JP2013151577A - 固体粉末を加工処理するシステムと方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体炭素質燃料粉末のような固体粉末の搬送及びガス化のためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】該システムは、搬送ユニット１２は固体粉末を受け取るように構成された１以上の搬送タンク１８、及びそれぞれの搬送タンク１８と流体連通してその下流に配置された固体ポンプ２０を含み、さらに固体ポンプ２０とガス化炉１４との間に配置された供給装置２４を含んでおり、およびこれと流体連通してその下流に配置されたガス化炉１４から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、一般に、固体粉末を加工処理するシステム及び方法に関する。より特定的には、本発明の実施形態は、固体炭素質燃料粉末のような固体粉末の搬送及びガス化のためのシステム及び方法に関する。

ガス化は、石炭のような炭素質燃料の、石炭ガス又は合成ガスのような可燃性ガスへの変換を可能にするプロセスである。一般に、ガス化プロセスは、制御された及び／又は制限された量の酸素及びその他の蒸気と共に炭素質燃料をガス化炉中に搬送することを含んでいる。かかる炭素質燃料のガス化炉中への安定した制御可能な流れは望ましいガス化性能を得るために有益である。

従来のガス化システムでは、通常、炭素質燃料をガス化炉中に搬送するために空気圧搬送技術が使用されている。かかるガス化システムは、貯蔵タンク、ガス化炉、並びにそれぞれのタンク及びガス化炉と流体連通した複数の配管を含んでいる。貯蔵タンクは配管を介して炭素質燃料及びキャリアガスを受け取る。キャリアガスの貯蔵タンク中への導入により、貯蔵タンクの圧力はガス化炉内の圧力より高い所望のレベルに上昇して、かかる貯蔵タンクとガス化炉との間に圧力差が生じる。その後、固体−ガス混合物が貯蔵タンクからガス化炉中に搬送され得る。

しかし、かかる従来のガス化システムでは、貯蔵タンク中への炭素質燃料の流れが均一でないことがある。その結果として、ガス化炉中への炭素質燃料の搬送が不安定になる可能性がある。このため、ガス化炉内に温度変動が生じ得、この変動はガス化炉の性能及び使用寿命にとって不利益である。さらに、かかる従来のガス化システムで高めの含水率を有する石炭のような炭素質燃料を搬送する場合、この炭素質燃料は貯蔵タンクを介したガス化炉中への搬送の遮断を回避するために相対的に低い湿度レベルを有するように乾燥する必要がある。この乾燥プロセスはより多くのエネルギーを消費し、ガス化プロセスの全体のコストが増大する。

従って、固体粉末の搬送及びガス化のための新しい改良されたシステム及び方法に対するニーズがある。

本発明の一実施形態では固体粉末のガス化のためのシステムが提供される。このシステムは、固体粉末を受け取るように構成された１以上の搬送タンクと、１以上のそれぞれの搬送タンクと流体連通してその下流に配置された１以上の固体ポンプとを含んでいる。このシステムはさらに１以上の固体ポンプと流体連通してその下流に配置されたガス化炉を含んでいる。

本発明の別の実施形態では、ガス化のために固体粉末を搬送するための搬送ユニットが提供される。この搬送ユニットは、固体粉末を受け取るように構成された１以上の搬送タンクと、１以上の搬送タンクの下流に各々配置され、１以上のそれぞれの搬送タンクからの固体粉末をガス化のために加圧し搬送するように構成された１以上の固体ポンプとを含んでいる。

一実施形態はさらに、固体粉末のガス化のための方法を提供する。この方法は、固体粉末を１以上の搬送タンク中に導入し、固体粉末を１以上の搬送タンクから１以上の固体ポンプの各々中に導入し、１以上の固体ポンプによって固体粉末を加圧しガス化炉中に搬送することを含んでいる。ここで、１以上の固体ポンプは１以上の搬送タンクの下流に各々配置する。

本開示の上記及びその他の態様、特徴及び利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を見るとより明らかになるであろう。

図１は、本発明の一実施形態に従うガス化システムの説明図である。 図２は、本発明の一実施形態に従うガス化システムでの概略のフローチャートである。 図３は、本発明の別の実施形態に従うガス化システムの説明図である。 図４は、本発明の別の実施形態に従うガス化システムの説明図である。 図５は、本発明の別の実施形態に従うガス化システムの説明図である。 図６は、本発明の別の実施形態に従うガス化システムの説明図である。 図７は、本発明の別の実施形態に従うガス化システムの説明図である。

以下、添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下の説明で、本開示を不必要な詳細に関して不明確にするのを回避するために周知の機能又は構成は詳細には記載しない。

図１に、本発明の一実施形態に従うガス化システム１０の説明図を示す。本発明の実施形態では、ガス化システム１０は炭素質燃料のような固体粉末をガス化して合成ガスのような可燃性ガスを生成するように構成されている。炭素質燃料の非限定例としては、石炭、ビチューメン、すす、バイオマス、石油コークス又はこれらの組合せがある。

図１に示されているように、ガス化システム１０は搬送ユニット１２、ガス化炉１４及び冷却器１６を含んでいる。幾つかの実施形態では、搬送ユニット１２は所望の粒度分布と所望の湿度レベルを有する固体粉末１００をガス化炉１４中へ搬送するように構成し得る。ガス化炉１４は搬送ユニット１２と流体連通してその下流に配置されていて固体粉末１００を受領し、これをガス化する。非限定例において、ガス化炉１４は反応器からなり得、実質的に円錐状又は凸状の上端及び下端（番号は付してない）をもつ円筒形状を有し得る。一例として、ガス化炉１４は噴流層式ガス化炉からなる。

冷却器１６はガス化炉１４の下端（番号は付してない）と流体連通していて、ガス化炉１４からスラグ及び／又は合成ガスのような産出物を受領し冷却する。非限定例において、冷却器１６は円筒形状を有し得、例えば放射式合成ガス冷却器（ＲＳＣ）又はスラグ浴（急冷チャンバー）を有する冷却器を包含し得る。

図示した例においてガス化炉１４と冷却器１６は別個の装置であるが、他の例においてはガス化炉１４と冷却器１６を単一の構造に一体化してもよい。幾つかの応用においては、冷却器１６を使用しないでもよく、ガス化炉１４からの合成ガスをさらなる処理のために固定床反応器のような次の反応器（図には示してない）に導入してもよい。

図示した構成の場合、搬送ユニット１２は搬送タンク１８と固体ポンプ２０を含んでいる。搬送タンク１８は固体粉末１００を受領し、固体ポンプ２０に搬送する。幾つかの応用において、搬送タンク１８は常圧付近の圧力で作動し得、ガス２２のような搬送体を搬送タンク１８内に導入して固体粉末１００の固体ポンプ２０内への搬送を促進してもよい。幾つかの例において、搬送タンク１８内の圧力は１−２メガパスカル（Ｍｐａ）の範囲であり得る。

固体ポンプ２０は搬送タンク１８と流体連通してその下流に配置されている。固体ポンプ２０は搬送タンク１８からの固体粉末１００を加圧してガス化のためにガス化炉１４内に送る。幾つかの実施形態では、固体ポンプ２０は大気圧のような低めの圧力から１０００ｐｓｉｇを越える圧力のような高めの圧力で固体粉末１００を輸送することができ、このとき固体ポンプ２０の回転速度と固体の質量流との間には直線関係がある。幾つかの例において、固体ポンプ２０はまた、固体粉末１００の流速の測定能力も有し得る。一例として、固体ポンプ２０はＧＥ Ｅｎｅｒｇｙ，Ａｔｌａｎｔａ，Ｇｅｏｒｇｉａから市販されているＳｔａｍｅｔ^TM固体ポンプといわれる回転式の集束空間型Ｓｏｌｉｄｓ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ Ｍｅｔｅｒｉｎｇポンプからなる。

図１に表されているように、搬送タンク１８は固体ポンプ２０の上に位置しており、固体ポンプ２０はガス化炉１４の上に位置している。すなわち、搬送タンク１８の出口（番号は付してない）が固体ポンプ２０の入口（番号は付してない）の上に位置していて、固体粉末１００を搬送タンク１８の出口から固体ポンプ２０の入口に搬送し得、また、固体ポンプ２０の出口（番号は付してない）がガス化炉１４の入口（番号は付してない）の上に位置していて、固体粉末１００を固体ポンプ２０の出口からガス化のためにガス化炉１４の入口に搬送し得る。他の例において、搬送タンク１８の入口は固体ポンプ２０の入口の上に位置していてもよく、また、固体ポンプ２０の入口がガス化炉１４の入口の上に位置していてもよい。

かかる構成において、固体ポンプ２０からの固体粉末１００はより少ないエネルギーの消費でガス化炉１４内に導入され得る。幾つかの応用において、搬送タンク１８は固体ポンプ２０及び／又はガス化炉１４の下に位置していてもよい。図示した例において、固体ポンプ２０は搬送タンク１８に直接接続されている。他の非限定例において、少なくとも１つのバルブ（図には示してない）のような他の要素を固体ポンプ２０と搬送タンク１８との間に配置してもよい。

従って、図２に示されているように、作動中、段階１１において、固体粉末１００が搬送タンク１８中に導入される。段階１３においては、固体粉末１００が搬送タンク１８から固体ポンプ２０中に搬送される。段階１５において、固体粉末１００は加圧されて、ガス化のために固体ポンプ２０からガス化炉中に送られる。

図１に示した構成の場合、搬送ユニット１２はさらに、固体ポンプ２０とガス化炉１４との間に配置された供給装置２４を含んでいる。供給装置２４はガス化炉１４の上に位置しており、固体ポンプ２０からガス化炉１４への固体粉末１００の搬送が促進され、その結果固体粉末１００はより均一にかつ安定してガス化炉１４中に導入され得、また固体ポンプ２０の出口（番号は付してない）における固体粉末１００の閉塞が回避され得る。

幾つかの例において、供給装置２４は、固体粉末１００を固体ポンプ２０から、より高い圧力を有するガス化炉１４中に供給するための特定のフィーダーに限定されない。一例として、供給装置２４はベンチュリフィーダーからなる。他の例において、供給装置２４は、限定されることはないが注入ガス（図には示してない）の投入用に少なくとも１つの入口を有するスクリューフィーダー又は円錐状配管を始めとする他の構成からなってもよい。非限定例において、作動中、ガス３６がガス化炉１４中への固体粉末１００の搬送のために供給装置２４内に導入され得る。幾つかの応用においては、供給装置及び／又はガス３６を使用しなくてもよい。

幾つかの応用において、搬送タンク１８は１以上の搬送装置を介して固体粉末１００を受領し得る。図１に示されているように、搬送ユニット１２はさらに、所望の粒度分布と所望の湿度レベルを有する固体粉末１００を搬送タンク１８内に搬送するために、粉砕装置２６、貯蔵タンク２８及びガス−固体分離器３０を併せて含んでいる。

幾つかの構成の場合、粉砕装置２６は、固体材料（図には示してない）を固体粉末１００にミル粉砕し、かつ固体粉末１００を貯蔵タンク２８内に輸送するように構成されている。貯蔵タンク２８は粉砕装置２６及びガス−固体分離器３０と流体連通してそれらの間に位置していて固体粉末を粉砕装置２６から受け取る。固体粉末１００をガス−固体分離器３０中に空気圧搬送するために、貯蔵タンク２８内にガス３２を導入し得る。これらのガス２２、３２の非限定例としては、二酸化炭素又は窒素のような不活性ガス、又はその他の適切なガスが挙げられる。

ガス−固体分離器３０はガス３２の少なくとも一部分を固体粉末１００から分離するように構成されている。ガス−固体分離器３０からのガス３２はフィルター３４を通過した後排出される。分離された固体粉末１００は搬送タンク１８に導入される。図示した例において、ガス−固体分離器３０はサイクロン分離器からなり、搬送タンク１８の上に位置している。他の例において、ガス−固体分離器３０は搬送タンク１８及び／又は固体ポンプ２０の下に位置していてもよい。

従って、作動中、固体材料は粉砕装置２６に導入されて所望の粒度分布を有する固体粉末１００を生成する。次に、固体粉末１００は貯蔵タンク２８に導入されてガス−固体混合物を形成する。このガス−固体混合物はガス−固体分離器３０に導入され、固体粉末１００が分離され、搬送タンク１８に搬送される。

図１の構成は単なる例示であることに留意されたい。単一の固体ポンプ、単一の搬送タンク、単一の供給装置、及び単一のガス−固体分離器が図示されているが、異なる応用によっては１より多くの固体ポンプ、１より多くの搬送タンク、１より多くの供給装置及び／又は１より多くのガス−固体分離器を使用してもよい。

幾つかの応用では、粉砕装置２６、貯蔵タンク２８及び／又はガス−固体分離器３０を使用しなくてもよい。固体粉末１００を搬送タンク１８に搬送するのに他の適切な搬送装置を使用し得る。他の搬送装置の非限定例には、コンベヤベルト、ポンプ及びスクリューフィーダーがある。さらに、フィルター３４から分離されたガス３２を、固体粉末１００のガス−固体分離器３０への空気圧搬送のために貯蔵タンク２８に再循環してもよい。

図３に、本発明の別の実施形態によるガス化システム１０の説明図を示す。図３の構成は図１の構成と同様である。図１と３の２つの構成は、図３では固体ポンプ２０と供給装置２４がガス化炉１４の下に配置されている点で異なる。他の応用において、供給装置２４はガス化炉１４の上に位置してもよい。

こうして、作動中、固体ポンプ２０は固体粉末１００を加圧してガス化炉１４に向けて送る。供給装置２４は固体粉末１００をガス化炉１４に供給する。固体ポンプ２０の出口における圧力は供給装置２４内の圧力に従って決定され得る。非限定例において、供給装置２４内の圧力がガス化炉１４内の圧力より高くて、固体粉末１００をガス化炉１４中に持ち上げ、搬送中の圧力低下を相殺し得る。

幾つかの応用において、ガス化炉が確実に安定に作動するように、図４に示したような緩衝容器３８を、固体ポンプ２０とガス化炉１４との間に配置して、固体粉末１００を固体ポンプ２０から受領しガス化炉１４中に導入してもよい。図４の構成は図３の構成と同様である。図３と４の２つの構成は、搬送ユニット１２がさらに、固体ポンプ２０とガス化炉１４との間に位置する緩衝容器３８を含む点で異なる。図示した例において、緩衝容器３８はガス化炉１４の上に位置している。

図４の構成は単なる例示であることに留意されたい。幾つかの応用では、緩衝容器３８がガス化炉１４の上に位置していなくてもよい。他の例では、固体ポンプ２０が図５に示されているように緩衝容器３８の上に配置されていてもよい。

図５の構成は図４の構成と同様である。図４と５の２つの構成は、図５では固体ポンプ２０が緩衝容器３８の上に配置され得、供給装置２４を使用しない点で異なる。幾つかの例においては、供給装置２４が固体ポンプと緩衝容器との間に配置されていてもよい。

図６に、図４−５に示した緩衝容器３８とガス化炉１４の構成の説明図を示す。図６に示されているように、緩衝容器３８は実質的に円錐状又は凸状の上端と下端（番号は付してない）をもつ円筒形状を有する。他の例において、緩衝容器は固体粉末を受領し搬送するのに適した他の形状を有し得る。

図６に示した例で、緩衝容器３８は固体ポンプ２０と流体連通した入口４０を含んでいる。固体ポンプ２０と緩衝容器３８との間にバルブ（図には示してない）を配置してもよい。また、ガス入口４２が緩衝容器３８の上端に規定されており、ガス（図には示してない）を緩衝容器３８中に導入して緩衝容器内の圧力を所望のレベルまで上昇させ緩衝容器３８内の固体粉末１００をガス化炉１４内に運搬するように構成されている。ガス入口４２を通るガスの流速は固体粉末の供給速度及び緩衝容器３８とガス化炉１４との間の圧力低下に従ってバルブ（図には示してない）により調節することができる。幾つかの応用において、不活性ガス又は合成ガスを緩衝容器３８内に導入することができる。一例として、緩衝容器３８内の圧力は約１５００ｐｓｉであり得る。

さらに、緩衝容器３８内での石炭の熱分解を回避するために、水冷壁のような冷却要素４４が緩衝容器３８の内部に配置されて緩衝容器３８内の温度を下げる。幾つかの応用において、緩衝容器３８はさらにポンプの故障の場合のバックアップ石炭入口４６を含んでおり、これは固体粉末１００を一定期間提供してガス化炉１４内の作動を安定に保ち得る。幾つかの例において、固体流量計４８を緩衝容器３８とガス化炉１４との間に配置して固体粉末１００のガス化炉１４内への流れをモニターし得る。

こうして、図４−５の構成の場合、作動中、固体粉末１００が固体ポンプ２０により加圧された後緩衝容器３８に供給される。図４の構成の場合、固体ポンプ２０で加圧された後、緩衝容器３８に入る前に、固体粉末１００は供給装置２４を通過する。

図７に、本発明のさらに別の実施形態によるガス化システム１０の説明図を示す。図７に示されているように、図７の構成は図３の構成と同様である。図７と３の２つの構成は、図７の構成が図３の供給装置の代わりに固体ポンプ２０とガス化炉１４との間に配置された緩衝ホッパー５０を使用する点で異なる。図７に示されているように、緩衝ホッパー５０は固体ポンプ２０及びガス化炉１４の下に位置する。

作動中、固体粉末１００は加圧されて緩衝ホッパー５０に入る。キャリアガス５２を緩衝ホッパー５０中に導入してその中の圧力を増大させ、緩衝ホッパー５０とガス化炉１４との間に圧力差を生じると共にガス−固体混合物を形成する。キャリアガス５２の非限定例として二酸化炭素、窒素のような不活性ガス、合成ガス又はその他の適切なガスがある。幾つかの例において、緩衝ホッパー５０内の圧力はガス化炉内の圧力より高くてもよい。一例として、緩衝ホッパー５０内の圧力は約３Ｍｐａである。

その後、ガス−固体混合物は、緩衝ホッパー５０から、ガス化炉１４と緩衝ホッパー５０を連結する配管５８を介してガス化炉１４に搬送される。幾つかの応用においては、流動化ガス５４を緩衝ホッパー５０の下部（番号は付してない）から緩衝ホッパー５０中に導入して、緩衝ホッパー５０内での固体粉末１００の凝集を回避することができる。さらに、補助ガス５６を配管５８中に導入して配管５８中の固体粉末の濃度を調節し、固体粉末のガス化炉中への空気圧搬送を促進することができる。幾つかの応用において、流動化ガス５４及び／又は補助ガス５６はキャリアガス５２と類似のガスからなり得る。

図７の構成は単なる例示であることに留意されたい。図示した例で、固体粉末１００は緩衝ホッパー５０の下部からガス化炉１４中に搬送される。他の例において、固体粉末１００は緩衝ホッパー５０の上部（番号は付してない）からガス化炉１４中に搬送してもよい。幾つかの例においてはまた、１以上の緩衝容器３８及び供給装置２４を緩衝ホッパー５０とガス化炉１４との間に配置してもよい。緩衝ホッパー５０はガス化炉１４の上に配置してもよい。さらに、図１及び３−７の装置・構成の場合、ガス化炉の入口はその上部に配置されているが、ガス化炉の入口はその下部に設けてもよい。

本発明の実施形態では、ガス化システムは固体粉末をガス化のためにガス化炉中に搬送するのに１以上の固体ポンプを使用する。１以上の固体ポンプの存在のために、固体粉末の流れはより均一で安定であり得る。加えて、固体粉末が高めの含水率を有する石炭からなる場合、固体ポンプを介してガス化炉中に搬送される固体粉末を乾燥するのにより少ないエネルギーを消費し得る。また、他の例において、１以上の供給装置、緩衝容器及び緩衝ホッパーを使用してガス化炉を確実に安定に作動させる。固体ポンプ、供給装置、緩衝ホッパー及び緩衝容器の位置はいろいろな応用に基づいて変化し得る。ある種の応用においては、１以上の固体ポンプを用いて、加工処理のために高炉のようなデバイス中に詰めて(stuff)搬送することもできる。

典型的な実施形態で本開示を例示し説明して来たが、本開示の範囲からいかなる意味でも逸脱することなく様々な修正と置換をなすことができるので、示した詳細に限定されることはない。すなわち、本明細書に記載された開示の別の修正及び等価物は日常の実験以上の技術を用いることなく当業者には明らかであり、かかる修正と等価物は全て特許請求の範囲に定義される本開示の思想と範囲内であると考えられる。

Claims (20)

1. 固体粉末のガス化のためのシステムであって、
   固体粉末を受け取るように構成された１以上の搬送タンク、
   １以上の搬送タンクの各々と連通してその下流に配置された１以上の固体ポンプと、
   １以上の固体ポンプと流体連通してその下流に配置されたガス化炉と
   を備えるシステム。
2. １以上の固体ポンプが１以上のそれぞれの搬送タンクの下に配置されている、請求項１記載のシステム。
3. さらに、１以上の固体ポンプ及びガス化炉と流体連通してその間に配置された供給装置を含む、請求項１記載のシステム。
4. １以上の固体ポンプ及び供給装置の１以上がガス化炉の下に配置されている、請求項３記載のシステム。
5. さらに、１以上の固体ポンプ及びガス化炉と流体連通してその間に配置された緩衝容器を含む、請求項１記載のシステム。
6. 緩衝容器がガス化炉の上に位置する、請求項５記載のシステム。
7. さらに、１以上の固体ポンプ及びガス化炉と流体連通してその下に配置された緩衝ホッパーを含む、請求項１記載のシステム。
8. １以上の固体ポンプがガス化炉の上に位置する、請求項１記載のシステム。
9. さらに、粉砕装置、固体粉末を１以上のそれぞれの搬送タンクに搬送するように構成された１以上のガス−固体分離器、並びに粉砕装置及び１以上のガス−固体分離器と流体連通した貯蔵タンクを含む、請求項１記載のシステム。
10. 固体粉末をガス化のために搬送するための搬送ユニットであって、
    固体粉末を受け取るように構成された１以上の搬送タンクと、
    １以上の搬送タンクの下流に各々配置され、１以上の搬送タンクの各々からの固体粉末を加圧してガス化のために搬送するように構成された１以上の固体ポンプと
    を備える搬送ユニット。
11. さらに、１以上の固体ポンプと流体連通してその下流に配置された供給装置を含む、請求項１０記載の搬送ユニット。
12. さらに、１以上の固体ポンプと流体連通してその下流に配置された緩衝容器を含む、請求項１０記載の搬送ユニット。
13. さらに、１以上の固体ポンプ及びガス化炉と流体連通してその下に配置された緩衝ホッパーを含む、請求項１０記載の搬送ユニット。
14. さらに、固体粉末を１以上の固体ポンプの各々に搬送するように構成された１以上のガス−固体分離器を含む、請求項１０記載の搬送ユニット。
15. 固体粉末のガス化のための方法であって、
    固体粉末を１以上の搬送タンクに導入し、
    １以上の搬送タンクからの固体粉末を、１以上の搬送タンクの下流に各々配置された１以上の固体ポンプの各々に導入し、
    １以上の固体ポンプによって固体粉末を加圧しガス化炉に搬送する
    ことを含む方法。
16. １以上の固体ポンプがガス化炉の上に位置する、請求項１５記載の方法。
17. さらに、１以上の固体ポンプからの固体粉末をガス化炉に搬送するために供給装置を提供することを含む、請求項１５記載の方法。
18. さらに、１以上の固体ポンプからの固体粉末を受領しガス化炉に搬送するために緩衝容器を提供することを含み、緩衝容器がガス化炉の上に配置される、請求項１５記載の方法。
19. さらに、１以上の固体ポンプからの固体粉末を受領しガス化炉に搬送するために緩衝ホッパーを提供することを含み、緩衝ホッパーがガス化炉の下に配置される、請求項１５記載の方法。
20. １以上の固体ポンプがガス化炉の下に位置する、請求項１５記載の方法。