JP4435966B2

JP4435966B2 - 石炭の気流床型ガス化方法

Info

Publication number: JP4435966B2
Application number: JP2000354734A
Authority: JP
Inventors: 英昭矢部; 隆文河村
Original assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2020-11-21
Also published as: JP2002155289A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭を酸素、水蒸気のようなガス化剤でガス化し、可燃性ガスを生産する石炭の気流床型ガス化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
石炭ガス化技術は、酸素や空気等のガス化剤を用いて、石炭を乾溜し、還元反応により分解して、一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ₂）を主成分とする可燃性ガスを生産する技術である。石炭ガス化技術は、化学原料用ガスあるいは都市ガス製造用の技術として従来より用いられているが、近年では、微粉炭焚きボイラー発電よりも効率が良く、環境保全性にも優れた石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）の中核技術として注目され、高圧（加圧）型の石炭ガス化炉の開発が盛んに行われている。
【０００３】
石炭ガス化炉の型式としては、固定床型、流動床型、気流床（噴流床）型等が挙げられる。それぞれの型式には各々の特徴があるが、特に発電用としての用途を考慮した場合、大容量化が容易、負荷追従性が高い等の理由から、気流床型の石炭ガス化炉が近年の主流となっている。
本発明者らは、現在までに、石炭を急速に加熱し、熱分解することにより、石炭から、ガス、タール、チャーのような有用成分を製造するプロセスに関する提案を行っている。
【０００４】
例えば、特開平１−１１３４９１号公報には、石炭を気相中で、間接的に昇温された熱分解発生ガスと混合させることによって、石炭を短時間で熱分解し、石炭中の揮発分の多くを、タール、ガスとして回収する技術が開示されている。
また、特開平５−２９５３７１号公報には、石炭を急速熱分解して得られたチャーの一部を酸素でガス化し、その高温ガス中に微粉炭を吹き込むことによって、石炭の熱分解を行う技術が開示されている。
【０００５】
更に、特開平１１−３０２６６６公報には、圧力１．０ＭＰａ以上の高圧条件下において、石炭あるいはチャーを酸素によってガス化し、その高温ガス中に石炭を吹き込み熱分解することによって、従来のガス化炉よりも冷ガス効率が高く、設備コストも低減可能である、主としてＩＧＣＣ用の石炭ガス化方法および装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１１−３０２６６６公報が開示する石炭ガス化方法および装置は、従来法と比較して、冷ガス効率が高く、かつ、設備コストの低減も可能なものであるが、この方法および装置においては、石炭を熱分解炉で熱分解することによって発生する大量のチャー（熱分解ガス化反応炉へ投入した石炭に対する収率として、４０〜７０質量％−ｄａｆ（無水、無灰ベース））を熱分解炉後段のサイクロンで分離し、その全量または一部を熱分解炉下部へ設置された高温ガス化炉へリサイクルして高温のガスへ転換し、その顕熱を熱分解炉のための熱源とする必要がある。
【０００７】
しかし、粒径分布に富んだ状態（チャー同士の凝集のため）で大量に発生するチャーを途切れることなく（リアルタイムで）、かつ、一定の負荷量で長期間安定して高温ガス化炉へ供給（リサイクル）するための信頼性のある技術は未だ開発されていないのが現状である。
また、チャーリサイクル設備、すなわち、チャーを分離回収するためのサイクロン、後段配管での閉塞防止のため粒径分布に富んだチャーを分級（篩い分け）する振動篩い、分離したチャーを貯蔵するチャーホッパー、あるいは、回収貯蔵したチャーを再びガス化炉へ導入するためのチャー供給設備は大がかりなものになってしまい、設備コストの大きな部分を占めてしまう。
【０００８】
また、さらに、回収したチャーは高温であるため、廃熱ボイラー等によって熱回収をすることが可能であれば、プロセス全体の熱効率も更に向上するが、チャーのような粉体から効率良く熱回収を行う技術は依然として確立されていない。
本発明の目的は、熱分解ガス化反応炉内において生成するチャーのガス化反応を促進することによって、チャーの生成量を削減し、チャーのハンドリングに伴う種々の課題を解決した石炭の気流床型ガス化方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するものであり、
（１）下段が高温ガス化炉で上段が熱分解ガス化反応炉である二段二室構造の炉を用い、高温ガス化炉において、石炭、チャーおよび炭素質原料の１種または２種以上を、酸素と共に吹き込み、圧力１．０ＭＰａ以上および温度１４００℃〜１７００℃として、部分酸化反応を起こさせることによって高温ガスを発生させ、その後、該高温ガスを直ちに熱分解ガス化反応炉へ導入し、熱分解ガス化反応炉において、高温ガス中に石炭を吹き込み、同時に、該石炭吹き込み位置と同レベルおよび／または上方の位置において水蒸気を添加し、圧力１．０ＭＰａ以上、温度９００℃〜１２００℃、およびガス滞留時間１ｓｅｃ以上として、石炭を急速加熱して熱分解させ、該石炭の熱分解によって生成したチャーのガス化反応を促進させることを特徴とする。
また、本発明は、
（２）下段が高温ガス化炉で上段が熱分解ガス化反応炉である二段二室構造の炉を用い、高温ガス化炉において、石炭とチャー、または、石炭と炭素質原料、または、石炭とチャーと炭素質原料を、酸素と共に吹き込み、圧力１．０ＭＰａ以上および温度１４００℃〜１７００℃として、部分酸化反応を起こさせることによって高温ガスを発生させ、その後、該高温ガスを直ちに熱分解ガス化反応炉へ導入し、熱分解ガス化反応炉において、高温ガス中に石炭を吹き込み、同時に、該石炭吹き込み位置と同レベルおよび／または上方の位置において水蒸気を添加し、圧力１．０ＭＰａ以上、温度９００℃〜１２００℃、およびガス滞留時間１ｓｅｃ以上として、石炭を急速加熱して熱分解させ、該石炭の熱分解によって生成したチャーのガス化反応を促進させ、前記ガス化反応後の生成したチャ―をリサイクルして前記高温ガス化炉へ吹き込むチャーとすることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、
（３）前記（１）又は（２）記載の石炭の気流床型ガス化方法において、前記高温ガス化炉における反応条件を圧力１．０ＭＰａ以上および温度１４００℃〜１７００℃とし、前記熱分解ガス化炉における反応条件を、圧力１．０ＭＰａ以上、温度９００℃〜１２００℃およびガス滞留時間１ｓｅｃ以上とすることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明は、
（４）前記（１）〜（３）のいずれかに記載の石炭の気流床型ガス化方法において、前記熱分解ガス化反応炉内にて、該反応炉の直径に対して１／２〜１／５の直径からなる旋回円の接線方向から、石炭および水蒸気を吹き込むことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。図１に、本発明に関するフローシートを、図２に、本発明の気流床型ガス化装置内における反応メカニズムを示す。
微粉砕した石炭は、気流床型の熱分解ガス化反応炉１へ導入され、高温ガス化炉２において発生する高温ガス（主成分はＨ₂、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ（水蒸気））と混合することによって、急速加熱、熱分解される。ここで、高温ガスの温度は、高温ガス化炉の炉温に依存するが、１４００℃〜１７００℃程度であることが、また、急速加熱速度は、１００℃／ｓｅｃ〜１００００００℃／ｓｅｃ、好ましくは、１０００℃／ｓｅｃ〜５０００００℃ｓｅｃ程度であることが望ましい。
【００１３】
熱分解ガス化反応炉１内において、石炭は、まず最初に、通常熱分解反応時間０．２ｓｅｃ以内の短時間に完了する熱分解一次反応によって、熱分解ガス、タール、オイルに分解される。これらの熱分解反応生成物は、引き続き、熱分解二次反応によって、熱分解ガス中の炭化水素ガスは、更に低分子量の炭化水素ガスへ、タールは熱分解ガスへと分解され、また、チャーの一部は、主として、（１）および（２）式により表されるチャーガス化反応（吸熱反応）によって、ＣＯおよびＨ₂ガスへと転換する。
【００１４】
Ｃ（チャー）＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋Ｈ₂ ……（１）
Ｃ（チャー）＋ＣＯ₂ → ２ＣＯ ……（２）
このチャーガス化反応に関する反応速度は、圧力、温度、ガス化剤（水蒸気またはＣＯ₂）濃度の上昇に伴って上昇する。従って、短い反応時間（チャー滞留時間）内でチャー生成量を削減（チャーガス化反応を促進）し、熱分解ガス化反応炉１をコンパクトなリアクターとするためには、その内部状態をできる限り高圧、高温、高Ｈ₂Ｏ濃度あるいは高ＣＯ₂濃度とすることが好適である。
【００１５】
また、（１）式のチャーの水蒸気ガス化反応は、（２）式のＣＯ₂ガス化反応よりも反応速度が数倍程度速いので、熱分解ガス化反応炉１内を水蒸気富化雰囲気とし、水蒸気ガス化反応を促進することは、チャーの生成量削減に対して極めて有効である。
前述したように、高温ガス化炉２から発生する高温ガス中にも水蒸気は含有されているが、熱分解ガス化反応炉１内を更に水蒸気富化雰囲気（高水蒸気分圧）とするためには、熱分解ガス化反応炉内１へ、別途、ダイレクトに水蒸気を添加すればよい。その際の、水蒸気の吹き込み位置としては、極めて短時間の反応である熱分解一次反応において、石炭が急速加熱、熱分解されることによって生成する反応性に優れたチャー（活性チャー）が直ちに水蒸気と接触して反応するように、熱分解ガス化反応炉１の石炭吹き込み位置（石炭吹き込みノズル４位置）の上方に設置した水蒸気ノズル５から、水蒸気を添加することが望ましい。
【００１６】
従って、水蒸気ノズル５は、通常、石炭吹き込みノズル４の上方５０ｃｍ以内に設置するが、この位置は、使用する炭種あるいは温度条件によって適時変更することが望ましい。
また、石炭の熱分解一次、二次反応の過程において、タールの一部がガスではなくススとして析出し、ガス収率の低下および配管やバルブ閉塞等のトラブルを引き起こす場合があるが、熱分解ガス化反応炉１内に直接水蒸気を吹き込むことは、ススの発生量を抑制するためにも極めて有効である。この場合の水蒸気の添加位置としては、石炭の吹き込み位置と同レベルの位置とし、該位置から水蒸気を添加する（例えば、石炭吹き込みノズル４を二重管構造とすることによって水蒸気ノズル５を兼用し、石炭と水蒸気を同時に供給する）ことが望ましい。
【００１７】
なお、石炭の吹き込み位置よりも下方の位置において水蒸気を添加することは、高温ガス化炉２から発生した高温ガスの温度を低下させ、更には、高温ガスと熱分解ガス化反応炉１へ吹き込まれた石炭が接触した時点での温度、すなわち、熱分解初期温度の低下を招くので、好ましくない。
図３に、熱分解ガス化反応炉１における石炭および水蒸気の吹き込み方法について示す。石炭および水蒸気の吹き込み方向は、熱分解ガス化反応炉１内におけるチャーの粒子滞留時間をできる限り長くし、チャーと水蒸気との反応時間を充分確保することができるように、旋回流とすることが好適である。そのためには、石炭および水蒸気を各々のノズルから、旋回円の接線方向に向けて吹き込むことが必要である。
【００１８】
その際の旋回円径が、熱分解ガス化反応炉１の直径に対して１／２よりも大きいと、熱分解ガス化反応炉１壁面への石炭の付着、または、石炭粒子による浸食が生じる場合があるので望ましくない。また、逆に、旋回円径が、熱分解ガス化反応炉１の直径に対して１／５よりも小さい場合には、充分な粒子滞留時間を確保するための旋回流が生じない。従って、旋回円径は、熱分解ガス化反応炉１の直径に対して１／２〜１／５の範囲であることが好適である。
【００１９】
このようにすることによって、熱分解一次反応によって生成した活性チャーは、効率良く水蒸気ガス化反応を起こすので、結果として、熱分解ガス化反応炉１内を過度な高圧、高温状態にすることなく、短い反応時間内でチャー発生量を削減し、熱分解ガス化反応炉１もコンパクトとすることが可能となる。
熱分解ガス化反応炉１内の反応条件は、熱分解一次反応によって生成したタールおよびチャーが、引き続き、充分な熱分解二次反応を起こすことのできる条件、すなわち、タールは完全に熱分解ガスへ分解し、かつ、チャーは前述のチャーガス化反応が促進されるレベルの反応条件を選択しなければならない。そのような反応条件は炭種によっても異なるが、一般的には、反応条件が、圧力１．０ＭＰａ未満、温度（熱分解初期温度）９００℃未満、ガス滞留時間１ｓｅｃ未満のいずれか一つにでも該当すると、タールの完全熱分解ガス化およびチャーガス化反応の促進は不可能となる。
【００２０】
なお、反応条件（圧力、温度、ガス滞留時間）を高めることは、タールの完全熱分解ガス化およびチャーガス化反応の促進のためには有利であるが、必要以上に過剰に反応条件を高めることは、一方で、設備コストの増大（圧力、温度、ガス滞留時間を高めすぎた場合）、エネルギー効率の低下（温度、ガス滞留時間を高めすぎた場合）、ススの発生（温度、滞留時間を高めすぎた場合）を招くので、好ましくない。
【００２１】
例えば、熱分解ガス化反応炉１における最終的なチャー生成量は、炉内反応条件を高圧、高温、高Ｈ₂Ｏ濃度、高ＣＯ₂濃度、長いチャー滞留時間とするにつれて、次第に生成量ゼロの方向へと減少していくが、それに伴うエネルギー効率低下、あるいは、熱分解ガス化反応炉１の容積拡大によるコスト増大等のデメリットも考慮した上で、反応条件および適度なチャー生成量を決定することが望ましい。すなわち、各々の反応条件は、圧力１０ＭＰａ、温度（熱分解初期温度）１２００℃、ガス滞留時間１５ｓｅｃを上限とすることが好適である。
【００２２】
熱分解ガス化反応炉１から発生したガスおよびチャーは、熱交換器６によって顕熱が水蒸気として回収された後、サイクロン７によって分離され、更に、ガスは、脱硫装置８によって精製されて製品ガスとして利用される。この製品ガスは、ＣＯおよびＨ₂リッチ（両者を合計して５０％〜９５％程度）な組成となる。
ガスと分離されたチャーは、石炭と共に、ガス化剤である酸素によって１４００℃〜１７００℃の高温でガス化（部分酸化＝不完全燃焼）され、可燃性の高温ガス（主成分はＣＯ、Ｈ₂）に転換される。
【００２３】
また、高温ガス化炉２内の温度制御の目的も兼ねて、ガス化剤として水蒸気を酸素と併用してもよい。なお、高温ガス化炉２内を１４００℃未満の温度とすることは、石炭が充分にガス化せず、かつ、スラグ（石炭中の灰分が溶融したもの）を連続的に安定して高温ガス化炉２の底部より抜き出すこともできなくなるので、避けなければならない。
【００２４】
また、一方で、１７００℃を越えた温度とすることは、高温ガス化炉２の炉壁の寿命を極度に短縮し、かつ、放熱による熱損失も増加させるので、避けなければならない。
一般的には、この際のガス化温度は、放熱による熱損失を最小限にするため、石炭が充分にガス化し（炭素転換率９０％以上）、かつ、スラグ（石炭中の灰分が溶融したもの）を連続的に安定して高温ガス化炉２の底部より抜き出すことができる最低温度となるように、１４００℃〜１７００℃の間で設定することが望ましい。
【００２５】
また、熱分解ガス化反応炉１からのガスの逆流がないように、高温ガス化炉２内の圧力は熱分解ガス化反応炉１内の圧力以上とすることが望ましい。
高温ガス化炉２を熱分解ガス化反応炉１と一体化し、熱分解ガス化反応炉１の下部に設置することによって、高温ガスの顕熱は、放熱を最小限として効率良く、熱分解ガス化反応炉１へ導入される。また、熱分解ガス化反応炉１で生成したチャーを他の用途に使用する場合には、チャーの代わりに、石炭または他の炭素質原料（石油コークス、重油、廃プラスチック等）を単独で、あるいは、各々混合して使用してもよい。
【００２６】
【実施例】
図１に示したフローに従って、石炭４０００ｔ／ｄａｙの熱分解ガス化を実施した。図４に、プロセスのマスバランス（試験結果）を示す。
熱分解ガス化反応炉内の反応条件は、温度（石炭吹き込みノズルより１０ｃｍ上方の位置で測定したガス温度）を９６０℃、圧力を２．０ＭＰａ、ガス滞留時間を２ｓｅｃとし、石炭（亜瀝青炭）５２ｔ／ｈｒ、水蒸気３５ｔ／ｈｒを、下部の高温ガス化炉（１６５０℃）から発生する高温のガス化ガス（ＣＯ、Ｈ₂リッチ／２９万Ｎｍ³／ｈｒ−ｗｅｔ／９０４０ｋＪ／Ｎｍ³）と共に、熱分解ガス化反応炉内へ導入した。なお、熱分解ガス化反応炉の直径に対して１／３の旋回円径となるように石炭および水蒸気を吹き込むものとした。
【００２７】
その結果、チャーの生成量は１０ｔ／ｈｒ（熱分解ガス化反応炉投入石炭の１７質量％−ｄａｆ）となり、生成したチャーの全量をサイクロンで回収した後、１１５ｔ／ｈｒの石炭と共に、高温ガス化炉において酸素および水蒸気によるガス化を行い、１６５０℃で発生したＣＯ、Ｈ₂リッチな高温ガスは、直ちに、上段へ設置した熱分解ガス化反応炉へと導入した。最終的な製品ガスとしてはＣＯ、Ｈ₂リッチな中カロリーガス（１１，３００ｋＪ／Ｎｍ³）が３３万Ｎｍ³／ｈｒ−ｄｒｙ得られ、（３）式で表される今回の条件における気流床型ガス化装置（熱分解ガス化反応炉＋高温ガス化炉の一体型リアクター）の冷ガス効率（低位発熱量ベース）は８７％であった。
【００２８】
冷ガス効率＝（製品ガス潜熱）／（石炭潜熱）×１００ ……（３）
なお、高温ガス化炉へ投入する石炭量に対してリサイクルするチャーの量が相対的に少なかったため、チャーリサイクル設備のトラブルによってチャーの供給が停止あるいは減少した場合にも、石炭の供給量をその分増加させることによって、安定した操業を継続することが充分に可能であった。
【００２９】
また、チャーの発生量が少なかったために、チャーリサイクル設備（サイクロン、チャーホッパー、振動篩い、チャー供給設備、チャー顕熱回収ボイラー）を小型・簡素化することが可能となった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により、熱分解ガス化反応炉内において生成するチャーのガス化反応を促進することによって、チャーの生成量を削減し、チャーのハンドリングに伴う種々の課題を解決する石炭の気流床型ガス化方法と装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関するフローシートを示す図である。
【図２】本発明の気流床型ガス化装置内における反応メカニズムを示す図である。
【図３】熱分解ガス化反応炉における石炭および水蒸気の吹き込み位置を示す図である。
【図４】本発明の実施例におけるプロセスのマスバランス（試験結果）を示す図である。
【符号の説明】
１…熱分解ガス化反応炉
２…高温ガス化炉
３…石炭／チャー吹き込みノズル
４…石炭吹き込みノズル
５…水蒸気ノズル
６…熱交換器
７…サイクロン
８…脱硫装置

Claims

下段が高温ガス化炉で上段が熱分解ガス化反応炉である二段二室構造の炉を用い、
高温ガス化炉において、石炭、チャーおよび炭素質原料の１種または２種以上を、酸素と共に吹き込み、圧力１．０ＭＰａ以上および温度１４００℃〜１７００℃として、部分酸化反応を起こさせることによって高温ガスを発生させ、
その後、該高温ガスを直ちに熱分解ガス化反応炉へ導入し、
熱分解ガス化反応炉において、高温ガス中に石炭を吹き込み、同時に、該石炭吹き込み位置と同レベルおよび／または上方の位置において水蒸気を添加し、圧力１．０ＭＰａ以上、温度９００℃〜１２００℃、およびガス滞留時間１ｓｅｃ以上として、石炭を急速加熱して熱分解させ、該石炭の熱分解によって生成したチャーのガス化反応を促進させることを特徴とする石炭の気流床型ガス化方法。
下段が高温ガス化炉で上段が熱分解ガス化反応炉である二段二室構造の炉を用い、
高温ガス化炉において、石炭とチャー、または、石炭とチャーと炭素質原料を、酸素と共に吹き込み、圧力１．０ＭＰａ以上および温度１４００℃〜１７００℃として、部分酸化反応を起こさせることによって高温ガスを発生させ、
その後、該高温ガスを直ちに熱分解ガス化反応炉へ導入し、
熱分解ガス化反応炉において、高温ガス中に石炭を吹き込み、同時に、該石炭吹き込み位置と同レベルおよび／または上方の位置において水蒸気を添加し、圧力１．０ＭＰａ以上、温度９００℃〜１２００℃、およびガス滞留時間１ｓｅｃ以上として、石炭を急速加熱して熱分解させ、該石炭の熱分解によって生成したチャーのガス化反応を促進させ、前記ガス化反応後の生成したチャーをリサイクルして前記高温ガス化炉へ吹き込むチャーとすることを特徴とする石炭の気流床型ガス化方法。
前記熱分解ガス化炉において、二重管構造の石炭吹き込みノズルを設置し、当該ノズルが水蒸気を添加する水蒸気ノズルを兼ねて、石炭と水蒸気を同時に供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の石炭の気流床型ガス化方法。
前記熱分解ガス化反応炉内にて、該反応炉の直径に対して１／２〜１／５の直径からなる旋回円の接線方向から、石炭および水蒸気を吹き込むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の石炭の気流床型ガス化方法。