JP2006511420A - 金属化合物から金属酸化物を生成する方法および設備 - Google Patents

金属化合物から金属酸化物を生成する方法および設備 Download PDF

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Abstract

本発明は、金属化合物、特に金属水酸化物または金属炭酸塩から金属酸化物を生成する方法に関するものである。本方法では、流動層を有する反応炉（25）に金属化合物を運搬し、炉内で燃料を燃焼させることによって650〜1150℃まで加熱して金属酸化物を生成する。また本発明は、上記方法に相当する設備に関するものである。エネルギーの活用を向上させるために、第１のガスまたは混合ガスを、ガス供給管（26）を介して下方から反応炉（25）の混合チャンバ（20）へ注入し、流動化用ガスの供給によって流動化する固定環状流動層（27）によって、ガス供給管（26）を少なくとも部分的に包囲し、第１のガスまたは混合ガスのガス速度と環状流動層（27）の流動化用ガスの速度とを調整することで、ガス供給管（26）における粒子フルード数を１〜100とし、環状流動層（27）では0.02〜２とし、混合チャンバ（20）では0.3〜30とする。

Description

本発明は、金属化合物、特に金属水酸化物または金属炭酸塩から金属酸化物を生成する方法と、これに相当する設備とに関するものであり、金属化合物を流動層反応炉に運搬し、炉内で燃料を燃焼させることによって650℃〜1150℃まで加熱して金属酸化物を生成する。
循環流動層で水酸化アルミニウムから無水アルミニウムを生成する方法は、欧州特許第0 861 208 B1号によって知られていて、この方法では、酸化アルミニウムはまず数種の予備加熱工程で乾燥させられ、部分的に焼成され、燃料の燃焼のために内部温度が800〜1000℃になっている流動層反応炉に余熱状態で導入され、これによって酸化アルミニウムが生成される。燃焼中に発生する流動層反応炉の排ガスは、予備加熱工程に供給されて効果的に活用される。反応炉から回収された金属酸化物には、空気に直にさらす多段冷却が施され、少なくとも直接冷却工程を経由し、この工程では金属酸化物は排出導管を通って分離サイクロンへと気圧によって運搬される。また、部分的に冷却された金属酸化物は少なくとも１つの間接冷却式流動層冷却器を経る。
これまでに知られている設備では、固定式もしくは循環式の流動層を有する反応炉が固体の焼成または加熱に利用されている。しかし、固定式流動層を使用して実現される焼成工程におけるエネルギー活用には、改善の余地がある。一方、流動化の度合いが比較的低いために質量および熱の移動が相当に緩やかであることから、内燃を制御することは困難である。また懸濁物用熱交換器では、燃焼用空気の予熱を一体的に与えることは困難である。通常、燃焼用空気は、予め焼成もしくは加熱した固体を冷却し、含塵冷却用空気を燃焼用空気として使用することによって、懸濁物用熱交換器において予熱を与えられる。しかし、含塵ガスは固定流動層の流動ノズルを通りにくい。一方、循環式流動層は流動化の度合いが高いため、質量および熱の移動状態が良好で、懸濁物用熱交換器の一体化も可能であるが、流動化の度合いが高いために固体保持時間に制限がある。したがって、欧州特許第0 861 298 B1号では多段焼成が設けられている。しばしば、供給される天然ガスや他の燃料の予備燃焼あるいは後燃焼が要因となって、焼成設備に問題が起こる。
発明の説明
そこで本発明は、金属水酸化物や金属炭酸塩などの金属化合物の焼成時における質量および熱の交換の状態を改善し、これによって、使用する熱エネルギーを最適に活用することを目的とする。
本発明によれば、本目的は上述の方法によって解決する。すなわち、第１のガスまたは混合ガスを、好適には中央に配置されたガス供給管（中央管）を介して、下方から反応炉の混合チャンバに注入する。中央管は、流動化用ガスの供給によって流動化する固定環状流動層によって少なくとも部分的に包囲し、管中の第１のガスまたは混合ガスのガス速度と、環状流動層の流動化用ガスの速度とを調整することで、中央管における粒子フルード数は１〜100とし、環状流動層では0.02〜２とし、混合チャンバでは0.3〜30とする。
本発明の方法によれば、十分に長い固体保持時間が得られるという固定流動層の利点と、良好な質量および熱の移動といった循環流動層の利点とを、驚異的にも、加熱処理中に兼ね備えることが可能となり、両機構の不利点が回避される。第１のガスまたは混合ガスが中央管の上部領域を通過するときに、環状流動層とみなされる環状固定流動層から混合チャンバへと固体を運ぶため、固体と第１のガスとの大きな速度差によって集中混合された懸濁物が形成され、２つの工程間の質量および熱の最適な移動が達成される。
これに応じて、環状流動層内の充填レベルと、第１のガスまたは混合ガスおよび流動化用ガスのガス速度とを調整することで、中央管の開口部上方の懸濁物の固体負荷を広い範囲にわたって変更可能となり、中央管の開口部と混合チャンバの上部放出口との間での第１のガスの圧力損失は１〜100ミリバールになる。混合チャンバ中の懸濁物の固体負荷が大きい場合、固体の大半は懸濁物から流出して落下し、環状流動層に戻る。この再循環は内部固体再循環と呼ばれ、この内部循環で循環される固体流は、通常、外部から反応炉に供給される固体分量より極めて大きい。（少量の）沈殿しなかった固体は、第１のガスまたは混合ガスと共に混合チャンバから排出される。反応炉における固体の保持時間は、環状流動層の高さおよび断面積の選択次第で、広い範囲で変更可能であり、所望の加熱処理に適応させることが可能である。固体負荷が高い一方、質量および熱の移動が良好になされるため、反応炉に導入された燃料が実質的に完全燃焼できるほどの優れた状態を、中央管開口部上方において得ることができる。例えば、発火温度程度で、さらに／あるいは、局部温度が最高点に達しない状態で過剰酸素をほとんど加えることなく、天然ガスの実質的な完全燃焼が可能となる。反応炉からガス流と共に排出される固体量は、完全に、または少なくとも一部が反応炉に再循環され、再循環の効果は、有利に固定流動層へもたらされる。このようにして環状流動層に再循環された固体質量流量は、通常、外部から反応炉に供給される固体質量流量と同量である。エネルギーの有効活用以外の、本発明による方法の利点は、第１のガスもしくは混合ガスおよび流動化用ガスの流速変更により、処理工程におけるエネルギー移動と、必要に応じた質量移動とを、迅速、簡単、確実に可能にすることにある。
混合チャンバにおけるとりわけ効果的な熱移動と、反応炉における十分な保持時間とを確保するために、第１の混合ガスおよび流動層の流動化用ガスのガス速度を調整し、好ましくは、微小粒子フルード数（Frp）を中央管では1.15〜20とし、環状流動層では0.115〜1.15とし、さらに／あるいは混合チャンバでは0.37〜3.7とする。粒子フルード数は各々次の方程式で定義される。

Figure 2006511420

ｕ＝ガス流動の有効速度m/s
ｐｓ＝固体粒子密度kg/m３
ｐｆ＝流動化用ガスの有効濃度kg/m３
ｄｐ＝反応炉運転時の反応生成物の粒子（またはその際に形成される粒子）の平均径m
ｇ＝重力定数m/s２
この式を用いる場合、ｄｐは使用原料の平均径（ｄ50）を示すのではなく、反応炉の運転時に生成される反応生成物の平均径のことであり、使用原料（一次粒子）の平均径とは両方向において著しく異なる。また、熱処理中には、平均径が例えば３〜10μmの極微粒材料から、平均径が20〜30μmの（二次）粒子を生成することも可能である。一方、鉱石などいくつかの材料は、熱処理中に焼成される。
本発明の着想によれば、反応炉内の固体の充填量を調整することで、環状流動層の例えば少なくとも一部を、中央管の上部開口端を数cm超えるまで伸ばし、これによって固体を常時第１のガスまたは混合ガスに導入し、ガス流によって中央管の開口領域上方の混合チャンバまで運ぶ。このようにして、中央管開口領域上方において、懸濁物の極めて高い固体負荷を実現し、これによって、例えば困難な状況下での完全燃焼を可能とする。
本発明の方法によれば、特定の金属酸化物を生成するために、あらゆる金属水酸化物または金属炭酸塩を効率的に熱処理可能である。本方法は特に水酸化アルミニウムを焼成して酸化アルミニウムを製造するのに有用である。使用する水酸化アルミニウムは微粒子大であり（約100μm）、金属水酸化物または金属炭酸塩を含有する固体のうち、少なくとも大部分の粒子サイズは、概ね５mmより小さい。本方法はドロマイトや炭酸カルシウムの焼成にも活用できる。
本発明の好適な実施例では、酸素を含む予熱ガスが中央管を介して反応炉に供給され、このガスは燃焼用空気の全体、または少なくとも非常に高い割合を占めている。これによって、反応炉の混合チャンバへの十分な酸素供給が確保され、内燃によって反応炉内の反応に要する熱エネルギーが供給される。
反応炉の運転に必要な熱量は、この目的に適した、当業者に周知のいかなる方法で生成してもよい。本発明によれば、気体および／または液体の燃料が中央管から反応炉に注入され、中央管の上方で、反応炉の混合チャンバにおいて燃焼する。特に、天然ガスなどの気体燃料が供給された場合、中央管の強い乱流により気体燃料と酸素含有ガスとの予備混合が起こり、その結果混合チャンバで発火し燃焼する。このような内燃は、ガス流に運搬された、固定環状流動層内の高温の粒子と、プロセスガスとの間に、非常に効果的な熱移動をもたらす。燃料が中央管にあるうちに早期着火しないよう、気体または液体の燃料は、中央管の排出口（上部開口領域）付近に供給する。これを行なうため、中央管に設けたランスなどを燃料の供給に利用してよい。反応炉の温度は、気体および液体の燃料の流量を変更することで制御可能である。
代案としてもしくは上記に加えて、例えば石炭や液化炭化水素などの、固体、液体または気体燃料を、相応の供給導管を介して反応炉に直接注入してもよい。この場合、例えば供給する空気の量を変えることで反応炉の温度を制御するとよい。本発明の特に好ましい実施例では、気体燃料および／または空気を、環状流動層の流動化用ガスとして、反応炉の環状流動層下部領域に注入する。無論、空気に代えて、これと同じ用途に用いられる当業者に周知の他のあらゆるガスや混合ガスを利用してもよい。興味深いことに、混合チャンバが最適な燃焼のための理想的な状態である場合、環状流動層を通過して混合チャンバで予熱燃焼用空気と接触する流動化用ガスとして、気体燃料だけを使用することも可能であることが判った。
反応炉は0.8〜10バールの圧力下で運転するのが有利であり、とりわけ大気圧下で運転するのが有利であることが判明した。
反応炉の上流には１つ以上の予備加熱工程を設けてよく、この工程では、反応炉での加熱処理の前に、金属水酸化物または金属炭酸塩を含む固体を懸濁化し、乾燥させ、予熱を与え、さらに／あるいは部分的に焼成させ、水分の少なくとも一部を除去する。好ましくは、それぞれ熱交換器および下流分離装置で構成される２つの予備加熱工程を反応炉の上流に設け、第１熱交換器では、原料を、第２熱交換器からの排ガスによって加熱し、第２熱交換器では、原料を、反応炉からの排ガスによって加熱する。熱交換器は両方とも、好ましくは懸濁物用熱交換器である。この方法によれば、処理工程に必要とされる総エネルギーが一層削減される。
本発明によれば、熱交換器として、固定流動層および混合チャンバを有する環状流動層熱交換器を使用可能であり、この交換器は、熱およびエネルギーの効率的な活用に非常に優れている。またこれによって、予備加熱される固体の大きな機械的負荷を回避することができる。この負荷は、予備加熱において従来使用されるベンチュリ型乾燥器の場合、円錐状拡張部の強い乱流によってベンチュリノズルのベンチュリ流動層で発生するものであり、粒状崩壊を引き起こし不要な微粒子の形成につながってしまう。本発明によると、環状流動層熱交換器を乾燥器や予熱器として使用した場合、熱供給は反応炉からの排ガスによって行われ、このガスは例えば中央羽口（中央管）を介して供給される。この方式は、本発明による環状流動層および混合チャンバを備えた反応炉と同様である。固体は環状流動層に横方向から導入され、中央羽口に到達するまでに乾燥および予備加熱される。環状流動層では、粒子フルード数Frpが約0.8の固体が空気によって流動し、これによって、その速度はベンチュリ流動層のベンチュリ首部と比較して約10〜20倍減速されるため、機械的負荷が実質的に小さくなる。一方ベンチュリノズルでは、固体がベンチュリ首部から落下するのを防ぐために、粒子フルード数Frpを15〜20に調整する必要がある。本発明によれば、中央羽口では粒子フルード数Frpは約５〜10に調整可能であるのに対し、混合チャンバの粒子フルード数Frpは、約３である。
本発明によると、環状流動層反応炉および／または環状流動層熱交換器を冷却するために、環状流動層の中や上に、直接、水を吹き付けてもよい。この処理はベンチュリ流動層を備える反応炉や乾燥器の場合に比較して、相当に容易である。こうした容器の場合は、水が容器内で蒸発するよう細かい水滴にするために、一般に二流体ノズルで噴霧する必要があるからである。また従来の方法では、水を噴霧するために蒸気などを補う必要もある。
熱処理後、反応炉の排ガスによって運ばれた生成物のうち０〜100％の部分は、分離装置を通って排出され、好ましくは流動化用ガスによって作動する混合容器へ入れられる。この混合容器では、生成物は、部分的に焼成された固体、すなわち具体的には金属水酸化物と混合され、これによって、とりわけ、生成物の品質を整え、高温の金属酸化物を冷却する。好ましくは、生成物の少なくとも一部は、固体戻り導管を通って、反応炉の環状流動層に再循環される。この固体再循環の重要な利点は、混合チャンバ付近の懸濁物の固体負荷を処理工程の要求に合わせて調整可能なことであり、更に、処理中に必要に応じて変更可能なことである。
本発明の着想によれば、中央管と反応炉の放出口導管との間における圧力損失を測定し、固体再循環量を変更して損失割合を調整する。これを行なうために特に有用であると判明しているものは、下流測定部材を有する流動層中間容器であり、下流測定部材は例えば、速度可変回転翼式フィーダまたはローラ型回転弁などである。簡単な方法で固体再循環を行なうことにより、反応炉における処理工程の状態を一定に保つことができ、さらに／あるいは反応炉内の平均固体保持時間を延長することができる。
本発明の方法によると、生成物または生成混合物は、反応炉での加熱処理後に、混合容器から、さらに／あるいは、直接に分離装置から冷却装置に供給され、この冷却装置は具体的には、連続する複数の冷却工程の方式を構成している。このような冷却工程は、冷却サイクロンや流動層冷却器などの直接または間接熱交換器で構成してよい。
エネルギー活用を効率化するため、冷却工程で冷却に使用し加熱されたガスは、より上流の冷却工程、反応炉および／または予備加熱工程に供給する。ガスは段階的に送ることも考えられる。すなわち、冷却すべき生成物が既に先行の冷却工程で予備冷却されている最終冷却工程を始点としてガスを送り、いくつかの、またはすべての先行する冷却工程にわたってガスを送る。生成物は各先行冷却工程ではまだ温かいため、冷却工程毎にさらに冷却され、これによって冷却用ガスは一層加熱される。最終的に、加熱されたガスは、好ましくは中央管を介して反応炉に供給され、さらに／あるいは予備加熱工程に供給される。流動層冷却器において間接熱交換器として頻繁に用いられる直交流型熱交換器を直接熱流交換器に変更すると、金属酸化物の冷却中に、非常に効率よく熱を回収でき、これによって、冷却される金属酸化物と予備加熱される燃焼用空気との間に、好適な多段階直接接触が生じる。
本発明による設備は、上述の方法を実施するのにとりわけ適していて、金属水酸化物や金属炭酸塩などの金属化合物から金属酸化物を生成する流動層反応炉を構成する反応炉を有し、この炉内で金属化合物が燃料の内燃によって加熱されて金属酸化物が生成される。反応炉にはガス供給機構が設けられていて、このガス供給機構の構造により、同機構を通って流れるガスは、ガス供給機構を少なくとも部分的に包囲する固定環状流動層から、混合チャンバへ、固体を運ぶ。好ましくは、このガス供給機構は混合チャンバ内まで延びている。しかし、ガス供給機構は、環状流動層の表面下までで終端させてもよい。そしてガスを例えば横方向の開口部から環状流動層に注入し、その流動速度を利用して、環状流動層から混合チャンバへと固体を運ぶ。
本発明によると、ガス供給機構はガス供給管（中央管）を有し、これは反応炉の下方領域から好ましくは反応炉の混合チャンバへ、上方にほぼ垂直に延びている。このガス供給管は、固定環状流動層が形成される槽によって、少なくとも部分的に包囲されている。中央管はその排出口においてノズル状としてよく、その外壁面の周囲には１つ以上の開口が穿設されていて、これによって反応炉運転中に固体は絶えずその開口から中央管に入り、第１のガスまたは混合ガスによって中央管から混合チャンバへと運ばれる。言うまでもなく、寸法や断面形状が異なる、あるいはそれらが同一の、２つ以上の中央管を反応炉に設けてもよい。ただし、少なくとも中央管の１つは、反応炉の断面積を基準としてほぼ中央に配置されているのが好ましい。
好適な実施例では、分離装置、具体的には固体を分離させるサイクロンを反応炉の下流に設けている。この分離装置は反応炉の環状流動層に通じる固体導管および／または混合容器に通じる固体導管を有する。
固体の流動および固定流動層の形成を確実にするために、反応炉の環状槽には、槽を上部環状流動層と下部ガス分配チャンバとに分割するガス整流板が設けられている。ガス分配チャンバは流動化用ガスおよび／または気体燃料の供給導管に接続されている。ガス分配チャンバに代えて、パイプおよび／またはノズルで構成されるガス整流板を設けてもよく、そのノズルの一部は流動化用ガスのガス供給管に接続可能であり、他のノズルは別の気体燃料供給管に接続可能である。
本発明によると、反応炉にはさらに気体燃料および／または液体燃料用供給導管を設けてもよく、この導管は中央管につながっていて、このことは、気体、液体および／または固体燃料用の供給導管であって環状槽や混合チャンバに通じている供給導管と同様である。特に、気体および／または液体燃料供給用ランスをガス供給機構、具体的には中央管に設けると、燃料の供給を制御する上で大変に有利であることが判明している。ランスはガス供給機構の外側口領域まで延びていて、具体的には中央管の上部開口領域に達している。
抽出物をとりわけ効果的で緩やかに予備加熱するために、本発明では、予備加熱工程として、固定環状流動層のための槽と混合チャンバとを備えた、環状流動層予備加熱工程を設けた。
さらに、好ましくは、流動化用ガスで作用する混合容器を反応炉の下流に設け、これによって、生成物と、予備加熱工程から固体供給導管を経由して供給された部分的に焼成した固体とを混合している。
本発明によると、この混合容器に続いて、直接および／または間接冷却工程を含む冷却装置、具体的には冷却サイクロンおよび／または流動層冷却器が設けられている。直接冷却工程では、冷却媒体は冷却すべき生成物に直接接触する。冷却工程中には、生成物精錬などの所望の反応を行うことも可能である。また、直接冷却工程には特に良好な冷却効果がある。間接冷却工程では、冷却コイル中を流動する冷却媒体によって冷却が行われる。この工程で冷却中に加熱されるガスを利用するために、冷却工程には、そこで加熱されたガス（燃焼用空気）用の少なくとも１つの供給導管が設けられていて、この導管は予備加熱工程、混合チャンバ、ガス分配チャンバおよび／または内燃チャンバに通じている。
本発明によると、反応炉の環状流動層および／または混合チャンバには、固体および／または流体の流れをそらすための手段を設けてもよい。例えば、中央管と炉壁との中間の直径を有する環状堰を環状流動層に設けてよく、堰の上端は処理中に積層される固体層のレベルより上に突出させ、堰の下端はガス整流板等とは隔てて配置する。これにより、混合チャンバから炉壁付近に降り落ちる固体は、まず堰の下端を必ず通過し、その後、中央管のガス流によって混合チャンバへ戻される。こうして環状流動層内で固体の入れ替えがなされ、環状流動層における固体の一定保持時間がより長く確保できる。
本発明の開発、利点および応用の可能性を以下の実施例の説明および図面によって明らかにする。記載および／または図示するすべての特徴は、それ自体あるいはいかなる組み合わせにおいても、特許請求の範囲に包含されていることや技術背景の参考文献に拘らず、本発明の要旨を構成する。
好適な実施例の詳細な説明
図１に示す設備は、金属水酸化物または金属炭酸塩の焼成用の円筒形反応炉25を備えていて、これは、反応炉25の縦軸とほぼ同軸上に配置された中央管26を有する。この中央管は反応炉25の炉底から略垂直に上方に延びている。反応炉25の炉底付近には環状のガス整流板29が設けられていて、そこに供給導管21および28が通っている。反応炉25の垂直上部領域には混合チャンバ20が形成されていて、そこには、サイクロンから成る分離装置34に通じる排出導管33が配置されている。
固体を固体導管19から反応炉25に導入すると、ガス整流板29上に、中央管26を環状に囲む環状流動層27と呼ばれる層が形成される。供給導管21および28から注入される流動化用ガスがガス整流板29を通過して環状流動層27を流動化することで、固定流動層が形成される。反応炉25に供給されたガスの速度は、環状流動層27の粒子フルード数が0.15〜0.35に調整される。流動化用空気は比較的少量で済むため、流動化用ガスとして使用される空気に予熱与える必要は全くない。
固体をさらに環状流動層27に供給することで、反応炉25の固体層は、固体が中央管26の開口部に入り込む程度までに達する。これと同時に、中央管26を通して、酸素含有ガスまたは混合ガスが、燃焼用空気として反応炉25に注入され、この燃焼用空気は、気体や液体や固体の燃料を混合チャンバ20で燃焼させるのに必要な酸素を供給する。中央管26を介して反応炉25に供給されたガスの速度は、中央管26の粒子フルード数が約７〜11、混合チャンバ20では約1.5〜３に調整される。
環状流動層27の固体層が中央管26の上端上まで隆起するため、固体はこの上端から中央管26へと流入する。中央管26の上端は、平坦でもよく、のこぎり状などの他の形状でもよく、あるいはその壁面に側面開口部を有していてもよい。ガスが高速であるため、中央管26を流れるガスは、中央管の開口部を通過するときに固体を固定環状流動層27から混合チャンバ20へと運び、それによって集中混合懸濁物が形成される。混合チャンバ20におけるガス流と固体との間の集中的な質量および熱の移動により、初期段階では低温の固体が、混合チャンバ20での内燃によって適度に加熱される。
混合チャンバ20内でガス噴流が膨張することによって、さらに／あるいは炉壁の１つへ衝突することによって、流速が減衰する結果、運ばれた固体は急速に失速し、その一部分は再び環状流動層27に落下する。固定環状流動層27と混合チャンバ20との反応炉領域間では、固体の循環が行われる。この固体循環によって、処理される固体は反応炉25内で相当に長時間循環し、それと同時に、混合チャンバ20における大変良好な熱移動が活用できる。これによって金属塩のほぼ完全な焼成が確実になる。
固体が加熱処理（焼成）のために反応炉25に導入される前に、金属水酸化物または金属炭酸塩の抽出物は、スクリューコンベヤ１からベンチュリ型予熱器３に導入され、この予熱器３は、第１予備加熱工程Ａに備えられた熱交換器の役割を果たす。ベンチュリ型予熱器３では、粒子サイズが実質５mm未満の微粒固体が高温ガスと直に接触するため、固体は乾燥し、予熱を与えられる。これを実行するため、200〜500℃の高温混合ガス（排ガス）が排ガス導管２を介して第１予備加熱工程Ａのベンチュリ型予熱器３に注入され、この混合ガスは、固体導管５を経由して、例えばバッグフィルタや電気集塵装置などの、分離装置６を構成する濾過手段に微粒固体を運搬する。そこで排ガスは固体から分離され、例えば煙突を介して排ガス導管７に抜ける。
部分的に焼成された固体は、固体導管８を介して第２予備加熱工程Ｂのベンチュリ型予熱器４に到達する。このベンチュリ型予熱器４では、予め部分的に焼成された固体が、排ガス導管16からベンチュリ型予熱器４に注入される650〜1150℃の高温排ガスと直に接触する。ベンチュリ型予熱器４から、部分焼成された固体は高温排ガスと共に固体導管17を通って分離装置の役割を果たす分離サイクロン18に運搬され、その排ガスは排ガス導管２を介して第１予備加熱工程Ａのベンチュリ型予熱器３に注入される。
固体導管19を介して、サイクロン18で分離された固体は流動層反応炉25の環状流動層27に流入する。そこの温度は650〜1150℃であり、ほとんどの場合、約800〜1000℃である。また、燃料導管21を通して、ガス整流板29下部に設けられたガス分離チャンバ24へ気体燃料が供給され、ガス整流板29を通り抜けて流動層27の下方領域に注入される。ガス分離チャンバ24では、気体燃料は、供給導管28から供給される流動化用空気と混合可能であり、また例えばノズルやガス整流板29の開口を通じて、固体流動層27に注入可能である。あるいは、燃料導管21に通じるノズルをガス整流板29に設け、それらのノズルを介して燃料を固定環状流動層に直接注入してもよい。
図２は反応炉25の固定環状流動層27への燃料供給の他の実施例を示していて、気体燃料は燃料導管21を介して、ガス整流板29に分割されたガス分離チャンバ24に注入される。この実施例では、気体燃料は固定環状流動層27の流動化に利用でき、供給導管28から供給される流動化用空気の十分な代用品となる。燃料導管21を介して、気体燃料と流動化用空気との混合体を供給してもよく、気体燃料は流動化用空気のごく一部の代用品としてよい。気体燃料が固定環状流動層27を通って混合チャンバ20へと流動し、そこで、反応に必要な熱を発生させる燃焼を生じる。
反応炉25の金属酸化生成物を含む高温排ガスは、排出導管33を通って、再循環サイクロンを構成する分離装置34に流入し、その排ガス部分は排ガス導管16を介して第２予備加熱工程Ｂのベンチュリ型予熱器４に供給される。分離された高温の固体の一部は、固体戻り導管15aを介して反応炉25の環状流動層27に再循環される。高温固体の残りの部分は、まず生成物供給導管15を通って混合容器14に流入し、ここには流動化用ガスが供給導管35を介して供給される。予備加熱され部分的に焼成された固体の分岐部分は、固体導管８に連結する固体導管13を介して混合容器14に導入され、そこで固体導管13から部分焼成された固体が、生成物供給導管15からの高温金属酸化物によって加熱・焼成される。生成物と部分焼成固体との混合物は生成物の品質調整と高温金属酸化物の冷却に役立つ。
混合容器14で生成される生成混合物の冷却は下流の冷却機構40で行われ、この機構には４つの連続する冷却工程Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇがある。冷却工程Ｄ，Ｅ，Ｆは３つの直列に接続された同一型冷却サイクロン42であり、それぞれのサイクロンには送気導管41が付属していて、これらは、冷却空気を伴う各金属酸化物を、それぞれ対応する冷却サイクロン42に上昇運搬する。これを実現するため、混合容器14から排出された高温金属酸化物は、固体導管45を介して第１直接冷却工程Ｄの送気導管41に送られ、第１冷却工程Ｄの冷却サイクロン42に投入される。冷却サイクロン42の下端から、金属酸化物は固体導管46を通って第２直接冷却工程Ｅの送気導管41の下端へと流れる。第３直接冷却工程Ｆでも同様であり、工程Ｆからは金属酸化物が、固体導管46を介して、冷却工程Ｇの流動層冷却器47を構成する最終冷却器へと運搬される。
直接冷却工程Ｄ，Ｅ，Ｆにおけるガス循環は次の通りである。送風機50が最終直接冷却工程Ｆの送気導管41を介して冷却サイクロン42へ外気を圧入する。圧入された空気は、冷却工程ＦおよびＥの各冷却サイクロン42から、それぞれ空気導管51を通って直前の冷却工程ＥおよびＤの送気導管41の底部へと流れ、その後、予備加熱用燃焼空気として空気供給導管31を介して中央管26を通過し、反応炉25に注入される。
最終冷却器は流動層冷却器47として設計されていて、その中には冷却コイル55が張り巡らせてあり、また縦堰56、57が設けられている。この堰に冷却すべき生成物が保持され、それぞれ流動層を形成し、冷却すべき金属酸化物は堰56、57へと流れてきて各々隣接する流動層に流入する。流動化用空気は空気供給導管59から流動層冷却器47の各固定流動層に注入される。流動層冷却器47で加熱された廃棄空気は廃棄空気導管60を通って冷却工程Ｆの送気導管41に流れる。冷却された金属酸化物は排出導管63を介して最終冷却器47から排出される。冷却媒体としては、通常、水が、冷却コイル55を流れる。
第１冷却工程Ｄの冷却サイクロン42内の温度は通常450〜850℃であり、好ましくは500〜720℃である。次の冷却工程Ｅのサイクロン42では温度は通常200〜600℃であり、生成物は、処理が完了して排出されるまでの間に約70℃まで冷却される。
図３に示す設備およびそれに関する方法は、図１に示す方式と概ね同様である。設備のうち同様の部分には同一の参照符号を付し、以下、それらの部分の説明は省略する。
図１に示す前述の設備との基本的な相違点は、反応炉25への燃料供給についてである。反応炉25には、その下部領域に固定環状流動層27が形成されていて、その上方に混合チャンバ20が伸びている。反応炉25の下部領域からは、中央管26が固定環状流動層27を貫いて混合チャンバ20領域へと延びている。冷却装置40で予熱を与えられた燃焼用空気は、好ましくは空気供給導管31を経由して、この中央管26を介して反応炉25の混合チャンバ20に直接注入される。燃焼用空気は通常450〜850℃となるよう予熱を与えられている。この実施例では、燃料供給は中央管26からも行なわれ、燃料は中央管26の上端領域の排出口付近から中央管26に供給される。これによって混合チャンバ20の中央管26の真上部分で燃焼を起こすことができる。
そのため、図４から分かるように、液体または気体燃料を供給するランス30が中央管26に配置されている。燃料は供給導管31からの予熱空気によって混合チャンバ20に上昇運搬され、その空気と混合する。その結果、混合チャンバ20での燃焼は、上端が開口している中央管26の真上で起こり、所望の焼成温度に到達する。供給導管28からは、環状流動層27を流動化させる空気が供給される。
また、図３による設備では、冷却サイクロン42を備えた冷却工程Ｆを、流動層冷却器47を備えた冷却工程Ｈに置換したため、図３には冷却サイクロン42を備えた２つの冷却工程Ｄ，Ｅと流動層冷却器47を備えた２つの冷却工程Ｇ，Ｈとが設けられている。
本発明による方法に特有の利点は、固定環状流動層27の長所と混合チャンバ（循環流動層）20の長所とが最も効率よく活かされていると同時に、生成物の冷却時に発生する廃熱が反応炉に再び供給されてエネルギーが節約されることである。また、内燃の制御が可能となる点である。
（酸化アルミニウムの生成）
図１の設備に、温度65℃、表面湿度8.0wt-%の酸化アルミニウム約213,000kg/hをスクリューコンベヤ１を介して供給する。第１予備加熱工程Ａで予備処理した酸化アルミニウムの１割を混合チャンバ14に導入し、７割を第２予備加熱工程Ｂに導入する。第２予備加熱工程Ｂの後には、固体導管19中の固体は341℃になり、水和水の約70％が除去される程度まで予熱を与える。燃料として、9750Nm３/hの低温天然ガスを、燃料導管21を介して流動層反応炉25の環状流動層27に注入する。
本実施例における粒子フルード数Frpは、固定環状流動層で約0.17であり、混合チャンバで約2.96であり、中央管で約9.9である。
混合容器14では、分離装置34から排出された生成物が第１予備加熱工程Ａで予備焼成された固体と混合され、これによって618℃の生成物が生成される。固体導管13を介して供給される水和物からは9300kg/hの水和水が除去されるため、残留混合物は0.9wt-%の強熱減量を有することになる。
排出導管63では、約70℃の酸化アルミニウム129,000kg/hが得られる。全工程に要する具体的な熱量は生成物１kgに対し約2750kjである。
次の表は、図１の設備の様々な導管における温度Ｔおよびガス分量Ｇを示す。

Figure 2006511420

Figure 2006511420
（酸化アルミニウムの生成）
図３による設備に、温度65℃、表面湿度7.0wt-%の水酸化アルミニウム約102,000kg/hをスクリューコンベヤ１を介して供給する。第１予備加熱工程Ａで予備処理した水酸化アルミニウムの１割は混合チャンバ14に導入し、８割は第２予備加熱工程Ｂに導入する。第２予備加熱工程Ｂの後には、固体導管19中の固体は343℃になり、水和水の約72％が除去される程度まで予熱を与える。燃料として5027Nm３/hの低温天然ガスを流動層反応炉25に供給し、ランス30を介して中央管26および混合チャンバ20に注入する。
本実施例における粒子フルード数Frpは、固定環状流動層で約0.34であり、混合チャンバで約1.54であり、中央管で約7.9である。
混合容器14では、分離装置34から排出された生成物が第１予備加熱工程Ａで予備焼成された固体と混合され、689℃の生成物が生成される。固体導管13を介して供給される水和物からは3970kg/hの水和水が除去されるため、残留混合物は0.74wt-%の強熱減量を有することとなる。
排出導管63において約70℃の酸化アルミニウム68,500kg/hが得られる。全工程に要する具体的な熱量は生成物１kgに対し約2866kjである。
次の表は、図１による設備の様々な導管における温度Ｔおよびガス分量Ｇを示している。

Figure 2006511420

Figure 2006511420

Figure 2006511420
（環状流動層式加熱工程における予備加熱）
図５にしたがって、最も効率的で緩やかな予備加熱を実現するために、第１および第２予備加熱工程Ａ、Ｂのベンチュリ型予熱器３、４を、固定環状流動層72および混合チャンバ73を形成する槽を有する環状流動層加熱段70、71に置換する。予備加熱の第１工程として、湿潤固体の表面を乾燥させ、約150℃で加熱する。第２予備加熱工程Ｂにおいて固体を予備焼成し、約70％の水和水を除去すると共に約350℃までさらに加熱する。第１工程では、例えば65℃の湿潤アルミニウム水化物196t/hを、第１予備加熱工程Ａの環状流動層加熱段70の環状流動層72に導入でき、5000Nm３/hの空気で流動化できる。流動化用空気は供給導管74およびガス整流板75を経由して環状流動層72に注入される。中央管76からは、約340℃の燃焼排ガス197,000Nm３/hが供給される。混合チャンバ73では固体が約150℃まで乾燥・予熱され、180t/hの固体が乾燥水和物として電気集塵装置６からそれに連なる空気揚水ポンプを経て環状流動層加熱段71の環状流動層72に注入され、そこで水和物は供給導管74から供給される5000Nm３/hの空気で流動化される。環状流動層加熱段71の中央管76からは、約1000℃の燃焼排ガス150,000Nm３/hが注入され、それによって乾燥水和物が予備焼成されて約350℃まで加熱される。この第２工程では、約144t/hの予備焼成材料が廃棄空気と共に排出される。
本発明の第１の実施例に基づく方法および設備の処理過程を示す図である。 第１の実施例による流動層反応炉を示す図である。 本発明の第２の実施例に基づく方法および設備の処理過程を示す図である。 第２の実施例による流動層反応炉を示す図である。 ２つの予備加熱工程を含む、本発明による装置を示す図である。
符号の説明
１ スクリューコンベヤ
２ 排ガス導管
３ ベンチュリ型予熱器
４ ベンチュリ型予熱器
５ 固体導管
６ 分離装置、濾過手段
７ 排ガス導管
８ 固体導管
13 固体導管
14 混合容器
15 生成物供給導管
15a 固体戻り導管
16 排ガス導管
17 固体導管
18 分離装置、サイクロン
19 固体導管
20 混合チャンバ
21 燃料導管
24 ガス分配チャンバ
25 反応炉
26 中央管
27 固定環状流動層
28 供給導管
29 ガス整流板
30 ランス
31 空気供給導管
33 排出導管
34 分離装置
35 供給導管
40 冷却機構
41 送気導管
42 冷却サイクロン
45 固体導管
46 固体導管
47 流動層冷却器
50 送風機
51 空気導管
55 冷却コイル
56 堰
57 堰
59 空気供給導管
60 廃棄空気導管
63 排出導管
70 環状流動層加熱段
71 環状流動層加熱段
72 固定環状流動層
73 混合チャンバ
74 供給導管
75 ガス整流板
76 中央管
Ａ 第１予備加熱工程
Ｂ 第２予備加熱工程
Ｄ 冷却工程
Ｅ 冷却工程
Ｆ 冷却工程
Ｇ 冷却工程
Ｈ 冷却工程

Claims (26)

  1. 特に金属水酸化物または金属炭酸塩などの金属化合物を、流動層を有する反応炉（25）に運搬し、該炉内で燃料の燃焼によって650〜1150℃まで加熱することによって、金属化合物から金属酸化物を生成する方法において、第１のガスまたは混合ガスを、ガス供給管（26）を介して下方から反応炉（25）の混合チャンバ（20）に注入し、該ガス供給管（26）は、流動化用ガスの供給によって流動化する固定環状流動層（27）によって、少なくとも部分的に包囲し、第１のガスまたは混合ガスのガス速度と、環状流動層（27）の流動化用ガスの速度とを調整することによって、前記ガス供給管（26）における粒子フルード数を１〜100とし、前記環状流動層（27）では0.02〜２とし、前記混合チャンバ（20）では0.3〜30とすることを特徴とする方法。
  2. 請求項１に記載の方法において、前記ガス供給管（26）の粒子フルード数は1.15〜20とすることを特徴とする方法。
  3. 請求項１または２に記載の方法において、前記環状流動層（27）の粒子フルード数は0.115〜1.15とすることを特徴とする方法。
  4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記混合チャンバ（20）の粒子フルード数は0.37〜3.7とすることを特徴とする方法。
  5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の方法において、前記反応炉（25）の固体層の高さを調整することによって、前記環状流動層（27）を、前記ガス供給管（26）の上部開口端を超えるまで伸ばし、固体を第１のガスまたは混合ガスに常時導入し、ガス流によって、前記ガス供給管（26）の開口領域上方に設けられた前記混合チャンバ（20）へ運ぶことを特徴とする方法。
  6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、初期原料として、粒子サイズが100μm未満の水酸化アルミニウムを供給することを特徴とする方法。
  7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の方法において、酸素を含む予熱ガスを、前記ガス供給管（26）から反応炉（25）に供給することを特徴とする方法。
  8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の方法において、気体および／または液体の燃料を前記ガス供給管（26）から反応炉（25）に注入し、該燃料は好ましくは該ガス供給管（26）の排出口付近から供給することを特徴とする方法。
  9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の方法において、気体燃料および／または空気を、前記反応炉（25）の環状流動層（27）の下部領域に注入することを特徴とする方法。
  10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の方法において、前記反応炉（25）の圧力は0.8〜10バールとすることを特徴とする方法。
  11. 請求項１ないし10のいずれかに記載の方法において、熱交換器（３，４）および下流分離装置（６，18）で構成される予備加熱工程（Ａ，Ｂ）のうち少なくとも１つによって加熱処理を行う前に、固体は、懸濁化し、乾燥させ、予備加熱を行ない、さらに／あるいは部分的に焼成することを特徴とする方法。
  12. 請求項11に記載の方法において、固定流動層（72）および混合チャンバ（73）を有する環状流動層熱交換器（70，71）を熱交換器として利用することを特徴とする方法。
  13. 請求項１ないし12のいずれかに記載の方法において、前記反応炉（25）および／または環状流動層熱交換器（70，71）を、環状流動層（27，72）に水を注入することで冷却することを特徴とする方法。
  14. 請求項11ないし13のいずれかに記載の方法において、熱処理後に、前記反応炉（25）の排ガスによって運ばれる生成物の０〜100％を、分離装置（34）を介して、好ましくは流動化用ガスによって作動する混合容器（34）に放出し、部分焼成された固体との生成混合物を生成することを特徴とする方法。
  15. 請求項１ないし14のいずれかに記載の方法において、生成物または生成混合物は、特に複数の冷却工程（Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ）の直列接続によって構成される冷却機構（40）に供給することを特徴とする方法。
  16. 請求項15に記載の方法において、前記冷却工程（Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ）で加熱されたガスは、上流冷却工程（Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ）、予備加熱工程（Ａ，Ｂ）および／または反応炉（25）に供給することを特徴とする方法。
  17. 特に請求項１ないし16のいずれかに記載の方法を使用して、金属水酸化物や金属炭酸塩などの金属化合物から金属酸化物を生成し、流動層反応炉を構成する反応炉（25）を含み、該反応炉では、金属化合物が燃料燃焼によって加熱されて金属酸化物が生成される設備において、前記反応炉（25）はガス供給機構を有し、該ガス供給機構は、該機構を少なくとも部分的に包囲している固定環状流動層（27）から混合チャンバ（20）まで、該機構を通過するガスが固体を運ぶよう、構成されていることを特徴とする設備。
  18. 請求項17に記載の設備において、前記ガス供給機構はガス供給管（26）を有し、該ガス供給管は、前記反応炉（25）の下方領域から該反応炉（25）の混合チャンバ（20）に向かって上方に実質的に垂直に延びていて、前記ガス供給管（26）は、少なくとも一部分がガス供給管（26）の周囲に環状に延びている槽によって包囲されていて、該槽では、固定環状流動層（27）が形成されることを特徴とする設備。
  19. 請求項18に記載の設備において、前記ガス供給管（26）は反応炉（25）の断面積を基準としてほぼ中央に配置されていることを特徴とする設備。
  20. 請求項17ないし19のいずれかに記載の設備において、固体を分離する分離装置（34）が前記反応炉（25）の下流に設けられていて、該分離装置（34）は、反応炉（25）の環状流動層（27）に通じる固体戻り導管（15a）と、混合容器（14）に通じる固体導管（15）とを有することを特徴とする設備。
  21. 請求項17ないし20のいずれかに記載の設備において、前記反応炉（25）の環状槽には、該槽を上部流動層（27）と下部ガス分配チャンバ（24）とに分割するガス整流板（29）が設けられていて、該ガス分配チャンバ（24）は、流動化ガス用の供給導管（21）に接続されていることを特徴とする設備。
  22. 請求項項17ないし21のいずれかに記載の設備において、前記反応炉（25）は、ガス供給機構に通じる気体および／または液体燃料用の供給導管、さらに／あるいは、環状槽に通じる気体、液体および／または固体燃料用の供給導管（21）を有することを特徴とする設備。
  23. 請求項22に記載の設備において、前記ガス供給機構、特にガス供給管（26）には、気体および／または液体燃料を供給するランス（30）が設けられていて、該ランスは前記ガス供給機構、特にガス供給管（26）の排出口領域に延びていることを特徴とする設備。
  24. 請求項項17ないし23のいずれかに記載の設備において、固定環状流動層（72）および混合チャンバ（73）のための槽を備える環状流動層加熱工程（70，71）が予備加熱工程（Ａ，Ｂ）として設けられていることを特徴とする設備。
  25. 請求項項17ないし24のいずれかに記載の設備において、前記反応炉（25）の下流には、生成物を、部分的に焼成された固体と混合して生成混合物を生成する、好ましくは流動化用ガスで作用する混合容器（34）が設けられていることを特徴とする設備。
  26. 請求項項17ないし25のいずれかに記載の設備において、生成物または生成混合物用の冷却機構（40）は、少なくとも１つの縦堰（56，57）を有する流動層冷却器（37）を有し、縦堰の前面に生成物または生成混合物が流動層を形成することを特徴とする設備。
JP2004561295A 2002-12-23 2003-12-13 金属化合物から金属酸化物を生成する方法および設備 Withdrawn JP2006511420A (ja)

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