WO1999043985A1

WO1999043985A1 - Four de gazeification a lit fluidise

Info

Publication number: WO1999043985A1
Application number: PCT/JP1999/000946
Authority: WO
Inventors: Norihisa Miyoshi; Seiichiro Toyoda; Daisaku Fukuoka; Takashi Imaizumi; Shinichirou Chiba
Original assignee: Ebara Corporation
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 1999-09-02
Also published as: AU2641999A; EP1058051B1; DE69926217T2; EP1058051A4; DE69926217D1; CN1239841C; EP1058051A1; CN1295661A

Description

明細書流動床ガス化炉技術分野

本発明は、流動床ガス化炉に係り、特に、流動媒体の排出に特徴を有する流動床ガス化炉に関する。

流動床（層）とは、数十ミクロンから数ミリ程度の珪砂ゃ酸化鉄等の流動媒体粒子を充填した粒子充填層の下からガスを供給して流動媒体を流動化させ、流動床（層）を形成したもので、流動床反応装置とはその流動床（層）の持つ流動性 · 均一性 ' 熱容量の大きさ · 表面積の大きさ等を利用して化学反応を早く、安定に、かつ均質に行わせようとするもので、石油精製の接触分解炉ゃ、石炭等固体燃料の燃焼炉や焼却炉に応用され、多くの実績がある。背景技術

流動床ガス化炉は、流動媒体による混合特性や伝熱特性に優れるため. 気流層反応装置と比べると、投入できる燃料の大きさや性状の制約が少ないといった利点がある反面、流動媒体や燃料中の灰分が、高温で互いに溶融付着して流動を阻害するのを防止するために、気流層反応装置よりも運転温度を下げざるを得ないという欠点がある。その温度域は、石炭を燃料とする場合で約 9 0 0 °C以下、廃棄物を燃料とする場合は、廃棄物の性状にも依るが 6 0 0〜 8 0 0 °C程度、廃棄物がアル力リ金属類を含む場合は更に低くする必要がある。

廃棄物や石炭を比較的低温で熱分解 ■ ガス化した場合の問題点とタールの発生がある。一般にタールは、 6 0 0 °C程度の温度域では気化しているが、 2 0 0 °C以下まで温度が下がると液化して、その粘着性により粒子ハンドリング上のさまざまなトラブルを引き起こす場合がある _t また、流動床ガス化炉の特徴として、炉内に大量のチヤ一が滞留しているため、層内から不燃物等を抜出す際に、高温のチヤ一が空気に触れて燃焼し、高温化することによって、クリン力を生成する場合がある。

このように、流動床ガス化反応装置は、投入できる燃料の大きさや燃料の性状の制約が少ないといった特長があるが、石炭や廃棄物のように不燃物を含有した燃料の場合、大きな粒径のまま投入すると、反応装置内に残留する不燃物も大きくなり、何らかの方法で反応装置内から排出する必要が生じる。しかしながら、 5 0 0 °C〜 6 0 0 °Cといった高温のままの流動媒体を流動層から抜出することは、常圧の反応装置であっても、高温ゆえに非常に困難であり、ましてや加圧下で運転されるガス化炉においては、殆んど不可能である。かりに流動媒体を流動層から抜き出すことができたとしても、高温の流動媒体の抜出しによる熱損失が大きく、熱の利用効率が低下してしまうという問題や、抜出しの際、流動媒体に大量に混入しているチヤ一が、空気に触れて燃焼し、その結果、思わぬトラブルを招く恐れがある。

かといつて流動媒体を冷却すると、気化していたタールが液化し、さまざまなトラブルを引き起こす恐れがあることから、不燃物抜出しをしなくても済むように、燃料を細かく破砕して投入せざるを得ず、折角の流動床反応装置の特長を生かすことができなかった。発明の開示

本発明は、上記従来技術に鑑みなされたもので、投入できる燃料の大きさや性状の制約が少ないという流動床反応装置の特長を生かしたまま、常圧のみならず高圧下においても安全に操業できる、運用性に優れた流動床ガス化炉を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、流動層反応装置を用いる流動床ガス化炉であって、該反応装置の床面近傍に流動媒体排出シユートを設け、該流動媒体排出シユートの下方にガス吹き出し装置を設けたことを特徴とする。

前記流動床ガス化炉において、流動媒体排出シユートの最下部近傍には、機械的に流動媒体を抜出す装置を有し、該装置としては、スクリュ一コンペャを用いるのがよレ、。

前記流動媒体排出シユートは、最下部にもガスの吹き出し装置を有するのがよく、これらのガス吹き出し装置は、吹き出すガスとして蒸気又は c o ₂又は酸素を含まないガスを用いることができる。

また、本発明に用いる流動層反応装置は、機能別に各ュニットに分割され、各ュニットの組み合わせを変えることによつて性状の異なる燃料に容易に対応できるように構成するのがよい。図面の簡単な説明

図 1 A，図 1 B，図 1 Cは、本発明の流動床ガス化炉の一例を示す円筒形流動床ガス化炉の構造を示す断面図であり、図 1 Aは流動床ガス化炉の縦断面図、図 1 Bは図 1 Aの A— A線断面図、図 1 Cは図 1 Aの B _ B線断面図である。

図 2 A , 図 2 B , 図 2 Cは、本発明による流動床ガス化炉の他の例を示す矩形型流動床ガス化炉の構造を示す断面図であり、図 2 Aは流動床ガス化炉の縦断面図、図 2 Bは図 2 Aの A— A線断面図、図 2 Cは図 2 Aの B— B線断面図である。

図 3は本発明のガス化炉周りの構成機器の一例を示す全体構成図である。

図 4は本発明のガス化炉周りの構成機器の他の例を示す全体構成図である。

図 5は本発明のガス化炉周りの構成機器の更に他の例を示す全体構成図である。

図 6は本発明の流動床ガス化炉の変形例を示す縦断面図である。

図 7は本発明の流動床ガス化炉の変形例を示す縦断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。

図 1 A , 図 1 B，図 1 Cは、本発明の流動床ガス化炉の一例を示す円筒形流動床ガス化炉の構造を示す断面図である。図 1 Aは流動床ガス化炉の縦断面図、図 1 Bは図 1 Aの A— A線断面図、図 1 Cは図 1 Aの B — B線断面図である。

図 1 A〜図 1 Cに示す円筒形の流動層反応装置を用いる流動床ガス化炉は、流動床ュニット 1、炉下ホツバュニット 2、媒体排出装置ュニット 3、フリーボードユニット 4、及びディフレクタユニット 5から構成されている。本発明においては、流動層反応装置は、流動床ユニット 1 と、炉下ホツバユニット 2 と、媒体排出装置ュニット 3 とから構成されている。隣接する各ユニットはフランジで接続されている。流動床ュニット 1 の内部には、上面が円錐形をした流動化ガス分散装置 6が設けられており、この流動化ガス分散装置 6の上面には、多数の流動化ガス分散ノズル 7が設けられている。流動床ュニット 1および流動床ュニット 1 より下方のュニット内部には、流動媒体 1 1が充填されており、流動化ガス分散装置 6の上方の流動媒体は、流動化ガス分散ノズル 7から吹き出された流動化ガスによつて流動化され、流動床 8を形成している。また、流動化ガス分散装置 6 の内部には、空気ヘッダ 9が少なくとも 2つ以上に分割されて内蔵されており、流動化ガス分散ノズル 7から吹き出される流動化ガス速度を、周辺部の方が中央部に比べて相対的に速くなるように、吹き出し速度に違いを持たせることによって、流動床内に流動媒体の内部旋回流 1 2を形成せしめている。流動化ガス分散装置 6の上の流動媒体の温度は 4 0 0°C〜 1 0 0 0°C、好ましくは 5 0 0 °C〜 8 0 0 °Cに維持される。

流動床ュニット 1の内部、流動化ガス分散装置 6の周辺上方には外側へ向けた流動媒体の排出口 1 6が設けられている。この排出口 1 6の下方には流動化ガス分散装置 6 と流動床ュニット 1の内壁の間隙 2 0が形成されており、この間隙 2 0は流動媒体の排出シュ一トとして機能するが、この間隙 2 0は流動化ガス分散装置 6 と流動床ュニット 1の内壁とを固定する支持体 1 0により、 4つのシュート 2 0 a〜 2 0 dに分割されている。支持体 1 0の内部には、流動床ユニット 1の外部から前記空気へッダ 9に流動化用のガスを供給する配管を設けても良い。

各シュート 2 0 a〜 2 0 dは、流動床 8内への不燃物の堆積を防止するために、流動化ガス分散装置 6の側面全域に接するようにするのが望ましい。その場合必然的に支持体 1 0の上端は山形の形状を有し、山形の頂部は鋭角をなしている。支持体 1 0の内部に配管を内蔵しようとする場合は、支持体 1 0にはある程度の幅を持たせる必要があるため、支持体 1 0の形状は下方に向かって末広がりの形状となる必要があり、各シュート 2 0 a〜 2 0 dの円周方向の幅を狭めることになる。しかしながら、各シユート 2 0 a 〜 2 0 dにおいては、内部で不燃物等による閉塞が生じるのを避けるため、下方に向かうに従って水平断面積が次第に狭くなることは、避けなければならない。従って、本ガス化炉では、流動化ガス分散装置 6の下部側面 6 a を下方に向かうに従って中心線側に傾斜させるようにすることによって、各シュ一ト 2 0 a 〜 2 0 dの半径方向の寸法を、下方に向かうに従って大きくし、水平断面積が減少するのを防止する工夫をしている。

各シュート 2 0 a 〜 2 0 dの鉛直下方には、各々ガス吹き出しノズル 1 3が設けられており、シユート内を水蒸気や不活性ガスでパージして, タールや酸素が拡散してくるのを防止したり、流動媒体を激しく流動化させてシュートの閉塞を解消したりできるようになつている。

炉下ホツバユニット 2 の下側には媒体排出装置ュニット 3が接続されており、本ガス化炉における炉下ホッパユニット 2の内面は、媒体排出装置ュニット 3の入り口のサイズに合わせて傾斜し、全体として絞られている。この様に絞ることによってブリッジを形成する危険性のある不燃物、例えば針金のような不燃物を排出しなければならないような場合は、もちろんストレートの垂直壁としても良いし、偏芯させて、垂直な部分と傾斜した部分を設けても良い。

媒体排出装置ュニット 3の下部には、媒体排出装置 1 5が設置されている。本ガス化炉においては、媒体排出装置 1 5 としてスクリューコンべャを採用しているが、不燃物の性状によつてはチェーンコンペャのように横方向に排出できる排出装置を採用してもよい。また、本ガス化炉において媒体排出装置 1 5は水平方向横向きに設置されているが、上下に傾斜させることもできる。

さらに、媒体排出装置ュニット 3の最下部で、媒体排出装置 1 5 より下方にはガスの吹き出しノズル 1 4が設けられている。本ガス化炉の場合、このガスの吹き出しノズル 1 4は 1個であるが、このノズルは、媒体排出装置ュニット 3 と炉下ホッパュニット 2 との接続部の口径の全面にわたつてガスをゆきわたらせることが目的であるため、必要に応じて数を増やしても良い。ガスの吹き出しノズル 1 4から吹き出すガスの風力選別効果により不燃物の濃縮が期待できるので、排出される流動媒体の量も減り、更に持ち出し熱量も減る。

ガスの吹き出しノズル 1 4からは水蒸気又は C O ₂又は酸素を含まないガス 3 0を吹き出すが、水蒸気と C 0 ₂を吹き込む場合はシュ一ト内の流動媒体中にカーボン粒子が含まれる場合は、上記の吸熱反応によって更に冷却効果を高めることができる。

C + H ₂ 0→C O + H ₂

C + C 0 ₂→ 2 C O

もちろん同様の効果はガス吹き出しノズル 1 3から水蒸気又は C 0 ₂を吹き込むことでも得ることができる。

ノズル 1 3及びノズル 1 4から水蒸気を吹き込む場合、吹き込む水蒸気の温度は、少なくともガス化炉の運転圧力における飽和温度以下にならないようにする必要がある。媒体排出装置等も、内部の温度が露点以下に下がらないよう、必要に応じて保温、又はヒートトレース等を行なつて、結露を防止する必要がある。

図 1 A〜図 1 Cに示したガス化炉は、各機能を担当する部分毎にュニット化しているが、もちろん全体を一体化して製作しても良い。特に、大型炉の場合は、各部分が大きくメンテナンススペースも十分に取れ、各ュニットを分割して点検するといった必要性がないので、一体化して製作しても良い。伹し、加圧下で使用する際は、容積が小さくなり、内部点検等も困難になってくるので、図 1 A〜図 1 Cのようなュニット分割型が有効となる場合がある。

また、ユニット分割構造とする利点として、燃料性状によって容易に構造を変更できる点が挙げられる。例えば、ガス化しにくく、流動層内での滞留時間を長くとる必要のある燃料に対しては、層高を高くするために、図 6に示すようにディフレクタュニット 5 と流動床ュニット 1 の間に直管部 1 a を追加して対応する。また、比重が小さく、層内滞留率が低いためにフリーボ一ド滞留時間を多く必要とする燃料に対しては、図 7に示すようにフランジ部のやや上方から外方に膨らんだ形状とすることにより内容積を大きくしたフリーボードュニット 4を用いる。このように、種々の燃料に対して、図 6及び図 7に示すように、必要な部分のみを改造することにより、全体を改造することなく、容易に対応することができる。

図 2 A，図 2 B，図 2 Cは、本発明による流動床ガス化炉の他の例を示す矩形型流動床ガス化炉の構造を示す断面図である。図 2 Aは流動床ガス化炉の縦断面図、図 2 Bは図 2 Aの A— A線断面図、図 2 Cは図 2 Aの B— B線断面図である。

図 2 A〜図 2 Cにおいて、図 1 A〜図 1 Cと同一の符号は同一の機能の部材を示し、その構造 · 作用等も同じである。

図 2 A〜図 2 Cに示す流動床ガス化炉においては、流動床ュニット 1 の外壁は矩形状に形成されている。そして、流動床ユニット 1の内部に配置された矩形上の流動化ガス分散装置 6は上面が山形に形成されている。本実施例においては、中央部と左右周辺部との間で、左右対称な 2 つの内部旋回流 1 2が形成される。流動床ユニット 1 の内部、流動化ガス分散装置 6の周辺上方には外側へ向けた流動媒体の排出口 1 6が設けられている。この排出口 1 6の下方には流動化ガス分散装置 6 と流動床ュニット 1の内壁の間隙 2 0が形成されており、この間隙 2 0は流動媒体の排出シュートとして機能するが、この間隙 2 0は、図 2 Bに示すように 2つのシュート 2 0 a 、 2 0 b力らなっている。各シュート 2 0 a . 2 0 bの鉛直下方には、それぞれ 3個のガス吹き出しノズル 1 3が設けられている。

本実施例のその他の構成は、図 1 A〜図 1 Cに示す例と同様である。また本実施例の作用効果は図 1 A〜図 1 Cに示す例と同様である。

図 3は、本発明による流動床ガス化炉を加圧下で使用する場合の、ガス化炉周りの構成機器の 1例を示した全体構成図である。図 1 A〜図 1 C及び図 2 A〜図 2 Cに示す構造を有するガス化炉 1 0 1 の下部の媒体排出装置ュニットの下流には、圧力シール用のロックホッパ 1 0 2が接続されており、このロックホッノ 1 0 2の下流には振動篩 1 0 3が設けられている。振動篩 1 0 3により不燃物 6 1 と流動媒体 6 0を篩い分け. 不燃物 6 1は系外へ排出し、流動媒体 6 0は再び炉内に戻される。振動篩 1 0 3により篩い分けられた流動媒体 6 0は、流動媒体搬送コンペャ 1 0 4によって搬送され、流動媒体供給用ロックホッパ 1 0 5を経由して流動媒体供給コンべャ 1 0 6にてガス化炉 1 0 1内に戻される。このような機器構成で使用する場合、ロックホッパ 1 0 2までは加圧され、結露し易いので、保温 · スチームトレースといった結露防止対策を施すのが望ましい。

図 4は、本発明による流動床ガス化炉を加圧下で使用する場合の、ガス化炉周りの構成機器の他の例を示した全体構成図である。図 3 と同様に流動媒体搬送コンペャ 1 0 4によって搬送された流動媒体は、一旦流動媒体ホツバ 1 0 7に受け入れられ、媒体定量払出機 1 0 8によって流量を調整され、切り替えシュート 1 0 9を切り替えることによって、流動媒体供給用ロックホッパ 1 0 5だけでなく、燃料供給用ロックホッパ 1 1 0側から燃料 5 0 とともに供給コンべャ 1 1 1 にて炉内に供給することも可能になる。

図 5は、本発明を常圧で使用する場合の、ガス化炉周りの機器構成を示した全体構成図である。ガス化炉 1 0 1から排出された不燃物と流動媒体の混合物は、コンペャ 1 0 4にて搬送され、振動篩 1 0 3にて不燃物 6 1 と流動媒体 6 0に篩い分けられる。その後、流動媒体 6 0は流動媒体供給コンペャ 1 0 6にてガス化炉 1 0 1 に供給される。燃料中に流動媒体を形成するような、小粒径の不燃物が多い場合には、切り替えシユート 1 0 9にて流路を切り替え、余剰の流動媒体を流動媒体ホッパ 1 0 7側に貯留し、必要に応じて定量払出機 1 0 8にて流動媒体供給コンべャ 1 0 6に払い出し、炉内に投入する。

図 5に示すシステムのように流動媒体抜出し部にシール機構をもたない場合、特に注意しなければならないのは、ガス化炉 1 0 1 の最下部から投入した蒸気が流動床部ではなく、搬送コンべャ 1 0 4側に流れる可能性があることである。このような流れが生じると、蒸気が搬送コンペャ内で凝縮し、流動媒体が湿気を帯びハンドリング性が悪化したり、流動媒体中に含まれる石灰石や石膏の微粉が固着する原因になったりするだけでなく、蒸気が流動床部に向かって流れないことにより、本来果たすべきパージ機能が失われ、流動媒体抜出しシユート部におけるタールやチヤ一によるトラブルを引き起こす恐れがある。

従って、ガス化炉 1 0 1 の最下部から投入した蒸気が、確実に流動床に向かって流れるような工夫を施す必要がある。その一つの方法としては、搬送コンペャ 1 0 4のコンペャ形式を、流動媒体が内部に充満するタイプのコンペャにすることである力 S、このタイプのコンペャは常に内部の流動媒体をかき混ぜなければならないために、所要動力が大きくなるといった問題がある。もう 1つの方法としては、ガス化炉 1 0 1 の下部の流動媒体排出コンべャの出口と搬送コンべャ 1 0 4の間にシール用ダンパを設けることである。この方式は流動媒体の排出をしつつ、シ一ルを維持する機能が必要であり、ダブルダンバ方式とするのが望ましいが、流動媒体排出コンペャの運転、停止と連動させたシングルダンバでもある程度の効果は期待できる。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

( 1 ) 不燃物の抜出し方向が流動床炉からみて、放射状外向き、又は外向きであるため、不燃物が絡まったり、ブリッジングすることがなく、不燃物の排出が容易である。

( 2 ) 各シュ一ト下部に設けたノズルから水蒸気又は C O ₂又は酸素を含まないガスを吹き込み、流動媒体を激しく流動化させることによって不燃物を煽ることができ、これによりシユート部での閉塞トラブルを解消することができる。

( 3 ) 各シュート下部、及び媒体排出装置ユニットの最下部に設けたノズルから、蒸気又は不活性ガス（C O ₂又は酸素を含まないガスからなる）を吹き込むことによって、不燃物及び流動媒体の顕熱を蒸気との直接熱交換によって回収し、炉内に還元することができる。

( 4 ) 同時に蒸気又は不活性ガスによるシュートパージ機能により、気化したタールのシユート部への進入を防止でき、流動媒体冷却後のタールによる諸トラブルを防止できる。

( 5 ) また、燃料性状としてチヤ一が蓄積し易く、層内に大量のチヤ一を含有するような場合でも、蒸気又は不活性ガスによる効果でシユート部分には酸素の進入がないので、シュート内でのチヤ一燃焼によるクリンカトラブルを防止できる。

( 6 ) また、同時にシュートより下方への生成ガスの進入を防止できるので、仮に塩化水素のように、結露すると激しい腐食性を持つガスが発生するような燃料をガス化する場合でも、腐食の心配が無い。

( 7 ) 更に、炉外に排出すべき不燃物及び流動媒体を蒸気又は不活性ガスで冷却できるので、媒体排出装置に耐熱、耐食用の高級材料を使う必要がなく、安価にできる。

( 8 ) また、加圧下で使用する場合でも、媒体排出装置下流の圧力シール部の温度を下げられるので、口ックホッパ等の単純な機器での圧力シールが可能になる。

( 9 ) 万が一、クリン力トラブル等により大粒径の塊が発生しても、媒体排出装置による強制排出機能により、大粒径の塊が破壊され適当な大きさに破砕されるので、流動媒体排出系に閉塞トラブルを生じない。産業上の利用の可能性

本発明は、流動床を用いて、廃棄物や石炭等の燃料からガスを生成する装置に好適に利用される。

Claims

請求の範囲

1 . 流動層反応装置を用いる流動床ガス化炉であって、流動床の床面近傍に流動媒体の排出口を有し、該排出口は下方に向かう流動媒 ί本排出シユートに接続されると共に、該シユートの下方にガス吹き出し装置を有することを特徴とする流動床ガス化炉。

2 . 前記流動媒体排出シュートの最下部近傍には、機械的に流動媒体を抜出す装置を有することを特徴とする請求項 1 に記載の流動床ガス化炉₍

3 . 前記流動媒体排出シュートは、最下部にガス吹き出し装置を有することを特徴とする請求項 1又は 2に記載の流動床ガス化炉。

4 . 前記ガス吹き出し装置は、吹き出すガスとして水蒸気又は二酸化炭素又は酸素を含まないガスを用いることを特徴とする請求項 1又は 2又は 3に記載の流動床ガス化炉。

5 . 前記流動媒体抜出装置は、スクリューコンペャを用いることを特徴とする請求項 2又は 3又は 4に記載の流動床ガス化炉。

6 . 前記流動層反応装置は、機能別に各ュニットに分割され、各ュニットの組み合わせを変えることによって性状の異なる燃料に容易に対応できるように構成されることを特徴とする請求項 1 〜 5のいずれか 1項に記載の流動床ガス化炉。