JP6600988B2

JP6600988B2 - ガス化ガス生成装置

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Publication number: JP6600988B2
Application number: JP2015104078A
Authority: JP
Inventors: 陽介坪井; 志宏劉
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2019-11-06
Anticipated expiration: 2035-05-22
Also published as: JP2016216634A

Description

本発明は、固体原料をガス化させてガス化ガスを生成するガス化ガス生成装置に関する。

近年、石油に代えて、石炭やバイオマス、タイヤチップ等の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。このようにして生成されたガス化ガスは、発電システムや、水素の製造、合成燃料（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。ガス化ガスの原料となる固体原料のうち、特に石炭は、可採年数が１５０年程度と、石油の可採年数の３倍以上であり、また、石油と比較して埋蔵地が偏在していないため、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。

石炭のガス化プロセスとして、水蒸気を用い、７００℃〜９００℃程度で石炭をガス化する技術（水蒸気ガス化）が開発されている。この技術では、温度を低く設定することでコストを低減することが可能となるが、生成されたガス化ガスには、タールが多く含まれる。このため、水蒸気ガス化によって生成されたガス化ガスに酸素を添加して燃焼させ、１０００℃以上に昇温してタールを酸化改質することで、ガス化ガスからタールを除去している。

しかし、タールを酸化改質する技術では、多量の酸素を供給することになり、酸素生成のためのコストがかかってしまう。また、酸化改質炉の温度を上昇させるためにガス化ガス中の水素やメタンを燃焼（消費）させるため、燃焼させた分、水素やメタンが減少し、二酸化炭素や水蒸気が増加する。このため、酸化改質炉で処理したガス化ガスでは、未処理のガス化ガスと比較して、単位体積あたりの水素やメタンの割合が低下してしまう。

そこで、燃焼炉で加熱された流動媒体とガス化ガスとを接触させることでタールを改質する技術（例えば、特許文献１）や、ガス化ガスと活性炭とを接触させることで活性炭にタールを吸着させる技術（例えば、特許文献２）が開発されている。

特開２０１０−１２１０４９号公報特開２００９−４６６４４号公報

しかし、特許文献１の技術では、流動媒体からガス化ガスへの伝熱効率が低く、タールの改質効率に限界があった。また、特許文献２の技術では、活性炭に要するコストがかかるという課題がある。したがって、低コストで効率よくタールを改質できる技術の開発が希求されている。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、低コストで効率よくタールを改質することが可能なガス化ガス生成装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のガス化ガス生成装置は、流動化ガスによって流動媒体の流動層が形成されるとともに固体原料が導入され、固体原料が熱分解されて熱分解チャーおよび熱分解ガスが生成される第１室と、流動化ガスによって流動媒体の流動層が形成されるとともに第１室で生成された熱分解チャーが導入され、熱分解チャーがガス化されてガス化ガスが生成される第２室と、偏析により、第１室において流動層の上部に熱分解チャーの層が形成されるように、第１室に供給される流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを制御する制御部と、第１室内に形成される流動層内であって熱分解チャーの層の下方に固体原料を導入する原料導入機構と、を備えたことを特徴とする。

また、制御部は、第１室に供給される流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを０．５以上３未満に制御するとしてもよい。

また、制御部は、第２室において熱分解チャーがガス化されるように、第２室に供給される流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを制御するとしてもよい。

本発明によれば、低コストで効率よくタールを改質することが可能となる。

ガス化ガス生成システムを説明するための図である。ガス化ガス生成装置を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（ガス化ガス生成システム１００）
図１は、ガス化ガス生成システム１００を説明するための図である。図１に示すように、ガス化ガス生成システム１００は、ガス化ガス生成ユニット１１０と、精製ユニット１２０とを含んで構成される。なお、図１中、固体原料、ガス、水蒸気、空気の流れを実線の矢印で、流動媒体の流れを一点鎖線の矢印で示す。

（ガス化ガス生成ユニット１１０）
ガス化ガス生成ユニット１１０は、燃焼炉１１２と、媒体分離装置（サイクロン）１１４と、ガス化ガス生成装置２００とを含んで構成される。ガス化ガス生成ユニット１１０は、循環流動層式ガス化システムであり、全体として、粒径が３００μｍ程度の硅砂（珪砂）等の砂で構成される流動媒体を熱媒体として循環させている。具体的に説明すると、まず、流動媒体は、燃焼炉１１２で９００℃〜１０００℃程度に加熱され、燃焼排ガスとともに媒体分離装置１１４に導入される。媒体分離装置１１４においては、高温の流動媒体と燃焼排ガスとが分離され、当該分離された燃焼排ガスは、不図示の熱交換器（例えば、ボイラー）等で熱回収された後、外部へ排出される。

一方、媒体分離装置１１４で分離された高温の流動媒体は、ガス化ガス生成装置２００を構成するガス化炉２１０に導入される。そして、ガス化炉２１０に導入された流動媒体は、ガス化炉２１０の底面から導入される流動化ガス（例えば、水蒸気）によって流動層化された後、最終的に、燃焼炉１１２に戻される。

詳しくは後述するが、ガス化炉２１０は、例えば、気泡流動層（バブリング流動層）ガス化炉であり、褐炭等の石炭、石油コークス、バイオマス、タイヤチップ等の固体原料を７００℃〜９００℃でガス化させてガス化ガスを生成する。本実施形態では、ガス化炉２１０に水蒸気を供給することにより、固体原料をガス化させてガス化ガスを生成する（水蒸気ガス化）。

ガス化ガス生成装置２００で生成されたガス化ガスには、水蒸気、タール、微粒子（チャー（熱分解チャー等）、流動媒体）等が含まれている。このため、ガス化ガス生成装置２００で生成されたガス化ガスは、後段の精製ユニット１２０に送出されて精製されることとなる。精製ユニット１２０は、ガス化ガスに含まれる水蒸気、微粒子（チャー（熱分解チャー等）、流動媒体）、硫黄や硫黄化合物、アンモニア等の窒素化合物、塩素や塩素化合物を除去して精製ガス化ガスを生成する。

以下、本実施形態において特徴的なガス化ガス生成装置２００について説明する。

（ガス化ガス生成装置２００）
図２は、本実施形態にかかるガス化ガス生成装置２００を説明するための図である。本実施形態の図２では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。また、図２において、固体原料を白い丸で、熱分解チャーを黒い丸で、固体原料、流動媒体、ガス、水蒸気等の物質の流れを実線の矢印で、信号の流れを破線の矢印で示す。

図２に示すように、ガス化ガス生成装置２００は、ガス化炉２１０と、原料導入機構２２０と、第１流動化ガス供給部２３０と、第２流動化ガス供給部２４０と、制御部２５０とを含んで構成される。

ガス化炉２１０は、水平断面（図２中ＸＹ断面）が略矩形形状であり、側面２１０ａに媒体導入口２１２が設けられ、側面２１０ａにおける媒体導入口２１２の下方に原料導入口２１４が設けられている。媒体導入口２１２には、上記媒体分離装置１１４（図１参照）と連通する媒体導入管２１２ａが接続されており、媒体導入口２１２を通じてガス化炉２１０に流動媒体が導入されることとなる。

原料導入口２１４には、原料導入管２１４ａが接続されており、原料導入管２１４ａ内には、固体原料をガス化炉２１０の流動層内に導入する原料導入機構２２０が設けられている。原料導入機構２２０は、シール性を維持しつつ、固体原料を流動層内に送出するスクリューフィーダ等で構成され、ガス化炉２１０からのガス（熱分解ガス、ガス化ガス）の漏出を防止しつつ、固体原料をガス化炉２１０に導入する。

また、ガス化炉２１０の側面２１０ａと異なる側面２１０ｂには、流動媒体を排出する媒体排出口２１６が設けられている。媒体排出口２１６には、上記燃焼炉１１２（図１参照）と連通する媒体排出管２１６ａが接続されており、媒体排出口２１６を通じてガス化炉２１０から流動媒体が排出されることとなる。

また、ガス化炉２１０内には、ガス化炉２１０内を水平方向に二分割する仕切板２１８が設けられている。仕切板２１８は、鉛直方向（図２中Ｚ軸方向）に立設した板部材で構成されている。仕切板２１８は、ガス化炉２１０の底面と仕切板２１８の下端とが所定距離離隔するとともに、ガス化炉２１０の上面と仕切板２１８の上端とが所定間隔離隔するように配されている。以下、側面２１０ａおよび仕切板２１８によって区画されるガス化炉２１０内の領域を熱分解領域Ａ（第１室）と称し、側面２１０ｂおよび仕切板２１８によって区画されるガス化炉２１０内の領域をガス化領域Ｂ（第２室）と称する。

第１流動化ガス供給部２３０は、第１風箱２３２と、第１風箱２３２と流動化ガス供給源とを接続する配管２３４と、配管２３４に設けられ、流動化ガスを第１風箱２３２に送り込むポンプ２３６とを含んで構成される。第１風箱２３２は、ガス化炉２１０における熱分解領域Ａの下方に設けられ、第１風箱２３２を通じて熱分解領域Ａの底面から当該熱分解領域Ａ内に流動化ガスが供給されることとなる。

具体的に説明すると、第１風箱２３２の上部は、ガス化炉２１０（熱分解領域Ａ）の底面としても機能し、通気可能である分散板２３２ａで形成されている。分散板２３２ａは、例えば、流動媒体の粒径よりも小さい径の開孔が設けられたノズルを複数設置した板や、流動媒体の粒径より小さい径の開孔が複数設けられた板で構成される。

ポンプ２３６は、後述する制御部２５０によって駆動制御され、流動化ガスを第１風箱２３２に送り込む。

こうして、第１流動化ガス供給部２３０によって熱分解領域Ａに供給された流動化ガスは、熱分解領域Ａで流動媒体を流動させて流動層を形成する。また、上述したように、熱分解領域Ａには、原料導入口２１４が設けられているため、熱分解領域Ａに固体原料が導入されることとなる。

第２流動化ガス供給部２４０は、第２風箱２４２と、第２風箱２４２と流動化ガス供給源とを接続する配管２４４と、配管２４４に設けられ、流動化ガスを第２風箱２４２に送り込むポンプ２４６とを含んで構成される。第２風箱２４２は、ガス化炉２１０におけるガス化領域Ｂの下方に設けられ、第２風箱２４２を通じてガス化領域Ｂの底面から当該ガス化領域Ｂ内に流動化ガスが供給されることとなる。

第１風箱２３２と同様に、第２風箱２４２の上部は、ガス化炉２１０（ガス化領域Ｂ）の底面としても機能し、通気可能である分散板２４２ａで形成されている。分散板２４２ａは、例えば、流動媒体の粒径よりも小さい径の開孔が設けられたノズルを複数設置した板や、流動媒体の粒径より小さい径の開孔が複数設けられた板で構成される。

ポンプ２４６は、後述する制御部２５０によって駆動制御され、流動化ガスを第２風箱２４２に送り込む。

こうして、第２流動化ガス供給部２４０によってガス化領域Ｂに供給された流動化ガスは、ガス化領域Ｂで流動媒体を流動させて流動層を形成することとなる。

制御部２５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働してガス化ガス生成装置２００全体を管理および制御する。本実施形態において、制御部２５０は、ポンプ２３６およびポンプ２４６を制御する。

具体的に説明すると、制御部２５０は、ポンプ２３６を制御して、熱分解領域Ａにおいて、流動媒体が有する熱により固体原料が熱分解されて、熱分解チャーおよび熱分解ガスが生成されるとともに、偏析により流動媒体の流動層の上方に熱分解チャーが存在するように、熱分解領域Ａに供給される流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを制御する。

ここで、熱分解チャーは、固体原料が熱分解された結果生じる固形物であり、炭素と灰分（カリウム等のアルカリ金属やカルシウム等のアルカリ土類金属等を含む無機成分）とで構成される多孔質体である。熱分解ガスは、固体原料が熱分解された結果生じるガスであり、タールを含んでいる。また、Ｕ_０は、流体（流動化ガス）が流動層内を移動する速度（空塔速度）であり、Ｕ_ｍｆは、流動媒体の最小流動化速度（流動化開始速度）である。

従来、固体原料および熱分解チャーが流動層内に実質的に均一に分散されるように、流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを制御していた。この場合、固体原料が熱分解されることで生じた熱分解ガスが、何らの処理もされずに、ガス化ガスと混合されてガス化炉から精製ユニット１２０に送出されていた。ガス化ガスには、タールが殆ど含まれないが、熱分解ガスにはタールが含まれている。このため、ガス化炉から送出されるガス（ガス化ガスおよび熱分解ガス）には、結果としてタールが含まれることとなり、精製ユニット１２０においてタールを除去する処理を行う必要が生じ、処理に要するコストがかかっていた。

そこで、本実施形態では、上記したように制御部２５０が、偏析により熱分解チャーが流動媒体の流動層の上方に存在するように、熱分解領域Ａに供給される流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを制御する。そうすると、ガス化炉２１０に導入された固体原料は、下層の流動層において熱分解チャーと熱分解ガスに熱分解され、熱分解チャーは流動層の上方に移動されて、流動層の上方に熱分解チャーの層（以下、「チャー層」と称する）が形成されることとなる。これにより、熱分解ガスは、チャー層を通過した後ガス化領域Ｂに到達することとなる。

熱分解ガスがチャー層を通過すると、通過過程で熱分解ガスが熱分解チャーに接触して熱分解ガス中のタールが吸着したり改質（分解）されたりすると考えられる。具体的に説明すると、上記したように、熱分解チャーにはアルカリ金属やアルカリ土類金属が含まれている。アルカリ金属やアルカリ土類金属は、タールの改質反応を促進する触媒として機能すると推測され、熱分解ガスが熱分解チャーに接触すると、アルカリ金属やアルカリ土類金属によって熱分解ガス中のタールの改質が促進されると考えられる。また、熱分解チャーは多孔質体であるため、固体原料と比較して比表面積が大きい。したがって、アルカリ金属やアルカリ土類金属とタールとの接触効率が高く、アルカリ金属やアルカリ土類金属によるタールの改質がさらに促進されることとなると推測される。このように、流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを制御して、熱分解チャーを偏析させるだけといった簡易な構成で、熱分解ガス中のタールを改質することができる。

また、偏析により熱分解チャーが流動媒体の流動層の上方に存在するＵ_０／Ｕ_ｍｆは、０．５以上３未満であり、好ましくは、０．８以上２．５未満であり、より好ましくは１以上１．５未満である。ここで、Ｕ_０／Ｕ_ｍｆが、０．５未満であると、ほぼ流動化が起こらない。また、Ｕ_０／Ｕ_ｍｆが３以上であると、熱分解チャーの流動層内での混合状態が良好となるため、偏析がほとんど生じず、流動層の上方に熱分解チャー（チャー層）を存在させることができなくなる。

このようにして、熱分解領域Ａで生成された熱分解ガスは、チャー層を通過してタールが除去（改質）された後、ガス化領域Ｂ、ガス化炉２１０の上面に設けられたガス送出口２１０ｃを通じて、後段の精製ユニット１２０に送出されることとなる。

また、ガス化炉２１０には、固体原料が連続的に導入されるため、導入された固体原料に相当する量の熱分解チャーが、チャー層から仕切板２１８をオーバーフローしてガス化領域Ｂに導入されることとなる。また、ガス化炉２１０には、流動媒体が連続的に導入されるため、導入された流動媒体に相当する量の熱分解領域Ａ中の流動媒体は、仕切板２１８の下方から押し出されてガス化領域Ｂに移動することとなる。

そして、ガス化領域Ｂに導入された熱分解チャーはガス化されて、ガス化ガスとなり、熱分解領域Ａで生成された熱分解ガスとともにガス送出口２１０ｃを通じて後段の精製ユニット１２０に送出される。具体的に説明すると、制御部２５０は、ポンプ２４６を制御して、ガス化領域Ｂにおいて、流動媒体が有する熱および水蒸気（流動化ガス）により熱分解チャーがガス化されてガス化ガスが生成されるように、ガス化領域Ｂに供給される流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを制御する。なお、ガス化領域Ｂに供給される流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆは、熱分解領域Ａに供給される流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆより大きい。

こうして、ガス化領域Ｂでは、ガス化ガスが生成されるとともに、ガス化炉２１０に流動媒体が導入されることによって増加したガス化領域Ｂの流動媒体およびガス化された後の熱分解チャーは、媒体排出口２１６をオーバーフローして媒体排出管２１６ａを通じて、燃焼炉１１２に送出されることとなる。

（熱分解領域Ａおよびガス化領域Ｂの長さの設計）
続いて、ガス化炉２１０における熱分解領域Ａおよびガス化領域Ｂの長さの設計について説明する。熱分解領域Ａの長さ、すなわち、側面２１０ａから仕切板２１８までの距離（図２中のＸ軸方向の長さ）は、流動媒体の性状、固体原料の性状、流動化ガスの性状、流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆに基づいて設計され、固体原料が熱分解チャーと熱分解ガスに熱分解されるとともに、偏析により熱分解チャーが流動媒体の流動層の上方に存在するように決定される。

また、ガス化領域Ｂの長さ、すなわち、側面２１０ｂから仕切板２１８までの距離（図２中のＸ軸方向の長さ）についても、流動媒体の性状、固体原料の性状、流動化ガスの性状、流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆに基づいて設計され、熱分解チャーのガス化効率が所定値となるように決定される。

以上説明したように、本実施形態のガス化ガス生成装置２００によれば、熱分解チャーを偏析させるだけで、熱分解ガス中のタールを改質できるため、ガス化ガス生成装置２００から送出されるガス中のタールを低コストで効率よく改質することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態において、固体原料を熱分解して熱分解チャーおよび熱分解ガスを生成する第１室（熱分解領域Ａ）と、熱分解チャーをガス化してガス化ガスを生成する第２室（ガス化領域Ｂ）とが、同一のガス化炉２１０内に設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、第１室と第２室とは、別体であってもよい。

また、上記実施形態では、流動化ガスとして水蒸気を例に挙げて説明したが、流動化ガスに限定はなく、例えば、窒素、二酸化炭素、空気等であってもよい。

また、上記実施形態では、原料導入機構２２０としてスクリューフィーダを例に挙げて説明した。しかし、原料導入機構２２０は、固体原料をガス化炉２１０の流動層内に導入できれば構成に限定はなく、例えば、他のフィーダ機構を採用してもよい。また、原料導入機構は、媒体導入口２１２を通じて、流動媒体とともに固体原料を流動層内に導入してもよい。

本発明は、固体原料をガス化させてガス化ガスを生成するガス化ガス生成装置に利用することができる。

Ａ熱分解領域（第１室）
Ｂガス化領域（第２室）
２００ガス化ガス生成装置
２２０原料導入機構
２５０制御部

Claims

流動化ガスによって流動媒体の流動層が形成されるとともに固体原料が導入され、該固体原料が熱分解されて熱分解チャーおよび熱分解ガスが生成される第１室と、
流動化ガスによって流動媒体の流動層が形成されるとともに前記第１室で生成された熱分解チャーが導入され、該熱分解チャーがガス化されてガス化ガスが生成される第２室と、
偏析により、前記第１室において前記流動層の上部に前記熱分解チャーの層が形成されるように、該第１室に供給される流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを制御する制御部と、
前記第１室内に形成される前記流動層内であって前記熱分解チャーの層の下方に前記固体原料を導入する原料導入機構と、を備えたことを特徴とするガス化ガス生成装置。
前記制御部は、前記第１室に供給される流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを０．５以上３未満に制御することを特徴とする請求項１に記載のガス化ガス生成装置。
前記制御部は、前記第２室において前記熱分解チャーがガス化されるように、該第２室に供給される流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを制御することを特徴とする請求項１または２に記載のガス化ガス生成装置。