(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層火炉と、該流動層火炉の底部に設けられた散気板と、該散気板から供給された流動化空気によって形成される流動層と、該流動層に燃料を供給する燃料供給ノズルと、該燃料供給ノズルの上部に設けられた伝熱管群とを有する流動層ボイラ装置において、前記伝熱管群のうち、少なくとも最下段の伝熱管の前記燃料供給ノズルから噴射され、流動化空気に同伴された燃料が接触する個所に、水平方向に延びるフィンを設け、前記燃料供給ノズルの燃料噴射方向と最下段の伝熱管の長手方向を同一とするとともに、前記燃料供給ノズルの平面位置を挟んで平面上右側の伝熱管には右方向に延びるフィンを、左側の伝熱管には左方向に延びるフィンを、および中央部の伝熱管には左右両方向に延びるフィンを、それぞれ設けたことを特徴とする流動層ボイラ装置。
【請求項２】
前記フィンに鋸歯状の切り込みを設けたことを特徴とする請求項１に記載の流動層ボイラ装置。
【請求項３】
前記燃料供給ノズルの燃料噴射位置に近い伝熱管ほどフィンの取付け幅を広くしたことを特徴とする請求項１または２に記載の流動層ボイラ装置。
【請求項４】
前記燃料供給ノズルの燃料噴射方向と最下段の伝熱管の長手方向が直交するように伝熱管を配置し、該伝熱管のフィンを、前記燃料供給ノズルの平面位置を挟んで左右逆向きに交互に取り付けたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の流動層ボイラ装置。
【請求項５】
前記最下段の伝熱管が摩耗防止用カバーで被覆されたものであり、該摩耗防止用カバーに前記フィンを設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の流動層ボイラ装置。
【請求項６】
流動層火炉と、該流動層火炉の底部に設けられた散気板と、該散気板から供給される流動化空気によって形成される流動層と、該流動層に燃料を供給する燃料供給ノズルと、該燃料供給ノズルの上部の前記流動層内に設けられた伝熱管群とを有する流動層ボイラ装置において、前記伝熱管の下部の、燃料噴射ノズルから噴射された燃料の到達位置に、上向きに凸型形状の中央部材と、該中央部材の下端外周部に沿って設けられた、上向きに傾斜する壁面を有する外周部材と、前記中央部材の上部壁面に設けられ、燃料分配器の上部空間および該中央部材の上部壁面よりも下方に端部がそれぞれ開口する連通管とを有する燃料分配器を配置したことを特徴とする流動層ボイラ装置。
【請求項７】
前記上向きに凸状形状の中央部材が、円筒状部材からなり、前記上向きに傾斜する壁面を有する外周部材が、前記中央部材の下端外周部に沿って設けられた、斜め上方に延びる翼状部材であることを特徴とする請求項６に記載の流動層ボイラ装置。
【請求項８】
前記流動層ボイラ装置が加圧型の流動層ボイラ装置であり、前記流動層火炉が、圧力容器と、該圧力容器の内面に沿って配置された耐火材と、該耐火材を固定するようにその表面に配置された水管群からなる水冷壁を有することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の流動層ボイラ装置。
【請求項９】
前記燃料供給ノズルと最下段の伝熱管との間隔および前記流動層内に配置された伝熱管管群相互間の間隔を、それぞれ８００ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の流動層ボイラ装置。
【請求項１０】
前記伝熱管管群の体積率を、１２％以上としたことを特徴とする請求項９に記載の流動層ボイラ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流動層ボイラ装置に係り、特に、燃料供給ノズルから噴射された燃料を火炉内に均一に分配するのに好適な、流動層ボイラ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、流動層火炉内への燃料の供給はできるだけ均等に行う必要があり、燃料を均等に分配するためには、燃料供給ノズルの本数を多くすることが望ましい。しかしながら、ノズル本数を多くすると燃料供給系統が複雑になり、設備費が嵩むという問題が生じる。一方、燃料供給ノズルの本数が少ないと燃料の投入個所が少なくなり、ノズルの先端部で大量の空気が消費され、この領域の、完全燃焼できなかった粒子が流動層表面に達し、層上方のフリーボードからサイクロンに向かって飛散して火炉以外の場所で燃焼することがある。未燃粒子が、例えばサイクロン内で燃焼すると、灰を溶融させてアグロメが生成し、灰の抜き出し管が閉塞してプラントを停止せざるを得ない事態を招くことがある。他方、燃料供給ノズルの先端部のみで燃料が局所的に燃焼すると、その領域が還元雰囲気になり、近接する伝熱管が腐食し易くなるという問題もある。
【０００３】
このような問題を解決するために、例えば特表平６−５０４３６０号公報のように、燃料供給ノズルの先端部上方にディストリビュータ（燃料分配装置）を配置したボイラ装置が提案されている。
図２７は、このような従来技術を示す説明図である。図２７において、この装置は、圧力容器２７１と、該圧力容器２７１内に設けられた流動層火炉２７２と、該流動層火炉２７２の底部に設けられた散気板２７３と、該散気板２７３から供給される流動化空気によって形成される流動層２７４と、該流動層２７４の上部のフリーボード２７５と、前記流動層２７４に燃料を供給する燃料供給ノズル２７６と、前記流動層２７４内に設けられた伝熱管２７７と、該伝熱管２７７の下部に設けられ、中央部分または中央セクションから外方へ延出する斜め上方に傾斜したウイング状部材または斜め上方に向かうロート状コーン部材からなるディストリビュータ２７８と、流動層火炉２７２の前記フリーボード２７５に連結されたサイクロン２７９とから主として構成されている。
【０００４】
このような構成において、散気板２７３から流動層火炉２７２内に供給された空気は流動化媒体を流動して流動層２７４を形成する。一方、燃料供給ノズル２７６を経て前記流動層２７４に供給された燃料は、ディストリビュータ２７８によって分配され、前記散気管２７３から供給される流動化空気と混合して燃焼し、流動層２７４を加熱する。燃焼ガスは、加熱流動層２７４とともに伝熱管２７７内を流れる流通媒体を加熱しつつ上昇し、フリーボード２７５を経てサイクロン２７９に流入し、ここで固形物が除去され、後流の例えば排ガス処理装置を経て放出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２７のディストリビュータは非冷却構造であり、ステンレス鋼等の高温耐久性材料で構成したとしても、例えば８６０℃前後の高温下で、長期間使用することは困難である。そして、例えば伝熱管に吊るされたディストリビュータが外れて流動層火炉内を暴れ回り伝熱管を損傷するという問題がある。また、図２７のディストリビュータは、燃料供給ノズルから投入された燃料がディストリビュータの中心部に当たることを前提として設けられたものであるが、現実に流動層内の流動媒体や気泡の流動状態を把握することは困難であり、流動層内に噴射された燃料がディストリビュータの中心部に衝突しているか否かは不明である。さらに、負荷１００％の時を想定して前記ディストリビュータと燃料供給ノズルとの位置関係が適正になるようにセットしたとしても、負荷の変動により燃料供給ノズルから噴射される燃料の到達距離が変化し、ディストリビュータの中心部に燃料が衝突しなくなる場合がある。
【０００６】
図２８、２９および３０は、それぞれ上記従来技術におけるディストリビュータ２７８と燃料噴射ノズル２７６との位置関係を示す説明図である。図２８のように燃料供給ノズル２７６とディストリビュータ２７８との位置関係が適正な場合には、燃料をある程度均一に分配させることはできるが、図２９または図３０のように、燃料供給ノズル２７６の位置、または燃料の噴射量が適正でない場合には、却って燃料の分配を阻害することも考えられる。すなわち、流動層における燃料または空気の流れは、負荷状態によって変化するので、燃料供給ノズルから吹き出された燃料が上昇してデイストリビュータ２７８に到達する位置も前後左右に変化し、ディストリビュータの中央部に燃料が的確に衝突するのはごく限られた場合のみであり、多くの場合は燃料到達位置がディストリビュータの中央部からずれて周囲の傾斜部材に衝突するために、該傾斜部材の傾斜面に沿った偏った流れとなる。
【０００７】
本発明の第１の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、燃料供給ノズル位置が多少ずれても、または燃料供給ノズルから噴射される燃料の噴射速度または量が変化しても噴射された燃料を流動層内に均一に分配することができる、流動層ボイラ装置を提供することにある。
また、本発明の第２の課題は、圧力容器内に流動層火炉を設けた加圧型流動層ボイラ装置の前記圧力容器をコンパクト化することができる流動層ボイラ装置を提供することにある。
【０００８】
さらに、本発明の第３の課題は、ダミー管の使用本数を少なくし、かつ伝熱管およびダミー管の摩耗を防止することができる流動層ボイラ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本願で特許請求する発明は下記のとおりである。
（１）流動層火炉と、該流動層火炉の底部に設けられた散気板と、該散気板から供給された流動化空気によって形成される流動層と、該流動層に燃料を供給する燃料供給ノズルと、該燃料供給ノズルの上部に設けられた伝熱管群とを有する流動層ボイラ装置において、前記伝熱管群のうち、少なくとも最下段の伝熱管の前記燃料供給ノズルから噴射され、流動化空気に同伴された燃料が接触する個所に、水平方向に延びるフィンを設け、前記燃料供給ノズルの燃料噴射方向と最下段の伝熱管の長手方向を同一とするとともに、前記燃料供給ノズルの平面位置を挟んで平面上右側の伝熱管には右方向に延びるフィンを、左側の伝熱管には左方向に延びるフィンを、および中央部の伝熱管には左右両方向に延びるフィンを、それぞれ設けたことを特徴とする流動層ボイラ装置。
【００１０】
（２）前記フィンに鋸歯状の切り込みを設けたことを特徴とする上記（１）に記載の流動層ボイラ装置。
（３）前記燃料供給ノズルの燃料噴射位置に近い伝熱管ほどフィンの取付け幅を広くしたことを特徴とする上記（１）または（２）に記載の流動層ボイラ装置。
【００１１】
（４）前記燃料供給ノズルの燃料噴射方向と最下段の伝熱管の長手方向が直交するように伝熱管を配置し、該伝熱管のフィンを、前記燃料供給ノズルの平面位置を挟んで左右逆向きに交互に取り付けたことを特徴とする上記（１）〜（３）の何れかに記載の流動層ボイラ装置。
（５）前記最下段の伝熱管が摩耗防止用カバーで被覆されたものであり、該摩耗防止用カバーに前記フィンを設けたことを特徴とする上記（１）〜（４）の何れかに記載の流動層ボイラ装置。
【００１２】
（６）流動層火炉と、該流動層火炉の底部に設けられた散気板と、該散気板から供給される流動化空気によって形成される流動層と、該流動層に燃料を供給する燃料供給ノズルと、該燃料供給ノズルの上部の前記流動層内に設けられた伝熱管群とを有する流動層ボイラ装置において、前記伝熱管の下部の、燃料噴射ノズルから噴射された燃料の到達位置に、上向きに凸型形状の中央部材と、該中央部材の下端外周部に沿って設けられた、上向きに傾斜する壁面を有する外周部材と、前記中央部材の上部壁面に設けられ、燃料分配器の上部空間および該中央部材の上部壁面よりも下方に端部がそれぞれ開口する連通管とを有する燃料分配器を配置したことを特徴とする流動層ボイラ装置。
【００１３】
（７）前記上向きに凸状形状の中央部材が、円筒状部材からなり、前記上向きに傾斜する壁面を有する外周部材が、前記中央部材の下端外周部に沿って設けられた、斜め上方に延びる翼状部材であることを特徴とする上記（６）に記載の流動層ボイラ装置。
【００１４】
（８）前記流動層ボイラ装置が加圧型の流動層ボイラ装置であり、前記流動層火炉が、圧力容器と、該圧力容器の内面に沿って配置された耐火材と、該耐火材を固定するようにその表面に配置された水管群からなる水冷壁を有することを特徴とする上記（１）〜（７）の何れかに記載の流動層ボイラ装置。
（９）前記燃料供給ノズルと最下段の伝熱管との間隔および前記流動層内に配置された伝熱管管群相互の間隔を、それぞれ８００ｍｍ以下としたことを特徴とする上記（１）〜（８）の何れかに記載の流動層ボイラ装置。
（１０）前記伝熱管管群の体積率を、１２％以上としたことを特徴とする上記（９）に記載の流動層ボイラ装置。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に本発明を図面を用いてより詳細に説明する。
図１〜３は、本発明の一実施例を示す説明図であり、図１は、最下段の伝熱管を燃料噴射ノズルの下方向からみた要部を示す図、図２は、図１のII−II線矢示方向断面図、図３は、図１の要部拡大図である。図において、この装置は、流動層火炉と、該流動層火炉の底部に設けられた散気板と、該散気板から供給された流動化空気によって形成される流動層と、該流動層に燃料を供給する燃料供給ノズルと、該燃料供給ノズルの上部の前記流動層内に設けられた伝熱管群とを有する流動層ボイラ装置（図２７参照）において、燃料供給ノズル１の燃料噴射方向と最下段の伝熱管２の長手方向を同一としたものであって、前記最下段の伝熱管２の前記燃料供給ノズル１から噴射された燃料が衝突する個所に、水平方向に延びるフィン３を設け、該フィン３に鋸歯状の切り込みを設けたものである。
【００１６】
このような構成において、燃料供給ノズル１から噴射された燃料は最下段の伝熱管２に設けられたフィン３に衝突し、フィン３の延設方向に沿って層内にほぼ均一に分配される。
本実施例によれば、最下段の伝熱管２の、燃料供給ノズル１から供給された燃料が衝突する個所に水平方向に延びるフィン３を設けたことにより、燃料をフィン３の延設方向に沿って均一に分配することができる。また燃料が均一に分配されることにより、燃焼効率が向上し、フリーボードやサイクロンでの未燃分の燃焼を回避することができるとともに、最下段の伝熱管付近における還元雰囲気の発生を抑制して伝熱管の腐食を防止することができる。さらに、フィン３に鋸歯状の切り込みを設けたことにより、フィン３の先端部と根本部とで生じるメタル温度差に起因する熱応力を低減することができる。
【００１７】
本実施例において、前記燃料供給ノズル１の位置を挟んで右側の伝熱管２については右方向に延びるフィン３を、左側の伝熱管２については左方向にのびるフィン３を、中央部の伝熱管２には左右両方向に延びる伝熱管３をそれぞれ設けることが好ましい。これによって、燃料噴射ノズルから噴射された燃料の到達位置が変化しても各伝熱管２に設けられたフィン３の延設方向に沿って燃料を均一に分配することができる。
【００１８】
本実施例において、負荷変動により燃料供給ノズル１から噴射される燃料の到達位置が大きく変化する場合には、図１中のフィン３全体の取付け幅Ｌを広くするか、または図４に例示したように燃料供給ノズル１の燃料噴射位置に近い伝熱管ほどフィン３の取付け幅Ｌを広くすることが好ましい。これによって噴霧された燃料到達位置が変化しても燃料がフィン３に衝突するようになり、均一分配性を確保することができる。
【００１９】
本実施例において、フィン３の伝熱管への取付け角度は水平、または水平線に対して０〜４５度であることが好ましい。これによって、燃料の均一分配性がより向上する。
本実施例において、伝熱管の一部としてダミー管（ステンレス鋼管）を配置してもよく、最下段伝熱管群の代わりにダミー管群を用いてもよい。伝熱管が、内部流体温度の低い蒸発器管の場合には、フィン材として炭素鋼や低合金鋼を使用することができるが、ダミー管にフィンを設ける場合、フィンが内部流体で冷却されないので、フィン温度が層内温度と同様に高くなる。従って、例えば高クロム鋼のフィンを使用することが好ましい。この場合、フィン先端部と溶接部との温度差は無視できるので、フィンの切り込みをなくすこともできる。
【００２０】
本実施例においてフィンを取り付ける伝熱管またはダミー管（以下、単に伝熱管ということがある）は、最下段のものに限定されるものではなく、最下段の伝熱管群およびこれに近接する上方の伝熱管に設けることもできる。このように最下段の伝熱管のみでなく、その上部の伝熱管にもフィンを設けることは、フィンの長さが制限される場合に有効となる。すなわち、流動層ボイラは、ガスのみでなく、流動媒体の接触による伝熱効果があるので、微粉炭焚きボイラ等に較べて一般的に管外伝熱係数が大きく、単位面積当たりの伝熱面負荷も大きくなる。従ってフィン先端温度が高くなり易いので、材料の使用限界温度等の理由からフィンの長さを一定以上長くできない場合があり、このような場合には、最下段のみならずその上部の伝熱管にもフィンを設けることが有効となる。
【００２１】
流動層ボイラ装置においては、散気板と最下段伝熱管との間で気泡が合体、成長して大きくなる。従って、最下段伝熱管は気泡の破裂によって摩耗を受けやすいので、散気板から最下段伝熱管までの距離をできるだけ短くして気泡の成長を抑えるとともに、最下段伝熱管に摩耗防止用のカバーを取り付けることが行われるが、本発明は、このようなカバーで覆われた伝熱管に対しても適用することができる。
【００２２】
図５〜図７は、実施例１の最下段の伝熱管に代えて摩耗防止用カバーで被われた伝熱管を用いた本発明の他の実施例を示す説明図であり、図５は、本発明が適用される摩耗防止用カバーを取り付けた最下段伝熱管の説明図、図６は、図５のカバーにフィンを設けた場合の説明図、図７は、図６のVII−VII方向視図である。  図５において、伝熱管２が、管材を上下に２分割した摩耗防止用のカバー５で覆われており、該カバー５の当接部にあて金６が溶接され、固定されている。このような摩耗防止用カバー５で被覆された伝熱管２にフィン３を取り付ける場合は、図５の前記あて金６の代わりにフィン３を用い、該フィン３を前記半割りにした摩耗防止用カバー５の当接部に溶接することによって取り付けられる。
【００２３】
本実施例によれば、摩耗防止用カバー５で被覆された最下段伝熱管２の、燃料供給ノズル１から供給された燃料が衝突する個所に水平方向に延びるフィンを設けたことにより、上記実施例同様、燃料をフィン３の延設方向に沿って均一に分配することができる。
本実施例において、図７に示したように、カバー５の一部に孔をあけ、伝熱管２にカバー５の回り止め溶接（栓溶接）を行うことが好ましい。これによって伝熱管２に対してカバー５およびフィン３が回転またはずれるのを防止できる。
【００２４】
本実施例において、カバー５に取り付けたフィンは伝熱流体で冷却されにくいので、フィン材としては高クロム鋼を用いることが好ましい。また、フィン３のカバー５への溶接部とフィン３の先端部との温度差が生じることもあるので、フィン３として鋸歯状の切り込みを有するフィンを使用することが好ましい。
図８〜１０は、実施例１の燃料供給ノズル１の燃料噴射方向を伝熱管２の長手方向に対して直角にした本発明の別の実施例を示す説明図であり、図８は、下方向からみた要部を示す図、図９は、図８のIX−IX線矢示方向断面図、図１０は、図８のX−X線矢示方向断面図である。図において、燃料噴射方向に対して燃料供給ノズル１の左右でフィン３が逆向きに伝熱管２に取り付けられている。
【００２５】
本実施例によれば、燃料供給ノズル１の左右でフィン３を逆向きに取り付けたことにより、最下段の伝熱管２に衝突した燃料を燃料供給ノズルの噴射口の前後に拡散するように均一に分配することができる。
本発明においては、燃料ノズルから噴射され、流動層を上昇する燃料の一部または全部を流動化空気および流動媒体と共に一旦貯留する空間部を設け、該貯留した燃料を、その上昇位置に関係なく各方向に均一に放出することができる燃料均一分配器（ディストリビュータ）を設けてもよい。
【００２６】
図１１は、本発明の別の実施例を示す説明図であり、図１２は、図１１の要部拡大図、図１３は、図１２の縦断面図である。図１１および図１２において、伝熱管１１２の下部の、燃料噴射ノズル１１１から噴射される燃料の到達位置に、上向きに凸型形状の中央部材としての円筒状部材１１４と、該円筒状部材１１４の下端外周部に沿って設けられた、上向きに傾斜する壁面を有する外周部材としての翼状部材１１５と、前記円筒状部材１１４の上部壁面に設けられ、上部空間に開口する連通管１１６とを有するディストリビュータ１１７が設けられている。また図１３において、連通管１１６は中空の円筒状部材１１４の内部まで差し込まれており、かつその下端部は前記円筒状部材１１４の高さ方向のほぼ中間部で開口している。
【００２７】
このような構成において、燃料供給ノズル１１１から噴射された燃料は、流動層中を上昇する空気および流動媒体（ＢＭ）との混合物となり、図１３中矢印１１８で示すように、中空の円筒状部材１１４内の空間部１１９に至り、その一部が連通管１１６の下部開口部１２０から上方に抜け出る。このとき、開口部１２０は、前記中空の円筒状部材１１４の空間部１１９の開口断面積よりも小さいので、前記空間部１１９から上方へ抜け出る量よりも、ここに入り込む量が多くなり、前記空間部１１９には前記混合物が滞留し、この滞留容量が空間部１１９の容積よりも多くなると、前記混合物は図１３中矢印１２１で示すように、翼状部材１１５と円筒状部材１１４の接合部１２２をかいくぐるように移動して前記翼状部材１１５の傾斜面の下側に至る。このとき翼状部材１１５の下側面は、斜め上方に向かう構造であるために、下からの流動化空気の外周方向に移動する動きに従って、前記溢れた混合物は外周方向に移動する。この混合物の溢れは、前記接合部１２２のどの位置においても同様に生じるので、前記混合物は前記翼状部材１１５の円周方向のどの位置にも均等に配分される。
【００２８】
本実施例によれば、ディストリビュータ１１７が、燃料供給ノズル１１１から噴射され、流動層を上昇する燃料の一部または全部を流動化空気および流動媒体と共に一旦貯留する空間部１１９を形成する中空の円筒状部材１１４を設け、かつその下端外周部に沿って上向きに傾斜する壁面を有する翼状部材１１５を有することにより、下方から上昇する燃料流は前記円筒状部材１１４の下部開口端１２３のどの位置に上昇してきても、一旦前記空間部１１９内に蓄えられ、その後、前記円筒状部材１１４と翼状部材１１５との接合部１２２から溢れるように流出するので、上昇位置に関係なく均一に分散することができる。
【００２９】
本実施例において、円筒状部材１１４の連通管１１６の下部開口部１２０よりも上側の空間部には、前記混合物のうち主として空気が滞留し、該空気は、下方から上昇してこの空間部に入りこみ、溢れた空気が図中矢印１２４で示すように開口部１２０を通って上方へ抜けるので、円筒状部材１１４の内部空間部１１９が上部の空気層と下部の固体成分（ＢＭ＋ＣＷＰ）層とに分離され、前記混合物のうち主として空気を連通管１１６を通して上方へ逃がしながら、固体成分としての燃料を下方から翼状部材１１５の下側面に沿って移動させて層内に均一に分配することができる。また、空気の一部を連通管１１６から上方へ逃がすことにより、ディストリビュータ１１７の上方の流動化媒体を効率よく流動させることができる。
【００３０】
本実施例において、燃料等を一次的に滞留させる空間部１１９の大きさは、燃料噴射ノズルから噴射された燃料が噴射速度および流動化媒体の影響を受けて広がる全範囲を被う程度に大きくすることが好ましい。これによって燃料供給ノズル１１１から供給された燃料の上昇位置や広がりにかかわらず、前記空間部１１９に一旦貯留したのち層内に均一に分配することができる。
【００３１】
本発明を、加圧流動層ボイラ装置に適用する場合は、圧力容器内面に耐火材を配置して空洞部を有する火炉を構成し、該火炉の前記耐火材を固定するように、水管群からなる水冷壁を設け、火炉内圧を前記水冷壁および耐火材を介して圧力容器で負担する構造とすることが好ましい。
図１４は、本発明の別の実施例を示す説明図、図１５は、図１４のXV−XV線矢示方向断面図である。図１４において、圧力容器１４１内に流動層ボイラの火炉１４２を形成するように耐火材１４３が配置され、図１５に示すように、耐火材１４３の表面には水管１４４群が配列されており、該水管１４４群の上下両端部は管寄せ１４５に連結されて水冷壁が形成されており、該水冷壁は圧力容器１４１の上部から、スリングボルト１４６を介して吊り下げ支持され、その下端部に、前記水冷壁の熱伸びを吸収する隙間が設けられている。また前記火炉１４２の底部には、空気ノズル１４８を複数有する分散板１４９が配置されており、流動層１４７内に伝熱管１５０および燃料供給ノズル１５１、ならびに前記伝熱管１５０と燃料供給ノズル１５１との間に、上記実施例と同様の構成のディストリビュータ１５２が配置されている。
【００３２】
このような構成において、燃料供給ノズル１５１から噴霧された燃料は、ディストリビュータ１５２に衝突して、上記実施例と同様に火炉１４２内に均一に分配される。
本実施例によれば、圧力容器１４１内に流動層火炉１４２を形成するように耐火材１４３を配置し、該耐火材１４３の表面に水管１４４群を配列したことにより、火炉の燃焼用空気および燃焼ガスの圧力は、耐火材１４３を介して圧力容器１４１に伝達し、該圧力容器１４１でのみで負担されるので、水冷壁のバックステーが不要となる。また、高温の燃焼ガスが有する熱エネルギーは、耐火材１４３によって熱放散が抑制され、水冷壁で効率よく吸収されるので熱効率が向上する。さらに、耐火材１４３の厚さを変化させることにより圧力容器１４１の表面温度を調整することができるようになり、圧力容器の板圧を薄くするとともに、コンパクト化が可能となる。
【００３３】
本実施例において水冷壁は、耐火材１４３の熱収縮に起因する脱落を防止する機能を有している。
本実施例において、水冷壁の支持構造を、自立構造とすることもできる。この場合、下部管寄せ１４５を固定し、上部管寄せ１４５の上方向の熱伸びを考慮した隙間を耐火物１４３との間に設けることが好ましい。
【００３４】
本実施例において、水冷壁を複数の単管で構成しないで、図１６に、それぞれ断面図（i）〜（iii）として例示したように、火炉圧が直接作用しない非密閉型構造としても同様の効果が得られる。
なお、図１４〜図１６で説明した圧力容器構造は、一般の加圧流動層ボイラ装置にも適用可能である。
【００３５】
本発明において、流動層内に、伝熱管管群を複数段配置する場合には、各伝熱管管群相互の間隔を８００ｍｍ以下とすることが好ましく、また伝熱管群の体積率は１２％以上であることが好ましい。これは、伝熱管管群の一部としてダミー管を使用する場合、または最下段管群としてダミー管群を用いる場合も同様である。
【００３６】
図１７〜図２２を用いて本発明の原理を説明する。
図１８は、図１７に示したばね鋼板の根本に歪みゲージを取り付けたセンサーを流動層内に挿入した場合の空気ノズルからの距離（間隔）と流動化媒体の衝突による発生歪みとの関係を示す図である。図１８において、空気ノズルからの距離が大きくなるほど発生歪みが大きくなり、流動状態が激しくなることが分かる。これは、流動層内の気泡が上昇過程で合体して大きくなるからである。
【００３７】
また図１８において、空気ノズルから６００ｍｍの位置の最大歪みに対して８００ｍｍの位置の最大歪みは約１．４倍であり、発生歪みεは流動媒体の衝突エネルギー１／２ρＶ2 （ρ：流動媒体の嵩密度、Ｖ：流動媒体の衝突速度）に比例するので流動媒体の衝突速度で比較すると１．４0.5 ＝１．１８（倍）となる。また伝熱管の摩耗速度は衝突速度の３．５乗に比例するから、摩耗速度は１．１８3.5 ＝１．８（倍）となる。
【００３８】
図１９に空気ノズルから最下段伝熱管までの距離と伝熱管の摩耗減肉量との関係を示す。図１９において、距離が大きくなるほど伝熱管の摩耗減肉量が指数関数的に増加することが分かる。従って、本発明においては、空気ノズルから最下段伝熱管までの距離、および伝熱管管群相互の間隔を８００ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００３９】
図２０は、火炉幅１．２ｍ火炉奥行き０．６ｍ、流動層高０．６５ｍの伝熱管のない流動層モデルに平均粒径０．５ｍｍのケイ砂を流動媒体として使用して前記歪みゲージを火炉奥行き方向の中央の流動層高付近に挿入し、最大、最小歪みを測定した結果を示す図である。図において、最小の歪みの絶対値が最大歪みを上回るところは下向流が発生しており、層内には二つの循環流が発生していることが分かる。また、火炉の断面が正方形や円形の流動層においては層の中央部がふき上がり周辺部が下向流となり伝熱管がない流動層では気泡が集中するので、流動状態は極めて激しくなる。このような流動状態を抑制するには伝熱管を均等にかつ密に配置する必要がある。
【００４０】
図２２は、水平ピッチが５０ｍｍ、管外径が２７．２ｍｍの管列を段数を増やし、図２１に示すように、空気ノズル２１１から６００ｍｍ上方に伝熱管群を配置して気泡の破砕効果を調べた結果を示したものである。図２２において、伝熱管群の段数が８段前後から以上は発生歪みが殆ど変わらないことから、８段前後にすると気泡は伝熱管で充分破砕されてそれ以上大きくならないことが分かる。
【００４１】
また伝熱管の配列方法としては、例えば図２３に示したように、スタッガード配列、インライン配列があげられ、図２４は、前記インライン配列の管群の管と管の間に歪みゲージを取り付けたセンサーを挿入し、伝熱管の外径を代えることによって流動層内に占める伝熱管の体積率を変えて、発生した歪みを測定した結果を示したものである。図２４において、伝熱管の体積率が１２％前後から以上は発生歪みが変わらないことが分かる。従って本発明においては、伝熱管の体積率を１２％以上とすることが好ましい。
【００４２】
すなわち、本発明においては、空気ノズルと管群との間隔および管群と管群との間隔を８００ｍｍ以下とし、伝熱管もしくはダミー管管群における管の体積率を１２％以上とし、管群の段数を８段以上とする伝熱管配置を採用することが好ましい。なお、この伝熱管配置構造は、一般の流動層ボイラ装置にも適用可能である。
【００４３】
図２５は、本発明の別の実施例を示す説明図である。この流動層ボイラ装置は、空気分配板２５２の空気ノズル２５３から６００ｍｍ上方に最下段の伝熱管群２５４を配置し、その上にそれぞれ６００ｍｍづつ離して合計４個の伝熱管群２５４を配置したものである。伝熱管群２５４は外径２７．３ｍｍの伝熱管をインラインに配置し、図２３に示した管のピッチはＳｈ＝５０ｍｍ、Ｓｖ＝５０ｍｍとした。この伝熱管群２５４の体積率はそれぞれ２３．２％である。また、図示省略したが、最下段の伝熱管管群２５４の最下段管には伝熱管の摩耗を防止するために外径３４ｍｍ、厚さ３．２ｍｍのステンレス鋼管を半割りにしたプロテクターが取付けられており、該プロテクターに図１に示した、燃料を均一に分配するためのフィンが設けられている。
【００４４】
本実施例によれば、最下段伝熱管のプロテクターに水平方向に延設されたフィンを設けたことにより燃料を均一分散することができる。また、空気ノズル２５３と最下段の伝熱管群２５４との間隔、および伝熱管群相互の間隔をそれぞれ６００ｍｍとしたことにより前記各伝熱管群２５４が気泡を破砕してその成長を阻害するので、伝熱管の摩耗を軽減することができる。さらに、伝熱管を４つの管群で構成したことにより、ボイラ負荷１００％、７５％、５０％、２５％とステップ応答的に負荷変化させ易いという利点がある。
【００４５】
本実施例において、最下段の伝熱管群２５４をダミー管（ステンレス鋼管）管群とすることもできる。最下段の管群が伝熱管であると伝熱管によって熱が持ち去られ、起動に時間がかかるという問題を生じるが、最下段の管群として非冷却のダミー管を使用することにより、起動時に燃料等が冷却されないので起動時間を短縮することができる。
【００４６】
なお、本実施例において、流動層ボイラの起動は流動層高を最下段管以下にし、熱風炉により６５０度前後まで昇温してからＣＷＰ（Ｃｏａｌ  Ｗａｔｅｒ  Ｐａｓｔｅ）を投入し、その後流動層高を徐々に上げて起動した。
図２６は、本発明のさらに別の実施例を示す説明図である。この流動層ボイラ装置は、空気分配板２６２の空気ノズル２６３から６００ｍｍの位置に外径２７．２ｍｍのダミー管（ステンレス鋼管）管群を配置するとともに、その最下段のダミー管に図１に示したフィンを設け、このダミー管群の上方に管中心寸法で６００ｍｍ離して同様のダミー管群２６７を配置し、その上に管中心寸法で６００ｍｍ離して伝熱管管群２６４を配置したものである。伝熱管およびダミー管管群は、インラインに配置し、第２３図に示した管のピッチをＳｈ＝５０ｍｍ、Ｓｖ＝５０ｍｍとした。
【００４７】
本実施例によれば、最下段のダミー管にフィンを設けたことにより、燃料を均一分散できる。またダミー管群２６７相互またはダミー管群２６７と伝熱管群２６４との間隔を６００ｍｍとしたことにより伝熱管およびダミー管の摩耗を防止することができる。さらに、伝熱管管群２６４を流動層の上部に配置したことにより、流動層高を大きく変化させることなく負荷制御ができ、また低負荷時の燃焼効率の低下を回避することができる。
【００４８】
本実施例においてダミー管管群２６７の中に伝熱管を混入させ、伝熱管管群２６４の中にダミー管を混入させてもよい。
【００４９】
【発明の効果】
本願の請求項１、２に記載の発明によれば、少なくとも最下段の伝熱管の、燃料供給ノズルから噴射され、流動化空気に同伴される燃料が接触する個所に、水平方向および前記左右方向に延びるフィンを設けたことにより、前記噴射された燃料がフィンに衝突して拡散するので、燃料を流動層内に均一に分配することができる。また、燃焼効率が向上し、未燃分の発生が少なくなるので、フリーボードやサイクロンでの、いわゆる後燃えがなくなるとともに、最下段の伝熱管付近に還元雰囲気が生じないので、伝熱管の腐食を防止することができる。
【００５０】
またフィンに鋸歯状の切り込みを設けたことにより、上記発明の効果に加え、フィンの先端部と根本部とで生じるメタル温度差に起因する熱応力を低減することができる。本願の請求項３記載の発明によれば、燃料供給ノズルの燃料噴射方向と最下段の伝熱管の長手方向を同一とし、前記燃料供給ノズルの平面位置を挟んで平面上右側の伝熱管には右方向に延びるフィンを、左側の伝熱管には左方向に延びるフィンを、および中央部の伝熱管には左右両方向に延びるフィンを、それぞれ設けたことにより、上記発明の効果に加え、燃料噴射ノズルから噴射された燃料をフィンの延設方向に沿って均一に分散することができる。
【００５１】
本願の請求項３記載の発明によれば、燃料供給ノズルの燃料噴射位置に近い伝熱管ほどフィンの取付け幅を広くしたことにより、上記発明の効果に加え、燃料噴射ノズルから噴射された燃料の到達位置が変化しても均一に分散することができる。本願の請求項４記載の発明によれば、燃料供給ノズルの燃料噴射方向と最下段の伝熱管の長手方向が直交するように伝熱管を配置し、該伝熱管のフィンを、前記燃料供給ノズルの平面位置を挟んで左右逆向きに交互に取り付けたことにより、上記発明の効果に加え、燃料供給ノズルから噴射された燃料を前記燃料供給ノズルの噴射口の前後に拡散するようにして均一に分散させることができる。
【００５２】
本願の請求項５記載の発明によれば、伝熱管として摩耗防止用カバーで被覆されたものを用い、該摩耗防止用カバーにフィンを設けたことにより、上記発明と同様、燃料をフィンの延設方向に沿って均一に分配することができる。本願の請求項６記載の発明によれば、伝熱管の下部の、燃料供給ノズルから噴射された燃料の到達位置に、上向きに凸型形状の中央部材と、該中央部材の下端外周部に沿って設けられた、上向きに傾斜する壁面を有する外周部材と、前記中央部材の上部壁面に設けられ、燃料分配器の上部空間および該中央部材の上部壁面よりも下方に開口する連通管とを有する燃料分配器を配置したことにより、燃料供給ノズルから噴射された燃料の上昇位置に関係なく、燃料混合物のうち主として空気を上方へ逃がしながら、燃料を層内に均一に分散する。
【００５３】
本願の請求項７記載の発明によれば、上向きに凸状形状の中央部材を、円筒状部材とし、前記上向きに傾斜する壁面を有する外周部材を、前記中央部材の下端外周部に沿って設けられた、斜め上方に延びる翼状部材としたことにより、上記発明と同様の効果が得られる。
【００５４】
本願の請求項８に記載の発明によれば、流動層ボイラ装置を加圧型の流動層ボイラ装置とし、流動層火炉を、圧力容器と、該圧力容器の内面に沿って配置された耐火材と、該耐火材を固定するようにその表面に配置された水管群からなる水冷壁を有するものとしたことにより、水冷壁のバックステーを不要とし、圧力容器のコンパクト化を図ることができる。
【００５５】
本願の請求項９に記載の発明によれば、燃料供給ノズルと最下段の伝熱管との間隔および流動層内に配置された伝熱管管群相互の間隔を、それぞれ８００ｍｍ以下としたことにより、上記発明の効果に加え、気泡の成長を阻害して伝熱管の摩耗を軽減することができる。本願の請求項１０に記載の発明によれば、伝熱管管群の体積率を、１２％以上としたことにより、上記発明と同様に気泡の成長を阻害して伝熱管の摩耗を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の要部を示す説明図。
【図２】図１のII−II線矢示方向断面図。
【図３】図１の要部拡大図。
【図４】一実施例におけるフィンの取付け態様を示す図。
【図５】本発明が適用される摩耗防止用カバーを取り付けた伝熱管を示す図。
【図６】図５のカバーにフィンを取り付けた場合の説明図。
【図７】図６のVII−VII方向視図。
【図８】本発明の別の実施例の要部を示す図。
【図９】図８のIX−IX線矢示方向断面図。
【図１０】図８のX−X線矢示方向断面図。
【図１１】本発明の別の実施例の要部を示す図。
【図１２】図１１の一部拡大図。
【図１３】図１２の縦断面図。
【図１４】本発明の別の実施例の要部断面を示す図。
【図１５】図１４のXV−XV線矢示方向断面図。
【図１６】一実施例における水冷壁の取付け態様を示す図。
【図１７】歪みゲージの説明図。
【図１８】空気ノズルからの距離と発生歪みとの関係を示す図。
【図１９】空気ノズルから最下段伝熱管までの距離と伝熱管の摩耗減肉量との関係を示す図。
【図２０】伝熱管のない流動層内における流動媒体の流動状態の測定結果を示す図。
【図２１】伝熱管段数と発生歪みの関係を測定する際の伝熱管と空気ノズルとの関係を示す図。
【図２２】伝熱管段数と発生歪みの関係を示す図。
【図２３】伝熱管の体積率を示す説明図。
【図２４】伝熱管の体積率と発生歪の関係を示す図。
【図２５】本発明の別の実施例を示す説明図。
【図２６】本発明の別の実施例を示す説明図。
【図２７】従来技術の説明図。
【図２８】従来技術の燃料供給ノズルとディストリビュータとの位置関係を示す図。
【図２９】従来技術の燃料供給ノズルとディストリビュータとの位置関係を示す図。
【図３０】従来技術の燃料供給ノズルとディストリビュータとの位置関係を示す図。
【符号の説明】
１…燃料供給ノズル、２…伝熱管、３…フィン、４…溶接部、５…カバー、６…あて金、７…栓溶接、１１１…燃料供給ノズル、１１２…伝熱管、１１４…円筒状部材、１１５…翼状部材、１１６…連通管、１１７…ディストリビュータ、１１８…燃料の流れを示す矢印、１１９…空間部、１２０…連通管の下部開口部、１２１…燃料の流れを示す矢印、１２２…円筒状部材と翼状部材との接合部、１２３…円筒状部材の下部開口端、１２４…主として空気の流れを示す矢印、１４１…圧力容器、１４２…流動層ボイラの火炉、１４３…耐火材、１４４…水管、１４５…管寄せ、１４６…スリングボルト、１４７…流動層、１４８…空気ノズル、１４９…分散板、１５０…伝熱管、１５１…燃料供給ノズル、１５２…ディストリビュータ、２１１…空気ノズル、２１２…伝熱管、２５１…側壁、２５２…空気分散板、２５３…空気ノズル、２５４…伝熱管群、２５５…サポート管、２５６…ＣＷＰノズル、２６１…側壁、２６２…空気分散板、２６３…空気ノズル、２６４…伝熱管、２６５…サポート管、２６６…ＣＷＰノズル、２６７…ダミー管。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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