JP2015059159A - ガス化ガス中のタールの改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス化ガスのタール改質処理温度までの加熱効率を向上させる。
【解決手段】 改質炉１内に筒状の仕切板５を設けて、軸心方向の他端部同士が連通口８で連通された外側流路６と内側流路７を形成する。改質炉１の周壁２の軸心方向一端部には、ガス化ガス供給ノズル９を接線方向に接続する。一端壁３には内側流路７と連通するガス出口１１を設け、他端壁４には内側流路７内に酸化剤１７を供給する酸化剤供給ノズル１８を設ける。ガス化ガス供給ノズル９より供給されるガス化ガス１０は、外側流路６で旋回流１０ｖを形成させた後、連通口８を経て内側流路７に達した時点で、酸化剤１７により部分燃焼させて、タール改質処理用の温度条件の領域を形成させ、そこを通過させることでタールの改質処理を行う。内側流路７より仕切板５に伝わる熱は、外側流路６を流れるガス化ガス１０の予熱に利用して、外部への熱の逃げを防止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス化ガス中に含まれるタールの改質処理を行うガス化ガス中のタールの改質装置に関するものである。

石炭やバイオマス等の原料をガス化して得られるガス化ガスは、水素（Ｈ_２）、炭化水素（Ｃ_ｍＨ_ｎ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）等を含んでおり、高燃焼性を有していることから燃料として用いたり、精製して目的のガス成分を得たり、液化して液体燃料化することが行われるようになってきている。

ところで、上記ガス化ガスは、タールを含んでいるため、そのまま配管に流通させたり、上記精製や液化を行うための装置や機器に供給したりすると、上記タールが上記ガス化ガスの流通経路に付着し堆積する虞がある。

又、上記ガス化ガスを原動機で燃料として使用する場合は、通常、原動機では燃料に許容されるタール濃度の上限値が決まっているため、ガス化ガス中に含まれているタールが上記許容濃度の上限値を超えていると、該原動機に故障や、所定の性能を発揮できない可能性が生じてしまう。

そこで、上記ガス化ガス中のタールについては、該ガス化ガスを部分燃焼させて得られる熱と、該ガス化ガスに含まれている水蒸気とを利用して上記タールの改質を行い、該タールを、水素、炭化水素、一酸化炭素の富化に有効利用すると共に、固形分は固体炭素（チャー）として回収することが従来提案されている。

この種のガス化ガス中のタールの改質を行うための装置の１つとしては、たとえば、円筒形状としてある改質炉の一端部の周壁に、ガス化ガスの供給ノズルを接線方向に接続して、上記改質炉内に、軸心方向の一端側から他端側に向けて上記ガス化ガス供給ノズルより供給されるガス化ガスの旋回流を形成させるようにし、更に、上記改質炉の一端側中央部分の位置に、酸化剤供給ノズルを接続して、改質炉内に形成される上記ガス化ガスの旋回流の内側に向けて酸化剤を吹き込むようにした形式の改質装置が従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００９−２９８９７４号公報

ところが、上記ガス化ガス中に含まれるタールの改質処理を行う場合は、１０００℃以上の温度条件が必要とされると共に、該温度条件の領域に、上記タールを含んだガス化ガスを数秒程度に亘り滞留させる必要がある。

そのために、上記ガス化ガス中のタールの改質処理を行う改質炉では、炉内に供給する酸化剤によりガス化ガスの一部を部分燃焼させて、発生する燃焼熱により、処理対象として順次供給されるガス化ガスを上記所定の温度条件まで昇温させると共に、上記タールの改質処理に必要とされる反応熱を賄うようにしてある。しかし、実際には、上記改質炉では、炉壁からの放射によって外部（大気中）へ熱が逃げるため、この外部に逃げる分の熱量も、上記ガス化ガスの部分燃焼の燃焼熱によって補償するようにしている。

そこで、本発明は、改質炉内におけるガス化ガスの昇温の効率を向上させると共に、改質炉の外部への熱の放射を抑制できて、ガス化ガスの部分燃焼させる量と、酸化剤の使用量の削減化を図ることができるガス化ガス中のタールの改質装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、筒状の周壁と、軸心方向の一端壁及び他端壁を有する改質炉内に、上記一端壁の内面より他端壁の内面付近まで延びて開口させた筒状の仕切板を設けて、改質炉内の外周部と中央部に、該仕切板で仕切られた軸心方向に延びる外側流路と内側流路を形成し、上記外側流路と内側流路とを上記仕切板の開口側に形成される連通口により連通させ、且つ上記改質炉の周壁の軸心方向一端部に、上記外側流路の軸心方向一端部にガス化ガスを吹き込むためのガス化ガス供給ノズルを設けると共に、上記改質炉の一端壁に、上記内側流路に連通するガス出口を設け、更に、上記ガス化ガスを部分燃焼させるための酸化剤のガスを上記内側流路内に供給する酸化剤供給ノズルを備えた構成を有するガス化ガス中のタールの改質装置とする。

又、請求項２に対応して、上記請求項１に対応する構成において、ガス化ガス供給ノズルは、改質炉の周壁の軸心方向一端部に接線方向に接続した構成とする。

更に、請求項３に対応して、上記請求項１又は２に対応する構成において、酸化剤供給ノズルは、内側流路における軸心方向他端部に酸化剤のガスを供給するように設けるようにした構成とする。

更に、請求項４に対応して、上記請求項１から請求項３のいずれか一項に対応する構成において、仕切板をセラミックス製とした構成とする。

更に又、請求項５に対応して、上記請求項１から請求項４のいずれか一項に対応する構成において、仕切板の外周面に、放熱フィンを設けた構成とする。

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）請求項１に示した構成を有するガス化ガス中のタールの改質装置では、内側流路内でのガス化ガスの部分燃焼により発生させる熱を、仕切板の外にて、外側流路を流通するガス化ガスの予熱に利用することができる。したがって、改質炉内におけるガス化ガスの昇温の効率を向上させることができる。
（２）又、上記のように外側流路を流通するガス化ガスの予熱に熱が利用されることに伴い、改質炉の周壁まで達する熱が減るため、該改質炉の外部への熱の逃げを抑制することができる。
（３）したがって、部分燃焼させるべきガス化ガスの量を低減できて、該ガス化ガスの部分燃焼に用いる酸化剤の使用量の削減化を図ることができる。

本発明のガス化ガス中のタールの改質装置の実施の一形態を示すもので、（ａ）は概略切断側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ方向矢視端面図、（ｃ）は改質炉に対する仕切板の取付部分を拡大して示す図である。 本発明の実施の他の形態を示すもので、仕切板の外周面の一部を拡大して示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明のガス化ガス中のタールの改質装置の実施の一形態を示すものである。

本発明のガス化ガス中のタールの改質装置（以下、単に改質装置と記す）は、円筒形状の周壁２と、軸心方向の一端壁３と他端壁４とを有する改質炉１を備える。なお、本実施の形態では、上記改質炉１は、上記一端壁３側を下側にし、他端壁４側を上側にして、軸心方向が上下方向に延びる姿勢で配置してあるものとする。

上記改質炉１の内部には、底面となる上記一端壁３の内面から、天井面となる上記他端壁４の内面付近まで、該改質炉１の軸心方向に沿って延びる筒状の仕切板５が設けてある。上記仕切板５によって仕切られた上記改質炉１の内部の外周部と中央部には、軸心方向に延びる環状の外側流路６と、内側流路７がそれぞれ形成されている。上記外側流路６と内側流路７とは、上記改質炉１の他端壁４と、該他端壁４に臨む仕切板５の端部との間に形成された連通口８を介して連通接続されている。

上記改質炉１の一端壁３側の周壁２の端部には、ガス化ガス供給ノズル９が、上記外側流路６に連通するように接続されている。一方、上記一端壁３の中央部には、上記内側流路７に連通するガス出口１１が設けられている。これにより、上記ガス化ガス供給ノズル９より上記外側流路６に供給されるガス化ガス１０は、上記外側流路６を軸心方向の一端部側から他端部側へ流れた後、上記連通口８を通して内側流路７へ導かれ、その後、該内側流路７を軸心方向に沿いガス出口１１の方向へ流れて、該ガス出口１１に到達するようにしてある。

更に、上記ガス化ガス供給ノズル９は、図１（ｂ）に示すように、上記周壁２に対する取り付け姿勢が、該周壁２の接線方向になるようにすることが望ましい。これにより、上記改質炉１内では、上記ガス化ガス供給ノズル９より上記外側流路６へ接線方向にガス化ガス１０が吹き込まれると、該ガス化ガス１０は、該外側流路６内を、改質炉１の他端壁４の方向へ旋回しながら流れて、上記周壁２の内面に沿って螺旋状（つる巻き線状）に流れる旋回流１０ｖを形成するようにしてある。したがって、上記ガス化ガス１０は、上記外側流路６を旋回流１０ｖとして流れることにより、上記外側流路６を軸心方向に直線的に流れる場合に比して、上記仕切板５の外周面との相対流速が増加し、レイノルズ数が増加するとともに、該仕切板５の外周面に対する接触距離が長くなるようにしてある。これにより、上記旋回流１０ｖとして流れるガス化ガス１０は、上記仕切板５からの熱伝達を良好に受けることができるようにしてある。

ところで、上記ガス化ガス１０は強い還元性を有しているため、上記仕切板５は、セラミックス製とすることが望ましい。更に、上記セラミックスとしては、上記外側流路６内を流れるガス化ガス１０に対する熱伝達に良い影響を与えるようにするという点から考えると、できるだけ熱伝導率が高い材料を選択することが望ましい。

なお、上記仕切板５をセラミックス製とする場合には、一般に鋼製とされる改質炉１の周壁２や各端壁３，４に対して、熱膨張率に差が生じる。そのため、上記セラミックス製の仕切板５の軸心方向一端部を、上記改質炉１の一端壁３の内面に取り付ける場合は、たとえば、図１（ｃ）に示すような取り付け構成とすればよい。

すなわち、上記仕切板５には、軸心方向一端部の外周に、外側に張り出すフランジ部５ａを形成して、該フランジ部５ａを、改質炉１の一端壁３の内側に、シール部材１２を介在させた状態で接するように配置する。上記フランジ部５ａのシール部材１２設置側とは反対側の面には、改質炉１の一端壁３の内側に周方向に或る間隔で配設する複数の係止部材１３を、シール部材１４を介装させて係止させるようにする。上記各係止部材１３は、上記一端壁３に、ボルト（スタッドボルト）１５とナット１６により取外し可能に設置される構成としてある。これにより、上記一端壁３の内面と、上記各係止部材１３との間に、上記仕切板５のフランジ部５ａが、上記シール部材１２と１４を介して径方向に変位可能に挟まれて保持された構成として、上記一端壁３と、仕切板５との径方向の熱膨張量の差を吸収しつつ、該仕切板５の保持を行うことができるようにしてある。

上記改質炉１の他端壁４の中央部には、ガス化ガス１０の部分燃焼に用いるための空気あるいは高濃度の酸素からなる酸化剤のガス（以下、単に酸化剤と記す）１７を上記内側流路７の内側に吹き込むように供給するための酸化剤供給ノズル１８が設けられている。

なお、上記内側流路７にて、上記酸化剤供給ノズル１８より吹き込まれる酸化剤１７によりガス化ガス１０を部分燃焼させて発生させる燃焼熱により昇温される領域に対し、前述したように該内側流路７を軸心方向の他端側から一端側へ流れるガス化ガス１０の滞留時間を多く取るため、及び、上記燃焼熱による上記仕切板５への伝熱時間を多く取るためには、上記酸化剤供給ノズル１８は、上記内側流路７内における軸心方向の他端部に、上記酸化剤１７を吹き込むようにした構成とすることが望ましい。

上記のようにして内側流路７にて酸化剤１７が吹き込まれて混合されたガス化ガス１０は、後述するように昇温された炉内の熱を受けることによる点火、あるいは、図示しないパイロットバーナ等の点火装置による点火により、部分燃焼が開始されて、図１（ａ）に二点鎖線で示す如き火炎１９を生じるようにしてある。

なお、上記改質炉１には、上記ガス化ガス１０の改質反応を進行させるために必要とされる温度条件まで該改質炉１内の温度を予め昇温させるための外部燃料を用いた昇温バーナ等の図示しない昇温手段が備えられている。

以上の構成としてある本発明の改質装置を使用してガス化ガス中のタールを改質する場合は、上記図示しない昇温手段を用いて、上記改質炉１内、特に、内側流路７内を、ガス化ガス１０中に含まれるタールの改質反応を進行させるために必要とされる温度条件、たとえば、１０００℃以上の或る温度まで予め昇温させる。この際、上記内側流路７内における上記所定の温度条件の領域は、改質炉１の軸心方向における範囲が、ガス化ガス供給ノズル９より供給されるガス化ガス１０が外側流路６と連通口８を経て内側流路７の軸心方向他端部に流入して該領域を通過する際に、上記ガス化ガス１０中に含まれるタールを或る基準濃度を下回るまで改質処理するために必要な滞留時間以上の時間が掛かるように設定してあるものとする。

なお、本発明の改質装置では、後述するように、外側流路６を流通する間にガス化ガス１０が内側流路７内での燃焼による熱により仕切板５を介して予熱されるため、この外側流路６での予熱によりガス化ガス１０が上記タールの改質反応を進行させるために必要とされる温度条件まで昇温される場合は、該外側流路６を流れるガス化ガス１０が上記所定の温度条件まで昇温された時点から上記連通口８に達するまでの経過時間も考慮して、上記滞留時間を設定するようにすればよい。

上記改質炉１内にて、内側流路７内がガス化ガス１０中のタールを改質するのに必要とされる前記した温度条件まで昇温すると、本発明の改質装置では、上記ガス化ガス供給ノズル９からガス化ガス１０の供給を開始させると共に、内側流路７内への酸化剤供給ノズル１８からの酸化剤１７の供給を開始させる。この際、上記酸化剤１７の供給量は、ガス化ガス１０の一部を燃焼させて目標温度が得られるように調整してあるものとする。すなわち、上記改質炉１内に連続的に供給されるガス化ガス１０を昇温させることに伴って炉内温度が上記所定の温度条件から低下する分の熱量と、タールの改質反応の反応熱を、ガス化ガス１０の部分燃焼で発生させる燃焼熱により補償することができるように、ガス化ガス１０の必要とされる燃焼量を求め、該燃焼量に応じた酸素量が該酸化剤１７から供給されるように調整してあるものとする。

上記ガス化ガス供給ノズル９より外側流路６に吹き込まれたガス化ガス１０は、旋回流１０ｖとなって、該外側流路６を軸心方向一端側から他端側に向けて流れた後、連通口８を経て内側流路７の軸心方向他端部に流入し、その時点で上記酸化剤供給ノズル１８より吹き込まれる酸化剤１７が均一に混合されて、該ガス化ガス１０の一部が部分燃焼させられる。

上記内側流路７内では、上記ガス化ガス１０の上記酸化剤１７による部分燃焼が継続して行われることで、該内側流路７内の環境は、改質に必要な温度条件に保持される。このため、上記のようにしてガス化ガス供給ノズル９より供給されて外側流路６から連通口８を経て内側流路７内に流入するガス化ガス１０は、該ガス化ガス１０中に含まれるタールの改質処理が連続的に行われるようになる。このようにして上記内側流路７内でガス出口１１に達するまでの間にタールの改質処理が実施されたガス化ガス１０ａは、その後、該内側流路７よりガス出口１１を経て送り出されるようになる。

この際、上記仕切板５は、内側流路７でのガス化ガス１０の部分燃焼により発生する燃焼熱を受けて内周面側より加熱される。このため、該仕切板５の外周面に沿って形成されている上記外側流路６では、ガス化ガス１０が、軸心方向一端側から他端側の連通口８まで流通する間に、上記仕切板５からの熱伝達により予熱されるようになる。

しかも、上記外側流路６では、ガス化ガス１０が旋回流１０ｖとなっているため、前述したように、ガス化ガス１０の乱流が発生させられるようになり、且つ、上記外側流路６を軸心方向に直線的に流れる場合に比して、上記仕切板５の外周面との相対流速が増加し、レイノルズ数が増加すると共に、該仕切板５の外周面に対する接触距離が長くなっている。このため、上記外側流路６を流通する間に、上記ガス化ガス１０は、上記仕切板５からの熱伝達を良好に受けて効率よく予熱されるようになる。

よって、上記内側流路７には、上記外側流路６で効率よく予熱されたガス化ガス１０が流入するようになることから、タールの改質処理を行うためのガス化ガス１０の加熱の効率を向上させることができる。なお、上記外側流路６で予熱されるガス化ガス１０は、該外側流路６を流通している間に、上記改質に必要な温度条件まで加熱されて、タールの改質処理が開始されるようになっても、何ら問題は生じない。

このように、本発明の改質装置では、内側流路７内でのガス化ガス１０の部分燃焼により発生させる燃焼熱を、仕切板５の外周面に沿って外側流路６を流通するガス化ガス１０の予熱に利用することができる。

したがって、改質炉１内にて、ガス化ガス供給ノズル９より供給されるガス化ガス１０を、タールの改質反応を進行させるために必要とされる温度条件まで昇温させるときの加熱の効率を向上させることができる。

一方、上記内側流路７内で発生させる上記燃焼熱の一部が、上記仕切板５の加熱に使用されても、その熱は、外側流路６を流通するガス化ガス１０で回収して、該ガス化ガス１０の予熱に有効利用することができる。このため、本発明の改質装置では、改質炉１の周壁２まで達する熱を減少させることができ、よって、該改質炉１の外部への熱の逃げを抑制することができる。

したがって、本発明の改質装置では、上記燃焼熱を得るために部分燃焼させるガス化ガス１０の量を低減させることができるため、該ガス化ガス１０の部分燃焼に用いる酸化剤の使用量の削減化を図ることができるようになる。

上記実施の形態では、改質炉１における仕切板５が取り付けてある軸心方向の一端壁３側を下側にし、他端壁４側を上側にして、軸心方向が上下方向に延びる姿勢で配置してあるものを示したが、上下を反転させた構成としてもよい。この場合、浮力の関係から、上記内側流路７では、ガス化ガス１０の部分燃焼により発生する火炎１９が上下方向に延びる傾向になる。よって、この場合は、改質炉１の軸心方向の寸法を、上記火炎１９が生じる範囲に応じて適宜調整すればよい。

次に、図２は本発明の実施の他の形態として、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）の実施の形態の応用例を示すものである。

本実施の形態の改質装置は、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したと同様の構成において、仕切板５の外周面に、周方向及び軸心方向にそれぞれ或る間隔で放熱フィン２０を設けた構成としてある。

上記放熱フィン２０は、外側流路６に形成させるガス化ガス１０の旋回流１０ｖを阻害しないように、該旋回流１０ｖの流れ方向に沿う板状のものとすることが望ましい。

その他の構成は図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

本実施の形態の改質装置によれば、ガス化ガス１０（図１（ａ）（ｂ）参照）が外側流路６を旋回流１０ｖとなって流通するときに、上記仕切板５の外周面に設けてある放熱フィン２０により該仕切板５の放熱面積を増加させることができるため、該仕切板５より外側流路６を流通するガス化ガス１０への熱伝達の効率を更に高めることができる。

これにより、本実施の形態の改質装置は、上記外側流路６でのガス化ガス１０の予熱をより効率よく実施できることから、タールの改質処理を行うためのガス化ガス１０の加熱の効率を更に向上させることができる。又、改質炉１の外部への熱の逃げを更に抑制することができて、ガス化ガス１０の部分燃焼に用いる酸化剤の使用量の更なる削減化を図ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の改質装置は、改質炉１の軸心方向を斜めに傾けた姿勢等、改質炉１の軸心方向を上下方向とする以外のいかなる姿勢で使用してもよい。

改質炉１の周壁２及び仕切板５は、外側流路６内にガス化ガス１０の旋回流１０ｖを円滑に形成させるためには、共に円筒形状とすることが望ましいが、上記旋回流１０ｖを形成させることができれば、楕円形や多角形断面の筒状としてもよい。

連通口８は、外側流路６と内側流路７の軸心方向他端部同士を連通させることができるようにしてあれば、たとえば、仕切板５の軸心方向他端部の周壁に内外方向に貫通させて設けた開口部とする等、図示した以外の構成の連通口８を採用してもよい。

図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した改質炉１、ガス化ガス供給ノズル９、酸化剤供給ノズル１８のサイズや互いの比率、旋回流１０ｖのピッチやサイズは、図示するための便宜上のものであり、実際の寸法を反映したものではない。

酸化剤供給ノズル１８の数や配置は、改質炉１内に形成する内側流路７の径寸法に応じて適宜変更してもよい。

更に、図２に示した放熱フィン２０の仕切板５の外周面に対する周方向及び軸心方向の配置は適宜変更してもよい。又、上記放熱フィン２０は、外側流路６を流通するガス化ガス１０の旋回流１０ｖを阻害することなく仕切板５の放熱面積を増加させることができれば、図示した以外のいかなる形状のものを採用してもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 改質炉、２ 周壁、３ 一端壁、４ 他端壁、５ 仕切板、６ 外側流路、７ 内側流路、８ 連通口、９ ガス化ガス供給ノズル、１０ ガス化ガス、１１ ガス出口、１７ 酸化剤（酸化剤のガス）、１８ 酸化剤供給ノズル、２０ 放熱フィン

Claims (5)

1. 筒状の周壁と、軸心方向の一端壁及び他端壁を有する改質炉内に、上記一端壁の内面より他端壁の内面付近まで延びて開口させた筒状の仕切板を設けて、改質炉内の外周部と中央部に、該仕切板で仕切られた軸心方向に延びる外側流路と内側流路を形成し、
   上記外側流路と内側流路とを上記仕切板の開口側に形成される連通口により連通させ、
   且つ上記改質炉の周壁の軸心方向一端部に、上記外側流路の軸心方向一端部にガス化ガスを吹き込むためのガス化ガス供給ノズルを設けると共に、上記改質炉の一端壁に、上記内側流路に連通するガス出口を設け、
   更に、上記ガス化ガスを部分燃焼させるための酸化剤のガスを上記内側流路内に供給する酸化剤供給ノズルを備えた構成
   を有することを特徴とするガス化ガス中のタールの改質装置。
2. ガス化ガス供給ノズルは、改質炉の周壁の軸心方向一端部に接線方向に接続した請求項１記載のガス化ガス中のタールの改質装置。
3. 酸化剤供給ノズルは、内側流路における軸心方向他端部に酸化剤のガスを供給するように設けるようにした請求項１又は２記載のガス化ガス中のタールの改質装置。
4. 仕切板をセラミックス製とした請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガス化ガス中のタールの改質装置。
5. 仕切板の外周面に、放熱フィンを設けた請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガス化ガス中のタールの改質装置。

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