JP2013539813A - 間接的加熱ガス化中にコークスを生産する方法および設備 - Google Patents
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Abstract
本発明は間接的に加熱されたガス化の間にコークス（ＰＣ）を生産するための方法に関し、石炭粒子がガス化反応装置（１）に供給され、ガス化中に供給されるプロセスガス（Ｐ）はその中で合成ガス（Ｓ）に還元され、それにより合成ガス（Ｓ）はガス化反応装置（１）から取り除かれる。本発明はまたこの方法を実施するための設備に関する。本発明による方法は、ガス化反応装置（１）内に配置された内部反応装置（４）においてガス化と石炭のコークス化が同時に行われ、内部反応装置（４）は間接的に加熱され、コークス化中にコークス（ＰＣ）と可燃性ガスが内部反応装置（４）で産出され、そして可燃性ガスがガス化反応装置（１）のガス化において間接的な加熱に用いられることに特徴がある。
Description
本発明は間接的な加熱ガス化の間にコークスを生産する方法に関し、そこにおいて石炭粒子がガス化反応装置に供給され、そしてガス化中に供給されるプロセスガスがその中で合成ガスに還元され、それにより合成ガスはガス化反応装置から取り除かれる。本発明はまたこの方法を実施するための設備に関する。
石炭は我々にとって最も重要なエネルギ源であるが多くの種類のプロセスにおいて重要な化学物質でもある基本物質である。石炭の強力な還元能力は、例えば、鉄鉱石を石炭で還元する冶金プロセスに用いられる。さらに、鉄鋼業の酸化残留物の回収は石炭の使用の一例である。これらのプロセスは現在のところ主として化石燃料に基づくものであり、例えば、コークス高炉における処理に適切な強度と特性を得るために前処理される。これらの種類のプロセスからの二酸化炭素の排出は、再生可能な石炭（バイオマスに基づく）を取り入れることができるとき、減少可能であるべきである。本発明は、例えば、バイオマスの間接的に加熱されたガス化中の石炭の炭化による還元剤として適用するために石炭／コークスを生産する方法を提示する。
ガス化は固体燃料から気体燃料を製造するための製造過程である。その技術は石炭、残渣炭産物、石油残留物、廃棄物およびバイオマスに利用される。反応は、酸化気体（例えば、ＣＯ2やＨ2Ｏ）が加熱されて石炭（［Ｃ］還元剤）と反応し、その間に熱が吸熱反応である反応を推進するように用いられて一酸化炭素（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ2）が形成されるという事実に基づくものである。一酸化炭素（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ2）の気体混合物は、通常、合成ガスと呼ばれる。
慣用のガス化する方法は過熱蒸気の供給下において大いに副次的化学量論的方法で石炭を燃焼することである。その燃焼は熱および排出燃焼ガス（ＣＯ2およびＨ2Ｏ）を装置に供給する。燃えてはいないが過熱状態にある石炭は排ガスと反応しそして蒸気に供給される。石炭（Ｃ）は二酸化炭素を（ＣＯ2）一酸化炭素（ＣＯ）にそして蒸気（Ｈ2Ｏ）を水素ガス（Ｈ2）に還元する。使用された熱は温度を下げてその反応性が低減する。石炭のための反応性は、反応のための平衡が温度依存性である間、大いに温度に依存する。酸素ガスに基づく燃焼は現在のところ、空気ベースの燃焼が生じるにもかかわらず、ガス化に関連した燃焼のための有力な方法である。
石炭、残渣炭産物、石油残留物、廃棄物およびバイオマスの問題点は、均質な材料ではないということよりむしろ、異なった重量（タール）や複雑な化学成分（芳香族化合物）を有する成分が反応中に排出されることである。これらの成分は、容易に反応させることができないというよりむしろ、合成ガスが液体炭化水素またはその他の燃料に使用できるかまたはさらに浄化される前に続いて分離されなければならない。
異なった重量（タール）や複雑な化学成分（芳香族化合物）を有するこれらの成分は、ガス化反応の前に、熱分解石炭、残余石炭生成物、石油残留物、廃棄物およびバイオマスにより分離できる。このとき得られる、凝縮性生成物またはガスからなる熱分解生成物は、ガス化過程における燃料として用いることができる。上述のガス化において熱分解反応は過程の一部である。しかしながら、異なった重量（タール）や複雑な化学成分（芳香族化合物）を有する成分は、その過程で求められる合成ガスと同じ反応装置内に存在する。この結果、異なった重量（タール）や複雑な化学成分（芳香族化合物）を有する成分の処理は、凝縮や金属被覆などのような反応装置自体に生じる物理的問題なしに、いかにしてガス化過程を効果的にできるかについて制限する因子となる。
活性石炭の再活性化のための装置および方法は米国特許第４,００７,０１４号で既に知られている。この装置はレトルト反応装置とそこに活性化石炭が供給される内部反応装置とから構成され、それにより、供給され、活性化された石炭は、蒸気の形態の反応装置ガスが内部反応装置へと下降する活性化石炭と接触させられて再活性化される。反応装置ガスが内部反応装置に来ることができるように、反応装置にはその内部ジャケット面に開口が設けられる、すなわち、レトルト反応装置と内部反応装置との間でガスの交換が行われる。このことは本発明の基本的な動作原理の一つとはまったく正反対である。
合成ガスを生産するための方法および設備はスウェーデン国特許第５３２７１１号で既に知られており、それにより、反応装置の間接的な加熱は反応装置内にあるバーナを介して行われる。
本発明の主な目的は、前述した合成ガスの浄化および物理的制限現象を間接的加熱ガス化反応装置を用いて管理できる方法及び設備を示唆することである。
炭化のために加熱する間接的加熱ガス化方法中における石炭の同時炭化は、ガス化処理のための反応装置から得られる。この目的のために設計されそして分離した流れを有する加熱反応装置は、ガス化反応装置に用意される。石炭のための加熱反応装置はガス化反応装置内の輻射により間接的に加熱される。石炭は、そのときコークス化された石炭が底部で取り出される前にガス化反応装置を高温に加熱処理されるために、この内部加熱反応装置の頂部に供給される。ガスは反応装置を通って上方へ移動し、そして石炭は下方へ移動する。この向流移動は反応装置の組成物の温度および変動を均一にする。芳香族化合物のような重い組成物は反応装置の高温のおかげでより小さな微粒子に割ることができる。コークス化からの可燃性ガスは戻されて、バイオマスの熱分解が発した燃料ガスと混合される。燃料ガス量全体は感想、熱分解、コークス化およびガス化に必要な加熱のために用いられる。いくらかの余剰分が生じたとき、別のエネルギ需要などのために有効に使用できる。
本発明の目的および特徴は、後述の独立項の特徴を与えられた方法および設備によって実現される。本発明の好適な実施形態は従属項で明らかにされる。
本発明の好適な実施形態について添付の図面を参照して説明する。
図１は、本方法を実施するための設備を形成する多くのユニットを模式的に示す図である。設備のユニットを接続するラインやパイプなどは共に詳細には説明或いは説明されていない。ラインやパイプなどはそれらの機能を実現するように、すなわち、設備のユニット間でガスや固形物質を移送するように適切に形成される。
図１は、一般的にセラミック裏打ち反応装置である間接的加熱ガス化反応装置１を示す。反応装置は、ガス化できそして石炭粒子Ｃを２つの分離された流れＣ1およびＣ2でコークスにできるような手段に形成される。それ故、石炭をコークス化するための内部反応装置４はガス化反応装置１内に導入される。固体の石炭粒子は、一部は流れＣ2を介して内部反応装置４に供給されそして一部は噴射ノズル５を通るプロセスガスＰと共に流れＣ1を介してガス化反応装置１に供給される。石炭粒子Ｃはガス化に先行する熱分解によってもたらされる。流れＣ1における石炭粒子Ｃの寸法は、プロセスガスＰと共にガス化反応装置１内に流入するガス流によって十分に運ぶことができることが好ましい。内部反応装置４への石炭粒子は、通常、外方のガス化反応装置１におけるものより大きい。プロセスガスＰは燃焼段階からの蒸発または回収或いは浄化された排ガスＡであることができる。内部反応装置４のコークス化はこの流れにおける石炭の量を減少し、この流れにおいて、熱分解ガスと同様であるが非常に高温の反応温度により制御される組成物を有する可燃性ガスが形成される。前述の熱分解における温度より高い内部反応装置４における石炭のための３００℃から７００℃の温度に上昇することは個体の石炭組成物を１０から３５％減少することが予期される。
プロセスガスＰが排ガスＡに回収されるとき、水蒸気（Ｈ2Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ2）を含むことができる。プロセスガスＰは熱交換器２に出て行く合成ガスＳから取り出された熱で予熱される。ガス化反応装置１で実施される反応は、噴射ノズル５を介して噴射される流れＣ1がプロセスガスＰの在中物（Ｈ2ＯおよびＣＯ2）を合成ガス（Ｈ2およびＣＯ）に還元するときであり、それはバーナＢr １からＢr ｎによってこの過程に供給される熱を消費する。コークス化の反応は進行中のガス化過程を通してバーナＢr １からＢr ｎから熱を供給することにより内部反応装置４で並行して行われる。
ガス化反応装置１はバーナＢr １からＢr ｎ（ここにおいて、ｎはガス化反応装置１に必要なバーナの数を指す）により間接的に加熱される。内部反応装置４はバーナＢr １からＢr ｎにより同様な間接的手段で加熱される。熱はバーナＢr １からＢr ｎからの輻射によってガス化反応に供給され、そこにおいて燃焼は放熱管の内部、すなわち、ガス化の流れから分離されて実行される。ガスの非直接の熱交換はガス化反応装置１においてバーナＢr １からＢr ｎとプロセスガスＰまたはその反応生成物との間で実行される。内部反応装置４もまたガス化反応装置１で進行するガス化過程とのガスの熱交換はない。
バーナＢr １からＢr ｎは石炭を含む材料のより早期な熱分解過程から燃料Ｆを供給されるのが好ましい。空気、酸素で強化された空気または純粋酸素の形態の酸化剤Ｏが燃焼に供給される。熱交換器３は、流出する排ガスＡから熱を抜き出しそして流入する酸化剤Ｏを予熱する。排ガスＡは排煙浄化に進み、そこにおいて、処理のための排出に関する要求は、流入する石炭含有材料によって必要とされるサイクロン、触媒浄化、フィルタ（電気的または繊維製品の）およびスクラバを受ける。
石炭Ｃは早期の熱分解段階によってもたらされそして灰の残余物を含む。ガス化反応装置１の温度を灰の溶解温度以下（または以上）のいずれかに制御することにより、後続の高温サイクロンにより（或いはスラグのような流動形態で）取り除くことができるのが好ましい。
流出する合成ガスＳは燃焼のためのエネルギガスとして或いは液体燃料（典型的な車両用燃料のためのフィッシャートロプシュ、エタノール製造など）にさらに精製するためのベースとして使用できる。
ガス化反応装置１の圧力は大気圧からずっと高い圧力（１０ＭＰａ（100 bar）（ｇ））まで制御できる。
ガス化反応装置１および内部反応装置４の温度は合成ガスＳおよびコークスＰＣの最良の収率を達成するように制御される。典型的な値は７５０〜１３００℃の間内である。
プロセスガスＰおよび石炭Ｃの間接的加熱の互換的な実行は反応装置内の管システムに配列でき、そこにおいて、燃焼はこの反応装置で行われ、そしてこの場合、管システムはガス化反応装置１および内部反応装置４になる。この設計は他のものよりも加熱炉であると考えられ得るがより高い温度を用いられる。
ガス化反応装置１のためのジオメトリはガス化過程の反応時間の要求から制御され、その一部のために選定された温度に制御される。内部反応装置４のためのジオメトリはコークス化への石炭の質量流並びに反応装置１のために選定された温度でコークス化するための石炭の加熱および持続時間の要求から制御される。このジオメトリは管形状に回転対称であることができ、そこにおいて、非常に簡潔なガス化過程が加熱炉と同様なより大量の設計まで、次いで回転対称である必要なしに達成できる。反応装置の寸法は小規模から非常に大きな工業規模まで設計できる。
ガス化反応装置１からの合成ガスＳ（Ｈ2およびＣＯ）は流入するプロセスガスＰの組成に基づいて最大６０％の水素ガスと残りの一酸化炭素、二酸化炭素またはメタンを含む。
石炭のコークス化のための内部反応装置を有する間接的加熱のガス化反応装置の熱効率の度合いは非常に高く、そして、先行の熱分解過程および必要な乾燥を含めると、このような統合設備のために最大８０％の熱効率を達成できる。
Claims (10)
- 石炭粒子がガス化反応装置（１）に供給されそしてガス化中に供給されるプロセスガス（Ｐ）がそこにおいて合成ガス（Ｓ）に還元され、それにより合成ガス（Ｓ）がガス化反応装置（１）から取り除かれる、間接的加熱ガス化の間にコークス（ＰＣ）を産生するための方法であって、ガス化反応装置（１）内に配置された内部反応装置（４）においてガス化と石炭のコークス化とが同時に行われ、内部反応装置（４）は間接的に加熱され、コークス（ＰＣ）および可燃性ガスはコークス化中に内部反応装置（４）に産出され、そして可燃性ガスはガス化反応装置（１）のガス化において間接的加熱のために用いられる、方法。
- プロセスガス（Ｐ）は合成ガス（Ｓ）の熱交換により余熱される、請求項１に記載の方法。
- 内部反応装置（４）は間接的に加熱される、請求項１または２に記載の方法。
- コークス化中に石炭は利用される可燃性ガスを出す、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
- ガス化反応装置（１）および内部反応装置（４）の温度は７５０℃から１３００℃の間である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
- ガス化反応装置（１）の圧力は大気圧から１０ＭＰａ（100 bar）（ｇ）以上の圧力まで制御できる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
- ガス化反応装置（１）、ガス化反応装置（１）に配置された放射熱を生じるバーナ（Ｂr １〜Ｂr ｎ）、石炭粒子とプロセスガスをガス化反応装置（１）内に供給するための噴射ノズル（５）、コークス化中に石炭粒子が通るように形成される、ガス化反応装置（１）内に配置された内部反応装置（４）を含む、間接的に加熱されるガス化中にコークス（ＰＣ）を生産するための設備であって、コークス化中に産生された可燃性ガスを内部反応装置（４）からバーナ（Ｂr １〜Ｂr ｎ）へ導くための手段が設けられる、設備。
- 内部反応装置（４）はガス化反応装置（１）の外側に配置された石炭粒子の供給端を有し、そして内部反応装置（４）はガス化反応装置（１）の外側に配置されたコークス化石炭の排出端を有する、請求項７に記載の設備。
- プロセスガス（Ｐ）を加熱して合成ガス（Ｓ）を冷却するための第１の熱交換器（２）を含む、請求項７または８に記載の設備。
- バーナ（Ｂr １〜Ｂr ｎ）の燃焼からの排ガスから熱を取り出す第２の熱交換器（３）を含む、請求項９に記載の設備。
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