JPH0650678A - 熱交換器を有する流動床反応器装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱交換器内の流動床の見かけ上流動速度及び
流動床の寸法が、反応器の熱需要に従って変化される、
熱調節のために追加の容量を提供する反応器区域に隣接
して熱交換器が設けられる流動床反応器装置及び方法を
提供すること。 【構成】 反応器と、反応器内の可燃粒状材料の流動床
を支持するための手段と、反応器に隣接して配置される
熱交換手段と、煙道ガスから粒状材料を分離するための
分離手段と、分離粒状材料を熱交換手段へと通すための
手段と、分離材料を流動化するために、熱交換手段内の
分離粒状材料中に空気を通すための手段と、分離材料と
熱交換関係において冷却剤を通し、分離材料から冷却剤
へと熱を伝達するための、熱交換手段内に配置される手
段と、冷却剤の温度を制御するために、熱交換手段内の
分離材料へと追加の熱を供給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装置及びその操作方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流動床反応器、より詳
細には流動床反応器に隣接して熱交換器が設けられる装
置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】流動床反応器は一般に、硫黄含有石炭等
の化石燃料、及び石炭の燃焼の結果として発生する硫黄
酸化物のための吸着剤を含む粒状材料の床中に空気を通
過させ、床を流動化し、比較的低温における燃料の燃焼
を促進するものである。反応器が、蒸気タービン等を駆
動するために、蒸気発生装置において使用される場合、
水つまり冷却剤が、慣用の水流回路中を流動床材料と熱
交換関係にて通され、蒸気を発生する。該装置は、流動
床反応器からの煙道ガスから同伴される粒状固体を分離
し、それを床内へ再循環させる分離器を含む。この結果
として、高燃焼効率、高硫黄酸化物吸着、低窒素酸化物
放出及び燃料融通性の魅力的な結合が生ずる。

【０００３】これらの形式の装置の反応器において使用
される最も代表的な流動床は、通称「バブリング」流動
床と呼ばれ、該流動床において、粒状材料の床は、比較
的高密度で明確に規定された、つまり分離した上部表面
を有する。他の形式の流動床には「循環」流動床を使用
するものもある。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密度未満であってもよく、空気
速度はバブリング床の速度以上であり、また床中を通過
する煙道ガスは、該ガスが実質的に飽和される程度ま
で、相当量の微粒子固体を同伴する。

【０００４】また、循環流動床は、比較的高い固体再循
環を特徴とし、それにより床を燃料熱放出パターンに対
して非感応性とし、よって温度変化を最小化し、従って
窒素酸化物放出を低水準にて安定化する。高固体再循環
は、硫黄酸化物吸着剤及び燃料の滞留時間を増加させ、
吸着剤及び燃料の消費を減少させるため、全装置効率を
改良する。

【０００５】循環流動床反応器においてしばしば、熱交
換器は、サイクロン分離器からの返却固体流中に位置さ
れ、該分離器は、高熱伝達率にて熱エネルギーを取り出
すために、水冷表面を使用する。蒸気発生における適用
において、この追加の熱エネルギーは、蒸気の出口温度
をタービン要求によりマッチするように調節するのに使
用できる。代表的には、比較的高需要負荷においては、
熱交換器は、全熱負荷のうち比較的低パーセントしか反
応器に供給しないが、比較的低需要負荷においては、熱
交換器は、全熱負荷のうち約２０％まで供給し得る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】残念なことに、低需要
負荷及び始動条件のもとでは、熱交換器はこのように流
動床反応器の全熱負荷のかなりのパーセントを供給し得
るが、熱交換器は、代表的には熱調節に対して限られた
容量しか有さない。より詳細には、これらの低需要負荷
及び始動条件の間、水／蒸気の出口温度は、優先する反
応器条件のために最適未満である。その結果として、装
置の全効率の低下、及びマッチしない冷却剤を受理する
外部装置上の機械的ひずみの増加が生じる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】従って、本発明の目的
は、熱調節のために追加の容量を提供する反応器区域に
隣接して熱交換器が設けられる、流動床反応器装置及び
方法を提供することにある。

【０００８】本発明の更なる目的は、熱交換器内の流動
床の見かけ上流動化速度が、反応器の熱需要要求に従っ
て変化される、上記の形式の装置及び方法を提供するこ
とにある。

【０００９】本発明の更なる目的は、熱交換器内の流動
床の寸法が、反応器の熱需要要求によって変化される、
上記の形式の装置及び方法を提供することにある。

【００１０】本発明の更なる目的は、外部燃料が、反応
器の熱需要要求に従って熱交換器へと供給される、上記
の形式の装置及び方法を提供することにある。

【００１１】これら及びその他の目的を遂行するため
に、本発明の装置は、流動床を含み装置の反応器区域に
隣接して位置される熱交換器を含む。煙道ガスと反応器
内の流動床からの同伴粒状材料とは分離され、煙道ガス
は熱回収領域へと通され、分離された粒状材料は熱交換
器へと通される。反応器からの粒状材料は流動化され、
流動化された粒子から熱を取り出すために、熱交換表面
が熱交換器内に設けられる。更に、低需要負荷及び始動
条件の際に追加の熱エネルギーを供給するために、バー
ナーが熱交換器内に配置される。熱交換器内の固体は、
反応器内の流動床へと返却される。

【００１２】

【実施例】本発明の装置及び方法は、図１の参照番号１
０で一般に示される自然水循環蒸気発生器の一部を形成
する流動床反応器に関して説明される。

【００１３】蒸気発生器１０は、流動床反応器１２、分
離区域１４、及び熱回収領域１６を含む。反応器１２
は、直立包囲体１８及び穿孔空気分配器板２０を含み、
該板は、反応器の下方部に配置され、包囲体の壁に適当
に取付けられ、石炭、及び石炭の燃焼中に発生する硫黄
酸化物を吸着するための、石灰石等の吸着剤材料の比較
的微細な粒子を含む、粒状材料の床を支持する。プレナ
ム２２は、強制通風ブロワー等の適切な源（図示せず）
から供給される空気を受理するために、板２０の下方に
規定され、粒状材料の床を流動化するように適切に調節
され、好ましい実施態様によれば、空気速度は、前述さ
れたように、循環流動床を創出するような大きさであ
る。一つ以上の分配器２４が、粒状材料を床上に導入す
るために、包囲体１８の壁を通して設けられ、ドレンパ
イプ２６が、比較的粗い消費粒状材料を包囲体１８から
排出するために、分配器板２０の開口と整合する。

【００１４】包囲体１８の壁が、垂直延長関係に配置さ
れる複数の水管を含み、管中に水を通して水を蒸気に変
換するために、流れ回路（図示せず）が設けられること
が理解される。包囲体１８の壁の構造は慣用であるた
め、壁についてはより詳細には説明されない。

【００１５】分離区域１４は、包囲体１８に隣接して設
けられダクト３０によってそこへ接続される、一つ以上
のサイクロン分離器２８を含み、該ダクトは、包囲体１
８の後壁の上方部分に形成される開口から、分離器２８
の上方部分に形成される入口開口へと延長する。分離器
２８は、煙道ガスと包囲体１８内の流動床からの比較的
微細な同伴粒状材料とを受理し、慣用の態様にて、分離
器において創生される遠心力によって、煙道ガスから比
較的微細な粒状材料を分離するように操作する。比較的
清浄な煙道ガスは分離器２８内を上昇し、ダクト３２を
経て熱回収領域１６内へ通され、その中を通過する。熱
回収領域１６は、慣用の態様にて清浄煙道ガスから熱を
取り出すように操作し、その後、ガスは出口ダクト１６
ａを経て排出される。

【００１６】分離器２８からの分離固体は、分離器の下
方端に接続されるホッパー２８ａ内へと通過し、次にホ
ッパーの出口へと接続されるディップレッグ３４内へと
通過する。ディップレッグ３４は熱交換器３６へと接続
され、該交換器は、包囲体１８に隣接して配置され、包
囲体１８の後壁の下方部分を共有する、実質的に矩形の
包囲体３８を含む。空気分配器板４０は、包囲体３８の
下方部分に配置され、外部源（図示せず）から受理した
空気を、分配板４０を通して、包囲体３８の内部へと導
入する空気プレナム４２を規定する。図１において一つ
が参照番号４３で示される三本のドレンパイプは、以下
に説明されるように、包囲体３８の内部から比較的微細
な消費粒状材料を排出するために、板４０の開口と整合
する。図１において一つが参照番号４４で示される三つ
の開口は、以下に説明されるように、熱交換器３６から
反応器１２へと固体及びガスを連通させるために、包囲
体３８と１８との間の共用壁を通して形成される。仕切
り壁４５は、開口４４を被って形成され、下方に延長し
て、熱交換器３６からの固体材料が、反応器１２の内部
へと通過することを可能にするための通路を規定する。

【００１７】ディップレッグ３４から受理される比較的
微細な粒状材料を受理し、包囲体３８へと粒状材料を分
配するために、小さいトラフ包囲体４６が、包囲体３８
の後壁の中間部分に隣接し、これを共有して形成され
る。空気分配器板４８は、包囲体４６の下方部分に配置
され、外部源から受理される空気を、分配器板４８を通
して包囲体４６内へと導入するために、空気プレナム５
０を規定する。固体及び流動化空気を包囲体４６から包
囲体３８へと連通させるために、開口５２が包囲体４６
と包囲体３８との間の共用壁に設けられる。

【００１８】図２及び図３に示されるように、二つの仕
切り壁５８ａ及び５８ｂが包囲体３８内に含まれ、包囲
体の底面から、板４０を通して包囲体の屋根まで延長
し、プレナム４２及び包囲体３８を、それぞれ三つの部
分４２ａ、４２ｂ、４２ｃと、３８ａ、３８ｂ、及び３
８ｃとに分割する。図２に示されるように、二つの仕切
り壁６０ａ及び６０ｂは、包囲体４６の底面から、板４
８（図１）を通って包囲体の壁の中程まで延長し、包囲
体４６を三つの部分４６ａ、４６ｂ、４６ｃに分割す
る。二つの仕切り壁６０ａ及び６０ｂは、プレナム５０
（図１）をも三つの部分に分割することが理解される。

【００１９】図１を参照して、一つが参照番号６２で示
される三つのバーナーは、各々包囲体部分３８ａ、３８
ｂ、３８ｃ内に配置され、ガス又はオイル等の燃料を通
常の形態にて燃焼し、追加の熱を供給する。更に、一つ
が参照番号６４で示される三本の熱交換器管束は、各々
包囲体部分３８ａ、３８ｂ、３８ｃ内に配置され、包囲
体部分内の比較的微細な粒状材料から熱を取り出すため
に、水等の冷却流体を受理する。更に、三つの開口４４
ａ、４４ｂ、４４ｃ（図２）は、包囲体３８と１８との
間の共用壁に形成され、三本のドレンパイプ４３ａ、４
３ｂ、４３ｃ（図３）は、以下に説明されるように、各
々包囲体部分３８ａ、３８ｂ、３８ｃの内部から粒状材
料を排出するために、分配器板４０に形成される開口と
整合する。

【００２０】操作において、分配器２４からの粒状燃料
及び吸着剤材料は、必要により包囲体１８内へと導入さ
れる。外部源からの加圧空気は、空気プレナム２２内へ
と通過し、分配器板２０を通って包囲体１８内の粒状材
料の床内へと通過して材料を流動化する。点火バーナー
（図示せず）等は、包囲体１８内に配置され、粒状燃料
材料に着火するために着火される。材料の温度が比較的
高水準に達する時、分配器２４からの追加の燃料が、反
応器１２内へと排出される。

【００２１】反応器１２内の材料は、燃料材料の燃焼に
よって発生する熱によって自己燃焼され、空気と気体燃
焼生成物（以下「煙道ガス」と称する）との混合物は、
反応器１２中を上方へと通過し、包囲体１８内の床から
の比較的微細な粒状材料を同伴する。空気プレナム２２
を経て、分配器板２０を通して反応器１２の内部へと導
入される空気の速度は、反応器１２内の粒状材料の寸法
に従って、循環流動床を形成するように確立され、つま
り、粒状材料は、床内の粒状材料の実質的な同伴が達成
される程度まで流動化される。従って、反応器１２の上
方部分内へと通過する煙道ガスは、比較的微細な粒状材
料で実質的に飽和される。完全燃焼に必要な残りの空気
は、慣用の態様にて二次空気として導入される。飽和煙
道ガスは、反応器１２の上方部分に通され、ダクト３０
を通して出て、サイクロン分離器２８内へと通過する。
分離器２８において、比較的微細な粒状材料は煙道ガス
から分離され、前者はホッパー２８ａ中を通過し、ディ
ップレッグ３４を経て包囲体部分４６ａ内へと噴射され
る。分離器２８からの清浄煙道ガスは、外部装置へと出
る前に、回収領域１６中を通過するために、ダクト３２
を経て熱回収領域１６へと出る。水等の冷却流体は、煙
道ガスから熱を取り出すために、熱回収領域１６内に配
置される過熱器、再熱器及びエコノマイザー（図示せ
ず）を含む慣用の水流回路中を通される。

【００２２】包囲体部分４６ｂは、ディップレッグ３４
からの比較的微細な粒状材料を受理する。粒状材料は、
包囲体部分４６ｂの下方に配置されるプレナム５０の一
部に供給される空気によって流動化され、包囲体部分４
６ｂをオーバーフローし、包囲体部分４６ａ、４６ｃ及
び包囲体部分３８ｂを満たす。包囲体部分４６ｂから包
囲体部分４６ａ、４６ｂ及び包囲体部分３８ｂへの比較
的微細な粒状材料の流れは、包囲体部分４６ｂの下方に
配置されるプレナム５０の一部に供給される空気の流動
化速度によって調節されることが理解される。同様に、
包囲体部分４６ａ、４６ｃから各々包囲体部分３８ａ、
３８ｃへの比較的微細な粒状材料の流れは、包囲体部分
４６ａ、４６ｃの下方に配置されるプレナム５０の一部
に供給される空気の流動化速度によって調節される。一
般に、包囲体部分４６ａ、４６ｂ、４６ｃの下方に配置
されるプレナムの一部へと供給される空気は、包囲体部
分４６ａ、４６ｂ、４６ｃ内の比較的微細な粒状材料
を、少なくとも熱交換器管６４を被覆するのに充分な水
準まで堆積することを可能とするように調節される。比
較的微細な粒状材料は、次に開口４４ａ、４４ｂ、４４
ｃを経て反応器１２へと返却されるか、又はドレンパイ
プ４３ａ、４３ｂ、４３ｃを経て各々包囲体部分３８
ａ、３８ｂ、３８ｃから排出され、それにより反応器１
２内の比較的微細な粒状材料の残留量を調節することが
可能となる。包囲体部分３８ａ、３８ｂ及び３８ｃ内の
粒状材料の流動化は、各々プレナム４２ａ、４２ｂ、及
び４２ｃ（図３）へと供給される空気の流動化速度によ
って、個別に調節される。

【００２３】水等の冷却流体は、反応器及び各包囲体部
分３８ａ、３８ｂ、及び３８ｃ内の粒状材料の床から熱
を取り出すために、反応器１２の壁を形成する管、及び
熱交換器３６内の熱交換器管束６４中を通され、後者の
床の温度調節を提供する。また、バーナー６２（図１）
は、床の追加の温度調節を提供するための必要に応じ
て、始動及び低負荷操作の間に、包囲体部分３８ａ、３
８ｂ及び３８ｃ内の粒状材料の床へと熱を提供する。

【００２４】

【発明の効果】前述の結果として、熱交換器管束６４中
を通過する冷却流体の最終出口温度の実質的な調節は、
タービン要求によりよくマッチするように得られる。例
えば、包囲体部分３８ａ、３８ｂ、３８ｃへの微粒子材
料の流れ、及びその結果の熱交換管束６４との接触は、
プレナム５０へと供給される空気の流動化速度によって
調節され、よって、熱交換管束６４中を流れる冷却流体
への熱伝達を調節する。さらに、包囲体部分３８ａ、３
８ｂ、３８ｃ内に配置される個別の床は、各々プレナム
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及びドレンパイプ４３ａ、４３
ｂ、４３ｃによって個別に流動化又は排出され得、よっ
て更に熱交換管束６４中を流れる冷却流体への熱伝達を
調節する。更に、バーナー６２は、始動及び低負荷操作
の間、熱交換管束６４中を流れる冷却流体へ相当の熱を
提供し、よって結果として全装置効率の増加、及び冷却
剤を受理する外部装置上の機械的ひずみの減少を生ず
る。

【００２５】本発明の範囲を逸脱することなく、前述に
改変をなしてもよいことが理解される。例えば、包囲体
３８へ提供される追加の調整熱の少なくとも一部は、プ
レナム４２へと向けられる空気を加熱するバーナーによ
って供給されてもよいことが理解される。

【００２６】その他の改変、変更及び置換が前述の開示
において意図され、いくつかの例においては、発明のい
くつかの特徴が他の特徴の対応する使用なしに用いられ
ることもある。従って、添付請求項は、広く、発明の範
囲に一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概略図であ
る。

【図２】図２は、図１の２−２線に沿った横断面図であ
る。

【図３】図３は、図１の３−３線に沿った横断面図であ
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応器と、該反応器内の可燃粒状材料の
   流動床を支持するための手段と、前記反応器に隣接して
   配置される熱交換手段と、煙道ガスと前記流動床からの
   同伴粒状材料との混合物を受理し、該煙道ガスから該粒
   状材料を分離するための分離手段と、前記分離粒状材料
   を前記熱交換手段へと通すための手段と、前記分離材料
   を流動化するために、前記熱交換手段内の前記分離粒状
   材料中に空気を通すための手段と、前記分離材料と熱交
   換関係において冷却剤を通し、前記分離材料から該冷却
   剤へと熱を伝達するための、前記熱交換手段内に配置さ
   れる手段と、前記冷却剤の温度を制御するために、前記
   熱交換手段内の前記分離材料へと追加の熱を供給するた
   めの手段とを含むことを特徴とする流動床反応器装置。
2. 【請求項２】 流動床反応器装置を操作する方法であっ
   て、該反応器内の可燃粒状材料の流動床を支持する工程
   と、煙道ガスと前記流動床からの同伴粒状材料との混合
   物を受理し、該煙道ガスから該粒状材料を分離する工程
   と、前記反応器からの前記分離粒状材料を通過させる工
   程と、前記分離材料を流動化させるために、前記分離粒
   状材料中に空気を通す工程と、前記分離材料と熱交換関
   係において冷却剤を通し、前記分離材料から該冷却剤へ
   と熱を伝達する工程と、前記冷却剤の温度を制御するた
   めに、前記分離材料へと追加の熱を供給する工程とを含
   むことを特徴とする流動床反応器装置を操作する方法。