JP4323570B2 - 反応容器からキャリアガスにより排出される微粒固体物を再循環するプロセス - Google Patents

Description

本発明は、特に溶融ガス化炉とされた反応炉の排出位置においてキャリアガスによって該反応炉から排出される石炭、鉄粒子等の微粒状固体物を再循環するプロセスおよび該プロセスを実施する装置に関する。より詳細には、固体物は、特にサイクロンとされた固体物分離装置内で分離され、続けてキャリアガスによって反応炉内に再循環され、固体物分離装置と再循環位置との間の圧力差を維持し、反応炉内への入口部分において酸素供給下で少なくとも部分的にガス化又は燃焼が行われるようにされている。
上述した形式のプロセスは欧州特許第０ ４９３ ７５２号公開公報に開示されている。このプロセスでは、溶融ガス化炉からの高温ダストが、高温サイクロンにおいて分離されるとともに、バーナを通って溶融ガス化炉内へと再循環される。高温サイクロンと溶融ガス化炉との間の圧力差を克服するため、二つの樋（sluice）の各々の間に設けられた複数の集積貯蔵容器（bin）を備えた樋システムによって再循環が行われる。
溶融ガス化炉から引き出される還元ガスは、約１０５０℃の温度とされており、非常に大量のパウダー状固体物を運ぶ。還元ガス中のダスト含有量は約１５０ｇ／ｍ³とされる。還元ガスの温度は、排出されるとすぐに、たいていは同種の冷却ガスとされた冷却ガスを不加することにより、約８５０℃に調節される。主として石炭と鉄粒子との混合物からなる固体物は、高温サイクロン中で連続的に分離させられるようになっている。この固体物のすり減らす性質により、既知の樋システムでは、コストのかかる構成が要求されるだけでなく、非常に多くの摩耗が生じてしまうことになる。固体物は、不連続的すなわちバッチ式によりインジェクタ（injector）へと輸送されるので、ダストバーナの連続操作モードが行われず、ダストバーナの効果が減じられることになる。固体物は集積貯蔵容器内で堆積され、ダスト流れがブロックされるおそれがある。
キャリアガスによって反応炉から排出される微粒状固体物を再循環させるプロセスは、欧州特許第０ ２７８ ２８７号公報に開示されている。このプロセスにおいて、固体物分離装置内に蓄積された固体物は、収集タンクへと輸送されると共に、該収集タンク内で収集される。この場合、収集タンクは補償用タンクとして使用されている。固体物は、反応炉から直接的に導かれる高温の反応炉ガスによって収集タンクから引き出されるとともに、インジェクタを介して反応炉内へと直接的に再循環させられるようになっている。収集タンク内では固体物が蓄積され、固体物流れがブロックされてしまう。特に、反応炉から高温のキャリアガスが直接的に流入するので、固体物がケーキ状となってしまうか、或いは部分的に溶融してしまうおそれがある。既知のプロセスにおいて、インジェクタは反応炉内に直接的に開口している。
本発明の目的は、以下のプロセスおよび該プロセスを実施する装置を提供することにより、上記各欠点および困難性を回避するとともに、技術上の問題点を解決することである。これは、摩耗量を増加させるとともに交互に発生する熱応力を発生させる移動部材を設けることなく、固体物の再循環を行うことができるものである。ここで、特に再循環は、連続的にかつ制御された方法で行われなければならない。しかも、固体物分離装置の出口部と反応炉との圧力差に何の問題もなく打ち勝たなければならない。さらに、トラブルのない連続的な固体物流れが、高い確実性をもって行われなければならない。
上述した形式のプロセスにおいて、上記問題点は以下のプロセスを採用することにより達成される。つまりそれは、インジェクタの作用の下で推進ガスによって分離後の固体物を直接的かつ連続的に排出し、加速するともに、反応炉へと輸送することにより達成される。したがって、本発明によれば、滞留領域や貯留バッフルを設けることなく、通常の動作条件において、固体物分離装置を反応炉との間に完全な開口ラインが設けられることになる。推進ガスを用いることにより、固体物分離装置に分散されている少量のキャリアガスと共に固体物が固体物分離装置から直接的に吸引される。これにより、固体物は、定常的に流動させられるとともに、滞留してしまうことはない。したがって、粒子がくっつき、結果的にダスト流れをブロックしてしまうという危険性を確実に回避することができる。
固体物の再循環を高い操作上の安定性をもって行うために、推進ガスの流速は、好ましくは、（超臨界圧力比における）音速と同等あるいはそれ以上とすべきである。
好ましくは、推進ガスとして、窒素および／または冷却されかつ洗浄されたプロセスガスが使用される。
好ましくは、冷却されかつ洗浄されたプロセスガスは、ＣＯおよびＨ₂を含む還元ガスにより形成される。
特に溶融ガス化炉とされた反応炉と、該反応炉から出発するとともに特にサイクロンとされた固体物分離装置へと延在し、該固体物分離装置からインジェクタが出発する部分へと分離後の固体物を輸送するガス排出ダクトと、インジェクタから反応炉へと延在しかつダストバーナを介して反応炉内に開口する固体物再循環ダクトと、を備えた本発明によるプロセスを実施する装置において、固体物分離装置は、固体物再循環ダクトに接続されているとともに、連続的なラインによって、インジェクタを介してダストバーナに接続されていることを特徴とする。
本発明による装置の構成は単純でかつ複雑でないものとされており、通常の操作中に完全に自由な固体物流れを可能とするものである。しかも、固体物は直接的かつ連続的に排出されるので、ダストの損失をかなり軽減できることにより、固体物分離装置の効率を改善することができる。本発明による装置の構成が単純とされていることにより、メンテナンス費用を非常に低く抑えることができ、高い有用性および性能が実現されることになる。
例えば粗い石炭やコークスの塊とされた大きな粒子を分離するために、好ましくは、固体物分離装置の下流側に粗いフィルタが接続される。
ダスト再循環ラインに障害が生じた場合に、固体物の分離が直接的に妨げられることがないようにするために、好ましくは、固体物分離装置の下流側に固体物用タンクが接続される。固体物排出ダクト内への移行部分において流動化部材が設けられている。通常の操作中すなわち、固体物がタンク内を自由落下により自由に分散している間、固体物用タンクは作動させられない。
固体物流れを妨げることなく、例えば固体物排出ダクトの耐火ライニングから発生する大きな粒子を排出するために、インジェクタは、好ましくは、閉塞部材により閉じることができる排出開口部が設けられた底部を閉塞することができるタンク（bag tank）として構成された固体物収集タンクを備えている。固体物収集タンクは、好ましくは、底部領域に流動化部材を備えている。
以下に、添付図面に示された各実施形態を用いて本発明をより詳細に説明する。図１は、当該技術分野の技術水準における固体物再循環システムの一般的な配置について示した図である。図２は、本発明による固体物の再循環を概略的に示した図である。
図１に示された技術水準によれば、石炭のガス化により生成され、続けて還元ガスとして使用される排ガスが、溶融ガス化炉１として構成されている反応炉から排出される。溶融ガス化炉１は、海綿鉄を溶融するために併せられるとともに、溶融ガス化炉１の上部領域において該ガス化炉１内へと開口するガス排出ダクト２を介して、カーボン含有材料から還元ガスを生成するようになっている。パウダー状まで微粒化された固体物は排ガスとともに流動するので、この固体物のキャリアガスとして供せられる排ガスは、好ましくは高温サイクロンとして構成された固体物分離装置４へと供給される。
還元ガスが溶融ガス化炉１から流出した直後に、同種の冷却ガスが冷却ガスダクト５を介して還元ガスに対して供給される。これにより、続けて行う鉄鉱石の還元に用いるのに適切な温度に還元ガスを設定することができるとともに、高温サイクロン４への過剰な温度負荷を回避することができる。
サイクロン４内で分離された固体物は沈殿するとともに、この高温サイクロンに対して一体的に取り付けられたサイクロン用集積貯蔵容器６内に収集される。固体物はさらに、下流側に接続された集積貯蔵容器システムを介して、バッチ的に輸送される。このために、各集積貯蔵容器６，７，８間に接続された固体物排出用パイプ９にスライドバルブ１０が設けられている。
最終的に、固体物は、投入部材１１を用いて可能な限り均等にインジェクタ１２へと投入される。投入部材１１は、例えば投入バルブ、又は他の実施形態ではロータリバルブ（図示せず）とすることができる。パイプ１３を介して供給される推進ガスである例えばＮ2を操作するインジェクタ１２は、ダストバーナ１５内へと開口する固体物再循環ダクト１４を介して、固体物を溶融ガス化炉１内へと輸送するものである。酸素が、酸素供給ダクト１６を介してダストバーナ１５へと供給される。
ダスト中のカーボン含有部分は燃焼／ガス化されるが、固体物の残りの不活性部分（Ｆｅ，石炭の灰分，ＣａＯ，ＳｉＯ2等）は塊状化される。固体状粒子の塊状化により、反応炉から流出するガスによって固体状粒子が排出されることが妨げられることになる。塊状化された固体物は反応炉の底部に向かって沈殿することになり、例えば溶融し、或いはスラグとして取り出されることになる。
この形式の固体物再循環にはメンテナンスに多くの費用がかかる。この固体物再循環において生じるこれら特有の問題は、複数の集積貯蔵容器６〜１０からなるシステムすなわちバッチ式によるダストの輸送によるもの、および、固体物の投入である。図１に示された固体物再循環システムの他の欠点は、反応炉１内で行われるプロセスのガスシステムに応じて、それぞれの固体物用集積貯蔵容器６〜１０のバルブを再三にわたって開口させなければならないということである。溶融ガス化炉１内の圧力と、さらにはこの溶融ガス化炉内で生成された還元ガスが供給されることになる後に続く還元容器（図示せず）内の圧力とからなるシステム圧力が変動するので、大きな圧力変動が再三にわたって生じることになり、ガス流動と相俟って、スライドバルブ１０が非常に消耗させられることになる。このような圧力差を一定に保つために、既知の構成とされる各個体物用集積貯蔵容器６，７，８間、及び、溶融ガス化炉１のガスシステムと還元容器との間に、複数の圧力補償パイプ（詳細に図示せず）を配置することが必要とされる。
図２には、本発明によるダスト再循環システムが示されている。高温サイクロン４内で分離された固体物は、サイクロン出口１７において一体的に設けられた容器１８内へと輸送される。この容器１８内には耐火ライニングが施されており、傾斜ゲート１９が挿入されている。この傾斜ゲート１９は、石炭やコークスの塊等の大きな粒子を分離するために設けられており、これらの大きな粒子は、必要であれば、排出口２０を介して容器１８から取り出されるようになっている。通常の操作中では全く機能を果たさない容器１８内で、高温サイクロン４から自由落下により分散させられる固体物は、縦樋として構成された固体物排出パイプ９を介してインジェクタ１２により吸引されるようになっている。縦樋９は、円筒状、好適にはテーパ状とされており、詰まることないように下方へと延在している。好ましくは、縦樋にも耐火ライニングが施されている。固体物用再循環ダクト１４は、インジェクタ１２からダストバーナ１５へと延在している。
インジェクタ１２は、好ましくは、超臨界圧力比すなわち、パイプ１３を介してインジェクタへと供給される推進ガスの速度が音速と同等あるいはそれ以上となる状態で操作されるようになっている。例えば、冷却された還元ガス等の窒素ガスまたは冷却ガスを、推進ガスとして使用することができる。推進ノズル２２の下方では、インジェクタ用ハウジング２１が収集タンク２３へと変更されており、ライニングの薄片や断片等が粗い粒径を有することにより詰まらせるおそれのある粒子が収集される。粗い粒子を排出するために、収集タンク２３の底部２４には、閉塞部材２５又は圧力樋（図示せず）を備えた出口部が設けられている。
粒子の取り出しを容易に行うために、流動化部材２６、例えば環形ノズル、耐火材料製の排出部材、焼結材料とされた複数の部材、自己閉塞式バルブとされたノズル等を、タンク底部２４内に設けることができる。流動化を行うガスは、インジェクタ１２に対する二次ガスとして同時に作用させることができる。微少な粒子についてはインジェクタにより排出しかつ吹き出すようにするとともに、粗い粒子のみを蓄積するように、流動化が調節される。
本発明の構成において、縦樋９の入口部およびダストバーナ１５の上流部に設けられた各閉塞部材２７は、修理およびメンテナンスの目的に対してのみ設けられたものである。したがって、操作中に何らかの問題が生じた場合には、高温サイクロン４の下流側に接続された容器１８は、閉塞部材２７を閉じることによりバッファタンクとして用いることができる。緊急の場合に固体物の堆積を回避するために、タンク出口部２８即ち縦樋９への移行部分にも流動化部材２６が設けられている。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の観点から改良することができる。本発明は、溶融ガス化炉だけでなく、排ガスにより固体物が排出されるあらゆる形式の反応炉１に対しても適用することができる。

Claims (10)

1. 溶融ガス化炉（１）の排出位置（２）においてキャリアガスによって前記溶融ガス化炉（１）から排出される石炭、鉄粒子等の微粒状個体物が、固体物分離装置（４）内で分離され、続けてキャリアガスによって前記溶融ガス化炉（１）内へと再循環位置（１５）において再循環され、
   前記固体物分離装置（４）と前記再循環位置（１５）との間の圧力差を維持し、
   前記溶融ガス化炉（１）内への入口部分において酸素供給下で少なくとも部分的にガス化又は燃焼が行われる、前記固体物を再循環するプロセスにおいて、
   分離後の前記固体物は、推進ガスによって、インジェクタの作用の下で前記固体物分離装置（４）から直接的かつ連続的に排出され、加速されるともに、前記溶融ガス化炉（１）へと輸送されること、及び
   前記固体物は、前記固体物分離装置（４）から排出された後に流動化させられること、を特徴とするプロセス。
2. 前記推進ガス流れの速度は、前記固体物と接触する際に音速と同等あるいはそれ以上とされていることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
3. 前記固体物は、分離された後にフィルタにかけられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプロセス。
4. 窒素および／または冷却されかつ洗浄されたプロセスガスが、前記推進ガスとして用いられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のプロセス。
5. 前記冷却されかつ洗浄されたプロセスガスは、ＣＯおよびＨ₂を含む還元ガスにより形成されていることを特徴とする請求項４記載のプロセス。
6. 溶融ガス化炉（１）と、
   該溶融ガス化炉（１）から出発するとともに固体物分離装置（４）へと延在し、該固体物分離装置からインジェクタ（１２）が出発する部分へと分離後の固体物を輸送するガス排出ダクト（２）と、
   前記インジェクタ（１２）から前記溶融ガス化炉（１）へと延在しかつダストバーナ（１５）を介して前記溶融ガス化炉（１）内に開口する固体物再循環ダクトと（１４）、
   を備えた請求項１から請求項６のいずれかに記載されたプロセスを実施する装置において、
   前記固体物分離装置（４）は、前記固体物再循環ダクト（１４）に接続されているとともに、連続的なラインによって、インジェクタ（１２）を介してダストバーナ（１５）に接続され、
   固体物用タンク（１８）が、前記固体物分離装置（４）の下流側に接続され、前記固体物用タンク（１８）は、前記固体物排出ダクト内への移行部分に、流動化部材（２６）を備えていることを特徴とする装置。
7. フィルタ（１９）が、前記固体物分離装置（４）の下流側に接続されていることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記インジェクタ（１２）は、閉塞部材（２５）により閉じることができる排出開口部が設けられた底部を閉塞可能なタンクとして構成された固体物収集タンク（２３）を備えていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の装置。
9. 前記固体物収集タンク（２３）は、底部領域（２４）に流動化部材（２６）を備えていることを特徴とする請求項８記載の発明。
10. 前記固体物排出ダクト（９）は、固体物用タンク（１８）から前記インジェクタ（１２）に向けて絶え間なく延在していることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれかに記載の装置。

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