(57)【要約】【課題】流動媒体をより効率よく冷却する。【解決手段】合成ガス生成システム１００は、加熱された流動媒体ＦＭと原料ＭＴとが導入されるガス化炉１３０と、ガス化炉１３０に接続され、ガス化炉１３０から流動媒体ＦＭおよび原料ＭＴの残渣ＲＳを含む固体粒子が導入される本体部１５２と、本体部１５２に空気を導入する空気導入部とを含む熱交換部（第１熱交換器１５０）と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱された流動媒体と原料とが導入されるガス化炉と、
前記ガス化炉に接続され、前記ガス化炉から前記流動媒体および前記原料の残渣を含む固体粒子が導入される本体部と、前記本体部に空気を導入する空気導入部とを含む熱交換部と、
を備える合成ガス生成システム。
【請求項２】
前記熱交換部に接続された燃焼炉と、
前記本体部から排気された空気を前記燃焼炉に供給する空気供給部と、
をさらに備える請求項１に記載の合成ガス生成システム。
【請求項３】
前記燃焼炉は、本体と、前記本体に形成された一次空気供給口と、前記本体における一次空気供給口の上方に形成された二次空気供給口と、を有し、
前記空気供給部は、前記熱交換部の本体部と前記二次空気供給口とを接続する二次空気供給管を有する請求項２に記載の合成ガス生成システム。
【請求項４】
前記燃焼炉と前記ガス化炉との間に設けられたサイクロンをさらに備える請求項２または３に記載の合成ガス生成システム。
【請求項５】
前記熱交換部の前記本体部内に一部が配される伝熱配管と、
前記伝熱配管に水を供給するポンプと、
前記伝熱配管から排出された水蒸気が供給される蒸気タービン発電機と、
を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の合成ガス生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、合成ガス生成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼炉で加熱された流動媒体がガス化炉に導入され、ガス化炉において流動媒体が有する熱で石炭がガス化された後、ガス化炉から燃焼炉へ流動媒体が再導入される循環流動層式ガス化システムが開発されている（例えば、特許文献１）。特許文献１の技術では、燃焼炉によって加熱される流動媒体の温度を所定値に維持するために、ガス化炉と燃焼炉との間に、水蒸気で流動媒体の流動層を形成する冷却機構が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６１１１７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
流動媒体をより効率よく冷却する技術の開発が希求されている。
【０００５】
本開示は、このような課題に鑑み、流動媒体をより効率よく冷却することが可能な合成ガス生成システム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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る合成ガス生成システムは、加熱された流動媒体と原料とが導入されるガス化炉と、ガス化炉に接続され、ガス化炉から流動媒体および原料の残渣を含む固体粒子が導入される本体部と、本体部に空気を導入する空気導入部とを含む熱交換部と、を備える。
【０００７】
また、熱交換部に接続された燃焼炉と、本体部から排気された空気を燃焼炉に供給する空気供給部と、をさらに備えてもよい。
【０００８】
また、燃焼炉は、本体と、本体に形成された一次空気供給口と、本体における一次空気供給口の上方に形成された二次空気供給口と、を有し、空気供給部は、熱交換部の本体部と二次空気供給口とを接続する二次空気供給管を有してもよい。
【０００９】
また、燃焼炉とガス化炉との間に設けられたサイクロンをさらに備えてもよい。
【００１０】
また、熱交換部の本体部内に一部が配される伝熱配管と、伝熱配管に水を供給するポンプと、伝熱配管から排出された水蒸気が供給される蒸気タービン発電機と、を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、流動媒体をより効率よく冷却することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】合成ガス生成システムを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の一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、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、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、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、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１４】
（合成ガス生成システム１００）
図１は、合成ガス生成システム１００を説明する図である。図１に示すように、合成ガス生成システム１００は、燃焼炉１１０と、第１サイクロン１２０（サイクロン）と、ガス化炉１３０と、第１熱交換器１５０（熱交換部）と、ポンプ１８０と、蒸気タービン発電機１８２と、冷却器１８４とを含む。なお、図１中、流動媒体ＦＭ、原料ＭＴ、合成ガスＳＧ、残渣ＲＳ、水ＷＴ、水蒸気ＳＴ、空気ＡＲ、および、燃焼排ガスＥＸの流れを実線の矢印で示す。
【００１５】
本実施形態の合成ガス生成システム１００は、循環流動層式ガス化システムである。合成ガス生成システム１００は、流動媒体ＦＭを熱媒体として循環させている。具体的に説明すると、流動媒体ＦＭは、燃焼炉１１０、第１サイクロン１２０、ガス化炉１３０、第１熱交換器１５０をこの順に移動し、再度、燃焼炉１１０に導入されることにより、これらを循環している。流動媒体ＦＭは、粒径が３００μｍ程度の硅砂（珪砂）等の砂で構成される。
【００１６】
燃焼炉１１０は、本体１１２と、一次空気供給管１１４と、第１ブロワ１１６と、排出管１１８とを含む。
【００１７】
本体１１２は、円筒形状である。本体１１２には、一次空気供給口１１２ａ、二次空気供給口１１２ｂ、流動媒体導入口１１２ｃ、流動媒体排出口１１２ｄが形成される。一次空気供給口１１２ａは、本体１１２の底面に形成される。二次空気供給口１１２ｂは、本体１１２における一次空気供給口１１２ａの上方の側壁に形成される。流動媒体導入口１１２ｃは、本体１１２における一次空気供給口１１２ａと二次空気供給口１１２ｂとの間に形成される。流動媒体排出口１１２ｄは、本体１１２の上面に形成される。
【００１８】
一次空気供給管１１４は、一次空気供給口１１２ａに接続され、端部が大気開放されている。第１ブロワ１１６は、一次空気供給管１１４に設けられる。第１ブロワ１１６は、本体１１２に空気ＡＲを送り込む。二次空気供給口１１２ｂには、後述する二次空気供給管１７０が接続される。流動媒体導入口１１２ｃには、後述する排出管１６４が接続される。流動媒体導入口１１２ｃを通じて、第１熱交換器１５０から本体１１２に流動媒体ＦＭおよび残渣ＲＳが導入される。
【００１９】
したがって、本体１１２内において、第１ブロワ１１６によって送り込まれた空気ＡＲによって、流動媒体ＦＭおよび残渣ＲＳの輸送層が形成される。また、第１ブロワ１１６によって送り込まれた空気ＡＲおよび二次空気供給管１７０から供給された空気ＡＲで残渣ＲＳが燃焼し、流動媒体ＦＭが加熱される。つまり、燃焼炉１１０は、燃料（残渣ＲＳ）を燃焼させて、流動媒体ＦＭを９００℃以上１０００℃未満（例えば、９５０℃程度）に加熱する。
【００２０】
排出管１１８は、流動媒体排出口１１２ｄと、第１サイクロン１２０の上部とを接続する。排出管１１８は、流動媒体ＦＭおよび燃焼排ガスＥＸが通過する。
【００２１】
第１サイクロン１２０には、燃焼炉１１０から排出された流動媒体ＦＭおよび燃焼排ガスＥＸが導入される。第１サイクロン１２０は、流動媒体ＦＭと、燃焼排ガスＥＸとを固気分離する。排気管１２２は、第１サイクロン１２０の上面に接続される。排気管１２２は、燃焼排ガスＥＸが通過する。第２熱交換器１２４は、排気管１２２に設けられる。第２熱交換器１２４は、燃焼排ガスＥＸ（例えば、９５０℃程度）と水とで熱交換して、水蒸気ＳＴを生成する。第２熱交換器１２４により、燃焼排ガスＥＸが冷却される。集塵装置１２６は、例えば、バグフィルタで構成される。集塵装置１２６は、第２熱交換器１２４の後段に設けられる。集塵装置１２６は、燃焼排ガスＥＸから灰を除去（除塵）する。
【００２２】
排出管１２８は、第１サイクロン１２０とガス化炉１３０とを接続する。排出管１２８は、第１サイクロン１２０の底部と、ガス化炉１３０の側面とを接続する。排出管１２８は、流動媒体ＦＭが通過する。また、排出管１２８には、不図示の原料供給機構によって原料ＭＴが供給される。排出管１２８には、不図示のループシールが設けられている。ループシールは、水蒸気ＳＴによって内部に流動媒体ＦＭの流動層が形成されている。ループシールは、第１サイクロン１２０からガス化炉１３０への燃焼排ガスＥＸの流出、および、ガス化炉１３０から第１サイクロン１２０への合成ガスＳＧの流出を防止する。
【００２３】
ガス化炉１３０には、流動媒体ＦＭおよび原料ＭＴが導入される。原料ＭＴは、例えば、選炭スラッジ等の石炭、プラスチックゴミ、タイヤチップ、バイオマス等の固体原料である。ここで、選炭スラッジは、石炭を水で浮選（浮遊選炭）した際に、水に沈降するスラリー状のものである。
【００２４】
ガス化炉１３０の底面には、複数の孔が形成されている。風箱１３２は、ガス化炉１３０の下方に設けられる。風箱１３２には、第２熱交換器１２４、および、後述する第３熱交換器１４２から水蒸気ＳＴが供給される。水蒸気ＳＴは、風箱１３２を経由してガス化炉１３０の底面からガス化炉１３０内に供給される。これにより、ガス化炉１３０において流動媒体ＦＭの流動層（気泡流動層）が形成される。
【００２５】
そして、流動媒体ＦＭ（流動層）が有する熱によって、下記反応式（１）に示す熱分解反応、反応式（２）〜（４）に示す水蒸気ガス化反応、および、反応式（５）に示す水素付加反応が進行する。
原料ＭＴ  →  Ｈ２  ＋  ＣｍＨｎ  ＋  Ｃ（残渣ＲＳ）      …反応式（１）
Ｃ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ  ＋  Ｈ２      …反応式（２）
Ｃ  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２      …反応式（３）
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  Ｈ２      …反応式（４）
Ｃ  ＋  ２Ｈ２  →  ＣＨ４      …反応式（５）
したがって、原料ＭＴは、流動媒体ＦＭ（流動層）が有する熱によってガス化され、合成ガスＳＧ（Ｈ２、ＣＯ、および、ＣＨ４を含む）および残渣ＲＳが生成される。残渣ＲＳ（チャー）は、原料ＭＴのうち、合成ガスＳＧとならなかったものであり、炭素および灰を含む。
【００２６】
ガス化炉１３０によって生成された合成ガスＳＧは、第２サイクロン１３４によって固気分離される。固気分離された合成ガスＳＧは、送出管１３６を通じて改質炉１４０に送出される。一方、固気分離された固体粒子（流動媒体ＦＭおよび残渣ＲＳ）は、ガス化炉１３０に返送される。
【００２７】
改質炉１４０は、ガス化炉１３０から送出された合成ガスＳＧを酸化改質して、合成ガスＳＧに含まれるタールを分解する。第３熱交換器１４２は、改質炉１４０の後段に設けられる。第３熱交換器１４２は、合成ガスＳＧ（例えば、７００℃程度）と水とで熱交換して、水蒸気ＳＴを生成する。第３熱交換器１４２により、合成ガスＳＧが冷却される。精製装置１４４は、スプレー塔、および、ミストセパレータ等で構成される。精製装置１４４は、第３熱交換器１４２の後段に設けられる。精製装置１４４は、合成ガスＳＧからタールを除去する。
【００２８】
接続管１３８は、ガス化炉１３０と、第１熱交換器１５０の本体部１５２とを接続する。接続管１３８には、不図示のループシールが設けられている。ループシールは、水蒸気ＳＴによって内部に流動媒体ＦＭの流動層が形成されている。ループシールは、ガス化炉１３０から第１熱交換器１５０への合成ガスＳＧの流出、および、第１熱交換器１５０からガス化炉１３０への空気ＡＲの流出を防止する。
【００２９】
第１熱交換器１５０は、接続管１３８を介して、ガス化炉１３０に接続される。第１熱交換器１５０には、接続管１３８を通じてガス化炉１３０から流動媒体ＦＭおよび残渣ＲＳが導入される。第１熱交換器１５０は、本体部１５２と、風箱１５４（空気導入部）と、流動化ガス供給管１５６（空気導入部）と、第２ブロワ１５８（空気導入部）と、伝熱配管１６０とを含む。本体部１５２は、流動媒体ＦＭおよび残渣ＲＳを収容する。本実施形態において、本体部１５２は、ガス化炉１３０と実質的に等しい大きさである。本体部１５２の底面には、複数の孔が形成されている。風箱１５４は、本体部１５２の下方に設けられる。
【００３０】
流動化ガス供給管１５６は、風箱１５４に接続され、端部が大気開放されている。第２ブロワ１５８は、流動化ガス供給管１５６に設けられる。第２ブロワ１５８は、風箱１５４に空気ＡＲを送り込む。空気ＡＲは、風箱１５４を経由して本体部１５２の底面から本体部１５２内に供給される。これにより、本体部１５２において、流動媒体ＦＭおよび残渣ＲＳの流動層（気泡流動層）が形成される。
【００３１】
伝熱配管１６０は、熱媒体（ここでは、水ＷＴおよび水蒸気ＳＴ）が流通する配管で構成される。伝熱配管１６０は、本体部１５２内に一部が配される。具体的に説明すると、伝熱配管１６０は、本体部１５２の内部であって、流動層が形成される領域に配される。なお、本体部１５２内に形成される流動層は気泡流動層であるため、燃焼炉１１０と比較して空塔速度が低い。したがって、固体粒子（流動媒体ＦＭおよび残渣ＲＳ）による伝熱配管１６０の摩耗を抑制することが可能となる。
【００３２】
伝熱配管１６０は、熱媒体の流通過程において、熱媒体と流動媒体ＦＭとを熱交換し、流動媒体ＦＭを、例えば８００℃程度まで冷却する。本実施形態において、伝熱配管１６０には、後述するポンプ１８０によって熱媒体として水ＷＴが供給される。
【００３３】
風箱１５４から本体部１５２に供給され、流動媒体ＦＭを流動化した空気ＡＲ（例えば、８００℃程度）は、第３サイクロン１６２によって固気分離される。固気分離された空気ＡＲは、二次空気供給管１７０に送出される。一方、固気分離された固体粒子（流動媒体ＦＭおよび残渣ＲＳ）は、本体部１５２に返送される。
【００３４】
排出管１６４は、本体部１５２と流動媒体導入口１１２ｃとを接続する。第１熱交換器１５０によって冷却された流動媒体ＦＭおよび残渣ＲＳは、本体部１５２の出口をオーバーフローし、排出管１６４を通じて燃焼炉１１０の本体１１２に返送される。
【００３５】
ポンプ１８０は、後述する冷却器１８４によって冷却された水ＷＴを伝熱配管１６０に供給する。蒸気タービン発電機１８２には、伝熱配管１６０から排出された水蒸気ＳＴが供給される。蒸気タービン発電機１８２は、水蒸気ＳＴが有する熱エネルギーを回転エネルギーに変換し、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。冷却器１８４は、蒸気タービン発電機１８２を通過した水蒸気ＳＴを冷却（凝縮）して水ＷＴを生成する。
【００３６】
二次空気供給管１７０（空気供給部）は、第３サイクロン１６２と二次空気供給口１１２ｂとを接続する。したがって、固気分離された空気ＡＲは、二次空気供給管１７０、および、二次空気供給口１１２ｂを通じて本体１１２に供給される。つまり、第１熱交換器１５０において流動媒体ＦＭおよび残渣ＲＳと熱交換されることにより加熱された空気ＡＲが、二次空気として燃焼炉１１０に供給される。これにより、二次空気によって、燃焼炉１１０において一次空気のみでは燃焼しきれなかった残渣ＲＳを燃焼させることが可能となる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態にかかる合成ガス生成システム１００によれば、空気ＡＲを用いて流動媒体ＦＭおよび残渣ＲＳを流動化させる。したがって、流動化ガスとして水蒸気を利用する従来技術と比較して、流動化ガス自体に要するコストを低減することができる。つまり、従来技術と比較して、流動媒体ＦＭをより効率よく冷却することが可能となる。
【００３８】
また、二次空気供給管１７０を備えるため、本体部１５２から排気された空気ＡＲ、つまり、第１熱交換器１５０において流動媒体ＦＭおよび残渣ＲＳを流動化させた後の空気ＡＲを燃焼炉１１０で処理（燃焼）させることが可能となる。したがって、流動化ガスとして水蒸気を利用する従来技術と比較して、流動化ガスの処理に要するコストを削減することができる。
【００３９】
なお、従来技術において第１熱交換器から排気された水蒸気を燃焼炉１１０に供給することも考えられる。しかし、この場合、燃焼炉１１０の温度が低下し、残渣ＲＳの燃焼効率が低下し、残渣ＲＳの未燃分が排出管１１８に排出されてしまう。これに対し、本実施形態の合成ガス生成システム１００は、加熱された空気ＡＲが燃焼炉１１０に供給されることから、残渣ＲＳに含まれる可燃分を確実に燃焼させることができる。
【００４０】
また、合成ガス生成システム１００は、蒸気タービン発電機１８２を備える構成により、合成ガス生成システム１００全体の買電量を削減することが可能となる。
【００４１】
また、原料ＭＴとして選炭スラッジを採用する場合、燃焼炉１１０、集塵装置１２６、および、ガス化炉１３０から灰を取り出すことができる。灰は、セメントの原料としてそのまま利用することが可能となる。なお、燃焼炉１１０およびガス化炉１３０において、灰は、原料ＭＴ（選炭スラッジ）、流動媒体ＦＭ、および、残渣ＲＳより、質量（比重）が大きい。したがって、灰は、燃焼炉１１０およびガス化炉１３０の下部に滞留する。このため、燃焼炉１１０およびガス化炉１３０から灰を取り出す際には、燃焼炉１１０およびガス化炉１３０の底面から灰を抜き出すとよい。
【００４２】
また、原料ＭＴとして選炭スラッジを採用することにより、選炭スラッジを有効利用することができる。具体的に説明すると、選炭スラッジは、含水率が相対的に高い。このため、従来、選炭スラッジは、石炭やバイオマスと混焼されていた。したがって、従来技術では、選炭スラッジから熱を回収することしかできなかった。そこで、循環流動層式ガス化システムを用いて選炭スラッジをガス化し、合成ガスＳＧを生成することが検討された。しかし、選炭スラッジは、揮発分が相対的に少ないため、ガス化炉におけるガス化効率が低い。このため、残渣ＲＳが相対的に多くなり、燃焼炉１１０において流動媒体ＦＭが過熱されるという課題があった。そこで、合成ガス生成システム１００が第１熱交換器１５０を備える構成により、選炭スラッジをガス化して合成ガスＳＧを生成する。これにより、燃焼炉１１０において流動媒体ＦＭの過熱を防止することが可能となる。
【００４３】
（実施例）
実施例として、合成ガス生成システム１００を用い、選炭スラッジを原料ＭＴとしてガス化した場合の合成ガスＳＧの生成量および水蒸気ＳＴの発生量をシミュレーションした。また、比較例として、合成ガス生成システム１００のうち、第１熱交換器１５０、ポンプ１８０、蒸気タービン発電機１８２、および、冷却器１８４を省略した装置を用い、褐炭を原料ＭＴとしてガス化した場合の合成ガスＳＧの生成量および水蒸気ＳＴの発生量をシミュレーションした。
【００４４】
その結果、原料ＭＴの供給量が同じである場合、実施例の合成ガスＳＧの生成量は、比較例の１／２程度となった。なお、合成ガスＳＧの組成は、実施例と比較例とでほとんど相違しなかった。
【００４５】
また、実施例の水蒸気ＳＴの発生量、つまり、第２熱交換器１２４、第３熱交換器１４２、および、伝熱配管１６０によって生成される水蒸気ＳＴの量は、比較例の３倍以上になった。
【００４６】
以上、添付図面を参照しながら一実施形態について説明したが、本開示は上記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開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４７】
なお、上記実施形態では、伝熱配管１６０に供給される熱媒体として水ＷＴを例に挙げて説明した。しかし、熱媒体の種類に限定はない。
【００４８】
また、上記実施形態では、合成ガス生成システム１００が二次空気供給管１７０（空気供給部）を備え、本体部１５２から排気された空気ＡＲが二次空気供給口１１２ｂに供給される構成を例に挙げて説明した。しかし、本体部１５２から排気された空気ＡＲは、燃焼炉１１０に供給できればよい。例えば、合成ガス生成システム１００が、本体部１５２から排気された空気ＡＲを一次空気供給口１１２ａに供給する空気供給部を備えてもよい。ただし、本体部１５２から排気された空気ＡＲには粉塵（流動媒体ＦＭ、および、残渣ＲＳ）が含まれる場合があるため、二次空気供給口１１２ｂに供給した方がよい。
【００４９】
また、上記実施形態において、合成ガス生成システム１００が、二次空気供給管１７０（空気供給部）を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、空気供給部は必須の構成ではない。
【００５０】
また、上記実施形態において、合成ガス生成システム１００が、ポンプ１８０および蒸気タービン発電機１８２を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、ポンプ１８０および蒸気タービン発電機１８２は必須の構成ではない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本開示は、合成ガス生成システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１００  合成ガス生成システム
１１０  燃焼炉
１１２  本体
１１２ａ  一次空気供給口
１１２ｂ  二次空気供給口
１２０  第１サイクロン（サイクロン）
１３０  ガス化炉
１５０  第１熱交換器（熱交換部）
１５２  本体部
１５４  風箱（空気導入部）
１５６  流動化ガス供給管（空気導入部）
１５８  第２ブロワ（空気導入部）
１６０  伝熱配管
１７０  二次空気供給管（空気供給部）
１８０  ポンプ
１８２  蒸気タービン発電機
【図１】
2019137817.tif 000003