JPH0642944B2 - 流動層反応器の分配プレート - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 多くの流動層反応器には、多量の微粒子が含有されてい
る。反応器の下方部分には分散プレートが設けられ、そ
れに複数の噴射ノズルがあり、それを通って流動化ガス
がウインドボックスから反応器内へ分配される。ノズル
を通して導入された（空気などの）ガスにより、多量の
微粒子が流動化される。この種の流動層反応器は一般
に、燃焼、ガス化および伝熱プロセスなどの様々な種々
のプロセスに利用される。特定のプロセスに応じて、
砂、石灰石、石炭、灰、もしくは反応器壁からとれた耐
火材料の部片、が流動化される。これらは噴射ノズルに
対して苛酷な環境を結果として生じ、それらに腐食およ
び侵食をもたらす。

従来の流動層反応器においては、特に低負荷状態の下
で、粒子が噴射ノズル付近に蓄積し、ノズルによって得
られる空気の分配へ不利に影響する傾向がある。多量の
粒子中の微粒子は、ノズルを経て供給される空気を妨
げ、空気孔の閉そくを生ずる可能性がある。更に粒子に
は、ノズルを経てウインドボックス（空気室）内へ逆に
流れる傾向がある。これは、噴射ノズルを経由する空気
の供給が停止された時に起こり、反応器室と分配プレー
トの下のウインドボックスとの間の差圧が逆になる結果
を生ずる。分配プレート上方の圧力は分配プレート下側
のウインドボックス内に圧力よりも高くなり、その結
果、粒子中の微粒子はノズルを経てウインドボックス内
へ逆に流れる傾向がある。

この逆流の傾向はまた、定常状態での作動状況に問題を
生じさせる。流動層反応器内の圧力は常に脈動し、逆流
を生ずるに足りるだけ瞬間的且つ局部的に減少する可能
性がある。次に低負荷状態の場合、分配プレートの上下
間の差圧が小さくなるにつれ、この傾向は増大する。

ノズルを通る粒子の逆流は特に、高い流速で流動化さ
れ、反応器から伴出されてガス分離後に再循環される微
粒子で流動層が構成される場合、この層を循環する際の
問題点である。

逆流がウインドボックス内で問題を生起させるのみなら
ず、ノズル内へ逆もどりして流れる微粒子が、反応器内
の脈動の結果として、しばしばノズル内で前後に移動す
る。この、ノズル内の開口部を通る粒子の前後への流れ
がノズルを早期に摩耗させる。

この逆流問題は、差圧（ｄｐ）がガス流量（Ｖ）とガス
密度（ｆ）とに依存することを示し且つ値（ｋ）がノズ
ル定数に等しいとした式ｄｐ／ｄｘ＝ｋｆV²/2に従い流
動化の流れを増大させて差圧を充分高く保つことにより
回避することができる。しかし、高価な動力費のため、
差圧を増大させて逆流を除去することはあり得ない。

米国特許第４，５６５，１３６号には耐熱、耐摩耗性の
多孔質耐火材でできたノズルが開示されている。該ノズ
ルは円筒形の保護非透過スリーブ中に嵌め込まれてい
る。該ノズルの最上部は保護されていない。ノズルは全
体に一様に分配された細かな孔を有している。多孔質ノ
ズルの組織は、微粒子の孔あるいはウインドボックス内
への進入を阻止するように細かくされている。

ノズルからの流動化ガスの流れが停止された時、例え
ば、閉止中、流動化粒子はノズル上に粒子の稠密な塊を
形成する。小さな粒子が、少なくともノズルの最上部の
細かな孔中に入り込み、ノズルを閉塞する。ノズルの起
動時、ノズルは閉塞された状態にあり、ガスがノズルか
ら反応器内へ流入するのを妨げられる。

流動層における逆流する粒子の問題は周知されており、
数多くの解決法が提案されているが、上記諸解法は完全
に成功してはいない。層を均等に流動化するに充分な圧
力降下を付与し、しかも尚、低負荷での逆流のない作動
を可能にさせる最適設計は得られていないと考えられ
る。

本発明によれば、上述の諸問題を克服し、従って可成り
均等な層の流動化を可能にしながらしかも低負荷での逆
流のない作動を可能にさせる流動層反応器の噴射ノズル
が得られる。本発明によるノズルは、流動層内に通常存
在する腐食および侵食状態に一層良く適し、機械的衝撃
に対しては鈍感である。

本発明の最も広い態様によれば、多量の微粒子を包有
し、下方部分に分散プレートが設けられ、分散プレート
に複数の噴射ノズルがあり、ノズルを通って流動化ガス
がウインドボックスから反応器内へ分配される流動層反
応器が提供される。少なくとも若干の噴射ノズルは上方
部分と、少なくとも一つの開口部を形成する装置と、ガ
ス透過装置とを有する。上方部分は、多量の粒子と接触
するようにされた、高熱および摩耗に耐える材料から成
っている。各ノズル内に少なくとも一つの開口部を画定
する装置が、ノズルの上方部分とウインドボックスとの
間の開口部を通る流動化ガスの流過を可能にさせてい
る。ガス透過装置は、それを通るガスの流過を可能にさ
せながらも、それを通る微粒子の流過を妨げるように開
口部を画定する装置へ確実に当接する。ガス透過装置は
焼結金属であることが望ましい。あるいはまたガス透過
装置が金属線メッシュの耐酸性フィルタ、多孔性セラミ
ック材料または高温セラミック材料であることもでき
る。例えば、１対の同心の接触する多孔性セラミック管
に種々の効果的な透過性を備えさせることもできる。

固体壁を備えたスタンドパイプをウインドボックスから
上向きに延ばし、スタンドパイプの上方に開口部を備え
て下向きに外方へ向けることができる。スタンドパイプ
は、ガス透過装置をスタンドパイプで支え且つ上方部分
へ当接させて、上方部分の内部に配設できる。スタンド
パイプは、開口部を中に有する水平は金属リングを支
え、上方部分とリングとの間にガス透過装置を挟むこと
もできる。ガス透過装置は、概ね垂直な軸線を有する管
状エレメントであることができ、ガス透過装置は約５０
〜１００μｍの径を有する細孔を備えることができる。
ガス透過装置が焼結金属である場合には、それが管の形
でスタンドパイプとの上方部分との間に配設され且つそ
れらに当接することが望ましい。

本発明の主目的は、流動層反応器において、ガス噴射ノ
ズル内への固形物の逆流を防止しながら流動化ガスの均
等な分配を図ることにある。本発明の以上およびその他
の諸目的は、本発明の詳細な説明の閲覧により、また特
許請求の範囲により明らかとなろう。

第１図は、粒子１０の中に、本発明の第１実施例による
例示的なガス噴射ノズル１１を示す。ノズル１１はグリ
ッドまたは分配プレート１２に配設され、プレート１２
内に画定された開口部１４にはスタンドパイプ１３がは
め込まれている。スタンドパイプ１３は望ましくは固形
壁管であり、例えばそれを、ＡＩＳＩ ３０４ステンレ
ス鋼のようなステンレス鋼で構成することもできる。加
圧されたガスが、ウインドボックスもしくは空気室１８
として恐らく周知の、プレート１２の下方の区域に配置
される。循環または非循環形の何れでも良い一般的な流
動層反応器２０内に、ノズル１１、分配プレートなどが
配設される。

第１図の実施例については、ノズル１１の上方部分１７
が、多量の粒子１０と接触するようにされた高熱および
摩耗に耐える材料で作られている。例えば、これは、Ａ
ＩＳＩ ３０９のような耐熱鋼であっても良い。ノズル
１１はまた、少なくとも一つの開口部１９および望まし
くは複数の開口部を画定する装置を含み、それを通って
流動化ガスが上方部分１７とウインドボックス１８の分
配プレート１２との間を流過する。この特定の実施例の
場合、開口部１９は、上方部分１７の下方へ延びる部分
１５により画定される。ノズル１１は更に、開口部１９
を画定する部分１５へ確実に当接するガス透過装置１６
を含み、ガス透過装置１６はそれを通るガスの流過を許
容しながら、それを通って反応器２０からウインドボッ
クス１８に至る粒子１０の流過を防止する。開口部１９
は、溝、スロット、丸孔などであれば良い。石炭燃焼プ
ロセスにおいては、約１〜１５ｍｍの直径を有する丸孔
が利用される。第１図の実施例の場合、開口部画定部分
１５が外側部分を構成し、ガス透過装置１６が内側部分
を構成している。

第１の実施例においては、内側部分が、開口１９よりは
るかに小さい細孔を備えたセラミックのような多孔性固
形材料で形成される。部分１５が内側部分の多孔性材料
を防護し、従って、ガス透過装置が微粒子の流れやその
腐食的影響にさらされないので、比較的に安価な材料を
多孔性材料として利用できる。例えば多孔性セラミック
材料は、（ハイ・テク・セラミックス・インコーポレー
テッド（Hi-Tech Ceramics Inc.）により）「セラポア
(Cerapor)」なる商標名で販売され、または「レテイテ
ル(Reticel)」なる商標名で販売されているような高温
セラミック・フィルタであっても良い。

第１図の実施例の場合、上方部分１７が、概ね傾斜した
屋根形構造を備えていることに留意すべきである。

第２図に示す実施例においては、第１図に示したそれら
と機能に類似点がある構造体が、単に「１」を先行させ
た同じ参照数字で表示されている。この実施例において
は、内側部分として使用された多孔性セラミック材料の
代りに内側部分が金属フィルタ２１で構成されている点
を除き、大部分の構成要素が第１図におけると同様であ
る。この金属フィルタ２１は、例えば約０．５０ｍｍの
メッシュを形成する０．２２ｍｍの針金で作られた在来
の合金フィルタである。この特定の実施例は、既存のノ
ズルに新たな改善を施すこと、例えば漏れのある既存の
ノズルを改善すること、が特に容易である。言うまでも
なく、それを新しい構造物に利用することもできる。

第１図および第２図のノズル１１，１１１の双方、なら
びに本発明によるその他のノズルに関しては、微細な流
動化粒子がガス透過装置と接触しないので、反応器の修
理や検査中にだれかが流動化粒子上を歩いて高い局部的
な圧力を生成したとしても、流動化粒子がセラミック材
料が利用されている場合の細孔や金属フィルタが利用さ
れている場合の網目内に入らない。

第３図は、ノズル１１，１１１の部分１５，１１５内の
開口部１９，１１９の好適な形状を示す。開口部１９，
１１９は、５〜３０゜の角度２２をなし、下向きに外方
へ傾斜することが望ましい。これは、流動化粒子の逆流
の機会を最小限としながら、ノズル１１，１１１からの
ガスの最良の分配を考慮に入れている。

第４図に示す実施例においては、第１図のそれらと類似
点のある構造体が、単に「２」を先行させた同じ参照数
字で示されている。この実施例においては、スタンドパ
イプが全く利用されずに、１対の同心管２１５，２１６
が、開口部２１４を囲んで分配プレート２１２からノズ
ル２１１の上方部分２１７まで延びている。この場合、
上方部分２１７は平たんなプレートである。管状部分２
１５，２１６は何れも多孔性のセラミック管であり、外
側管２１５がガスの噴射のための開口部を画定する装置
であると共に内側管２１６がそれを通る流動化粒子の流
過を防止するガス透過装置であるように、外側管２１５
が比較的に大きい細孔を備え、内側管２１６が比較的に
小さい細孔を備えていることが望ましい。管２１５，２
１６の両者は同じ材料で作ることができるが、外側管２
１５を摩耗および熱に耐える材料で作り、または−双方
の管を同じ材料で作ったとしても−外側管２１５の外側
を処理して更に耐性のある被覆を生成することが望まし
いであろう。

第５図の実施例においては、第１図とそれらと類似点の
ある構造体が、単に「３」を先行させた同じ参照数字で
示されている。この実施例においては、開口部３１９を
画定する装置３１５が水平な固形金属リングである。ス
タンドパイプ３１３がこのリングをウインドボックス３
１８の分配プレート３１２の上方に支え、ガス透過装置
３１６が上方部分３１７とリング３１５との間に挟まれ
ている。ガス透過装置３１６はそれを通るガスの流過を
許容しながら流動化粒子の逆流を防止する多孔性セラミ
ック材料であり、上方部分３１７とリング３１５とによ
り反応器の腐食的な環境から防護されることが望まし
い。

全てのガス透過装置１６，２１６，３１６にとって、ガ
スの流れを提供するには、約５０〜１，０００μｍの細
孔径が望ましい。内側および外側管を備えている第１図
〜第４図の全ての実施例において、内側部分が外側部分
と本質的に接触しているので外側および内側部分間には
固形材料の粒子が蓄積する自由空間がほとんどないし全
く形成されないことがわかるが、これは相当の有利な成
果である。

従って、本発明により流動層反応器内のノズルが得られ
たが、それらは、流動層反応器内で一般的に遭遇し得る
腐食的な状態や機械的な力に耐え、流動化ガスを均等に
分配し、反応器からウインドボックス内への粒子の逆流
を防止することができ、ほとんど保守無しで長期間にわ
たりこれらの望ましい諸成果を達成できることがわか
る。

図面の簡単な説明 第１図は流動層反応器内に示した本発明の一実施例によ
る一つの例示的なガス噴射ノズルの概略側断面図、 第２図は本発明の第２実施例による別の例示的なガス噴
射ノズルの概略側断面図、 第３図は第１図および第２図のガス開口部を画定する装
置の、その下方且つ外方への傾斜を示す詳細断面図、 第４図は本発明による噴射ノズルの第３実施例の概略側
断面図、 第５図は本発明によるノズルの第４実施例の概略側断面
図である。

１１，１１１，２１１，３１１……噴射ノズル、 １５，１１５，２１５，３１５……外側部分、 １６，２１，２１６，３１６……内側部分、 １７，１１７，２１７，３１７……上方部分、 １８……ウインドボックス、 １９，１１９，３１９……大径の孔。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多量の微粒子を包含した流動層反応器であ
   って、その下部に複数の噴射ノズル（１１，１１１，２
   １１，３１１）を有した分散プレートが設けられてお
   り、前記噴射ノズルを介して流動化ガスがウインドボッ
   クス（１８）から前記反応器内へ分散される流動層反応
   器において、 前記ノズルの上方部分（１７，１１７，２１７，３１
   ７）が耐熱及び耐摩耗性材料で形成され、前記微粒子と
   接触するようにされており、 前記ノズルの上方部分の下にあり、前記ノズルの外側部
   分（１５，１１５，２１５，３１５）が、前記ウインド
   ボックスからの流動化ガスが前記反応器内に通過する外
   側開口部もしくは大径の孔（１９，１１９，３１９）を
   有しており、 前記ノズルの内側部分（１６，２１，２１６，３１６）
   が、流動化ガスが前記ウインドボックスから前記大径の
   孔へ通過する内側開口部もしくは小径の孔を有してお
   り、 該内側開口部もしくは小径の孔は前記外側部分の前記外
   側開口部もしくは大径の孔（１９，１１９，２１９，３
   １９）より小さく、 前記内側部分は、該内側部分と前記外側部分との間に固
   形粒子が蓄積する自由区間が殆どないし全く形成されな
   いように前記外側部分に隣接しており、それによりガス
   の流動化が起こるが、前記ノズルを通って前記ウインド
   ボックス内へ至る粒子の逆流が起こらない流動層反応
   器。
2. 【請求項２】前記内側部分（１６，２１，２１６，３１
   ６）が焼結金属である請求項１記載の反応器。
3. 【請求項３】前記内側部分（１６，２１，２１６，３１
   ６）が金属線メッシュのフィルタである請求項１記載の
   反応器。
4. 【請求項４】前記ノズルの上方部分が不透過性頂部（１
   ７１１７，２１７，３１７）と、外側開口部（１９，１
   １９，２１９）または大径の孔を有した外側部分（１
   ５，１１５，２１５，３１５）を形成する下方へ延在し
   た部分とを有している請求項１記載の反応器。
5. 【請求項５】前記内側部分（２１６）と外側部分（２１
   ５）とが異なる効果の透過性を備えた一対の同心的に隣
   接する多孔性セラミック管である請求項１記載の反応
   器。