JPH0472154B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は粒子の循環をともなう高温の流動層に
関し、特に高循環量と、この循環量の制御性を改
良する装置に関する。

〔従来の技術〕

高速流動層は軽油或は残渣油等を接触熱分解す
るいわゆるFCCプロセスとして開発され、その
良好な熱効率及び反応効率の故に、石炭、コーク
スの燃焼ガス化反応、活性炭の賦活或は粉鉱石の
還元等にも応用されている。

しかしながら高速流動層における粒子の循環量
とその制御性については、未だ不明の点が多く
種々の提案がなされている。

これらの従来法の第１例として「化学工学協
会、第51年会、研究発表講演要旨集、C315、
1986、堀尾等」には「透明循環流動層による石炭
の高速流動燃焼特性」と題する石炭の燃焼実験が
報告されている。

この実験装置では、第７図に示されるように、
高速流動層が石英管１００及びステンレス管１０
３よりなるライザー部に形成され、原料炭は、こ
のライザー底部に供給され、ライザー部で流動燃
焼し、未燃分を含む粒子は第１サイクロン及びニ
ユーマチツクバルブ１４を経て、ライザー部に戻
り、また灰分はニユーマチツクバルブ１４の下部
からロータリーバルブ１０７を介してホツパー１
０８に取り出される。

このように、第１例の粒子の循環にはニユーマ
チツクバルブが用いられ、粒子の循環量は水平及
び垂直方向からの空気注入により調節されてい
る。

また、従来法の第２例として「＆EC Proc、
Des.、＆Dev.15、47（1976）、Yerushalmi、j.et
al.」には高速流動層の断面における半径方向の
粒子分布が報告されている。

而して、この実験に使用された装置は第８図に
示すように、高速流動層を形成する上昇管と移動
層を形成する下降管とをＵ字管１６で接続してい
る。

而してこのＵ字管１６の底部に空気注入口を設
け、且つ下降管にバタフライ弁１５を設け、これ
らを調節することにより粒子の循環量を制御して
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の従来技術のうち、第１例の下部にニユー
マチツクバルブを有する傾斜管方式の循環流動層
は、機械的バルブを使用しないために高温操作に
は適しているが、粒子の移動経路に曲管部が多
く、粒子高循環量が得られないという問題点があ
る。

また、第２例の下部がＵ字構造の循環流動層は
高循環量は得られるが、循環量の制御は、ダウン
カマー側に付けたスライドバルブ又はバタフライ
弁の開度で行なつている。

これは、循環量が流動化ガスの速度に大きく影
響され、バルブを付けなければ、流動化ガスと独
立に循環量を制御することがむずかしいためであ
る。

したがつて、低温の場合は良いが、高温の場合
はバルブの材質劣化及び流動化ガスの制御が困難
であるという欠点を有する。

本発明は、このような従来の問題点を解決し、
循環流動層において低温の場合でも高温の場合で
も、装置の単位断面積及び単位時間当りの粒子の
高循環量が得られ、且つ主流動化ガスに対して、
独立に粒子循環量を制御でき、しかも循環量の制
御性の良い高速流動層の構造を得ることを目的と
する。

〔課題を解決する為の手段〕

この目的を達成するため本発明者らは、高温に
おいて粒子の高循環量が得られ、しかも循環量の
制御性の良い構造を得る装置を鋭意研究した結果
本発明に到達した。

即ち、本発明の高速流動層は上昇管、固気分離
室、下降管、傾斜管からなる回路に高温粒子を循
環させ、上昇管内に高速流動層を形成させる循環
流動層において、上昇管の垂直軸線に対して30±
10゜の角度をもつて、傾斜管を上方から上昇管の
下方に位置し、上昇管と同等以上の断面積を持つ
経路でつながれている合流部に合流させ、該合流
部の横断面積及び傾斜管と下降管の各管断面積
を、各々上昇管の断面積の１〜５倍とするととも
に、主流動化ガスの吹出し口を合流部の上方位置
に開口させ、且つ、該合流部近傍の傾斜管及び合
流部下部に、ガス吹出し口を設けたことを特徴と
する高循環量高速流動装置である。

次に本発明を実施例につき図面を用いて説明す
る。

第１図に示すように、本発明の循環高速流動装
置は、上昇管１、沈降室２、下降管３、傾斜管５
及びサイクロン分離器４を主要部として備え、こ
れに主流動化ガス供給口６、流動層下部ガス供給
口７、傾斜管部ガス供給口８、原料供給口９及び
反応物抜き出し口１０を付設して構成される。

先ず、上昇管１の下方には傾斜管１との合流部
１２を形成する。この合流部１２は第２図に示す
ように、上昇管１と同等もしくはそれ以上の断面
積を有する円筒或は角筒状とし、その上部は滑ら
かに縮小して上昇管の下端と接続させる。

而して、この合流部において、上昇管１の垂直
軸線に対する傾斜管の軸線のなす角度θが30±
10゜をなすように傾斜管５を合流部１２に接続す
る。また、合流部１２における横断面積は、上昇
管１の直管部の横断面積の１〜５倍とする。

そして、合流部１２に主流動化ガス吹出し管６
を設けて、この吹出し管６の先端を、合流部１２
の上端位置１３或はこれより僅か上部に開口させ
ると共に、傾斜管５の合流部１２近傍にガス吹出
し口８を設ける。

更に、下降管３及び傾斜管５の夫々の管径は、
これらの管断面積が上昇管１の管断面積の１〜５
倍となるように選定する。

また、合流部１２の下部にガス吹出し口７を、
また、合流部１２と上昇管１との接続部に粒子フ
イード口９を、更に下降管３と傾斜管５との接続
部近傍の傾斜管５に、反応物抜き出し口１０を
夫々設けて、粒子の循環回路を形成する。

〔作 用〕 上記のように構成された本発明の高速流動層装
置は次のように作用する。

先ず主流動化ガス吹出し管６の先端の開口部か
ら、所定の反応用気体を上昇管１の下部に供給
し、次いで粒子フイード口９より所定量の粒子を
供給して、上昇管１、沈降室２、下降管３、傾斜
管５及び合流部１２からなる回路に粒子を循環さ
せる。

次いで粒子フイード口９より供給される粒子の
量及び主流動化ガス吹出し管６よりの供給ガスの
種類及びガス量を夫々運転目的に応じて選定し、
所定の条件に調整する。

この際、上記循環回路は公知の手段により加熱
及び保温がなされる（図示せず）。

このようにして上昇管１内に高速流動層が形成
され、粒子とガスの混合相は上昇管１を上昇する
間に主要な反応を行なう。

次いで固気混合相は沈降室２に放出され、ここ
で粗粒が分離され、残余の微粒とガスを含む混合
相は、サイクロン分離器４に送られ、ここで微粒
と反応済みガスに分離され、微粒はサイクロン分
離器の下部を流下して、下降管３内の粗粒に合流
し、残余の反応済みガスは循環するか、或は系外
に取り出されて別途処理される。

一方、沈降室２で分離された粗粒は、下降管３
及び傾斜管５内を流下し、次いで合流部１２に到
達し、主流動化ガス吹出し管６より供給される流
動化ガスにより、上昇管１内に噴射され、これを
繰り返して粒子は回路を循環して所定の反応が行
われる。

このような粒子循環回路に、例えば粒子として
所定粒度の砂鉄を、また反応ガスとしてCOガス
を用いることにより、還元鉄が反応物抜出し口１
０から回収され、反応済みガスとしてCO₂ガスは
サイクロン分離器４の上部に排出される。

上記、本発明において、上昇管１と傾斜管５は
夫々の軸線が30±10゜、好ましくは30゜の角度をな
すよう合流部１２において接続する。これにより
傾斜管内を下降する際の粒子と、管内壁との摩擦
抵抗を減少させ、粒子の流下を容易にする。

この角度θが40゜超では傾斜管５の底壁に対す
る粒子の拘束力が増し、粒子の下降が阻害され
る。また角度θが20゜未満では、傾斜管５から合
流部１２へ粒子が急激に方向変換するため、曲が
りによる粒子と管壁との摩擦抵抗が増大して、粒
子の移動が阻害される。

以上の理由から本発明では傾斜管５と上昇管１
の夫々の軸線が30±10゜の角度をなすように合流
させ、これにより高速流動回路に粒子の高循環量
が得られるようにする。

また、傾斜管５と上昇管１の合流部１２は、そ
の横断面積が上昇管の横断面積の１〜５倍になる
ようにし、且つこの合流部１２の上端と上昇管１
の下端とを滑らかに接続する。

ここで合流部１２の断面積が上昇管１の断面積
の１倍未満であると、傾斜管５及び合流部１２を
移動する粒子が、これらの管内管との摩擦抵抗に
より、その移動を阻害され、従つて高循環量が得
られず、流動層は希薄となり反応の進行が遅くな
る。

また、合流部１２の断面積が上昇管１の断面積
の５倍超では、粒子の総合的な流体抵抗は減少す
るが、反面粒子の滞留量が過大となり、反応の均
一性及びエネルギー消費の面から好ましくなく、
また圧力変動が大きくなり安定的操業ができなく
なる。

更に上記と同様の理由から、下降管３及び傾斜
管５の夫々の管径は、これらの管の断面積が上昇
管１の断面積の１〜５倍となるように選択する。
これにより、下降管３及び傾斜管５内の粒子が、
これらの管内を下降する際の粒子の移動を容易に
する。

更に、本発明では、上昇管１の下方に設けた主
流動化ガス吹出し管６を、合流部１２を貫通させ
て合流部上端１３の付近に開口させる。

これにより合流部１２内の粒子は、主流動化ガ
スの噴射による吸引効果を受けて、上昇管１内へ
の輸送が促進される。この際、合流部１２の下部
のガス吹出し口７から、合流部における流動化開
始速度（U_nf）の１〜２倍となる量のガスを供給
して、合流部１２内の粒子を流動化し、主流動化
ガスによる上昇管１への粒子輸送を促進する。

このガス量がU_nfの１倍以下では合流部の粒子
を流動させる効果が薄く、またこのガス量が２倍
以上では合流部における粒子の流動には好結果を
もたらすが、一方に傾斜管５から合流部１２への
粒子の下降を阻害して好ましくない。

このような理由から合流部下部のガス吹出し口
７に供給するガス量は、合流部におけるU_nfの１
〜２倍とする。

更に、傾斜管５には、合流部１２に近い位置の
ガス吹出し口８から、傾斜管におけるU_nfの３倍
以下となる量を供給し、これにより傾斜管５内を
移動する粒子を流動化し、ステイツク−スリツプ
フロー現象として知られる粒子の脈動を伴う下降
速度の低下を解消する。

また、ガス吹出し口８よりのガス供給が０で
も、ガス吹出し口７からのガス供給のみで粒子は
循環し、この場合特に粒子循環量が少ない範囲で
の制御性が良好となる。

このガス吹出し口８に供給するガス量は、操業
条件により適宜調整し、このガス供給量の上限を
U_nfの３倍量とする。これ以上の量では傾斜管
５、更に下降管３における粒子の下降を阻害して
好ましくない。

このように傾斜管５の下方にガスを連続的に供
給することにより、管内の粒子の下降速度を高め
て、系内の粒子循環量を増加させる。

本発明は上記の機能を有する各部材を組合わ
せ、これらの相乗効果により、機械的な可動部分
がなく且つ制御性がよく、低温から高温迄の広範
囲に亘り、高循環量の得られる高速流動層を実現
するものである。

実施例 １ 流動層のライザー部を40A（内径38.4mm）高さ
３ｍ、ダウンカマーと傾斜管を65A（内径70.3
mm）、傾斜管の傾斜角度30゜の本発明の装置を用
い、ニユージーランド産の砂鉄（_p＝0.16mm、ρ_s
＝4730Kg/m³）を20Kg用い、温度900℃で、流動層
の空塔ガス線速7.8ｍの場合に、流動層最下部か
らのガス量を54H/Hrと一定にし、開口部下端
から約15cmの位置に配設した内径16.7mmのガス吹
込管８からの傾斜管へのガス量を32、40、54、
108N/Hrと変化させた。

その結果、第３図に示したように、流動層断面
積基準の砂鉄の循環量は225、320、390、520Kg/
m²．ｓとなつた。

尚 _p：平均粒子径 ρ_s：粒子の真密度 実施例 ２ 例１と同一の本発明の装置を使い、α−アルミ
ナ粒子（_p＝0.21mm、ρ_s＝3970Kg/m³）を17Kgを
使つて、温度900℃で流動層の空塔ガス線速6.9
ｍ／ｓの場合に、流動層最下部からのガス量を71N
／Ｈｒもしくは142N/Hrで一定にし、傾斜管
へのガス量を30、52、72、107、145N/Hrと変
化させた。

流動層断面積基準のα−アルミナ粒子の循環量
は、流動層下部からのガス量が71N/Hrの場合
第４図に示したように40、62、95、135、200Kg/
m²．ｓとなつた。また、流動層下部からのガス量
が142N/Hrの場合も同様の効果が認められた。

実施例 ３ 実施例１と同様の装置構成を持ち、合流部断面
積及び傾斜管角度を変更した場合の粒子循環量へ
の影響をみた。

第５図、第６図にその結果を示したが、前記砂
鉄およびα−アルミナ粒子ともに、流動層のガス
流速及びガス吹込み管７および８からのガス流量
が一定の条件のもとでは、傾斜管角度が20゜未満
もしくは40゜以上では粒子循環量が低下した。

また、合流部横断面積の上昇管断面積に対する
比が１未満では粒子循環量が低下し、上昇管内の
空〓率が増加し反応の進行が極端に遅くなり、５
超では流動層圧力変動が大きくなり、安定的な操
業が不可能となつた。

〔発明の効果〕

本発明は、高温の粉粒体を循環させる循環流動
層において、機械的な要素の無い耐久性に優れる
装置を開発したものである。

また、簡単な構造にも拘らず、粒子の高循環量
が得られ、しかも循環量の制御性が良く、実用上
極めて有用である。

本発明により粒子循環量を200Kg/m²．ｓ以上、
粉鉱石の場合は、520Kg/m²．ｓ以上の粒子循環量
の実現が可能となつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全体組立説明図、第２図ａ，
ｂは本発明の合流部の拡大説明図、第３図、第４
図は本発明において、夫々、砂鉄及びα−アルミ
ナ粒子を用いた場合の粒子循環速度と傾斜管への
ガス吹込み量との関係図表、第５図は傾斜管角度
と粒子循環量の関係図表、第６図は合流部断面積
と上昇管断面積の比と、空〓率及び圧力変動との
関係を示した図表、第７図及び第８図は夫々従来
例の組立説明図である。 １…上昇管、２…沈降室、３…下降管、４…サ
イクロン分離器、５…傾斜管、６…主流動化ガス
吹出し管、７…ガス吹出し口、８…ガス吹出し
口、９…粒子フイードロ、１０…反応物抜き出し
口、１１…下降管と傾斜管接続部、１２…上昇管
と傾斜管の合流部、１３…合流部上面、１４…ニ
ユーマチツクバルブ、１５…バタフライ弁、１６
…Ｕ字管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 上昇管、固気分離室、下降管、傾斜管からな
   る回路に高温粒子を循環させ、上昇管内に高速流
   動層を形成させる循環流動層において、上昇管の
   垂直軸線に対して30±10゜の角度をもつて、傾斜
   管を上方から上昇管の下方に位置し、上昇管と同
   等以上の断面積を持つ経路でつながれている合流
   部に合流させ、該合流部の横断面積及び傾斜管と
   下降管の各管断面積を、各々上昇管の断面積の１
   〜５倍とするとともに、主流動化ガスの吹出し口
   を合流部の上方位置に開口させ、且つ、該合流部
   近傍の傾斜管及び合流部下部に、ガス吹出し口を
   設けたことを特徴とする高循環量高速流動装置。