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ガスと粒子との接触分離装置 コモンズ

国内特許コード P10A015725
整理番号 QPN97001
掲載日 2010年8月31日
出願番号 特願平09-245412
公開番号 特開平11-083347
登録番号 特許第3010207号
出願日 平成9年9月10日(1997.9.10)
公開日 平成11年3月26日(1999.3.26)
登録日 平成11年12月10日(1999.12.10)
発明者
  • 清水 昭比古
  • 横峯 健彦
出願人
  • 九州大学
発明の名称 ガスと粒子との接触分離装置 コモンズ
従来技術、競合技術の概要 従来から、たとえばセメント製造設備、製鉄設備、塵芥焼却設備、流動層ボイラ等、高温の固体粒子が排出される設備、装置が多くある。したがって、これらの設備から排出される高温の粒子をガスと熱交換させ、その廃熱を回収することにより、エネルギの節減を達成することができる。
【0003】しかしながら、従来のガスと粒子との間の熱交換器は、効率が低く、また構造が複雑かつ大形であり、その設置に多大な費用を必要とする等の理由で、これら高温の粒子からの廃熱回収は実用化されたものが少ない。
【0004】また、上記のような既存の設備に限らず、各種の熱機関等において、ガスと粒子との間の効率的な熱交換器の開発が要望されている。たとえば、将来実用化が予想される核融合炉では、冷却材としてガスと固体微粒子とを混合したいわゆる固気混相流の使用が検討されている。
【0005】すなわち、既存の軽水炉や高速増殖炉では軽水または液体ナトリウムによる冷却方式で十分対応可能であるが、核融合炉、特に炉内プラズマ対向機器では軽水炉と比較して数倍の熱負荷がかかるため、これを水冷却で行うならば高圧のサブクール沸騰で対応することになり、エネルギー回収は放棄せざるを得ないばかりか、高温と強い中性子照射環境下での過大な加圧は構造材料の選択の余地を大幅に狭める。このため、加圧することなく高いエネルギー回収効率が得られる固気混相流を冷却材として使用することが望ましい。
【0006】また、将来の核融合動力炉では、一次側単相ガスタービンサイクル、二次側蒸気タービンによるランキンサイクルで構成される複合発電システムの採用が有望視されている。このシステムに固気混相流を冷却材として用いる場合には、炉の出力密度が非常に高いため混相流の固相濃度を上げざるを得なくなり、これを直接ガスタービンに導く可能性は固体粒子によるタービン翼の摩耗損傷という問題から殆どない。したがって、タービン翼保護のためにタービン上流で混相冷却材を高温粒子とタービンに導入される単相ガスとに確実に分離する必要がある。
【0007】ところで、粒子とガスとの間の熱交換の方式は、分離型と混合型に大別できる。前者の分離型のものは、たとえば伝熱管を介して粒子とガス間の熱交換を行うもので、粒子とガスとは直接接触しないので、当然ながらガス中に粒子が混入することはない。しかしこの方式の伝熱機構は、ガス側では単相ガスの強制対流、粒子側では粒子層が形成する多孔質体中の実効熱伝導であり、伝熱抵抗が大きく、効率が低い。また、粒子を伝熱管の外側領域で移動させる必要があり、この粒子の移動機構が複雑となるとともに、この伝熱管の管壁への粒子の付着等の問題があり、信頼性が低い。また、この粒子をガスと混合して移動させる方式もあるが、粒子側の熱抵抗を改善するだけの効果しかなく、全体としてはやはり伝熱効率が低い。
【0008】また、後者の混合型のものは、ガス流中に粒子を混合し、ガスと粒子を直接接触させて熱交換をなし、この後にサイクロン等で粒子を分離するものである。このものは、粒子がその大きな比表面積でガスと接触するため、瞬時に熱交換がなされ、またこのガスと粒子の混相流の移動等の機構も簡単で、信頼性が高い。しかし、この混合型のものは、粒子とガスとが上記のように瞬時に最終平衡温度に達し、熱交換後のガスの温度と粒子の温度は等しい温度となる。したがって、並行流型熱交換器と同等の効率しか得られない。
【0009】なお、混合型の熱交換器において、ガス中での粒子の重力沈降速度より遅い速度でガスを上向きに流通させ、この中で粒子を自由落下させれば、向流型の熱交換器と同等の効率が得られる。しかし、この場合のガスの速度は極めて低速となり、その容器が極めて大形となるため、到底実用化はできない。
【0010】上述のように、従来のガスと粒子との間の熱交換器では、高熱交換効率、高信頼性、小形化等の好ましい特徴を兼備したものが得られていない。このため、上述したような設備における高温の固体粒子からの廃熱回収、または将来の熱機関等におけるガスと粒子との間の熱交換等において、上記のような高熱交換効率、高信頼性、小形化等の好ましい特徴を兼備した熱交換器が要望されている。
【0011】また、上述したような混合型の熱交換器の場合のようなガスと粒子との接触および分離の問題は、熱交換器には限らず、たとえば微粉体燃料の燃焼器、ガスと固体粒子との間で化学反応を行う装置等においても共通している。すなわち、このような粒子はガス中に浮遊した状態となり、この粒子と周囲のガスとの間の相対的な速度が瞬時に実質的に零となるため、微粉体燃料の燃焼や粒子とガスとの反応の効率が低下する等の問題を生じることになる。
産業上の利用分野 本発明は、ガスと固体粒子との固気混相流型の熱交換器、粉体燃料の燃焼装置、またはガスと固体粒子との化学的な反応装置等、ガスと固体粒子とを混合して接触させるとともに接触後の固体粒子を分離するガスと固体粒子との接触分離装置に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】 中心軸線を略鉛直方向に向けて配置され下部に絞り部を有する分離筒と、この分離筒内にその上端部の周辺部のガス入口から下方に向けてガスの旋回流を噴出しこの分離筒内の周辺部に下向きの旋回流の下降流領域を形成する旋回流供給機構と、上記の分離筒の上端部の中心部に連通し上記の下降流領域のガスの流れを反転させてこの分離筒内の中心部に上向きの旋回流の上昇流領域を形成してこのガスを排出するガス出口と、上記の分離筒の上端部の中心部に開口し固体粒子を上記の上昇流領域に供給する粒子入口とを具備し、上記の上昇流領域に供給された固体粒子はガスと接触して遠心力により上記の下降流領域を通過して上記の分離筒の内面まで到達して分離されることを特徴とするガスと粒子との接触分離装置。
【請求項2】 前記の分離筒内には、前記の粒子入口の下方に配置されこの粒子入口から供給される粒子を径方向外側に分散する粒子分散体が設けられていることを特徴とする請求項1のガスと粒子との接触分離装置。
【請求項3】 前記の旋回流供給機構は、前記のガス出口の周囲に配置された複数の螺旋形のベーンを備えているものであることを特徴とする請求項1のガスと粒子との接触分離装置。
【請求項4】 前記の上昇流領域に供給された固体粒子はガスと接触して遠心力により前記の下降流領域を通過しこのガスと向流形の熱交換をしつつ前記の分離筒の内面まで到達して分離される熱交換器として構成されていることを特徴とする請求項1のガスと粒子との接触分離装置。
産業区分
  • 加熱冷却
国際特許分類(IPC)
出願権利状態 権利存続中
上記の特許・技術に関心のある方は、下記問合せ先にご相談下さい。


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