JP5801433B2 - ガス化設備 - Google Patents

Description

本発明は、ガス化設備で原料をガス化する際に、熱分解反応により生成するタールによってガス化反応が阻害される問題を防止して、ガス化反応を促進できるようにしたガス化設備に関するものである。

近年、バイオマス、石炭、廃棄物、石油残渣、重質油等の種々の有機物原料をガス化することにより高品位のガス化ガスを製造する技術が提案されるようになってきている。

図５は２塔式と称されるガス化設備の一例を示すものであり、このようなガス化設備としては特許文献１がある。

図５に示すガス化設備においては、流動層ガス化炉１に供給される原料２は、例えば８００℃以上の高温を有して供給される循環粒子３（砂等）と、下部から供給される水蒸気、空気、酸素、二酸化炭素等のガス化剤４とにより形成される流動層５によって流動加熱され、ガス化されてガス化ガス６を生成する。

流動層ガス化炉１で生成したガス化ガス６は、サイクロン等の分離器７に導いて固形分を除去した後、タール除去装置、電気集塵機等の精製装置を経た後、発電設備の燃料として供給したり、合成ガス原料として供給したり、或いは圧縮機で圧縮して液化したガス製品として取り出すようにしている。

又、流動層ガス化炉１において原料２をガス化する際に生成したチャーは、循環粒子３と共に流動層燃焼炉８に供給され、流動層燃焼炉８において空気又は酸素等の酸化剤９の供給によりチャーを燃焼することによって循環粒子を例えば９００℃以上の温度に加熱するようにしている。流動層燃焼炉８から導出される燃焼ガス１０はサイクロン等の分離器１１に導かれて循環粒子３と排ガス１２とに分離され、分離した循環粒子３は前記流動層５に没入した降下管Ａにより流動層ガス化炉１に供給するようにしている。又、分離器１１で分離した排ガス１２は、熱回収用の熱交換器１３等を経てバグフィルタ等の集塵器により集塵されて煙突に導かれる。

前記流動層ガス化炉１においては、原料２が流動層５により加熱されて、熱分解により熱分解ガスを生成する熱分解反応と、熱分解残渣がガス化剤４の作用を受けて改質ガス化ガスを生成する改質ガス化反応とが混在した状態で起こっている。熱分解反応では、メタンＣＨ_４、タール等の炭化水素ＣＨや、その他一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ_２、水素Ｈ_２等を含む熱分解ガスが生成され、改質ガス化反応では、水蒸気ガス化の場合は一酸化炭素ＣＯ、水素Ｈ_２を主成分とする改質ガス化ガスが生成される。

特開２００５−４１９５９号公報

前記流動層ガス化炉１に原料２が供給されると、先ず熱分解による熱分解ガスが生成し、続いてガス化剤の作用を受けて改質ガス化による改質ガス化ガスが生成するが、前記熱分解ガスには多くのタールが含まれており、前記したように流動層ガス化炉１において熱分解反応と改質ガス化反応が同時に行われる従来のガス化設備においては、熱分解反応によって生成した熱分解ガスが、改質ガス化反応を阻害するという問題がある。

ここで、有機物原料の熱分解反応によって発生するタールは、水性ガス化反応（炭素＋水蒸気→一酸化炭素＋水素）を阻害する作用があるとの研究報告がある（林ら．Fuel.2005;Volume84:p1612）。

このように、図５の流動層ガス化炉１において生成する熱分解ガスが改質ガス化反応を阻害するために、原料が改質ガス化されるのに時間が掛ると共に、改質ガス化ガスの生成量が減少するという問題がある。このため、反応時間を長く保持することによって改質ガス化ガスの生成量を増大しようとした場合には、流動層ガス化炉１の容積を増大する必要があるため設備が大型になってしまう問題がある。

更に、流動層ガス化炉１からは熱分解ガスと改質ガス化ガスが混合したガス化ガス６が取り出されるために、タール除去装置等の処理装置が大型になるという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、ガス化設備で原料をガス化する際に、熱分解ガスによって改質ガス化反応が阻害される問題を防止して、改質ガス化反応を促進させるようにしたガス化設備を提供することを目的とする。

本発明は、循環粒子とガス化剤の存在下で原料をガス化するガス化炉と、ガス化炉でのガス化時に生成したチャーを導入して燃焼することにより循環粒子を加熱する燃焼炉と、燃焼炉からの燃焼ガスを分離器に導いて排ガスと循環粒子とに分離し循環粒子を前記ガス化炉に戻すようにしているガス化設備であって、分離器で分離した循環粒子を粒子移動部内に移動させつつ原料供給装置から原料を供給して原料を熱分解させ、熱分解ガス取出口により熱分解ガスを取り出すと共に、熱分解残渣を前記ガス化炉に供給する熱分解装置を備え、
前記熱分解装置は、分離器で分離した循環粒子が流下する上側降下管の下端を包囲し流動化ガスにより循環粒子を流動化して溢流させる溢流装置と、該溢流装置から溢流した循環粒子を流下させてガス化炉に供給する下側降下管とにより粒子移動部を形成しており、前記下側降下管の途中に原料を供給する原料供給装置を有することを特徴とするガス化設備、に係るものである。

本発明は、循環粒子とガス化剤の存在下で原料をガス化するガス化炉と、ガス化炉でのガス化時に生成したチャーを導入して燃焼することにより循環粒子を加熱する燃焼炉と、燃焼炉からの燃焼ガスを分離器に導いて排ガスと循環粒子とに分離し循環粒子を前記ガス化炉に戻すようにしているガス化設備であって、分離器で分離した循環粒子を粒子移動部内に移動させつつ原料供給装置から原料を供給して原料を熱分解させ、熱分解ガス取出口により熱分解ガスを取り出すと共に、熱分解残渣を前記ガス化炉に供給する熱分解装置を備え、
前記熱分解装置は、分離器で分離した循環粒子が流下する上側降下管の下端を包囲し流動化ガスにより循環粒子を流動化して溢流させる上段の溢流装置と、該上段の溢流装置から溢流した循環粒子を降下させる中間降下管と、該中間降下管の下端を包囲し流動化ガスにより循環粒子を流動化して溢流させる下段の溢流装置と、該下段の溢流装置から溢流した循環粒子を流下させてガス化炉に供給する下側降下管とにより粒子移動部を形成しており、前記中間降下管の途中に原料を供給する原料供給装置を有し、上段の溢流装置と下段の溢流装置の少なくとも一方に熱分解ガス取出口を有することを特徴とするガス化設備、に係るものである。

上記ガス化設備において、熱分解装置にガス導入装置を備え、導入されたガスが上昇流形成ガスとなっていてもよい。

上記ガス化設備において、上昇流形成ガスがガス化剤であってもよい。

本発明のガス化設備によれば、分離器で分離した循環粒子を移動させつつ原料を混合することにより原料を制限時間内に熱分解させて熱分解ガスを取り出した後、熱分解残渣をガス化炉に供給して改質ガス化により改質ガス化ガスを生成するようにしたので、ガス化炉において熱分解ガスが発生するのを防止することができ、よってガス化炉での改質ガス化反応が熱分解ガスにより阻害される問題が防止できるため、ガス化炉での改質ガス化反応が促進し、改質ガス化ガスの生成量を増大できるという優れた効果を奏し得る。

又、熱分解による熱分解ガスと改質ガス化による改質ガス化ガスとを効果的に分けて取り出すことができ、よって熱分解ガスと改質ガス化ガスの精製等の後処理がそれぞれに適した方法で効率的に行えるようになるという効果がある。又、熱分解装置から取り出された熱分解ガスを改質することによって改質ガス化ガスを生成することもできる。

本発明のガス化設備の一例を示す概略構成図である。 図１のガス化設備における熱分解装置の具体的な構成の参考例を示す概略側面図である。 図１のガス化設備における熱分解装置の具体的な構成の実施例を示す概略側面図である。 図１のガス化設備における熱分解装置の具体的な構成の他の実施例を示す概略側面図である。 従来のガス化設備の一例を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

図１は図５に示したガス化設備に適用した本発明の一例を示すもので、分離器１１と流動層ガス化炉１との間に熱分解装置１４を備えた構成としている。熱分解装置１４は、分離器１１によって分離した循環粒子３を粒子移動部１５内で移動させつつ原料供給装置１６により原料２を供給して原料を熱分解させる一方、ガス導入装置１７により上昇流形成ガス１８を供給して熱分解ガスを上昇させ、熱分解残渣を循環粒子３と共に前記流動層ガス化炉１に供給するようにしている。更に、前記熱分解装置１４には熱分解ガス１９を取り出すための熱分解ガス取出口２０を備えている。尚、図１では熱分解装置１４に、ガス導入装置１７により上昇流形成ガス１８を供給しているが、上昇流形成ガス１８は供給しなくてもよい。即ち、図１に示すように、分離器１１で分離された循環粒子３は流動層５に没入した降下管Ａによってシールされて流動層ガス化炉１に供給されるため、降下管Ａ内で発生した熱分解ガス１９は自身の圧力によって上昇し熱分解ガス取出口２０から取り出されるようになる。

上記したように、流動層ガス化炉１には、熱分解装置１４によって分解された後の熱分解残渣が供給されるので、流動層ガス化炉１では熱分解ガスがほとんど生成されないため、熱分解ガスによる阻害をあまり受けることなく良好な改質ガス化反応が行われ、よって流動層ガス化炉１からはより多くの改質ガス化ガス２１が取り出されるようになる。

図２は、前記熱分解装置１４の具体的な構成の参考例を示すもので、熱分解装置１４は分離器１１で分離した循環粒子３が流下する上側降下管２２と、該上側降下管２２の下端から上り勾配に形成された傾斜管２３と、該傾斜管２３の上端から循環粒子３を流下させて流動層ガス化炉１に導く下側降下管２４とからなる粒子移動部１５を形成しており、更に、前記傾斜管２３の上端と下端の途中に原料２を供給する原料供給装置１６と、前記傾斜管２３内に下側から上昇流形成ガス１８を供給するガス導入装置１７とを備えている。図２の例では傾斜管２３の下側から上昇流形成ガス１８を吹き込んで循環粒子を流動させる分散板２５を備えた場合を示している。上昇流形成ガス１８としては、熱分解ガス１９の生成、及びその後の精製に対して悪影響を生じないものであれば種々のものを用いることができ、原料２のガス化に用いられるガス化剤を用いることができる。

前記原料供給装置１６には傾斜管２３の内部の圧力に関係なく原料２を供給できるスクリューフィーダ等を用いることができ、又、原料供給装置１６によって傾斜管２３の複数箇所から原料２を供給するようにしてもよい。

前記傾斜管２３の上端部には、下側降下管２４の上端と連通して熱分解ガス１９を取り出す熱分解ガス取出口２０が備えてあり、熱分解ガス取出口２０から取出した熱分解ガス１９はサイクロン等の分離器２６に導かれて固形粒子が除去され、後方に導かれるようになっている。

以下に図２に示した参考例の作動を説明する。

分離器１１で分離された循環粒子３は、上側降下管２２を流下して上り勾配になっている傾斜管２３の下端に供給される。傾斜管２３に供給された循環粒子３は、ガス導入装置１７により供給されて分散板２５から吹き出される上昇流形成ガス１８によって流動し、このとき、上側降下管２２内は落下してくる循環粒子３によって塞がれているため、循環粒子は傾斜管２３内を上方へ移動した後上端から下側降下管２４へ流入される。又、前記上昇流形成ガス１８も傾斜管２３内を上方へ移動した後、熱分解ガス取出口２０から取り出される。

この状態において、原料供給装置１６により傾斜管２３に原料２を供給すると、原料２は傾斜管２３内の循環粒子３と混合加熱されることにより熱分解され、熱分解により生成した熱分解ガス１９は前記上昇流形成ガス１８と共に傾斜管２３内を上方へ移動して、熱分解ガス取出口２０から取り出されるようになる。

このとき、傾斜管２３における原料供給装置１６の設置位置と傾斜管２３の上端部との間の長さと、ガス導入装置１７により供給する上昇流形成ガス１８の圧力の調整とによって原料２の熱分解時間を調節することができるので、前記したように８００℃以上の循環粒子３が供給されて原料２の熱分解を行う場合には、熱分解が０．３秒〜１０秒の制限時間内で行われるよう熱分解時間を調節することができる。これによって、熱分解反応をほぼ完了させることができる。ここで、熱分解が０．３秒未満であると、熱分解が十分に行われず、また、１０秒を超えると、原料２から発生するチャーの不活性化が進行し得る。

従って、熱分解装置１４で熱分解がほぼ完了した熱分解残渣が流動層ガス化炉１に供給されるようになるので、流動層ガス化炉１では熱分解ガスがほとんど生成されず、よって熱分解ガスによる阻害をあまり受けることなく良好な改質ガス化反応が行われ、流動層ガス化炉１からより多くの良質の改質ガス化ガス２１を取り出すことができる。

図３は、本発明による前記熱分解装置１４の具体的な構成の実施例を示すもので、熱分解装置１４は分離器１１で分離した循環粒子３が流下する上側降下管２２の下端を包囲し、分散板２７を介して流動化ガス２８を供給することにより循環粒子３を流動化し、一側の仕切板２９の上端から一定量の循環粒子３を溢流させるようにした溢流装置３０と、該溢流装置３０から溢流した循環粒子３を流下させて流動層ガス化炉１に導く下側降下管２４とからなる粒子移動部１５を形成しており、前記下側降下管２４の途中に原料２を供給する原料供給装置１６と、該原料供給装置１６より下部位置において下側降下管２４に上昇流形成ガス１８を供給するガス導入装置１７とを備えている。図３の実施例ではガス導入装置１７は下側降下管２４の周方向から上昇流形成ガス１８を吹き込むようにしているおり、又、原料供給装置１６も下側降下管２４の周方向から原料２を供給するようにしてもよい。ここで、下側降下管２４は図１に示したように流動層５に没入されているため、ガス導入装置１７を省略しても下側降下管２４内に生成した熱分解ガス１９は自身の圧力により上昇して熱分解ガス取出口２０から取り出されるようになる。

図３の実施例では、分離器１１で分離された循環粒子３は、上側降下管２２を流下して溢流装置３０に供給される。溢流装置３０には流動化ガス２８が供給されているため循環粒子３は流動化し、一側の仕切板２９の上端から溢流して下側降下管２４により流動層ガス化炉１に導かれる。又、ガス導入装置１７により下側降下管２４に供給された上昇流形成ガス１８は、流動層ガス化炉１内の圧力が高いことによって下側降下管２４内を上昇し、熱分解ガス取出口２０から取り出される。

この状態において、原料供給装置１６により下側降下管２４に原料２を供給すると、原料２は下側降下管２４内を流下する間に循環粒子３と混合加熱されることにより熱分解され、熱分解により生成した熱分解ガス１９は前記上昇流形成ガス１８と共に下側降下管２４内を上昇して、熱分解ガス取出口２０から取り出されるようになる。この時、上昇流形成ガス１８を吹き込むことにより、熱分解ガス１９が循環粒子３及び分解残渣に同伴して流動層ガス化炉１に導入されるのを防止することができる。

このとき、下側降下管２４における原料供給装置１６の設置位置とガス導入装置１７による上昇流形成ガス１８の吹込位置との間の長さと、ガス導入装置１７により吹き込む上昇流形成ガス１８の圧力の調整とによって原料２の熱分解時間を調節することができるので、前記したように８００℃以上の循環粒子３が供給されて原料２の熱分解を行う場合には、熱分解が０．３秒〜１０秒の制限時間内で行われるよう熱分解時間を調節することができる。これによって、熱分解反応をほぼ完了させることができる。

従って、熱分解装置１４で熱分解がほぼ完了した熱分解残渣が流動層ガス化炉１に供給されるようになるので、流動層ガス化炉１ではほとんど熱分解ガスが生成されず、よって熱分解ガスによる阻害をあまり受けることなく良好な改質ガス化反応が行われ、流動層ガス化炉１からより多くの良質の改質ガス化ガス２１を取り出すことができる。

図４は、前記熱分解装置１４の具体的な構成の他の実施例を示すもので、熱分解装置１４は分離器１１で分離した循環粒子３が流下する上側降下管２２の下端を包囲し、分散板２７を介して流動化ガス２８を供給することにより循環粒子３を流動化し、一側の仕切板２９の上端から一定量の循環粒子３を溢流させるようにした上段の溢流装置３１と、該上段の溢流装置３１から溢流した循環粒子３を流下させる中間降下管３２と、中間降下管３２の下端を包囲し、分散板２７を介して流動化ガス２８を供給することにより循環粒子３を流動化し、一側の仕切板２９の上端から一定量の循環粒子３を溢流させるようにした下段の溢流装置３３と、下段の溢流装置３３から溢流した循環粒子３を流動層ガス化炉１に導く下側降下管２４とからなる粒子移動部１５を形成しており、前記中間降下管３２の途中に原料２を供給する原料供給装置１６を備えている。更に、図４の実施例では上段の溢流装置３１と下段の溢流装置３３の夫々に熱分解ガス１９を取り出す熱分解ガス取出口２０を備えている。尚、熱分解ガス取出口２０は、上段の溢流装置３１と下段の溢流装置３３のいずれか一方に備えるようにしてもよい。又、前記中間降下管３２の途中において、原料２供給する原料供給装置１６の下方に、上昇流形成ガス１８を吹き込むガス導入装置１７を備えるようにしてもよい。

図４の実施例では、分離器１１で分離された循環粒子３は、上側降下管２２を流下して上段の溢流装置３１に供給される。上段の溢流装置３１には流動化ガス２８が供給されているため循環粒子３は流動化し、一側の仕切板２９の上端から溢流して中間降下管３２により下段の溢流装置３３に導かれる。下段の溢流装置３３には流動化ガス２８が供給されているため循環粒子３は流動化し、一側の仕切板２９の上端から溢流して下側降下管２４により動層ガス化炉１に導かれる。又、上段の溢流装置３１及び下段の溢流装置３３に供給される流動化ガス２８は夫々に設けられた熱分解ガス取出口２０から取り出される。

この状態において、原料供給装置１６により中間降下管３２に原料２を供給すると、原料２は中間降下管３２内を流下する間及び下段の溢流装置３３内を流動する間に循環粒子３と混合加熱されることにより熱分解され、熱分解により生成した熱分解ガス１９は熱分解ガス取出口２０から取り出されるようになる。

このとき、中間降下管３２における原料供給装置１６の設置位置を選定することによって原料２の熱分解時間を調節することができるので、前記したように８００℃以上の循環粒子３が供給されて原料２の熱分解を行う場合には、熱分解が０．３秒〜１０秒の制限時間内で行われるよう熱分解時間を調節することができる。これによって、熱分解反応をほぼ完了させることができる。

従って、熱分解装置１４で熱分解がほぼ完了した熱分解残渣が流動層ガス化炉１に供給されるようになるので、流動層ガス化炉１ではほとんど熱分解ガスが生成されず、よって熱分解ガスによる阻害をあまり受けることなく良好な改質ガス化反応が行われ、流動層ガス化炉１からより多くの良質の改質ガス化ガス２１を取り出すことができる。

上記したように、熱分解装置１４で原料を制限時間内で熱分解させて熱分解ガス１９を生成し、その後、熱分解残渣を流動層ガス化炉１に導いて改質ガス化により改質ガス化ガス２１を生成することができるので、熱分解ガス１９と改質ガス化ガス２１とを効果的に分けて取り出すことができるため、熱分解ガス１９と改質ガス化ガス２１の精製等の後処理がそれぞれに適した方法で効率的に行えるようになる。又、熱分解装置１４から取り出された熱分解ガス１９を改質することによって改質ガス化ガスを生成することもできる。

尚、本発明は上記形態にのみ限定されるものではなく、粒子移動部は図示以外の形状としてもよいこと、その他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 流動層ガス化炉（ガス化炉）
２ 原料
３ 循環粒子
４ ガス化剤
７ 分離器
８ 流動層燃焼炉（燃焼炉）
９ 酸化剤
１０ 燃焼ガス
１１ 分離器
１２ 排ガス
１４ 熱分解装置
１５ 粒子移動部
１６ 原料供給装置
１７ ガス導入装置
１８ 上昇流形成ガス
１９ 熱分解ガス
２０ 熱分解ガス取出口
２１ 改質ガス化ガス
２２ 上側降下管
２４ 下側降下管
２８ 流動化ガス
３０ 溢流装置
３１ 上段の溢流装置
３２ 中間降下管
３３ 下段の溢流装置

Claims (4)

1. 循環粒子とガス化剤の存在下で原料をガス化するガス化炉と、ガス化炉でのガス化時に生成したチャーを導入して燃焼することにより循環粒子を加熱する燃焼炉と、燃焼炉からの燃焼ガスを分離器に導いて排ガスと循環粒子とに分離し循環粒子を前記ガス化炉に戻すようにしているガス化設備であって、分離器で分離した循環粒子を粒子移動部内に移動させつつ原料供給装置から原料を供給して原料を熱分解させ、熱分解ガス取出口により熱分解ガスを取り出すと共に、熱分解残渣を前記ガス化炉に供給する熱分解装置を備え、
   前記熱分解装置は、分離器で分離した循環粒子が流下する上側降下管の下端を包囲し流動化ガスにより循環粒子を流動化して溢流させる溢流装置と、該溢流装置から溢流した循環粒子を流下させてガス化炉に供給する下側降下管とにより粒子移動部を形成しており、前記下側降下管の途中に原料を供給する原料供給装置を有することを特徴とするガス化設備。
2. 循環粒子とガス化剤の存在下で原料をガス化するガス化炉と、ガス化炉でのガス化時に生成したチャーを導入して燃焼することにより循環粒子を加熱する燃焼炉と、燃焼炉からの燃焼ガスを分離器に導いて排ガスと循環粒子とに分離し循環粒子を前記ガス化炉に戻すようにしているガス化設備であって、分離器で分離した循環粒子を粒子移動部内に移動させつつ原料供給装置から原料を供給して原料を熱分解させ、熱分解ガス取出口により熱分解ガスを取り出すと共に、熱分解残渣を前記ガス化炉に供給する熱分解装置を備え、
   前記熱分解装置は、分離器で分離した循環粒子が流下する上側降下管の下端を包囲し流動化ガスにより循環粒子を流動化して溢流させる上段の溢流装置と、該上段の溢流装置から溢流した循環粒子を降下させる中間降下管と、該中間降下管の下端を包囲し流動化ガスにより循環粒子を流動化して溢流させる下段の溢流装置と、該下段の溢流装置から溢流した循環粒子を流下させてガス化炉に供給する下側降下管とにより粒子移動部を形成しており、前記中間降下管の途中に原料を供給する原料供給装置を有し、上段の溢流装置と下段の溢流装置の少なくとも一方に熱分解ガス取出口を有することを特徴とするガス化設備。
3. 熱分解装置にガス導入装置を備え、導入されたガスが上昇流形成ガスとなる請求項１又は２に記載のガス化設備。
4. 上昇流形成ガスがガス化剤である請求項３に記載のガス化設備。

Images