JP2005255919A

JP2005255919A - ガス化炉を用いたガス化方法

Info

Publication number: JP2005255919A
Application number: JP2004071876A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Matsuura; 正博松浦; Hiromi Nakamura; 博巳中村
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】ガス化対象物を部分燃焼させて可燃ガスを生成するガス化炉において、ガス化炉の操業を安定して継続することが可能な、ガス化炉を用いたガス化方法を提供すること。
【解決手段】ガス化対象物と炭材とをガス化炉内に投入して、酸素含有ガスを炉内に吹き込み前記ガス化対象物を部分燃焼させて可燃ガスを生成するガス化炉において、前記酸素含有ガスとともに水と水蒸気とを炉内に吹き込むことを特徴とするガス化炉を用いたガス化方法を用いる。水と水蒸気との合計の流量を一定として、水の流量と水蒸気の流量との比率を調整することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、石炭・合成樹脂・草木・紙・ゴム等の可燃物、または可燃性の廃棄物を、部分燃焼させることにより可燃ガスを得るためのガス化炉を用いたガス化方法に関する。

石炭・合成樹脂・草木・紙・ゴム等の可燃物、または、可燃性の廃棄物を部分燃焼させて、生成したガスを可燃ガスとして回収して利用する技術が知られている。生成ガス中の可燃成分はＣＯ、Ｈ₂、ＣＨ₄等であり、発電用その他の燃料ガス、化学合成原料等に利用されている。この技術は、固形状可燃物を扱いやすい可燃ガスに転換する方法であることから、多様な形態で多様な需要に応じることができるという利点を有している。

近年普及しつつある廃棄物ガス化溶融炉は、廃棄物をガス化する工程（ガス化工程）と、生成した可燃ガスを完全燃焼する工程（一般に２次燃焼工程と称される）の２工程から成る廃棄物処理設備である。前段のガス化工程は、上記の可燃性の廃棄物を部分燃焼させて、生成したガスを可燃ガスとして回収して利用する技術を用いるものである。

固形状可燃物を可燃ガスに転換する方法は種々あることが知られているが、シャフト炉、流動床（もしくは流動層）炉、キルンの形式の炉が用いられている。

シャフト炉は竪型炉とも称され、炉が縦方向に長いことに特徴がある。シャフト炉の一例を図４を用いて説明する。図４に示すシャフト炉２１では、ガス化対象物と炭材の投入口２２が炉の頂部に設けられている。ガス化対象物とはガス化する対象である可燃物であり、炭材とは、炭素系可燃物質であり、塊状であることが望ましい。炭材はコークスや木炭等の乾留済みの炭材であることが特に望ましい。炭材の投入口２２ｂをガス化対象物の投入口２２ａとは別に炉の頂部に設ける場合もある。投入されたガス化対象物と炭材は炉の下部に堆積される。炉の側面には送風口２３が設けられている。通常、送風口２３は円周方向に複数本設置され、場合によっては、高さ方向に複数段（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）設置される。送風口２３から、酸素含有ガスが炉内に吹き込まれる。水または水蒸気が同時に吹き込まれる場合もある。これらの送風により、ガス化対象物と炭材は燃焼ガス化され、生成した可燃ガスは炉の上部に設けてある排ガス口２４から炉外に排気される。尚、ガス化対象物の一部は熱分解によりガス化する。ガス化対象物と炭材中に含まれる不燃分を溶融する場合には、溶融物の排出口２５を炉の下部に設ける。溶融しない場合には、溶融物の排出口はむろん設ける必要はない。炭材は炉下部に堆積して溶融物（溶融スラグ）のスペーサーの役割を果たす。さらに酸素による燃焼により熱供給材としての役割を果たし、炭材自身の赤熱により熱の保持にも寄与する。

別の構造を有するシャフト炉の例を図５に示す。図５において、ガス化対象物の投入口２２ａは炉の側面に設けられており、炭材の投入口２２ｂは炉の頂部に設けられている。炭材の一部はガス化対象物と共に側面の投入口２２ａからも投入される。その他の構成は図４と同様である。側面の投入口２２ａは水平または傾斜して設置されている。投入口が水平ないし緩傾斜の場合は、ピストンやスクリューのような機構により、ガス化対象物等は強制的に炉内に投入される。投入口が急傾斜を有する場合は、ガス化対象物等は自然落下により炉内に投入される（例えば、特許文献１参照。）。

ガス化工程において、廃棄物を流動層炉で一次ガス化し、得られるガス状物と固体状物を後段の溶融炉で二次ガス化し、可燃成分として水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）主体のガスを得る廃棄物の高温ガス化方法が知られている。流動層炉は、流動層部の温度を７５０〜９５０℃として、一次ガス化を５〜５０ａｔｇの加圧下で行うことを特徴とするものである。また、一次ガス化は、空気、酸素富活空気、酸素のいずれかにスチームを添加した含酸素ガスを送入してガス化し、二次ガス化は、酸素富活空気、酸素のいずれかにスチームを添加した含酸素ガスを送入してガス化する方法を用いるものである（例えば、特許文献２参照。）。

特開平９−６０８３０号公報特開平１０−３１０７８３号公報

特許文献２に記載の方法では、ガス化炉に送入するガスに「空気、酸素富活空気、酸素のいずれかにスチームを添加した含酸素ガス」を用いているが、係るガスを選定する理由は不明である。また、特許文献１にはガス化炉の具体的な操業データの一例が示されているに過ぎず、例えば、ガス化対象物の性状が変動した場合や、ガス化対象物の炉への投入流量が変動した場合に対処することは非常に困難である。

ガス化炉の操業において、ガス化対象物の性状の変動や、ガス化対象物の炉への投入流量の変動は日常的に発生することであり、これらを含め種々の要因により、ガス化挙動は変動する。その結果、回収される生成ガスの性状（組成、発熱量など）も変動する。かかる変動は、生成ガスを利用する工程において好ましからざることは明白であり、回収される生成ガスの性状はできるだけ安定した状態であることが望ましい。

本発明は、上述の問題を鑑みてなされたものであり、ガス化対象物を部分燃焼させて可燃ガスを生成するガス化炉において、ガス化炉の操業を安定して継続することが可能な、ガス化炉を用いたガス化方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために以下の発明を考案した。
即ち、第一の発明は、ガス化対象物と炭材とをガス化炉内に投入して、酸素含有ガスを炉内に吹き込み前記ガス化対象物を部分燃焼させて可燃ガスを生成するガス化炉において、前記酸素含有ガスとともに水と水蒸気とを炉内に吹き込むことを特徴とするガス化炉を用いたガス化方法である。
第二の発明は、水と水蒸気との合計の流量を一定として、水の流量と水蒸気の流量との比率を調整することを特徴とする第一の発明に記載のガス化炉を用いたガス化方法である。

本発明によれば、生成ガスの組成や発生量に影響を与えることなく、生成ガスの温度を調整することが可能となる。このため、ガス化炉の操業を安定して継続的に行うことができる。

ガス化対象物と炭材とをガス化炉内に投入して、酸素含有ガスを炉内に吹き込み前記ガス化対象物を部分燃焼させて可燃ガスを生成するガス化炉において、本発明では酸素含有ガスとともに水と水蒸気とを炉内に吹き込むことを特徴とする。水と水蒸気との合計の流量を一定として、水の流量と水蒸気の流量との比率を調整することで、生成ガスの温度を調整することができる。なお、流量は単位時間あたりの吹き込み質量とする。

可燃ガスを生成するガス化炉において、送風ガスとして酸素のみを用いてガス化炉を運転する場合、生成ガス組成が変動して目標値からはずれると、酸素流量を調整して目標値になるように対処する必要が生じる。例えば、生成ガス中のＣＯ₂濃度が上昇したときは、炉内に送風する酸素流量を低減させて、生成ガス中のＣＯ₂濃度を下げる操業を行う。このとき、酸素流量の変化に伴い、生成ガス温度が変化する。例えば、酸素流量を低減させると、生成ガス温度は低下する。生成ガス温度の変化はガス化挙動に影響し、生成ガス組成の変動を招くので、結果的に、酸素のみで安定運転を継続することは困難である。なお、酸素の製造方法は種々あるが、例えば、深冷分離方式では酸素濃度９９．９９％以上、ＰＳＡ方式では酸素濃度９０％以上のガスが得られ、酸素以外の残部は主に窒素である。

酸素と空気とを混合した送風ガス（「酸素＋空気」）を用いてガス化炉を運転する場合、生成ガス組成が変動して目標値からはずれると、酸素および／または空気の流量を調整して目標値になるように対処する。このとき、空気流量を調整すると、空気に同伴する窒素の流量が変化する。窒素は化学反応には関与しないが、高温の生成ガスを冷却することで生成ガス温度に影響するので、これを利用して生成ガス温度を調整することができる。例えば、同一酸素量を「酸素」と「空気」で増したとき、「空気」の場合は窒素流量が増すので、窒素による冷却により、生成ガス温度の上昇は「酸素」の場合より小さくなる。このように、「酸素＋空気」による運転においては、生成ガス組成、生成ガス温度の制御性は、「酸素のみ」の場合より向上する。しかし、生成ガスへの窒素の混入は、生成ガスを利用する工程において好ましくなく、「酸素＋空気」による運転は一般に志向されない。

酸素と水蒸気（スチーム）とを混合した送風ガス（「酸素＋水蒸気」）にてガス化炉を運転する場合は、水蒸気で生成ガス温度を調整することができる。窒素と同様に、高温の生成ガスを冷却する機能を有するからである。窒素と異なる点は、生成ガスを利用する工程において１００℃未満に冷却すると、生成ガス中の水分は凝縮・分離でき、生成ガスの利用に大きな影響を与えない。このように、水蒸気を用いるとガス化炉の制御性が高まり、生成ガスの利用においても有利である。しかしながら、Ｃ＋Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ＋Ｈ₂反応が進行するので生成ガス組成が変動し、水蒸気の流量により生成ガス組成が変化する問題は依然として解決されない。

上記に加えて、本発明者らは、
（ａ）水は昇温に際して吸熱の蒸発熱を要するが、水蒸気は蒸発熱を要しないこと、
（ｂ）ガス化炉内は一般に約５００℃以上であるので、炉内に吹き込まれた水は速やかに気化すること、
（ｃ）水が気化して水蒸気になると、最初から気化した状態で送風された水蒸気と区別ないこと、
の（ａ）〜（ｃ）に着目し、鋭意検討の結果本発明を完成した。すなわち、水分源として水蒸気及び水を用いる。また、水蒸気と水の合計の流量を一定とすると、水分源の送風流量は一定であるので、生成ガス組成に影響を与えず、生成ガス量にも影響を与えない。さらに、水蒸気の流量と水の流量との比率を変更することのみで、生成ガス温度を一定に制御することができ、ガス化挙動を安定化することができる。

水蒸気の流量と水の流量との比率の変更は、生成ガスの温度や組成の変動が発生した際に手動で行うことで十分に対応可能であるが、生成ガス温度を指標に水蒸気及び水の流量を自動制御する機構を設置すれば、ガス化炉の操業が一層安定する。

本発明で用いるガス化炉としては、シャフト型ガス化炉や、流動床型ガス化炉等の任意の炉に適用することができ、炉の形式を問わない。また、任意の送風口に適用することが可能である。

尚、本発明におけるガス化対象物とは、石炭・合成樹脂・草木・紙・ゴム等の可燃物、または、可燃性の廃棄物である。尚、これらに不燃分が含まれる場合があることは自明であり、ガス化対象物は一部成分に不燃分を含むものである。

また、酸素含有ガスとは、空気、酸素、酸素を含有する燃焼排ガス、その他の酸素を含有するガス、またはこれらの混合物である。

図１に示すシャフト型ガス化炉１を用いて可燃性ガスを製造した。炉の下部の径は７００ｍｍ、炉の上部の径は１２００ｍｍ、炉の高さは３４００ｍｍである。炉の上部にガス化対象物の投入口２と生成ガスの排ガス口３を設けている。送風口４は３段で、下から１次送風口４ａ、２次送風口４ｂ、３次送風口４ｃであり、各段において径方向３本の送風口を有している。

可燃性廃棄物と炭材としてのコークスとを投入口２より投入して、表１に示す条件で各送風口４からガスを送風してガス化炉の運転を行った。送風ガスは、酸素、水蒸気、水を用いた。

図２に、排ガス口３にて採取分析した生成ガスの組成と、排ガス口３に設置した熱電対によって測定した生成ガス温度との時間変化を示す。酸素、水蒸気、水の各流量は表１の条件に従って運転中一定とした場合である（比較例）。生成ガス組成および生成ガス温度は安定している時期がある一方で、変化の大きい時期も観測された。この原因は明らかでないが、一時的にガス化対象物の投入量が減少したことが原因の一つと考えられる。

図３に、本発明を適用した期間の、排ガス口３にて採取分析した生成ガスの組成と、排ガス口３に設置した熱電対によって測定した生成ガス温度との時間変化を示す（本発明例）。さらに、水蒸気と水との流量の変化も併せて示す。図２の比較例の場合と同様に、運転開始後２０分程度の時期からガス温度の上昇、ＣＯ濃度の低下、ＣＯ₂濃度の上昇がみられた。そこで、２次送風口の水蒸気と水の流量について、合計量を一定としたまま、両者の比率を変更したところ、速やかに回復したので、比率を変更した約２０分後には水蒸気と水の流量を元の条件に戻したところ、生成ガスの組成と、生成ガス温度は安定を維持した。尚、水蒸気と水の流量とは手動で変更した。

表１に示したガス化炉の運転条件では、２次送風口にのみ、酸素と水蒸気と水とを送風して本発明を適用したが、１次送風口または３次送風口に酸素と水蒸気と水とを送風して水蒸気と水の流量の合計量を一定としたまま、両者の比率を変更した場合も同様の効果が得られた。また、１次送風口、２次送風口、３次送風口のうちの複数の送風口に本発明を適用することもできた。

本発明を適用するガス化炉の一例を示す概略図。生成ガス温度、生成ガス組成の経時変化を示すグラフ（比較例）。本発明の運転における生成ガス温度、生成ガス組成の経時変化を示すグラフ（本発明例）。従来の炉の概略縦断面図。他の従来の炉の概略縦断面図。

符号の説明

１シャフト型ガス化炉
２投入口
３排ガス口
４送風口
４ａ１次送風口
４ｂ２次送風口
４ｃ３次送風口
２１ガス化炉
２２ガス化対象物と炭材の投入口
２２ａガス化対象物の投入口
２２ｂ炭材の投入口
２３送風口
２３ａ送風口（主羽口）
２３ｂ送風口（副羽口）
２３ｃ送風口（炉上部）
２４生成ガスの排ガス口
２５溶融物排出口

Claims

ガス化対象物と炭材とをガス化炉内に投入して、酸素含有ガスを炉内に吹き込み前記ガス化対象物を部分燃焼させて可燃ガスを生成するガス化炉において、前記酸素含有ガスとともに水と水蒸気とを炉内に吹き込むことを特徴とするガス化炉を用いたガス化方法。
水と水蒸気との合計の流量を一定として、水の流量と水蒸気の流量との比率を調整することを特徴とする請求項１に記載のガス化炉を用いたガス化方法。