JPH02500447A - 石炭ガス化法及び該方法を実施するための流動床ガス発生炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 アロサーム式石炭ガス化法及び該方法 を実施するだめの流動床ガス発生炉 本発明は、内部に熱媒用の前型熱交換器を備えているガス発生炉中で水蒸気によ り加圧下に実施するアロサーム式石炭ガス化の方法並びに該方法を実施するため の流動床ガス発生炉に関する。

固体燃料のガス化は基本的に高められた温度で行なう。加熱及び反応に必要な熱 量は部分燃焼〔オートサーム（ａｕｔｏｔｈｅｒｍ　）法〕により又は外来熱の 供給〔アロサーム（ａｌｌｏｔｈｅｒｍ　）法〕により形成する。アロサーム式 ガス化はオートサーム式ガス化に比べて、燃料をガス化室中で熱供給のために部 分的に燃焼させる必要がないという利点をもたらす。アロサーム式ガス化では熱 量を任意の外来供給源、例えば高温原子炉、また生じた発生ガスの一部を燃焼さ せる燃焼室から取り出すことができる。この利点は、高い変換率に到るまでの石 炭のガス化の際にかつまた例えばガス発生と組合せた銑鉄製造プロセス用の、ガ スと共に粉コークスを生成する部分ガス化の際にも有用である。

横型及び縦型構造のアロサーム式流動床ガス発生炉は、例えば西ドイツ国特許第 ２４２３９５１．８号明細書、西ドイツ国特許第２５４９７８４．１号明細書、 西ドイツ国特許第３１１２７０８．８号明細書及び西Ｐイツ国特許第３０４２１ ４２号明細書から公知である。

これらの発明では、ガス発生炉のすべての区域中に高い流入温度の熱媒を、例え ば石炭配量区域中にも平行して供給することから開始する。この区域では装入さ れる石炭の加熱が行なわれ、その際に初めに石炭中に含まれる揮発性成分が駆出 される。その際に、それぞれの石炭粒子はその構造及びその化学的組成において コークス粒子の状態に移行する。駆出された揮発性成分、特に形成されたタール は二次反応において更に反応するが、生成したコークスはガス化し始める。本来 のガス化プロセスの前に行なわれる揮発性成分の放出及びコークス形成の工程を 熱分解という。以下、主にこの熱分解が進行するガス発生炉の相応するゾーンを 熱分解ゾーンという。

本発明は、冒頭に記載した種類の方法を供給熱が最適に利用されるように開発し 、かつ該方法に好適なガス発生炉を開示するという課題に基いている。

この課題は、方法（請求の範囲第１項）に関しては、前型熱交換器を介してガス 発生炉中に流入する熱い熱媒を初めにガス化ゾーン中に導き、引続いて熱分解ゾ ーンに供給し、かつガス化すべき石炭は向流でガス発生炉中を案内して、石炭の 加熱及び熱分解には既に冷却された熱媒流を使用し、゛ガス化熱はなお熱い熱媒 流から採取することにより解決される。

熱媒から見てガス化ゾーン及び熱分解ゾーンを連転して接続することにより、動 力学、即ちガス化速度を非常に加速する高い温度で全エネルギーガス化ゾーンで 供給さｎる。引続いて熱媒全部は低い流入温度で熱分解ゾーン中に達つしかつこ のゾーンで加熱及び熱分解プロセス用の熱需要を満たすために利用される。熱媒 及びガス化剤の向流案内により明らかに良好な熱媒の熱利用が達成される。低下 した温度は動力学的に熱分解反応に不利な作用を及ぼさない。それというのもそ の際に高い温度が問題なのではなく、十分な熱量の調製が問題だからである。こ れは熱媒の高い物質流及び熱交換器の好適な寸法により保障する。

水蒸気はガス化剤及び流動化剤として以外に、石炭をがス化するための他の熱媒 供給体として４利用することができ請求の範囲第２項）、これによシガス化効率 を温度上昇を介して高める。

石炭の供給は、再循環される粗製ガス又は殊に約７００〜８００℃の過熱水蒸気 を用いて行ない（請求の範囲第６項）、それによって熱分解の際に生成するター ルをガス状炭化水素にタラツキングして、後続の装置中でタールが凝縮するのを 回避して行なうと有利である。

石炭粒子の流動化は、殊に７００〜８００℃でガス化ゾーンに導入される過熱水 蒸気で行なう（請求の範囲第４項）と望ましく、これによって熱媒からの熱量は 専らガス化に有用である。

灰分粒子の流動化及び冷却は、高い温度水準の灰分れ子の熱を利用するために、 圧力に左右される露点を殊に２０〜ｂ した冷却・ｔ−ン中で行なうことができる（請求の範囲第５項）。

灰分粒子の水蒸気による冷却は縦型の装置では、水蒸気の必要量を最小にするた めに殊に移動層で行なう（請求の範囲第６項）。

給炭は熱分解区域で行なうと有利であり、かつ石炭粒子の凝結を回避するために 噴射給炭ランス１個又は数個により行なう（請求の範囲第７項）。このような噴 射給炭ランスは、例えば西ドイツ国特許公開第３１５６６４５号ａＡａ書から公 知である。

冷却ゾーンから冷却した灰分を排出するには搬出ロックデートを介して行なうと 有利である（請求の範囲第８項）。このような熱い物質の搬出ロックデートは例 えば西ドイツ国特許第５５５９０６１号明細書から公知である。

熱媒ガスとして、その高い密度によシ大きな熱量を搬送しかつ後続のプロセスに おいてこのプロセスの生成物から形成され得る温度約９５０℃の煙道ガスを特徴 する請求の範囲第９項）のが望ましい。

熱媒ガスとして、高温度゛原子炉の約９００℃の二次循環系からか又は９５０℃ までの一次循環系から取り出すことができ（請求の範囲第１０項）かつ非常に良 好な熱伝達特性を利用することのできるヘリウムを使用することができる。

本方法を実施するには次の流動床ガス発生炉が好適である： この方法を実施するだめの第一の流動床ガス発生炉実施形は、横型配置のガス発 生炉である円筒型耐圧容器が加熱兼熱分解ゾーン、分離したガス化ゾーン並びに 分離した冷却ゾーンに分割されており、加熱兼熱分解ゾーンが粗Ｓがス再循環ガ ス供給部もしくは蒸気供給部を備えた、噴射供給部として構成した石炭装入口を 具備し、がス化ゾーンが段板と結合している蒸気供給部を有し、かつ冷却ゾーン に段板を有する蒸気供給部及び搬出ロックデートが配置されておシ、加熱兼分解 ゾーン中に熱媒供給部及び前型熱交換器並びに内側か又は外側に敷設した連結管 が設けられておりかつこの連結管がガス化ゾーン中の前型熱交換器及び熱媒ガス 放出部と連結しており、ガス化ゾーンと加熱兼分解ゾーンとの間にはガス及び固 体物質が通過しない仕切壁及びガス化ゾーンと冷却ゾーンとの間にはガス及び固 体物質が通過しない仕切壁が備えられており、かつこれらのゾーンの上部にはガ ス放出部を備えたガス捕集室が配置されていることを特徴とする請求の範囲第１ １項）。

この横型のガス発生炉実施形では、ガス化区域中に供給された水蒸気がこの区域 中での部分反応後に加熱兼熱分解ゾーンからの粗製ガスと一緒に案内されかつ一 部が復熱的熱交換後に熱分解ゾーン中に流動し、このようにしてこのガス発生炉 では熱分解・ｔ−ン中で付加的な水蒸気を供給する必要がないので著しい水蒸気 の節約が達成される。以下に記載の縦型ガス発生炉実施形でも同様にガス化ゾー ン中で水蒸気含量を非常に高く保持することができ、このことがまた動力学に有 利に作用する。未反応の水蒸気は、部分的な再循環後に湿った粗製ガスとして加 熱兼熱分解ゾーン中での二次熱分解反応のための需要量をカバーするのに完全に 十分である。

固体を通過させない仕切壁を有する横型配置のガス発生炉は次に記載の縦型実施 形に比べて付加的な利点をもたらす。それというのも２工程への分割ばかりでな く、ガス化ゾーンでの付加的なカスケード構成が可能になるからである。所請パ ックミキシングが更に強く抑制される。

横型配置のガス発生炉では、加熱兼分解ゾーン中に付加的な粗製ガス再循環ガス 供給部と段板金膜けかつ再循環系に熱交換器及びガスポンプを組み込むことは望 ましい（請求の範囲第１２項）。

本方法を実施するための流動床ガス発生炉の第２の実施形は、縦型配置のガス発 生炉である円筒型耐圧容器がその上部区域に設けた加熱兼分解ゾーン、その下に 設けた別のガス化ゾーン及び更にその下に設けた別の冷却ゾーンに区分されてお り、加熱兼熱分解ゾーンが粗製ガス再循環ガス供給部もしくは蒸気供給部を有す る、噴射供給部として構成されている石炭装入口を具備し、ガス化ゾーンが段板 と結合している蒸気供給部を有し、かつ冷却ゾーンに段板を有する蒸気供給部及 び搬出ロックデートが設けられており、加熱兼熱分解・ｔ−ン中に熱媒−ガス供 給部及び前型熱交換器及び連結管が設けらｎでおシかつこの連結管がガス化ゾー ン中の前型熱交換器及び熱媒放出部と結合しており、ガス化ゾーンと加熱兼熱分 解ゾーンとの間にはガス及び固体を通過させる仕切壁が設けられておりかつ加熱 兼熱分解ゾーンの上部にはガス放出部を備えたガス捕集室が設置されていること を特徴とする請求の範囲第１６項）。

縦型ガス発生炉の場合、ガス化ゾーン中に供給された水蒸気がこのゾーン中でそ の部分反応後に生成ガスと一緒に直接熱分解区域中に流入し、それ故実際にこの ゾーン中に付加的に水蒸気を供給する必要がないことは有利である。同時にこの 場合に、ガス化区域中で水蒸気含量を非常に高く保持することができるという他 の利点が明らかであり、これもまた動力学に有利である。ガス化区域中の未反応 水蒸気は、熱分解区域中のタール変換のための必要量をカバーするのに完全に十 分である。

縦型のガス発生炉実施形の他の利点は、熱分解区域とガス化区域とを上下に配置 することにより、ガス及び固体を通過させる仕切壁を介して両方のゾーンを分離 することができるということである。これによシ達成された２工程への区分（カ スケード構成）が新しく供給した燃料とガス化区域からの燃料との不所望な混合 （新組バックミキシング）を低下させ、それ故ガス化も高い変換率で可能である 。

別の方法に比べてその他の利点は、横型のガス発生炉実施形でも縦型のものでも 冷却ゾーン中の残留コークスの冷却により明らかである。

横型の実施形においても残留コークスはガス化ゾーンから冷却ゾーン中に移動し た後で低い温度の生成ガスは蒸気によシ冷却する。縦型の実施形ではこの冷却は 、冷却ゾーンの上部に位置するガス化・ｔ−ン中での生成ガスによる反応の妨害 を回避するために、露点の２０〜ｂ 利である。これによって一方では残留コークスが方法技術的により簡単な搬出が 可能である温度まで冷却される。他方では、特に部分ガスイピの場合には生成粉 コークスのかなりの熱量の効果的な利用が可能になるという更に大きな利点が生 じる。

次に、本発明を図面につき詳説する。第１図は、縦型配置のガス発生炉につき本 発明の原理を図示し、かつ第２図は横型配置のガス発生炉につき本発明の原理を 図示したものである。

第１図は、縦型構造のガス発生炉１９で上下に連成して設けた４つのゾーンに区 分されている耐圧容器１を示す。最上部ゾーンはガス捕集室１５であり、この室 からガスは接続管片２１を介して放出可能である。

次のゾーンの加熱兼熱分解ゾーン２中に軟化点より低い温度を有するガス化物質 としての微粉炭及び温度約７００〜８００℃のガス化剤としての蒸気が噴射供給 部５により空気式で配量される。この供給装置の詳細は西ドイツ国特許公開第３ １３６６４５号明細書に記載されている。ゾーン２の円筒状部分には熱媒がスを 放出するだめの接続管片９が設けられており、これは熱媒管１０と結合している 。熱分解ゾーン２の直径は、このゾーンの下部に設けたガス化ゾーンのガス流出 量及び噴射供給ガス量によシ決定されるガス速度に適合させる。熱媒はガス化用 燃料に対して向流でガス化ゾーン３から低い温度水準で熱分解シー７２中に導く 。

ガス化ゾーン３は耐圧容器の中央部分に設けられている。このゾーン３は下部に 過熱水蒸気を供給するだめの接続管片Ｔ及び上部に熱い熱媒を供給するための接 続管片１３を備えている。この熱媒は高い温度（約９００〜９５０℃）で前型熱 交換器１２に達し、かつその大きな熱量がガス化用燃料に伝達されて燃料をガス に変換する。管１１を介、して、冷却された熱媒ガスは加熱兼熱分解ゾーン２中 の管型熱交換器１０中に流人しかつ約７５０〜８００℃で再び耐圧容器１から搬 出される。約７００〜８００℃の過熱水蒸気は流動床のゾーン３に段板８を介し て供給される。ここには図示されていない構造上の態形により、熱媒がスの流出 口もしくは流入口の接続管片９及び１３を全流出接続管片の区域で並列に配置す ることもできる。

ガス化ゾーン及び熱分解ゾーン３もしくは２は、ガス化剤の滞留時間の改良（バ ックミキシングの低下）のためにガス及び固体を通過させる仕切壁１４にょシ相 互に区分されている。仕切壁１４は、その外側の壁近くの区域で優先的に炭塵が 熱分解シー７２からガス化ゾーン３中に流動するように構成されており、これは 流動床中で生じる固体の動きに対向するものである。

ガス化ゾーン３の下部には、耐圧容器１のなお円筒状の部分に燃料残渣の冷却デ ー７４が接縁している。

冷却シー７４に接続管片１６及び段板１７を介して露点より２０〜ｂ る。冷却ゾーン４は移動層として作動させると優れているが、残渣は蒸気量を高 めることによっても流動化させることができる。段板１７の下方で耐圧容器は冷 却された残渣の搬出用の接続管片１８まで円錐形に先細に延びており、その残渣 の搬出は西ドイツ国特許第３３３９０６１号明細書により、図示していないロン クデートを介して行なうことができる。

第２図には横型配置のガス発生炉２０が図示さｎている。耐圧容器は同様に４つ のゾーンに区分されており、ここではそのうちの６つのゾーンが並置されている 。先頭のゾーンの加熱兼熱分解ゾーン２に、接続管片６を介して微細な炭塵が噴 射供給部５によシ空気圧で配合させる。更に、接続管片６を通して、換熱により 又は図示していない燃焼室中で高い温度水準にもたらされる再循環の湿った粗製 ガス又は過熱蒸気が供給される。このガスは一次形成した石炭の熱分解生成物の 流動化及び反応に使われる。耐圧容器１の上部には、管型熱交換器１０と結合し ている、熱媒を放出するための接続管片９が設けらｎている。

耐圧容器１の中央部にはガス化シー７３が設けられている。この区域は下部に過 熱水蒸気を導入するだめの接続管片７を備えている。過熱水蒸気はガス化シー７ ３の流動床に段板８を介して供給される。この例ではガス化ゾーン中の管型熱交 換器１２は、この区域全体に高温の熱媒が存在するように、熱媒から見て平行に 設置されている。

高温の熱媒は接続管片１３を介してガス化ゾーン３中に達し、そこで管型熱交換 器１２中を流動し、その後接続管片２Ｔと、本例では耐圧容器１の外側に設けら れている連結管１１とを介してガス化ゾーン３から低い温度水準の接続管片２８ を介して熱分解シー７２中に導かれる。

ガス化・戸−ン及び熱分解シー７３もしくは２は、滞留時間の改良のためにこの 場合にはゾーン２及び３の区域中でガス及び固体を通過させない仕切壁１４ａに より分離する。

ガス化シー７３はそれに接続している冷却ゾーン４から、同様にガス及び固体を 通過させない仕切壁１４ｂにより分離されている。冷却シー７４には残留コーク スの冷却及び場合によっては流動化のために飽和蒸気温度に近い蒸気又は殊に乾 燥した生成ガスが接続管片１６及び段板１７を介して供給される。冷却ゾーン４ の上部にはガス流出用の接続管片２１が設けられている。この管片は、並置され ているゾーン２，３．４の上部で縦方向に延びているガス捕集室１５と連結して いる。

接続管片２２から湿った粗製ガスを段板２３を介して加熱兼熱分解シー７２甲に 導入することができる。

本例ではこの再循環ガスは熱交換器２４，２５ｔ−介して予熱されかつ送風機２ ６を介して接続管片２２に搬送される。

冷却ゾーン４からの残渣の排出は接続管片１８を介して殊に西ドイツ国特許第３ ３３９０６１号明細書により、図示されていないロックデートを介して行なう。

比較例 次に、この新規なアロサーム式石炭ガス化法の基本的データを従来公知の水蒸気 石炭ガス化法（例えば西ドイツ国特許第２４２５９５１．８号明細書、西ドイツ 国特許第２５４９７８４．１号明細書、西ドイツ国特許第３１１２７０８．８号 明細書参照）と比較する。より良く比較し得るように、３４０ＭＷの熱源の熱的 出力をベースとする。完全ガス化（表１）に関しては、技術水準による横型構造 のガス発生炉を用いる方法と、本発明による横型もしくは縦型のガス発生炉を用 いる方法とを比較する。特に縦型ガス発生炉が好適である部分ガス化（表２）で は、技術水準による方法と本発明による縦型ガス発生炉を用いる新規の方法だけ を比較する。

表１から、本発明方法では供給された同じ熱的出力３４０ＭＷ及び同じ石炭変換 率９５％で縦型発生炉の場合、若干高い石炭処理量で、今日の技術水準に相応す る方法よりも明らかに少ない水蒸気装入が必要であることが明らかである。これ は基本的には本発明の特徴と圧力の低下とにより生じる。横型ガス発生炉の場合 、水蒸気装入量についての同じ利点と共に約２倍の石炭処理量という利点も得ら れかつ明らかに良好な高温原子炉熱の利用が達成される。

同様の利点は、同時に粉コークスを製造するために部分ガス化を実施する場合に も明らかである（表２）。

変換率９５％のガス化に比べて、変換率５０チの縦型ガス発生炉で、今日の技術 水準に相応する方法と比較する場合に石炭処理が明らかに高いという利点が生じ る。

ガス 残渣 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内部に熱媒用の管翻熱交換器を備えているガス発生炉中で水蒸気により加圧 下に行なうアロサーム式石炭ガス化の方法において、管型熱交換器を介してガス 発生炉中に流入する熱い 熱媒を初めにガス化ゾーン中に導き、引続いて熱分解ゾーンに供給し、かつガス 化すべき石炭は向流でガス発生炉中を案内して、石炭の加熱兼熱分解には既に冷 却された熱媒流を使用し、ガス化熱はなお熱い熱媒流から採取することを特徴と するアロサーム式石炭ガス化法。 ２．水蒸気をガス化剤及び液化剤として以外に、石炭をガス化するための他の熱 媒供給体として利用することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。 ３．石炭の供給は、粗製ガス再循環ガス又は殊に約７００〜８００℃の過熱水蒸 気を用いて行なうことを特徴とする請求の範囲第２項記載の方法。 ４．石炭粒子の流動化は、殊に７００〜８００℃でガス化ゾーンに導入される過 熱水蒸気で行なうことを特徴とする請求の範囲第２項記載の方法。 ５．灰分粒子の流動化及び冷却は、圧力に左右される露点を殊に２０〜１００℃ 上廻る温度の水蒸気を用いて分離した冷却ヅーン中で行なうことを特徴とする請 求の範囲第２項記載の方法。 ６．灰分粒子の水蒸気による冷却は縦型の装置では殊に移動層で行なうことを特 徴とする請求の範囲第２項記載り方法。 ７．給炭は熱分解区域中でかつ噴射供給ランス１個又は数個により行なうことを 特徴とする請求の範囲第３項記載の方法。 ８．冷却ゾーンから冷却した灰分を排出するには搬出ロックゲートを介して行な うことを特徴とする請求の範囲第５項又は第６項記載の方法。 ９．熱媒ガスとして、殊に約９５０℃を有する煙道ガスを使用することを特徴と する請求の範囲第１項記載の方法。 １０．熱媒ガスとして、高温原子炉の約９００℃の二次循環系からのヘリウム又 は９５０℃までの一次循環系からのヘリウムを使用することを特徴とする請求の 範囲第１項記載の方法。 １１．横型配置のガス発生炉（２０）である円筒型耐圧容器（１）が加熱兼熱分 解ゾーン（２）、分離したガス化ゾーン（３）並びに分離した冷却ゾーン（４） に分割されており、加熱兼熱分解ゾーン（２）が粗製ガス再循環ガス供給部もし くは蒸気供給部（６）を備えた、噴射供給部（５）として構成された石炭袋入口 を具備し、ガス化ゾーン（３）が段板（８）と結合している蒸気供給部（７）を 有し、かつ冷却ゾーン（４）に段板（１７）を有する蒸気供給部（１６）及び搬 出ロツクゲート（１８）が配置されており、加熱兼熱分解ゾーン（２）中に熱媒 供給部（１３）及び管型熱交換器（１２）並びに内側か又は外側に敷設した連結 管（１１）が設けられておりかつこの連結管がガス化ゾーン（３）中の管型熱交 換器（１０）及び熱媒ガス放出部（９）と連結しており、ガス化ゾーン（３）と 加熱兼熱分解ゾーン（２）との間にはガス及び固体物質を通過させない仕切壁（ １４ａ）及びガス化ゾーン（３）と冷却ゾーン（４）との間にはガス及び固体物 質が通過しない仕切壁（１４ｂ）が備えられており、かつこれらのゾーン（２， ３，４）の上部にはガス放出部（２１）を備えたガス捕集室（１５）が配置され ていることを特徴とする請求の範囲第１項及びそれ以下の請求の範囲のいずれか １項又は数項記載の方法を実施するための流動床ガス発生炉。 １２．加熱兼熱分解ヅーン（２）中に付加的な粗製ガス再循環ガス供給部（２２ ）と段板（２３）が設けられておりかつガス再循環系（２２）に熱交換器（２４ ，２５）及びガスポンプ（２６）が組み込まれていることを特徴とする請求の範 囲第１１項記載の流動床ガス発生炉。 １５．縦型配置のガス発生炉（１９）である円筒型耐圧容器（１）がその上部区 域に設けた加熱兼熱分解ゾーン（２）、その下に設けた別のガス化ゾーン（３） 及び更にその下に設けた別の冷却ゾーン（４）に区分されており、加熱兼熱分解 ゾーン（２）が粗製ガス再循環ガス供給部もしくは蒸気供給部（６）を有する、 噴射供給部（５）として構成されている石炭装入口を具備し、ガス化ゾーン（３ ）が段板（８）と結合している蒸気供給部（７）を有し、かつ冷却ヅーン（４） に段板（１７）を有する蒸気供給部（１６）及び搬出ロックゲート（１８）が設 けられており、加熱兼熱分解ヅーン（２）中に熱媒ガス供給部（９）及び管型熱 交換器（１０）及び連結管（１１）が設けられておりかつこの連結管がガス化ゾ ーン（３）中の管型熱交換器（１２）及び熱媒放出部（１３）と結合しており、 ガス化ゾーン（３）と加熱兼熱分解ゾーン（２）との間にはガス及び固体を通過 させる仕切壁（１４）が設けられておりかつ加熱兼熱分解ゾーン（２）の上部に はガス放出部（２１）を備えたガス捕集室（１５）が設置されていることを特徴 とする請求の範囲第１項及びそれ以下の請求の範囲のいずれか１項又は数項記載 の方法を実施するための流動床ガス発生炉。