JP5394255B2 - ガス化反応器 - Google Patents

Description

本発明は、圧力シェルと、垂直方向に配置された管状のメンブレンウォールにより部分的に境界が定められた反応ゾーンと、バーナーヘッドを有し水平に向けられたバーナーとを備えたガス化反応器に関するものであり、使用中、バーナーヘッドにて燃焼の火炎が前記反応ゾーン中に放出され、前記バーナーがバーナーマッフルを通ってメンブレンウォールの垂直壁部から突き出る。

このようなガス化反応器はＵＳ−Ａ−４２０２６７２に記載されている。この刊行物には、圧力シェルと、反応ゾーンと、反応ゾーンを部分的に規定するメンブレンウォールとを備えた石炭ガス化反応器が記載されている。管状の形状を有するメンブレンウォールが、相互に連結された導管から構成され、この導管内に蒸発する冷却水が存在する。

ＵＳ−Ａ−４９５９０８０には、上述したようにガス化反応器において実行し得る石炭ガス化プロセスが記載されている。この刊行物には、石炭のガス化中にスラグの層がメンブレンウォール上に形成されることが記載されている。スラグのこの層は、メンブレンウォールの内側に沿って下方に流れる。

シェル石炭ガス化プロセスもまた、圧力シェルとメンブレンウォールで囲まれた反応ゾーンとを備えるガス化反応器を、Ｃｈｒｉｓｔｏｆｅｒ ＨｉｇｍａｎとＭａａｒｔｅｎ ｖａｎ ｄｅｒ Ｂｕｒｇｔ〔２００３，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｂｕｒｌｉｎｇｔｏｎ ＭＡ，１１８−１２０頁〕による「ガス化」に従って使用する。この刊行物によると、シェル石炭ガス化プロセスは、一般に１５００℃、３０〜４０バールの圧力にて実行される。この刊行物によると、水平なバーナーが小さな隙間に配置される。

出願人は、上記圧力範囲の下限にてシェル石炭ガス化プロセスを成功裡に実行した。しかしながら、より高い圧力にてガス化反応器を運転するのが望ましい。例えば、同じ能力を維持しつつ反応器の大きさ（直径及び／又は長さ）を小さくできるからである。ガス化反応器の直径が小さくなることにより、垂直なメンブレンウォールを下に流れるスラグのための円周領域がより小さくなる。反応器のスループットが等しい場合、それによって流体スラグ層の厚みが増す。この効果は高灰分の供給原料を用いる場合に更に大きい。ガス圧力が増大し反応器の直径が小さくなると、スラグがバーナーマッフル中に進入することが分かった。このスラグが酸素／石炭の火炎を金属製マッフル壁に向けてそらせることで、非常に高い熱の流れが生じる。より高い全体の表面温度と組み合わされ、スチームブランケットが水冷側に形成し得ることで、局部的に十分な冷却が存在しないことになる。このことにより、このような場所ではメンブレンウォールの金属が溶けてしまうかもしれない。

ＵＳ−Ａ−４８１８２５２にはガス化反応器のメンブレンウォール中に存在するバーナーマッフルが記載されている。バーナーマッフル自体はその構成をガス化条件に依存して適合させることができる。この構成は、ガス化バーナーのための開口部の周りに設けられ、相互連結された同心管から成る垂直な冷却シールドを備える。この垂直な同心シールドは、異なる水平位置に配置でき、すなわち、メンブレンウォールに近い位置又はそれから遠く離れた位置に配置できる。

しかしながら、粘性液体スラグの厚い層がメンブレンウォールの内側に形成される条件下で、ガス化反応が行なわれる場合、ＵＳ−Ａ−４８１８２５２のバーナーマッフルはスラグの進入を受けやすい。このような状況では、スラグがバーナーヘッドの前を流れて燃焼を妨げる。ＵＳ−Ａ−４８１８２５２では、図１４において、スラグがバーナーヘッドを覆うことを防止するためにスラグデフレクターが開示されている。しかしながら、この構成はスラグの厚い層に対処するには十分ではない。

したがって、本発明の目的は、高圧にて動作でき、かつ大きな熱流を回避できるか、又は少なくともこのような熱流の悪影響を最小にするような、上述のガス化反応器を提供することである。別の目的は、高いスラッギング条件にて動作できるガス化反応器を提供することである。

この目的は次のガス化反応器により達成される。圧力シェルと、垂直方向に配置された管状のメンブレンウォールにより部分的に境界が定められる反応ゾーンと、バーナーヘッドを有し水平に向けられたバーナーとを備えたガス化反応器であって、
前記バーナーがバーナーヘッドにてバーナーマッフルを通って前記メンブレンウォールの垂直壁部分から突出し、前記バーナーマッフルが、垂直方向に配置され相互連結された複数の同心状のリングを備え、前記リングの直径がその隣接するリングに対して漸増していくことにより、前記バーナーマッフルが一方の端部にて前記バーナーヘッドのためのマッフル開口部を有し、もう一方の火炎放出端部にてより大きな開口部を有し、前記リングが冷媒のための入口端部と使用済み冷媒のための出口とを有する導管であり、前記バーナーヘッドのための前記マッフル開口部が前記圧力シェルと前記メンブレンウォールとの間に配置され、前記バーナーマッフルが前記反応ゾーン中に突き出る、前記ガス化反応器。

出願人は、請求したガス化反応器により達成されるバーナーマッフルの表面を十分に冷却することにより、より高いガス化圧力、好ましくは３０バールを越える圧力、より好ましくは３５バールを越えかつ７０バール未満の圧力にて動作することもできる堅牢な構成が得られることが分かった。出願人はまた、スラグがバーナーマッフルに入るのを防ぐのに上記の突出が有益であることが分かった。スラグがマッフルの表面に堆積することを防ぐことにより、発生する局部的な熱流が小さくなるので、更に堅牢な構成が得られると考えられる。

さらに、特定の灰分を含有した供給原料の場合のガス化反応器の動作温度範囲は、突き出したバーナーマッフルを使用することにより拡大できることが分かった。このことは、次の２つの面で有益である。すなわち、ａ）ガス化反応器の運転がより容易で、より安全で、より確実であること、及びｂ）広げられた動作範囲の下方範囲にて動作することにより、プロセスが消費する酸素がより少なくなるので、プロセスがより効率的になること。

ガス化反応器の動作温度範囲は、メンブレンウォールを流れて下る流体スラグの粘性によって規定される。高温では粘性が低く、スラグがバーナーマッフルの周りで容易に偏向される。低温では粘性がより高く、バーナーマッフルの周りでスラグを偏向させるのがより難しくなる。しかし、これは、本発明の反応器に存在するような突き出たバーナーマッフルにより実現できる。

本発明によるガス化反応器は、少なくとも灰分を含有した固体の炭素質原料、例えば石炭、バイオマス、例えば木材及び農業廃棄物、又は液体の炭素質原料、例えばタールサンド留分及び他のビチューメン油のガス化に適切に用いられる。灰分により、スラグの層がメンブレンウォール上に形成される。ガス化反応器においては、必ずしも灰分を含有しない別の供給原料もガス化してよい。

図１〜３を用いて本発明とその好ましい態様を更に説明する。

本発明によるガス化反応器である。 本発明に基づいたものではないバーナーマッフルを示す。 図１の反応器の詳細図であり、バーナーマッフルの好ましい態様を示す。

図１は、垂直方向に配置された管状の圧力シェル１、メンブレンウォール３及び反応ゾーン２を有するガス化反応器を示す。メンブレンウォール３の部分３ａは管状の形状を有する。メンブレンウォール３は垂直な導管から成り、その導管を通って水が流れる。共通の分配器５への供給管路４を介してメンブレンウォールに水が供給される。使用済みの冷却水（一般には水／蒸気の混合物の状態にある）は共通のヘッダー６と排出管路７を通して反応器から排出される。反応器はクエンチガス供給路８、ガス化反応器内で生成された水素と一酸化炭素の混合物のための排出管路９、及びスラグ用の排出管路１０を更に備える。相対して配置された２つのバーナー１３が示されている。反応器は例えばこのようなバーナーを２つ以上の対で同じ高さに、又は異なる高さに有することもできる。石炭供給原料に適したバーナーは、例えばＵＳ−Ａ−４５２３５２９及びＵＳ−Ａ−４５１０８７４に記載されている。バーナーには石炭の供給管路１１と酸素の供給管路１２から供給される。

図２はメンブレンウォール３から突き出たバーナー１３を示す。バーナーヘッド１７のためのマッフル開口部１６が、図示されているように圧力シェル１とメンブレンウォール３との間に配置される。開口部１８はメンブレンウォール３と同一平面になる。したがって、この構成では、バーナーマッフル１４は反応ゾーン中に突き出ない。よって、スラグ３２は開口部１８に容易に入ることができマッフル１４を埋め得るので、上記説明したように火炎が金属製のマッフル壁に逸れるかもしれない。

図３は図１のガス化反応器の一部であり、バーナーとバーナーマッフルを示し、バーナーマッフル１４が反応ゾーン２中に突き出ている。出願人は、このような突出が、スラグ３２がバーナーマッフル１４に入ることを防ぐのに有利であることを見いだした。スラグがマッフル１４の表面上に堆積するのを防ぐことにより、局部的な熱流の発生が少なくなるので、更にいっそう堅牢な構成が得られるものと考えられる。突出したマッフル１４ゆえに、スラグ３２がマッフル１４自体に入ることなく、外側配置リング３０の外部にて下方に流れる。

好ましくは、マッフル１４は距離３６にわたって反応ゾーン２中に突出し、この距離３６は供給原料中の灰分特性と灰分含有量に依存する。距離３６はリング１５の直径の少なくとも１倍であり、さらに好ましくはリング１５の直径の少なくとも２倍、ただし４倍以下である。距離３６は、図示されているように外側配置リング３０と耐火材２４の表面の水平距離として定義される。

図３に示されている更に好ましい態様では、使用されているマッフル１４の上側には導管３４が配置されることで、開口部１８と外側リング３０により規定される円周の上部に沿ってスラグ溝３５を形成する。導管３４は一方の端部に冷媒の入口を有し、もう一方の端部に使用済み冷媒の出口を有するが、図示はしていない。

図２及び３に示されたバーナーマッフル１４は、垂直方向に配置され相互連結された複数の同心リング１５を更に含む。好ましくは少なくとも１つ以上のリング１５、更に好ましくはすべてのリング１５は、管路２０を通る冷媒の個々の入口と、管路２２を通る使用済み冷媒の個々の出口とを有する導管である。この導管の壁の厚みは、良好な熱伝達を可能にし且つ壁の温度を制限するために出来るだけ小さくするのが好ましい。壁の最小厚みは、局部的に要求される機械的強度によって決められる。当業者ならば、このような導管の正確な大きさを容易に決めることができる。導管の直径は好ましくは０．０２〜０．０５ｍである。好ましくは、リングはＣｒ含有量が５重量％以下の低合金鋼、又はＣｒ含有量が１５重量％を越える高合金鋼から作られる。

管路２０及び管路２２は、冷媒（一般には水）の分配器１９、及び共通の（一般には水／蒸気の混合物の）ヘッダー２１にそれぞれ流体連結される。管路２０を通して供給される冷却水は、メンブレンウォール３の導管３３に供給される冷却水と同じ供給源から得てもよい。より低い水温及び／又は異なる圧力を有してもよい異なる供給源から得ることもできる。好ましくはリングは互いに溶接される。

リング１５の直径はその隣接リング１５に対して大きくすることで、バーナーマッフル１４が一方の端部にてバーナーヘッド１７のためのマッフル開口部１６を有し、もう一方の火炎放出端部２３にてより大きい開口部１８を有する。マッフル開口部１６は上記のより大きい開口部１８から水平方向に間隔をおいて離れている。このことにより、連結されたリングが円錐形状の形を有する。

好ましくは、バーナーヘッド１７用のマッフル開口部１６での内側配置のリング２９と、内側リング２９に隣接した次のリング２９ａとの間を結ぶ直線２５ａが、水平線２６と作る角度α１は、１５〜６０°である。好ましくは、バーナーヘッド１７用のマッフル開口部１６での内側配置リング２９と、火炎放出端部２３にて開口部１８にある外側配置リング３０とを結ぶ直線２５が、水平線２６と作る角度α２は、２０〜７０°である。直線２５は、図２に示されるようにリング２９の中心からリング３０の中心に引かれる。直線２５ａもまた、図示されているようにリングの中心から中心に引かれる。好ましくはα１はα２より大きい。外側配置リング３０は、バーナーヘッド１７用のマッフル開口部１６を形成するリングである。

好ましくはリング１５の個数は６〜１０である。リング１５は図示されているように線２５に沿ってＳ字形カーブを形成してもよい。好ましくはバーナー１３のシャフトとバーナースリーブ３６との間にシーリング２８が存在する。図示されているようにシーリング２８をバーナーヘッド１７まで拡張できる。このようなシーリング２８により、反応ゾーン中に存在するガス及びフライアッシュ及び／又はスラグが、圧力シェル１とメンブレンウォール３との間の空間内に存在するバーナースリーブ３６に入るのが防止される。このようなガスの流れを防ぐことにより、局部的な熱流が更に少なくなる。好ましくはシーリング２８は、局部的な熱膨張を吸収できる柔軟なシーリングである。適するシーリング材料の例は、繊維織り及び、又は繊維編みされたワイヤーメッシュ型のシーリングである。

図２及び３はまた、メンブレンウォール３の一部を示す。メンブレンウォール３は相互連結された垂直の複数の導管３３から構成され、その導管３３を通って冷媒、好ましくは蒸発する水が流れる。これらの導管３３は概略的に示されているように供給及び排出管路３１を備える。導管３３は好ましくは耐火材２４でコーティングされる。例えば上記ＵＳ−Ａ−４９５９０８０に記載のように、使用中、耐火材２４はスラグ３２の層により覆われる。図２及び３はまた、バーナーマッフル１４の回りに取り付けられた耐火材の塊２７を示し、これにより、スラグがマッフル１４の背面に入ってバーナーヘッド１７に近道することが防止される。

ＵＳ−Ａ−４２０２６７２ ＵＳ−Ａ−４９５９０８０ ＵＳ−Ａ−４８１８２５２ ＵＳ−Ａ−４５２３５２９ ＵＳ−Ａ−４５１０８７４

Ｃｈｒｉｓｔｏｆｅｒ Ｈｉｇｍａｎ及びＭａａｒｔｅｎ ｖａｎ ｄｅｒ Ｂｕｒｇｔ〔２００３，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｂｕｒｌｉｎｇｔｏｎ ＭＡ，１１８−１２０頁〕

１ 圧力シェル
２ 反応ゾーン
３ メンブレンウォール
４ 供給管路
５ 共通の分配器
６ 共通のヘッダー
７ 排出管路
８ クエンチガス供給路
９ 水素と一酸化炭素の混合物の排出管路
１０ スラグ用の排出管路
１１ 石炭の供給管路
１２ 酸素の供給管路
１３ バーナー
１４ バーナーマッフル
１５ リング
１６ マッフル開口部
１７ バーナーヘッド
１８ 開口部
１９ 分配器
２０ 管路
２１ ヘッダー
２４ 耐火材
２８ シーリング
２９ 内側リング
３０ 外側配置リング
３２ スラグ
３３ 導管
３６ バーナースリーブ

Claims (9)

1. 圧力シェルと、垂直方向に配置された管状のメンブレンウォールにより部分的に境界が定められる反応ゾーンと、バーナーヘッドを有し水平に向けられたバーナーとを備えたガス化反応器であって、
   前記バーナーがバーナーマッフルを通って前記メンブレンウォールの垂直壁部分から突出し、前記バーナーマッフルが、垂直方向に配置され相互連結された複数の同心状のリングを備え、前記リングの直径がその隣接するリングに対して漸増していくことにより、前記バーナーマッフルが一方の端部にて前記バーナーヘッドのためのマッフル開口部を有し、もう一方の火炎放出端部にてより大きな開口部を有し、前記リングが冷媒のための入口端部と使用済み冷媒のための出口とを有する導管であり、前記バーナーヘッドのための前記マッフル開口部が前記圧力シェルと前記メンブレンウォールとの間に配置され、前記バーナーマッフルが前記反応ゾーン中に突き出、かつ前記反応ゾーン中に突き出た前記マッフルの部分の上側に導管が配置されてスラグ溝を形成する、前記ガス化反応器。
2. 前記バーナーマッフルの少なくとも１つのリングが前記反応ゾーン中に突き出る、請求項１に記載のガス化反応器。
3. 前記導管が一方の端部にて冷媒のための入口を有し、もう一方の端部にて使用済み冷媒のための出口を有する、請求項２に記載のガス化反応器。
4. 前記バーナーヘッドのための前記マッフル開口部にて内側配置のリングと、前記火炎放出端部にて前記開口部にある外側配置のリングとを結ぶ直線が、水平線と作る角度が２０〜７０°である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス化反応器。
5. 前記バーナーヘッドのための前記マッフル開口部にて内側配置のリングと、前記内側リングに隣接した次のリングとを結ぶ直線が、水平線と作る角度が１５〜６０°である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス化反応器。
6. リングの個数が６〜１０である請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス化反応器。
7. 前記バーナーヘッドと前記内側配置のリングの間にシーリングが存在する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス化反応器。
8. 前記シーリングが繊維織り及び、又は繊維編みされたワイヤーメッシュのシーリングである請求項７に記載のガス化反応器。
9. 前記リングが、Ｃｒ含有量が５重量％以下の低合金鋼、又はＣｒ含有量が１５重量％を越える高合金鋼から作られる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のガス化反応器。