JP2007277376A

JP2007277376A - 熱分解ガス化装置

Info

Publication number: JP2007277376A
Application number: JP2006104511A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Murakami; 高広村上; Mitsufumi Kyo; 光文許; Toshiyuki Suda; 俊之須田; Katsuaki Matsuzawa; 克明松澤; Hidehisa Tani; 秀久谷
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】ガス化炉での充分な燃料滞留時間を得ることができ、冷ガス効率の向上と、Ｃ転換率並びにＨ転換率の向上とを図り得る熱分解ガス化装置を提供する。
【解決手段】ガス化炉２内の底部に、燃料とベッド材とを流動化させて流動層３´を形成しチャーを生成しつつ燃料をガス化するために水蒸気を供給可能な水蒸気供給ライン１１を接続し、ガス化炉２に、筒状で下端が開口して流動層３´に没入され且つ上端がガス化炉２の上方へ延出する燃焼炉１を一体に設け、ガス化炉２の底部に、チャーを燃焼炉１内で上昇移動させて燃焼させガス化に必要な熱を発生させるために燃焼炉１の下端開口部に空気を供給可能な空気供給ライン１２を、貫通配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱分解ガス化装置に関するものである。

従来より、燃料として、石炭、バイオマス、廃プラスチック、或いは各種の含水廃棄物等を用い、これらを熱分解してガス化ガスを生成するガス化装置の開発が進められている。

この種のガス化装置としては、従来、例えば、特許文献１に開示されているようなものがある。

前記特許文献１に開示されているガス化装置は、図７に示される如く、燃料とベッド材とが投入される燃焼炉１の上部より該燃焼炉１の底部にかけて延び且つ下端が開口した筒状のガス化炉２を設け、前記燃焼炉１の中段に、投入された燃料とベッド材とを流動化させて流動層３を形成するための空気供給用散気管４を設け、前記燃焼炉１の底部に、前記流動層３から流下し、前記ガス化炉２の下端開口部に移動したベッド材と未燃燃料とを、前記ガス化炉２内で上昇移動させその間に前記未燃燃料或いは必要に応じて前記ガス化炉２内に投入される燃料のガス化を行う水蒸気供給用噴射ノズル５を設けたものである。

前記燃焼炉１の頂部には、燃焼排ガスを排出するための排気路６が接続され、該排気路６には、排ガスから固形分（チャー）を分離して再び燃焼炉１へ戻すためのチャー分離用サイクロン７が接続され、該チャー分離用サイクロン７には、排ガスから更に微粉（灰）を分離するための微粉分離用サイクロン８が接続されている。

前記ガス化炉２の下流端には、生成されたガス化ガスからベッド材及び固形分（チャー）を分離して再び燃焼炉１へ戻すためのベッド材分離用サイクロン９が接続され、該ベッド材分離用サイクロン９には、ベッド材が分離されたガス化ガスから更に微粉（灰）を分離するための微粉分離用サイクロン１０が接続されている。

図７に示される従来のガス化装置においては、燃焼炉１内でベッド材が空気供給用散気管４から供給される空気により流動化されて流動層３が形成され、該流動層３に投入される燃料が燃焼され、その燃焼排ガスは、排気路６より排出され、チャー分離用サイクロン７で排ガス中に含まれる固形分（チャー）が分離され、燃焼炉１へ戻され、固形分が分離された燃焼排ガスは、後段の微粉分離用サイクロン８で微粉（灰）が分離されて排出される。

前記燃焼炉１内における流動層３では、燃料が約８００［℃］で燃焼されると共にベッド材が加熱され、該ベッド材と未燃燃料は、空気供給用散気管４の下方に流下し、水蒸気供給用噴射ノズル５から噴出する水蒸気（約４００［℃］）のジェットによりガス化炉２内へ導かれ、該ガス化炉２内へ導かれたベッド材と未燃燃料とに加え、ガス化炉２へ更に燃料が投入され、該燃料とベッド材とが、前記水蒸気供給用噴射ノズル５より噴出される水蒸気のジェットにより、ガス化炉２内にて高速流動化されながら上昇し、その間に、熱分解（還元）反応（約８００［℃］）及び水蒸気ガス化（還元）反応（約８００［℃］）が行われ、これらの反応により、燃料から一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ）、メタンなどの水性ガスからなるガス化ガス（可燃性ガス）が生成される。この熱分解反応と水蒸気ガス化反応（水性ガス反応）は、吸熱反応であり、ガス化炉２内に導入されたベッド材の熱量で反応が行われると共に、ガス化炉２を取り巻く流動層３から伝わる熱量でも反応が行われる。

前記熱分解反応及び水蒸気ガス化反応によって生成されたガス化ガスは、ベッド材分離用サイクロン９へ流入して、ベッド材及び固形分（チャー）が分離され、更に微粉分離用サイクロン１０で微粉（灰）が取り除かれた後、水蒸気分が取り除かれ、図示していないガスタービン等に供給され発電利用される他、有効成分（一酸化炭素、水素、メタン）が抽出され合成ガス利用される。

尚、前記ベッド材分離用サイクロン９で分離されたベッド材及び固形分（チャー）は、再び燃焼炉１へ戻される。
特開２００５−２３９８２０号公報

しかしながら、前述の如き従来のガス化装置では、ガス化炉２が高速流動層となっており、数秒程度の燃料滞留時間しか得られないため、燃料の熱分解が完了せず、得られるガス熱量、即ち冷ガス効率が低くなる一方、Ｃ転換率やＨ転換率もあまり高くすることができないという欠点を有していた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、ガス化炉での充分な燃料滞留時間を得ることができ、冷ガス効率の向上と、Ｃ転換率並びにＨ転換率の向上とを図り得る熱分解ガス化装置を提供しようとするものである。

本発明は、燃料とベッド材とが投入されるガス化炉と、
該ガス化炉内の底部に水蒸気を供給することにより、前記ガス化炉内に投入された燃料とベッド材とを流動化させて流動層を形成しチャーを生成しつつ燃料をガス化するための水蒸気供給ラインと、
筒状で下端が開口して前記ガス化炉内の流動層に没入され且つ上端がガス化炉の上方へ延出する燃焼炉と、
該燃焼炉の下端開口部に空気を供給することにより、前記ガス化炉で生成されたチャーを燃焼炉内で上昇移動させて燃焼させ、ガス化に必要な熱を発生させるための空気供給ラインと
を備えたことを特徴とする熱分解ガス化装置にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

前述の如く構成すると、燃焼炉が高速流動層となり、ガス化炉は高速流動層とならず、該ガス化炉における燃料滞留時間を百数十秒以上にすることができるため、燃料の熱分解が完了し、得られるガス熱量、即ち冷ガス効率が高くなると共に、Ｃ転換率やＨ転換率も高くすることが可能となる。

前記熱分解ガス化装置においては、前記燃焼炉内での燃焼によって発生した排ガス中に含まれるベッド材を捕集して前記ガス化炉へ戻すことにより、ガス化に必要な熱を前記ガス化炉に供給するための熱回収用サイクロンを備えることが、効率をより向上させる上で有効となる。

又、前記熱分解ガス化装置においては、燃料に触媒を担持させることができ、このようにすると、燃料と触媒との接触効率が大となって、チャーのガス化及びタール分解が促進され、冷ガス効率、Ｃ転換率、Ｈ転換率を著しく向上させることが可能になると共に、生成タール量を著しく減少させることが可能となる。

本発明の請求項１記載の熱分解ガス化装置によれば、ガス化炉での充分な燃料滞留時間を得ることができ、冷ガス効率の向上と、Ｃ転換率並びにＨ転換率の向上とを図り得るという優れた効果を奏し得る。

又、本発明の請求項２記載の熱分解ガス化装置によれば、熱回収用サイクロンを備えることにより、効率をより向上させることができるという優れた効果を奏し得る。

更に又、本発明の請求項３記載の熱分解ガス化装置によれば、燃料に触媒を担持させることにより、更なる冷ガス効率、Ｃ転換率、Ｈ転換率の向上と、生成タール量の低減を図り得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例であって、燃料とベッド材とが投入されるガス化炉２を設け、該ガス化炉２内の底部に、該ガス化炉２内に投入された燃料とベッド材とを流動化させて流動層３´を形成しチャーを生成しつつ燃料をガス化するために水蒸気を供給可能な水蒸気供給ライン１１を接続し、前記ガス化炉２に、筒状で下端が開口して前記ガス化炉２内の流動層３´に没入され且つ上端がガス化炉２の上方へ延出する燃焼炉１を一体に設け、前記ガス化炉２の底部に、該ガス化炉２で生成されたチャーを燃焼炉１内で上昇移動させて燃焼させガス化に必要な熱を発生させるために燃焼炉１の下端開口部に空気を供給可能な空気供給ライン１２を、貫通配置したものである。

本図示例の場合、前記燃焼炉１の下流側には、該燃焼炉１内での燃焼によって発生した排ガス中に含まれるベッド材を捕集して前記ガス化炉２へ戻すことにより、ガス化に必要な熱を前記ガス化炉２に供給するための熱回収用サイクロン１３を設けるようにし、該熱回収用サイクロン１３には、排ガスから更に微粉（灰）を分離するための微粉分離用サイクロン１４を接続してある。

又、前記ガス化炉２の頂部には、生成されたガス化ガスを回収するためのガス化ガス回収ライン１５を接続し、該ガス化ガス回収ライン１５には、ガス化ガスからベッド材及び固形分（チャー）を分離して再びガス化炉２の底部へ戻すためのベッド材分離用サイクロン１６を接続し、該ベッド材分離用サイクロン１６には、ベッド材が分離されたガス化ガスから更に微粉（灰）を分離するための微粉分離用サイクロン１７を接続してある。

ここで、図２は従来例（図７参照）を模擬して製作した研究室規模の試験装置（条件１）を示す概要構成図、図３は本発明を実施する形態の一例（図１参照）を模擬して製作した研究室規模の試験装置（条件２）を示す概要構成図であって、これらの試験装置を用いて実際に試験を行うことにより、図７に示す従来例と、図１に示す本発明を実施する形態の一例とを比較した。

前記試験装置におけるライザーは、呼び径が５０Ａで高さが６４００ｍｍ（５０Ａ×６４００ｍｍＨ）の管で形成し、バブリング流動層容器は、３７０×８０×１８００ｍｍの箱体で形成し、図２に示す条件１の試験装置では、前記ライザーをガス化炉２とし且つ前記バブリング流動層容器を燃焼炉１とするために、前記ライザー（ガス化炉２）の底部に水蒸気発生装置１８からの水蒸気を水蒸気供給用噴射ノズル５を介して送り込むようにすると共に、前記バブリング流動層容器（燃焼炉１）の底部に押込通風機１９（ＦＤＦ）からの空気を空気供給用散気管４を介して供給し、前記ライザー（ガス化炉２）に燃料を供給する一方、図３に示す条件２の試験装置では、前記ライザーを燃焼炉１とし且つ前記バブリング流動層容器をガス化炉２とするために、前記ライザー（燃焼炉１）の底部に押込通風機１９（ＦＤＦ）からの空気を空気供給ライン１２を介して供給すると共に、前記バブリング流動層容器（ガス化炉２）の底部に水蒸気発生装置１８からの水蒸気を水蒸気供給ライン１１を介して送り込み、前記バブリング流動層容器（ガス化炉２）に燃料を供給するようにしてある。

そして、図２に示す条件１の試験装置では、前記ライザー（ガス化炉２）で生成されたガス化ガスは、サイクロン（ベッド材分離用サイクロン９）でベッド材及び固形分（チャー）を分離した後、フィルタ２０とタールトラップ２１を介してタールを除去し、ガスクロマトグラフ等のガス分析器２２にて組成分析を行い、残りのガス化ガスは燃焼器２３にて焼却処理し、ガスクーラ２４とバグフィルタ２５を通過させ、誘引通風機２６（ＩＤＦ）にて排気するようにし、又、前記バブリング流動層容器（燃焼炉１）から排出される燃焼排ガスは、排気路６を通過させサイクロン（チャー分離用サイクロン７）で固形分（チャー）を分離した後、ガス分析器２７にて組成分析を行い、残りの燃焼排ガスは、ガスクーラ２８とバグフィルタ２９を通過させ、誘引通風機３０（ＩＤＦ）にて排気するようにしてある。尚、前記サイクロン（ベッド材分離用サイクロン９）でガス化ガスから分離されたベッド材及び固形分（チャー）は、循環量測定器３１で循環量を測定しつつ、前記バブリング流動層容器（燃焼炉１）へ戻すようにしてある。

一方、図３に示す条件２の試験装置では、前記バブリング流動層容器（ガス化炉２）で生成されたガス化ガスは、ガス化ガス回収ライン１５を通過させサイクロン（ベッド材分離用サイクロン１６）でベッド材及び固形分（チャー）を分離した後、フィルタ２０とタールトラップ２１を介してタールを除去し、ガスクロマトグラフ等のガス分析器２２にて組成分析を行い、残りのガス化ガスは燃焼器２３にて焼却処理し、ガスクーラ２４とバグフィルタ２５を通過させ、誘引通風機２６（ＩＤＦ）にて排気するようにし、又、前記ライザー（燃焼炉１）から排出される燃焼排ガスは、サイクロン（熱回収用サイクロン１３）でベッド材を分離した後、ガス分析器２７にて組成分析を行い、残りの燃焼排ガスは、ガスクーラ２８とバグフィルタ２９を通過させ、誘引通風機３０（ＩＤＦ）にて排気するようにしてある。尚、前記サイクロン（サイクロン（熱回収用サイクロン１３）でガス化ガスから分離されたベッド材及び固形分（チャー）は、循環量測定器３１で循環量を測定しつつ、前記バブリング流動層容器（ガス化炉２）へ戻すようにしてある。

前記燃料としては、コーヒー滓を使用し、流動媒体としてのベッド材には７号珪砂（平均粒径０．１４ｍｍ）を使用した。燃料性状を以下の表１に示す。

前記燃料の質量流量は、下記の表２に示す如く、４ｋｇ／ｈとし、ガス化炉２の温度は１０７３Ｋとし、燃焼炉１の温度は１１０３Ｋとした。

ここで、図２に示す条件１の試験装置では、前記ライザー（ガス化炉２）とバブリング流動層容器（燃焼炉１）との間でベッド材を循環させるためには、ライザー（ガス化炉２）でのベッド材の流速を終末速度より大きくすれば良く、今回の試験で使用したベッド材の場合、８００℃での終末速度は１．１９ｍ／ｓとなることから、余裕を見て、ライザー（ガス化炉２）でのベッド材の流速を２．８２ｍ／ｓとしてあり、更に、ガス化炉２となるライザーの高さが６４００ｍｍであり、前述の如く流速が２．８２ｍ／ｓであるため、前記ライザー（ガス化炉２）での燃料滞留時間は、
６４００ｍｍ÷２８２０ｍｍ／ｓ≒２．２７ｓ
となり、およそ３秒程度になる。

一方、図３に示す条件２の試験装置では、前記バブリング流動層容器（ガス化炉２）内の燃料滞留時間は、試験温度におけるベッド材の循環量を循環量測定器３１で測定し、前記バブリング流動層容器（ガス化炉２）内に存在する粒子量より、プラグフローと仮定して算出した。即ち、前記バブリング流動層容器（ガス化炉２）内のベッド材の量は、流動層３´の層高を０．４５ｍに設定したため、
０．３７ｍ×０．０８ｍ×０．４５ｍ×１２００ｋｇ／ｍ³＝１６ｋｇ
となり、前記ライザー（燃焼炉１）でのベッド材の流速を４．６３ｍ／ｓとした場合、前記循環量測定器３１で測定したベッド材の循環量が１００ｇ／ｓとなり、このときの前記バブリング流動層容器（ガス化炉２）内の燃料滞留時間は、
層内ベッド材量÷循環量＝１６０００ｇ÷１００ｇ／ｓ
＝１６０ｓ
となる。又、前記ライザー（燃焼炉１）でのベッド材の流速を２．１２ｍ／ｓとした場合、前記循環量測定器３１で測定したベッド材の循環量が１４．３ｇ／ｓとなり、このときの前記バブリング流動層容器（ガス化炉２）内の燃料滞留時間は、
層内ベッド材量÷循環量＝１６０００ｇ÷１４．３ｇ／ｓ
＝１１１８．９ｓ
≒１１２０ｓ
となる。

このように、図２に示す条件１の試験装置では、ライザー（ガス化炉２）での燃料滞留時間が数秒程度の極めて短い時間しか得られないのに対し、図３に示す条件２の試験装置では、バブリング流動層容器（ガス化炉２）での燃料滞留時間を充分長く設定できることが確認された。

更に、図４に、ガス化炉２の温度１０７３Ｋにおける燃料滞留時間（３ｓ、１６０ｓ、１１２０ｓ）と、冷ガス効率、Ｃ転換率、Ｈ転換率との関係を示す。尚、冷ガス効率を算出する際に、入熱量は燃料供給分のみ考慮した。図４より明らかなように、ガス化炉２での燃料滞留時間は、３秒から１６０秒に長くすると、冷ガス効率、Ｃ転換率、Ｈ転換率が向上しているのがわかる。これは、３秒程度の滞留時間では熱分解時間が完了しないことによると考えられる。尚、１６０秒から１１２０秒と更に燃料滞留時間を長くとっても、冷ガス効率、Ｃ転換率、Ｈ転換率は若干向上するのみである。これは、熱分解完了後のチャーは本温度条件ではガス化し難いことによる。

図５は従来例を模擬して製作した研究室規模の試験装置で行った試験（条件１で燃料滞留時間３ｓ）と、本発明を実施する形態の一例を模擬して製作した研究室規模の試験装置で行った試験（条件２で燃料滞留時間１６０ｓ）との間で、冷ガス効率、Ｃ転換率、Ｈ転換率の各々を比較した棒グラフであって、いずれも本発明を実施する形態の一例を模擬して製作した研究室規模の試験装置で行った試験の方が、従来例を模擬して製作した研究室規模の試験装置で行った試験より優れていることが確認できる。

更に、本発明を実施する形態の一例を模擬して製作した研究室規模の試験装置で行った試験（条件２で燃料滞留時間１６０ｓ）において、燃料単体（コーヒー滓のみ）の場合と、コーヒー滓に触媒としてＣａＯを４．７６ｗｔ％物理混合させた場合と、コーヒー滓に触媒としてＣａ（ＯＨ）₂を４ｗｔ％担持させた場合とを比較し、その結果を図６に示す。図６から明らかなように、触媒を燃料と物理混合することにより、冷ガス効率、Ｃ転換率、Ｈ転換率は若干向上するが、燃料に触媒を担持させた場合は、冷ガス効率、Ｃ転換率、Ｈ転換率は顕著に向上し、９０％のＣ転換率、１３５％のＨ転換率が得られ、冷ガス効率も９５％となった。これは、担持により燃料と触媒との接触効率が向上することによる。又、触媒としてＣａＯを物理混合させた場合の生成タール量は、コーヒー滓のみの場合とほとんど変化ないが、触媒としてＣａ（ＯＨ）₂を担持させると顕著に減少している。これは、燃料に触媒を担持させることで、燃料と触媒との接触効率が向上し、チャーのガス化及びタール分解が促進されることによる。

こうして、各種試験結果からも明らかなように、図１に示す本発明を実施する形態の一例としての熱分解ガス化装置によれば、ガス化炉２での充分な燃料滞留時間を得ることができ、冷ガス効率の向上と、Ｃ転換率並びにＨ転換率の向上とを図り得る。更に、熱回収用サイクロン１３を備えることにより、効率をより向上させることができる。しかも、燃料に触媒を担持させることにより、更なる冷ガス効率、Ｃ転換率、Ｈ転換率の向上と、生成タール量の低減を図り得る。

尚、本発明の熱分解ガス化装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。又、本発明を実施する形態の一例として、触媒は、Ｃａ（ＯＨ）₂を使用した例を提示したが、ニッケル、鉄、ロジウム、ルテニウム、活性白土、ドロマイト、白金、コバルト、活性炭等の触媒でも良い。

本発明を実施する形態の一例を示す概要構成図である。従来例を模擬して製作した研究室規模の試験装置を示す概要構成図である。本発明を実施する形態の一例を模擬して製作した研究室規模の試験装置を示す概要構成図である。ガス化炉での燃料滞留時間と、冷ガス効率、Ｃ転換率、Ｈ転換率との関係を示す線図である。従来例を模擬して製作した研究室規模の試験装置で行った試験（条件１）と、本発明を実施する形態の一例を模擬して製作した研究室規模の試験装置で行った試験（条件２）との間で、冷ガス効率、Ｃ転換率、Ｈ転換率の各々を比較した棒グラフである。冷ガス効率、Ｃ転換率、Ｈ転換率、生成タール量に及ぼす触媒の影響について示す棒グラフである。従来例を示す概要構成図である。

符号の説明

１燃焼炉
２ガス化炉
３´ 流動層
１１水蒸気供給ライン
１２空気供給ライン
１３熱回収用サイクロン
１４微粉分離用サイクロン
１５ガス化ガス回収ライン
１６ベッド材分離用サイクロン
１７微粉分離用サイクロン

Claims

燃料とベッド材とが投入されるガス化炉と、
該ガス化炉内の底部に水蒸気を供給することにより、前記ガス化炉内に投入された燃料とベッド材とを流動化させて流動層を形成しチャーを生成しつつ燃料をガス化するための水蒸気供給ラインと、
筒状で下端が開口して前記ガス化炉内の流動層に没入され且つ上端がガス化炉の上方へ延出する燃焼炉と、
該燃焼炉の下端開口部に空気を供給することにより、前記ガス化炉で生成されたチャーを燃焼炉内で上昇移動させて燃焼させ、ガス化に必要な熱を発生させるための空気供給ラインと
を備えたことを特徴とする熱分解ガス化装置。
前記燃焼炉内での燃焼によって発生した排ガス中に含まれるベッド材を捕集して前記ガス化炉へ戻すことにより、ガス化に必要な熱を前記ガス化炉に供給するための熱回収用サイクロンを備えた請求項１記載の熱分解ガス化装置。
燃料に触媒を担持させた請求項１又は２記載の熱分解ガス化装置。