JPS6176801A - 負荷対応型伝熱管付き流動層装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は流動層装置に係り、特にボイラ装置としての負
荷応答性を高めるよう層内伝熱管構造に配慮を加えた流
動層装置に関する。

〈従来の技術及びその問題点〉 流動層は・燃料とγＩＵ動媒体とが混合４；イ・拌しな
がら燃焼を行うため非常に広範囲の材料を燃料として利
用し得るため、各種燃焼装置として、また廃棄物の焼却
裟７１″として幅広く利用されている。また層内の伝熱
係数が非常に高いため、層内の熱を有効に回収するため
、層内に伝熱管を配置したものも提供され、実用化され
ている。

第２南はこのうち流動層ボイラとして使用てれているも
のを示す。ボイラ本体の風箱８に流入した空気Ａは分散
板１１を経て層内に流入し、この媒体を流動化させて流
動層４を形成する。粉炭管６を経て供給された燃料（例
えば粉砕炭）Ｆはノズル９から流動層４に供給され、流
動媒体と共に攪拌され良好に燃焼する。−刃本体１を構
成する水管壁たるボイラ壁面において加熱された給水は
ドラム２に入り、ドラム２から排出された蒸気は主蒸気
管３を下降して、層内伝熱管ｌＯに入り、流動層の熱に
より過熱蒸気となって系外に排出される。

なおこのボイラ装■沙においては、層内伝熱管は過熱器
として利用されているがもとよりこれに限らず、蒸発器
、その他としても利用されている。

ここで、流動層燃焼装置は、上述の流動層ボイラも含め
て燃・層温度を維持するだめに流動層内ガス論・、速、
すなわち処理ガス量を変えても層内温度を一定に保つ車
が望ましい。

次式で示すようにζノｆｊ動層と層内伝熱管との間の熱
交−がｑは、層と伝熱管との間の熱伝達係数ｈＷ１伝熱
而Ｍ　Ａ　、層温度’ｒｂ　、および層内伝熱管表面温
度Ｔ’ｗのり数で与えられる。

ｑ、　＝　ｈｗＡ　（Ｔｂ　　Ｔｗ　）第４図に示すよ
うに、従来技術による層内伝熱管では熱伝達係数ｈｗと
流動層内ガス流速Ｕ○との関係は、適正流動化範囲では
熱伝達係数ｈｗがほぼ一定となる特性を有している。従
って層温度を一定に保つためには処理ガス量すなわち流
動層−の入熱量を変えた場合にも層温度を一定に保持す
べく層内伝熱管と流動層との熱Ｖ換量ｑを変える必要が
ある。そのためには　ｈｗが一定のため伝熱面稍Ａある
いは流動層と層内伝熱管との湿度差（ＴｂＴｗ）を変え
なければならない。しかし。

伝熱管内流体温度、伝熱管温度はプロセス上自由に変え
るわけにはゆかず９通常、伝熱面積Ａのみが変更可能な
場合が多い。たとえば流動層ボイラーでは伝熱面精Ａを
変える方法として層膨彊を利用して伝熱管の層内浸漬面
積を変えるベロ／ティターンダウン法とか流動層をいく
つかに分割するセル分割法を採用しているが、これらの
方法に、は層界面付近での云？！！（管の摩耗や分割し
た流動層の制御装置のコストが高い１等の欠点がある。

ベロ７テイターンダウン法あるいはセル分割法を用いな
い場合には層温度の大幅な低下をまぬがれない。

第３図に示す層内伝熱管］０を流動層４内に配置［７た
時の層内伝熱特性は第４図の（ａ）部に示すごとく炉内
ガス”＋ｔ’＋：　（ｍ／Ｓ　）　／炉断面晴（ｍ′）
で定義する空塔速度Ｕｏ　（ｍ／Ｓ　）　　により変化
する。なお図中符号１２は流動媒体、Ｇは層内を上昇す
るガスを示す。

空塔速度ＵＯが低すぎると給炭管６から流動層４内に供
給した石炭の拡散混合速度がおそく、空気分散板１１か
ら吹き込んだ空気との混合、接触が不十分なだめ燃焼性
能が低下する。逆に空塔法ＦＪｆＵ。

が過大の時には層内からの未燃の石炭の飛びだし併が増
し１この場合も燃焼性能が低下する。従って仝塔速ｔ、
ｖ　［Ｊｏには；Ｆｌｉ　ｉＥな１吏用ｄｉα囲があり
、通常空塔法Ｋ　ｔＪｏけ流動化開始速ＫＩ　Ｕｍｆの
３陪から６倍のｉｈＭａで連転する場合が多く、第４図
の（ａ１部に示すようにこの運転範囲では層内の熱伝達
係数がほぼ一定の１ｊｊｉ囲である。流動層ボイラーで
は空気比一定で運転するだめ空塔速度ＵＯと空気量１石
炭量。

ボイラー負荷は相互に比例関係にある。空塔速度Ｕｏと
ボイラ負荷１屓温度の関係を第４図の（ｂ）部。

（ｃ）γ？ＩＸに示す。ボイラー負荷１００％での層温
ザが８５０℃の時、第３図に示す如き、同等特別な手段
を施していない従来型の層内伝熱管を使用するとボイラ
ー負荷７０％時の層温度は燃焼性能維持に必要な下限層
温度７５０℃に下降し、これ以上の低負荷ユ）Ｖ転は燃
焼性能の大幅な低下をもたらす。

流動層４の温度は層への入熱量と層内伝熱管１０による
吸熱量とのバランスにより定まるが従来技術による層内
伝熱管ではボイラー負荷を下げ空塔速度を下げても熱伝
達係数がほぼ一定であるため、層内伝熱管による吸熱量
は依然として高いままである。そのため負荷低下時に層
温度の低下が激しく、Ｊ４１ａに示すごとくボイラー負
荷１０％当たりの１一温度低下は約３３℃にも達する。

このように上記した従来技術による層内伝熱管を用いた
帽５動層ボイラーでは単位貢荷当りの層温度低下幅が大
きく、同ボイラーにより発生した蒸気やこの蒸気を用い
た電力を使用するユーザの事情により、まだ廃棄物を燃
料として使用する場合のように燃料供給が不安定なだめ
嘱広く負荷制御を行う必要があるにもかかわらず、単一
のベッドでは７０％以下の低負荷運転が難しいという欠
点がある。

以上、燃焼性能について述べたが石灰石等を脱偏、剤と
しで用い炉内脱硫を行う流動層ボイラーにおいても層温
度には適正範囲があり層温度が低過さでも高すぎても炉
内脱硫性能が低下するため一定の・層温度を維持するこ
とが望ましい。

く本発明の目的〉 本発明の目的は上記した従来技術の欠点をなくし低負荷
−転時にも層温度の低下が少なく高い反Ｇｃ率あるいは
地動率を維持しつつ運転できる流動層装置〜を提供する
にある。

〈本発明の概要〉 要するに不発明は、層内云！＄管の周囲に伝熱管速聞に
ほぼ比例して熱伝達係数を変えることがでさるようにし
たものである。

ぐ儒ｔ４カイ１１クリ〉 ＜ｊｐ　５図は本発明の第１の実施例を示す。符号１０
け流動層内に水平に配置した層内伝熱管である。

１３はこの層内伝φ、ノ（営１０に対して一定の全問Ｉ
６を介して動１〒長手方向に配置したカバーである。こ
のカバーは、鉛直面１４に対して非対象に、つまり鉛障
面を中心としてその断面形状が一方の１０１１　（図示
の場合は左側）に犬きく展伸し、伝熱管１０を覆うよう
形成配置し、その端縁部１６ｂは水平面１５を越えて鉛
直面１４近傍にまで位置するよう構成しである。図示の
場合は、このカバーの端Ｍ１６　ａ、　Ｌｂｂと伝熱管
１０の中心軸線とのなす角は約１８００　となっており
、カバー１３は円筒を半割にした形状となっている。な
お、図示の場合は鉛直面１４の右半部が開放空間となっ
ているが、反対に左半部に開放空間を形成することもも
とより可能である。

以上のη′に成の伝熱管溝造において、媒体の挙動を第
９図を用いて説明すると、流動化メ体を層中に供給しな
い場合には層は静止層となっており、カバー１３と層内
伝熱管】０との間に充填している媒体ももとより静止ｊ
・Δとなっている。次に流動化気体を層内に供給し、空
塔速度ＵｏがＬＴｍｆ　となると層内の媒体は流ｒＪ、
ｔｈ化を開始するが、同図（ａ）の如く空間１６内の媒
体は、層内を上昇するガスＧの気泡ｊ４がカバー１３に
より遮られるだめ十分な流動化工不ルギーが与えられず
依然として静止層を維持する。さらに（ｂ）の如く空塔
速度ＵＯがｊＷ４加すると空間内にもカスＧ及び流動エ
ネルギーを付与されだがｉ体が浸入し、媒体の移励層を
形成し、最終的には（ｃ）の叩り１１１シの〉Ｔ）り分
と同１１求にｒＷｊ　１ｒｊ＋化を開始する。

つまり：・・フ「り伝熱管１０とカバー１３との闇の粒
子は空塔・中「１−の」１；ｆ、＋加に伴い周囲のＩマ
ｌ子が全て流動化を終えた函　ｉｊ々に流動化を始める
。その結果、空ニア・７；！ｊリニが１代い″ソ７合に
はカバー１３と層内伝熱管１０との間の粒子がル１１市
層あるいは移ｕｉｈ層の状態であるためカバーした？？
Ｂ分の一へ云４係数が小さいが、空塔・、）互度のノ゛
、ノ加とともにこの部分が倫々に流＋Ｉｉｊ＋化するだ
め？メ（云噸１糸叔ば空塔速度に４ぽ比例して請願する
ことになる。なお空間部１０の距１＋ｊｌｌｉ　Ｗけ伝
熱管１（）の泊ｒ↑の０．１倍から５培、好ましくは０
．５倍から２１音とすることにより良好な結果が得られ
ることか唯占、暮でさた。

、試１０図は発明者等が、平均粒径０２５頭のガラス球
を層内弾体として、第５図に示す形状のカバーを用いた
場合〔線図（イ）で示す〕と、カバーを全く用いない従
来３ｑの・（財）体［：線、１（０）で示ず〕との熱伝
達係数の変化につき実験した結果を示す。スからも明ら
かなとおす、本発明の場合には熱伝達係数と空塔速度と
はほぼ完全に比例するのに対し。

冗来型の云γノ〜肯では空塔速度が流動化開始速度Ｕｍ
ｆに達すると７１６１内伝；す（・θの周囲がほぼＩＯ
２時に流１１１ｊ１化をｆｊｉ４　死するため層内伝熱
管と層内媒体【］シびにガスとの熱伝達係Ｊ、父は、Ｙ
≦ｒ　ｑ＋　ｔｏ＞に示すごとく、＠、θ／ｆに増加し
、以後は一定となってしまう。つまり低角荷時の臥吸収
量が多くなり、前述の如く負荷制御範囲を狭くせざるを
得ないことＫなる。

第１図ｆａ）及びｆｂ）は第５図に示す実施例のうち最
適の状態のものを示す。

すなわち、第１１：イ＋　（ａ）に示すように伝熱管の
中・し・を疋Ｊる鉛Ｉ育面１４で且つ伝熱管の中心から
下の鉛直面１４　ａを規準面として右に６０°頌斜し且
つ伝臥管の中心をコ…る而と前記鉛直面から左に１７５
°１頃糾し且つ伝熱管の中心を通る面で挾まれる範囲を
覆うか、或いは第１図（ｂ）に示すように左右を逆にし
て伝熱管の中心をＪＩする面と前記鉛直面から左に６０
０１頃科し且つ伝熱管の中心を通る面と前記鉛直面から
右に１７５°頌科し且つ伝熱管の中心を通る面とで挾ま
ｌ′Ｌる範囲を履うよう形成、配置する。

帛１１．　＋ａ　；−ＩＩ：本発明を用いた流動層ボイ
ラーの特性（図中イリ図Ａ及びＢで示す）を示したもの
であるがボイラー負荷７０％時のＮ温度を比較すると従
来技Ｉｉｌ：ｉによる層内伝熱管では７５０°Ｃにまで
低下するが〔同図の（ｃ）部参照〕本発明による層内伝
熱・びでは８３０℃にとどめることができる。すなわち
従来技術による層内伝熱管（線図、Ｃ，Ｄ）では７ｉ？
　・（ラー負荷１０％当たりの層温度低下幅３３℃にも
達していたが、本発明による層内伝熱管を用いることに
よりホイラー負荷１（）９イ当たりの層温度低下幅を７
℃以下に抑えることができ層温度の低下にもとず〈慾暁
性能や脱倫性能の低下を最小限度に抑ズ−ることかでき
る。

；ｒ＜　６　ｆンＩは第２の実施例を示す。この実施例
においてはカバーは符号２０に示す如く断面が略り字型
となるよう梅成しである。この様に形成すれば平板をほ
ぼ直角に屈曲きせることによりカバーを形成することが
できるので製造費を安価に押えることかできる。

第７図は第３の実施汐りを示す。カバー２１は円筒形で
あり、内部に伝熱管１０を収網すると共に両者の中心軸
線がほぼ一致するよう配置する。この実施レリは第１の
実施例の変形例でもあり、第１の実施例では開放空間と
なっている部分が小孔２２を多数穿設した多孔部上なっ
ている。この様に形成することにより空間部ＩＧの媒体
の流動化は第１の実、７３１１例の場合より遅くなり、
特に高負衛域での運転が多い装置において有効である。

第８図は第４の実施例を示す。カバー２３は第２の実施
例とほぼ同様に断面り字形に力尼曲形成しであるが、屈
曲部が鉛直面１４上に位置するように、つまりＶ字形と
なるよう配置する。このうち一方のＩＩ！ＩＩ　ｉＭに
対して小孔２４を穿設して多孔板部とする。

なお、以上の実施例において、カバーの材・質は耐熱性
、耐摩耗性を有する材料であることが好ましく、伝熱管
１０を形成する金属材料と同様の材料の外、セラミック
ス等であってもよい。またカバ−１り形状もヒ、ホの実
施１２（１に限るものではなく、効ｌ楼はへ・−＼）　
ｊＬ）ζ下するか゛ト板であっても良いし、カバー自体
を小径の水・ｌ〒を配ＩＭすることにより形成してもよ
い。

く効果） 本発ｔｌＩ−１，’、でよ妊；ブｉ′り内云払管の執伝
達系数と空塔連）堤と后・り−袴は比（′１１１シて変
化させることができるので、低ｆ］荀時の層内ｉ、７．
　？の低下が代かで済み、買時：ｌ＋（ｌ　？ｉ’！Ｉ
範囲を拡張することができる。

１「ヌ１面のｊ＋、Ｉ’ｌ単な説明 第１図ｆａＪ及びｔｂ）は萬１の実か゛伐倒中最適の状
、９、瞑を示す云＠、管所面四、第２図は流、動層ボイ
ラの系統図、第３１￥１は従来の層内伝執肯の断面図、
第４図は従来の流動、鳴ボイラにおける。伝執係数、ボ
イラ負荷及び層温度と空塔速度との関係を示す線図、第
５スないし第８図は層内伝執管及びカバーの横１所面図
であり、第５図は第１の、第６図は第２の。

第７図は第３の、第８図は第４の実施例を各々示し、第
９図（ａ）ないしくｃ）は本発明の伝熱管構造における
媒体の状態の変化を示す伝熱管断面図、第１０図は従来
型装置と本発明装置の熱伝達係数と空塔速度との１７１
．１係を示す線図、第１１図は、伝熱係数。

ボイラ負荷１屠温度と空塔速度との関係における従来型
装置と本発明装置との比較を示す線図である。

４・・・ｉＸｒ、　９ｒＪ）層　　　　１０・・・層内
伝熱管１３、２０．２１．２３　”・カバー ド１・・・鉛直面　　　　１６・・・空間部２２．２４
・・・小孔 （０）　　　　　　（ｂ） ４ａ 第２図 第３図 （Ｏ 第７図　　第８図 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流動層内に伝熱管を配置し流動層内で発生した熱を
   回収するものにおいて、一定の空間を介して層内伝熱管
   の長手方向にカバーを配置し、カバーと伝熱管との間の
   空間内の媒体の充填状態変化により熱伝達係数を空塔速
   度とほぼ比例するよう構成したことを特徴とする負荷対
   応型伝熱管付き流動層装置。 ２、前記カバーを、伝熱管中心軸線を通過する鉛直面に
   対して非対象に配置したことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の負荷対応型伝熱管付き流動層装置。 ３、前記カバーを断面円弧状に形成し、鉛直面を中心と
   して一方の側に開放空間を形成するよう構成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の負
   荷対応型伝熱管付き流動層装置。 ４、前記カバーを断面略Ｌ字形に形成し、かつカバーの
   一面が前記鉛直面とほぼ直交するよう位置させたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の負
   荷対応型伝熱管付き流動層装置。 ５、前記カバーを層内伝熱管を囲みかつ同軸心にして円
   筒形に形成し、かつカバー側面の一部に小孔を複数個穿
   設したことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
   ２項記載の負荷対応型伝熱管付き流動層装置。 ６、前記カバーを断面略Ｖ字型に形成し、かつ屈曲部が
   前記伝熱管の軸心を含む鉛直面にほぼ位置するよう配置
   し、カバーの一方の側面に対して複数の小孔を穿設した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記
   載の負荷対応型伝熱管付き流動層装置。 ７、伝熱管の中心軸線を通過する鉛直面について伝熱管
   中心軸線より下部に位置する鉛直面を基準として、この
   鉛直面により仕切られた一方の空間に対して約６０°、
   他方の空間に対して約１７５°展開した区画内に、カバ
   ーが位置するようカバーの形状を定めたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第６項のいづれかに記載
   の負荷対応型伝熱管付き流動層装置。 ８、カバーと伝熱管との間の距離を、伝熱管直径の０．
   １倍から５倍の間としたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第７項のいづれかに記載の負荷対応型伝
   熱管付き流動層装置。 ９、前記カバーと管体との間の距離を伝熱管直径の０．
   ５倍から２倍の間としたことを特徴とする特許請求の範
   囲第８項記載の負荷対応型伝熱管付き流動層装置。 １０、カバーをセラミックス等の耐摩耗性及び耐熱性を
   有する材料により構成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第９項のいづれかに記載の負荷対応型
   伝熱管付き流動層装置。