JP2013525591A - 合成ガス製造時の合成ガスの炭素注入および再循環の方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は粉末材料（Ｃ）をガス化反応器（２）に導入する方法に関し、ガス化反応器（２）に供給されるプロセスガス（Ｐ）は粉末材料（Ｃ）によって合成ガス（Ｓ）に還元され、粉末材料（Ｃ）は流入領域を通ってガス化反応器（２）に導入され、粉末材料（Ｃ）のための流入領域にラバールノズル（１５）を介して負圧が発生され、負圧はプロセスガス（Ｐ）がラバールノズル（１５）を通過することで発生される。本発明はまた粉末材料（Ｃ）をガス化反応器（２）に導入するための装置に関する。本発明による方法はプロセスガス（Ｐ）がガス化反応器（２）のガス化空間（５）に拡がることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体の炭素粒子から合成ガスを製造するときのガスの炭素注入および再循環のための方法および装置に関し、そこにおいて、炭素粒子は熱分解により得られるのが好ましく、炭素粒子のガス化は炭素粒子が置かれるのと同じ空間においてプロセスガスの存在下で炭素粒子を間接的に加熱することにより達成され、反応生成物は再循環されそして合成ガスはガス化が前記空間から放出される間生産される。推定される最良の効果を達成するために、装置はガスを超音速に加速して粉末状炭素の注入のための負圧を発生しそしてガス化反応器におけるガスと粉末状炭素の滞留時間をより長くするためのラバールノズルを備える。

合成ガス製造時の炭素注入のための装置は、ガス化処理において炭素含有材料のガス化を可能にすることが要求される。

ガス化は固体燃料から気体燃料を製造するための処理である。この技術は石炭、石炭の副生成物、石油残留物、廃棄物およびバイオマスに用いられる。反応は、準化学量論的燃焼により加熱された酸化気体（例えば、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏ）に基づき、そして炭素（［Ｃ］還元剤）と反応し、熱源として形成される一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ₂）が、吸熱性である反応を実現するために消費される。一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ₂）の気体混合物は、通常、合成ガスとして参照される。

一つの一般的なガス化方法は、過熱蒸気を供給している間の炭素含有材料の高温での準化学量論的燃焼である。この燃焼は熱源および燃焼排ガス（ＣＯ₂およびＨ₂Ｏ）を有するシステムを提供する。燃焼されていないが過熱されている炭素は、供給される燃焼排ガスおよび水蒸気と反応する。炭素（Ｃ）は二酸化炭素（ＣＯ₂）を一酸化炭素（ＣＯ）に、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を水素（Ｈ₂）に還元する。消費される熱は温度を低下して反応性を減衰する。炭素の反応性は、反応の平衡が温度依存性である間、温度依存性が高い。空気に基づく燃焼もまた見受けられるが、目下のところ、酸素の基づいた燃焼がガス化に関係する主な燃焼方法である。ほとんどの処理は加圧型システムに基づくものである。水蒸気や酸素は容易に圧縮されるがたまに問題を生じる。例えば、粉末材料を反応器手段内に入れるとき、ガス化反応器外側の大気と内部の圧力との間の圧力差を克服しなければならない。

上述したように、石炭、石炭の副生成物、石油残留物、廃棄物およびバイオマスのような炭素含有材料のガス化に伴う問題は、炭素含有材料の完全なガス化を達成するように十分に長い時間、十分に高い温度を維持することと、酸化気体（ＣＯ₂およびＨ₂Ｏ）の還元剤（炭素）との十分な混合を達成することと、ガス化反応器の内部と外部の大気との圧力差を克服することである。この時間および温度が維持できないと、反応はその完成まで持続されず、不十分な混合もまた不完全な反応の原因となる。

本発明の第１の目的は、導入部に定義されるタイプの装置を提供することであり、本発明の本質的な原理は、粉末材料を注入器によってガス化反応器に導入することを容易にするために負圧を発生させることにある。

本発明の別の目的は、ガス化反応器内に導入されたときに酸化気体と粉末材料の間に活発な攪拌を生じさせ、ガス反応器内で合成ガスを再循環させ、それにより、温度および組成の均一性を達成することにある。このことは反応器内でのより長い滞留時間を生じさせることによってよりコンパクトな反応器の設計を可能にする。

本発明のさらに別の目的は、注入器を介して合成ガスを再循環し、粉末材料がこの方法でガス化反応器内に導入されるときに負圧を制御することにある。

本発明による装置は合成ガスの製造時に粉末材料を管状注入器によって注入する炭素注入用装置であり、そこにおいて、固体材料はその中央に入り、そして炭素を注入器内に吸い込みそしてさらにガス化反応器内に分布させる強力な負圧を生じるように酸化気体用のラバール型の囲繞ノズル装置が圧力の増加を生じさせ、反応器内の滞留時間を延ばしそしてその中に均質の混合物を作り出す。酸化気体の強力な推進力はガス化反応器内で、流入する酸化気体および粉末材料との合成ガスの活発な混合を引き起こす。気体の推進力により生じる負圧はその端部内に設けられたチャネルの注入器を介してガス化反応器内の合成ガスの一部を再循環することにより制御できる。

本発明の少なくとも第１の目的は、後述する独立の請求項１に特定された特色を有する装置によって達成される。ほんはつめいの好適な実施形態は従属項に確定される。

図１は、本発明により合成ガスを生産するときの炭素注入のための装置の概要図であり、炭素注入を実施するための装置を形成するユニットを模式的に示す図である。 図２は、本発明により合成ガスを生産するときの炭素注入のための装置の一実施形態の概要図であり、炭素注入を実施するための装置を形成するユニットを模式的に示す図である。

本発明の好適な実施例について、以下、添付の図面を参照して説明する。

図１はガス化処理における炭素注入用装置を示す図で、粉末状炭素Ｃは、プロセスガスＰ（好ましくは水蒸気）および再循環反応生成物Ｒ_s（合成ガス）と粉末状炭素Ｃを混合する注入ノズル１に供給される。注入ノズル１からの混合物は加熱されそして間接的に加熱されたガス化反応器２で反応する。このために、ガス化反応器２はガス化反応器２のガス化空間５に延びるバーナ４を備え、バーナ４はガス化反応器２の間接的加熱を提供する。プロセスガスＰは加圧されそして注入ノズル１内に組み込まれた環状ラバールノズル１５を介して超音速（マッハ１を超える。）まで加速する。ラバールノズル１５は注入ノズル１の中央に強力な負圧を発生し、粉末状炭素Ｃおよび再循環生成物Ｒ_s（合成ガス）のための中心管／中心チャネル６がガス化反応器２内に開口する注入ノズル１に組み込まれる。

注入ノズル１の中心管６がガス化反応器２内に開口する領域は粉末状炭素Ｃの流入領域を画定する。負圧は粉末状炭素Ｃおよび再循環反応生成物Ｒ_sを注入ノズル１／流入領域の中央に吸い出し、そこにおいて３つの流れが混合されそしてガス化反応が開始する。環状ラバールノズル１５を通って超音速で流れるプロセスガスＰもまたその周縁部から再循環をさらにもたらす。さらに、反応生成物は注入ノズル１自体のすぐ前の混合区域Ｍの中央で注入ノズル１からのガス化混合物に組み込まれる。再循環反応生成物Ｒ_sからの熱は、注入された粉末状炭素ＣおよびプロセスガスＰの温度をガス化処理のための反応温度へ急速に上昇するようにガス化反応器２における間接的放射熱を助長する。

プラントのユニットを連結するパイプや管等は詳細には説明されておらずまだ示されていない。パイプや管等はそれらの機能を遂行する、すなわち、プラントのユニット間でガスや固形物質を移送するのに適当な手段で設計される。

図１は、間接的に加熱されるガス化反応器２、通常はセラミックで引かれた（ceramically lined）反応器に接続される注入ノズル１の原理を示す。注入ノズル１はプロセスガスＰを超音速に加速するためのラバールノズル１５を有する。環状のラバールノズル１５は中心管／チャネル６の外側に配列される。このプロセスの合成ガスＳは主としてガス化反応器２で生成される。

固体の炭素粒子Ｃは、プロセスガスＰおよび再循環される二次反応生成物Ｒ_sの一部と共に注入ノズル１に供給される。炭素注入のための負圧は、二次反応生成物Ｒ_sが注入ノズル１の分離されたチャネル１４を通って流れるという事象を受けて不定期に制御できる。炭素粒子Ｃはガス化に先立って熱分解から生じるのが好ましい。炭素粒子Ｃの寸法は反応器内で可能な最速の反応を行うように適合されるのが好ましい。プロセスガスＰは、例えば反応器を加熱する燃焼段階から燃焼排ガスを蒸発または再生して浄化できる。プロセスガスＰが燃焼排ガスを再生する場合、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ₂）を共に含むことができる。プロセスガスＰは、通常、熱交換器の下流側に排出される合成ガスＳから回収された熱により余熱される。プロセスガスＰは、通常、超音速の速度を達成するように反応器圧力に比較して十分に高い過剰圧力を有する。マッハ１を超える速度を有するプロセスガスＰはガス化反応器２内に強力な推進力を発生する。水蒸気への圧力は前述の熱交換器の外の温度に依存する。燃焼排ガスが水蒸気の代わりに用いられるとき、再循環された燃焼排ガスの圧力は、通常、コンプレッサにより発生される。注入ノズル１を出たプロセスガスＰの推進力は、混合区域Ｍの反応区域Ｒに取り込まれた二次反応生成物Ｒ_sの再循環を生じることになる。ガス化反応器２で起こる反応は、炭素ＣがプロセスガスＰ（Ｈ₂ＯおよびＣＯ₂）の中身を合成ガスＳ（Ｈ₂ＯおよびＣＯ）に還元することであり、この熱を消費する還元は、間接的に加熱するバーナ４による処理過程に供給される。熱はバーナ４からの放射熱によってガス化反応に供給され、その燃焼は、その内部で燃料Ｆおよび酸化剤Ｏが燃焼排ガスを生み出すように燃焼される、すなわち、ガス化の流れから分離された放射管の内部で起こる。バーナ４とプロセスガスＰまたはその反応生成物の間のガス化反応器２における直接のガス生産はない。プロセスガスＰに超音速を与えることにより、注入ノズル１は反応器２における滞留時間の延長を提供し、そしてガス化反応はより均衡した状態で実現できる。このことはまた炭素粒子Ｃの燃焼終了の最大可能温度を得られる。

出発合成ガスＳは燃焼のためのエネルギーガスとして或いは液体燃料（典型的な自動車燃料のためのフィッシャー‐トロプシュ法、メタノール製造等）の更なる精製のための基盤として使用できる。

注入ノズル１はガス化反応器２における異なったシステム圧力を扱うように設計される。ガス化反応器２の圧力は大気圧から非常高い圧力（１００ＭＰａ（100 bar）以上）まで制御できる。注入ノズル１は、典型的に、ガス化反応器２内のセラミックライニングに適合されたセラミック部分および耐熱性鋼から作成された外側部分を有する設計であり、そこにおいて、炭素（Ｃ）、プロセスガス（Ｐ）および再循環反応ガス（Ｒ₂）が位置されそして最終的にノズルの下方端の外に共に移動される。注入ノズルはいつでもガス化反応器２内のシステム圧力よりも高いプロセスガスＰのための供給圧力を有していなければならない。この圧力差はまた、炭素粒子Ｃを吸い出して二次反応生成物Ｒ_sを混入させる負圧を生じる。ラバールノズル１５は、その圧力が直管を有する標準的な注入器に比べて高い、プロセスガスＰの質量流に関して強力な負圧を生じる。ラバールノズル１５からの強力な負圧は、ガス化反応器２での炭素ＣとプロセスガスＰの質量流の間の比率を制御し、そしてそれにより、最適な反応条件を達成するのに有利である。

注入ノズル１の材料の選択は合成ガスＳの最大収率を達成するようにガス化反応器２における温度に依存し、そしてそれは同様に反応温度に依存する。典型的な値は９００〜１３００℃の範囲にある。注入ノズル１のセラミックおよび金属部分の材料の選択は選定される温度レベルに適合される。反応区域Ｒにおける温度均一性は、部分的に注入ノズル１のチャネル３を通りそして部分的に混合区域Ｍを通る反応ガスＲ_sの再循環の結果として通常の注入ノズルの場合よりもより迅速に達成される。

ガス化反応器２からの合成ガスＳ（Ｈ₂およびＣＯ）は、流入するプロセスガスＰおよび選定された温度によって水素および一酸化炭素のほかに特定量の二酸化炭素およびメタンを含む。

図２は、合成ガスを生産するときに炭素を注入するための装置の実施形態を示す。注入ノズル１は、１つのユニットを形成する金属部分１１とセラミック部分１３から構成される。この注入ノズルは、そこを通る加圧ガスが超音速まで加速される、プロセスガスＰのためのラバールノズル１５を有する。粉末状炭素Ｃは、典型的に、供給スクリューおよび栓流によって中心管／中心チャネル６に供給され、そこにおいて粉状体はチャネル１４を介して吸い込まれた再循環反応生成物Ｒ_sと混合される。プロセスガスＰ（好ましくは水蒸気）はラバールノズル１５に至る同心管を通る結合部１２を介して供給され、そこにおいてプロセスガス（水蒸気）はラバールノズル１５により過剰圧力で強力に超音速（マッハ１以上）まで加速されてノズルの外で膨張し（＋ｐ）、そして中心部に負圧（−ｐ）を生じて粉末状炭素Ｃおよび再循環反応生成物Ｒ_sを混合区域Ｍに取り込み、そこにおいてラバールノズル１５の周縁部もまた負圧（−ｐ）を生じて反応生成物Ｒ_sを混合区域Ｍで再循環する。

互換性のある実施形態では、注入ノズルは、前述したようなプロセスガスの混合物に酸素を追加して使用でき、このことは混合区域Ｍおよび反応区域Ｒにおける温度を著しく高める。

別の互換性のある実施形態では、注入ノズルが水平であり、そのとき炭素注入Ｃは水平な面で行われるかまたは、処理が可能である限り水平な面に近接して行われる。

粉末状炭素Ｃの供給は、前述の図２において説明されたような供給スクリューの代わりに油圧ピストンによって達成できる。さらに別の互換例は、粉末状炭素Ｃを気密な流動チャネルを介して供給し、ロックフィーダによって注入ノズルの垂直管に移送する。

負圧を受ける気密炭素供給システムが用いられる場合、図２の圧力調整チャネル１４もまた最小限化或いは省略できる。

上述した実施例において、二次反応生成物Ｒ_sは注入ノズル１に配列されたチャネル１４を介して再循環される。この配列の代替として、ガス化反応器２から排出された合成ガスＳは、注入ノズル１の中心管／中心チャネル６に再循環できる。純粋に実際的見地からみると、このことは再循環パイプをガス化反応器２の外部に配列することによって達成される。

１ 注入ノズル Ｃ 粉末状炭素
２ ガス化反応器 Ｆ 燃料
４ バーナ Ｍ 混合区域
５ ガス化空間 Ｏ 酸化剤
６ 中心管／中心チャネル Ｐ プロセスガス
１１ 金属部分 Ｒ_s 再循環反応生成物
１２ 結合部 Ｓ 合成ガス
１３ セラミック部分 ＋ｐ 正圧
１４ チャネル −ｐ 負圧
１５ ラバールノズル

Claims (8)

1. 粉末材料（Ｃ）をガス化反応器（２）に導入する方法であって、ガス化反応器（２）に供給されるプロセスガス（Ｐ）は粉末材料（Ｃ）により合成ガスに還元されそして粉末材料（Ｃ）は流入領域を通って通ってガス化反応器（２）に導入され、粉末材料（Ｃ）のための流入領域にラバールノズル（１５）を介して負圧が発生されそして負圧はプロセスガス（Ｐ）がラバールノズル（１５）を通過することで発生され、プロセスガス（Ｐ）はガス化反応器（２）のガス化空間（５）に拡がる、方法。
2. 粉末材料は粉末状炭素（Ｃ）からなりそして粉末材料（Ｃ）がガス化反応器（２）に導入されるときに二次反応生成物（Ｒ_s）が粉末状炭素（Ｃ）と混合される、請求項１に記載の方法。
3. 流入領域に発生される負圧はガス化反応器（２）内にある気体および粒子を吸い込み、それによりガス化反応器（２）内の気体および粒子の滞留時間を延ばす、請求項１または２に記載の方法。
4. 流入領域に発生される負圧はガス化反応器（２）内の気体および粒子の循環を生じ、それによりガス組成における濃度差を補い、ガス化反応の結果としての温度変化を補いそしてガス化反応器（２）に配置されたバーナ（４）の周りの静止層を最小にする、請求項１、２または３に記載の方法。
5. 粉末材料（Ｃ）をガス化反応器（２）に導入するための装置であって、ガス化反応器（２）に供給されるプロセスガス（Ｐ）は粉末材料（Ｃ）により合成ガス（Ｓ）に還元され、前記装置は注入ノズル（１）を含み、注入ノズル（１）には粉末材料（Ｃ）をガス化反応器（２）に導入するための中心管／中心チャネル（６）が設けられそして注入ノズル（１）は中心管（６）の外側に配置されたラバールノズル（１５）を含み、中心管／中心チャネル（６）はガス化反応器（２）のガス化空間（５）内に直接開口する、装置。
6. ラバールノズル（１５）は、ガス化反応器（２）のガス化空間（５）の方向に向けられた注入ノズル（１）の端部に配置される、請求項５に記載の装置。
7. 注入ノズル（１）は二次反応生成物（Ｒ_s）の再循環のための別のチャネル（１４）を備え、該別のチャネル（１４）は、ガス化反応器（２）のガス化空間（５）から離れる方向に向けられた注入ノズル（１）の端部付近で中心管／中心チャネル（６）と連通する、請求項５または６に記載の装置。
8. 別のチャネル（１４）の断面寸法は変化させることができ、それによりラバールノズル（１５）により発生される負圧を調整する、請求項７に記載の装置。