JPH0454717B2 - - Google Patents

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JPH0454717B2
JPH0454717B2 JP58064397A JP6439783A JPH0454717B2 JP H0454717 B2 JPH0454717 B2 JP H0454717B2 JP 58064397 A JP58064397 A JP 58064397A JP 6439783 A JP6439783 A JP 6439783A JP H0454717 B2 JPH0454717 B2 JP H0454717B2
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liquid
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、高温合成ガスを冷却する方法及び装
置に関し、更に詳細には、冷却時に粘性相を通過
する粒子を含む高温ガスを冷却する方法及び装置
に関する。
〔従来技術〕
当業者には周知のように、1200〓（648.9℃）
またはそれ以上の高温ガス、特に灰及び炭化物を
含む粒子を有する高温ガスを十分冷却することは
困難であつた。このようなガスの代表的なものに
は、固体炭質チヤージの不完全燃焼により得られ
た合成ガスがある。この混合物の主なガス相成分
は、一酸化炭素及び水素を含んでおり、他のガス
相成分は、窒素、二酸化炭素及び不活性ガスを含
んでいる。一般にこのような合成ガスは、無機質
な灰や、炭素を含む有機質な炭化物等を有する非
ガス成分を含んでいることが知られている。
このような非ガス成分は、１〜10000ミクロン
の大きさの固体または近固体粒子として合成ガス
に分散されている。望ましくない灰の部分は、代
表的には10−50ミクロンの粒子寸法である。合成
ガスが作られる通常1800〓〜3500〓（982.2〜
1926.7℃）の温度では、灰の成分のいくらかは、
その融点以上にあり、灰は固体と溶融片の混合物
を形成している。炭化物成分もまた、粘性のあ
る、近液体状の半溶融状態にある。
代表的には300〓〜520〓（148.8〜271.2℃）の
温度まで冷却する際、望ましくない粘性相を通る
これら粒子が存在すると、様々な問題が発生す
る。このような粒子が種々の管及び冷却器を通過
すると、これら粒子が接触する面に粒子が付着
し、やがて冷却器の通路を詰まらせ、冷却器は正
常に動作しなくなつてしまう。ガスが通過する
様々な通路が詰まると、圧力低下の増大から装置
の故障に至るまでいろいろな問題が生じる。後者
の場合、温度や圧力が増加することにより装置が
破損することがある。また、このような状態にな
らない場合でも、粘性の固体付着物を除去するた
め装置を停止させなければならない。
〔発明の概要〕
本発明の目的は、冷却する際中間粘性温度範囲
の粘性相を通過する灰及び炭化物を含む粒子を有
する高温合成ガスを冷却する方法を提供すること
である。
本発明において使用する高温合成ガスは、石炭
のガス化によつて得られた合成ガスである。代表
的な石炭のガス化プロセスにおいて、20〜500ミ
クロン、好ましくは30〜300ミクロン、たとえば
200ミクロンの平均粒子寸法に最終的に粉砕され
た石炭を、水成媒体、代表的には水に懸濁し、40
〜80w％、好ましくは50〜75w％、たとえば60w
％の固体を含むスラリを形成する。次に、この水
成スラリを燃焼室に送り、ここでスラリを酸素含
有ガス、代表的には空気と接触させて、不完全燃
焼を行なう。システムにおける酸素対炭素の元素
比率は、0.7〜1.2：１たとえば0.90：１である。
代表的な反応は、1800〓〜3500〓（982.2℃〜
1926.7℃）たとえば2500〓（1371.1℃）で、100
〜1500psig（7.0307〜105.4605Kg／cm2）、好ましく
は500〜1200psig（35.1536〜84.3684Kg／cm2）、たと
えば900psig（63.2763Kg／cm2）の圧力において行
なう。
このような代表的な動作状況のもとでは、合成
ガスは一般に（乾量基準）35〜55v％、たとえば
50v％の一酸化炭素、30〜45v％、たとえば38v％
の水素、10〜20v％、たとえば12v％の二酸化炭
素、0.3v％、たとえば0.8v％の水素硫化物、0.4〜
0.8v％、たとえば0.6v％の窒素、及び約0.1v％以
下のメタンを含んでいる。
原材料としての石炭の質及び成分とにより、石
炭は少くとも0.5w％または多くて40w％またはそ
れ以上の量の灰を含んでいる。この灰は生成され
た合成ガスに含まれる。一般に灰の成分（代表的
には無機酸化物、シリケート等）は1800〓
｛982.2℃）またはそれ以上の融点を有し、これら
が中間温度範囲において冷却されると、これら成
分は一般に粘着性を持つ。この粘性範囲は、理論
上の融点以下から融点以上にまで延びている。こ
の範囲は通常1000〓〜2000〓（537.7〜1093.3
℃）、好ましくは1100〓〜1400〓（593.3〜760℃）
である。
さらに生成された合成ガスは、炭化物のような
有機成分も含んでいることがわかつている。主に
炭素や、アスフアルト及びタタールに代表される
高沸点炭化水素を含むこの成分は、冷却の際合成
ガスが通過する中間温度において粘性を現わす。
本発明の方法に関し、ガスが供給された時点か
ら最終的に冷却されるまでの温度範囲において、
灰及び炭化物を含む合成ガスを冷却する時、これ
ら灰及び炭化物は望ましくない特性、すなわち粘
性を有する。（この温度範囲はチヤージ石炭及び
ガス化前の処理に応じて変化する。一般にこの温
度範囲の上限は1400〜2000〓（760〜1093.3℃）
で、下限は1000〓〜1100〓（537.7〜593.3℃）で
ある。
石炭がガス化され合成ガスを発生する反応によ
り出来た合成ガスは、100〜1500psig（7.0307〜
105.4605Kg／cm2）、好ましくは500〜1200psig
（351.535〜84.3684Kg／cm2）、たとえば900psig
（63.2763Kg／cm2）で1800〓〜3500〓（982.2〜
1926.7℃）、好ましくは2000〓〜2800〓（1093.3
〜1537.8℃）、たとえば2500〓（1371.1℃）であ
る。
本発明を実施する際使用し得る装置は、次に示
すようなガス発生装置を含んでいる。
米国特許第2818326号、発明者Eastman他 〃 第2896927号、 〃 Nagle他 〃 第3996609号、 〃 Crouch他 〃 第4218423号、 〃 Robin他 本発明において、灰及び炭化物を含む高温合成
ガスは、第１接触領域すなわち第１冷却領域を下
降する。第１接触領域すなわち第１冷却領域の上
端部は、ガス発生装置の反応室の下方出口部分に
接している。第１冷却領域は、通常垂直な周囲壁
面を有し、この壁面により形成された領域の断面
は、通常円筒状である。また、第１冷却領域の出
口すなわち下端部は、第１冷却領域の円筒状壁面
の下端部を形成している。
第１冷却領域は、燃焼室に関して直線状の軸を
有する垂直に延びた円筒状浸漬管に接している。
第１冷却領域すなわち浸漬管の上端部には急冷
リングが設けられ、冷却後、通常水はこのリング
を通つて第１冷却領域に入る。急冷リングから
は、本実施例では浸漬管の内面に向けて流れる冷
却液の第１の流れが送り出される。この流れは、
連続的に下降する冷却後のフイルムを形成する。
冷却液の入力温度は、100〓〜500〓（37.8〜260
℃）、好ましくは300〓〜480〓（148.8〜248.9
℃）、たとえば450〓（232.2℃）である。第１冷
却領域に送られるガス1000立方フイート（28.33
m2）当り、１〜７ポンド（0.454〜3.18Kg）好ま
しくは３〜５ポンド（1.36〜2.27Kg）、たとえば
４ポンド（1.81Kg）／ｈ（STP）の量の冷却液が
浸漬管の壁面の落下フイルムとなる。
冷却液の落下フイルムが、下降する高温合成ガ
スに接触すると、合成ガスの温度は、第１冷却領
域を合成ガスが通過する際落下フイルムと接触す
るのでで200〓〜500〓（93.3〜260℃）、好ましく
は300〓〜400〓（148.8〜204.4℃）、たとえば350
〓（176.7℃）まで低下する。
本発明のプロセスでは、第１冷却領域すなわち
第１冷却領域に好ましくはこの領域の上端から冷
却液をスプレイする。このスプレイは、浸漬液の
内面に垂直な方向（すなわち浸漬管の軸に向け
て）送られる。合成ガスが第１冷却領域を通過す
る時スプレイされた液体と合成ガスとが接触する
ことにより、同じ量の冷却液が壁面のフイルムと
してだけ下降する場合よりも合成ガスの冷却及び
熱及び質量伝達のレベルは高くなる。
冷却液をスプレイすると、約10秒以下、通常１
〜５秒、たとえば３秒間、灰及び炭化物成分が約
1000〓〜2000〓（537.7〜1093.3℃）の粘性温度
範囲を通るように合成ガスを冷却することができ
る。従つて、第１冷却領域から出た合成ガスに含
まれている灰及び炭化物は、粘性が現われる温度
（約1000〓（約537.7℃）以下の温度となり、下流
領域における詰まりは最小となる。
第１冷却領域にスプレイされる液体の量は、第
１冷却領域に送られる全液体量の約20〜50w％、
好ましくは25〜40w％、たとえば30w％である。
ガスと液体との接触度が高いので、ガスの温度は
上記領域を通過する際、600〓〜1300〓（315.6〜
704.4℃）、好ましくは800〓〜1200〓（426.7〜
648.9℃）、たとえば1100〓（593.3℃）まで低下
する。これは、後述するように、スプレイするこ
となく液体フイルムを降下しただけの場合よりも
はるかに温度低下が大きい。
すなわち、液体のフイルム及びスプレイにより
冷却液の全量を第１冷却領域に送つた場合、この
領域における温度低下は800〓〜1200〓（426.6〜
648.9℃）、たとえば1100〓（593.3℃）で、全冷
却液をフイルムとして流すだけの場合よりも温度
低下は大きい。
第１接触領域すなわち第１冷却領域の下端部に
は、冷却液が集まつて出来た液体溜りがある。こ
の液体溜りのレベルは、第１冷却領域の10％〜80
％、たとえば50％が浸漬するようなレベルに保持
されている。なお、実際には、高温及び高ガス速
度において液体レベルは常に一定ではなくむしろ
液体は激しく流動している。
高温ガスと冷却された灰及び炭化物は代表的に
は900〓〜1000〓（482.2〜537.8℃）で第１冷却
領域の下端部から出て、冷却液を通り、浸漬管の
代表的には鋸歯状の下縁部の下を通過する。次に
灰及び炭化物は保持されている冷却液中に落下
し、冷却液の下方部分から除去される。
第１冷却領域と浸漬管の底部から出たガスは、
環状通路の冷却液中を上昇し、急冷チヤンバのガ
ス排出口に向かう。ある実施例において、環状通
路は、第１冷却領域を形成している浸漬管の外面
と、浸漬管を包囲した、浸漬管の径よりも大きい
径を有するドラフト管の内面との間に形成されて
いる。ドラフト管は、浸漬管の下端部より下のレ
ベルまで、急冷チヤンバ内において延びているこ
とが望ましい。
冷却液と合成ガスの混合物が環状の第２冷却領
域を上昇すると、そこに流れる２つの相により高
温ガスから冷却液への熱伝達が有効に行なわれ、
この第２冷却領域における激しい乱流により、接
触面に粒子が接着するのが最小になる。通常、冷
却されたガスは、300〓〜520〓（148.9〜271.1
℃）、好ましくは350〓〜500〓（176.7〜260℃）、
たとえば450〓（232.2℃）でこの環状第２冷却領
域から排出される。
本発明において、冷却された排出ガスと冷却液
は、冷却液をシステムに送る急冷リングの一部、
通常下面に接して通過する。
冷却されたガスが第２冷却領域から出る際ゆつ
くりした速度で回旋状すなわち屈曲した通路を通
過して冷却液を分離し、急冷リングの下方部分に
ある冷却液プールに上記冷却液を戻すことが望ま
しい。冷却されたガスは、30〓〜520〓（148.9〜
271.1℃）、好ましくは350〓〜500〓（176.7〜260
℃）、たとえば450〓（232.2℃）で急冷ヤンバの
上方部分から取り出される。
冷却液は急冷チヤンバの下方部分から取り出さ
れ、取り出された冷却液は、小さな粒子状の固体
化灰及び炭化物を含んでいる。必要に応じて、急
冷チヤンバの下方部分の冷却液プールにさらに冷
却液を加えることもできる。
急冷チヤンバにおいて行なわれる冷却は、(i)灰
及び炭化物が粘性温度範囲を急速に通過するよう
な状況のもとでガスを冷却することができ、かつ
(ii)これら固体をガスから分離することができ、ま
た(iii)ガス冷却の効率が高く、さらに(iv)複数の流れ
により装置の内部冷却が有効に行なえる等の利点
を有している。
以下、添付の図面に基づいて本発明の実施例に
ついて説明する。
〔実施例〕
（その１） 第１図の反応容器１１は、耐熱ライ
ニング１２と入口１３とを有している。反応室１
５は、狭いスロート部分１６と広い開口１７とを
有する出口部分１４を有している。開口１７は、
浸漬管２１の内側で第１接触領域すなわち第１冷
却領域１８と結合している。鋸歯状部２３を有し
ている浸漬管２１の下端部は、急冷液を有する急
冷浴２２に浸漬している。急冷チヤンバ１９の上
部には、ガス排出管２０が設けられている。
反応容器１１の下部のフロア２５の下には、急
冷チヤンバ２４が設けられている。第２図におい
て拡大して示されているように、この急冷リング
は、フロア２５の下方部分に接した上面２６を有
している。また急冷リング２４の下面２７は、浸
積管２１の上端部に接している。急冷リング２４
の内面２８は開口１７の縁部に隣接している。
本実施例の急冷リング２４は、それぞれ入口ノ
ズル３２，３３を有するフイルムチチヤンバ３０
とスプレイチヤンバ３１に分割する内部壁２９を
有している。
フイルムチヤンバ３０は、浸漬管２１の内面に
隣接した一連の開口すなわちノズルを形成する出
口ノズル３４を有している。通路すなわちノズル
３４から放出された液体は、浸漬管２１の軸にほ
ぼ平行した方向に進み、浸漬管２１の内面に沿つ
て落下する冷却液の薄い落下フイルムを形成す
る。
スプレイチヤンバ３１は、急冷リング２４の周
囲（フイルム出口ノズル３４より浸漬管２１の軸
に近い位置）に一連の開口すなわちノズルを形成
した出口ノズル３５を含んでいる。スプレイノズ
ル３５から放出された液体は、浸漬管２１の軸に
向かう成分を有する方向に進み、本実施例ではこ
の出口ノズル３５は浸漬管の軸を包囲するよう
に、急冷リングに円形状に設けられている。
第１及び第２図に基づいて、本発明の動作を説
明する。石炭が100重量部（単位時間当り）と水
が60重量部から成るスラリは、入口１３から送ら
れる。石炭は200ミクロンの平均粒子径まで粉砕
されている。また、入口１３から90重量部の酸素
が入つてくる。反応室での燃焼温度は、2500〓
（1371.1℃）まで上昇する。反応室１５の出口部
分１４、スロート部分１６及び開口部分１７を通
過する生成合成ガスは、次のガス成分から成つて
いる。成 分 湿量基準体積％ 乾量基準体積％ CO 38.6 48.5 H2 30.5 38 CO2 9.6 12 H2O 20 − H2S 0.8 １ H2 0.4 0.5 CH4 ＜0.08 ＜0.1 また、この合成ガスは、1000SCF（15.56℃（60
〓）、1.034Kg／cm2（14.7psig）で測定して28.33m3
（10000ft3）の乾燥ガス当り約５ポンド（約2.27
Kg）の固体（炭化物及び灰）を含んでいる。
拡大開口１７を通過した235重量部の生合成ガ
スは、第１接触領域すなわち第１冷却領域１８に
送られる。ここで、ガススは一般的に水である冷
却液と接触する。冷却液の第１部分は、ノズル３
２を通つてフイルムチヤンバ３０に進み、さらに
出口ノズル３４を通つて、浸漬管２１の内面に沿
つて落下する。ここで、冷却液は浸漬管２１の内
面を包囲する冷却液の落下フイルムを形成する。
また、冷却液の第２部分は、ノズル３３とスプ
レイチヤンバ３１を通つて急冷リング２４に入
る。第２部分の冷却液は、スプレイ管すなわちノ
ズル３５を通つて第１接触領域１８に送られる。
スプレイノズル３５は、下方に望ましくは浸漬管
の主軸方向に向いている。
入口管３４から送られてくる冷却液は、全冷却
液の60w％で、スプレイノズル３５から入つてく
る冷却液は、全冷却液の40w％である。
第１接触領域における乱流と、フイルム蒸発に
よる冷却及びスプレイ冷却の組合せにより、降下
する合成ガスを2500〓（1371.1℃）の初期温度か
ら浸漬管の出口温度まで十分に冷却することがで
きる。第１冷却領域は約1400〓（760℃）以下、
代表的には約900〓〜1000〓（482.2〜537.8℃）
である。第１冷却領域において均質冷却するの
で、合成ガスの灰及び炭化物成分は急速にかつ十
分に冷却する。従つて、これらは３秒以下で粘性
範囲（1100〓〜1400〓（593.3〜760℃）を通過
し、かつこれらが浸漬管の下端部に到達する時間
まで固体状態にある。
冷却液の全量がノズル３４からフイルム状に
（スプレイノズル３５を使用せずに）送られるよ
うな構造の装置では、灰及び炭化物をそれほど速
くかつそれほど低温度まで冷却できない。このた
め、浸漬管の底部における灰及び炭化物は粘性温
度範囲にあることがわかつた。このような粒子は
金属表面に付着し、装置の周期的に閉じる部分を
詰まらせる被着物を形成してしまう。
第１接触領域の下方部分から出た合成ガスは、
液体浴２２中を通り抜ける。なお、液体は決つた
液体レベルで静止しているわけではなく、流動状
態にある（図面では静止状態に表わされている）。
合成ガスが急冷液体浴を通過すると、灰及び炭化
物粒子の大半（最高95％）は第１接触領域の下端
部においてまたは下端部近くでガスから分離す
る。
1000〓（537.8℃）で950psig（66.80Kg／cm2）の
合成ガスは、環状第２冷却領域３６を冷却液とと
もに上昇する。合成ガスが領域３６において混合
蒸気−液体流状態で上昇する時、蒸発した冷却液
とガスは冷却する。第２接触領域からの出力温度
は、代表的には400〓〜500〓（204.4〜260℃）と
なる。
ガス及び蒸発冷却液との混合物が上昇して第２
接触領域から出ると、混合物は急冷リングの一部
に向かつて流れる。この冷却効果により、急冷リ
ングは、その下方面で測定される所定の低温度に
保持されている。
灰及び炭化物の固体粒子はライン３７から取り
出される。必要に応じてさらに冷却液を管（図示
せず）から冷却浴に加えることができる。
ガス放出管３７における冷却された合成ガスの
温度は代表的には約450〓（232.2℃）で、望まし
くない固体の内容物は、燃焼室から出たガスに存
在する全固体の５％以下である。
（その２）第３図は第１図の装置の他の実施例で
あり、下方部分のみを示している。第３図の装置
は、ガスまたはガス中の粒子の量または性質に応
じてさらに冷却しなければならない場合に有効で
ある。
第３図の冷却装置は、第２冷却領域を形成して
いるドラフト管３８を有している。第２冷却領域
の断面を広くしたりまたは狭くしたり（また冷却
液浴の上面の高さを調節して冷却液との接触を多
くしたりまたは少なくしたり）することにより、
冷却時間を変化することができる。
第３図の実施例において、第２冷却領域３６の
上端から出た乱流は、急冷リングの下面と接触
し、さらに出口２０に向けて外側にかつ下方に流
れる。この乱流がバフル３９の下を通る時、液体
は遠心力によりガス流から除去される。
（その３） 第４図の実施例では、第３図の環状
通路３６の上方1/3の所に、複数のバフル４９が
浸漬管２１に取りつけられている。これらバフル
はガス及び液体の上昇流に円周方向成分の速度を
与え、それにより液体（及びこれに含まれている
固体）は遠心力を受ける。これらバフルは、浸漬
管の内部側面の上記対応部分に取りつけて、所定
の遠心力を与えるのに十分な程度通路に延びてい
るようにしてもよい。これらバフルは、熱伝達を
助け、かつ遠心力を用いて液体を凝集するような
働きがあり、それにより第２冷却領域の上方部か
ら出たガスから多量の液体と固体が除去できる。
（その４） 第５図は、第３図の装置の一部の他
の実施例を示している。この実施例では、浸漬管
２１は複数の補助スプレイ入力またはリング４０
を有している。これらリングは、第１図及び第２
図に示したスプレイノズルに加えてまたはスプレ
イノズルに代つて設けられている。第５図におけ
るこれらリングのそれぞれは、浸漬管２１の外面
に設けられ、浸漬管２１の壁を抜ける複数の開口
４１を通つて液体をスプレイする。冷却液はライ
ン４２，４３，４４から送られる。
以上のように実施例に基づいて本発明について
説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定さ
れるものではなく、様々に改変し得ることは当業
者には明白であろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は急冷チヤンバ及び浸漬管を有する本発
明の冷却装置の概要図、第２図は第１図の急冷リ
ングの詳細図、第３図は本発明の冷却装置の他の
実施例、第４図は複数のバフルを備えた浸漬管の
断面図、第５図は冷却液を浸漬管の内部にスプレ
イするスプレイ装置を備えた浸漬管の断面図を示
している。 １１……反応容器、１５……反応室、１７……
開口、１８……第１接触領域、１９……急冷チヤ
ンバ、２０……ガス排出管、２１……浸漬管、２
２……急冷浴、２４……急冷リング、３０……フ
イルムチヤンバ、３１……スプレイチヤンバ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 982.2〜1927.7℃（1800〜3500〓）の初期の
    高温度からの冷却に際し、537.7〜1093.3℃
    （1000〜2000〓）の中間粘性温度範囲で望ましく
    ない粘性相を通過する灰および炭化物を含む粒子
    を有する高温の合成ガスを、最終低温度まで冷却
    する方法であつて、 灰および炭化物を含む粒子を含有する、初期の
    高温の合成ガスを接触による第１冷却領域を下方
    に流す過程と、 上記第１冷却領域の壁面に沿つて冷却液を薄膜
    として下方に流し、下降する上記合成ガスとの接
    触で上記合成ガスが冷却されるようにする、冷却
    液を薄膜として下方に流す過程と、 粒子を含有する下降する上記合成ガス冷却液を
    スプレイし、上記合成ガスの冷却にともなつて含
    有される上記粒子が上記537.7〜1093.3℃（1000
    〜2000〓）の中間粘性温度範囲以下の温度に冷却
    されるように、冷却液をスプレイする過程と、 上記第１冷却領域の下方端部で、上記合成ガス
    から冷却された上記粒子の少なくとも一部を分離
    する過程と、 上記第１冷却領域の下方端部に、上記冷却液の
    一部を冷却液の溜りとして集めておく過程と、 上記冷却液の溜りから、冷却された上記粒子を
    含んでいる冷却液の一部を取り出す過程と、 上記第１冷却領域から出た上記合成ガスを上記
    冷却液の溜りにそれと接触させて通し、その冷却
    液の少なくとも一部を蒸発させて蒸発した冷却液
    と合成ガスとの混合物を生成する過程と、 上記蒸発した冷却液と合成ガスとの混合物を第
    ２冷却領域に流し、その合成ガスが所望の出口温
    度まで冷却されるようにする、混合物を第２冷却
    領域に流す過程と、 冷却された合成ガスを上記冷却液から分離する
    過程と、 その冷却された合成ガスを回収する過程と を備えることを特徴とする高温合成ガスの冷却方
    法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
    て、上記中間粘性温度範囲を上記合成ガスは10秒
    内で通過することを特徴とする高温合成ガスの冷
    却方法。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
    て、上記中間粘性温度範囲を上記合成ガスは１〜
    ５秒で通過することを特徴とする高温合成ガスの
    冷却方法。 ４ 特許請求の範囲第３項に記載の方法におい
    て、上記蒸発した冷却液と合成ガスとの混合物が
    148.8〜271.1℃（300〜520〓）の出口温度まで冷
    却されることを特徴とする高温合成ガスの冷却方
    法。
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