循環流動床

循環流動床（CFB ）は、循環ループを用いて燃焼効率をさらに高めた流動床燃焼の一種です。 [ 1 ]同時に、汚染物質の排出量を低減します。報告によると、最大95%の汚染物質[ 2 ]を大気中に放出される前に吸収できるとされています。しかしながら、この技術は石灰石を大量に使用し、廃棄物が発生するため、規模が限られています。

導入

流動化とは、固体粒子がガスまたは液体中に懸濁し、流体のような状態へと変化する現象です。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。この技術を採用した発電所は、高価な燃料調製を必要とせず、低品位燃料を高効率で燃焼させることができます。また、同等の従来型炉よりも小型であるため、コストと柔軟性の面で大きなメリットをもたらす可能性があります。

循環流動床は、汚染物質の排出量を低減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の高まりから、過去15年間でこの技術に関する広範な研究が行われてきました。近年、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高まっています。[ 3 ]

2011年12月に米国環境保護庁（EPA）によって制定された水銀および大気毒性基準（MATS）は、欧米諸国にこの政策の厳格な遵守を義務付けました。これは、発電所や産業施設から排出される金属、酸性ガス、有機化合物、排気ガス中の酸、その他の汚染物質がEPA [ 4 ]の定める基準を満たす必要があり、基準を満たさない施設は改修が必要とな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応用例となりました[ 5 ]（クニイとレーベンシュピール、1991）。CFB燃焼技術は、CFBボイラー技術が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発展したのに伴い、大規模な公益事業発電所での応用においても力強い成長を続けています。住友SHI FW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シャにある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。

流動化レジームと分類

流動化とは、固体粒子がガスまたは液体中に懸濁して流体のような状態へと輸送される現象です。実際、様々な流体粒子層を分類する単純かつ正確な方法があります（Winaya et al., 2003; Souza-Santos, 2004; Basu, 2006）。CFBの運転特性および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; Basu, 2006; Rhodes, 2008; Scala, 2013）。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の関数です。Kunii and Levenspiel（1991）、Oka and Dekker（2004）、およびSouza-Santos（2004）は、流動化の領域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 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（Umf ）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)バブリング流動層：流量が最小流動化速度を超えると、層はバブリングを開始します。流量が最小流動化速度を超えて増加すると、気固系はバブリングとガスチャネリングを伴う大きな不安定性を示します。このような層は、凝集性流動層、不均一流動層、またはバブリング流動層と呼ばれます。

（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（U tr）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)高速流動層：ガス流速がさらに上昇すると、ガス流速がさらに上昇し、固体は層から排出され、リーン相が流動化する。この状態はCFBの運転に用いられる。本研究では、この状態において圧力損失が劇的に減少する高速流動層を用いてCFBを運転する。

(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があり、この領域では圧力降下が増加します。

ゲルダート（1973）は、粒子の大きさと密度に基づいて、粒子をC、A、B、Dの4つのグループに分類しました。グループB（粒子の大きさd pが40～500 μm、密度ρ sが1400 kg/m 3未満）は、CFBで一般的に使用されます。ヤンは、高圧、高温、無次元密度におけるアルキメデス数Arを用いて、ゲルダートの分類を修正しました（ヤン、2007）。

圧力と圧力降下 流動床（CFB）内の流れは多相流です。ライザー高さに沿った回復不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、ガス粘度、ガス速度、ガス密度、および固体の密度によって生じます。[ 8 ] [ 9 ]

技術の基礎

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し、熱伝達と化学反応を促進するためです。燃料は窒素酸化物の生成を防ぐため、1400°F（760°C）から1700°F（926.7°C）の温度で燃焼します。[ 2 ]燃焼中は二酸化硫黄などの排気ガスが発生します。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剤が燃料粒子と混合され、硫黄汚染物質の約95%が吸収されます。

あるいは、硫黄吸収剤と燃料をリサイクルすることで、より高品質な蒸気を生成する効率を高め、汚染物質の排出量を削減することができます。これにより、循環流動床技術を用いることで、従来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。

用途範囲

循環流動層技術は、石油・ガスから発電所まで、様々な分野で活用できます。この技術は、その多くの利点から非常に需要が高く、循環流動層の一般的な用途としては、循環流動層スクラバーや循環流動層ガス化システムなどが挙げられます。

循環流動床スクラバー

循環流動床スクラバーの用途の一つは、発電所で乾燥吸着剤（通常はCa(OH) 2）を使用して、排ガス中のHF、HCL、SO2、SO3などの汚染物質を除去することです。[ 10 ]現在、ベイシン電力協同組合は、 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
  • 布フィルター
  • 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、排気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、排気ガス中のSO2とSO3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。排気ガスはその後、さらなる濾過の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ダストの収集を確実にします。最後に、きれいな排気ガスは排気ガス流中の汚染物質が最小限に抑えられて煙突に送られます。[ 11 ]プロセスの概略図を図1に示します。

循環流動床ガス化システム

ガス化は、生分解性廃棄物を燃焼させることなく合成ガスに変換するプロセスです。このプロセスは、オーストリアのグッシング発電所[ 12 ]で初めて採用され、内部循環流動床におけるバイオマスの蒸気ガス化に基づいています。

ガス化プロセスでは、燃料を蒸気の存在下で 850℃ [ 12 ]でガス化し、窒素を含まないクリーンな合成ガスを生成します。木炭は、

図2：ガス化プロセスの概略図

ガス化プロセスは吸熱プロセスであるため、燃焼室はガス化プロセスに加熱を供給するために設けられています。熱伝達はガス化室と燃焼室の間で行われます。図2にガス化プロセスを示します。

ガス化の際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。

利点と限界

汚染ガスの回収には、湿式排ガス脱硫装置（Wet FGD）が一般的に用いられてきました。しかし、この装置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有します。湿式FGDは大量の水を使用しますが、回収できるのは水銀などの微量金属と、HCl、HF、SO2、SO3などの酸性ガスのみです。[ 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）という新技術は1984年頃に導入されました。タービュレーター壁の設計により、完璧な混合と様々な汚染物質の捕捉能力が確保されます。従来の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のため、資本コストも削減できます。さらに、プラグフリーの散水ノズルの設計により、水の使用量も削減できます。[ 14 ] CFBSは自己洗浄機能を備えているため、メンテナンスコストを削減できます。運転温度が低いため、スモッグの原因となる窒素酸化物の生成量も少なくなります。[ 15 ]

こうした多くの利点にもかかわらず、CFBSはユニット当たり400MWという制限があります。CFBSで使用される石灰石は高価であり、山積みではなくコンクリート製または鋼鉄製のサイロに保管する必要があります[8]。さらに、この機械はCaClなどの副産物も生成しますが、その特性上、用途は限られています[ 15 ] 。

循環流動床ガス化炉のもう一つの形式は循環流動床ガス化炉（CFBG）で、これは他の形式のガス化炉よりも優れています。CFBGは質​​量伝達率と熱伝達率が高く、ガスと固体の接触効率も高いです。CFBGの運転温度が低いため、固体の滞留時間が長くなり、ガス化収率が向上します。[ 16 ] CFBGプロセスは吸熱プロセスであるため、エネルギー効率に優れています。プロセスを最適な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、断熱等温プロセスであるため、生成される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に対応できるものの、無煙炭や石油コークスといった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。また、流動は多相で複雑であり、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 ]。

利用可能なデザイン

現在、循環式スクラバー（CFBS）には様々な設計が考案されています。例えば、クライド・バーグマン・パワー・グループが開発した循環式乾式スクラバー（CDS）があります。このタイプのCFBSは、温度、圧力降下、二酸化硫黄排出量の3つの異なるフィードバック制御ループで構成されています。[ 18 ]浸食を最小限に抑えるため、噴射口はベンチュリの上部に配置されています。さらに、CDSは他のタイプのCFBSと比較して可動部品が少なく、メンテナンスコストの削減につながります。CDSの主要部品を図3に示します。

CFBSと同様に、様々な産業ニーズを満たすために、特定の仕様を持つ複数の設計が利用可能です。その一つが、フェニックス・バイオエナジー社が開発したCFBGです。このタイプのCFBGは、複数の技術を組み合わせ、オーガー式ガス化装置を一つの設計に統合しています。大径のオーガーは流動層の上部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、懸濁物質を介してバイオ燃料への熱伝達が促進されます。[ 19 ]このCFBGの全体設計を図4に示します。

主なプロセス特性

循環流動床反応器は、ガス化や石炭燃焼など、様々な産業プロセスで広く利用されている。[ 20 ]循環流動床は広く利用されているが、CFD（流体力学モデル）では、不均一な流動パターンと徹底的な逆混合によって記述できるものの、粒子密度に大きな放射状勾配が存在し、ライザー内部の固体ホールドアップは反応器壁面と比較して低い。これらの事象は、接触効率の低下につながる。[ 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、反応生成物は気相のままである。循環流動層のもう一つの特徴は、ガスと固体触媒の接触時間を短縮し、プラグフローを促進するために、ライザー内のガス流速を非常に高くする必要があることである。[ 21 ]ライザー内の非常に高いガス流速は、触媒気相反応においても同様に求められる。

設計と運用

循環流動床には、基本的に、ガス固体システムの 2 つのバランス特性、つまり設計特性と操作特性が関係します。

設計：粒子の再循環ループは、相当量のフラックスを有する粒子が、巨大なコアリアクター（ライザー）からリアクター外部で効率的に分離され、搬送流体から分離され、ライザーの最下部に循環されることによって発生する。搬送流体はこのループを1回だけ循環するが、粒子は最終的にシステムから排出されるまでに複数回通過する[ 22 ]。

運転条件：システムは通常、高い粒子流束と高い空塔ガス流速（典型的にはそれぞれ10～1000 kg/m 2 s、2～12 m/s）の条件下で運転されます。[ 22 ]この運転条件は、ライザー内の希薄領域と高密度層との間に明確な界面が形成されるのを避けるために選択されます。したがって、接触には気泡発生点以上のガス流速が選択されます。[ 22 ]循環流動層の標準運転条件は、以下の表1に示されています。

表1：商業用途における循環流動層の典型的な運転条件[ 22 ]
パラメータ許容値
表面ガス速度（m/s）2～12
ライザーを通過する正味固形物流量（kg/m 2 s）10～1000
温度（℃）20～950
圧力（kPa）100～2000年
平均粒子径（μm）50～500
ライザー全体の高さ（m）15～40歳

プロセス特性評価

循環流動床（CFB）は、流体の高速化により流体の混合が促進され、気固接触が改善されるため、製品品質が向上します。しかし、高いガス速度と固体の再循環により、CFBシステムは従来の流動床反応器と比較して、電力要件と投資の面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つの状況において、固体触媒気相反応の分野で広く利用されています。[ 24 ]

  1. 急速に失活する触媒を連続的に再生します。固体は一定循環に維持され、触媒は連続的に再生され、反応器に戻ります。
  2. 反応器には熱を供給したり、反応器から熱を除去し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へ効率的に熱を輸送することができます。

循環システムにおいて重要な要素の一つは、供給循環速度を制御できることです。供給循環速度は、層内のガス流速によって制御され、ガス流速によって層内の流動様式と密度が決まります。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られます。[ 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、床の流動速度を高める必要がある。燃焼中は、固体がユニット全体に均一に分散しているにもかかわらず、燃料を混合するために高密度の床が必要となる。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るため、比較的長い粒子滞留時間が必要となる。総炭素変換効率が98%を超える場合、残留物中にわずかな量の未燃焼炭が残るのみの良好な分離プロセスを示している。[ 25 ]プロセス全体を通して、燃焼器の運転条件は比較的均一である。

可能な設計ヒューリスティック

吸熱反応または発熱反応のいずれかにおいて一定の温度分布を有する循環流動層を設計する際には、循環流動層反応器の冷却または加熱のための適切な設計を決定するために、熱伝達率の良好な近似値を用いることで、反応器が異なる運転条件に応じて性能を変化させることができるように、より良好な制御が可能となる。[ 6 ]発熱性の高い反応器では、物質の転化率を低く抑え、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、原料中の物質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。

ガス存在下でより粘性の高い流体を用いて流動化させる必要がある小型、多孔質、または軽量の粒子を扱う多くの工業プロセスにおいて、従来のシステムよりもガス・液体・固体循環流動層（GLSCFB）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、固体間のせん断応力を改善することで各相の接触効率を高めることができるためです。また、ガスホールドアップの向上、気泡サイズの均一化、相間接触の改善、熱伝達および物質移動能力の向上も期待できます。GLSCFBの柔軟性により、流動層は最小流動化速度よりもはるかに高い液流速で運転することができ、結果として、分数転化率と単位断面積あたりの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、循環流動層を用いることで連続的に再生できるため、触媒の頻繁な交換にかかる運転コストを削減できます。[ 26 ]

循環流動床スクラバー（CFBS）は、腐食の問題を回避しながら高純度の製品を製造できるため、産業界で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、メンテナンスが少なく、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ことも好まれています。[ 27 ]低負荷運転中に層底部で固形物が失われないようにするために、入口に何らかの改造が必要です。製品の品質を向上させるために、不純物が大量に存在して目的製品と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的に運転できるようになります。すべてのCFBS（流動床炉）には、固形物を除去して再循環させるために、複数のサイクロンを並列に接続した大型ボイラーが必要です。[ 25 ] CFBSには熱回収ユニットも必要です。ボトムアッシュからの熱の一部を回収することで、運転コストを削減できるため、経済的に実現可能です。灰冷却器は流動床を汚染しやすく、流動床内の伝熱管は侵食されやすいため、流動化空気を使用することで除去できます。

新たな展開

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、より大型で汚染物質の排出量が少ない反応炉を開発する必要があります。最も優れたクリーン技術の一つは、循環流動床技術です。[ 17 ]

ベッド内熱交換器

現在検討されているもう一つの主要分野は、循環流動層技術に用いられるインベッド熱交換器の更なる開発です。この設計では、循環流動層炉の上部開口部からインベッド熱交換器に材料が充填されるため、インベッド熱交換器を介した材料制御が可能になります。[ 28 ]材料の通過速度を制御できるため、炉内の熱吸収と層温度をより適切に制御できます。この分野の更なる開発により、炉の駆動に必要なエネルギーを最小限のエネルギー消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

U ビーム セパレーターの設計は、効率、信頼性、保守性を向上させる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多くの利点がもたらされました。その利点のいくつかを以下に示します。[ 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

参考文献

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