JP5831220B2 - 循環流動層ガス化装置 - Google Patents

Description

本発明は、原料のガス化時に発生するタールを流動層ガス化炉内部で改質するようにした循環流動層ガス化装置に関するものである。

近年、石炭及びバイオマス等の有機固体原料をガス化し生成したガス化ガスを発電用の燃料ガス等として供給するための流動層ガス化装置の開発が進められている。

流動層ガス化装置は、砂等の加熱した流動粒子によって有機固体原料を加熱すると共に、水蒸気等のガス化剤の供給により流動層を形成して有機固体原料をガス化することによりガス化ガスを製造するものである。流動層ガス化装置としては、流動層ガス化炉とは別に流動粒子を加熱する流動燃焼炉を備え、該流動燃焼炉により加熱した流動粒子を前記流動層ガス化炉に供給するようにした循環流動層ガス化装置（特許文献１参照）と、容器内に、相互間を流動粒子が移動できるように仕切壁によって仕切られたガス化室と燃焼室を備えてなる内部循環式の流動層ガス化装置（特許文献２参照）が知られている。

一方、前記ガス化装置で石炭及びバイオマス等の有機固体原料をガス化することで製造されるガス化ガス中にはタールが含まれており、このようなガス化ガス中のタールは下流の配管及び機器に付着して配管を閉塞する等の問題を生じる可能性がある。

この問題のため、従来では、前記ガス化ガスを水と接触させることでタールを凝縮させて除去することが実施されてきた。しかし、この場合、除去されたタールは単に廃棄されることになるためエネルギ的な面で損失になる問題があると共に、タールを除去した後の排水は排水処理装置で処理する必要があり、処理費用が多大になるという問題があった。

上記ガス化ガスを水と接触させてタールを除去する場合の問題を防止するために、ガス化装置の下流においてガス化ガス中のタールを分解等の操作により有効に回収するようにしたものがある（特許文献３、４、５参照）。

特許文献３では、ガス化装置下流に廃熱ボイラを介してタール改質塔を設けており、ガス化ガスを昇温してタール改質塔に導くことによりタールを触媒と接触させて炭化水素等に分解している。特許文献４では、ガス化装置の下流に触媒層を有する複数の反応容器を備えてガス化ガス中のタールを触媒層により分解している。特許文献５では、ガス化ガスとガス化剤を選択的に流通させるよう区画したセラミック層を設け、ガス化装置からのガス化ガスをセラミック層に流通させてタールを捕捉するタール除去運転と、タールを捕捉したセラミック層にガス化剤を流通させてガス化装置に戻す再生運転とに交互に切り換える運転を行っている。

特開２００３−１７６４８６号公報 特開２００９−１３８１０７号公報 特許第３５４９７１１号公報 特開２０１０−１１１７７９号公報 特開２０１０−０４７７１９号公報

特許文献３では、ガス化装置とは別にタール改質塔が必要であり、プラントの運転操作が複雑になる問題がある。更に、タール改質塔に導入するガス化ガスは所定の温度まで昇温しなければならないため、プラント全体の効率が低下する問題がある。

特許文献４では、複数の反応容器を備えており、プラントの運転操作が繁雑になる問題がある。又、触媒層をガス化ガスが通るため、触媒層がタールによって短時間で閉塞する可能性がある。

特許文献５では、運転中にガス化ガスとガス化剤の流路を切り換える必要があるためプラントの運転操作が複雑になる問題がある。又、ガス化ガスの流路を切り換えるために、切換箇所がタールによって閉塞する可能性がある。

又、上記特許文献３、４、５に示したように、ガス化ガス中のタールを有効に利用するためには、ガス化装置の下流にタールを処理するための専用の設備を設ける必要があり、このために、設備全体が大型且つ複雑になると共に、複雑な操作が必要になるといった問題を有していた。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、流動層ガス化炉による原料のガス化時に発生するタールを流動層ガス化炉内部で改質できるようにした循環流動層ガス化装置を提供しようとするものである。

本発明は、流動燃焼炉と流動層ガス化炉を有し、前記流動層ガス化炉は、前記流動燃焼炉で加熱され分離装置で分離された流動粒子を粒子導入口により導入し、下部から供給されるガス化剤により流動層を形成して原料供給口から流動層上に供給される原料のガス化を行い、生成したガス化ガスは上部の取出口から取り出し、前記流動層ガス化炉内の流動粒子と未反応のチャーは前記流動燃焼炉に供給して流動粒子の加熱を行う循環流動層ガス化装置であって、
前記流動層ガス化炉内部の流動層上部の空間に、前記流動粒子よりも大きい粒径を有する触媒体と、該触媒体を支持して流動粒子は流下させる落下口を備えた触媒支持部材とからなるタール捕捉改質層を設置し、
前記流動層からのガス化ガスは前記タール捕捉改質層を流通して前記取出口に向かうようにし、
前記流動層ガス化炉の天井部には複数の前記粒子導入口を配置し、分配器を介して前記分離装置に接続した分配管を複数の前記粒子導入口に接続し、前記分離装置からの流動粒子が前記分配管及び前記粒子導入口を介して前記タール捕捉改質層上に分散して落下するようにしたことを特徴とする循環流動層ガス化装置、に係るものである。

上記循環流動層ガス化装置において、前記原料供給口は、前記流動層ガス化炉内の流動粒子と未反応のチャーを前記流動燃焼炉に供給する前記流動層ガス化炉の他側壁に対して一側壁に配置されていてもよい。

本発明は、流動燃焼炉と流動層ガス化炉を有し、前記流動層ガス化炉は、前記流動燃焼炉で加熱され分離装置で分離された流動粒子を粒子導入口により導入し、下部から供給されるガス化剤により流動層を形成して原料供給口から流動層上に供給される原料のガス化を行い、生成したガス化ガスは上部の取出口から取り出し、前記流動層ガス化炉内の流動粒子と未反応のチャーは前記流動燃焼炉に供給して流動粒子の加熱を行う循環流動層ガス化装置であって、
前記流動層ガス化炉内部の流動層上部の空間に、前記流動粒子よりも大きい粒径を有する触媒体と、該触媒体を支持して流動粒子は流下させる落下口を備えた触媒支持部材とからなるタール捕捉改質層を設置し、
前記流動層からのガス化ガスは前記タール捕捉改質層を流通して前記取出口に向かうようにし、
前記流動層ガス化炉の流動層の上部に、絞り部を介して前記流動層ガス化炉よりも断面積が小さいタール捕捉改質層を形成し、該タール捕捉改質層の上部に前記粒子導入口を配置したことを特徴とする循環流動層ガス化装置、に係るものである。

上記循環流動層ガス化装置において、前記粒子導入口が、前記タール捕捉改質層の上部に備えられるガス化ガスの取出口に対して同心に配置されていてもよい。

又、上記循環流動層ガス化装置において、前記原料供給口は、前記流動層ガス化炉内の流動粒子と未反応のチャーを前記流動燃焼炉に供給する前記流動層ガス化炉の他側壁に対して一側壁に配置されていてもよい。

本発明によれば、流動層ガス化炉で生成されたガス化ガスは、流動層上部の空間に設置したタール捕捉改質層を通ることになり、ガス化ガス中のタールは、タール捕捉改質層の触媒体と接触することにより捕捉され、捕捉されたタールは触媒体の触媒作用によって効果的に改質されるという優れた効果を奏し得る。

本発明の循環流動層ガス化装置の第１の参考例を示す側面図である。 （ａ）は中実の球形の触媒体を示す外形図、（ｂ）は中空の球形の触媒体を示す断面図、（ｃ）は円柱形の触媒体を示す斜視図である。 本発明の循環流動層ガス化装置の第１の実施例を示す側面図である。 本発明の循環流動層ガス化装置の第２の参考例を示す側面図である。 本発明の循環流動層ガス化装置の第２の実施例を示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１は本発明の循環流動層ガス化装置の第１の参考例を示すものであり、この循環流動層ガス化装置１は、流動層ガス化炉２と流動燃焼炉３とを有している。前記流動層ガス化炉２には熱媒体としての流動粒子４が装入してあり、下側の散気装置５から供給される水蒸気等のガス化剤６により流動粒子４を流動化して流動層７を形成している。前記流動層ガス化炉２の一側壁２ａにおける流動層７の上部位置には、石炭或いはバイオマス等の有機固体原料８（原料）を供給する原料供給口９が設けられている。前記流動層ガス化炉２の他側壁２ｂには、流動層７の上面近傍における流動粒子４と未反応のチャーを外部に取り出すオーバフロー管１０を設けている。前記流動層ガス化炉２内における前記他側壁２ｂから所要の距離を隔てた位置には、上縁が流動層７上側の空間１１（フリーボード）の途中まで延び、下縁が前記散気装置５の上面と間隔を隔てた位置まで延びた仕切壁１２を設けることでオーバフロー管１０側に取出室１３を形成している。

前記原料供給口９から供給される有機固体原料８は、後述する加熱した流動粒子４と共に流動層７に供給されて加熱されると共に、下部の散気装置５から供給されるガス化剤６によりガス化されてガス化ガス１４を生成する。一方、ガス化されない未反応のチャーは流動粒子４と共に、流動しながら流動層ガス化炉２内を順次他側壁２ｂ側へ移動し、仕切壁１２の下部の間隔を潜り抜けることにより取出室１３に移動して前記オーバフロー管１０から取り出される。前記仕切壁１２は、前記有機固体原料８が十分にガス化されないままにオーバフロー管１０から落下するのを防止している。

前記オーバフロー管１０から取り出された流動粒子４及び未反応のチャーは、流動燃焼炉３に導入されており、流動燃焼炉３の下部の散気装置１５から供給される空気１６によってチャーが燃焼することで流動粒子４の加熱が行われる。

前記流動燃焼炉３の上部から取り出される粒子を含有した高温ガス１７は、サイクロン等の分離装置１８に導かれて流動粒子４と排気ガス１９とに分離される。

前記流動層ガス化炉２の内部における流動層７の上部の空間１１には、流動粒子４が流下できる落下口２０を備えた触媒支持部材２１を設置し、該触媒支持部材２１の上部に、前記流動粒子４及び落下口２０よりも粒径が大きい触媒体２２を投入することで、タール捕捉改質層２３を構成している。尚、触媒支持部材２１上に投入する触媒体２２は、１層以上の触媒体層が形成されるように投入している。

前記空間１１にタール捕捉改質層２３を設置した流動層ガス化炉２の天井部２ｃには、ガス化ガス１４を取り出すための取出口２４が設けてあり、更に、前記天井部２ｃには、前記分離装置１８からの流動粒子４を導入する粒子導入口２５を配置している。図１では、流動層ガス化炉２の平面の略中心に位置するように粒子導入口２５を配置した場合を示している。

従って、前記流動層７で有機固体原料８のガス化が行われて生成したガス化ガス１４は、前記タール捕捉改質層２３の触媒体２２の相互間を流動した後、天井部２ｃの前記取出口２４から取り出され、又、前記分離装置１８から流下する高温の流動粒子４は、天井部２ｃの粒子導入口２５から前記タール捕捉改質層２３上に落下するよう供給されて、触媒体２２の加熱を行う。

図２は前記触媒体２２の例を示したものであり、図２（ａ）は、セラミック或いは金属等からなる中実の球体２６の表面にアルミナ、ゼオライト等のタールの改質に有効な公知の触媒２７を一体化した中実の球形の触媒体であり、図２（ｂ）は、セラミック或いは金属等からなり内部に空間２８が形成された中空の球体２９の表面にアルミナ、ゼオライト等のタールの改質に有効な公知の触媒２７を一体化した中空の球形の触媒体であり、図２（ｃ）は、セラミック或いは金属等からなる円柱体３０の表面にアルミナ、ゼオライト等のタールの改質に有効な公知の触媒２７を一体化した円柱状の触媒体である。尚、前記触媒体２２は、球体或いは円筒体の表面に触媒を一体化させた場合について説明したが、セラミック或いは金属等の粒子と触媒の粒子とを混合したものを焼き固めて触媒体２２を形成しても良く、触媒支持部材２１上を動き回ることができ、且つ、所定以上の強度を有したものであれば、触媒体２２の形状、構造は任意に選定できる。

次に、上記第１の参考例の作動を説明する。

図１において、流動層ガス化炉２の一側壁２ａに設けた原料供給口９から供給される石炭或いはバイオマス等の有機固体原料８は、粒子導入口２５から前記タール捕捉改質層２３を介して供給される高温の流動粒子４によって加熱されると共に、下部の散気装置５から供給されて流動層７を形成する水蒸気等のガス化剤６の作用を受けてガス化され、生成したガス化ガス１４は流動層７上部のタール捕捉改質層２３を流通して天井部２ｃの取出口２４から外部に取り出される。

流動層７でガス化されない未反応のチャーは流動粒子４と共に、流動層ガス化炉２の他側壁２ｂに設けられたオーバフロー管１０から流動燃焼炉３に導入され、流動燃焼炉３において前記チャーが空気１６と共に燃焼することで流動粒子４を加熱する。前記流動燃焼炉３の上部から取り出される粒子を含有した高温ガス１７は、分離装置１８に導かれて流動粒子４と排気ガス１９とに分離され、分離装置１８で分離された流動粒子４は天井部２ｃに設けた粒子導入口２５から前記タール捕捉改質層２３の上部に落下供給される。

前記流動層７で生成したガス化ガス１４は、タール捕捉改質層２３を流通する際に触媒体２２の相互間を通ることになるため、ガス化ガス１４中のタールは触媒体２２の表面に付着することにより捕捉される。この時、触媒支持部材２１上の前記触媒体２２は、下部から上昇してくるガス化ガス１４によって押し上げる力を受けるため、触媒体２２は触媒支持部材２１上を揺動して動き回るため、触媒体２２によるタールの捕捉効果が高められる。更に、触媒体２２は揺動することによって触媒体２２相互及び触媒支持部材２１と衝突してタールを掻き落とす作用を有するので、触媒体２２の全面がタールの付着によって覆われることは防止される。

一方、前記分離装置１８からの高温の流動粒子４は、天井部２ｃに設けた粒子導入口２５を介して前記タール捕捉改質層２３上に落下するので、触媒体２２は高温の流動粒子４によって加熱され、この加熱された触媒体２２の触媒２７によって、触媒体２２に捕捉されたタールは効果的に改質される。

又、前記したように、触媒体２２は、下部から上昇してくるガス化ガス１４によって押し上げる力を受けて触媒支持部材２１上を揺動するため、この触媒体２２上に流動粒子４が落下すると、前記触媒体２２は流動粒子４によって矢印で示すように循環移動するようになり、この循環移動によって触媒体２２の均一加熱が行われて、タールの均一な改質が行われるようになる。

ここで、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、触媒体２２が球状を有している場合は、触媒体２２は触媒支持部材２１上を動き回って循環流動し易くなるので、触媒体２２の表面によるタールの捕捉効果が高められ、更に、粒子導入口２５から供給される高温の流動粒子４との接触が高められて触媒体２２の均一加熱が行われ易くなる利点がある。又、図２（ｃ）に示すように円柱状の触媒体２２とした場合は、長い円柱体を製造してそれを所定長さに切断することで製造できるため、製造が容易になる利点がある。

図３は本発明の循環流動層ガス化装置の第１の実施例を示すものであり、この循環流動層ガス化装置１は、前記流動層ガス化炉２の天井部２ｃに複数の粒子導入口２５ａ，２５ｂを配置し、前記分離装置１８で分離した流動粒子４を前記粒子導入口２５ａ，２５ｂに分配して導入するための分配器３１を備えた分配管３２ａ，３２ｂを設けている。従って、前記分離装置１８からの流動粒子４は、前記分配器３１及び分配管３２ａ，３２ｂを介して粒子導入口２５ａ，２５ｂから前記タール捕捉改質層２３上に分散して落下するようになる。

尚、図３の実施例では、前記粒子導入口２５ａ，２５ｂを、流動層ガス化炉２の前後方向（流動層ガス化炉２に供給された有機固体原料８が一側壁２ａから他側壁２ｂへ向かって流動する方向）の２個所に配置した場合について例示したが、前記粒子導入口２５ａ，２５ｂの設置数が限定されることはなく、流動層ガス化炉２の前後方向及び幅方向に任意に設置することができる。

図３に示すように、複数の粒子導入口２５ａ，２５ｂによってタール捕捉改質層２３上に流動粒子４を分散して落下すると、触媒体２２は流動粒子４によって更に均一に加熱されるようになり、タールの改質が更に良好に行われるようになる。

図４は本発明の循環流動層ガス化装置の第２の参考例を示すものであり、この循環流動層ガス化装置１は、流動層７上部の流動層ガス化炉２の一側壁２ａに前記原料供給口９が配置された構成において、前記分離装置１８の流動粒子４を前記タール捕捉改質層２３の上部に供給する粒子導入口３３を、前記原料供給口９と同じ流動層ガス化炉２の一側壁２ａに配置した場合を示している。

図４の参考例では、前記原料供給口９から流動層７に供給される有機固体原料８は、一側壁２ａに近い供給位置において熱分解が促進される。従って、この原料供給位置には熱分解のために必要な熱を供給する必要がある。又、熱分解によって生成するガス中には比較的高い濃度のタールが含有する。この時、前記タール捕捉改質層２３上部における前記原料供給口９の上方の一側壁２ａに粒子導入口３３を配置したので、該粒子導入口３３から供給される高温の流動粒子４によって前記原料供給口９上部の触媒体２２が積極的に加熱されるようになり、更に、触媒支持部材２１の落下口２０を介して前記原料供給口９の近傍に高温の流動粒子４が供給されるようになる。従って、高温の流動粒子４が供給されることにより原料供給口９近傍での有機固体原料８の熱分解が促進され、且つ、原料供給口９上部において積極的に加熱された触媒体２２によって原料供給口９近傍で生成して上昇してくるガス化ガス１４中のタールの改質が効果的に行われるようになる。

図５は本発明の循環流動層ガス化装置の第２の実施例を示すものであり、この循環流動層ガス化装置１は、前記流動層ガス化炉２の流動層７よりも上部位置に絞り部３４を形成し、該絞り部３４の上部に、前記流動層ガス化炉２よりも断面積を小さくしたタール捕捉改質層３５を設置している。タール捕捉改質層３５は、落下口２０を有する触媒支持部材２１上に触媒体２２を投入することで構成している。そして、前記タール捕捉改質層３５の上部の天井部２ｃ'には、前記分離装置１８からの流動粒子４が落下して供給される粒子導入口３６を配置している。この時、前記タール捕捉改質層３５の上部には、鉛直部２４ａの上端から横方向に曲げられた曲り部２４ｂを有してガス化ガス１４を横方向へ取り出すようにし取出口２４'が設けてあり、前記前記粒子導入口３６は、前記取出口２４'の鉛直部２４ａに対して同心に配置している。

図５の実施例では、流動層ガス化炉２の上部に絞り部３４を介して前記流動層ガス化炉２よりも断面積が小さいタール捕捉改質層３５を設置したので、流動層ガス化炉２で生成したガス化ガス１４は絞り部３４により流速が高められてタール捕捉改質層３５に導かれるため、触媒支持部材２１上での触媒体２２の移動（揺動）は活発になり、しかも、前記したようにタール捕捉改質層３５の面積が小さくなったことで、前記粒子導入口３６から導入される流動粒子４によって触媒体２２は効果的に均一に加熱されるため、タール捕捉改質層３５によるガス化ガス１４のタールの改質効果は有効に高められる。

この時、前記粒子導入口３６が、ガス化ガス１４の取出口２４の鉛直部２４ａに対して同心に配置してあると、ガス化ガス１４及び触媒体２２が高温の流動粒子４によって効果的に加熱され、よって、ガス化ガス１４のタールの改質効果が更に高められる。

上記したように、本発明の循環流動層ガス化装置１によれば、流動層ガス化炉２の空間１１に触媒体２２を有するタール捕捉改質層２３を設置したので、流動層７で生成したガス化ガス１４がタール捕捉改質層２３を流通する間に、ガス化ガス１４中に含まれるタールは触媒体２２によって捕捉され、且つ、触媒体２２は上部から供給される流動粒子４によって加熱されているので、触媒体２２に捕捉されたタールは触媒体２２の触媒作用によって効果的に改質されるようになる。

尚、本発明の循環流動層ガス化装置は、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 循環流動層ガス化装置
２ 流動層ガス化炉
２ａ 一側壁
３ 流動燃焼炉
４ 流動粒子
６ ガス化剤
７ 流動層
８ 有機固体原料（原料）
９ 原料供給口
１１ 空間
１４ ガス化ガス
１８ 分離装置
２０ 落下口
２１ 触媒支持部材
２２ 触媒体
２３ タール捕捉改質層
２４ 取出口
２４' 取出口
２５ 粒子導入口
２５ａ，２５ｂ 粒子導入口
３１ 分配器
３２ａ，３２ｂ 分配管
３３ 粒子導入口
３４ 絞り部
３５ タール捕捉改質層
３６ 粒子導入口

Claims (5)

1. 流動燃焼炉と流動層ガス化炉を有し、前記流動層ガス化炉は、前記流動燃焼炉で加熱され分離装置で分離された流動粒子を粒子導入口により導入し、下部から供給されるガス化剤により流動層を形成して原料供給口から流動層上に供給される原料のガス化を行い、生成したガス化ガスは上部の取出口から取り出し、前記流動層ガス化炉内の流動粒子と未反応のチャーは前記流動燃焼炉に供給して流動粒子の加熱を行う循環流動層ガス化装置であって、
   前記流動層ガス化炉内部の流動層上部の空間に、前記流動粒子よりも大きい粒径を有する触媒体と、該触媒体を支持して流動粒子は流下させる落下口を備えた触媒支持部材とからなるタール捕捉改質層を設置し、
   前記流動層からのガス化ガスは前記タール捕捉改質層を流通して前記取出口に向かうようにし、
   前記流動層ガス化炉の天井部には複数の前記粒子導入口を配置し、分配器を介して前記分離装置に接続した分配管を複数の前記粒子導入口に接続し、前記分離装置からの流動粒子が前記分配管及び前記粒子導入口を介して前記タール捕捉改質層上に分散して落下するようにしたことを特徴とする循環流動層ガス化装置。
2. 前記原料供給口は、前記流動層ガス化炉内の流動粒子と未反応のチャーを前記流動燃焼炉に供給する前記流動層ガス化炉の他側壁に対して一側壁に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の循環流動層ガス化装置。
3. 流動燃焼炉と流動層ガス化炉を有し、前記流動層ガス化炉は、前記流動燃焼炉で加熱され分離装置で分離された流動粒子を粒子導入口により導入し、下部から供給されるガス化剤により流動層を形成して原料供給口から流動層上に供給される原料のガス化を行い、生成したガス化ガスは上部の取出口から取り出し、前記流動層ガス化炉内の流動粒子と未反応のチャーは前記流動燃焼炉に供給して流動粒子の加熱を行う循環流動層ガス化装置であって、
   前記流動層ガス化炉内部の流動層上部の空間に、前記流動粒子よりも大きい粒径を有する触媒体と、該触媒体を支持して流動粒子は流下させる落下口を備えた触媒支持部材とからなるタール捕捉改質層を設置し、
   前記流動層からのガス化ガスは前記タール捕捉改質層を流通して前記取出口に向かうようにし、
   前記流動層ガス化炉の流動層の上部に、絞り部を介して前記流動層ガス化炉よりも断面積が小さいタール捕捉改質層を形成し、該タール捕捉改質層の上部に前記粒子導入口を配置したことを特徴とする循環流動層ガス化装置。
4. 前記粒子導入口が、前記タール捕捉改質層の上部に備えられるガス化ガスの取出口に対して同心に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の循環流動層ガス化装置。
5. 前記原料供給口は、前記流動層ガス化炉内の流動粒子と未反応のチャーを前記流動燃焼炉に供給する前記流動層ガス化炉の他側壁に対して一側壁に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の循環流動層ガス化装置。
   
   

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