JP2013231117A

JP2013231117A - ガス化ガス生成方法

Info

Publication number: JP2013231117A
Application number: JP2012103547A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Tsuboi; 陽介坪井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-11-14

Abstract

【課題】ガス化前に流動媒体に処理を施すことで、ガス化原料のガス化効率を向上する。
【解決手段】ガス化ガス生成方法は、流動層炉において、水蒸気によって流動媒体を流動化する工程（水蒸気流動層形成工程Ｓ３００）と、流動層炉に、ＣａＯおよびＣａＯの前駆体のいずれか一方または両方を含むＣａ物質を導入して、流動媒体に触媒機能を付加する工程（触媒機能付加工程Ｓ３１０）と、流動媒体に触媒機能を付加する工程を経た後、流動層炉にガス化原料を導入してガス化ガスを生成する工程（ガス化ガス生成工程Ｓ３３０）とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、流動媒体を利用する流動層炉を備えたガス化ガス生成方法に関する。

近年、石油に代えて、石炭やバイオマス、タイヤチップ等のガス化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、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。ガス化ガスの原料となるガス化原料のうち、特に石炭は、可採年数が１２０年程度と、石油の可採年数の２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、２０００℃といった高温で部分酸化する必要があるため、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℃程度で石炭をガス化する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。この技術では、例えば８００℃程度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する。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ようにしている。

特開２００５−４１９５９号公報

上述した特許文献１に記載された技術では、温度を低く設定することでガス化炉自体のコストを低減することが可能となるが、生成されたガス化ガスには、２０００℃の高温で部分酸化して生成したガス化ガスと比較して、タールが多く含まれていた。したがって、タールを効率よくガス化ガスに変換する技術が希求されている。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、ガス化前に流動媒体に処理を施すことで、ガス化原料のガス化効率を向上することが可能なガス化ガス生成方法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、本発明のガス化ガス生成方法は、流動媒体が導入される流動層炉において、水蒸気によって流動媒体を流動化する工程と、前記水蒸気によって流動化された流動媒体に、ＣａＯおよびＣａＯの前駆体のいずれか一方または両方を含むＣａ物質を導入して、前記流動媒体に触媒機能を付加する工程と、前記流動媒体に触媒機能を付加する工程を経た後、前記流動層炉にガス化剤およびガス化原料を導入してガス化ガスを生成する工程と、を含むことを特徴とする。

また、前記Ｃａ物質は、バイオマスを燃焼させることで得られるバイオマス灰であるとしてもよい。

本発明によれば、ガス化前に流動媒体に処理を施すことで、ガス化原料のガス化効率を向上することが可能となる。

ガス化ガス生成システムの構成を説明するための図である。ガス化ガス生成方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。ガス化ガス生成方法の各工程における流動層炉を説明するための図である。

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。

（ガス化ガス生成システム１００）
図１は、本実施形態にかかるガス化ガス生成システム１００の構成を説明するための図である。ガス化ガス生成システム１００では、全体として、粒径が数百μｍ程度の硅砂（珪砂（ＳｉＯ_２））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。具体的には、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装置１０４に導入される。媒体分離装置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流動層炉（ガス化炉）１１０に供給される。そして、流動層炉１１０に流動媒体が供給されると、水蒸気導入部１１２からガス化剤として水蒸気が導入され、これによって流動層が形成されることとなる。以下に、ガス化ガス生成システム１００を構成する各装置について具体的に説明する。

流動層炉１１０は、供給通路１０６ａを介して媒体分離装置１０４に連通しており、媒体分離装置１０４によって燃焼排ガスと分離された流動媒体が、供給通路１０６ａから流動層炉１１０内に供給されるようになっている。流動層炉１１０の下方には水蒸気導入部１１２が設けられており、不図示の水蒸気供給源から供給された水蒸気が、水蒸気導入部１１２に一時的に貯留され、この水蒸気導入部１１２に貯留された水蒸気が、流動層炉１１０の底面から当該流動層炉１１０内に導入されている。このように、高温の流動媒体に水蒸気を導入することにより、流動層炉１１０内において流動層が形成されることとなる。

また、流動層炉１１０には、上記の流動層に、褐炭等の石炭、石油コークス（ペトロコークス）、バイオマス、タイヤチップ等のガス化原料を導入するための導入部１１０ａが設けられている。この導入部１１０ａから導入されたガス化原料は、水蒸気によって流動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、これによってガス化ガスが生成されることとなる。

このようにして生成されたガス化ガスは、流動層炉１１０に設けられたガス化ガス導出部１１０ｂから導出された後、不図示の回収装置によって回収されることとなる。また、流動層炉１１０は、連通路１０６ｂを介して燃焼炉１０２に連通している。この連通路１０６ｂは、供給通路１０６ａが接続される側壁と対向する側壁に接続されている。したがって、供給通路１０６ａから流動層炉１１０内に供給された流動媒体は、流動層炉１１０内において連通路１０６ｂに向かって流動した後に、連通路１０６ｂを介して燃焼炉１０２へと排出されることとなる。

上記のようにして、連通路１０６ｂを介して流動層炉１１０から燃焼炉１０２に排出された流動媒体は、燃焼炉１０２内において１０００℃程度に加熱される。また、燃焼炉１０２内では、下方から上方に向かって燃焼排ガスの流れが生じており、この流れによって、１０００℃程度に加熱された流動媒体が、燃焼排ガスとともに接続路１０６ｃを介して媒体分離装置１０４に導出されることとなる。

媒体分離装置１０４は、接続路１０６ｃから導かれた流動媒体および燃焼排ガスの混合物質を旋回させる。このとき、混合物質中の流動媒体は、燃焼排ガスに比べて重い（密度が大きい）。したがって、燃焼排ガスはガス管路１０６ｄに、流動媒体は供給通路１０６ａへと分離される。これにより、燃焼炉１０２で加熱された高温の流動媒体は、供給通路１０６ａを介して再び流動層炉１１０に供給され、以後、上記の循環を繰り返すこととなる。

しかし、２０００℃といった高温で部分酸化してガス化した場合と比較して、このような水蒸気を利用して生成されたガス化ガスにはタールが多く含まれている。また、流動層炉１１０内においては、導入されたガス化原料の一部が未反応となり、ガス化原料の残渣が、流動媒体とともに燃焼炉１０２に排出される。なお、ガス化ガスを生成する際に流動層を形成するために供給されるガス化剤としては、水蒸気のみならず、窒素、空気、酸素、二酸化炭素等を用いることが可能である。本実施形態のように、水蒸気をガス化剤として利用した場合には、ガス化原料の残渣が固体として燃焼炉１０２に排出される。また、ガス化剤として、例えば、１３００℃〜１５００℃程度の高温の酸素を用いた場合には、導入されたガス化原料がほぼ完全燃焼すると考えられるが、炉内温度やガス化原料の状態等によっては、ガス化原料の一部が不完全燃焼となり、固体として燃焼炉１０２に排出され得る。

そこで、本実施形態では、ガス化ガス生成システム１００において、ガス化原料を用いてガス化ガスを生成する前に流動媒体に処理を施すことで、タールや残渣の発生を低減し、ガス化原料のガス化効率を向上するガス化ガス生成方法について説明する。

（ガス化ガス生成方法）
図２は、ガス化ガス生成方法の処理の流れを説明するためのフローチャートであり、図３は、ガス化ガス生成方法の各工程における流動層炉１１０を説明するための図である。なお、図３において理解を容易にするために、流動層炉１１０に対して流動媒体を大きく記載している。

図２に示すように、ガス化ガス生成方法では、まず、ガス化原料を導入する前に、水蒸気流動層形成工程（Ｓ３００）、触媒機能付加工程（Ｓ３１０）を行い、その後、ガス化剤流動層形成工程（Ｓ３２０）、ガス化ガス生成工程（Ｓ３３０）を行う。以下、各工程について詳述する。

（水蒸気流動層形成工程Ｓ３００）
水蒸気流動層形成工程Ｓ３００は、図３（ａ）に示すように、水蒸気導入部１１２から流動層炉１１０に水蒸気を導入し、水蒸気で流動媒体（図３中、黒い丸で示す）を流動化する工程である。ここで、水蒸気のみで流動媒体を流動化させることが望ましいが、水蒸気に窒素を混合してもよい。

なお、上述したように、本実施形態において、流動媒体は、流動層炉１１０、燃焼炉１０２、媒体分離装置１０４、流動層炉１１０の順で循環を繰り返しているため、流動層炉１１０において流動媒体は、流動層を形成するとともに、図３中、白抜き矢印で示す方向に移動することになる。

（触媒機能付加工程Ｓ３１０）
触媒機能付加工程Ｓ３１０は、水蒸気で流動媒体が流動化された流動層炉１１０に、Ｃａ物質を導入して、流動媒体に触媒機能を付加する工程である。

具体的に説明すると、図３（ｂ）に示すように、水蒸気流動層形成工程Ｓ３００において、水蒸気で流動媒体が流動化された流動層炉１１０に、導入部１１０ａを介して、Ｃａ物質を導入する。そうすると、図３（ｂ）に示すように、流動媒体のＳｉＯ_２と、ＣａＯと、水蒸気とが反応し（水熱反応）、流動媒体の表面にケイ酸カルシウムの水和物（ＣａＯ・ｍＳｉＯ_２・ｎＨ_２Ｏ）が生成される。かかるケイ酸カルシウムの水和物（図３中、白い塗り潰しで示す）が、ガス化原料のガス化における触媒としての機能を有することとなる。以下、このようにして触媒機能が付加された流動媒体を触媒流動媒体と称する。

ここで、Ｃａ（カルシウム）物質は、ＣａＯ（生石灰）およびＣａＯの前駆体（例えば、石灰石や炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３））のいずれか一方または両方を含む物質であり、好ましくは、バイオマスを燃焼させることで得られるバイオマス灰である。

バイオマス灰、特に木材等の木質系のバイオマスを燃焼させることで得られるバイオマス灰には、ＣａＯが多く含まれているため、Ｃａ物質としてバイオマス灰を利用することができる。

また、バイオマス灰には、ＣａＯのみならず、Ｍｇ（マグネシウム）化合物、Ｋ（カリウム）化合物、Ｆｅ（鉄）化合物が含まれているため、Ｃａ物質としてバイオマス灰を利用することで、ＣａＯのみを利用する場合と比較して、触媒流動媒体の触媒機能を向上させることができる。

また、バイオマスの種類によっては、バイオマス灰に含まれるＣａＯの量が少ない場合がある。この場合、バイオマス灰に加えて、ＣａＯおよびＣａＯの前駆体のいずれか一方または両方をＣａ物質として利用することにより、ＣａＯの濃度を調整することが可能となる。

また、バイオマス灰は、再利用にコストを要するため、埋め立てられている。そこで、実質的にコストがゼロであるバイオマス灰を利用することにより、低コストで、流動媒体に触媒機能を付加することが可能となる。

なお、触媒機能付加工程Ｓ３１０において、流動層炉１１０にＣａ物質を導入してから予め定められた時間、流動媒体を循環させることで、実質的にすべての流動媒体に触媒機能を付加する。

（ガス化剤流動層形成工程Ｓ３２０）
ガス化剤流動層形成工程Ｓ３２０は、触媒機能付加工程Ｓ３１０において、流動媒体に触媒機能を付加した後、流動層炉１１０に導入するガスを水蒸気からガス化原料をガス化するためのガス化剤に変更する工程である。

ガス化剤は、例えば、水蒸気、窒素、空気、酸素、二酸化炭素等を用いることが可能である。なお、ガス化剤として水蒸気を利用する場合、本工程Ｓ３２０を省略してもよい。

（ガス化ガス生成工程Ｓ３３０）
ガス化ガス生成工程Ｓ３３０は、図３（ｃ）に示すように、ガス化剤で触媒流動媒体が流動化された流動層炉１１０に、導入部１１０ａを介してガス化原料を導入して、ガス化ガスを生成する工程である。

以上説明したように、本実施形態にかかるガス化ガス生成方法によれば、ガス化原料を導入する前（ガス化ガスを生成する前）に、流動媒体に触媒機能を付加することで、ガス化原料をガス化する際に、流動媒体に結合された触媒によって、従来タールや残渣となっていた化合物をガス化ガスにすることができ、ガス化原料のガス化効率を向上させることが可能となる。

また、ガス化原料とともに、触媒を導入する構成も考えられるが、この場合、触媒は、流動媒体とともに循環する間に、粒径が小さくなり、媒体分離装置１０４において、燃焼排ガスとともにガス管路１０６ｄから外部に排出されてしまう。

しかし、本実施形態にかかるガス化ガス生成方法によれば、流動媒体の表面に触媒を結合させる（コーティングする）ため、循環させたとしても粒径が小さくなりにくく、媒体分離装置１０４において、燃焼排ガスとともにガス管路１０６ｄから外部に排出されてしまう割合を低減することができる。

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、Ｃａ物質として、バイオマス灰を例に挙げて説明したが、ＣａＯおよびＣａＯの前駆体のいずれか一方または両方を含む物であればよく、例えば、ドロマイトであってもよい。

また、上述した実施形態において、流動媒体が循環する循環流動層方式について説明したが、これに限定されず、循環する構成を有しない流動層炉であってもよい。

本発明は、流動媒体を利用する流動層炉を備えたガス化ガス生成方法に利用することができる。

Ｓ３００ …水蒸気流動層形成工程
Ｓ３１０ …触媒機能付加工程
Ｓ３２０ …ガス化剤流動層形成工程
Ｓ３３０ …ガス化ガス生成工程

Claims

流動媒体が導入される流動層炉において、水蒸気によって流動媒体を流動化する工程と、
前記水蒸気によって流動化された流動媒体に、ＣａＯおよびＣａＯの前駆体のいずれか一方または両方を含むＣａ物質を導入して、前記流動媒体に触媒機能を付加する工程と、
前記流動媒体に触媒機能を付加する工程を経た後、前記流動層炉にガス化剤およびガス化原料を導入してガス化ガスを生成する工程と、
を含むことを特徴とするガス化ガス生成方法。
前記Ｃａ物質は、バイオマスを燃焼させることで得られるバイオマス灰であることを特徴とする請求項１に記載のガス化ガス生成方法。