循環流動層ガス化反応炉
【課題】簡易な手法で、軽質なタールまでをシステム内で効率良く除去でき、しかも、タール処理にかかるコストを削減しうるガス化反応炉を提供する。
【解決手段】流動媒体が導入された流動層ガス化炉内で原料をガス化させ、ガス化時に生成したチャー及び流動媒体を後段の流動層燃焼炉に導入して、未燃分を燃焼させるとともに、再加熱された流動媒体が反応炉内を循環するように構成された循環流動層ガス化反応炉において、前記流動層燃焼炉の後段に、多段のサイクロンを設け、一段目のサイクロンで、粒径の比較的大きいタール吸着性粒子及び／又は灰粒子を炉外へ放出し、二段目以降のサイクロンで、排ガスと分離する。
【解決手段】流動媒体が導入された流動層ガス化炉内で原料をガス化させ、ガス化時に生成したチャー及び流動媒体を後段の流動層燃焼炉に導入して、未燃分を燃焼させるとともに、再加熱された流動媒体が反応炉内を循環するように構成された循環流動層ガス化反応炉において、前記流動層燃焼炉の後段に、多段のサイクロンを設け、一段目のサイクロンで、粒径の比較的大きいタール吸着性粒子及び／又は灰粒子を炉外へ放出し、二段目以降のサイクロンで、排ガスと分離する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環流動層を用いて燃料より可燃ガスを取り出すための循環流動層ガス化反応炉に関するものであって、特に炭化水素資源の、石炭、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの固体燃料又はタール分の多い液体燃料を利用したガス化炉反応炉において、低コストで軽質なタールまで吸収し、かつ、高効率で生成ガスを取り出す循環流動層ガス化炉反応炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、石炭、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの炭化水素資源の固体燃料を利用し、生成したガスを、可燃ガス及び熱源として利用することにより、有機資源の有効活用を図る技術が開発されている。
該ガス化装置の１つとして、反応炉を流動層ガス化炉と流動層燃焼炉に分離し、流動層ガス化炉に炭化水素資源の燃料を供給して水蒸気等でガス化を行い、チャーや流動媒体は流動層燃焼炉に導入して燃焼させ、さらに、未燃焼のチャーと流動媒体は、燃焼炉の頭部からサイクロンなどで分離された後、前記流動層ガス化炉に戻すようにした、循環流動層を用いたものがある。
【０００３】
こうしたガス化炉においては、ガス化に伴ってタールが発生するが、このタールを分解する必要があり、そのために種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、燃焼炉とガス化炉を分離させた反応炉において、触媒充填層をガス化炉内へ設け、高温でタールと接触させる時間を長くとることで、効率良くタールを分解させることが提案されている。
また、特許文献２では、ガス化炉後段にタール吸着塔を設け、灰やアルミナによりタールを吸着し、吸着後の粒子は燃焼炉へ供給して熱源に利用するとしている。
さらに、特許文献３では、タールを冷却して凝縮させ、粒子に効率良く吸着させることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４６０３６号公報
【特許文献２】特開２００８−２６０８０１号公報
【特許文献３】特開２００３−２５１１６８号公報
【特許文献４】特願２００９−１７５２３３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の手法では、触媒が流動媒体と混在する、あるいは、灰粒子と混在してしまうという問題がある。
また、特許文献２の手法では、アルミナのような高価な粒子を使用する場合は、流動媒体や灰粒子と混在してしまうという問題がある。
さらに、特許文献３の手法では、タール吸着後の粒子を別途タール除去室にて除去剤を用いてタールを除去させるため、そのコストがかかる。
【０００６】
本発明は、こうした従来技術における課題を解決して、簡易な手法で、軽質なタールまでをシステム内で効率良く除去でき、しかも、タール処理にかかるコストを削減しうるガス化反応炉を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、循環流動層ガス化反応炉内で循環しているタール吸着性粒子やフライアッシュの一部を、炉の後段のタール吸収塔へ連続的に供給できるようにする、或いは更に、タールの成分の差異により、効率良く除去できる温度へ冷却する機能を設けることにより解決しうるという知見を得た。
【０００８】
本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］流動媒体が導入された流動層ガス化炉内で原料をガス化させ、ガス化時に生成したチャー及び流動媒体を後段の流動層燃焼炉に導入して、未燃分を燃焼させるとともに、再加熱された流動媒体が反応炉内を循環するように構成された循環流動層ガス化反応炉であって、前記流動層燃焼炉の後段に、多段のサイクロンを有することを特徴とする循環流動層ガス化反応炉。
［２］一段目のサイクロンで、粒径の比較的大きいタール吸着性粒子及び／又は灰粒子を炉外へ放出し、二段目以降のサイクロンで、排ガスと分離するようにしたことを特徴とする上記［１］の循環流動層ガス化反応炉。
［３］捕集したタール吸着性粒子及び／又は灰粒子を、熱分解ガス出口に設けられたタール吸収塔へ供給し、タールを吸着させるようにした上記［２］の循環流動層ガス化反応炉。
［４］前記タール吸収塔に、冷却機能を有したことを特徴とする上記［３］の循環流動層ガス化反応炉。
［５］前記タール吸収塔でタールを吸着したタール吸着性粒子及び／又はタールを吸着した灰粒子を、それぞれ、コーク残渣燃焼炉及びチャー残渣燃焼炉へ供給し、熱源として利用するようにしたことを特徴とする上記［３］又は［４］の循環流動層ガス化反応炉。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、循環流動層ガス化反応炉内で循環しているタール吸着性粒子やフライアッシュの一部を炉の後段のタール吸収塔へ連続的に供給できるようにし、かつ、タールの成分の差異により、効率良く除去できる温度へ冷却する機能も有する。また、燃料によって、熱分解あるいはガス化と同時に生成するタール成分は異なり、その凝縮温度も異なる場合や、また、ガス化炉内にタール吸着性物質を用いても、装置の特性（ガス滞留時間や接触効率など）上、炉外へタールが飛散してしまう場合にも、新たに吸着材を供給せずに効率良く除去できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明者らが既に提案している、循環流動層ガス化反応炉の実施の形態を模式的に示す図。
【図２】本発明の循環流動層ガス化反応炉における多段サイクロンを模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
【００１２】
図１は、本発明者らが既に提案している（前記特許文献４参照）、循環流動層ガス化反応炉の実施の形態を模式的に示す図であって、タール吸収炉及び燃料熱分解炉を上下に備えた二段炉構成の燃料熱分解炉を備え、該燃料熱分解炉の下段の後段には、チャーガス化炉及びチャー残渣燃焼炉をこの順に連結させ、前記上段のタール吸収炉の後段には、コークガス化炉及びコーク残渣燃焼炉をこの順に連結させたものである。そして、前記チャーガス化炉及び前記コークガス化炉は、それぞれを下段及び上段に備えた二段型の流動層ガス化炉とされており、チャー残渣燃焼炉及びコーク残渣燃焼炉は、それぞれ独立した流動層燃焼炉で構成されている。
【００１３】
図１に示した装置によれば、熱分解炉の上下が、燃料熱分解炉とタール吸収炉の二段に分離されているので、多孔質粒子等のタール吸着効率が良好な流動媒体、例えば、多孔質アルミナを、上段のタール吸収炉にのみに供給することにより、その使用量を最小限にすることができるという利点がある。さらに、燃料熱分解炉、チャーガス化炉及び残渣チャー燃焼炉とからなる系と、タール吸収炉、コークガス化炉及び残渣コーク燃焼炉からなる系とで、それぞれ別々に流動媒体を循環させることができるので、多孔質粒子などのタール吸着効率が良好な流動媒体と灰粒子とが混在しないようにすることができる。
【００１４】
該図に示す循環流動層ガス化反応炉においては、上段のタール吸収炉から取り出されるタールを吸着した流動媒体は、その後段に連結されたコークガス化炉及びコーク残渣燃焼炉を経てタール吸収炉に戻され、一方、下段の燃料熱分解炉から取り出される流動媒体は、その後段に連結されたチャーガス化炉及びチャー残渣燃焼炉を経て燃料熱分解炉に戻される。
【００１５】
多孔質アルミナなどの多孔質粒子は、原料から生成するタールを効率よく吸収するために好ましく用いられるが、高価であるという欠点を有している。
本発明の循環流動層ガス化反応炉においては、流動層ガス化炉の前段に、タール吸収炉及び燃料熱分解炉を上下に備えた二段炉構造の熱分解炉を備えているので、上段のタール吸収炉の流動媒体に、多孔質粒子等のタール吸着効率の良好なものを使用し、その下段の燃料熱分解炉に導入する流動媒体には、一般的に使用されている安価な硅砂を主成分とするものを使用することにより、高価な流動媒体の使用量を最小限にすることが可能となる。
また、チャー残渣燃焼炉とコーク残渣燃焼炉とが分離しているので、上段のタール吸収炉を循環する多孔質粒子などの流動媒体は、チャー残渣燃焼炉で発生する灰粒子と混在しないようにできる。
また、炉内でタール処理ができるので、従来、炉後段でのタール処理にかかっていたコストを削減できる。
【００１６】
以下、上段のタール吸収炉の流動媒体に、多孔質アルミナのような多孔質粒子を使用し、その下段の燃料熱分解炉の流動媒体に硅砂を使用した例を用いて、原料のガス化について具体的に説明する。
バイオマス、ごみ、下水汚泥、及び石炭などのような炭化水素系固体燃料を、燃料熱分解炉へ供給するとともに、下部より、例えば、生成した燃焼ガスの一部を循環させたＣＯ２ガス、或いはＮ２やＡｒのような不活性ガス等を、流動ガスとして導入し、燃料分解炉に供給された上記の炭化水素系固体燃料を熱分解させる。
生成した熱分解ガスと同時に生成するタールが上段のタール吸収炉へ流れる。そのタールは、タール吸収炉中の多孔質粒子に吸着され、一部はガスに改質される。タールを含まない熱分解ガスは、上部に設けられた熱分解ガスの取出し手段から取り出すことができる。
取り出された熱分解ガスは、可燃ガスの一種であって、燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料などに使用される。
なお、本発明においてガス化の原料としては、前述のような炭化水素系固体燃料に限られず、タールの発生し易い液体燃料を用いることも可能である。
【００１７】
下段の燃料熱分解炉では、熱分解後のチャー及び硅砂は、次のチャーガス化炉へ送られる。
一方、上段のタール吸収炉でタールを吸着した多孔質粒子は、チャーガス化炉上段のコークガス化炉へ送られる。
【００１８】
チャーガス化炉及びコークガス化炉は、それぞれの炉を下段及び上段に有する二段の流動層とされており、それぞれの炉内に導入されたチャー及びコークは、下部より導入されたガス化剤とのガス化反応によりガス化される。ガス化剤としては、水蒸気或いは酸素或いは空気などが用いられる。ガス化剤と反応して生成したガス化ガスは、コークガス化炉上部から取り出される。
取り出されたガス化ガスは、可燃ガスであり、燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料などに利用される。
【００１９】
また、図１に示す装置では、前述のタール吸収炉上部から取り出された熱分解ガスと、コークガス化炉上部から取り出されたガス化ガスを別個に取り出しているが、熱分解ガスとガス化ガスを、それぞれの炉出口以後で合流させてから利用してもよく、熱源として用いる際には、合流前、或いは後に、熱交換器をつけることもできる。
【００２０】
チャーガス化炉内の残渣チャー及びコークガス化炉内の残渣コークは、それぞれ、別個に設けられた、次の残渣チャー燃焼炉及び残渣コーク燃料炉に導入される。
残渣チャー燃焼炉及び残渣コーク燃焼炉は、いずれも流動層とされており、残渣チャー及び残渣コークが完全燃焼可能な滞留時間を確保する。それぞれの燃焼炉では、導入された残渣チャー及び残渣コークを、それぞれの燃焼炉の下部より導入された空気或いは酸素と共に燃焼させ、サイクロンにより燃焼ガスをそれぞれの炉の上部に設けられた取出手段から取り出される。
【００２１】
図２は、本発明における多段のサイクロンを模式的に示す図である。
本発明のガス化反応炉は、図２に示すように、チャー残渣燃焼炉及びコーク残渣燃焼炉の出口は、多段サイクロンとなっている。
すなわち、コーク残渣燃焼炉の後段に設けられた多段サイクロンでは、一段目のタール吸着性粒子と燃料ガスとの分離効率を下げることで、粒径が比較的大きなタール吸着性粒子を排ガスとともに飛散させて系外へ排出し、二段目以降のサイクロンで、それぞれを分離・捕集する。捕集されたタール吸着性粒子は、熱分解ガス出口に設けられたタール吸着性粒子によるタール吸収塔へ供給し、タールを吸着させる。
同様に、チャー残渣燃焼炉の後段に設けられた多段サイクロンでは、一段目のフラアッシュと燃料ガスとの分離効率を下げることで、従来よりも粒径の大きなフライアッシュを排ガスとともに飛散させて系外に排出し、二段目以降のサイクロンでそれぞれを捕集する。捕集されたフライアッシュは、熱分解ガス出口に設けられたフライアッシュによるタール吸着塔へ供給し、タールを吸着させる。
サイクロンで分離されたタール吸着性粒子、フライアッシュがそれぞれタール吸収塔へ供給されるまでの連通路は、ループシール、Ｌ型バルブ、移動層など、マテリアルシールされていれば、いずれの型でも良い。
【００２２】
燃料によってガスとともに生成するタール量や成分は異なることから、それぞれのタール吸収塔内では、その成分にあわせた吸着効率の高い温度まで冷却し、効率良くタールを吸着させる。これにより、ガス化炉の特性上タールがガスとともに炉外へ飛散しても、低コスト、かつ、簡易な手法でタールを除去できる。
さらに、吸着したタール分の利用法として、フライアッシュはチャー残渣燃焼炉へ戻し、タール吸着性粒子はコーク残渣燃焼炉に戻すことにより、それぞれ熱源として有効活用できる。
なお、タール吸収塔の順は、本図ではフライアッシュによるタール吸収塔が前段にあるが、タール吸着性粒子による吸着塔が前段にあっても問題ない。
また、本手法は熱分解ガス後段に限らず、ガス化ガスの後段にこのようなタール吸収塔を設けても良い。
【００２３】
一方、それぞれの二段目サイクロンで捕集された燃焼ガスは、主に熱源として利用されるものであり、また、前述したとおり、その一部を燃料熱分解炉に再循環させることも可能である。また、前記ガス化炉又はそれぞれの燃焼炉に導入する空気や蒸気の予熱源としても利用できる。
また、一段目のサイクロンで分離されたタール吸着性粒子及びフライアッシュは、それぞれ、前記のタール吸収炉及び燃料熱分解炉へ戻される。
なお、ガス化炉内で生じる反応（特にシフト反応）には、チャーの濃度が密接に関係しており、熱バランスが成立する範囲内であれば、未燃チャーの一部を再循環させ、ガス化炉内のチャー濃度を反応に適した濃度に制御することで、例えば、ガス化の際のＨ２／ＣＯ比の制御が可能となり、液体燃料への利用が有利となる。
さらに、残渣チャーおよび残渣コークから得られる燃焼熱のみでは、熱バランスが成立しない場合、所定量の熱分解ガス、ガス化ガスをそれぞれの燃焼炉へ供給して燃焼させることにより、熱バランスを維持することも可能である。
【００２４】
燃料熱分解炉とチャーガス化炉、チャーガス化炉と残渣チャー燃焼炉、タール吸収炉とコークガス化炉、或いは、コークガス化炉と残渣コーク燃焼炉のそれぞれを連結する連通路は、ループシール、Ｌ型バルブ、移動層など、マテリアルシールできれば、いずれの型でも良い。
【００２５】
以上のとおり、図１、２に示す循環流動層ガス化反応炉においては、下段の燃料熱分解炉に導入される流動媒体及び固体燃料の系内での流れは、燃料熱分解炉→連通路→チャーガス化炉→連通路→チャー残渣燃焼炉→サイクロン→ダウンカマー→燃料熱分解炉となり、上段のタール吸収炉に導入される流動媒体の系内での流れは、タール吸収炉→連通路→コークガス化炉→連通路→コーク残渣燃焼炉→サイクロン→ダウンカマー→タール吸収炉となる。一方、系外に飛散したタール吸着性粒子の流れは、タール吸収塔→コーク残渣燃焼炉となり、系外に飛散したフライアッシュの流れは、タール吸収塔→チャー残渣となる。
【００２６】
なお、本発明において、循環流動層ガス化反応炉は、少なくとも、流動層ガス化炉及び流動層燃焼炉を有するものであれば、図１に示したものに限られるものではない。
たとえば、前記の燃料熱分解炉を、アルカリ吸収機能を有する炉とし、チャーに揮発ガス中のアルカリを積極的に吸着させてガス化触媒として利用することにより、チャーのガス化効率を向上させることができる。
また、図１に示す装置では、ガス化炉を、下段及び上段に、それぞれチャーガス化炉及びコークガス化炉を設けた二段構造とし、生成されたガス化ガスを上段のコークガス化炉から取り出すように構成されているが、これらのガス化炉を、それぞれ別個のガス化炉とし、それぞれのガス化炉の下部からガス化剤を導入し、生成されたガス化ガスを、上部に設けられた取出手段から取り出すように構成してもよい。
さらに、前記チャーガス化炉を設けず、燃料熱分解炉の後段に、チャー残渣燃焼炉が直接連結してもよい。すなわち、用いる固体燃料が、高揮発分固体燃料で、チャーをガス化させなくとも、熱分解ガスとその残渣分を燃焼させるだけで、システムの熱バランスが成立する場合、すなわち、熱分解後の残渣チャーをガス化させると、燃焼熱分が不足する場合は、本実施形態に示すように、チャーガス化炉を省略することができる。
さらにまた、コークガス化炉を設けず、タール吸収炉の後段に、コーク残渣燃焼炉が直接連結されていてもよい。
或いはさらに、チャーガス化炉、コークガス化炉を有しておらず、タール吸収炉の後段に、コーク残渣燃焼炉が直接連結され、燃料熱分解炉の後段に、チャー残渣燃焼炉が直接連結されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の循環流動層ガス化反応炉におけるシステムは、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの未利用炭化水素資源の利用に適用する他に、例えば、石炭やバイオマスとのハイブリッドガス化（共ガス化）、或いは、固体燃料と液体燃料とのハイブリッドガス化にも適用することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環流動層を用いて燃料より可燃ガスを取り出すための循環流動層ガス化反応炉に関するものであって、特に炭化水素資源の、石炭、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの固体燃料又はタール分の多い液体燃料を利用したガス化炉反応炉において、低コストで軽質なタールまで吸収し、かつ、高効率で生成ガスを取り出す循環流動層ガス化炉反応炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、石炭、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの炭化水素資源の固体燃料を利用し、生成したガスを、可燃ガス及び熱源として利用することにより、有機資源の有効活用を図る技術が開発されている。
該ガス化装置の１つとして、反応炉を流動層ガス化炉と流動層燃焼炉に分離し、流動層ガス化炉に炭化水素資源の燃料を供給して水蒸気等でガス化を行い、チャーや流動媒体は流動層燃焼炉に導入して燃焼させ、さらに、未燃焼のチャーと流動媒体は、燃焼炉の頭部からサイクロンなどで分離された後、前記流動層ガス化炉に戻すようにした、循環流動層を用いたものがある。
【０００３】
こうしたガス化炉においては、ガス化に伴ってタールが発生するが、このタールを分解する必要があり、そのために種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、燃焼炉とガス化炉を分離させた反応炉において、触媒充填層をガス化炉内へ設け、高温でタールと接触させる時間を長くとることで、効率良くタールを分解させることが提案されている。
また、特許文献２では、ガス化炉後段にタール吸着塔を設け、灰やアルミナによりタールを吸着し、吸着後の粒子は燃焼炉へ供給して熱源に利用するとしている。
さらに、特許文献３では、タールを冷却して凝縮させ、粒子に効率良く吸着させることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４６０３６号公報
【特許文献２】特開２００８−２６０８０１号公報
【特許文献３】特開２００３−２５１１６８号公報
【特許文献４】特願２００９−１７５２３３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の手法では、触媒が流動媒体と混在する、あるいは、灰粒子と混在してしまうという問題がある。
また、特許文献２の手法では、アルミナのような高価な粒子を使用する場合は、流動媒体や灰粒子と混在してしまうという問題がある。
さらに、特許文献３の手法では、タール吸着後の粒子を別途タール除去室にて除去剤を用いてタールを除去させるため、そのコストがかかる。
【０００６】
本発明は、こうした従来技術における課題を解決して、簡易な手法で、軽質なタールまでをシステム内で効率良く除去でき、しかも、タール処理にかかるコストを削減しうるガス化反応炉を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、循環流動層ガス化反応炉内で循環しているタール吸着性粒子やフライアッシュの一部を、炉の後段のタール吸収塔へ連続的に供給できるようにする、或いは更に、タールの成分の差異により、効率良く除去できる温度へ冷却する機能を設けることにより解決しうるという知見を得た。
【０００８】
本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］流動媒体が導入された流動層ガス化炉内で原料をガス化させ、ガス化時に生成したチャー及び流動媒体を後段の流動層燃焼炉に導入して、未燃分を燃焼させるとともに、再加熱された流動媒体が反応炉内を循環するように構成された循環流動層ガス化反応炉であって、前記流動層燃焼炉の後段に、多段のサイクロンを有することを特徴とする循環流動層ガス化反応炉。
［２］一段目のサイクロンで、粒径の比較的大きいタール吸着性粒子及び／又は灰粒子を炉外へ放出し、二段目以降のサイクロンで、排ガスと分離するようにしたことを特徴とする上記［１］の循環流動層ガス化反応炉。
［３］捕集したタール吸着性粒子及び／又は灰粒子を、熱分解ガス出口に設けられたタール吸収塔へ供給し、タールを吸着させるようにした上記［２］の循環流動層ガス化反応炉。
［４］前記タール吸収塔に、冷却機能を有したことを特徴とする上記［３］の循環流動層ガス化反応炉。
［５］前記タール吸収塔でタールを吸着したタール吸着性粒子及び／又はタールを吸着した灰粒子を、それぞれ、コーク残渣燃焼炉及びチャー残渣燃焼炉へ供給し、熱源として利用するようにしたことを特徴とする上記［３］又は［４］の循環流動層ガス化反応炉。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、循環流動層ガス化反応炉内で循環しているタール吸着性粒子やフライアッシュの一部を炉の後段のタール吸収塔へ連続的に供給できるようにし、かつ、タールの成分の差異により、効率良く除去できる温度へ冷却する機能も有する。また、燃料によって、熱分解あるいはガス化と同時に生成するタール成分は異なり、その凝縮温度も異なる場合や、また、ガス化炉内にタール吸着性物質を用いても、装置の特性（ガス滞留時間や接触効率など）上、炉外へタールが飛散してしまう場合にも、新たに吸着材を供給せずに効率良く除去できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明者らが既に提案している、循環流動層ガス化反応炉の実施の形態を模式的に示す図。
【図２】本発明の循環流動層ガス化反応炉における多段サイクロンを模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
【００１２】
図１は、本発明者らが既に提案している（前記特許文献４参照）、循環流動層ガス化反応炉の実施の形態を模式的に示す図であって、タール吸収炉及び燃料熱分解炉を上下に備えた二段炉構成の燃料熱分解炉を備え、該燃料熱分解炉の下段の後段には、チャーガス化炉及びチャー残渣燃焼炉をこの順に連結させ、前記上段のタール吸収炉の後段には、コークガス化炉及びコーク残渣燃焼炉をこの順に連結させたものである。そして、前記チャーガス化炉及び前記コークガス化炉は、それぞれを下段及び上段に備えた二段型の流動層ガス化炉とされており、チャー残渣燃焼炉及びコーク残渣燃焼炉は、それぞれ独立した流動層燃焼炉で構成されている。
【００１３】
図１に示した装置によれば、熱分解炉の上下が、燃料熱分解炉とタール吸収炉の二段に分離されているので、多孔質粒子等のタール吸着効率が良好な流動媒体、例えば、多孔質アルミナを、上段のタール吸収炉にのみに供給することにより、その使用量を最小限にすることができるという利点がある。さらに、燃料熱分解炉、チャーガス化炉及び残渣チャー燃焼炉とからなる系と、タール吸収炉、コークガス化炉及び残渣コーク燃焼炉からなる系とで、それぞれ別々に流動媒体を循環させることができるので、多孔質粒子などのタール吸着効率が良好な流動媒体と灰粒子とが混在しないようにすることができる。
【００１４】
該図に示す循環流動層ガス化反応炉においては、上段のタール吸収炉から取り出されるタールを吸着した流動媒体は、その後段に連結されたコークガス化炉及びコーク残渣燃焼炉を経てタール吸収炉に戻され、一方、下段の燃料熱分解炉から取り出される流動媒体は、その後段に連結されたチャーガス化炉及びチャー残渣燃焼炉を経て燃料熱分解炉に戻される。
【００１５】
多孔質アルミナなどの多孔質粒子は、原料から生成するタールを効率よく吸収するために好ましく用いられるが、高価であるという欠点を有している。
本発明の循環流動層ガス化反応炉においては、流動層ガス化炉の前段に、タール吸収炉及び燃料熱分解炉を上下に備えた二段炉構造の熱分解炉を備えているので、上段のタール吸収炉の流動媒体に、多孔質粒子等のタール吸着効率の良好なものを使用し、その下段の燃料熱分解炉に導入する流動媒体には、一般的に使用されている安価な硅砂を主成分とするものを使用することにより、高価な流動媒体の使用量を最小限にすることが可能となる。
また、チャー残渣燃焼炉とコーク残渣燃焼炉とが分離しているので、上段のタール吸収炉を循環する多孔質粒子などの流動媒体は、チャー残渣燃焼炉で発生する灰粒子と混在しないようにできる。
また、炉内でタール処理ができるので、従来、炉後段でのタール処理にかかっていたコストを削減できる。
【００１６】
以下、上段のタール吸収炉の流動媒体に、多孔質アルミナのような多孔質粒子を使用し、その下段の燃料熱分解炉の流動媒体に硅砂を使用した例を用いて、原料のガス化について具体的に説明する。
バイオマス、ごみ、下水汚泥、及び石炭などのような炭化水素系固体燃料を、燃料熱分解炉へ供給するとともに、下部より、例えば、生成した燃焼ガスの一部を循環させたＣＯ２ガス、或いはＮ２やＡｒのような不活性ガス等を、流動ガスとして導入し、燃料分解炉に供給された上記の炭化水素系固体燃料を熱分解させる。
生成した熱分解ガスと同時に生成するタールが上段のタール吸収炉へ流れる。そのタールは、タール吸収炉中の多孔質粒子に吸着され、一部はガスに改質される。タールを含まない熱分解ガスは、上部に設けられた熱分解ガスの取出し手段から取り出すことができる。
取り出された熱分解ガスは、可燃ガスの一種であって、燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料などに使用される。
なお、本発明においてガス化の原料としては、前述のような炭化水素系固体燃料に限られず、タールの発生し易い液体燃料を用いることも可能である。
【００１７】
下段の燃料熱分解炉では、熱分解後のチャー及び硅砂は、次のチャーガス化炉へ送られる。
一方、上段のタール吸収炉でタールを吸着した多孔質粒子は、チャーガス化炉上段のコークガス化炉へ送られる。
【００１８】
チャーガス化炉及びコークガス化炉は、それぞれの炉を下段及び上段に有する二段の流動層とされており、それぞれの炉内に導入されたチャー及びコークは、下部より導入されたガス化剤とのガス化反応によりガス化される。ガス化剤としては、水蒸気或いは酸素或いは空気などが用いられる。ガス化剤と反応して生成したガス化ガスは、コークガス化炉上部から取り出される。
取り出されたガス化ガスは、可燃ガスであり、燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料などに利用される。
【００１９】
また、図１に示す装置では、前述のタール吸収炉上部から取り出された熱分解ガスと、コークガス化炉上部から取り出されたガス化ガスを別個に取り出しているが、熱分解ガスとガス化ガスを、それぞれの炉出口以後で合流させてから利用してもよく、熱源として用いる際には、合流前、或いは後に、熱交換器をつけることもできる。
【００２０】
チャーガス化炉内の残渣チャー及びコークガス化炉内の残渣コークは、それぞれ、別個に設けられた、次の残渣チャー燃焼炉及び残渣コーク燃料炉に導入される。
残渣チャー燃焼炉及び残渣コーク燃焼炉は、いずれも流動層とされており、残渣チャー及び残渣コークが完全燃焼可能な滞留時間を確保する。それぞれの燃焼炉では、導入された残渣チャー及び残渣コークを、それぞれの燃焼炉の下部より導入された空気或いは酸素と共に燃焼させ、サイクロンにより燃焼ガスをそれぞれの炉の上部に設けられた取出手段から取り出される。
【００２１】
図２は、本発明における多段のサイクロンを模式的に示す図である。
本発明のガス化反応炉は、図２に示すように、チャー残渣燃焼炉及びコーク残渣燃焼炉の出口は、多段サイクロンとなっている。
すなわち、コーク残渣燃焼炉の後段に設けられた多段サイクロンでは、一段目のタール吸着性粒子と燃料ガスとの分離効率を下げることで、粒径が比較的大きなタール吸着性粒子を排ガスとともに飛散させて系外へ排出し、二段目以降のサイクロンで、それぞれを分離・捕集する。捕集されたタール吸着性粒子は、熱分解ガス出口に設けられたタール吸着性粒子によるタール吸収塔へ供給し、タールを吸着させる。
同様に、チャー残渣燃焼炉の後段に設けられた多段サイクロンでは、一段目のフラアッシュと燃料ガスとの分離効率を下げることで、従来よりも粒径の大きなフライアッシュを排ガスとともに飛散させて系外に排出し、二段目以降のサイクロンでそれぞれを捕集する。捕集されたフライアッシュは、熱分解ガス出口に設けられたフライアッシュによるタール吸着塔へ供給し、タールを吸着させる。
サイクロンで分離されたタール吸着性粒子、フライアッシュがそれぞれタール吸収塔へ供給されるまでの連通路は、ループシール、Ｌ型バルブ、移動層など、マテリアルシールされていれば、いずれの型でも良い。
【００２２】
燃料によってガスとともに生成するタール量や成分は異なることから、それぞれのタール吸収塔内では、その成分にあわせた吸着効率の高い温度まで冷却し、効率良くタールを吸着させる。これにより、ガス化炉の特性上タールがガスとともに炉外へ飛散しても、低コスト、かつ、簡易な手法でタールを除去できる。
さらに、吸着したタール分の利用法として、フライアッシュはチャー残渣燃焼炉へ戻し、タール吸着性粒子はコーク残渣燃焼炉に戻すことにより、それぞれ熱源として有効活用できる。
なお、タール吸収塔の順は、本図ではフライアッシュによるタール吸収塔が前段にあるが、タール吸着性粒子による吸着塔が前段にあっても問題ない。
また、本手法は熱分解ガス後段に限らず、ガス化ガスの後段にこのようなタール吸収塔を設けても良い。
【００２３】
一方、それぞれの二段目サイクロンで捕集された燃焼ガスは、主に熱源として利用されるものであり、また、前述したとおり、その一部を燃料熱分解炉に再循環させることも可能である。また、前記ガス化炉又はそれぞれの燃焼炉に導入する空気や蒸気の予熱源としても利用できる。
また、一段目のサイクロンで分離されたタール吸着性粒子及びフライアッシュは、それぞれ、前記のタール吸収炉及び燃料熱分解炉へ戻される。
なお、ガス化炉内で生じる反応（特にシフト反応）には、チャーの濃度が密接に関係しており、熱バランスが成立する範囲内であれば、未燃チャーの一部を再循環させ、ガス化炉内のチャー濃度を反応に適した濃度に制御することで、例えば、ガス化の際のＨ２／ＣＯ比の制御が可能となり、液体燃料への利用が有利となる。
さらに、残渣チャーおよび残渣コークから得られる燃焼熱のみでは、熱バランスが成立しない場合、所定量の熱分解ガス、ガス化ガスをそれぞれの燃焼炉へ供給して燃焼させることにより、熱バランスを維持することも可能である。
【００２４】
燃料熱分解炉とチャーガス化炉、チャーガス化炉と残渣チャー燃焼炉、タール吸収炉とコークガス化炉、或いは、コークガス化炉と残渣コーク燃焼炉のそれぞれを連結する連通路は、ループシール、Ｌ型バルブ、移動層など、マテリアルシールできれば、いずれの型でも良い。
【００２５】
以上のとおり、図１、２に示す循環流動層ガス化反応炉においては、下段の燃料熱分解炉に導入される流動媒体及び固体燃料の系内での流れは、燃料熱分解炉→連通路→チャーガス化炉→連通路→チャー残渣燃焼炉→サイクロン→ダウンカマー→燃料熱分解炉となり、上段のタール吸収炉に導入される流動媒体の系内での流れは、タール吸収炉→連通路→コークガス化炉→連通路→コーク残渣燃焼炉→サイクロン→ダウンカマー→タール吸収炉となる。一方、系外に飛散したタール吸着性粒子の流れは、タール吸収塔→コーク残渣燃焼炉となり、系外に飛散したフライアッシュの流れは、タール吸収塔→チャー残渣となる。
【００２６】
なお、本発明において、循環流動層ガス化反応炉は、少なくとも、流動層ガス化炉及び流動層燃焼炉を有するものであれば、図１に示したものに限られるものではない。
たとえば、前記の燃料熱分解炉を、アルカリ吸収機能を有する炉とし、チャーに揮発ガス中のアルカリを積極的に吸着させてガス化触媒として利用することにより、チャーのガス化効率を向上させることができる。
また、図１に示す装置では、ガス化炉を、下段及び上段に、それぞれチャーガス化炉及びコークガス化炉を設けた二段構造とし、生成されたガス化ガスを上段のコークガス化炉から取り出すように構成されているが、これらのガス化炉を、それぞれ別個のガス化炉とし、それぞれのガス化炉の下部からガス化剤を導入し、生成されたガス化ガスを、上部に設けられた取出手段から取り出すように構成してもよい。
さらに、前記チャーガス化炉を設けず、燃料熱分解炉の後段に、チャー残渣燃焼炉が直接連結してもよい。すなわち、用いる固体燃料が、高揮発分固体燃料で、チャーをガス化させなくとも、熱分解ガスとその残渣分を燃焼させるだけで、システムの熱バランスが成立する場合、すなわち、熱分解後の残渣チャーをガス化させると、燃焼熱分が不足する場合は、本実施形態に示すように、チャーガス化炉を省略することができる。
さらにまた、コークガス化炉を設けず、タール吸収炉の後段に、コーク残渣燃焼炉が直接連結されていてもよい。
或いはさらに、チャーガス化炉、コークガス化炉を有しておらず、タール吸収炉の後段に、コーク残渣燃焼炉が直接連結され、燃料熱分解炉の後段に、チャー残渣燃焼炉が直接連結されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の循環流動層ガス化反応炉におけるシステムは、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの未利用炭化水素資源の利用に適用する他に、例えば、石炭やバイオマスとのハイブリッドガス化（共ガス化）、或いは、固体燃料と液体燃料とのハイブリッドガス化にも適用することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動媒体が導入された流動層ガス化炉内で原料をガス化させ、ガス化時に生成したチャー及び流動媒体を後段の流動層燃焼炉に導入して、未燃分を燃焼させるとともに、再加熱された流動媒体が反応炉内を循環するように構成された循環流動層ガス化反応炉であって、前記流動層燃焼炉の後段に、多段のサイクロンを有することを特徴とする循環流動層ガス化反応炉。
【請求項２】
一段目のサイクロンで、粒径の比較的大きいタール吸着性粒子及び／又は灰粒子を炉外へ放出し、二段目以降のサイクロンで、排ガスと分離するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の循環流動層ガス化反応炉。
【請求項３】
捕集したタール吸着性粒子及び／又は灰粒子を、熱分解ガス出口に設けられたタール吸収塔へ供給し、タールを吸着させるようにした請求項２に記載の循環流動層ガス化反応炉。
【請求項４】
前記タール吸収塔に、冷却機能を有したことを特徴とする請求項３に記載の循環流動層ガス化反応炉。
【請求項５】
前記タール吸収塔でタールを吸着したタール吸着性粒子及び／又はタールを吸着した灰粒子を、それぞれ、コーク残渣燃焼炉及びチャー残渣燃焼炉へ供給し、熱源として利用するようにしたことを特徴とする請求項３又は４に記載の循環流動層ガス化反応炉。
【請求項１】
流動媒体が導入された流動層ガス化炉内で原料をガス化させ、ガス化時に生成したチャー及び流動媒体を後段の流動層燃焼炉に導入して、未燃分を燃焼させるとともに、再加熱された流動媒体が反応炉内を循環するように構成された循環流動層ガス化反応炉であって、前記流動層燃焼炉の後段に、多段のサイクロンを有することを特徴とする循環流動層ガス化反応炉。
【請求項２】
一段目のサイクロンで、粒径の比較的大きいタール吸着性粒子及び／又は灰粒子を炉外へ放出し、二段目以降のサイクロンで、排ガスと分離するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の循環流動層ガス化反応炉。
【請求項３】
捕集したタール吸着性粒子及び／又は灰粒子を、熱分解ガス出口に設けられたタール吸収塔へ供給し、タールを吸着させるようにした請求項２に記載の循環流動層ガス化反応炉。
【請求項４】
前記タール吸収塔に、冷却機能を有したことを特徴とする請求項３に記載の循環流動層ガス化反応炉。
【請求項５】
前記タール吸収塔でタールを吸着したタール吸着性粒子及び／又はタールを吸着した灰粒子を、それぞれ、コーク残渣燃焼炉及びチャー残渣燃焼炉へ供給し、熱源として利用するようにしたことを特徴とする請求項３又は４に記載の循環流動層ガス化反応炉。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１０５８９０（Ｐ２０１１−１０５８９０Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６４４８３（Ｐ２００９−２６４４８３）
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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