JP2573046B2 - 流動層ガス化方法及び流動層ガス化炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、流動層を用いるガス化方法及びガス化炉に
関するものである。

〔従来の技術〕

石灰ガス化炉は、1920年代から1950年代にかけて移動
層炉、流動層炉、気流層炉と相次いで実用化された。そ
の後もそれぞれのガス化方式について多くのガス化炉の
開発が行われたが、現在でもなお実用炉として稼働して
いるのは、移動層炉のLurgiと気流層炉のKoppers Totze
k炉を数えるにすぎない。最近新たに気流層炉のTexaco
炉がこの中に加わろうとしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来流動層炉が使用できる石炭は、0.5〜3mmの粉炭と
されてきた。これより大きいと流動化を阻害するし、こ
れより小さいと完全にガス化されないまま未反応チヤー
として生成ガスに同伴して炉外へ飛散してしまう。

これを防ぐためこれまでの流動層炉では、石炭を炉に
投入する前の前処理として、石炭をあらかじめ粉砕機等
を用いて破砕・整粒することが不可欠の要素であつた。
この前処理により、所定の粒径範囲に入らない石炭は利
用できず、石炭の歩留りをある程度犠牲にせざるを得な
かつた。

このような粉砕設備は、設備費用、運転費用、あるい
は保守費用がかさみ、関連作業の手間を要し、設備のた
めの設置スペースを要するといつた欠点を有するばかり
でなく、運転中の異物のかみ込みによる機械部品の損傷
や動力の上昇に起因して破砕設備が停止し、さらには炉
の運転自体を停止せねばならないといつた重大な支障を
招く場合があった。

また、従来の流動層では、層内全体を活発な流動化状
態で均一に保とうとしたため、生成ガスに同伴して炉外
へ飛散する未反応チヤーの量が多く、高いガス化効率を
得られなかつた。飛散チヤーをサイクロン等の補集装置
を用いて分離・回収し、ガス化炉に供給しても、再び未
反応のまま飛散してしまい、いたずらに捕集装置の負荷
を増すのみで、ガス化効率を改善するまでには至らなか
つた。こうした現象は粉化する性質を有する石炭ほど著
しかつた。

さらに従来の流動層炉では、ガス化原料である石炭自
身を流動媒体としたために、供給量とのバランスがとれ
ず流動層高が不安定となつたり、アツシユ主体の流動層
に変じたときに粒径の細かさからバブリングを生じて石
炭とガス化剤との接触が悪くなる等、運転操作に支障を
来すことがあつた。

一方、ガス化炉の規模について見ると、各方式とも現
在運転中のもので500〜1000t/dが最大級であり、これよ
り大容量のものは未だに実現されていない。発電用の微
粉炭燃焼炉が8000t/dクラスの規模であるのに比べ、ま
た、石炭ガス化の将来の市場規模から3000〜5000t/dが
適正規模であることを考えれば、スケールアップの問題
はいかにも大きいと言わざるを得ない。

流動層方式のこのような問題点を解決するために、深
層流動層や二段流動層やガス化或は高温化による灰の凝
集化等が試みられているが、何れについてもなお次のご
とき欠点を有するものであつた。

これは流動層炉に限らずあらゆる方式に共通してい
るが、石炭などのガス化原料を、炉に投入する前の前処
理として粉砕・整粒を行なうことが不可欠であり、粉砕
設備に関する諸々の費用、手間或はスペース上の損失の
みならず、破砕設備の運転中のトラブルのために、炉の
運転に支障を来すことがある。またこうした前処理のた
めに、所定の粒径範囲に入らない石炭は利用できず、石
炭の歩留りはある程度犠牲にせざるをえなかつた。

石炭粒子の層内滞留時間を長くとろうとした深層流
動層は、チヤー飛散の問題の解決にあまり有効ではなか
つた。また深層流動層は、炉高を高くするとともに、炉
の重量を増し、さらには炉壁からの熱損失を大きくする
結果となつた。

二段流動層ガス化は、下段炉にて上段炉からのチヤ
ーを燃焼させ、そこで生じた高温の燃焼ガスを上段炉に
導き、上段炉に供給された石炭の乾留を行なうというも
のであり、メタン濃度の割合に高いガスが得られるのが
特徴である。上段炉でタールを生成しないためには1000
℃近い温度を必要とするが、これに必要な熱量を下段炉
におけるチヤーの燃焼でまかなうのはかなり難しい操作
を伴う。燃焼速度を上げようと温度を高くすれば、当然
灰の溶融の問題が生じる。しかし最近の報告では、こう
した問題もある程度克服され、かなり高いガス化効率が
出るようになつてきている。ただし上下の二段炉となる
ことにより、深層流動層以上に炉高が高く、装置が複雑
になる問題がある。

高温化による灰の凝集排出は、排出口の構造並びに
条件が非常に難しく、未反応の石炭粒子を同伴してしま
う問題を生じている。

本発明は、こうした従来の欠点を除き、有用な流動層
ガス化方法及びガス化炉を提供することを目的とするも
のである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、ガス化炉の炉底部より上方に向けて噴出せ
しめた流動化ガスにより、流動媒体を流動化して形成せ
しめた流動層により、石炭等をガス化する流動層ガス化
方法において、前記流動層は、水平面断面が矩形状の流
動層室内に保持され、前記流動化ガスは、中央部よりも
両側縁部が低く形成されているガス分散機構から噴出せ
しめられ、前記炉底の中央部付近における流動化ガスの
質量速度を0.5〜3Gmfとし、該中央部の両側縁部におけ
る流動化ガス速度を４〜20Gmfとし、該両側縁流動層の
上方において、両側縁部の流動化ガスの上向き流路をさ
えぎり、かつ炉の中央に向けて転向せしめ、炉底の中央
部には、流動媒体が沈降する移動層を形成し、両側縁部
には流動媒体が活発に流動化している両側縁流動層を形
成し、前記流動媒体を、前記移動層内で沈降せしめ、該
移動層の下部で前記両側縁部に移行せしめ、前記両側縁
流動層内で上昇せしめ、該両側縁流動層上部で前記転向
する流動化ガスにより前記移動層の頂部に向けて転向せ
しめて、炉内を循環せしめつつ前記移動層に石炭等を供
給して該石炭等のガス化を行なわしめることを特徴とす
る流動層ガス化方法。

〔具体例〕

本発明を、酸素とスチームをガス化剤として用いて石
炭をガス化する場合について説明する。

第１図は、流動層ガス化炉を用いた石炭ガス化のフロ
ーの一例である。サイロ１に貯留された石炭は、供給装
置２によりガス化炉３に定量供給される。一方酸素とス
チームの混合ガスからなるガス化剤は、熱交換器５によ
り予熱された後に、流動化ガスとしてガス化炉３に供給
され、石炭と反応する。

ガス化炉３にて生成したガスは、二段のサイクロン４
によりガス中に含まれる固形物を分離する。一段目のサ
イクロンで分離される固形物中には、未反応チヤーが含
まれるので、再びガス化炉３に供給される。二段目のサ
イクロンで分離された固形物は灰として排出され、ホツ
パー９に貯留される。生成ガスは熱交換器５により降温
し、次いで水洗浄塔６により冷却・洗浄された後に、ア
ルカリ洗浄塔７により硫化水素の除去を行なう。こうし
て精製された生成ガスは、ガスホルダー８に貯留され
る。なおガス洗浄設備から出る廃水は廃水処理設備10に
供給され、無害化処理される。

ガス化炉３について説明する。

第２図に示すごとく、ガス化炉３の炉底部には流動化
用のガス化剤の分散板20が備えられている。分散板20は
両側縁部が中央部より低く、炉の中心線36に対してほぼ
対称な山形断面状に形成されている。両側縁部には不燃
物及び灰分排出口30が接続され、32,33のスクリユーコ
ンベアにより、粗大な不燃物が流動媒体とともに排出さ
れる。

予熱された酸素とスチームの混合ガスからなるガス化
剤は、分散板20から炉内に噴出し、傾斜壁24に当たつて
垂直面内の旋回流となり、珪砂などの流動媒体をこれに
沿つて動かしめて旋回流動層35が形成される。さらに後
述するように炉内中央に下降移動層34が形成され、この
下降移動層34及び旋回流動層35によつて石炭は短時間に
ガス化反応を完結させるため、粉砕・整粒を行なわなく
とも流動化を阻害することなく高いガス化効率を得るこ
とが出来る。

予熱された酸素とスチームの混合ガスからなるガス化
剤は、導入部の室21,22,23を経て分散板20から上方に噴
出せしめられている。両側縁部の室21,23から噴出する
ガス化剤の質量速度は流動層を形成するのに十分な大き
さを有するが、中央部の室22から噴出するガス化剤の質
量速度は前者よりも小さく選ばれている。例えば室21,2
3より噴出する流動化ガスの質量速度は４〜20Gmf、好ま
しくは６〜12Gmfであるのに対し、室22より噴出する流
動化ガスの質量速度は0.5〜3Gmf、好ましくは１〜2.5Gm
fに選ばれる。ここで1Gmfは流動化開始質量速度であ
る。

中央部の室22から噴出する流動化ガス中の酸素濃度
は、両側縁部の室21,23から噴出する流動化ガスよりも
低いか、あるいはスチームのみとしてもよい。

室の数は３以上の任意の数が選ばれる。多数の場合で
も、流動化ガスの質量速度は中心に近いものを小、両側
縁部に近いものを0.5〜3Gmf、両側縁部に近いものを４
〜20Gmfとなるようにする。両側縁部の室21,23の直上に
流動化ガスの上向き流路をさえぎり、流動化ガスを炉中
央に向けて反射転向せしめる反射壁として傾斜壁24が設
けられている。傾斜壁24の上側は、傾斜壁24と反対の傾
斜を有する傾斜面25が設けられ、流動媒体が堆積するの
を防ぐようになつている。

炉内天井部27には、供給装置２の出口31に連なる石炭
投入口28が、中央部の室22に対応するように設けられて
いる。

ガス化炉３の原理につき説明する。通常の流動層にお
いては、流動媒体は沸騰している水のごとき激しい流動
状態を形成しているが、室22の上方の流動媒体は弱い流
動状態にある移動層34を形成する。この移動層34の幅
は、上方は狭いが、裾の方は分散板20の傾斜の作用も相
まつてやや広がつており、そこでは室21,23からの大き
な質量速度のガス化剤の噴射を受け、流動化され上方に
吹き上げられる。こうして裾の流動媒体が除かれるで、
室22の直上の流動媒体の層は自重で降下する。この層の
上方には、後述のごとく旋回流を伴う流動層35からの流
動媒体が補給される。これを繰り返して室22の上方の流
動媒体は、弱い流動状態の下降移動層34を形成する。室
21,23上に移動した流動媒体は流動化され上方に吹き上
げられるが、傾斜壁24により反射転回して炉の中央に向
いて旋回し、前述の下降移動層34の頂部に移動し、徐々
に降下し、移動層34の裾に至つて流動化され再び吹き上
がつて循環する。一部の流動媒体は、旋回流として流動
層35の中で旋回循環する。

このような流動状態のガス化炉３に、石炭投入口28か
ら投入された石炭は、下降移動層34の頂部に落下する。
ここでは流動媒体は側縁部から中央に向かつて流れてい
るので、石炭はこの流れに巻き込まれて下降移動層34の
頂部に容易にもぐり込む。従つて、粒径の細かいものま
でも下降移動層34の中に入り込むことが出来るので、従
来の流動層におけるごとく、スクリユーフイーダにより
流動層内に直接供給するような機械的トラブルを招き易
い方法を採らなくて済む。また活発な流動化により、生
成ガスに同伴して未反応のまま炉外へ飛散するようなこ
とをかなり防ぐことができる。

下降移動層34の中では、石炭の乾留反応が主体的に、
ガス化反応が部分的に行なわれ、ガスとチヤーが生成す
る。ここで生成したガスは上方または水平方向に抜け、
チヤーは流動媒体と共に両側縁部の流動層部35へと移動
し、流動化ガスとして供給された酸素とスチームの混合
ガスからなるガス化剤と、部分燃焼をともなうガス化反
応を引き起こす。下降移動層34の中で生成するガスは、
ガス化剤の質量速度が小さいので、燃焼による損失を減
らすことができる。下降移動層34と流動層35において生
成したガスは、層上方のフリーボード部29にて混合し、
高温雰囲気下でさらにガス化反応が進行する。下降移動
層34は、流動化が比較的穏やかなので、生成したチヤー
のうち粒径がかなり細かいものでも、通常の流動層のよ
うにガス化されずに飛散するようなことは起らない。例
え一部が飛散しても、炉外でサイクロン４により捕集し
て、再度炉に戻せば、比較的容易にガス化することが可
能である。このように本ガス化炉では、前述した二段ガ
ス化ときわめて類似した反応が、移動層34と流動層35に
分かれて起きている。

下降移動層34に数10mm程度の大きな石炭を落下せしめ
て供給した場合、これは瞬時に室22の上まで落下するの
ではなく、下降移動層34の流動媒体の流れと共に徐々に
降下する。さらに下降移動層34と流動層35を隔てる仕切
り壁がないので、粒径の大きな石炭でも仕切り壁へ引つ
かからずに、下降移動層34から流動層35への移動を円滑
に行なうことができ、また流動媒体の流れを阻害するこ
ともない。

そのため石炭はかなり大きなものでも、下降移動層34
の中で徐々に下降しながら乾留が行なわれ、下降移動層
34の両端に達するころには大半が細片化したチヤーにな
るので、両側縁部の流動層35の形成を阻害することはな
い。従つて石炭はあらかじめ粉砕機等で破砕・整粒する
必要がなく、破砕設備一式を省略することができるのみ
ならず、破砕プロセスにおけるトラブルにより、ガス化
炉の運転に重大な支障を来すようなことを防ぐことがで
きる。また移動層34中における反応は、通常の流動層中
に比べれば穏やかに進行するので、大粒径の石炭を供給
しても急速なガス発生による圧力変動を生じたりはしな
い。このため本ガス化炉の運転操作はきわめて容易とな
る。

破砕設備が不要となるため、石炭のように簡単に破砕
できない廃木材などのバイオマス原料や廃プラスチツク
を、ガス化原料として利用することが可能となる。廃木
材は発生量に季節変動があるので、石炭と混合利用する
ことでガス化原料の多様化や原料コストの引き下げを図
ることが出来る。また破砕の困難な粗大不燃物を含むよ
うな、例えば現状では埋立て処分されている燃焼不適ご
みを、ガス化原料として用いることもできる。

ガス化炉の能力は下降移動層34の沈降速度で決まると
考えられる。発明者らの研究によれば、室22から噴出す
る流動化ガスの質量速度が小さすぎると、下降移動層34
は流動性を失つて堆積を生じ、逆に大きすぎると活発な
流動層となつて下降移動層34は形成されなくなる。この
間の質量速度では、室22への流動化ガス量を増大すれ
ば、下降移動層34は流動性を増して沈降速度は大とな
る。沈降速度が大であるということは、流動媒体の循環
量が大なることを意味し、ガス化能力が増大することに
なる。

本ガス化炉では、炉内に仕切り板等の障害物が全くな
いことにより、点検、補修が著しく容易になる。また流
動層が保持されているガス化炉の水平面断面の形状が矩
形なので、異なる能力のガス化炉を設計するのに、同一
断面で幅のみを変えれば良く、設計或は製作が容易とな
る。発明者らの研究によれば、炉幅を大きく変えても流
動媒体の旋回効果はあまり変わらない。

本発明により、次のごとき実用上極めて大なる効果を
有する、流動層ガス化方法及びガス化炉を提供すること
が出来る。

粒径の大きな原料でも、移動層の中で速やかに拡散
し、十分なガス化効率を上げられるので、原料をあらか
じめ破砕・整粒する必要が無くなる。

原料の無破砕供給が可能となるため、破砕設備の一
切が不要となり、費用、手間およびスペース上有利にな
るばかりではなく、破砕プロセスにおけるトラブルに起
因して炉が停止する、などの炉の運転に対する重大な支
障が生ずるのを防ぐことが出来る。

同じく、炉の上部より原料を落下させるので、従来
の流動層内に直接供給する方法に比べ、供給装置の機械
的トラブルを極力減らすことが出来る。

同じく、用いる原料の歩留りを向上させることがで
きる。

同じく、石炭と廃木材や廃プラスチツクとの混合利
用のようなやり方が可能となり、原料の多様化や原料コ
ストの引き下げが図れる。さらに破砕上問題になる不燃
物を含むようなものを、ガス化原料として用いることも
可能となる。

同じく、原料中に含まれる微粉の割合が減り、しか
も移動層の不活発な流動化の中で乾留による微粉化が行
なわれるので、飛散する未反応チヤーの量が少なく、従
つてガス化効率を高くできる。例え飛散しても、捕集し
た後の再ガス化が比較的容易であることもガス化効率の
向上につながる。

流動媒体の移動層における沈降速度を大となし、炉
内循環量を増し、ガス化容量の増大を図ることができ
る。また、移動層の沈降速度の制御幅を大きくすること
ができる。

移動層における反応は比較的穏やかなため、大粒径
の原料が投入されても、圧力変動は小さく、運転操作は
きわめて容易である。

ガス化炉が一室で、しかも浅層の流動層であるた
め、炉高が低くなり、炉壁からの熱損失を小さく出来
る。また建設費上のメリツトも大きい。

流動媒体に珪砂を用いるため、層高が安定であり、
原料とガス化剤との接触も良好である。

流動層の平面形状が矩形で、炉を幅方向（第２図の
紙面に直角の方向）に延長することにより、流動層、移
動層の作動条件をあまり変えることなく一基の炉の容量
を増大することが出来る。

ガス分散機構が、中央部より両側縁部が低く形成さ
れているので、移動層の裾における流動媒体の移動が円
滑となり、流動媒体の循環を促進する。また、粗大な不
燃物の円滑な排出を可能とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は石炭ガス化のフロー図、第２図は石炭ガス化炉
の断面図を示す。 １……サイロ、２……供給装置、３……ガス化炉、４…
…サイクロン、５……熱交換器、６……水洗浄塔、７…
…アルカリ洗浄塔、８……ガスホルダー、９……灰ホツ
パー、10……廃水処理設備、20……分散板、21,22,23…
…室、24……傾斜壁、25……傾斜壁、26……炉壁、27…
…天井壁、28……石炭投入口、29……フリーボード、30
……不燃物排出口、31……供給装置、32,33……スクリ
ユーコンベア、34……下降移動層、35……流動層、36…
…中心線。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス化炉の炉底部より上方に向けて噴出せ
   しめた流動化ガスにより、流動媒体を流動化して形成せ
   しめた流動層により、石炭等をガス化する流動層ガス化
   方法において、 前記流動層は、水平面断面が矩形状の流動層室内に保持
   され、前記流動化ガスは、中央部よりも両側縁部が低く
   形成されているガス分散機構から噴出せしめられ、 前記炉底の中央部付近における流動化ガスの質量速度を
   0.5〜3Gmfとし、該中央部の両側の両側縁部における流
   動化ガス速度を４〜20Gmfとし、 該両側縁部の上方において、両側縁部の流動化ガスの上
   向き流路をさえぎり、かつ炉の中央に向けて転向せし
   め、 炉底の中央部には、流動媒体が沈降する移動層を形成
   し、両側縁部には流動媒体が活発に流動化している両側
   縁流動層を形成し、 前記流動媒体を、前記移動層内で沈降せしめ、該移動層
   の下部で前記両側縁部に移行せしめ、前記両側縁流動層
   内で上昇せしめ、該両側縁流動層上部で前記転向する流
   動化ガスにより前記移動層の頂部に向けて転向せしめ
   て、炉内を循環せしめつゝ前記移動層に石炭等を供給し
   て該石炭等のガス化を行なわしめることを特徴とする流
   動層ガス化方法。
2. 【請求項２】前記流動化ガスが、空気とスチームとの混
   合物又は酸素とスチームとの混合物である特許請求の範
   囲第１項記載の流動層ガス化方法。
3. 【請求項３】前記流動媒体が、珪砂である特許請求の範
   囲第１項記載の流動層ガス化方法。
4. 【請求項４】炉内下部に、水平面断面が矩形状の流動層
   室を備え、炉内底部に流動化ガス分散機構を備え、該分
   散機構は、中央よりも両側縁部が低く形成されており、
   該ガス分散機構のうち両側縁部における流動化ガス質量
   速度を４〜20Gmfとし、中央部における流動化ガス質量
   速度を0.5〜3Gmfとなるように構成し、前記両側縁部の
   真上に流動化ガスの上向き流炉をさえぎり、流動化ガス
   を炉内中央に向けて反射転向せしめる傾斜壁を備え、炉
   内上部にガス化原料投入口が設けられていることを特徴
   とする流動層ガス化炉。
5. 【請求項５】前記ガス分散機構の前記両側縁部に、灰分
   の排出口が接続されている特許請求の範囲第４項記載の
   流動層ガス化炉。
6. 【請求項６】前記移動層部に接する炉壁に、ガス化生成
   物であるチャーの供給口が接続されている特許請求の範
   囲第４項記載の流動層ガス化炉。