JP2002356681A - 石炭ガス化および燃焼をシミュレーションするためのモデリング方法およびシミュレーションシステム - Google Patents
石炭ガス化および燃焼をシミュレーションするためのモデリング方法およびシミュレーションシステムInfo
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
- Y02E20/18—Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]
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- Solid-Fuel Combustion (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 石炭ガス化プロセスまたは燃焼プロセスのシ
ミュレーションおよびガス化炉や燃焼炉内の諸現象を数
値流体解析により予測、評価する際に、高い精度と信頼
性を得ることができるモデリング方法およびこれを用い
たシミュレーションシステムを提供する。 【解決手段】 石炭を原料とし、酸素、酸素および水、
空気のいずれかをガス化剤または酸化剤とした石炭ガス
化または燃焼をシミュレーションするに際して、上記ガ
ス化または燃焼において石炭粒子が温度上昇により熱分
解することによって放出される揮発分の成分を、擬似成
分ＣＨｘＯｙと仮定して上記石炭ガス化または燃焼をモ
デリングすることを特徴とする。
ミュレーションおよびガス化炉や燃焼炉内の諸現象を数
値流体解析により予測、評価する際に、高い精度と信頼
性を得ることができるモデリング方法およびこれを用い
たシミュレーションシステムを提供する。 【解決手段】 石炭を原料とし、酸素、酸素および水、
空気のいずれかをガス化剤または酸化剤とした石炭ガス
化または燃焼をシミュレーションするに際して、上記ガ
ス化または燃焼において石炭粒子が温度上昇により熱分
解することによって放出される揮発分の成分を、擬似成
分ＣＨｘＯｙと仮定して上記石炭ガス化または燃焼をモ
デリングすることを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種の石炭ガス化
プロセスまたは燃焼プロセスをシミュレーションする際
のモデリング方法に関するものである。
プロセスまたは燃焼プロセスをシミュレーションする際
のモデリング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】石炭エネルギーの総合利用は、不完全燃
焼ガス化、水性ガス化、液化および微粉炭の燃焼などの
方法により行なわれている。このうち、石炭を不完全燃
焼ガス化する技術としては、高温で石炭に酸素を供給し
てガス化するＩＧＣＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏａ
ｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃ
ｙｃｌｅ）方式や、さらに酸素供給下において超臨界流
体（水）を接触させてガス化するＳＣＷ−ＩＧＣＣ方
式、あるいは高温で酸素を供給し、石炭ガス化によって
得られた水素ガスを燃料電池やガスタービンに供給する
ＥＡＧＬＥ（Ｃｏａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｐｐｌｉｃａ
ｔｉｏｎｆｏｒ Ｇａｓ，Ｌｉｑｕｉｄ ＆ Ｅｌｅｃ
ｔｒｉｃｉｔｙ）方式といった各種の石炭ガス化プロセ
スが開発されつつある。
焼ガス化、水性ガス化、液化および微粉炭の燃焼などの
方法により行なわれている。このうち、石炭を不完全燃
焼ガス化する技術としては、高温で石炭に酸素を供給し
てガス化するＩＧＣＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏａ
ｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃ
ｙｃｌｅ）方式や、さらに酸素供給下において超臨界流
体（水）を接触させてガス化するＳＣＷ−ＩＧＣＣ方
式、あるいは高温で酸素を供給し、石炭ガス化によって
得られた水素ガスを燃料電池やガスタービンに供給する
ＥＡＧＬＥ（Ｃｏａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｐｐｌｉｃａ
ｔｉｏｎｆｏｒ Ｇａｓ，Ｌｉｑｕｉｄ ＆ Ｅｌｅｃ
ｔｒｉｃｉｔｙ）方式といった各種の石炭ガス化プロセ
スが開発されつつある。
【０００３】このような、上記石炭ガス化プロセスの実
施にあたっては、事前に、環境安全面での制約条件や製
品品質に対する要求仕様を満足し、最も経済的かつ高効
率的なプロセスシステムを構成するためのプロセスシミ
ュレーターを開発する必要がある。加えて、上述した各
種のプロセス中の重要なユニットである石炭ガス化炉に
ついて、その最適設計、特性評価、安全運転条件の検討
などを行なうために、炉内の速度場、温度場、濃度分
布、粒子挙動などの炉内現象を詳細に把握するための数
値流体解析（ＣＦＤ）シミュレーターの開発も必要にな
る。
施にあたっては、事前に、環境安全面での制約条件や製
品品質に対する要求仕様を満足し、最も経済的かつ高効
率的なプロセスシステムを構成するためのプロセスシミ
ュレーターを開発する必要がある。加えて、上述した各
種のプロセス中の重要なユニットである石炭ガス化炉に
ついて、その最適設計、特性評価、安全運転条件の検討
などを行なうために、炉内の速度場、温度場、濃度分
布、粒子挙動などの炉内現象を詳細に把握するための数
値流体解析（ＣＦＤ）シミュレーターの開発も必要にな
る。
【０００４】そして、このような上記石炭ガス化プロセ
スの全体や、ガス化炉内の挙動を精度よくシミュレート
するためには、信頼性の高い物質収支、エネルギー収
支、化学平衡、化学反応速度などのモデリング方法が重
要となる。また、上記石炭を酸素供給下において高温燃
焼させる燃焼炉や溶融炉等における燃焼プロセスについ
ても、その実施化にあたっては、事前に同様のシミュレ
ーションを行なっておく必要がある。
スの全体や、ガス化炉内の挙動を精度よくシミュレート
するためには、信頼性の高い物質収支、エネルギー収
支、化学平衡、化学反応速度などのモデリング方法が重
要となる。また、上記石炭を酸素供給下において高温燃
焼させる燃焼炉や溶融炉等における燃焼プロセスについ
ても、その実施化にあたっては、事前に同様のシミュレ
ーションを行なっておく必要がある。
【０００５】一方、上記石炭ガス化プロセスや燃焼プロ
セスの原料となる石炭は、炭種にもよるが、約３００℃
程度で熱分解による揮発分放出を開始する。そして、揮
発分の成分は、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水
蒸気、含酸素化合物などからなっている。また、石炭中
の揮発分が放出された後の燃料は、チヤーと呼ばれる固
定炭素分のみの残存物である。
セスの原料となる石炭は、炭種にもよるが、約３００℃
程度で熱分解による揮発分放出を開始する。そして、揮
発分の成分は、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水
蒸気、含酸素化合物などからなっている。また、石炭中
の揮発分が放出された後の燃料は、チヤーと呼ばれる固
定炭素分のみの残存物である。
【０００６】この際の上記石炭の熱分解反応は、種々の
反応が同時に進行しており、また熱分解生成物の挙動
は、炭種、温度、圧力、粒径、昇温速度および装置な
ど、非常に多くの条件により左右されるとともに、チヤ
ーの反応速度は、揮発分熱分解速度に比較して遅く、粒
径によっては１秒以上かかる場合もあることから、上述
したモデル化を行なうに際しては、これらの煩雑性をい
かに単純化し、一般化できるかという点が非常に重要に
なる。
反応が同時に進行しており、また熱分解生成物の挙動
は、炭種、温度、圧力、粒径、昇温速度および装置な
ど、非常に多くの条件により左右されるとともに、チヤ
ーの反応速度は、揮発分熱分解速度に比較して遅く、粒
径によっては１秒以上かかる場合もあることから、上述
したモデル化を行なうに際しては、これらの煩雑性をい
かに単純化し、一般化できるかという点が非常に重要に
なる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】これに対して、従来に
おいては、上記石炭のガス化、燃焼の性能やプロセスの
物質収支、エネルギー収支をシミュレーションする上で
最も重要となる熱分解反応やチヤーの反応をモデル化す
る方法として、主に下記〜の３種類のモデリング方
法が開発されてきた。
おいては、上記石炭のガス化、燃焼の性能やプロセスの
物質収支、エネルギー収支をシミュレーションする上で
最も重要となる熱分解反応やチヤーの反応をモデル化す
る方法として、主に下記〜の３種類のモデリング方
法が開発されてきた。
【０００８】 実際の石炭の化学構造は複雑である
が、その平均的なモデルとして組成式をＣｘＨｙＯｚと
仮定し、石炭ガス化炉を総括した反応式として、Ｃ、
Ｈ、Ｏの収支のみに注目し、下記の簡略化した反応式
（１）によって表すものである。 ａＣｘＨｙＯｚ＋ｂＯ２＋ｃＨ２Ｏ→ｄＣＯ２＋ｅＣＯ＋ｆＨ２ （１） しかしながら、上記モデリング方法にあっては、上述し
たように揮発分気体反応速度とチヤーの固体反応速度が
大きく異なり、しかも反応物や生成物の標準生成自由エ
ネルギーや標準生成熱などが、化学平衡やエネルギー収
支などの計算に大きな影響を与えているにも拘わらず、
これらを簡略化して一体に取り扱っているために、高い
精度および信頼性による物質収支、エネルギー収支、化
学平衡、化学反応速度などのモデリングを行うことがで
きないという問題点があった。
が、その平均的なモデルとして組成式をＣｘＨｙＯｚと
仮定し、石炭ガス化炉を総括した反応式として、Ｃ、
Ｈ、Ｏの収支のみに注目し、下記の簡略化した反応式
（１）によって表すものである。 ａＣｘＨｙＯｚ＋ｂＯ２＋ｃＨ２Ｏ→ｄＣＯ２＋ｅＣＯ＋ｆＨ２ （１） しかしながら、上記モデリング方法にあっては、上述し
たように揮発分気体反応速度とチヤーの固体反応速度が
大きく異なり、しかも反応物や生成物の標準生成自由エ
ネルギーや標準生成熱などが、化学平衡やエネルギー収
支などの計算に大きな影響を与えているにも拘わらず、
これらを簡略化して一体に取り扱っているために、高い
精度および信頼性による物質収支、エネルギー収支、化
学平衡、化学反応速度などのモデリングを行うことがで
きないという問題点があった。
【０００９】 石炭の燃焼反応過程は、石炭微粒子が
炉内温度上昇に従い、まず乾燥され、水蒸気を放出す
る。その後、熱分解によって、揮発分が放出される。そ
こで、この揮発分の組成式をＣＨｘと仮定し、この仮定
組成式ＣＨｘについては、計算する際に必要な全ての物
性定数としてＣＨ４の物性定数を用いるモデリング方法
がある。そして、このモデリング方法においては、チヤ
ーの燃焼に下記の反応式（２）を用い、揮発分の燃焼に
反応式（３）、（４）を用いている。 Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２ （２） ＣＨｘ＋（１／２＋ｘ／４）Ｏ２→ＣＯ＋（ｘ／２）Ｈ２Ｏ （３） ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２ （４）
炉内温度上昇に従い、まず乾燥され、水蒸気を放出す
る。その後、熱分解によって、揮発分が放出される。そ
こで、この揮発分の組成式をＣＨｘと仮定し、この仮定
組成式ＣＨｘについては、計算する際に必要な全ての物
性定数としてＣＨ４の物性定数を用いるモデリング方法
がある。そして、このモデリング方法においては、チヤ
ーの燃焼に下記の反応式（２）を用い、揮発分の燃焼に
反応式（３）、（４）を用いている。 Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２ （２） ＣＨｘ＋（１／２＋ｘ／４）Ｏ２→ＣＯ＋（ｘ／２）Ｈ２Ｏ （３） ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２ （４）
【００１０】上記従来のモデリング方法においては、揮
発分とチャーとを分けてモデリングしているものの、揮
発分をＣＨｘに仮定しているので、実際の揮発分中の酸
素量が無視されることになり、よって物質収支（元素収
支）上に問題が生じるという欠点があった。また、ＣＨ
ｘの標準生成熱、標準生成自由エネルギーなどの性質に
ついて、直接ＣＨ４の値を用いているため、化学平衡や
エネルギー収支を計算する際に高い精度および信頼性を
得ることができないという問題点もあった。
発分とチャーとを分けてモデリングしているものの、揮
発分をＣＨｘに仮定しているので、実際の揮発分中の酸
素量が無視されることになり、よって物質収支（元素収
支）上に問題が生じるという欠点があった。また、ＣＨ
ｘの標準生成熱、標準生成自由エネルギーなどの性質に
ついて、直接ＣＨ４の値を用いているため、化学平衡や
エネルギー収支を計算する際に高い精度および信頼性を
得ることができないという問題点もあった。
【００１１】 石炭のガス化反応過程は、炉内に投入
された微粉炭から揮発分が放出される熱分解反応、放出
された揮発分に対する気相反応、および微粉炭の固定炭
素に対するチヤーガス化反応からなる。そこで、揮発分
の組成を、メタン、水素、一酸化炭素および水蒸気など
の化学種から構成されるものと仮定し、気相反応として
以下の反応式（５）〜（９）の５つの総括反応を考慮す
るとともに、チヤーガス化反応として以下の反応式（１
０）〜（１２）の酸素、二酸化炭素、水蒸気による反応
を考慮する方法である。
された微粉炭から揮発分が放出される熱分解反応、放出
された揮発分に対する気相反応、および微粉炭の固定炭
素に対するチヤーガス化反応からなる。そこで、揮発分
の組成を、メタン、水素、一酸化炭素および水蒸気など
の化学種から構成されるものと仮定し、気相反応として
以下の反応式（５）〜（９）の５つの総括反応を考慮す
るとともに、チヤーガス化反応として以下の反応式（１
０）〜（１２）の酸素、二酸化炭素、水蒸気による反応
を考慮する方法である。
【００１２】 ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２ （５） ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ （６） Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ （７） ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２ （８） ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ （９） Ｃ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ （１０） Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ （１１） Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２ （１２）
【００１３】上記従来のモデリング方法においては、揮
発分の成分がメタン、水素、一酸化炭素および水蒸気な
どの化学種から構成されていると仮定しているために、
石炭分析値や炭種によって、揮発分中各成分の割合を決
定することが困難であり、また、上記化学種であるメタ
ン、水素、一酸化炭素の標準生成熱から求めた反応熱
は、実際の石炭揮発分の発熱量と一致しないことが多い
という問題点があった。
発分の成分がメタン、水素、一酸化炭素および水蒸気な
どの化学種から構成されていると仮定しているために、
石炭分析値や炭種によって、揮発分中各成分の割合を決
定することが困難であり、また、上記化学種であるメタ
ン、水素、一酸化炭素の標準生成熱から求めた反応熱
は、実際の石炭揮発分の発熱量と一致しないことが多い
という問題点があった。
【００１４】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
ので、石炭ガス化プロセスまたは燃焼プロセスのシミュ
レーションおよびガス化炉や燃焼炉内の諸現象を数値流
体解析により予測、評価する際に、高い精度と信頼性を
得ることができるモデリング方法およびこれを用いたシ
ミュレーションシステムを提供することを目的とするも
のである。
ので、石炭ガス化プロセスまたは燃焼プロセスのシミュ
レーションおよびガス化炉や燃焼炉内の諸現象を数値流
体解析により予測、評価する際に、高い精度と信頼性を
得ることができるモデリング方法およびこれを用いたシ
ミュレーションシステムを提供することを目的とするも
のである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
に係る石炭ガス化および燃焼をシミュレーションするた
めのモデリング方法は、石炭を原料とし、酸素、酸素お
よび水、空気のいずれかをガス化剤または酸化剤とした
石炭ガス化または燃焼をシミュレーションするに際し
て、上記ガス化または燃焼において石炭粒子が温度上昇
により熱分解することによって放出される揮発分の成分
を、擬似成分ＣＨｘＯｙと仮定して上記石炭ガス化また
は燃焼をモデリングすることを特徴とするものである。
に係る石炭ガス化および燃焼をシミュレーションするた
めのモデリング方法は、石炭を原料とし、酸素、酸素お
よび水、空気のいずれかをガス化剤または酸化剤とした
石炭ガス化または燃焼をシミュレーションするに際し
て、上記ガス化または燃焼において石炭粒子が温度上昇
により熱分解することによって放出される揮発分の成分
を、擬似成分ＣＨｘＯｙと仮定して上記石炭ガス化また
は燃焼をモデリングすることを特徴とするものである。
【００１６】ここで、請求項２に記載の発明は、請求項
１に記載の発明において、上記擬似成分ＣＨｘＯｙに基
づき、 ＣＨｘＯｙ＋（１＋ｘ／４−ｙ／２）Ｏ２→ＣＯ２＋ｘ
／２Ｈ２Ｏ ＣＨｘＯｙ＋（１−ｙ）Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋（１＋ｘ／２−
ｙ）Ｈ２ ２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋Ｈ２ ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２ ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ Ｃ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２ Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ Ｃ＋２Ｈ２→ＣＨ４ の全部または一部の反応式を用いて上記石炭ガス化また
は燃焼をシミュレーションすることを特徴とするもので
ある。
１に記載の発明において、上記擬似成分ＣＨｘＯｙに基
づき、 ＣＨｘＯｙ＋（１＋ｘ／４−ｙ／２）Ｏ２→ＣＯ２＋ｘ
／２Ｈ２Ｏ ＣＨｘＯｙ＋（１−ｙ）Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋（１＋ｘ／２−
ｙ）Ｈ２ ２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋Ｈ２ ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２ ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ Ｃ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２ Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ Ｃ＋２Ｈ２→ＣＨ４ の全部または一部の反応式を用いて上記石炭ガス化また
は燃焼をシミュレーションすることを特徴とするもので
ある。
【００１７】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
または２に記載の発明において、上記擬似成分ＣＨｘＯ
ｙ中のｘおよびｙの値を、使用する炭種の工業分析値お
よび元素分析値から求め、かつ得られた上記ｘおよびｙ
の値から、当該ＣＨｘＯｙの分子量を求めることを特徴
とするものである。
または２に記載の発明において、上記擬似成分ＣＨｘＯ
ｙ中のｘおよびｙの値を、使用する炭種の工業分析値お
よび元素分析値から求め、かつ得られた上記ｘおよびｙ
の値から、当該ＣＨｘＯｙの分子量を求めることを特徴
とするものである。
【００１８】さらに、請求項４に記載の発明は、請求項
１〜３のいずれかに記載の発明において、上記石炭の高
位発熱量および固定炭素の高位発熱量を用いて、上記擬
似成分ＣＨｘＯｙの高位発熱量および標準生成熱を求め
ることを特徴とするものである。
１〜３のいずれかに記載の発明において、上記石炭の高
位発熱量および固定炭素の高位発熱量を用いて、上記擬
似成分ＣＨｘＯｙの高位発熱量および標準生成熱を求め
ることを特徴とするものである。
【００１９】次いで、請求項５に記載に係る石炭ガス化
および燃焼のシミュレーションシステムは、石炭を原料
とし、酸素、酸素および水、空気のいずれかをガス化剤
または酸化剤とした石炭ガス化または燃焼のシミュレー
ションシステムであって、上記ガス化または燃焼におい
て石炭粒子が温度上昇により熱分解することによって放
出される揮発分の成分を、擬似成分ＣＨｘＯｙと仮定
し、請求項１ないし４のいずれかに記載のモデリング方
法を用いて、上記石炭ガス化をモデリングしていること
を特徴とするものである。
および燃焼のシミュレーションシステムは、石炭を原料
とし、酸素、酸素および水、空気のいずれかをガス化剤
または酸化剤とした石炭ガス化または燃焼のシミュレー
ションシステムであって、上記ガス化または燃焼におい
て石炭粒子が温度上昇により熱分解することによって放
出される揮発分の成分を、擬似成分ＣＨｘＯｙと仮定
し、請求項１ないし４のいずれかに記載のモデリング方
法を用いて、上記石炭ガス化をモデリングしていること
を特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の石炭ガス化およ
び燃焼をシミュレーションするためのモデリング方法、
並びに石炭ガス化および燃焼のシミュレーションシステ
ムの一実施形態を示すもので、石炭ガス化または燃焼プ
ロセスシミュレーションおよびガス化炉または燃焼炉の
数値流体解析手法の高精度化を図るために開発されたも
のである。
び燃焼をシミュレーションするためのモデリング方法、
並びに石炭ガス化および燃焼のシミュレーションシステ
ムの一実施形態を示すもので、石炭ガス化または燃焼プ
ロセスシミュレーションおよびガス化炉または燃焼炉の
数値流体解析手法の高精度化を図るために開発されたも
のである。
【００２１】石炭微粒子は、粗炭、水、チヤーおよび灰
分の４部分からなっており、さらに上記粗炭は、揮発分
とチャーとからなっている。そして、石炭微粒子をガス
化炉または燃焼炉内に供給した後、ガス相からの熱によ
って加熱すると、先ず石炭微粒子中の水分が蒸発する。
その後、温度の上昇に従って、熱分解により粗炭から揮
発分が分解され、チャーのガス化反応および揮発分を含
む気相反応を行なう。そこで、本モデリング方法におい
ては、上記揮発分の組成式を擬似成分ＣＨｘＯｙと仮定
した。この結果、揮発分は酸素、水による反応式（１
３）〜（２０）の気相反応を行ない、揮発分が放出され
た後のチヤーは、反応式（２１）〜（２４）の気−固反
応を行なう。
分の４部分からなっており、さらに上記粗炭は、揮発分
とチャーとからなっている。そして、石炭微粒子をガス
化炉または燃焼炉内に供給した後、ガス相からの熱によ
って加熱すると、先ず石炭微粒子中の水分が蒸発する。
その後、温度の上昇に従って、熱分解により粗炭から揮
発分が分解され、チャーのガス化反応および揮発分を含
む気相反応を行なう。そこで、本モデリング方法におい
ては、上記揮発分の組成式を擬似成分ＣＨｘＯｙと仮定
した。この結果、揮発分は酸素、水による反応式（１
３）〜（２０）の気相反応を行ない、揮発分が放出され
た後のチヤーは、反応式（２１）〜（２４）の気−固反
応を行なう。
【００２２】 ＣＨｘＯｙ＋（１＋ｘ／４−ｙ／２）Ｏ２→ＣＯ２＋ｘ／２Ｈ２Ｏ （１３） ＣＨｘＯｙ＋（１−ｙ）Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋（１＋ｘ／２−ｙ）Ｈ２ （１４） ２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ （１５） ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋Ｈ２ （１６） ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ （１７） ＣＨ４ ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２ （１８） ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ （１９） Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ （２０） Ｃ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ （２１） Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２ （２２） Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ （２３） Ｃ＋２Ｈ２→ＣＨ４ （２４）
【００２３】ここで、上記擬似成分ＣＨｘＯｙに関する
各物性値は、下記のようにして求めることができる。 （Ａ）ｘおよびｙの値 使用する炭種の工業分析値および元素分析値から求め
る。 （Ｂ）擬似成分ＣＨｘＯｙの分子量Ｍ 上記（Ａ）において得られたｘおよびｙの値および単位
分子量から、 Ｍ＝１２．０１１＋１．００８ｘ＋１５．９９９ｙ によって求める。
各物性値は、下記のようにして求めることができる。 （Ａ）ｘおよびｙの値 使用する炭種の工業分析値および元素分析値から求め
る。 （Ｂ）擬似成分ＣＨｘＯｙの分子量Ｍ 上記（Ａ）において得られたｘおよびｙの値および単位
分子量から、 Ｍ＝１２．０１１＋１．００８ｘ＋１５．９９９ｙ によって求める。
【００２４】（Ｃ）擬似成分ＣＨｘＯｙの高位発熱量 石炭の高位発熱量＝固定炭素分の高位発熱量＋ＣＨｘＯ
ｙ分の高位発熱量が成立すると仮定すれば、石炭の高位
発熱量や固定炭素の発熱量は、文献中から調べることが
できるため、ＣＨｘＯｙ分の高位発熱量＝石炭の高位発
熱量−固定炭素分の高位発熱量によって求めることがで
きる。
ｙ分の高位発熱量が成立すると仮定すれば、石炭の高位
発熱量や固定炭素の発熱量は、文献中から調べることが
できるため、ＣＨｘＯｙ分の高位発熱量＝石炭の高位発
熱量−固定炭素分の高位発熱量によって求めることがで
きる。
【００２５】（Ｄ）擬似成分ＣＨｘＯｙの標準生成熱 既知のＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｏ２の標準生成熱や上記（Ｃ）
において得られる擬似成分ＣＨｘＯｙの高位発熱量Ｑを
用いて、下記（２５）式、（２６）式により、ＣＨｘＯ
ｙの標準生成熱が求められる。 ＣＨｘＯｙ＋（１＋ｘ／４−ｙ／２）Ｏ２→ＣＯ２＋(ｘ／２)Ｈ２Ｏ＋Ｑ （２５） ΔＨｒ＝ΣｖｉΔＨｆｐ −ΣｖｉΔＨｆｒ （２６） ここに、ΔＨｒは、上記（２５）式の標準反応熱であ
り、ΔＨｆｐは、生成物の標準生成熱、ΔＨｆｒは、反
応物の標準生成熱である。また、ｖｉは、各化学種の量
論係数である。そして、（２５）式および（２６）式に
おいては、ΔＨｒ＝Ｑである。
において得られる擬似成分ＣＨｘＯｙの高位発熱量Ｑを
用いて、下記（２５）式、（２６）式により、ＣＨｘＯ
ｙの標準生成熱が求められる。 ＣＨｘＯｙ＋（１＋ｘ／４−ｙ／２）Ｏ２→ＣＯ２＋(ｘ／２)Ｈ２Ｏ＋Ｑ （２５） ΔＨｒ＝ΣｖｉΔＨｆｐ −ΣｖｉΔＨｆｒ （２６） ここに、ΔＨｒは、上記（２５）式の標準反応熱であ
り、ΔＨｆｐは、生成物の標準生成熱、ΔＨｆｒは、反
応物の標準生成熱である。また、ｖｉは、各化学種の量
論係数である。そして、（２５）式および（２６）式に
おいては、ΔＨｒ＝Ｑである。
【００２６】（Ｅ）上記反応式（２５）における標準エ
ントロピー変化ΔＳｒ 標準状態下の気体を理想気体と仮定すると、エントロピ
ー変化ΔＳと圧力変化の関係は、下式で表される。 ΔＳ＝−Ｒｌｎ（Ｐ２／Ｐ１） （２７） ここに、Ｒは気体定数、Ｐは圧力である。上記反応式
（２５）において、標準エントロピー変化ΔＳｒは、以
下の（２８）式が成立すると仮定することにより、（２
５）式の標準エントロピー変化が求められる。 ΔＳｒ＝−Ｒｌｎ［（１＋ｘ／２）／（１＋１＋ｘ／４−ｙ／２）］ （２８）
ントロピー変化ΔＳｒ 標準状態下の気体を理想気体と仮定すると、エントロピ
ー変化ΔＳと圧力変化の関係は、下式で表される。 ΔＳ＝−Ｒｌｎ（Ｐ２／Ｐ１） （２７） ここに、Ｒは気体定数、Ｐは圧力である。上記反応式
（２５）において、標準エントロピー変化ΔＳｒは、以
下の（２８）式が成立すると仮定することにより、（２
５）式の標準エントロピー変化が求められる。 ΔＳｒ＝−Ｒｌｎ［（１＋ｘ／２）／（１＋１＋ｘ／４−ｙ／２）］ （２８）
【００２７】（Ｆ）上記反応式（２５）における標準自
由エネルギー変化ΔＧｒ 標準反応熱ΔＨｒ（式（２５）については、ΔＨｒ＝
Ｑ）および標準エントロピー変化ΔＳｒは、上述したよ
うに得られるために、これらを用いて、下記（２９）式
により標準自由エネルギー変化ΔＧｒを求めることがで
きる。 ΔＧｒ＝ΔＨｒ−ＴΔＳｒ （２９） ここで、Ｔは温度であり、値は２９８．１５Ｋである。
由エネルギー変化ΔＧｒ 標準反応熱ΔＨｒ（式（２５）については、ΔＨｒ＝
Ｑ）および標準エントロピー変化ΔＳｒは、上述したよ
うに得られるために、これらを用いて、下記（２９）式
により標準自由エネルギー変化ΔＧｒを求めることがで
きる。 ΔＧｒ＝ΔＨｒ−ＴΔＳｒ （２９） ここで、Ｔは温度であり、値は２９８．１５Ｋである。
【００２８】（Ｇ）ＣＨｘＯｙの標準生成自由エネルギ
ー 式（２５）におけるＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏの標準生成自
由エネルギーΔＧｆと、標準自由エネルギー変化ΔＧｒ
とを用いて、下記式（３０）によりＣＨｘＯｙの標準生
成自由エネルギーが求められる。 ΔＧｒ＝ΣｖｉΔＧｆｐ−ΣｖｉΔＧｆｒ （３０） ここで、ΔＧｆｐは、生成物の標準生成自由エネルギ
ー、ΔＨｆｒは、反応物の標準生成自由エネルギーであ
り、ｖｉは、各化学種の量論係数である。
ー 式（２５）におけるＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏの標準生成自
由エネルギーΔＧｆと、標準自由エネルギー変化ΔＧｒ
とを用いて、下記式（３０）によりＣＨｘＯｙの標準生
成自由エネルギーが求められる。 ΔＧｒ＝ΣｖｉΔＧｆｐ−ΣｖｉΔＧｆｒ （３０） ここで、ΔＧｆｐは、生成物の標準生成自由エネルギ
ー、ΔＨｆｒは、反応物の標準生成自由エネルギーであ
り、ｖｉは、各化学種の量論係数である。
【００２９】（Ｈ）ＣＨｘＯｙの絶対エントロピー 式（２５）におけるＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏの絶対エント
ロピーおよび標準エントロピー変化を用いて、下記式
（３１）によりＣＨｘＯｙの絶対エントロピーを求める
ことができる。 ΔＳｒ＝ΣｖｉΔＳｉｐ−ΣｖｉΔＳｉｒ （３１） ここで、ΔＳｒは、標準エントロピー変化、ΔＳｉ
ｐは、生成物の絶対エントロピー、ΔＳｉｒは、反応物
の絶対エントロピーであり、ｖｉは、各化学種の量論係
数である。
ロピーおよび標準エントロピー変化を用いて、下記式
（３１）によりＣＨｘＯｙの絶対エントロピーを求める
ことができる。 ΔＳｒ＝ΣｖｉΔＳｉｐ−ΣｖｉΔＳｉｒ （３１） ここで、ΔＳｒは、標準エントロピー変化、ΔＳｉ
ｐは、生成物の絶対エントロピー、ΔＳｉｒは、反応物
の絶対エントロピーであり、ｖｉは、各化学種の量論係
数である。
【００３０】（Ｉ）上記反応式（１３）、（１４）にお
ける標準反応熱 反応器を設計するためには、反応速度以外に、各反応か
ら発生する熱量が非常に重要になる。この熱は、生成物
質と反応物質とが持つ各熱量に基づいて生じるものであ
る。そして、標準反応熱は、標準生成熱から直接求める
ことができる。したがって、上記方法によりＣＨｘＯｙ
の標準生成熱を求めれば、（１３）式、（１４）式の標
準反応熱を（２６）式より求めることができる。
ける標準反応熱 反応器を設計するためには、反応速度以外に、各反応か
ら発生する熱量が非常に重要になる。この熱は、生成物
質と反応物質とが持つ各熱量に基づいて生じるものであ
る。そして、標準反応熱は、標準生成熱から直接求める
ことができる。したがって、上記方法によりＣＨｘＯｙ
の標準生成熱を求めれば、（１３）式、（１４）式の標
準反応熱を（２６）式より求めることができる。
【００３１】（Ｊ）上記反応式（１３）、（１４）にお
ける平衡係数Ｋ 熱力学を用いると、標準反応熱の算出以外に、平衡定数
の計算や予め設定した温度、圧力、出発混合物の組成等
の条件における最大到達転化率も決定することができ
る。そして、平衡定数Ｋは、反応の標準自由エネルギー
変化ΔＧｒより求めることができる。 ΔＧｒ＝−ＲＴｌｎＫ （３２） この標準自由エネルギー変化は、（３０）式より各化学
種の標準生成自由エネルギーから求められる。
ける平衡係数Ｋ 熱力学を用いると、標準反応熱の算出以外に、平衡定数
の計算や予め設定した温度、圧力、出発混合物の組成等
の条件における最大到達転化率も決定することができ
る。そして、平衡定数Ｋは、反応の標準自由エネルギー
変化ΔＧｒより求めることができる。 ΔＧｒ＝−ＲＴｌｎＫ （３２） この標準自由エネルギー変化は、（３０）式より各化学
種の標準生成自由エネルギーから求められる。
【００３２】（Ｋ）ガス化炉の熱収支 ガス化炉の熱収支は、図２に示す反応経路によって計算
することができる。 （１）反応物を状態１から参考状態に変化させる場合の
エンタルピー変化（Ｈ２−Ｈ１）を計算する。 （２）炉内各反応の標準反応熱により、総標準反応熱Σ
ΔＨｒを計算する。 （３）生成物を参考状態から状態２に変化させる場合の
エンタルピー変化（Ｈ４−Ｈ３）を計算する。 そして、ガス化炉の熱負荷＝（Ｈ２−Ｈ１）＋ΣΔＨｒ
＋（Ｈ４−Ｈ３）になる。また、各反応における標準反
応熱は、（２６）式によって、各化学種の標準生成熱か
ら計算する。
することができる。 （１）反応物を状態１から参考状態に変化させる場合の
エンタルピー変化（Ｈ２−Ｈ１）を計算する。 （２）炉内各反応の標準反応熱により、総標準反応熱Σ
ΔＨｒを計算する。 （３）生成物を参考状態から状態２に変化させる場合の
エンタルピー変化（Ｈ４−Ｈ３）を計算する。 そして、ガス化炉の熱負荷＝（Ｈ２−Ｈ１）＋ΣΔＨｒ
＋（Ｈ４−Ｈ３）になる。また、各反応における標準反
応熱は、（２６）式によって、各化学種の標準生成熱か
ら計算する。
【００３３】以上の構成からなる石炭ガス化および燃焼
をシミュレーションするためのモデリング方法およびシ
ミュレーションシステムは、当該モデリング方法のソー
スコードを汎用のプロセスシミュレーションツール（例
えば、米国Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉ
ｎｃ．社のＰＲＯ／ＩＩ、米国Ａｓｐｅｎ Ｔｅｃｈｎ
ｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．社のＡＳＰＥＮ―Ｐｌｕｓな
ど）、汎用数値流体解析ツール（例えば、英国Ｃｏｎｃ
ｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍｏｍｅｎｔ
ｕｍ Ｌｉｍｉｔｅｄ社のＰＨＯＥＮＩＣＳ、米国Ｆｌ
ｕｅｎｔ Ｉｎｃ．社のＦＬＵＥＮＴなど）および自社
開発のプロセスシミュレーションツールや数値流体解析
ツールなどと組み合わせることによって、石炭ガス化プ
ロセスまたは燃焼プロセスにおけるガス化炉あるいは燃
焼炉の物質収支、エネルギー収支、化学平衡、化学反応
速度などの種々のシミュレーションを行うことができ
る。
をシミュレーションするためのモデリング方法およびシ
ミュレーションシステムは、当該モデリング方法のソー
スコードを汎用のプロセスシミュレーションツール（例
えば、米国Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉ
ｎｃ．社のＰＲＯ／ＩＩ、米国Ａｓｐｅｎ Ｔｅｃｈｎ
ｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．社のＡＳＰＥＮ―Ｐｌｕｓな
ど）、汎用数値流体解析ツール（例えば、英国Ｃｏｎｃ
ｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍｏｍｅｎｔ
ｕｍ Ｌｉｍｉｔｅｄ社のＰＨＯＥＮＩＣＳ、米国Ｆｌ
ｕｅｎｔ Ｉｎｃ．社のＦＬＵＥＮＴなど）および自社
開発のプロセスシミュレーションツールや数値流体解析
ツールなどと組み合わせることによって、石炭ガス化プ
ロセスまたは燃焼プロセスにおけるガス化炉あるいは燃
焼炉の物質収支、エネルギー収支、化学平衡、化学反応
速度などの種々のシミュレーションを行うことができ
る。
【００３４】そして、上記モデリング方法およびシミュ
レーションシステムによれば、石炭を揮発分、チヤー、
水分、灰分などに分けて考慮しているので、従来の前記
に挙げたモデリング方法のように、石炭全体をＣｘＨ
ｙＯｚに簡略化して仮定したものと比較して、性質が大
きく異なっている揮発分やチヤーについて各自の反応速
度式、標準生成自由エネルギーおよび標準生成熱などを
持つことができ、化学平衡、化学反応速度およびエネル
ギー収支などの計算精度を大幅に改善することができ
る。
レーションシステムによれば、石炭を揮発分、チヤー、
水分、灰分などに分けて考慮しているので、従来の前記
に挙げたモデリング方法のように、石炭全体をＣｘＨ
ｙＯｚに簡略化して仮定したものと比較して、性質が大
きく異なっている揮発分やチヤーについて各自の反応速
度式、標準生成自由エネルギーおよび標準生成熱などを
持つことができ、化学平衡、化学反応速度およびエネル
ギー収支などの計算精度を大幅に改善することができ
る。
【００３５】また、揮発分の組成式に付いては、ＣＨｘ
Ｏｙという擬似成分に仮定しているので、前記に示し
た従来のモデリング方法のように、揮発分中の酸素量を
無視して揮発分をＣＨｘに仮定し、かつこのＣＨｘに直
接ＣＨ４の物性値を用いた方法と比べて、実際の揮発分
中の酸素量が無視されることがなく、よって化学平衡、
物質収支およびエネルギー収支の計算精度を改善するこ
とができる。
Ｏｙという擬似成分に仮定しているので、前記に示し
た従来のモデリング方法のように、揮発分中の酸素量を
無視して揮発分をＣＨｘに仮定し、かつこのＣＨｘに直
接ＣＨ４の物性値を用いた方法と比べて、実際の揮発分
中の酸素量が無視されることがなく、よって化学平衡、
物質収支およびエネルギー収支の計算精度を改善するこ
とができる。
【００３６】加えて、上記揮発分の組成式については、
ＣＨｘＯｙという擬似成分に仮定しているので、当該揮
発分の組成がメタン、水素、一酸化炭素および水蒸気な
どの化学種から構成されていると仮定した上記従来のモ
デリング方法と比べて、石炭分析値や炭種によって揮
発分中各成分の割合を決定することが困難であった問題
や、化学種であるメタン、水素、一酸化炭素の標準生成
熱から求めた標準反応熱が、実際の石炭揮発分の発熱量
と一致しないなどの問題を解決することもできる。
ＣＨｘＯｙという擬似成分に仮定しているので、当該揮
発分の組成がメタン、水素、一酸化炭素および水蒸気な
どの化学種から構成されていると仮定した上記従来のモ
デリング方法と比べて、石炭分析値や炭種によって揮
発分中各成分の割合を決定することが困難であった問題
や、化学種であるメタン、水素、一酸化炭素の標準生成
熱から求めた標準反応熱が、実際の石炭揮発分の発熱量
と一致しないなどの問題を解決することもできる。
【００３７】さらに、熱力学理論を用い、石炭高位発熱
量や固定炭素の高位発熱量から石炭揮発分の高位発熱
量、標準生成熱および標準生成自由エネルギーなどの物
性を求めることにより、実際に扱う炭種の実際の性質を
反映することができ、理論的にも実用的にも信頼性が高
く、かつ精度に優れる石炭ガス化プロセスまたは燃焼プ
ロセスのシミュレーションを行うことが可能になる。し
かも、上記揮発分を、擬似成分ＣＨｘＯｙと仮定してい
る結果、上記（Ａ）〜（Ｋ）のステップを用いることに
より、全ての炭種について適用することができる。
量や固定炭素の高位発熱量から石炭揮発分の高位発熱
量、標準生成熱および標準生成自由エネルギーなどの物
性を求めることにより、実際に扱う炭種の実際の性質を
反映することができ、理論的にも実用的にも信頼性が高
く、かつ精度に優れる石炭ガス化プロセスまたは燃焼プ
ロセスのシミュレーションを行うことが可能になる。し
かも、上記揮発分を、擬似成分ＣＨｘＯｙと仮定してい
る結果、上記（Ａ）〜（Ｋ）のステップを用いることに
より、全ての炭種について適用することができる。
【００３８】
【実施例】（実施例１）石炭中における揮発分の物性の
計算 上記実施の形態に示したモデリング方法を用いて、表１
に示す炭種について、石炭の揮発分の擬似成分組成式Ｃ
ＨｘＯｙ中のｘおよびｙの値、擬似成分ＣＨｘＯｙの分
子量、高位発熱量、標準生成熱、標準生成自由エネルギ
ーおよび反応式（２５）の標準エントロピー変化を計算
した。表２は、その結果を示すものである。
計算 上記実施の形態に示したモデリング方法を用いて、表１
に示す炭種について、石炭の揮発分の擬似成分組成式Ｃ
ＨｘＯｙ中のｘおよびｙの値、擬似成分ＣＨｘＯｙの分
子量、高位発熱量、標準生成熱、標準生成自由エネルギ
ーおよび反応式（２５）の標準エントロピー変化を計算
した。表２は、その結果を示すものである。
【００３９】
【表１】
【００４０】
【表２】
【００４１】（実施例２）酸素吹き石炭ガス化複合発電
（ＩＧＣＣ）プロセスのガス化炉物質収支、熱収支シミ
ュレーション 実施例１において表１に示した炭種および計算された物
性値を用いて、石炭処理量２０００ｔｏｎ−ｃｏａｌ／
ｄａｙ規模の酸素吹き石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）
プロセスのガス炉における物質収支および熱収支のシミ
ュレーションを行なった。表３は、上記シミュレーショ
ンにおける計算条件、およびその結果と試験値との比較
を示すものである。また、図３は、上記シミュレーショ
ンによって得られたガス化炉出口温度と冷ガス効率およ
びガス化炉熱負荷の関係を示すものである。
（ＩＧＣＣ）プロセスのガス化炉物質収支、熱収支シミ
ュレーション 実施例１において表１に示した炭種および計算された物
性値を用いて、石炭処理量２０００ｔｏｎ−ｃｏａｌ／
ｄａｙ規模の酸素吹き石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）
プロセスのガス炉における物質収支および熱収支のシミ
ュレーションを行なった。表３は、上記シミュレーショ
ンにおける計算条件、およびその結果と試験値との比較
を示すものである。また、図３は、上記シミュレーショ
ンによって得られたガス化炉出口温度と冷ガス効率およ
びガス化炉熱負荷の関係を示すものである。
【００４２】
【表３】
【００４３】（実施例３）空気吹き微粉炭燃焼による燃
焼炉の数値流体解析（ＣＦＤ） 本実施例は、上記実施形態に示したモデリング方法のソ
ースコードを、市販汎用数値流体解析ツールである英国
Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍｏ
ｍｅｎｔｕｍ ｌｉｍｉｔｅｄ社のＰＨＯＥＮＩＣＳに
取込んで解析を行なったものである。この際に、多相流
の計算はＩＰＳＡ法を使用して、固気二相流の解析を行
なった。当該固気二相流における第一相は気体であり、
第二相は固体（石炭粒子等）である。
焼炉の数値流体解析（ＣＦＤ） 本実施例は、上記実施形態に示したモデリング方法のソ
ースコードを、市販汎用数値流体解析ツールである英国
Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍｏ
ｍｅｎｔｕｍ ｌｉｍｉｔｅｄ社のＰＨＯＥＮＩＣＳに
取込んで解析を行なったものである。この際に、多相流
の計算はＩＰＳＡ法を使用して、固気二相流の解析を行
なった。当該固気二相流における第一相は気体であり、
第二相は固体（石炭粒子等）である。
【００４４】この解析は、図４に示すような、側面に６
×２＝１２個のバーナーが並び、上面に排ガスの出口を
設けた反応装置において、上記バーナーの内側から微粉
炭と空気の混合流を供給し、外側から空気を供給した場
合について行なった。また、解析計算では、完全断熱と
仮定し、乱流モデルはκ−εモデル、粒子の粒径は固
定、輻射の計算は行なっていない。表４は、上記解析に
用いた石炭の性状および解析体系の諸条件を示すもので
ある。
×２＝１２個のバーナーが並び、上面に排ガスの出口を
設けた反応装置において、上記バーナーの内側から微粉
炭と空気の混合流を供給し、外側から空気を供給した場
合について行なった。また、解析計算では、完全断熱と
仮定し、乱流モデルはκ−εモデル、粒子の粒径は固
定、輻射の計算は行なっていない。表４は、上記解析に
用いた石炭の性状および解析体系の諸条件を示すもので
ある。
【００４５】
【表４】
【００４６】図５、図６および図７は、それぞれ上記解
析によって得られた結果のうち、速度分布、温度分布、
ＣＯ質量分率、ＣＯ２質量分率、Ｈ２Ｏ質量分率、Ｏ２
質量分率、灰分（Ａｓｈ）質量分率、チャー質量分率、
第１相体積分率および第２相体積分率の分布を示すもの
である。なお、これらの分布図は、いずれも図４におけ
る矢印方向から見た分布を示すものであり、図中右方側
面に上記バーナーが配設され、上方に出口が設けられて
いる。また、図中、気流の速度分布の単位はｍ／ｓ、温
度分布の単位はＫ、各成分の質量分率は、１．０＝１０
０％であり、ＣＯ質量分率、ＣＯ２質量分率、Ｈ２Ｏ質
量分率およびＯ２質量分率は、第１相（流体）、灰分
（Ａｓｈ）質量分率およびチャー質量分率は、第２相
（固体）のものを示す。
析によって得られた結果のうち、速度分布、温度分布、
ＣＯ質量分率、ＣＯ２質量分率、Ｈ２Ｏ質量分率、Ｏ２
質量分率、灰分（Ａｓｈ）質量分率、チャー質量分率、
第１相体積分率および第２相体積分率の分布を示すもの
である。なお、これらの分布図は、いずれも図４におけ
る矢印方向から見た分布を示すものであり、図中右方側
面に上記バーナーが配設され、上方に出口が設けられて
いる。また、図中、気流の速度分布の単位はｍ／ｓ、温
度分布の単位はＫ、各成分の質量分率は、１．０＝１０
０％であり、ＣＯ質量分率、ＣＯ２質量分率、Ｈ２Ｏ質
量分率およびＯ２質量分率は、第１相（流体）、灰分
（Ａｓｈ）質量分率およびチャー質量分率は、第２相
（固体）のものを示す。
【００４７】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜５のい
ずれかに記載の本発明によれば、石炭ガス化プロセスま
たは燃焼プロセスのシミュレーションおよびガス化炉や
燃焼炉内の諸現象を数値流体解析により予測、評価する
に際して、石炭を揮発分、チヤー、水分、灰分などに分
けて考慮し、かつ揮発分の組成式をＣＨｘＯｙという擬
似成分として仮定しているので、性質が大きく異なる揮
発分やチヤーについて、各自の反応速度式、標準生成自
由エネルギーおよび標準生成熱などを得ることができ、
この結果化学平衡、化学反応速度、物質収支およびエネ
ルギー収支などの計算精度を大幅に改善することができ
るため、実際に扱う炭種の実際の性質を反映した理論的
にも実用的にも信頼性が高く、かつ精度に優れるシミュ
レーションを行うことができる。
ずれかに記載の本発明によれば、石炭ガス化プロセスま
たは燃焼プロセスのシミュレーションおよびガス化炉や
燃焼炉内の諸現象を数値流体解析により予測、評価する
に際して、石炭を揮発分、チヤー、水分、灰分などに分
けて考慮し、かつ揮発分の組成式をＣＨｘＯｙという擬
似成分として仮定しているので、性質が大きく異なる揮
発分やチヤーについて、各自の反応速度式、標準生成自
由エネルギーおよび標準生成熱などを得ることができ、
この結果化学平衡、化学反応速度、物質収支およびエネ
ルギー収支などの計算精度を大幅に改善することができ
るため、実際に扱う炭種の実際の性質を反映した理論的
にも実用的にも信頼性が高く、かつ精度に優れるシミュ
レーションを行うことができる。
【図１】本発明のモデリング方法の一実施形態を示す概
念図である。
念図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるガス化炉の熱収支
の計算方法を説明するための概念図である。
の計算方法を説明するための概念図である。
【図３】本発明の実施例２のシミュレーションによって
得られたガス化炉出口温度と冷ガス効率およびガス化炉
熱負荷の関係を示すグラフである。
得られたガス化炉出口温度と冷ガス効率およびガス化炉
熱負荷の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例３のシミュレーションに用いた
反応装置のモデル形状を示す斜視図である。
反応装置のモデル形状を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施例３のシミュレーションによって
得られた解析結果のうち、速度分布、温度分布、ＣＯ質
量分率およびＣＯ２質量分率を示す分布図である。
得られた解析結果のうち、速度分布、温度分布、ＣＯ質
量分率およびＣＯ２質量分率を示す分布図である。
【図６】上記実施例３で得られた解析結果のうち、Ｈ２
Ｏ質量分率、Ｏ２質量分率、灰分（Ａｓｈ）質量分率お
よびチャー質量分率を示す分布図である。
Ｏ質量分率、Ｏ２質量分率、灰分（Ａｓｈ）質量分率お
よびチャー質量分率を示す分布図である。
【図７】上記実施例３で得られた解析結果のうち、第１
相体積分率および第２相体積分率を示す分布図である。
相体積分率および第２相体積分率を示す分布図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三橋 雄志 東京都文京区小石川１−３−25 小石川大 国ビル 三菱マテリアル株式会社システム 事業センター内 (72)発明者 梅村 昭男 東京都文京区小石川１−３−25 小石川大 国ビル 三菱マテリアル株式会社システム 事業センター内 Ｆターム(参考） 3K046 AA01 AB01 BA01 CA02 CA03 5B046 AA00 JA09
Claims (5)
- 【請求項１】 石炭を原料とし、酸素、酸素および水、
空気のいずれかをガス化剤または酸化剤とした石炭ガス
化または燃焼をシミュレーションするに際して、上記ガ
ス化または燃焼において石炭粒子が温度上昇により熱分
解することによって放出される揮発分の成分を、擬似成
分ＣＨｘＯｙと仮定して上記石炭ガス化または燃焼をモ
デリングすることを特徴とする石炭ガス化および燃焼を
シミュレーションするためのモデリング方法。 - 【請求項２】 上記擬似成分ＣＨｘＯｙに基づき、 ＣＨｘＯｙ＋（１＋ｘ／４−ｙ／２）Ｏ２→ＣＯ２＋ｘ
／２Ｈ２Ｏ ＣＨｘＯｙ＋（１−ｙ）Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋（１＋ｘ／２−
ｙ）Ｈ２ ２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋Ｈ２ ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２ ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ Ｃ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２ Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ Ｃ＋２Ｈ２→ＣＨ４ の全部または一部の反応式を用いて上記石炭ガス化また
は燃焼をシミュレーションすることを特徴とする請求項
１に記載の石炭ガス化および燃焼をシミュレーションす
るためのモデリング方法。 - 【請求項３】 上記擬似成分ＣＨｘＯｙ中のｘおよびｙ
の値を、使用する炭種の工業分析値および元素分析値か
ら求め、かつ得られた上記ｘおよびｙの値から、当該Ｃ
ＨｘＯｙの分子量を求めることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の石炭ガス化および燃焼をシミュレーショ
ンするためのモデリング方法。 - 【請求項４】 上記石炭の高位発熱量および固定炭素の
高位発熱量を用いて、上記擬似成分ＣＨｘＯｙの高位発
熱量および標準生成熱を求めることを特徴とする請求項
１ないし３のいずれかに記載の石炭ガス化および燃焼を
シミュレーションするためのモデリング方法。 - 【請求項５】 石炭を原料とし、酸素、酸素および水、
空気のいずれかをガス化剤または酸化剤とした石炭ガス
化または燃焼のシミュレーションシステムであって、上
記ガス化または燃焼において石炭粒子が温度上昇により
熱分解することによって放出される揮発分の成分を、擬
似成分ＣＨｘＯｙと仮定し、請求項１ないし４のいずれ
かに記載のモデリング方法を用いて、上記石炭ガス化を
モデリングしていることを特徴とする石炭ガス化および
燃焼のシミュレーションシステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001162999A JP2002356681A (ja) | 2001-05-30 | 2001-05-30 | 石炭ガス化および燃焼をシミュレーションするためのモデリング方法およびシミュレーションシステム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001162999A JP2002356681A (ja) | 2001-05-30 | 2001-05-30 | 石炭ガス化および燃焼をシミュレーションするためのモデリング方法およびシミュレーションシステム |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002356681A true JP2002356681A (ja) | 2002-12-13 |
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ID=19006042
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001162999A Pending JP2002356681A (ja) | 2001-05-30 | 2001-05-30 | 石炭ガス化および燃焼をシミュレーションするためのモデリング方法およびシミュレーションシステム |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002356681A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009109081A (ja) * | 2007-10-30 | 2009-05-21 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | シミュレーション方法、プログラム及びこれを記録した記録媒体、並びにシミュレーション装置 |
| JP2010038410A (ja) * | 2008-08-01 | 2010-02-18 | Ritsumeikan | 燃焼解析方法、燃焼解析装置、およびコンピュータプログラム |
| JP2012211757A (ja) * | 2011-03-23 | 2012-11-01 | Hokkaido Univ | 燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法 |
| JP2014035614A (ja) * | 2012-08-08 | 2014-02-24 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 粒子成長過程のシミュレーション方法、プログラム及びシミュレーション装置 |
| WO2015019404A1 (ja) * | 2013-08-05 | 2015-02-12 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | 石炭燃焼計算方法および石炭燃焼計算装置 |
| CN104634815A (zh) * | 2013-11-14 | 2015-05-20 | 辽宁工程技术大学 | 一种模拟煤堆自燃的方法 |
| CN112487641A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-12 | 青岛科技大学 | 基于多尺度建模的煤化学链气化工艺设计方法及其应用 |
| CN112908140A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-04 | 北京理工大学 | 基于多组分解耦物理化学替代物的柴油喷雾燃烧仿真方法 |
| CN114510820A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-05-17 | 西安交通大学 | 一种煤炭热力学参数构建方法 |
| CN118460252A (zh) * | 2024-07-09 | 2024-08-09 | 国家电投集团山西电力有限公司 | 一种用于生物质气化的控制系统与控制方法 |
-
2001
- 2001-05-30 JP JP2001162999A patent/JP2002356681A/ja active Pending
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009109081A (ja) * | 2007-10-30 | 2009-05-21 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | シミュレーション方法、プログラム及びこれを記録した記録媒体、並びにシミュレーション装置 |
| JP2010038410A (ja) * | 2008-08-01 | 2010-02-18 | Ritsumeikan | 燃焼解析方法、燃焼解析装置、およびコンピュータプログラム |
| JP2012211757A (ja) * | 2011-03-23 | 2012-11-01 | Hokkaido Univ | 燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法 |
| JP2014035614A (ja) * | 2012-08-08 | 2014-02-24 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 粒子成長過程のシミュレーション方法、プログラム及びシミュレーション装置 |
| WO2015019404A1 (ja) * | 2013-08-05 | 2015-02-12 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | 石炭燃焼計算方法および石炭燃焼計算装置 |
| CN104634815B (zh) * | 2013-11-14 | 2017-03-29 | 辽宁工程技术大学 | 一种模拟煤堆自燃的方法 |
| CN104634815A (zh) * | 2013-11-14 | 2015-05-20 | 辽宁工程技术大学 | 一种模拟煤堆自燃的方法 |
| CN112487641A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-12 | 青岛科技大学 | 基于多尺度建模的煤化学链气化工艺设计方法及其应用 |
| CN112487641B (zh) * | 2020-11-27 | 2023-04-07 | 青岛科技大学 | 基于多尺度建模的煤化学链气化工艺设计方法及其应用 |
| CN112908140A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-04 | 北京理工大学 | 基于多组分解耦物理化学替代物的柴油喷雾燃烧仿真方法 |
| CN112908140B (zh) * | 2021-01-22 | 2022-05-20 | 北京理工大学 | 基于多组分解耦物理化学替代物的柴油喷雾燃烧仿真方法 |
| CN114510820A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-05-17 | 西安交通大学 | 一种煤炭热力学参数构建方法 |
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| CN118460252A (zh) * | 2024-07-09 | 2024-08-09 | 国家电投集团山西电力有限公司 | 一种用于生物质气化的控制系统与控制方法 |
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