JP6573709B2 - 高温の合成ガスを冷却する方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１種の凝縮可能な構成成分（constituent part）、特にタールを含有する高温の合成ガスを冷却する方法に関するが、当該方法では、合成ガスは、マルチステップの冷却プロセスにおいて、第１の冷却ステージ、第２の冷却ステージ及び第３の冷却ステージを順に通過し、そして合成ガスは、少なくとも部分的に冷却された後、少なくとも１種の凝縮可能な構成成分を分離するための少なくとも１つの分離ステップに供される。

更に、本発明は、このような方法を実施するための装置に関する。

本発明は、特に、バイオマスを使用するガス化プラントにて生成される合成ガスの冷却に関する。合成ガスは、その主要な構成成分がＣＯ及びＨ_２であるガスであると一般的に理解されている。

特に、本発明に従って冷却される合成ガスは、固定流動床を収容するためのガス化ゾーンと移送流動床を収容するための燃焼ゾーンとを含むガス化プラントに由来し、ガス化ゾーン及び燃焼ゾーンはそれぞれ、床材料の循環を可能にするための圧縮部又はサイフォン等のロック様装置（lock-like device）によって、２箇所で互いに連結され、ガス化ゾーンは、燃焼材料を装入するための装入開口部、ガス排出部、及びノズルベース、特にスチーム又はＣＯ_２を噴射するためのノズルベースを有し、そして燃焼ゾーンは、ガス化ゾーンから燃焼ゾーンに入る床材料を流動化するための空気供給部を有する。

このタイプのガス化プラントは、オーストリア特許第４０５９３７号（ＡＴ４０５９３７Ｂ号）公報で知られている。このようなガス化プラントは、異種の生物起源の燃料及びプラスチックをリサイクルし、そしてこれらから、できるだけ高発熱量の、窒素を含まない燃焼ガス或いは合成ガスを抽出するために使用することができ、これは、発電又は有機生成物の合成に適している。ここでの手順としては、燃料を、スチーム及び／又はＣＯ_２によって流動化した固定流動床として形成されたガス化ゾーンに導入し、そして空気排除下で脱気し、そして流動化ガス又はガス化手段（スチーム及び／又はＣＯ_２）との反応によって、床材料の熱の助けを以って、部分的にガス化する。このプロセスで生じる生成物ガスは取り出され、そして冷却された床材料は、ガス化されていない残留燃料と共に、例えば圧縮部等のロック様装置を介して燃焼ゾーンに入る。燃焼ゾーンでは、床材料が残留燃料と共に、急速に循環する流動床を形成しながら、空気によって流動化され、そして残留燃料が燃焼される。サイクロンでの燃焼廃ガスの分離に続いて、床材料は、例えばサイフォン等のロックタイプの装置を介して、ガス化ゾーンの固定流動層上に装入される。

特に、ニッケル及び／又はニオブベースで、触媒的に作用する床材料を使用することによって、脱気及びガス化の間に形成したガスを、可燃性構成成分としてＣＯ、ＣＯ_２及びＨ_２だけ、並びにスチームが今現在存在し、或いは高発熱量のメタンが豊富なガスが生成されるという点で、精製することができる。

ガス化プラントから出る合成ガスは、一般的に６００〜８００℃の温度を有し、そして固体のダスト様の構成成分及び凝縮可能な構成成分、特にタール等を含有する。従って、合成ガスは、冷却及び清浄化に供する必要がある。主にここでの手順は、ダスト様の構成成分をフィルター、特にファブリックフィルターで分離できるようになるまで、合成ガスを最初に冷却装置で冷却することである。タール汚染物質は、下流のガススクラバーで除去され、そして清浄化され冷却された合成ガスは、ブロワーを用いて圧縮された後、ガスエンジンで電気に直接、変換することができる。

凝縮可能な構成成分、特にタールを含有する合成ガスの冷却中に、凝縮可能な構成成分が、冷却装置、特にそれぞれの熱交換器で凝縮し且つ沈降し、しばらくしてそれらを詰まらせ、プラントの停止するに至るという問題が生じる。タールの場合、２００〜５００℃の温度で凝縮することが観察できる。しかしながら、合成ガスは、分離ステップ前に、２００℃未満の温度レベルに予め冷却されているのが有利であり、それは、分離ステップの範囲内でのこのような低い温度レベルによって、固体の構成成分を分離するのに標準的なフィルターを使用することができ、このようなフィルターは、高温用途向けの特殊なフィルターよりも低コストで入手することができるからである。加えて、温度が低い程、合成ガスの体積が低下するので、その結果として必要なフィルター表面積が小さくなり、同様にコストの節約に至る。

ここで、冷却は主に、個々の熱交換器ステージの長さを正当な限度内に保ち、更に個々のステージでの速度を最適に調節するために、複数の連続したステージで行われる。分離ステージ前の最後の熱交換器の端部領域では、凝縮物の沈降が、少なくとも１種の凝縮可能な構成成分の凝縮温度未満の冷却中に、観察できる。

従って、プラントに悪影響を及ぼす凝縮物がプロセスで生成することなく、分離ステップ前に、合成ガスを凝縮温度未満の温度に冷却することができる、合成ガスを冷却する方法及び装置を開発することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明は実質的に、合成ガスを、第１の冷却ステージで、少なくとも１種の凝縮可能な構成成分の凝縮温度よりも高い温度に冷却し、そして第２の冷却ステージでは、第３の冷却ステージ後で、少なくとも１つの分離ステップ後に分枝された合成ガスの一部の量を、合成ガス流中に再循環させることが含まれる、最初に述べたタイプの方法を提供する。

従って、冷却ステージは、合成ガスが第１の冷却ステージで単に、少なくとも１種の凝縮可能な構成成分の凝縮温度よりも高い温度に冷却されように構成されているので、このステージでの、例えばタール等の凝縮は確実に回避される。従って、この冷却ステージでは、従来の熱交換器を使用することができる。これに関連して、本発明は好ましくは、合成ガス流が第１の冷却ステージで、少なくとも１つ、好ましくは直列に連結された２つの熱交換器を通って導かれるようなやり方で、更に開発される。特に好ましくは、例えば管状ヒュームクーラー等の簡単な構成の費用対効果の高い熱交換器を、第１の冷却ステージで用いることができる。管状ヒュームクーラーでは、好ましくは垂直に立つヒューム管が冷却ジャケットによって囲まれる。冷却される合成ガスがヒューム管を通って導かれながら、ヒューム管上で加熱される冷却ジャケットは、水等の冷却媒体によって流される。

合成ガスの更なる冷却、特に本発明による少なくとも１種の凝縮可能な構成成分の凝縮温度未満への冷却は、更なる熱交換器で行われるのではなく、低温の合成ガスを合成ガスの主流に混合することによって行われ、その結果として合成ガスの冷却が達成される。この方法では、低温の合成ガスは、第３の冷却ステージ後で、少なくとも１つの分離ステップ後に分枝されるので、少なくとも１種の凝縮可能な構成成分、特にタールをほとんど含まない。第２の冷却ステージは単に、合成ガスの主流と再循環された低温の合成ガスとを混合するための混合装置を必要とするという事実のために、凝縮物の堆積のリスクは低く、更に、再循環され、低温の清浄化された合成ガスを混合することにより、対応する希釈、即ち合成ガスの全量に基づく凝縮物の割合の低下をもたらすので、この冷却ステージでの凝縮物の発生は、容易に受入れることができる。

再循環される低温且つ清浄化された合成ガスは、ガススクラビングを通過した後で得るのが好ましい。これに関連して、本発明は好ましくは、第３の冷却ステージそして分離ステップが、ガススクラバーでの合成ガスのスクラビングを含むように更に開発される。

分離ステップは、特に、言及したガススクラビングに加えて、固体の構成成分を分離するためのろ過を含むことができる。優先的に、ろ過はガススクラビングの上流に配置される。

好ましくは、合成ガスは第１の冷却ステージで、＞２８０℃（即ち、２８０℃を超える）温度に冷却されることが提供される。これは、例えばタールが未だ凝縮しないか、又は凝縮が単に僅かな程度である温度範囲である。

好ましい手順としては、合成ガスは第２冷却ステージで、≦２００℃（即ち、２００℃以下）、特に１５０〜２００℃の温度、即ち例えばタールが凝縮する温度に冷却されることである。

第３の冷却ステージでは、合成ガスは優先的に、２０〜７０°の温度に冷却される。

好ましい実施形態による温度調節は、再循環される合成ガスの量が、第２と第３の冷却ステージの間に配置された温度センサの測定値の関数として調節されることに成功する。従って、温度センサは、第２の冷却ステージ後の合成ガスの温度（実測値）を測定し、この値をそれぞれの所望の設定値と比較し、設定値と実測値との間の差の関数として、再循環される低温の合成ガスの量が増加又は減少される。

更なる態様によれば、本発明は、本発明による方法を実施するための装置であって、第１の冷却ステージ用の第１の冷却装置と、第２の冷却ステージと、第３の冷却ステージ用の第３の冷却装置と、合成ガスの流れ方向において第２の冷却ステージの下流に配置された分離ステップ用の少なくとも１つの分離装置とを含む装置に関する。この装置は実質的に、第２の冷却ステージが、第３の冷却ステージ後で、少なくとも１つの分離装置後に分枝された合成ガスの一部の量を、合成ガス流に再循環するための再循環ラインを含むことを特徴とする。

この装置の好ましい実施形態は、第１の冷却装置が、少なくとも１つ、好ましくは順々に流れることができる２つの熱交換器を含むことを提供する。この場合の熱交換器は、管状ヒュームクーラーによって形成することができる。

第３の冷却装置そして分離装置は、ガススクラバーを含むのが有利である。分離装置は追加的に、固体の構成成分を分離するためのフィルターを含むことができる。

以下では、本発明を、図面に概略的に示される典型的な実施形態によって、より詳細に説明する。

図１は、本発明の説明に重要である限り、バイオマスのガス化用のプラントのフローダイヤグラムを示す。

ガス化は、オーストリア特許第４０５９３７号に記載されているタイプの二重流動床ガス化装置で行われる。二重流動床ガス化装置は、流動床３を収容するためのガス化ゾーン２を有するガス化反応器１を含む。ガス化反応器１には、バイオマスを、例えば木材チップの形態で供給する。供給は、例えばスクリュー又はピストンコンベヤー等の搬送装置５によって、装入コンテナ４からもたらされる。ガス化反応器１では、使用されるバイオマスのガス化は、酸素を殆ど除いた状態で、大気圧で且つ約８５０℃の温度で行われる。ガス化反応器１は、特にスチーム又はＣＯ_２を噴射するためのノズルベース７と、ガス化ゾーン２で生成された合成ガスを排出するためのガス排出部６とを有する。スチーム及び／又はＣＯ_２を噴射することにより、流動床３の循環とそれ故の燃料の均一な加熱を確実にする。

二重流動床ガス化装置は更に、流動床を収容するための燃焼室８を含み、９にて空気が噴射される。ガス化反応器１と燃焼室８とは、ロックタイプの装置１０によってベース領域で互いに連結されているので、ガス化反応器１で下方に沈む脱気され且つ一部がガス化された燃料が、燃焼室８に床材料と一緒に入ることができる。燃焼室８では、ロックタイプの装置１０を介して供給された燃料の燃焼が生じ、その結果として燃焼室８の流動床の温度が上がる。床材料は、サイクロン１１にて排ガスから分離される。排ガスは、１２にて排出され、必要に応じて、排ガス処理に供給される。床材料はサイフォン１３を介してガス化反応器１に戻され、入熱をもたらす。

床材料は、例えばかんらん石（olivine）及び灰からなることができ、ガス化反応器１と燃焼室８とを通る周回路において循環する。従って、ガス化反応器１と燃焼室８との２つの流動床システムは、床材料周回路により連結され、ガス交換は、サイフォン１３によって防止される。

高温の、ダストとタールを含有する合成ガスは最初に、熱交換器１４及び１５にて、タールが未だ凝縮しない温度に冷却され、その結果として熱交換器１５での堆積物の発生を防止する。これに続いて、ダスト様の構成成分は、ファブリックフィルター１６で分離される。その後、タール汚染物質の主な部分は、ガススクラバー１７で除去され、そして合成ガスはブロワー１８による圧縮後、ガスエンジン１９で電気に直接、変換することができる。過剰な合成ガスが、ガス送管２０に供給される。バイオディーゼルは、例えばガススクラバー１７用の洗浄媒体として使用することができ、２１におけるガススクラバーに供給され、そこでタール構成成分が溶解するのが好ましい。

清浄化され且つ冷却された合成ガスの一部の量は、２２にて分枝されて、そして２３にて、即ち熱交換器１５とファブリックフィルター１６との間で、合成ガス流に再循環される。熱交換器１５から出る合成ガスと再循環された合成ガスとの混合により、冷却がなされ、必要に応じて、タール構成成分が凝縮される。

こうして、３つの冷却ステージの全てが具現化される。第１の冷却ステージでは、合成ガスは、熱交換器１４及び１５で、８００℃超から約２５０〜３００℃に冷却される。第２の冷却ステージは、合成ガスを２３にて再循環された合成ガスの量と混合することによって達成され、この冷却工程により、合成ガスは１５０〜２００℃に冷却される。第３の冷却ステージでは、合成ガスはガススクラバー１７で約２０〜６０℃に冷却される。

Claims (8)

1. 少なくとも１種の凝縮可能な構成成分、即ちタールを含有する高温の合成ガスを冷却し、前記合成ガスが、マルチステージ冷却プロセスにおいて、第１の冷却ステージ、第２の冷却ステージ、及び第３の冷却ステージを順々に通過し、そして前記合成ガスが、少なくとも部分的な冷却後、前記少なくとも１種の凝縮可能な構成成分を分離するための少なくとも１つの分離ステップに供される方法であって、前記合成ガスが、前記第１の冷却ステージで、前記少なくとも１種の凝縮可能な構成成分部分の凝縮温度よりも高い温度に冷却され、そして前記合成ガスが、前記第２の冷却ステージで前記少なくとも１種の凝縮可能な構成成分の前記凝縮温度未満の温度、即ち２００℃以下の温度に冷却され、そして前記第２の冷却ステージが、前記第３の冷却ステージ後で、前記少なくとも１つの分離ステップ後に分枝された合成ガスの一部の量を、前記合成ガス流に再循環させることを含むことを特徴とする方法。
2. 前記合成ガスが、前記第１の冷却ステージで、少なくとも１つ、好ましくは順々に通って流れる２つの熱交換器（１４、１５）を通って導かれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第３の冷却ステージ及び前記分離ステップが、ガススクラバー（１７）における前記合成ガスのスクラビングを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記分離ステップが、固体の構成成分を分離するためのろ過を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記合成ガスが、前記第１の冷却ステージにおいて、２８０℃を超える温度に冷却されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記合成ガスが、前記第２の冷却ステージにおいて、１５０〜２００℃の温度に冷却されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記合成ガスが、前記第３の冷却ステージにおいて、２０〜７０℃の温度に冷却されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記再循環される合成ガスの量が、前記第２と前記第３の冷却ステージの間に配置された温度センサの測定値の関数として調節されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
   

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