JP2011037933A - 循環流動層ガス化反応炉 - Google Patents

Abstract

【課題】流動媒体に用いる、多孔質粒子等のタール吸着性物質の使用量を可能な限り低減するとともに、その流動媒体を灰粒子と混在することなく循環させ、そのタール処理にかかるコストを削減しうる循環流動層ガス化反応炉を提供する。
【解決手段】流動媒体が導入された流動層ガス化炉内で原料をガス化させ、ガス化時に生成したチャー及び流動媒体を後段の流動層燃焼炉に導入して、未燃分を燃焼させるとともに、再加熱された流動媒体が反応炉内を循環するように構成された循環流動層ガス化反応炉であって、前記流動層ガス化炉を、タール吸収炉及び燃料ガス化炉を上下に備えた二段炉構造として設けるとともに、下段の燃料ガス化炉から取り出される未燃焼チャーを含有する流動媒体と、上段のタール吸収炉から取り出されるタールが吸着した流動媒体とを、それぞれ独立して循環させるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、循環流動層を用いて燃料より可燃ガスを取り出すためのガス化反応炉に関するものである。

従来から、石炭、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの炭化水素資源の固体燃料を利用し、生成したガスを、可燃ガス及び熱源として利用することにより、有機資源の有効活用を図る技術が開発されている。
該ガス化装置の１つとして、反応炉を流動層ガス化炉と流動層燃焼炉に分離し、流動層ガス化炉に炭化水素資源の固体燃料を供給し、水蒸気でガス化を行い、生成した未燃分（チャー）と流動媒体を流動層燃焼炉で燃焼させ、加熱された流動媒体を前記ガス化炉に戻す循環流動層を用いたものがある（特許文献１）。
上記のガス化反応炉は外部循環方式であるが、特許文献２に記載された反応炉のように、内部循環方式のものもあり、該反応炉においては、流動媒体に粒子状スラグを利用することで、ガス化炉内で生成されたガス中に含まれるタールが改質されタール分の少ない可燃ガスが生成されるとともに、劣化したスラグを未燃チャーとともに燃焼炉へ導入し再活性化して、ガス化炉へ戻される。
これらの流動層ガス化炉と流動層燃焼炉を有する循環流動層ガス化システムにおいては、それぞれの炉から、ガス化ガスと燃焼ガスを別々に取り出すことができ、不活性ガスを含まない高カロリーなガスを製造することができる。

また、特許文献３では、流動層ガス化炉を、有機物原料が供給されて熱分解反応によりタールを含む熱分解ガスを生成する室と、熱分解反応によって生成した熱分解残渣を導入してガス化ガスを生成する室とに分けることによって、良質のガス化ガスの生成を高めるようにすることが記載されている。

さらに、特許文献４は、原料を流動層炉でガス化し、熱分解又は部分酸化して、生成ガスを得るシステムにおいて、原料から生成するタールを、流動接触分解触媒、流動接触分解平衡触媒、シリカ・アルミナ系粒子、又は油浸造粒法で製造されたアルミナ系粒子を使用して、タールを除去することが記載されている。
しかしながら、特許文献４に記載された方法は、多孔質粒子によりタールを効率良く吸着する方法であるが、流動媒体として従来使用されている硅砂よりも極めて高価であるため、コストがかかってしまう。また、流動層炉では、一定間隔で炉下部から灰を抜き出すが、多孔質粒子と混在するために、多孔質粒子も一緒に抜き出さねばならない。したがって、抜き出した量を炉内へ新たに追加供給せねばならない。よって、石炭のような灰分の多い燃料ほど、よりランニングコストがかかる可能性が高い。

本発明者らは、こうした問題を解決して、チャーを多く含む固体燃料のガス化を低温で促進させることにより、ガス化炉で取り出せる生成ガスを多くし、高効率で可燃ガスを取り出せる方法及びそのためのガス化反応炉を既に提案している。（特許文献５参照）。
この方法は、ガス化炉の前段にアルカリ吸収炉を設け、チャーに揮発ガス中のアルカリを積極的に吸着させてガス化触媒として利用し、ガス化効率を向上させる方法であって、アルカリ吸収炉内でタールをチャーに吸着させてチャーのガス化効率を向上させるとともに、チャーのガス化の阻害効果も避けることができ、さらに、アルカリ吸収炉から生成する熱分解ガスと、ガス化炉から生成するガス化ガスを分離して取り出し、トータルの生成ガス量を高くするメリットがある。

特開２００５−４１９５９号公報 特開２００５−６８２９７号公報 特開２００８−１５６５５２号公報 特開２００５−２７２７８２号公報 特開２００８−３０３３７７号公報

本発明者らは、前記の循環流動層ガス化反応炉を用いたガス化方法及び装置について更に検討したところ、流動媒体として、アルミナ、石灰石、ゼオライトなどのタール吸着性物質を投入すると、タールを効率良く吸着できるという利点があるが、特に、タール吸着性物質として、多孔質アルミナなどの多孔質粒子を用いた場合、よりタールを効率良く吸着できるものの、流動媒体として従来使用されている硅砂よりも極めて高価であるため、その使用量を可能な限り低減する必要がある。
また、特許文献４と同様に、炉内で多孔質粒子と灰粒子が混在するために、一定間隔で炉下部から灰を抜き出す際に、多孔質粒子も一緒に抜き出されてしまう。
さらに、炉後段のタール処理にかかるコスト（改質炉、スクラバなど）も削減する必要がある。

本発明は、こうした従来技術における課題を解決して、高価な流動媒体を灰粒子と混在することなく、その使用量を可能な限り低減したうえで、タール処理にかかるコストを削減しうるガス化反応炉を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、流動層ガス化炉の上段に、タール吸収炉を備えた二段炉構造として設けるとともに、下段の燃料ガス化炉から取り出される未燃焼チャーを含有する流動媒体と、上段のタール吸収炉から取り出されるタールが吸着した流動媒体とを、それぞれ独立して循環させることにより解決しうるという知見を得た。

本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］流動媒体が導入された流動層ガス化炉内で原料をガス化させ、ガス化時に生成したチャー及び流動媒体を後段の流動層燃焼炉に導入して、未燃分を燃焼させるとともに、再加熱された流動媒体が反応炉内を循環するように構成された循環流動層ガス化反応炉であって、
前記流動層ガス化炉を、タール吸収炉及び燃料ガス化炉を上下に備えた二段炉構造として設けるとともに、下段の燃料ガス化炉から取り出される未燃焼チャーを含有する流動媒体と、上段のタール吸収炉から取り出されるタールが吸着した流動媒体とを、それぞれ独立して循環させるようにしたことを特徴とする循環流動層ガス化反応炉。
［２］前記下段の燃料ガス化炉の後段に、チャー燃焼炉を連結し、前記上段のタール吸収炉の後段に、コーク燃焼炉を連結したことを特徴とする上記［１］の循環流動層ガス化反応炉。
［３］前記上段のタール吸収炉には、流動媒体としてタール吸着性物質を使用し、下段の燃料ガス化炉において生成したタールを該流動媒体に吸着させるようにしたことを特徴とする上記［１］又は［２］の循環流動層ガス化反応炉。
［４］前記下段の燃料ガス化炉には、流動媒体として硅砂を使用することを特徴とする上記［１］〜［３］のいずれかの循環流動層ガス化反応炉。
［５］前記燃料ガス化炉を燃料熱分解炉としたことを特徴とする上記［１］〜［４］のいずれかの循環流動層ガス化反応炉。
［６］前記流動層ガス化炉において生成するガス化ガス、及び前記流動層燃焼炉においてチャー及びコークの燃焼により生成する燃焼ガスを、それぞれ独立して取り出す手段を備えたことを特徴とする上記［１］〜［５］のいずれかの循環流動層ガス化反応炉。
［７］前記燃料ガス化炉又は熱分解炉が、アルカリ吸収機能を有することを特徴とする上記［１］〜［６］のいずれかの循環流動層ガス化反応炉。

本発明によれば、流動層ガス化炉を、タール吸収炉及び燃料ガス化炉を上下に備えた二段炉構造として設けることにより、タール吸収炉の流動媒体だけに、高価なタール吸着性物質を用いることが可能となり、その使用量を最小限にすることができ、また、下段の燃料ガス化炉から取り出される未燃焼チャーを含有する流動媒体と、上段のタール吸収炉から取り出されるタールが吸着した流動媒体とを、それぞれ独立して循環させることで、高価なタール吸着性物質と灰粒子とが混在しないようにでき、タール処理にかかるコストを削減しうる。

本発明の循環流動層ガス化反応炉の第１の実施の形態を模式的に示す図。 本発明の循環流動層ガス化反応炉の第２の実施の形態を模式的に示す図。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の循環流動層ガス化反応炉の第１の実施の形態を模式的に示す図であって、タール吸収炉及び燃料ガス化炉を上下に備えた二段炉構成の流動層ガス化炉を備え、該流動層ガス化炉の下段の後段には、チャー燃焼炉を連結させ、前記上段のタール吸収炉の後段には、コーク燃焼炉を連結させたものである。そして、前記チャー燃焼炉及び前記コーク燃焼炉は、それぞれ独立した流動層燃焼炉で構成されている。
なお、本発明において、前記の燃料ガス化炉を、前述の特許文献５に記載されたようなアルカリ吸収機能を有する炉とし、チャーに揮発ガス中のアルカリを積極的に吸着させてガス化触媒として利用し、チャーのガス化効率を向上させることができることはいうまでもない。

該図に示す循環流動層ガス化反応炉においては、上段のタール吸収炉から取り出されるタールを吸着した流動媒体は、その後段に連結されたコーク燃焼炉を経てタール吸収炉に戻され、一方、下段の燃料ガス化炉から取り出される流動媒体は、その後段に連結されたチャー燃焼炉を経て燃料ガス化炉に戻される。

多孔質アルミナなどの多孔質粒子は、原料から生成するタールを効率よく吸収するために好ましく用いられるが、高価であるという欠点を有している。
本発明の循環流動層ガス化反応炉においては、燃料ガス化炉の上段に、タール吸収炉を備えた二段炉構造であるので、上段のタール吸収炉の流動媒体に、多孔質粒子等のタール吸着効率の良好なものを使用し、その下段の燃料ガス化炉に導入する流動媒体には、一般的に使用されている安価な硅砂を主成分とするものを使用することにより、高価な流動媒体の使用量を最小限にすることが可能となる。
また、チャー燃焼炉とコーク燃焼炉とが分離しているので、上段のタール吸収炉を循環する多孔質粒子などの流動媒体は、チャー燃焼炉で発生する灰粒子と混在しないようにできる。
また、炉内でタール処理ができるので、従来、炉後段でのタール処理にかかっていたコストを削減できる。

以下、上段のタール吸収炉の流動媒体に、多孔質アルミナのような多孔質粒子を使用し、その下段の燃料ガス化炉の流動媒体に硅砂を使用した例を用いて、原料のガス化について具体的に説明する。
バイオマス、ごみ、下水汚泥、及び石炭などのような炭化水素系固体燃料を、燃料ガス化炉へ供給するとともに、下部より、例えば、水蒸気或いは酸素或いは空気のようなガス化剤を、流動ガスとして導入し、燃料ガス化炉に供給された上記の炭化水素系固体燃料をガス化させる。
生成したガス化ガスと同時に生成するタールが上段のタール吸収炉へ流れる。そのタールは、タール吸収炉中の多孔質粒子に吸着され、一部はガスに改質される。タールを含まないガス化ガスは、上部に設けられたガス化ガスの取出し手段から取り出すことができる。
取り出されたガス化ガスは、可燃ガスの一種であって、燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料などに使用される。
なお、本発明においてガス化の原料としては、前述のような炭化水素系固体燃料に限られず、タールの発生し易い液体燃料を用いることも可能である。

下段の燃料ガス化炉では、ガス化後のチャー及び硅砂は、チャー燃焼炉へ送られる。
一方、上段のタール吸収炉でタールを吸着した多孔質粒子は、コーク燃焼炉へ送られる。
チャー燃焼炉及びコーク燃焼炉は、いずれも流動層とされており、チャー及びコークが完全燃焼可能な滞留時間を確保する。それぞれの燃焼炉では、導入されたチャー及びコークを、それぞれの燃焼炉の下部より導入された空気或いは酸素と共に燃焼させ、サイクロンにより燃焼ガスをそれぞれの炉の上部に設けられた取出手段から取り出される。
それぞれの燃焼炉から取り出された燃焼ガスは、主に熱源として利用されるものであり、前記ガス化炉又はそれぞれの燃焼炉に導入する空気や蒸気の予熱源としても利用できる。
一方、チャー燃焼炉で再加熱された硅砂、及びコーク燃焼炉で再加熱された多孔質粒子は、それぞれ燃料ガス化炉及びタール吸収炉へ戻される。
なお、ガス化炉内で生じる反応（特にシフト反応）には、チャーの濃度が密接に関係しており、熱バランスが成立する範囲内であれば、未燃チャーの一部を再循環させ、ガス化炉内のチャー濃度を反応に適した濃度に制御することで、例えば、ガス化の際のＨ_２／ＣＯ比の制御が可能となり、液体燃料への利用が有利となる。
さらに、チャーおよびコークから得られる燃焼熱のみでは、熱バランスが成立しない場合、所定量のガス化ガスをそれぞれの燃焼炉へ供給して燃焼させることにより、熱バランスを維持することも可能である。

燃料ガス化炉とチャー燃焼炉、タール吸収炉とコーク燃焼炉のそれぞれを連結する連通路は、ループシール、Ｌ型バルブ、移動層など、マテリアルシールできれば、いずれの型でも良い。

以上のとおり、図１に示す循環流動層ガス化反応炉においては、下段の燃料ガス化炉に導入される流動媒体及び固体燃料の流れは、燃料ガス化炉→連通路→チャー燃焼炉→サイクロン（図示せず）→ダウンカマー（図示せず）→燃料ガス化炉となり、一方、上段のタール吸収炉に導入される流動媒体の流れは、タール吸収炉→連通路→コーク燃焼炉→サイクロン（図示せず）→ダウンカマー（図示せず）→タール吸収炉となる。

図１に示した装置によれば、流動層ガス化炉の上下が、燃料ガス化炉とタール吸収炉の二段に分離されているので、多孔質粒子等のタール吸着効率が良好な流動媒体、例えば、多孔質アルミナを、上段のタール吸収炉にのみに供給することにより、その使用量を最小限にすることができるという利点がある。さらに、燃料ガス化炉及びチャー燃焼炉とからなる系と、タール吸収炉及びコーク燃焼炉からなる系とで、それぞれ別々に流動媒体を循環させることができるので、多孔質粒子などのタール吸着効率が良好な流動媒体と灰粒子とが混在しないようにすることができる。

図２は、本発明の循環流動層ガス化反応炉の第２の実施の形態を模式的に示す図である。
図１に示す装置では、流動層ガス化炉を、下段及び上段に、それぞれ燃料ガス化炉及びタール吸収炉を設けた二段構造とし、生成されたガス化ガスを上段から取り出すように構成されているが、図２に示す装置では、これらのガス化炉の下段を、燃料熱分解炉として構成されている。下部より、例えば、生成した燃焼ガスの一部を循環させたＣＯ_２ガス、或いはＮ_２やＡｒのような不活性ガス等を供給して燃料を熱分解させる。この点以外は、図１に示す循環流動層ガス化反応炉と同じである。
図２に示す循環流動層ガス化反応炉においては、下段の燃料熱分解炉に導入される流動媒体及び固体燃料の流れは、燃料熱分解炉→連通路→チャー燃焼炉→サイクロン（図示せず）→ダウンカマー（図示せず）→燃料熱分解炉となり、一方、上段のタール吸収炉に導入される流動媒体の流れは、タール吸収炉→連通路→コーク燃焼炉→サイクロン（図示せず）→ダウンカマー（図示せず）→タール吸収炉となる。

図１〜２は、本発明の循環流動層ガス化反応炉の概念を示す模式図であって、各炉は、完全分離型だけでなく、これらの炉の一部又は全体を一体型にすることも可能であり、例えば、内側をガス化炉、外側を燃焼炉とすることなどや、燃焼炉両炉の熱損失を低減させるために、隔壁を隔てて並設されていても良いことはいうまでもない。

本発明の循環流動層ガス化反応炉におけるシステムは、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの未利用炭化水素資源の利用に適用する他に、例えば、石炭やバイオマスとのハイブリッドガス化（共ガス化）、或いは、固体燃料と液体燃料とのハイブリッドガス化にも適用することができる。

Claims (7)

1. 流動媒体が導入された流動層ガス化炉内で原料をガス化させ、ガス化時に生成したチャー及び流動媒体を後段の流動層燃焼炉に導入して、未燃分を燃焼させるとともに、再加熱された流動媒体が反応炉内を循環するように構成された循環流動層ガス化反応炉であって、
   前記流動層ガス化炉を、タール吸収炉及び燃料ガス化炉を上下に備えた二段炉構造として設けるとともに、下段の燃料ガス化炉から取り出される未燃焼チャーを含有する流動媒体と、上段のタール吸収炉から取り出されるタールが吸着した流動媒体とを、それぞれ独立して循環させるようにしたことを特徴とする循環流動層ガス化反応炉。
2. 前記下段の燃料ガス化炉の後段に、チャー燃焼炉を連結し、前記上段のタール吸収炉の後段に、コーク燃焼炉を連結したことを特徴とする請求項１に記載の循環流動層ガス化反応炉。
3. 前記上段のタール吸収炉には、流動媒体としてタール吸着性物質を使用し、下段の燃料ガス化炉において生成したタールを該流動媒体に吸着させるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の循環流動層ガス化反応炉。
4. 前記下段の燃料ガス化炉には、流動媒体として硅砂を使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の循環流動層ガス化反応炉。
5. 前記燃料ガス化炉を燃料熱分解炉としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の循環流動層ガス化反応炉。
6. 前記流動層ガス化炉において生成するガス化ガス、及び前記流動層燃焼炉においてチャー及びコークの燃焼により生成する燃焼ガスを、それぞれ独立して取り出す手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の循環流動層ガス化反応炉。
7. 前記燃料ガス化炉又は熱分解炉が、アルカリ吸収機能を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の循環流動層ガス化反応炉。

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