JP3609724B2 - 流動床熱交換器における方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、独立請求項の前段部分で定義される流動床熱交換器における方法および装置に関するものである。
【０００２】
（背景技術）
本発明は、特に、固体粒子から成る床を有する熱交換室と、該熱交換室内へ流動化ガスを供給するための装置と、前記固体粒子から成る床と接触する伝熱表面と、前記固体粒子から成る床の上表面より上の、前記熱交換室の頂部に配置された入口と、該熱交換室から固体粒子を排出するための第１出口とを具備する流動床熱交換器における伝熱状態を調節することのできる方法および装置に関するものである。従って、該方法は代表的には以下の段階、すなわち、
（ａ）前記入口を通って、前記熱交換室内の固体粒子から成る床の上表面へ前記固体粒子を供給する段階と、
（ｂ）該熱交換室内の固体粒子から成る床を流動化ガスによって流動化させる段階と、
（ｃ）該固体粒子の流動床から前記伝熱表面によって熱を回収する段階と、
（ｄ）前記第１出口を通って前記固体粒子を熱交換室から排出する段階とを含んでいる。
【０００３】
流動床熱交換器は一般的に各種の加圧状態および大気圧状態の流動床反応炉システムにおいて用いられ、例えば、各種の燃焼、伝熱プロセス、化学プロセス、および冶金プロセスにおいて用いられる。代表的に燃焼あるいはその他の発熱反応によって発生された熱は、伝熱表面を利用することによって固体粒子から回収される。該伝熱表面は回収された熱を水あるいは蒸気の媒体に伝え、これらが反応炉の外部へ熱を伝える。
【０００４】
前記伝熱表面は反応炉システムの各種部分に配置しても良く、例えば、反応炉室の一部分である特別な熱交換室内や、反応炉室と連結した分離室や、あるいは循環流動床反応炉のような場合では、固体粒子の循環系の一部分に配置してもよい。
【０００５】
流動床反応炉の多くの使用例、例えば、蒸気ボイラーにおいては、伝熱状態を広い制御範囲内で連続的、かつ、正確に調節できることが重要である。このように調節を必要とする理由は、生産しようとする蒸気に対する要求の変化、あるいは燃料の品質あるいは燃料の供給に関する偏差、あるいはシステムにおける他の幾つかの異常事態に対処するためである。またそのことは、系統を正常な運転状態に調節するためにも必要である。蒸気ボイラーにおける伝熱調節に対する要求は、一般に熱が幾つかの段階、すなわち、蒸発器、過熱器、節約器、再熱器の段階で回収され、ここに調節が必要であるという事実からも言えるのである。
【０００６】
このようなプロセスに関して流動床反応炉における伝熱効率を調節する目的は、反応炉から放出物と反応炉効率の観点から、最適な運転状態に維持することにある。このことはしばしば、伝熱効率や燃料の供給容積が変化するような状態にあっても、反応炉の温度は一定に維持させなければならないことを意味している。
【０００７】
熱交換室を設計する際に最も重要な目標は、単純な構造と、広範な調節範囲と小さな空間要求の中での一定の調節可能性とである。
【０００８】
流動床熱交換器の伝熱効率を調節する一つの方法は、熱交換室における流動床材料の容積を変化させ、固体粒子によって覆われる伝熱表面の部品を変化させることである。そのような構造物は例えば、米国特許第４８１３４７９号に開示されている。しかしながら、この開示例においては付加的な流路通路とその調節弁とが必要となり、システムはより複雑になり、コストも増加する。さらに、床の高さを変化させる場合に、伝熱表面の一部分がかなりの腐食雰囲気にさらされることになる。
【０００９】
米国特許第５１４０９５０号は、循環流動床反応炉における高温の固体粒子の循環流が、多数の区画室および通路によって分割され、２つの分離されたチャンバー内へ流され、その内の１つしか伝熱表面を有していないという装置を開示している。各種チャンバーを通る固体粒子の分割比を変化させることによって、熱交換器の伝熱表面を変化させることができる。しかしながら、開示されている装置は複雑であり、空間消費の観点から欠点がある。
【００１０】
熱交換室内には普通は気泡流動床が保持され、流動化ガスの速度は小さな粒子寸法の床材料を用いる時には、例えば０．１〜０．５ｍ／秒であってもよい。該流動床熱交換器の伝熱効率は流動化ガスの速度を変化させることによりある程度まで変化させることができる。これは固体粒子が低速の流動化ガスよりも高速の流動化ガスによって活発に動き、高温の粒子が熱交換室の全領域に亘って高速で効率的に広がるという事実によるものである。高速の場合には、伝熱表面の近接領域において分離的に冷却された層が形成されて、伝熱を減少させることもなくなり、また熱交換室内に流入する高温の粒子が熱交換室の入口から熱交換室内の粒子と混合することなしに出口へ直接通過することもなくなるであろう。ＤＥ−３７２６６４２は、底部粒子が、頂部から排出される前に、伝熱表面と接触するために内部へ供給される流動床熱交換器を示している。
【００１１】
米国特許第５４２５４１２号は、熱交換器が、分離した領域である、粒子を移送するための領域と、伝熱のための領域とを有する、循環流動床反応炉における装置を開示している。伝熱効率は伝熱表面に近接した粒子の移動強度と、異なった領域の流動化ガスの速度を利用することによる材料の混合率とを変化させることによって調節される。材料の混合率を変化させることにより、新しく熱交換室内へ流入してきた高温の粒子と、流出流中の既に冷却された粒子との関係が変化する。各種状態において、粒子は床表面における溢流開口を通り、および／または熱交換室の下部における出口を通って排出される。しかしながら、この種の熱交換器における伝熱効率の調節範囲はむしろ限定されており、例えば、可能性のあるアフターバーニングが原因の塊状集積や加熱を避けるために、固体粒子から成る床は連続的に流動化して保持しなければならず、従って混合率も常にかなり高くなる。さらに、分離的な移送領域を用いるために、空間利用が最適ではなく、従って、熱交換室のかなりの部分が伝熱に関して効率的に使用されることがない。
【００１２】
本発明の目的は、従来技術の方法および装置の上述した問題や欠点を最少にする、改良された方法および装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の特別な目的は、流動床熱交換器の伝熱効率を、広い効率範囲内で簡単に調節することのできる改良された方法および装置を提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、耐久性があり、簡単で、コストが合理的であり、空間節減された流動床熱交換器を提供することにある。
【００１５】
（発明の開示）
これらの目的を満足させるための、本発明による方法および装置は、独立請求項の特徴部分に記載されている。
【００１６】
本発明による方法および装置の基本概念は、流動床熱交換器内へ流入する高温の固体粒子と、伝熱表面と接触した固体粒子および／または既に冷却された固体粒子からなる固体粒子から成る床との混合を制限することができる点にある。従って、その目的は高温の固体粒子と固体粒子から成る床との混合を部分的、あるいは完全に防ぐことを可能にすることにある。
【００１７】
高温の固体粒子と固体粒子から成る床との混合は、流動床熱交換器内において前記固体粒子から成る床の表面の上方から固体粒子から成る床まで伸長するように配置された案内通路によって、また該案内通路によって画成される領域内に第１出口を配置することによって、制限される。入口を通って熱交換室内に供給される高温の粒子は、案内通路によって、固体粒子から成る床の上表面において該案内通路によって概ね画成される特定の領域へ送られる。さらに、該案内通路によって画成される前記領域内に熱交換室の第１出口が配置されている場合には、例えば、固体粒子から成る床の上表面からの溢流として、あるいは該表面より下方から調節可能な出口あるいは開口を通って、排出しようとする粒子が冷却された固体粒子と接触することなしに、この領域から直接的に高温の固体粒子を排出することができる。
【００１８】
本発明による代表的な装置においては、熱交換室の頂部に案内通路が配置されており、該案内通路は固体粒子から成る床への入口から、床の表面まで、あるいは該表面より短い長さだけ下方にまで伸長している。ある種の場合には、固体粒子の望み通りの案内もまた案内通路によって行われ、その下端は床表面には全く到達しない。代表的には、前記第１出口の位置は案内通路の下端が床の内部へ伸長する距離を規定する。該案内通路は、好ましくは熱交換室の頂部から固体粒子から成る床まで伸長する中間壁で形成され、該中間壁が熱交換室の壁部と熱交換室自身との間に案内通路を画成する。
【００１９】
熱交換室内の流動化ガスの速度が低くて、熱交換室内の、したがってまた案内通路領域の混合が最少あるいは殆ど存在しない場合には、前記第１出口を通って熱交換器内へ流入する高温の粒子の大部分あるいはほぼその全てを、熱を床へ全く伝えないで、また該床を通して伝熱表面へ伝えないで、排出することができる。
【００２０】
前記伝熱効率は流動化ガスの速度を上昇させることによって、従って案内通路の領域内の粒子の混合を強化することによって、増加することができ、これによって高温の固体粒子の少なくとも一部分あるいはその殆ど全ては床に対して熱を放出し、従って伝熱表面にも放出する。この場合には、冷却された固体粒子は、前記第１出口を通って、あるいは床の下部に配置された第２出口を通って、熱交換器から排出される。
【００２１】
本発明によると、床内の冷却された固体粒子と、第１出口を通って排出しようとする高温の固体粒子との混合を、該高温の固体粒子を固体粒子から成る床の上表面における制限された領域へ送ることによって制限することができ、そこから固体粒子の一部分を熱交換器から冷却されない状態で排出することができる。このようにして、固体粒子の前記特定の部分から固体粒子から成る床への、さらには伝熱表面への伝熱を防ぐこと、あるいは少なくとも殆ど制限することができる。本発明による装置を用いることによって、床の温度を減少させ、伝熱表面によって回収される熱エネルギーの量を減少させることができる。従って、冷却されていない状態の粒子の一部分を熱交換器の外部へ送ることによって、各々の高温粒子の流入流によって得られる最小可能伝熱効率を減少させることができる。
【００２２】
本発明による装置においては、熱交換室内に、例えば、該熱交換室の下部に第２出口を配置することができ、該第２出口を通る固体粒子の流れを制御することができる。従って、高い伝熱効率を発生させる場合には、全ての流入する粒子を該第２出口から排出させ、前記第１出口の領域における混合を制限する装置が混合率に殆ど影響を与えないようにすることができる。これによって最大可能伝熱効率も変化しない。
【００２３】
本発明による代表的な方法は、熱交換器へ入る粒子の流れが、前記表面より少し下方へ延在する装置によって固体粒子から成る床の表面へ送られ、該装置によって画成される領域へ送られる方法である。この制限された領域を選択するための基準は第１出口と連結状態である。該制限された領域の断面積は、前記第１出口の高さにおいては、一般的に熱交換室内の粒子から成る床の平均的な断面積よりもかなり小さい。前記装置によって画成される断面積は、好ましくは前記第１出口の下部表面の高さにおいて、熱交換室における粒子から成る床の平均断面積の最大でも３０％、好ましくは最大でも１０％である。
【００２４】
混合を制限する装置は、代表的には、それが固体粒子から成る床の上部部分の中へほんの短い距離だけ侵入し、床内においてそれらによって形成された通路あるいはギャップが、代表的に伝熱表面が配置されていない場合には、伝熱の観点から床内に大きな無駄な表面を作り出さないようにして配置される。従って、混合を制限する装置は、好ましくは、床の中へ最大で床の深さの３０％、最も好ましくは最大で２０％の距離だけ延在する。代表的には、該制限装置は床の中へ１０〜５０ｃｍ延在し、最も代表的には約２０〜３０ｃｍ延在している。
【００２５】
本発明は、本発明の第１の好ましい実施例によって、循環流動床反応炉あるいはボイラーに適用され、本発明による熱交換器が炉と反応炉の粒子循環における粒子分離器の戻りダクト、すなわちチューブとの間に配置されており、該チューブの中を粒子が粒子分離器から反応炉の炉へ戻される。該熱交換器の入口は該戻りダクトおよび前記炉の前記出口例えば、溢流開口に連結されている。前記粒子の第１部分は、好ましくは、前記炉への溢流として、殆ど冷却されていない状態で前記戻りダクトから送られる。該粒子の第２部分は、熱交換室内の固体粒子へ送られ、そこで粒子が炉へ戻される前に粒子からの熱が伝熱表面へ移送される。循環流から溢流として排出される部分は、多分０％から１００％まで変化するが、例えば、ボイラーの負荷や、燃料および循環流の容積に応じて変化する。
【００２６】
他の好ましい実施例によると、本発明を循環流動床反応炉あるいは気泡床反応炉に適用することができ、固体粒子は反応炉室／炉から熱交換器へ直接送られる。この場合には、熱交換器が好ましくは反応炉の反応炉室の直ぐ外側に配置され、該熱交換器と該反応炉室とが、好ましくは、共通の壁部を共用しており、該共通の壁部には開口が配置されており、該開口は粒子を熱交換室内へ導入するための入口と、反応炉室への溢流として粒子を直ちに戻すための溢流配管とを形成している。これらの開口は互いに他と非常に近接している。ある種の場合には、１つの同一の開口が両方向に作用し、すなわち、一方向への入口として作用するのと、他方向への溢流開口として作用するのが交番する。他方、ある種の場合においては、該開口の上部部分が入口として作用して、その下部部分が１つの同一開口における出口として作用してもよい。
【００２７】
流動床熱交換器が流動床反応炉の反応炉室と直接連通して配置されている場合には、しばしば前記開口は材料が広い領域から集められて、十分な材料の流れを作り出すように配置されている。この場合においては、流入する材料が流動床内の上表面上の小さな領域に送られ、この広い表面に亘って広がらないようになっていて、流動床内に既に存在している材料と当然のように混合するようなっていることが特に重要である。流入してくる粒子の流れを小さな領域に制限することによって、溢流として排出される材料と残りの流動床材料との不必要な混合もまた制限される。
【００２８】
熱交換器の冷却された粒子のための第２出口が、好ましくは、熱交換室の底部に形成されており、該出口から粒子がそれ自身良く知られている方法によって、例えば、前記炉へ送られる。他方、上述した実施例においては、冷却された粒子の排出が、熱交換室と炉との間に配置された上昇室を通って行われるようになっていてもよい。該上昇室の底部は熱交換室の下部部分における出口と連通し、好ましくは、前記炉と共通の壁部を共用している。上昇室から送られる粒子は、例えば、炉への溢流となって送られる。
【００２９】
本発明による装置は、好ましくは、熱交換室が唯一の連続的な固体粒子の流動床を有しているようになっている。該流動床の上方において、該熱交換室には、入口を通って固体粒子から成る床へ導入される固体粒子の広がりを制限する装置、例えば、中間壁あるいはパッフルが設けられており、このようにして固体粒子の流動床との混合もまた制限している。低い流動化ガスの速度を用いる場合には、前記小さな領域へ供給される粒子の第１部分のみが主に固体粒子から成る床と混合される。この部分は、熱交換室を通って前記入口から該熱交換室の下部部分における出口へ流れる粒子の量に対応している。
【００３０】
伝熱効率に対する要求が小さい時には、熱交換器を通って流れる粒子の流れ、言い換えると、流入、流出する粒子は、固体粒子から成る床の上表面の制限された領域を通ってのみ送ることができ、これによって流出する流れと固体粒子から成る床との間の固体粒子との交換は小さい。前記床の効率的な混合の領域へ安定する時間も経っておらず、従って固体粒子から成る床へまだ熱を放出していない粒子は、小さな領域の中で形成された高温の粒子の厚い層からの溢流として容易に排出される。
【００３１】
本発明による装置においては、伝熱のために必要な材料の流れのみが熱交換室内の固体粒子から成る床と混合され、過剰の材料は該床の上表面から高温の状態で、従って熱交換室内の流動床とほとんど混合することなく戻ってくる。
【００３２】
本発明による熱交換室においては、流動化ガスの速度を調節することによって、伝熱作用の調節を効率的にかつ広範囲に亘って単純に行うことができ、もし必要であれば、第２出口を通る固体粒子の排出量を調節することによっても行うことができる。前記第２出口を通る粒子の流れを強化することにより、第１出口を通って流れる冷却されていない粒子の量が減少され、伝熱表面と接触するようになる粒子の量が増加される。それぞれ前記第２出口を通る粒子の流れを減少させることによって、溢流開口を通る熱交換器からの高温の粒子は直ちに排出増加される。
【００３３】
本発明による装置においては、熱交換器を中間壁によって個々に流動化させることのできる分離的な固体粒子から成る床に分割する必要がない。
【００３４】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明について以下添付図面を参照しながらより詳細に説明する。
【００３５】
図１は単純な熱交換器１０を概略的に示しており、該熱交換器の熱交換室１２内で、高温の固体粒子からなる低速流動床１４が、風箱１６から格子１８を通って該熱交換室内に流動化ガスを供給することによって保持されている。前記流動床から熱を回収するために、該流動床内には伝熱表面３０が配置されている。前記風箱からなる格子１８を通って流入する流動化ガスの流量は例えば弁２２によって調節され、前記伝熱表面へ伝達される熱の量を制御する。
【００３６】
前記流動床１４より上方における前記熱交換室１２の頂部には入口２４が設けられており、該入口から高温の固体粒子が流動床１４の表面２８上における案内通路２６を通って流入する。
【００３７】
前記熱は、熱交換室１２内の流動床の中へ入る高温粒子から、該高温の固体粒子の熱エネルギーを、前記伝熱表面３０内に収納された媒体、普通は蒸気あるいは水へ伝熱させることによって、回収される。前記熱交換室１２の頂部で、前記流動床１４の表面２８の直ぐ下には、熱交換室の壁部３２に出口３４が設けられており、固体粒子が該出口を通って該熱交換室から、代表的には例えば炉である隣接の空間３６へ取出される。前記出口３４は好ましくは本出願人によるフィンランド特許出願ＦＩ９５２１９３に開示されたガスロックを備えたいわゆるギルシールタイプのブロックである。図１には該“ギルシール”タイプ（魚のえらに似た構造）の出口に多分必要とされる流動空気のための分離的な供給システムは示されていない。前記出口はまた、他の種類の導管あるいは開口であってもよく、該開口の程度およびそれを通過する流量は調節可能になっている。
【００３８】
流動床１４内では、床の塊状集積や局所過熱を防ぐために、連続的な流動化を頻繁に維持しなければならない。入口２４を通って流動床の上表面へ流入する高温の固体粒子が、流動化によって流動床１４と急速に混合するのを防ぐために、熱交換室内に前記混合を相当抑制するためのバッフルあるいは中間壁３８が配置されている。該中間壁３８は前記案内通路２６の壁の一つを形成している。
【００３９】
熱交換室１２の頂部の入口２４と流動床１４の上表面２８との間において配置された前記中間壁３８は、該入口２４を通ってきた高温の固体粒子を、熱交換室の該中間壁３８と壁部３２によって画成された流動床の上表面２８上の領域２８′へ向かって送り出す。熱交換室１２の中間壁３８および壁部３２は、流動床の上に延在して、部分的に流動床中に入り込んだ案内通路２６を形成している。該中間壁３８は出口の下部エッヂより深く延びており、前記案内通路位置で、熱交換室内に入る材料が流動床１４の表面領域２８内で自由に移動することを防いでいる。他方で、無駄スペース問題を避けるために、熱交換室１２の壁部３２と中間壁３８とによって形成された案内通路２６は長すぎてはよくない。図１の例においては、固体粒子床における案内通路部分の長さは、床の深さの３０％以下である。前記中間壁３８は流動床中に長さ“ｈ”だけ延在しており、その長さは典型的には１０〜５０ｃｍである。
【００４０】
流動床の表面２８から案内通路によって制限された領域２８´の断面積Ａ_１は、最大で流動床の平均断面積Ａ_２の３０％である。中間壁の備わっていない熱交換室内の粒子は流動床の上表面全体に亘って広がるのに対し、入口２４を通って流動床へ流入する固体粒子は、本発明による装置の中で案内通路２６によって画成された領域の中に詰め込まれる。
【００４１】
図１に関する熱交換室を用いて低い伝熱効率を望む時には、できるだけ低速の流動化ガス速度、すなわちいわゆる最小流動化を用いなければならず、この場合でも、固体粒子の相対的な動きはある。もし中間壁３８が存在しなければ、入口２４を通って流入した高温の固体粒子は、固体粒子床の表面２８全体に亘って拡がることができ、従って、流動化ガスの速度が低いにもかかわらず、固体粒子から成る床１４と効率的に混合するであろう。本発明による図１の装置においては、中間壁３８は入口を通って流入する高温の固体粒子を、固体粒子床の上表面上の制限領域２８′へ送る。低速の流動化ガス速度を用いるときには、該制限床領域２８′に対する高温の固体粒子の混合は遅くなるか、あるいは実質的に全く混合が行われない。出口３４が案内通路２６によって画成される固体粒子床の領域の中に存在しているので、主として入口２４を通って熱交換室の中へ新しく流入し、床内の粒子と未だ混合されていない高温の固体粒子は、出口３４を通って熱交換室１２から排出される。相当な量の高温粒子が床中に入ってこないので、床１４の温度もかなり低い温度に維持され、伝熱量も僅かである。
【００４２】
他方、もし図１による熱交換室を用いて高い伝熱効率が望まれる時には、高速の流動化ガス速度を用いなければならない。この場合には、固体粒子床全体は非常に強い内部移動状態になっており、また入口２４を通って流入する粒子も、中間壁３８の存在には関係なく、熱交換室内の固体粒子床１４と急速に混合する。従って、案内通路２６によって画成される床部分の殆どを含む固体粒子の全ての床は、ほぼ同一の温度となり、その伝熱効率は最大である。
【００４３】
上述してきたことから、中間壁３８は熱交換室１２において用いることのできる最小可能伝熱効率を減少させるが、最大可能伝熱効率にも殆ど影響を与えない。従って、混合を制限する中間壁は熱交換室内の電熱状態の調節範囲を比較的広くすることができ、このことは熱交換室の多くの適用例の中で非常に重要である。
【００４４】
図２は本発明による循環流動床ボイラーに連結された熱交換器を示している。図２においては、可能な限り図１と同一の参照番号を用いている。
【００４５】
図２は循環流動床ボイラー４０を示し、これは炉３６と、粒子分離器４２と、ガス出口管４４と、ガスロック４８を備えた固体粒子のための戻りダクト４６とからなっている。高温の固体粒子からなる高速流動床は、流動化ガスを既知の方法によって風箱から床へ供給することによって炉３６内で保持されており、従って、該固体粒子は出口ガスと随伴されて、炉の頂部における開口を通って、粒子分離器４２ヘ送られる。該粒子分離器は大部分の高温の固体粒子を出口ガスから分離し、分離された固体粒子は分離器の下部部分に配置された戻りダクト４６を通って炉３６へ戻される。
【００４６】
本発明による熱交換器１０が前記戻りダクト４６と連通して配置されており、その熱交換室１２の中では、高温の固体粒子からなる低速流動床１４が流動化ガスを風箱１６から格子１８を通して供給することによって保持されている。該流動床には該流動床から熱を回収するための伝熱表面３０が設けられている。
【００４７】
前記流動床の上における熱交換室１２の頂部には（図１には示されていないが）開口あるいはダクトが設けられており、これを通って流動化ガスが熱交換室から炉へ流入することができる。さらに、該流動床１４の上における熱交換室１２の頂部には（図３においてもっと明確に示されている）戻りダクトの端部４６′と連通した入口２４が設けられており、これを通り、高温の固体粒子が入口２４を通って流動床１４の中へ流入する。
【００４８】
熱交換室１２の底部には出口５０が設けられており、該出口を通って固体粒子は熱交換室から排出されて、ダクト５２に沿って炉３６へ送られる。出口５０を通って排出される固体粒子の容積流量は、弁５６を用いることによって調節することができ、パイプ５４を通ってダクト５２へ供給される流動化空気およびブラスト空気の容積を変化させる。出口５０を通って排出される固体粒子の流れの容積が熱交換室に流入する高温の固体粒子の流れの容積よりも少ない時には、過剰の固体粒子は熱交換室１２から床１４の上表面から直接的に、熱交換室の壁部６０で入口２４より下に配置された溢流開口５８を通って出て行く。前記壁部６０は該入口２４のところで、熱交換室１２と炉３６とで共用されている。該熱交換室と炉とはまた互いに他と完全に分離されており、壁部あるいは壁の部分を共用してはいない。図２の場合には、熱交換室の壁の上部のみが炉と共用されている。もし熱交換室が完全に分離されておれば、それらの間にダクトあるいはパイプを配置することができ、熱交換室から出た固体粒子はそれを通って炉へ戻すことができる。
【００４９】
熱交換室１２の頂部において入口２４と流動床１４との間に配置された、混合を制限するための中間壁６２は高温の固体粒子を、該中間壁６２と熱交換室の壁部６０とによって画成された流動床１４の上表面２８の領域２８′に向けて送り出す。該中間壁６２と熱交換室１２の壁部６０とが流動床の上で案内通路６６を形成し、部分的に流動床の中へ入り込んでいる。前記中間壁６２は溢流開口５８の下部エッヂよりも深く延びており、案内通路位置で、流動床１４の表面上に入り込んでくる材料の自由移動を防いでいる。他方で、無駄スペースを避けるために、熱交換室の壁部６０と中間壁６２とによって形成された案内通路６６は長すぎてはいけない。図１に示した例においては、案内通路６６の長さは流動床１４の深さの２０％より少ない。前記中間壁６２は流動床の上表面より“ｈ”だけ下へ延在し、その長さは代表的には０〜５０ｃｍである。案内通路によって流動床から制限された面積Ａ₁は、流動床の平均断面積Ａの最大で３０％である。
【００５０】
高温の固体粒子の一部分は案内通路６６から溢流開口５８を通って、案内通路の下部における固体粒子と混合することなしに、あるいは案内通路の領域において微量の冷却された固体粒子としか混合しないで炉３６へ流入することができる。高温の固体粒子の制御可能な部分が、冷却されていない状態で直接、炉の中へ流入する。流動床１４内の粒子を、溢流開口５８を通って出てくる高温の粒子とできるだけ混合を最少にするために、該溢流開口は図２の装置における入口と非常に近接して配置されている。
【００５１】
前記出口５０を出てくる粒子が、溢流開口５８を出てくる粒子よりも、伝熱表面３０と多く接触するので、熱交換器１０の伝熱効率は、出口５０と溢流開口５８とをそれぞれ出てくる粒子の流れの比率を変えることによって調節することができる。流動床１４の流動化速度が一定の場合には、伝熱効率は、全ての粒子が出口５０から出てくる時に最大となり、全ての粒子が溢流開口５８から出てくる時に最少となる。
【００５２】
代表的な場合には、熱交換室からの排出が溢流開口５８からのみの場合に達成される最少の伝熱効率は、もし中間壁６２が設けられていなかったとしたら、最大効率の６０〜８０％のオーダーになるであろう。中間壁６２が存在することによって、最少効率を用いることによる流動床１４内の粒子の交換はそれほど重要ではなく、その最少効率は最大効率の僅か２０％に過ぎない。このように調節範囲が拡大されることは、熱交換器１０の各種の調節にはきわめて重要である。
【００５３】
高温の固体粒子の入口流を制限する案内通路６６と溢流開口は好ましくは天井に形成されており、そこから固体粒子が単純な方法で炉内へ戻される。溢流開口における断面積を示す図２の場合においては、該溢流開口は熱交換器の壁部６０の中間に配置されるようになっている。もし望みならば、前記案内通路と溢流開口は熱交換器のいずれかの側に配置されていても、あるいはどこか他の適当な場所に配置されていてもよく、あるいは丁度１個以上の溢流開口が互いに１つの距離だけ離れたところに配置されていてもよい。
【００５４】
図４の装置においては、可能な限り図１、２、３と同一の参照数字を用いている。
【００５５】
図４は熱交換器１０の熱交換室１２を示しており、該熱交換室は流動床反応炉、循環流動床反応炉、あるいは気泡流動床反応炉の炉３６における壁部６０の外側に配置されている。固体粒子の流動床１４は風箱７０から格子７２を通って送給される流動化ガスによって流動化され、伝熱表面３０の床から熱エネルギーが回収される。
【００５６】
固体粒子の流れは、入口７４を通って、固体粒子床１４の上表面２８へ送られる。入口７４を通って流入する高温の固体粒子は、中間壁７６によって形成される案内通路７８によって、流動床へ向けて、その上表面における制限領域２８´へ送られる。高温の固体粒子は、中間壁によって画成された領域内に設けられて溢流開口８０を通って排出され、流動床の上表面は溢流開口の下部エッヂと高さが同一であるか、あるいはそれより高い位置にある。
【００５７】
炉３６と熱交換器１０の実際の熱交換室１２との間には、垂直の上昇室８２が形成されている。該熱交換室１２と上昇室８２とは、それぞれの底部における出口８４を通して相互に連通されている。前記上昇室の頂部には、該上昇室と炉とによって共用されている壁部８６における第２の溢流開口８８が設けられており、該上昇室から炉への溢流として固体粒子を排出する。
【００５８】
前記上昇室８２の第２溢流開口８８を通って出てくる固体粒子の流量容積“Ｖ”と、熱交換室の頂部に配置された溢流開口８０から出てくる固体粒子の流量容積“Ｖ”との比率は、上昇室８２を通って出てくる流れの容積、すなわち流動化を調節する弁９０によって調節することができる。混合を防ぐための中間壁７６によって、溢流開口８０から出てくる流れは、流動床１４内の粒子と殆ど混合しない。該溢流開口８０を通る固体粒子の流れは、入口７４を通って新しく流入する高温の固体粒子からなっている。
【００５９】
今までは、本発明は現在最も好ましいと考えられる実施例と関係して説明してきた。しかしながら、本発明はこれらの実施例のみに限定されることはなく、特許請求の範囲で規定される発明の範囲内における多数の他の装置にも適用されることは理解されるはずである。
【００６０】
従って、熱交換器はまた反応室、たとえが反応室の内部と関連して何らかの他の方法によって配置してもよいことが理解されるはずである。従って、粒子入口は反応室の内部の材料の循環と関連して作動するように配置してもよい。
【００６１】
さらに、入口および出口の数、それらの位置および構造はここで開示したものから変更してもよく、粒子の混合を制限するための装置の構造および形状も、ここで開示した実施例から変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による流動床熱交換器の概略的な垂直方向の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例による熱交換器を備えた循環流動床ボイラーの概略的な断面図である。
【図３】図２の溢流開口における概略的な拡大図であり、本発明による熱交換器が循環流動床ボイラーの分離器における戻りダクトに連結された本発明の第１の例示的な実施例を示している。
【図４】本発明の第２の実施例による熱交換器の概略的な断面図である。

Claims (23)

1. 内部に固体粒子から成る床（１４）を備えた熱交換室（１２）を有する流動床熱交換器（１０）における伝熱作用を制御するための方法において、
   （ａ）前記熱交換室の頂部における入口（２４、７４）を通って、該熱交換室の内部における固体粒子から成る床の上表面（２８）に対して固体粒子を供給する段階であり、その際、固体粒子は、案内通路（２６、６６、７８）によって前記上表面の領域（２８′）へ送られ、該上表面の領域（２８′）は前記案内通路によって画成される領域である、前記固体粒子の供給段階と、
   （ｂ）熱交換器内の固体粒子から成る床を流動化ガスによって流動化させる段階と、
   （ｃ）伝熱表面（３０）によって固体粒子の流動床から熱を伝熱させる段階と、
   （ｄ）熱交換室から固体粒子を排出させる段階とを含み、
   前記段階（ｄ）において、前記案内通路の領域に形成された第１出口（３４、５８、８０）を通って、熱交換室から固体粒子を排出させることを特徴とする流動床熱交換器における伝熱制御方法。
2. 熱交換室に対して、固体粒子から成る床の前記上表面の領域（２８′）へ固体粒子を供給することによって特徴づけられ、前記領域（２８′）の断面積が、固体粒子から成る床の平均断面積の、最大でも３０％、好ましくは最大でも１０％である請求項１に記載された流動床熱交換器における伝熱制御方法。
3. 前記案内通路の１つの壁部を形成し、固体粒子から成る床の中へ挿入された中間壁（３８、６２、７６）によって、該案内通路と残りの固体粒子から成る床との間における固体粒子の水平方向移動を制限していることを特徴とする請求項１に記載された流動床熱交換器における伝熱制御方法。
4. 前記熱交換室内の固体粒子から成る床の表面からの溢流によって、固体粒子を熱交換器から排出することを特徴とする請求項１に記載された流動床熱交換器における伝熱制御方法。
5. 前記熱交換室内の固体粒子から成る床の表面よりも下で、第１の調節可能な出口を通して、熱交換器から前記固体粒子を排出することを特徴とする請求項１に記載された流動床熱交換器における伝熱制御方法。
6. 前記固体粒子をさらに流動床熱交換器から、該熱交換室における第２の出口を通って排出することを特徴とする請求項１に記載された流動床熱交換器における伝熱制御方法。
7. 前記第２出口を通る固体粒子の量を制御することによって、前記熱交換器における熱交換量を調節することを特徴とする請求項６に記載された流動床熱交換器における伝熱制御方法。
8. 循環流動床反応炉における流動床熱交換器内での伝熱作用を制御するために、前記熱交換器が循環流動床反応炉の粒子分離器（４２）の戻りダクト（４６）に連結された入口（２４）と、該循環流動床反応炉の炉（３６）に連結された出口（５８）とを有し、戻りダクト（４６）から熱交換室（１２）へ流れる固体粒子を、前記案内通路（６６）によって画成される領域（２８′）から循環流動床反応炉の炉（３６）へ直接的に戻すことを特徴とする請求項１に記載された流動床熱交換器における伝熱制御方法。
9. 流動床熱交換器（１０）において、
   固体粒子から成る床（１４）を有する熱交換室（１２）と、
   該熱交換室内の固体粒子から成る床を流動化させるために、該熱交換室内へ流動化ガスを供給するための装置（１６、１８）と、
   前記熱交換室内の前記固体粒子から成る床と接触する伝熱表面（３０）と、
   前記固体粒子を熱交換室へ供給するための、該熱交換室の頂部に配置された入口（２４、７４）と、
   前記固体粒子を前記入口（２４、７４）から、該固体粒子から成る床の上表面における前記案内通路によって画成される領域（２８′）へ向かって案内するための、前記固体粒子から成る床の上表面（２８）より上から、少なくとも該固体粒子から成る床の表面（２８）へ延在する案内通路（２６、６６、７８）と、
   前記熱交換室から固体粒子を排出するための第１出口（３４、５８、８０）とを具備し、
   前記案内通路によって画成される領域内の固体粒子から成る床から、固体粒子を排出するために、前記第１出口（３４、５８、８０）が案内通路（２６、６６、７８）の領域内に形成されていることを特徴とする流動床熱交換器。
10. 前記固体粒子から成る床の上表面において、前記案内通路によって画成される領域（２８′）の面積が、該固体粒子から成る床の平均断面積の、最大で３０％、好ましくは最大で１０％であることを特徴とする請求項９に記載された流動床熱交換器。
11. 前記固体粒子から成る床の上表面において、前記案内通路によって画成される領域（２８′）が、前記熱交換室の第１壁部（３２）と接触していることを特徴とする請求項９に記載された流動床熱交換器。
12. 前記第１出口（５８、８０）が前記固体粒子から成る床の表面と高さを一緒になって配置された溢流開口からなることを特徴とする請求項１１に記載された流動床熱交換器。
13. 前記第１出口（３４）が前記固体粒子から成る床の表面より下に配置された調節可能な出口からなることを特徴とする請求項１１に記載された流動床熱交換器。
14. 前記熱交換室には第２の出口（５０、８４）が配置されていることを特徴とする請求項９に記載された流動床熱交換器。
15. 前記熱交換室の底部に前記第２の出口（５０）が配置されていることを特徴とする請求項１４に記載された流動床熱交換器。
16. 前記第２の出口（８４）が前記熱交換室と該熱交換室に隣接して形成された上昇室（８２）との間に配置されており、該上昇室から固体粒子を排出するために、該上昇室の頂部には溢流開口（８８）が配置されていることを特徴とする請求項１４に記載された流動床熱交換器。
17. 前記案内通路（２６、６６、７８）が前記熱交換室の壁部（３２）、および該熱交換室の中に配置された中間壁（３８、６２、７６）と接触しており、該中間壁（３８、６２、７６）が固体粒子から成る床の表面（２８）の上方から少なくとも該固体粒子から成る床の表面にまで延在していることを特徴とする請求項９に記載された流動床熱交換器。
18. 前記中間壁（３８、６２、７６）が前記固体粒子から成る床から前記表面の下へ約１０ｃｍ〜５０ｃｍ、好ましくは約２０ｃｍ〜３０ｃｍ延在している、ことを特徴とする請求項１７に記載された流動床熱交換器。
19. 前記中間壁（３８、６２、７６）が前記固体粒子から成る床の中へ、最大で該床の深さの２０％侵入している、ことを特徴とする請求項１７に記載された流動床熱交換器。
20. 前記第２の出口（５０）が熱交換室の底部における案内通路の垂直方向突出部から離隔されている、ことを特徴とする請求項９に記載された流動床熱交換器。
21. 前記熱交換室には連続流動化する固体粒子の連続的な床が設けられている、ことを特徴とする請求項９に記載された流動床熱交換器。
22. 前記流動床熱交換器の入口（２４）が循環流動床反応炉の粒子分離器（４２）の戻りダクト（４６）に連結され、該流動床反応炉の炉（３６）への第１出口（３４、５８）とに連結されている、ことを特徴とする請求項９に記載された流動床熱交換器を有する循環流動床反応炉。
23. 前記流動床熱交換器の入口（７４）が流動床反応炉の炉（３６）に直接的に連結されている、ことを特徴とする請求項９に記載された流動床熱交換器を有する循環流動床反応炉。

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