JPH0697083B2 - 一体型湾曲腕分離器を利用する循環流動床反応器 - Google Patents

一体型湾曲腕分離器を利用する循環流動床反応器

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JPH0697083B2
JPH0697083B2 JP2132752A JP13275290A JPH0697083B2 JP H0697083 B2 JPH0697083 B2 JP H0697083B2 JP 2132752 A JP2132752 A JP 2132752A JP 13275290 A JP13275290 A JP 13275290A JP H0697083 B2 JPH0697083 B2 JP H0697083B2
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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、更に詳細には流動床内の燃料の
燃焼によって熱が発生するかような反応器に関する。
〈従来の技術〉 流動床反応器、燃焼器あるいは気化器は良く知られてい
る。これらの装置において、空気は石炭などの化石燃料
や石炭の燃焼の結果生ずるイオウの吸着剤を含む粒子状
材料の床を通過し、床を流動化し、比較的低い温度で化
石燃料の燃焼を促進する。流動床によって生じた熱が例
えば蒸気発生器内で水を蒸気に転化するのに利用される
場合、流動床装置は高い熱放出、イオウの高吸収、低い
窒素酸化物類の放出及び燃料の融通性の魅力的な組合せ
を提供する。
もっとも典型的な流動床燃焼装置は普通、バブリング流
動床を意味し、この流動床では粒子状材料の床は空気分
配板によって支持され、その板の多数の穿孔を通して燃
焼維持空気は導入され、粒子状材料を膨脹させ、懸濁す
なわち流動化された状態とする。反応器が蒸気発生器の
場合には、反応器の壁が複数の熱伝達管にて形成され
る。流動床内での燃焼によって生ずる熱は、管を通して
循環する熱交換媒体、例えば水に伝達される。この熱伝
達管は、蒸気ドラムを含む水自然循環回路に接続され、
かようにして形成された蒸気から水を分離し、電気を発
生するためタービンまたは蒸気使用者へ送られる。
燃焼効率、公害排出規制及びバブリング流動床による操
作ターンダウンの改善をするために、速やかなすなわち
循環流動床を利用する流動床反応炉が開発された。この
技術によれば、固体の容積20％までの範囲にある流動床
密度が達成され、バブリング流動床において代表的な固
体の容積30％より充分低い。低い密度の循環流動床の形
成はより小さな粒子寸度及びより速い流動化速度の結果
から生ずる。材料バランスにとっては速い固体再循環が
要求される。循環流動床の速度範囲は固体終端自由落下
速度とスループットの関数の速度であり、かつその速度
を越えると床が空気圧搬送ラインに転化される速度との
間である。
循環流動床によって要求される速い固体循環は、熱放出
パターンに関係なく燃料を加えることができるので、従
って燃焼器又は気化器内での温度の変動を最少限におさ
え、それゆえ窒素酸化物の形成を減少させる。また、高
い固体負荷は固体再循環のための固体からガスを分離す
るために使用される機械器具の効率を改善する。結果と
してイオウ吸着剤及び燃料の滞留時間の増大は所要の吸
着剤の添加を軽減する。さらに、循環流動床は本質的に
バブリング流動床より大きなターンダウンを有する。
しかしながら、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するので、分割化し容易に輸送し、
建設し得るコンパクトな設計は不可能である。このこと
は、流動床を蒸気発生器として利用し場合、特に大きな
欠点となる。また、循環流動床工程において使用される
粒状燃料及び吸着材料が比較的小さな寸度でなければな
らずそれゆえに原材料をさらに粉砕し、乾燥させるため
に費用高となる。さらに循環流動床装置においてイオウ
の適切な吸着のために床高さは慣用されているバブリン
グ流動床装置の高さよりも高くなり、これによりさらに
設備費用及び運転コストが高くつく。
〈発明が解決しようとする課題〉 従って、本発明の目的は比較的寸度がコンパクトであ
り、分割化可能であり、建造することが比較的容易であ
る流動床反応器を提供することにある。
本発明の別の目的は、燃料及び吸着剤の粒子寸度が幅広
い範囲で利用可能であ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、適切な吸着が軽減された床高
さで達成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、ガスコラムが粒子状材料で飽
和されている流動床ボイラー内にてガスコラムが形成さ
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、ガスコラム内の粒子状材料が
収集され、本質的に同量のものが飽和されたガスコラム
を維持するために流動床へ戻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、ボイラー炉内に含まれる固体
の容積が、バブリング流動床と比べると比較的低い上記
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、流動床の温度が流動床に導入
される空気の量を変えることにより変動する上記型式の
反応器を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、冷却面が流動床及びガスコラ
ムに接触して備えられてい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、バブリング流動床及び高速流
動床の両方の操作原理及び利点を組み込みんだ上記型式
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、慣用のサイクロン分離器が炉
と一体となっている湾曲腕分離装置によって代用される
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、蒸気を発生するのに利用され
る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、本発明の流動床
反応器は炉及び熱回収区を含む。前記炉の上部は、殻内
で離隔関係において同軸に伸びる。燃料を含む固体粒子
状材料の床は炉内に支持され、床を流動化し、前記燃料
の燃焼又は気化に十分な速度で空気を床内に導入する。
空気、前記燃焼のガス状生成物及び前記燃焼の空気とガ
ス状生成物とによって同伴される粒子状材料の混合物
は、前記炉の上部に配設された複数の弓形腕を通して、
同軸の殻の内壁に放出され、前記混合物から粒子状材料
を分離させる。いくらかの微粒子材料と共に前記燃焼の
ガス状生成物の残りは上方に上昇し、熱回収区へ向けら
れる。分離された粒子状材料は同軸の殻から複数の再循
環管に向けられる。この複数の再循環管は、流動床へ分
離された粒子状材料を戻すために炉の下部へ接続され
る。
〈実施例〉 以下本発明を添付図面に基づいて説明する。
第１図の参照番号10は、本発明の流動床反応器を示し、
蒸気発生器の一部を構成し、供給管14から水を受け入
れ、複数の蒸気管16を通って発生する蒸気を放出する蒸
気ドラム12を含む。
反応器10は蒸気ドラム12の下に配置され、水管壁炉18と
熱回収区20で冷却された蒸気とを含む。炉18は断面円形
状を有し、その壁は、複数の平行かつ垂直に間隔をおい
て配置された水管18aによって形成され、この水管18aは
第２図に示されるよう互いに隣接して気密構造を形成す
るように直径方向に対向する部分から伸びる連続フィン
において互いに接続される。炉の上部は管殻22内に離隔
して同軸上に延びる。熱回収区20は前壁24とこれに平行
に間隔をおいて配された後壁26とによって規定される。
間隔をおいて隣接した２個の側壁（図示せず）は前後壁
に垂直に伸び、実質的に長方形の容器を形成することが
わかる。
頂板28は炉18の上縁部分を越えて伸び、炉の水管壁の延
長部を形成する。第２図に示すように、複数の溝30炉18
の壁上部に形成される。複数の弓状の腕32各々は、炉18
に連結され溝30に合致して炉18から外側に伸びる。この
腕32の自由端は後述する同伴された粒子及びガスの混合
物を管殻22の内壁に対して実質的に接線方向に溝30から
放出することができるように開口している。好ましい実
施態様において、弓状の腕32と溝30とは、管殻22の内壁
に向って、外側に炉18の壁を切断し曲げることによって
形成される。支持構造（図示せず）は管殻22内に設けら
れ、図示の同軸位置において管殻22内の炉18の上縁部を
支えることを理解され度い。好ましい実施態様では４本
の再循環管34は、管殻22の下部周辺に配置され、管殻22
と炉18の壁との間の管状空間下端部と連通する。各再循
環管34は管殻22の下部から炉18の壁下部へ延設する。好
ましい実施態様では各再循環管34の上部は管殻22の最下
部に粒子が堆積するのを軽減するため内方に曲げてあ
る。各再循環管34はバルブ36、好ましくはＪ字形のバル
ブを通って炉18の下部に連通しており、慣用の態様にて
炉18から再循環管34への逆流を防止する。
屋根39は炉18の上部、管殻22及び壁24,26と隣接する側
壁の上端部を越えて伸びており、壁24,26と共に屋根39
と、隣接する側壁とは、連続フィンによって互いに接続
される複数の平行かつ垂直に間隔をおいて配置した水管
によって形成され、隣接する気密構造を形成する。この
タイプの構造は慣用なので、詳細な説明は省略する。
屋根39は管殻22の延長した上部であり、壁24と煙道ガス
プレナム室40を形成し、壁24内の開口24aを通して管殻2
2の上部と熱回収区20とに連通する。
複数の管群42A,42B,42C,42D,42E及び42Fは熱回収区20に
配置される。各管群は、ガスから熱を取出すために蒸気
または水をこの管中に通過するための流れ回路内で接続
される複数の管よりなる。好ましい実施態様において、
管群42A,42Bは最終過熱器、管群42C,42Dは１次過熱器、
管群42E,42Fは節炭器回路よりなる。これらの管群とそ
れらの連関する回路は慣用なので、詳細な説明は省略す
る。
ホッパー44は、粒子状材料を収集するため熱回収区20の
下部に配置される。煙道ガス出口46は煙道ガスを下流に
向け、本実施態様では示されていない外部装置に向かわ
せる。
図示していないが、水流れ回路は供給管14を含み、プレ
ナム室40及び管群42A乃至42Fと同様、水と蒸気ドラム12
からの蒸気との流れ回路、炉18の壁、熱回収区20及び管
殻22を形成するために備えられることを理解され度い。
このことは慣用技術なので、詳述しない。
プレナム室48は炉18の下部に配置され適切な供給源50か
らの加圧空気が慣用手段、例えば押込通気ブロア等によ
ってその中へ導かれる。
穿孔された空気分配板52は、炉18の下部においてプレナ
ム室48の上方に適宜支持される。プレナム室48を通って
導かれる空気は空気分配板52を通して上方向に通過する
が必要に応じて空気予熱器（図示せず）によって予熱さ
れ空気制御ダンパーによって適宜調整されてもよい。空
気分配板52は粒子状材料の床を支持するようになってお
り、一般に粒子状材料は粉砕炭及び粉砕炭の燃焼中に生
ずるイオウを吸収するための石灰又はドロマイトからな
る。
管54は、粒子状吸着材料及び／又は粒子状燃料材料を炉
18内へ導入するためのバルブ36の頂部の高さのところで
各再循環管34に備えられ、必要に応じて他の管も炉18へ
粒子状吸着材料及び／又は粒子状燃料材料を分配するた
め再循環管34と炉18とに連関され得ることも理解された
い。また、２本の空気入口管56は各々再循環管34に後述
する理由により流動化空気を導入するために備えること
ができる。
入口管58からの過燃焼空気は空気分配板52より上のどの
高さからでも炉18内へ導くことができる。排出管60は炉
18から外部装置へ使い果した燃料及び吸着材料を放出す
るために配備される。
炉18、管殻22、再循環管34、煙道ガスプレナム40及び熱
回収区20の外側ケーシングは慣用の態様によって適切な
絶縁材料にて保護される。
操作時には、石炭を含む床の粒子状材料は空気分配板52
の上に供給され、空気がプレナム室48に導入される間燃
焼する。燃料及び／又は吸着材料は必要に応じて管54を
通して再循環管34及び／又は、炉18の内部に追加導入さ
れ、石炭は床内に配置されたバーナー（図示せず）によ
って点火される。石炭が燃焼するにつれて、実質的に完
全燃焼を達成するために十分な量の空気をプレナム室48
へ追加導入する。また、入口管58から過燃焼空気を導入
してもよい。
プレナム室48から空気分配板52を通って導入される高圧
かつ高速な燃焼維持空気の速度は、床内で比較的細かい
粒子の自由落下速度より大きく、比較的粗い粒子の自由
落下速度より低い。従って、細かい粒子の一部は空気と
燃焼ガスとによりその中に同伴され空気圧により搬送さ
れる。同伴された粒子及びガスの混合物は炉18内で上方
に上昇し、炉18を通過し且つ溝30を通して放出する同伴
粒子を含むガスコラムを形成する。弓状の腕32は管殻22
の内壁に対して実質的に接線方向に混合物が向くよう機
能する。これは、ガスから粒子の分離を促進する遠心力
を創出する。その後、粒子の大多数は管殻22の内壁に衝
突し、速度が失われ、その結果粒子はさらにガスから分
離される。分離された粒子は重力により再循環管34を下
方に滑り降りバブル36内へ通される。一方、分離された
ガスは煙道ガスプレナム40内に上方に通過し、開口24a
を通り、熱回収区20へ通される。
分離された粒子は、粒子がバルブ36から炉18内へあふれ
出始める高さをこえるまで、第１図の流れの矢印によっ
て示されるように、バルブ36内に堆積する。これにより
直接再循環管34内へ炉18からの高圧ガスの逆流に対して
密封しつつ、再循環された粒子の一定の流れを炉18内へ
戻るようになされる。
追加の粒子は、粒子で炉18の上部でガスを飽和させるの
に十分な量を管54より加えられる。すなわち、ガスによ
って同伴できる最大の量が達成される。飽和の結果、比
較的細かい粒子の一部と共に比較的粗い粒子は、炉18の
下部に保持され、最大能力で作動すると粒子の比較的高
い百分率容積のもの、例えば総容積の20％までのものを
含むことになる。
細かい粒子の残りの部分はガスコラムを通って上方に向
って通過し、ガスから分離され、上述のように炉18に再
び戻る。これに加えて管54から粒子状燃料材料を追加導
入しても炉18内の飽和されたガスコラムは維持される。
水は水供給管14から蒸気ドラム12へ導入され、上述のよ
うに炉18の壁に形成される管へ降水管等を通って下方に
導かれる。流動床、ガスコラム及び搬送固体からの熱は
水の一部を蒸気に転化し、水と蒸気との混合物が管内を
上昇し、蒸気ドラム12に移される。この蒸気と水とは慣
用の態様にて蒸気ドラム12内で分離され、分離された蒸
気は、蒸気管16によって蒸気ドラム12から最初は屋根39
及び壁24,26に形成される管に、そして次に１次過熱器
の管群42C,42Dと、最終過熱器管群42A,42Bとに、そして
蒸気タービン等に通される。蒸気ドラム内の分離された
水は、節炭器の管群42E,42Fからの供給水と混合され、
管14より蒸気ドラム12へ入れられ、以上述べた方法で流
れ回路を再循環する。他の冷却面、好ましくは基本的に
は垂直管の仕切り壁の形状の冷却面を炉18内で利用でき
る。
管殻22と炉18の上部との間の空間から放出する熱い清浄
なガスは熱回収区20に入り、このガスから熱を取出し且
つ管群42A,42B,42C,42D,42E及び42Fの管を流れる蒸気又
は水に熱を加えるため管群を通過させる。次いでガスは
排出口46に向かい、熱回収区20から排出されるが空気ヒ
ーター等（図示せず）に向けてもよい。
蒸気タービンの負荷の変動に応答して、炉18内の床温度
はプレナム室48を経由して、炉18に供給される空気の量
を変化することにより予めセットされた受入れ値に維持
される。
以上のように、本発明の反応器はいくらかの利点を有す
ることがわかる。例えば、溝30、弓状の腕32、管殻22及
び再循環管34の設置により比較的かさばり、高価なサイ
クロン分離器とこれに連関するダクトとを必要とせず
に、同伴粒子の分離及び炉18へ戻る同伴粒子の再循環が
許容される。従って、本発明の反応器は比較的コンパク
トであり、容易に輸送し迅速に建造するための基本単位
に製作されうる。
そして、特に蒸気発生器として使用されうる場合、開示
したような利点がある。また、この装置のサイズ補外は
非常に容易にできる。特に燃焼を含む固体と気体との間
の反応の大部分は過燃焼空気の入口より下方にて起こ
り、そのために一酸化炭素と炭化水素との放出を最少限
にする。また、前述の利点に関連して過燃焼空気の一部
分と共に空気の段階導入は窒素酸化物の放出を軽減す
る。加えて、耐火性材料、好ましくは、高伝導性の材料
が表面が還元ガスに直面する場所である過燃焼空気の導
入口より低いところ及び浸食してしまうような配置とな
るところでも使用できる。さらに、固体循環は飽和ガス
コラムの連続した維持により支配されるので固体循環装
置による流れの固体循環割合を積極的に制御する必要が
ない。また、流動床の頂部から粒子状の固体を比較的少
量抽出することにより、粗い及び細かい粒子状固体の滞
留時間は装置内にて反応特性に適するように調節可能と
なる。
第３図及び第４図の実施態様によれば、各再循環管34の
下部は参照番号34aによって示されるように、拡開して
おり、各々は再循環管を通過する水または蒸気から熱を
除去するための曲った管体熱交換器38を受容する。その
他についての構造は第１図及び第２図の実施態様の構造
と同一である。熱交換器38は特に、再熱器（図示せず）
がサイクル中に含まれる場合、必要なものとして、追加
の過熱を供給するのに用いられ得る。この場合、各バル
ブ36は、炉へ粒子の戻り流の要求される割合を維持する
ために、そして、この熱交換器38が密度の高い粒子の床
内に沈められるよう粒子のレベルを維持するために入口
管56によってバルブの中へ流動化空気を導入することに
なる。この熱交換器38は、再循環管34内の密度の高い粒
子の床からの熱によって追加の過熱を供給するために上
述の水／蒸気の流れ回路に接続されることになろう。
図面には、特別に示されていないが、他の追加装置及び
必要な装置と構造物とが備えられ、しかもこれらと上述
の構造物すべてが完全な作動システムを形成するよう適
宜手段にて配備され支持されることを理解されたい。
また、変形例は本発明において発明の範囲を逸脱するこ
となく実施されうる。例えば、炉18に供給される燃料は
記述したように粒子の固体以外に液体又は気体でもよ
い。もちろん、他の変形例も、請求の範囲に定義される
ように本発明から逸脱することなく当業者によって実施
され得る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の流動床反応器を描いている略図、第２
図は第１図の２−２線に沿う断面図である。第３図及び
第４図は各々第１図及び第２図と同様な図であるが、本
発明の選択的な実施態様を描いている。 10……反応器、18……炉、20……熱回収区、22……管
殻、30……溝、32……弓状の腕、34……再循環管、39…
…屋根。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炉と熱回収区とを形成する手段と、燃料を
    含む固体粒子状材料の床を支持するための前記炉内にあ
    る手段と、前記床を流動化し、前記燃料の燃焼または気
    化を支持し且つ空気と前記燃焼のガス状生成物と前記空
    気及び燃焼の前記ガス状生成物によって同伴される粒子
    状材料との混合物を形成するのに十分な速度で空気を前
    記床に導入する手段と、前記炉から前記混合物を排出す
    るため前記炉を通して形成される少なくとも１個の溝
    と、前記炉に同軸で間隔をおいた関係において前記炉を
    囲むしゃ断手段と、前記混合物から前記粒子状材料を分
    離するために前記しゃ断手段に対して接線方向に前記混
    合物を向けるための手段と、前記熱回収区へ前記混合物
    を向ける手段と、分離された粒子状材料を受け入れるた
    めに前記しゃ断手段と連通する複数の再循環管と、前記
    床へ分離された粒子状材料を戻すため前記炉への前記複
    数の再循環管を接続する手段とを備える反応器。
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