JP2818236B2 - 流動床冷却器、流動床燃焼反応器および該反応器の操作法 - Google Patents

流動床冷却器、流動床燃焼反応器および該反応器の操作法

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ハイルトガールト、ニールス・イョエルケン
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アールボア・スィセアウ・インターナショナル・アクティーゼルスカブ
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流動床燃焼反応器および流動床反応器の操
作法に関する。さらに、本発明は粒状物質用の流動床冷
却器に関する。
流動床システムは、固体粒状物質とガスの間での良好
な接触が所望である種々のプロセスに用いられ、例え
ば、熱交換や不均一触媒反応や固体物質とガスの直接反
応などがある。流動床の原理を簡単に説明すれば、固体
粒子は、下方向から導入される流動化ガスにより作用を
受け、これによりある種の可能な強制力の下に粒状物質
体の粒子を浮遊させ、該粒子を浮遊状態に維持する。か
かるガスの流速は、ごく小さな粒子を除き、単一の粒子
がガス流動により運び去られるようなレベルに上げる必
要はない。かかる条件下に、各粒子は自由に移動するこ
とができるが、粒状物質体は上層面を示す。すなわち、
粒状物質体は液体のような挙動を示し、このため流動床
と命名されている。これにより、明白なことであるが、
固体粒子と用いたガスとの非常に大きな接触面積が達成
される。
近年、流動床システムは、固体燃料の燃焼系に関する
用途に関し、特別の興味がもたれている。重要な利点
は、種々のタイプの燃料に対し、流動床を操作できるこ
とと、著しく良好な燃焼による伝熱が得られることであ
る。かかるシステム内の粒子体は、砂のような不活性粒
子からなり、ここに少量の燃料を加える。適当な熱交換
器面と接触してそこに熱が移動される。不活性粒子は、
燃焼により、加熱され、流動床内を循環する。他の燃焼
システムに用いられるような固体熱交換器面に対する、
放射またはガス対流による伝熱は、粒子の物理的輸送を
介する伝熱によりある程度置換され、これにより、拡大
された接触面積と、固体物質間の直接的な接触による熱
交換が得られ、したがって、熱交換係数(熱交換された
ワット数/表面積(m2)・温度差は、ガスと固定面の接
触で体制されるものよりも、より高い。
流動床・燃焼システムは、燃焼パラメーターの緻密な
制御が可能であり、また、反応体は、単に床物質中と相
互に混合されるだけなので、ある種の望ましくない物質
の排ガスを清浄化することができ、したがって、他の燃
焼システムと比較して種々の点でより環境上許容される
燃焼を達成することができる。しかしながら、これらの
利点の他に、流動床反応器に関するある種の難点がある
が、とりわけ注目すべきは、かかる反応器が他の燃焼シ
ステムと比較して著しく複雑である。なぜなら、流動化
ガスの導入の制御が必要であり、また、実質的な量の加
熱される固体物質の量に応じ、例えば最大で3〜8時間
もの延長された始動時間が必要だからである。さらに、
局部的な充填では該反応器を完全に満足には操作するこ
とはできず、また、充填量の調整は、ゆっくり行う場合
にのみ、可能である。
流動床・燃焼システムは、伝統的には流動床を介して
上方に流動化するガスの平均速度によって分類され、種
々の変形例があり、各々スロー・ベッド(slow bed)お
よびファースト・ベッド(fast bed)と呼ばれる限界に
より一般に定められる範囲内の種々のガス速度で、操作
される。
スロー・ベッドは、代表的には1〜3m/秒である流動
化速度を特徴とし、この速度の下限は、燃焼に必要な酸
素量と粒子の流動化に必要な最小ガス速度により決定さ
れる。粒子体の密度は、比較的高く、また、該床は、論
理下限内での流動化に必要なガス圧を維持すべく、比較
的浅くしなければならない。しかしながら、これによ
り、該床内の燃料粒子およびガスの滞留時間は、完全な
燃焼を保障するには短くなりすぎ、このため、スロー・
ベッドは満足な燃焼効率を全く示さず、排ガスの清浄化
の可能性もほとんどない。
ファースト・ベッドは、約3〜12m/秒の流動化速度を
特徴とし、これにより著しい割合の床粒子が、流動化ガ
スによるエルトリエーションによって運び去られ、該床
に再循環させねばならない。これらは、また循環床と呼
ばれ、良好な輪郭の床表面を示さない。また、これら
は、スロー・ベッドよりも優れた燃焼と優れた排ガス清
浄化が得られるが、しかし、床粒子の排ガスからの分離
用システムや該粒子の再循環用のシステムのような付加
的なシステムを必要とする、欠点を有している。ファー
スト・ベッドに関する別の欠点は、粒子と伝熱面の間で
の熱交換係数が、スロー・ベッドの代表的な速度よりも
高い速度において劣っていることである。
従来から、スロー・ベッドとファースト・ベッドの合
体した利点が得られるような設計を案出する種々の試み
がなされている。
米国特許第4111158号〔リー(Reh)ら〕は、流動床反
応器を開示しているが、該反応器は、燃焼用のファース
ト・ベッド、床粒子の排ガスからの分離用サイクロン、
および分離した粒子をスロータイプの第2の流動床を介
して通過させる流動床冷却器を備え、該第2流動床で
は、該粒子は伝熱面と熱交換し、その熱を放散させてい
る。開示されたシステムは、非常に複雑で高価であり、
全く望ましいものでなく、また、処理および輸送システ
ムは、全て、最大800度の温度での燃焼に耐えうるよう
に設計しなければならない。
米国特許第4788919号〔ホルム(Holm)ら〕は、より
小型の解決案を開示しており、これは、低部にガス入口
を備えると共に、所望によりそこより上方に位置した第
2ガス入口備える中央燃焼床からなり、ここから粒子は
エルトリエーションにより頂部室に運ばれる。かかる中
央流動床上方において該中央流動床の周囲に、第2流動
床または流動床冷却器を環状に配置させており、これに
より、上方の頂部室内に輸送された粒子は、かかる第2
流動床内に落下する。第2環状流動床(これはスロー・
ベッドである)において、粒子は伝熱面に対し、その熱
を放出し、その後、重力により、流動して中央第1流動
床に戻る。
米国特許第4594967号〔ウーロウデュック(Wolowdiu
k)〕は、第1流動床と頂部室と流動床粒子冷却器とか
らなる流動床燃焼反応器を開示しているが、該冷却器
は、第1床からガス粒により運ばれた粒子を頂部室に送
り次いで粒子冷却器に降下させるような方法で配置させ
ており、ここにおいて、粒子は折れ曲がった管を通過
し、冷却されている。粒子は、冷却器からバルブ手段内
を降下して貯蔵室に入り、次いで該貯蔵室の底部から別
のバルブ手段を通って第1流動床に戻る。この設計は比
較的小型であるが、粒子が貯蔵室内に落下して、粒子冷
却器が部分的に空になり、これにより粒子冷却管部分が
もはや粒子により被覆されない可能性は別にして、冷却
セクションの種々の面積の間の関係を変化させる可能性
については、全く開示がない。しかしながら、かかる操
作法は著しく不利な点を考慮させねばならない。なぜな
ら、粒子が排ガスの腐食作用に対するチューブの保護の
目的に用いられるからであり、また、該流動床から上方
に飛び出した粒子が所定の速度で該チューブに衝突する
ことにより、流動化粒子の上面よりも上方に位置したチ
ューブ部分が、摩耗損失を被るからである。該文献に
は、粒子流用のバルブの設計については全く開示がな
く、それらが選択的に活性化しうることのみ記載されて
いる。すなわち、連続制御用の設備や、粒子が所定の制
御された速度で粒子冷却器を介して、下方向に流動し次
いで反応器に戻るような設備は全く開示していない。
別の流動床粒子冷却器を用いることは、流動床燃焼シ
ステムに対し、かなりの改善となるが、しかし、全く満
足に解決されないような実質的な問題が残る。前記特許
において、簡単に記載されている、例えば、動力発生用
の伝熱システムは、通常水予熱器(または、エコノマイ
ザーと呼ばれている)、水分蒸発用の蒸発器、およびス
チーム過熱用の過熱器からなる。これらの伝熱システム
は、種々の温度で操作されるため、必要な熱エネルギー
移動および適用可能な温度に注意を払いながら配置せね
ばならない。考慮せねばならない別のファクターは、か
かる伝熱システムが構造要素の高温に対する保護の目的
に役立つという点である。このため、実際の流動床燃焼
システムでは、大半の壁が伝熱システムを備えねばなら
ない。比較的低い温度で操作されるエコノマイザーは、
好ましくは他の熱交換器の後段の、排ガスダクト中に配
置される。高温、例えば500〜530℃で操作される過熱器
の多数部分は、好ましくは流動床において配置され(こ
こでは、粒子の良好な伝熱係数と伝熱面により高温への
加熱が可能となる。)、少数部分は、排ガスダクトに配
置される。注意すべきは、これら多数部分および少数部
分は、幾何学的に多数部分および少数部分であることよ
りも、むしろ伝熱力が多数部分および少数部分であるよ
うに、理解される。流動床・粒子冷却器内において、過
熱器は腐食および侵食に対し、ある程度保護することが
できるが、これは、高温において臨界的ファクターとな
る。
蒸発器管は、好ましくは壁の冷却に利用されるが、代
表的には必要な蒸発器表面積が、壁と一体となりうるも
のよりも、大きいので、蒸発器管のセクションは、流動
床冷却器またはエコノマイザーよりも前段の排ガスダク
ト内に配置するか、またはこれらの場所の全てにおいて
配置することができる。種々の伝熱面の面積は、反応器
を設定すると、自動的に固定される。
しかしながら、種々の伝熱面積の間での最適な関係
は、用いられる燃料のタイプに依存する。例えば、排ガ
ス中に比較的多量の水分またはスチームが発生する燃料
では、理想的には、石炭燃焼の場合よりも、比較的小さ
な蒸発器表面積が必要である。多量の水分またはスチー
ムを発生する燃料は、例えば、水中懸濁石炭粒子のよう
な事実上水を含有する燃料、またはわらや木材の場合の
ような水素含量により水分を発生する燃焼となりうる。
石炭の燃焼に最適であるように設計されたプラントにお
いて、わらを燃焼させる場合、伝熱面を介する水の流れ
は、減少させねばならないが、これにより、蒸発器セク
ションの温度は許容できないほどに上昇しうる。同様な
問題は、部分的な充填により生じる。部分的な充填で操
作するには、空気流を減じる一方、反応器の温度を実質
的に変えないように維持する。反応器壁上に輻射された
熱は、最後には該壁内に配置された蒸発器管に移動する
ものであるが、かかる熱は、多量には減じられず、その
ため、蒸器気管の温度は、減少した水流により上昇する
傾向を示す。しかしながら、具体的な環境に応じ、逆の
問題が生じうる。すなわち、過熱器管の温度は、充填量
の減少により過剰に高くなるが、これは特に伝熱面を部
分的に、排ガスダクトや流動床冷却器内に配置させた場
合に生じる。部分的な充填により、流動化用のガス流は
減じられるが、これにより、排ガスからの伝熱は、流動
床内の伝熱よりも、多量に減少する。前記したように、
過熱器面は、しばしば、流動床内の多数部分に配置され
るが、蒸発器面の実質的な部分を排ガス流中に配置させ
た場合、過熱器の温度は水流の減少により過剰に上昇し
うる。ここにおいて、注意すべきは、流動床の温度、し
たがって燃焼室内の温度は、完全な充填並びに部分的な
充填において、満足のゆく流動床・操作のために狭い範
囲内に維持すべきである。先行技術において現実に固守
している方法は、蒸発器管セクションの間であって過熱
器の前段における適当な地点に対し、水を添加して、管
温度を安全限界内に確実に維持することであるが、該シ
ステムの良好な経済性は得られない。
部分的充填で操作する際の先行技術のシステムが示す
不良な効率の付加的な理由は、反応器中に充填される粒
状物質の量が最適ではないことである。部分的な充填に
より、流動化速度は、減少し、そのための床の密度は増
加する。所定の床レベルを得るには、粒状物質の量を変
化させねばならない。
本発明の目的は、先行技術の流動床反応器についての
前記欠点を解決することである。
本発明の付加的な目的は、先行技術の対応する反応器
よりも、より良好なエネルギー効率で操作する流動床燃
焼反応器を提供することである。
さらに、本発明の目的は、先行技術の対応する反応器
が可能なものよりも、より広範な充填量について効率的
な操作が可能な流動床燃焼反応器を提供することであ
る。
これらの目的は、各々、請求項1記載の流動床冷却
器、請求項2記載の流動床燃焼反応器および請求項3記
載の流動床燃焼法により達成される。
本発明の区域は、流動化ガスが導入される、粒子冷却
容器のセクションまたは区域により本質的に定義され
る。流動床冷却器の種々のセクションは、物理的な隔壁
により分割する必要はない。セクションを物理的な隔壁
により境界を定めない場合、該セクションの1つに対す
るものとは明確に言及できない境界域が存在しうる。し
かしながら、境界が明確には決められないという事実に
拘わらず、種々のセクションは、独立して制御可能な方
法で操作することができる。
本発明は、流動化ガス速度の制御により伝熱を有利に
制御することができるとの知見を用いるものである。流
動化粒子と伝熱面の接触による伝熱係数は、以下のよう
に説明しうる経路における流動化ガス速度に依存する。
すなわち、この係数は、ゼロ流動化における所定の初期
値から上昇し、所定の流動化速度(この速度は、しばし
ば最適流動化速度と呼ばれている)で最大に達し、その
後、流動化ガス速度の付加的な増加によりゆっくりと減
少する。
伝熱管は、本発明によれば、流動化セクションに対応
するセクションに分割される。管セクションの各々を、
各管の長さにわたり実質的に均一な充填で操作するこ
と、とくに管長さに沿った温度勾配を回避することが有
利である。過熱決を1つのセクションに配置させ、かつ
蒸発器を別のセクションに配置させるような区域化方法
を用いることにより、これらのセクションの伝熱量を、
各々、流動化ガス速度の制御により制御することがで
き、これにより伝熱の最適な条件を、部分的な充填の操
作や種々のタイプの燃料による操作を含め、全ての操作
方法により達成することができる。
燃料化ガス流は、常に、流動化の開始により規定され
た限界以上に維持すべきである。流動化には、冷却器に
おける粒子の連続的撹拌および混合が包含され、粒子充
填用の開口部は、実際には冷却器底部壁の任意の場所に
配置させることができる。
本発明の好ましい具体例では、各セクションにおいて
は少なくとも一つの粒子排出開口部を配置させ、該開口
部の各々とつながる粒子充填流用の制御手段を設ける。
さらに、本発明の好ましい具体例によれば、該セクシ
ョンは、流動化しない境界域により分割される。
この方法によれば、セクション間の相互混合を最少に
するかまたは完全に回避させるべく、非−流動化粒子物
質の壁を形成することにより各セクションの間に物理的
分離をこなし、これにより各セクションの伝熱を、隣接
セクションの操作法から実質的に独立させて制御するこ
とができる。例えば、1つのセクションの伝熱は、この
セクションの流動化ガス速度をガスによる粒子の流動化
が可能な最小な速度に減じることにより、実質的に減少
させることができる。通常の操作の間、加熱粒子物質
は、全て流動床冷却器上に落下し、このセクションの粒
子レベルは、「壁」がゆっくりとスライドして粒子レベ
ルが低い隣接セクションの方に横方向に均一になるま
で、築き上げられ、その結果、第1セクションから移動
した粒子は、その中に配置された管に熱を移動させる。
実質的に異なる操作法は、バルブの単一の制御により選
択することができ、例えば、第1の操作法として、冷却
器上に落下した粒子を移動させて均一にするか(すなわ
ち、冷却器内の2つのセクションは平行になる)、第2
の操作法として、粒子部分を第1セクションから第2セ
クションに連続的に移動させるか、または第3の操作法
として、粒子部分を第2セクションから第1セクション
に連続的に移動させることができる。
本発明の別の好ましい具体例によれば、流動床冷却器
は、3つのセクションに分割され、第1のセクションは
蒸発器管を収納し、第2のセクションは過熱器管を収納
し、第3のセクションは粒子を貯蔵するが、冷却面を有
しない。これにより、ごく簡単な粒子部分貯蔵用の設備
が得られ、その結果、流動床反応器内で活動的に使用さ
れる粒子量を調節することができ、有効な操作条件であ
る粒子量の最適化用の付加的な設備となる。さらに、粒
子を貯蔵セクションを介して再循環させ、次いで冷却す
ることなく第1流動床に戻すことができるが、これは、
始動時に粒子の操作温度を可能な限り迅速に達成する目
的に対し、有利であり、また、燃焼に必要な粒子量が伝
熱面に沿って通過することが所望の粒子量よりも、越え
ている場合に有利である。
本発明は、請求項3記載の、前記した反応器の操作と
同様な流動床燃焼法を提供する。この方法により、前記
したと同じ利点が達成される。
本発明の付加的な目的、特徴および利点は、添付の図
面を参照しながら、以下の好ましい具体例の記載から明
らかにする。
第1図は、本発明の流動床反応器の垂直断面図、第2
図は、第1図のII−IIラインに沿った水平断面図、第3
図は、本発明の別の好ましい具体例である流動床燃焼反
応器の垂直断面図、第4図は、第3図のIV−IVラインに
沿った水平断面図、第5図は、本発明の別の好ましい具
体例である粒子用の冷却器の垂直部分的模式図、および
第6図は、第5図と同様な図であるが、本発明の粒子用
の冷却器の変形例を示す。
図面に関し、等価または同様な特徴は、同じ参照番号
で示す。
まず、第1図は、反応器1を示すが、これは、壁3に
より囲まれた底部室2を含むと共に上方に頂部室4を備
える。底部室2は、その下端においてバルブ機構28を有
する出口10を備え、粒子を所望により、排出させること
ができる。出口上方の所定の距離において、マニホール
ド22、羽口または空気もしくは流動化用のガス導入用の
ジェットを有する高圧室を配置させている。マニホール
ド22の下方域では、ここに他の流動化手段を設けない限
り、粒子は流動化しないが、バルブ機構23を開口させる
と、該粒子は、重力作用により下方向にスライドして出
口10方向に移動する。粒状物質は、燃料、望ましくない
物質との結合に適した反応体のような不活性粒子などか
らなるが、これは、入口9を介して導入する。第2反応
器空気用の入口11を所望により設けることができ、これ
により、スロー・流動床を反応器底部に保持できる一
方、ファースト・流動床を第2空気入口の上方に保持す
ることができる。固体粒子は、空気流によるエルトリエ
ーションに付され、上方の頂部室に運び込まれるが、頂
部室は断面積が大なので、空気速度が降下し、これによ
り粒子は側方に移動し、そこから、降下することができ
る。頂部室は、燃料ガス用の排出ダクト28を備え、この
ダクトは、そらせ板またはじゃま板(図しせず)を備え
てもよく、煙道ガスにより、運び去られうる粒子量を減
少させることができる。排出ダクト28は、所望によりサ
イクロン15に通じ、煙道ガスから固体粒子をさらに分離
することができる。煙通ガスは、ダクト16を介しサイク
ロン15から排出される一方、固体粒子はサイクロン底部
17を介し該サイクロンから排出され、次いでダクト20を
介して流動反応器の適当な位置に戻される。サイクロン
は、低部出口19を備え、ここから、粒子は、流動床の循
環外に取り出すことができ、サイクロンの粒子出口は、
全て粒子流の完全な制御が可能な制御バルブ18を備え
る。第1流動床29から運ばれ頂部室に入った粒状物質
は、大半が隣接した側部に落下し、これにより第2流動
床30または第1床29の壁3を囲む流動床冷却器に落下す
る。第2粒状床30内の粒状物質は、ジェット12を有する
空気高圧室を介し、ガスまたは空気を吹き込むことによ
り流動化させる。第2流動床は、粒状物質冷却用の伝熱
管21を備える。粒状物質は、第2流動床からダクトまた
は降下管5を介して下方向に流動し、制御バルブ6を通
過して第1流動床に戻る。第2流動床は、適当な反応体
導入用の入口8を備えることができる。サイクロンから
放出された煙道ガス中の熱は、通過した煙道ガスをさら
に、伝熱面、例えば蒸発器26および予熱器またはエコノ
マイザー27を通過させることにより、回収する。
第2図は、第1図のラインII−IIに沿った該反応器の
水平断面図を示すもので、第2流動床または床冷却器30
を3つのセクション31、32および33に分割する方法を説
明しており、各々、蒸発器セクション31、過熱セクショ
ン32および貯蔵セクション33と呼ぶ。これらのセクショ
ンは、有利には半径方向の隔壁13により分離され、各セ
クションは、粒子を第1流動床に戻すための降下管を備
える。該図は、蒸発器セクションおよび過熱セクション
の伝熱管21を示す。3つのセクションは、全て流動化ガ
スジェットを備えるが、貯蔵セクションでは、所望によ
り流動化ジェットを省略することができ、この場合、粒
子物質は重力により降下管に降下する。第1図の左手に
示すように、流動床冷却器の各セクション間の隔壁は、
第1反応器から冷却器を分離するための壁3よりも、低
いレベルにおいて頂部エッジを有し、これにより、粒子
は壁13を越えて隣接セクション内に流動化することが可
能になる。
流動床冷却器の実際的な具体例では、蒸発器セクショ
ンは150度以上の角度で、過熱器は120度以上の角度で、
貯蔵セクションは90度以上の角度で伸長するが、これら
の寸法および形態は種々の方法で変形することができ
る。種々の操作法が可能な設備により得られる利点は、
以下の説明からわかる。反応器が部分的充填で操作する
と仮定すると、活動的に循環する粒子量は、床密度が高
いので、比較的多量にしなければならない。これは、比
較的簡単に、貯蔵セクションの粒子量の減少により達成
することができる。すなわち、貯蔵セクションの降下管
5用の制御バルブ6を完全に開口させ、次いで該貯蔵セ
クションの流動化ガス用の制御バルブ14も同様に完全に
開口させて、第2流動床の貯蔵セクションの密度を可能
な限り低く維持させる。蒸発器セクション中および過熱
器セクション中の粒子を、流動化ガス流で流動化させ、
これを、充分な伝熱を得るための必要性により決定され
る最小値に維持する。これは、160μmオーダーの平均
粒子直径について5cm/秒ほどの低い流動化速度により可
能である。侵食および腐食を避けるには、蒸発器セクシ
ョンおよび過熱器のセクションの粒子量は、伝熱面を完
全に覆うのに充分なものに維持せねばならない。各冷却
セクションの伝熱についての精密な調整は、粒子流の制
御および流動化速度の制御により可能である。
別法として、反応器を完全な充填で操作すると仮定す
ると、流動床の粒子密度は、低いため、最適な燃焼効率
を得るには、活動的に循環される粒子量も小さくせねば
ならない。これは、貯蔵セクションの出口バルブ6を部
分的にまたは完全に閉じ、かつこのセクションへの流動
化ガスの導入用の制御バルブ14を部分的または完全に閉
じ、これにより該貯蔵セクションの粒子量を反応器中の
活動的循環から必要な程度に取り去った粒子で増加させ
ることにより、得られる。明白なことであるが、燃焼の
優れた効率は、完全な充填並びに部分的な充填の操作に
おいて得ることができ、かつ、反応器は、先行技術の流
動床反応器において経済的に可能なものよりも、より低
い充填ファクターで効率的に操作することができる。
流れ制御設備、および活動的循環から粒子部分を取り
出し、これらを各々さらに再導入させるための設備によ
り、先行技術の反応器で可能なものよりも、より速い速
度で、始動または充填の調整を行うことができる。
第3図は、本発明の好ましい具体例である流動床燃焼
反応器の垂直断面図を示す。この反応器51は、図示する
ように、壁53により輪郭をなす底部室52およびその上方
に配置された頂部室54からなる。低部52は、低端でバル
ブ機構63を有する排出開口部50を備え、これにより、要
すれば粒子物質および灰分を除去することができる。底
部出口開口部50の上方の所定の距離において、流動化空
気または流動化ガス導入用のジェットを有する高圧室22
またはマニホールドを配置させる。マニホールド22の下
方の区域において、粒子は、他の流動化手段をここに設
けない限り、流動化しないが、粒子は、バルブ機構63を
開口すれば、スライドして排出開口部50に落下する。
第1図の反応器と同様に、反応器51も、粒子導入用の
入り口ダクト9を備え、これは、燃料、不活性粒子、不
要な物質と結合性の反応体からなることができる。さら
に、第2反応器用の入り口11を配置させて、スロー・流
動床を底部において維持させることができ、一方、ファ
ースト・流動床を第2空気入り口の上方に、第1図の具
体例の設計と同様に維持することができる。第2反応器
用の空気入り口11の上方に、さらに、粒状物質、例えば
燃料、不活性粒子、不要な物質と結合性の反応体などを
導入するための上部入り口66を配置することができる。
なぜなら、それは、かかる粒子の種々のレベルでの導入
を選択できるので、有利だからである。
流動化ジェットは、空気をブロワーから取り入れる
が、各ブロワーは吹き込み動力の制御手段を備え、各々
は参照番号45が付されている。充分な、流動化空気の導
入力で、固体粒子は、ガス流により懸濁することがで
き、また分級(エルートレイション)により運ばれて頂
部室に達し、ここで該流れは、デイフレクター(そらせ
板)41により横方向にそらされる。頂部室54は、反応器
の低部52によりも大きな断面積を有するので、ガス速度
は、該頂部室で減少する。ガスは、デイフレクター41の
周囲を流動して燃料ガス用の排出ダクト28内に入ること
ができる。頂部室におけるガス速度の減少および流動方
向の変化により、該ガスにより運ばれた(エントレイメ
ントされた)実質的割合の粒状物質は該頂部室下方に配
置された冷却器42内に、落下する。
排気ガスは、排気ダクト28を介して排出されて、サイ
クロン15に達し、ここで、さらに固体粒子の排気ガスか
らの分離が行なわれる。ガスは、サイクロン15からダク
ト16を介して排出し、さらに冷却面、例えば蒸発器管2
6、予熱機またはエコノマイザー27および空気予熱機25
を通って流動する。サイクロン15の排気ガスから分離さ
れた粒子は、サイクロンの底部17から排出し、サイクロ
ンの降下管67を介して降下移動して、第1反応器51内に
再導入される。
粒子冷却器42内に落下した粒子は、ここから下方に、
以下に詳細に説明するような方法で移動し、降下管56を
介して流動し、該粒子は、第1反応器53内に再導入す
る。第3図に示すように、粒子冷却器は、制御可能なブ
ロワー45を備え、これは、流動化空気を、上方の管46、
粒子冷却器、さらに流動化ジェット60を介して吹き込む
もので、バルク粒子を粒子冷却器42中で流動化させるも
のである。粒子冷却器におけるバルク粒子の上面は、73
で示す。
第4図は、第3図のラインIV−IVに沿った該反応器の
水平断面図を示す。第4図に示すように、該反応器は実
質的に長方形で粒子冷却器42も、実質的に長方形であ
り、また該反応器側の隣りに配置されており、該反応器
の側面に対し平行の側面を有する。粒子冷却器は、底部
壁68および側壁69からなる。図示するように、粒子冷却
器は、蛇行パターンの冷却管を有し、2つのセクション
に分割されており、該セクションは蒸発器管コイル43お
よび過熱器管コイル44と呼ぶ。これらの管コイルは、水
およびスチームを運ぶが、各管コイル内の流れは別々に
制御することができる。粒子冷却器42の底部68におい
て、開口部70、71を粒子排出用として備えている。開口
部70によって、粒子は、降下管55を介し過熱セクション
から落下させるが、一方、開口部71は、粒子を降下管56
に、蒸発セクションから運ぶ。粒子冷却器42内の2つの
セクション間の境界線は、破線72で示す。斜線で示すよ
うに、両方の降下管は、反応器と連通しているので、両
方の降下管から、粒子は、反応器内に再導入することが
できる。
第3図では、1つの降下管のみ、すなわち蒸発器セク
ション降下管56がL形で示されているが、比較的高い垂
直部分と、比較的短い水平部分を、その下端で有する。
過熱器セクションの降下管55は、同様な形状をなす。第
3図に示すように、ブロワー制御手段を有するブロワー
45に管46により連結された空気ジェット57は、降下管の
下端に配置する。通常の操作の間、降下間は、粒子を、
該粒子冷却器の冷却管コイルの上方のレベルまで、満た
すことができる。ジェット57による空気の吹き込みによ
り、粒子は、降下管の水平部分を介して反応器内に運ば
れるが、これは、この方法では空気吹き込みに対する抵
抗性が低いからである。降下管の粒子柱状体の圧力は、
通常非常に高いため、これらの粒子は、流動化せずに、
むしろ重力によりゆっくりと下方向に、底部から除去さ
れた量に比例して、スライドする。本発明者の知見によ
れば、空気ジェット57による空気の吹き込みの制御によ
り、粒状物質の反応器への流れを、非常に都合よい方法
で制御することができ、その結果、ジェット57の配置
は、該反応器内への粒子返還流れを制御するためのバル
ブとして、みなすことができる。
過熱器セクションに連結された粒子冷却器42からの他
の降下管56は、同様な空気ジェット47(第5図および第
6図参照)を備え、同様な方法で操作されるものと理解
されるので、前記を参照のこと。さらに、サイクロンか
らの粒子返還管も、同様に空気ジェット74および対応す
る空気管46を介する制御可能なブロワー45を備えている
ので、サイクロン底部から反応器に戻る粒子流れも、同
様な方法で制御することができる。
第5図は、粒子冷却器42の垂直断面図を示し、該冷却
器は、過熱器セクションの降下管55、蒸発器セクション
の降下管56、過熱器セクション降下管用の空気ジェッ
ト、および蒸発器セクション降下管用の空気ジェットを
備える。図面を容易に理解するために、降下管の下端の
水平部分は、第5図および第6図において横方向に伸長
するように、示したが、これら水平セクションは、実際
には第4図を参照して解るように、第5図および第6図
の図面の平面に対し垂直方向に、伸長する。
第5図は、冷却管21と一体になった粒子冷却器底部壁
68および側壁69の断面を示すが、これは、壁要素の温度
を許容可能な限度に保持することができる。さらに、該
図は、蛇行した蒸発器管コイル43および2つの蛇行した
過熱器管コイル44を示すが、これらのうち、第1のもの
は第5図に示すように、冷却器の右手部分に配置し、第
2のものは、冷却器の左手部分であって蒸発器管コイル
43の下方に配置する。簡単にするために、粒子冷却器の
セクションを、過熱器セクションおよび蒸発器セクショ
ンとして称するが、蒸発器セクションは過熱器管コイル
を含む。粒子冷却器の底部68の下方に、過熱器セクショ
ン・流動化ジェット60および蒸発器セクション・流動化
ジェット61各々と連結した空気管46を備えるブロワー45
を示す。この方法で2つのブロワーを設けることによ
り、2つのセクション内の流動化は、流動化ガスがバル
ク粒子を通って実質的に垂直上方向に流れるという本発
明者の知見に基づき、別々に制御することができる。流
動化ジェットは、図中象徴的に示したが、実際の冷却器
は、中央、すなわち流動化ジェットを省略したセクショ
ンの境界線72に沿った域を除き、冷却器底部全てにわた
り接近した間隔をあけて配置した多数のジェットを備え
る。
第5図は、流動化粒子域64を示す一方、流動化しない
粒子部分65が存在する。また、第3図および第4図に関
し、通常の反応器操作の間の粒子は、粒子冷却器42の実
質的に前面にわたり広がった過熱粒子の連続的流れを、
受ける。第5図は、粒子冷却器42の2つのセクション内
の粒状物質のレベルが同じではない、操作法を示す。こ
れは、空気ジェット57を介し蒸発器セクションの降下管
内に吹き込む場合よりも、より多量の空気を空気ジェッ
ト47を介して過熱器セクションの降下管に吹き込む操作
法とすることができる。これにより、より多量の粒子量
を、過熱器セクションから取り出すことができる。粒子
レベルの差異により、非−流動化粒状物質65の壁は、図
中右手の方向に、ゆっくりとスライドし、これにより、
該壁の粒子は、流動化ジェット上の域内に移動するの
で、自然にかつ徐々に流動化する。各セクションにおい
て、流動化ガスにより、粒子の撹はんおよび循環が得ら
れるが、これに対し、各セクション間の非流動化粒子65
の壁は、該粒子を分離状態に維持するので、非直接的で
漸進的でかつ制御された、境界線を横断する流れを達成
することができ、例えば、正味の粒子移動、したがって
一方のセクションから別のセクションへの熱移動が達成
される。説明した操作法において、蒸発器管コイル周囲
の粒子流は少ないので、蒸発器管への熱移動も少ない
が、これに対し、過熱器管コイル周囲の粒子流は多いの
で、過熱器管への熱移動も多量である。さらに伝熱率の
大きな差異を達成するには、空気ジェット60を介する過
熱器セクション内への流動化ガスの流入を増加させて、
このセクション内の粒子を付加的に撹はんさせる。蒸発
器セクションのジェット61を介する流動化ガスの流入
を、該ガス流が該セクション内の粒子を流動化するに足
りるレベルまで、減少させる。この流動化レベルでは、
蒸発気管に対する伝熱係数は、低く、蒸発器管に移動さ
れる熱エネルギーの付加的な減少をもたらす。
第5図および前記説明から明らかなように、他の操作
法も、等しく選択することができ、例えば、蒸発器への
より多量の熱移動を起こさせるような方法や、2つのセ
クションの流れが等しくかつ伝熱速度が等しいような操
作法が挙げられる。
第6図は、本発明の粒子冷却器の別の好ましい具体例
を示す。第6図の具体例の殆どの部分は、第5図の具体
例と同じであるが、第6図の具体例は、該セクションの
境界線72に沿ったセクションの隔壁62を備える。このセ
クション隔壁62は、冷却器の側壁よりも、低いので、粒
子は隔壁62を越えて流動することができ、この場合、か
かるレベルの差異は該流動が生じるようなものとする。
明らかに、このセクションの隔壁の上方域は、非流動化
粒子65を含む。第6図の具体例の他の全ての要素は、第
5図と同じであり、したがって前記説明を参照のこと。
第6図の具体例では、2つのセクションの非常に明確な
分離が得られ、これにより2つのセクション粒子間での
熱交換は減少することがわかる。
本発明の種々の具体例を詳細に記載および説明した
が、開示した正確な構造物および具体例に限定されるも
のではなく、本発明に関する当業者によりなされる種々
の本発明の変形例、応用例および用途は、本発明の精神
および範囲を逸脱しない限り、なすことができる。
本発明の実施態様項は次のとおりである。
1.通常は閉じられる底部および側壁を備える上方開口の
容器として形成される粒状物質用流動床冷却器であっ
て、 内部における伝熱媒体運搬用の管および外部における
流動状物質担持用の管のような内部および外部に設けら
れた伝熱手段、 底部壁に設けられた粒状物質流動化ガス・導入用の入
口、 および 底部壁に設けられた粒状物質排出用の少なくとも1つ
の開口部からなり、さらに、 上記伝熱手段を、少なくとも2つのセクションに分割
し、かつ、 上記流動化ガス導入用の入口を、伝熱手段の該セクシ
ョンに対応するセクションに分割し、しかも、該セクシ
ョンの各々に流動化ガスを流入させるための、独立した
制御手段を設けることを特徴とする流動床冷却器。
2.各セクションが、少なくとも1つの粒子排出用の開口
部を備え、かつ該粒子排出用の開口部が、各々粒子排出
流の制御手段を備える前記1記載の冷却器。
3.各セクション間に、粒子が流動化しない境界域を設け
る前記1記載の冷却器。
4.各セクション間に隔壁を設け、かつ、かかる隔壁の上
端を、上記容器の側壁上端よりも低くし、これにより粒
状物質が、該隔壁の上端を越えて、1つのセクションか
ら隣のセクションに流動することができる前記1記載の
冷却器。
5.冷却器を、少なくとも3つのセクションに分割し、 各セクションが、底部に設けられた粒状物質流動化ガ
ス・導入用の入口および底部に設けられた粒状物質非排
出用の開口部を備え、 さらに、少なくとも2つのセクションが伝熱手段を備
えるのに対し、第3のセクションが伝熱手段を備えない
前記1、2または3の1つに記載の冷却器。
6.側壁および/または底部壁が、冷却管を備える前記1
〜5の1つに記載の冷却器。
7.実質的に垂直な反応室からなる流動床燃焼反応器であ
って、 該反応室の下部に設けられた液体および/または固体
粒状物質・導入用の第1入口、該第1入口の下方に設け
られた第1流動床形成用の粒状物質流動化ガスを該反応
器内に導入するための第2入口、該反応室の上部に設け
られた該反応器から排出ガスおよび粒子を抜き取るため
の排出ダクト、および上方開口の容器として形成され通
常は閉じられる底部および側壁を有し該反応室上部から
粒状物質部分を収集するように配置された、粒状物質用
の流動床冷却器からなり、 上記冷却器が、内部における伝熱媒体運搬用の管およ
び外部における流動粒状物質担持用の管のような内部お
よび外部に設けられた伝熱手段、粒状物質を冷却器から
該第1流動床に制御しながら返還するための少なくとも
1つの管、および底部壁に設けられた粒状物質流動化ガ
ス・導入用の入口を備え、さらに、 上記伝熱手段を、少なくとも2つのセクションに分割
し、かつ、 上記流動化ガス導入用の入口を、伝熱手段の該セクシ
ョンに対応するセクションに分割し、しかも、該セクシ
ョンの各々に流動化ガスを流入させるための、独立した
制御手段を設けることを特徴とする流動床燃焼反応器。
8.各セクションが、少なくとも1つの粒子排出用の開口
部を備え、かつ該排出用の開口部が、各々粒子排出流の
制御手段を備える前記7記載の反応器。
9.冷却器が、各セクション間に粒子が流動化しない域を
備える前記7記載の反応器。
10.冷却器が、各セクション間に配置された隔壁を備
え、かつ、かかる隔壁の上端を、該冷却容器の側壁上端
よりも低くし、これにより粒状物質が、該隔壁の上端を
越えて、1つのセクションから隣のセクションに流動す
ることができる前記8記載の反応器。
11.冷却器を、3つのセクションに分割し、 各セクションが、底部に設けらるた流動化ガス・導入
用の入口および底部に設けられた粒状物質排出用開口部
を備え、 さらに、少なくとも2つのセクションが伝熱手段を備
えるのに対し、第3のセクションが伝熱手段を備えない
前記7〜10の1つに記載の反応器。
12.粒状物質冷却器の側壁および/または底部壁が、冷
却管を備える前記7〜11の1つに記載の反応器。
13.冷却器から粒状物質を排出させるための開口部が、
返却用の管または降下管と連通し、ここを連通する粒状
物質は、重力のみによって移動することができ、かつ、
上記返還用の管が、反応室と連通しており、該返還用の
管が、その下端付近に、該返還用の管内にガスを制御し
ながら吹き込むための手段を備える前記7〜12の1つに
記載の反応器。
14.反応室が実質的に直角四辺形の断面を有し、粒子冷
却器が実質的に直角四辺形の断面を有し、かつ該冷却器
が、該反応器の一方の側の隣であって該反応器の側面と
平行である側面を有するように、配置される前記7〜13
の1つに記載の反応器。
15.反応室が実質的に環状の断面を有し、かつ該粒子冷
却器が該反応室の周囲に環状に配置され、粒子冷却器内
のセクション間の境界線が、実質的に半径方向に伸長す
る前記7〜13の1つに記載の反応器。
16.流動化燃焼反応器を操作するにあたり、 固体粒子および燃料からなる物質を反応器の低部に導
入し、流動化ガスを、該粒状物質の部分が該流動化ガス
により上方に運ばれるような速度で導入し、運ばれた粒
子部分を別に配置した第2流動床に集め、ここにおい
て、集めた粒子を流動化状態に維持し、熱を伝熱手段に
移動させ、その後反応器の底部に戻すことからなり、 さらに、第2流動床内の熱エネルギーの移動を、これ
らの少なくとも2つのセクション内で、流動化ガス流入
の制御および/または各セクションからの粒子排出流の
制御により、別々に制御することを特徴とする方法。
17.第2流動床内の各セクションからの粒子排出流を制
御し、これにより粒子物質を1つのセクションから隣の
セクションに流動させる前記16記載の方法。
18.伝熱手段を、少なくとも1つの蒸発器セクションと
少なくとも1つの過熱器セクションに分割し、これらの
セクションが、蒸発器管セクションおよび過熱器管セク
ションへの伝熱を別々に制御しうるような方法で、第2
流動床内の別々のセクション内に配置される前記16また
は17記載の方法。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F23C 11/02 F28D 13/00 F27B 15/16

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】粒状物質用の流動床冷却器であって、 上方に延在する側壁、実質的に閉じられた底部および開
    口頂部を備える容器、 容器内の粒状物質、 少なくとも2つの別々の伝熱セクションを含んでなる容
    器の伝熱手段であって、各セクションは、内部で伝熱媒
    体に接触すると共に外部で粒状物質流に接触する伝熱管
    手段を備える伝熱手段、 少なくとも2つの伝熱セクションに対応する別々の伝熱
    セクション用に底部に設けられた、粒状物質を容器内で
    流動化するためのガスを容器内に導入するためのガス導
    入用入口、 粒状物質が流動化せず、かつ隔壁が各伝熱セクションの
    間に配置された各伝熱セクションの間の隔壁境界域であ
    って、この隔壁の上端を容器側壁の上端よりも低くし、
    これにより粒状物質が、この隔壁境界域を通過するかま
    たは隔壁の上端を越えて、各々、1つの伝熱セクション
    から隣のセクションに流動することができるような隔壁
    境界域、 少なくとも2つの伝熱セクションの各々に対応して底部
    に設けられた、容器内の粒状物質を排出するための少な
    くとも1つの排出開口部、 および 各々別々の流動化ガス入口セクションを通って容器内に
    入る流動化ガスの流量を制御するための独立した制御手
    段 を備えることを特徴とする流動床冷却器。
  2. 【請求項2】流動床燃焼反応器であって、 上部および下部を有する実質的に垂直な反応室、 下部に設けられた、少なくとも1つの液体および固体粒
    状物質を導入するための第1入口、 第1入口よりも低い位置に設けられた、反応器内での粒
    状物質の流動化によって一次流動床を維持するための流
    動化ガス導入用の第2入口、 上部に設けられた、反応器からガスおよび粒状物質を排
    出するための排出ダクト、および 粒状物質用の流動床冷却器 を備えること、並びに 上記流動床冷却器は、 反応室の上部から容器内に粒状物質の部分を集めるため
    反応室に対し配置された、側壁、実質的に閉じられた底
    部壁および開口頂部を備える容器、 少なくとも2つの別々の伝熱セクションをに含んでなる
    容器の伝熱手段であって、各セクションは、内部に伝熱
    媒体に接触すると共に外部で粒状物質流に接触する伝熱
    管手段を備える伝熱手段、 少なくとも2つの伝熱セクションに対応する別々の伝熱
    セクション用に底部に設けられた、粒状物質を容器内で
    流動化するためのガスを容器内に導入するためのガス導
    入用入口、 粒状物質が流動化せず、かつ隔壁が各伝熱セクションの
    間に配置された各伝熱セクションの間の隔壁境界域であ
    って、この隔壁の上端を容器側壁の上端よりも低くし、
    これにより粒状物質が、この隔壁境界域を通過するかま
    たは隔壁の上端を越えて、各々、1つの伝熱セクション
    から隣のセクションに流動することができるような隔壁
    境界域、 少なくとも2つの伝熱セクションの各々に対応して底部
    に設けられた、容器内の粒状物質を排出するための少な
    くとも1つの排出開口部、 および 各々別々の流動化ガス入口セクションを通って容器内に
    入る流動化ガスの流量を制御するための独立した制御手
    段 を備えることを特徴とする流動床燃焼反応器。
  3. 【請求項3】流動床燃焼法であって、 下部および上部を有する流動床燃焼反応器を設け、 粒状物質を反応器の下部に導入し、 流動化ガスを前記反応器の下部に、粒状物質の部分が流
    動化ガスと共に同伴すると共に同伴した部分を上方の反
    応器上部に運ばれるような方法および速度で導入し、 側壁、実質的に閉じられた底部および、反応器内部に連
    通する開口頂部を備えると共に少なくとも2つのセクシ
    ョンを有する容器を設け、 少なくとも2つのセクションの各々に、内部の伝熱媒体
    に接触すると共に外部の粒状物質に接触する少なくとも
    1つの独立した伝熱手段を設け、 容器内に、反応器内部から同伴粒状物質の部分を集め、 各セクションに、容器内の粒状物質の排出のために少な
    くとも1つの排出開口部を底部に設け、 流動化ガスを各セクションに導入して、各セクション内
    に集めた粒状材料を流動化させると共に、各セクション
    内で流動化した粒状材料と伝熱手段の間で熱移動させ、 容器内の粒状物質を反応器の下部に戻し、 容器内の少なくとも2つのセクションの各々において、
    流動化ガスの流入量および粒状物質の排出量の少なくと
    も1つを独立して制御することによって伝熱速度を独立
    して制御すること、 および 粒状物質の排出量の制御は、粒状物質を容器の各セクシ
    ョンの1つから容器の隣接セクションに流動させること
    を含んでなる ことを特徴とする方法。
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