JP2002530621A - 流動床反応装置および方法 - Google Patents
流動床反応装置および方法Info
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Abstract
Description
するものである。
よび屋根によって画成される内部を含み、その内部では、少なくとも固体粒子燃
料材料を含む床材料が、底部から導入された流動化ガスにより、大部分はボイラ
ー内の発熱化学反応で必要な1次空気によって流動化される。炉の側壁には、通
常、少なくとも燃料および2次空気を導入する導管も配設される。
放出されるエネルギーが、管内を流れる水を気化させるために使用される。また
、ボイラー内に過熱表面体を配置し、蒸気のエネルギー量をさらに増加させるこ
とが多い。
よび過熱用表面が必要である。ボイラーの基部面積は、必要な流動化空気の体積
および速度に基づくボイラーの容量と正比例する。炉の底部が非常に長く、狭い
と、少なくとも構造的に不利であり、側壁に十分大きな蒸発用表面があるため、
ボイラーの高さおよび底部の幅も増大させなければならない。高さを十分増大さ
せると、構造的に問題が生じることがあり、幅を増大させると、燃料および2次
空気の均一な供給を行うことが、さらに困難になる。これらの問題を解決するた
めに、炉の内側に付加的構造を設けてボイラーの蒸発用表面を増大させることが
できる。
から別の側壁まで延在する隔壁に蒸発用表面を設けることである。この種の構成
が、例えば米国特許第3736908号に開示されている。ボイラーのあらゆる
部分における材料およびプロセス(処理操作)の均一性を確保するため、前記隔
壁に特別な開口を設けなければならない。しかしながら、これらの開口が数多く
あっても、隔壁を有するボイラーでは、最適効率および環境排出物の極少化に必
要な均一性に到達するのは困難である。これらの問題は、ボイラーの均一性の性
能に関して最も重要な箇所であるボイラー下隅部分で最も顕著であり、下隅部分
の数は、一方の側壁から別の側壁まで延在する隔壁の存在によって不可避的に増
加する。
ンの現象である。この観点から、単純な隔壁に伴う一つの問題は、ボイラーの側
壁とは対照的に、熱エネルギーが両側の壁パイプに伝達されることである。側壁
における蒸発と均衡した状態で、隔壁において蒸発と水循環を行なわせるには、
隔壁管のサイズを側壁管よりも大きくするか、または密度を高めて配置しなけれ
ばならない。炉底から頂部まで延在する、その高さを考慮すると、比較的薄い隔
壁を配置することは、十分な壁剛性を達成するという観点で、高さの大きなボイ
ラーでは困難であろう。
は、従来公知である。例えば、米国特許第5678497号およびWO−98/
25074は、2次空気供給用手段を冷却した隔壁に取り付ける構成を開示して
いる。
に代えて、他の種類の補助構造物を配置することも知られている。米国特許第5
070822号は、熱伝達表面で外部ケーシングが形成された同心円状の円筒形
粒子分離器を、円筒形の炉の内側に配置する構成を示している。この構造体の下
部には、炉内に燃料を導入するための部材も存在する。米国特許第481756
3号は、炉の40〜70%に亘って炉の下部に配置され、冷却された上方向に傾
斜した構造物を、2次空気と燃料の供給用として使用する構成を開示している。
米国特許第4947803号は、冷却した円筒形の接触ユニットを配置した流動
床反応装置を開示している。しかし、これらの構成は全て、非常に高価であり、
大規模な流動床ボイラーにはそれほど適切でなく、これによって提供される補助
的蒸発用表面はあまり意味がない。
。
前記先行技術の問題および欠点を解決し、または最小限に抑える新しい技術的解
決策を提供することが本発明の目的である。
装置を提供することが本発明の別の目的である。
ーに補助的蒸発用表面を設けることが、さらに別の目的である。
状態が達成され、したがって良好な燃焼効率および排出物の減少が達成される流
動床反応装置を提供することが、さらに別の目的である。
立請求項の特徴部分に記載されている。
して垂直の室(チャンバ)が炉内に配置されるように、流動床ボイラー内に蒸発
用表面が配置される。本明細書および特許請求の範囲では、用語「室」は、壁で
囲まれた構造体を意味し、構造体の内にほぼ閉鎖されたガス容積が形成されるも
のである。壁は、通常、フィン付き水管で形成された真直の水管パネルで作成す
る。流動床ボイラーの室の高さは、概ね炉の高さと同じであり、炉の高さの少な
くとも80%であることが好ましい。室(チャンバ)は、炉の底部から頂部まで
延在し、それによって炉の補強に使用できることが好ましい。
ことができ、したがってボイラーのサイズは、必要な蒸発用表面によって制限さ
れるものではない。小型のボイラーでは、例えば、1つまたは2つの本発明によ
る室が設けることが好ましい。大型ボイラーでは、複数の(例えば、3、4、6
、8、あるいは10以上の)室を設けることが好ましい。室は、2列または数列
で順次配置するか、それぞれ特定のケースで最適と見なされる別の順序で配置す
ることができる。流動床ボイラーでは、好ましくはボイラーの蒸発用表面の約2
0〜70%(より好ましくは、40〜60%)が、本発明による室内に配置され
る。
互いに短い距離を置いて配置される。実質的に、対向する蒸発用表面の両側では
なく、その一方側のみが加熱される。したがって、全ての蒸発用表面、つまりボ
イラー壁および室(チャンバ)壁の蒸発用表面は本質的に同じである。このよう
に、水管構造は、ボイラー外壁の水管構造と同じ方法で寸法を決定することがで
きる。これは、特に貫流ボイラーの場合、蒸気回路の寸法決定およびリスク管理
の点で大きな利点である。
部分がある。例えば室の構造強度によって必要とされる支持構造を室の内側に設
け、それによって、必要に応じて室を非常に高くすることができる。室内に配置
された支持構造は、ボイラー全体の炉の構造的強度を強化するためにも使用する
ことができる。
さの少なくとも50%でほぼ一定になるような形状を有する。しかし、流動床反
応装置またはボイラーの様々な機能で必要とされる補助装置構造は、室の上部お
よび下部に取り付けると、その点における室の形状を変更してしまうことがある
。
ボイラーに、隔壁で炉を別個の部分に分割する必要なく、より多くの蒸発用表面
を提供することができる。別個の室を除く炉底部全体を連続させることができる
。したがって、炉内で起きるプロセス、典型的には燃焼プロセスを部分に分割す
る必要がなく、床の材料を炉の全容積の内側でほとんど自由に移動させることが
できる。
接する壁で形成された角度が180°未満である。さらに、室は炉の側壁から隔
置摺ることが好ましい。したがって、室は炉に混合に関して問題となるような内
隅を形成せず、室によって生成された隅は全て、炉の方向から見て外隅である。
したがって、容積の大部分は、室の近傍でも、粒子が自由に移動し、その移動は
ほぼ制限されない。炉内の粒子の移動を制限しないために、室の各対角線は、炉
の平行な対角線の60%以下であることが好ましく、50%以下であることがよ
り好ましい。
けることができる。2次空気を供給するために最も好ましい手段を、室内に配置
する。燃料または石灰岩を導入する手段も室内に配置することができ、それによ
って室内における燃料または石灰岩の移動を空気で、または傾斜位置に配置され
た供給スクリューで実行することが好ましい。
な水管パネルで形成できることが好ましい。室の断面は、好ましくは多角形、よ
り好ましくは長方形の形状を有する。長方形の断面は正方形でもよいが、長辺と
短辺の個々の長さの比率が少なくとも2になるように細長くすることが好ましい
。ボイラー底部の総面積を大幅に増大させることなく大量の蒸発用表面を提供す
ることができるので、細長い断面を有する室が有利である。室に様々な構造およ
び装置を配置できるようにするため、対向する壁の間の距離は、好ましくは少な
くとも0.5m、最も好ましくは少なくとも1mにするとよい。
が好ましく、それによって室の上部に1つまたは幾つかの開口を配置し、それを
通って炉内で生成された煙道ガスおよびそれに飛沫同伴する床材料が室の内部に
流入することができる。煙道ガスをそれと飛沫同伴する床材料から分離する衝撃
分離器またはサイクロン分離器を、室の内側に配置する。浄化した煙道ガスが室
の上部を通って排出され、分離された床材料は炉に戻る。
り、炉からの注入導管が、室の隅に近い1つまたは幾つかの側壁に配置される。
注入口は、正方形室の各側壁に配置することが、最も好ましい。
つの室に相互に隣接する2つまたは幾つかの渦が生成される。室には、様々な渦
の間に内部隔壁があるか、渦が同じ空間にあってもよい。
ましい。高温の床材料は、周囲の流動床から直接に、または室内に配置された粒
子分離器の復帰ダクトから熱伝達室に入る。室内に配置された熱伝達室により、
炉の側壁に接続した熱伝達室を配置する必要性が低下し、そによって、例えば燃
料の導入用など、側壁に残された自由な表面が大きくなる。
ることが好ましい。この場合、室の内側に蒸気用連結管を設け、そこから過熱管
が室壁の外側へ(すなわち、炉へ)導かれ、したがって管および管パネルは壁の
近傍で上方向に連続し、炉の屋根の上に配置されたヘッダ(頭部)で終了する。
のための2つの隣接する導入点間の距離を、所望の長さにすることができる。し
たがって、本発明による構成を使用すると、比較的大型のボイラーの炉でも、完
全に新しい方法で均質なプロセス状態を配置することができる。
損なうことなく、大型の流動床ボイラーにも必要な程度の蒸発用表面を設けるこ
とができる。本発明による室に補助的構造物を追加することにより、ボイラーの
剛性、材料の均質性およびプロセスを改善することができ、ボイラーの側壁の自
由なスペースを増大することができる。
に示す。ボイラー1の主要部分は、炉2および粒子分離器3である。炉2は、側
壁4、底部5および屋根6によって画成される。炉2には、燃料および砂や石灰
などの他の床材料を供給するための導管7を設ける。ボイラーの底部には、床材
料を流動化させるために空気を供給する手段8を設ける。炉の下部には、2次空
気を供給するダクト9も設ける。
材料は、流動化の空気および煙道ガスとともに導管10を通って分離器3へと排
出され、そこで固体材料の大部分が煙道ガスから分離され、復帰パイプ11を通
って炉2の下部に戻る。
ン付き水管で構成された水管パネルで形成される。燃料の燃焼から放出されたエ
ネルギーは、側壁の水管を流れる水の気化に使用される。
明による室2がある。室の壁13は水管パネルで作成され、その水管は、炉の下
では供給パイプ14に、炉の上ではヘッダ・パイプ15に結合される。炉の内側
には、2次空気および燃料を炉の中心部分に供給するために、例示的に図示され
た手段16、17がある。
るボイラーには、全体で9つの室があり、主に2列になっている。室の数および
位置は、本明細書で示すものと異なってもよい。例えば、全部が1列になってい
るか、3列以上あってもよい。
5である。この比率は、別の比率でもよく、6以上または3未満でもよい。場合
によっては、室が正方形の断面でもよい。
付し、大きい方の12bには、特に炉の剛性を強化する大きな構造体19の記号
を付す。
。小型ボイラーでは、例えば室がわずか1つまたは2つであるが、比較的大きい
ボイラーでは、10を超える室があってもよい。
置された蒸発室12などに取り付ける方法を示す。過熱表面体は管パネルで作成
され、過熱される蒸気は、蒸発室内に配置された供給パイプ21から、炉の屋根
の上に配置されたヘッダ・パイプ22へと流れる。
が、注入口31を経て炉2から熱伝達室へ流れる。装置32によって熱伝達室内
で低速の流動化が維持され、床材料は熱伝達表面体33上で冷却される。材料は
、室熱伝達室の下部にある開口34を通ってダクト35へと排出され、ここで装
置36によって生成された流動化により上方向に流れ、排出口37を通って流出
し、炉2に戻る。蒸発室内に配置される熱伝達室の構造も、図示の構造と異なっ
てよい。
、12dが配置されている。蒸発室12cの第1部分には、図3および図4によ
る過熱表面体20および熱伝達室30を設ける。蒸発室12dの第2部分には粒
子分離器04を設ける。図5による粒子分離器は長方形の断面を有し、その長辺
と短辺の比率は約2である。分離器の上部には2つのガス排出口41、下部には
1つの開口があり、それを通って分離された材料が炉に戻ることができる。
が分離器に導かれる。したがって、ガス噴射を分離器の壁に垂直に配向する導管
42、43は、渦の流れの方向が壁から外側になる点に配置することが好ましい
。傾斜した注入導管44を、これも側壁の他の部分にある渦に平行に配置するこ
とができる。
である。粒子分離器の断面の辺の比率も、図5に図示した比率と異なってよい。
分離器は、例えば正方形の断面でもよい。
室12が屋根6まで継続せず、屋根の前で屈曲して、炉の屋根に近い炉の側壁4
aを貫通する。この種の構成は、例えば熱膨張の制御などに関して、場合によっ
ては有利である。同じ方法で、室の下部も、側壁を貫通するように屈曲させるこ
とができる。
の表面に平行ではなく、それに対して約45°の角度になる、つまりダイアモン
ド形を形成するよう、本発明による蒸発室が炉内に配置されている。
きたが、本発明は、これらの実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求
の範囲で定義される本発明範囲内の他の多くの構成も包含するものである。
す。
に示す。
式的に示す。
別の流動床反応装置の水平断面図を模式的に示す。
す。
れ、固体粒子床を設けた炉(2)を含む流動床反応装置における方法であって、 前記炉の壁に配置された蒸発用表面によって熱が回収され、 さらに、前記炉内に配置された1つ以上の蒸発室(12)の壁から成る蒸発用
表面によって熱が回収され、前記蒸発室は、側壁から離れており、また底部(5
)から上方に向かって前記炉の高さの少なくとも80%だけ延在し、その垂直壁
(13)が真直の水管パネルで形成され、また、その内部に閉じたガス容積が形
成されることを特徴とする方法。
Claims (27)
- 【請求項1】 側壁(4)、屋根(6)および底部(5)によって画成され
、固体粒子床を設けた炉(2)を含む流動床反応装置において、前記炉が、主と
して垂直の少なくとも1つの蒸発室(12)を含み、該蒸発室の高さが前記炉の
高さの少なくとも80%であり、前記蒸発室の垂直壁(13)が真直の水管パネ
ルで形成されていることを特徴とする流動床反応装置。 - 【請求項2】 前記蒸発室が前記炉の前記底部から前記屋根(6)まで延在
していることを特徴とする請求項1に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項3】 流動床ボイラーの蒸発用表面の20〜70%が前記蒸発室内
に配置されていることを特徴とする請求項1に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項4】 流動床ボイラーの蒸発用表面の40〜60%が前記蒸発室内
に配置されていることを特徴とする請求項1に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項5】 少なくとも2つの蒸発室が存在することを特徴とする請求項
1に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項6】 2つを超える蒸発室が存在することを特徴とする請求項1に
記載された流動床ボイラー。 - 【請求項7】 前記蒸発室が少なくとも2列で前記炉内に配置されているこ
とを特徴とする請求項1に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項8】 前記蒸発室が炉壁から離れていることを特徴とする請求項1
に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項9】 前記蒸発室の断面が凸形状であることを特徴とする請求項1
に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項10】 前記蒸発室の断面が長方形であることを特徴とする請求項
9に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項11】 前記蒸発室の断面が、前記炉の高さの少なくとも50%に
おいてほぼ一定であることを特徴とする請求項1に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項12】 前記蒸発室の水平断面の各対角線の長さが、前記炉の平行
対角線の長さの最大限60%であることを特徴とする請求項1に記載された流動
床ボイラー。 - 【請求項13】 前記蒸発室の対向する壁の間の距離が少なくとも0.5m
であることを特徴とする請求項10に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項14】 2次空気を導入する手段が、前記蒸発室内に配置されてい
ることを特徴とする請求項1に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項15】 燃料を導入する手段が、前記蒸発室内に配置されているこ
とを特徴とする請求項1に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項16】 過熱表面体が前記蒸発室内に配置されていることを特徴と
する請求項1に記載の流動床ボイラー。 - 【請求項17】 前記蒸発室の少なくとも1つに配置された前記過熱器が翼
壁型であることを特徴とする請求項16に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項18】 泡立ち流動床型の熱伝達室が、前記蒸発室の下部に配置さ
れていることを特徴とする請求項1に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項19】 前記蒸発室内に、該蒸発室の剛性を強化する構造物が配置
されていることを特徴とする請求項1に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項20】 前記蒸発室内に、前記炉の剛性を強化する構造物が配置さ
れていることを特徴とする請求項1に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項21】 粒子分離器が前記蒸発室内に配置されていることを特徴と
する請求項1に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項22】 前記粒子分離器がサイクロン分離器型であることを特徴と
する請求項21に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項23】 前記粒子分離器の断面が長方形であることを特徴とする請
求項22に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項24】 前記粒子分離器の断面が正方形であることを特徴とする請
求項23に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項25】 前記粒子分離器の断面の長辺の長さが少なくとも短辺の長
さの2倍であることを特徴とする請求項23に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項26】 垂直の隔壁が前記粒子分離器内に配置されていることを特
徴とする請求項25に記載された流動床ボイラー。 - 【請求項27】 側壁(4)、屋根(6)および底部(5)によって画成さ
れ、固体粒子床を設けた炉(2)を含む流動床反応装置における方法であって、 前記炉の壁に配置された蒸発用表面によって熱が回収され、 さらに、前記炉内に配置された1つ以上の蒸発室(12)の壁から成る蒸発用
表面によって熱が回収され、前記蒸発室の高さが前記炉の高さの少なくとも80
%であり、前記蒸発室の垂直壁(13)が真直の水管パネルで形成されているこ
とを特徴とする方法。
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