JPH02503468A - 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

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 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定熱交換 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（１つ・温度差）は、ガスと固定面の接触で達成されるものより 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 とができず、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（４ａｓｔ　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１〜３瀧／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、理論下限内での流動 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ニージ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℃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（Ｈｏｌ＋ｎ）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 リニージ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）／り（１’ｏｌｏｗｄｉｕｋ）　） 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床からガス流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下降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 内を下降して貯蔵室に入り、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 化せ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衡突することにより、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、うろ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、 通常水子熱器（または、エコノマイザ−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 度で操作されるにめ、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−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ちのよりも、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−よりも前段の排ガスダクト内に配置するか、 まｋ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 に応じ燃焼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。反応器壁土 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？ こより、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７記載の流動床燃 焼反応器、請求項１６記載の流動床燃焼反応器の操作方法により達成される。

本発明の区域化は、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は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、容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。過熱器を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。

流動化ガス流は、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少なくとも１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、】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セクシヨンから移動した粒 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セクシヨンから 第２セクシヨ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セクシヨンから第１セクシヨ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か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、請求の範囲第１６項記載の、前記した反応器の操作と等しい流動床反 応器の操作法を提供する。この方法により１．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】図の■−■ライ ンに沿っ１こ水平断面図、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１’Ｖ−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により囲まれかつ上方に頂部 室を備える底部室２からなる。底部室２は、その下端においてバルブ機構２３を 有する出口ｌＯ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ｌＯ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ニージョン 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（図示せず）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。煙道ガスは、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１ ７を介し該サイクロンから排出され、次いでダクト２０を介し流動床反応器の適 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流動床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−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■−■に沿つ几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ツジを有し、これにより、粒子は壁Ｉ３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度以上の角度で伸張す るか、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、以下の説明かられかる。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らばならない。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、１６０μ！オーダーの平均粒子直 径について５ｃｘ／秒は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。底部室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、粒子導入用の入りロダクト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−から取り入れるが、各ブロワ−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− トレイジョン）により運ばれて頂部室に達し、ここで該流れは、ディフレクタ− （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 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、ディフレクタ−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１コ）実質的割合の粒状物質は 該頂部室下方に配置され１こ冷却器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】 ５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２６、予熱機 またはエコノマイザ−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−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は、粒子を降下管５５を介し 過熱セクションに落下させるが、一方、開口部７１は、粒子を該降下管に、蒸発 セクション５６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。過熱器サイクロンの降下管５５は、同様な形状をなす。第３図に示すよ うに、ブロワ−制御手段を有するブロワ−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、降下管は、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にめのバルブとして、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５６からの他の降下管は、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−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Ｌ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 て横方向に伸張するように、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、 伸張する。

第５図は、冷却管２１と一体になつ几粒子冷却器底部壁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４ ３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４ ６を備えるブロワ−４５を示す。この方法で２つのブロワ−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 部会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の実質的に全面にわたり広がった加熱粒子の連続的流れを、受ける。第１ 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５６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Ｑ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、蒸発器管に対する伝熱係 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図および府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６ ２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。

Ｒｇ、２ 〜・５ ｈ々・６ 国際調査報告 一一一−１＾−−−−Ｐ口／ＤＫ８９１０００す

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 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 粒状物質用の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、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. 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請求項１記載の冷却器。
3. ３．各セクション間に、粒子が流勧化しない境界域を設ける請求項１記載の冷却 器。
4. 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請求項１記載の冷却器。
5. 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 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請求項１、２または３の１ つに記載の冷却器。
6. ６．側壁および／または底部壁が、冷却管を備える請求項１〜５の１つに記載の 冷却器。
7. 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 の下方に設げられた第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連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、粒状物乞を冷却器 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、上記流勧化ガス導入用の 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. 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請求項７記載の反応器。
9. 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請求項７記載の 反応器。
10. １０．冷却器が、各セクシヨン間に配畳された隔壁を備え、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請 求項８記載の反応器。
11. １１．冷却器を、３つのセクションに分割し、各セクションが、底部に設けられ 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請求項７〜１０の１つに記載の反応器。
12. １２．粒状物質冷却器の側壁および／または底部壁が、冷却管を備える請求項７ 〜１１の１つに記載の反応器。
13. １３．冷却器から粒状物質を排出させるための開口部が、返還用の管または降下 管と連通し、ここを通過する粒状物質は、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請求 項７〜１２の１つに記載の反応器。
14. 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、配置される請求項７〜１３の１つに記 載の反応器。
15. 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 に伸張する請求項７〜１３の１つに記載の反応器。
16. 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 を該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、連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、その後反応器の低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. 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、これにより粒状 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請求項１６記載の方法 。
18. 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 器管セクションヘ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請求項１６または１７記載の方法。