JP7225568B2

JP7225568B2 - ガス化炉

Info

Publication number: JP7225568B2
Application number: JP2018099205A
Authority: JP
Inventors: 宏明大原
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2038-05-23
Also published as: JP2019203079A

Description

本開示は、ガス化炉に関する。

特許文献１には、原料をガス化するガス化炉について開示がある。特許文献１のガス化炉は、常圧で原料をガス化し、ガス化ガスを生成する。また、特許文献１では、ガス化炉により生成された常圧のガス化ガスを加圧して、高圧のガス化ガスを生成している。

特許第３９３３１０５号公報

しかし、特許文献１では、高圧のガス化ガスを生成するために、常圧のガス化ガスを生成し、その後、ガス化ガスを加圧しており、効率が良くなかった。

本開示は、このような課題に鑑み、高圧のガス化ガスを効率よく生成可能なガス化炉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、本開示の一態様に係るガス化炉は、原料と流動媒体を収容する収容槽と、収容槽の下部に取り付けられ、収容槽の底面として機能する風箱分散板を有し、収容槽内に流動化ガスを供給する風箱と、収容槽の内部に設けられ、収容槽の内周面との間に流通口を形成し、原料および流動媒体を支持し、流動化ガスが流通可能な少なくとも１以上の収容槽分散板と、を備え、風箱分散板は、収容槽分散板に対応する第１の領域と、流通口に対応する第２の領域を有し、第２の領域における流動化ガスの流量は、第１の領域における流動化ガスの流量より小さい。

風箱分散板は、第１の領域において散気ノズルが第１の密度で設けられ、第２の領域において散気ノズルが第１の密度より小さい第２の密度で設けられてもよい。

風箱分散板は、第１の領域において第１の開口径を有する散気ノズルが設けられ、第２の領域において第１の開口径より小さい第２の開口径を有する散気ノズルが設けられてもよい。

風箱分散板は、第１の領域において散気ノズルが設けられ、第２の領域において前記散気ノズルが設けられておらず、収容槽は、第２の領域から第１の領域に向かって気体を噴射する噴射ノズルを有してもよい。

収容槽分散板の上面の面積は、風箱分散板の上面の面積より大きくてもよい。

収容槽分散板は、収容槽の内部に複数設けられ、複数の収容槽分散板の上面の面積は、風箱から離隔するほど大きくてもよい。

高圧のガス化ガスを効率よく生成することが可能となる。

第１の実施形態にかかる流動層システムを説明する図である。第１の実施形態のガス化炉の構成を示す概略断面図である。図２の破線部分を抽出した図である。比較例のガス化炉と第１の実施形態のガス化炉の構成を示す概略断面図である。第２の実施形態のガス化炉の構成を示す概略断面図である。図５の破線部分の抽出図である。第１の散気ノズルおよび第２の散気ノズルの構成を示す図である。第３の実施形態のガス化炉の構成を示す概略断面図である。第１の実施形態のガス化炉の変形例を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の一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、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、本開示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、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１の実施形態：流動層システム１００）
図１は、第１の実施形態にかかる流動層システム１００を説明する図である。図１に示すように、流動層システム１００は、燃焼炉２１０と、第１配管２１２と、サイクロン２２０と、第２配管２２２と、第１ループシール２３０と、ガス化炉２４０と、第３配管２４２と、第２ループシール２５０と、熱交換器２６０と、脱塵装置２６２とを含む。なお、図１中、原料、流動媒体、流動化ガス、ガス化ガス、燃焼排ガス等の物質の流れを実線の矢印で示す。

本実施形態において、流動層システム１００は、循環流動層式ガス化システムであり、燃焼炉２１０、第１配管２１２、サイクロン２２０、第２配管２２２、第１ループシール２３０、ガス化炉２４０、第３配管２４２、第２ループシール２５０に、流動媒体を熱媒体として循環させている。流動媒体は、粒径が３００μｍ程度の珪砂、川砂、石灰石、ドロマイト等の固体粒子である。

燃焼炉２１０は、筒形状であり、上部に第１配管２１２が接続され、下部に第３配管２４２が接続される。燃焼炉２１０には、第３配管２４２を通じて燃料および流動媒体が導入される。燃焼炉２１０では、燃料が燃焼されて、流動媒体が９００℃～１０００℃程度に加熱される。第１配管２１２は、燃焼炉２１０の上部とサイクロン２２０とを接続する。燃焼炉２１０で加熱された流動媒体および燃焼排ガスは、第１配管２１２を通じてサイクロン２２０に送出される。

サイクロン２２０は、流動媒体と燃焼排ガスとの混合物を固気分離する。第２配管２２２は、サイクロン２２０の底部とガス化炉２４０とを接続する。サイクロン２２０で分離された高温の流動媒体は、第２配管２２２を通じてガス化炉２４０に送出される。なお、第２配管２２２には、第１ループシール２３０が設けられる。第１ループシール２３０は、サイクロン２２０からガス化炉２４０に流入する燃焼排ガスを低減する。第１ループシール２３０は、ガス化炉２４０からサイクロン２２０に流出するガス化ガスを低減する。

ガス化炉２４０は、筒形状であり、上部に第２配管２２２が接続され、下部に第３配管２４２が接続される。ガス化炉２４０には、第２配管２２２を通じて流動媒体および原料が導入される。原料は、例えば、石炭、褐炭、木質ペレットなどのバイオマス等の固体燃料である。ガス化炉２４０に導入された原料は、流動媒体が有する４００℃以上１０００℃未満の熱によってガス化される。これにより、ガス化炉２４０では、ガス化ガス（合成ガス）が生成される。生成されたガス化ガスは、後段の設備に送出される。

第３配管２４２は、ガス化炉２４０の下部と燃焼炉２１０の下部とを接続する。ガス化炉２４０でガス化した後に残留した原料の残渣および流動媒体は、第３配管２４２を通じて燃焼炉２１０に送出される。原料の残渣は、燃焼炉２１０において燃料として利用される。なお、第３配管２４２には、第２ループシール２５０が設けられる。第２ループシール２５０は、ガス化炉２４０から燃焼炉２１０に流入するガス化ガスを低減する。第２ループシール２５０は、燃焼炉２１０からガス化炉２４０に流出する燃焼排ガスを低減する。

このように、本実施形態にかかる流動層システム１００において、流動媒体は、燃焼炉２１０、第１配管２１２、サイクロン２２０、第２配管２２２、第１ループシール２３０、ガス化炉２４０、第３配管２４２、第２ループシール２５０を、この順に移動し、再度燃焼炉２１０に導入されることにより、これらを循環することとなる。

なお、サイクロン２２０によって分離された燃焼排ガスは、熱交換器２６０（ボイラ）によって熱交換（冷却）され、脱塵装置２６２によって脱塵された後、外部に送出される。

図２は、第１の実施形態のガス化炉２４０の構成を示す概略断面図である。図２に示すように、ガス化炉２４０は、収容槽２４０ａと、風箱２４０ｂとを含む。収容槽２４０ａは、原料および流動媒体を収容する。本実施形態では、収容槽２４０ａは、１ＭＰａ以上の高圧に耐えられる耐圧容器で構成される。

収容槽２４０ａには、導入口２４０ｃおよび排出口２４０ｄが設けられる。導入口２４０ｃは、収容槽２４０ａ（ガス化炉２４０）の高さ方向（鉛直方向）において排出口２４０ｄよりも上方に配される。導入口２４０ｃには、サイクロン２２０で分離された高温の流動媒体および原料が導入される。排出口２４０ｄからは、流動媒体および原料の残渣が排出される。なお、収容槽２４０ａは、鉛直方向と直交する平面（水平面）の断面積が、収容槽２４０ａの底面（風箱２４０ｂの上面）から導入口２４０ｃに至るまで一定の面積を有する。

風箱２４０ｂは、収容槽２４０ａの下部（下端）に取り付けられる。風箱２４０ｂの上部には、分散板２４４が配される。分散板２４４は、流動化ガスが流通可能に構成される。分散板２４４は、鉛直方向と直交する方向（すなわち、水平方向）に延在する。風箱２４０ｂの分散板２４４は、収容槽２４０ａの底面としても機能する。

風箱２４０ｂには、不図示の流動化ガス供給部から流動化ガスが供給される。流動化ガスは、水蒸気、ＣＯ_２、ガス化ガス、空気等の気体である。本実施形態では、流動化ガス供給部から供給される流動化ガスは、１ＭＰａ以上の高圧流動化ガスである。分散板２４４は、風箱２４０ｂから収容槽２４０ａに向かう方向に高圧流動化ガスを通過させる。すなわち、風箱２４０ｂは、収容槽２４０ａ内に高圧流動化ガスを供給する。分散板２４４は、収容槽２４０ａから風箱２４０ｂに向かう方向に流動媒体および原料を通過させない。よって、収容槽２４０ａに収容された流動媒体および原料は、分散板２４４によって支持される。

収容槽２４０ａの内部には、少なくとも１以上の分散板２４６が配される。分散板２４６は、風箱２４０ｂの分散板２４４より上方に配される。つまり、ガス化炉２４０には、風箱２４０ｂの上部に配される分散板２４４と、収容槽２４０ａの内部に配される少なくとも１以上の分散板２４６が配される。

分散板２４６は、鉛直方向と直交する方向に延在する。収容槽２４０ａの内部に配される分散板２４６は、風箱２４０ｂの上部に配される分散板２４４と同様の機能を有する。したがって、分散板２４６は、風箱２４０ｂから収容槽２４０ａに向かう方向に高圧流動化ガスを通過させる。また、分散板２４６は、収容槽２４０ａから風箱２４０ｂに向かう方向に流動媒体および原料を通過させない。よって、収容槽２４０ａに収容された流動媒体および原料は、分散板２４６によって支持される。すなわち、分散板２４６は、原料および流動媒体を支持し、高圧流動化ガスが流通可能に構成される。

本実施形態では、分散板２４６は、収容槽２４０ａの内部に複数設けられる。具体的に、収容槽２４０ａの内部には、３つの分散板２４６が配される。収容槽２４０ａの内部には、風箱２４０ｂの分散板２４４に対して近接する側から順に、第１分散板２４６ａ、第２分散板２４６ｂ、第３分散板２４６ｃが配される。分散板２４４、第１分散板２４６ａ、第２分散板２４６ｂ、第３分散板２４６ｃは、鉛直方向に互いに離隔して配される。

収容槽２４０ａの内周面と第１分散板２４６ａの間には、流通口Ｈａが形成される。流通口Ｈａは、排出口２４０ｄから最も離隔する位置に配される。ただし、これに限定されず、流通口Ｈａは、第１分散板２４６ａの中央に設けられてもよいし、排出口２４０ｄに最も近接する位置に配されてもよい。

流通口Ｈａには、第１仕切り板２４８ａが取り付けられる。第１仕切り板２４８ａは、流通口Ｈａと、第１分散板２４６ａとを仕切る。第１仕切り板２４８ａは、鉛直方向に延在する。具体的に、第１仕切り板２４８ａは、第１分散板２４６ａに対し分散板２４４と近接する方向に延在する。第１仕切り板２４８ａの下端は、分散板２４４から離隔している。また、第１仕切り板２４８ａは、第１分散板２４６ａに対し分散板２４４から離隔する方向に延在する。第１仕切り板２４８ａの上端は、第２分散板２４６ｂから離隔している。

収容槽２４０ａの内周面と第２分散板２４６ｂの間には、流通口Ｈｂが形成される。流通口Ｈｂは、流通口Ｈａから最も離隔する位置に配される。ただし、これに限定されず、流通口Ｈｂは、第２分散板２４６ｂの中央に設けられてもよいし、流通口Ｈａに最も近接する位置に配されてもよい。ただし、流通口Ｈｂは、流通口Ｈａと鉛直方向において重複しない位置に配される。

流通口Ｈｂには、第２仕切り板２４８ｂが取り付けられる。第２仕切り板２４８ｂは、流通口Ｈｂと、第２分散板２４６ｂとを仕切る。第２仕切り板２４８ｂは、鉛直方向に延在する。具体的に、第２仕切り板２４８ｂは、第２分散板２４６ｂに対し第１分散板２４６ａと近接する方向に延在する。第２仕切り板２４８ｂの下端は、第１分散板２４６ａから離隔している。また、第２仕切り板２４８ｂは、第２分散板２４６ｂに対し第１分散板２４６ａから離隔する方向に延在する。第２仕切り板２４８ｂの上端は、第３分散板２４６ｃから離隔している。

収容槽２４０ａの内周面と第３分散板２４６ｃの間には、流通口Ｈｃが形成される。流通口Ｈｃは、導入口２４０ｃから最も離隔する位置に配される。ただし、これに限定されず、流通口Ｈｃは、第３分散板２４６ｃの中央に設けられてもよいし、導入口２４０ｃに最も近接する位置に配されてもよい。ただし、流通口Ｈｃは、流通口Ｈｂと鉛直方向において重複しない位置に配される。

流通口Ｈｃには、第３仕切り板２４８ｃが取り付けられる。第３仕切り板２４８ｃは、流通口Ｈｃと、第３分散板２４６ｃとを仕切る。第３仕切り板２４８ｃは、鉛直方向に延在する。具体的に、第３仕切り板２４８ｃは、第３分散板２４６ｃに対し第２分散板２４６ｂと近接する方向に延在する。第３仕切り板２４８ｃの下端は、第２分散板２４６ｂから離隔している。また、第３仕切り板２４８ｃは、第３分散板２４６ｃに対し第２分散板２４６ｂから離隔する方向に延在する。第３仕切り板２４８ｃの上端は、収容槽２４０ａの内面から離隔している。

図３は、図２の破線部分を抽出した図である。図３に示すように、分散板２４４は、複数の散気ノズル３５０を有する。複数の散気ノズル３５０は、それぞれ同一開口径の孔を有する。散気ノズル３５０は、風箱２４０ｂから収容槽２４０ａに向かう方向に高圧流動化ガスを送出する。分散板２４４は、散気ノズル３５０の密度が高い大流量領域Ｒ１と、散気ノズル３５０の密度が低い小流量領域Ｒ２とを有する。つまり、分散板２４４は、散気ノズル３５０が第１の密度で設けられた大流量領域Ｒ１（第１の領域）と、散気ノズル３５０が第１の密度より小さい第２の密度で設けられた小流量領域Ｒ２（第２の領域）とを有する。このように、分散板２４４は、流動化ガスの流量が異なる大流量領域Ｒ１および小流量領域Ｒ２を有する。小流量領域Ｒ２における流動化ガスの流量は、大流量領域Ｒ１における流動化ガスの流量より小さい。大流量領域Ｒ１は、分散板２４４より上側に隣接する第１分散板２４６ａと対向する位置に配される。小流量領域Ｒ２は、第１分散板２４６ａの開口と対向する位置に配される。

なお、図２に示すように、第１分散板２４６ａおよび第２分散板２４６ｂにも、大流量領域Ｒ１および小流量領域Ｒ２が設けられる。第１分散板２４６ａの大流量領域Ｒ１は、第１分散板２４６ａより上側に隣接する第２分散板２４６ｂと対向する位置に配される。第１分散板２４６ａの小流量領域Ｒ２は、第２分散板２４６ｂの開口と対向する位置に配される。

また、第２分散板２４６ｂの大流量領域Ｒ１は、第２分散板２４６ｂより上側に隣接する第３分散板２４６ｃと対向する位置に配される。第２分散板２４６ｂの小流量領域Ｒ２は、第３分散板２４６ｃの開口と対向する位置に配される。なお、第３分散板２４６ｃは、第３分散板２４６ｃより上側に分散板が配されないため、小流量領域Ｒ２が設けられない。第３分散板２４６ｃには、大流量領域Ｒ１のみが設けられる。

風箱２４０ｂに供給された高圧流動化ガスは、分散板２４４から収容槽２４０ａ内に導入される。上述したように、分散板２４４には、散気ノズル３５０の密度が高い大流量領域Ｒ１および散気ノズル３５０の密度が低い小流量領域Ｒ２が設けられている。また、複数の散気ノズル３５０は、それぞれ同一開口径の孔を有している。そのため、大流量領域Ｒ１を通過する高圧流動化ガスの流量は、小流量領域Ｒ２を通過する高圧流動化ガスの流量より大きくなる。

ここで、大流量領域Ｒ１を通過した高圧流動化ガスの流量を大流量領域Ｒ１の面積で除した値（以下、大流量領域ガス線速度という）は、大流量領域ガス線速度（Ｕ_０）と最小流動化開始速度（Ｕ_ｍｆ）との比率（Ｕ_０／Ｕ_ｍｆ）が１以上となるように設定される。Ｕ_０／Ｕ_ｍｆが１以上に設定されることで、分散板２４４の大流量領域Ｒ１によって支持される流動媒体は、収容槽２４０ａ内で流動層（気泡流動層あるいは均一流動層）を形成することができる。

本実施形態では、流動層の層高は、２ｍ以下の範囲に設定される。流動層の層高が２ｍを超えると、高圧流動化ガスが流動層内を流れ難くなる。また、流動層の層高が２ｍを超えると、高圧流動化ガスが流動層を均一に流れ難くなる。つまり、高圧流動化ガスが流動層内を偏って移動し、流動層が形成され難くなる。したがって、流動層の層高は、例えば、０．５ｍ以上２ｍ以下の範囲に設定される。

また、大流量領域ガス線速度が大きくなりすぎると、ガス化ガスに混入する異物の濃度が高くなる可能性がある。そのため、大流量領域ガス線速度は、Ｕ_０／Ｕ_ｍｆが１以上５未満となる範囲内に設定されることが好ましい。

一方、小流量領域Ｒ２から導入される高圧流動化ガスの流量を小流量領域Ｒ２の面積で除した値（以下、小流量領域ガス線速度という）は、小流量領域ガス線速度（Ｕ_０）と最小流動化開始速度と（Ｕ_ｍｆ）の比率（Ｕ_０／Ｕ_ｍｆ）が１未満となるように設定される。Ｕ_０／Ｕ_ｍｆが１未満に設定されることで、分散板２４４の小流量領域Ｒ２によって支持される流動媒体は、収容槽２４０ａ内で流動層を形成し難い。

大流量領域Ｒ１において流動層が形成されると、流動媒体が浮上する。そのため、流動層の層高は高くなる。分散板２４４の大流量領域Ｒ１上の流動層の層高が排出口２４０ｄの下端を超えると、流動層の一部がガス化炉２４０からオーバーフローする。高圧流動化ガスは、分散板２４４の大流量領域Ｒ１上で流動層を形成した後、第１分散板２４６ａの大流量領域Ｒ１および小流量領域Ｒ２に流入する。また、分散板２４４の大流量領域Ｒ１上の流動層で生成されたガス化ガスは、高圧流動化ガスの流れに伴って、第１分散板２４６ａの大流量領域Ｒ１および小流量領域Ｒ２に流入する。

第１分散板２４６ａの大流量領域Ｒ１によって支持される流動媒体は、高圧流動化ガスおよびガス化ガスにより流動層を形成する。流動層の層高が第１仕切り板２４８ａの上端を超えると、流動層の一部が第１分散板２４６ａの開口から分散板２４４に向かって落下する。これにより、第１分散板２４６ａに支持される流動媒体および原料の一部は、分散板２４４（小流量領域Ｒ２）上に積層される。

分散板２４４の小流量領域Ｒ２を通過する高圧流動化ガスの流量は、分散板２４４の大流量領域Ｒ１を通過する高圧流動化ガスの流量より小さい。したがって、小流量領域Ｒ２は、大流量領域Ｒ１よりも流動媒体および原料が積層され易くなる。

これにより、小流量領域Ｒ２上の流動媒体および原料（以下、非流動層という）の層高は、大流量領域Ｒ１上の流動媒体および原料（以下、流動層という）の層高よりも大きくなる。したがって、高圧流動化ガスは、非流動層の層高で発生する圧力損失により非流動層を通過し難くなる。

高圧流動化ガスは、第１分散板２４６ａの大流量領域Ｒ１上で流動層を形成した後、第２分散板２４６ｂの大流量領域Ｒ１および小流量領域Ｒ２に流入する。また、第１分散板２４６ａの大流量領域Ｒ１上の流動層で生成されたガス化ガスは、高圧流動化ガスの流れに伴って、第２分散板２４６ｂの大流量領域Ｒ１および小流量領域Ｒ２に流入する。

第２分散板２４６ｂの大流量領域Ｒ１によって支持される流動媒体は、高圧流動化ガスおよびガス化ガスにより流動層を形成する。流動層の層高が第２仕切り板２４８ｂの上端を超えると、流動層の一部が第２分散板２４６ｂの開口から第１分散板２４６ａに向かって落下する。これにより、第２分散板２４６ｂに支持される流動媒体および原料の一部は、第１分散板２４６ａ（小流量領域Ｒ２）上に積層される。第１分散板２４６ａの非流動層の層高は、第１分散板２４６ａの流動層の層高よりも大きくなる。

高圧流動化ガスは、第２分散板２４６ｂの大流量領域Ｒ１上で流動層を形成した後、第３分散板２４６ｃの大流量領域Ｒ１に流入する。また、第２分散板２４６ｂの大流量領域Ｒ１上の流動層で生成されたガス化ガスは、高圧流動化ガスの流れに伴って、第３分散板２４６ｃの大流量領域Ｒ１に流入する。

第３分散板２４６ｃの大流量領域Ｒ１によって支持される流動媒体は、高圧流動化ガスおよびガス化ガスにより流動層を形成する。流動層の層高が第３仕切り板２４８ｃの上端を超えると、流動層の一部が第３分散板２４６ｃの開口から第２分散板２４６ｂに向かって落下する。これにより、第３分散板２４６ｃに支持される流動媒体および原料の一部は、第２分散板２４６ｂ（小流量領域Ｒ２）上に積層される。第２分散板２４６ｂの非流動層の層高は、第２分散板２４６ｂの流動層の層高よりも大きくなる。第３分散板２４６ｃの大流量領域Ｒ１上で流動層を形成した後の高圧流動化ガスおよびガス化ガスは、収容槽２４０ａの上部の開口から後段の設備に送出される。

本実施形態では、ガス化炉２４０（収容槽２４０ａ）には、常圧よりも大きな１ＭＰａ以上の高圧流動化ガスが供給される。また、収容槽２４０ａ内は、常圧よりも大きな１ＭＰａ以上の高圧雰囲気に維持されている。

ところで、高圧雰囲気を流れる流動化ガスは、常圧雰囲気を流れる流動化ガスよりも体積流量が小さくなる。図４は、比較例のガス化炉４０と第１の実施形態のガス化炉２４０の構成を示す概略断面図である。図４（ａ）は、比較例のガス化炉４０を示し、図４（ｂ）は、本実施形態のガス化炉２４０を示す。図４（ａ）に示すように、比較例のガス化炉４０は、収容槽４０ａと風箱４０ｂとを備える。風箱４０ｂの上部には、分散板４４が配される。分散板４４は、流動化ガスが流通可能に構成される。風箱４０ｂの分散板４４は、収容槽４０ａの底面としても機能する。

比較例のガス化炉４０において、収容槽４０ａは、常圧雰囲気に維持されている。風箱４０ｂは、収容槽４０ａに常圧の流動化ガスを供給する。比較例のガス化炉４０は、常圧雰囲気で原料のガス化を行う。

分散板４４は、流動媒体および原料を支持する。風箱４０ｂは、分散板４４を介して収容槽４０ａ内に流動化ガスを供給する。このとき、流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆは、１以上に設定される。Ｕ_０／Ｕ_ｍｆが１以上に設定されることで、分散板４４上に流動層が形成される。比較例のガス化炉４０（収容槽４０ａ）の鉛直方向と直交する平面の断面積は、流動層の滞留時間が所定の滞留時間（ガス化反応時間）を確保できるように決定されている。

ここで、比較例のガス化炉４０において、例えば、１ＭＰａ以上の高圧雰囲気で原料のガス化を行う場合について考える。１ＭＰａ以上の高圧雰囲気は、常圧雰囲気に対し大凡１０倍以上の高い圧力を有する。そのため、高圧雰囲気を流れる流動化ガスは、常圧雰囲気を流れる流動化ガスよりも体積流量が大凡１／１０以下まで小さくなる。流動化ガスの体積流量が大凡１／１０以下まで小さくなると、流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆも大凡１／１０以下まで小さくなる。

比較例のガス化炉４０において、流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆが大凡１／１０以下まで小さくなると、流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆが１未満になり、流動層が形成されなくなる。ここで、流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを１以上にするために、風箱４０ｂが供給する流動化ガスの流量を大きくする（例えば、流動化ガスを供給するポンプ等の流動化ガス供給設備を大型化する）ことが考えられる。しかし、流動化ガス供給設備を大型化した場合、ガス化炉４０のコストが増大してしまう。したがって、比較例のガス化炉４０は、１ＭＰａ以上の高圧雰囲気に設定した場合、コスト増大を招くことなく、流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆを１以上に維持することが困難になる。つまり、比較例のガス化炉４０は、１ＭＰａ以上の高圧雰囲気に設定した場合、コスト増大を招くことなく、流動層を形成することが困難になる。

そこで、本実施形態のガス化炉２４０は、比較例のガス化炉４０よりも、流動化ガスが流通する流路における流路断面積を小さくしている。具体的に、図４（ｂ）に示すように、本実施形態の収容槽２４０ａの断面積（例えば、分散板２４４の上面の面積）は、比較例のガス化炉４０（収容槽４０ａ）の断面積（例えば、分散板４４の上面の面積）よりも小さい。本実施形態では、収容槽２４０ａの断面積は、比較例の収容槽４０ａの断面積の大凡１／１０以下である。収容槽２４０ａの断面積を小さくすることで、収容槽２４０ａ内を流通する流動化ガスの体積流量を大きくすることができる。これにより、本実施形態のガス化炉２４０（収容槽２４０ａ）は、容易にＵ_０／Ｕ_ｍｆを１以上に設定することができる。その結果、本実施形態のガス化炉２４０は、流動層を容易に形成することができる。

しかし、本実施形態の収容槽２４０ａの断面積を比較例の収容槽４０ａの断面積より小さくした場合、本実施形態の分散板２４４上に形成される流動層の容積は、比較例の分散板４４上に形成される流動層の容積より小さくなる。流動層の容積が小さくなると、生成されるガス化ガスの生成量が少なくなる。

そのため、本実施形態では、収容槽２４０ａ内に少なくとも１以上の分散板２４６を設けている。これにより、収容槽２４０ａ内の鉛直方向に少なくとも２以上の流動層（多段流動層）を形成することができる。本実施形態では、多段流動層は、収容槽２４０ａ内において鉛直方向に直列に配される。したがって、本実施形態のガス化炉２４０は、収容槽２４０ａの断面積を拡大することなく、流動層を鉛直方向に複数配置することで流動層全体の容積を大きくすることができる。

多段流動層の数は、各流動層の滞留時間の積算が所定の滞留時間（ガス化反応時間）を確保できるように決定される。その結果、本実施形態のガス化炉２４０は、収容槽２４０ａの断面積を比較例の収容槽４０ａの断面積より小さくしつつ、収容槽２４０ａ内の流動層の容積を比較例の収容槽４０ａ内の流動層の容積と同等に維持することができる。

このように、本実施形態では、ガス化炉２４０は、収容槽２４０ａの断面積を比較例（常圧雰囲気）の収容槽４０ａの断面積よりも小さくしている。また、ガス化炉２４０は、収容槽２４０ａ内に少なくとも１以上の分散板２４６を設けている。これにより、本実施形態のガス化炉２４０は、高圧雰囲気の収容槽２４０ａ内において、流動層を形成することができる。また、本実施形態のガス化炉２４０は、収容槽２４０ａ内の流動層の容積を確保（維持）することができる。その結果、本実施形態のガス化炉２４０は、高圧のガス化ガスを効率よく生成することができる。

（第２の実施形態：ガス化炉３４０）
図５は、第２の実施形態のガス化炉３４０の構成を示す概略断面図である。図５に示すように、第２の実施形態のガス化炉３４０は、第１の実施形態の分散板２４４、第１分散板２４６ａ、および、第２分散板２４６ｂの代わりに、分散板３４４、第１分散板３４６ａ、および、第２分散板３４６ｂを備える。第１の実施形態のガス化炉２４０と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

また、第２の実施形態の分散板３４４、第１分散板３４６ａ、および、第２分散板３４６ｂは、それぞれ同様の構成を有する。そのため、第２の実施形態では、分散板３４４の構成について説明し、第１分散板３４６ａおよび第２分散板３４６ｂの構成については説明を省略する。

図６は、図５の破線部分の抽出図である。図６に示すように、分散板３４４は、大流量領域Ｒ１に第１の散気ノズル３５０aを有する。分散板３４４は、小流量領域Ｒ２に第２の散気ノズル３５０ｂを有する。分散板３４４に設けられる第１の散気ノズル３５０ａの密度は、第２の散気ノズル３５０ｂの密度と大凡等しい。

図７は、第１の散気ノズル３５０ａおよび第２の散気ノズル３５０ｂの構成を示す図である。図７（ａ）は、第１の散気ノズル３５０ａおよび第２の散気ノズル３５０ｂの鉛直断面図を拡大した図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ線における第１の散気ノズル３５０ａおよび第２の散気ノズル３５０ｂの水平断面図を拡大した図である。

図７（ａ）に示すように、第１の散気ノズル３５０ａには、高圧流動化ガスを供給するための孔（供給孔）３５２が周方向に等間隔で複数（ここでは、４つ）設けられている。第２の散気ノズル３５０ｂには、流動化ガスを供給するための孔（供給孔）３５４が周方向に等間隔で複数（ここでは、４つ）設けられている。

しかし、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、第１の散気ノズル３５０ａの孔３５２の開口径（第１の開口径）は、第２の散気ノズル３５０ｂの孔３５４の開口径（第２の開口径）よりも大きい。つまり、分散板３４４は、第１の開口径を有する第１の散気ノズル３５０ａが設けられた大流量領域Ｒ１（第１の領域）と、第１の開口径より小さい第２の開口径を有する第２の散気ノズル３５０ｂが設けられた小流量領域Ｒ２（第２の領域）とを有する。

上述したように、分散板３４４に設けられる第１の散気ノズル３５０ａの密度は、第２の散気ノズル３５０ｂの密度と大凡等しい。そのため、大流量領域Ｒ１に設けられた第１の散気ノズル３５０ａから供給される流動化ガスの流量は、小流量領域Ｒ２に設けられた第２の散気ノズル３５０ｂから供給される流動化ガスの流量よりも大きくなる。

このように、第１の散気ノズル３５０ａの密度と第２の散気ノズル３５０ｂの密度が大凡等しい場合でも、それぞれの開口径を異ならせることで小流量領域Ｒ２側の流動化ガスの流量を大流量領域Ｒ１側の流動化ガスの流量よりも小さくすることができる。第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、小流量領域Ｒ２側の流動化ガスの流量を大流量領域Ｒ１側の流動化ガスの流量よりも小さくする構成は、上記第１の実施形態の分散板２４４の構成や第２の実施形態の分散板３４４の構成に限定されない。例えば、風箱２４０ｂは、小流量領域Ｒ２に供給する流動化ガスの圧力を大流量領域Ｒ１に供給する流動化ガスの圧力より小さくしてもよい。

これにより、例えば、第１の実施形態の分散板２４４に設けられた散気ノズル３５０の密度および開口径が等しい場合であっても、小流量領域Ｒ２側の流動化ガスの流量を大流量領域Ｒ１側の流動化ガスの流量よりも小さくすることができる。

（第３の実施形態：ガス化炉４４０）
図８は、第３の実施形態のガス化炉４４０の構成を示す概略断面図である。図８に示すように、第３の実施形態のガス化炉４４０は、収容槽２４０ａの外部にバイパス管路４５０を備える。バイパス管路４５０は、各分散板４４６を迂回（バイパス）する管路である。

また、第３の実施形態のガス化炉４４０は、風箱２４０ｂの上部に分散板４４４を、収容槽２４０ａの内部に第１分散板４４６ａ、第２分散板４４６ｂ、第３分散板４４６ｃを備える。第１の実施形態のガス化炉２４０と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

バイパス管路４５０は、第１のバイパス管路４５２と、第２のバイパス管路４５４と、第３のバイパス管路４５６とを有する。第１のバイパス管路４５２は、一端が収容槽２４０ａ内における第３分散板４４６ｃの上方と連通し、他端が収容槽２４０ａ内における第３分散板４４６ｃの下方と連通する。第１のバイパス管路４５２は、第３分散板２４６ｃ上に形成される流動層の一部を第２分散板４４６ｂ上に導く。

第２のバイパス管路４５４は、一端が収容槽２４０ａ内における第２分散板４４６ｂの上方と連通し、他端が収容槽２４０ａ内における第２分散板４４６ｂの下方と連通する。第２のバイパス管路４５４は、第２分散板２４６ｂ上に形成される流動層の一部を第１分散板４４６ａ上に導く。

第３のバイパス管路４５６は、一端が収容槽２４０ａ内における第１分散板４４６ａの上方と連通し、他端が収容槽２４０ａ内における第１分散板４４６ａの下方と連通する。第３のバイパス管路４５６は、第１分散板２４６ａ上に形成される流動層の一部を分散板４４４上に導く。

第３の実施形態の分散板４４４は、第１の実施形態の大流量領域Ｒ１のみによって構成される。第３の実施形態の第１分散板４４６ａ、第２分散板４４６ｂ、第３分散板４４６ｃは、それぞれ分散板４４４と同じ構成を有する。

したがって、第３の実施形態のガス化炉４４０には、第１仕切り板２４８ａ、第２仕切り板２４８ｂ、第３仕切り板２４８ｃが設けられていない。そのため、第３の実施形態のガス化炉４４０は、第１の実施形態のガス化炉２４０よりも製造が容易になる。また、第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示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技術的範囲に属するものと了解される。

上記実施形態では、収容槽２４０ａ内に３つの分散板２４６、３４６、４４６を設ける例について説明した。しかし、これに限定されず、収容槽２４０ａ内に設けられる分散板２４６、３４６、４４６は、１つであってもよいし、２つであってもよい。分散板２４６、３４６、４４６は、収容槽２４０ａ内に１以上設けられていれば良い。

上記実施形態では、収容槽２４０ａの断面積は、収容槽２４０ａの底面（風箱２４０ｂの上面）から導入口２４０ｃに至るまで一定である例について説明した。しかし、これに限定されず、収容槽２４０ａの断面積は、収容槽２４０ａの底面（風箱２４０ｂの上面）から導入口２４０ｃに向かって大きくなってもよい。

図９は、第１の実施形態のガス化炉２４０の変形例を示す図である。図９に示すように、変形例のガス化炉５４０は、鉛直方向上側に向かって断面積が大きくなる収容槽５４０ａを備える。収容槽５４０ａは、３つの分散板５４６を内部に有する。３つの分散板５４６は、風箱２４０ｂの分散板２４４に対して近接する側から順に、第１分散板５４６ａと、第２分散板５４６ｂと、第３分散板５４６ｃが配される。

図９に示すように、３つの分散板５４６の上面の面積は、分散板２４４の上面の面積より大きい。また、３つの分散板５４６の上面の面積は、風箱２４０ｂから離隔するほど大きくなる。換言すれば、３つの分散板５４６の上面の面積は、鉛直方向上側ほど大きくなる。

ところで、３つの分散板５４６上に形成される流動層は、原料がガス化されることでガス化ガスが生成される。生成されたガス化ガスは、流動化ガスの流れに沿って、収容槽５４０ａ内を鉛直方向上側に上昇していく。第２分散板５４６ｂ上に形成される流動層で生成されたガス化ガスは、第１分散板５４６ａ上に形成される流動層で生成されるガス化ガスと合流する。また、第３分散板５４６ｃ上に形成される流動層から生成されたガス化ガスは、第１分散板５４６ａおよび第２分散板５４６ｂ上に形成される流動層で生成されるガス化ガスと合流する。

したがって、収容槽５４０ａ内のガス化ガスは、鉛直方向上側ほど流量が大きくなる。そのため、仮に３つの分散板５４６の上面の面積が一定である場合、鉛直方向上側の流動層ほど、流動化ガスの流れる流速が速くなる。流動化ガスの流速が速くなり、流動化ガスのＵ_０／Ｕ_ｍｆが５以上になると、生成したガス化ガスに混入する異物の濃度が高くなる可能性がある。したがって、収容槽５４０ａ内において流動化ガスの流速を変動させない、すなわち、流動化ガスの流速を一定にすることが好ましい。図９に示すように、３つの分散板５４６の上面の面積を鉛直方向上側ほど大きくすることで、収容槽５４０ａ内において、流動化ガスの流速を一定にすることができる。

また、第１の実施形態では、分散板２４６の小流量領域Ｒ２に散気ノズル３５０を配置する例について説明した。しかし、分散板２４６の小流量領域Ｒ２には、散気ノズル３５０が配置されていなくともよい。すなわち、分散板２４６は、散気ノズル３５０が設けられた大流量領域Ｒ１（第１の領域）と、散気ノズル３５０が設けられない小流量領域Ｒ２（第２の領域）とを有してもよい。例えば、収容槽２４０ａの側壁には、非流動層の下部に相当する位置に噴射ノズルが取り付けられてもよい。噴射ノズルは、小流量領域Ｒ２（第２の領域）から大流量領域Ｒ１（第１の領域）に向かって気体（例えば、高圧流動化ガス）を噴射する。これにより、噴射ノズルは、非流動層の一部を強制的に流動層側に移動させることができる。

本開示は、ガス化炉に利用することができる。

２４０ガス化炉
２４０ａ収容槽
２４０ｂ風箱
２４６分散板
３５０散気ノズル
４５０バイパス管路
Ｒ１大流量領域（第１の領域）
Ｒ２小流量領域（第２の領域）

Claims

原料と流動媒体を収容する収容槽と、
前記収容槽の下部に取り付けられ、前記収容槽の底面として機能する風箱分散板を有し、前記収容槽内に流動化ガスを供給する風箱と、
前記収容槽の内部に設けられ、前記収容槽の内周面との間に流通口を形成し、前記原料および前記流動媒体を支持し、前記流動化ガスが流通可能な少なくとも１以上の収容槽分散板と、
を備え、
前記風箱分散板は、前記収容槽分散板に対応する第１の領域と、前記流通口に対応する第２の領域を有し、前記第２の領域における前記流動化ガスの流量は、前記第１の領域における前記流動化ガスの流量より小さい
ガス化炉。
前記風箱分散板は、前記第１の領域において散気ノズルが第１の密度で設けられ、前記第２の領域において前記散気ノズルが前記第１の密度より小さい第２の密度で設けられる
請求項１に記載のガス化炉。
前記風箱分散板は、前記第１の領域において第１の開口径を有する散気ノズルが設けられ、前記第２の領域において前記第１の開口径より小さい第２の開口径を有する散気ノズルが設けられる
請求項１または２に記載のガス化炉。
前記風箱分散板は、前記第１の領域において散気ノズルが設けられ、前記第２の領域において前記散気ノズルが設けられておらず、
前記収容槽は、前記第２の領域から前記第１の領域に向かって気体を噴射する噴射ノズルを有する
請求項１または２に記載のガス化炉。
前記収容槽分散板の上面の面積は、前記風箱分散板の上面の面積より大きい
請求項１から４のいずれか１項に記載のガス化炉。
前記収容槽分散板は、前記収容槽の内部に複数設けられ、
前記複数の収容槽分散板の上面の面積は、前記風箱から離隔するほど大きくなる
請求項１から５のいずれか１項に記載のガス化炉。