JP5851116B2

JP5851116B2 - 石炭ガス化システム

Info

Publication number: JP5851116B2
Application number: JP2011112515A
Authority: JP
Inventors: 小菅　克志; 克志小菅; 泰樹並木; 眞須美糸永; 卓武田; 小水流　広行; 広行小水流
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2031-05-19
Also published as: JP2012241106A

Description

本発明は、石炭を原料として一酸化炭素ガスなどを製造する石炭ガス化システムに関する。

従来、石炭をガス化して可燃性ガスなどを効率的に製造するために、固定床型、流動床型、および気流床型（気流床型）などの様々な構成の石炭ガス化反応炉を有する石炭ガス化システムが検討されている。その例として、特許文献１および２に開示された石炭の水素化熱分解装置（石炭ガス化反応炉）を用いた石炭ガス化システムが知られている。

この石炭の水素化熱分解装置は、下段に配置された高温ガス化炉（部分酸化部）と上段に配置された水素化熱分解炉（熱分解部）とで構成されている。
高温ガス化炉に吹き込まれた炭素質原料、酸素ガス、および水蒸気から、水素ガス、一酸化炭素ガス、および二酸化炭素ガスを主成分とするガス化ガスが発生する。ガス化ガスは石炭とともに水素化熱分解炉に導入され、熱分解によりガスとともにチャー（未ガス化石炭残滓または熱分解残滓）が発生する。
水素化熱分解炉で発生したチャーは、サイクロン（チャー回収装置）で回収され、チャーリサイクル設備により高温ガス化炉に投入されガス化される。チャーを高温ガス化炉に投入することで、石炭のＣ転換率（ガス中の炭素の質量を原料中の炭素の質量で割った値に１００を掛けた値。）が向上し、メタンやメタノールなど合成ガスを効率的に製造することができるという。

特許第４３３４３２６号公報特許第３２８７６０３号公報

しかしながら、上記の石炭ガス化システムでは、水素化熱分解炉で発生したチャーは、高温下では軟化溶融しやすいため、その表面の粘着性が高い。このため、チャーが配管の内面などに付着して配管閉塞を起こしたり、熱回収器の伝熱管に付着して熱交換効率を低下させたりするとともに、サイクロンにおけるチャーの回収効率が低下するという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、チャーの付着トラブルを防止するとともに、チャー回収装置におけるチャーの回収効率を高めた石炭ガス化システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の石炭ガス化システムは、石炭をガス化させることで少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを製造する石炭ガス化システムであって、下段に配置され前記石炭を部分燃焼させる部分酸化部、および前記部分酸化部に連通して上段に配置され前記石炭を熱分解させる熱分解部を有する二段構造の石炭ガス化反応炉と、入口部及び出口部を絞り中間部を膨らませた管状に形成され、前記熱分解部で発生したチャーを含むガス状体を冷却する急冷装置と、前記急冷装置で冷却された前記ガス状体を冷却水と熱交換させることで冷却するとともに水蒸気を発生させる熱回収装置と、前記急冷装置で冷却されるとともに前記熱回収装置から供給された前記ガス状体から前記チャーを回収するチャー回収装置と、を備え、前記熱分解部で９５０℃以上１２００℃以下に加熱された前記ガス状体を、前記急冷装置において３００℃以上７００℃以下まで冷却し、前記急冷装置では、前記中間部に向かうように前記入口部に前記急冷装置の中心軸線回りに等角度ごとに配置した複数のスプレーノズルから噴霧した噴霧径が１５０μｍ以下の水により前記ガス状体を冷却して、前記急冷装置における前記ガス状体を冷却する速度を１秒当たり２００℃以上にすることを特徴としている。この場合、熱分解部で発生したガス状体を急冷装置で冷却することで、チャー表面の軟化溶融による粘着性が低減する。

本発明において、請求項１に記載の石炭ガス化システムによれば、チャーが配管の内面や熱回収器の伝熱管などに付着するのを防止し、チャー回収装置におけるチャーの回収効率を高めることができる。
また、チャーを配管により付着しにくくし、チャーの回収効率をさらに高めることができる。
また、チャー表面の粘着性をより低減させ、チャー回収装置におけるチャーの回収効率を高めることができる。

本発明の実施形態の石炭ガス化システムのブロック図である。同石炭ガス化システムにおける急冷器の要部断面図である。

以下、本発明に係る石炭ガス化システムの一実施形態を、図１および図２を参照しながら説明する。本石炭ガス化システムは、石炭をガス化させることで少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを製造するプラント設備である。
本実施形態の石炭ガス化システム１は、ガス化反応器（石炭ガス化反応炉）１１と、急冷器（急冷装置）１２と、熱回収器１３と、チャー回収器（チャー回収装置）１４と、シフト反応器１５とを備えている。

本実施形態の石炭ガス化システム１には、亜瀝青炭や褐炭など、様々な種類の石炭を用いることができる。一般に、石炭は外径が不均一であり、亜瀝青炭や褐炭には、たとえば３０〜６０％程度もの多量の水分が含有されている。そこで、不図示の粉砕・乾燥器において加熱し、含有水分を２％〜２０％まで乾燥させるとともに外径をたとえば１０μｍ以上１００μｍ以下程度の粒状となるように粉砕された石炭を、不図示の石炭供給器に供給する。
石炭供給器は、一般的には、窒素ガスなどを搬送ガスとして、石炭をガス化反応器１１に気流搬送により供給する。

ガス化反応器１１は、下段に配置された部分酸化部２１、および部分酸化部２１に連通した状態で上段に配置された熱分解部２２を有して二段構造に構成されている。部分酸化部２１の下方には、部分酸化部２１に連通する不図示のスラグ冷却水槽が設けられている。部分酸化部２１および熱分解部２２は、内部に所定の大きさの空間が設けられた反応容器であり、スラグ冷却水槽とともに耐熱性の耐火物や水冷壁などで形成されている。
部分酸化部２１内には、不図示のガス化バーナーを通して、石炭供給器により石炭が供給され、不図示の空気分離器で分離した酸素ガス、および熱回収器１３で発生した水蒸気がそれぞれ供給される。また、部分酸化部２１内には、ガス化バーナー若しくは不図示のチャーバーナーを通してチャー回収器１４によりチャーが供給される。

部分酸化部２１内に供給された粒状の石炭、チャー、酸素ガスおよび水蒸気は、部分酸化部２１内を旋回しながら上昇する。このとき、部分酸化部２１内は、高温・高圧（たとえば、温度が１２５０℃以上（好ましくは、１３００℃以上１６００℃以下）であって、圧力が１ＭＰａ以上（好ましくは、２.０ＭＰａ以上４．０ＭＰａ以下）。）になっている。
この環境下で石炭およびチャーが加熱され、まず、揮発成分と炭素分に分解する。タールおよび水蒸気などを含む揮発成分は、酸素や水蒸気と反応して高温の一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素ガスに分解し、石炭およびチャー中の炭素が下記の化学反応式（１）〜（３）によりガス化することで、高温の一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素ガスおよびスラグ（灰分）が発生する。
２Ｃ＋Ｏ_２→２ＣＯ・・・（１）
Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２・・・（２）
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２・・・（３）

部分酸化部２１内で発生した高温の一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素ガス、水蒸気、および未反応カーボンなどは旋回しながら部分酸化部２１内を上昇し、熱分解部２２内に移動する。
部分酸化部２１内で発生したスラグは溶融した状態となっているが、一部が部分酸化部２１の内面で冷やされてこの内面に付着し、その他の部分がスラグ冷却水槽の水中に落ちて冷やされ、回収される。

熱分解部２２内には、石炭供給器から石炭が供給される（熱回収器１３から水蒸気が供給されてもよい。）。
熱分解部２２内に供給される石炭は、熱分解によりチャーと一酸化炭素ガスと水素ガスとメタンガスとに分解される。

また、熱分解部２２内に供給された石炭中の炭素の一部は、熱分解部２２内の二酸化炭素ガスや水蒸気と反応して下記の化学反応式（４）および（５）により一酸化炭素ガスになる。
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２・・・（４）
Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ・・・（５）

本実施形態では、熱分解部２２で発生した、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、および水素ガスなどからなる粗合成ガスとチャーとを含むガス状体は、熱分解部２２で９５０℃以上１２００℃以下（好ましくは、１０００℃以上１１５０℃以下）に加熱されている。
熱分解部２２では部分酸化部２１に対して内部の温度が低下した状態となっていて、熱分解部２２で１次冷却が行われる。
そして、熱分解部２２でガス状体が製造され、急冷器１２に供給される。

図２に示すように、本実施形態では急冷器１２としてクエンチャーが用いられ、急冷器１２で２次冷却が行われる。急冷器１２は、管状に形成された本体３１と、本体３１の内面を覆う断熱物３２ａ、３２ｂと、本体３１内に冷却水を噴霧する複数（３つ以上が好ましい。ここでは３つとする。）のスプレーノズル３３（２つのスプレーノズル３３は不図示）とを有している。
本体３１の内側は、耐熱性の耐火物で形成されている。断熱物３２ａ、３２ｂとしては、不定形耐火物やレンガなどを好適に用いることができる。
スプレーノズル３３の先端には不図示のチップが設けられていて、このチップにより、高い圧力が印加された冷却用の水（図１参照）は、１５０μｍ以下（好ましくは１００μｍ以下）の噴霧径となって本体３１内に噴霧することができる。３つのスプレーノズル３３は、本体３１の中心軸線Ｃ回りに等角度ごとに配置されている。

このように構成された急冷器１２は、本体３１内に供給されたガス状体を水の蒸発潜熱により、９００℃以下（好ましくは、３００℃以上７００℃以下）に冷却する。急冷器１２におけるガス状体を冷却する速度は、１秒当たり２００℃以上に調節されている。急冷器１２で急速に冷却されたチャーは、微粉形状のまま軟化溶融性がなくなり、配管の内面などに付着しなくなり、全て下流に搬送されていく。
急冷器１２で冷却されたガス状体は、図１に示すように熱回収器１３に搬送される。

熱回収器１３では、ガス状体が冷却水と熱交換することで冷却されるとともに、冷却水が水蒸気となる。熱回収器１３で発生した水蒸気は、部分酸化部２１および熱分解部２２に供給される。
熱回収器１３で冷却されたガス状体は、チャー回収器１４に供給される。チャー回収器１４には不図示のサイクロンやフィルタが内蔵されていて、このサイクロンやフィルタは、搬送されるガス状体中に配置される。サイクロンやフィルタによってガス状体より分離回収されたチャーは、搬送ガスとともに部分酸化部２１内に供給される。
チャー回収器１４を通過したガス状体は、シフト反応器１５に供給される。そして、ガス状体中における一酸化炭素ガスに対する水素ガスの比率を一定の値まで高めるために、ガス状体中に水蒸気が供給され、下記の化学反応式（６）で示されるシフト反応により、ガス状体中の一酸化炭素ガスが消費されて水素ガスが発生する。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・（６）

シフト反応器１５で成分を調節されたガス状体は、不図示のガス冷却・ガス精製器によりガス状体中に含まれる硫黄を成分として含むガスや二酸化炭素ガスなどが回収される。
ガス冷却・ガス精製器でガス状体から分離された水素ガスおよび一酸化炭素ガスなどは、合成ガスとして下流の工程に搬送され、メタンやメタノールなどが製造される。

以上説明したように、本実施形態の石炭ガス化システム１によれば、熱分解部２２で発生したチャーを含むガス状体を急冷器１２で冷却することで、チャー表面の粘着性が低減する。したがって、チャーが配管の内面などに付着するのを防止し、チャー回収器１４におけるチャーの回収効率を高めることができる。
熱分解部２２で９５０℃以上１２００℃以下に加熱されたガス状体を、急冷器１２において９００℃以下まで冷却する。このようにすることで、チャーの軟化溶融による粘着性をより低減させ、チャー回収器１４におけるチャーの回収効率を高めることができる。

また、急冷器１２におけるガス状体を冷却する速度は、１秒当たり２００℃以上である。このため、チャーを配管により付着しにくくし、チャーの回収効率をさらに高めることができる。
チャーは、高温下では付着しやすい性質があり、壁への衝突などにより容易に付着する。そこで、チャーが付着しなくなる温度まで速やかに冷却する必要がある。
しかしながら、チャーのような粉体はガスを媒体として冷却されるので、ガスの温度を速やかに下げることがチャーの冷却にとって重要となる。従来のガス冷却の知見から、ガスを速やかに冷却するためには、噴霧水の液滴径を１５０μｍ以下のように小さくすればよいことが知られている。その冷却速度を基準に、ガス状体を１秒当たり２００℃以上の冷却速度で冷却することが、チャーの付着等を最も少なくする方法である。

本実施形態の急冷器１２で冷却されたチャーは微粉形状のままとなるため、チャー回収器１４で回収されたチャーを部分酸化部２１に１００％リサイクルすることができる。
チャーが配管の内面などに付着しにくくなることで、熱回収器１３およびチャー回収器１４などの急冷器１２より下流（後段）の設備にチャーが付着するのを抑え、熱回収器１３などが故障する（能力低下する）のを防止することができる。
急冷器１２では、冷却用の水が気化して水蒸気となる。この水蒸気は、シフト反応器１５において上述の化学反応式（６）で示されるシフト反応に用いられるため、シフト反応器１５で外部から供給する水蒸気量を低減させることができる。

なお、本実施形態の石炭ガス化システム１において熱分解部２２を備えない場合には、製造ガスの熱が主な転換熱ロスとなり、約８０％の冷ガス効率しか得られないことが分かっている。ここで、冷ガス効率とは、原料投入石炭の熱量に対する製造ガスの熱量に１００を掛けた値であり、投入した石炭の熱量が製造したガスの熱量にどれだけ転換できたかを表す指標である。
本実施形態のガス化反応器１１は熱分解部２２を備えることで、部分酸化部２１のガスの熱を熱分解部２２の石炭の熱分解に利用して、冷ガス効率を５％程度向上することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更なども含まれる。
たとえば、本発明の急冷器を従来の石炭ガス化炉からのチャーを含むガス状体に適用することで、チャーの付着性を低減することができ、チャーを高回収率で回収することも可能である。

（実施例）
前記石炭ガス化システム１を用いて試験を行い、急冷器１２においてガス状体を７００℃まで冷却する条件で石炭ガス化システム１を運転した。このとき、急冷器１２から搬送されるガス状体は塊状化せずに微粉形状を維持し、ガス状体を搬送する配管の内面にチャーは付着しないことが分かった。
熱分解部２２で発生したチャーは、チャー回収器１４で９９％以上回収することができ、チャー回収器１４で回収されたチャーは、部分酸化部２１に１００％リサイクルすることができた。これにより、石炭ガス化システム１のＣ転換率（ガス中の炭素の質量を原料中の炭素の質量で割った値に１００を掛けた値。）を９９％以上にするとともに、冷ガス効率を８５％にすることができた。

これに対して、比較例として、石炭ガス化システム１において急冷器１２を備えないものを用いて運転した。この場合、配管の内面などにチャーが付着して石炭ガス化システムを継続的に運転できなくなることが分かった。比較例の石炭ガス化システムのＣ転換率は、９７％に低下し、冷ガス効率も約１％低下した。

１石炭ガス化システム
１１ガス化反応器（石炭ガス化反応炉）
１２急冷器（急冷装置）
１４チャー回収器（チャー回収装置）
２１部分酸化部
２２熱分解部

Claims

石炭をガス化させることで少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを製造する石炭ガス化システムであって、
下段に配置され前記石炭を部分燃焼させる部分酸化部、および前記部分酸化部に連通して上段に配置され前記石炭を熱分解させる熱分解部を有する二段構造の石炭ガス化反応炉と、
入口部及び出口部を絞り中間部を膨らませた管状に形成され、前記熱分解部で発生したチャーを含むガス状体を冷却する急冷装置と、
前記急冷装置で冷却された前記ガス状体を冷却水と熱交換させることで冷却するとともに水蒸気を発生させる熱回収装置と、
前記急冷装置で冷却されるとともに前記熱回収装置から供給された前記ガス状体から前記チャーを回収するチャー回収装置と、
を備え、
前記熱分解部で９５０℃以上１２００℃以下に加熱された前記ガス状体を、前記急冷装置において３００℃以上７００℃以下まで冷却し、
前記急冷装置では、前記中間部に向かうように前記入口部に前記急冷装置の中心軸線回りに等角度ごとに配置した複数のスプレーノズルから噴霧した噴霧径が１５０μｍ以下の水により前記ガス状体を冷却して、前記急冷装置における前記ガス状体を冷却する速度を１秒当たり２００℃以上にすることを特徴とする石炭ガス化システム。