ、内筒径２５０mmφ、ダクト傾斜角角度＝０度、燃料燃料＝木屑）の場合の、□は、同じ標準型サイクロンで内筒無し、ダクト傾斜角度＝０度の場合の、○は、同じ標準型サイクロンで内筒無し、ダクト傾斜角度＝２０度の場合の各集塵率の測定値を夫々示すものである。尚、ダクト６は、前記の通り横幅w＝400mm、高さh＝1000mmの四角筒形ダクトである。
【００５０】
また、図３の（b）は、同じ試験条件下における飛灰の集塵率（粒径２０μmでの飛灰の部分集塵率）を示すものであり、△は、ダクト傾斜角度＝０度の場合の飛灰の部分集塵率、□は、内筒無しでダクト傾斜角度＝０度の場合の飛灰の部分集塵率、○は、内筒無しでダクト傾斜角度＝２０度の場合の飛灰の部分集塵率を、夫々示すものである。
【００５１】
図３（a）からも明らかなように、従前の標準サイクロンの場合、サイクロン入口流速が４~10m/secの範囲においては、ほぼ一定の集塵率が得られるが（△）、内筒１９が無い場合には、集塵率は著しく低下する（□及び○印）。この現象は、図３（ｂ）からも明らかなように、飛灰の集塵率の低下に起因するものであり（□及び○印）、標準サイクロンの場合には、流動砂Sと一緒に大量の飛灰が分離回収され、炉本体１及びサイクロン２内を循環していることが判る。
【００５２】
一方、内筒１９が無い場合には、ダクト傾斜角度αが０度であっても、飛灰の集塵率は低下する傾向にある（□印）。しかし、ダクト傾斜角度αを２０度とした場合（○印）には、飛灰の集塵率が一層大きく低下することになり、サイクロンSでの集塵を避けたい飛灰の集塵量をより効率よく低減できることが判る。
【００５３】
尚、図示はしていないが、空気流と流動砂Sのみを循環流動させた場合の集塵率（砂の分離回収率）は、前記サイクロンの三種のケースについて、何れも１００％であって、集塵率（砂の分離回収率）は内筒1９の有無やダクト６の傾斜角度αに関係の無いことが判っている。
【００５４】
また、上記図３に示した集塵率の測定結果は、前記００４９欄に記載した従前の標準形サイクロンについ測定を行なった結果であるが、図２に示した円筒胴部2aを主体として形成した本発明に係るサイクロンであっても、前記図３の場合と同様の結果が得られることが実証されている。
【００５５】
図４は、本発明で使用する横幅調整機構を備えたダクト６の一例を示す横断面概要図であり、サイクロン２の混合流体入口２の近傍のダクト６の側部に横幅調整機構１４を設けるようにしたものである。
即ち、当該横幅調整機構１４は、ダクト６のサイクロン中心側の側壁面６aを外方へ膨出させ、高さ略hの断面形状が半円状の半円筒形の膨出部１６を形成すると共に、その内部空間１６a内に横断面形状が扇形の柱状の横幅調整体１５を縦向きに配設し、支軸１７によりこれを回動自在に支持することにより構成されている。
【００５６】
横幅調整体１５の中心部を支持する支軸１７は、ダクト６の天井板及び底板に軸支されており、駆動装置（図示省略）により横幅調整体１５を矢印イーイ‘方向へ回動させ、その側縁部の突出位置を調節することにより、ダクト６の横幅w’が調節される。
尚、前記膨出部１６の内部空間１６a内は、冷却用空気等の通路として活用され、ここに冷媒を流通させ、横幅調整機構１４の冷却が行なわれる。
【００５７】
当該横幅調整機構１４は、多種燃料を混合燃焼させた場合の如く燃焼ガスG内に未燃焼物が多い場合等に一般に活用され、これによりダクト６の横幅wをw‘に調整し、サイクロン中心寄りのダクト通路断面積を減少させることにより、燃焼ガスG内の未燃焼物の排出量を仰制することが可能となる。又、当該横幅調整機構１４の作動は、ダクト６内等に設けたCO計の検出値と連動させることも可能である。
【００５８】
図５は、上記横幅調整機構１４により、ダクト６の横幅wを調整した場合の飛灰の部分集塵率の測定結果を示すものであり、前記００４欄に記載したサイクロン２において、ダクト６の横幅w＝４００mmをw‘＝２００mmに調整した場合の部分集塵率を示すものである。
【００５９】
尚、この部分集塵率は、前記図３（ｂ）の場合と同様に粒径２０μmmでの測定値を示すものであり、ダクト６の横幅w＝４００とした場合の前記図３（b）に比較して、ダクト６の横幅w‘＝２００mmとすることにより、部分集塵率が大幅に向上することが判る。
又、前記図３（a）に対応する集塵率の特性は記載していないが、ダクト６の横幅wを図４に示すようにサイクロン２の接線側へ短縮して、サイクロン中心寄りの通路断面積を減少させることにより、当該集塵率も大幅に向上することが確認されている。
【００６０】
本願発明においては、前記発明の効果の欄にも記載した如く、具体的には下記のような効用を有するものである。
先ず、内筒を具備しないサイクロン２を使用しているため、内筒の焼損や閉塞等のトラブルを皆無にできると共に、サイクロン２の製造コストの削減が可能となる。
また、内筒の無い円筒胴部2aを主体とするサイクロン２へダクト６を僅かに傾斜させた姿勢で連結するようにした場合には、粒子径の大きな流動砂Sは下方向へ、また、粒子径の小さな飛灰は燃焼ガスGの流れに同伴して後段へ、夫々排出されやすくなる。
更に、回収すべきでない飛灰が炉本体1内へ戻されないため、燃焼室1a2内での飛灰の溶融に起因するトラブルの発生を抑制することができる。
加えて、流動砂Sへの飛灰の固着が抑制されるため、流動砂Sの抜出し頻度が少なくなり、流動砂Sの使用寿命が延伸される。
【００６１】
ダクト６を１５〜２０の傾斜姿勢とすることにより、ダクト６の底面への砂等の堆積固着が略完全に防止され、これによりサイクロン２内壁の局所的な磨耗が略完全に防止される。
又、ダクト６のサイクロン２側にダクト横幅長調整機構１４を設け、サイクロン側のダクト通路断面積を減少させることにより、サイクロン２に於ける飛灰の部分集塵率を効率よく且つ円滑に調整することができる。
【００６２】
サイクロン２を比較的長い円筒胴部2aを有する形態のものとしているための、従前のサイクロンに比較してサイクロン2の表面積が増大することになり、熱回収用の伝熱面積が増すことになる。これにより、炉本体１における伝熱面積を削減することが可能となり、牽いては設備全体の高さ寸法の削減が可能となる。
また、円筒胴部2aの長いサイクロン２とすることにより、サイクロン２の内部容積を増大させることができ、その結果、燃焼室1a2を低くしても、燃焼ガスGの高温下に於ける滞留時間の減少分をサイクロン2内で補うことができ、有害ガスの熱分解等の点で問題を生ずることは無い。
更に、円筒胴部2aの長いサイクロン2とすることにより、従前の標準形サイクロンの場合よりも伝熱用水管1a’の間隔を狭くすることが可能となり、伝熱面積を増加させることができると共に、伝熱用水管1a’の曲げ加工が不要若しくは最小限の曲げ加工で良いことになり、製作コストの削減を図ることが出来る。
本願発明に係る循環流動層炉は、上述の通り優れた実用的効用を奏するものである。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係る循環流動層炉は、木屑等にバイオマス燃料や石炭等を燃料とするものだけでなく、都市ごみ等を燃料とする循環流動層炉にも適用することがでる。また、本発明で使用するサイクロンは、流動砂と燃焼ガスの混合流体だけでなく、その他の混合流体を対象とする分離処理にも適用できるものである。
【符号の説明】
【００６４】
A1〜A3      空気流〜空気流
F          燃料
G          燃焼ガス
Go         低温排ガス
S          流動砂
S’        排出砂
B          混合流体’
St         過熱蒸気
Wo         ボイラ給水
α         角度
Φ         角度
w          ダクトの横幅
w’        調整後のダクト横幅
h          ダクトの高さ
p          ダクト先端部の中心点
d          サイクロンの直径
L          サイクロンの全高
L’        サイクロン円筒胴部の高さ
L’’      サイクロン円錐部の高さ
1          炉本体
1a１          流動層部
1a２          燃焼室
1a         メンブレン炉壁
1a’       水管
1b         炉材
1c         燃料供給口
1d         混合流体出口
２         サイクロン
2a         円筒胴部
2b         円錐部
2c         燃焼ガス出口
2d         混合流体入口
３         ループシール部
４         バックパス部
５         熱交換器
６         ダクト
６a        サイクロン中心側のダクト側壁面
７         砂循環路
８         流動砂戻口
９         流動ノズル
１０       ドレーン排出口
１１       一次空気供給室
１２       一次空気供給室
１３       蒸気ドラム
１３a      管寄
１４       ダクト横幅調整機構
１５       横幅調整体
１６       空間部
１６a      内部空間
１７       支軸
１８       可変ガイドベーン
１９       内筒
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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