JP2017532266A - ロックホッパー内でのバルク材料の加圧 - Google Patents

Abstract

ホッパーが、バルク材料と、加圧されたガス供給源と、加圧されたガスをその供給源からロックホッパーの１つ以上の注入口（３０）に輸送するライン（２２，２６，２８）と、ライン中に配置されたバルブと、を含むバルク材料を収容するロックホッパー（２９）として構成されており、前記バルブ（３４，３５）の開放位置が、予め設定された一定のガス体積流量で加圧ガスをロックホッパーに供給するために制御される、ホッパー内のバルク材料を加圧する方法である。【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的に、いわゆる流動化流輸送（dense phase conveying）のように長い距離にわたって及び／又はかなりの背圧に抗して行う、バルク固体材料の輸送に関する。

いわゆる流動化流輸送のように長い距離にわたって及び／又は輸送ラインの出口におけるかなりの背圧に抗して、バルク固体材料、とくに紛体材料を輸送する上流側の空気輸送ラインにおいて、バルク材料をライン（line(s)）内に送り込むために必要な過剰圧力(overpressure)は重要である。

この状況において、バルク材料の内部への移送（transfer）は、一般に圧力容器として設計され、通常、輸送ホッパー，供給ホッパー（feed hoppers），ブロータンク（blow tanks）等と呼ばれるホッパー手段により実行される。下流側消費部（downstream consumer）へのバルク材料の連続供給が要求される頻繁に生じるケースにおいては、少なくとも２つのこれらのホッパーが直列配置又は並列配置のいずれか一方で提供されている。

直列配置の場合、第１ホッパーはロックホッパーとして作動され、上流側貯蔵容器（storage bin）又はその類似物から周期的に充填され、加圧され、第２ホッパーへ注がれ、かつ最終的に脱圧又は放出される、これに対し、第２ホッパーは常に過剰圧力状態に維持されていて、加圧されたバルク材料を輸送ラインに連続して供給する。

並列配置の場合、両方のホッパーは“千鳥式平衡モード（staggered parallel mode）”にあるロックホッパーとして作動される、即ち、両者は周期的に充填され、加圧され、空にされかつ脱圧され、かつ加圧されたバルク材料を、一／又は複数の輸送ラインに連続供給する仕方で交互に輸送ラインに供給する。

内部への移送装備（equipment）として作動するロックホッパーの典型的な例は、粉炭を溶鉱炉に供給する、いわゆる粉炭注入（ＰＣＩ）プラントで見出される。これらのプラントにおいては、約５ bar g から２０ bar gの範囲のホッパーの作動過剰圧力レベルが普通である。例えば石炭ガス化装置への粉炭を供給する装備においては、３０ bar gまで及びそれ以上の作動圧レベルが必要とされよう。

従って、上述の如く、ロックホッパーは、加圧された輸送ラインに又は上述の直列配置の場合は常に加圧下にある第２ホッパーにバルク材料を輸送するため、ロックホッパーの脱圧中に、ホッパーの閉成、加圧、及びホッパーの出口の開放によるバルク材料充填交互サイクルによるバッチ式で又は不連続に作動される。従って、ロックホッパーは、ＵＳ５，２６５，９８３に記載されているような、連続して作動されるいわゆるブローボトル(blow bottles)と非常に異なっている。事実、圧力下で常に作動されるそのようなブローボトルは、多くの場合、増大する圧力下での移行領域を備えた圧力抵抗供給ユニットが縦つなぎ（cascade）されて構成される複雑な供給装置を必要としている。とくに、高圧で作動するシステム用には、そのようなブローボトルは、全く使用できないか、又は複雑過ぎてかつ信頼できないものとなるかのいずれかである。

ロックホッパー内部でのバルク材料の加圧は、加圧された処理ガスをバルク材料に注入することによりなされる。バルク材料が可燃性である場合、例えば粉炭である場合は、火災及び爆発を防止するために、処理ガスは通常不活性である（少しの含有量の酸素を有している）。そのようなケースにおいては、圧縮窒素が一般に用いられる。ホッパーの内部でバルク材料を加圧するために必要な処理ガスの量は、ホッパーの容積，達成される過剰圧力レベル，バルク材料の充填レベル及びバルク材料の空隙比（全体体積に対する空隙体積の比）により調整される。バルク材料の空隙比は６０％以上に大きくすることができるので、完全に充填されたホッパーは空のホッパーの大きさ程度の量の加圧ガスを必要とする。

各ロックホッパーを加圧するための処理ガスは、内部移送（inward transfer）サブプラントの処理ガス供給本管（main）を、加圧すべきロックホッパーに接続する加圧ガス分岐管（branch）を通して供給される。供給本管レベルでの処理ガス需要がピークになるのを避けつつホッパーの運転時間を短縮するため、したがってこのロックホッパーの必要とされる容量（capacity）及び内部体積（inner volume）を小さくするために、処理ガスはガス加圧用バッファ容器（buffer vessel）内に蓄積されてもよい。バッファ容器は、供給本管から供給され、次に、ロックホッパーが加圧されるべきとき毎に、周期的にロックホッパー中に大流量で流れ込む、低下した流量の加圧ガスが連続的に充填される。処理ガス供給の圧力レベルとロックホッパー内での作動圧力レベルに応じて、１つの代わりに２つのバッファ容器を設置して、二段階でロックホッパーの加圧を大流量で実行し、かつ補完量の加圧ガスが処理ガス供給本管からロックホッパーに直接供給されている間に、バッファ容器内に蓄積された加圧ガスによりロックホッパーを部分的に過ぎないが加圧することは意味があるであろう。

そのような設備（installations）の重要な側面は、処理ガス供給本管又はバッファ容器とロックホッパーとの間のガス圧の最初の差が一般的に非常に高いので、ロックホッパー内のバルク材料の密集をもたらす非常に大きなガス速度を最初に生じ、それによってその流動性を低下させ、ホッパーを次に空にすることを妨げることである。従って、ロックホッパーを加圧するのに必要な時間は、共通プラントの下流側方法（process）における制限要因とならないように、できる限り短く保たなければならない。にも拘わらず、加圧ガス分岐管における当初の流量は一般的に制限されている。

加圧ガスの流量を制限するための高価でなく、従って一般的に使用される仕方（way）は、関連するパイプラインにラバール羽口（Laval tuyere）を取り付けることである。ラバール羽口は、限定された圧力損失を生じさせている間だけ、ガス質量流量を羽口上流側のガスの絶対圧力に厳密に比例した値に制限する。このことは、処理ガス供給本管におけるガス圧レベルが一定であれば、この本管から分岐管を通ってロックホッパーに供給される加圧ガスの流量が一定であること、及び容器内の圧力レベルが低下するに従って、バッファ容器から供給される加圧ガスの流れは時間と共に減少することを意味している。

既存の設備の主たる不都合は、ロックホッパー内のバルク材料を完全に加圧するために長すぎる時間が必要なことと、装備（equipment）のある部分を当初加圧条件に合わせるために必要な大きさにすること（dimensioning）、及び／又は方法（process）における不快な騒音である。

本発明の目的は、その方法（process）が必要な加圧時間を短縮し、装備（equipment）の上述の必要な大きさの問題を解決し及び／又は既存の方法(process)及び設備（installation）と比較して不快な騒音を軽減する、いわゆるロックホッパー内でのバルク材料の加圧のための改良された仕方（way）を提供することである。

上述の問題を解決するために、本発明は、最初の態様において、ホッパーが、バルク材料と、加圧されたガス供給源と、加圧されたガスをその供給源からロックホッパーの１つ以上の注入口に輸送するラインと、ライン中に配置されたバルブと、を含むバルク材料を収容するロックホッパーとして構成されている、ホッパー内のバルク材料を加圧する方法(process)を提案する。本方法(process)は、前記(制御可能な)バルブの開放位置が、予め設定された一定のガス体積流量で加圧ガスをロックホッパーに供給するために制御されるようにして、操作される。

実際に、合計ガス体積流量がパイプラインの中で一定となるように制御することにより、異なる利点が得られることが分かった。もし予め設定された値が、ラバール羽口を備えた従来の装置において、加圧方法の冒頭で観察される体積流量の大きさ程度であれば、ロックホッパーの全加圧時間を著しく減少させることができる。実際に、前記予め設定された値で操作される本方法により、加圧時間が通常の設備において約７０％まで短縮可能である（下記詳細を参照）。これに関連して、加圧速度の増大が、従来例のものと同様の大きさの構成要素（とくに、焼結型金属ディスク）を有する設備により得られることは、注目に値する。さらに、この増大した速度は、ロックホッパー内部の材料の望ましくない圧縮の虞を増大させることなく得られる。

代替的には、仮に、本方法が従来の当初の体積流量より低い一定の体積流量で操作されるのであれば、この方法は、装備（equipment）近傍における安全及び健康の面だけではなく、設備（installation）のある部品の摩耗及び大きさの設定の両方の面で更なる利点を提供することとなろう。

従来の設備においては、加圧ガス配管（piping）は、加圧ガスインジェクタにおける焼結型金属ディスクを含めて、この加圧方法のまず最初に存在する好ましくないガス速度状態に合わせて、大きさが（過大に）設定されなければならない。そのような焼結型金属ディスクは、ホッパーの内部から加圧ガス配管へのバルク材料の逆流を防ぎ且つ加圧されるバルク材料への加圧ガスの適切な分布を実現するために、通常ロックホッパー上の加圧ガスインジェクタ内に設置される。従って、加圧工程（step）の最初から、即ち圧力差が最大である時から、(低い)一定のガス体積流量で操作される本方法によって、焼結型金属ディスクの大きさ（及びコスト）は減少可能となろう。さらに、低減された一定のガス体積流量もまた、摩耗の減少及び配管（piping）の保守における好ましい要素である。

追加的には（又は代替的には）、ライン内部の低減された一定のガス体積流量は、このような装備（equipment）に一般的に関連付けられる不快な騒音を減らすのに大きく貢献することにもなろう。つまり、適切に実行される本方法により、騒音レベルの無視できない減少が、遮音等のような更なる行動を実施することなしに達成される。

ここに述べた方法において、バルブの開放位置は、体積流量又は速度測定装置を用いてバルブの下流側で測定された加圧ガスの実速度（actual velocity）に基づき有利に制御されよう。

代替的又は追加的には、バルブの開放位置は、加圧中に適切な従来の圧力検出装置を用いて測定された上流側及び下流側実圧力に基づいて計算された加圧ガスの体積流量に基づき制御されてもよい。

追加的には、ガス供給本管からロックホッパーの１つ以上の注入口にかけて備え付けられた追加のラインは、下流側のラバール羽口に接続されたバルブ（弁）を含んでおり、そのバルブは、バッファ容器内の圧力がより低い圧力に低下した時、加圧中に好ましくは加圧の終わりまでに開くように制御されよう。

加圧ガス供給源は、意図した用途に適した、空気，処理ガス又はバルク材料が酸素に反応する場合は不活性ガス等のガスを備えた適切な供給源である。従って、実際には、供給源は不活性ガス又は処理ガス供給源のようなガス供給本管（gas supply main）であり、及び／又は前記バルブと（供給された／又は充填された）ガス供給本管との間に配置された中間バッファ容器である。

別の態様において、本発明は、ホッパー内のバルク材料の加圧のための装置における、バルブの使用と、予め設定された一定のガス体積流量で加圧ガスをロックホッパーに供給するために、前記バルブの開放を制御することが可能な制御ユニットの使用をも考慮されている。

とくに、本発明は、適切な予め設定されたガス体積流量値を選択することによる、ホッパー内のバルク材料の加速された加圧のための上記使用に関係している。

代替的には、ホッパー内のバルク材料の加圧における不快な騒音及び／又は摩耗を減少させるために、低い一定のガス体積流量値の使用が有利に選択される。

代替的又は追加的には、ホッパー内のバルク材料の加圧中のバルク材料圧縮を減少させるために、ここで説明する使用が選択されよう。

代替的又は追加的には、例えばインジェクタ又は焼結型金属ディスクのような装置（apparatus）の部品を、必要な大きさに再度改め又は置換する必要なしに、加圧されたガス供給源と加圧されていないホッパーとの間の高い圧力差でホッパー内のバルク材料を加圧するため、既存の装置を作動させるために説明した使用が構想されよう。

代替的又は追加的には、例えばインジェクタ又は焼結型金属ディスクのような装置（apparatus）の多くの部品を、必要な大きさに再度改め又は置換する必要なしに、加圧されたガス供給源と加圧されたホッパーとの間の低い圧力差でホッパー内のバルク材料を加圧するため、既存の装置を作動させるために説明した使用が構想されよう。

さらに、別の態様において、本発明は、バルク材料を収容するためにロックホッパーとして構成されたホッパーと、加圧されたガス供給源と、加圧されたガスをその供給源からロックホッパーの１つ以上の注入口に輸送するように構成されたラインと、ライン中に配置されたバルブとを含み、前記バルブが制御可能なバルブであり、その開放位置が制御ユニットにより制御可能であり、制御ユニットが加圧ガスを予め設定された一定のガス体積流量でロックホッパーに提供するためにバルブの開放位置を制御するために構成されているホッパー内のバルク材料を加圧する装置を説明している。

好ましくは、バルブの開放位置が、体積流量又は速度測定装置を用いてバルブの下流側で測定された加圧ガスの実体積流量（actual volume flow rate）に基づき、前記制御ユニットにより制御可能である。代替的又は追加的には、バルブの開放位置は、加圧中に圧力検出装置（複数でもよい）を用いて測定された上流側及び下流側実圧力に基づいて計算された加圧ガスの体積流量に基づき前記制御ユニットにより制御可能である。

本方法との関連で既に述べたように、加圧されたガス供給源が、ガス供給本管及び／又はガス供給本管と前記バルブとの間に配置された中間バッファ容器である。

本発明との関連で、ガスの体積流量は、もし、必要加圧ガス量の少なくとも８０％、好ましくはその量の９０％がホッパーに供給されている間に、その値が１０％以下、好ましくは５％以下で変動する場合一定であると見なされる。

ここで、本発明の好適実施例は添付図面を参照して例示により説明される。
本発明の好ましい装置（apparatus）又は本発明の方法において使用可能な実施例の概略図であり； 本発明の好ましい装置（apparatus）又は本発明の方法において使用可能な別の実施例の概略図であり； ロックホッパー加圧中の時間の関数としてのロックホッパー圧力とガス体積流量とを示すグラフである。

本発明のさらなる詳細及び利点は、添付図面を参照して、幾つかの非限定的な実施例についての以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１を参照すれば、ロックホッパー２９として構成されているホッパー内のバルク材料を加圧するための装置が、石炭粉のようなバルク材料を収容するために設けられている。いくつかのライン２２，２６，２８が、加圧ガスを供給源から（直接又はバッファ容器を介して）ロックホッパー２９の１つ以上の注入口３０に輸送するために設けられている。制御可能なバルブ３４，３５がライン中に配置され、その開放位置は制御ユニット（別体として示されていない）により制御されよう。この制御ユニットは、加圧ガスを予め設定された一定のガス体積流量でロックホッパーに提供するために、バルブの開放位置を制御するようにプログラミングされており、それによって配管（piping），焼結型金属ディスク３０及びロックホッパー２９内のバルク材料中に一定の加圧ガス実速度を生み出す。

ガス流量制御バルブ（制御可能なバルブ）は、２つの異なる仕方で作動され、二つの仕方は、目的とする一定のガス体積流量を生じ（２つの仕方は、例証のだけのために同じ図で示されている）；
その一方では、バッファ容器２７をロックホッパー２９に連結する加圧ガスパイプライン中に体積流量（又は速度）測定装置３１が設置されている。一定の体積流量セットポイント値は固定されている。流量制御装置（制御ユニット）は、測定装置３１で測定された実体積流量値をセットポイント値と一致させるような仕方で制御バルブ３４，３５に作用する。
又は、制御バルブ３４，３５の特性、すなわち上流側で測定された圧力レベル３２，下流側で測定された圧力レベル３３及びバルブの開放位置に応じてバルブにより生み出される質量流量は、制御装置に含まれる。固定加圧ガス体積流量ひいては固定加圧ガス速度のために、３３で測定された圧力レベルにより調整された対応する質量流量値が連続して計算される。したがって、制御装置は、（連続して増大する）質量流量、上流側及び下流側圧力レベル３２及び３３に起因するバルブ位置のためのセットポイント値及び質量流量値を生み出すような仕方で、バルブを位置決めする。

処理ガス供給本管２１から直接供給される加圧ガス体積流量は、制御可能なバルブ３５を用いる同等な仕方で制御され、今や上流側の圧力は処理ガス供給本管内の圧力レベルとなる。にも拘らず、加圧ガスのためのバッファ容器が設置されている時はいつでも、加圧ガスがバッファ容器から供給される時に、既に述べたように、最低の圧力レベル、したがって、加圧ガス体積流量制御の最高の効果が達成される。

図２は、図１の実施例と類似の実施例を示しているが、主供給（main supply）からのライン２２中のバルブ３５は、ラバール羽口を伴う単純オン／オフ（開放／閉鎖）バルブとして構成されている。その構造は、ロックホッパー２９がバッファ容器２７から優先的に／主として加圧されるべきものとの意味を持つものであれば、とくに有用である。バッファ容器回路が故障した場合には、加圧の全体動作が従来方法で供給本管からなされよう。

いかなる場合でも、バルブ３５（図１又は図２のバージョンであれば）は、バッファ容器内の圧力がより低い圧力に下がる時、加圧サイクルの終わりまでに（制御可能に）開放されよう。

本発明の実施例の１つの説明として、以下の計算が可能である。：ｐ_１はロックホッパー内の当初の（絶対）圧力レベル、ｐ_２はロックホッパー内の最後の（絶対）圧力レベルとし、かつ加圧が、一定の質量流量（一定の上流側圧力レベルのラバール羽口による）又は一定の体積流量（ここで述べられている制御されるバルブによる）のいずれかにより実施され、一定質量流量加圧の場合の最大実際ガス速度が、一定体積流量加圧における一定ガス実速度と等しく、一定質量流量加圧に対する一定体積流量加圧のそれぞれの加圧持続時間の比は、ｐ_ａが（絶対）大気圧であるとし、ｌｎが自然対数であるとしたとき、ｌｎ（ｐ_２／ｐ_１）／[（ｐ_２−ｐ_１）／ｐ_ａ]に等しい。実例：ｐ_１＝０ bar g ＝１ bar a，ｐ_２＝９ bar g ＝１０ bar a，ｐ_ａ＝０ bar g＝１ bar aであるとき、加圧持続時間の比は、ｌｎ（ｐ_２／ｐ_１）／[（ｐ_２−ｐ_１）／ｐ_ａ]＝０．２５６になる、すなわち、バルク材料におけると共にガス最大実速度及び最大圧力損失が焼結型金属ディスク内で一定のままで、かつ騒音レベルが一定に近いままで（騒音レベルは、主として実ガス速度により調整され、圧力レベルの対数により少し増大する）、加圧持続時間は、約７４％まで減少するであろう。

また、対応する実例が図３のグラフに描かれており、そこでは、ホッパー圧力及びガス体積流量に関する結果が、バルブとラバール羽口構造（１ＹＤ），曲線（１）及び（３）を使用している従来の作動と比較して、一定の体積流量（ＶＡＣ），曲線（２）及び（４）を用いて本願発明による加圧動作のための時間の関数として示されている。示された実例は、次の仮定：６５ｍ^３の有効容積と１７ bar a の初期の圧力の加圧ガス容器；２２ｍ^３の利用可能なガス容積及び１２ bar a の最終圧力を有する加圧されるロックホッパー、期待される３．５４ｍ^３／ｓの最大ガス体積流量、に基づいている。図３から分かるように、ロックホッパーの加圧に要する時間が従来の７６秒からたった１５．４秒へ縮小したことは、この縮小が既存の装置に対する少ない変更だけで達成されていることから益々、極めて重要であり且つ驚くべきことである。

本発明は、実施例に限定されず、石炭の溶鉱炉への噴射に関する特定の適用に限定されない。また、本発明は、粉末材料を収容しかつ前記ホッパーの周期的な加圧を必要とする被加圧ホッパーを含む他の設備（installations）にも適用されよう。

２１ 加圧されたガス供給源
２２ 加圧されたガス供給源からホッパーへのパイプライン
２６ 加圧されたガス供給源からバッファ容器へのパイプライン
２７ バッファ容器
２８ バッファ容器からホッパーへのパイプライン
２９ （ロック）ホッパー
３０ ホッパー注入口（例えば、焼結型金属ディスク）
３１ ガス体積流量又は速度センサ
３２ バルブ上流側の圧力センサ（例えば、バッファ容器上）
３３ バルブ下流側の圧力センサ（例えば、ホッパー上）
３４ バッファ容器から制御可能なバルブ
３５ 供給本管から（制御可能な）バルブ

Claims (12)

1. ホッパーが、バルク材料と、加圧されたガス供給源と、加圧されたガスをその供給源からロックホッパーの１つ以上の注入口（３０）に輸送するライン（２２，２６，２８）と、ライン中に配置されたバルブと、を含むバルク材料を収容するロックホッパー（２９）として構成されており、前記バルブ（３４，３５）の開放位置が、予め設定された一定のガス体積流量で加圧ガスをロックホッパーに供給するために制御されることを特徴とする、ホッパー内のバルク材料を加圧する方法。
2. 請求項１に記載された方法であって、
   バルブ（３４，３５）の開放位置が、体積流量又は速度測定装置（３１）を用いてバルブの下流側で測定された加圧ガスの実ガス体積流量及び／又は加圧中に圧力検出装置（３２，３３）を用いて測定された上流側及び下流側実圧力に基づいて計算された加圧ガスのガス体積流量に基づいて制御される、ホッパー内のバルク材料を加圧する方法。
3. 請求項１又は２に記載された方法であって、
   加圧されたガス供給源が、ガス供給本管（２１）及び／又はガス供給本管と前記バルブ（３４，３５）との間に配置された中間バッファ容器（２７）である、ホッパー内のバルク材料を加圧する方法。
4. ホッパー内のバルク材料の加圧のための装置における、バルブの使用と、予め設定された一定のガス体積流量で加圧ガスをロックホッパーに供給するために、前記バルブの開放を制御することが可能な制御ユニットの使用。
5. ホッパー内のバルク材料の加速された加圧のための、請求項４に記載された使用。
6. ホッパー内のバルク材料の加圧における不快な騒音及び／又は摩耗を減少させるための、請求項４に記載された使用。
7. ホッパー内のバルク材料の加圧中におけるバルク材料圧縮を減少させるための、請求項４に記載された使用。
8. 加圧されたガス供給源と加圧されていないホッパーとの間のより高い圧力差でホッパー内のバルク材料を加圧するため、既存の装置を作動させるための請求項４に記載された使用。
9. 加圧されたガス供給源と加圧されたロックホッパーとの間の低い圧力差で、ホッパー内のバルク材料を加圧するため、既存の装置を作動させるための請求項４に記載された使用。
10. バルク材料を収容するためにロックホッパー（２９）として構成されたホッパーと、加圧されたガス供給源と、加圧されたガスをその供給源からロックホッパーの１つ以上の注入口（３０）に輸送するように構成されたライン（２２，２６，２８）と、ライン中に配置されたバルブとを含むホッパー内のバルク材料を加圧する装置であって、
    前記バルブが制御可能なバルブ（３４，３５）であり、その開放位置が制御ユニットにより制御可能であり、制御ユニットが加圧ガスを予め設定された一定のガス体積流量でロックホッパーに提供するため、バルブの開放位置を制御するように構成されていることを特徴とするホッパー内のバルク材料を加圧する装置。
11. バルブ（３４，３５）の開放位置が、体積流量又は速度測定装置（３１）を用いてバルブの下流側で測定された加圧ガスの実体積流量及び／又は加圧中に圧力検出装置（３２，３３）を用いて測定された上流側及び下流側実圧力に基づいて計算された加圧ガスの体積流量に基づき、前記制御ユニットにより制御可能である請求項１０に記載された装置。
12. 加圧されたガス供給源が、ガス供給本管（２１）及び／又はガス供給本管と前記バルブ（３４，３５）との間に配置された中間バッファ容器（２７）である、請求項１０又は１１に記載された装置。

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