JPH06229513A - 大規模流動床反応器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 炉区域と一体の再循環熱交換器内に熱交換表
面が設けられ、反応器と関連する流体回路に分離固体か
らの追加の熱を提供することができ、分離固体を熱交換
表面上を通さずに炉区域へと送り、分離器と炉区域との
間の圧力シーリング装置としても機能する迂回手段を再
循環熱交換器が含む、大規模な流動床蒸気発生装置を提
供すること。 【構成】 容器と、容器を第一、第二及び第三の部分に
仕切るための第一、第二の略垂直離隔部材と、第二部分
内に配置され、粒状固体の流動床を支持するための手段
を含む炉区域と、同伴粒状固体を燃焼ガスから分離する
ための容器内に配置される手段と、分離粒状固体及び分
離燃焼ガスを受理し、そこから熱を除去するための、そ
れぞれ第一部分、第三部分内に配置される第一、第二熱
交換手段とを含むことを特徴とする流動床反応器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般に流動床蒸気発生装
置に関し、より詳細には、燃料の燃焼によって発生する
煙道ガスから固体粒子を分離するための二つの水平サイ
クロン分離器と、分離固体から熱を除去するための二つ
の一体型再循環熱交換器と、煙道ガスから熱を除去する
ための二つの熱回収領域とを全て単一の容器内に含む大
規模流動床蒸気反応器に関する。

【０００２】

【従来の技術】流動床燃焼反応器はよく知られている。
これらの装置は炉区域を含み、該炉区域においては、石
炭等の化石燃料と石灰石等の硫黄吸着剤とを含む粒状材
料の床中に空気を通過させ、床を流動化して比較的低い
温度における燃料の燃焼を促進する。蒸気発生器におけ
るように、流動床によって生成された熱が水を蒸気に転
換させるために使用される場合、流動床反応器は、高熱
放出、高硫黄吸着、低窒素酸化物放出、および燃料融通
性の魅力的な組合せを提供する。

【０００３】最も代表的な流動床反応器は、一般にバブ
リング流動床と呼ばれるものを含み、該流動床において
は、粒状材料の床が空気分配板によって支持され、該板
に設けられた複数の穿孔を通して該床へと燃焼支持空気
が導入され、それにより材料が膨張して懸濁、つまり流
動化状態をとる。燃料の燃焼によって生成される熱煙道
ガスは、熱回収領域へと通されて、そのエネルギーが利
用される。熱回収領域は通常炉区域から分離されている
ので、高い温度差によるひずみを減少させるためには、
熱回収領域を反応器に接続するための多数の膨張継手が
必要とされる。熱損失もまた生じる。

【０００４】反応器が蒸気発生器の形式である場合に
は、反応器の壁は複数の伝熱管によって形成される。流
動床内の燃焼によって生成される熱は、管中を循環する
水等の熱交換媒体に伝達される。かように形成された蒸
気を分離するために、伝熱管は蒸気ドラムを含む自然水
循環回路に通常接続され、該蒸気は、次いで熱回収領域
にて生成された蒸気と結合され、蒸気使用個所またはタ
ービンに送られ、電力を発生する。

【０００５】燃焼効率、公害物質放出制御、およびバブ
リング床による操作ターンダウンの改良を拡大するため
の努力において、高度に膨張され、浄化する流動床を使
用する循環流動床反応器が開発されてきた。この技術に
よると、流動床密度は、代表的なバブリング流動床の床
密度よりも低くてもよく、空気速度はバブリング床の空
気速度に等しいかそれよりも高い。低密度の浄化流動床
の形成は、その小さい粒径、および煙道ガスが微細な粒
状固体を同伴した結果としての高固体スループットによ
る。この高固体スループットにはより多くの固体再循環
が必要であり、これは分離器を炉区域出口に配置して、
煙道ガスとそこに同伴される流動床からの固体とを受理
することによって達成される。固体と煙道ガスは分離器
内において分離され、煙道ガスは熱回収領域へと通され
て、固体は炉区域へと再循環されて戻される。

【０００６】循環流動床に必要な高固体循環は、該流動
床を燃料熱放出パターンに対して非感応性とし、よって
反応器内の温度変化を最小限とし、従って窒素酸化物の
形成を減少させる。また、この高固体再循環は、分離器
の効率を改良する。結果として硫黄吸着および燃料滞留
時間が増加することにより、吸着剤および燃料の消費が
減少する。更に、循環流動床は、バブリング流動床より
も大きいターンダウン容量を本質的に有する。

【０００７】本発明の譲受人と同一の譲受人に譲渡され
た米国特許第４，８０９，６２３号および第４，８０
９，６２５号は、濃密、つまりバブリング流動床が炉区
域の下方部分に維持され、一方床は反対に循環流動床と
して操作される流動床反応器を開示している。この「ハ
イブリッド」設計は、バブリング床と循環床の両方の利
点が得られるものであり、少なからず顕著な利点は、よ
り広範囲の粒径に渡る粒状燃料材料を利用することがで
きる能力である。

【０００８】これらの形式の流動床、より詳細には循環
形式およびハイブリッド形式の流動床の操作において
は、いくつかの重要な考慮すべき点がある。例えば、煙
道ガスおよび同伴固体は、炉区域内において、吸着剤に
よる適当な硫黄捕捉に矛盾しないある一定の温度（通常
約１６００°Ｆ（８７１℃））に維持されなければなら
ない。結果として、熱回収領域へと通される煙道ガスの
最大熱容量（ヘッド）および分離器を通して炉区域へ再
循環される分離固体の最大熱容量は制限される。過熱の
仕事のみを必要とし、再熱の仕事を必要としないサイク
ルにおいては、炉区域出口における煙道ガスの熱含量
は、分離器の下流にある蒸気発生器の熱回収領域におい
て使用されるのに必要な熱を提供するのに通常充分であ
る。従って、再循環固体の熱含量は不要である。

【０００９】しかしながら、硫黄捕捉と再熱の仕事並び
に過熱の仕事を必要とするサイクルとを有する循環流動
床またはハイブリッド流動床を使用する蒸気発生器にお
いて、炉区域出口の煙道ガスにおいて得られる存在する
熱では、しばしば不十分である。同時に、反応器分離器
再循環ループ内の熱は蒸気発生器負荷要求を超過してい
る。かようなサイクルは、再循環固体内の熱が、該固体
が炉区域内へと再導入される前に利用される設計でなけ
ればならない。

【００１０】この余分の熱容量を提供するために、分離
器固体出口と炉区域の流動床との間にしばしば再循環熱
交換器が位置される。再循環熱交換器は、熱交換表面を
含み、分離器から分離固体を受理し、固体が炉区域へと
再導入される前に、比較的高い伝熱率にて固体から熱交
換表面へと熱を伝達するように機能する。熱交換表面に
よって得られた熱は、次に冷却回路へと伝達され、再熱
及び／又は過熱の仕事を供給する。

【００１１】再循環熱交換器は、圧力シーリング装置と
して作用するように構成された場合、特別の利点を提供
することができる。低圧の分離器固体出口とより高圧の
反応器の炉区域との間にはかようなシーリング装置が必
要であり、固体の逆流と炉区域圧力変動が、分離器また
は炉区域の操作特性に反対に作用するのを防ぐ。

【００１２】しかしながら、再循環熱交換器の使用に伴
ういくつかの不利な点がある。例えば、再循環熱交換器
を収容するためには専用構造を使用しなければならず、
該構造は完全に絶縁され、流動化装置を含んでいなけれ
ばならないない。更に、再循環熱交換器を収容する構造
は、高価な膨張シール組立体によって反応器の他の部分
と相互接続されなければならない。その上、再循環熱交
換器が圧力シーリング装置として使用される場合には、
シーリング機能及び熱除去機能を達成し、並びに始動の
間固体が熱交換表面を迂回するようにするために、通常
個別の室を含む複雑で高価な構造が必要である。

【００１３】循環流動床またはハイブリッド流動床燃焼
反応器は、再循環熱交換器をしばしば必要とするだけで
なく、また煙道ガスから同伴固体粒子を分離するため、
また固体を再循環させるために、比較的大きな分離器を
必要とする。垂直に配向された円筒形渦巻室を含むサイ
クロン分離器が一般に使用され、該室内においては、分
離ガスを上方に搬送するために中心ガス出口管が配置さ
れ、一方分離粒子は分離器の基部を通って出る。これら
のいわゆる垂直サイクロン分離器は、相当の寸法であ
り、モジュール化し、容易に搬送して構築することがで
きるコンパクトな装置設計にすることができない。比較
的大規模な燃焼装置については、適当な粒子分離を提供
するために、いくつかの垂直サイクロン分離器がしばし
ば必要となり、そのため寸法の問題が悪化し、その上複
雑なガスダクト配置を通常必要とし、そのため操作効率
が低下する。これらのダクトはまた、熱損失を最小限と
するために相当な量の高価な耐火絶縁材を必要とし、熱
によるひずみを減少させるために膨張シール組立体を必
要とする。

【００１４】垂直サイクロン分離器は、分離粒子を反応
器の流動床へと搬送するために高価で複雑な部品を必要
とするため、その使用について他の問題も存在する。シ
ーリング装置として機能する再循環熱交換器がない場合
には、重力シュートまたは空気圧搬送装置が必要とな
り、該装置は、低圧のサイクロン排出口と高圧の炉区域
との間の圧力差により、シールポット、サイフォンシー
ル、またはＪ−バルブまたはＬ−バルブ等のシーリング
装置を含まなければならない。生ずる高温度差によるひ
ずみを減少させるために、分離器をシュートや搬送装置
へと接続するのに膨張継手もまた必要である。

【００１５】上述の問題の多くを無くすために、水平配
向された渦巻室を特徴とする水平サイクロン分離器が建
造されている。水平サイクロン分離器は、炉区域の上方
部分内において容易に形成され、炉壁と一体化され得
る。しかしながら、既知の水平サイクロン分離器には、
特に固体が炉区域へと再導入される前に分離固体を再循
環熱交換器へと供給することについて、種々の欠点があ
る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、反応器の炉区域と一体に配置される再循環熱交換器
を使用する流動床反応器を提供することにある。

【００１７】本発明の別の目的は、再循環熱交換器内に
熱交換表面が設けられ、分離固体から熱を除去して、分
離固体の温度を制御し、また反応器と関連する流体回路
に追加の熱を提供する、上記の形式の流動床反応器を提
供することにある。

【００１８】本発明の更に別の目的は、再循環熱交換器
が、分離固体をいかなる熱交換表面上をも通過せずに炉
区域へと送るための迂回手段を含む、上記の形式の流動
床反応器を提供することにある。

【００１９】本発明の更に別の目的は、再循環熱交換器
迂回手段が、分離器と炉区域との間の圧力シーリング装
置として機能する、上記の形式の流動床反応器を提供す
ることにある。

【００２０】本発明の更に別の目的は、分離器と反応器
の炉区域との間に空気圧搬送装置を設ける必要のない、
上記の形式の流動床反応器を提供することにある。

【００２１】本発明の更に別の目的は、分離器又は熱回
収領域を反応器へと接続するための膨張継手を設ける必
要のない、上記の形式の流動床反応器を提供することに
ある。

【００２２】本発明の更に別の目的は、慣用のサイクロ
ン分離器が水平サイクロン分離器と置換される、上記の
形式の流動床反応器を提供することにある。

【００２３】本発明の更に別の目的は、比較的コンパク
トな寸法で、モジュール化することができ、比較的容易
に組み立てられる流動床反応器を提供することにある。

【００２４】本発明の更に別の目的は、慣用の分離器よ
りもサイクロン分離器の容量、重量、及びコストがずっ
と低い、上記の形式の流動床反応器を提供することにあ
る。

【００２５】本発明の更に別の目的は、熱損失が最小限
とされる上記の形式の流動床反応器を提供することにあ
る。

【００２６】本発明の更に別の目的は、反応器を低負荷
条件において操作するよりも、標準負荷において全ての
炉区域よりも少ない炉区域を操作することにより、反応
器アウトプットが効率的に減少される、多数の炉区域を
有する上記の形式の流動床反応器を提供することにあ
る。

【００２７】本発明の更に別の目的は、炉区域が異なる
温度において操作され、熱回収領域中を通過する燃焼ガ
スの温度をより大幅に制御することができる、多数の炉
区域を有する上記の形式の流動床反応器を提供すること
にある。

【００２８】本発明の更に別の目的は、一つの炉区域を
他の炉区域を予熱するために使用することができる、多
数の炉区域を有する上記の形式の流動床反応器を提供す
ることにある。

【００２９】本発明の更に別の目的は、蒸気を発生する
ために利用される上記の形式の流動床反応器を提供し、
特に５００ＭＷ以上の範囲の非常に大規模な流動床蒸気
発生装置を提供することにある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】これら及び他の目的を達
成するために、本発明の流動床反応器は、全て一つの容
器内に形成された、拡大された炉区域と、二つの水平サ
イクロン分離器と、炉区域の両側に配置される二つの熱
交換区域と、二つの熱回収領域とを含む。燃料を含む固
体粒状材料の床が炉区域内に支持され、材料を流動化し
て燃料の燃焼またはガス化を支持するのに充分な速度に
おいて空気が床に導入される。空気、気体燃焼生成物、
及び空気や気体生成物に同伴される固体粒子の混合物
は、床から床の上方で容器の上方部分に位置される水平
サイクロン分離器の一方へと向けられる。

【００３１】水平サイクロン分離器は、混合物を受理し
て、遠心的作用によって混合物から粒子を分離するため
に、各炉区域の全長に渡って延長する入口ダクトを有す
る渦巻室を含む。清浄ガスを室の外へ、そして熱回収領
域の一つの内へと向け、その熱が生産的に利用されるよ
うに、中心出口円筒が設けられる。混合物から分離され
た粒子は、分離器から出口ダクト中を通って落下し、炉
区域と各熱交換区域との間に延長するトラフ内に沈積す
る。熱交換区域は、熱回収セグメントとシールポットセ
グメントの二つのセグメントに仕切られ、各セグメント
は、熱交換区域の下方に延長するプレナム室によって独
立して流動化される。トラフ内に包含される分離粒子を
選択的に流動化し、分離粒子を各熱交換区域の熱回収セ
グメントまたはシールポットセグメントのどちらかへ向
けるために、プレナム室もまたトラフの下方に延長す
る。

【００３２】

【実施例】図１を参照して、参照番号１０は本発明の流
動床反応器を示し、該反応器１０は、蒸気発生装置の一
部分を為し、該装置と流体流連結されている。

【００３３】反応器１０は、屋根１１、前壁１２、離隔
平行後壁１４、及び壁１２と１４とに直角に延長する第
一及び第二の側壁１６及び１８（図２）によって規定さ
れる略矩形の容器を含む。第一、第二、第三、及び第四
の中間仕切り壁２０、２２、２４、及び２６は、壁１２
と１４との間にこれらに離隔平行関係において延長し、
それぞれ湾曲上方部分２０ａ、２２ａ、２４ａ、及び２
６ａを含む。

【００３４】仕切り壁２２及び２４、並びに側壁１６及
び１８の対応部分は、略矩形の炉区域２８を形成する。
穿孔空気分配板３０が炉区域２８の下方部分に適当に支
持され、炉区域の下方に延長するプレナム室３２を規定
するのを助ける。適当な源（図示せず）からの一次空気
が、慣用の手段にて管３４を通してプレナム室３２内へ
と導入される。プレナム室３２内へと導入された空気
は、空気分配板３０へと上方向に通過し、該空気は必要
により、空気予熱器（図示せず）によって予熱され、空
気制御ダンパー（図示せず）によって適当に調節されて
もよい。

【００３５】空気分配板３０は、一般に燃焼のための粉
砕石炭と、石炭の燃焼の間に生成される硫黄を吸着する
ための石灰石またはドロマイトとからなる、粒状燃料材
料の床を支持するように適合される。粒状燃料を炉区域
２８内へと導入するために、複数の燃料供給器３６がそ
れぞれ側壁１６及び１８を通って延長し、必要に応じて
粒状吸着剤材料及び／又は追加の粒状燃料材料を炉区域
２８内へと分配するために、他の管が炉区域２８を規定
する壁と関連されてもよいことが理解される。消費燃料
及び吸着剤材料を炉区域２８から外部装置へと排出する
ために、少くとも一つのドレンパイプ３８が板３０から
炉区域２８の開口を通して延長する。

【００３６】上だき空気口４０は、板３０の上方の所定
の高さにてそれぞれ側壁１６及び１８を通して延長し、
以下に説明される理由のために、炉区域２８内へと二次
空気を導入する。空気を炉区域２８内へと排出するため
に、参照番号４０で示されるような一以上の高さにおけ
る複数の空気口を、炉区域壁のいずれを通しても設ける
ことができる。

【００３７】反応器１０によって形成される容器の上方
部分に、第一及び第二の水平サイクロン分離器４２及び
４４が設けられる。分離器４２は、壁２０及び２２のそ
れぞれ湾曲上方部分２０ａ及び２２ａによって一部規定
され、分離器４４は、壁２４及び２６のそれぞれ湾曲上
方部分２４ａ及び２６ａによって一部規定される。分離
器４２は、屋根１１と仕切り壁２２の横方向離隔湾曲部
分２２ａの上方部分とによって規定される入口ダクト４
６を有し、分離器４４は屋根１１と仕切り壁２４の横方
向離隔湾曲部分２４ａの上方部分とによって規定される
入口ダクト４８を有する。入口ダクト４６及び４８はど
ちらも炉区域２８の全幅に渡って延長する。

【００３８】仕切り壁２０及び２２の各湾曲部分２０ａ
及び２２ａ、及び仕切り壁２４及び２６の各湾曲部分２
４ａ及び２６ａによって、分離器４２及び４４内に二つ
の環状渦巻室５０及び５２がそれぞれ規定される。渦巻
室から清浄ガスを受理するために、中心出口円筒５４及
び５６が、それぞれ渦巻室５０及び５２の一部分におい
て同心状に延長し、該円筒は、清浄ガスの内曲する流れ
が分離器４２及び４４を出てそれぞれ熱回収領域５８及
び６０へと向かうのを促進するのに充分な長さである。
渦巻室５０及び５２は、許可された米国特許願第０７／
５０５，８０６号により詳細に記載されており、該特許
出願は本発明の譲受人と同一の譲受人に譲渡された。

【００３９】熱回収領域５８は側壁１６と１８との間、
及び前壁１２と仕切り壁２０との間に規定され、熱交換
領域６０は側壁１６と１８の間、及び後壁１４と仕切り
壁２６との間に規定される。少くとも一組の管群６２及
び６４（過熱器、エコノマイザー、再熱器等）が熱回収
領域５８及び６０のそれぞれに配置され、各管群はヘッ
ダー６２ａ及び６４ａを経て流れ回路内に接続される複
数の管からなり、水、蒸気及び／又は水−蒸気混合物
（以下「流体」と称する）を管中に通して、ガスから熱
を除去する。これらの管群及びその関連する回路は慣用
であるため、詳細には説明しない。

【００４０】壁１２及び１４の下方部分を通して形成さ
れる出口開口１２ａ及び１４ａにガスを向けるために、
熱回収領域５８及び６０の下方部分には、それぞれ角度
を付けて延長するバッフル６６及び６８が配置される。
一連のダンパー７０及び一連のダンパー７２は、それぞ
れ各熱回収領域５８及び６０を横切って延長し、熱回収
領域中を通るガスの流れを制御する。

【００４１】分離器４２及び４４は出口７４及び７６を
有し、該出口は炉区域２８の幅に渡って延長し、渦巻室
５０及び５２の下方部分において、それぞれ仕切り壁２
０と２２、及び２４と２６の上方平行部分の間に規定さ
れる。出口７４及び７６は、仕切り壁２０と２２、及び
２４と２６との間にそれぞれ規定されるトラフ７８及び
８０と連通する。トラフ７８及び８０は、煙道ガスから
分離器４２及び４４によって分離された分離粒状材料、
つまり固体を受理するように設計される。

【００４２】図１及び図２に示される反応器１０の右半
分は、左半分の構造と鏡像である構造で形成されるの
で、以下に説明されるこれらの構造は、反応器１０の左
半分についてのみ言及して詳細に説明される。

【００４３】水平空気分配板８２はトラフ７８の下方部
分に適当に支持され、仕切り壁２０と２２との間に延長
して煙道ガスから分離器４２によって分離された固体を
支持する。板８２はトラフ７８の下方に延長するプレナ
ム室８４を規定するのを助け、該トラフ内に向けて流動
化空気が慣用の手段によって一対の管８６ａ及び８６ｂ
（図３）を通して導入される。図２から図４に示される
ように、板８２から下方に前壁１２に直角に延長する垂
直仕切り壁８８は、プレナム室８４の上方部分を二つの
プレナム区画８４ａ及び８４ｂとに分割し、プレナム区
画を通る流動化空気の流れはそれぞれダンパー９０ａ及
び９０ｂによって制御される。

【００４４】図１及び図２に示されるように、前壁１２
と、仕切り壁２０と、側壁１６及び１８とによって規定
される熱交換区域９２は、熱回収領域５８のバッフル６
６の下方に延長する。板３０及び８２と同様の水平空気
分配板９４は、熱交換区域９２の下方部分に適当に支持
され、熱交換区域９２の下方に延長するプレナム室９６
を規定するのを助け、該室内に向けて流動化空気が慣用
の手段によって一対の管９８ａ及び９８ｂ（図４）を通
して導入される。図４に示されるように、仕切り壁８８
の上方延長部分は、熱交換区域９２を二つのセグメン
ト、すなわち熱回収セグメント９２ａとシールポットセ
グメント９２ｂとに分割する。仕切り壁８８はまた、プ
レナム室９６の上方部分をもプレナム区画９６ａと９６
ｂとに分割し、プレナム区画を通る流動化空気の流れ
は、それぞれダンパー１００ａ及び１００ｂによって制
御される。

【００４５】トラフ７８から熱交換区域９２内へと固体
を通過させるために、三つの離隔された開口２０ｂ、２
０ｃ、及び２０ｄが、仕切り壁２０の下方部分を通して
板８２の直上に水平列にて形成され、該開口２０ｂ及び
２０ｃは熱回収セグメント９２ａ内へと延長し、該開口
ｄはシールポットセグメント９２ｂ内へと延長する。開
口８８ａもまた、仕切り壁８８を通して熱回収セグメン
ト９２ａ及びシールポットセグメント９２ｂとの間に板
９４の直上にて形成される。更に、下方傾斜管１０２
は、開口２０ｂから２０ｄよりも高い高さにおいて仕切
り壁２０を通して形成される開口２０ｅと、仕切り壁２
２を通して形成される開口２２ｂとの間に延長し、シー
ルポットセグメント９２ｂから炉区域２８への通路を提
供する。

【００４６】開口２０ｂから２０ｅ、２２ｂ及び８８ａ
は、表示の便宜上図面においては略図的に示されるが、
これらは実際にはフィンを切除する、または以下に説明
されるように仕切り壁２０、２２及び８８を形成する垂
直配置管を屈曲させることにより、慣用の態様にて形成
されることが理解される。

【００４７】熱交換管１０４の群が、熱交換区域９２の
熱回収セグメント９２ａ内に配置される。管１０４は、
ヘッダー１０６ａと１０６ｂ（図１）との間に延長し、
以下に説明されるように管中に流体を循環させて熱回収
セグメント内に導入される固体から熱を除去する。

【００４８】壁１２及び１４、仕切り壁２０、２２、２
４、２６及び８８、その湾曲上方部分２０ａ、２２ａ、
２４ａ、及び２６ａ、及び側壁１６及び１８は、垂直配
置された細長いバー、つまりフィンによって相互連結さ
れた複数の垂直配置管によってそれぞれ形成され、連接
する気密な構造を形成する。この形式の構造は慣用であ
るため、図示せず詳細にも説明しない。

【００４９】図１に示されるように、管中に流体を通す
ために流れ回路が設けられ、例えば蒸気タービン（図示
せず）を駆動する等の仕事をするのに使用することがで
きる程度まで流体を加熱する。このために、ヘッダー１
０８ａ及び１０８ｂは、壁１２及び１４、仕切り壁２
０、２２、２４、２６及び８８、その湾曲上方部分２０
ａ、２２ａ、２４ａ、及び２６ａ、側壁１６及び１８の
それぞれ下方及び上方端部に連結され、各壁を形成する
管に流体を導入し、また該管から流体を受理する。

【００５０】反応器１０には、図１に示される蒸気ドラ
ム１１０、及びいくつかが参照番号１１２で示される、
複数の下降管、管、上昇管、ヘッダー、等を含む追加の
流れ回路が設けられ、以下に説明されるように、管群６
２、６４、及び１０４を含む反応器１０から熱を効果的
に伝達するための稼動可能な装置を提供する。

【００５１】操作において、一般に石炭等の固体燃料及
び石灰石からなる粒状材料が空気分配板３０上に供給さ
れ、燃料が着火バーナー等（図示せず）によって着火さ
れる一方、空気がプレナム室３２内へと導入される。必
要により追加の燃料材料が燃料供給器３６を通して炉区
域２８の内部へと導入される。燃料の燃焼が進むにつ
れ、完全燃焼に必要な全空気のフラクションをなす量の
追加の空気がプレナム室３２の内部へと導入され、それ
により炉区域２８の下方部分の燃焼が不完全となる。下
方炉区域はよって還元条件において操作され、完全燃焼
に必要な残りの空気は、空気口４０を通して供給され
る。完全燃焼に必要な全空気の範囲は、例えば、４０％
−９０％はプレナム室３２を通して供給され、残りの空
気（１０％−６０％）は空気口４０を通して供給され得
る。

【００５２】プレナム室３２から空気分配板３０を通し
て導入される高圧、高速度の空気は、床内の比較的微細
な粒子の自由落下速度よりも速く、比較的粗い粒子の自
由落下速度よりも遅い速度である。よって、微細粒子の
一部は、空気及び燃焼ガスによって同伴され、搬送され
る。この同伴粒子とガスの混合物は、炉区域２８内を上
方に上昇し、入口ダクト４６及び４８を通って、分離器
４２及び４４の各渦巻室５０及び５２内へと入る。入口
ダクト４６及び４８は、混合物が渦巻室５０及び５２に
対して実質的に接線方向に入り、よって室内で渦を巻く
ように配置されている。同伴固体粒子は、従って分離器
４２を規定する部分２０ａ及び２２ａの内側表面に対し
て、及び分離器４４を規定する部分２４ａ及び２６ａの
内側表面に対して遠心力によって推進され、次にそこで
集められ、重力によって出口７４及び７６を通ってそれ
ぞれトラフ７８及び８０内へと下方へ落下する。

【００５３】渦巻室５０及び５２内を循環する混合物
は、室の一端に向かって螺旋状形態にて、つまり側壁１
６に向かう方向において流れるように向けられる。螺旋
状流によって創生される圧力変化は、渦巻室５０及び５
２の中心軸に沿って集中する比較的清浄なガスを、円筒
５４及び５６の開口に創生される低圧領域へと向ける。
清浄ガスはよって、上記で参照した米国特許願第０７／
５０５，８０６号により詳細に説明されるように、円筒
５４及び５６内へと通過し、熱回収領域５８及び６０へ
と出る。分離器４２からの清浄ガスは、ダンパー７０に
よって制御された流速で管群６２中を通過し、次に開口
１２ａを経て外部装置へと熱回収領域５８を出る。分離
器４４からの清浄ガスは、ダンパー７２によって制御さ
れた流速で管群６４中を通過し、次に開口１４ａを経て
外部装置へと熱回収領域６０を出る。

【００５４】トラフ８０内に落下する固体は、トラフ７
８内へと落下する固体と同様の作用を受ける、図１及び
図２に示されるトラフ７８を含む反応器１０の左半分の
操作のみを詳細に説明する。

【００５５】始動の間、または低負荷の間等、固体の最
大量の熱を炉区域２８の床へと返却することが望ましい
他のいかなる操作条件の間、ダンパー９０及び１００ｂ
は開放され、ダンパー１００ａは、流動化空気をプレナ
ム室９６からプレナム区画９６ｂのみを通して通過させ
るために閉鎖され、それによりプレナム区画９６ａの上
方の熱交換区域９２の熱回収セグメント９２ａ内の固体
が「急落」し、開口２０ｂ及び２０ｃを閉塞する。従っ
て、トラフ７８内に堆積する全ての固体は、開口２０ｄ
を通って熱交換区域９２のシールポットセグメント９２
ｂ内へと入る。熱回収セグメント９２ａ内の「急落」し
た固体はまた開口８８ａをも閉塞するため、シールポッ
トセグメント９２ｂへと通された固体は、ダンパー１０
０ａの閉鎖によって、開口８８ａを通って熱回収セグメ
ント９２ａへと通過するのを妨げられる。しかしなが
ら、プレナム室９６からプレナム区画９６ｂを通して流
動化空気を通過させるために同時に開放されているダン
パー１００ｂは、シールポットセグメント９２ｂ内の固
体を流動化し、固体を開口２０ｅへと上方へ搬送し、固
体は該開口２０ｅを通って管１０２を経て炉区域２８へ
と通過する。

【００５６】反応器１０の定常状態操作の間、分離固体
を熱交換区域９２の熱回収セグメント９２ａ中を通過さ
せることにより、熱が分離固体から除去される。これ
は、ダンパー９０ｂを閉鎖する一方、プレナム室８４か
らの流動化空気をプレナム区画８４ａのみを通して通過
させるためにダンパー９０ａを開放しておき、それによ
りプレナム区画８４ｂの上方のトラフ７８内の固体が
「急落」して開口２０ｄを閉塞することによって達成さ
れる。更に、熱回収セグメント９２ａを流動化させるた
めに、ダンパー１００ａが同時に開放される。従って、
トラフ７８内に堆積する全ての固体は、開口２０ｂ及び
２０ｃを通して熱交換区域９２の熱回収セグメント９２
ａ内へと通過する。固体は流動化空気によって熱交換管
１０４の群中を搬送され、それにより、その熱を管中を
流れる流体へ伝達して、流体を加熱し、固体を冷却す
る。固体は熱回収セグメント９２ａ中を流れ、開口８８
ａを通ってシールポットセグメント９２ｂ内へと入る。
シールポットセグメント９２ｂは流動化され、固体を開
口２０ｅ及び管１０２を通して炉区域２８へと通過させ
る。

【００５７】ダンパー９０ａ、９０ｂ、１００ａ、及び
１００ｂは異なる程度に一部開放又は閉鎖され、いかな
る所定の操作パラメターについて反応器１０の効率を最
大化することができ、本明細書においては、極端な操作
条件のみが説明されていることが理解される。

【００５８】どちらの操作様式の間も、固体はトラフ７
８内及びシールポットセグメント９２ｂ内の両方に堆積
し、炉区域２８と分離器４２との間に圧力シールを提供
する材料のヘッドを形成する。それにより、炉区域２８
の操作圧力は、分離器４２の操作圧力からシールされ、
固体の逆流が防がれ、それにより反応器１０のこれら二
つの区域のどちらの操作特性に対する反対の作用も最小
化する。

【００５９】壁１２及び１４、仕切り壁２０、２２、２
４、２６及び８８、及びその湾曲上方部分２０ａ、２２
ａ、２４ａ、及び２６ａ、及び側壁１６及び１８を形成
する管内へと下部ヘッダー１０８ａから水が導入され
る。流動床、ガス柱、及び分離器４２及び４４からの熱
は、水の一部を蒸気に転化し、水と蒸気の混合物は管中
を上昇して上部ヘッダー１０８ｂ内に集まる。蒸気と水
とは次に、蒸気ドラム１１０等の慣用の態様にて分離さ
れ、分離された蒸気は、追加の流れ回路中を通され、蒸
気タービン等（図示せず）を駆動する等の仕事をする
か、又は熱回収領域５８及び６０内の管６２及び６４中
を通されて、タービン中に通される前に蒸気を過熱する
か、タービン中に通された後に蒸気を再熱する。分離さ
れた水は、蒸気ドラム１１０内で新たに供給される供給
水と混合され、慣用の上昇管、下降管、及び供給器１１
２を用いて流れ回路中に再循環される。

【００６０】同様に、追加の過熱が必要な場合は、上部
ヘッダー１０６ａを経て、熱交換区域９２の熱回収セグ
メント９２ａ内の管１０４へと蒸気が導入される。固体
からの熱は更に管１０４内の蒸気を過熱し、この過熱さ
れた蒸気は下部ヘッダー１０６ｂ内へと集まる。この過
熱された蒸気は、次に下部ヘッダー１０６ｂから追加の
流れ回路中を送られ、余分の熱容量を提供するか、ター
ビン等の最終使用へと直接送られる。

【００６１】

【発明の効果】従って、本発明の反応器１０がいくつか
の利点を有することが理解される。例えば、二つの水平
サイクロン分離器、二つの再循環熱交換器、及び二つの
熱回収領域をすべて単一の容器内に一体化することによ
り、熱損失並びに嵩張る高価な部品の必要性を減少させ
る態様において、同伴固体の分離、該同伴固体からの熱
の除去、及び該同伴固体の再循環を行なうことができ
る。より詳細には、再循環熱交換器は、反応器１０に関
連する流体回路に、蒸気発生のための最終過熱等の追加
の熱を提供する。

【００６２】更に、熱交換区域９２のシールポットセグ
メント９２ｂは、炉区域内の自己継続的燃焼温度の迅速
な達成に備える。燃料床は初めは外部手段によって着火
されなければならないが、炉の温度が上昇するにつれ、
燃焼は自己継続的となり、着火装置を止めることができ
る。従って始動の間は、最小限の熱損失で分離固体を床
へと再循環することが役立つ。シールポットセグメント
９２ｂにより、分離固体をいかなる熱交換表面上をも通
さずに、直接炉区域へと送ることができる。よって、自
己継続的燃焼温度がより迅速に達成される。更に、管１
０４を充分に冷却して管材料設計温度を超えるのを避け
るのに充分な蒸気が反応器１０によって発生され得るま
で、再循環熱交換器中の管群を、始動の間保護すること
ができる。

【００６３】本発明の再循環熱交換器の設計はまた、分
離器と炉区域との間に圧力シーリング装置を提供し、そ
れにより固体の逆流及び炉区域の圧力変動が、該両部品
の操作特性に反対に作用することを防ぐ。また、この圧
力シールは余分の高価で複雑な構造なしに形成すること
ができる。

【００６４】更に、水平サイクロン分離器を使用するこ
とにより、分離区域と反応器の炉区域との間の空気圧搬
送装置、及び燃焼ガスの向きを変えるのに通常必要とさ
れるバッフル及びダクトの多くを使用する必要がなくな
る。よって本発明の反応器１０は、比較的コンパクト
で、容易に輸送し迅速に組み立てることができるように
モジュールに製作することが可能であるが、これは本明
細書中に開示されるように反応器が蒸気発生器として使
用される場合、特に有利である。

【００６５】分離器及び熱回収領域を反応器容器内に形
成することによって、分離器と熱回収領域の境界壁の温
度は、これらの壁中を通過する比較的冷たい流体のため
にかなり低下する。結果として、分離器及び熱回収領域
からの熱損失が大幅に低減され、内部の耐火絶縁材の必
要性が最小限となる。延長された高価な高温耐火張りダ
クト工事、及び反応器とサイクロン分離器との間、及び
該分離器と分離固体熱交換区域及び煙道ガス熱回収領域
との間の膨張継手の必要性もまた最小となる。更に、装
置のこの特定の配向は、５００ＭＷ以上の範囲の非常に
大規模な循環流動床蒸気発生器装置の設計及び建造に役
立つ。

【００６６】本発明の範囲内において前述に対する変更
がなされてもよいことが理解される。例えば、反応器１
０の種々の部品は、容器内に一つより多い炉区域と二つ
より多い接続される熱交換区域を収容するように変更し
てもよい。特に、図５に示されるように、炉区域は、容
器の中央ではなく、前壁１２及び後壁１４に対してそれ
ぞれ位置される、二つの独立する炉区域１１４と１１６
とに分割される。水平サイクロン分離器が、各容器炉区
域１１４及び１１６の上方の上部に配置され、煙道ガス
からの固体を分離する。分離固体は、トラフ１１８及び
１２０内へと通過し、該トラフは、固体を容器の中心部
に配置される熱交換区域１２２及び１２４内へと通過さ
せるが、ここでトラフと熱交換区域は好ましい実施態様
に記載されたものと同一である。この実施態様の唯一の
追加の特徴は、熱交換区域１２２及び１２４のシールポ
ットセグメントを互いに接続する開口１２６である。

【００６７】この別の実施態様は、好ましい実施態様の
全ての利点に加え別の利点を提供する。特に、反応器の
アウトプットを減少させるために、ただ一つの炉区域
を、非効率的な低負荷条件において操作する必要なしに
操作できる。更に、二つの炉区域を異なる温度において
操作することができ、それにより各熱回収領域中を通過
する燃焼ガスの温度をより大幅に制御することができ
る。また、開口１２６によって一方の炉区域で固体を加
熱し、その固体を他方の炉区域に通してその流動床を予
熱し、その炉区域内における自己継続的燃焼温度の達成
を促進することができる。

【００６８】改変、変更及び置換の範囲が前述の開示内
に意図され、いくつかの場合には発明のいくつかの特徴
は他の対応する特徴を使用することなく用いられること
がある。従って、添付請求項は広く、発明の範囲に合致
した態様にて理解されることが適当である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の流動床反応器を示す一部断面概
略図である。

【図２】図２は図１の２−２線に沿った断面図である。

【図３】図３は図２の３−３線に沿った断面図である。

【図４】図４は図２の４−４線に沿った断面図である。

【図５】図５は本発明の別の実施態様を示す図２と同様
の図である。

【符号の説明】

１０ 反応器 ２８ 炉区域 ４２、４４ 分離器 ５０、５２ 渦巻室 ５４、５６ 中心出口円筒 ５８、６０ 熱回収領域 ７８、８０ トラフ ８８ 垂直仕切り壁 ９２ａ 熱回収セグメント ９２ｂ シールポットセグメント １０２ 管

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【手続補正書】

【提出日】平成６年１月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 容器と、 該容器を第一、第二及び第三の部分に仕切るための、該
   容器の対向する壁の間に延長する第一及び第二の略垂直
   離隔部材と、 該第二の部分内に配置され、燃焼して熱及び燃焼ガスと
   同伴粒状固体との混合物を発生する燃料を含む粒状固体
   の流動床を支持するための手段を含む炉区域と、 該混合物の該同伴粒状固体を該燃焼ガスから分離するた
   めの、前記容器内に配置される手段と、 前記分離粒状固体及び前記分離燃焼ガスを受理し、そこ
   から熱を除去するための、それぞれ前記第一の部分及び
   第三の部分内に配置される第一及び第二熱交換手段とを
   含むことを特徴とする流動床反応器。
2. 【請求項２】 容器と、 該容器内に配置され、燃焼して熱及び燃焼ガスと同伴粒
   状固体との混合物を発生する燃料を含む粒状固体の流動
   床を支持するための手段を含む炉区域と、 該混合物を受理し、該燃焼ガスから該同伴粒状固体を分
   離するための分離手段と、 再循環熱交換器とを含む流動床反応器であって、該再循
   環熱交換器が、 前記分離区域から前記分離粒状固体を受理するためのト
   ラフと、 前記分離粒状固体を前記トラフから直接受理し、該分離
   粒状固体から熱を除去するための熱回収セグメントと、 前記トラフまたは前記熱回収セグメントのどちらかから
   直接前記分離粒状固体を受理し、前記炉区域から前記分
   離手段への前記分離粒状固体の逆流に対してシールする
   ためのシールポットセグメントと、 前記トラフから前記熱回収セグメント及び前記シールポ
   ットセグメントへと選択的に前記分離粒状固体を向ける
   ために、前記トラフ、前記熱回収セグメント、及び前記
   シールポットセグメントを独立して流動化するための手
   段とを含むことを特徴とする流動床反応器。
3. 【請求項３】 容器と、 該容器を第一、第二及び第三の部分に仕切るための、該
   容器の対向する壁の間に延長する第一及び第二の略垂直
   離隔部材と、 該第一及び第三の部分内に各々配置される炉区域とを含
   む流動床反応器であって、 該各炉区域は、燃焼して熱
   及び燃焼ガスと同伴粒状固体との混合物を発生する燃料
   を含む粒状固体の流動床を支持するための手段を含み、 前記流動床反応器は更に、前記燃焼ガスから前記混合物
   の前記同伴粒状固体を分離するための、前記容器内に配
   置される分離手段と、 前記分離粒状固体と前記分離燃焼ガスとを受理し、そこ
   から熱を除去する前記第二の部分内に配置される熱交換
   手段とを含むことを特徴とする流動床反応器。
4. 【請求項４】 容器と、 燃焼して熱及び燃焼ガスと同伴粒状固体との混合物を発
   生する燃料を含む粒状固体の流動床を支持するための手
   段を含む、該容器内の炉区域と、 前記混合物を受理し、前記燃焼ガスから前記同伴粒状固
   体を分離するための分離手段と、 前記分離区域から前記分離粒状固体を受理するための第
   一区画と、 前記分離粒状固体から熱を除去するための熱回収セグメ
   ントと、前記炉区域から前記分離手段への前記分離粒状
   固体の逆流に対してシールするためのシールポットセグ
   メントとに仕切られた第二区画と、 前記第一区画から直接前記熱回収セグメント又は前記シ
   ールポットセグメントのどちらかへ、前記分離粒状固体
   を選択的に向けるための、前記第一区画及び前記セグメ
   ントを独立して流動化するための手段とを含むことを特
   徴とする流動床反応器。