JPS5850134B2 - 流動床反応器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流動床反応器用の新規な羽口及び熱交換器構造
に関する。

流動床反応器は非常に多方面に利用される装置である。

化学的、冶金学的及び他の物質処理分野におけるガスを
用いて乾燥、整粒、焙焼、力焼、固体の熱処理工程を種
々の形式にて遂行し、発電装置を駆動するのに使用する
蒸気などの加熱ガスの発生を行なうことができる。

流動床反応器を発熱反応を行なうのに用いる場合には、
フリーボード内若しくは流動化固体床内のいずれかに冷
却装置を設けることにより反応器内の過度の高温も防止
する必要がしばしばある。

前記冷却手段はガスまたは液体の流体が循環し過度の熱
を除去すη令却コイルの形態であってもよい。

流体にて除去された熱は他の工程の加熱若しくは動力発
生用にしばしば使用される。

冷却コイルは反応室の壁内に設けることがあり、冷却コ
イルは反応室内のか酷な侵食及び腐食状態から十分保護
される。

流動床内の状態はすべての発熱反応中で最もか酷である
。

というのは流動床内の温度は反応器内のいかなる場所よ
りも高温で且つ激しく攪拌されており、比較的高濃度の
粒状固体により反応器内における最も侵食的状態となる
。

ヘアーピン形状のコイルを連続して接続した流動床内熱
交換器を水平に設けることが常であった。

この形式の水平コイル形状のものは英国特許第８９５７
９１号（１９６２年５月９日公告）、米国特許第２７８
９０３４号（１９５７年４月１６日特許）、及び米国特
許第２８２５６２８号（１９５８年３月４日特許）に見
出される。

適度な大きさｑ熱交換表面積しか必要な〜・場合には一
般的に水平形状が好−ましい。

というのは水平コイルは反応器の側部を通る比較的簡単
な形式の入口と支持体とを有するからである。

コイルを垂直方向にすると管寄せ捷たは支持構造により
フリーボード領域が乱されるか若しくは制限板に関連す
る構造が複雑になる。

圧縮熱交換器では流動床が高圧のためやや小型となる傾
向がある。

この小型の流動床では反応室の寸法は小さくなり、流動
床の固体から熱交換コイルへの高熱伝達率が達成される
。

しかしながら、圧縮流動床熱交換器のこれらの利点を利
用するには流動床内にコイルを集中して設ける必要があ
る。

更に、冷却媒体への所望熱交換率を達成するようにコイ
ル内に適度の流体流速度を得るため、並びに蒸気ハマリ
ングなどの他の原因を除くため、多数のコイルを直列に
接続する必要があることが判明した。

水平コイルは摩損されやすく、垂直方向のコイルによる
摩損より多くの場合摩損が犬である。

かような摩損に対する露呈は水平コイルの予想寿命に非
常な影響を与え、同一のか酷な条件下では垂直コイルは
水平コイルの予想寿命の少くとも３倍乃至５倍の予想寿
命を有する。

垂直方向のコイルでは管の垂直部分を直列に接続する帰
り曲部は水平方向の前記曲部により引起こされる局部Ｉ
ＮＬ流により最も厳しい摩損にさらされる。

今般、熱交換器を垂直に向け、その下部帰り曲部を反応
器の制限板の下方に設置して流動床内の侵食にさらされ
ないようにし、羽口と制限板とを結合した構造とし、熱
交換器が制限板を横切るようにした新規な構造を流動床
反応器内に設けた。

本発明の目的は熱交換管７５流動床反応器の制限板を横
切る改良熱交換構造を流動床内に設けることにある。

本発明の他の目的は制限板を横切る垂直熱交換器を収納
支持する羽口細潰を垂直方向熱交換器を有する流動床反
応器内に設けることにある。

他の目的及び利点は添附図面に関する下記の記述から明
白となるであろう。

一般に、本発明の熱交換コイル列は複数の垂直方向コイ
ル又はロールからなっており、コイルの下部帰り曲部が
流動床反応器の制限板の下方に配置され、その垂直管を
羽目の中央の制限板を通して通過し且つ前記羽目にて支
持せしめる。

更に詳細には、熱交換コイルの下部帰り曲部を流動床反
応器の制限板の下方に配置し、熱交換コイノψ系友の人
口及び出口管寄せを反応器風箱内に設けてなる垂直方向
熱交換コイル匂冗動床領域内に有する流動床反応器を提
供するものである。

熱交換コイルの垂直管が制限板の羽目を通り、これに支
持固定される。

羽口内では垂直管の直径を小さくし、羽口内の管状空気
路が熱交換管を取巻き、該空気路が反応器の風箱と羽口
孔との連通をなすようにしてもよい。

絶縁層は羽口内の熱交換管を取囲み、管状空気路の内表
な規定する。

羽目はその底部を可動板に溶接し、その上端を熱交換管
に溶接した細長い構造体である。

可動板は制限板の支持構造体に固定される。

羽目の細長い形状及び垂直管の各各の支持部が一点であ
ることにより羽目は制限板と熱交換管との間のサーマル
スリーブとしての作用をなすことが可能となる。

添附図面自第１図には流動床反応器１０内に本発明によ
り配置した垂直４交換コイル２８．２９を組込んだ流動
床反応器１０を示す。

流動床反応器１０は耐火性絶縁層、すなわち耐火ライニ
ング１２を脹った金属製の外殻１１を有する。

流動床反応器１０の内部は制限板１３によむ２区画、す
なわち匍以板の上方の反応室１６、他方は制限板の下方
のやや小さい風箱１７に分割される。

風箱１７の上部の近くの複数の水平方向の鋼製のはり１
４は制限板１３の支持をなす。

流動化ガスを風箱１７に供給するためのガス入口導管１
９を設ける。

ガス入口導管１９が流動床反応器の外殻０壁を通る点に
釦いてサーマルスリーブ２１を設けてガス入口導管１９
と外殻１１との温度差による反応器壁への応力を最少と
する。

風箱１７には掃除口１８を設けて風箱内に堆積した固体
粒状物を除去する。

反応室１６から排ガスを排出する目的で反応室１６０フ
リーボード領域への近接口となる排気口２２を設ける。

供給口２３は反応室１６の壁を通り流動床物質を補給す
るのに用いる。

供給口２３にはサーマルスリーブ２３を設ける。

サーマルスリーブ２１を備えた排出導管２６により過剰
若しくは使用ずみの流動床物質を除去するための反応室
への近接が可能とする。

１個若しくばそれ以上Ｏ燃料噴射口２５を反応器の周囲
に設けて反応室中に燃料を送入する。

流動化空気を反応室１６に導入し且つ後述する他の目的
のために羽口５１を制限板に設ける。

固体粒状物質４６は制限板１３上に載置され、羽口５１
・を通して反応室１６中に導入されるガスに応答して膨
張し、４８で示されるレベルにまで反応室を占める流動
床となる。

流動床物質は下部にオでゆきわたり制限板１３内の羽口
に接する空間５０（第６図）を満たす。

熱交換コイル２８，２９のための管寄せ装置は風箱内に
配置し、第１図及び第２図に詳細に示される。

プロセス流体人口３９は外殻１１及び耐火ライニング１
２を通してサーマルスリーブ４１によって風箱１７内に
通人する。

風箱内ではプロセス流体入口は人口管寄せ３２に接続し
、接続導管３４を通して入口管寄せ３３に接続する。

入口管寄せ３２及び３３は熱交換管の垂直部３０の接合
部６８を通して補数の熱交換管に接続する。

風箱内の各熱交換管の反対端には出口管寄せ３６が配置
され、接続導管３８を通して第２の管寄せ３７に接続す
る。

出口管寄せ３６．３７は接合部６９において熱交換管の
垂直部３１に接続する。

プロセス流体出口４２は出口管寄せ３６に接続し、サー
マルスリーブ４３により反応器壁を通る。

羽口５１−制限板１３及び熱交換管の垂直部は第３図に
明示する。

流動床反応器１０の壁に固定される水平のばり１４は頂
部フランジ４５を備え、該フランジは制限板１３の主支
持表面を構成する箱型の絶縁体４４の支持をなす。

はり１４は底部フランジ４９を備え、該フランジに可動
板５６をポル）または同様の手段にて固定する。

可動板はほぼ長方形の形状である。

可動板５６は各々溶接点５４により複数の羽口５１を溶
接する。

羽口５１は細長い金属の殻５３からなり、該層は可動板
５６から制限板１３の表面の上方のレベルに１で伸長す
る。

制限板１３０頂部表面の上方のレベルにおいて羽口５１
は複数の孔６２を備え、この孔は羽口の壁、すなわち殻
５３を通過する。

熱交換管の垂直部３１は羽口５１の長手軸の中央をこれ
に沿つ一装置する。

羽口５Ｆは上端において溶接点５７にて熱交換管の垂直
部に固定される。

羽口５１の内部において、熱交換管の垂直部３１は減少
直径部分５８を備え、該部分は羽口５１の長さの大部分
にわたる。

羽口内において該部分５８は絶縁層５９と接触し包囲さ
れる。

該層５９と殻５３との間には管状空気路６１があり、こ
れは孔６２から羽口５１の低部に筐でわたり、風箱１７
と連通ずる。

第４図には流動床４６内の熱交換管の垂直部の内部構造
を開示し、羽目構造との関係が明示される。

熱交換管の垂直部３１の中央部は管心７１により占領さ
れているので熱交換管の垂直部３１を通る流路は管状路
７８であることに注目されたい。

非中空部材である管心は放射方向の耳７６によって中央
位置に支持される。

管心７１の下端の耳は第５図に平面図にて示、される。

耳７２が溶接部７３にて管心７１に溶接されているのが
示される。

耳１２はまた溶接部７４により熱交換管の垂直部３１に
溶接される。

管心７１の上端の耳の構成は前述のものと非常に類似す
るものであるが、耳７６は該垂直部３１に溶接されてい
ない。

本発明を組込んだ流動床反応器の操作に当っては燃料は
燃料噴射口２５を通して導入される。

固体燃料のためＯ燃料担体として若しくは液体燃料を用
いる場合には給料分散性を改良するために燃料と共に噴
射空気を燃料噴射口２５を通して導入してもよい。

高温の流動化ガスをガス入口導管１９を通して導入する
該導入管１９を通過したガスは羽口５１を通って制限板
１３を通り、孔６２から出て反応室１６内の粒状固体を
流動化する。

流動床内にて発生した燃焼ガスは流動床を通って反応室
１６中のフリーボード空間へと移動する。

フリーボード空間からガスは更に処理及び又は処分する
ために排気口２２を通して排出する。

プロセス流体は入口管寄せ３２に接続するプロセス流体
人口３９によって導入される。

接続導管３４によってプロセス流体人口３９は筐た管寄
せ３３に接続される。

熱交換管の入口端の熱交換管の垂直部３０は入口管寄せ
３２．３３に接続され、流体が熱交換管を通り流動床か
らの熱を除去して所望温度のプロセス流体となる。

加熱プロセス流体は出口管寄せ３６．３７に出口端の熱
交換管の垂直部３１を通って排出される。

出口管寄せ３６．３７は接続導管３８を通して互いに連
通ずる。

出口管寄せ３６．３７からプロセス流体はプロセス流体
出口４２を通って移動し、熱回収若しくは動力発生及び
他の目的のための装置（図示せず）に接続する。

制限板１３を横切る際、プロセス流体は羽口５１内の減
少直径部分を通る。

図示するように、羽口内の管は直径が小さいが、他の場
合には均一の直径の管を用いてもよい。

羽口内ではプロセス流体は非常に熱いので絶縁層５９を
管の前記部分に設け、羽口５１の管状空気路を流れるガ
スに取られてし１う熱を保持する用をなす。

同様の目的で下部帰り曲部を絶縁してもよい。

熱交換管の垂直部３１の管心７１は所望の熱交換率を得
る補助をなす。

適当な位置にこの管心を設けることにより広い表面積を
有する比較的大きい直径の熱交換管垂直部３１が流動床
中の熱流動化固体に露呈される。

高い熱交換率とするには広い表面積が必要である。

各熱交換管中の流体は曲りくねった通路に従って捷ず上
方に流動化固体に露呈した管中に導かれ、次いで流動化
固体に露呈した管を通って下方に導かれ、絶縁層により
絶縁された羽口中に入り、下部帰り曲部を通り、次いで
他の羽口を通つて上方に向かい、更に加熱するため熱交
換管の垂直部に入る。

終極的にはプロセス流体は出口管寄せ３６．３７に到達
し、ここからプロセス流体出口４２を通り、熱回収若し
くは動力発生その他の目的のための装置（図示せず）に
接続する。

流動床中の粒状固体は流動床反応器の操作時には激しく
動いており、その結果流動床の粒状固体は連続的に摩滅
する状態にある。

このようにして流動床中に生じた微細な固体ば＝般に排
気ガスと共に反応室’ｌれる。

このため流動床の粒状固体は時々補給せねばならず、反
応室と連通ずる供給口２３は粒状固体を反応室に導入す
るための手段を提供する。

流動床中に生ずるある反応の場合には、流動床固体は消
費され若しくは消耗され、取替えねばならない。

排出導管２６は消費流動床固体を除去するための手段を
提供する。

供給口２３を通して新たな粒状固体を、流動床物質を能
の点において排出する際に加えることにより、流動床の
性質を安定化することができる。

本発明の流動床反応器の一適用においては、燃料として
石炭を燃焼するのに流動床反応器を用い、ガスタービン
を駆動し得る熱ガスを発生せしめる。

ガスタービンは電力を生む発電機を駆動する。

ガスタービンを駆動するのに燃焼石炭からの燃焼ガスを
使用するには、タービンブレードと接触する際非常に腐
食性となる多量のイオン化合物を該燃焼ガスが含んでい
るという欠点がある。

更に、イオウ化合物を含む有害ガスを大気中に排出する
のは環境的見地から望１しくない。

芽た、該燃焼ガスにはタービンブレードに衝突する際侵
食（摩滅）性の多量の固体が含まれている。

従って、流動床とガスタービンとの間には多数のガス浄
化装置を挿入せねばならず、この装置を通過すると相当
の圧力低下となり、それ故エネルギーの損失となる。

本願明細書に記述した装置はこれらの問題を、１ず第１
に燃焼ガス中のイオウ含有量を低下させ、第２に加熱ガ
スの座金有量を減することにより最少限とすることを意
図する。

第１の目的は適当な流動床固体にて流動床中の適格な温
度制御により遠戚され、第２の目的はガスタービンの駆
動に用いる加熱ガスの一成分として塵を含１ない加熱空
気を用いることにより実現される。

この適用をなすには、約６５０下（３４３，３℃）の温
度にてガス入口導管１９を通して空気を入れる。

流動床は約１／８インチ（約０．３ｃｍ）ｔでの平均粒
状寸度の石灰６捷たは白雲石から構成する。

粉砕石炭を燃料噴射口２５を通して流動床中に導入する
。

石炭は流動床内で燃焼し、約１７００’Ｆ（９２６，６
℃）の制御温度に達する。

石炭中のイオウはこの温度にて流動床の石灰石と反応す
る傾向があり、この反応の生成物ＣａＳＯ４は流動床中
に残留する。

（白雲石を用いる場合には、いくらかのＭｇＳＯ４も生
ずる。

）かようにして流動床内に生じた硫酸カルシウムは排出
導管２６を通して除去し、一方新たな石灰石を供給口２
３を通して導入する。

流動床から排出された硫酸カルシウムを他の装置（図示
せず。

）にて再加熱し、硫酸製造の第１段としてＳＯ３ガスを
放出せしめ、このようにして製した石灰石をこの方法の
再使用のため流動床反応器１０に戻してもよい。

プロセス流体人口３９内に導入されたプロセス流体は空
気であることが望１しく垂直の熱交換コイル２８，２９
を通る過程で約１３６０下（７３７，７℃）に達する。

この清浄加熱空気は次いでガスタービンに通す。

排気口２２から出る燃焼ガスは実質的にイオウを含んで
からす、燃焼ガスをガスタービンに導入する前に塵粒子
を燃焼ガスから除去しさえすればよい。

前に述べたように、流動床内の粒状物質の激しい攪拌が
熱交換管の上部帰り曲部６６に非常に侵食的な影響を与
える。

一方熱交換管の垂直部は余り侵食作用は受けない。

従って、前記上部帰り曲部６６は装甲、すなわち非常に
強い壁を有する管で構成するが若しくは流動床固体の上
方外部に上部帰り曲部が十分出ていなければならない。

（第１図の点線を参照。

）流動床レベル上に上部帰り曲部を伸長させるというこ
とば熱交換効率の若干の犠牲を伴なうことになる。

下部帰り曲部６７は上述のように風箱１７内の制限板１
３の下方に位置し、それ放流動床の侵食は受けない。

羽口５１及び熱交換管と一体の可動板５６は取替え若し
くは修理のため熱交換管及び羽口を容易に除去する手段
を提供する。

除去は単に底部フランジ４９に可動板を保持するボルト
を取去るだけのことであり、次いで管組立装置を制限板
１３からおろし、風箱１７内のマンホール（図示せず）
を通し′で除去する。

水平方向の燃料噴射口を図示したが、噴射口を垂直に向
は風箱１７を通し制限板を貫通せしめることも可能であ
るし、時としてそうするのが望ましいことがある。

故に、図示の羽口のあるものを所定数の垂直方向燃料噴
射口におきかえることができる。

垂直方向の燃料噴射口の一型式は米国特許第３８６１８
６２号に記載される。

本件においてプロセス流体として空気が望ましいとして
示したが、水、場合によっては金属流体ＮａＫなどの他
１処理媒体を用いることも可能である。

流動床内において熱交換のための垂直方向の熱交換管の
設置及び操作を簡略化した新規な羽口及び熱交換器の結
合構造を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による垂直方向の熱交換コイルを組込ん
だ流動床反応器の一部断面図である。 第２図は第１図の線２−２に沿う熱交換コイルのための
管寄せを示す平面図である。 第３図は本発明の羽口構造を示す断面図、第４図は本発
明の熱交換コイルの拡大一部所面図、第５図は熱交換管
の内部を示す第４図の線５−５に沿う断面図、第６図は
熱交換管と羽口構造を示す第４図の線６−６に沿う側面
図である。 図中、１０は流動床反応器、１３は制限板、１４はｄ６
．１６は反応室、１１は風箱、２８゜２９は熱交換コイ
ル、３０．３１は熱交換管の垂直部、３２．３３は入口
管寄せ、３６．３７は出口管寄せ、３９はフロセス流体
入口、４２＆−ｊ：プロセス流体出口、５１は羽目、５
６は可動板、６１は管状空気路、６２は孔、６６は上部
帰り曲部、６１は下部帰り曲部である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反応室と、 ＴＪｌ脹板により該反応室から区分さ
   れた風箱と、該制御板上において流動化させる粒状固体
   と、上部帰り曲部及び下部帰り曲部により直列に結合さ
   れた垂直方向の管からなる複数の熱交換コイルとを備え
   、前記管の垂直部は前記制限板を通り且つ流動化状態の
   前記粒状固体と熱交換するため前記粒状固体と接触して
   配置し、前記下部帰り曲部は制限板の下方に位置せしめ
   、前記制限板に細長い複数の別口手段を設け、別口手段
   を前記反応室内に（ｌせしめ、前記羽口手段には、前記
   反応室中に前記制限板を通して流動化ガスを導入し、前
   記熱交換の管の垂直部に対し前記制限板を通して近接し
   得るようにし、前記管の垂直部を支持し且つ前記制限板
   と前記管の垂直部との間の熱膨張の差に適合するようサ
   ーマルスリーブを提供する結合した機能を具備せしめ、
   前記羽目は各々流動化ガスのための外側管状ガス通路を
   備え、前記管の垂直部は各々前記羽口内に位置し羽口を
   通る減少断面部を有し、該減少断面部の各々上の絶縁ラ
   イニングは前記外側管状ガス通路の内表面を構成し、前
   記羽口はその下端部において前記制限板に固定し、その
   上端部において前記管の垂直部に固定して支持せしめる
   ことを特徴とする流動床反応器。 ２ 前記上部帰り曲部を流動化粒状固体内に位置せしめ
   る特許請求の範囲第１項記載０荒動床反応器。 ３ 前記上部帰り曲部を流動化粒状固体上のフリーボー
   ド空間内に位置せしめる特許請求の範囲第１項記載の流
   動床反応器。 ４ 前記粒状固体に接する前記管の各垂直部には該垂直
   部の軸に沿って管内に支持せしめた細長い心部材を設け
   、前記心部材と前記垂直部との間に管状通路を規定せし
   め、かくて前記管の垂直部を通る際に前記管状通路内の
   プロセス流体が比較的大きな熱交換面と接触するように
   した特許請求の範囲第１項乃至第３項ついずれかに記載
   ０荒動床反応器。 ５１何重たは２個以上の熱交換コイルと関連する羽口を
   制限板部材に可動的に固定した支持板に固定する特許請
   求の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記載ｑ荒動床反
   応器。 ６ 前記羽口内の前記管の垂直部の減少断面部を前記羽
   目の垂直軸に沿って設けた特許請求の範囲第１項乃至第
   ５項のいずれかに記載Ｏ荒動床反応器。