JP4930732B2 - 循環流動層式ガス化方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、循環流動層式ガス化方法及び装置に関するものである。

従来より、燃料として、石炭、バイオマス、廃プラスチック、或いは各種の含水廃棄物等の原料を用い、ガス化ガスを生成する循環流動層式ガス化装置の開発が進められている。

図３は従来の循環流動層式ガス化装置の一例を示すものであって、該循環流動層式ガス化装置は、前記原料が投入され且つガス化剤を兼ねる水蒸気等のガス化炉流動用ガスにより流動媒体（硅砂等）の流動層１を形成して前記原料のガス化を行いガス化ガスと可燃性固形分とを生成するガス化炉２と、該ガス化炉２で生成された可燃性固形分が流動媒体と共に抜出ループシール管３を介して導入され且つ空気又は酸素等の燃焼炉流動用ガスにより流動層４を形成して前記可燃性固形分の燃焼を行う燃焼炉５と、該燃焼炉５の燃焼排ガスを抜き出す排ガス配管６途中に設けられ且つ前記燃焼排ガスから流動媒体を分離し該分離した流動媒体を媒体流下管７を介して前記ガス化炉２に供給するサイクロン等の媒体分離装置８とを備えてなる構成を有している。

尚、図３中、９は前記原料をガス化炉２に投入する原料投入管、１０は前記ガス化炉２の底部に形成されたウインドボックス、１１は該ウインドボックス１０へ導入されるガス化炉流動用ガスをガス化炉２内部へ均一に吹き込んで流動層１を形成するための多数の散気ノズル（図示せず）を有する散気板、１２は前記燃焼炉５の底部に形成されたウインドボックス、１３は該ウインドボックス１２へ導入される燃焼炉流動用ガスを燃焼炉５内部へ均一に吹き込んで流動層４を形成するための多数の散気ノズル１３ａを有する散気板である。

又、前記媒体流下管７の途中にはループシール部７ａが形成され、前記ガス化炉２で生成されたガス化ガスが媒体分離装置８へ逆流しないようにしてある。

前述の如き循環流動層式ガス化装置においては、通常運転時、ガス化炉２において、ガス化剤を兼ねる水蒸気等のガス化炉流動用ガスによりウインドボックス１０の散気板１１上に流動層１が形成されており、ここに原料投入管９から石炭等の原料を投入すると、該原料はガス化され、ガス化ガスと可燃性固形分とが生成され、前記ガス化炉２で生成された可燃性固形分は流動媒体と共に抜出ループシール管３を介し抜き出されて、前記燃焼炉流動用ガスによりウインドボックス１２の散気板１３上に流動層４が形成されている燃焼炉５へ導入され、該可燃性固形分の燃焼が行われ、該燃焼炉５からの燃焼排ガスは、排ガス配管６を介して媒体分離装置８へ導入され、該媒体分離装置８において、前記燃焼排ガスから流動媒体が分離され、該分離された流動媒体は媒体流下管７を介して前記ガス化炉２に戻され、循環される。

ここで、前記燃焼炉５で可燃性固形分の燃焼に伴い高温になった流動媒体が燃焼排ガスと共に排ガス配管６を通り前記媒体分離装置８で分離され、前記媒体流下管７を介してガス化炉２に供給されることにより、ガス化炉２の高温が保持されると共に、原料の熱分解によって生成したガスや、その熱分解残渣（チャー）が水蒸気と反応することによって、水蒸気ガス化反応［Ｃ＋Ｈ₂Ｏ＝Ｈ₂＋ＣＯ］や水素転換反応［ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＝Ｈ₂＋ＣＯ₂］が起こり、Ｈ₂やＣＯ等の可燃性のガス化ガスが生成される。

前記ガス化炉２で生成されたガス化ガスは、図示していないサイクロン等の媒体分離装置で煤塵等が分離除去された後、化学プラント或いはガスタービン等に供給される一方、前記媒体分離装置８で流動媒体が分離された燃焼排ガスは、排ガス処理装置へ送られる。

因みに、前記循環流動層式ガス化装置における通常運転中の熱量不足時、即ち前記ガス化炉２において原料のガス化のための充分な熱が得られないような場合には、前記ガス化炉２へ供給される原料と同じ石炭等の燃料が補助的に前記燃焼炉５へ投入されて燃焼が行われ、不足する熱を補うようになっている。又、前記循環流動層式ガス化装置における通常運転に到る前段階での循環予熱運転時には、前記ガス化炉２への原料の投入は行わずに、該ガス化炉２の底部から水蒸気の代わりに流動用の空気を供給した状態で、前記石炭等の燃料が予熱用として前記燃焼炉５へ投入されて燃焼が行われ、該燃焼炉５での燃料の燃焼に伴い高温になった流動媒体が燃焼排ガスと共に排ガス配管６を通り前記媒体分離装置８で分離され、前記媒体流下管７を介してガス化炉２に供給されることにより、循環流動層式ガス化装置の循環予熱が行われるようになっている。

尚、前述の如き循環流動層式ガス化装置と関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１、２、３がある。

特開平３−２８７６９５号公報 特開２００６−２６５４５４号公報 特開２００７−１１２８７２号公報

ところで、前述の如き循環流動層式ガス化装置の場合、石炭やバイオマス等の有機物原料の低温水蒸気ガス化反応（７００〜９００［℃］）では、タールを含む熱分解ガスにより、可燃性固形分としての熱分解残渣（チャー）の水蒸気ガス化反応が阻害されるため、水蒸気ガス化反応から熱分解ガスを分離することが望まれる。

因みに、熱分解残渣（チャー）の水蒸気ガス化反応が阻害されると、反応時間が長く必要となることから、その分、製品としての同じ量のガス化ガスを得るためには、ガス化炉２を長大化すると共に、ガス化剤を兼ねる水蒸気等のガス化炉流動用ガスの供給量を増加する必要が生じ、好ましくない。

又、前記媒体分離装置８で流動媒体が分離された燃焼排ガスは、単に排ガス処理装置へ送られるのみで熱回収が充分に行われているとは言えなかった。

そして、流動層を用いた熱分解ガス化装置は前記特許文献１、２、３に開示されているが、次のような問題点があった。

前記特許文献１に開示されている石炭の熱分解・ガス化法においては、燃料として微粉炭しか使用できないため、バイオマス等の有機物原料が使用できず、又、一部の未反応チャーがガス化炉底部から排出されるため、炭素転化率が低くなる可能性があった。

前記特許文献２に開示されている循環流動式ガス化炉においては、ガス化部であるダウンカマーの上部のサイクロン出口からガス化ガスが排出されるので、熱媒体である流動砂の循環速度が低くなり、放熱が大きくなる一方、足りない熱量は熱風炉バーナで補われるため、コストが高くなる可能性があった。

前記特許文献３に開示されている燃料ガス化設備においては、ガス化反応から熱分解ガスを分離していないので、ガス化反応が阻害され炭素転化率が低くなる可能性があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、原料の熱分解とガス化を分離して行うことができ、熱分解ガスによるガス化反応の阻害を防いで炭素転化率を向上し得、且つ燃焼排ガスの熱を有効活用し得る循環流動層式ガス化方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、ガス化炉でガス化剤を兼ねるガス化炉流動用ガスにより流動媒体の流動層を形成して原料のガス化を行いガス化ガスと可燃性固形分とを生成し、該ガス化炉で生成されたガス化ガスを取り出す一方、前記ガス化炉で生成された可燃性固形分を流動媒体と共にガス化炉から燃焼炉へ導入し且つ該燃焼炉で燃焼炉流動用ガスにより流動層を形成して前記可燃性固形分の燃焼を行いつつ該燃焼炉の燃焼排ガスから媒体分離装置で流動媒体を分離し該分離した流動媒体を前記ガス化炉に戻す循環流動層式ガス化方法において、
前記媒体分離装置で分離された流動媒体を熱分解炉を経由して前記ガス化炉へ戻すと共に、
前記原料を熱分解用熱交換器で前記燃焼排ガスと熱交換させてタールを含む熱分解ガスを放出させつつ、不活性ガスにより流動層が形成されている熱分解炉へ投入し更に熱分解させて熱分解ガスを発生させ、
前記熱分解炉で熱分解ガスが分離された原料を含む流動媒体を前記ガス化炉へ導入し、該ガス化炉で前記原料のガス化のみを行わせ、流動媒体と可燃性固形分とを前記燃焼炉へ導入することを特徴とする循環流動層式ガス化方法にかかるものである。

一方、本発明は、ガス化剤を兼ねるガス化炉流動用ガスにより流動媒体の流動層を形成して原料のガス化を行いガス化ガスと可燃性固形分とを生成するガス化炉と、該ガス化炉で生成された可燃性固形分が流動媒体と共に導入され且つ燃焼炉流動用ガスにより流動層を形成して前記可燃性固形分の燃焼を行う燃焼炉と、該燃焼炉の燃焼排ガスから流動媒体を分離し該分離した流動媒体を前記ガス化炉に戻す媒体分離装置とを備えた循環流動層式ガス化装置において、
前記原料を前記燃焼排ガスと熱交換させてタールを含む熱分解ガスを放出させる熱分解用熱交換器と、
前記媒体分離装置で分離された流動媒体が導入され、不活性ガスにより流動層を形成し、該流動層で前記熱分解用熱交換器を通過した原料を更に熱分解させて熱分解ガスを発生させ、該熱分解ガスが分離された原料と流動媒体とを前記ガス化炉へ導く熱分解炉と
を備えたことを特徴とする循環流動層式ガス化装置にかかるものである。

前記循環流動層式ガス化装置においては、内管と外管とを同芯状に配設してなり、原料が内管内に導入されると共に、前記媒体分離装置で分離された燃焼炉からの燃焼排ガスが内管と外管との間に導入される二重管式熱交換器によって、前記熱分解用熱交換器を構成することができる。

本発明の循環流動層式ガス化方法及び装置によれば、原料の熱分解とガス化を分離して行うことができ、熱分解ガスによるガス化反応の阻害を防いで炭素転化率を向上し得、且つ燃焼排ガスの熱を有効活用し得るという優れた効果を奏し得る。

本発明の第一実施例を示す全体概要構成図である。 本発明の第二実施例を示す全体概要構成図である。 従来の循環流動層式ガス化装置の一例を示す全体概要構成図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の第一実施例であって、図中、図３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３に示す従来のものと同様であるが、本第一実施例の特徴とするところは、図１に示す如く、原料を媒体分離装置８で分離された燃焼炉５からの燃焼排ガスと熱交換させてタールを含む熱分解ガスを放出させる熱分解用熱交換器１４と、
前記媒体分離装置８で分離された流動媒体が媒体流下管７により導入され、不活性ガスにより流動層１５ａを形成し、該流動層１５ａで前記熱分解用熱交換器１４を通過した原料を更に熱分解させて熱分解ガスを発生させ、該熱分解ガスが分離された原料と流動媒体とをオーバーフロー管１６を介してガス化炉２へ導く熱分解炉１５と
を追加装備した点にある。

本第一実施例の場合、前記熱分解用熱交換器１４は、内管１４ａと外管１４ｂとを同芯状に配設してなり、原料が内管１４ａ内に導入されると共に、前記媒体分離装置８で分離された燃焼炉５からの燃焼排ガスが内管１４ａと外管１４ｂとの間に導入される二重管式熱交換器によって構成してある。尚、前記熱分解用熱交換器１４は、二重管の周りに蓄熱材（図示せず）を設けることにより、保温するようにしてある。

又、前記熱分解炉１５の底部には、前記ガス化炉２と同様のウインドボックス１７を形成すると共に、該ウインドボックス１７に導入される窒素等の不活性ガスを熱分解炉１５内部へ均一に吹き込んで流動層１５ａを形成するための多数の散気ノズル（図示せず）を有する散気板１８を設け、前記熱分解炉１５の側部には、前記熱分解用熱交換器１４を通過した原料を投入するための原料投入管９を接続してある。

次に、上記第一実施例の作用を説明する。

前記媒体分離装置８で分離された流動媒体は、媒体流下管７により熱分解炉１５に導入され、該熱分解炉１５の流動層１５ａからオーバーフロー管１６を介してガス化炉２へ戻される形となる。

同時に、原料は、前記媒体分離装置８で分離された燃焼炉５からの燃焼排ガスが内管１４ａと外管１４ｂとの間に導入されている熱分解用熱交換器１４の内管１４ａ内に導入され、該熱分解用熱交換器１４において、前記媒体分離装置８で分離された燃焼炉５からの燃焼排ガスと熱交換してタールを含む熱分解ガスを放出しつつ、可燃性固形分としての熱分解残渣（チャー）を含んだ形で、原料投入管９から熱分解炉１５へ投入される。又、前記原料と熱交換することにより熱回収された燃焼排ガスは排ガス処理装置へ送られる。

ここで、前記熱分解炉１５の内部には、ウインドボックス１７に導入され且つ散気板１８の多数の散気ノズル（図示せず）から吹き出される窒素等の不活性ガスにより流動層１５ａが形成されており、前記原料投入管９から熱分解炉１５へ投入された前記可燃性固形分としての熱分解残渣（チャー）を含む原料は、更に熱分解されて熱分解ガスを発生する。

前記熱分解炉１５で熱分解ガスが分離された原料を含む流動媒体は、オーバーフロー管１６を介して前記ガス化炉２へ導入され、該ガス化炉２で前記原料のガス化のみが行われ、流動媒体と可燃性固形分（チャーを含むガス化残渣）とが抜出ループシール管３を介して前記燃焼炉５へ導入され、該燃焼炉５で可燃性固形分の燃焼により流動媒体が昇温し、高温となった流動媒体が循環される。

尚、前記熱分解炉１５は、ガス化ガスと熱分解ガスをシールする役割をも果たしている。又、熱分解ガスは、燃焼炉５（或いは図示していない蒸気生成装置等）の補助燃料として使用することが可能となる。

この結果、ガス化剤を兼ねるガス化炉流動用ガスを水蒸気とした場合であっても、タールを含む熱分解ガスは熱分解炉１５で原料から分離された後にガス化炉２へ導入されるため、該ガス化炉２において、前記熱分解ガスにより可燃性固形分としての熱分解残渣（チャー）の水蒸気ガス化反応が阻害されることが避けられ、炭素転化率を高めることが可能となる。しかも、前記媒体分離装置８で流動媒体が分離された燃焼排ガスの熱は、原料の熱分解に有効に活用されることとなる。

こうして、原料の熱分解とガス化を分離して行うことができ、熱分解ガスによるガス化反応の阻害を防いで炭素転化率を向上し得、且つ燃焼排ガスの熱を有効活用し得る。

図２は本発明の第二実施例であって、図中、図３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３に示す従来のものと同様であるが、本第二実施例の特徴とするところは、図２に示す如く、媒体分離装置８で分離された流動媒体が媒体流下管７により導入され、ウインドボックス１７に導入され且つ散気板１８の多数の散気ノズル（図示せず）から吹き出される窒素等の不活性ガスにより流動層１５ａを形成し、該流動層１５ａで原料投入管９から投入される原料を熱分解させて熱分解ガスを発生させ、該熱分解ガスが分離された原料と流動媒体とをオーバーフロー管１６を介してガス化炉２へ導く熱分解炉１５と、
該熱分解炉１５で発生した熱分解ガスを前記媒体分離装置８で分離された燃焼炉５からの燃焼排ガスと熱交換させてタールを分解するタール分解用熱交換器１９と
を追加装備した点にある。

本第二実施例の場合、前記タール分解用熱交換器１９は、内管１９ａと外管１９ｂとを同芯状に配設してなり、前記熱分解炉１５で発生した熱分解ガスが内管１９ａ内に導入されると共に、前記媒体分離装置８で分離された燃焼炉５からの燃焼排ガスが内管１９ａと外管１９ｂとの間に導入される二重管式熱交換器によって構成してある。尚、前記タール分解用熱交換器１９は、二重管の周りに蓄熱材（図示せず）を設けることにより、保温するようにしてある。

次に、上記第二実施例の作用を説明する。

前記媒体分離装置８で分離された流動媒体は、媒体流下管７により熱分解炉１５に導入され、該熱分解炉１５の流動層１５ａからオーバーフロー管１６を介してガス化炉２へ戻される形となる。

同時に、原料は、原料投入管９から熱分解炉１５へ投入されるが、該熱分解炉１５の内部には、ウインドボックス１７に導入され且つ散気板１８の多数の散気ノズル（図示せず）から吹き出される窒素等の不活性ガスにより流動層１５ａが形成されており、前記原料投入管９から熱分解炉１５へ投入された原料は、熱分解されて熱分解ガスを発生すると共に、可燃性固形分としての熱分解残渣（チャー）が生成される。

前記熱分解炉１５で熱分解ガスが分離された原料を含む流動媒体は、オーバーフロー管１６を介して前記ガス化炉２へ導入され、該ガス化炉２で前記原料のガス化のみが行われ、流動媒体と可燃性固形分（チャーを含むガス化残渣）とが抜出ループシール管３を介して前記燃焼炉５へ導入され、該燃焼炉５で可燃性固形分の燃焼により流動媒体が昇温し、高温となった流動媒体が循環される。

一方、前記熱分解炉１５で発生した熱分解ガスは、前記媒体分離装置８で分離された燃焼炉５からの燃焼排ガスが内管１９ａと外管１９ｂとの間に導入されているタール分解用熱交換器１９の内管１９ａ内に導入され、該タール分解用熱交換器１９において、前記媒体分離装置８で分離された燃焼炉５からの燃焼排ガスと熱交換してタールが分解される。ここで、前記熱分解ガス中のタールは凝縮・吸着しやすく、後段の配管・装置等に悪影響を及ぼす可能性があるが、前記熱分解炉１５で分離された熱分解ガスは、タール分解用熱交換器１９でタールが分解されているため、燃焼炉５（或いは図示していない蒸気生成装置等）の補助燃料として使用可能となる。又、前記熱分解ガスと熱交換することにより熱回収された燃焼排ガスは排ガス処理装置へ送られる。

尚、第一実施例の場合と同様、前記熱分解炉１５は、ガス化ガスと熱分解ガスをシールする役割をも果たしている。

この結果、第一実施例の場合と同様、ガス化剤を兼ねるガス化炉流動用ガスを水蒸気とした場合であっても、タールを含む熱分解ガスは熱分解炉１５で原料から分離された後にガス化炉２へ導入されるため、該ガス化炉２において、前記熱分解ガスにより可燃性固形分としての熱分解残渣（チャー）の水蒸気ガス化反応が阻害されることが避けられ、炭素転化率を高めることが可能となる。しかも、前記媒体分離装置８で流動媒体が分離された燃焼排ガスの熱は、熱分解ガスに含まれるタールの分解に有効に活用されることとなる。

こうして、第二実施例においても第一実施例の場合と同様、原料の熱分解とガス化を分離して行うことができ、熱分解ガスによるガス化反応の阻害を防いで炭素転化率を向上し得、且つ燃焼排ガスの熱を有効活用し得る。

尚、本発明の循環流動層式ガス化方法及び装置は、上述の実施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。

１ 流動層
２ ガス化炉
３ 抜出ループシール管
４ 流動層
５ 燃焼炉
７ 媒体流下管
８ 媒体分離装置
９ 原料投入管
１０ ウインドボックス
１１ 散気板
１４ 熱分解用熱交換器
１４ａ 内管
１４ｂ 外管
１５ 熱分解炉
１５ａ 流動層
１６ オーバーフロー管
１７ ウインドボックス
１８ 散気板
１９ タール分解用熱交換器
１９ａ 内管
１９ｂ 外管

Claims (3)

1. ガス化炉でガス化剤を兼ねるガス化炉流動用ガスにより流動媒体の流動層を形成して原料のガス化を行いガス化ガスと可燃性固形分とを生成し、該ガス化炉で生成されたガス化ガスを取り出す一方、前記ガス化炉で生成された可燃性固形分を流動媒体と共にガス化炉から燃焼炉へ導入し且つ該燃焼炉で燃焼炉流動用ガスにより流動層を形成して前記可燃性固形分の燃焼を行いつつ該燃焼炉の燃焼排ガスから媒体分離装置で流動媒体を分離し該分離した流動媒体を前記ガス化炉に戻す循環流動層式ガス化方法において、
   前記媒体分離装置で分離された流動媒体を熱分解炉を経由して前記ガス化炉へ戻すと共に、
   前記原料を熱分解用熱交換器で前記燃焼排ガスと熱交換させてタールを含む熱分解ガスを放出させつつ、不活性ガスにより流動層が形成されている熱分解炉へ投入し更に熱分解させて熱分解ガスを発生させ、
   前記熱分解炉で熱分解ガスが分離された原料を含む流動媒体を前記ガス化炉へ導入し、該ガス化炉で前記原料のガス化のみを行わせ、流動媒体と可燃性固形分とを前記燃焼炉へ導入することを特徴とする循環流動層式ガス化方法。
2. ガス化剤を兼ねるガス化炉流動用ガスにより流動媒体の流動層を形成して原料のガス化を行いガス化ガスと可燃性固形分とを生成するガス化炉と、該ガス化炉で生成された可燃性固形分が流動媒体と共に導入され且つ燃焼炉流動用ガスにより流動層を形成して前記可燃性固形分の燃焼を行う燃焼炉と、該燃焼炉の燃焼排ガスから流動媒体を分離し該分離した流動媒体を前記ガス化炉に戻す媒体分離装置とを備えた循環流動層式ガス化装置において、
   前記原料を前記燃焼排ガスと熱交換させてタールを含む熱分解ガスを放出させる熱分解用熱交換器と、
   前記媒体分離装置で分離された流動媒体が導入され、不活性ガスにより流動層を形成し、該流動層で前記熱分解用熱交換器を通過した原料を更に熱分解させて熱分解ガスを発生させ、該熱分解ガスが分離された原料と流動媒体とを前記ガス化炉へ導く熱分解炉と
   を備えたことを特徴とする循環流動層式ガス化装置。
3. 内管と外管とを同芯状に配設してなり、原料が内管内に導入されると共に、前記媒体分離装置で分離された燃焼炉からの燃焼排ガスが内管と外管との間に導入される二重管式熱交換器によって、前記熱分解用熱交換器を構成した請求項２記載の循環流動層式ガス化装置。

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