JP4219312B2 - 循環流動層ボイラの高温腐食低減装置 - Google Patents

Description

本発明はガスから液体、固体まで幅広い燃料対応性をもつ循環流動層ボイラの高温腐食低減装置に関し、詳しくは外部熱交換器での高温腐食の問題を解消でき、発電の高効率化を実現できる循環流動層ボイラの高温腐食低減装置に関する。

廃棄物発電は、従来の化石燃料に替わる再生可能エネルギーの安定供給源として、また地球温暖化防止対策として、さらには最終処分場の延命につながる埋め立て量の削減対策等として大きく貢献し、その結果、地球のエネルギー問題、地球の環境問題、そして地域社会問題の改善に寄与するものと期待されている。

平成１３年６月に提出された２０１０年度の廃棄物発電導入目標として、新エネルギー全体の３割に相当する４１７万ＫＷの目標が掲げられている。１９９９年度の実績が９０万ＫＷ程度であることから、５倍の設備容量の増加を図る必要があるとされている。

また、循環型社会構築に向けた法体系も着々と整備され、見直しが実施され、２００３年４月から新エネルギー等の利用に関する特別措置法（ＲＰＳ制度）が完全施行されることから、都市ごみ、下水汚泥、食品廃棄物、農林水産廃棄物、製紙黒液、建築廃材などの廃棄物を対象とした新エネルギー発電の推進が図られるものと予想される。

新エネルギー発電の推進において、近年、廃棄物発電分野の核となる廃棄物燃焼からの超高効率発電を可能とする循環流動層ボイラが注目されている。
特許第３４１７９５２号公報 特開２００３−２０７１１５号公報

特許文献１の図１に記載の技術は、火炉２０、粒子分離装置１４、希釈室１６、中間移動室４２、熱伝達室１８を備えている。粒子分離装置１４の下部から排出された粒子は希釈室１６に上部から入り下部から排出される。希釈室１６の上部から排出された粒子は、中間移動室４２の上部から入り下部から排出され、熱伝達室１８には下部から入るような構成になっている。

しかし、この技術では熱伝達室１８に下部から入り上部に排出されて火炉２０に戻される過程で、熱交換器で熱交換する構成であり、且つ流動化空気と粒子の流れが同じ方向（並流）なので、腐食成分が中間移動室４２を介して大量に持ち込まれ、熱交換器の高温腐食の問題が大きく実用性に欠ける欠点がある。

特許文献２の図１に記載の技術は、火炉２、サイクロン（粒子捕集装置）３、脱離ループ１３と、外部熱交換器６を備えている。脱離ループ１３は循環粒子を燃焼させ、ダクト１４から火炉２に戻している。

しかし、火炉２で燃えなかった循環粒子の付着未燃分が燃えるというのは単なる願望で実現性に乏しい問題がある。

また外部熱交換器６を備えた流動層では隣接層の上部から粒子が入り、上部から排出される構成になっているので、熱交換効率が悪い欠点がある。

更に外部熱交換器６を備えた流動層の上部から粒子が排出される構成であると、流動化空気と同じ方向の流れとなるので腐食成分の除去が不十分で熱交換器伝熱管の腐食の問題がある。

そこで、本発明は、外部熱交換器での高温腐食の問題を解消でき、発電の高効率化を実現できる循環流動層ボイラの高温腐食低減装置を提供することにある。

本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明に至ったものである。すなわち、上記課題は、以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
流動層を有する火炉と、該火炉から燃焼ガスに同伴して排出された粒子を導入し、該粒子を捕集して下方から排出する粒子捕集装置と、該粒子捕集装置により捕集・排出された粒子を外部熱交換器を経由して前記火炉に循環させる循環系を備えた循環流動層ボイラにおいて、
前記循環系に、互いに共通する仕切壁により仕切られると共に内部に前記粒子捕集装置より送られた粒子が流動化空気によって流動層を形成してなる第１流動層、第２流動層及び第３流動層を備えており、
前記第１流動層は、前記粒子捕集装置下部から送られる粒子を導入し流動層内部で開口する粒子導入管を有し、下部に流動化空気を導入する流動化空気導入口を有し、第２流動層との仕切壁の下部には該第２流動層へ粒子を導入する第１下部開口を有し、該仕切壁の上部には第２流動層から空気を流入する第１上部開口を有し、前記仕切壁と対向する側壁の上部には前記粒子捕集装置から送られた粒子と該流動化空気を排出すると共に前記火炉に連結されている循環排出口を有する構造であり、
前記第２流動層は、下部に流動化空気を導入する流動化空気導入口を有し、第３流動層との仕切壁の上部に該第３流動層へ粒子を導入すると共に第３流動層から第２流動層に流動化空気を流入する第２上部開口を有する構造であり、
前記第３流動層は、粒子の流動層内に外部熱交換器を有し、下部に流動化空気を導入する流動化空気導入口を有し、下部に熱交換された粒子を排出すると共に循環ラインを介して火炉に連結されている粒子排出口を有し、前記第２流動層との仕切壁の上部に有する前記第２上部開口から導入されて前記粒子排出口に至る粒子の流れと、該第３流動層の下部に有する前記流動化空気導入口から導入されて前記第２上部開口に至る流動化空気の流れとが対向流を形成する構造であることを特徴とする循環流動層ボイラの高温腐食低減装置。

（請求項２）
前記第３流動層の外部熱交換器は、ボイラの過熱器管や蒸発管を浸漬した構成であることを特徴とする請求項１に記載の循環流動層ボイラの高温腐食低減装置。

本発明によると、外部熱交換器での高温腐食の問題を解消でき、発電の高効率化を実現できる循環流動層ボイラの高温腐食低減装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る循環流動層ボイラの高温腐食低減装置の一例を示す説明図であり、図２は複数の流動層の配置例を示す平面図である。

同図において、１は流動層（デンスベッド）を有する火炉である。本発明において、火炉１の構造は特に限定されるわけではないが、好ましくは、該火炉１の底部に空塔速度の大きいデンスベッド部１００が形成され、上部に空塔速度の小さい火炉本体１０１が形成されていることが好ましい。

デンスベッド部１００は、燃料源となる廃棄物、補助燃料、燃焼用空気、循環粒子（デンスベッド材）などを供給できる構造になっており、燃焼用空気が供給されると、デンスベッド部１００内は激しく流動化され、混合攪拌される。デンスベッド部１００下部には燃焼灰の排出部が設けられていることが好ましい。

廃棄物としては、建築廃材チップ、下水汚泥、農林廃棄物、食品廃棄物、ＲＤＦ（Rufuse Derived Fuel）等の再生可能エネルギー及びＲＰＦ（Rufuse Paper & Plastic Fuel）、廃タイヤ等の産業廃棄物などが挙げられる。

補助燃料としては、重油、軽油などの液体燃料や、都市ガス、プロパンガスなどの気体燃料、石炭などの固体燃料を用いることができ、これらの補助燃料は上記の１種を用いてもよいし、２種以上を組み合わせて使用することもできる。液体燃料、気体燃料、固体燃料を各々用意しておいて切り替え可能にしておくことも好ましい。

燃焼用空気は予め予熱されていると燃焼速度を上昇させる上で好ましい。

デンスベッド材としては、砂利や砂、セラミック粒子などを用いることができ、流動状態で燃焼しているときに熱保有をする役割を主に果たしている。

デンスベッド部１００では、廃棄物、補助燃料、デンスベッド材などが燃焼用空気によって流動化された状態で、着火されると、激しく燃焼し、高温燃焼し、火炉１内で９００℃程度の燃焼ガスを発生する。

この燃焼ガス には流動層（デンスベッド）を形成するデンスベッドを構成する燃焼灰や石灰、砂などが循環粒子として同伴し、燃焼ガスダクト１０２を介して粒子捕集装置２に導かれる。

粒子捕集装置２では、燃焼ガスに同伴して排出された粒子が分離される。粒子捕集装置２としては、粒子を捕集できる例えばサイクロンを用いることができる。以下、粒子捕集装置２をサイクロン２として説明する。

本発明では、サイクロン２で分離された粒子が循環系を介してデンスベッド部１００に戻される過程に、本発明特有の第１流動層３、第２流動層４及び第３流動層５を備えている。

前記第１流動層３、第２流動層４及び第３流動層５は、互いに共通する仕切壁３００、４００により仕切られた空間であり、その空間内に前記サイクロン２より送られた粒子が流動化空気によって流動層を形成しているのが基本的な形態である。各々の流動層の上面ＤＬは上部に空気の流路を形成できる高さに設定されている。ここで仕切壁としては、水冷パネルや耐火壁が好ましい。

前記第１流動層３は、前記サイクロン２下部から送られる粒子を導入し流動層内部で開口する粒子導入管２００を有している。２０１は粒子導入管２００の開口部である。粒子導入管２００を流動層内部で開口するようにしているのは、第１流動層の流動化空気が、粒子導入管２００を通して前記サイクロン２の方向に逆流しない為のものであり、粒子による空気のシールを行っている。

第１流動層３の下部には、流動化空気を導入する流動化空気導入口３０１を備えている。流動化空気導入口３０１は、第１流動層３の内部に均等に空気を供給できるように均等に配置された複数の流動化空気導入管によって構成されていることが好ましい。

第２流動層４との仕切壁３００の下部には、該第２流動層４へ粒子を導入する第１下部開口３０２を備えている。また該仕切壁３００の上部には、第２流動層４から第１流動層３へ空気を流入する第１上部開口３０３を備えている。

仕切壁３００の第１下部開口３０２と第１上部開口３０３は、粒子の移動が可能な構造であればよく、例えば水冷パネルを水冷管のみとしたものや、開口を有する耐火壁などが好ましい。また、特に構造物が無くても構わない。

第１流動層３において、前記仕切壁３００と対向する側壁３０４の上部には、前記サイクロン２から送られた粒子と該流動化空気を排出する循環排出口３０５を備えている。

前記第２流動層４は、下部に流動化空気を導入する流動化空気導入口４０１を備え、第３流動層５との仕切り壁４００の上部に該第３流動層５へ粒子を導入すると共に第３流動層５から第２流動層に流動化空気を流入する第２上部開口４０２を備えている。

仕切壁４００の第２上部開口４０２は、粒子の移動が可能な構造であれば良く、例えば水冷パネルを水冷管のみとしたものや、開口を有する耐火壁などが好ましい。また、特に構造物が無くても構わない。

前記第３流動層５は、粒子の流動層内に外部熱交換器５０１を備えている。下部に流動化空気を導入する流動化空気導入口５０２を有し、底部に熱交換された粒子の粒子排出口５０３を備えている。粒子排出口５０３から排出された粒子は循環ライン５０６を介して火炉１に戻される。５０４は外部熱交換器５０１への蒸気の入口部であり、５０５は出口部である。

次に、以上の構成を有する第１流動層３、第２流動層４及び第３流動層５の作用について説明する。

空気導入口３０１から第１流動層３内に供給された空気は、前記粒子導入管２００の開口部２０１から流入した腐食成分を含むガス及び微粒子（粒子径、比重小のもの）を上部方向にパージし、上部の循環排出口３０５を通して外部排出し、火炉１に戻される。

このため腐食成分を含むガス及び微粒子は、外部熱交換器５０１の方には行かない。高温腐食の影響は微粒子の影響が大きいので、微粒子を外部熱交換器の前で流動化空気と共に排出できれば、高温腐食の原因を除去できる効果が大きい。

特に本発明では、腐食成分を含む流動化空気を、直ちに外部熱交換器に接触させることなく、外部に排出しており、パージされた腐食成分が再度流動層部に接して流動層内に戻らない様に、空気と粒子の流れに配慮されている。

腐食成分をパージされた粒子の一部は、仕切壁３００の下部に設けられた第１下部開口３０２を通って第２流動層４に流入する。

また、仕切り壁３００の上部に第１上部開口３０３が設けられているが、これは、第２流動層４及び第３流動層５からの流動化空気が流れる流路であり、第１流動層３の流動化空気は第１上部開口３０３を通って第２、３流動層側へ流れることは出来ない。

第１流動層３の流動化ガス流速は、サイクロン２で捕集する粒子のなかの微粒子をブローアップするため、比較的大きく設定されることが好ましく、具体的には０．３〜０．６ｍ／secの範囲が好ましい。また第１流動層３内の温度は８５０〜９００℃の範囲が好ましい。

第１流動層３と第２流動層４の仕切り壁３００の下部に第１下部開口３０２を形成しているので、第１流動層３から第２流動層４に送られる粒子は、第１流動層３で除去できなかった微粒子を含んでおり、これらの粒子は空気導入口４０１から供給される流動化空気によって空気と共に仕切り壁３００の上部に設けられた第１上部開口３０３を経て第１流動層３の上部に運ばれる。また、第２流動層４でパージされた後の粒子は仕切壁４００の上部に設けられた第２上部開口４０２から第３流動層５に送られる。

このように、第１流動層３で除去できなかった腐食成分である微粒子を第２流動層４でパージする構成にしているので、外部熱交換器の高温腐食対策がさらに効果的に実施される。即ち、第２流動層４から第３流動層５に送られる粒子には高温腐食を引き起こす微粒子がパージされているので、前述のように外部熱交換器の高温腐食を引き起こす要因がなくなっている。

第２流動層４の流動化ガス流速は、通常の発達した流動層を形成するために０．２〜０．４ｍ／secの範囲に設定されることが好ましい。第２流動層４内の温度は８５０〜９００℃の範囲に設定されることが好ましい。

第３流動層５では、空気導入口５０２から導入される流動化空気は、第２上部開口４０２を通って前記第２流動層４に流入するように構成されている。この空気の流れを利用して第３流動層５内の腐食成分である微粒子を第２流動層４にパージして除去する作用を呈する。

このように第１流動層３、第２流動層４及び第３流動層５を配置してなる構造において、粒子の流れ方向と各流動層の流動化空気の流れ方向を比較してみると、流動層を通過した後の上部空間での流動化空気の流れとパージされる粒子の流れが、完全に対向流になっていることが、本発明の特徴である。

具体的には、仕切壁４００の上部の第２上部開口４０２を介して第２流動層４から第３流動層５に粒子が送られる構造になっており、そして第３流動層５の下部に粒子排出口５０３が設けられているので、第３流動層５内部の粒子の流れは下降流であり、流動化空気の流れは上昇流であるから、粒子と空気の流れは対向流となっている。

また、粒子は第１流動層３→第２流動層４→第３流動層５の方向に向かって送られるのに対して、微粒子パージ用の空気の流れは第３流動層５→第２流動層４→第１流動層３の方向であり、粒子と空気の流れは対向流となっている。

即ち、このような対向流構造を採用することにより、一旦パージされた腐食成分を含む微粒子が、再びもとの流動層中に戻ることが防止され、粒子の流れで最も下流に設置されている外部熱交換器５０１の伝熱管部の腐食成分濃度を最も低く保持することが可能となる。

一例として、外部熱交換器５０１の一部に高温の過熱気管を設置する場合、蒸気の入口部５０４を第３流動層５の上部から供給し、下部に出口部５０５を設けると、最も蒸気温度が高い出口部５０５側で腐食成分の濃度が少なくなるため、最も効果的である。

この第３流動層５では外部熱交換器５０１によってガス温度は５５０〜６５０℃程度に低下しているので、腐食成分を含む微粒子の付着性が低下している。このため腐食成分である微粒子と、比重の重い比較的大きな粒子は分離しやすく、この作用を本発明では効果的に利用できる。

この外部熱交換器５０１は、特に限定されないが、例えばボイラの過熱器管や蒸発管を浸漬した構成であることが好ましい。本発明ではこれらの過熱器管や蒸発管の高温腐食を低減させることが可能となる。

第３流動層５の流動化ガス流速は、浸漬されている伝熱管の摩耗を防止するため、比較的遅い流速に設定されることが好ましく、具体的には流動化ガス流速は０．２〜０．２５ｍ／sec程度に設定されることが好ましい。

また、本発明では、第１流動層３の上部の微粒子パージ空気は循環排出口３０５から循環ライン３０６を介して火炉１に排出されるような構造となっているので、前述のように、外部熱交換器５０１の方には高温腐食の要因となる微粒子を外部熱交換器の前で流動化空気と共に排出できるので、高温腐食の原因を除去できる効果が大きい。

なお、サイクロン２において、下方に落下しない分離ガスと灰は、対流伝熱部６に導入される。対流伝熱部６では熱交換器によって分離ガスから熱回収する。分離ガスと灰は熱回収後、該対流伝熱部６から燃焼排ガスダクト７００を介してバグフィルター７に送られ、灰が除去される。分離されたガスはバグフィルター７から系外に排出され、例えば排ガス処理などが行われる。

以上の実施の形態では、第１流動層３、第２流動層４及び第３流動層５の３つの流動層を備えた態様を例示的に説明したが、第４流動層を付加することもできる。

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。

（実施例１）
燃料としてＲＰＦを用いた燃焼試験によって腐食成分と粒子径の関係を調べたところ、表１に示す結果が得られた。

表１の結果から、Ｃｌ、Ｓ、Ｆのような腐食成分は、５３μｍ以下の粒子径の成分比が大きいことがわかる。

（実施例２）
本発明装置（図１参照）を用いて廃棄物燃焼における過熱器の腐食速度を調べた。

また、比較のために特許第３４１７９５２号の図１に記載の装置及び特開平２００３−２０７１１５号の図１に記載の装置を用いて同様の腐食速度を調べた。その結果を図３に示す。

図３は横軸が燃料中の塩素濃度であり、縦軸は過熱器管（材質：ＳＵＳ３１０Ｓ）の最大腐食深さ（ｍｍ／年）を示している。

図３から明らかなように、本発明の装置では、燃料中の塩素濃度１％程度においても、過熱器管の腐食速度は０．５ｍｍ／年以下に低減されていることがわかる。

これは、本発明の装置では外部熱交換器内の塩素濃度が従来装置に比べ小さい値に保持されているからである。

このことを更に確認するために、燃料中の塩素濃度と外部熱交換器内の塩素濃度の関係を調べたところ、図４のような結果が得られた。

（実施例３）
図１に示す装置において、燃料として、建築廃材チップ、下水汚泥、農林廃棄物、食品廃棄物、ＲＤＦ等の再生可能エネルギー及びＲＰＦ、廃タイヤ等の産業廃棄物を混合した廃棄物（塩素濃度：１％含有）燃料を用いて、電力を回収する実験を行った。

発生ボイラ蒸気は、蒸気圧力：１３０Ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ、蒸気温度：５５０℃、発電端効率：３８％であった。

また、過熱器腐食速度は０．５ｍｍ／年以下であり、排ガス中の公害成分を測定したところ、以下のような結果が得られた。

ＮＯ_ｘ＜１００ｐｐｍ（Ｏ_２＝６％）
ＳＯ_２＜１００ｐｐｍ（Ｏ_２＝６％）
ＣＯ ＜５０ｐｐｍ（Ｏ_２＝６％）
ＤＸＮ類０．１ｎｇ／Ｎｍ^３以下

本発明に係る循環流動層ボイラの高温腐食低減装置の一例を示す図 複数の流動層の配置例を示す平面図 過熱器の腐食速度を調べた結果を示すグラフ 燃料中の塩素濃度と外部熱交換器内の塩素濃度の関係を調べた結果を示すグラフ

符号の説明

１：火炉
２：粒子捕集装置（サイクロン）
３：第１流動層
４：第２流動層
５：第３流動層
６：対流伝熱部
７：バグフィルター
１００：デンスベッド部
１０１：火炉本体
１０２：燃焼ガスダクト
２００：粒子導入管
２０１：開口部
３００、４００：仕切壁
３０１：空気導入口
３０２：第１下部開口
３０３：第１上部開口
３０４：側壁
３０５：循環排出口
３０６：循環ライン
４０１：空気導入口
４０２：第２上部開口
５０１：外部熱交換器
５０２：空気導入口
５０３：粒子排出部
５０４：蒸気の入口部
５０５：蒸気の出口部
５０６：循環ライン
７００：燃焼排ガスダクト

Claims (2)

1. 流動層を有する火炉と、該火炉から燃焼ガスに同伴して排出された粒子を導入し、該粒子を捕集して下方から排出する粒子捕集装置と、該粒子捕集装置により捕集・排出された粒子を外部熱交換器を経由して前記火炉に循環させる循環系を備えた循環流動層ボイラにおいて、
   前記循環系に、互いに共通する仕切壁により仕切られると共に内部に前記粒子捕集装置より送られた粒子が流動化空気によって流動層を形成してなる第１流動層、第２流動層及び第３流動層を備えており、
   前記第１流動層は、前記粒子捕集装置下部から送られる粒子を導入し流動層内部で開口する粒子導入管を有し、下部に流動化空気を導入する流動化空気導入口を有し、第２流動層との仕切壁の下部には該第２流動層へ粒子を導入する第１下部開口を有し、該仕切壁の上部には第２流動層から空気を流入する第１上部開口を有し、前記仕切壁と対向する側壁の上部には前記粒子捕集装置から送られた粒子と該流動化空気を排出すると共に前記火炉に連結されている循環排出口を有する構造であり、
   前記第２流動層は、下部に流動化空気を導入する流動化空気導入口を有し、第３流動層との仕切壁の上部に該第３流動層へ粒子を導入すると共に第３流動層から第２流動層に流動化空気を流入する第２上部開口を有する構造であり、
   前記第３流動層は、粒子の流動層内に外部熱交換器を有し、下部に流動化空気を導入する流動化空気導入口を有し、下部に熱交換された粒子を排出すると共に循環ラインを介して火炉に連結されている粒子排出口を有し、前記第２流動層との仕切壁の上部に有する前記第２上部開口から導入されて前記粒子排出口に至る粒子の流れと、該第３流動層の下部に有する前記流動化空気導入口から導入されて前記第２上部開口に至る流動化空気の流れとが対向流を形成する構造であることを特徴とする循環流動層ボイラの高温腐食低減装置。
2. 前記第３流動層の外部熱交換器は、ボイラの過熱器管や蒸発管を浸漬した構成であることを特徴とする請求項１に記載の循環流動層ボイラの高温腐食低減装置。

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