JP4920082B2 - 流動床反応器のボイラー水サイクル及びそのようなボイラー水サイクルを有する流動床反応器 - Google Patents

Description

本発明は、流動床ボイラー（ＦＢボイラー）のボイラー水サイクル及び請求項１の導入部に従ってそのようなボイラー水サイクルを有する流動床ボイラーに関する。本発明は特に、貫流原理で作用する４００ＭＷｅ超臨界循環流動床ボイラー（ＣＦＢ）のボイラー水サイクルに関する。

ＦＢボイラーでは、他の熱出力ボイラーと同様に、予熱された入口水の蒸発、すなわち沸騰が、主にボイラー炉の外壁の水管パネルを使用して行われる。蒸発する水はほとんどが、ドラム・ボイラーの蒸気ドラムから、又は貫流事業用ボイラー内の水のための予熱面から、１つ以上のドロップ・レッグによってボイラーの下部へと導かれる。ドロップ・レッグは通常、炉の下に配置された入口ヘッダへと水を導入するときに使用される多数の入口管と連結され、入口ヘッダが炉壁の幅に対応する長さを有している。炉の外壁の水管パネルの水管は入口ヘッダに連結され、水管内の水を加熱し蒸発させる。外壁の水管は上端から出口ヘッダ並びに蒸気がさらに水分離及び過熱へと導かれるときに使用される配管へと連結される。

水管パネルの水管内の水の均一な分布を保証することができるようにするために、ドロップ・レッグは通常、一端から入口ヘッダの長さ全体へとほぼ等間隔で連結された、多数の入口管に連結される。そのような多数の入口管を有する貫流事業用ボイラーが、例えば米国特許第４，２９０，３８９号明細書、米国特許第３，３９９，６５６号明細書、米国特許第３，３６９，５２６号明細書に開示されている。米国特許第４，１８３，３３０号は、蒸気ドラムのドロップ・レッグを、水を炉の壁管へと導入する環状入口ヘッダに連結する、多数の入口ラインを有するＦＢボイラーの一例を開示している。

ドロップ・レッグは実質的に垂直とすることができ、それにより、一般にボイラーの底面レベルの外部で終端し、又はその下部が水平に曲がることができ、次いでボイラー壁の１つの下に延びることができる。後者の場合、壁に連結された入口ヘッダの入口管は、比較的短くすることができる。特に、２つのドロップ・レッグがあるとき、好ましくは、より長い側壁、換言すると前壁及び後壁の下、或いはそのより短い側壁の下に延びることができる。

したがって上記のボイラー水サイクルは作業ソリューションであるが、大きなボイラーでは、これらはやや複雑になることがある。ボイラー水サイクルは、炉の底面グリッドもまた蒸発管によって冷却されるときに特に複雑となり、グリッドのサイズが大きいことにより、グリッドの中心部の下に長手方向に延びるように１つ以上の入口ヘッダを置くことは、有利であり、ドラム・ボイラーでは必要でもある。流動床ボイラーでは特に、流動空気のための入口チャンバ、いわゆる風箱もグリッドの下の流動床ボイラー内に配置されていなければならないため、いわゆるグリッド・チャンバの入口管の配置は問題が多い。風箱が、均質の空気分布の観点から有利である、１つの大きい非分割構造として配置されるように所望される場合、グリッド・チャンバを一般に風箱内部に置くべきである。これにより、多くの入口管は風箱を通って導かれなければならない。

本発明の目的は、従来技術による流動床ボイラーのボイラー水サイクルに関連する問題を低減する、流動床ボイラーのボイラー水サイクルを提供することである。

特に、本発明の目的は、単純で信頼性の高い、貫流原理で作用する超臨界循環流動床ボイラーのボイラー水サイクルを提供することである。

本発明の他の目的は、そのようなボイラー水サイクルを有する流動床ボイラーを提供することである。

上記の従来技術の問題を解決するために、流動床ボイラーのボイラー水サイクル及びそのようなボイラー水サイクルを有する流動床ボイラーが提供され、その特徴は装置独立請求項の特徴部で説明される。

したがって、本発明による流動床ボイラーのボイラー水サイクルは、ドロップ・レッグ、及びボイラー炉の前壁の長さの大部分で、流動床ボイラーの炉の下に配置された、多数の水平入口ヘッダを含み、前壁及び後壁の水管のパネル、水管の延長が入口ヘッダに直接連結され、各入口ヘッダが入口ヘッダの端部に連結された入口管のみを通してドロップ・レッグと流体連通している。

流動床ボイラーの炉は一般に水平断面が長方形であり、炉の前壁及び後壁は一般に、炉のより長い壁を言う。炉のより短い側壁もまた、好ましくは本発明に従って冷却されるが、炉のより短い壁への水の供給を、多数の入口管を使用して従来の方法で実行することが可能である。炉のより長い壁又はより短い壁の長さが互いに比較的近くなるときに特に問題となる、第３の代替案は、炉のより短い壁が本発明に従って、より長い壁が従来の方法で、冷却されることである。

各入口ヘッダが本発明によるドロップ・レッグ、好ましくは１つのドロップ・レッグのみと、入口ヘッダの端部に連結された入口管のみを使用して流体連通するとき、多数の入口管によって生じる複雑性が回避される。この連結で入口ヘッダの端部への連結とは、入口管が入口ヘッダに平行にその端部に直接連結されている、又は入口管が入口ヘッダの側壁、ただし実質的にその第１の端部に、連結されていることを示す。本発明による配置は、流動気体の均質の流れを可能にする非分割の風箱を形成することが望ましい、大きい循環流動床ボイラーにおいて特に有利である。そのようなものの製造は従来技術の多数の入口ラインによって大きく妨げられる。

当然、本発明による配置の短所は、入口ヘッダの内径が、入口ヘッダの遠方端部へも十分なボイラー水の流れを確保するために十分大きくなければならないことである。したがって、入口ヘッダの必要なサイズは供給される水の量によって決まるが、好ましい実施例によれば、入口ヘッダの内径は少なくとも２００ｍｍ、最も好ましくは少なくとも３００ｍｍである。したがって大きい入口ヘッダではコストが増加するが、本発明の発明者は、驚くことに、大きいＦＢボイラー、特に超臨界貫流ＣＦＢボイラーでは、電力出力が少なくとも４００ＭＷｅであり、上記の非常に簡単なボイラー水の入口ヘッダの配置を使用することが有利であることに気付いた。

特に、本発明によるボイラー水サイクルが超臨界貫流サイクルであるとき、ただ１つのドロップ・レッグがある場合、特に簡単で有利な配置が提供され、それにより、それぞれの入口ヘッダが１つの共通のドロップ・レッグと流体連通している。

本発明の好ましい実施例によれば、入口ヘッダは、炉の前壁の下に配置された前壁チャンバ、炉の後壁の下に配置された後壁チャンバ及び少なくとも１つの、炉のグリッドの中心部の下にあるいわゆるグリッド・チャンバを含む。この好ましい実施例では、一般に、炉の前壁内の水管の延長の第１の部分が前壁チャンバに直接連結され、対応して、炉の後壁内の水管の延長の第１の部分が後壁チャンバに直接連結される。この配置によれば、前壁及び後壁の水管パネルのすべての水管が上記の前壁チャンバ及び後壁チャンバに連結されているわけではないが、前壁及び後壁の水管の第２の部分が炉のグリッドに平行なグリッド管としてグリッド・チャンバへと延びる。この配置を使用することによって、ボイラー水のすべてのグリッド管への均一な分布を提供することも可能である。グリッド・チャンバは好ましくは炉のグリッドの下、風箱の内部に配置される。

グリッド管の強度要件が前壁及び後壁の水管の要件より高いため、及び空気を流動化するためのノズルのために十分なスペースがグリッド管の間に残されている必要があるため、グリッド管は一般に壁の水管より直径が大きい。したがって、各グリッド管は好ましくは、特別な嵌合部材を使用して、前壁又は後壁内の水管の上記の第２の部分の水管に連結される。

大きなボイラーでは２つのグリッド・チャンバを有することが有利であり、それにより前壁内の水管の延長の第２の部分は好ましくは第１のグリッド・チャンバに連結され、後壁内の水管の延長の第２の部分は第２のグリッド・チャンバに連結される。第１及び第２の部分の水管は好ましくは前壁及び後壁内で交互になり、それにより、例えば、前壁の１つおきの水管が前壁チャンバと連結され、それらの残りが第１のグリッド・チャンバと連結している。

大きな入口ヘッダの重要な追加の利点は、それらを炉の下部の支持構造として配置することができることであり、それにより、他の支持構造の数が低減される。特に、大きいＦＢボイラーでは、本発明の好ましい実施例による大きいグリッド・チャンバがその一部を形成するとき、グリッドの中心部の支持を簡略化することが可能である。

本発明は、添付の図面を参照してより詳細に説明される。

図１は、本発明の好ましい実施例による、炉１２を含むＣＦＢボイラー１０を示す。本発明によるボイラーは、自然循環ボイラー、換言するとドラム・ボイラーとすることができるが、最も好ましくは例えば図１で示す超臨界貫流事業用ボイラーである。炉の水平断面は一般に長方形であり、底、天井及び側壁で限定されており、その１つの長い側壁、いわゆる前壁１４が図に示されている。炉を限定する壁は、従来、水管壁構造として、換言すると水管１６及びそれらの間に気密に連結されたフィンから製造される。水管及びフィンは、水を沸騰させるため、すなわち予熱された供給水を蒸気へと変換するために使用される、水管パネル１８を形成する。

いわゆる風箱２０が、燃料の燃焼及び流動床の炉への流動化のために必要な一次ガス、一般に空気を供給するために炉の下に配置されている。燃料入口手段、煙道ガスのための排出通路及びボトムアッシュ、また粒子分離器及びそれに関連する戻り管など、ＣＦＢボイラーの他の従来の部品もまた、炉に連結されている。簡略化のために、本発明に無関係なこれらの詳細は図１には開示されていない。

水予熱面、いわゆるエコノマイザーから導かれた予熱された供給水２２、及び蒸気分離器２４から戻る可能性のある液体が、ドロップ・レッグ２６を使用して炉底面のレベルへと導かれ、そこから入口管２８を使用してボイラーの側壁内の蒸気管の入口ヘッダ３０へと分配される。従来の技術によると、複数の入口管が、入口ヘッダの長さ全体にわたってほぼ等間隔で連結される。しかし、各入口ヘッダ３０が、入口ヘッダの端部に連結された入口管２８のみを使用してドロップ・レッグ２６と流体連通していることは、本発明の特徴である。これを可能にするために、入口ヘッダ３０の直径は当然、十分で従来技術の配置のものよりかなり大きくなければならない。本発明による入口ヘッダの内径は好ましくは少なくとも２００ｍｍ、最も好ましくは少なくとも３００ｍｍである。本発明による入口配管の構造は非常に簡単であり、炉の下部に連結された装置の位置を妨げず、例えば大きな非分割の風箱２０の構成も妨げない。

入口ヘッダ３０からの水が、蒸発させるために水管パネル１８へ、さらに蒸気として出口ヘッダ３２へと導かれる。ボイラーがいわゆるドラム・ボイラーである場合、水及び蒸気をパネルの上方へ駆動する力は、ドラムのドロップ・レッグ内の液柱の重さである。ボイラーがいわゆる強制循環ボイラー、特にいわゆる超臨界貫流ボイラーである場合、駆動力は水サイクルのポンプによって生成される圧力である（図１には示さず）。場合によりまだいくらかの液体水を含んでいる出口ヘッダ３２からの蒸気が、収集器管３４を使用して、水及び蒸気分離装置２４へと導かれる。蒸気はさらに、例えば煙道ガス通路内に配置された過熱器へ向かう蒸気配管３６内でも蒸気のままである。

図２は、本発明の好ましい実施例による水サイクルを有する流動床ボイラーの、炉１２の下部の簡略化された垂直断面を概略的に示す。図２は、炉１２の水管パネルから形成される前壁１４及び後壁３８、並びに風箱２０を示す。図２はまた、グリッド管４２の間に配置された流動ガス・ノズル４０とともに風箱２０を概略的に示す。

前壁１４及び後壁３８内の水管の第１の部分の延長４４、４６が、前壁チャンバ４８及び後壁チャンバ５０にそれぞれ、直接連結されている。前壁チャンバ４８及び後壁チャンバ５０は両方とも、図１に示す態様で、チャンバの端部に連結された入口管のみを使用してドロップ・レッグに連結されている。それにより、本発明による入口ヘッダに連結された他の入口管はないため、炉１２の各断面は、他の装置が炉１２の下部へと連結することを妨害する入口ヘッダの入口管がない点において単純である。

図２の実施例では、風箱２０内に配置された２つの他の入口ヘッダ、いわゆる第１及び第２のグリッド・チャンバ５２、５４がある。グリッド管４２はグリッド・チャンバへと連結され、そのそれぞれは、好ましくは以下に示す態様で前壁１４又は後壁３８の水管へと連結される。グリッド・チャンバ５２、５４も、図１に示す態様で、チャンバの端部に連結された入口管のみを使用してドロップ・レッグに連結されているので、非分割の風箱の構成を妨げる、グリッド・チャンバ５２、５４の中心部に連結された入口管はない。ボイラー壁の長さにわたって延びるグリッド・チャンバ５２、５４は、グリッド構造も大幅に強化し、したがって他の支持構造の必要性が低減される。

図３は、本発明の好ましい実施例による循環流動床ボイラー内のボイラー水管の下部の詳細を概略的に示す。この図は前壁チャンバ４８、第１のグリッド・チャンバ５２及びそれに連結された水管を示す。当然、図は後壁チャンバに連結された水管及び第２のグリッド・チャンバも対応的に示す。図２に関連して先に示したように、グリッド管は好ましくは、グリッド断面の中心部で長手方向に配置され、したがってグリッドに平行なグリッド管４２の実質的に水平な部分の長さは、グリッドの幅全体のほぼ半分である。

第１のグリッド・チャンバ５２に連結されたグリッド管４２は、グリッド・チャンバから、まずある程度上向きに延び、次いでグリッドに平行に曲がり前壁１４に向かい、そこで再び上向きに曲がる。グリッド管の直径は好ましくは、炉壁の水管５４、５４’の直径より大きいので、グリッド管は好ましくは、接続金具部材５６によって炉壁の水管５４’に連結される。有利には、炉壁の１つおきの管は、いわゆる水管の第１の部分５４に属し、その延長４４は前壁チャンバ４８に直接連結され、管の残りはいわゆる第２の部分５４’に属し、接続金具部材５６を使用してグリッド管４２へ、及びそこを通って第１のグリッド・チャンバ５２へと連結される。

以上、いくつかの例示的な配置を参照して、本発明を説明した。これらの配置は本発明の範囲を限定するために述べられたものではなく、本発明は特許請求の範囲及びそこに述べられた定義によってのみ限定される。

本発明の好ましい実施例によるボイラー水サイクルを含む、循環流動床ボイラーの概略的な側面図である。 本発明の好ましい実施例によるボイラー水サイクルを含む、循環流動床ボイラーの下部の垂直断面の概略図である。 本発明の好ましい実施例による循環流動床ボイラーのボイラー水管の下部の詳細を概略的に示す図である。

Claims (9)

1. ドロップ・レッグ（２６）、及びボイラー炉（１２）の前壁（１４）の長さの大部分で、流動床ボイラーの炉の下に配置された、多数の水平入口ヘッダ（３０、４８、５０、５２、５４）を含み、
   前記前壁（１４）及び後壁（３８）の水管（１６）のパネル（１８）と、前記水管の延長（４４、４６）が前記入口ヘッダに直接連結され、
   各入口ヘッダが前記入口ヘッダの端部に連結された入口管（２８）のみを通してドロップ・レッグ（２６）と流体連通していて、
   前記入口ヘッダが前記炉の前記前壁（１４）の下の前壁チャンバ（４８）、及び前記炉の前記後壁（３８）の下に配置された後壁チャンバ（５０）、及び前記流動床ボイラーの風箱（２０）内の前記炉のグリッドの中心部の下の少なくとも１つのグリッド・チャンバ（５２、５４）を含むボイラー水サイクルにおいて、
   前記前壁（１４）内の水管の前記延長（４４）の一部分が前記前壁チャンバ（４８）に直接連結され、
   前記後壁（３８）内の水管の前記延長（４６）の一部分が前記後壁チャンバ（５０）に直接連結され、
   前記前壁内の前記水管の別の部分（５４’）及び前記後壁内の前記水管の別の部分が前記グリッド・チャンバ（５２、５４）に連結されたグリッド管（４２）として前記炉のグリッドに平行に延びることを特徴とする、ボイラー水サイクル。
2. 請求項１に記載のボイラー水サイクルにおいて、前記ボイラー水サイクルが超臨界貫流サイクルであることを特徴とする、ボイラー水サイクル。
3. 請求項１又は２に記載のボイラー水サイクルにおいて、各入口ヘッダがただ１つのドロップ・レッグ（２６）と流体連通していることを特徴とする、ボイラー水サイクル。
4. 請求項３に記載のボイラー水サイクルにおいて、各入口ヘッダが共通のドロップ・レッグ（２６）と流体連通していることを特徴とする、ボイラー水サイクル。
5. 請求項１に記載のボイラー水サイクルにおいて、前記前壁（１４）及び後壁（３８）内の前記水管（５４）の直径が前記グリッド管（４２）の直径より小さく、前記前壁及び後壁の前記水管の前記別の部分の各水管が接続金具部材（５６）を使用して前記グリッド管に連結されることを特徴とする、ボイラー水サイクル。
6. 請求項１に記載のボイラー水サイクルにおいて、前記入口ヘッダが２つのグリッド・チャンバ（５２、５４）を有し、前記前壁（１４）内の前記水管の前記延長の前記別の部分が前記第１のグリッド・チャンバ（５２）に連結され、前記後壁（３８）内の前記水管の前記延長の前記別の部分が前記第２のグリッド・チャンバ（５４）に連結されることを特徴とする、ボイラー水サイクル。
7. 請求項１に記載のボイラー水サイクルにおいて、前記入口ヘッダの内径が少なくとも２００ｍｍであることを特徴とする、ボイラー水サイクル。
8. 請求項７に記載のボイラー水サイクルにおいて、前記入口ヘッダの内径が少なくとも３００ｍｍであることを特徴とする、ボイラー水サイクル。
9. 流動床ボイラー（１０）であって、請求項１から８までの一項に記載のボイラー水サイクルを含むことを特徴とする、流動床ボイラー（１０）。

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