JP2009120432A - 循環流動層改質装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】安価な加熱用燃料を用いて改質原料の改質を完了させられる熱量を発生させ、これにより、炭化水素ガス、重油、石油精製ピッチのような改質原料を経済的に且つ安定して改質きるようする。
【解決手段】所定量の改質原料５０を流動層改質炉２に供給する改質原料供給装置１９と、流動層燃焼炉１に加熱用燃料４０を供給する燃料供給装置５と、流動層改質炉２に供給される改質原料５０が流動層改質炉２内で改質を完了できる熱量を流動層燃焼炉１内の循環粒子に付与するよう流動層燃焼炉１に供給する加熱用燃料５０を調節する制御装置２９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、循環流動層改質装置に関し、特に安価な加熱用燃料を用いて改質原料の改質を完了させられる熱量を発生させ、これにより、炭化水素ガス、重油、石油精製ピッチのような改質原料を経済的に且つ安定して改質し改質ガスの生成量を増大できるようにした循環流動層改質装置に関する。
従来の改質炉は、炉の中に多数の反応管を配設し、且つ炉を均一に加熱するための多数のバーナを炉壁に配置した構成を有しており、このような改質炉には特許文献１等がある。しかし、従来の改質炉は、構造が非常に複雑になるという問題があると共に、均一加熱を行うための複雑な制御が必要であり、更に、バーナには均一燃焼のために通常は高価なガス燃料を用いるようにしていて他の燃料が使えないために運転コストが増加するという問題を有していた。
このため、近年では、特許文献２、３に示すような流動層を用いた改質装置が提案されている。
特許文献２は、固体状原料又は液体状原料を供給して有価ガスまたは有価油分を生成する流動層熱分解ガス化炉と、該流動層熱分解ガス化炉で発生する炭素を含む残渣を含んだ可燃物を燃焼させることにより循環粒子を加熱する流動層燃焼炉とを隣接して備え、流動層燃焼炉で加熱された循環粒子を前記流動層熱分解ガス化炉に移動させて前記原料の加熱を行うようにしている。
又、特許文献３は、炭化水素＋スチームの改質用原料を流動層触媒反応器で触媒流粒子により加熱して改質し、改質ガスを燃料電池の燃料として使用し、前記改質ガスから分離した触媒粒子を熱交換器に導き、燃料電池からの水素分離後のオフガスを熱交換器で燃焼させることにより前記触媒粒子を直接加熱し、この触媒粒子を前記流動層触媒反応器に供給するようにしている。
特開２０００−１８５９０５号公報 特開２００６−６３２９０号公報 特開２００１−３５４４０５号公報
特許文献２、３に示すような改質装置による原料の改質は吸熱反応であるため、改質に必要な熱を供給する必要がある。特許文献２では流動層燃焼炉によって、又、特許文献３では熱交換器によって改質に必要な熱を供給するようにしているが、改質する原料の供給量と改質に必要な熱量とをバランスさせることが困難であるという問題がある。
即ち、特許文献２では、熱分解ガス化炉の原料の残渣を循環粒子と共に隣接する流動層燃焼炉に移動させ、残渣を燃焼することにより加熱した循環粒子を流動層燃焼炉から熱分解ガス化炉へ移動させることにより顕熱を移動させるとしており、更に、仕切壁の両側に設置された散気装置から供給する流動化ガスの量を変化させると、仕切壁の開口部を介して両室間を移動する循環粒子の量が変わるので、この特性を利用して両室を移動する循環粒子の量、すなわち循環粒子の循環量を制御できるとしている。しかし、特許文献２では、熱分解ガス化炉と流動層燃焼炉との間で残渣の移動と循環粒子の移動とを交錯して行う必要があり、残渣と循環粒子を良好に逆方向に移動させることが難しいため、原料の供給量と改質に必要な熱量とを良好にバランスさせることは困難である。更に、特許文献２では、原料の一部が改質のための熱を発生するための燃料とし使用されることになるため、原料から生成できる改質ガスの生成量が実質的に減少してしまう問題がある。
又、特許文献３では、燃料電池からのオフガスを熱交換器で燃焼させて改質に必要な熱を得ているが、オフガスのみでは改質に必要な熱量を賄いきれず熱量が不足することが記載されており、このように、特許文献３においても原料の供給量と改質に必要な熱量とがバランスしない問題がある。この問題のために、特許文献３では、流動層触媒反応器にジャケット構造或いは熱交換器からなる外部加熱装置を備えて外部から加熱することが記載されている。しかし、このような外部加熱装置を備えた場合には構造が複雑になるばかりでなく、外部から加熱するための別個の熱源が必要となり、運転コストが上昇するという問題がある。
このように、上記特許文献２、３に示されるような改質装置では、原料の供給量と改質に必要な熱量とがバランスし難く自由に調節することができないために、原料を安価に、しかも効果的な改質によって改質ガスの生産性を高めるようなことはできなかった。
本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、安価な加熱用燃料を用いて改質原料の改質を完了させられる熱量を発生させ、これにより、炭化水素ガス、重油、石油精製ピッチのような改質原料を経済的に且つ安定して改質し改質ガスの生成量を増大できるようにした循環流動層改質装置を提供しようとするものである。
本発明は、改質原料と共に水蒸気を供給し循環粒子により加熱することにより改質原料を改質して改質ガスを生成する流動層改質炉と、流動層改質炉の循環粒子を導入し加熱用燃料の燃焼により前記循環粒子を加熱する流動層燃焼炉と、流動層燃焼炉から排出される高温流体を導入して燃焼排ガスと循環粒子とに分離し分離した循環粒子を前記流動層改質炉に供給する分離器とを備えた循環流動層改質装置であって、所定量の改質原料を流動層改質炉に供給する改質原料供給装置と、流動層燃焼炉に加熱用燃料を供給する燃料供給装置と、流動層改質炉に供給される改質原料が流動層改質炉内で改質を完了できる熱量を流動層燃焼炉内の循環粒子に付与するよう流動層燃焼炉に供給する加熱用燃料を調節する制御装置と、を備えたことを特徴とする循環流動層改質装置、に係るものである。
又、上記循環流動層改質装置において、前記流動層燃焼炉に供給する流動空気を調節する空気調節手段を備え、空気調節手段により流動層燃焼炉と流動層改質炉との間の循環粒子の循環量を調節することは好ましい。
又、上記循環流動層改質装置において、前記流動層改質炉内の温度を検出する温度検出器を備え、該温度検出器の検出温度が所定温度に維持されるよう流動層燃焼炉に供給する加熱用燃料の供給量を調節することは好ましい。
又、上記循環流動層改質装置において、前記流動層改質炉出口の改質ガスの濃度を検出する濃度検出手段を備え、該濃度検出手段の検出濃度が所定濃度に維持されるよう流動層燃焼炉に供給する加熱用燃料の供給量を調節することは好ましい。
上記循環流動層改質装置において、前記流動層改質炉に供給する改質原料が炭化水素ガス、重油、石油精製ピッチの少なくとも１つであることは好ましい。
又、上記循環流動層改質装置において、前記流動層燃焼炉に供給する加熱用燃料が廃棄物、汚泥、石炭、或いは前記改質原料の少なくとも１つであることは好ましい。
又、上記循環流動層改質装置において、前記循環粒子が改質活性作用を有する触媒であることは好ましい。
本発明の循環流動層改質装置によれば、所定量の改質原料を改質原料供給装置によって流動層改質炉に供給する一方、流動層改質炉に供給される改質原料が流動層改質炉内で改質を完了できる熱量を循環粒子に付与できるように燃料供給装置によって加熱用燃料の供給量を調節して流動層燃焼炉に供給するようにしたので、原料の供給量と改質に必要な熱量とを容易にバランスさせることができ、炭化水素ガス、重油、石油精製ピッチのような改質原料を、安価な或いは余剰の加熱用燃料を用いて経済的に改質でき、且つ改質原料のすべてを安定に改質して改質ガスの生成量を増大でき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、本発明の循環流動層改質装置の一例を示したもので、図中１は、流動層改質炉２からの砂等の循環粒子を下部から導入する流動層燃焼炉であり、流動層燃焼炉１の下部に備えた風箱３には、ファン等の空気供給装置４及び該空気供給装置４に備えた調整ベーン等の空気調節手段４ａにより流動空気Ａが供給されており、流動空気Ａの吹き出しにより流動層燃焼炉１内の循環粒子が高速で流動化され、燃料供給装置５に備えた燃料調節手段５ａにより下部内側に供給されるが加熱用燃料４０が流動燃焼することにより、循環粒子を加熱するようになっている。６は流動層燃焼炉１内上部に設けた熱回収用の熱交換器である。尚、前記循環粒子として改質活性作用を有するニッケル系等の金属触媒等を用いることができる。
流動層燃焼炉１の上部には高温流体を取り出す移送管７が接続されており、該移送管７はサイクロンからなる分離器８に接続されている。分離器８は、外筒９と内筒１０からなっており、移送管７の高温流体は外筒９内に接線方向から導入されて遠心分離され、燃焼排ガス及び粒径の細かい灰分は内筒１０から排出され、粒径の粗い循環粒子１１は、分離器８に接続された降下管１２により下部の流動層改質炉２に供給されるようになっている。
流動層改質炉２は、散気装置１３により区画された下部の風箱１４に水蒸気１５或いは他のガス化剤が供給されており、散気装置１３から水蒸気１５を噴出することにより上部の循環粒子１１を流動させて流動層１６を形成するようになっている。前記散気装置１３の上部には、前記分離器８で分離された循環粒子１１が供給される粒子導入部１７か形成されていると共に、散気装置１３に接近した連通部１７'により前記粒子導入部１７と流動層１６内を通して連通するようにした改質部１８を形成している。
前記流動層改質炉２には改質原料供給装置１９によって所定量の改質原料５０を供給するようにしている。改質原料５０としは、各種のプラントから常時取り出される或いは余剰分として取り出される気体５０ａのガス炭化水素ガス（ＣＨ４）、及び液体５０ｂの重油、石油精製ピッチ等を用いることができる。このように、プラントにおいて不要となった或いは余剰となった炭化水素ガス、重油、石油精製ピッチ等のような炭素含有物を改質原料５０として利用して改質することにより例えば水素（Ｈ２）を主体とする改質ガスを生成することは非常に有益である。
図２は改質原料５０が気体５０ａである炭化水素ガスを流動層改質炉２に供給する場合を示したものであり、気体５０ａの改質原料５０は供給管２０により流動層改質炉２の風箱１４に供給するようにしている。風箱１４に供給された炭化水素ガスは水蒸気１５と効果的に混合され、散気装置１３から上部に吹き出されて流動層１６を形成する。このように、炭化水素ガスを風箱１４に供給することは、水蒸気１５との混合性を高めることができて有効であるが、炭化水素ガスは流動層１６内に直接供給することもできる。
又、図３は改質原料５０が液体５０ｂである重油、石油精製ピッチ等を流動層改質炉２に供給する場合を示したものであり、液体５０ｂの改質原料５０は供給管２１から分岐して前記散気装置１３に貫通配置された原料吹出ノズル２２によって上部の流動層１６に吹き出すようにしている。又、液体５０ｂによる改質原料５０は、図３に仮想線で示すように、原料供給管２１'により散気装置１３上部の流動層１６に直接供給するようにしてもよい。前記改質原料５０は、流動層改質炉２内の全体に供給するようにしてもよく、或いは図１の改質部１８のみに供給するようにしてもよい。
流動層改質炉２では、散気装置１３から吹き出される水蒸気１５と前記分離器８から供給される高温の循環粒子１１とによる流動層１６が形成されるので、前記改質原料供給装置１９によって流動層１６に供給された改質原料５０は、水蒸気１５の存在下で加熱されることにより改質され、例えば水素（Ｈ２）主体の改質ガス２３が生成される。この時、改質部１８内での改質原料５０の改質によって圧力が上昇しても、粒子導入部１７と改質部１８が流動層１６内部の連通部１７'で連通した構成を有しているので、改質部１８内の循環粒子１１が分離器８側へ逆流する問題は生じない。
改質部１８で生成した改質ガス２３は、排出管２４より回収器２５に導かれて改質ガス２３中に同伴した微粉末２６が除去された後、内管２７から導出されて、目的の利用場所へ供給される。
又、改質部１８での改質反応（吸熱反応）により熱が奪われて温度が低下した循環粒子１１は、オーバーフロー管２８により流動層燃焼炉１へ戻されて再び加熱されるようになっている。
流動層燃焼炉１では流動燃焼が行われるため、ガス、液体、固体等の燃料の種類を問わず良好に燃焼させることができるので、前記燃料供給装置５から流動層燃焼炉１に供給する加熱用燃料４０には、廃棄物、汚泥、石炭等のような燃料としての品質は比較的低くしかも安価に入手できるものを用いて安定に燃焼させることができる。又、前記した改質原料５０が余剰にある場合には、前記炭化水素ガス、重油、石油精製ピッチ等も加熱用燃料４０として用いることができる。
前記流動層燃焼炉１に供給する加熱用燃料４０は、廃棄物、汚泥、石炭等或いは炭化水素ガス、重油、石油精製ピッチ等のいずれかを選定して供給しても、或いは複数の種類を同時に供給して燃焼するようにしてもよい。
図中２９は制御装置であり、制御装置は、前記空気調節手段４ａを制御して、流動層燃焼炉１と流動層改質炉２との間の循環粒子１１の循環量が所定量になるように設定している。
又、制御装置２９には、前記改質原料供給装置１９による改質原料５０の供給量を検出する原料供給検出器３０からの検出信号が入力されており、原料供給検出器３０で検出される改質原料供給装置１９によって流動層改質炉２に供給される改質原料５０の供給量に応じて、前記燃料調節手段５ａを調節し、流動層燃焼炉１に供給する加熱用燃料４０の供給量を制御している。これにより、流動層改質炉２に供給される改質原料５０が流動層改質炉２内で改質を完了できる熱量を流動層燃焼炉１内の循環粒子１１に付与するように、流動層燃焼炉１に供給する加熱用燃料４０が調整される。
一方、前記流動層改質炉２内の温度を検出する温度検出器３１を備えており、該温度検出器３１の検出温度は前記制御装置２９に入力されており、制御装置２９は流動層改質炉２内の温度が所定温度に維持されるように燃料供給装置５の燃料調節手段５ａを補正するようにしている。
又、前記温度検出器３１を備えることに代えて、流動層改質炉２出口の改質ガス２３の濃度を濃度計或いは分析によって検出する濃度検出手段３２を備え、該濃度検出手段３２の検出濃度が所定濃度に維持されるように前記燃料供給装置５の燃料調節手段５ａを補正することができる。
以下に図１の形態の作動を説明する。
流動層燃焼炉１の下部には、空気供給装置４からの流動空気Ａが風箱３を介して吹き込まれており、更に、燃料供給装置５の燃料調節手段５ａからは廃棄物、汚泥、石炭等の加熱用燃料４０が供給されており、流動層燃焼炉１内で加熱用燃料４０が流動燃焼することにより循環粒子が加熱される。流動層燃焼炉１の高温流体は移送管７を介して分離器８に導かれて燃焼排ガスと循環粒子１１とに分離され、分離された循環粒子１１は降下管１２を介して流動層改質炉２の粒子導入部１７に供給される。
流動層改質炉２には、風箱１４に水蒸気１５（改質剤）が導入されているため、粒子導入部１７に供給された循環粒子１１は流動化しつつ連通部１７'を通って改質部１８に移動する。従って、改質原料供給装置１９によって炭化水素ガス、重油、石油精製ピッチ等の改質原料５０を流動層改質炉２に供給すると、改質原料５０は流動層１６を形成している循環粒子１１による加熱と水蒸気１５の存在とにより改質されて例えば水素主体の改質ガス２３が生成される。生成した改質ガス２３は回収器２５を介して取り出される。この時、前記循環粒子に改質活性作用を有するニッケル系等の金属触媒等を用いると、改質原料５０の改質反応を更に促進させることができる。
改質部１８における改質反応（吸熱反応）に熱を与えて温度が低下した循環粒子１１は、オーバーフロー管２８により流動層燃焼炉１に戻されて再び加熱される。
上記において、制御装置２９は空気調節手段４ａを制御することにより、流動層燃焼炉１と流動層改質炉２との間の循環粒子１１の循環量を設定している。流動層改質炉２内は改質原料５０が供給されることで温度が低下すると共に、改質反応に吸熱によって更に温度が低下するため、想定される改質原料５０の供給量に対応して流動層改質炉２において良好な改質が維持できる温度が保持されるように、循環粒子１１の循環量を制御している。循環粒子１１の循環量が増加すると改質部１８の温度は上昇し、循環量が減少すると改質部１８の温度は低下する。
前記制御装置２９には、改質原料供給装置１９による改質原料５０の供給量を検出している原料供給検出器３０からの検出信号が入力されており、制御装置２９は改質原料供給装置１９による改質原料５０の供給量に応じて、燃料調節手段５ａにより流動層燃焼炉１に供給する加熱用燃料４０の供給量を調節する。この時、制御装置２９は、改質原料５０が流動層改質炉２内で改質を完了できる熱量が流動層燃焼炉１内の循環粒子１１に付与されるように、加熱用燃料４０の供給量を制御する。
このように、改質原料５０が流動層改質炉２内で改質を完了できるように、流動層燃焼炉１に供給する加熱用燃料４０の供給量が制御されるので、流動層改質炉２に供給された改質原料５０は殆どが改質を完了することになり、よって流動層改質炉２から取り出される例えば水素主体の改質ガス２３の生成量が増大される。この時、流動層改質炉２内において改質し切れなかった残留物は、循環粒子１１と共にオーバーフロー管２８により流動層燃焼炉１に供給されて燃焼する。
又、前記改質原料５０の供給量の変動或いは性状の変化等によって流動層改質炉２内の温度は変化することが考えられる。この場合、前記流動層改質炉２内の温度を検出する温度検出器３１からの検出温度が制御装置２９に入力されており、制御装置２９は温度検出器３１による検出温度が所定温度に維持されるように燃料調節手段５ａを調節して補正するようにしているので、流動層改質炉２内の温度は常に改質に適した温度に安定して維持されるようになり、よって流動層改質炉２により常に安定した性状の改質ガス２３を生成することができる。又、前記温度検出器３１を備えることに代えて、流動層改質炉２出口の改質ガス２３の濃度を検出する濃度検出手段３２を備え、該濃度検出手段３２の検出濃度を制御装置２９に入力することにより、改質ガス２３の濃度が常に所定濃度に維持されるように制御することもできる。
上記したように、本発明では、前記流動層改質炉２に、各種のプラントから常時取り出される或いは余剰となった例えば炭化水素ガス、重油、石油精製ピッチ等の気体又は液体の炭素含有物を改質原料５０として用いるようにしたので、プラントから常時取り出される或いは余剰となった炭素含有物を用いて有用な例えば水素主体の改質ガス２３を生成することができ、しかも前記改質原料５０の殆どを流動層改質炉２で改質するようにしたので、例えば水素主体の改質ガス２３の生成量を大幅に増大させることができる。
一方、流動層燃焼炉１では流動燃焼が行われるため、ガス、液体、固体等を種類を問わずに良好に燃焼することができる。そこで、本発明では、流動層燃焼炉１に供給する加熱用燃料４０として、廃棄物、汚泥、石炭等のように燃料としての品質が比較的低くしかも安価に入手できる燃料を用いたことにより、前記改質原料５０の改質を安価に実施することができる。
なお、本発明の循環流動層改質装置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。
本発明を実施する形態の一例を示すフローシートである。 改質原料が気体の場合に流動層改質炉に供給する例を示す切断側面図である。 改質原料が液体の場合に流動層改質炉に供給する例を示す切断側面図である。
符号の説明
１ 流動層燃焼炉
２ 流動層改質炉
４ａ 空気調節手段
５ 燃料供給装置
８ 分離器
１１ 循環粒子
１５ 水蒸気
１９ 改質原料供給装置
２３ 改質ガス
２９ 制御装置
３０ 原料供給検出器
３１ 温度検出器
３２ 濃度検出手段
４０ 加熱用燃料
５０ 改質原料
Ａ 流動空気

Claims (7)

  1. 改質原料と共に水蒸気を供給し循環粒子により加熱することにより改質原料を改質して改質ガスを生成する流動層改質炉と、流動層改質炉の循環粒子を導入し加熱用燃料の燃焼により前記循環粒子を加熱する流動層燃焼炉と、流動層燃焼炉から排出される高温流体を導入して燃焼排ガスと循環粒子とに分離し分離した循環粒子を前記流動層改質炉に供給する分離器とを備えた循環流動層改質装置であって、所定量の改質原料を流動層改質炉に供給する改質原料供給装置と、流動層燃焼炉に加熱用燃料を供給する燃料供給装置と、流動層改質炉に供給される改質原料が流動層改質炉内で改質を完了できる熱量を流動層燃焼炉内の循環粒子に付与するよう流動層燃焼炉に供給する加熱用燃料を調節する制御装置と、を備えたことを特徴とする循環流動層改質装置。
  2. 前記流動層燃焼炉に供給する流動空気を調節する空気調節手段を備え、空気調節手段により流動層燃焼炉と流動層改質炉との間の循環粒子の循環量を調節する請求項１に記載の循環流動層改質装置。
  3. 前記流動層改質炉内の温度を検出する温度検出器を備え、該温度検出器の検出温度が所定温度に維持されるよう流動層燃焼炉に供給する加熱用燃料の供給量を調節する請求項１又は２に記載の循環流動層改質装置。
  4. 前記流動層改質炉出口の改質ガスの濃度を検出する濃度検出手段を備え、該濃度検出手段の検出濃度が所定濃度に維持されるよう流動層燃焼炉に供給する加熱用燃料の供給量を調節する請求項１〜３のいずれか１つに記載の循環流動層改質装置。
  5. 前記流動層改質炉に供給する改質原料は炭化水素ガス、重油、石油精製ピッチの少なくとも１つである請求項１〜４のいずれか１つに記載の循環流動層改質装置。
  6. 前記流動層燃焼炉に供給する加熱用燃料は廃棄物、汚泥、石炭、或いは前記改質原料の少なくとも１つである請求項１〜５のいずれか１つに記載の循環流動層改質装置。
  7. 前記循環粒子は改質活性作用を有する触媒である請求項１〜６のいずれか１つに記載の循環流動層改質装置。
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