JP2783337B2 - 流動床式伝熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流動床廃棄物焼却ボイラ
や流動床反応器等の伝熱管と流動媒体とを接触させて相
互間で伝熱を行うようにした流動床式伝熱装置に係り、
詳しくは伝熱量の制御性を向上させうる流動床式伝熱装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、流動床廃棄物焼却ボイラや流
動床反応器等の流動床式伝熱装置においては、流動室内
で空気等のガスで流動媒体を流動化させて流動床を形成
させると共に伝熱管を該流動床の内部、又は、上部に位
置するように配列、設置して、該流動床の流動媒体と伝
熱管とを接触させて相互間で伝熱させるようにしてい
る。このような流動床式伝熱装置は伝熱効率が良いとい
う特徴を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
流動床式伝熱装置では、伝熱量（例えば流動床反応器で
あれば反応量）を制御するためには、流動床の加熱源原
料（例えば石炭等の燃料）の供給量を調節するか、又
は、流動化空気の供給量を変更して流動床高さ（盛り上
がり高さ）を変更して伝熱管と接触する流動媒体量の調
節をすることが必要であった。このような伝熱量の制御
方法において、前者の加熱源原料の供給量を変更する方
法は流動床温度が変わるため反応に必要な温度範囲を維
持できなくなる場合があり、又、後者の流動床高さを変
える方法では応答性が悪く（遅く）、伝熱装置の制御性
が不安定なものとなっていた。

【０００４】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであり、流動床の温度変化等を防いで、伝熱量の変
化を精度よく素早く行える制御性のよい流動床式伝熱装
置を得ることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、流動室を横断して水平状に取付けられ
た伝熱管と流動媒体とを接触させて相互間で伝熱を行う
ようにした流動床式伝熱装置において、該伝熱管の外周
面部に、伝熱管の長手方向に沿って延び、伝熱管の長手
方向に直交する面の中心に対してほぼ対称な位置に周方
向に所要の幅を有して伝熱管の長手方向に沿って開口部
を形成した保護管を設け、該保護管を伝熱管の長手方向
に直交する面の中心を回転中心として回転可能に設けた
構成としたものである。

【０００６】

【作用】流動床の流動媒体と水平に置かれた伝熱管との
接触による伝熱達特性は一般的に図５のグラフに示した
ような関係となる。即ち、流動媒体が伝熱管に接触する
ことにより流動媒体から伝熱管へ、又はこの逆に伝熱管
から流動媒体へ伝達される熱の伝達特性は図５に示され
るように伝熱管の管周位置においてかなりの変化を呈し
伝熱係数（正確には管外局所伝熱係数）Ｈは伝熱管の頂
部からほぼ３０°下がった角度位置（θ≒１５０°）に
おいて最も大きく、従って伝熱量が大きく、伝熱管の下
端からほぼ６０°上がった位置（θ≒６０°）において
最も小さく、従って伝熱量が小さいという関係を有して
いる。

【０００７】この理由は、流動媒体が流動化し流動媒体
が上下往復運動を繰り返している状態において伝熱管の
頂部（θ＝１８０°）においては流動媒体が溜まり、こ
の溜まった流動媒体が断熱層として作用するため伝熱係
数Ｈが小さい。そして、伝熱管の頂部からほぼ３０°下
がった角度位置において伝熱係数が最も大きくなるのは
流動媒体が伝熱管の頂部から管周に沿って滑って下降す
ることにより流動媒体と伝熱管との接触時間が長い。こ
のような事象による影響で伝熱係数分布の変化が管周囲
で大きいものとなっていると考えられる。流動媒体とし
ては例えば粒径が０．３〜１．０ｍｍの硅砂等の砂が用
いられる。

【０００８】しかして、本発明では流動媒体と伝熱管と
の接触による熱伝達特性がこのような性質を有すること
に基づいて、保護管を該伝熱管の軸心回りに回転させる
ことにより、保護管の開口部の位置を変えて伝熱管に対
する流動媒体の接触位置を変化させて選択することによ
り、伝熱管の有する伝熱係数の所要の伝熱係数が選ばれ
る。従って、伝熱量の変化が応答性良く行われる。な
お、伝熱管の回転は瞬時にして行われ、必要な熱伝達が
瞬時にして確保され、伝熱制御が効率良く行われる。

【０００９】

【実施例】次に、図面に示した実施例により本発明を詳
細に説明する。図３は本発明の保護管を取付けた伝熱管
を配置した流動床伝熱装置としての流動床反応器の実施
例を示す概略縦断面図である。流動床反応器１は周囲を
炉壁１ａで囲まれて形成され、下方に高温空気室１０が
位置し、その上部に空気分散板１１を介して流動室２０
が位置して構成されている。高温空気室１０には高温空
気発生用の燃焼バーナ１２が取付けられており、この燃
焼バーナ１２には重油等の燃料供給管と空気供給管が接
続されている。空気分散板１１には多数の空気ノズル１
１ａが設けられ、上方の流動室２０に高温空気を供給す
るように形成されている。

【００１０】流動室２０内では例えば粒径が０．３〜
１．０ｍｍの硅砂等の砂からなる流動媒体２１が空気分
散板１１の多数の空気ノズル１１ａから供給された高温
空気によって流動化されて流動床２２が形成されてい
る。流動床２２の上方には多数の伝熱管２３が配置され
ており、伝熱管２３は流動室２０を横断して水平状に取
付けられ、その下方は原料供給管２６に接続され、上方
は生成物排出管２７に接続されている。流動室２０の上
部には排ガス排出用の排気口２８が設けられている。

【００１１】しかして、各伝熱管２３には詳細を図１及
び図２に示すようにその周囲の外周面部に管状の保護管
２４が伝熱管２３と僅かの隙間を開けて伝熱管２３の長
手方向に沿って延長されて設けられており、保護管２４
には図１に示すように長手方向に直交する面の中心に対
して対称な位置において周方向に所要の幅（角度α）を
有し、図２に示すように長手方向に沿って真っ直ぐな状
態で切り掛かれて形成された開口部２５が設けられてい
る。開口部２５の周囲の端部には保護管２４から折り曲
げられて形成された堤２４ａが設けられ、保護管２４と
伝熱管２３との間の隙間に流動媒体が流入しないように
構成されている。本実施例では開口部２５は、図１に示
すように長手方向に直交する面の中心に対して対称な位
置（角度１８０°隔てた位置）において２箇所にそれぞ
れ周方向に角度α＝９０°の幅を有して設けられてい
る。開口部を１箇所だけ設けると伝熱管２３の伝熱面積
を殺し過ぎることになり、徒に伝熱装置が大きくなる。
また、このような大きさの開口部を２箇所設けることに
より保護管２４を最大９０°だけ回転すれば全範囲をカ
バーできることになり、回転量も大きくならなくて済
む。

【００１２】保護管２４は図示していないが保護管２４
の両端部でブッシュ等のすべり軸受によって伝熱管２３
に回転自在に支持されている。また、保護管２４の端部
には流動室２０の外部でサーボモータを駆動源とし全て
の伝熱管２３を一斉に回転させるための回転駆動装置が
接続されている。このような構成の流動床反応器１にお
いて、流動室２０内おいては高温空気室１０から空気分
散板１１の多数の空気ノズル１１ａから供給される高温
空気によって流動媒体２１が流動化されて流動床２２が
形成されている。流動媒体は高温空気によって高温に加
熱されている。加熱された流動媒体２１は流動床２１か
ら跳び出して流動床２１の上方のスプラッシュゾーンに
ある伝熱管２３周囲に撥ね上げられ上下運動を繰り返
し、保護管２４の開口部２５に入り込み開口部２５に面
した伝熱管２３と接触する。当然のことながら保護管２
４の開口部２５以外の部分で覆われた伝熱管２３には接
触することはない。伝熱管２３には被反応原料が供給さ
れて伝熱管２３が流動媒体２１から熱を吸収して反応し
所定の生成物が得られる。

【００１３】しかして、このような状態において、図１
において保護管２４を回転させてその開口部２５を０°
から９０°まで回転させる図５に示したような伝熱管２
３の所要の伝熱係数Ｈを選択することができる。それぞ
れの開口部２５の中心が図１の０゜と１８０°の位置に
あるときは図５のグラフにおいて角度θが０〜４５°の
範囲θ_１の伝熱係数Ｈと１３５°〜１８０°の範囲θ_３
のカーブの伝熱係数Ｈが選ばれる。このときの伝熱量が
最も大きくなる。なお、図５のグラフは左半分の管につ
いての伝熱係数を示しており、右半分も同様なカーブを
呈する。また、開口部２５を図１の位置から９０°回転
させてそのそれぞれの中心が図１の９０°と２７０°の
位置にあるときは図５において角度θが４５°〜１３５
°の範囲θ_２のカーブの伝熱係数Ｈが選ばれる。このと
きの伝熱量が最も小さくなる。因みに、伝熱量負荷Ｑ
は、Ｑ＝Ｈ_Ｔ・Ｓ・ΔＴ（Ｈ_Ｔは総括伝熱係数、Ｓは伝
熱面積、ΔＴは対数平均温度差）で表され、本実施例の
場合、Ｓ、ΔＴは一定であり、Ｈ_Ｔは管内伝熱係数、他
の伝熱因子をほぼ一定とみなすことができるから伝熱量
負荷Ｑは管外熱伝達係数Ｈにほぼ比例すると考えてよ
い。

【００１４】本実施例のように開口部２５の開口幅角度
を９０°とし、図５のグラフに示す伝熱係数を有する伝
熱管２３の場合について、開口部２５の中心を図１の位
置０°から９０°まで回転させると、伝熱量は流動床２
２の温度をほぼ一定に保って図４のグラフに示すように
ほぼ直線的に１００％から７０％ロードまで変化させる
ことができる。即ち、開口部２５が図１に示す位置にあ
るときの伝熱量負荷を１００％とすると開口部２５を図
１の位置から９０°回転させたときの伝熱量負荷はその
７０％となる。開口部２５の開口幅角度が９０°より大
きくても小さくても回転角と伝熱量は直線関係にならな
い。従って、負荷変化は１００％から７０％と小さな範
囲であるが、応答性がよい。

【００１５】このため、本実施例装置のような化学反応
器１においては、シビアな負荷制御が行え、例えば、反
応温度が６５０〜６７０℃と狭い範囲の温度でないと反
応しない物質の反応操作を行う場合等に極めて有利であ
る。伝熱管２３内で反応操作を終えた物質は生成物排出
管２７から取り出される。また、本発明装置では廃プラ
スチックス、都市ごみ、廃油等の原料性状（発熱量等）
が一定しない廃棄物や、特に発熱量の高い廃棄物を燃焼
焼却するボイラ等の負荷制御にも有利である。

【００１６】以上の実施例では保護管２４の開口部２５
の開口幅αを角度９０°とした場合を示したが、流動床
静置高さ、伝熱管と流動床の高さ距離、など伝熱条件が
異なる反応器に対しては開口幅αを適宜異ならせること
ができる。また、全ての伝熱管２３に保護管２４を取付
けた場合を示したが、必要な伝熱管２３のみに取付けて
伝熱条件を異ならせるようにすることもできる。

【００１７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、保護管を回転させることにより保護管の開口
部の位置を変えて伝熱管に対する流動媒体の接触位置を
変化させて伝熱管の有する伝熱係数の所要の伝熱係数を
選ぶことにより、必要に応じた伝熱量の変化を応答性良
く行わせることができる。なお、この場合、伝熱管の回
転は瞬時にして行うことができ、必要な熱伝達を瞬時に
して確保することができるので制御を効率良く行うこと
ができる。従って、比較的シビアな温度条件で化学反応
をさせる流動床反応器等の流動床式伝熱装置に好適に用
いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る保護管の拡大縦断面図で
ある。

【図２】本発明の実施例に係る保護管の斜視図である。

【図３】本発明の実施例に係る流動床反応器の概略縦断
面図である。

【図４】本発明の実施例に係る保護管回転角と伝熱量負
荷の関係を示すグラフである。

【図５】伝熱の管外局所伝熱係数を示すグラフ及びその
グラフを説明する図である。

【符号の説明】

１ 流動床反応器 １０ 高温空気室 １１ 空気分散板 ２０ 流動室 ２１ 流動媒体 ２３ 伝熱管 ２４ 保護管 ２５ 開口部

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流動室を横断して水平状に取付けられた
   伝熱管と流動媒体とを接触させて相互間で伝熱を行うよ
   うにした流動床式伝熱装置において、該伝熱管の外周面
   部に、伝熱管の長手方向に沿って延び、伝熱管の長手方
   向に直交する面の中心に対してほぼ対称な位置に周方向
   に所要の幅を有して伝熱管の長手方向に沿って開口部を
   形成した保護管を設け、該保護管を伝熱管の長手方向に
   直交する面の中心を回転中心として回転可能に設けたこ
   とを特徴とする流動床式伝熱装置。