技術 石炭急速熱分解反応時間制御方法

0001

本発明は、石炭を気相中で加熱し熱分解生成物を得る熱分解反応器の反応時間制御方法に関する。

0002

石炭急速熱分解方法に関して、本発明者らが先に発明した特願平４−１２２８９７号では、石炭を急速熱分解して得られたチャーの一部を酸素でガス化し、その高温ガス中に微粉炭を吹き込むことによって石炭の熱分解を行う方法を提示した。

0003

しかしながら、吹き上げ式の気流層反応器におけるチャー（石炭）粒子の滞留時間制御に関しては、高温のガスと石炭粒子を混合する熱分解反応器に関する従来技術は存在しない。

0004

特願平４−１２２８９７号の発明では、反応器内部での粒子の滞留時間制御に関しては触れられていない。粒子滞留時間の制御は、反応生成物の制御、操業トラブルの回避といった視点から重要である。

0005

石炭粒子は反応器内で熱分解反応によりチャー（固体）とガスおよびタール蒸気（気体）になる。固体のチャー粒子は反応器下部にある程度の時間滞留した後に反応器内の気流に乗り反応器外に排出される。石炭の熱分解に必要な時間は数秒で十分であり、チャー粒子の長時間の反応器内滞留は反応器内での粒子の付着・凝集等の操業トラブルの原因となる。しかしながら、従来の反応器では石炭の反応器内での滞留時間を変化させることができないので、石炭粒子等の凝集、付着という問題点があった。

0006

本発明は石炭急速熱分解反応器の操業トラブルの原因となるチャー粒子及び石炭粒子の付着、凝集等を防止する、熱分解反応器内でのチャー粒子（及び石炭粒子）の滞留時間を制御する方法を提供することを目的とするものである。

0007

本発明はかかる課題を解決するため、熱分解反応器下部のテーパ角度を変えることによりテーパ部分に滞留する粒子の量が変化するという効果を利用し、粒子の滞留時間を制御するか、あるいは反応器下部のガス入口径を変化させることにより、高温ガスの速度が変化し高温ガス入口回りの粒子の流れが変わるという効果を利用し、粒子の滞留時間を制御するものである。

0008

即ち、本発明の要旨とするところは、（１）反応器下部のガス入口から導入される高温ガスと石炭を気相中で混合して石炭の加熱を行い熱分解生成物を得る熱分解反応器において、反応器内温度が７００〜１０００℃の範囲の時に、該反応器内温度の上昇により、反応器下部のテーパ角度を４５〜８５度の範囲で増加させ、及び／又は反応器下部のガス入口径ｄと反応器内径Ｄとの比ｄ／Ｄを０．０５〜０．８の範囲で増加させることを特徴とする石炭急速熱分解反応時間制御方法、（２） 前記（１）に記載の熱分解反応器において、熱分解の熱源となる高温ガス温度が７００〜１８５０℃の範囲の時に、該高温ガス温度の上昇により、反応器下部のテーパ角度を４５〜８５度の範囲で増加させ、及び／又は反応器下部のガス入口径ｄと反応器内径Ｄとの比ｄ／Ｄを０．０５〜０．８の範囲で増加させることを特徴とする石炭急速熱分解反応時間制御方法、および（３） 前記（１）に記載の熱分解反応器において、該熱分解反応器に供給される石炭供給量が０．１〜２０［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］の範囲の時に、該石炭供給量の減少により、反応器下部のテーパ角度を４５〜８５度の範囲で増加させ、及び／又は反応器下部のガス入口径ｄと反応器内径Ｄとの比ｄ／Ｄを０．０５〜０．８の範囲で増加させることを特徴とする石炭急速熱分解反応時間制御方法にある。

0009

ここで熱分解生成物とは、メタン、ＣＯ、水素等の成分を含むガス、炭素、水素を主成分とする液状のタール、固体残渣であるチャーを指す。また高温ガスの入口径とは熱分解反応器下部のテーパ部下のガス入口径を指す。また、反応器下部のテーパ角度とは、図２に示す角度と定義する。

0010

本発明者らは反応器内でのチャー粒子および石炭粒子の滞留量と反応器形状との関係を調べた結果、炉内での粒子量は反応器下部のテーパ角度および高温ガス吹き込み口の径に関係しており、反応器内のチャー粒子及び石炭粒子量を最小にする反応器形状が存在することがわかった。熱分解反応器内での粒子の動きは導入された粒子がしばらく反応器下部に滞在した後に反応器外へ出ていく。粒子の滞留時間は粒子の供給量と反応器内滞在量、石炭の反応率より（粒子滞留時間）＝（反応器内滞在量）／（単位時間当たりの粒子供給量×石炭の反応率）で求められる。反応器内滞在量は熱分解反応器内のガス・粒子を採取するという方法により求める。また、石炭の反応率は生成されたチャー中の灰分量を調べることにより求める。

0011

設備の操業条件（熱分解反応温度、熱分解の熱源となる高温ガス温度、石炭供給量）を決定した際にその条件に合った高温ガス入口径に変えるか、又は反応器下部のテーパ角度と高温ガス入口径の両方を変えることによって、粒子滞留時間を最小にすることができ、反応器内の粒子によるトラブルを最小限にすることが可能である。

0012

即ち、図３（ａ）に示すように、ｄ／Ｄ＝一定の時、同一の反応器内温度では粒子滞留時間は、あるテーパ角度Ａ1 の時に極小値ｔ1 を持ち、反応器内温度の上昇により、より大きなテーパ角度Ａ2 の時に極小値ｔ2 を持つ。また図３（ｂ）に示すように、テーパ角度一定の時、同一の反応器内温度では粒子滞留時間は、あるｄ／Ｄ（＝Ｂ1 ）の時に極小値ｔ1 ´を持ち、反応器内温度の上昇により大きなｄ／Ｄ（＝Ｂ2 ）の時に極小値ｔ2 ´を持つ。

0013

図３（ａ）において、反応温度＝一定、ｄ／Ｄ＝一定の場合、テーパ角度が大きくなった場合にはテーパ部分と高温ガスの流れの間の乱れが大きくなって粒子が溜まり、テーパ角度が小さくなった場合には高温ガス入口部分に落ち込む粒子濃度が増えるために、ある角度で粒子滞留時間は極小値を持つ。また図３（ｂ）において、反応時間＝一定、テーパ角度＝一定の場合、ｄ／Ｄが増加した場合には高温ガスの速度が小さくなり粒子を持ち上げる力が弱まるために粒子の滞留時間は増加し、ｄ／Ｄが減少した場合は高温ガス入口での流速が大きくなるために高温ガスの流れとテーパ部との間の流れの乱れが大きくなって粒子がその部分に止まるため粒子の滞留時間が増加し、結果的にあるｄ／Ｄで粒子滞留時間は極小値をもつ。

0014

また反応器内温度の上昇により多量の高温ガスが必要になるため、高温ガス入口での流速が増加することで、高温ガス入口まわりの流れが乱れる。その乱れを少なくするためにテーパ角度を増加させる、またはｄ／Ｄを増加して高温ガス流速を減少させる必要がある。

0015

反応器下部のテーパ角度あるいはｄ／Ｄが熱分解反応温度に従い最適値を満たしさえすればテーパ角度の調整方法は、テーパ部の交換等の方法があるが、その方法はどのようなものでも良い。

0016

図１に本発明方法による石炭急速熱分解反応器の例を示す。石炭１は微粉砕された後、熱分解反応器５の直管部の下部から熱分解反応器５内部に熱分解生成ガス、窒素などの気流搬送で導入される。そして、熱分解反応器５の下に設けられたチャーのガス化炉６からのＣＯ、Ｈ2 を含む７００℃以上１８５０℃以下の高温ガスと熱分解反応器５の下部で混合されて７００〜１０００℃の温度範囲で熱分解反応を起こす。７００℃未満のガス温度では石炭の急速熱分解反応はあまり進まず反応率が低下するためこれ以上の温度が必要である。一方、ガス温度が１８５０℃を越えると熱分解反応器下部の壁面の耐火物が損傷するという問題が生じる。反応器内温度が７００℃未満では熱分解反応が十分に進行せず、未反応石炭が増加する。また、１０００℃超で熱分解を行なうと生成したタール蒸気や炭化水素系のガスがさらに熱分解を起こし、すすになってしまうという問題を生じる。熱分解生成物３であるチャー（固体）およびガス・タール蒸気は熱分解反応器５の上部から排出される。熱分解反応部５の下部にはテーパ部があり、固体粒子（チャー）はそのテーパ部で滞留した後、ガスの流れに乗って反応器外へ排出される。

0017

反応器内温度が変わった時、このテーパ部の角度又はチャーガス化ガス入口径を変えると粒子の滞留時間は最小値に制御することができる。即ち、反応器内温度の上昇により、反応器下部のテーパ角度を４５〜８５度の範囲で上昇させると高温ガス流れのまわりの流れの乱れを防ぐという効果により、粒子滞留時間はテーパ角度変更前に比べ減少する。また、チャーガス化ガス入口径をｄ／Ｄ＝０．０５〜０．８の範囲で増加させると、高温ガスの流速が減少しテーパ部分での流れの乱れが小さくなることから同様に粒子滞留時間はｄ／Ｄ変更前に比べ減少する。テーパ角度４５度未満では反応器の直管部との間で石炭粒子、チャー粒子が付着し、操業トラブルの原因となり、８５度超では高温ガス入口からのガス速度が変化しないためガス化炉内にチャー粒子、石炭粒子が落ち込んでしまう。また、ｄ／Ｄが０．０５未満では高温ガス入口からのガス流速の変化が大きく、その周りで粒子のよどみができるため粒子の沈着が発生し、ｄ／Ｄが０．８より大きな場合には粒子がガス化炉の方に落ち込んでしまう。

0018

また、反応器内温度上昇の代わりに、熱分解の熱源となる高温ガス温度が７００〜１８５０℃の範囲で上昇した場合、あるいは石炭供給量が熱源となる高温ガスの体積当り重量で１〜２０［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］の範囲で減少した場合、同様にテーパ角度を増加させるか、及び／又はｄ／Ｄを増加させることにより、粒子滞留時間を最小に制御することが可能である。石炭供給量が０．１［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］未満では石炭から発生した熱分解相互の二次反応が進行せず生成物の成分が変化するという問題が生じ、２０［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］超では反応器内での粒子濃度が大きくなり粒子間相互の影響で反応器内での粒子付着量が増加するという問題を生じるため、石炭供給量を１〜２０［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］に限定する。

0019

熱分解反応器の下部より導入される高温ガスについては得られるガスの熱量を落とさないために酸素の含有量はできるだけ少ない方が好ましく、チャーのガス化ガスに限らず、石炭のガス化ガスでも良い。ここで使用される石炭は亜瀝青炭のように揮発分を多く含んだ石炭が好ましいが、どのような石炭についても使用は可能である。石炭を気流搬送する際のガスについては、どのようなものでもよいが酸素の含有がなく、生成ガスの熱量を落とさないという意味で生成ガスの一部を使った搬送が好ましい。

0020

石炭処理量１ｔ／ｄの石炭熱分解装置を用いた場合の実施例を以下に示す。

0021

実施例１
熱分解反応器内温度を７００℃、９００℃とした場合の等しいｄ／Ｄでのテーパ角度と粒子滞留時間の関係を図４に示す。従来方法では反応器内温度７００℃と９００℃で同一のテーパ角度７５°で操業を行っており、７００℃で粒子の滞留時間を最小にするテーパ角度では９００℃の場合には最適のテーパ角度とはなっていないため、９００℃では滞留時間が１６秒になった。それに対し、本発明方法では７００℃で操業する場合と９００℃で操業する場合とでテーパ角度をそれぞれ７５°と７９°に変えることにより、９００℃での粒子の滞留時間を１２秒にすることが可能になった。

0022

実施例２
熱分解反応器内温度を７００℃、９００℃とした場合の等しいテーパ角度でのｄ／Ｄと粒子滞留時間の関係を図５に示す。従来方法では反応器内温度７００℃と９００℃で同一のｄ／Ｄ（＝０．３５）で操業を行っており、７００℃で粒子の滞留時間を最小にするｄ／Ｄでは９００℃の場合には最適のｄ／Ｄとはなっていないため、９００℃では滞留時間が１４秒になった。それに対し、本発明方法では７００℃で操業する場合と９００℃で操業する場合とでｄ／Ｄをそれぞれ０．３５と０．４５に変えることにより、粒子の滞留時間を１０秒にすることが可能になった。

0023

実施例３
熱分解反応器内温度を７００℃、９００℃とした場合のｄ／Ｄと粒子滞留時間の関係を図６に示す。この場合、反応温度の上昇によりテーパ角度を７５度から７７度へ増加させ、ｄ／Ｄを０．３５から０．４へ増加させたことで９００℃で最も短い粒子滞留時間１２秒での操業が可能になった。このようにテーパ角度とｄ／Ｄの両方を同時に変えた場合にも最適な条件での操業が可能となった。

0024

実施例４
熱分解反応器に導入される高温ガス温度を９００℃、１５００℃とした場合の等しいｄ／Ｄでのテーパ角度と粒子滞留時間の関係を図７に示す。従来方法では高温ガス温度９００℃と１５００℃で同一のテーパ角度７５°で操業を行っており、高温ガス温度９００℃で粒子の滞留時間を最小にするテーパ角度では高温ガス１５００℃の場合には最適のテーパ角度とはなっていないため、１５００℃のガス温度の場合、滞留時間が１６秒になった。それに対し、本発明方法では高温ガス温度９００℃で操業する場合と高温ガス１５００℃で操業する場合とでテーパ角度をそれぞれ７５°と７９°に変えることにより、１５００℃での粒子の滞留時間を１０秒にすることが可能になった。

0025

実施例５
熱分解反応器内温度を高温ガス温度を９００℃、１５００℃とした場合の等しいテーパ角度でのｄ／Ｄと粒子滞留時間の関係を図８に示す。従来方法では反応器内温度９００℃と１５００℃で同一のｄ／Ｄ（＝０．３５）で操業を行っており、高温ガス温度９００℃で粒子の滞留時間を最小にするｄ／Ｄでは１５００℃の場合には最適のｄ／Ｄとはなっていないため、１５００℃のガス温度の場合、滞留時間が１４秒になった。それに対し、本発明方法では高温ガス温度９００℃で操業する場合と１５００℃で操業する場合とでｄ／Ｄをそれぞれ０．３５と０．４５に変えることにより、１５００℃での粒子の滞留時間を１１秒にすることが可能になった。

0026

実施例６
熱分解反応器に導入される高温ガス温度を９００℃、１５００℃とした場合の反応器内径Ｄとチャーのガス化ガス入口径ｄの比ｄ／Ｄと粒子滞留時間の関係を図９に示す。高温ガス温度の上昇によりテーパ角度を７５度から７７度へ増加させ、ｄ／Ｄを０．３５から０．４２へ増加させたことで１５００℃で最も短い粒子滞留時間１１秒での操業が可能になった。このようにテーパ角度とｄ／Ｄの両方を同時に変えた場合にも最適な条件での操業が可能となった。

0027

実施例７
熱分解反応器に導入される石炭供給量を１．３［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］、１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］とした場合の等しいｄ／Ｄでのテーパ角度と粒子滞留時間の関係を図１０に示す。従来方法では石炭供給量１．３［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］と１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］で同一のテーパ角度７９°で操業を行っており、１．３［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］で粒子の滞留時間を最小にするテーパ角度では１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］の場合には最適のテーパ角度とはなっていないため、１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］の場合、滞留時間が２５秒になった。それに対し、本発明方法では１．３［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］で操業する場合と１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］で操業する場合とでテーパ角度をそれぞれ７９°と７５°に変えることにより、１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］の粒子の滞留時間を２１秒にすることが可能になった。

0028

実施例８
熱分解反応器内温度を石炭供給量を１．３［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］、１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］とした場合の等しいテーパ角度でのｄ／Ｄと粒子滞留時間の関係を図１１に示す。従来方法では石炭供給量１．３［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］と１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］で同一のｄ／Ｄ（＝０．４５）で操業を行っており、１．３［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］で粒子の滞留時間を最小にするｄ／Ｄでは１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］の場合には最適のｄ／Ｄとはなっていないため、１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］の場合、滞留時間が２３秒になった。それに対し、本発明方法では１．３［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］で操業する場合と１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］で操業する場合とでｄ／Ｄをそれぞれ０．４５と０．３５に変えることにより、１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］での粒子の滞留時間を２０秒にすることが可能になった。

0029

実施例９
熱分解反応器に導入される石炭供給量を１．３［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］、１８［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］とした場合の反応器内径Ｄとチャーのガス化ガス入口径ｄの比ｄ／Ｄと粒子滞留時間の関係を図１２に示す。石炭供給量の減少によりテーパ角度を７５度から７７度へ増加させ、ｄ／Ｄを０．３５から０．４０へ増加させたことで１．３［ｋｇ／Ｎｍ3 −高温ガス］で最も短い粒子滞留時間１２秒での操業が可能になった。このようにテーパ角度とｄ／Ｄの両方を同時に変えた場合にも最適な条件での操業が可能となった。

0030

本発明の反応器内での粒子滞留時間制御方法によって、粒子の滞留時間を最小とする方法が確立され、反応器の安定操業が可能となった。

0031

図１は、本発明での石炭急速熱分解装置を示す。
図２は、熱分解反応器下部のテーパ角度を示す。
図３（ａ）、（ｂ）は、熱分解温度と、ｄ／Ｄおよびテーパ角度との関係を示す。
図４は、各熱分解温度における熱分解反応器内径Ｄと高温ガス入口径ｄの比ｄ／Ｄを変えない場合のテーパ角度と熱分解反応器内での粒子の滞留時間との関係を示す。
図５は、各熱分解温度におけるテーパ角度を変えない場合の熱分解反応器内径Ｄと高温ガス入口径ｄの比ｄ／Ｄと熱分解反応器内での粒子滞留時間との関係を示す。
図６は、各熱分解温度におけるテーパ角度を変えた場合の熱分解反応器内径Ｄと高温ガス入口径ｄの比ｄ／Ｄと熱分解反応器内での粒子滞留時間との関係を示す。
図７は、各高温ガス温度における熱分解反応器内径Ｄと高温ガス入口径ｄの比ｄ／Ｄを変えない場合のテーパ角度と熱分解反応器内での粒子滞留時間との関係を示す。
図８は、各高温ガス温度におけるテーパ角度を変えない場合の熱分解反応器内径Ｄと高温ガス入口径ｄの比ｄ／Ｄと熱分解反応器内での粒子滞留時間との関係を示す。
図９は、各高温ガス温度におけるテーパ角度を変えた場合の熱分解反応器内径Ｄと高温ガス入口径ｄの比ｄ／Ｄと熱分解反応器内での粒子滞留時間との関係を示す。
図１０は、各石炭供給量における熱分解反応器内径Ｄと高温ガス入口径ｄの比ｄ／Ｄを変えない場合のテーパ角度と熱分解反応器内での粒子滞留時間との関係を示す。
図１１は、各石炭供給量におけるテーパ角度を変えない場合の熱分解反応器内径Ｄと高温ガス入口径ｄの比ｄ／Ｄと熱分解反応器内での粒子滞留時間との関係を示す。
図１２は、各石炭供給量におけるテーパ角度を変えた場合の熱分解反応器内径Ｄと高温ガス入口径ｄの比ｄ／Ｄと熱分解反応器内での粒子滞留時間との関係を示す。

0032

１…石炭、 ２…チャー、酸素ガス
３…熱分解生成物、 ４…スラグ、５…熱分解反応器、 ６…チャーガス化炉、７…高温ガス、Ｔ1 、Ｔ2 …反応器内温度（Ｔ1 ＜Ｔ2 ）、ｔ1 、ｔ2 …粒子滞留時間の極小値、Ａ1 、Ａ2 …テーパ角度、 Ｂ1 、Ｂ2 …ｄ／Ｄ。