(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動媒体を流動層化すると共に、投入されたガス化原料を流動媒体が有する熱でガス化させてガス化ガスを生成するガス化炉と、
前記ガス化炉から導出された流動媒体を加熱する燃焼炉と、
流動媒体を貯留し、前記燃焼炉に導出するバッファ部と、
前記燃焼炉で加熱された流動媒体を前記ガス化炉と前記バッファ部とに振り分ける流量調整部と、
を備え、
前記バッファ部に、貯留している流動媒体を外部に取り出す取出孔が設けられている循環流動層式ガス化炉。
【請求項２】
前記バッファ部に、外部から流動媒体を導入する導入孔が設けられている請求項１に記載の循環流動層式ガス化炉。
【請求項３】
少なくとも前記バッファ部と前記流量調整部との接続部に、前記バッファ部から前記流量調整部への気体の逆流を防止するシール部が設けられている請求項１に記載の循環流動層式ガス化炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動媒体を循環させてガス化原料をガス化する循環流動層式ガス化炉および循環流動層式ガス化炉における流動媒体の流量制御方法に関する。
本願は、２０１１年６月２２日に日本に出願された特願２０１１−１３８４９６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油に代えて、石炭やバイオマス、タイヤチップ等の有機固体原料をガス化してガス化ガスを生成する技術が開発されている。このようにして生成されたガス化ガスは、石炭ガス化複合発電（IGCC‥Integrated coal Gasification Combined Cycle）といった効率的な発電システムや、水素の製造、合成燃料（合成石油）の製造、化学肥料（尿素）等の化学製品の製造等に利用されている。ガス化ガスの原料となる有機固体原料のうち、特に石炭は、可採年数が１５０年程度と、石油の可採年数の３倍以上であり、また、石油と比較して埋蔵地が偏在していないため、長期に亘り安定供給が可能な天然資源として期待されている。【０００３】
従来、石炭のガス化プロセスは、酸素や空気を用いて部分酸化することにより行われていたが、１８００℃程度の高温、３MPa程度の高圧となるため、特別な耐熱、耐圧材料を要し、ガス化炉のコストが高くなるといった欠点を有していた。この間題を解決するために、水蒸気を利用し、７００℃〜９００℃程度の低温かつ常圧で石炭をガス化する技術が開発されている。 この技術には、温度および圧力を低く設定することで、耐圧構造が不要な点や、既存の市販品が利用可能になるといったメリットがある。【０００４】
ただし、上述した有機固体原料の水蒸気ガス化反応には、比較的長い反応時間を要する。そのため、ガス化炉本体は、有機固体原料が十分に反応する滞留時間が確保される大きさに設計されている。このようなガス化プロセスの下、実用面においてガス化炉でのガス化効率（炭素転換率）の調整を要する場合が生じる。しかしながら、ガス化炉本体の体積を変えることにより有機固体原料の滞留時間を変化させるのは現実的ではない。したがって、一硬に、ガス化における炭素転換率を調整する一つの手法として、ガス化炉本体内における流動媒体の循環量を調整し有機固体原料の滞留時間を変化させる手法が考えられる。【０００５】
例えば、ガス化炉本体から、流動媒体を取り出したり、付加したりすることで単純に流動媒体の循環量を調整できる。また、循環流動層ボイラ装置において、流量制御装置が、ガス化炉本体から導出する流動媒体の導出量を調整する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。さらに、循環流動層炉において、流動層を収容する室内の圧力を制御することで流動層の層高を調整し、流動媒体の循環量を制御する技術も知られている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】日本国特開２００５−２７４０１５号公報
【特許文献２】国際特許出願公開公報Ｎｏ．ＷＯ２００８／１０７９２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の技術では、流量制御装置の導出部位において流動媒体の流路を絞っているので、水蒸気を伴う流動媒体が閉塞する可能性がある。また、特許文献２の技術は、その構成が大掛かりであり、製造コストおよび運用コストが増大するばかりか、コストの割に流動媒体の循環量の調整範囲を大きくできない。また、ガス化炉内が正圧の場合、ガス化ガスが外部に漏洩する可能性がある。【０００８】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、ガス化炉本体の安全性を確保しつつ、簡易な構成で高精度な流量制御を実現することが可能な、循環流動層式ガス化炉および流動媒体の流量制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る循環流動層式ガス化炉は、流動媒体を流動層化すると共に、投入されたガス化原料を流動媒体が有する熱でガス化させてガス化ガスを生成するガス化炉と、ガス化炉から導出された流動媒体を加熱する燃焼炉と、流動媒体を貯留し、燃焼炉に導出するバッファ部と、燃焼炉で加熱された流動媒体をガス化炉とバッファ部とに振り分ける流量調整部と、を備える。【００１０】
バッファ部には、貯留している流動媒体を外部に取り出す取出孔が設けられてもよい。また、バッファ部には、外部から流動媒体を導入する導入孔が設けられてもよい。【００１１】
また、少なくとも前記バッファ部と前記流量調整部との接続部に、前記バッファ部から前記流量調整部への気体の逆流を防止するシール部が設けられてもよい。【００１２】
また、本発明は、流動媒体を流動層化すると共に、投入されたガス化原料を流動媒体が有する熱でガス化させてガス化ガスを生成するガス化炉と、ガス化炉から導出された流動媒体を加熱する燃焼炉と、流動媒体を貯留し、燃焼炉に導出するバッファ部と、加熱された流動媒体の流量を測定する流量測定部と、燃焼炉で加熱された流動媒体をガス化炉とバッファ部とに振り分ける流量調整部とを備える循環流動層式ガス化炉において、流動媒体の流量を制御する方法に関する。上記課題を解決するために、本発明に係る流動媒体の流量制御方法では、ガス化ガスの目的生成量に応じてガス化炉における流動媒体の流量を決定し、燃焼炉で加熱された流動媒体の流量を測定し、加熱された流動媒体の流量から、決定されたガス化炉における流動媒体の流量を減算して差分流量を導出し、差分流量が正の値であれば、流量調整部からバッファ部に差分流量の流動媒体を振り分け、差分流量が負の倍であれば、差分流量の流動媒体を燃焼炉に導出する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガス化炉本体の安全性を確保しつつ、簡易な構成で高精度な流動媒体の流量制御を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】循環流動層式ガス化炉の具体的な構成を説明するための図である。
【図２】バッファ部の構成を示す図である。
【図３】流動媒体の流量制御方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
（循環流動層式ガス化炉１００）
図１は、循環流動層式ガス化炉１００の具体的な構成を説明するための図である。
ここでは、砂を水平方向に流動させる循環流動層式ガス化炉１００を例に挙げて説明するが、砂が自重で鉛直下方向に流下することで移動層を形成する循環移動層方式のガス化炉を用いることもできる。
【００１７】
循環流動層式ガス化炉１００では、全体として、粒径が３００μm程度の硅砂砂（珪砂）等の砂で構成される流動媒体を熱媒体として循環させている。具体的には、まず、流動媒体は、燃焼炉１０２で１０００℃程度に加熱され、燃焼排ガスと共に媒体分離器１０４に導入される。媒体分離器１０４においては、高温の流動媒体と燃焼排ガスとが分離され、分離された高温の流動媒体が流量調整部１０６およびシール都１０８（１０８ａ、１０８ｂ）を通じてガス化炉１１０やバッファ部１１２に導出される。一方、媒体分離器１０４で分離された燃焼排ガスは、不図示のボイラ等で熱回収される。ガス化炉１１０に導入された流動媒体は、水蒸気貯留部１１４から導入されるガス化剤（ここでは水蒸気）によって流動し、燃焼炉１０２に戻される。また、バッファ部１１２に導入された流動媒体は、窒素貯留部１１６から導入される流動化ガス（ここでは窒素）によって流動し、ガス化炉１１０同様、燃焼炉１０２に戻される。以下に、循環流動層式ガス化炉１００を構成する各装置について具体的に説明する。
【００１８】
（ガス化炉１１０）
ガス化炉１１０の下方には水蒸気貯留部１１４が設けられており、水蒸気供給源（図示せず）から供給された水蒸気が、水蒸気貯留部１１４に一時的に貯留され、この水蒸気貯留部１１４に貯留された水蒸気が、ガス化炉１１０の底面からガス化炉１１０内に導入されている。 このように、流量調整部１０６から導入された高温の流動媒体に水蒸気を導入することにより、ガス化炉１１０内において流動層が形成される。
【００１９】
また、ガス化炉１１０には、上記の流動層に、褐炭等の石炭、石油コークス（ベトロコークス） 、バイオマス、タイヤチップ等の有機固体原料を含むガス化原料を投入するためのガス化原料投入部１１０ａが設けられている。このガス化原料投入部１１０ａから投入されたガス化原料は、水蒸気によって流動層化した流動媒体が有する７００℃〜９００℃程度の熱によってガス化し、これによってガス化ガスが生成される。仮にガス化原料が石炭である場合、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを主成分とするガス化ガスが生成される。
【００２０】
このようにして生成されたガス化ガスは、ガス化炉１１０に設けられたガス化ガス導出部１１０ｂから導出された後、不図示の回収装置によって回収される。また、ガス化炉１１０は、シール部１０８ｄを介して燃焼炉１０２に連通している。このシール部１０８ｄは、流量調整部１０６が接続される側壁と対向する側壁に接続されている。したがって、流量調整部１０６から導入された流動媒体は、ガス化炉１１０内においてシール部１０８ｄに向かって流動した後に、シール部１０８ｄを介して燃焼炉１０２へと導出される。
【００２１】
本実施形態においては、水蒸気によりガス化原料をガス化しているので、ガス化炉１１０におけるガス化原料の滞留時間によってガス化効率（炭素転換率）が決まる。したがって、ガス化効率を調整するためには、ガス化炉１１０における流動媒体の流量を調整するのが効果的である。例えば、流動媒体の流量を多くすると流動層の流速が増しガス化効率が下がる。これに対して流動媒体の流量を少なくすると流動層の流速が減りガス化効率が高まる。ただし、流量に応じて水蒸気の量を調整することで、層高は維持される。
【００２２】
しかし、ガス化炉１１０の流入口１１０ｃや、ガス化炉１１０の導出口１１０ｄにおいて流路の開口度により流量を調整するのは流動媒体の閉塞を招く可能性があることや、可動部の高温耐久性の問題から現実的ではない。本実施形態においては、流量調整部１０６およびバッファ部１１２を設け、循環流動層ガス化炉１００を循環する流動媒体をガス化炉１１０に対しバイパスすることで、ガス化炉１１０における流動媒体の流量、（インベントリー量）を調整する。
【００２３】
（流量調整部１０６）
流量調整部１０６は、燃焼炉１０２で加熱され、さらに媒体分離器１０４によって分離された流動媒体をガス化炉１１０とバッファ部１１２とに振り分け（例えばガス化炉１１０に８０％、バッファ部に２０％）、それぞれに導出する。ただし、流動媒体を一方にのみ振り分けることもできる。具体的に、流量調整部１０６は、ガス化ガスの目的生成量に応じてガス化炉１１０における流動媒体の流量を決定し、媒体分離器１０４において分離された流動媒体の流量を流量測定部１１８あるいは燃焼炉１０２の圧力分布に基づき測定させ、媒体分離器１０４において分離された流動媒体の流量から、決定されたガス化炉１１０における流動媒体の流量を減算して差分流量を導出する。
【００２４】
そして、流量調整部１０６は、差分流量が正の値であれば、すなわち、ガス化炉１１０における流動媒体の所望する流量より媒体分離器１０４において分離された流動媒体の流量が多い場合、流量調整部１０６からバッファ部１１２に差分流量の流動媒体を振り分ける（差分流量をバッファ部１１２に、残りをガス化炉１１０に導出する）と共に、バッファ部１１２から燃焼炉１０２への流動媒体の導出を停止する状態を維持する。
一方、差分流量が負の値であれば、すなわち、媒体分離器１０４において分離された流動媒体の流量がガス化炉１１０における流動媒体の所望する流量に満たない場合、流量調整部１０６は、媒体分離器１０４において分離された流動媒体の全量をガス化炉１１０に導く（バッファ部１１２への流動媒体の振り分けを停止する）と共に、バッファ部１１２から燃焼炉１０２にシール部１０８cを介して差分流量の流動妓体を導出する。
また、差分流量が０または０とみなせる許容範囲であった場合、流量調整部１０６は、媒体分離器１０４において分離された流動媒体の全量をガス化炉１１０に導くと共に、バッファ部１１２から燃焼炉１０２への流動媒体の導出を停止する状態を維持する。
このような、流動媒体に関する、バッファ部１１２への振り分けとバッファ部１１２からの導出は排他的に実行してもよいし、並行して実行してもよい。
【００２５】
このとき、循環流動層式ガス化炉１００全体における流動媒体の流量（燃焼炉１０２および媒体分離器１０４）および総量は変化していないが、ガス化炉１１０では、流動媒体の総量こそ維持しているものの、導入される流動媒体の流量は変化する。このような構成は、ガス化炉１１０における流量の変化分を、バッファ部１１２が担保することで可能となる。つまり、循環流動層式ガス化炉１００全体における流動媒体の流量をガス化炉１１０とバッファ部１１２とで按分している。
【００２６】
（バッファ部１１２）
図２は、バッファ部１１２の構成を示した図である。バッファ部１１２の下方には窒素貯留部１１６が設けられており、窒素供給源（図示せず）から供給された窒素が、窒素貯留部１１６に一時的に貯留され、この窒素貯留部１１６に貯留された窒素が、バッファ部１１２の底面からバッファ部１１２内に導入される。本実施形態では、流動媒体を流動化する流動化ガスとして窒素を用いているが、空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素等を用いることもできる。このように、流量調整部１０６から導入された高温の流動媒体に窒素を導入することにより、バッファ部１１２内においても、ガス化炉１１０同様、流動層が形成される。バッファ部１１２は、流量調整部１０６によって振り分けられた流動媒体を一時的に貯留し、また、流量調整部１０６の制御指令に応じて貯留した流動媒体を燃焼炉１０２に導出する。
【００２７】
かかる構成により、差分流量が正の値であれば、その差分流量をバッファ部１１２で吸収することができ、また、差分流量が負の値であれば、貯留していた流動媒体を燃焼炉１０２および媒体分離器１０４の系に流動媒体を付加できる。
【００２８】
また、バッファ部１１２には、貯留している流動媒体を外部に取り出す取出孔１１２ａが設けられている。流動媒体には、ガス化原料のうちガス化炉１１０および燃焼炉１０２において反応しなかった灰等の残渣等が含まれるため、定期的に流動媒体を取り出す作業が必要となる。本実施形態では、ガス化ガスを生成しているガス化炉１１０から直接ではなく、流動媒体の流量調整を目的とするバッファ部１１２から、そのような残渣が含まれる流動媒体を間接的に取り出すことで、ガス化炉１１０および燃焼炉１０２への負担を削減することが可能となる。また、ガス化プロセスに影響を及ぼさないので、ガス化ガスを生成している最中に、流動媒体を取り出すこともできる。
【００２９】
一方、メンテナンス等において流動媒体を抜き出した場合、新たに流動媒体を導入する必要が生じる。本実施形態では、バッファ部１１２が、外部から新規の流動媒体を導入する導入孔１１２bが設けられている。したがって、ガス化炉１１０または燃焼炉１０２に直接ではなく、流動媒体の流量調整を目的とするバッファ部１１２に流動媒体を間接的に導入することで、取出孔１１２aによる作用と同様、ガス化炉１１０および燃焼炉１０２への負担を削減することが可能となる。
【００３０】
このような流量調整部１０６によって、燃焼炉１０２および媒体分離器１０４における流動媒体の流量に拘わらず、ガス化炉１１０における流動媒体の流量を所望の流量に調整することができ、安定してガス化ガスを生成することが可能となる。
【００３１】
（シール部１０８）
しかし、単に、流量調整部１０６によってバッファ部１１２における流動媒体の流量を適切に制御すると、バッファ部１１２に振り分けられた流動媒体の流量が少ない場合に、バッファ部１１２の流入口１１２ｃの鉛直位置より流動層上面が低くなり、バッファ部１１２内の窒素等の気体が逆流する可能性が生じる。そこで、本実施形態では、図２に示すように、流量調整部１０６とバッファ部１１２との間の配管にシール部１０８ａを設けている。
【００３２】
シール部１０８ａは、管がＪの字状に形成されたＪバルブ型管で構成される。シール部１０８ａでは、その流路の一部１２０の鉛直最上面が、流路の他の一部１２２の鉛直最下面より低くなっているので、流動媒体が、その一部１２０を含む凹部１２４に常に滞留する。したがって、その流動媒体によって空間が分断されるためバッファ部１１２内の気体が流量調整部１０６に逆流するのを回避することができる。こうすることでバッファ部１１２内の圧力を調整しなくても済み、正圧による流動化ガスの漏出を防止することが可能となる。
【００３３】
このようなシール部１０８は、流量調整部１０６とガス化炉１１０との間（シール部１０８ｂ）、バッファ部１１２と燃焼炉１０２との間（シール部１０８ｃ）、ガス化炉１１０と燃焼炉１０２との間（シール部１０８ｄ）にも設けられている。その結果、これらの部位においても、シール部１０８ａ同様、後段の炉からの気体の逆流を防止することができる。
【００３４】
（流量制御方法）
続いて、上述した循環流動層式ガス化炉１００を利用して流動媒体の流量を制御する流量制御方法を説明する。
【００３５】
図３は、流量制御方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。まず、循環流動層式ガス化炉１００では、ガス化ガスの目的生成量に応じてガス化炉１１０における流動媒体の流量が決定され（Ｓ２００）、流量測定部１１８が、媒体分離器１０４の後段（流量調整部１０６側）において、燃焼炉１０２で加熱された流動媒体の流量を測定する（Ｓ２０２）。
【００３６】
加熱された流動媒体の流量から、決定されたガス化炉１１０における流動媒体の流量が減算され、差分流量が導出されると（Ｓ２０４）、その差分流量が０または０とみなせる許容範囲であるか否か判定され（Ｓ２０６）、差分流量が０とみなせる許容範囲であった場合（Ｓ２０６におけるＹＥＳ）、流量調整部１０６は、媒体分離器１０４において分離された流動媒体の全量をガス化炉１１０に導くと共に、バッファ部１１２から燃焼炉１０２への流動媒体の導出を停止する状態を維持する（Ｓ２０８）。
差分分量が０とみなせる範囲でなかった場合（Ｓ２０６におけるＮＯ）、その差分流量が正の値であるか否か判定され（Ｓ２１０）、差分流量が正の値であれば（Ｓ２１０におけるＹＥＳ）、流量調整部１０６が、流量調整部１０６からバッファ部１１２に差分流量の流動媒体を振り分けると共に、バッファ部１１２から燃焼炉１０２への流動媒体の導出を停止する状態を維持し（Ｓ２１２）、差分流量が負の値であれば（Ｓ２１０にけるＮＯ）、流量調整部１０６は、媒体分離器１０４において分離された流動媒体の全量をガス化炉１１０に導くと共に、バッファ部１１２が、差分流量の流動媒体を燃焼炉１０２に導出する（Ｓ２１４）。
【００３７】
上述した流量制御方法によっても、ガス化炉１１０本体の安全性を確保しつつ、簡易な構成で高精度な流動媒体の流量制御を実現することが可能となる。
【００３８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３９】
例えば、上述した実施形態においては、ガス化炉１１０における流動媒体の流量の変化を担保すべく、流動媒体を貯留するバッファ部１１２を設ける構成を述べたが、かかる場合に限られず、例えば、流量調整部１０６から燃焼炉１０２に接続される管を設け、その管における流動媒体の滞留時間をもって流動媒体を貯留してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、流動媒体を循環させてガス化原料をガス化する循環流動層式ガス化炉および循環流動層式ガス化炉における流動媒体の流量制御方法に関する。本発明によればガス化炉本体の安全性を確保しつつ、簡易な構成で高精度な流動媒体の流量制御を実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１００…循環流動層式ガス化炉、１０２…燃焼炉、１０４…媒体分離器、１０６…流量調整部、１０８…シール部、１１０…ガス化炉、１１２…バッファ部、１１４…水蒸気貯留部、１１６…窒素貯留部、１１８…流量測定部
【図１】
0005605508.tif 000002
【図２】
0005605508.tif 000003
【図３】
0005605508.tif 000004