JPH0248033A - 流動層プラント - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は流動層反応器、固形物分離器及び再循環管路か
らなる、循環流動層内で発熱反応を行うための流動層プ
ラントであって、流動層反応器の底部から酸素含有一次
ガスを導入する管路、反応器の底部から少なくとも１ｍ
上方でかつ最高で反応器の高さの３０％の高さに酸素含
有二次ガスを導入する管路及び第１次ガス入口と第二次
ガス入口との間にあって流動層反応器に開口している燃
料管路を有し、最高の高さが流動層反応器の高さの１／
２に等しい１つ又は複数の変位体（Ｖａｒａｎｇｕｎｇ
ｓｋｏｒｐｅｒ）によって流動層反応器の底面の４０〜
７５％が覆われているようにしてなる流動層プラントに
関する。

〔従来の技術〕

循環流動層を用いた操作の方法と装置は特に炭質材料を
燃焼するために極めて有利であり、いわゆる古典的な又
は従来の流動層を用いて操作される方法及び装置に対し
て多くの理由で優れている。

特に燃焼工程については基本的な方法が西独公告明細書
第２５３９５４６号（対応米国特許第４゜１６５．７１
７号）に記載されている。その方法では燃焼は２段階で
行われ、燃焼熱は流動層反応器内にあって二次ガス入口
の上方に配置された冷却面によって奪われる。この方法
の特別な利点は、上方の反応器空間においてサスペンシ
ョン密度、従って冷却面への熱伝達が調節されるので燃
焼工程を技術的に簡単な方法で所要出力に適合させるこ
とができることである。

西独公開明細書第２６２４３０２号（対応米国特許第４
，１１１，１５８号）による循環流動層を用いた燃焼工
程の場合、燃焼熱の一部又は全体が流動層反応器に続く
流動層冷却器に吸収させ、冷却された固形物は一定温度
を維持するために流動層反応器に再循環させている。こ
の場合、所要出力への適合は、流動層冷却器を通った後
に再び流動層反応器へ送られる固形物流の増減によって
行われる。

以上に概説した方法は大いに満足できるものであったが
、プラントユニットに対しでますます大きな熱出力が要
求される現在の傾向により工程の操作にある種の困難が
生じている。その困難とは本質的には、熱出力を大きく
する程、反応器の寸法、特に反応器の断面を大きくする
必要があり、そのために供給部領域の流動層反応器の全
横断面にわたって燃料などと酸素含有二次ガスとの反応
に必要な十分な横方向混合がもはや保証されないという
ことである。その結果、反応のかなりの部分が上部反応
空間に移行し、場合によっては、固形物とガスとを固形
物分離器で分離した後に後燃焼が起る。前記の状況は出
熱が約３００ＭＷ以上で流動層反応器の底面が約５０耐
以上のプラントの場合に現われる。

従来の提案によればこの問題は、最高の高さが流動層反
応器の高さの１／２に等しい１つ又は複数の変位体によ
って流動層反応器の底面の４０〜７５％が覆われるよう
にして解決しようとしていた。その際、変位体の幾何学
的形状は実質的には任意なものとすることができる。例
えば流動層反応器の断面が円形の場合、変位体は円筒形
又は円錐台とすることができ、下部円形面の中心は底面
の中心にほぼ一致させている。反応器の断面が長方形の
場合、変位体はダム形状とすることができ、必要に応じ
てその両端は反応器の平行壁面に接続し、したがって反
応器の下部空間を２つの独立した部屋に分割する。２つ
の互いに実質的に直交するダムを設けることもでき、こ
れらのダムが反応器の壁面に接続していると反応器の下
部空間は４つの独立した部屋に分割される。

明らかに前記した構造の流動層プラントの場合、変位体
が反応器の下部空間を独立した部屋に分割すると、操作
上の困難が生じる。即ち、その場合、層材料が一次空気
流によって１つの部屋から連行され、流動層反応器内に
常に起っている内部の固形物循環のために他の部屋へ到
達する。著しい制御費用を使わないで材料の流れを逆行
させ又は補償することは実際的にはできない。というの
は、流動化用空気は「空になった」部屋の通過が促進さ
れ、「充満した」部屋の通過が阻害されるからである（
各部屋の底面に異なる静水圧がかかっている）。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、流動層反応器、固形物分離器及び再循
環管からなり、循環流動層内で発熱工程を行うための流
動層プラントであって、高い燃焼出力においても高価な
制御費用を必要としないで満足のできる、確実な操作を
保証する流動層プラントを捉供することである。

〔課題を解決するための手段〕

前記課題は、冒頭に述べた流動層プラントを、流動層反
応器の残りの底面が単一の連続面からなるように構成す
ることにより解決される。

単一の連続面は、反応器底部の各部分が互いに連結する
ように１つ又は複数の変位体を構成することによって残
される。このためには、例えば、変位体と反応器壁面と
の間にガス透過性の底面を残すか又は、変位体が壁面か
ら壁面まで延びている場合には、上部が開放した又はト
ンネル状とすることができる少なくとも１つの貫通路に
よって各底面部分間を連絡させるようにすればよい。独
立した底面部分、したがって互いに分離した流動室が形
成されるように変位体を形成してはならない。１つ又は
複数の変位体によって残された連絡面又は貫通によって
生じたベース面では格子の主面より低い速度で流動化が
起こる。

変位体の幾何学的形状は実質的には任意に選択すること
ができる。例えば、流動層反応器断面が円形の場合は円
筒形又は円錐台の形をとることができ、その際、下部円
形面の中心は底面の中心にほぼ一致させる。反応器断面
が長方形の場合、変位体はダム形状をとることができる
。２つの実質的に互いに直交するダムも可能である。

正方形又は長方形の断面を有する変位体を設けることは
特に有利である。その場合、正確な幾何学的形状からあ
る程度それて、例えば角に丸味をつけることができる。

変位体は炉構造体に通常用いられる耐火材料からつくる
ことができる。変位体はまた、冷媒が通り抜ける膜状壁
面又はフィン付壁面からつくられていてもよく、これら
の壁面は保護のために反応器空間に面した側が突き固め
材料で被覆されている。１つ又は複数の変位体は反応器
に強固に結合され、反応器と共に１個の構造単位を構成
している。

発熱反応を行い得る材料の導入は複数の導入装置から行
われるので、下部反応空間に形成された各セグメントは
別々に材料が供給される。

本発明の好ましい態様によれば、１つ又は複数の変位体
は燃料導入手段を有する。この燃料導入手段は必要に応
じて複数の高さに配置することができる。これにより燃
料の良好な分配が確実に行われる。

本発明の別の好ましい態様によれば、流動層プラントは
、必要に応じて複数の高さに配置された酸素含有二次ガ
ス導入手段を有する。本発明のこの態様によれば、流動
層反応器の壁部及び内部にある入口から二次ガスを各部
屋又は部屋領域に供給することが可能となる。これによ
り二次ガスの最適混合が保証される。

二次ガスを流動層反応器の壁部にある管路から導入する
場合には、変位体の頂部はこの管路の上方に存在させる
べきである。二次ガスを複数の上下関係にある複数の位
置から導入する場合には変位体は最低の導入管路の高さ
より少なくとも高く延びていなければならない。

本発明の別の好ましい態様によれば、変位体はその断面
積が上方に向って減少するようになっている。このこと
及びすぐ前に述べた態様との組合わせにより、変位体を
有する反応器領域内の流れの速度は二次ガスの導入にも
拘らず一定範囲以内でのみ変動する。

流動層プラントで用いられる循環流動層の原理は明確な
境界層のない分布状態が存在する点が特徴であり、高密
度相がその上方にあるガス空間から明瞭な密度段差によ
って分離されている「古典的」流動層とは対照的である
。高密度相とその上にあるダスト空間との間に密度段差
がないとはいえ、反応器内で固形物濃度は下方から上方
に向がって減少する。

運転条件をフルード数及びアルキメデス数により定義す
ると次の範囲が得られる： 及び ０．０１＜Ａｒ＜　１００゜ ここで である。

式中、 Ｕは相対速度（ｍ／　ｓ　） Ａｒはアルキメデス数 Ｆｒはフルード数 Ｐ９はガス密度（ｋｇ／ｃａ） Ｐｋは固形粒子の密度（ｋｇ／ｃ艷） ｄｋは球形粒子の直径（ｍ） ■は動粘度（イ／ｓ） ｇは重力定数（ｍ／ｓ２） を意味する。

発熱反応はさまざまな高さから導入された酸素含有ガス
により二段階で行われる。この反応の利点は「穏か」な
反応にあり、そのために過熱現象が回避され、ＮＯＸ生
成が実質的に抑制されることである。この反応の際に、
上方の酸素含有ガスの導入位置を下方の導入位置から充
分に離れるようにして下方の位置で導入されたガスの酸
素量が既に消費されているようにすべきである。

工程の熱として蒸気を望む場合、本発明の好ましい態様
に従えば、流動化用ガス及び二次ガスの量を調節して二
次ガス導入部の上方の平均サスペンション密度を１５〜
１００ｋｇ／ｃｔｌとし、反応熱は二次ガス導入部より
上方の流動層反応器の自由空間及び／又は流動層反応器
の壁部に設けた加熱面により吸収される。このような操
作方法は西独公告明細書第２５３９５４６号及び対応米
国特許筒４，１６５，７１７号に詳細に記載されている
。

二次ガス導入部より上方の流動層反応器内でのガス速度
は常圧下で一般に５　ｍ　／　ｓ以上であり、最高１５
ｍ／ｓまでになり得る。流動層反応器の直径と高さの比
はガスの滞留時間が０．５〜８．０秒、好ましくは１〜
４秒となるように選択されるべきである。

各導入高さに複数の二次ガス導入用開口を設けるのが好
ましい。

この操作方法は、二次ガス導入部の上方にある流動層反
応器の炉空間内のサスペンション密度を変えることによ
って極めて簡単に工程熱取得量を変えることができる点
に特に利点がある。

所定の伝熱は、所与の流動化用ガス容積及び二次ガス容
積の下に支配される操作条件及びこの結果得られる所定
の平均サスペンション密度と関係■２ している。流動化用ガス量及び必要に応じて二次ガス量
を増大させてサスペンション密度を増大させることによ
り冷却面への伝熱を増大させることができる。伝熱が増
大することにより、実質的に一定の燃焼温度において燃
焼出熱の増大の結果得られる熱量を除去することが可能
となる。燃焼出力の増大に基づく必要な酸素量はサスペ
ンション密度の増大のために多量に用いた流動化用ガス
量及び必要に応じて二次ガス量によりほぼ自動的に満た
される。

同様に、低い工程所要熱量に適合させるためには、二次
ガス導入部の上方にある流動層反応器の炉空間内のサス
ペンション密度を低下させることにより燃焼出力が調節
される。サスペンション密度を低下させることにより伝
熱も低下するので、流動層反応器から除去される熱量は
減少する。したがって、燃焼出熱は本質的に温度変化を
伴わずに減少する。

本発明のより普遍的に利用可能な別の好適態様によれば
、流動層プラントは固形物供給管路及び固形物再循環管
路を介して結合した少なくとも１つの流動層冷却器を備
えている。流動層反応器の次ガス導入部の上方では流動
化用ガス量と二次ガス量を適当に調節することにより平
均サスペンション密度がｌＯ〜４０ｋｇ／ｃＪに調節さ
れ、高温固形物が循環流動層から排出され、流動状態で
間接及び直接熱交換により冷却され、冷却された固形物
の少なくとも一部は循環流動層に再循環される。

この態様は西ドイツ公開公報第２６２４３０２号及び対
応米国特許第４，１１１，１５８号に詳細に開示されて
いる。

この場合、温度を一定に保つには、流動層反応器内の操
作条件を実質的に変えることなく、またとりわけサスペ
ンション密度を変えることなく、単に高温固形物の排出
量と冷却された固形物の再循環量の調節によって達成さ
れる。出力と選択された反応温度に依存して再循環量が
高く又は低くなる。この温度は着火限界よりわずかに高
い程度の低い温度から反応残渣の軟化によって制限され
る極めて高い温度まで任意に調節される。この温度は約
４５０〜９５０℃となり得る。

その場合、発熱反応で発生した熱の大部分は固形物側に
連結された流動層冷却器により吸収され、流動層反応器
内に存在して充分に高いサスペンション密度を前提とす
る冷却レジスターへの伝熱は余り重要ではないので、本
発明の方法によれば、流動層反応器内の二次ガス導入部
より上方の領域におけるサスペンション密度は低く維持
することができ、したがって流動層全体にわたって圧力
降下が比較的小さいという利益が得られる。他方、熱は
、例えば３００〜５００すａｔｔ／ｍという極めて高い
伝熱が行われる条件下で流動層冷却器に吸収される。

流動層反応器内の温度は、冷却された固形物の少なくと
も部分流を流動層冷却器から再循環させることにより調
節される。例えば、必要とする冷却固形物部分流は流動
層反応器に直接供給される。

さらに、排ガスも、例えば空気コンヘヤー又は流動熱交
換器に供給される冷却された固形物の供給により冷却す
ることができ、この固形物は後で排ガスから分離されて
流動層冷却器に再循環される。

その結果、排ガスの熱も流動層冷却器に入る。冷却され
た固形物を、一方の部分流は直接に、また他方の部分流
は排ガスを冷却した後に流動層反応器へ供給することは
特に好ましい。

本発明のこの態様においても、常圧における一部ガス導
入部上方のガス滞留時間とガス速度及び流動化用ガスと
二次ガスの供給量は前に記載した態様の同じパラメータ
と一致する。

流動層反応器から出た高温固形物の冷却は互いに連結さ
れた冷却レジスターを収容した連通ずる多数の冷却室を
有する流動層冷却器内でガス流と向流式に行われる。こ
れにより、燃焼熱を比較的少量の冷却器で吸収すること
ができる。

流動層冷却器を併設した流動層プラントの別の態様によ
れば、流動層冷却器は流動層反応器と構造的に一体に結
合されている。その場合、流動層反応器と流動層冷却器
は、冷却された固形物を流動層反応器へ流入させるため
の開口を有した、適当に冷却された壁部を共有する。そ
の場合、前に説明したとおり、流動層冷却器は多数の冷
却室を有することができるが、また流動層冷却器は冷却
面を備えた多数のユニットからなることができる。

各ユニットは流動層反応器と共通の壁部を有し、この壁
部は固形物を通過させる開口と、独立した固形物供給管
路とを有する。このような装置は欧州公開公報第２０６
０６６号に開示されている。

流動層冷却器を有する構成の普遍的有用性は、はとんど
任意の熱担体材料を流動層冷却器内で加熱できることで
ある。蒸気を種々の形態で発生させること及び熱担体塩
を加熱することは技術的見地から特に重要である。

本発明の範囲内において、酸素含有ガスとして空気、酸
素富化空気又は工業的な純酸素が用いられる。最後に、
反応を２０バールまでの圧力下で行う場合、出力を増加
させることができる。

本発明の流動層プラントにおいては、自己燃焼性材料は
原理的にすべて利用できる。その例はすべての種類の石
炭、特に、低品位炭、例えば石炭洗浄ごみ、スラッジ炭
、塩高含有炭であるが、褐炭及びオイルシェールも挙げ
られる。このプラントは硫化鉱又は精鉱の焙焼に利用す
ることができる。

本発明を添付の図面及び実施例について詳細に説明する
。

第２図に流動層反応器１が概略示されている。

その底面はプリズム様変位体７で部分的に覆われている
。多数の流動化用格子６が形成されている。

変位体７は上部領域に二次ガス開口１１と下部領域に燃
料用供給管路３を有する。

第１図は流動層反応器における円形断面又は長方形断面
を有する上記変位体７の形状の各種例を示すものである
。

第３図の流動層反応器１は膜壁として示されている加熱
面２を有する。下部反応室８はダム様変位体７によって
４つの部分（ダムに平行な２つの部分とダムの前後の各
１つの部分）に分けられ、この下部反応室８には管路５
と流動化用格子６から酸素含有流動化用ガスが、管路３
から燃料が、そして管路９から酸素含有二次ガスが供給
される。

管路１０と二次ガス開口１１から追加二次ガスが、管路
３から追加燃料が供給される。ガスー固形物サスペンシ
ョンは管路４から排出される。

〔実施例〕

石炭を空気と共に燃焼して飽和蒸気を発生させた。

流動層プラントの流動層反応器１は底部が１２．５ｍＸ
ＩＱ、１ｍ、高さが３０．５ｍであった。その底面は、
流動化用格子６を有する４つの部分が得られるように、
８．５Ｘ８．１　ｍの底面を有する変位体７によって覆
った。それぞれ２ｍの幅を有する２つの部分は反応器の
長い方の壁部に平行に延び、それぞれ１ｍの幅を有する
２つの部分は変位体７の各端部と反応器壁部との間に位
置するようにした。変位体７は高さ６．８ｍのプリズム
状形態を有していた。

流動層反応器１の壁面は水冷式膜壁で全体を内張すした
。変位体７の壁部も水冷式膜壁として形成され、反応器
に面した側は耐火材料で保護した。

流動層反応器１には、発熱量Ｈ，＝１５．９ＭＪ／ｋｇ
で平均粒径０．２鶴の石炭合計１１０．４　ｔ　／　ｈ
及びほぼ同じ粒径の石灰石１０．４　ｔ　／　ｈを合計
６個の管路３から１００℃の空気１１，０４ＯＮ％／ｈ
により供給した。流動化用ガスとして、流動化用格子６
から２８０，００ＯＮｒｒｒ／ｈの量の２６０℃の空気
を供給した。二次ガス管路９．１１から合計２０６．　
００　ＯＮｎ？／ｈの２６０℃の空気をさらに供給した
。この供給は流動化用格子６の上方２ｍ　（５１，５０
ＯＮｍ／ｈ）、４．６ｍ　（５１゜５０ＯＮｎ？／ｈ）
及び７．３ｍ　（１０３，ＯＯＯＮｎ？　／　ｈ　）の
３つのレベルで行った。

選択された操作条件下で、流動層反応器１内の温度は８
５０′Ｃであった。加熱面２及び変位体７の膜壁におい
て出熱量１０２ＭＷに相当する１４０バールの飽和蒸気
が得られた。

方形断面を有する変位体の形状の各種例を示す平面図、
第２図は変位体を有する流動層反応器の下方領域の斜視
図、第３図は流動層反応器の縦断面図である。

なお、図面に用いた符号において、 １−−−−−−−−−−−・−−−−−−−ｍ−流動層
反応器２　−−−−−−−−−−−−−−−一加熱面３
　−−−−−−−−−−−−−−−−一供給管路６　−
−−−−−−−−・−−−−−−一流動化用格子７　−
−−−−−一・−−−−−−一変位体８−−−−−−−
−−−−−−−−一反応室１１　−−−−−−−−−−
−−−−−−二次ガス開口である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流動層反応器、固形物分離器及び再循環管路からな
   る、循環流動層内で発熱反応を行うための流動層プラン
   トであって、流動層反応器の底部から酸素含有一次ガス
   を導入する管路、反応器の底部から少なくとも１ｍ上方
   でかつ最高で反応器の高さの３０％の高さに酸素含有二
   次ガスを導入する管路及び第一次ガス入口と第二次ガス
   入口との間にあって流動層反応器に開口している燃料管
   路を有し、最高の高さが流動層反応器の高さの１／２に
   等しい１つ又は複数の変位体によって流動層反応器の底
   面の４０〜７５％が覆われているようにしてなる流動層
   プラントにおいて、流動層反応器１の残りの底面６が単
   一の連続面からなることを特徴とする流動層プラント。 ２、１つ又は複数の変位体７の断面が正方形又は長方形
   であることを特徴とする請求項１記載の流動層プラント
   。 ３、１つ又は複数の変位体７が必要に応じて複数の高さ
   に配置された燃料導入手段３を有することを特徴とする
   請求項１記載の流動層プラント。 ４、１つ又は複数の変位体７が必要に応じて複数の高さ
   に配置された酸素含有二次ガス導入手段１１を有するこ
   とを特徴とする請求項１、２及び３のいずれかに記載の
   流動層プラント。 ５、１つ又は複数の変位体７の断面積が上方に向って減
   少することを特徴とする請求項１、２、３及び４のいず
   れかに記載の流動層プラント。 ６、最上部の二次ガス導入部９の上方にある流動層反応
   器１の自由空間内及び／又は流動層反応器１の壁面上に
   加熱面２が配置されていることを特徴とする請求項１〜
   ５のいずれかに記載の流動層プラント。 ７、少なくとも１つの流動層冷却器が固形物導入管路及
   び固形物再循環管路に連結されていることを特徴とする
   請求項１〜６のいずれかに記載の流動層プラント。