流動床炉及びそれを備える流動床ボイラ
【課題】 流動化用ガスの気泡を小さくすることによって、流動媒体が伝熱管の外面に衝突するときの衝突速度を小さくして、流動媒体が伝熱管に衝突することにより生じる伝熱管の損耗減肉を低減すること。
【解決手段】 加熱された流動媒体１２が炉本体１３内に収容され、この流動媒体１２を流動化用ガス１４によって流動させて、流動媒体１２中に配置された伝熱管１５を加熱する流動床炉１１において、ガス流入口２０を形成する分散板１７を備え、この分散板１７上に第２粒状物２２で構成された固定層１９が配置され、この固定層１９上に第１粒状物２５で構成された流動媒体１２が配置され、第２粒状物２２どうしの隙間で形成されたガス流出口２４の数が、ガス流入口２０の数よりも多く形成されている構成。
【解決手段】 加熱された流動媒体１２が炉本体１３内に収容され、この流動媒体１２を流動化用ガス１４によって流動させて、流動媒体１２中に配置された伝熱管１５を加熱する流動床炉１１において、ガス流入口２０を形成する分散板１７を備え、この分散板１７上に第２粒状物２２で構成された固定層１９が配置され、この固定層１９上に第１粒状物２５で構成された流動媒体１２が配置され、第２粒状物２２どうしの隙間で形成されたガス流出口２４の数が、ガス流入口２０の数よりも多く形成されている構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばごみ、固形燃料、バイオマス燃料等の可燃物を含む燃料を流動媒体中で燃焼させて、その燃焼によって発生する熱を伝熱管を介して回収することができる流動床炉及びそれを備える流動床ボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
流動床炉の熱回収装置の一例として、図には示さないが、燃焼セルと、過熱セルとを備え、各セルには流動媒体が収容され、そして、この燃焼セルと過熱セルとが、層内仕切部材によって仕切られているものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この燃焼セルでは、流動媒体が流動化用ガスによって流動され、燃料の燃焼によって流動媒体が加熱される。この加熱された流動媒体は、過熱セルに移送され、この過熱セル内に配置されている伝熱管内の蒸気を過熱することができる。そして、熱が伝熱管によって回収された流動媒体は、過熱セルの下部から排出されて燃焼セルに戻される。
【０００４】
このように、過熱セル内では、流動化用ガスが供給されないので、流動媒体が伝熱管に衝突する衝突速度が小さく、その結果、流動媒体が伝熱管に衝突することによって生じる伝熱管の磨耗を低減することができる。
【０００５】
そして、流動層炉を用いた表面処理装置の一例として、図には示さないが、ガス分散板の上方に配置された流動層粉末を加熱すると共に、流動化用ガスによって流動させて、その流動層粉末内に配置された被処理材の表面に表面処理層を形成することができるものがある（例えば、特許文献２参照。）。そして、流動層とガス分散板との間に、粗粒層が配置されている。
【０００６】
この粗粒層は、流動化用ガスによって流動しない程度の重量の粉末によって構成されている。この粗粒層によると、分散板を通り抜けてくる流動化用ガスを、流動層の全体に行き渡らすことができ、流動層粉末の局部的な停滞による固化を防止することができる。これによって、被処理材の表面に表面処理層を効率的に形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許２９０２６２５号公報
【特許文献２】特開平６−７３５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記流動床炉の熱回収装置では、過熱セル内に流動化用ガスが供給されていないので、流動媒体の流動性が低く、過熱セル内における流動媒体と伝熱管との間での伝熱係数が小さくなる。そのために、伝熱管による収熱量を、流動化用ガスによって流動媒体を良好に流動させる場合と同程度に維持するためには、伝熱管の表面積を大きくする必要があり、その分のコストが嵩む。
【０００９】
そして、上記流動層炉を用いた表面処理装置では、粗粒層によって、流動層粉末の局部的な停滞を防止して、被処理材の表面に表面処理層を効率的に形成することができるが、流動媒体が伝熱管の外面に衝突するときの衝突速度を小さくすることができず、従って、流動媒体が伝熱管に衝突することにより生じる伝熱管の損耗減肉を低減することができない。
【００１０】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、流動化用ガスの気泡を小さくすることによって、流動媒体が伝熱管の外面に衝突するときの衝突速度を小さくして、流動媒体が伝熱管に衝突することにより生じる伝熱管の損耗減肉を低減することができる流動床炉及びそれを備える流動床ボイラを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る流動床炉は、加熱された流動媒体が炉本体内に収容され、この流動媒体を流動化用ガスによって流動させて、前記流動媒体中に配置された伝熱管を加熱する流動床炉において、前記流動媒体を保持するように設けられ、流動化用ガスをガス流入口から流入させて、前記ガス流入口の数よりも多数のガス流出口から流出できるようにして、流動化用ガスを前記流動媒体中に供給することができる気泡小径化部を備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
この発明に係る流動床炉によると、加熱された流動媒体中に流動化用ガスを供給することによって流動媒体を流動させることができ、この流動する加熱された流動媒体が伝熱管と接触することによって、流動媒体が有する熱を、伝熱管を介して回収することができる。そして、流動化用ガスは、気泡小径化部のガス流入口から流入してガス流出口から流出し、そして、流動媒体中に供給されて流動媒体を流動させることができる。そして、ガス流出口の数が、ガス流入口の数よりも多く形成されていることによって、流動化用ガスを分散させてそれぞれのガス流出口から流出させることができ、これによって、各ガス流出口から流出する流動化用ガスの気泡を小さくすることができる。このように、流動化用ガスの気泡を小さくすると、その気泡が伝熱管の外面と接触してその伝熱管の外面から離れる際の、流動媒体が伝熱管の外面に衝突する衝突速度を小さくすることができる。
【００１３】
この発明に係る流動床炉において、前記気泡小径化部は、前記ガス流入口を形成する分散板と、この分散板上に載置され、前記ガス流入口の数よりも多数のガス流出口を形成する固定層とを有するものとすることができる。
【００１４】
このようにすると、流動化用ガスは、分散板により形成されたガス流入口から流入して固定層を通り、この固定層により形成されているガス流出口から流出して流動媒体内に供給される。この固定層は、分散板により形成されたガス流入口から流入する流動化用ガスを、気泡を小さくして流動媒体内に供給することができる。
【００１５】
この発明に係る流動床炉において、前記流動媒体は、第１粒状物で形成され、前記第１粒状物は、流動化用ガスの流速が第１流動化開始速度のときに流動を開始し、前記固定層は、第２粒状物で形成され、前記第２粒状物は、流動化用ガスの流速が第２流動化開始速度のときに流動を開始し、前記第２流動化開始速度が、前記第１流動化開始速度よりも大きくなるように前記第１及び第２粒状物が形成されているものとすることができる。
【００１６】
このようにすると、炉本体内の流動化用ガスの流速（例えば空塔速度）を第１流動化開始速度以上であって、第２流動化開始速度未満に設定することによって、流動媒体を構成する第１粒状物を流動させることができ、加熱されて温度の高い第１粒状物を効率的に伝熱管に接触させることができる。このとき、固定層を構成する第２粒状物は、流動しないので、小さい気泡を効率的に流動媒体中に供給することができる。そして、炉本体内の流動化用ガスの流速（例えば空塔速度）を第２流動化開始速度以上に設定することによって、流動媒体を構成する第１粒状物、及び固定層を構成する第２粒状物の両方を流動させることができ、この流動によって、例えばこれら第１及び第２粒状物を炉本体外に排出することができる。
【００１７】
この発明に係る流動床炉において、前記第１粒状物又は第２粒状物を、所定の密度、所定の大きさ、又は所定の形状とすることによって、前記第２流動化開始速度が、前記第１流動化開始速度よりも大きくなるようにしたものとすることができる。
【００１８】
このように、例えば密度を、第１粒状物よりも第２粒状物の方を大きくすることによって、流動性を、第１粒状物よりも第２粒状物の方を低くすることができる。また、第１又は第２粒状物を所定の大きさ、又は所定の形状とすることによって、第２粒状物の空気抵抗を第１粒状物よりも小さくすることができる。このようにして、第２粒状物を流動させるためのガスの第２流動化開始速度を、第１粒状物を流動させるためのガスの第１流動化開始速度よりも大きくすることができる。
【００１９】
この発明に係る流動床炉において、前記炉本体内の流動化用ガスの流速を前記第２流動化開始速度以上にして、前記固定層及び前記流動媒体を流動させて前記炉本体の外側に排出し、これら排出された前記流動媒体を構成する第１粒状物と、前記固定層を構成する第２粒状物とを分別して回収することができる分別回収機構を備えるものとすることができる。
【００２０】
この分別回収機構によると、流動化用ガスの流速を第２流動化開始速度以上にして、固定層及び流動媒体を流動させて炉本体の外側に排出することができる。そして、分別回収機構は、これら排出された流動媒体を構成する第１粒状物と、固定層を構成する第２粒状物とを分別して回収することができる。これによって、炉本体や、第１及び第２粒状物の保守、点検、入替え等を行うことができるし、不燃物の除去をし易くすることができる。
【００２１】
この発明に係る流動床炉において、前記気泡小径化部は、前記ガス流入口及び前記ガス流出口を有する一体物又は一体として形成されているものとすることができる。
【００２２】
このようにすると、炉本体内の流動化用ガスの流速を大きくしても、気泡小径化部は流動しないので、伝熱管を加熱するための効率の良い流動速度で流動媒体を流動させることができる。
【００２３】
本発明に係る流動床ボイラは、前記発明に係る流動床炉を備えることを特徴とするものである。
【００２４】
このようにすると、前記流動床炉の作用を奏する流動床ボイラを提供することができる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明に係る流動床炉及び流動床ボイラによると、気泡小径化部によって、流動媒体中に供給される流動化用ガスの気泡を小さくすることができる構成としたので、流動媒体が伝熱管の外面に衝突するときの衝突速度を小さくすることができる。これによって、流動媒体が伝熱管に衝突することにより生じる伝熱管の損耗減肉を低減することができる。その結果、伝熱管のメンテナンス費用や交換費用を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の第１実施形態に係る流動床炉を示す縦断面図である。
【図２】同発明の第２実施形態に係る流動床炉を示す縦断面図である。
【図３】同第１及び第２実施形態に係る流動床炉が備えるガスノズル及び他のガスノズルの例を示し、（ａ）はノズルカバーが設けられていないものの拡大縦断面図、（ｂ）はノズルカバーがノズル本体の略中央に設けられているものの拡大縦断面図、（ｃ）はノズルカバーがノズル本体の上端部に設けられているものの拡大縦断面図である。
【図４】同第１実施形態に係る流動床炉及び従来の流動床炉による流動化用ガスの気泡径、及び模擬伝熱管の減肉量を比較するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る流動床炉及びそれを備える流動床ボイラの第１実施形態を、図１を参照して説明する。図１は、流動床ボイラに設けられている流動床炉１１を示している。この流動床炉１１は、図１に示すように、加熱された流動媒体１２が炉本体１３内に収容され、この流動媒体１２を流動化用ガス１４によって流動させて、流動媒体１２中に配置された伝熱管１５群を加熱することができるものであり、炉本体１３と、分別回収機構１６とを備えている。
【００２８】
炉本体１３は、図１に示すように、側壁部１３ａと、底壁部を形成する平板状の分散板１７と、この分散板１７の下側に設けられたガス導入部１８（風箱）とを有している。そして、側壁部１３ａと分散板１７とによって形成された空間に固定層１９及び流動媒体１２が収容されている。また、流動媒体１２中には、伝熱管１５群が配置されている。
【００２９】
分散板１７は、ガス導入部１８から導入される空気等の流動化用ガス（以下、単に「ガス」と言うこともある。）１４を分散させて、そのガス１４を固定層１９に通して流動媒体１２中に供給するためのものである。この分散板１７は、略水平又は傾斜して配置され、多数のガス流入口２０が形成されており、それぞれのガス流入口２０には、ガスノズル２１が取り付けられている。これらそれぞれのガスノズル２１は、上端部が閉塞され、下端部が開口する略円筒形状に形成されたものであり、下端部が分散板１７に取り付けられている。そして、ガスノズル２１の上端部の周囲には、多数の噴出し口２１ａが形成されている。
【００３０】
ガス導入部１８は、箱状に形成され、外部から供給されてくるガス１４を、それぞれのガスノズル２１に通して炉本体１３内に供給することができるものである。つまり、ガス１４は、それぞれのガスノズル２１の噴出し口２１ａから噴き出される。
【００３１】
固定層１９は、それぞれのガスノズル２１の噴出し口２１ａから噴き出されるガス１４を更に分散させて、ガス１４のそれぞれの気泡を小さくして流動媒体１２中に供給することができるものである。この固定層１９は、多数の第２粒状物２２で形成され、それぞれのガスノズル２１の噴出し口２１ａを覆うように、所定の層厚で分散板１７上に敷き詰められて配置されている。この第２粒状物２２は、例えば鋼球や石で形成され、直径が約１０ｍｍ程度の大きさまでのものであり、熱的に安定なものである。
【００３２】
このように、図１に示す分散板１７及び固定層１９は、ガス導入部１８から導入されてくるガス１４を、比較的小さい気泡に形成してこの小さい多数の気泡を流動媒体１２中に供給することができるものであり、気泡小径化部２３を形成している。この気泡小径化部２３のガス流入口は、分散板１７に形成されているガス流入口２０である。そして、気泡小径化部２３のガス流出口２４は、固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２どうしの間に形成されている多数の隙間で形成されている。
【００３３】
そして、固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２どうしの間に形成されている多数の隙間（ガス流出口２４）の数が、分散板１７に形成されているガス流入口２０の数よりも多くなるように、多数の第２粒状物２２及びガス流入口２０が形成されている。
【００３４】
流動媒体１２は、例えばこの炉本体１３内に供給される燃料の燃焼によって加熱されるものであり、この燃料としては、ごみ、固形燃料、バイオマス燃料等の可燃物を含むものである。そして、この流動媒体１２は、図１に示すように、固定層１９の上面から噴き出されるガス１４の多数の小さな気泡によって流動し、燃料の燃焼によって発生する熱が、炉本体１３に収容されている流動媒体１２の全部に満遍なく行き渡るようにすることができるものである。
【００３５】
この流動媒体１２は、多数の第１粒状物２５で形成され、所定の層厚となるように固定層１９の上に配置されている。この第１粒状物２５は、例えばけい砂や石灰石で形成され、直径が約１ｍｍ程度のものであり、熱的に安定なものである。
【００３６】
伝熱管１５は、図１に示すように、流動媒体１２中に配置され、燃料の燃焼によって加熱された流動媒体１２の熱を回収するためのものである。この伝熱管１５は、内部に水（ボイラー水）が収容されている金属管であり、加熱された水を循環させて、熱を回収できるようになっている。
【００３７】
なお、例えば図１に示す固定層１９の上面と、伝熱管１５群の下面までの距離Ｋは、５０ｍｍ〜６００ｍｍ程度とすることが望ましい。つまり、固定層１９の上面を伝熱管１５群の下面に近づけるほど、固定層１９の上面から噴き出される小さい気泡が大きくならず、小さいままで伝熱管１５に接触させることができ、これによって、伝熱管１５の損耗減肉を防止できる。しかし、固定層１９の上面を伝熱管１５群の下面に近づけ過ぎると、伝熱管１５群の近くの流動媒体１２の流動が、固定層１９によって妨げられることがあり、熱回収効率を低下させる要因となることがある。
【００３８】
次に、図１に示す流動媒体１２を構成する多数の第１粒状物２５、及び固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２の流動性を説明する。
【００３９】
まず、多数の第１粒状物２５（流動媒体１２）は、図１に示す炉本体１３内のガス１４の流速（空塔速度）が第１流動化開始速度のときに流動を開始するように形成されている。そして、多数の第２粒状物２２（固定層１９）は、図１に示す炉本体１３内のガス１４の流速（空塔速度）が第２流動化開始速度のときに流動を開始するように形成されている。そして、第２流動化開始速度が、第１流動化開始速度よりも大きくなるように、第１及び第２粒状物２５、２２が形成されている。
【００４０】
この空塔速度とは、炉本体１３内の断面積当たりの通気流量である。そして、図には示さないが、ガス導入部１８には、ガス流量調整機構（例えばダンパーを備えるもの。）が設けられている。このガス流量調整機構によって、炉本体１３内のガス１４の空塔速度を所定の範囲内で調整できるようになっている。
【００４１】
このように、第１粒状物２５及び第２粒状物２２の流動性を規定すると、通常（定格）運転時において、炉本体１３内の流動化用ガス１４の流速（例えば空塔速度）を第１流動化開始速度以上であって、第２流動化開始速度未満に設定することによって、多数の第１粒状物２５（流動媒体１２）を流動させることができ、加熱されて温度の高い第１粒状物２５を効率的に伝熱管１５に接触させることができる。このとき、多数の第２粒状物２２（固定層１９）は、流動しないので、小さい気泡を効率的に流動媒体１２中に供給することができる。
【００４２】
そして、例えばこの流動床炉１１の清掃時において、炉本体１３内の流動化用ガス１４の流速（例えば空塔速度）を第２流動化開始速度以上に設定することによって、第１粒状物２５（流動媒体１２）、及び第２粒状物２２（固定層１９）の両方を流動させることができ、この流動によって、これら第１及び第２粒状物２５、２２を炉本体１３外に排出することができる。
【００４３】
なお、例えば図１に示す流動床炉１１の通常（定格）運転時における流動化用ガス１４の空塔速度Ｖは、第１流動化開始速度Ｒ１の２倍〜１０倍程度である。そして、第２流動化開始速度Ｒ２は、通常（定格）運転時における流動化用ガス１４の空塔速度Ｖの２倍〜３倍程度である。よって、第２流動化開始速度Ｒ２は、第１流動化開始速度Ｒ１の４倍〜３０倍程度である。
【００４４】
次に、図１を参照して分別回収機構１６を説明する。この分別回収機構１６は、炉本体１３内のガス１４の空塔速度を第２流動化開始速度以上にして、固定層１９及び流動媒体１２を流動させて炉本体１３の外側に排出し、これら排出された流動媒体１２を構成する多数の第１粒状物２５と、固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２とを分別することができるものである。
【００４５】
この分別回収機構１６は、排出機２６と、分別機２７とを備えている。排出機２６は、例えば電動スクリュー式のものであり、図１に示すように、この排出機２６の入口２６ａが、分散板１７に形成された排出口２８に排出管２９で接続されている。
【００４６】
分別機２７は、図１に示すように、例えば電動フルイ式のものであり、この分別機２７の入口２７ａが、排出機２６に形成された出口２６ｂに接続されている。そして、分別機２７には、第１出口２７ｂと第２出口２７ｃとが形成されている。この第１出口２７ｂは、直径の小さい第１粒状物２５（流動媒体１２）を排出するためのものである。そして、第２出口２７ｃは、直径の大きい第２粒状物２２を排出するためのものである。
【００４７】
そして、図１に示すように、第１出口２７ｂから排出される炉本体１３内の全ての第１粒状物２５（流動媒体１２）は、第１貯留槽３０で貯留することができ、第２出口２７ｃから排出される炉本体１３内の全ての第２粒状物２２（固定層１９）は、第２貯留槽３１で貯留することができるように構成されている。
【００４８】
また、第１及び第２貯留槽３０、３１のそれぞれに貯留されている第１及び第２粒状物２５、２２は、循環装置３２（例えばバケットコンベア）によって炉本体１３内に戻すことができるように構成されている。
【００４９】
この分別回収機構１６によると、ガス１４の空塔速度を第２流動化開始速度以上にして、固定層１９及び流動媒体１２を流動させて炉本体１３の外側に排出することができる。そして、これら排出された流動媒体１２を構成する多数の第１粒状物２５と、固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２とを分別して、第１及び第２貯留槽３０、３１内に回収することができる。これによって、炉本体１３や、第１及び第２粒状物２５、２２の保守、点検、入替え等を行うことができるし、不燃物の除去をし易くすることができる。
【００５０】
次に、上記のように構成された流動床ボイラに設けられている流動床炉１１の作用を、図１を参照して説明する。まず、通常運転時において、炉本体１３内の流動化用ガス１４の空塔速度を第１流動化開始速度以上であって、第２流動化開始速度未満に設定する。これによって、固定層１９を静止させた状態で、多数の第１粒状物２５（流動媒体１２）を流動させることができる。そして、流動媒体１２に燃料を供給して、この燃料の燃焼によって加熱された流動媒体１２が伝熱管１５と接触することによって、流動媒体１２が保有する熱を、伝熱管１５及び水を介して回収することができる。
【００５１】
また、流動化用ガス１４は、分散板１７に形成されたガス流入口２０から流入して多数のガスノズル２１及び固定層１９を通り、この固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２どうしの多数の隙間（ガス流出口２４）から流出して流動媒体１２内に供給される。
【００５２】
ここで、固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２どうしの多数の隙間（ガス流出口２４）の数が、分散板１７に形成されたガス流入口２０の数よりも多く形成されていることによって、流動化用ガス１４を十分に分散させてそれぞれのガス流出口２４から流出させることができる。これによって、各ガス流出口２４から流出する流動化用ガス１４の気泡を小さくすることができる。このように、流動化用ガス１４の気泡を小さくすると、その気泡が伝熱管１５の外面と接触してその伝熱管１５の外面から離れる際の、流動媒体１２が伝熱管１５の外面に衝突する衝突速度を小さくすることができる。その結果、流動媒体１２が伝熱管１５に衝突することにより生じる伝熱管１５の損耗減肉を低減することができる。更に、伝熱管１５のメンテナンス費用や交換費用を低減することができる。
【００５３】
次に、本発明に係る流動床炉の第２実施形態を、図２を参照して説明する。図２に示す第２実施形態の流動床炉３４と、図１に示す第１実施形態の流動床炉１１とが相違するところは、図１に示す第１実施形態では、炉本体１３内の空間が仕切り壁によって仕切られておらず、流動媒体１２が炉本体１３内の１つの空間内で流動するのに対して、図２に示す第２実施形態では、炉本体１３内の空間が仕切り壁３５によって仕切られて燃焼セル３６と収熱セル３７が形成され、流動媒体１２がこの２つの燃焼セル３６及び収熱セル３７を流動すると共に循環するところである。ただし、第１実施形態の流動床炉１１と同等部分は、同一の図面符号で示し、それらの説明を省略する。
【００５４】
炉本体１３は、図２に示すように、側壁部１３ａと、底壁部を形成する分散板１７と、この分散板１７の下側に設けられた第１及び第２ガス導入部１８、３８（風箱）とを有している。そして、側壁部１３ａと分散板１７とによって形成された空間が縦方向に配置された仕切り壁３５によって仕切られて、左側に燃焼セル３６が形成され、右側に収熱セル３７が形成されている。そして、仕切り壁３５の上側と下側とで燃焼セル３６と収熱セル３７が互いに上下の各通路３９、４０を介して連通している。
【００５５】
燃焼セル３６は、流動媒体１２のみが収容され、固定層１９は収容されていないし、伝熱管１５群も配置されていない。この燃焼セル３６に燃料が供給され、この燃料の燃焼によって燃焼セル３６内の流動媒体１２が加熱される。
【００５６】
収熱セル３７は、図１に示す第１実施形態の流動床炉１１と同様に、固定層１９及び流動媒体１２が収容され、流動媒体１２中に伝熱管１５群が配置されている。ただし、固定層１９が燃焼セル３６側に移動しないようにするために、保持壁４１が分散板１７に設けられている。
【００５７】
収熱セル３７には、燃焼セル３６内の加熱された流動媒体１２が移送され、この高温の流動媒体１２が保有する熱が伝熱管１５によって回収される。
【００５８】
第１及び第２ガス導入部１８、３８は、それぞれが箱状に形成され、仕切り板４２によって両者が仕切られている。この第１ガス導入部１８は、第１実施形態と同様にして、収熱セル３７内の流動媒体１２を流動させるものであり、流動化用ガス１４をガスノズル２１及び固定層１９に通して流動媒体１２中に供給することができるものである。
【００５９】
そして、第２ガス導入部３８は、流動化用ガス１４をガスノズル２１に通して燃焼セル３６内の流動媒体１２内に供給し、この流動媒体１２を上昇移動させることができるものである。この燃焼セル３６内で上昇移動する流動媒体１２は、仕切り壁３５の上端部の上通路３９を乗り越えて収熱セル３７内に移送される。そして、収熱セル３７内に移送された高温の流動媒体１２は、収熱セル３７内で下降移動して伝熱管１５で収熱され、そして、仕切り壁３５の下端部と分散板１７との間の下通路４０を通って燃焼セル３６内に移送される。このようにして、流動媒体１２は、この２つの燃焼セル３６及び収熱セル３７を循環すると共に流動することができる。
【００６０】
また、図２に示すように、第１及び第２ガス導入部１８、３８の仕切り板４２は、仕切り壁３５の下側であって、燃焼セル３６側に寄った位置に設けられている。また、仕切り壁３５の下側にガスノズル２１が配置されている。このガスノズル２１によって、仕切り壁３５の下端部と分散板１７との間の下通路４０に、流動媒体１２が滞留することを防止することができる。
【００６１】
また、図２に示す炉本体１３内に配置されている流動媒体１２及び固定層１９を、炉本体１３の外側に排出して回収するときは、燃焼セル３６及び収熱セル３７内の流動化用ガス１４の空塔速度を、第２流動化開始速度以上にする。
【００６２】
これによって、流動媒体１２及び固定層１９を、この２つの燃焼セル３６及び収熱セル３７を流動させながら循環させることができる。このように、流動媒体１２及び固定層１９を循環させることによって、流動媒体１２及び固定層１９を燃焼セル３６に設けられている排出管２９から排出することができる。
【００６３】
そして、図１に示す第１実施形態と同様に、分別回収機構１６は、これら排出された流動媒体１２を構成する多数の第１粒状物２５と、固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２とを分別して、第１及び第２貯留槽３０、３１内に回収することができる。そして、図２に示すようにして、流動媒体１２を燃焼セル３６及び収熱セル３７に戻すことができ、固定層１９を収熱セル３７に戻すことができる。
【００６４】
ただし、上記第１及び第２実施形態では、図１及び図２に示すように、炉本体１３の底壁部を形成する分散板１７に、流動媒体１２及び固定層１９を排出することができる排出口２８を設けたが、これに代えて、排出口２８を側壁部１３ａに設けてもよい。
【００６５】
そして、上記各実施形態では、図１等に示すように、分散板１７に多数のガスノズル２１を設けたが、これら多数のガスノズル２１を省略してもよい。なお、ガスノズル２１を省略した場合は、ガス導入部１８によって導入されるガス１４が、分散板１７に設けられている多数のガス流入口２０及び固定層１９を通って流動媒体１２中に供給されるときに、そのガス１４が固定層１９の上面の略全域から流動媒体１２中に満遍なく供給されるように、例えば分散板１７のガス流入口２０を小さくし、かつ、その数を多くして、所定の圧力損失を確保できるようにするとよい。
【００６６】
また、上記各実施形態では、固定層１９を構成する第２粒状物２２（例えば鋼球）を流動させるためのガス１４の第２流動化開始速度を、流動媒体１２を構成する第１粒状物２５（例えばけい砂）を流動させるためのガス１４の第１流動化開始速度よりも大きくするために、即ち、第２粒状物２２が、第１粒状物２５と比較して流動し難くするために、第２粒状物２２の密度を大きくすると共に直径を大きくしたが、これ以外の方法によって第２粒状物２２が、第１粒状物２５と比較して流動し難くなるようにしてもよい。
【００６７】
例えば、第１又は第２粒状物２５、２２を所定の大きさ、又は所定の形状（例えば多角形、楕円球等）とすることによって、第２粒状物２２の空気抵抗を第１粒状物２５よりも小さくして、第２粒状物２２の第２流動化開始速度を、第１粒状物２５の第１流動化開始速度よりも大きくすることができる。
【００６８】
更に、上記各実施形態では、図１等に示すように、分別機２７は電動フルイ式のものとしたが、これに代えて、電磁石を使用したものとすることができる。つまり、排出機２６から排出される第１及び第２粒状物２５、２２の混ざり合ったものに対して電磁石を接触させて、この電磁石によって鋼球である第２粒状物２２を吸着することができる。これによって、第２粒状物２２を第１粒状物２５から引き離すことができ、第１及び第２粒状物２５、２２を分別することができる。なお、第１粒状物２５は、けい砂等であるので、電磁石には吸着されない。
【００６９】
そして、上記各実施形態で使用されているガスノズル２１は、図１及び図３（ａ）に示すように、上端部が閉塞し、下端部が開口する略円筒形状のものであって、上端部の周囲に複数の噴出し口２１ａが形成され、ノズルカバー４３が設けられていないものとしたが、これに代えて、ガスノズルを図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、ノズルカバー４３が設けられているものとしてもよい。これら各図に示すノズルカバー４３は、ノズル本体４４に形成されている噴出し口２１ａがごみや灰で閉塞されることを防止するためのものである。
【００７０】
図３（ｂ）に示すガスノズル４５は、ノズル本体４４が図３（ａ）に示すガスノズル２１と同等のものであり、このノズル本体４４の略中央に傘状のノズルカバー４３が設けられ、このノズルカバー４３の内側に噴出し口２１ａが配置されるように形成されている。
【００７１】
図３（ｃ）に示すガスノズル４６は、ノズル本体４４が図３（ａ）に示すガスノズル２１と同等のものであり、このノズル本体４４の上端部に傘状のノズルカバー４３が設けられ、このノズルカバー４３の内側に噴出し口２１ａが配置されるように形成されている。
【００７２】
また、上記各実施形態が備える気泡小径化部２３は、図１に示すように、分散板１７と、この分散板１７上に配置された多数の第２粒状物２２（固定層１９）とを備えるものとしたが、これに代えて、例えばこの分散板１７と多数の第２粒状物２２を互いに結合させて一体に形成して、多数のガス流入口２０と、多数のガス流出口２４とを有するものとしてもよい。もちろん、これら多数のガス流入口２０と、多数のガス流出口２４とを有する一体物としてもよい。
【００７３】
このようにすると、炉本体１３内の流動化用ガス１４の流速（空塔速度）を大きくしても、気泡小径化部は流動しないので、伝熱管１５を加熱するための効率の良い空塔速度で流動媒体１２を流動させることができる。
【００７４】
そして、上記第２実施形態では、図２に示すように、本発明を、炉本体１３内の空間が仕切り壁３５によって仕切られて燃焼セル３６と収熱セル３７が形成され、流動媒体１２がこれらの燃焼セル３６及び収熱セル３７を流動すると共に循環する内部循環流動床炉に適用したが、これに代えて、図には示さないが、本発明を外部循環流動床炉に適用することができる。
【００７５】
この外部循環流動床炉は、例えば流動媒体１２である第１粒状物２５を収容する火炉と、この火炉から燃焼ガスと共に排出される第１粒状物２５を導入し、この第１粒状物２５を捕集して排出する捕集装置と、この捕集装置によって捕集、排出された第１粒状物２５を、例えば図１又は図２に示す炉本体１３内の伝熱管１５を経由して火炉に循環させる循環系を備えるものである。この場合は、炉本体１３内で燃焼が行なわれない。
【００７６】
次に、図４を参照して、流動する流動媒体１２との衝突によって生じる伝熱管１５の減肉量の実験結果を説明する。この実験は、気泡分散構造Ａと、気泡分散構造Ｂとを比較したものである。気泡分散構造Ａは、図１に示す流動床炉１１において、固定層１９を省略したものと同等のものである。気泡分散構造Ｂは、図１に示す流動床炉１１のものと同等のものである。ただし、伝熱管１５は、アクリル製の模擬伝熱管を使用している。模擬伝熱管を使用することによって、減肉量を増大させることができ、減肉量の測定をし易くすることができる。
【００７７】
図４に示すように、気泡分散構造Ｂによれば、気泡分散構造Ａと比較して流動媒体１２中の気泡径が約７０％となり小さくなる。アクリル製の伝熱管の減肉量は、約２０％低減できる。よって、金属製の伝熱管１５の磨耗減肉を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上のように、本発明に係る流動床炉及びそれを備える流動床ボイラは、流動化用ガスの気泡を小さくすることによって、流動媒体が伝熱管の外面に衝突するときの衝突速度を小さくして、流動媒体が伝熱管に衝突することにより生じる伝熱管の損耗減肉を低減することができる優れた効果を有し、このような流動床炉及びそれを備える流動床ボイラに適用するのに適している。
【符号の説明】
【００７９】
１１、３４ 流動床炉
１２ 流動媒体
１３ 炉本体
１３ａ 側壁部
１４ 流動化用ガス
１５ 伝熱管
１６ 分別回収機構
１７ 分散板
１８ ガス導入部、第１ガス導入部
１９ 固定層
２０ ガス流入口
２１、４５、４６ ガスノズル
２１ａ 噴出し口
２２ 第２粒状物
２３ 気泡小径化部
２４ ガス流出口
２５ 第１粒状物
２６ 排出機
２６ａ、２７ａ 入口
２６ｂ 出口
２７ 分別機
２７ｂ 第１出口
２７ｃ 第２出口
２８ 排出口
２９ 排出管
３０ 第１貯留槽
３１ 第２貯留槽
３２ 循環装置
３５ 仕切り壁
３６ 燃焼セル
３７ 収熱セル
３８ 第２ガス導入部
３９ 上通路
４０ 下通路
４１ 保持壁
４２ 仕切り板
４３ ノズルカバー
４４ ノズル本体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばごみ、固形燃料、バイオマス燃料等の可燃物を含む燃料を流動媒体中で燃焼させて、その燃焼によって発生する熱を伝熱管を介して回収することができる流動床炉及びそれを備える流動床ボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
流動床炉の熱回収装置の一例として、図には示さないが、燃焼セルと、過熱セルとを備え、各セルには流動媒体が収容され、そして、この燃焼セルと過熱セルとが、層内仕切部材によって仕切られているものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この燃焼セルでは、流動媒体が流動化用ガスによって流動され、燃料の燃焼によって流動媒体が加熱される。この加熱された流動媒体は、過熱セルに移送され、この過熱セル内に配置されている伝熱管内の蒸気を過熱することができる。そして、熱が伝熱管によって回収された流動媒体は、過熱セルの下部から排出されて燃焼セルに戻される。
【０００４】
このように、過熱セル内では、流動化用ガスが供給されないので、流動媒体が伝熱管に衝突する衝突速度が小さく、その結果、流動媒体が伝熱管に衝突することによって生じる伝熱管の磨耗を低減することができる。
【０００５】
そして、流動層炉を用いた表面処理装置の一例として、図には示さないが、ガス分散板の上方に配置された流動層粉末を加熱すると共に、流動化用ガスによって流動させて、その流動層粉末内に配置された被処理材の表面に表面処理層を形成することができるものがある（例えば、特許文献２参照。）。そして、流動層とガス分散板との間に、粗粒層が配置されている。
【０００６】
この粗粒層は、流動化用ガスによって流動しない程度の重量の粉末によって構成されている。この粗粒層によると、分散板を通り抜けてくる流動化用ガスを、流動層の全体に行き渡らすことができ、流動層粉末の局部的な停滞による固化を防止することができる。これによって、被処理材の表面に表面処理層を効率的に形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許２９０２６２５号公報
【特許文献２】特開平６−７３５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記流動床炉の熱回収装置では、過熱セル内に流動化用ガスが供給されていないので、流動媒体の流動性が低く、過熱セル内における流動媒体と伝熱管との間での伝熱係数が小さくなる。そのために、伝熱管による収熱量を、流動化用ガスによって流動媒体を良好に流動させる場合と同程度に維持するためには、伝熱管の表面積を大きくする必要があり、その分のコストが嵩む。
【０００９】
そして、上記流動層炉を用いた表面処理装置では、粗粒層によって、流動層粉末の局部的な停滞を防止して、被処理材の表面に表面処理層を効率的に形成することができるが、流動媒体が伝熱管の外面に衝突するときの衝突速度を小さくすることができず、従って、流動媒体が伝熱管に衝突することにより生じる伝熱管の損耗減肉を低減することができない。
【００１０】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、流動化用ガスの気泡を小さくすることによって、流動媒体が伝熱管の外面に衝突するときの衝突速度を小さくして、流動媒体が伝熱管に衝突することにより生じる伝熱管の損耗減肉を低減することができる流動床炉及びそれを備える流動床ボイラを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る流動床炉は、加熱された流動媒体が炉本体内に収容され、この流動媒体を流動化用ガスによって流動させて、前記流動媒体中に配置された伝熱管を加熱する流動床炉において、前記流動媒体を保持するように設けられ、流動化用ガスをガス流入口から流入させて、前記ガス流入口の数よりも多数のガス流出口から流出できるようにして、流動化用ガスを前記流動媒体中に供給することができる気泡小径化部を備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
この発明に係る流動床炉によると、加熱された流動媒体中に流動化用ガスを供給することによって流動媒体を流動させることができ、この流動する加熱された流動媒体が伝熱管と接触することによって、流動媒体が有する熱を、伝熱管を介して回収することができる。そして、流動化用ガスは、気泡小径化部のガス流入口から流入してガス流出口から流出し、そして、流動媒体中に供給されて流動媒体を流動させることができる。そして、ガス流出口の数が、ガス流入口の数よりも多く形成されていることによって、流動化用ガスを分散させてそれぞれのガス流出口から流出させることができ、これによって、各ガス流出口から流出する流動化用ガスの気泡を小さくすることができる。このように、流動化用ガスの気泡を小さくすると、その気泡が伝熱管の外面と接触してその伝熱管の外面から離れる際の、流動媒体が伝熱管の外面に衝突する衝突速度を小さくすることができる。
【００１３】
この発明に係る流動床炉において、前記気泡小径化部は、前記ガス流入口を形成する分散板と、この分散板上に載置され、前記ガス流入口の数よりも多数のガス流出口を形成する固定層とを有するものとすることができる。
【００１４】
このようにすると、流動化用ガスは、分散板により形成されたガス流入口から流入して固定層を通り、この固定層により形成されているガス流出口から流出して流動媒体内に供給される。この固定層は、分散板により形成されたガス流入口から流入する流動化用ガスを、気泡を小さくして流動媒体内に供給することができる。
【００１５】
この発明に係る流動床炉において、前記流動媒体は、第１粒状物で形成され、前記第１粒状物は、流動化用ガスの流速が第１流動化開始速度のときに流動を開始し、前記固定層は、第２粒状物で形成され、前記第２粒状物は、流動化用ガスの流速が第２流動化開始速度のときに流動を開始し、前記第２流動化開始速度が、前記第１流動化開始速度よりも大きくなるように前記第１及び第２粒状物が形成されているものとすることができる。
【００１６】
このようにすると、炉本体内の流動化用ガスの流速（例えば空塔速度）を第１流動化開始速度以上であって、第２流動化開始速度未満に設定することによって、流動媒体を構成する第１粒状物を流動させることができ、加熱されて温度の高い第１粒状物を効率的に伝熱管に接触させることができる。このとき、固定層を構成する第２粒状物は、流動しないので、小さい気泡を効率的に流動媒体中に供給することができる。そして、炉本体内の流動化用ガスの流速（例えば空塔速度）を第２流動化開始速度以上に設定することによって、流動媒体を構成する第１粒状物、及び固定層を構成する第２粒状物の両方を流動させることができ、この流動によって、例えばこれら第１及び第２粒状物を炉本体外に排出することができる。
【００１７】
この発明に係る流動床炉において、前記第１粒状物又は第２粒状物を、所定の密度、所定の大きさ、又は所定の形状とすることによって、前記第２流動化開始速度が、前記第１流動化開始速度よりも大きくなるようにしたものとすることができる。
【００１８】
このように、例えば密度を、第１粒状物よりも第２粒状物の方を大きくすることによって、流動性を、第１粒状物よりも第２粒状物の方を低くすることができる。また、第１又は第２粒状物を所定の大きさ、又は所定の形状とすることによって、第２粒状物の空気抵抗を第１粒状物よりも小さくすることができる。このようにして、第２粒状物を流動させるためのガスの第２流動化開始速度を、第１粒状物を流動させるためのガスの第１流動化開始速度よりも大きくすることができる。
【００１９】
この発明に係る流動床炉において、前記炉本体内の流動化用ガスの流速を前記第２流動化開始速度以上にして、前記固定層及び前記流動媒体を流動させて前記炉本体の外側に排出し、これら排出された前記流動媒体を構成する第１粒状物と、前記固定層を構成する第２粒状物とを分別して回収することができる分別回収機構を備えるものとすることができる。
【００２０】
この分別回収機構によると、流動化用ガスの流速を第２流動化開始速度以上にして、固定層及び流動媒体を流動させて炉本体の外側に排出することができる。そして、分別回収機構は、これら排出された流動媒体を構成する第１粒状物と、固定層を構成する第２粒状物とを分別して回収することができる。これによって、炉本体や、第１及び第２粒状物の保守、点検、入替え等を行うことができるし、不燃物の除去をし易くすることができる。
【００２１】
この発明に係る流動床炉において、前記気泡小径化部は、前記ガス流入口及び前記ガス流出口を有する一体物又は一体として形成されているものとすることができる。
【００２２】
このようにすると、炉本体内の流動化用ガスの流速を大きくしても、気泡小径化部は流動しないので、伝熱管を加熱するための効率の良い流動速度で流動媒体を流動させることができる。
【００２３】
本発明に係る流動床ボイラは、前記発明に係る流動床炉を備えることを特徴とするものである。
【００２４】
このようにすると、前記流動床炉の作用を奏する流動床ボイラを提供することができる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明に係る流動床炉及び流動床ボイラによると、気泡小径化部によって、流動媒体中に供給される流動化用ガスの気泡を小さくすることができる構成としたので、流動媒体が伝熱管の外面に衝突するときの衝突速度を小さくすることができる。これによって、流動媒体が伝熱管に衝突することにより生じる伝熱管の損耗減肉を低減することができる。その結果、伝熱管のメンテナンス費用や交換費用を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の第１実施形態に係る流動床炉を示す縦断面図である。
【図２】同発明の第２実施形態に係る流動床炉を示す縦断面図である。
【図３】同第１及び第２実施形態に係る流動床炉が備えるガスノズル及び他のガスノズルの例を示し、（ａ）はノズルカバーが設けられていないものの拡大縦断面図、（ｂ）はノズルカバーがノズル本体の略中央に設けられているものの拡大縦断面図、（ｃ）はノズルカバーがノズル本体の上端部に設けられているものの拡大縦断面図である。
【図４】同第１実施形態に係る流動床炉及び従来の流動床炉による流動化用ガスの気泡径、及び模擬伝熱管の減肉量を比較するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る流動床炉及びそれを備える流動床ボイラの第１実施形態を、図１を参照して説明する。図１は、流動床ボイラに設けられている流動床炉１１を示している。この流動床炉１１は、図１に示すように、加熱された流動媒体１２が炉本体１３内に収容され、この流動媒体１２を流動化用ガス１４によって流動させて、流動媒体１２中に配置された伝熱管１５群を加熱することができるものであり、炉本体１３と、分別回収機構１６とを備えている。
【００２８】
炉本体１３は、図１に示すように、側壁部１３ａと、底壁部を形成する平板状の分散板１７と、この分散板１７の下側に設けられたガス導入部１８（風箱）とを有している。そして、側壁部１３ａと分散板１７とによって形成された空間に固定層１９及び流動媒体１２が収容されている。また、流動媒体１２中には、伝熱管１５群が配置されている。
【００２９】
分散板１７は、ガス導入部１８から導入される空気等の流動化用ガス（以下、単に「ガス」と言うこともある。）１４を分散させて、そのガス１４を固定層１９に通して流動媒体１２中に供給するためのものである。この分散板１７は、略水平又は傾斜して配置され、多数のガス流入口２０が形成されており、それぞれのガス流入口２０には、ガスノズル２１が取り付けられている。これらそれぞれのガスノズル２１は、上端部が閉塞され、下端部が開口する略円筒形状に形成されたものであり、下端部が分散板１７に取り付けられている。そして、ガスノズル２１の上端部の周囲には、多数の噴出し口２１ａが形成されている。
【００３０】
ガス導入部１８は、箱状に形成され、外部から供給されてくるガス１４を、それぞれのガスノズル２１に通して炉本体１３内に供給することができるものである。つまり、ガス１４は、それぞれのガスノズル２１の噴出し口２１ａから噴き出される。
【００３１】
固定層１９は、それぞれのガスノズル２１の噴出し口２１ａから噴き出されるガス１４を更に分散させて、ガス１４のそれぞれの気泡を小さくして流動媒体１２中に供給することができるものである。この固定層１９は、多数の第２粒状物２２で形成され、それぞれのガスノズル２１の噴出し口２１ａを覆うように、所定の層厚で分散板１７上に敷き詰められて配置されている。この第２粒状物２２は、例えば鋼球や石で形成され、直径が約１０ｍｍ程度の大きさまでのものであり、熱的に安定なものである。
【００３２】
このように、図１に示す分散板１７及び固定層１９は、ガス導入部１８から導入されてくるガス１４を、比較的小さい気泡に形成してこの小さい多数の気泡を流動媒体１２中に供給することができるものであり、気泡小径化部２３を形成している。この気泡小径化部２３のガス流入口は、分散板１７に形成されているガス流入口２０である。そして、気泡小径化部２３のガス流出口２４は、固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２どうしの間に形成されている多数の隙間で形成されている。
【００３３】
そして、固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２どうしの間に形成されている多数の隙間（ガス流出口２４）の数が、分散板１７に形成されているガス流入口２０の数よりも多くなるように、多数の第２粒状物２２及びガス流入口２０が形成されている。
【００３４】
流動媒体１２は、例えばこの炉本体１３内に供給される燃料の燃焼によって加熱されるものであり、この燃料としては、ごみ、固形燃料、バイオマス燃料等の可燃物を含むものである。そして、この流動媒体１２は、図１に示すように、固定層１９の上面から噴き出されるガス１４の多数の小さな気泡によって流動し、燃料の燃焼によって発生する熱が、炉本体１３に収容されている流動媒体１２の全部に満遍なく行き渡るようにすることができるものである。
【００３５】
この流動媒体１２は、多数の第１粒状物２５で形成され、所定の層厚となるように固定層１９の上に配置されている。この第１粒状物２５は、例えばけい砂や石灰石で形成され、直径が約１ｍｍ程度のものであり、熱的に安定なものである。
【００３６】
伝熱管１５は、図１に示すように、流動媒体１２中に配置され、燃料の燃焼によって加熱された流動媒体１２の熱を回収するためのものである。この伝熱管１５は、内部に水（ボイラー水）が収容されている金属管であり、加熱された水を循環させて、熱を回収できるようになっている。
【００３７】
なお、例えば図１に示す固定層１９の上面と、伝熱管１５群の下面までの距離Ｋは、５０ｍｍ〜６００ｍｍ程度とすることが望ましい。つまり、固定層１９の上面を伝熱管１５群の下面に近づけるほど、固定層１９の上面から噴き出される小さい気泡が大きくならず、小さいままで伝熱管１５に接触させることができ、これによって、伝熱管１５の損耗減肉を防止できる。しかし、固定層１９の上面を伝熱管１５群の下面に近づけ過ぎると、伝熱管１５群の近くの流動媒体１２の流動が、固定層１９によって妨げられることがあり、熱回収効率を低下させる要因となることがある。
【００３８】
次に、図１に示す流動媒体１２を構成する多数の第１粒状物２５、及び固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２の流動性を説明する。
【００３９】
まず、多数の第１粒状物２５（流動媒体１２）は、図１に示す炉本体１３内のガス１４の流速（空塔速度）が第１流動化開始速度のときに流動を開始するように形成されている。そして、多数の第２粒状物２２（固定層１９）は、図１に示す炉本体１３内のガス１４の流速（空塔速度）が第２流動化開始速度のときに流動を開始するように形成されている。そして、第２流動化開始速度が、第１流動化開始速度よりも大きくなるように、第１及び第２粒状物２５、２２が形成されている。
【００４０】
この空塔速度とは、炉本体１３内の断面積当たりの通気流量である。そして、図には示さないが、ガス導入部１８には、ガス流量調整機構（例えばダンパーを備えるもの。）が設けられている。このガス流量調整機構によって、炉本体１３内のガス１４の空塔速度を所定の範囲内で調整できるようになっている。
【００４１】
このように、第１粒状物２５及び第２粒状物２２の流動性を規定すると、通常（定格）運転時において、炉本体１３内の流動化用ガス１４の流速（例えば空塔速度）を第１流動化開始速度以上であって、第２流動化開始速度未満に設定することによって、多数の第１粒状物２５（流動媒体１２）を流動させることができ、加熱されて温度の高い第１粒状物２５を効率的に伝熱管１５に接触させることができる。このとき、多数の第２粒状物２２（固定層１９）は、流動しないので、小さい気泡を効率的に流動媒体１２中に供給することができる。
【００４２】
そして、例えばこの流動床炉１１の清掃時において、炉本体１３内の流動化用ガス１４の流速（例えば空塔速度）を第２流動化開始速度以上に設定することによって、第１粒状物２５（流動媒体１２）、及び第２粒状物２２（固定層１９）の両方を流動させることができ、この流動によって、これら第１及び第２粒状物２５、２２を炉本体１３外に排出することができる。
【００４３】
なお、例えば図１に示す流動床炉１１の通常（定格）運転時における流動化用ガス１４の空塔速度Ｖは、第１流動化開始速度Ｒ１の２倍〜１０倍程度である。そして、第２流動化開始速度Ｒ２は、通常（定格）運転時における流動化用ガス１４の空塔速度Ｖの２倍〜３倍程度である。よって、第２流動化開始速度Ｒ２は、第１流動化開始速度Ｒ１の４倍〜３０倍程度である。
【００４４】
次に、図１を参照して分別回収機構１６を説明する。この分別回収機構１６は、炉本体１３内のガス１４の空塔速度を第２流動化開始速度以上にして、固定層１９及び流動媒体１２を流動させて炉本体１３の外側に排出し、これら排出された流動媒体１２を構成する多数の第１粒状物２５と、固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２とを分別することができるものである。
【００４５】
この分別回収機構１６は、排出機２６と、分別機２７とを備えている。排出機２６は、例えば電動スクリュー式のものであり、図１に示すように、この排出機２６の入口２６ａが、分散板１７に形成された排出口２８に排出管２９で接続されている。
【００４６】
分別機２７は、図１に示すように、例えば電動フルイ式のものであり、この分別機２７の入口２７ａが、排出機２６に形成された出口２６ｂに接続されている。そして、分別機２７には、第１出口２７ｂと第２出口２７ｃとが形成されている。この第１出口２７ｂは、直径の小さい第１粒状物２５（流動媒体１２）を排出するためのものである。そして、第２出口２７ｃは、直径の大きい第２粒状物２２を排出するためのものである。
【００４７】
そして、図１に示すように、第１出口２７ｂから排出される炉本体１３内の全ての第１粒状物２５（流動媒体１２）は、第１貯留槽３０で貯留することができ、第２出口２７ｃから排出される炉本体１３内の全ての第２粒状物２２（固定層１９）は、第２貯留槽３１で貯留することができるように構成されている。
【００４８】
また、第１及び第２貯留槽３０、３１のそれぞれに貯留されている第１及び第２粒状物２５、２２は、循環装置３２（例えばバケットコンベア）によって炉本体１３内に戻すことができるように構成されている。
【００４９】
この分別回収機構１６によると、ガス１４の空塔速度を第２流動化開始速度以上にして、固定層１９及び流動媒体１２を流動させて炉本体１３の外側に排出することができる。そして、これら排出された流動媒体１２を構成する多数の第１粒状物２５と、固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２とを分別して、第１及び第２貯留槽３０、３１内に回収することができる。これによって、炉本体１３や、第１及び第２粒状物２５、２２の保守、点検、入替え等を行うことができるし、不燃物の除去をし易くすることができる。
【００５０】
次に、上記のように構成された流動床ボイラに設けられている流動床炉１１の作用を、図１を参照して説明する。まず、通常運転時において、炉本体１３内の流動化用ガス１４の空塔速度を第１流動化開始速度以上であって、第２流動化開始速度未満に設定する。これによって、固定層１９を静止させた状態で、多数の第１粒状物２５（流動媒体１２）を流動させることができる。そして、流動媒体１２に燃料を供給して、この燃料の燃焼によって加熱された流動媒体１２が伝熱管１５と接触することによって、流動媒体１２が保有する熱を、伝熱管１５及び水を介して回収することができる。
【００５１】
また、流動化用ガス１４は、分散板１７に形成されたガス流入口２０から流入して多数のガスノズル２１及び固定層１９を通り、この固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２どうしの多数の隙間（ガス流出口２４）から流出して流動媒体１２内に供給される。
【００５２】
ここで、固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２どうしの多数の隙間（ガス流出口２４）の数が、分散板１７に形成されたガス流入口２０の数よりも多く形成されていることによって、流動化用ガス１４を十分に分散させてそれぞれのガス流出口２４から流出させることができる。これによって、各ガス流出口２４から流出する流動化用ガス１４の気泡を小さくすることができる。このように、流動化用ガス１４の気泡を小さくすると、その気泡が伝熱管１５の外面と接触してその伝熱管１５の外面から離れる際の、流動媒体１２が伝熱管１５の外面に衝突する衝突速度を小さくすることができる。その結果、流動媒体１２が伝熱管１５に衝突することにより生じる伝熱管１５の損耗減肉を低減することができる。更に、伝熱管１５のメンテナンス費用や交換費用を低減することができる。
【００５３】
次に、本発明に係る流動床炉の第２実施形態を、図２を参照して説明する。図２に示す第２実施形態の流動床炉３４と、図１に示す第１実施形態の流動床炉１１とが相違するところは、図１に示す第１実施形態では、炉本体１３内の空間が仕切り壁によって仕切られておらず、流動媒体１２が炉本体１３内の１つの空間内で流動するのに対して、図２に示す第２実施形態では、炉本体１３内の空間が仕切り壁３５によって仕切られて燃焼セル３６と収熱セル３７が形成され、流動媒体１２がこの２つの燃焼セル３６及び収熱セル３７を流動すると共に循環するところである。ただし、第１実施形態の流動床炉１１と同等部分は、同一の図面符号で示し、それらの説明を省略する。
【００５４】
炉本体１３は、図２に示すように、側壁部１３ａと、底壁部を形成する分散板１７と、この分散板１７の下側に設けられた第１及び第２ガス導入部１８、３８（風箱）とを有している。そして、側壁部１３ａと分散板１７とによって形成された空間が縦方向に配置された仕切り壁３５によって仕切られて、左側に燃焼セル３６が形成され、右側に収熱セル３７が形成されている。そして、仕切り壁３５の上側と下側とで燃焼セル３６と収熱セル３７が互いに上下の各通路３９、４０を介して連通している。
【００５５】
燃焼セル３６は、流動媒体１２のみが収容され、固定層１９は収容されていないし、伝熱管１５群も配置されていない。この燃焼セル３６に燃料が供給され、この燃料の燃焼によって燃焼セル３６内の流動媒体１２が加熱される。
【００５６】
収熱セル３７は、図１に示す第１実施形態の流動床炉１１と同様に、固定層１９及び流動媒体１２が収容され、流動媒体１２中に伝熱管１５群が配置されている。ただし、固定層１９が燃焼セル３６側に移動しないようにするために、保持壁４１が分散板１７に設けられている。
【００５７】
収熱セル３７には、燃焼セル３６内の加熱された流動媒体１２が移送され、この高温の流動媒体１２が保有する熱が伝熱管１５によって回収される。
【００５８】
第１及び第２ガス導入部１８、３８は、それぞれが箱状に形成され、仕切り板４２によって両者が仕切られている。この第１ガス導入部１８は、第１実施形態と同様にして、収熱セル３７内の流動媒体１２を流動させるものであり、流動化用ガス１４をガスノズル２１及び固定層１９に通して流動媒体１２中に供給することができるものである。
【００５９】
そして、第２ガス導入部３８は、流動化用ガス１４をガスノズル２１に通して燃焼セル３６内の流動媒体１２内に供給し、この流動媒体１２を上昇移動させることができるものである。この燃焼セル３６内で上昇移動する流動媒体１２は、仕切り壁３５の上端部の上通路３９を乗り越えて収熱セル３７内に移送される。そして、収熱セル３７内に移送された高温の流動媒体１２は、収熱セル３７内で下降移動して伝熱管１５で収熱され、そして、仕切り壁３５の下端部と分散板１７との間の下通路４０を通って燃焼セル３６内に移送される。このようにして、流動媒体１２は、この２つの燃焼セル３６及び収熱セル３７を循環すると共に流動することができる。
【００６０】
また、図２に示すように、第１及び第２ガス導入部１８、３８の仕切り板４２は、仕切り壁３５の下側であって、燃焼セル３６側に寄った位置に設けられている。また、仕切り壁３５の下側にガスノズル２１が配置されている。このガスノズル２１によって、仕切り壁３５の下端部と分散板１７との間の下通路４０に、流動媒体１２が滞留することを防止することができる。
【００６１】
また、図２に示す炉本体１３内に配置されている流動媒体１２及び固定層１９を、炉本体１３の外側に排出して回収するときは、燃焼セル３６及び収熱セル３７内の流動化用ガス１４の空塔速度を、第２流動化開始速度以上にする。
【００６２】
これによって、流動媒体１２及び固定層１９を、この２つの燃焼セル３６及び収熱セル３７を流動させながら循環させることができる。このように、流動媒体１２及び固定層１９を循環させることによって、流動媒体１２及び固定層１９を燃焼セル３６に設けられている排出管２９から排出することができる。
【００６３】
そして、図１に示す第１実施形態と同様に、分別回収機構１６は、これら排出された流動媒体１２を構成する多数の第１粒状物２５と、固定層１９を構成する多数の第２粒状物２２とを分別して、第１及び第２貯留槽３０、３１内に回収することができる。そして、図２に示すようにして、流動媒体１２を燃焼セル３６及び収熱セル３７に戻すことができ、固定層１９を収熱セル３７に戻すことができる。
【００６４】
ただし、上記第１及び第２実施形態では、図１及び図２に示すように、炉本体１３の底壁部を形成する分散板１７に、流動媒体１２及び固定層１９を排出することができる排出口２８を設けたが、これに代えて、排出口２８を側壁部１３ａに設けてもよい。
【００６５】
そして、上記各実施形態では、図１等に示すように、分散板１７に多数のガスノズル２１を設けたが、これら多数のガスノズル２１を省略してもよい。なお、ガスノズル２１を省略した場合は、ガス導入部１８によって導入されるガス１４が、分散板１７に設けられている多数のガス流入口２０及び固定層１９を通って流動媒体１２中に供給されるときに、そのガス１４が固定層１９の上面の略全域から流動媒体１２中に満遍なく供給されるように、例えば分散板１７のガス流入口２０を小さくし、かつ、その数を多くして、所定の圧力損失を確保できるようにするとよい。
【００６６】
また、上記各実施形態では、固定層１９を構成する第２粒状物２２（例えば鋼球）を流動させるためのガス１４の第２流動化開始速度を、流動媒体１２を構成する第１粒状物２５（例えばけい砂）を流動させるためのガス１４の第１流動化開始速度よりも大きくするために、即ち、第２粒状物２２が、第１粒状物２５と比較して流動し難くするために、第２粒状物２２の密度を大きくすると共に直径を大きくしたが、これ以外の方法によって第２粒状物２２が、第１粒状物２５と比較して流動し難くなるようにしてもよい。
【００６７】
例えば、第１又は第２粒状物２５、２２を所定の大きさ、又は所定の形状（例えば多角形、楕円球等）とすることによって、第２粒状物２２の空気抵抗を第１粒状物２５よりも小さくして、第２粒状物２２の第２流動化開始速度を、第１粒状物２５の第１流動化開始速度よりも大きくすることができる。
【００６８】
更に、上記各実施形態では、図１等に示すように、分別機２７は電動フルイ式のものとしたが、これに代えて、電磁石を使用したものとすることができる。つまり、排出機２６から排出される第１及び第２粒状物２５、２２の混ざり合ったものに対して電磁石を接触させて、この電磁石によって鋼球である第２粒状物２２を吸着することができる。これによって、第２粒状物２２を第１粒状物２５から引き離すことができ、第１及び第２粒状物２５、２２を分別することができる。なお、第１粒状物２５は、けい砂等であるので、電磁石には吸着されない。
【００６９】
そして、上記各実施形態で使用されているガスノズル２１は、図１及び図３（ａ）に示すように、上端部が閉塞し、下端部が開口する略円筒形状のものであって、上端部の周囲に複数の噴出し口２１ａが形成され、ノズルカバー４３が設けられていないものとしたが、これに代えて、ガスノズルを図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、ノズルカバー４３が設けられているものとしてもよい。これら各図に示すノズルカバー４３は、ノズル本体４４に形成されている噴出し口２１ａがごみや灰で閉塞されることを防止するためのものである。
【００７０】
図３（ｂ）に示すガスノズル４５は、ノズル本体４４が図３（ａ）に示すガスノズル２１と同等のものであり、このノズル本体４４の略中央に傘状のノズルカバー４３が設けられ、このノズルカバー４３の内側に噴出し口２１ａが配置されるように形成されている。
【００７１】
図３（ｃ）に示すガスノズル４６は、ノズル本体４４が図３（ａ）に示すガスノズル２１と同等のものであり、このノズル本体４４の上端部に傘状のノズルカバー４３が設けられ、このノズルカバー４３の内側に噴出し口２１ａが配置されるように形成されている。
【００７２】
また、上記各実施形態が備える気泡小径化部２３は、図１に示すように、分散板１７と、この分散板１７上に配置された多数の第２粒状物２２（固定層１９）とを備えるものとしたが、これに代えて、例えばこの分散板１７と多数の第２粒状物２２を互いに結合させて一体に形成して、多数のガス流入口２０と、多数のガス流出口２４とを有するものとしてもよい。もちろん、これら多数のガス流入口２０と、多数のガス流出口２４とを有する一体物としてもよい。
【００７３】
このようにすると、炉本体１３内の流動化用ガス１４の流速（空塔速度）を大きくしても、気泡小径化部は流動しないので、伝熱管１５を加熱するための効率の良い空塔速度で流動媒体１２を流動させることができる。
【００７４】
そして、上記第２実施形態では、図２に示すように、本発明を、炉本体１３内の空間が仕切り壁３５によって仕切られて燃焼セル３６と収熱セル３７が形成され、流動媒体１２がこれらの燃焼セル３６及び収熱セル３７を流動すると共に循環する内部循環流動床炉に適用したが、これに代えて、図には示さないが、本発明を外部循環流動床炉に適用することができる。
【００７５】
この外部循環流動床炉は、例えば流動媒体１２である第１粒状物２５を収容する火炉と、この火炉から燃焼ガスと共に排出される第１粒状物２５を導入し、この第１粒状物２５を捕集して排出する捕集装置と、この捕集装置によって捕集、排出された第１粒状物２５を、例えば図１又は図２に示す炉本体１３内の伝熱管１５を経由して火炉に循環させる循環系を備えるものである。この場合は、炉本体１３内で燃焼が行なわれない。
【００７６】
次に、図４を参照して、流動する流動媒体１２との衝突によって生じる伝熱管１５の減肉量の実験結果を説明する。この実験は、気泡分散構造Ａと、気泡分散構造Ｂとを比較したものである。気泡分散構造Ａは、図１に示す流動床炉１１において、固定層１９を省略したものと同等のものである。気泡分散構造Ｂは、図１に示す流動床炉１１のものと同等のものである。ただし、伝熱管１５は、アクリル製の模擬伝熱管を使用している。模擬伝熱管を使用することによって、減肉量を増大させることができ、減肉量の測定をし易くすることができる。
【００７７】
図４に示すように、気泡分散構造Ｂによれば、気泡分散構造Ａと比較して流動媒体１２中の気泡径が約７０％となり小さくなる。アクリル製の伝熱管の減肉量は、約２０％低減できる。よって、金属製の伝熱管１５の磨耗減肉を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上のように、本発明に係る流動床炉及びそれを備える流動床ボイラは、流動化用ガスの気泡を小さくすることによって、流動媒体が伝熱管の外面に衝突するときの衝突速度を小さくして、流動媒体が伝熱管に衝突することにより生じる伝熱管の損耗減肉を低減することができる優れた効果を有し、このような流動床炉及びそれを備える流動床ボイラに適用するのに適している。
【符号の説明】
【００７９】
１１、３４ 流動床炉
１２ 流動媒体
１３ 炉本体
１３ａ 側壁部
１４ 流動化用ガス
１５ 伝熱管
１６ 分別回収機構
１７ 分散板
１８ ガス導入部、第１ガス導入部
１９ 固定層
２０ ガス流入口
２１、４５、４６ ガスノズル
２１ａ 噴出し口
２２ 第２粒状物
２３ 気泡小径化部
２４ ガス流出口
２５ 第１粒状物
２６ 排出機
２６ａ、２７ａ 入口
２６ｂ 出口
２７ 分別機
２７ｂ 第１出口
２７ｃ 第２出口
２８ 排出口
２９ 排出管
３０ 第１貯留槽
３１ 第２貯留槽
３２ 循環装置
３５ 仕切り壁
３６ 燃焼セル
３７ 収熱セル
３８ 第２ガス導入部
３９ 上通路
４０ 下通路
４１ 保持壁
４２ 仕切り板
４３ ノズルカバー
４４ ノズル本体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱された流動媒体が炉本体内に収容され、この流動媒体を流動化用ガスによって流動させて、前記流動媒体中に配置された伝熱管を加熱する流動床炉において、
前記流動媒体を保持するように設けられ、流動化用ガスをガス流入口から流入させて、前記ガス流入口の数よりも多数のガス流出口から流出できるようにして、流動化用ガスを前記流動媒体中に供給することができる気泡小径化部を備えていることを特徴とする流動床炉。
【請求項２】
前記気泡小径化部は、前記ガス流入口を形成する分散板と、この分散板上に載置され、前記ガス流入口の数よりも多数のガス流出口を形成する固定層とを有することを特徴とする請求項１記載の流動床炉。
【請求項３】
前記流動媒体は、第１粒状物で形成され、前記第１粒状物は、流動化用ガスの流速が第１流動化開始速度のときに流動を開始し、
前記固定層は、第２粒状物で形成され、前記第２粒状物は、流動化用ガスの流速が第２流動化開始速度のときに流動を開始し、
前記第２流動化開始速度が、前記第１流動化開始速度よりも大きくなるように前記第１及び第２粒状物が形成されていることを特徴とする請求項２記載の流動床炉。
【請求項４】
前記第１粒状物又は第２粒状物を、所定の密度、所定の大きさ、又は所定の形状とすることによって、前記第２流動化開始速度が、前記第１流動化開始速度よりも大きくなるようにしたことを特徴とする請求項３記載の流動床炉。
【請求項５】
前記炉本体内の流動化用ガスの流速を前記第２流動化開始速度以上にして、前記固定層及び前記流動媒体を流動させて前記炉本体の外側に排出し、これら排出された前記流動媒体を構成する第１粒状物と、前記固定層を構成する第２粒状物とを分別して回収することができる分別回収機構を備えることを特徴とする請求項３又は４記載の流動床炉。
【請求項６】
前記気泡小径化部は、前記ガス流入口及び前記ガス流出口を有する一体物又は一体として形成されていることを特徴とする請求項１記載の流動床炉。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の流動床炉を備えることを特徴とする流動床ボイラ。
【請求項１】
加熱された流動媒体が炉本体内に収容され、この流動媒体を流動化用ガスによって流動させて、前記流動媒体中に配置された伝熱管を加熱する流動床炉において、
前記流動媒体を保持するように設けられ、流動化用ガスをガス流入口から流入させて、前記ガス流入口の数よりも多数のガス流出口から流出できるようにして、流動化用ガスを前記流動媒体中に供給することができる気泡小径化部を備えていることを特徴とする流動床炉。
【請求項２】
前記気泡小径化部は、前記ガス流入口を形成する分散板と、この分散板上に載置され、前記ガス流入口の数よりも多数のガス流出口を形成する固定層とを有することを特徴とする請求項１記載の流動床炉。
【請求項３】
前記流動媒体は、第１粒状物で形成され、前記第１粒状物は、流動化用ガスの流速が第１流動化開始速度のときに流動を開始し、
前記固定層は、第２粒状物で形成され、前記第２粒状物は、流動化用ガスの流速が第２流動化開始速度のときに流動を開始し、
前記第２流動化開始速度が、前記第１流動化開始速度よりも大きくなるように前記第１及び第２粒状物が形成されていることを特徴とする請求項２記載の流動床炉。
【請求項４】
前記第１粒状物又は第２粒状物を、所定の密度、所定の大きさ、又は所定の形状とすることによって、前記第２流動化開始速度が、前記第１流動化開始速度よりも大きくなるようにしたことを特徴とする請求項３記載の流動床炉。
【請求項５】
前記炉本体内の流動化用ガスの流速を前記第２流動化開始速度以上にして、前記固定層及び前記流動媒体を流動させて前記炉本体の外側に排出し、これら排出された前記流動媒体を構成する第１粒状物と、前記固定層を構成する第２粒状物とを分別して回収することができる分別回収機構を備えることを特徴とする請求項３又は４記載の流動床炉。
【請求項６】
前記気泡小径化部は、前記ガス流入口及び前記ガス流出口を有する一体物又は一体として形成されていることを特徴とする請求項１記載の流動床炉。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の流動床炉を備えることを特徴とする流動床ボイラ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２０３６５３（Ｐ２０１０−２０３６５３Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４８３１４（Ｐ２００９−４８３１４）
【出願日】平成２１年３月２日（２００９．３．２）
【出願人】（３０８００７５０５）カワサキプラントシステムズ株式会社 (51)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２日（２００９．３．２）
【出願人】（３０８００７５０５）カワサキプラントシステムズ株式会社 (51)
【Ｆターム（参考）】
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