新エネルギーの導入割合の絶え間ない増加は、超臨界循環流動層（circulating fluidized bed, CFB）ボイラーを含む石炭火力発電ユニットの柔軟性に対してより高い要求をもたらしている。ある350 MWのCFBボイラーを対象に、計算粒子流体力学（computational particle fluid dynamics, CPFD）手法を用いて、変負荷運転下における炉内プロセスの応答特性についてシミュレーション研究を行い、燃焼および循環介入措置が負荷変化速度に与える影響を検討した。結果は、負荷上昇時に低負荷域（設備定格負荷の30%～50%）の平均熱流密度応答速度が高負荷域（50%以上）に比べて約38%低下することを示した。高負荷域のみをみると、負荷降下時の熱流密度応答は速く、その変化率は負荷上昇時より約31%大きい。負荷変化幅により、炉内粒子懸濁濃度および対流熱伝達強度は迅速に応答できる一方で、炉内温度の変化はやや遅れを示し、CFBボイラーは熱伝達係数の変化により熱量伝達の迅速な調整を実現していることを意味する。燃焼介入として、原給炭の40%を100マイクロメートル級の微細炭粒に置換することにより、炉膛温度の変化を効果的に加速でき、負荷上昇時に高負荷域の平均熱流密度応答速度は約43%向上し、低負荷域も約16%改善した。さらに循環介入として、負荷上昇時に一定量の細粒層分を追加投入することで、炉内の粒子懸濁濃度を短時間で急速に増加させ、受熱面の熱伝達率応答速度を効果的に高める。熱細粒層（例えば循環灰熱貯蔵・再循環方式）を追加投入すると、負荷上昇時の高負荷域の炉内平均熱流密度応答速度は約31%向上し、低負荷域でも約13%向上可能である。研究結果はCFBボイラーの変負荷時における炉内応答メカニズムを解明し、循環－燃焼介入による系変負荷速度向上の実現可能性を検証し、超臨界CFBボイラーの柔軟性ポテンシャルの掘り下げおよび変負荷能力改善の参考となる。

循環流動層ボイラー;炉内プロセス;応答特性;燃焼介入;循環介入;数値シミュレーション