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WO2019107423A1 - 流動床炉及びその運転方法 - Google Patents

流動床炉及びその運転方法 Download PDF

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WO2019107423A1
WO2019107423A1 PCT/JP2018/043807 JP2018043807W WO2019107423A1 WO 2019107423 A1 WO2019107423 A1 WO 2019107423A1 JP 2018043807 W JP2018043807 W JP 2018043807W WO 2019107423 A1 WO2019107423 A1 WO 2019107423A1
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WO
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combustion gas
fluidized bed
combustion
fuel
gas
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/043807
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English (en)
French (fr)
Inventor
祐司 小川
五十嵐　実
前川　勇
敬哲 清水
貞行 武藤
元 清瀧
康二 福本
隆平 山田
利紀 村岡
熊田　憲彦
貴大 山口
Original Assignee
川崎重工業株式会社
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Filing date
Publication date
Application filed by 川崎重工業株式会社 filed Critical 川崎重工業株式会社
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C10/00—Fluidised bed combustion apparatus
    • F23C10/18—Details; Accessories
    • F23C10/28—Control devices specially adapted for fluidised bed, combustion apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/30—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having a fluidised bed

Definitions

  • the present invention relates to a fluidized bed furnace and a method of operating the same.
  • a fluidized bed furnace is conventionally provided with a fluidized bed in which a fluidized medium filled in the lower part of the furnace is made to flow with a flowing gas blown out from the furnace bottom, and a fluidized bed furnace performing low air ratio combustion of fuel (combustion object) in the fluidized bed.
  • fuel combustion object
  • the fuel is dried and pyrolyzed and gasified by partially burning the fuel by setting the air ratio of the fluidizing gas to a low air ratio of less than 1.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose a fluidized bed furnace of this type.
  • the fluidized bed furnace of Patent Document 1 is composed of a fluidized bed portion and a freeboard portion located above the fluidized bed portion.
  • a fluidizing gas having an air ratio of 0.3 to 0.6 is supplied to the bottom of the fluidized bed, and dioxins having an air ratio of 0.4 to 0.7 in the vicinity of the surface of the fluidized bed.
  • the combustion air for decomposition is supplied, and the secondary air is supplied to the freeboard portion.
  • partial combustion of the fuel in the fluidized bed portion is performed, and the generated gas and char generated in the fluidized bed portion are burned in the freeboard portion.
  • the fluidized bed furnace of Patent Document 2 includes a fluidized bed portion, a freeboard portion positioned above the fluidized bed portion, and a post-combustion region positioned above the freeboard portion.
  • the bottom of the fluidized bed is supplied with primary air at an air ratio of 1 or less, the freeboard is made into a highly oxidizing atmosphere with an air ratio of 1.0 to 1.5 by secondary air blown, and the post-combustion zone is The air ratio is set to 1.5 or more by the tertiary air blown.
  • partial combustion of the fuel is performed in the fluidized bed, and the generated gas generated in the fluidized bed is burned in the freeboard, and the unburned gas components in the exhaust gas of the freeboard are post-combusted Burn in the area.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and in a fluidized bed furnace provided with a fluidized bed portion where slow partial combustion of fuel is performed and a freeboard portion provided on the upper side, the freeboard portion It aims at providing the technology which controls the sudden combustion reaction in
  • a fluidized bed furnace is A fluid bed section for burning fuel; A freeboard section located above the fluid bed section; A fuel inlet for injecting the fuel into the freeboard portion; A secondary combustion gas for blowing a secondary combustion gas whose oxygen concentration has been adjusted by the combustion exhaust gas generated by the freeboard portion to the freeboard portion so as to suppress abnormal combustion in the freeboard portion of the fuel And a supply unit.
  • the local and rapid combustion reaction in the freeboard section is caused by the secondary combustion gas containing the combustion exhaust gas having a lower oxygen concentration than air being blown into the freeboard section. Be suppressed.
  • the second combustion gas supply unit may be disposed downstream of the flow of the combustion gas with respect to the fuel inlet of the free board and toward the position adjacent to the fuel inlet. It may include an unburned gas supply port into which the next combustion gas is blown.
  • the secondary combustion gas containing combustion exhaust gas having a lower oxygen concentration than air is blown immediately downstream of the fuel inlet, so that the local area of the freeboard, in particular, at the fuel inlet and its periphery, can be reduced. And the rapid combustion reaction is suppressed.
  • the secondary combustion gas supply unit is connected to a fuel supply path leading to the fuel inlet so that the secondary combustion gas is mixed with the fuel and supplied from the fuel inlet.
  • the secondary combustion gas supply pipe for supplying the secondary combustion gas may be included.
  • the fluidized bed furnace is configured such that a tertiary combustion gas whose oxygen concentration is adjusted by the combustion exhaust gas and whose oxygen concentration is higher than that of the secondary combustion gas is higher than that of the secondary combustion gas supply unit of the free board unit. It may further include a tertiary combustion gas supply unit for blowing downstream of the flow of combustion gas.
  • the combustion of the combustible gas in the freeboard portion can be slowed down by blowing the tertiary combustion gas including the combustion exhaust gas having a lower oxygen concentration than air into the freeboard portion.
  • the tertiary combustion gas supply unit supplies tertiary combustion gas having a higher concentration of oxygen toward the downstream side of the flow of the combustion gas, and multiple stages of tertiary combustion gas dispersed in the flow direction of the combustion gas
  • the supply port may be included.
  • the combustion gas of the combustible gas in the freeboard section is made slower by supplying the tertiary combustion gas having a high oxygen concentration toward the downstream side of the flow of the combustion gas with a large amount of unburned combustion gas, and also locally And rapid combustion reaction can be suppressed.
  • the tertiary combustion gas supply unit is a temperature sensor for detecting a temperature of a diffusion region of the tertiary combustion gas blown in, and the combustion exhaust gas with respect to air based on a detection value of the temperature sensor.
  • a controller configured to adjust the oxygen concentration of the tertiary combustion gas such that the detection value of the temperature sensor falls within a predetermined range by changing the mixing amount of
  • the oxygen concentration of the tertiary combustion gas is adjusted so that the temperature of the freeboard portion falls within a predetermined range, the combustion of the combustible gas in the freeboard portion can be slowed, and It is possible to suppress local and rapid combustion reaction in the freeboard part.
  • a rapid combustion reaction in the freeboard portion is suppressed. it can.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a combustion system including a fluidized bed furnace according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a schematic configuration of a fluidized bed furnace according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the fluidized bed portion of the fluidized bed furnace.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a fluidized bed portion of the fluidized bed furnace according to the first modification.
  • combustion system 100 First, the configuration of a combustion system 100 including a fluidized bed furnace 1 according to an embodiment of the present invention will be described.
  • the combustion system 100 shown in FIG. 1 is a system that burns fuel (combustion target) such as coal, biomass, RDF, municipal waste, and industrial waste, and recovers its exhaust heat.
  • fuel combustion target
  • FIG. 1 is a system that burns fuel (combustion target) such as coal, biomass, RDF, municipal waste, and industrial waste, and recovers its exhaust heat.
  • the combustion system 100 comprises a fluidized bed furnace 1 for burning fuel.
  • the flue gas system 3 of the fluidized bed furnace 1 is provided with a heat exchange device 31, a cyclone dust collector 32, a bag filter 33, and an induction blower 34 which is an induction fan. Exhaust heat from the fluidized bed furnace 1 is recovered by the heat exchanger 31 and dust is separated by the cyclone type dust collector 32 and the bag filter 33, and a part thereof is discharged out of the system through a chimney not shown by the induction blower 34. Be done.
  • An exhaust gas recirculation system 4 is connected to the downstream side of the bag filter 33 of the combustion exhaust gas system 3.
  • a gas recirculation blower 40 is provided in the exhaust gas recirculation system 4, and a part of the combustion exhaust gas of the combustion exhaust gas system 3 is returned to the fluidized bed furnace 1 by the gas recirculation blower 40.
  • the flue gas returned to the fluidized bed furnace 1 by the flue gas recirculation system 4 is used as a fluidizing gas (primary combustion gas), a secondary combustion gas, and a tertiary combustion gas.
  • the fluidized bed furnace 1 shown in FIG. 2 is an operation control device for controlling the operation of the fluidized bed furnace 1 and a furnace main body 10 provided with a combustion chamber comprising a fluidized bed portion 11 at the lower part of the furnace and a freeboard portion 12 above it. It is equipped with 15. At the lower portion of the freeboard portion 12, there is a throttle portion 13 in which the gas passage cross-sectional area is narrowed as compared with the remaining portion of the combustion chamber. In the freeboard portion 12, the combustion gas flows upward from the bottom, and in the flue connected to the upper portion of the freeboard portion 12, a heat transfer pipe constituting the heat exchange device 31 is installed.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the fluidized bed portion 11.
  • the fluidized bed 11 is filled with a fluidized bed 51 filled with a fluidized medium such as silica sand, and a fluidizing gas supply device 52 for supplying a fluidizing gas to the fluidized bed 51 from its bottom.
  • An internal circulating fluidized bed is formed by the partition walls 41 and 42 which divide the fluidized bed 51 into three cells 61, 62 and 63.
  • the first partition wall 41 divides the lower portion of the furnace main body 10 including the fluidized bed portion 11 into a combustion area 53 and a heat recovery area 54.
  • the second partition wall 42 is provided close to the first partition wall 41 and in parallel with the first partition wall 41 in the heat recovery region 54.
  • the fluidized bed portion 11 is formed by the partition walls 41 and 42 between the first side wall 10 a of the furnace main body 10 and the first partition wall 41, the “combustion cell 61”, the first partition wall 41 and the second Three cells of “circulating cell 62” formed between partition wall 42 and “heat collecting cell 63” formed between second partition wall 42 and second side wall 10 b of furnace main body 10 It is divided.
  • the heat collection cell 63 is provided with a heat transfer pipe 64 such as a superheater pipe or an evaporator pipe. Heat recovery is performed by the heat medium passing through the heat transfer tube 64.
  • a combustion chamber extending linearly in the vertical direction is formed above the combustion area 53.
  • a ceiling wall 43 closing the upper portion of the heat recovery area 54 is provided above the heat recovery area 54.
  • the upper end of the first partition wall 41 is close to the ceiling wall 43, and an upper communication port serving as an unburned gas supply port 68 is formed between the upper end of the first partition wall 41 and the ceiling wall 43.
  • the lower end of the first partition wall 41 is higher than the lower end of the second partition wall 42, whereby a lower communication port 55 through which the fluid medium flows is formed in the lower portion of the first partition wall 41.
  • communication ports 56, 57 are formed, which communicate the circulation cell 62 with the heat collecting cell 63 and through which the fluid medium flows.
  • the flow gas supply device 52 supplies the flow gas whose flow rate is independently adjusted to each of the combustion cell 61, the circulation cell 62, and the heat collection cell 63.
  • one or a plurality of air diffusers 80 having a large number of blowout ports opened to the side are provided.
  • Each aeration tube 80 is disposed below the lower ends of the first partition wall 41 and the second partition wall 42.
  • the flow gas supply device 52 includes a wind box disposed at the bottom of each of the cells 61, 62, 63, and a gas dispersion plate provided to close the top of the wind box. You may have (all are not shown).
  • the air diffusion pipe 80 is connected by a header for each of the cells 61, 62, 63, and each header is a flow provided with flow rate adjusting means 81a, 82a, 83a such as a damper (or valve) and flowmeters 81b, 82b, 83b.
  • the gas supply pipes 81, 82, 83 are connected.
  • Air is supplied by the pushing blower 79.
  • an exhaust gas recirculation system 4 is connected to a flow gas supply pipe 83 connected to the air diffusion pipe 80 disposed at the bottom of the heat collection cell 63.
  • the operation control device 15 supplies gas for flow based on detection values of temperature sensors (not shown) for detecting the temperatures of the combustion cells 61 and the heat collecting cells 63 in the fluidized bed 51 and the flowmeters 81b, 82b, 83b, etc.
  • the flow rate adjusting means 81a, 82a, 83a are operated to adjust the flow rate of the flowing gas in the pipes 81, 82, 83. From the bottom of the combustion cell 61 and the circulation cell 62, air is blown out as a flow gas, and from the bottom of the heat collection cell 63, combustion exhaust gas is blown out as a flow gas.
  • the superficial velocity of the flowable gas of the combustion cell 61 is larger than the superficial velocity of the flowable gas of the heat collection cell 63, and the superficial velocity of the flowable gas of the circulation cell 62 is equal to that of the combustion cell 61.
  • the flow rate of the flowable gas is adjusted to be greater than the superficial velocity of the flowable gas and the superficial velocity of the flowable gas of the heat collection cell 63.
  • the flow of the fluid medium occurs such that the fluid medium of the heat collection cell 63 is circulated to the combustion cell 61 and the circulation cell 62 through the lower communication port 57 of the second partition wall 42 after moving to the heat collection cell 63.
  • the heat energy of the flowable medium having a high temperature in the combustion cell 61 is extracted to the outside in the heat collection cell 63, and the flowable medium having the lowered temperature is returned to the combustion cell 61.
  • the temperature rise of the fluid medium of the combustion cell 61 is suppressed.
  • a fuel inlet 65 is opened immediately above the surface layer portion of the fluidized bed portion 11 at the time of operation and in the first side wall 10a.
  • the fuel inlet 65 is located on the upstream side of the flow of the combustion gas than the throttle portion 13.
  • Fuel is supplied to the fuel inlet 65 by a fuel supply device (not shown). The fuel introduced into the furnace from the fuel inlet 65 falls to the top of the combustion cell 61 of the fluidized bed portion 11.
  • an unburned gas supply port 68 is opened. From the unburned gas supply port 68, the mixture of air and combustion exhaust gas which is blown out from the aeration pipe 80 disposed in the fluidized bed 51 of the heat recovery area 54 into the fluidized bed 51 and passes through the fluidized bed 51 , As a secondary combustion gas.
  • a plurality of stages of tertiary combustion gas supply ports 69 are opened on the furnace wall on the downstream side of the flow of combustion gas than the unburned gas supply port 68.
  • the multiple stages of tertiary combustion gas supply ports 69 are dispersed at a plurality of height positions, in other words, dispersed in the flow direction of the combustion gas.
  • Flow control means 88, 89 such as dampers (or valves) are provided in the air supply path to each of the tertiary combustion gas supply ports 69 and the supply path of the combustion exhaust gas.
  • a temperature sensor 70 is provided on the furnace wall included in the diffusion area of the tertiary air blown out from the tertiary combustion gas supply port 69.
  • the operation method of the fluidized bed furnace 1 of the said structure is demonstrated.
  • low air ratio combustion is performed in the fluidized bed portion 11. More specifically, while the total air ratio between the fluidized bed portion 11 and the freeboard portion 12 is set to a value larger than 1, the air ratio (i.e., the primary air ratio) of the combustion cells 61 of the fluidized bed portion 11 and the fuel injection
  • the air content is adjusted.
  • the primary air ratio is lower than the secondary air ratio.
  • the primary air ratio may be 0.4 and the secondary air ratio may be 0.8.
  • the slow drying and thermal decomposition of the fuel generate combustible pyrolysis gas and pyrolysis residue.
  • Pyrolysis residue and fuel residue are at the bottom of the combustion cell 61, and are provided at the intermediate position between the first side wall 10a and the first partition wall 41 from the outlet 72 of the fluid medium and the incombustible material. It is discharged outside.
  • the pyrolysis gas generated in the fluidized bed portion 11 is burned with the secondary combustion gas, the unburned portion in the combustion gas is completely burned with the tertiary combustion gas, and the combustion exhaust gas is discharged to the combustion exhaust gas system 3 Ru.
  • the unburned content of the fuel in the combustion cell 61 (unburned char) compared to the case where the air ratio is 1 or more.
  • the percentage of is large.
  • the ratio of unburned char in the combustion cell 61 is particularly high as compared with the case where the conventional air ratio is about 0.8 to 0.9. growing.
  • the unburned char of the combustion cell 61 may move from the combustion cell 61 to the heat collection cell 63 by the circulation of the fluid medium. However, it is not desirable that the combustion reaction occurs in the heat collecting cell 63.
  • the combustion exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of air is used as a gas for fluidization of the heat collection cell 63, and the air temperature of the heat collection cell 63 is lower than that of the combustion cell 61 or the circulation cell 62.
  • the combustion reaction of the unburned char in the heat collection cell 63 is suppressed.
  • the fluidized bed furnace 1 is provided with a secondary combustion gas supply unit 86 for blowing the secondary combustion gas whose oxygen concentration is adjusted by the combustion exhaust gas generated by the freeboard unit 12 into the freeboard unit 12.
  • the air ratio of the upstream portion of the board portion 12 is suppressed to less than one.
  • the secondary combustion gas supply unit 86 blows in the secondary combustion gas including the combustion exhaust gas having a lower oxygen concentration than air into the freeboard unit 12, and the local and rapid combustion reaction in the freeboard unit 12. And abnormal combustion is suppressed.
  • the secondary combustion gas supply unit 86 directs the secondary combustion gas to a position downstream of the flow of combustion gas from the fuel inlet 65 of the freeboard 12 and adjacent to the fuel inlet 65. It includes an unburned gas supply port 68 for blowing.
  • a position adjacent to the fuel inlet 65 means the periphery of the fuel inlet 65, in particular the unburned component in the gas due to the fine powder and its volatile matter that risend from the fuel introduced from the fuel inlet 65.
  • the secondary combustion gas is blown from the unburned gas supply port 68 toward the throttle 13 immediately downstream of the flow of the combustion gas at the fuel inlet 65. Since the secondary combustion gas blown from the unburned gas supply port 68 to the freeboard 12 contains a large amount of combustion exhaust gas whose oxygen concentration is further reduced by passing through the heat collection cell 63, fuel can be injected more effectively. It is expected that the combustion reaction of the mouth 65 and its surroundings is suppressed.
  • the tertiary combustion gas is blown into the downstream side of the flow of combustion gas from the unburned gas supply port 68 of the freeboard portion 12 with the tertiary combustion gas whose oxygen concentration is adjusted by the combustion exhaust gas.
  • a supply unit 87 is provided.
  • the third combustion gas containing the combustion exhaust gas having a lower oxygen concentration than the air is blown to the downstream side of the flow of the combustion gas than the unburned gas supply port 68 of the freeboard portion 12.
  • the combustion of the flammable gas in the combustion chamber becomes slow, and local and rapid combustion reactions can be suppressed.
  • the tertiary combustion gas has a higher oxygen concentration than the secondary combustion gas.
  • the tertiary combustion gas supply unit 87 includes a plurality of tertiary combustion gas supply ports 69 dispersed in the flow direction of the combustion gas, a temperature sensor 70 for detecting the temperature of the diffusion region of the blown tertiary combustion gas, and a temperature
  • the operation control apparatus 15 which adjusts the oxygen concentration of the gas for tertiary combustion based on the detected value of the sensor 70 is included.
  • the temperature of the diffusion region of the tertiary combustion gas blown out from each tertiary combustion gas supply port 69 is detected by the temperature sensor 70, and the operation control device 15 causes each tertiary to fall within the predetermined range.
  • the oxygen concentration of the tertiary combustion gas blown from the combustion gas supply port 69 is adjusted.
  • the operation control device 15 adjusts the oxygen concentration of the tertiary combustion gas by changing the mixing ratio of the air and the combustion exhaust gas by changing the opening degree of the flow rate adjusting means 88, 89.
  • the operation control device 15 maintains the flow rate of the tertiary combustion gas at the predetermined flow rate, and supplies the tertiary combustion gas to that point.
  • the flow rate adjusting means 88, 89 are opened so that the oxygen concentration of the tertiary combustion gas supplied to that point is increased. Adjust the degree.
  • tertiary combustion gas having a higher oxygen concentration is supplied toward the downstream side of the flow of combustion gas. That is, the tertiary combustion gas having a high oxygen concentration is supplied to the downstream side of the flow of the combustion gas having a large amount of unburned combustion gas. As a result, the combustion of the flammable gas in the freeboard portion 12 becomes slow, and local and rapid combustion reaction can be suppressed.
  • the gas for secondary combustion is blown into the freeboard portion 12 from the unburned gas supply port 68, but additionally or alternatively, the gas for secondary combustion is a fuel It may be supplied from the fuel inlet 65 in a mixed state with
  • the secondary combustion gas supply unit 86 reaches the fuel inlet 65 so that the secondary combustion gas is supplied from the fuel inlet 65 in a state of being mixed with the fuel.
  • a fuel chute purge gas supply pipe 67 for supplying the secondary combustion gas to the supply path 66 is included.
  • the fuel is introduced into the freeboard portion 12 along with the secondary combustion gas, so it is possible to suppress the local and rapid combustion reaction around the fuel inlet 65 and the periphery thereof.

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Abstract

流動床炉は、燃料を燃焼させる流動床部と、流動床部の上方に位置するフリーボード部と、フリーボード部に燃料を投入する燃料投入口と、燃料のフリーボード部における異常燃焼を抑制させるように、フリーボード部で生成された燃焼排ガスにより酸素濃度が調整された二次燃焼用ガスをフリーボード部へ吹き込む二次燃焼用ガス供給部と、を備える。

Description

流動床炉及びその運転方法
　本発明は、流動床炉及びその運転方法に関する。
　従来から、炉内下部に充填された流動媒体を炉底から吹き出す流動用ガスで流動させてなる流動床を備え、流動床で燃料（燃焼対象物）の低空気比燃焼を行う流動床炉が知られている。ここで、燃料の低空気比燃焼では、流動用ガスの空気比を１未満の低空気比とし、燃料を部分燃焼させることにより、燃料が乾燥及び熱分解されてガス化される。特許文献１，２には、この種の流動床炉が開示されている。
　特許文献１の流動床炉は、流動床部と、当該流動床部の上部に位置するフリーボード部とから構成されている。この流動床炉では、流動床部の底部には空気比が０．３～０．６の流動用ガスが供給され、流動床の表面近傍に空気比が０．４～０．７のダイオキシン類分解用燃焼用空気が供給され、フリーボード部に二次空気が供給される。そして、この流動床炉では、流動床部での燃料の部分燃焼が行われ、流動床部で生成した生成ガス及びチャーをフリーボード部で燃焼させる。
　また、特許文献２の流動床炉は、流動床部と、流動床部の上方に位置するフリーボード部と、フリーボード部の上方に位置する後燃焼領域とから構成されている。流動床部の底部には空気比が１以下の一次空気が供給され、フリーボード部は吹き込まれる二次空気によって空気比が１．０～１．５の高酸化雰囲気とされ、後燃焼領域は吹き込まれる三次空気によって空気比が１．５以上とされる。そして、この流動床炉では、流動床部で燃料の部分燃焼が行われ、流動床部で生成した生成ガスをフリーボード部で燃焼させ、フリーボード部の排ガス中の未燃ガス成分を後燃焼領域で燃焼させる。
特開２０１４－４０９３８号公報 特開平６－１８０１７号公報
　特許文献１，２のように、流動床部で燃料の部分燃焼が行われると、流動床部における燃料の未燃分（未燃チャー）の割合が増大し、未燃チャーやその揮発分がフリーボード部やその後燃焼領域で急激な燃焼反応を生じさせるおそれがある。
　急激な燃焼反応により流動床部の表層部が高温に晒されると、表層部でアグロメレーションが生じ、流動床の流動特性が悪化するおそれがある。また、急激な燃焼反応により炉内が局所的に高温となると、炉壁などの炉構成要素の局所的な劣化が生じる。このような理由から、フリーボード部やその後燃焼領域がおける急激な燃焼反応を抑えることが望ましい。
　本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、燃料の緩慢な部分燃焼が行われる流動床部と、その上側に設けられたフリーボード部とを備えた流動床炉において、フリーボード部における急激な燃焼反応を抑制する技術を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る流動床炉は、
燃料を燃焼させる流動床部と、
前記流動床部の上方に位置するフリーボード部と、
前記フリーボード部に前記燃料を投入する燃料投入口と、
前記燃料の前記フリーボード部における異常燃焼を抑制させるように、前記フリーボード部で生成された燃焼排ガスにより酸素濃度が調整された二次燃焼用ガスを前記フリーボード部へ吹き込む二次燃焼用ガス供給部と、を備えたものである。
　上記構成の流動床炉によれば、フリーボード部へ空気よりも酸素濃度の低い燃焼排ガスを含む二次燃焼用ガスが吹き込まれることによって、フリーボード部での局所的で且つ急激な燃焼反応が抑制される。
　上記流動床炉において、前記二次燃焼用ガス供給部が、前記フリーボード部の前記燃料投入口よりも燃焼ガスの流れの下流側で且つ前記燃料投入口に隣接した位置へ向けて、前記二次燃焼ガスを吹き込む未燃ガス供給口を含んでいてよい。
　これにより、燃料投入口の直ぐ下流側へ空気よりも酸素濃度の低い燃焼排ガスを含む二次燃焼用ガスが吹き込まれることによって、フリーボード部、とりわけ、燃料投入口及びその周囲での局所的で且つ急激な燃焼反応が抑制される。
　上記流動床炉において、前記二次燃焼用ガス供給部は、前記二次燃焼用ガスが前記燃料と混合した状態で前記燃料投入口から供給されるように、前記燃料投入口へ至る燃料供給経路へ前記二次燃焼用ガスを供給する二次燃焼用ガス供給管を含んでいてよい。
　これにより、燃料投入口から投入された燃料が、燃料投入口及びその周囲での局所的で且つ急激な燃焼反応が抑制される。
　上記流動床炉は、前記燃焼排ガスによって酸素濃度が調整された、前記二次燃焼用ガスよりも酸素濃度が高い三次燃焼用ガスを、前記フリーボード部の前記二次燃焼用ガス供給部よりも燃焼ガスの流れの下流側へ吹き込む三次燃焼用ガス供給部を、更に備えていてよい。
　このように、フリーボード部へ空気よりも酸素濃度の低い燃焼排ガスを含む三次燃焼用ガスが吹き込まれることによって、フリーボード部における可燃性ガスの燃焼を緩慢にすることができる。
　上記流動床炉において、前記三次燃焼用ガス供給部は、燃焼ガスの流れの下流側ほど酸素濃度が高い三次燃焼用ガスを供給する、燃焼ガスの流れ方向に分散した複数段の三次燃焼用ガス供給口を含んでいてよい。
　これにより、燃焼ガスの未燃分の多い燃焼ガスの流れの下流側ほど酸素濃度の高い三次燃焼用ガスが供給されることによって、フリーボード部における可燃性ガスの燃焼を緩慢にし、且つ、局所的で且つ急激な燃焼反応が抑制することができる。
　上記流動床炉において、前記三次燃焼用ガス供給部は、吹き込まれた前記三次燃焼用ガスの拡散領域の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出値に基づいて、空気に対する前記燃焼排ガスの混合量を変化させることにより、前記温度センサの検出値が所定の範囲内となるように前記三次燃焼用ガスの酸素濃度を調整する制御装置とを、含んでいてよい。
　このように、フリーボード部の温度が所定の範囲内となるように三次燃焼用ガスの酸素濃度が調整されるので、フリーボード部における可燃性ガスの燃焼を緩慢にすることができ、また、フリーボード部における局所的で且つ急激な燃焼反応を抑えることができる。
　本発明によれば燃料の緩慢な部分燃焼が行われる流動床部と、その上側に設けられたフリーボード部とを備えた流動床炉において、フリーボード部における急激な燃焼反応を抑制することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る流動床炉を含む燃焼システムの概略構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る流動床炉の概略構成を示す図である。 図３は、流動床炉の流動床部の拡大図である。 図４は、変形例１に係る流動床炉の流動床部の拡大図である。
〔燃焼システム１００の構成〕
　まず、本発明の一実施形態に係る流動床炉１を含む燃焼システム１００の構成について説明する。図１に示す燃焼システム１００は、石炭、バイオマス、ＲＤＦ、都市ごみ、産業廃棄物などの燃料（燃焼対象物）を燃焼して、その排熱を回収するシステムである。
　燃焼システム１００は、燃料を燃焼する流動床炉１を備えている。流動床炉１の燃焼排ガス系統３には、熱交換装置３１、サイクロン式集塵機３２、バグフィルタ３３、及び誘引ファンである誘引ブロワ３４が設けられている。流動床炉１の燃焼排ガスは、熱交換装置３１で排熱が回収され、サイクロン式集塵機３２及びバグフィルタ３３で塵が分離され、その一部が誘引ブロワ３４によって図示されない煙突を通じて系外へ排出される。
　燃焼排ガス系統３のバグフィルタ３３の下流側には排ガス再循環系統４が接続されている。排ガス再循環系統４には、ガス再循環ブロワ４０が設けられており、このガス再循環ブロワ４０によって燃焼排ガス系統３の燃焼排ガスの一部が、流動床炉１へ戻される。排ガス再循環系統４によって流動床炉１へ戻された燃焼排ガスは、流動用ガス（一次燃焼ガス）、二次燃焼用ガス、及び三次燃焼用ガスとして利用される。
〔流動床炉１の構成〕
　次に、本発明の一実施形態に係る流動床炉１の構成について説明する。図２に示す流動床炉１は、炉下部の流動床部１１及びその上方のフリーボード部１２からなる燃焼室が設けられた炉本体１０と、流動床炉１の運転を制御する運転制御装置１５と備えている。フリーボード部１２の下部には、燃焼室の余の部分と比較してガス通路断面積が絞られた絞り部１３が存在する。フリーボード部１２では、燃焼ガスが下から上に向かって流れ、フリーボード部１２の上部に接続された煙道には、熱交換装置３１を構成する伝熱管が設置されている。
　図３は、流動床部１１の拡大図である。図２及び図３に示すように、流動床部１１には珪砂などの流動媒体が充填された流動層５１と、流動層５１へその底部から流動用ガスを供給する流動用ガス供給装置５２と、流動層５１を３つのセル６１，６２，６３に仕切る仕切壁４１，４２とによって、内部循環流動床が形成されている。
　第１仕切壁４１は、流動床部１１を含む炉本体１０の下部分を、燃焼領域５３と熱回収領域５４とに仕切っている。第２仕切壁４２は、熱回収領域５４において、第１仕切壁４１に近接し、且つ、第１仕切壁４１と平行に設けられている。これらの仕切壁４１，４２によって、流動床部１１は、炉本体１０の第１側壁１０ａと第１仕切壁４１との間に形成された「燃焼セル６１」、第１仕切壁４１と第２仕切壁４２との間に形成された「循環セル６２」、及び、第２仕切壁４２と炉本体１０の第２側壁１０ｂとの間に形成された「収熱セル６３」の３つのセルに仕切られている。収熱セル６３には、過熱器管又は蒸発器管などの伝熱管６４が設けられている。この伝熱管６４を通過する熱媒体により熱回収が行われる。
　燃焼領域５３の上方には、鉛直方向に直線状に延びる燃焼室が形成されている。一方、熱回収領域５４の上方には、熱回収領域５４の上部を塞ぐ天井壁４３が設けられている。第１仕切壁４１の上端は天井壁４３に近接しており、第１仕切壁４１の上端と天井壁４３との間に未燃ガス供給口６８となる上部連通口が形成されている。第１仕切壁４１の下端は第２仕切壁４２の下端よりも高く、これにより、第１仕切壁４１の下部に流動媒体が流通する下部連通口５５が形成されている。また、第２仕切壁４２の上部及び下部には、循環セル６２と収熱セル６３とを連通し、流動媒体が流通する連通口５６，５７が形成されている。
　流動用ガス供給装置５２は、燃焼セル６１、循環セル６２、及び収熱セル６３の各々に独立して流量が調整された流動用ガスを供給する。燃焼セル６１、循環セル６２、及び収熱セル６３の各セルの底部には、側方へ向けて開口した多数の吹出口を有する一又は複数の散気管８０が設けられている。各散気管８０は、第１仕切壁４１及び第２仕切壁４２の下端よりも下方に配置されている。但し、流動用ガス供給装置５２は、散気管８０の代わりに、各セル６１，６２，６３の底部に配置された風箱と、風箱の上部を塞ぐように設けられたガス分散版とを備えていてもよい（いずれも図示略）。
　散気管８０はセル６１，６２，６３ごとにヘッダで連結されており、各ヘッダにはダンパ（又はバルブ）等の流量調整手段８１ａ，８２ａ，８３ａ及び流量計８１ｂ，８２ｂ，８３ｂを備えた流動用ガス供給配管８１，８２，８３が接続されている。燃焼セル６１の底部に配置される散気管８０と接続される流動用ガス供給配管８１、及び、循環セル６２の底部に配置される散気管８０と接続される流動用ガス供給配管８２へは、押込ブロワ７９によって空気が供給される。また、収熱セル６３の底部に配置される散気管８０と接続される流動用ガス供給配管８３には排ガス再循環系統４が接続されている。
　運転制御装置１５は、流動層５１において燃焼セル６１及び収熱セル６３の温度を検出する温度センサ（図示略）及び流量計８１ｂ，８２ｂ，８３ｂなどの検出値に基づいて、各流動用ガス供給配管８１，８２，８３の流動用ガスの流量を調整するように、流量調整手段８１ａ，８２ａ，８３ａを動作させる。燃焼セル６１及び循環セル６２の底部からは、流動用ガスとして空気が吹き出し、収熱セル６３の底部からは、流動用ガスとして燃焼排ガスが吹き出す。
　ここで、燃焼セル６１の流動用ガスの空塔速度は収熱セル６３の流動用ガスの空塔速度よりも大きく、且つ、循環セル６２の流動用ガスの空塔速度は、燃焼セル６１の流動用ガスの空塔速度及び収熱セル６３の流動用ガスの空塔速度よりも大きくなるように、流動用ガスの流量が調整される。これにより、燃焼セル６１の流動媒体は第１仕切壁４１の下部連通口５５を通って循環セル６２へ移動し、循環セル６２の流動媒体は第２仕切壁４２の上部連通口５６を通って収熱セル６３へ移動し、収熱セル６３の流動媒体は第２仕切壁４２の下部連通口５７を通って燃焼セル６１及び循環セル６２へ循環するような、流動媒体の流れが生じる。このような流動媒体の循環によって、燃焼セル６１で高温となった流動媒体の持つ熱エネルギーが、収熱セル６３において外部へ取り出され、温度が低下した流動媒体が燃焼セル６１へ戻されることによって、燃焼セル６１の流動媒体の温度上昇が抑制される。
　フリーボード部１２において、運転時における流動床部１１の表層部の直ぐ上方であって、第１側壁１０ａには、燃料投入口６５が開口している。燃料投入口６５は、絞り部１３よりも燃焼ガスの流れの上流側に位置する。この燃料投入口６５へ、図示されない燃料供給装置によって燃料が供給される。燃料投入口６５から炉内へ投入された燃料は、流動床部１１の燃焼セル６１の上部に落下する。
　フリーボード部１２において、燃料投入口６５よりも燃焼ガスの流れの下流側であって絞り部１３のあたりの炉壁には、未燃ガス供給口６８が開口している。未燃ガス供給口６８からは、熱回収領域５４の流動層５１に配置された散気管８０から流動層５１内へ吹き出されて、流動層５１を通過したあとの空気及び燃焼排ガスの混合気が、二次燃焼用ガスとして吹き出す。
　フリーボード部１２において、未燃ガス供給口６８よりも燃焼ガスの流れの下流側の炉壁には複数段の三次燃焼用ガス供給口６９が開口している。複数段の三次燃焼用ガス供給口６９は、複数の高さ位置に分散して、換言すれば、燃焼ガスの流れ方向に分散して設けられている。各三次燃焼用ガス供給口６９への空気の供給路と燃焼排ガスの供給路とには、ダンパ（又はバルブ）等の流量調整手段８８，８９が設けられている。また、それらの三次燃焼用ガス供給口６９から吹き出した三次空気の拡散領域に含まれる炉壁には、温度センサ７０が設けられている。
〔流動床炉１の運転方法〕
　ここで、上記構成の流動床炉１の運転方法について説明する。流動床炉１では、流動床部１１において低空気比燃焼が行われる。より詳細には、流動床部１１とフリーボード部１２との総空気比を１よりも大きい値としながら、流動床部１１の燃焼セル６１の空気比（即ち、一次空気比）、及び燃料投入口６５の周囲の空気比（二次空気比）がいずれも１未満の低空気比となるように、燃焼セル６１への流動化空気及び二次燃焼用ガスの供給量、及び／又は、その空気含有量が調整される。望ましくは、一次空気比は、二次空気比よりも低い。例えば、流動床部１１とフリーボード部１２との総空気比を１．２とする場合に、一次空気比を０．４とし、二次空気比を０．８としてよい。
　酸素濃度の低い還元雰囲気の流動床部１１では、燃料の緩慢な乾燥と熱分解によって、可燃性熱分解ガスと熱分解残渣が生じる。熱分解残渣や燃料の燃え残りは、燃焼セル６１の底部であって、第１側壁１０ａと第１仕切壁４１との間の中間位置に設けられた流動媒体及び不燃物の抜出口７２から炉外へ排出される。流動床部１１で生じた熱分解ガスは二次燃焼用ガスで燃焼し、その燃焼ガス中の未燃分は、三次燃焼用ガスで完全燃焼し、その燃焼排ガスが燃焼排ガス系統３へ排出される。
　上記構成に係る流動床炉１の燃焼セル６１では、燃料を低空気比燃焼させることから、空気比が１以上の場合と比較して、燃焼セル６１における燃料の未燃分（未燃チャー）の割合が大きい。前述の例のように一次空気比を０．４とする場合には、従来の空気比が０．８～０．９程度の場合と比較して、燃焼セル６１における未燃チャーの割合はとりわけ大きくなる。
　燃焼セル６１の未燃チャーは、流動媒体の循環によって、燃焼セル６１から収熱セル６３へ移動する可能性がある。しかしながら、収熱セル６３で燃焼反応が生じることは望ましくない。
　そこで、上記流動床炉１では、空気よりも酸素濃度の低い燃焼排ガスを収熱セル６３の流動用ガスとして用いて、収熱セル６３を燃焼セル６１や循環セル６２と比較して更に低空気比とすることにより、収熱セル６３での未燃チャーの燃焼反応を抑制している。
　また、フリーボード部１２において、未燃チャーを含む飛灰や未燃チャーの揮発分の割合が増えると、フリーボード部１２で急激な燃焼反応が生じる可能性がある。流動床部１１の流動層５１に近いフリーボード部１２で急激な燃焼反応が生じると、流動床部１１の表層部が高温に晒されて、表層部でアグロメレーションが生じ、流動床部１１の流動特性が悪化するおそれがある。また、フリーボード部１２で急激な燃焼反応が生じると、爆発的な空気の膨張が生じて炉運転の安定性が損なわれたり、炉本体１０の劣化が進んだりするおそれがある。
　そこで、上記流動床炉１では、フリーボード部１２で生成された燃焼排ガスにより酸素濃度が調整された二次燃焼用ガスをフリーボード部１２へ吹き込む二次燃焼用ガス供給部８６を備え、フリーボード部１２の上流部の空気比を１未満に抑えている。この二次燃焼用ガス供給部８６によって、フリーボード部１２へ空気よりも酸素濃度の低い燃焼排ガスを含む二次燃焼用ガスが吹き込まれ、フリーボード部１２での局所的で且つ急激な燃焼反応や異常燃焼が抑制される。
　フリーボード部１２のなかでも、燃料投入口６５の近傍は、燃料投入口６５から炉内へ投入された燃料から舞い上がった微粉やその揮発分によって、特にガス中の未燃分が多い。そこで、二次燃焼用ガス供給部８６は、フリーボード部１２の燃料投入口６５よりも燃焼ガスの流れの下流側で且つ燃料投入口６５に隣接した位置へ向けて、二次燃焼用ガスを吹き込む未燃ガス供給口６８を含む。なお、「燃料投入口６５に隣接した位置」とは、燃料投入口６５の周囲であって、燃料投入口６５から投入された燃料から舞い上がった微粉やその揮発分によって特にガス中の未燃分の多い部分である。これにより、燃料投入口６５の直ぐ下流側へ空気よりも酸素濃度の低い燃焼排ガスを含む二次燃焼用ガスが吹き込まれ、フリーボード部１２、とりわけ、燃料投入口６５及びその周囲での局所的で且つ急激な燃焼反応が抑制される。
　本実施形態においては、未燃ガス供給口６８から、燃料投入口６５の燃焼ガスの流れの直ぐ下流側の絞り部１３に向けて二次燃焼用ガスが吹き込まれる。未燃ガス供給口６８からフリーボード部１２へ吹き込まれる二次燃焼用ガスは、収熱セル６３を通過することによって更に酸素濃度が低下した燃焼排ガスを多く含むことから、より効果的に燃料投入口６５及びその周囲の燃焼反応が抑えられることが期待される。
　更に、上記流動床炉１では、燃焼排ガスによって酸素濃度が調整された三次燃焼用ガスを、フリーボード部１２の未燃ガス供給口６８よりも燃焼ガスの流れの下流側へ吹き込む三次燃焼用ガス供給部８７を備えている。このように、フリーボード部１２の未燃ガス供給口６８よりも燃焼ガスの流れの下流側へ空気よりも酸素濃度の低い燃焼排ガスを含む三次燃焼用ガスが吹き込まれることによって、フリーボード部１２における可燃性ガスの燃焼が緩慢となり、且つ、局所的で且つ急激な燃焼反応が抑制することができる。なお、三次燃焼用ガスは、二次燃焼用ガスよりも酸素濃度が高い。
　三次燃焼用ガス供給部８７は、燃焼ガスの流れ方向に分散した複数段の三次燃焼用ガス供給口６９、吹き込まれた三次燃焼用ガスの拡散領域の温度を検出する温度センサ７０、及び、温度センサ７０の検出値に基づいて三次燃焼用ガスの酸素濃度を調整する運転制御装置１５を含む。各三次燃焼用ガス供給口６９から吹き出した三次燃焼用ガスの拡散領域の温度は温度センサ７０で検出され、運転制御装置１５は、検出された温度が所定の範囲内に収まるように、各三次燃焼用ガス供給口６９から吹き込む三次燃焼用ガスの酸素濃度を調整する。
　具体的には、運転制御装置１５は、流量調整手段８８，８９の開度を変化させることにより空気と燃焼排ガスとの混合割合を変化させて、三次燃焼用ガスの酸素濃度を調整する。運転制御装置１５は、或る箇所の温度センサ７０で検出された温度が所定の範囲を超える場合は、三次燃焼用ガスの流量を所定流量に維持しながら、その箇所へ供給される三次燃焼用ガスの酸素濃度が減るように、また、検出された温度が所定の範囲を下回る場合は、その箇所へ供給される三次燃焼用ガスの酸素濃度が増えるように、流量調整手段８８，８９の開度を調整する。
　燃焼ガスの流れ方向に分散した複数段の三次燃焼用ガス供給口６９からは、燃焼ガスの流れの下流側ほど酸素濃度が高い三次燃焼用ガスが供給される。つまり、燃焼ガスの未燃分の多い燃焼ガスの流れの下流側ほど酸素濃度の高い三次燃焼用ガスが供給される。これにより、フリーボード部１２における可燃性ガスの燃焼が緩慢となり、且つ、局所的で且つ急激な燃焼反応が抑制することができる。
　以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の精神を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。
　例えば、上記実施形態に係る流動床炉１において、二次燃焼用ガスは未燃ガス供給口６８からフリーボード部１２へ吹き込まれるが、これに加えて／代えて、二次燃焼用ガスは燃料と混合させた状態で燃料投入口６５から供給されてもよい。この場合、図４に示すように、二次燃焼用ガス供給部８６は、二次燃焼用ガスが燃料と混合した状態で燃料投入口６５から供給されるように、燃料投入口６５へ至る燃料供給経路６６へ二次燃焼用ガスを供給する燃料シュートパージガス供給管６７を含む。これにより、燃料は二次燃焼用ガスに伴ってフリーボード部１２へ投入されるので、燃料投入口６５及びその周囲での局所的で且つ急激な燃焼反応を抑制することができる。
１　　　：流動床炉
３　　　：燃焼排ガス系統
４　　　：排ガス再循環系統
１０　　：炉本体
１０ａ　：第１側壁
１０ｂ　：第２側壁
１１　　：流動床部
１２　　：フリーボード部
１３　　：絞り部
１５　　：運転制御装置
３１　　：熱交換装置
３２　　：サイクロン式集塵機
３３　　：バグフィルタ
３４　　：誘引ブロワ
４０　　：ガス再循環ブロワ
４１　　：第１仕切壁
４２　　：第２仕切壁
４３　　：天井壁
５１　　：流動層
５２　　：流動用ガス供給装置
５３　　：燃焼領域
５４　　：熱回収領域
５５，５６，５７　　：連通口
６１　　：燃焼セル
６２　　：循環セル
６３　　：収熱セル
６４　　：伝熱管
６５　　：燃料投入口
６６　　：燃料供給経路
６７　　：燃料シュートパージガス供給管
６８　　：未燃ガス供給口
６９　　：三次燃焼用ガス供給口
７０　　：温度センサ
７２　　：抜出口
７９　　：押込ブロワ
８０　　：散気管
８１，８２，８３　　：流動用ガス供給配管
８１ａ，８２ａ，８３ａ　：流量調整手段
８１ｂ，８２ｂ，８３ｂ　：流量計
８６　　：二次燃焼用ガス供給部
８７　　：三次燃焼用ガス供給部
８８，８９　　：流量調整手段
１００　：燃焼システム

Claims (6)

  1. 　燃料を燃焼させる流動床部と、
    　前記流動床部の上方に位置するフリーボード部と、
    　前記フリーボード部に前記燃料を投入する燃料投入口と、
    　前記燃料の前記フリーボード部における異常燃焼を抑制させるように、前記フリーボード部で生成された燃焼排ガスにより酸素濃度が調整された二次燃焼用ガスを前記フリーボード部へ吹き込む二次燃焼用ガス供給部と、を備えた
    流動床炉。
  2. 　前記二次燃焼用ガス供給部が、前記フリーボード部の前記燃料投入口よりも燃焼ガスの流れの下流側で且つ前記燃料投入口に隣接した位置へ向けて、前記二次燃焼用ガスを吹き込む未燃ガス供給口を含む、
    請求項１の流動床炉。
  3. 　前記二次燃焼用ガス供給部は、前記二次燃焼用ガスが前記燃料と混合した状態で前記燃料投入口から供給されるように、前記燃料投入口へ至る燃料供給経路へ前記二次燃焼用ガスを供給する燃料シュートパージガス供給管を含む、
    請求項１の流動床炉。
  4. 　前記燃焼排ガスによって酸素濃度が調整された、前記二次燃焼用ガスよりも酸素濃度が高い三次燃焼用ガスを、前記フリーボード部の前記二次燃焼用ガス供給部よりも燃焼ガスの流れの下流側へ吹き込む三次燃焼用ガス供給部を、更に備えた、
    請求項１に記載の流動床炉。
  5. 　前記三次燃焼用ガス供給部は、燃焼ガスの流れの下流側ほど酸素濃度が高い三次燃焼用ガスを供給する、燃焼ガスの流れ方向に分散した複数段の三次燃焼用ガス供給口を含む、
    請求項４に記載の流動床炉。
  6. 　前記三次燃焼用ガス供給部は、吹き込まれた前記三次燃焼用ガスの拡散領域の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出値に基づいて、空気に対する前記燃焼排ガスの混合量を変化させることにより、前記温度センサの検出値が所定の範囲内となるように前記三次燃焼用ガスの酸素濃度を調整する制御装置とを、含む、
    請求項４又は５に記載の流動床炉。
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