可燃性固形物及び水を含む混合物の供給方法
本発明は、可燃性固形物及び水を含む混合物を加熱器により加熱して、該混合物中の少なくとも一部の水を水蒸気の形態にし、次いで、該混合物全体を燃焼炉又はガス化炉に供給し、ここで、該混合物は少なくとも加熱器ないし燃焼炉又はガス化炉の間でポンプにより搬送される方法において、ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１．５ＭＰａ高い圧力ないし２２．１２ＭＰａの間であり、かつ少なくとも一部の水が水蒸気の形態にされた混合物の流速が、加熱器内配管、及び加熱器出口から燃焼炉又はガス化炉入口までの配管内で６〜５０ｍ／秒であることを特徴とする方法である。本発明は、可燃性固形物及び水を含む混合物中の少なくとも一部の水を水蒸気の形態にして、燃焼炉又はガス化炉に供給するに際して、該混合物が流れる配管内の磨耗が殆どなく、かつ安定して該混合物を燃焼炉又はガス化炉に供給し得る方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、可燃性固形物及び水を含む混合物を燃焼炉又はガス化炉に供給する方法に関し、更に詳しくは、上記混合物に含まれる少なくとも一部の水を水蒸気の形態にして、該混合物を燃焼炉又はガス化炉に供給する方法に関する。
【背景技術】
現在、可燃性固形物、例えば微粉炭又はセルロース系固体廃棄物を含有する水スラリーを燃焼炉又はガス化炉に供給する手段として、該スラリーを高圧の水蒸気又は空気等の気体を用いて、直接に燃焼炉又はガス化炉に噴霧する方法が使用されている。該スラリーは水をスラリー重量に対して２７〜８０重量％含有し、この水が燃焼炉又はガス化炉内部で蒸発する。微粉炭と水とのスラリーにおいては、水はスラリー重量に対して通常２７〜５０％である。セルロース系固体廃棄物と水とのスラリーにおいては、水がスラリー重量に対して最大５０％ではスラリーを形成できないものも多い。従って、セルロース系固体廃棄物の種類によっては、水がスラリー重量に対して５０％以上、とりわけ７０〜８０％必要とするものも多く存在する。従って、可燃性固形物の部分燃焼により生ずるエネルギーの一部が水の蒸発潜熱に使用されて、炉内部温度の低下及びそれに起因する未燃焼カーボンの増加を招く。ガス化炉においては炉内温度低下により溶融石炭灰の付着が生じ、溶融灰抜き出しラインの閉塞等のトラブルを招く。これを防止するためには、炉内部温度の低下を防止しなければならない。このため該従来法においては、石炭の構成元素比率から算出される理論必要酸素量より多くの酸素を燃焼炉又はガス化炉に供給している。
特にガス化において、高溶融温度の灰を含む微粉炭等を使用するためには、ガス化炉内部温度を比較的高温に維持しなければならない。従って、該従来法では、高溶融温度の灰を含む石炭の使用は困難である。止むを得ず、高溶融温度の灰を含む石炭を使用する場合には、高価な融点降下剤の使用が必須である。更には、ガス化炉内で石炭灰の溶融を促進させ、ガス化炉底部からの石炭灰の抜出しを容易にし、ガス化装置の操業をスムーズに行わせるためには、更に多くの酸素を供給してガス化温度を若干上昇させる必要がある。このような様々な要因により、該従来法におけるガス化効率は低い。
石炭及び水をガス化炉に供給して石炭をガス化する方法において、少なくとも一部の水が水蒸気の形態でガス化炉に供給されることを特徴とする石炭ガス化方法が知られている（特開２００２−１５５２８８号公報参照）。該方法によれば、水蒸気により石炭をガス化炉に供給する。従って、ガス化炉に供給するに先立って、石炭及び水を含む混合物に含まれる水、好ましくはその全量を気化せしめて水蒸気とするので、上記欠点を解決することができる。
上記の方法は、固液系の混合物を気固系又は気液固系の混合物に変換して炉に供給するものである。固液系のスラリーを熱交換器に連続的に供給して加熱し、気固系又は気液固系にして蒸発装置に供給して溶媒を回収する装置として、ホソカワミクロン株式会社製のクラックスシステム（商標）が市販されている。しかし、該装置においては、熱交換器で溶媒が一気に蒸発して、熱交換器出口における気固系の流速が音速を超えてしまう。従って、石炭等の可燃性固形物に利用すると、著しい磨耗が生ずる。
１９７９年には米国エネルギー省から、コールウォーターミクスチャー（ＣＷＭ）を加熱し、フラッシュドライヤー槽において気固分離を行い、微粉炭をガス化炉に供給する方法が特許出願されている（米国特許第４１５３４２７号明細書参照）。しかし、気固分離された微粉炭が完全な乾燥状態にはならず、そのために微粉炭が凝固し、ガス化炉への連続的な供給が困難なために実用化に至っていない。
【発明の開示】
本発明は、可燃性固形物及び水を含む混合物中の少なくとも一部の水を水蒸気の形態にして、燃焼炉又はガス化炉に供給するに際して、該混合物が流れる配管内の磨耗が殆どなく、かつ可燃性固形物の沈降等が起らず安定して該混合物を燃焼炉又はガス化炉に供給し得る方法を提供するものである。
従来、石炭及び水をガス化炉に供給して石炭をガス化するに際して、少なくとも一部の水を水蒸気の形態にしてガス化炉に供給すると、加熱器内の配管及びガス化炉への供給配管の磨耗が激しいと言う問題があった。該問題を解決するために、加熱器内の配管及び供給配管の内径を大きくして流体の流速を低くすることが考えられる。しかし、磨耗が生じないほどこれら配管の内径を大きくすると、今度は石炭の搬送がスムーズでなくなると共に、これら配管内への石炭の沈降が生ずると言う問題が生じた。
本発明者は、これらの問題を解決すべく種々の検討をした。その結果、石炭等の可燃性固形物及び水を含む混合物をポンプにより、燃焼炉又はガス化炉に搬送するに際して、その吐出圧力を比較的高圧である下記所定の範囲にすれば、配管径を適切な範囲にして、混合物の流速を適切に制御し得、そして、混合物が流れる配管内の磨耗が殆どなく、しかも可燃性固形物の沈降が起らず安定して混合物を上記炉に供給し得ることを見出したのである。
即ち、本発明は、
（１）可燃性固形物及び水を含む混合物を加熱器により加熱して、該混合物中の水の少なくとも一部を水蒸気の形態にし、次いで、該混合物全体を燃焼炉又はガス化炉に供給し、ここで、該混合物は少なくとも加熱器と燃焼炉又はガス化炉との間でポンプにより搬送される方法において、ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１．５ＭＰａ高い圧力ないし２２．１２ＭＰａであり、かつ水の少なくとも一部が水蒸気の形態にされた上記混合物の流速が、加熱器内配管、及び加熱器出口から燃焼炉又はガス化炉入口までの配管内で６〜５０ｍ／秒であることを特徴とする方法である。
好ましい態様として、
（２）ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より３．０ＭＰａ高い圧力ないし燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１５．０ＭＰａ高い圧力の間である上記（１）記載の方法、
（３）ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より４．０ＭＰａ高い圧力ないし燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１５．０ＭＰａ高い圧力の間である上記（１）記載の方法、
（４）上記流速が、８〜４０ｍ／秒である上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の方法、
（５）上記流速が、１０〜４０ｍ／秒である上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の方法、
（６）加熱器内配管の内径を該混合物の流れ方向に沿って徐々に大きくすることにより、混合物中の水を徐々に水蒸気の形態にするところの上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の方法、
（７）加熱器内配管の内径を該混合物の流れ方向に沿って段階的に大きくすることにより、混合物中の水を段階的に水蒸気の形態にするところの上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の方法、
（８）内径の異なる配管と配管との間に減圧弁を設けて、減圧弁により混合物中の水を水蒸気の形態にするところの上記（７）記載の方法、
（９）加熱器内配管の内径が、２〜１２段階で大きくなるところの上記（７）又は（８）記載の方法、
（１０）加熱器内配管の内径が、４〜１２段階で大きくなるところの上記（７）又は（８）記載の方法、
（１１）加熱器内配管の内径が、６〜１２段階で大きくなるところの上記（７）又は（８）記載の方法、
（１２）配管の内径が大きくなった直後又は減圧弁の直後に非燃焼性ガスを吹き込むところの上記（７）〜（１１）のいずれか一つに記載の方法、
（１３）非燃焼性ガスが、水蒸気、窒素又は炭酸ガスであるところの上記（１２）記載の方法、
（１４）水の実質的全量が水蒸気の形態にされるところの上記（１）〜（１３）のいずれか一つに記載の方法、
（１５）該加熱器による加熱が、１．５〜２２．１２ＭＰａの圧力下で１５０〜４５０℃の温度で行われるところの上記（１）〜（１４）のいずれか一つに記載の方法、
（１６）該加熱器による加熱が、３．０〜２２．１２ＭＰａの圧力下で２００〜４００℃の温度で行われるところの上記（１）〜（１４）のいずれか一つに記載の方法、
（１７）該加熱器による加熱が、４．０〜２０．０ＭＰａの圧力下で２００〜３６５℃の温度で行われるところの上記（１）〜（１４）のいずれか一つに記載の方法、
（１８）該加熱が２００〜６００℃の熱媒体を使用して行われるところの上記（１）〜（１７）のいずれか一つに記載の方法、
（１９）加熱器出口から燃焼炉又はガス化炉までの間に圧力調節弁を設けるところの上記（１）〜（１８）のいずれか一つに記載の方法、
（２０）加熱器の上流側に予熱器を設けるところの上記（１）〜（１９）のいずれか一つに記載の方法、
（２１）予熱器の出口に減圧弁を設けるところの上記（２０）記載の方法、
（２２）可燃性固形物及び水を含む混合物の水含有量が、該混合物の全重量に対して２７〜８０重量％であるところの上記（１）〜（２１）のいずれか一つに記載の方法、
（２３）可燃性固形物及び水を含む混合物の水含有量が、該混合物の全重量に対して３０〜４０重量％であるところの上記（１）〜（２１）のいずれか一つに記載の方法、
（２４）可燃性固形物及び水を含む混合物の水含有量が、該混合物の全重量に対して３０〜３５重量％であるところの上記（１）〜（２１）のいずれか一つに記載の方法
を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施例において使用した装置のプロセスフローである。
図２は、実施例１におけるポンプ吐出からガス化炉入口までの配管内での流速変化を示した図である。
図３は、実施例１におけるポンプ吐出からガス化炉入口までの配管内での圧力変化を示した図である。
図４は、実施例２におけるポンプ吐出からガス化炉入口までの配管内での流速変化を示した図である。
図５は、実施例２におけるポンプ吐出からガス化炉入口までの配管内での圧力変化を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明で使用される可燃性固形物及び水を含む混合物中の水の濃度は、該混合物の全重量に対して、上限が好ましくは８０重量％、より好ましくは４０重量％、更に好ましくは３５重量％であり、下限が好ましくは２７重量％、より好ましくは３０重量％である。一方、可燃性固形物の濃度は、該混合物の全重量に対して、上限が好ましくは７３重量％、より好ましくは７０重量％であり、下限が好ましくは２０重量％、より好ましくは６０重量％、更に好ましくは６５重量％である。水の濃度が上記上限を超え、可燃性固形物濃度が上記下限未満では、水を蒸発させるためのエネルギーが莫大になり経済性に欠ける。水の濃度が上記下限未満で、可燃性固形物濃度が上記上限を超えては、可燃性固形物及び水を含む混合物の粘度が大きくなり搬送がスムーズでなくなる。該混合物には、可燃性固形物の水スラリー化を促進するために界面活性剤を添加することもできる。
燃焼又はガス化に供する可燃性固形物の種類に特に制限はない。例えば、石炭、石炭又は石油コークス、石炭又は石油ピッチ、セルロース系固体廃棄物等を使用することができる。石炭としては、好ましくは、瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭等の様々な石炭化度の石炭が使用される。石炭水スラリーをガス化炉に供給する従来法においては、石炭中に含まれる灰分の融点が高い石炭は使用が困難であった。しかし、本発明においては、石炭中に含まれる灰分の融点による制限はない。これらの可燃性固形物は好ましくは所定の粒度に粉砕して使用される。該粒度は、好ましくは２５〜５００メッシュ、より好ましくは５０〜２００メッシュである。可燃性固形物の粒度が大き過ぎると、水中での石炭の沈降が著しく速くなる。可燃性固形物の粉砕は好ましくは、水との混合前に乾式で行われる。水と混合した後に湿式で粉砕することもできる。
可燃性固形物及び水を含む混合物は、ポンプにより搬送されて、加熱器を通して燃焼炉又はガス化炉に供給される。該ポンプとしては、公知のものを使用することができる。例えば、遠心ポンプ、プランジャーポンプ、ギヤーポンプ等が挙げられる。
本発明においてポンプの吐出圧力の上限は、２２．１２ＭＰａ（水の臨界温度３７４．１５℃における飽和水蒸気圧である）、好ましくは燃焼炉又はガス化炉内圧力＋１５．０ＭＰａ、より好ましくは燃焼炉又はガス化炉内圧力＋１０．０ＭＰａである。下限は、燃焼炉又はガス化炉内圧力＋１．５ＭＰａ、好ましくは燃焼炉又はガス化炉内圧力＋３．０ＭＰａ、より好ましくは燃焼炉又はガス化炉内圧力＋４．０ＭＰａである。該圧力が、上記上限を超えては、装置の耐圧化に多大なコストを要し経済的ではない。該圧力が、上記下限未満では、混合物中の水が所望量を超えて蒸発して、混合物の流速が下記所定の流速未満となり可燃性混合物を燃焼炉又はガス化炉にスムーズに搬送できないことがある。
本発明に使用される加熱器は、上記混合物を加熱して、混合物中の少なくとも一部、好ましくは実質的全量の水を水蒸気の形態にし得るものであればよい。例えば、加熱炉、熱交換器等が使用され得る。好ましくは熱交換器、より好ましくは二重管式熱交換器が使用され得る。
本発明においては、加熱器内配管、及び加熱器出口から燃焼炉又はガス化炉入口までの配管内での上記混合物の流速が、下記の範囲であることが必要である。該流速は、上限が５０ｍ／秒、好ましくは４０ｍ／秒、より好ましくは３０ｍ／秒であり、下限が６ｍ／秒、好ましくは８ｍ／秒、より好ましくは１０ｍ／秒である。これにより、混合物を燃焼炉又はガス化炉に安定して供給し得る。上記上限を超えては、配管内の磨耗が激しくなり、上記下限未満では、可燃性固形物の沈降により配管の閉塞が生じる。
可燃性固形物及び水を含む混合物が通過する該加熱器内の配管の内径は、好ましくは徐々に又は段階的に大きくされる。より好ましくは段階的に大きくされる。これにより、混合物中の水を徐々に又は段階的に水蒸気の形態にすることができ、混合物の流速を適切に制御することができる。該配管の内径を段階的に大きくする態様において、配管の内径は、好ましくは２〜１２段階、より好ましくは４〜１２段階、更に好ましくは６〜１２段階で大きくされる。また、内径の異なる配管と配管との間に減圧弁が設けられることが好ましい。これにより、混合物中の水の所望量を適切に水蒸気の形態にせしめることができる。ここで、配管の内径が大きくなった直後又は減圧弁の直後に非燃焼性ガスを吹き込むことが好ましい。非燃焼性ガスとして、好ましくは水蒸気、窒素又は炭酸ガスが使用される。非燃焼性ガスを吹き込むことより、混合物の管内流速の低下を防止して、混合物の管内流速を上記所定範囲に保つことができる。
加熱器において上記混合物は、上記のポンプの吐出圧力下において、混合物中の水の少なくとも一部、好ましくは実質的全量を蒸発して水蒸気にし得る温度に加熱される。混合物が加熱される温度の上限は、好ましくは４５０℃、より好ましくは４００℃、特に好ましくは３６５℃である。下限は、好ましくは１５０℃、より好ましくは２００℃、更に好ましくは２５０℃である。上記上限を超えては、可燃性固形物、例えば、石炭の熱分解が激しくなって、生成した炭化水素物質による加熱器配管内のコーキングが生じ易くなり、また、それにより加熱器配管内の閉塞が生じ易くなる。上記下限未満では、水を十分に蒸発できない。上記加熱時の加熱器配管内の圧力は、上記のポンプ吐出圧力に依存する。該圧力は、好ましくは１．５〜２２．１２ＭＰａ、より好ましくは３．０〜２２．１２ＭＰａ、更に好ましくは４．０〜２０．０ＭＰａである。
上記の加熱は、好ましくは熱交換器、例えば二重管式熱交換器により、熱媒体、好ましくは熱媒油又は溶融塩等を使用して行われる。熱媒体の温度は、好ましくは２００〜６００℃、より好ましくは２５０〜５００℃、特に好ましくは３００〜４５０℃である。上記上限を超えると、可燃性固形物、例えば、石炭の熱分解により発生した炭化水素物質がコーキングして加熱器内配管の閉塞が生じ易くなる。上記下限未満では、上記所定温度への加熱が困難となる。熱媒体を加熱する加熱器は、上記所定の温度に加熱し得るものであれば特に制限はない。好ましくは、高温の水蒸気、熱油、溶融塩又はガス等の熱媒体による熱交換器が使用される
本発明においては、上記の加熱器において混合物を加熱するに先立って、予熱器を設けて混合物を予熱することができる。これにより、燃焼炉又はガス化炉の操作温度に追随して、燃焼炉又はガス化炉への混合物の供給温度を適切に制御することができる。該予熱温度は、上限が好ましくは４５０℃、より好ましくは４００℃、更に好ましくは３６５℃であり、下限が好ましくは１５０℃、より好ましくは２００℃、更に好ましくは２５０℃である。該予熱の際の圧力は、上記のポンプの吐出圧力と同様である。該予熱器では混合物を所定温度に加熱することを目的としているため管内圧力は、混合物中の水の蒸発を防止し、上記の予熱温度における飽和水蒸気圧力以上であることが好ましい。該圧力を維持するために、予熱器の出口に圧力調節弁を設けることが好ましい。
可燃性固形物及び水を含む混合物は、加熱器において上記の所定温度に加熱されて、水の少なくとも一部、好ましくは実質的全量、好ましくは９５重量％以上、より好ましくは９８重量％以上が蒸発されて水蒸気にされる。そして、該水蒸気により可燃性固形物が気流搬送されて、燃焼炉又はガス化炉に供給される。燃焼炉は、好ましくは１，３００〜２，０００℃、より好ましくは１，３００〜１，７００℃の温度及び常圧若しくは若干の加圧下に維持され、導入された可燃性固形物が燃焼される。一方、ガス化炉は、好ましくは１，０００〜２，５００℃、より好ましくは１，３００〜２，０００℃の温度及び好ましくは０．５〜１０ＭＰａ、より好ましくは１〜１０ＭＰａ、更に好ましくは２〜１０ＭＰａの圧力に維持され、導入された可燃性固形物がガス化される。また、燃焼炉又はガス化炉の入口には、好ましくは全閉可能な圧力調節弁を設けることが好ましい。これにより、炉に供給される混合物の量を適切に制御し得る。
本発明の方法は、可燃性固形物及び水を含む混合物を燃焼又はガス化する公知の全ての燃焼法及びガス化法に使用できる。ガス化法としては、例えばテキサコ法、ダウ法が挙げられる。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
【実施例】
【実施例１】
実施例１において、図１に示したプロセスフローが使用された。ここで、１はタンクであり、２はポンプであり、３は配管であり、４は熱媒体加熱器であり、５は予熱器であり、６は圧力制御弁であり、７は第１加熱器であり、８は第２加熱器であり、９は第３加熱器であり、１０は第４加熱器であり、１１は配管であり、１２は圧力制御弁であり、かつ１３はガス化炉である。可燃性固形物として、微粉炭Ａ（一般炭、粒径：５０〜２００メッシュ）が使用された。該微粉炭は、スラリー調製機（図示せず）において所定量の水と混合されて、石炭と水の混合物が調製された。該混合物はタンク（１）に入れられ、微粉炭の沈降を防ぐために攪拌が継続された。該混合物の石炭と水の濃度及び粘度、並びに石炭の発熱量、灰分及び灰の融点は、下記の表１に示した通りである。
上記の石炭と水の混合物は、ポンプ（２）により１１．７６ＭＰａ（１２０ｋｇ／ｃｍ２）に昇圧され、１３０ｋｇ／時間の流量でライン（３）を通して予熱器（５）に送られた。予熱器（５）の混合物配管の内径は６ｍｍであり、全長は８０ｍであった。ここで、熱媒体加熱器（４）において予め３４０℃に加熱された熱媒体により、該混合物は３００℃に予熱された。予熱器（５）内で混合物中の水が蒸発することを防ぎ、かつ圧力損失を補うために、圧力制御弁（６）によりポンプ側の混合物配管内の圧力が、３００℃での飽和水蒸気圧［約８．８２ＭＰａ（約９０ｋｇ／ｃｍ２）］を超える１０．５８ＭＰａ（１０８ｋｇ／ｃｍ２）に保持された。予熱器（５）内配管での該混合物の流速は、１．１６ｍ／秒であった。
予熱器（５）において３００℃に予熱された混合物は、圧力制御弁（６）を経て、第１加熱器（７）に送られた。第１加熱器（７）の混合物配管は、流れ方向に沿って（ガス化炉側に向かって）、内径２ｍｍ×長さ２ｍ、内径３ｍｍ×長さ４ｍ、及び内径４ｍｍ×長さ４ｍが接続されたものであり、全長は１０ｍであった。ここでも、該混合物は、３４０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第１加熱器（７）において、混合物中の水の一部分が蒸発した。第１加熱器（７）内配管での該混合物の流速は、入口部分（内径２ｍｍの配管入口）で１１．５ｍ／秒［圧力９．１８ＭＰａ（９３．７ｋｇ／ｃｍ２）］であり、出口部分（内径４ｍｍの配管出口）で２７．９５ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２６８℃であり、圧力は５．２４ＭＰａ（５３．５ｋｇ／ｃｍ２）であった。
第１加熱器（７）を出た混合物は、次いで、第２加熱器（８）に送られた。第２加熱器（８）の混合物配管の内径は６ｍｍであり、全長は１０ｍであった。ここでも、該混合物は、３４０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第２加熱器（８）においては、断熱膨張により混合物中の水の一部分が更に蒸発した。第２加熱器（８）内配管での該混合物の流速は、入口部分で１２．５５ｍ／秒であり、出口部分で２９．２５ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２５５℃であり、圧力は４．１９ＭＰａ（４２．８ｋｇ／ｃｍ２）であった。
第２加熱器（８）を出た混合物は、次いで、第３加熱器（９）に送られた。第３加熱器（９）の混合物配管の内径は８ｍｍであり、全長は１０ｍであった。ここでも、該混合物は、３４０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第３加熱器（９）においては、断熱膨張により混合物中の水の一部が更に蒸発した。第３加熱器（９）内配管での該混合物の流速は、入口部分で１６．４５ｍ／秒であり、出口部分で３３．０２ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２４５℃であり、圧力は２．８ＭＰａ（２８．６ｋｇ／ｃｍ２）であった。
第３加熱器（９）を出た混合物は、次いで、第４加熱器（１０）に送られた。第４加熱器（１０）の混合物配管の内径は１２ｍｍであり、全長は３０ｍであった。ここでも、該混合物は、３４０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第４加熱器（１０）においては、断熱膨張により混合物中の水の一部が更に蒸発して、加熱器に導入された混合物中の水の実質的全量が水蒸気にされた。第４加熱器（１０）内配管での該混合物の流速は、入口部分で１１．３ｍ／秒であり、出口部分で３５．７６ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は３００℃であり、圧力は１．９６ＭＰａ（２０ｋｇ／ｃｍ２）であった。
上記のようにして加熱された混合物が、ライン（１１）及びコントロールバルブ（１２）を通って１．９６ＭＰａ（２０ｋｇ／ｃｍ２）の圧力に保持されたガス化炉（１３）に導入された。ガス化炉において、該微粉炭は公知の方法に従ってガス化された。ライン（１１）内での該混合物の流速は、第４加熱器（１０）出口における流速とほぼ等しかった。
上記のポンプ（２）の吐出からガス化炉（１３）に至るまでの混合物の流速及び圧力の変化を図２及び３に示した。混合物の流速は、各加熱器等における配管内の圧力と温度から算出したものである。
上記の操作を５０時間継続した。その間、微粉炭の沈降がなく安定した操業を継続することができた。操作終了後、管内流速が最も速くなるガス化炉への入口配管及びコントロールバルブ（１２）の入口と出口を目視検査したところ、各内壁の磨耗は殆ど見られなかった。
【実施例２】
実施例２において、実施例１と同様に図１に示したプロセスフローが使用された。実施例１とは、下記の通り使用した微粉炭が異なることから、混合物の粘度が相違する。従って、長期間の安定操業を維持するために予熱器及び各加熱器の混合物配管の長さを変更した。可燃性固形物として、微粉炭Ａに代えて、微粉炭Ｂ（一般炭、粒径：５０〜２００メッシュ）を使用し、実施例１と同一に処理して石炭と水の混合物を調製した。該混合物の石炭と水の濃度及び粘度、並びに石炭の発熱量、灰分及び灰の融点は、下記の表２に示した通りである。
上記の石炭と水の混合物は、ポンプ（２）により９．８７ＭＰａ（１００．６ｋｇ／ｃｍ２）に昇圧され、１４０ｋｇ／時間の流量でライン（３）を通して予熱器（５）に送られた。予熱器（５）の混合物配管の内径は６ｍｍであり、全長は７３ｍであった。ここで、熱媒体加熱器（４）において予め３１０℃に加熱された熱媒体により、該混合物は３００℃に予熱された。予熱器（５）内で混合物中の水が蒸発することを防ぎ、かつ圧力損失を補うために、圧力制御弁（６）によりポンプ側の混合物配管内の圧力が、３００℃での飽和水蒸気圧［約８．８２ＭＰａ（約９０ｋｇ／ｃｍ２）］を超える９．２５ＭＰａ（９４．３ｋｇ／ｃｍ２）に保持された。予熱器（５）内配管での該混合物の流速は、１．３ｍ／秒であった。
予熱器（５）において３００℃に予熱された混合物は、圧力制御弁（６）を経て、第１加熱器（７）に送られた。第１加熱器（７）の混合物配管は、流れ方向に沿って（ガス化炉側に向かって）、内径２ｍｍ×長さ３ｍ、内径３ｍｍ×長さ２ｍ、及び内径４ｍｍ×長さ２ｍが接続されたものであり、全長は７ｍであった。ここでも、該混合物は、３１０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第１加熱器（７）において、混合物中の水の一部分が蒸発した。第１加熱器（７）内配管での該混合物の流速は、入口部分（内径２ｍｍの配管入口）で１３．４ｍ／秒［圧力８．９７ＭＰａ（９１．５ｋｇ／ｃｍ２）］であり、出口部分（内径４ｍｍの配管出口）で２３．７ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２５２℃であり、圧力は４．０３ＭＰａ（４１．１ｋｇ／ｃｍ２）であった。
第１加熱器（７）を出た混合物は、次いで、第２加熱器（８）に送られた。第２加熱器（８）の混合物配管の内径は６ｍｍであり、全長は１１．５ｍであった。ここでも、該混合物は、３１０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第２加熱器（８）においては、断熱膨張により混合物中の水の一部分が更に蒸発した。第２加熱器（８）内配管での該混合物の流速は、入口部分で１０．８ｍ／秒であり、出口部分で１９．９ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２４５℃であり、圧力は３．５５ＭＰａ（３６．２ｋｇ／ｃｍ２）であった。
第２加熱器（８）を出た混合物は、次いで、第３加熱器（９）に送られた。第３加熱器（９）の混合物配管の内径は８ｍｍであり、全長は１６．５ｍであった。ここでも、該混合物は、３１０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第３加熱器（９）においては、断熱膨張により混合物中の水の一部が更に蒸発した。第３加熱器（９）内配管での該混合物の流速は、入口部分で１１．４ｍ／秒であり、出口部分で２５．８ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２２７℃であり、圧力は２．５４ＭＰａ（２５．９ｋｇ／ｃｍ２）であった。
第３加熱器（９）を出た混合物は、次いで、第４加熱器（１０）に送られた。第４加熱器（１０）の混合物配管の内径は１２ｍｍであり、全長は１９ｍであった。ここでも、該混合物は、３１０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第４加熱器（１０）においては、断熱膨張により混合物中の水の一部が更に蒸発して、加熱器に導入された混合物中の水の実質的全量が水蒸気にされた。第４加熱器（１０）内配管での該混合物の流速は、入口部分で１１．７ｍ／秒であり、出口部分で１９．９ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２４４℃であり、圧力は１．９６ＭＰａ（２０ｋｇ／ｃｍ２）であった。
上記のようにして加熱された混合物が、ライン（１１）及びコントロールバルブ（１２）を通って１．９６ＭＰａ（２０ｋｇ／ｃｍ２）の圧力に保持されたガス化炉（１３）に導入された。ガス化炉において、該微粉炭は公知の方法に従ってガス化された。ライン（１１）内での該混合物の流速は、第４加熱器（１０）出口における流速とほぼ等しかった。
上記のポンプ（２）の吐出からガス化炉（１３）に至るまでの混合物の流速及び圧力の変化を図４及び５に示した。混合物の流速は、各加熱器等における配管内の圧力と温度から算出したものである。
上記の操作を５０時間継続した。その間、微粉炭の沈降がなく安定した操業を継続することができた。操作終了後、管内流速が最も速くなるガス化炉への入口配管及びコントロールバルブ（１２）の入口と出口を目視検査したところ、実施例１と同様に各内壁の磨耗は殆ど見られなかった。
【産業上の利用可能性】
本発明は、可燃性固形物及び水を含む混合物中の少なくとも一部の水を水蒸気の形態にして、燃焼炉又はガス化炉に供給するに際して、該混合物が流れる配管内の磨耗が殆どなく、かつ可燃性固形物の沈降等が起らず安定して該混合物を燃焼炉又はガス化炉に供給し得る方法を提供するものである。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【技術分野】
本発明は、可燃性固形物及び水を含む混合物を燃焼炉又はガス化炉に供給する方法に関し、更に詳しくは、上記混合物に含まれる少なくとも一部の水を水蒸気の形態にして、該混合物を燃焼炉又はガス化炉に供給する方法に関する。
【背景技術】
現在、可燃性固形物、例えば微粉炭又はセルロース系固体廃棄物を含有する水スラリーを燃焼炉又はガス化炉に供給する手段として、該スラリーを高圧の水蒸気又は空気等の気体を用いて、直接に燃焼炉又はガス化炉に噴霧する方法が使用されている。該スラリーは水をスラリー重量に対して２７〜８０重量％含有し、この水が燃焼炉又はガス化炉内部で蒸発する。微粉炭と水とのスラリーにおいては、水はスラリー重量に対して通常２７〜５０％である。セルロース系固体廃棄物と水とのスラリーにおいては、水がスラリー重量に対して最大５０％ではスラリーを形成できないものも多い。従って、セルロース系固体廃棄物の種類によっては、水がスラリー重量に対して５０％以上、とりわけ７０〜８０％必要とするものも多く存在する。従って、可燃性固形物の部分燃焼により生ずるエネルギーの一部が水の蒸発潜熱に使用されて、炉内部温度の低下及びそれに起因する未燃焼カーボンの増加を招く。ガス化炉においては炉内温度低下により溶融石炭灰の付着が生じ、溶融灰抜き出しラインの閉塞等のトラブルを招く。これを防止するためには、炉内部温度の低下を防止しなければならない。このため該従来法においては、石炭の構成元素比率から算出される理論必要酸素量より多くの酸素を燃焼炉又はガス化炉に供給している。
特にガス化において、高溶融温度の灰を含む微粉炭等を使用するためには、ガス化炉内部温度を比較的高温に維持しなければならない。従って、該従来法では、高溶融温度の灰を含む石炭の使用は困難である。止むを得ず、高溶融温度の灰を含む石炭を使用する場合には、高価な融点降下剤の使用が必須である。更には、ガス化炉内で石炭灰の溶融を促進させ、ガス化炉底部からの石炭灰の抜出しを容易にし、ガス化装置の操業をスムーズに行わせるためには、更に多くの酸素を供給してガス化温度を若干上昇させる必要がある。このような様々な要因により、該従来法におけるガス化効率は低い。
石炭及び水をガス化炉に供給して石炭をガス化する方法において、少なくとも一部の水が水蒸気の形態でガス化炉に供給されることを特徴とする石炭ガス化方法が知られている（特開２００２−１５５２８８号公報参照）。該方法によれば、水蒸気により石炭をガス化炉に供給する。従って、ガス化炉に供給するに先立って、石炭及び水を含む混合物に含まれる水、好ましくはその全量を気化せしめて水蒸気とするので、上記欠点を解決することができる。
上記の方法は、固液系の混合物を気固系又は気液固系の混合物に変換して炉に供給するものである。固液系のスラリーを熱交換器に連続的に供給して加熱し、気固系又は気液固系にして蒸発装置に供給して溶媒を回収する装置として、ホソカワミクロン株式会社製のクラックスシステム（商標）が市販されている。しかし、該装置においては、熱交換器で溶媒が一気に蒸発して、熱交換器出口における気固系の流速が音速を超えてしまう。従って、石炭等の可燃性固形物に利用すると、著しい磨耗が生ずる。
１９７９年には米国エネルギー省から、コールウォーターミクスチャー（ＣＷＭ）を加熱し、フラッシュドライヤー槽において気固分離を行い、微粉炭をガス化炉に供給する方法が特許出願されている（米国特許第４１５３４２７号明細書参照）。しかし、気固分離された微粉炭が完全な乾燥状態にはならず、そのために微粉炭が凝固し、ガス化炉への連続的な供給が困難なために実用化に至っていない。
【発明の開示】
本発明は、可燃性固形物及び水を含む混合物中の少なくとも一部の水を水蒸気の形態にして、燃焼炉又はガス化炉に供給するに際して、該混合物が流れる配管内の磨耗が殆どなく、かつ可燃性固形物の沈降等が起らず安定して該混合物を燃焼炉又はガス化炉に供給し得る方法を提供するものである。
従来、石炭及び水をガス化炉に供給して石炭をガス化するに際して、少なくとも一部の水を水蒸気の形態にしてガス化炉に供給すると、加熱器内の配管及びガス化炉への供給配管の磨耗が激しいと言う問題があった。該問題を解決するために、加熱器内の配管及び供給配管の内径を大きくして流体の流速を低くすることが考えられる。しかし、磨耗が生じないほどこれら配管の内径を大きくすると、今度は石炭の搬送がスムーズでなくなると共に、これら配管内への石炭の沈降が生ずると言う問題が生じた。
本発明者は、これらの問題を解決すべく種々の検討をした。その結果、石炭等の可燃性固形物及び水を含む混合物をポンプにより、燃焼炉又はガス化炉に搬送するに際して、その吐出圧力を比較的高圧である下記所定の範囲にすれば、配管径を適切な範囲にして、混合物の流速を適切に制御し得、そして、混合物が流れる配管内の磨耗が殆どなく、しかも可燃性固形物の沈降が起らず安定して混合物を上記炉に供給し得ることを見出したのである。
即ち、本発明は、
（１）可燃性固形物及び水を含む混合物を加熱器により加熱して、該混合物中の水の少なくとも一部を水蒸気の形態にし、次いで、該混合物全体を燃焼炉又はガス化炉に供給し、ここで、該混合物は少なくとも加熱器と燃焼炉又はガス化炉との間でポンプにより搬送される方法において、ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１．５ＭＰａ高い圧力ないし２２．１２ＭＰａであり、かつ水の少なくとも一部が水蒸気の形態にされた上記混合物の流速が、加熱器内配管、及び加熱器出口から燃焼炉又はガス化炉入口までの配管内で６〜５０ｍ／秒であることを特徴とする方法である。
好ましい態様として、
（２）ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より３．０ＭＰａ高い圧力ないし燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１５．０ＭＰａ高い圧力の間である上記（１）記載の方法、
（３）ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より４．０ＭＰａ高い圧力ないし燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１５．０ＭＰａ高い圧力の間である上記（１）記載の方法、
（４）上記流速が、８〜４０ｍ／秒である上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の方法、
（５）上記流速が、１０〜４０ｍ／秒である上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の方法、
（６）加熱器内配管の内径を該混合物の流れ方向に沿って徐々に大きくすることにより、混合物中の水を徐々に水蒸気の形態にするところの上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の方法、
（７）加熱器内配管の内径を該混合物の流れ方向に沿って段階的に大きくすることにより、混合物中の水を段階的に水蒸気の形態にするところの上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の方法、
（８）内径の異なる配管と配管との間に減圧弁を設けて、減圧弁により混合物中の水を水蒸気の形態にするところの上記（７）記載の方法、
（９）加熱器内配管の内径が、２〜１２段階で大きくなるところの上記（７）又は（８）記載の方法、
（１０）加熱器内配管の内径が、４〜１２段階で大きくなるところの上記（７）又は（８）記載の方法、
（１１）加熱器内配管の内径が、６〜１２段階で大きくなるところの上記（７）又は（８）記載の方法、
（１２）配管の内径が大きくなった直後又は減圧弁の直後に非燃焼性ガスを吹き込むところの上記（７）〜（１１）のいずれか一つに記載の方法、
（１３）非燃焼性ガスが、水蒸気、窒素又は炭酸ガスであるところの上記（１２）記載の方法、
（１４）水の実質的全量が水蒸気の形態にされるところの上記（１）〜（１３）のいずれか一つに記載の方法、
（１５）該加熱器による加熱が、１．５〜２２．１２ＭＰａの圧力下で１５０〜４５０℃の温度で行われるところの上記（１）〜（１４）のいずれか一つに記載の方法、
（１６）該加熱器による加熱が、３．０〜２２．１２ＭＰａの圧力下で２００〜４００℃の温度で行われるところの上記（１）〜（１４）のいずれか一つに記載の方法、
（１７）該加熱器による加熱が、４．０〜２０．０ＭＰａの圧力下で２００〜３６５℃の温度で行われるところの上記（１）〜（１４）のいずれか一つに記載の方法、
（１８）該加熱が２００〜６００℃の熱媒体を使用して行われるところの上記（１）〜（１７）のいずれか一つに記載の方法、
（１９）加熱器出口から燃焼炉又はガス化炉までの間に圧力調節弁を設けるところの上記（１）〜（１８）のいずれか一つに記載の方法、
（２０）加熱器の上流側に予熱器を設けるところの上記（１）〜（１９）のいずれか一つに記載の方法、
（２１）予熱器の出口に減圧弁を設けるところの上記（２０）記載の方法、
（２２）可燃性固形物及び水を含む混合物の水含有量が、該混合物の全重量に対して２７〜８０重量％であるところの上記（１）〜（２１）のいずれか一つに記載の方法、
（２３）可燃性固形物及び水を含む混合物の水含有量が、該混合物の全重量に対して３０〜４０重量％であるところの上記（１）〜（２１）のいずれか一つに記載の方法、
（２４）可燃性固形物及び水を含む混合物の水含有量が、該混合物の全重量に対して３０〜３５重量％であるところの上記（１）〜（２１）のいずれか一つに記載の方法
を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施例において使用した装置のプロセスフローである。
図２は、実施例１におけるポンプ吐出からガス化炉入口までの配管内での流速変化を示した図である。
図３は、実施例１におけるポンプ吐出からガス化炉入口までの配管内での圧力変化を示した図である。
図４は、実施例２におけるポンプ吐出からガス化炉入口までの配管内での流速変化を示した図である。
図５は、実施例２におけるポンプ吐出からガス化炉入口までの配管内での圧力変化を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明で使用される可燃性固形物及び水を含む混合物中の水の濃度は、該混合物の全重量に対して、上限が好ましくは８０重量％、より好ましくは４０重量％、更に好ましくは３５重量％であり、下限が好ましくは２７重量％、より好ましくは３０重量％である。一方、可燃性固形物の濃度は、該混合物の全重量に対して、上限が好ましくは７３重量％、より好ましくは７０重量％であり、下限が好ましくは２０重量％、より好ましくは６０重量％、更に好ましくは６５重量％である。水の濃度が上記上限を超え、可燃性固形物濃度が上記下限未満では、水を蒸発させるためのエネルギーが莫大になり経済性に欠ける。水の濃度が上記下限未満で、可燃性固形物濃度が上記上限を超えては、可燃性固形物及び水を含む混合物の粘度が大きくなり搬送がスムーズでなくなる。該混合物には、可燃性固形物の水スラリー化を促進するために界面活性剤を添加することもできる。
燃焼又はガス化に供する可燃性固形物の種類に特に制限はない。例えば、石炭、石炭又は石油コークス、石炭又は石油ピッチ、セルロース系固体廃棄物等を使用することができる。石炭としては、好ましくは、瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭等の様々な石炭化度の石炭が使用される。石炭水スラリーをガス化炉に供給する従来法においては、石炭中に含まれる灰分の融点が高い石炭は使用が困難であった。しかし、本発明においては、石炭中に含まれる灰分の融点による制限はない。これらの可燃性固形物は好ましくは所定の粒度に粉砕して使用される。該粒度は、好ましくは２５〜５００メッシュ、より好ましくは５０〜２００メッシュである。可燃性固形物の粒度が大き過ぎると、水中での石炭の沈降が著しく速くなる。可燃性固形物の粉砕は好ましくは、水との混合前に乾式で行われる。水と混合した後に湿式で粉砕することもできる。
可燃性固形物及び水を含む混合物は、ポンプにより搬送されて、加熱器を通して燃焼炉又はガス化炉に供給される。該ポンプとしては、公知のものを使用することができる。例えば、遠心ポンプ、プランジャーポンプ、ギヤーポンプ等が挙げられる。
本発明においてポンプの吐出圧力の上限は、２２．１２ＭＰａ（水の臨界温度３７４．１５℃における飽和水蒸気圧である）、好ましくは燃焼炉又はガス化炉内圧力＋１５．０ＭＰａ、より好ましくは燃焼炉又はガス化炉内圧力＋１０．０ＭＰａである。下限は、燃焼炉又はガス化炉内圧力＋１．５ＭＰａ、好ましくは燃焼炉又はガス化炉内圧力＋３．０ＭＰａ、より好ましくは燃焼炉又はガス化炉内圧力＋４．０ＭＰａである。該圧力が、上記上限を超えては、装置の耐圧化に多大なコストを要し経済的ではない。該圧力が、上記下限未満では、混合物中の水が所望量を超えて蒸発して、混合物の流速が下記所定の流速未満となり可燃性混合物を燃焼炉又はガス化炉にスムーズに搬送できないことがある。
本発明に使用される加熱器は、上記混合物を加熱して、混合物中の少なくとも一部、好ましくは実質的全量の水を水蒸気の形態にし得るものであればよい。例えば、加熱炉、熱交換器等が使用され得る。好ましくは熱交換器、より好ましくは二重管式熱交換器が使用され得る。
本発明においては、加熱器内配管、及び加熱器出口から燃焼炉又はガス化炉入口までの配管内での上記混合物の流速が、下記の範囲であることが必要である。該流速は、上限が５０ｍ／秒、好ましくは４０ｍ／秒、より好ましくは３０ｍ／秒であり、下限が６ｍ／秒、好ましくは８ｍ／秒、より好ましくは１０ｍ／秒である。これにより、混合物を燃焼炉又はガス化炉に安定して供給し得る。上記上限を超えては、配管内の磨耗が激しくなり、上記下限未満では、可燃性固形物の沈降により配管の閉塞が生じる。
可燃性固形物及び水を含む混合物が通過する該加熱器内の配管の内径は、好ましくは徐々に又は段階的に大きくされる。より好ましくは段階的に大きくされる。これにより、混合物中の水を徐々に又は段階的に水蒸気の形態にすることができ、混合物の流速を適切に制御することができる。該配管の内径を段階的に大きくする態様において、配管の内径は、好ましくは２〜１２段階、より好ましくは４〜１２段階、更に好ましくは６〜１２段階で大きくされる。また、内径の異なる配管と配管との間に減圧弁が設けられることが好ましい。これにより、混合物中の水の所望量を適切に水蒸気の形態にせしめることができる。ここで、配管の内径が大きくなった直後又は減圧弁の直後に非燃焼性ガスを吹き込むことが好ましい。非燃焼性ガスとして、好ましくは水蒸気、窒素又は炭酸ガスが使用される。非燃焼性ガスを吹き込むことより、混合物の管内流速の低下を防止して、混合物の管内流速を上記所定範囲に保つことができる。
加熱器において上記混合物は、上記のポンプの吐出圧力下において、混合物中の水の少なくとも一部、好ましくは実質的全量を蒸発して水蒸気にし得る温度に加熱される。混合物が加熱される温度の上限は、好ましくは４５０℃、より好ましくは４００℃、特に好ましくは３６５℃である。下限は、好ましくは１５０℃、より好ましくは２００℃、更に好ましくは２５０℃である。上記上限を超えては、可燃性固形物、例えば、石炭の熱分解が激しくなって、生成した炭化水素物質による加熱器配管内のコーキングが生じ易くなり、また、それにより加熱器配管内の閉塞が生じ易くなる。上記下限未満では、水を十分に蒸発できない。上記加熱時の加熱器配管内の圧力は、上記のポンプ吐出圧力に依存する。該圧力は、好ましくは１．５〜２２．１２ＭＰａ、より好ましくは３．０〜２２．１２ＭＰａ、更に好ましくは４．０〜２０．０ＭＰａである。
上記の加熱は、好ましくは熱交換器、例えば二重管式熱交換器により、熱媒体、好ましくは熱媒油又は溶融塩等を使用して行われる。熱媒体の温度は、好ましくは２００〜６００℃、より好ましくは２５０〜５００℃、特に好ましくは３００〜４５０℃である。上記上限を超えると、可燃性固形物、例えば、石炭の熱分解により発生した炭化水素物質がコーキングして加熱器内配管の閉塞が生じ易くなる。上記下限未満では、上記所定温度への加熱が困難となる。熱媒体を加熱する加熱器は、上記所定の温度に加熱し得るものであれば特に制限はない。好ましくは、高温の水蒸気、熱油、溶融塩又はガス等の熱媒体による熱交換器が使用される
本発明においては、上記の加熱器において混合物を加熱するに先立って、予熱器を設けて混合物を予熱することができる。これにより、燃焼炉又はガス化炉の操作温度に追随して、燃焼炉又はガス化炉への混合物の供給温度を適切に制御することができる。該予熱温度は、上限が好ましくは４５０℃、より好ましくは４００℃、更に好ましくは３６５℃であり、下限が好ましくは１５０℃、より好ましくは２００℃、更に好ましくは２５０℃である。該予熱の際の圧力は、上記のポンプの吐出圧力と同様である。該予熱器では混合物を所定温度に加熱することを目的としているため管内圧力は、混合物中の水の蒸発を防止し、上記の予熱温度における飽和水蒸気圧力以上であることが好ましい。該圧力を維持するために、予熱器の出口に圧力調節弁を設けることが好ましい。
可燃性固形物及び水を含む混合物は、加熱器において上記の所定温度に加熱されて、水の少なくとも一部、好ましくは実質的全量、好ましくは９５重量％以上、より好ましくは９８重量％以上が蒸発されて水蒸気にされる。そして、該水蒸気により可燃性固形物が気流搬送されて、燃焼炉又はガス化炉に供給される。燃焼炉は、好ましくは１，３００〜２，０００℃、より好ましくは１，３００〜１，７００℃の温度及び常圧若しくは若干の加圧下に維持され、導入された可燃性固形物が燃焼される。一方、ガス化炉は、好ましくは１，０００〜２，５００℃、より好ましくは１，３００〜２，０００℃の温度及び好ましくは０．５〜１０ＭＰａ、より好ましくは１〜１０ＭＰａ、更に好ましくは２〜１０ＭＰａの圧力に維持され、導入された可燃性固形物がガス化される。また、燃焼炉又はガス化炉の入口には、好ましくは全閉可能な圧力調節弁を設けることが好ましい。これにより、炉に供給される混合物の量を適切に制御し得る。
本発明の方法は、可燃性固形物及び水を含む混合物を燃焼又はガス化する公知の全ての燃焼法及びガス化法に使用できる。ガス化法としては、例えばテキサコ法、ダウ法が挙げられる。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
【実施例】
【実施例１】
実施例１において、図１に示したプロセスフローが使用された。ここで、１はタンクであり、２はポンプであり、３は配管であり、４は熱媒体加熱器であり、５は予熱器であり、６は圧力制御弁であり、７は第１加熱器であり、８は第２加熱器であり、９は第３加熱器であり、１０は第４加熱器であり、１１は配管であり、１２は圧力制御弁であり、かつ１３はガス化炉である。可燃性固形物として、微粉炭Ａ（一般炭、粒径：５０〜２００メッシュ）が使用された。該微粉炭は、スラリー調製機（図示せず）において所定量の水と混合されて、石炭と水の混合物が調製された。該混合物はタンク（１）に入れられ、微粉炭の沈降を防ぐために攪拌が継続された。該混合物の石炭と水の濃度及び粘度、並びに石炭の発熱量、灰分及び灰の融点は、下記の表１に示した通りである。
上記の石炭と水の混合物は、ポンプ（２）により１１．７６ＭＰａ（１２０ｋｇ／ｃｍ２）に昇圧され、１３０ｋｇ／時間の流量でライン（３）を通して予熱器（５）に送られた。予熱器（５）の混合物配管の内径は６ｍｍであり、全長は８０ｍであった。ここで、熱媒体加熱器（４）において予め３４０℃に加熱された熱媒体により、該混合物は３００℃に予熱された。予熱器（５）内で混合物中の水が蒸発することを防ぎ、かつ圧力損失を補うために、圧力制御弁（６）によりポンプ側の混合物配管内の圧力が、３００℃での飽和水蒸気圧［約８．８２ＭＰａ（約９０ｋｇ／ｃｍ２）］を超える１０．５８ＭＰａ（１０８ｋｇ／ｃｍ２）に保持された。予熱器（５）内配管での該混合物の流速は、１．１６ｍ／秒であった。
予熱器（５）において３００℃に予熱された混合物は、圧力制御弁（６）を経て、第１加熱器（７）に送られた。第１加熱器（７）の混合物配管は、流れ方向に沿って（ガス化炉側に向かって）、内径２ｍｍ×長さ２ｍ、内径３ｍｍ×長さ４ｍ、及び内径４ｍｍ×長さ４ｍが接続されたものであり、全長は１０ｍであった。ここでも、該混合物は、３４０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第１加熱器（７）において、混合物中の水の一部分が蒸発した。第１加熱器（７）内配管での該混合物の流速は、入口部分（内径２ｍｍの配管入口）で１１．５ｍ／秒［圧力９．１８ＭＰａ（９３．７ｋｇ／ｃｍ２）］であり、出口部分（内径４ｍｍの配管出口）で２７．９５ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２６８℃であり、圧力は５．２４ＭＰａ（５３．５ｋｇ／ｃｍ２）であった。
第１加熱器（７）を出た混合物は、次いで、第２加熱器（８）に送られた。第２加熱器（８）の混合物配管の内径は６ｍｍであり、全長は１０ｍであった。ここでも、該混合物は、３４０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第２加熱器（８）においては、断熱膨張により混合物中の水の一部分が更に蒸発した。第２加熱器（８）内配管での該混合物の流速は、入口部分で１２．５５ｍ／秒であり、出口部分で２９．２５ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２５５℃であり、圧力は４．１９ＭＰａ（４２．８ｋｇ／ｃｍ２）であった。
第２加熱器（８）を出た混合物は、次いで、第３加熱器（９）に送られた。第３加熱器（９）の混合物配管の内径は８ｍｍであり、全長は１０ｍであった。ここでも、該混合物は、３４０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第３加熱器（９）においては、断熱膨張により混合物中の水の一部が更に蒸発した。第３加熱器（９）内配管での該混合物の流速は、入口部分で１６．４５ｍ／秒であり、出口部分で３３．０２ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２４５℃であり、圧力は２．８ＭＰａ（２８．６ｋｇ／ｃｍ２）であった。
第３加熱器（９）を出た混合物は、次いで、第４加熱器（１０）に送られた。第４加熱器（１０）の混合物配管の内径は１２ｍｍであり、全長は３０ｍであった。ここでも、該混合物は、３４０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第４加熱器（１０）においては、断熱膨張により混合物中の水の一部が更に蒸発して、加熱器に導入された混合物中の水の実質的全量が水蒸気にされた。第４加熱器（１０）内配管での該混合物の流速は、入口部分で１１．３ｍ／秒であり、出口部分で３５．７６ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は３００℃であり、圧力は１．９６ＭＰａ（２０ｋｇ／ｃｍ２）であった。
上記のようにして加熱された混合物が、ライン（１１）及びコントロールバルブ（１２）を通って１．９６ＭＰａ（２０ｋｇ／ｃｍ２）の圧力に保持されたガス化炉（１３）に導入された。ガス化炉において、該微粉炭は公知の方法に従ってガス化された。ライン（１１）内での該混合物の流速は、第４加熱器（１０）出口における流速とほぼ等しかった。
上記のポンプ（２）の吐出からガス化炉（１３）に至るまでの混合物の流速及び圧力の変化を図２及び３に示した。混合物の流速は、各加熱器等における配管内の圧力と温度から算出したものである。
上記の操作を５０時間継続した。その間、微粉炭の沈降がなく安定した操業を継続することができた。操作終了後、管内流速が最も速くなるガス化炉への入口配管及びコントロールバルブ（１２）の入口と出口を目視検査したところ、各内壁の磨耗は殆ど見られなかった。
【実施例２】
実施例２において、実施例１と同様に図１に示したプロセスフローが使用された。実施例１とは、下記の通り使用した微粉炭が異なることから、混合物の粘度が相違する。従って、長期間の安定操業を維持するために予熱器及び各加熱器の混合物配管の長さを変更した。可燃性固形物として、微粉炭Ａに代えて、微粉炭Ｂ（一般炭、粒径：５０〜２００メッシュ）を使用し、実施例１と同一に処理して石炭と水の混合物を調製した。該混合物の石炭と水の濃度及び粘度、並びに石炭の発熱量、灰分及び灰の融点は、下記の表２に示した通りである。
上記の石炭と水の混合物は、ポンプ（２）により９．８７ＭＰａ（１００．６ｋｇ／ｃｍ２）に昇圧され、１４０ｋｇ／時間の流量でライン（３）を通して予熱器（５）に送られた。予熱器（５）の混合物配管の内径は６ｍｍであり、全長は７３ｍであった。ここで、熱媒体加熱器（４）において予め３１０℃に加熱された熱媒体により、該混合物は３００℃に予熱された。予熱器（５）内で混合物中の水が蒸発することを防ぎ、かつ圧力損失を補うために、圧力制御弁（６）によりポンプ側の混合物配管内の圧力が、３００℃での飽和水蒸気圧［約８．８２ＭＰａ（約９０ｋｇ／ｃｍ２）］を超える９．２５ＭＰａ（９４．３ｋｇ／ｃｍ２）に保持された。予熱器（５）内配管での該混合物の流速は、１．３ｍ／秒であった。
予熱器（５）において３００℃に予熱された混合物は、圧力制御弁（６）を経て、第１加熱器（７）に送られた。第１加熱器（７）の混合物配管は、流れ方向に沿って（ガス化炉側に向かって）、内径２ｍｍ×長さ３ｍ、内径３ｍｍ×長さ２ｍ、及び内径４ｍｍ×長さ２ｍが接続されたものであり、全長は７ｍであった。ここでも、該混合物は、３１０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第１加熱器（７）において、混合物中の水の一部分が蒸発した。第１加熱器（７）内配管での該混合物の流速は、入口部分（内径２ｍｍの配管入口）で１３．４ｍ／秒［圧力８．９７ＭＰａ（９１．５ｋｇ／ｃｍ２）］であり、出口部分（内径４ｍｍの配管出口）で２３．７ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２５２℃であり、圧力は４．０３ＭＰａ（４１．１ｋｇ／ｃｍ２）であった。
第１加熱器（７）を出た混合物は、次いで、第２加熱器（８）に送られた。第２加熱器（８）の混合物配管の内径は６ｍｍであり、全長は１１．５ｍであった。ここでも、該混合物は、３１０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第２加熱器（８）においては、断熱膨張により混合物中の水の一部分が更に蒸発した。第２加熱器（８）内配管での該混合物の流速は、入口部分で１０．８ｍ／秒であり、出口部分で１９．９ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２４５℃であり、圧力は３．５５ＭＰａ（３６．２ｋｇ／ｃｍ２）であった。
第２加熱器（８）を出た混合物は、次いで、第３加熱器（９）に送られた。第３加熱器（９）の混合物配管の内径は８ｍｍであり、全長は１６．５ｍであった。ここでも、該混合物は、３１０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第３加熱器（９）においては、断熱膨張により混合物中の水の一部が更に蒸発した。第３加熱器（９）内配管での該混合物の流速は、入口部分で１１．４ｍ／秒であり、出口部分で２５．８ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２２７℃であり、圧力は２．５４ＭＰａ（２５．９ｋｇ／ｃｍ２）であった。
第３加熱器（９）を出た混合物は、次いで、第４加熱器（１０）に送られた。第４加熱器（１０）の混合物配管の内径は１２ｍｍであり、全長は１９ｍであった。ここでも、該混合物は、３１０℃に加熱された熱媒体により加熱された。第４加熱器（１０）においては、断熱膨張により混合物中の水の一部が更に蒸発して、加熱器に導入された混合物中の水の実質的全量が水蒸気にされた。第４加熱器（１０）内配管での該混合物の流速は、入口部分で１１．７ｍ／秒であり、出口部分で１９．９ｍ／秒であった。また、該出口部分での温度は２４４℃であり、圧力は１．９６ＭＰａ（２０ｋｇ／ｃｍ２）であった。
上記のようにして加熱された混合物が、ライン（１１）及びコントロールバルブ（１２）を通って１．９６ＭＰａ（２０ｋｇ／ｃｍ２）の圧力に保持されたガス化炉（１３）に導入された。ガス化炉において、該微粉炭は公知の方法に従ってガス化された。ライン（１１）内での該混合物の流速は、第４加熱器（１０）出口における流速とほぼ等しかった。
上記のポンプ（２）の吐出からガス化炉（１３）に至るまでの混合物の流速及び圧力の変化を図４及び５に示した。混合物の流速は、各加熱器等における配管内の圧力と温度から算出したものである。
上記の操作を５０時間継続した。その間、微粉炭の沈降がなく安定した操業を継続することができた。操作終了後、管内流速が最も速くなるガス化炉への入口配管及びコントロールバルブ（１２）の入口と出口を目視検査したところ、実施例１と同様に各内壁の磨耗は殆ど見られなかった。
【産業上の利用可能性】
本発明は、可燃性固形物及び水を含む混合物中の少なくとも一部の水を水蒸気の形態にして、燃焼炉又はガス化炉に供給するに際して、該混合物が流れる配管内の磨耗が殆どなく、かつ可燃性固形物の沈降等が起らず安定して該混合物を燃焼炉又はガス化炉に供給し得る方法を提供するものである。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃性固形物及び水を含む混合物を加熱器により加熱して、該混合物中の水の少なくとも一部を水蒸気の形態にし、次いで、該混合物全体を燃焼炉又はガス化炉に供給し、ここで、該混合物は少なくとも加熱器と燃焼炉又はガス化炉との間でポンプにより搬送される方法において、ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１．５ＭＰａ高い圧力ないし２２．１２ＭＰａであり、かつ水の少なくとも一部が水蒸気の形態にされた上記混合物の流速が、加熱器内配管、及び加熱器出口から燃焼炉又はガス化炉入口までの配管内で６〜５０ｍ／秒であることを特徴とする方法。
【請求項２】
ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より３．０ＭＰａ高い圧力ないし燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１５．０ＭＰａ高い圧力である請求項１記載の方法。
【請求項３】
ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より４．０ＭＰａ高い圧力ないし燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１５．０ＭＰａ高い圧力である請求項１記載の方法。
【請求項４】
上記流速が、８〜４０ｍ／秒である請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
上記流速が、１０〜４０ｍ／秒である請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
加熱器内配管の内径を該混合物の流れ方向に沿って徐々に大きくすることにより、混合物中の水を徐々に水蒸気の形態にするところの請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
加熱器内配管の内径を該混合物の流れ方向に沿って段階的に大きくすることにより、混合物中の水を段階的に水蒸気の形態にするところの請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
内径の異なる配管と配管との間に減圧弁を設けて、減圧弁により混合物中の水を水蒸気の形態にするところの請求項７記載の方法。
【請求項９】
加熱器内配管の内径が、２〜１２段階で大きくなるところの請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
加熱器内配管の内径が、４〜１２段階で大きくなるところの請求項７又は８記載の方法。
【請求項１１】
加熱器内配管の内径が、６〜１２段階で大きくなるところの請求項７又は８記載の方法。
【請求項１２】
配管の内径が大きくなった直後又は減圧弁の直後に非燃焼性ガスを吹き込むところの請求項７〜１１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１３】
非燃焼性ガスが、水蒸気、窒素又は炭酸ガスであるところの請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
水の実質的全量が水蒸気の形態にされるところの請求項１〜１３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１５】
該加熱器による加熱が、１．５〜２２．１２ＭＰａの圧力下で１５０〜４５０℃の温度で行われるところの請求項１〜１４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１６】
該加熱器による加熱が、３．０〜２２．１２ＭＰａの圧力下で２００〜４００℃の温度で行われるところの請求項１〜１４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１７】
該加熱器による加熱が、４．０〜２０．０ＭＰａの圧力下で２００〜３６５℃の温度で行われるところの請求項１〜１４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１８】
該加熱が２００〜６００℃の熱媒体を使用して行われるところの請求項１〜１７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１９】
加熱器出口から燃焼炉又はガス化炉入口までの間に圧力調節弁を設けるところの請求項１〜１８のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２０】
加熱器の上流側に予熱器を設けるところの請求項１〜１９のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２１】
予熱器の出口に減圧弁を設けるところの請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
可燃性固形物及び水を含む混合物の水含有量が、該混合物の全重量に対して２７〜８０重量％であるところの請求項１〜２１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２３】
可燃性固形物及び水を含む混合物の水含有量が、該混合物の全重量に対して３０〜４０重量％であるところの請求項１〜２１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２４】
可燃性固形物及び水を含む混合物の水含有量が、該混合物の全重量に対して３０〜３５重量％であるところの請求項１〜２１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１】
可燃性固形物及び水を含む混合物を加熱器により加熱して、該混合物中の水の少なくとも一部を水蒸気の形態にし、次いで、該混合物全体を燃焼炉又はガス化炉に供給し、ここで、該混合物は少なくとも加熱器と燃焼炉又はガス化炉との間でポンプにより搬送される方法において、ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１．５ＭＰａ高い圧力ないし２２．１２ＭＰａであり、かつ水の少なくとも一部が水蒸気の形態にされた上記混合物の流速が、加熱器内配管、及び加熱器出口から燃焼炉又はガス化炉入口までの配管内で６〜５０ｍ／秒であることを特徴とする方法。
【請求項２】
ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より３．０ＭＰａ高い圧力ないし燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１５．０ＭＰａ高い圧力である請求項１記載の方法。
【請求項３】
ポンプの吐出圧力が、燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より４．０ＭＰａ高い圧力ないし燃焼炉又はガス化炉の炉内圧力より１５．０ＭＰａ高い圧力である請求項１記載の方法。
【請求項４】
上記流速が、８〜４０ｍ／秒である請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
上記流速が、１０〜４０ｍ／秒である請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
加熱器内配管の内径を該混合物の流れ方向に沿って徐々に大きくすることにより、混合物中の水を徐々に水蒸気の形態にするところの請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
加熱器内配管の内径を該混合物の流れ方向に沿って段階的に大きくすることにより、混合物中の水を段階的に水蒸気の形態にするところの請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
内径の異なる配管と配管との間に減圧弁を設けて、減圧弁により混合物中の水を水蒸気の形態にするところの請求項７記載の方法。
【請求項９】
加熱器内配管の内径が、２〜１２段階で大きくなるところの請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
加熱器内配管の内径が、４〜１２段階で大きくなるところの請求項７又は８記載の方法。
【請求項１１】
加熱器内配管の内径が、６〜１２段階で大きくなるところの請求項７又は８記載の方法。
【請求項１２】
配管の内径が大きくなった直後又は減圧弁の直後に非燃焼性ガスを吹き込むところの請求項７〜１１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１３】
非燃焼性ガスが、水蒸気、窒素又は炭酸ガスであるところの請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
水の実質的全量が水蒸気の形態にされるところの請求項１〜１３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１５】
該加熱器による加熱が、１．５〜２２．１２ＭＰａの圧力下で１５０〜４５０℃の温度で行われるところの請求項１〜１４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１６】
該加熱器による加熱が、３．０〜２２．１２ＭＰａの圧力下で２００〜４００℃の温度で行われるところの請求項１〜１４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１７】
該加熱器による加熱が、４．０〜２０．０ＭＰａの圧力下で２００〜３６５℃の温度で行われるところの請求項１〜１４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１８】
該加熱が２００〜６００℃の熱媒体を使用して行われるところの請求項１〜１７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１９】
加熱器出口から燃焼炉又はガス化炉入口までの間に圧力調節弁を設けるところの請求項１〜１８のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２０】
加熱器の上流側に予熱器を設けるところの請求項１〜１９のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２１】
予熱器の出口に減圧弁を設けるところの請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
可燃性固形物及び水を含む混合物の水含有量が、該混合物の全重量に対して２７〜８０重量％であるところの請求項１〜２１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２３】
可燃性固形物及び水を含む混合物の水含有量が、該混合物の全重量に対して３０〜４０重量％であるところの請求項１〜２１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２４】
可燃性固形物及び水を含む混合物の水含有量が、該混合物の全重量に対して３０〜３５重量％であるところの請求項１〜２１のいずれか一つに記載の方法。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０５５４３６
【国際公開日】平成１６年７月１日（２００４．７．１）
【発行日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５６０６２１（Ｐ２００４−５６０６２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／０１５８７２
【国際出願日】平成１５年１２月１１日（２００３．１２．１１）
【出願人】（５０００５２４２８）
【国際公開日】平成１６年７月１日（２００４．７．１）
【発行日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／０１５８７２
【国際出願日】平成１５年１２月１１日（２００３．１２．１１）
【出願人】（５０００５２４２８）
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