JP2009179790A - 石炭ガス化炉の起動方法および起動装置 - Google Patents

石炭ガス化炉の起動方法および起動装置 Download PDF

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Abstract

【課題】微粉炭を不活性の搬送ガスによって炉内に投入してガス化せしめる石炭ガス化炉において、起動用バーナを不要として起動用燃焼室をなくし、また、起動用バーナを備えていても従来の起動用バーナより小型軽量化して起動用燃焼室を小型化して、ガス化炉全体の高さを抑えること。
【解決手段】コンバスタバーナ9への微粉炭の燃料供給通路23の途中に起動用の可燃性ガス(NG1)を供給する起動ガス供給通路29を設け、炉内温度検出手段41からの検出値に基づいて炉内温度が微粉炭の着火可能な第1温度T1に達した後に、前記起動ガス供給通路29からの可燃性ガス(NG1)の供給量を減少させながら前記微粉炭および搬送ガスの投入量を増大して前記微粉炭と搬送ガスによる燃焼へと移行させることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、微粉炭を不活性の搬送ガスによって炉内に投入してガス化せしめる石炭ガス化炉の起動方法および起動装置に関し、さらに詳しくは、可燃性の起動ガスによって石炭ガス化炉を起動するのに好適な起動方法および該方法を実施する起動装置に関する。
コンバスタとリダクタからなる空気吹き加圧二段噴流床式石炭ガス化炉では、石炭中の灰分が溶融しガラス状のスラグが生成し排出されるため、ガス化炉内部の壁面は溶融したスラグで覆われる。このため、起動用バーナをガス化炉内のコンバスタ部に設置した場合には、起動バーナが停止し長期間再起動が行なわれない場合には起動バーナ部分がスラグで覆われてしまい、再起動が困難となるため、起動用バーナはコンバスタ部とは別に設けた起動用燃焼室に配置する必要がある。
例えば、図6に、従来の石炭ガス化炉の起動システムの要部構成を示す。図6に示すように、圧力容器01からなる石炭ガス化炉02には、内部下方にコンバスタバーナ03と、同コンバスタバーナ03の上方にリダクタバーナ04と、コンバスタバーナ03の下方でスラグタップ05の下方に起動用バーナ06とがそれぞれ設けられている。
そして、コンバスタバーナ03から石炭ガス化炉02内のコンバスタ部07に、燃料供給通路08内を窒素(搬送ガス)により搬送され石炭(微粉炭)とともに空気が投入され、主に石炭の燃焼により高温燃焼ガスが発生される。また、高温ガス中より生成分離される溶融スラグが炉壁へ付着または炉底へ落下し、スラグタップ05から下方へ排出される。
さらに、スラグタップ05の下方には排出されたスラグを冷却する冷却水09が底部に溜められている。
また、コンバスタバーナ03の上方に配置されリダクタバーナ04からも、燃料供給通路010を通って搬送ガス(窒素ガス)により石炭(微粉炭)がリダクタ部011に投入される。このリダクタ部011において、コンバスタ部07で発生した高温ガスと混合して、高温の還元雰囲気場においてガス化反応が行われて、可燃性ガスが生成されるようになっている。
そして、この石炭ガス化炉02を起動する際には、起動用バーナ06を用いて、起動用の補助燃料と空気または酸素とを起動用バーナ06へ供給して起動用燃焼室012内に投入し、この補助燃料と空気または酸素との燃焼熱によりガス化炉02内を加熱し、ガス化炉02内が微粉炭の着火温度以上になった後に、コンバスタバーナ03から微粉炭とともに空気が投入されるとともに、起動用の補助燃料の供給が停止されるようになっている。
一方、石炭ガス化炉の起動方法の技術については、例えば、特許文献1(特開2002−161283号公報)が知られている。
この特許文献1は図7に示すように、ガス化炉020と、このガス化炉020に設けられた微粉炭と酸素を炉内021に供給しながら加熱して微粉炭をガス化する石炭バーナ022、023と、石炭バーナ023の下方に設けられた溶融したスラグを炉内021から排出するスラグタップ024と、このスラグタップ024の下方に設けられスラグタップ024を加熱するタップバーナ025とを備えて構成されている。
そして、このガス化装置を起動する際に、微粉炭が石炭バーナ022、023に供給される前に、タップバーナ025を燃焼させてスラグタップ024を加熱するとともに炉内021を加熱して昇温させる構成が示されている。
特開2002−161283号公報
しかし、前記図6に示す従来技術の起動バーナ06においては、ガス化炉02内のコンバスタ部07の下方に起動用燃焼室012を設けてそこに起動バーナ06を設置するようにしなければならないため、石炭ガス化炉02の全体の高さが増加しシステムが大型化するとともに、圧力容器の貫通管台が必要となりコスト上昇を招く。
また、特許文献1に示される技術においても、前記従来技術と同様にタップバーナ025をスラグタップ024の下方に設置する必要があるため、石炭ガス化炉全体の高さが増加しシステムが大型化するとともに、圧力容器が大型化してコスト上昇を招く。また、タップバーナ025を設置しなければ起動システムが成立しないため、タップバーナ025を設置しないシステムには適用できない問題もある。
そこで、本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、微粉炭を不活性の搬送ガスによって炉内に投入してガス化せしめる石炭ガス化炉において、起動用バーナを不要として起動用燃焼室をなくし、また、起動用バーナを備えていても従来の起動用バーナより小型軽量化して起動用燃焼室を小型化して、ガス化炉全体の高さを抑えることができる石炭ガス化炉の起動方法および起動装置を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、第1発明は、石炭ガス化炉の起動方法に関し、微粉炭を不活性の搬送ガスによって炉内に投入してガス化せしめる石炭ガス化炉の起動方法において、
燃焼用バーナへの前記微粉炭の燃料供給通路の途中に起動用の可燃性ガスを供給し、炉内温度が微粉炭の着火可能な第1温度に達した後に、前記可燃性ガスの供給量を減少させながら前記微粉炭および搬送ガスの投入量を増大して前記微粉炭と搬送ガスによる燃焼へと移行させることを特徴とする。
また、第2発明は、石炭ガス化炉の起動装置に関し、微粉炭を不活性の搬送ガスによって炉内に投入してガス化せしめる石炭ガス化炉の起動装置において、燃焼用バーナへの前記微粉炭の燃料供給通路の途中に起動用の可燃性ガスを供給する起動ガス供給通路を設け、炉内温度検出手段からの検出値に基づいて炉内温度が微粉炭の着火可能な第1温度に達した後に、前記起動ガス供給通路からの可燃性ガスの供給量を減少させながら前記微粉炭および搬送ガスの投入量を増大して前記微粉炭と搬送ガスによる燃焼へと移行させる起動制御手段を備えたことを特徴とする。
かかる第1発明の起動方法の発明、および第2発明の起動装置の発明によれば、燃焼用バーナへの前記微粉炭の燃料供給通路の途中に起動用の可燃性ガスを供給し、炉内温度が微粉炭の着火可能な第1温度に達した後に、前記可燃性ガスの供給量を減少させながら前記微粉炭および搬送ガスの投入量を増大して前記微粉炭と搬送ガスによる燃焼へと移行させるので、燃焼用バーナを起動時に起動用のバーナとして用いて石炭ガス化炉を起動することができる。
また、起動バーナをコンバスタ内に別途設置することが不要となるので、石炭中のスラグが固化することでバーナが埋没するおそれがなくなるため起動が安定化する。
また、起動バーナを別途設置することが不要となるので、起動燃焼室が不要となりガス化炉の高さがコンパクトになるとともに、ガス化炉の圧力容器を構成する管台の数を少なくできるため、コスト低減ともなる。
さらに、燃焼用バーナによってガス化炉を直接加熱するので、ガス化炉の炉内の昇温が効果的に得られ起動時の加熱効率がよく、起動用燃料が経済的である。
また、第1発明において好ましくは、前記燃焼用バーナの下方でかつスラグタップの下方に補助起動用バーナを設置し、該補助起動用バーナによって炉内が前記第1温度に達する前の第2温度に達するまで加熱し、その後前記燃料供給通路に前記起動用可燃ガスを供給するとよい。さらに、第2発明の装置発明において好ましくは、前記燃焼用バーナの下方でかつスラグタップの下方に補助起動用バーナを設置し、前記起動制御手段は前記補助起動用バーナによって炉内が前記第1温度に達する前の第2温度まで加熱する補助起動用バーナ制御部を有し、該補助起動用バーナ制御部で第2温度に達した後に、前記燃料供給通路に前記起動用可燃ガスを供給するとよい。
かかる第1発明の起動方法、および第2発明の起動装置の構成によれば、補助起動用バーナと燃焼用バーナとによる加熱によって起動を行うため、従来技術のような起動用バーナだけで加熱する場合に比べて、微粉炭が着火可能な炉内の第1温度に到達するまでの時間が短縮される。また、起動用バーナだけによる着火に比べて補助起動用バーナを小型にでき、石炭ガス化炉の高さをコンパクトにすることができる。さらに、スラグタップの上面と下面を均等に加熱できるため、初期石炭投入時のスラグ排出が安定化する。
また、第1発明において好ましくは、前記燃料供給通路への前記起動用の可燃性ガスの供給時に、該可燃性ガスが配管内を逆流しないように微粉炭ホッパの出口から起動用の可燃性ガス供給位置までの間に不活性のシールガスを通気するとよい。さらに、第2発明の装置発明において好ましくは、微粉炭ホッパの出口から起動用の可燃性ガス供給位置までの間に不活性のシールガスを通気するシールガス供給通路を設け、前記燃料供給通路への前記起動用の可燃性ガスの供給時に、前記シールガスを通気して可燃性ガスが配管内を逆流しないように構成するとよい。
かかる第1発明の起動方法、および第2発明の起動装置の構成によれば、起動時に燃料供給通路に起動用の可燃性ガスが逆流することを防止できる。これによって、起動時の可燃性ガスをガス化炉に安定して供給でき起動が安定化する。
本発明によれば、微粉炭を不活性の搬送ガスによって炉内に投入してガス化せしめる石炭ガス化炉において、起動用バーナを不要として起動用燃焼室をなくし、また、起動用バーナを備えていても従来の起動用バーナより小型軽量化して起動用燃焼室を小型化して、ガス化炉全体の高さを抑えることができる石炭ガス化炉の起動方法および該方法を実施する起動装置を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
(第1実施形態)
図1、図2を参照して本発明の第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態を示す主要部の構成図である。
図1において、石炭をガス化する石炭ガス化炉1は、圧力容器3によって形成され、熱エネルギーを発生されるコンバスタ部(燃焼部)5と、その熱エネルギーによりガス化反応を行わせるリダクタ部(反応部)7と、により構成されている。コンバスタ部5およびリダクタ部7には、その目的に応じて、それぞれ1本または2本以上のコンバスタバーナ(燃焼用バーナ)9と、1本または2本以上のリダクタバーナ11とが備えられており、その1本の部分について図示している。
また、コンバスタバーナ9と、リダクタバーナ11との間には仕切部13が形成され、コンバスタバーナ9の下方には、スラグの排出口、すなわちスラグタップ15が設けられ、下方へ落下される。そして底部には落下されたスラグを冷却する冷却水17が溜められている。
燃料となる石炭は、ガス化に適正な粒度に粉砕された微粉炭が供給ホッパ(微粉炭ホッパ)19(図5参照)に一時的に貯蔵され、供給ホッパ19の出口には石炭(微粉炭)を搬送する不活性の窒素(搬送ガス)が導入され、リダクタバーナ11へは、搬送管21を通って微粉炭が導入され、またこの搬送管21にはさらに追加窒素が供給されるようになっている。
コンバスタバーナ9へは、燃料供給通路23を通って微粉炭が導入され、また搬送ガスの窒素(NA)の供給量が、流量調整弁25によって調整されるようになっている。さらにコンバスタバーナ9への入口部P位置の燃料供給通路23には流量計27が設けられ、該流量計27の検出値、さらに管径、管内温度等の検出値に基づいて、コンバスタバーナ9へ供給される微粉炭の流速が算出されるようになっている。
また、コンバスタバーナ9には、空気または酸素が供給され、燃料供給通路23内を窒素(NA)により搬送された石炭(微粉炭)とともにコンバスタ部5に投入されて、主に石炭の燃焼により高温燃焼ガスを発生する。そして、リダクタ部7では、コンバスタ部5で発生した前記高温燃焼ガスと混合して、高温の還元雰囲気場においてガス化反応が行われて、可燃性ガスが生成されるようになっている。
コンバスタバーナ9への燃料供給通路23には、図1に示すように、起動ガス供給通路29が連結し、追加窒素(NB)が流量計31と流量調整弁33を介して供給され、また起動用燃料(NG1)、例えば天然ガス、プロパンガス等の可燃性ガスが流量計35と流量調整弁37を介して供給される。
次に、起動制御手段39について図2の作動流れ図を参照して説明する。
この起動制御手段39には、炉内温度を検出する炉内温度センサ41からの検出信号が入力されると共に、コンバスタバーナ9への入口部P位置の流量計27からの信号、追加窒素(NB)の流量計31からの信号、起動用燃料(NG1)の流量計35からの信号がそれぞれに入力される。
そして、主に窒素(NA)、追加窒素(NB)、起動用燃料(NG1)の流量をそれぞれの流量調整弁25、33、37で調整するように構成されている。
まず、石炭ガス化炉1の起動に際して、コンバスタバーナ9に空気を通して、該バーナ先端に設けた着火装置43を起動する。着火装置43には、赤熱電熱線やプラズマ式の着火装置等を使用する。着火装置43が起動後、流量調整弁37を開弁して一定の流速で起動用燃料(NG1)の供給を開始する。起動用燃料(NG1)としての天然ガスを起動ガス供給通路29から燃料供給通路23に通気して、該天然ガスに着火する。着火後は着火装置43を停止する。
起動用燃料(NG1)にt0で着火すると、石炭ガス化炉1の内部温度は図2に示すように上昇を開始し、t1で炉内温度が第1温度T1に達すると、微粉炭が着火可能になることから、起動用燃料(NG1)から微粉炭の供給へと切り換える。
この炉内温度が第1温度T1に達すると、流量調整弁25、33の開度を制御して、搬送ガスの窒素(NA)、および追加窒素(NB)の流量が制御されて、窒素(NA、NB)と起動用燃料(NG1)とによってP点の配管内流速が微粉炭の搬送安定流速範囲Hに入るように上昇される。
すなわち、燃料供給通路23の配管内の流速が変化すると微粉炭の搬送が不安定になり、微粉炭による安定したガス化が得られないため搬送安定流速範囲Hに入るように制御される。
そして、該搬送安定流速範囲HにC点で入ると、微粉炭の供給を開始する。流量調整弁25、33の開度が制御されて、微粉炭の流量を増加させながら、流量調整弁37によって起動用燃料(NG1)の量を減少させて、起動用燃料(NG1)を不活性ガスの窒素に置換していき、最終的には時間t2で、起動用燃料(NG1)の供給を遮断して微粉炭だけによる運転に切り換える。
以上のように、第1実施形態によれば、コンバスタバーナ9への微粉炭の燃料供給通路23の途中に起動用の可燃性ガスである起動用燃料(NG1)を供給し、炉内温度が微粉炭の着火可能なT1温度に達した後に、起動用燃料(NG1)の供給量を減少させながら微粉炭および搬送ガスの投入量を増大して微粉炭と搬送ガスによる燃焼へと移行させるので、コンバスタバーナ9を起動時に起動用のバーナとして用いて石炭ガス化炉1を起動することができる。
従って、起動用のバーナをコンバスタ内に別途設置することが不要となるので、石炭中のスラグが固化することでバーナが埋没するおそれがなくなるため起動が安定化する。
また、起動用のバーナを別途設置することが不要となるので、起動燃焼室を設置することが不要となりガス化炉の高さがコンパクトになるとともに、石炭ガス化炉1の圧力容器3を構成する管台の数を少なくできるため、コスト低減ともなる。
さらに、コンバスタバーナ9によってコンバスタ部5を直接加熱するので、炉内の昇温が効果的に得られ起動時の加熱効率がよく、起動用燃料が経済的である。
(第2実施形態)
次に、図3、図4を参照して本発明の第2実施形態について説明する。図3は、第2実施形態を示す主要部の構成図であり、図1に対応する構成図である。
第2実施形態は、前記第1実施形態に対して、補助起動用バーナ50をさらに設けた点が相違し、その他の構成については同様であるため、同一構成部品には同一符号を付する。
図3に示すように、コンバスタバーナ9の下方でかつスラグタップ15の下方に補助起動用バーナ50を設置し、起動制御手段52には該補助起動用バーナ50によって炉内が前記第1温度T1より低い第2温度T2に達するまで加熱する補助起動用バーナ制御部54を備えている。
補助起動用バーナ制御部54では、炉内温度が第2温度T2に達するまで補助起動ガス供給通路56を通して、補助起動用バーナ50に起動用燃料(NG2)を供給する。
具体的な制御について、図4の作動流れ図を参照して説明する。
起動制御手段52には、第1実施形態に加えて、補助起動用バーナ50への起動用燃料(NG2)の流量計58からの信号が入力され、起動用燃料(NG2)の流量を流量調整弁60で調整するように構成されている。さらに、補助起動用バーナ50にも、コンバスタバーナ9と同様に着火装置62が装着されている。
まず、石炭ガス化炉1の起動に際して、補助起動用バーナ50に空気を通して、該バーナ先端に設けた着火装置62を起動後、流量調整弁60を開いて起動用燃料(NG2)を供給して該起動用燃料(NG2)の天然ガスに着火する。
起動用燃料(NG2)にt0で着火すると、ガス化炉1内の温度は図4に示すように上昇を開始し、t1で炉内温度が第2温度T2に達すると、次に、コンバスタバーナ9に空気を通して、該バーナ先端に設けた着火装置43を起動後、流量調整弁37を開いて起動用燃料(NG1)を供給して該起動用燃料(NG1)の天然ガスに着火する。
コンバスタバーナ9の起動用燃料(NG1)にt1で着火すると、ガス化炉内の温度は図4に示すようにさらに上昇を開始し、t2で炉内温度が第1温度T1に達すると、微粉炭が着火可能に温度に達することから、起動用燃料(NG1、NG2)から微粉炭の供給へと切り換える。
この後の微粉炭への切換えは、第1実施形態と同様であり、搬送安定流速範囲HにC点で入ると、微粉炭の供給を開始し、流量調整弁25、33の開度が制御されて、微粉炭の流量を増加させながら、起動用燃料(NG1、NG2)の天然ガスから不活性ガスの窒素に置換していき、最終的には時間t3で、起動用燃料の天然ガスの供給を遮断して微粉炭だけによる運転に切り換える。
以上のように、第2実施形態によれば、補助起動用バーナ50とコンバスタバーナ9とによる加熱によって起動を行うため、従来技術のような起動用バーナだけで加熱する場合に比べて、微粉炭が着火可能な炉内の第1温度T1に到達するまでの時間が短縮される。また、起動用バーナだけによる着火に比べて補助起動用バーナ50を小型にでき、石炭ガス化炉1の高さをコンパクトにすることができる。さらに、スラグタップ15の上面と下面を均等に加熱できるため、初期石炭投入時のスラグ排出が安定化する。
(第3実施形態)
次に、図5を参照して、第3実施形態について説明する。
第3実施形態は、微粉炭を貯蔵して供給する供給ホッパ19の出口部63から、起動ガス供給通路29の燃料供給通路23への連結位置65までの間に不活性のシールガスを通気するシールガス供給通路67を連結する。
このシールガス供給通路67には、シールガスとして窒素ガスが供給される。そしてシールガスを供給することで、起動時に燃料供給通路23に起動用の可燃性ガスが供給ホッパ19側に逆流することを防止できる。これによって、起動時の可燃性ガスをガス化炉に安定して供給でき起動制御が安定化する。
本発明によれば、微粉炭を不活性の搬送ガスによって炉内に投入してガス化せしめる石炭ガス化炉において、起動用バーナを不要として起動用燃焼室をなくし、また、起動用バーナを備えていても従来の起動用バーナより小型軽量化して起動用燃焼室を小型化して、ガス化炉全体の高さを抑えることができる石炭ガス化炉の起動方法および該方法を実施する起動装置を提供することができるので、石炭ガス化炉への適用に際して有益である。
本願発明の第1実施形態を示す石炭ガス化炉の主要部の構成図である。 第1実施形態の起動時の作動流れ示す説明図である。 第2実施形態を示す石炭ガス化炉の主要部の構成図であり、図1に対応する図である。 第2実施形態の起動時の作動流れ示す説明図であり、図2に対応する図である。 第3実施形態を示す石炭ガス化炉の主要部の構成図である。 従来技術を説明する主要部の構成図である。 従来技術を説明する全体構成図である。
符号の説明
1 石炭ガス化炉
3 圧力容器
5 コンバスタ部
7 リダクタ部
9 コンバスタバーナ(燃焼用バーナ)
11 リダクタバーナ
19 供給ホッパ(微粉炭ホッパ)
23 燃料供給通路
29 起動ガス供給通路
27、31、35、58 流量計
25、33、37、60 流量調整弁
39、52 起動制御手段
50 補助起動用バーナ
54 補助起動用バーナ制御手段
67 シールガス供給通路
NG1、NG2 天然ガス(起動用燃料)
A 窒素
B 追加窒素
T1 第1温度
T2 第2温度

Claims (6)

  1. 微粉炭を不活性の搬送ガスによって炉内に投入してガス化せしめる石炭ガス化炉の起動方法において、
    燃焼用バーナへの前記微粉炭の燃料供給通路の途中に起動用の可燃性ガスを供給し、炉内温度が微粉炭の着火可能な第1温度に達した後に、前記可燃性ガスの供給量を減少させながら前記微粉炭および搬送ガスの投入量を増大して前記微粉炭と搬送ガスによる燃焼へと移行させることを特徴とする石炭ガス化炉の起動方法。
  2. 前記燃焼用バーナの下方でかつスラグタップの下方に補助起動用バーナを設置し、該補助起動用バーナによって炉内が前記第1温度に達する前の第2温度に達するまで加熱し、その後前記燃料供給通路に前記起動用可燃ガスを供給することを特徴とする請求項1記載の石炭ガス化炉の起動方法。
  3. 前記燃料供給通路への前記起動用の可燃性ガスの供給時に、該可燃性ガスが配管内を逆流しないように微粉炭ホッパの出口から起動用の可燃性ガス供給位置までの間に不活性のシールガスを通気することを特徴とする請求項1または2記載の石炭ガス化炉の起動方法。
  4. 微粉炭を不活性の搬送ガスによって炉内に投入してガス化せしめる石炭ガス化炉の起動装置において、
    燃焼用バーナへの前記微粉炭の燃料供給通路の途中に起動用の可燃性ガスを供給する起動ガス供給通路を設け、炉内温度検出手段からの検出値に基づいて炉内温度が微粉炭の着火可能な第1温度に達した後に、前記起動ガス供給通路からの可燃性ガスの供給量を減少させながら前記微粉炭および搬送ガスの投入量を増大して前記微粉炭と搬送ガスによる燃焼へと移行させる起動制御手段を備えたことを特徴とする石炭ガス化炉の起動装置。
  5. 前記燃焼用バーナの下方でかつスラグタップの下方に補助起動用バーナを設置し、前記起動制御手段は前記補助起動用バーナによって炉内が前記第1温度に達する前の第2温度まで加熱する補助起動用バーナ制御部を有し、該補助起動用バーナ制御部で第2温度に達した後に、前記燃料供給通路に前記起動用可燃ガスを供給することを特徴とする請求項4記載の石炭ガス化炉の起動装置。
  6. 微粉炭ホッパの出口から起動用の可燃性ガス供給位置までの間に不活性のシールガスを通気するシールガス供給通路を設け、前記燃料供給通路への前記起動用の可燃性ガスの供給時に、前記シールガスを通気して可燃性ガスが配管内を逆流しないように構成したことを特徴とする請求項4または5記載の石炭ガス化炉の起動装置。
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