JP2551518B2 - 流動床装置及び流動床装置における使用のための流動化及び冷却ノズル - Google Patents

流動床装置及び流動床装置における使用のための流動化及び冷却ノズル

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は流動床装置及び流動床装
置において使用するためのノズル、より詳細には、複数
のノズルを通して床に空気及び水を導入することにより
流動化され、冷却される包囲空間内の粒状材料の床を有
するかような装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガス化装置、蒸気発生器、燃焼器等の流
動床反応器は、よく知られている。これらの装置におい
て、加圧空気又は他の流動化媒体が、複数のノズルを経
て、石炭等の化石燃料、及び石炭の燃焼の結果として生
ずる硫黄のための吸着剤を含む粒状材料の床中を通過さ
れ、床を流動化し、比較的低温における燃料の燃焼を促
進する。同伴される粒状固形物は、通常床の外方に分離
され、床内へ再循環される。流動床によって生成される
熱は、蒸気の発生等の種々の適用法において利用され、
結果として高熱放出、高硫黄吸着、低窒素酸化物放出及
び燃料融通性の優れた結合を生ずる。
【０００３】しかし、流動床反応器は、反応器内におけ
る比較的微細な粒子の体積の許容し難いほど高程度な増
加を避けるために、粒径分布を含む幾つかのパラメータ
ーの慎重な制御を要する。また、床温度は、望ましくな
い温度の偏位及び床材料の凝集を防ぐために制御されな
ければならない。
【０００４】粒径分布は、しばしば、反応器から比較的
微細な粒子を除去し、二次流動床内にて空気の流れによ
ってそれをストリップし、反応器に再循環させることに
より制御される。この技術の一例は本発明の譲受人に譲
渡された米国特許第４,８２８,９１２号に開示される。
これらの二次流動床は冷却機能を果たすことができ、よ
く「ストリッパー／冷却器」と呼ばれる。反応器の炉区
域に隣接して位置されるストリッパー／冷却器は、除去
された粒状材料のより微細な部分の再循環、及び除去さ
れるが再循環されない粒状材料からの熱の除去の両方を
達成することができる。これらの形式の装置において、
ストリッパー／冷却器は、炉区域からドレンパイプを通
して粒状材料を受理し、ストリッパー／冷却器の第一区
域を通って空気が送風され、炉区域へ返却される粒状材
料のより微細な部分の一部をストリップつまり同伴す
る。ストリッパー／冷却器内の残りの粒状材料は、次に
通常は冷却器区域に通過され、そこで粒状材料に対して
熱交換関係において水／蒸気を通過させることにより、
又は、粒状材料が装置から排出される前に粒状材料中を
通して空気を送風することにより、粒状材料から熱が除
去される。再循環されない粒状材料から熱を除去するの
に空気が使用される場合、この空気はしばしば予熱され
た燃焼支持空気として、炉区域に返却される。
【０００５】しかし、過剰な量の比較的微細な灰を発生
する燃料が使用された場合、又は比較的大量の比較的微
細な吸着剤が、比較的高硫黄含有量を有する燃料と共に
使用されなければならない場合等のある状態において
は、ストリッパー／冷却器内においてストリップされ、
炉区域に返却される比較的微細な粒状材料は、炉区域内
の微粒子の体積、つまり上部炉負荷を許容し難いほど高
程度まで増加させる。過剰上部炉負荷は、より大きく、
より高価なストリッパー／冷却器及び分離器を要し、及
び／又は、炉が低化学量論的条件下にて操作されること
を要するが、これは効率が悪い。
【０００６】この上部炉負荷は、ストリッパー／冷却器
の冷却区域内の粒状材料を冷却するために使用される方
法が、材料中を通して空気を送風することによるもので
ある場合、悪化される。高冷却率を達成するために、冷
却区域中に渡る気流速度及び流量は比較的高くなければ
ならない。高気流速度及び流量は、しかしながら、より
大量の粒状材料を同伴し、結果として、この空気が燃焼
支持空気として使用される際、炉区域に返却される微粒
子のさらに大きな体積を生じさせ、それにより、さらに
上部炉負荷を増大させる。問題をさらに複雑化させるこ
とには、冷却区域中の高気流速度は、また、未燃焼の石
炭の燃焼によるストリッパー／冷却器内の比較的高温度
に起因するストリッパー／冷却器内の粒状材料の凝集を
防ぐためにも必要である。この関係を解消するために、
ストリッパー／冷却器を面積において大きくすること
は、許容し難いほど大量の燃焼空気がストリッパー／冷
却器において使用され、それにより適当な工程制御要求
のために適切な量未満の空気しか残さないので、用をな
さない。
【０００７】故に、流動床反応器及びストリッパー／冷
却器の改良された温度制御に対する重大な必要が生じ
る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、床材料が冷却流体によって直接冷却される流動床装
置を提供することにある。
【０００９】本発明の別の目的は、流動床装置において
床材料を流動化し、冷却するための噴霧ノズルを提供す
ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】これら及びその他の目的
の達成のために、本発明の流動床装置は、燃焼、冷却さ
れる粒状材料の床を支持する分配器板を含む。複数のノ
ズルが板上に載置され、空気を床内に分配するために、
板の下方に位置するプレナムからの空気流を受理する。
冷却流体はまた、ノズルに導入され、材料を流動化及び
冷却するために、空気と共に床内へ排出される。
【００１１】
【実施例】本発明の流動床反応器は図１に示され、前壁
１２、後壁１４、一方が参照番号１６によって示される
二枚の側壁からなる包囲体１０を含む。各壁は、平行離
隔関係に配置され、複数の細長いフィン２０によって互
いに接続される複数の垂直延長管１８によって形成され
てもよく、前記フィン２０は管の全長に渡って延長し、
慣用の態様にて管の直径方向反対の表面に接続される。
包囲体１０の上部は、表示の便宜上示されていないが、
対流部、屋根、及び慣用の態様にて燃焼ガスを排出させ
る出口からなることが理解される。
【００１２】一般に参照番号２２によって示される粒状
材料の床は、包囲体１０内に配置され、包囲体の下部に
おいて水平に延長する穿孔板、つまり格子２４上に支持
される。床２２は、瀝青炭等の燃料材料の分離した粒子
と、燃料材料の燃焼によって放出された硫黄を吸着する
ための石灰石等の吸着剤との混合物から成り得る。
【００１３】空気プレナム２６は板２４の直下に設けら
れ、一組のダンパー２８の制御のもとに、外部供給源
（図示せず）からプレナムへ、空気等の加圧ガスを分配
するために、入口ダクト２６ａがプレナムを通して設け
られる。
【００１４】床上供給器２９は前壁１２を通して延長
し、入口ダクト等（図示せず）からの粒状石炭を受理
し、石炭粒子を床２２の上部表面上に供給するように適
合される。供給器２９は、重力排出によって操作され
得、又は散布式供給器の形状又は他のいかなる同様の装
置であり得る。供給器はまた、吸着剤を床２２上に排出
するために設けられることができ、供給器２９と同様の
態様において構成及び配置されてもよい。
【００１５】ドレンパイプ３０は後壁１４を通して延長
し、包囲体１０の内部と整合し、床２２の下部と連通す
る入口端部３０ａを有する。パイプ３０は従って、消費
された床材料を受理するように適合され、包囲体１０か
ら流動床ストリッパー／冷却器、スクリュー冷却器、コ
ンベアベルト等（図示せず）へ材料を排出するように機
能する。この排出は重力によるもの、又は空気の補助に
よるものであり得る。
【００１６】床着火バーナー３２は、慣用の態様におい
て、始動の間に最初に床に着火するために設けられ、追
加のバーナー（図示せず）がこの目的のためにダクト２
６ａ内に位置付けされ得ることが理解される。
【００１７】一対の水平ヘッダー３４ａが、それぞれ前
壁１２及び後壁１４を形成する管１８と流体連通して接
続され、別の水平ヘッダー３４ｂが、側壁１６を形成す
る管１８と流体連通して接続される。同様のヘッダー
が、他方の側壁の両端部及び壁１２及び１４の上端部と
連通して設けられることが理解される。結果として、加
熱される流体は、逐次又は同時に壁１２、１４、及び１
６を通して通過され、慣用の態様にて流動床から熱を取
り上げることができる。
【００１８】各々一般に参照番号３６にて示される複数
のノズルは、板２４内に形成され板２４によって支持さ
れる開口を通して延長する。従って、プレナム２６から
の空気は各ノズル３６の下端部に入り、ノズルの長さに
渡って上方に通過し、その水平排出部分から床内へと排
出する。ノズル３６の一部には、流体管路、つまり参照
番号４０で示されるパイプが、ノズル３６のうち二本と
接続して設けられる。以下に説明されるように、流体を
ノズル内へ排出するために、各パイプ４０は包囲体１０
の下からプレナム２６中を通り、対応するノズル３６内
へ入りそれを通って延長する。バルブ４２は、各ノズル
３６への流体の流れを制御するために、各パイプ４０に
接続される。
【００１９】ノズル３６の詳細は図２及び図３に示され
る。各ノズル３６は、板２４の対応する開口を通って延
長し、プレナム２６から空気を受理するための、板２４
の下方に突出する外面がねじ切りされた下部垂直部分３
６ａと、板の上方で流動床２２（図１）内へ延長する上
部垂直部分３６ｂと、上部ノズル部分３６ｂの上端部を
通って形成される開口と整合する排出部分３６ｃとから
形成される。排出部分３６ｃは、水平方向に対してわず
かに角度をつけて下方へ延長し、開放末梢端を有する。
従って、空気は、排出部分３６ｃに入り、その開放端を
通って流動床２２(図１)内へ排出される前に、ノズル部
分３６ａ及び３６ｂを通って上方へ流れる。
【００２０】上部リング部材４６は、上部ノズル部分３
６ｂに固定され、板２４の上方表面に対して支持され、
ノズル３６を示される位置に位置させる。内部がねじ切
りされたナットつまりスリーブ４８は、板２４の直下に
延長し、ねじ切りされた下部ノズル部分３６ａとねじに
よって嵌合する。ノズル３６が板２４の開口を通って挿
入された後、スリーブ４８は、板２４の下方表面と嵌合
しノズル３６を示される位置に固定するまで、外部がね
じ切りされた下部ノズル部分３６ａ上を上方に前進され
ることができる。ノズル３６は必要により、板に溶接さ
れることもできる。
【００２１】パイプ４０を受理するノズル３６に関し
て、パイプはノズル部分３６ａ及び３６ｂの全長に渡っ
て垂直に延長し、ノズル部分３６ｂと３６ｃとの接合部
において曲がり、ノズル部分３６ｃの実質的に全長に渡
って水平に延長する。排出ヘッド４０ａはパイプ４０の
端上に設けられ、ノズル部分３６ｃの排出端の直ぐ内側
に配置される。排出ヘッド４０ａはパイプ４０から水等
の冷却流体を受理し、以下に説明されるように、慣用の
態様において、一本又はそれ以上の比較的細い流れにお
いてそれを排出する。
【００２２】パイプ４０の直径は、ノズル３６の内径よ
りも小さく、二つの軸方向離隔突っ張り組立体５０及び
５２によって、ノズルと同軸関係において支持される。
図３に示されるように、突っ張り組立体５０は、三つの
半径方向に延長する突っ張り部材５０ａ、５０ｂ、及び
５０ｃからなり、該部材は、パイプ４０の外側表面とノ
ズル３６の内壁との間に延長し、そこに慣用の態様にて
接続される。突っ張り組立体５２は突っ張り組立体５０
と同一であるので、詳細には示さない。
【００２３】操作において、また流動床が着火され、完
全に操作できる状態にあると仮定した際、空気等の加圧
ガスは、各ノズル３６の下部３６ａを通って上方へ通過
する前に、ダクト２６ａ、開放ダンパー２８、及びプレ
ナム２６中を通過する。ノズル３６にパイプ４０が設け
られなかった場合は、空気は、板２４（図１）に向かっ
てわずかに下方に延長する流れによって、部分３６ｃの
端部から排出されて床２２内の材料を流動化し冷却する
前に、ノズル部分３６ｂ及び３６ｃを通過する。パイプ
４０がノズル３６内に配置される際は、プレナム２６か
らの空気は、パイプ４０と下部ノズル部分３６ａの内部
壁との間の環状間隔を通って上方に通過し、上部ノズル
部分３６ｂを通って上方に連続し、そして、排出ノズル
部分３６ｃ内へと通過する。水等の冷却流体は、ノズル
３６と関連する各パイプ４０内に導入され、バルブ４２
の制御下において、ヘッド４０ａから外方に排出する前
にパイプ内を通って流れる。ノズル部分３６ｃ内の排出
空気は、排出流体を包囲し、よって慣用の態様におい
て、流体を複数の比較的微細な液滴に噴霧、つまり機械
的に細分割する。結果として生ずる混合物は、ノズル部
分３６ｃの端部から排出し、わずかに下方に、板２４
（図１）に向かって延長する流れにおいて、床２２内へ
通過する。流体は床２２内の比較的高温の粒状材料の強
化冷却を提供し、空気は床を流動化するために床中を通
過し、次に自然対流によって一般的上方に包囲体１０中
を通過する。従って床２２内の粒状材料のノズル部分３
６ｃの直上に延長する部分は、冷却、流動化され、その
部分と板２４の上方表面との間に延長する部分は休止状
態、つまり停滞したままである。
【００２４】図１に示されるように、ノズル３６は、そ
の水平排出部分３６ｃが後壁１４に向けられるように配
向される。図面からは明らかではないが、排出部分３８
ｃはドレンパイプ３４にも向けられ得ることが理解され
る。この配向の結果、運動量が床材料に伝達され、それ
により材料の循環を誘発し、粒状材料の優れた分配、冷
却、混合、及び排出を保証する。
【００２５】加熱される水等の流体は、ヘッダー３４ａ
及び３４ｂ内へ通過され、そこで同時、又は逐次壁１
２、１４及び１６を形成する管１８中を通過し、次の処
理のために外部装置に通過される前に、流動床からの熱
を流体へ加える。
【００２６】前述の結果、前述の態様における床２２内
の粒状材料内への空気及び流体の排出は、流動化及び強
化冷却を提供する。また、流動化及び冷却は、ノズル３
６によって排出された流動化空気の量及び速度、パイプ
４０が設けられたノズル３６の数、及びバルブ４２によ
って制御され、ノズル３６によって排出される冷却流体
の量を制御することにより、正確に制御することが可能
である。よって包囲体１０内における温度偏位が減少さ
れ、凝集の生成が防がれる。
【００２７】本発明のノズル３６は、図４において平面
図によって一般に示される流動床ストリッパー／冷却器
等の二次流動床において利用することもできる。ストリ
ッパー／冷却器は、前壁７２、後壁７４、及び二つの側
壁７６及び７８、並びに床面及び屋根（図示せず）によ
って規定される矩形包囲体７０によって形成される。代
表的には、ストリッパー／冷却器は、図１に示される反
応器等の流動床反応器と共に使用され、その場合包囲体
７０は、壁７８を通して設けられる入口７８ａに接続さ
れる適切なダクト等を経て、反応器から比較的高温の粒
状材料を受理することとなる。関連する反応器が蒸気発
生の目的で使用される場合には、壁７２、７４、７６、
及び７８は、先に説明されたように、複数のヘッダー及
び流れ回路との関連において、複数の熱交換管によって
形成され得る。垂直隔壁８０は、包囲体７０の側壁７８
から屋根と床面との間に延長し、その端部は壁７６から
離隔している。同様に、垂直隔壁８２は、包囲体７０の
壁７６から屋根と床面との間に延長し、その端部は壁７
８から離隔している。包囲体７０は、よって三つの室７
０ａ、７０ｂ、及び７０ｃに分割され、室７０ａは入口
７８ａと整合しており、室７０ｃの隅に排出口８４が設
けられている。
【００２８】図４のストリッパー／冷却器の操作におい
て、図１の反応器から等の粒状材料は、入口７８を経て
室７０ａ内へ導入され、穿孔板上に支持され、室７０ｂ
及び７０ｃ内のそれぞれ隔壁８０及び８２の端部の隣接
する空間を通って移動する。穿孔板の下方のプレナムに
空気が導入され、ノズル３６内を通過する。バルブ９２
の制御下の水が、導管９０、及び分岐導管９０ａ、９０
ｂ、及び９０ｃを経てパイプ４０が設けられたノズル３
６内へ導入され、該パイプは、示される例において、各
室７０ａ、７０ｂ、及び７０ｃ内のノズル３６うち三本
からなる。流体は、各ノズル３６と関連する排出ヘッド
６２の上部において排出し、よって前述のようにそこを
通過する空気によって噴霧される。従って、噴霧された
水は各室７０ａ、７０ｂ、及び７０ｃ内の粒状材料を冷
却し、一方空気は粒状材料を流動化し、そこから比較的
微細な部分をストリップする役割を果たし、包囲体７０
に設けられた適切な出口等（図示せず）を通して排出す
る。包囲体７０内に残る比較的粗い材料は、排出口８４
を経て包囲体から排出可能であり、比較的微細なストリ
ップされた材料と同様に、必要により再利用されること
が可能である。例えば、微細な材料は、図１の反応器内
の流動床へ再循環されることが可能である。
【００２９】
【発明の効果】本発明の流動床反応器、ストリッパー／
冷却器及びノズルは、よっていくつかの利点を有する。
例えば、包囲体１２及び７０内の床材料は、包囲体内に
渡って均等に分配される空気及び噴霧される水によって
直接冷却される。また、結果的に生じる強化冷却は、反
応器及びストリッパー／冷却器内の熱偏位及び凝集の形
成を排除する。さらに、ストリッパー／冷却器は、前述
の冷却及び流動化の結果として、増加した容量を有する
ことができる。さらにまた、ノズルは冷却流体の均一な
分配を提供する。また、ノズルからの空気及び流体の排
出パターンは、粒状材料のいかなる逆流をも防ぐことが
できる。特に本願発明は、基部に散在する複数のノズル
より、冷却流体及び流動化空気を完全に、且つ均一に混
合し、粒状材料に対して供給することができるといった
顕著な効果を奏する。
【００３０】本発明の範囲から逸脱せずに、前述につい
て幾つかの変更がなされてもよいことが理解される。例
えば、ノズル３６の数及び特定の位置、及びその特定の
配向は、上記の目的及び結果が達成される限り変更され
得る。また、流体は、必要により、前述の態様によって
ノズル３６の全て又はその選択された部分のみに導入さ
れることが可能である。さらに、本発明のノズルは、Ｊ
−バルブ、シールポット等の他の流動床装置においては
使用可能である。さらにまた、水供給パイプは、ばらば
らのパーツとして製作され、慣用の態様にて互いに接続
されてもよい。
【００３１】更なる改変、変更、及び置換が、前述の開
示において意図され、幾つかの例において、本発明の特
徴が他の特徴の対応する使用なしに用いられることもあ
る。従って、添付請求項は、広く、その発明の精神及び
範囲に一致した態様において解釈されることが適当であ
る。
【図面の簡単な説明】
上記の簡単な説明、並びに本発明の更なる目的、特徴、
及び利点は、本発明に関する現在好ましいが、例示的な
実施態様の詳細な記述により、以下の添付図面に基づき
より充分に認識される。
【図１】図１は、本発明の複数のノズルを示す、流動床
反応器の垂直断面図である。
【図２】図２は、床材料が明瞭さのために省略されてい
る、図１のノズルの拡大垂直断面図である。
【図３】図３は、図２の３−３線に沿った横断面図であ
る。
【図４】図４は、本発明のノズルを使用する流動床スト
リッパー／冷却器の平面図である。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】包囲体と、該包囲体内へ粒状材料を導入す
    るための手段と、前記包囲体内に配置され、前記粒状材
    料を支持するように適合される板と、流動化空気を受理
    するために前記板の下方に位置されるプレナムと、前記
    プレナムからの空気を受理するための、前記板上に支持
    され、それに取り付けられる複数のノズルとを備える流
    動床装置であって、前記ノズルが前記板によって支持される垂直管部分を有
    し、該垂直管部分は前記プレナム及び前記包囲体と流体
    流連通するものであり、 また前記ノズルが前記垂直管部分の端部に接続され、且
    つ前記包囲体内に配置される管放出部分を有し、該管放
    出部分は下方且つ外方に流動化空気を指向するように、
    下方に角度をつけて前記垂直管部分から延長しており、 更に前記ノズルが冷却流体源と連通するパイプを有し、
    該パイプ及び該ノズルの間を流動化空気が通過するのを
    許容するように該ノズルの内径より該パイプの外径が小
    さく形成されており、該パイプの開放端は該ノズル内に
    配置され、前記粒状材料を流動化するために使用される
    流動化空気に冷却流体を注入するように位置される こと
    を特徴とする流動床装置。
  2. 【請求項２】粒状材料を受理するための包囲体と、該包
    囲体内に粒状材料を導入するための手段と、前記包囲体
    内に配置され、前記粒状材料を支持するように適合され
    る板と、流動化空気を受理するために前記板の下方に位
    置されるプレナムとを有する流動床装置における使用の
    ための流動化ノズルであって、前記ノズルが前記板によって支持される垂直管部分を有
    し、該垂直管部分は前記プレナム及び前記包囲体と流体
    流連通するものであり、 また前記ノズルが前記垂直管部分の端部に接続され、且
    つ前記包囲体内に配置される管放出部分を有し、該管放
    出部分は下方且つ外方に流動化空気を指向する ように、
    下方に角度をつけて前記垂直管部分から延長しており、 更に前記ノズルが冷却流体源と連通するパイプを有し、
    該パイプ及び該ノズルの間を流動化空気が通過するのを
    許容するように該ノズルの内径より該パイプの外径が小
    さく形成されており、該パイプの開放端は該ノズル内に
    配置され、前記粒状材料を流動化するために使用される
    流動化空気に冷却流体を注入するように位置される こと
    を特徴とする、流動床装置における使用のための流動化
    ノズル。
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