(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、ボイラの高さを低くし、建設期間を短縮する石炭焚きボイラを提供することである。【解決手段】  本発明は、石炭と空気を燃焼させて生じた燃焼ガスが内部で上昇する１段目火炉と、該１段目火炉から供給された燃焼ガスがその内部で下降流となる２段目火炉と、該２段目火炉から供給された燃焼ガスがその内部で上昇流となる後部伝熱部とを備えたことを特徴とする。【効果】  本発明によれば、ボイラの高さを低くし、建設期間を短縮する石炭焚きボイラを提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭と空気を燃焼させて生じた燃焼ガスが内部で上昇する１段目火炉と、
該１段目火炉から供給された燃焼ガスがその内部で下降流となる２段目火炉と、
該２段目火炉から供給された燃焼ガスがその内部で上昇流となる後部伝熱部とを備えたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項２】
石炭と空気を燃焼させて生じた燃焼ガスが火炉から供給され、該燃焼ガスがその内部で上昇流となる後部伝熱部と、
前記後部伝熱部に設置された熱交換器は燃焼流路の閉塞を抑制する構造としたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項３】
請求項１記載の石炭焚きボイラであって、
前記後部伝熱部に設置された熱交換器は管によって形成され、
前記熱交換器を形成する管同士の間隔は下流側に比べ上流側の間隔が広いことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項４】
請求項３記載の石炭焚きボイラであって、
前記後部伝熱部を流れる燃焼ガスの流路を２つに分割する隔壁を備えたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項５】
請求項１記載の石炭焚きボイラであって、
前記２段目火炉の天井壁に過熱器を備えることを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項６】
請求項１記載の石炭焚きボイラにおいて、
前記１段目火炉の後壁と前記２段目火炉の前壁との間に設けられた接続部下部梁と、
該接続部下部梁が接続された鉄骨とを備えたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項７】
請求項１の石炭焚きボイラであって、前記１段目火炉を構成する水管の内部を流れた蒸気又は水が、前記２段目火炉を構成する水管を流れ、気水分離機を経由して、前記後部伝熱部を構成するケージ壁の水管に流れる水・蒸気流路を設けたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項８】
請求項７の石炭焚きボイラであって、前記ケージ壁の水管から排出された蒸気を前記１段目火炉を構成する天井壁の水管に供給する水・蒸気流路を設けたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項９】
請求項１の石炭焚きボイラであって、前記１段目火炉を構成する水管の内部を流れた蒸気又は水が、前記後部伝熱部を構成するゲージ壁の水管を流れ、気水分離機を経由して、前記２段目火炉を構成する水管に流れる水・蒸気流路を設けたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１０】
請求項９の石炭焚きボイラであって、前記ケージ壁の水管から排出された蒸気を前記１段目火炉を構成する天井壁に供給する水・蒸気流路を設けたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１１】
請求項１の石炭焚きボイラであって、前記１段目火炉を構成する水管と前記２段目火炉を構成する水管にそれぞれ水を供給し、その後に、気水分離機，前記後部伝熱部に設けられたケージ壁の水管の順に流れる水・蒸気流路を設けたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１２】
請求項１の石炭焚きボイラであって、前記２段目火炉の一部と前記後部伝熱部のケージ壁の一部とを同じ部材で共用したことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１３】
請求項１の石炭焚きボイラであって、前記２段目火炉に二段燃焼用のアフタエアポートを設置したことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１４】
請求項１の石炭焚きボイラであって、前記２段目火炉にアンモニアまたは尿素の噴出ポートを設置したことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１５】
請求項１の石炭焚きボイラであって、前記１段目火炉及び前記２段目火炉とを接続する火炉接続部に設けられたスクリーン管と、該スクリーン管に向けて蒸気，空気，水などを噴射して灰を除去することを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１６】
請求項１の石炭焚きボイラにおいて、火炉全体をつり下げ構造とすると共に、前記後部伝熱部のケージ壁を地面から支える自立型構造にすると共に、前記２段目火炉と前記ケージ壁の熱伸びを吸収する部材で接続することを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１７】
請求項１の石炭焚きボイラにおいて、前記２段目火炉におけるガス温度を、燃料が燃焼する温度以上にすると共に、サーマルＮＯｘが発生しない温度以下とすることを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１８】
請求項１の石炭焚きボイラにおいて、前記後部伝熱部に設けられた熱交換器の下流側から前記２段目火炉に排ガスを供給する流路を設けたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項１９】
請求項１の石炭焚きボイラにおいて、前記１段目火炉と前記２段目火炉との間に設けられた火炉接続部を吊り下げる構造物を設けたことを特徴とする石炭焚きボイラ。
【請求項２０】
バーナから噴出した石炭と空気を燃焼させて生成された燃焼ガスが１段目火炉の内部で上昇し、
該１段目火炉から供給された燃焼ガスが２段目火炉の内部で下降し、
該２段目火炉から供給された燃焼ガスが後部伝熱部の内部で上昇することを特徴とする石炭焚きボイラの燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭焚きボイラ及び石炭焚きボイラの燃焼方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラは、燃料を燃焼し、発生した熱により蒸気を発生させる。また、発生した蒸気により蒸気タービンを駆動し、発電する。発電量が５００ＭＷ以上のボイラは、火炉の高さが５０ｍ以上あり、建設期間が長いという問題があった。この問題を解決するために、特許文献１のような倒立型ボイラ、特許文献２のような横置きボイラが考案されている。これらの方法では、燃焼ガスの向きをそれぞれ下向き，横向きにしていた。
【０００３】
また、小型ボイラでは、バーナから噴出する燃焼ガスが、順番に上方向，下方向，上方向に流れた後に、外部へ排出される３パスボイラも考案されている（非特許文献１）。
【０００４】
一方、ボイラから排出される未燃分やＮＯｘを低減するには、燃焼時間を長くすることが重要である。そのため、特許文献３に示すように、バーナから噴出する燃焼ガスが、順番に上方向，下方向に流れた後に外部へ排出される２パスボイラでは、火炉高さを高くする必要があった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３１４８０５号公報（特許請求の範囲、図１）
【特許文献２】特許第３６５２９８８号公報（特許請求の範囲、図１）
【特許文献３】特開２００２−８１６１０号公報
【非特許文献１】Steam its generation and use 39th edition pp.13-2、 Babcock & Wilcox)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、バーナから噴射した燃料と空気は、下降して燃焼する。燃焼により温度が上がると、浮力により火炎は上昇する。しかし、密度の高い未燃ガスが下降し、密度の低い燃焼ガスが上昇する。この結果、未燃分が増加し、天井のガス温度が高くなりすぎるという問題があった。
【０００７】
また、特許文献２では、横向きに燃焼ガスが流れ、浮力により高温のガスが天井に集まるために、天井の設計が困難であった。燃焼を考えると、２パスボイラのように燃焼した初期には火炎が上昇することがよい。
【０００８】
非特許文献１のように、燃焼ガスが上昇する場所に吊り下げ式熱交換器を設置した３パスボイラでは、一度上昇した高温のガスが熱交換器に流入する。そのため、熱交換器の寿命が低下、又は灰による流路の閉塞などが生じる可能性がある。このために、火炉内で生じる燃焼ガスの温度を低くする必要があり、２パスボイラ，３パスボイラを有効に活用していなかった。また、バーナを配置した火炉で、燃料の燃焼を終了していたので、ＮＯｘや未燃分が増加する問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、ボイラの高さを低くし、建設期間を短縮する石炭焚きボイラ及び石炭焚きボイラの燃焼方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、石炭と空気を燃焼させて生じた燃焼ガスが内部で上昇する１段目火炉と、該１段目火炉から供給された燃焼ガスがその内部で下降流となる２段目火炉と、該２段目火炉から供給された燃焼ガスがその内部で上昇流となる後部伝熱部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ボイラの高さを低くし、建設期間を短縮する石炭焚きボイラ及び石炭焚きボイラの燃焼方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の石炭焚きボイラ及び石炭焚きボイラの燃焼方法について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本実施例におけるボイラの側面図である。図２は、Ａ−Ａ方向からボイラを見た図である。ボイラ２００は、１段目火炉２６，火炉接続部２７，２段目火炉２８，後部伝熱部２９を備える。また、ボイラは鉄骨２０で構成される建屋に格納されている。図１では、建屋外周の鉄骨のみ記入している。なお、実際には多数の鉄骨により、建物の強度を向上させている。
【００１４】
ボイラ２００の後部伝熱部２９から排出された排ガスは、ＮＯｘを取り除く脱硝装置１８，空気を過熱する装置（例えば排ガスを使用して加熱するエアヒータ１９）、排ガスを排気するファン（例えばＩＤＦ２５）を通過して排気される。通常、ファンの下流側には、電気集塵機，脱硫装置，ガス／ガスヒータ，煙突などが設置されている。これらの装置は、燃料の種類，設計温度などにより、設置の要否が決められる。
【００１５】
１段目火炉２６，火炉接続部２７，２段目火炉２８，後部伝熱部２９は、鉄骨２０に接続した複数の吊りワイヤ２１によって吊り下げられている。熱によりボイラ壁が膨張するため、ボイラと鉄骨に応力が発生しないようにするためである。
【００１６】
エアヒータ１９により加熱された予熱後空気２３ｂは、ダクトを通過して、ウインドボックス３ａ，３ｂに導かれる。ウインドボックス３は、多数のバーナ１やＡＡＰ２に空気を均等に分配するために使用する。また、バーナ１の燃料として微粉炭を使用する場合、コールバンカに貯蔵した石炭をミルで粉砕し、粉砕した微粉炭をバーナ１から供給する。
バーナ１の燃料として油を使用する場合、油タンクからフューエルパイプを通して、バーナ１に油を供給する。また、ボイラは、燃料としてバイオマス，ガス，コークスなどを供給することもできる。
【００１７】
１段目火炉２６は、前壁５ａ，側壁５ｂ，後壁５ｃ，天井壁７により囲われている。これらの壁に設けられた水管は、らせん状（スパイラル壁）でも垂直でもよい。１段目火炉２６の前壁５ａと後壁５ｃには、それぞれ３段のバーナ１及び１段のアフタエアポート２が設けられている。バーナ１とアフタエアポート２は、それぞれ６列で配置されている。
【００１８】
バーナ１から燃料と酸化剤を投入する。ここでは、石炭と空気を燃焼する場合について説明する。石炭と空気をバーナ１から供給し燃焼させると、１段目火炉２６にバーナ噴流６ａが形成される。バーナ１は１本ではなく、２０から５０本程度設置する。これにより、燃焼性を向上させる。図１の例では、二段燃焼用のＡＡＰ（アフタエアポート）２を設置している。バーナ１から供給する空気量を、完全燃焼に必要な空気量よりも少なくして、ＡＡＰ２から不足分の空気をＡＡＰ噴流６ｂとして供給することで、ボイラから排出されるＮＯｘを低減する。１段目火炉２６において、バーナ噴流６ａとＡＡＰ噴流６ｂにより、燃焼ガス６ｃを生成する。
【００１９】
１段目火炉２６で生成された燃焼ガス６ｃは、スクリーン管８，９を設置した火炉接続部２７を通り、２段目火炉２８に流れる。スクリーン管８は、火炉の強度を保つための部材である。また、複数のスクリーン管８が、燃焼ガス６ｃの流路を遮るように、天井壁７と並行に多数配置されている。２パスボイラの設計では、スクリーン管を通過するガス温度は、灰の融点に比べて低くなるように設計していた。スクリーン管に灰が付着することを防止するためである。本実施例では火炉を２つに分けているため、１段目火炉２６の高さが、２パスボイラに比べて低くなっている。そのため、スクリーン管８の周りのガス温度は、灰の融点以上になる。この条件でもスクリーン管８の温度が材料の耐熱温度を超えないように、設計する。例えば、高温に耐えられる材料を使用したり、スクリーン管８に低温の水を供給して冷却することが望ましい。また、スクリーン管８に灰が付着する可能性が高くなるため、スクリーン管同士の間隔を広くする。例えば、１ｍ以上の間隔にすると、灰付着によりスクリーン管同士の間隔が、灰で閉塞する可能性を低減できる。
【００２０】
次に、燃焼ガス６ｃは、スクリーン管９を通過して２段目火炉２８へ流れる。２段目火炉２８は、前壁１２ａ，側壁１２ｂ，後壁１２ｃ，天井壁７に囲まれている。これらの壁は、水または蒸気を流す水管で作成されている。水管の向きは、垂直，スパイラルどちらでもよい。しかし、２段目火炉２８の熱負荷は、１段目火炉２６に比べて均一である。そのため、水管の向きを垂直にすると、火炉の構造が簡単になる。
【００２１】
２段目火炉２８における燃焼ガス６ｃの燃焼率は、バーナ１とＡＡＰ２による空気流量の配分により調整可能である。ＡＡＰ２の混合を緩慢にすることで、２段目火炉２８においてＮＯｘを還元することができる。２パスボイラの火炉で緩慢燃焼すると、ＣＯなどの未燃分が増加する。しかし、本実施例の３パスボイラにおける燃焼ガス６ｃは、１段目火炉２６で上昇し、２段目火炉２８で下降した後、後部伝熱部２９で上昇するため、２箇所の曲がり部が存在する。２つの曲がり部により、後部伝熱部２９から排出された燃焼ガスは、混合されて、未燃分を低減できる。さらに、この特徴を生かすと、空気量の少ない運転ができる。すなわち、出口の酸素濃度が低い運転が可能になる。この結果、プラントの効率を向上させることができる。
【００２２】
２段目火炉２８の天井壁７には、過熱器１０，１１が配置されている。２段目火炉２８における燃焼ガス温度は適度に高いため、過熱器１０，１１の設置に適している。２段目火炉２８において、燃焼ガス６ｃは下降流となる。２段目火炉２８では、燃焼が進んでいるため、燃焼ガスの温度，密度差は少なく、浮力の影響を受けにくい。その後、燃焼ガス６ｆは後部伝熱部に流れる。なお、２段目火炉２８や後部伝熱部２９に付着した灰を除去すると、灰が落下する。そのため、灰を集めて蓄えるための装置（アッシュホッパー１３）が必要である。アッシュホッパー１３の角度は、灰が堆積しないように設計することが望ましい。
【００２３】
後部伝熱部２９は前側のケージ壁１４，後側のケージ壁１６，側面側のケージ壁１７で囲まれている。また、後部伝熱部２９に節炭器３２，再熱器３３，過熱器３４などの熱交換器が設置されている。この熱交換器は、管を曲げて作成されている。本実施例では、蒸気タービンとして主蒸気，再熱蒸気を使用する再熱サイクルの場合を示している。
【００２４】
また、主蒸気と再熱蒸気の温度を調整するために、パラレルダンパ３０，３１を使用する。燃焼ガス６ｆは、燃焼ガス６ｄ，６ｅに分配され、その割合をパラレルダンパ３０，３１により調整する。この２つの流路は、後部伝熱部２９の内部に設けられた隔壁１５により仕切られている。例えば、再熱蒸気温度を上げたい場合は、パラレルダンパ３０の開度を大きくして、燃焼ガス６ｄの流量を増加させればよい。
【００２５】
燃焼ガスの温度は、上流から下流に行くにしたがって低下する。すなわち上流側の再熱器３３，過熱器３４を通過するガス温度が高く、下流側の節炭器３２を通過するガス温度は低い。低い温度の燃焼ガスから熱を回収するためには、燃焼ガスの流速を上げて熱伝達率を高くすることが有効である。そのため、節炭器３２の伝熱管では、そのピッチ（間隔）が狭くなる。本実施例のボイラでは、下流側（上側）に設置した熱交換器の伝熱管ほどピッチが狭くなり、上流側（下側）に設置した熱交換器の伝熱管ほどピッチが広くなる。これは、２パスボイラとは逆である。従って、熱交換器に付着した灰をスートブロアなどで除去した場合、落下した灰は伝熱管のピッチが広い熱交換器に落下するため、燃焼ガス流路の閉塞を防ぎ、ボイラの信頼性を向上させる。
【００２６】
以上のように、２パスボイラの火炉は１つであったのに対し、本実施例の３パスボイラでは２つの火炉に分割されている。火炉を２つに分割することで、火炉の高さを低くすると、クレーンなどを使用した高所作業が低減できるとともに、重力に逆らって重量物を持ち上げることが少なくなる。また、火炉の下部構造は、上部構造と一体となっているため、上部構造を組み立てた後でなければ下部構造を組み立てられない。そのため、火炉を２つに分けると、作業速度を２倍にできる。このように、火炉を２つに分割することで、ボイラ（火炉）の高さを低減し、建設期間を短縮することができる。
【００２７】
また、火炉容量を大きくすると、コストの増加を抑えつつ、燃焼時間を稼ぐことができる。この結果、ＮＯｘ濃度を低減し、かつＣＯやＵＢＣ（灰中未燃分）を低減できる。２パスボイラでは、火炉容量の大型化により火炉の高さが高くなる。しかし、本発明の３パスボイラでは、燃焼ガスの燃焼時間を稼ぎながら、火炉高さを低くすることができる。
【実施例２】
【００２８】
図３は、本実施例におけるボイラの側面図である。本実施例は、実施例１に比べ、ＮＯｘ，ＣＯをさらに低減する構造である。
【００２９】
ＮＯｘの生成メカニズムには、大きく分けて２種類ある。燃料中の窒素から生成するフューエルＮＯｘと、空気中の窒素が酸化して生成するサーマルＮＯｘである。図３では、フューエルＮＯｘは２段燃焼により低減している。サーマルＮＯｘは、燃焼ガス温度の低減により低下できる。そのためには、ＡＡＰから噴出する空気量と噴出速度が重要である。
【００３０】
本実施例では、１段目火炉２６のＡＡＰ２に加えて、２段目火炉２８にＡＡＰ３７を多数設置している。これらの流量と噴出速度を制御して、ＮＯｘ，未燃分をコントロールする。例えば、ＡＡＰから噴出した空気を燃焼ガスに急速に混合すると、局所的にガス温度が上昇して、サーマルＮＯｘが増加する。
【００３１】
図４に、燃焼ガス温度の制御例を示す。図４の上図には、火炉内における燃焼ガスの温度変化を示す。横軸は、１段目火炉２６と、火炉接続部２７、及び２段目火炉２８を繋げた燃焼ガス流路における位置を示す。縦軸は、温度を示す。また、図４の下図には火炉内における燃焼ガスのＮＯｘ変化を示す。下図の横軸は、上図と同様であり、縦軸はＮＯｘを示す。
【００３２】
図４に示すとおり、燃焼ガス温度が１８００Ｋを超えると、サーマルＮＯｘは急激に増加する傾向がある（図４におけるグラフＸ）。すなわち、バーナ１から噴出した燃焼ガスに対して、最も上流側に配置されたＡＡＰから空気を供給した際に、１８００Ｋ以下の温度で燃焼するように、前記ＡＡＰからの空気量を制御する（図４におけるグラフＹ）。なお、「最も上流側に配置されたＡＡＰ」とは、１段目火炉２６と、火炉接続部２７、及び２段目火炉２８を繋げた燃焼ガス流路において、最も上流側に配置したＡＡＰを意味する。従って、図３における「最も上流側に配置されたＡＡＰ」は、１段目火炉２６に設けられたＡＡＰ２となる。
【００３３】
また、燃焼ガス温度が１５００Ｋを下回ると、微粉炭の石炭粒子や燃焼過程で発生した未燃分（すす等）の固体粒子が燃焼する速度は低下する。すなわち、ＮＯｘを抑えながら、未燃分を低下するには、１５００Ｋから１８００Ｋ程度で燃焼させるのがよい。このように、「最も上流側に配置されたＡＡＰ」からの空気量を前述のように制御することで、ＮＯｘ濃度の上昇を最小限にすることができる。
【００３４】
図３のボイラでは、２段目火炉２８にも多数のＡＡＰ３７が設けられており、ＡＡＰから供給する空気流量を調整する。但し、１段目火炉２６に設けたＡＡＰ２からの空気量が少ないと、燃焼ガス６ｃのなかに還元性ガスが大量に含まれる。そのため、１段目火炉２６，火炉接続部２７を腐食させる可能性がある。そのため、腐食を低減するには、ＡＡＰ２から噴出した空気を混合した後において、燃焼ガス６ｃの酸素濃度を０.５％程度に調整することが望ましい。また、１段目火炉２６の上部構造や火炉接続部２７を腐食に耐えられる材料にするとよい。
【００３５】
さらにＮＯｘを減らすには、２段目火炉２８に設けられたポート３８から、アンモニアや尿素などのＮＯｘ還元材を供給するとよい。これは、無触媒脱硝法といわれている。さらに、ポート３８からメタンなどの可燃性ガスを供給して、リバーニングすることでＮＯｘを低減できる。
【実施例３】
【００３６】
図５は、本実施例におけるボイラの側面図である。本実施例は、灰付着を低減する構造について、主に説明する。
【００３７】
灰が付着する場所は、主に１段目火炉２６の天井壁７と火炉接続部２７付近である。１段目火炉２６の天井壁７に灰が付着する場合、ＡＡＰ２ｂを天井壁７に向けて噴射して冷却することが望ましい。図５では、ＡＡＰ２ｂは、１段目火炉２６の前壁５ａの上側に設けられている。
【００３８】
また、スクリーン管８に灰が付着する場合、水を噴霧する装置（例えば、ウォーターキャノン３９）を使用して、灰を落下させることができる。図５では、ウォーターキャノン３９は、１段目火炉２６の前壁５ａであって、ＡＡＰ２及びＡＡＰ２ｂの間に設けられている。また、スクリーン管８，９の底部に付着した灰は、火炉接続部２７の底部に堆積しやすい。これを防ぐために、ＡＡＰ２Ｃを設けて、火炉接続部２７の下部をシールする。
また、灰除去装置（例えば、スートブロー４０）を、火炉接続部２７の側壁に設置しても良い。本実施例のボイラでは、火炉接続部２７に灰除去装置（例えば、スートブロー４０）を多数設置するとよい。また、天井壁７へ付着した灰を除去するために、灰除去装置（例えば、ウォールブロア４４）を設置するとよい。このウォールブロア４４は、天井壁７に設置されている。
【００３９】
２段目火炉２８に流れた燃焼ガスは、吊り下げ過熱器１０，１１を通る。吊り下げ過熱器１０，１１に付着した灰を取り除くために、灰除去装置（例えば、スートブロー４０）を設置する。２段目火炉２８の底部は、吊り下げ過熱器１０，１１から落下した灰が堆積しないように、傾斜している。また、後部伝熱部２９にも多数の灰除去装置（例えば、スートブロー）が設置されている。
【実施例４】
【００４０】
図６は、本実施例におけるボイラの側面図である。本実施例では、ボイラが生成する蒸気温度の調整方法を変更している。図６では、図１と異なり、吊り下げ過熱器１１が２段目火炉２８の下流側に設けられている。また、後部伝熱部２９では隔壁を備えていない点が異なる。
【００４１】
図６において、エアヒータ１９から排出された排ガスの一部は、排ガス再循環ファン４１ａにより２段目火炉２８に戻して、水管への熱吸収量を調整する。排ガス温度は、おおよそ１００℃から１５０℃である場合が多い。この排ガスを使用して、再熱蒸気系の蒸気温度を調整する。例えば、２段目火炉２８への排ガス流量を増加することで、２段目火炉２８の燃焼ガス温度が低下する。そのため、ふく射伝熱の割合が多い吊り下げ過熱器１１の伝熱量が低下する。本実施例では、吊り下げ過熱器１１又は再熱器３３も、同様の理由で伝熱量が低下する。過熱器３４及び節炭器３２は対流伝熱が支配的である。そのため、排ガスを供給して後部伝熱部２９の燃焼ガス流量が増加したことにより、燃焼ガス流速が増加するため、過熱器３４及び節炭器３２の伝熱量が増加する。
【００４２】
また、節炭器３２の下流側と２段目火炉２８をガス流路で接続し、排ガス再循環ファン４１ｂを通して、２段目火炉２８に燃焼ガスを供給する方法も考えられる。この方法では、２段目火炉２８のガス温度を低下でき、灰付着を防止できる。特に、２段目火炉後壁１２ｃのガス温度を低下させ、灰付着を抑制できる。２段目火炉２８のガス温度は、３５０℃程度にするとよい。
【００４３】
また、本実施例では、２段目火炉２８の奥行きを、実施例１に比べて小さくしている。
これは、排ガス再循環ファン４１ｂを設置した場合に必須ではない。このような場合、２段目火炉後壁１２ｃに灰が付着する可能性が高くなる。そこで、灰除去装置（例えば、スートブロー４２）を多数壁面に設置している。また、ＡＡＰ２ｄを２段目火炉２８の天井に設置し、後壁側に灰が付着することを防止することができる。ここでは、後壁への灰付着低減のための構造を示したが、前壁，側壁も同様の手段で可能である。
【００４４】
その他、節炭器３２の下流側と１段目火炉２６をガス流路で接続し、排ガス再循環ファン４１ｃを使用して、１段目火炉２６に低温の排ガスを戻すことができる。低温の排ガスを戻すことにより、天井壁７の冷却に使用できる。
【実施例５】
【００４５】
図７は、本実施例におけるボイラの側面図である。図１と比較して、図７では、２段目火炉２８の後壁１２ｃと後部伝熱部２９の前壁が一体構造になっている。これにより、部材を少なくすることができる。この場合、注意すべきことは、２段目火炉側壁１２ｂ，２段目火炉後壁１２ｃ，後部伝熱部２９のケージ壁１７を溶接した場合、熱伸びにより応力が発生することである。このため、これらの部分を通過する水，蒸気の温度をなるべく均一になるように設計する。
【実施例６】
【００４６】
図８は、本実施例におけるボイラの側面図である。本実施例では、２段目火炉２８と後部伝熱部２９の接続部に、高温ガスに耐えられる接続部材（ジョイント４３）を設置している。また、後部伝熱部２９を吊り下げ式ではなく、地面から支える自立式としている。
自立式は、吊り下げ式に比べて建設が容易であり、建設の期間・コストを低減できる。２パスボイラにおいて自立式ができなかった理由は、後部伝熱部２９が火炉の高い位置に設置されていたためである。本実施例では、地面に近い位置に後部伝熱部２９を設置しているので自立式にできる。
【００４７】
ジョイント４３は、通過する燃焼ガス６ｆの温度が１０００℃程度になるので、この高温に耐えられなければならない。また、２段目火炉２８は上部構造が固定されているので、材料の温度上昇と共に、２段目火炉２８は下方に伸びる。一方、後部伝熱部２９は下部構造が固定されているので、上方に伸びる。両者の伸びをジョイントで吸収する必要がある。伸びを吸収する方法として、第１に、図９に示すジャバラを使用する場合がある。第２に、図１０に示すようにスライド式にする場合がある。
【実施例７】
【００４８】
図１１は、本実施例におけるボイラの側面図である。図１２は、図１１のボイラにおける蒸気流路を示す。復水器より給水ポンプを用いて、節炭器３２へ給水する。節炭器３２により暖められた水は、１段目火炉水壁底部１０５に供給される。図１１の火炉はスパイラル壁であるので、水管が火炉の外周側を回りながら上部構造につながっている。さらに、１段目火炉水壁上部１０６ａ，１０６ｂでは、水管を垂直に配置している。このように、水管を垂直にすると構造が簡単になる。なお、１段目火炉水壁上部１０６ａ，１０６ｂをスパイラル構造にすることで、各水管の熱吸収を均一化できる。また、後壁側の水管は、スクリーン管８，１段目火炉水壁上部１０６ｃに分岐されて上部構造につながっている。１段目火炉の上部に達したところで、各配管の水，蒸気を混合するミキシングヘッダ１０７に供給し、水・蒸気温度の均一化を測る。
【００４９】
次に、ミキシングヘッダ１０７からの水・蒸気は、２段目火炉の２段目火炉前壁１２ａ，２段目火炉側壁１２ｂ，２段目火炉後壁１２ｃを下降する。気液２相流で流れが下降すると、重力により液相が速く落下するため、蒸発が遅くなる場合がある。そこで、管内の混合を加速するため、熱伝達がよい管（例えば、リブド管など）を使用するとよい。
【００５０】
次に、ミキシングヘッダ１０８，水と蒸気を分離する気水分離器１０９の順に蒸気が流れる。２段目火炉の底部に達したときに、ほぼ水が蒸発するように設計するとよい。重量の重いミキシングヘッダ１０８や、気水分離器１０９を地面から低い位置に設置可能であるため、建設が容易になる。気水分離器１０９で分離した水は、貯水タンク，ボイラ再循環ポンプを経て、給水へ戻される。気水分離器１０９を設置しないと、水が底部にたまり、蒸気の流れない管が生じてしまう。図では、ミキシングヘッダを１台と気水分離器を２台設置しているが、必要な台数を確保するとよい。
【００５１】
次に、気水分離器１０９で分離された蒸気は、後部伝熱部のケージ壁１４，１６，１７，隔壁１５に分配される。蒸気は上昇するため、ミキシングヘッダからこれらの壁までの配管の長さが短くなる。
【００５２】
次に、これらの蒸気は天井壁７へ供給される。もし、蒸気温度にアンバランスが発生する場合は、天井壁７の前にミキシングヘッダを取り付けるとよい。
【００５３】
次に、過熱器３４により蒸気を過熱し、さらに吊り下げ過熱器１０により過熱する。これらの蒸気温度を調整するために、低温の流体を供給する装置（スプレー）を過熱器３４，吊り下げ過熱器１０の前後に設置するとよい。吊り下げ過熱器１０から出た蒸気は、高圧蒸気タービンへ供給される。
【００５４】
高圧タービンで仕事をした蒸気は、再熱蒸気として、再びボイラの水管に戻される。そして、再熱器３３を経て、吊り下げ過熱器１１を経由して、中圧タービンに供給される。以上の経路にすることで、配管の長さを短くでき、かつ蒸気・メタル温度のアンバランスを低減することができることがわかった。
【実施例８】
【００５５】
図１３は、本実施例における蒸気流路を示す。実施例７とは、水・蒸気の流れる順番が異なる。実施例７と同様に、節炭器３２から出た水は１段目火炉水壁底部１０５に入れられる。その後に、１段目火炉水壁上部１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ、スクリーン管８，９を経て、ミキシングヘッダ１０７へ入れられる。この後、水・蒸気は後部伝熱部２９のケージ壁１４，１６，１７、隔壁１５を下降する。２段目火炉１２よりもケージ壁のほうが、熱負荷が低いため、下降流にした場合にメタル温度の上昇などの問題を生じにくい。後部伝熱部２９のケージ壁１４，１６，１７、隔壁１５を下降した水・蒸気は、ミキシングヘッダ１０８で集められた後、気水分離器１０９で水と蒸気が分離される。分離された蒸気は、２段目火炉の２段目火炉前壁１２ａ，２段目火炉側壁１２ｂ，２段目火炉後壁１２ｃを下降し、天井壁７に供給される。天井壁７に供給された後の蒸気流路は、図１２と同様である。
【実施例９】
【００５６】
図１４は、本実施例における蒸気流路を示す。実施例９は、実施例７，８と比べて、水・蒸気の流れる順番が異なる。実施例７と同様に、節炭器３２から出た水は１段目火炉水壁底部１０５に入れられる。その後に、１段目火炉水壁上部１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ、スクリーン管８，９を経て、ミキシングヘッダ１０７へ入れられる。この後、水・蒸気は２段目火炉前壁１２ａ，２段目火炉後壁１２ｃを下降する。この後、ミキシングヘッダ１０８，気水分離器１０９をへて、蒸気だけが２段目火炉側壁１２ｂへ入れられ上昇する。この場合は、２段目火炉前壁１２ａと２段目火炉後壁１２ｃの伝熱量が多く、熱伸びが大きくなる場合に適する。
【実施例１０】
【００５７】
図１５は、本実施例における蒸気流路を示す。節炭器３２から出た水は、１段目火炉水壁底部１０５，２段目火炉前壁１２ａ，２段目火炉側壁１２ｂ，２段目火炉後壁１２ｃに配分されて供給される。これらの伝熱面からでた水・蒸気は、ミキシングヘッダ１０７で混合され、気水分離器１０９で水と蒸気に分離される。蒸気は、天井壁７を経由して、ケージ壁１４，１６，１７へ流れる。この方法の利点は、水・蒸気配管の行き来が少ないので、構造が簡単になることである。
【００５８】
なお、節炭器３２につながる火炉部が大型になることで、各水管の質量流量が低下する。この場合、ＤＮＢ（Departure from nuclear boiling）が発生し、メタル温度が著しく上昇する可能性がある。この点に気をつけながら設計する。また、質量流量が低下した場合でも、伝熱量の多い水管は、液相から気相に早く変わるので、圧力損失が低下する。このために流量が増加し温度上昇を低下させる。この効果を生かすことで、信頼性を確保しながら流速の設計範囲を大きくすることができる。また、火炉部分の圧力損失を低減できる。
【実施例１１】
【００５９】
図１６は、本実施例におけるボイラの側面図である。本実施例では、バーナを前後壁ではなく、左右壁に設置した。このようにすると、１段目火炉後壁と２段目火炉前壁の間に設置するものがなくなり、機器レイアウトが簡素化される。さらに、図１６では、２段目火炉前壁を取り除き、１段目火炉後壁５ｃで２段目火炉前壁の代用をしている。このようにすると、材料を少なくすることができる。
【００６０】
また、図１６ではエアヒータ１９からウインドボックス３を接続するウインドボックスダクト４８を設置している。ウインドボックスダクト４８は、２段目火炉２８と後部伝熱部２９の側壁に設けられている。ウインドボックスダクト４８は横に長いため、ダクトを利用して点検通路にするとよい。また、火炉高さが低いので、地面より低い位置に機器が設けられている。そのため、機器の点検が容易である。
【００６１】
また、この実施例では、石炭を粉砕するミル４５と石炭を蓄えるコールバンカ４６，石炭を搬送するフューエルパイプ４７の例を示す。コールバンカ４６も建物の中に入れるとメンテナンスが容易になる。この場合、火炉の高さとコールバンカの高さを同程度にすると、建屋の天井高さが同じになり建設が容易になる。
【実施例１２】
【００６２】
図１７は、本実施例におけるボイラの側面図である。本実施例では、火炉接続部２７に設置していたスクリーン管をなくした例を示す。スクリーン管があると、灰付着，磨耗，腐食などの問題が発生しやすい。そのため、１段目火炉２６の後壁５ｃに設けた水管は、１段目火炉後壁ヘッダ５１に接続して、蒸気を外部に取り出す。また、２段目火炉前壁１２ａの水管も２段目火炉前壁ヘッダ５２に接続して、蒸気を外部に取り出す。１段目火炉２６の後壁と２段目火炉２８の前壁を吊るために接続部上部梁４９を設けると共に、接続部上部梁４９を鉄骨２０に接続する。また、接続部下部梁５０を１段目火炉の後壁５ｃと２段目火炉前壁１２ａの間に設置し、接続部下部梁５０により１段目火炉の後壁５ｃと２段目火炉前壁１２ａを吊り上げる。
【００６３】
図１８は、接続部上部梁４９と接続部下部梁５０の拡大図である。接続部吊り構造５３により、接続部下部梁５０，接続部上部梁４９を接続することで、１段目火炉の後壁５ｃと２段目火炉前壁１２ａの荷重を支えている。
【実施例１３】
【００６４】
図１９は、節炭器３２，過熱器３４を形成する伝熱管の配置間隔の相違を示した図である。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）のＢ−Ｂ断面図を示しており、伝熱管の配置関係を示す。伝熱管７０の内部には水又は蒸気が流れており、伝熱管７０の外部には燃焼ガス６ｄ，６ｅが流れている。伝熱管７０は、管によって燃焼ガスと水又は蒸気との間で熱交換させ、水又は蒸気を加熱する役割を有する。伝熱管７０の外表面に燃焼ガス６ｄ，６ｅが流れるようにするため、隣接する伝熱管７０は一定の間隔７１を有して配置されている。この間隔７１は、伝熱管７１の外表面同士の距離を意味する。
【００６５】
そして、図１９（ｂ）の上側に記載した伝熱管７０ａは、後部伝熱部２９の下流側に配置されている。図１９（ｂ）の下側に記載した伝熱管７０ｂは、後部伝熱部２９の上流側に配置されている。また、後部伝熱部２９を流れる燃焼ガス６ｄ，６ｅは、図１９（ｂ）の下から上方向に流れる。ここで、上流側に配置された伝熱管７０ｂの間隔７１ｂは、下流側に配置された伝熱管７０ａの間隔７１ａよりも広い。そのため、伝熱管７０ａの外表面に付着した灰をスートブロアで除去した場合、灰が上流側の伝熱管７０ｂの間隔７１ｂを通過し易くし、燃焼ガス流路の閉塞を抑制することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、建設期間を短縮し、低ＮＯｘ，低ＣＯを達成するためのボイラに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】実施例１に係るボイラの側面図である。
【図２】実施例１に係るボイラの正面図である。
【図３】実施例２に係るボイラの側面図である。
【図４】実施例２の燃焼場の概念図である。
【図５】実施例３に係るボイラの側面図である。
【図６】実施例４に係るボイラの側面図である。
【図７】実施例５に係るボイラの側面図である。
【図８】実施例６に係るボイラの側面図である。
【図９】実施例６のジョイントである。
【図１０】実施例６のジョイントである。
【図１１】実施例７の熱交換器を示す。
【図１２】実施例７における蒸気流路を示す。
【図１３】実施例８における蒸気流路を示す。
【図１４】実施例９における蒸気流路を示す。
【図１５】実施例１０における蒸気流路を示す。
【図１６】実施例１１に係るボイラの側面図を示す。
【図１７】実施例１２に係るボイラの側面図である。
【図１８】実施例１２の吊り構造を示す。
【図１９】節炭器３２，過熱器３４を形成する伝熱管の配置間隔の相違を示した図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  バーナ
２，３７  ＡＡＰ
３ａ，３ｂ  ウインドボックス
４  火炉用アッシュホッパー
５ａ  前壁
５ｂ  側壁
５ｃ  後壁
６ａ  バーナ噴流
６ｂ  ＡＡＰ噴流
６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈ  燃焼ガス
７  天井壁
８，９  スクリーン管
１０，１１  吊り下げ過熱器
１２ａ  ２段目火炉前壁
１２ｂ  ２段目火炉側壁
１２ｃ  ２段目火炉後壁
１３  アッシュホッパー
１４，１６，１７  ケージ壁
１５  隔壁
１８  脱硝装置
１９  エアヒータ
２０  鉄骨
２１  吊りワイヤ
２２  地面
２３ａ  空気
２３ｂ  予熱後空気
２４  ＦＤＦ
２５  ＩＤＦ
２６  １段目火炉
２７  火炉接続部
２８  ２段目火炉
２９  後部伝熱部
３０，３１  パラレルダンパ
３２  節炭器
３３  再熱器
３４  過熱器
３６  空気の流れ
３８  ポート
３９  ウォーターキャノン
４０  スートブロー
４１  排ガス再循環ファン
４２  スートブロー
４３  ジョイント
４４  ウォールブロア
４５  ミル
４６  コールバンカ
４７  フューエルパイプ
４８  ウインドボックスダクト
４９  接続部上部梁
５０  接続部下部梁
５１  １段目火炉後壁ヘッダ
５２  ２段目火炉前壁ヘッダ
５３  接続部吊り構造
１０５  １段目火炉水壁底部
１０６  １段目火炉水壁上部
１０７，１０８  ミキシングヘッダ
１０９  気水分離器
【図１】
2008304178.tif 000003
【図２】
2008304178.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008304178.tif 000006
【図５】
2008304178.tif 000007
【図６】
2008304178.tif 000008
【図７】
2008304178.tif 000009
【図８】
2008304178.tif 000010
【図９】
2008304178.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2008304178.tif 000013
【図１２】
2008304178.tif 000014
【図１３】
2008304178.tif 000015
【図１４】
2008304178.tif 000016
【図１５】
2008304178.tif 000017
【図１６】
2008304178.tif 000018
【図１７】
2008304178.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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