(57)【要約】【課題】希薄ゾーンにおいても流動媒体や処理物と流動用ガスとの接触性を高めて処理効率の向上を図ることが可能な流動層を提供する。【解決手段】縦置きされた筒状の流動層本体１の内部に供給される流動用ガスＢにより流動層本体１内部に張り込まれた流動媒体を流動させる流動層において、流動用ガスＢの供給方向を、流動層本体１の縦中心軸線Ｏを中心とした仮想円Ｒの接線方向に向ける。【選択図】        図２
2004181322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦置きされた筒状の流動層本体の内部に供給される流動用ガスにより該流動層本体内部に張り込まれた流動媒体を流動させる流動層において、上記流動用ガスの供給方向が、上記流動層本体の縦中心軸線を中心とした仮想円の接線方向に向けられていることを特徴とする流動層。
【請求項２】
上記仮想円の直径が、上記流動層本体内部の内径の２５％以上に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の流動層。
【請求項３】
上記流動用ガスの供給によって上記流動層本体内部に形成される旋回流の角速度が１０ｒａｄ／ｓ〜８０ｒａｄ／ｓの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流動層。
【請求項４】
上記流動層本体の上部には横向きに延びる排気管を介してサイクロンが連結されており、上記排気管の流動層本体内部への開口部は、上記流動用ガスの供給によって上記流動層本体内部に形成される旋回流に対向するように開口させられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の流動層。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流動層本体内部に供給される流動用ガスによって該流動層本体内部に張り込まれた流動媒体を流動させることにより、処理物の乾燥、焼却、熱分解、あるいは反応等の各種処理の用に供される高速流動層や循環流動層等の流動層に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このように流動用ガスによって流動媒体を流動させて各種処理を行う流動層（例えば、特許文献１参照）においては、流動層本体内部における流動媒体の流動状態を大別すると、流動層本体下部の流動媒体濃度が濃厚なバブリングゾーンと称される部分と、このバブリングゾーンの上部において流動用ガスによる気泡が破裂するスプラッシュゾーンと称される部分、およびそのさらに上部の流動媒体濃度が比較的希薄な希薄ゾーンと称される部分とに分けられる。また、流動層本体に排気管を介してホットサイクロンが連結されて、捕集した固形物を流動層本体に返送するようにした循環流動層においては、このホットサイクロン部と、捕集した固形物を流動層本体に返送するための返送管等のリターン部とが備えられる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１０２６７８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来このような流動層において、焼却、熱分解、反応等の処理操作は、流動媒体や処理物と流動用ガスとが激しく接触する接触性の高いバブリングゾーン、スプラッシュゾーン、ホットサイクロン部で主として行われ、接触性の低い希薄ゾーンはこれらの処理に寄与することは少なかった。ところが、その一方で、流動層本体から処理操作後のガスを排出する排出管は流動層本体内部のバブリングゾーンやスプラッシュゾーンからある程度離れた上部に取り付けなければならなかったり、また特にホットサイクロンを備えた上記循環流動層にあっては、このホットサイクロンから固形物を返送する返送管にある程度の傾斜をもたせて返送を円滑にするためにホットサイクロン自体も高く設置しなければならなかったりするなど、流動層本体やホットサイクロンの寸法や位置の関係から、流動層本体にはある程度の高さを確保しなければならず、これに伴い流動媒体や処理物と流動用ガスとの接触性が低くて処理に寄与しない希薄ゾーンに大きなスペース（縦方向の長さ）が与えられる結果となって、流動層本体の大きさに対する処理効率の向上を阻害する要因となっていた。さらに、上記循環流動層においてホットサイクロンでも燃焼等の処理操作を行う場合、このホットサイクロンにおける処理が不十分であると未処理の物質が排出されてしまい、製品のロスを生じたり、汚染物質の発生を招いてその処理のための設備が必要となったりするおそれもある。
【０００５】
本発明は、このような背景の下になされたもので、従来は処理操作に寄与することが少なかった希薄ゾーンにおいても流動媒体や処理物と流動用ガスとの接触性を高めて処理効率の向上を図ることが可能な流動層を提供し、さらには循環流動層に適用した場合においても、ホットサイクロンにおける処理操作を確実に促して製品のロスや汚染物質の発生を防止することが可能な流動層を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、縦置きされた筒状の流動層本体の内部に供給される流動用ガスにより該流動層本体内部に張り込まれた流動媒体を流動させる流動層において、上記流動用ガスの供給方向を、上記流動層本体の縦中心軸線を中心とした仮想円の接線方向に向けたことを特徴とする。従って、このような流動層においては、流動用ガスの供給方向が上記仮想円の接線方向に向けられているために、流動層本体内部にはこの流動用ガスによって上記縦中心軸線回りの旋回流が該流動層本体内部の縦方向全体に亙って形成されることとなり、これにより流動層本体内部の上部における希薄ゾーンにおいても流動媒体や処理物と流動用ガスとを激しく接触させることが可能となって、処理効率の向上を図ることができる。
【０００７】
なお、この点、例えば上記特許文献１にも流動層本体内部で原料ガス（流動用ガス）を旋回させつつ触媒（流動媒体）を流動させることが提案されているが、この特許文献１記載の流動層では流動層本体内部に旋回形ベーンを固設して旋回流を形成するようにしているため、長期の使用のうちにはこの旋回形ベーンが流動媒体や処理物との接触によって損傷して旋回流が形成できなくなったり、処理物によってはこれが旋回形ベーンに付着して旋回流が不安定となったりするおそれがある。ところが、これに対して流動用ガスの供給により旋回流を形成する本発明の流動層においては、そのような問題が生じることはなく、従って長期に亙って安定した旋回流を流動層本体内部に形成することができて、処理効率の向上を図ることが可能となる。
【０００８】
ここで、上記仮想円の直径は、上記流動層本体内部の内径の２５％以上に設定されるのが望ましく、すなわちこれよりも流動層本体内部の内周側（縦中心軸線側）で旋回流が形成されても、その外周側の大部分では流動媒体や処理物と流動用ガスとの接触性が向上されず、特に希薄ゾーンにおける処理効率を十分に高めることができなくなるおそれが生じる。また、この流動用ガスの供給によって流動層本体内部に形成される旋回流の角速度は１０ｒａｄ／ｓ〜８０ｒａｄ／ｓの範囲に設定されるのが望ましく、角速度がこれよりも遅いと希薄ゾーンにおける接触性を向上させるのに十分な強さの旋回流を形成することができなくなる一方、角速度がこれよりも速いと接触性は向上するものの流動層本体の内壁が流動媒体や処理物とによって摩耗して損傷するおそれが生じる。さらに、上記循環流動層のように、流動層本体の上部に横向きに延びる排気管を介してサイクロンが連結されている場合においては、この排気管の流動層本体内部への開口部を、上記流動用ガスの供給によって流動層本体内部に形成される旋回流に対向するように開口させることにより、流動層本体内部に形成されたこの旋回流をサイクロン内に導いて強い旋回流を形成することができ、このサイクロン内における処理効率をも向上させて製品のロスや汚染物質の発生を防止することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１ないし図３は、本発明を循環流動層に適用した場合の一実施形態を示すものである。この図１において符号１で示すのは流動層本体であり、この流動層本体１は本実施形態では垂直に延びる縦中心軸線Ｏを中心とした縦長の円筒状をなしていて、その上部は閉塞されるとともに内部には硅砂等の流動媒体Ｓが張り込まれている。また、流動層本体１の下部は下方に向けて窄まる円錐状とされていて、その下端には図示されない流動媒体Ｓや灰分、不燃物等の抜き出し口が設けられるとともに、この流動層本体１の円錐状の下部には一次流動用ガスＡの供給口２が設けられている。なお、この供給口２からの一次流動用ガスＡの供給手段は、図示のように上記供給口２に連結されて流動層本体１内部に挿入されたパイプ２Ａに多数の孔２Ｂ…を設けた散気管方式でもよく、またこの流動層本体１下部の円錐状の内周面を多孔板として供給口２から供給された一次流動用ガスを噴出させる分散板方式でもよい。
【００１０】
一方、流動層本体１の上記供給口２よりもやや上方には、上記流動媒体Ｓの静止高さの近傍に二次流動用ガスＢの供給口３が設けられている。この二次流動用ガスＢの供給口３は、流動層本体１の内壁に開口するように取り付けられた円管状のものであって、図１に示すように流動層本体１内部に向けてやや下向きとなるように傾斜させられ、かつこのような供給口３が図２に示すように周方向に等間隔に複数（本実施形態では４つ）設けられている。そして、これらの円管状をなす供給口３…は、この図２に示すように上記縦中心軸線Ｏ方向視において、それぞれ円管の中心線Ｓが該縦中心軸線Ｏを中心とした仮想円Ｒの接線方向に延びるように、すなわち上記縦中心軸線Ｏを通る直径方向から偏心した方向に延びるように、かつ互いにこの縦中心軸線Ｏを中心とした該仮想円Ｒの周回り方向のうち同じ一方の周回り方向（本実施形態では図２に示すように縦中心軸線Ｏ方向下向きに見て反時計回り方向）Ｔに向けて流動層本体１内壁に開口するようにされており、このように配設された供給口３…から二次流動用ガスＢが上記中心線Ｓ方向を供給方向として供給されることにより、流動層本体１内部には縦中心軸線Ｏを中心として仮想円Ｒに沿うように上記周回り方向Ｔに旋回する旋回流Ｑが形成されることとなる。
【００１１】
なお、本実施形態ではこれらの供給口３…は、縦中心軸線Ｏ方向には等しい位置すなわち互いに等しい高さに配設されており、下向きの傾斜も互いに等しくされている。また、縦中心軸線Ｏを中心とした上記仮想円Ｒの直径Ｃは、円筒状をなす流動層本体１の内部の内径Ｄの２５％以上とされている。ただし、この直径Ｃが内径Ｄを越えることはなく、従ってその上限は内径Ｄの１００％、すなわち直径Ｃと内径Ｄとが等しくされて、供給口３の中心線Ｓが流動層本体１内壁の横断面がなす円の接線方向に延びる位置までとされる。また、これらの供給口３…よりもさらに上方には、流動層本体１内部に処理物Ｐを供給するための供給口４が設けられている。
【００１２】
ここで、これらの供給口３…と上記供給口２とから流動層本体１内部に供給される一次、二次流動用ガスＡ，Ｂの供給量は、この流動層本体１内部における空塔速度が流動媒体Ｓの最小流動加速度以上となるようにされ、通常は流動層本体１内部で無次元のフルード数（Ｆｒ数）が１．２〜１２程度となるように設定される。また、このうち上記供給口３…から供給される二次流動用ガスＢの供給量（供給速度）は、これらの供給口３…から供給された二次流動用ガスＢによって形成される上記旋回流Ｑの角速度（旋回流強さ）が１０ｒａｄ／ｓ〜８０ｒａｄ／ｓの範囲となるように設定されている。
【００１３】
一方、図中に符号５で示すのは、上記流動層本体１から排出された排気が導入されて該排気中の固形物を捕集するホットサイクロンであり、このホットサイクロン５は、流動層本体１と同様に縦中心軸線Ｘを中心とした円筒状とされるとともに、その下部は下方に向けて窄まる円錐状とされ、流動層本体１の上部に水平横方向に延びる排気管６を介して連結されるとともに、該ホットサイクロン５の下端には捕集した固形物を流動層本体１内部に返送する返送管７が連結されており、この返送管７は斜め下向きに延びて、流動層本体１内下部の流動媒体Ｓが高い濃度で流動するバブリングゾーンの位置に接続されている。なお、流動層本体１とこのホットサイクロン５との縦中心軸線Ｏ，Ｘは互いに平行とされている。また、ホットサイクロン５の上面部には、このホットサイクロン５で固形物が捕集された後のガスＥを排出するガス排出口８が設けられており、このガス排出口８から排出されたガスＥは必要に応じて図示されないガス処理設備等で処理される。
【００１４】
さらに、これら流動層本体１とホットサイクロン５とを連結する上記排気管６は、その流動層本体１内部への開口部９が、図３に示すように上記流動用ガス（二次流動用ガスＢ）の供給によって流動層本体１内部に形成される上記旋回流Ｑの流れの向きに対向するように開口させられている。すなわち、本実施形態ではこの排気管６もまた、その中心線Ｕが図３に示されるように上記縦中心軸線Ｏを中心とした仮想円Ｒの接線方向に延びるように配設されており、ただしその開口部９が開口する向きは、上記供給口３…とは反対に、縦中心軸線Ｏを中心とした周回り方向のうち上記周回り方向Ｔと逆の他方の周回り方向（本実施形態では図２に示すように縦中心軸線Ｏ方向下向きに見て時計回り方向）とされている。なお、この排気管６の中心線Ｕは、上記ホットサイクロン５に対してもその縦中心軸線Ｘを中心とした仮想円Ｖの接線方向に延びるように配設され、また縦中心軸線Ｏ，Ｘに対して上記中心線Ｕよりも外周側で排気管６が流動層本体１およびホットサイクロン５に連結される部分は、図３に示すように該流動層本体１およびホットサイクロン５の円筒状の内壁面に滑らかに接するようにされている。
【００１５】
従って、このように構成された流動層（循環流動層）においては、上述のように流動用ガス（二次流動用ガスＢ）によって流動層本体１内部に上記縦中心軸線Ｏを中心とした旋回流Ｑが形成されるため、上記バブリングゾーンやスプラッシュゾーンにおいては勿論、その上部の流動媒体Ｓが比較的希薄な希薄ゾーンにおいても流動用ガスＡ，Ｂと流動媒体Ｓおよび処理物Ｐとを激しく接触させて、その処理効率の向上を図ることができる。しかも、上記流動層においては、この旋回流Ｑが上述のように流動用ガスＢを流動層本体１の縦中心軸線Ｏを中心とした仮想円Ｒの接線方向に供給することによって形成されるものであり、従来の上記特許文献１に記載のように旋回形ベーンを固設したりする必要がなく、このような旋回形ベーンの損傷や処理物等の付着により安定した旋回流が得られなくなるようなこともない。加えて、この流動用ガスＢの供給量や供給速度を調整することによって旋回流Ｑの強さや旋回の速度（角速度）も容易に制御可能であるので、特に廃棄物の焼却など処理物Ｐの性状の変動等が大きい場合に用いて好適である。
【００１６】
また、本実施形態では、上記仮想円Ｒの直径Ｃが流動層本体１内部の内径Ｄの２５％以上とされており、これにより確実に流動層本体１内部に上述のような旋回流Ｑを形成して希薄ゾーンにおける接触性の向上を図ることができる。すなわち、旋回流Ｑが形成される上記仮想円Ｒの直径Ｃが流動層本体１内部の内径Ｄの２５％よりも小さいと、旋回流Ｑが縦中心軸線Ｏの近傍でのみ旋回する旋回径の小さなものとなってしまい、希薄ゾーンにおける流動媒体Ｓや処理物Ｐと流動用ガスＡ，Ｂとの接触が不十分となるおそれがある。さらに、本実施形態では、この旋回流Ｑの角速度が１０ｒａｄ／ｓ〜８０ｒａｄ／ｓの範囲に設定されており、これによっても希薄ゾーンにおける接触性の確実な向上を図るとともに、流動層本体１が徒に損傷してしまうような事態を防止することができる。すなわち、この旋回流Ｑの角速度が１０ｒａｄ／ｓよりも小さいと、やはり希薄ゾーンにおける流動媒体Ｓや処理物Ｐと流動用ガスＡ，Ｂとの接触が不十分となるおそれがある一方、この角速度が８０ｒａｄ／ｓを上回るほど大きいと、流動媒体Ｓや処理物Ｐが流動層本体１の内壁に激しくたたきつけられて該内壁の摩耗による損傷が著しくなり、流動層本体１の寿命の短縮を招く結果となる。
【００１７】
さらにまた、流動層本体１にホットサイクロン５が付設された循環流動層に本発明を適用した上記実施形態では、このホットサイクロン５においても処理物Ｐの処理操作が行われるが、そのような場合でも本実施形態によれば、このホットサイクロン５と流動層本体１を連結する排気管６が、上記旋回流Ｑに対向するようにして流動層本体１内部に開口させられているので、該ホットサイクロン５における処理操作でも流動媒体Ｓや処理物Ｐと流動用ガスＡ，Ｂとの接触性を高めて処理効率の一層の向上を図ることが可能となる。
【００１８】
すなわち、上述のように流動用ガスＡ，Ｂの供給量が、流動層本体１内部でのフルード数が１．２〜１２程度となるようにされている場合、希薄ゾーンにおいても比較的高濃度の処理物Ｐや流動媒体Ｓが存在し、これらは流動用ガスＡ，Ｂに伴われて排気管６からホットサイクロン５に導入され処理操作が行われることとなるが、本実施形態では、この排気管６の流動層本体１内部への開口部が上記旋回流Ｑに対向するように開口させられていることにより、希薄ゾーンの処理物Ｐや流動媒体Ｓおよび流動用ガスＡ，Ｂは、この旋回流Ｑの角速度を得たまま上記仮想円Ｒの接線方向（排気管６の中心線Ｕ方向）にホットサイクロン５に導入されて上記仮想円Ｖ回りに旋回させられることとなる。従って、本実施形態では図３に示すようにこのホットサイクロン５内にも強い旋回流Ｗを形成させることができ、該ホットサイクロン５内で処理操作が行われる場合でも、流動媒体Ｓや処理物Ｐと流動用ガスＡ，Ｂとの接触性を向上させることができるのである。このため、本実施形態によれば、例えば当該循環流動層によって処理物Ｐの反応処理を行って製品化する場合などに、このホットサイクロン５から未処理の物質が排出されて後の工程で製品に混入することにより製品歩留まりのロスを招いたり、あるいは当該循環流動層で廃棄物等の処理物Ｐの焼却や熱分解処理を行う場合に、排気とともに汚染物質が排出されてしまったりするような事態を未然に防止することが可能となる。
【００１９】
なお、本実施形態では上述のように流動層本体１内部に供給される流動用ガスＡ，Ｂのうち、流動媒体Ｓの静止高さ近傍に吹き込まれる二次流動用ガスＢによって上記旋回流Ｑが形成されるようになされているが、例えばこの二次流動用ガスＢの上記供給口３…よりも上方に三次、四次…の流動用ガスの供給口を設けて、このような三次、四次…の流動用ガスにより旋回流を形成するようにしてもよく、また場合によっては流動層本体１下部から供給される一次流動用ガスＡの供給方向を上記接線方向に向けるようにして旋回流を形成するようにしてもよい。勿論、これら一次、二次、三次…の流動用ガスＡ，Ｂ…を組み合わせて旋回流を形成してもよい。また、本実施形態では、周方向に等間隔に配設された複数の上記供給口３…からの流動用ガスＢが同一の仮想円Ｒの接線方向に供給されるようになされているが、少なくとも１の供給口からの流動用ガスが、他の供給口からの流動用ガスとは異なる仮想円の接線方向に供給されるようにしてもよく、また少なくとも１の供給口が周方向に不等間隔に配設されていてもよく、さらには単一の供給口から接線方向に流動用ガスを供給するようにしてもよい。
【００２０】
【実施例】
次に、図１ないし図３に示した実施形態の循環流動層によって処理物Ｐを処理した場合のより具体的な本発明の実施例を挙げて、本発明の効果を実証する。本実施例では、内径Ｄ＝３００ｍｍの流動層本体１を用い、その内部に流動媒体Ｓとして平均粒径５５０μｍの硅砂を１００ｋｇ張り込んだ。また、旋回流Ｑを生じさせる二次流動用ガスＢの供給口３…は、その供給方向が上記縦中心軸線Ｏを中心とした直径Ｃ＝１２０ｍｍ（内径Ｄの４０％）の仮想円Ｒの接線方向となるように設定した。なお、流動用ガスＡ，Ｂとしては空気を供給した。一方、供給口４からは処理物Ｐとして、水分７６％、高位発熱量（乾燥基準）１７．５ＭＪ／ｋｇの下水汚泥を１００ｋｇ／ｈで供給し、流動層本体１内部において焼却処理操作を行った。
【００２１】
このとき、一次、二次流動用ガスＡ，Ｂの供給量を上述のように流動層本体１内部における空塔速度が流動媒体Ｓの最小流動加速度以上となるように維持しつつ、一次流動用ガスＡと二次流動用ガスＢとの供給割合を変えて、この二次流動用ガスＢにより形成される上記旋回流Ｑの強さ（角速度）を変化させるとともに、処理物Ｐの焼却処理の完結程度の目安としてホットサイクロン５のガス排出口８における一酸化炭素（ＣＯ）濃度を測定した。勿論、一酸化炭素濃度が少ないほど処理物Ｐの焼却処理における完結程度が高く、すなわち処理効率が高い。この旋回流Ｑの強さとガス排出口８の一酸化炭素濃度との関係を図４に示す。
【００２２】
しかして、この図４の結果より、旋回流強さが１０ｒａｄ／ｓ以上となると急激に一酸化炭素濃度が低下して、その後は旋回流強さが強くなるほど一酸化炭素濃度が低下し、すなわち処理物Ｐとしての下水汚泥の燃焼が完結（完全燃焼）する傾向があることが分かる。因みに、旋回流強さが８０ｒａｄ／ｓにまで達すると一酸化炭素濃度は２０ｐｐｍ程度となり、旋回流を形成しない場合（旋回流強さが０ｒａｄ／ｓの場合）の一酸化炭素濃度が約１４０ｐｐｍ程度であるのに比べて、一酸化炭素濃度が約１／７にまで低減し、希薄ゾーンでも十分に処理物Ｐおよび流動媒体Ｓと流動用ガスＡ，Ｂとの接触が促されていることが分かる。ただし、旋回流強さを８０ｒａｄ／ｓよりも強くすると、流動層本体１の内壁の摩耗が著しくなって損傷が生じるようになった。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、流動用ガスの供給方向を流動層本体の縦中心軸線を中心とした仮想円の接線方向に向けることにより、旋回形ベーンを設けたりすることなく流動層本体内部に流動用ガスの旋回流を生じさせることができ、これによって希薄ゾーンにおいても処理物や流動媒体と流動用ガスとの接触性を高めて各種処理の処理効率向上を図ることができる。また、上記仮想円の直径を流動層本体内部の内径の２５％以上に設定したり、上記旋回流の角速度を１０ｒａｄ／ｓ〜８０ｒａｄ／ｓの範囲に設定したりすることにより、流動層本体の損傷を防ぎつつも一層確実な処理効率の向上を促すことができる。さらに、流動層本体の上部にサイクロンを排気管を介して連結して、このサイクロンでも処理操作が行われるようにした場合、この排気管の流動層本体内部への開口部を上記旋回流に対向するように開口することにより、該サイクロンにおいても接触性の向上を図ってより高い処理効率を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す図である。
【図２】図１におけるＹＹ断面図である。
【図３】図１におけるＺＺ断面図である。
【図４】本発明の実施例における旋回流強さと一酸化炭素（ＣＯ）濃度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  流動層本体
２，３  流動用ガスＡ，Ｂの供給口
５  ホットサイクロン
６  排気管
７  返送管
９  排気管６の開口部
Ａ，Ｂ  流動用ガス
Ｐ  処理物
Ｓ  流動媒体
Ｏ  流動層本体１の縦中心軸線
Ｘ  ホットサイクロン５の縦中心軸線
Ｒ  縦中心軸線Ｏを中心とする仮想円
Ｓ  供給口３の中心線（流動用ガスＢの供給方向）
Ｕ  排気管６の中心線
Ｃ  仮想円Ｒの直径
Ｄ  流動層本体１の内径
Ｑ，Ｗ  旋回流
【図１】
2004181322.tif 000003
【図２】
2004181322.tif 000004
【図３】
2004181322.tif 000005
【図４】
2004181322.tif 000006