JPWO2015132923A1 - 超臨界流体によるガス化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス化原料を加熱及び加圧して超臨界状態の流体とし、ガス化原料を分解処理して燃料ガスを得るガス化装置において、処理後流体が有するエネルギーを有効活用しつつ、タールの生成を抑制する。【解決手段】ガス化原料を加熱及び加圧して超臨界状態とし、ガス化原料を分解処理して燃料ガスを得るガス化装置であって、ガス化原料を低温側流路３１ａに導入し、超臨界状態の処理後流体を高温側流路３１ｂに導入することで、ガス化原料と処理後流体との間で熱交換を行わせる熱交換器３１と、熱交換によって亜臨界状態となった処理後流体を高温側流路３１ｂから取り出して気液分離し、分離された液体を高温側流路に戻す気液分離器５１と、気液分離器で分離された燃料ガスを動力とするタービン６１とを有する。

Description

本発明は、ガス化原料を加熱及び加圧して超臨界状態の流体とし、ガス化原料を分解処理して燃料ガスを得るガス化装置に関する。

超臨界状態でガス化原料を分解処理して燃料ガスを得るガス化装置が知られている。例えば、特許文献１には、非金属系触媒を含んだバイオマスのスラリー体を温度３７４℃以上、圧力２２．１ＭＰａ以上の条件下で水熱処理し、生成された生成ガスを利用して発電装置で発電し、発電装置からの排熱を利用してスラリー体を加熱するバイオマスガス化発電システムが記載されている。

特開２００８−２４６３４３号公報

特許文献１のシステムにおいて、ガス化処理を行った後の処理後流体は、二重管式熱交換器でスラリー体と熱交換される。これにより、処理後流体は、超臨界状態から亜臨界状態になり、気液混合状態から気液二相流へと変化する。

この気液二相流は、気体（燃料ガス等）と液体とが２：８程度の体積比で上下に分離することから、処理後流体が有するエネルギーが有効に活用されていなかった。例えば、気体は、物理的な圧力エネルギーを有しており、かつ，化学的なエネルギーも持つため燃料として使用できるにもかかわらず、気液分離せず熱交換に使用されることから、熱交換効率の低下を生じさせていた。また、処理後流体は、二重管式熱交換器の中温部の内管と外管の間で気液二相流へと変化するが、この中温部から高温部の内管は、タールの生成が問題となる部位であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、処理後流体が有するエネルギーを有効活用すること、及び、タールの生成を抑制することにある。

前述の目的を達成するため、本発明は、ガス化原料を加熱及び加圧して超臨界状態とし、前記ガス化原料を分解処理して燃料ガスを得るガス化装置であって、前記ガス化原料を低温側流路に導入し、超臨界状態の処理後流体を高温側流路に導入することで、前記ガス化原料と前記処理後流体との間で熱交換を行わせる熱交換器と、熱交換によって亜臨界状態となった前記処理後流体を前記高温側流路から取り出して気液分離し、分離された液体を前記高温側流路に戻す気液分離器と、前記気液分離器で分離された燃料ガスを動力とするタービンと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、亜臨界状態の処理後流体が、高温側流路から取り出されて気液分離される。そして、気液分離後の燃料ガスがタービンの動力として用いられるので、燃料ガスが持っているエネルギーを有効に活用できる。また、気液分離後の液体が高温側流路に戻されるので、戻された液体による熱交換効率を高めることができる。さらに、原料スラリーを短時間で温度上昇できるので、タールの生成も抑制できる。

前述のガス化装置において、前記タービンは、高圧状態の前記燃料ガスの噴射によって回転することが好ましい。この構成では、燃料ガスが有する圧力エネルギーによってタービンを回転させているので、仕事をした後の燃料ガスを燃料として使用することができる。このため、燃料ガスが持っているエネルギーを一層有効に活用できる。

前述のガス化装置において、前記タービンを回転させた後の前記燃料ガスを、前記ガス化原料の加熱に使用することが好ましい。この構成では、タービンを回転させた後の燃料ガスでガス化原料を加熱しているので、燃料ガスが持っているエネルギーを一層有効に活用できる。

前述のガス化装置において、前記タービンを回転させた後の前記燃料ガスを燃焼させ、前記タービンの回転に使用することが好ましい。この構成では、物理的な圧力エネルギーによってタービンを回転させた後の燃料ガスを燃焼させ、タービンを回転させているので、燃料ガスの持つ化学的エネルギーも利用して効率よく発電することができる。

なお、前述のガス化装置において、高圧状態の燃料ガスを燃焼させて、前記タービンを回転させることも好ましい。この構成では、タービンを回転させた後の高温の排気ガスでガス化原料を加熱しているので、エネルギーを一層有効に活用することができる。

また、前述のガス化装置において、前記燃料ガスの燃焼によって得られ、前記タービンの回転に使用した後の排気ガスを、前記ガス化原料の加熱に使用することも好ましい。この構成では、タービンの回転に使用した後の高温の排気ガスでガス化原料を加熱しているので、エネルギーを一層有効に活用することができる。

本発明によれば、ガス化原料を加熱及び加圧して超臨界状態の流体とし、ガス化原料を分解処理して燃料ガスを得るガス化装置において、処理後流体が有するエネルギーを有効活用すること、及び、タールの生成を抑制することができる。

超臨界ガス化装置の構成を説明する図である。 （ａ），（ｂ）は、気液分離器の構成を説明する図である。 二重管式熱交換器における気液分離前後の状態を説明する図である。 超臨界ガス化装置における変形例の構成を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

まず、図１を参照し、超臨界ガス化装置の全体構成を説明する。例示した超臨界ガス化装置は、原料調整部１０、原料供給部２０、熱交換部３０、ガス化処理部４０、燃料ガス回収部５０、及び、発電部６０を有している。

この超臨界ガス化装置では、原料調整部１０で調整された原料スラリーを、原料供給部２０によって熱交換部３０が有する熱交換器３１の低温側流路３１ａへ高圧で送出する。そして、熱交換部３０で加熱された原料スラリーを、ガス化処理部４０でさらに加熱して超臨界状態にする。これにより、原料スラリーに含まれる有機物が分解処理され、メタン、エタン、エチレン等の燃料ガスが生成される。

超臨界状態の処理後流体は、熱交換器３１の高温側流路３１ｂに導入され、原料スラリーとの間で熱交換される。この熱交換によって処理後流体が亜臨界状態になり、気液二相流へと変化する。そこで、高温側流路３１ｂの途中で、亜臨界状態の処理後流体を熱交換器３１から取り出し、燃料ガス回収部５０で気液分離する。そして、気液分離後の液体を熱交換器３１の高温側流路３１ｂに戻し、原料スラリーとの熱交換に使用する。一方、気液分離後の気体（燃料ガス）については、燃料ガス回収部５０で回収するとともに、発電部６０の動力として用いる。

以下、超臨界ガス化装置の各部について説明する。

原料調整部１０は、ガス化原料等から原料スラリーを調整する部分であり、調整タンク１１と破砕機１２とを有している。

調整タンク１１は、ガス化原料、活性炭、水などを混合して懸濁液を作製する容器であり、図示しない攪拌翼が設けられている。ガス化原料としては、例えば、焼酎残渣、採卵鶏糞、汚泥を用いることができる。活性炭は、非金属系触媒として機能するものであり、平均粒径２００μｍ以下の多孔質の粒子を用いることができる。

破砕機１２は、調整タンク１１で混合された懸濁液に含まれる固形分（主にガス化原料）を破砕し、均一な大きさにするための装置である。本実施形態では、固形分の平均粒径が５００μｍ以下になるように破砕を行っている。破砕機１２による破砕により、懸濁液は原料スラリーになる。

原料供給部２０は、原料スラリーを高圧で送出する部分であり、供給ポンプ２１と高圧ポンプ２２とを有している。供給ポンプ２１は、破砕機１２から送出された原料スラリーを、高圧ポンプ２２に向けて供給するための装置である。高圧ポンプ２２は、原料スラリーを高圧で送出するための装置である。この高圧ポンプ２２により、原料スラリーは２５ＭＰａ程度まで加圧される。

熱交換部３０は、原料供給部２０から供給された原料スラリーと、ガス化処理部４０で分解処理された後の処理後流体との間で熱交換を行わせることで、原料スラリーを加熱するとともに処理後流体を冷却する部分である。この熱交換部３０は、熱交換器３１と、減圧機構３２と、クーラー３３とを有している。

熱交換器３１は、原料スラリーと処理後流体との間で熱交換を行わせる装置であり、二重管式のものが用いられている。そして、内側流路を原料スラリーが流れる低温側流路３１ａとして用い、外側流路を処理後流体が流れる高温側流路３１ｂとして用いている。本実施形態において、処理後流体の導入温度は６００℃程度とされ、排出温度が１２０℃程度とされている。一方、原料スラリーの導入温度は常温とされ、排出温度が約４５０℃とされている。なお、熱交換器３１については後で説明する。

減圧機構３２は、熱交換器３１から排出された処理後流体を減圧する装置であり、クーラー３３は、減圧機構３２から排出された処理後流体を冷却する装置である。これらの減圧機構３２とクーラー３３により、クーラー３３から排出される処理後流体（排水、活性炭、及び灰分の混合物）は、常圧常温程度まで減圧及び冷却される。

ガス化処理部４０は、熱交換器３１で加熱された原料スラリーを超臨界状態まで加熱及び加圧し、原料スラリーに含まれる有機物を分解する部分であり、予熱器４１とガス化反応器４２を有している。予熱器４１は、熱交換器３１から排出された原料スラリーを予熱する装置であり、本実施形態では約４５０℃で導入された原料スラリーを約６００℃まで加熱している。ガス化反応器４２は、原料スラリーを超臨界状態に維持して原料スラリーに含まれる有機物を分解する装置である。本実施形態では温度を６００℃、圧力を２５ＭＰａに定め、１〜２分間に亘って原料スラリーの分解処理を行っている。

燃料ガス回収部５０は、処理後流体から燃料ガスを回収する部分であり、気液分離器５１、流量調節機構５２、及び、ガスタンク５３を有している。気液分離器５１は、熱交換器３１の高温側流路３１ｂの途中から取り出された亜臨界状態の処理後流体を気体（燃料ガス）と液体（排水、活性炭、灰分）とに分離する部分である。そして、分離後の液体は高温側流路３１ｂの途中に戻され、分離後の気体は流量調節機構５２に供給される。なお、気液分離器５１については後で説明する。

流量調節機構５２は、気液分離器５１で分離された気体の送出流量を調整する機構であり、ガスタンク５３は、発電部６０で仕事をした後の燃料ガスを貯留する容器である。そして、ガスタンク５３に貯留された燃料ガスは、ガス化処理部４０が有する予熱器４１及びガス化反応器４２の燃料の一部として供給される。

発電部６０は、処理後流体から回収された燃料ガスを動力として発電を行う部分であり、タービン６１と発電機６２とを有している。タービン６１は、気液分離器５１で分離された燃料ガスを動力として回転する装置である。本実施形態のタービン６１は、流量調整装置が高圧状態の燃料ガスを噴射することで回転する。発電機６２は、タービン６１の回転に伴って発電を行う装置である。

次に、熱交換器３１や気液分離器５１による、処理後流体からの燃料ガスの取り出しについて説明する。

熱交換器３１は、高温側部分３１Ｈと低温側部分３１Ｌとに分かれて構成されている。高温側部分３１Ｈには、高温高圧状態（本実施形態では６００℃，２５ＭＰａ）の処理後流体が導入され、低温側部分３１Ｌから排出された原料スラリーと熱交換を行わせる。一方、低温側部分３１Ｌには、高圧ポンプ２２で加圧された常温の原料スラリーが導入され、気液分離後の処理後流体（液体部分）と熱交換を行わせる。

高温側部分３１Ｈで熱交換された処理後流体は、高い圧力を維持したまま温度が下がって亜臨界状態となる。例えば、２５ＭＰａの圧力を維持したまま温度が３００℃程度まで下がる。温度が下がることで、処理後流体は亜臨界状態になって気液二相流へと変化する。そこで、前述したように、亜臨界状態の処理後流体を熱交換器３１の高温側流路３１ｂから取り出し、気液分離器５１で気液分離する。

図２（ａ）は、気液分離器５１の縦断面図である。例示した気液分離器５１は、上端部５１ａと下端部５１ｂがそれぞれ半球状であり、中間部５１ｃが円筒状をした密閉容器である。中間部５１ｃの側面には、流体導入部５１ｄと液体排出部５１ｅが設けられている。また、上端部５１ａには気体排出部５１ｆが設けられ、下端部５１ｂにはドレン５１ｇが設けられている。

流体導入部５１ｄは、気液分離器５１の内外を連通する管状部材である。流体導入部５１ｄの外側端部は、配管３１ｃ（図１参照）を通じて、高温側部分３１Ｈが備える高温側流路３１ｂに接続されている。液体排出部５１ｅもまた、気液分離器５１の内外を連通する管状部材である。液体排出部５１ｅの外側端部は、配管３１ｄ（図１参照）を通じて、低温側部分３１Ｌが備える高温側流路３１ｂに接続されている。

気体排出部５１ｆは、基端が気液分離器５１の内部空間に連通された配管によって構成されており、その先端には開閉バルブ５１ｈが設けられている。この気体排出部５１ｆは、配管を通じて流量調節機構５２に連通されている。ドレン５１ｇもまた基端が気液分離器５１の内部空間に連通された配管によって構成されており、その先端部にはドレンバルブ５１ｉが設けられている。

この気液分離器５１において、高温側部分３１Ｈから排出された処理後流体（気液二相流）は、気液分離器５１の内部空間に流入される。この内部空間で処理後流体は、液体部分（活性炭、水、灰分）と気体部分（燃料ガス）とに分離される。そして、気体部分は上昇し、燃料ガスとなって上端部５１ａから気体排出部５１ｆへ流入する。その後、燃料ガスは流量調節機構５２へ供給される。なお、気液分離器５１では圧力の調整を行っていない。このため、流量調節機構５２には、２５ＭＰａ程度の高圧とされた燃料ガスが供給される。

流量調節機構５２は、高圧の燃料ガスを、流量を調節しつつタービン６１に吹き付けることで、燃料ガスを燃焼させることなくタービン６１を回転させる。タービン６１の回転によって発電機６２が発電を行うので、燃料ガスが持っている圧力のエネルギーを電力に変換できる。そして、仕事をした後の燃料ガスは、ガスタンク５３に貯留される。

一方、分離後の液体部分は、気液分離器５１の内部空間を下側から満たし、液体排出部５１ｅから排出される。なお、液体部分には活性炭や灰分が含まれるが、活性炭や灰分は水に比べて比重が高いことから沈殿し、内部空間の下端部５１ｂに溜まる。このため、液体排出部５１ｅから排出される液体部分に関し、活性炭や灰分を低減させることができる。また、ドレンバルブ５１ｉを開放することで、気液分離器５１に貯留された活性炭や灰分を回収することができる。また、気液分離器５１に関し、図２（ｂ）のように下端部５１ｂの底部に液体排出部５１ｅの端部を接続し、活性炭や灰分を回収しない構成としてもよい。

このように、液体排出部５１ｅからは、燃料ガスや活性炭や灰分が除去された液体部分が排出される。便宜上、以下の説明では、燃料ガスやや活性炭や灰分が除去された液体部分のことを、気液分離器５１から排出された処理後流体ということにする。この処理後流体は、熱交換器３１の低温側部分３１Ｌで原料スラリーの加熱に使用される。

ここで、図３（ａ）に示すように、熱交換器３１の高温側部分３１Ｈにおいて、亜臨界状態の処理後流体は、気体が高温側流路３１ｂの上部に集まっており、原料スラリーとの間で熱交換効率が損なわれていた。一方、気液分離器５１から排出された処理後流体は、気体が除去されている。このため、図３（ｂ）に示すように、この処理後流体は高温側流路３１ｂの全体を満たし、低温側流路３１ａを流れる原料スラリーとの間で高い熱交換効率が得られる。これにより、熱交換器３１の低温側部分３１Ｌにおいて、原料スラリーを効率よく加熱できる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の超臨界ガス化装置では、亜臨界状態の処理後流体が、熱交換器３１の高温側部分３１Ｈが備える高温側流路３１ｂ（外側流路）から取り出されて気液分離される。そして、気液分離された高圧の燃料ガスがタービン６１の動力として用いられるので、燃料ガスが持っている圧力エネルギーを有効に活用できる。さらに、仕事をした後の燃料ガスをガス化処理部４０の燃料として有効に活用できる。

また、気液分離後の処理後流体が、低温側部分３１Ｌが備える高温側流路３１ｂ（外側流路）に戻されるので、戻された処理後流体と原料スラリーとの間の熱交換効率を高めることができる。さらに、気液分離の過程でタールを除去できるので、タールによる熱交換器３１の目詰まりも抑制できる。

次に、図４を参照し、超臨界ガス化装置の変形例を説明する。この変形例では、発電部６０の構成が前述の実施形態と異なっている。なお、原料調整部１０、原料供給部２０、熱交換部３０、及び、ガス化処理部４０の構成については、前述の実施形態と同じであるため、説明は省略する。

図４の変形例では、タービン６１を回転させた後の燃料ガスを燃焼させ、タービン６１の回転に使用している。すなわち、発電部６０は、タービン６１、発電機６２、気液分離器６３、流量調節機構６４、及び、燃焼機６５を有している。なお、気液分離器６３及び流量調節機構６４は、前述の実施形態における気液分離器５１及び流量調節機構５２と同じ構成である。

この変形例では、圧力でタービン６１を回転させた後の燃料ガスを燃焼機６５で燃焼させ、タービン６１の動力として再利用している。これにより、燃料ガスの持つ化学的エネルギーも利用してタービン６１を回転させることができ、効率良く発電をすることができる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。

例えば、前述の第１実施形態では、熱交換部３０で熱交換された後のガス化原料を、燃料ガスの燃焼によって加熱するように構成したが、熱交換部３０で熱交換される前のガス化原料を燃料ガスの燃焼によって加熱してもよい。

また、前述の各実施形態では排気ガスを放出するように構成したが、排気ガスをガス化原料の加熱源として使用してもよい。排気ガスも熱エネルギーを有していることから、燃料ガスが持っているエネルギーを一層有効に活用できる。

１０…原料調整部，１１…調整タンク，１２…破砕機，２０…原料供給部，２１…供給ポンプ，２２…高圧ポンプ，３０…熱交換部，３１…熱交換器，３１Ｈ…熱交換器の高温側部分，３１Ｌ…熱交換器の低温側部分，３１ａ…熱交換器の低温側流路，３１ｂ…熱交換器の高温側流路，３１ｃ…接続用の配管，３１ｄ…接続用の配管，３２…減圧機構，３３…クーラー，４０…ガス化処理部，４１…予熱器，４２…ガス化反応器，５０…燃料ガス回収部，５１…気液分離器，５１ａ…気液分離器の上端部，５１ｂ…気液分離器の下端部，５１ｃ…気液分離器の中間部，５１ｄ…流体導入部，５１ｅ…液体排出部，５１ｆ…気体排出部，５１ｇ…ドレン，５１ｈ…気体排出部の開閉バルブ，５１ｉ…ドレンバルブ，５２…流量調節機構，５３…ガスタンク，６０…発電部，６１…タービン，６２…発電機，６３…気液分離器，６４…流量調節機構，６５…燃焼機

前述の目的を達成するため、本発明は、ガス化原料を加熱及び加圧して超臨界状態とし、前記ガス化原料を分解処理して燃料ガスを得るガス化装置であって、前記ガス化原料を低温側流路に導入すると共に、前記分解処理された後の超臨界状態の処理後流体を高温側流路に導入することで、前記ガス化原料と前記処理後流体との間で熱交換を行わせる熱交換器と、前記熱交換によって温度が低下して気液二相流である亜臨界状態となった後の前記処理後流体を、前記高温側流路の途中から取り出して気液分離し、分離された液体を前記高温側流路に戻す気液分離器と、前記気液分離器で分離された燃料ガスを動力とするタービンと、を有することを特徴とする。

前述の目的を達成するため、本発明は、ガス化原料を加熱及び加圧して超臨界状態とし、前記ガス化原料を分解処理して燃料ガスを得るガス化装置であって、前記ガス化原料を低温側流路に導入すると共に、前記分解処理された後の超臨界状態の処理後流体を高温側流路に導入することで、前記ガス化原料と前記処理後流体との間で熱交換を行わせる高温側部分と、前記ガス化原料を低温側流路に導入すると共に、気液分離後の処理後流体を高温側流路に導入することで、前記ガス化原料と前記処理後流体との間で熱交換を行わせる低温側部分と、を備える熱交換器と、前記熱交換によって温度が低下して気液二相流である亜臨界状態となった後の前記処理後流体を、前記高温側流路の前記高温側部分から取り出して気液分離し、分離された液体を、前記高温側流路の前記低温側部分に戻す気液分離器と、前記気液分離器で分離された燃料ガスを動力とするタービンと、を有することを特徴とする。

Claims (6)

1. ガス化原料を加熱及び加圧して超臨界状態とし、前記ガス化原料を分解処理して燃料ガスを得るガス化装置であって、
   前記ガス化原料を低温側流路に導入し、超臨界状態の処理後流体を高温側流路に導入することで、前記ガス化原料と前記処理後流体との間で熱交換を行わせる熱交換器と、
   熱交換によって亜臨界状態となった前記処理後流体を前記高温側流路から取り出して気液分離し、分離された液体を前記高温側流路に戻す気液分離器と、
   前記気液分離器で分離された燃料ガスを動力とするタービンと、
   を有することを特徴とするガス化装置。
2. 前記タービンは、高圧状態の前記燃料ガスの噴射によって回転することを特徴とする請求項１に記載のガス化装置。
3. 前記タービンは、高圧状態の前記燃料ガスを燃焼させ、その噴射によって回転することを特徴とする請求項１に記載のガス化装置。
4. 前記タービンを回転させた後の前記燃料ガスを、前記ガス化原料の加熱に使用することを特徴とする請求項２に記載のガス化装置。
5. 前記タービンを回転させた後の前記燃料ガスを燃焼させ、前記タービンの回転に使用することを特徴とする請求項２に記載のガス化装置。
6. 前記燃料ガスの燃焼によって得られ、前記タービンの回転に使用した後の排気ガスを、前記ガス化原料の加熱に使用することを特徴とする請求項３，５に記載のガス化装置。

Images