JP2009007388A

JP2009007388A - ガス化システム

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Publication number: JP2009007388A
Application number: JP2007167153A
Authority: JP
Inventors: Satoko Aoki; さと子青木; Takahiro Murakami; 高広村上; Toshiyuki Suda; 俊之須田; Toshiro Fujimori; 俊郎藤森; Takahiro Matsuo; 貴寛松尾
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-01-15

Abstract

【課題】小さい装置コストと運転コストで炭素系原料をガス化することができ且つ排ガスから回収する熱量とガス化ガスの発生量とを要求に応じて制御できるようにする。
【解決手段】分離器７で分離した排ガス８の熱を回収する熱回収手段１６を設け、流動層ガス化炉１に水蒸気、空気、二酸化炭素の少なくとも１つからなるガス化剤３を供給し、流動層ガス化炉１で生成するガス化ガス２０の少なくとも一部を用いて機能性材料Ｘを製造する機能性材料製造手段２３を設け、循環粒子２の循環量と流動層ガス化炉１に供給する炭素系原料４の供給量の少なくとも１つを制御することによって、熱回収手段１６によって回収される熱量と流動層ガス化炉１から取り出されるガス化ガス２０の発生量との割合を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、小さい装置コストと運転コストで炭素系原料をガス化することができ且つ排ガスから回収する熱量とガス化ガスの発生量とを要求に応じて制御できるようにしたガス化システムに関するものである。

活性炭、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ等の炭素系材料は、天然ガスを原料として製造する技術が従来から確立されている。

しかし、近年の天然ガス価格の高騰から、上記炭素系材料を石炭等の安価な原料から製造することが求められるようになってきている。

石炭から炭素系材料を製造する方法としては特許文献１、２がある。特許文献１では酸素Ｏ_２を用いて石炭をガス化し、ガス化ガスをガスクーラに導き発生した蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行い、更にガス化ガスからグラファイトナノファイバを製造し、ガス化ガスの余剰分でガスタービンを駆動して発電を行っている。又、特許文献２は、石炭ガス化ガスを変換炉に導いて二酸化炭素を一酸化炭素に変換し、この一酸化炭素を炭素源として気相成長法（ＣＶＤ法）により単層カーボンナノチューブを製造するものである。
特開２００３−１２０３２３号公報特開２００６−０２７９４９号公報

しかし、特許文献１では、酸素（Ｏ_２）を用いて石炭をガス化しているが、酸素製造装置を装備するための装置コスト、運転コストの面から実用化には問題を有していた。又、特許文献２では、二酸化炭素を一酸化炭素に変換して、この一酸化炭素から単層カーボンナノチューブを設蔵するものであるが、ガス化時の排熱を利用して電気等を併産するものではなく、機動性に欠けるものである。

本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、小さい装置コストと運転コストで炭素系原料をガス化することができ且つ排ガスから回収する熱量とガス化ガスの発生量とを要求に応じて制御できるようにしたガス化システムを提供することを目的とする。

本発明は、高温の循環粒子とガス化剤との存在下で炭素系原料をガス化してガス化ガスを生成する流動層ガス化炉と、流動層ガス化炉でのガス化時に生成したチャーを導入して燃焼することにより循環粒子を加熱する燃焼炉と、燃焼炉からの燃焼ガスを分離器に導いて排ガスと循環粒子とに分離し循環粒子を前記流動層ガス化炉に戻して循環するようにしているガス化システムであって、分離器で分離した排ガスの熱を回収する熱回収手段を設け、流動層ガス化炉に水蒸気、空気、二酸化炭素の少なくとも１つからなるガス化剤を供給し、流動層ガス化炉で生成するガス化ガスの少なくとも一部を用いて機能性材料を製造する機能性材料製造手段を設け、循環粒子の循環量と流動層ガス化炉に供給する炭素系原料の供給量の少なくとも１つを制御することによって、熱回収手段によって回収される熱量と流動層ガス化炉から取り出されるガス化ガスの発生量との割合を制御するようにしたことを特徴とするガス化システム、に係るものである。

上記ガス化システムにおいて、流動層ガス化炉からのガス化ガスを、機能性材料製造手段とガス利用系とに振り分けて導く流量制御手段を有することは好ましい。

又、上記ガス化システムにおいて、流動層ガス化炉から燃焼炉に供給されるチャーの一部を取り出すチャー取出手段と、チャー取出手段により取り出したチャーを用いて機能性材料を製造する機能性材料製造手段を有することは好ましい。

本発明のガス化システムによれば、分離器で分離した排ガスの熱を回収する熱回収手段を設け、流動層ガス化炉に水蒸気、空気、二酸化炭素の少なくとも１つからなるガス化剤を供給し、流動層ガス化炉で生成するガス化ガスの少なくとも一部を用いて機能性材料を製造する機能性材料製造手段を設け、循環粒子の循環量と流動層ガス化炉に供給する炭素系原料の供給量の少なくとも１つを制御することによって、熱回収手段によって回収される熱量と流動層ガス化炉から取り出されるガス化ガスの発生量との割合を制御するようにしたので、小さい装置コストと運転コストで炭素系原料をガス化することができ、且つ排ガスから回収する熱量とガス化ガスの発生量とを要求に応じて任意に制御できるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明のガス化システムの一例を示す概略構成図であり、このガス化システムにおいては、高温の循環粒子２とガス化剤３の存在下で流動層１０により炭素系原料４をガス化する流動層ガス化炉１と、流動層ガス化炉１でのガス化時に生成したチャーを導入して燃焼することにより循環粒子２を加熱する燃焼炉５と、燃焼炉５からの燃焼ガス６を分離器７に導いて排ガス８と循環粒子２とに分離し循環粒子２を前記流動層ガス化炉１に戻して循環するようにしている。上記流動層ガス化炉１では循環粒子２により８００℃以上の温度に保持されてガス化を行うようになっており、又、燃焼炉では９００℃以上の温度で循環粒子２を加熱するようになっている。

上記ガス化システムにおいて、前記流動層ガス化炉１には炭素系原料４の供給量を制御するようにした原料供給装置９を設ける。原料供給装置９は、流動層ガス化炉１内の圧力を保持（シール）した状態で石炭、石油残渣、ペトロコークス、重質油等の炭素系原料４を供給するようになっている。

更に、流動層ガス化炉１の下部には、ガス化剤３を供給するガス化剤供給装置１１が設けてあり、ガス化剤供給装置１１によって水蒸気、空気、二酸化炭素によるガス化剤３を単独で供給するか、又はその２つ以上を組み合わせたガス化剤３を供給するようにしている。

前記燃焼炉５には、下部位置から一次空気１２を供給する一次空気供給装置１３と、一次空気供給装置１３より上部位置から二次空気１４を供給する二次空気供給装置１５とが設けてあり、一次空気１２と二次空気１４の供給割合を調節して燃焼炉５内での循環粒子の上昇速度を変化させることにより、循環粒子２が燃焼炉５と流動層ガス化炉１の間を循環する循環量を制御するようにしている。又、系内の循環粒子２の量を増加したり、又は循環粒子２を抜き出すことによっても、系内の循環粒子２の循環量を制御することができる。

前記分離器７から排出される排ガス８は、熱回収手段１６に導いて熱回収するようにしている。図１に示す熱回収手段１６は、排ガス８と水を熱交換して蒸気を発生する熱交換器１７（ボイラ）と、該熱交換器１７からの蒸気により発電機１８を回転させる蒸気タービン１９を備えて電気を生産するようにした場合を示している。尚、熱回収手段１６は発電せずに熱交換器１７によって得られた蒸気を他の目的に利用するようにしてもよい。例えば熱交換器１７によって得た蒸気を流動層ガス化炉１にガス化剤３として供給するようにしてもよい。

前記流動層ガス化炉１で生成されて取り出されるガス化ガス２０は、必要に応じて例えば除塵装置、タール除去装置、改質装置等のガス精製装置２１により精製した後、ダンパ等の流量制御手段２２を介して機能性材料製造手段２３とガス利用系２４とに振り分けて導くようにしている。このとき、機能性材料製造手段２３とガス利用系２４に導くガス化ガス２０はその一方のみをガス精製装置によって精製してもよく、又、ガス化ガス２０のすべてを機能性材料製造手段２３に導くようにしてもよい。

機能性材料製造手段２３には、活性炭、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ等の機能性材料Ｘを製造する製造装置が用いられ、この製造装置には、気相成長法（ＣＶＤ法）を用いた生成炉或いはその他の材料合成反応炉等を用いることができる。

前記ガス利用系２４としては、ガス化ガス２０を燃料とする燃焼装置、ガス化ガス２０を用いてアンモニアを製造するアンモニア製造装置、ガス化ガス２０を液化して液体燃料を製造する液化装置等がある。

又、前記流動層ガス化炉１内の循環粒子とチャーを燃焼炉５に供給する供給管２５には、循環粒子とチャーの混合物２６の一部を外部に取り出すようにしたダンパ或いはゲートバルブ等の取出手段２７を設けている。取出手段２７によって取り出した混合物２６は、分離手段２８に導入してチャー２９と循環粒子２とに分離し、分離したチャー２９は機能性材料製造手段３０に供給して機能性材料Ｘを製造するようにしている。

分離手段２８はその一例を図２に示すように、分離槽３１の通気板３２上に前記混合物２６を供給し、送風装置３３からのガス（空気）を整流板３４により整流して通気板から分離槽３１内に供給することにより前記混合物２６を比重分離するようにしている。３５は送風装置３３から吹き出すガスの流量を調整する風量調節板である。混合物２６のチャー２９は通常、循環粒子２（砂）の粒子径に対して略２倍以上の大きい径を有し且つ重量も重いため、チャー２９は分離槽３１の底部に堆積してチャー層ａを形成し、チャー層ａの上部に循環粒子２の中間層ｂが形成され、中間層ｂの上部に微粒層ｃが形成されるようになる。従って、分離槽３１の底部のチャー層ａからチャー２９を効果的に取り出すことができる。

前記機能性材料製造手段３０では、前記チャー２９から活性炭、カーボンブラック等の機能性材料Ｘを製造することができる。

機能性材料製造手段３０はその一例を図３に示すように、電気或いはその他の加熱源３６によって加熱される流動層反応炉３７内に前記チャー２９と触媒３８を供給し、下部の散気板３９により水素、炭化水素ガス等の反応ガス４０を供給し流動化して反応させることにより目的の機能性材料Ｘを製造するようにしている。ここで、触媒３８は粒径を選定して用いることができるので、チャー２９と粒径が異なる触媒３８を用いると、流動層反応炉３７から取り出して篩分けする等によって容易に機能性材料Ｘと触媒３８とを分離することができ、分離した触媒３８は再び流動層反応炉３７に供給して利用することができる。

図４は機能性材料製造手段３０の他の例を示したもので、電気或いはその他の加熱源３６によって加熱される固定床反応炉４１内に前記チャー２９と触媒３８を供給し、下部から水素、炭化水素ガス等の反応ガス４０を供給して反応させることにより目的の機能性材料Ｘを製造するようにしている。この場合も、固定床反応炉４１から切出バルブ４２等によって取り出して篩分けする等により機能性材料Ｘと触媒３８とを分離することができ、分離した触媒３８は再び固定床反応炉４１に供給することができる。

上記形態例の作動を説明する。

図１のガス化システムにおいて、燃焼炉５からの燃焼ガス６は分離器７により循環粒子２と排ガス８とに分離され、循環粒子２は流動層ガス化炉１に供給され、排ガス８は熱回収手段１６の熱交換器１７に供給されて水と熱交換することにより蒸気を発生させ、熱交換器１７の蒸気が蒸気タービン１９に供給されて電気を生産する。

一方、原料供給装置９から流動層ガス化炉１に供給された石炭等の炭素系原料４は、流動層１０において循環粒子２による加熱とガス化剤３の作用を受けることによりガス化される。このとき、ガス化剤３に水蒸気、空気、二酸化炭素を用いるようにしているので、従来の酸素をガス化剤に用いた場合に比して、小さい装置コストと運転コストのガス化システムを達成することができる。

水蒸気ガス化の場合には、一酸化炭素ＣＯ、水素Ｈ_２を主成分とし、これにメタンＣＨ_４、タール、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ_２等が混合したガス化ガス２０が生成される。このとき、流動層ガス化炉１に触媒を供給するとガス化ガス２０の性状を変えることができ、機能性材料Ｘを製造するのに適した性状のガス化ガス２０が得られる触媒を選定して用いることは好ましい。

ガス化ガス２０は流動層ガス化炉１から取り出された後、必要に応じてガス精製装置２１により精製され、ダンパ等の流量制御手段２２を介して機能性材料製造手段２３とガス利用系２４とに振り分けて供給される。機能性材料製造手段２３では、活性炭、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ等の機能性材料Ｘが製造され、又、ガス利用系２４では、ガス化ガス２０が燃焼装置に燃料として供給されたり、アンモニア製造装置にアンモニアを製造する原料として供給されたり、液化装置に液体燃料を製造する原料として供給される。このとき、流動層ガス化炉１のガス化ガスの発生量に応じて機能性材料製造手段２３とガス利用系２４に供給するガス化ガス２０の供給割合を変更したり、或いは、機能性材料製造手段２３及びガス利用系２４のガス化ガス２０の要求量に応じて原料供給装置９から流動層ガス化炉１に供給する石炭等の炭素系原料４の供給量を変更するようにしてもよい。

又、前記流動層ガス化炉１の循環粒子２とチャーを燃焼炉５に供給する供給管２５に設けた取出手段２７によりチャーと循環粒子の混合物２６の一部を外部に取り出すようにしており、取り出した混合物２６は分離手段２８に導入してチャー２９と循環粒子２とに分離する。分離したチャー２９は機能性材料製造手段３０に供給して活性炭、カーボンブラック等の機能性材料Ｘを製造する。

上記システムにおいては、熱回収手段１６によって回収する熱量と、流動層ガス化炉１から取り出されるガス化ガス２０の発生量との割合を制御するようにしている。

上記熱回収手段１６で回収する熱量と、流動層ガス化炉１のガス化ガス２０の発生量との割合を変える際は、循環粒子２の循環量と、流動層ガス化炉１に供給する炭素系原料４の供給量の少なくとも１つを制御することによって行うことができる。

循環粒子２の循環量は、一次空気１２と二次空気１４の供給割合を調節して燃焼炉５内での循環粒子の上昇速度を変化させることによって制御できる。又、系内における循環粒子２の量を増減することによっても循環粒子２の循環量を制御することができる。

系内の循環粒子２の循環量が増大すると、流動層ガス化炉１の温度が上昇して流動層ガス化炉１でのガス化作用が向上するためガス化ガス２０の発生量は増大し、よって機能性材料製造手段２３による機能性材料Ｘの生産量の増加、及びガス利用系２４に供給されるガス化ガス２０の増加が図れる。一方、流動層ガス化炉１でのガス化の促進によって燃焼炉５に供給されるチャーの熱量が減少するために、排ガス８の流量と温度が低下し、熱回収手段１６で回収される熱量は減少する。

又、系内の循環粒子２の循環量が減少すると、流動層ガス化炉１の温度が低下して流動層ガス化炉１でのガス化作用が低下するためガス化ガス２０の発生量が減少し、よって機能性材料製造手段２３による機能性材料Ｘの生産量の減少、及びガス利用系２４に供給されるガス化ガス２０の減少となる。一方、流動層ガス化炉１でのガス化が抑制されるために燃焼炉５に供給されるチャーの熱量は増加し、よって排ガス８の流量と温度が上昇し、熱回収手段１６によって回収される熱量は増加する。

又、原料供給装置９によって流動層ガス化炉１に供給する炭素系原料４の供給量を減少させた際には、流動層ガス化炉１の温度が上昇して流動層ガス化炉１でのガス化が促進されるためにガス化ガス２０への転換率が向上して発生量は増加する反面、燃焼炉５に供給されるチャーの熱量が減少するために熱回収手段１６で回収される熱量は減少する。

流動層ガス化炉１に供給する炭素系原料４の供給量を増加した際には、流動層ガス化炉１の温度が低下して流動層ガス化炉１でのガス化が抑制されるためにガス化ガス２０への転換率が低下して発生量が減少する反面、燃焼炉５に供給されるチャーの熱量が増加するために熱回収手段１６で回収される熱量は増加する。

このように、循環粒子２の循環量と流動層ガス化炉１に供給する炭素系原料４の供給量の少なくとも１つを制御することによって、熱回収手段１６で回収する熱量と、流動層ガス化炉１から取り出されるガス化ガス２０の発生量との割合を要求に応じて任意に制御することができるようになる。

又、供給管２５に設けた取出手段２７によりチャーと循環粒子の混合物２６の一部を外部に取り出し、分離手段２８に導入してチャー２９と循環粒子２に分離した後、分離したチャー２９を機能性材料製造手段３０に供給することにより活性炭、カーボンブラック等の機能性材料Ｘを製造することができる。

このとき、取出手段２７によって取り出すチャー２９の取り出し量に応じて燃焼炉５で燃焼するチャーの熱量が減少することになるので、熱回収手段１６で回収する熱量が減少する。従って、取出手段２７によるチャー２９の取り出し量を制御することによって熱回収手段１６で回収する熱量を制御することができる。

尚、本発明は上記形態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。

本発明のガス化システムの一例を示す概略構成図である。図１に備えた分離手段の一例を示す概略側面図である。機能性材料製造手段の一例を示す概略側面図である。機能性材料製造手段の他の例を示す概略側面図である。

符号の説明

１流動層ガス化炉
２循環粒子
３ガス化剤
４炭素系原料
５燃焼炉
６燃焼ガス
７分離器
８排ガス
１６熱回収手段
２０ガス化ガス
２２流量制御手段
２３機能性材料製造手段
２４ガス利用系
２７取出手段
３０機能性材料製造手段
Ｘ機能性材料

Claims

高温の循環粒子とガス化剤との存在下で炭素系原料をガス化してガス化ガスを生成する流動層ガス化炉と、流動層ガス化炉でのガス化時に生成したチャーを導入して燃焼することにより循環粒子を加熱する燃焼炉と、燃焼炉からの燃焼ガスを分離器に導いて排ガスと循環粒子とに分離し循環粒子を前記流動層ガス化炉に戻して循環するようにしているガス化システムであって、分離器で分離した排ガスの熱を回収する熱回収手段を設け、流動層ガス化炉に水蒸気、空気、二酸化炭素の少なくとも１つからなるガス化剤を供給し、流動層ガス化炉で生成するガス化ガスの少なくとも一部を用いて機能性材料を製造する機能性材料製造手段を設け、循環粒子の循環量と流動層ガス化炉に供給する炭素系原料の供給量の少なくとも１つを制御することによって、熱回収手段によって回収される熱量と流動層ガス化炉から取り出されるガス化ガスの発生量との割合を制御するようにしたことを特徴とするガス化システム。
流動層ガス化炉からのガス化ガスを、機能性材料製造手段とガス利用系とに振り分けて導く流量制御手段を有する請求項１に記載のガス化システム。
流動層ガス化炉から燃焼炉に供給されるチャーの一部を取り出すチャー取出手段と、チャー取出手段により取り出したチャーを用いて機能性材料を製造する機能性材料製造手段を有する請求項１又は２に記載のガス化システム。