JP4248585B2 - 部分酸化のガス化方法 - Google Patents

Description

本発明は、メタンＣＨ₄、エタンＣ₂Ｈ₆、プロパンＣ₃Ｈ₈、ブタンＣ₄Ｈ₁₀等の炭化水素系のガス、及び燈油、軽油等の炭化水素系の液体を燃料として、部分酸化により、水素を効率よく製造するための部分酸化のガス化方法に関するものである。

図４は、従来の部分酸化のガス化装置の一例を示したもので、図中１はガス化炉であり、該ガス化炉１には、炭化水素系のガス又は液体の燃料２と、酸化剤３（一般にはＯ₂が使用されるが、空気が用いられることもある）が供給されて、完全燃焼するより少ない酸素Ｏ₂によって１０００ｋｃａｌ／ｈ以上の熱量が保持されるようにガス化炉１内のガスの温度（反応温度）を１２００℃以上に高めて部分酸化（燃焼）させることにより、二酸化炭素ＣＯ₂と水Ｈ₂Ｏ、及び一酸化炭素ＣＯと水素Ｈ₂からなる高温生成ガス４を得るようにしている。

又、図４の場合では、ガス化炉１で生じた１２００℃以上の高温生成ガス４は、高温生成ガス導出管５により排熱回収ボイラ６に導かれて水を加熱することにより自身は冷却されて６００℃前後の生成ガス４ａとして図示しない水素ガス分離装置等に供給されるようになっている。

前記排熱回収ボイラ６において、高温生成ガス４により水７を加熱することにより生成された５００℃程度の蒸気８は、蒸気タービン９に供給されて該蒸気タービン９を廻すことにより発電機１０を駆動する等の仕事を行った後、コンデンサ１１により液化されて水７となり、水７は給水ポンプ１２により再び前記排熱回収ボイラ６に供給されるようになっている。

前記ガス化炉１では、炭化水素系の燃料２の炭素Ｃと、酸化剤３の酸素Ｏ₂との燃焼によって１０００ｋｃａｌ／ｈ以上の熱量が保持されるように燃料２と酸化剤３の供給量が調節される。この時、前記燃料２と酸化剤３の燃焼によって生成する二酸化炭素ＣＯ₂と水Ｈ₂Ｏは酸化発熱反応であり、また一酸化炭素ＣＯと水素ガスＨ₂は還元吸熱反応であると言える。

上記反応において、ガス化炉１に、蒸気Ｈ₂Ｏ（水）を酸化剤として供給する（Ｏを入れる）ことが行われており、蒸気Ｈ₂Ｏの供給によりＣ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂の反応が促進されることによって、水素Ｈ₂の生成を促進させるようにしている。

このため、従来では、蒸気タービン９の途中から取り出すようにした中圧蒸気１３（３００℃前後）を、前記ガス化炉１に供給するようにしている。又この時、前記中圧蒸気１３の一部を利用して、前記ガス化炉１に供給している燃料を熱交換器１４により１５０℃前後まで加熱し、また酸化剤３を熱交換器１５により８０℃前後まで加熱するようにしている。
特開平6-213585号公報 特開昭49-130384号公報 特開平6-241431号公報 国際公開第96／05474号公報 特開昭59-73403号公報

前記ガス化炉１においては、燃料２と酸化剤３の燃焼による発熱をできるだけ押さえた状態において１２００℃以上の反応温度を保持させるようにすれば、水素Ｈ₂の生成効率を増加させることができるが、従来のガス化炉１に供給している中圧蒸気１３は３００℃前後と低い温度であった。

このために、３００℃前後の中圧蒸気１３と、１２００℃以上の反応温度との間には９００℃の温度差があり、この温度差分を加熱するために燃料２と酸化剤３の燃焼量が増大することになり、よって水素Ｈ₂の生成効率が低く押さえられてしまうという問題があった。

又、このために、前記ガス化炉１に供給する中圧蒸気１３の温度を高めることが考えられるが、熱交換によって得られる高温の蒸気は通常で５００℃前後であり、最高温度の蒸気を得ようとした場合でも、熱交換器チューブの材料強度等の制限から６００℃程度が限界であった。

従って、上記したように、仮に６００℃に加熱した蒸気を前記ガス化炉１に供給するようにしたとしても、１２００℃の反応温度まで加熱するためには依然として６００℃の大きな温度差が存在しており、このために燃料２と酸化剤３の燃焼量が増大されて、水素Ｈ₂の生成効率が低く押さえられてしまうという問題がある。

また、上記従来装置によれば、１２００℃以上の反応温度を確保するために燃料２及び酸化剤３の使用量が増加することにより、運転コストも増加するという問題を有していた。

本発明は、かかる従来装置のもつ問題点を解決すべくなしたもので、ガス化炉に供給する蒸気の温度を、高温生成ガスの温度に近い温度まで高められるようにして、水素の生成効率を高め得るようにした部分酸化のガス化方法を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成すべく、炭化水素系の燃料と、酸化剤と、蒸気とをガス化炉内に供給して部分酸化の反応温度に加熱し、水素ガスを含む高温生成ガスをガス化炉内に生成する炭化水素系燃料の部分酸化ガス化方法において、
前記ガス化炉は、一端が炉内領域に連通する第１及び第２熱交換器を備えており、各熱交換器は、軸方向の多数の貫通口を備えたハニカム構造の蓄熱体を有し、
前記第１熱交換器の蓄熱体を通してガス化炉内に蒸気を供給するとともに、前記第２熱交換器の蓄熱体を介して炉内の高温生成ガスを導出する工程と、前記第２熱交換器の蓄熱体を通してガス化炉内に蒸気を供給するとともに、前記第１熱交換器の蓄熱体を介して炉内の高温生成ガスを導出する工程とが、所定の時間間隔で交互に実行され、
前記蒸気は、前記蓄熱体の貫通口を通って該蓄熱体によって加熱され、加熱後の蒸気は、前記熱交換器の炉内側連通口からガス化炉内に流入することを特徴とするガス化方法を提供する。

本発明では、ガス化炉に直に取付けた第１及び第２の熱交換器を使用して蒸気を加熱するので、高温生成ガスの温度と蒸気の温度との温度差が小さくなり、よって、蒸気の温度を高温生成ガスの温度まで高めるために使用される燃料及び酸化剤の燃焼量が減少して、ガス化炉内での水素Ｈ₂の生成効率が大幅に増大される。

更に、ガス化炉内を反応温度以上に維持するために必要な燃料及び酸化剤の消費量が減少するので、コストの低減が図れる。

また、ガス化炉に、第１及び第２の熱交換器から構成される蒸気加熱装置を複数個設置し、導出弁及び供給弁を開閉させるタイミングをずらすように制御すると、ガス化炉に供給される蒸気の温度を略平坦にして安定させることができる。

本発明によれば、ガス化炉に供給する蒸気の温度を、高温生成ガスの温度に近い温度まで高められるようにして、水素の生成効率を高め得るようにした部分酸化のガス化方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図示例と共に説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例であって、図中、図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図４に示す従来のものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図４において蒸気タービン９からの中圧蒸気１３をガス化炉１に直接供給するようにしている構成に代えて、ガス化炉１に蒸気加熱装置１６を備えるようにしている。

蒸気加熱装置１６は、図１に示すように、ガス化炉１に一端（左側端）が連通するように接続した第１の交換型蓄熱熱交換器１７と第２の交換型蓄熱熱交換器１８とを備えている。

第１の交換型蓄熱熱交換器１７及び第２の交換型蓄熱熱交換器１８は、図２に示すように、ハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）等の耐熱合金によって形成された円筒状のチューブ１９の内部に、セラミックにより円柱状（角柱もある）で、しかも軸方向に貫通した多数の細口２０を有するハニカム（多孔体）構造の蓄熱体２１を多数挿入した構成を有しており、前記チューブ１９に実線矢印のように導入される高温生成ガス４が蓄熱体２１の細口２０を通る際に蓄熱体２１を加熱し、また点線矢印のようにチューブ１９に供給される蒸気２２が蓄熱体２１の細口２０を通る際に加熱された蓄熱体２１によって加熱されるようになっている。

前記第１の交換型蓄熱熱交換器１７及び第２の交換型蓄熱熱交換器１８の他端（右側端）同士は、図１に示すように導出管２３にて連通されていると共に、該導出管２３の途中には２個の導出弁２４，２５が備えてあり、前記導出管２３における導出弁２４と導出弁２５の相互間には、高温生成ガス導出管２６の一端が接続されており、該高温生成ガス導出管２６の他端は、ガス化炉１上部の高温生成ガス導出管５に接続されている。上記における高温配管系には前述したようなハステロイのような耐熱合金などを用いることができる。

更に、前記第１の交換型蓄熱熱交換器１７及び第２の交換型蓄熱熱交換器１８の他端（右側端）同士は、供給管２７にて連通されていると共に、該供給管２７の途中には２個の供給弁２８，２９が備えてあり、前記供給管２７における供給弁２８と供給弁２９の相互間には、蒸気供給管３０が接続されている。

図１では、排熱回収ボイラ６を経た後の生成ガス４ａと熱交換を行うようにした熱交換器３１を備えており、給水ポンプ１２出口の水７の一部を、給水管３２により前記熱交換器３１に導いて、６００℃前後の生成ガス４ａと熱交換することにより蒸気２２を生じさせ、２００℃程度以下の温度となった蒸気２２を前記蒸気供給管３０に供給するようにしている。前記熱交換器３１に導かれた６００℃前後の生成ガス４ａは熱交換によって３００℃程度に温度が低下されて取り出されるようになっている。

また、前記第１の交換型蓄熱熱交換器１７と第２の交換型蓄熱熱交換器１８の一方から高温生成ガス４’を取り出している時に、他方には蒸気２２を供給するように、前記導出弁２４，２５及び供給弁２８，２９の開閉を切替えて制御するようにした制御器３３を備えている。制御器３３は、タイマーを備えて所定時間間隔（例えば２０〜４０秒）毎に切替えるようにしてもよく、また、第１の交換型蓄熱熱交換器１７及び第２の交換型蓄熱熱交換器１８によりガス化炉１に供給される蒸気２２の温度、或いは導出管２３に導出される高温生成ガス４’の温度等を検出して、これらの検出温度に基づいて切替えを行うようにしてもよい。

上記した蒸気加熱装置１６は、図１に実線と仮想線で示すように、ガス化炉１に対して複数個配設することができる。

次に、上記図１、図２に示した形態例の作用を説明する。

ガス化炉１には、炭化水素系のガス又は液体の燃料２と、完全燃焼するより少ない量の酸化剤３が供給され、ガス化炉１内のガスの温度が１２００℃（反応温度）以上に保持されるように燃焼（部分酸化）されて、二酸化炭素ＣＯ₂と水Ｈ₂Ｏ、及び一酸化炭素ＣＯと水素Ｈ₂からなる高温生成ガス４が生成される。

この時、制御器３３により、図１の白抜きで示した導出弁２５と供給弁２８を開けて、黒塗りで示した導出弁２４と供給弁２９を閉めるように制御する。

すると、蒸気供給管３０からの蒸気２２が供給管２７の供給弁２８を介し、第１の交換型蓄熱熱交換器１７を経てガス化炉１に供給される。

一方、ガス化炉１内で部分酸化により生じた１２００℃以上の高温生成ガス４は、第２の交換型蓄熱熱交換器１８から導出管２３の導出弁２５及び第２の高温生成ガス導出管２６を介して取り出される。

この時、ガス化炉１から第２の交換型蓄熱熱交換器１８に導入される１２００℃以上の高温生成ガス４は、図２のチューブ１９内に備えられている蓄熱体２１の細口２０を通る際に、蓄熱体２１を高温生成ガス４に近い温度（１２００℃前後）まで加熱するようになり、高温生成ガス４’は若干温度が低下されて高温生成ガス導出管２６に導かれる。

上記状態を所定時間保持した後、制御器３３により、白抜きで示した導出弁２５と供給弁２８を閉めて、黒塗りで示した導出弁２４と供給弁２９を開けるように切替える。

すると、蒸気供給管３０からの蒸気２２が、今度は供給管２７の供給弁２９により、第２の交換型蓄熱熱交換器１８を経てガス化炉１に供給されるようになり、またガス化炉１内の高温生成ガス４は、第１の交換型蓄熱熱交換器１８の蓄熱体２１の細口２０を通って蓄熱体２１を加熱した後、導出管２３の導出弁２４を経て高温生成ガス導出管２６に導かれるようになる。

この時、前記したように第２の交換型蓄熱熱交換器１８の蓄熱体２１は、既に高温生成ガス４によって高温生成ガス４の温度に近い温度（１２００℃以上）に加熱されているので、蒸気供給管３０から第２の交換型蓄熱熱交換器１８に供給された蒸気２２は、高温に加熱された蓄熱体２１の細口２０を通る際に加熱されることになる。

図２に示したような第１及び第２の交換型蓄熱熱交換器１７，１８では、被加熱側の流体（蒸気２２）の温度は、加熱側の流体（高温生成ガス４）の温度よりも３０〜５０℃だけ低い温度まで上昇することができる。

従って、高温生成ガス４が例えば１２００℃である場合には、蒸気２２の温度を１１５０〜１１７０℃程度まで高めてガス化炉１に供給することができる。

このようにガス化炉１に供給される蒸気２２の温度が高められると、高温生成ガス４の温度と蒸気２２との温度差が３０〜５０℃のように小さくなり、従って、蒸気２２の温度を高温生成ガス４の温度まで高めるために必要な酸化剤３の増加が僅かですむようになり、よってガス化炉１内のガス温度を高めるために消費される燃料２及び酸化剤３の量を減少させることができ、これにより水素Ｈ₂の生成効率を大幅に増大させることができる。

上記において、ガス化炉１で生じる高温生成ガス４の総てを第１の交換型蓄熱熱交換器１７又は第２の交換型蓄熱熱交換器１８から取り出すようにしてもよいが、燃料２と酸化剤３の部分酸化によって生じるガスの容量に比して、ガス化炉１に供給される蒸気２２の容量の方が通常小さいので、ガス化炉１内で生成した高温生成ガス４の一部を第１の交換型蓄熱熱交換器１７又は第２の交換型蓄熱熱交換器１８を経て若干温度が低下した高温生成ガス４’として高温生成ガス導出管２６に取り出すようにし、残りの高温生成ガス４は高温生成ガス導出管５にて取り出すようにし、これらの高温生成ガス４，４’を合流して排熱回収ボイラ６に供給するようにしている。

前記した蒸気２２を、高温に加熱された蓄熱体２１に通して加熱する際、蓄熱体２１は蒸気２２に熱が奪われることによって徐々に温度が低下し、このためにガス化炉１に供給される蒸気２２の温度も時間と共に低下するようになるので、ガス化炉１に供給される蒸気２２の温度が余り低下しないように、所定の時間間隔（２０から４０秒）を設定して、或いは前記ガス化炉１に供給される蒸気２２の温度を検出してその検出値に基づいて、制御器３３は前記導出弁２４，２５及び供給弁２８，２９の開閉を切替えるようにしている。

また、上記したように、第１又は第２の交換型蓄熱熱交換器１７，１８からガス化炉１に供給される蒸気２２の温度が時間の経過と共に低下する問題に対し、ガス化炉１に、前記した蒸気加熱装置１６を複数個設置して、前記導出弁２４，２５及び供給弁２８，２９を切替えるタイミングを、蒸気加熱装置１６間でずらすように制御することにより、ガス化炉１に供給される蒸気２２の温度を略平坦にして安定させることができる。

また、図１の形態例では、熱交換器３１を備えて、排熱回収ボイラ６を経た後の生成ガス４ａと給水ポンプ１２出口の水７とを熱交換し、水を加熱して得られた２００℃以下程度の蒸気２２を、前記蒸気加熱装置１６に供給して利用するようにしているので、前記熱交換器３１に導かれた６００℃前後の生成ガス４ａの熱を蒸気２２の製造に有効に利用することができ、熱交換器３１からは３００℃程度に低下した生成ガス４ａを取り出すことができる。前記蒸気加熱装置１６に供給する蒸気２２は、低温（湿蒸気を含む）であっても良く、従って前記以外の種々の高温部の熱を利用して得た蒸気を用いることができる。

図３は、前記蒸気加熱装置１６に蒸気２２を供給する蒸気供給管３０を、蒸気タービン９に接続して、蒸気タービン９からの３００℃前後の中圧蒸気１３を取り出すようにし、且つ該中圧蒸気１３に、給水ポンプ１２からの水７を給水管３４を介して混合するようにしている。この時、蒸気２２の温度が飽和温度ギリギリになるように水７を混合すると、中圧蒸気１３の熱エネルギーを有効に利用することができる。

尚、本発明は上記形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明は、メタンＣＨ₄、エタンＣ₂Ｈ₆、プロパンＣ₃Ｈ₈、ブタンＣ₄Ｈ₁₀等の炭化水素系のガス、及び燈油、軽油等の炭化水素系の液体を燃料として、部分酸化により、水素を効率よく製造するための部分酸化のガス化装置に適用される。

本発明によれば、ガス化炉に、第１の交換型蓄熱熱交換器と第２の交換型蓄熱熱交換器を備えた蒸気加熱装置を設け、第１の交換型蓄熱熱交換器及び第２の交換型蓄熱熱交換器の一方から高温生成ガスを取り出している時に他方から蒸気を供給するように、導出弁及び供給弁を交互に切替えるようにしているので、反応温度以上の高温生成ガスにて加熱された第１の交換型蓄熱熱交換器又は第２の交換型蓄熱熱交換器を蒸気が通ってガス化炉に供給される際に、蒸気が高温生成ガスの温度に近い温度まで加熱されることになり、従って、高温生成ガスの温度と蒸気の温度との温度差が小さくなり、よって、蒸気の温度を高温生成ガスの温度まで高めるために使用される燃料及び酸化剤の燃焼量が減少して、ガス化炉内での水素Ｈ₂の生成効率が大幅に増大される。

更に、ガス化炉内を反応温度以上に維持するために必要な燃料及び酸化剤の消費量が減少するので、コストの低減が図れる。

また、ガス化炉に、蒸気加熱装置を複数個設置して、導出弁及び供給弁を開閉させるタイミングをずらすように制御すると、ガス化炉に供給される蒸気の温度を略平坦にして安定させることができる。

本発明を実施する形態の一例を示すブロック図である。 交換型蓄熱熱交換器の一例を示す斜視図である。 本発明を実施する形態の他の例を示すブロック図である。 従来の部分酸化のガス化装置の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ ガス化炉
２ 燃料
３ 酸化剤（Ｏ₂）
４ 高温生成ガス
１６ 蒸気加熱装置
１７ 第１の交換型蓄熱熱交換器
１８ 第２の交換型蓄熱熱交換器
２２ 蒸気
２３ 導出管
２４ 導出弁
２５ 導出弁
２６ 高温生成ガス導出管
２７ 供給管
２８ 供給弁
２９ 供給弁
３０ 蒸気供給管

Claims (4)

1. 炭化水素系の燃料と、酸化剤と、蒸気とをガス化炉内に供給して部分酸化の反応温度に加熱し、水素ガスを含む高温生成ガスをガス化炉内に生成する炭化水素系燃料の部分酸化ガス化方法において、
   前記ガス化炉は、一端が炉内領域に連通する第１及び第２熱交換器を備えており、各熱交換器は、軸方向の多数の貫通口を備えたハニカム構造の蓄熱体を有し、
   前記第１熱交換器の蓄熱体を通してガス化炉内に蒸気を供給するとともに、前記第２熱交換器の蓄熱体を介して炉内の高温生成ガスを導出する工程と、前記第２熱交換器の蓄熱体を通してガス化炉内に蒸気を供給するとともに、前記第１熱交換器の蓄熱体を介して炉内の高温生成ガスを導出する工程とが、所定の時間間隔で交互に実行され、
   前記蒸気は、前記蓄熱体の貫通口を通って該蓄熱体によって加熱され、加熱後の蒸気は、前記熱交換器の炉内側連通口からガス化炉内に流入することを特徴とするガス化方法。
2. 前記時間間隔は、２０〜４０秒の範囲内に設定されることを特徴とする請求項１に記載のガス化方法。
3. 前記熱交換器の蓄熱体に供給される前記蒸気の温度は、前記熱交換器に導入される前記高温生成ガスの温度よりも３０〜５０℃だけ低い温度まで前記蓄熱体において上昇することを特徴とする請求項１又は２に記載のガス化方法。
4. 前記蒸気は、前記蓄熱体によって１１５０〜１１７０℃の温度に加熱されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガス化方法。
   
   

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