JPH0613952B2 - 固体粒子から熱を移動させる熱交換器 - Google Patents

固体粒子から熱を移動させる熱交換器

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は一つの区画室内に含まれるかまたは該室内を
循環する固体粒子と外部環境との間において熱を転移さ
せる熱交換器に関する。
この発明はまた循環ベッドボイラ内の固体粒子の循環路
中に熱交換器を使用することに関する。
従来の諸装置はいずれも複雑であり、また同一容量に対
する性能が本発明の装置と工程による性能よりも劣る。
米国特許第3,087,253号の装置は中央の主区画室と残部
装置との間で固定粒子の再循環がないので大きな交換面
積を必要とする。
さらに、従来の技術が次の特許、すなわちEP-A-009542
7，EP-A-0006307，EP-A-0033713，EP-A-0093063，FR-A-
2261497，FR-A-1128881，GB-A-1577717，GB-A-129926
4，GB-A-1248544，US-A-2842101，US-A-35650022，US-A
-4404755，US-A-4538549，US-A-2759710に記載され、ま
た1981年10月26日から30日までリエージュ（Liege）で
開催された国際近代発電所研究時代の第８回会議の場合
にMontefiore InstituteからのA.I.M.Association des
Ingnieurs Electiciresにより発表された“Les techn
ologies de combustion en lif fluidis”と題する論
文に記載される。
本発明の熱交換器は固体粒子と外部環境との間の熱転移
に、固体粒子の流量を変更させることなく、大きな融通
性を与える。この発明の熱交換器は次の利点を持つ。
−流動化ヘッドにおけるすぐれた熱交換係数と関連する
顕著な小型化。
−多数のまたは種々の大きさの区画室を使用することに
よって得られる所望の熱交換率を調整する機能。
−大量の固体を供給されても、そらせ板を使用すること
により流動化ベッドの温度が均等化されること。
循環ベッドボイラに使用される場合に、本発明の熱交換
器は、特に１箇所で灰を再噴射させる外部交換器と再循
環装置全体を著しく簡単化し、本明細書で更に詳述する
ように熱交換率の２本の制御用レバーに関連する使用上
の顕著な融通性を提供する。
従って、本発明の熱交換器は、特に固体粒子と当該熱交
換器の外部環境との間で熱エネルギを転移させるととも
に該粒子の入口オリフィスおよび出口オリフィスを備え
る。この交換器は、前記入口および出口のオリフィスと
連通する主区画室と、流動化ガス供給手段と、複数個の
副区画室とを含み、各副区画室は固体粒子を主区画室か
ら該副区画室に移動させる少なくとも一つのオリフィス
と、固体粒子を副区画室から主区画室へ移動させる少な
くとも一つのオリフィスと、主区画室に流動化ガスを供
給する手段とを含み、該流動化ガス供給手段は前記副区
画室および前記熱エネルギを抽出する手段内で前記固体
粒子を循環させることを特徴とする。
この熱交換器または、少なくとも一つの副区画室がこれ
を通過する流動化ガスの流量を制御する装置を含む。
流動化ガスの流量を制御する装置はオール・オア・ナッ
シング作動に適応する手段を含むことができる。
本発明の熱交換器はまた、第１および第２のすなわち外
側および円筒ケーシングと幾つかの側壁と、第１および
第２の板とを含み、これらの二枚の板が前記第１ケーシ
ングと共に閉塞空間を画成し、該空間内に前記第２円筒
ケーシングが収容され、前記側壁が両方の前記円筒ケー
シング間に延びて前記副区画室を画成する。
第２円筒ケーシングは副区画室の一つに固体粒子を導入
する少なくとも一つのオリフィスを含み、このオリフィ
スは少なくとも一つのそらせ板を含有することができ
る。
前記二枚の板のうちの第１板は流動化ガス供給手段を含
有し、該第１板近くから延びる第２円筒ケーシングは第
２板に到達する前に停止して該ケーシングの端縁と第２
板との間に自由空間を形成する。この自由空間は固体粒
子用の出口オリフィスとしての役目を果たす。
本発明の熱交換器は第２円筒ケーシングを収容する第１
円筒ケーシングと、前記第１および第２の円筒ケーシン
グにより画成される空間に含まれる少なくとも一つの中
間円筒ケーシングと、前記第１円筒ケーシングと共に閉
塞空間を画成する第１および第２の板とを含むことがで
きる。前記第２円筒ケーシングにより画成される内部空
間は前記主区画室を画成し、前記中間円筒ケーシングに
より画成される環状空間は前記副区画室を画成する。
エネルギ抽出手段はコイル状の熱交換管とすることがで
きる。
前記環状空間内に側壁を配設することによって付加的な
区画室を画成することができる。この発明の熱交換器を
反応器と分離器とを含む循環ベッドボイラに有利に使用
することができる。
この発明はまた、主区画室内に収容される固体粒子と外
部環境との間の熱移動を制御することができる。この制
御は主区画室を幾つかの区域に分割し、かつ、少なくと
も一つのこれらの区域への流動化ガス供給を別々に制御
する。
第１図はこの発明にかかる熱交換器の一実施例を示す。
この熱交換器は内側円筒ケーシング２により画成された
主区画室１を含有する。
副区画室３ａ、３ｂ、…３ｈは側壁４ａ乃至４ｈと外側
円筒ケーシング６とにより画成される（第１図の断面図
を示す第１Ａ図参照）。
各副区画室は、熱運搬流体が流通する熱交換管５のよう
な熱エネルギ転移手段を包含する。注目すべき点はこれ
らの熱エネルギ転移手段が熱エネルギを固形粒子に転移
するか、または反対に固形粒子から熱を取去ることがで
きる点である。
第１図に示す実施例において、固体粒子７は頂板すなわ
ちキャップ９に形成されたオリフィス８を通って主区画
室１に入る。該キャップ９は熱交換器の上部を閉塞する
と共に管５が貫通する。
固体粒子は底板１１に形成されたオリフィス10を通過す
るとともに該底板11は熱交換器の下部を閉塞する。勿
論、固体粒子を導入かつ排出するオリフィスは他の位置
にあってもよい。
第１図において、熱交換器の底板11は副区画室３ａ、３
ｅおよび主区画室１の各流動化グリッド12ａ、12ｅおよ
び13を備える。
底板11の下部に示す矢印は流動化ガスの流動方向を表示
する。
円周ケーシング２の下部は截頭円錐形板金14から成り、
該板金14は複数のオリフィス15を備え、固体粒子がこれ
を貫通して副区画室に進入できるようにする。これらの
オリフィス15はそらせ板16を備えたことが好ましい。
円筒ケーシング２はキャップ９までは延びず、固体粒子
７がオーバーフローにより循環流動できるようにするた
めの自由空間１ｂを残すようにキャップ９の手前まで延
びる。
第１図において、副区画室は環状の扇形の底部をもつ直
角プリズムの集合形式を有する。
なお、この発明の範囲内で、他の形式の区画室を設ける
こともできる。
第２図は別の実施例を示す。
この実施例の熱交換器は外側円筒ケーシング20により画
成されるとともに内側円筒ケーシング17により画成され
る主区画室21を備える。
外側円筒ケーシング20と内側円筒ケーシング17との間の
環状空間は中間円筒ケーシング19と18を含む。従って、
三つの副区画室22ａ、22ｂおよび22ｃが画成される（第
２図の断面を示す第２Ａ図参照）。
第２図の熱交換器は固体粒子を導入するためのオリフィ
ス24を有するキャップ23と、固体粒子を排出するための
オリフィス28を備えた底部25と、副区画室流動化手段26
ａ、26ｂ、26ｃおよび主区画室用流動化手段26ｄとを含
有する。
熱エネルギ転移手段は各副区画室内のコイル状熱交換管
27ａ、27ｂ、27ｃから形成される。
勿論、本発明の範囲内で、環状の副区画室22ａ、22ｂ、
22ｃは側壁を備えてもよく、この場合は、熱交換管は各
円筒ケーシングのまわりに完全にはコイル状に巻かれな
い。
各円筒ケーシングを熱交換器内に固定する方法は当業者
に周知であるから説明の必要はなかろう。
第３図は循環ベッドボイラを示す。この発明の熱交換器
は外部交換器29として使用される。
この交換器はサイクロン30と、反応器31に灰を再噴射す
るための装置との間に挿置される。この交換器によれば
サイクロン30に捕捉された粒子は流動化されてかなりの
熱の一部が、ベッドに埋設された気化管により取去られ
る。この媒体における熱交換率は、運動ベッドまたは粒
子シャワーベッドをもつ装置で得られるものと比較した
場合に、特に極めて高い。気化管の単位面積当りの熱交
換率は非流動化交換器の場合よりは３乃至６倍大きい。
この交換器は捕捉された灰を連続的に供給するとともに
極めて高い再循環流速に堪えることができるという利点
をもつ。
前記気化管は相互に分離されるとともに主区画室と連通
する副区画室内に置かれる。主区画室は副区画室に高熱
粒子を送る。主区画室と副区画室との間の粒子の熱交換
は、循環流を強化するそらせ板16の存在と、副区画室内
の空気を改善する差働流動化空気分配器の使用とにより
容易に行われる。かかる構成によれば、熱交換器全体に
わたる温度は、交換器がこれを通過する大量の粒子をも
つ場合でも一定に保持することができる。
この装置の熱交換器率は、温度、または流動化媒体と接
触する交換面積の調節により加減することができる。固
体粒子温度と交換面とが一定の場合は、流動化ベッドの
温度は固体粒子の流速と共に増大する。従って、交換器
を通る固体粒子の流速を制御することは熱交換率を制御
する手段となる。
熱交換率はまた、幾つかの副区画室の流動化を止めるこ
とで低下させることができる。熱交換管はその場合、固
定ベッド内に埋設しており、熱交換率は流動化の場合よ
りは10乃至20倍も低下する。これは熱交換面の一部を無
効化することに相等する。
一つの区画室の流動化を止めることは分配器への空気供
給を遮断することで達成される。各流動化ケーソンには
オール・オア・ナッシング弁を装備することができる。
区画室数は熱交換器が要求する融通性の関数として決定
される。
流動化を低減することにより、１乃至10の融通性が期待
でき、固体粒子の温度制御と流動化低減とを組み合わせ
ることによって熱交換器の融通性全体は、区画室への流
動化空気の供給がオール・オア・ナッシング型のものの
場合に、１乃至20となる。熱交換器の熱交換率変動は区
画室の数が増加する程融通性が大きくなる。
第３図において、循環路内を流れる固体粒子全体は熱交
換器29を通過し、Ｌ形弁形式の１個の再噴射装置32が備
えられる。外部交換器を使用するこの構成はサイクロン
から出る固体粒子の流量が非燃焼材料の流量より少ない
ものとする。この状況は必ずしもすべての場合に得られ
るとは限られないので、ボイラにより煙から、またフィ
ルタによってすら捕捉される固体粒子を再噴射する装置
を設けることが望ましい。
通常の操作の場合、即ち、循環路の固体粒子を減少させ
ずに、二つの取出し装置により、装入物の残存量全体と
粒子寸法度が点検できる。反応器31の基部に位置する取
出し部33により大きな粒子が取出され、外部交換器29の
下方に置かれた取出し部34により微細粒子が取出され
る。
第３図に示す設備の操作員は熱交換率を変更させるのに
次の二つのパラメータを使用する。即ち −再循環率 −外部交換器29の区画室の流動化と不流動化 これによって、ボイラの操作が操作に要求されるすべて
の要件に応じることができる。
最初の近似値として、850℃の温度で操作する反応器に
対して熱交換率が次の関係式で表される。
反応器内に配置される内部交換器E1に対して、 Ｐ１＝ｈ１・Ｓ１（850−Ｔｔ） 外部交換器E2に対して、 Ｐ２＝ｈ２・Ｓ２（Ｔｒ−Ｔｔ） ここでＴｔ：熱交換器管表面温度（摂氏） Ｔｒ：再循環温度（摂氏） ｈｉ：交換器ｉの熱交換係数 Ｓｉ：交換器ｉの交換面積 再循環流量の変更は熱交換係数ｈ１を変更することにな
るが、また外部交換器について行われる耐熱試験として
のＴｒは次式で示される。
ＱＥＣps（850-Ｔｏ）＝ｈ２・Ｓ２・（Ｔｒ-Ｔｔ） ＋Ｑｓ・Ｃps（Ｔｒ-Ｔｏ） 茲にＱＥ：流入固体粒子の流量 Ｃps：固体粒子の比熱 Ｑｓ：流出固体粒子の流量 Ｔｏ：基準温度 安定操作条件下では、流入および流出の流量は等しくな
る（ＱＥ＝Ｑｓ）。
従って Ｑｓ・Ｃps（850-Ｔｒ）＝ｈ２・Ｓ２・（Ｔｒ-Ｔｔ） 従って、外部交換器による熱交換率は次式で示される。
熱交換率は固体粒子の流量Ｑｓと共に増大して最大値に
達して Ｐ∞＝ｈ２・Ｓ２（850−Ｔｔ） 次に一つの使用例の示す。
望ましい熱交換率は次の通りである。
内部交換器：3.53MW 外部交換器：3.72MW 蒸気発生中のボイラ：7.21MW 熱交換面積の寸法を定める際の基本的な要件は通常の操
作条件および少ない操作条件における再循環率を決定す
ることである。
計算の基礎： −通常の操作条件： 再循環率：５０ 循環流量：215t/h 反応器内の交換係数：135W/m2Ｋ −少ない操作条件１（外部交換器の完全流動化）： 再循環率：１０ 循環流量：215t/h 反応器内の交換係数：７０W/m2Ｋ −少ない操作条件２（外部交換器の完全不流動化）： 再循環率：5.4 循環流量：5.0t/h 反応器内の交換係数：６０W/m2Ｋ 外部交換器内の熱交換係数は一定であり300W/m2Ｋに等
しいものとすると、 以上の要件からＥ１とＥ２の寸法が定められる。
交換器Ｅ１に対してＳ１＝600℃の△Ｔで43.5m2 交換器Ｅ２に対してＴ２＝785℃ Ｓ２＝＝535℃の△Ｔで23m2 少ない操作条件１の場合に熱交換率は 交換器Ｅ１：Ｐ１＝1.85MW 交換器Ｅ２：Ｔ２＝522℃ Ｐ２＝1.88MW 達成融通性：２ 少ない操作条件２の場合に熱交換率は 交換器Ｅ１：Ｐ１＝1.57MW 交換器Ｅ２：Ｐ２＝０ 達成融通性：4.6 第４図は循環ベッドボイラの循環路における本発明によ
る外部交換器全体の調節の可能性を示すグラフである。
横軸は再循環率を示し、ボイラに送られる燃料の流量に
対する、固体粒子の循環流量の比に等しい。縦軸ほ固体
粒子から取去られる基準の熱量に対する、循環路中の固
体粒子から取去られる合計熱量の比が示される。
外部交換器は同じ大きさの複数個の区画室を有する。
曲線35乃至43は区画室１、２、３から全体の区画室まで
操作させる場合に相当する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の熱交換器の一実施例の縦断面図、 第１Ａ図は第１図のＡ−Ａ線による断面図、 第２図は本発明の交換器の別の実施例の縦断面図、 第２Ａ図は第２図のＡ−Ａ線による断面図、 第３図は本発明の外部交換消を含む循環ベッドボイラの
概略図、 第４図は操作曲線の一例を示す。 １……主区画室 ２、６……内側および外側の円筒ケーシング ３ａ〜３ｈ……副区画室 ４ａ〜４ｈ……側壁 ５……熱交換管 ７……固体粒子 ８、10、15……オリフィス ９……キャップ 11……底板 12ａ、12ｅ、13……流動化グリッド 16……そらせ板 17……内側円筒ケーシング 18、19……中間円筒ケーシング 20……外側円筒ケーシング 21……主区画室 22ａ〜22ｃ……副区画室 23……キャップ 24、28……オリフィス 25……底板 27ａ〜27ｃ……熱交換管 29……外部熱交換器 30……サイクロン 31……反応器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アラン フユギエ フランス国 78630 オルゲバル モラン ビリエ リユ ド ムレ ３番地 (72)発明者 ジエラルド マルタン フランス国 92500 リイル マルメゾン ブールバール ナシヨナル 29―31番地 (56)参考文献 特開 昭53−68301（ＪＰ，Ａ) 特公 昭56−16846（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】固体粒子と当該熱交換器の外部環境との間
    で熱エネルギを移動する熱交換器にして、前期固体粒子
    用の入口および出口のオリフィスと、これらのオリフィ
    スと連通する１個の主区画室を形成する内側円筒ケーシ
    ングと、該内側円筒ケーシングを収容する外側円筒ケー
    シングとを含有し、該主区画室が流動化ガス供給手段を
    含有し、前記外側円筒ケーシングが複数の副区画室を含
    有し、各副区画室が前記主区画室から該各副区画室に固
    体粒子を移動させるための少なくとも一つのオリフィス
    と、該副区画室から前記主区画室に固定粒子を移動させ
    るための少なくとも一つのオリフィスと、該副区画室に
    流動化ガスを供給する手段とを含有し、前記流動化ガス
    供給手段が前記区画室で前記固体粒子を循環させるよう
    になっており、更に前記熱エネルギを除去する手段を含
    有し、少なくとも一つの前記区画室がこれに流入する流
    動化ガスの流量を制御する装置を含有し、されに幾つか
    の側壁と、底板およびキャップすなわち頂板とを含有
    し、これらの板が前記外側円筒ケーシングと共に閉塞空
    間を画成し、該空間内に前記内側円筒ケーシングが収容
    され、前記側壁が前記両円筒ケーシングの間に延びて前
    記副区画室を画成し、前記内側円筒ケーシングによって
    画成された内面が前記主区画室を画成する熱交換器。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の熱交換器であ
    って、流動化ガスの流量を制御する前記装置が、オール
    ・オア・ナッシング（all or nothing）操作手段を含有
    する熱交換器。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の熱交換器であ
    って、前記内側合筒ケーシングが前記固体粒子を前記副
    区画室の一つに流入させる少なくとも一つのオリフィス
    を含有し、該流入オリフィスが少なくとも一つのそらせ
    板を含有する熱交換器。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項記載の熱交換器であ
    って、前記底板が前記流動化ガス供給手段を含有し、前
    記内側円筒ケーシングが前記底板の近くから前記頂板に
    到達する手前まで延びて該ケーシングの端縁と前記頂板
    との間に自由空間を形成し、該自由空間が固体粒子用の
    出口オリフィスとして役立つ熱交換器。
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