JP2009007478A - ガス化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガス化時に生成するチャーを取り出して該チャーを用いて機能性材料を製造するようにしたガス化システムを提供する。
【解決手段】高温の循環粒子２とガス化剤３との存在下で炭素系原料５をガス化してガス化ガスを生成する流動層ガス化炉１と、該炉１でのガス化時に生成したチャーと循環粒子の混合物６を供給管７により導入してチャーを燃焼する燃焼炉８と、燃焼炉８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２を流動層ガス化炉１に戻して循環するガス化システムであって、流動層ガス化炉１の混合物６を燃焼炉８に導く供給管７に、鉛直下方に混合物６を落下させて横方向から分級ガス３３を供給することにより混合物６をチャー２９と循環粒子２とに分級する分級装置３０を設け、分級した循環粒子２は燃焼炉８に供給し、分級したチャー２９は材料製造装置３８に供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガス化時に生成するチャー（炭素粒子）を取り出して該チャーを用いて機能性材料を製造す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の機能性材料は、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、上記したような機能性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。

石炭から炭素系の機能性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で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うものである。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として化学気相成長法（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、石炭等の炭素系材料をガス化することによって得られるガス化ガスは、前記特許文献１、２に示されるように機能性材料を製造する原料として用いたり、又、アンモニア製造用の原料として用いたり、或いは燃焼用燃料として用いる等、利用範囲が広く有用なものであるが、石炭等の炭素系材料をガス化する際にはチャーと称される炭素粒子が多く生成するので、このチャーを取り出して機能性材料を製造することができれば有効である。

しかし、従来では、単一のガス化炉によってガス化ガスを製造するようにしているために、ガス化炉からチャーを効果的に取り出すことが困難であった。即ち、単一のガス化炉からチャーを取り出そうとすると、ガス化炉に投入したばかりのガス化が進んでいない（揮発分を含んだ）チャーや、ガス化が進みすぎて比表面積が十分でないチャーが混入した状態で取り出されるようになり、このように品質が不安定なチャーでは良好な機能性材料を製造することは困難であり、従って、従来においてはガス化時に生成するチャーを用いて機能性材料を製造するようにした例はない。

本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、ガス化時に生成するチャーを取り出して該チャーを用いて機能性材料を製造す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と循環粒子の混合物を供給管により導入してチャーを燃焼させ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、流動層ガス化炉の前記混合物を燃焼炉に導く供給管に、鉛直下方に混合物を落下させて分級ガスを供給することにより混合物をチャーと循環粒子とに分級する分級装置を設け、分級した循環粒子は燃焼炉に供給し、分級したチャーは材料製造装置に供給して機能性材料を製造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、供給管に分配装置により分岐した分岐管を設け、該分岐管に分級装置を備えるようにしてもよい。

又、上記ガス化システムにおいて、分級装置の上流又は下流にＵ字トラップを備えることは好ましい。

又、上記ガス化システムにおいて、流動層ガス化炉における供給管が接続された位置に対して離間した反対側の位置に炭素系原料の供給装置を備えることは好ましい。

又、上記ガス化システムにおいて、分級ガスはガス化剤であってもよい。

又、上記ガス化システムにおいて、分級ガスは流動層ガス化炉内部の炉内ガスであってもよい。

又、上記ガス化システムにおいて、分級後ガスを燃焼炉に供給するようにしてもよい。

又、上記ガス化システムにおいて、分級後ガスを流動層ガス化炉に供給するようにしてもよい。

又、上記ガス化システムにおいて、分級装置によるチャーの取り出し量に応じて、流動層ガス化炉と燃焼炉の熱バランスが保持されるように循環粒子の循環量を調節する粒子循環量調節手段を備えることは好ましい。

本発明のガス化システムによれば、流動層ガス化炉の混合物を燃焼炉に導く供給管に、鉛直下方に混合物を落下させて分級ガスを供給することにより混合物をチャーと循環粒子とに分級する分級装置を設け、分級した循環粒子は燃焼炉に供給し、分級したチャーは材料製造装置に供給して機能性材料を製造するようにしたので、流動層ガス化炉から燃焼炉に導かれる混合物からチャーのみを効果的に分離することができ、従って分離したチャーを用いて有用な機能性材料を製造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は、高温の循環粒子２とガス化剤３の存在下で流動層４により炭素系原料５のガス化を行う流動層ガス化炉１と、流動層ガス化炉１でのガス化時に生成したチャーと循環粒子の混合物６を供給管７により導入してチャーを燃焼させることにより循環粒子を加熱する燃焼炉８と、燃焼炉８からの燃焼ガス９を分離器１０に導いて前記循環粒子２と排ガス１１とに分離し循環粒子２は前記流動層ガス化炉１に戻して循環させるようにした２塔式のガス化装置の場合を示している。

前記流動層ガス化炉１には、流動層ガス化炉１の下部に水蒸気、空気、二酸化炭素等のガス化剤３を供給するガス化剤供給装置１２が設けてあり、ガス化剤供給装置１２にて供給されるガス化剤３により、流動層ガス化炉１内に流動層４を形成して炭素系原料５のガス化を行うようになっている。流動層ガス化炉１の上部には石炭、石油残渣、ペトロコークス、重質油等の炭素系原料５を供給する供給装置１３が設けてあり、供給装置１３は、例えばスクリューフィーダのように流動層ガス化炉１内の圧力を保持（シール）した状態で炭素系原料５を調節して供給できるようになっている。

流動層ガス化炉１でのガス化によって生成したガス化ガス１４は、必要に応じて除塵装置或いは精製装置等の処理手段１５を経た後、ガス化ガス１４を燃料として利用する燃焼装置１６、ガス化ガス１４をアンモニア製造等の原料として用いる原料利用装置１７及びガス化ガス１４から活性炭、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を製造する材料製造装置１８等に供給するようにしている。ここで、ガス化ガス１４は、燃焼装置１６、原料利用装置１７、材料製造装置１８のいずれかに供給するようにしても、或いは上記装置の２つ以上の装置にガス化ガス１４を分配して供給するようにしてもよい。

前記燃焼炉８には、下部位置に一次空気１９を供給する一次空気供給装置２０と、一次空気供給装置２０より上部位置にて二次空気２１を供給する二次空気供給装置２２とが設けてあり、一次空気１９と二次空気２１の供給割合を調節器２３，２４で調節することにより燃焼炉８内での循環粒子の上昇速度を変化させ、これによって燃焼炉８と流動層ガス化炉１との間を循環粒子２が循環する系内の循環粒子２の循環量を制御し得る粒子循環量調節手段２５を形成している。又、上記系内における循環粒子２の量を外部から追加することにより増加したり、又は系内の循環粒子２を抜き出して減少させることによっても、系内の循環粒子２の循環量を制御することができる。

又、前記分離器１０から排出される排ガス１１は、熱回収装置２６或いは除塵装置２７等を経た後煙突２８に導くようにしている。

本発明では、上記した２塔式ガス化装置の構成を利用することによって系内を循環する循環粒子２からチャー（炭素粒子）のみを効果的に取り出すようにしている。

即ち、図２、図３にその形態の一例を示すように、流動層ガス化炉１の循環粒子とチャーの混合物６を燃焼炉８に導く下り勾配の傾斜管からなる供給管７の途中に、混合物６を循環粒子２とチャー２９とに分級するようにした風力選別方式の分級装置３０を配置している。

この分級装置３０は、装置本体３１の上部に前記流動層ガス化炉１からの混合物６を受け入れる入口３２を有しており、入口３２から導入された混合物６を装置本体３１内の鉛直下方に落下させるようになっている。又、装置本体３１の側部には、前記装置本体３１内を落下する混合物６に対して横方向から分級ガス３３を吹き付けるようにしたガス供給装置３４を備えている。前記分級ガス３３には、前記流動層ガス化炉１に供給しているガス化剤３又はその他の不活性ガス等を用いることができる。

装置本体３１に供給されて混合物６の分級を行った後の分級後ガス３３'は前記燃焼炉８に供給するようにしている。

前記装置本体３１の下部における前記入口３２の略直下位置には粗粒を取り出すようにしたチャー取出口３５が設けてあり、又、チャー取出口３５に対して前記分級ガス３３が移動する方向の下流側（図３では左側）には循環粒子取出口３６が設けてある。図３の例では中流と細粒とを別々に取り出すようにした２つの循環粒子取出口３６ａ，３６ｂを備えた場合を示しているが、１つの循環粒子取出口３６を設けるようにしてもよい。

そして、前記分級装置３０で分級したチャーを含む循環粒子２は図２に示すようにＵ字トラップ３７を介して燃焼炉８へ供給するようにしている。このＵ字トラップ３７は燃焼炉８の圧力が分級装置３０及び流動層ガス化炉１へ逆流するのを防止するためのものであり、このＵ字トラップ３７は、図２に破線３７'で示すように分級装置３０よりも上流の供給管７に設けるようにしてもよい。

又、分級装置３０によって分級されたチャー２９は、材料製造装置３８に供給して活性炭、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を製造するようにしている。材料製造装置３８には、造粒装置、化学気相成長法（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。

更に、図１に示すように、流動層ガス化炉１に炭素系原料５を供給する供給装置１３は、前記供給管７が接続された位置（図１の左側）に対して離間した反対側の位置（図１の右側）に配置するようにしている。

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８から排出される燃焼ガス９は分離器１０により循環粒子２と排ガス１１とに分離され、循環粒子２は流動層ガス化炉１に供給されて循環され、排ガス１１は熱回収装置２６或いは除塵装置２７等を経て煙突２８に導かれる。供給装置１３によって流動層ガス化炉１に供給された石炭等の炭素系原料５は、流動層４において循環粒子２による加熱とガス化剤３の作用を受けてガス化される。この時、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、タール等の炭化水素ＣＨ、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ_２等が混合したガス化ガス１４が生成される。

生成したガス化ガス１４は、処理手段１５によって処理された後、ガス化ガス１４を燃料として利用する燃焼装置１６、ガス化ガス１４をアンモニア製造等の原料として用いる原料利用装置１７及びガス化ガス１４から活性炭、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を製造する材料製造装置１８等に供給されて利用される。

一方、前記流動層ガス化炉１では、前記ガス化時にチャー（炭素粒子）が生成し、このチャーと循環粒子２が混合した混合物６が供給管７を通して燃焼炉８に供給されるので、この供給管７に備えた分級装置３０によりチャー２９を分離して取り出す。この時、流動層ガス化炉１に供給管７が接続された位置に対して離間した反対側の位置に備えた供給装置１３によって炭素系原料５を供給するようにしているので、供給された炭素系原料５は、流動層４によって供給管７に至るまでに揮発分が除去されるので、供給管７に導入されるチャーには揮発分を含んだものが混入されないようにすることができる。

供給管７に導入された混合物６は、図３に示した分級装置３０の装置本体３１の入口３２に供給されて装置本体３１内を落下するが、この時ガス供給装置３４によって落下する混合物６に対して横方向から分級ガス３３が供給されるので混合物６は風選される。

ここで、チャー２９と循環粒子２は重量が大きく異なっており、従って重量の違いから分級装置３０によりチャー２９と循環粒子２とを精度良く分級できることが判明した。即ち、粗粒で重量が重いチャー２９は分級ガス３３の影響を殆ど受けることなく入口３２から直下のチャー取出口３５に落下し、又、細粒で重量が軽い循環粒子２は分級ガス３３の影響を受けて下流側に飛ばされて循環粒子取出口３６に落下する。この時、粒径が大きいチャー２９のみがチャー取出口３５に落下し、チャー２９と循環粒子２が混合した中粒と細粒は循環粒子取出口３６ａ，３６ｂに落下するように装置を構成すると共に、分級ガス３３の流速を調整することによりチャー２９のみを分級装置３０によって取り出すことができる。

又、前記分級ガス３３の供給量（流速）を調節することによりチャー取出口３５に落下するチャー２９の量を調節できるので、分級装置３０から取り出すチャー２９の取出量を任意に制御することができる。分級装置３０で分離されなかったチャーと循環粒子２の混合物６は燃焼炉８に供給されてチャーは燃焼される。又、装置本体３１内で混合物６の分級を行った後の分級後ガス３３'も前記燃焼炉８に供給される。

分級装置３０によって分離されたチャー２９は、材料製造装置３８に供給され、このチャーを用いて活性炭、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の製造が行われる。

上記ガス化システムにおいては、前記分級装置３０によるチャー２９の取り出し量に応じて、流動層ガス化炉１と燃焼炉８の熱バランスが保持されるように粒子循環量調節手段２５によって循環粒子２の循環量を制御することができる。即ち、燃焼炉８に供給する一次空気１９と二次空気２１の供給割合を調節器２３，２４にて調節することにより、燃焼炉８内での循環粒子の上昇速度を変化させ、これによって系内の循環粒子２の循環量を制御することかできる。従って、分級装置３０からのチャー２９の取出量が変化しても、流動層ガス化炉１と燃焼炉８の熱バランスを保持してガス化システムを安定して運転することができる。

図４は、図２の形態の他の例を示したもので、供給管７に分配装置３９により分岐した分岐管４０を設けて、該分岐管４０に前記分級装置３０を備えた場合を示している。

図４の形態では、流動層ガス化炉１から供給管７に導入される混合物６の１部を前記分級装置３０に供給してチャー２９を取り出すようにしているため、チャー２９の取り出し量が比較的少ない場合に有効である。

図５は図２の形態の更に他の例を示したもので、分級装置３０に供給する分級ガスに、流動層ガス化炉１内上部から取り出した炉内ガス４１を用いており、該炉内ガス４１を加圧手段４２で加圧した後分級装置に供給している。又、分級装置３０で混合物６の分級を行った後の分級後ガス４１'は流動層ガス化炉１に戻すようにしている。又、図５の形態においても、図４に示したように供給管７に分配装置３９により分岐した分岐管４０を設けて、該分岐管４０に前記分級装置３０を備えるようにしてもよい。

尚、本発明は上記形態にのみ限定されるものではなく、分級装置には図示例以外の種々の方式のものも採用し得ること、その他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全体を示す概略構成図である。 本発明の形態の一例を示す概略側面図である。 分級装置の概略を示す側面図である。 本発明の形態の他の例を示す概略側面図である。 本発明の形態の更に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 流動層
５ 炭素系原料
６ 混合物
７ 供給管
８ 燃焼炉
９ 燃焼ガス
１０ 分離器
１１ 排ガス
１３ 炭素系原料の供給装置
１４ ガス化ガス
２５ 粒子循環量調節手段
２９ チャー
３０ 分級装置
３３ 分級ガス
３３' 分級後ガス
３７ Ｕ字トラップ
３７' Ｕ字トラップ
３８ 材料製造装置
３９ 分配装置
４０ 分岐管
４１ 炉内ガス
４１' 分級後ガス

Claims (9)

1. 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と循環粒子の混合物を供給管により導入してチャーを燃焼させ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、流動層ガス化炉の前記混合物を燃焼炉に導く供給管に、鉛直下方に混合物を落下させて分級ガスを供給することにより混合物をチャーと循環粒子とに分級する分級装置を設け、分級した循環粒子は燃焼炉に供給し、分級したチャーは材料製造装置に供給して機能性材料を製造するようにしたことを特徴とするガス化システム。
2. 供給管に分配装置により分岐した分岐管を設け、該分岐管に分級装置を備えた請求項１に記載のガス化システム。
3. 分級装置の上流又は下流にＵ字トラップを備えた請求項１又は２に記載のガス化システム。
4. 流動層ガス化炉における供給管が接続された位置に対して離間した反対側の位置に炭素系原料の供給装置を備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載のガス化システム。
5. 分級ガスがガス化剤である請求項１〜４のいずれか１つに記載のガス化システム。
6. 分級ガスが流動層ガス化炉内部の炉内ガスである請求項１〜４のいずれか１つに記載のガス化システム。
7. 分級後ガスを燃焼炉に供給するようにした請求項１〜６のいずれか１つに記載のガス化システム。
8. 分級後ガスを流動層ガス化炉に供給するようにした請求項１〜６のいずれか１つに記載のガス化システム。
9. 分級装置によるチャーの取り出し量に応じて、流動層ガス化炉と燃焼炉の熱バランスが保持されるように循環粒子の循環量を調節する粒子循環量調節手段を備えた請求項１〜８のいずれか１つに記載のガス化システム。

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