JP4014064B2

JP4014064B2 - 流動層火炉とペースト状燃料供給ノズル

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Publication number: JP4014064B2
Application number: JP06889199A
Authority: JP
Inventors: 康常勝田; 義則大谷; 公大野中; 昭光松本; 博武▲崎▼; 進吉岡
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2019-03-15
Also published as: JP2000266322A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流動層で石炭を燃焼し、発生した蒸気によってタービンを駆動し、更に高圧、高温の燃焼ガスでガスタービンを駆動して高効率で電力を得る流動層ボイラに関し、特に流動層火炉内へ石炭と水の混合ペーストを供給するノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
加圧流動層ボイラは発生する蒸気及び高圧の燃焼ガスからエネルギーを得ることができるので高効率の発電が可能である。流動層では数ミリの大きさの石炭をほぼ同じ大きさの石灰石の流動媒体（以下ＢＭと称することがある）とともに、流動層内で燃焼させる。ただし、固体である石炭粒子を加圧状態の流動層火炉内に連続的に安定して供給することが重要である。この加圧流動層燃焼炉に石炭を供給する方式としてはいわゆる乾式供給法と湿式供給法があるが、湿式供給法が運用面で優れている。流動層火炉に石炭を供給する方法として、湿式供給方式（例えば、特開昭６２−１５５４３３号）がある。
【０００３】
図１３に示すように湿式供給方式は最大径６ｍｍ前後の石炭粒子と水及び炉内脱硫剤として石灰石を混練機１０で混合して水分２５％のペースト（ＣＷＰ：Coal Water Paste、以下ＣＷＰと称することがある）とし、該ＣＷＰを一時的に撹拌機２５付きのＣＷＰタンク２０内に貯蔵した後、ＣＷＰポンプ３０で昇圧してＣＷＰ配管３１及びライン３２を通してＣＷＰ供給ノズル４０から流動層火炉７０に圧送する。ＣＷＰ供給ノズル４０では分散空気によってＣＷＰを分散して流動層火炉７０内の流動媒体７１内に供給する。
【０００４】
流動層火炉７０内へのＣＷＰの供給を停止する場合はライン３１、３２間に配置された切替バルブ３５によって流路をＣＷＰ循環配管３６に切り替え、ＣＷＰタンク２０内にＣＷＰを再循環する。ここで、流動層火炉７０は加圧容器８０内に収納され、加圧空気の供給によって加圧下に保持されている。
このＣＷＰの湿式供給方式は乾式供給方式、例えばロックホッパーで昇圧した後に空気輸送する方式に比べて乾燥などの前処理が不要であるために低コストで、また輸送管の磨耗が少ないなどの特徴がある。
【０００５】
なお、流動層火炉７０内のＢＭは下方から燃焼用空気によってＣＷＰとともに流動化され、ＣＷＰの燃焼で伝熱管７４内の水を加熱して蒸気を生成させる。流動層火炉７０の出口には燃焼ガス中の灰を除去する脱塵装置９０が設置され、除塵された燃焼ガスは図示していないガスタービンに供給される。
【０００６】
図１４にＣＷＰ供給ノズル４０の構造断面図を示す。ＣＷＰ供給ノズル４０はＣＷＰ供給管４３の外周に設けた冷却水管４４を、更にその外周に設けたＣＷＰ分散用の分散空気供給管４５で構成されており、一体構造となっている。
【０００７】
注水導管６１は冷却水管４４内に配置され、ＣＷＰ供給管４３の先端の分散空気噴出スリット４５ａ出口近傍のＣＷＰ供給管４３の流路に注水導管６１先端の開口部６０を設けている。また、パージ空気孔４２からＣＷＰ供給管４３内に空気を噴出させると、ＣＷＰと衝突して噴霧（分散）が良好になる。パージ空気はパージ空気孔４２を通ってＣＷＰ供給管４３内に供給されて、ＣＷＰとパージ空気はＣＷＰ供給管４３内を共存しながら流動層火炉７０内へ送られる。
【０００８】
なお、注水導管６１は、プラントの緊急停止時に火炉７０内からの輻射熱によってＣＷＰ供給管４３内に残留しているＣＷＰが乾燥固化するのを防止するためにＣＷＰ供給管４３の先端部に微量の水を供給するものである。
【０００９】
ＣＷＰ供給管４３は流動層火炉７０の壁面７１（図１４）及び圧力容器８０の壁面８１の開口部に挿入し、火炉壁７１のフランジ７１ａ及び圧力容器壁８１のフランジ８１ａと分散空気供給管４５のフランジ４５ｂ及び４５ｃによりそれぞれ固定される。分散空気供給管４５には熱膨張を吸収するエクスパンション４５ｄを設置されている。ＣＷＰはＣＷＰ供給ライン３２（図１３）を経て分散空気供給管４５から流動層火炉７０内へ供給される。
【００１０】
ＣＷＰ供給管４３内に残留したＣＷＰを除去するパージ空気供給管３７（図１３）は加圧容器８０より外側に出ているＣＷＰ供給管４３で合流する構造になっている。
【００１１】
また、ＣＷＰ分散用の空気は分散空気供給管４５内へ導かれ、分散空気噴出スリット４５ａからの噴出で流動層火炉７０内でのＣＷＰの分散を良好にしているが、分散空気供給管４５の噴射スリット４５ａは出口部より数ｍｍ上流側のＣＷＰ供給管４３内部に配置され、その形状は円周全面に開口したノズル構造、または円周に沿って複数個開口した構造が用いられる。複数個開口した構造の場合は、各分散空気用噴出スリット４５ａの隙間は約３〜５ｍｍであり、分散空気用噴出スリット４５ａからの空気噴出速度は３０〜８０ｍ／ｓの範囲で運用される。分散空気用噴出スリット４５ａから供給された分散空気によってＣＷＰ供給管４３から流れてきたＣＷＰが分散され、流動層内に連続供給される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記の湿式供給方式を用いた加圧流動層ボイラにおいて、流動層火炉７０へＣＷＰの供給を通常時に停止する場合には、図１３に示す切り替えバルブ３５で流路をＣＷＰ循環配管３６に切り替え、タンク２０内にＣＷＰを戻す操作を行った後、直ちに切り替えバルブ３５の後流に設けたパージ空気配管３７から所定量のパージ用空気と水をライン３８から供給してＣＷＰ供給管４３内に残留したＣＷＰを流動層火炉７０内へ排出する。
【００１３】
この排出されたＣＷＰを燃焼した後、燃焼用空気の供給を停止する。この操作によってＣＷＰ供給管４３内にＣＷＰが残留することはない。しかし、プラントを何らかの原因で緊急停止しなければならない場合がある。そのとき、燃焼用空気の供給は停止し、ＣＷＰの供給も停止される。供給が停止されたＣＷＰはＣＷＰ供給管４３内に残留し、火炉７０内の（図１５（ａ）は正面図、図１５（ｂ）はノズル４０の側断面図）高温（８６０℃以上）の流動媒体（ＢＭということがある）がＣＷＰ供給ノズル４０の分散空気噴出スリット４５ａから侵入し、分散空気供給管４５の水平部の通路内の下側に堆積する。
【００１４】
分散空気供給管４５内に堆積した流動媒体は図１５（図１５（ａ）はノズル４０の正面図、図１５（ｂ）はノズル４０の側断面図）に示すようにＣＷＰ供給ノズル４０の正面から見て、分散空気供給管４５の垂直部の空間の１／４を閉塞させており、図１６に示すようにＣＷＰ供給ノズル４０の側面方向から見て、分散空気供給管４５水平部の通路内に流動媒体（ＢＭ）の安息角分が少量であるが堆積している。図１６に示すように火炉内流動媒体がＣＷＰ供給管４３ｂ内で安息角θ（３０〜４０度）分が火炉７０内から分散空気噴出スリット４５ａまで達して侵入したものである。
【００１５】
堆積した流動媒体の安息角は流動媒体の種類（石灰石の産出場所の違いなどによる種類）及び粒子径等で変化する。分散空気噴出スリット４５ａの開口寸法は、プラントの運転時に火炉内の流動媒体層の圧力損失変動値より大きな圧力損失になるように設計している。しかしながら、分散空気噴出スリット４５ａの開口寸法を流動媒体の粒子径より小さくなるように設計すると分散空気噴出スリット４５ａからの分散空気の噴出速度が速くなって磨耗の問題が生じる。そこで、プラントの運転時に流動媒体が分散空気噴出スリット４５ａから侵入しない条件及び磨耗しない条件を満足するように分散空気噴出スリット４５ａの開口径を決めている。
【００１６】
プラントを再起動した場合、ＣＷＰ供給ノズル４０の分散空気供給管４５水平部の通路内の下側に堆積している流動媒体が再飛散しない状態では、分散空気噴出スリット４５ａから噴出する分散空気量が不均一となる。ＣＷＰ供給ノズル４０の分散空気噴出スリット４５ａからの分散空気量は下側が少なく、上側が多くなり、下側への噴流が強くなってＣＷＰの分散特性を低下させている。ＣＷＰ供給ノズル４０のＣＷＰ分散特性が悪い状態では火炉内でＣＷＰの燃焼性が低下し、アグロメ発生のおそれがある。
【００１７】
上記のＣＷＰの湿式供給方式を用いた場合、加圧流動層ボイラの緊急時に供給停止して、ＣＷＰ供給管内に残留したＣＷＰは流動媒体から侵入する熱によってＣＷＰ中の水分が蒸発して乾燥固化する。
【００１８】
また、ＣＷＰ流路内で乾燥固化したＣＷＰはＣＷＰポンプ３０の起動を阻害し、再起動のためには、乾燥固化したＣＷＰを取り除くために図１４に示すようにＣＷＰ供給管４３の先端部には、注水導管６１の開口部６０を冷却水管４４で冷却する領域に設けており、その注水導管６１に注水すると、残留ＣＷＰが加湿されて水分の蒸発を防止する。しかし、冷却水管４４で冷却していない領域のＣＷＰ供給管４３内に残留するＣＷＰは高温である火炉７０側に近いために乾燥しやすい。このことから、注水導管６１を用いる注水の効果は薄いという問題がある。また、ＣＷＰ供給管４３に注水する操作を誤った場合には、例えば注水した水が流動層火炉７０に侵入すると流動媒体のカルシウム化合物（例えば、ＣａＣＯ_３，ＣａＳＯ_４）に接触し、硬く塊りが生成する。その大きな塊は流動化を妨害し、ボイラの再起動ができなくなる。
【００１９】
また、ボイラの緊急停止時における分散空気噴出スリット４５ａへの流動媒体の混入によって、分散空気噴出スリット４５ａの供給部でＢＭが固化する現象が起こる。これはボイラ緊急停止時から再起動に要する時間は約２４時間以上と長く、この間に分散空気噴出スリット４５ａに溜まったＢＭが結露した水と反応して水和固形物を生成し、分散空気噴出スリット４５ａが部分的に閉塞するためである。分散空気噴出スリットが閉塞した状態で分散空気を再供給した際、ＣＷＰ分散粒径が増大し、流動層内でＣＷＰの粗大塊状物が蓄積し、流動不良を来す問題がある。
【００２０】
一方、通常運転時にもＢＭが分散空気噴出スリット４５ａに混入する問題がある。流動層では粒子の激しい運動または気泡の破裂などで圧力変動が発生し、圧力の急激な上昇に伴い分散空気供給管内にＢＭが逆流する問題がある。
【００２１】
また、従来のＣＷＰ供給ノズル４０では分散空気注入孔６０が前記ノズル４３の先端部に位置しているため、所定のＣＷＰ分散粒径を得るために分散空気流量を増加しなければならない問題がある。分散空気は加圧容器内に供給された約３００℃ の高温空気を一旦冷却し、これを再び昇圧して分散空気として用いる。したがって、冷却することで空気の持つ顕熱を失いボイラ効率の低下につながる。また、ＣＷＰ供給ノズル４０内壁面の摩耗を低減するためにも分散空気流量はできるだけ少ないことが望ましい。
【００２２】
本発明の第１の課題は、加圧流動層ボイラなどのプラント緊急停止時において、ＣＷＰ供給ノズルの分散空気供給管水平部の通路内に侵入して堆積した流動媒体を、再び火炉内へ再飛散させて分散空気ノズルからの分散空気量を均一化し、ＣＷＰの分散特性を良好にしてアグロメ発生の原因を無くすることができるＣＷＰ供給ノズルと該ノズルを備えた流動層ボイラを提供することである。
【００２３】
本発明の第２の課題はＣＷＰ供給ノズル内に残留したＣＷＰの乾燥と固化を防止し、ＣＷＰを流動可能な状態に保持し、ボイラの緊急停止時および通常運転時において分散空気噴出スリットにＢＭなどの混入することを防止し、流動層ボイラなどの再起動を容易にすることができるＣＷＰ供給ノズルと該ノズルを備えた流動層ボイラを提供するものである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記の第１の課題を達成するため、粗粉炭、微粉炭スラリー、水及び石灰石などを混合して製造したＣＷＰを該燃料供給ノズルから流動層中に供給して燃焼させる流動層火炉において、燃料供給ノズルは、ＣＷＰ流路と、該ＣＷＰ流路を構成する壁面の火炉側出口部近傍に設けたＣＷＰを火炉内に向けて分散させるための空気噴出用の分散空気噴出スリットと、ＣＷＰ流路の外周部に前記分散空気噴出スリットに空気を供給するための燃料分散空気供給流路とからなり、また該燃料分散空気供給流路内の分散空気の流速が、火炉から分散空気噴出スリットを経て燃料分散空気供給流路内に侵入する固体粒子の侵入速度（固体粒子が侵入する前に粒子に相対的に火炉側へ戻すような速度成分を与えるのに必要な空気流速）以上であるように燃料分散空気供給流路の大きさと該流路に供給する分散空気供給源の能力を制御する空気流速制御装置を設けた流動層火炉を用いる。
【００２５】
本発明に係る流動層ボイラが緊急停止した場合、全ての駆動部が停止する。特に、火炉内の流動媒体の流動が停止すると、ＣＷＰ供給ノズルの分散空気噴出スリットは火炉からの距離が非常に近い（１０〜３０ｍｍ）。そのため、火炉内の流動媒体の安息角（３０〜４０度）分がＣＷＰ供給ノズル孔内に侵入して分散空気噴出スリットから分散空気供給流路の水平部内に堆積する。分散空気供給流路の水平部の通路内に堆積したＢＭの飛散除去は、ＢＭの堆積物の流速の増加に伴って向上する。すなわち堆積したＢＭの飛散除去は堆積ＢＭの侵入速度以上にすればよいことが分かった。
【００２６】
そこで、ＣＷＰ供給ノズルの分散空気供給流路の水平部の通路内に堆積した流動媒体の侵入速度以上になるように、例えば分散空気供給流路の全周に絞り部を設ける。分散空気供給流路の水平部内に設けている絞り部は低圧力損失の流線形で、直進流もしくは旋回流を与える翼で構成している。流動層ボイラプラントを起動した場合、ＣＷＰ供給ノズルの分散空気供給流路内に分散空気を供給すると、
【００２７】
１）分散空気供給流路の水平部の全周に設けた直進流を与える絞り部は低圧力損失の流線形であるので、その絞り部では急激に流動媒体の侵入速度以上に増加し、堆積流動媒体を再飛散させて火炉内へ排出する。
２）ＣＷＰ分散空気供給流路内に設けている旋回流を与える翼によっても堆積流動媒体を旋回しながら再飛散させて火炉内へ排出する。
【００２８】
３）ＣＷＰ分散空気供給流路内の下側に設けたパージ用ノズルはプラントの運転中に流動媒体の堆積部まで前進して堆積流動媒体の侵入速度以上で一定時間を連続もしくは間欠時に噴射して堆積流動媒体を再飛散させて火炉内へ排出する。その後、パージ用ノズルは所定位置まで前進させる。パージ用ノズルからの噴射は分散空気の通気時に行うものである。更に、本パージ用ノズルはプラントの停止時に吸引操作することによって分散空気供給流路内に堆積しているＢＭを系外へ吸引除去することができる。そのためにプラントの運転中でのパージ用ノズルによる効果がある。このとき、堆積物パージ用または吸引用のノズルには独立した空気供給源または吸引源と該空気供給源または吸引源からのパージ用または吸引用空気を連続的または間欠的に供給または吸引制御することが望ましい。
【００２９】
上記本発明の第２の課題を解決するために鋭意、実験検討を行った結果ＣＷＰ供給ノズル内に残留したＣＷＰの固化を防止し、ＣＷＰを流動可能な状態に保持し、ボイラの緊急停止時および通常運転時において分散空気供給流路の火炉側の開口部にＢＭなどの固体粒子の混入を防止するためにはＣＷＰ流路の出口近傍に分散媒体を該出口部に向かって噴出し、ＣＷＰと合流させるための分散空気噴出スリットを設け、該スリットは火炉からＣＷＰ流路内に侵入する固体粒子がＣＷＰ流路内で堆積する際の堆積物の安息角を形成するに十分な間隔を保ってＣＷＰ供給流路の上流側に配置することが必要であることを見い出した。
【００３０】
加圧流動層ボイラが緊急停止したとき燃焼用空気の供給が停止し、流動媒体の流動が停止する。同時にＣＷＰ供給用のポンプが停止し、ＣＷＰスラリの供給も停止する。この状態では図７に示すようにＣＷＰスラリはＣＷＰ流路壁面にある分散空気噴出スリット開口部の上流側ではＣＷＰ流路内にほぼ１００％充満するが、分散空気噴出スリット開口部の下流側にはＣＷＰがほとんどない状態となる。さらにＣＷＰ供給ノズル先端部ではＢＭが安息角を形成して停止する。したがって分散空気噴出スリット開口部とＣＷＰ供給ノズル先端部の間には空間部が形成される。ＢＭなどの堆積物の安息角はＢＭなど堆積物の性状によっても変化するが１５〜４５°であり、安息角が最も小さい１５°の場合でもＢＭなどが分散空気噴出スリット開口部にＢＭなどが侵入することはない。したがって、ＣＷＰ供給ノズル先端に溜まったＢＭが流動層内のＢＭと置換されず、ＢＭの温度が急激に低下し、ＢＭからＣＷＰ流路内に溜まっているＣＷＰに侵入する熱を防ぐ効果がある。そのためＣＷＰ流路内に溜まっているＣＷＰ水分の蒸発を抑制することができる。
【００３１】
また、図９に示すように分散空気噴出スリットがＣＷＰ流路の内部に位置しているため少ない気液比（分散空気量／ＣＷＰ流量）で所定の分散粒径を得られる。
【００３２】
また、上記本発明の第２の課題は、前記ＣＷＰ流路の先端部に水もしくは気体を供給する手段を設け、且つ前記水もしくは気体を供給する箇所より流動層火炉側に温度を計測する手段を備えた構成で達成できる。
【００３３】
加圧流動層ボイラなどの流動層ボイラが緊急停止した場合、ＣＷＰの一次分散用の空気及び二次分散用の空気の供給が停止し、その状態でＣＷＰ供給流路内にＣＷＰが残留する。ＣＷＰ供給流路内に残留したＣＷＰの乾燥固化を防止するためには、ＣＷＰ供給流路の先端部に注水または気体を注入して、ＣＷＰを加湿し、所定（初期）の水分を保持している。注水などは一定量もしくは図１２に示すように、層内温度に応じて任意に注水量を変えて行う。ＣＷＰ供給流路の注水停止は、例えばＣＷＰ供給流路先端部の温度が６０℃以下もしくは層内温度が２００℃以下で行うように制御している。もしくはボイラの緊急停止と同時に注水手段に空気好ましくは不活性ガス（例えば、窒素ガス、炭酸ガス）の気体を供給し、先端部の残留ＣＷＰを除去した後に注水を行う。流動層火炉の通常の運転時には、ＣＷＰ供給流路の先端に設けている注水孔がＣＷＰあるいは流動媒体で閉塞することを防止するために、流動層内温度が２００℃に達するとＣＷＰノズル先端部に注水を開始する。ＣＷＰ供給ノズル先端部の注水停止は、ＣＷＰ供給の停止後にＣＷＰ供給流路内を空気及びパージ完了後に行う。
【００３４】
前記ＣＷＰ供給流路の先端部に水もしくは気体を供給する位置はＣＷＰ供給流路が冷却水管で冷却されていない箇所に配置する。また、流動層の層温度に応じて前記水若しくは気体の注入量を任意に制御する装置を備えても良い。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面と共に詳細に説明する。
図１、図２及び図３に本発明の実施の形態の好適なＣＷＰ供給ノズルの構造断面図を示し、図４に図３に示すＣＷＰ供給ノズル内部の一部破断面の斜視図を示す。
図１には図１４に示すＣＷＰ供給ノズル４０の先端部の断面図を示す。ＣＷＰ供給ノズル４０はＣＷＰ供給管４３、冷却水管４４及び分散空気供給管４５の順に同心円の管で構成されている。ＣＷＰ供給管４３の先端部には注水導管６１が配置されている。注水導管６１は冷却水管４４の流路内を通して分散空気噴出スリット４５ａの出口近傍のＣＷＰ供給管４３に開口して設けられている。なお、注水導管６１先端の注水孔（開口部）６０は冷却水管４４内からＣＷＰ供給管４３に開口している。冷却水管４４内に冷却水を通してＣＷＰ供給管４３の壁温度を５０℃以下になるように水量で調整している。分散空気噴出スリット４５ａは、当該スリット４５ａから噴出するＣＷＰ分散用空気の噴出角度θが水平方向に対して４５度の傾きでノズル中心軸方向に向かうように設けられている。
【００３６】
分散空気噴出スリット４５ａが設けられる箇所のＣＷＰの流れの上流側の分散空気供給管４５水平部の通路内には、該通路の全周に亘り、流路面積を狭くする絞り部１００を設けている。図１に示す絞り部１００は流線形の直進流を与える構造であり、絞り部１００は上流側は流線形で下流側に向かってマイナスのテーパ形状をした扁平な末広形状となっており（図４参照）、絞り部１００は冷却水管４４の外壁に溶接もしくはボルト締め付けで固定されている。
【００３７】
図２には、図１で示した絞り部１００の形状は断面半円形状にしたものである。図３には絞り部１００を旋回流を与える翼としてものであり、図４にその一部破断面の斜視図を示すが、この例では３０〜６０度の旋回角度となるように絞り部１００を設けたものである。
【００３８】
図１、図２及び図３に示した何れの絞り部１００近傍を通過した分散空気速度は分散空気供給管４５内に堆積する流動媒体粒子（図１５、図１６）が堆積しない速度より大きい値となっている。
【００３９】
図５は絞り部を設ける代わりにＣＷＰ分散空気噴出スリット４５ａ近傍の分散空気供給管４５水平部の通路内の下側にパージ用ノズル１１０を配置を示したものである。図５には示していないがパージ用ノズル１１０が前後移動できるように圧縮ガス式シリンダ及びシリンダの前後移動、噴射条件を任意に制御ができる制御装置を設けている。なお、パージ用ノズル１１０の空気源は、分散空気源と別個に設けており、またパージ用ノズル１１０から堆積している流動媒体を吸引できる装置を設けることもできる。パージ用ノズル１１０先端部は斜めに切断した形状となっている。これは分散空気供給管４５内に安息角を形成して堆積する流動媒体粒子堆積物の表面にできるだけ近くに開口して、パージ空気または吸引用空気が効果的に作用するようにするためである。
【００４０】
上記の構造において、ＣＷＰは図１に示すＣＷＰ供給管４３内を通って、先端部の分散空気ノズル噴出４５ａから噴出する分散空気と４５度の角度θで衝突し、火炉内の流動媒体層内へ分散供給される。冷却水は冷却水管４４を通って送られ、ＣＷＰ供給ノズル４０を冷却する。
【００４１】
ところで、何らかの原因によって加圧流動層ボイラ、常圧流動層ボイラなどの運転停止を余儀なくされ、緊急的に燃焼空気及びＣＷＰの供給を遮断せざるを得ないことがある。ＣＷＰ供給管４３内へ火炉内の流動媒体（ＢＭ）の安息角θ（３０〜４０度）形成分が侵入することで分散空気噴出スリット４５ａから分散空気供給管４５水平部の通路内に堆積する（図１６参照参照）。
【００４２】
本発明のＣＷＰ供給ノズル４０によれば、分散空気供給管４５水平部の通路内部に低圧力損失の絞り部１００を設けて、絞り部１００部分の空気流速は分散空気供給管４５水平部の通路内に堆積する流動媒体の侵入速度以上になるように設定している。そのため、プラントの再起動時には分散空気供給管４５に分散空気を通気すると、次のような現象が生じる。
【００４３】
（１）図１、図２及び図３に示すように分散空気供給管４５水平部の通路内部の全周に設けた流線形の断面末広形状もしくは断面半円形状の絞り部１００が直進流を絞り込むことにより、急激に分散空気の流速を増加させ、堆積したＢＭを飛散させて分散空気噴出スリット４５ａから火炉内へ排出する。
絞り部１００の効果は分散空気供給管４５の先端の垂直方向に向いた通路の端と絞り部１００との間の距離ＬをＢＭが安息角を形成して堆積する領域の近くに設置する程、ＢＭの飛散除去率が向上する。
（２）図４に示すように分散空気供給管４５水平部の通路内部の全周に旋回流（３０〜６０度）を与える翼を設けた絞り部１００では、堆積したＢＭを旋回させながら飛散し、火炉内へ排出する。
【００４４】
（３）図５に示した分散空気供給管４５水平部の通路内の下側にパージ用ノズル１１０を設け、これを通常の運転中では通路の上流側に引き、再起動時では前方に出して分散空気の通気と共にパージ用ノズル１１０からの連続もしくは間欠的に噴射する空気で堆積したＢＭを飛散させ、火炉内へ排出する。
（４）前記（３）で述べたパージ用ノズル１１０において、プラントの停止時に吸引装置で吸引操作させて堆積しているＢＭを系外へ吸引除去する。
【００４５】
流動層ボイラプラントの再起動時には、分散空気供給管４５内に堆積したＢＭが火炉内へ排出される。そのため、分散空気噴出スリット４５ａから噴出する分散空気量は均一化していることからＣＷＰの分散特性を低下させることなく、安定な運転ができる。
【００４６】
図６に示すＣＷＰ供給ノズル４０の断面図に示す例では、該ノズル４０はその中心からＣＷＰ供給管４３、二重管である冷却水管４４、分散空気供給管４５の順に同心円の管で構成されているが、分散空気供給管４５には環状に配置される分散空気噴出スリット４５ａが形成されている。
【００４７】
分散空気噴出スリット４５ａは管端板４５ｄからＣＷＰ供給管４３の直径Ｄの２〜５倍の位置に位置され、その開口部は管端板４５ｄに向かって配置されている。また、冷却水管４４の管端板４４ａが分散空気噴出スリット４５ａより下流側に頭出し、その周囲を分散空気が流れる。これは管端板４５ａおよび分散空気供給管４５が８５０℃ 以上の高温に曝されるため管端板４４ａを迂回して、管端板４５ｄおよび分散空気供給管４５が高温になることを防止する目的を果たしている。
【００４８】
図７にはボイラ緊急停止時のＣＷＰ供給ノズル４０周りのＣＷＰ、ＢＭの堆積などの状態を示している。ボイラ緊急停止時にはＣＷＰポンプ３０（図１３）が停止し、ＣＷＰの供給も停止すると同時に分散空気の噴出も停止する。図７に示すように分散空気噴出スリット４５ａの開口部より上流側のＣＷＰ供給管４３内にＣＷＰは残留するが、分散空気噴出スリット４５ａの開口位置の下流側のＣＷＰ供給管４３にはほとんどない状態になる。さらにＣＷＰ供給管４３の先端部ではＢＭが安息角θを形成して停止する。
【００４９】
したがって分散空気噴出スリット４５ａの開口とＣＷＰ供給管４３の先端部の間には空間部１０２が形成される。ＢＭの安息角θはＢＭの性状によっても変化するが１５°〜４５°であり、最もＢＭが分散空気噴出スリット４５ａの開口に流入し易い場合、すなわち安息角θ＝１５°でも分散空気噴出スリット４５ａの開口にＢＭが侵入することはなく、ＢＭとＣＷＰが直接接することがない。この空間部１０２の形成により、ＣＷＰ供給管４３の先端部に溜まったＢＭが火炉の流動層内のＢＭと置換されず、ＢＭの温度が急激に低下し、ＢＭからＣＷＰに侵入する熱を防ぐ点にある。そのためＣＷＰ流路内に溜まっているＣＷＰに含まれる水分の蒸発を抑制することができる。
【００５０】
上記した特性を検証した試験結果の１例を図８に示す。ボイラの緊急停止時のＣＷＰ供給ノズル４０を解体したときのＣＷＰ供給ノズル４０の先端からの距離に対するＣＷＰ水分濃度を図１４に示す従来技術と図６に示す本発明の技術で比較して示した。
【００５１】
従来技術のＣＷＰ供給ノズル４０の先端部の水分濃度が１４重量％であるのに対して、本発明のＣＷＰ供給ノズル４０では２２〜２３％と初期のＣＷＰ水分濃度とほとんど変わらないことが示された。ＣＷＰ中の水分濃度は通常２３〜２５重量％であるが、ＣＷＰ中の水分が１４重量％ではＣＷＰの流動性は全くなく、完全に固化状態になる。この場合、ＣＷＰポンプ３０で固化したＣＷＰを押し出し、除去することは不可能であり、ＣＷＰ供給ノズル４０を解体点検し、掃除を行う作業が発生する。
【００５２】
また、図６、図７に示す本発明の例では少ない分散空気流量で所定のＣＷＰ分散粒径を得ることができる。図９にはその１例として、気液比（分散空気量／ＣＷＰ流量）を変化させた場合のＣＷＰの噴霧粒径を従来法と比較して示した。気液比が０．２以上と多い場合にはＣＷＰ分散粒径はほぼ同等であるが、気液比が０．２以下になると本発明のＣＷＰ供給ノズル４０では従来技術のノズルに比べて、ＣＷＰ分散粒径が小さくなることが明らかになった。これはＣＷＰ分散空気で分散されたＣＷＰがＣＷＰ供給管の壁面でさらに破壊、分裂されることによる。
【００５３】
しかし、分散空気噴出スリット４５ａのＣＷＰ供給管４３壁面での開口部が、ＣＷＰ供給管４３のさらに上流側に位置するとＣＷＰ分散粒径は増加するとともに分散が脈動することが確認された。これは分散されたＣＷＰがＣＷＰ供給管４３内で、その保有量が増し、ＣＷＰ供給管４３内で再び集合、脈流するためと推定された。
【００５４】
図１０及び図１１に示すＣＷＰ供給ノズル４０の先端部の断面図及び注水制御系統図に示す。この実施の形態はボイラ緊急停止時にＣＷＰ供給管４３の先端部に注水することで、残留したＣＷＰの水分を保持してノズルの閉塞を防止使用とするものである。
図１０に示すようにＣＷＰ供給ノズルは、中心からＣＷＰ供給管４３、冷却水管４４及び分散空気供給管４５の順に同心円の管で構成している。
【００５５】
注水導管６１（図１４）は冷却水管４４の流路内を通して分散空気供給管４５の分散空気噴出スリット４５ａの出口近傍のＣＷＰ供給管４３に開口する注水孔６０を備えている。なお、注水孔６０は冷却水管４４で冷却していない下流側のＣＷＰ供給管４３部分に設けている。また、分散空気噴出スリット４５ａは、分散空気噴出角度が４５度である。
【００５６】
図１１にはＣＷＰ供給ノズル４０先端部に注水導管６１から注水孔６０を経由して注水する制御系統図を示したものであり、ＣＷＰ供給ノズル４０先端部の注水装置は注水装置１２０、流動層火炉７０の壁面７１に設置している層内温度検出器（熱電対）７２と図１０に示すＣＷＰ供給ノズル４０の先端に設置している温度検出器（熱電対）６５及び制御装置１３０及び図示していない注水ポンプ、電磁バルブ及び流量計等で構成されている。
【００５７】
上記の図１０、図１１に示すノズル構造において、ＣＷＰは図１０に示すＣＷＰ供給管４３内を通って、パージ空気はパージ空気孔４２（図１４）を通ってＣＷＰ供給管４３内に供給される。従って、ＣＷＰとパージ空気４２ａはＣＷＰ供給管４３内を共存しながら流動層火炉７０内へ送られる。
【００５８】
ところで、何らかの原因によって加圧流動層ボイラの運転停止を余儀なくされ、緊急的に燃焼空気及びＣＷＰの供給を遮断せざるを得ないことがある。ＣＷＰの供給が停止した場合、加圧流動層ボイラの運転停止してＣＷＰ供給管４３内に残存したＣＷＰが流動層火炉７０からの輻射熱によって水分が蒸発され乾燥、固化するが、上記図１０、図１１に示すＣＷＰ供給ノズル４０によれば、ＣＷＰ供給管４３内壁に付着したＣＷＰの乾燥、固化を防止するためにはＣＷＰ供給管４３の先端部に注水導管６１から注水し、残留したＣＷＰに注入して、この残留ＣＷＰの水分を保持する。もしくは注水孔６０に窒素ガスもしくは空気の気体を数秒間供給して残留ＣＷＰを除去し、火炉７０の高温部からの距離を離すことによって乾燥を避けるようにしてから注水を行う。
【００５９】
ＣＷＰ供給管４３先端部の注水停止は、ＣＷＰ供給管４３に注水している箇所より流動層火炉７０側に設置している温度検出器６５の温度が６０℃以下もしくは流動層火炉７０の層内温度が２００℃以下で行う。これにより、ＣＷＰ供給管４３内に空洞を形成した状態で残留したＣＷＰの水分が保持でき、流動性が得られているためにＣＷＰポンプの再起動が容易にできる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、例えば、加圧流動層火炉への石炭・水の混合ペースト（ＣＷＰ）供給ノズルにおいて、ボイラの緊急停止時にＣＷＰ供給ノズルの分散空気供給管内へ火炉内流動媒体が侵入して堆積するが、プラントの再起動時に堆積した流動媒体が全て再飛散して火炉内へ排出される。分散空気噴出スリットから噴出する分散空気量が均一である。そのため、ＣＷＰの分散特性は低下させることなく火炉内でのアグロメ発生が無く長期間の安定な運転をすることができ経済性の高い加圧流動層ボイラを提供することができる。またボイラの再起動が容易になり、信頼性の高いＣＷＰノズルを提供することができる。さらに再起動に必要な経費および再起動に伴う付帯設備を省略できることから低コストボイラを提供できる。同時に分散空気流量を低減できる効果があるためボイラ効率も上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のＣＷＰ供給ノズルの構造断面図である。
【図２】本発明の実施の形態のＣＷＰ供給ノズルの構造断面図である。
【図３】本発明の実施の形態のＣＷＰ供給ノズルの構造断面図である。
【図４】本発明の実施の形態のＣＷＰ供給ノズルの一部破断斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態のＣＷＰ供給ノズルの構造断面図である。
【図６】本発明の実施の形態のＣＷＰ供給ノズル構造断面図である。
【図７】図６のＣＷＰ供給ノズル内のＣＷＰ状態図である。
【図８】本発明と従来技術に係わるＣＷＰノズル先端部に溜まったＣＷＰの水分率と該ノズル先端からの距離との関係を示す図である。
【図９】本発明と従来技術に係わるＣＷＰノズル内の水分濃度特性の説明図である。
【図１０】本発明ののＣＷＰ供給ノズル構造断面図である。
【図１１】図１０のＣＷＰ供給ノズルの構造の一部断面図及び注水制御系統図である。
【図１２】流動層内温度と注水量の関係図である。
【図１３】加圧流動層におけるＣＷＰ製造装置と得られたＣＷＰを流動層ボイラに供給する系統図である。
【図１４】従来のＣＷＰ供給ノズルの構造断面図である。
【図１５】図１４のＣＷＰ供給ノズルでの分散空気供給管内の流動媒体堆積量の割合である。
【図１６】ＣＷＰ供給ノズル分散空気供給管内の流動媒体堆積状況を示す拡大図である。
【符号の説明】
１０混練機２０ＣＷＰタンク
２５撹拌機３０ＣＷＰポンプ
３１ＣＷＰ配管３２ＣＷＰライン
３５切り替えバルブ３６ＣＷＰ循環配管
３７パージ空気配管４０ＣＷＰ供給ノズル
４２パージ空気孔４３ＣＷＰ供給管
４４冷却水管４５分散空気供給管
４５ａ分散空気噴出スリット６０注水孔（開口部）
６１注水導管７０流動層火炉
７１流動層火炉壁面７２層内温度検出器
７４伝熱管８０圧力容器
８１圧力容器壁９０脱塵装置
１００絞り部１０２空間部

Claims

石炭と水を含む混合物からなるペースト状燃料を該燃料供給ノズルから流動層中に供給して燃焼させる流動層火炉において、燃料供給ノズルは、ペースト状燃料流路と、該ペースト状燃料流路を構成する壁面の火炉側出口部近傍に設けたペースト状燃料を火炉内に向けて分散させるための空気噴出用の分散空気噴出のスリットと、前記燃料流路の外周部に前記分散空気噴出スリットに空気を供給するための燃料分散空気供給流路とからなり、該燃料分散空気供給流路内の分散空気の流速が、火炉から分散空気噴出スリットを経て燃料分散空気供給流路内に侵入する固体粒子の侵入速度以上であるように燃料分散空気供給流路の大きさと該流路に供給する分散空気供給源の能力を制御する空気流速制御装置を設けたことを特徴とした流動層火炉。
燃料分散空気供給流路内の分散空気噴出スリットの上流側に燃料分散空気流路を狭くする絞り部を設けたことを特徴とする請求項１記載の流動層火炉。
燃料分散空気流路を狭くする絞り部は燃料分散空気供給流路の先端部に、火炉から分散空気噴出のスリットを経て侵入する固体粒子が堆積する際の堆積物の安息角を形成するに十分な間隔を保って燃料分散空気供給流路の上流側に配置したことを特徴とする請求項１記載の流動層火炉。
燃料分散空気供給流路に設けた絞り部の外形は流線形または旋回流を与える形状にしたことを特徴とする請求項１記載の流動層火炉。
分散空気噴出スリットより上流側の燃料分散空気供給流路内に堆積物パージ用または吸引用の空気ノズルを設け、かつ該空気ノズルは燃料分散空気供給流路内を摺動自在に配置したことを特徴とする請求項１記載の流動層火炉。
堆積物パージ用または吸引用の空気ノズルには独立した空気供給源または吸引源と該空気供給源または吸引源からのパージ用または吸引用空気を連続的または間欠的に供給または吸引制御するパージ用空気供給または吸引制御装置を設けたことを特徴とする請求項５記載の流動層火炉。
分散空気噴出スリットは、火炉からペースト状燃料流路内に侵入する固体粒子が該ペースト状燃料流路内で堆積する際の堆積物の安息角を形成するに十分な間隔を保って燃料供給流路の上流側のペースト状燃料流路を構成する壁面に開口部を配置したことを特徴とする請求項１記載の流動層火炉。
ペースト状燃料流路の火炉側出口部に水または気体を供給する手段を設け、かつ前記水もしくは気体を供給する手段の配置位置より火炉側のペース状燃料流路に温度計測手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の流動層火炉。
ペースト状燃料流路の外周部に該流路冷却用の冷却水流路を設け、水もしくは気体を供給する手段は前記冷却水流路で冷却されていない箇所に設置したことを特徴とする請求項８記載の流動層火炉。
石炭と水を含む混合物からなるペースト状燃料を火炉内に供給するペースト状燃料流路と、該ペースト状燃料流路を構成する壁面の火炉側出口部近傍に設けたペースト状燃料を火炉内に向けて分散させるための空気噴出用の分散空気噴出のスリットと、前記燃料供給流路の外周部に前記分散空気噴出スリットに空気を供給するための燃料分散空気供給流路と、ペースト状燃料流路を構成する壁面の火炉側出口部に設けた水または気体を供給する手段と、該水もしくは気体を供給する手段の配置位置より火炉側のペースト状燃料流路に設けた温度計測手段とを備えたペースト状燃料供給ノズルから流動層中にペースト状燃料を供給して燃焼させる流動層火炉の運転方法であって、流動層の層内温度に応じて水もしくは気体を供給する手段からの水もしくは気体の供給量を任意に制御することを特徴とする流動層火炉の運転方法。
流動層火炉内の温度が２００℃以上であると、水もしくは気体を供給する手段からの水もしくは気体の供給を行い、その供給の停止はペースト状燃料流路の火炉側出口部分の温度が６０℃以下もしくは層内温度が２００℃以下で行うことを特徴とする請求項１０記載の流動層火炉の運転方法。
石炭と水を含む混合物からなるペースト状燃料を火炉内に供給するペースト状燃料流路と、該ペースト状燃料流路を構成する壁面の火炉側出口近傍に設けたペースト状燃料を火炉内に向けて分散させるための空気噴出用の分散空気噴出スリットと、前記燃料供給流路の外周部に前記分散空気噴出スリットに空気を供給するための燃料分散空気供給流路と、燃料分散空気供給流路内の分散空気噴出スリットの上流側に設けた燃料分散空気流路を狭くする絞り部とを備えていることを特徴とするペースト状燃料供給ノズル。
石炭と水を含む混合物からなるペースト状燃料を火炉内に供給するペースト状燃料流路と、該ペースト状燃料流路を構成する壁面の火炉側出口部近傍に設けたペースト状燃料を火炉内に向けて分散させるための空気噴出用の分散空気噴出のスリットと、前記燃料供給流路の外周部に前記分散空気噴出スリットに空気を供給するための燃料分散空気供給流路と、分散空気噴出スリットより上流側の燃料分散空気供給流路内に摺動自在に設けられた堆積物パージ用または吸引用の空気ノズルと、を備えたことを特徴とするペースト状燃料供給ノズル。
石炭と水を含む混合物からなるペースト状燃料を火炉内に供給するペースト状燃料流路と、火炉からペースト状燃料流路内に侵入する固体粒子が該ペースト状燃料流路内で堆積する際の堆積物の安息角を形成するのに十分な間隔を保ってペースト状燃料供給流路の上流側の壁面に開口部を設けて配置した、ペースト状燃料を火炉内に向けて分散させるための空気噴出用の分散空気噴出のスリットと、前記燃料供給流路の外周部に前記分散空気噴出スリットに空気を供給するための燃料分散空気供給流路とを備えていることを特徴とするペースト状燃料供給ノズル。