JP2015506390A - 油製造のための正圧下でのバイオマス合成ガス精製方法およびそのシステム構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 油を製造するために正圧下でバイオマス合成ガスを精製する方法およびシステムを提供する。【解決手段】 本方法では、酸化ファンを利用して高温熱分解ガス化炉を通気させ；ガス化炉から取り出された高温合成ガスを高温水冷煙道を介して水冷式急冷塔へ流入させ、水を噴霧することによりガスを部分的に冷却してスラグを凝集させ；排熱を水管型排熱ボイラおよび熱管型排熱ボイラにより２段階で２つの圧力で回収し；副産物である中圧蒸気および低圧蒸気を外部へ放出し；熱管型排熱ボイラで重質タールを凝集および回収した後に、得られた合成ガスを充填材がないベンチュリースクラバへ流入させ、ダストを除去し、湿式電気集塵装置を用いて更にダストを除去し、タール液滴を除去することにより精製し、次に適合合成ガスを湿式ガスタンクへ送り貯蔵し、或いは下流工程へ送り使用する。工程を最適化すると共に適当な工程パラメータを制御することにより、合成ガスを多段階で冷却し、排熱を漸次再利用し、ダスト除去およびタール除去を段階的に行うことができ、システムが複雑であり、工程が長く、エネルギ消費が大きく、効率が低く、安定性および経済性が悪いといった技術的な課題が解消される。【選択図】図１

Description

本発明は、油を製造するために、正圧下でバイオマス合成ガスを精製する方法および装置に関する。

化石燃料の埋蔵量減少に伴い、再生可能なクリーンエネルギであるバイオマスが一層注目されており、急速に開発されている。バイオマスを使用するガスおよび油の製造は、新エネルギの開発分野において、重要な研究プロジェクトとなっている。

石炭ガスの製造と同様に、バイオマスガスの製造では冷却および洗浄といった精製工程が要求される。昨今、バイオマスガス化方法に対する研究では多くの結果が得られている一方、バイオマス合成ガスの精製の研究は相対的に、主に従来の石炭ガス冷却洗浄方法に関して僅かに行われているにすぎない。しかし、バイオマス合成ガスの出口温度は石炭ガスの出口温度よりもずっと高温であり、すなわち、炭化室からの粗石炭ガスの温度は650℃であるが、本発明方法のガス化炉出口における合成ガスの温度は1000℃を超えるといった実際の状況を考慮することなく、石炭ガスを予備冷却する従来の工程を真似るのは適切ではない。したがって、バイオマス合成ガスの革新的な冷却方法を開発することが所望される。

従来の石炭ガス予備冷却手段は、間接的予備冷却工程、直接的予備冷却工程、および間接・直接的予備冷却工程を含む。予備冷却工程は主に、石炭ガスを、炭化室から流出した後であって電気式タール分離装置に流入させる前に、22〜35℃の温度に冷却する。

間接的予備冷却工程は、石炭ガスが冷却媒体と直接的に接触せず、二位相間で熱伝達が生じるが物質移動は生じないものである。間接的予備冷却工程は、良好な冷却効果と精製効果が得られる。

直接的予備冷却工程は、アンモニア溶液を石炭ガスに噴霧して、アンモニア溶液を石炭ガスと直接的に接触させることにより、熱伝達と物質移動を生じさせる。間接的予備冷却工程と比べて、直接的予備冷却工程は、石炭ガスの冷却効率が高い、抵抗が小さい、装置が安価である、そして電力消費が大きいといった特徴がある。

間接・直接的予備冷却工程は組み合わせた工程であり、石炭ガスを先ず間接冷却器に、次に直接冷却器へ導入するものであり、直接的予備冷却および間接的予備冷却の両方の効果を有する。

石炭ガスからダストを除去する方法は、沈降、フィルタ、サイクロン、電気分離、水洗浄、およびベンチュリースクラバによる除塵を含む。除塵方法が異なれば除塵効果や抵抗消費も異なる。

石炭ガスからタールを除去するための主な装置は、電気式タール分離装置である。

様々な原料から、様々なガス化方法により製造される合成ガスの特性は殆ど同じである。しかし、目標とする工程方法やシステム形態は、精製目標と経済目標の改善を確実にするように適用されるべきである。

複雑なシステム、長い手順、高いエネルギ消費、低い効率と安定性、非経済的といった点を特徴とする従来の石炭ガス精製方法は、バイオマス合成ガスを処理するように適応させられた時に最適でなければならず、また改良されなければならない。

本発明の技術的解決法は、本願発明者によって、バイオマスの高温ガス化工程を、合成ガスの化学的および物理的特性と組み合わせることにより、合成ガスの冷却および精製方法に関する広範な研究結果をなすものである。

本発明の目的の一つは、油を製造するために、正圧下でバイオマス合成ガスを精製する方法および装置を提供することにある。最適化した目標となる工程構想や方法構成を適用することにより、工程装置を合理的に構成することにより、また工程パラメータを適切に制御することにより、従来の石炭化学工業精製方法はシステムが複雑であり、手順が長く、エネルギ消費が大きく、効率および安定性が低く、また経済性や目標が不十分であることから、技術的また経済的に統一されていないといった課題を解決する。

本発明の技術的解決法は、バイオマス固定床および合成ガス（温度1000〜1100℃、ダスト含有量20g/Nm³未満、タール含有量3g/Nm³未満を有する）での高温プラズマガス化方法に基づき、石炭ガスの冷却精製方法に従い開発されている。本発明は、油を製造するために正圧下でバイオマス合成ガスを精製する方法であって、本方法は以下の工程を含む。酸化ファンを使用することにより高温熱分解ガス化炉を通気させる工程；高温熱分解ガス化炉で製造された高温合成ガスを高温水冷煙道を介して水冷式急冷塔へ導入し、そこで水を高温合成ガスに噴霧してスラグの一部を急冷する工程；合成ガスを水冷式急冷塔から水管型排熱ボイラおよび熱管型排熱ボイラへ導入する工程、そこで排熱が２箇所において２つの圧力で回収され、副産物である中圧蒸気および低圧蒸気は外部装置へ供給され、重質タールは熱管型排熱ボイラにより凝集および回収され；熱管型排熱ボイラからの合成ガスを、合成ガスを洗浄してダストを取り除くために充填材がないベンチュリースクラバへ導入する工程；ベンチュリースクラバからの合成ガスを湿式電気集塵装置へ導入して、精製のためにダストおよびタールを更に除去することにより、合成ガスのダスト含有量およびタール含有量のいずれも10mg/Nm³未満とし、合成ガスの温度を45℃未満とし、顕熱回収率を80％よりも高くする工程；適合合成ガスを貯蔵のために湿式ガスタンクへ、或いは使用するために下流工程へ搬送する工程。

本発明の改良点としては、高温熱分解ガス化炉で生成される高温合成ガスは、温度が1000〜1100℃であり、ダスト含有量が20g/Nm³未満であり、タール含有量が3g/Nm³未満である。高温合成ガスはガス化炉の上部を出て、高温水冷煙道を通り、水冷式急冷塔へ導入され、そこで水が噴霧されて、合成ガスの温度を800±20℃に低下させると共に、スラグを凝集させる。次に合成ガスは水管型排熱ボイラへ導入され、中温の排熱を回収し、内部で生成される中圧蒸気は外部装置へ供給される。水管型排熱ボイラを流出した合成ガスの温度は450±20℃である。次に合成ガスは、熱管型排熱ボイラへ搬送され、低温の排熱を回収し、内部で生成された低圧蒸気は外部装置へ供給される。合成ガスが熱管型排熱ボイラ内で冷却されると同時に、重質タールが分離されてシュートにより回収される。熱管型排熱ボイラを流出した合成ガスの温度は200±10℃に低下する。次に、合成ガスは充填材がないベンチュリースクラバへ搬送され、合成ガスは洗浄され、ダストが除去され、更に合成ガスの温度が低下させられることにより、大部分のダスト、タール液滴、および水溶性ガスが洗浄液へ入り除去される。洗浄後の合成ガスの温度は45±2℃である。合成ガスは湿式電気集塵装置へ送られ、更に内部のダストやタールが取り除かれることにより、合成ガスはダスト含有量およびタール含有量のいずれもが10mg/Nm³未満、温度が45℃未満、顕熱回収率が80％より高くなる。適合合成ガスは湿式ガスタンクへ搬送されて貯蔵され、或いは、下流側の工程へ供給されて使用される。フレアが湿式ガスタンクに並列連結されて、排ガスを燃焼させる。

本発明の改良点としては、酸化ファンを利用して空気を噴射させると共に正圧を供給することにより、石炭ガスブロワーを削除することができる。酸化ファンの出口圧力を増加させることにより、高温熱分解ガス化炉の出口圧力は洗浄システムの抵抗に勝ち、また湿式ガスタンクの入口圧力は4〜6KPaを維持することから、ガス化炉、水冷式急冷塔、水管型排熱ボイラ、熱管型排熱ボイラ、充填材が無いベンチュリースクラバ、湿式電気集塵装置および湿式ガスタンクを正圧下で作動させることができ、空気が上記精製装置を通過することがなくなり、ガス爆発の可能性が少なくなる。

本発明の改良点としては、高温水冷煙道および水冷式急冷塔のいずれもが、膜式水冷却管構造を採用することにより、重量を低減させ、耐火材料の離層問題を回避し、操作における信頼性を高めることができる。高温水冷煙道、水冷式急冷塔、排熱ボイラは直列連結されて、水循環システムを形成することにより、循環水の水冷却問題が解消され、熱エネルギの完全回収が実現する。

本発明の改良点としては、水が水冷式急冷塔内の高温合成ガスに噴霧されて、合成ガスの温度を800±20℃に低下させると共に、合成ガス中のスラグを凝集させ、スラグを塔底から排出する。従って、排熱ボイラの加熱面がスラグにより汚染されることを避けることができ、排熱ボイラの熱交換性能が安定する。

本発明の改良点としては、排熱ボイラは高温部と低温部を含む。高温部は水管型排熱ボイラを利用し、低温部は熱管型排熱ボイラを利用する。水管型排熱ボイラの出口における合成ガスの温度は450±20℃であり、これは重質タールの凝固点よりも高いので、タールの凝集を回避することができる。水管型排熱ボイラの設計圧力は、1.6MPa以上であることから、蒸気の温度品質が改善されると共に、対応する化学工業用蒸気の要件を満たす。

熱管型排熱ボイラの出口における合成ガスの温度は、この部分で重質タールを凝集させると共に、重質タールをシュートにより回収するために、200℃未満に制御される。低温部は熱管型排熱ボイラを利用して、熱交換効果を改善する。熱管型排熱ボイラの設計圧力は0.5MPaであり、内部で生成される低圧蒸気は湿式電気集塵装置へ送り込まれて使用される。

バイオマス合成ガスは、ダスト含有量およびタール含有量のいずれも相対的に低い。充填材が無いベンチュリースクラバは、予備除塵を行うように構成され、除塵および温度低下の目的を達成するだけでなく、合成ガス中のH₂S、NH₃、HCNなどの有害ガスを洗浄により除去する。

湿式電気集塵装置は、工程フローの後ろ部分において、ダスト除去およびタール除去の制御目標を確実にするように構成される。

従来技術と比較して、本発明は以下の課題を解決すると共に、顕著な効果を有する。

本方法は、断熱型高温ガス化炉に適用可能であり、水冷式または生成物ガス冷却式ガス化方法ではガス化炉の構造が複雑であると共に大型であり、スラグがガス化炉の壁上に堆積し易く、スケールが水側に形成し易く、エネルギ消費量および電力消費量が大きいといった技術的な問題を解決する。ガス化の安定性が高まる一方で、ガス化装置の主な製造コストが節約される。

高温水冷煙道を利用することにより、断熱煙道は煩わしく、膨張し、取り扱いが困難であり、煙道内でライナが壊れ易く、耐用寿命が短いといった問題が解消する。

急冷工程は、水を噴霧することによりガス化炉の外で行われることから、ガス化工程は影響を受けることがない。急冷の程度は部分的に制御されるので、スラグ凝集作用およびシステムの熱効率が改善する。

２つの圧力下での排熱ボイラの２部分構成は重質タールの集中回収、段階的排熱回収、および装置の熱効率改善を達成する。

充填材無しベンチュリースクラバを使用して、ガスを洗浄すると共にダストを除去し、湿式電気集塵装置を使用して、更にタールとダストを除去するので、ダストとタールを段階的に取り除くことにより、精製目標を達成する。

本発明は、システムが単純であり、工程が速やかであり、エネルギ消費が小さく、効率が良く、安全且つ安定的であり、経済効率が高い。

本発明の油を製造するために正圧下でバイオマス合成ガスを精製する方法を示すフローチャート。

油を製造するために正圧下でバイオマス合成ガスを精製する方法を、図面と合わせて以下に詳細に説明する。

図１に示すように、技術的解決法の主要工程を実施するための装置は、高温水冷煙道1と、水冷式急冷塔2と、水管型排熱ボイラ3と、熱管型排熱ボイラ4と、ベンチュリースクラバ（充填材なし）5と、湿式電気集塵装置6と、湿式ガスタンク7と、フレア8を含む。

本発明のパラメータおよび工程フローは次の通りである。酸化ファンを利用して空気を高温熱分解ガス化炉へ噴射する。高温熱分解ガス化炉で生成され、温度が1000〜1100℃であり、ダスト含有量が20g/Nm³未満であり、タール含有量が3g/Nm³未満である高温合成ガスは、ガス化炉の上部から出て、高温水冷煙道1を通り、水冷式急冷塔2に導入され、そこで水を噴霧して、合成ガスの温度を800±20℃に低下させると共に、スラグを凝集させる。次に、合成ガスは水管型排熱ボイラ3に導入されて、中温の排熱を回収する。内部で生成された中圧蒸気は外部装置へ送り込まれる。水管型排熱ボイラ3を流出した合成ガスは、450±20℃の温度を有する。次に、合成ガスは熱管型排熱ボイラ4へ送られて、低温の排熱が回収され、内部で生成された低圧蒸気は外部装置へ送り込まれる。合成ガスが熱管型排熱ボイラで冷却されると同時に、重質タールが分離させられシュートにより回収される。熱管型排熱ボイラ4を流出する合成ガスの温度は200℃未満に低下する。次に、合成ガスはベンチュリースクラバ（充填材が無い）5に送られ、合成ガスを洗浄し、ダストを取り除き、合成ガスの温度を更に低下させることにより、大部分のダスト、タール液滴、および水溶性ガスが洗浄液に入り、除去される。洗浄後の合成ガスの温度は45℃未満である。その後、合成ガスは湿式電気集塵装置6に送られ、ダストとタールが更に除去される。上記の冷却および精製処理後の合成ガスは、ダスト含有量およびタール含有量のいずれもが10mg/Nm³未満であり、温度は45℃未満であり、顕熱回収率は80％より高いことから、後続の工程におけるガス要件を完全に満たすものである。次に、適合合成ガスは湿式ガスタンク7に送られて貯蔵されるか、下流工程へ送り込まれて使用される。フレア8が湿式ガスタンク7に並列連結されており、システムが始動し、合成ガスの組成が過剰であるときに、排ガスを燃焼させるのに重要な装置である。

正圧下で合成ガスを冷却および洗浄する主要工程フローおよび関連装置について、上記で説明した。急冷塔用噴水システム、排熱ボイラの２部分への給水システム、ベンチュリースクラバの冷却洗浄システム、湿式電気集塵装置の流水システム、湿式ガスタンクの水封止システムなどの補助システムに加えて、幾つかの標準的な或いは標準的でない装置が設けられてもよい。それらの装置は、配管や弁を介して、個々のサブシステムを形成すると共に、関連装置として作用することにより、バイオマス合成ガスの冷却および洗浄工程フロー全体を実現するものである。

１ 高温水冷煙道
２ 水冷式急冷塔
３ 水管型排熱ボイラ
４ 熱管型排熱ボイラ
５ ベンチュリースクラバ
６ 湿式電気集塵装置
７ 湿式ガスタンク
８ フレア

Claims (7)

1. 油を製造するために正圧下でバイオマス合成ガスを精製する方法であって、
   酸化ファンを使用して高温熱分解ガス化炉を通気させる工程と、
   前記高温熱分解ガス化炉で生成された高温合成ガスを高温水冷煙道を通り水冷式急冷塔へ導入する工程と、そこで水が高温合成ガスに噴霧されて、スラグの一部が急冷され、
   前記水冷式急冷塔からの合成ガスを水管式排熱ボイラおよび熱管式排熱ボイラへ導入する工程と、そこで排熱は２箇所において２つの圧力で回収され、副産物の中圧蒸気および低圧蒸気が外部装置へ送り込まれ、熱管型排熱ボイラにより重質タールが凝集させられて回収され、
   前記熱管型排熱ボイラからの合成ガスを充填材無しベンチュリースクラバへ導入して、合成ガスを洗浄すると共に、ダストを除去する工程と、
   前記ベンチュリースクラバからの合成ガスを湿式電気集塵装置へ送り、更にダストおよびタールを除去し精製して、ダスト含有量およびタール含有量のいずれもが10mg/Nm³未満であり、合成ガスの温度が45℃未満であり、顕熱回収率が80％を超えるようにする工程と、
   適合合成ガスを湿式ガスタンクへ送り貯蔵し、或いは下流工程へ送り使用する工程と
   を含む方法。
2. 前記高温熱分解ガス化炉で生成された高温合成ガスは、温度が1000〜1100℃であり、ダスト含有量が20g/Nm³未満であり、タール含有量が3g/Nm³未満であり、
   前記高温合成ガスは前記ガス化炉の上部から出て、高温水冷煙道(1)を通り、水冷式急冷塔(2)に導入され、そこで水が噴霧されて合成ガスの温度を800±20℃に低下させると共にスラグを凝集させ、
   前記合成ガスは水管型排熱ボイラ(3)に導入されて中温排熱が回収され、内部で生成された中圧蒸気は外部装置へ送り込まれ、前記水管型排熱ボイラを流出する合成ガスの温度は450±20℃であり、
   次に合成ガスは熱管型排熱ボイラ(4)へ送られて低温排熱が回収され、内部で生成された低圧蒸気は外部装置へ送り込まれ、合成ガスが前記熱管型排熱ボイラで冷却されると同時に、重質タールが分離されてシュートにより回収され、前記熱管型排熱ボイラを流出する合成ガスの温度は200±10℃℃に低下し、
   次に合成ガスは充填材がないベンリュリースクラバ(5)へ送られ、合成ガスを洗浄し、ダストを除去し、合成ガスの温度を更に低下させることにより、大部分のダスト、タール液滴、および水溶性ガスが洗浄液に入り取り除かれ、
   洗浄後の合成ガスの温度は45±2℃であり、合成ガスは湿式集塵装置(6)へ送られて内部のダストおよびタールを更に取り除くことにより、合成ガスはダスト含有量およびタール含有量が10mg/Nm³未満、温度が45℃未満、顕熱回収率が80％を超え、
   適合合成ガスを湿式ガスタンク(7)へ送り貯蔵し、或いは下流工程へ送り込み使用し、
   フレア(8)が前記湿式ガスタンク(7)と並列連結されて排ガスを燃焼させる
   ことを特徴とする請求項１の方法。
3. 前記高温水冷式煙道(1)および水冷式急冷塔(2)のいずれもが膜式水冷却管構造を採用していることを特徴とする、請求項２の方法。
4. 前記水管型排熱ボイラ(3)の設計圧力は1.6MPa以上であり、前記水管型排熱ボイラ(3)の出口における合成ガスの温度は450±20℃であることを特徴とする、請求項２の方法。
5. 前記熱管型排熱ボイラ(4)の出口における合成ガスの温度は200℃未満に制御されて、この部分で重質タールを凝集させると共に、重質タールをシュートにより回収することを特徴とする、請求項２の方法。
6. 前記熱管型排熱ボイラ(4)の設計圧力は0.5Mpaであり、内部で生成される低圧蒸気は湿式電気集塵装置(6)に送られて使用されることを特徴とする、請求項２の方法。
7. 前記酸化ファンの出口圧力は、高温熱分解ガス化炉の出口圧力が洗浄システムの抵抗に勝り、湿式ガスタンク(7)の入口圧力が4〜6KPaを維持するのを保証することにより、前記水冷式急冷塔(2)、水管型排熱ボイラ(3)、熱管型排熱ボイラ(4)、ベンリュリースクラバ(5)（充填材無し）、湿式電気集塵装置(6)、湿式ガスタンク(7)を正圧で作動させるようにすることを特徴とする、請求項１の方法。

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