JP5327417B2 - 流動層反応器 - Google Patents

Description

本発明は、流動層反応器に係り、詳しくは流動層反応器の粒子流動層内に固体反応物を供給する技術に関する。

石炭、バイオマスの熱分解ガス化等のように固体反応物の供給により所定化学反応を起こさせる流動層反応器が開発され広く実用化されている。
この流動層反応器では、通常は粒子流動層の上方から固体反応物を供給するようにしている。
しかしながら、固体反応物の熱分解ガス化のような化学反応に対しては固体反応物と粒子との接触の機会を極力多くするのがよく、固体反応物を粒子流動層内に供給する技術が開発されている。このようにすれば、固体反応物の外部への飛び出しを抑え、固体反応物の化学反応を良好に促進することが可能である（非特許文献１等参照）。
In Research in Thermochemical Biomass Conversion, A. V. Bridgewater, J. L. Kuester, Eds., Elsevier Applied Science: London, p.384-397(1988)

ところで、現在使用されている固体反応物を粒子流動層内に供給する方法としては、固体反応物をガス搬送したり粒子流動層内に押し込んだりする方法が一般的である。
しかしながら、固体反応物をガス搬送したり粒子流動層内に押し込んだりする方法は、粒子流動層の上方から固体反応物を供給する方法に比べ、共に粒子流動層の層内圧及び流動変動による抵抗を受け易いという問題がある。そして、このような抵抗を克服するためには固体反応物を極めて高速、高圧で供給しなければならず、高速ガスや高圧の押圧力を発生するための大掛かりな装置が必要となり好ましいことではない。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、粒子流動層の層内圧及び流動変動による抵抗を受けることなく簡単な構成にして固体反応物を粒子流動層内に供給可能な流動層反応器を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の流動層反応器は、粒子流動層に供給した固体反応物を所定化学反応によって生成ガスを生成して外部に取り出す流動層反応器であって、前記粒子流動層を収容する外殻と、該外殻の上部から該外殻内の空間を下方に向けて延び、該外殻内の空間を下端側が開放端となるよう仕切る仕切壁と、該仕切壁により仕切られた一方の空間側の外殻の上部を貫通して設けられ、前記固体反応物を前記外殻内のうち該一方の空間側の前記粒子流動層の表面上に供給する固体反応物供給口とを備え、前記粒子流動層を該粒子流動層の表面が前記仕切壁の下端よりも上方に位置するよう前記外殻内に収容し、前記固体反応物供給口の設けられた前記一方の空間の圧力を前記固体反応物の供給後に該固体反応物供給口を閉じることで他方の空間の圧力以上に保持することを特徴とする。

また、請求項２の流動層反応器では、請求項１において、前記外殻は上面と側面とを有し、前記仕切壁は、前記側面の上部から前記外殻内の空間を下方に向けて延びていることを特徴とする。
また、請求項３の流動層反応器では、請求項１において、前記外殻は上面と側面とを有し、前記仕切壁は、前記上面から前記外殻内の空間を下方に向けて延びていることを特徴とする。

また、請求項４の流動層反応器では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記仕切壁は、該仕切壁の下端に向けて前記一方の空間が徐々に拡開するよう前記外殻の上部から斜め下方に向けて延びていることを特徴とする。

請求項１の流動層反応器によれば、仕切壁により仕切られた一方の空間側の外殻の上部に設けられた固体反応物供給口から固体反応物が一方の空間側の粒子流動層の表面上に供給されるが、粒子流動層は該粒子流動層の表面が仕切壁の下端よりも上方に位置するよう外殻内に収容され、さらに固体反応物供給口の設けられた一方の空間の圧力は固体反応物の供給後に該固体反応物供給口を閉じることで一般に他方の空間の圧力以上に保持されるので、圧力差により、粒子流動層の表面の高さが一方の空間側で下がる一方、他方の空間側で上昇することになり、固体反応物を一方の空間側の粒子流動層の表面上に供給すると、固体反応物は一方の空間側では粒子流動層の表面に位置する一方、他方の空間側から見れば粒子流動層内に位置することとなる。

これより、一方の空間側、即ち固体反応物を供給する供給区域において上方から供給した固体反応物は粒子流動層の流動によって対流し、一方の空間側から他方の空間側、即ち所定化学反応が行われる反応区域へと搬送されるのであるが、このとき固体反応物は反応区域では必然的に粒子流動層の内部に混入することとなる。
従って、固体反応物を粒子流動層の層内圧及び流動変動による抵抗を受けることなく粒子流動層内に確実に供給するようにでき、簡単な構成でありながら、固体反応物と粒子流動層との接触の機会を増やし、固体反応物の熱分解ガス化等の所定化学反応を促進することができる。

請求項２の流動層反応器によれば、仕切壁は外殻の側面の上部から外殻内の空間を下方に向けて延びているので、供給区域を極力小さくする一方、所定化学反応が行われる反応区域をできるだけ大きくして固体反応物の熱分解ガス化等の所定化学反応を促進することができる。
請求項３の流動層反応器によれば、仕切壁は外殻の上面から外殻内の空間を下方に向けて延びているので、供給区域の上方に粒子流動層の粒子の止まりが生じないようにして固体反応物の熱分解ガス化等の所定化学反応を促進することができる。

請求項４の流動層反応器によれば、仕切壁は一方の空間が徐々に拡開するよう外殻の上部から斜め下方に向けて延びているので、供給区域を極力小さく且つ供給区域の上部に粒子流動層の粒子の止まりが生じないようにして固体反応物の熱分解ガス化等の所定化学反応を促進することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
先ず、第１実施例を説明する。
図１を参照すると、本発明の第１実施例に係る流動層反応器の概略構成図が示されている。
図１に示すように、流動層反応器１は、ハウジング（外殻）１０内に収容された高温の媒体粒子（砂等のベッド材であり、以下、単に高温の粒子または粒子ともいう）からなる粒子流動層（以下、単に流動層ともいう）１２に固体反応物（石炭、バイオマス等）を供給するとともにガス反応剤（スチーマ、ＣＯ_２等）を供給し、上記高温の粒子の熱により固体反応物の熱分解ガス化（所定化学反応の一つであって、以下、単にガス化ともいう）を行う装置であり、固体反応物のガス化により生成された生成ガス（製品ガス）が当該流動層反応器１の上部から取り出されるよう構成されている。

ハウジング１０は上壁（上面）１０ｂと側壁（側面）１０ａとを有して例えば六面体をなしており、六面体のうち一の側壁１０ａの内面からは流動層反応器１の内部空間を下方に向け延びて仕切壁１４が形成されている。仕切壁１４の下端は流動層反応器１の内部空間を高さ方向で略中間位置まで延びて止まっており、即ち、仕切壁１４は当該仕切壁１４によって仕切られた空間１６が開放端をなすように配設されている。ここでは、例えば仕切壁１４は当該仕切壁１４によって仕切られた一方の空間（以下、供給区域）１６の開口面積が他方の空間（以下、反応区域）１８の開口面積よりも十分に小さくなるように設定されている。つまり、仕切壁１４は流動層反応器１の内部空間の一部分を仕切ることで供給区域１６を形成するように配設されている。

仕切壁１４により仕切られた供給区域１６側には、側壁１０ａの比較的上部において側壁１０ａを貫通して固体反応物供給口２０が設けられている。つまり、当該流動層反応器１では、常圧のもとで固体反応物を固体反応物供給口２０からハウジング１０内のうち供給区域１６側の流動層１２の表面上に供給するよう構成されている。
そして、上記高温の媒体粒子については、仕切壁１４の下端よりも高い位置まで達するようにハウジング１０内に装填されている。つまり、当該流動層反応器１では、流動層１２は当該流動層１２の表面の位置が仕切壁１４の下端の位置よりも上方となるようハウジング１０内に収容されている。

ところで、固体反応物が供給区域１６に供給されると固体反応物供給口２０が蓋（図示せず）によって閉じられるが、このように固体反応物供給口２０が閉じられると、供給区域１６内の圧力は上昇して例えば所定圧Ｐ2となり、一般に他方の反応区域１８の圧力Ｐ1よりも通常的に高圧となる（Ｐ2＞Ｐ1）。
このように供給区域１６の圧力Ｐ2が反応区域１８の圧力Ｐ1よりも高圧となると、差圧により、同図に高低差ｈを示すように、流動層１２のうち供給区域１６側の表面の位置が下がる一方、反応区域１８側の表面の位置が上昇することとなる。故に、当該流動層反応器１では、流動層１２は、供給区域１６側の表面の位置が低く、反応区域１８側の表面の位置が高くなるよう保持されている。実際には、供給区域１６側の表面の位置は、同図に示すように最終的に仕切壁１４の下端位置近傍となる。

なお、反応区域１８の流動層１２より上方の空間は特にフリーボードと呼ばれており、当該フリーボードでは、圧力Ｐ1の下、生成ガスの精製等が行われる。
また、流動層１２の高温の粒子の一部及び固体反応物の残留チャー等についてはハウジング１０の外部に一旦排出して外部循環させるようにしてもよいが（可選）、ここではその詳細については説明を省略する。

このように構成された流動層反応器１では、固体反応物を固体反応物供給口２０から供給する。
この場合、上述したように固体反応物供給口２０は固体反応物をハウジング１０内のうち供給区域１６側の流動層１２の表面上に供給するよう構成されており、また供給区域１６では圧力が反応区域１８の圧力Ｐ1より高い所定圧Ｐ2であって流動層１２の表面が下がっているため、固体反応物の供給は流動層１２内ではなく流動層１２の表面上に上方から投下する形となる。つまり、固体反応物については流動層１２内にガス搬送したり押し込んだりすることなく容易にハウジング１０内に供給される。

このように固体反応物が供給されると、当該固体反応物は、流動層１２の流動により対流して徐々に反応区域１８側に搬送されることとなる。
このとき、上述したように供給区域１６側での流動層１２の表面の位置は仕切壁１４の下端位置近傍にあり、反応区域１８側での流動層１２の表面の位置は供給区域１６側での表面の位置よりも高くなっているため、反応区域１８側から見れば供給区域１６側の流動層１２の表面は流動層１２内に位置することとなり、固体反応物は上記差圧により反応区域１８側に移動することで必然的に流動層１２内に混入することとなる。

これにより、固体反応物は流動層１２内で高温の粒子と十分に接触することとなる。
このように、本発明に係る流動層反応器によれば、固体反応物を流動層１２の層内圧及び流動変動による抵抗を受けることなく流動層１２内に確実に供給することができ、簡単な構成でありながら、固体反応物と流動層１２との接触の機会を増やし、固体反応物の熱分解ガス化を促進することができる。

特に、当該第１実施例では、仕切壁１４を側壁１０ａの内面から下方に向け形成するようにしているので、供給区域１６を極力小さくする一方、熱分解ガス化を行う反応区域１８を極力大きくして固体反応物の熱分解ガス化を促進することができる。
次に第２実施例を説明する。
図２を参照すると、本発明の第２実施例に係る流動層反応器の概略構成図が示されている。

第２実施例では、その構成は基本的には上記第１実施例の場合と同様であり、ここでは第１実施例と異なる部分についてのみ説明する。
図２に示すように、当該第２実施例では、例えば六面体からなるハウジング１０の当該六面体のうち上壁１０ｂの内面から流動層反応器１の内部空間を下方に向け延びて仕切壁１１４が形成されている。

つまり、第２実施例では、仕切壁１１４が上壁１０ｂから真直ぐ下方に延びて供給区域１６及び反応区域１８が形成されている。
仕切壁１１４を上壁１０ｂから真直ぐ下方に形成すると、上記第１実施例の場合には供給区域１６を極力小さくできる一方、反応区域１８内の仕切壁１４の上方部分において流動する粒子の止まりが生じるおそれがあるのであるが、このような粒子の止まりの発生が防止される。

このように、本発明の第２実施例に係る流動層反応器によれば、上記同様に固体反応物を流動層１２内に確実に供給することができることは勿論、粒子の止まりの発生を防止しつつ固体反応物の熱分解ガス化を促進することができる。
次に第３実施例を説明する。
図３を参照すると、本発明の第３実施例に係る流動層反応器の概略構成図が示されている。

第３実施例では、その構成は基本的には上記第１及び第２実施例の場合と同様であり、ここでは第１及び第２実施例と異なる部分についてのみ説明する。
図３に示すように、当該第３実施例では、例えば六面体からなるハウジング１０の当該六面体のうち上壁１０ｂの内面から流動層反応器１の内部空間を斜め下方に向け延びて仕切壁２１４が形成されている。

詳しくは、仕切壁２１４は、当該仕切壁２１４の下端に向けて供給区域１６が徐々に拡開するようにして上壁１０ｂから斜め下方に延びている。
供給区域１６が徐々に拡開するように仕切壁２１４を上壁１０ｂから斜め下方に形成すると、上記第１実施例の場合と同様に供給区域１６が極力小さく反応区域１８が極力大きくされるとともに、上記第２実施例の場合と同様に粒子の止まりの発生が防止される。

このように、本発明の第３実施例に係る流動層反応器によれば、上記同様に固体反応物を流動層１２内に確実に供給することができることは勿論、供給区域１６を極力小さくし且つ粒子の止まりの発生を防止して固体反応物の熱分解ガス化をより一層促進することができる。
次に第４実施例を説明する。

図４を参照すると、本発明の第４実施例に係る流動層反応器の概略構成図が示されている。
第４実施例では、その構成は基本的には上記第１乃至第３実施例の場合と同様であり、ここでは第１乃至第３実施例と異なる部分についてのみ説明する。
図４に示すように、当該第４実施例では、上記第３実施例の場合と同様に、例えば六面体からなるハウジング１０の当該六面体のうち上壁１０ｂの内面から流動層反応器１の内部空間を斜め下方に向け延びて仕切壁３１４が形成されている。

そして、当該第４実施例では、供給区域１６と反応区域１８とを連通するようにして仕切壁３１４の上部に単数または複数の貫通孔３１６が穿設されている。
仕切壁３１４に貫通孔３１６が設けられていると、供給区域１６で生成された生成ガスを反応区域１８のフリーボードへ排出可能となり、上記第１乃至第３実施例の効果に加え、供給区域１６で生成された生成ガスをも良好に取り出すことができる。

以上で本発明に係る実施形態の説明を終えるが、実施形態は上記に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記実施形態では、固体反応物を常圧のもとでハウジング１０内に供給するようにしているが、常圧より高い所定圧Ｐ3（例えば、Ｐ3＞Ｐ1＞常圧）の圧力のもとで固体反応物を供給するようにしてもよい。このようにすれば、当該所定圧Ｐ3の圧力を利用して容易に供給区域１６内の圧力を所定圧Ｐ2まで高めることが可能である。

また、上記実施形態では、所定化学反応の一つとして固体反応物（石炭、バイオマス等）の熱分解ガス化を行うようにしているが、所定化学反応は熱分解ガス化に限られるものではなく、他の固体反応物の供給を要求する他の化学反応であってもよい。

本発明の第１実施例に係る流動層反応器の概略構成図である。 本発明の第２実施例に係る流動層反応器の概略構成図である。 本発明の第３実施例に係る流動層反応器の概略構成図である。 本発明の第４実施例に係る流動層反応器の概略構成図である。

符号の説明

１ 流動層反応器
１０ ハウジング（外殻）
１０ａ 側壁（側面）
１０ｂ 上壁（上面）
１２ 粒子流動層
１４、１１４、２１４、３１４ 仕切壁
１６ 一方の空間（供給区域）
１８ 他方の空間（反応区域）
２０ 固体反応物供給口

Claims (4)

1. 粒子流動層に供給した固体反応物を所定化学反応によって生成ガスを生成して外部に取り出す流動層反応器であって、
   前記粒子流動層を収容する外殻と、
   該外殻の上部から該外殻内の空間を下方に向けて延び、該外殻内の空間を下端側が開放端となるよう仕切る仕切壁と、
   該仕切壁により仕切られた一方の空間側の外殻の上部を貫通して設けられ、前記固体反応物を前記外殻内のうち該一方の空間側の前記粒子流動層の表面上に供給する固体反応物供給口とを備え、
   前記粒子流動層を該粒子流動層の表面が前記仕切壁の下端よりも上方に位置するよう前記外殻内に収容し、
   前記固体反応物供給口の設けられた前記一方の空間の圧力を前記固体反応物の供給後に該固体反応物供給口を閉じることで他方の空間の圧力以上に保持することを特徴とする流動層反応器。
2. 前記外殻は上面と側面とを有し、
   前記仕切壁は、前記側面の上部から前記外殻内の空間を下方に向けて延びていることを特徴とする、請求項１記載の流動層反応器。
3. 前記外殻は上面と側面とを有し、
   前記仕切壁は、前記上面から前記外殻内の空間を下方に向けて延びていることを特徴とする、請求項１記載の流動層反応器。
4. 前記仕切壁は、該仕切壁の下端に向けて前記一方の空間が徐々に拡開するよう前記外殻の上部から斜め下方に向けて延びていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の流動層反応器。

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