JPS5824475B2 - 石炭類の流動ガス化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は石炭類の流動ガス化装置に係り、特にクリンカ
ーの生成を抑制することができる石炭類の流動ガス化装
置に関する。

石炭は化石燃料中殻も埋蔵量が多いが、固体で灰分を含
有するため、これをガス化あるいは液化してクリーンな
流体燃料に変換する技術の開発が盛んに行われている。

この中でもガス化は燃料ガス、合成ガス、あるいはガス
化発電等の広範な用途があるため最も有力な石炭利用技
術の一つである。

石炭をガス化する方法には固定層、流動層、気流層、溶
融媒体層等を用いる各種反応形式があるが、流動層は固
定層の欠点である粉炭の使用が可能であるだけでなく、
炉内の温度分布が均一になりやすいのでタール等の副生
を抑制でき、またガス化剤と原料炭との接触率がよいた
めガス化速度が大きく大量処理に適するという長所を有
する。

一方、石油中の重質分、特に減圧残渣油（アスファルト
分、以下重質油と称する）は一般の水素化脱硫では十分
に脱硫できないため、これまたガス化したり軽質化して
クリーン化を図る必要がある。

これら重質油は一般に原油の２０％近くを占め、重質原
油では５０％以上に及ぶものもあるので、エネルギー源
の多様化と環境保全の観点から重質油のクリーンエネル
ギー化技術の開発も重要となってきており、重質油を石
炭と共にガス化する方式も提案されている。

重質油のガス化では、上記石炭の場合と同じ理由のほか
に、重質油の熱処理時に起こりやすいコーキングトラブ
ルを防止するためにも流動層形式の反応器が適しており
、石炭と重質油の混合物（以下スラリーと称する）のガ
ス化でも流動層方式が採用されている。

このような石炭類の流動層ガス化炉の実用化に際しいく
つかの技術的問題点がある。

そのうち最大の課題となっているのがクリンカートラブ
ルである。

すなわち、石炭類のガス化においては一般に酸素や空気
により原料の一部を燃焼し、その発生熱量でガス化炉内
温度を適正に保持する、いわゆる内熱式ガス化方式が採
用されているか、燃焼帯域で温度が上りすぎると灰分が
溶融・凝集し、いわゆるクリンカーを形成して流動層の
安定な運転を阻害する。

流動層では粒子がガス化剤により流動化されて攪拌状態
に近くなるため、炉内温度は固定層にくらべて均一であ
るが、ガス化剤の吹き込み口ではガス化剤中の酸素によ
る石炭類の激しい燃焼のため、上記の吹き込み目部分に
局所的な温度上昇が起こりクリンカーが生成するものと
考えられる。

これを防止するにはガス化剤中の酸素濃度をある程度以
下に抑えることが最も有効であるが、そのためにはスチ
ーム等の希釈剤の量を増加させねばならず、スチーム発
生に必要なエネルギーが増。

犬するだけでなく、未反応スチームの凝縮物が増し排水
処理コストが増大する欠点があるので、流動層ガス化炉
ではスチームを低減しつつクリンカー生成防止を図るこ
とが極めて重要である。

また、一般に石炭類のガス化では生成ガスの用途や輸送
上の観点からのみならず、ガス化の効率向上や大量処理
の要請等から、ガス化の操業圧力を数気圧から数１０気
圧にすることが望まれている。

加圧することにより、単位容積当りの処理能力は大巾に
増大するが、原料供給点における吸熱量（原料を反応温
度まで上げるに必要な熱量と熱分解反応に必要な熱量）
とガス化剤導入点での発熱量が増大するので、熱伝達に
すぐれた流動層といえども層内に温度差がつきやすくな
り、好ましい温度レベルに保つことが困難となる。

すなわち燃焼領域では発熱量増大にともないクリンカー
生成が起こりやすくなり、逆に原料導入部では温度低下
がはげしくなって、熱分解によるガス化率が低下し、タ
ール副生量が増大するという問題が発生する。

さらに−石炭は炭種によって反応性が著しく異なるため
、使用原料によっては熱分解領域の温度をある程度変動
させて最適条件にする必要が生ずる場合もある。

このようにガス化炉内の温度は圧力や処理量、原料種に
よって変化しやすいが、一段の流動層では層内温度を任
意に設定することが極めて困難である。

このため原料供給、熱分解、熱分解チャーのガス化・熱
焼等を数段の流動層に分散して行なうことも実施されて
いるが、この方法では燃焼ゾーンで発生する熱が主に燃
焼ガスの顕熱として伝達されるので伝熱量に制約がある
。

従って一段の流動層で炉内温度分布を適正に制御可能な
らしめることが流動層ガス化炉開発上の課題となってい
る。

本発明の目的は上記した従来技術の欠点を解消し、石炭
類の流動ガス化におけるクリンカーの生成を防止するこ
とができる石炭類の流動ガス化装置を提供することにあ
る。

本発明の要旨は、コーン型分散板を有し、該コーン型分
散板上の複数のガス噴出口が、該噴出口経由で流動層に
導入されるガスが流動層内で旋回流を形成するように開
口されており、また前記コーン型分散板の中央部には流
動層内に噴流ガスを吹き込むための噴流管が設けられて
いることおよび前記コーン型分散板直上部の流動層にお
けるガス流速をそれよりもからに上部の流動層における
ガス流速よりも大きくするためコーン型分散板直上部の
塔径がそれよりもさらに上部の塔径よりも縮少されてい
ることを特徴とする石炭類の流動ガス化装置にある。

以下、本発明を完成するに至った経緯を説明する。

本発明者らは第１図に示す平板状分散板を有する公知の
ガス化装置（内径３００ｍｍ）を用いて石炭のガス化実
験を行ない、クリンカーの生成状況を観察した。

これによると石炭４を側部よりガス化炉１の内部に供給
し、同時にガス化剤５を平板状分散板３経由でガス化炉
１の内部に供給して高温流動下に石炭のガス化を継続す
ると、平板状分散板３の直上部の炉壁に近い部分からク
リンカー８が生成しはじめ、ついには平板状分散板３の
直上部全体を覆うに至ることが明らかになった。

； このクリンカー生成の原因は次のように考えられる
。

すなわち、平板状分散板３の開口部から流動層６内に吹
き込まれたガスは、流動層６の中心部に集まりやすく、
気泡１５を形成して流動層６内を上昇するが、これに伴
なって粒子も流動層６の中心部で上方に移動し、流動層
６０頂部にｆｆ１Ｒしたのち炉壁部を下降することによ
り、粒子の循環流を形成する。

しかし平板状分散板３の直上部の炉壁近傍では、このよ
うな粒子の循環が行なわれず、粒子の停滞領域が形成さ
れる。

そしてこのような粒子の停滞領域で粒子（石炭）が燃焼
すると燃焼反応で発生する熱が伝達されにくくなるため
局所的に温度が上昇し、石炭中の灰分が溶融する状態が
出現し、しかも互いに動かぬために凝集しあって、つい
には塊状のクリンカー８になるも。

のど考えられる。

従って燃焼領域での粒子の動きを活発にすることがクリ
ンカー生成防止に必要であると考え、第２図ａに示すよ
うにコーン型分散板２０を有し、しかもこの分散板２０
のガス噴出口を第２図すおよびそのｌ−Ａ’断面を示し
たＣのように分散板面に対し斜めに開け、ガス２３が旋
回しながら入るようにし、かつコーン型分散板２０の中
央部に噴流管２２を設は噴流ガス２４が流動層６に吹き
込まれるようにした旋回噴流式ガス化装置を試作し、」
該ガス化装置により０．４２〜０．７１ｍｍの石炭粒子
を空気が流動化しガス流速（空塔速度）に対する粒子移
動速度を調べた。

結果は第３図に示した如く第２図の旋回噴流式ガス化装
置を使用した場合（第３図、直線Ａ参照）、コーン型分
散板を有す。

るもののこの分散板のガス噴出口が縦方向に開口されて
いて旋回流を生じないガス化装置（例えば特公昭４７−
４０５２３号公報参照）を使用した場合（第３図、直線
Ｂ参照）に比べ粒子移動速度が飛躍的に増大しているこ
とが明らかとなった。

。また実際の石炭のガス化試験でも第２図の旋回噴流型
石炭類の流動ガス化装置を使用すると、第１図の平板状
分散板を有する公知のガス化装置や上記特公昭４７−４
０５２３号公報記載のコーン型分散板を有するが旋回流
を生じないガス化装置を。

使用した場合に比ベクリンカーの生成が抑制され、スチ
ーム供給量も少なくて良いことが明らかになり、その有
効性が確認された。

さらに本発明者らはガス化装置の塔径を変化させた場合
にガスの線速度に及ぼす影響について検討した結果、同
一ガス量でも塔径を縮少させてガス流速を上げるとコー
ン型分散板上での粒子の動きが活発になること、しかし
ガス流速を上げすぎると気泡が流動層全体に広がる現象
（スラッギング現象）が起って流動化状態が悪化するだ
けでなく、粒子飛散量の著しい増大による層高低下やガ
ス化効率低下といった新たな問題が発生することを確認
した。

そこでコーン型分散板直上部ではスラッギングを起さな
い程度に粒子の動きを活発にし、コーン型分散板直上部
よりさらに上部ではスラッギングを防止するだけでなく
、粒子の飛散量が過大とならないような条件を調べた結
果、分散板直上部ではガス流速を層内粒子の流動化開始
速度（Ｕｍｆ）の３倍以上、特に５〜８倍に保持し、分
散板直上部よりさらに上部ではガス流速をＵｍ ｆ
の３倍以下にするのが良いことが明らかとなった。

分散板直上部およびそれよりさらに上部においてガス流
速をそれぞれ上記値に保持するためには、第４図に示す
如く分散板直上部の塔径をそれよりさらに上部の塔径よ
りも縮少した旋回噴流型ガス化装置を使用するのが好ま
しい。

なお上記分散板直上部の塔径縮少部分の高さは最高１０
０ｃｔｎ１特に２０〜５０ｃｍの値にするのが好ましい
。

第４図に示された縮少塔径を有する旋回噴流式ガス化装
置は本発明の石炭類の流動ガス化装置の一例を示すもの
である。

以下、実施例により本発明を更に説明する。

実施例 １ コーン型分散板のガス噴出口が縦方向に開口されていて
旋回流を生じない特公昭４７−４０５２３号公報記載の
如きガス化装置■（内径３００戦外径８００ｍｍ、高さ
３ｍ、コーン角度θ９０°、流動層高約１．８ｍ、耐火
断熱キャスタ内張り）を使用し、粒径０．４２〜１．０
ｍｍの太平洋炭を１〜２ｋｇ／ｃｒＡＧの圧力下で酸素
とスチームの供給によりガス化せしめた。

酸素とスチームの供給量を種々変動させてクリンカーの
生成状況を調べた結果、第５図に示すように酸素供給量
を増して燃焼量を増大させるとクリンカーが発生しやす
く、これを防止するためにはスチーム供給量増大させる
必要がある（例えば酸素供給量が８ｋｙ／ｈの場合にク
リンカーが生成しない最小スチーム供給量は約２６ｋｇ
／ｈであった）。

これに対して上記ガス装置■と同一寸法を有する第２図
の旋回噴流型ガス化装置■を使用し、噴流管２２からの
噴流ガス２４の供給量Ｑｓと分散板２０の開口部からの
旋回ガス２３の供給量ＱＡの比率を１／３の一定値とし
て石炭のガス化反応を行なった。

その結果、スチーム量を上記ガス化装置Ｉの場合よりも
大巾に減少させてもクリンカーが生成しないことが確認
された（例えば酸素供給量が８ｋｇ／ｈの場合にクリン
カーが生成しない最小スチーム量は約１８ｋｇ／ｈであ
った）。

さらに分散板直上部の内径を２１０ｍｍに縮少し、この
部分におけるガス流速が大きくなるようにした第４図の
塔径縮少旋回噴流型ガス化装置■を使用したところ、ス
チーム量をさらに少くしてもクリンカーの生成を避は得
ることが明らかとなった（例えば酸素供給量が８ ｋｇ
／ ｈの場合にクリンカーが生成しない最小スチーム
量は約１５ｋｇ／ｈである）。

実施例 ２ 実施例１で使用した第４図の塔径縮少旋回噴流型ガス化
装置■を用いて分散板直上部でのガス流速が４０ｃｍ／
３ （層内粒子の流動化開始速度Ｕｍｆ の５倍に相
当する）、分散板直上部よりさらに上部の流動層中段で
のガス流速が２０ ｃｍ／ ｓ（Ｕｍｆ の２．５倍
に相当する）となるように酸素量を７．２ｋｇ／ｈ、ス
チーム量を２４ｋｇ／ｈに調整し、太平洋炭１５．５ｋ
ｇ／ｈをガス化し、ＱＳ／ＱＡと炉内温度およびガス化
効率の関係を調べた。

その結果は第６図に示す如＜ＱＳ／ＱＡの変化とともに
炉内温度差（同図の炉内温度を表示する実線は分散板よ
’）２０ｃｍ上部の炉内温度を、点線は分散板より１３
０ｃｍ上部の炉内温度を示す）が変化し、生成ガスの組
成と量から算出されたガス化効率（生成ガス発熱量／原
料発熱量）も変化することが明らかになった。

すなわちＱＳ／ＱＡの最適範囲は０，４〜０．８であり
、ＱＳ／ＱＡがこれよりも小さくなると流動層上下部間
の炉内温度差が大きくなり、原料炭供給点付近の温度が
下がり熱分解ガス化の割合が低下してタールが増加し、
メタ≠ンンが減少してガス化効率も低下し、クリンカー
も若干生成していた。

またＱｓ／ＱＡが上記範囲よりも大きくなると炉内温度
差は少なくなるが、燃焼ゾーンの温度が低下し、ここで
のスチームによるガス化反応が起りにくくなるため、Ｈ
２、ＣＯの生成量が減少する。

実施例 ３ 実施例１で用いたガス化装置ｌおよび第４図の塔径縮少
旋回噴流型ガス化装置■において、先ず）０．７〜１．
０朋の石炭を供給して酸素とスチームを吹き込み流動化
させつつガス化しほぼ定常化したら流動層中段に設置し
たノズル経由で石炭と重質油を２００℃で加熱混合した
スラリーをスチームにより噴霧化せしめながら供給した
。

噴霧された１スラリーは流動層内の高温粒子と衝突し、
瞬間的に熱分解を受けてガス化し、ガス化されない部分
はカーボン粒子（チャー）となる。

時間とともに層内粒子はこうして生成したチャー〇流動
層となり、これが下部からの酸素含有ガスによりガス化
１される。

第１表は定常時の反応条件および結果を示すものであり
、これによれば公知のガス化装置Ｉを使用し、酸素、ス
チームを分散板のみから供給した場合には、酸素／スチ
ーム比を０．３４にすると、（同表の例３−２参照）、
クリンカーが生成したのに対し、第４図の塔径縮少旋回
噴流型ガス化装置■を使用し、酸素、スチームを分散板
および噴流管から供給した場合（同表の例３−３〜３−
５参照）には、クリンカーの生成は認められず、噴；流
管からの噴流ガスと分散板からの旋回ガスの比率すなわ
ちＱＳ／ＱＡの変化とともに流動層上下部間の温度差が
変動し、ガス化効率も変動し、ＱＳ／ＱＡが０．５９で
ある例３−４において最大のガス化効率が得られた。

上記の実施例１〜３においては、コーン角度が９０°の
分散板を有する旋回噴流型ガス化装置■を使用したがこ
のコーン角度は９０°に限定されるものでなく、１６０
°以下なら任意の値に設定することができる。

しかし１６０ｏを越えるとクリンカー生成防止に対する
噴流の効果は減少する。

これは分散板上での粒子循環流の形成が阻害され、４炉
壁近傍の粒子が滞留しやすくなるためと考えられる。

また上記の実施例１〜３では、ガス化剤として酸素とス
チームを使用したが、空気とスチームを使用することも
可能であり、この場合には空気中の酸素が空気中の窒素
によって希釈されるだけで、酸素とスチームの場合と本
質的な相違はなく、生成ガスに窒素が含まれるため発電
用に適した低カロリーガスが得られる。

さらに上記実施例１〜３では、数気圧の比較的低圧の場
合について述べたが、高圧の場合には局部燃焼量が増大
するのでホットスポットが発生しやすくなる。

従って、この場合にクリンカーの生成゛を抑制するには
ガス化剤の酸素／スチーム比を小さくする必要があるが
、旋回噴流型ガス化装置のクリンカー防止作用、温度制
御作用は低圧下の場合と同様に発揮される。

なお、これまでの記載から明らかなようにガス化剤供給
量およびＱＳ／ＱＡは分散板付近の温度がクリンカー生
成温度（一般に１１００℃）を超えぬように、また熱分
解領域の温度が適正温度（７００〜９００℃）に保たれ
るようにこれらの温度を熱電対等により検出しつつ設定
するのが望ましい。

以上詳述した如く、本発明により石炭類の流動ガス化に
おけるクリンカーの生成を防止することができる新規な
石炭類の流動ガス化装置が提供された。

【図面の簡単な説明】

第１図は平板状分散板を有する公知の石炭ガス化装置に
おけるクリンカー生成状況を示す図、第２図は旋回噴流
型石炭ガス化装置を示す図、第３図はガス流速（空塔速
度）と粒子移動速度の関係を示すグラフ、第４図は本発
明の塔径縮少旋回噴流型石炭ガス化装置を示す図、第５
図はスチーム供給量と酸素供給量の関係を示すグラフ、
第６図は噴流ガス／旋回ガス（ＱＳ／ＱＡ）と炉内温度
およびガス化効率を示すグラフである。 １・・・・・・ガス化炉、２−・・・・・キャスタ、３
・・・・・・分散板、４・−・・・−石炭類、５・・・
・・・ガス化剤、６・・・・・・流動層、７・・・・・
・排出粒子、８・・・・・・クリンカー、１５・・・−
・−気泡、２０・・・・・・コーン型分散板、２１・・
・・・・中央粒子抜出管、２２・・−・・・噴流管、２
３・・・・・・旋回ガス、２４・・・・・・噴流ガス、
２７・・・・・・粒子移動方向、２８・・・−・・気泡
移動方向。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コーン型分散板を有し、該コーン型分散板上の複数
   のガス噴出口が、該噴出口経由で流動層に導入されるガ
   スが流動層内で旋回流を形成するように開口されており
   、また前記コーン型分散板の中央部には流動層内に噴流
   ガスを吹き込むための噴流管が設けられていることおよ
   び前記コーン型分散板直上部の流動層におけるガス流速
   をそれよりもさらに上部の流動層におけるガス流速より
   も大きくするためコーン型分散板直上部の塔径がそれよ
   りもさらに上部の塔径よりも縮少されていることを特徴
   とする石炭類の流動ガス化装置。 ２ 前記コーン型分散板直上部の流動層におけるガス流
   速が層内粒子の流動化開始速度（Ｕｍｆ）の３倍以上と
   なり、前記コーン型分散板直上部よよりもさらに上部の
   流動層におけるガス流速がＵｍｆ の３倍以下となる
   ように、前記コーン型分散板直上部の塔径がそれよりも
   さらに上部の塔径よりも縮少されている特許請求の範囲
   第１項記載の装置。