(57)【要約】【課題】簡易かつ低コストな構成で、ガス中タールの分析を連続的に行い、ガス化炉に適用されたとき、ガス化炉の稼働現場でオンラインで分析結果をガス化炉の運転にフィードバックを可能にする。【解決手段】ガス化炉１の出口部１ｂから採取した生成ガスをサイクロンセパレータ２０で除塵した後、第１分岐管路２１と第２分岐管路２２とに分離する。第１分岐管路２１では改質器２７で生成ガス中のタールを改質した後、分析計３８で低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度を検出する。第２分岐管路２２ではタールを改質することなく、分析計４８で低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度を検出する。演算部５０でこれらの濃度の差分から生成ガス中のタール濃度を推定する。【選択図】図１
2013160703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質原料を熱分解して発生するガスに含まれるタールの濃度を検出するガス中タールの分析方法において、
ガス流路から分析対象ガスをサンプリングするガスサンプリング工程と、
前記ガスサンプリング工程で同時にサンプリングしたガスを２系統に分ける分離工程と、
前記分離工程で分離された一方のガスに含まれる低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度を検出する第１分析工程と、
前記分離工程で分離された他方のガスを、タール改質触媒を用いてガス中に含まれるタールを低分子量の炭素化合物又は水素化合物に改質するタール改質工程と、
前記タール改質工程を施されたガスの低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度を検出する第２分析工程と、
前記第１分析工程及び第２分析工程で得られた低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度の差分を演算し、該差分からガス中タールの濃度を推定する演算工程とからなることを特徴とするガス中タールの分析方法。
【請求項２】
前記分析対象ガスがガス化炉の出口ガスであり、
前記演算工程で推定されたタール濃度に基づいて、前記ガス化炉のガス化温度と、ガス化炉に供給される加熱空気及び炭素質原料の供給量比と、ガス化炉に供給される水蒸気及び前記炭素質原料の供給量比とを制御し、出口ガスに含まれるタールの濃度を許容範囲に制御する制御工程がさらに含まれることを特徴とする請求項１に記載のガス中タールの分析方法。
【請求項３】
炭素質原料を熱分解して発生するガス中に含まれるタールの濃度を検出するガス中タールの分析装置において、
ガス流路から分析対象ガスをサンプリングするガスサンプリング装置と、
前記ガスサンプリング装置で同時にサンプリングしたガスを２系統に分ける分岐経路と、
第１分岐経路に設けられ、サンプリングガスに含まれるタールを低分子量の炭素化合物又は水素化合物に改質するタール改質触媒を備えた改質器と、
前記第１分岐経路を通り前記改質器で改質処理されたガス、及び第２分岐経路を通り改質処理されないガスに含まれる低分子量の炭素化合物又は水素化合物を夫々検出する分析器と、
２系統のガスに含まれる低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度の差分を演算し、該差分からガス中タールの濃度を推定する演算手段とを備えていることを特徴とするガス中タールの分析装置。
【請求項４】
前記分析対象ガスがガス化炉の出口ガスであり、
前記ガス化炉に水蒸気及び加熱空気を供給する供給ラインと、
該供給ラインから分岐して前記改質器に水蒸気及び加熱空気を供給する分岐管とを備え、該分岐管から供給される水蒸気及び加熱空気によって前記タール改質触媒を再生可能にしたことを特徴とする請求項３に記載のガス中タールの分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスや石炭などの炭素質原料を熱分解して生成したガスに含まれるタールを分析する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスや石炭等の炭素質原料を熱分解して発生するガスには、タールが含まれる。タールは、高分子量の鎖式炭化水素や環式炭化水素などの多種多様な混合物からなる、常温で液体の有機化合物である。例えば、石炭の熱分解であれば、ナフタレン、フェナンスレン、ピレンなどの縮合多環芳香族が主成分であり、木質系バイオマスの熱分解であれば、ベンゼン、トルエン、スチレン等が主成分であり、食品廃棄物系バイオマスの熱分解であれば、トルエン、スチレン、クレゾール等が主成分である。熱分解直後の高温状態では、タールはガス状で存在する。
【０００３】
バイオマスや石炭等の炭素質原料を熱分解するガス化炉では、生成したガスをサンプリングし、ガスに含まれるタールの量を分析することで、ガス化炉の性能確認や運転状態の確認をしている。このタール分析装置の一例を図３で説明する。このタール分析装置１００では、ノズル管１０６が測定座１０４に固定されて、ガス通路１０２の内部に配置され、ノズル管１０６のノズル口１０６ａはガス流れｇに向かって配置されている。ノズル管１０６は、ガス流路１０２の外部で元弁１０８を介して主管路１１０に接続されている。
【０００４】
主管路１１０には圧力計１１２，１１７及び圧力調整弁１１４が設けられ、かつ逆洗用窒素ガスを供給する窒素ガス供給管１１６が接続されている。連続的にタール分析装置１００を使用すると、ノズル口１０６ａが煤塵で閉塞するおそれがある。そのため、時々均圧弁１１４を閉め、元弁１０８を開けて、窒素ガスをガス通路１０２より高い圧力で窒素ガス供給管１１６からノズル管１０６に流すことで、ノズル口１０６ａの閉塞を解消する。圧力計１１２で逆洗用窒素ガスの圧力を確認し、圧力計１１７で採取ガスの圧力を確認する。ガス通路１０２から採取したガスは、円筒形のろ紙１１８ａを内蔵したホルダ１１８に送られる。測定座１０４からホルダ１１８までの高温領域ｈでは、タールはガス状で存在する。
【０００５】
ホルダ１１８で採取ガスから煤塵を除去した後、採取ガスを冷却槽１２０に送り、冷却槽１２０内に設けられたスパイラル管１２２の内部を移送中に、採取ガスを冷却水で冷却し、採取ガスに含まれるタールを液化させ捕集する。捕集した液状タールを流量調整弁１２４を経て吸収瓶１２６に送り、液状タールを吸収瓶１２６に貯留された吸収液に吸収させる。吸収液に吸収したタールの濃度を湿式ガスメータ１２８で計測する。
【０００６】
かかる従来の分析装置は、サンプリング装置が大掛かりとなり、ガス化炉への設置が面倒であると共に、高コストとなる。また、バッチ計測のため、オンラインでタール濃度を分析できず、そのため、分析結果をフィードバックしてガス化炉の運転を制御することができないという問題がある。また、タールは多種類の炭化水素の混合物であるため、縮合等の改質が起り、タール濃度が変動する。そのため、実際のタール濃度の正確な値を知るためにはオンサイトでの分析が必要となる。さらに、吸収液として多量のトルエン、イソプロパノール、その他の有機溶剤を使用するため、オペレータの健康に害を及ぼす可能性もある。
【０００７】
特許文献１には、ガス流中のタールの濃度をオンラインで計測することを目的とした装置が開示されている。この装置は、サンプリングしたガスを２系統に分け、第１のラインでは、光イオン化検出器（ＰＩＤ）やフレームイオン化検出器（ＦＩＤ）を用い、タール全量の連続的測定を行う。第２のラインでは、タールを抽出及び濃縮し、その後、タールを構成する成分毎に分離し、各成分の種類を識別する各工程を行う。これら２系統の測定結果を比較することで、タールの正確な情報を得るようにしている。
【０００８】
特許文献２に開示されたタールの分析方法は、サンプリングしたガスを空気導入管から導入される空気で希釈した後、分離カラムに導入し、この分離カラムにガスに含まれるタールを吸着保持する。次いで、分離カラムに空気を通過させ、吸着保持されたタールを燃焼室で酸化触媒の作用により燃焼させる。そして、その燃焼により生成されるＣＯ２を非分散赤外線分析計で計測することで、タール濃度を把握する方法である。
【０００９】
特許文献３には、炭素質原料を熱分解して得られるガス中のタールを改質して、ＣＨ４、ＣＯ、Ｈ２主体の低分子量物質に転換するタール改質用触媒が開示されている。このタール改質触媒として、Ｎｉ化合物、Ｍｇ化合物及びＡｌ２Ｏ３等を原料とした改質触媒が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００８／０８０９８７号公報
【特許文献２】特開２００９−１４６４４号公報
【特許文献３】国際公報ＷＯ２００９／０８４７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に開示されたタール分析方法は、第２のラインで行われる処理がバッチ式であるため、この制約を受け、結果として、タールの測定を連続的に行うことは困難である。そのため、オンラインで分析結果をガス化炉の運転にフィードバックさせることは困難である。また、特許文献２に開示されたタール分析方法は、多くの分析工程を必要とするバッチ式分析方法である。そのため、特許文献１と同様に、オンラインで分析結果をガス化炉の運転にフィードバックさせることは困難である。
【００１２】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、簡易かつ低コストな構成で、ガス中タールの分析を連続的に行うことができ、ガス化炉に適用されたとき、ガス化炉の稼働現場でオンラインで分析結果をガス化炉の運転にフィードバックできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のガス中タールの分析方法は、炭素質原料を熱分解して発生するガス、例えば、石炭やバイオマスを原料とするガス化炉で生成されるガスに含まれるタールの濃度の検出に適用される。本発明方法は、ガス流路から分析対象ガスをサンプリングするガスサンプリング工程と、ガスサンプリング工程で同時にサンプリングしたガスを２系統に分ける分離工程と、分離工程で分離された一方のガスに含まれる低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度を検出する第１分析工程と、分離工程で分離された他方のガスを、タール改質触媒を用いてガス中に含まれるタールを低分子量の炭素化合物又は水素化合物に改質するタール改質工程と、タール改質工程を施されたガスの低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度を検出する第２分析工程と、第１分析工程及び第２分析工程で得られた低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度の差分を演算し、該差分からガス中タールの濃度を推定する演算工程とからなる。
【００１４】
本発明方法では、ガス流路からサンプリングしたガスを２系統に分離する。分離された一方のガスは、そのままガスに含まれる低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度を検出する。他方のガスは、タール改質触媒を用いてタールを低分子量の炭素化合物又は水素化合物（例えば、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２等）に改質した後、これらの濃度を検出する。そして、両者の濃度の差分を求める。この差分は、タールが低分子量の炭素化合物又は水素化合物に転換した量を示すものであり、この差分からガス中タールの濃度を推定できる。
【００１５】
これによって、タール分析計や改質器を備えただけの簡易かつ低コストな構成で、ガス中タールの分析を連続的に行うことができる。そのため、ガス化炉に適用されたとき、ガス化炉の稼働現場でオンラインで分析結果をガス化炉の運転にフィードバックできる。
【００１６】
本発明方法がガス化炉の出口ガスのタール分析に適用されたとき、演算工程で推定されたタール濃度に基づいて、ガス化炉のガス化温度と、ガス化炉に供給される加熱空気及び炭素質原料の供給量比と、ガス化炉に供給される水蒸気及び炭素質原料の供給量比とを制御し、出口ガスに含まれるタールの濃度を許容範囲に制御するようにするとよい。これによって、ガス化炉に供給される水蒸気、高温空気及び炭素質原料の供給量をオンラインで調整して、出口ガス中のタール濃度を常に許容範囲に制御できる。
【００１７】
前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明のガス中タールの分析装置は、ガス流路から分析対象ガスをサンプリングするガスサンプリング装置と、ガスサンプリング装置で同時にサンプリングしたガスを２系統に分ける分岐経路と、第１分岐経路に設けられ、サンプリングガスに含まれるタールを低分子量の炭素化合物又は水素化合物に改質するタール改質触媒を備えた改質器と、第１分岐経路を通り改質器で改質処理されたガス、及び第２分岐経路を通り改質処理されないガスに含まれる低分子量の炭素化合物又は水素化合物を夫々検出する分析器と、２系統のガスに含まれる低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度の差分を演算し、該差分からガス中タールの濃度を推定する演算手段とを備えている。
【００１８】
改質器で改質されたガスと改質されないガスとの間の低分子量の炭素化合物又は水素化合物の差分は、タールが低分子量の炭素化合物又は水素化合物に転換した量を示すものであり、この差分からガス中タールの濃度を推定できる。これによって、タール分析計や改質器を設けただけの簡易かつ低コストな構成で、連続的にタール濃度を検出できる。そのため、ガス化炉に適用されたとき、ガス化炉の稼働現場でオンラインで分析結果をガス化炉の運転にフィードバックできる。
【００１９】
本発明装置がガス化炉の出口ガス中のタール分析に適用されたとき、ガス化炉に水蒸気及び加熱空気を供給する供給ラインと、該供給ラインから分岐して改質器に水蒸気及び加熱空気を供給する分岐管とを備えるようにするとよい。該分岐管から改質器に水蒸気及び加熱空気を供給することで、タール改質触媒を再生可能にできる。生成ガスの成分を調整するため、ガス化炉に水蒸気や加熱空気を供給する装置は既存のものである。これら装置から水蒸気や加熱空気を改質器に供給する分岐管を設けるだけの簡易かつ低コストな増設で、改質器に内蔵されたタール改質触媒を再生できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、２系統に分離したサンプリングガスの一方に対してのみ、タールの改質を行い、２系統のガスの低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度差を求めることで、簡単かつ低コストでガス中タール濃度を検出できる。そのため、ガス中タールの分析を連続的に行うことができ、ガス化炉に適用されたとき、ガス化炉の稼働現場で分析結果をガス化炉の運転にオンラインでフィードバックできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るタール分析装置の系統図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るタール分析装置の系統図である。
【図３】従来のタール分析装置の系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２３】
（実施形態１）
本発明を石炭ガス化炉の出口ガスに含まれるタールの分析に適用した第１実施形態を図１に基づいて説明する。図１において、石炭ガス化炉１の炉底１ａに、原料となる石炭を供給する石炭供給機３、水蒸気を供給する水蒸気供給器５、空気を供給する空気供給器７が設けられている。石炭供給機３から管路３ａを介して粉状石炭が炉底１ａに供給される。水蒸気供給器５から管路５ａを介して水蒸気が炉底１ａに供給され、空気供給器７から管路７ａを介して加熱空気が炉底１ａに供給される。水蒸気及び空気は、ヒータ９で加熱され、高温となって炉底１ａに供給される。水蒸気及び空気はガス化炉１で生成されるガスの成分及び性状を調整するために供給される。
【００２４】
以下、本実施形態のタール分析装置１０Ａの構成を説明する。ガス中タールの分析方法の出口部１ｂに設けられた測定座１３にノズル管１２が固定されている。ノズル管１２のノズル口１２ａはガス流れｇの方向に向けられている。ガス化炉１の外側で、ノズル管１２は、主管路１４に接続されている。主管路１４に元弁１５及び圧力計１７が介設され、その下流側に窒素ガス供給管１６が接続されている。窒素ガス供給管１６の下流側で、主管路１４に圧力調整弁１８、圧力計１９及びサイクロンセパレータ２０が設けられている。前述のように、時々圧力調整弁１８を閉め、元弁１５を開けて、窒素ガスを石炭ガス化炉１の炉内より高い圧力で窒素ガス供給管１６からノズル管１２に流すことで、ノズル口１２ａの閉塞を解消する。圧力計１７で逆洗用窒素ガスの圧力を確認し、圧力計１９でサンプリングガスの圧力を確認する。
【００２５】
サイクロンセパレータ２０でサンプリングガスに含まれる煤塵が除去される。サイクロンセパレータ２０の下流側で、主管路１４は第１分岐管路２２及び第２分岐管路２４に分岐している。主管路１４のサンプリングガスは、第１分岐管路２２に介設されたガスポンプ３６及び第２分岐管路２４に介設されたガスポンプ４６によって、第１分岐管路２２及び第２分岐管路２４に送られる。
【００２６】
第１分岐管路２１及び第２分岐管路２２には、夫々均圧弁２４及び２６が介設されている。これらの均圧弁によって、両管路のサンプリングガスの圧力が等圧を保持するように調整される。第１分岐管路２１では、均圧弁２４の下流側に改質器２７が設けられている。改質器２７にはタール改質触媒２８が充填されており、サンプリングガスが改質器２７に入ると、タール改質触媒２８によって、ガス中タールがＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２等の低分子量の炭素化合物又は水素化合物に改質される。タール改質触媒２８は、例えば、特許文献３に開示されているように、Ｎｉ化合物及びＭｇ化合物から製造したＮｉとＭｇの酸化物、及びＡｌ２Ｏ３等を主原料とした改質触媒、あるいはＮｉ・ＷＯ３／ＭｇＯ・ＣａＯ系触媒等を用いることができる。
【００２７】
改質器２７の下流側にガスクーラ３０及び除湿装置３２が設けられ、除湿装置３２の下流側に流量計３４が介設されている。ガスクーラ３０でサンプリングガスを冷却し、サンプリングガスに含まれる水蒸気を凝縮させ、ガスクーラ３０及び除湿装置３２で凝縮した水分をドレンとして取り除く。その後、サンプリングガスは分析計３８に送られ、分析計３８で、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２等の低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度を計測する。
【００２８】
第２分岐管路２２には、改質器２７は設けられず、ガスクーラ４０、除湿装置４２、流量計４４及び分析計４８が、第１分岐管路２１と同じ順序で設けられている。第２分岐管路２２では、サンプリングガスをガスクーラ４０で冷却し、サンプリングガスに含まれる水蒸気を凝縮し、ガスクーラ４０及び除湿装置４２で凝縮した水分又は液状となったタールをドレンとして取り除く。その後、サンプリングガスは分析計４８に送られ、分析計４８で、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２等の低分子量の炭素化合物又は水素化合物の濃度を計測する。
【００２９】
次に、分析計３８及び分析計４８で計測した濃度は演算部５０に送られる。演算部５０では、分析計３８及び４８で計測した濃度の差分から、サンプリングガスに含まれるタールの濃度を推定する。この差分は、タールが低分子量の炭素化合物又は水素化合物に転換した量を示すものであり、この差分からガス中タールの濃度を推定できる。なお、改質器２７でタールが１００％改質されないときは、その改質率を予め把握しておき、演算部５０で改質率を加味した演算を行う。
【００３０】
演算部５０で求められたタール濃度は、データ表示装置５２で表示されると共に、制御装置５４に送られる。制御装置５４では、送られたタール濃度に基づいて、石炭供給機３、水蒸気供給器５及び空気供給器７、及びヒータ９等の稼働を制御する。
【００３１】
即ち、本実施形態では、ガス化炉１内の生成ガスの温度を検出する温度センサー５６が設けられ、温度センサー５６の検出値は制御装置５４に入力される。制御装置５４は、生成ガスの温度Ｔと、ガス化炉１に供給される加熱空気量及び供給される石炭量を含有する炭素量に換算した炭素換算量との質量比Ｏ２／Ｃと、ガス化炉１に供給される水蒸気量及び該炭素換算量の質量比Ｈ２Ｏ／Ｃとの３つのパラメータを制御する。これによって、ガス化炉１で生成されるガス中に含まれるタールの濃度を許容範囲に制御できる。
【００３２】
本実施形態によれば、改質器２６や分析計３８、４８等を備えただけの簡易かつ低コストな構成で、生成ガスに含まれるタールの分析を連続的に行うことができる。そのため、ガス化炉１の稼働現場でオンラインで分析結果をガス化炉の運転にフィードバックできる。また、制御装置５４で、検出されたタール濃度に基づいて前記３つのパラメータを制御することで、生成ガス中のタール濃度を許容範囲に制御できる。
【００３３】
（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図２に基づいて説明する。本実施形態のタール分析装置１０Ｂは、第１実施形態の構成に加えて、さらに、管路５ａから分岐して改質器２６に接続された分岐管５８と、管路７ａから分岐して改質器２７に接続された分岐管６０とを追設している。管路５ａと分岐管５８との接続部に三方弁６２が設けられ、管路７ａと分岐管６０の接続部に三方弁６４が設けられている。制御装置５４によって三方弁６２及び６４の切替え動作が制御される。その他の構成は第１実施形態と同一である。
【００３４】
本実施形態では、改質器２７の休止時に、制御装置５４によって三方弁６２及び６４を切り替え、管路５ａを流れる水蒸気及び管路７ａを流れる加熱空気を改質器２７に供給する。これら加熱媒体によってタール改質触媒２８を再生できる。このように、タール改質触媒２８の再生処理に必要な加熱媒体を既存のガス化設備から供給できるので、余分な再生設備を必要とせず、低コスト化できる。また、タール分析装置１０Ｂの稼働を効率良く行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、簡易かつ低コストな構成で、ガス中タールの分析を連続的に行うことができ、石炭やバイオマス等のガス化炉に適用されたとき、ガス化炉の稼働現場でオンラインで分析結果をガス化炉の運転にフィードバックできる。
【符号の説明】
【００３６】
１                              石炭ガス化炉
１ａ                          炉底
１ｂ                          出口部
３                              石炭供給機
３ａ、５ａ、７ａ                管路
５                              水蒸気供給器
７                              空気供給器
９                              ヒータ
１０Ａ、１０Ｂ、１００          タール分析装置
１２，１０６                    ノズル管
１２ａ、１０６ａ              ノズル口
１３，１０４                    測定座
１４，１１０                    主管路
１５、１０８                    元弁
１６，１１６                    窒素ガス供給管
１７、１９、１１２，１１７      圧力計
１８、１１４                    圧力調整弁
２０                            サイクロンセパレータ
２１                            第１分岐管路
２２                            第２分岐管路
２４、２６                      均圧弁
２７                            改質器
２８                            タール改質触媒
３０、４０                      ガスクーラ
３２，４２                      除湿装置
３４，４４                      流量計
３６，４６                      ガスポンプ
３８，４８                      分析計
５０                            演算部
５２                            表示部
５４                            制御装置
５６                            温度センサー
５８，６０                      分岐管
６２，６４                      三方弁
１０２                          ガス通路
１１８                          ホルダ
１１８ａ                      ろ紙
１２０                          冷却槽
１２２                          スパイラル管
１２４                          流量調整弁
１２６                          吸収瓶
１２８                          湿式ガスメータ
ｇ                              ガス流れ
ｈ                              高温領域
【図１】
2013160703.tif 000003
【図２】
2013160703.tif 000004
【図３】
2013160703.tif 000005