(57)【要約】【課題】流動層内で原料粒子が移動する因子を単純化することによって原料粒子の滞留時間を簡便に予測できるようにする。【解決手段】補助粒子と原料粒子を容器の一側から導入し、容器底部から補助流体を供給することにより流動層を形成し、容器の他側から補助粒子とともに原料粒子を取り出す際において、下記式（１）【数１】2015134354.tif 000012を用い、水平方向座標ｘの他側の位置において、他側から出て行く原料粒子の時間ｔごとの濃度Ｃを求めることにより、流動層内の原料粒子の滞留時間を評価する。【選択図】図１
2015134354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
補助粒子と原料粒子を容器の一側から導入し、容器底部から補助流体を供給することにより流動層を形成し、容器の他側から補助粒子とともに原料粒子を取り出す際において、下記式（１）
【数１】
2015134354.tif 000010
ｔ：原料粒子が容器の一側から導入されてからの時間
ｘ：水平方向座標
ｚ：垂直方向座標
Ｃ：原料粒子の濃度
ｕ：対流による水平方向の補助粒子の速度
ｗ：対流による垂直方向の補助粒子の速度
Ｓ：偏析係数（偏析の程度を表すパラメータ）
Ｄｘ：ｘ方向の混合拡散係数（混合拡散の程度を表すパラメータ）
Ｄｚ：ｚ方向の混合拡散係数（混合拡散の程度を表すパラメータ）
Ｓ，Ｄｘ，Ｄｚは実験によって求められる値
を用い、
水平方向座標ｘの他側の位置において、他側から出て行く原料粒子の容器の一側から導入されてからの時間ｔごとの濃度Ｃを求めることにより、流動層内の原料粒子の滞留時間分布を得た
ことを特徴とする流動層内の原料粒子の滞留時間評価方法。
【請求項２】
補助流体は気体又は液体であることを特徴とする請求項１に記載の流動層内の原料粒子の滞留時間評価方法。
【請求項３】
補助粒子と原料粒子を容器の一側から導入し、容器底部から補助流体を供給することにより流動層を形成し、容器の他側から補助粒子とともに原料粒子を取り出すようにしている流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置であって、
下記式（１）
【数２】
2015134354.tif 000011
を入力する記憶部と、
流動層の水平方向座標ｘと垂直方向座標ｚを入力する座標入力部と、
対流による水平方向の補助粒子の速度ｕ及び対流による垂直方向の補助粒子の速度ｗの初期値を入力する初期値入力部と、
実験によって求められた偏析係数Ｓ（偏析の程度を表すパラメータ）と、ｘ方向の混合拡散係数Ｄｘ（混合拡散の程度を表すパラメータ）と、ｚ方向の混合拡散係数Ｄｚ（混合拡散の程度を表すパラメータ）を入力する実験値入力部と、
前記記憶部に記憶された式（１）に、座標入力部によるｘ，ｚと、初期値入力部によるｕ，ｗ及び実験値入力部によるＳ，Ｄｘ，Ｄｚを与えて、ｘ，ｚ座標での他側から出て行く原料粒子の容器の一側から導入されてからの時間ｔごとの濃度Ｃを求めることにより、流動層内の原料粒子の滞留時間分布を演算する演算部と、
を有することを特徴とする流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動層内の原料粒子の滞留時間評価方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、容器の一側から石炭等の原料粒子を供給すると共に加熱した砂等の補助粒子を供給し、容器の底部からは水蒸気からなる補助流体を供給することで容器内に流動層を形成して原料粒子のガス化処理を行い、ガス化によって生成したガス化ガスは容器の上部から取り出す一方、容器の他側からは補助粒子と処理済の原料粒子（チャー）を取り出すようにしたガス化炉が知られている。ここで、前記容器から取り出した補助粒子とチャーを導入する燃焼炉を設け、該燃焼炉においてチャーを燃焼することにより補助粒子の加熱を行い、この加熱した補助粒子を再び前記容器に循環供給するようにした二塔式ガス化炉が知られている（特許文献１等参照）。
【０００３】
上記したガス化炉においては、容器内で石炭粒子をどれだけガスに変換できるかがガス化炉を設計する上で重要であり、この石炭粒子のガスへの変換は流動層内における原料粒子の滞留時間が大きく関わっており、従って、ガス化炉を設計する上で原料粒子の滞留時間は重要なパラメータとなる。
【０００４】
又、湿分を含む原料粒子を容器の一側から供給し、容器の底部からは乾燥用の空気等からなる補助流体を供給することにより容器内に流動層を形成して原料粒子の乾燥を行い、容器の他側からは処理済の乾燥した原料粒子を取り出すようにした乾燥装置が知られている（特許文献２、特許文献３等参照）。
【０００５】
上記乾燥装置においても、容器内で原料粒子をどれだけ乾燥できるかが乾燥装置を設計する上で重要であり、この原料粒子の乾燥は流動層内における原料粒子の滞留時間が大きく関わっており、従って、乾燥装置を設計する上で原料粒子の滞留時間は重要なパラメータとなる。
【０００６】
従って、流動層内における原料粒子の滞留時間を知ることができれば、前記ガス化炉及び乾燥装置等の設計を容易にすることができる。
【０００７】
尚、流動層炉の排出口の開口断面積を変化させることによって流動層炉における粉粒体の滞留時間を制御するようにした流動層炉の制御方法及び装置が特許文献４に示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２０８２５９号公報
【特許文献２】特開２００２−３０９２６６号公報
【特許文献３】特開２００８−１２８５２４号公報
【特許文献４】特許第２７４２０１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記特許文献４に示すものは、排出口の開口断面積を変化させることによって粉粒体の滞留時間を制御するようにした機械的制御に関するものであり、流動層内粒子の滞留時間を評価するようにしたものではない。
【００１０】
一方、気泡流動層内の粒子の滞留時間を計算する手法としては、DEM（Discrete Element Method：離散要素法）のように粒子一つ一つの運動方程式を解いて計算する手法や、２流体解析手法のように固体相を一つの流体と仮定し、気体相と固体相を２つの連続相として解く手法などがある。
【００１１】
しかし、いずれの場合においても多大な計算時間が必要となり（イメージとしては１週間〜数ヶ月規模の計算時間）、商用の流動層の規模の計算を行うことは現状では非常に困難である。
【００１２】
又、その他の手法としては、実際に実験を行うことで滞留時間を直接計測する手法があるが、この場合も、実際の商用の流動層の規模で実験を行うことは非常に困難であり、又、条件（装置規模や流動化の強度など）が変わる都度実験を行う必要があるため、実験に多大の時間と費用を要するという問題がある。
【００１３】
上記した如く、容器の一側から粒子が供給され、下部からは補助流体が供給さすることにより流動層を形成して原料粒子の処理を行い、処理した粒子を容器の他側から取り出す場合のように、容器内を流動化しつつ移動する粒子の滞留時間を簡単な手法によって評価できるようにしたものについては、従来は全く存在していなかった。
【００１４】
本発明は、流動層内で原料粒子が移動する因子を単純化することによって原料粒子の滞留時間を簡便に予測できるようにした流動層内の原料粒子の滞留時間評価方法及び装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、補助粒子と原料粒子を容器の一側から導入し、容器底部から補助流体を供給することにより流動層を形成し、容器の他側から補助粒子とともに原料粒子を取り出す際において、下記式（１）
【数１】
2015134354.tif 000003
ｔ：原料粒子が容器の一側から導入されてからの時間
ｘ：水平方向座標
ｚ：垂直方向座標
Ｃ：原料粒子の濃度
ｕ：対流による水平方向の補助粒子の速度
ｗ：対流による垂直方向の補助粒子の速度
Ｓ：偏析係数（偏析の程度を表すパラメータ）
Ｄｘ：ｘ方向の混合拡散係数（混合拡散の程度を表すパラメータ）
Ｄｚ：ｚ方向の混合拡散係数（混合拡散の程度を表すパラメータ）
Ｓ，Ｄｘ，Ｄｚは実験によって求められる値
を用い、
水平方向座標ｘの他側の位置において、他側から出て行く原料粒子の容器の一側から導入されてからの時間ｔごとの濃度Ｃを求めることにより、流動層内の原料粒子の滞留時間分布を得た
ことを特徴とする流動層内の原料粒子の滞留時間評価方法、に係るものである。
【００１６】
上記流動層内の原料粒子の滞留時間評価方法において、補助流体は気体又は液体である。
【００１７】
本発明は、補助粒子と原料粒子を容器の一側から導入し、容器底部から補助流体を供給することにより流動層を形成し、他側から補助粒子とともに原料粒子を取り出すようにしている流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置であって、
下記式（１）
【数２】
2015134354.tif 000004
を入力する記憶部と、
流動層の水平方向座標ｘと垂直方向座標ｚを入力する座標入力部と、
対流による水平方向の補助粒子の速度ｕ及び対流による垂直方向の補助粒子の速度ｗの初期値を入力する初期値入力部と、
実験によって求められた偏析係数Ｓ（偏析の程度を表すパラメータ）と、ｘ方向の混合拡散係数Ｄｘ（混合拡散の程度を表すパラメータ）と、ｚ方向の混合拡散係数Ｄｚ（混合拡散の程度を表すパラメータ）を入力する実験値入力部と、
前記記憶部に記憶された式（１）に、座標入力部によるｘ，ｚと、初期値入力部によるｕ，ｗ及び実験値入力部によるＳ，Ｄｘ，Ｄｚを与えて、ｘ，ｚ座標での他側から出て行く原料粒子の容器の一側から導入されてからの時間ｔごとの濃度Ｃを求めることにより、流動層内の原料粒子の滞留時間分布を演算する演算部と、
を有することを特徴とする流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置、に係るものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の流動層内の原料粒子の滞留時間評価方法及び装置によれば、簡便な汎用式を用いて流動層での原料粒子の滞留時間を簡略に予測することができ、よって、従来のように長時間に亘る膨大な計算を行う必要がなく、更に、装置規模や使用条件が異なるたびにその都度実験を行って原料粒子の滞留時間を導出するといった面倒な作業も省略することかでき、従って、流動層において原料粒子の処理を行う種々の装置の設計を短期間に容易に行えるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例を説明するための反応しない容器のモデルの一例を示す概略側面図である。
【図２】本発明の流動層内粒子の滞留時間評価装置の一実施例を示すブロック図である。
【図３】図２の装置の演算フローシートである。
【図４】容器の長さを１ｍとしたモデルの場合における滞留時間の試験結果を示す線図である。
【図５】容器の長さを３ｍとしたモデルの場合における滞留時間の試験結果を示す線図である。
【図６】本発明を乾燥装置に適用した場合の容器の参考例を示す概略側面図である。
【図７】図６の参考例における流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置を示すブロック図である。
【図８】図７の装置の演算フローシートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施例を説明するための二塔式ガス化炉における流動層ガス化炉を反応しない容器としたモデルの一例を示す。容器１の一側からは補助粒子２(砂)と原料粒子３（石炭粒子）が導入されており、容器１の底部からは補助流体４(水蒸気)が供給されることにより前記砂と石炭粒子による流動層が形成されており、容器１の上部からはガス５(水蒸気)が取り出される。又、容器１の他側の内部にはシール壁６が設けられており、シール壁６の下端の下側を潜り抜けた補助粒子２（砂）と原料粒子３'が他側から取り出されるようになっている。
【００２２】
本発明では、上記図１のように、砂からなる補助粒子２に対して比重、粒径が異なる石炭粒子からなる原料粒子３が流動層内で移動する因子を
１．対流：一側から導入される砂ａによって他側に押し出される現象（Ｉ）
２．混合拡散：流動層内の水蒸気による気泡ｂの上昇によって粒子が混合し広がる現象（ＩＩ）
３．偏析：砂と石炭粒子のように他種類の粒子が存在する場合、それぞれの粒子ｃ，ｃ'に働く力の差によって、粒子が流動層表面に浮いたり沈んだりする現象（ＩＩＩ）
の３つに単純化し、原料粒子の滞留時間を簡便に予測できるようにした。
【００２３】
そして、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、流動層内の原料粒子の濃度Ｃの時間変化及び分布を、以下の式（１）で表わすことができることを突き止めた。
【数３】
2015134354.tif 000005
ｔ：原料粒子が容器の一側から導入されてからの時間
ｘ：水平方向座標
ｚ：垂直方向座標
Ｃ：原料粒子の濃度
ｕ：対流による水平方向の補助粒子の速度
ｗ：対流による垂直方向の補助粒子の速度
Ｓ：偏析係数（偏析の程度を表すパラメータ）
Ｄｘ：ｘ方向の混合拡散係数（混合拡散の程度を表すパラメータ）
Ｄｚ：ｚ方向の混合拡散係数（混合拡散の程度を表すパラメータ）
Ｓ，Ｄｘ，Ｄｚは実験によって求められる値
【００２４】
尚、上記式（１）において、
【数４】
2015134354.tif 000006
【００２５】
上記式（１）中、偏析係数Ｓ、ｘ方向の混合拡散係数Ｄｘ、ｚ方向の混合拡散係数Ｄｚは実験によって求めることができる。
【００２６】
図２は本発明の流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置の一実施例を示すブロック図であり、この滞留時間評価装置は、パーソナルコンピュータやノート型パソコン等を用いて具現化することができ、より詳細には、ＣＰＵ等の演算装置、メモリ等の内部記憶装置、ハードディスクドライブ等の外部記憶装置、ディスプレイやプリンタ等の出力装置、マウスやキーボード等の入力装置等によって具現化される。
【００２７】
本発明の流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置は、図２に示すように、前記式（１）
【数５】
2015134354.tif 000007
を入力する記憶部９と、流動層の水平方向座標ｘと垂直方向座標ｚを入力する座標入力部１０と、対流による水平方向の補助粒子の速度ｕ及び対流による垂直方向の補助粒子の速度ｗの初期値を入力する初期値入力部１１と、実験によって求められた偏析係数Ｓ（偏析の程度を表すパラメータ）と、ｘ方向の混合拡散係数Ｄｘ（混合拡散の程度を表すパラメータ）と、ｚ方向の混合拡散係数Ｄｚ（混合拡散の程度を表すパラメータ）を入力する実験値入力部１２と、前記記憶部９に記憶された式（１）に、座標入力部１０によるｘ，ｚと、初期値入力部１１によるｕ，ｗ及び実験値入力部１２によるＳ，Ｄｘ，Ｄｚを与えて、ｘ，ｚ座標での他側から出て行く原料粒子の濃度Ｃの時間変化を演算する演算部１３と、演算したｘ，ｚ座標での原料粒子濃度Ｃの時間変化を表示する表示部１４とを有する。
【００２８】
上記図２に示した流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置においては、図３に演算フローシートを示す如く、ステップＳ１に示す式（１）の取り込みを行うと共に、ステップＳ２に示す座標入力部１０からのｘ，ｚの取り込みと、ステップＳ３に示す初期値入力部１１からのｕ，ｗの取り込みと、及び、ステップＳ４に示す実験値入力部１２からのＳ，Ｄｘ，Ｄｚの取り込みを行って、ステップＳ５において前記式（１）による演算を行い、ステップＳ６に示すようにｘ，ｚ座標での他側から出て行く原料粒子３'の濃度Ｃの時間変化を求めて原料粒子の滞留時間を評価する。
【００２９】
従って、図２の流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置では、座標入力部１０によるｘ，ｚと、初期値入力部によるｕ，ｗ及び実験値入力部１２によるＳ，Ｄｘ，Ｄｚを与えるのみの簡略な操作で、他側から出て行く原料粒子３'の濃度Ｃの時間ｔごとの変化を求めることにより流動層内の原料粒子３の滞留時間を短時間で求めることができる。
【００３０】
更に、発明者らは、前記式（１）の汎用性を検証するための試験を実施した。容器１の長さを１ｍとしたモデルの場合の試験結果を図４に示し、容器１の長さを３ｍとしたモデルの場合の試験結果を図５に示した。
【００３１】
図４、図５中、横軸は滞留時間（原料粒子が容器に導入されてからの時間／石炭粒子が容器に導入されてから出て行くまでの平均時間：無次元値）であり、縦軸は濃度（原料粒子の供給濃度／容器内の原料粒子の平均濃度：無次元値）であり、前記式（１）に基づいて流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置により求めた演算値を実線Ａで示し、流動層ガス化炉の実験によって求めた実験値を白抜きの点Ｂで示した。
【００３２】
図４に示すように、容器１の長さが１ｍのモデルの場合において、前記式（１）に基づいて求めた実線Ａの演算値は、白抜きの点Ｂで示した実験値と非常に良く符合することが判明した。
【００３３】
又、図５に示すように、容器１の長さが３ｍのモデルの場合においても、前記式（１）に基づいて求めた実線Ａの演算値は、白抜きの点Ｂで示した実験値と非常に良く符合することが判明した。
【００３４】
従って、前記式（１）を用いることで流動層での石炭粒子の滞留時間を容易に且つ高い精度で予測することが可能になり、よって、従来に比してガス化炉の設計が著しく容易になり、更に、ガス化炉が大型化した場合にも、従来のようにその都度実験を行って石炭粒子の滞留時間を求める必要がなく、簡単に精度良くガス化炉を設計できるようになる。
【００３５】
図６は本発明を乾燥装置に適用した場合の容器の参考例を示すものであり、湿分を含む原料粒子７が容器１の一側から供給され、容器１の底部からは乾燥用の空気等からなる補助流体８を供給することにより容器１内に流動層を形成して原料粒子７の乾燥を行い、容器の他側からは処理済の乾燥した原料粒子７'を取り出すようになっている。
【００３６】
上記図６に示した乾燥装置の容器の参考例では、容器１には１種類の原料粒子７が導入されるのみであるため、原料粒子７が流動層内で移動する因子を
１．対流：一側から導入される原料粒子７によって押し出される現象（Ｉ）
２．混合拡散：流動層内の空気等による気泡ｂによって粒子が混合し広がる現象（ＩＩ）
の２つに単純化し、滞留時間を簡便に予測できるようにした。
【００３７】
即ち、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、前記参考例における流動層内の原料粒子の濃度Ｃの時間変化及び分布を、前記式（１）から偏析係数Ｓを１とした以下の式（２）で表わすことができることを突き止めた。
【数６】
2015134354.tif 000008
ｔ：原料粒子が容器の一側から導入されてからの時間
ｘ：水平方向座標
ｚ：垂直方向座標
Ｃ：原料粒子の濃度
ｕ：対流による水平方向の原料粒子の速度
ｗ：対流による垂直方向の原料粒子の速度
Ｄｘ：ｘ方向の混合拡散係数（混合拡散の程度を表すパラメータ）
Ｄｚ：ｚ方向の混合拡散係数（混合拡散の程度を表すパラメータ）
Ｄｘ，Ｄｚは実験によって求められる値
【００３８】
図７は図６の参考例における流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置を示すブロック図であり、この滞留時間評価装置は、パーソナルコンピュータやノート型パソコン等を用いて具現化することができ、より詳細には、ＣＰＵ等の演算装置、メモリ等の内部記憶装置、ハードディスクドライブ等の外部記憶装置、ディスプレイやプリンタ等の出力装置、マウスやキーボード等の入力装置等によって具現化される。
【００３９】
上記流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置の参考例では、図７に示すように、前記式（２）
【数７】
2015134354.tif 000009
を入力する記憶部９'と、流動層の水平方向座標ｘと垂直方向座標ｚを入力する座標入力部１０と、対流による水平方向の補助粒子の速度ｕ及び対流による垂直方向の補助粒子の速度ｗの初期値を入力する初期値入力部１１と、実験によって求められたｘ方向の混合拡散係数Ｄｘ（混合拡散の程度を表すパラメータ）と、ｚ方向の混合拡散係数Ｄｚ（混合拡散の程度を表すパラメータ）を入力する実験値入力部１２'と、前記記憶部に記憶された式（２）に、座標入力部によるｘ，ｚと、初期値入力部によるｕ，ｗ及び実験値入力部によるＤｘ，Ｄｚを与えて、ｘ，ｚ座標での原料粒子濃度Ｃの時間変化を演算する演算部１３と、演算したｘ，ｚ座標での原料粒子濃度Ｃの時間変化を表示する表示部１４とを有する。
【００４０】
上記図７に示した流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置の参考例においては、図８に示す如く、ステップＳ１'に示す式（２）の取り込みを行うと共に、ステップＳ２に示す座標入力部１０からのｘ，ｚの取り込みと、ステップＳ３に示す初期値入力部１１からのｕ，ｗの取り込みと、及び、ステップＳ４に示す実験値入力部１２'からのＤｘ，Ｄｚの取り込みを行って、ステップＳ５において前記式（２）による演算を行い、ステップＳ６に示すようにｘ，ｚ座標での原料粒子濃度Ｃの時間変化を求めて粒子の滞留時間を評価する。
【００４１】
従って、図７の流動層内の原料粒子の滞留時間評価装置の参考例では、座標入力部１０によるｘ，ｚと、初期値入力部によるｕ，ｗ及び実験値入力部１２'によるＤｘ，Ｄｚを与えるのみの簡略な操作で、粒子濃度の時間変化を求めて原料粒子の滞留時間を短時間で求めることができる。
【００４２】
又、図６、図７の参考例で求めた演算値は、前記図４、図５に示したように容器１の長さが変化した場合においても、実験値と良く符合することが分かった。このように、前記式（２）を用いることにより湿分を含む原料粒子７の流動層での滞留時間を高い精度で予測することが可能になるため、従来に比して乾燥装置の設計が著しく容易になり、更に、乾燥装置が大型化した場合にも、従来のようにその都度実験を行って原料粒子の滞留時間を求める必要がなく、簡単に精度良く乾燥装置を設計できるようになる。
【００４３】
尚、前記本発明の実施例では、補助流体に水蒸気からなる気体を用いて流動層を形成する場合について例示したが、補助流体に液体を用いて流動層により各種反応或いは洗浄等の作業を行う場合の原料粒子の挙動は、前記気体による補助流体の場合の原料粒子の挙動と同様であることから、補助流体に液体を用いた場合にも、前記式（１）を用いて原料粒子の滞留時間を予測することできる。
【００４４】
上記した式（１）を簡略な汎用式として用いて流動層での原料粒子の滞留時間を容易且つ短時間に評価することができるので、従来のように装置規模や使用条件が異なるたびにその都度実験を行って原料粒子の滞留時間を導出するという面倒な作業を省略することができ、よって、流動層で原料粒子の処理を行う種々の装置の設計作業を極めて能率的に行えるようになる。
【００４５】
尚、本発明の流動層内の原料粒子の滞留時間評価方法及び装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４６】
１  容器
２  補助粒子
３  原料粒子
３'  他側から出て行く原料粒子
４  補助流体
９  記憶部
１０  座標入力部
１１  初期値入力部
１２，１２'  実験値入力部
１３  演算部
【図１】
2015134354.tif 000013
【図２】
2015134354.tif 000014
【図３】
2015134354.tif 000015
【図４】
2015134354.tif 000016
【図５】
2015134354.tif 000017
【図６】
2015134354.tif 000018
【図７】
2015134354.tif 000019
【図８】
2015134354.tif 000020