JPWO2008111127A1 - 流動層ガス化設備 - Google Patents

Abstract

流動媒体と原料が流動層ガス化炉内全面を巡るようにして高いガス化効率で原料をガス化しガス化処理量を増大できるようにした流動層ガス化設備を提供する。流動層ガス化炉２の平面における分離器８の降下管１２が設置される位置Ｉと供給流路２５が設置される位置ＩＩとの間に、流動媒体の流れを規制する耐熱分離壁３２を備えることにより、降下管１２から導入される流動媒体が耐熱分離壁３２により流動層ガス化炉２内全面を巡る巡行流路３３を通って供給流路２５に向かうようにする。

Description

本発明は、原料を流動層によりガス化する流動層ガス化設備に関するものである。

石炭、バイオマス、汚泥等の原料をガス化するための流動層ガス化設備としては、予め高温の流動媒体が供給された流動層ガス化炉に原料を供給し、ガス化剤を供給して流動層を形成することにより原料のガス化を行い、生成ガスは外部に取り出す一方、流動層ガス化炉でのガス化時に生成したチャーと流動媒体は流動層燃焼炉に供給してチャーを流動燃焼させることにより流動媒体を加熱し、加熱した流動媒体は再び前記流動層ガス化炉に供給するようにしたものが既に提案されている（特許文献１等参照）。

図１は上記特許文献１の流動層ガス化設備を示している。図１の１は流動層燃焼炉であり、流動層燃焼炉１は、流動層ガス化炉２での原料２６のガス化により生成したチャーと流動媒体とを下部から導入すると共に、空気管４から供給される空気を下部の風箱３から吹き出させる。チャーと流動媒体は吹き出される空気により流動化されて上昇し、上昇する間にチャーが燃焼して流動媒体が加熱される。５は流動層燃焼炉１の流動層に加熱用の補助燃料を供給する補助燃料口、６は流動層燃焼炉１内上部に設けた熱回収用の熱交換器である。

流動層燃焼炉１の上部にはサイクロンからなる分離器８が移送管７を介して接続されている。該分離器８は外筒９と内筒１０とを有しており、流動層燃焼炉１から移送管７へ導出した流動媒体を含む高温流体は、外筒９内へ接線方向に導入されて流動媒体と排ガスとに遠心分離され、粒径が細かい灰分を含む排ガスは内筒１０から排出され、粒径の粗い未燃チャーを含む流動媒体１１は、分離器８の外筒下端に接続されて下方に延びる降下管１２により流動層ガス化炉２に供給される。

流動層ガス化炉２は、分離器８で分離された流動媒体１１が降下管１２を介して導入される導入部１３と、原料供給装置１４から供給される原料２６を流動媒体１１の熱でガス化するガス化部１５と、導入部１３の流動媒体１１を流動層１６内を通してガス化部１５へ供給するようにした連通部１７と、導入部１３、連通部１７及びガス化部１５の下部に渡って形成されて流動層ガス化炉２内に水蒸気等のガス化剤を供給するボックス部１８とを有しており、ボックス部１８にはガス化剤供給ライン１９が接続されている。尚、図１に示すように、導入部１３とガス化部１５を連通部１７によって流動層１６の内部で分けているのは、流動層燃焼炉１における燃焼ガスが流動層ガス化炉２を通して分離器８へ逆流するのを防止するためである。

ガス化部１５でガス化されなかったチャーと流動媒体は、オーバーフロー管等からなる供給流路２５を介して流動層燃焼炉１へ供給されることにより循環され、流動媒体はチャーの燃焼によって再び加熱される。

ガス化部１５に原料２６として石炭を供給してガス化した場合は、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）等のガス成分及びタールが混在した生成ガス２０が生成され、又、原料２６として水分を多く含むバイオマス等を供給した場合には、前記ガス成分及びタールと共に多量の水蒸気が含まれた生成ガス２０が生成される。生成ガス２０は、排出管２１により流動層ガス化炉２から取り出されて回収器２２に導かれ、生成ガス２０中に同伴した微粉末２３が除去されて内管２４から導出される。そして、生成ガス２０は加圧して例えばガスタービン等に燃料として供給したり、精製装置に供給して生成ガス２０から所要目的のガスを製造するようにしている。
特開２００５−４１９５９号公報

ここで、流動層ガス化炉２の断面については、直方体にすることが、材料が少なくて済むことから好ましい。その一方で、直方体にすれば、図１に示すように分離器８から降下管１２を介して流動層ガス化炉２に供給される流動媒体１１が、流動層ガス化炉２の平面内に満遍なく巡るように移動させることができない問題を有していた。この問題は、流動層ガス化設備での燃料処理規模が大きくなるに従い、流動層ガス化炉２を大きくする必要があるため、顕著になる傾向にある。

即ち、図１の設備の平面図である図２に示すように、分離器８からの流動媒体１１は降下管１２によって流動層ガス化炉２の導入部１３の一点の位置Ｉに供給されることになるため、導入部１３に供給された流動媒体１１は位置Ｉから供給流路２５の位置ＩＩに向かい最短経路２７を通って移動するようになる。このため、前記位置Ｉと位置ＩＩとを結ぶ最短経路２７に対して左右方向の側部には流動媒体１１の移動が停滞して隅々まで移動できないデッドスペース部分２８が生じる。よって、流動層ガス化炉２に入る未燃チャーが炉内を隅々まで行き渡らず、反応に必要な時間を経ずに流動層ガス化炉２から出ていってしまうという問題が生じる。また、デッドスペース部分２８では流動媒体の移動が停滞することにより流動媒体の温度が低下し、しかもデッドスペース部分２８は元々流動層ガス化炉２の外壁２’によって冷却されるために益々温度が低下する傾向になる。

このように、従来の流動層ガス化炉２内部には、流動媒体の移動が停滞するデッドスペース部分２８が生じるために、流動層ガス化炉２による原料２６のガス化効率が低下する問題があった。

更に、原料２６を流動層ガス化炉２内の中央の位置ＩＩＩに供給した場合には、原料２６は最短経路２７で移動する流動媒体と一緒に供給流路２５に向かい、未反応のチャーが供給流路２５から流出してしまうためにガス化効率が低下するという問題がある。また、原料２６を流動層ガス化炉２の中央から外れた位置に供給した場合には、流動層ガス化炉２内における原料２６の濃度に偏りを生じるために、やはりガス化効率が低下する問題がある。

一方、流動層燃焼炉１の高温流体を移送管７を介して分離器８に導くには、高温流体中の流動媒体等の粒子が分離堆積して移送管７を閉塞する問題を回避する必要があり、このために、移送管７の長さはできるだけ短くすることが要求される。しかし、図１の流動層ガス化炉２では、移送管７が、降下管１２からの流動媒体１１を受ける導入部１３を流動層燃焼炉１から最も遠く離れた位置に配置されているために、移送管７の長さが長くなってしまう問題がある。

このために、図３、図４に示すように、流動層燃焼炉１と分離器８とを接近させて設けることが考えられる。図４では、流動層ガス化炉２の流動層燃焼炉１に近い側における左右隅部の上部に分離器８，８’を配置して、該分離器８，８’を短い長さの移送管７，７’を介して流動層燃焼炉１に接続している。

しかし、図４に示す構成では、降下管１２によって流動層ガス化炉２における流動層燃焼炉１に近い隅部に供給された流動媒体１１は、最短経路２７で供給流路２５に向かうパスした流れとなり、このために未反応のチャーが供給流路２５から流出し、流動層燃焼炉１から遠い側の流動層ガス化炉２内には流動媒体が移動しないデッドスペース部分２８による温度が低下した部分が生じ、またこれによって流動層ガス化炉２内部の温度が不均一になるために、流動層ガス化炉２による原料２６のガス化効率が低下する問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、原料を高いガス化効率でガス化できるようにした流動層ガス化設備を提供することを目的とする。

本発明の流動層ガス化設備は、チャーを燃焼させて流動媒体を加熱する流動層燃焼炉と、
流動層燃焼炉から導出される高温流体から流動媒体を分離する分離器と、
分離器で分離した流動媒体を降下管を介して導入すると共に原料を導入し、ガス化剤が供給された流動層により原料をガス化して生成ガスを取り出す流動層ガス化炉と、
流動層ガス化炉で原料をガス化する際に生成したチャーと流動媒体とを流動層燃焼炉に循環する供給流路と、を有する流動層ガス化設備であって、
流動層ガス化炉の平面における分離器の降下管が設置される位置と供給流路が設置される位置との間に、流動媒体の移動方向を規制する移動規制手段を備えることにより、降下管から導入された流動媒体が移動規制手段により流動層ガス化炉内全面を巡る巡行流路を通って供給流路へ向かうようにする。

巡行流路内には、巡行流路内上部を密閉して下端が流動層内部まで延びた邪魔手段を設けることにより降下管を含む前処理室を形成し、該前処理室に原料が供給されて原料の前処理が行われ、前処理された処理済原料が邪魔手段の下部を潜るようにして巡回流路に導かれるようにできる。

移動規制手段は、流動層ガス化炉内を縦方向に延びて流動層を仕切る耐熱分離壁により巡行流路を形成することができる。

移動規制手段は、流動層ガス化炉の外壁の一部を流動層ガス化炉の平面内部に入り込ませた凹部により巡行流路を形成することができる。

巡行流路における供給流路に近い下流部には生成ガス取出口を設けることができる。

１つの流動層燃焼炉に対して１つの分離器を備えることができる。

１つの流動層燃焼炉に対して複数の分離器を備えることができる。

前処理室において原料の乾燥を行って水蒸気を取り出すことができる。

前処理室において原料の熱分解を行って熱分解ガスを取り出すことができる。

前処理室から取り出した熱分解ガスは加熱用燃料として流動層燃焼炉に供給することができる。

本発明の流動層ガス化設備によれば、流動層ガス化炉の平面における分離器の降下管が設置される位置と供給流路が設置される位置との間に、流動媒体の移動方向を規制する移動規制手段を備え、降下管から導入された流動媒体が移動規制手段により流動層ガス化炉内全面を巡る巡行流路を通って供給流路へ向かうようにしたので、流動層ガス化炉内部の未燃チャーが炉内隅々まで行き渡り、高いガス化効率を達成できるという優れた効果を奏し得る。

従来の流動層ガス化設備の一例を示す側面図である。 図１の平面図である。 従来の流動層ガス化設備の他の例を示す側面図である。 図３の平面図である。 本発明の一実施例を示す側面図である。 図５の平面図である。 移動規制手段の変形例を示す平面図である。 巡行流路をジグザグにした変形例を示す平面図である。 本発明の他の実施例を示す側面図である。 図９の平面図である。 本発明の更に他の実施例を示す側面図である。 図１１の平面図である。 本発明の更に他の実施例を示す側面図である。 図１３の平面図である。

符号の説明

１ 流動層燃焼炉
２ 流動層ガス化炉
７，７’ 移送管
８，８’ 分離器
１１ 流動媒体
１２ 降下管
１６ 流動層
２０ 生成ガス
２５ 供給流路
２６ 原料（石炭）
２６’ 原料（バイオマス）
２７ 最短経路
３２ 耐熱分離壁（移動規制手段）
３３，３３’ 巡行流路
３４ 取出口
３５ 凹部
３６，３６’ 邪魔手段
３７，３７’ 前処理室
３８ 処理済原料
３９ 水蒸気
４０ 熱分解ガス
４１ 処理済原料
Ｉ 降下管の位置
ＩＩ 供給流路の位置

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
図５、図６は本発明の一実施例を示すもので、チャーを燃焼させて流動媒体を加熱する流動層燃焼炉１と、流動層燃焼炉１から導出される高温流体から流動媒体１１を分離する分離器８と、分離器８で分離した流動媒体１１を降下管１２を介して導入すると共に原料２６を導入し、水蒸気、空気、二酸化炭素等のガス化剤が供給されて流動層１６を形成する流動層ガス化炉２とを有し、流動層ガス化炉２において高温の流動媒体と攪拌することで原料２６のガス化を行って生成ガス２０を取り出すようにしており、又、流動層ガス化炉２で原料をガス化する際に生成したチャーと流動媒体は供給流路２５を介して流動層燃焼炉１に循環するようにしている。

図５、図６に示す流動層ガス化炉２は流動層燃焼炉１と接近して配置されており、流動層ガス化炉２の左右方向中間位置には、基端が流動層ガス化炉２の最も流動層燃焼炉１に近い壁２９に密着し、先端が流動層ガス化炉２の最も流動層燃焼炉１から遠い壁３０との間に連通部３１を有して延び、上端は流動層ガス化炉２の天井に密着し、下端は流動層ガス化炉２の底面に密着した耐熱分離壁３２による移動規制手段が設けられている。これにより、流動層ガス化炉２の内部には、耐熱分離壁３２で分離されて連通部３１で連通した略Ｕ字状の巡行流路３３が形成されている。耐熱分離壁３２の上端は流動層ガス化炉２の天井に密着しない構造として、ガス相が流動層ガス化炉２の天井部で連通していてもよい。

更に、１つの流動層燃焼炉１に移送管７を介して接続された分離器８の降下管１２の下端は、略Ｕ字状の巡行流路３３の一端（流動層燃焼炉１に向かって右側の端部）に接続されており、又、略Ｕ字状の巡行流路３３の他端（流動層燃焼炉１に向かって左側の端部）は供給流路２５を介して前記流動層燃焼炉１に接続されている。図中３４は、略Ｕ字状の巡行流路３３の他端近傍に設けた生成ガス２０の取出口である。

従って、図５、図６の実施例では、流動層ガス化炉２の平面における分離器８の降下管１２が設置される位置Ｉと供給流路２５が設置される位置ＩＩとの間に、流動媒体の移動方向を規制する耐熱分離壁３２からなる移動規制手段を備えたので、降下管１２から導入された流動媒体１１は耐熱分離壁３２によって形成される巡行流路３３を通ることにより流動層ガス化炉２内全面を巡るように移動して供給流路２５へ向かうようになる。

流動層ガス化炉２内に備える移動規制手段としての耐熱分離壁３２は、例えば７００℃〜９００℃前後の温度に耐える必要があり、このために、耐熱レンガで構成したリ、或いはステンレス等の金属を耐熱レンガで覆う構造としたり、ステンレス等の金属の間に水を供給して水冷構造とする等の種々の耐熱構造を有するものが採用できる。

又、移動規制手段としては、図７に変形例を示すように、流動層ガス化炉２の壁２９の一部を流動層ガス化炉２の平面内部に入り込ませた凹部３５を形成することによって巡行流路３３を形成してもよい。この凹部３５による移動規制手段は、流動層ガス化炉２の外周壁と同様に外気によって冷却されるため、例えば外壁と同様にステンレス等の金属を用いて構成するようにしてもよい。

図５、図６、図７の実施例によれば、分離器８の降下管１２から流下する流動媒体１１は、流動層ガス化炉２に設けた耐熱分離壁３２又は凹部３５からなる移動規制手段によって巡行流路３３を移動するようになるので、降下管１２の近傍に供給された原料２６は、流動媒体と良好に攪拌されつつ流動層ガス化炉２内を隅々まで巡って供給流路２５に向かうようになり、流動媒体の移動が停滞するデッドスペース部分がなくなる。更に、降下管１２からの原料２６が供給流路２５にパスして流れることが防止され、原料２６は巡行流路３３を巡る間に均一にガス化されるため未反応のチャーが供給流路２５から流出することが防止される。従って、これ等により流動層ガス化炉２での原料２６のガス化効率が著しく向上される。

上記実施例では、流動層ガス化炉２に１つの耐熱分離壁３２又は凹部３５からなる移動規制手段を設けることによってＵ字状の巡行流路３３を形成する場合について示したが、図８に変形例を示すように、複数の耐熱分離壁３２等からなる移動規制手段を設けることによって流動層ガス化炉２内を流動媒体がジグザグ状に移動するようにした巡行流路３３を形成してもよい。このようにしたジグザグ状の巡行流路３３によると、流動媒体及び原料２６の移動経路が長くなることにより原料２６のガス化が更に促進されるようになる。

図９、図１０は、図３、図４に示したように、１つの流動層燃焼炉１に対して２つの分離器８，８’を備えた場合に適用した本発明の他の実施例を示す。この実施例では、基端が流動層ガス化炉２の最も流動層燃焼炉１に近い壁２９に密着し、先端が流動層ガス化炉２の最も流動層燃焼炉１から遠い壁３０との間に連通部３１を有して延びた２つの耐熱分離壁３２による移動規制手段を、供給流路２５を挟んで左右方向に離間して配置している。これにより、流動層ガス化炉２の内部には、耐熱分離壁３２で分離されて連通部３１で連通した略Ｕ字状の巡行流路３３，３３’が左右に対称に形成される。そして、巡行流路３３における壁２９に近い右側の端部の上部には分離器８が配置され、巡行流路３３’における壁２９に近い左側の端部の上部には分離器８’が配置されている。

図９、図１０の実施例によれば、流動層燃焼炉１からの高温流体が移送管７，７’により分離器８，８’に供給されて流動媒体が分離され、分離した流動媒体１１は、降下管１２を介して、一方の巡行流路３３の右側端部と、他方の巡行流路３３’の左側端部にそれぞれ供給され、流動媒体は各巡行流路３３，３３’をそれぞれ流動層燃焼炉１から遠ざかる方向に移動し、連通部３１を通って中央の流路で合流して供給流路２５に向かうようになる。従って図９、図１０の実施例では、左右方向に広い幅を有する流動層ガス化炉２においても、流動媒体の停滞を生じることなく流動媒体を隅々まで巡らせることができる。

図１１、図１２は、バイオマス等の多くの水分を含む原料２６’をガス化する際に好適な本発明の更に他の実施例を示している。この実施例では、前記図９、図１０の実施例と同様の構成において、巡行流路３３の流動層燃焼炉１に向かって右側端部近傍と、巡行流路３３’の流動層燃焼炉１に向かって左側端部近傍とに、巡行流路３３，３３’内上部を密閉して下端が流動層１６の内部まで延びた邪魔手段３６，３６’を設けることにより降下管１２を含む前処理室３７，３７’を形成しており、前処理室３７，３７’に流動媒体１１とバイオマスからなる原料２６’とを各々導入するようにしている。邪魔手段３６，３６’は、前記図６において説明した耐熱分離壁３２と同様に耐熱構造としたり、或いは図７に示したように凹部３５によって構成することができる。そして、前処理室３７，３７’にバイオマスの原料２６’が供給されて原料２６’の乾燥を主体とする前処理が行われ、前処理された乾燥状態の処理済原料３８は邪魔手段３６，３６’の下部を潜るようにして巡行流路３３，３３’に導かれるようにしている。

図１１、図１２の実施例では、バイオマス等の多くの水分を含む原料２６’は前処理室３７，３７’で乾燥が行われ、その際に生じる水蒸気３９は外部に取り出される。乾燥された処理済原料３８は邪魔手段３６，３６’の下部を潜るようにして巡行流路３３，３３’に導かれるため、乾燥した処理済原料３８は巡行流路３３，３３’を移動する間に効果的にガス化され、更に水蒸気３９を含まない生成ガス２０が取出口３４から取り出されるようになる。

図１３、図１４は、石炭等の原料２６を更に好適にガス化するための本発明の更に他の実施例を示している。この実施例では、前記図１１、図１２の実施例と同様の構成において、前処理室３７，３７’に石炭からなる原料２６を供給するようにしており、前処理室３７，３７’において石炭からなる原料２６の熱分解を行って揮発分からなる熱分解ガス４０を取り出すようにしている。前処理室３７，３７’において熱分解されて揮発分が除去された処理済原料４１は邪魔手段３６，３６’の下部を潜るようにして巡行流路３３，３３’に導かれるため、処理済原料４１は巡行流路３３，３３’を移動する間に良好に水性ガス化反応が行われてタール分が低減された良質の生成ガス２０を取り出すことができる。

一方、前処理室３７，３７’で生成した熱分解ガス４０を流動層燃焼炉１に供給して流動媒体の加熱に用いることにより、流動媒体の温度を高めることができるので、流動層ガス化炉２により多くの原料２６を供給して生成ガス２０の生成量を増加することができる。

なお、流動層燃焼炉は円筒形のものを示したが、いずれの形状であっても良い。また、ガス化ガスの取出口は流動層ガス化炉の上面のどこにあっても構わない。

本発明の流動層ガス化設備は、種々の原料に対して未燃チャーが流動層ガス化炉の隅々まで行き渡ることを可能にすることにより、高い効率でのガス化が達成できる。

Claims (15)

1. チャーを燃焼させて流動媒体を加熱する流動層燃焼炉と、
   流動層燃焼炉から導出される高温流体から流動媒体を分離する分離器と、
   分離器で分離した流動媒体を降下管を介して導入すると共に原料を導入し、ガス化剤が供給された流動層により原料をガス化して生成ガスを取り出す流動層ガス化炉と、
   流動層ガス化炉で原料をガス化する際に生成したチャーと流動媒体とを流動層燃焼炉に循環する供給流路と、を有する流動層ガス化設備であって、
   流動層ガス化炉の平面における分離器の降下管が設置される位置と供給流路が設置される位置との間に、流動媒体の移動方向を規制する移動規制手段を備えることにより、降下管から導入された流動媒体が移動規制手段により流動層ガス化炉内全面を巡る巡行流路を通って供給流路に向かうようにした流動層ガス化設備。
2. 巡行流路内に、巡行流路内上部を密閉して下端が流動層内部まで延びた邪魔手段を設けることにより降下管を含む前処理室を形成し、該前処理室に原料が供給されて原料の前処理が行われ、前処理された処理済原料が邪魔手段の下部を潜るようにして巡回流路に導かれる請求項１に記載の流動層ガス化設備。
3. 移動規制手段は、流動層ガス化炉内を縦方向に延びて流動層を仕切る耐熱分離壁により巡行流路を形成している請求項１に記載の流動層ガス化設備。
4. 移動規制手段は、流動層ガス化炉内を縦方向に延びて流動層を仕切る耐熱分離壁により巡行流路を形成している請求項２に記載の流動層ガス化設備。
5. 移動規制手段は、流動層ガス化炉の外壁の一部を流動層ガス化炉の平面内部に入り込ませた凹部により巡行流路を形成している請求項１に記載の流動層ガス化設備。
6. 移動規制手段は、流動層ガス化炉の外壁の一部を流動層ガス化炉の平面内部に入り込ませた凹部により巡行流路を形成している請求項２に記載の流動層ガス化設備。
7. 巡行流路における供給流路に近い下流部に生成ガス取出口を備える請求項１に記載の流動層ガス化設備。
8. 巡行流路における供給流路に近い下流部に生成ガス取出口を備える請求項２に記載の流動層ガス化設備。
9. １つの流動層燃焼炉に対して１つの分離器を備えている請求項１に記載の流動層ガス化設備。
10. １つの流動層燃焼炉に対して１つの分離器を備えている請求項２に記載の流動層ガス化設備。
11. １つの流動層燃焼炉に対して複数の分離器を備えている請求項１に記載の流動層ガス化設備。
12. １つの流動層燃焼炉に対して複数の分離器を備えている請求項２に記載の流動層ガス化設備。
13. 前処理室において原料の乾燥を行って水蒸気を取り出す請求項２に記載の流動層ガス化設備。
14. 前処理室において原料の熱分解を行って熱分解ガスを取り出す請求項２に記載の流動層ガス化設備。
15. 前処理室から取り出した熱分解ガスを加熱用燃料として流動層燃焼炉に供給する請求項１４に記載の流動層ガス化設備。

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