JP6248495B2 - ガス化ガス中のタールの改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス化ガス中に含まれるタールの改質処理を行うガス化ガス中のタールの改
質装置に関するものである。

石炭やバイオマス等の原料をガス化して得られるガス化ガスは、水素（Ｈ_２）、炭化水素（Ｃ_ｍＨ_ｎ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）等を含んでおり、高燃焼性を有していることから燃料として用いたり、精製して目的のガス成分を得たり、液化して液体燃料化することが行われるようになってきている。

ところで、上記ガス化ガスは、タールを含んでいるため、そのまま配管に流通させたり、上記精製や液化を行うための装置や機器に供給したりすると、上記タールが上記ガス化ガスの流通経路に付着し堆積する虞がある。

又、上記ガス化ガスを原動機で燃料として使用する場合は、通常、原動機では燃料に許容されるタール濃度の上限値が決まっているため、ガス化ガス中に含まれているタールが上記許容濃度の上限値を超えていると、該原動機に故障や、所定の性能を発揮できない可能性が生じてしまう。

そこで、上記ガス化ガス中のタールについては、該ガス化ガスを部分燃焼させて得られる熱と、該ガス化ガスに含まれている水蒸気とを利用して上記タールの改質を行い、該タールを、水素、炭化水素、一酸化炭素の富化に有効利用すると共に、固形分は固体炭素（チャー）として回収することが従来提案されている。

この種のガス化ガス中のタールの改質を行うための装置の１つとしては、たとえば、円筒形状としてある改質炉の一端部の周壁に、ガス化ガスの供給ノズルを接線方向に接続して、上記改質炉内に、軸心方向の一端側から他端側に向けて上記ガス化ガス供給ノズルより供給されるガス化ガスの旋回流を形成させるようにし、更に、上記改質炉の一端側中央部分の位置に、酸化剤供給ノズルを接続して、改質炉内に形成される上記ガス化ガスの旋回流の内側に向けて酸化剤を吹き込むようにした形式の改質装置が従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００９−２９８９７４号公報

ところが、上記ガス化ガス中に含まれるタールの改質処理を行う場合は、１０００℃以上の温度条件が必要とされると共に、該温度条件の領域に、上記タールを含んだガス化ガスを数秒程度に亘り滞留させる必要がある。そのため、上記改質炉内の温度が不均一で、部分的に上記温度条件よりも低い温度となる領域が存在している場合には、該低い温度の領域を通るガス化ガスが、タールの改質反応が活発に行われない状態のまま改質炉より排出される虞が生じてしまう。

したがって、上記ガス化ガス中のタールの改質処理の効率を向上させるには、上記改質炉内に供給されるガス化ガスと酸化剤との混合を促進させて、該改質炉内に、上記タールの改質処理のための所定の温度条件よりも低い温度となる領域が部分的に生じないようにさせることが有効になる。

そこで、本発明は、改質炉へ供給されるガス化ガスに対する酸化剤の混合を促進させるようにして、上記ガス化ガス中に含まれるタールの改質処理の効率の向上化を図ることができるガス化ガス中のタールの改質装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、筒状としてある改質炉の軸心方向一端部の周壁に、該改質炉の周壁の内面に沿って軸心方向の一端側から他端側へ螺旋状に流れるタールを含んだガス化ガスによる旋回流を形成させるためのガス化ガス供給ノズルを接続し、更に、上記ガス化ガス供給ノズルの周壁に、該ガス化ガス供給ノズル内で上記ガス化ガスに酸化剤のガスを混合させると共に、上記改質炉へ供給されるガス化ガスの流れを中心として螺旋渦を形成させるための酸化剤供給ノズルを接続して取り付け、上記ガス化ガス供給ノズルの周壁への上記酸化剤供給ノズルの取り付けは、上記酸化剤の吹き込みにより上記ガス化ガス供給ノズル内に形成させる螺旋渦を保持した状態のガス化ガスが旋回流を形成しながら上記改質炉内を一端側から他端側へ流れるときに、上記旋回流よりも内側の上記改質炉の中心付近に上記螺旋渦が上記改質炉の軸心方向の一端側に向かう流れを形成する向きに配置してなる構成を有するガス化ガス中のタールの改質装置とする。

更に、請求項２に対応して、上記請求項１に対応する構成において、上記改質炉の軸心方向一端部の周壁に、ガス化ガス供給ノズルを接線方向に接続し、更に、該ガス化ガス供給ノズルの周壁に、上記酸化剤供給ノズルを接線方向に接続した構成とする。

更に、請求項３に対応して、上記請求項１又は２に対応する構成において、上記改質炉の軸心方向一端部の端壁に、該改質炉の軸心方向に沿って酸化剤を吹き込むための酸化剤供給補助ノズルを備えた構成とする。

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）請求項１に示した構成を有するガス化ガス中のタールの改質装置は、タールを含むガス化ガスをガス化ガス供給ノズルから改質炉内に吹き込んで、該改質炉内に軸心方向の一端側から他端側に向かう旋回流を形成させるときに、上記ガス化ガス供給ノズルに予め吹き込んで旋回させながら改質炉内に吹き込まれる酸化剤により、ガス化ガスの流れに螺旋渦を形成させることができる。
（２）このため、改質炉内へ供給されるガス化ガスに対する酸化剤の混合を促進させることができて、上記ガス化ガス中に含まれるタールの改質処理の処理効率の向上化を図ることができる。

本発明のガス化ガス中のタールの改質装置の実施の一形態を示すもので、（ａ）は一部切断概略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ方向矢視図である。 本発明の実施の他の形態を示す一部切断概略斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１（ａ）（ｂ）は本発明のガス化ガス中のタールの改質装置の実施の一形態を示すものである。

本発明のガス化ガス中のタールの改質装置（以下、単に改質装置と記す）は、円筒形状の改質炉１を備える。なお、図１（ａ）では、炉内を図示する便宜上、上記改質炉１は、軸心位置よりも手前側となる部分の周壁２と、図上上方となる軸心方向一端側の端壁と、図上下方となる軸心方向他端側部分の記載を省略してある。

上記改質炉１の軸心方向一端部には、周壁２に、ガス化ガス供給ノズル３が、接線方向に連通接続されている。又、上記改質炉１は、軸心方向他端側に、図示しない反応生成物の出口を備えている。これにより、上記改質炉１内では、上記ガス化ガス供給ノズル３より接線方向にガス化ガス４が吹き込まれると、該ガス化ガス４は、軸心方向の一端部から出口（図示せず）のある軸心方向他端側に向けて旋回しながら流れて、該改質炉１の周壁の内面に沿って螺旋状（つる巻き線状）に流れる旋回流４ａを形成するようにしてある。

更に、上記ガス化ガス供給ノズル３は、少なくとも上記改質炉１に対して接続してあるガス化ガス４の吹出口付近が円筒形状としてあり、且つ該円筒形状の部分に、図１（ｂ）に示すように、酸化剤供給ノズル５が、接線方向に接続されている。これにより、上記ガス化ガス供給ノズル３内に、上記酸化剤供給ノズル５より空気あるいは高濃度の酸素を酸化剤のガス（以下、単に酸化剤と記す）６として吹き込むと、該酸化剤６は、上記ガス化ガス供給ノズル３の周壁の内面に沿って旋回しながら流れることで、該ガス化ガス供給ノズル３を通して改質炉１内へ向かうガス化ガス４に対して、ガス流れ方向を中心とする螺旋渦７を形成しながら予混合されるようにしてある。

上記のようにして酸化剤６が予混合されたガス化ガス４は、改質炉側から熱を受けることによる点火、あるいは、図示しないパイロットバーナ等の点火装置による点火により、部分燃焼が開始されるようにしてある。

したがって、上記改質炉１内には、上記ガス化ガス供給ノズル３より、上記酸化剤６が予混合されて部分燃焼が開始された状態のガス化ガス４が、上記螺旋渦７を維持しながら吹き込まれるようになり、該改質炉１内では、上記螺旋渦７が形成された状態でガス化ガス４が、上記旋回流４ａとなるように流れるようにしてある。

なお、上記ガス化ガス供給ノズル３への酸化剤供給ノズル５の取り付けは、酸化剤６の吹き込みにより形成させる螺旋渦７を保持した状態のガス化ガス４が、上記改質炉１内に供給されて旋回流４ａとなるように流れるときに、図１（ａ）に示すように、上記旋回流４ａよりも内側の改質炉１の中心付近に、該螺旋渦７が上記改質炉１の軸心方向の一端側に向かう流れ、すなわち、上記旋回流４ａの主流れ方向である軸心方向の一端側から他端側に向かう流れに対向する方向の流れを形成させることができるように設定してある。

又、上記改質炉１には、上記ガス化ガス４の改質反応を進行させるために必要とされる温度条件まで該改質炉１内の温度を昇温させるための外部燃料を用いた昇温バーナ等の図示しない昇温手段が備えられている。

以上の装置構成によりガス化ガス中のタールの改質方法（以下、単に改質方法と記す）を実施してガス化ガス４中のタールを改質する場合は、上記図示しない昇温手段を用いて、上記改質炉１の炉内を、ガス化ガス４中に含まれるタールの改質反応を進行させるために必要とされる温度条件、たとえば、１０００℃以上の或る温度まで予め昇温させる。この際、上記改質炉１内における上記所定の温度条件の領域は、改質炉１の軸心方向における範囲が、ガス化ガス供給ノズル３より供給されるガス化ガス４が旋回流４ａの状態で該領域を通過する際に、上記ガス化ガス４中に含まれるタールを或る基準濃度を下回るまで改質処理するために必要な滞留時間以上の時間が掛かるように設定してあるものとする。なお、本発明の改質装置では、ガス化ガス供給ノズル３内で、ガス化ガス４に酸化剤６が予混合されてガス化ガス４の部分燃焼が開始された時点から、改質炉１内に吹き込まれるようになるまでの経過時間も考慮して、上記滞留時間を設定するようにすればよい。

上記改質炉１内がガス化ガス４中のタールを改質するのに必要とされる上記所定の温度条件まで昇温すると、本発明の改質装置では、上記ガス化ガス供給ノズル３からガス化ガス４の供給を開始させると共に、ガス化ガス供給ノズル３への酸化剤供給ノズル５からの酸化剤６の供給を開始させる。この際、上記酸化剤６の供給量は、ガス化ガス４の一部を燃焼させて目標温度が得られるように調整してあるものとする。すなわち、上記改質炉１内における上記所定の温度条件の領域にて、供給されるガス化ガス４の昇温に伴って炉内温度が上記所定の温度条件から低下する分の熱量と、タールの改質反応の反応熱を、ガス化ガス４の部分燃焼で発生させる燃焼熱により補償することができるように、ガス化ガス４の必要とされる燃焼量を求め、該燃焼量に応じた酸素量が該酸化剤６から供給されるように調整してあるものとする。

これにより、上記ガス化ガス供給ノズル３では、ガス化ガス４に上記酸化剤６が吹き込まれると共に、螺旋渦７が形成させられるため、該ガス化ガス４と酸化剤６との予混合が行われると共に、上記改質炉１内へ供給されるガス化ガス４に対する酸化剤６の混合をより促進させることができる。

上記のようにして酸化剤６が混合されたガス化ガス４は、該ガス化ガス４の部分燃焼が開始され、この部分燃焼により昇温させられた状態で且つ上記螺旋渦７が形成された状態で、改質炉１へ供給されるようになる。

上記改質炉１内に供給されたガス化ガス４は、上記螺旋渦７を保持しながら旋回流４ａが形成されるようになる。

更に、上記改質炉１内では、上記部分燃焼しながら流入して旋回流４ａを形成するガス化ガス４により、外周部分の温度が先ず昇温される。しかし、その後は、該ガス化ガス４の旋回流４ａに形成されている螺旋渦７は、改質炉１の中心付近で軸心方向一端向きとなる流れが形成されていることから、この螺旋渦７の流れにより、改質炉１の軸心方向他端寄りの中央部に存在している上記改質炉１に流入した直後のガス化ガス４よりも温度の低いガス化ガス４が、順次軸心方向一端側へ送られるようになる。これにより、上記改質炉１の軸心方向他端寄りの中央部に存在している比較的温度の低いガス化ガス４は、上記改質炉１内に吹き込まれる温度のより高いガス化ガス４に対して順次混合されるようになる。

以上により、本発明の改質装置では、上記改質炉１の軸心方向一端寄り部分における軸心方向の温度分布の偏り、及び、軸心方向に直交する面内での温度分布の偏りを抑制して、改質炉１内の温度を、上記ガス化ガス４に含まれるタールの改質に必要とされる温度条件に均一に保持させることができる。

これにより、上記改質炉１内にガス化ガス供給ノズル３より供給されるガス化ガス４は、タールの改質に必要とされる温度条件に保持された領域に、より確実に所定の滞留時間で滞留させながら順次通過させることができるようになる。よって、上記ガス化ガス４中に含まれるタールの改質処理は、処理効率が向上するようになる。

このように、本発明の改質装置では、旋回流４ａと螺旋渦７という２つのガス流れによって、改質炉１内のガス化ガス４の混合を促進できるため、ガス化ガス４の部分燃焼によって発生させた熱を、炉内に均一に撹拌させることができる。

又、上記改質炉１内には、ガス化ガス４と酸化剤６をガス化ガス供給ノズル３内で予混合させた状態のガスが、上記ガス化ガス４の部分燃焼を開始させた状態で供給されるため、このことによっても、該改質炉１の炉内温度を均一化させることができる。

したがって、上記ガス化ガス４中に含まれるタールの改質処理の処理効率の向上化を図ることができる。

更に、上記酸化剤６は、ガス化ガス供給ノズル３内という改質炉１に比して狭い領域（空間）でガス化ガス４に吹き込まれて混合させられるようにしてあるため、酸化剤供給ノズル５からの酸化剤６の供給時の流速は、改質炉１に酸化剤６を直接吹き込んで炉内のガス化ガス４との剪断力による撹拌を行わせる場合に必要とされる流速に比して低減させることができる。

次に、図２は本発明の実施の他の形態として、図１（ａ）（ｂ）の実施の形態の改質装置の応用例を示すものである。

本実施の形態の改質装置は、図１（ａ）（ｂ）に示したと同様の構成に加えて、改質炉１の軸心方向一端部の端壁８の中央部に、該改質炉１内に軸心方向に沿って酸化剤６を直接吹き込むための酸化剤供給補助ノズル９を設けた構成としたものである。

その他の構成は図１（ａ）（ｂ）に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。なお、図２では、炉内を図示する便宜上、上記改質炉１は、軸心位置よりも手前側となる部分の周壁２と、図上下方となる軸心方向他端側部分の記載を省略してある。

以上の構成としてある本実施の形態の改質装置は、図１（ａ）（ｂ）に示した改質装置と同様に使用することができる。

更に、ガス化ガス４に含まれる炭化水素の組成や、ガス化ガス４中のタールの改質処理を行うための目標温度に応じて、図１（ａ）（ｂ）に示したものに比して大量の酸化剤６を改質炉１の炉内に投入する必要が生じた場合は、酸化剤供給ノズル５より吹き込まれる酸化剤６の量を必要量から引いた酸化剤６の不足分を、上記酸化剤供給補助ノズル９より、改質炉１内に吹き込むようにする。

この際、前述したように、改質炉１内では、ガス化ガス４の旋回流４ａに形成されている螺旋渦７により、改質炉１の中心付近に上記改質炉１の軸心方向の一端側に向かう流れが形成されている。したがって、上記酸化剤供給補助ノズル９より改質炉１の炉内に吹き込む酸化剤６の流れは、上記改質炉１の中心付近に形成されているガス化ガス４の流れと対向するため、両者に剪断力を作用させることができて、該酸化剤供給補助ノズル９より炉内に吹き込む酸化剤６は、炉内のガス化ガス４と良好に撹拌されるようになる。

よって、本実施の形態の改質装置では、上記酸化剤供給補助ノズル９より炉内に吹き込む酸化剤６により、上記改質炉１の炉内でガス化ガス４の一部を更に部分燃焼させて、該改質炉１の炉内温度を、ガス化ガス４中のタールを改質するために必要とされる温度条件に維持させることができるようになる。

したがって、本実施の形態によっても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

又、上記したように、酸化剤供給補助ノズル９では、酸化剤６を改質炉１の炉内へ吹き込むという操作によって、該酸化剤６を炉内のガス化ガス４に対して良好に混合させることができるため、該酸化剤供給補助ノズル９からの酸化剤６の供給時の流速は、改質炉１に酸化剤６を直接吹き込むことのみによって炉内のガス化ガス４との剪断力による撹拌を行わせる場合に必要とされる流速に比して低減させることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、上記改質炉１は、ガス化ガス４の改質に伴って発生する固体炭素（チャー）の回収を効率よく行うようにするためには、図１（ａ）（ｂ）、図２にそれぞれ示したように、ガス化ガス供給ノズル３が設けられる軸心方向一端側を上側とし、図示しない出口を備える軸心方向他端側が下側となるように、軸心方向を鉛直に配置した姿勢とすることが望ましいが、上下を反転させた姿勢や、その他のいかなる角度姿勢で用いるようにしてもよい。

酸化剤供給ノズル５は、ガス化ガス供給ノズル３に対して接線方向に接続してあれば、接続する向きは、図１（ｂ）に示した以外の任意の方向であってもよい。

図１（ａ）（ｂ）に示した改質炉１、ガス化ガス供給ノズル３、酸化剤供給ノズル５のサイズや互いの比率、旋回流４ａのピッチ、螺旋渦７のピッチやサイズ、更に、図２に示した酸化剤供給補助ノズル９のサイズは、図示するための便宜上のものであり、実際の寸法を反映したものではない。

改質炉１は、内部にガス化ガス４の旋回流４ａを円滑に形成させるためには、円筒形状とすることが望ましいが、上記旋回流４ａを形成させることができれば、楕円形や多角形断面の筒状としてもよい。

ガス化ガス供給ノズル３は、内部に吹き込まれる酸化剤６による螺旋渦７を円滑に形成させるためには、吹出口付近を円筒形状とすることが望ましいが、上記螺旋渦７を形成させることができれば、楕円形や多角形断面の筒状としてもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 改質炉、２ 周壁、３ ガス化ガス供給ノズル、４ ガス化ガス、４ａ 旋回流、５ 酸化剤供給ノズル、６ 酸化剤、７ 螺旋渦、８ 端壁、９ 酸化剤供給補助ノズル

Claims (3)

1. 筒状としてある改質炉の軸心方向一端部の周壁に、該改質炉の周壁の内面に沿って軸心方向の一端側から他端側へ螺旋状に流れるタールを含んだガス化ガスによる旋回流を形成させるためのガス化ガス供給ノズルを接続し、
   更に、上記ガス化ガス供給ノズルの周壁に、該ガス化ガス供給ノズル内で上記ガス化ガスに酸化剤のガスを混合させると共に、上記改質炉へ供給されるガス化ガスの流れを中心として螺旋渦を形成させるための酸化剤供給ノズルを接続して取り付け、
   上記ガス化ガス供給ノズルの周壁への上記酸化剤供給ノズルの取り付けは、上記酸化剤の吹き込みにより上記ガス化ガス供給ノズル内に形成させる螺旋渦を保持した状態のガス化ガスが旋回流を形成しながら上記改質炉内を一端側から他端側へ流れるときに、上記旋回流よりも内側の上記改質炉の中心付近に上記螺旋渦が上記改質炉の軸心方向の一端側に向かう流れを形成する向きに配置してなる構成を有すること
   を特徴とするガス化ガス中のタールの改質装置。
2. 上記改質炉の軸心方向一端部の周壁に、ガス化ガス供給ノズルを接線方向に接続し、
   更に、該ガス化ガス供給ノズルの周壁に、上記酸化剤供給ノズルを接線方向に接続した 請求項１記載のガス化ガス中のタールの改質装置。
3. 上記改質炉の軸心方向一端部の端壁に、該改質炉の軸心方向に沿って酸化剤を吹き込むための酸化剤供給補助ノズルを備えた
   請求項１又は２記載のガス化ガス中のタールの改質装置。

Images