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図面 (13)

目的

石炭急速熱分解反応器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。

構成

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、高温ガス入口周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。

効果

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。

概要

背景

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ガス化し、その高温ガス中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。

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)粒子滞留時間制御に関しては、高温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。

概要

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。

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、高温ガス入口周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。

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。

目的

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。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
4件

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請求項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。

請求項2

請求項1に記載の熱分解反応器において、熱分解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。

請求項3

請求項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。

技術分野

0001

本発明は、石炭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。

背景技術

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ガス化し、その高温ガス中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)粒子滞留時間制御に関しては、高温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。

発明が解決しようとする課題

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。

発明の効果

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。

図面の簡単な説明

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。

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