JPS60501592A - 高速マルチソリツド流動床法 - Google Patents

高速マルチソリツド流動床法

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JPS60501592A
JPS60501592A JP59502382A JP50238284A JPS60501592A JP S60501592 A JPS60501592 A JP S60501592A JP 59502382 A JP59502382 A JP 59502382A JP 50238284 A JP50238284 A JP 50238284A JP S60501592 A JPS60501592 A JP S60501592A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 高速マルトソリッド流動床法 発明の背景 断面が変化する連行床反応器は提案されている。たとえば、米国特許第3.59 7,327号は、内部の流動ガスの相対速度を調節するためのテーパー反応器を 示唆している。
マルトソリッド流動床(multjsolid f’1.uidj、zsd b ed) (以後jvfSFD)、たとえば、本出願人に係る米国特許第、1,0 84,545月中に示されているものも知られている。M S F D は反応 器内で実施される反応の効率を増加する上て非常にイ)効である。マルチノリノ ドの概念は大きい粒子が反応器の下の区域において流動化され、−万機粒子は同 時に反応器を通して連行さ1する。
微粒子は反応Wの上部から出て、粗大粒子の流動床中にもどり、再循環される。
粗大粒子の加動床(浄フコは密な床)(でおいて、微細粒子および固体の反応成 分は大きい粒子と衝突しかつ互いに衝突し、これにより反応器内の滞留時間およ び接触を増加し。
MSFBにおける反応の効率を改良する他の方法は、微粒子のより多い量を再循 環することである。微細粒子のより大きい存在量は、反応器の通過ごとの自己抑 制作用のため、訃よびまたある時間にわたり1回通過する数の増大のため、消量 時間を増加するように思われる。その結果、再導入されるために待つ反応器の外 部のサイクロンおよびホラ・ξ−における貯蔵時間に対する、反応器内の滞留時 間の比が増加する。外部の熱交換器への熱移動も改良される。
不都合なことには、再循環の増大は再近捷で認識されなかったMSFB につい ての問題を生じた。微細粒子の上方の動きは、粗大粒子を密な流動床から外に上 げ、そして再循環のあるレベルにおいて、連行状態にする傾向がある。これは、 もちろん、MSFBの利点を排除する。たとえば、特定の粗大粒子の宋は約3m /秒(ガスの表面速度)において単独で流動化されるが、ガス速度が30m/秒 を越える捷で連行されない。ガスのサージ捷たは他の一時的な条件のための高い 安全限界は、粒子が床から失なわれる前に存在する。しかしながら、プことえは 、約30〜75,000kg//hr−m”の範囲における微細粒子の再循環て は、流動速度は約3 m、/secにとどするが、粗太粒心は] Om、 /  sec程度に低いガス速度で(ガスおよび再循環される粒子中に)連行される、 明らかなように、誤差の限界はか々り減少される。高い再循環では、ガスのサー ジ単独は粗大粒子を反応器の中から外へ吹出すことができる。
発明の要約 粗大粒子の前述の連行、ば、粒子の(重量才たは密度)を増加することにより低 下できるであろう。しかし、低いガス速度または低い負荷の場合の低い再循環速 度において、これらの重い粒子はその時沈降し、流動しない状態にとどまり、再 びMSFBの効率よい作業を妨げる傾向がある。
本発明の目的は、ガス速度寸たは微細粒子の再循環速度の変化によるMSFBの 密な床の望ましくない連行状態または流動しない状態を克服することである。
本発明はより大きい粗大粒子を利用して高いガス速度におけるその連行を防止し 、次いで反応器の底において高い速度の区域およびそれより上に低い速度の区域 を確立することにより、粗大粒子の沈降を防止する。流動rヒガスは粗大粒子を 高速区域において流動比重たは連行し、そして連行した場合、粗大粒子を反応器 内の低速区域へ上昇させ、そζで粗大粒子はととするかあるいは乳力を失ない、 高速ゾーンへ落下してもどる。高速区域は、好ましくは、反応器の下部において 断面積が減少したゾーンの形を取る。それは断面積が大きい十の区域より下にか つそれに隣接して存在する。微粒子はしばらくして再循環して反応器の中から外 だ出、そして反応器の高い速度の区域の中へもどる。
この方法は、反応器の断面積が減少したノ゛−7に、大きい密々床の粒子を適当 なし×ルに充填すること(でよって開始され乙。
流動化ガスは分配板を通して密々床の粒子より下に導入され、そして床は流動化 される。密な床が十分に膨張したとき、微細粒子を密な床の中へ導入して粗大粒 子の上昇を促進し、かつ反応器を通して粗大粒子を究極的に再循環させる。沈降 した密な床は断面積が減少したゾーン内に完全に存在するが、床が流動化ガスお よび再循環した微細粒イにより上昇されるとき、その上の境界が断面積が減少し たゾーンより上になるように、十分な深さに存在すべきである。
図面の簡単な説明 図面は新規な方法において用いられる反応器の略図である。
4 図面はこの方法を実施するための反応器を示す。反応器jは上の区域またはゾー ンJ、および隣接する下の断面積が減少した区域またはゾーン6から成る。サイ クロン8、外部の熱交換器または反応器9、および再循環レッグ】1は、反応器 の上部から底部にもどる微細粒子5の再循環のための外部の通路を提供する。分 配板3は、流動化ガス2を分配して粗大粒子4および微細粒子を流動化または連 行する。第二ガスは12において加えることができる。
従来のMSFBは上の反応器に類似するが、ただし反応は一般に均一な断面を有 する。従来の反応器の操作は、2で入る流動化ガスを用いて粗大粒子4を分配板 3より上の制限された空間内の密な床の中へ流動化することからなる。微細粒子 は反応器の中へ導入され、同時に流動化ガスにより連行される。微細粒子は密な 床およびフリーボー)” (frs9boad ’)区域を通して連続的に循環 され、反応器の上部から外に出て、サイクロンおよび熱交換器を通して、反応器 の下部へ入る。
粗大粒子および微細粒子の大きさおよび流動化ガスの速度を厳密に調節して;他 の目標のなかでも、所望の流動化および連行、反応成分の滞留時間、および反応 の効率を得るようにしなくてはならない。流動化ガスの速度才たは微細粒子の再 循環比を増減することにより、反応の速度tiは効率を増大する能力は、これら のパラメーターへの粗大粒子の流動化の挙動の依存性によりきびしく制限される 。とくに、ガスの速度または再循環速度におけるサージ(surge )は反応 器の中から外に粗大粒子を連行することができる。逆に、ガスの速度−!たけ再 循環速度をターンダウン(turndown) シて反応を遅くすると、粗大粒 子を沈降させることがあり、これは一般に混合を低下し、密な床の中への再循環 粒子の入すを制限しかつ反応器内の条件を不均一にし、たとえば、燃焼反応時に ホットスポットを生じさせる。
本発明の方法は、先行MSFB法に類似するが、重要な断面積が減少した下のゾ ーンを有する反応器を密な床のための比較的大きい粗大粒子とともに利用する装 置を包む。所望の密な床の材料およびガスの流速について、微細粒子を再循環さ せないで粗大粒子の最小流動化速度を超えるように、断面積が減少した下のゾー ンの大きさを設計する。好1しぐは、下の区域におけるガス速度は最小流動化速 度を少なくとも約10鴬だけ超える。
第2ガスを必要に応じて導入して、流動化を続けかつ反応を完結する。圧力低下 および動力の要求量が低くなるように、下の区域における粗大粒子の流動化およ びほかの要件に必要彦ガスだけを加えることが好捷しい。粗大粒子の微細粒子に よる最小流動化速度をちょうど超えるように、大きい上のゾーンの大きさを設計 する。沈降した密な床の上の境界が下の区域内に存在しかつ流動化された密な床 の上の境界が土の区域内に存在するように、下の区域の高さおよび粗大粒子の深 さを選択する。
再循環レッグ11は反応器の下の区域内に入らなくてはならない。
MSFBの操作を開始しかつ維持する新規な方法は、粗大粒子を選択した深さに 準備し、そして下の区域における粗大粒子の最小流動化速度を超えるのに十分な 速度で、流動化ガスを導入することからなる。次いで、再循環された微細粒子を 下の区域に注入して、密な床の境界を上の区域中にさらに上昇されることができ る。断面積が減少したゾーンにおけるガスの高い速度および微細粒子の再循環は 、組み合って大きい粗大粒子の沈降を防止する。事実、それらは一般に組み合っ て、正常の操業中、下の区域における粗大粒子の一部分を、表面速度が低い、上 の拡大された断面の区域まで連行する。次いで粗大粒子は下の区域へ再び落下し てもどることができ、あるいはガスの速度および再循速度が十分に高い場合、上 の区域の下部において流動化されうる。粒子の大きさおよび他の操作条件をこの 方法で正常の操業について選択する場合、この系は粗大粒子を沈降きせないで低 い負荷(]、oad)の場合のために実質的に1ターンダウン(turn do wn)Jする(ガス速度および7才たは再循環速度を低くする)ことができる。
この操作範囲の拡大捷たはターングラ/卵力の高−ヒば、先行府動床も・よびM SFB法よりすぐれた重要な利点の1つである。事実、比較的大きい粗大粒子で は、本発明のMSFBは、低い操作速度における沈降の問題ヲ生じさせ々いてか つ反応の効率を損失しないで、従来の系の2倍の操作速度で典型的には実施でき ることが発見された。高い速度においで、これはMSFBe追加の種類の反応、 たとえば、急速化学反応に使用できるようにさせるであろう。ガス速度の操作範 囲は、先行MSFB反応の少なくとも2倍であることができる、土の区域および 下の区域のおのおのは、実質的に%q−々断面であることができ、あるいはテー パーをもつことができる。図面において断面積が減少した下のゾーンが下端に接 合する円錐台形をもつ、均一な円筒形の上の区画が示されている。テーパー接合 区画は必要ではないが、粒子が流動化ガスの流路の中から出て静止しうる、外側 のかど付近の死区域を防止するために好ましい。明確な区域をもたない反応器、 すなわち、全長にわたって均一なテーパーを使用することもできるが、効率が低 下しかつ製造コストが高くなると信じられる。
粗大の密な床の粒子は、従来のMSFB法におけるように物理的にかつ化学的に 不活性であり、そして必要に応じてかなり大きくあることができる。従来の床は 一8+16メソシユ(米国規準)の付近の粗大粒子を有するが、これに対1〜で 少なくとも約2.5 cm以−1:′1での「粒子」を本発明の方法において利 用することができる。沈降する密々床の深さはまた先行MSFB反応器よりも小 さくし、圧力低下を低くしかつ操業経費を少なくすることができる。J5crr L程度の深さが有効に使用された。
連行される床中の微符粒子は、好1しくけ操業温度において不活性かつ安定であ り、そして−16+140メツンコ−以下の範囲の普通の大きさである。他の普 通の利料、例えば、石灰石または石灰を燃焼法において加えてイオウを捕捉する こともできる。酸化条許が支配する場合、粗大粒子および微細粒子は好寸しくは 金属捷たは金属酸化物、たとえば、鉄酸化物からなる。
いずれかの成分として使用できる1つの特定相別は、約93係の鉄酸化物、F  e 203、を含有しかつ商標”5peculite−(C,E。
Minarals 、 Inc、、 King of Prussia 、 P enn5ylvaniaから供給される)へマタイトである。あるいは、成分は 、たとえは、ニッケル、ニッケル酸化物またはアルミナからなることができる。
粗大成分および微細成分は、後述する場合において、コー8 クス捷たは頁岩からなることができる。微細成分は、また、イオウの捕捉を望む 条件下で、ソリ力あるいは石岩石またはドロマイトのような反応成分を追加的に 含むことができる。
粗大粒子または微細粒子の少なくとも一部分を反応成分として使用することは、 実際には多分困難であるが、理論的にはり能であることが発見された。たとえば 、実質的に不活性の固体残留物中に炭化水素を含む頁岩または油状岩石を粗大成 分として使用し、そして摩耗したとき、微細部分として使用することができる。
石炭およびコークスは残留物が少ないが、なお同じ方法で使用できる。実質的に 不活性な残留物を有する反応成分はこの方法に組み込むことが容易であるが、こ れらの反応成分のすべては必要な粗大わ7子の分散を維持しかつ連行された床を 再循環することが困難であり、これには厳密な調節および計画を必要とする。と くに、この方法を維持するために正しい量で新しい反応成分を添加しかつ残留物 を除去することは、重要である、 反応器内の表面ガス速度は、1つの床の系および先行MSFB系と比較して、非 常に高≦することができる。約92〜184m/sec (30〜60 ft/ sec )は効率よい操業のために有用である。
酸化反応のための酸素含有ガス、選元または水素化のための水素含有ガス、熱分 解反応のための不活性ガスおよびガス化反応のための水蒸気は、好捷しい流動化 媒体である。また、流動性媒体は、液体捷たはスラIJ−1たとえば、液化反応 の場合において石炭のスラリーからなることができる。
この方法は現在流動床において実施されるきわめて多くの種類の反応成分を用い て実施できる。好ましい反応は燃焼であり、そして好脣しい反応成分は密な床へ 大きい大きさで供給できる粒状石炭である。これは石炭を微粉する必要がないの で、経費の節約を可能とする。粗大粒子よりも大きい反応成分の粒子を、2つの 床の相互作用粒子により浮動させることができるを発見した。たとえば、直径が 少なくとも約5cmの石炭および頁岩の大きいチャンク(chunk)をこの方 法において燃焼させること直径7.5cm(3インチ)−長さ35cm(9イン チ)の下のゾーンへ接合された長さ]7.5cm(4,5インチ)の円錐台形区 画において終る、直径15.25cm (6インチ)の上部区域を有す燃焼試験 は、−8+]Oメツシユの大きさに粉砕されたイリノイス(l1linois  ) A 6石炭を用いて実施した62つのタイプの粗大粒子を密な床に使用した :1.27cmのアルミナの粉砕粗球(比重34、重さ4.55.!9)および 厚い壁の管(内径1.4 cm X内径0.79cm)から作られた長さ1.2 7cmのステンレス鋼リング(比重801重さ109g)。微細粒子の連行床は 、−20+100メツンユのソリ力の砂から構成された。石炭とイオウ捕捉のた めの微細な石灰石を、微細粒子の再循環とともに密な床の中へ供給した。約72 0kg/hr (39,700kg//hr−m”)の再循環速度を使用した。
0 詳しい条件と結果を表1に示す。粗大粒子を下のゾーンにおいて122m/se cの表面速度で流動化/連行した。約99チの燃焼効率が、高いガス速度および 燃焼速度で達成された。S、S。
リングを用いると、燃焼速度は14.4 m / seaにおいて0.2X]0 6kcal/hrに到達し、両者とも15.25crrLの反応器内の従来のM SFB操業の設計の容量の約2倍であった。イオウの捕捉は従来のMSFBと一 致した。
表1−15.25cmの反応器の試験の要約試験番号 工2 試験期間、 hr 2.5 3.0 石炭 イリノイス扁6 イリノイス/I66供給速度、 kg/hr ] 8. 6 31.6石灰石 ピつて/マイアミフィラー ピクア/々イアミフィラ=( Piqua/Miami、Fi−11er)供給速度、 kg/ h r 5. 45 9.6密な床 1.27cmつアルミナ L27cmS、S、リング5a ttel ]tes 沈降高さくcm) 8 12 燃焼温度1℃ 密な床 832 818 7リーボー1□ (freeboad、) 870 921過剰の空気、チ 4 339 燃焼速度+ m/sec 低いゾーン(密な床) 12.5 12.5上のゾーン(密な床) 8.4 1 4.47リーボード(密A床より上) 6.0 ] 0.3燃焼圧力の低下、  cmH20 低いゾーン(密な床) 65.9 ]]3.0上のゾーン(密な床) 20,3  12.7SO、ppm 860 107O NO、四 260 330 C○、卿 130 100 Go +% 1.2,6 12.8 021係 6560 Ca/S比、 モル1モル2.0 2.1イオウの捕捉、係 7670 炭素の利用2% 98,9 99.4 (c118%の過剰の空気に補正したS02.NOxおよびC○】2 実施例2−25.4cmの反応器内の燃焼直径25.4cmの反応器内で1回の 燃焼試験を流動性コークスを使用して実施し、そ17て2回の燃焼試験をイリノ イスA6石炭を用いて実施した。反応器の上の部分は20cmの長さにわたって 、その下端において直径] 0.1 cmの断面積が減少したゾーンとの接合部 までに直径が減少していた。この下のゾーンは長さが53cmであった。微細な 粒子の再循環パイプは、底から上にほぼ3分の1の所で下のゾーンに接続されて いた。
石炭は実施例】と同じであり、同様に微細な連行床(砂)も同じであった。再循 環速度は約2000kg/ hr (39,600k17/hr−n+’ )で あった。流動性コークスは約87%の炭素であり、そして主トシて−40+−7 0メツンユの太きさてあったか、多少これより小さい部分が少量で存在しfc、 −50ト325メソシユのかなり均一な粒子分布をもつが、主として一]00+ 325メノンユを有する石灰石を燃料および微細な再循環物質とともに導入した 。
密な床の粗大粒子は、1.27cmの焼結ボーギサイト球であるかあるいは1. 、27 cmの焼結鉄鉱球であつ′fco他の条件および方法の結果を表2に示 す。
3 表2 25.4cmの反応器の試験の要約試験 1 2 3 試験期間 2,25 2.5 3.0 燃料 流動性 イリノイス イリノイスコークス &6&6 供給速度、 kg/hr 30.0 30.7 55.3石灰石 供給速度、 kg/hr 23.4 6.75 10.5密な床 1.27cm  J、、27cm 1..27crnマスタービーズ 鉄鉱石 鉄鉱石 (Masterbeade) 燃焼温度2℃ 密な床 885 848 879 フリー汁;−1911864909 過剰の空気、チ 27 34 34 燃焼速度、 m/sec 下のノー/(密な床) ]4.0 12.5 14..3上のゾーン(密な床)  6,75 5.4 9.4フリーボード(密な床より上) 7,75 6.2  11.7燃焼圧力の低下、 CmH2O 下のゾーン(密な床) 93.5 118.0 70.9上のゾーン(密な床)  20.3 ]、 5,2 10.3No 、ppn+ 100 19’0 2 20co、p四 85 205 125 イオウの捕捉5% 87,6 59,7 58.5炭素の利用、チ 96.6  99,0 98.4(a)18%の過剰の空気について補正したSO2,NOx およびCO04 炭素の利用およびイオウの捕捉は従来のMSFB法と一致する。
しかしながら、操作は断面積が減少した区域において壁の摩擦から生ずるスラツ キング(slugging)のため、実施例IKおけるよりも安定性にかなり劣 った。これは断面積が減少した区域の長さが長い(53m、 )ことから生じう ると信じられる。したがって、この区画は密な床のスラッギングおよび圧力低下 を最小とするために出来るだけ短かく保つべきである。
しかしながら、断面積が減少した区域が非常に大きい密度の床の粒子の使用を可 能とすることについて、凝いは存在しない。
これにより、MS’FBにおいて新しい反応を実施するために、あるいはより古 いMSFBをより効率よく完結するために、より高い絶対ガス速度についてかつ この方法についてターンダウン範囲を増大することができる。
手続補正書(方式) 特許庁長官 志 賀 学 殿 1、事件の表示 袋り虐しマルラーソリ、7Fシrbf力沫シ玄、ろ、補正をする者 事件との関係 出 願 人 5補正命令の日付 昭和/ρ年ノり=17日(発送日)国際調査報告′−″″− −一−

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、、MSFB反応器において再循環する微細粒子の連行床を用いて重複する粗 大粒子の流動床を利用するMSFB法におけるガス流速の操作節回を増加する方 法において、粗大粒子の流動床の下部に高速区域を形成しかつ粗大粒子の流動床 の上の残部に低速区域を形成し、そして微細粒子を反応器の−L部から粗大粒子 の流動床の低速区域の中へ再循環させる、 ことを特徴とする方法。 2 微細粒子および粗大粒子は実質的に物理的にかつ化学的に不活性である請求 の範囲1に記載の方法。 3 第2ガスを低速区域へ導入する工程をさらに含む請求の範囲】に記載の方法 。 4 微細粒子が反応器の土部から反応器の底部の流動化粗大粒子の床の中へ再循 環される、流動化粗大粒子の床および重複する連行された微細粒子の床を有する マルチノリノド流動床反応器を操作する方法において、 隣接する上のゾーンおよび下のゾーンを有する反応器を準備し、前記下の/−ン は上のゾーンに関して断面積が減少している、 下のゾーン内で流動化ガス中で粗大粒子の床を流動化し、微細粒子を下のゾーン における粗大粒子の床の中に導入し、そして上のゾーンにおける粗大粒子の床の 上の境界のレベルを維持するために十分な速度で、下のノーンおよび上のゾーン の双方内で流動化ガス中に微細粒子を連行する、1に とを特徴とする方法。 5 微細粒子を再循環しないで、粗大粒子の床の上の境界を上のゾーンの中に上 昇させるために十分な速度で流動化ガスを導入する工程をさらに含む請求の範囲 4項記載の方法。 6 反応器の上のゾーンまたは下のゾーンのいずれかはその長さにわたって実質 的に均一な断面を有し、そして他方のゾーンはその長さにわたって均一でない断 面を有する請求の會i囲4に記載の方法。 7 下のゾーンはその長さにわたって実質的に均一な断面を有し、そして上のゾ ーンは実質的にその全長さにわたって均一な断面および下のゾーンを接合するた めに残りの長さにわたってテーパーをもつ接続区画を有する請求のi囲6に記載 の方法。 8 上のノーンi′fcは下のゾーンのいずれかはテーノξ−をもつ断面を有す る請求の範囲4に記載の方法。 9 上のゾーンおよび下のゾーンの双方はチー・々−をもつ断面を有する請求の 範囲4に記載の方法。 10、上のゾーンおよび下のゾーンは反応器の上部から底部へ連続の減少するテ ーパーを有する請求の範囲9に記載の方法。 11、粗大粒子および微細粒子は不活性である請求の範囲4に記載の方法。 12、第2ガスを上のゾーンの中に導入する工程をさらに含む請求の範囲4に記 載の方法。 13、微細粒子を再循環しないで、粗大粒子の床を」二のゾーンの中へさらに上 昇させるために不十分な速度で流動化ソfスを導17 人する工程をさらに含む請求の範囲12に記載の方法。 浄書(内容に変更なし) 1
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