特許 5771702 プラズマを使用する活性粒子に富む高温水蒸気の調製方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5771702

(24)【登録日】2015年7月3日

(45)【発行日】2015年9月2日

(54)【発明の名称】プラズマを使用する活性粒子に富む高温水蒸気の調製方法および装置

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/08 20060101AFI20150813BHJP

   C10J 3/00 20060101ALI20150813BHJP

   C10J 3/46 20060101ALI20150813BHJP

   F22G 1/16 20060101ALI20150813BHJP

   H05H 1/24 20060101ALI20150813BHJP

【ＦＩ】

   B01J19/08 E

   C10J3/00 E

   C10J3/46 H

   F22G1/16

   H05H1/24

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-546569(P2013-546569)

(86)(22)【出願日】2011年8月11日

(65)【公表番号】特表2014-508635(P2014-508635A)

(43)【公表日】2014年4月10日

(86)【国際出願番号】CN2011078242

(87)【国際公開番号】WO2012088887

(87)【国際公開日】20120705

【審査請求日】2013年8月22日

(31)【優先権主張番号】201010617855.0

(32)【優先日】2010年12月31日

(33)【優先権主張国】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】512244657

【氏名又は名称】武▲漢凱▼迪工程技▲術▼研究▲総▼院有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】100103207

【弁理士】

【氏名又は名称】尾崎 隆弘

(72)【発明者】

【氏名】▲陳義龍▼

(72)【発明者】

【氏名】張岩▲豊▼

(72)【発明者】

【氏名】曹民侠

(72)【発明者】

【氏名】李宏

【審査官】 長谷川 真一

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００７−５２２９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２４０３０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３２６０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１８５８８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｊ １０／００−１２／０２

Ｂ０１Ｊ １４／００−１９／３２

Ｆ２２Ｇ １／１６

Ｈ０５Ｈ １／２４

Ｃ１０Ｊ ３／００

Ｃ１０Ｊ ３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する方法であって、
１）水蒸気を準備し、１または幾つかの非酸化ガスを作用ガスとして選択し、プラズマ発生器を使用することにより、前記作用ガスを高温プラズマ作用媒体にイオン化する工程と、
２）前記高温プラズマ作用媒体を高温水蒸気発生器に注入して、高温イオン化環境を形成しつつ、前記水蒸気の一部を案内羽根を介して高温水蒸気発生器に高速で導入して、水蒸気が加熱および活性化され、活性粒子に富む水蒸気を形成するように、前記水蒸気を前記高温プラズマ作用媒体と接触させる工程とを含み、
前記高温水蒸気発生器のハウジングは、徐々に拡大する段構造であり、
前記ハウジングは２から４個の段を含み、
前記ハウジングの２から４個の段の上流側にはそれぞれの段に対応する環状間隙が配置されており、
前記環状隙間は、前記ハウジングの壁部を貫通するように形成された間隙と、該間隙と連通し前記ハウジングの内壁と該内壁に対向する部材との間に形成され前記高温水蒸気発生器の下流側に向けて解放されている間隙とからなり、
前記高温水蒸気発生器ハウジングの徐々に拡大する段は、各々３００〜８００ｍｍの長さを有し、
前記環状間隙のうち、前記ハウジングの内壁と該内壁に対向する部材との間に形成され前記高温水蒸気発生器の下流側に向けて解放されている間隙は、３から１５ｍｍの径方向幅を有し、
前記水蒸気の一部は、前記環状間隙を通り前記高温水蒸気発生器へ案内され、保護を目的として、前記高温水蒸気発生器の前記ハウジングの前記内壁上に低温水蒸気膜を形成する方法。

【請求項2】

前記工程１）の作用ガスは、前記プラズマ発生器により、２７２７〜１１７２７℃（３０００〜１２０００Ｋ）の温度を有する高温プラズマにイオン化される、請求項１の方法。

【請求項3】

前記作用ガスは窒素である、請求項１または２の方法。

【請求項4】

前記工程２）の高温プラズマ作用媒体は、３０〜１００ｍ／ｓの速度で前記高温水蒸気発生器に注入され、
前記案内羽根を介して高温水蒸気発生器に高速で導入される水蒸気は、５〜３０ｍ／ｓの速度で前記高温水蒸気発生器に注入され、
前記高温プラズマ作用媒体と前記高温水蒸気発生器への前記水蒸気の質量流量比は、前記高温水蒸気発生器の排出口での前記水蒸気が、７２７〜３７２７℃（１０００〜４０００Ｋ）の温度を有するように調節される
請求項１または２の方法。

【請求項5】

前記高温水蒸気発生器に供給される前記水蒸気は飽和水蒸気である、請求項１または２の方法。

【請求項6】

プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する装置であって、
プラズマ発生器と、
高温水蒸気発生器とを含み、
高温プラズマ供給口は前記高温水蒸気発生器の一端中心部に配置されると共に、前記プラズマ発生器の排出口と連通しており、
前記プラズマ発生器には非酸化ガス供給口が設けられており、
環状水蒸気供給口は、前記高温プラズマ供給口を包囲するように設けられ、
案内羽根は前記環状水蒸気供給口の内部に載置され、
前記高温水蒸気発生器のハウジングは、徐々に拡大する段構造であり、
前記ハウジングは２から４個の段を含み、
前記ハウジングの２から４個の段の上流側にはそれぞれの段に対応する環状間隙が配置されており、
前記環状隙間は、前記ハウジングの壁部を貫通するように形成された間隙と、該間隙と連通し前記ハウジングの内壁と該内壁に対向する部材との間に形成され前記高温水蒸気発生器の下流側に向けて解放されている間隙とからなり、
前記高温水蒸気発生器ハウジングの徐々に拡大する段は、各々３００〜８００ｍｍの長さを有し、
前記環状間隙のうち、前記ハウジングの内壁と該内壁に対向する部材との間に形成され前記高温水蒸気発生器の下流側に向けて解放されている間隙は、３から１５ｍｍの径方向幅を有し、
水蒸気の一部は、前記環状間隙を通り前記高温水蒸気発生器へ案内され、保護を目的として、前記高温水蒸気発生器の前記ハウジングの前記内壁上に低温水蒸気膜を形成する装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する方法および装置に関し、より詳細には、石炭、バイオマスおよびゴミのガス化並びに転換過程において、ガス化の度合いを高めるために使用される高温高活性水蒸気の調製方法に関する。

【背景技術】

【0002】

水蒸気熱プラズマは、石炭、バイオマスおよびゴミのガス化並びに転換において使用されるものであり、ガス化の度合いを高めると共に、合成ガス中におけるＨ_２の有効ガス比を調節可能とすることにより、合成ガスを特定の用途における様々な要件を満たすようにすることができる。熱プラズマに基づく水蒸気ガス化技術は、世界中の研究分野で注目されている。従来の水蒸気ガス化方法では、水蒸気をプラズマの作用ガスとして採用している。しかしながら、水蒸気は酸化能力を有することから、一定の度合いで電極消耗を加速し、電極の耐用寿命が短縮されてしまう。そのため、プラズマガス化の発展は、大きく制限されている。

【0003】

特許文献１は、プラズマ熱分解と、水素、ＣＨ_４、および水蒸気を作用ガスとしたガス化により、合成ガスを調製する方法を開示している。しかしながら、酸化水蒸気は一定の度合いで電極の消耗を加速するので、電極の耐用寿命が短縮される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】中国特許出願第０１１２９９３１．２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述の問題に鑑み、本発明の目的の一つは、プラズマを用いることにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する方法および装置を提供することである。本方法は、水蒸気を加熱する高温のプラズマを生成して、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を産出するために、非酸化ガスを作用ガスとして採用することにより、水蒸気と電極の接触を回避すると共に、電極の耐用年数を長期化させる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の技術的構成は以下のとおりである。プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する方法は、以下の工程を含む。

【0007】

１）水蒸気を準備し、１または幾つかの非酸化ガスを作用ガスとして選択し、プラズマ発生器を使用することにより、作用ガスを高温プラズマ作用媒体にイオン化する工程。

【0008】

２）高温プラズマ作用媒体を高温水蒸気発生器に注入して、高温イオン化環境を形成しつつ、水蒸気の一部を案内羽根を介して高温水蒸気発生器に高速で導入することにより、水蒸気が加熱活性化されて活性粒子に富む水蒸気を形成するように、水蒸気を高温プラズマ作用媒体と接触させる工程。
前記高温水蒸気発生器のハウジングは、徐々に拡大する段構造であり、前記ハウジングは２から４個の段を含み、前記ハウジングの２から４個の段の上流側にはそれぞれの段に対応する環状間隙が配置されており、前記環状隙間は、前記ハウジングの壁部を貫通するように形成された間隙と、該間隙と連通し前記ハウジングの内壁と該内壁に対向する部材との間に形成され前記高温水蒸気発生器の下流側に向けて解放されている間隙とからなり、前記高温水蒸気発生器ハウジングの徐々に拡大する段は、各々３００〜８００ｍｍの長さを有し、前記環状間隙のうち、前記ハウジングの内壁と該内壁に対向する部材との間に形成され前記高温水蒸気発生器の下流側に向けて解放されている間隙は、３から１５ｍｍの径方向幅を有し、前記水蒸気の一部は、前記環状間隙を通り前記高温水蒸気発生器へ案内され、保護を目的として、前記高温水蒸気発生器の前記ハウジングの前記内壁上に低温水蒸気膜を形成する。

【0009】

工程１）の作用ガスはプラズマ発生器によって、２７２７〜１１７２７℃（３０００〜１２０００Ｋ）の温度を有する高温プラズマにイオン化される。

【0010】

好適には、作用ガスは窒素である。

【0011】

工程２）の高温プラズマ作用媒体は、３０〜１００ｍ／ｓの速度で、高温水蒸気発生器に注入される。前記案内羽根を介して高温水蒸気発生器に高速で導入される水蒸気は、５〜３０ｍ／ｓの速度で、高温水蒸気発生器に注入される。高温水蒸気発生器における高温プラズマ作用媒体と水蒸気の質量流量比は、高温水蒸気発生器排出口の水蒸気温度が７２７〜３７２７℃（１０００〜４０００Ｋ）となるように調節される。

【0013】

好適には、高温水蒸気発生器に投入される水蒸気は、飽和水蒸気である。

【0014】

プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する装置は、プラズマ発生器と、高温水蒸気発生器を含む。高温プラズマ供給口は、高温水蒸気発生器の一端中央部に配置されると共に、プラズマ発生器の排出口と連通する。プラズマ発生器には非酸化ガス供給口が設けられる。環状水蒸気供給口は、高温プラズマ供給口を包囲するように設けられる。案内羽根は環状水蒸気供給口内部に載置される。前記高温水蒸気発生器のハウジングは、徐々に拡大する段構造であり、前記ハウジングは２から４個の段を含み、前記ハウジングの２から４個の段の上流側にはそれぞれの段に対応する環状間隙が配置されており、前記環状隙間は、前記ハウジングの壁部を貫通するように形成された間隙と、該間隙と連通し前記ハウジングの内壁と該内壁に対向する部材との間に形成され前記高温水蒸気発生器の下流側に向けて解放されている間隙とからなり、前記高温水蒸気発生器ハウジングの徐々に拡大する段は、各々３００〜８００ｍｍの長さを有し、前記環状間隙のうち、前記ハウジングの内壁と該内壁に対向する部材との間に形成され前記高温水蒸気発生器の下流側に向けて解放されている間隙は、３から１５ｍｍの径方向幅を有し、前記水蒸気の一部は、前記環状間隙を通り前記高温水蒸気発生器へ案内され、保護を目的として、前記高温水蒸気発生器の前記ハウジングの前記内壁上に低温水蒸気膜を形成する。

【0018】

本発明の効果は以下のとおりである。

【0019】

本方法は、非酸化ガスを作用ガスとして採用しており、プラズマ発生器に腐食が生じない。加えて、水蒸気は個々の供給口から導入され、水蒸気は電極と接触しないので、電極の耐用寿命が長くなる。

【0020】

水蒸気は、環状水蒸気供給口内部に載置される回転案内羽根を介して、高温水蒸気発生器の高温イオン化環境に高速で導入されるので、水蒸気は高温プラズマと瞬時に混合されて接触し、且つ加熱および活性化されて、活性粒子に富む水蒸気が形成される。高温プラズマ作用媒体と高温水蒸気発生器の水蒸気の質量流量比は、高温水蒸気発生器の排出口における水蒸気の温度が、７２７〜３７２７℃（１０００〜４０００Ｋ）となるように調節されることにより、ガス化要件を満たす。水蒸気の一部は環状間隙を通り高温水蒸気発生器に案内され、保護を目的として、高温水蒸気発生器の壁部上に低温水蒸気膜を形成する。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する装置の構造図。

【図2】図１のＡ−Ａ線視断面図。

【図3】図１のＢ−Ｂ線視断面図。

【発明を実施するための形態】

【0022】

図１〜３に示すように、プラズマを使用することにより、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する装置は、プラズマ発生器１と、高温水蒸気発生器２を含む。高温プラズマ供給口４は、高温水蒸気発生器２の一端中心部に配置されており、プラズマ発生器１の排出口１ｂと連通する。プラズマ発生器１には非酸化ガス供給口１ａが設けられる。環状水蒸気供給口３ｄは、高温プラズマ供給口４を包囲するように設けられる。案内羽根７は環状水蒸気供給口３ｄ内部に載置される。環状水蒸気供給口３ｄは、環状空隙およびノズル３ｄ１を介して、圧力コンベア３と連通する。６は、環状水蒸気供給口３ｄの穿孔板を表わす。５は、高温且つ活性粒子に富む水蒸気を排出する高温水蒸気発生器２の排出口を表わす。

【0023】

高温水蒸気発生器２は、徐々に拡大する段構造のハウジングを含む。ハウジングは１から４個の段を含む。一例として、高温水蒸気発生器２の３段ハウジングを挙げると、高温水蒸気発生器２のハウジングは、区分２ａ、２ｂ，２ｃを含む。環状間隙３ａ，３ｂ，３ｃは、ハウジングの隣接する２つの段全ての間に配置されており、水蒸気を高温水蒸気発生器に流入させる。環状間隙３ａ，３ｂ，３ｃは、環状空隙が設けられたノズル３ａ１，３ｂ１，３ｃ１を介して、圧力コンベア３と連結される。

【0024】

高温水蒸気発生器のハウジングの徐々に拡大する段は各々、３００〜８００ｍｍの長さを有する。ハウジングは耐火材料から作られる。

【0025】

環状間隙は、３から１５ｍｍの径方向幅を有する。

【0026】

プラズマを使用することにより高温且つ活性粒子に富む水蒸気を調製する方法は、以下の工程を含む。

【0027】

１）水蒸気を準備し、作用ガスとして１または幾つかの非酸化ガスを選択し、プラズマ発生器を使用することにより、作用ガスを高温プラズマ作用媒体にイオン化する工程。

【0028】

２）高温プラズマ作用媒体を高温水蒸気発生器に注入して、高温イオン化環境を形成しつつ、水蒸気の一部を、案内羽根を介して高温水蒸気発生器に高速で導入して、水蒸気が加熱および活性化されて活性粒子に富む水蒸気を形成するように、水蒸気を高温プラズマ作用媒体と接触させる工程。

【0029】

工程１）の作用ガスは、プラズマ発生器により、２７２７〜１１７２７℃（３０００〜１２０００Ｋ）の温度を有する高温プラズマにイオン化される。

【0030】

水蒸気には、不飽和水蒸気、飽和水蒸気、過熱水蒸気、水蒸気と空気および／または酸素の混合物が含まれる。好適には、水蒸気は飽和水蒸気である。

【0031】

一般的な非酸化ガスには、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈ_２、ＣＯ_２およびＣＨ_４が含まれる。好適には、非酸化ガスは窒素である。

【0032】

工程２）の高温プラズマ作用媒体は、３０〜１００ｍ／ｓの速度で、高温水蒸気発生器に注入される。水蒸気は、５〜３０ｍ／ｓの速度で、高温水蒸気発生器に注入される。高温プラズマ作用媒体と高温水蒸気発生器中の水蒸気の質量流量比は、高温水蒸気発生器排出口での水蒸気の温度が７２７〜３７２７℃（１０００〜４０００Ｋ）であるように調節される。

【0033】

１〜４個の環状間隙が高温水蒸気発生器のハウジング上に所定間隔をあけて配置される。水蒸気の一部は、圧力コンベアにより、環状間隙を通り高温水蒸気発生器まで案内されると共に、保護を目的として、高温水蒸気発生器の内壁上に低温水蒸気膜を形成する。

【0034】

高温水蒸気発生器ハウジングの徐々に拡大する段は各々、３００〜８００ｍｍの長さを有する。環状間隙は、３〜１５ｍｍの径方向幅を有する。

【実施例1】

【0035】

作用ガスＮ_２は、プラズマ発生器１により２７２７℃（３０００Ｋ）の温度の高温プラズマにイオン化されると共に、３０ｍ／ｓの速度で高温水蒸気発生器２に注入されることにより、２７２７℃（３０００Ｋ）の高温イオン化環境が形成される。飽和水蒸気の一部は、案内羽根が設けられた環状水蒸気供給口３ｄを通り高温水蒸気発生器２まで、回転流の形態をなして１０ｍ／ｓの速度で導入され、且つ、水蒸気は高温プラズマと接触する。残りの水蒸気は、環状間隙３ａ、３ｂ、３ｃを介して高温水蒸気発生器２まで、５ｍ／ｓの速度で案内されるとともに、保護を目的として、高温水蒸気発生器２の壁部上に低温水蒸気膜を形成する。高温プラズマにはイオン化活性粒子が豊富に含まれているので、飽和蒸気が高温プラズマと混合されて接触した時に、水蒸気は加熱されて、活性粒子（活性Ｈ_２Ｏ、活性Ｈ、活性ＯおよびＨＯ⁻，Ｈ⁻，Ｏ^＋２）に富む高温水蒸気にイオン化される。水蒸気は反応後に、高温水蒸気発生器２の排出口５において、温度が１２２７℃（１５００Ｋ）となり、ガス化のためにガス化装置に直接搬送される。

【実施例2】

【0036】

作用ガスＣＯ_２は、プラズマ発生器１により４７２７℃（５０００Ｋ）の温度を有する高温プラズマにイオン化され、７０ｍ／ｓの速度で高温水蒸気発生器２に注入されることにより、４７２７℃（５０００Ｋ）の高温イオン化環境が形成される。飽和水蒸気の一部は、案内羽根が設けられた環状水蒸気供給口３ｄを通り高温水蒸気発生器２まで、回転流の形態をなして１５ｍ／ｓの速度で導入され、且つ、水蒸気は高温プラズマと接触する。残りの水蒸気は、７ｍ／ｓの速度で環状間隙３ａ、３ｂ、３ｃを通り、高温水蒸気発生器２まで案内され、保護を目的として、高温水蒸気発生器２の壁部上に低温水蒸気膜を形成する。高温プラズマにはイオン化活性粒子が豊富に含まれているので、飽和蒸気が高温プラズマと混合されて接触した時に、水蒸気は加熱されて、活性粒子（活性Ｈ_２Ｏ、活性Ｈ、活性ＯおよびＨＯ⁻，Ｈ⁻，Ｏ^＋２）に富む高温水蒸気にイオン化される。水蒸気は反応後に、高温水蒸気発生器２の排出口５において、温度が２１２７℃（２４００Ｋ）となり、ガス化のためにガス化装置に直接搬送される。

【実施例3】

【0037】

作用ガスＡｒは、プラズマ発生器１により１１７２７℃（１２０００Ｋ）の温度を有する高温プラズマにイオン化され、１００ｍ／ｓの速度で高温水蒸気発生器２に注入されることにより、９７２７℃（１００００Ｋ）の高温イオン化環境が形成される。飽和水蒸気の一部は、案内羽根が設けられた環状水蒸気供給口３ｄを通り高温水蒸気発生器２まで、回転流の形態をなして３０ｍ／ｓの速度で導入され、且つ、水蒸気は高温プラズマと接触する。残りの水蒸気は、１０ｍ／ｓの速度で、１０ｍｍの幅を有する環状間隙３ａ、３ｂ、３ｃを通り、高温水蒸気発生器２まで案内され、保護を目的として、高温水蒸気発生器２の壁部上に低温水蒸気膜を形成する。高温プラズマにはイオン化活性粒子が豊富に含まれているので、飽和蒸気が高温プラズマと混合されて接触した時に、水蒸気は加熱されて、活性粒子（活性Ｈ_２Ｏ、活性Ｈ、活性ＯおよびＨＯ⁻，Ｈ⁻，Ｏ^＋２）に富む高温水蒸気にイオン化される。水蒸気は反応後に、高温水蒸気発生器２の排出口５において、温度が２７２７℃（３０００Ｋ）となり、ガス化のためにガス化装置に直接搬送される。

【0038】

本発明の高温水蒸気発生器の水蒸気供給口は、水蒸気が電極と接触しないように独立して構成される。従って、非酸素ガスをイオン化媒体として採用すると共に、水蒸気を高温水蒸気発生器に流入させるために独立した供給口を導入した上記の技術的構成が、本発明の保護範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0039】

１ プラズマ発生器
１ａ 非酸化ガス供給口
１ｂ 排出口
２ 高温水蒸気発生器
３ 圧力コンベア
３ａ，３ｂ，３ｃ 環状間隙
３ｄ 環状水蒸気供給口
３ａ１，３ｂ１，３ｃ１，３ｄ１ ノズル
４ 高温プラズマ供給口
５ 高温水蒸気発生器の排出口
６ 穿孔板
７ 案内羽根

【図1】

【図2】

【図3】