JPS63218793A - 噴流床石炭ガス化法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は石炭と酸素あるいは空気を高温下で直接に反応
させてＣＯとＨ２とを得て、燃料用あるいは化学原料用
等の目的に利用するプロセスに関するものである。

〔従来の技術〕

いわゆる石炭ガス化プロセスは、流動床、溶融床、噴流
床、固定床などと区分されており、生成するガスの性質
も違っている。噴流床（たとえばＴＥＸＡＯＯ万式・・
・学振１１７委員会石炭転換利用技術小委員会第１０回
会繕資料９Ｐ、あるいは８ｈｅｌｌ−Ｋｏｐｐｅｒｓ方
式・・・同＠５回会議資料）においては、管内を搬送さ
れてきた微粉炭が高温炉内に吹きこまれ、酸素により部
分酸化されてＣＯとＨ２とを発生させ、下流での集塵ガ
ス精製を経由してそれぞれの用途に供される。

仁のような場合の石炭の燃焼あるいはガス化は、石炭よ
シ発生する揮発分の反応と、残存するチャーの反応とに
わけて議論されるのが普通である。

■　石炭中揮発分は、工業分析値（ＪＩ８）では９００
℃の炉内に７分間保持したときの重量減少よ請求められ
る。温度は比較的低くかつ石炭はるつぼ中に保持されて
いるので加熱の程度は石炭を噴射する場合に比べるとお
そい。一方上記の噴流床ガス化炉ではフレームや炉壁か
ら強い熱輻射を受け、石炭粒子は急速に高温に達する。

このような状態ではＪＩＳの工業分析値による値よシも
、かなシ多量の揮発分を放出されｂ（たとえは工業分析
値での揮発分の１．５倍〜２倍）ことは従来より知られ
ている。（Ｋｏｂａｙａｓｈｉ、　Ｈ：　１６ｔｈ８ｙ
ｍｐ、（Ｉｎｔ　）　ｏｎ　Ｏｏｍｂ、　４１１　（１
９７６）　）■　上記のように急速に揮発分を放出した
あとはチャーが残存するが、このチャーは揮発分に比べ
て著しく燃焼・ガス化速度が遅く、全体の反応律速にな
っていることも周知の事実である。

従来の噴流床ガス化では、この点を促進するために酸素
量を化学量論から求めた必要量よシ多めにして炉内を高
温に保ち、チャー中の無機物を溶融させてガス化反応を
促進させる。この溶融灰をガス化運転中に炉より除去す
るために炉壁を流下させ、下部に設置した水槽の中で冷
却して水砕となし、檜に設置され九ノ々ルブによシ外部
へ放出するという操作を行っている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従ってこのようなプロセスでは、溶融灰による炉壁煉瓦
の侵食、熱損失過剰酸素使用による経済的損失、生成ガ
ス中のＣＯ２増加など多くの問題点を保有している。こ
のような運転を行っても原炭中カーゼンのうち数チはガ
ス化されるに至らず、水砕あるいは集塵機中で捕集され
るチャーに未燃カーゼンとして存在するのが通例である
。そのため仮に炉温を過度に上昇させずチャーの溶融を
抑制した場合は、多量のカーゼンを含むダストが生成ガ
スと共に流出し、炭素効率の低下を生じる。

これを回復するため石炭ガス化炉の中には、チャーを炉
内で溶融させる一方溶融しないチャー（ダスト）１ｆ！
：炉出口サイクロンで捕集し、炉ヘリサイクルしてこの
点を解決しようとしている例もあるが、プロセスとして
複雑、高価になるという欠点を有している。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、設備的に簡素で
且つガスコストの安い石炭ガス化法を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段、および作用〕前記の目
的を達成するために本発明は、微粉炭を気流搬送して酸
素含有気体と共にバーナーよシ噴出して高温炉でガス化
する方法において、微粉ＪｊｌｌＯＯ℃〜３５０℃に予
熱した後バーナーより噴出稜の燃焼生成物の高温炉内滞
在時間が０．１秒以内になるように吹きこみ、燃焼生成
物を冷却手段へ導入することに特徴がある。

本発明によって簡素な設備で安価に石炭ガス化を達成す
ることが可能になったが、本発明は次の２つの知見に基
づいて完成された発明である。

そのｌは、石炭のガス化を揮発分が放出された直後に急
冷終了させ、残存するチャーを溶融させない技術を見い
出したことである。

本発明者は、第１図に示す微粉炭燃焼炉（実験炉）ｆ：
用いて微粉炭フレーム中のチャーを採取して顕微繞観察
を行った。第１図は、微粉炭燃焼炉であり、１は微粉炭
流、２は水冷羽口、３は微粉炭バーナー、４はダストサ
ンプラー、５は熱風流路、６は揮発分燃焼フレーム部、
７はチャー燃焼部であって、下記第１表の実験条件及び
結果に示すように、高温の予熱空気温度で完全燃焼空気
量以上の空気を供給して燃焼させ九。

第１表燃焼条件 にしたもので、本来の空気とは異なる。

ゆえに不十分な酸素量しかあたえない噴流床石炭ガス化
炉に比してフレーム温度は著しく高い。

かつ羽口部２から炉内への石炭流も含めた気流噴出速度
が大きいため、第１図に模式的に書いた如く７レームは
直進し、かつ揮発分の燃焼部６とチャー燃焼部７とが肉
眼で明確に判別される。

チャーを採取し顕微鏡で観察した結果を第６図の写真に
示した。前述のような高温のフレームをくぐシ抜けてき
たのにもかかわらず、揮発分を放出したあとのブローホ
ールをそのまま残しており、石炭灰が溶融した形跡は全
く見られない。

−１第７図の粉体物性図説（改訂増補９日経技術図書）
に示される写真によれば、微粉炭燃焼ゼイラからのフラ
イアッシュの形態は球状形を示しており、第６図と形状
は全く異っている。微粉炭昶イラや従来の噴流床石炭ガ
ス化炉では炉内容積が大きく（特に前者において）、チ
ャー粒子の高温部滞在時間が長くなるためにチャーは溶
融し、球状化に至るものと推測される。第６図のチャー
は、羽口先端より１メートル、炉内滞在時間１０′Ｓｅ
ｅで、水冷サンプラーにて捕集されたもので、揮発分の
放出と燃焼はこの時間内に十分に終了しているが、チャ
ーは溶融していないことは明らかである。

なお第３図に示すガス化炉を用いて上より石炭流を噴出
させ下で捕集してチャーの形態を観察したところ、Ｏ，
ＯＳ秒以上乃至０．１秒以上の炉内滞在時間ではチャー
の形状が変化し、溶融がはじまっていることが判明した
。なお第３図において、８は予熱装置、９は空気（酸素
）送入口、１０は電源、１１は微粉炭バーナー、１２は
カオウール、１３は炭化珪素発熱体、１４は炭化珪素反
応管、１５は耐火煉瓦、１６は水冷サンプラー、１７は
円筒戸紙、１８は真空ポンプである。また第４図は上記
予熱装置８の拡大図であり、１９は微粉炭のスクリュー
フィーダー、２０．２３は熱風の供給口、２１は微粉炭
配管、２２ｕｌＪｙＮンヒーターである。

この時の炉温は、炉内の電気加熱により灰の融点よりも
２００℃以上高く保って実験を行った。

これらの実験結果より石炭粒子の高温部滞留時間を０．
１秒以内、好ましくは０．０５秒以内とし、その後チャ
ーを含む生成ガス温度を灰の融点以下にすることによシ
、チャーの溶融を防ぐことができることを見い出した。

その結果第２図のバーナーノズルからの時間と重量減少
過程を示す図面のように、炭化の進んでいない炭種（た
とえばバイズリ炭〕では　７ｆｉ−８ｅｃ程度ですでに
揮発分の放出を終了しチャーの燃焼に入っているが、炭
化のすすんだ炭種（たとえばブレアソール炭）では１２
１６Ｃでもまだ重量減少が続き、揮発分の放出を継続し
ていることを示している。（なおチャー燃焼は遅く秒単
位で進行しており、ここでは図示していない。）また図
には示していないが　５０１ＦＬ−１０００程度では炭
種のいかんにかかわらず揮発分は放出を終了し、チャー
燃焼に入っていることが判明した。また５　（）ｍ−１
１ｅ　Ｃ後にチャーを急冷したとすれば、炭種によって
は３０ｍ−８ｅ　Ｃ〜４０“−５ｅｃの間はチャーの燃
焼は進行するが、その量は全体のチャー中カーゼンの１
部にすぎず、ガス化の進行は期待できない。

なお第２図中の石炭に附した数字は、燃料比＝石炭中固
定炭素／石炭中揮発分を示し、この数値が大きいほど炭
化が進んでいることを示す。また、第２図に示した炉内
滞在時間は、羽口からの噴流のポテンシャルコアとその
後の流速を求め（狩野、平野、中釜、行内粉体工学研究
会誌ｖｏｌ　１３．４２（１９７６）、Ｐ６３）、積分
することにより求めた。ノズルからの噴出流速が遅くか
つノズルから遠い距離にあっては、フレームが浮力によ
り上昇するので、滞在時間を求めるには複雑な計算が必
要である。しかしある程度噴出流速が太きい時は、０．
０５秒以内乃至０，１０秒以内であればほとんど直進す
る。上記の０．０５秒以内乃至０．１０秒以内という値
は、フレームがほぼ直進している状況で便宜的にノズル
−捕集点の距離とノズル噴出流速とより求めた時間であ
る。

炉内に吹きこまれる石炭のノズル流速は、ガス化剤であ
る酸素、空気等の流速と異なっているのが普通であるの
で、上記実験での滞在時間を求めるためのノズル流速■
は次の式を用いた。

ここで ７部：石炭粒および気流搬送ガスの噴出速度ｖ２：酸素
含有気体の噴出速度 Ｍｌ：石炭１神と気流搬送ガス重量の和Ｍ２：石炭１ｋ
ｆあたりの酸素含有気体重量ノズルよシ第３の流体（た
とえば水蒸気等）を同時に吹きこむときは、上式にその
流体の項Ｍ６゜ｖ３を加えて計算する必要がある。

以上の実験と考察により溶融していないチヤ−を炉の直
後で湿式集塵機などの急冷手段で処理すれば、溶融スラ
グの発生もなくその除去のためのコスト高もまぬがれ得
ることが判明した。

その２は、石炭の予熱によるガス化効率の向上を見、い
出したことである。

上記のように微粉炭の揮発分のみをガス化した場合、カ
ーゼンを含む多量のチャーが発生し著しいカーゼン損失
となる。ここにおいて本発明者は、事前に石炭を予熱し
て炉へ噴射することにより揮発分発生量を高め、チャー
量を減少させうろことを実験により確認した。

すなわち第３図と第４図において、最高２００℃まで予
熱した石炭を気流搬送によシガス化実験炉に投入するこ
とによって、第５図に示す予熱微粉炭の空気によるガス
化効率の図面のように、予熱温度の上昇にともなって燃
焼効率（インプット石炭中カーゼンと、ガス化したカー
ゼンの比率）が上昇することを確めた。予熱温度が１０
０℃以上でその効果があられれる。これは石炭を予熱す
ることによって炉内高温部で発生する石炭からの揮発分
発生量が増加したものと解釈される。すなわち予熱によ
り石炭を構成している原子の振動が激しくなったところ
で高温炉内に噴射されて強い輻射熱を受けるため、原子
間結合が多く切断されるので、揮発分を多く発生するも
のと考えられる。

しかしながら石炭はその性質上３００℃〜３５０℃以上
に加熱されると、粘着性を呈したり、ガスの発生が始ま
るなどの問題点があシ、炭種にもよるが３５０℃が予熱
の限界である。従って微粉炭の予熱温度は１００℃〜３
５０℃が好ましい。また予熱炭を気流搬送するとすれば
、着火の問題が生ずるので、酸素含有量のすくない不活
性ガスが好ましい。

〔発明の効果〕

このように反応速度の遅いチャーのガス化を中途でうち
切ることは、−見カーゼン損失を大にする方向であり不
利であるが、石炭予熱によって著しくこの損失を回復す
ることができる。この技術を用いれば炉内で０．１秒以
下好ましくは０．０５秒以下の滞在時間があればよいの
で、著しく炉の小型化が可能である。また高温の溶融物
が発生しないので炉の耐火物の損傷は著しく軽減し、炉
の予備機を設置する必要がなくなる。またスラグを高圧
の炉内で水砕化する槽や排出するノ々ルブなど、従来噴
流床石炭ガス化プロセスを複雑・高価にしていた要素は
著しく軽減される。

なお、石炭予熱については、特開昭５１−９５４０２号
公報、特開昭５４−８６５０２号公報などの技術が存在
するが、これら既存技術の目的は、単に生成ガスの顕熱
を回収して石炭顕熱としてガス化炉へ循環するものか、
または石炭を蒸気で気流搬送する際の水蒸気凝縮防止の
ために行われるものであって、本発明のように予熱によ
り石炭中揮発分放出量を増大せしめるという石炭の特質
にもとづいた利用の方法ではない。本発明は石炭の予熱
による揮発分の増大と、燃焼生成物の炉内滞在時間の短
縮によるチャー〇溶融防止を組合せることによシ、石炭
ガス化技術の問題点である設備費を軽減し、最終のガス
コストを安価にする上で有効なる方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実験に用いた微粉炭燃焼炉の一部断面とした斜
視図、第２図は粉炭をバーナーノズルから噴射後の時間
と石炭粒の重量減少の関係を示す図、第３図は石炭ガス
化に用いた炉を示す側断面図、第４図は第３図の石炭予
熱装置の拡大断面図、第５図は図３の装置を用いて得ら
れた石炭予熱程度とガス化効率の関係を示す図、第６図
は実験で採取されたチャーの顕微鏡写真を示す図、第７
図は比較として示したチャーの顕微鏡写真を示す図であ
る。 １・・・微粉炭流、２・・・水冷羽口、３・・・微粉炭
バーナー、４・・・ダストサンプラー、５・・・熱風流
路、６・・・揮発分燃焼フレーム部、７・・・チャー燃
焼部、８・・・予熱装置、９・・・空気送入口、１０・
・・電源、１１・・・微粉炭バーナー、１２・・・カオ
ウール、１３・・・炭化珪素発熱体、１４・・・炭化珪
素反応管、１５・・・耐火レンガ、１６・・・水冷サン
プラー、１７・・・円筒１紙、１８・・・真空ポンプ、
１９・・・スクリューフィーダー、２０・・・熱風、２
１・・・微粉炭配管、２２・・・すゼンヒーター、２３
・・・熱風 代理人　弁理士　秋　沢　政　光 他１名 ２′ｉ１図 π２図 ７ｒ乙図 井５図 お戻予悲温屑（°Ｃ） 刀、　　１７川 ）１２、゛四丁−＝　＋　ＱＳ：”−’−５、、ミ゛　
Ｑ　−Ｓ％Ｓ＋　＝’−＝　−＋゛補正内容 １旨令ｌこＪ−、る手わｎ袢汀正咄Ｙ 昭和６２年６月１９日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 微粉炭を気流搬送して酸素含有気体と共にバーナーより
   噴出して高温炉でガス化する方法において、微粉炭を１
   ００℃〜３５０℃に予熱した後バーナーより噴出後の燃
   焼生成物の高温炉内滞在時間が０．１秒以内になるよう
   に吹きこみ、燃焼生成物を冷却手段へ導入することを特
   徴とする噴流床石炭ガス化法。