(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動媒体の下方から流動用気体を吹き込んで流動化させた流動層中に、燃料を供給して燃焼あるいは化学反応を行う流動層装置であって、前記流動層周囲の構造壁に、前記流動用気体の供給部の水平断面積より、流動層最上部の水平断面積の方が大きくなる段差部を形成し、該段差部の上方の前記流動層中の前記流動用気体が上昇しない領域に、前記流動層の温度および／または圧力を検出するための計測端またはサンプリング管を配置したことを特徴とする流動層装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流動層装置を備え、前記流動層で発生した熱によって蒸気を生成し、該蒸気により蒸気タービンを駆動して発電したり、あるいは、該流動層で発生した燃焼ガスによりガスタービンを駆動して発電したりする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流動層装置に係り、特に、流動層内の状態量の計測部材で、材料疲労の生じないような計測設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流動層は、粒子を積んだ層に空気等の気体を吹き込み、層全体を流動化した状態としたもので、この流動層中に燃料を供給して燃焼させるのが流動層燃焼器あるいは流動層火炉である。
【０００３】
流動層燃焼器は、燃料の滞留時間が長く、また熱容量の大きな流動層により発生熱を高効率で利用できるなどの特徴から、発電システム、廃棄物処理プラント、あるいは化学プラントなどに広く利用されている。
【０００４】
流動層燃焼器を利用した最新技術の一例として、加圧雰囲気下の流動層内で石炭を燃焼させ、蒸気タービンとガスタービンを同時に駆動する加圧流動層複合発電システムがある。加圧流動層複合発電システムは、加圧流動層ボイラの火炉内で、流動層粒子の層に分散板から空気を供給して流動層とし、この流動層中で燃料を最大１０気圧程度の高圧下で燃焼させる。
【０００５】
そして、流動層中の伝熱管内で蒸気を発生させて過熱させ、この蒸気で蒸気タービンを駆動する。また、同時に火炉から発生する高温高圧の燃焼排ガスによりガスタービンを駆動する。
【０００６】
加圧流動層ボイラの負荷を増加する際、流動層の層高を上げ、伝熱管との接触面積を大きくして伝熱量を増加させるため、流動媒体粒子（ＢＭ（Ｂｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）と略称す）を火炉へ投入する。また、負荷を減少するときは、流動層を形成する流動媒体粒子を抜き出すことにより、層高を下げて伝熱量を減少させる。
【０００７】
一方、従来の常圧流動層燃焼器あるいは反応器では、流動層の層高は１ｍ前後として層高は変えずに、流動、燃焼（あるいは反応）する面積を変えて負荷を変化させていた。商用機規模で、幅５〜１０ｍ、流動層高１ｍ程度の寸法の流動層中で燃料を燃焼し、流動および燃焼用の空気を送風するウィンドボックスのセルを増加することにより、流動、燃焼する面積を増加して負荷を上昇させる。層高は常に一定であり、流動層の幅に対して層高は比較的小さい。
【０００８】
このような比較的浅い層高で、かつ、一定層高運転をする流動層装置で、層内温度等を計測する計測端を層内に挿入する場合、燃焼炉などの側壁近傍については、側壁に設けた座より計測端を挿入し、層中央部については装置底部、例えば空気分散板に座を設け、垂直に計測端を挿入する等の方法が取られてきた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の常圧流動層燃焼器に対し、加圧流動層燃焼器のように層高を変化させて負荷を変える流動層装置では、層高が最大４〜５ｍと深くなる。層上部の層温などを計測する場合、層底部に座を設ける方法では、計測端が長くなりすぎるため、側壁より計測端を挿入する必要がある。
【００１０】
しかしながら、計測端を流動層内へ水平に一定の深さまで挿入する場合、壁に至近の計測と異なり、以下のような問題が生じる。すなわち、流動層では、微視的に見て、個々の粒子が気流によって浮き上がった流動化開始状態から、流動用ガス流量を増加していくと、ガスは気泡となって層内を上昇するようになる。
【００１１】
この気泡は後ろ（下部）に粒子群（ウェークともいう）を牽引し、これが流動層中での粒子上昇流の原動力となる。気泡が通過した後には、気泡およびウェーク通過後の空間に周囲の粒子が流れ込み、したがって、計測端の位置を気泡が通過すると、気泡に牽引されたウェーク粒子により、計測端は大きな上向き力を加えられる。
【００１２】
また、気泡通過後は粒子の下降や水平流により、計測端に、下向きや横向きの力が加えられる。流動層内では気泡がランダムな経路で上昇するため、気泡経路上では上向き、経路外では下向きや横向きの力が加わり、周期的に通過する気泡により、上下方向の繰り返し応力が計測端に加えられる。粒子の衝突による１回の応力は小さくとも、周期的に繰り返し応力が加わった場合、計測端材料に疲労破壊を生じる恐れが大きくなる。
【００１３】
燃焼装置や反応装置の計測端で計測される状態値は、装置制御用の状態値入力として使用されている場合がほとんどであり、計測端の破壊は流動層装置の運転制御の不能につながる。
【００１４】
上記のような計測端疲労破壊を防ぐための手段として、計測端を支持し保護する部材を増設する手段が考えられる。この方法は、計測端の応力による変形を十分に抑える固定ができれば、計測端の保護に有効である。しかし、部材固定で十分な強度のある構造を得るためには、部材の量（体積）が大きくなる。
【００１５】
流動層装置の層内には、伝熱管などの必要な部材がすでに過密に設置されていることも多い。その層内に挿入する計測端を大きな体積の支持部材で支えることは、流動層内の部材の設置密度を大きくし、流動の阻害や装置の性能低下につながる。したがって、支持部材による計測端保護では、支持強度増加と良好な流動保持という相反する結果を両立させる困難さがある。
【００１６】
本発明の課題は、流動層装置において、層内状態を計測する計測端に働く繰り返し応力を防止し、計測端の疲労破壊を防ぎ、状態量を常に正しく計測して安定した運転を実施できるようにすることである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、流動媒体の下方から流動用気体を吹き込んで流動化させた流動層中に、燃料を供給して燃焼あるいは化学反応を行う流動層装置であって、前記流動層の温度および／または圧力を検出するための計測端またはサンプリング管を、該流動層中の前記流動用気体が上昇しない領域に配置したことを特徴とするものである。
【００１８】
本発明によれば、本発明によれば、鉛直下方からの流動用気体の上昇流が無いので、計測端やサンプリング管に衝突する上昇気泡による繰り返し荷重を受けないので、これらの部材の疲労破壊が防止され、状態量を常に正しく計測して安定した運転を実施できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１に本発明を適用した流動層燃焼器の一例を示す。本例は、加圧流動層複合発電システム（図４）の燃焼器部分に本発明を適用した実施形態を示している。
【００２０】
本実施形態は、火炉１の側壁を、流動用気体分散板３の水平断面積より、流動層最上部の水平断面積の方が大きくなるように傾斜させ、流動用気体の上昇流が生じない領域に、温度や圧力等の状態量を知るための計測端２７の検知部を配置した。
【００２１】
以下、本実施形態をさらに詳しく説明する。本例の流動層装置は、圧力容器２６に格納された加圧流動層燃焼器（火炉）１中で、流動層２に燃料１７を投入して燃焼させ、伝熱管４にて水から蒸気を発生させて蒸気タービン２２を駆動して発電する加圧流動層ボイラである。
【００２２】
ボイラ負荷を上昇する際は、ＢＭタンク５からＢＭ６を火炉１内へ投入し、流動層高を上げ、伝熱管と流動層の接触面積を大きくすることにより、伝熱量を増加させる。蒸気と燃料燃焼の状態を制御するため、層温を温度計測端２７によって計測している。温度計測端２７を層内へ挿入するため、火炉１の側壁に座が必要となる。
【００２３】
火炉１の側壁は、本例では垂直に対して角度を持った傾斜壁をなしており、火炉の断面積が上に向かって広がる構造となっている。温度計測端２７を挿入する座は、この傾斜壁に設けられている。傾斜壁上での流動層は、鉛直下に空気分散板がないことから気泡が通過せず、一様な下降流が発生するため、温度計測端２７は繰り返し応力を受けず、材料疲労を生じにくい配置となっている。
【００２４】
なお、本例の加圧流動層ボイラは、ＢＭ供給空気１０の流量を調整する調整弁９、流動層中のＢＭ抜き出し空気１２の流量を調整する調整弁１１、ＢＭタンク５に戻すＢＭ戻し空気１４の流量を調整する調整弁１３、および、ＢＭ供給ライン１５、ＢＭ抜き出しライン１６などを備えている。
【００２５】
図２に、本発明の他の実施形態を示す。本例は、図１の例と同様の加圧流動層ボイラのシステム構成となっている。火炉の側壁構造は図１と異なり、段差を持って火炉上方の断面積が大きくなる構造を持つ。
【００２６】
この段差より上の側壁は、鉛直下に空気分散板を持たない側壁であり、この側壁に温度計測端２７の挿入座を設置している。段差上方の流動層では、気泡が通過せず、一様な下降流が発生するため、温度計測端２７は繰り返し応力を受けず、材料疲労を生じにくい配置となっている。
【００２７】
図３に、本発明のさらに他の実施形態を示す。本例では、火炉１の側壁は、鉛直下に空気分散板を持たないような傾斜や段差が設けられていないが、流動層２内に仕切りが設置されており、この仕切りが遮蔽部材２８となって、分散板からの気泡が上昇しない流動層区域を形成している。
【００２８】
遮蔽部材２８の上部の流動層では、図１の例の傾斜壁上流動層と同じく、一様な下降流が発生する。温度計測端２７を遮蔽部材２８の上部に挿入できるような位置に、側壁挿入座を設ける。気泡が通過しない区域に温度計測端を設置することにより、温度計測端２７は、繰返し応力を受けず、材料疲労を生じにくい配置となっている。
【００２９】
以上説明した実施形態によれば、鉛直下方からの流動用気体が供給されないので、（１）気泡が通過せず、（２）一様な粒子下降流が生じる区域が形成される。このような側壁に計測端を挿入する座を設け、計測端を水平方向に挿入すると、計測端は、無気泡、下流区域を横断する形で設置される。
【００３０】
これにより、無気泡、下流区域では、計測端は上昇する気泡にさらされないため、周期的な繰り返し応力を受けることが無く、また、流動層中では最も速度が大きくなる気泡後方のウェーク粒子が衝突することはない。したがって、計測端が受ける応力は、下降流による比較的小さな一様の下向き応力のみとなり、材料の疲労破壊を招く恐れが激減する。
【００３１】
計測端をより深く挿入した場合は、計測端の先端が気泡存在域に突き出ることになるが、計測端の根元から一定の長さは無気泡域にあるため、計測端全体が気泡域にある従来の設置法に比べて、うける応力は小さくなり、材料寿命を延ばす効果が得られる。
【００３２】
図４に、本発明が適用される加圧流動層複合発電システムの構成の一例を示す。加圧流動層ボイラの火炉１内では、流動層粒子の層に分散板３から空気を供給して流動層２とし、この流動層２中で燃料１７を最大１０気圧程度の高圧下で燃焼させる。
【００３３】
そして、流動層中の伝熱管４内で蒸気を発生し過熱させ、この蒸気で蒸気タービン２２を駆動する。また、同時に火炉１から発生する高温高圧の燃焼排ガス８によりガスタービン１９を駆動する。
【００３４】
加圧流動層ボイラの負荷を増加する際、流動層２の層高を上げ、伝熱管４との接触面積を大きくして伝熱量を増加させる。そのため、流動媒体粒子（ＢＭ（Ｂｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）と略称す）６を、流動媒体容器（ＢＭタンクともいう）５から、ＢＭ供給ライン１５を経て火炉１へ投入する。
【００３５】
また、負荷を減少するときは、流動層２を形成する流動媒体粒子をＢＭ抜き出しライン１６からＢＭタンク５へ抜き出すことにより、層高を下げて伝熱量を減少させる。
【００３６】
このように、層高を変化させて負荷を変える流動層装置では、層高が最大４〜５ｍと深くなる。層上部の層温などを計測する場合、層底部に座を設ける方法では、計測端が長くなりすぎるため、側壁より計測端を挿入する必要がある。
【００３７】
図５に示したように、壁に至近の計測と異なり、計測端を流動層内へ水平に一定の深さまで挿入する場合、以下のような問題が生じる。図６に、流動層側壁から計測端を挿入した場合の、ガス、粒子流れの模式図と、計測端が受ける応力の経時変化を示した。流動層では、微視的に見て、個々の粒子が気流によって浮き上がった流動化開始状態から、流動用ガス流量を増加していくと、ガスは気泡となって層内を上昇するようになる。
【００３８】
図７に示したように、気泡は後ろ（下部）に粒子群（ウェークともいう）を牽引し、これが流動層中での粒子上昇流の原動力となる。気泡が通過した後には、気泡とウェーク通過後の空間に周囲の粒子が流れ込み、したがって、計測端の位置を気泡が通過すると、気泡に牽引されたウェーク粒子により、計測端は大きな上向き力を加えられる。
【００３９】
また、気泡通過後は、粒子の下降、水平流により、下向き、横向きの力が加えられる。流動層内では気泡がランダムな経路で上昇するため、気泡経路上では上向き、経路外では下向き、横向きの力が加わり、周期的に通過する気泡により、上下方向の繰り返し応力が計測端に加えられる。粒子の衝突による１回の応力は小さくとも、周期的に繰り返し応力が加わった場合、計測端材料に疲労破壊を生じる恐れが大きくなる。
【００４０】
燃焼装置や反応装置の計測端で計測される状態値は、装置制御用の状態値入力として使用されている場合がほとんどであり、計測端の破壊は装置の制御不能につながる。
【００４１】
上記のような計測端疲労破壊を防ぐための手段として、計測端を支持し保護する部材を増設する手段が考えられる。この方法は、計測端の応力による変形を十分に抑える固定ができれば、計測端の保護に有効である。しかし、部材固定で十分な強度のある構造を得るためには、部材の量（体積）が大きくなる。
【００４２】
図４にも示したように、流動層装置の層内には、伝熱管などの必要な部材がすでに密に設置されていることも多い。その層内に挿入する計測端を大きな体積の支持部材で支えることは、流動層内の部材の設置密度を大きくし、流動の阻害や装置の性能低下につながる。したがって、支持部材による計測端保護では、支持強度増加と良好な流動保持という相反する結果を両立させる困難さがある。
【００４３】
前述したように、本発明の実施形態によれば、流動層中の上昇気泡のない領域、計測部やサンプリング部を配置できるので、これらの部材が上昇気泡による繰り返し荷重を受けないため、疲労破壊が防止され、高精度の計測やそれに基づく安定運転を実現できる。
【００４４】
【発明の効果】
上述のとおり、本発明によれば、計測端を設置した流動層燃焼器では、計測端を流動層内へ水平に挿入した際、計測端が繰り返し応力を受け、材料が疲労破壊を起こすことを防ぎ、装置の状態量を常に正しく計測し、安定した運転および制御に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である流動層燃焼器を示す構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態である流動層燃焼器を示す構成図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態である流動層燃焼器を示す構成図である。
【図４】本発明が適用される加圧流動層複合発電システムの構成図である。
【図５】定層高常圧流動層燃焼器と計測端配置の模式図である。
【図６】垂直側壁を持つ流動層装置の粒子やガス流れと計測端が受ける応力を示す図である。
【図７】気泡通過時に計測端が受ける粒子衝突と応力を示す図である。
【図８】傾斜側壁を持つ流動層装置の粒子やガス流れと計測端が受ける応力を示す図である。
【符号の説明】
１  火炉
２  流動層
３  空気分散板
４  伝熱管
５  ＢＭ（流動媒体）タンク
６  流動媒体粒子（ＢＭ）
１７  燃料
２０  空気
２６  圧力容器
２７  温度計測端
２８  遮蔽部材
【図１】
0004540272.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004540272.tif 000006
【図６】
0004540272.tif 000007
【図７】
0004540272.tif 000008
【図８】
0004540272.tif 000009