JP6098129B2 - 循環流動層ガス化炉 - Google Patents

Description

本発明は、循環流動層ガス化炉に関するものである。

近年、石油に代えて、石炭やバイオマス等の有機固体原料をガス化してガス化ガスを生成する技術が開発されている。生成したガス化ガスは、複合発電システムの燃料として利用され、或いは、水素の製造、合成燃料（合成天然ガス、合成石油）の製造、化学肥料（尿素）等の化学製品の製造等に利用されている。上記ガス化ガス製造の原料となる有機固体原料のうち、特に石炭は、石油に比して可採年数が長いことが分かっており、又、石油と比較して埋蔵地が偏在しておらず且つ埋蔵量が大きいことから、長期に亘り安定供給が可能な天然資源として期待されている。

従来、このような石炭をガス化する技術としては、酸素や空気を用いて石炭を部分酸化してガス化することが行われていたが、かかる従来のガス化技術では、１８００℃程度の高温、３ＭＰａ程度の高圧を保持する必要があるため、特別な耐熱、耐圧材料を必要とし、ガス化炉のコストが高くなる傾向にあった。

この間題を解決するために、水蒸気を利用し、７００℃〜９００℃程度の比較的低温で且つ略常圧において石炭をガス化する技術が開発されている。この技術によれば、温度および圧力を低く設定できるため、体熱、耐圧構造が不要となり設備コストを低減できるメリットがある。

水蒸気を用いた流動層ガス化炉では、例えば８００℃以上の高温に保持した砂等の流動媒体をガス化炉に供給すると共に、当該ガス化炉の下部から水蒸気を供給して流動層を形成し、該流動層にガス化する有機固体原料を投入して流動加熱することにより、原料をガス化してガス化ガスを取り出すようにしている。

上記したように、水蒸気を用いた流動層ガス化炉では、流動層において流動媒体により有機固体原料を加熱し、その加熱した原料に水蒸気を接触させることでガス化を行っているため、このような水蒸気ガス化反応では、前記部分酸化によるガス化方式に比して比較的長い反応時間（滞留時間）が必要となる。このため、水蒸気ガス化を行う際には、原料の滞留時間が確保されるように比較的大きな容積を備えた流動層ガス化炉が用いられている。

従来の流動層ガス化炉としては、水蒸気により原料を吹き上げつつ原料のガス化を行うガス化炉を備え、該ガス化炉の上部から取り出したガス化ガスを粒子分離器（サイクロン）に導いてガス化ガス中に含まれる未反応粒子を分離し、分離した未反応粒子の一部は前記ガス化炉に供給し、又、分離した未反応粒子の残りは、太陽光の熱を利用して熱交換により加熱するようにした加熱器に導いて加熱した後、前記ガス化炉に供給するようにしたものがある（特許文献１参照）。

特開平０７−０８２５７４号公報

しかし、特許文献１に示す流動層ガス化炉では、粒子分離器で分離して取り出される未反応粒子は外気によって冷却され、更に、太陽光の熱と熱交換して未反応粒子の一部を加熱する加熱器は、太陽光から得られる入熱が不安定であること、及び、熱交換による加熱は効率が低いことから、流動層ガス化炉に供給される未反応粒子の温度を十分に高められない可能性がある。このため、温度が低い未反応粒子を取出管によってガス化炉に供給する際には、取出管の温度が水蒸気の凝縮温度以下に低下し、取出管内に凝縮した水と未反応粒子が固着して未反応粒子の流動性を悪化させる可能性がある。

本発明は、循環流動層ガス化炉において、ガス化ガスに含まれる未反応粒子を分離する粒子分離器からの未反応粒子を取出管により取出して利用する際に、取出管の温度が低下することによって、取出管内に水が凝縮し未反応粒子が固着することにより未反応粒子の流動性が悪化する問題を防止できるようにした循環流動層ガス化炉を提供することを目的としている。

本発明は、水蒸気により流動媒体を流動化して流動層を形成すると共に、流動層に投入した原料を流動媒体が有する熱でガス化してガス化ガスと可燃性固形分を生成するガス化炉と、
該ガス化炉の流動媒体と可燃性固形分をオーバーフロー管を介して導入し、可燃性固形分を燃焼させて流動媒体を加熱する燃焼炉と、
前記燃焼炉からの燃焼ガスを導入して流動媒体と排ガスとに分離し、分離した流動媒体を前記ガス化炉に供給する媒体分離器と、
前記オーバーフロー管に備えられ、前記流動媒体と可燃性固形分を内部に満たして順次下流側へ送り出す粒子貯留部を形成して前記ガス化炉と前記燃焼炉との間のガスの移動を遮断するシール手段と、
前記ガス化炉で生成したガス化ガスを導入してガス化ガス中の未反応粒子を分離し、分離した未反応粒子を取出管により取り出すようにした粒子分離器と、
を有する循環流動層ガス化炉であって、
前記シール手段は、傾斜したオーバーフロー管の途中から下方に曲げられた上流側縦管と、該上流側縦管の下方から横方向に延びた横管と、該横管の端部と前記オーバーフロー管の下流部との間を接続する下流側縦管とを有して粒子貯留部を形成し、且つ、前記横管に流動化ガスを供給して粒子貯留部の流動媒体と可燃性固形分を順次下流側へ送り出す流動化ノズルを備えた抜出ループシールであり、
前記粒子分離器で分離した未反応粒子を取り出す取出管を、前記抜出ループシールの上流側縦管、又は、横管に接続したことを特徴とする循環流動層ガス化炉、に係るものである。

本発明によれば、ガス化ガスの未反応粒子を分離する粒子分離器からの未反応粒子を取出管により取出して利用する際に、取出管の温度を高く保持することができ、取出管内に水が凝縮する問題は防止される。よって、未反応粒子は、粒子貯留部の高温の流動媒体及び可燃性固形分と共に安定して燃焼炉に供給され、加熱用燃料の一部として利用されるという優れた効果を奏し得る。

本発明を適用した循環流動層ガス化炉の概略的な構成を示す側面図である。 （ａ）は図１における主要部の構成の一実施例を示す側面図、（ｂ）は図１における主要部の構成の他の実施例を示す側面図である。 ガス化ガスに含まれる未反応粒子を分離する粒子分離器からの未反応粒子を循環流動層ガス化炉のガス化炉に供給するようにした場合の側面図である。

以下に図面を参照しつつ本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は本発明を適用する循環流動層ガス化炉の概略的な構成を示す側面図であり、該循環流動層ガス化炉は、ガス化炉１と燃焼炉８を有している。前記ガス化炉１には、例えば石炭からなる有機固体原料２がガス化炉１の一側（右側壁）の原料投入口２ａから投入され、且つ、ガス化剤としての水蒸気によるガス化炉流動用ガス３が下部から供給されて流動媒体４（硅砂等）の流動層５を形成することにより前記原料２のガス化を行い、ガス化ガス６と未反応の可燃性固形分７（チャー）とを生成する。

一方、前記燃焼炉８は、前記ガス化炉１内の流動媒体４及び可燃性固形分７を、前記ガス化炉１の他側（原料投入口２ａとは反対側の左側壁）に備えたオーバーフロー管９及び該オーバーフロー管９の途中に備えたシール手段１０（抜出ループシール１１）を介して導入し、空気又は酸素等の燃焼炉流動用ガス１２の供給により前記可燃性固形分７を燃焼させて流動媒体４を加熱しつつ吹き上げるようになっている。

前記抜出ループシール１１は、ガス化炉１の出口１'に下り勾配になるように接続したオーバーフロー管９の途中から下方に曲げた上流側縦管１１ａと、該上流側縦管１１ａの下方（下端）から燃焼炉８側に向けて横方向に延びた横管１１ｂと、該横管１１ｂの端部と前記オーバーフロー管９の下流部９'との間を接続する下流側縦管１１ｃとを有して、内部に前記流動媒体４と可燃性固形分７が満たされた粒子貯留部Ａを形成している。更に、前記横管１１ｂには水蒸気等の流動化ガスを下側から供給する流動化ノズル１３が設けてあり、前記ガス化炉１の流動層５からオーバーフロー管９に流出して粒子貯留部Ａを満たしている流動媒体４と可燃性固形分７は、流動化ノズル１３からの流動化ガスにより流動化して順次燃焼炉８に供給されるようになっている。そして、前記ガス化炉１と前記燃焼炉８の間は、前記抜出ループシール１１の粒子貯留部Ａによって、ガスの移動が確実に遮断（ガスシール）される。前記抜出ループシール１１の粒子貯留部Ａは、上流側縦管１１ａよりも上側のオーバーフロー管９内部における前記出口１'に近い高さ位置まで形成されている。

前記燃焼炉８の上部から吹き出される燃焼ガス１４は燃焼ガス管１５により媒体分離器１６（サイクロン）に導かれて流動媒体４と排ガス１７とに分離され、分離した流動媒体４は媒体流下管１８及び該媒体流下管１８の途中に備えた前記シール手段１０と同様のシール手段１９を介して前記ガス化炉１に供給される。前記シール手段１９はガス化炉１内のガス化ガス６が媒体分離器１６に導かれるのを遮断している。

尚、図１中、２０は前記ガス化炉１の底部に形成されたウインドボックス、２１は該ウインドボックス２０へ導入されるガス化炉流動用ガス３をガス化炉１内部へ均一に吹き込んで流動層５を形成するための多数の散気ノズル２１ａを有する散気板、２２は前記燃焼炉８の底部に形成されたウインドボックス、２３は該ウインドボックス２２へ導入される燃焼炉流動用ガス１２を燃焼炉８内部へ均一に吹き込んで流動燃焼させるための多数の散気ノズル２３ａを有する散気板である。

図１には、前記ガス化炉１から取り出すガス化ガス６に含まれる未反応粒子２５を分離する粒子分離器２４（サイクロン）が設けてあり、該粒子分離器２４で分離した未反応粒子２５を取り出す取出管２６を、前記オーバーフロー管９に備えたシール手段１０の粒子貯留部Ａに接続している。これにより、取出管２６から落下供給される前記未反応粒子２５を、前記粒子貯留部Ａの流動媒体４及び可燃性固形分７と共に燃焼炉８に供給して、流動媒体４を加熱するための燃料の一部として利用するようにした本発明の主要部の構成を備えている。図１では、前記粒子分離器２４は前記シール手段１０の直上に配置してあり、取出管２６から流下してくる未反応粒子２５はシール手段１０の粒子貯留部Ａに鉛直に供給されるようにしている。

図２（ａ）は図１における主要部の構成の一実施例を示すもので、図２（ａ）の実施例では、前記粒子分離器２４からの未反応粒子２５を導く取出管２６の下端を、前記シール手段１０を構成する抜出ループシール１１の上流側縦管１１ａの上端直上に接続している。尚、前記取出管２６は、その下端を前記上流側縦管１１ａの上端直上に接続する以外に、上流側縦管１１ａにおける上下の途中に接続するようにしてもよい。

図２（ｂ）は図１における主要部の構成の他の実施例を示すもので、図２（ｂ）の実施例では、前記粒子分離器２４からの未反応粒子２５を導く取出管２６の下端を、前記シール手段１０を構成する抜出ループシール１１の横管１１ｂに接続している。

次に、上記実施例の作動を説明する。

図１の循環流動層ガス化炉において、通常の運転時には、ガス化剤としての水蒸気によるガス化炉流動用ガス３によりガス化炉１の散気板２1上に流動層５が形成され、この流動層５上に石炭等の原料２を投入して該原料２のガス化を行うことにより、ガス化ガス６と可燃性固形分７が生成される。ガス化炉１で生成した可燃性固形分７は流動媒体４と共にオーバーフロー管９及び抜出ループシール１１を介して燃焼炉８の散気板２３上に供給され、下部から供給される燃焼炉流動用ガス１２により可燃性固形分７が燃焼することにより流動媒体４を加熱する。燃焼炉８の上部から取り出される燃焼ガス１４は、燃焼ガス管１５を介して媒体分離器１６に導入され、該媒体分離器１６において、前記燃焼ガス１４から流動媒体４を分離し、該分離した流動媒体４は媒体流下管１８及びシール手段１９を介して前記ガス化炉１に戻され、循環する。

従って、燃焼炉８で加熱された高温の流動媒体４が供給されるガス化炉１では、原料供給口２ａから供給される原料２は熱分解により熱分解ガスを生成し、更に、残渣原料が水蒸気と反応することによって、水性ガス化反応［Ｃ＋Ｈ₂Ｏ＝Ｈ₂＋ＣＯ］や水素転換反応［ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＝Ｈ₂＋ＣＯ₂］が起こり、Ｈ₂やＣＯ等の可燃性のガス化ガス６を生成する。

上記循環流動層ガス化炉では、ガス化炉１の一側に設けた原料投入口２ａから供給された原料２が、流動層５の内部を流動してガス化された後、他側に設けたオーバーフロー管９により可燃性固形分７となって取り出されるため、ガス化炉１内での原料２の滞留時間が十分長く確保され、よって、原料２のガス化効率を高めることができる。

前記ガス化炉１で生成したガス化ガス６は、粒子分離器２４に導かれて未反応粒子２５が分離された清浄なガス化ガス６となって導出される。

ここで、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、前記粒子分離器２４で分離した未反応粒子２５を取り出す取出管２６の下端を、前記シール手段１０を構成する抜出ループシール１１の上流側縦管１１ａ、又は、横管１１ｂに接続したので、取出管２６からの未反応粒子２５は、抜出ループシール１１による粒子貯留部Ａ内部に供給されるようになる。

従って、取出管２６によって抜出ループシール１１の上流側縦管１１ａ又は横管１１ｂに供給された未反応粒子２５は、粒子貯留部Ａ内部の流動媒体４及び可燃性固形分７と共に流動化ノズル１３からの流動化ガスにより流動化して安定的に燃焼炉８に供給されるようになる。この時、取出管２６は、粒子貯留部Ａに接続されているので、該粒子貯留部Ａによって前記ガス化炉１と前記燃焼炉８との間のガスの移動は確実に遮断される。ここで、図２（ａ）の実施例においては、上流側縦管１１ａの上端に前記取出管２６が接続された位置よりも高い位置までオーバーフロー管９内に流動媒体４及び可燃性固形分７が満たされた粒子貯留部Ａが形成されるため、ガス化炉１内のガス化ガス６及び水蒸気が取出管２６に向かって流れることは防止される。

又、前記取出管２６は、粒子貯留部Ａを形成する抜出ループシール１１の上流側縦管１１ａ又は横管１１ｂに接続されているため、取出管２６の温度が低下することはなく常に高い温度に保持されるので、取出管２６内に水が凝縮する問題は防止され、よって、前記取出管２６からの未反応粒子２５は、粒子貯留部Ａの高温の流動媒体４及び可燃性固形分７と共に安定して燃焼炉８に供給されるようになる。

又、前記取出管２６からの未反応粒子２５が、シール手段１０を介して燃焼炉８に供給されるため、燃焼炉８に供給された未反応粒子２５は、流動媒体４を加熱するための燃料の一部として利用されるようになる。

尚、循環流動層ガス化炉においては、図３に示す如く、前記ガス化炉１から取り出すガス化ガス６に含まれる未反応粒子２５を分離する粒子分離器２４'からの未反応粒子２５を、取出管２６'を介してガス化炉１の流動層５に供給することが考えられる。前記未反応粒子２５を廃棄物として処理することは大変であるが、上記したように未反応粒子２５をガス化炉１に戻すようにすると、未反応粒子２５はガス化原料の一部として利用することができる。

しかし、前記したように、前記粒子分離器２４'によってガス化ガス６から分離した未反応粒子２５を取出管２６'によりガス化炉１の流動層５に供給する構成とした場合には、前記未反応粒子２５の取出量が比較的少ないこと、及び、取出管２６'は外気によって冷却されることから、取出管２６'の温度が低下することが考えられる。取出管２６'の温度がガス化炉１に供給される水蒸気の凝縮温度以下に低下した場合には、取出管２６'内で水蒸気が凝縮した水と未反応粒子２５とが固着することにより、未反応粒子２５の流動性を悪化させる可能性がある。

これに対し、図１及び図２に示した本発明の実施例によれば、ガス化炉１での原料２の滞留時間を確保してガス化効率を高めることができる循環流動層ガス化炉において、ガス化ガス６の未反応粒子２５を分離する粒子分離器２４からの未反応粒子２５を取出管２６により取出して利用する際に、前記取出管２６を、高温の流動媒体４と可燃性固形分７が満たされることで高温に保持されるシール手段１０の粒子貯留部Ａに接続したので、取出管２６の温度は高く保持されて取出管２６内に水が凝縮する問題は防止される。よって、未反応粒子２５は、粒子貯留部Ａの高温の流動媒体４及び可燃性固形分７と共に安定して燃焼炉８に供給されて、流動媒体４を加熱するための燃料の一部として利用されるようになる。

又、前記シール手段１０は、傾斜したオーバーフロー管９の途中から下方に曲げられた上流側縦管１１ａと、該上流側縦管１１ａの下方から横方向に延びた横管１１ｂと、該横管１１ｂの端部と前記オーバーフロー管９の下流部９'との間を接続する下流側縦管１１ｃとを有して粒子貯留部Ａを形成し、且つ、前記横管１１ｂに流動化ガスを供給して粒子貯留部Ａの流動媒体４と可燃性固形分７を順次下流側へ送り出す流動化ノズル１３を備えた抜出ループシール１１である。そして、前記取出管２６は、前記抜出ループシール１１の上流側縦管１１ａ、又は、横管１１ｂに接続したので、取出管２６の温度は高く保持されて取出管２６内に水が凝縮する問題は更に確実に防止されるようになり、よって、粒子貯留部Ａに供給された未反応粒子２５は、高温の流動媒体４及び可燃性固形分７と共に安定して燃焼炉８に供給されるようになる。

図示した実施例では、ガス化炉１と燃焼炉８の間を繋ぐオーバーフロー管９に備えたシール手段１０の粒子貯留部Ａに取出管２６を接続した場合について例示したが、図示例以外でも粒子貯留部を形成してガス化炉と燃焼炉との間のガスの移動を遮断するようにしたものであれは種々のシール手段に取出管を接続して適用することができる。

更に、本発明の循環流動層ガス化炉は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ ガス化炉
２ 有機固体原料（原料）
３ ガス化炉流動用ガス（水蒸気）
４ 流動媒体
５ 流動層
６ ガス化ガス
７ 可燃性固形分
８ 燃焼炉
９ オーバーフロー管
９' 下流部
１０ シール手段
１１ 抜出ループシール（シール手段）
１１ａ 上流側縦管
１１ｂ 横管
１１ｃ 下流側縦管
１３ 流動化ノズル
１４ 燃焼ガス
１６ 媒体分離器
１７ 排ガス
２４ 粒子分離器
２５ 未反応粒子
２６ 取出管
Ａ 粒子貯留部

Claims (1)

1. 水蒸気により流動媒体を流動化して流動層を形成すると共に、流動層に投入した原料を流動媒体が有する熱でガス化してガス化ガスと可燃性固形分を生成するガス化炉と、
   該ガス化炉の流動媒体と可燃性固形分をオーバーフロー管を介して導入し、可燃性固形分を燃焼させて流動媒体を加熱する燃焼炉と、
   前記燃焼炉からの燃焼ガスを導入して流動媒体と排ガスとに分離し、分離した流動媒体を前記ガス化炉に供給する媒体分離器と、
   前記オーバーフロー管に備えられ、前記流動媒体と可燃性固形分を内部に満たして順次下流側へ送り出す粒子貯留部を形成して前記ガス化炉と前記燃焼炉との間のガスの移動を遮断するシール手段と、
   前記ガス化炉で生成したガス化ガスを導入してガス化ガス中の未反応粒子を分離し、分離した未反応粒子を取出管により取り出すようにした粒子分離器と、
   を有する循環流動層ガス化炉であって、
   前記シール手段は、傾斜したオーバーフロー管の途中から下方に曲げられた上流側縦管と、該上流側縦管の下方から横方向に延びた横管と、該横管の端部と前記オーバーフロー管の下流部との間を接続する下流側縦管とを有して粒子貯留部を形成し、且つ、前記横管に流動化ガスを供給して粒子貯留部の流動媒体と可燃性固形分を順次下流側へ送り出す流動化ノズルを備えた抜出ループシールであり、
   前記粒子分離器で分離した未反応粒子を取り出す取出管を、前記抜出ループシールの上流側縦管、又は、横管に接続したことを特徴とする循環流動層ガス化炉。

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