JP2016521310A - 合成ガスを浄化する方法 - Google Patents

Abstract

本方法は、炭素熱プロセスおよび／または電熱プロセスにより反応器またはシャフト炉（２）において生成され、かつ反応器またはシャフト炉から高温で離れた後に塵状の固体（４）から物理的分離技術（３）を介して解放され、下流の熱交換器（５）により冷却される塵埃含有合成ガス（１）を浄化するのに供される。長いフィルタ使用可能期間と有効な合成ガス浄化との組み合わせを達成するために、塵埃含有合成ガス（１）が、反応器（２）を離れた後で、かつ塵状の固体から解放される前に、蒸気の存在下で、滞留セクション（６）を通され、塵状の固体から解放され冷却された後の合成ガスの最終ガス温度（Ｔ３）と滞留セクションでの最高ガス温度（Ｔ２）との差が少なくとも４００Ｋに設定されることが提案される。

Description

本発明は、炭素熱（熱と炭素の組み合わせを用いること）プロセスおよび／または電熱プロセスにより反応器またはシャフト炉において生成され、反応器またはシャフト炉を高温で離れた後に物理的分離技術を介して塵状の固体から解放され、下流の熱交換器により冷却される塵埃含有合成ガスを浄化する方法に関する。

そのような方法の１つが特許文献１から公知である。しかしながら、そこで提案されている高温ガス濾過は、さらなる対応策がなければ問題を含むことが明らかになっており、その理由は後続の混入流ガス化に関わらず、ガス流が依然として、フィルタの活動を損ない得る、またはさらには使用するフィルタを閉塞させ得る長鎖または芳香族炭化水素を含み得るためである。

独国特許出願公開第１０２００７０６２４１４号明細書

本発明の目的は、長いフィルタ使用可能期間が達成され、同時にそれにもかかわらず、合成ガスが塵状の汚染物質からおよびまた依然として存在する長鎖または芳香族炭化水素から非常に効率的に解放されるように、合成ガスの製造のための既存の方法を改良することである。

本発明によると、上記目的は、冒頭に記載されたタイプの方法で、塵埃含有合成ガスが、反応器を離れた後、かつ塵状の固体から解放される前に、蒸気の存在下、滞留セクションを通され、塵埃含有合成ガスが塵状の固体から解放され冷却された後の合成ガスの最終ガス温度（Ｔ３）と滞留セクションでの最高ガス温度（Ｔ２）との差が少なくとも４００Ｋに設定されるという点で達成される。

フィルタの上流の滞留セクションにより、ガス流の長鎖または芳香族炭化水素成分のレベルを有意に（著しく）低減させることが可能となり、フィルタの閉塞のリスクのない、有効なフィルタの使用が可能になることが明らかになっている。凝縮液の形態での水分の望ましい沈殿の結果、合成ガスの最終温度は１００℃未満、例えば５０℃となる。適合して、滞留セクションでの最高ガス温度は４００℃を十分上回り、例えば４５０℃〜７５０℃である。

滞留セクションの寸法決めは当然、上述の方法が実施されるプラントが寸法決めされる体積に大きく依存する。好ましい規模として、標準立方メートル単位での毎時生成される合成ガスの量とｍ^３単位での滞留セクションの体積とにより形成される１００００以下の比が述べられ得る。

その最も簡潔な形態で、滞留セクションは、適合して寸法決めされるパイプラインの形に構成され得、パイプラインは、好適な滞留時間を達成するために例えばらせん形の設計も有し得るか、またはパイプラインは、適合する体積を達成するためにケトル（ｋｅｔｔｌｅ）の態様で延在し得る。

滞留セクションにおける合成ガスに特に有用であることが証明されている滞留時間は、０．５〜１５秒であり、滞留時間は好ましくは１．５〜１０秒、より好ましくは２〜８秒である。滞留時間の設定は、不要な成分の最大限に完全な反応に対する要求と高い処理能力（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）に対する要求との間のトレードオフを表し、この目的は、述べたとおり、適合する滞留セクションの構造設計により果たされ得る。

滞留セクションにおいて、好ましくは、少なくとも２つの機械的閉塞デバイスが連続的に配置され、閉塞デバイス間のガススペースは、バリア媒体としての不活性ガスで少なくとも断続的に充填される。

この方策は、滞留セクションの下流のフィルタ設備における爆発性混合物の起こり得る形成を防止するために、安全上の目的のために必要となり得る。

したがって、例えば本方法の好ましい一展開形態において、合成ガスの酸素含有量が滞留セクションの少なくとも１つの位置で断続的におよび／または連続的に測定され得、安全な方策の１つは好ましくは、モニタリング変数として機能する滞留セクションで測定される酸素含有量であって、上限に到達すると、滞留セクション内の連続的に配置された機械的閉塞デバイスの閉鎖を自動的に引き起こし、それにより下流のフィルタハウジングにおける爆発性混合ガスの形成を防止する酸素含有量を含むことができる。

塵状の固体からの解放は好ましくは、１つまたは複数のフィルタハウジングに設置された、温度的に安定したセラミックフィルタ要素を介する、３００℃を超える温度での濾過により達成される。

上記の４００Ｋの温度差に加えて、これらの温度は、フィルタ要素に依然として存在する可能性のある任意の成分が凝縮すること、およびフィルタ断面を閉塞させることを防止する。

フィルタハウジングの寸法決めについて、標準立方メートル単位での毎時生成される合成ガスの量と立方メートル単位での全てのフィルタハウジングの体積とにより形成される比が２０以下であることが有利であることが判明している。

本方法の好ましい一展開形態において、合成ガスが１つまたは複数のシェルアンドチューブ型熱交換器において液状冷却媒体による間接冷却により冷却され、結果としての最終合成ガス温度（Ｔ３）が上記の１００℃未満であり、このプロセスで生成された凝縮液が少なくとも部分的に気相から除去されるようになっている。

合成ガスの冷却において得られた凝縮液が、１００℃未満の固有の温度を有し、合成ガスがガス冷却器で間接冷却によりさらに冷却される前に、合成ガス流に少なくとも部分的に好ましくは計り入れられる。これには冷却器の内側での不要な沈殿が削減され得るという好ましい効果がある。

塵埃を除かれ冷却された合成ガスは、好ましくはガス冷却器の後に配置されたガス搬送デバイスにより搬送され、ガス搬送デバイスが、吸引下で反応器またはシャフト炉から合成ガスを排出させ、そのため圧力勾配が滞留セクション、フィルタハウジング、およびガス冷却器に生じ、滞留セクションの始まりでの合成ガスの圧力とガス冷却器の後の合成ガスの圧力との差が、少なくとも５０ｍｂａｒであり、望ましいガス処理能力が保証される。

既に述べたとおり、反応器またはシャフト炉は、ガス化を目的とする炭素含有材料と、さらに、ガス化媒体として準化学量論的な量の酸素含有ガスとを供給されるバルク材の移動床を備える向流ガス化装置を含むことができ、反応器内の合計Λは好ましくは０．５未満、より好ましくは０．４未満である。

最後に、本方法のさらなる好ましい実施形態において、アルカリ性物質が、滞留セクションへ入る前に塵埃含有合成ガスへ添加され、および／または滞留セクションへ直接入れられるようになっている。熱クラッキングが触媒効果の使用により実質的に促進され得、使用されるアルカリ性物質が、好ましくはアルカリ金属またはアルカリ土類金属の炭酸塩もしくは水酸化物もしくは酸化物、またはこれらの物質の混合物を含むことが明らかになっている。

本方法の有利な一構成を示す図であり、明らかにすることを意図するものであるが、限定するものではない。

例えばガス化反応器（２）において生成された粗製合成ガス（１）は、反応器におけるその形成の条件に応じて、混入塵埃だけでなく長鎖炭化水素または芳香族炭化水素を含み得る。ガス濾過（３）により粗製合成ガスから混入塵埃（４）を効率的に除くことを可能とするために、熱クラッキングおよび／または化学クラッキングを用いて、ガス流において通常は不要なそのような成分を減らすことが有利である。好ましくは、したがって、合成ガス（１）が、ガス温度（Ｔ２）、例えば６００℃へ加熱され、蒸気の存在下で、滞留セクション（６）を通され、それによりこれらガス成分の熱／化学クラッキングを達成する。

ガスは、例えば、セラミックフィルタ要素を介した濾過（３）により濾過され得、濾過ステップ後のガス温度（Ｔ１）が少なくとも３００℃であると有利である。合成ガスの使用に応じて、塵埃を含まない合成ガスが、例えばシェルアンドチューブ型熱交換器として設計されたガス冷却器（５）において冷却されることが通常は適切である。このシェルアンドチューブ型熱交換器は、典型的には管の外側で冷却水（１０）にさらされる。この手順において沈殿した凝縮液（１１）は異なる複数の液相からなり得る。

冷却効果について、（５）でガス冷却器に入る前および／または入っている間に、凝縮液が、（１２）で高温合成ガスと少なくとも部分的に再び混合され、このようにして、冷却器の内側における不要な沈殿の低減にも寄与するようにすることが有利であることが判明している。塵埃を除かれ冷却された合成ガス（１３）は、ガス搬送デバイス（１４）を介して搬送され、圧力勾配がガス濾過およびガス冷却器に生じ、合成ガスは吸引下でこれらのデバイスを通って排出される。最終ガス温度（Ｔ３）は１００℃未満であり、そのため蒸気が凝縮する。

特に好ましい一手順は、バルク材の移動床（１４）の上から下への流れが通過する向流ガス化装置のガス化反応器（２）としての利用により達成され得、この床は反応器へ入る前に炭素に富んだ物質（１５）と混合される。反応器において効率的な対向流の原理を展開するために、酸素含有ガス（１６）が反応器の下部端で計り入れられる。ガス量の制御に関して、本手順は好ましくは、準化学量論的な条件が反応器において確立され、合計ラムダ値が０．５未満、好ましくは０．４未満であるようなものである。

塵埃含有合成ガス（１）に存在する長鎖炭化水素または芳香族炭化水素の減少を加速させるために、アルカリ性物質（１８）が、（１７）で滞留セクションへ入る前に合成ガスに混合されてもよく、または滞留セクション（６）へ直接入れられてもよい。この方法により、熱クラッキングが実質的に触媒効果の活用により促進され得る。

Claims (17)

1. 炭素熱プロセスおよび／または電熱プロセスにより反応器またはシャフト炉（２）にて生成される塵埃含有合成ガス（１）であって、反応器またはシャフト炉を高温で離れた後に物理的分離技術（３）を介して塵状の固体（４）から解放され、下流の熱交換器（５）により冷却される塵埃含有合成ガス（１）を浄化する方法において、
   前記塵埃含有合成ガス（１）が、前記反応器（２）を離れた後で、かつ塵状の固体から解放される前に、蒸気の存在下で、滞留セクション（６）を通され、前記塵埃含有合成ガス（１）が前記塵状の固体から解放され冷却された後の前記合成ガスの最終ガス温度（Ｔ３）と前記滞留セクションでの最高ガス温度（Ｔ２）との差が少なくとも４００Ｋに設定されることを特徴とする、方法。
2. 標準立方メートル単位での毎時生成される合成ガス（１）の量と立方メートル単位での前記滞留セクション（６）の体積とにより形成される比が１００００以下であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記滞留セクション（６）はパイプラインの形に構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記滞留セクションにおいて、少なくとも２つの機械的閉塞デバイス（７および８）が連続的に配置され、これら閉塞デバイス間のガススペースが、少なくとも断続的にバリア媒体としての不活性ガス（９）で充填されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記塵状の固体からの解放が、１つまたは複数のフィルタハウジングに設置された温度的に安定したセラミックフィルタ要素を介して、セ氏３００度を超える温度での濾過（３）により達成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 標準立方メートル単位での前記毎時生成される合成ガス（１）の量と立方メートル単位での全ての前記フィルタハウジング（３）の体積とにより形成される比が２０以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記合成ガスが１つまたは複数のシェルアンドチューブ型熱交換器（５）において液状冷却媒体（１０）による間接冷却により冷却され、結果としての合成ガス温度（Ｔ３）がセ氏１００度未満であり、このプロセスで生成された凝縮液（１１）が少なくとも部分的に気相から除去されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記合成ガスの冷却において得られセ氏１００度未満の固有の温度を有した前記凝縮液が、前記合成ガスがガス冷却器（５）で間接冷却によりさらに冷却される前に、（１２）で前記合成ガス流に少なくとも部分的に直接計り入れられることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記合成ガスの酸素含有量（Ｑ１）が前記滞留セクション（６）の少なくとも１つの位置で断続的におよび／または連続的に測定されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記滞留セクション（６）で測定された前記酸素含有量（Ｑ１）がモニタリング変数として機能し、上限に到達すると、前記滞留セクション（６）内の連続的に配置された前記機械的閉塞デバイス（７および８）の閉鎖を自動的に引き起こし、それにより前記下流のフィルタハウジング（３）における爆発性混合ガスの形成を防止することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 塵埃を除かれ冷却された合成ガス（１３）が、前記ガス冷却器の後に配置されたガス搬送デバイス（１４）により吸引下で前記反応器またはシャフト炉（２）から排出され、結果として圧力勾配が前記滞留セクション（６）、前記フィルタハウジング（３）、および前記ガス冷却器（５）に生じ、前記滞留セクションの始まりでの前記合成ガスの圧力（Ｐ１）と前記ガス冷却器の後の前記合成ガスの圧力（Ｐ２）との差が、少なくとも−５０ｍｂａｒであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記反応器またはシャフト炉（２）が、ガス化を目的とする炭素含有材料（１５）と、さらに、ガス化媒体として準化学量論的な量の酸素含有ガス（１６）とを供給されるバルク材の移動床（１４）を備える向流ガス化装置を含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記反応器における合計ラムダが０．５未満、好ましくは０．４未満であることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. アルカリ性物質（１８）が、前記滞留セクション（６）へ入る前に（１７）で前記塵埃含有合成ガス（１）へ添加され、および／または前記滞留セクション（６）へ直接入れられることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 使用されるアルカリ性物質（１８）がアルカリ金属またはアルカリ土類金属の炭酸塩、酸化物もしくは水酸化物、またはこれらの物質の混合物であることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記滞留セクション（６）における前記合成ガスの滞留時間が０．５〜１５秒に設定されることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記滞留セクション（６）における前記合成ガスの滞留時間が１．５〜１０秒、好ましくは２〜８秒に設定されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。

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