JP6191560B2

JP6191560B2 - 炭素質燃料のガス化方法

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Publication number: JP6191560B2
Application number: JP2014172420A
Authority: JP
Inventors: ▲高▼木　克彦; 克彦 ▲高▼木; 稔淺沼; 藤井　良基; 良基藤井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: JP2016047868A

Description

本発明は、石炭などの炭素質燃料をガス化して、必要な発熱量の生成ガスに変換する炭素質燃料のガス化方法に関する。

石炭などの炭素質燃料をガス化して高発熱量の生成ガスに変換する方法は、過去、多くの技術が開示されてきた。

例えば、特許文献１には、石炭ガス化炉で生成した生成ガスの一部を抜出して、抜き出した生成ガスを酸素で燃焼させてＣＯ₂とＨ₂Ｏに変換し、このＣＯ₂とＨ₂Ｏとの混合ガスを石炭ガス化炉に石炭を供給する搬送ガスとする石炭ガス化設備が開示されている。
特許文献１の石炭ガス化設備では、このような構成を有することにより、Ｎ₂で石炭を搬送する場合と比較して、生成ガスの燃焼熱を高めている。

また、特許文献２には、純酸素を供給するガス化炉であって、ガス化炉に製鋼炉から発生するＣＯ₂を含む製鉄副生ガスを供給して、石炭ガス化で生成するチャーと製鉄副生ガス中のＣＯ₂との反応により生成するＣＯによって、生成ガスを改質して発熱量を増加させる方法が開示されている。

さらに、特許文献３には、酸素富化空気で操業する石炭ガス化炉であって、生成ガスから回収したチャーを石炭ガス化炉に供給すると共に、チャーを回収した生成ガスに含まれるＣＯ、Ｈ₂およびＣＨ₄の割合に応じて、酸素富化空気中の酸素濃度を制御することにより、生成ガスの燃焼熱を制御する方法が開示されている。

特開２０００−３５５６９３号公報特開２００７−９０６９号公報特開２００４−１８７０３号公報

しかしながら、上記従来技術には、以下のような問題がある。
特許文献１に記載の設備は、ガス化炉で生成した生成ガスの一部を抜出して酸素で燃焼させてＣＯ₂とＨ₂Ｏに変換し、このＣＯ₂とＨ₂Ｏ混合ガスを石炭の搬送ガスとする。
そのため、搬送ガスとしてガス化炉内に供給されるＣＯ₂とＨ₂Ｏの比率を任意に制御することができない。その結果、下記の式（１）および式（２）の各反応量を制御して、必要とされる燃焼熱の生成ガスを任意に製造することができない。
Ｃ＋ＣＯ₂ → ２ＣＯ・・・式（１）
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋Ｈ₂ ・・・式（２）

また、特許文献２に記載の方法は、製鉄副生ガス中のＣＯ₂およびガス化炉で得られるチャーによって、上記式（１）によって生成ガスを改質する方法であり、製鉄副生ガス中のＣＯ₂濃度に依存して改質効率が決まる方法である。
そのため、必要とされる燃焼熱の生成ガスを任意に製造することができない問題点を有することは、特許文献１に記載の設備と同じである。

さらに、特許文献３に記載の制御方法は、酸素富化空気中の酸素濃度を変えることで、酸素富化空気中の窒素濃度を変え、それによって生成ガスの発熱量を制御する方法であるため、燃焼熱の制御範囲が狭いことが問題である。

したがって本発明の目的は、必要とされる組成や燃焼熱の生成ガスを任意に、かつ、広範囲に製造できる炭素質燃料のガス化方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するため検討を重ねた結果、炭素質燃料のガス化炉において、ガス化炉に、空気、酸素富化空気、酸素から選ばれる酸化剤に加え、炭酸ガスを供給することが有効であることを見出した。さらに、ガス化炉に供給する炭酸ガスと酸化剤に含有される酸素との割合の好適範囲についても知見を得、本発明を完成した。
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。

すなわち、本発明の炭素質燃料のガス化方法は、炭素質燃料をガス化するにあたり、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気、酸素から選ばれる酸化剤と、流量を調節した炭酸ガスとを供給することを特徴とする炭素質燃料のガス化方法を提供する。

このような本発明の炭素質燃料のガス化方法において、前記ガス化炉で生成したチャーを、外熱式ガス化炉の燃焼炉で燃焼させガス化熱源とするのが好ましい。
また、前記炭酸ガスの少なくとも一部を、前記炭素質燃料の搬送ガスとするのが好ましい。
また、前記炭素質燃料が石炭、重質油、廃棄物、バイオマスから選ばれる１種以上であるのが好ましい。
また、前記ガス化炉に供給する炭酸ガスの量が、［ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋Ｏ₂）］で表す炭酸ガス濃度で３％以上であるのが好ましい。
さらに、必要とする生成ガスの燃焼熱に応じて、前記炭酸ガスの供給量および前記酸化剤の窒素濃度を調節するのが好ましい。

本発明によれば、炭素質燃料のガス化において、必要とされる燃焼熱の生成ガスを任意に、かつ、広範囲の燃焼熱に対応して製造することができ、ガス化炉で生成するガスの利用価値を格段に高くできる。

本発明の炭素質燃料のガス化方法の一例を説明するための概念図である。本発明の炭素質燃料のガス化方法の別の例を説明するための概念図である。本発明の炭素質燃料のガス化方法の別の例を説明するための概念図である。本発明の炭素質燃料のガス化方法の別の例を説明するための概念図である。

以下、本発明の炭素質燃料のガス化方法について、添付の図面に示される好適例を基に詳細に説明する。

図１に、本発明の炭素質燃料のガス化方法を説明するための概念図を示す。
本発明の炭素質燃料のガス化方法は、石炭などの炭素質燃料をガス化するものであって、図１に示すように、ガス化炉１０に、空気、酸素富化空気、酸素から選ばれる酸化剤に加え、炭酸ガス（ＣＯ₂）を流量調節して供給することによって、必要とされる燃焼熱の生成ガスを、任意かつ広範囲に製造することができる。
すなわち、本発明では、炭素質燃料から生成した炭素分と炭酸ガスとが、式（１）
Ｃ＋ＣＯ₂ → ２ＣＯ・・・式（１）
の反応によってＣＯを生成することによって増熱する。その結果、後に実施例でも示すが、炭酸ガス供給量あるいはさらに酸化剤中の窒素濃度を調節することによって、広範囲の燃焼熱に応じて、生成ガスの燃焼熱を制御できる。

以下、本発明の炭素質燃料のガス化方法の詳細と好ましい条件について説明する。
本発明法において、ガス化炉１０には、制約はない。従って、ガス化炉１０は、固定床式、流動床式、噴流床式などの各種形式のガス化炉を用いることができる。
また、炭素質燃料の供給方式も、乾式供給および湿式供給に関わらず、本発明で用いることができる。

酸化剤としては、空気、酸素富化空気、酸素から選ぶことができる。なお、本発明において、酸素とは純酸素のことを意味する。
酸素富化空気については、酸素濃度に制約はない。後の実施例でも示すが、本発明法では、炭酸ガスの供給量と酸化剤中の窒素濃度との組み合わせによって、広範囲の燃焼熱に応じて、必要とする燃焼熱の生成ガスを製造できる。従って、酸素富化空気の酸素濃度は、必要とする生成ガスの燃焼熱、生成ガスの用途、ガス化炉１０の種類などに応じて、適宜、選択すればよい。

また、酸化剤の供給量は、ガス化炉１０の種類や大きさ、炭素質燃料の供給量や種類などに応じて、適宜、選択すればよい。

本発明法では、このような酸化剤に加え、炭酸ガスを、流量を調節してガス化炉１０に供給する。本発明法では、ガス化炉１０で炭素質燃料をガス化するにあたり、酸化剤と共に流量を調節して炭酸ガスを供給し、あるいはさらに、酸化剤の窒素濃度を調節することにより、広範囲の燃焼熱に応じて、必要な燃焼熱の生成ガスを製造できる。

炭酸ガスは、一例として、液化炭酸ガスを気化して供給すればよい。
あるいは、燃焼排ガスや製鉄副生ガスなどからＰＳＡ法などの任意の分離手法でＣＯ₂を分離した炭酸ガスを用いてもよい。なお、炭素質燃料のガス化炉の下流には、通常、炭素質燃料に含有される硫黄分などの不純物に由来するＨ₂Ｓ、ＣＯＳ、ＮＯ₂などの吸収除去装置が付帯する。そのため、炭酸ガス中に硫黄分などの不純物が混入していても問題になることはない。

炭酸ガスの供給方法に特に制約はなく、酸化剤とは別の供給口からガス化炉に導入しても良く、あるいは、酸化剤に混合して供給しても良い。
ガス化炉１０への炭酸ガスの供給位置についても、特に制約は無い。従って、炭酸ガスは、酸化剤による炭素質燃料の部分酸化が主に進行する部分酸化領域に供給しても良く、部分酸化が進行した後の改質反応が主に進行する改質反応領域に供給しても良く、部分酸化領域と改質反応領域との両方に供給しても良い。

また、図２に概念的に示すように、炭酸ガスの少なくとも一部を、炭素質燃料の搬送ガスとして供給しても良い。
炭酸ガスの少なくとも一部を、炭素質燃料の搬送ガスとして供給することにより、搬送ガス中の窒素ガスを低減でき、その結果、生成ガスの窒素量が低減し、生成ガスの燃焼熱が増大する。
この際においては、搬送ガスとして供給する炭酸ガスの割合は、ガス化炉１０の種類や構成、炭素質燃料の供給量などに応じて、適宜、設定すればよい。また、供給する炭酸ガスの全量を、炭素質燃料の搬送ガスとして使用してもよい。

ガス化炉１０に供給する炭酸ガスの量には制約はなく、炭素質燃料の種類や供給量、酸化剤の種類（組成）や供給量などに応じて、必要とする燃焼熱が得られる量を、適宜、選択すればよい。

ここで、本発明者らの検討によれば、ガス化炉１０に供給する炭酸ガスの量は、酸化剤に含まれる酸素の量に対して、炭酸ガスの濃度が［ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋Ｏ₂）］×１００で表すＣＯ₂濃度で３ｍｏｌ％以上となる量であるのが好ましい。なお、ＣＯ₂は炭酸ガスの流量を、Ｏ₂は酸化剤中の酸素ガスの流量を意味する。なお、本明細書では、『［ＣＯ ₂ ／（ＣＯ ₂ ＋Ｏ ₂ ）］×１００で表すＣＯ ₂ 濃度』を、『［ＣＯ ₂ ／（ＣＯ ₂ ＋Ｏ ₂ ）］で表すＣＯ ₂ 濃度』とも言う。
炭酸ガスの供給量を、［ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋Ｏ₂）］で表すＣＯ₂濃度で３ｍｏｌ％以上となる量とすることにより、炭酸ガスを供給することの効果を十分に得て、炭酸ガスを供給しない場合に比較して、良好な生成ガスの燃焼熱向上効果を得ることができる。
この点を考慮すると、炭酸ガスの供給量は、［ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋Ｏ₂）］で表すＣＯ₂濃度で５ｍｏｌ％以上となる量であるのがより好ましく、７ｍｏｌ％以上となる量であるのがさらに好ましい。

一方、炭酸ガスは多く供給する程、高い燃焼熱の生成ガスが得られる。すなわち、生成ガスの燃焼熱の点では、炭酸ガスの供給量は、多いほど有利である。
しかしながら、本発明者らの検討によれば、炭酸ガスの供給量が、［ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋Ｏ₂）］で表すＣＯ₂濃度で６０ｍｏｌ％を超える量になると、ガス化炉１０における熱収支が悪化して、外部燃料を燃焼してガス化炉１０を加熱しなければならなくなる可能性が生じる。
この点を考慮すると、炭酸ガスの供給量は、［ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋Ｏ₂）］で表すＣＯ₂濃度で６０ｍｏｌ％以下となる量にするのが好ましい。

炭素質燃料は、公知のものが、各種、利用可能である。具体的には、炭素質燃料としては石炭、重質油、廃棄物、バイオマスから選ばれる１種以上であることが好ましい。
より具体的には、石炭としては褐炭、瀝青炭、無煙炭、原料炭などを挙げることができる。重質油としては重油、タール、アスファルトの他、オイルサンドやオイルシェールから回収した重質油などを挙げることができる。廃棄物としては廃プラスチック、廃タイヤ、廃木材などを挙げることができる。バイオマスとしては畜産廃棄物、食品廃材、黒液、下水汚泥、間伐材、植物廃材などを挙げることができる。

なお、ガス化炉１０への炭素質燃料の供給方法は、乾式供給および湿式供給の何れも用いることができるのは、前述のとおりである。乾式供給の場合、搬送ガスは、窒素などのガス化炉で用いられている通常の搬送ガスを用いればよい。また、ガス化炉１０に供給する炭酸ガスを、炭素質燃料の搬送ガスとして用いてもよいのは、前述のとおりである。
炭素質燃料の供給量は、ガス化炉１０の大きさや種類、酸化剤の酸素含有量や供給量などに応じて、適宜、選択すればよい。

図３に、本発明の炭素質燃料のガス化方法の別の例を示す。
図３に示す例は、本発明法を、ガス化炉１２ａをジャケット１２ｂ内での燃焼で加熱する外熱式ガス化炉１２に利用した例である。

図３に概念的に示すように、本例でも、炭素質燃料、酸化剤および流量を調整した炭酸ガスを、ガス化炉１２に供給するのは、図１に示す例と同様である。
ここで、本例では、ガス化炉１２ａで生成したチャーを含む生成ガスを、サイクロン１４によって精製して、チャーを除去した精製ガスにする。また、生成ガスから除去したチャーを、外熱式ガス化炉１２のジャケット１２ｂに供給して、空気で燃焼して、ガス化炉１２を加熱する。
なお、ジャケット１２ｂから排出される燃焼排ガスから、ＰＳＡ法などの任意の分離手法で分離した炭酸ガスを、ガス化炉１２に供給してもよいのは、前述のとおりである。

また、このようなジャケット１２ｂを有する外熱式ガス化炉１２を用いる場合でも、図４に概念的に示すように、供給する炭酸ガスの少なくとも一部を、炭素質燃料の搬送ガスとして用いてもよい。

以上、本発明の炭素質燃料のガス化方法について詳細に説明したが、本発明は、上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。

以下、本発明の具体的実施例を挙げ、本発明の炭素質燃料のガス化方法について、より詳細に説明する。
なお、本発明は、以下の実施例に限定されないのは、もちろんである。

［実施例１］
乾式供給によって、石炭を１〜３ｔｏｎ／ｈ供給できる噴流床式ガス化試験炉を準備した。なお、本設備は小型の試験炉のため、生成ガスは分析のためのサンプリング以外は、既設の商業ガス化炉のガス精製設備で処理した。
ガス化試験炉には、酸化剤として、空気、種々の酸素濃度の酸素富化空気、あるいは、酸素が供給できるようになっている。また、それとは別に、液化炭酸ガスを気化して炭酸ガスがガス化炉に供給できるようになっている。

用いた石炭は中国製であり、発熱量が２７１００ｋＪ／ｋｇ、工業分析の結果、固有水分が７．５質量％、固定炭素が５１．３質量％、揮発分が３２．３質量％、灰分が８．９質量％であった。
本例では石炭供給速度を１．２５ｔｏｎ／ｈとし、空気（Ｏ₂濃度：２１ｍｏｌ％）を酸化剤として用いた。
以上の条件の下、炭酸ガスの供給量を、［ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋Ｏ₂）］で表すＣＯ₂濃度が０〜６２．６ｍｏｌ％となる量に変更して、石炭のガス化実験を行った。なお、炭酸ガスは、石炭の搬送ガスには使用しなかった。
生成ガスの組成、および、生成ガスの低位燃焼熱（ＬＨＶ（Lower Heating Value））を、下記の表１に示す。

表１に示すように、本発明法によれば、炭酸ガスの供給量を調節することにより、ＬＨＶが１１７０〜１７４０ｋｃａｌ／Ｎｍ³の範囲の生成ガスを得られ、本発明の効果を確認できた。

［実施例２］
石炭供給量を１．７４ｔｏｎ／ｈとし、Ｏ₂濃度が４０ｍｏｌ％の酸素富化空気を酸化剤として用い、炭酸ガスの供給量を［ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋Ｏ₂）］で表すＣＯ₂濃度が０〜６６．４ｍｏｌ％となる量に変更した以外は、実施例１と同様にして、石炭のガス化実験を行った。
生成ガスの組成、および、生成ガスのＬＨＶを、下記の表２に示す。

表２に示されるように、本例では、生成ガスのＬＨＶは１８９０〜２３００ｋｃａｌ／Ｎｍ³であり、実施例１よりも高燃焼熱の生成ガスを得られた。

［実施例３］
石炭供給量を２．０３ｔｏｎ／ｈとし、Ｏ₂濃度が６０ｍｏｌ％の酸素富化空気を酸化剤として用い、炭酸ガスの供給量を［ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋Ｏ₂）］で表すＣＯ₂濃度が０〜６５．８ｍｏｌ％となる量に変更した以外は、実施例１と同様にして、石炭のガス化実験を行った。
生成ガスの組成、および、生成ガスのＬＨＶを、下記の表３に示す。

表３に示されるように、本例では、生成ガスのＬＨＶは２０２５〜２５８０ｋｃａｌ／Ｎｍ³であり、さらに高燃焼熱の生成ガスを得られた。

［実施例４］
石炭供給量を２．２１ｔｏｎ／ｈとし、Ｏ₂濃度が８０ｍｏｌ％の酸素富化空気を酸化剤として用い、炭酸ガスの供給量を［ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋Ｏ₂）］で表すＣＯ₂濃度が０〜６６．３ｍｏｌ％となる量に変更した以外は、実施例１と同様にして、石炭のガス化実験を行った。
生成ガスの組成、および、生成ガスのＬＨＶを、下記の表４に示す。

表４に示されるように、本例では、生成ガスのＬＨＶは２０４０〜２７５０ｋｃａｌ／Ｎｍ³であり、さらに高燃焼熱の生成ガスを得られた。

［実施例５］
石炭供給量を２．３４ｔｏｎ／ｈとし、酸素（Ｏ₂濃度：１００ｍｏｌ％）を酸化剤として用い、炭酸ガスの供給量を［ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋Ｏ₂）］で表すＣＯ₂濃度が０〜６６．５ｍｏｌ％となる量に変更し、さらに、炭酸ガスの全量を石炭の搬送ガスとして用いた以外は、実施例１と同様にして、石炭のガス化実験を行った。
生成ガスの組成、および、生成ガスのＬＨＶを、下記の表５に示す。
表５に示されるように、本例では、生成ガスのＬＨＶは１９９０〜２８６０ｋｃａｌ／Ｎｍ³であり、さらに高燃焼熱の生成ガスを得られた。

表１〜５に示されるように、炭酸ガスを供給しない比較例では、生成ガスの燃焼熱が１１５０〜１９９７ｋｃａｌ／Ｎｍ³の範囲で制御可能なだけである。また、酸化剤の酸素含有量６０％までは、酸素含有量に応じて生成ガスのＬＨＶは増加するが、酸化剤の酸素含有量８０％および１００％では、生成ガスのＬＨＶは減少しており、生成ガスの燃焼熱の制御性も低い。
これに対し、本発明では、炭酸ガスを供給することによって、生成ガスの燃焼熱が１１７０〜２８６０ｋｃａｌ／Ｎｍ³と、広範囲、かつ、高燃焼熱範囲まで制御できることが明らかである。しかも、酸化剤の酸素含有量が同じであれば、炭酸ガスのＣＯ₂濃度の増加に応じて生成ガスのＬＨＶは漸増し、同じく、炭酸ガスのＣＯ₂濃度が同じであれば、酸化剤の酸素含有量の増加に応じて生成ガスのＬＨＶは漸増するため、生成ガスの燃焼熱の制御性にも優れる。
すなわち、本発明によれば、酸化剤中の窒素濃度と炭酸ガスの供給量とを調節することによって、生成ガスの燃焼熱を良好な制御性で制御できるので、鉄鋼業や発電業などの用途に応じて、必要とされる燃焼熱の生成ガスを任意に製造できる。

鉄鋼業や発電業などで使用する燃料ガスの生成に好適に利用可能である。

１０，１２ａガス化炉
１２外熱式ガス化炉
１２ｂジャケット

Claims

炭素質燃料をガス化するにあたり、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気および酸素富化空気から選ばれる酸化剤と、流量を調節した炭酸ガスとを、前記ガス化炉に供給する炭酸ガスの量が［ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋Ｏ₂）］×１００で表す炭酸ガス濃度で３〜６０ｍｏｌ％となるように、必要とする生成ガスの燃焼熱に応じて、前記炭酸ガスの供給量および前記酸化剤の窒素濃度を調節して、供給することを特徴とする炭素質燃料のガス化方法。
前記ガス化炉で生成したチャーを、外熱式ガス化炉の燃焼炉で燃焼させガス化熱源とする請求項１に記載の炭素質燃料のガス化方法。
前記炭酸ガスの少なくとも一部を、前記炭素質燃料の搬送ガスとする請求項１または２に記載の炭素質燃料のガス化方法。
前記炭素質燃料が石炭、重質油、廃棄物、バイオマスから選ばれる１種以上である請求項１〜３のいずれか記載の炭素質燃料のガス化方法。