JP2009298871A - ガス化方法及びガス化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】化石原料をガス化する際にガス化装置がバナジウムアタックを受ける問題を防止し、同時にガス化性能を高めるようにする。
【解決手段】バナジウムを含む重金属含有の原料５を酸化剤７が供給されたガス化炉１に供給して部分酸化によりガス化ガス８を生成するガス化方法であって、温度調節手段１１によりガス化炉１内部の雰囲気温度を８００℃以下に保持してバナジウムアタックを抑制すると共に、ガス化炉１内部の原料５をプラズマ又はレーザにより局所的に８００℃以上に加熱して原料５のガス化を促進する。
【選択図】図１

Description

本発明は、化石原料をガス化する際にガス化装置がバナジウムアタックを受ける問題を防止し、同時にガス化性能を高めるようにしたガス化方法及びガス化装置に関する。

近年、石油の枯渇の問題から、石油精製時の残渣である石油コークスや現在有効利用されていない資源であるオイルサンド、ビチューメン、瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭といった劣質炭等の化石燃料を原料としてガス化し、水素及び炭化水素等を主体とするガス化ガスを得て有効利用することが提案されている。

この種の化石原料が利用されない理由としては、硫黄や重金属等の不純物が多く取り扱いや処理が困難な点が挙げられる。

石油系原料であるペトロコーク、オイルサンド及び石炭等は、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）等の重金属を多く含んでいることが知られている。

一方、従来から化石原料等をガス化する方法としては、酸素や空気を用いて原料の一部を燃焼させその燃焼熱を利用して原料のガス化を行う部分酸化プロセスがある。従来の部分酸化プロセスによって例えば石油コークスをガス化する場合には８００〜１３００℃の高温でガス化しており、このような高温でガス化を行うと、生成するガス化ガスに含まれるタール分は非常に少なくできるため、ガス化ガスの精製等の操作が容易になる利点がある反面、石油コークスに含有されるバナジウム（Ｖ）によるバナジウムアタックによって鉄系材料の炉材が高温腐食する問題がある。バナジウムアタックは、バナジウム自身の融点は高いが原料中に含まれるバナジウム（Ｖ）、硫黄（Ｓ）、ナトリウム（Ｎａ）等がＶ₂Ｏ₅−Ｎａ₂ＳＯ₄系の低融点灰（油灰）となって炉材表面に付着・堆積し、炉材を著しく酸化させる現象である。バナジウムアタックによる酸化速度は大気中における通常の酸化速度に比べて数倍から数十倍速く、構造物の寿命を著しく低下させる原因となっている。

このような問題から、石油コークスを従来のガス化炉でガス化することは困難であるため、高価な酸化し難い炉材を使用したり、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の添加剤を添加することによって、バナジウム化合物を生成させて、ガス化炉内の重金属の濃度を希釈することが行われている。しかし、装置価格が増大したり、大量の添加剤を必要とし、更に後段の分離装置が大型になる等の問題がある。

従来の部分酸化プロセスにおいて、バナジウムアタックの問題を防止する方法としては、ガス化炉から抜き出した未反応物からバナジウム等の重金属を分離することによって重金属の系内濃度を低下するようにしたものが特許文献１にある。
特開平０８−１４３８７６号公報

しかし、特許文献１に示すように、例えば石油コークス等を８００〜１３００℃の高温でガス化した場合には、高温加熱によってバナジウムが低融点灰と共に炉材に付着・堆積してバナジウムアタックを生じる問題があり、単にガス化炉から未反応物を抜き出してその未反応物からバナジウム等の重金属を分離しても、バナジウムアタックの問題を防止することはできない。

一方、上記バナジウムアタックの問題を避けるためには、８００℃以下の低温でガス化を行うことが考えられるが、このような低温でガス化を行った場合には、原料の転化率を向上させることができず、よって必要なガス化ガスの成分、ガス量が得られないという問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、化石原料をガス化する際にガス化装置がバナジウムアタックを受ける問題を防止し、同時にガス化性能を高めるようにしたガス化方法及びガス化装置を提供しようとするものである。

本発明は、バナジウムを含む重金属含有の原料を酸化剤が供給されたガス化炉に供給して部分酸化によりガス化ガスを生成するガス化方法であって、温度調節手段によりガス化炉内部の雰囲気温度を８００℃以下に保持してバナジウムアタックを抑制すると共に、ガス化炉内部の原料をプラズマ又はレーザにより局所的に８００℃以上に加熱して原料のガス化を促進することを特徴とするガス化方法、に係るものである。

上記ガス化方法において、ガス化炉内底部から取出した固体粒子及び／又はガス化ガスから分離した固体粒子を処理して重金属を回収することは好ましい。

本発明は、バナジウムを含む重金属含有の原料を酸化剤が供給されたガス化炉に供給して部分酸化によりガス化ガスを生成するガス化装置であって、ガス化炉内部の雰囲気温度を設定温度に保持するための温度調節手段と、ガス化炉内部の原料を局所的に加熱するプラズマ発生装置又はレーザ発生装置とを有することを特徴とするガス化装置、に係るものである。

上記ガス化装置において、ガス化炉は、噴流床炉であってもよい。

又、上記ガス化装置において、ガス化炉は、固定床炉であってもよい。

又、上記ガス化装置において、ガス化炉は、流動床炉であってもよい。

又、上記ガス化装置において、流動床炉に、金属担持型触媒からなる流動媒体を用いることは好ましい。

又、上記ガス化装置において、温度調節手段は、前記酸化剤の供給量を調節する流量調節器であってもよい。

又、上記ガス化装置において、温度調節手段は、酸化剤と共に燃焼を抑制する流体を供給する燃焼抑制流体添加装置であってもよい。

又、上記ガス化装置において、燃焼抑制流体添加装置は、窒素供給装置であってもよい。

又、上記ガス化装置において、燃焼抑制流体添加装置は、水供給装置であってもよい。

又、上記ガス化装置において、燃焼抑制流体添加装置は、水蒸気供給装置であってもよい。

又、上記ガス化装置において、燃焼抑制流体添加装置は、酸素製造装置により酸素を分離した酸素分離後の低酸素空気を供給する低酸素空気供給装置であってもよい。

又、上記ガス化装置において、ガス化炉内底部から取り出した固体粒子及び／又はガス化ガスから分離して取り出した固体粒子を導入し、固体粒子から重金属を回収する重金属回収手段を有することは好ましい。

本発明のガス化方法及びガス化装置によれば、ガス化炉内部の雰囲気温度を８００℃以下に保持してバナジウムアタックを抑制した状態において、ガス化炉内部の原料をプラズマ又はレーザにより局所的に８００℃以上に加熱して原料のガス化を促進するようにしたので、バナジウムアタックの抑制と同時に、原料のガス化促進が図れ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を示すブロック図あり、図１は噴流床炉１ａによるガス化炉１を備えた場合を示したもので、ガス化炉１にはホッパー２、スクリューフィーダ３等からなる原料供給装置４によりバナジウム等の重金属を含有する石油コークス、オイルサンド、ビチューメン、及び石炭等の原料５が供給されており、更に、ガス化炉１の下部からは酸化剤供給装置６により酸素、空気等の酸化剤７が供給されている。そして、ガス化炉１内部では原料５の一部が酸化剤７により燃焼してその燃焼熱で原料５のガス化を行う部分酸化が行われてガス化ガス８が生成され、生成したガス化ガス８はガス化炉１から取り出されてサイクロン等の分離装置９により固体粒子１０が分離され、清浄なガス化ガス８となって後流のガス精製設備等に供給されるようになっている。

ガス化炉１には、部分酸化によってガス化炉１内部の雰囲気温度を８００℃以下の例えば７００℃に設定保持するようにした温度調節手段１１を備えている。温度調節手段１１としては、酸化剤供給装置６によって供給する酸素、空気等の酸化剤７の供給量を調節する流量調節器１２とすることができ、ガス化炉１内部の温度を検出する温度計１３の検出温度に基づいて流量調節器１２により酸化剤７の供給量を調節することによって雰囲気温度を制御することができる。図１では弁による流量調節器１２を示しているが、酸化剤供給装置６自体が酸化剤７の供給量を制御するようになっていてもよい。

又、温度調節手段１１は、前記酸化剤７と共に、燃焼を抑制するための燃焼抑制流体１４を供給する燃焼抑制流体添加装置１５を備えていてもよい。燃焼抑制流体添加装置１５は、窒素供給装置１５ａであってもよく、又、水供給装置１５ｂであってもよく、又、水蒸気供給装置１５ｃであってもよく、更に、図示しない酸素製造装置により酸素を分離した酸素分離後の低酸素空気を供給する低酸素空気供給装置１５ｄであってもよい。燃焼抑制流体添加装置１５では、温度計１３の検出温度に基づいて流量調節器１６により燃焼抑制流体１４の供給量を調節することによって雰囲気温度を制御するようになっている。

更に、前記ガス化炉１には、原料供給装置４の先端に設けた投入管１７からガス化炉１内に落下供給される原料５を局所的に加熱する局所加熱手段１８としてのプラズマ発生装置１９を設けている。プラズマ発生装置１９は負極（−）の電極２０ａと正極（＋）の電極２０ｂが対向してガス化炉１の周囲の炉壁を貫通して設けてあり、前記投入管１７から落下する原料５をプラズマによって局所的に加熱するようにしている。前記原料５は、プラズマ発生装置１９のプラズマによって瞬時に例えば１３００℃前後の任意の高温に加熱することができ、この時、加熱部分の周りの狭い範囲の温度も局所的に高められるようになって、原料５は高温により効果的にガス化されるようになっている。プラズマ発生装置１９は、図１に示すように上下に多段の電極２０ａ，２０ｂを配置したり、或いは、多段に配置する電極２０ａ，２０ｂの位置を横方向にずらしたり、或いは電極をガス化炉１の周方向に複数配置する等によって、投入管１７から落下する原料５を更に満遍なく加熱するようにしてもよい。

前記プラズマ発生装置１９によって局所加熱する際の入熱分だけガス化炉１内の温度は上昇することになるが、前記温度調節手段１１によってガス化炉１内の雰囲気温度は常に８００℃以下の例えば７００℃に設定保持されるようにしている。

前記ガス化炉１の底部からは取出管２１により固体粒子２２が取り出されるようになっており、この固体粒子２２と、前記分離装置９によってガス化ガス８から分離した固体粒子１０は、重金属回収手段２３に導いて重金属を回収するようにしている。即ち、前記固体粒子１０，２２は篩等の分離装置２４に導いて未燃チャー２５と灰分２６とに分離し、未燃チャー２５は再び前記原料供給装置４のホッパー２に供給し、灰分２６は溶解炉２７に供給している。溶解炉２７では酸により灰分２６中の重金属を溶解させ、重金属が溶解した溶解液２８と灰２９とに分離し、前記溶解液２８から重金属を回収するようにしている。

図２は、本発明を実施する形態の他の例を示すもので、局所加熱手段１８として図１に示すプラズマ発生装置１９に代えて、レーザ発生装置３０を備えており、レーザ発生装置３０はガス化炉１の周囲の炉壁を貫通するレーザガン３１を有しており、原料供給装置４の先端の投入管１７から落下する原料５を、レーザガン３１から投射されるレーザによって局所的に加熱するようにしている。その他の構成は図１の形態と同様である。図２の形態の場合においても複数のレーザガン３１を配置することによって、投入管１７から落下する原料５を満遍なく加熱するようにしてもよい。

図３は、本発明を実施する形態の更に他の例を示すもので、流動床炉１ｂからなるガス化炉１に適用した場合を示しており、流動床炉１ｂは、酸化剤７の供給によって分散板３２上に流動媒体と原料と未反応チャーによる流動層３３が形成されており、流動層３３を局所的に加熱するための局所加熱手段１８としてのプラズマ発生装置３４を設けている。このプラズマ発生装置３４は、電場の安定のために負極（−）の電極３５ａは流動層３３より上部に配置し、正極（＋）の電極３５ｂは流動層３３内の下部に対応して配置している。そして、プラズマ発生装置３４により流動層３３内部の原料・未反応チャーを局所的に高温に加熱することにより、ガス化を促進するようにしている。図中Ａは局所加熱部である。上記流動床炉１ｂの流動媒体に、例えばニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）等が担持された担持型触媒を用いると、低い温度でのガス化性能を向上させることができる。

又、図３示に示す流動床炉１ｂによるガス化炉１において、流動層３３の上部から下方へ向けて図２に示すようなレーザ発生装置３０を設けて、レーザによって流動層３３を局所的に加熱するようにしてもよい。

更に、図３の形態において、前記図１、図２に示したように投入管１７から落下する原料５を局所加熱するプラズマ発生装置１９又は、レーザ発生装置３０を合わせて備えるようにしてもよい。

又、上記形態では、噴流床炉１ａ及び流動床炉１ｂの場合について例示したが、固定床炉の場合にも同様に適用することができる。

次に、上記図示例の作動を説明する。

図１、図２における噴流床炉１ａによるガス化炉１では、原料供給装置４によってバナジウム等の重金属を含有する石油コークス、オイルサンド、ビチューメン、及び石炭等の原料５をガス化炉１に供給し、ガス化炉１の下部からは酸化剤供給装置６により酸素、空気等の酸化剤７を供給することにより、ガス化炉１内部で原料５の一部が酸化剤７により燃焼してその燃焼熱で原料５のガス化を行う部分酸化が行われてガス化ガス８が生成される。生成したガス化ガス８はガス化炉１から取り出されてサイクロン等の分離装置９により固体粒子１０が分離され、清浄なガス化ガス８となって後流のガス精製設備等に供給される。

この時、局所加熱手段１８である図１のプラズマ発生装置１９、又は図２のレーザ発生装置３０を作動させて原料供給装置４の先端の投入管１７からガス化炉１内に落下供給される原料５をプラズマ又はレーザにより局所的に例えば１３００℃前後の温度に加熱する。これにより原料５はプラズマ発生装置１９又はレーザ発生装置３０によって高温に加熱されるため、原料５のガス化が大幅に促進されるようになる。

この時、ガス化炉１内部の雰囲気温度が８００℃以下の例えば７００℃に保持されるように、温度調節手段１１を構成する流量調節器１２を調節して、酸化剤供給装置６からガス化炉に供給される酸素、空気等の酸化剤７の供給量を調節する。前記温度調節手段１１として燃焼を抑制するための燃焼抑制流体１４を供給する燃焼抑制流体添加装置１５を備えている場合には、窒素供給装置１５ａによる窒素、水供給装置１５ｂによる水、水蒸気供給装置１５ｃによる水蒸気、酸素製造装置により酸素を分離した酸素分離後の低酸素空気を供給する低酸素空気供給装置１５ｄによる低酸素空気を供給することによっても雰囲気温度を制御することができる。

上記したように、温度調節手段１１によってガス化炉１内部の雰囲気温度を８００℃以下に保持しているので、ガス化炉１内で低融点灰が生成されるのを防止することができる。

ここで、プラズマ発生装置１９又はレーザ発生装置３０によってガス化炉１内を局所的に１３００℃前後の高温に加熱しているために、原料５中のバナジウム等の重金属が低融点灰と共に浮游することが考えられるが、ガス化炉１内部の雰囲気温度は前記したように温度調節手段１１によって常に例えば７００℃に保持されていて、低融点灰は周囲の低い温度で直ちに冷却されて固化するため、バナジウムが低融点灰と共に炉材に付着・堆積してバナジウムアタックを生じる問題は防止することができる。

前記ガス化炉１の底部から取出管２１により取り出された固体粒子２２と、前記分離装置９によってガス化ガス８から分離した固体粒子１０は、重金属回収手段２３の分離装置２４に導かれて未燃チャー２５と灰分２６とに分離され、未燃チャー２５は再び前記原料供給装置４のホッパー２に供給されてガス化される。分離装置２４で分離された灰分２６は溶解炉２７に供給され、酸によって灰分２６中の重金属が溶解されることにより灰２９と分離され、前記溶解液２８からはバナジウム、ニッケル等の高価な重金属が回収される。

図３の形態においては、プラズマ発生装置３４によって流動層３３内部の原料・未反応チャーが局所的に高温に加熱され、これによってガス化が促進されるようになり、その他の作用は前記図１、２の場合と同様である。

上記したように、ガス化炉１内部の雰囲気温度を８００℃以下に保持してバナジウムアタックを抑制した状態において、ガス化炉１内部の原料５をプラズマ又はレーザにより局所的に８００℃以上に加熱して原料５のガス化を促進するようにしたので、バナジウムアタックの抑制と、原料５のガス化促進とを同時に達成することができる。

なお、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。

本発明を実施する形態の一例を示すブロック図である。 本発明を実施する形態の他の例を示すブロック図である。 本発明を実施する形態の更に他の例を示すブロック図ある。

符号の説明

１ ガス化炉
１ａ 噴流床炉
１ｂ 流動床炉
４ 原料供給装置
５ 原料
６ 酸化剤供給装置
７ 酸化剤
８ ガス化ガス
９ 分離装置
１０ 固体粒子
１１ 温度調節手段
１２ 流量調節器
１４ 燃焼抑制流体
１５ 燃焼抑制流体添加装置
１５ａ 窒素供給装置
１５ｂ 水供給装置
１５ｃ 水蒸気供給装置
１５ｄ 低酸素空気供給装置
１８ 局所加熱手段
１９ プラズマ発生装置
２１ 取出管
２２ 固体粒子
２３ 重金属回収手段
３０ レーザ発生装置
３４ プラズマ発生装置

Claims (14)

1. バナジウムを含む重金属含有の原料を酸化剤が供給されたガス化炉に供給して部分酸化によりガス化ガスを生成するガス化方法であって、温度調節手段によりガス化炉内部の雰囲気温度を８００℃以下に保持してバナジウムアタックを抑制すると共に、ガス化炉内部の原料をプラズマ又はレーザにより局所的に８００℃以上に加熱して原料のガス化を促進することを特徴とするガス化方法。
2. ガス化炉内底部から取出した固体粒子及び／又はガス化ガスから分離した固体粒子を処理して重金属を回収する請求項１に記載のガス化方法。
3. バナジウムを含む重金属含有の原料を酸化剤が供給されたガス化炉に供給して部分酸化によりガス化ガスを生成するガス化装置であって、ガス化炉内部の雰囲気温度を設定温度に保持するための温度調節手段と、ガス化炉内部の原料を局所的に加熱するプラズマ発生装置又はレーザ発生装置とを有することを特徴とするガス化装置。
4. ガス化炉は、噴流床炉である請求項３に記載のガス化装置。
5. ガス化炉は、固定床炉である請求項３に記載のガス化装置。
6. ガス化炉は、流動床炉である請求項３に記載のガス化装置。
7. 流動床炉に、金属担持型触媒からなる流動媒体を用いる請求項６に記載のガス化装置。
8. 温度調節手段は、前記酸化剤の供給量を調節する流量調節器である請求項３に記載のガス化装置。
9. 温度調節手段は、酸化剤と共に燃焼を抑制する流体を供給する燃焼抑制流体添加装置である請求項３又は８に記載のガス化装置。
10. 燃焼抑制流体添加装置は、窒素供給装置である請求項９に記載のガス化装置。
11. 燃焼抑制流体添加装置は、水供給装置である請求項９に記載のガス化装置。
12. 燃焼抑制流体添加装置は、水蒸気供給装置である請求項９に記載のガス化装置。
13. 燃焼抑制流体添加装置は、酸素製造装置により酸素を分離した酸素分離後の低酸素空気を供給する低酸素空気供給装置である請求項９に記載のガス化装置。
14. ガス化炉内底部から取り出した固体粒子及び／又はガス化ガスから分離して取り出した固体粒子を導入し、固体粒子から重金属を回収する重金属回収手段を有する請求項３に記載のガス化装置。

Images