JP2672016B2 - 流動層用固体粒子供給装置 - Google Patents

流動層用固体粒子供給装置

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敏明 長谷川
裕和 勝島
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日本ファーネス工業株式会社
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、流動媒体と呼ばれる固体の粒子を充填し
たベッドの下から流体を流入し、流動媒体を流体の流れ
で浮遊させた状態の中に固体粒子を均一に分散させて供
給する流動層用固体粒子供給装置に関する。
(従来の技術) 多数の粒子からなる粉体が充たされた容器の底部から
流体を供給すると、その粉体の層はある流体速度以上で
固定層から流動化状態に変化する。これは流動層として
広く知られている現象で、粒子と流体の極めて効率的接
触方法として、石炭燃料用の流動層ボイラや廃棄物焼却
炉の多くの工業装置に利用されている。
流動層ボイラは、第8図に示すように、流動層と呼ば
れる燃焼室101がベッド構造となっており、流動媒体102
と呼ばれる砂や石灰石(CaCO3)などで流動層を構成
し、空気を分散板103と呼ばれる空気穴から送り込み、
流動媒体102を流動化させその中に石炭粒径10mm以下
(4〜6mm)のものを投入することによって石炭を自然
に燃焼させるようにしたものである。そして蒸気を発生
する蒸気管104は、流動媒体102内に設置して燃焼エネル
ギーを直接吸収させるように工夫されている。この流動
層ボイラにおいて、石炭粒子は多数の給炭管105を通し
て、搬送用空気によって流動層101内に供給されてい
る。給炭管105は水平方向に石炭粒子を噴出する第7図
(A)ないし(B)に示すような給炭ノズル106を有
し、石炭粒子を三方ないし四方に噴出して流動媒体102
中に拡散供給するようにしている。流動層101内におい
て固体粒子・石炭粒子を均一に分散させるためには、現
状では炉層面積約1m2当たりに1本の給炭ノズル106が配
置されている。したがって、100m2程度の炉層面積の場
合、約100本の給炭ノズルが設置されている。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、近年、炉の大型化による効率向上が考
慮されており、例えば従来のものの5倍の500m2の炉層
面積を有する流動層燃焼炉を設計しようとした場合、従
来の固体燃焼供給装置によると、約500本の給炭ノズル
が必要となる。しかし、この給炭管特にエルボ部分107
は搬送固体粒子(石炭及び石灰石)によるエロージョン
が早いため、500本もの数になるとその保守管理が困難
となる問題がある。このことは、石炭以外の固体粒子例
えば乾燥汚泥のような可燃物の含有量が低い固体粒子を
流動層に拡散供給する場合においても同様である。そこ
で、固体燃料の流動層内への拡散性を劣化させずに給炭
管本数を可能な限り削減することが望まれている。
本発明は、流動層内に固体粒子を拡散供給する供給ノ
ズルを従来のものより大幅に削減できる流動層用固体粒
子供給装置を提供することを目的とする。
(課題を解決するための手段) かかる目的を達成するため、本発明者が流動層内の流
動状況について種々研究した結果、流動層中に固体壁に
囲まれた非流動部を形成することによって、層内空塔速
度に比べ遥かに高速の粉体噴流を任意の位置に、なおか
つ任意の方向に発生せしめることが可能であることが判
明した。
即ち、流動層内に非流動部が固体壁に囲まれかつその
断面積が底部Z1でAC、上部Z2でACよりも小さいかあるい
は等しい断面積ANを持つ場合、その内部の圧力は固体面
によって周囲流動部圧力と遮断されているので、圧力バ
ランスはベルヌーイの定理に従う。第3図及び第4図に
固体壁による絞り部を持つ非流動部の記号についての定
義図を示す。図中、符号P1は固体壁に囲まれた非流動部
の入口近傍の外の圧力、P2は同非流動部の出口近傍の外
の圧力、εは流動部即ち流動状態にある流動媒体によ
って形成される流動層(流動床)全体の空間率、ε
非流動部の空間率、UFは流動部の流体の流れの速度、UC
は非流動部内での流体速度、UNは非流動部の出口近傍の
流体の噴出速度、ATは流動層全体の断面積である。
高さZ1,Z2での非流動部通過流体の全圧保存を式で示
すと次の通りである。
P1+(ρF/2)UF 2 =PC+(ρF/2)UC 2+ΔPC(UC) PC+(ρF/2)UC 2 =P2+(ρF/2)UN 2+ΔPN(UN) ここで、ρは流動化流体密度である。
ただし、固定層(固体壁に囲まれた非流動部)通過
時、及び絞り部の圧損はそれぞれ ΔPC(UC)=ζ(ρF/2)UC 2 ΔPN(UN)=ζ(ρF/2)UN 2 ζ=3.5(1−ε)LCSdP(ε ζ=ζ(AC/AN) ここで、ζは圧力損失係数である。
連続の式と面積の大小関係はそれぞれ UCAC=UNAN AT>>AC>AN となる。
以上から、その周囲を固体壁等によって流動層内の圧
力と隔離されている非流動部絞り部出口からの噴出速度
UNは次式で表される。
UNとLCの関係についてAN/ACとεをパラメータとし
て第5図に示す。但し次の諸数値を用いた試算結果であ
る。
g=9.8m/S2 ε=0.1 ρ=1540Kg/m3 ζ=0.64 εMF=0.4 ρ=1.29Kg/m3 dP−0.00104m φ=1.0 UF=0.7m/S この関係より、AN/ACの値が大きな時、UNはLCに対し
てあまり変化しないが、AN/ACの値が減少するにつれてL
Cの影響が大きくなることが理解できる。またεは大
きいほど速度は増加する。
そこで、本発明の流動層用固体粒子供給装置は、搬送
用空気で空気輸送される固体粒子の流動層内における供
給ノズル設置位置からある距離だけ離れた周囲空間に、
流動層全体の空間率よりも大きな空間率を持ち、かつ底
部開口面積ACと上部開口面積ANとの比がAN/AC≦1の関
係にあると共に上部開口が搬送固体粒子を拡散させたい
方向に向いた流動制御素子を設置するようにしている。
(作用) したがって、流動層内に固体壁に囲まれた非流動部を
形成する流動制御素子によって、固体粒子を噴出する供
給ノズル設置位置からある距離だけ離れた周囲空間に層
内空塔速度に比べ遥かに高速の粉体噴流を拡散させたい
方向に向けて発生させ、供給ノズルから層内に供給され
た固体粒子を誘引し、拡散させたい方向に素早く拡散さ
せる。
(実施例) 以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳
細に説明する。
第1図に本発明の流動層用固体粒子供給装置を流動層
ボイラの給炭装置に応用した一実施例を概略説明図で示
す。この流動層ボイラに適用される固体粒子供給装置即
ち給炭装置は、流動層1内に石炭粒子のような固体粒11
を供給する給炭ノズルと呼ばれる供給ノズル4の近傍に
流動層1全体の空間率εよりも小さな空間率εを有
しかつ底部開口6より流体・空気を導入して上部開口7
より噴出する流動制御素子2を配置して成る。尚、図中
符号3は分散板、5は給炭管、10は流動用を兼ねた燃焼
用空気を供給する風箱である。
前記流動制御素子2は、流動層1全体の空間率ε
りも大きな空間率εを有し、かつ底部開口面積ACと上
部開口面積ANのとの比がAN/AC≦1の関係にある。例え
ば第2図(A)に示すように全体形状が円筒形を成し、
側壁上部に底部開口6より小径の上部開口7が設けられ
ている。更に図示していないが底部開口6と上部開口7
とを等しく形成しても良い。そして、上部開口7は流動
層1内に供給される固体粒子11を拡散させたい方向に向
けて開口されている。例えば、第2図(A)及びその横
断面図である第2図(C)に示すように、水平方向でか
つ放射方向に、あるいは第2図(B)に示すように水平
よりやや上向き方向若しくは図示していないが水平より
やや下向き方向に開口されている。勿論、上部開口7は
放射方向に広げて2〜3本配置する場合に限定されるも
のではなく、1本あるいは多数本設けても良いし、水平
面に対して全ての上部開口7が同じ角度を成すことも必
要ない。
この流動制御素子2は、給炭ノズル4の設置位置から
ある距離だけ離れた周囲空間、好ましくは給炭ノズル4
の噴射軸上あるいはその近傍、最も好ましくは流動制御
素子2の噴流に因る誘引効果で供給固体粒子の拡散現象
(符号9で示される部弁)が効果的に起り得る範囲で可
能なだけ給炭ノズル4から離れた位置に設置されてい
る。例えば、四方供給時の配置組合せ例を示す第6図
(C)のように、給炭ノズル4の噴射軸上に噴射方向に
上部開口7を向けて配置し、あるいは従来の給炭ノズル
4の設置位置において隣る給炭ノズル4と流動制御素子
2とを置換する。また、給炭ノズル4の噴射方向と流動
制御素子2の上部開口7の向きとは必ずしも一致させる
ことはなく、給炭ノズル4から噴射された石炭粒子11を
更に幅広く拡散させる方向に配置しても良い。また、流
動制御素子2の設置高さは、給炭ノズル4と同じかある
いは流動の影響を考慮した高さ例えば給炭ノズル高さH
の約2倍以内に設置されている。この流動制御素子2は
設置数に限定されるものではなく、必要に応じて配置
し、好ましくは従来の例によって配置された給炭ノズル
の一部と置換することが好ましい。流動制御素子2の流
動層1への取付けは、例えばステー(stay)12を使用し
て固定することによって行なわれている。この流動層1
の断面積と流動制御素子2の底部断面積との比は特に限
定はないが、流動層面積に比べて十分に小さいことが好
ましい。例えば、本実施例の場合、断面積60m2程度の流
動層1において、直径30〜40mm、高さ50〜100mmの流動
制御素子2が多数配置されている。この流動制御素子2
は流動媒体あるいは流動層に吹き込まれる流体と反応し
ないものあるいはこれらに悪影響を与えないもので構成
されており、例えばセラミックスの採用が好ましい。
また、流動制御素子2の底部開口6には、本実施例の
場合、空間率εを大きくするため網8が設けられてい
る。この網8により粒子の素子内への侵入を防ぎ空間率
εを大きく維持するように設けられている。ここで空
間率とは容器の体積から粒子の体積を差引いたものを容
器の体積で徐したもので“1"に近づくほど容器内が空っ
ぽとなり“0"に近づくほど容器内が粒子で埋め尽くされ
ることとなる。
流動制御素子2の底部開口6は流動媒体(粒子)との
関係において適宜決定され、例えば粒子径が1mmφの場
合、底部開口6が10mmφ以上とされている。第5図に示
すように、流動制御素子2の高さ即ち非流動部遮蔽高さ
LCと絞り部噴出流速ANとの関係はAN/AC比を0.1にする場
合100mm以上にすることはあまり意味がないがAN/AC比が
非常に小さくなれば、例えば0.01程度になれば遮蔽高さ
LCが増すほど噴出流速ANも増大する。即ち、流動制御素
子2の充填率が小さほどそこから噴出される流速は増大
する。尚、図示していないが流動制御素子2の底部開口
6には網8を張るばかりでなく、粒径の大きな粒子を流
動制御素子2内に充填して空間率εを流動部のそれε
より大きくすることもある。この流動制御素子2内へ
侵入する粒子は大きな空間率を確保するためできるだけ
細かくないほうが好ましく、網8に代えて多孔質な板あ
るいはスリットを多数入れた板のように流体は入るが粒
子は入り難い構造とすることも可能である。
以上のように構成したので、流動制御素子2内に導入
された流体・空気は流動制御素子2内で増速され、層内
空塔速度に比べはるかに高速の粉体噴流として固体燃料
を拡散させたい方向に向けて噴出され、隣なる供給ノズ
ルから噴出された固体燃料を拡散する。
尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の一例ではあ
るがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱
しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、
本実施例では流動層ボイラについて述べたが、それ自体
では燃焼することが難しい難燃性廃棄物(可燃物が10〜
20%含まれたもの)を燃焼させる流動層焼却炉等のよう
な、流動層内に固体の粒子を拡散供給するものの全てに
おいて実施可能である。この場合、10〜20%の可燃物を
含有する乾燥汚泥を供給装置の供給ノズル4から噴射
し、流動制御素子2との協働によって拡散供給する。
(発明の効果) 以上の説明より明らかなように、本発明は流動層中に
固体壁に囲まれた非流動部を形成する流動制御素子を配
置し、層内空塔速度に比べ遥かに高速の噴流を供給装置
から空気搬入された固体粒子を拡散させたい方向に発生
させるので、その高速噴流によって固体粒子を誘引させ
均一に拡散させることができる。
したがって、流動層内に固体粒子を供給する供給ノズ
ルの設置本数を大幅に削減することができ、装置構造の
単純化や運転・保守管理が容易となる。例えば第6図
(A)に示す四方供給時の配置組合せ例によると、従来
は給炭ノズル4の間を狭くしてその間に石炭粒子を噴出
させ拡散供給するようにしている[第6図(B)参
照]。しかし、本発明の場合、供給ノズル4の近傍に流
動制御素子2を配置して、流動制御素子2によって供給
固体粒子の拡散を高速噴流で誘引するので、給炭ノズル
4の配置間隔を従来のものより広げ、単位面積当たりの
給炭ノズル本数を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の流動層用固体粒子供給装置を流動層ボ
イラ用給炭装置として実施した例を示す概略説明図、第
2図(A)及び(B)は流動制御素子の一例をそれぞれ
示す中央縦断面図、第2図(C)は第2図(A)のII−
II線断面図、第3図及び第4図は流動解析モデルにおけ
る流動制御素子とその周辺の記号定義を示す模式図、第
5図は流動制御素子の噴流増速特性図、第6図は流動層
に配置される給炭ノズル及び流動制御素子との関係を示
す図で、第6図(A)は四方供給時の給炭ノズルの配置
組合せ例を示す説明図、第6図(B)は従来の給炭ノズ
ル、第6図(C)は本発明の給炭ノズルと流動制御素子
との配置例を夫々第6図(A)において鎖線で囲まれた
部分において示す。第7図(A)及び(B)は給炭ノズ
ルの斜視図、第8図は従来の給炭装置を有する流動層ボ
イラの原理図である。 1……流動層、2……流動制御素子、4……供給ノズ
ル、 6……底部開口、7……上部開口、 AN……上部開口の開口面積、 AC……底部開口の開口面積。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】搬送用空気で空気輸送される固体粒子の流
    動層内における供給ノズル設置位置からある距離だけ離
    れた周囲空間に、流動層全体の空間率よりも大きな空間
    率を持ち、かつ底部開口面積ACと上部開口面積ANとの比
    がAN/AC≦1の関係にあると共に上部開口が搬送固体粒
    子を拡散させたい方向に向いた流動制御素子を設置した
    ことを特徴とする流動層用固体粒子供給装置。
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