JPH0694922B2 - 通路分離装置を備えた流動床反応器 - Google Patents

通路分離装置を備えた流動床反応器

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JPH0694922B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、流動床反応器に関し、より詳しくは、流動床
中の燃料の燃焼によって熱が発生するようにした反応器
に関する。
流動床反応器、燃焼器又はガス化装置は周知である。こ
れらの装置においては、化石燃料例えば石炭及び石炭の
燃焼の結果として発生した硫黄のための吸着剤を含む粒
状物質の床に、空気が導かれ、床が流動化されると共
に、比較的低い温度において燃料の燃焼が促進される。
流動床によって発生した熱が、例えば蒸気発生器の場合
のように、水を蒸気に変えるために利用される場合に
は、流動床装置は、熱の放出が高いことと硫黄の吸着が
高いことと、窒素酸化物の放出が低いことと、燃料の融
通性が良いこととの、魅力的な組合せを供与する。
最も典型的な流動床燃焼装置は、通常バブリング流動床
と呼ばれるもので、この装置では、粒状物質の床は、空
気分配板によって支持され、この分配板には、分配板の
複数の穿孔を経て燃焼支持空気が導かれ、粒状物質を膨
張させ、懸濁状態つまり流動状態が実現する。反応器が
蒸気発生器の場合には、反応器の壁は、複数の熱交換管
によって形成される。流動床中において燃焼によって発
生する熱は、管を通って循環される熱交換媒体例えば水
に伝達される。熱交換管は、通常は、このようにして発
生した蒸気から水を分離するために、蒸気ドラムを含む
水の自然循環回路に通常連結されている。この蒸気は、
発電用タービン又は蒸気のユーザーに送られる。
燃焼効率と汚染物質の放出の制御とバブリング床によっ
て与えられる稼動低下とを改良するための努力の中で、
高速流動床、すなわち循環流動床を利用する流動床反応
器が開発された。この技法によれば、バブリング流動床
において代表的な固形物含量30容量％よりも十分に低い
固形物含量５〜20容量％の流動床密度が達せられる。低
密度の循環流動床の形成は、その粒径が小さいことと、
固形物の通過量が多い事に起因し、それには固形物の再
循環を速くする必要がある。循環流動床の速度範囲は、
固形物の終端速度、すなわち自由落下速度と、それ以上
では流動床が空気圧伝送ラインに変わるような通過量の
関数である速度との間にある。
循環流動床によって必要とされる固形物の高循環では、
燃料熱放出パターンに対して非感応性となるので燃焼器
又はガス化装置の内部においての温度の変化は最小とな
り、従って窒素酸化物の生成量は減少する。また固形物
の高充填は、固形物の再循環のために固形物から気体を
分離するために使用される機械的装置の効率を改善す
る。硫黄吸着剤及び燃料の滞留時間がその結果として増
大するため、吸着剤及び燃料の消費量は減少する。更
に、循環流動床は、バブリング流動床よりも多くの利点
を本来有している。
しかし、バブリング流動床反応器及び特に循環流動床反
応器は、比較的大きなサイクロン分離器を必要とし、こ
れは、モジュール化して容易に搬送し建設することの可
能なコンパクトな構成の可能性を失なわせる。これは特
に蒸気発生器として流動床を利用する際に大いな不具合
となる。更に、循環流動床工程において使用される粒状
燃料及び吸着物質は、比較的微細とすることが必要なた
め、粒状物質を更に破砕して乾燥することが必要とな
り、コスト高となる。また硫黄の適切な吸着にとって必
要な床の高さは、従来のバブリング流動床装置の床の高
さよりも大きいため、資本コスト及び稼動コストが更に
増大する。
＜発明が解決しようとする課題＞ 従って本発明の１つの目的は、比較的小型でモジュール
化でき、建設の比較的容易な流動床反応器を提供するこ
とにある。
本発明の更に別の目的は、広範な粒径の燃料及び吸着剤
を利用できる上記型式の反応器を提供するとにある。
本発明の更に別の目的は、減少した床高において適切な
吸着が実現される上記型式の反応器を提供することにあ
る。
本発明の更に別の目的は、流動床ボイラー中に粒状物質
で飽和したガス柱が形成されるようにした、上記型式の
反応器を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、ガス柱中の粒状物質が集収さ
れ基本的に同じ量の粒状物質が流動床に返却されて飽和
ガス柱を保持するようにした、上記型式の反応器を提供
することにある。
本発明の更に別の目的は、ボイラー炉部に含まれる固形
物の容量がバブリング流動床に比べて比較的高くなるよ
うにした、上記型式の反応器を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、流動床に導かれる空気の量を
変化させることによって流動床の温度を変化させるよう
にした、上記型式の反応器を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、床及びガス柱と接触する冷却
面を設けるようにした、上記型式の反応器を提供するこ
とにある。
本発明の更に別の目的は、バブリング流動床と高速流動
床との作動原理及び利点を合体した、上記型式の反応器
を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、従来のサイクロン分離器の代
りに通路分離装置を使用するようにした、上記型式の反
応器を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、蒸気発生のために使用される
ようにした、上記型式の反応器を提供することにある。
＜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、本発明によれ
ば、容器と、該容器中に炉部と熱回収部とを形成する手
段と、燃料を含む固形の粒状物質の床を支持するための
該炉部中の床支持手段と、該床を流動化して該燃料の燃
焼又は気化を支持するに足る速度で該床中に空気を導入
する手段と、該空気、該燃焼による気体状生成物並びに
該空気及び該燃焼による気体状生成物によって同伴され
た粒状物質から成る混合物を該熱回収部に向ける手段
と、該混合物から該粒状物質を分離するために該熱回収
部中に配された複数の通路ビームと、分離された該粒状
物を該通路ビームから受けるために該炉部と該熱回収部
との間に延長する、中間壁と仕切り手段とによって規定
されるトラフと、分離された該粒状物質を該床に返却す
るために該トラフを該炉部に連結する手段とを含み、該
連結する手段はさらに、前記トラフから前記分離粒状材
料を受理するように適合される囲いと、前記仕切り手段
と前記壁との間に延長する開口と、該開口の間に延長す
る管とを含み、該囲いは、前記分離粒状材料が前記囲い
内に蓄積し、前記管内へと溢れて、前記炉部から前記囲
いを経て前記トラフ内へと空気及びガスが逆流するのを
封止するように前記開口を越えて上方へ延長することを
特徴とする反応器が提供される。
次に本発明の好ましい実施例を図面に基づいて一層詳細
に説明する。
＜実施例＞ 本発明の流動床反応器は、第１図に、符号10によって示
され、給送管14から水を受け且つ発生した蒸気を複数の
蒸気管16を経て排出するための蒸気ドラム12を含む蒸気
発生器の一部分を形成している。
反応器10は、蒸気ドラム12の下方に配設してあり、容器
を備えており、この容器は、前面壁18と、これに対して
平行に隔だてられた後面壁20と、壁18,20の間にこれら
に対し平行に隔だてられて延長している中間壁22とによ
って画定されている。理解されるように、２つの隔だて
られた側部壁（図示しない）は、前面壁18及び後面壁20
と直角に延長して、実質的に直方体の容器を形成してい
る。壁18、22は、側部壁の対応部分と共に、炉部24を形
成しており、壁20,22は、側部壁の対応部分と共に、熱
回収部26を形成している。
屋根27は、壁18から壁20へと延長しており、屋根27は、
壁18,20,22と共に、各々、垂直に配向された複数の管に
よって形成され、これらの管は、垂直に配向された複数
の細長い板片、すなわちフインによって相互に連結され
て、ひと続きの気密の構造物を形成している。この形式
の構造は周知であるため、図示してなく、説明を行なわ
ない。壁18,20,22の各々の管の先端は、後述する理由の
ために、水平に配向された上部ヘッダー28A及び下部ヘ
ッダー28Bにそれぞれ連結されている。
中間壁22の上部には、炉部24の上部を熱回収部26と連通
させるための通し孔30が形成されている。
熱回収部26には複数の管群32A,32B,32Cが配設してあ
り、各々の管群は、管を経て蒸気又は水を通し、ガスか
ら熱を除去するための流通回路内に接続された複数の管
から成っている。これらの管群及びこれらに組合された
回路は既知であるためここで詳述しない。斜め方向に延
長するじゃま板33は、後述する理由のために、壁20の下
部を通って形成された排出孔34の方にガスを向けるよう
に、熱回収部26の下部に配設されている。
図示していないが、理解されるように、給送管14を含む
水流通回路は蒸気ドラム12をヘッダー28A,28Bに連結
し、蒸気ドラム12及び壁18,20,22を通る水及び蒸気の流
通回路を形成する。これは既知の技術であるため、詳細
な説明は行なわない。
プレナム室36は、炉部24の下部に配設してあり、適宜の
供給源（図示せず）からの圧縮空気が、押込み通気ブロ
ワーなどの既知の手段を介して供給される。
孔あけされた空気分配板38は、炉部24の下方において、
プレナム室36の上方に、適宜支持されている。プレナム
室36を経て導入された空気は、空気分配板38を経て上方
に流れ、空気予熱器（図示せず）によって予熱されると
共に、必要に応じて空気制御ダンパーによって適宜調節
してもよい。空気分配板38は一般に、粉砕された石炭、
及び石炭の燃焼の間に生成した硫黄を吸着するための石
炭石又はドロマイトから成る粒状物質の床を支持するよ
うになっている。空気分配板38は、後述する理由のため
に、熱回収部26の部分中に延長している。
燃料分配管40は、炉部24中に粒状燃料を導入するため
に、前面壁18を通って延長している。粒状の吸着物質及
び／又は追加の粒状の燃料物質を必要に応じて炉部中に
分配するための他の管を壁18,20,22に組合せてもよい。
理解されるように排出管（図示せず）は、空気分配板38
中の開口と合致するよう設けてあり、炉部24からの消費
した吸着物質及び燃料を外部の装置に排出するために、
プレナム室36を経て延長している。
空気配管42は、空気分配板38から所定の高さのところ
に、前面壁18を通って配設されており、後述する理由の
ために、２次空気を炉部24に導入する。理解されるよう
に、炉部24中に空気配管42からの空気を排出するための
複数の空気ポート（図示せず）を、壁８及び炉部24を画
定する他の壁を通って、いくつかの高さ位置に配設して
もよい。
本発明の１つの特徴によれば、壁46は、中間壁22に隣接
してこれと平行に設けられており、中間壁22と共に熱回
収部26の上部から、延設された分配板38の直上の領域ま
で延長するトラフ48を画定する。
複数の通路ビーム50は、トラフ48の上部から屋根27ま
で、或る角度で延長している。第２図によりよく示すよ
うに、通路ビーム50は、３列に配され、各々の列は、図
から明らかではないが、互にわずかな間隔をおいて関係
において延長している複数の通路ビームによって形成さ
れ、中間の列は他の２つの列からオフセットされ、比較
的狭い通路をその間に形成している。通路ビーム50は、
ほぼＵ字形の断面を備えており、後述するように、炉部
24から熱回収部26に移行する気体から粉塵及び同伴され
た粒状物質を集収する。
直立壁52と水平壁54とは、壁46の下部に近接して延長し
ており、この壁46及び空気分配板38の伸長部分と共に、
囲いを形成している。短かい管56は、壁22,46の間に延
長しており、その両端は、これらの壁22,46を通って延
長している孔と合致する。従ってトラフ48と炉部24とを
連結する通路が形成される。
作用について説明すると、石炭を含む粒状物質は、空気
分配板38に載置され、プレナム室36に空気が導入される
間燃焼する。追加の石炭は、必要に応じて、分配管40を
通って炉部24の内部に導かれ、石炭は、床内に配された
バーナー（図示せず）によって着火される。石炭の燃焼
が進むにつれて、完全燃焼に必要な全空気量のうちわず
かの量の追加空気しかプレナム室36に導入されないの
で、炉部24の下部においての燃焼が不完全となる。その
ため炉部24は、還元条件の下に作動し、完全燃焼に必要
な残りの空気は、空気配管42によって供給される。プレ
ナム室36を経て供給される空気の範囲は、完全燃焼に必
要な量の40〜90％としてよく、残りの空気（60〜10％）
は、空気配管42を経て供給される。
プレナム室36から空気分配板38を経て導入される高圧−
高速の燃焼支持空気の速度は、床の比較的微細な粒子の
自由落下速度よりも大きく、比較的粗大な粒子の自由落
下速度よりも小さい。そのため、微小な粒子の一部分
は、空気及び燃焼ガス中に同伴され、それ等によって気
送される。この同伴された粒子とガスとの混合物は、炉
部24中において上昇し、同伴された粒子を含有したガス
柱を形成し、この粒子は、炉部24から通し孔30を経て熱
回収部26に移行する。このように通過する間に粒子の大
部分は、通路ビーム50に衝突し、これらのビーム50の間
の空間を通るガスから分離される。分離された粒子は、
ビーム50をすべり落ちて、トラフ48に入り、重力によっ
て下方にトラフ48の中及び管56の周囲を通過し、トラフ
48の底部端から壁46,52,54及び延設された分配板38によ
って画定される囲い中に排出される。粒子は、配管56の
レベルを超過するまで、この囲い中に蓄積され、超過し
た時点で、配管56を経て炉部24中へと溢流し始める。こ
れによって、再循環された粒子の炉部24中への一定の流
れが得られると共に、壁46,52,54及び空気分配板38によ
って画定された囲い中に炉部24から高圧のガスが逆流す
ることに対する封止作用が得られる。
炉部24の上部のガスを粒子によって飽和させるに足る量
の追加の粒子が配管40を経て付加され、即ち、ガスによ
る粒子の最大の同伴が実現される。この飽和の結果とし
て、比較的粗大な粒子は、比較的微小な粒子の一部分と
共に、炉部24の下部に保留されるので、炉部24は、最大
能力において稼動するときに、全容積の20〜30％のよう
な、比較的高い容積百分率の粒子を含有するようにな
る。
微小な粒子の残りの部分は、ガス柱を通って上方に流
れ、通し孔30を経て排出された後、ガスから分離され、
前述したように、再循環されて炉部24に戻る。このこと
と、追加の粒状の燃料物質が配管40を経て導入されるこ
ととによって、炉部24中に、飽和したガス柱が保持され
る。
水は、給送管14を経て蒸気ドラム12中に導入され、前述
したように、降水管などを経て下方に導かれ、下部ヘッ
ダー28B並びに壁18,20,22及び屋根27を形成する管中に
導入される。流動床、ガス柱及び搬送された固形物から
の熱は、水の一部を水蒸気に変え、水と水蒸気との混合
物は、前記の管中において上昇し、上部ヘッダー28Aに
集められ、蒸気ドラム12に移される。水蒸気と水とは、
蒸気ドラム12中において常法により分離され、分離され
た水蒸気は蒸気管16によって蒸気ドラム12から蒸気ター
ビンその他に移行される。分離された水は、給送管14か
らの新しい供給水と混合され、前述したようにして、流
動回路を経て再循環される。好ましくは基本的に直立状
の管を備えた仕切り壁の形状の、その他の冷却面を、炉
部24において使用してもよい。
通路ビーム50を通過した高温の清浄なガスは、熱回収部
26に入り、管群32A,32B,32Cを乗りこえ、ガスから余分
の熱を取出し、これらの管中を流れる水蒸気又は水に熱
を付加する。このガスは次に、じゃま板33によって、排
出孔34の方に向けられ、熱回収部26から排出される。プ
レナム室36に導かれた空気が10気圧のオーダーの比較的
高い圧力にあると、排出孔34からのガスは、ガスタービ
ン（図示せず）その他に向けられる。
床24の温度は、蒸気タービンの負荷の変化に応答して、
プレナム室36及び空気配管42を経てボイラーに供給され
る空気の量を変えることによって、所定の容認可能な値
に保持される。
以上の説明からわかるように、本発明の反応器には、い
くつかの利点がある。例えば、通路ビーム50及びトラフ
48を配設したことによって、同伴された粒子が分離さ
れ、炉部24に再循環されると共に、比較的かさばった高
価なサイクロン分離器の必要が除かれる。そのため、本
発明の反応器は、比較的小形であり、搬送及び設置が容
易にまたすみやかにできるように、いくつかのモジュー
ルとして作製できる。これは、以上に説明した実施例の
ように蒸気発生器として反応器を使用する場合に特に有
利となる。また、本発明による反応器は、バブリング流
動床及び循環流動床の両方の利点を享受しうるように作
動する。一例として、流動床の内部の粒状物の側面混合
の量が比較的多いことは、バブリング流動床によって達
せられる混合と同様である。更に、微小な粒子は、循環
流動床の場合と同様に、反応域中に保留され、広い範囲
の粒径を備えた燃料及び吸着剤が利用できる。また循環
流動床に比較して小さな静止床及び著しく小さな膨張床
の高さが可能となる。このことと、流動床の上方のオー
バーファイア空気排出とによって、空気ファンのための
動力要求が小さくなると共に、床圧の変動によって機械
的な力がより重要でなくなる。更に、固体と気体との間
の、特に燃焼を含む反応の大部分は、オーバーファイア
空気ポートの下方のみにおいて生ずるため、一酸化炭素
と炭化水素との放出量が最小となる。また、これらの利
点と共に、オーバーファイア空気の一部分によって空気
をステージングすることによって、窒素酸化物の放出量
も減少する。更に、好ましくは高導電型の耐火材を、表
面が還元ガスに対向しているオーバーファイア空気の下
方及び他の腐食し易い場所において使用することが可能
となる。また飽和ガス柱を絶えず保持することによって
固形物の循環が制限されるため、固形物の循環速度を固
形物再循環装置によって積極的に制御する必要はない。
更に、流動床のタップ及び再循環装置から比較的少量の
粒状の固形物を取出すことによって、粗大な粒状及び微
小な粒状の固形物の装置系中の滞留時間を反応特性に適
合するように調節することができる。
また図面には示していないが、他の付加的な必要な装置
及び構成部品が設けられており、これらの装置及び構成
部品の全ては、完全で有効な作動系を形成するように適
切な構成で配設され支持される。
本発明の範囲内においていろいろの変更を行ないうる。
一例として、炉部24に供給される燃料は、以上に説明し
た例のように、粒状とする代りに、液体状又は気体状と
してもよい。それ以外の当業者にとって自明ないろいろ
の変形が、本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による流動床反応器の縦断面図、第２
図は、第１図の反応器の一部分の部分的な拡大尺による
側面図である。 22……中間壁（炉部と熱回収部とを形成する手段）、24
……炉部、26……熱回収部、48……トラフ、50……通路
ビーム。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】容器と、該容器中に炉部と熱回収部とを形
    成する手段と、燃料を含む固形の粒状物質の床を支持す
    るための該炉部中の床支持手段と、該床を流動化して該
    燃料の燃焼又は気化を支持するに足る速度で該床中に空
    気を導入する手段と、該空気、該燃焼による気体状生成
    物並びに該空気及び該燃焼による気体状生成物によって
    同伴された粒状物質から成る混合物を該熱回収部に向け
    る手段と、該混合物から該粒状物質を分離するために該
    熱回収部中に配された複数の通路ビームと、分離された
    該粒状物を該通路ビームから受けるために該炉部と該熱
    回収部との間に延長する、中間壁と仕切り手段とによっ
    て規定されるトラフと、分離された該粒状物質を該床に
    返却するために該トラフを該炉部に連結する手段とを含
    み、該連結する手段はさらに、前記トラフから前記分離
    粒状材料を受理するように適合される囲いと、前記仕切
    り手段と前記壁との間に延長する開口と、該開口の間に
    延長する管とを含み、該囲いは、前記分離粒状材料が前
    記囲い内に蓄積し、前記管内へと溢れて、前記炉部から
    前記囲いを経て前記トラフ内へと空気及びガスが逆流す
    るのを封止するように前記開口を越えて上方へ延長する
    ことを特徴とする反応器。
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