JP2020041776A - 固気二相流の分配装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固気二相流の分配量の偏差を実施的にゼロにすることができる固気二相流の分配装置を提供する。【解決手段】拡径する円筒と円筒の大きい径の方の開口を塞ぐ天井板３とを有する本体容器４、固気二相流を本体容器に供給するための１本の断面円形の入口ダクト１、固気二相流を本体容器の中から排出するための２本以上の断面円形の出口ダクト２、および出口ダクトの本数と同じ枚数の板状部材５から成り、天井板に出口ダクトの本数と同じ数の円形の出口貫通孔を、それぞれの中心が、天井板の中心を重心と見做して思い描かれる正多角形の頂点の位置になるように配置し、出口ダクトを、それぞれ、出口貫通孔にて本体容器と連通するように接続すると共に、板状部材を、天井板の下面に、正多角形の外接円上の隣り合う２つの頂点の間の弧を横切るようにそれぞれ配置した固気二相流の分配装置。【選択図】図１

Description

本発明は、固気二相流の分配装置に関する。より詳細に、本発明は、搬送用空気と固体燃料粉粒（石炭の粉砕物(微粉炭)やバイオマス(木材)の粉砕物）との混合物のバーナへの供給量を制御するなどのために使用される、固気二相流の分配装置に関する。

石炭炊きのボイラの火炉には、通常、複数のバーナが設置されている。これらバーナに搬送用空気と微粉炭との混合物がそれぞれ供給される。搬送用空気と微粉炭との混合物のバーナへの供給量を制御するために、微粉炭と搬送用空気との混相流を分配するための様々な装置が提案されている。

例えば、特許文献１は、ミル本体内に投入された被粉砕物を粉砕した粉体が、周方向を複数に分割されたミル本体頂部の粉体出口から気流搬送により外部へ排出されるように構成されているローラミル構造において、前記ミル本体内で回転するテーブルと、該テーブル上を転動して前記被粉砕物を粉砕する複数個のローラと、前記粉体出口の上流に配設された回転式分級器とを備え、前記回転式分級器の内部に流入して前記粉体出口へ向かう粉体気流の流路途中に、流路断面積を部分的に狭める整流装置が設けられていることを特徴とするローラミル構造を開示している。整流装置として可動式ベーンが示されている。可動式ベーンは回転式分級器の側壁側（外周側）に支持された鉛直方向の回転軸を中心に揺動（開閉）する板状ダンパ部材である。

特許文献２は、固体燃料を粉砕する粉砕部と該粉砕部で粉砕された固体燃料を搬送用気体に同伴させて混合流体とした後に複数の固体燃料燃焼バーナに供給するための各燃料配管に分配する分配部とを有する固体燃料燃焼設備の燃料分配装置において、前記分配部と前記各燃料配管の接続部毎にそれぞれ独立して固体燃料の分配量を調整可能にした分配量調整手段を設けたことを特徴とする固体燃料燃焼設備の燃料分配装置を開示している。分配量調整手段として、前記燃料分配部と前記各燃料配管の接続部に移動可能な円筒部材で当該円筒部材の位置を調整可能にしたもの、前記燃料分配部と前記各燃料配管の接続部に移動可能な板材で当該板材の位置を調整可能にしたものなどを開示している。

特許文献３は、外側ケーシングと、それらの間に気体及び粒子の流れが実質的に上方に流れることができる通路を画定するように構成された内側ケーシングと、粗い粒子を流れから分離するために通路が通路から内部ケーシング内に通過する際にガス流と粒子の流れに回転流を与えるための傾斜した羽根と、ガス流と微粒子を排出するための複数の出口、気体及び微粒子の流れの回転流に影響を与えることにより、様々な出口の中の微粒子の分布を制御するために出口に対して旋回可能に取り付けられた少なくとも１つの分配羽根とを含む、粗粒子と微粒子との混合物に同伴されたガスの流れから粗粒子を分離する装置を開示している。

ＷＯ ２００９／０９３３４６ Ａ 特開２００６−０９８０３０号公報 ＵＳ ０６６０７０７９ Ｂ２

本発明の課題は、固気二相流の分配量の偏差を実施的にゼロにすることができる固気二相流の分配装置を提供すること、特に微粉炭の燃焼設備において、火炉の各燃料配管への微粉炭の分配量を従来より均等にすることができ、設備全体の省エネルギー化やコスト削減を図ることができる、固気二相流の分配装置を提供することである。

上記課題を解決すべく検討した結果、以下のような態様を包含する本発明を完成するに至った。

〔１〕 下から上に向かって拡径する円筒と該円筒の大きい径の方の開口を塞ぐ天井板とを有する本体容器、
固気二相流を本体容器の中に供給するための１本の断面円形の入口ダクト、
固気二相流を本体容器の中から排出するための２本以上の断面円形の出口ダクト、および
出口ダクトの本数と同じ枚数の板状部材を有し、
天井板は出口ダクトの本数と同じ数の円形の出口貫通孔を有し、
出口貫通孔は、それぞれの中心が、天井板の中心を重心と見做して思い描かれる正多角形の頂点の位置になるように配置されており、
出口ダクトは、それぞれ、出口貫通孔にて本体容器と連通するように接続されており、
入口ダクトは、前記円筒の小さい径の方の開口にて本体容器と連通するように接続されており、
板状部材は、天井板の下面に垂れ下がって設置されており、且つ
板状部材は、その板面が、前記正多角形の外接円上の隣り合う２つの頂点の間の弧を横切り、天井板の中心から放射状に出る方向に対して平行で且つ天井板の下面に対して直角であるように、それぞれ配置されている、
固気二相流の分配装置。

〔２〕 前記正多角形の外接円において、板状部材の設置位置と該位置から固気二相流の下流側で最も近い出口貫通孔の向かい側の縁との間の弧の長さｌ₃、および
前記板状部材の設置位置と該位置から固気二相流の上流側で最も近い貫通孔の縁との間の弧の長さｌ₄、ならびに
本体容器中の外接円の半径Ｒ₁の位置における固気二相流の平均流速の垂直方向成分Ｖ_a、本体容器中の外接円の半径Ｒ₁の位置における固気二相流の平均流速の水平方向成分Ｖ_t、本体容器の高さＨ₂、および板状部材の垂直方向の長さＨ₁が、
Ｌ₃＝ｌ₃−Ｈ₁×Ｖ_t／Ｖ_a
Ｓ₁＝Ｌ₃×Ｈ₂
Ｌ₄＝ｌ₄＋Ｈ₁×Ｖ_t／Ｖ_a
Ｓ₂＝Ｌ₄×Ｈ₂−0.5×Ｈ₁×Ｈ₁×Ｖ_t／Ｖ_a および
Ｓ₂／（Ｓ₁＋Ｓ₂）≧０．３
を満たす、〔１〕に記載の分配装置。

〔３〕 出口貫通孔の内径Ｄ₁に対する板状部材の水平方向の最大長さＬ₁の比Ｌ₁／Ｄ₁が０．７より大きく、且つ
本体容器の高さＨ₂に対する板状部材の垂直方向の最大長さＨ₁の比Ｈ₁／Ｈ₂が０．７より大きい、〔１〕または〔２〕に記載の分配装置。
〔４〕 天井板の下面に、出口貫通孔の縁に沿って出口貫通孔を廻らす、天井板の下面から下に向かって突き出ている壁をさらに有する、〔１〕〜〔３〕のいずれかひとつに記載の分配装置。
〔５〕 出口貫通孔の内径Ｄ₁に対する出口貫通孔を廻らす壁の垂直方向の長さＬ₂の比Ｌ₂／Ｄ₁が０．０２５以上０．２５以下である、〔４〕に記載の分配装置。

〔６〕 天井板は、その中心に円形の追加貫通孔をさらに有し、
入口ダクトと本体容器とが同一の中心軸を持つように配置され、
該中心軸に沿って配置された、天井板の上方から追加貫通孔を経て入口ダクトの中にまで至る、入口ダクトの内径よりも小さい外径を有する断面円形の粉粒供給管をさらに有する、〔１〕〜〔５〕のいずれかひとつに記載の分配装置。

〔７〕 〔１〕〜〔６〕のいずれかひとつに記載の分配装置を具備するミル。
〔８〕 〔７〕に記載のミルを具備するボイラ。

〔９〕 〔１〕〜〔６〕のいずれかひとつに記載の分配装置を用いて、
固気二相流を入口ダクトを経て本体容器の中に供給し、
本体容器の中から出口ダクトを経て固気二相流を排出することを有し、
前記固気二相流は、本体容器内においてストークス数が１未満である、
固気二相流の分配方法。
〔１０〕 固気二相流に含まれる粉粒は、重量基準粒度分布における５０％径が、３０〜５０μｍである、〔９〕に記載の分配方法。

本発明の固気二相流の分配装置は、固気二相流の分配量の偏差を実質的にゼロにすることができる。本発明の固気二相流の分配装置は、特に微粉炭の燃焼設備において、火炉の各燃料配管への微粉炭の分配量を従来より均等にすることができ、設備全体の省エネルギー化やコスト削減を図ることができる。

本発明の分配装置の一例を示す天面図および側面略図である。 比Ｓ₂／（Ｓ₁＋Ｓ₂）を説明するための図である。 本発明の分配装置の別の一例を示す天面図および側面略図である。 本発明の分配装置を具備するミルの一例を示す図である。

次に、実施例を示して、本発明をより詳細に説明する。但し、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

本発明の固気二相流の分配装置は、本体容器４、１本の入口ダクト１、２本以上の出口ダクト２、および板状部材５を有する。

本体容器は、下から上に向かって拡径する円筒と該円筒の大きい径の方の開口を塞ぐ天井板３とを有してなる。
円筒の大きい径の開口の半径Ｒ₄は、円筒の小さい径の方の開口の半径Ｒ₅に対する比Ｒ₄／Ｒ₅が、好ましくは１．４〜２．２である。
天井板は出口ダクトの本数と同じ数の円形の出口貫通孔（outlet hole）を有する。出口貫通孔は、それぞれの中心が、天井板の中心を重心と見做して思い描かれる正多角形の頂点の位置になるように配置されている。出口貫通孔の内径Ｄ₁は、それぞれ同じである。また、正多角形の外接円の半径Ｒ₁は、円筒の大きい径の開口の半径Ｒ₄に対する比Ｒ₁／Ｒ₄が、好ましくは０．６〜０．９である。

入口ダクトは、断面円形を成す管である。入口ダクトは、本体容器を構成する円筒の小さい径の方の開口にて本体容器と連通するように接続されている。入口ダクトを介して、固気二相流を本体容器の中に供給することができる。

出口ダクトは、断面円形を成す管である。出口ダクトは、それぞれ、天井板に有する出口貫通孔にて本体容器と連通するように接続されている。出口ダクトを介して、固気二相流を本体容器の中から排出することができる。出口ダクトの内径は、出口貫通孔の内径Ｄ₁とほぼ同じである。

板状部材は、出口ダクトの本数と同じ枚数を有する。板状部材は、天井板の下面に垂れ下がって設置されている。板状部材は、前記正多角形の外接円上の隣り合う２つの頂点の間の弧を横切るようにそれぞれ配置されている。板状部材は、その板面が天井板の中心から放射状に出る方向に対して平行で且つ天井板の下面に対して直角であるように設置される。好ましい形態の板状部材は、円筒の内面に近い側の縁を軸にして回動し、板面を円筒の内面側に倒すことができるものである。
板状部材の円筒の内面に近い側の縁は、天井板の中心を重心と見做して思い描かれる正多角形の頂点の位置になるように配置されていることが好ましい。板状部材の円筒の内面に近い側の縁の正多角形の外接円の半径Ｒ₃は、円筒の大きい径の開口の半径Ｒ₄に対する比Ｒ₃／Ｒ₄が、好ましくは０．９〜０．９５である。板状部材の円筒の内面に遠い側の縁は、天井板の中心を重心と見做して思い描かれる正多角形の頂点の位置になるように配置されていることが好ましい。板状部材の円筒の内面に遠い側の縁の正多角形の外接円の半径Ｒ₂は、円筒の大きい径の開口の半径Ｒ₄に対する比Ｒ₂／Ｒ₄が、好ましくは０．３〜０．６である。

板状部材は、板面が、長方形、台形、平行四辺形などの形を成していることが好ましい。板状部材は、本体容器を構成する円筒の内面に接していてもよいし、接していなくてもよい。また、粉粒供給管の外面に接していてもよいし、接していなくてもよい。
板状部材の水平方向の最大長さＬ₁は、出口貫通孔の内径Ｄ₁に対する比Ｌ₁／Ｄ₁が、大きくなるほどに出口ダクトにおける最大流量偏差が低下する傾向がある。比Ｌ₁／Ｄ₁は０．７より大きいことが好ましい。
板状部材の垂直方向の最大長さＨ₁は、本体容器の高さＨ₂に対する比Ｈ₁／Ｈ₂が、大きくなるほどに出口ダクトにおける最大流量偏差が低下する傾向がある。比Ｈ₁／Ｈ₂は０．７より大きいことが好ましい。

さらに、本発明においては、比Ｓ₂／（Ｓ₁＋Ｓ₂）が、大きくなるほどに出口ダクトにおける最大流量偏差が低下する傾向がある。比Ｓ₂／（Ｓ₁＋Ｓ₂）は、０．３以上であることが好ましい。
なお、Ｓ₁およびＳ₂は次式で算出される値である。
Ｓ₁＝Ｌ₃×Ｈ₂＝（ｌ₃−Ｈ₁×Ｖ_t／Ｖ_a）×Ｈ₂
Ｓ₂＝Ｌ₄×Ｈ₂−0.5×Ｈ₁×Ｈ₁×Ｖ_t／Ｖ_a
＝（ｌ₄＋Ｈ₁×Ｖ_t／Ｖ_a）×Ｈ₂−0.5×Ｈ₁×Ｈ₁×Ｖ_t／Ｖ_a
ここで、ｌ₃は、前記半径Ｒ₁の外接円における、板状部材の設置位置と該位置から固気二相流の下流側で最も近い出口貫通孔の向かい側の縁との間の弧の長さであり、ｌ₄は、前記半径Ｒ₁の外接円における、板状部材の設置位置と該位置から固気二相流の上流側で最も近い出口貫通孔の縁との間の弧の長さであり、Ｖ_aは、本体容器中の外接円の半径Ｒ₁の位置における固気二相流の平均流速の垂直方向成分であり、Ｖ_tは、本体容器中の外接円の半径Ｒ₁の位置における固気二相流の平均流速の水平方向成分であり、Ｈ₂は、本体容器の高さであり、Ｈ₁は、板状部材の垂直方向の最大長さである。
Ｖ_aおよびＶ_tは、本体容器に、板状部材５−１が設置されていないときに生じる、外接円半径Ｒ₁の位置における固液二相流の平均流速に基づいて、決定される。固液二相流の平均流速Ｖ_aおよびＶ_tは固体粒子の流速で代表させることができる。例えば、固体粒子の流速は、CFD(Computational Fluid Dynamics)を用いて求めることが有効である。ストークス数が１以下である場合は、固体粒子の軌跡は、気体流れの流線におおよそ一致するので、気体流れのベクトルを用いることも可能である。

本発明の好ましい態様の固気二相流の分配装置は、粉粒供給管１０をさらに有する。粉粒供給管は入口ダクトの内径よりも小さい外径を有する。そして、粉粒供給管は、同一の中心軸を持つように配置された入口ダクト１と本体容器４とを、該中心軸に沿って、天井板の上方から、天井板の中心に有する円形の追加貫通孔（feed hole）を経て、入口ダクトの中にまで至るように配置される。入口ダクトまたは粉粒供給管の下方に、粉粒供給管を経て供給された粉粒を砕く手段と、砕かれた粉粒を気流に同伴させて固気二相流を形成させる手段とを有することができる。そして、得られた固気二相流を入口ダクトに導くことができる。粉粒供給管１０の外半径Ｒ₆は、円筒の小さい径の開口の半径Ｒ₅に対する比Ｒ₆／Ｒ₅が、好ましくは０．３〜０．６であり、円筒の大きい径の開口の半径Ｒ₄に対する比Ｒ₆／Ｒ₄が、好ましくは０．１５〜０．３である。

本発明の好ましい態様の固気二相流の分配装置は、天井板の下面に、出口貫通孔の縁に沿って出口貫通孔を廻らす、天井板の下面から下に向かって突き出ている壁をさらに有する。出口貫通孔を廻らす壁の垂直方向の長さＬ₂は、出口貫通孔の内径Ｄ₁に対する比Ｌ₂／Ｄ₁が、好ましくは０．０２５以上０．２５以下、より好ましくは０．０５以上０．２以下である。比Ｌ₂／Ｄ₁が上記範囲にあるとき、旋回流れにそって流入する粒子が、壁に衝突し、分散し、他の出口ダクトへ回り込んで粒子が排出される。その結果、出口ダクトにおける最大流量偏差が低下する傾向がある。

本発明に用いられる固気二相流は、本体容器内におけるストークス数Ｓｔが、好ましくは１未満である。Ｓｔ＜１においては、粉粒の軌跡は流体の流線にほぼ一致するとみなすことができる。
Ｓｔ＝（ρ_pｄ²Ｕ）／（18ηＬ）
ρ_p＝粉粒の密度(kg/m³)、 ｄ＝粉粒の直径(m)、 Ｕ＝流れの代表速さ(m/s)
η＝流体の粘性(kg/m s)、 Ｌ＝流れの代表長さ(m)
また、本発明に用いられる固気二相流に含まれる粉粒は、重量基準粒度分布における５０％径が、好ましく３０〜５０μｍである。

本発明のミルは、本発明の固気二相流分配装置を具備する。また本発明のボイラは本発明のミルを具備する。
図８は、本発明のミルの一例を示す図である。入口ダクト１の下方に粉砕テーブル１５と粉砕ローラ１４とがある。粉砕テーブル上に給炭管１０から石炭１２を供給し、石炭を粉砕する。空気１１を給気管（スロート）１６を通してミル内に導入する。空気がミル内を旋回して流れるような構造をした給気管を用いて空気を導入してもよい。粉砕された石炭を空気に同伴させて上方に送る。分級装置１３により粗粉炭と微粉炭に分ける。粗粉炭を粉砕テーブルに戻す。微粉炭は空気とともに入口ダクト１から分配装置の本体容器の中に入る。微粉炭と空気とからなる固気二相流は板状部材５によって小さい流量偏差で出口ダクト２に分配される。出口ダクト２を経て、火炉の固体燃料バーナに前記固気二相流を供給し、微粉炭を燃やす。

本発明の分配装置は、石炭焚ボイラプラント等において、石炭等の固体燃料を粉砕装置で粉砕後、気流によりバーナに供給して燃焼させる設備で好適に利用できる。そして、本発明の分配装置は、粒状固体燃料の分配量を調整して供給することができるので、複数のバーナを有する多段燃焼システムなどにおいて利用可能である。

１： 入口ダクト
２、２−１、２−２： 出口ダクト
３： 天井板
４： 本体容器
５、５−１、５−２： 板状部材

Claims (10)

1. 下から上に向かって拡径する円筒と該円筒の大きい径の方の開口を塞ぐ天井板とを有する本体容器、
   固気二相流を本体容器の中に供給するための１本の断面円形の入口ダクト、
   固気二相流を本体容器の中から排出するための２本以上の断面円形の出口ダクト、および
   出口ダクトの本数と同じ枚数の板状部材を有し、
   天井板は出口ダクトの本数と同じ数の円形の出口貫通孔を有し、
   出口貫通孔は、それぞれの中心が、天井板の中心を重心と見做して思い描かれる正多角形の頂点の位置になるように配置されており、
   出口ダクトは、それぞれ、出口貫通孔にて本体容器と連通するように接続されており、
   入口ダクトは、前記円筒の小さい径の方の開口にて本体容器と連通するように接続されており、
   板状部材は、天井板の下面に垂れ下がって設置されており、且つ
   板状部材は、その板面が、前記正多角形の外接円上の隣り合う２つの頂点の間の弧を横切り、天井板の中心から放射状に出る方向に対して平行で且つ天井板の下面に対して直角であるように、それぞれ配置されている、
   固気二相流の分配装置。
2. 前記正多角形の外接円において、板状部材の設置位置と該位置から固気二相流の下流側で最も近い出口貫通孔の向かい側の縁との間の弧の長さｌ₃、および
   前記板状部材の設置位置と該位置から固気二相流の上流側で最も近い出口貫通孔の縁との間の弧の長さｌ₄、ならびに
   本体容器中の外接円の半径Ｒ₁の位置における固気二相流の平均流速の垂直方向成分Ｖ_a、本体容器中の外接円の半径Ｒ₁の位置における固気二相流の平均流速の水平方向成分Ｖ_t、本体容器の高さＨ₂、および板状部材の垂直方向の長さＨ₁が、
   Ｓ₁＝（ｌ₃−Ｈ₁×Ｖ_t／Ｖ_a）×Ｈ₂
   Ｓ₂＝（ｌ₄＋Ｈ₁×Ｖ_t／Ｖ_a）×Ｈ₂−0.5×Ｈ₁×Ｈ₁×Ｖ_t／Ｖ_a および
   Ｓ₂／（Ｓ₁＋Ｓ₂）≧０．３
   を満たす、請求項１に記載の分配装置。
3. 出口貫通孔の内径Ｄ₁に対する板状部材の水平方向の最大長さＬ₁の比Ｌ₁／Ｄ₁が０．７より大きく、且つ
   本体容器の高さＨ₂に対する板状部材の垂直方向の最大長さＨ₁の比Ｈ₁／Ｈ₂が０．７より大きい、請求項１または２に記載の分配装置。
4. 天井板の下面に、出口貫通孔の縁に沿って出口貫通孔を廻らす、天井板の下面から下に向かって突き出ている壁をさらに有する、請求項１〜３のいずれかひとつに記載の分配装置。
5. 出口貫通孔の内径Ｄ₁に対する出口貫通孔を廻らす壁の垂直方向の長さＬ₂の比Ｌ₂／Ｄ₁が０．０２５以上０．２５以下である、請求項４に記載の分配装置。
6. 天井板は、その中心に円形の追加貫通孔をさらに有し、
   入口ダクトと本体容器とが同一の中心軸を持つように配置され、
   該中心軸に沿って配置された、天井板の上方から追加貫通孔を経て入口ダクトの中にまで至る、入口ダクトの内径よりも小さい外径を有する断面円形の粉粒供給管をさらに有する、請求項１〜５のいずれかひとつに記載の分配装置。
7. 請求項１〜６のいずれかひとつに記載の分配装置を具備するミル。
8. 請求項７に記載のミルを具備するボイラ。
9. 請求項１〜６のいずれかひとつに記載の分配装置を用いて、
   固気二相流を入口ダクトを経て本体容器の中に供給し、
   本体容器の中から出口ダクトを経て固気二相流を排出することを有し、
   前記固気二相流は本体容器内におけるストークス数が１未満である、
   固気二相流の分配方法。
10. 固気二相流に含まれる粉粒は、重量基準粒度分布における５０％径が、３０〜５０μｍである、請求項９に記載の分配方法。

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