JP2018135451A - ロータリーキルン式ガス化炉 - Google Patents
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Abstract
Description
代表的な処理対象物にバイオマス、石炭、粉炭、熱可塑性樹脂類があげられるが、社会に一般的に存在する燃料比が小さい可燃性物質についても、水分を多く含むことなどにより発熱量の面から低質な可燃物質についても適用できる。
(1)シャフト炉内に部分燃焼用支燃ガスを上昇流または下降流で吹き込み、部分燃焼熱により、シャフト炉内の処理物を熱分解ガス化する形式があり、
(2)「特許文献2」廃棄物処理方法及び装置、
処理物をガス化し、生成する物質の燃料比すなわち固定炭素の揮発分に対する比が大きい処理物をガス化処理するロータリーキルンの固気反応は、前段ゾーンの主反応が予熱乾燥、中段ゾーンの主反応が部分燃焼及びその発熱による熱分解、後段ゾーンの主反応が水性ガス反応及びシフト反応であり、固体反応が未反応核モデルに支配されるため、各ゾーンは重複しつつ反応が進み、その固気反応効率を大きくする手段として、各ゾーンにパイプリフター9a、9b、9c、9d、または9eを設置する構成要素と、
そのパイプリフターは外面の一部をロータリーキルンの内壁耐火物に接触または埋め込み、その他の一部はロータリーキルン内部に突出するように設置する構成要素と、
及び、またはパイプリフター掻き込みゾーンの処理物層厚を増加する手段として、パイプリフター9dを逆螺旋で設置し、パイプリフター外部突出部により逆移送するか、またはパイプリフターの間隙に単一、若しくは複数の逆送シュート10を、その外面の一部をロータリーキルンの内壁耐火物に接触または埋め込み、その他の一部はロータリーキルン内部に突出するように設置し、および処理物がパイプリフター掻き込み部の上流側へ逆送りされるように逆螺旋で設け、その逆送シュート10内部および外面の逆移送効果によって逆移送するか、または処理物の安息角以下で配置されたパイプリフター9eによりパイプリフター開口20前面に処理物を掻き寄せることにより処理物層厚を増加する構成要素により、掬い上げられた処理物のロータリーキルン内部への分散効率を高め、ロータリーキルン内での固気反応効率を大きくすることができる。
従って、耐火物11は通常の高温ロータリーキルンの寿命と変わらない。
パイプリフターまたは逆送シュート10は耐熱上の使用限界で、寿命限度が決定され、例えば、SUS310SやハステロイC276では1000℃でも一定の強度を有し、実用上の使用限界は超高温である。しかも消耗品としての取り換えは容易で、設備全体の稼働率への悪影響は最小限に抑えられる。
未反応核モデルに支配される固体反応は表層から反応が進み、余熱乾燥、部分燃焼及びその発熱による熱分解、水性ガス反応及びシフト反応と進むが、支燃ガスに窒素を含まなければ、熱精算上、反応はより速く進む。そして水蒸気分圧は水性ガス反応およびシフト反応を進める上で、温度条件とともに重要である。請求項1、2、3、または4記載の発明は支燃ガスの主成分を水蒸気と酸素にすることで、固体原料のガス化効率が増加するとともに、その発生ガス品位が向上する。なお酸素は空気から、通常はPSA酸素発生装置により容易に得ることができる。
(1) パイプリフターによるガス中固体分散が850℃〜1000℃の高温運転で可能である。
パイプリフターは、耐火物11へ取り付けアンカーを埋込まず、耐火物11とは連結せずに、耐火物ホールに自由に収めるのみで、その支持はロータリーキルン外殻19の鋼構造に固定するために、運転温度はパイプリフターの耐熱限界まで設定できる。
耐火物11は通常の耐熱設計で1000℃以上の設計が可能である。
(2) 高温運転により一体のロータリーキルン炉内で水性ガス反応及びシフト反応を急速に進めることができる。
水性ガス反応は一般的に800℃以上で発現し、高温になるほど反応速度は大きくなる。生成する物質の燃料比すなわち固定炭素の揮発分に対する比が大きい処理物である、例えばバイオマスなどにとって、固定炭素の可燃ガスへの転換は水性ガス反応に依存するため、高温運転のメリットは大きい。
(3) ガス中固体分散効果により、ガス化反応速度が大きい
未反応核モデルに支配される固体反応は表層から反応が進むため、表層の気体の換気は重要である。パイプリフターにより個体がガス中へ強制的に分散されるため、表層の気体は常に入れ換わり、固体の乾燥、熱分解ガス化、及び水性ガス反応にとって、反応が進む雰囲気条件を形成できる。
(4) ガス中固体分散効率が高い。
パイプリフターへの掻き込みゾーンの処理物層厚を、パイプリフター9dの逆螺旋配置または逆送シュート10による逆送効果、パイプリフター9eの掻き寄せ効果、またはロータリーキルン排出部に設ける堰による貯留効果により、大きくできる。その結果パイプリフターへの掻き込み量が増加し、処理物のガス中分散量を適正に計画できる。前記いずれの場合もパイプリフターまたは逆送リフターに羽根21a、21bを設ければ、さらにガス中固体分散効率が高めることができる。
(5) 固体原料のガス化効率が高く、発生ガス品位が優れる。
ロータリーキルン発生ガスの廃熱との熱交換により得られた過熱水蒸気に酸素を添加した、水蒸気と酸素を主成分にする混合ガスにより処理物を部分燃焼するために、固体原料のガス化効率が高く、発生ガスの発熱量が大きい。また水蒸気の分圧を大きくでき、水性ガス反応を促進できる。
一方処理物が乾燥品であるときは、酸素の替わりに空気を用いても、実用的に十分な発生ガスの発熱量が得られる。
図1は本発明に係るロータリーキルンの全体図を示す断面図である。
図2は本発明に係るロータリーキルン内面展開図で、各種パイプリフターの配置例
を示す。
処理物は投入ホッパ1から2重シール弁2、投入シュート3を経由して、ロータリーキルン炉内と大気とのシールを維持しつつ、投入される。
投入された処理物は、前段の予熱乾燥帯で、予熱乾燥されるが、固体反応は未反応核モデルに支配されるため、固体表層では、局部的には熱分解反応が始まり、その結果発生する可燃性ガスが燃焼し、その燃焼熱が、余熱乾燥用に有効に用いられる。
固体の粒子径も反応速度に影響し、木質系の処理物は、チップ状に細断されることが重要である。中段では予熱乾燥がほぼ終了したのち、主反応は熱分解に移行する。予熱乾燥と同様に、熱分解反応は未反応核モデルに支配されるため、ガス中固体分散が重要である。
後段に至ると、固体中の揮発物質はほぼガス中へ移動しつくし、処理物の残渣は炭素が主体となる。炭素のガス化は水性ガス反応に依存するために、十分な水蒸気の存在下において、ガス中固体分散が重要である。ロータリーキルン炉内はパイプリフター効果により発塵環境であるため、2次均質炉へ炭素残渣が飛散し、未反応粗粒子は下部に沈降する。沈降残渣は固形燃料として有効利用できるが、ガス化原料としても貴重であり、一部を投入ホッパへ戻せば、施設全体のガス化効率を増加できる。
投入直後の処理物は内部摩擦抵抗が大きく、パイプリフター内での棚吊りが懸念されるため、図2、図4(a)、および図9(a)のような、レデューサー型短管パイプリフターの採用が推奨される。
この中段の主反応は熱分解反応と水性ガス反応であり、いずれもガス中への固体分散が重要である。
このため、図2に示すようにパイプリフター9bとパイプリフター9dを効果的に配置し、ガス中への固体分散効果を高めている。
すなわち、図4(b)に示すように、いずれも十分な掻き上げ容積を保有するとともに、パイプリフター9dは逆螺旋に設置することで、炉内処理物の逆送を可能とし、その結果、パイプリフター設置ゾーンの処理物層厚みを大きくできる。
これにより、パイプリフターに掬い込む容積効率を上げることができ、その結果、ガス中固体分散量を高めることができる。
同時に処理物中の揮発物質は殆ど無くなり、炭素残渣主体となる。
水性ガス反応はこの炭素主体の処理物をガス中に効率的に分散させることによりすすむ。
後段のパイプリフターは、図2に示すように、パイプリフター9b、パイプリフター9d、パイプリフター9cを適正に配置する。最終段のパイプリフター9cにはその間隙に、逆送シュート10を設け、逆送シュート10内外の逆送により、未反応炭素残渣の排出を極力防止している。
また同じ目的で、図1、図2、図3、図5(a)、図7、および図8に示すように、ロータリーキルン炉尻端には堰12を設け、未反応炭素残渣の排出を防止している。
パイプリフター9eをロータリーキルン軸方向へ設け、開口20をパイプリフター9eの側面に複数設ける。パイプリフター9eの壁面からの突出により、処理物が開口20前面へ掻き寄せられるために、効率的にパイプリフター内に掬い込むことができる。
この開口から掻き込まれた処理物は、パイプリフターの上昇、反転とともに、この開口を排出口として、ロータリーキルン炉内に排出され、ガス中固体分散を効率的に達成できる。
さらにこの掻き寄せ効果を増し、且つ掻き上げ量を増加する手段として、パイプリフター9eの外表面に羽根21aを設ける。
このために、運転停止時はロータリーキルンを逆回転し、逆螺旋管が正螺旋回転することにより、パイプリフター内外の処理物は排出部に向かって、速やかに排出できる。
またロータリーキルン炉尻端の堰部分は、図6に示すような、傾斜した堰貫通路を設けることにより、正回転では、排出を抑制し、逆回転では、排出を進めることができる。
堰を溝状に傾斜して開渠を設けても同じ効果を望める。
例である。すなわちパイプリフターおよび逆送シュートの全設置数量は図2の配置では44個に対し、図7の配置では66個になる。
このように処理物の特性に応じて各種のパイプリフターの数量や組み合わせを選択できる。
この配置ではパイプリフターの全設置数量は26個であり、羽根の追加により、パイプリフターの設置数量を削減できる。
原料は木質チップであり、ロータリーキルンの前段の主反応が予熱乾燥で、中段の主反応が熱分解、および水性ガス反応で、後段の主反応が水性ガス反応、およびシフト反応である。固体の反応は未反応核モデルに支配されるために、前段、中段、および後段が分離独立して主反応が変化していくのでなく、これら各段の主反応は、固体粒子径、固体表層温度、または表層のガス拡散などの条件の変動により、各段間で、重複しつつすすむ。
炉尻フード下部に沈降捕集される一部の未反応炭素残渣はそのまま廃棄、または燃料として設備全体システムの中で、一般的には燃焼空気の加熱用燃料として、または原料の乾燥用燃料として有効活用し設備の熱効率を向上させる。または上流に移送循環し、ロータリーキルンの原料に混合して再活用する。なお移送残渣が疑似素粒子化しているときは、粉砕工程を経由する。
以上の3方式がある。
発電量を重視するときは、炭素残渣の利用において、前記3番目の炭素残渣循環方式が望ましい。
また炉尻フード14で沈降せずに下流に飛散する一部の未反応炭素残渣は、炉尻フード空間およびそれに続く2次均質炉空間において水性ガス反応により、最終的にガス化する。
木質系バイオマスは比較的純粋な炭素質燃料であるために、炭素の熱利用効率により、施設全体の熱効率が決定する。
これは炉尻に設けられた堰12による処理物層厚の増およびパイプリフター9eの炉内突出部による処理物掻き寄せ効果により、パイプリフター9eの開口20に効率的に掻き込める。同時にロータリーキルン炉内に突出したパイプリフター9e自体による掻き上げが可能である。これら2つの効果により上部に掻き上げられた処理物はガス中に多量に分散される。
実施例1に比較すると前段のレデューサー型短管パイプリフター9aを2倍設置し、中段のパイプリフター9b、9dを約1.5倍に増設している。
このように処理物の性状により、パイプリフターを増減するとともに、個別のパイプリフター掻き上げ能力を調整する。
そこで実施例4では、各パイプリフターに羽根21a、21bを付加し、掻き上げ量の増加、および逆送量の増加を図った。羽根21aは掻き上げリフターであり、その掻き上げられた分掻き上げ量が増加する。羽根21bで螺旋管の高さが増加し、その分逆送量は増加し、掻き上げ効率が向上する。
(1) 炉内で乾燥、熱分解、水性ガス反応、シフト反応等の一連の処理が一体のロータリーキルンで完結することが要求される。
(2) 炉内雰囲気が高温で、前記各処理工程が高効率で行え、原料の可燃ガス転換率が高く、可燃ガスによる熱回収効率や発電効率が高いことが要求される。
(3) ロータリーキルンがコンパクトで、安価であることが要求される。
(4) 消耗部品の取り換えが短時間で容易に行えることが要求される。
以上の要求は
バイオマスガス化発電装置に使用されるガス化ロータリーキルンの他には、金属精錬用前処理に使用されるロータリーキルン式焙焼炉、乾留、または炭化に使用されるロータリーキルン等に通常要求される。
3…投入シュート 4…炉前フード
5a、5b…回転体シール装置 6…ロータリーキルン
7a、7b…タイヤ 8…駆動ギヤーカバー
9a、9b、9c、9d、9e…パイプリフター 10…逆送シュート
11…耐火物 12…堰
13…堰貫通路 14…炉尻フード
15…2次均質炉 16…支燃ガス吹込み管
17…固定ボルト 18…断熱材
19…ロータリーキルン外殻 20…開口
21a、21b…羽根
Claims (5)
- 処理物をガス化し、生成する物質の燃料比すなわち固定炭素の揮発分に対する比が大きい処理物をガス化処理するロータリーキルンの固気反応は、前段ゾーンの主反応が予熱乾燥、中段ゾーンの主反応が部分燃焼及びその発熱による熱分解、後段ゾーンの主反応が水性ガス反応及びシフト反応であり、固体反応が未反応核モデルに支配されるため、各ゾーンは重複しつつ反応が進み、その固気反応効率を大きくする手段として、各ゾーンにパイプリフター9a、9b、9c、9d、または9eを設置する構成要素と、
そのパイプリフターは外面の一部をロータリーキルンの内壁耐火物に接触または埋め込み、その他の一部はロータリーキルン内部に突出するように設置する構成要素と、
及び、またはパイプリフター掻き込みゾーンの処理物層厚を増加する手段として、パイプリフター9dを逆螺旋で設置し、パイプリフター外部突出部により逆移送するか、またはパイプリフターの間隙に単一、若しくは複数の逆送シュート10を、その外面の一部をロータリーキルンの内壁耐火物に接触または埋め込み、その他の一部はロータリーキルン内部に突出するように設置し、および処理物がパイプリフター掻き込み部の上流側へ逆送りされるように逆螺旋で設け、その逆送シュート10内部および外面の逆移送効果によって逆移送するか、または処理物の安息角以下で配置されたパイプリフター9eによりパイプリフター開口20前面に処理物を掻き寄せることにより処理物層厚を増加する構成要素により、掬い上げられた処理物のロータリーキルン内部への分散効率を高め、ロータリーキルン内での固気反応効率を大きくすることを特徴とするロータリーキルン式ガス化炉 - パイプリフターまたは逆送シュート10の回転軌跡円筒の内径に対して、ロータリーキルンの排出部内径が小さくなるように、堰を設け、その堰には逆螺旋方向に傾斜した貫通路または開渠を設けることを特徴とする請求項1記載のロータリーキルン式ガス化炉
- パイプリフターまたは逆送シュートに羽根21a、または21bを設け、掻き上げ能力の向上、または逆送能力の向上を図り、パイプリフターの設置数量を削減しても、ロータリーキルン内での固気反応効率を大きくすることを特徴とする請求項1または2記載のロータリーキルン式ガス化炉
- 2次均質炉15の下部沈降残渣の一部を空気遮断しつつ抜き出し、投入ホッパ1に循環し、未反応炭素のガス化率をさらに向上することを特徴とする請求項1,2,または3記載のロータリーキルン式ガス化炉
- ロータリーキルン炉内の固気反応用の熱源として、処理物の部分燃焼熱を用い、その燃焼用支燃ガスに、ロータリーキルン発生ガスの廃熱との熱交換により得られた過熱水蒸気に酸素を添加した、水蒸気と酸素を主成分にする混合ガスを用いることを特徴とする請求項1、2、3、または4記載のロータリーキルン式ガス化炉
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