(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体と気体が混合された混合物が導入口を通じて導入され、該混合物を旋回させることにより、所定の粒径以上の固体を、落下口を通じて落下させるとともに、所定の粒径未満の固体である飛散粒子および気体を、前記落下口より鉛直上方に位置する排気口を通じて排気するサイクロン分離器と、
前記落下口に連接された連接管と、
前記連接管に接続された供給管を介して該連接管にガスを供給することで、前記落下口を通じて前記サイクロン分離器内に当該ガスを逆流させるガス供給部と、
を備え、
前記供給管は、一端から前記連接管に接続された他端に向かうに従って鉛直下方に傾斜した管であることを特徴とするサイクロンシステム。
【請求項２】
前記排気口から排気された飛散粒子の濃度を検出する飛散粒子検出部を備え、
前記ガス供給部は、前記連接管に供給するガスの流量を調整する流量調整部を有し、
前記流量調整部は、前記飛散粒子検出部の検出結果に応じて、前記連接管に供給するガスの流量を調整することを特徴とする請求項１に記載のサイクロンシステム。
【請求項３】
前記サイクロン分離器の、所定の粒径以上の固体の分離効率は、前記導入口における混合物の流速によって決定され、
前記導入口の口径は、当該サイクロン分離器の定格運転時の、該導入口における混合物の流速が最も速くなるように設定され、
前記ガス供給部によって前記連接管へガスが供給されることにより、前記分離効率を低下させることを特徴とする請求項１または２に記載のサイクロンシステム。
【請求項４】
流動媒体を流動層化するとともに、投入されたガス化原料を該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、
前記ガス化炉から排出された流動媒体および前記ガス化原料の残渣が導かれ、前記流動媒体を加熱するとともに前記ガス化原料の残渣を燃焼して灰を生成する燃焼炉と、
前記燃焼炉から排出された、前記加熱された流動媒体、前記灰、および、燃焼排ガスの混合物が、導入口を通じて導入され、該混合物を旋回させることにより、所定の粒径以上の固体を、落下口を通じて落下させるとともに、所定の粒径未満の固体である飛散粒子および気体を、前記落下口より鉛直上方に位置する排気口を通じて排気するサイクロン分離器と、
前記落下口に連接した連接管と、
前記連接管に接続された供給管を介して該連接管にガスを供給することで、前記落下口を通じて前記サイクロン分離器内に当該ガスを逆流させるガス供給部と、
を備え、
前記供給管は、一端から前記連接管に接続された他端に向かうに従って鉛直下方に傾斜した管であることを特徴とするガス化ガス生成システム。
【請求項５】
前記ガス化炉で生成されたガス化ガスと熱媒体とで熱交換を行うことで、該ガス化ガスを冷却する間接熱交換器と、
前記間接熱交換器で冷却されたガス化ガスをさらに冷却して、当該ガス化ガスからミストを除去するミストセパレータと、
を備え、
前記ガス供給部は、前記間接熱交換器および前記ミストセパレータのうち少なくとも一方におけるガス化ガスの圧力損失値が所定値以上である場合、前記連接管にガスを供給することを特徴とする請求項４に記載のガス化ガス生成システム。
【請求項６】
前記ガス供給部は、前記連接管に供給するガスの流量を調整する流量調整部を有し、
前記流量調整部は、前記間接熱交換器および前記ミストセパレータのうち少なくとも一方におけるガス化ガスの圧力損失値に応じて、前記連接管に供給するガスの流量を調整することを特徴とする請求項５に記載のガス化ガス生成システム。
【請求項７】
流動媒体を流動層化するとともに、投入されたガス化原料を該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、
前記ガス化炉から排出された流動媒体および前記ガス化原料の残渣が導かれ、前記流動媒体を加熱するとともに前記ガス化原料の残渣を燃焼して灰を生成する燃焼炉と、
前記燃焼炉から排出された、前記加熱された流動媒体、前記灰、および、燃焼排ガスの混合物が、導入口を通じて導入され、該混合物を旋回させることにより、所定の粒径以上の固体を、落下口を通じて落下させるとともに、所定の粒径未満の固体である飛散粒子および気体を、前記落下口より鉛直上方に位置する排気口を通じて排気するサイクロン分離器と、
前記落下口に連接した連接管と、
前記連接管にガスを供給することで、前記落下口を通じて前記サイクロン分離器内に当該ガスを逆流させるガス供給部と、
前記ガス化炉で生成されたガス化ガスと熱媒体とで熱交換を行うことで、該ガス化ガスを冷却する間接熱交換器と、
前記間接熱交換器で冷却されたガス化ガスをさらに冷却して、当該ガス化ガスからミストを除去するミストセパレータと、
を備え、
前記ガス供給部は、前記連接管に供給するガスの流量を調整する流量調整部を有し、
前記流量調整部は、前記間接熱交換器および前記ミストセパレータのうち少なくとも一方におけるガス化ガスの圧力損失値に応じて、前記連接管に供給するガスの流量を調整することを特徴とするガス化ガス生成システム。
【請求項８】
流動媒体を流動層化するとともに、投入されたガス化原料を該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、当該ガス化炉から排出された流動媒体および前記ガス化原料の残渣が導かれ、前記流動媒体を加熱するとともに前記ガス化原料の残渣を燃焼して灰を生成する燃焼炉と、当該燃焼炉から排出された、前記加熱された流動媒体、前記灰、および、燃焼排ガスの混合物が、導入口を通じて導入され、該混合物を旋回させることにより、所定の粒径以上の固体を、落下口を通じて落下させるとともに、所定の粒径未満の固体である飛散粒子および気体を、前記落下口より鉛直上方に位置する排気口を通じて排気するサイクロン分離器と、前記落下口に連接した連接管と、当該連接管にガスを供給することで、前記落下口を通じて前記サイクロン分離器内に当該ガスを逆流させるガス供給部と、前記ガス化炉で生成されたガス化ガスと熱媒体とで熱交換を行うことで、該ガス化ガスを冷却する間接熱交換器と、当該間接熱交換器で冷却されたガス化ガスをさらに冷却して、当該ガス化ガスからミストを除去するミストセパレータと、を用いたサイクロン制御方法であって、
前記間接熱交換器および前記ミストセパレータのうち少なくとも一方におけるガス化ガスの圧力損失値が所定値以上であるか否かを判定する工程と、
前記圧力損失値が所定値以上である場合、前記ガス供給部によって前記連接管へガスを供給する工程と、
を含むことを特徴とするサイクロン制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サイクロン分離器の分離効率を制御するサイクロンシステム、ガス化ガス生成システム、および、サイクロン制御方法に関する。
【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。このようなガス化ガスを生成するシステムとして、流動媒体が流動層を形成しているガス化炉内で、水蒸気を利用して、７００℃〜９００℃程度で固体原料をガス化する技術（水蒸気ガス化）が開発されている。流動層を利用したガス化ガス生成システムにおいて、流動媒体は、燃焼ガスの燃焼場（燃焼炉）において加熱された後にガス化炉に導入される。この際、サイクロン分離器を利用して、燃焼場で加熱された１０００℃程度の流動媒体を燃焼排ガスから分離することが一般的に行われている。
【０００３】
サイクロン分離器は、導入された、固体と気体が混合された混合物を旋回させることにより、遠心力を発生させ、当該遠心力によって、所定の粒径以上の固体を分離する装置である。サイクロン分離器における、混合物に含まれる固体を分離できる効率（分離効率）は、一般に、導入される混合物の流速に依存する。すなわち、導入される混合物の流速が高い程、サイクロン分離器の分離効率は高いということになる。
【０００４】
このようなサイクロン分離器の分離効率を制御する技術として、例えば、サイクロン分離器の導入管に、バネの伸縮によって当該導入管を開閉可能なピストンを設けておき、ピストンによって導入管の開度を調整することで、サイクロン分離器に導入される混合物の流速を調整する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。また、サイクロン分離器の導入管を開閉可能なダンパを設けておき、ダンパによって導入管の開度を調整することで、サイクロン分離器に導入される混合物の流速を調整する技術が開示されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−  ９７９４２号公報
【特許文献２】特開２０００−２６６３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した特許文献１や特許文献２に記載された技術では、バネとピストン、または、ダンパといった機械的な構造を利用している。このため、ガス化ガス生成システムのような１０００℃程度といった高温場に設置されるサイクロン分離器に採用する場合、耐熱性を有する材料を利用する必要があり、コスト高となっていた。また、高温場に設置されるサイクロン分離器に機械的な構造を利用したとしても、ピストンやダンパのシール性が維持できなくなってしまい、導入される混合物の流速を調整できず、サイクロン分離器の分離効率を制御することは困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、高温場で利用する場合であっても、簡易な構成でサイクロン分離器の分離効率を確実に制御することが可能なサイクロンシステム、ガス化ガス生成システム、および、サイクロン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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のサイクロンシステムは、固体と気体が混合された混合物が導入口を通じて導入され、混合物を旋回させることにより、所定の粒径以上の固体を、落下口を通じて落下させるとともに、所定の粒径未満の固体である飛散粒子および気体を、落下口より鉛直上方に位置する排気口を通じて排気するサイクロン分離器と、落下口に連接された連接管と、連接管に接続された供給管を介して連接管にガスを供給することで、落下口を通じてサイクロン分離器内に当該ガスを逆流させるガス供給部と、を備え、供給管は、一端から連接管に接続された他端に向かうに従って鉛直下方に傾斜した管であることを特徴とする。
【０００９】
上記サイクロンシステムは、排気口から排気された飛散粒子の濃度を検出する飛散粒子検出部を備え、ガス供給部は、連接管に供給するガスの流量を調整する流量調整部を有し、流量調整部は、飛散粒子検出部の検出結果に応じて、連接管に供給するガスの流量を調整してもよい。
【００１０】
サイクロン分離器の、所定の粒径以上の固体の分離効率は、導入口における混合物の流速によって決定され、導入口の口径は、当該サイクロン分離器の定格運転時の、導入口における混合物の流速が最も速くなるように設定され、ガス供給部によって連接管へガスが供給されることにより、分離効率を低下させてもよい。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明のガス化ガス生成システムは、流動媒体を流動層化するとともに、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、ガス化炉から排出された流動媒体およびガス化原料の残渣が導かれ、流動媒体を加熱するとともにガス化原料の残渣を燃焼して灰を生成する燃焼炉と、燃焼炉から排出された、加熱された流動媒体、灰、および、燃焼排ガスの混合物が、導入口を通じて導入され、混合物を旋回させることにより、所定の粒径以上の固体を、落下口を通じて落下させるとともに、所定の粒径未満の固体である飛散粒子および気体を、落下口より鉛直上方に位置する排気口を通じて排気するサイクロン分離器と、落下口に連接した連接管と、連接管に接続された供給管を介して連接管にガスを供給することで、落下口を通じてサイクロン分離器内に当該ガスを逆流させるガス供給部と、を備え、供給管は、一端から連接管に接続された他端に向かうに従って鉛直下方に傾斜した管であることを特徴とする。
【００１２】
上記ガス化ガス生成システムは、ガス化炉で生成されたガス化ガスと熱媒体とで熱交換を行うことで、ガス化ガスを冷却する間接熱交換器と、間接熱交換器で冷却されたガス化ガスをさらに冷却して、当該ガス化ガスからミストを除去するミストセパレータと、を備え、ガス供給部は、間接熱交換器およびミストセパレータのうち少なくとも一方におけるガス化ガスの圧力損失値が所定値以上である場合、連接管にガスを供給してもよい。
【００１３】
上記ガス供給部は、連接管に供給するガスの流量を調整する流量調整部を有し、流量調整部は、間接熱交換器およびミストセパレータのうち少なくとも一方におけるガス化ガスの圧力損失値に応じて、連接管に供給するガスの流量を調整してもよい。
【００１４】
上記課題を解決するための本発明の他のガス化ガス生成システムは、流動媒体を流動層化するとともに、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、ガス化炉から排出された流動媒体およびガス化原料の残渣が導かれ、流動媒体を加熱するとともにガス化原料の残渣を燃焼して灰を生成する燃焼炉と、燃焼炉から排出された、加熱された流動媒体、灰、および、燃焼排ガスの混合物が、導入口を通じて導入され、混合物を旋回させることにより、所定の粒径以上の固体を、落下口を通じて落下させるとともに、所定の粒径未満の固体である飛散粒子および気体を、落下口より鉛直上方に位置する排気口を通じて排気するサイクロン分離器と、落下口に連接した連接管と、連接管にガスを供給することで、落下口を通じてサイクロン分離器内に当該ガスを逆流させるガス供給部と、ガス化炉で生成されたガス化ガスと熱媒体とで熱交換を行うことで、ガス化ガスを冷却する間接熱交換器と、間接熱交換器で冷却されたガス化ガスをさらに冷却して、当該ガス化ガスからミストを除去するミストセパレータと、を備え、ガス供給部は、連接管に供給するガスの流量を調整する流量調整部を有し、流量調整部は、間接熱交換器およびミストセパレータのうち少なくとも一方におけるガス化ガスの圧力損失値に応じて、連接管に供給するガスの流量を調整することを特徴とする。
上記課題を解決するために、本発明のサイクロン制御方法は、流動媒体を流動層化するとともに、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、当該ガス化炉から排出された流動媒体およびガス化原料の残渣が導かれ、流動媒体を加熱するとともにガス化原料の残渣を燃焼して灰を生成する燃焼炉と、当該燃焼炉から排出された、加熱された流動媒体、灰、および、燃焼排ガスの混合物が、導入口を通じて導入され、混合物を旋回させることにより、所定の粒径以上の固体を、落下口を通じて落下させるとともに、所定の粒径未満の固体である飛散粒子および気体を、落下口より鉛直上方に位置する排気口を通じて排気するサイクロン分離器と、落下口に連接した連接管と、当該連接管にガスを供給することで、落下口を通じてサイクロン分離器内に当該ガスを逆流させるガス供給部と、ガス化炉で生成されたガス化ガスと熱媒体とで熱交換を行うことで、ガス化ガスを冷却する間接熱交換器と、当該間接熱交換器で冷却されたガス化ガスをさらに冷却して、当該ガス化ガスからミストを除去するミストセパレータと、を用いたサイクロン制御方法であって、間接熱交換器およびミストセパレータのうち少なくとも一方におけるガス化ガスの圧力損失値が所定値以上であるか否かを判定する工程と、圧力損失値が所定値以上である場合、ガス供給部によって連接管へガスを供給する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高温場で利用する場合であっても、簡易な構成でサイクロン分離器の分離効率を確実に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ガス化ガス生成システムの具体的な構成を説明するための説明図である。
【図２】サイクロン分離器に導入される混合物中の固体の粒径分布の例を説明するための説明図である。
【図３】ガス供給部の一例を説明するための説明図である。
【図４】ガス供給部の変形例を説明するための説明図である。
【図５】サイクロン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。
【図６】連接管にガスを供給しない場合（比較例）と、連接管にガスを供給した場合（実施例）とにおける第１サイクロン分離器の排気口から排気された排気ガス中の飛散粒子の濃度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
ここでは、サイクロンシステムの目的を把握すべく、まず、サイクロンシステムを設置するガス化ガス生成システムについて説明し、その後、本実施形態にかかるサイクロンシステムの具体的な構成を詳述する。
【００１９】
（ガス化ガス生成システム１００）
図１は、本実施形態にかかるガス化ガス生成システム１００の具体的な構成を説明するための説明図である。図１に示すようにガス化ガス生成システム１００は、ガス化炉１１０と、燃焼炉１２０と、サイクロンシステム２００と、第２サイクロン分離器１３０と、改質炉１６０と、間接熱交換器１６２と、スプレー塔１６４と、ミストセパレータ１６６とを含んで構成される。なお、サイクロンシステム２００は、第１サイクロン分離器２１０、連接管２１２、ガス供給部２１４、飛散粒子検出部２１６を含んで構成される。
【００２０】
ガス化ガス生成システム１００では、全体として、粒径が３００μｍ程度の硅砂（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１２０で１０００℃程度に加熱され、燃焼排ガスとともに第１サイクロン分離器２１０に導入される。第１サイクロン分離器２１０においては、高温の流動媒体と燃焼排ガスとが分離され、当該分離された高温の流動媒体が、連接管２１２、シール部１０２ａ、導入部１４０ａを通じてガス化炉１１０に導入される。そして、ガス化炉１１０に導入された流動媒体は、ガス化剤貯留部１１２から導入されるガス化剤（水蒸気、窒素、不活性ガス等）によって流動層化され、排出部１４０ｂ、シール部１０２ｂを通じて燃焼炉１２０に戻される。
【００２１】
一方、ガス化炉１１０で生成されたガス化ガスは、第２サイクロン分離器１３０において、流動媒体とガス化ガスに分離された後、改質炉１６０において酸化改質され、間接熱交換器１６２、スプレー塔１６４、ミストセパレータ１６６においてタール等の不純物が除去される。以下に、ガス化ガス生成システム１００を構成する各装置について具体的に説明する。
【００２２】
（ガス化炉１１０）
ガス化炉１１０は、導入部１４０ａ、シール部１０２ａ、連接管２１２を介して第１サイクロン分離器２１０に連通しており、第１サイクロン分離器２１０によって燃焼排ガスと分離された流動媒体が、ガス化炉１１０内に導入されるようになっている。
【００２３】
ガス化炉１１０の下方にはガス化剤貯留部１１２が設けられており、ガス化剤供給源（図示せず）から供給されたガス化剤が、ガス化剤貯留部１１２に一時的に貯留される。そして、このガス化剤貯留部１１２に貯留されたガス化剤が、ガス化炉１１０の底面から当該ガス化炉１１０内に導入されている。このように、第１サイクロン分離器２１０から導入された高温の流動媒体にガス化剤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。
【００２４】
また、ガス化炉１１０に接続された導入部１４０ａには、上記の流動層に、褐炭等の石炭、石油コークス（ペトロコークス）、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原料投入部１４０ｃが設けられている。この原料投入部１４０ｃから投入されたガス化原料は、流動媒体とともにガス化炉１１０へ導かれ、ガス化炉１１０において、ガス化剤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こととなる。仮にガス化剤が水蒸気であり、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。
【００２５】
このようにして生成されたガス化ガスは、流動媒体とともに、送出部１１０ａを通じて第２サイクロン分離器１３０に送出されることになる。なお、詳細は後述するが、ガス化原料の残渣が燃焼炉１２０において燃焼することで生成される灰が、流動媒体とともに第１サイクロン分離器２１０からガス化炉１１０へ導入されるため、第２サイクロン分離器１３０には、ガス化ガスおよび流動媒体とともに灰も導入されることになる。
【００２６】
また、ガス化炉１１０は、排出部１４０ｂおよびシール部１０２ｂを介して燃焼炉１２０に連通している。この排出部１４０ｂは、ガス化炉１１０における第１サイクロン分離器２１０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、第１サイクロン分離器２１０から導入された流動媒体は、ガス化炉１１０内において、排出部１４０ｂに向かって流動した後に、シール部１０２ｂを通じて燃焼炉１２０に排出されることとなる。このとき、ガス化炉１１０内においては、投入されたガス化原料の一部が未反応となり、ガス化原料の残渣が、流動媒体とともに燃焼炉１２０に排出される。
【００２７】
（燃焼炉１２０）
燃焼炉１２０は、シール部１０２ｂ、排出部１４０ｂを介してガス化炉１１０と連通しており、ガス化炉１１０からガス化原料の残渣および流動媒体が導入される。そして、導入されたガス化原料の残渣および流動媒体は、燃焼炉１２０内において１０００℃程度に加熱される。これにより、ガス化原料の残渣は燃焼して灰となる。また、燃焼炉１２０内では、下方からの燃焼ガスの導入に応じて、下方から上方に向かって燃焼排ガスの流れが生じ、この流れによって、１０００℃程度に加熱された流動媒体と、ガス化原料の残渣から生成される灰とが、燃焼排ガスとともに接続部１２０ａを通じて第１サイクロン分離器２１０に導出されることとなる。
【００２８】
（第１サイクロン分離器２１０）
第１サイクロン分離器２１０は、本体２１０ａと、導入口２１０ｂと、落下口２１０ｃと、排気口２１０ｄとを含んで構成される。本体２１０ａには、導入口２１０ｂを通じて、接続部１２０ａから導かれた、加熱された流動媒体（固体）、灰（固体）、燃焼排ガス（気体）の混合物が導入される。
【００２９】
第１サイクロン分離器２１０は、導入口２１０ｂを通じて導入された混合物（流動媒体（固体）、灰（固体）、燃焼排ガス（気体））を本体２１０ａ内で旋回させることにより、所定の粒径以上の固体を、落下口２１０ｃを通じて落下させるとともに、所定の粒径未満の固体である飛散粒子および気体を、落下口２１０ｃより鉛直上方に位置する排気口２１０ｄを通じて排気する。
【００３０】
具体的に説明すると、第１サイクロン分離器２１０は、流動媒体、および、灰の一部を落下口２１０ｃへ、残りの灰（飛散粒子）および燃焼排ガスを排気口２１０ｄへと分離する。これにより、燃焼炉１２０で加熱された高温の流動媒体、および、灰の一部は、連接管２１２を通じて再びガス化炉１１０に導入され、以後、上記の循環を繰り返すこととなる。
【００３１】
ここで、第１サイクロン分離器２１０の分離効率について説明すると、定格運転時に、流動媒体、および、所定量の灰が落下口２１０ｃへ、残りの灰（飛散粒子）および燃焼排ガスが排気口２１０ｄへと分離されるように、第１サイクロン分離器２１０の分離効率（落下口２１０ｃから落下させる固体量／導入された混合物中に含まれる固体量）が設計される。
【００３２】
第１サイクロン分離器２１０において上記分離効率（以下、単に、第１定格分離効率と称する）を達成するために、例えば、図２に示すような、導入された混合物中の固体の粒径分布を参照して第１サイクロン分離器２１０の設計を行う。具体的に説明すると、図２に示す、導入された混合物中の固体の予想される粒径分布に対し、所望する分離効率（図２中、クロスハッチングで示す領域／（クロスハッチングで示す領域＋ハッチングで示す領域））が決まれば、それを満たす固体の最小粒径（分離最小粒径、分離限界粒径）ｘｍｉｎも決定される。
【００３３】
一般的にサイクロン分離器における、分離最小粒径ｘｍｉｎと、サイクロン分離器の導入口の幅Ｂと、サイクロン分離器の導入口における混合物（吸気）の流速ｕｉと、サイクロン分離器に導入される固体の密度ρｐと、サイクロン分離器に導入される気体の密度ρａとは、以下の数式（１）に示す関係にある（集塵の技術と装置、社団法人日本紛体工業協会編、１９９７年、７１ページ参照）。なお、数式（１）において、Ｃｃは、カニンガムの補正係数（滑りを考慮した抵抗力導出のための係数）であり、Ｎは混合物（吸気）の旋回数（５として換算する）である。
【数１】
0005866872.tif 000002
…数式（１）
【００３４】
したがって、第１サイクロン分離器２１０を設計する際には、定格運転時における、導入される混合物の流量で、第１定格分離効率を満たす分離最小粒径ｘｍｉｎになるように、第１サイクロン分離器２１０に導入される混合物の流速が決定され、かかる混合物の流速を達成するために第１サイクロン分離器２１０の形状（例えば、導入口の口径）が設計されることとなる。
【００３５】
一方、排気口２１０ｄは、熱交換器１５０を介して灰集塵機（バグフィルタ）１５２に接続されており、排気口２１０ｄに導かれた飛散粒子（残りの灰）および燃焼排ガスは、熱交換器１５０において冷却された後に、灰集塵機１５２において飛散粒子と燃焼排ガスとに分離される。ここで、分離された飛散粒子は廃棄され、燃焼排ガスは、不図示の配管等から大気に放出される。
【００３６】
（第２サイクロン分離器１３０）
第２サイクロン分離器１３０は、本体１３０ａと、導入口１３０ｂと、落下口１３０ｃと、排気口１３０ｄとを含んで構成される。本体１３０ａには、送出部１１０ａ、導入口１３０ｂを通じて、ガス化炉１１０で生成されたガス化ガス（気体）とともに、流動媒体（固体）および灰（固体）が導入される。
【００３７】
第２サイクロン分離器１３０は、導入口１３０ｂを通じて導入された混合物（ガス化ガス（気体）、流動媒体（固体）、灰（固体））を旋回させることにより、所定の粒径以上の固体を、落下口１３０ｃを通じて落下させるとともに、所定の粒径未満の固体である飛散粒子および気体を、落下口１３０ｃより鉛直上方に位置する排気口１３０ｄを通じて排気する。具体的に説明すると、第２サイクロン分離器１３０は、流動媒体、および、大部分の灰を落下口１３０ｃへ、ガス化ガス、および、残りの灰（飛散粒子）を排気口１３０ｄへと分離する。
【００３８】
第２サイクロン分離器１３０によって排気口１３０ｄへ分離されるガス化ガス、および、飛散粒子（灰）は、送出管１６０ａを通じて、下流の機器（改質炉１６０、間接熱交換器１６２、スプレー塔１６４、ミストセパレータ１６６）へ送出される。ここで、下流の機器に大量の灰が導入されると、各機器に影響を及ぼすおそれがある。
【００３９】
したがって、第２サイクロン分離器１３０は、下流の機器に影響を及ぼさない程度の灰のみが排気口１３０ｄへ分離されるように、すなわち、大部分の灰が落下口１３０ｃへ分離されるように、分離効率（以下、単に、第２定格分離効率と称する）が設計される。
【００４０】
第２サイクロン分離器１３０を設計する際には、上述した第１サイクロン分離器２１０と同様に、定格運転時における、導入される混合物の流量、すなわち、定格運転時にガス化炉１１０において生成されるガス化ガスの量で、第２定格分離効率を満たす分離最小粒径ｘｍｉｎになるように、第２サイクロン分離器１３０に導入される混合物の流速が決定され、かかる混合物の流速を達成するために第２サイクロン分離器１３０の形状（例えば、導入口の口径）が設計されることとなる。
【００４１】
そして、第２サイクロン分離器１３０によって分離された、流動媒体、および、大部分の灰は、落下口１３０ｃ、落下管１３０ｅを通じて再びガス化炉１１０に導入され、ガス化ガスおよび飛散粒子は、排気口１３０ｄ、送出管１６０ａを通じて、改質炉１６０に送出されることとなる。
【００４２】
（改質炉１６０、間接熱交換器１６２、スプレー塔１６４、ミストセパレータ１６６）
改質炉（酸化改質炉）１６０は、ガス化炉１１０で生成されたガス化ガスに酸素や空気を加え、ガス化ガスに含まれるタールを９００℃〜１５００℃で改質（酸化改質）する。こうして、タールのほとんどが改質炉１６０で除去される。また、タールと共にガス化ガスに含まれる灰（飛散粒子）は、改質炉１６０の熱により溶融スラグとなる。間接熱交換器１６２は、改質炉１６０から導入されたガス化ガスと水蒸気との熱交換を行い、ガス化ガスの顕熱を水蒸気で回収するとともに、ガス化ガスの出口温度を３００℃〜６００℃にする。
【００４３】
スプレー塔１６４は、ガス化ガスに４０℃程度の水をスプレー噴霧することにより、３００℃〜６００℃となったガス化ガスを７０℃程度に冷却する。これにより、ガス化ガスに残存するタールやスラッジが凝縮し、ガス化ガスから除去される。ミストセパレータ１６６は、スプレー塔１６４における粒径よりも小さい水滴の水をスプレー噴霧することにより、スプレー塔１６４では、十分に分離、除去できなかった、ガス化ガス中に含まれるミスト（霧状のタールやスラッジ）を凝縮して除去する。
【００４４】
ミストセパレータ１６６によってタールやスラッジが除去されたガス化ガスは、不図示の、脱硫器、脱アンモニア器、脱塩器で処理される。具体的に、ガス化ガスは、脱硫器において硫黄や硫黄化合物が除去され、脱アンモニア器においてアンモニア等の窒素化合物が除去され、脱塩器において塩素や塩素化合物が除去される。こうしてガス化炉１１０で生成されたガス化ガスは、タールや灰が除去されて精製ガス化ガスとなる。
【００４５】
ところで、精製ガス化ガスの必要量が低下したとき等、ガス化炉１１０へ投入するガス化原料の投入量を減少させ、ガス化ガス生成システム１００におけるガス化ガスの生成量を低下させる場合がある。この場合、第２サイクロン分離器１３０の導入口１３０ｂにおける混合物の流速が低下し、第２サイクロン分離器１３０の分離効率が第２定格分離効率よりも低下してしまう。そうすると、排気口１３０ｄから排気される灰（飛散粒子）の量が定格運転時よりも増加し、改質炉１６０において溶融スラグが増加してしまったり、間接熱交換器１６２やミストセパレータ１６６が閉塞するおそれが生じてしまったりすることがある。
【００４６】
ここで、機械的な機構を利用して、第２サイクロン分離器１３０における導入口１３０ｂの口径を変化させて（口径を小さくして）、混合物の流速を上昇させ、第２サイクロン分離器１３０の分離効率を上昇させることも考えられる。しかし、第２サイクロン分離器１３０に導入されるガス化ガスは７００℃〜９００℃と高温であるため、第２サイクロン分離器１３０に機械的な機構を利用することは困難である。
【００４７】
そこで、第１サイクロン分離器２１０の分離効率を第１定格分離効率よりも低下させ、ガス化炉１１０に導入される灰を減少させることが考えられる。第１サイクロン分離器２１０の分離効率を低下させるために、第１サイクロン分離器２１０における混合物の流速を低下させる方法がある。例えば、燃焼炉１２０に供給する、ガス化原料の残渣や燃料を燃焼するための燃焼ガスの流速を低下させることが考えられるが、この場合、燃料が十分に燃焼されず、流動媒体が所望する温度まで加熱できなかったり、流動媒体を十分に接続部１２０ａに導出できなかったりするおそれがある。
【００４８】
また、機械的な機構を利用して、第１サイクロン分離器２１０における導入口２１０ｂの口径を変化させて（口径を大きくして）、混合物の流速を低下させることも考えられるが、第１サイクロン分離器２１０に導入される燃焼排ガスや流動媒体は１０００℃程度と高温であるため、第１サイクロン分離器２１０に機械的な機構を利用することは困難である。
【００４９】
そこで、本実施形態では、以下のサイクロンシステム２００によって、高温場で利用する場合であっても、簡易な構成でサイクロン分離器の分離効率を確実に制御する。
【００５０】
（サイクロンシステム２００）
サイクロンシステム２００は、第１サイクロン分離器２１０と、連接管２１２と、ガス供給部２１４と、飛散粒子検出部２１６とを含んで構成される。
【００５１】
ガス供給部２１４は、供給管２１４ａと、バルブ２１４ｂと、流量調整部２１４ｃを含んで構成され、不図示のガス供給源から、連接管２１２にガスを供給する。ここで、連接管２１２におけるシール部１０２ａ側の空間は、流動媒体でシール（密閉）されている。また、第１サイクロン分離器２１０の落下口２１０ｃ付近は負圧になっているため、連接管２１２における落下口２１０ｃ側の空間は負圧となっている。このため、ガス供給部２１４から連接管２１２に供給されたガスは、シール部１０２ａより先には流出せず、第１サイクロン分離器２１０の落下口２１０ｃを通じて、第１サイクロン分離器２１０内に逆流することとなる。
【００５２】
かかるガス供給部２１４が連接管２１２にガスを供給するといった簡易な構成で、落下口２１０ｃを通じて第１サイクロン分離器２１０内にガスを逆流させ、第１サイクロン分離器２１０に導入された混合物の流速を低下させることができる。すなわち、第１サイクロン分離器２１０の分離効率を低下させることが可能となる。
【００５３】
このように、ガス供給部２１４が連接管２１２にガスを供給して、第１サイクロン分離器２１０の分離効率を低下させ、排気口２１０ｄから排気される灰の量を多くすることで、落下口２１０ｃから落下する灰の量を少なくすることができる。
【００５４】
つまり、第１サイクロン分離器２１０における分離効率の上限値を第１定格分離効率にしておけば、ガス化炉１１０におけるガス化ガスの生成量が低下して第２サイクロン分離器１３０の分離効率が低下したとしても、ガス供給部２１４による連接管２１２へのガスの供給によって、第１サイクロン分離器２１０の分離効率を低下させることができ、第１サイクロン分離器２１０と第２サイクロン分離器１３０の分離効率のバランスを維持することが可能となる。
【００５５】
換言すれば、第１サイクロン分離器２１０の、所定の粒径以上の固体の分離効率の上限値（第１定格分離効率）は、第１サイクロン分離器２１０の定格運転時における、導入される混合物の流速によって決定され、第１サイクロン分離器２１０の、所定の粒径以上の固体の分離効率の下限値は、ガス供給部２１４による連接管２１２へのガスの供給量の上限値によって決定されるということである。
【００５６】
第１サイクロン分離器２１０の排気口２１０ｄから排気された灰は、粉末状であるため、灰集塵機１５２において容易に回収（集塵）することができる。
【００５７】
また、上述したように連接管２１２のシール部１０２ａ側の空間は、流動媒体でシール（密閉）されているため、ガス供給部２１４から供給されたガスがシール部１０２ａを通じてガス化炉１１０に導入されることはない。したがって、ガス供給部２１４が供給するガスは、ガス化炉１１０におけるガス化剤に拘わらず、どのようなガス（例えば、空気）であってもよい。
【００５８】
図３は、ガス供給部２１４の一例を説明するための説明図である。図３に示すように、本実施形態においてガス供給部２１４の供給管２１４ａは、少なくともその一部が、バルブ２１４ｂから連接管２１２に向かうに従って鉛直下方に傾斜した管である。かかる構成により、落下口２１０ｃを通じて落下した流動媒体および灰が供給管２１４ａ内に侵入してしまう事態を回避することが可能となる。
【００５９】
図４は、ガス供給部２１４の変形例を説明するための説明図である。供給管２１４ａは、落下口２１０ｃを通じて落下した流動媒体および灰が供給管２１４ａ内に侵入してしまう事態を回避することができればよく、例えば、図４（ａ）に示すように、供給管２１４ａは、全長に亘って、バルブ２１４ｂから連接管２１２に向かうに従って鉛直下方に傾斜した管であってもよい。また、図４（ｂ）に示すように、連接管２１２の内面に設けられ、供給管２１４ａにおける連接管２１２と接続される開口部の鉛直上方に位置し、連接管２１２の内面より連接管２１２の径の中心側に突出形成された突起部２１８を備えてもよい。
【００６０】
流量調整部２１４ｃは、間接熱交換器１６２およびミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値を監視しており、間接熱交換器１６２およびミストセパレータ１６６の圧力損失値と、後述する飛散粒子検出部２１６から送信された信号とに基づいて、バルブ２１４ｂの開度を調整することで、連接管２１２に供給するガスの流量を調整する。
【００６１】
具体的に説明すると、間接熱交換器１６２およびミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値が所定値以上になると、流量調整部２１４ｃは、バルブ２１４ｂを開にする。そして、流量調整部２１４ｃは、間接熱交換器１６２およびミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値に応じてバルブ２１４ｂの開度を調整して、連接管２１２に供給するガスの流量を調整する。
【００６２】
間接熱交換器１６２におけるガス化ガスの圧力損失値や、ミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値が定格運転時よりも上がったということは、第２サイクロン分離器１３０から送出されたガス化ガスに灰（飛散粒子）が多く含まれている、すなわち第２サイクロン分離器１３０における分離効率が低下したということである。そこで、流量調整部２１４ｃは、間接熱交換器１６２およびミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値が所定値（定格運転時の圧力損失値よりも高い値）以上になると、バルブ２１４ｂを制御して、連接管２１２へのガスの供給を開始し、第１サイクロン分離器２１０の分離効率を低下させる。こうすることで、第１サイクロン分離器２１０において、排気口２１０ｄから排気される飛散粒子（灰）の量を増加させるとともに、落下口２１０ｃから落下させてガス化炉１１０に導入する灰を減少させることができる。これにより、第２サイクロン分離器１３０における分離効率が低下したとしても、第２サイクロン分離器１３０に導入される灰の絶対量を低減することができ、第２サイクロン分離器１３０から送出されるガス化ガスに含まれる飛散粒子（灰）の量を低下させることが可能となる。
【００６３】
一方、流量調整部２１４ｃは、排気口２１０ｄから排気される飛散粒子（灰）の量を所定量に維持すべく、飛散粒子検出部２１６から送信された信号に基づいて、バルブ２１４ｂの開度を調整し、連接管２１２に供給するガスの流量を調整する。
【００６４】
飛散粒子検出部２１６は、排気口２１０ｄから排気された飛散粒子（灰）の濃度を検出し、その検出結果を示す信号を流量調整部２１４ｃに送信する。
【００６５】
流量調整部２１４ｃが、飛散粒子検出部２１６から送信された信号に応じて、バルブ２１４ｂを制御することにより、排気口２１０ｄから排気される飛散粒子（灰）の量、および、落下口２１０ｃから落下する灰の量を所望する値に維持することが可能となる。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態にかかるガス化ガス生成システム１００や、サイクロンシステム２００によれば、第１サイクロン分離器２１０の落下口２１０ｃに接続された連接管２１２にガスを供給するだけといった簡易な構成で、燃焼炉１２０から導かれる１０００℃程度といった流動媒体が導入される、すなわち高温場で利用される第１サイクロン分離器２１０の分離効率を制御することができる。
【００６７】
（サイクロン制御方法）
続いて、上述したサイクロンシステムを利用したサイクロン制御方法について説明する。図５は、サイクロン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。ここでは、図５に沿って、ガス化ガス生成システム１００における第１サイクロン分離器２１０の分離効率制御の詳細な処理を説明する。
【００６８】
当該サイクロン制御方法は、予め定められた時間間隔の定期的なタイマ割込によって処理が開始される。タイマ割込が生じると、まず、流量調整部２１４ｃは、間接熱交換器１６２およびミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値を不図示のメモリに一時的に記憶する（Ｓ３００）。
【００６９】
続いて、流量調整部２１４ｃは、間接熱交換器１６２におけるガス化ガスの圧力損失値と、ミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値とに基づいた所定の関数を通じて、バルブ２１４ｂの開度を算出する（Ｓ３０２）。かかる関数は、既存の様々な手法を利用して作成することができるため、説明を省略する。
【００７０】
例えば、間接熱交換器１６２におけるガス化ガスの圧力損失値と、ミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値とが、所定値未満である場合、流量調整部２１４ｃは、バルブ２１４ｂの開度を０（すなわち、ガス供給部２１４を閉じる）と算出する。また、ガス化ガスの圧力損失値が所定値以上となると、その値に応じてバルブ２１４ｂの開度（０を上回る値）が決まる。
【００７１】
そして、流量調整部２１４ｃは、算出した開度にバルブ２１４ｂを調整する（Ｓ３０４）。そうすると、ガス供給源から、バルブ２１４ｂ、供給管２１４ａを通じて、連接管２１２にガスが供給されることになり、連接管２１２から落下口２１０ｃを通じて、第１サイクロン分離器２１０内にガスが逆流する。
【００７２】
なお、本実施形態において流量調整部２１４ｃは、間接熱交換器１６２におけるガス化ガスの圧力損失値、および、ミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値の両方に基づいて、バルブ２１４ｂの開度を調整するが、間接熱交換器１６２におけるガス化ガスの圧力損失値、または、ミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値のいずれか一方に基づいて、バルブ２１４ｂの開度を調整してもよい。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態にかかるサイクロン制御方法によっても、間接熱交換器１６２およびミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値が所定値以上になると、流量調整部２１４ｃがバルブ２１４ｂを開にし、ガス供給部２１４が連接管２１２へのガスの供給を開始する。これにより、落下口２１０ｃを通じて第１サイクロン分離器２１０内にガスを逆流させ、第１サイクロン分離器２１０の分離効率を低下させることが可能となる。
【００７４】
こうすることで、第１サイクロン分離器２１０において、排気口２１０ｄから排気される飛散粒子（灰）の量を増加させるとともに、落下口２１０ｃから落下させてガス化炉１１０に導入する灰を減少させることができる。これにより、第２サイクロン分離器１３０における分離効率が低下した場合、第２サイクロン分離器１３０に導入される灰の絶対量を低減することができ、第２サイクロン分離器１３０から送出されるガス化ガスに含まれる飛散粒子（灰）の量を低下させることが可能となる。
【００７５】
（実施例）
図６は、連接管２１２にガスを供給しない場合（比較例）と、連接管２１２にガスを供給した場合（実施例）とにおける第１サイクロン分離器２１０の排気口２１０ｄから排気された排気ガス中の飛散粒子の濃度を示す図である。図６に示すように、連接管２１２にガスを供給しない場合（図６中、黒い塗りつぶしで示す）における第１サイクロン分離器２１０の排気口２１０ｄから排気された排気ガス中の飛散粒子の濃度に対して、連接管２１２にガスを供給した場合（図６中、白い塗りつぶしで示す）における第１サイクロン分離器２１０の排気口２１０ｄから排気された排気ガス中の飛散粒子の濃度は、約７倍であった。
【００７６】
この結果から分かるように、ガス供給部２１４が連接管２１２にガスを供給するだけといった簡易な構成で、第１サイクロン分離器２１０の排気口２１０ｄから排気される排気ガス中の飛散粒子の濃度を上げる、すなわち、落下口２１０ｃから落下させる灰の濃度を下げることができる。換言すれば、ガス供給部２１４が連接管２１２にガスを供給するだけで、第１サイクロン分離器２１０の分離効率を低下させることが可能となる。
【００７７】
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。
【００７８】
例えば、上述した実施形態において、サイクロンシステム２００は、ガス化ガス生成システム１００に設置されているが、ボイラ等の他の高温場に設置してもよく、また低温場（常温場）に設置してもよい。例えば、当該サイクロンシステムは、掃除機の集塵等に利用することもできる。
【００７９】
また、上述した実施形態では、砂を水平方向に流動させる循環流動層式のガス化炉１１０を例に挙げて説明したが、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。
【００８０】
さらに、上述した実施形態において、ガス供給部２１４は、流量調整部２１４ｃを有しているが、ガス供給部２１４は、流量調整部２１４ｃを有さずともよく、例えば、ユーザが、間接熱交換器１６２やミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値に応じて、バルブ２１４ｂを開閉することによって、連接管２１２へのガスの供給を開始したり、停止したりしてもよい。
【００８１】
また、ガス供給部２１４は、間接熱交換器１６２やミストセパレータ１６６におけるガス化ガスの圧力損失値に拘わらず、原料投入部１４０ｃに投入されるガス化原料の量に応じて、連接管２１２へ供給するガスの流量を決定してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、サイクロン分離器の分離効率を制御するサイクロンシステム、ガス化ガス生成システム、および、サイクロン制御方法に関する。
【符号の説明】
【００８３】
１００  …ガス化ガス生成システム
１１０  …ガス化炉
１２０  …燃焼炉
１６２  …間接熱交換器
１６６  …ミストセパレータ
２００  …サイクロンシステム
２１０  …第１サイクロン分離器（サイクロン分離器）
２１０ａ  …本体
２１０ｂ  …導入口
２１０ｃ  …落下口
２１０ｄ  …排気口
２１２  …連接管
２１４  …ガス供給部
２１４ａ  …供給管
２１４ｂ  …バルブ
２１４ｃ  …流量調整部
２１６  …飛散粒子検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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