JPH0526549B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、流体の流れに渦を巻かせる作用と分
離する作用を与えるためのサイクロン分離器
（cyclone separator）にの作動方法に関する。よ
り詳細には本発明は、その分離能力を実質的に制
限する事なく、サイクロン分離器を横断する圧力
降下の大きさを変化する方法に関する。圧力降下
を変化する事により、サイクロン（cyclone）は
更に耐侵蝕渦バルブとして作用する。

従来技術 通常のサイクロン分離器は、安定された概略鉛
直な渦を形成する為に、粒子が浮遊しているガス
状流体又は液状流体の接線方向の流入を受け入れ
るために配置されており、その結果、分離された
固体粒子又は液体粒子は半径方向外方及び渦安定
器（vortex stabilizer）を超えて下方に移動され
る事によつて分離され、該渦安定器は渦の自然の
変更点において、又は幾分下方に位置されてい
る。渦安定器のその様な位置は、分離された粒子
上に下方及び外方の適当な排出力を維持する為に
必要であるべき事が考慮されている。

本出願人が気づいた限りでは、サイクロン分離
器において粒子を含む流体を流入し且つ処理する
間、オンラインの変化（online changes）を渦の
鉛直方向の長さにおいて行なう事が出来、流入す
る流れが提供さる速度又は圧力を最初に終結する
事或は変化する事を伴わない旨が、以前において
は認識されていない。本出願人は、渦安定器の上
方への動きにより渦の長さを短くした場合に、そ
の結果は主としてサイクロンを横断する圧力降下
における増加である事を発見した。増加した圧力
降下は流入する流れにおいて背圧を増加させ、一
方、浮遊粒子が分離される効率においては僅かな
減少のみを生ずる。

発明の構成 それ故に本発明は、石炭のガス化方法の実施の
際に、複数のサイクロン分離器の各々が、浮遊し
ている未反応石炭及び／又はフライアツシユ粒子
の密度とは異なつた密度を有する石炭のガス化工
程からの清浄な再循環ガス流中に該粒子浮遊物を
含むガス流の一部を受け入れる様に並列に接続さ
れた複数のサイクロン分離器を作動させるにあた
り、 シリンダ状で且つ鉛直の渦チヤンバと、 未反応石炭及び／又はフライアツシユ粒子を含む
ガス流を前記チヤンバの上部に接線方向に流入さ
せたときに、流入ガス流中の密度の小さいガス成
分に比較して密度の一層大きい未反応石炭及び／
又はフライアツシユ成分を半径方向外方に且つ下
方に移動させるような渦を形成できるガス流流動
手段と、 前記密度の大きな成分を含んでいないガス流を
流出させるために前記チヤンバの頂部又はその近
傍に設けられた密度の大きな成分を含んでいない
ガス流の出口と、 前記の密度の大きな成分に富むガス流を排出さ
せるために、前記チヤンバの反対側の末端または
その近傍に設けられた密度の大きな成分に富むガ
ス流の出口と、 前記のチヤンバ内の前記の渦を安定化できる位
置に移動自在に配置された中間配置渦安定装置を
有する少なくとも１つのサイクロン分離器を接続
させる事を包含するサイクロン分離器の作動方法
において、 前記の渦安定装置を前記チヤンバの頂部又はそ
の近傍の前記ガス流の出口の方に向かつて又はそ
こから遠ざかるように移動させるための、さらに
また、前記の安定装置と、前記のチヤンバの頂部
又はその近傍に配置された密度の大きな成分を含
んでいないガス流の前記出口との間の距離を調節
するための、外側から制御可能な操作手段 を有する少なくとも１つのサイクロン分離器を、
前記の並列に接続された複数のサイクロン分離器
のうちの少なくとも１つとして接続し、 前記並列に接続されたサイクロン分離器の各々
に存在する少なくともつのガス流流出開口を通過
する該流体の流出速度が、前記並列に接続された
サイクロン分離器のうちのその他のものの少なく
とも１つの該流体流出速度と実質的に等しくなる
ような位置に、前記並列に接続されたサイクロン
分離器の少なくとも１つ内部にて少なくとも１つ
の移動可能渦安定装置を移動させる事を特徴とす
る、石炭のガス化方法の実施の際のサイクロンの
作動方法に関するものである。

本発明方法によれば、前記の流体（すなわち石
炭のガス化工程からの清浄な再循環ガス流）内
に、流体の密度とは異なる密度の粒子（すなわち
未反応石炭及び／又はフライアツシユ粒子）から
なる浮遊物を分散状態で含む流れから、流れの中
の成分すわち前記の粒子状浮遊物を分離でき、且
つ流れを制御できる。浮遊物は概略シリンダダ状
をし且つ鉛直のチヤンバの上方部分内に流れ、該
チヤンバ内には渦安定器が移動可能に取り付けら
れ、その結果、渦は渦安定器の上方に形成され、
そして浮遊物の大部分の高密度成分は密度の小さ
な成分に比較して半径方向外方及び下方に移動さ
れる。より密度の高い成分を含んでいない流体
は、頂部における又はその近傍の出口を介してチ
ヤンバの外へ流れ、一方、密度の高い成物を豊富
に含んだ流体は、底部における又はその近傍の開
口を介して流出する。渦安定器を移動する事によ
りもたらされる変化を除いて、チヤンバ内への又
はその外方への流体の流れにおける如何なる変化
を要とする事無く、垂直分離器を上方出口に向け
て又は上方出口から遠ざける事により、前記チヤ
ンバを横断する圧力降下は増加し又は減少し、そ
して上方及び下方の出口を介して流出する流体の
比率は変更される。

本発明は、サイクロン分離器中で分離が可能
な、実質的に如何なる浮遊物の取り扱いについて
も適用可能である。浮遊している粒子は固体、液
体又は気体であり得て、そして粒子を浮遊させて
いる流体は、流体の内部に粒子が散乱されており
さえすれば気体又は液体であり得、該流体は異な
つた相より成つており、且つ粒子の密度とは異な
つた密度を有している。

本発明は以下の様な効果を奏する。

(1)移動可能な渦安定器の鉛直方向の調節によ
り、分離器が流れ上にある間にサイクロン分離器
の分離性能を最適化出来る、(2)各々の分離器を通
る流れを等しくする為、又は個々の分離器を通る
流れを等しくする為、又は個々の分離器を通る流
れを終結し又は減ずる為、マニホールドを介して
並列に接続された複数のサイクロン分離器を介し
ての圧力降下を簡単に調整出来る、(3)如何なる下
流バルブを伴う事なく流体の流れを終結する為
に、サイクロン分離器出口からの流出は同じ様に
完全に閉鎖され得る、(4)移動可能に取り付けられ
た渦安定器は分離器を去出する流体の量を制御す
る為に調節する事が出来、該流体は高密度の成分
を豊富に含むか又は含まないのか何れかであり、
(5)本発明のサイクロン分離器はガス又は液体の再
成流れを制御するのに特に有益であり、該流れは
固体粒子を比較的豊富に含むか又は含まず、該固
体粒子は磨耗し易く、そして該粒子が散乱してい
るガス又は液体よりも密度が高いか或いは低い。

サイクロン分離器は異なつた密度の相を分離す
る為に、限定された高速の渦における遠心力を使
用する。渦の強さと安定性が、サイクロンの分離
能力と耐浸蝕性を決定する事において、第一に重
要である。サイクロンの信頼性、分離能率及び耐
蝕性の改良が極めて重要であるから、浸蝕が少な
く且つ性能の良好なサイクロンの開発の為に種々
の研究が行われた。特に、研究はサイクロン内部
について為され、該内部には渦を安定にする装置
が包含されている。

「安定」という語は、渦をサイクロンの中央部
に保持し、且つ乱流エネルギの放散を減ずる装置
に用いられる。

多数のサイクロン流、速度、音響、及び圧力降
下の実験が通常の場合と同様な周囲条件において
実行された。これ等の実験の大部分は、直径
0.5mの接線方向（tangential）入口サイクロンを
伴つて行なわれて、該サイクロンは第２段階
FCC市販サイクロン（second atage FCC
commercial cyclone）の0.31倍のスケールのプ
レキシグラス（PLEXIGLAS：登録商標）の模
型である。模型のスケールは、同じ入口速度
（25m／sec）において実際の流体クラツキング触
媒（fluid cracking catalyst：FCC）サイクロン
のレイノルズ数及びストローハル数を相似化
（aimnlate）する事によつて選択される。模型は
種々の構造の渦安定器を伴い及び伴わずにテスト
される。壁の粗さは10メツシユ（10mesh）によ
り相似化され、0.11cm「厚さ」のワイヤスクリー
ン（0.11cm“thick”wire screen）がサイクロン
の内壁に密接に適合されている。この模型は、そ
れが特に高性能設計であるという事を除いて、最
近の接触分解ユニツトにおいて用いられるサイク
ロンの典型的なものである。その様な設計の区別
されている特徴は、大きな入口対出口面積比、狭
い入口、及び長いサイクロン本体である。

基本的なサイクロンの多くの変形が、サイクロ
ン内の渦作用におけるホツパーの形状寸法、安定
器の形状寸法、及び壁の粗さの影響を決定する為
に試験される。

総ての実験は主たる流れとして空気を使用した
（ガス状の炭化水素を相似化する為である）。空気
は３台の300kWの送風機により供給され、該送
風機は標準１m³／secの全体の能力を有している。
大部分の実験は、117kPaにおいて約0.6m³／sec
で行なわれていた。この流量は17ｍ／secの入口
速度に対応する。この流量において、出口チユー
ブ直径に基づくレイノルズ数 （Re_z＝〓_gW_i〓_i／〓）は約2.8×10⁵である。その
様な高いレイノルズ数においては、速度分布
（velocity profile）は本質的に流量と独立であ
り、それ故に実際の流量は幾分変化する事が許容
されるが、しかし総ての測定値は110−130kPa，
16−29℃で、0.5m³／sec以上の流量にて得られ
た。比較のため、速度分布は総て17m／secの入
口速度に調整された。

サイクロンは大きな半径方向圧力勾配により特
徴付けられており、該圧力勾配は渦を巻いている
流れにおける遠心力と平衡している。それ故に、
渦の中心部、又は核においては比較的真空となつ
ている。この低圧力コアは多分どの様な近接表面
についても「吸引」をするであろうし、従つて渦
の付属物を該表面に対して安定させている。

渦安定器装置は、渦の不安定な作動を押制する
為に、模型のサイクロン内に位置された。

垂直方向のピン又は渦フアインダーが、渦の横
方向歳差運動を制限し且つ中心へ寄せる為に、安
定器へ付加され得る。直径0.6cmの安定器ピンは、
テストのサイクロンにおける渦歳差運動を制限す
るには不十分である事が発見された。より大きな
ピンが渦を中心へ寄せる為に用いられた場合に、
渦安定器はより効果的である。直径1.9cmのロツ
ドが試験され、より良い結果を伴つた。

数種のタイプの渦安定器装置が試験され、異な
つた結果を伴つた。大体、平らなプレート又は円
形のデイスクは満足すべきものである事が発見さ
れた。渦安定器装置の直径は、少なくとも１つの
渦出口チユーブ直径ぐらいでなければならない。
市販モデルにおける安定器の最大直径は主として
重量の限界により設定され、そして触媒が下方へ
流れる事を許容し一方上方向に抜出ガス （stripping gas）が同時に通過する事を許容
するのに十分に大きな環部を、安定器の周囲部と
容器壁との間に提供する事によつてのみ制限され
る。

渦フアインダーはサイクロン性能に対し臨界的
なものではなく、渦安定器装置に設けられるので
はなくて、該渦安定器は渦出口から短い距離、即
ち少なくとも渦出口チユーブ直径の約２−３倍、
に位置している。しかしながら、もし渦フアイン
ダーがより大きな距離、例えば渦出口チユーブ直
径の５−８倍、において位置されているならば、
渦安定器装置が渦フアインダーを包含する事が好
ましい。好ましくは、その様な渦フアインダーは
渦長さの約1/3以上である。

空気力学に基づいて、渦の安定は分離効率を増
加する事について望ましいものであり、一方、圧
力損失及び浸蝕の双方を最小化する。渦安定器
は、ピーク渦巻速度が大いに増加されたとして
も、模型のサイクロンを横断する圧力降下を10−
15％減少する。増加する渦巻速度は通常殆どが圧
力損失を増加するので、この作用はサイクロンに
おいて例外的ものである。圧力降下が減少するに
つれて、渦安定器はサイクロンにおける乱流エネ
ルギー消散を減ずる様に思われる。

テストルーブ（test loop）は、第１図中に示
す様にプレキシグラス（PLEXIGLAS：登録商
標）で構成さている。触媒が８cm×4.3m立上が
り管10の底部に入り、そして同心状の0.04mノズ
ル１１を介して侵入する空気により搬送される。

立上がり管を横断する差圧（〓Ｐ）１２は、正
確には測定されていないが、しかし0.25KPaのオ
ーダーである。1.8〜2.9Nm³の空気流量が立上が
り管１０において用いられた。これ等の流量は、
立上がり管における表面速度7.2〜11.5m／secに
相当する。空気の流量の測定量はロタメーターを
介したものである。立ち上がり管内の触媒流量は
２Kg／分から９Kg／分まで変化された。固体の流
量の制御は、触媒保持タンク１５と立上がり管１
０との間の直径0.076mの立て管（stamndpipe）
１４にピンチクランプ（pinch clamp）１３をセ
ツトする事によつて為された。触媒の流量は、ス
トリツパーサイクロン（stripper cyclone）１７
と触媒保持タンク１５との間のピンチクランプ１
６を閉鎖し、且つストリツパーサイクロン本体内
でレベルが増加する速度を測定する事によつて測
定される。この測定のため、空気はストリツパー
サイクロン１７へ向けられて、そして0.8g／cm³の
触媒密度が仮定された。

立上がり管１０の頂部において、直角転換部１
８と変移部１９とが設けられ、該変移部は
0.076mパイプから高さ0.152m×幅0.04mの長方形
状をした接線状のサイクロン入口（58×10^-4m²）
３１につながつている。サイクロン入口における
ガス速度は5.2〜8.4m／secへ変化する。

ガスはストリツパーサイクロン１７から
0.076mパイプ２０を介して出て行く。第２のサ
イクロン２１がストリツパーサイクロン頂上部か
ら触媒を収集する。ペーパーフイルタ２２は清浄
なガスが大気へ通過する事を許容し、且つ第２の
サイクロンから抜け出た触媒を捕獲する事を許容
する。

触媒はストリツパーサイクロン１７から立て管
２３を介して出て行く。ピンチクランプ１６は、
ストリツパーサイクロン１７の底部における触媒
レベルを制御する為に用いられる。ストリツパー
サイクロン１７の下部の触媒保持タンク１５は貯
蔵部も提供し、該貯蔵部は0.076m立て管１４を
介して立上がり管に（触媒を）供給する。

ストリツパーサイクロン１７の詳細な図解立面
図が第２図において示されている。サイクロン区
域２４は内径（ID）0.142mのパイプから製造さ
れ、渦フアインダ（vortex finder）２５及び清
浄ガス出口パイプ２０の底部から選択された距離
に位置した渦安定器（vortex stabilzer）２６を
包含している。ストリツプ区域（stripping
zone）２７も同様に内径0.142mのパイプから製
造された。清浄ガス出口２０は厚さ0.3cmの壁の
厚さを有する内径0.076mのパイプであり、渦誘
導区域（swirl−inducing zone）３０を介してサ
イクロン区域２４の頂部に向けて７インチ延びて
いる。触媒又は分離された成分の出口２３は内径
0.076mのパイプである。粒子を包含したガスは、
接線状の入口（tangential inlet）３１を介して
渦誘導区域３０に入つてくる。

渦安定器２６は直径10.2cmであり（大部分のテ
ストについて）、縁部において厚さ1.2cmであり且
つ中央部において厚さ2.5cmである。渦フアイン
ダー２５は長さ6.4cmであり、基部において直径
1.27cmであつて且つ頂部において直径0.635cmで
ある。

図中に示す実施例において、渦安定器２６には
案内チユーブ３６を囲むスカートチユーブ
（skirt tube）３５が設けられている。チユーブ
３５と３６の間の流体の流れを防止する為、シー
ルリング３７が配置されている。渦安定器２６
は、ラツク及びピニオン駆動歯車装置３８によ
り、鉛直方向に移動可能である。駆動歯車軸はベ
アリング３９により支持され、シールリング３７
により囲まれ、そしてハンドル又は駆動装置４０
が設けられており、該駆動装置はサイクロン分離
器の外側の位置から操作出来る。

例 固体粒子のガス状浮遊物（gaseous
suspension）を使用し、それ等が図示されたタイ
プの装置内に導通する様なテストでは、渦の位置
におけるサイクロン分離器を横断する圧力降下で
あつて、上方の、粒子を含まない流体の出口に関
する圧力降下への依存性が明示された。テストに
おいては、サイクロン分離器は直径51cmの渦区域
を有し、渦の長さは91cmと43cmの間を変化した。
粒子の浮遊物（suspension of particle）は117パ
スカルゲージ（pa gauge）の入口圧力にて流入
された。91cmの渦長さの場合、入口開口から粒子
を含まない流体の出口開口までの圧力降下は
21Paであり、そして入口から粒子を豊富に含む
流体の出口までの圧力降下は12Paである。渦長
さが43cmの場合には、粒子を豊富に含む流体の出
口までの圧力降下は以前として12Pa以上である
けれども、入口から粒子を含まない流体の出口ま
での圧力降下は72Paに増加した。それ等のテス
トにおいて、たとえ粒子を豊富に含む流体の下層
流がサイクロン分離器内部に包含されなかつたと
しても、流れの分流（flow split）は約２のフア
クター（factor）によつて変化された。

流体の流出が無い様に粒子を豊富に含む流体の
流れがサイクロン分離器内に包含される場合にお
いて、粒子を含まない流体の出口に向かう渦安定
器の動きは、サイクロン分離器を横断する圧力降
下を流れが終結されるポイントまで増加する事が
出来る。その様な作動においては、サイクロン分
離器はバルブとして作動している。流入する流体
が、弁座を浸蝕する傾向にある浮遊した固体粒子
を包含する場合、本発明は特に有益である。図示
されたタイプのシステムにおけるテストは、ちよ
うど渦安定器が粒子を含まない流体の出口をなめ
らかに閉鎖する場合に、サイクロン分離器内の渦
安定器における磨耗はたとえあつたとしても少な
い事を示した。これは、磨耗を生じ得る粒子はサ
イクロン作用（cyclonic action）により半径方
向外方へ連続的に放出され、その結果、渦安定器
の表面又は粒子を含まない流体の出口に隣接する
縁部に沿つて流れる流体は実質的にその様な粒体
を含まなくなるもののみとなる事に基づく。

石炭ガス化方法において、未反応石炭の浮遊粒
子及び／又はフライアツシユを包含する生成され
たガスは、清浄な再生ガスの流れにより該生成ガ
スを薄める事により望ましく冷却される。本サイ
クロン分離器は、その様な作動を制御するための
耐浸蝕バルブとして用いることについて特に良く
適合している。大部分のバルブは、石炭ガス化に
ついて通常用いられる上昇された圧力及び温度に
おいて、浮遊個体によりひどく浸蝕される傾向が
ある。本サイクロン分離器については、固体を含
む反応生成物は接線方向に流され得て、混合して
いる固体は、それ等が一般のサイクロンにおける
のと同じ様に外側を回る。しかし、本システムに
ついては、上方の出口を通過する比較的清浄な再
生ガスの流れは渦安定器を単に鉛直方向に動かす
事により制御出来、渦バルブ（vortex valve）
として作用するサイクロン分離器を生じ、一方、
粒子を豊富に含んだガス流において混合された固
体が下方及び外へ運ばれる事を生ずる。

接解分解及び種々のその他の製造プロセスにお
いて一般的である様な、大量のガス中に浮遊して
いる大量の固体粒子が分離されるべき場合では、
複数のサイクロン分離器がしばしば並列に作動さ
れ、各々の分離器はマニホールドからの固体を含
んだ流れの一部を受け入れる為に接続されてお
り、分離された固体は共通のホツパー内へ排出さ
れる。例えば、８個のサイクロン分離器について
は、再生器（regenerator）からの触媒を含んだ
送気管ガスを受け入れる為に一緒のマニホールド
にされる事が一般的である。その様な作動におい
ては、総てのサイクロンに等しく供給する事が困
難であり、且つ該サイクロンの幾つかから収集さ
れた固体はホツパーを通過して流れてしまい、そ
してその他のサイクロンを通過して流れる送気管
ガス内に戻つてしまう傾向がある。しかしなが
ら、本サイクロン分離器を使用した場合は、並列
に作動している複数の分離器間の流れの分流を制
御する為に、作動を中断する事なく渦安定器を調
節出来る。

一般に、本発明は固体、液体又はガス状の粒子
を分離するのに有為であり、該粒子はその粒子と
は異なる密度を有するガス状の又は液体の流体中
に散乱されている。本方法は、粒子を含まない流
体または粒子を豊富に含む流体の何れかの下層流
及び上層流の間の流れを制御する為に用いられ得
る。特に、下層流が分離器の渦チヤンバ
（vortex chamber）下方のチヤンバ内に包含さ
れる状態において、本発明は、サイクロン分離器
を通しての圧力降下を変える事により又は磨耗に
よるどの様な実質的な浸蝕をも防止する態様で流
れを終結させる事により、磨耗をさせる粒子を含
んだ流体の流れを制御するためのバブル手段とし
て利用する事が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用される装置を試験するの
に用いられるテストループの図解的な立面図、第
２図は本発明に使用されるサイクロン分離器の１
つの実施例の図解的な立面図である。 １０……立上がり管、１３，１６……ピンチク
ランプ、１４，２３……立て管、１５……触媒保
持タンク、１７，２１……サイクロン、２０……
出口パイプ、２３……触媒出口、２５……渦フア
インダー、２６……渦安定器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 石炭のガス化方法の実施の際に、複数のサイ
   クロン分離器の各々が、浮遊している未反応石炭
   及び／又はフライアツシユ粒子の密度とは異なつ
   た密度を有する石炭のガス化工程からの清浄な再
   循環ガス流中に該粒子浮遊物を含むガス流の一部
   を受け入れる様に並列に接続された複数のサイク
   ロン分離器を作動させるにあたり、 シリンダ状で且つ鉛直の渦チヤンバと、 未反応石炭及び／又はフライアツシユ粒子を含
   むガス流を前記チヤンバの上部に接線方向に流入
   させたときに、流入ガス流中の密度の小さいガス
   成分に比較して密度の一層大きい未反応石炭及
   び／又はフライアツシユ成分を半径方向外方に且
   つ下方に移動させるような渦を形成できるガス流
   流動手段と、 前記密度の大きな成分を含んでいないガス流を
   流出させるために前記チヤンバの頂部又はその近
   傍に設けられた密度の大きな成分を含んでいない
   ガス流の出口と、 前記の密度の大きな成分に富むガス流を排出さ
   せるために、前記チヤンバの反対側の末端または
   その近傍に設けられた密度の大きな成分に富むガ
   ス流の出口と、 前記チヤンバ内の前記の渦を安定化できる位置
   に移動自在に配置された中間配置渦安定装置を有
   する少なくとも１つのサイクロン分離器を接続さ
   せる事を包含するサイクロン分離器の作動方法に
   おいて、 前記の渦安定装置を前記チヤンバの頂部又はそ
   の近傍の前記ガス流の出口の方に向かつて又はそ
   こから遠ざかるように移動させるための、さらに
   また、前記の安定装置と、前記のチヤンバの頂部
   又はその近傍に配置された密度の大きな成分を含
   んでいないガス流の前記出口との間の距離を調節
   するための、外側から制御可能な操作手段 を有する少なくとも１つのサイクロン分離器を、 前記の並列に接続された複数のサイクロン分離器
   のうちの少なくとも１つとして接続し、 前記並列に接続されたサイクロン分離器の各々
   に存在する少なくとも１つのガス流流出開口を通
   過する該流体の流出速度が、前記並列に接続され
   たサイクロン分離器のうちのその他のものの少な
   くとも１つの該流体流出速度と実質的に等しくな
   るような位置に、前記並列に接続されたサイクロ
   ン分離器の少くとも１つの内部にて少なくとも１
   つの移動可能渦安定装置を移動させる事を特徴と
   する、石炭のガス化方法の実施の際のサイクロン
   の作動方法。