(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素原料を部分酸化してガス化ガスを生成するガス化炉本体のガス化領域内に設けられる伝熱面と、
該伝熱面内を循環する循環媒体の循環ラインに介装され、循環媒体を熱交換する熱交換器と、
前記循環媒体を循環する循環ポンプと、
ガス化炉本体のリダクタ出口の生成ガスの温度を計測する温度計と、
生成ガスの出口温度を所定の温度となるように、伝熱面に供給する循環媒体の温度、流量のいずれか一方又は両方を制御する制御手段とを有することを特徴とする炭化水素原料ガス化炉。
【請求項２】
炭化水素原料を部分酸化してガス化ガスを生成するガス化炉本体のガス化領域内に設けられる伝熱面と、
該伝熱面内を循環する循環媒体の循環ラインに介装され、循環媒体を熱交換する熱交換器と、
前記循環媒体を循環する循環ポンプと、
ガス化炉本体のリダクタ出口の生成ガスのガス組成を計測するガス組成分析計と、
生成ガスのガス組成を所定組成となるように、伝熱面に供給する循環媒体の温度、流量のいずれか一方又は両方を制御する制御手段とを有することを特徴とする炭化水素原料ガス化炉。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記伝熱面がパネル型伝熱面であり、ガス化炉本体の周壁内面に沿って複数設けてなることを特徴とする炭化水素原料ガス化炉。
【請求項４】
請求項１又は２において、
前記伝熱面がパネル型伝熱面であり、ガス化炉本体の空間内に所定間隔を持って複数設けてなることを特徴とする炭化水素原料ガス化炉。
【請求項５】
請求項１又は２において、
前記伝熱面がパネル型伝熱面であり、ガス化炉本体の空間内に所定間隔を持って放射状に複数設けてなることを特徴とする炭化水素原料ガス化炉。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
ガス化の通常運転条件に加え、さらに蒸気を投入することを特徴とする炭化水素原料ガス化炉。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
ガス化炉が、
ガス化炉本体内部下方に設けたコンバスタと、
該コンバスタの上方側に設けたリダクタとからなる２段噴流床ガス化炉であることを特徴とする炭化水素原料ガス化炉。
【請求項８】
請求項７において、
ガス化の通常運転条件に加え、リダクタ及びコンバスタのいずれか一方又は両方に蒸気を投入することを特徴とする炭化水素原料ガス化炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば炭化水素原料として例えば石炭をガス化する炭化水素原料ガス化炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体の炭化水素原料である石炭を石炭ガス化炉によって石炭ガス化ガスに変換し、ガスタービン複合発電に用いる石炭ガス化複合発電（Integrated coal Gasification Combined Cycle：ＩＧＣＣ）が知られている。
この石炭ガス化複合発電は、埋蔵量が豊富な石炭資源を利用している点、従来の微粉炭火力発電よりも熱効率が高く、二酸化炭素等の大気汚染物質の排出量が少ない点、石炭の灰がガラス質の溶融スラグとして排出され、体積が小さくなる点等の利点を有している。そのため、石炭ガス化複合発電は、今後の石炭火力発電の主力となる技術として開発が進められている。
【０００３】
石炭ガス化炉として提案される２段２室噴流床ガス化炉は、ガス化炉本体内に１段（下段）目に投入される石炭とガス化剤及びチャー（石炭ガス化ガス中の未反応炭素＋灰分を分離回収、リサイクルしたもの）により高温で操業されるコンバスタと、コンバスタからの高温ガスのエネルギにより２段（上段）目に投入された石炭をガス化するリダクタから構成される（特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２６７８７号公報
【特許文献２】特開２００９−１７９７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、石炭ガス化炉での反応は、ガス化炉に投入する石炭の量、ガス化剤（空気、酸素、水蒸気、ＣＯ2等）の量・割合により、ガス化炉の運転条件を適正に設定していた。
【０００６】
この結果、ガス化炉リダクタの温度は、対象ガス化炉においてガス化炉運転条件を設定したら、同条件で決まり、ガス化炉の出口温度の制御は出来なかった。
【０００７】
近年、石炭ガス化ガスの適用として、例えばメタノール（ＣＨ3ＯＨ）の液体燃料、メタン（ＣＨ4）等のガス燃料等の化学原料を得る化学用ガス化炉の開発が求められており、そのために、生成ガス中の組成（Ｈ2／ＣＯ比）を所望の値に制御することが出来るガス化炉の出現が切望されている。
【０００８】
本発明は、前記問題に鑑み、ガス化炉からの生成ガス中の組成を所望の値に制御することが出来る炭化水素原料ガス化炉を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、炭化水素原料を部分酸化してガス化ガスを生成するガス化炉本体のガス化領域内に設けられる伝熱面と、該伝熱面内を循環する循環媒体の循環ラインに介装され、循環媒体を熱交換する熱交換器と、前記循環媒体を循環する循環ポンプと、ガス化炉本体のリダクタ出口の生成ガスの温度を計測する温度計と、生成ガスの出口温度を所定の温度となるように、伝熱面に供給する循環媒体の温度、流量のいずれか一方又は両方を制御する制御手段とを有することを特徴とする炭化水素原料ガス化炉にある。
第２の発明は、炭化水素原料を部分酸化してガス化ガスを生成するガス化炉本体のガス化領域内に設けられる伝熱面と、該伝熱面内を循環する循環媒体の循環ラインに介装され、循環媒体を熱交換する熱交換器と、前記循環媒体を循環する循環ポンプと、ガス化炉本体のリダクタ出口の生成ガスのガス組成を計測するガス組成分析計と、生成ガスのガス組成を所定組成となるように、伝熱面に供給する循環媒体の温度、流量のいずれか一方又は両方を制御する制御手段とを有することを特徴とする炭化水素原料ガス化炉にある。
【００１０】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記伝熱面がパネル型伝熱面であり、ガス化炉本体の周壁内面に沿って複数設けてなることを特徴とする炭化水素原料ガス化炉にある。
【００１１】
第４の発明は、第１又は２の発明において、前記伝熱面がパネル型伝熱面であり、ガス化炉本体の空間内に所定間隔を持って複数設けてなることを特徴とする炭化水素原料ガス化炉にある。
【００１２】
第５の発明は、第１又は２の発明において、前記伝熱面がパネル型伝熱面であり、ガス化炉本体の空間内に所定間隔を持って放射状に複数設けてなることを特徴とする炭化水素原料ガス化炉にある。
【００１３】
第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、ガス化の通常運転条件に加え、さらに蒸気を投入することを特徴とする炭化水素原料ガス化炉にある。
【００１４】
第７の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、ガス化炉が、ガス化炉本体内部下方に設けたコンバスタと、該コンバスタの上方側に設けたリダクタとからなる２段噴流床ガス化炉であることを特徴とする炭化水素原料ガス化炉にある。
【００１５】
第８の発明は、第７の発明において、ガス化の通常運転条件に加え、リダクタ及びコンバスタのいずれか一方又は両方に蒸気を投入することを特徴とする炭化水素原料ガス化炉にある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ガス化炉本体のリダクタに伝熱面を設け、該伝熱面に供給する循環媒体の流体温度・流量を可変とすることにより、ガス化炉本体のリダクタでの生成ガスからの吸熱量を制御し、その結果、ガス化炉本体リダクタ出口での生成ガス温度を調整することが出来る。生成ガスの温度の制御により、生成ガス中の組成（Ｈ2／ＣＯ比）を制御することができ、これによりメタノール合成、メタン（ＣＨ4）リッチな代替天然ガス（ＳＮＧ燃料）に要求されるＨ2／ＣＯ比２又は３に近いガスを供給することが可能となり、各種化学原料を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施例１に係る炭化水素原料ガス化炉の概略図である。
【図２】図２は、生成ガスの温度と、生成ガス中の組成（Ｈ2／ＣＯ比）との関係を示す図である。
【図３】図３は、本実施例の炭化水素原料ガス化炉を用いた設備の一例を示す図である。
【図４−１】図４−１は、実施例２に係る炭化水素原料ガス化炉の概略図である。
【図４−２】図４−２はガス化炉の平面概略図である。
【図４−３】図４−３はガス化炉の平面概略図である。
【図５】図５は、実施例３に係る炭化水素原料ガス化炉の概略図である。
【図６】図６は、実施例４に係る炭化水素原料ガス化炉の概略図である。
【図７】図７は、実施例５に係る炭化水素原料ガス化炉の概略図である。
【図８−１】図８−１は蒸気投入（蒸気２５％添加）による、生成ガスの温度と、生成ガス中の組成（Ｈ2／ＣＯ比）との関係を示す図である。
【図８−２】図８−２は蒸気投入（蒸気７０％添加）による、生成ガスの温度と、生成ガス中の組成（Ｈ2／ＣＯ比）との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定出来るもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００２１】
本発明による実施例に係る炭化水素原料ガス化炉について、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係る炭化水素原料ガス化炉の概略図である。
図１に示すように、本実施例に係る炭化水素原料ガス化炉（以下「ガス化炉」という）１０Ａは、炭化水素原料である石炭１１を部分酸化して生成ガス１２を生成する圧力容器からなるガス化炉本体１３のガス化領域内に設けられる伝熱面１５と、該伝熱面１５内を循環する循環媒体１６の循環ライン１７に介装され、循環媒体１６を熱交換する熱交換器１８と、前記循環媒体１６を循環する循環ポンプ１９とを有する。
【００２２】
ここで、本実施例に係るガス化炉１０Ａは、ガス化炉本体１３内下方に設けたコンバスタ２１と、該コンバスタ２１の上方側に設けたリダクタ２２とからなる２段噴流床ガス化炉としている。
そして、コンバスタ２１内には、燃料供給流路２３Ａを通って石炭（微粉炭）１１が、ガス化剤供給流路を通ってガス化剤（空気）２４が図示しないバーナを介して投入され、主に石炭１１の部分燃焼により高温燃焼ガスが発生される。なお、生成ガス１２中に含まれる回収されたチャー２８は、サイクロン、フィルタ等により分離され、燃料供給通路２３Ｃによりコンバスタ２１内に供給されている。
また、コンバスタ内高温ガス中で生成分離される溶融スラグ２５が炉壁へ付着、又は炉底へ落下し、スラグタップ２６から下方へ排出される。
さらに、スラグタップ２６の下方には排出された溶融スラグ２５を冷却する冷却水２７が底部に溜められている。
また、リダクタ２２内にも、燃料供給通路２３Ｂを通って石炭（微粉炭）１１が図示しないバーナを介して投入され、このリダクタ２２内において、コンバスタ２１で発生した高温燃焼ガスと混合して、高温の還元雰囲気場においてガス化反応が行われて、生成ガス１２を得ている。
【００２３】
本実施例では、ガス化炉本体１３のリダクタ２２の壁面に沿って伝熱面１５を複数設けている。
【００２４】
この伝熱面１５は、本実施例ではガス化炉の周壁管の内面に沿ったパネル型伝熱面を用いており、伝熱面１５には循環媒体１６である水を循環する循環ポンプ１９と、熱交換器１８とを循環ライン１７に介装している。
そして、伝熱面１５に供給する循環媒体１６の流体温度及び循環流量を図示しない制御装置で制御することにより、ガス化炉リダクタ２２での生成ガス１２からの吸熱量を制御するようにしている。
本実施例ではパネル型伝熱面を用いているが、生成ガス１２と循環媒体１６とを熱交換することが出来るものであればパネル型に限定されるものではない。
【００２５】
生成ガス１２のリダクタ２２出口温度を制御するには、リダクタ１２出口の生成ガス１２の温度を図示しない温度計により計測して制御する方法と、リダクタ２２出口の生成ガス１２のガス組成を計測するガス組成分析計により計測して制御する方法のいずれを用いるようにしてもよい。
【００２６】
そして、リダクタ２２での生成ガス１２からの吸熱量を制御することにより、ガス化炉本体１３のリダクタ２２出口における生成ガス１２の反応ガス温度を調整するようにしている。
この温度調整の結果、生成ガス１２中の組成（Ｈ2／ＣＯ比）を制御することが出来ることとなる。
【００２７】
ここで、ガス化ガスにおける主反応は下記に示す反応式（１）のように進行するが、この反応は発熱反応(ΔＨ2  ９８＝−９．８ｋｃａｌ／ｍｏｌ）であるので、反応温度を制御して温度を低下することにより、下記式（１）の反応が右側に進行する。
このとき反応の進行により発熱するため、同反応発熱量を吸熱制御する事により、効率的に、生成ガス１２中の組成（Ｈ2／ＣＯ比）をＨ2リッチとなるように、制御することが出来る。
【００２８】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2  ・・・（１）
【００２９】
図２は、生成ガスの温度と、生成ガス中の組成（Ｈ2／ＣＯ比）との関係を示す図である。図２に示すように、反応温度が１，０００℃を低下するあたりから、Ｈ2／ＣＯ比が上昇して、メタノール合成反応（ＣＯ＋２Ｈ2→ＣＨ3ＯＨ）に必要な生成ガス組成（Ｈ2／ＣＯ比＝２．０）に近づいていくことが確認された。
なお、メタネーション反応（ＣＯ＋３Ｈ2→ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ）に必要な生成ガス組成は、Ｈ2／ＣＯ比＝３．０である。
【００３０】
よって、生成ガスをガス化炉で発生する生成ガスのガス組成をメタノール合成、メタネーションに必要な水素リッチの状態に制御することで、ガス化炉の後流側に別途設置し、ＣＯシフト触媒を有するＣＯシフト反応器のコンパクト化を図ることが出来る。
【００３１】
このように、ガス化炉内部において、生成ガス１２中の組成（Ｈ2／ＣＯ比）を制御することにより、メタノール合成、メタン（ＣＨ4）リッチな代替天然ガス（ＳＮＧ燃料）に要求されるＨ2／ＣＯ比２、３に近いガスを供給することが可能となる。
【００３２】
ここで、メタノール合成の化学反応式を下記（２）及び（３）に示す。
ＣＯ＋２Ｈ2→ＣＨ3ＯＨ・・・（２）
ＣＯ2＋３Ｈ2→ＣＨ3ＯＨ・・・（３）
【００３３】
これにより、メタノール合成に必要なＨ2は（２ＣＯ＋３ＣＯ2）となる。
ただし、炭化水素原料として石炭を用いる場合は、ＣがＨ2に対し多いため、式（２）反応での合成を主反応とし、メタノール合成装置の入口前にシフト触媒を有するＣＯシフト反応器及びＣＯシフト反応で発生したＣＯ2を除去する脱ＣＯ2装置を設置して、メタノール合成に適したガス組成（Ｈ2／ＣＯ比＝２．０）となるように調整している。
【００３４】
本実施例では、伝熱面１５に供給する流体温度・流量を可変することにより、ガス化炉本体１３のリダクタ２２での生成ガス１２の吸熱量を制御するようにしている。
リダクタ２２での生成ガス１２からの吸熱量を制御することにより、ガス化炉本体１３のリダクタ１２出口での生成ガス温度を調整し、生成ガス１２中のガス組成（Ｈ2／ＣＯ比）を所望の比率となるように制御することが出来る。
【００３５】
図３は、本実施例の炭化水素原料ガス化炉を用いた設備の一例を示す。
ガス化炉からの生成ガス１２は、必要に応じて設けたガス精製手段３０を経た後、ＣＯシフト反応器３１及び脱炭酸装置（図示せず）を経て、メタノール合成に必要なガス組成（Ｈ2／ＣＯ比＝２．０）として、メタノール合成装置３３に供給され、液体燃料（メタノール）３４を得ている。
また、同様にＣＯシフト反応器３１でメタネーションに必要なガス組成（Ｈ2／ＣＯ比＝３．０）として、メタン合成装置３５に供給され、ガス燃料（合成天然ガス（ＳＮＧ）３６を得ている。
さらには、精製した生成ガス１２をガスタービン燃焼器４１に供給し、ガスタービン４２を駆動して発電機４３より電気４４を発電するようにしている。
【００３６】
得られたメタノールやメタンは燃料に利用する他、化学原料の出発原料として利用することが出来る。また液体燃料３４は、ガス化炉の補助燃料や起動時の燃料として用いてもよい。
【００３７】
本実施例では、コンバスタとその上方側に設けたリダクタとからなる２段噴流床ガス化炉を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、１段噴流床ガス化炉等に適用出来る。
【００３８】
また、炭化水素原料として、例えば石炭（瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭（低品位炭））、バイオマス、石油コークス等の様々な炭素原料を用いることが出来る。
【実施例２】
【００３９】
本発明による実施例に係る炭化水素原料ガス化炉について、図面を参照して説明する。図４−１は、実施例２に係る炭化水素原料ガス化炉の概略図である。
図４−１に示すように、本実施例に係る炭化水素原料ガス化炉１０Ｂは、実施例１のように周壁に沿って設けずに、図示しない吊り下げ部材により、伝熱面１５を吊り下げるようにしている。
【００４０】
図４−２及び図４−３はガス化炉の平面概略図である。
図４−２においては、ガス化炉本体１３内に、複数の吊り下げ式の伝熱面１５を所定間隔をもって配置している。
図４−３においては、ガス化炉本体１３内に、複数の吊り下げ式の伝熱面１５を放射状に配置している。
【００４１】
実施例１の周壁に沿って設ける場合に比べ、ガス化炉断面温度をより均一化することが可能となる。
【００４２】
さらに、周壁に沿って設置よりも伝熱面を多くすることが可能となり、その結果、吸熱量を制御しやすく、その結果ガス化炉出口反応ガス温度を制御しやすいものとなる。
なお、複数の吊り下げ式の伝熱面１５の配置は本実施例に限定されるものではない。
【実施例３】
【００４３】
本発明による実施例に係る炭化水素原料ガス化炉について、図面を参照して説明する。図５は、実施例３に係る炭化水素原料ガス化炉の概略図である。
図５に示すように、本実施例に係る炭化水素原料ガス化炉１０Ｃは、実施例１のガス化炉において、さらにリダクタ２２内に蒸気５０を蒸気供給通路５１Ｂを介して供給している。
【００４４】
実施例１のガス化炉における通常運転条件（石炭の量、ガス化剤（空気、酸素、水蒸気、ＣＯ2等））に加え、蒸気５０を投入することで、生成ガス１２中のガス組成Ｈ2／ＣＯ比を大きくすることが出来る。
【００４５】
蒸気５０の投入はリダクタ部への蒸気単独投入、もしくは石炭ノズルへ混合投入するようにすればよい。なお、単独投入と混合投入の併用投入とするようにしてもよい。
【００４６】
図８−１及び図８−２は蒸気投入量の相違による、生成ガスの温度と、生成ガス中の組成（Ｈ2／ＣＯ比）との関係を示す図である。図８−１では、蒸気を生成ガスの２５％を供給しており、図８−２では蒸気を生成ガスの７０％を投入している。
このように、投入蒸気５０の量を増大することで、Ｈ2／ＣＯ比の上昇度合いが高温側でも、メタノール合成に必要な生成ガス組成（Ｈ2／ＣＯ比＝２．０）、メタネーションに必要な生成ガス組成（Ｈ2／ＣＯ比＝３．０）に近づいていくことが確認された。
【実施例４】
【００４７】
本発明による実施例に係る炭化水素原料ガス化炉について、図面を参照して説明する。図６は、炭化水素原料ガス化炉の概略図である。
図６に示すように、本実施例に係る炭化水素原料ガス化炉１０Ｄは、実施例１のガス化炉において、さらにコンバスタ２１内に蒸気５０を蒸気供給通路５１Ａを介して供給している。
実施例３ではリダクタ２２内に蒸気を投入していたが、本実施例ではコンバスタ２１へ蒸気５０を投入することにより、より高温（活性の高い）蒸気としてガス化炉に投入することが出来る。この結果、実施例３よりもさらに生成ガス１２のガス組成Ｈ2／ＣＯ比を大きくする事が出来る。
【実施例５】
【００４８】
本発明による実施例に係る炭化水素原料ガス化炉について、図面を参照して説明する。図７は、炭化水素原料ガス化炉の概略図である。
図７に示すように、本実施例に係る炭化水素原料ガス化炉１０Ｅは、実施例３及び実施例４を組みあせて、コンバスタ２１内とリダクタ２２内とに蒸気５０を蒸気供給通路５１Ａ、５１Ｂを介して供給している。
【００４９】
本実施例では、ガス化炉としての運用範囲が広く取れ、生成ガス１２のガス組成Ｈ2／ＣＯ比を大きくする事が出来る。
【００５０】
以上、実施例と共に説明したように、本発明では、ガス化炉本体１３のリダクタ２２に伝熱面１５を設け、該伝熱面１５に供給する循環媒体１６の流体温度・流量を可変とすることにより、ガス化炉本体１３のリダクタ２２での生成ガス１２からの吸熱量を制御し、その結果、ガス化炉本体１３のリダクタ２２出口での生成ガス１２温度を調整することが出来る。
また、生成ガス１２の温度の制御により、生成ガス１２中の組成（Ｈ2／ＣＯ比）を制御することができ、これによりメタノール合成、メタネーション反応によるメタン（ＣＨ4）リッチな代替天然ガス（ＳＮＧ燃料）に要求されるＨ2／ＣＯ比２、３に近いガスを供給することが可能となり、各種化学原料を提供することが出来る。
【符号の説明】
【００５１】
１０Ａ〜１０Ｅ  炭化水素原料ガス化炉（ガス化炉）
１１  石炭
１２  生成ガス
１５  伝熱面
１６  循環媒体
１７  循環ライン
１８  熱交換器
１９  循環ポンプ
【図１】
0005583062.tif 000002
【図２】
0005583062.tif 000003
【図３】
0005583062.tif 000004
【図４−１】
0005583062.tif 000005
【図４−２】
0005583062.tif 000006
【図４−３】
0005583062.tif 000007
【図５】
0005583062.tif 000008
【図６】
0005583062.tif 000009
【図７】
0005583062.tif 000010
【図８−１】
0005583062.tif 000011
【図８−２】
0005583062.tif 000012