JP5569666B2

JP5569666B2 - 燃料ガスの改質方法

Info

Publication number: JP5569666B2
Application number: JP2008064382A
Authority: JP
Inventors: 剛中山; 武内山; 純夫山田; 益人清水; 史洋三好
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2028-03-13
Also published as: JP2009221245A

Description

本発明は、都市ごみ、産業廃棄物、石炭、コークス等の固体燃料物質をガス化処理した際に発生する燃料ガスをガス改質炉で改質する方法に関する。

都市ごみや産業廃棄物などは、廃棄物処理場において焼却処理されて減容化され、最終的に排出される焼却残渣等の固形物は埋め立て処分場で埋め立て処分されている。また、それらの固形物の中でも、焼却又は溶融処理した際に発生する飛灰には亜鉛、鉛などの重金属類が含まれていることから、飛灰は、セメント固化や薬剤処理等によって安定化処理された後に埋め立て処分されている。

しかしながら、このような処分方法は埋め立て処分場を必要とし、近年ではこのような処分場の確保が非常に困難となってきている。また、安定化処理した場合でも、超長期的には、埋め立て処分された飛灰から溶出する重金属が環境汚染の原因となるというリスクを抱えており、環境汚染を防ぐための対策を施す必要がある。
そこで、近年では、上記した焼却処理に代わる廃棄物処理方法としてガス化改質方式によるガス化溶融プロセスが注目されている。

この方法は、廃棄物ガス化溶融炉内で、廃棄物を熱処理することによって、廃棄物を熱分解ガスを含むガスと溶融物とに転換するものであり、得られたガス中にはダイオキシン等の有害なガス成分が少ないという利点がある。そして、廃棄物から発生する熱分解ガス中には可燃性のガスが含まれているため、これを発電用燃料、工業用燃料及び化学工業用原料等として有効に利用することができる。また廃棄物に含まれていた重金属類等の有害物質は、溶融スラグ中に固定されるので、重金属類が溶出しにくいという特徴がある。

前記の廃棄物ガス化溶融炉では、炉本体内部の温度が高温になり、高温ガスや溶融スラグと接触するため、一般に炉本体は外側の鉄皮を耐火物によって内張するという構造をとっているが、溶損等による消耗が激しく、特に、ガス改質部に酸素含有ガスを供給する酸素ガス供給ノズルの周辺部の耐火物は損傷が激しい。
耐火物が消耗すれば操業を停止して、耐火物の張り替え等の補修を行う必要があるが、補修を頻繁に行う必要があると処理効率が低下し、コストの上昇につながるので、補修の頻度を低下させるべく、耐火物の消耗を防ぐための手段を講じる必要がある。

特許文献１には、熱分解ガスを改質炉頂部から吹き込み、酸素を改質炉側壁部の高さ方向に複数段に分割して吹き込み、水蒸気を上から第一段目の酸素と共に改質炉内に斜め下向きの旋回流を形成するように導入することによって、従来のバーナー方式に比べて炉壁から離れた位置に燃焼フレームを形成し、加えて改質反応促進のガス化剤である水蒸気を第一段目の酸素ノズルから集中して吹き込むことによって、熱分解ガスの酸素燃焼による急激な温度上昇を緩和して、ノズル損耗や炉壁損耗を抑制することが記載されている。
特許文献２には、縦型改質炉において、中心向きから水平方向に３０度以下偏心させた酸素供給ノズルによって炉内に酸素ガスを供給して炉内で旋回流を発生させ、これによって被改質ガスと酸素とを均一に混合させて改質部温度を均一にし、改質部耐火物の損傷を小さくすることが記載されている。
しかしながら、前記のような旋回流を形成する方法によってもなお耐火物の損傷は避けられなかった。

特開２００４−２７７６４７号公報特開２００６−１１２７１４号公報

本発明は、ガス化改質炉における耐火物の損傷のない燃料ガスの改質方法を提供することを目的とする。

本発明者等は上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、固体燃料物質をガス化した際に発生する燃料ガスを炉上部又は下部から導入すると共に、酸素含有ガスを偶数本の酸素供給ノズルを介して各酸素供給ノズルの吹き込みガスが対面の酸素供給ノズルの吹き込みガスと突合せ衝突するように吹き込み、かつバーナーを改質炉内に２００ｍｍ以上突出させることによって上記課題を解決することができるとの知見を得て本発明を完成した。なお、本発明でいう固体燃料物質とは石炭、コークス等の他、都市ごみ、産業廃棄物等の燃料となりうる固体物質をいう。

すなわち、本発明は次の通りのものである。
（１）操業温度が１０００℃以上の竪型のガス改質炉内に、固体燃料物質をガス化した際に発生する燃料ガスを該炉上部又は下部から導入し、８０容量％以上の高濃度の酸素含有ガスを該炉の横方向からのみ吹き込んで該燃料ガスを改質する方法であって、該酸素含有ガスを吹き込む偶数本の酸素供給ノズルの炉中心方向に対する水平方向の角度を０〜７°とし、各酸素供給ノズルの吹き込み酸素含有ガスが対面の酸素供給ノズルの吹き込み酸素含有ガスと突合せ衝突するように吹き込み、酸素供給ノズルの前面において燃料ガスが燃焼して形成される高温の火点を炉の中央部に存在させ、対面の耐火物の熱負荷を軽減し、火炎先端による対面の耐火物損耗を防止し、かつ該酸素供給ノズルの改質炉内への突出長さを２００ｍｍ以上で、ガス改質炉の径、酸素含有ガスの流速、対向側の耐火物損耗の危険性の有無を考慮して設定する長さまでとし、酸素供給ノズルの先端部に形成される高温の火点による酸素供給ノズル周辺部の耐火物損耗を防止することを特徴とする燃料ガスの改質方法。
（２）前記酸素供給ノズルによる改質炉内への酸素ガスの吹き込み方向を、吹込まれた酸素ガス流が前記燃料ガス流と斜め方向に対向して衝突するように、水平方向から鉛直上方向又は鉛直下方向に傾けたことを特徴とする（１）に記載の燃料ガスの改質方法。

本発明の燃料ガス改質方法によれば、耐火物を損傷することなく高い熱効率で燃料ガスを改質することができる。

本願発明は廃棄物ガス化改質炉において好適に適用することができる。
まず、廃棄物ガス化改質炉の全体構造を図に示すガス化改質方式を例にとって説明する。

図に示されたガス化改質方式は次のプロセスから構成されている。
１．プレス・脱ガスチャンネル
（１）廃棄物の圧縮、（２）乾燥・熱分解
２．高温反応炉・均質化炉
（３）ガス化溶融、（４）スラグ均質化、（５）ガス改質
３．ガス精製
（６）急冷（急冷・酸洗浄、酸洗浄）、（７）ガス精製（アルカリ洗浄、脱硫、除湿）
４．水処理
（８）水処理（沈殿、脱塩等）

この方式の基本的な構成をフローに沿って説明すると次の通りである。
ピットに集積された都市ごみ、産業廃棄物等の廃棄物はプレス機で圧縮された後、乾燥熱分解工程で間接加熱により加熱乾留されて高温反応炉に送られる。高温反応炉の下部には、ランスが配置され、このランスによって炉内に高濃度酸素が導入され、この酸素ガスが乾留物中の炭素をガス化・燃焼し、一酸化炭素と二酸化炭素が生成する。また、高温水蒸気が存在するため、炭素と水蒸気とによる水性ガス反応が生じて、水素と一酸化炭素が生成される。更に、有機化合物（炭化水素など）も水蒸気と反応して、水素と一酸化炭素が生成する。上記反応の結果、高温反応炉の塔頂部より粗合成ガスが回収される。
この粗合成ガスは、急冷酸洗浄工程、ガス精製工程を経て製品として排出される。

一方、高温反応炉下部で生成した溶融物は高温反応炉から均質化炉へ流れ出る。この溶融物には炭素や微量の重金属等が含まれており、均質化炉において炭素は十分な酸素あるいは水蒸気によってガス化されて水素、一酸化炭素、二酸化炭素を生成する。均質化炉において金属溶融物は比重が大きいため、スラグの下部を流れる。溶融物は水砕システムに流れ落ちて、冷却固化され、メタル・スラグの混合物は、磁選によりメタルとスラグに分離される。

本発明の燃料ガスの改質法においては、竪型のガス改質炉を用いその操業温度を１０００℃以上とする。
廃棄物を含む固体燃料をガス化した際に発生する燃料ガスには、ＣＯ、Ｈ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏの他に、塩素化炭化水素やその他の長鎖状炭化水素からメタン等の軽質炭化水素まで存在している。改質後のガス中にはダイオキシン類が含まれないようにすることは当然であるが、その他にナフタレン、メタン等の炭化水素も含まれないようにすることが好ましい。そして、これらの成分は１０００℃以上に昇温することによって概ね分解する。このようにガス改質炉を１０００℃以上とすることでＣＯ、Ｈ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ主体の改質ガスを得ることができる。

本発明の燃料ガスの改質法においては、ガス改質炉に吹込む酸素含有ガスとしては酸素を８０容量％以上含む高濃度の酸素含有ガスを用いる。これは、廃棄物をガス化改質した際に発生する部分燃焼ガスを高カロリー副生ガスとして利用すると共に、部分燃焼ガス量を低減し、ガス処理系の負荷を軽減させるためである。

本発明においては、廃棄物を含む固体燃料をガス化した際に発生する燃料ガスを該炉上部又は下部から導入する。また、酸素含有ガスを、偶数本の酸素供給ノズルを介して各酸素供給ノズルの吹き込みガスが対面の酸素供給ノズルの吹き込みガスと突合せ衝突するように吹き込むようにすると共に、酸素供給ノズルの改質炉内への突出長さを２００ｍｍ以上とする。

この点について以下説明する。
従来はガス改質炉で酸素含有ガスを供給する際に、高温反応炉から発生するガスとの混合性を向上させるために、酸素含有ガスをガス改質炉の中心より偏向させて供給し、旋回流を与えていた。しかしながら、旋回流を発生させた場合、操業を継続していくとガス改質炉の耐火物が損耗することは既に述べたとおりであり、このため炉修頻度が高くなるという問題があった。

本発明者等は、ガス改質炉耐火物損耗の原因を特定するために、高温反応炉から発生するガスをガス改質炉で酸素含有ガスにより部分燃焼させるシミュレーション計算を実施し、ガス改質炉内のガス流速、温度分布等の検討を実施したところ、次の知見を得た。
１）、酸素含有ガスを炉の中心から偏向させて供給することによって発生する高温の旋回流は耐火物炉壁側に形成されるため、この旋回流が形成されている部分の耐火物の損耗が激しいこと。
２）酸素含有ガスを供給するランスの前面において、高温反応炉から発生したガスがランスから供給した酸素により急激に燃焼し、高温の火点が形成されること。
３）上記１）、２）から、ガス改質炉の耐火物損耗の主原因は高温旋回流とランス前面の高温火点である可能性が強いこと。

そこで、本発明者等は、ガス改質炉に酸素含有ガスを供給するランスの偏向角度、ランス先端位置の耐火物面からの距離をパラメーターとして、種々のシミュレーション計算を実施し、これらパラメーターを適正化することで、ガス改質炉耐火物近傍のガス温度を低下させ、耐火物の損耗を抑制する方法を検討した結果、前記の酸素含有ガスを、偶数本の酸素供給ノズルを介して各酸素供給ノズルの吹き込みガスが対面の酸素供給ノズルの吹き込みガスと突合せ衝突するように吹き込むと共に酸素供給ノズルの改質炉内への突出長さを２００ｍｍ以上とすることが必要であることを見出した。

ガス改質炉に連続的に供給される燃料ガスと酸素ガスとを全く均一に燃焼させることは不可能であるが、竪型ガス改質炉の炉上部又は炉下部から燃料ガスを導入し、酸素ガスを炉の横方向から供給される酸素ガス流同士が突合せ衝突するように吹き込むことによって、酸素供給ノズルの火炎先端による対面の耐火物損耗を防止することができ、また、改質炉中心部が高温で炉壁側が低温であるような温度分布を形成することができるため耐火物の損耗を抑制することができる。また、旋回で吹き込む場合と突合せ衝突させる場合とでガスの混合状態に違いは見られなかった。

また、酸素燃焼火炎の場合、酸素供給ノズルの先端部の酸素が吐出された近傍で燃焼し、２０００℃程度の高温の火点が形成される。したがって、酸素供給ノズルの先端位置は炉壁から遠いほど、自分の火点による影響は小さくなるので、酸素供給ノズルの改質炉内への突出長さを２００ｍｍ以上とする。
２００ｍｍを超えてどの程度まで突出させて良いかは、ガス改質炉の径、ランス酸素の流速、対向側の耐火物損耗の危険性の有無等を考慮して適宜に設定することができる。

酸素供給ノズルの炉中心方向に対する水平方向の角度は、酸素供給ノズルの吹き込みガスが対面の酸素供給ノズルの吹き込みガスと突合せ衝突することができる限りにおいて適宜に設定できるが、好ましくは０〜７°である。
酸素ガスの吹込角度を７°よりも中心に向けることによって高温部が更に炉の中央部にシフトし炉壁の熱負荷が軽減される。また７°を超えると炉壁近傍に高温旋回流が発生し、炉壁の熱負荷が大きくなる。

更に、酸素供給ノズルから吐出した酸素ガス流が燃料ガス流とも対向する形で斜め方向に衝突するように、該ノズルの配置を水平方向から鉛直上下方向に傾けるようにしてもよい。この様にすることにより、燃料ガスの流れに対して酸素ガスを対向流で供給することとなり、燃料ガスと酸素ガスの混合を促進させるとともに、ガス改質に必要な滞留時間を稼ぐことができる。
また、酸素供給ノズルは炉の垂直方向に多段に設けても良く、上段と下段とで酸素供給ノズルの鉛直方向の角度を異なる角度に設定してもよい。

図１に示す廃棄物ガス化改質炉において、廃棄物処理操業を実施した。
図２（ａ）はガス改質炉の縦断面図であり、図２（ｂ）はガス改質炉の横断面図であり、炉壁に設けられた酸素供給ノズルの配置状態を示す。
酸素供給ノズルは中心方向に向け（水平方向の偏心角度０°）かつ酸素供給ノズルの下向きの角度を３０°として改質炉内に２００ｍｍ突出させた。廃棄物の処理量は１００ｔ／ｄで、ガス改質炉には平均で７０００Ｎｍ^３／ｈの燃料ガスを供給した。ガス改質炉では酸素濃度９９容量％の高純度酸素を４本の酸素供給ノズルから１００Ｎｍ^３／ｈずつ供給し、燃料ガスを改質させた。
これまで、酸素供給ノズルの横断面での中心からの偏向角度が２５°で改質炉内への突出がないときは、６ヶ月の操業で酸素供給ノズル周辺部の耐火物が損傷して鉄皮が露出し、耐火物の補修を余儀なくされていたが、本操業を継続した結果、酸素供給ノズル周辺部の耐火物損耗速度が極めて減少し、２年経過しても耐火物が健全な状態を維持できた。

本発明の燃料ガスの改質方法によれば、酸素供給ノズルの損傷や炉壁耐火物の損傷を防ぐことができ、ガス化改質炉等を長期にわたって安定して操業することができるので廃棄物ガス化装置において好適に使用することができる。

ガス化改質方式による廃棄物処理の概要を示す図である。本発明における酸素供給ノズルの配置を示す図である。

符号の説明

１廃棄物ガス化改質炉の改質部
２酸素供給ノズル
３炉壁
４燃料ガス

Claims

操業温度が１０００℃以上の竪型のガス改質炉内に、固体燃料物質をガス化した際に発生する燃料ガスを該炉上部又は下部から導入し、８０容量％以上の高濃度の酸素含有ガスを該炉の横方向からのみ吹き込んで該燃料ガスを改質する方法であって、該酸素含有ガスを吹き込む偶数本の酸素供給ノズルの炉中心方向に対する水平方向の角度を０〜７°とし、各酸素供給ノズルの吹き込み酸素含有ガスが対面の酸素供給ノズルの吹き込み酸素含有ガスと突合せ衝突するように吹き込み、酸素供給ノズルの前面において燃料ガスが燃焼して形成される高温の火点を炉の中央部に存在させ、対面の耐火物の熱負荷を軽減し、火炎先端による対面の耐火物損耗を防止し、かつ該酸素供給ノズルの改質炉内への突出長さを２００ｍｍ以上で、ガス改質炉の径、酸素含有ガスの流速、対向側の耐火物損耗の危険性の有無を考慮して設定する長さまでとし、酸素供給ノズルの先端部に形成される高温の火点による酸素供給ノズル周辺部の耐火物損耗を防止することを特徴とする燃料ガスの改質方法。
前記酸素供給ノズルによる改質炉内への酸素ガスの吹き込み方向を、吹込まれた酸素ガス流が前記燃料ガス流と斜め方向に対向して衝突するように、水平方向から鉛直上方向又は鉛直下方向に傾けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料ガスの改質方法。