JP2010521545A - 内部多管壁及び複数バーナーを有するガス化反応容器 - Google Patents

Abstract

ガス化反応容器の上半分に燃焼室（６）を備え、前記燃焼室（６）の下端部に生成物ガス出口（７）を有し、酸化剤ガスと炭素質供給原料の供給導管を少なくとも備えたバーナー（２）が、使用中に前記燃焼室（６）中に火を発射するように配置されたガス化反応容器（１）であって、前記燃焼室（６）の壁と容器（１）の壁との間に環状空間（９）が設けられ、前記燃焼室（６）の壁（８）が相互連結された管（垂直配置又は螺旋コイル状）の配列から構成され、同じ水平高さにて互いに直径方向に配置された２個のバーナー（２）の開口部が前記燃焼室の壁に設けられ、前記バーナー開口部にバーナー（２）が設けられた前記ガス化反応容器。
【選択図】図１

Description

本発明は改良されたガス化反応容器に関するものであり、容器の上半分に燃焼室を備え、燃焼室の下端部に生成物ガスの出口を備え、使用中に燃焼室中に火を発射するようにバーナーが配置されたガス化反応容器に関するものである。

噴流層ガス化の分野では、２種類のガス化反応器、すなわち例えばＵＳ−Ａ−４２０２６７２、ＵＳ−Ｂ−６３１２４８２及びＤＥ−Ａ−２４２５９６２に記載された種類と、例えばＵＳ−Ａ−５９６８２１２及びＵＳ−Ａ−２００１／００２０３４６に記載された種類とが開発されてきた。両方の種類の反応器とも燃焼室を有して、その中に水素と一酸化炭素とを含んだ生成物ガスをバーナーが放出する。第１の種類のガス化反応器は、使用中の燃焼室の上端部に生成物ガス出口を有し、その反対の燃焼室の下端部にてスラグ排出用の開口部を有する。第２の種類の反応器は、使用中の燃焼室の下端部にて生成物ガスとスラグの両方のための合同出口を有する。本発明は第２の種類の改善されたガス化反応器に関するものである。

ＵＳ−Ａ−５９６８２１２には、下方に向けられたバーナーを反応器の上端部に備えたガス化反応器が記載されている。この反応器は燃焼室も備える。燃焼室の壁は耐火物質グレードのライニングから作られている。燃焼室の下端部にある開口部から出て行く生成物ガスは、反応器の下部に入り、その部分に廃熱ボイラが設けられている。

ＵＳ−Ａ−２００１／００２０３４６には、下方に向けられたバーナーを反応器の上端部に備えたガス化反応器が開示されている。この反応器もまた燃焼室を備える。燃焼室の壁は、平行に配置された垂直な管の配列からなり、反応器壁の内側に配置されている。この公報によると、灰を含有した供給原料がガス化反応器の供給原料として用いられる場合には、スラグの保護層が燃焼室の壁の上に形成される。このスラグの固形化層が燃焼室と当該管との間の断熱を担う。この公報によると、低灰供給原料が用いられる場合には、このようなスラグ層は形成されない。ＵＳ−Ａ−２００１／００２０３４６によると、このような状況ではレンガ積み式の耐火物質からなるライニングが用いられる。

上記のガス化反応器に低灰供給原料を供給する場合にレンガ積み式の耐火物質を用いなければならないことの欠点は、レンガ積み式の耐火物質の寿命が短いことである。この種の耐火物質層の動作温度の範囲は非常に限定的であると思われる。異常な状況で起こり得る一時的に高いガス温度によって、耐火物質が損傷され溶かされる。このことは、供給原料中の灰含有量が非常に少ない場合でさえ起こり得る。

本発明の目的は、灰含有量が非常に少ない場合でさえ長期間にわたってどんな供給原料でも動作できるガス化反応器を提供することである。

本発明の概要
この目的は以下のガス化反応器によって達せられる。ガス化反応容器の上半分に燃焼室を備え、使用中は前記燃焼室の下端部に生成物ガス出口を有し、酸化剤ガスと炭素質供給原料の供給導管を少なくとも備えたバーナーが、使用中に前記燃焼室中に火を発射するように配置されたガス化反応容器であって、
前記燃焼室の壁と容器壁との間に環状空間が設けられ、
前記燃焼室の壁が相互連結された管の配列から構成され、
同じ水平高さにて互いに直径方向に配置された２個のバーナー開口部が前記燃焼室の壁に設けられ、前記バーナー開口部にバーナーが設けられた前記ガス化反応容器。

出願人は、燃焼室の壁を通してバーナーを方向付けることにより螺旋状に形成されたガス流によってスラグが燃焼室の壁に押し付けられることが分かった。よって、このような反応器では、スラグからなる断熱層を依然として形成できる一方、低灰供給原料で動作可能である。このことにより、レンガ積み式の耐火物質の使用を避けることができる。よって、このような反応器は長期間稼働できる。この反応器の別の利点は、ただ１個のバーナーしか有さない従来の反応器よりも能力を高くできることである。更なる別の利点は、反応器とその好ましい態様が詳細に説明する際に明確になるであろう。

本発明の反応器の概略図であり、図２の反応器のＢＢ’断面図である。 本発明の反応器の概略図であり、図２の反応器のＢＢ’断面図である。 図１の反応器のＡＡ’断面図である。 バーナーマッフルの詳細図である。

図面の詳細な説明
以下の図を用いて本発明を説明する。
図１は容器（１）の上半分に燃焼室（６）を備えた容器（１）を示す。容器（１）は、燃焼室（６）の下端部に生成物ガス出口（７）を備え、また直径方向に配置された２対のバーナー（２）を備える。使用に際して容器（１）は垂直に配置される。上方、下方、上部、下部、垂直、水平なる用語は、図示された容器（１）の配置方向に関係している。よって、図１に示された燃焼室（６）は使用中はその下端部にただ１つのガス出口（７）を有する。燃焼室の壁（８）の内側にあるスラグの固定層を除いて、すべての生成物ガス及び形成されたすべてのスラグが、この出口（７）を通ってこの燃焼室から排出される。各バーナー（２）は、酸化剤ガス（３）と炭素質供給原料（４）との供給導管を備える。随意に、スラグの融点を下げてスラグ層の厚さを小さくするために、モデレーターガスやいわゆるフラックス剤をバーナー（２）に供給してもよい。図１には、４個のバーナー（２）を備えた反応容器（１）が示されている。好ましくは４個又は６個のバーナー開口部が燃焼室（６）の壁の同じ水平レベルに存在し、これらの開口部が燃焼室の管状壁の円周に沿って均等に配置される。このようにして、直径方向に配置された複数のバーナー対が得られる。別法として、バーナー（２）の対を異なる水平面に配置してもよい。別の高さにある一対のバーナーに対して複数のバーナー対を互い違いの構成に配置してもよい。このような態様では、８個以下のバーナー（２）を２つ以上の異なる水平面内に配置してもよい。

使用中、バーナー（２）は燃焼室（６）の壁（８）に設けられたバーナー開口部（５）から燃焼室（６）中に火を発射する。直径方向に配置された各対のバーナー（２）についてのバーナー開口部（５）は、同じ水平レベルに配置され、互いに直径方向に配置される。壁（８）におけるバーナー開口部（５）は、図３に更に詳細に示されているように構成するのが好ましい。固体の炭素質供給原料に適したバーナー（２）の例が、ＵＳ−Ａ−４８８７９６２、ＵＳ−Ａ−４５２３５２９及びＵＳ−Ａ−４５１０８７４に記載されている。液体の供給原料に対して考え得るバーナーは、そのような供給原料に対して周知のマルチ環状バーナーである。

図１はまた、燃焼室（６）の壁（８）と容器（１）の壁との間に環状空間（９）が設けられていることを示す。燃焼室（６）の壁（８）は、相互に連結された管（１０）の配列により構成される。壁（８）の管状部分は、図１に示されているように垂直に配置された管（１０）により構成してもよく、あるいは螺旋コイル管により構成してもよい。好ましくは壁（８）の管状部分では管が垂直に配置される。管（１０）を流れる冷媒は、蒸発により壁を冷却する水、又は管（１０）内で蒸発しない過冷却水とし得る。

平行に配置され相互に連結された管（１０）の配列によって構成された燃焼室（６）の壁（８）は、結果として実質的に気密性の壁となる。このような壁をメンブレン壁ともいう。管（１０）は下部に配置された共通分配器（１２）から上部に配置された共通ヘッダー（１１）まで延びる。分配器（１２）は冷却水供給導管（１４）を備える。ヘッダー（１１）は蒸気排出導管（１３）を備える。蒸気排出導管（１３）と冷却水供給導管（１４）は蒸気ドラム（２９）に流体連結される。蒸気ドラム（２９）は、新しい水の供給導管（３２）と生成された蒸気の出口導管（３０）とを備える。図１に示されるように、蒸気ドラム（２９）は共通ヘッダー（１１）より高い位置に配置される。蒸気ドラム（２９）から分配器（１２）への水の流れを強めるために好ましい水ポンプ（３１）が図示されている。

出願人は、（３２）を介して新しい冷却水が蒸気ドラム（２９）に加えられない場合でさえ、図１に示されるように管（１０）内で蒸発する蒸気により壁（８）を冷却することにより、冷却能力を維持する反応器が得られることを見いだした。蒸気ドラム（２９）は共通ヘッダー（１１）より高い位置に配置されているので、蒸気ドラム（２９）内に存在する水は重力によってガス化反応器の共通分配器（１２）に流れる。更なる利点は、ガス化反応器を用いるプロセスにおいて他の用途に有利に使用できる蒸気が生成されることである。このような用途として、下流での任意のシフト反応のためのプロセス蒸気や、任意の液体炭素質供給原料のための熱媒体や、外部過熱後のバーナー中のモデレーターガスが挙げられる。この反応器を利用することにより、更にエネルギー効率の良いプロセスが得られる。灰含有量が少ない考え得る液体供給原料は、例えばタールサンド源の液体残留留分である。別の例として、フラッシュ熱分解油や、フラッシュ熱分解油とバイオマス源から得られるフラッシュ熱分解木炭とのスラリーが挙げられる。考え得るバイオマス源として、木材や、農業で得られる残留留分（例えば麦わら材及び草材）が挙げられる。例としてパーム油産業、とうもろこし産業、バイオディーゼル産業において生成される流れが挙げられる。考え得る固体供給原料は低灰石炭及びバイオマスである。好ましいバイオマス由来の固体供給原料は、上記のバイオマス源の焙焼によって前処理される。石炭粒子に似た固体供給原料が得られ、公知の石炭供給方法を上記の反応器に利用できるので、焙焼が有利である。本発明の反応器はまた、例えば水中急冷と組み合わせると反応器の能力が高いので、すべての灰分含有供給原料（例えばあらゆる種類の石炭）に対して有利となり得る。

融解スラグによる作用から管（１０）を保護するために、耐火物質で管（１０）をコーティングするのが好ましい。

燃焼室（６）の生成物ガス出口（７）は、容器（１）の上部とガス化反応器の下部（２３）を流体連結する。燃焼室（６）自体よりも小さい直径を有する生成物ガス出口（７）までスラグの層が流れることができるように、燃焼室（６）の下部を傾斜させるのが好ましい。図１には、燃焼室（６）の傾斜部が相互に連結された管（２４）の配列により構成され、使用中はそれらを通って管（１０）内のように冷媒が流れることが示されている。下部（２３）には生成物ガスの出口（２６）が設けられる。好ましくは、この下部（２３）には、高温の生成物ガスが燃焼室（６）から出る際に該生成物ガスを冷却する手段が設けられる。この冷却手段は、上記ＵＳ−Ａ−５９６８２１２に示されたように廃熱ボイラにおける間接冷却により行ってもよい。別法として、ＤＥ−Ａ−１９９５２７５４に記載されているように高温の生成物ガスに冷媒を注入することにより冷却を行ってもよい。より好ましくは、水中急冷ゾーン（１９）における水槽（２０）内での急冷によって冷却を行う。上記水槽（２０）内での急冷を可能にするために、燃焼室（６）の出口開口部（７）をディップ管（１６）に流体連結するのが好ましい。ディップ管（１６）は、反応器（１）の下端部に設けられた水槽（２０）中に部分的に沈められる。好ましくは、ディップ管（１６）の上端部には、使用中に下方に流れる高温の生成物ガス、すなわち水素と一酸化炭素との混合物に急冷媒体を加える注入手段（１８）が設けられる。好ましくは、ディップ管（１６）は燃焼室（６）に対して垂直に整列され、管状に形成される。

高温の生成物ガスが出口（１７）にて上向き（矢印参照）に方向を変えて容器（１）の壁とディップ管（１６）との間に形成される環状空間（２１）を通って上方に流れる際の、高温の生成物ガスの通路中に水中急冷ゾーン（１９）が存在する。環状空間（２１）において、高温の生成物ガスが急冷動作モードにて水と直接接触する。環状空間（２１）には、水面（２５）が存在する。この水面（２５）より上に、１個以上の生成物ガス出口（２６）が反応容器（１）の壁に配置され、急冷された生成物ガスを排出する。適宜、空間（２１）と環状空間（９）との間に分離壁（２７）を設けてもよい。生成物ガスの大部分は水素と一酸化炭素とから構成される。このようなガスを合成ガスともいう。

ガス化反応器（１）の下端部に、スラグ排出開口部（２８）が適当に設けられる。この排出開口部（２８）を通して、周知のスラグ排出手段（例えばＵＳ−Ａ−４８５２９９７及びＵＳ−Ａ−６７５５９８０２に記載されたスルースシステム）によって水の一部と共にスラグが容器から排出される。

本発明のガス化反応器は、好ましくは高温の生成物ガスが出口（７）から排出される際に１０００〜１８００℃、より好ましくは１３００〜１８００℃の温度を有するように動作させる。燃焼室の圧力、すなわち生成物ガスの圧力は、好ましくは０．３〜１２ＭＰａ、より好ましくは２〜８ＭＰａである。温度条件は、スラグが層を作るように選択される。スラグの層は、反応器内において下部に位置するスラグ出口装置に流れる。

注入手段（１８）により与えられる急冷媒体は好ましくは水、合成ガス若しくは蒸気又はそれらの組み合わせである。この水は新しい水としてもよい。随意に、この水は下流の任意の水シフト装置のプロセス凝縮液としてもよい。好ましい態様では、固体含有水を部分的又は完全に新しい水に代えてもよい。好ましくはこの固体含有水は水中急冷ゾーン（１９）において得られる。別法として固体含有水は、下流の任意の水洗浄装置（図示せず）のブリード流としてもよい。ここに記載のような固体含有水を用いる利点は、水処理工程を省略又は少なくとも限定できることである。

急冷ゾーン（１９）において生成物ガスを接触させた後に出口（２６）にて反応器（１）から排出する際の生成物ガスの温度は好ましくは１３０〜３３０℃である。

図１ａは、ドラフトチューブ（１６ａ）が加えられた図１の反応器を示す。ドラフトチューブ（１６ａ）はディップ管（１６）を包囲し、好ましくは、使用中は水中急冷ゾーン（１９）内にて下方向にディップ管（１６）の下端部より下のレベルまで延びる。高温の生成物ガスは、出口（１７）にて上向き（矢印参照）に方向を変え、ドラフトチューブ（１６ａ）とディップ管（１６）との間に形成される環状空間（２１ａ）を通って上向きに流れる。ドラフトチューブ（１６ａ）を設けることにより、水の循環をより良く限定でき、水は環状空間（２１ａ）を通って上向きに流れ、容器壁とドラフトチューブ（１６ａ）との間に存在する環状空間（２１ｂ）を通って下向きに流れる。このことは、高温のガスとディップ管（１６）の壁の両方を冷却するのに有利である。このようなドラフトチューブは例えばＵＳ−Ａ−４６０５４２３に記載されている。

図２は図１の反応器についてのＡＡ’断面図である。図２において図１と対応する参照番号は図１と同じ意味を有する。明確にするため、管（２４）の一部のみが示されている。好ましくは、バーナー開口部（５）と容器の軸（１５）とをつなぐ水平線（２２）に対するバーナーの発射角度（α）は、１°〜８°である。バーナーの発射線（２２’）の方向は、バーナー自体の縦軸である。このようないわゆる接線発射により、生成物ガスの螺旋運動の流れを更に強くし、それにより壁にスラグを更に強く押し付けることが分かった。

図２はまた、壁（８）に設けられた始動バーナー（３４）のための好ましい開口部（３３）を示す。

図３は壁（８）内の好ましいバーナー開口部（５）であるいわゆるバーナーマッフル（１１４）を示す。図３において図１と対応する参照番号は図１と同じ意味を有する。出願人は、図３に示されるようにバーナーマッフル（１１４）の表面を適切に冷却することにより、寿命が長く、様々なガス化条件にて動作できる頑強な構成が得られることが分かった。バーナーマッフル（１１４）は、垂直に方向付けられ相互に連結された複数の同心リング（１１５）からなる。好ましくは少なくとも１個又は１より多くのリング（１１５）が、より好ましくはすべてのリング（１１５）が、管路（１２０）を通る冷媒用の個々の入口と、管路（１２２）を通る使用済み冷媒用の個々の出口とを有する導管である。導管の壁の厚さは、熱伝達を良くしかつ壁の温度を制限するために、できるだけ薄くするのが好ましい。壁の最小厚さは、局所的に要求される機械的な強度によって決められる。当業者ならばこのような導管の正確な大きさを容易に決めることができる。導管の直径は好ましくは０．０２〜０．０８ｍである。好ましくは、これらのリングは、Ｃｒ含有量が５重量％以下の低合金鋼、又はＣｒ含有量が１５重量％を超える高合金鋼から作られる。

管路（１２０）及び管路（１２２）は、それぞれ冷媒（一般に水）分配器（１１９）及び（一般に水／蒸気混合物）共通ヘッダー（１２１）に流体連結される。管路（１２０）を通して供給される冷却水は、壁（８）の管（１０）に供給される冷却水と同じ供給源から得てもよい。異なる供給源から得てもよく、より低い水温及び／又は異なる圧力を有してもよい。リングは好ましくは溶接して付けられる。

リング（１１５）の直径はその隣接リング（１１５）に対して次第に増大していき、その結果、バーナーマッフル（１１４）は一方の端部にてバーナーヘッド（１１７）のためのマッフル開口部（１１６）を有し、そのもう一方の（火炎放出）端部（１２３）にてより大きな開口部（１１８）を有する。開口部（１１８）は図１及び２の開口部（５）と同じである。マッフル開口部（１１６）は、上記のより大きな開口部（１１８）から水平方向に離れて配置される。このことにより、連結されたリングが円錐形の形状を有する。

好ましくは、バーナーヘッド（１１７）用のマッフル開口部（１１６）にて内側に配置されたリング（１２９）と当該内側のリング（１２９）に隣接した次のリング（１２９ａ）との間に引かれた直線（１２５ａ）と水平線（１２６）とが作る角度α１は、１５〜６０°である。好ましくは、バーナーヘッド（１１７）用のマッフル開口部（１１６）にて内側に配置されたリング（１２９）と開口部（１１８）の火炎放出端部（１２３）にて外側配置されたリング（１３０）との間に引かれた直線（１２５）と水平線（１２６）とが作る角度α２は、２０〜７０°である。直線（１２５）は図３に図示されているようにリング（１２９）の中心からリング（１３０）の中心に引かれている。好ましくはαｌはα２より大きい。外側に配置されたリング（１３０）はバーナーヘッド（１１７）用のマッフル開口部（１１６）を形成するリングである。

好ましくはリング（１１５）の個数は６〜１０である。リング（１１５）は図示されているように直線（１２５）に沿ってＳ字状カーブを形成してもよい。好ましくはバーナー（１１３）のシャフトとバーナースリーブ（１３６）との間にシーリング（１２８）を設ける。シーリング（１２８）は、図示されているようにバーナーヘッド（１１７）まで延ばしてもよい。このようなシーリング（１２８）により、反応ゾーン内に存在するガス並びにフライアッシュ及び／又はスラグが容器（１）の壁と壁（８）との間の空間内に存在するバーナースリーブ（１３６）に入ることが避けられる。このようなガスの流れを防ぐことにより、局所的な熱流束が更に低減される。好ましくはシーリング（１２８）は局所的な熱膨張を吸収できる柔軟なシーリングである。適するシーリング材料の例は、繊維織り及び／又はニット・ワイヤー・メッシュ型のシーリングである。

また、図３は壁（８）と管（１０）の一部を示す。壁（８）は相互連結された複数の垂直な管（１０）から構成される。管（１０）には、概略的に示された供給及び排出管路（１３１）が設けられる。管（１０）は耐火物質（１２４）でコーティングされている。使用中、耐火物質（１２４）はスラグ（１３２）の層により覆われる。

図３はまた、バーナーマッフル（１１４）の周りに設けられた耐火物質の塊（１２７）を示し、これにより、スラグがマッフル（１１４）の裏側に入ってバーナーヘッド（１１７）に近づくことが防がれる。

図３のバーナーマッフル（１１４）はまた、燃焼室（６）内に突出するように構成してもよい。出願人は、スラグ（１３２）がバーナーマッフル（１１４）に入るのを防ぐためには、このような突出が役立ち得ると分かった。好ましくはバーナーマッフル（１１４）の少なくとも１つのリング（１１５）が燃焼室（６）に突出する。

ＵＳ−Ａ−４２０２６７２ ＵＳ−Ｂ−６３１２４８２ ＤＥ−Ａ−２４２５９６２ ＵＳ−Ａ−５９６８２１２ ＵＳ−Ａ−２００１／００２０３４６

１…容器
２…バーナー
３…酸化剤ガス
４…炭素質供給原料
５…バーナー開口部
６…燃焼室
７…生成物ガス出口
８…壁
９…環状空間
１０…管
１１…共通ヘッダー
１２…分配器
１３…蒸気排出導管
１４…冷却水供給導管
１６…ディップ管
１７…出口
１８…注入手段
１９…水中急冷ゾーン
２０…水槽
２１…環状空間

Claims (12)

1. ガス化反応容器の上半分に燃焼室を備え、使用中は前記燃焼室の下端部に生成物ガス出口を有し、酸化剤ガスと炭素質供給原料の供給導管を少なくとも備えたバーナーが、使用中に前記燃焼室中に火を発射するように配置されたガス化反応容器であって、
   前記燃焼室の壁と容器壁との間に環状空間が設けられ、
   前記燃焼室の壁が相互連結された管の配列から構成され、
   同じ水平高さにて互いに直径方向に配置された２個のバーナー開口部が前記燃焼室の壁に設けられ、前記バーナー開口部にバーナーが設けられた前記ガス化反応容器。
2. ４個又は６個のバーナー開口部が同じ水平高さにて前記燃焼室の壁に設けられ、前記開口部が前記燃焼室の管状壁の円周に沿って均等に配置される請求項１に記載の反応器。
3. ８個以下のバーナー開口部が２つ以上の異なる水平面の位置に設けられる請求項１又は２に記載の反応器。
4. 前記バーナー開口部と前記反応容器の軸とを結ぶ水平線に対する前記バーナーの発射角度が１°〜８°である請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応器。
5. 前記バーナー開口部に加えて始動バーナー用の開口部が、水冷される前記壁に設けられ、始動バーナーが前記開口部に配置される請求項１〜４のいずれか一項に記載の反応器。
6. 前記燃焼室の壁が耐火物質でコーティングされる請求項１〜５のいずれか一項に記載の反応器。
7. 前記燃焼室の下端部の生成物ガス出口がディップ管に流体連結され、前記ディップ管が前記反応容器の下端部に設けられた水槽に部分的に沈められる請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応器。
8. 使用中に下方に流れる水素と一酸化炭素との混合物に急冷媒体を加えるための手段が前記ディップ管の上端部に設けられる請求項７に記載の反応器。
9. 前記反応容器からスラグを排出するためのスラグ排出開口部が前記反応容器の下端部に設けられる請求項１〜８のいずれか一項に記載の反応器。
10. バーナー開口部が、垂直に方向付けられ相互に連結された複数の同心リングからなるバーナーマッフルであり、前記リングの直径がその隣接リングに対して次第に増大していることで、前記バーナーマッフルが一方の端部にて前記バーナー用のマッフル開口部を有し、もう一方の火炎放出端部にてより大きな開口部を有し、前記リングが冷媒用の入口と使用済み冷媒用の出口とを有する導管であり、前記バーナー用のマッフル開口部が前記容器壁と前記燃焼室の壁との間に配置される請求項１〜９のいずれか一項に記載の反応器。
11. 前記バーナーマッフルが前記燃焼室の中に突出する請求項１０に記載のガス化反応器。
12. 前記バーナーマッフルの少なくとも１つのリングが前記燃焼室に突出する請求項１１に記載のガス化反応器。