JP2732028B2 - 流動床反応器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流動床反応器に関し、よ
り詳細にはストリップ空気装置を使用して反応器の炉区
域から排出される廃棄固体の熱含量を減少させ、そこか
ら比較的微細な粒状材料を除去する一方、同時に反応器
の燃焼効率を増加させる流動床反応器に関する。

【０００２】

【従来の技術】流動床をその主要な熱発生源として使用
する燃焼器、蒸気発生器等の反応器はよく知られてい
る。これらの装置において、空気は反応器の炉区域内に
通され、その内に包含される石炭等の化石燃料と石炭の
燃焼の結果として生ずる硫黄を吸着するための石灰石等
の吸着剤との混合物を含む粒状材料の床を通る。空気は
床を流動化し、燃料の燃焼を促進する。

【０００３】流動床反応器の汚染特性を改善するため
に、流動床の種々の領域における酸素の量を制御するこ
とにより、燃料の燃焼を段階化することが知られてい
る。流動床の下方領域は、一般に多燃料つまり化学量論
的条件以下において操作され、それにより窒素酸化物放
出が減少される。そして上方領域は、多酸素つまり酸化
条件下において操作され、燃料を完全燃焼する。

【０００４】流動床の各領域は燃料及び吸着剤の粒子の
均一な混合物を含み、燃料粒子の一部は未燃焼であり、
一部は部分的に燃焼され、一部は完全燃焼され、吸着剤
の一部は未反応であり、一部は部分的に反応され、一部
は完全に反応される。粒状材料は新しい燃料及び吸着剤
の導入に適合するために装置から効率的に排出されなけ
ればならない。そのため粒状材料の一部は、反応器装置
からその部分を除去するために、通常床の下方領域から
ドレンパイプ中を通される。

【０００５】しかしながら、重要な操作パラメターであ
る流動床中の粒径分布は、この除去された粒状材料の一
部を炉区域内へと再循環させることにより効果的に制御
することができることがわかっている。これはしばし
ば、除去された粒状材料中に空気を吹き込み、粒状材料
のより微細な部分をストリップして同伴し、該部分を炉
区域へと返却することにより達成される。

【０００６】例えば、本発明の譲受人に譲渡され、参照
により本明細書に組み込まれる米国特許第４，８２９，
９１２号には、流動床反応器中の粒径分布を制御する方
法が開示され、該方法において、除去された粒状材料の
より大きな固体からより微細な部分をストリップするこ
とよりその微細な部分を同伴するために、空気の噴射が
炉区域から除去された粒状材料中を通過し、これらのよ
り微細な部分を炉区域へ再循環させる。ストリップされ
ず、再循環されなかった粒状材料は、灰取扱装置へと通
され、反応器装置から除去される。しかしながら、この
再循環されなかった粒状材料は通常の灰取扱装置の設計
温度を越える温度を有するため、材料は灰取扱装置へ通
過する前に冷却されなければならない。これらの形式の
装置において、再循環されなかった粒状材料から除去さ
れた熱は、燃焼支持ガスの予熱若しくは再熱又は過熱の
仕事のため等の生産的使用に付すことができる。

【０００７】反応器の炉区域に隣接して位置されるスト
リッパー／冷却器は、除去された粒状材料のより微細な
部分の再循環、及び除去されたが再循環されなかった粒
状材料の冷却の両方を行なうことができる。これらの形
式の装置において、ストリッパー／冷却器の第一区域つ
まりストリッパー区域は流動床の下方領域からドレンパ
イプを通して粒状材料を受理する。空気がストリッパー
区域中に吹き込まれ、粒状材料のより微細な部分の一部
をストリップつまり同伴し、この部分は次に炉区域へと
返却される。ストリッパー／冷却器内に残った粒状材料
は、次に通常ストリッパー／冷却器の第二区域つまり冷
却器区域へと通され、そこで灰取扱装置へと排出される
前に、粒状材料と熱交換関係において水又は蒸気を通す
ことにより、又は空気を吹き込むことにより、粒状材料
から熱が除去される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】直前に記載されたスト
リッパー／冷却器装置には欠点がないわけではない。例
えば、反応器の炉区域から除去された粒状材料の相当の
部分は、粒状材料が除去される流動床の下方領域におい
て維持される通常化学量論的条件以下のため、燃焼され
ない燃料となる。これにより、除去された未燃焼燃料は
その比較的大きい粒径のため流動床へ再循環されないた
め、反応器装置は最適燃焼効率未満となる。従って、こ
れは灰取扱装置を通って排出される。

【０００９】更に粒状材料が炉区域から除去される際、
該材料は熱を共に除去し、炉内で得られる熱を減少さ
せ、冷却装置が灰取扱装置が材料を扱うことができるよ
うにすることを必要とする。さらに、ストリップされた
粒状材料を炉区域へと返却するためにダクト工事が必要
となる。

【００１０】従って本発明の目的は、改良された燃焼効
率を有する流動床反応器を提供することにある。

【００１１】本発明の別の目的は、反応器の炉区域から
除去された粒状材料の熱含量が減少される上記の形式の
流動床反応器を提供することにある。

【００１２】本発明のさらに別の目的は、炉区域の一部
の化学量論が炉区域の他の部分から独立して制御される
上記の形式の流動床反応器を提供することにある。

【００１３】本発明のさらに別の目的は、流動床反応器
から粒状材料を受理するために必要なストリッパー／冷
却器のサイズを減少させることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】これら及び他の目的を達
成するために、本発明によれば、炉区域と、該炉区域内
の粒状材料の床を支持する手段と、該炉区域の一の壁に
隣接して配置された冷却器と、該壁の近くの前記材料を
冷却するために該材料を前記冷却器へと通過させるた
め、該壁に形成された出口開口と整合する出口ダクト
と、ガスを前記壁の近くの材料の部分へと通過させて該
材料を流動化するために前記支持手段の直下に延長する
第１のプレナムと、ガスを前記炉区域内の残りの材料へ
と通過させて該材料を流動化するために前記支持手段の
直下に延長する第２のプレナムと、前記第１のプレナム
から前記壁の近くの材料へのガス流が前記第２のプレナ
ムから前記残りの材料へのガス流よりも多くなるように
該第１及び第２のプレナムと関連してこれらプレナムか
ら前記材料へのガス流を制御して、該壁の近くの材料か
ら比較的微細な材料をストリップし、該壁の近くの材料
の燃焼のための化学量論的条件を増加させ、且つ、該壁
の近くの材料を冷却するガス流制御装置とを含む流動床
反応器が提供される。

【００１５】さらに本発明によれば、前記床を二つの床
部分に仕切るために前記支持手段の上方に延長する隔壁
を更に含み、床部分の一方は前記材料の一の部分を含
み、他方は前記材料の他の部分を含み、前記隔壁は開口
を有して前記床部分間の前記材料の通路を許容する流動
床反応器が提供される。

【００１６】

【実施例】図１は参照番号１０で一般に示される本発明
の流動床反応器を示す。反応器１０は、壁１４、１６、
１８及び２０（図２）によって規定される略矩形の炉区
域１２を含む。炉区域１２の基部にはプレナムフロア２
２が設けられ、屋根（図示せず）が囲包体を完成させ
る。

【００１７】反応器１０が蒸気発生の目的で使用される
場合、壁１４、１６、１８及び２０は、平行で気密な態
様で形成され加熱されるべき水等の流体を搬送する複数
の熱交換管から形成されるであろうことが理解される。
各壁１４、１６、１８及び２０の両端部に複数のヘッダ
ー（図示せず）が配置され、追加の管及び関連する流れ
回路と共に慣用の態様で流体を反応器１０中に、また蒸
気ドラム（図示せず）へ及びここから送るように機能す
るであろうことが理解される。これらの部品は表示の便
宜上、図面においては省略されている。

【００１８】穿孔板２４は、参照番号２５で一般に示さ
れる粒状材料の床を支持するために、炉区域の下方部分
において水平に延長する。床２５は、瀝青炭等の燃料材
料の分離した粒子からなり、該粒子はフィーダー等の既
知のいずれかの態様で炉区域１２内に導入される。石灰
石等の硫黄吸着材料をまた同様の態様にて炉区域１２内
に導入してもよく、該材料は燃料の燃焼によって発生す
る硫黄を吸着することが理解される。

【００１９】また、始動の間に最初に床２５に着火する
ために、床着火バーナー（図示せず）が壁１４を通して
板２４の上方に載置されることが理解される。

【００２０】プレナム２６は板２４とフロア２２との間
に規定され、二つの垂直隔壁２８及び３０（図２）によ
って二つのプレナム区域２６ａ及び２６ｂに分割され
る。プレナム区域２６ａは、ガス流制御装置としてのダ
ンパ３２ａの制御のもとに外部源から導管３２を経て空
気等の加圧ガスを受理する。プレナム区域２６ｂは、ガ
ス流制御装置としてのダンパ３４ａの制御のもとに外部
源から導管３４を経て加圧ガスを受理する。これによ
り、プレナム区域２６ａ及び２６ｂ内の圧力は、以下に
説明する理由により独立して制御される。

【００２１】複数のノズル３６は板２４に設けられる穿
孔を通して延長し、プレナム区域２６ａ及び２６ｂから
の空気を二つのプレナム区域の直上にそれぞれ延長する
対応する床部分２５ａ及び２５ｂへと排出し、その床部
分を流動化するように適合されている。プレナム区域２
６ｂは流動床２５のその部分である床部分２５ｂの下方
に配置され、該部分は炉区域１２から除去されるために
通常ストリッパー／冷却器又は灰取扱装置内へと排出さ
れる。よって床２５の残りの部分に対する床部分２５ｂ
の選択的帯状流動化は、ダンパ３４ａを制御してプレナ
ム室２６ｂに入る空気を制御することにより達成され、
それにより流動床内にストリップ空気領域を創生する。

【００２２】床部分２５ａ及び２５ｂ中の両方を通過す
る空気は、それがプレナム区域２６ａ又は２６ｂのどち
らからであっても、床２５を流動化して燃料の燃焼を促
進し、燃焼生成物と結合して、炉区域１２中を対流によ
って上昇する燃焼煙道ガスを形成する。煙道ガスは炉区
域１２内の比較的微細な粒状材料の一部を同伴し、分離
区域（図示せず）及び熱回収区域（図示せず）へと下流
へ通過する。

【００２３】炉区域１２の壁１６に隣接して配置される
冷却器４０は、略矩形の形状で、壁４２、４４、４６及
び４８（図２）、フロア５０及び屋根５２によって規定
される。壁４２、４４、４６及び４８は通常は耐火物張
り板で構築されるが、反応器１０が蒸気発生の目的に使
用される場合には、これらの壁は以前説明した複数のヘ
ッダーと流れ回路と関連する複数の熱交換管によって形
成されてもよい。

【００２４】冷却器４０の下方部分に板５４が配置さ
れ、板２４と同一平面上に水平に延長し、フロア５０か
ら離隔してその間にプレナム５６を形成するが、板５４
は板２４と同一平面上に配置される必要はないことが理
解される。二つの導管５８及び６０は、外部源から空気
等のガスを受理し、離隔位置においてプレナム５６と連
通し、以下に説明するようにプレナム５６の種々の部分
における圧力を独立して制御する。ダンパ５８ａ及び６
０ａはそれぞれ導管５８及び６０内に配置され、かよう
な独立した制御を提供する。

【００２５】垂直隔壁６２はフロア５０から上方に延長
し、プレナム５６を二つの区域５６ａと５６ｂとに分割
し、冷却器４０を、プレナム区域５６ａの上方に配置さ
れる冷却器区域４０ａとプレナム区域５６ｂの上方に配
置される冷却器区域４０ｂとに分割する。通路６２ａ
（図２）は隔壁６２と壁４６との間に形成され、冷却器
区域４０ａ内の粒状材料を冷却器区域４０ｂに通過させ
る。

【００２６】板５４は穿孔されて複数のノズル６４を受
理し、該ノズルはプレナム５６から空気を排出して冷却
器区域４０ａ及び４０ｂ内の粒状材料を流動化し、該材
料を冷却器区域４０ａから通路６２ａを通して冷却器区
域４０ｂへ又ドレンパイプ（図示せず）へと向けるよう
に向けられており、該ドレンパイプは板５４の拡大開口
を通して延長して冷却器区域４０ｂと接続する。

【００２７】比較的大きく略水平なダクト６６は炉区域
１２の壁１６に形成された開口を冷却器４０の隣接する
壁４２に形成された対応する開口へと接続し、炉区域１
２の床区域２５ｂ内の粒状材料が冷却器４０の冷却器区
域４０ａ内に通過するようにする。

【００２８】操作において、粒状燃料材料及び吸着剤は
炉区域１２内に導入され、板２４上に堆積する。外部源
からの空気は空気導管３２及び３４を経てプレナム２６
内へと通過し、板２４及びノズル３６を通して板上の粒
状材料中へと通過して床２５を流動化する。

【００２９】着火バーナー（図示せず）等が着火され、
床２５中の粒状燃料材料に着火する。床２５中の材料の
温度が所定水準に達する場合は、追加の粒状材料は連続
的に床２５の上方部分上に排出される。空気は燃料の燃
焼を促進し、空気の速度はダンパ３２ａ及び３４ａによ
って制御され、床２５の最小流動化速度を越える。ノズ
ル３６を経て導入される空気の体積流量もまた制御さ
れ、床２５の下方領域を化学量論的条件以下で操作して
汚染物質の生成を減少させる。燃料を完全燃焼するため
に、空気口（図示せず）を通して炉区域１２の上方領域
内へと二次空気が供給される。

【００３０】燃料が燃焼し吸着剤粒子が反応するにつ
れ、ノズル３６を通しての空気の連続的な流入により、
未燃焼燃料、部分的に燃焼した燃料、及び完全燃焼した
燃料並びに未反応吸着剤、部分的に反応した吸着剤、及
び完全に反応した吸着剤を含む粒状材料の均一な流動床
２５が創生される。

【００３１】粒状材料はダクト６６を通して床部分２５
ｂから排出され、新しい燃料及び吸着剤のための余地を
提供する。床部分２５ｂ内への空気流は、ダンパ３２ａ
及び３４ａをそれぞれ調節することにより流動床２５の
残りの部分つまり床部分２５ａ内への空気流よりも高い
水準に維持される。この床部分２５ｂ内への増加された
空気流は排出固体から比較的微細な粒状材料をストリッ
プし、これらのより微細な粒子がダクト６６に入るのを
防ぐ。増加された空気流はまた、床２５の下方領域の残
りの部分に対する床部分２５ｂにおける酸素のパーセン
テージを増加させ、その結果燃料の増加した燃焼が生じ
る。床部分２５ｂ内への増加した空気流の第三の効果
は、床部分２５ｂ内の粒状材料から煙道ガスへの熱の増
加された移動である。

【００３２】ダンパ５８ａは所望により開放され、プレ
ナム区域５６ａを経て冷却器区域４０の冷却器区域４０
ａ内へ空気を導入し、床部分２５ｂからダクト６６を通
して冷却器区域４０への粒状材料の流れを促進する。ノ
ズル６４は冷却器区域４０ａ内及び隔壁６２の周囲の粒
状材料を駆り立てるために空気を排出するように向けら
れ、該隔壁は、冷却器４０内の粒状材料が冷却器区域４
０ｂと連通するドレンパイプ（図示せず）を経て灰取扱
装置（図示せず）へと通過する前に、該材料の滞留時間
を増加させるように機能する。空気速度、及びよって冷
却器４０内への粒状材料の流れの度合い、及び必要な流
動化及び冷却の度合いは、それぞれダンパ５８ａ及び６
０ａの位置を変化させることにより必要に応じて制御さ
れる。冷却器４０内の粒状材料中を通過する比較的冷た
い空気は、材料から熱を除去し、適当な開口及び通路を
必要に応じて構造に追加して炉区域１２内の二次空気ま
たは他の方法に使用することができる。更に、冷却器４
０内の粒状材料の熱滞留は、冷却器４０の壁又は冷却器
４０内に配置された熱交換器（図示せず）中の伝熱流体
へと伝導され得る。

【００３３】特許請求の範囲には記載されない流動床反
応器及びその操作方法の別の好ましい実施態様が図３に
示される。炉区域１２と同様で壁７０及び７２並びに二
つの側壁（図示せず）によって規定される炉区域６８が
設けられる。炉区域６８の基部にフロア７４が設けら
れ、屋根（図示せず）が囲包体を完成させる。

【００３４】フロア７４と穿孔板７８との間に規定され
て炉区域６８の下方部分にプレナム７６が形成される。
前述の実施態様との相違点は、プレナム７６が分画され
ておらず、ダンパ８０ａの制御のもとに単一の導管８０
から流動化空気を受理することである。

【００３５】床部分８１ａ及び８１ｂを有する粒状材料
の床８１は板７８によって支持される。二組のノズル８
２ａ及び８２ｂは板７８に設けられた穿孔中を延長し、
空気をプレナム７６から床部分８１ａ及び８１ｂ内へと
排出するように適合される。図３に示されるように、ノ
ズル８２ｂは床部分８１ｂを流動化し、ノズル８２ａは
床部分８１ａを流動化する。ノズル８２ｂはノズル８２
ａよりも大きな横断面積を有し、よってノズル８２ａよ
りも空気流に対する抵抗が低く、ノズル８２ａに比べて
より大きい体積流量の空気が内部を通過することとな
る。床８１の残りの部分つまり床部分８１ａに対する床
部分８１ｂの選択的帯状流動化は、よって受動的装置に
よって達成される。

【００３６】床部分８１ｂの周囲に耐火物張り囲包体８
６が設けられ、床部分８１ｂを床部分８１ａから分画す
る。囲包体８６には適当な開口８６ａ及び８６ｂが形成
され、床部分８１ａと８１ｂとの間の粒状材料及び空気
の通過に備える。従って、囲包体８６を図１に示される
反応器１０に設けたものが、請求項２に記載したもので
ある。

【００３７】冷却器４０と同一の冷却器（図示せず）が
炉区域６８に隣接して配置され、前記の実施態様に関し
て上述された態様及び目的で、床部分８１ｂからダクト
８８を経て粒状材料を受理する。

【００３８】操作において、図３に示される実施態様
は、本質的には前述の実施態様と同様に機能するが、唯
一の相違点は、床部分８１ｂに対して空気流が増加され
る態様である。前述のように、床部分８１ｂ内への流体
抵抗を減少させることにより、流動化空気の体積流量は
増加され、それによりプレナム７６を分画して各プレナ
ム区域への空気流を独立して制御する必要なく、比較的
微細な粒状材料をストリップし、化学量論的条件を増加
し、排出材料を冷却する。

【００３９】

【発明の効果】よって本発明の装置はいくつかの利点を
提供することがわかる。例えば、プレナム２６を分画す
ることにより炉区域１２から排出される床部分２５ｂの
化学量論は、炉区域の残りの部分から独立して制御され
得る。よって床部分２５ｂへの空気流を増加して、床２
５の残りの部分の化学量論以下の条件に影響を与えるこ
となく該床部分の化学量論的条件を増加させることがで
きる。床部分２５ｂ内の化学量論的条件を増加させるこ
とにより燃焼は増強され、結果として未燃焼の燃料が炉
区域１２から除去される量が減少する。更に、増加され
た空気流は床部分２５ｂ中の比較的微細な粒状材料をス
トリップし、これが排出されるのを防ぐ。従って、冷却
器４０は、ストリッパー区域もストリップされた材料を
炉区域へと返却搬送するのに必要な関連するダクト工事
も必要とせず、これにより反応器装置のサイズ及びコス
トが減少する。また、増加された空気流は粒状材料の熱
を煙道ガスに移動させることにより床部分２５ｂ中の該
材料を冷却し、それにより除去された材料が灰取扱装置
へと通過する前に必要とする冷却の量を減少させる。

【００４０】また囲包体８６の追加は、床部分８１ｂと
流動床８１の残りの部分との間の相互影響を減少させる
という特別の利点を提供する。

【００４１】本発明の範囲から逸脱することなく種々の
変更をなしてもよいことが理解される。例えば、図１及
び図２の実施態様の能動的制御と図３の実施態様の受動
的制御の結合を利用して流動床内にストリップ空気区域
を形成することができる。また、図３の実施態様の囲包
体８６は図１及び図２の実施態様に組み込まれてもよ
く、蒸気発生のために流れ回路と関連する複数の熱交換
管によって形成されてもよい。更にダクト６６及び８８
は床部分２５ｂ及び８１ｂからそれぞれ下方に延長する
略垂直なダクト及び対応する炉区域の下方に配置される
冷却器によって置換されてもよい。

【００４２】他の変更及び置換が前述の開示中に意図さ
れ、ある場合においては発明のある特徴が別の特徴の対
応する使用なしに用いられることもある。従って、添付
請求項は広く、発明の範囲に合致する態様にて解釈され
るのが適当である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の流動床反応器の断面図である。

【図２】図２は図１の２−２線に沿った横断面図であ
る。

【図３】図３は本発明の別の実施態様を示す図１と同様
の図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−85096（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−49137（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−105616（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−13363（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−193827（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−124608（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−140201（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉区域と、該炉区域内の粒状材料の床を
   支持する手段と、該炉区域の一の壁に隣接して配置され
   た冷却器と、該壁の近くの前記材料を冷却するために該
   材料を前記冷却器へと通過させるため、該壁に形成され
   た出口開口と整合する出口ダクトと、ガスを前記壁の近
   くの材料の部分へと通過させて該材料を流動化するため
   に前記支持手段の直下に延長する第１のプレナムと、ガ
   スを前記炉区域内の残りの材料へと通過させて該材料を
   流動化するために前記支持手段の直下に延長する第２の
   プレナムと、前記第１のプレナムから前記壁の近くの材
   料へのガス流が前記第２のプレナムから前記残りの材料
   へのガス流よりも多くなるように該第１及び第２のプレ
   ナムと関連してこれらプレナムから前記材料へのガス流
   を制御して、該壁の近くの材料から比較的微細な材料を
   ストリップし、該壁の近くの材料の燃焼のための化学量
   論的条件を増加させ、且つ、該壁の近くの材料を冷却す
   るガス流制御装置とを含む流動床反応器。
2. 【請求項２】 前記床を二つの床部分に仕切るために前
   記支持手段の上方に延長する隔壁を更に含み、床部分の
   一方は前記材料の一の部分を含み、他方は前記材料の他
   の部分を含み、前記隔壁は開口を有して前記床部分間の
   前記材料の通路を許容する請求項１の流動床反応器。