JP2790223B2 - 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
熱能力を向上させることのでき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効率はよいものの、流動床の
流動媒体と伝熱管との接触による伝熱特性としての伝熱
係数は管周においてかなりのばらつきを生じる。例え
ば、流動床の上部のフリーボードに伝熱管を水平に配置
した場合の伝熱特性は図５に示すグラフの如くである。
なお、図５のグラフは伝熱管の左半分のみの伝熱係数
（正確には管外局所伝熱係数）Ｈの分布を示すものであ
る。右半分の分布も対称的に生じる。このようにばらつ
いた分布を示すのは、図４に示すように流動媒体の粒子
の運動特性によるものと考えられる。即ち、伝熱管に当
たる流動媒体が上から落ちてくる場合は伝熱管上を滑っ
て下に落ちて行くため、伝熱管との接触時間も長く、図
４中、Ａ点付近が伝熱係数Ｈが最大になり伝熱量が最大
になる。伝熱管の頂上付近は流動媒体が溜まるために断
熱されるようになり、伝熱係数Ｈは小さく伝熱量は僅か
に小さくなる。

【０００４】Ａ点は、流動床静置高さ、伝熱管までの距
離によって影響されるが、角度にして１２０°〜１５０
°付近にある。Ａ点からＢ点までは、流動媒体が伝熱管
に接触し難くなるために伝熱係数Ｈは小さくなり伝熱量
は小さく、Ｂ点で最小となる。Ｂ点はほぼ６０°付近と
なる。Ｂ点から０°までは順次流動媒体が伝熱管に接触
する頻度も高くなるが、接触時間は瞬時で短いため伝熱
係数Ｈは小さく伝熱量は小さい。なお、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。

【０００５】このように従来の流動床式伝熱装置におい
ては、流動媒体と伝熱管との接触時間が短いことの理由
により伝熱管の下部から６０°付近を中心に管外局所伝
熱係数Ｈが極小値を示すこと等によって伝熱管全体の総
伝熱係数を低下させていた。本発明には、このような問
題点に鑑みてなされたものであり、伝熱管と流動媒体の
接触時間を長くして伝熱管全体の総伝熱係数をアップし
うる流動床式伝熱装置を提供することを目的としてい
る。

【０００６】

【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上下の対称な位置
に対向させてそれぞれ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取付け、
該保護管と伝熱管との間であり、かつ、対向するそれぞ
れの開口部との間で伝熱管の管周に沿って連通する隙間
を形成し、該隙間は伝熱管の該中心を通る水平面に対し
て上下両側にそれぞれ所要の距離を有しかつ連続して形
成した構成としたものである。

【０００７】

【作用】伝熱管の頂部付近から下方に沿って落ち伝熱管
から離れて行こうとする流動媒体が保護管の上部の開口
部の端部から流入して伝熱管と保護管の間の隙間を通っ
て下部の開口部の端部から流出する。このため、伝熱管
への流動媒体の接触時間が長くなり、伝熱係数が飛躍的
に上昇し、伝熱量が飛躍的に上昇する。

【０００８】

【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。

【０００９】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。

【００１０】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と所定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伝熱管２３に固定されて取付
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上下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に若しはやや真っ直ぐな状態
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の周囲は伝熱管２３との間を開口されて
おり、上部の開口部２５においては流動媒体流入口２５
ａが形成され、下部の開口部２５においては流動媒体流
出口２５ｂが形成され、保護管２４と伝熱管２３との間
の隙間に流動媒体が流入しうるように形成されている。
保護管２４と伝熱管２３の間の該隙間は、図１に示すよ
うに、伝熱管２３の中心を通る水平面に対して上下両側
にそれぞれ所要の距離を有して形成され、かつ、その上
下両側の隙間は伝熱管２３と保護管２４により連続して
形成されている。

【００１１】保護管２４と伝熱管２３との間の隙間は例
えば半径で５〜１０ｍｍとされる。なお、この隙間は流
動媒体２１の粒子径や流動媒体の種類による安息角の違
い等によって選び、粒子が円滑に流通可能な大きさを選
ぶようにする。開口部２５は、本実施例では図１に示す
ように長手方向に直交する面の中心に対して上下方向の
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°の幅を有して形成さ
れている。そして、保護管２４は図示していないが保護
管２４の両端部でスリーブとブッシング等の固定部材に
よって伝熱管２３に固定支持されている。

【００１２】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の上方のフリーボードのスプラッ
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。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
に示すように、上部開口部２５内の伝熱管２３の頂部に
は一部の流動媒体２１が山状に溜まるが、この山やこの
部分の管周に沿って下降する流動媒体２１粒子は流動媒
体流入口２５ａから伝熱管２３と保護管２４との間に導
かれて通過して下降し下部開口部２５の流動媒体流出口
２５ｂから下方へ流出する。この間において加熱された
流動媒体２１が伝熱管２３と接触することになり、伝熱
管２３と流動媒体２１との接触時間が長く確保される。

【００１４】従って、本実施例のように開口部２５の開
口角度αを９０°とした場合には、従来、最も伝熱係数
Ｈが小さかった６０°付近を含む４５°〜１３５°の範
囲の角度位置の局所伝熱係数が上昇し、従って伝熱管２
３の総伝熱係数が上昇して伝熱量が上昇する。この場
合、伝熱量を１０〜２０％上昇させることができる。こ
のため、加熱源燃料を節約することが可能となり、ま
た、伝熱部や伝熱装置を小さくすることができる。

【００１５】なお、本実施例では、流動床式伝熱装置が
化学反応等を行う流動床反応器である場合を示したが、
本発明は流動床ボイラ等の伝熱装置であっても好適に用
いることができる。流動床ボイラにあっては、図３に示
すものにおいて、石炭等の燃料の供給管が流動床２２中
において空気分散板１１の上部分に開口されて取付けら
れて燃料が流動床中に供給されることにより、燃料が流
動床２２中で燃焼されて加熱流動床２２が形成される。
また、伝熱管の原料供給管２６の代わりに水または飽和
水の供給管が設けられ、生成物排出管２７の代わりに蒸
気排出管が設けられる。そして、高温空気室１０に取付
けられる燃料バーナ１２は点火用などの補助バーナとし
て用いられ、高温空気室１０には燃焼用兼流動化用空気
の供給口が設けられる。

【００１６】また、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、
流動床の流動媒体２１の静置高さ、伝熱管２３の高さ、
流動床２２の膨張高さ等、伝熱条件が異なる反応器に対
しては開口幅αを適宜異ならせて、流動媒体２１と伝熱
管２３との接触時間の短い個所に流動媒体２１がなるべ
く長く接触しうるよう保護管２４の開口部２５の開口幅
や開口長さ等を決めるようにすることができる。また、
以上の実施例では全ての伝熱管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、伝熱管と流動媒体との接触時間を長くして伝
熱管の総伝熱係数を上昇させることができる。このた
め、流動床式伝熱装置を小型化することができる。ま
た、流動床の加熱源燃料の節約を図ることができる。

【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】従来の流動床式伝熱装置の伝熱管と流動媒体と
の接触状態を説明する伝熱管の縦断面図である。

【図５】伝熱管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 ２５ａ 流動媒体流入口 ２５ｂ 流動媒体流出口

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上下の対称な位置に
   対向させてそれぞれ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取付け、該
   保護管と伝熱管との間であり、かつ、対向するそれぞれ
   の開口部との間で伝熱管の管周に沿って連通する隙間を
   形成し、該隙間は伝熱管の該中心を通る水平面に対して
   上下両側にそれぞれ所要の距離を有しかつ連続して形成
   したことを特徴とする流動床式伝熱装置。