JPS5853568B2 - 流動床反応器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流動床反応器の粒状固体流動床の操作温度を制
御する熱交換器構造のための新規な装置に関する。

流動床反応器は種々の形態にて化学、冶金及びその他の
物質処理分野におけるガスを用いて固体の乾燥、整粒、
焙焼、力焼、熱処理の工程を遂行し、電力発生装置を２
駆動するのに使用する蒸気などの加熱ガスの発生をなす
非常に広範囲にて用いる装置である。

流動床反応器を発熱反応を行なうのに使用する場合には
フリーボード空間若しくは流動床固体の流動床内のいず
れかに冷却装置を設けることにより流動床反応器内の過
度の高温を防止するのがしばしば必要となる。

冷却装置は冷却コイルの形状であってもよく、ガスまた
は液体のプロセス流体を該コイルを通して画壇させて過
剰の熱を除去する。

プロセス流体により除去された熱は池の段階若しくは動
力発生のために加熱にしばしば用いられる。

ある場合には冷却コイルは反応室の壁内に設け、反応室
内のか酷な侵食条件から十分保護する。

流動床内の条件は発熱反応中最もか酷である。

というのは流動床内の温度は流動床反応器中のいかなる
場合よりも高く、粒状固体が激しく攪拌され且つ比較的
高Ｗであるため流動床反応器内では最も侵食的状態が見
い出されることになるからである。

ヘアーピン形状のコイルを直列に接続した流動床内熱交
換コイルを水平に配置するのが常であった。

この型式の水平コイル形状のものは英国特許第８９５７
９１号（１９６２年５月９日公告）、米国特許第２７８
９０３４号（１９５７年４月１６日特許）、米国特許第
２８２５６２８号（１９５８年３月４日特許）に見られ
る。

一般に、適度の熱交換表面積しか必要でない場合には水
平形状が最良である。

というのは水平コイルは流動床反応器の測部を通して比
較的簡単な態様にて導入支持できるからである。

垂直方向のコイルは管寄せ及び支持構造にてフリーボー
ド領域を乱すか若しくは制限板に関連する構造を複雑に
する。

圧縮熱交換器では流動床は高圧のためやや小型となる傾
向である。

この小型の流動床により反応室の寸度は小さくなり流動
床粒状固体からの熱交換コイルへの熱交換速度は高くな
る。

しかしながら、圧縮流動床熱交換器のこれらの利点を得
るには流動床内に多数のコイルを設ける必要がある。

更に、冷却媒体への所望の熱交換速度を達成するような
適度な流速をコイル内において達成し且つ蒸気ハマリン
グを除くなどのその他の理由により多くのコイルを直列
に接続する必要があることが判明した。

垂平コイルは多くの場合垂直方向のコイルの受ける侵食
よりも大きな侵食を受ける。

かような侵食への露呈は水平コイルの予想寿命に多大な
影響を与え、同一のか酷な条件下では垂直コイルは水平
コイルの少くとも３倍乃至５倍の予想寿命を有する。

垂直方向のコイルの場合、管の垂直部を直列に接続する
帰り曲部は水平方向の曲部により生ずる局部的乱流のた
めに最大限の侵食を受ける。

今般、熱交換コイルを垂直に配置し、その下部帰り曲部
を流動床の侵食から保護し、前記下部帰り曲部上に前記
コイルを所定位置に保持する手段を設けた流動床反応器
内の熱交換コイルの新規な装置を提供する。

本発明の目的は流動床反応器の流動床内に改良した熱交
換器構造の装置を提供することにある。

本発明の他の目的は垂直方向の熱交換器の下部帰り曲部
を流動床内における高侵食状態から保護した型式の流動
床反応器の流動床内において操作するための垂直方向の
熱交換器を提供することにある。

他の目的及び利点は添附図面に関する下記の記述から明
瞭となるであろう。

一般に、本発明の熱交換コイル組立体はコイルの下部帰
り曲部が流動床物質による流動床反応器の侵食的条件か
ら保護され、制限板に固定され流動床反応室中に伸長す
る羽口と協働する下部帰り曲部に固定した位置きめ装置
を下部帰り曲部が備えた複数の垂直方向コイルまたはロ
ーラからなる。

更に精細には、熱交換管の下部帰り曲部を静止流動床物
質の層により被覆し、該物質は流動化固体により占めら
れる反応室空間の侵食的条件から熱交換コイルを保護す
る。

固体静止層は流動床制限板の頂面に設け、羽目孔の高さ
のすぐ下にまで伸長する。

羽口は反応室中相当の高さにまで伸長する。

羽口のレベル以下の粒状固体は孔を通して出る流動化ガ
スには実質上撹乱されない。

この静止層中ではガスまたは固体の移動はほとんど若し
くは全くない。

熱交換器のための横方向の位置ぎめ装置は下部帰り曲部
の各々に溶接若しくは固定した板であり、この板は下部
帰り曲部の各々に近接した羽目に非常に近接して伸長せ
しめる。

第１図を参照すると、本発明による流動床反応器１０内
に配置した垂直の熱交換コイル３１゜３２を組込んだ流
動床反応器１０を示す。

流動床反応器は金属性の外殻１１を備えており、該外殻
１１は耐火性の絶縁層、すなわち、耐火性ライニング１
２で内張すする。

流動床反応器１０は制限板１３にて制限板１３の上方の
反応室１６と制限板１３の下方のやや小さい風箱１７と
の２区画に分割される。

並列に配置した複数の羽目１８は制限板１３から上方に
反応室１６中に伸長する。

風箱１１の頂部近くの鋼製の水平のはり１４は制限板１
３のための支持をなす。

ガス入口導管２４は流動化ガスを風箱１Ｔに供給するた
めに設ける。

該ガスは羽目１８を通って反応室１６中に導入される。

ガス入口導管２４は反応器の外殻壁をサーマルスリーブ
２６を通して通過し、該スリーブは反応器壁の応力を最
／］依とする。

風箱１１には掃除口２３を設け、これを通して風箱内に
堆積した固体粒状物を除去する。

反応室１６のフリーボード領域へ通ずる導管２７は反応
室１６からの排ガスを排出する目的で設ける。

導管２８は流動床物質を補給するために反応室の壁を通
して通人せしめる。

１個または１個以上の燃料噴射口２３を流動床反応器の
周囲に設けて流動床２１中に燃料を送る。

排出導管２９を消費流動床物質または過剰の流動床物質
の除去のため反応室に通じせしめる。

制限板１３上には反応室１６内に羽目１８を通して導入
されたガスに応答して膨張した流動床となり反応室中に
おいて４７で示すレベルまで占める粒状固体物質を設け
る。

また、反応室中の粒状固体物質は本発明により静止粒状
物層２２を構成することを特徴とする。

流動床反応器１０の外殻１１及び耐火性ライニング１２
に一対の入口導管３Ｔ及び複数の出口導管３９を通す。

これらの導管にはすべて外殻１１における応力を長少限
とするサーマルスリーブ４２を設ける。

入口導管３７は入口管寄せ３８に接続し、この管寄せは
流動床２１のレベル４１の上方の反応室１６において水
平方向とする。

同様に出口導管３９は水平方向の出口管寄せ４１と連通
ずる。

熱交換コイルは入口管寄せ３８及び出口管寄せ４１から
垂下し、その間を連通ずる。

第１図にはわずか２個の熱交換コイル３１，３２Ｌか示
していないが、このような熱’２％コイルを多数反応室
１６中に設けることができることを理解されたい。

かようなコイルの数は流動床中の所望温度を達成するに
必要とする数及び／又は必要な加熱プロセス流体の量と
に左右される。

熱交換コイルの上部帰り曲部３４は流動床物質内に位置
するように示す。

第３図に詳記するように、熱交換コイル３１，３２０下
部帰り曲部３６は、制限板１３上にあり制限板から羽目
孔１９のすぐ下のレベルまでを占める静止粒状物質層２
２内に位置せしめる。

第４図には、下部帰り曲部の配置と構造が更に明確に示
される。

中央板４３は下部帰り曲部の最底部に溶接される。

中央板４３は制限板１３には接触せず制限板のわずか上
方に位置して熱交換コイルの膨張を補償する。

第３図及び第４図を併合して考慮すると、下部帰り曲部
３６の底部における中央板４３は補助切欠き表面４４を
有し、羽目１８に近接して羽口と一致する形状をなすこ
とがわかる。

特に第４図から、下部帰り曲部は羽口の列に近接平行し
ほぼ中央に位置する中央板４３によって支持されること
がわかる。

操作に当っては、燃料は燃料噴射口２３から導入される
。

噴射空気を固体燃料の燃料指体として若しくは液体燃料
を用いる場合には燃料分散性を改善するために熱料と共
に導入してもよい。

高温の流動ガスを入口導管２４を通して導入する。

ガス入口導管２４を通るガスは羽目１８を通って制限板
１３を横切り、羽口孔１９から出て少くとも粒状固体が
羽口孔１９のレベル以上となる程度にまで反応室１６内
の粒状固体を流動化する。

羽目孔１９のレベルの下方には静止粒状物質層があり、
該層内には熱交換コイル３１．３２の下部帰り曲部３６
が埋没される。

流動床中に発生した燃焼ガスは流動床を通って反応室１
６中のフリーボード空間に移動する。

フリーボード空間からこのガスは導！２７を通して更に
処理及び／又は処分するため除去する。

プロセス流体は入口管寄せ３８に接続する入口導管３７
によって導入される。

入口管寄せ３８からプロセス流体は熱交換コイル３１゜
３２を通り、流動床から熱を除去して所望温度に達する
。

加熱プロセス流体は出口管寄せ４１に排出サレる。

出口管寄せ４１からプロセス流体は出口導管３９を通っ
て移動し、熱回収若しくは動力発生またはその他の目的
のための装置（図示せず）に通される。

流動床内の粒状固体は流動床反応器が操作中である際に
は激しく運動しており、したがって流動床の粒状固体は
連続摩滅状態にある。

このようにして流動床中に生じた微粒子は排気ガスと共
に反応室を離れる。

このため、流動床の粒状固体は待時補給せねばならず、
反応室と連通ずる導管２８は粒状固体を反応室に更に導
入するための手段を提供する。

流動床におけるある反応の場合には流動床固体は消費若
しくは消耗される故取り替えねばならない。

排出導管２９は消費流動床固体を除去する手段を提供す
る。

導管２８を通して新たな粒状固体を、流動床物質を他の
場所において排出する際に、加えることにより流動床の
性質を安定化することができる。

本発明の流動床反応器の＝適用に当っては、流動床反応
器を用いて燃料として石炭を燃焼し、ガスタービンを駆
動することのできる加熱ガスを発生させ、該ガスタービ
ンにより電力発生のための発電機を駆動する。

ガスタービンを駆動するのに燃焼石炭からの燃焼ガスを
使用すると、タービンブレードに接触させた際にガスを
非常に腐食性とする多量のイオウ化合物を燃焼ガスがし
ばしば含んでいるという欠点がある。

更に、イオウ化合物を含む有害ガスを大気中に排出する
のは環境的見地から望ましくない。

また、燃焼ガスはタービンブレードに衝突した際に破損
せしめる多量の固体を含んでいる。

したがって、流動床反応器とガスタービンとの間に多く
のガス清浄化装置を挿入せねばならず、この装置を通る
ということは相当の圧力低下、ひいてはエネルギーの損
失という結果となる。

本願装置は、まず第１に燃焼ガス中のイオウ含有量を低
下せしめ、第２に加熱ガスの座台有量を減少せしめるこ
とによりこれらの問題を最少限とするものである。

第１の目的は適当な流動床固体を用いて流動床中の適格
な温度制御により達成し、第２の目的はガスタービンを
駆動するのに用いる加熱ガスの一成分として塵を含まな
い加熱空気を用いることにより実現される。

この適用に当って＆転ガス入口導管２４を通して空気を
約６５０°Ｆ（３４３，３℃）の温度にて導入する。

流動床は平均粒子寸度直径約１７８インチ（約０．３
ｃｍ ）までの石灰石または白雲石からなる。

粉砕石炭は燃料噴射口２３を通して流動床中に導入する
。

石炭は流動床中で燃えて約１７００’Ｆ（９２６，６℃
）の温度に達する。

石炭中のイオウは流動床の石灰石とこの温度で反応して
この反応の生成物であるＣ ａ Ｓ ０４が流動床中に
残留する。

（白雲石を用いる場合には、若干のＭｇＳＯ４が生成す
る。

）流動床においてかようにして生成した硫酸カルシウム
は排出導管２９を通して除去し、新たな石灰石は導管２
８を通して導入する。

流動床から排出した硫酸カルシウムは他の装置（図示せ
ず）において再加熱し、硫酸の製造の第１段階としての
ＳＯ３ガスを駆逐し、かようにして製造した石灰石をこ
の方法における再使用のために流動床反応器１０へ返却
する。

入口導管３７中に導入するプロセス流体は空気であるこ
とが望ましく、熱交換コイル３１，３２を通過する際に
約１３６０’Ｆ（７３７，７℃）の温度に達する。

次いで、この清浄加熱空気はガスタービンに導入する。

導管２７から出る燃焼ガスは実質的にイオウを含まず、
該ガスをガスタービンに導入する前に塵粒子を燃焼ガス
から除去しさえすればよい。

上述のように、流動床内の粒状物質の激しい攪拌は熱交
換コイルの上部帰り曲部に非常に侵食影響を与える。

一方、熱交換コイルの垂直部３３はさほど侵食を受けな
い。

したがって、上部帰り曲部は装甲、すなわち非常に強い
壁を有する管で構成するか、若しくは上部帰り曲部は流
動床固体の外部上方に十分伸長せねばならない。

（第１図４６にて示す点線参照。

）流動床のレベル以上に上部帰り曲部が伸長するという
ことは熱交換効率における程度の犠牲を伴なう。

上述のように下部帰り曲部３６は静止粒状物質層２２に
埋没保護される。

この層内の粒状固体は静止しており、羽目孔１９より十
分下方のこの領域を通るガス流は実質的に存在しないの
で、下部帰り曲部３６はほとんど若しくは全く侵食され
ない。

下部帰り曲部３６に溶接した中央板４３は隣接羽目１８
と協働して下部帰り曲部３６を羽口間の中央に位置せし
める。

熱交換コイルが冷えている際には中央板４３は制限板１
３と接触していす、熱交換コイルが加熱されると膨張し
中央板４３は制限板１３に近づいて、中央板及び下部帰
り曲部が下方に移動するにつれて粒状固体をわきに圧す
る。

膨張時に下方に移動する間、若しくは冷却時に上方に移
動する間に、中央板４３は羽目に隣接する補助切欠き表
面４４によって羽目に沿って案内摺動し、したがって羽
目間の中央位置に下部帰り曲部を維持せしめる。

水平方向の燃料噴射口を図示したが、燃料噴射口を垂直
方向に向は制限板を通して風箱１７に通すことも可能で
あり、時としてそうするのが望ましい。

故に、所定数の垂直方向の燃料噴射口を図示の羽目１８
のあるものとかえることができる。

垂直方向の燃料噴射口の一型式は米国特許第３８６１８
６２号に記載される。

空気は本件の場合の望ましいプロセス流体として示した
が、水、場合によっては液体金属ＮａＫなどの他の熱処
理媒体を用いることも可能である。

羽目孔は加熱ガスが熱公換コイルにぶつからないように
方向づけるべきであり、一般に、羽口孔を互いに向ける
ようにする。

接続する管寄せから熱交換コイルを離した際には該コイ
ルは底部における支持結合をはずすことなしに持上げる
ことができる。

流動床反応器から熱交換コイルを取り出すためにフリー
ボード領域中の外殻１１にマンホール（図示せず）を設
けてもよい。

かようにすれば、保守は非常に簡素化される。

改善された寿命を約束する流動床反応器における熱交換
コイルのための新規な装置を開示した。

本発明を望ましい実施態様について記述したが、当業者
には容易に理解できるように本発明の精神と範囲を脱せ
ずに種々の変更及び変化が可能である。

かような変更及び変化は本発明の要旨及び範囲内にある
ものと考慮され度い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による垂直方向の熱交換コイルを組込ん
だ流動床反応器の一部断面図、第２図は第１図の線２−
２に沿う流動床反応器の平面図、第３図は熱交換コイル
の下端部及び羽口を示す拡大図、第４図は第３図の線４
−４に沿う冷却コイルの下端部及び羽目を示す平面図で
ある。 図中、１０は流動床反応器、１３は制限板、１４ははり
、１６は反応室、１７は風箱、１８は羽口、１９は羽口
孔、２１は流動床、２２は静止粒状物質層、２３は燃料
噴射口、２４はガス人口導管、３１．３２は熱交換コイ
ル、３３は熱交換コイルの垂直部、３４は熱交換コイル
の上部帰り曲部、３６は熱交換コイルの下部帰り曲部、
３７は人口導管、３８は人口導管寄せ、３９は出口導管
、４１は出口管寄せ、４３は中央板、４４は補助切欠き
表面である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反応室と、制限板によって前記反応室から分離され
   た風箱と、前記制限板に載置し且つ制限板から上方に前
   記反応室中にまで伸長して前記制限板の実質的に上方の
   レベルで流動化ガス用の羽目孔を形成した羽口と、前記
   制限板上にて流動化せしめるための粒状固体と、上部帰
   り曲部と下部帰り曲部とによって直列に接続した垂直部
   からなる複数の熱交換コイルとを備え、前記垂直部は流
   動化状態の前記粒状固体と熱交換するために前記粒状固
   体と接触して位置せしめ、前記下部帰り曲部は、前記制
   限板の上面と、前記羽口孔を通して流動化ガスが導入さ
   れる流動床のレベルとの間の領域に位置する静止粒状物
   質層中に位置せしめ、前記下部帰り曲部を、粒状固体が
   流動化している領域内の高侵食状態から静止粒状固体層
   によって保護することを特徴とする流動床反応器。 ２ 前記上部帰り曲部を流動化した前記粒状固体内に位
   置せしめ、該曲部を装甲若しくは補強して侵食に抗する
   ようにした特許請求の範囲第１項記載の流動床反応器。 ３ 前記垂直部を流動化した前記粒状固体の侵食状態か
   ら離れた流動化粒状固体の上方のフリボード領域内にま
   で伸長し、該領域内において該垂直部を前記上部帰り曲
   部にて直列に接続した特許請求の範囲第１項記載の流動
   床反応器。 ４ 前記羽目を前記制限板に並列して配置し、前記下部
   帰り曲部を談判の平行面間に位置せしめ、前記各下部帰
   り曲部に中央板を固定し、前記下部帰り曲部の両反対側
   ぐ隣接並列する一対の羽目に近接し且つ該一対の羽目の
   間に前記中央板を各々わたし、場合に応じて前記羽目と
   中央にて接触するように前記中央板に設けた接触面を備
   えた特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載
   の流動床反応器。 ５ 前記接触面を前記羽口に合致する型状として羽目と
   摺動接触せしめ、侵食状態に耐え得る装甲若しくは肥厚
   壁の上部帰り曲部を前記流動化した粒状固体内に位置せ
   しめた特許請求の範囲第４項記載の流動床反応器。 ６ 前記接触面を前記羽口に合致する型状として羽口と
   摺動係合せしめ、前記流動化した粒状固体の上方のフリ
   ーボード領域に前記垂直部を伸長し、該領域において前
   記垂直部を前記上部帰り曲部により直列に接続した特許
   請求の範囲第４項記載の流動床反応器。