JP6255011B2 - 流動層ボイラの層内伝熱管及び流動層ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスやプラスチックを含む高発熱量の、ＲＤＦ（Ｒｅｆｕｓｅ Ｄｅｒｉｖｅｄ Ｆｕｅｌ：ごみ固形化燃料）や廃棄物等の燃料を燃焼させて燃焼熱を回収する層内伝熱管及び、この層内伝熱管を備えた流動層ボイラに関する。

近年、化石燃料の価格高騰や地球温暖化問題等へ対応するために、エネルギー資源の活用が求められている。そこで、サーマルリサイクルの役割を果たすシステムとして、ＲＤＦや廃棄物の燃焼による熱を利用して発電するシステムの重要性が高まっている。この発電システムの熱回収方式として、流動層ボイラにおいて、ＲＤＦや廃棄物の燃焼による熱エネルギーを層内伝熱管で回収する方式がある。ＲＤＦや廃棄物は塩素を含有しているので、この方式では、流動層ボイラでＲＤＦや廃棄物を燃焼させる際に、一部の塩素が流動媒体（流動砂）へ移行して層内伝熱管に付着し、層内伝熱管に溶融塩腐食が生じる。この溶融塩腐食に加えて、流動媒体（流動砂）の激しい流動により層内伝熱管は摩耗する。このため、層内伝熱管の減肉量（管壁の厚みの減少量）が大きいという問題がある。

従来、この減肉量を低減するために、流動層内に配置される層内伝熱管の外周面に対して、自溶性合金（Ｎｉ系）の溶射や、ステンレス材の肉盛等が行われていたが、十分な効果が得られなかった。

そこで、伝熱管をスタッドと耐火物（対摩耗性材料）で覆うことにより、伝熱管の減肉量を低減するようにした伝熱管の耐摩耗構造が知られている（特許文献１参照）。しかしながら、この構造は、伝熱管を耐火物で覆うことにより熱伝達率が下がるので、十分な伝熱効果を得るためには大きな伝熱面積が必要になる。

一方、摩耗による減肉を抑制する伝熱管として、伝熱管の外部にプロテクタを設けること、及び伝熱管自体を耐摩耗性に優れた高クロム鋼又はステンレス鋼から形成することが知られている（特許文献２参照）。しかしながら、伝熱管の外部にプロテクタを設けると、伝熱が阻害されるという問題がある。また、伝熱管自体を高クロム鋼又はステンレス鋼から形成すると、摩耗による減肉は低減されるが、摩耗と同時に溶融塩腐食を受ける環境においては、耐久性が不十分となる虞がある。

特開平５−１８７７８９号公報 特開平７−２１７８０１号公報

一般的には、流動層が７００℃から８５０℃の温度で運転されると、流動媒体（流動砂）へ移行した上記塩素は、燃料中に含まれるアルカリ金属類（Ｎａ，Ｋ等）と共晶塩を形成する。この共晶塩が溶融状態において凝縮する凝縮温度は、例えば６５０℃以上７００℃以下である。したがって、層内伝熱管の表面温度が凝縮温度よりも高くなれば、共晶塩が層内伝熱管の表面で凝縮することが抑制され、溶融塩腐食による減肉が減少する。

この一般論に対し、本発明者らは、種々の層内伝熱管が使用された流動層ボイラを長期間に亘って連続運転を行う過程で以下の知見を得た。すなわち、層内伝熱管の内管としてのボイラの鋼管の外部にＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレス材からなるプロテクタを設けることにより耐久性を高めた場合には、内管に接した比較的温度の低い部分のプロテクタは腐食するが、内管に接していない比較的温度の高い部分のプロテクタは腐食の程度が低かった。これに基づいて、層内伝熱管のプロテクタの表面温度が所定温度（例えば、４５０℃）を超える場合に腐食摩耗による減肉を減らすことができることを、本発明者らは発見した。

一方で、流動層ボイラにおいては、層内伝熱管全体としての伝熱性を高めることで、層内伝熱管内を流れる缶水等に流動媒体の熱を速やかに伝えることが本来の機能である。

本発明は、伝熱量を確保するとともに、層内伝熱管の表面温度を所定温度以上として、耐久性に優れた流動層ボイラの層内伝熱管を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る層内伝熱管は、流動層ボイラの流動層内に配置されるように構成された層内伝熱管であって、内部を流体が流れるように構成された内管と、該内管の外部に配置されたプロテクタと、前記プロテクタを前記内管に固定する少なくとも一つの固定部材と、を備え、前記内管の外面と前記プロテクタの内面との間に隙間が設けられ、前記固定部材は、前記内管及び前記プロテクタの各々に接合されている。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記固定部材が、前記内管及び前記プロテクタの各々に溶接により接合されている。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記固定部材が、前記隙間に配置されたスペーサである。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記固定部材が、前記プロテクタ外面から突出するように形成された内管フィンである。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記内管が、直線状に形成される直管部と、湾曲して形成される曲がり管部とを有し、同一平面内を蛇行するように形成される。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記層内伝熱管の内管フィンが、隣接する層内伝熱管の内管フィンと互いに対向するように構成される。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記層内伝熱管の内管フィンが、隣接する層内伝熱管の内管フィンと互いに溶接される。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記層内伝熱管の内管フィンが、隣接する層内伝熱管の内管に溶接される。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記プロテクタが、周方向にスリットを有する。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記プロテクタの内面に黒体塗料が塗布されている。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記プロテクタの材質が、ステンレス鋼である。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記ステンレス鋼が、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６又はＳＵＳ３１０Ｓである。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記隙間の幅が、０．２５ｍｍ以上４．００ｍｍ以下である。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記隙間の幅が、０．２５ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下である。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記隙間には充填材が充填され、その充填率は０．５以上０．９以下である。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記プロテクタの外面にプロテクタフィンが設けられる。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記プロテクタフィンが、羽根状に形成されている。

本発明の別の形態に係る層内伝熱管は、前記プロテクタフィンが、ピン状に形成されている。

本発明の一形態に係る流動層ボイラは、前記層内伝熱管と、流動化空気を前記流動層内に導入する散気ノズルを有し、前記流動化空気は、前記流動層内の流動媒体を流動させるとともに、燃料を燃焼させ、前記層内伝熱管が、前記燃焼による熱を回収する流動層ボイラ。

本発明の別の形態に係る流動層ボイラは、前記流動層が、燃料を燃焼させるための燃焼室と、前記層内伝熱管が配置されて燃焼熱を回収する熱回収室と、を有し、前記流動媒体が前記燃焼室と前記熱回収室とを循環する。

本発明の別の形態に係る流動層ボイラは、前記燃焼時の前記流動層内の温度が７００℃以上９００℃以下である。

本発明の別の形態に係る流動層ボイラは、前記流動化空気の空気量が、２．０≦ｕ_０／ｕ_ｍｆ≦４．０である。

本発明の別の形態に係る流動層ボイラは、前記固定部材が、前記流動媒体の流動方向から見て前記プロテクタの陰となる位置に配置される。

本発明の別の形態に係る流動層ボイラは、前記燃焼時の前記流動層内における前記プロテクタの表面温度が４５０℃以上８００℃以下である。

本発明の一実施形態に係る層内伝熱管を備えた流動層ボイラを示す模式的断面図である。 本発明の一実施形態に係る層内伝熱管を備えた他の流動層ボイラを示す模式的断面図である。 本発明の一実施形態に係る層内伝熱管５の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る層内伝熱管５の断面拡大図である。 本発明の他の実施形態に係る層内伝熱管５の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る層内伝熱管５の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る層内伝熱管５の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る層内伝熱管５の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る層内伝熱管５の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る層内伝熱管５の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る層内伝熱管５の斜視図である。 流動層ボイラに配置される層内伝熱管５の概略外観図である。 流動層ボイラに配置される層内伝熱管５の内管フィン３７の位置を説明するための層内伝熱管５の断面図である。

以下、本発明に係る流動層ボイラの層内伝熱管の実施形態を図１ないし図１０を参照して説明する。図１ないし図１０においては、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る層内伝熱管を備えた流動層ボイラを示す模式的断面図である。図１に示すように、流動層ボイラ１は、略円筒形状又は略四角筒形状の炉本体２と、珪砂等の流動砂である流動媒体が充填された流動層３と、流動層３を支持する炉床底板４と、流動層３内に配置された層内伝熱管５と、を備えている。流動層３内には廃棄物やＲＤＦ等の燃料が供給され、この燃料は流動媒体内にて燃焼される。炉床底板４には、流動化ガスとしての流動化空気を流動層３内に噴出するための多数の図示しない散気ノズルが設けられている。

このバブリング型の流動層ボイラ１において、燃料は図示しない投入口から流動層３に供給される。このとき、炉床底板４の散気ノズルからは、流動層３の全体に亘って均一な空気量の流動化空気が噴出される。これにより、流動層３は、流動層３内の流動媒体が上下に活発に流動する、いわゆるバブリング流動層となる。

供給された燃料は流動層３内で熱分解及び燃焼される。この燃焼熱により流動媒体が加熱され、流動層３内の温度が７００℃以上９００℃以下に維持される。流動層３内の温度は、流動化空気の空気量を２．０≦ｕ_０／ｕ_ｍｆ≦４．０とすることにより維持される。ここで、ｕ_０は空塔速度であり、ｕ_ｍｆは最低流動化空塔速度（流動媒体が流動化するために必要な最低の空塔速度）である。

図２は、本発明の一実施形態に係る層内伝熱管を備えた他の流動層ボイラを示す模式的断面図である。図２に示すように、流動層ボイラ１１は、略四角筒形状の炉本体１２を備えている。炉本体１２内は左右一対の仕切壁１３によって、１つの燃焼室１４と、層内伝熱管５が配置された２つの熱回収室１５と、に分割されている。燃焼室１４内には、廃棄物やＲＤＦ等を熱反応させる流動床２０が形成され、流動床２０は炉床底板３０によって支持されている。炉本体１２内に設置された炉床底板３０は、中央が高く、両側縁に向かうにつれ徐々に低くなった山形状をなしている。炉床底板３０には、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出するための多数の図示しない散気ノズルが配置されている。各熱回収室１５内には流動床２３が形成され、この流動床２３は炉床底板３１によって支持されている。炉床底板３１には、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出するための図示しない散気ノズルが配置されている。

図２に示すように、山形状の炉床底板３０の下方には中央部に配置される２つの空気箱３２，３２と、両側部に配置される２つの空気箱３３，３３が形成されており、これら空気箱３２，３２，３３，３３には炉外から流動化空気が供給されるようになっている。図示しない調節弁の開度を調節することで、空気箱３２，３２，３３，３３に供給する空気流量が調節される。これにより、２つの空気箱３２，３２の上方の散気ノズルからは、流動媒体に小さな流動化速度を与えるように流動化空気が噴出され、２つの空気箱３３，３３の上方の散気ノズルからは、流動媒体に大きな流動化速度を与えるように流動化空気が噴出される。これにより、炉床底板３０の中央部の上方に、流動媒体が比較的ゆっくりした速度で上方から下方に移動する移動層２１が形成され、炉床底板３０の両側部の上方に、流動媒体が下方から上方に移動する流動層２２が形成される。したがって、流動床２０の下部では流動媒体が移動層２１から流動層２２へ移動し、流動床２０の上部では流動媒体が流動層２２から移動層２１へ移動する。これにより、移動層２１と流動層２２との間を流動媒体が循環する循環流が、流動層２０の左右に形成される。各仕切壁１３の傾斜部は、上昇する流動媒体を炉本体１２の内部側に反転しやすくするデフレクタとして機能する。

この内部循環型の流動層ボイラ１１において、燃料は図示しない投入口から移動層２１に供給される。このとき、上述したように、調節弁の開度が調節されることで、移動層２１に供給する流動化空気の空気量は、流動層２２に供給される流動化空気の空気量よりも小さくなるように調節される。本実施の形態では移動層２１に供給する流動化空気の空気量が２．０≦ｕ_０／ｕ_ｍｆ≦４．０、流動層２２に供給する流動化空気の空気量が４．０≦ｕ_０／ｕ_ｍｆ≦８．０とされる。

移動層２１に供給された燃料は、流動媒体内に取り込まれて、流動媒体と共に移動層２１内を下方に移動する。このとき、供給された燃料は流動媒体の熱によって熱分解されて燃料中の可燃分から可燃ガスが発生し、その結果、脆い熱分解残渣が生成される。熱分解残渣は、典型的には、不燃物、及び熱分解によって脆くなった未燃物（チャー）を含んでいる。移動層２１で生成される熱分解残渣は、流動媒体の流動に従って炉床底板３０に至ると、傾斜した炉床底板３０に沿って流動層２２に向かう。流動層２２に至った熱分解残渣は激しく流動する流動媒体と接触して、未燃物が熱分解残渣から剥離する。未燃物が熱分解残渣から剥離することで残った不燃物は、一部の流動媒体と共に不燃物排出口１７から排出される。

一方、熱分解残渣から剥離した未燃物は、流動化空気が供給されることにより流動する流動媒体と共に、流動層２２内を上方に移動する。このとき、未燃物は、供給された流動化空気によって燃焼し、流動媒体を加熱しつつ燃焼ガスを発生する。これにより、未燃物は微細な未燃物及び灰分粒子となる。流動層２２の上部に移動した高温の流動媒体の一部は、移動層２１に流入する。流動層２２において、流動媒体の温度が、燃料の熱分解を適切に行うことができる温度に上昇する。移動層２１に流入した流動媒体は、再び燃料を受け入れて、上述した、移動層２１及び流動層２２における熱反応を繰り返す。移動層２１及び流動層２２の温度は７００℃以上９００℃以下に維持される。

また、流動層２２の上部に位置する高温の流動媒体の一部は、仕切壁１３の上部を越えて熱回収室１５に入り込む。熱回収室１５に入り込んだ流動媒体は、層内伝熱管５と接触しながら、上方から下方に移動する流動床２３を形成する。熱回収室１５の炉床底板３１は炉本体１２の内壁側から燃焼室側に向かって下方に傾斜しており、熱回収室１５の下部には開口部１８が設けられている。熱回収室１５に入り込んだ流動媒体は、流動床２３を形成しつつ沈降し、開口部１８から燃焼室１４へ循環する。熱回収室１５に入り込む際の流動媒体の温度は７００℃以上９００℃以下であり、層内伝熱管５が流動媒体と接触することで、流動媒体から熱を回収する。流動床２３の炉床底板３１の散気ノズルから噴出させる流動化空気の空気量は２．０≦ｕ_０／ｕ_ｍｆ≦４．０に制御される。

燃焼室１４へ循環した流動媒体は、流動層２２に合流し、流動媒体とともに流動層２２内を上昇し、一部の流動媒体は、再び熱回収室１５に入り込み、上述の層内伝熱管５内の流体との熱交換を繰り返す。

この流動層ボイラ１１によれば、燃料を燃焼する燃焼室１４と、熱回収をする熱回収室１５とが分離されているため、燃料中の不燃物が層内伝熱管５に絡まることを防止することができる。

次に、図１及び図２に示した流動層ボイラにおいて用いられる層内伝熱管５について説明する。

図３ａは、本発明の一実施形態に係る層内伝熱管５の斜視図である。また、図３ｂは本発明の一実施形態に係る層内伝熱管５の拡大断面図である。図３ａに示すように、層内伝熱管５は、内部に流体が流れる内管６と、内管６の外周面に設けられた固定部材としての一対の内管フィン３７と、内管６外部に隙間７を有して設けられた、内管６を保護するプロテクタ８と、を備えている。本実施形態では、図３ｂに示す隙間７の幅Ｗは０．２５ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下である。

内管６の内部流体としては水、飽和水もしくは蒸気、又はアンモニア、ペンタンもしくはフロンなど水よりも低沸点の熱媒体（低沸点流体)等が用いられる。内管６としては、内部流体が飽和水の場合、厚さ４〜８ｍｍのボイラ・熱交換器用炭素鋼管、例えばＳＴＢ４１０Ｓといった水管が採用され、内部流体が蒸気の場合、厚さ６〜１０ｍｍのボイラ・熱交換器用ステンレス鋼管、例えばＳＵＳ３１０ＴＢといった蒸気管が採用される。内管６の外周面には、図示のように一対の内管フィン３７が溶接により固定されており、内管フィン３７にはプロテクタ８が同様に溶接により固定されている。内管フィン３７は板状に形成され、プロテクタ８の外面から突出するように形成されている。これにより、流動層ボイラ内に層内伝熱管５が配置された際に、高温の流動媒体からプロテクタ８及び内管フィン３７を介して内管６に一定の熱伝達が行われる。内管フィン３７には、内管６の材質に応じて炭素鋼板やステンレス鋼板を用いる。

本実施形態では、一対の内管フィン３７は、図中上下方向に線対称となるように内管６の外周面に夫々設けられている。後述するように、層内伝熱管５は、隣接して配置された層内伝熱管５と、内管フィン３７を対向させて配置することができる。（図９及び図１０参照）。

プロテクタ８の材質はＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレス鋼であり、プロテクタ８は断面略半円形状に形成されている。プロテクタ８には、０．５ｍｍ幅の複数のスリット８１が、互いに５０ｍｍの間隔を設けて周方向に形成されている。スリット８１は、流動層ボイラ内に層内伝熱管５が配置されたときに内管フィン３７及びプロテクタ８が熱膨張しても、内管フィン３７及びプロテクタ８の熱膨張の差を吸収する。プロテクタ８の内面には、プロテクタ８の内面から内管６の外面に対する輻射熱による伝熱量を大きくするため、黒体塗料が塗布されている。

上述したように、本実施形態の層内伝熱管５では、内管６の外部に０．２ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下の幅の隙間７を有してプロテクタ８が設けられているので、内管６とプロテクタ８との間の熱伝達率を適切に下げることができる。これにより、図１及び図２に示した流動層ボイラの流動層内に層内伝熱管５を配置した際、プロテクタ８の表面温度を、溶融塩腐食が低減される適切な温度である４５０℃以上８００℃以下、好ましくはより溶融塩腐食が低減される４８０℃以上７５０℃以下に維持することができる。一方で、内管６に内管フィン３７が溶接により固定されており、内管フィン３７にプロテクタ８が溶接により固定されているので、内管６は、それぞれの溶接部分を介した熱伝導により、内管フィン３７及びプロテクタ８が吸収した流動層内の熱を効率よく吸収することができ、層内伝熱管５全体としての伝熱量を確保することができる。また、プロテクタ８がステンレス鋼で形成されているので、プロテクタ８が流動層からの熱を効率よく吸収することができる。

なお、内管６とプロテクタ８との伝熱量をさらに増加させる必要があるときは、隙間７に充填材を充填してもよい。充填材としては、砂、ステンレス、酸化マグネシウム、鉄、アルミナ等が用いられる。充填材の形状はとくに限定されず、たとえば繊維状、粉末状、バルク形状等であってもよい。充填材が充填される場合の隙間７の幅Ｗは、０．２５ｍｍ以上４．００ｍｍ以下が望ましい。充填材の充填を容易に行うためには、隙間７の幅Ｗは０．７５ｍｍ超４．００ｍｍ以下であることがより望ましい。また、隙間７に充填される充填材の充填率は０．５以上０．９以下が望ましい。ここで、充填率とは、隙間７の体積に対して充填材の体積が占める割合をいう。

図４、図５ａ及び図５ｂは、本発明の他の実施形態に係る層内伝熱管５の斜視図である。図４、図５ａ及び図５ｂに示す層内伝熱管５では、図３ａに示した層内伝熱管５とはプロテクタ８の内管３７への固定方法が異なる。

図４に示す層内伝熱管５では、図３ａに示す層内伝熱管５と同様に内管６の外周部の一方に内管フィン３７が溶接により固定されるとともに、プロテクタ８が内管フィン３７に溶接により固定されている。内管６の外周部の反対側では、プロテクタ溶接部３９によりプロテクタ８同士が固定されている。この層内伝熱管５では、プロテクタ８同士がプロテクタ溶接部３９に固定され、プロテクタ８が内管６に接触していないので、内管６との接触によるプロテクタ８の表面温度の低下を防止し、プロテクタ８の表面温度を溶融塩腐食が発生しない温度に維持することができる。

図５ａに示す層内伝熱管５では、一対のスペーサ４１を図中上下方向に線対称となるように隙間７に設置している。内管６及びプロテクタ８はそれぞれスペーサ４１に溶接されて固定され、内管６とプロテクタ８との隙間７が確保されている。スペーサ４１とプロテクタ８とは、スペーサ溶接部４２を介して互いに溶接されている。スペーサ４１の材質は内管フィン３７と同様に、内管６の材質に応じて炭素鋼やステンレス鋼を用いる。

図５ｂに示す層内伝熱管５では、溶接材料を用いてプロテクタ８同士を溶接することで形成された、固定部材としての内管溶接部３８により、内管６とプロテクタ８をそれぞれ一定の隙間７を確保しつつ固定している。これにより、構成部品が低減される。

以上、図３ないし図５において、層内伝熱管５の複数の実施形態を説明したが、各図面において説明したプロテクタ８の内管６への固定方法は、適宜組み合わせが可能である。

図６ａ及び図６ｂは、カバープレート４０を備えた、本発明の他の実施形態に係る層内伝熱管５の斜視図である。

図６ａに示す層内伝熱管５では、図５ａに示した層内伝熱管５と同様に、プロテクタ８が隙間７に設置したスペーサ４１と溶接され、内管６に固定されている。これに加えて、スペーサ溶接部４２の外面側にカバープレート４０が設けられている。これにより、スペーサ溶接部４２の減肉を低減することができる。

図６ｂに示す層内伝熱管５では、プロテクタ８の表面温度が所定温度以上に維持できる範囲において、上下方向の内管フィン３７だけでなく、左右方向にもスペーサ４１を設置し内管６とプロテクタ８との接触面積を増やしている。これにより、プロテクタ８から内管６への伝熱量を増やしている。また、スペーサ溶接部４２の外面側にカバープレート４０が設けられ、スペーサ溶接部４２の減肉を低減している。

図６ａ及び図６ｂにおいて説明したカバープレート４０は、図３及び図５において説明した層内伝熱管５にも適用することができる。図３ａにおいて説明した充填材は、図４ないし図６において説明した層内伝熱管５の隙間７に充填することもできる。

図７及び図８は、プロテクタ８の外面にフィンを設けた、本発明の他の実施形態に係る層内伝熱管５の斜視図である。

図７に示す層内伝熱管５は、図３ａに示した層内伝熱管５のプロテクタ８の外面に、プロテクタ８の周方向に沿って羽根状に形成されたプロテクタフィン８２を複数設けることで構成される。

また、図８に示す層内伝熱管５は、図３ａに示した層内伝熱管５のプロテクタ８の外面に、ピン状に形成されたプロテクタフィン８３が複数設けられて構成されている。

図７及び図８に示したプロテクタフィン８２，８３の材質は、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレス鋼材である。

以上で説明したように、層内伝熱管５のプロテクタ８の外面にプロテクタフィン８２，８３を設けることで、流動層内に層内伝熱管５が配置された際に、流動媒体とプロテクタ８との接触面積を増加させて、流動媒体とプロテクタ８との間の熱伝達率を向上させることができる。なお、図７及び図８に示したプロテクタフィン８２，８３は、図４ないし図６において説明した層内伝熱管５にも適用することができる。

図９は、流動層ボイラに配置される層内伝熱管５の概略外観図である。図９に示すように、層内伝熱管５は、直線状の内管６から形成される直管部５１と、内管６の一部が湾曲することで形成される曲がり管部５２とから構成されている。これにより層内伝熱管５は略同一平面内を蛇行するように（コイル状に）形成されている。本実施形態では２本の層内伝熱管５が並列して配置されているが、１本の層内伝熱管により略同一平面内を蛇行するように（コイル状に）形成してもよい。各層内伝熱管５の直管部５１の外周には、図３ないし図８において説明したプロテクタ８が設けられている。なお、層内伝熱管の曲がり管部５２は直管部５１と同様の構造としてもよいが、湾曲した内管６の外面を覆うように、図示しないプロテクタを設けて構成してもよい。

本実施形態では、各層内伝熱管５の内管フィン３７は、この層内伝熱管５と隣接した層内伝熱管５の内管フィン３７と略同一平面内で対向して配置されている。即ち、層内伝熱管５は、直管部５１、及び曲がり管部５２にて並列して配置された他の層内伝熱管５と、それぞれの内管フィン３７が略同一平面内で互いに対向するように配置されている。これにより、層内伝熱管５は略同一平面内を蛇行するように形成され、メンブレンパネル（コイル状のパネル）形状を成している。なお、前述したように内管フィン３７は、内管６及びプロテクタ８に溶接しプロテクタ８の外面から突出するように形成されている。

ここで、流動層ボイラに供給される燃料が不燃物としての異物を含む廃棄物である場合、上記対向した内管フィン３７間の隙間に異物がかみこむなどのトラブルを引き起こすおそれがある。このため、燃料が異物を含む廃棄物である場合には、内管フィン３７の間に隙間ができないように、内管フィン３７同士の対向面を溶接しメンブレンパネル形状の層内伝熱管５を使用する。

なお、溶接工数を減らすために、一方の内管６に溶接固定された内管フィン３７を、隣接する他方の内管６に直接溶接することで固定し、メンブレンパネル形状としてもよい。

層内伝熱管５が隣接して配置されていない、最下部に位置する直管部５１の下面及び最上部に位置する直管部５１の上面には、内管フィン３７を設けても設けなくてもよい。内管フィン３７を設けない場合は、図４において説明したように、プロテクタ溶接部３９によりプロテクタ同士が固定されてもよいし、図５ａ及び図５ｂにおいて説明したように、スペーサ溶接部４２又は内管溶接部３８により内管６とプロテクタ８を固定してもよい。

また、各層内伝熱管５の直管部５１に内管フィン３７を設けず、図５ａ及び図５ｂに示した層内伝熱管５により直管部５１と曲がり管部５２を形成してコイル状のパネルとしてもよく、さらに隣接する直管部５１同士を溶接により結合し、固定してもよい。

なお、この層内伝熱管５のパネルを流動層３内に配置する場合は、図１及び図２に示すように、通常、鉛直方向で配置されたパネルを、略平行に所定の間隔を設けて複数配置する。

図１０は、流動層ボイラに配置される層内伝熱管５の内管フィン３７の位置を説明するための層内伝熱管５の断面図である。図１０では、内管フィン３７が互いに対向して設けられた２本の層内伝熱管５を図９より抽出して図示している。

内管６と溶接されている層内伝熱管５の内管フィン３７（内管溶接部３８又はスペーサ溶接部４２）は、内管６との熱伝達により温度が低くなる。これに伴い、内管フィン３７付近のプロテクタ８表面の温度も比較的低くなる。このため、内管フィン３７と内管フィン３７付近のプロテクタ８表面が溶融塩腐食する虞がある。そこで、本実施形態に係る層内伝熱管５の内管フィン３７は、図１０に示すように、層内伝熱管５の断面視において、２本の層内伝熱管５の外周面（プロテクタ８の外周面）に対する２本の共通外接線（図中破線）と、プロテクタ８の外周面とで囲われる領域Ａの内側に配置される。図示のように、この構成の層内伝熱管５を流動媒体の流動方向（図中矢印方向）に並べて配列することで、流動媒体の流動方向（図中矢印方向）から見てプロテクタ８の陰となる位置に内管フィン３７が配置される。これにより、流動媒体による内管フィン３７及び内管フィン３７付近のプロテクタ表面の摩耗が低減され、層内伝熱管５全体としての耐久性が向上する。

以下、本発明に係る層内伝熱管５の伝熱量について説明する。

本実施例では、図３ａにて説明した層内伝熱管５と同一の構成の層内伝熱管５を用いて、図１に示した流動層ボイラ１の流動媒体からの吸熱量を測定した。

ここで、内管としてはボイラ・熱交換器用炭素鋼管を用い、層内伝熱管５の隙間７を０．２５ｍｍとし、プロテクタ８の材質をＳＵＳ３１０Ｓとし、プロテクタ８の厚さを３ｍｍとした。流動層３の温度を８００℃、缶水の温度を３００℃、及び流動層３に供給する流動化空気の空気量をｕ_０／ｕ_ｍｆ＝２．５としたとき、流動媒体からプロテクタ８への熱伝達率は３９０Ｗ／ｍ^２Ｋ、プロテクタ８の表面温度はプロテクタ中央部で５９０℃であった。層内伝熱管表面基準において、総括熱伝達率は２０９Ｗ／ｍ^２Ｋ、総熱通過量は１０４７４４Ｗ／ｍ^２であった。

比較例

本比較例では、実施例と同一の材質の内管表面にステンレス材による３ｍｍの肉盛をした層内伝熱管を用いて、図１に示した流動層ボイラ１の流動媒体からの吸熱量を測定した。流動層３の温度を８００℃、缶水の温度を３００℃、及び流動層３に供給する流動化空気の空気量をｕ_０／ｕ_ｍｆ＝１．５としたとき、流動媒体から肉盛への熱伝達率は２１０Ｗ／ｍ^２Ｋ、肉盛の表面温度は３２０℃であった。肉盛内面基準（内管外表面基準）において、総括熱伝達率は２２２Ｗ／ｍ^２Ｋ、総熱通過量は１１１１１８Ｗ／ｍ^２であった。

以上で説明したとおり、層内伝熱管５が配置される流動層３へ供給する流動化空気の空気量としてｕ_０／ｕ_ｍｆを２．０以上４．０以下とすることにより、流動層３の流動化を活発にして流動媒体からプロテクタ８への伝熱量を確保することができる。これにより、プロテクタ８の表面温度を溶融塩腐食が低減される適切な温度である４５０℃以上８００℃以下に制御することができる。また、プロテクタ８と内管６とが、固定部材（内管フィン３７、内管溶接部３８又はスペーサ４１）と溶接により固定されているので、内管６は、溶接部分を介した熱伝導により流動媒体の熱を吸収することができる。これにより隙間７を有した層内伝熱管５であっても、総括熱伝達率及び総熱通過量を、肉盛を設けた比較例の層内伝熱管と同程度に維持することができる。

なお、図２に示した流動層ボイラ２を用いて、上記実施例と同条件で層内伝熱管５の伝熱量を測定したところ、上記実施例とほぼ同一の結果が得られた。

以上に本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載のない何れの形状や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。

１ 流動層ボイラ、２ 炉本体、３ 流動層、４ 炉床底板、５ 層内伝熱管、６ 内管、７ 隙間、８ プロテクタ、１１ 流動層ボイラ、１２ 炉本体、１３ 仕切壁、１４ 燃焼室、１５ 熱回収室、１７ 不燃物排出口、１８ 開口部、２０ 流動床、２１ 移動層、２２ 流動層、２３ 流動床、３０ 炉床底板、３１ 炉床底板、３２ 空気箱、３３ 空気箱、３７ 内管フィン、３８ 内管溶接部、３９ プロテクタ溶接部、４０ カバープレート、４１ スペーサ、４２ スペーサ溶接部、５１ 直管部、５２ 曲がり管部、８１ スリット、８２ プロテクタフィン、８３ プロテクタフィン。

Claims (23)

1. 流動層ボイラの流動層内に配置されるように構成された層内伝熱管であって、
   内部を流体が流れるように構成された内管と、
   該内管の外部に配置されたプロテクタと、
   前記プロテクタを前記内管に固定する少なくとも一つの固定部材と、を備え、
   前記内管の外面と前記プロテクタの内面との間に隙間が設けられ、
   前記固定部材は、前記内管及び前記プロテクタの各々に接合され、
   前記プロテクタは、周方向にスリットを有する、層内伝熱管。
2. 前記固定部材は、前記内管及び前記プロテクタの各々に溶接により接合されている請求項１に記載された層内伝熱管。
3. 前記固定部材は、前記隙間に配置されたスペーサである請求項１または請求項２に記載された層内伝熱管。
4. 前記固定部材は、前記プロテクタ外面から突出するように形成された内管フィンである請求項１または請求項２に記載された層内伝熱管。
5. 前記内管は、直線状に形成される直管部と、湾曲して形成される曲がり管部とを有し、同一平面内を蛇行するように形成された請求項３または４に記載された層内伝熱管。
6. 前記層内伝熱管の内管フィンが、隣接する層内伝熱管の内管フィンと互いに対向するように構成された請求項５に記載された層内伝熱管。
7. 前記層内伝熱管の内管フィンが、隣接する層内伝熱管の内管フィンと互いに溶接された請求項６に記載された層内伝熱管。
8. 前記層内伝熱管の内管フィンが、隣接する層内伝熱管の内管に溶接された請求項５に記載された層内伝熱管。
9. 前記プロテクタの内面に黒体塗料が塗布されている、請求項１ないし８のいずれか一項に記載された層内伝熱管。
10. 前記プロテクタの材質が、ステンレス鋼である、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載された層内伝熱管。
11. 前記ステンレス鋼が、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６又はＳＵＳ３１０Ｓである請求項１１に記載された層内伝熱管。
12. 前記隙間の幅が、０．２５ｍｍ以上４．００ｍｍ以下である請求項１ないし１２のいずれか一項に記載された層内伝熱管。
13. 前記隙間の幅が、０．２５ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下である請求項１３に記載された層内伝熱管。
14. 前記隙間には充填材が充填され、その充填率は０．５以上０．９以下である請求項１ないし１４のいずれか一項に記載された層内伝熱管。
15. 前記プロテクタの外面にプロテクタフィンが設けられた請求項１ないし１５のいずれか一項に記載された流動層ボイラの層内伝熱管。
16. 前記プロテクタフィンが、羽根状に形成されている請求項１６に記載された層内伝熱管。
17. 前記プロテクタフィンが、ピン状に形成されている請求項１６に記載された層内伝熱管。
18. 請求項１ないし１８のいずれか一項に記載された層内伝熱管と、流動化空気を前記流動層内に導入する散気ノズルを有し、
    前記流動化空気は、前記流動層内の流動媒体を流動させるとともに、燃料を燃焼させ、
    前記層内伝熱管が、前記燃焼による熱を回収する流動層ボイラ。
19. 前記流動層は、燃料を燃焼させるための燃焼室と、前記層内伝熱管が配置されて燃焼熱を回収する熱回収室と、を有し、
    前記流動媒体が前記燃焼室と前記熱回収室とを循環する請求項１９に記載された流動層ボイラ。
20. 前記燃焼時の前記流動層内の温度が７００℃以上９００℃以下である請求項１９又は２０に記載された流動層ボイラ。
21. 前記流動化空気の空気量が、２．０≦ｕ_０／ｕ_ｍｆ≦４．０である請求項２０に記載された流動層ボイラ。
22. 前記固定部材は、前記流動媒体の流動方向から見て前記プロテクタの陰となる位置に配置される、請求項１９ないし２２のいずれか一項に記載された流動層ボイラ。
23. 前記燃焼時の前記流動層内における前記プロテクタの表面温度が４５０℃以上８００℃以下である、請求項１９ないし２３のいずれか一項に記載された流動層ボイラ。

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