JP4888551B2 - 流動層ガス化方法 - Google Patents

Description

本発明は、原料を流動層によりガス化する流動層ガス化方法に関するものである。

近年、石炭、バイオマス等の原料をガス化するための流動層ガス化方法としては、流動層燃焼炉と流動層ガス化炉を備えてなる二塔式ガス化炉と称される循環流動層炉を用いて原料のガス化を行うものが提案されている（特許文献１等参照）。

図１は上記特許文献１の循環流動層炉を示しており、この循環流動層炉は、空気を供給して流動層によりチャーを燃焼させて砂等の固体粒子（流動媒体）の加熱を行う流動層燃焼炉１を備え、流動層燃焼炉１は、チャーと固体粒子とを下部から導入すると共に、側部に設けられた補助原料口２から補助原料Ｆを供給するようになっている。又、流動層燃焼炉１の底部には、空気を吹き出すように空気供給ライン３を接続した風箱４が備えられると共に、流動層燃焼炉１内の上部には熱回収用の熱交換器５が配置されている。

流動層燃焼炉１の上部には、サイクロンからなる分離器６が移送管７を介して接続されている。該分離器６は外筒８と内筒９とを有しており、流動層燃焼炉１から移送管７を介して導出された燃焼ガス（高温流体）１０は、外筒８内へ接線方向に導入されて固体粒子１１と排ガス１２とに遠心分離され、粒径が細かい灰分を含む排ガス１２は内筒９から排出され、粒径の粗い未燃チャーを含む固体粒子１１は、分離器６の外筒下端に接続されて下方に延びる降下管１３により流動層ガス化炉１４に供給されるようになっている。

流動層ガス化炉１４は、高温の固体粒子１１を導入する導入部１５と、原料供給装置１６から供給される石炭等の原料１７を固体粒子１１の熱でガス化するガス化部１８と、導入部１５とガス化部１８を流動層１９内下部で連通して粒子を移動可能にした下部連通部２０と、導入部１５、ガス化部１８、下部連通部２０の下部に渡って形成して流動層ガス化炉１４内に水蒸気等のガス化剤を供給するためのガス化剤ボックス部２１とを備えており、ガス化剤ボックス部２１にはガス化剤供給ライン２２が接続されている。ここで、図１に示すように、流動層１９の内部に形成した下部連通部２０は、流動層燃焼炉１内の燃焼ガスが分離器６へ逆流するのを防止する逆流防止構造を形成している。

ガス化部１８でガス化されなかったチャーと固体粒子は、オーバーフロー管等からなる供給流路２３を介して流動層燃焼炉１へ供給されることにより循環され、チャーは空気比１．２の条件下で空気と燃焼して燃え尽きると共に固体粒子はチャーの燃焼によって再び加熱される。

ガス化部１８に原料として石炭を供給してガス化した場合は、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）等のガス成分が混在した生成ガス２４が生成され、又、原料として水分を多く含むバイオマス等を供給してガス化した場合には、前記ガス成分に多量の水蒸気が含まれた生成ガス２４が生成される。生成ガス２４は、排出管２５により流動層ガス化炉１４から取り出されて回収器２６に導かれ、生成ガス２４中に同伴した微粉末２７が除去されて内管２８から導出される。そして、生成ガス２４は加圧して例えばガスタービン等に燃料として供給したり、精製装置に供給して生成ガス２４から所要目的のガスを製造するようにしている。
特開２００５−４１９５９号公報

しかし、従来の流動層ガス化方法では、流動層燃焼炉１の炉壁や内部に蒸気発生管やガス熱交換器等の熱交換器５を配置するため、流動層燃焼炉１の燃焼熱が蒸気や加熱ガスにより炉の外部に持ち出され、燃焼熱を固体粒子１１に十分に供給できず、流動層ガス化炉１４の流動層の温度が低下して原料のガス化効率が低下するという問題がある。

一方で、原料のガス化効率を上げるために、流動層燃焼炉１を断熱構造にして通常の空気比で運転し、流動層燃焼炉１の温度を単純に上げて固体粒子に供給する燃焼熱を増やした場合には、流動層燃焼炉１内で温度が原料の灰融点温度を超え、流動層燃焼炉１内で、固体粒子の焼結等のアグロメレーションやシンタリングを生じるという問題がある。

又、これに対応するように、流動層燃焼炉１のチャーに対する空気比を上げて流動層燃焼炉１内の温度を低下させた場合には、流動層燃焼炉１の排気損失が増えるために、原料のガス化効率が低下するという問題がある。一方、チャーに対する空気比を１より低下させた場合には、流動層燃焼炉１に多くのチャーが供給されるため、燃料が過剰となって、流動層燃焼炉１の空気比が適切な運転状態を下回り、燃料の未燃分の増大や、ＣＯ濃度の増大といった問題が生じる。

ここで、従来のボイラ構造の流動層燃焼路１において、火炉内の作動温度を、原料が石炭の際に８００℃から１１００℃とし、原料がバイオマスの際に８００℃以下とし、空気比を１．２程度に保持した条件下で、空気流量に対する固体粒子の循環量（固気比）を検討すると、従来のボイラでは、固体粒子の循環量（固気比）が従来の２．５から４程度の場合、砂等の固体粒子の顕熱により火炉壁への熱伝達量が増えるので、熱交換器で吸収しきれず、固体粒子の循環量（固気比）を、空気流量に対して２．５から４程度以上に上げることができなかった。そこで、ボイラとしての役割である熱交換器を使用することなく、砂等の固体粒子に熱を一層伝達することが求められていた。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、流動層燃焼炉内における固体粒子の循環量を制御して流動層ガス化炉でのガス化効率を高めることができるようにした流動層ガス化方法を提供することを目的とする。

本発明の流動層ガス化方法は、チャーを燃焼させて固体粒子を加熱する流動層燃焼炉を備え、該流動層燃焼炉から導出される高温流体から固体粒子を分離し、分離した固体粒子を流動層ガス化炉に導入すると共に、原料を前記流動層ガス化炉に導入し、前記流動層ガス化炉内でガス化剤が供給された流動層により原料をガス化して生成ガスを取り出し、原料をガス化する際に生成したチャーと固体粒子とを前記流動層燃焼炉に循環してチャーを燃焼させる流動層ガス化方法であって、前記流動層燃焼炉内における固体粒子の循環量（固気比）を空気流量に対して６から３０までの範囲で変化させるようにする。

流動層燃焼炉内における固体粒子の循環量（固気比）が空気流量に対して８から１５までの範囲であるようにする。

又、流動層燃焼炉の作動温度は原料の灰融点より低い温度にすることが好ましい。

更に、流動層燃焼炉の作動温度は原料の灰融点より１００℃低い温度にすることが好ましい。

流動層燃焼炉又は／及び流動層ガス化炉に固体粒子を供給して固体粒子の循環量を増加することができる。

又、流動層燃焼炉又は／及び流動層ガス化炉から固体粒子を排出して固体粒子の循環量を低減することもできる。

更に、流動層燃焼炉の炉底から導入する一次の空気流量と、流動層燃焼炉の側部から導入する二次の空気流量との導入比率を変更することもできる。

一方では、流動する固体粒子の流速を速めるよう、流動層燃焼炉の内径として小径のものを選択することもできる。

原料は、石炭、亜瀝青炭、褐炭、亜炭、バイオマス、廃プラスチック、重質油、残渣油、オイルシュールから選択されるようにできる。

本発明の流動層ガス化方法によれば、流動層燃焼炉内における固体粒子の循環量（固気比）を空気流量に対して６から３０までの範囲で変化させるので、固体粒子の循環量を調整して流動層燃焼炉内で伝熱の促進を図り、流動層ガス化炉に供給される熱量を増加させて流動層ガス化炉の温度を上昇させ、流動層ガス化炉でのガス化効率を高めることができるという優れた効果を奏し得る。

従来の流動層ガス化方法の例を示す側面図である。 本発明の実施例を示す側面図である。 砂（固体粒子）の循環量（固気比）を示すグラフである。

符号の説明

３０ 流動層燃焼炉
３８ 分離器
３９ 高温流体（燃焼ガス）
４０ 固体粒子
４２ 降下管
４３ 流動層ガス化炉
４６ 流動層
５１ 原料
５２ 生成ガス
５３ 供給流路

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
図２、図３は本発明の一実施例を示すもので、チャーを燃焼させて砂等の固体粒子（流動媒体）を加熱する流動層燃焼炉３０を備え、流動層燃焼炉３０は、内部に熱回収用の熱交換器を配置することなく、断熱構造となっており、流動層燃焼炉３０の下部には、チャーと固体粒子とを導入すると共に、回転フィーダ３１等を介して新たな固体粒子を供給するようにした粒子供給装置３２が設けられている。又、流動層燃焼炉３０の底部には、一次空気を吹き出すように一次空気供給ライン３３を接続した風箱３４が備えられると共に、流動層燃焼炉３０の側部（図２では側部中央）には、二次空気が吹き出すように二次空気供給ライン３５が備えられている。更に、風箱３４の底部には、流動層燃焼炉３０内の固体粒子をスクリューコンベヤ３６等を介して外部に排出するようにした粒子取出装置３７が設けられている。又、流動層燃焼炉３０の下部には、流動層の温度を測定する温度計３０ａが備えられている。

流動層燃焼炉３０の上部には、サイクロンからなる分離器３８が移送管３８ａを介して接続されており、流動層燃焼炉３０から移送管３８ａを介して導出された燃焼ガス（高温流体）３９は、分離器３８で固体粒子４０と排ガス４１とに遠心分離され、粒径が細かい灰分を含む排ガス４１は供給先へ排出され、粒径の粗い未燃チャーを含む固体粒子４０は、分離器３８の外筒下端に接続されて下方に延びる降下管４２により流動層ガス化炉４３に供給されるようになっている。ここで、流動層燃焼炉３０は内径を小径にすることが好ましい。

流動層ガス化炉４３は、下部に、水蒸気等のガス化剤４４を導入するガス化剤ボックス４５を備えており、更に、流動層ガス化炉４３内には、上部から流動層４６内に亘って延びる区画壁４７による区画手段によって第１室４８と第２室４９が形成されており、第１室４８は大きい容積を有しており、第２室４９は小さい容積となっている。この時、区画壁４７の下端とガス化剤ボックス４５との間には、流動層４６内部を通して第１室４８と第２室４９とを連通する下部連通部５０が形成されている。又、流動層ガス化炉４３には、流動層燃焼炉３０の如く、回転フィーダ３１等を介して新たな固体粒子を供給するようにした粒子供給装置３２が設けられても良いし、固体粒子をスクリューコンベヤ３６等を介して外部に排出するようにした粒子取出装置３７が設けられても良い。

第１室４８には、降下管４２から高温の固体粒子４０が導入されていると共に、石炭等の有機物原料或いはその他のガス化を行う原料５１がスクリューフィーダ等の原料供給装置（図示せず）を介して供給されている。

第１室４８では、ガス化剤４４により流動化される流動層の固体粒子により石炭等の原料５１が加熱されてガス化し、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、メタン（ＣＨ_４）等を主体とする生成ガス５２が生成される。又、原料５１がバイオマスの場合には水蒸気が同時に生成される。ここで、原料５１は、石炭、亜瀝青炭、褐炭、亜炭、バイオマス、廃プラスチック、重質油、残渣油、オイルシュール等から選択されており、供給時には、いずれか一種類の原料を供給しても良いし、多種類の原料を供給しても良いし、ガス化して処理されるならば他の種類を供給しても良い。

第２室４９には、流動層４６の表面層の位置に上端が開口し、下端が流動層燃焼炉３０の内側下部に開口した傾斜管の供給流路５３が接続されており、第２室４９の固体粒子とガス化によって生成したチャーは供給流路５３を介して流動層燃焼炉３０に循環供給される。

流動層燃焼炉３０及び流動層ガス化炉４３等を用いて原料５１をガス化する際には、流動層燃焼炉３０から導出される高温流体の燃焼ガス３９から固体粒子４０を分離器３８で分離し、分離器３８で分離した固体粒子４０を流動層ガス化炉４３に降下管４２を介して導入すると共に、原料５１を原料供給装置（図示せず）から流動層ガス化炉４３に導入し、流動層ガス化炉４３内でガス化剤が供給された流動層により原料５１をガス化して生成ガスを取り出す。

一方、流動層燃焼炉３０では、流動層ガス化炉４３で原料５１をガス化する際に生成したチャーと固体粒子とを供給流路を介し循環して供給し、チャーと固体粒子を、風箱３４から吹き出される一次空気、及び、二次空気供給ライン３５より吹き出される二次空気により流動化すると共にチャーを十分に燃焼して固体粒子を加熱する。

この時、流動層燃焼炉３０では、流動層燃焼炉３０内の作動温度を、原料５１の灰融点以下で可能な限り高い好適な温度にするよう、温度計３０ａの検出温度に基づいて原料５１の灰融点より約１００℃低い温度条件下に制御する。又、燃焼空気中の酸素を十分に消費して未燃分を許容値以下とするために空気比を１．２から１．３に保持する。更に、流動層燃焼炉３０内で、空気流量に対する固体粒子の循環量の割合（固気比）の条件を、空気流量に対して６から３０までの範囲、好ましくは８から１５までの範囲、特に好ましくは９から１３までの範囲とする。

ここで、本発明者らは、上述の流動層燃焼炉及び流動層ガス化炉４３により、下記の表１に示す石炭種のＡ炭、Ｂ炭、Ｃ炭、木質系バイオマスの原料５１をガス化し、それらのガス化効率（冷ガス効率）を測定し、その結果を表１の冷ガス効率及び図３に示した。又、この測定では、Ｂ炭の固気比を変更した場合についても図３に示す如く測定した。ちなみにガス化効率（冷ガス効率）は（冷えた状態でのガス化ガスの発熱量）／（石炭の発熱量）で求められる。

図３によると、固気比を６より大きくした場合には、５５％以上の適切なガス化効率（冷ガス効率）を示した。又、図３、表１によると、固気比を８から１５までの範囲に保持した場合には、６５％以上の好適なガス化効率（冷ガス効率）を示し、固気比が９から１３までの範囲（最高効率条件）で７０％以上の最適なガス化効率（冷ガス効率）を示した。ここで、固気比は１５から増加するに伴ってガス化効率（冷ガス効率）が低下し、固気比３０までの範囲が適切なガス効率を維持できる限界値となっている。

このように、流動層燃焼炉３０内の作動温度を、原料５１の灰融点以下で可能な限り高い好適な温度にするよう、原料５１の灰融点より約１００℃低い温度に制御し、空気比１．２から１．３に保持し、空気流量に対する固体粒子の循環量の割合（固気比）を、空気流量に対して６から３０までの範囲に調節すると、流動層燃焼炉３０内で燃焼熱を固体粒子に十分に伝達し、固体粒子を流動層ガス化炉４３の熱源として流動層ガス化炉４３での適切なガス化を達成できることが明らかである。

従って、図２、図３の実施例では、断熱構造の流動層燃焼炉３０内における固体粒子の循環量（固気比）を空気流量に対して６から３０までの範囲で変化させるので、流動層燃焼炉３０内の燃焼熱を固体粒子に適切に伝達して流動層ガス化炉４３に供給される熱量を増加させ、流動層ガス化炉４３内の温度を上昇させて原料５１のガス化効率を高めることができる。ここで、固体粒子の循環量（固気比）を空気流量に対して６未満にした場合には、固体粒子に熱が十分に伝わらないという問題がある。一方、固体粒子の循環量（固気比）を空気流量に対して３０より大きくした場合には、固体粒子の循環量（固気比）が上がりすぎ、燃料の熱量が一定量であることに伴って砂等の固体粒子の温度が下がり、ガス化効率が低下するという問題がある。

又、流動層燃焼炉内における固体粒子の循環量（固気比）が空気流量に対して８から１５までの範囲であると、流動層燃焼炉３０内の燃焼熱を固体粒子に十分に伝達して流動層ガス化炉４３に供給される熱量を増加させ、原料５１のガス化効率を高めることができ、特に固体粒子の循環量（固気比）が図３の最高効率条件のように空気流量に対して９から１３までの範囲であると、流動層燃焼炉３０内の燃焼熱を固体粒子に十分に伝達し、原料５１のガス化効率を最適にすることができる。

更に、断熱構造の流動層燃焼炉３０内における固体粒子の循環量（固気比）を、空気流量に対して６から３０までの範囲で調整し得るので、流動層燃焼炉３０内での固体粒子の滞留時間を長くして未燃の燃料を燃やし、流動層燃焼炉３０の空気比を適切な運転状態に保持することにより、ＣＯ濃度の低下、ＮＯxの低減を図ることができる。又、原料５１のガス化効率が高くなるので、流動層燃焼炉３０に供給するチャーを低減して燃料が過剰に流動層燃焼炉３０に供給されるのを抑制することができる。

図２、図３の実施例で流動層燃焼炉の作動温度を原料５１の灰融点より低い温度にすると、通常の空気比１．２の条件下で、流動層燃焼炉３０の温度を上げて固体粒子への燃焼熱を増やした場合であっても、固体粒子の焼結等のアグロメレーションやシンタリングを防止することができる。又、流動層燃焼炉の作動温度を原料５１の灰融点より１００℃から２００℃低い温度にすると、流動層燃焼炉３０内で、固体粒子の焼結等のアグロメレーションやシンタリングを確実に防止することができる。

流動層燃焼炉３０又は／及び流動層ガス化炉４３に固体粒子を供給して固体粒子の循環量を増加し、若しくは、流動層燃焼炉３０又は／及び流動層ガス化炉４３から固体粒子を排出して固体粒子の循環量を低減すると、流動層燃焼炉３０内における固体粒子の循環量（固気比）を増減し得るので、流動層燃焼炉３０と流動層ガス化炉４３の温度を適切に制御することができると共に、原料５１からの生成ガスの発生量やガス化効率を容易に調整することができる。

流動層燃焼炉３０の炉底から導入する一次の空気流量と、流動層燃焼炉３０の側部から導入する二次の空気流量との導入比率を変更すると、流動層燃焼炉３０内の固体粒子の流速を調整し得るので、固体粒子の循環量（固気比）を増加させるように流速を調整した場合には、流動層燃焼炉３０内の燃焼熱を適切に固体粒子に伝達し、原料５１のガス化効率を高めることができる。又、一次の空気流量で燃焼できない燃料があっても、二次の空気量を増やすことによって残りの燃料を燃やし、流動層燃焼炉３０内でのＣＯやＮＯxの発生を抑制することができる。

流動する固体粒子の流速を速めるよう、流動層燃焼炉３０の内径として小径のものを選択すると、固体粒子の循環量を増加させるので、流動層燃焼炉３０内の燃焼熱を適切に固体粒子に伝達し、原料５１のガス化効率を高めることができる。

原料５１は、石炭、亜瀝青炭、褐炭、亜炭、バイオマス、廃プラスチック、重質油、残渣油、オイルシュールから選択されると、原料５１を適切にガス化し、原料５１のガス化効率を高めることができる。

本発明の流動層ガス化方法は、流動層燃焼炉内の固体粒子の循環量（固気比）を、空気流量に対して６から３０までの範囲で増加し、流動層燃焼炉内の燃焼熱を適切に固体粒子に伝達することにより、高いガス化効率が達成できる。

Claims (9)

1. チャーを燃焼させて固体粒子を加熱する流動層燃焼炉を備え、該流動層燃焼炉から導出される高温流体から固体粒子を分離し、分離した固体粒子を流動層ガス化炉に導入すると共に、原料を前記流動層ガス化炉に導入し、前記流動層ガス化炉内でガス化剤が供給された流動層により原料をガス化して生成ガスを取り出し、原料をガス化する際に生成したチャーと固体粒子とを前記流動層燃焼炉に循環してチャーを燃焼させる流動層ガス化方法であって、前記流動層燃焼炉内における固体粒子の循環量を空気流量に対して６から３０までの範囲で変化させる流動層ガス化方法。
2. 流動層燃焼炉内における固体粒子の循環量が空気流量に対して８から１５までの範囲である請求項１に記載の流動層ガス化方法。
3. 流動層燃焼炉の作動温度は原料の灰融点より低い温度にする請求項１に記載の流動層ガス化方法。
4. 流動層燃焼炉の作動温度は原料の灰融点より１００℃低い温度にする請求項１に記載の流動層ガス化方法。
5. 流動層燃焼炉又は／及び流動層ガス化炉に固体粒子を供給して固体粒子の循環量を増加する請求項１に記載の流動層ガス化方法。
6. 流動層燃焼炉又は／及び流動層ガス化炉から固体粒子を排出して固体粒子の循環量を低減する請求項１に記載の流動層ガス化方法。
7. 流動層燃焼炉の炉底から導入する一次の空気流量と、流動層燃焼炉の側部から導入する二次の空気流量との導入比率を変更する請求項１に記載の流動層ガス化方法。
8. 流動する固体粒子の流速を速めるよう、流動層燃焼炉の内径として小径のものを選択する請求項１に記載の流動層ガス化方法。
9. 原料は、石炭、亜瀝青炭、褐炭、亜炭、バイオマス、廃プラスチック、重質油、残渣油、オイルシュールから選択される請求項１に記載の流動層ガス化方法。

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