循環流動床

循環流動床（CFB ）は、循環ループを利用してさらに燃焼効率を高めた流動床燃焼の一種です。 ^{[1]同時に、}汚染物質の排出を抑えます。報告によると、最大95％の汚染物質^{[2]が大気中に放出される前に吸収されます。ただし、この技術は、}石灰岩を大量に使用し、廃棄物の副産物を生成するため、規模が限られています。

流動化とは、固体粒子がガスまたは液体に浮遊して流体のような状態になる現象です。その結果、ガスと固体が混合し、層内で急速な熱伝達と化学反応が促進されます。この技術を使用する発電所は、低品位燃料を高効率で燃焼させることができ、高価な燃料準備の必要もありません。また、同等の従来の炉よりも小型であるため、コストと柔軟性の面で大きな利点があります。

循環流動床は、汚染物質の排出を抑えることができる比較的新しい技術です。従来の石炭燃焼方法による汚染とその持続可能性に対する懸念が高まったため、この技術に関する広範な研究が過去15年間にわたって行われてきました。汚染物質排出に関する環境規制が強化されたため、この技術の重要性は最近高まっています。^[3]

2011年12月に米国環境保護庁によって制定された水銀および大気毒性基準（MATS）は、ヨーロッパとアメリカのすべての国にこの政策を厳格に遵守することを義務付けました。これは、発電所や産業施設からの金属、酸性ガス、有機化合物、排気ガス酸、その他の汚染物質などの排出物がEPA ^[4]によって設定された要件を満たす必要があり、基準を満たさない施設についてはアップグレードを行う必要があることを意味します。その結果、循環流動床技術の需要が高まると予測されています。

1923年、ウィンクラーの石炭ガス化炉は、流動床の最初の重要な大規模産業用途となりました^[5]（Kunii and Levenspiel、1991）。CFB燃焼技術は、20年足らずで小規模産業用途から大規模超々臨界発電所へとCFBボイラー技術が成長したため、大規模な公益事業発電所での応用において引き続き力強い成長を続けています。住友SHIFWが提供する代表的な例としては、2009年から稼働しているポーランドのラギッサにある460MWの超臨界CFB発電所^[6]と、 2016年から稼働している韓国のサムチョクにある2200MWの超々臨界グリーン発電所^{[7]があります。}

流動化とは、固体粒子がガスまたは液体に浮遊して流体のような状態に運ばれる現象です。実際、さまざまな流体粒子層を分類する簡単で正確な方法があります (Winaya 他、2003 年、Souza-Santos、2004 年、Basu、2006 年)。CFB の動作特性と環境特性のほとんどは、流体力学的挙動の直接的な結果です。多くの研究者が CFB の流体力学を研究してきました (Yang、1998 年、Basu、2006 年、Rhodes、2008 年、Scala、2013 年)。流動化は、粒子の形状、サイズ、密度、ガスの速度、層の形状など、いくつかのパラメーターの関数です。Kunii と Levenspiel (1991 年)、Oka と Dekker (2004 年)、および Souza-Santos (2004 年) は、流動化のレジームを以下のように定義しました。

(a)固定床: 流体が低流量で床の底を通過すると、流体は静止した粒子間の空隙を通って 浸透するだけです。

(b)最小流動化：ガス速度が最小流動化速度（U _mf）に達し、すべての粒子が上向きに流れる流体によってちょうど浮遊しているとき。

(c)泡立ち流動床: 流量が最小流動化速度を超えて増加すると、床が泡立ち始めます。気固系は、流量が最小流動化を超えて増加すると、泡立ちとガスのチャネリングを伴う大きな不安定性を示します。このような床は、凝集性流動床、不均質流動床、または泡立ち流動床と呼ばれます。

（ｄ）_乱流流動層：ガス流量が十分に増加すると、固体の終端速度（Utr）を超え、層の上部表面が消え、泡立ちの代わりに 巻き込みが顕著になります。

(e)高速流動床: ガス速度がさらに増加すると、ガスによって固体が床から運び出され、希薄相が流動化します。この方式はCFBを操作するために使用されます。本研究では、この方式で圧力降下が劇的に減少する高速流動床を使用してCFBを操作します。

（f）空気輸送：循環流動床運転領域を超えると空気輸送領域となり、この領域では圧力降下が増加します。

ゲルダート (1973) は、粒子をサイズと密度に基づいて 4 つのグループに分類しました。グループ B (粒子サイズd _pが 40～500 μm、密度ρ _s <~1400 kg/m ³ ) は、CFB でよく使用されます。ヤンは、高圧、高温、無次元密度下でのアルキメデス数 Ar を使用して、ゲルダートの分類を修正しました(Yang、2007)。

圧力と圧力降下 CFB内の流れは多相流です。ライザーの高さに沿った回復不可能な圧力降下は設計の基本値であり、これは固体粒子の分布、空隙率、ガスの粘度、ガスの速度、ガスの密度、固体の密度によって決まります。 [ 8 ] ^{[ 9]}

燃焼段階では、上向きの空気の噴流によって固体燃料が浮遊します。これは、ガスと固体が乱流で混合され、熱伝達と化学反応が向上するようにするためです。燃料は、窒素酸化物の形成を防ぐために、1400 °F (760 °C) ～ 1700 °F (926.7 °C) の温度で燃焼されます。^{[2]燃焼中は、}二酸化硫黄などの排気ガスが放出されます。同時に、流動化段階では、石灰石やドロマイトなどの硫黄吸収化学物質が燃料粒子と混合され、硫黄汚染物質のほぼ 95% が吸収されます。

あるいは、硫黄を吸収する化学物質と燃料をリサイクルすることで、より高品質の蒸気を生成する効率を高め、汚染物質の排出を減らすことができます。そのため、循環流動床技術を使用して、従来の他のプロセスと比較してはるかに環境に優しい方法で燃料を燃焼することが可能になります。

循環流動床技術は、石油・ガスから発電所まで、さまざまな分野で導入できます。この技術は、数多くの利点があるため、非常に人気があります。循環流動床の一般的な用途には、循環流動床スクラバーや循環流動床ガス化システムなどがあります。

循環流動床スクラバーの用途の1つは、発電所で、通常はCa(OH) _2などの乾燥吸着剤を使用して、排ガス流中のHF、HCL、SO ₂、SO _{3などの汚染物質を削減することです。[} ^10]現在、ベイシン・エレクトリック・パワー・コーポレーションは、 2011年以来、ワイオミング州ジレット近郊の石炭火力ボイラープラントで利用可能な最高の循環流動床スクラビング技術を運用している唯一の会社です。 ^[11] —

発電所の循環流動床スクラバーの 3 つの主要コンポーネントは次のとおりです。

• 循環流動床吸収装置
• ファブリックフィルター
• 乾式石灰水和システム。

循環流動床スクラバープロセスでは、排ガスは容器の底から反応器に入ります。同時に、消石灰が循環流動床吸収装置に注入され、排ガス中のSO ₂とSO _{3 を}硫酸カルシウムと亜硫酸カルシウムに変換する反応が起こります。また、最大の吸収能力を得るために動作温度を制御するために水も同時に注入されます。排ガスはその後、さらに濾過するためにバグハウスに送られます。バグハウスでは、フィルターを横切る一連の空気弁が圧縮空気の噴射を生み出し、より効率的な固形物と粉塵の収集を確実にします。最後に、クリーンな排ガスは、排ガス流中の汚染物質が最小限に抑えられた状態で煙突に送られます。^[11]プロセスの概略図を図1に示します。

ガス化は、生分解性廃棄物を燃焼せずに合成ガスに変換するプロセスです。このプロセスは、内部循環流動床での バイオマスの蒸気ガス化に基づいて、オーストリアのグッシング発電所^{[12]で初めて使用されました。}

ガス化プロセスでは、燃料は蒸気の存在下で 850℃ ^{[12]でガス化され、}窒素を含まないクリーンな合成ガスが生成される。木炭は、

ガス化プロセスは吸熱プロセスであるため、燃焼室で加熱してガス化プロセスに供給します。熱伝達はガス化室と燃焼室の間で行われます。図解されたガス化プロセスは図 2 に示されています。

ガス化時に起こる化学反応は式[1]と[2]で示され、燃焼室内の反応は式[3]で表されます。

ガス化;

C + H 2 O = CO + H 2 [1]

C + CO 2 = 2CO [2]

燃焼;

C + O 2 = CO 2 [3]

ドロマイト石灰または石灰岩は、二酸化炭素を吸収して燃焼プロセスを促進し、 水素濃度を高めるためにも使用できます。

湿式排ガス脱硫装置（Wet FGD）は、汚染ガスを回収するために一般的に使用されています。しかし、この機械は高価で、メンテナンスが難しく、発電所内で多くのスペースを占めます。湿式FGDは大量の水を使用しますが、水銀などの微量金属とHCl、HF、SO2、SO3などの酸性ガスしか回収できません。^[13]

バージニア シティ ハイブリッド エネルギー センターでは、CFB と乾式スクラバーを使用することで、排出される SO2 の最大 99.6% を回収できます。

循環流動床スクラバー（CFBS）という新しい技術は、1984年頃に導入されました。タービュレーターの壁の設計により、完璧な混合とさまざまな汚染物質の捕捉能力が確保されます。合金金属の使用は炭素鋼設計に置き換えられ、設置コストが削減されました。また、コンパクトなサイズなので、資本コストを削減できます。プラグフリーの水スプレーノズルの設計により、水の使用量も削減できます。^[14] CFBSはセルフクリーニングプロセスを実行できるため、メンテナンスコストが削減されます。動作温度が低いため、スモッグの原因となる窒素酸化物の生成が少なくなります。^[15]

こうした利点にもかかわらず、CFBSはユニットあたり400MWに制限されています。CFBSで使用される石灰石は高価であり、山積みにするのではなくコンクリートまたは鋼鉄サイロに保管する必要があります[8]。さらに、この機械は、その特性上あまり用途のないCaClなどの副産物も生成します^{[15] 。}

循環流動床ガス化装置のもう1つのタイプは循環流動床ガス化装置（CFBG）で、これは他のタイプのガス化装置よりも優れています。CFBGは質​​量および熱伝達率が高く、ガスと固体の接触効率も高いです。CFBGの動作温度が低いため、固体の滞留時間が長くなり、ガス化収率が高くなります。^[16] CFBGプロセスは吸熱プロセスであるため、エネルギー効率が高くなります。プロセスを最適温度に維持するために必要な熱のみが生成されます。 [ ^16] 実際には、断熱および等温プロセスであるため、生成された熱はすべてプロセス全体で利用されます。^[16]

CFBGプロセスは幅広い燃料を扱うことができるが、無煙炭や石油コークスなどの反応性の低い燃料では、運転温度が低いため、高いガス化収率を達成できない。流れも多相複雑であり、個々の粒子ごとに異なる方法でスケールアップする必要がある^[17]

現在、CFBSにはいくつかの設計が考案されており、例えばクライド・バーグマン・パワー・グループが開発したCFBS、すなわち循環式乾式スクラバー（CDS）がある。このタイプのCFBSは、温度、圧力降下、二酸化硫黄排出の3つの異なるフィードバック制御ループから構成される。 ^[18]浸食を最小限に抑えるために、その注入はベンチュリより上になるように設計された。それだけでなく、CDSは他のタイプのCFBSと比較して可動部品が少なく、この設計によりメンテナンスコストが低くなる。CDSの主要コンポーネントを図3に示します。

CFBSと同様に、さまざまな産業の要求を満たすために、特定の仕様を備えた設計がいくつかあります。その1つが、フェニックスバイオエナジーが開発したCFBGです。このタイプのCFBGは、いくつかの技術を組み合わせ、オーガーガス化装置を1つの設計に実装しています。オーガーの大径は、流動床の上に水平に配置されます。この構成によりガス化効率が向上し、懸濁した骨材からバイオ燃料への熱伝達が促進されます。^[19]このCFBGの完全な設計を図4に示します。

循環流動床反応器は、ガス化や石炭燃焼などのさまざまな産業プロセスで広く使用されています。^[20]循環流動床は広く使用されていますが、不均一な流れパターンと徹底した逆混合によって説明できるCFDは、粒子密度に大きな放射状勾配があり、反応器の壁と比較してライザー内部の固体ホールドアップが低いことが依然として残っています。これらのイベントにより、接触効率が低下します。^[21]

触媒気相反応プロセスの場合、ガスの逆混合を避ける必要があるため、反応生成物はガス相です。循環流動床のもう1つの特徴は、ガスと固体触媒の接触時間を短くし、プラグフローを促進する必要があるため、ライザー内の非常に高いガス速度が必要になることです。^[21]ライザー内の非常に高いガス速度は、触媒気相反応の必要性を満たすためにも望ましいです。

循環流動床には、基本的に、ガス固系のバランスをとる 2 つの特性、つまり設計特性と操作特性が含まれます。

設計: 粒子の再循環ループは、大量のフラックスを持つ同伴粒子が、巨大なコアリアクター（ライザー）からリアクターの外部で効率的に分離され、その後ライザーの最下部に循環されるときに発生します。搬送流体はこのループを1回だけ循環しますが、粒子は最終的にシステムから出るまでに数回通過します^[22]

操作：システムは通常、高い粒子流束と高い表面ガス速度（通常はそれぞれ（10〜1000 kg/m ² s）、（2〜12 m/s））で操作されます。^[22]この操作条件は、ライザー内の希薄領域と高密度ベッドの間に明確な界面が形成されないようにするために選択されます。したがって、接触には気泡点を超えるガス速度が選択されます。^[22]循環流動床の標準的な操作条件は、以下の表1に示されています。

循環流動床（CFB）は、流体の高速度を利用して流体をより強力に混合することでガスと固体の接触を改善し、より高品質の製品を得ることができます。しかし、ガス速度が高く固体が再循環するため、CFBシステムは従来の流動床反応器と比較して、電力要件と投資の点ではるかに高価になる可能性があります。^[23] CFBは、以下の2つの状況で固体触媒気相反応の分野で広く使用されています。^[24]

1. 急速に失活する触媒を連続的に再生します。固体は一定の循環に維持され、触媒は連続的に再生されて反応器に戻ります。
2. 熱は反応器に持ち込まれたり、反応器から除去されたりする必要があります。固体は気体に比べて熱容量が比較的大きいため、容器間で固体を連続的に循環させることで、ある容器から別の容器に熱を効率的に輸送できます。

循環システムの重要な要素の1つは、供給循環速度を制御する能力です。供給循環速度は、ベッド内のガス速度によって制御され、ベッドの流動様式と密度を決定します。すべての循環システムは、固体循環速度（kg / s）と容器間で交換される懸濁物質の移動率のいずれかによって特徴付けることができます。^[24]

石炭燃焼における循環流動床では、粒子が燃焼室を横切ってサイクロンに入る前に、煙道ガス中で一定に保たれるように、床はより速い流動化速度を使用する必要があります。燃焼中、固体がユニット全体に均一に分散している場合でも、燃料を混合するために高密度の床が必要です。より大きな粒子は抽出され、次の処理のために燃焼室に戻されますが、これには比較的長い粒子滞留時間が必要です。総炭素変換効率が98％を超えると、残留物にわずかな割合の未燃焼炭が残るだけで、分離プロセスが良好であることを示します。^[25]プロセス全体を通して、燃焼器の動作条件は比較的均一です。

循環流動床を設計する際には、吸熱反応または発熱反応のいずれかに対して一定の温度分布を保ち、循環流動床反応器の冷却または加熱の適切な設計を決定するために、反応器が異なる動作条件に対してその性能を変えることができるように、より適切に制御するために熱伝達率の良好な近似値が必要である。^{[6]発熱性の高い反応器の場合、物質の変換率を低く抑え、冷却された}反応物は可能な限りリサイクルすることが推奨される。また、供給材料の割合が減少する順に成分を分離することも推奨される。これは、次の分離プロセスのメンテナンスコストの削減に役立つ。

ガスの存在下でより粘性の高い流体で流動化する必要がある小さな多孔質または軽量の粒子を含む多くの工業プロセスでは、従来のシステムと比較して、ガス-液体-固体循環流動床（GLSCFB）の方が好まれます。これは、デッドゾーンを最小限に抑え、ガス、液体、固体相間のせん断応力を改善することで、これらの相間の接触効率を高めることができるためです。ガス-液体-固体循環流動床は、より高いガスホールドアップ、より均一な気泡サイズの生成、より優れた相間接触、および優れた熱および質量移動能力も提供します。GLSCFBを使用する柔軟性により、流動床は最小流動化速度よりもはるかに高い液体速度で動作することができ、その結果、床の単位断面積あたりの分数変換と生産効率が向上します。さらに、GLSCFBで使用される不活性化触媒は、循環流動床を使用することで連続的に再生できるため、触媒を頻繁に交換するための運用コストが削減されます。^[26]

循環流動床スクラバー（CFBS）については、腐食の問題を回避しながら高純度の製品を生産できるため、業界ではより好まれています。CFBSはまた、設置コストが低く、金属の捕捉率が高く、メンテナンスの必要性が低く、燃料硫黄の柔軟性が高く、運転条件の変化に迅速に対応できるため好まれています。^[27]低負荷運転中に床の底で固形物が失われないようにするために、入口に何らかの変更が必要です。製品の品質を向上させるには、不純物が大量に存在する場合に不純物と目的の製品を分離することが困難な場合は、供給ストリームを精製することをお勧めします。

これにより、流動床は最大容量範囲で安定して動作できるようになります。すべてのCFBSには、再循環のために固形物を除去するために、並列に複数のサイクロンに接続された大型ボイラーが必要です。^{[25] CFBSには、}ボトムアッシュからの熱の一部を回収できるため、運用コストを下げるという点でより経済的であるため、熱回収ユニットも必要です。灰冷却器は床を汚す傾向があり、流動床の熱伝達チューブは浸食されやすいため、流動化空気を使用することで除去できます。

地球の持続可能性を維持するためには、より多くの新しいクリーン技術を導入する必要があります。世界的な需要を満たすには、汚染物質の排出量が少ない、より大きな原子炉を開発する必要があります。使用される最良のクリーン技術の1つは、循環流動床技術です。^[17]

現在検討されているもう一つの主要分野は、循環流動床技術で使用される床内熱交換器のさらなる開発です。この設計では、床材料は循環流動床炉の上部開口部から床内熱交換器に充填され、床内熱交換器を介した材料の制御が可能になります。^[28]材料のスループット速度を制御できるため、炉内の熱吸収と床温度をより適切に制御できます。この分野のさらなる開発により、炉の駆動に必要なエネルギーを最小限のエネルギー浪費で最大限に活用できるようになります。

U ビーム セパレーターの設計は、効率、信頼性、保守性の向上のために改良されており、現在は図 6 に示すように第 4 世代の設計になっています。

設計の改良により、循環流動床技術には数多くの利点がもたらされました。その利点のいくつかは次のとおりです。^[28]

• 高い固形物収集効率
• 炉の温度制御
• 補助電力が低い
• より小さなフットプリント
• 耐火物の使用を最小限に抑える
• メンテナンスの手間がかからない

• CFBボイラープロセスビデオ