JP2014508635A - プラズマを使用する活性粒子に富む高温水蒸気の調製方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマを使用して、活性粒子に富む高温水蒸気を調製する方法および装置を開示する。
【解決手段】 本装置はプラズマ発生器（１）および高温水蒸気発生器（２）を含む。高温水蒸気発生器（２）の一端中央には、プラズマ発生器（１）の排出口（１ｂ）と連通する高温プラズマ供給口（４）が設けられる。プラズマ発生器（１）は非酸化ガスの供給口（１ａ）を有する。高温プラズマ供給口（４）は、環状水蒸気供給口（３ｄ）によって包囲され、環状水蒸気供給口（３ｄ）には回転案内羽根（７）が据え付けられる。高温水蒸気発生器（２）のケーシングは、１〜４段に分けられる増大段形状を有し、且つ、水蒸気の流入のための環状狭小オリフィス（３ａ，３ｂ，３ｃ）が、各段において、隣接する２個のケーシング部分の間に設けられており、環状狭小オリフィス（３ａ，３ｂ，３ｃ）は水蒸気圧力供給装置（３）と接続される。本方法は、準備された水蒸気とプラズマ発生器（１）によってイオン化された高温プラズマ作用材料を、それぞれの供給口から高温水蒸気発生器（２）に噴霧する工程と、高温水蒸気および高温プラズマを集中的に混合する工程と、活性粒子を伴う水蒸気を形成するために、水蒸気を加熱および活性化する工程を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する方法および装置に関し、より詳細には、石炭、バイオマスおよびゴミのガス化並びに転換過程において、ガス化の度合いを高めるために使用される高温高活性水蒸気の調製方法に関する。

水蒸気熱プラズマは、石炭、バイオマスおよびゴミのガス化並びに転換において使用されるものであり、ガス化の度合いを高めると共に、合成ガス中におけるＨ_２の有効ガス比を調節可能とすることにより、合成ガスを特定の用途における様々な要件を満たすようにすることができる。熱プラズマに基づく水蒸気ガス化技術は、世界中の研究分野で注目されている。従来の水蒸気ガス化方法では、水蒸気をプラズマの作用ガスとして採用している。しかしながら、水蒸気は酸化能力を有することから、一定の度合いで電極消耗を加速し、電極の耐用寿命が短縮されてしまう。そのため、プラズマガス化の発展は、大きく制限されている。

特許文献１は、プラズマ熱分解と、水素、ＣＨ_４、および水蒸気を作用ガスとしたガス化により、合成ガスを調製する方法を開示している。しかしながら、酸化水蒸気は一定の度合いで電極の消耗を加速するので、電極の耐用寿命が短縮される。

中国特許出願第０１１２９９３１．２号

上述の問題に鑑み、本発明の目的の一つは、プラズマを用いることにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する方法および装置を提供することである。本方法は、水蒸気を加熱する高温のプラズマを生成して、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を産出するために、非酸化ガスを作用ガスとして採用することにより、水蒸気と電極の接触を回避すると共に、電極の耐用年数を長期化させる。

本発明の技術的構成は以下のとおりである。プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する方法は、以下の工程を含む。

１）水蒸気を準備し、１または幾つかの非酸化ガスを作用ガスとして選択し、プラズマ発生器を使用することにより、作用ガスを高温プラズマ作用媒体にイオン化する工程。

２）高温プラズマ作用媒体を高温水蒸気発生器に注入して、高温イオン化環境を形成しつつ、水蒸気を回転案内羽根を介して高温水蒸気発生器に高速で導入することにより、水蒸気が加熱活性化されて活性粒子に富む水蒸気を形成するように、水蒸気を高温プラズマ作用媒体と接触させる工程。

工程１）の作用ガスはプラズマ発生器によって、２７２７〜１１７２７℃（３０００〜１２０００Ｋ）の温度を有する高温プラズマにイオン化される。

好適には、作用ガスは窒素である。

工程２）の高温プラズマ作用媒体は、３０〜１００ｍ／ｓの速度で、高温水蒸気発生器に注入される。水蒸気は、５〜３０ｍ／ｓの速度で、高温水蒸気発生器に注入される。高温水蒸気発生器における高温プラズマ作用媒体と水蒸気の質量流量比は、高温水蒸気発生器排出口の水蒸気温度が７２７〜３７２７℃（１０００〜４０００Ｋ）となるように調節される。

１から４個の環状間隙が、高温水蒸気発生器のハウジング上に所定の間隔をあけて配置される。水蒸気の一部は、圧力コンベアにより、環状間隙を通り、高温水蒸気発生器まで案内されると共に、保護を目的として、高温水蒸気発生器の壁部上で低温水膜を形成する。

好適には、高温水蒸気発生器に投入される水蒸気は、飽和水蒸気である。

プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する装置は、プラズマ発生器と、高温水蒸気発生器を含む。高温プラズマ供給口は、高温水蒸気発生器の一端中央部に配置されると共に、プラズマ発生器の排出口と連通する。プラズマ発生器には非酸化ガス供給口が設けられる。環状水蒸気供給口は、高温プラズマ供給口を包囲するように設けられる。回転案内羽根は環状水蒸気供給口内部に載置される。

高温水蒸気発生器は、徐々に拡大する段構造のハウジングを含む。ハウジングは、１から４段を含む。環状間隙は、ハウジングの隣接する２段全ての間に配置されており、水蒸気を高温水蒸気発生器に流入させる。環状間隙は圧力コンベアと連結される。

高温水蒸気発生器のハウジングにある徐々に拡大する段は各々、３００〜８００ｍｍの長さを有する。

環状間隙は、３〜１５ｍｍの径方向幅を有する。

本発明の効果は以下のとおりである。

本方法は、非酸化ガスを作用ガスとして採用しており、プラズマ発生器に腐食が生じない。加えて、水蒸気は個々の供給口から導入され、水蒸気は電極と接触しないので、電極の耐用寿命が長くなる。

水蒸気は、環状水蒸気供給口内部に載置される回転案内羽根を介して、高温水蒸気発生器の高温イオン化環境に高速で導入されるので、水蒸気は高温プラズマと瞬時に混合されて接触し、且つ加熱および活性化されて、活性粒子に富む水蒸気が形成される。高温プラズマ作用媒体と高温水蒸気発生器の水蒸気の質量流量比は、高温水蒸気発生器の排出口における水蒸気の温度が、７２７〜３７２７℃（１０００〜４０００Ｋ）となるように調節されることにより、ガス化要件を満たす。水蒸気の一部は環状間隙を通り高温水蒸気発生器に案内され、保護を目的として、高温水蒸気発生器の壁部上に低温水膜を形成する。

プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する装置の構造図。 図１のＡ−Ａ線視断面図。 図１のＢ−Ｂ線視断面図。

図１〜３に示すように、プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する装置は、プラズマ発生器１と、高温水蒸気発生器２を含む。高温プラズマ供給口４は、高温水蒸気発生器２の一端中心部に配置されており、プラズマ発生器１の排出口１ｂと連通する。プラズマ発生器１には非酸化ガス供給口１ａが設けられる。環状水蒸気供給口３ｄは、高温プラズマ供給口４を包囲するように設けられる。回転案内羽根７は環状水蒸気供給口３ｄ内部に載置される。環状水蒸気供給口３ｄは、環状空隙およびノズル３ｄ１を介して、圧力コンベア３と連通する。６は、環状水蒸気供給口３ｄの穿孔板を表わす。５は、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を排出する高温水蒸気発生器２の排出口を表わす。

高温水蒸気発生器２は、徐々に拡大する段構造のハウジングを含む。ハウジングは１から４個の段を含む。一例として、高温水蒸気発生器２の３段ハウジングを挙げると、高温水蒸気発生器２のハウジングは、区分２ａ、２ｂ，２ｃを含む。環状間隙３ａ，３ｂ，３ｃは、ハウジングの隣接する２つの段全ての間に配置されており、水蒸気を高温水蒸気発生器に流入させる。環状間隙３ａ，３ｂ，３ｃは、環状空隙が設けられたノズル３ａ１，３ｂ１，３ｃ１を介して、圧力コンベア３と連結される。

高温水蒸気発生器のハウジングの徐々に拡大する段は各々、３００〜８００ｍｍの長さを有する。ハウジングは耐火材料から作られる。

環状間隙は、３から１５ｍｍの径方向幅を有する。

プラズマを使用することにより高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する方法は、以下の工程を含む。

１）水蒸気を準備し、作用ガスとして１または幾つかの非酸化ガスを選択し、プラズマ発生器を使用することにより、作用ガスを高温プラズマ作用媒体にイオン化する工程。

２）高温プラズマ作用媒体を高温水蒸気発生器に注入して、高温イオン化環境を形成しつつ、水蒸気の一部を、回転案内羽根を介して高温水蒸気発生器に高速で導入して、水蒸気が加熱および活性化されて活性粒子に富む水蒸気を形成するように、水蒸気を高温プラズマ作用媒体と接触させる工程。

工程１）の作用ガスは、プラズマ発生器により、２７２７〜１１７２７℃（３０００〜１２０００Ｋ）の温度を有する高温プラズマにイオン化される。

水蒸気には、不飽和水蒸気、飽和水蒸気、過熱水蒸気、水蒸気と空気および／または酸素の混合物が含まれる。好適には、水蒸気は飽和水蒸気である。

一般的な非酸化ガスには、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈ_２、ＣＯ_２およびＣＨ_４が含まれる。好適には、非酸化ガスは窒素である。

工程２）の高温プラズマ作用媒体は、３０〜１００ｍ／ｓの速度で、高温水蒸気発生器に注入される。水蒸気は、５〜３０ｍ／ｓの速度で、高温水蒸気発生器に注入される。高温プラズマ作用媒体と高温水蒸気発生器中の水蒸気の質量流量比は、高温水蒸気発生器排出口での水蒸気の温度が７２７〜３７２７℃（１０００〜４０００Ｋ）であるように調節される。

１〜４個の環状間隙が高温水蒸気発生器のハウジング上に所定間隔をあけて配置される。水蒸気の一部は、圧力コンベアにより、環状間隙を通り高温水蒸気発生器まで案内されると共に、保護を目的として、高温水蒸気発生器の壁部上に低温水膜を形成する。

高温水蒸気発生器ハウジングの徐々に拡大する段は各々、３００〜８００ｍｍの長さを有する。環状間隙は、３〜１５ｍｍの径方向幅を有する。

作用ガスＮ_２は、プラズマ発生器１により２７２７℃（３０００Ｋ）の温度の高温プラズマにイオン化されると共に、３０ｍ／ｓの速度で高温水蒸気発生器２に注入されることにより、２７２７℃（３０００Ｋ）の高温イオン化環境が形成される。飽和水蒸気の一部は、回転案内羽根が設けられた環状水蒸気供給口３ｄを通り高温水蒸気発生器２まで、回転流の形態をなして１０ｍ／ｓの速度で導入され、且つ、水蒸気は高温プラズマと接触する。残りの水蒸気は、環状間隙３ａ、３ｂ、３ｃを介して高温水蒸気発生器２まで、５ｍ／ｓの速度で案内されるとともに、保護を目的として、高温水蒸気発生器２の壁部上に低温水膜を形成する。高温プラズマにはイオン化活性粒子が豊富に含まれているので、飽和蒸気が高温プラズマと混合されて接触した時に、水蒸気は加熱されて、活性粒子（活性Ｈ_２Ｏ、活性Ｈ、活性ＯおよびＨＯ⁻，Ｈ⁻，Ｏ^＋２）に富む高温水蒸気にイオン化される。水蒸気は反応後に、高温水蒸気発生器２の排出口５において、温度が１２２７℃（１５００Ｋ）となり、ガス化のためにガス化装置に直接搬送される。

作用ガスＣＯ_２は、プラズマ発生器１により４７２７℃（５０００Ｋ）の温度を有する高温プラズマにイオン化され、７０ｍ／ｓの速度で高温水蒸気発生器２に注入されることにより、４７２７℃（５０００Ｋ）の高温イオン化環境が形成される。飽和水蒸気の一部は、回転案内羽根が設けられた環状水蒸気供給口３ｄを通り高温水蒸気発生器２まで、回転流の形態をなして１５ｍ／ｓの速度で導入され、且つ、水蒸気は高温プラズマと接触する。残りの水蒸気は、７ｍ／ｓの速度で環状間隙３ａ、３ｂ、３ｃを通り、高温水蒸気発生器２まで案内され、保護を目的として、高温水蒸気発生器２の壁部上に低温水膜を形成する。高温プラズマにはイオン化活性粒子が豊富に含まれているので、飽和蒸気が高温プラズマと混合されて接触した時に、水蒸気は加熱されて、活性粒子（活性Ｈ_２Ｏ、活性Ｈ、活性ＯおよびＨＯ⁻，Ｈ⁻，Ｏ^＋２）に富む高温水蒸気にイオン化される。水蒸気は反応後に、高温水蒸気発生器２の排出口５において、温度が２１２７℃（２４００Ｋ）となり、ガス化のためにガス化装置に直接搬送される。

作用ガスＡｒは、プラズマ発生器１により１１７２７℃（１２０００Ｋ）の温度を有する高温プラズマにイオン化され、１００ｍ／ｓの速度で高温水蒸気発生器２に注入されることにより、９７２７℃（１００００Ｋ）の高温イオン化環境が形成される。飽和水蒸気の一部は、回転案内羽根が設けられた環状水蒸気供給口３ｄを通り高温水蒸気発生器２まで、回転流の形態をなして３０ｍ／ｓの速度で導入され、且つ、水蒸気は高温プラズマと接触する。残りの水蒸気は、１０ｍ／ｓの速度で、１０ｍｍの幅を有する環状間隙３ａ、３ｂ、３ｃを通り、高温水蒸気発生器２まで案内され、保護を目的として、高温水蒸気発生器２の壁部上に低温水膜を形成する。高温プラズマにはイオン化活性粒子が豊富に含まれているので、飽和蒸気が高温プラズマと混合されて接触した時に、水蒸気は加熱されて、活性粒子（活性Ｈ_２Ｏ、活性Ｈ、活性ＯおよびＨＯ⁻，Ｈ⁻，Ｏ^＋２）に富む高温水蒸気にイオン化される。水蒸気は反応後に、高温水蒸気発生器２の排出口５において、温度が２７２７℃（３０００Ｋ）となり、ガス化のためにガス化装置に直接搬送される。

本発明の高温水蒸気発生器の水蒸気供給口は、水蒸気が電極と接触しないように独立して構成される。従って、非酸素ガスをイオン化媒体として採用すると共に、水蒸気を高温水蒸気発生器に流入させるために独立した供給口を導入した上記の技術的構成が、本発明の保護範囲に含まれる。

１ プラズマ発生器
１ａ 非酸化ガス供給口
１ｂ 排出口
２ 高温水蒸気発生器
３ 圧力コンベア
３ａ，３ｂ，３ｃ 環状間隙
３ｄ 環状水蒸気供給口
３ａ１，３ｂ１，３ｃ１，３ｄ１ ノズル
４ 高温プラズマ供給口
５ 高温水蒸気発生器の排出口
６ 穿孔板
７ 回転案内羽根

Claims (10)

1. プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する方法であって、
   １）水蒸気を準備し、１または幾つかの非酸化ガスを作用ガスとして選択し、プラズマ発生器を使用することにより、前記作用ガスを高温プラズマ作用媒体にイオン化する工程と、
   ２）前記高温プラズマ作用媒体を高温水蒸気発生器に注入して、高温イオン化環境を形成しつつ、前記水蒸気を回転案内羽根を介して高温水蒸気発生器に高速で導入して、水蒸気が加熱および活性化され、活性粒子に富む水蒸気を形成するように、前記水蒸気を前記高温プラズマ作用媒体と接触させることにより、工程と
   を含む方法。
2. 前記工程１）の作用ガスは、前記プラズマ発生器により、２７２７〜１１７２７℃（３０００〜１２０００Ｋ）の温度を有する高温プラズマにイオン化される、請求項１の方法。
3. 前記作用ガスは窒素である、請求項１または２の方法。
4. 前記工程２）の高温プラズマ作用媒体は、３０〜１００ｍ／ｓの速度で前記高温水蒸気発生器に注入され
   前記水蒸気は、５〜３０ｍ／ｓの速度で前記高温水蒸気発生器に注入され、
   前記高温プラズマ作用媒体と前記高温水蒸気発生器への前記水蒸気の質量流量比は、前記高温水蒸気発生器の排出口での前記水蒸気が、７２７〜３７２７℃（１０００〜４０００Ｋ）の温度を有するように調節される
   請求項１または２の方法。
5. １から４個の環状間隙が前記高温水蒸気発生器のハウジング上に所定の間隔をあけて配置されており、
   前記水蒸気の一部は、圧力コンベアにより前記環状間隙を通り前記高温水蒸気発生器へ案内され、保護を目的として、前記高温水蒸気発生器の壁部上に低温水膜を形成する
   請求項１または２の方法。
6. 前記高温水蒸気発生器に供給される前記水蒸気は飽和水蒸気である、請求項１または２の方法。
7. プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する装置であって、
   プラズマ発生器（１）と、
   高温水蒸気発生器（２）とを含み、
   高温プラズマ供給口（４）は前記高温水蒸気発生器（２）の一端中心部に配置されると共に、前記プラズマ発生器（１）の排出口（１ｂ）と連通しており、
   前記プラズマ発生器（１）には非酸化ガス供給口（１ａ）が設けられており、
   環状水蒸気供給口（３ｄ）は、前記高温プラズマ供給口（４）を包囲するように設けられ、
   回転案内羽根（７）は前記環状水蒸気供給口（３ｄ）の内部に載置される
   装置。
8. 前記高温水蒸気発生器（２）は、徐々に拡大する段構造のハウジングを含み、
   前記ハウジングは１から４個の段を含み、
   環状間隙は前記ハウジングの隣り合う２個の段全ての間に配置されて、前記水蒸気を前記高温水蒸気発生器に流入させ、
   前記環状間隙は圧力コンベアと接続される
   請求項７の装置。
9. 前記高温水蒸気発生器ハウジングの徐々に拡大する段は、各々３００〜８００ｍｍの長さを有する、請求項８の装置。
10. 前記環状間隙は３から１５ｍｍの径方向幅を有する、請求項８の装置。

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