JP2017500433A - 炭素質物質をガス化する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

炭素質物質の乾燥粉末をガス化する装置及び方法であって、この装置は、下側から上側へ順に、下側冷却浄化部（１）、ガス化反応部（２）、冷却反応部（３）及び上側冷却浄化部（４）を含み；冷却反応部及びガス化反応部を接続する接続部に一次冷却装置が設置されており；ガス化反応部の周囲に複数のノズルが配置されている。本発明の方法は：炭素質物質及び酸素化されたガス化剤をガス化反応させることにより粗合成ガス及びアッシュを生成することと；粗合成ガスの一部及びアッシュの大部分を冷却及びガス化するために降下させることと；冷却及びアッシュ除去された粗合成ガスを後続のプロセスに移送することと；急冷されたアッシュをアッシュ排出口から排出することと；粗合成ガスの残部及びフライアッシュを冷却用の冷却物質と混合するために上昇させ、次いで、完全に反応していない炭素及び追加されたガス化剤を反応させるために冷却反応部に移送することと；粗合成ガス及びフライアッシュを冷却及び浄化することによりフライアッシュを除去することと；清浄な低温の粗合成ガスを後続のプロセスに移送することと；を含む。本発明の方法により、上昇流方式を用いた場合に起こるアッシュ排出口におけるアッシュの閉塞が回避されると共に、下降流方式を用いた場合に起こる頂部の過熱も回避され、それによって炭素転化率が改善される。【選択図】図１

Description

本発明は、炭素質物質をガス化する装置及び方法、特に、１日当たり２０００トン超の加圧された微粉炭を処理して合成ガスを製造する装置及び方法に関する。

今日の石油化学工業の発達は大規模生産に焦点が当てられている。また、クリーンな石炭ガス化技法を利用した高圧ガス化設備の大型化も進んでいる。しかし、既存のガス化設備にはいずれも未解決の問題が伴う。

単一ノズル方式の石炭ガス化装置は、石炭の搬送の制約から大型化が進んでいない。

合成ガスを上昇流とする方式を利用した複数のノズルを備えるガス化装置の場合は更なる大型化が可能である。しかし、液状シンダが合成ガスの流動方向と逆方向に流動するため、液状シンダがシンダ溜めに落下すると、ある程度の低温水蒸気が発生することになる。この水蒸気は液状シンダの流動方向と逆方向にも流動し、シンダ排出口を通過してガス化室に流入するため、液状シンダの温度が降下する。従って、液状シンダが均等に落下しなかった場合、通常、液状シンダはシンダ溜めに到達する前に固化してしまう。この固化したシンダを溶融するのに十分な熱が存在しないため、固化したシンダは堆積して最後はシンダ排出口を塞ぎ、最終的には設備の故障を招く。

同様に、合成ガスを下向流とする方式を利用する複数のノズルを備えるガス化装置も更なる大型化が可能である。しかしながら、ガス化室内の空間を十分に利用しようとすると、通常、ノズルはガス化装置の頂部付近にあるガス化室上方に配置されるため、ガス化プロセスを実施する間に高温のガス及び液状シンダがガス化装置のガス化室頂部を腐食し続けることになる。この腐食はガス化室頂部の過度の温度上昇（以下、過熱ともいう）を起こすことがあり、それによって安全上の問題が発生する可能性がある。

本発明の目的の一つは、シンダによる閉塞及びガス化室頂部の過熱の可能性を低減した、炭素質物質の粉末をガス化するための装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、シンダによる閉塞及びガス化室頂部の過熱の可能性を低減することができる、炭素質物質の粉末をガス化する方法を提供することにある。

本発明はその一態様において、炭素質物質粉末をガス化する方法であって：
ｉ）炭素質物質を含酸素ガス化剤と反応させ、主成分がＣＯ及びＨ_２である粗合成ガスと、主成分が無機物質であるアッシュ及びシンダとを生成する段階と、
ｉｉ）高温の粗合成ガスの一部とアッシュ及びシンダの大部分とを冷却及び浄化するために流下させ、次いで冷却及びダスト除去された粗合成ガスを次のプロセスに送り出し、急冷されたアッシュ及びシンダをシンダ排出口（即ち、スラグ排出口）を介して設備から排出する段階とを含み、前記「大部分」は、例えば、５０％超、好ましくは５５％超、好ましくは６０％超、好ましくは６５％超、好ましくは７０％超、好ましくは７５％超、好ましくは８０％超、好ましくは８５％超等であることを特徴とする方法を提供する。

粗合成ガスの残部（例えば、約７０％）及びフライアッシュは上昇し、温度低下のための冷却物質と混合された後、降温反応部に流入することにより、完全に反応していない炭素と補充されたガス化剤とが再び反応することになる。それによって炭素の転化率が更に向上すると共に温度が低下し、水素−炭素比も高くなる。次いで、反応後の粗合成ガス及びアッシュは冷却及び浄化され、粗合成ガスに含まれるアッシュが除去され、相対的に清浄な低温の粗合成ガスが次のプロセスに送り出されることになる。

前記冷却物質としては、水、水ミスト、不活性ガス（ＣＯ_２、Ｎ_２）を含む水、合成ガスを含む水又は合成ガスを用いることもできる。

本発明における冷却は、主として、温度低下のための冷却物質と熱交換することにより達成される。

浄化は、主として、重力、慣性力を利用して気体と粒子とを分離することにより達成される。

温度低下とは、特定量の冷却物質を噴霧することにより混合ガスの温度を特定の点（例えば、９００℃）まで低下させることを意味し、冷却とは、ガスと熱交換するのに十分な過剰量の冷却物質を噴霧することにより、冷却前後の温度差が更に大きくなるようにすることを意味する。

浄化は、合成ガスに含まれるダスト及び液滴を除去することを含む。ダストの除去に水の除去は含まれない。

本発明の一実施形態によれば、
段階ｉ）においては、炭素質物質及びガス化剤を本発明の装置のガス化反応部に噴霧するためのノズルを使用することを特徴とする。本発明の一実施形態によれば、炭素質物質及びガス化剤は、高温（１２００℃〜２０００℃）及び高圧（０．１ＭＰａ〜１１ＭＰａ）環境下で速やかに反応することを特徴とする。通常、特定の圧力下における反応温度は変化する。本発明における速やかな反応とは、１０秒未満で完結し、反応の９０％が５秒以内に完結する反応をいう。

本発明の一実施形態によれば、段階ｉｉ）における前記「残部」とは、合成ガス全体の約６０％〜８０％（体積／体積）、好ましくは約７５％（体積／体積）であることを特徴とする。

本発明の一実施形態によれば、段階ｉｉ）における前記ガス化剤は、水蒸気、水ミスト、ＣＯ_２又はこれらの混合物であることを特徴とする。

本発明の一実施形態によれば、段階ｉｉ）における降温反応が進行する温度は約８００℃〜ｔ２（アッシュの軟化温度）であることを特徴とし、ここで言うアッシュはフライアッシュを指す。

本発明の一実施形態によれば、スラグ排出口においてスラグ排出口の圧力上昇を招くスラグ閉塞が発生した場合、下降するガスの量を増加させてスラグ排出口の温度をゆっくりと上昇させることにより、スラグ排出口の圧力が正常に戻るまで余分なスラグを溶融させることが可能であることを特徴とする。

本発明は、その他の態様において、下部冷却浄化部１、ガス化反応部２、降温反応部３及び上部冷却浄化部４を含むことを特徴とする、炭素質物質の粉末のガス化装置を提供する。

前記下部冷却浄化部１は装置下部に設置されており、その導入口はガス化反応部２の下側導出口に接続されている。

前記ガス化反応部２は装置中央よりも下側に設置されている。ガス化反応部２の周囲を囲むように複数本のノズルが配置されている。前記ガス化反応部２の下側導出口は下部冷却浄化部１に接続されており、前記ガス化反応部２の上側導出口は降温反応部３に接続されている。

前記降温反応部３は装置中央よりも上側に設置されている。その導入口はガス化反応部２の上側導出口に接続されている。この接続部分には、適量の冷却物質を噴霧するための一次冷却装置３１が配置されており、それによって、ガスを冷却すると共に、反応物を補充することによって降温反応部３における炭素ガス化反応を更に進行させ、合成ガスの水素−炭素比を高めることができる。

前記上部冷却浄化部４は装置上部に設置されており、その導入口は降温反応部３の導出口に接続されている。

本発明の一実施形態によれば、前記下部冷却浄化部は、急冷装置、スラグ溜め、スラグ排出口、合成ガス導出口を含むことを特徴とする。

本発明の一実施形態によれば、前記ガス化反応部の周囲を囲むように複数本のノズルが配置されており、前記ノズルは１層又は多層を成すように設置することができることを特徴とする。

本発明の一実施形態によれば、前記ノズルはガス化室の中央よりも下側に設置されている。これによって反応中も高温のガス及び液状シンダとガス化室頂部との距離が保たれ、合成ガスの一部のみが上昇するため、スラグが流れ込むことや部分的な過熱が回避される。

本発明の一実施形態によれば、前記降温反応部は内部に測温器が設置されていることを特徴とする。

本発明の一実施形態によれば、前記上部冷却浄化部は、急冷装置、アッシュ溜め、合成ガス導出口を含むことを特徴とする。

本発明の一実施形態によれば、前記一次冷却装置は、合成ガスの温度をｔ２（アッシュの軟化温度）未満且つ８００℃を超える温度まで低下させるために適量の冷却物質を噴霧することを特徴とする。

本発明の一実施形態によれば、前記ノズルは、噴霧される反応物がヘッジ効果を生み出す（対向するノズルの軸が一致する）か、或いは回転カット効果を生み出す（相対するノズルの軸が同一円に接する）ように配置されており、前記ヘッジ効果又は回転カット効果は、同一層内にあるノズルによって生じるものであっても、異なる層内にあるノズルによって生じるものであってもよい。

本発明の一実施形態によれば、前記ノズルはガス化室中央よりも下側に配置されていることを特徴とする。

ガスの一部及びスラグ粗粒が下降するため、スラグが冷却される際に生じる水蒸気のガス化室内への流入や、スラグ排出口におけるスラグの冷却を回避することができる。更に、高温の粗合成ガスも下降することによってスラグ排出口に十分な熱が供給されるため、スラグ排出口に固化したスラグが堆積することも回避される。装置の運転が安定しない場合は過剰なスラグが排出口で固化してしまうが、スラグの閉塞及びシステムの故障を回避するためには、固体シンダ（固体スラグ）を溶融させるように、下降するガスの量を増加させるだけでよい。

ガスの大部分を上昇させる場合、反応に十分な空間を得るためには、ノズルをガス化反応部のガス化室の中央よりも下側に配置するだけでよい。これにより、ガス化反応部の高温区域とガス化室頂部との距離が保たれると共に、液状スラグが流れ込むことにより発生するガス化室頂部の耐火材料の腐食も低減される。上側導出口にも冷却装置が配置されており、ガス化室頂部の温度を低下させることができるので、ガス化室頂部の過熱が効果的に回避され、安全上のリスクが解消される。

本発明の方法は、好適な装置のいずれでも実施可能であるが、本発明の装置で実施することが好ましい。

上述の解決策を利用することによる本発明の技術的効果は非常に明らかである。
１．本発明は、粗合成ガスを装置の上部及び下部の両方から導出することができる構造を採用している。これにより、上部からガスを抜き出す解決策を採用するだけでは発生してしまうスラグ排出口のスラグ閉塞が回避され、また、下部からガスを抜き出す解決策を採用するだけでは発生してしまう装置頂部の過熱が回避される。
２．降温反応部が追加されているため、炭素の転化率が向上し、水素−炭素比が高くなる。
３．ガスを装置の上部及び下部の両方から導出することができる構造を採用することにより、急冷に使用される水の量が最小限に抑えられる。
４．本発明は複数のノズルを配置しており、この配置は、反応を十分に行わせ、設備を大型化するのに適している。

本発明の上述の特徴及び他の特徴は、添付の図面を参照しながら例示的な実施形態を詳細に説明することにより一層明らかになるであろう。

本発明のガス化方法の概略図である。 本発明の装置の概略図である。

以下、例示的な実施形態を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。同一参照符号は同一構成要素を表す。しかしながら、本開示は多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載した実施形態に限定されないと解釈すべきである。

実施例１
図１は、炭素質物質の粉末のガス化方法を示すものであり、次の段階を有することを特徴とする。

８本のノズルを使用して、炭素質物質（粉炭）をガス化剤（水蒸気ミスト）と共に本発明の設備の高温（１２００℃〜１８００℃）高圧（４．５ＭＰａ）環境のガス化反応部２に噴霧する。これらは速やかに反応し、主成分がＣＯ及びＨ_２である粗合成ガス並びに主成分が無機物質であるアッシュを生成する。

高温の粗合成ガスの約２５％並びにアッシュ及びシンダの大部分は下降して冷却浄化部１に流入する。次いで浄化された粗合成ガスは次のプロセスに送り出され、急冷されたアッシュ及びシンダはシンダ排出口を通じて設備から排出される。

高温の粗合成ガスの約７５％及び高温のアッシュは上昇し、温度を低下させるための水ミストと混合された後、降温反応部３に流入する。この段階で、完全に反応していない炭素は補充されたＨ_２Ｏと再び反応する。それによって炭素の転化率は更に向上し、温度は低下し、水素−炭素比は高くなる。

反応後の粗合成ガス及びフライアッシュは上昇を続けながら速やかに冷却された後、上部冷却浄化部４に流入し、水浴、トレイによる分離、サイクロンによる分離等を経ることにより冷却及び浄化され、ダストが除去された粗合成ガスとなる。次いで相対的に清浄な低温の粗合成ガスは次のプロセスに送り出される。

実施例２
図２は、炭素質物質をガス化するための装置を示すものであり、下部冷却浄化部１、ガス化反応部２、降温反応部３、上部冷却浄化部４、シェル５を含むことを特徴とする。

前記下部冷却浄化部１は本発明の装置の下部に設けられており、その導入口はガス化反応部２の下側導出口に接続されている。前記下部冷却浄化部１は、下流側急冷装置１１、下降管１２、下側合成ガス導出口１３、上昇管１４、スラグ溜め１５、スラグ排出口１６等を含む。

前記ガス化反応部２は装置中央よりも下側に設置されている。６本のノズルがガス化反応部２の周囲を囲むように配置されており、これらのノズルは１層を成すように配置されている。前記ガス化反応部２の下側導出口は下部冷却浄化部１に接続されており、前記ガス化反応部２の上側導出口は降温反応部３に接続されている。

前記ノズル２１は、噴霧された反応物が回転カット軌道を描くことができるように（相対するノズルの軸が同一円に接するように）配置されている。この回転切断は同一層内のノズルにより生じるものである。

前記降温反応部３は装置中央よりも上側に設置されている。その導入口はガス化反応部２の上側導出口に接続されている。この接続部分に適量の水ミストを噴霧するための一次冷却装置３１が配置されている。水ミストを噴霧することによって、ガスが冷却されると共に、反応物が補充されることによりアッシュに含まれる炭素の炭素ガス化反応が降温反応部３内で更に進行する。

反応後の粗合成ガスは上昇を続け、上流側急冷装置４１を通過することにより速やかに冷却される。次いで整流管４２を通過し、アッシュ溜め４７内に流入して水に浸かった後、整流器４３を通過することによってアッシュに含まれる大きな粒子が分離され、噴霧装置４４を通過することにより加湿される。次いで分離装置４５を通過することにより合成ガスに含まれる粒子が除去され、上側合成ガス導出口４６から次のプロセスに送り出される。

前記上側冷却浄化部４は装置上部に設置されており、その導入口は降温反応部３の導出口に接続されている。降温反応部３は、上流側急冷装置４１、整流管４２、整流器４３、噴霧装置４４、分離装置４５、上側合成ガス導出口４６、アッシュ溜め４７等を含む。

実施例３
図２は、炭素質物質をガス化するための装置を示すものであり、下側冷却浄化部１、ガス化反応部２、降温反応部３、上側冷却浄化部４、シェル５を含むことを特徴とする。

前記下側冷却浄化部１は装置下部に設置されており、その導入口はガス化反応部２の下側導出口に接続されている。下側冷却浄化部１は、下流側急冷装置１１、スラグ溜め、スラグ排出口、合成ガス導出口等を含む。

前記ガス化反応部２は装置中央よりも下側に設置されている。ノズルは２層を成すように配置されており、各層に４本のノズルがガス化反応部２の周囲を囲むように配置されている。前記ガス化反応部２の下側導出口は下側冷却浄化部１に接続されており、上側導出口は降温反応部３に接続されている。

前記ノズル２１は、噴霧された反応物がヘッジ効果を生み出すように（対向するノズルの軸が一致するように）配置されており、前記ヘッジ効果は異なる層にあるノズルによって生じさせることもできる。

前記降温反応部３は装置中央よりも上側に設置されている。その導入口はガス化反応部２の上側導出口に接続されている。この接続部分に適量の水ミストを噴霧するための一次冷却装置３１が配置されている。水ミストを噴霧することによって、ガスが冷却されると共に、反応物が補充されることによってアッシュに含まれる炭素の炭素ガス化反応が降温反応部において更に進行する。

反応後の粗合成ガスは上昇を続けて上側冷却浄化部４に到達する。前記上側冷却浄化部４の導入口は降温反応部３の導出口に接続されている。上側冷却浄化部４に流入した高温の粗合成ガスは上流側急冷装置４１を通過することにより再び速やかに冷却され、次いで整流管４２を通過し、アッシュ溜め４７に流入して水に浸かる。次いで整流器４３によりアッシュに含まれる大きな粒子が分離され、噴霧装置４４を通過することにより加湿される。次いで分離装置４５を通過することにより合成ガスから粒子が除去され、上側合成ガス導出口４６から次のプロセスに送り出される。

１…下部冷却浄化部、１１…下流側急冷装置、１２…下降管、１３…下側合成ガス導出口、１４…上昇管、１５…スラグ溜め、１６…スラグ排出口、２…ガス化反応部、２１…ノズル、２２…ガス化室、２３…ガス化室水冷壁、３…降温反応部、３１…一次冷却装置、４…上部冷却浄化部、４１…上流側急冷装置、４２…整流管、４３…整流器、４４…噴霧装置、４５…分離装置、４６…上側合成ガス導出口、４７…アッシュ溜め、５…シェル

Claims (15)

1. 炭素質物質の粉末をガス化する方法であって、
   ｉ）前記炭素質物質を含酸素ガス化剤と反応させ、主成分がＣＯ及びＨ_２である粗合成ガスと、主成分が無機物質であるアッシュとを生成させる段階と、
   ｉｉ）高温の前記粗合成ガスの一部並びに前記アッシュ及びシンダの大部分を流下させることにより冷却及び浄化し、次いで冷却及びダスト除去された前記粗合成ガスを次のプロセスに送り、急冷された前記アッシュ及びシンダをシンダ排出口を介して設備から排出する段階とを含み、
   前記粗合成ガスの残部及び前記アッシュは上昇して冷却物質と混合されることによって温度が低下した後、降温反応部に流入し、完全に反応していない前記炭素は補充された前記ガス化剤と再び反応し、前記反応を経た後の前記粗合成ガス及び前記アッシュは冷却及び浄化され、前記粗合成ガス中の前記アッシュは除去され、それによって相対的に清浄な低温の前記粗合成ガスが次のプロセスに送られることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の炭素質物質粉末ガス化方法において、
   段階ｉ）において、複数のノズルを用いて前記炭素質物質及び前記ガス化剤を装置のガス化反応部に噴霧することを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の炭素質物質粉末をガス化する方法において、
   高温（１２００℃〜２０００℃）及び高圧（０．１ＭＰａ〜１１ＭＰａ）環境下において前記炭素質物質及び前記ガス化剤を速やかに反応させることを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の炭素質物質粉末をガス化する方法において、
   段階ｉｉ）において、前記「残部」は、合成ガス全体の約６０％〜８０％（体積／体積）、好ましくは約７５％（体積／体積）であることを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の炭素質物質粉末をガス化する方法において、
   段階ｉｉ）において、前記ガス化剤は、水蒸気、水ミスト、ＣＯ_２又はこれらの混合物であることを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の炭素質物質粉末をガス化する方法であって、
   段階ｉｉ）において、前記降温反応は約８００℃〜ｔ２（前記アッシュの軟化温度）の温度で進行することを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の炭素質物質粉末をガス化する方法において、
   スラグ排出口において前記スラグ排出口の圧力上昇を招くスラグの閉塞が起こった場合、下降するガスの量を増加させて前記スラグ排出口の温度をゆっくりと上昇させることが可能であり、それによって、前記スラグ排出口の圧力が正常に戻るまで余分な前記スラグを溶融させることができることを特徴とする方法。
8. 炭素質物質の粉末をガス化する装置であって、
   下側冷却浄化部（１）、ガス化反応部（２）、降温反応部（３）及び上側冷却浄化部（４）を含み；
   前記下側冷却浄化部は前記装置の下部に設置されており、その導入口はガス化反応部の下側導出口に接続されており；
   前記ガス化反応部は前記装置の中央よりも下側に設置されており、ガス化反応部の周囲を囲むように複数のノズルが配置されており、前記ガス化反応部の下側導出口は前記下側冷却浄化部に接続されており、前記ガス化反応部の上側導出口は前記降温反応部に接続されており；
   前記降温反応部３は前記装置の中央よりも上側に設置されており、前記降温反応部の導入口は前記ガス化反応部の前記上側導出口に接続されており、この接続部分に、適量の冷却物質を噴霧するための一次冷却装置が配置されており；
   前記上側冷却浄化部は前記装置の上部に設置されており、前記上側冷却浄化部の導入口は前記降温反応部の導出口に接続されていることを特徴とする装置。
9. 請求項８に記載の炭素質物質粉末をガス化する装置において、
   前記下側冷却浄化部は、急冷装置、スラグ溜め、スラグ排出口、合成ガス導出口を含むことを特徴とする装置。
10. 請求項８に記載の炭素質物質粉末をガス化する装置であって、
    前記複数のノズルは前記ガス化反応部の周囲を囲むように配置されており、前記ノズルは１層又は多層を成すように設置することができることを特徴とする装置。
11. 請求項８に記載の炭素質物質粉末をガス化する装置において、
    前記降温反応部の内部に測温器が設置されていることを特徴とする装置。
12. 請求項８に記載の炭素質物質粉末をガス化する装置において、
    前記上側冷却浄化部は、急冷装置、ダスト溜め、合成ガス導出口を含むことを特徴とする装置。
13. 請求項８に記載の炭素質物質粉末をガス化する装置において、
    前記一次冷却装置は、前記合成ガスの温度をｔ２（アッシュの軟化温度）未満且つ８００℃超まで低下させるために適量の冷却物質を噴霧することを特徴とする装置。
14. 請求項８に記載の炭素質物質粉末をガス化する装置において、
    前記ノズルは、噴霧される反応物がヘッジ効果を生み出すように（対向するノズルの軸が一致するように）又は回転カット効果を生み出すように（相対するノズルの軸が同一円に接するように）配置されており、前記ヘッジ効果又は前記回転カット効果は同一層のノズルによって生じるものであっても異なる層のノズルによって生じるものであってもよいことを特徴とする装置。
15. 請求項８〜１４のいずれか一項に記載の炭素質物質粉末をガス化する装置において、
    前記ノズルはガス化室の中央よりも下側に配置されていることを特徴とする装置。

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