JPS63233204A - 流動床装置 - Google Patents

流動床装置

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JPS63233204A
JPS63233204A JP63047345A JP4734588A JPS63233204A JP S63233204 A JPS63233204 A JP S63233204A JP 63047345 A JP63047345 A JP 63047345A JP 4734588 A JP4734588 A JP 4734588A JP S63233204 A JPS63233204 A JP S63233204A
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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、流動床反応器と固形物分離器と循環用導管と
を夫々具備し、循環流動圧内で発熱反応を行う流動床装
置であって、前記流動床反応器の底部から酸素含有一次
ガスを前記流動床に供給する為の第１の導管と、前記流
動床反応器の底部から少なくとも１ｍの高さであって且
つ前記流動床反応器の高さの３０％を越えない高さ位置
で酸素含有二次ガスを前記流動床に供給する為の第２の
導管と、前記一次ガス供給部と前記二次ガス供給部との
間で前記流動床反応器に開口した燃料用導管とを存する
流動床反応器に関する。
〔従来の技術〕
循環流動床を使った方法及び装置は、特に炭素含有物質
を燃焼させる場合等にきわめて有利であることが判明し
た。これは、いわゆる古典的又は通常の流動床を使って
操業するものに比べて多くの理由から優れている。
殊に燃焼プロセスに関し、この方法を用いた塩基法が西
ドイツ特許出願公告第　２５　３９　５４６号明細書（
米国特許第４，１６５，７１７号明細書に対応する。）
に記載されている。この方法においては、燃焼を２段階
で行い、流動床反応器内での二次ガス供給部より」−に
配設された冷却面を使って燃焼熱を排出するようにして
いる。この方法は、」一部反応室内での浮ｉｎ　？Ｍ度
、従って冷却面への熱伝達を調節することにより、燃焼
プロセスを技術的に簡単に出力需要に適合させることが
できる点に特別の利点がある。
西ドイツ特許出願公開第　２６　２４−３０２号明細書
く米国特許第４．．１１１．．１．５８号明細書に対応
）に記載の循環流動床式燃焼プロセスでは、流動床反応
器に後置した流動床冷却器内で燃焼熱の一部又は全部を
取り出し、冷却した固形物を循環させて流動床反応器内
の温度を維持するようにしている。出力需要への適合は
、流動床冷却器を介して供給され、その後再び流動床反
応器内に供給される固形物流を増減して行われる。
〔発明が解決しようとする課題〕
概略説明した上記方法はかなり評価できるものであった
が、装置ユニットの熱出力が益々大きくなる傾向がある
ことから、方法実施の点で成る種の困難が住じた。これ
は主に、熱出力が大きくなるにつれ反応器寸法、特に反
応器の横断面を大きくする必要かあり、装入箇所付近で
流動床反応器の全面にわたり燃料及びその類似物と酸素
含有二次ガスとの充分な横方向混合が反応にとって必要
であるが、これがもはや保証できない点にある。
その結果、反応のかなりの部分が」二部反応室にずれ込
み、場合によっては固形物分離器内で固気分離後に再燃
焼が起きることになる。
本発明の課題は、燃焼出力が高くなっても完全な運転を
保証する冒頭に述べた種類の流動床装置を提供すること
である。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題は、本発明により、流動床反応器の底面の４０
〜７５％を覆い且つその最高高さが流動床反応器の半分
の高さに等しい１細板上の押しのけ体を設けるごとによ
って達成される。
押しのけ体の幾何学形状はかなり任意であってよい。例
えば流動床反応器の横断面が円形である場合、押しのけ
体の形状は円筒形又は円錐台形であってよく、その場合
、底面の中心は反応器底面の概ね中心にくる。反応器横
断面が矩形である場合には、押しのけ体は堰の形とする
ことができ、場合によっては両端を互いに平行な反応器
壁に接続して反応器下部空間を２つの分離した室に仕切
る。２つの互いに直角に延びた堰を炉壁に接続して反応
器下部空間を４つの分離した室に分割することも可能で
ある。
押しのけ体は、反応器構成時一般に用いられる耐火物か
ら作製することができる。押しのり体はまた、隔膜壁又
はフィン壁から製造することかでき、その場合、流動床
反応器内の方を向いた側を保護する為にラミング材を被
着して冷却剤を流すようにしてもよい。
本発明の好ましい一構成によれば、酸素含有二次ガスを
装入する為の導入孔を、必要に応じて複数の高さ位置に
配した押しのけ体を設ける。本発明のこの構成では、流
動床反応器の壁に設けた導入孔によっても、また反応器
内部に設けた上記導入孔によっても個々の室又は室領域
に二次ガスを供給することができ、これにより反応物質
と二次ガスとの最適な混合が保証される。
本発明の別の有利な構成では、反応器内に設けられる単
数又は複数の押しのり体の横断面積が上に行くにつれて
減少する。この構成により、或いは上述した構成と合わ
せて、押しのけ体の方を向いた反応器領域における流速
を、二次ガスの供給にも拘らず一定限界内でのみ変化す
るようにすることができる。
この流動床装置において適用する循環流動床の原理は、
密な相を明確な濃度ジャンプによりその上のガス空間か
ら分離する「古典的」流動床とは異なり、明確な境界層
なしに分布状態が存在することを特徴としている。即ち
、密な相とその上の粉塵空間との間に濃度ジャンプが存
在しない。しかし反応器内で固形物濃度は下から」二へ
と徐々に低下する。
フルード及びアルキメデスの指数について運転条件を定
義すると、 δ。
又は ０．０１＜Ａｒ＜　１００ の領域が生じ、その際、 δ９　・ν２ Ｆｒ”＝− ｇ′ｄ。
である。但し、 Ｕ：相対速度（ｍ／５） Ａｒ：アルキメデス数 Ｆｒ：フルード数 δ、：ガス濃度（ｋｇ／ｍ″） δア　：固形物粒子濃度（ｋｇ／ｍ３）ｄｋ　：球状粒
子の直径（ｍ） シ：動粘度（ｍ２／ｓ） ｇ：重力加速度（ｍ／Ｓ２） 発熱反応は、酸素含有ガスを異なる高さから供給して２
段階式に行う。その利点は、局所過熱現象を防ぎ、窒素
酸化物の発生を抑制した「柔らかい」反応にある。その
際、酸素含有ガスの上側供給箇所は、下側供給箇所で供
給されたガスの含有酸素が十分に消耗しつくされる程度
に下側供給箇所よりも上に位置すべきである。
特にプロセス熱の担体として蒸気が望ましい場合、本発
明の有利な構成では、上側ガス供給部より上方で流動化
ガス及び二次ガスの鼠を調節して浮遊濃度を平均１５〜
１００ｋｇ／ｍ３とし、反応熱は、二次ガス供給部の最
上部よりも上の流動床反応器の自由空間内で、例えば流
動床反応器の壁に配設した加熱面を通して排出する。
このような運転法は西ドイツ特許出願公告第２５　３９
　５４．６号明細書及びそれに対応した米国特許第４，
１６５，７１７号明細書に詳しく記載されている。
流動床反応器内の二次ガス供給部より上のガス速度は、
標準圧の場合、通常５　ｍ　／　ｓより上であり、１５
ｍ／ｓにまでなることがある。流動床反応器の直径と高
さの比は、ガス滞留時間が０．５〜８、ＯＳ、より好ま
しくは１〜４Ｓとなるように選定すべきである。
各高さの二次ガス装入平面に複数の二次ガス導入孔を設
けると有利である。
この運転法の利点は、特に、流動床反応器の二次ガス供
給部よりも上の反応器空間内での浮遊濃度を変えること
により、プロセス熱量の回収変更がきわめて簡単に可能
であることにある。
所定容量の流動化ガス及び二次ガス、そしてそれから帰
結する特定の平均浮遊濃度の下に支配されている運転状
態と、特定の熱伝達率とが結びついている。冷却面への
熱伝達は、′流動化ガス量を高め、そして場合によって
は二次ガス量も高めて、浮遊濃度を高めることにより高
めることができる。
この熱伝達率の高まりに伴って、燃焼温度を実質上一定
にした場合でも燃焼出力を高めた場合に発生ずる熱量を
排出する可能性が与えられる。燃焼出力の高まりに基づ
いて必要となる酸素需要の増加は、その際、浮遊濃度を
高めるのに使用する流動化ガス量、そして場合によって
は二次ガス量を高めることにより、いわば自動的に起き
る。
同様に、プロセス熱の需要低下に適合させるには、流動
床反応器の二次ガス供給管よりも上の反応器空間内での
浮遊濃度を下げて、燃焼出力を調節することができる。
浮遊濃度を下げると熱伝達率も低下し、流動床反応器か
ら排出される熱が少なくなる。これにより、実質的に温
度変化を生じることなく燃焼出力を低下させることがで
きる。
発熱反応材料の装入は、最も望ましくは１個以上の装入
系を介し、例えば空気圧式吹き込みによって行う。
本発明の更に別の望ましい且つ広（適用可能な構成では
、固形物供給用導管及び固形物循環用導管を介して接続
された少なくとも１個の流動床冷却器が設けられる。流
動床反応器内の上側二次ガス供給部よりも上で流動化ガ
ス及び二次ガスの量を適宜に調整して浮遊濃度を１０〜
４０ｋｇ／ｍ３に設定し、循環流動床から高温の固形物
を取り出し、流動状態において直接及び間接の熱交換に
よって冷却し、冷却した固形物の少なくとも一部分流を
循環流動床に戻す。
このような構成は西ドイツ特許出願公開筒　２６　２４
、　３０２号明細書及びそれに対応した米国特許第４，
１１１，１５８号明細書に詳しく記載されている。
その際、温度恒常性は、流動床反応器内で支配されてい
る運転状態の変化を事実上止じることなく、つまり、例
えば浮遊濃度の変化を生じることなく、高温の固形物を
制御して排出し、また冷却した固形物を制御して戻すこ
とのみによって達成することができる。出力と設定反応
温度とに応じて循環率は多かれ少なかれ高くなる。温度
は点火限界のすく上のきわめて低い温度から例えば反応
残留物の軟化によって制限されたきわめて高い温度に至
るまで任意に設定することができ、例えば４５０〜９５
０℃とすることができる。
その際、発熱反応時に生成する熱の取り出しは殆ど固形
物側に後置された流動床冷却器内で行われ、そして十分
に高い浮遊濃度を前提とする流動床反応器内の冷却レジ
スタへの熱伝達が従属的な作用をするので、この方法の
更に別の利点として、二次ガス供給部よりも上の流動床
反応器の領域で浮遊濃度を低く抑えることができ、従っ
て流動床反応器全体での圧力損失が比較的少ない。その
代わり流動床冷却内での熱奪取は、例えば３００〜５０
０Ｗ／ｍ２　・℃という極端に高い熱伝達率を惹き起こ
す条件の下で行われる。
流動床反応器内の温度は、冷却した固形物の少なくとも
一部分流を流動床冷却器から戻して調節する。例えば冷
却した固形物の所要の部分流は流動床反応器に直接装入
することができる。冷却した固形物を例えば空気圧コン
ベヤ又は浮遊物交換工程に装入して付加的に排出ガスを
冷却することもでき、この場合、排ガスから後に再び分
離した固形物は流動床冷却器内に戻す。これにより、排
出ガスの熱は最終的には流動床冷却器に達する。
冷却した固形物は、一部分流を流動床反応器に直接、そ
して別の部分流を排ガスの冷却に使用した後に間接的に
装入すると格別有利である。
本発明のこの構成でも、標準圧のときの二次ガス供給管
より上でのガス滞留時間及びガス速度、そして流動化ガ
ス又は二次ガスの供給方式は、夫々、前述した好ましい
構成の条件と一致している。
流動床反応器の高温固形物の循環は、互いに結合された
冷却レジスタを備え、且つ固形物が連続的に流過する複
数の冷却室を有する流動床冷却器内で、冷却材を高温固
形物に対し向流的に流して行うとよい。これにより、燃
焼熱を比較的小量の冷却材に吸収させることができる。
流動床冷却器を接続した流動床装置の別の構成は、流動
床冷却器を流動床反応器と結合して一体の構造ユニット
とすることにある。この場合、流動床反応器と流動床冷
却器は、冷却した固形物を流動床反応器内に通す通し孔
を有する共通の、望ましくは冷却した壁を有する。その
際、流動床冷却器には、上で説明したように、幾つかの
冷却室を設けることができ、或いは冷却面を備えた幾つ
かのユニットから流動床冷却器を構成するごとができ、
各ユニットは、夫々流動床反応器に連通ずる固形物通し
孔を有する共通壁と独自の固形物供給管とを有する。か
かる装置は欧州特許出願箱２０６．０６６号に記載され
ている。
流動床冷却器を有する構成の普遍性は、特に、流動床冷
却器内でほぼ任意の熱伝達媒体を加熱できることにある
。技術的観点から特に重要なのは、多種多様な形での蒸
気発生と熱伝達塩の加熱である。
本発明の技術範囲内で、酸素含有ガスとして空気又は酸
素富有空気若しくは工業用純粋酸素を使用することがで
きる。最後に、反応を加圧下、例えば２０バール以下で
行うときに、出力上昇を達成することができる。
本発明による流動床装置には、基本的には、自燃性物質
のすべてを装入することができる。例えば、あらゆる種
類の石炭、特に選炭場廃炭、スラッジ炭、塩分の多い炭
等の低品位炭、或いは褐炭やオイルシェールである。本
発明は、硫化鉱や濃縮硫化鉱の焙焼に利用することもで
きる。
〔実施例〕
添付図面と実験例とを基に本発明の実施例を詳しく説明
する。
第１図に、横断面が円形又は矩形の流動床反応器におけ
る押しのけ体の種々の構成例を横断面図で示す。
第２図に流動床反応器を概略図示し、符号１で示した。
流動床反応器１の底面は堰状押しのけ体７で一部覆われ
ており、２つの流動化格子６が設けられている。押しの
け体７はその上部領域に二次ガス導入孔１］を有してい
る。
第３図に示す流動床反応器１は、隔膜壁として示した加
熱面２を存している。下部反応室８は押しのけ体７で２
つの領域に分割されており、導管５と流動化格子６とを
介して酸素含有流動化ガスが、また、導管３を介して燃
料が、そして、導管９を介して酸素含有二次ガスが夫々
供給される。
更に、導管１０と二次ガス導入孔１１とを介して付加的
二次ガスが装入される。ガス／固形物浮遊物の排出は導
管４を介して行う。
実験例 石炭を空気で燃焼させて飽和蒸気を生成した。
流動床装置の流動床反応器１は底面が１２．８ｍＸ１０
ｍ、高さが４０ｍであった。底面積７．６ｍｘ１０ｍの
押しのけ体７で反応器底面を覆い、寸法２．６ｍＸ１０
ｍの流動化格子６を有する２室を形成した。押しのけ体
７ば側面が水平線に対し７５゜傾いた堰の形状であった
。堰の頂部は、流動化格子６から８．５ｍの高さに配設
した二次ガス供給部９から更に１．５ｍの高さにあった
。
流動床反応器１の壁面は水冷隔膜壁で完全に内張すした
。押しのけ体７の壁も水冷隔膜壁として構成し、反応室
側は耐火材料で保護した。
この流動床反応器１に発熱量Ｈｕ　＝２４．６Ｍ　、Ｊ
　／ｋｇ、平均粒径０．２ｍｍの石炭８８ｔ／ｈを１０
０℃の空気８８０ＯＮｍ３／ｈを使って導管３から装入
した。流動化ガスとして使用した２５５°Ｃの空気は流
動化格子６を通して２　Ｘ１４４，０００　Ｎｍ３／ｈ
の量供給した。二次ガス供給管９を介し、更に２６０℃
の空気を２５０，０００　Ｎｍ３／　ｈの量供給した。
最後に、２６０°Ｃの空気を更ニ９０．ＯＯＯＮｍ″／
　ｈ、流動化格子６から７ｍの高さにある二次ガス導入
孔１１から装入した。
選定した運転条件に基づき流動床反応器１内の温度は８
５０℃であった。二次ガス供給部９．１１より下の浮遊
濃度は反応器内容積１　ｍ’　　当り１００ｋｇであっ
た。加熱面２を介して熱出力１２０ＭＷに相当する１４
０バールの飽和蒸気が生成した。熱出力６ＭＷに想到す
る１４０バールの飽和蒸気を押しのけ体７の隔膜壁によ
り回収した。
〔発明の効果〕
本発明により、燃焼出力が高くなっても完全な運転を保
証する流動床装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は横断面が円形又は矩形の流動床反応器における
押しのけ体のさまざまな構成例を示す横断面図、第２図
は本発明の一実施例による流動床反応器の下部領域と押
しのけ体との斜視図、第３図は別の実施例による流動床
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−−−−−−−−一＝−−−−−−−−反応器６−−
−−−−−−−−−−一流動化格子７−−−−−−−−
−−−−一押しのけ体である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、流動床反応器と固形物分離器と循環用導管とを夫々
    具備し、循環流動床内で発熱反応を行う流動床装置であ
    って、前記流動床反応器の底部から酸素含有一次ガスを
    前記流動床に供給する為の第１の導管と、前記流動床反
    応器の底部から少なくとも１ｍの高さであって且つ前記
    流動床反応器の高さの３０％を越えない高さ位置で酸素
    含有二次ガスを前記流動床に供給する為の第２の導管と
    、前記一次ガス供給部と前記二次ガス供給部との間で前
    記流動床反応器に開口した燃料用導管とを有する流動床
    反応器において、 前記流動床反応器の底面の４０〜７５％を覆い且つその
    最高高さが前記流動床反応器の半分の高さに等しい１個
    以上の押しのけ体を有することを特徴とする流動床装置
    。 ２、前記１個以上の押しのけ体に、必要に応じて複数の
    高さ位置で開口する前記酸素含有二次ガス用の導入孔を
    設けたことを特徴とする請求項１記載の流動床装置。 ３、上に行くほど横断面の面積が減少する形状の押しの
    け体を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記
    載の流動床装置。 ４、前記二次ガス供給部の最上部よりも上の前記流動床
    反応器の自由空間内で前記流動床反応器の壁に配設され
    た加熱面を有することを特徴とする請求項１〜３のいず
    れか記載の流動床装置。 ５、固形物供給用導管及び固形物循環用導管を介して接
    続された少なくとも１個の流動床冷却器を有することを
    特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の流動床装置。
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