(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動媒体を収容する流動層炉と、
前記流動層炉内に設けられ、ガスを供給するための孔を有する１または複数のノズルで構成される第１のノズル群と、
前記第１のノズル群とは異なるノズル群であって、前記流動層炉内に設けられ、ガスを供給するための孔を有する１または複数のノズルで構成される第２のノズル群と、
前記第１のノズル群および前記第２のノズル群のいずれか一方を通じて、前記流動層炉内にガスを供給する第１供給部と、
前記第１のノズル群および前記第２のノズル群の双方を通じて、前記流動層炉内にガスを供給する第２供給部と、
起動運転する際に、前記第２供給部を制御し、前記流動層炉内にガスとして空気を供給させることで、前記流動層炉内において流動媒体の流動層を形成させ、通常運転する際に、前記第２供給部によるガスの供給を停止させるとともに前記第１供給部を制御し、前記流動層炉内にガスとして水蒸気を供給させることで、前記流動層炉内において流動媒体の流動層を形成させる制御部と、
を備える流動層システム。
【請求項２】
前記第１供給部が供給するガスが水蒸気であり、前記第２供給部が供給するガスが空気である請求項１に記載の流動層システム。
【請求項３】
流動媒体を収容する流動層炉を起動運転する際に、前記流動層炉内に設けられた、孔を有する１または複数のノズルで構成される第１のノズル群、および、前記第１のノズル群とは異なるノズル群であって、前記流動層炉内に設けられた、孔を有する１または複数のノズルで構成される第２のノズル群の双方を通じて、前記流動層炉内にガスとして空気を供給し、前記流動層炉内において流動媒体の流動層を形成し、
前記流動層炉を通常運転する際に、前記第１のノズル群および前記第２のノズル群のいずれか一方を通じて、前記流動層炉内にガスとして水蒸気を供給し、前記流動層炉内において流動媒体の流動層を形成する流動層炉の運転方法。
【請求項４】
流動媒体を収容する流動層炉と、
前記流動層炉内に設けられ、ガスを供給するための孔を有する複数のノズルと、
前記複数のノズルを通じて、前記流動層炉内にガスを供給する供給部と、
起動運転する際に、前記複数のノズルを通じて、前記流動層炉内にガスとして空気を供給させることで、前記流動層炉内において流動媒体の流動層を形成させ、通常運転する際に、前記複数のノズルのうち、前記起動運転の際にガスの供給元となったノズルより少ない数の特定のノズルを通じて、前記流動層炉内にガスとして水蒸気を供給させることで、前記流動層炉内において
流動媒体の流動層を形成させる制御機構と、
を備える流動層システム。
【請求項５】
前記供給部が前記起動運転する際に供給するガスが空気であり、前記通常運転する際に供給するガスが水蒸気である請求項４に記載の流動層システム。
【請求項６】
前記制御機構は、
前記特定のノズルの孔を開放または閉塞する開閉部と、
起動運転する際に、前記開閉部を制御して、前記特定のノズルの孔を開放させ、通常運転する際に、前記開閉部を制御して、前記特定のノズルの孔を閉塞させる制御部と、
を含んで構成される請求項４または５に記載の流動層システム。
【請求項７】
前記制御機構は、前記複数のノズルのうち、前記特定のノズルが有する孔に設けられたフィルタを含んで構成され、
前記フィルタは、空気を通過させるとともに、水蒸気の通過を防止する機能を有する請求項５に記載の流動層システム。
【請求項８】
流動媒体を収容する流動層炉を起動運転する際に、前記流動層炉内に設けられた、孔を有する複数のノズルを通じて、前記流動層炉内にガスとして空気を供給し、前記流動層炉内において流動媒体の流動層を形成し、
前記流動層炉を通常運転する際に、前記複数のノズルのうち、前記起動運転の際にガスの供給元となったノズルより少ない数の特定のノズルを通じて、前記流動層炉内にガスとして水蒸気を供給し、前記流動層炉内において流動媒体の流動層を形成する流動層炉の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動媒体が流動層を形成する流動層システムおよび流動層炉の運転方法に関する。
本願は、２０１３年４月２４日に日本に出願された特願２０１３−９０９４２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
近年、価格の高騰が予想される天然ガスに代えて、石炭やバイオマス、タイヤチップ等のガス化原料をガス化してガス化ガスを生成する技術が開発されている。このようにして生成されたガス化ガスは、発電システムや、水素の製造、合成燃料（合成石油）の製造、化学肥料（尿素）等の化学製品の製造等に利用されている。ガス化ガスの原料となるガス化原料のうち、特に石炭は、可採年数が１５０年程度と、石油の可採年数の３倍以上であり、また、石油と比較して埋蔵地が偏在していないため、長期に亘り安定供給が可能な天然資源として期待されている。【０００３】
石炭等のガス化原料をガス化する技術として、８００℃程度の水蒸気によって流動媒体が流動層を形成している流動層炉内で、ガス化原料をガス化する技術（水蒸気ガス化）が開発されている（例えば、特許文献１）。【０００４】
また、流動媒体が流動層を形成している流動層炉内で、ガス化原料をガス化する技術に関して、ガス化炉中の粒子層中に流体を吹き出すノズルを設けた、特許文献２および３がある。また、流動燃焼炉の技術に関して、特許文献４がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本国特許第３９３３１０５号公報
【特許文献２】日本国特開２００３−１７２５０４号公報
【特許文献３】日本国特開昭５９−１０９７０５号公報
【特許文献４】日本国特開２００７−１７０７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
流動層炉を起動する前の状態、すなわち、流動層炉の停止状態では、流動層炉内の流動媒体は常温である。したがって、起動開始時に水蒸気を供給すると流動層炉において、水蒸気が凝縮して水となり、流動媒体が固着してしまう。【０００７】
そこで、流動層炉を起動運転する際には、流動層炉内に空気を供給して流動層を形成し、流動媒体を加熱して、通常運転が可能となる温度（例えば、水の沸点以上）まで流動媒体を加熱する。そして、流動媒体の温度が、通常運転が可能となる温度まで上昇した後、初めて流動層炉内に水蒸気を供給している。【０００８】
このように、流動層炉を起動運転する際には流動層炉内に空気を供給し、通常運転する際には流動層炉内に水蒸気を供給するが、空気と水蒸気とでは、流動層炉にガスを供給するための供給孔における圧力損失が異なる。具体的に説明すると、流動層炉内で流動媒体を実質的に均一に流動させるため（流動層を形成するため）に必要な空気の流量は、水蒸気の流量よりも大きい。そのため、供給孔における空気の圧力損失は、水蒸気の圧力損失よりも大きくなる。【０００９】
一般的に、供給孔の孔径や孔数は、通常運転（すなわち、流動層炉内に水蒸気を供給した場合）を想定して設計される。そのため、流動層の形成に必要な流量の空気を供給する際に生じる圧力損失を勘案すると、起動運転する際に利用されるブロワの揚程を相対的に大きくする必要があり、出力が大きく高価なブロワを採用しなければならない。【００１０】
このような空気を供給するブロワは流動層炉を起動運転する際のみに利用され、通常運転する際には利用されないため、コストを要する割に利用効率が低下する。【００１１】
本発明は、このような課題に鑑み、流動層炉を起動運転する際のガスの圧力損失と、通常運転する際のガスの圧力損失との差を低減することで、起動運転する際に利用するブロワの揚程を低減することができ、ブロワに要するコストを削減することが可能な流動層システムおよび流動層炉の運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の流動層システムは、流動媒体を収容する流動層炉と、流動層炉内に設けられ、ガスを供給するための孔を有する１または複数のノズルで構成される第１のノズル群と、第１のノズル群とは異なるノズル群であって、流動層炉内に設けられ、ガスを供給するための孔を有する１または複数のノズルで構成される第２のノズル群と、第１のノズル群および第２のノズル群のいずれか一方を通じて、流動層炉内にガスを供給する第１供給部と、第１のノズル群および第２のノズル群の双方を通じて、流動層炉内にガスを供給する第２供給部と、起動運転する際に、第２供給部を制御し、流動層炉内にガスを供給させることで、流動層炉内において流動媒体の流動層を形成させ、通常運転する際に、第２供給部によるガスの供給を停止させるとともに第１供給部を制御し、流動層炉内にガスを供給させることで、流動層炉内において流動媒体の流動層を形成させる制御部と、を備える。【００１３】
また、第１供給部が供給するガスが水蒸気であり、第２供給部が供給するガスが空気であってもよい。【００１４】
また、本発明の流動層炉の運転方法は、流動媒体を収容する流動層炉を起動運転する際に、流動層炉内に設けられた、孔を有する１または複数のノズルで構成される第１のノズル群、および、第１のノズル群とは異なるノズル群であって、流動層炉内に設けられた、孔を有する１または複数のノズルで構成される第２のノズル群の双方を通じて、流動層炉内にガスを供給し、流動層炉内において流動媒体の流動層を形成し、流動媒体を収容する流動層炉を通常運転する際に、第１のノズル群および第２のノズル群のいずれか一方を通じて、流動層炉内にガスを供給し、流動層炉内において流動媒体の流動層を形成する。【００１５】
また、本発明の他の流動層システムは、流動媒体を収容する流動層炉と、流動層炉内に設けられ、ガスを供給するための孔を有する複数のノズルと、複数のノズルを通じて、流動層炉内にガスを供給する供給部と、起動運転する際に、複数のノズルを通じて、流動層炉内にガスを供給させることで、流動層炉内において流動媒体の流動層を形成させ、通常運転する際に、複数のノズルのうち、起動運転の際にガスの供給元となったノズルより少ない数の特定のノズルを通じて、流動層炉内にガスを供給させることで、流動層炉内において流動媒体の流動層を形成させる制御機構と、を備える。【００１６】
また、供給部が起動運転する際に供給するガスが空気であり、通常運転する際に供給するガスが水蒸気であってもよい。【００１７】
また、制御機構は、特定のノズルの孔を開放または閉塞する開閉部と、起動運転する際に、開閉部を制御して、特定のノズルの孔を開放させ、通常運転する際に、開閉部を制御して、特定のノズルの孔を閉塞させる制御部と、を含んで構成されてもよい。【００１８】
また、制御機構は、複数のノズルのうち、特定のノズルが有する孔に設けられたフィルタを含んで構成され、フィルタは、空気を通過させるとともに、水蒸気の通過を防止する機能を有してもよい。【００１９】
また、本発明の他の流動層炉の運転方法は、流動媒体を収容する流動層炉を起動運転する際に、流動層炉内に設けられた、孔を有する複数のノズルを通じて、流動層炉内にガスを供給し、流動層炉内において流動媒体の流動層を形成し、流動媒体を収容する流動層炉を通常運転する際に、複数のノズルのうち、起動運転の際にガスの供給元となったノズルより少ない数の特定のノズルを通じて、流動層炉内にガスを供給し、流動層炉内において流動媒体の流動層を形成する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、流動層炉を起動運転する際のガスの圧力損失と、通常運転する際のガスの圧力損失との差を低減することで、起動運転する際に利用するブロワの揚程を低減することができる。その結果、ブロワに要するコストを削減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる流動層システムの具体的な構成を説明するための図である。
【図２Ａ】起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減する機構を説明するための、図１における流動層炉およびその近傍の部分拡大図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示すノズルの垂直断面図である。
【図２Ｃ】図２ＢのＩＩｃ−ＩＩｃ線に沿ったノズルの水平断面図である。
【図３】流動層システムの運転方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【図４】流動層炉内へ供給される空気の流量、流動層炉内へ供給される水蒸気の流量、および、流動層炉内の温度の経時変化を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる流動層システムの具体的な構成を説明するための図である。
【図６Ａ】起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減する機構を説明するための、図５における流動層炉およびその近傍の部分拡大図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示すノズルの垂直断面図である。
【図６Ｃ】図６ＢのＶＩｃ−ＶＩｃ線に沿ったノズルの水平断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態にかかる流動層システムの具体的な構成を説明するための図である。
【図８Ａ】起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減する機構を説明するための、図７における流動層炉およびその近傍の部分拡大図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示すノズルの垂直断面図である。
【図８Ｃ】図８ＢのＶＩＩＩｃ−ＶＩＩＩｃ線に沿ったノズルの水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２３】
（第１の実施形態：流動層システム１００）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる流動層システム１００の具体的な構成を説明するための図である。図１に示すように、流動層システム１００は、燃焼炉１１０と、媒体分離器（サイクロン）１１２と、ループシール１１４ａ、１１４ｂと、流動層炉１３０と、第１風箱１４０と、第２風箱１５０と、第１供給部１６０と、バルブ１７０と、第２供給部１８０と、制御部１９０とを含んで構成される。なお、図１中、流動媒体、ガス化原料、ガス化ガス、空気、水蒸気、燃焼排ガス等の物質の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。
【００２４】
本実施形態において、流動層システム１００は、循環流動層式ガス化システムであり、粒径が３００μｍ程度の硅砂（珪砂）等の砂で構成される流動媒体を、熱媒体としてシステム全体に循環させている。具体的には、まず、流動媒体は、燃焼炉１１０で９００℃〜１０００℃程度に加熱され、燃焼排ガスと共に媒体分離器１１２に導入される。媒体分離器１１２において、燃焼排ガスと高温の流動媒体とが分離され、分離された燃焼排ガスは、不図示の熱交換器（例えば、ボイラー）等で熱回収される。
【００２５】
一方、媒体分離器１１２で分離された高温の流動媒体は、ループシール１１４ａを介して流動層炉１３０に導入される。ループシール１１４ａは、媒体分離器１１２から流動層炉１３０へのガス（燃焼排ガス）の流入および流動層炉１３０から媒体分離器１１２へのガス（ガス化ガス、流動ガス）の流出を防止する役割を担う。
【００２６】
ループシール１１４ａを介して、媒体分離器１１２から流動層炉１３０に導入された流動媒体は、後述する第１風箱１４０および第２風箱１５０のいずれか一方または双方から供給される流動ガスによって流動し、ループシール１１４ｂを介して燃焼炉１１０に戻される。ループシール１１４ｂは、流動層炉１３０から燃焼炉１１０へのガス（ガス化ガス、流動ガス）の流出および燃焼炉１１０から流動層炉１３０へのガス（燃焼排ガス）の流入を防止する役割を担う。
【００２７】
このように、本実施形態にかかる流動層システム１００において、流動媒体は、燃焼炉１１０、媒体分離器１１２、ループシール１１４ａ、流動層炉１３０、ループシール１１４ｂを、この順に移動し、再度燃焼炉１１０に導入されることにより、これらを循環する。
【００２８】
また、流動層炉１３０の下方には、第１風箱１４０および第２風箱１５０が設けられている。そして、流動層システム１００を通常運転する際には、第１供給部１６０が駆動され、第１供給部１６０から供給された流動ガス（ここでは、水蒸気）が、第１風箱１４０に一時的に貯留され、この第１風箱１４０に貯留された水蒸気が、流動層炉１３０の底面から流動層炉１３０内に供給される。このように、媒体分離器１１２から導入された高温の流動媒体に水蒸気を供給することにより、流動層炉１３０内において流動層（気泡流動層）が形成される。
【００２９】
流動層炉１３０には、石炭やバイオマス、タイヤチップ等のガス化原料（固体原料）が導入され、導入されたガス化原料は、流動媒体が有する８００℃〜９００℃程度の熱によってガス化され、これによってガス化ガス（合成ガス）が生成される。
【００３０】
ここで、流動層システム１００の起動運転と、通常運転について説明すると、流動層システム１００を起動する前の状態、すなわち、流動層システム１００の停止状態では、流動層炉１３０に収容された流動媒体は常温（例えば、３０℃）である。したがって、起動を開始する際に、水蒸気を供給すると流動層炉１３０内において水蒸気が凝縮して水となり、水によって流動媒体が固着し、流動層が形成できなくなる。
【００３１】
そこで、流動層システム１００を起動運転する際には、まず、常温でも凝縮しない空気等の流動ガスを供給して、流動層炉１３０内において流動層を形成する。そうすると、流動層の形成に伴って、流動媒体が浮上し、流動層炉１３０に収容された流動媒体の鉛直方向の高さが高くなり、流動媒体は、流動層炉１３０からオーバーフローしてループシール１１４ｂへ送出され、燃焼炉１１０へ導入される。このように、流動層炉１３０内において流動層の形成が開始されることにより、上記流動媒体の循環が開始される。
【００３２】
ついで、燃焼炉１１０の運転を開始することで、循環する流動媒体の温度が上昇する。そして、流動層炉１３０に導入される流動媒体の温度が、ガス化原料のガス化に適した温度（例えば、８００℃〜９００℃程度）になると、流動層炉１３０に供給する流動ガスを、ガス化原料をガス化するためのガス化剤（水蒸気）に切り替えて、通常運転を開始する。
【００３３】
このように、流動層炉１３０を起動運転する際には流動層炉１３０内に空気を供給し、通常運転する際には流動層炉１３０内に水蒸気を供給するが、空気と水蒸気とでは、流動層炉１３０に流動ガスを供給するための供給孔における圧力損失が異なる。具体的に説明すると、流動層炉１３０内で流動媒体の流動層を形成する（Ｕ０／Ｕｍｆが１以上となるようにする）ために必要な空気の最低流量は、水蒸気の最低流量よりも大きい。ここで、Ｕ０／Ｕｍｆは、流動層の流動状態を示す指標であり、Ｕ０／Ｕｍｆが１以上であると、流動媒体が流動層を形成しているとみなすことができる。なお、Ｕ０は、流体（流動ガス）が流動層内を移動する速度であり、Ｕｍｆは、流動化開始速度である。最低流量の相違は、空気と水蒸気との物性（例えば、質量密度や粘度）の相違や、温度の相違による。
【００３４】
このように、流動層を形成するための空気の最低流量が、水蒸気の最低流量よりも大きいため、供給孔における空気の圧力損失は、水蒸気の圧力損失よりも大きくなってしまう。例えば、同一の孔径、および、同一の孔数の供給孔において、同一のＵ０／Ｕｍｆとなるように、３０℃の空気または５００℃の水蒸気を供給すると、３０℃の空気の圧力損失は、５００℃の水蒸気の圧力損失の例えば２０倍以上となる。
【００３５】
供給孔の孔径や孔数は、通常運転（すなわち、流動層炉１３０内に水蒸気を供給した場合）を想定して設計されるので、流動層の形成に必要な流量の空気を供給する際に生じる圧力損失を勘案すると、起動運転する際に利用するブロワの揚程を相対的に大きくする（例えば、水蒸気を供給するためのブロワの２０倍程度にする）必要がある。また、ブロワの揚程が相対的に小さいと、所望するＵ０／Ｕｍｆにならず、流動層の状態が不安定になる。
【００３６】
そこで、本実施形態にかかる流動層システム１００では、流動層炉１３０に流動ガスを供給するための供給孔の構造を工夫することで、起動運転する際の流動ガス（空気）の圧力損失と、通常運転する際の流動ガス（水蒸気）の圧力損失との差を低減する。以下、起動運転する際の空気の圧力損失と、通常運転する際の水蒸気の圧力損失との差を低減する機構について詳述する。
【００３７】
図２Ａ〜図２Ｃは、起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減する機構を説明するための図であり、図２Ａは、図１における流動層炉１３０および流動層炉１３０近傍の部分拡大図であり、図２Ｂは、ノズル１４２、１５２の垂直断面図であり、図２Ｃは、図２ＢのＩＩｃ−ＩＩｃ線におけるノズル１４２、１５２の水平断面図である。なお、図２Ａ〜図２Ｃ中、理解を容易にするため、流動媒体を省略する。
【００３８】
図２Ａに示すように、流動層炉１３０の下方には、第１風箱１４０および第２風箱１５０が設けられている。
【００３９】
第１風箱１４０には、複数のノズル１４２（ここでは、説明の便宜上１０本のノズルで示す）で構成されるメインノズル群（第１のノズル群）１４４が設けられており、メインノズル群１４４が流動層炉１３０内に配されている。図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、ノズル１４２には、流動ガスを供給するための孔（供給孔）１４２ａが周方向に等間隔で複数（ここでは、４つ）設けられており、孔１４２ａを通じて流動ガスが流動層炉１３０内に供給される。
【００４０】
第２風箱１５０には、複数のノズル１５２（ここでは、説明の便宜上５本のノズルで示す）で構成される補助ノズル群（第２のノズル群）１５４が設けられており、補助ノズル群１５４が流動層炉１３０内に配されることとなる。本実施形態において、ノズル１５２には、ノズル１４２と実質的に等しい孔径の孔１５２ａ（供給孔）がノズル１４２と同数（ここでは、４つ）周方向に等間隔に形成されている（図２Ｂおよび図２Ｃ参照）。したがって、ノズル１５２に設けられた孔１５２ａを通じて流動ガスが流動層炉１３０内に供給される。
【００４１】
第１供給部１６０は、配管１６２を通じて第１風箱１４０に接続される。第１供給部１６０は、通常運転する際にのみ利用され、後述する制御部１９０による制御指令に応じて、メインノズル群１４４のみを通じて、流動層炉１３０内に水蒸気（流動ガス）を供給する。
【００４２】
バルブ１７０は、配管１６２と配管１８２とを連通する連通管１７２に設けられ、制御部１９０によって、その開閉が制御される。制御部１９０によるバルブ１７０の開閉の制御については、後に詳述する。
【００４３】
第２供給部１８０は、例えば、ブロワで構成され、配管１６２および配管１８２を通じて第１風箱１４０および第２風箱１５０に接続される。第２供給部１８０は、起動運転する際にのみ利用され、制御部１９０による制御指令に応じて、メインノズル群１４４および補助ノズル群１５４の双方を通じて、流動層炉１３０内に空気（流動ガス）を供給する。
【００４４】
制御部１９０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して流動層システム１００全体を管理および制御する。本実施形態において、制御部１９０は、燃焼炉１１０の駆動、媒体分離器１１２の駆動、第１供給部１６０の駆動、バルブ１７０の開閉、第２供給部１８０の駆動を制御する。
【００４５】
具体的に説明すると、制御部１９０は、流動層システム１００を起動運転する際に、バルブ１７０を開閉し、第２供給部１８０を制御し、メインノズル群１４４および補助ノズル群１５４の双方もしくはメインノズル群１４４のみを通じて、流動層炉１３０内に空気を供給させることで、流動層炉１３０内において流動媒体の流動層を形成させる。また、制御部１９０は、流動層システム１００を通常運転する際に、バルブ１７０を閉じ、第１供給部１６０を制御し、メインノズル群１４４のみを通じて、流動層炉１３０内に水蒸気を供給させることで、流動層炉１３０内において流動媒体の流動層を形成させる。
【００４６】
換言すれば、制御部１９０は、起動運転時に利用されるノズル１４２、１５２の数（孔１４２ａ、１５２ａの総面積）が、通常運転時に利用されるノズル１４２の数（孔１４２ａの総面積）よりも多くなるように、第１供給部１６０、バルブ１７０、第２供給部１８０を制御する。
【００４７】
このように、起動運転時に流動ガスが流通する孔１４２ａ、１５２ａの総面積を通常運転時の流動ガスが流通する孔１４２ａの総面積よりも大きくすることで、起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減することができる。例えば、本実施形態で説明した、ノズル１４２の孔１４２ａとノズル１５２の孔１５２ａの孔径と数とを実質的に等しくし、ノズル１５２の数をノズル１４２の半分にした構成では、３０℃の空気の圧力損失を、５００℃の水蒸気の圧力損失の１０倍程度に低減することが可能となる。
【００４８】
したがって、ノズル１４２（すなわち、孔１４２ａの孔径と数）を通常運転時に供給する水蒸気を基準にして設計したとしても、従来のメインノズル群１４４のみの構成と比較して第２供給部１８０の揚程を低減することができ、第２供給部１８０に要するコストを削減することが可能となる。
【００４９】
（流動層システム１００の運転方法）
続いて、流動層システム１００（流動層炉１３０）の運転方法について説明する。図３は、流動層システム１００の運転方法の処理の流れを説明するためのフローチャートであり、図４は、流動層炉１３０内へ供給される空気の流量、流動層炉１３０内へ供給される水蒸気の流量、および、流動層炉１３０内の温度の経時変化を示す図である。
【００５０】
なお、上記運転方法の説明において、流動層システム１００の起動運転を開始する前は、流動層システム１００が停止状態にあると仮定する。また、本実施形態における流動層システム１００の運転方法において、作業者による停止指示があったときには、そのときに遂行している処理を停止する。
【００５１】
制御部１９０は、作業者による起動運転を開始する旨を示す指示を受け付けると（ステップＳ２１０におけるＹＥＳ）、バルブ１７０が閉じられているか否かを判定する（ステップＳ２１２）。なお、作業者による起動運転を開始する旨を示す指示がない場合（ステップＳ２１０におけるＮＯ）、起動運転を開始する旨を示す指示の待機状態を維持する。
【００５２】
バルブ１７０が閉じられていると判定すると（ステップＳ２１２におけるＹＥＳ）、制御部１９０はバルブ１７０を開く（ステップＳ２１４）。なお、バルブ１７０が開かれていると判定した場合（ステップＳ２１２におけるＮＯ）、ステップＳ２１６へ処理を移す。
【００５３】
バルブ１７０が開状態になると、制御部１９０は、第２供給部１８０の駆動を開始する（図４における時刻ｔ０）とともに、予め定められた流量Ｃの空気が流動層炉１３０に導入されるように、第２供給部１８０を制御する（ステップＳ２１６）。ここで、流量Ｃは、メインノズル群１４４および補助ノズル群１５４を通じて、流動層炉１３０に空気を供給した場合に流動層を形成することができる値である。そうすると、メインノズル群１４４および補助ノズル群１５４を通じて、空気が流動層炉１３０に供給され、流動層炉１３０において流動媒体の流動層が形成される。これにより、流動媒体の循環が開始される。
【００５４】
また、制御部１９０は、燃焼炉１１０および媒体分離器１１２の運転を開始し（ステップＳ２１８）、流動媒体の加熱を開始する。さらに、制御部１９０は、不図示の温度測定部を介して、流動層炉１３０内の流動媒体の温度の測定を開始する。なお、制御部１９０は、流動層炉１３０内の流動媒体の温度Ｔｆが予め定められた温度範囲ＴＡ内になるように燃焼炉１１０を制御する。ここで、温度範囲ＴＡは、流動層炉１３０において所望される温度（例えば、ガス化原料のガス化に適した温度）であり、例えば、８００℃〜９００℃の温度範囲である。
【００５５】
そして、制御部１９０は、温度Ｔｆが温度範囲ＴＡ内になるまで（Ｓ２２０におけるＮＯ）、第２供給部１８０が供給する空気の流量を流量Ｃに維持し、温度Ｔｆが温度範囲ＴＡ内になったと判定すると（ステップＳ２２０におけるＹＥＳ、図４における時刻ｔ１）、バルブ１７０を閉じる（ステップＳ２２２、図４における時刻ｔ２）。その結果、補助ノズル群１５４を通じた流動層炉１３０への空気の供給が停止される。つまり、図４中、ハッチングで示した空気の供給量がメインノズル群１４４を通じた流動層炉１３０への供給量であり、クロスハッチングで示した空気の供給量が補助ノズル群１５４を通じた流動層炉１３０への供給量である。
【００５６】
続いて、制御部１９０は、第１供給部１６０の駆動を開始する（図４における時刻ｔ３）とともに、第１供給部１６０が供給する水蒸気の流量を徐々に上げていく（Ｓ２２４）。また、制御部１９０は、第２供給部１８０が停止するまで、第２供給部１８０が供給する空気の流量を徐々に下げていく（ステップＳ２２６、図４における時刻ｔ４から時刻ｔ５までの処理）。こうすることで、流動層炉１３０内における流動層の形成を維持したまま、流動層炉１３０に供給される流動ガスを空気から水蒸気に切り替えることができる。
【００５７】
制御部１９０は、第１供給部１６０が供給する水蒸気の流量が予め定められた流量Ｄになり、かつ、第２供給部１８０が停止するまで（ステップＳ２２８におけるＮＯ）、上記ステップＳ２２４およびステップＳ２２６の処理を遂行し、第１供給部１６０が供給する水蒸気の流量が流量Ｄになり、かつ、第２供給部１８０が停止すると（ステップＳ２２８におけるＹＥＳ、図４における時刻ｔ５）、流動層炉１３０にガス化原料を導入し通常運転を開始する（ステップＳ２３０）。つまり、通常運転する際には、メインノズル群１４４のみを通じて水蒸気が流動層炉１３０へ供給される。ここで、流量Ｄは、メインノズル群１４４のみを通じて、流動層炉１３０に水蒸気を供給した場合に流動層を形成することができる値である。
【００５８】
そして、制御部１９０は、作業者による停止指示があるまで（ステップＳ２３２におけるＮＯ）、通常運転を遂行し、停止指示を受け付けると（ステップＳ２３２におけるＹＥＳ）、運転処理を終了する。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態にかかる流動層システム１００の運転方法によれば、起動運転（上記ステップＳ２１０〜ステップＳ２２８（時刻ｔ０〜時刻ｔ５）のうち、ステップＳ２１０〜ステップＳ２２２（時刻ｔ０〜時刻ｔ２）の期間における孔１４２ａ、１５２ａの総面積を通常運転の際（上記ステップＳ２３０、時刻ｔ５以降）における孔１４２ａの総面積よりも大きくすることで、流動層炉１３０を起動運転する際の空気の圧力損失と、通常運転する際の水蒸気の圧力損失との差を低減することができる。その結果、起動運転する際に利用する第２供給部１８０の揚程を低減することが可能となる。これにより、第２供給部１８０に要するコストを削減することができる。
【００６０】
（第２の実施形態：流動層システム３００）
上述した第１の実施形態では、２つの供給部（第１供給部１６０、第２供給部１８０）を備える流動層システム１００について説明した。第２の実施形態では、供給部を１つのみ備えた流動層システム３００について説明する。
【００６１】
図５は、第２の実施形態にかかる流動層システム３００の具体的な構成を説明するための図であり、図６Ａ〜図６Ｃは、起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減する機構を説明するための図である。特に、図６Ａは、図５における流動層炉１３０および流動層炉１３０近傍の部分拡大図であり、図６Ｂは、ノズル３４２の垂直断面図であり、図６Ｃは、図６ＢのＶＩｃ−ＶＩｃ線におけるノズル３４２の水平断面図である。なお、図６Ａ〜図６Ｃ中、理解を容易にするため、流動媒体を省略する。
【００６２】
図５に示すように、流動層システム３００は、燃焼炉１１０と、媒体分離器１１２と、ループシール１１４ａ、１１４ｂと、流動層炉１３０と、風箱３４０と、供給部３６０と、制御部３９０とを含んで構成される。なお、図５中、流動媒体、ガス化原料、ガス化ガス、空気、水蒸気、燃焼排ガス等の物質の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。また、上述した第１の実施形態において説明した構成要素と実質的に等しい構成要素は、同一の符号を付して、重複説明を省略し、第１の実施形態とは機能の異なる風箱３４０、供給部３６０、制御部３９０について詳述する。
【００６３】
図６Ａに示すように、本実施形態にかかる流動層炉１３０の下方には、風箱３４０が設けられている。風箱３４０には、複数（ここでは、説明の便宜上９本のノズルで示す）のノズル３４２（図６Ａ中、３４２ａ、３４２ｂで示す）が設けられており、複数のノズル３４２が流動層炉１３０内に配されている。また、図６Ｂおよび図６Ｃに示すように、ノズル３４２には、流動ガスを供給するための孔（供給孔）３４４が周方向に等間隔で４つ設けられており、孔３４４を通じて流動ガスが流動層炉１３０内に供給される。
【００６４】
また、風箱３４０には、複数のノズル３４２のうち、ノズル３４２ｂの孔３４４をそれぞれ開放（以下、開と称する）または閉塞（以下、閉と称する）する開閉部３５０が設けられており、後述する制御部３９０によって、その開閉が制御される。制御部３９０による開閉部３５０の開閉の制御については、後に詳述する。
【００６５】
供給部３６０は、配管３６２を通じ風箱３４０に接続される。供給部３６０は、制御部３９０による制御指令に応じて、ノズル３４２ａ群、およびノズル３４２ｂ群の双方を通じて、流動層炉１３０内に空気（流動ガス）を供給するか、あるいは、ノズル３４２ａ群（起動運転の際に空気の供給元となるノズル３４２ａ、３４２ｂより少ない数の特定のノズル）のみを通じて、流動層炉１３０内に水蒸気（流動ガス）を供給する。
【００６６】
制御部３９０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して流動層システム３００全体を管理および制御する。本実施形態において、制御部３９０は、燃焼炉１１０の駆動、媒体分離器１１２の駆動、開閉部３５０の開閉、供給部３６０の駆動を制御する。
【００６７】
具体的に説明すると、制御部３９０は、流動層システム３００を起動運転する際に、開閉部３５０を制御して、ノズル３４２ｂ群の孔を開閉させるとともに、供給部３６０を駆動して、ノズル３４２ａ群およびノズル３４２ｂ群の双方もしくはノズル３４２ａ群のみを通じて、流動層炉１３０内に空気を供給させることで、流動層炉１３０内において流動媒体の流動層を形成させる。また、制御部３９０は、流動層システム３００を通常運転する際に、開閉部３５０を制御して、ノズル３４２ｂ群の孔を閉じるとともに、供給部３６０を駆動して、ノズル３４２ａ群のみを通じて、流動層炉１３０内に水蒸気を供給させることで、流動層炉１３０内において流動媒体の流動層を形成させる。
【００６８】
換言すれば、制御部３９０は、起動運転時に利用されるノズル３４２ａ群、ノズル３４２ｂ群の数（孔３４４の総面積）が、通常運転時に利用されるノズル３４２ａ群の数（孔３４４の総面積）よりも多くなるように、開閉部３５０を開閉制御する。すなわち、本実施形態において、開閉部３５０および制御部３９０が、起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減する制御機構を構成する。
【００６９】
このように、起動運転時に流動ガスが流通する孔３４４の総面積を通常運転時の流動ガスが流通する孔３４４の総面積よりも大きくすることで、起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減することができる。
【００７０】
（第３の実施形態：流動層システム４００）
上述した第２の実施形態では、開閉部３５０によってノズル３４２ｂの孔３４４を開閉することで、起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減する流動層システム３００について説明した。しかし、他の構成を利用しても、起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減することができる。
【００７１】
図７は、第３の実施形態にかかる流動層システム４００の具体的な構成を説明するための図であり、図８Ａ〜図８Ｃは、起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減する機構を説明するための図である。特に、図８Ａは、図７における流動層炉１３０および流動層炉１３０近傍の部分拡大図であり、図８Ｂは、ノズル４４２の垂直断面図であり、図８Ｃは、図８ＢのＶＩＩＩｃ−ＶＩＩＩｃ線におけるノズル４４２の水平断面図である。なお、図８Ａ〜図８Ｃ中、理解を容易にするため、流動媒体を省略する。
【００７２】
図７に示すように、流動層システム４００は、燃焼炉１１０と、媒体分離器１１２と、ループシール１１４ａ、１１４ｂと、流動層炉１３０と、風箱４４０と、供給部３６０と、制御部４９０とを含んで構成される。なお、図７中、流動媒体、ガス化原料、ガス化ガス、空気、水蒸気、燃焼排ガス等の物質の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。また、上述した第１および第２の実施形態において説明した構成要素と実質的に等しい構成要素は、同一の符号を付して、重複説明を省略し、第１および第２の実施形態とは機能の異なる風箱４４０、制御部４９０について詳述する。
【００７３】
図８Ａに示すように、本実施形態にかかる流動層炉１３０の下方には、風箱４４０が設けられている。風箱４４０には、複数（ここでは、説明の便宜上９本のノズルで示す）のノズル３４２、４４２群が設けられており、複数のノズル３４２、４４２群が流動層炉１３０内に配されている。また、図８Ｂおよび図８Ｃに示すように、ノズル４４２には、流動ガスを供給するための孔（供給孔）４４４が周方向に等間隔で４つ設けられており、孔４４４を通じて流動ガスが流動層炉１３０内に供給される。
【００７４】
また、孔４４４には、空気を通過させるとともに、水蒸気の通過を防止する機能を有するフィルタ４４６が設けられている。
【００７５】
制御部４９０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して流動層システム４００全体を管理および制御する。本実施形態において、制御部４９０は、燃焼炉１１０の駆動、媒体分離器１１２の駆動、供給部３６０の駆動を制御する。
【００７６】
具体的に説明すると、制御部４９０は、流動層システム４００を起動運転する際に、供給部３６０を駆動して、風箱４４０に空気を供給する。この場合、ノズル４４２群に設けられたフィルタ４４６は、空気を通過させる機能を有しているため、ノズル３４２群のみならず、ノズル４４２群を通じて、流動層炉１３０内に空気を供給することができ、供給された空気で、流動層炉１３０内において流動媒体の流動層を形成させることが可能となる。
【００７７】
一方、流動層システム４００を通常運転する際に、制御部４９０が供給部３６０を駆動して、風箱４４０に水蒸気を供給すると、ノズル４４２群に設けられたフィルタ４４６は、水蒸気の通過を防止する機能を有しているため、ノズル４４２群の孔４４４から流動層炉１３０内に水蒸気が供給されることはない。したがって、ノズル３４２群のみを通じて、流動層炉１３０内に水蒸気を供給させ、流動層炉１３０内において流動媒体の流動層を形成させる。
【００７８】
換言すれば、本実施形態において、フィルタ４４６および制御部４９０が、起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減する制御機構を構成する。
【００７９】
このように、ノズル４４２の孔４４４にフィルタ４４６を設けるといった簡易な構成で、起動運転時に流動ガスが流通する孔４４４の総面積を通常運転時の流動ガスが流通する孔４４４の総面積よりも大きくすることができ、起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減することが可能となる。
【００８０】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００８１】
例えば、上述した実施形態において、起動運転時に流動層炉１３０に供給されるガスが空気であり、通常運転時に流動層炉１３０に供給されるガスが水蒸気である場合を例に挙げて説明した。しかし、流動層炉１３０に供給されるガスの種類に限定はなく、例えば、水蒸気や空気に代えて、窒素等の不活性ガスを導入してもよい。また、起動運転時と通常運転時とで同じガスを流動層炉１３０に供給してもよい。例えば、同じガスであっても、温度が相違すれば供給孔における圧力損失が異なる。そのため、上記構成を利用することで、起動運転する際の圧力損失と通常運転する際の圧力損失との差を低減することができる。
【００８２】
また、上述した実施形態において、流動層システム１００、３００、４００が、燃焼炉１１０を備える構成について説明したが、燃焼炉１１０は必須の構成ではなく、ヒータ等で流動媒体を加熱してもよい。
【００８３】
また、上述した実施形態において、起動運転時にのみ利用するノズル１５２、３４２ｂ、４４２と、起動運転時および通常運転時の双方で利用するノズル１４２、３４２ａ、３４２とにおける孔１４２ａ、１５２ａ、３４４、４４４の孔径および孔数が実質的に等しい場合を例に挙げて説明したが、孔径が異なっても、孔数が異なってもよい。また、上述した実施形態において、孔がノズルの周方向に等間隔に形成されている場合について説明したが、孔は必ずしも周方向に等間隔に形成される必要はない。
【００８４】
また、上述した実施形態において、メインノズル群１４４、補助ノズル群１５４、ノズル３４２ａ群、ノズル３４２ｂ群、ノズル３４２群、ノズル４４２群は複数本のノズルによって構成されているが、１のノズルで構成されてもよい。
【００８５】
また、上述した第１の実施形態において、制御部１９０は、流動層炉１３０へ供給されるガスを空気から水蒸気に切替える際に、空気の流量を減らしながら、水蒸気の流量を増やしていくように第１供給部１６０および第２供給部１８０を制御している場合を例に挙げて説明した。しかし、制御部１９０は、流動層炉１３０へ供給されるガスを空気から水蒸気に切替える際に、まず、流動層炉１３０への空気の供給を停止し、その後、水蒸気の供給を開始してもよい。
【００８６】
なお、本明細書の流動層システム（流動層炉）の運転方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的な処理を含んでもよい。
【００８７】
なお、複数のノズル群を用いた流動層炉内への流動ガスの供給は、上述の特許文献２にも記載されている。しかしながら、特許文献１は、吹き出しノズルに絞り部を設けて圧力損失を大きくすることを目的としており、また、複数のノズル群のいずれか一方のみを通じて流動層炉内に流動ガスを供給させる構成を備えない点で本発明とは異なる。
【００８８】
また、ノズルから流動層炉内への流動ガスの供給量の制御は、上述の特許文献３にも記載されている。しかしながら、特許文献３は、ノズルを複数のノズル群に分け、これらのノズル群に対し異なる制御を行わない点で本発明とは異なる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、流動媒体が流動層を形成する流動層システムおよび流動層炉の運転方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１００、３００、４００  流動層システム
１１０  燃焼炉
１３０  流動層炉
１４２、１５２、３４２、４４２  ノズル
１４２ａ、１５２ａ、３４４、４４４  孔
１４４  メインノズル群（第１のノズル群）
１５４  補助ノズル群（第２のノズル群）
１６０  第１供給部
１８０  第２供給部
１９０  制御部
３５０  開閉部（制御機構）
３６０  供給部
３９０、４９０  制御部（制御機構）
４４６  フィルタ（制御機構）
【図１】
0005880783.tif 000002
【図２Ａ】
0005880783.tif 000003
【図２Ｂ】
0005880783.tif 000004
【図２Ｃ】
0005880783.tif 000005
【図３】
0005880783.tif 000006
【図４】
0005880783.tif 000007
【図５】
0005880783.tif 000008
【図６Ａ】
0005880783.tif 000009
【図６Ｂ】
0005880783.tif 000010
【図６Ｃ】
0005880783.tif 000011
【図７】
0005880783.tif 000012
【図８Ａ】
0005880783.tif 000013
【図８Ｂ】
0005880783.tif 000014
【図８Ｃ】
0005880783.tif 000015