JP2019503858A - 流動層フロー反応器によってガス流からガス状または粒子状物質を分離する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、流動層フロー反応器によってガス流、例えば排ガス流からガス状または粒子状物質を分離する方法に関する。前記流動層には、大粒子成分からなる支持床が配置されている。この大きさを一定に保つために、前記流動層を体積流量と共に離れる大粒子成分が、分離器によって前記体積流量から分離されて前記流動層に返送され、そうして前記支持層の大きさが維持され続ける。前記大粒子成分の返送率は、残留有害物質濃度を減少させるために前記流動層内への吸着剤の添加が増加される程度まで下げられる。返送されない分離された大粒子成分はプロセスから除去される。この手順により、大粒子成分の固体を含んだ排ガスを前記流動層の前分離なしで供給することも可能になる。これらは流動層を通過し、その後の段階でプロセスから除去される。

Description

本発明は、膨張した流動層を収容する流動層チャンバーを有する流動層フロー反応器(Wirbelschichtstroemungsreaktor)によってガス流からガス状または粒子状物質を分離する方法に関し、ここで、膨張した流動層は、少なくとも反応性吸着剤および不活性固体である固体を含み、ここで、膨張した流動層内で支持床を形成する固体は大粒子成分であり、かつ分離すべき物質が流動層内で吸着剤と接触してそれらと反応するように、分離すべき物質を含んだガス流を流動層に供給し、
− ここで、不活性固体および反応性吸着剤もガス流と共に流動層を離れるように、流動層チャンバー内の速度を調節し、
− ここで、流動層を離れるガス流から反応性吸着剤を主要経路内に分離し、これを流動層に返送し、
− ここで、返送された吸着剤に加えて、新鮮な吸着剤を流動層に供給し、かつ
− ここで、流動層を離れるガス流から不活性固体および反応性吸着剤を二次経路内に分離し、これらの両方を部分的に流動層に返送する。

ガス流からガス状または粒子状物質を分離するための一例が、排ガス浄化であり、この場合、有害物質およびフライアッシュが排ガス流から除去される。それゆえ、以下で有害物質および排ガスについて言及する限り、これらは例示的なものとして理解されるべきであり、かつ同じようにガス流中のガス状および粒子状物質を意図している。

例えば発電所における化石燃料の燃焼により排ガスが発生する。燃料の有害物質、特に硫黄、それ以外にも塩素および重金属の含有量に応じて、これらの排ガスは高い有害物質含有量を有する。燃料の灰含有量に応じて、燃焼プロセスからの排ガスにはフライアッシュも多く含まれており、これは用いられる燃焼プロセスに応じてその粒子の量およびサイズが大きく異なる可能性がある。フライアッシュは一般的に不活性である。理想的な場合であっても、フライアッシュ中には依然として反応性の酸化カルシウムまたは酸化マグネシウム成分も存在する。

廃棄物焼却プラントで発生する排ガスには、硫黄酸化物に加えて、更なる有害物質、特に塩化水素、フッ化水素ならびに重金属、例えばカドミウム、タリウムおよび水銀ならびにハロゲン化有機化合物、例えばダイオキシンおよびフランも含まれる。法律で定められた環境保護規定を遵守しうるために、上で挙げたすべての有害物質および粉塵は、排ガス流から一定の排出制限値まで安全かつ持続的に分離されなければならない。

流動層内で、有害物質はそこに存在する吸着剤と反応する。その際にほぼすべての有害物質を捕捉するための要件が、十分に長い滞留時間ひいては有害物質と吸着剤との十分な数の接触を保証する混合流動層である。

流体とみなすことができる流動層の最適な操作を達成しうるために、特に、流動層に達するフライアッシュ中の大粒子（対応する成分は中央径ｄ_５０が３０〜１００μｍと定義される）と粗大粒子（対応する成分は中央径ｄ_５０が１００μｍ超と定義される）の割合が過度に大きくなりすぎてはならない。それゆえ、これまでに知られている方法では、これらの粒子は、前分離器、一般的には静電的に作動する前分離器を使用することによって大部分が排ガス流から予め取り除かれる。

欧州特許出願公開第０７３６３２１号明細書（ＥＰ０７３６３２１Ａ１）には、特に、有機ハロゲン化物を排ガス流から分岐させるという目的で用いられる流動層反応器を備えたプラントが記載されている。このプラントの場合、反応器を離れる固体を含んだ排ガス流が、有利にはサイクロン分離器である分離器に供給される。この分離器は、依然として反応性の吸着剤および不活性固体である固体を排ガス流から分離し、それらを共通のリザーバーに送る。いわゆる循環流動層を達成するために、リザーバーからそれらを流動層反応器に返送することができる。こうして反応器中には常に十分大量の反応性吸着剤が存在することになる。しかしながら、不活性固体は同じ経路内に分離されるので、それらは吸着剤と同程度に返送される。

それゆえ、流動層が、その機能を制限することになる不活性固体（粉塵粒子）で過度に多く負荷されないように、これらの固体は反応器に入る前に分離される。これには、多くのスペースを必要とし、高いエネルギー消費および高い投資コストを必要とする前分離器が必要である。

独国特許出願公開第３３３９３１７号明細書（ＤＥ３３３９３１７Ａ１）および独国特許出願公開第４０３９２１３号明細書（ＤＥ４０３９２１３Ａ１）には、ガス流から固体成分を分離するための装置が記載されており、この場合、流動層チャンバーの下流には流動層チャンバーと逆平行に流される分離チャンバーが続き、これはその高さ全体にわたってフィルターまたは電気集塵器に通じるガス流用の側方出口を有する。ガス流中の固体粒子分が分離され、これは分離チャンバーの下方に配置されたホッパーに落ちる。

米国特許出願公開第２０１０／０１４７１４６号明細書（ＵＳ２０１０／０１４７１４６）には、流動層チャンバーの直後にサイクロン分離器が続き、そこからガス流が重力およびその固形分の方向とは逆の上向きに吸い込まれるシステムが記載されている。

排ガス流中の有害物質を十分に減少させるために、排ガス流中の有害物質が吸着剤に付着してこれらと反応しうることを保証する一定の滞留時間が必要である。これには一般的に流動層反応器の一定の高さが必要であることから、そのような反応器は非常に高くなる。

本発明は、実質的に固体の前分離を省くことが可能である反応器を操作する方法を提供するという課題に基づいている。

本発明はまた、通常よりも小さいまたは低い構造形態を可能にする反応器を操作する方法を規定するという課題に基づいている。

本発明の課題はまた、例えばセメント産業での使用のための、例えば排ガス浄化からの生成物の活性化および／または酸化、灰中の石灰成分およびマグネシウム成分の水和、石灰乾式消化ならびに吸着剤の活性化／ドーピングを可能にする方法を提供することである。

これらの課題を解決するために、本発明は、活性吸着剤のある割合と一緒に不活性固体がガス流から分離される前に、流動層を離れるガス流が流動層と逆平行に走る分岐のない流路を通過し、ここで、通過中に吸着剤と分離すべき物質とがガス流の中で接触して互いに反応し、そうしてガス流中の反応しなかった物質の流路の端部での割合が、流動層から出る際のそれらの割合よりも低くなるようにすることを規定する。

こうして、分離すべき物質（有害物質）と吸着剤との間の反応が流動層内だけでなく流路内でも起こり得るので、吸着剤を含む環境におけるガス流の十分な滞留時間が保証される。したがって、流動層は、その中で有害物質が不活性固体に変換されることのみが起こるように（この場合、流動層チャンバーの高い構造設計が必要である）設計される必要はない。むしろ、有害物質が不活性固体にさらに変換される流路が構想される。

有利には、流路は、流動層チャンバーと逆平行に走るフローチャンバーによって実現され、これは、その上端にガス流用の入口と、その下端にガス流用の側方出口とを備え、側方出口の下方でガス流から重力の作用によって分離される固体用の分離器ホッパーに合流する。

フローチャンバーの上端の上側入口と下端の出口との間の距離は、流動層内での滞留時間に関連して有害物質低減に必要な滞留時間が得られるように選択される。

側方出口から流れるガス流は、中間粒子成分（中央値ｄ_５０＝１０〜３０μｍ）および微細粒子成分（中央値ｄ_５０＝１０μｍ未満）を同伴し、ここで、中間粒子成分の固体は、一般的に吸着剤および反応生成物である。大粒子成分の固体は、それらのサイズおよびそれらに影響を及ぼすガス流に基づき、重力により側方出口を通り過ぎ、さらに下方に落下して分離器ホッパー内に中間貯蔵される。出口に向かってガス流を変向させることは、ガス流中の大粒子成分用の分離器としての効果がある。

したがって、以下のプロセス(Ablaufschema)が生じる：
流動層はガス流によって運ばれる。流動層内に存在する固体粒子は、平均直径がより小さな粒子のために支持床を形成する。

支持床の固体は、粒径の中央値が３０〜１００μｍである大粒子成分であり、すなわち、この成分の粒子の５０％は中央値よりも小さな直径を有し、かつ５０％は中央値よりも大きな直径を有する。そのような支持床は、ガス流の速度に比べて反応性吸着剤の減速をもたらし、そのため流動層内でのそれらの滞留時間が増加する。

支持床は過度に小さすぎてはならない。さもなければ、目的の効果が発揮されないからである。とはいえ、それは過度に大きすぎてもならない。さもなければ、それは流動層の崩壊または流動層内での吸着剤の滞留時間の短縮につながる可能性があるからである。

大粒子成分である支持床の固体は、種々の供給源に由来しうる。供給されたガス流がフライアッシュを含んでいる場合、一般的にガス流中には既に大粒子成分が存在し、これは流動層内に運び込まれる。

フライアッシュが大粒子成分の中央値をさらに上回る粗大粒子成分の固体も含む限り、これらは支持床の構築には適していないので予め排出される。

大粒子成分がガス流（燃焼ガス）と共に利用できない限り、これは添加剤として流動層内に導入することもできる。

さらに、一般的に小さな直径を有する吸着剤は、中間粒子成分に割り当てられうる。これは１０〜３０μｍの中央値を有する。吸着剤は、流動層内の有害物質との化学的および物理的プロセスによって大粒子成分の固体も形成しうる。

不活性固体および反応性吸着剤を含み、流動層内に運び込まれるかまたはそこで発生する大粒子成分は、最初にガス流と共に流路に排出され、流路の下流にある分離器中でガス流から分離される。ここで、ガス流の速度は、流動層が膨張し、そうして大粒子成分もガス流によって流動層から排出されるように調節される。

ここで、大粒子成分の排出率は、供給率または形成率よりも大きくなり、そのためこのことが支持床の分解につながることになる。それゆえ、ガス流から分離された大粒子成分は、流動層における支持床の割合が実質的に一定であり続ける限りにおいて流動層に返送される。返送された大粒子成分は反応性吸着剤も含有するので、このことはプロセスに全体で供給された吸着剤のより良好な利用につながる。

このために、以下の制御メカニズムが適用される。ガス流中の反応しなかった有害物質の割合は、流路を抜けた後に測定される。

ガス流中の反応しなかった有害物質の割合が所定の基準値を超えて増加したことが確認されると、新鮮な吸着剤の供給が増加される。

反応しなかった有害物質の割合の測定は、流路を出た直後に行う必要はなく、例えばさらに濾過工程を含むプロセス全体の最後の段階で行ってもよい。

この割合が所定の基準値を超えたら、このことは、流動層内で十分に反応性の吸着剤が含まれていないか、またはそれらの滞留時間が過度に短すぎるということの指標である。これは、新鮮な吸着剤の供給率を増加させることによって妨げられる。

これにより、以下の手順が可能になる：
流動層フロー反応器に供給されたガス流は粒子を含んでおり、したがって流動層に供給され、ここで、流動層は、ガス流と共に排出される大粒子成分の割合が、ガス流と共に供給される大粒子成分の割合よりも低くならないように操作される。

この方法は、とりわけ、フライアッシュを多量に含む燃焼排ガスを処理しなければならない場合に使用される。それゆえ、これまでに適用されてきた方法は、上述のとおり、流動層反応器の上流のガス流からフライアッシュを取り除くことを規定している。

しかしながら、本発明は別の手法を用いる：粗大粒子成分のみが流動層に入る前に重力により分離され、その一方で、大粒子成分は流動層内に運び込まれ、その後の段階で排出される。精製すべきガス流が大粒子成分の非常に高い負荷を有する場合にのみ、本発明の適用においても前分離が実施されてよいが、これは大粒子成分による負荷の部分的な低減のみをもたらす必要があり、ひいては低い設備費で達成されうるものである。

それゆえ、従来技術とは対照的に、ガス流中の大粒子成分は流動層フロー反応器の上流で分離されずに、最初に反応器を通過し、その後に排ガス流から取り除かれる。

このことはまた、膨張した流動層に好ましい影響を与える。すなわち、膨張した流動層は、過度に大きい不活性固体で過負荷されるかまたは過剰に富化されることがない。このことは、膨張した流動層のより効果的で一様な操作挙動をもたらして圧力変動を妨げるので、さらに可用性に好ましい効果を及ぼす。さらに、膨張した流動層内の有害ガスを除去するための吸着剤の濃度がより一様にされる。この結果、一方では、より長い滞留時間によって吸着剤がより効果的に利用されうるので、その消費が少なくなり、他方では、排出制限値の遵守という点で安全性が向上し、したがって全体の分離性能が大幅に向上する。

分離器中で分離された返送されない大粒子成分は、プロセスから分離される。

流動層に供給されるガス流の体積流量（供給率）が変化した場合であっても操作中に安定した流動層を得るために、本発明は、二次経路内に分離された固体および反応性吸着剤の返送率を体積流量の変化に応じて同様に変化させることを規定する。

このために、特定の基準体積流量に対して基準返送率が定められる。体積流量が基準体積流量に比べて増加したことをガス流センサーで確認することができたら、返送率が基準返送率に比べて上昇される。体積流量が基準体積流量に比べて低下したら、返送率も同様に基準返送率に比べて低下される。

これにより、流動層内の固体は常に大粒子成分を形成することが達成される。流動層は、過度に高い割合の過度に重い固体で過負荷されることも、軽量固体の割合が過度に低いために流動層内での活性吸着剤の滞留時間が短くなることもない。

これとは無関係に、主要経路における吸着剤の返送は、流動層フロー反応器中で達成すべき反応率によって決定される。

流動層の更なる改善のために、本発明は、流路の下流にはプロセスフィルターがあることと、そこで分離された固体が中間粒子成分および微細粒子成分であり、これらをプロセスに依存して流動層に返送することとを規定する。

分離率をさらに一層改善するために、第１の流路の出口に追加の流路が続くことがさらに提案される。

追加の流路内でもさらに有害物質が吸着剤と反応して不活性固体となり、例えば、これらは流路の下流にあるフィルターで分離される。

分離器ホッパー内に集まる固体にガス（空気）が流れることができ、ここで、中間粒子成分および微細粒子成分の固体は、上向きでガス流中に同伴されて出口に導かれる。その結果、分離器ホッパー内にはほぼ大粒子成分しか存在しなくなり、これは上述したプロセスに従って流動層内に部分的に返送される。

出口の下流にはプロセスフィルターがある。高い割合の未反応の吸着剤からなる中間粒子成分および微細粒子成分の固体が分離されてフィルターホッパー内に集められる。ここから、膨張した流動層を実現するために、それらも同様に制御されて流動層に返送される。

廃棄物焼却プラントで発生する排ガスには、一般的に硫黄酸化物に加えて、更なる有害物質、特に塩化水素、フッ化水素だけでなく重金属、例えばカドミウム、タリウムおよび水銀ならびにハロゲン化有機化合物、例えばダイオキシンおよびフランも含まれる。例えば排ガスから二酸化硫黄を除去するために、流動層セクションにカルシウム含有吸着剤（例えばＣａ（ＯＨ）_２）が導入され、それらが二酸化硫黄と結合する。とはいえ、カルシウム含有吸着剤は、排ガス中の塩化水素（ＨＣｌ）とも反応し、そうして塩化カルシウム（ＣａＣｌ_２）が形成される。しかしながら、塩化カルシウムは吸湿性が高く、したがって排ガスからの水をその結晶構造に取り込む。温度が室温を若干上回ると、塩化カルシウムはそれ自身の結晶水に溶解し、ここで、凝集傾向にある粘着性の塊が形成され、これはさらに腐食作用を及ぼす。

この関係に基づき、排ガスが対応する水分含量を有している場合に排ガスの温度を上げなければならない。例えば、塩化水素（ＨＣｌ）［ｍｇ／ｍ^３、標準状態、乾燥］および硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）［ｍｇ／ｍ^３、標準状態、乾燥］がＨＣｌ／ＳＯ_ｘ＞１の比である場合、排ガス温度は約１４０℃以上に上げなければならない。

しかしながら、この温度範囲では、標準品質（ＢＥＴ：１４〜１６ｍ^２／ｇ）を有する消石灰による有害物質の分離は非常に非効果的であり、この消石灰を用いた排ガス浄化のための最適な温度範囲は、すなわち−温球温度との差に応じて−７０〜９０℃である。しかしながら、消石灰を用いた排ガス浄化のためのそれ自体最適なこの温度範囲は、上述の理由から、排ガス中の塩化水素（ＨＣｌ）の割合が高い場合には利用することができない：この問題は、下記に説明するように解消することができる。排出または分離効率に非常に高い要件が課される場合、上記の流動層フロー反応器に上流反応器が追加され、そうして特に硫黄酸化物に加えて、例えば排ガスからの塩化水素分も最適に除去することができる。

それゆえ、本発明は課題解決のために、流動層フロー反応器に供給されたガス流が、フローチャンバーとして構成された上流反応器に予め送られることを規定する。

これにより、消石灰との反応時に流動層内での化学的プロセスに基づき凝集傾向にある排ガス中の有害物質を予め上流反応器中で減少させることが可能になる。

このために、上流反応器は、排ガスの温度で第１の有害物質種の削減を促進する吸着剤を含む。それに従って、流動層フロー反応器の流動層チャンバーは、上流反応器に入る際のガス流の温度よりも低い温度で第２の有害物質種の削減を促進する吸着剤を含み、ここで、流動層チャンバー内の温度の低下は、急冷、つまり水を加えることによって簡単に行うことができる。

有利には、第１の種類の有害物質は塩化水素であり、かつ流動層チャンバー内の吸着剤はカルシウム化合物である。

ガスおよび固体を分離するための上流反応器を用いた排ガス浄化は、いくつかの利点を有する：
操作コストが大幅に下げられる。なぜなら、各吸着剤が、その所期の温度範囲で用いられるからである。
吸着剤の消費が最小限に抑えられた場合であっても、排ガス中のＨＣｌおよびＳＯ_ｘの非常に低い排出値が達成される。
反応性吸着剤が分離され、最適な環境で再循環され、その結果、吸着剤の消費が低減され、プラントの高さは同じままで滞留時間が増加される。
プラントの操作上の安全性が向上する。なぜなら、排ガス中の塩化水素分が、炭酸水素ナトリウムを有する上流反応器中で主に分離されるからである。ここで形成される塩化ナトリウムは、塩化カルシウムとは対照的に、吸湿性または腐食性ではなく、それに従って操作上重要ではない。

特定のプロセスでは、適切な粒度分布の炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）が吸着剤として上流反応器中に導入される。

さらに、炭酸水素ナトリウムを適切な粒度分布で流動層内に導入してよい。なぜなら、この場合、速度がより低いために比較的長い滞留時間が与えられるからである。炭酸水素ナトリウムは、急冷温度ですら流動層チャンバー内で依然として反応性であり、上流反応器中で分離されなかった有害ガスを引き続き分離することができる。

本発明による流動層フロー反応器の種々のタイプの使用に適合させうるために、ガス流の一部を、入口から流動層反応器へと通じる迂回路(Betriebsumfahrung)において流動層反応器のガス加速器を迂回して流動層内に直接送ることを規定することができる。

流動層の下流に流路がない場合には、有害物質によるガス流の残留負荷の測定に起因する上述の制御工程を適用することもできる。

上記の方法は、出願人によりドイツ特許商標庁に提出された２０１５年１２月１８日付けの独国特許出願公開第１０２０１５１２２２２２号明細書（ＤＥ１０２０１５１２２２２２．１）に記載の流動層フロー反応器を用いて特に良好に実施することができる。それゆえ、この明細書中における流動層フロー反応器およびその構成要素、ならびに流動層フロー反応器が一体化された装置の説明は、本出願の内容に援用される。

以下では、実施例を参照して本発明をより詳細に説明する。

本方法に属する装置構造の概略的な再現に基づく本発明の概略図を示す。 任意の追加項目を有する図１に従った実施形態のブロック図を示す。 追加の上流反応器を備えた本発明による流動層フロー反応器の概略図を示す。 任意の追加項目を有する図３に従った実施形態にブロック図を示す。

燃焼プロセスにおいて形成され、ガス状および／または粒子状物質（これらは一般的に有害物質および粉塵である）を含んだ排ガスを、流動層フロー反応器１に供給する。流動層フロー反応器１は、流動層を有する流動層チャンバー２およびそれと逆平行（互いに平行であって互いに逆向き）に案内される流路３．１をフローチャンバー４の形態で有する。流路３．１は、流動層チャンバー２の出口から垂直下向きに延び、その下端でプロセスフィルター６に通じる出口または任意に（図１に示すように）変向部(Umlenkung)３．３を介して追加の流路３．２に合流する。追加の流路３．２は、垂直上向きに延び、その上端でずらされた出口５に合流する。追加の流路３．２は、流路３．１よりも短い。

プロセスフィルター６は、例えば、一体化された固体分離装置３１を有する入口フードを備えたバグフィルターとして設計されていてよい。プロセスフィルター６の下方にはフィルターホッパー２１があり、分離された固体はその中に集められ、そこから主要返送ライン２３を介して再循環されるかまたは分岐点３３を介して排出される。

ガス状有害物質および固体粒子（粉塵）を含んだ排ガスは、その起源に応じて１２０℃から２４０℃までの間の温度で流動層フロー反応器１中に進入する。排ガスがアルミニウム電気分解または焼結プロセスからのプロセス排ガスである場合、入口温度は、例えば約４０℃〜３００℃の間で非常に大きく変化しうる。流動層フロー反応器１の上流の圧力は、−７０ｍｂａｒ〜＋１５ｍｂａｒの幅広い範囲で変化しうる。

流動層チャンバー２の下方には沈積チャンバー(Absetzkammer)７がある。浄化すべき排ガス流は、供給ライン８を介して沈積チャンバー７内に横方向で進入し、そこからガス加速器９を通って上向きに流動層チャンバー２に流入する。ガス加速器９は、１つ以上のベンチュリノズルからなり、これらは場合によっては幾何学的形状も異なる。ガス加速器９には流動層チャンバー２の円筒部分に通じる円錐状の移行経路が接続されている。

沈積チャンバー７では、主に粗大粒子成分の固体および大粒子成分の一部がフライアッシュから重力により分離される。

ガス加速器９では、最初に排ガス流が２５ｍ／ｓ〜８０ｍ／ｓの速度に加速され、次いで２ｍ／ｓ〜８ｍ／ｓ、理想的には３ｍ／ｓから６ｍ／ｓまでの間の、ガス／固体−混合のための最適な状態に設定される。

反応器の流動層の高さにわたる平均装填密度は、標準状態で２００ｇ／ｍ^３〜２，０００ｇ／ｍ^３の幅広い範囲で設定することができる。膨張した流動層内で特に効率的な圧力損失を設定するために、それは理想的には標準状態で２００ｇ／ｍ^３から１，０００ｇ／ｍ^３までの間であることが望ましい。

用いられる吸着剤の平均粒度は、１μｍ〜４００μｍの幅広い範囲で変化しうる。プロセス工学的な理由から３μｍ〜４０μｍの粒度が求められる。

可能な限り効果的な固体／ガス−混合を達成し、吸着剤と排ガス流中に存在する有害物質との間の接触時間を増加させるために、吸着剤の１時間当たりの循環量は、膨張した流動層内に存在する吸着剤の量の２０〜２００倍に設定される。

膨張した流動層の様々な状態は、ガスおよび固体の状況の設定されたパラメーターに基づいている。ガス速度は、流動層内の固体が流動層の高さよりも上で排出されるように選択されていなければならない。固体は、膨張した流動層内で流動層チャンバー２の出口まで輸送され、流路３．１にさらに送られる。固体粒子輸送は、ガス速度に対して時間差を伴って生じる。ガスと固体との高い相対速度および高い混合率が最適な物質移動および熱伝達にとって重要である。

流動層チャンバー２にはさらに、吸着剤、添加剤および水または水蒸気を添加するための接続部１０、１１、１２がある。

ガス供給部８におけるガス流センサー１３は、体積流量、つまり単位時間当たりにガス供給部を通って流れて、流動層フロー反応器１中に進入する体積の測定を可能にする。

固体を含んだ排ガス流は、流動層チャンバー２をその上端で離れ、交差連結部１５を介してフローチャンバー４に向かう。排ガス流は変向部を経て、それから流動層チャンバー２における流方向と逆平行にフローチャンバー４を通って最初は下向きに流れる。フローチャンバーでは、完全な排ガス流と、それによって運ばれる依然として反応性の吸着剤および未反応の有害物質が一緒になって一定の速度で移動する。流路内での吸着剤と有害物質との間の相対速度は、有害物質が吸着剤に吸着しうるか、または既に吸着した有害物質が吸着剤中に拡散してこれらと反応しうるようにするために低い。そのような拡散制御された内部物質移動が主に起こる。

流路３．１および追加の流路３．２における滞留時間は、合わせて０．２秒から４秒までの間、理想的には０．４秒から２秒までの間である。

流路３．１および追加の流路３．２におけるガス速度は、合わせて４ｍ／ｓから１６ｍ／ｓまでの間、理想的には６ｍ／ｓから１２ｍ／ｓまでの間である。

出口でのガス速度は増加し、したがって６ｍ／ｓから１８ｍ／ｓまでの間、理想的には８ｍ／ｓから１６ｍ／ｓまでの間である。

ここでプロセスの生成物がその結晶構造を形成し、結晶水を取り込む。これに生成物の乾燥が続き、この乾燥は流路において完了される。

いずれの場合も、反応しなかった有害物質の割合は、流路３．１および追加の流路３．２においてさらに低減される。

流路３．１および追加の流路３．２の長さ、ひいてはガス速度に起因する滞留時間は、未反応の有害物質の割合がその中で再度大幅に低減されるように調節される。それゆえ、滞留時間の典型的な値は１秒よりも長い。

流路に通じる入口における反応しなかった有害物質の割合が、例えば約２０％のままである場合、流路を離れる際のその割合は、そのつど流動層に入る際の有害物質負荷率１００％を基準として僅か１０％である。

既に上述したとおり、出口５とプロセスフィルター６に通じる入口との間には、さらに追加の流路３．２が配置されていてよい。ここでは、流路３．１と同様のプロセスが行われ、そのため排ガス流はさらに割合が低くなった未反応有害物質と共にプロセスフィルターに達することになる。

排ガス流は流路３．１の端部で横方向に変向部３．３へと向きが変えられるので、大粒子成分の固体が排ガス流から分離し、重力の作用によって下向きに分離器ホッパー１６へと落下する。変向部３．３の下方でフローチャンバーの直径は大きくなり、そのため分離器ホッパー１６に入る際の流れの速度は小さくなる。このことも、大粒子成分の固体が分離器ホッパー１６に達することに寄与する。

追加の流路３．２で、固体の更なる重量選択的な分離が行われる。なぜなら、固体への重力は、それらに作用する流動力に抗して働くからである。

出口５にはガス分配器が配置されていてよく、このガス分配器はプロセスフィルターに通じるガスの流れを最適化し、理想的には大粒子成分の固体も（これらが排ガス流によって連行されている限り）その方向を変えて、下向きにフィルターホッパー２１に送る。

分離器１６ａの選択性を向上させるために、空気（空気接続部１８）が分離器ホッパー１６を下から流れ、その結果、ホッパー内の固体が流動化され、そうして大粒子成分の固体粒子よりも小さい固体粒子が、再び上向きに出口５へと流し込まれる。

排ガス流がプロセスフィルターに入る前に大粒子成分は排ガス流から分離されるので、研磨性固体によるプロセスフィルターの機械的負荷は低い。なぜなら、これらの固体は、分離された大粒子成分に主に存在しているからである。

実質的に大粒子成分がそのとき存在する分離器ホッパー１６からの排出ライン１７には、二次返送ライン２０を介して流動層チャンバー２に返送される固体の量を制御する計量装置１９が設けられている。この二次返送ライン２０は、フィルターホッパー２１から流動層チャンバー２に通じる主要返送ライン２３に対しての二次経路を形成する。

分離器ホッパー１６には、例えば、１％の依然として反応性の吸着剤も存在しており、これらは不活性固体と一緒に流動層に返送される。これにより、新たに供給された反応性吸着剤と一緒に反応性吸着剤の割合が流動層内で実質的に一定に保たれる。

任意に、図１に例示的に示すように、二次返送路における固体の量は、少なくとも部分的にアクチベーター５０（例えば、湿潤ウェッティング(Feuchtebenetzung)、酸化スクリーニング／粉砕）を介して送ることができる。

しかしながら、分離器ホッパー１６の中味のごく少量の部分のみが返送され、すなわち、支持床を維持および安定化するのに必要な量だけ返送され、ここで、追加の効果として、返送路において存在する吸着剤も利用される。残りは排出される。このことはまた、例えば、排ガス中の水銀を減少させるために流動層に加えられた可燃性添加剤を、ここで安全に集めることができるという更なる利点を有する。

プロセスフィルター６の下方にはフィルターホッパー２１があり、その中にプロセスフィルター６で分離された中間粒子成分および微細粒子成分が回収される。中間粒子成分および微細粒子成分の固体は、主要返送ライン２３内の計量装置２２を介してフィルターホッパー２１から流動層チャンバー２に返送される。

この主要返送ライン２３は、返送の主要経路を形成する。中間粒子成分は、依然として反応性の吸着剤を含有しており、大部分が返送された吸着剤からなる流動層内に主に返送される。

プロセスフィルター６のガス出口には、有害物質を有する排ガスの残留負荷を測定する有害ガス測定用ガスセンサー２４が配置されている。

さらに、制御装置２５が設けられており、これはガス流センサー１３および有害ガス測定用ガスセンサー２４からの測定信号を受信し、制御装置２５において実行される、以下に説明する方法に基づいて、大粒子成分の固体または吸着剤を流動層に返送するために両方の計量装置１９，２２を制御し、新鮮な吸着剤を供給するために吸着剤用の接続部１０を制御する。

この方法は、プロセスフィルター６のガス出口で残留有害物質濃度を測定することを規定している。この濃度が所定の基準値を超えたら、接続部１０における新鮮な吸着剤の供給率が増加される。

流動層の、大粒子成分としての固体組成は制御しなければならないものである。流動層内で大粒子成分を維持することにより、これは安定化される。しかしながら、固体組成は、ガス流で固体が運び込まれることによって影響を及ぼされる。操作中にその体積流量が変化したら、以下のとおり作用する制御機構が必要である。

最初に基準作用位置が定義される。１００％に設定された所定の基準体積流量に対して、分離器ホッパー１６からの固体および活性吸着剤の基準返送率が経験的に決定および定義される。

操作中、ガス流センサー１３によって体積流量が測定される。基準体積流量に比べて増加した体積流量が測定される場合、返送率は基準返送率に比べて増加される。基準体積流量に比べて低下した体積流量が測定される場合、返送率は基準返送率に比べて下げられる。したがって、返送率は、操作中に流動層に入るガス流の体積流量に連続的に適合される。

これにより、流動層内で固体が常に大粒子成分を形成することが達成される。流動層は、過度に高い割合の過度に重い固体で過負荷されることも、軽量固体の割合が過度に低いために流動層内での活性吸着剤の滞留時間が減らされることもない。

分離器１６ａにおける計量装置１９は、流動層内への返送のために必要とされない大粒子成分をプロセスから排出するためにも利用される。

図２は、図１に従った実施形態をブロック図で示し、ここで、同じ構成要素を示すために同じ参照番号が使用される。さらに、プラントに対するいくつかの可能な追加項目が示される。

このプラントは、異なる品質の固体が発生する複数の分岐点を有する。

これらは、任意に用いられる前分離器３０、沈積チャンバー７、分離器ホッパー１６およびフィルターホッパー２１である。プロセスフィルター６がフィルターホッパー２１ならびに入口フードおよび一体化された固体分離装置３１を有するバグフィルターとして設計されている限り、フィルター装置６７は、分岐点３３に加えて更なる分岐点３２を有する。

固体分離装置３１はさらに、フィルターホッパー２１に通じる別個のライン２６を有する。

これらの各分岐点は、別個のサイロ３４、３５、３６に接続されており、そのため分岐点で発生する物質は、そのつど他の物質とは別個にかつ分離して更なる処理に供給することができる。どのプロセスがプラント中で実施されるかに応じて、存在するこれらの物質は依然として価値がある。

物質の混合物も、集積サイロ３９において調製することができる。

更なる措置は、プラントの様々な適用可能性に関係する。プラントには、季節的にまたは必要に応じて非常に異なる種類の排ガスに曝されるものがあり、ここで、そのつど遵守すべき残留有害物質濃度および／または排ガス体積流量も非常に異なる可能性がある。

しかしながら、プラントの体積流量に関する動作モードは、特に、ガス加速器９の寸法の選択によって決定される。

より高い排ガス体積流量を必要とする操作モードへの変更があった場合に再設計を行う必要がないようにするために、ガス入口からガス加速器９を迂回して直接流動層チャンバー２に通じる切り替え可能な迂回路４０が存在していることが規定される。

より高い残留有害物質濃度を許容する操作モードへの変更があった場合にエネルギーおよび吸着剤を節約するために、ガス入口からガス加速器９および流動層チャンバー２を迂回して流路３．１に通じる切り替え可能な迂回路４１が存在していることが規定される。主流はガス加速器９を通り抜け、続けて迂回路の未浄化の部分流と混合される。

図３によれば、流動層フロー反応器１の上流に上流反応器４２がある。それゆえ、排ガスは、最初に上流反応器４２を通過し、その後にガス供給ライン８を通って流動層フロー反応器１に入る。

上流反応器４２は、垂直方向に配置された中空シリンダー４３として構成されたフロー反応器であり、排ガスが上から下に向かって流れるガス速度に適合された断面を有する。上流反応器４２中の活性な吸着剤は、接続部４４に導入される。排ガスは、中空シリンダー４３の上端にあるガス供給部４５を通って上流反応器４２に進入する。

上流反応器４２の１つ以上のガス排出部４６は、中空シリンダー４３の下端の横方向に配置されている。それらは流動層フロー反応器１のガス供給ライン８に合流する。各流動層フロー反応器１について、１つ以上の上流反応器４２が設けられていてよく、これらは流動層フロー反応器１の周りに置かれる。

上流反応器４２中の排ガスの速度は、有害物質の負荷若しくは割合に応じて、約４ｍ／ｓ〜１６ｍ／ｓ、理想的には６ｍ／ｓ〜１２ｍ／ｓとなるように調節される。

中空シリンダー４３の下方には、ホッパーである上流反応器ホッパー４７があり、これはガス流によってガス排出部４６へと取り込まれない粗大粒子成分の固体を回収する。上流反応器ホッパー４７に集められた固体は、排出ライン４８を介してプロセスから排出される。排出された固体はサイロに運ばれ、そこから場合によっては集積サイロ３９（図２を参照されたい）に送られることができる。

この方法は、以下のとおり粗粒材料分離および吸着剤活性化のために作用する。例えば高い塩素含有量を有する排ガスが、ガスおよび固体分離のために上流反応器４２中に導入される。通常、それは１５０〜３００℃の温度で上流反応器中に進入する。

以下では、図４を参照して引き続き行われるプロセスを説明する。吸着剤として炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）が上流反応器４２中に導入される。早くも約６０℃の温度にて、上流反応器４２中で炭酸水素ナトリウムの熱分解が水および二酸化炭素の分離を伴う炭酸ナトリウムの適所の形成と共に始まり、すなわち、Ｎａ^＋イオンおよびＣＯ_３ ^２−イオンが形成される。次いでＮａ^＋イオンは酸性有害ガスの塩化物および硫黄酸化物と反応する。排ガスの上流にたいていの場合に存在する約１５０℃の温度で、この分解は大きな速度で進行するので、ナトリウムイオンと酸性有害ガス成分との間で反応を起こさせるのに０．２〜４秒の滞留時間があれば十分である。ナトリウムイオンと塩化物イオンまたは硫黄酸化物との間の反応は、炭酸と反応して炭酸ナトリウムを形成する再結晶化反応よりもはるかに速い。ここで、塩化物イオンとナトリウムイオンとの反応は、硫黄酸化物とナトリウムイオンとの反応よりも速く、そのためこの滞留時間では主に塩化物が排ガスから分離される。

上流反応器ホッパー４７および／または沈積チャンバー７から、依然として反応性の吸着剤を、共通の返送ライン５７を介して上流反応器４２に返送することができる。

吸着剤の炭酸水素ナトリウムと有害物質の塩化水素との間の反応速度は非常に高いので、上流反応器中でのガス固体滞留時間は短くてよく、例えば０．２〜４秒に設定することができ、そのため排ガス中に連行された硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）は、主に反応せずに上流反応器４２を通過して流動層チャンバー２に達し、そこで硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）はそこにある吸着剤と化合物を形成する。最適温度を提供するために、流動層チャンバー２に水が導入される。

しかしながら、これは吸湿性塩化カルシウムによる凝集を引き起こさない。なぜなら、そこにある吸着剤と反応した場合に流動層チャンバー２において塩化カルシウムに転化する塩化水素の主たる割合は、予め炭酸水素ナトリウムと反応しており、かつ非吸湿性塩化ナトリウムとして排ガスから実質的に分離されるからである。

したがって、上流反応器４２では、塩化水素が排ガスから主に除去され、その一方で、上流反応器４２に隣接する流動層フロー反応器１では排ガスから硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）が分離される。流動層フロー反応器１における温度は、水を添加することによって硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）と水酸化カルシウムとの反応に最適な値にまで減少させることができる。

したがって、上流反応器４２におけるＨＣｌの分離によって、ＨＣｌ／ＳＯ_ｘ比が後続の浄化段階のために改善される。なぜなら、ＨＣｌ／ＳＯ_ｘの比はＳＯ_ｘの方向にシフトされており、例えばＨＣｌ／ＳＯ_ｘ＜０．２だからである。その結果、流動層に対する排ガス温度は、消石灰を用いた排ガス浄化のための最適値になるまで急冷することができる。

排ガス流と共に流動層チャンバー２／流動層沈積チャンバー７に連行された粗大粒子成分が依然として未使用の炭酸水素ナトリウムを含有しているか、またはこれが流動層内に直接導入されている場合、これは流動層沈積チャンバー７から返送ライン５７を介して上流反応器４２に直接再循環させることができる

１ 流動層フロー反応器
２ 流動層チャンバー
３．１ 流路
３．２ 追加の流路
３．３ 変向部
４ フローチャンバー
５ 出口
６ プロセスフィルター
７ 沈積チャンバー
８ 供給ライン
９ ガス加速器
１０ 接続部（吸着剤）
１１ 接続部（添加剤）
１２ 接続部（水、蒸気）
１３ ガス流センサー
１５ 交差連結部
１６ 分離器ホッパー
１６ａ 分離器
１７ 排出ライン
１８ 空気接続部
１９ 計量供給装置
２０ 二次返送ライン
２１ フィルターホッパー
２２ 計量供給装置
２３ 主要返送ライン
２４ ガスセンサー
２５ 制御装置
２６ ライン
３０ 前分離器
３１ 固体分離装置
３２ 分岐点
３３ 分岐点
３４ サイロ
３５ サイロ
３６ サイロ
３９ 集積サイロ
４０ 迂回路
４１ 迂回路
４２ 上流反応器
４３ 中空シリンダー
４４ 接続部
４５ ガス供給部
４６ ガス排出部
４７ 上流反応器ホッパー
４８ 排出ライン
５０ アクチベーター
５５ 供給ライン
５６ 供給ライン
５７ 返送ライン
６７ フィルター装置

本発明は、膨張した流動層を収容する流動層チャンバーを有する流動層フロー反応器(Wirbelschichtstroemungsreaktor)によってガス流からガス状または粒子状物質を分離する方法に関し、ここで、膨張した流動層は、少なくとも反応性吸着剤および不活性固体である固体を含み、ここで、膨張した流動層内で支持床を形成する固体は大粒子成分であり、かつ分離すべき物質が流動層内で吸着剤と接触してそれらと反応するように、分離すべき物質を含んだガス流を流動層に供給し、
− ここで、不活性固体および反応性吸着剤もガス流と共に流動層を離れるように、流動層チャンバー内の速度を調節し、
− ここで、流動層を離れるガス流から反応性吸着剤を主要経路内に分離し、これを流動層に返送し、
− ここで、返送された吸着剤に加えて、新鮮な吸着剤を流動層に供給し、
− ここで、流動層を離れるガス流から不活性固体および反応性吸着剤を二次経路内に分離し、これらの両方を部分的に流動層に返送し、かつ
− ここで、流動層を離れるガス流が、該ガス流から、活性吸着剤のある割合と一緒に不活性固体が分離される前に、流動層と逆平行に延在する分岐のない流路を通過し、
− ここで、通過中に吸着剤とガス流の中の分離すべき物質とが接触して互いに反応し、そうしてガス流中の反応しなかった物質の流路の端部での割合が、流動層から出る際の前記物質の割合よりも小さくなる。

米国特許出願公開第２０１０／０１４７１４６号明細書（ＵＳ２０１０／０１４７１４６）には、流動層チャンバーの直後にサイクロン分離器が続き、そこからガス流が重力およびその固形分の方向とは逆の上向きに吸い込まれるシステムが記載されている。
欧州特許出願公開第２０７８５５５号明細書（ＥＰ２０７８５５５Ａ１）には、流動層を有する第１の反応器に供給され、そこから流路として作用する第２の反応器に送られる排ガスを浄化する方法が記載されている。新鮮な吸着剤は、最初に第２の反応器に供給され、そこから少なくとも部分的に第１の反応器に送られる。この再循環のために、第１の反応器に供給される排ガスは、大粒子成分不含でなくてはならない。

これらの課題を解決するために、本発明は、流動層フロー反応器に供給されるガス流が、大粒子成分を形成する分離すべき物質を含んでおり、粒子を含んだガス流を流動層に供給し、ここで、流動層を、ガス流と共に送出される大粒子成分の割合が、ガス流と共に供給される大粒子成分の割合よりも低くならないように操作し、かつ大粒子成分を、流動層フロー反応器を通過した後の段階で排ガス流から除去することを提供する。

本発明によれば、大粒子成分の排出速度は、供給速度または形成速度よりも大きく、そのためこのことが支持床の分解をもたらすことになる。それゆえ、ガス流から分離された大粒子成分は、流動層での支持床の割合が実質的に一定であり続ける限りにおいて流動層に返送される。返送された大粒子成分は反応性吸着剤も含有するので、このことはプロセスに全体で供給された吸着剤のより良好な利用につながる。

Claims (12)

1. 膨張した流動層を収容する流動層チャンバーを有する流動層フロー反応器によってガス流からガス状または粒子状物質を分離する方法であって、ここで、前記膨張した流動層は、少なくとも反応性吸着剤および不活性固体である固体を含み、かつ前記流動層内で支持床を形成する前記固体は大粒子成分であり、
   − 前記分離すべき物質が前記流動層内で前記吸着剤と接触してそれらと反応するように、前記分離すべき物質を含んだガス流を前記流動層に供給し、
   − 不活性固体および反応性吸着剤も前記ガス流と共に前記流動層を離れるように、前記流動層チャンバー内の速度を調節し、
   − 前記流動層を離れる前記ガス流から反応性吸着剤を主要経路内に分離し、前記吸着剤を前記流動層に返送し、
   − 返送された前記吸着剤に加えて、新鮮な吸着剤を前記流動層に供給し、
   − 前記流動層を離れる前記ガス流から不活性固体および反応性吸着剤を二次経路内に分離し、これらの両方を部分的に前記流動層に返送する方法において、
   前記流動層を離れる前記ガス流が、該ガス流から、前記活性吸着剤のある割合と一緒に不活性固体が分離される前に、前記流動層と逆平行に延在する分岐のない流路を通過し、前記通過中に吸着剤と分離すべき物質とが前記ガス流の中で接触して互いに反応し、前記ガス流中の反応しなかった物質の前記流路の端部での割合が、前記流動層から出る際の前記物質の割合よりも小さくなることを特徴とする、方法。
2. 前記流路が、前記流動層チャンバーと逆平行に延在するフローチャンバーによって実現され、該フローチャンバーは、その上端に前記ガス流用の入口と、その下端に前記ガス流用の側方出口とを備え、前記側方出口の下方で前記ガス流から重力の作用によって分離される固体用の分離器ホッパーに接続することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記ガス流中の反応しなかった分離すべき物質の割合を、前記流路の下流において測定し、前記ガス流中の反応しなかった分離すべき物質の割合が所定の基準値を超えて増加したら、新鮮な吸着剤の供給を増加することを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. 前記流動層フロー反応器に供給された前記ガス流は、大粒子成分を形成する分離すべき物質を含んでおり、前記粒子を含んだ前記ガス流を前記流動層に供給し、前記流動層を、前記ガス流と共に送出される前記大粒子成分の割合が、前記ガス流と共に供給される前記大粒子成分の割合よりも低くならないように操作することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記二次経路内に分離された前記固体および前記反応性吸着剤の返送率を、前記流動層に入る前記ガス流の体積流量の変化に応じて変化させることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 特定の基準体積流量に対して基準返送率を定め、前記体積流量が前記基準体積流量に比べて増加したら、前記返送率を前記基準返送率に比べて上昇させ、かつ前記体積流量が前記基準体積流量に比べて低下したら、前記返送率を前記基準返送率に比べて低下させることを特徴とする、請求項５記載の方法。
7. 前記流路の下流にはプロセスフィルターがあり、該プロセスフィルターで分離された前記固体が中間粒子成分および微細粒子成分であり、これらをプロセスに応じて前記流動層に返送することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記流路の出口に追加の流路が続くことを特徴とする、請求項３記載の方法。
9. 前記流動層フロー反応器に供給される前記ガス流を、フロー反応器として構成された上流反応器に予め送ることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記上流反応器は、前記ガス流の温度において第１の分離すべき物質種の削減を促進する吸着剤を含み、前記流動層フロー反応器の前記流動層チャンバーは、前記上流反応器に入る際の前記ガス流の温度よりも低い温度において第２の分離すべき物質種の削減を促進する吸着剤を含み、かつ前記流動層チャンバー内の温度の低下は急冷によって行うことを特徴とする、請求項９記載の方法。
11. 前記ガス流の一部を、入口から前記流動層フロー反応器へと通じる迂回路において前記流動層フロー反応器のガス加速器を迂回して前記流動層内に直接送ることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 膨張した流動層を収容する流動層チャンバーを有する流動層フロー反応器によってガス状のガス流から分離すべき物質を分離する方法であって、ここで、前記膨張した流動層は、少なくとも反応性吸着剤および不活性固体である固体を含み、かつ前記流動層内で支持床を形成する前記固体は大粒子成分であり、
    − 前記分離すべき物質が前記流動層内で前記吸着剤と接触してそれらと反応するように、前記分離すべき物質を含んだガス流を前記流動層に供給し、不活性固体もまた前記ガス流と共に前記流動層から離れるように、前記流動層チャンバー内の速度を調節し、
    − 前記流動層を離れる前記ガス流から反応性吸着剤を主要経路内に分離して前記流動層に返送する方法において、
    前記流動層を離れる前記ガス流から不活性固体を二次経路内に分離し、該不活性固体の一部を前記流動層に返送し、
    前記ガス流中の反応しなかった分離すべき物質の割合を、前記流路の下流において測定し、
    前記ガス流中の反応しなかった分離すべき物質の割合が所定の基準値を超えて増加したら、前記流動層内への新鮮な吸着剤の供給を増加することを特徴とする、方法。

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