JPH0682055B2 - 流動床反応器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、流動床反応器に関し、より詳しくは、反応器
の流動床への空気流の流速を測定するようにした流動床
反応器に関する。

〈従来の技術〉 蒸気発生器、燃焼器及びガス化器を備えた流動床反応器
は周知である。この構成において、空気は、化石燃料例
えば石炭と石炭の燃焼の結果として発生する硫黄の吸着
剤とを含む粒状物質の床を支持する孔あけ板等を通過
し、床を流動化し、比較的低温において燃料の燃焼を助
長する。蒸気発生器の場合のように、流動床によって発
生した熱を利用して水を水蒸気に変換する場合、流動床
方式は、高熱の放出、硫黄の高吸収、窒素酸化物の低放
出及び燃料の変通性の好ましい組合せを提供する。

最も典型的な流動床燃焼方式は、粒状物質の床を空気分
配板によって支持するもので、普通バブリング流動床と
呼ばれている。燃焼支持空気は、空気分配板の複数の穿
孔を経て、粒状物質の床に導かれ、粒状物質を膨張さ
せ、浮遊状又は流動状とする。反応器が蒸気発生器の形
である場合、反応器の壁部は、複数の熱交換管によって
形成される。流動床中の燃焼によって発生した熱は、管
中において循環される熱交換媒体例えば水に伝達され
る。熱交換管は、このようにして形成されて発電のため
にタービンに向けられるか又は水蒸気のユーザーに向け
られる蒸気から水を分離するために蒸気ドラムを含む自
然水循環回路に通常連結されている。

バブリング床によって与えられる燃焼効率の向上と公害
物質の放出制御並びに操業の効率低下の改善のために、
高速の又は循環される流動床を利用する流動床反応器が
開発された。この技術によれば、バブリング流動床にお
いての通常の値である固形物30容積％よりも十分に低
い、５〜20容積％の流動床の密度が実現される。低密度
の循環流動床の形成は、粒径が小さく、固形物の通過量
が大であることに起因し、それには、固形物の再循環を
速くすることが必要となる。循環動床の速度範囲は、固
形物の終速又は自由落下速度と、それ以上では床が空圧
搬送ラインに変えられるような通過量の関数としての速
度との間にある。

循環流動床において必要とされる固形物の高循環によ
り、燃料熱放出パターンに対して不感応性となり、従っ
て燃焼器又はガス化器中の温度の変動を最小となるの
で、窒素酸化物の生成量が減少する。また、固形物の高
負荷は、固形物の再循環のために固形物からガスを分離
するために用いられる機械的装置の効率を改善する。そ
れによって、硫黄の吸着及び燃料の滞留時間が増大する
ので、吸着剤と燃料との消費が減少する。更に、循環流
動床の効率は、バブリング流動床よりも本来大きくな
る。

バブリング流動床反応器においても、循環流動床反応器
においても、粒状物質の床は、空気分配板によって支持
される。空気プレナムは、空気分配板の下方に配され、
空気プレナムは、循環装置例えばファンから空気を受け
る。燃焼支持空気は、空気プレナムから空気分配板の開
口又は穿孔を経て導かれ、粒状物質を流動化する。粒状
物質の床への空気の流量が床の流動状態を保つに足るよ
うにし、また循環流動床の場合には、確実に床が空圧搬
送ラインに変換されないようにするために、床への空気
流の流量を測定することがたいせつである。しかし粒状
物質の床への空気流量を測定するための従来の測定方法
には、多くの不具合が存在している。一例として、従来
の１つの方法によれば、ファンとプレナムとの間の配管
の長い区画にオリフィス板又はベンチュリを配設するこ
とが必要となるため、小形の反応器の設計が不可能とな
り、従来の別の方法によれば、ホットワイヤアネモメー
ター又はハニカム装置を用いることが必要となるため、
反応器の資本コスト及び運転コストが非常に高価とな
る。

〈発明が解決しようとする課題〉 従って本発明の１つの目的は、比較的小型の流動床反応
器を提供することにある。

本発明の別の目的は、反応器の粒状物質の床への空気流
の流速を正確に測定するようにした、冒頭に述べた形式
の流動床反応器を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、粒状物質の床に空気を供給す
るプレナム中の圧力と、このプレナムから床に空気を分
配するノズル中の圧力との差を定めることによって、粒
状物質の床への空気流の流速を測定するようにした、冒
頭に述べた形式の流動床反応器を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、ノズルの入口にオリフィス板
を配設し、このオリフィス板の下流側のノズルに形成し
た開口を経てノズル中の圧力を測定するようにした、冒
頭に述べた形式の反応器を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、ベルマウス形のベンチュリブ
ロックをノズルの入口に配設し、ベンチュリブロックの
スロート部分に形成した開口を経てベンチュリ中の圧力
を測定するるようにした、冒頭に述べた形式の流動床反
応器を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、ノズルの入口の下流側のノズ
ルの直径の少くとも５倍のところの箇所においてノズル
に形成した開口を経て、ノズル中の圧力を測定するよう
にした、冒頭に述べた形式の反応器を提供することにあ
る。

本発明の更に別の目的は、統計的に有意な数のノズル中
において圧力を測定するようにした、冒頭に述べた形式
の流動床反応器を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、粒状物質の床への空気流の流
量が、最小の配管系のスペースにおいて、余分の配管系
を必要とすることなく効率的に得られるようにした、冒
頭に述べた形式の流動床反応器を提供することにある。

〈課題を解決するための手段〉 これらの目的のため、本発明によれば、炉部及び熱回収
部を形成する手段と、燃料を含む固体粒状物質の床を支
持するための該炉部中の支持手段と、該炉部の下方に配
された空気プレナム手段と、該粒状物質を流動化し且つ
該燃料の燃焼又はガス化を支持するに足る速度で該空気
プレナム手段から該床に空気を導くための、少くとも一
つのノズルと、該ノズル中の空気圧力を検出するために
該ノズル内に配された第１圧力検出手段と、該空気プレ
ナム手段中の空気圧力を検出するために該空気プレナム
手段中に配された第２圧力検出手段とを有し、該第１圧
力検出手段及び第２圧力検出手段によって検出された空
気圧力の差によって該粒状物質の床への空気の流量を定
めるようにした流動床反応器が提供される。

次に本発明の好ましい実施例を図面に基づいて一層詳細
に説明する。

〈実施例〉 第１図において符号10は、一般に、流動床熱交換器又は
反応器（ボイラー、燃焼器その他同種の装置としてよ
い）の主要部分を形成する外囲いであり、前面壁12、後
面壁14及び２つの側部壁（図には符号16によって１つの
み示す）から成っている。外囲い10の上部は、図面を簡
略にするために図示してないが、慣用されるように対流
部と、屋根と、燃焼ガスの排出口とから成っている。

一般に符号18によって示した粒状材料床は、外囲い10の
内部に配設してあり、外囲い10を空気プレナム室22と炉
部24とに区画している孔あけした空気分配板20上に載置
されている。空気入口26は、外部の供給源（図示しな
い）からの空気を空気プレナム室22に分配するために、
空気プレナム室22と連通して後面壁14の下部を経て形成
されている。適宜の空気流調節器（図示しない）は、空
気入口26の有効開口を変更して空気プレナム室22への空
気の流量を制御するために、空気入口26に取付けること
ができる。空気流調節器は慣用の構成であり、当該技術
では周知であるため、ここでは詳述しない。

孔あけした空気分配板20は、前述したように不活性物質
と固体燃料、例えば石炭とこの固体燃料が比較的多量の
硫黄を含有する場合に、燃料の燃焼の間に生成する硫黄
を吸収するための吸収性物質とから成る粒状物質の床18
を支持するようになっている。都市の固形廃棄物の燃焼
器のように硫黄の除去が必要ではない場合には、吸収剤
の代りに不活性の砂を利用してもよい。第１図に示した
装置全体は、一例として、蒸気発生器の場合のように、
燃焼過程の間に流動化される床によって発生した熱が水
を水蒸気に変えるために利用されるようにした適宜の熱
伝達装置に組込むことができる。この点からら、壁12,1
4,16の内面には、耐火材料のライニング（図示しない）
のような適宜の断熱材を設けてもよい。

第１図を引続き参照して、孔あけした空気分配板20は、
複数の空気分配器即ちノズル28を備えており、これらの
ノズルは、分配板20に形成した複数の隔置された通し孔
を経て延長している。ノズル28は、垂直に配された管状
部材の形であり、これらの管状部材は、分配板20から上
方に、粒状物質の床18中に或る所定距離に亘って入りこ
むように延長している。ノズル28は、第１図に示すよう
に、前方から後方に向って隔だてられていると共に、壁
12,14,16及び図示しない側部壁によって囲まれる全部の
領域を網羅するように、一方の側面から他の側面にかけ
ても所定距離隔だてられている。

第１図において、各々のノズル28の下方端は、分配板20
の下面から下方に突出し、空気プレナム室22と連通して
いる。第１図において、各々のノズル28の上方端は、ノ
ズル28の直立本体部分32に対して或る鋭角に延長する排
出アーム30を備えていてもよい。

第２図には、本発明に従って粒状材料の床18への空気の
流量を定めるために、ノズル28の内部の静圧を測定する
ようにした、ノズル28の第１実施例が示されている。こ
の第１実施例によれば、ノズル28は、ノズル28の直立本
体部分32への入口に配されたオリフィス板34を備えてい
る。プレナム室22からの空気がノズル28に入ると、オリ
フィス板34からの下流側への距離と共に変化する流量プ
ロフィルが形成される。

オリフィス板34の下流側のノズル28の直立本体部分32に
は、開口36が形成してあり、この開口36中には圧力検出
装置38が挿入されている。検出ライン40は、圧力検出装
置38に取付けてあり、後述するように差圧送信器42に直
接にか、又は必要に応じてスナッバー−キャパシター44
を介して接続されている。差圧送信器42は、慣用される
ように空気プレナム室22中の圧力を検出するための検出
ライン46に接続されている。

開口36は、好ましくはオリフィス板34によって発生した
流量プロフィルが、普通の流体流原理に従って最小値に
絞られる点であるベナ・コントラクタの個所に形成す
る。また、開口36は、反応器の作動を停止させる際に逆
流によってノズル28に入るオリフィス板34上の粉塵又は
非常に微小な粒状物の堆積によって生じる圧力検出装置
38の塞止をさけるために、オリフィス板34の下流側に形
成する。圧力検出装置38の塞止は、圧力検出装置38上に
フィルター（図示しない）を付加したり、オリフィス板
34から更に下流側の箇所に圧力検出装置38を配設するこ
とによってもさけられる。

好ましくは、標本抽出誤差を最小として、粒状物質の床
18の全体の範囲に亘る空気の流量の統計的に有意な値を
供与するために、複数のノズル28において、静圧を測定
する。ノズル28ごとの流量の差異は、各々のノズル28の
入口に同一のオリフィス板34を配することによって最小
となる。複数のノズル28において圧力を測定する場合
に、各々のノズル28からの検出ライン40は、必要に応じ
て設けられるスナッバー−キャパシター44を介して導い
てもよい。スナッバー−キャパシター44は、複数のノズ
ル28からの圧力の読みを平均するものであり、その容積
は、全ての検出ライン40の容積の少くとも３倍に等しく
することが望ましい。複数の計器つきのノズルの各々の
差圧を測定し、制御方式又はモニター方式中において読
みを平均するようにしても、また個別のノズルをモニタ
ーして表示し、格子板を横切る空気流量の分布の目安を
得るようにしてもよい。

第３図には、本発明の第２実施例が示され、この実施例
において、前述の実施例のものと同一の部材は、同一の
符号によって示されている。第３図に示した実施例にお
いて、ノズル28の直立本体部分32中には、ベンチュリブ
ロック48が配設されている。ベンチュリブロック48は、
好ましくは、ベルマウス形の入口をもった固体の金属ピ
ースであるため、ベナ・コントラクタをもった流量プロ
フィルを発生させる代りに、ベンチュリブロック48のス
ロート部分に亘って一様な速度が発生する。開口36は、
ベンチュリブロック48のスロート内部のいずれかの箇所
において、ノズル28の直立本体部分32に形成される。

圧力検出装置38は、開口36に挿入され、ベンチュリブロ
ック48のスロート部分全体に亘って一様な速度が存在す
るので、圧力検出装置38によって一様で再現可能な圧力
測定値が得られる。更に、開口36は、ベルマウスの下流
側に、しかもベンチュリブロック48のスロート部分の延
長に沿って形成されているので、粒状物がその上に堆積
して圧力検出装置38を塞止する棚部分は、圧力検出用の
開口36の上流側には存在しない。最後に、ベンチュリブ
ロック48は、圧力検出装置38のためのすれた機械的強度
を与える。

圧力検出装置38は、第２図を参照して説明したように、
検出ライン40に接続されている。第２図の構成と同様
に、検出ライン40は、差圧送信器に直接に接続してもよ
いが、好ましくは、複数のノズル28中の圧力を測定し、
各々のノズル28からの検出ラインは、差圧送信器に連通
されるスナッバー−キャパシターに接続する。

第４図は、ノズル28がオリフィス板を含まないようにし
た本発明の第３実施例を示している。この例では、開口
36は、好ましくはノズル28の入り口から下流側のノズル
本体の直径の少くとも５倍に等しい点において、ノズル
28の本体部分32に形成されている。これによりノズル28
の入口において入口効果のために生じた乱流が消失し、
一様な流れが形成され、ノズル28ごとに一致した読みが
得られるので、流量の読みの不一致は最小になる。

圧力検出装置38は、開口36中に挿入され、第2,3図につ
いて前述したように接続される。

作用について説明すると、空気入口26に組合された空気
流量調節器が開放されると、空気は、空気プレナム室22
を経て上方に分配され、孔あけした空気分配板20に向っ
て流れ、ノズル28の入口端に向う。空気は次に、ノズル
28の直立本体部分32を経て垂直上方に流れた後、排出ア
ーム30から粒状物質の床18中に排出される。空気は、ほ
ぼ空気分配板20に向う方向に、床18中に排出され、粒状
物質を流動化し、ノズル28の最上部と空気分配板20の表
面との間に停滞した粒状物質の層が形成することを防止
する。

空気分配板20上に設けられた床の粒状物質は、空気プレ
ナム室22中に空気を導入する際に燃焼する。追加の燃料
及び（又は）吸収剤は、慣用される手段（図示しない）
によって導入され、燃料は床18中に配されたバーナー
（図示しない）によって着火される。燃料の燃焼が進行
するにつれて、実質的に完全燃焼を行なわせるに足る量
の追加の空気が、空気プレナム室22に導入される。

空気プレナム室22から空気分配板20を経て導入される高
圧−高速の燃焼支持空気は、粒状物質の床18を膨張させ
て浮遊状又は流動状とするに足る速度となっている。反
応器が循環流動床を使用する場合、空気は、床18の比較
的微細な粒子の自由落下速度よりも高く、比較的粗大な
粒子の自由落下速度よりも低い速度において導入され
る。

粒状物質の床18の流動状態と所望の温度とが維持される
ことを確実にするために、床18に入る空気の流速を測定
する。本発明のどの実施例においても、床18への空気の
流速は、空気プレナム室22中の静圧と少くとも１つのノ
ズル28中の静圧との差を決定することによって測定す
る。ノズル28中の空気流は、一般に30m（100フィート）
／秒以上と高速であり、空気プレナム室22中の空気流
は、停滞しているか、又は、非常に低速なため、これら
２つの箇所の間には、実質的にに静圧差が存在する。粒
状物質の床18への空気流の速度は、当業者には自明な普
通の流体力学上の計算によって、静圧差に基づいて定め
られる。

また、本発明のどの実施例においても、粒状物質の床18
の全領域について空気流の流速を表わすように統計的に
有意の平均圧力を与えるように、好ましくは複数のノズ
ル28中において圧力を測定する。第２図の実施例におい
ては、圧力の一様な測定値が確実に得られるように、各
々のノズル28中において発生した流量プロフィル中の、
好ましくは同一の個所で圧力を測定する。

本発明のどの実施例においても、ノズル28中の圧力は、
圧力検出装置38及び検出ライン40によって、差圧送信器
42に送出される。また、空気プレナム室22中の圧力も、
検出ライン46によって差圧送信器42に送出される。差圧
送信器42は、空気プレナム室22とノズル28との間の差圧
を定める。好ましくは、どの実施例においても、複数の
ノズル28においての圧力の読みは、スナッバー−キャパ
シター44に送出され、スナッバー−キャパシター44にお
いて平均される。スナッバー−キャパシター44は、圧力
の読みを平均するだけでなく、ノズル28を通る一定でな
い空気流によって生じた圧力の振動、過渡現象及び変動
を減衰させる。減衰された平均の圧力は、差圧送信器42
に送出され、そこで空気プレナム室22とスナッバー−キ
ャパシター44との間の圧力差を読み取る。

以上の説明からわかるように、床への空気流の流速を測
定するようにした本発明による流動床反応器によって、
いくつかの利点が得られる。一例として、圧力検出装置
をノズルの本体部分中に配したことによって、ダクトベ
ンチュリに組合されるかさばった配管系の必要並びに高
価なホットワイヤアネモメーター（風速計）又はハニカ
ムベンチュリグリッドの必要は除かれる。そのため、本
発明の流動床反応器によって実質的なスペース並びに設
備コストが節減される。更に、ダクトベンチュリを除い
たことによって、配管の設計上の変通性が高くなり、空
気の流量の測定精度が改善されたことによって、化学量
論的な条件の下においての床の操作が実現可能となる。

前記の各々の実施例において、圧力の読みの精度を高く
するために、典型的な床高さの低温の砂床を備えた試験
床において、ノズルの較正を行なってもよい。ノズルの
上方の床物質のチッグ／塞止作用によるノズルを通る一
定でない流量に基づく差圧の読みの動的オフセットも、
ノズル較正曲線中に含めることができる。

図には特定的に示されていないが、他の必要な付加的な
機器及び構造部分を設けてもよく、これら並びに以上に
説明した全ての部分は、完全な実際に作用する系を形成
するように、適宜の仕方で取付けられ支持される。

本発明の範囲内において、いろいろの変形が可能であ
る。例えば、炉部24に供給される燃料、前述したように
粒子状固体とする代りに、液体又は気体の形としてもよ
い。もちろも、その他のいろいろの変更も本発明明の範
囲内において随時行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による流動床反応器を示す垂直断面
図、第２図は、第１図の流動床反応器に用いられている
ノズル及び空気分配板の一部分を示す拡大断面図、第３
図は、第１図の流動床反応器に用いられているノズルの
変形例を示す第２図と同様の拡大断面図、第４図は、第
１図の流動床反応器に用いられているノズルの別の変形
例を示す第２図と同様の拡大断面図である。 18……粒状物質の床、22……プレナム室（空気プレナム
手段）、28……ノズル（空気分配器）、38……圧力感知
装置（第１圧力感知手段）、46……感知ライン（第２圧
力感知手段）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炉部及び熱回収部を形成する手段と、 燃料を含む固体粒状物質の床を支持するための該炉部中
   の支持手段と、 該炉部の下方に配された空気プレナム手段と、 該粒状物質を流動化し且つ該燃料の燃焼又はガス化を支
   持するに足る速度で該空気プレナム手段から該床に空気
   を導くための、少くとも一つのノズルと、 該ノズル中の空気圧力を検出するために該ノズル内に配
   された第１圧力検出手段と、 該空気プレナム手段中の空気圧力を検出するために該空
   気プレナム手段中に配された第２圧力検出手段とを有
   し、 該第１圧力検出手段及び第２圧力検出手段によって検出
   された空気圧力の差によって該粒状物質の床への空気の
   流量を定めるようにした流動床反応器。