JPWO2016171176A1 - 流動層分級方法および流動層分級装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、都市ごみ、固形化燃料（ＲＤＦ）、廃プラスチック、廃ＦＲＰ、バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、廃油等の廃棄物、または石炭のような不燃分を含む固体燃料等の固体可燃物を燃焼する流動層炉で、不燃物を流動媒体と共に抜き出すことが必要な流動層炉システムに適用できる流動層分級方法に関する。流動層分級方法は、隔壁（３）によって精密分級部（２）から仕切られた粗分級部（１）に混合物（Ａ）を投入し、粗分級部（１）に流動空気を供給しながら、該粗分級部（１）で比較的大きな異物（Ｌ）及び比重の大きな異物（Ｈ）を除去し、異物（Ｌ，Ｈ）が除去された混合物を主に隔壁（３）の上方を通って精密分級部（２）に導き、精密分級部（２）に流動空気を供給しながら、該精密分級部（２）でさらに異物（Ｓ）を除去する。
Description
本発明は、流動床式燃焼炉、流動床式ガス化炉、及び循環流動層ボイラのような流動層式の固体燃料燃焼炉の流動層を形成する流動媒体から異物を取り除くための流動層分級方法および流動層分級装置に関し、特に都市ごみ、固形化燃料（ＲＤＦ）、廃プラスチック、廃ＦＲＰ、バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、廃油等の廃棄物、または石炭のような不燃分を含む固体燃料等の固体可燃物を燃焼する流動層炉で、不燃物を流動媒体と共に抜き出すことが必要な流動層炉システムに適用できる流動層分級方法および流動層分級装置に関するものである。
従来、流動層炉の流動媒体の粒度分布を適正に保つためには、振動篩が用いられてきた。しかしながら、振動篩は異物によって目詰まりしたり、摩耗によって穴が開いたり、その振動によってプラントに共振問題を引き起こしたりと、さまざまな問題の原因となる場合があった。
特に振動篩の目詰まりを放置すると、回収すべき流動媒体が排除すべき異物側に混入して系外に排出され、流動層維持を危うくするばかりか、それを防止するために頻繁に篩網の点検・清掃を行うと、振動篩周辺の環境を粉塵で悪化させてしまうという問題がある。
こうした状況を改善するために、これまでに篩網を用いないで分級する方法も考案されてきた。特許文献１や特許文献２には、粗大粒と小粒度材料の混合物をそれぞれに分級する流動層分級器が記されているが、これらの流動層分級器は、異物を該流動層分級器から適切に排出する機構を備えておらず、流動層内で水平移動し難い異物が含まれる系における異物と流動媒体の分級に適したものでないことは明らかである。
また、本発明者らは、特許文献３に示すように、粗大物体を流動媒体から流動層を利用して分離し、流動媒体は流動空気とともに流動炉に戻し、粗粒媒体と不燃物の混合物を排出する技術を考案したが、この技術を既存の施設に適用するためには大規模な改造を必要とするため、適用できる施設は新規に建設される施設に限られていた。
また上記特許文献３で開示した技術においては、流動層分級部の流動化速度U0として流動媒体の最低流動化速度Umfの２倍の流速で流動化させていたため、アルミ製の鍋蓋のような比較的軽くて投影面積の大きな不燃物は容易に沈降除去することができず、流動層上に吹き上がり、流動媒体とともに炉内に戻される途中の経路内で閉塞トラブル等を引き起こす懸念があった。
特許文献４及び特許文献５には、流動層分級部の流動化速度U0として流動媒体の最低流動化速度Umfの３倍以下、好ましくは１以上２倍未満で流動化させて、比重の高いものを沈降させて分離する技術が開示されているが、これらの文献に記載されている、異物を流動層分級部から排出する手段は、該流動層分級部の流動層上部表面から異物を排出するというものであり、この方法では回収すべき流動媒体が一緒に排出されてしまう。従ってそれを避けるために網を使って流動媒体を篩い分ける手段も開示されているが、そうするとその網の清掃が必要になるというジレンマがあった。
特許文献６には、先ず固気流動層を構成する成分を投入し、その後分級対象物を投入し、さらに固気流動層を構成する成分を投入することにより分級性能を高める技術が開示されているが、このような複雑な操作は連続運転の必要な装置に適用するには適切ではない。
従って、流動層炉システムにおいては、篩網による分級手段を用いることなく、系内から排除すべき異物・夾雑物を流動媒体から分離して容易に外部に排出できるようにするとともに、アルミの鍋蓋のような比較的軽量でかつ大きな不燃物も確実に分離除去でき、かつ流動媒体の粒度分布を適正に維持することのできる異物分級方法であって、さらに既に振動篩が設置されている施設にも適用することができる分級方法が求められていた。
本発明は、このような状況に鑑み、流動層の特徴を生かした流動層分級方法および流動層分級装置を提供するものである。
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、流動層を形成するための流動媒体と、流動媒体に混入した流動層を構成するのに相応しくない異物との混合物から、異物を沈降させて取り除く流動層分級方法であって、隔壁によって精密分級部から仕切られた粗分級部に前記混合物を投入し、前記粗分級部に流動空気を供給しながら、該粗分級部で比較的大きな異物及び比重の大きな異物を除去し、異物が除去された前記混合物を主に前記隔壁の上方を通って前記精密分級部に導き、前記精密分級部に流動空気を供給しながら、該精密分級部でさらに異物を除去することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記粗分級部でのUmf比は１以上２．０未満に保たれ、前記精密分級部でのUmf比は１以上１．５以下に保たれることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記粗分級部に投入される前記混合物は、流動層式の固体燃料燃焼炉、流動層式廃棄物焼却炉、または流動床式ガス化炉から抜き出された流動媒体と不燃物との混合物であり、流動媒体の調和平均粒径は０．２mm以上０．８mm以下であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記粗分級部に投入される前記混合物は、流動層式の固体燃料燃焼炉、流動層式廃棄物焼却炉、または流動床式ガス化炉から抜き出された流動媒体と不燃物との混合物であり、流動媒体の調和平均粒径は０．２mm以上０．８mm以下であることを特徴とする。
本発明の他の態様は、流動層を形成するための流動媒体と、流動媒体に混入した流動層を構成するのに相応しくない異物との混合物から、異物を沈降させて取り除く流動層分級装置であって、比較的大きな異物及び比重の大きな異物を除去するための粗分級部と、前記粗分級部で異物が除去された前記混合物からさらに異物を除去するための精密分級部と、前記粗分級部と前記精密分級部とを仕切る隔壁と、前記粗分級部内に流動空気を供給する第１流動空気供給床と、前記精密分級部内に流動空気を供給する第２流動空気供給床とを備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記粗分級部でのUmf比は１以上２．０未満に保たれ、前記精密分級部でのUmf比は１以上１．５以下に保たれることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第２流動空気供給床は前記粗分級部に向かって下方に傾斜しており、前記第２流動空気供給床の傾斜角度は一様であるか、または前記粗分級部に近くなるほど大きくなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１流動空気供給床は、下側流動空気供給床と、該下側流動空気供給床よりも高い位置に配置された上側流動空気供給床とから構成されており、前記上側流動空気供給床の下方には、前記粗分級部および前記精密分級部で除去された異物を排出するための排出口が設けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記上側流動空気供給床から供給される流動空気の鉛直方向水平断面平均速度は、前記下側流動空気供給床から供給される流動空気の鉛直方向水平断面平均速度よりも高いことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第２流動空気供給床は前記粗分級部に向かって下方に傾斜しており、前記第２流動空気供給床の傾斜角度は一様であるか、または前記粗分級部に近くなるほど大きくなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１流動空気供給床は、下側流動空気供給床と、該下側流動空気供給床よりも高い位置に配置された上側流動空気供給床とから構成されており、前記上側流動空気供給床の下方には、前記粗分級部および前記精密分級部で除去された異物を排出するための排出口が設けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記上側流動空気供給床から供給される流動空気の鉛直方向水平断面平均速度は、前記下側流動空気供給床から供給される流動空気の鉛直方向水平断面平均速度よりも高いことを特徴とする。
本発明によれば、隔壁によって仕切られた粗分級部と精密分級部によって、排除すべき異物・夾雑物を流動媒体から分離して容易に外部に排出できる。つまり、粗分級部では、比較的大きな異物及び比重の大きな異物を分離除去でき、精密分級部では、より細かい異物を分離除去できる。さらに、本発明に係る流動層分級方法および流動層分級装置は、既に振動篩が設置されている施設にも適用することができる。
以下、本発明の流動層分級方法および流動層分級装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の流動層分級装置の一実施形態を示す模式図である。流動層分級装置は、粗分級部１と精密分級部２とを備えており、粗分級部１と精密分級部２との間には、鉛直方向に延びる隔壁３が設けられている。粗分級部１と精密分級部２は、隔壁３によって互いに仕切られている。粗分級部１の側方には、被分級物Ａを流動層分級装置に投入するための投入部５が設けられている。
図１は本発明の流動層分級装置の一実施形態を示す模式図である。流動層分級装置は、粗分級部１と精密分級部２とを備えており、粗分級部１と精密分級部２との間には、鉛直方向に延びる隔壁３が設けられている。粗分級部１と精密分級部２は、隔壁３によって互いに仕切られている。粗分級部１の側方には、被分級物Ａを流動層分級装置に投入するための投入部５が設けられている。
被分級物Ａは、流動層を形成するための流動媒体と、流動層を形成するのに相応しくない異物との混合物からなる。例えば、被分級物Ａは、流動層式焼却炉（流動床式焼却炉ともいう）または流動床式ガス化炉などの流動層炉から抜き出された流動媒体と不燃物との混合物である。この流動媒体の調和平均粒径は例えば０．２mm以上０．８mm以下である。被分級物Ａは、図示しない流動層炉から流動層分級装置に移送され、投入部５を通って粗分級部１に投入される。そして、粗分級部１で粗大物体Ｌや比重の大きい重量物Ｈなどの異物が分級除去される。
図１に示す実施形態では、被分級物Ａは、粗分級部１の側面に形成された開口５ａから粗分級部１に供給されるようになっているが、粗分級部１の上部から被分級物Ａを直接投入してもよい。図１に示す実施形態では、投入部５の下部に流動空気供給床６が設けられており、流動空気供給床６から投入部５の内部への流動空気供給量を調整することにより流動層分級装置への被分級物Ａの供給量を調整することができ、かつ粗分級部１の下部側面から被分級物Ａが供給されるため、粗大物体Ｌや重量物Ｈを沈降分離するための沈降距離が短くて済むという利点がある。
粗大物体Ｌや重量物Ｈが除去された被分級物Ａは、粗分級部１に隣接する精密分級部２に隔壁３の上端を越流して、および／または隔壁３の下に形成された開口を通って流入する。精密分級部２では、被分級物Ａからさらに異物Ｓが沈降分離される。精密分級部２で異物Ｓが除去された被分級物Ａは、分級後の被分級物Ａ’となり、精密分級部２の端壁４を越流して出口１０に流入する。出口１０は、精密分級部２に隣接して設けられており、鉛直方向に延びている。被分級物Ａ’は、出口１０を通って排出され、上述した流動層炉に戻される。この分級後の被分級物Ａ’には排除すべき異物Ｓや粗大物体Ｌが若干量混入している場合もあるが、それらはそのまま流動層炉に戻される。
精密分級部２で沈降分離された異物Ｓは、その自重により、精密分級部２の底面を構成する流動空気供給床９上を粗分級部１に向けて下方に移動し、粗分級部１で沈降分離された粗大物体Ｌや重量物Ｈおよび少量の流動媒体とともに系外排除物Ｅとして粗分級部１の下部に設けられた排出口１１から系外に排出される。この系外排除物Ｅには排除すべきでない流動媒体が若干含まれるが、その量が許容量以下である限り問題とはならない。重要なのは、系外排出物Ｅに含まれる粗大物体Ｌ、重量物Ｈ、異物Ｓが、系内でのそれらの蓄積を防止するのに十分な量であることである。
粗分級部１には２つの異なる流動空気供給床（第１流動空気供給床）７、８が配置されている。上側流動空気供給床７は下側流動空気供給床８よりも高い位置に配置されており、投入部５の流動空気供給床６に隣接している。下側流動空気供給床８は、精密分級部２の流動空気供給床（第２流動空気供給床）９に隣接している。上側流動空気供給床７の下方には、系外排除物Ｅを排出するための排出口１１が配置されている。上側流動空気供給床７から粗分級部１内に供給される流動空気の鉛直方向水平断面平均速度は、下側流動空気供給床８から粗分級部１内に供給される流動空気の鉛直方向水平断面平均速度よりも高くなるように維持されている。これにより上側流動空気供給床７の上方では被分級物Ａの上昇流が、下側流動空気供給床８の上方では被分級物Ａの下降流が生じ、アルミ箔のような軽い物体であっても流動媒体の下降流によって沈降させることができる。
上側流動空気供給床７及び下側流動空気供給床８の上に粗大物体Ｌ、重量物Ｈ、異物Ｓが滞留しないよう、上側流動空気供給床７は下側流動空気供給床８に向けて下方に、下側流動空気供給床８は排出口１１に向けて下方にそれぞれ傾斜しており、粗大物体Ｌ、重量物Ｈ、異物Ｓが排出口１１に向かってスムーズに移動するように構成されている。
精密分級部２の底面を構成する流動空気供給床９は、粗分級部１の下側流動空気供給床８に向かって下方に傾斜しており、その下端は下側流動空気供給床８の上端と同じか、もしくは若干高い位置になるように配置されている。また流動空気供給床９の傾斜角度は下側流動空気供給床８の傾斜角度と同じか、もしくはそれよりも小さく設定されている。これは、精密分級部２で沈降分離された異物Ｓが流動空気供給床９から下側流動空気供給床８に向けてスムーズに移動できるようにするためである。
流動空気供給床９から供給される流動空気の流速は、必要に応じて場所毎に変えられるよう、流動空気供給床９の下には互いに仕切られた複数の風箱が設けられている。図１に示す実施形態では、４つの風箱９Ｗａ、９Ｗｂ、９Ｗｃ、９Ｗｄが設けられており、それぞれの風箱９Ｗａ、９Ｗｂ、９Ｗｃ、９Ｗｄから流動空気供給床９を通じて供給される流動空気の鉛直方向水平断面平均速度Ｖ９Ｗａ、Ｖ９Ｗｂ、Ｖ９Ｗｃ、Ｖ９Ｗｄは、原則として、Ｖ９Ｗａ≧Ｖ９Ｗｂ≧Ｖ９Ｗｃ≧Ｖ９Ｗｄと下流へ行くほど、すなわち出口１０に近づくほど遅くなるように調整される。これは、流動化による粒子の上下間混合を、下流へ行くに従って抑制することを目的とする。粗分級部１でのUmf比（＝流動化速度／流動媒体の最低流動化速度）は１以上２．０未満に保たれ、精密分級部２でのUmf比は１以上１．５以下に保たれている。
粗分級部１及び精密分級部２に供給された流動空気は、精密分級部２の上方に設けられた開口部１５から流動層炉に連結する排気ダクト１６を通って流動層炉に導かれる。精密分級部２の層上部は大気圧よりも低く保たれており、点検口等の通孔から粉塵が周辺に飛散することを防止している。
流動空気供給床９は粗分級部１に向かって下方に傾斜しており、沈降分離した異物Sがスムーズに粗分級部１の下部に到達し、粗分級部１で分離された粗大物体Ｌ、重量物Ｈと合流してスムーズに排出口１１から排出されるように構成されている。
なお、図１に示す実施形態では流動空気供給床９は単一の角度を持った平板として構成されているが、流動空気供給床９の傾斜角度は必ずしも一様である必要は無い。例えば、他の実施形態として、流動空気供給床９上に沈降した異物を移動しやすくするため、図２に示すように、粗分級部１に近くなるほど流動空気供給床９の傾斜角度が大きくなるように構成してもよい。但し、その場合でも流動空気供給床９の最下端部の傾斜角度は下側流動空気供給床８の傾斜角度よりも大きくしてはならない。
流動空気供給床６，７，８，９の水平面に対する傾斜角度は、沈降した異物が排出口１１に向かって自重で移動できるように、少なくとも１０度以上とすべきであるが、異物の排除を確実にするためには２０度以上とするのが良く、好ましくは２５度以上、さらに好ましくは３０度以上とするのがよい。その傾斜角度は分級されるべき粗大物体Ｌの形状や密度、重量物Ｈの大きさや重量に従って適切に設定されなければならない。
図３は系外排除物Ｅを排出するための具体的な構造を示したものである。排出口１１の下部には、鉛直方向に延びるシュート２０が接続されており、その下端に機械的排出装置２１が設けられている。シュート２０は、系外排除物Ｅで充填されることによって、流動空気供給床８などから供給された流動空気が排出口１１を経由して外部に漏れ出ることを防ぐマテリアルシールとして機能させるために設けられている。機械的排出装置２１がガスシール機能を具備している場合は、シュート２０は設けられなくてもよい。
本発明の流動層分級装置は、該装置の幅（図１、図２、図３の奥行き方向の幅）を広くすることによって容易に処理能力を増やすことができる。流動層分級装置の幅は対象とする粗大物のサイズ等から少なくとも０．３ｍ程度以上、最大で３ｍ程度とである。幅が狭い場合は上述した機械的排出装置２１としてはダブルダンパあるいはロータリーバルブのような装置でよく、幅が広い場合はスクリューコンベヤを採用するのが良い。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
本発明は、都市ごみ、固形化燃料（ＲＤＦ）、廃プラスチック、廃ＦＲＰ、バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、廃油等の廃棄物、または石炭のような不燃分を含む固体燃料等の固体可燃物を燃焼する流動層炉で、不燃物を流動媒体と共に抜き出すことが必要な流動層炉システムに適用できる流動層分級方法および流動層分級装置に利用可能である。
１ 粗分級部
２ 精密分級部
３ 隔壁
４ 端壁
５ 投入部
６ 投入部の流動空気供給床
７ 粗分級部の上側流動空気供給床
８ 粗分級部の下側流動空気供給床
９ 精密分級部の流動空気供給床
９Ｗａ、９Ｗｂ、９Ｗｃ、９Ｗｄ 風箱
１０ 分級後の被分級物の出口
１１ 系外排除物の排出口
１５ 開口部
１６ 排気ダクト
２０ シュート
２１ 機械的排出装置
Ａ 被分級物
Ａ’ 分級後の被分級物
Ｌ （被分級物から分離除去されるべき）粗大物
Ｈ （被分級物から分離除去されるべき）重量物
Ｓ （被分級物から分離除去されるべき）異物
Ｅ 系外排除物
２ 精密分級部
３ 隔壁
４ 端壁
５ 投入部
６ 投入部の流動空気供給床
７ 粗分級部の上側流動空気供給床
８ 粗分級部の下側流動空気供給床
９ 精密分級部の流動空気供給床
９Ｗａ、９Ｗｂ、９Ｗｃ、９Ｗｄ 風箱
１０ 分級後の被分級物の出口
１１ 系外排除物の排出口
１５ 開口部
１６ 排気ダクト
２０ シュート
２１ 機械的排出装置
Ａ 被分級物
Ａ’ 分級後の被分級物
Ｌ （被分級物から分離除去されるべき）粗大物
Ｈ （被分級物から分離除去されるべき）重量物
Ｓ （被分級物から分離除去されるべき）異物
Ｅ 系外排除物
Claims (8)
- 流動層を形成するための流動媒体と、流動媒体に混入した流動層を構成するのに相応しくない異物との混合物から、異物を沈降させて取り除く流動層分級方法であって、
隔壁によって精密分級部から仕切られた粗分級部に前記混合物を投入し、
前記粗分級部に流動空気を供給しながら、該粗分級部で比較的大きな異物及び比重の大きな異物を除去し、
異物が除去された前記混合物を主に前記隔壁の上方を通って前記精密分級部に導き、
前記精密分級部に流動空気を供給しながら、該精密分級部でさらに異物を除去することを特徴とする流動層分級方法。 - 前記粗分級部でのUmf比は１以上２．０未満に保たれ、前記精密分級部でのUmf比は１以上１．５以下に保たれることを特徴とする請求項１に記載の流動層分級方法。
- 前記粗分級部に投入される前記混合物は、流動層式の固体燃料燃焼炉、流動層式廃棄物焼却炉、または流動床式ガス化炉から抜き出された流動媒体と不燃物との混合物であり、流動媒体の調和平均粒径は０．２mm以上０．８mm以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の流動層分級方法。
- 流動層を形成するための流動媒体と、流動媒体に混入した流動層を構成するのに相応しくない異物との混合物から、異物を沈降させて取り除く流動層分級装置であって、
比較的大きな異物及び比重の大きな異物を除去するための粗分級部と、
前記粗分級部で異物が除去された前記混合物からさらに異物を除去するための精密分級部と、
前記粗分級部と前記精密分級部とを仕切る隔壁と、
前記粗分級部内に流動空気を供給する第１流動空気供給床と、
前記精密分級部内に流動空気を供給する第２流動空気供給床とを備えたことを特徴とする流動層分級装置。 - 前記粗分級部でのUmf比は１以上２．０未満に保たれ、前記精密分級部でのUmf比は１以上１．５以下に保たれることを特徴とする請求項４に記載の流動層分級装置。
- 前記第２流動空気供給床は前記粗分級部に向かって下方に傾斜しており、前記第２流動空気供給床の傾斜角度は一様であるか、または前記粗分級部に近くなるほど大きくなることを特徴とする請求項４または５に記載の流動層分級装置。
- 前記第１流動空気供給床は、下側流動空気供給床と、該下側流動空気供給床よりも高い位置に配置された上側流動空気供給床とから構成されており、
前記上側流動空気供給床の下方には、前記粗分級部および前記精密分級部で除去された異物を排出するための排出口が設けられていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の流動層分級装置。 - 前記上側流動空気供給床から供給される流動空気の鉛直方向水平断面平均速度は、前記下側流動空気供給床から供給される流動空気の鉛直方向水平断面平均速度よりも高いことを特徴とする請求項７に記載の流動層分級装置。
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