JP4898759B2 - 石炭ガス化炉 - Google Patents
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Description
一方、化学用ガス化炉では、生成ガスのカロリーが重視される従来の発電用ガス化炉とは異なり、目的とする製品(合成物)に合わせた生成ガス組成(CO/H2比)にする必要がある。このため、化学用ガス化炉においては、CO/H2比を調整するためのシフト反応器が必要となる。
また、従来の石炭ガス化システムにおいては、ガス化ガスの冷却を主目的とし、ガス化炉出口から水を投入するものがある。(たとえば、特許文献2参照)
しかし、クエンチ媒体を水とする水クエンチは最も容易な方法であるが、炉内温度を低下させるためプラントの熱効率は低くなる。さらに、クエンチ用に投入した水が完全に気化しない場合は、未燃分が混入した水(煤水、黒水、Black-water)を処理することが必要となる。
また、石炭ガス化炉で生成された高温の石炭ガス化ガスを冷却する2段目冷却については、特に発電用ガス化炉の場合、黒水処理の問題を解決して効率のよい熱交換器を使用可能とすることが望ましい。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水素リッチの石炭ガス化ガスを生成してシフト反応器の小型化を可能にした石炭ガス化炉を提供することにある。
本発明に係る石炭ガス化炉は、石炭等のガス化原料及びガス化剤を投入した炉内で進行するガス化反応により石炭ガス化ガスが生成される石炭ガス化炉において、前記石炭ガス化炉が燃焼室及び還元室を備えた二段噴流床ガス化炉とされ、前記燃焼室には前記ガス化原料及び前記ガス化剤とともに、前記ガス化反応と同時進行する水素生成反応の促進用物質として、水及び水蒸気の少なくとも一方が投入され、かつ、前記還元室には、前記ガス化剤、前記水及び前記水蒸気が投入されずに、前記ガス化原料のみが投入されることを特徴とするものである。
また、このような二段噴流床ガス化炉は、燃焼室にガス化原料及びガス化剤とともに水蒸気を投入するので、燃焼室内では、水性ガス化反応及びシフト反応が進行し、ガス化原料のみを投入する還元室内では、吸熱反応であるガス化反応及び水性ガス化反応が進行する。この結果、燃焼室内の水性ガス化反応及びシフト反応と、還元室内の水性ガス化反応とにより水素が生成されることになるので、ガス化反応により生成された石炭ガス化ガスは、水素成分の割合が高い水素リッチなガスとなる。また、還元室内のガス化反応及び水性ガス化反応は吸熱反応であるから、反応の進行により石炭ガス化ガスを冷却する反応クエンチが行われる。
この場合の水蒸気は、炉内高温場への速やかな混合を促進し、反応を迅速に進行させるため、例えば、ガス化剤(空気または酸素)と予混合した状態で燃焼室に投入する等の方法がある。
また、ガス冷却用熱交換器を通過するチャー中の炭素(C)残留量を30%以上に設定すれば、黒水処理の問題を解消して石炭ガス化ガスの2段目冷却に熱交換器を使用できるので、特に二酸化炭素回収発電用ガス化炉の場合、プラント熱効率を向上させることができる。さらに、乾燥したチャーを石炭ガス化炉に循環させてガス化できるので、石炭等のガス化原料から石炭ガス化ガスを得る炭素転換率も向上させることができる。
<第1の実施形態>
図1に示す石炭ガス化炉Gは、石炭等のガス化原料及びガス化剤を投入した炉内で進行するガス化反応により、石炭ガス化ガス(以下、「石炭ガス」と呼ぶ)を生成する装置である。図示の石炭ガス化炉Gは、燃焼室10及び還元室20を備えた二段噴流床ガス化炉であり、燃焼室10の上段(ガス流れ方向の下流側)に連通して還元室20が設けられている。以下の説明では、燃焼室10及び還元室20を総称して「炉」または「ガス化炉」と呼ぶことにする。
また、石炭ガス化炉Gは、還元室20の下流側に連通して、ガス化炉内で生成した石炭ガスを冷却する熱交換器30が設けられている。
なお、上述した石炭ガス化炉Gは、燃焼室10、還元室20及び熱交換器30の外周面が冷却水を循環させて冷却する水冷壁Wにより覆われている。
すなわち、二段噴流床ガス化炉の燃焼室(コンバスタ)10には、適所に複数設けたバーナ11から、ガス化原料の石炭(微粉炭)及び後述するチャー(未反応石炭)と、ガス化剤の空気もしくは酸素とが投入される。さらに、本実施形態では、反応を迅速に促進させるための水蒸気がバーナ11から燃焼室10に投入される。
なお、燃焼室10へ投入する水蒸気については、上述したガス化剤との予混合に限定されることはなく、水蒸気を単独で投入してもよい。
水性ガス化反応;C(固)+H2O→H2+CO
シフト反応;CO+H 2 O→H2+CO2
ガス化反応;C(固)+CO2→2CO
なお、ヒートロスの割合が小さくなる商用機等においては、水蒸気投入量の増量が可能になるので、石炭ガス中の水素割合を増して水素リッチにしたガスを生成することができる。
この熱交換器30では、生成ガスとともに流入するチャー(未反応石炭)が堆積することにより、チャーの焼結トラブルを発生する場合がある。しかし、チャー中のC残留量を30%以上とすることにより、チャーの焼結防止が可能となる。なお、この場合のC残留量30%以上という値は、実験等に基づいて得られた知見である。
また、還元室20内のガス化反応及び水性ガス化反応は吸熱反応であるから、これらの反応進行により石炭ガスを冷却する反応クエンチが行われる。
また、燃焼室10に水蒸気を投入することにより、石炭ガス化炉Gの副生成物であるアンモニア、硫化カルボニル等の生成量を抑制することができる。すなわち、図5及び図6に示す実験結果によれば、蒸気なしのテスト1と蒸気有のテスト2とを比較した場合、蒸気有のテスト2において生成量が明らかに減少していることが分かる。
なお、上述した実施形態では水蒸気を投入したが、噴霧状の水を投入してもよい。
次に、本発明に係る石炭ガス化炉について、第1の参考実施形態を図2に示して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図示の石炭ガス化炉G1は、上述した実施形態と同様に、燃焼室10及び還元室20を備えた二段噴流床ガス化炉である。
この実施形態において、燃焼室10には、ガス化原料となる石炭(微粉炭)やチャーがバーナ11Aからガス化剤(空気もしくは酸素)とともに投入される。この結果、燃焼室10内では、投入されたガス化原料及びガス化剤によりガス化反応が進行する。
この結果、還元室20内の水性ガス化反応により生成される水素は、石炭ガス化ガスを水素リッチのガスにする。また、還元室20内のガス化反応及び水性ガス化反応は吸熱反応であるから、反応の進行により生成ガスを冷却する反応クエンチが行われる。
このため、還元室20へ噴霧状の水を投入する石炭ガス化炉G1は、ガス化原料として使用する石炭(微粉炭)が高灰融点炭(1500℃以上)である場合に適している。すなわち、高灰融点炭が原料炭の場合、溶融灰を安定排出するため、水蒸気投入をしないで燃焼室10内を高温に保ち、かつ、還元室20においては、水蒸気投入によるクエンチ効果と反応進行による反応クエンチとにより、高温の石炭ガス化ガスを急激に温度低下させることができる。
次に、本発明に係る石炭ガス化炉について、第2の参考実施形態を図3に示して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図示の石炭ガス化炉G2は、上述した実施形態と同様に、燃焼室10及び還元室20を備えた二段噴流床ガス化炉である。
この実施形態では、上述した第1の参考実施形態における還元室20への水投入に代えて、二段噴流床ガス化炉とした石炭ガス化炉G2の還元室20に蒸気ノズル23から水蒸気を投入している点が異なっている。なお、本実施形態の石炭ガス化炉G2において、他の構成は上述した第1の参考実施形態と同じである。
還元室20では、水蒸気の投入によりガス化反応及び水性ガス化反応が進行する。この反応はいずれも吸熱反応であるから、反応進行により生成ガスを冷却する反応クエンチが行われる。また、水性ガス化反応により水素が生成されるため、水素リッチな石炭ガスが生成される。
また、還元室20へ水蒸気を投入する本実施形態は、たとえば褐炭等のように、燃料比が1以下の低燃料比炭を原料炭とする場合に適している。これは、還元室20への水蒸気投入が、原料炭中に含まれる揮発分を起源とするガス化副生成物の分解を促進するクラッキング効果を有しているためである。
また、還元室20に投入した水蒸気により、還元室20へ投入した原料炭に含まれている揮発分の分解反応が促進されるため、たとえば炭化水素、タール(重質炭化水素)及びアンモニア等のように、還元室投入石炭を起源とする副生成物の発生が抑制される。
また、ガス冷却用の熱交換器30を通過するチャー中の炭素(C)残留量を30%以上に設定すれば、黒水処理の問題を解消して石炭ガス化ガスの2段目冷却に熱交換器を使用できるので、特に二酸化炭素回収発電用ガス化炉の場合、プラント熱効率の向上が可能になる。さらに、乾燥したチャーを石炭ガス化炉G,G1,G2に循環させてガス化できるので、石炭等のガス化原料から石炭ガス化ガスを得る炭素転換率についても向上させることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
10 燃焼室
20 還元室
30 熱交換器
Claims (4)
- 石炭等のガス化原料及びガス化剤を投入した炉内で進行するガス化反応により石炭ガス化ガスが生成される石炭ガス化炉において、
前記石炭ガス化炉が燃焼室及び還元室を備えた二段噴流床ガス化炉とされ、
前記燃焼室には前記ガス化原料及び前記ガス化剤とともに、前記ガス化反応と同時進行する水素生成反応の促進用物質として、水及び水蒸気の少なくとも一方が投入され、かつ、前記還元室には、前記ガス化剤、前記水及び前記水蒸気が投入されずに、前記ガス化原料のみが投入されることを特徴とする石炭ガス化炉。 - 前記水及び水蒸気の投入量は、前記ガス化原料の投入量に対して0.1〜0.8(質量基準)であることを特徴とする請求項1に記載の石炭ガス化炉。
- 前記石炭ガス化ガスを冷却するガス冷却用熱交換器が前記石炭ガス化炉の出口に接続して設けられ、前記石炭ガス化ガスとともに前記ガス冷却用熱交換器を通過するチャー(未反応石炭)中の炭素(C)残留量が30%以上に設定されていることを特徴とする請求項1または2に記載の石炭ガス化炉。
- 前記水蒸気は、前記ガス化炉の外周を冷却する水冷壁及び/または前記ガス冷却用熱交換器を流れる水冷却系統から導入されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の石炭ガス化炉。
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