CN1961062A - 固体燃料气化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的固体燃料气化系统可省略碳再循环机构，同时可制造以氢和一氧化碳为主成分的高放热量的合成气体。固体燃料气化系统具有：隔绝了空气供给的热分解区域；将热分解区域的碳进行燃烧从而产生高温燃烧气体的碳燃烧区域；将燃烧气体进行净化的除尘装置；使除尘后的燃烧气体温度上升的燃烧气体再热用燃烧机构；和利用燃烧气体与水蒸汽的热交换而将水蒸汽加热至高温的水蒸汽加热装置。气化系统利用高温水蒸汽对固体燃料进行热分解，制造以氢和一氧化碳为主成分的合成气体。

Description

固体燃料气化系统
技术领域
本发明涉及固体燃料气化系统，更详细地说，涉及利用固体燃料的热分解来制造以氢及一氧化碳为主成分的合成气体的固体燃料气化系统。
背景技术
已知将废塑胶、污泥、粉碎尘(Shredder dust)或都市垃圾等有机废弃物、或煤炭等低质固体燃料进行气化，将较高卡路里(高热量)的合成气体供给发电设备等的燃料气化系统。本发明者曾开发出在此种气化系统中，利用约1000℃的高温空气将固体燃料气化熔融的燃料气化系统，并在特开2002-158885号等中提出。
此方式的气化系统如图10与图11所示，具备将固体燃料气化熔融的气化炉。空气加热装置将1000℃以上的高温空气供给到气化炉，而热回收-气体精制装置则将气化炉的粗气体冷却并加以精制。供给到气化炉的固体燃料利用高温空气而气化熔融并产生约1000℃的高温粗气体，高温粗气体被供给到热回收-气体精制装置。热回收-气体精制装置将高温粗气体冷却且加以精制，将精制气体供给到发电设备等。由热回收-气体精制装置回收的碳(char，热分解后的碳化物)被碳再循环机构导入固体燃料供给管路中，与固体燃料一起被供给到气化炉。精制气体的一部分作为空气加热用燃料被供给到空气加热装置，空气加热装置利用精制气体的燃烧热加热空气，将高温空气供给到气化炉。采用此种方式的气化系统，因为粗气体温度是非常高的温度(约1000℃)，因而可获得焦油含量少且含较多量氢的粗气体。
本发明者又开发出采用高温水蒸汽对由固体燃料的热分解而产生的热分解气体进行重整，将重整气体供给到发电设备等的燃料气化系统，并在特开2002-210444号等中提出。
此方式的气化系统如图12与图13所示，具备将固体燃料进行热分解的热分解炉，同时具备利用高温水蒸汽将热分解气体进行重整的重整炉。供给到热分解炉的固体燃料在热分解炉内进行热分解，将热分解炉中产生的温度约300℃左右的热分解气体供给到重整炉。热分解气体在重整炉中与温度约1000℃的高温水蒸汽混合而被重整。为防止因热分解气体中的烃的水蒸汽重整反应(吸热反应)而导致重整炉的炉内温度下降，将约1000℃的高温空气供给到重整炉，从重整炉将约800℃左右的重整气体供给到热回收-气体精制装置。热回收-气体精制装置将重整气体冷却并精制，将精制气体供给到发电设备等。精制气体的一部分被供给到空气-水蒸汽加热装置，空气-水蒸汽加热装置利用精制气体的燃烧热将空气与水蒸汽加热，将温度约1000℃左右的高温空气与高温水蒸汽供给到重整炉。
采用此种方式的气化系统，因为固体燃料在热分解炉内滞留较长时间，因此可对较大尺寸的废弃物等进行热分解处理，并且因为碳转化率高，抑制煤分产生，因而可省略碳再循环机构。此外，采用此种方式的气化系统，通过再组合灰熔融燃烧炉，便可获得可以抽出未混入碳分的熔融灰等优点。
在上述具备气化熔融型的气化炉(图10及图11)的气化系统中，具有在燃料气体中含较多量煤分的倾向，煤分的产生特别在将塑胶废弃物等固体燃料进行气化的情况下显著。因此，如图10所示，气化系统需要具备将碳分回收的碳再循环机构。此外，因为气化炉中的固体燃料的炉内滞留时间较短，因而难将尺寸大的废弃物等进行气化处理，所以需要固体燃料的微粉碎处理等前处理工序和前处理设备。此外，此方式的气化系统中，精制气体的放热量为1000kcal/Nm3左右，仅能获得放热量低的合成气体。
另一方面，采用具备热分解炉和重整炉的上述气化系统(图12和图13)，可省略此种碳再循环机构，同时能在不对较大形状废弃物等进行微粉碎的情况下进行热分解处理。但是，为将热分解气体中的焦油分完全重整，必须将重整炉的炉内温度维持于相当高的高温(约1000℃左右)，需要将较多量的高温空气导入重整炉。因而产生重整-精制后的精制气体放热量降低至约1000kcal/Nm3左右的问题。此外，此方式中精制气体含有较多量的甲烷。但是，因为难制造大量含有氢的合成气体，因而为制造大量含氢的合成气体，必须进一步改进气化系统。
本发明的目的在于提供一种可省略碳再循环机构，同时能制造以氢和一氧化碳为主成分的高放热量的合成气体的固体燃料气化系统。
发明内容
本发明者为了达到上述目的反复认真研究的结果，着眼于在现有的气化系统中上述粗气体或重整气体含有较多量的氮，便对可制造氮含量少的合成气体的气化系统进行了研究。其结果，本发明者发现通过隔绝对热分解炉供给空气，只将600℃以上的高温水蒸汽供给到热分解气化炉从而将固体燃料热分解，便产生含有较多量的氢的热分解气体，根据此见解而达成本发明。
即，本发明提供固体燃料气化系统，其为将固体燃料热分解，制造以氢和一氧化碳为主成分的合成气体的固体燃料气化系统，其特征在于，具有：
隔绝了空气供给的热分解区域，
在燃烧用空气的存在下将热分解区域的碳燃烧而生成燃烧气体的碳燃烧区域，
通过燃烧气体与水蒸汽的热交换而将水蒸汽加热的水蒸汽加热装置，
在上述碳燃烧区域与上述水蒸汽加热装置之间净化碳燃烧区域的燃烧气体的除尘装置，和
使从除尘装置向水蒸汽加热装置送出的除尘后的燃烧气体燃烧，产生燃烧气体温度上升的燃烧气体再热用燃烧机构；
上述水蒸汽加热装置具有利用上述燃烧气体与上述水蒸汽的热交换将水蒸汽加热为600℃以上的高温水蒸汽的热交换器，高温水蒸汽被供给到上述热分解区域，将热分解区域的固体燃料热分解，在热分解区域产生热分解气体。
根据本发明的上述构成，固体燃料气化系统将碳的燃烧热作为热能源而将水蒸汽加热至600℃以上，利用600℃以上的高温水蒸汽将固体燃料进行热分解。隔绝了空气供给的热分解区域除固体燃料供给部外，其余实质上封闭，供给到热分解区域的热源流体是基本上只由水蒸汽构成，或者其成分的100％为水蒸汽。在热分解区域产生不含氮的热分解气体，也抑制煤分的产生。热分解区域中残留的碳在碳燃烧区域被焚烧。碳的燃烧热以经碳燃烧所产生的燃烧气体为热介质，被供给到水蒸汽加热用热交换器，被有效利用为用于水蒸汽加热的热源。碳燃烧区域的燃烧气体因为经由除尘装置而被供给到热交换器，因此燃烧气体温度被抑制在800℃以下的温度(除尘装置净化部的高温上限)。但是，根据本发明，经过净化工序的燃烧气体利用燃烧气体再热用燃烧机构进行二次燃烧或再燃烧，温度上升。温度上升的燃烧气体在水蒸汽加热机构中将水蒸汽加热至高温，高温水蒸汽如上所述被供给到热分解区域。在热分解区域中产生的热分解气体被上述高温水蒸汽重整，制造以氢和一氧化碳为主成分的较高放热量的合成气体。
因此，根据本发明上述构成，因为碳在碳燃烧区域中进行燃烧，因而可省略碳再循环机构。以碳的燃烧热为热能源而加热的高温水蒸汽被供给到隔绝空气供给的热分解区域，因为固体燃料仅利用高温水蒸汽进行热分解，因此在热分解区域中产生不含氮的热分解气体。热分解气体进而被高温水蒸汽重整，这样固体燃料气化系统便可制造以氢和一氧化碳为主成分的高放热量的合成气体，可供给到发电设备、氢制造设备等。
本发明提供另一固体燃料气化系统，是将热分解后难残留碳的固体燃料进行热分解，制造以氢和一氧化碳为主成分的合成气体的固体燃料气化系统，其特征在于，具有：
隔绝了空气供给的热分解区域，
使热分解区域中上述固体燃料经热分解而产生的热分解气体、或将该热分解气体重整而得到的精制气体进行燃烧，产生超过1000℃的燃烧气体的燃烧机构，和
通过上述燃烧气体与水蒸汽的热交换而将上述水蒸汽加热的水蒸汽加热装置；
上述水蒸汽加热装置具备通过上述燃烧气体与上述水蒸汽的热交换而将水蒸汽加热为600℃以上的高温水蒸汽的热交换器，该高温水蒸汽被供给到上述热分解区域，将热分解区域的固体燃料热分解，在该热分解区域中产生热分解气体。
根据本发明的上述构成，热分解区域的热分解气体或热分解气体精制后的精制气体利用燃烧机构进行燃烧，产生高温的燃烧气体。热分解气体或精制气体经燃烧所产生的燃烧气体，可不经净化工序而直接导入水蒸汽加热装置的热交换器中。因此，燃烧气体的温度可设定于超过1000℃的高温。仅将600℃以上的高温水蒸汽供给到隔绝空气供给的热分解区域，结果在热分解区域中，产生不含氮、含有较多量氢的热分解气体，还将抑制煤分的产生。在热分解区域中产生的热分解气体被高温水蒸汽重整，制造以氢和一氧化碳为主成分的较高放热量的合成气体。此种构成用于采用燃烧后难残留碳的固体燃料，例如生物量燃料的气化系统。
因此，本发明的固体燃料气化系统将燃烧后难残留碳的固体燃料只利用高温水蒸汽进行热分解，利用热分解气体或精制气体的燃烧，产生超过1000℃的高温燃烧气体。燃烧气体与水蒸汽进行热交换而将水蒸汽加热至600℃以上的高温。固体燃料因为只利用高温水蒸汽进行热分解，因此在热分解区域中产生不含氮的热分解气体。热分解气体进而被高温水蒸汽重整，这样固体燃料气化系统能够制造以氢和一氧化碳为主成分的高放热量的合成气体，可供给到发电设备、氢制造设备等。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施例所涉及的固体燃料气化系统整体构成的方块流程图。
图2是表示图1所示气化系统的热源构成的方块流程图。
图3是概略表示图1所示气化系统的热源构成的系统构成图。
图4是表示本发明的第2实施例所涉及的固体燃料气化系统整体构成的方块流程图。
图5是表示图4所示气化系统的热源构成的方块流程图。
图6是概略表示图4所示气化系统的热源构成的系统构成图，表示第1与第2炉的第1工序的工作方式。
图7是概略表示图4所示气化系统的热源构成的系统构成图，表示第1与第2炉的第2工序的工作方式。
图8是表示本发明的第3实施例所涉及的气化系统构成的方块流程图。
图9是概略表示图8所示气化系统的热源构成的系统构成图。
图10是表示现有燃料气化系统整体构成的方块流程图，例示将固体燃料用气化熔融炉气化的方式的气化系统。
图11是表示图10所示气化系统的热源构成的方块流程图。
图12是表示现有燃料气化系统整体构成的方块流程图，例示将固体燃料利用热分解炉进行热分解，再将热分解气体利用重整炉进行重整的方式的气化系统。
图13是表示图12所示气化系统的热源构成的方块流程图。
具体实施方式
本发明的优选实施方式中，上述碳燃烧区域形成于碳燃烧炉内。热分解区域中残留的碳被导入碳燃烧区域中，碳焚烧用的燃烧用空气被供给到碳燃烧区域。
本发明的另一优选实施方式中，采用热分解·碳燃烧兼用的第1炉和第2炉。第1炉与第2炉分别具备有作为热分解区域兼碳燃烧区域发挥作用的炉内区域。设有切换第1炉与第2炉运转的切换机构，切换机构在将高温水蒸汽供给到第1炉且将燃烧用空气供给到第2炉的第1位置以及将燃烧用空气供给到第1炉且将高温水蒸汽供给到第2炉的第2位置之间进行交替切换。在切换机构的第1位置，第1炉的炉内区域作为热分解区域发挥功能，而第2炉的炉内区域作为碳燃烧区域发挥功能。在切换机构的第2位置，第1炉的炉内区域作为碳燃烧区域发挥功能，而第2炉的炉内区域作为热分解区域发挥功能。根据此构成，在固体燃料热分解后炉床部分所残留的碳利用燃烧用空气继续导入炉内而进行燃烧，产生高温燃烧气体。因此，不需要设置碳燃烧专用的碳燃烧炉，也可省略设置从第1炉与笫2炉中取出碳并转移到碳燃烧炉的碳供给管路。另外，第1炉或第2炉可为在将高温水蒸汽供给到炉内之前将固体燃料预先投入炉内的间歇式，也可为在对第1炉或第2炉供给高温水蒸汽的同时，将固体燃料供给到炉内的连续供给式。
优选燃烧气体再热用燃烧机构具有将合成气体的部分和/或燃烧用空气添加到净化后的燃烧气体中的注入部，注入部例如由燃烧气体配管或导管、与合成气体或燃烧用空气的配管或导管的T型连接部、或者可将燃烧气体与合成气体或燃烧用空气进行混合的燃烧器构成。通过合成气体或燃烧用空气的注入，燃烧气体再燃烧或二次燃烧，燃烧气体的温度上升。合成气体的注入在对碳燃烧区域供给充分的燃烧用空气时(即，碳在碳燃烧区域基本上完全燃烧，燃烧气体含较多量氧时)优选采用，燃烧气体通过合成气体的添加而进行再燃烧。当限制燃烧用空气对于碳燃烧区域的供给量时(即，碳在碳燃烧区域不完全燃烧，燃烧气体含较多量一氧化碳等时)，燃烧用空气被供给至注入部，添加于燃烧气体中。通过燃烧用空气的注入，燃烧气体便二次燃烧，燃烧气体温度上升，促进燃烧气体中的未燃烧成分的完全燃烧。可根据需要将合成气体与燃烧用空气二者添加到燃烧气体中。
本发明优选的实施方式中，气化统系具有导入上述热分解区域的热分解气体与高温水蒸汽的重整炉，将600℃以上、优选900℃以上的高温空气或氧注入热分解气体供给管路或重整炉中。当将氧注入热分解气体供给管路或重整炉中时，可将常温(相当于大气的温度)的氧注入热分解气体供给管路或重整炉中。热分解气体、高温水蒸汽及高温空气(或氧)在重整炉内进行混合，热分解气体中的烃(主要为焦油分)利用水蒸汽重整反应，被重整为以氢和一氧化碳为主成分的重整气体(合成气体)。优选重整气体在后续的精制工序中被精制，作为精制气体被供给到发电设备、氢制造装置等。优选设置精制前对重整气体进行冷却的热回收装置，供给到热回收装置的供给水利用重整气体的显热而气化为水蒸汽。此水蒸汽被供给到上述水蒸汽加热装置，如上所述加热成高温水蒸汽。更优选部分精制气体被供给到空气加热装置，将常温空气利用精制气体的燃烧热加热成上述高温空气。
根据本发明另一实施方式，上述高温水蒸汽具有900℃以上的温度，将热分解区域中的焦油分的产生抑制到最小限度，省略上述重整工序。
优选将部分精制气体或热分解气体作为辅助燃料供给到碳燃烧区域，不足的碳燃烧热便由精制气体或热分解气体的燃烧热进行补充。由此调节碳燃烧区域的燃烧气体的温度和/或流量，控制供给到热分解区域的高温水蒸汽的温度和/或流量。作为变化例，可将碳燃烧区域高温化，将碳焚烧灰进行灰熔融。
以下，参照附图，对本发明优选的实施例进行详细说明。
图1是表示本发明第1实施例所涉及的固体燃料气化系统的方块流程图。
固体燃料气化系统具有：将产业废弃物等固体燃料进行热分解的热分解气化炉；将温度约1000℃的高温水蒸汽供给到热分解气化炉的水蒸汽加热装置；以及使从热分解气化炉排出的碳进行燃烧的碳燃烧炉。水蒸汽加热装置利用高温水蒸汽供给管路HS而连接于热分解气化炉。热分解气化炉连接着将固体燃料供给到热分解气化炉的固体燃料供给管路L1，同时连接有将热分解气化炉的碳供给到碳燃烧炉的碳供给管路L2。空气供给管路L3连接于碳燃烧炉，燃烧气体送出管路L4介由高温除尘装置而连接于水蒸汽加热装置。介设于燃烧气体送出管路L4的高温除尘装置例如由可将燃烧气体净化的高温陶瓷过滤器构成。空气供给管路L3的分支管路L30在高温除尘装置与水蒸汽加热装置之间连接于燃烧气体送出管路L4。
热分解气化炉经由热分解气体给送管路L5而连接于重整炉，重整炉经由重整气体给送管路L6而连接于热回收-气体精制装置。热分解气化炉的炉内区域除在初期时炉内存在的空气和氧、固体燃料供给时能随固体燃料一起流入炉内的少量空气之外，隔绝空气与氧的供给，对热分解气化炉的炉内区域基本上只供给高温水蒸汽。热分解气化炉的热分解气体经由热分解气体给送管路L5而供给到重整炉，重整炉的重整气体经由重整气体给送管路L6供给到热回收-气体精制装置。根据所需，部分热分解气体则经由分支管路L9(虚线所示)供给到碳燃烧炉。
热回收-气体精制装置上连接着给水管路SW，同时连接有水蒸汽供给管路L7的上游端。水蒸汽供给管路L7的下游端连接于水蒸汽加热装置。利用热分解气体的回收热所产生的水蒸汽则经由水蒸汽供给管路L7而供给到水蒸汽加热装置。热回收-气体精制装置经由精制气体送出管路L8而连接于发电设备或氢制造设备。热回收-气体精制装置的精制气体作为燃料气体或原料气体被供给到发电设备或氢制造设备。精制气体送出管路L8的第1分支管路L11连接于空气加热装置，部分精制气体作为空气加热用燃料供给到空气加热装置。空气加热装置的高温空气供给管路L10连接到热分解气体给送管路L5，约1000℃的高温空气被注入热分解气体给送管路L5。精制气体供给管路L 8的第2分支管路L12连接于碳燃烧炉。根据所需，部分精制气体作为辅助燃料被供给到碳燃烧炉。又从精制气体供给管路L8分支出第3分支管路L13，第3分支管路L13的下游端在高温除尘装置与水蒸汽加热装置之间，连接于燃烧气体送出管路L4。
将产业废弃物等固体燃料供给到热分解气化炉，投入热分解气化炉的炉内区域。系统外的辅助燃料供给设备(未图示)将初期燃烧用燃料供给到碳燃烧炉的燃烧器设备，介设于空气供给管路L3的给气风扇将燃烧用空气供给到碳燃烧炉。根据所需，将燃烧用空气预热的空气预热装置(未图示)介设于空气供给管路L3。通过碳燃烧炉的燃烧动作，温度约800℃左右的燃烧气体便从碳燃烧炉输送到燃烧气体送出管路L4。燃烧气体经由高温除尘装置与燃烧气体再热用燃烧机构，供给到水蒸汽加热装置。从系统外的辅助燃料供给设备(未图示)向燃烧气体再热用燃烧机构供给初期燃烧用燃料。
较低温的水蒸汽(温度约150～300℃左右)，从系统外的工艺蒸汽发生器(未图示)等在初期供给到水蒸汽加热装置，与碳燃烧炉的燃烧气体进行热交换，加热至约1000℃左右的高温。高温水蒸汽经由高温水蒸汽供给管路HS而供给到热分解气化炉。
热分解气化炉的炉内区域(热分解区域)隔绝空气的供给，只将水蒸汽加热装置的高温水蒸汽供给到热分解气化炉。从高温水蒸汽供给管路HS供给到热分解气化炉的高温水蒸汽的温度(供给管路HS的出口温度)例如设定为1000℃。热分解气化炉的炉内压力设定为大气压(常压)或1～2大气压。热分解区域的固体燃料利用导入热分解气化炉的炉内的高温水蒸汽的热进行热分解，通过固体燃料的热分解而产生温度约600℃左右的热分解气体。利用实质上只依存于高温水蒸汽的固体燃料的热分解而在热分解区域中产生的热分解气体不含氮，以氢和一氧化碳为主成分，而且具有约600℃左右的温度的热分解气体只不过含较少量的焦油分。热分解气体与热分解气化炉内的高温水蒸汽一起被输送到热分解气体给送管路L5。
系统外的辅助燃料供给设备(未图示)将初期燃烧用燃料供给到空气加热装置。空气加热装置利用燃料的燃烧热将相当于大气温度的空气加热至约1000℃的高温，将高温空气从高温空气供给管路L10注入热分解气体给送管路L5中。高温空气的添加用于弥补下一工序(重整工序)的重整反应所需要的热，高温空气的添加量优选限制在热补给所需的最小限度的空气量。
重整炉由中空且无催化剂的反应容器构成。热分解气体给送管路L5的热分解气体、高温水蒸汽及高温空气流入重整炉的炉内区域，在重整炉的重整区域进行混合，热分解气体中的烃(主要为焦油分)的水蒸汽重整反应(吸热反应)在此混合过程中产生。热分解气体通过此种重整工序，被重整为含有较多量的氢和一氧化碳的高卡路里气体。重整区域中，因为同时进行高温空气与热分解气体的放热反应，因此温度约800℃的重整气体(合成气体)被供给到重整气体给送管路L6。
重整气体除含少量的水蒸汽外，还含有随高温空气的添加而供给到系统内的少量的氮。作为本实施例的变化例，为防止此种氮的混入，可取代上述空气加热装置而使用氧加热装置。此情况下，经氧加热装置而预热的氧从供给管路L10添加到热分解气体中。作为变化例，可将相当于大气温度的氧(常温氧)从供给管路L14(虚线所示)直接添加到热分解气体中。
重整气体给送管路L6的重整气体(合成气体)被导入热回收-气体精制装置中。热回收-气体精制装置具有利用重整气体与给水的热交换而产生水蒸汽的热回收部，同时具有将热回收后的重整气体进行净化的净化部(涤气器等)。拥有约800℃左右温度的高温重整气体与给水进行热交换而冷却，给水气化为水蒸汽，被输送给水蒸汽供给管路L7。重整气体进一步通过净化部，净化部则除去重整气体中的水蒸汽和固体成分等。热回收-气体精制装置的精制气体作为燃料气体，经由精制气体供给管路L8而供给到发电设备的燃气轮机发动机(gasturbine engine)等，或者作为原料气体而供给到氢制造设备。
部分精制气体从第1分支管路L11供给到空气加热装置。空气加热装置例如由特开2002-158885号公报中记载的构造的空气加热装置构成。空气加热装置将大约为大气温度的空气利用精制气体的燃烧热加热至约1000℃，供给到高温空气供给管路L10。根据所需，部分精制气体作为碳燃烧炉的辅助燃料被输送给第2分支管路L12，供给到碳燃烧炉。
部分精制气体或部分的空气供给管路L3的燃烧用空气，在高温除尘装置与水蒸汽加热装置之间，从分支管路L13或分支管路L30注入燃烧气体送出管路L4。可将精制气体或燃烧用空气二者注入燃烧气体送出管路L4。精制气体或燃烧用空气的注入部由配管或导管的T形连接部或燃烧气体送出管路L4上设置的燃烧器形成。
应供给到高温除尘装置的燃料气体温度通过碳燃烧炉的燃烧控制而控制在大约600～800℃左右的温度，但燃烧气体由于精制气体(L13)和/或燃烧用空气(L30)的添加而进行再燃烧或二次燃烧，因此燃烧气体温度上升。因此，导入水蒸汽加热装置的燃烧气体拥有超过1000℃的温度，例如1200℃的温度。
图2与图3是表示本实施例中气化系统的热源构成的方块流程图及概略构造图。
在热分解气化炉中的热分解气化反应稳定的阶段，停止从系统外的设备的辅助燃料供给及水蒸汽供给。气化系统如图2所示，切换为将热分解气化炉的碳作为水蒸汽加热用的热能源的正常运转。如图1所示，在正常运转时热分解气体的重整所使用的空气(或氧气)利用精制气体的燃烧热而被加热，给水与重整气体进行热交换，产生要供给到水蒸汽加热装置的水蒸汽。因此，正常运转时，用于水蒸汽的加热、空气(或氧)的加热及产生水蒸汽的热能源利用在热分解气化炉1中产生的碳与热分解气体提供。即，气化统系将热分解气化炉1的碳和热分解气体作为能量源进行运转。
如图3所示，热分解气化炉1具有形成热分解区域11的炉体10。在炉体10的下部形成有具备多个通气孔的炉床12。作为炉床12，适宜采用穿有多个通气孔的陶瓷制固定床。高温水蒸汽供给管路HS与碳供给管路L2连接于炉底部，将固体燃料从固体燃料供给管路L1投入热分解区域11中，堆积于炉床12上。热分解气化炉1是从炉底部供给高温水蒸汽的固定床形式的炉，热分解区域11除炉体上部所配置的固体燃料供给管路L1及热分解气体给送管路L5的开口部之外，其余部分均封闭。因此，基本上完全隔绝外界空气进入热分解区域11。
水蒸汽加热装置3的高温水蒸汽从炉底部向上方吹入炉内，通过炉床12的通气孔与固体燃料13接触，对固体燃料13加热。在隔绝空气供给状态的热分解区域11中，固体燃料13只利用高温水蒸汽的供给而进行热分解，产生热分解气体。为加速热分解的反应速度，优选将水蒸汽的温度设定于1000℃以上。热分解区域11的热分解气体与高温水蒸汽流出至与炉体上部连接的热分解气体给送管路L5，供给到重整炉5。在热分解气体给送管路L 5的热分解气体与高温水蒸汽中添加高温空气供给管路L10的高温空气(或氧)。如虚线所示，可将约为大气温度的氧从供给管路L14添加到热分解气体给送管路L5中。
热分解气体、水蒸汽及空气(或氧)被导入重整炉5中，在重整炉5内进行混合，热分解气体中的烃(主要为焦油分)被重整。因此，含较多量的氢和一氧化碳的重整气体(合成气体)被输送给重整气体给送管路L6，供给到热回收-气体精制装置(图1)。作为重整炉5，优选使用例如特开2002-210444号公开的构造的重整炉。
由固体燃料13的热分解而产生的碳，从炉床12的通气孔流下，经由炉底区域所设置的碳排出口与碳供给管路L2，供给到碳燃烧炉2。碳燃烧炉2具有与热分解气化炉1相同的构造。即，碳燃烧炉2具有形成碳燃烧区域21的炉体20以及具备多个通气孔的炉床22。作为炉床22，优选使用穿有多个通气孔的陶瓷制固定床。空气供给管路L 3连接于碳燃烧炉2的炉底部，燃烧气体送出管路L4连接于碳燃烧炉2的炉体上部。
供给到碳燃烧炉2的碳堆积于炉床22上，空气供给管路L3的燃烧用空气通过炉床22的通气孔，朝上吹入碳燃烧区域21内。碳燃烧炉2的炉温利用碳的燃烧而达到超过800℃的温度。温度约600～800℃左右的燃烧气体被输送到燃烧气体送出管路L4的流路L41。根据所需，可将第2分支管路L12的精制气体或分支管路L9(虚线所示)的热分解气体辅助性地供给到碳燃烧区域11。
燃烧气体通过高温除尘装置4，去除燃烧气体中的粉尘等。燃烧气体从高温除尘装置4被输送到流路L42。精制气体和/或燃烧用空气的注入部40连接于流路L42。注入部40例如由相对于流路L42的分支管路L13、L30的T形连接部、或连接分支管路L13、L30的燃烧器构成。燃烧气体在注入部40中与精制气体和/或燃烧用空气进行混合，进行再燃烧或二次燃烧。
在分支管路L13、L30中设有控制对注入部40供给精制气体与燃烧用空气的控制阀45、46。控制阀45、46对精制气体和燃烧用空气的流量进行控制以使在注入部40中适当地进行燃烧气体的再燃烧或二次燃烧。例如当碳燃烧区域21的碳完全燃烧时，因为燃烧气体含有较多量的氧，因此控制阀45、46主要将分支管路L13的精制气体供给到注入部40。另一方面，当碳燃烧区域21的碳不完全燃烧时，因为燃烧气体含较多量的一氧化碳，因此控制阀45、46主要将分支管路L30的燃烧用空气供给到注入部40。
燃烧气体利用在注入部40中的再燃烧或二次燃烧，温度上升至超过1000℃的高温，从流路L 43供给到水蒸汽加热装置3。燃烧气体如前所述，与水蒸汽进行热交换从而将水蒸汽加热至高温，而自身则冷却。冷却后的燃烧气体经由排气管路释放到大气中。
水蒸汽加热装置3例如由具有高温度效率的荣格斯特朗式的热交换器构成，将水蒸汽供给管路L 7的水蒸汽加热至约1000℃左右的高温，输送到高温水蒸汽供给管路HS。作为水蒸汽加热装置3，可采用具备陶瓷蜂窝结构等的蓄热体的交流换热器型热交换器、或具备传热线圈的同流换热器型热交换器。此情况下，水蒸汽供给管路L7的水蒸汽通过经由蓄热体而成的燃烧气体与水蒸汽的热交换、或者流通过传热线圈的水蒸汽与燃烧气体的热交换而被加热。
另外，当将碳作为燃料的燃烧炉2的燃烧量不足时，部分热分解气体或精制气体从分支管路L9、L12辅助性地被供给到碳燃烧炉2的燃烧器设备(未图示)。
图4～图7是概略地表示本发明第2实施例所涉及的气化系统构成的方块流程图及系统构成图。
在上述第1实施例中，气化系统具备有与热分解气化炉串联连结的碳燃烧炉，但本实施例的气化系统则如图4和图5所示，具备并联配置的第1炉与第2炉。笫1炉与第2炉分别兼作热分解气化炉与碳燃烧炉。
图5表示交替执行的气化系统的第1工序与第2工序。在图5(A)所示的第1工序中，第1炉进行气化运转，第2炉进行碳燃烧运转。在图5(B)所示的第2工序中，第1炉进行碳燃烧运转，第2炉进行气化运转。第1工序和第2工序以几小时或十几小时的时间单位交替执行。
在图5(A)所示的第1工序中，高温水蒸汽被供给到第1炉。由第1炉的气化运转所产生的热分解气体被供给到重整炉。固体燃料预先投入第1炉中，或与高温水蒸汽的供给同时连续地投入第1炉中。
第1炉完成气化运转(图5(A))后，便执行图5(B)所示的第2工序，将燃烧用空气供给到第1炉。在第2工序中，在第1炉的气化运转中(图5(A))残留于第1炉的炉床部分的碳利用燃烧用空气的供给而进行燃烧，第1炉作为碳燃烧炉工作，将燃烧气体输送给除尘装置。经除尘装置除尘过的燃烧气体，与上述第1实施例相同，利用燃烧用空气和/或精制气体的添加而进行二次燃烧或再燃烧，升温后作为高温燃烧气体被供给到水蒸汽加热装置。供给到水蒸汽加热装置的水蒸汽与高温燃烧气体进行热交换，被加热至约1000℃。加热后的高温水蒸汽被供给到第2炉。第2炉利用高温水蒸汽的供给而将固体燃料进行热分解，将热分解气体供给到重整炉。另外，固体燃料预先被投入第2炉，或者与高温水蒸汽的供给同时被连续投入第2炉。
第2炉完成气化运转后，便执行图5(A)所示的第1工序。在第1工序中，在第2炉的气化运转中(图5(B))残留于第2炉的炉床部分的碳利用燃烧用空气的供给而进行燃烧，第2炉作为碳燃烧炉工作，将高温的燃烧气体输送给除尘装置。经除尘装置除尘过的燃烧气体，利用燃烧用空气和/或精制气体的添加而进行二次燃烧或再燃烧，升温后被供给到水蒸汽加热装置。水蒸汽通过与高温燃烧气体的热交换而被加热至约1000℃，被供给到第1炉。第1炉利用高温水蒸汽的供给而将固体燃料进行热分解，将热分解气体供给到重整炉。
第1工序(图5(A))及笫2工序(图5(B))以几小时或十几小时的时间间隔交替切换，第1炉与第2炉便作为热分解气化炉或碳燃烧炉而交替运转。即，第1炉与第2炉交替发挥产生热分解气体的热分解气化炉的作用和利用炉床部分残留的碳的燃烧而产生高温燃烧气体的碳燃烧炉的作用。
图6与图7是概略地表示气化系统的热源构成的系统构成图。图6表示气化系统的第1工序，图7表示气化系统的第2工序。
第1与第2炉1a、1b具有基本上与上述第1实施例的热分解气化炉相同的构造，在炉体10的下部配设有穿设有多个通气孔的炉床12。固体燃料供给管路L1a、L1b、热分解气体给送管路L5a、L5b及燃烧气体送出管路L4a、L4b连接于炉体上部。固体燃料供给管路L1a、L1b经由切换控制阀V1而连接于固体燃料供给管路L1，热分解气体给送管路L5a、L5b经由切换控制阀V2而连接于热分解气体给送管路L5，燃烧气体送出管路L4a、L4b经由切换控制阀V3而连接于燃烧气体送出管路L4。
空气供给管路L3a、L3b及高温水蒸汽供给管路HSa、HSb连接于第1炉1a与第2炉1b的炉底部。空气供给管路L3a、L3b经由切换控制阀V4而连接于空气供给管路L3。高温水蒸汽供给管路HSa、HSb经由切换控制阀V5而连接于高温水蒸汽供给管路HS。
切换控制阀V1～V5在图6所示的第1工序中，位于第1位置，将固体燃料供给管路L1、热分解气体给送管路L5及高温水蒸汽供给管路HS连接于第1炉1a，将空气供给管路L 3和气体送出管路L4连接于第2炉1b。第1炉1a作为热分解气化炉发挥功能，将由固体燃料13的热分解所产生的热分解气体供给到重整炉5。第2炉1b作为碳燃烧炉发挥功能，将利用炉床部分的碳14的燃烧而产生的燃烧气体供给到水蒸汽加热装置3。
切换控制阀V1～V5在图7所示的第2工序中，位于第2位置，将固体燃料供给管路L1、热分解气体给送管路L5及高温水蒸汽供给管路HS连接于第2炉1b，将空气供给管路L 3和气体送出管路L4连接于第1炉1a。第2炉1b作为热分解气化炉发挥功能，将由固体燃料13的热分解所产生的热分解气体供给到重整炉5。第1炉1a作为碳燃烧炉发挥功能，将利用炉床部分的碳14的燃烧所产生的燃烧气体供给到水蒸汽加热装置3。
可根据所需从第2分支管路L12辅助性地对碳燃烧中的第1或第2炉供给精制气体送出管路L8的部分精制气体，而且可从分支管路L 9辅助性地供给热分解气体给送管路L5的部分热分解气体。
根据此种实施例，利用气化运转在第1炉1a或第2炉1b的炉床部所残留的碳，在不转移到炉外的碳燃烧炉的情况下，利用第1炉1a或第2炉1b的碳燃烧运转而使其燃烧，能够产生水蒸汽加热用的高温燃烧气体。因此，不需要设置碳燃烧专用的碳燃烧炉，对于从炉1中取出碳并转移到碳燃烧炉的碳供给管路L2(图1)，也可省略此装置的设置。
图8和图9是概略地表示本发明第3实施例所涉及的气化系统构成的方块流程图及系统构成图。
在上述第1和第2实施例中，气化系统具备有碳燃烧区域、除尘装置及燃烧气体再热用燃烧机构，但本实施例的气化系统则具备有利用精制气体与空气的燃烧反应而产生高温的燃烧气体的燃烧器40。在燃烧器40中导入空气供给管路L3的燃烧用空气和分支管路L13的精制气体。燃烧用空气根据所需利用空气预热器(虚线所示)进行预热。超过1000℃的燃烧器40的燃烧气体经由流路L43被供给到水蒸汽加热装置3。燃烧气体如前所述，与水蒸汽进行热交换而冷却，经由排气管路而排放到大气中。利用与高温燃烧气体的热交换而被加热至约1000℃的水蒸汽被供给到气化炉1。供给到气化炉1的高温水蒸汽将固体燃料进行热分解，气化炉1将热分解气体供给到重整炉5。另外，可将热分解气体给送管路L5的部分热分解气体从分支管路L9(图9)供给到燃烧器40。其他构成因为基本上与上述第1和第2实施例相同，因此省略其详细说明。
本实施例优选适用于采用如生物量燃料(biomass)那样难残留碳的固体燃料的气化系统。燃烧气体因为利用精制气体与空气的燃烧反应而产生，因此可在未经净化装置进行净化的情况下(因此不必限制温度)，供给到水蒸汽加热装置3。因此，可将超过1000℃的高温燃烧气体直接导入于水蒸汽加热装置3中。另外，可将部分热分解气体(L9)导入燃烧器40中，利用热分解气体的燃烧而产生上述高温燃烧气体。
作为变化例，与上述第2实施例同样地设置第1炉与第2炉，形成将第1或第2炉的热分解气体或其精制气体选择性供给到燃烧器40的构成。此情况下，气化系统的热源，例如在图4～图8所示构成的气化系统中，形成省略流路L4a、L4b、L41、L42、切换阀V3及高温除尘装置4，而从第1炉或第2炉将热分解气体或其精制气体交替供给到燃烧器40的构成。
以上对本发明的优选实施例进行了详细说明，但本发明并不仅限于上述实施例，可在专利权利要求所述的本发明的范围内进行各种变化或改变。
例如，通过将温度1000℃以上的高温水蒸汽供给到热分解气化炉而将焦油的产生抑制在最小限度，从而也可省略重整炉的重整工序。此外，可将投入热分解区域前的固体燃料利用微粉碎处理等前处理工序进行微粉碎。此外，在上述第1实施例中，碳燃烧后的焚烧灰从碳燃烧炉被排出，但也可通过将碳燃烧炉的炉温高温化，从而将焚烧灰进行灰熔融。另外，在上述第2实施例中，气化系统具备有交替发挥气化与碳燃烧各功能的第1炉和第2炉，但也可在气化系统中组装能切换运转的3个以上的炉。
如上述所说明，本发明优选适用于废弃物等低质固体燃料的气化系统。本发明的固体燃料气化系统能制造以氢和一氧化碳为主成分的高放热量的合成气体，可供给到发电设备、氢制造设备等。

Claims (14)

1.一种固体燃料气化系统，是将固体燃料热分解而制造以氢和一氧化碳为主成分的合成气体的固体燃料气化系统，其特征在于，具有：
隔绝了空气供给的热分解区域，
将该热分解区域的碳在燃烧用空气的存在下进行燃烧从而产生燃烧气体的碳燃烧区域，
利用前述燃烧气体与水蒸汽的热交换而加热水蒸汽的水蒸汽加热装置；
在前述碳燃烧区域与前述水蒸汽加热装置之间净化前述碳燃烧区域的燃烧气体的除尘装置，和
使从该除尘装置向水蒸汽加热装置送出的除尘后的燃烧气体进行燃烧，造成燃烧气体温度上升的燃烧气体再热用燃烧机构；
前述水蒸汽加热装置具有利用前述燃烧气体与前述水蒸汽的热交换将该水蒸汽加热为600℃以上的高温水蒸汽的热交换器，该高温水蒸汽被供给到前述热分解区域，将热分解区域的固体燃料进行热分解，在该热分解区域中产生热分解气体。
2.一种固体燃料气化系统，是将热分解后难残留碳的固体燃料进行热分解而制造以氢和一氧化碳为主成分的合成气体的固体燃料气化系统，其特征在于，具有：
隔绝了空气供给的热分解区域，
使该热分解区域中的前述固体燃料由热分解而产生的热分解气体、或将该热分解气体重整后的精制气体进行燃烧，产生超过1000℃的燃烧气体的燃烧机构，和
利用前述燃烧气体与水蒸汽的热交换而加热前述水蒸汽的水蒸汽加热装置；
前述水蒸汽加热装置具有利用前述燃烧气体与前述水蒸汽的热交换而将该水蒸汽加热为600℃以上的高温水蒸汽的热交换器，该高温水蒸汽被供给到前述热分解区域，将热分解区域的固体燃料进行热分解，在该热分解区域中产生热分解气体。
3.如权利要求1所述的固体燃料气化系统，其特征在于，前述燃烧气体再热用燃烧机构具有将前述合成气体的一部分和/或燃烧用空气添加到净化后的燃烧气体中的注入部，前述燃烧气体利用前述注入部中的合成气体和/或燃烧用空气的注入，进行再燃烧或二次燃烧从而温度上升。
4.如权利要求1或3所述的固体燃料气化系统，其特征在于，前述碳燃烧区域形成于将前述热分解区域的碳导入的碳燃烧炉内，碳焚烧用的燃烧用空气被供给到碳燃烧区域。
5.如权利要求1或3所述的固体燃烧气化系统，其特征在于，具有：具备作为热分解区域兼碳燃烧区域发挥作用的炉内区域的热分解-碳燃烧兼用的第1炉和第2炉，和可切换该第1炉与第2炉的运转的切换机构；该切换机构在将前述高温水蒸汽供给到第1炉且将燃烧用空气供给到第2炉的第1位置和将燃烧用空气供给到第1炉且将前述高温水蒸汽供给到第2炉的第2位置之间进行交替切换。
6.如权利要求1、3、4或5所述的固体燃烧气化系统，其特征在于，将前述热分解气体的一部分或将热分解气体进行了精制的精制气体的一部分作为用于补充前述碳燃烧区域的燃烧热的辅助燃料，供给到前述碳燃烧区域。
7.如权利要求6所述的固体燃料气化系统，其特征在于，为了控制应供给到前述热分解区域的高温水蒸汽的温度和/或流量，还具有调节前述碳燃烧区域的燃烧气体的温度和/或流量的控制机构。
8.如权利要求1至7中任一项所述的固体燃料气化系统，其特征在于，还具有：经由热分解气体给送管路而与前述热分解区域连通的重整炉、和利用前述合成气体的燃烧热而将空气加热为600℃以上的高温空气的空气加热装置；前述高温空气被注入前述热分解气体给送管路或重整炉中。
9.如权利要求1至7中任一项所述的固体燃料气化系统，其特征在于，还具有经由热分解气体给送管路而与前述热分解区域连通的重整炉，将氧注入前述热分解气体给送管路或重整炉中。
10.如果权利要求1至7中任一项所述的固体燃料气化系统，其特征在于，设置有与前述热分解区域连通的热回收-气体精制装置，前述热交换器将前述水蒸汽加热至900℃以上的温度，热分解区域的热分解气体从热分解区域被直接供给到前述热回收-气体精制装置。
11.如权利要求1至4中任一项所述的固体燃料气化系统，其特征在于，设置有形成前述热分解区域的热分解炉，热分解炉具有如下构成：对堆积于炉床上的固体燃料从炉底部朝上吹入前述高温水蒸汽，对炉床上堆积的固体燃料进行加热，在隔绝了空气供给的状态的前述热分解区域中产生热分解气体。
12.如权利要求11所述的固体燃料气化系统，其特征在于，前述炉床是具有多个通气孔的固定床，前述固体燃料的供给机构配置于前述热分解区域的上部，前述高温水蒸汽的供给管路连接于前述炉床的下侧的炉底部，高温水蒸汽通过炉床的通气孔而与固体燃料接触，将固体燃料加热，产生热分解气体。
13.如权利要求1或3所述的固体燃料气化系统，其特征在于，
设置有形成前述热分解区域的热分解炉，热分解炉具有如下构成：对堆积于炉床上的固体燃料从炉底部朝上吹入前述高温水蒸汽，对炉床上堆积的固体燃料进行加热，在隔绝了空气供给的状态的前述热分解区域中产生热分解气体；
将碳供给到前述碳燃烧区域的碳供给管路连接于前述炉底部。
14.如权利要求13所述的固体燃料气化系统，其特征在于，前述炉床是具有多个通气孔的固定床，前述固体燃料的供给机构配置于前述热分解区域的上部，前述高温水蒸汽的供给管路连接于前述炉床的下侧的炉底部，高温水蒸汽通过炉床的通气孔而与固体燃料接触，将固体燃料加热。
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