(57)【要約】  本発明は、バイオマスやプラスチックを含む高発熱量のＲＤＦ（ごみ固形化燃料）や廃棄物等の燃料を燃焼させて燃焼熱を回収する流動層ボイラの流動層内に設置する層内伝熱管に関するものである。  流動層ボイラの層内伝熱管は、流動層ボイラ（１）の流動層（３）内に配置される層内伝熱管（５）において、層内伝熱管（５）は、内部を流体が流れる水管（６）と、水管（６）の外周側に設けられ水管（６）を保護するためのプロテクタ（８）と、水管（６）とプロテクタ（８）の間に設けられる充填層（７）とから構成される。
2013121965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層ボイラの流動層内に配置される層内伝熱管において、
前記層内伝熱管は、内部を流体が流れる水管と、前記水管の外周側に設けられ前記水管を保護するためのプロテクタと、前記水管と前記プロテクタの間に設けられる充填層とから構成されることを特徴とする流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項２】
前記プロテクタの表面温度が４５０〜６５０℃に保たれることを特徴とする請求項１記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項３】
前記充填層は、固体粒子の充填材を充填して形成されることを特徴とする請求項１記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項４】
前記充填層は、固体粒子の充填材の充填率が０．５以上０．９以下であることを特徴とする請求項３記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項５】
前記充填層は、熱伝導率が０．４〜１．４Ｗ／ｍＫであることを特徴とする請求項１記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項６】
前記充填層の厚みは、２〜４ｍｍであることを特徴とする請求項５記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項７】
前記プロテクタは、ステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項８】
前記ステンレス鋼は、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１０Ｓであることを特徴とする請求項７記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項９】
前記プロテクタは、外面にフィンを備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項１０】
前記フィンは螺旋状のフィンであることを特徴とする請求項９記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項１１】
前記フィンはピン形状のフィンであることを特徴とする請求項９記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項１２】
燃料を流動層内で燃焼させ、燃焼熱を層内伝熱管で回収する流動層ボイラにおいて、
前記層内伝熱管は、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の層内伝熱管であり、
前記流動層の温度を７００〜９００℃に制御することを特徴とする流動層ボイラ。
【請求項１３】
前記流動層の層内伝熱管が設けられる部分の流動化空気の空気量をｕ０／ｕｍｆ＝２．０〜４．０にしたことを特徴とする請求項１２記載の流動層ボイラ。
【請求項１４】
前記流動層ボイラは、燃料を燃焼させるための燃焼室と、前記層内伝熱管が配置され燃焼熱を回収する熱回収室とを備え、熱回収室の流動化空気の空気量をｕ０／ｕｍｆ＝２．０〜４．０にして流動媒体が前記燃焼室と前記熱回収室とを循環する内部循環流動層ボイラであることを特徴とする請求項１２記載の流動層ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスやプラスチックを含む高発熱量のＲＤＦ（ごみ固形化燃料）や廃棄物等の燃料を燃焼させて燃焼熱を回収する流動層ボイラの流動層内に設置する層内伝熱管に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の価格高騰や地球温暖化問題等への対応といった観点から、エネルギー資源の活用が求められている。このなかで、サーマルリサイクルの一翼を担うＲＤＦや廃棄物を燃焼させる発電システムの重要性が増加している。この発電システムには、流動層ボイラを用いてＲＤＦや廃棄物を燃焼した際に発生する熱エネルギーを層内伝熱管で回収する方式がある。この方式では、流動層ボイラでＲＤＦや廃棄物等の燃料を燃焼させる際に、ＲＤＦや廃棄物に塩素が含まれるため、一部の塩素が流動媒体（流動砂）に移行して、層内伝熱管に付着して層内伝熱管の溶融塩腐食を生じる。層内伝熱管は、流動媒体（流動砂）の激しい流動により摩耗するために、摩耗に加えて前記溶融塩腐食を受けることになり、伝熱管の減肉量が多いという問題点がある。【０００３】
従来、流動層内に設置される伝熱管に、自溶性合金（Ｎｉ系）を溶射したり、ステンレス材の肉盛等を行うことにより、減肉対策を施していたが、十分な効果が得られなかった。
また、伝熱管をスタッドと耐火物で覆うことにより伝熱管の減肉を低減するようにした伝熱管の耐摩耗構造が特開平５−１８７７８９号公報（特許文献１）に開示されている。しかしながら、特許文献１に開示された構造は、伝熱管を耐火物で覆うことにより、熱伝達率が下がり、伝熱面積が多く必要になる。また、伝熱管と耐火物により径が太くなり伝熱管を配置しづらいという欠点がある。
一方、特開平７−２１７８０１号公報（特許文献２）では、伝熱管の摩耗による減肉を防止する方法として、プロテクタを取り付ける方法や肉盛りや溶射する方法が提案されているが、プロテクタを取り付けると伝熱が大幅に阻害されるという問題があり、また肉盛りや溶射はコストが高いという問題があった（段落〔０００４〕参照）と記載して従来の減肉対策の問題点を指摘し、伝熱管自体を耐摩耗性に優れた高クロム鋼又はステンレス鋼とすることを提案している。しかしながら、特許文献２に記載された方法では、摩耗による減肉は防止できるが、摩耗と同時に溶融塩腐食を直接受ける環境においては、耐久性に劣るという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１８７７８９号公報
【特許文献２】特開平７−２１７８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来の流動層ボイラにあっては、層内伝熱管の摩耗や溶融塩腐食による減肉に対して肉盛やプロテクタを設ける等の種々の対策がなされてきたが、層内伝熱管全体としては伝熱性を高めて流動媒体の熱を伝熱管内を流れる缶水に速やかに伝えることに重点が置かれていた。【０００６】
本発明者らは、流動層ボイラにおいて種々の層内伝熱管を用いて長期間に亘って連続運転を行う過程で以下の知見を得たものである。すなわち、バイオマス系のＲＤＦや廃棄物のように燃料中に塩素が含まれる場合、燃料が燃焼した後に一部の塩素が流動媒体（流動砂）へ移行すると、流動媒体中の塩素は、流動層が７００℃から８５０℃の温度で運用されると、燃料中に含まれるアルカリ金属類（Ｎａ，Ｋ等）と共晶塩を生じる。この共晶塩が溶融状態で凝縮する凝縮温度は、例えば６５０〜７００℃である。したがって、層内伝熱管の表面温度が凝縮温度よりも高ければ、共晶塩が層内伝熱管の表面で凝縮することを抑制することができ、溶融塩腐食による減肉を減らすことができる。これに対し、本発明者らは水管の外周側にＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレス材からなるプロテクタを設けることにより耐久性を高めた層内伝熱管の場合、層内伝熱管の表面温度が上述の凝縮温度より低い温度でかつ所定温度（例えば、４５０℃）を超える場合に腐食摩耗による減肉を減らすことができることを発見した。【０００７】
本発明者らは、上記知見に基づいて、プロテクタの表面温度を溶融塩腐食が抑制され、減肉をしにくい温度範囲に調整するためには、（１）流動層とプロテクタの間の熱伝達率を上げ、（２）プロテクタと水管の間の熱伝達率を下げることが有効であることを着想し、本発明の創案に至ったものである。【０００８】
すなわち、本発明は、プロテクタと水管の間の熱伝達率は下げるが、層内伝熱管全体では経済的な熱伝達量を確保しつつ、伝熱管の溶融塩腐食を抑えて減肉量が少なく耐久性に優れた流動層ボイラの層内伝熱管を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明の流動層ボイラの層内伝熱管は、流動層ボイラの流動層内に配置される層内伝熱管において、前記層内伝熱管は、内部を流体が流れる水管と、前記水管の外周側に設けられ前記水管を保護するためのプロテクタと、前記水管と前記プロテクタの間に設けられる充填層とから構成されることを特徴とする。
本発明によれば、流動媒体の熱は、プロテクタおよび充填層を介して水管に伝達され、水管内の流体が加熱される。水管とプロテクタとの間に介在する充填層を低い熱伝導率とすることにより、プロテクタと水管の間の熱伝達率を下げることができる。したがって、プロテクタ表面と水管表面の間の温度差を大きくすることができる。これにより、伝熱管の溶融塩腐食を抑えて減肉量が少なく、耐久性に優れた層内伝熱管とすることができる。【００１０】
本発明の好ましい態様によれば、前記プロテクタの表面温度が４５０〜６５０℃に保たれることを特徴とする。【００１１】
本発明の好ましい態様によれば、前記充填層は、固体粒子の充填材を充填して形成されることを特徴とする。
本発明によれば、充填層の空隙は低い熱伝導率を有した空気からなるため、プロテクタと水管の間の熱伝達率を下げることができる。この場合、熱伝達率を下げすぎると非効率になるので、プロテクタの表面温度が４５０〜６５０℃、好ましくは、４８０〜６２０℃になるように、充填層の充填材の材質、形状および厚さを適宜選定する。【００１２】
本発明の好ましい態様によれば、前記充填層は、固体粒子の充填材の充填率が０．５以上０．９以下であることを特徴とする。ここで、充填率とは、充填物が占める体積[ｍ３]を水管外面とプロテクタ内面の空隙の体積[ｍ３]で除した値である。
本発明によれば、上記範囲の充填率を採用することにより、プロテクタが熱膨張した際、充填材の重力沈降によって充填層の表面（上面）とプロテクタの内面との間に形成される隙間、すなわち空気層の厚みを小さくし、水管への熱伝達を確保することができる。【００１３】
本発明の好ましい態様によれば、前記充填層は、熱伝導率が０．４〜１．４Ｗ／ｍＫであることを特徴とする。
本発明によれば、充填層の熱伝導率が０．４〜１．４Ｗ／ｍＫであるため、プロテクタと水管の間の熱伝達率を下げることができる。したがって、プロテクタ表面と水管表面の間の温度差を大きくすることができ、プロテクタの表面温度を４５０〜６５０℃の高温に保つことができる。
本発明の好ましい態様によれば、前記充填層の厚みは、２〜４ｍｍであることを特徴とする。【００１４】
本発明の好ましい態様によれば、前記プロテクタは、ステンレス鋼からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記ステンレス鋼は、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１０Ｓであることを特徴とする。
本発明によれば、プロテクタをＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレス鋼で構成することにより、溶融塩腐食による減肉を抑制することができる。【００１５】
本発明の好ましい態様によれば、前記プロテクタは、外面にフィンを備えることを特徴とする。
本発明によれば、プロテクタの外面に熱交換効率が優れたフィンを設けたため、流動媒体からプロテクタへの熱伝達率を高めることができる。したがって、経済的な熱伝達量を確保することができる。
本発明の好ましい態様によれば、前記フィンは螺旋状のフィンであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記フィンはピン形状のフィンであることを特徴とする。【００１６】
本発明の流動層ボイラは、燃料を流動層内で燃焼させ、燃焼熱を層内伝熱管で回収する流動層ボイラにおいて、前記層内伝熱管は、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の層内伝熱管であり、前記流動層の温度を７００〜９００℃に制御することを特徴とする。
本発明によれば、燃料のカロリー等に応じて、流動層に供給する流動化空気の空気量を調節することにより、流動層の温度を７００〜９００℃に制御する。そして、７００〜９００℃に維持された流動層の熱をプロテクタおよび充填層を介して水管に伝達し、水管内の飽和水を加熱する。水管とプロテクタとの間に介在する充填層により、プロテクタと水管の間の熱伝達率を下げることができる。したがって、プロテクタ表面と水管表面の間の温度差を大きくすることができ、プロテクタの表面温度を４５０〜６５０℃の高温に保つことができる。【００１７】
本発明の好ましい態様によれば、前記流動層の層内伝熱管が設けられる部分の流動化空気の空気量をｕ０／ｕｍｆ＝２．０〜４．０にしたことを特徴とする。
本発明によれば、層内伝熱管が配置される流動層（移動層）の流動化条件をｕ０／ｕｍｆ＝２．０〜４．０にすることにより、流動層（移動層）の流動化を活発にして流動媒体からプロテクタへの熱伝達率を高くすることができる。これにより、プロテクタと水管との間に充填層が介在した層内伝熱管であっても、総括熱伝達率および総熱通過量を肉盛の層内伝熱管と同程度に保つことができる。したがって、経済的な熱伝達量を確保することができる。【００１８】
本発明の好ましい態様によれば、前記流動層ボイラは、燃料を燃焼させるための燃焼室と、前記層内伝熱管が配置され燃焼熱を回収する熱回収室とを備え、熱回収室の流動化空気の空気量をｕ０／ｕｍｆ＝２．０〜４．０にして流動媒体が前記燃焼室と前記熱回収室とを循環する内部循環流動層ボイラであることを特徴とする。
本発明によれば、燃料を燃焼する燃焼室と、熱回収をする熱回収室とが分離されているため、燃料中の不燃物が層内伝熱管に絡まる等のトラブルが生ずることがない。また、熱回収室における流動化空気の空気量を制御することにより、層内伝熱管の熱回収量を制御することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）層内伝熱管を水管と充填材とプロテクタで構成し、水管とプロテクタとの間に介在する充填層を設置することにより、プロテクタと水管の間の熱伝達率を下げることができる。したがって、プロテクタ表面と水管表面の間の温度差を大きくすることができ、プロテクタの表面温度を４５０〜６５０℃の高温に保つことができる。これにより、伝熱管の溶融塩腐食を抑えて減肉量が少なく、耐久性に優れた層内伝熱管を提供できる。
（２）プロテクタをＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレス鋼で構成することにより、溶融塩腐食による減肉を抑制することができる。
（３）層内伝熱管が配置される流動層（移動層）の流動化条件をｕ０／ｕｍｆ＝２．０〜４．０にすることにより、流動層（移動層）の流動化を活発にして流動媒体からプロテクタへの熱伝達率を高くしている。これにより、プロテクタと水管との間に充填層が介在した層内伝熱管であっても、総括熱伝達率および総熱通過量を肉盛の層内伝熱管と同程度に保つことができる。したがって、経済的な熱伝達量を確保することができる。
（４）プロテクタの外面に熱交換効率が優れたフィンを設けたため、流動媒体からプロテクタへの熱伝達率を高めることができる。したがって、経済的な熱伝達量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明に係る層内伝熱管を備えた流動層ボイラの一実施形態を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、本発明に係る層内伝熱管を備えた流動層ボイラの他の実施形態を示す模式的断面図である。
【図３】図３は、層内伝熱管の模式的断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、水管にステンレス材を肉盛した従来の層内伝熱管の実験結果を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の層内伝熱管の実験結果を示す図である。
【図５】図５は、層内伝熱管の正面図である。
【図６】図６は、層内伝熱管の縦断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、層内伝熱管の他の形態を示す図であり、図７Ａは層内伝熱管の正面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、層内伝熱管の他の形態を示す図であり、図７Ｂは層内伝熱管の縦断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、層内伝熱管の更に他の形態を示す図であり、図８Ａは層内伝熱管の正面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、層内伝熱管の更に他の形態を示す図であり、図８Ｂは層内伝熱管の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る流動層ボイラの層内伝熱管の実施形態を図１乃至図８を参照して説明する。図１乃至図８において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明に係る層内伝熱管を備えた流動層ボイラの一実施形態を示す模式的断面図である。図１に示すように、流動層ボイラ１は、略円筒形状又は略四角筒形状の炉本体２と、廃棄物やＲＤＦ等の燃料を燃焼させる流動層３と、流動層３を支える炉床底板４とを備え、流動層３内には層内伝熱管５が設置されている。流動層３内には、層内伝熱管５を埋めるように珪砂等の流動砂である流動媒体が充填されている。炉床底板４には、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出するための多数の散気ノズルが形成されている。
【００２２】
図１に示すように構成された流動層ボイラ１において、燃料は投入口（図示せず）から流動層３に供給される。このとき、炉床底板４の散気ノズルからは、流動層３の全体に亘って均一な空気量の流動化空気が噴出されるようになっており、流動層３は、流動媒体が上下に活発に流動する、いわゆるバブリング流動層となる。炉内に供給された燃料は流動層３内で熱分解および燃焼し、燃焼熱により流動媒体は加熱され高温となり、流動層３の温度は７００〜９００℃に維持される。流動層３の温度は、流動化空気の空気量を調整することにより制御される。高温になった流動媒体は層内伝熱管５と接触し、層内伝熱管５内の流体（缶水）は流動媒体と熱交換を行うことにより流動媒体から熱を回収する。
【００２３】
図２は、本発明に係る層内伝熱管を備えた流動層ボイラの他の実施形態を示す模式的断面図である。図２に示すように、流動層ボイラ１１は、略四角筒形状の炉本体１２を備えており、炉本体１２内は左右一対の仕切壁１３，１３によって、中央部にある１つの燃焼室１４と、両側部にある２つの熱回収室１５，１５とに分割されている。燃焼室１４内には、廃棄物やＲＤＦ等の燃料を熱反応させる流動床２０が形成され、流動床２０は炉床底板３０によって支えられている。炉本体１２内に設置された炉床底板３０は、中央が高く、両側縁に向かうにつれ徐々に低くなった山形状をなしている。炉床底板３０には、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出するための多数の散気ノズルが配置されている。各熱回収室１５内には流動床２３が形成され、この流動床２３は炉床底板３１によって支えられている。炉床底板３１には、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出するための散気ノズルが配置されている。
【００２４】
図２に示すように、山形状の炉床底板３０の下方には４つの空気箱３２，３２，３３，３３が形成されており、これら空気箱３２，３２，３３，３３には炉外から流動化空気が供給されるようになっている。調節弁（図示せず）の開度を調節して空気箱３２，３２，３３，３３に供給する空気流量を調節することにより、中央部の２つの空気箱３２，３２の上方の散気ノズルからは、実質的に小さな流動化速度を与えるように流動化空気を噴出し、両側部の２つの空気箱３３，３３の上方の散気ノズルからは、実質的に大きな流動化速度を与えるように流動化空気を噴出する。その結果、炉床底板３０の中央部の上方に流動媒体が比較的ゆっくりした速度で上方から下方に移動する移動層２１が形成され、炉床底板３０の両側部の上方に流動媒体が下方から上方に移動する流動層２２が形成される。したがって、流動床２０の下部では流動媒体が移動層２１から流動層２２へ、流動床２０の上部では流動媒体が流動層２２から移動層２１へ移動することで、移動層２１と流動層２２との間を流動媒体が循環する循環流が左右に形成される。各仕切壁１３の傾斜部は、上昇する流動媒体が炉本体１２の内部側に反転しやすくなるデフレクタとして機能する。
【００２５】
図２に示すように構成された内部循環流動層ボイラ１１において、燃料は投入口（図示せず）から移動層２１に供給される。このとき、調節弁の開度を調節して移動層２１に供給する流動化空気の空気量が流動層２２に供給する流動化空気の空気量よりも小さくなるように調節している。本実施の形態では移動層２１に供給する流動化空気の空気量を２〜３ｕ０／ｕｍｆ、流動層２２に供給する流動化空気の空気量を４〜６ｕ０／ｕｍｆとしている。ここで、ｕ０は、空塔速度であり、ｕｍｆは最低流動化空塔速度である。
【００２６】
移動層２１に供給された燃料は流動媒体に飲み込まれて流動媒体と共に下方に移動する。このとき、流動媒体の熱によって燃料の熱分解が行われて、燃料中の可燃分から可燃ガスが発生して、脆い熱分解残渣となる。熱分解残渣は、典型的には、不燃物及び熱分解によって脆くなった未燃物（チャー）を含んでいる。移動層２１で生成される熱分解残渣は、流動媒体と共に、炉床底板３０に至ると、傾斜した炉床底板３０に沿って流動層２２に向かう。流動層２２に至った熱分解残渣は、激しく流動する流動媒体と接触し未燃物が不燃物から剥離し、未燃物が剥離して残った不燃物は、一部の流動媒体と共に不燃物排出口１７から排出される。
【００２７】
一方、不燃物から剥離した未燃物は、流動化空気が供給されることに伴って流動する流動媒体と共に上方に移動する。このとき、未燃物は、供給された流動化空気によって燃焼が行われ、流動媒体を加熱しつつ燃焼ガスを発生し、気体に搬送される程度の微細な未燃物及び灰分の粒子となる。流動層２２の上部に至った高温の流動媒体の一部は、移動層２１に流入する。流動媒体は、流動層２２において、移動層２１に流動したときに燃料の熱分解を適切に行うことができる温度に上昇させられる。移動層２１に流入した流動媒体は、再び供給された燃料を受け入れて、上述の移動層２１及び流動層２２における熱反応を繰り返す。移動層２１の温度は７００〜９００℃に維持され、流動層２２の温度は７００〜９００℃に維持される。
【００２８】
また、流動層２２の上部の高温の流動媒体の一部は、仕切壁１３の上部を越えて熱回収室１５に入り込む。熱回収室１５に入り込んだ流動媒体は、上方から下方に移動する流動床２３を形成する。熱回収室１５の炉床底板３１は炉本体１２の内壁側から燃焼室側に向かって下方に傾斜しており、熱回収室１５の下部には開口部１８が設けられ、熱回収室１５に入り込んだ流動媒体は、流動床２３を形成しつつ沈降し、開口部１８から燃焼室１４へ循環する。熱回収室１５に入り込む流動媒体の温度は、７００〜９００℃であるが、熱回収室１５の流動床２３内には層内伝熱管５が配設されており、高温になった流動媒体は下方に移動しつつ層内伝熱管５と接触し、層内伝熱管５内の流体（缶水）は流動媒体と熱交換を行うことにより流動媒体から熱を回収する。流動床２３の炉床底板３１の散気ノズルから噴出させる流動化空気の空気量を２〜４ｕ０／ｕｍｆに制御することにより、層内伝熱管５の熱回収量を制御することができる。燃焼室１４へ循環した流動媒体は、流動層２２に合流し、流動層２２の流動媒体とともに上昇し、一部の流動媒体は、再び熱回収室１５に入り込み、上述の層内伝熱管５内の流体との熱交換を繰り返す。
【００２９】
次に、図１に示すバブリング流動層ボイラおよび図２に示す内部循環流動層ボイラにおいて用いられている層内伝熱管５について説明する。
図３は、層内伝熱管５の模式的断面図である。図３に示すように、層内伝熱管５は、内部に流体（缶水）が流れる水管６と、水管６の外周側に設けられ水管６を保護するプロテクタ８と、水管６とプロテクタ８との間に設けられる充填層７とから構成されている。水管６は、厚さ４〜８ｍｍのボイラ・熱交換器用鋼管、例えばＳＴＢ４１０Ｓから構成されており、水管６内を流れる流体（缶水）は２ＭＰａ〜１２ＭＰａの飽和水である。充填層７は、砂、ステンレス粉、酸化マグネシウム、鉄、アルミナ等の固体粒子の充填材を充填させたものであり、厚さ２〜４ｍｍの円筒状に形成されている。充填層の熱伝導率は、例えば「粉体の反応、日刊工業新聞社、ｐ．５４−５７」に示される計算により算出され、０．４〜１．４Ｗ／ｍＫとなるようにしている。充填層の熱伝導率がこの範囲内で充填して使用できるものであれば、上記で列挙した以外の種類・材質の充填材を用いることができる。
充填材は、粉粒状が好ましい。また、充填材の充填率は０．５以上０．９以下が好ましく、より好ましくは０．６以上０．８以下である。ここで、水管６とプロテクタ８の間の空隙に充填材を充填する際の充填率とは、次式による。
充填率[−]＝充填物が占める体積[ｍ３]／水管外面とプロテクタ内面の空隙の体積[ｍ３]
上記範囲の充填材の充填率を採用することによって、プロテクタが熱膨張した際、充填材の重力沈降によって充填層の表面（上面）とプロテクタの内面との間に形成される隙間、すなわち空気層の厚みを小さくし、水管への熱伝達を確保することができる。
【００３０】
プロテクタ８は、耐摩耗性および耐食性に優れたＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレス鋼からなり、厚さ３〜６ｍｍの円筒状に形成されている。プロテクタ８は、ステンレス鋼板を円筒状に成形したものを用いてもよいし、ステンレス鋼管を用いてもよい。
【００３１】
本発明においては、（１）プロテクタ８の材質をＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレス鋼とし、（２）水管６とプロテクタ８との間に０．４〜１．４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する充填層７を所定の厚み、すなわち２〜４ｍｍの厚みで形成し、（３）層内伝熱管５を設置している流動層３（図１参照）および熱回収室１５に入り込む流動媒体（図２参照）の温度を７００〜９００℃に維持するように構成している。
本発明は、（１）〜（３）の構成を採用することにより、プロテクタ８の表面温度が４５０〜６５０℃、好ましくは４８０〜６２０℃の高温に保たれる。
【００３２】
図４Ａ，４Ｂは、水管にステンレス材を肉盛した従来の層内伝熱管と、上記（１）〜（４）の構成を具備した本発明の層内伝熱管との比較結果を示す図である。
従来の層内伝熱管は、水管の表面改質にステンレス材による３ｍｍの肉盛を採用したものを用いている。図４Ａに示すように、流動層の温度を８００℃および缶水の温度を３００℃とし、流動層に供給する流動化空気の空気量をｕ０／ｕｍｆ＝１．５とした場合、流動媒体（砂）から肉盛への熱伝達率は２１０Ｗ／ｍ２Ｋ、肉盛の表面温度は３２０℃、肉盛内面基準（水管外表面基準）で総括熱伝達率は２２２Ｗ／ｍ２Ｋ、総熱通過量は１１１１１８Ｗ／ｍ２である。なお、肉盛の表面温度と水管の表面温度との温度差は２０℃である。
【００３３】
これに対して、本発明の層内伝熱管は、水管の外周に、酸化マグネシウム粒子を充填した２ｍｍの厚さの充填層と、ＳＵＳ３１０Ｓからなる３ｍｍの厚さのプロテクタを設けたものを用いている。図４Ｂに示すように、流動層の温度を８００℃および缶水の温度を３００℃とし、流動層に供給する流動化空気の空気量をｕ０／ｕｍｆ＝２．５とした場合、流動媒体（砂）からプロテクタへの熱伝達率は３９０Ｗ／ｍ２Ｋ、プロテクタの熱伝導率は１６．２Ｗ／ｍＫ、酸化マグネシウム（厚さ２ｍｍ）を充填した充填層の熱伝導率は１．３Ｗ／ｍＫ、プロテクタの表面温度は５１３℃、充填層の表面温度は４９１℃、総括熱伝達率（プロテクタ内面基準）は２４６Ｗ／ｍ２Ｋ、総熱通過量は１２２９５７Ｗ／ｍ２である。なお、プロテクタの表面温度と充填層の表面温度との温度差は２２℃であり、充填層の表面温度と水管の表面温度との温度差は１９１℃である。
ちなみに水管外表面基準では総括熱伝達率は２６３Ｗ／ｍ２Ｋ、総熱通過量は１３１５８６Ｗ／ｍ２である。
【００３４】
図４Ａ，４Ｂの比較結果に示すように、水管の外周に充填材とプロテクタとを設けた層内伝熱管を用い、流動化空気の空気量をｕ０／ｕｍｆ＝２．５以上として、流動層（移動層）の流動化を活発にし、充填層の厚みおよび熱伝導率を適切に選定することにより、（１）流動媒体（砂）とプロテクタの間の熱伝達率を上げ、（２）プロテクタと水管の間の熱伝達率を下げることができる。これにより、総括熱伝達率、総熱通過量を肉盛の層内伝熱管と同程度に保ちつつ、プロテクタ表面温度を４５０℃以上とすることが可能となる。
【００３５】
図４Ａ，４Ｂから明らかなように、従来の層内伝熱管は、流動層内の流動媒体の熱を速やかに伝熱管内の流体（缶水）に伝えるようにしている。これに対して、本発明の層内伝熱管５は、水管６とプロテクタ８との間に充填層７を設けることにより、ゆるやかな熱伝達によりプロテクタ８の表面温度を上げるようにしている。これにより、伝熱管の溶融塩腐食を抑えて、伝熱管の減肉を少なくして伝熱管寿命を延ばすことができる。
【００３６】
次に、図１および図２に示す流動層ボイラにおいて用いられる層内伝熱管の詳細構造の一例を図５および図６を参照して説明する。
図５は、層内伝熱管５の正面図である。図５においては、２本の層内伝熱管５が並列して配置された伝熱管群が示されている。層内伝熱管５は直管部と曲がり管部とを有し、直管部には多数のフィン９が設置されている。
図６は、層内伝熱管５の縦断面図である。図６に示す層内伝熱管５は、図３に示す層内伝熱管５と同様に、水管６、充填層７、プロテクタ８から構成されることに加えて、プロテクタ８の外周にフィン９を備えている。フィン９は、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレス鋼板からなり、プロテクタ８の外周面の上下に固定されている。
【００３７】
図７Ａ，７Ｂは、層内伝熱管５の他の形態を示す図であり、図７Ａは層内伝熱管５の正面図であり、図７Ｂは層内伝熱管５の縦断面図である。図７Ａ，７Ｂに示す層内伝熱管５は、プロテクタ８の外周に螺旋状にしたフィン３４を全周に溶接して取り付けている。螺旋状にすることでフィンの取り付けが容易になり、工期が大幅に短縮される。
【００３８】
図８Ａ，８Ｂは、層内伝熱管５の更に他の形態を示す図であり、図８Ａは層内伝熱管５の正面図であり、図８Ｂは層内伝熱管５の縦断面図である。図８Ａ，８Ｂに示す層内伝熱管５は、板（羽根）状ではなくピン型状のフィン３５にしてプロテクタ８の外周に取り付けている。多数のピン状のフィン３５はプロテクタ８の外周面に溶接されている。
【００３９】
図５、図６、図７Ａ，７Ｂ及び図８Ａ，８Ｂに示すように、プロテクタ８がフィン９、フィン３４、又はフィン３５を備えることにより、プロテクタ内表面あたりの熱伝達率を上げることができる。したがって、流動媒体（砂）とプロテクタの間の熱伝達率を上げることができ、プロテクタ８の表面温度を４５０℃以上の高温にすることが可能となる。図５、図７Ａ，７Ｂ及び図８Ａ，８Ｂに示す層内伝熱管５における水管６、充填層７およびプロテクタ８は、図３に示す層内伝熱管と同様の構成である。
【００４０】
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、バイオマスやプラスチックを含む高発熱量のＲＤＦ（ごみ固形化燃料）や廃棄物等の燃料を燃焼させて燃焼熱を回収する流動層ボイラの流動層内に設置する層内伝熱管に利用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１    流動層ボイラ
２    炉本体
３    流動層
４    炉床底板
５    層内伝熱管
６    水管
７    充填層
８    プロテクタ
９，３４，３５    フィン
１１  流動層ボイラ
１２  炉本体
１３  仕切壁
１４  燃焼室
１５  熱回収室
１７  不燃物排出口
１８  開口部
２０  流動床
２１  移動層
２２  流動層
２３  流動床
３０  炉床底板
３１  炉床底板
３２，３２，３３，３３  空気箱
【図１】
2013121965.tif 000003
【図２】
2013121965.tif 000004
【図３】
2013121965.tif 000005
【図４Ａ】
2013121965.tif 000006
【図４Ｂ】
2013121965.tif 000007
【図５】
2013121965.tif 000008
【図６】
2013121965.tif 000009
【図７Ａ】
2013121965.tif 000010
【図７Ｂ】
2013121965.tif 000011
【図８Ａ】
2013121965.tif 000012
【図８Ｂ】
2013121965.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成25年6月6日(2013.6.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層ボイラの流動層内に配置される層内伝熱管において、
前記層内伝熱管は、内部を流体が流れる水管と、前記水管の外周側に設けられ前記水管を保護するための円筒状のプロテクタと、前記水管と前記プロテクタの間に設けられる充填層とから構成されることを特徴とする流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項２】
前記プロテクタの表面温度が４５０〜６５０℃に保たれることを特徴とする請求項１記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項３】
前記充填層は、固体粒子の充填材を充填して形成されることを特徴とする請求項１記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項４】
前記充填層は、固体粒子の充填材の充填率が０．５以上０．９以下であることを特徴とする請求項３記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項５】
前記充填層は、熱伝導率が０．４〜１．４Ｗ／ｍＫであることを特徴とする請求項１記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項６】
前記充填層の厚みは、２〜４ｍｍであることを特徴とする請求項５記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項７】
前記プロテクタは、ステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項８】
前記ステンレス鋼は、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１０Ｓであることを特徴とする請求項７記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項９】
前記プロテクタは、外面にフィンを備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項１０】
前記フィンは螺旋状のフィンであることを特徴とする請求項９記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項１１】
前記フィンはピン形状のフィンであることを特徴とする請求項９記載の流動層ボイラの層内伝熱管。
【請求項１２】
燃料を流動層内で燃焼させ、燃焼熱を層内伝熱管で回収する流動層ボイラにおいて、
前記層内伝熱管は、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の層内伝熱管であり、
前記流動層の温度を７００〜９００℃に制御することを特徴とする流動層ボイラ。
【請求項１３】
前記流動層の層内伝熱管が設けられる部分の流動化空気の空気量をｕ０／ｕｍｆ＝２．０〜４．０にしたことを特徴とする請求項１２記載の流動層ボイラ。
【請求項１４】
前記流動層ボイラは、燃料を燃焼させるための燃焼室と、前記層内伝熱管が配置され燃焼熱を回収する熱回収室とを備え、熱回収室の流動化空気の空気量をｕ０／ｕｍｆ＝２．０〜４．０にして流動媒体が前記燃焼室と前記熱回収室とを循環する内部循環流動層ボイラであることを特徴とする請求項１２記載の流動層ボイラ。
【国際調査報告】
2013121965.tif 000014
2013121965.tif 000015
2013121965.tif 000016
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