JP2013189510A - 循環式ガス化炉 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス化原料の利用効率を維持しつつ、ガス化炉内で固体粒子が繰り返し飛散するのを抑制し、ガス化ガス分離器において適切にガス化ガスを導出する。
【解決手段】循環式ガス化炉１００は、流動媒体を流動層化または移動層化するとともに、流動媒体に投入されたガス化原料を流動媒体が有する熱でガス化させてガス化ガスを生成するガス化炉１０８と、ガス化炉から導出された流動媒体を加熱するとともに、ガス化原料の残渣を燃焼する燃焼炉１０２と、加熱された流動媒体をガス化炉に帰還させるため、燃焼炉から導出された流動媒体と燃焼排ガスとを分離する媒体分離器１０４と、ガス化炉で生成されたガス化ガスとガス化原料の残渣とを分離し、ガス化ガスを導出するガス化ガス分離器１１２と、ガス化ガス分離器と燃焼炉とをシールしつつ、ガス化ガス分離器によって分離された残渣を燃焼炉に導出する残渣導出部１１４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流動媒体を循環させてガス化原料をガス化する循環式ガス化炉に関する。

近年、石油に代えて、石炭やバイオマス、タイヤチップ等の有機固体原料をガス化してガス化ガスを生成する技術が開発されている。このようにして生成されたガス化ガスは、石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ: Integrated coal Gasification Combined Cycle）のような効率的な発電システムや、水素の製造、合成燃料（合成石油）の製造、化学肥料（尿素）等の化学製品の製造等に利用されている。上記ガス化ガスの原料となる有機固体原料のうち、特に石炭は、可採年数が１５０年程度と、石油の可採年数の３倍以上であり、また、石油と比較して埋蔵地が偏在していないため、長期に亘り安定供給が可能な天然資源として期待されている。

従来、石炭のガス化プロセスは、酸素や空気を用いて部分酸化することにより行われていたが、かかるガス化プロセスでは、１８００℃程度の高温、３ＭＰa程度の高圧となるため、特別な耐熱、耐圧材料を要し、ガス化炉のコストが高くなるといった欠点を有していた。この問題を解決するために、水蒸気を利用し、７００℃〜９００℃程度の比較的低温かつ常圧で石炭をガス化する技術が開発されている。この技術には、温度および圧力を低く設定することで、耐圧構造が不要な点や、既存の市販品が利用可能になるといったメリットがある。

ただし、上述した有機固体原料の水蒸気ガス化反応には、比較的長い反応時間を要する。したがって、有機固体原料が十分に反応する滞留時間が確保されるように、ガス化炉では、例えば８００℃以上の高温を有する砂等の流動媒体をガス化炉に供給するとともに、当該ガス化炉の下部から水蒸気を供給して流動層を形成している。そして、流動層が形成されたガス化炉に、ガス化原料を投入して流動加熱することにより、ガス化ガスを生成する。

このように流動層が形成されたガス化炉では、流動媒体である砂および有機固体原料のうち、小粒径の固体粒子はガス化ガスとともに流動層から離れて飛散する。飛散した粒子を捕集するためにガス化炉の出口には、ガス化ガスと固体粒子とを分離するガス化ガス分離器（サイクロン）が設置され、ガス化ガス分離器で捕集した固体粒子をガス化炉に戻すことができる（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−１０５８９０号公報

上記のように、固体粒子は、一旦、ガス化ガス分離器に捕集されてガス化炉に戻されるものの、新たに生じる固体粒子共々、ガス化炉にて再度飛散し、また、ガス化ガス分離器で分離されるといった流れを繰り返す。そして、いずれは小粒径となって、ガス化ガス分離器でも捕集できなくなり、ガス化ガスとともに後段のガス精製機器に到達してしまい、ガス精製機器等の不具合の要因となるおそれがある。

また、ガス化ガス分離器で捕集した固体粒子をガス化炉へ戻す際、その調整を適切に行わないと、ガス化ガス分離器から排出された固体粒子が、ガス化ガス分離器に逆流するおそれがあり、不具合の要因になりかねない。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、ガス化原料の利用効率を維持しつつ、ガス化炉内で固体粒子が繰り返し飛散するのを抑制し、ガス化ガス分離器において適切にガス化ガスを導出することが可能な、循環式ガス化炉を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の循環式ガス化炉は、流動媒体を流動層化または移動層化するとともに、流動媒体に投入されたガス化原料を流動媒体が有する熱でガス化させてガス化ガスを生成するガス化炉と、ガス化炉から導出された流動媒体を加熱するとともに、ガス化原料の残渣を燃焼する燃焼炉と、加熱された流動媒体をガス化炉に帰還させるため、燃焼炉から導出された流動媒体と燃焼排ガスとを分離する媒体分離器と、ガス化炉で生成されたガス化ガスとガス化原料の残渣とを分離し、ガス化ガスを導出するガス化ガス分離器と、ガス化ガス分離器と燃焼炉とをシールしつつ、ガス化ガス分離器によって分離された残渣を燃焼炉に導出する残渣導出部と、を備えたことを特徴とする。

残渣導出部は、液体または固体を介在させて気体同士をシールするループシールで構成されていてもよい。

残渣導出部は、らせん型のスクリューを回転させ、回転軸の方向にガス化原料の残渣を送り出すスクリューフィーダで構成されていてもよい。

本発明によれば、ガス化原料の利用効率を維持しつつ、ガス化炉内で固体粒子が繰り返し飛散するのを抑制し、ガス化ガス分離器において適切にガス化ガスを導出することが可能となる。

循環流動層式ガス化炉の概略的な構成を説明するための説明図である。 本実施形態の比較例を示した説明図である。 残渣導出部を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（循環流動層式ガス化炉１００）
図１は、循環流動層式ガス化炉１００の概略的な構成を説明するための説明図である。本実施形態では、循環式ガス化炉として循環流動層式ガス化炉１００を挙げて説明する。図１に示すように、循環流動層式ガス化炉１００は、燃焼炉１０２と、媒体分離器１０４と、第１シール部１０６と、ガス化炉１０８と、第２シール部１１０と、ガス化ガス分離器１１２と、残渣導出部１１４とを含んで構成される。

（流動媒体の循環）
循環流動層式ガス化炉１００では、全体として、粒径が３００μｍ程度の硅砂（珪砂）等の砂で構成される流動媒体を熱媒体として循環させている。ここで、流動媒体の循環に着目すると、まず、流動媒体は、燃焼炉１０２で１０００℃程度に加熱され、燃焼排ガスと共に媒体分離器１０４に導入される。媒体分離器１０４においては、高温の流動媒体と燃焼排ガスとが分離され、当該分離された高温の流動媒体が第１シール部１０６を通じてガス化炉１０８に導出（帰還）される。一方、媒体分離器１０４で分離された燃焼排ガスは、不図示のボイラ等で熱回収される。

ガス化炉１０８の下方には水蒸気貯留部１０８ａが設けられており、水蒸気供給源（図示せず）から供給された水蒸気が、水蒸気貯留部１０８ａに一時的に貯留され、この水蒸気貯留部１０８ａに貯留された水蒸気が、ガス化炉１０８の底面から当該ガス化炉１０８内に導入されている。第１シール部１０６を通じて導入された高温の流動媒体は、さらに水蒸気を導入することにより、ガス化炉１０８内において流動層を形成する。そして、流動層としての役目を終えると、流動媒体は、ガス化原料の残渣とともに、第２シール部１１０を通じて燃焼炉１０２に戻される。

（ガス化ガスの生成処理）
続いて、ガス化ガスの生成処理の流れを説明する。ガス化炉１０８には、ガス化原料投入孔１０８ｂが設けられ、褐炭等の石炭、石油コークス（ペトロコークス）、バイオマス、タイヤチップ等の有機固体原料を含むガス化原料がガス化原料投入孔１０８ｂを通じて上記の流動層に投入される。投入されたガス化原料は、水蒸気と、流動層化した流動媒体が有する７００℃〜９００℃程度の熱によってガス化し、ガス化ガスが生成される。仮にガス化原料が石炭である場合、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを主成分とするガス化ガスが生成される。

このようにして生成されたガス化ガスは、ガス化原料の残渣（固体粒子）とともにガス化ガス導出孔１０８ｃを通じてガス化ガス分離器１１２に導入される。ガス化ガス分離器１１２においては、ガス化ガスとガス化原料の残渣とが分離され、分離されたガス化ガスが不図示のガス精製機器に導出される。こうして、ガス化炉１０８で生成されたガス化ガスが適切にガス精製機器に送り出される。

また、ガス化ガス分離器１１２において分離されたガス化原料の残渣は、ガス化炉１０８に戻されることなく、残渣導出部１１４を通じて燃焼炉１０２に直接導出される。以下、本実施形態で特徴的なガス化ガス分離器１１２および残渣導出部１１４について詳述する。

（ガス化ガス分離器１１２）
上述したように、ガス化ガス分離器１１２は、ガス化ガスとガス化原料の残渣とを分離した後、ガス化原料の残渣をガス化炉１０８に戻さず、燃焼炉１０２に直接導出している。これは、以下の理由による。

図２は、本実施形態の比較例を示した説明図である。従来のガス化ガス分離器１２では、分離した、粒径の小さいガス化原料の残渣をガス化炉１０８の流動層にそのまま戻していた。したがって、ガス化原料の残渣は、一旦、流動層においてガス化反応の対象となるものの、ガス化されなかった固体粒子は、ガス化炉１０８内で飛散し、また、ガス化原料の残渣としてガス化ガス分離器１２に戻るといった流れを繰り返していた。

このような粒径の小さいガス化原料の残渣は、ガス化原料の投入に応じて増加することとなる。そして、いずれはガス化ガス分離器１２でも捕集できない小粒径となり、ガス化ガスとともに後段のガス精製機器に到達し、ガス精製機器等の不具合の要因となるおそれがある。

また、従来のガス化ガス分離器１２で捕集されたガス化原料の残渣をガス化炉１０８に戻す場合、ガス化原料をガス化反応させるために、残渣は、ガス化炉１０８の流動層（流動媒体）内に導出される。ただし、ガス化ガス分離器１２とガス化炉１０８の流動層とでは圧力差を有するので、ガス化原料の残渣をガス化炉１０８の流動層に導出するため、別途、水蒸気等の不活性ガスによる流動層を形成する。

かかるガス化原料を導出するための流動層では、ガス化原料の残渣を、圧力の高いガス化炉１０８の流動層に適切に導出すべく、流速を速める必要があるが、残渣の粒径が小さい場合においてまで流動層の流速を過剰に速めると、水蒸気の導入に伴って固体粒子が吹き上げられ、ガス化ガス分離器１２に逆流することがある。運転中は固体粒子の粒径を実測することができず、流動層の流速は粒径の推定値に基づいて計算されるので、このような固体粒子の逆流を完全に防ぐことは難しかった。

本実施形態においては、図１の如く、ガス化ガス分離器１１２は、ガス化ガスとガス化原料の残渣とを分離した後、ガス化原料の残渣をガス化炉１０８に戻さず、燃焼炉１０２に直接導出しているので、一旦導出したガス化原料の残渣は、燃焼炉１０２を通じて十分に燃焼される。したがって、ガス化ガス分離器１１２で分離されたガス化原料の残渣が、ガス化ガス分離器１１２に戻ることはほとんどない。また、ガス化原料の残渣を燃焼炉１０２に導出する際に、その導出速度を速める必要がないので、流動層を形成したとしても逆流の心配はない。

ところで、ガス化原料の残渣をガス化炉１０８に戻さないようにしたことで、本来、ガス化炉１０８においてガス化反応の対象となるべきガス化原料の残渣をガス化炉１０８から抽出することとなり、ガス化原料の利用効率は低下する。しかし、本実施形態では、そのガス化原料を、燃焼炉１０２において流動媒体を加熱する熱源として利用し、間接的にガス化反応のエネルギー源としているので、総合的な利用効率はあまり変わらない。したがって、ガス化炉１０８内で固体粒子が繰り返し飛散するのを抑制しつつ、ガス化原料の残渣（固体粒子）の有効利用を図ることができる。

（残渣導出部１１４）
図３は、残渣導出部１１４を説明するための説明図である。ガス化ガス分離器１１２から燃焼炉１０２にガス化原料の残渣を導出する際、単なる配管を通じて導出しようとすると、ガス化ガス分離器１１２より燃焼炉１０２の気圧が高いため、ガス化原料の残渣共々、燃焼炉１０２内の流動媒体等がガス化ガス分離器１１２に逆流するおそれがある。また、ガス化ガス分離器１１２における可燃性のガス化ガスと、燃焼炉１０２の空気とをそのまま通気するのは危険である。そこで、本実施形態では、図３（ａ）に示すように、ガス化ガス分離器１１２と燃焼炉１０２との間の配管に、ガス化ガス分離器１１２と燃焼炉１０２とをシールする残渣導出部１１４を設けている。

残渣導出部１１４は、図３（ａ）のように、例えば、他の第１シール部１０６や第２シール部１１０同様、管がＪの字状に形成されたＪバルブ型管のループシールで構成される。ループシールは、液体または固体を介在させて気体同士をシールするものである。残渣導出部１１４では、図３（ａ）に示すように、その凹形状流路の凹んでいる部位の鉛直最上部位１１４ａが、流路の他の部分の鉛直最下部位１１４ｂより低くなっているので、残渣が、その凹部流路に常に滞留することとなる。したがって、その残渣によって空間が分断されるため燃焼炉１０２とガス化ガス分離器１１２との連通を回避することができる。こうすることで、残渣を適切に燃焼炉１０２に導出することが可能となる。

また、残渣導出部１１４は、上記ループシールのみならず、図３（ｂ）に示すようなスクリューフィーダ等を用いることもできる。スクリューフィーダは、らせん型のスクリューを回転させ、回転軸の方向にガス化原料の残渣を送り出すものである。このときスクリューフィーダに充填された残渣がマテリアルシールとして機能する。ここでは、ガス化ガス分離器１１２で、ガス化ガスと分離されたガス化原料の残渣が重力により一旦容器１１６に収容され、その残渣がスクリューフィーダによって随時燃焼炉１０２に導出される。かかるスクリューフィーダによっても、ガス化ガス分離器１１２と燃焼炉１０２とをシールし、燃焼炉１０２とガス化ガス分離器１１２との連通を回避することができる。こうすることで、残渣を適切に燃焼炉１０２に導出することが可能となる。

以上説明した循環式ガス化炉としての循環流動層式ガス化炉１００によれば、ガス化原料をガス化炉１０８から抽出する代わりに燃焼炉１０２において熱源として利用することで、利用効率を維持しつつ、ガス化炉１０８内で固体粒子が繰り返し飛散するのを抑制し、ガス化ガス分離器１１２において適切にガス化ガスを導出することが可能となる。こうして、ガス化ガス分離器１１２より後段のガスガス精製機器にガス化原料の残渣が到達する量を大幅に低減することができ、ガス精製機器において粒子閉塞等によるトラブルを回避することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態においては、循環式ガス化炉として、流動媒体である砂を水平方向に流動させる循環流動層式ガス化炉１００を例に挙げて説明したが、砂が自重で鉛直下方向に流下することで移動層を形成する循環移動層式ガス化炉を用いてもよい。

本発明は、流動媒体を循環させてガス化原料をガス化する循環式ガス化炉に関する。

１００ …循環流動層式ガス化炉
１０２ …燃焼炉
１０４ …媒体分離器
１０８ …ガス化炉
１１２ …ガス化ガス分離器
１１４ …残渣導出部

Claims (3)

1. 流動媒体を流動層化または移動層化するとともに、該流動媒体に投入されたガス化原料を該流動媒体が有する熱でガス化させてガス化ガスを生成するガス化炉と、
   前記ガス化炉から導出された流動媒体を加熱するとともに、前記ガス化原料の残渣を燃焼する燃焼炉と、
   前記加熱された流動媒体を前記ガス化炉に帰還させるため、前記燃焼炉から導出された流動媒体と燃焼排ガスとを分離する媒体分離器と、
   前記ガス化炉で生成されたガス化ガスとガス化原料の残渣とを分離し、該ガス化ガスを導出するガス化ガス分離器と、
   前記ガス化ガス分離器と前記燃焼炉とをシールしつつ、該ガス化ガス分離器によって分離された残渣を前記燃焼炉に導出する残渣導出部と、
   を備えたことを特徴とする循環式ガス化炉。
2. 前記残渣導出部は、液体または固体を介在させて気体同士をシールするループシールで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の循環式ガス化炉。
3. 前記残渣導出部は、らせん型のスクリューを回転させ、回転軸の方向に前記ガス化原料の残渣を送り出すスクリューフィーダで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の循環式ガス化炉。

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