(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁（４）、屋根（６）および底部（５）によって画成され、
固体粒子床と、
基本的に垂直の少なくとも２つの室（１２）を形成する蒸発用表面とを設けた炉（２）を含む流動床反応装置の装置であって、前記室が、円形または多角形の断面を有するとともに、底部（５）から上方向に炉の高さの少なくとも８０％延在する流動床反応装置において、
前記底部（５）が連続的であり、
また、粒子が前記室の近くでも自由に動き得るような炉容積にするために、前記室が、炉の側壁から離隔し且つ炉内で分離して配置されていることを特徴とする流動床反応装置。
【請求項２】
前記室が炉の底部から屋根（６）まで延在していることを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項３】
ボイラーの蒸発用表面の２０〜７０％を前記室内に設けたことを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項４】
ボイラーの蒸発用表面の４０〜６０％を前記室内に設けたことを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項５】
前記基本的に垂直の３つ以上の室が存在することを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項６】
前記室が、炉内で少なくとも２列に配置されていることを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項７】
前記室の断面が凸形状であることを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項８】
前記室の断面が長方形であることを特徴とする請求項７に記載された流動床ボイラー。
【請求項９】
前記室の断面が、炉の高さの少なくとも５０％においてほぼ一定であることを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項１０】
前記室の水平断面の各対角線の長さが、炉の平行な対角線の長さの６０％以下であることを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項１１】
前記室の対向壁間の距離が少なくとも０．５ｍであることを特徴とする請求項８に記載された流動床ボイラー。
【請求項１２】
２次空気を導入する手段が、前記室内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項１３】
燃料を導入する手段が、前記室内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項１４】
過熱表面体が前記室に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の流動床ボイラー。
【請求項１５】
前記室に配置された前記過熱表面体が翼壁型であることを特徴とする請求項１４に記載された流動床ボイラー。
【請求項１６】
流動床を泡立たせる形式の熱交換室が、前記室の下部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項１７】
前記室の剛性を強化する構造が前記室内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項１８】
炉の剛性を強化する構造が前記室内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項１９】
粒子分離器が前記室の１つまたは幾つかに配置されていることを特徴とする請求項１に記載された流動床ボイラー。
【請求項２０】
前記粒子分離器がサイクロン分離器型であることを特徴とする請求項１９に記載された流動床ボイラー。
【請求項２１】
前記粒子分離器の断面が長方形であることを特徴とする請求項２０に記載された流動床ボイラー。
【請求項２２】
前記粒子分離器の断面が正方形であることを特徴とする請求項２１に記載された流動床ボイラー。
【請求項２３】
前記粒子分離器の断面の長辺の長さが少なくとも短辺の長さの２倍であることを特徴とする請求項２１に記載された流動床ボイラー。
【請求項２４】
垂直の隔壁が前記粒子分離器内に配置されていることを特徴とする請求項２３に記載された流動床ボイラー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、独立請求項の前段部分で定義された流動床反応装置および方法に関するものである。
【０００２】
従来の流動床ボイラーの炉は、長方形の水平断面を有し、四方の側壁、底部および屋根によって画成される内部を含み、その内部では、少なくとも固体粒子燃料材料を含む床材料が、底部から導入された流動化ガスにより、大部分はボイラー内の発熱化学反応で必要な１次空気によって流動化される。炉の側壁には、通常、少なくとも燃料および２次空気を導入する導管も配設される。
【０００３】
炉の壁は、通常、フィン付き管から成るパネルで形成され、燃料の化学反応で放出されるエネルギーが、管内を流れる水を気化させるために使用される。また、ボイラー内に過熱表面体を配置し、蒸気のエネルギー量をさらに増加させることが多い。
【０００４】
目的が高容量ボイラーの製造である場合、大きな反応容積および沢山の蒸発および過熱用表面が必要である。ボイラーの基部面積は、必要な流動化空気の体積および速度に基づくボイラーの容量と正比例する。炉の底部が非常に長く、狭いと、少なくとも構造的に不利であり、側壁に十分大きな蒸発用表面があるため、ボイラーの高さおよび底部の幅も増大させなければならない。高さを十分増大させると、構造的に問題が生じることがあり、幅を増大させると、燃料および２次空気の均一な供給を行うことが、さらに困難になる。これらの問題を解決するために、炉の内側に付加的構造を設けてボイラーの蒸発用表面を増大させることができる。
【０００５】
ボイラーの蒸発用表面を増大させる最も普通の方法は、ボイラーの一方の側壁から別の側壁まで延在する隔壁に蒸発用表面を設けることである。この種の構成が、例えば米国特許第３７３６９０８号に開示されている。ボイラーのあらゆる部分における材料およびプロセス（処理操作）の均一性を確保するため、前記隔壁に特別な開口を設けなければならない。しかしながら、これらの開口が数多くあっても、隔壁を有するボイラーでは、最適効率および環境排出物の極少化に必要な均一性に到達するのは困難である。これらの問題は、ボイラーの均一性の性能に関して最も重要な箇所であるボイラー下隅部分で最も顕著であり、下隅部分の数は、一方の側壁から別の側壁まで延在する隔壁の存在によって不可避的に増加する。
【０００６】
蒸発管中を２相で通過する水流は、制御するのが困難で複雑な幾何学的パターンの現象である。この観点から、単純な隔壁に伴う一つの問題は、ボイラーの側壁とは対照的に、熱エネルギーが両側の壁パイプに伝達されることである。側壁における蒸発と均衡した状態で、隔壁において蒸発と水循環を行なわせるには、隔壁管のサイズを側壁管よりも大きくするか、または密度を高めて配置しなければならない。炉底から頂部まで延在する、その高さを考慮すると、比較的薄い隔壁を配置することは、十分な壁剛性を達成するという観点で、高さの大きなボイラーでは困難であろう。
【０００７】
流動床ボイラーを運転するために必要な各種部材を冷却した隔壁に設けることは、従来公知である。例えば、米国特許第５６７８４９７号およびＷＯ−９８／２５０７４は、２次空気供給用手段を冷却した隔壁に取り付ける構成を開示している。
【０００８】
蒸気を作り、場合によっては他の作業にも使用するために、炉の内側に、隔壁に代えて、他の種類の補助構造物を配置することも知られている。米国特許第５０７０８２２号は、熱伝達表面で外部ケーシングが形成された同心円状の円筒形粒子分離器を、円筒形の炉の内側に配置する構成を示している。この構造体の下部には、炉内に燃料を導入するための部材も存在する。米国特許第４８１７５６３号は、炉の４０〜７０％に亘って炉の下部に配置され、冷却された上方向に傾斜した構造物を、２次空気と燃料の供給用として使用する構成を開示している。米国特許第４９４７８０３号は、冷却した円筒形の接触ユニットを配置した流動床反応装置を開示している。しかし、これらの構成は全て、非常に高価であり、大規模な流動床ボイラーにはそれほど適切でなく、これによって提供される補助的蒸発用表面はあまり意味がない。
【０００９】
改良された流動床反応装置および方法を提供することが、本発明の目的である。
【００１０】
したがって、各種サイズの流動床ボイラーに蒸発用表面を設けることができ、前記先行技術の問題および欠点を解決し、または最小限に抑える新しい技術的解決策を提供することが本発明の目的である。
【００１１】
前記問題を解消するか、最小限に抑える、構造の簡単な、また費用効果の高い装置を提供することが本発明の別の目的である。
【００１２】
全ての蒸発用表面に可能な限り同じ気化状態が作られるように、流動床ボイラーに補助的蒸発用表面を設けることが、さらに別の目的である。
【００１３】
また、補助的蒸発用表面があっても炉内で材料の良好な混合と均一なプロセス状態が達成され、したがって良好な燃焼効率および排出物の減少が達成される流動床反応装置を提供することが、さらに別の目的である。
【００１４】
これらの目的を実現するための本発明による流動床反応装置および方法が、独立請求項の特徴部分に記載されている。
【００１５】
本発明は、特に流動床ボイラーに適している。本発明を適用する場合は、主として垂直の室（チャンバ）が炉内に配置されるように、流動床ボイラー内に蒸発用表面が配置される。本明細書および特許請求の範囲では、用語「室」は、壁で囲まれた構造体を意味し、構造体の内にほぼ閉鎖されたガス容積が形成されるものである。壁は、通常、フィン付き水管で形成された真直の水管パネルで作成する。流動床ボイラーの室の高さは、概ね炉の高さと同じであり、炉の高さの少なくとも８０％であることが好ましい。室（チャンバ）は、炉の底部から頂部まで延在し、それによって炉の補強に使用できることが好ましい。
【００１６】
本発明の構成を用いる場合、流動床ボイラーの炉に望ましい数の室を配置することができ、したがってボイラーのサイズは、必要な蒸発用表面によって制限されるものではない。小型のボイラーでは、例えば、１つまたは２つの本発明による室が設けることが好ましい。大型ボイラーでは、複数の（例えば、３、４、６、８、あるいは１０以上の）室を設けることが好ましい。室は、２列または数列で順次配置するか、それぞれ特定のケースで最適と見なされる別の順序で配置することができる。流動床ボイラーでは、好ましくはボイラーの蒸発用表面の約２０〜７０％（より好ましくは、４０〜６０％）が、本発明による室内に配置される。
【００１７】
本発明による室は、通常、断面が２次元であり、それによって２つの対向壁が互いに短い距離を置いて配置される。実質的に、対向する蒸発用表面の両側ではなく、その一方側のみが加熱される。したがって、全ての蒸発用表面、つまりボイラー壁および室（チャンバ）壁の蒸発用表面は本質的に同じである。このように、水管構造は、ボイラー外壁の水管構造と同じ方法で寸法を決定することができる。これは、特に貫流ボイラーの場合、蒸気回路の寸法決定およびリスク管理の点で大きな利点である。
【００１８】
室（チャンバ）の内部には、通常、幾つかの目的に使用することのできる内側部分がある。例えば室の構造強度によって必要とされる支持構造を室の内側に設け、それによって、必要に応じて室を非常に高くすることができる。室内に配置された支持構造は、ボイラー全体の炉の構造的強度を強化するためにも使用することができる。
【００１９】
本発明による室は、通常、その断面が炉の高さの大部分で、好ましくは炉の高さの少なくとも５０％でほぼ一定になるような形状を有する。しかし、流動床反応装置またはボイラーの様々な機能で必要とされる補助装置構造は、室の上部および下部に取り付けると、その点における室の形状を変更してしまうことがある。
【００２０】
本発明による構成を適用することにより、流動床反応装置、典型的には流動床ボイラーに、隔壁で炉を別個の部分に分割する必要なく、より多くの蒸発用表面を提供することができる。別個の室を除く炉底部全体を連続させることができる。したがって、炉内で起きるプロセス、典型的には燃焼プロセスを部分に分割する必要がなく、床の材料を炉の全容積の内側でほとんど自由に移動させることができる。
【００２１】
室の水平断面は凸状であることが好ましい。つまり、室の内側から見ると、隣接する壁で形成された角度が１８０°未満である。さらに、室は炉の側壁から隔置摺ることが好ましい。したがって、室は炉に混合に関して問題となるような内隅を形成せず、室によって生成された隅は全て、炉の方向から見て外隅である。したがって、容積の大部分は、室の近傍でも、粒子が自由に移動し、その移動はほぼ制限されない。炉内の粒子の移動を制限しないために、室の各対角線は、炉の平行な対角線の６０％以下であることが好ましく、５０％以下であることがより好ましい。
【００２２】
流動床ボイラーに関する他の構造および機能も、本発明による蒸発室に取り付けることができる。２次空気を供給するために最も好ましい手段を、室内に配置する。燃料または石灰岩を導入する手段も室内に配置することができ、それによって室内における燃料または石灰岩の移動を空気で、または傾斜位置に配置された供給スクリューで実行することが好ましい。
【００２３】
室は、円形の断面を有する室を使用することが有利な幾つかの場合でも、平坦な水管パネルで形成できることが好ましい。室の断面は、好ましくは多角形、より好ましくは長方形の形状を有する。長方形の断面は正方形でもよいが、長辺と短辺の個々の長さの比率が少なくとも２になるように細長くすることが好ましい。ボイラー底部の総面積を大幅に増大させることなく大量の蒸発用表面を提供することができるので、細長い断面を有する室が有利である。室に様々な構造および装置を配置できるようにするため、対向する壁の間の距離は、好ましくは少なくとも０．５ｍ、最も好ましくは少なくとも１ｍにするとよい。
【００２４】
また、流動床ボイラーの１つまたは幾つかの室に粒子分離器を配置できることが好ましく、それによって室の上部に１つまたは幾つかの開口を配置し、それを通って炉内で生成された煙道ガスおよびそれに飛沫同伴する床材料が室の内部に流入することができる。煙道ガスをそれと飛沫同伴する床材料から分離する衝撃分離器またはサイクロン分離器を、室の内側に配置する。浄化した煙道ガスが室の上部を通って排出され、分離された床材料は炉に戻る。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態によると、粒子分離器を含む室は断面が正方形であり、炉からの注入導管が、室の隅に近い１つまたは幾つかの側壁に配置される。注入口は、正方形室の各側壁に配置することが、最も好ましい。
【００２６】
粒子分離器を含む室は細長い断面でもよく、注入または排出開口によって、１つの室に相互に隣接する２つまたは幾つかの渦が生成される。室には、様々な渦の間に内部隔壁があるか、渦が同じ空間にあってもよい。
【００２７】
また、例えば蒸気の過熱のために、室の下部に熱伝達室を配置できることが好ましい。高温の床材料は、周囲の流動床から直接に、または室内に配置された粒子分離器の復帰ダクトから熱伝達室に入る。室内に配置された熱伝達室により、炉の側壁に接続した熱伝達室を配置する必要性が低下し、そによって、例えば燃料の導入用など、側壁に残された自由な表面が大きくなる。
【００２８】
また、翼壁型の表面の過熱などのために、室に接続した過熱表面体を配置できることが好ましい。この場合、室の内側に蒸気用連結管を設け、そこから過熱管が室壁の外側へ（すなわち、炉へ）導かれ、したがって管および管パネルは壁の近傍で上方向に連続し、炉の屋根の上に配置されたヘッダ（頭部）で終了する。
【００２９】
ボイラーに必要な数の独立した室を配置することにより、燃料および２次空気のための２つの隣接する導入点間の距離を、所望の長さにすることができる。したがって、本発明による構成を使用すると、比較的大型のボイラーの炉でも、完全に新しい方法で均質なプロセス状態を配置することができる。
【００３０】
本発明による構成を使用すると、炉の高さを増大し、あるいは、材料の混合を損なうことなく、大型の流動床ボイラーにも必要な程度の蒸発用表面を設けることができる。本発明による室に補助的構造物を追加することにより、ボイラーの剛性、材料の均質性およびプロセスを改善することができ、ボイラーの側壁の自由なスペースを増大することができる。
【００３１】
本発明を、以下で添付図面に関連して説明する。
【００３２】
図１および図２は、本発明による例示的構造を有する流動床反応装置を模式的に示す。ボイラー１の主要部分は、炉２および粒子分離器３である。炉２は、側壁４、底部５および屋根６によって画成される。炉２には、燃料および砂や石灰などの他の床材料を供給するための導管７を設ける。ボイラーの底部には、床材料を流動化させるために空気を供給する手段８を設ける。炉の下部には、２次空気を供給するダクト９も設ける。
【００３３】
ボイラーに空気を送出することにより、燃料の燃焼が維持される。灰および床材料は、流動化の空気および煙道ガスとともに導管１０を通って分離器３へと排出され、そこで固体材料の大部分が煙道ガスから分離され、復帰パイプ１１を通って炉２の下部に戻る。
【００３４】
炉の側壁４は、本質的に知られ、図では詳細に図示されない方法により、フィン付き水管で構成された水管パネルで形成される。燃料の燃焼から放出されたエネルギーは、側壁の水管を流れる水の気化に使用される。
【００３５】
炉の内側には、炉の底部からその頂部へと延在する水管壁で作成された、本発明による室２がある。室の壁１３は水管パネルで作成され、その水管は、炉の下では供給パイプ１４に、炉の上ではヘッダ・パイプ１５に結合される。炉の内側には、２次空気および燃料を炉の中心部分に供給するために、例示的に図示された手段１６、１７がある。
【００３６】
図２は、図１による流動床ボイラーの水平断面図を示す。図１および図２によるボイラーには、全体で９つの室があり、主に２列になっている。室の数および位置は、本明細書で示すものと異なってもよい。例えば、全部が１列になっているか、３列以上あってもよい。
【００３７】
図２では、室の断面は長方形であり、長辺と短辺の個々の長さの比率は３から５である。この比率は、別の比率でもよく、６以上または３未満でもよい。場合によっては、室が正方形の断面でもよい。
【００３８】
図２では、小さい方の室１２ａには、室の剛性を強化する構造体１８の記号を付し、大きい方の１２ｂには、特に炉の剛性を強化する大きな構造体１９の記号を付す。
【００３９】
炉内に配置された室の総数は、必要に応じて非常に広い範囲で変化してもよい。小型ボイラーでは、例えば室がわずか１つまたは２つであるが、比較的大きいボイラーでは、１０を超える室があってもよい。
【００４０】
図３は、翼壁型の過熱表面体２０を、例えば図１による流動床ボイラー内に配置された蒸発室１２などに取り付ける方法を示す。過熱表面体は管パネルで作成され、過熱される蒸気は、蒸発室内に配置された供給パイプ２１から、炉の屋根の上に配置されたヘッダ・パイプ２２へと流れる。
【００４１】
図４に示すように熱伝達室３０を蒸発室１２の下部に配置する。高温の床材料が、注入口３１を経て炉２から熱伝達室へ流れる。装置３２によって熱伝達室内で低速の流動化が維持され、床材料は熱伝達表面体３３上で冷却される。材料は、室熱伝達室の下部にある開口３４を通ってダクト３５へと排出され、ここで装置３６によって生成された流動化により上方向に流れ、排出口３７を通って流出し、炉２に戻る。蒸発室内に配置される熱伝達室の構造も、図示の構造と異なってよい。
【００４２】
図５は、流動床ボイラーの炉２の垂直断面図を示し、２タイプの蒸発室１２ｃ、１２ｄが配置されている。蒸発室１２ｃの第１部分には、図３および図４による過熱表面体２０および熱伝達室３０を設ける。蒸発室１２ｄの第２部分には粒子分離器０４を設ける。図５による粒子分離器は長方形の断面を有し、その長辺と短辺の比率は約２である。分離器の上部には２つのガス排出口４１、下部には１つの開口があり、それを通って分離された材料が炉に戻ることができる。
【００４３】
ガス噴射が可能な限り渦の生成を促進するよう、粒子材料を飛沫同伴するガスが分離器に導かれる。したがって、ガス噴射を分離器の壁に垂直に配向する導管４２、４３は、渦の流れの方向が壁から外側になる点に配置することが好ましい。傾斜した注入導管４４を、これも側壁の他の部分にある渦に平行に配置することができる。
【００４４】
場合によっては、隔壁４５を粒子分離器４０の２つの渦の間に配置すると有利である。粒子分離器の断面の辺の比率も、図５に図示した比率と異なってよい。分離器は、例えば正方形の断面でもよい。
【００４５】
図６は、本発明の第３の例示的実施形態を示し、炉２の底部５で開始する蒸発室１２が屋根６まで継続せず、屋根の前で屈曲して、炉の屋根に近い炉の側壁４ａを貫通する。この種の構成は、例えば熱膨張の制御などに関して、場合によっては有利である。同じ方法で、室の下部も、側壁を貫通するように屈曲させることができる。
【００４６】
さらに、図７には流動床反応装置の水平断面図が図示され、壁の表面が炉の壁の表面に平行ではなく、それに対して約４５°の角度になる、つまりダイアモンド形を形成するよう、本発明による蒸発室が炉内に配置されている。
【００４７】
本発明について、現在最も好ましいと考えられる実施形態に関連して説明してきたが、本発明は、これらの実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲で定義される本発明範囲内の他の多くの構成も包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による例示的室を設けた循環流動床ボイラーの垂直断面図を模式的に示す。
【図２】図１のボイラーの水平断面図を示す。
【図３】過熱表面体を取り付けた、本発明による例示的な蒸発室の垂直断面図を模式的に示す。
【図４】熱伝達室を取り付けた、本発明による例示的な蒸発室の下部の垂直断面図を模式的に示す。
【図５】過熱表面体、熱伝達室および粒子分離器を含む、本発明による例示的室を含む別の流動床反応装置の水平断面図を模式的に示す。
【図６】本発明による例示的室を含む第３の流動床反応装置の垂直断面図を模式的に示す。
【図７】第４の流動床反応装置の水平断面図を模式的に示す。
【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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