JPS5849589B2 - 石炭類より高発熱量ガスを製造する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、石炭類より高発熱量ガスを製造する方法に関
するもので、加圧水添ガス化の諸条件を満足させながら
、ガス化炉の操業を円滑に操作できる特長を有する。

従来、石炭のガス化方法としては、空気や酸素をガス化
剤とする固定床ガス化法、流動床ガス化法、噴流床ガス
化法が実用化されてきたが、これらのガス化法では、取
得ガスの発熱量は１． ０ ０ ０〜４ ０ ０ ０
ｋｃａｌ７ｍである。

天然ガスに近い発熱量のガスを石炭のガス化によって製
造するには、ガス化剤に水素を使用せねばならないが、
石炭と水素との反応は特異であるので、従来のガス化法
をそのまま適応するには、困難な点が多い。

本発明者らは石炭類を水素でガス化する方法について、
種々の実験研究を重ねた結果、本発明をなすに至ったも
のである。

以下に本発明の基礎となった研究結果について説明する
。

第１図に試験設備の概略を示す。

本設備は、石炭類を反応管に充填し、水素もしくは水素
と水蒸気の混合ガスを加圧流通させ、反応管を電気炉に
より外部から加熱して、加圧水添ガス化反応を行わせる
ガス製造設備である。

設備の性能は、常用圧力１ ０ ０ ｋｙ／ｃＩ！．、
常用温度８００℃、試料充填量１ ｋｇ、である。

各部の構造は、１・・・・・・水素ボンベ、２・・・・
・・窒素ボンベ、３・・・・・・高圧ガス減圧弁、４・
・・・・・高圧ガス流量計、５・・・・・・高圧ガス流
量調節器、６・・・・・・送大ガス圧力計、７・・・・
・・高圧水素緊急遮断弁、８・・・・・・高圧ガス逆止
弁、９・・・・・・水タンク、１０・・・・・・水流量
計、１１・・・・・・水圧ポンプ、１２・・・・・・安
全弁、１３・・・・・・電気炉、１４・・・・・・高圧
ガス予熱器、１５・・・・・・反応管、１６・・・・・
・破裂板、１７・・・・・・熱電対、１８・・・・・・
低温ガス分離器、１９・・・・・・高圧ガス冷却器、２
０・・・・・・高圧生成ガスミストフィルター２１・・
・・・・保圧弁、２２・・・・・・生成ガス流量計、２
３・・・・・・生或ガスシールポット、２４・・・・・
・反応圧力計、２５・・・・・・系内差圧計、２６・・
・・・・出口圧力計、２７・・・・・・ガス分析計への
ガス配管、である。

次に本設備を使用して求めた実験結果の１例を表に示す
。

第１表から明らかなように、生戒ガスの発熱量および原
料の反応率は反応圧力とともに増加し、７０ｋｇ／一程
度で水添ガス化すれば、天然ガスに近似な発熱量を有す
るガスを比較的大量に取得できる。

石炭層内温度と、メタン発生量の経時変化の例を第２図
、第３図に示す。

これらの図では、横軸に実験経過時間、縦軸に石炭層内
温度Ａとメタン発生量Ｂを示す。

第２図の反応圧力１０ｋｇ／ｉの結果では、メタン発生
量が石炭層内温度６５０℃以上で顕著に増加し、７５０
゜Ｃで最大値に達するが、総発生量は第１表に示す通り
少ない。

また石炭層内温度は反応管の外熱温度に追随して調節さ
れており、ガス化反応による大きな発熱のないことを示
す。

圧力が３０ｋ９／ｆｆｌ以上になると、低温側（約５５
０℃）と高温側（約７５０℃）とに２つのメタン発生量
のピークが生じる。

第３図は７０ｋｇ−／ｃｉＬでの結果であるが、低温側
のメタン発生ピークにともない、石炭層内温度は約４６
０゜Ｃより瞬間的に８００℃まで上昇しており急激な発
熱反応が生じたことを示す。

第１表および第３図の結果より、水添ガス化反応により
、天然ガスに近い発熱量のガスを得るには、３０ｋｇ／
ｆｆｌ以上の高圧下で反応を行わせ、瞬間的に発生する
メタンを主成分とする高発熱量ガスを、未反応ガス化剤
の水素で出来る限り希釈しないようにして、取得すると
ともに、急激な発熱現象を炉温維持に利用することが望
ましいと結論づけられる。

本発明は、石炭類に水素ガスを加圧下で反応させて、天
然ガスに近い発熱量を有するガスを製造する際に、傾斜
した分散板の下方から上方に向けて水素ガスを吹出させ
ると共に、この分散板の上方端部に石炭を供給して、石
炭類をその自重により下り勾配方向に順次移動輸送させ
、その移動輸送間に石炭の加圧水添ガス化反応を起こさ
せることを特徴とする石炭類から高発熱量ガスを製造す
る方法に関するものである。

本発明で使用できる石炭類としては、亜炭、褐炭、瀝青
炭、無煙炭および、その処理物で、粒度５０メッシュ以
下のものがあげられる。

また使用する水素ガスの流速は、石炭類粒子を完全流動
化させない範囲で選ばれ、石炭類粒子の最小流動化速度
の０．８倍前後が採用される。

また、分散板の勾配は３／１ ０ ０〜３０／１００が
適当である。

次に本発明の方法を実施するに適した装置の１例を第４
図、第５図に示し、その運転方法を説明する。

第４図の各部は、２８・・・・・・ホッパー、２９．３
０・・・・・・ロックホツパー、３１・・・・・・バル
ブ、３２・・・・・・給炭機、３３・・・・・・供給管
、３４・・・・・・ガス化炉、３５・・・・・・石炭類
層、３６・・・・・・分散板、３７・・・・・・生戒ガ
ス取り出し管、３８・・・・・・ガス化残渣排出管、３
９，４０・・・・・・ロックホツパー、４１・・・・・
・ガス化残渣取り出し口、４２・・・・・・水素供給管
、４３・・・・・・熱交換器、４４・・・・・・水素導
管、４５・・・・・・水素予熱用流動燃焼炉、４６・・
・・・・燃焼空気供給山４７・曲・燃料投入口、４８・
・・・・・水素供給弁、４９・・・・・・生戒ガヌ，導
管、５０・・・・・・脱塵器、５１，５２，５３・・・
・・・ガス精製設備、５４・・・・・・ガス供給設備、
である。

第５図は３４の切断面を示すもので、５５・・・・・・
風胴、５６・・・・・・生或ガス、５７・・・・・・耐
火レンガ、５８・・・・・・耐圧容器である。

６０メッシュ程度に粉砕された石炭類は、ホッパー２８
からロックホッパ−２９に投入され、残存空気をパージ
後反応圧力まで加圧される。

加圧後バルブ３１を開き、石炭類をロツクホツパー３０
に投下し、給炭機３２により一定給炭速度で、供給管３
３を通して、ガス化炉３４に供給される。

給炭された石炭類は、分散板３６から吹き出される水素
により浮力を受けながらその自重により移動輸送される
間に、水素と反応して高発熱量ガスを生成し、未反応残
渣は、ガス化残渣排出管３８を通って、ロックホッパ−
３９ ．４０により大気圧まで減圧後、ガス化残渣排出
管４１より取り出し、燃料として水素予熱用流動燃焼炉
４５に供給したり、水素製造用原料に用いる。

生成ガスは生成ガス取出し管３７から熱交換器４３に入
り、送入水素で冷却後脱塵器５０で粉塵を除去し、ガス
精製設備５１〜５３で精製して、ガス供給設備５４に送
る。

また、石炭類の予熱条件や最適反応条件あるいは反応中
の石炭類粒子の比重や粒径などの変化に応じて、吹き込
み水素量を変える必要を認めた場合には、第４図のよう
に仕切られた風胴からそれぞれに必要な量の水素を送入
してもよい。

第４図、第５図に示さなかったが、分散板３６の上に耐
火物や反応性の悪いコークス類の破砕物を敷き、石炭類
層への水素の分散をよくして反応条件や移動性を改善し
たり、分散板３６を高い反応熱から保護することもでき
る。

本発明の特徴としては、まず、石炭類の炉内滞在時間を
水添ガス反応に適した任意の時間に決定できる利点が挙
げられる。

石炭類のガス化炉内の最適滞在時間は、反応圧力と反応
温度によって決められる。

たとえば、太平洋炭の低温乾留チャーでは、７０ｋｙ／
ｆｆｌにおいて、約１分間はげしい発熱反応を生じ、生
或ガスの発熱量はピークをなして最大値に達するが、こ
の生或ガスを有効に取得するには、石炭類の炉内滞在時
間を数１０秒ないし、数分にするのが適当と思われる。

本発明においては、固定床ガス化炉や流動床ガス化炉に
比較して、石炭類の層の高さが低いので、ガス化剤の水
素を予熱することにより、短時間に石炭類を反応温度ま
で加熱できる。

したがって、石炭類のガス化炉内滞在時間は、石炭類が
分散板上を移動する時間に大体一致すると考えてよく、
この時間は分散板の下り勾配値あるいは石炭類の移動方
向の炉長を変化させることにより、反応に最適な値に設
定することが可能である。

本発明の第２の特徴として、流動床ガス化炉などとは異
なり、ガス化炉内での石炭粒子の逆混合現象が非常に起
きにくい特徴をもつ。

すなわち、ガス化炉内の各部分においては、石炭類粒子
の局所的な混合状態を生じるが、ガス化炉の分散板の下
り勾配方向では、石炭類粒子の逆混合は起こらず、ガス
化炉としては、ピストン輸送反応型の形となる。

したがって、ガス化炉内に投入された石炭類は、予熱帯
、反応帯、反応終結帯と通過してゆくことになり、ガス
化炉内には反応帯を最高温度とする温度勾配が形或され
る。

この結果、反応帯ではガス化炉に供給される比較的低温
度の石炭類に無用に冷却されることなく、発熱反応を行
わせられるので、反応温度は短時間で、たとえば８００
〜１１００℃に急上昇し、これにつれて水添ガス化反応
速度も急増するので、メタン、エタンなどを主成分とす
る高発熱量ガスを短時間内に大量に発生させることがで
きる。

第３図に示した実験例では、反応管を外部より加熱・冷
却して、その昇温速度を２℃／ｍｉｙｔ一定としている
ので、温度４６０℃から始まるメタン発生反応に伴う発
熱は一亘は石炭類層の温度をｓｏｏ’ｃ付近まで上昇さ
せるが、すぐに反応管に放熱・冷却されるため反応は中
断し、７５０℃付近で再びメタン発生ピークを生じる結
果となっている。

しかし、本発明のガス化方法においては、水素と石炭類
の発熱反応を自由に十分行わせられるので、４６０℃で
反応が始まると、石炭類の温度はただちにｓｏｏ’ｃ以
上に上昇し、高温側の発熱反応を併発するので、高発熱
量ガスを生成する水添ガス化反応をきわめて能率的に行
わせられる。

実用上は１１００゜Ｃ以上に炉温か上がると障害が起き
易いが、これには送入水素の予熱温度を調節して、炉温
の上昇を防ぎ、操業の安全をますなどの対処が可能であ
る。

一方、最高温度での水添反応が終了すると、石炭類は揮
発分を失い炉内のチャーはほとんど炭素質となるうえ、
灰分量も増大する。

このため水素との反応速度は低下し、生成ガス中のメタ
ン等の含有率は減少し、逆に未反応水素は増加するので
、生成ガスの発熱量は低下する。

したがって水添ガス化反応が大体終了したならば、反応
活性の低下した炉内滞在チャーを直ちに排出することが
必要である。

このような操作は、本発明の移動輸送層では可能である
が、従来の流動層型反応炉では、炉内の石炭粒子が完全
混合されるので、水添ガス化の高発熱量ガス生戊ピーク
部分の反応だけを行わせ最高発熱量を有する生成ガスの
みを取得することは困難である。

本発明は、上記の反応時間を自由に設定して、天然ガス
に近い高発熱量ガスを取得できる特徴に加えて、加圧水
添ガス化反応と共に起る石炭類層の粘着現象を効果的に
利用して未反応チャーを造粒して取り出せる利点をあわ
せもつものである。

石炭類、あるいは、その低温乾留チャーは、複雑な炭化
水素高分子物質であり、加圧水添ガス化反応が始まる５
００℃付近では、石炭類層内において粘着現象が生じる
。

すなわち、粘結炭では常圧においても、軟化粘着現象は
３８０℃付近から始まり、約４５０’Ｃにおいて最もは
げしくなり、５５０℃以上では固化することが知られて
いる。

基礎実験の結果、幌内炭や太平洋炭のような常圧では非
粘結性の石炭において、３０ｋ９／ｉ以上の加圧水素雰
囲気下では、反応後の取得残渣チャーが棒状に粘結固化
することが認められた。

これは石炭類が水素と反応し、非粘結炭でも、粘着を起
こす物質が石炭内部に生成し、この物質が石炭を軟化溶
融し、コクス化するからである。

したがって天然ガスに近似な高発熱量ガスを取得するた
めに、加圧水添ガス化を行わせる場合に、この粘着現象
に対して、伺らかの対策を講じる必要がある。

従来の流動層型反応炉では、炉内で石炭類が粘着しない
よう、石炭類を予備的に部分酸化する方法が一般に行わ
れてきたが、部分酸化は石炭類自体の熱量を減少させる
ので、ガス化のエネルギー転換効率を低下させる欠点が
ある。

本発明の方法によれば、加圧水添ガス化と同時に、石炭
類を粒状に造粒して、粘着現象に起因する障害を除去し
ながら、円滑にガス化炉を操業することが可能である。

これは、本発明の方法では、分散板上を移動してゆく石
炭層の厚さが粉体造粒に適した値であることと、石炭類
の炉内滞在時間が比較的短いため、過大な粒径までに成
長する前に、これを取り出せるからである。

石炭類層の厚さに関しては、本発明の方法は他のガス化
法より薄いことが特徴として挙げられる。

たとえば、炉内滞在重量を１０トンとすれば、通常の流
動層では炉径２ｍφで層高約８ｍとなるが、本発明の場
合は炉巾２ｍ、炉長１５ｍで層高は０．７ｍとなり、流
動層ガス化法の約１０分の１の値にすぎない。

造粒時間について述べると、常温で石炭類に粘結剤を加
えて転動造粒する場合には、粒径約２１１Ｌｍφまで造
粒する時間は数分以下で十分である。

石炭類を熱間造粒する場合には、石炭類粒子自身が軟化
粘着するので、より短時間で造粒され、造粒時間が１０
分以上になると、石炭類層全体が塊状化するおそれがあ
る。

本発明の場合は、石炭類の炉内滞在時間は数１０秒ない
し数分間であるので、上記の熱間造粒には好適な条件と
いえる。

以上のように、本発明の方法は、石炭類を水添ガス化し
て天然ガスに近似な高発熱量ガスを取得する際に、約３
０ｋｇ／ＣｒＩＬ以上の加圧下で、傾斜した分散板上の
石炭類層を分散板より吹き出す水素により浮力を与えな
がら自重により数１０秒ないし数分間の時間で移動輸送
する間に、急激な発熱を伴う水添ガス化反応を終了させ
、石炭類自身の粘着性により造粒された状態で未反応チ
ャーを取り出し、円滑に水添ガス化を行える特長を有す
る。

本発明の応用としては、第４図、第５図に示す一段型の
反応炉の他に、ガス化炉を多段型反応炉にし、各段の間
をロータリーバルブなどでガスをシールして、石炭類の
みを移動させるガス化炉も可能である。

この種の型式のガス化炉では、送入された水素は何度も
石炭類層を通過するので、水添ガス化反応の反応熱を石
炭類やガス化剤水素の加熱に利用できるので、ガス化炉
としての熱効率の向上を期待できる。

また、多段型にすることにより、反応必要量以上の水素
の送入を抑制できるので、生成ガスの発熱量はさらに増
大するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基礎となった実験の試験設備を説明す
る図、第２図及び第３図は基礎試験の石炭層内温度とメ
タン発生量の経時変化を示す図である。 図中Ａは石炭層内温度、Ｂはメタン発生量を示す。 第４図は本発明の方法を実施するに適した装置の一例を
示す図で、第５図はガス化炉の断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 石炭類に水素ガスを加圧下で反応させて、天然ガス
   に近い発熱量を有するガスを製造する際に、傾斜した分
   散板の下方から上方に向けて水素ガスを吹出させると共
   に、この分散板の上方端部に石炭を供給して、石炭類を
   その自重により下り勾配方向に順次移動輸送させ、その
   移動輸送間に石炭の加圧水添ガス化反応を起こさせるこ
   とを特徴とする石炭類から高発熱量ガスを製造する方法
   。