JP2017031367A - 合成ガス生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】煤の発生を回避しつつ、合成ガスの温度を上昇させる。【解決手段】合成ガス生成装置は、原料をガス化して合成ガスＸ１を生成するガス化炉と、ガス化炉で生成された合成ガス中のタールを改質する改質炉２００と、を備え、改質炉は、合成ガスが流通する流通路２１６と、タールの改質を促進する触媒を流通路内に保持する触媒保持部２２０と、量論比以上の酸素で燃料を燃焼させることで生じた燃焼排ガスを、流通路における触媒保持部の上流側に設けられた排ガス供給口を通じて流通路内に供給する燃焼排ガス供給部２３０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、原料をガス化して合成ガスを生成するとともに、生成された合成ガス中のタールを改質する合成ガス生成装置に関する。

近年、石油に代えて、石炭やバイオマス、タイヤチップなどの未利用燃料等の原料をガス化して合成ガスを生成する技術が開発されている。このようにして生成された合成ガスは、発電システムや、水素の製造、合成燃料（合成石油）の製造、化学肥料（尿素）等の化学製品の製造等に利用されている。合成ガスの原料のうち、特に石炭は、可採年数が１５０年程度と、石油の可採年数の３倍以上であり、また、石油と比較して埋蔵地が偏在していないため、長期に亘り安定供給が可能な天然資源として期待されている。

従来、石炭のガス化プロセスは、酸素や空気を用いて部分酸化することにより行われていたが、２０００℃といった高温で部分酸化する必要があるため、ガス化炉のコストが高くなるといった欠点を有していた。

この問題を解決するために、水蒸気を利用し、７００℃〜９００℃程度で石炭をガス化する技術（水蒸気ガス化）が開発されている。この技術では、温度を低く設定することでコストを低減することが可能となるが、生成された合成ガスには、２０００℃の高温で部分酸化して生成した合成ガスと比較して、タールが多く含まれることが多い。水蒸気ガス化によって生成された合成ガスを利用するプロセスにおいて合成ガスの温度が低下すると、合成ガスに含まれるタールが凝縮し、配管の閉塞、プロセスで使用する機器の故障、触媒の被毒等の問題が生じてしまう。

そこで、生成された合成ガスの一部を酸素や空気で燃焼させて１１００℃以上とし、酸化改質することで、合成ガスに含まれるタールを除去する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−４０８６２号公報

しかし、上述した特許文献１の技術では、合成ガスの温度を１１００℃以上に上げるために、合成ガス中の可燃性ガス（水素やメタン）を酸素や空気で燃焼させている。すなわち、合成ガス中の可燃性ガスが消費（燃焼）されることとなるため、酸化改質処理した合成ガスは、単位体積あたりの可燃性ガスの割合が、酸化改質処理を施す前と比較して、例えば、１０％程度低下してしまうという課題があった。

そこで、タールの改質を促進する触媒を設置し、その触媒に、ガス化炉で生成された合成ガスを接触させることで、合成ガス中のタールを改質して除去する構成が考えられる。ただし、この触媒を用いる構成であっても、酸化改質処理の場合と比較して上昇幅は少ないものの、合成ガスの温度をある程度上昇させる必要がある。この場合、触媒の上流側において合成ガスに酸素を供給し、合成ガスの一部を酸化させて温度を上昇させることが考えられる。

しかし、合成ガスと酸素とが混合された際に、合成ガス中の炭化水素やタールが煤になってしまうことがある。そうすると、煤によって、触媒間の流路や配管が閉塞したり、プロセスで使用する機器が故障したりする等の問題が生じるおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑み、煤の発生を回避しつつ、合成ガスの温度を上昇させることが可能な合成ガス生成装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の合成ガス生成装置は、原料をガス化して合成ガスを生成するガス化炉と、ガス化炉で生成された合成ガス中のタールを改質する改質炉と、を備え、改質炉は、合成ガスが流通する流通路と、タールの改質を促進する触媒を流通路内に保持する触媒保持部と、量論比以上の酸素で燃料を燃焼させることで生じた燃焼排ガスを、流通路における触媒保持部の上流側に設けられた排ガス供給口を通じて流通路内に供給する燃焼排ガス供給部と、を備えたことを特徴とする。

また、合成ガスを旋回させて、流通路における排ガス供給口と触媒保持部との間に、合成ガスの旋回流を形成させる旋回手段をさらに備えるとしてもよい。

また、流通路における排ガス供給口と触媒保持部との間には、排ガス供給口から触媒保持部に向かって流路断面積を狭める絞部が設けられているとしてもよい。

また、流通路における排ガス供給口と触媒保持部との間には、排ガス供給口から触媒保持部に向かって流路断面積を広げる拡大部が設けられているとしてもよい。

また、燃焼排ガス供給部は、気体燃料を酸素で燃焼させることで生じた燃焼排ガスを流通路に供給するとしてもよい。

本発明によれば、煤の発生を回避しつつ、合成ガスの温度を上昇させることが可能となる。

合成ガス生成装置を説明するための図である。 改質炉を説明するための図である。 改質炉の水平断面を鉛直上方から見た図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（合成ガス生成装置１００）
図１は、合成ガス生成装置１００を説明するための図である。図１に示すように、合成ガス生成装置１００は、燃焼炉１１２と、媒体分離装置（サイクロン）１１４と、ガス化炉１１６と、改質炉２００と、精製装置３００とを含んで構成される。なお、図１中、原料を破線の矢印で、ガスの流れを実線の矢印で、流動媒体（砂）の流れを一点鎖線の矢印で示す。

合成ガス生成装置１００では、全体として、粒径が３００μｍ程度の硅砂（珪砂）等の砂で構成される流動媒体を熱媒体として循環させている。具体的には、まず、流動媒体は、燃焼炉１１２で９００℃〜１０００℃程度に加熱され、二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む燃焼排ガスとともに媒体分離装置１１４に導入される。媒体分離装置１１４においては、高温の流動媒体と燃焼排ガスとが分離され、当該分離された高温の流動媒体が、ガス化炉１１６に導入される。そして、ガス化炉１１６に導入された流動媒体は、ガス化炉１１６の底面から導入されるガス化剤（水蒸気）によって流動層化された後、最終的に、燃焼炉１１２に戻される。また、媒体分離装置１１４で分離された燃焼排ガスは、ボイラ等で熱回収される。

ガス化炉１１６は、例えば、気泡流動層ガス化炉であり、褐炭等の石炭、石油コークス（ペトロコークス）、バイオマス、タイヤチップ等の固体原料や、黒液等の液体原料といった原料を７００℃〜９００℃でガス化させて合成ガスを生成する。本実施形態では、ガス化炉１１６に水蒸気を供給することにより、原料をガス化させて合成ガスを生成する（水蒸気ガス化）。

なお、ここでは、ガス化炉１１６として、循環流動層方式を例に挙げて説明したが、原料をガス化することができれば、構成に限定はない。例えば、ガス化炉１１６は、単なる流動層方式や、砂が自重で鉛直下方向に流下することで移動層を形成する移動層方式であってもよい。

ガス化炉１１６で生成された合成ガスＸ１には、タール、水蒸気等が含まれているため、後述する改質炉２００でタールが改質され、タールが改質された合成ガスＸ２は、精製装置３００でさらに精製される。また、ガス化炉１１６において生じたチャー（残渣）は、流動媒体とともに燃焼炉１１２に導入され、燃焼炉１１２において燃焼される。

精製装置３００は、改質炉２００から送出された合成ガスＸ２を冷却する熱交換器、熱交換器で冷却された合成ガスに水を噴霧してタールやスラッジを除去するスプレー塔、合成ガスに霧状の水を噴霧してタールやスラッジをさらに除去するミストセパレータ、タールやスラッジが除去された合成ガスを昇圧する昇圧器、合成ガスから硫化物を除去する脱硫装置、合成ガスから窒化物を除去する脱硝装置、合成ガスから塩化物を除去する脱塩装置等を含んで構成され、改質炉２００でタールが改質された合成ガスＸ２を精製する。

（改質炉２００）
続いて、改質炉２００の具体的な構成について説明する。図２は、改質炉２００を説明するための図である。本実施形態の図２をはじめ、以下の図では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。また、図２中、ガス化炉１１６で生成された合成ガスＸ１を黒い塗りつぶしの矢印で示し、燃焼排ガスを破線の矢印で示し、合成ガスＸ１と燃焼排ガスとが混合された混合ガスをクロスハッチングの矢印で示し、合成ガスＸ１が改質された合成ガスＸ２を白抜きの矢印で示す。図２に示すように、改質炉２００は、炉本体２１０と、触媒保持部２２０と、燃焼排ガス供給部２３０とを含んで構成される。

炉本体２１０は、円筒形状の外壁部２１０ａと、外壁部２１０ａの上面を構成する上壁部２１０ｂと、外壁部２１０ａの下面を構成する下壁部２１０ｃとを含んで構成され、外壁部２１０ａの軸が鉛直方向（図２中Ｚ軸方向）となるように設けられる。炉本体２１０の外壁部２１０ａには、ガス化炉１１６で生成された合成ガスＸ１が導かれる導入口２１２と、導入口２１２の下方に設けられ、炉本体２１０内で改質された合成ガスＸ２が通過する送出口２１４が設けられている。したがって、炉本体２１０における導入口２１２と送出口２１４との間には、合成ガスＸ１、Ｘ２が流通する流通路２１６が形成され、合成ガスＸ１は導入口２１２から送出口２１４に向かって流通路２１６を流れることとなる。

触媒保持部２２０は、タールの改質を促進する触媒を流通路２１６内に保持する。ここで、触媒は、少なくともＮｉ（ニッケル）を含んで構成される。触媒は、活性温度の環境（雰囲気）下において、合成ガスＸ１と接触することで、合成ガスＸ１中のタールを改質することができる。しかし、合成ガスＸ１の温度は、７００℃〜９００℃程度であり、触媒の活性温度に達していない。したがって、合成ガスＸ１の温度を触媒の活性温度まで上昇させる必要がある。

ここで、合成ガスＸ１の温度を上昇させるために、合成ガスＸ１に酸素を供給し、合成ガスＸ１の一部を酸化（燃焼）させる構成が考えられる。しかし、合成ガスＸ１と酸素とが混合された（接触した）際に、合成ガスＸ１中の炭化水素やタールが煤になってしまうことがある。この場合、煤によって、触媒間の流路や配管が閉塞したり、精製装置３００を構成する機器が故障したりする等の問題が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態の炉本体２１０では、煤を発生させることなく合成ガスＸ１の温度を上昇させることができる燃焼排ガス供給部２３０を備える。

燃焼排ガス供給部２３０は、量論比以上の酸素で燃料を燃焼（完全燃焼）させて燃焼排ガスを生成し、流通路２１６における触媒保持部２２０の上流側に設けられた排ガス供給口２３０ａを通じて燃焼排ガスを供給する。すなわち、燃焼排ガス供給部２３０は、理論混合比（量論混合比、化学量論混合比）以上の酸素、つまり、燃料を二酸化炭素に変換する（酸化させる）ために必要な最低量以上の酸素で燃料を燃焼させる。具体的に説明すると、本実施形態において燃焼排ガス供給部２３０は、仕切部２３２と、バーナ２３４とを含んで構成される。

仕切部２３２は、円筒形状であり、一端が炉本体２１０の上壁部２１０ｂに接続され、他端にバーナ２３４の火口２３４ｂが配される。また、仕切部２３２と上壁部２１０ｂとは、排ガス供給口２３０ａを介して連通している。なお、排ガス供給口２３０ａは、炉本体２１０の上壁部２１０ｂにおける実質的に中央（流通路２１６の中央）に設けられている。

バーナ２３４は、気体燃料（例えば、都市ガス、天然ガス、精製装置３００で精製された合成ガス）と酸素とを実質的に均一に混合して混合気体を生成する混合部２３４ａと、混合部２３４ａの火口２３４ｂから排出される混合気体に点火する不図示の点火手段とを含んで構成され、気体燃料を酸素で完全燃焼させて、１０００℃以上の燃焼排ガスを生成する。このように、バーナ２３４では、気体燃料を完全燃焼させていることから、バーナ２３４によって生成された燃焼排ガスには、煤が含まれないこととなる。こうしてバーナ２３４によって生成された燃焼排ガスは、排ガス供給口２３０ａを通じて炉本体２１０（流通路２１６）に供給される。

なお、仕切部２３２における排ガス供給口２３０ａとバーナ２３４（火口２３４ｂ）との距離は、バーナ２３４によって形成される火炎が流通路２１６（炉本体２１０）内まで到達しないような寸法関係となっている。また、仕切部２３２内の圧力と排ガス供給口２３０ａは、合成ガスＸ１が仕切部２３２に進入しないように設計されている。したがって、火炎によって合成ガスＸ１が炭化する事態を回避することができ、合成ガスＸ１からの煤の発生を防止することが可能となる。

このように、燃焼排ガス供給部２３０が実質的に煤を含まない燃焼排ガスを流通路２１６に供給することにより、煤を生じさせずに合成ガスＸ１の温度を触媒の活性温度まで上昇させることができる。したがって、煤によって、触媒間の流路や配管が閉塞したり、精製装置３００等の後段の機器が故障したりする事態を回避することが可能となる。

また、合成ガスＸ１を消費することなく合成ガスＸ１の温度を上昇させることができるため、酸化改質によってタールを改質する場合と比較して、改質炉２００から送出される合成ガスＸ２中の可燃性ガスの割合を高めることが可能となる。

また、本実施形態の改質炉２００は、合成ガスＸ１の温度を実質的に均一に上昇させるために、旋回手段および流路断面積変更部２４０を備えている。

旋回手段は、合成ガスＸ１を旋回させて、流通路２１６における排ガス供給口２３０ａと触媒保持部２２０との間に、合成ガスＸ１の旋回流を形成させる。具体的に説明すると、本実施形態において、導入口２１２の開口方向と、外壁部２１０ａの形状とによって旋回手段が構成される。

図３は、改質炉２００の水平断面を鉛直上方から見た図である。なお、図３中、理解を容易にするために、上壁部２１０ｂ、仕切部２３２およびバーナ２３４の記載を省略する。なお、図３中、合成ガスＸ１を黒い塗りつぶしの矢印で示す。

図３に示すように、旋回手段として機能する外壁部２１０ａは、水平断面が略円形状となっている。また、旋回手段として機能する導入口２１２は、ガス化炉１１６から炉本体２１０に導入された合成ガスＸ１が、炉本体２１０の外壁部２１０ａの接線方向もしくは内周面に沿って流れるように、外壁部２１０ａの中心から内周面側に角度をずらして開口している。換言すれば、流通路２１６内で合成ガスＸ１が高速度で旋回するように、導入口２１２の開口角度が設定されている。

また、上記したように、排ガス供給口２３０ａは、流通路２１６の実質的に中央に配されている。つまり、合成ガスＸ１の旋回流の中央に燃焼排ガスが供給されることとなる。

これにより、ガス化炉１１６から炉本体２１０に導かれた合成ガスＸ１は、流通路２１６内で旋回するとともに、この旋回過程において、排ガス供給口２３０ａを通じて供給された燃焼排ガスと混合される。こうして、合成ガスＸ１と燃焼排ガスとが効率よく混合されることとなる。

図２に戻って説明すると、流路断面積変更部２４０は、外壁部２１０ａの内周面における排ガス供給口２３０ａと触媒保持部２２０との間に設けられた環形状の部材で構成される。本実施形態において流路断面積変更部２４０は、上壁部２１０ｂから下壁部２１０ｃに向かって、流通路２１６の流路断面積を漸減させる絞部２４２ａと、絞部２４２ａから下壁部２１０ｃに向かって流路断面積が実質的に一定となる頂部２４２ｂと、頂部２４２ｂから下壁部２１０ｃに向かって流路断面積を漸増させる拡大部２４２ｃとを含んで構成される。

流路断面積変更部２４０を備える構成により、絞部２４２ａの上方において、混合ガス（合成ガスＸ１と、燃焼排ガスが混合されたガス）を再循環させることができ、また、拡大部２４２ｃの下方において混合ガスを急速に拡散させることができるため、合成ガスＸ１と燃焼排ガスの混合を促進することが可能となる。

このように、旋回手段および流路断面積変更部２４０を備える構成により、合成ガスＸ１と燃焼排ガスとを効率よく混合することができ、合成ガスＸ１の温度を実質的に均一に上昇させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態にかかる改質炉２００によれば、量論比以上の酸素で燃料を燃焼させることにより、煤が含まれない高温の燃焼排ガスを生成することができ、こうして生成された燃焼排ガスを供給するだけといった簡易な構成で、煤の発生を防止しつつ、合成ガスＸ１の温度を触媒保持部２２０の活性温度まで上昇させることが可能となる。したがって、触媒間に形成される流路や、配管、精製装置３００を構成する機器等が煤によって閉塞されてしまう事態を回避しつつ、合成ガスＸ１に含まれるタールを改質して除去することができる。

また、上述したように、ガス化炉１１６では、水蒸気ガス化を行っているため、ガス化炉１１６で生成された合成ガスＸ１には水蒸気が多く（例えば、５０％程度）含まれている。したがって、合成ガスＸ１に触媒を接触させることで、混合ガス中のタールと水蒸気とを反応させることができ、タールを、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、メタン（ＣＨ_４）に改質することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、排ガス供給口２３０ａとバーナ２３４の火口２３４ｂとが対向しており、排ガス供給口２３０ａとバーナ２３４（火口２３４ｂ）との離隔距離がバーナ２３４で生じた火炎が炉本体２１０内に到達しないような寸法関係になっている構成を例に挙げて説明した。しかし、バーナ２３４で生じた火炎が炉本体２１０内に到達しないように構成されていれば、排ガス供給口２３０ａとバーナ２３４の位置関係に限定はない。

また、上記実施形態において、外壁部２１０ａおよび導入口２１２が旋回手段として機能する構成を例に挙げて説明した。しかし、旋回手段は、合成ガスＸ１を旋回させて、合成ガスＸ１の旋回流を形成させることができれば、構成に限定はない。例えば、旋回手段を攪拌機で構成してもよい。なお、旋回手段は、必須の構成ではない。

また、上記実施形態において、絞部２４２ａが流通路２１６の流路断面積を漸減させる構成を例に挙げて説明した。しかし、絞部は、排ガス供給口２３０ａから触媒保持部２２０に向かって流路断面積を狭めることができればよい。また、上記実施形態において、拡大部２４２ｃが流通路２１６の流路断面積を漸増させる構成を例に挙げて説明した。しかし、拡大部は、排ガス供給口２３０ａから触媒保持部２２０に向かって流路断面積を広げることができればよい。

また、上記実施形態において、絞部２４２ａと、拡大部２４２ｃとを含んで構成される流路断面積変更部２４０を備えた改質炉２００を例に挙げて説明した。しかし、絞部２４２ａおよび拡大部２４２ｃのいずれか一方を備えた改質炉であっても、合成ガスＸ１と燃焼排ガスとを効率よく混合することができる。なお、絞部２４２ａおよび拡大部２４２ｃは必須の構成ではない。

また、上記実施形態において、燃焼排ガス供給部２３０が、量論比以上の酸素で気体燃料を燃焼（完全燃焼）させることで燃焼排ガスを生成し、流通路２１６に供給する構成を例に挙げて説明した。しかし、燃焼排ガス供給部は、完全燃焼によって生成された燃焼排ガスを流通路２１６に供給することができれば、燃焼排ガスを生成せずともよい。例えば、燃焼炉１１２で生じた燃焼排ガスを流通路２１６に供給してもよい。これにより、燃焼排ガスを生成するための燃料や酸素、装置等を省略することができ、低コストで合成ガスＸ１の温度を上昇させることが可能となる。

また、上記実施形態において、触媒として、少なくともＮｉを含む触媒を例に挙げて説明した。しかし、混合ガス中のタールを改質して、タールを除去することができれば、触媒の材質に限定はない。例えば、Ｃａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｆｅ（鉄）、および、Ｓｉ（ケイ素）の群から選択される１または複数の元素の酸化物または炭酸塩であり、例えば、ドロマイト、カンラン石、褐鉄鉱、石灰石といった天然鉱石を触媒として用いてもよい。つまり、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、および、Ｓｉの群から選択される１または複数を含む触媒を採用してもよい。

本発明は、原料をガス化して合成ガスを生成するとともに、生成された合成ガス中のタールを改質する合成ガス生成装置に利用することができる。

１００ 合成ガス生成装置
１１６ ガス化炉
２００ 改質炉
２１０ａ 外壁部（旋回手段）
２１２ 導入口（旋回手段）
２１６ 流通路
２２０ 触媒保持部
２３０ 燃焼排ガス供給部
２３０ａ 排ガス供給口
２４２ａ 絞部
２４２ｃ 拡大部

Claims (5)

1. 原料をガス化して合成ガスを生成するガス化炉と、
   前記ガス化炉で生成された合成ガス中のタールを改質する改質炉と、
   を備え、
   前記改質炉は、
   前記合成ガスが流通する流通路と、
   前記タールの改質を促進する触媒を前記流通路内に保持する触媒保持部と、
   量論比以上の酸素で燃料を燃焼させることで生じた燃焼排ガスを、前記流通路における前記触媒保持部の上流側に設けられた排ガス供給口を通じて該流通路内に供給する燃焼排ガス供給部と、
   を備えたことを特徴とする合成ガス生成装置。
2. 前記合成ガスを旋回させて、前記流通路における前記排ガス供給口と前記触媒保持部との間に、前記合成ガスの旋回流を形成させる旋回手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の合成ガス生成装置。
3. 前記流通路における前記排ガス供給口と前記触媒保持部との間には、該排ガス供給口から該触媒保持部に向かって流路断面積を狭める絞部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の合成ガス生成装置。
4. 前記流通路における前記排ガス供給口と前記触媒保持部との間には、該排ガス供給口から該触媒保持部に向かって流路断面積を広げる拡大部が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の合成ガス生成装置。
5. 前記燃焼排ガス供給部は、気体燃料を酸素で燃焼させることで生じた燃焼排ガスを前記流通路に供給することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の合成ガス生成装置。

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