JP5998778B2 - チャー固定床改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、チャー固定床改質装置に関するものである。

従来、石炭、石油精製残渣、木材チップや汚泥等の生物由来の炭素含有原料を加熱してガス化するガス化システムが知られており、ガス化システムで生成したガス化ガスを燃料として発電を行うガス化発電システム等が開発されるに至っている。

ガス化発電システムでは、ガス化炉において炭素含有原料を無酸素下で６００〜８００℃前後の高温に加熱することで熱分解を行っており、炭素含有原料の揮発分は２００〜５００℃前後の温度でガス化され、これと並行して８００℃以下の温度で炭素分がガス化され、このようにして生成されたガス化ガスは、後段のガスタービン発電やガスエンジン発電、燃料電池等の種々の発電用設備に供給して利用される。

ところで、前記炭素含有原料から生成されるガス化ガスの成分は、処理温度や滞留時間、炭素含有原料の水分、ガス化条件等により異なるが、主に水素［Ｈ₂］、一酸化炭素［ＣＯ］、炭化水素［ＣＨ］等である。又、このガス化ガス中の炭化水素は、ＣＨ₄やＣ₂Ｈ₆等が主成分であるが、Ｃ₃以上の鎖式炭化水素や芳香族炭化水素も含まれている。これら高級炭化水素類は約５００℃以上の高温中ではガス状で存在しているが、低温になると凝縮して、タールと呼ばれる液状物質となる。

ガス化システムによって生成したガス化ガスを使用する発電用設備の利用形態にもよるが、ガスエンジン発電や燃料電池等ではガス化ガスを常温で使用することが前提となっているため、ガスエンジン発電や燃料電池等に供給するガス化ガスの温度は一旦常温まで下げる必要がある。このようにガス化ガスの温度を常温まで下げると、ガス化ガス中のタール分は凝縮し、配管中等に付着して配管を閉塞させる、或いは、例えばガスエンジン発電の場合には、タール分が点火プラグに付着して着火不良を発生する等の不具合を生じる虞れがある。

このような問題に対処するために、ガス化ガスのタールを改質する一般的な技術を示すものとしては特許文献１〜３がある。特許文献１は、流動層ガス化炉からのガス化ガスを導入する改質炉（旋回式溶融炉）に酸素を供給して１３００℃以上の高温を保持することによりタールを改質する有機性廃棄物の二段ガス化方法及び装置である。特許文献２は、ガス化炉のガス化ガス出口部に金属担持ハニカム触媒を備えることでタールを改質するようにした流動層ガス化炉、ガス燃料製造方法、およびガス発電システムである。特許文献３は、ガス化ガスの通路にセラミック蓄熱体を備えることでタールを改質するバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置である。

しかし、特許文献１は、改質炉に酸素を供給して１３００℃以上の高温に維持する必要があるため、大量の酸素が必要になることから運転コストが増加すると共に、改質炉に備える耐火材のコストが増加する問題がある。

又、特許文献２は、金属担持ハニカム触媒にタールが凝縮することで触媒を閉塞する可能性がある。又、金属担持ハニカム触媒上にコークが析出することで触媒が失活する可能性がある。更に、金属担持ハニカム触媒の費用及びメンテナンス費用のためにランニングコストが増加する問題がある。

又、特許文献３は、セラミック蓄熱体に灰が堆積することでセラミック蓄熱体が閉塞する可能性がある。又、セラミック蓄熱体が閉塞した場合には、交換が必要であるが、メンテナンスが困難でありコストが増加する問題がある。

一方、バイオマスや石炭系資源を乾留により熱分解して得た炭化物粒（木炭粒）をタール改質反応器の内部に充填し、この炭化物粒がタールの吸着機能と水蒸気改質用の触媒機能とを発揮することでタールを改質するようにしたタール改質反応器がある（特許文献４）。

特許第３４１５７４８号公報 特開２００４−２９２７２０号公報 特開２００５−０６０５３３号公報 特開２００８−２９７５０９号公報

特許文献４は、タール改質反応器に充填した炭化物粒が触媒として作用するため、タール改質のための温度を低下させことができ、且つ、触媒の費用を削減することができるが、炭化物粒はタールの改質反応によって減量する。このため、特許文献４では、別の場所においてバイオマスや石炭系資源を乾留により熱分解して炭化物粒を製造し、このようにして製造した炭化物粒を、タール改質反応器に供給し続ける必要がある。従って、特許文献４では、炭化物粒を製造するための設備が別個に必要であることから、設備全体が大掛かりになるという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、固定床上でチャーを製造しつつそのチャーによりタールの改質を行わせることで装置の簡略化が図れるようにしたチャー固定床改質装置を提供しようとするものである。

本発明は、炭素含有原料をガス化するガス化装置からのタールを含むガス化ガスを導入してガス化ガス中のタールを改質するチャー固定床改質装置であって、
炉本体と、該炉本体内の上下方向途中に設置して連通孔により連通する上部空間と下部空間を区画する火格子と、前記上部空間にガス化炉からのタールを含むガス化ガスを導入するガス化ガス導入路と、前記下部空間から改質ガスを導出する改質ガス導出路と、前記上部空間に炭素含有原料供給装置からの炭素含有原料を供給する炭素含有原料供給路と、前記上部空間に酸素製造装置からの酸素を供給する酸素供給路を有し、
前記上部空間に、前記ガス化炉からのタールを含むガス化ガスと、前記炭素含有原料供給装置からの炭素含有原料と、前記酸素製造装置からの酸素を供給して燃焼することにより、前記炭素含有原料供給装置からの炭素含有原料の揮発分が燃焼することで生成したチャーが前記火格子上に落下してチャー固定床が形成され、設定改質温度に維持されたチャー固定床をガス化ガスが流通する際にタールがチャーに吸着されて該チャーを触媒としてタールの改質が行われると共にチャーのガス化が行われることを特徴とするチャー固定床改質装置、に係るものである。

上記チャー固定床改質装置において、前記火格子は前記炉本体の内側中心が高く外周部が低く形成された円錐形状を有し、前記炭素含有原料供給装置からの炭素含有原料が前記火格子の円錐形状の頂部上に供給されることは好ましい。

又、上記チャー固定床改質装置において、前記チャー固定床が設定改質温度に維持されるように前記酸素製造装置による酸素の供給を調節することは好ましい。

又、上記チャー固定床改質装置において、前記炉本体の上部に、前記ガス化炉からのガス化ガスと炭素含有原料供給装置からの炭素含有原料を予め混合して上部空間に供給する予混合室を有することが好ましい。

又、上記チャー固定床改質装置において、前記改質ガス導出路の改質ガスの炭化水素濃度が設定濃度幅内に維持されるように前記炭素含有原料供給装置による炭素含有原料の供給を調節することが好ましい。

本発明によれば、炉本体の上部空間に炭素含有原料を供給することで火格子上にチャー固定床が形成され、該チャー固定床をガス化ガスが流通する際にガス化ガスに含まれるタールがチャーに吸着されて改質し且つチャーがガス化されるので、炭素含有原料の供給によりチャーを製造しつつタールの改質ができることから、チャー製造のための装置を省略できるという優れた効果を奏し得る。

（ａ）は本発明のチャー固定床改質装置の一実施例の概略を示す側面図、（ｂ）は（ａ）をＩＢ−ＩＢ方向から見た平面図である。 図１の火格子の連通孔の形状例を示す平面図であり、（ａ）は円形の連通孔の場合、（ｂ）は矩形の連通孔の場合、（ｃ）は同心円の連通孔の場合を示す。 図１の火格子の部分拡大図である。 図１のチャー固定床改質装置の運転を制御する制御装置の構成を示すブロック図であり、（ａ）はチャー固定床の温度制御器、（ｂ）は改質ガスの炭化水素濃度制御器、（ｃ）はチャー固定床の差圧制御器を示す。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１は本発明のチャー固定床改質装置の一実施例を示すもので、チャー固定床改質装置１は、円筒状を有して軸心線が鉛直方向に向けられた炉本体２を有しており、該炉本体２内部における上下方向の途中位置には、連通孔３によって連通される上部空間４と下部空間５を区画する火格子６が設置してあり、該火格子６は前記炉本体２の内側中心が高い頂部６ａを形成し外周部６ｂが低く形成された円錐形状を有している。図２は前記火格子６の連通孔３の形状を示す平面図であり、（ａ）は円形の連通孔３ａの場合を示し、（ｂ）は矩形の連通孔３ｂの場合を示し、（ｃ）は同心円の連通孔３ｃの場合を示している。

前記炉本体２の火格子６よりも上部位置には、ガス化炉７により原料をガス化して生成した７００〜８００℃前後のタールを含むガス化ガス８を前記上部空間４に導入するためのガス化ガス導入路９と、炭素含有原料供給装置１０からの石炭或いは石油コークス等の炭素含有原料１１を前記上部空間４における前記火格子６の円錐形状の頂部６ａ上に供給するようにした炭素含有原料供給路１２と、酸素製造装置１３からの酸素［Ｏ₂］１４を前記上部空間４に供給するための酸素供給路１５を設けている。前記炭素含有原料供給装置１０から前記上部空間４に供給する炭素含有原料１１としては、炭素含有量が大きく灰分が少ない石炭或いは石油コークスを用いることができるが、これ以外に、炭素を含むバイオマス、有機質汚泥、有機固体燃料等も用いることができる。前記夫々の炭素含有原料１１は単独で供給しても或いは混合して供給してもよい。

尚、前記炉本体２の上部には、前記ガス化炉７からのガス化ガス８と炭素含有原料供給装置１０からの炭素含有原料１１を予め混合して上部空間４に供給するようにした予混合室１６を設けている。

又、前記酸素製造装置１３からの酸素１４を前記上部空間４に供給する酸素供給路１５には、図１（ｂ）に示すように、前記上部空間４に対して周方向から均等に酸素１４を供給するために、環状管１７に複数の吹込み口１８を備えたマニホールドの構造を用いることができる。

又、前記炉本体２の下部には、前記下部空間５の改質ガス８ａを導出して図示しない発電用設備等に供給するための改質ガス導出路１９を設けている。更に前記炉本体２の下端部には下方に向かって縮径された縮径部２０が形成してあり、該縮径部２０の下端には灰取出口２１が設けられている。

前記上部空間４に、前記ガス化炉７からのタールを含むガス化ガス８と、前記炭素含有原料供給装置１０からの炭素含有原料１１と、前記酸素製造装置１３からの酸素１４を供給すると、ガス化ガス８の一部と炭素含有原料１１の揮発分が燃焼することにより、上部空間４の温度は前記ガス化ガス８の温度（７００〜８００℃）よりも上昇する。

前記炭素含有原料１１の揮発分が燃焼することにより多孔質のチャー２２が生成され、このチャー２２が前記火格子６上に落下して堆積することにより前記火格子６上にチャー固定床２３が形成される。

チャー固定床２３が所定の設定改質温度に維持されていると、前記ガス化ガス８がチャー固定床２３におけるチャー２２の粒子間を流通する際にタールはチャー２２に吸着され、該チャー２２が触媒となってタールの改質を行う。更に、チャー２２自身は前記設定改質温度とガス化ガス８の流通によりガス化される。

図１中、２４は前記チャー固定床改質装置１の運転を制御する制御装置であり、該制御装置２４には、前記チャー固定床２３の温度を検出する固定床温度計２５からの固定床温度２５ａと、前記上部空間４での燃焼温度を検出する燃焼温度計２６からの燃焼温度２６ａと、前記改質ガス導出路１９に設けた改質ガス８ａの炭化水素濃度を検出する炭化水素濃度検出器２７からの検出濃度２７ａと、前記炉本体２の上部空間４と下部空間５との差圧を検出する差圧計２８からの差圧２８ａが入力されており、前記制御装置２４は、前記酸素製造装置１３に酸素供給指令信号２９を出力して酸素１４の供給量を制御する共に、前記炭素含有原料供給装置１０に炭素含有原料供給指令信号３０を出力して炭素含有原料１１の供給量を制御するようにしている。

前記制御装置２４は、図４（ａ）に示すチャー固定床の温度制御器３１を有しており、該温度制御器３１は、前記チャー固定床２３の温度を検出する前記固定床温度計２５からの固定床温度２５ａが８００℃以上の設定改質温度Ａに維持されるように、前記前記酸素製造装置１３に酸素供給指令信号２９を送って酸素１４の供給量を調節するようにしている。この酸素１４の供給量の調節は連続制御としてもよく、又、図４（ａ）に示す如く、８００℃以上の任意の温度に設定した設定改質温度Ａの閾値よりも温度小のときに酸素１４の供給を開始し、設定改質温度Ａの閾値よりも温度大のときに酸素１４の供給を停止するようにしてもよい。

尚、前記チャー固定床２３のチャー２２によるタールの改質及びチャー２２のガス化は吸熱反応でありチャー固定床２３の温度は低下するため、タールの改質及びチャー２２のガス化を安定して行わせるためにチャー固定床２３の温度は８００℃以上の設定改質温度Ａに設定する。ここで、前記前記燃焼温度計２６によって検出される上部空間４の燃焼温度２６ａは灰の溶融を生じない１１００℃以下の温度に保持することが好ましい。即ち、灰が溶融した場合には、溶融した灰が炉本体２における上部空間４の内面及びチャー２２に付着することが考えられるため、上部空間４の燃焼温度は灰が溶融しない１１００℃以下に保持するようにしている。従って、前記チャー固定床２３の設定改質温度Ａは、チャー２２によるタールの改質及びチャー２２のガス化が安定して行われる８００℃或いはそれよりも僅かに高い温度（できるだけ低い温度）に設定することが、酸素１４の使用量を抑制できることからも好ましい。

又、前記制御装置２４は、図４（ｂ）に示す改質ガス８ａの炭化水素濃度制御器３２を有しており、該炭化水素濃度制御器３２は、前記炭化水素濃度検出器２７からの検出濃度２７ａが設定濃度Ｂ（所定の幅を有して設定される）になるように前記炭素含有原料供給装置１０に炭素含有原料供給指令信号３０を送って炭素含有原料１１の供給量を調節するようにしている。この炭素含有原料１１の供給量の調節は連続制御としてもよく、又、図４（ｂ）に示す如く、任意に設定した設定濃度Ｂの閾値よりも濃度小のときに炭素含有原料１１の供給を開始し、設定濃度Ｂの閾値よりも濃度大のときに炭素含有原料１１の供給を停止するようにしてもよい。

又、前記制御装置２４は、図４（ｃ）に示すチャー固定床２３の差圧制御器３３を有しており、該差圧制御器３３は、前記差圧計２８からの差圧２８ａが設定差圧Ｃになるように前記炭素含有原料供給装置１０に炭素含有原料供給指令信号３０を送って炭素含有原料１１の供給量を調節するようにしている。この差圧制御器３３は、設定差圧Ｃの閾値よりも差圧小のときに炭素含有原料１１の供給を開始し、設定差圧Ｃの閾値よりも差圧大のときに炭素含有原料１１の供給を停止することで、チャー固定床２３の層厚を一定範囲内に維持するための安全装置として作用する。

次に、上記実施例の作動を説明する。

図１において、前記ガス化炉７からのタールを含むガス化ガス８を前記炉本体２に備えた前記予混合室１６に供給すると共に、前記炭素含有原料供給装置１０からの炭素含有原料１１を予混合室１６に供給することにより、ガス化ガス８と炭素含有原料１１を予混合して炉本体２の上部空間４に供給し、且つ、前記酸素製造装置１３からの酸素１４を前記上部空間４に供給すると、上部空間４において、前記ガス化ガス８の一部と炭素含有原料１１の揮発分が燃焼する。この燃焼により、上部空間４の温度は前記ガス化ガス８の温度（７００〜８００℃）よりも上昇する。

ここで、前記上部空間４でガス化ガス８の一部と炭素含有原料１１の揮発分が燃焼することにより、前記固定床温度計２５で検出した前記チャー固定床２３の固定床温度２５ａが８００℃以上の所定の設定改質温度Ａ（図４（ａ）参照）に維持されるように酸素１４の供給を制御する。更にこの時、前記燃焼温度計２６により検出される上部空間４の燃焼温度２６ａが灰の溶融を生じない１１００℃以下になるように前記設定改質温度Ａの設定を行う。

従って、前記炭素含有原料供給装置１０により供給される炭素含有原料１１は揮発分が燃焼することで多孔質のチャー２２を生成し、このチャー２２は前記火格子６上に落下して堆積することでチャー固定床２３を形成する。

例えば、瀝青炭は揮発分が２６％前後、固定炭素が５６％前後であるのに対し、石油コークスは揮発分が１０〜１３％前後、固定炭素が８７〜９０％前後であり、この石炭及び石油コークスはいずれも前記炉本体２に供給することにより、チャー２２を生成させてチャー固定床２３を形成することができる。

前記炉本体２の上部には、前記ガス化炉７からのガス化ガス８と炭素含有原料供給装置１０からの炭素含有原料１１を予め混合して上部空間４に供給する予混合室１６を設けているので、炭素含有原料１１がガス化ガス８によって加熱される時間が長く保持され、これにより、炭素含有原料１１は予混合室１６及び上部空間４で揮発分の燃焼がほぼ終了しチャー２２となってチャー固定床２３上に落下する。

図４（ｃ）に示す差圧制御器３３は、前記差圧計２８からの差圧２８ａが設定差圧Ｃになるように前記炭素含有原料供給装置１０に炭素含有原料供給指令信号３０を送って炭素含有原料１１の供給量を調節しているので、チャー固定床２３の層厚は常に一定の範囲内に維持される。

更に、図４（ａ）に示すチャー固定床２３の温度制御器３１は、前記チャー固定床２３の温度を検出する前記固定床温度計２５からの固定床温度２５ａが８００℃以上の設定改質温度Ａに維持されるように、前記前記酸素製造装置１３に酸素供給指令信号２９を送って酸素１４の供給量を調節する。

従って、前記予混合室１６から前記上部空間４に供給されるガス化ガス８は、前記チャー固定床２３におけるチャー２２の粒子間を流通し、火格子６の連通孔３を通して下部空間５に向かうようになる。

ガス化ガス８がチャー２２の粒子間を流通する際、ガス化ガス８に含まれるタール（前記炭素含有原料１１の燃焼によって発生するタールも含む）は、多孔質のチャー２２に吸着され、該チャー２２が触媒となってタールの改質を行う。このタールの改質は、前記チャー固定床２３の比較的上層部で行われ、前記チャー固定床２３の下層部では、チャー２２自身が前記設定改質温度Ａとガス化ガス８の流通によりガス化され、チャー２２は順次小径の粒子となる。

前記したように層厚が調整されたチャー固定床２３によってタールの改質が安定して行われ、タールの改質が行われた前記ガス化ガス８と、前記チャー２２がガス化されたガス化ガスとからなるタールを含まない改質ガス８ａは、改質ガス導出路１９から導出され、発電用設備等に供給される。

前記チャー固定床２３のチャー２２がガス化されて生じた灰は、前記火格子６の連通孔３から下部空間５内に落下し、縮径部２０の下端に設けた灰取出口２１に集められて外部に取り出される。

前記火格子６は、内側中心が高い頂部６ａを形成し外周部６ｂが低く形成された円錐形状を有しているため、図３に示すように、前記チャー固定床２３のチャー２２は、チャー２２自身がガス化されることで順次粒径が減少することと連通孔３から灰が除去されることにより、チャー２２の粒子は順次下方へ移動し、且つ円錐形状の火格子６の傾斜に沿って矢印で示すように移動するので、火格子６の連通孔３が目詰まりする問題は防止され、よってタールの改質は安定して継続される。

前記実施例において、前記チャー固定床２３の固定床温度２５ａは設定改質温度Ａの最も低い温度である８００℃に設定してもチャー２２の触媒作用によりタールの改質とチャー２２のガス化が安定して行われるため、上部空間４での燃焼温度は灰が溶融しない１１００℃以下に保持することができ、このように、上部空間４の燃焼温度を低下できることにより、酸素１４の供給量を削減して酸素１４の製造コストを低減できると共に、耐火材のコストを低減することができる。

又、前記したように、前記炉本体２の上部空間４に炭素含有原料１１を供給して該炭素含有原料１１の揮発分を燃焼させることで上部空間４の温度を高めるようにしたので、上部空間４の燃焼温度２６ａを所定の温度に維持するために燃焼するガス化ガス８の量を減少することができて製品としての改質ガス８ａの収量を高めることができる。又、前記改質ガス導出路１９の改質ガス８ａの炭化水素の検出濃度２７ａが設定濃度Ｂ幅内に維持されるように前記炭素含有原料供給装置１０による炭素含有原料１１の供給量を調節することにより、改質ガス導出路１９から取り出される改質ガス８ａの炭化水素の濃度を安定させることができる。

上記実施例では、前記炭素含有原料供給装置１０によって炭素含有原料１１を前記火格子６上の上部空間４に供給することにより、チャー２２を製造しつつ該チャー２２によるタールの改質ができるため、チャー製造のための装置を省略することができる。

尚、本発明のチャー固定床改質装置は、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 チャー固定床改質装置
２ 炉本体
３ 連通孔
４ 上部空間
５ 下部空間
６ 火格子
７ ガス化炉
８ ガス化ガス
８ａ 改質ガス
９ ガス化ガス導入路
１０ 炭素含有原料供給装置
１１ 炭素含有原料
１２ 炭素含有原料供給路
１３ 酸素製造装置
１４ 酸素
１５ 酸素供給路
１６ 予混合室
１９ 改質ガス導出路
２２ チャー
２３ チャー固定床
２６ａ 燃焼温度
２７ａ 検出濃度
Ａ 設定改質温度
Ｂ 設定濃度

Claims (5)

1. 炭素含有原料をガス化するガス化装置からのタールを含むガス化ガスを導入してガス化ガス中のタールを改質するチャー固定床改質装置であって、
   炉本体と、該炉本体内の上下方向途中に設置して連通孔により連通する上部空間と下部空間を区画する火格子と、前記上部空間にガス化炉からのタールを含むガス化ガスを導入するガス化ガス導入路と、前記下部空間から改質ガスを導出する改質ガス導出路と、前記上部空間に炭素含有原料供給装置からの炭素含有原料を供給する炭素含有原料供給路と、前記上部空間に酸素製造装置からの酸素を供給する酸素供給路を有し、
   前記上部空間に、前記ガス化炉からのタールを含むガス化ガスと、前記炭素含有原料供給装置からの炭素含有原料と、前記酸素製造装置からの酸素を供給して燃焼することにより、前記炭素含有原料供給装置からの炭素含有原料の揮発分が燃焼することで生成したチャーが前記火格子上に落下してチャー固定床が形成され、設定改質温度に維持されたチャー固定床をガス化ガスが流通する際にタールがチャーに吸着されて該チャーを触媒としてタールの改質が行われると共にチャーのガス化が行われることを特徴とするチャー固定床改質装置。
2. 前記火格子は前記炉本体の内側中心が高く外周部が低く形成された円錐形状を有し、前記炭素含有原料供給装置からの炭素含有原料が前記火格子の円錐形状の頂部上に供給されることを特徴とする請求項１に記載のチャー固定床改質装置。
3. 前記チャー固定床が設定改質温度に維持されるように前記酸素製造装置による酸素の供給を調節することを特徴とする請求項１又は２に記載のチャー固定床改質装置。
4. 前記炉本体の上部に、前記ガス化炉からのガス化ガスと炭素含有原料供給装置からの炭素含有原料を予め混合して上部空間に供給する予混合室を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のチャー固定床改質装置。
5. 前記改質ガス導出路の改質ガスの炭化水素濃度が設定濃度幅内に維持されるように前記炭素含有原料供給装置による炭素含有原料の供給を調節することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のチャー固定床改質装置。
   
   

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