JPS5851987B2 - ほとんど粒子を含まない合成ガスの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体炭素質燃料を酸素含有ガスにより部分酸化
して一酸化炭素と水素即ち合成ガスの製造とその除虫ず
る灰分を除去する方法に係り、更に技術的見地から連れ
は、固体燃料を水でスラリー状の液相として、９８２〜
１７６０’Ｃ（１８００〜３２００’Ｆ）の範囲内の成
る自生湿度に保たれた反応帯に注入し、酸素と反応せし
める自由連通非接触反応器内で超大気圧下で固体炭素質
燃料をガス化する方法に関している。

固体炭素質燃料を空気或は酸素富化空気若しくは比較的
純粋な酸素と非接触反応により一酸化炭素と水素、若し
くは合成ガスを発生せしめる技術はダブリュー・ジー・
シュリンガ−（Ｗ−Ｇ・Ｓｃｈ Ｉ ｉｎｇｅｒ）らに
よりアメリカ特許第３５４４２９１号に公表されている
ので鼓に引用する。

石炭或は石油コークスの様な固体燃料の部分酸化による
合成ガスの大量生産は、非常に経済的な方法である。

固体燃料を流通型（ｆｌｏｗ ｔｙｐｅ ）ガス化装置
或は部分酸化反応器内で酸素を含むガスと密閉されたコ
ンパクトな反応帯で９８２〜１７６０°Ｃ（１８００〜
３２０００Ｆ）好ましくは１０９３〜１５３８°Ｃ（２
０００〜２８００’Ｆ）の範囲内の成る自生温度に於て
充填物の無い状態で反応させる。

通常、石炭或はコークスの如き燃料をガス化する場合は
、それらの燃料は微粉状で、部分酸化を受は一酸化炭素
と水素と少量の二酸化炭素並びにメタンを含む生成ガス
を生成し、なお、燃料に硫黄が含まれていると、硫化水
素と硫化カーボニルを含む生成ガスが生成する。

しかし、ガス化装置に導入される酸素には燃料中の炭素
を完全燃焼させる、即ち、燃料中の全炭素を二酸化炭素
に転化させるに不充分であるため、若干の固体燃料は炭
素酸化物に転化されずにガス化帯を素通ずるものであり
、又、燃料が灰分を含む時は、灰分粒子が生成ガス中に
含まれるものである。

通例、生成ガスから、これらの固体粒子を除去するのが
好ましい。

例えば、もし生成ガスの顕熱を間接熱交換器により回収
しなければならない場合、熱交換器に入る前に固体粒子
を除去するのが得策である。

それは熱交換器の壁或は伝熱表面上に集まり、流体の流
れを妨げ、その結果、伝熱を不良にするからである。

一つの除去方法は、熱粒子を急冷帯で水の表面に衝突さ
せ粒子を急冷し湿潤させ、ガス流を除いて粒子を水に移
動するので戸 ある。

他の方法は、生成ガスを水素製造に用いる場合、普通、
そのガスを急冷帯の水面上に導きその水中（こ保有され
る固体粒子と共に急冷する。

そして、水で飽和された殆んど粒子を含まないガスを、
次に、シフト触媒による転化にかけるのである。

この様な技術の組合せはダブリュー・ビー・クルーチ（
Ｗ−Ｂ−Ｃｒｏｕｃｈ）らのアメリガ特許第３９９８６
０９号に公表されているので鼓に９用する。

急冷水中の固体並びに／若しくは不純物の蓄積を阻止す
るには、周期的に或は連続して急冷水の一部を除去する
ことと、水を補充して急冷帯の液体の水準を一定に保つ
こととである。

それには除かれた（一部の）水を沈降帯に送り、それか
らの沈降ずみの水を循環するのが好ましい。

ガス化装置が高圧で操作されている時は、固体粒子をそ
の圧力を破らずに系から除去しなければならぬ。

それには、粒子をロック・ホッパー（１ｏｃｋ ｈｏｐ
ｐｅｒ ）に導き入れ、次に、その系から放出する。

ロック・ホッパーの操作はバルブにより制御されている
から、ロック・ホッパーの入口はガス化装置に比し比較
的小さくなっている。

これはロック、ホッパーの真上に、下向に次第に減少し
ている断面積の部分があることを示している。

不幸にして、物質収支が、ガス化装置への供給量とガス
発生量とに対して、ロック・ホッパーを通って除かれる
固体粒子の量が不足することを示した場合、しかもこの
状態が長時間にわたり持続した時は、操作を閉鎖して、
上位ロック・ホッパ・バルブ上で装置の構成部分に常に
生ずる閉塞物の生長現象（Ｂ ｌｏｃｋａｇｅ ）を取
除く必要が生ずる。

それ故に、本発明の目的の１つは、一酸化炭素と水素と
より成る殆んど粒子を含まないガスを製造することであ
り、他に超大気圧下での合成ガスの製造である。

更に今１つは、灰分を含む燃料のガス化のために、製造
系から、灰分と未転化の固体燃料粒子との除去を増進す
ることである。

本発明は、（１）灰分を含む燃料を超大気圧下で部分酸
化し、一酸化炭素と水素並びに灰分と未転化燃料との熱
粒子を含む合成ガス流を生成させ、熱粒子を急冷帯中で
水と接触させて急冷し、急冷した粒子を前記急冷帯を通
して水を満たした収集帯で沈降させ、前記急冷帯から前
記収集帯へ急冷粒子を含む水の流れを継続せしめること
を特徴とする、殆んど粒子を含まない合成ガスの製造方
法である。

本発明の方法の供給原料は、若干の灰分を含む炭素質燃
料であり、例えば石炭、亜歴青炭、褐炭、コークス類、
バイオマス（Ｂｉｏｍａｓｓ ）の類である。

通常、これらの燃料は固体であるが、石炭液化残渣の様
に、高温度で液体となる燃料も亦使用できる。

灰分を含む燃料とは、少くとも１ｗｔ％の灰分を含有す
ると考えられる。

高温度で融解する燃料の場合は、予熱してガス化帯に液
体として導入する。

しかし、高湿度でも固体である燃料の場合は、６．４ｍ
ｍ（１７４インチ）以下の粒径に粉砕しなければならな
い。

好ましくは、アメリカ標準篩１４メツシユ（開口］、、
４１ｍｍ）を少くとも９５饅通過するまで粉砕する。

次に燃料をガス発生帯に注入し、空気、酸素富化空気或
は実質上の純粋な酸素即ち、少くとも９５係純度の酸素
の如きガスにより部分酸化する。

なお、固体燃料を水或は油の様な液体にスラリーとして
、又は、ガス中に若しくは水蒸気、二酸化炭素、或はこ
れらの混合蒸気媒体中に浮遊物として部分酸化帯に導入
できる。

供給燃料が液体、若しくは油或は他の可燃液体中の固体
スラリーの場合には、水或は水蒸気を温度緩和剤として
ガス化帯或は部分酸化帯に導入出来る。

ガス発生帯では、燃料を９８２〜１７６００Ｃ（１８０
０〜３２０００Ｆ）好ましくは、１０９３〜１５３８８
Ｃ（２０００〜２８００’Ｆ）の自生湯度に於て部分酸
化する。

又ガス発生帯の圧力は２．８〜２１１ｋｇ／ｉ（４０〜
３０００ ｐｓｉｇ ）、好ましくは、４．２〜１７６
ｋｇ／ｄ（６０〜２５００ｐｓｉｇ）の範囲がよい。

ガス化帯へ導入する酸素は酸素：炭素原子比で０．７〜
１，６好ましくは０．８〜１．２がよい。

燃料が固体であり、水でスラリーとしてガス化帯に導入
する際は、そのスラリーは水含有量５ｏｗｔ％以下でな
ければならぬ。

これ以上の水量は、反応の熱効率に影響するからである
。

灰分を含む燃料の部分酸化によって生産された、合成ガ
スから熱を回収する１方法では、その合成ガスをガス発
生器から下向きに、灰分粒子と未転化燃料粒子と共に、
ラジエション冷却帯を通過させる。

次に、ガスをラジエション冷却帯を通過した最初の通路
から方向を変える。

好ましい実施態様では、対流冷却帯に対し幾分上向きの
方向に変える。

ラジエーション冷却帯では、ガスは水のような冷却媒体
と間接的に熱交換して上向きに通過する。

固体粒子は、ラジエション冷却帯の底部で急冷帯に入り
水と接触する。

粒子はここで湿潤して水中での沈降が増進する。

次に、固体粒子は収集帯或はロック・ホッパーの上部バ
ルブを下向きに通過する。

このロック・ホッパーは、粒子を収集する沈降帯とも考
えられる。

ロック・ホッパーの上部バルブは、普通、開放位置に保
たれているため、ロック・ホッパーは水で満たされてい
る。

そこで、周期的に固体粒子を排出するため、ロック・ホ
ッパーの上部バルブが閉鎖され、ロック・ホッパーの底
部にあるバルブが開放され、水と固体粒子が装置系から
流出する。

この排出が完結した時、ロック・ホッパーの下部バルブ
を閉鎖し、ロック・ホッパーを水で満たし加圧する。

そして、次の灰若しくはスラッグがロック・ホッパー内
で沈降と収集を可能にする機上部バルブを開放する。

別方法として、むしろ腐蝕防止法として好ましい方法で
あるが、この収集された固体を排出する間は、ロック・
ホッパーを満水するのが好ましい。

これには、ロック・ホッパーのなるべく頂部に、独立の
入口から、水を、ロック・ホッパーの内容物が開放され
た下部バルブを通って排出されると同一速度で導入する
ことにより達成される。

この様にすれば、ロック・ホッパーは、常に、水で満さ
れ空気は同ホッパーに入ることはない。

ロック・ホッパーの上部バルブの上にブロックエイジ（
Ｂｌｏｃｋ−ａｇｅ ）の形成を防止するためには、本
発明の実施態様の１つとして、水をロック・ホッパーか
ら急冷帯に外部から循環させ、上部ロック・ホッパー・
バルブを通って来る粒子を含有する水の流れを、下向き
にさせることである。

これは、ロック・ホッパーの頂部若しくは頂部の近くか
ら水を回収し、それを直接或は間接に急冷帯に戻して達
成する。

バルブ系と配管を改良することにより、急冷帯へ戻す水
を回収するためのバルブの開きと、ロック・ホッパーの
排出期間の間に水の導入のために用いるバルブの開きと
は、同一の開きにしてよい。

回収水の出口は障壁により、急冷粒子を含む水の下向流
から引離されているので、粒子の最少量が急冷帯に戻る
ことになり好都合である。

この様なバルブ開放によって、急冷帯から収集帯に下向
きに連続して水を流すことによって、急冷帯から収集帯
或はロック・ホッパーへの固体物質移転を助成して、ブ
ロック・エイジの形成を防止する。

しかし、この流れを収集固体粒子を除去するためのロッ
ク・ホッパー周期が始まる時に停止する。

急冷帯から収集帯或はロック・ホッパーまでの水の流速
は決定的ではないが、循環水のない場合、降下する灰分
粒子により置換される水の上向流速を越えるべきである
。

実際上、この下向流速は少くとも９ｃＩｆＬ／秒（０，
０３フイ一ト／秒）、好ましくは、少くとも１５ｃｍ／
秒（０，５フイ一ト／秒）が好ましい。

ロック・ホッパーの入口と出口はバルブによって抑御さ
れるので、急冷帯の出口とロック・ホッパーの入口との
接続部分は徐々に縮少する断面積区画を持っている。

この区画若しくはバルブを塞ぐ大型灰分またはスラッグ
粒子を防止するため、この収縮部分の上に摩砕機を持つ
ことが得策である。

この対流部位を出た後、合成ガスは、有機化合物の合成
、水素製造成は燃料などの使用に向けられる。

ここでは、ラジエション冷却器は下向流、収集冷却器は
上向流として記述したが、ガス流は設備の各々部品を通
ってどちらの方向をも取り得るので、装置の修正は可能
である。

熱回収の他の方法は、ガスを含む酸素と燃料を発生器又
は部分酸化帯の中にその頂部から導入し、そして、発生
器を下向きに通過させる。

水の入った急冷帯をこの発生器の底部に設けるが、熱発
生ガスをこの急冷帯に達する前に、多少上向に方向を変
えてラジエション冷却帯に入れる。

一方、固体粒子をそのま＼急冷帯に入れ、そこで湿潤さ
せ、急冷帯の水を通ってロック・ホッパー若しくは収集
帯に入れる。

又、方向を変えたガスを、成る場合は、上向きにラジエ
ション冷却帯を通し、次に、対流帯を下向きに通過させ
、他の場合は、下向きにラジエション冷却帯を通し、次
に上向きに対流帯を通過させ、若しくは、これに代わっ
て両冷却帯を上向或は下向に通過させてもよい。

また一方、急冷帯から収集帯への固体粒子の移動を助成
するために、水を収集帯から急冷帯に循環させる。

それは上部ロック・ホッパー・バルブを通って、急冷帯
から収集帯へ一定の下向きに流れる流れを与える。

収集帯から外部循環する水を、急冷帯内にその表面水の
上から導入させ、しかも、その表面を噴霧することも可
能である。

これは、浮遊する粒子を湿潤させ、沈降させるのに役立
つ。

或は一方、循環水を急冷水面下に導き、表面に対して上
向きに注ぎ急冷帯に乱流を増大させるか、又は、下向き
に注ぎロック・ホッパーへの水の力を増加させ、スラッ
グ又は灰分粒子がロック・ホッパー人口の狭い部分を横
切って橋をかけその結果同ホッパー中に固体流のブロッ
ク・エイジを生じさせるような傾向を減少させるか又は
三者を組み合わせて故障の生ずる傾向を減少させるよう
に注いでよい。

循環水を急冷水の表面下で上向きに導く時は、灰分に富
んだ稠密な粒子から炭素に富んだ粒子を分離するのに役
立つ浮選効果が生ずる。

そして、好都合にも急冷ブローダウンは急冷水の表面近
くで行われ、炭素に富んだ粒子を高い比率に含んだ水が
除かれる。

本発明の他の実施態様では、ロック・ホッパーからの水
を急冷室へ循環させるより、むしろ、水をロック・ホッ
パーから回収して、急冷ブローダウン流と合併して沈降
槽に移し、そこで水から固体粒子を沈澱させ、その水を
調整水として急冷帯へ戻すか或は追加スラリー調製用に
供するのがよい。

沈澱槽への水流を増やして補うには急冷帯への調整急冷
水流をロック・ホッパーから引抜く水量と同量に増加す
る。

この方法により急冷室から上部ロック・ホッパーバルブ
を通って、ロック・ホッパーに入る水流が保持される。

以下図面を用いて更に説明を加える。

図は、本発明の実施態様の一例を模式的に示したもので
、ライン１から高純度酸素、ライン２から微細石炭の水
スラリーが反応器５のガス化ゾーン４中にバーナー３を
通して供給されるようになっている。

ガス化ゾーン４は、耐火物のライニング６がなされてい
る。

典型的な例として１２６９ポンド／時間の流量の９９．
９％純度の酸素が６５．３重量多のケンタラキー／１６
９石炭の水スラリーの形で２２７９ルト／時間と反応す
る。

この場合、ガス化反応は、１２００ｐｓ ｉｇで起り、
反応生成物であるガス成分としては、容量比でＣＯ３６
，６６優、Ｈ２２８，８０優、ＣＯ２１２．８２係、Ｈ
２Ｏ２０，０１饅、Ｈ２Ｓ １．１２％、Ｃ０８０，０
７覧ＣＨ４０，１１覧およびＮ２＋Ａ２０．４１％であ
り、そのほかに灰分と約１３００°Ｃ（２３８００Ｆ）
の未反応粉炭の３１８．９ポンド／時間がガス化ゾーン
４からスロート７を経て排出される。

高温の生成物は、管８を通り反応器５の冷却ゾーンにお
いて水相と直接接触し約２３０℃（４４５″Ｆ）に冷却
される。

この時の冷却用水は、ライン１０を経て約８３．４℃（
１８３’Ｆ）の湿度で管８の頂部の分散リングから供給
されている。

約２２８℃に加熱された約２６ガロン／分の冷却用廃水
は、ライン１１から引き抜かれる。

この冷却用廃水の水量は、反応器５の冷却ゾーンの水位
レベルを維持するためバルブ１２で調節するようになっ
ている。

廃水流は、８０ポンド／時間の固形物を沈降室に運び、
ここでガス化システムから固形物が分離される。

排出された固形物中には、３０．４重量φのカーボンが
存在し、従ってこれは石炭−水スラ ：リーと混合して
ガス化炉に還流され得る。

また一方の清浄化された水は、冷却操作に再利用するこ
とができる。

実質的に総ての灰分と冷却水を通り抜けて回収された未
反応石炭を含む冷却ガスは、約２３０℃（４４５°Ｐ）
で冷却ゾーンから回収され、水洗を経て残留固体は更に
下流装置で処理される。

冷却ゾーンは、ガス化炉とはゾ同じ圧力で操作されてい
る。

灰とガス化ゾーンでの未転換石炭の混合物は、冷却水に
より冷却さむ水張り部分９の底部に沈降させ次いでロッ
クホッパを経て回収される。

このロックホッパシステムは、上部バルブ、圧力容器１
５および下部バルブ１６から構成されておおり、ロック
ホッパシステムの操作中容器１５は水で満され上部バル
ブ１４は開いている。

そのため冷却された固体は、冷却ゾーン９の底部に集め
られたのち容器１５中に落下する。

この実施態様の場合、６０分毎に上部バルブ１４が閉じ
られ容器１５中の圧力を容器頂部のバルブ（図示してな
い）によって雰囲気圧とし灰と未転換石炭粉末の固形物
を系から排出するために底部バルブ１６を開放する。

ロックホッパ１５からの回収固形分量を増大するためな
いしは腐蝕を防止するためライン１７からロックホッパ
容器１５内に水をフラッシュさせる。

このフラッシュ水流は、例えば２５０ガロン／分のよう
に充分に多量とし、固形物がバルブ１６およびライン１
８を通ってシステムから排出され得るよう容器１５を水
で充満させる。

固形物が容器１５の底部から排出されたのちは、ロック
ホッパの下部バルブ１６が閉じられ容器１５は加圧され
上部バルブ１４が開けられて以前と同様なサイクルが繰
返される。

この方法によって、５．４重量φの炭素を含む２３８ポ
ンド／時間の固形物がガス化システムから回収される。

冷却用水張り部分９からロックホッパへの固形物の送量
を増やすためおよびロックホッパ作動中水張り部分９と
ロックホッパ容器をつなぐ６インチ径の連結用ライン１
９の閉塞を防止するため上部ロックホッパバルブ１４が
開いているときロックホッパ容器１５の頂部でライン２
０より水を取り出す。

この水流は、バッフル２１の後方からとり固形物の同伴
をできるだけ少なくする。

水流は、バルブ２２によって調節され冷却廃水とライン
２３で混合され沈降槽に導ひかれる。

この実施態様では、１０ガロン／分の水流がライン２０
から出されたとき、ライン１９とロックホッパ上部バル
ブ１４を通る下向き水流は０．０７フイ一ト／秒となっ
た。

既に述べた通り、この方法を実施すると冷却ゾーン９か
らロックホッパ容器１５に入る水流は初期の操作時に干
渉を起しライン１９におけるブリッジングをなくす効果
を奏する。

以下更に実施例によって本発明を説明する。

実施例 本発明の代表的な有効性は、ケンタラキイ（Ｋｅ−ｎｔ
ｕｃｋｅｙ ） Ａ９石炭をガス化器に供給して行った
一連の高圧石炭ガス化運転中に見られる。

凡ての運転は実質上同一操作条件下で行った。

最初の運転は、上部ロック・ホッパー・バルブの上にス
ラグが橋をかけたため操作を停止するまで２６．６時間
持続した。

この橋を取除いた後、ガス化を再開したがスラッグによ
る橋のため、第２回の運転は１８時間後に停止する結果
となった。

第３回は２０．５時間、第４回は約２０時間継続したが
それぞれ同一原因で停止しなければならなかった。

第５回目の運転前にプロダウン系をロック・ホッパーの
頂部から水を取除いて急冷ブローダウンに一定速度で入
る様に設備した。

急冷室から上部ロック・ホッパー・バルブを通過してロ
ック・ホッパーへの下向水流を２．１ｃｒｒＬ／秒（０
，０７フイ一ト／秒）速度にして第５回の運転を４２．
５時間継続させることに成功した。

これはスラッグによる閉塞ではなく機械的理由により停
止したのであった。

この状態を修正した時、装置を再開し、任意に止めるま
で６６．８時間の連続運転に成功した。

この装置は実質上１１２時間継続運転した。

前述の運転から次設の事実は明白である。

本発明の装置に至る前までは閉塞のため止むなく操業を
２０〜２５時間で停止させた。

しかし、水を急冷室から上部ロック・ホッパー・バルブ
を通じてロック、ホッパー内に流入できる系の装置を設
置した後は、同装置内でスラッグによる閉塞或は橋はな
くなり、２００時間以上の操業をこの種の問題を起こす
こそ無く遂行できた。

以上は合成ガスを急冷水の表面下に導入して、灰分固体
粒子と未転化燃料のみならず合成ガス自身をも急冷する
ガス化系統について述べたが、ガス化操作は急冷帯の水
が多少静止状態にある場合に均等に都合よく行われる。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明に基づく合成ガス製造装置を示した概念図
である。 １・・・・・・酸素導入管、２・・・・・・粉炭導入管
、３・・・・・・バーナ、４・・・・・・ガス化ゾーン
、５・・・・・・反応器、７・・・・・・スロート、８
・・・・・・チューブ、９・・・・・・水張り部分、１
０・・・・・・水冷源ライン、１５・・・・・・圧力容
器、２１・・・・・・バッフル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 灰分を含む燃料を超大気圧下で部分酸化し、一酸化
   炭素と水素並びに灰分と未転化燃料との熱粒子を含む合
   成ガス流を生成させ、熱粒子を急冷帯中で水と接触させ
   て急冷し、急冷した粒子を前記急冷帯を通して水を満た
   した収集帯で沈降させ、前記急冷帯から前記収集帯へ急
   冷粒子を含む水の流れを継続せしめることを特徴とする
   、殆んど粒子を含まない合成ガスの製造方法。 ２ 前記収集帯から前記急冷帯へ水を循環させることに
   より前記水の流れを継続させる特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ３ 循環水を急冷帯の水面の上から急冷帯に導入する、
   特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４ 循環水を急冷帯の水面の下から急冷帯に導入する、
   特許請求の範囲第２項記載の方法。 ５ 部分酸化帯を出るガスと随半粒子とを、その粒子が
   急冷帯に達する前に、ラジエション冷却帯を通過させる
   、特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６ 粒子が急冷帯内の水中で粒子の通路を変更せずに進
   み、゛一方、ガスがラジエーション冷却帯で方向を変え
   る、特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７ 前記ラジエション冷却帯を通るガス通路が、下向で
   ある、特許請求範囲第４項記載の方法。 ８ 前記ラジエション冷却帯を通るガス通路が上向であ
   る、特許請求の範囲第５項記載の方法。 ９ 収集帯は、そこから粒子が除去されている間は満水
   されている、特許請求の範囲第１項記載の方法。 １０収集帯から退出した水を急冷帯のブローダウンと合
   併して、混合物を沈降させ、沈降帯からの回収水を系に
   戻す、特許請求の範囲第１項記載の方法。 １１ 沈降ずみの水を急冷帯に戻す、特許請求の範囲
   第１０項記載の方法。 １２沈降ずみの水を灰分含有燃料と共に、部分酸化帯に
   導入する、特許請求の範囲第１０項記載の方法。