(57)【要約】【課題】チャー回収、輸送及び流量制御のためのスタンドパイプ−流動床ハイブリッドシステムの提供。【解決手段】炭素質物質をガス化し、ガス化装置からチャー又は固体をリサイクルするシステムを開示する。上記リサイクルシステムは、分離装置中の固体流を受けるスタンドパイプを備えていてもよく、該スタンドパイプは、蓄積したチャー床の前後に圧力差を生じさせることにより、流入固体流よりも圧力の大きい塔底流を生成する。また、上記リサイクルシステムは、塔底流を受ける保持容器と、保持容器中のチャーを受ける流動床分配容器であって、リサイクルされたチャーの正確な連続流をガス化反応器に供給するよう構成された流動床分配容器とを備えていてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質物質をガス化するシステムであって、
炭素質物質をガス化して、チャー及び合成ガスを含む塔頂生成物流を生成するガス化反応器と、
上記塔頂生成物流を、上記チャーを含む固体流と上記合成ガスを含むガス流とに分離する分離装置と、
上記固体流を上記ガス化反応器へリサイクルするシステムとを備え、
上記リサイクルシステムは、
上記分離装置中の上記固体流を受けるスタンドパイプであって、蓄積したチャー床の前後に圧力差を生じさせることにより、上記固体流よりも圧力の大きいチャー含有塔底流を生成するスタンドパイプと、
上記塔底流を受ける保持容器と、
上記保持容器中のチャーを受ける流動床分配容器であって、リサイクルされたチャー連続流を上記ガス化反応器に供給するよう構成された流動床分配容器と
を備える、システム。
【請求項２】
上記ガス化反応器は、下部反応部及び上部反応部を有する二段ガス化反応器であり、上記下部反応部は、リサイクルされたチャーを燃焼させて、スラグを含む固体生成物及び気化生成物を生成するよう構成されており、上記上部反応部は、上記気化生成物及び新しい炭素質原料を処理して上記塔頂生成物流を生成するよう構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
上記ガス化反応器は、上記炭素質原料をスラリーとして受けるよう構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
上記固体流をリサイクルするシステムは、上記ガス化反応器へのチャー流をモニタリングして制御するよう構成された測定システムを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
上記スタンドパイプは、上記スタンドパイプの上部と上記スタンドパイプの底部との間に少なくとも３ｐｓｉの圧力差を生じさせるよう構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
上記ガス流から固体残渣を分離する第２の分離装置を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
上記第２の分離装置で回収された上記固体残渣を上記スタンドパイプ及び上記ガス化反応器の少なくとも１つに供給する流体管を更に備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
チャーと、窒素及び合成ガスの少なくとも１つとを混合する装置を上記スタンドパイプの底部に近接した位置に更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
上記スタンドパイプは、循環的加圧減圧操作を行うことなく連続的に作動するよう構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
上記流動床分配容器の重量の低下を測定するウェイトセル、又は、上記流動床分配容器中の固体の高さ及び体積の低下をモニタリングする放射線式装置の少なくとも１つを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
上記流動床分配容器の重量差の測定値に基づいて上記ガス化反応器への酸素含有流の流量を調節するよう構成された制御システムを更に備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
上記流動床分配容器から上記ガス化反応器へリサイクルされるチャー流を測定する固体流量計を更に備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
上記固体流量計は、上記流動床分配容器の重量又は体積差の測定値に基づいて較正される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
窒素及び合成ガスの少なくとも１つでチャーを流動化する装置を上記流動床分配容器の底部に近接した位置に更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
炭素質物質をガス化するシステムであって、
炭素質物質をガス化して、チャー及び合成ガスを含む塔頂生成物流を生成するガス化反応器と、
上記塔頂生成物流を、上記チャーを含む固体流と上記合成ガスを含むガス流とに分離する分離装置と、
上記固体流を上記ガス化反応器へリサイクルするシステムとを備え、
上記リサイクルシステムは、
上記分離装置中の上記固体流を受けるスタンドパイプであって、蓄積したチャー床の前後に圧力差を生じさせ、かつ、上記蓄積したチャー床の底部を部分的に流動化して、リサイクルされたチャー連続流を上記ガス化反応器に供給するよう構成されたスタンドパイプを備える、システム。
【請求項１６】
上記分離装置と上記スタンドパイプとの中間に保持容器を更に備える、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
上記ガス化反応器は、下部反応部及び上部反応部を有する二段ガス化反応器であり、上記下部反応部は、リサイクルされたチャーを燃焼させて、スラグを含む固体生成物及び気化生成物を生成するよう構成されており、上記上部反応部は、上記気化生成物及び新しい炭素質原料を処理して上記塔頂生成物流を生成するよう構成されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
上記スタンドパイプは、上記スタンドパイプの上部と上記スタンドパイプの底部との間に少なくとも３ｐｓｉの圧力差を生じさせるよう構成されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
上記ガス流から固体残渣を分離する第２の分離装置を更に備える、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
上記第２の分離装置で回収された上記固体残渣を上記スタンドパイプ及び上記ガス化反応器の少なくとも１つに供給する流体管を更に備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
窒素及び合成ガスの少なくとも１つでチャーを流動化する分配器を上記スタンドパイプの底部に近接した位置に更に備える、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２２】
上記スタンドパイプは、循環的加圧減圧操作を行うことなく連続的に作動できる、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２３】
上記流動床分配容器の体積又は体積差を測定する高さ測定装置を更に備える、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２４】
流動化したチャーを上記スタンドパイプから上記ガス化反応器へ輸送する流管と、上記流管に追加の流動化ガスを投入する第２の流管とを更に備える、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２５】
上記スタンドパイプから上記ガス化反応器へリサイクルされるチャー流を測定する固体流量計を更に備える、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２６】
上記固体流量計は、上記流動床分配容器の重量又は体積差の測定値に基づいて較正される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
チャーをガス化反応器へリサイクルするプロセスであって、
チャー及び合成ガスを含むガス化反応器流出物を分離して、上記チャーを含む固体流と上記合成ガスを含む蒸気流とを生成する分離工程と、
上記固体流中のチャーをスタンドパイプに供給し、上記スタンドパイプ内にある程度の量のチャーを蓄積して圧力差を生じさせる供給工程と、
上記チャーを上記ガス化反応器へリサイクルするリサイクル工程とを含むプロセス。
【請求項２８】
上記供給及びリサイクル工程は、
上記固体流中のチャーを保持容器を介して上記スタンドパイプに供給し、
上記スタンドパイプ中のチャーの蓄積量の一部を流動化媒体で流動化し、
上記チャーを上記ガス化反応器へリサイクルすることを含む、請求項２７に記載のプロセス。
【請求項２９】
上記供給及びリサイクル工程は、
上記固体流中のチャーをスタンドパイプに供給し、
チャーを上記スタンドパイプの底部から保持容器を介して流動床分配容器へ輸送し、
上記分配容器内のチャーを流動化媒体で流動化し、
上記チャーを上記ガス化反応器へリサイクルすることを含む、請求項２７に記載のプロセス。
【請求項３０】
上記ガス化反応器へリサイクルされるチャーの流量を測定する工程を更に含む、請求項２７に記載のプロセス。
【請求項３１】
チャーを含む処理容器の体積差及び重量差の少なくとも一方を介して、上記流量を測定する計器を較正する工程を更に含む、請求項３０に記載のプロセス。
【請求項３２】
上記ガス化反応器へリサイクルされるチャーの流量の測定値に基づいて、上記ガス化反応器に供給される蒸気、空気、酸素又は酸素富化空気の少なくとも１つの流量を調節する工程を更に含む、請求項３０に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する実施形態は、概して、炭素質物質等の略固体原料を合成ガス等の望ましいガス状生成物へと変換するガス化システム及びプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭、石油コークス及び石油残渣等の固体又は液体原料を合成ガスへと変換するために、ガス化プロセスが広く用いられている。合成ガスは、水素、メタノール、アンモニア、合成天然ガス若しくは合成輸送オイル等の化学物質を製造する中間原料又は発電用燃料ガスとして重要である。
【０００３】
ガス化プロセスでは、一般的に、複雑なロックホッパーシステムを使用して未反応チャーをガス化反応器へ戻してリサイクルするが、上記システムは、通常、直列に連結した複数の容器を備え、各容器は個別に加圧・減圧される。上記システムは、典型的には、固体を低圧から高圧環境へ移すのに用いられる。しかしながら、循環及びバッチ操作を頻繁に行うことから、ロックホッパーは頻繁なメンテナンスを必要とし、該システムの稼働費用が高額となる一因になっている。また、複数の容器、弁及び器具類の使用に伴う資本コストが高くなる。ロックホッパーを加圧・減圧するためのガス消費、リサイクル及び管理も検討すべき要因である。
【０００４】
ロックホッパーの代替物としては、固体を低圧環境から高圧環境へ移すための回転弁も使用されている。しかしながら、特にチャーのような研磨性固体微粒子が関わる用途では、ローターでのエロージョン摩耗が大きいことが重大な問題である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示する実施形態は、連続的に稼働でき、メンテナンスがより少なくて済むシステムであって、リサイクルされたチャーの流量を正確に計測及び制御でき、固体を低圧環境から高圧環境へ効率的かつ効果的に輸送できるシステムに関する。
【０００６】
一態様において、本明細書の実施形態は、炭素質物質をガス化するシステムに関する。該システムは、炭素質物質をガス化して、チャー及び合成ガスを含む塔頂生成物流を生成するガス化反応器を備えていてもよい。また、該システムは、上記塔頂生成物流を、上記チャーを含む固体流と上記合成ガスを含むガス流とに分離する分離装置を備えていてもよい。また、該システムは、上記固体流を上記ガス化反応器へリサイクルするサブシステムを備えていてもよい。上記リサイクルシステムは、上記分離装置中の上記固体流を受けるスタンドパイプであって、蓄積したチャー床の前後に圧力差を生じさせることにより、上記固体流よりも圧力の大きいチャー含有塔底流を生成するスタンドパイプを備えていてもよい。また、上記リサイクルシステムは、上記塔底流を受ける保持容器と、上記保持容器中のチャーを受ける流動床分配容器であって、リサイクルされたチャーの正確な連続流を上記ガス化反応器に供給するよう構成された流動床分配容器とを備えていてもよい。
【０００７】
別の態様において、本明細書の実施形態は、炭素質物質をガス化するシステムに関する。該システムは、炭素質物質をガス化して、チャー及び合成ガスを含む塔頂生成物流を生成するガス化反応器と、上記塔頂生成物流を、上記チャーを含む固体流と上記合成ガスを含むガス流とに分離する分離装置とを備えていてもよい。また、該システムは、上記固体流を上記ガス化反応器へリサイクルするサブシステムを備えていてもよい。上記リサイクルシステムは、上記分離装置中の上記固体流を受けるスタンドパイプであって、蓄積したチャー床の前後に圧力差を生じさせ、かつ、上記蓄積したチャー床の底部を部分的に流動化して、リサイクルされたチャー連続流を上記ガス化反応器に供給するよう構成されたスタンドパイプを備えていてもよい。
【０００８】
更に他の態様において、本明細書の実施形態は、チャーをガス化反応器へリサイクルするプロセスに関する。該プロセスは、チャー及び合成ガスを含むガス化反応器流出物を分離して、上記チャーを含む固体流と上記合成ガスを含む蒸気流とを生成する分離工程を含んでいてもよい。上記固体流中のチャーをスタンドパイプに供給してもよく、上記スタンドパイプ内にある程度の量のチャーを蓄積して圧力差を生じさせてもよく、それにより、上記チャーを上記ガス化反応器へリサイクルしてもよい。
【０００９】
他の態様及び利点は、以下の記載及び添付の特許請求の範囲から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本明細書に開示する実施形態に係るチャーリサイクルシステムを備えるガス化システムのプロセスフロー簡略図である。
【図２】本明細書に開示する実施形態に係る代替のチャーリサイクルシステムを備えるガス化システムのプロセスフロー簡略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
一態様において、本明細書の実施形態は、炭素質物質を合成ガスに変換するプロセスに関する。固体燃料ガス化プロセスでは、チャーと呼ばれる部分的に反応した乾燥粒子が、ガス化反応器で生成された合成ガス中に大量に同伴され得る。このチャーとしては灰や未反応炭が挙げられるが、これらは、分離し、輸送し、最終消費のためガス化装置へ戻してリサイクルする必要があり、これにより、合成ガス及びスラグが更に生成される。例えば、チャーは、バーナーを介して空気又は酸素等の酸化剤と共にガス化装置に注入し戻してもよい。各バーナーにおけるチャー／酸化剤比は、ガス化装置が低すぎる又は高すぎる温度で作動することがないよう制御する必要がある。温度が低すぎると、チャーの変換が不完全となり、温度が高すぎると、ガス化装置の耐火ライニングを損傷する場合がある。したがって、正確な量の酸化剤がバーナーに添加されるようにチャー流量を一定に維持することが望ましい。これは、本明細書に記載されるようなスタンドパイプ−流動床ハイブリッドリサイクルシステムによって達成できる。頻繁な循環を要する複数の容器からなるロックホッパーとは異なり、本明細書に記載のスタンドパイプ−流動床ハイブリッドリサイクルシステムは、固体リサイクル流の圧力を高めると同時に、定量の連続流を維持することもでき、有利である。測定可能かつ制御可能な連続流を供給できることによって、上記システムは、以下で更に説明する幾つかの利点を有することとなる。簡単に上述したように、本明細書において「チャー」とは、ガス化反応器流出物中に同伴されたままであり得る変換されていない又は部分的に変換された炭素質粒子及び灰粒子を言う。
【００１２】
本明細書の実施形態に係る炭素質物質をガス化するシステム及びプロセスは、炭素質物質をガス化して、合成ガス及び同伴チャーを含む生成物流を生成するガス化反応器又はガス化装置を用いてもよい。本明細書の実施形態において有用なガス化装置としては、単段又は多段ガス化装置（例えば、新しい炭素質供給原料がガス化装置上部に投入され、リサイクルされたチャーがガス化装置下部に投入される以下に記載の二段ガス化装置等）が挙げられる。炭素質供給原料は、微粉固体であっても、水スラリーに懸濁した微粒子の形態であってもよい。
【００１３】
同伴チャーを合成ガスから分離するためにサイクロン分離装置等の分離装置を用いてもよい。分離装置から回収した未変換炭素質物質を含み得る同伴チャーは、その後、ガス化装置へリサイクルして合成ガスを更に製造できる。また、分離装置から回収した合成ガスは少量のチャーを含み得るため、サイクロン分離装置やろ過システム等の第２の分離装置を使用して合成ガスから更にチャーを除去してもよく、そのチャーをガス化装置へリサイクルすることもできる。
【００１４】
プロセスの動的特性によって、ガス化反応器と分離装置の固体出口との間には圧力降下が生じる。結果として、チャーをリサイクルするには、加圧してチャーをガス化反応器へ逆流させる方法が必要である。しかしながら、チャーの研磨性が、加圧・減圧を介して作動するシステムの信頼性に影響を及ぼすため、通常、液体スラリーシステムをチャーのリサイクルに使用するのは望ましくない。液量によってはガス化反応器の操作及び変換率に悪影響が生じ得るからである。
【００１５】
本明細書に記載のスタンドパイプを備えるリサイクルシステムは、回収されたチャーを充分に加圧してガス化反応器へ容易にリサイクルできることが見出された。本明細書におけるスタンドパイプとしては、丈が比較的高い容器が挙げられ、その場合、スタンドパイプ内にチャーが蓄積すると圧力差が生じて、蓄積粒子の重量によって、スタンドパイプの底部にかかる圧力がスタンドパイプの上部にかかる圧力よりも大きくなり、チャーをガス化装置へ戻すのが容易となる。例えば、本明細書の実施形態に係るスタンドパイプは、３０フィート、５０フィート、７０フィート、１００フィート以上の高さを有することにより、リサイクルシステムでチャーを輸送するのに必要となり得る３ｐｓｉ、５ｐｓｉ、７ｐｓｉ、１０ｐｓｉ、１２ｐｓｉ、１４ｐｓｉ以上の圧力形成をもたらすものであってもよい。ある実施形態では、本明細書の実施形態に係るスタンドパイプは、約３ｐｓｉ〜約１５ｐｓｉの範囲、例えば約５ｐｓｉ〜約９ｐｓｉの範囲の圧力形成を可能にする充分な高さを有していてもよい。
【００１６】
必要な圧力形成は、使用されるガス化システムや、ガス化装置へ固体を輸送及び注入しやすくするのに必要な圧力差によって決定され得る。また、実現される圧力形成は、チャーの特性によって決定され得るものであり、このチャーの特性は、とりわけ、処理される炭素質原料の種類、ガス化反応器内の作動条件（温度や圧力等）並びに得られるチャー微粒子の種類、充填密度及び多孔性によって決定され得る。
【００１７】
システムの全体設計は、終始一貫した炭素質原料を使用するものとして構成されていてもよく、複数の炭素質原料を使用して作動するように構成されていてもよい。例えば、高品位石炭と比較して、低品位石炭は、比較的高水分量の水スラリーを使用して二段ガス化反応器の上段に供給される場合がある。これにより、今度は、上部反応域の上部の出口温度が低下し、分離及びリサイクル対象であるチャーの同伴量がかなり多くなる場合があり、石炭の品位差にもよるが、チャーリサイクル量の１０倍にまでなり得る。本明細書の実施形態に係るスタンドパイプを用いるシステムは、チャーをガス化反応器へ効率的、連続的かつ測定可能にリサイクルできる。例えば、チャーは、二段ガス化反応器の下部に投入してもよく、この下部では、チャーのみ又はチャーと炭素質物質との混合物を処理する。本明細書の実施形態では、合成ガス、窒素、二酸化炭素等の好適な流動化ガスといった流動化媒体の量を抑えて、濃厚相としてリサイクルチャーを供給する。特定の実施形態では、ガス化プロセスから回収可能な副生成物である二酸化炭素を使用してもよい。
【００１８】
固体を同伴するのに要するガス量の点で、濃厚相輸送が希薄相輸送よりも好ましい。希薄相輸送システムの場合、固体１ポンド当たり２ポンドの流動化ガスが必要となり得るが、固体濃厚相システムでは、同じ固体１ポンド当たり０．０２ポンドの流動化ガスしか必要なく、固体の同伴に要するガス量に１００倍の差が生じる場合もある。また、希薄相輸送システムでの輸送速度は１秒当たり４０フィートを超えるが、濃厚相システムでは１秒当たり２０フィート未満となる場合もある。希薄相システムの高速輸送と研磨性固体の同伴が組み合わさると、パイプシステムに深刻なエロージョン問題が生じる。リサイクルチャーがガス化装置反応チャンバーへの主たる供給原料である場合、希薄相輸送システムに伴う膨大な量の同伴ガスがリサイクルチャーと共にガス化装置に供給されるため、希薄相輸送システムは非実用的である。スタンドパイプによって、チャーを濃厚相として連続してガス化反応器へリサイクルすることが可能となるが、これにより、反応器制御が容易となり、原料に関して柔軟性が得られるため有利である。
【００１９】
以下、図１を参照して、本明細書の実施形態に係るガス化システムのプロセスフロー簡略図を説明する。図１に示すように、ガス化反応器１０は反応器下部３０と反応器上部４０とを有する。ガス化プロセスの第１段階は、反応器下部３０で起こり、ガス化プロセスの第２段階は反応器上部４０で起こる。反応器下部３０は第１段階反応域を画定しているので、第１段階反応域ともいう。反応器上部４０は第２段階反応域を確定しているので、第２段階反応域ともいう。二段ガス化装置に関して記載しているが、本明細書に開示する実施形態は他のガス化装置と共に作動させてもよい。
【００２０】
図１に示す実施形態によれば、固体原料を微粉化（図示せず）又は石炭／水スラリーのように粉砕及びスラリー化した後でシステムに投入してもよい。微粒炭素質物質（微粉化石炭等）又は粉砕及びスラリー化した炭素質物質（石炭／水スラリー等）の微粉化固体流を供給装置８０及び／又は他の供給装置（図示せず）を介してガス化反応器上部４０に注入する。その後、炭素質物質は、温度２３００°Ｆ〜２９００°Ｆなどの高温の合成ガスと接触し、ガス化反応器下部３０から上昇する。スラリー又は炭素質物質を乾燥させ、その一部を熱分解により合成ガスへと変換する。水蒸発及び熱分解反応は吸熱反応であるため、炭素質物質と合成ガスとの混合物が反応器上部４０を通って上方へ移動するにつれて、混合物の温度は低下する。未反応固体微粒子（チャー等）及びガス状生成物（合成ガス等）を含む第２の混合生成物が反応器上部４０の上部から出るまでに、混合生成物の温度が例えば約４００°Ｆ〜約１９００°Ｆの範囲といった温度まで低下し得る。実際に用いる温度は、原料及び具体的な反応器構成によって決定できる。
【００２１】
同伴固体微粒子及びガス状生成物を含む混合生成物は、反応器上部４０から出てサイクロン分離装置５０に送られる。サイクロン分離装置５０は、混合生成物を、未反応固体微粒子を含む固体生成物流とガス状生成物流とに分割するが、ガス状生成物流には固体残渣微粒子がほんのわずかしか残留しない。固体生成物流は出口７０を通ってサイクロン分離装置５０から出る。
【００２２】
その後、サイクロン分離装置５０の底部から回収した固体生成物をスタンドパイプ１２０の上部に供給する。固体はスタンドパイプ１２０内に蓄積し、濃縮される。スタンドパイプ中に蓄積した固体の高さによって、スタンドパイプの底部に圧力が形成される。その後、蓄積した固体をスタンドパイプ１２０の底部からフローライン１２５を介して保持容器１３０へ輸送する。様々な実施形態において、蓄積した固体を連続的又は半連続的に輸送することができ、重力で輸送してもよいし、あるいは最小限量の合成ガス、二酸化炭素又は窒素（例えばフローライン１２６を介して投入してもよい）と共に濃厚相輸送を行ってもよい。
【００２３】
保持容器１３０を流動床分配容器１４０の上に配置してもよく、それにより、フローライン１４２を介してチャーをガス化装置へ戻す輸送を容易にするとともに、ガス化装置へのチャー流量の測定を容易にすることもできる。例えば、保持容器１３０を定期的に開放して固体を流動床分配容器１４０に供給し、反応器下部３０へ戻してリサイクルしてもよく、この場合、固体の流量は、流動床分配容器１４０内の粒子体積の降下又は流動床分配容器１４０の重量差によって決定できる。あるいは、市販の固体流量計をライン１４２で使用して、リサイクルされるチャーの流量を測定してもよく、この場合、保持容器１３０によって、流動床分配容器１４０内の粒子の降下に基づいて流量計を定期的に較正しやすくできる。保持容器１３０は、流動床分配容器１４０の上に配置されてはいるが、独立して支持されているため、保持容器１３０中に蓄積する固体は、重量差が必要となる流動床分配容器１４０の降下時の重量測定には影響を及ぼさない。
【００２４】
スタンドパイプ１２０は、固体生成物が重力で流れるある程度の長さのパイプであるが、固体をサイクロン５０等の低圧域からガス化反応器１０等の高圧域へ移すために使用できる。スタンドパイプ１２０の底部出口で得られる圧力は、とりわけ、スタンドパイプの高さ、スタンドパイプ中の固体面の高さ、固体の特徴（すなわち、密度、多孔性、粒径分布、充填効率等）及びどの程度のガスが固体に同伴されるかによって決定される。典型的には、石炭系炭素質物質を使用する場合、スタンドパイプの高さ１０フィート毎に約１〜２ｐｓｉの圧力上昇を期待できる。したがって、７０フィート丈のスタンドパイプを使用する場合、スタンドパイプの底部から出ていく固体の圧力は、スタンドパイプの上部と比較して約７〜１４ｐｓｉ高くなるであろう。図１に示すもの等の二段ガス化反応器では、固体輸送ライン、バーナー（又は分散装置）、ガス化装置及びサイクロンの前後での圧力降下にもよるが、スタンドパイプ１２０は、例えば上部反応部４０の高さの少なくとも半分の高さであってもよく、ある実施形態では、上部反応部４０と少なくとも同等の高さであってもよい。
【００２５】
流動床分配容器１４０を使用して、反応器下部３０の１つ以上の分散装置６０及び／又は６０ａへつながる１本以上の輸送ライン１４２を通してガス化反応器１０の底部内にチャーを輸送及びリサイクルする。フローライン１２７を通して供給した窒素又は合成ガス等の流動化媒体を流動床分配容器１４０へ投入して、固体を流動化及び輸送してもよい。典型的には、流動床分配容器１４０と分散装置６０及び／又は６０ａとの間の輸送ライン１４２の長さ及び構成は、各ラインの圧力降下差が同じになるよう調整して、各ラインが確実に同様な流量となるようにする。輸送ラインの圧力降下は、例えばパイプ１０フィート当たり約１〜２ｐｓｉであってもよい。輸送ラインによる圧力降下を内蔵型制限オリフィスとして利用して流量を調節してもよい。したがって、流動媒体量を調整して流動床分配容器１４０の床密度を変化させることによって、ラインの固体流量を調節でき、それにより、典型的にははるかに大きな圧力差（例えば１０〜１５ｐｓｉ）を作動時に必要とする流量制御弁が必要なくなる。上記流動床分配容器１４０中の圧力降下は、非常に低く保つこともできる。スタンドパイプ１２０、保持容器１３０及び流動床分配容器１４０を組み合わせることによって、ロックホッパーを使用することなく固体を低圧域から高圧域へと移すことができる。
【００２６】
流量計による固体流量の測定は困難な場合がある。容量原理を採用して、パイプを流れる固体媒体の密度及びその移動速度を測定して質量流量を算出する流量計が当該分野で使用されている。そのような流量計は、炭素質物質等のあまり導電性がない固体や石油コークス等の灰分又はミネラル分の非常に低いチャーにはうまく機能しない。これに対して、本明細書の実施形態に係るシステムでは、体積損失又は重量損失等の重量測定による固体流測定を行うことができる。例えば、流動床分配容器１４０は、ウェイトセルに取り付けて重量損失率をモニタリングしてもよく、あるいは、外部に取り付けた放射線式センサーを装着して床の高さ、したがって体積変化をモニタリングしてもよい。流動床分配容器１４０供給システムを用いれば、保持容器１３０を介して流動床分配容器１４０へと固体物質をバッチ処理することにより、重量損失（したがってバーナーへのチャー流量）をモニタリングできる。同様に、公知の特性（密度、充填密度等）を有するチャーの場合、体積損失によって、リサイクルされた固体流量を充分正確に測定できる。本明細書のシステムは、チャーサンプルを取り出してチャーの特性を決定するサンプルポートを１つ以上更に備えていてもよい。
【００２７】
スタンドパイプ１２０を流動床分配容器１４０と組み合わせるために、保持容器１３０を使用して両システムを接続し、両システム間のインターフェースとして機能させる。保持容器１３０は、流動床分配容器１４０の上部に直接配置されていてもよく、例えば自動フルポート急開弁によって保持容器１３０から隔てられていてもよい。保持容器１３０中の圧力は、流動床分配容器１４０中と同じ又はわずかに大きくなる。作動中、固体はスタンドパイプ１２０から保持容器１３０へと流れるが、保持容器１３０の出口に配置された弁は最初は閉じている。保持容器１３０が満たされると、弁が開いて保持容器１３０中の固体が流動床分配容器１４０に流れ込む。その後、弁は閉じ、このサイクルが繰り返される。保持容器１３０の加圧又は減圧は不要である。流動床分配容器１４０から各輸送ライン１４２及びそれぞれのバーナー（又は分散装置）を通って流れる固体流は、保持容器１３０からの固体移送中でも途切れることはない。
【００２８】
流量は、ウェイトセルによって重量測定でモニタリングしてもよく、流動床分配容器１４０に装着した放射線式センサーによって体積測定でモニタリングしてもよい。保持容器１３０から固体移送を行う度に重量又は体積をリセットし、その後、経時的な重量又は体積損失差によって、流動床分配容器１４０からガス化装置１０への固体の流量を求めることができる。あるいは、上述したように、流動床分配容器１４０の出口に又は容器からバーナーへの個々の輸送ライン１４２ごとに固体流量計を設置してもよい。固体流量計を使用して固体流量を独立してモニタリングする場合は、保持容器１３０の底弁を常に開いたままにしておくこともでき、固体はスタンドパイプ１２０から保持容器１３０を通って流動床分配容器１４０へ直接流れる。保持容器１３０及び底弁は、１日１回若しくは２回や所望の頻度でなど、固体流量計の較正が望まれる場合にのみ使用される。
【００２９】
その後、固体生成物流を分散装置６０及び／又は６０ａを通してガス化装置１０の反応器下部３０へ戻してリサイクルする。これらの装置は、反応器の第１段階へリサイクルされた固体及び空気又は酸素等のガス状酸化剤を添加する際に、上記固体と上記酸化剤とを混合する。酸素又は空気の流量、したがってガス化装置の温度は、流動床分配容器１４０からガス化装置１０への固体の流量に少なくとも一部基づいていてもよい。
【００３０】
固体生成物流（主にチャーを含む）は、ガス化反応器１０の反応器下部３０（又は第１段階反応域）において過熱蒸気の存在下で酸素と反応する。この発熱反応によって、第１段階のガスの温度が例えば１５００°Ｆ〜３５００°Ｆまで上昇する。反応器下部３０で生成した高温合成ガスは、反応器上部４０へと上方に流れ、炭素質固体又はスラリー原料と接触する。高温合成ガスによって水分が蒸発し、原料粒子が乾燥して高温まで加熱された後、乾燥粒子は蒸気と反応して、ＣＯ及び水素を生じる。
【００３１】
再び図１に示す実施形態を参照すると、第１段階の温度は通常は灰融点よりも高い。その結果、同伴灰粒子は溶融し、凝集し、粘性溶融スラグになり、ガス化装置の側面を流れ落ちて、反応器出口２０を通って反応器から出てクエンチチャンバー（図示せず）に入る。スラグを水でクエンチし、最終的に固体スラグ生成物として回収する。分散装置６０及び／又は６０ａあるいは別の分散装置を介してガス化反応器１０の下部３０へ水を蒸気として供給する。水は、貯蔵タンク（図示せず）又は水道施設からのものであってもよい。
【００３２】
更に図１を参照すると、サイクロン分離装置５０から出たガス状生成物流５２は、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水分（水蒸気）、少量のメタン、硫化水素、アンモニア、窒素及びわずかな固体残渣微粒子を含み得る。次に、ガス状生成物をサイクロンフィルター又はキャンドルフィルター等の微粒子ろ過装置１１０に投入して、固体残渣微粒子を取り除いてから、１１２流を介してガス化反応器１０の下部３０に戻してリサイクルする。あるいは、固体残渣をガス化反応器１０へとリサイクルするためにスタンドパイプ１２０に供給してもよい。
【００３３】
図１に示すようなある実施形態において、１４２流により供給したリサイクルチャー、８５流により供給した酸素含有ガス流は、混合しても、１箇所以上から別々に供給してもよく、８７流により供給した蒸気が１つ以上の分散装置６０、６０ａを介してガス化反応器下部３０に流入してもよい。３つ以上の分散装置を使用してもよく、例えば４つを９０度ずつ離して配置してもよい。また、一連の分散装置はそれぞれ異なる高さにあってもよく、同じ平面にある必要はない。
【００３４】
再び図１に示す実施形態を参照すると、不焼成反応器上部４０は焼成反応器下部３０の上部に直接接続しているため、高温反応生成物が反応器下部３０から反応器上部４０へと直接運ばれる。これにより、ガス状反応生成物及び同伴固体での熱損失が最小限に抑えられ、それによりプロセス効率が高まる。
【００３５】
更に図１に示す実施形態を参照すると、分散装置６０及び６０ａは、チャー等の微粒固体を分散させて供給する。分散装置は、固体用の中央管と、分散ガスを含む該中央管の周りの環状空間とを有するものであってもよく、上記環状空間は、共通の混合域へと内部又は外部に開いている。また、不焼成反応器上部４０の供給装置８０も、上述した分散装置と同様であってもよい。
【００３６】
ガス化反応器１０を構成するために様々な材料を使用できる。例えば、反応器壁は鋼であって、反応器下部３０が高クロム含有煉瓦等の絶縁キャスタブル若しくはセラミック繊維又は耐火煉瓦で、反応器上部４０が溶鉱炉やスラグが発生しない用途で使用されるような高密度媒質で裏打ちされていてもよく、それにより、熱損失を抑え、高温腐食性溶融スラグから容器を保護するとともに、温度制御を良好にすることができる。この種のシステムを使用すれば、本プロセスで使用する炭素質固体から得られる発熱量を高回収することができる。あるいは場合によっては、上記壁は、焼成反応器下部３０及び場合によっては不焼成上部４０に「冷壁」システムを備えることによって、裏打ちされていないものであってもよい。本明細書において「冷壁」とは、水又は蒸気等の冷媒の入った冷却ジャケットにより壁が冷却されることを意味する。そのようなシステムでは、冷却された内壁上でスラグが凍結し、それにより冷却ジャケットの金属壁が熱分解から保護される。
【００３７】
スラグ発生ガス化反応器下部３０でのプロセスの第１段階における反応の物理的条件は、灰融点を超える温度で確実にチャーが迅速にガス化されるよう制御及び維持して、溶融灰から約２５０ポアズ以下の粘度の溶融スラグを生じさせる。このスラグは反応器の出銑口２０から排出されるが、更なる処理を施してもよい。
【００３８】
反応器上部４０でのガス化プロセスの第２段階における反応の物理的条件は、確実に炭素質原料が迅速にガス化及び加熱されるよう制御するが、ある実施形態では、石炭をその可塑性範囲よりも高温に加熱してもよい。しかしながら、反応器上部４０の温度を石炭の可塑性範囲よりも低温になるよう制御する二段ガス化反応器を用いてもよい。反応器下部３０の温度は、１５００°Ｆ〜３５００°Ｆの範囲に維持されるが、２０００°Ｆ〜３０００°Ｆの範囲に維持することもできる。ガス化反応器１０の反応器上部４０及び下部３０内の圧力は、いずれも大気圧〜１０００ｐｓｉｇ以上に維持される。上部反応域の条件は反応進行度だけでなく好ましい反応にも影響を及ぼすことがあるため、作動条件を選択する際には、特定の炭素質原料から所望の生成物混合物が得られるように注意を払うべきである。
【００３９】
本明細書において、反応器下部３０に供給される「酸素含有ガス」とは、少なくとも２０％の酸素を含有する任意のガスと定義される。酸素含有ガスとしては、例えば、酸素、空気及び酸素富化空気が挙げられる。
【００４０】
本明細書に記載の実施形態では、あらゆる炭素質物質を原料として利用できる。ある実施形態では、炭素質物質は石炭であり、該石炭としては、特に限定されず、褐炭、瀝青炭、亜瀝青炭及びそれらの任意の組合せが挙げられる。更に炭素質物質としては、石炭由来のコークス、石炭チャー、石炭液化残渣、微粒炭素、石油コークス、油頁岩由来の炭素質固体、タールサンド、ピッチ、バイオマス、濃縮下水汚泥、生ごみ屑、ゴム及びそれらの混合物も挙げられる。上で例示した物質は、粉砕した固体の形態であってもよい。
【００４１】
石炭又は石油コークスが原料である場合、微粉化して乾燥固体として供給するか、あるいは粉砕して水でスラリー化してから、反応器上部に添加してもよい。通常は、あらゆる微粉化した炭素質物質を使用でき、微粒固体の粒径を小さくするあらゆる公知の方法を採用できる。そのような方法としては、例えば、ボール、ロッド若しくはハンマーミルの使用が挙げられる。粒径は決定的要因ではないが、粒子は、ガス流中に粒子が同伴される程度に小さいものであるべきである。反応性が向上するため、微粒子カーボンブラックが好ましい。石炭火力発電所で燃料として使用される微粉石炭が典型的である。そのような石炭は、石炭の９０（重量）％が２００メッシュ篩を通過するような粒径分布を有する。また、沈降しない安定したスラリーを調製できるのであれば、より反応性が高い物質に対してより粗い平均粒径１００メッシュを採用することもできる。
【００４２】
図１に関して上述した実施形態では、スタンドパイプによる圧力形成後、流動床分配容器によって制御可能かつ測定可能な連続流を形成する。また、部分的に流動化した部分流動化スタンドパイプを有するリサイクルシステムによって、圧力形成並びに制御可能かつ測定可能な連続流を提供することも可能であり、その実施形態を図２に示し、以下に説明する。
【００４３】
以下、図２（同様の数字は同様の部分を表す）を参照して、本明細書の１つ以上の実施形態に係るチャーリサイクルシステムを備えるガス化システムのプロセスフロー簡略図を説明する。該システムは、連続的に作動でき、スタンドパイプを利用してヘッド圧を生じさせて固体を低圧から高圧環境へ移動させることができ、該システム中の固体を流量を正確に制御しながら複数の場所に同時に供給できる。この実施形態において、チャーリサイクルシステム１５は、サイクロン分離装置５０から固体を流れ込ませる保持容器２００を備えている。部分流動化スタンドパイプ２１０を保持容器２００の下に配置してもよく、流動化スタンドパイプの底部から複数の運搬ライン１４３が出ていてもよい。
【００４４】
保持容器２００は、例えば約１５〜３０分間固体を貯蔵できる容量の円錐状容器であってもよい。保持容器２００は、例えば遠隔操作できる急開ブロック弁２１２によって、部分流動化スタンドパイプ２１０から隔てられていてもよい。部分流動化スタンドパイプ２１０は垂直円筒状容器であってもよく、該容器中では固体が保持され、フローライン２１５を介して部分流動化スタンドパイプ２１０の底部に投入される窒素又は合成ガス等のガス状媒体で流動化される。スタンドパイプの高さは、スタンドパイプの底部に充分な静的ヘッド圧を生じさせて固体を高圧環境（ガス化装置１０、例えばガス化装置１０の下部反応部３０等）へ輸送できるような高さまで固体を蓄積できる程度に高いものであるべきである。部分流動化スタンドパイプの直径は、部分流動化スタンドパイプ２１０中で固体の移動が妨げられない程度に大きいものであるべきである。
【００４５】
部分流動化スタンドパイプ２１０の底部２１８には、流動化ガスが投入される孔質媒体又は分配ノズル（図示せず）を装着してもよい。フローライン２１５により投入される流動化ガスの量は、固体媒体を流動化するのに充分な量であるべきだが、固体カラム（蓄積チャー）の重量によって、部分流動化スタンドパイプの底部に最大の静的ヘッド圧が生じるよう最低限の量にするべきである。例えば、チャーの特性に応じて、部分流動化スタンドパイプは、スタンドパイプ中の固体１０フィート毎に１〜２ｐｓｉのヘッド圧を生じさせるであろう。具体例としては、流量５０００ｌｂ/ｈｒの微粉石炭を扱えるよう設計した直径２４インチ、高さ７０フィートの部分流動化スタンドパイプは、部分流動化スタンドパイプの上部と底部との間に１４．５ｐｓｉの圧力差を生じさせることができる。
【００４６】
固体流動床の底部に向かって、流動化ガスを投入する位置のすぐ上に複数の運搬パイプライン１４３を配置して、ガス化装置の各種バーナー（又は分散装置）６０、６０ａ等の別々の場所に固体を輸送してもよい。固体は管１４３を通って濃厚相状態で流れるが、各運搬ラインの流量は独立して変更でき、輸送ガス供給ライン１４４等を介して各運搬パイプラインの長さ方向に沿って固体流中に直接投入される輸送ガス量を調節することによって制御できる。各運搬ラインの固体流量は固体質量流量計により測定できる。
【００４７】
通常の操作時には、保持容器２００と部分流動化スタンドパイプ２１０との間の遠隔制御式空気圧ボール弁２３０を開いたままにしておいてもよい。サイクロン分離装置中の固体は、保持容器２００を通って部分流動化スタンドパイプ２１０へと流れる。部分流動化スタンドパイプ２１０中の固体の高さは、スタンドパイプの底部からの流出量と、サイクロン分離装置及び保持容器２００からの流入量のバランスを取ることによって、スタンドパイプの上部で一定に保たれる。固体流量計の較正は、上述した方法と同様に、２３０弁を一時的に閉じることによって行うことができ、この場合、体積差又は重量差を用いてもよい。例えば、保持容器２００及び部分流動化スタンドパイプ２１０の両方に、放射線源２４３を有する放射計（放射線式）センサー２４０、２４２をそれぞれ備え付けて、容器中の固体の高さを測定してもよく、センサー２４０及び２４２は、とりわけ体積低下流量較正の機能を有し、更に、センサー２４０は、適時に較正試験を完了できるよう高さを表示する。部分流動化スタンドパイプ２１０の底部から出ている運搬ラインの固体流量は、フローライン２１５を介して部分流動化スタンドパイプ２１０に投入される流動化ガス量を変更することによって、フローライン１４４を介して運搬パイプライン１４３に直接添加される輸送ガスを変更することによって、又は、部分流動化スタンドパイプ２１０中の固体の高さを変更することによって調節できる。
【００４８】
図１の実施形態と同様な図２に関して上述した実施形態では、圧力形成及び連続固体輸送の両方を行うことができるため、同様な利点を有する。図２の実施形態では、スタンドパイプによる圧力形成後、部分流動化スタンドパイプ内の粒子床下部の流動化によって、制御可能かつ測定可能な連続流を形成する。
【００４９】
上記実施形態の１つ以上で説明したシステムは、連続して作動でき、メンテナンスを必要としやすい高コストのロックホッパーシステムで必要とされるような循環的加圧減圧操作を用いることなく、固体を低圧から高圧環境へ輸送できるため、有利である。また、加圧減圧システムにより得られるスラグ供給と比較して、固体流量をより正確にモニタリングして制御でき、反応器制御を向上できる。また、本明細書に開示するチャー輸送システムは、ガス化プロセスに柔軟性をもたせることにより、他のチャー処理及びガス化反応器システムと比較してより幅広い種類の供給原料を処理できる。
【００５０】
本開示は限られた数の実施形態しか記載していないが、本開示の恩恵を受ける当業者であれば、本開示の範囲を逸脱しない他の実施形態も考えられることを理解するであろう。したがって、本範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきものである。
【図１】
2018507288.tif 000003
【図２】
2018507288.tif 000004
【国際調査報告】
2018507288.tif 000005
2018507288.tif 000006