(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の粒子を供給して流動層を形成し熱回収を行う流動層熱交換器において、熱交換後に流動層熱交換器から外部へ排出される粒子の前記流動層熱交換器内での移動方向に関して、流動層熱交換器内に上流側の第１の室と下流側の第２の室とを設け、第１の室に相対的に低温の作動流体の流通する第１の熱交換器を配設し、第２の室に相対的に高温の作動流体の流通する第２の熱交換器を配設したことを特徴とする流動層熱交換器。
【請求項２】
前記第２の熱交換器が過熱器と再熱器の何れか一方、若しくは、その両者であることを特徴とする請求項１に記載の流動層熱交換器。
【請求項３】
前記第１の熱交換器が蒸発器、節炭器、低温過熱器の何れか１つ、若しくは、その組合せであることを特徴とする請求項１または２に記載の流動層熱交換器。
【請求項４】
前記第１の室内に流動層と静止層とを同時に形成できるようにしたことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の流動層熱交換器。
【請求項５】
前記第２の熱交換器の蒸気入口を前記粒子の移動方向に関して上流側に配置し、蒸気出口を前記粒子の移動方向に関して下流側に配置したことを特徴とする請求項２に記載の流動層熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は循環流動層ボイラ等における過熱器等の相対的に高温の熱交換器の腐食を軽減した流動層熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から流動層ボイラにおける過熱器、再熱器等の熱交換器の配置には、
（１）火炉内およびサイクロン下流の煙道内に過熱器を設ける構成
（２）サイクロンで分離した粒子の一部または全部を、火炉とは独立させて設けられた流動層熱交換器に導入し、ボイラへ供給される燃焼用空気の一部を用いて流動層熱交換器内に流動層を形成し、該流動層内に過熱器や蒸発管を配設する構成
が知られている。
【０００３】
腐食成分を含有した燃料、典型的には産業廃棄物や都市ゴミ、ＲＤＦ等を燃焼すると、排ガス中に塩化水素ガスや塩素ガスの腐食性ガスが生成される。（１）の構成のように、腐食性ガスが高温下で存在する燃焼器内部や煙道中に高温となる過熱器を配設すると、この過熱器は激しい高温腐食を受けることが知られている。そこで、（２）の構成のように、煙道には比較的低温の過熱器を配設し、高温の過熱器は火炉とは独立した熱交換器室内に設ける構成を採用することが検討されており、特に、廃棄物焚き流動層ボイラでは一般的な構成となっている。
【０００４】
一般的に、流動層内では粒子の混合、拡散が良好であり、層内温度は均一に保たれると言われている。巨視的には流動層内部は均一な温度分布を有していると言いえるが、流動層熱交換器のように高温粒子が流動層内部の特定部位に導入される場合には、熱交換器の室内に粒子の温度分布が形成され、サイクロンから高温の粒子が供給される部分が局部的に高温となり、粒子を排出する側が低温となる。そこで、通常は伝熱面の効率的な配置を考慮して高温側に高温過熱器が配置され低温側に蒸発器が配置されている。
【０００５】
図３に従来技術による流動層熱交換器を示す。図３において、循環流動層ボイラは、火炉１０と、該火炉１０から排出される燃焼ガスと粒子とを含む固気二相流から粒子を分離するためのサイクロン１２と、粒子の分離された燃焼ガスを煙突（図示せず）へ導くための煙道１４とを具備している。煙道１４には低温過熱器１６および節炭器１８が配設されている。
【０００６】
サイクロン１２は導管２０を介してシールポット２２に接続されており、シールポット２２は、導管２４を介して火炉１０に接続されると共に、灰取出調整弁２６および導管２６ａを介して、火炉１０とは独立させて設けられた流動層熱交換器２８に接続されている。流動層熱交換器２８へ供給された粒子は、該流動層熱交換器２８内で熱交換を行って冷却された後に、導管３４を介して火炉１０へ再び戻される。
【０００７】
従来技術では、流動層熱交換器２８内には、高温過熱器３０と、蒸発器３２が配設されている。より詳細には、高温過熱器３０は、流動層熱交換器２８内における粒子の該流動層熱交換器２８から火炉１０へ向かう流れに関して上流側の高温部に配設されており、蒸発器３２は下流側の低温部に配設されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、流動層熱交換器２８内において高温側に配設された過熱器３０の一部は、サイクロン１２からの約８５０〜９００°Ｃの高温の粒子と直接接触するので、その表面において高温腐食が観察されることがある。更に、流動層熱交換器２８を経由して再び火炉１０内に供給される粒子は、蒸発器３２との接触により低温となるので、流動層ボイラの運転条件によっては、流動層熱交換器２８から火炉１０へ循環する粒子温度が過度に低温となり、そのために、火炉内燃焼温度の低下をもたらすことがある。
【０００９】
本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、循環流動層ボイラにおける過熱器等の相対的に高温の熱交換器の腐食を軽減した流動層熱交換器を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、高温の粒子を供給して流動層を形成し熱回収を行う流動層熱交換器において、熱交換後に流動層熱交換器から外部へ排出される粒子の前記流動層熱交換器内での移動方向に関して、流動層熱交換器内に上流側の第１の室と下流側の第２の室とを設け、第１の室に相対的に低温の作動流体の流通する第１の熱交換器を配設し、第２の室に相対的に高温の作動流体の流通する第２の熱交換器を配設したことを特徴とする。
【００１１】
前記第２の熱交換機は過熱器と再熱器の何れか一方、若しくは、その両者とすることができ、前記第１の熱交換器は蒸発器、節炭器、低温過熱器の何れか１つ、若しくは、その組合せとすることができる。
【００１２】
好ましくは、前記第１の室内に流動層と静止層とを同時に形成できるようにして、第１の室に配設された第１の熱交換器における熱交換量を調節できるようにする。更に好ましくは、前記第２の熱交換器の蒸気入口を前記粒子の移動方向に関して上流側に配置し、蒸気出口を前記粒子の移動方向に関して下流側に配置する。
【００１３】
本発明は、循環流動層ボイラの火炉内で生成された燃焼ガスと粒子とを含む二相流から粒子を分離し、分離された粒子の少なくとも一部にて流動層を形成して熱回収を行い、熱回収後に粒子を再び火炉内に供給する流動層熱交換器に適用できる。この場合前記流動層熱交換器から前記火炉へ向かう粒子の前記流動層熱交換器内での移動方向に関して上流側に第１の室を、下流側に第２の室を配置する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、図１を参照すると、本発明実施形態による循環流動層ボイラ１００は、火炉１１０と、該火炉１１０から排出される燃焼ガスと粒子とを含む固気二相流から粒子を分離するためのサイクロン１２０と、粒子の分離された燃焼ガスを煙突（図示せず）へ導くための煙道１３０とを具備している。煙道１３０には低温過熱器１３２および節炭器１３４が配設されている。
【００１５】
サイクロン１２０は導管１２２を介してシールポット１２６に接続されており、シールポット１２６は、導管１２４を介して火炉１１０に接続されると共に、灰取出調整弁１２８および導管１２８ａを介して、火炉１１０とは独立させて設けられた流動層熱交換器１４０に接続されている。流動層熱交換器１４０は、隔壁１４２により第１と第２の室に区画形成されている。より詳細には、流動層熱交換器１４０から火炉１１０へ向かう流動層熱交換器１４０内での粒子の移動方向に関して、上流側に第１の室が設けられ下流側に第２の室が設けられている。本実施形態では、第１の室内に第１の熱交換器としての蒸発器１４４が配設され、第２の室内に第２の熱交換器としての高温過熱器１４６が配設されている。
【００１６】
流動層熱交換器１４０は、管路１５０を介してブロア、ファン、コンプレッサ等の空気供給源（図示せず）に接続されており、燃焼用空気は空気供給源から管路１６０、流動層熱交換器１４０、空気供給管路１６２を介して火炉１１０に供給される。燃焼用空気は、従来公知となっているように、一次空気、二次空気に分けられ、炉底から一次空気、火炉１１０内において中間部位から二次空気が供給される。また、火炉１１０への二次空気の全てを流動層熱交換器１４０を通して供給しても、或いは、その一部を直接火炉１１０に供給し、残りを流動層熱交換器１４０から供給するようにしてもよい。
【００１７】
以下、本実施形態の作用を説明する。
従来公知となっているように、循環流動層ボイラでは、火炉１１０内にでは、燃料の灰分を主成分として他に未燃のチャー、脱硫反応で生成された硫酸カルシウム、石灰石から生成された酸化カルシウム等を含む粒子と空気とが高温、高速の固気二相流を形成して火炉１１０内を上昇する。火炉１１０から排出された固気二相流はサイクロン１２０において、粒子と、燃焼ガスとに分離される。サイクロン１２０において分離された燃焼ガスは、煙道１３０内に配設された低温過熱器１３２、節炭器１３４を通過する際に熱交換により冷却され煙突（図示せず）から大気へ放出される。なお、詳細には図示されていないが、燃料としての廃棄物は、火炉内部において下方部位の一次燃焼領域に供給される。
【００１８】
サイクロン１２０において分離された粒子は、導管１２２によりシールポット１２６へ移送され、その一部がシールポット１２６から導管１２４を介して再び火炉１１０へ供給され、残りが灰取出調整弁１２８、導管１２８ａを介して流動層熱交換器１４０に供給される。こうして、流動層熱交換器１４０に供給された粒子は、流動層熱交換器１４０内に溜まり、管路１６０からの燃焼用空気により流動化して流動層を形成する。第１の室内の粒子は、この流動化のために隔壁１４２を越えて第２の室へ移動する。第２室から火炉１１０への粒子の移動は、例えば、シールポット等を利用して行うことができる。
【００１９】
ここで、図１に示すように、導管１２８ａは、流動層熱交換器１４０において偏った位置に接続されており、図１において右側が高温側となり左側が低温側となる。つまり、本実施形態では上流の第１の室が高温側となり、下流の第２の室が低温側となる。より詳細には、流動層熱交換器１４０の第１の室内へ供給される粒子は、約８５０〜９００°Ｃの温度を有しているが、第１の室内に配設された蒸気管との熱交換により冷却され、約７５０°Ｃの温度にて第２の室へ移動する。第２の室に移動した粒子は、そこで高温過熱器１４６との熱交換により更に冷却され、燃焼用空気と共に空気供給管路１６２を介して火炉１１０へ再び供給される。
【００２０】
高温過熱器１４６を流通する作動流体は相対的に高温の蒸気であるために、高温過熱器１４６は熱的に厳しい条件となり、その表面において高温腐食が発生し易くなる。然しながら、本実施形態によれば、高温過熱器１４６は流動層熱交換器１４０内において低温側の第２の室内に配置されているために、高温過熱器１４６の表面温度は、高温側の第１の室内に配置した場合と比較して低下し、従来技術で問題となる局所的な高温部も発生しなくなる。また、高温過熱器の蒸気入口を流動層熱交換器内における粒子の移動方向に関して上流側に配置する、つまり、熱交換により高温となった蒸気の出口側を粒子の移動方向に関して下流側に配置することにより、更に、高温過熱器の表面に局所的な高温部が形成されることが防止できる。
【００２１】
一方、蒸発器１４４が第１の室内に配置されてるために、従来技術のように流動層ボイラ１００の運転条件によって、流動層熱交換器から火炉１１０へ供給される粒子温度が過度に低下して、火炉内温度が低下することが防止される。また、蒸発器１４４内部を流通する作動流体は、温度が相対的に低い水であるために、蒸発器１４４を高温側の第１の室内に配置してもその表面温度は低く高温腐食の問題は生じない。
【００２２】
ところで、火炉内温度を一定に維持する限り火炉での熱吸収量は流動層ボイラ１００の負荷によらずに概ね一定となり制御することができない。そのために、流動層ボイラ１００の負荷を低減させる場合には、流動層熱交換器１４０における熱交換量または熱吸収量を減少させることにより制御しなければならない。こうした場合、流動層熱交換器１４０へ供給する粒子量を減少させることにより、流動層熱交換器１４０における熱交換量を減少させることが従来から行われている。
【００２３】
この制御方法は図１の実施形態においても実施することが可能である。ところが、高温過熱器１４６が流動層熱交換器１４０の低温側の第２の室内に配置されている構成では、流動層熱交換器１４０への粒子供給量を減少させると、第２の室内の温度レベルが過度に低下し、十分な過熱蒸気を得ることができなくなる問題が生じる可能性がある。
【００２４】
次に、図２を参照して、この問題を解決した実施形態を説明する。
図２は、流動層熱交換器１４０を下側から見た風箱１５０の概略図である。図２において風箱１５０は、流動層熱交換器１４０の第１の室に燃焼用空気を供給する第１の風箱１５２と、第２の室に燃焼用空気を供給する第２の風箱１５４とを有しており、第１の風箱１５２は、第１から第３の小室１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃを含んでいる。より詳細には、第１から第３の小室１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃは、図２において矢印で示す、流動層熱交換器１４０内における第１の室から第２の室への粒子の移動方向に対して平行にもうけられた２つの隔壁１５６ａ、１５６ｂにて画成されている。
【００２５】
流動層ボイラ１００が全負荷にて運転されている間は、第１から第３の全ての小室１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃを利用して燃焼用空気を供給し、流動層ボイラ１００が部分負荷にて運転されている間は、第１と第３の小室１５２ａ、１５２ｃの何れか一方または両方を閉鎖して、燃焼用空気を流動層熱交換器１４０へ供給する。より詳細には、第１と第３の小室１５２ａ、１５２ｃの何れか一方を閉鎖することにより、第１の室内に配設された蒸発器１４４は、その６６％の伝熱面を利用可能となり、第１と第３の小室１５２ａ、１５２ｃの両方を閉鎖することにより、第１の室内に配設された蒸発器１４４は、その３３％の伝熱面を利用可能となる。なお、本願の発明者は、何れの場合にも中間に配置された第２の小室１５２ｂを開いておき、第１室の中央部を常に流動化させておくことが、粒子を第１の室から第２の室へ移動させる観点から有利であることを発見した。
【００２６】
図２の実施形態によれば、流動層熱交換器１４０への粒子流量を低下させなくとも、流動層熱交換器１４０の第１の室内に流動層と静止層とを形成することにより、第１の室内の蒸発器１４４における熱吸収量を変化させて、流動層ボイラ１００の負荷を低下させることが可能となる。第１の室内の蒸発器１４４の伝熱面の配置、大きさを適切に選択することにより、広い負荷状態において、流動層熱交換器１４０の第２の室へ移動する粒子温度を適切な温度、例えば７５０°Ｃに維持することが可能である。
【００２７】
既述の実施形態では、流動層熱交換器１４０内の第１の室内に配設される第１の熱交換器として蒸発器の例について説明したが、本発明はこれに限定されず、低温過熱器や節炭器を配設してもよい。また、第２の室内に配設される第２の熱交換器は高温過熱器に限定されず再熱器であってもよい。更には、第１と第２の熱交換器は、上記の熱交換器の組み合わせであってもよい。要は、高温側となる第１の室内に相対的に低温の作動流体が流通する熱交換器を配設し、これにより第２の室内に流入する粒子温度を低下させて、相対的に高温となる第２の熱交換器の表面を低下させ、以て高温腐食の発生を防止できればよい。
【００２８】
また、既述の実施形態では、流動層熱交換器１４０内は隔壁１４２により２分割されていたが、本発明はこれに限定されず、３以上の室に分割することもできる。更に、風箱１５０も三分割に限られず、４以上の小室に分割してもよい。要は、流動層熱交換器１４０の第１の室内に流動層と静止層とを同時に形成できればよい。これにより第１の熱交換器１４４における熱交換量を制御し、第２の室内の粒子温度を低下させることなく、流動層ボイラ１００の負荷調節が可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
一般に相対的に高温の作動流体が流通する熱交換器は熱的に厳しい条件となり、その表面において高温腐食が発生し易くなるが、本願請求項１の発明によれば、上記構成により、相対的に高温の作動流体の流通する第２の熱交換器は、流動層熱交換器内において下流側で低温側の第２の室内に配置されているために、第２の熱交換器の表面温度は上流側で高温側の第１の室内に配置した場合と比較して低下し、従来技術で問題となる局所的な高温部も発生しなくなる。したがって、例えば循環流動層ボイラにおける過熱器等、相対的に高温の作動流体が流通する第２の熱交換器の腐食が軽減される。
また、相対的に低温の作動流体の流通する第１の熱交換器が、上流側で高温側の第１の室内に配置されているために、流動層熱交換器から火炉等外部へ排出される粒子の温度が過度に低下することが防止され、また、第１の熱交換器内部を流通する作動流体は温度が相対的に低いために、第１の熱交換器を高温側の第１の室内に配置してもその表面温度は低く高温腐食の問題は生じない。
本願請求項２の発明によれば、相対的に高温の作動流体の流通する第２の熱交換器として、過熱器と再熱器の何れか一方、若しくは、その両者を用いて請求項１の作用効果を奏することができる。
本願請求項３の発明によれば、相対的に低温の作動流体の流通する第１の熱交換器として、蒸発器、節炭器、低温過熱器の何れか１つ、若しくは、その組合せを用いて請求項１または請求項２の作用効果を奏することができる。
本願請求項４の発明によれば、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明の作用効果に加え、流動層熱交換器への粒子流量を低下させなくとも、流動層熱交換器の第１の室内に流動層と静止層とを形成することにより、第１の室内の相対的に低温の作動流体の流通する第１の熱交換器における熱吸収量を変化させることができ、第１の室内の第１の熱交換器の伝熱面の配置、大きさを適切に選択することにより、流動層熱交換器の第２の室へ移動する粒子温度を適切な温度に維持することが可能である。
本願請求項５の発明によれば、請求項２の発明の作用効果に加え、第２の熱交換器の蒸気入口を流動層熱交換器内における粒子の移動方向に関して上流側に配置し、熱交換により高温となった蒸気の出口側を粒子の移動方向に関して下流側に配置することにより、更に、第２の熱交換器の表面に局所的な高温部が形成されることが防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態による流動層ボイラの概略図である。
【図２】他の実施形態による流動層熱交換器の下側から見た風箱の概略図である。
【図３】従来技術による流動層ボイラの概念図である。
【符号の説明】
１００…流動層ボイラ
１１０…火炉
１２０…サイクロン
１２６…シールポット
１３０…煙道
１３２…低温過熱器
１３４…節炭器
１４０…流動層熱交換器
１４４…蒸発器
１４６…高温過熱器
【図１】
0004077974.tif 000002
【図２】
0004077974.tif 000003
【図３】
0004077974.tif 000004