JP2016505666A - 段階的ガス化における第2段ガス化装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2012年12月10日に出願された米国仮出願第61/735,134号の利益を主張する。上記出願の全部内容および実体は、参照することによって本明細書において援用される。
本発明は、米国エネルギー省によって与えられる合意/契約番号DE−NT0000749の下に政府支援でなされた。米国政府は、本発明に特定の権利を有する。
1.発明の分野
本発明は、概して、流動層内の低反応性石炭を含む、種々の炭素質燃料のガス化を促進するプロセス、装置、および方法に関する。本発明は、鉄、ナトリウム、またはカリウム等のより高い割合の灰および汚染成分を含有する、燃料を取り扱うことができる。より具体的には、本発明は、段階的流動層ガス化プロセスにおける第2段ガス化ユニットに関し、そのプロセスは、ほぼ全ての炭素質材料をガス化し、高い炭素転換率を達成し、多段流動層合成ガス冷却器、低温サイクロン、および障壁フィルタを含む、従来のプロセスで可能であるものより低い濃度の汚染成分を伴う無タールおよび無塵合成用ガス(合成ガス)を処理することができる。
ガス化技術は、異なる等級の石炭、石油残留物、およびコークス等の炭素質資源を合成ガスに効果的に転換する効果的なプロセスである。合成ガスは、下流化学合成、ほぼゼロの汚染物質の放出を生じるとともに、二酸化炭素を効果的に捕捉する、IGCCプロセスにおいて、その燃焼を介して発電すること、および/または石油精製および石炭液化プロセスで利用するためにそれを偏移させることによって水素を生成することを含む、多くの用途で使用することができる。
簡潔に説明すると、好ましい形態では、本発明は、石炭、石油コークス、精製残留物、および都市廃棄物等の種々の炭素質材料をガス化することができる、費用効果が高くエネルギー効率的な統合された段階的ガス化プロセスを促進する、高温第2段ガス化ユニットを備える。
本発明の種々の実施形態の原理および特徴の理解を促進するために、種々の例証的実施形態が以下で説明される。本発明の例示的実施形態が詳細に説明されるが、他の実施形態も考慮されることを理解されたい。したがって、本発明が、以下の説明で記載される、または図面で図示される構成要素の構築および配列の詳細にその範囲で限定されることは意図されない。本発明は、他の実施形態も可能であり、かつ種々の方法で実践または実行されることが可能である。また、例示的実施形態を説明する際に、明確にするために特定の用語に頼るであろう。
Claims (50)
- 第1段濃度で不要な種を含有する第1段合成ガス流を形成する、第1段ガス化ユニットを有する、低反応性燃料のための統合ガス化プロセスとともに有用である、第2段ガス化ユニットであって、前記第2段ガス化ユニットは、
第2段濃度で不要な種を含有する第2段合成ガス流への第1段濃度で不要な種を含有する第1段合成ガス流の転換を助長する動作特性を有する、高温第2段乱流流動層ガス化装置であって、前記不要な種の前記第2段濃度は、前記不要な種の前記第1段濃度より低く、前記第2段乱流流動層ガス化装置は、
層材料領域中の層材料と、
前記層材料領域の上方のフリーボード領域と、
前記第2段濃度で前記不要な種を含有する前記第2段合成ガス流のための出口と
を備える、高温第2段乱流流動層ガス化装置と、
前記第2段濃度で前記不要な種を含有する前記第2段合成ガス流温度を加減する合成ガス加減デバイス(STD)と、
前記STDを通って流動する前記第2段乱流流動層ガス化装置からの層材料の少なくとも一部分を前記第2段乱流流動層ガス化装置に返還する層材料返還と
を備え、
前記第2段ガス化装置の第1の動作特性は、95%以上の全体的炭素転換率を達成し、低反応性燃料から前記第2段合成ガス流を生成するように、約1100℃〜1400℃の範囲内で動作することである、第2段ガス化ユニット。 - 前記第2段乱流流動層ガス化装置は、前記第2段乱流流動層ガス化装置への前記第1段合成ガス流の導入のために、前記第2段乱流流動層ガス化装置の前記層材料領域中に合成ガス入口を有し、前記第1段合成ガス流は、前記第2段乱流流動層ガス化装置の前記層材料の間で、前記第1段濃度で前記不要な種を含有する前記第1段合成ガス流を乱す、十分に混合した乱流流動層を形成するように、異なる高度で接線方向に前記第2段乱流流動層ガス化装置に進入する、請求項1に記載の第2段ガス化ユニット。
- 前記第2段乱流流動層ガス化装置は、酸化剤および蒸気混合物流の導入のために、前記第2段乱流流動層ガス化装置の前記層材料領域中に酸化剤および蒸気混合物流入口を有する、請求項1に記載の第2段ガス化ユニット。
- 前記第2段乱流流動層ガス化装置は、酸化剤および蒸気混合物流の導入のために、前記第2段乱流流動層ガス化装置の前記フリーボード領域中に酸化剤および蒸気混合物流入口を有する、請求項1に記載の第2段ガス化ユニット。
- 酸化剤および蒸気混合物流の導入のために、前記第2段乱流流動層ガス化装置の前記層材料領域の耐火層に組み込まれた分配器アセンブリをさらに備える、請求項1に記載の第2段ガス化ユニット。
- 前記層材料領域の高さは、約10フィート〜15フィートの範囲内であり、前記フリーボード領域の高さは、約10フィート〜20フィートの範囲内である、請求項1に記載の第2段ガス化ユニット。
- 前記第2段乱流流動層ガス化装置は、灰鉱物と関連付けられる汚染問題を最小限化する1つ以上の吸着剤の導入のために、前記第2段乱流流動層ガス化装置の前記フリーボード領域中に少なくとも1つの吸着剤入口を有し、
前記層材料返還は、
サイクロンと、
ディップレッグと、
L字レッグ機構と
を備える、請求項1に記載の第2段ガス化ユニット。 - 前記層材料は、約100ミクロン〜200ミクロンのサイズ範囲を有する不活性粒子を備える、請求項1に記載の第2段ガス化ユニット。
- 前記第2段ガス化装置の第2の動作特性は、約3フィート/秒〜12フィート/秒のガス表面速度範囲で動作することであり、前記第2段ガス化装置の第3の動作特性は、約30psia〜1000psiaの圧力範囲内で動作することである、請求項1に記載の第2段ガス化ユニット。
- 前記第2段ガス化装置の前記動作特性は、95%以上の全体的炭素転換率を達成し、低反応性燃料から無タールおよび無塵の両方の第2段合成ガス流を生成することに役立つ、請求項1に記載の第2段ガス化ユニット。
- 低反応性燃料のための統合ガス化プロセスの第1段ガス化ユニットによって形成される、第1段濃度で不要な種を含有する第1段合成ガス流を調節するプロセスであって、前記プロセスは、
動作特性を有する高温第2段乱流流動層ガス化装置において、前記第1段濃度で前記不要な種を含有する前記第1段合成ガス流を、第2段濃度で前記不要な種を含有する第2段合成ガス流に転換することであって、前記第2段ガス化装置の第1の動作特性は、約1100℃〜1400℃の範囲内で前記第2段乱流流動層ガス化装置を操作することであり、前記第2段乱流流動層ガス化装置は、層材料領域中の層材料と、前記層材料領域の上方のフリーボード領域と、前記第2段濃度で前記不要な種を含有する前記第2段合成ガス流のための出口とを含み、前記不要な種の前記第2段濃度は、前記不要な種の前記第1段濃度より低い、ことと、
合成ガス加減デバイス(STD)において、前記第2段濃度で前記不要な種を含有する前記第2段合成ガス流温度を加減することと、
前記STDを通って流動する、前記第2段乱流流動層ガス化装置からの層材料の少なくとも一部分を前記第2段乱流流動層ガス化装置に返還することと
を含む、プロセス。 - 前記第2段乱流流動層ガス化装置の前記層材料の間で、前記第1段濃度で前記不要な種を含有する前記第1段合成ガス流を乱す、十分に混合した乱流流動層を形成するように、異なる高度で接線方向に前記第1段合成ガス流を前記第2段乱流流動層ガス化装置に導入することをさらに含む、請求項11に記載のプロセス。
- 前記プロセスは、最大約45重量%の灰分を伴う炭素質材料を含む低反応性燃料をガス化する合成ガスへの約95%以上の炭素転換率を達成する、請求項11に記載のプロセス。
- 前記プロセスは、炭素質材料を含む低反応性燃料をガス化する合成ガスへの約95%以上の炭素転換率を達成する、請求項11に記載のプロセス。
- 少なくとも1つの吸着剤を前記第2段乱流流動層ガス化装置の前記フリーボード領域に導入することをさらに含み、
前記プロセスは、低反応性燃料から無タール第2段合成ガス流を生成する、請求項11に記載のプロセス。 - 前記プロセスは、低反応性瀝青炭を含む低反応性燃料をガス化する合成ガスへの約98%以上の炭素転換率を達成する、請求項11に記載のプロセス。
- 約3フィート/秒〜12フィート/秒の表面速度範囲を備える第2の動作特性において、前記第2段乱流流動層ガス化装置を操作することをさらに含む、請求項11に記載のプロセス。
- 約30psia〜1000psiaの圧力範囲を備える第3の動作特性において、前記第2段乱流流動層ガス化装置を操作することをさらに含む、請求項11に記載のプロセス。
- 低反応性燃料のための統合ガス化プロセスの第1段ガス化ユニットによって形成される、第1段濃度で不要な種を含有する第1段合成ガス流を調節するプロセスであって、前記プロセスは、
高温第2段乱流流動層ガス化装置において、前記第1段濃度で前記不要な種を含有する前記第1段合成ガス流を、第2段濃度で前記不要な種を含有する第2段合成ガス流に転換することであって、前記第2段乱流流動層ガス化装置は、層材料領域中の層材料と、前記層材料領域の上方のフリーボード領域と、前記第2段濃度で前記不要な種を含有する前記第2段合成ガス流のための出口とを含み、前記不要な種の前記第2段濃度は、前記不要な種の前記第1段濃度より低い、ことと、
約1100℃〜1400℃の範囲内で前記高温第2段乱流流動層ガス化装置を操作することと、
約3フィート/秒〜12フィート/秒の表面速度範囲で前記高温第2段乱流流動層ガス化装置を操作することと、
約30psia〜1000psiaの範囲内で前記高温第2段乱流流動層ガス化装置を操作することと、
合成ガス加減デバイス(STD)において、前記第2段濃度で前記不要な種を含有する前記第2段合成ガス流温度を加減することと、
前記STDを通って流動する、前記第2段乱流流動層ガス化装置からの層材料の少なくとも一部分を前記第2段乱流流動層ガス化装置に返還することと
を含み、
前記プロセスは、低反応性燃料をガス化する合成ガスへの約95%以上の炭素転換率を達成する、プロセス。 - 灰分を伴う低反応性炭素質燃料のためのガス化システムであって、前記ガス化システムは、
第1段濃度で不要な種を含有する第1段合成ガス流を生成するように、低反応性炭素質燃料および酸化剤を組み合わせる第1段ガス化ユニットと、
第2段濃度で前記不要な種を含有する第2段合成ガス流への前記第1段濃度で前記不要な種を含有する前記第1段合成ガス流の転換を助長する動作特性を有する、高温第2段乱流流動層ガス化装置であって、前記不要な種の前記第2段濃度は、前記不要な種の前記第1段濃度より低く、前記第2段乱流流動層ガス化装置は、
層材料領域中の層材料と、
前記層材料領域の上方のフリーボード領域と、
前記第2段濃度で前記不要な種を含有する前記第2段合成ガス流のための出口と
を備える、高温第2段乱流流動層ガス化装置と、
前記第2段濃度で前記不要な種を含有する前記第2段合成ガス流温度を加減する合成ガス加減デバイス(STD)と、
前記STDを通って流動する前記第2段乱流流動層ガス化装置からの層材料の少なくとも一部分を前記第2段乱流流動層ガス化装置に返還する層材料返還と
を備え、
前記第2段ガス化装置の第1の動作特性は、95%以上の全体的炭素転換率を達成し、低反応性燃料から前記第2段合成ガス流を生成するように、約1100℃〜1400℃の範囲内で動作することである、ガス化システム。 - 前記不要な種は、チャー炭素を含む、請求項20に記載のガス化システム。
- 前記不要な種は、タールを含む、請求項20に記載のガス化システム。
- 前記不要な種は、灰微粉を含む、請求項20に記載のガス化システム。
- 前記システムは、最大約45重量%の灰分を伴う低反応性炭素質燃料をガス化する合成ガスへの約95%以上の炭素転換率を達成する、請求項20に記載のガス化システム。
- 前記システムは、低反応性炭素質燃料をガス化する合成ガスへの約95%以上の炭素転換率を達成する、請求項20に記載のガス化システム。
- 前記システムは、低反応性瀝青炭を含む低反応性炭素質燃料をガス化する合成ガスへの約98%以上の炭素転換率を達成する、請求項20に記載のガス化システム。
- 前記第1段ガス化ユニットは、第1段ガス化ユニットの動作温度範囲と、第1段ガス化ユニットの動作ガス表面速度範囲と、前記第1段ガス化ユニットの出口における第1段ガス化ユニットの動作圧力範囲とを含む、動作特性を有し、
第2段ガス化ユニットは、第2段ガス化ユニットの動作ガス表面速度範囲と、前記第2段ガス化ユニットの出口における第2段ガス化ユニットの動作圧力範囲とを含む、付加的な動作特性を有する、請求項20に記載のガス化システム。 - 前記第2段ガス化ユニットガスの動作表面速度範囲は、約3フィート/秒〜12フィート/秒であり、前記第2段ガス化ユニットの動作圧力範囲は、約30psia〜1000psiaである、請求項27に記載のガス化システム。
- 前記第1段ガス化ユニットの動作温度範囲は、約800℃〜1100℃である、請求項27に記載のガス化システム。
- 前記層材料は、約100ミクロン〜200ミクロンのサイズ範囲を有し、かつ灰溶解温度より高い溶解温度を有する、不活性粒子を含む、請求項20に記載のガス化システム。
- 低反応性燃料から合成ガスを生成するためのプロセスであって、前記プロセスは、
第1のユニットにおいて、第1段濃度で不要な種を含有する第1段合成ガス流を生成するように、低反応性燃料および酸化剤を組み合わせることと、
層材料を有する第2段乱流流動層ガス化装置である第2のユニットにおいて、前記第1段濃度で前記不要な種を含有する前記第1段合成ガス流を、第2段濃度で前記不要な種を含有する第2段合成ガス流に転換することであって、前記不要な種の前記第2段濃度は、前記不要な種の前記第1段濃度より低い、ことと、
約1100℃〜1400℃の範囲内で前記第2段乱流流動層ガス化装置を操作することと、
第3のユニットにおいて、前記第2段濃度で前記不要な種を含有する前記第2段合成ガス流を加減することと、
前記第3のユニットを通って流動する前記層材料の少なくとも一部分を前記第2のユニットに返還することと
を含む、プロセス。 - 前記プロセスは、最大約45重量%の灰分を伴う炭素質材料を含む低反応性燃料をガス化する合成ガスへの約95%以上の炭素転換率を達成する、請求項31に記載のプロセス。
- 前記プロセスは、無煙炭、石油コークス、および精製残留物型燃料のうちの1つ以上を含む、炭素質材料を含む低反応性燃料をガス化する合成ガスへの約95%以上の炭素転換率を達成する、請求項31に記載のプロセス。
- 前記プロセスは、空気、濃縮空気、および酸素のうちの1つを含む、酸化剤を伴う低反応性瀝青炭型燃料を含む、低反応性燃料をガス化する合成ガスへの約98%以上の炭素転換率を達成する、請求項31に記載のプロセス。
- 約3フィート/秒〜12フィート/秒の表面速度範囲内で前記第2のユニットを操作することをさらに含む、請求項31に記載のプロセス。
- 約30psia〜1000psiaの圧力範囲内で前記第2のユニットを操作することをさらに含む、請求項31に記載のプロセス。
- 前記プロセスは、最大600MWeを生成し、可搬性サイズの第2段ガス化装置の単一のユニットを備える、請求項31に記載のプロセス。
- 前記層材料の間で前記不要な種を一様に乱す、前記層材料の十分に混合した乱流流動層を形成するように、前記第2のユニットの異なる高度で接線方向に前記第1段合成ガス流を前記第2のユニットに導入することをさらに含む、請求項31に記載のプロセス。
- 前記第2のユニットの異なる高度で酸化剤および蒸気混合物流を前記第2のユニットに導入することをさらに含む、請求項31に記載のプロセス。
- 前記第2のユニットの耐火層に組み込まれた分配器アセンブリと流体連通している同心パイプノズルを通して、酸化剤および蒸気混合物流を前記第2のユニットに導入することをさらに含む、請求項31に記載のプロセス。
- 灰鉱物と関連付けられる汚染問題を最小限化するように、少なくとも1つの吸着剤を前記第2段乱流流動層ガス化装置の前記フリーボード領域に導入することをさらに含む、請求項31に記載のプロセス。
- 前記第2段合成ガス流を用いて前記第3のユニットに噴流層を形成することをさらに含む、請求項31に記載のプロセス。
- 前記プロセスは、無タールおよび無塵の両方である合成ガスへの約95%以上の炭素転換率を達成する、請求項31に記載のプロセス。
- 前記層材料は、灰溶解温度より高い溶解温度とともに、約100ミクロン〜200ミクロンのサイズ範囲内で不活性粒子を含む、請求項31に記載のプロセス。
- 前記第1段合成ガス流は、約0ミクロン〜50ミクロンの範囲内で微細混入粒子を含み、前記第2のユニット内の前記層材料におけるチャー炭素転換、および前記層材料から前記第2のユニットのフリーボード領域の中への未転換チャー炭素およびより微細な灰粒子の混入時に、前記層材料は、約1重量%未満のチャー炭素および約5重量%未満の微細な灰を含有する、請求項31に記載のプロセス。
- 最大約1400℃の層材料温度を有する前記第2のユニットを、前記灰の灰溶解温度を約50℃〜100℃下回って操作して、凝集およびクリンカ形成を防止することをさらに含む、請求項31に記載のプロセス。
- 前記第2段合成ガス流は、タールを含まず、約0.25モル%〜0.5モル%の範囲内のメタン含有量を有する、請求項31に記載のプロセス。
- 低反応性瀝青炭ガス化については、酸素消費量は、低く、1000scmの生成される一酸化炭素および水素につき350scm〜400scmの範囲内である、請求項31に記載のプロセス。
- 低反応性瀝青炭ガス化については、炭素消費量は、低く、1000scmの生成される一酸化炭素および水素につき500kg〜550kgの乾燥石炭の範囲内である、請求項48に記載のプロセス。
- 低反応性瀝青炭ガス化については、蒸気消費量は、低く、0.25〜0.35の蒸気対石炭質量比の範囲内であり、流出合成ガスの低い方の加熱値は、8.5MJ/scm〜10MJ/scmの範囲内である、請求項49に記載のプロセス。
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