JP6098129B2 - 循環流動層ガス化炉 - Google Patents

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Description

本発明は、循環流動層ガス化炉に関するものである。
近年、石油に代えて、石炭やバイオマス等の有機固体原料をガス化してガス化ガスを生成する技術が開発されている。生成したガス化ガスは、複合発電システムの燃料として利用され、或いは、水素の製造、合成燃料(合成天然ガス、合成石油)の製造、化学肥料(尿素)等の化学製品の製造等に利用されている。上記ガス化ガス製造の原料となる有機固体原料のうち、特に石炭は、石油に比して可採年数が長いことが分かっており、又、石油と比較して埋蔵地が偏在しておらず且つ埋蔵量が大きいことから、長期に亘り安定供給が可能な天然資源として期待されている。
従来、このような石炭をガス化する技術としては、酸素や空気を用いて石炭を部分酸化してガス化することが行われていたが、かかる従来のガス化技術では、1800℃程度の高温、3MPa程度の高圧を保持する必要があるため、特別な耐熱、耐圧材料を必要とし、ガス化炉のコストが高くなる傾向にあった。
この間題を解決するために、水蒸気を利用し、700℃〜900℃程度の比較的低温で且つ略常圧において石炭をガス化する技術が開発されている。この技術によれば、温度および圧力を低く設定できるため、体熱、耐圧構造が不要となり設備コストを低減できるメリットがある。
水蒸気を用いた流動層ガス化炉では、例えば800℃以上の高温に保持した砂等の流動媒体をガス化炉に供給すると共に、当該ガス化炉の下部から水蒸気を供給して流動層を形成し、該流動層にガス化する有機固体原料を投入して流動加熱することにより、原料をガス化してガス化ガスを取り出すようにしている。
上記したように、水蒸気を用いた流動層ガス化炉では、流動層において流動媒体により有機固体原料を加熱し、その加熱した原料に水蒸気を接触させることでガス化を行っているため、このような水蒸気ガス化反応では、前記部分酸化によるガス化方式に比して比較的長い反応時間(滞留時間)が必要となる。このため、水蒸気ガス化を行う際には、原料の滞留時間が確保されるように比較的大きな容積を備えた流動層ガス化炉が用いられている。
従来の流動層ガス化炉としては、水蒸気により原料を吹き上げつつ原料のガス化を行うガス化炉を備え、該ガス化炉の上部から取り出したガス化ガスを粒子分離器(サイクロン)に導いてガス化ガス中に含まれる未反応粒子を分離し、分離した未反応粒子の一部は前記ガス化炉に供給し、又、分離した未反応粒子の残りは、太陽光の熱を利用して熱交換により加熱するようにした加熱器に導いて加熱した後、前記ガス化炉に供給するようにしたものがある(特許文献1参照)。
特開平07−082574号公報
しかし、特許文献1に示す流動層ガス化炉では、粒子分離器で分離して取り出される未反応粒子は外気によって冷却され、更に、太陽光の熱と熱交換して未反応粒子の一部を加熱する加熱器は、太陽光から得られる入熱が不安定であること、及び、熱交換による加熱は効率が低いことから、流動層ガス化炉に供給される未反応粒子の温度を十分に高められない可能性がある。このため、温度が低い未反応粒子を取出管によってガス化炉に供給する際には、取出管の温度が水蒸気の凝縮温度以下に低下し、取出管内に凝縮した水と未反応粒子が固着して未反応粒子の流動性を悪化させる可能性がある。
本発明は、循環流動層ガス化炉において、ガス化ガスに含まれる未反応粒子を分離する粒子分離器からの未反応粒子を取出管により取出して利用する際に、取出管の温度が低下することによって、取出管内に水が凝縮し未反応粒子が固着することにより未反応粒子の流動性が悪化する問題を防止できるようにした循環流動層ガス化炉を提供することを目的としている。
本発明は、水蒸気により流動媒体を流動化して流動層を形成すると共に、流動層に投入した原料を流動媒体が有する熱でガス化してガス化ガスと可燃性固形分を生成するガス化炉と、
該ガス化炉の流動媒体と可燃性固形分をオーバーフロー管を介して導入し、可燃性固形分を燃焼させて流動媒体を加熱する燃焼炉と、
前記燃焼炉からの燃焼ガスを導入して流動媒体と排ガスとに分離し、分離した流動媒体を前記ガス化炉に供給する媒体分離器と、
前記オーバーフロー管に備えられ、前記流動媒体と可燃性固形分を内部に満たして順次下流側へ送り出す粒子貯留部を形成し前記ガス化炉と前記燃焼炉との間のガスの移動を遮断するシール手段と、
前記ガス化炉で生成したガス化ガスを導入してガス化ガス中の未反応粒子を分離し、分離した未反応粒子を取出管により取り出すようにした粒子分離器と、
を有する循環流動層ガス化炉であって、
前記シール手段は、傾斜したオーバーフロー管の途中から下方に曲げられた上流側縦管と、該上流側縦管の下方から横方向に延びた横管と、該横管の端部と前記オーバーフロー管の下流部との間を接続する下流側縦管とを有して粒子貯留部を形成し、且つ、前記横管に流動化ガスを供給して粒子貯留部の流動媒体と可燃性固形分を順次下流側へ送り出す流動化ノズルを備えた抜出ループシールであり、
前記粒子分離器で分離した未反応粒子を取り出す取出管を、前記抜出ループシールの上流側縦管、又は、横管に接続したことを特徴とする循環流動層ガス化炉、に係るものである。
本発明によれば、ガス化ガスの未反応粒子を分離する粒子分離器からの未反応粒子を取出管により取出して利用する際に、取出管の温度を高く保持することができ、取出管内に水が凝縮する問題は防止される。よって、未反応粒子は、粒子貯留部の高温の流動媒体及び可燃性固形分と共に安定して燃焼炉に供給され、加熱用燃料の一部として利用されるという優れた効果を奏し得る。
本発明を適用した循環流動層ガス化炉の概略的な構成を示す側面図である。 (a)は図1における主要部の構成の一実施例を示す側面図、(b)は図1における主要部の構成の他の実施例を示す側面図である。 ガス化ガスに含まれる未反応粒子を分離する粒子分離器からの未反応粒子を循環流動層ガス化炉のガス化炉に供給するようにした場合の側面図である。
以下に図面を参照しつつ本発明の実施形態について詳細に説明する。
図1は本発明を適用する循環流動層ガス化炉の概略的な構成を示す側面図であり、該循環流動層ガス化炉は、ガス化炉1と燃焼炉8を有している。前記ガス化炉1には、例えば石炭からなる有機固体原料2がガス化炉1の一側(右側壁)の原料投入口2aから投入され、且つ、ガス化剤としての水蒸気によるガス化炉流動用ガス3が下部から供給されて流動媒体4(硅砂等)の流動層5を形成することにより前記原料2のガス化を行い、ガス化ガス6と未反応の可燃性固形分7(チャー)とを生成する。
一方、前記燃焼炉8は、前記ガス化炉1内の流動媒体4及び可燃性固形分7を、前記ガス化炉1の他側(原料投入口2aとは反対側の左側壁)に備えたオーバーフロー管9及び該オーバーフロー管9の途中に備えたシール手段10(抜出ループシール11)を介して導入し、空気又は酸素等の燃焼炉流動用ガス12の供給により前記可燃性固形分7を燃焼させて流動媒体4を加熱しつつ吹き上げるようになっている。
前記抜出ループシール11は、ガス化炉1の出口1'に下り勾配になるように接続したオーバーフロー管9の途中から下方に曲げた上流側縦管11aと、該上流側縦管11aの下方(下端)から燃焼炉8側に向けて横方向に延びた横管11bと、該横管11bの端部と前記オーバーフロー管9の下流部9'との間を接続する下流側縦管11cとを有して、内部に前記流動媒体4と可燃性固形分7が満たされた粒子貯留部Aを形成している。更に、前記横管11bには水蒸気等の流動化ガスを下側から供給する流動化ノズル13が設けてあり、前記ガス化炉1の流動層5からオーバーフロー管9に流出して粒子貯留部Aを満たしている流動媒体4と可燃性固形分7は、流動化ノズル13からの流動化ガスにより流動化して順次燃焼炉8に供給されるようになっている。そして、前記ガス化炉1と前記燃焼炉8の間は、前記抜出ループシール11の粒子貯留部Aによって、ガスの移動が確実に遮断(ガスシール)される。前記抜出ループシール11の粒子貯留部Aは、上流側縦管11aよりも上側のオーバーフロー管9内部における前記出口1'に近い高さ位置まで形成されている。
前記燃焼炉8の上部から吹き出される燃焼ガス14は燃焼ガス管15により媒体分離器16(サイクロン)に導かれて流動媒体4と排ガス17とに分離され、分離した流動媒体4は媒体流下管18及び該媒体流下管18の途中に備えた前記シール手段10と同様のシール手段19を介して前記ガス化炉1に供給される。前記シール手段19はガス化炉1内のガス化ガス6が媒体分離器16に導かれるのを遮断している。
尚、図1中、20は前記ガス化炉1の底部に形成されたウインドボックス、21は該ウインドボックス20へ導入されるガス化炉流動用ガス3をガス化炉1内部へ均一に吹き込んで流動層5を形成するための多数の散気ノズル21aを有する散気板、22は前記燃焼炉8の底部に形成されたウインドボックス、23は該ウインドボックス22へ導入される燃焼炉流動用ガス12を燃焼炉8内部へ均一に吹き込んで流動燃焼させるための多数の散気ノズル23aを有する散気板である。
図1には、前記ガス化炉1から取り出すガス化ガス6に含まれる未反応粒子25を分離する粒子分離器24(サイクロン)が設けてあり、該粒子分離器24で分離した未反応粒子25を取り出す取出管26を、前記オーバーフロー管9に備えたシール手段10の粒子貯留部Aに接続している。これにより、取出管26から落下供給される前記未反応粒子25を、前記粒子貯留部Aの流動媒体4及び可燃性固形分7と共に燃焼炉8に供給して、流動媒体4を加熱するための燃料の一部として利用するようにした本発明の主要部の構成を備えている。図1では、前記粒子分離器24は前記シール手段10の直上に配置してあり、取出管26から流下してくる未反応粒子25はシール手段10の粒子貯留部Aに鉛直に供給されるようにしている。
図2(a)は図1における主要部の構成の一実施例を示すもので、図2(a)の実施例では、前記粒子分離器24からの未反応粒子25を導く取出管26の下端を、前記シール手段10を構成する抜出ループシール11の上流側縦管11aの上端直上に接続している。尚、前記取出管26は、その下端を前記上流側縦管11aの上端直上に接続する以外に、上流側縦管11aにおける上下の途中に接続するようにしてもよい。
図2(b)は図1における主要部の構成の他の実施例を示すもので、図2(b)の実施例では、前記粒子分離器24からの未反応粒子25を導く取出管26の下端を、前記シール手段10を構成する抜出ループシール11の横管11bに接続している。
次に、上記実施例の作動を説明する。
図1の循環流動層ガス化炉において、通常の運転時には、ガス化剤としての水蒸気によるガス化炉流動用ガス3によりガス化炉1の散気板21上に流動層5が形成され、この流動層5上に石炭等の原料2を投入して該原料2のガス化を行うことにより、ガス化ガス6と可燃性固形分7が生成される。ガス化炉1で生成した可燃性固形分7は流動媒体4と共にオーバーフロー管9及び抜出ループシール11を介して燃焼炉8の散気板23上に供給され、下部から供給される燃焼炉流動用ガス12により可燃性固形分7が燃焼することにより流動媒体4を加熱する。燃焼炉8の上部から取り出される燃焼ガス14は、燃焼ガス管15を介して媒体分離器16に導入され、該媒体分離器16において、前記燃焼ガス14から流動媒体4を分離し、該分離した流動媒体4は媒体流下管18及びシール手段19を介して前記ガス化炉1に戻され、循環する。
従って、燃焼炉8で加熱された高温の流動媒体4が供給されるガス化炉1では、原料供給口2aから供給される原料2は熱分解により熱分解ガスを生成し、更に、残渣原料が水蒸気と反応することによって、水性ガス化反応[C+H2O=H2+CO]や水素転換反応[CO+H2O=H2+CO2]が起こり、H2やCO等の可燃性のガス化ガス6を生成する。
上記循環流動層ガス化炉では、ガス化炉1の一側に設けた原料投入口2aから供給された原料2が、流動層5の内部を流動してガス化された後、他側に設けたオーバーフロー管9により可燃性固形分7となって取り出されるため、ガス化炉1内での原料2の滞留時間が十分長く確保され、よって、原料2のガス化効率を高めることができる。
前記ガス化炉1で生成したガス化ガス6は、粒子分離器24に導かれて未反応粒子25が分離された清浄なガス化ガス6となって導出される。
ここで、図2(a)、(b)に示すように、前記粒子分離器24で分離した未反応粒子25を取り出す取出管26の下端を、前記シール手段10を構成する抜出ループシール11の上流側縦管11a、又は、横管11bに接続したので、取出管26からの未反応粒子25は、抜出ループシール11による粒子貯留部A内部に供給されるようになる。
従って、取出管26によって抜出ループシール11の上流側縦管11a又は横管11bに供給された未反応粒子25は、粒子貯留部A内部の流動媒体4及び可燃性固形分7と共に流動化ノズル13からの流動化ガスにより流動化して安定的に燃焼炉8に供給されるようになる。この時、取出管26は、粒子貯留部Aに接続されているので、該粒子貯留部Aによって前記ガス化炉1と前記燃焼炉8との間のガスの移動は確実に遮断される。ここで、図2(a)の実施例においては、上流側縦管11aの上端に前記取出管26が接続された位置よりも高い位置までオーバーフロー管9内に流動媒体4及び可燃性固形分7が満たされた粒子貯留部Aが形成されるため、ガス化炉1内のガス化ガス6及び水蒸気が取出管26に向かって流れることは防止される。
又、前記取出管26は、粒子貯留部Aを形成する抜出ループシール11の上流側縦管11a又は横管11bに接続されているため、取出管26の温度が低下することはなく常に高い温度に保持されるので、取出管26内に水が凝縮する問題は防止され、よって、前記取出管26からの未反応粒子25は、粒子貯留部Aの高温の流動媒体4及び可燃性固形分7と共に安定して燃焼炉8に供給されるようになる。
又、前記取出管26からの未反応粒子25が、シール手段10を介して燃焼炉8に供給されるため、燃焼炉8に供給された未反応粒子25は、流動媒体4を加熱するための燃料の一部として利用されるようになる。
尚、循環流動層ガス化炉においては、図3に示す如く、前記ガス化炉1から取り出すガス化ガス6に含まれる未反応粒子25を分離する粒子分離器24'からの未反応粒子25を、取出管26'を介してガス化炉1の流動層5に供給することが考えられる。前記未反応粒子25を廃棄物として処理することは大変であるが、上記したように未反応粒子25をガス化炉1に戻すようにすると、未反応粒子25はガス化原料の一部として利用することができる。
しかし、前記したように、前記粒子分離器24'によってガス化ガス6から分離した未反応粒子25を取出管26'によりガス化炉1の流動層5に供給する構成とした場合には、前記未反応粒子25の取出量が比較的少ないこと、及び、取出管26'は外気によって冷却されることから、取出管26'の温度が低下することが考えられる。取出管26'の温度がガス化炉1に供給される水蒸気の凝縮温度以下に低下した場合には、取出管26'内で水蒸気が凝縮した水と未反応粒子25とが固着することにより、未反応粒子25の流動性を悪化させる可能性がある。
これに対し、図1及び図2に示した本発明の実施例によれば、ガス化炉1での原料2の滞留時間を確保してガス化効率を高めることができる循環流動層ガス化炉において、ガス化ガス6の未反応粒子25を分離する粒子分離器24からの未反応粒子25を取出管26により取出して利用する際に、前記取出管26を、高温の流動媒体4と可燃性固形分7が満たされることで高温に保持されるシール手段10の粒子貯留部Aに接続したので、取出管26の温度は高く保持されて取出管26内に水が凝縮する問題は防止される。よって、未反応粒子25は、粒子貯留部Aの高温の流動媒体4及び可燃性固形分7と共に安定して燃焼炉8に供給されて、流動媒体4を加熱するための燃料の一部として利用されるようになる。
又、前記シール手段10は、傾斜したオーバーフロー管9の途中から下方に曲げられた上流側縦管11aと、該上流側縦管11aの下方から横方向に延びた横管11bと、該横管11bの端部と前記オーバーフロー管9の下流部9'との間を接続する下流側縦管11cとを有して粒子貯留部Aを形成し、且つ、前記横管11bに流動化ガスを供給して粒子貯留部Aの流動媒体4と可燃性固形分7を順次下流側へ送り出す流動化ノズル13を備えた抜出ループシール11である。そして、前記取出管26は、前記抜出ループシール11の上流側縦管11a、又は、横管11bに接続したので、取出管26の温度は高く保持されて取出管26内に水が凝縮する問題は更に確実に防止されるようになり、よって、粒子貯留部Aに供給された未反応粒子25は、高温の流動媒体4及び可燃性固形分7と共に安定して燃焼炉8に供給されるようになる。
図示した実施例では、ガス化炉1と燃焼炉8の間を繋ぐオーバーフロー管9に備えたシール手段10の粒子貯留部Aに取出管26を接続した場合について例示したが、図示例以外でも粒子貯留部を形成してガス化炉と燃焼炉との間のガスの移動を遮断するようにしたものであれは種々のシール手段に取出管を接続して適用することができる。
更に、本発明の循環流動層ガス化炉は、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 ガス化炉
2 有機固体原料(原料)
3 ガス化炉流動用ガス(水蒸気)
4 流動媒体
5 流動層
6 ガス化ガス
7 可燃性固形分
8 燃焼炉
9 オーバーフロー管
9' 下流部
10 シール手段
11 抜出ループシール(シール手段)
11a 上流側縦管
11b 横管
11c 下流側縦管
13 流動化ノズル
14 燃焼ガス
16 媒体分離器
17 排ガス
24 粒子分離器
25 未反応粒子
26 取出管
A 粒子貯留部

Claims (1)

  1. 水蒸気により流動媒体を流動化して流動層を形成すると共に、流動層に投入した原料を流動媒体が有する熱でガス化してガス化ガスと可燃性固形分を生成するガス化炉と、
    該ガス化炉の流動媒体と可燃性固形分をオーバーフロー管を介して導入し、可燃性固形分を燃焼させて流動媒体を加熱する燃焼炉と、
    前記燃焼炉からの燃焼ガスを導入して流動媒体と排ガスとに分離し、分離した流動媒体を前記ガス化炉に供給する媒体分離器と、
    前記オーバーフロー管に備えられ、前記流動媒体と可燃性固形分を内部に満たして順次下流側へ送り出す粒子貯留部を形成し前記ガス化炉と前記燃焼炉との間のガスの移動を遮断するシール手段と、
    前記ガス化炉で生成したガス化ガスを導入してガス化ガス中の未反応粒子を分離し、分離した未反応粒子を取出管により取り出すようにした粒子分離器と、
    を有する循環流動層ガス化炉であって、
    前記シール手段は、傾斜したオーバーフロー管の途中から下方に曲げられた上流側縦管と、該上流側縦管の下方から横方向に延びた横管と、該横管の端部と前記オーバーフロー管の下流部との間を接続する下流側縦管とを有して粒子貯留部を形成し、且つ、前記横管に流動化ガスを供給して粒子貯留部の流動媒体と可燃性固形分を順次下流側へ送り出す流動化ノズルを備えた抜出ループシールであり、
    前記粒子分離器で分離した未反応粒子を取り出す取出管を、前記抜出ループシールの上流側縦管、又は、横管に接続したことを特徴とする循環流動層ガス化炉。
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