JP2011195781A

JP2011195781A - ガス化炉

Info

Publication number: JP2011195781A
Application number: JP2010066785A
Authority: JP
Inventors: Kengo Muroya; 健吾室矢; Kenji Kumagai; 健志熊谷; Masanori Santo; 正徳山藤; Fumihiko Nagaremori; 文彦流森
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: JP5688569B2

Abstract

【課題】冷却部の側壁に付着した溶融スラグを除去し、かつ、ガス化炉内の温度低下を低減することにある。
【解決手段】微粉炭９をガス化剤１１でガス化反応させて生成ガス４を生成するとともに、微粉炭９中の灰分を溶融スラグ８とするガス化部３と、ガス化部３から流下される溶融スラグ８を底部に貯留した冷却水１３に落下させて冷却する冷却部５と、冷却部５に設けられ側壁に沿って冷却水１３の液面に向けて気体を噴射するスートブローノズル３１を備え、冷却部５の側壁に付着した溶融スラグ８にスートブローノズル３１から噴射した気体を衝突させて溶融スラグ８を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス化炉に係り、特に、炭素含有固体原料中の灰分を溶融させた溶融スラグを冷却して排出するガス化炉に関する。

例えば、特許文献１には、炭素含有固体原料とガス化剤、例えば、石炭を空気で部分燃焼させ、部分燃焼で発生させた熱で石炭をガス化反応させて生成ガスを生成するとともに、石炭中の灰分を溶融して溶融スラグとして流下させる竪型のガス化炉が提案されている。そして、ガス化炉の底部に冷却水を貯留した冷却部を接続し、流下させた溶融スラグをガス化炉の下部に設けた孔から冷却水に落下させて排出するようにしている。特に、同文献によれば、落下させた溶融スラグが飛散して冷却部の側壁に付着するのを抑止するため、冷却部の側壁に設けたノズルから水又は水蒸気を噴射して、溶融スラグの落下路の周りに水又は水蒸気の壁を作るようにしている。これによれば、飛散した溶融スラグを水又は水蒸気の壁に衝突させて冷却水へ落下させることができるから、溶融スラグが冷却部の側壁に付着することを抑制できる。

実開平６−８５３４３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、噴射した水を溶融スラグに衝突させると、噴射した水の分だけガス化炉から排出される水が増加して、排水の処理量が増加するという問題がある。

一方、水蒸気は密度が小さいから溶融スラグを落下させにくく多量の水蒸気を噴射することになり、多量の水蒸気がガス化炉内に侵入して、ガス化炉内の温度も低下するという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、冷却部の側壁に付着した溶融スラグを除去し、かつ、ガス化炉内の温度低下を低減することにある。

上記課題を解決するため、本発明のガス化炉は、炭素含有固体原料をガス化剤でガス化反応させて生成ガスを生成するとともに、炭素含有固体原料中の灰分を溶融スラグとするガス化部と、ガス化部から流下される溶融スラグを底部に貯留した冷却水に落下させて冷却する冷却部と、冷却部に設けられ側壁に沿って冷却水の液面に向けて気体を噴射するノズルを備えたことを特徴とする。

これによれば、冷却部の側壁に付着した溶融スラグに向けて気体を噴射できることから、付着した溶融スラグを冷却部の側壁から除去できる。そして、溶融スラグの付着量などに応じて気体の噴射量を調整でき、ガス化部に侵入する気体の量を少なくできるから、ガス化炉の温度低下を低減できる。

この場合において、気体の噴射を間欠的にすることで、気体の噴射量を一層少なくすることができる

また、噴射する気体をガス化反応に不活性な気体、例えば、窒素ガスや生成ガスとすることができる。特に、生成ガスを噴射すると、冷却部で噴射した気体によりガス化部で生成した生成ガスが希釈されないから、生成ガスの熱量が低下することを防止できる。

また、複数のノズルを設ける場合は、冷却部の側壁を水平方向に複数の領域に分けて各領域毎にノズルを設け、各領域毎に気体を間欠的に噴射して、気体の噴射量を少なくすることができる。

一方、冷却水の貯留量が多くなりすぎるとガス化炉の運転に支障がある場合、冷却水の水位を測定して、水位が設定水位を超えた場合にガス化炉の運転を停止する停止手段を設けることがある。この場合、気体を噴射して付着した溶融スラグを側壁から冷却水に落下させると、冷却水の液面が波打って一時的に設定推移よりも上昇し、停止手段がガス化炉の運転を停止する場合がある。そのため、気体を噴射している間は停止手段を止めることで、ガス化炉が停止することを防止でき、ガス化炉を長時間安定運転できる。

本発明によれば、冷却部の側壁に付着した溶融スラグを除去でき、かつ、ガス化炉内の温度低下を低減できる。

本発明の実施形態１のガス化炉の概略構成図である。図１のスートブローノズル位置の水平断面図である。図１のスートブローノズルの拡大図である。制御手段の制御を例示した図である。本発明の実施形態２のガス化炉を含むガス化プラントの概略構成図である。本発明の実施形態３のガス化炉の概略構成図である。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
（実施形態１）
図１は実施形態１のガス化炉の概略構成図であり、図２は図１のスートブローノズルの位置の水平方向の断面図であり、図３は図１のスートブローノズルの拡大図である。図示のように実施形態１のガス化炉１は、円筒状の竪型のガス化炉１で、炉頂には図示していない生成ガスの排出口が形成され、炉底には図示していないスラグの排出口が形成されている。ガス化炉１の上部にはガス化部３が形成され、下部には冷却部５が形成されている。

ガス化部３は、炭素含有固体原料をガス化剤でガス化反応させて生成ガス４を生成するとともに、炭素含有固体原料中の灰分を溶融して溶融スラグ８とするようになっている。ガス化部３の側壁にはバーナ７が設けられている。バーナ７には、図示していない供給設備から炭素含有固体原料とガス化剤、例えば、微粉炭９と酸素１１が供給されるようになっている。バーナ７は、微粉炭９と酸素１１を噴射して、ガス化部３内に旋回流を形成できるようになっている。なお、酸素１１に代えて、酸素富化空気を用いることができる。

冷却部５は、ガス化部３から流下される溶融スラグ８を底部に貯留した冷却水１３に落下させて冷却するようになっている。冷却部５の側壁には、鉛直方向に水が通流する水冷管１４が埋設されている。隣り合う水冷管１４管は、メンブレンバー１６で接続されている。水冷管１４の側面の一部は冷却部５内に露出するようになっている。冷却部５の上部には助燃バーナ１５が設けられている。助燃バーナ１５には、図示していない供給設備から重油、天然ガス、精製した生成ガス４などの燃料１７と空気などの酸化剤１９が供給されるようになっている。冷却部５の下部の冷却水１３中には、スラグクラッシャ２１が設けられている。スラグクラッシャ２１は、冷却水１３中を沈降してきた水砕スラグ２３をガス化炉１の底部の排出口から排出できる大きさに粉砕するようになっている。スラグクラッシャ２１には、モータ２５が接続されている。モータ２５は、スラグクラッシャ２１を所定の回転数で回転駆動するようになっている。

ガス化部３と冷却部５の間には、スラグタップ２７が設けられている。スラグタップ２７には、ガス化炉１の側壁から軸中心に向けて下方に傾斜させた傾斜部２８が形成されている。スラグタップ２７のガス化炉１の軸中心には、ガス化部３の側壁を流下した溶融スラグ８を冷却水１３へ落下させる孔３４が形成されている。

次に、実施形態１のガス化炉１の特徴構成を説明する。スラグタップ２７の直下の冷却部５の側壁には、スートブローノズル３１が設けられている。スートブローノズル３１は、冷却部５の側壁を位置２９で水平方向に複数の領域、例えば、領域３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの４つの領域分け、各領域毎に複数設けられている。スートブローノズル３１は、冷却部５の側壁の周方向に沿って同じ高さの位置に設けられている。スートブローノズル３１には、図示していない供給設備から昇圧した気体、例えば、窒素ガスが供給されるようになっている。スートブローノズル３１の先端には、冷却部５の側壁に沿って冷却水１３の液面に向けて窒素ガスを噴射する噴射口３６形成されている。スートブローノズル３１の後端側には、窒素ガスが通流する配管３２が接続されている。配管３２は分岐して形成され、各領域毎に１つずつ設けられ、１つの配管３２を各領域の複数のスートブローノズル３１に接続できるようになっている。各配管３２には、窒素ガスの流量を所定の流量に調整する調整弁３３と、調整弁３３の上流側に設けられ、配管３２内の流路を遮断する遮断弁３５が設けられている。遮断弁３５には、制御手段３７が接続され、遮断弁３５の開閉を制御するようになっている。

このように構成される実施形態１のガス化炉１の動作を説明する。バーナ７からガス化部３内に供給した微粉炭９を酸素１１で部分燃焼して熱を発生させる。この熱により、微粉炭９と酸素１１をガス化反応させ、水素や一酸化炭素を含む生成ガス４を発生させる。さらに、ガス化部３の温度を微粉炭９中の灰分の融点以上に維持し、微粉炭９中の灰分を溶融して溶融スラグ８とする。溶融スラグ８は、ガス化部３内の旋回流による遠心力でガス化部３の側壁に付着して重量により流下する。流下した溶融スラグ８は、スラグタップ２７の傾斜部２８に沿って孔３４に導かれ、孔３４から自重により冷却部５に落下する。この際、溶融スラグ８は、助燃バーナ１５からの熱風で加熱されて孔３４を流下しやすくなる。落下した溶融スラグ８は、冷却水１３により急冷されて固化するとともに、熱応力により粉砕されて水砕スラグ２３となる。水砕スラグ２３は、冷却水１３中を沈降してスラグクラッシャ２１により所定の粒径に粉砕されてガス化炉１から排出される。

次に、実施形態１の特徴動作を説明する。孔３４から落下した溶融スラグ８は、ガス化部３内の旋回流や助燃バーナ１５から吹き付けられた熱風により冷却部５内を広がりながら落下する。そのため、溶融スラグ８の一部は冷却部５の側壁に付着する。冷却部５の側壁は水冷管１４により温度を低く維持されているから、溶融スラグ８は付着したまま冷却部５の側壁で固化する。固化した溶融スラグ８に、飛散した溶融スラグ８が付着して、冷却部５の側壁で溶融スラグ８が次第に成長する。また、付着した溶融スラグ８が助燃バーナ１５からの熱風を受けると、溶融スラグ８の表面が焼結して強度が上がる。この溶融スラグ８は自重で脱落することも多いが、温度が下がり強度が上がった溶融スラグ８は冷却水１３で粉砕されにくい。そして、固化した溶融スラグ８が大きな塊のまま冷却水１３中を沈降するから、スラグクラッシャ２１やスラグの排出口を閉塞させることがある。そのため、スートブローノズル３１から噴射した高圧の窒素ガスを付着した溶融スラグ８に衝突させて、付着した溶融スラグ８を冷却水１３に落下させて、冷却部５の側壁から除去する。

また、制御手段３７は、領域３０a、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの各々に接続された遮断弁３５を順次開閉して、スートブローノズル３１の窒素ガスの噴射を間欠的にする。ここで、図４を使用して窒素ガスの噴射時間（Ｔ１）、噴射停止時間（Ｔ２）、噴射周期（Ｔ３）について説明する。制御手段３７は領域３０ａに接続された配管３２の遮断弁３５のみをＴ１の間、例えば、２秒間空ける。これにより、領域３０ａに設けられたスートブローノズル３１から２秒間窒素ガスが噴射される。そして、制御手段３７はＴ１が経過したのち遮断弁３５を閉じて、領域３０ａの窒素ガスの噴射を停止する。そして、遮断弁３５を閉じてＴ２が経過した後、例えば、１０秒経過した後、領域３０ｂに接続された配管３２の遮断弁３５のみを２秒間空け、領域３０ｂに設けたスートブローノズル３１から窒素ガスを噴射する。窒素ガスを２秒間噴射した後、遮断弁３５を閉じる。この動作を領域３０ｃ、３０ｄでも同様に行う。つまり、制御手段３７は、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの順に窒素ガスを噴射し、かつ、１つの領域が窒素ガスを噴射している間は他の領域で窒素ガスを噴射しない制御を行う。そして、制御手段３７がこの制御をＴ３の周期、例えば、６時間周期で行うことで、窒素ガスを間欠的に噴射でき、付着した溶融スラグ８を冷却部５の側壁から定期的に除去できる。

これによれば、冷却部５の側壁から溶融スラグ８を定期的に除去できるから、成長した溶融スラグ８によりスラグクラッシャ２１やスラグ排出口が閉塞することを抑制でき、ガス化炉１を安定運転できる。そして、窒素ガスを間欠的に噴射して、窒素ガスの噴射量を少なくできるから、ガス化部３に侵入する窒素ガスの量を少なくでき、ガス化部３の温度低下を低減できる。さらに、窒素ガスの噴射量を少なくできることから、噴射した窒素ガスにより生成ガス４が希釈することを低減でき、生成ガス４の熱量を高く維持できる。

また、冷却部５の側壁に付着した溶融スラグ８は、付着力が弱く容易に除去できることから、窒素ガスの噴射量を少なくできる。

なお、実施形態１は、窒素ガスの噴射を間欠的にしているが、調整弁３３に制御手段３７を接続し、調整弁３３の開度を調整して窒素ガスの流量を適宜増減させて、窒素ガスを連続的に噴射することができる。

また、実施形態１は、複数のスートブローノズル３１を１つの遮断弁３５で制御しているが、各スートブローノズル３１に遮断弁３５を設けることができる。

また、スートブローノズル３１の設置位置や数は実施形態１に限定されるものではなく、ガス化炉１の大きさや石炭に含まれる灰分の量、付着性などに応じて適宜選択できる。

また、スートブローノズル３１から噴射する気体は窒素ガスに限定されるものではなく、ガス化反応に不活性な気体や、生成ガス４と反応しない気体などを使用することができる。

（実施形態２）
図５に実施形態２のガス化炉の概略構成図を示す。実施形態２が実施形態１と相違する点は、スートブローノズル３１から窒素ガスに代えて生成ガスの一部を噴射している点である。さらに、ガス化炉１から排出された生成ガス４に含まれるチャーを捕集してガス化炉１に供給してガス化している点である。その他の構成は実施形態１と同一であるから、同一の符号を付して説明を省略する。なお、図５は説明をわかりやすくするため実施形態２のガス化炉を含むガス化プラントを図示したが、本実施形態は図示したガス化プラントに限定されるものではない。

ガス化炉１の頂部には、配管を介して生成ガス４の熱を回収する熱回収ボイラ４５が接続されている。熱回収ボイラ４５内には、生成ガス４と熱交換する熱媒体が通流する伝熱管４７が設けられている。熱回収ボイラ４５の底部には、配管を介して生成ガス４中のチャーを回収するチャー回収手段４９が接続されている。チャー回収手段４９は、例えば、バグフィルタ５１とサイクロン５３により構成され、生成ガス４からチャーを分離できるようになっている。チャー回収手段４９は、ホッパ５４を介して図示していないガス化炉１の側壁に設けたチャーバーナにチャーを供給できるようになっている。チャーが分離された生成ガス４は、ガス精製手段５５に導入されるようになっている。ガス精製手段５５から排出された精製された生成ガス５７は一部が分岐されてガス圧縮手段５９を介してスートブローノズル３１に生成ガス５７を供給できるようになっている。

このように構成される実施形態２の動作を説明する。ガス化炉１で生成した生成ガス４は、熱回収ボイラ４５により熱回収され、チャー回収手段４９に導入される。チャー回収手段４９は、生成ガス４をバグフィルタ５１とサイクロン５３を通過させて、生成ガス４からチャーを分離する。分離したチャーはホッパ５４に貯留され、ホッパ５４の底部に設けた図示していない供給手段によりガス化炉１のガス化部３に供給され、チャーとガス化剤を反応させて生成ガス４を生成する。

一方、チャーを分離した生成ガス４は、ガス精製手段５５に導入され、生成ガス中の硫黄化合物や窒素化合物が除去され、精製された生成ガス５７として排出される。生成ガス５７は、一部が分岐されてガス圧縮手段５９に導入され、残分は原料ガスやガスタービンなどの燃料ガスとして使用される。ガス圧縮手段５９に導入された生成ガス５７は昇圧され、スートブローノズル３１から噴射される。

これによれば、スートブローノズル３１から生成ガス５７を噴射して付着した溶融スラグ８を除去できることから、冷却部５で噴射した気体により生成ガス４が希釈されて生成ガス４の熱量が低下することを防止できる。

（実施形態３）
図６に実施形態３のガス化炉の要部構成図を示す。実施形態３が実施形態１と相違する点は、冷却部５の底部に供給する冷却水１３の流量を制御する流量制御手段６１を設けた点である。さらに、冷却水１３の水位を測定して水位を設定水位に制御する水位制御手段６３と、水位が設定水位を超えた場合にガス化炉の運転を停止する停止手段６５を設け、窒素ガスを噴射している間は停止手段６５を止めている点である。その他の構成は実施形態１と同一であるから、同一の符号を付して説明を省略する。なお、図６は、助燃バーナ１５とガス化炉１の外壁の記載を省略して図示をわかりやすくしたものである。

流量制御手段６１は、流量計６７で測定したガス化炉１に供給する冷却水１３の流量を測定し、測定した流量に応じて調整弁６９の開度を調整し、冷却水を一定の流量で冷却部５に供給でき、スラグとともに排出された冷却水１３を補充できるようになっている。

水位制御手段６３は、冷却水１３の水位を測定する水位測定手段７１と、ガス化炉１からの冷却水１３の排出量を調整する調整弁７３で構成されている。水位制御手段６３は、水位測定手段７１で測定した冷却水１３の水位に応じて調整弁７３を空けて冷却水１３を排水し、冷却水１３の水位を所定の範囲に制御している。水位測定手段７１は、周知の水位センサを適用することができる。例えば、冷却部５の水位の上下を連通する連通管を設けて、その連通管内の水位を電磁フロートなどにより検出するセンサを用いることができる。調整弁７３は、冷却水１３を排水する配管に設けられ、弁の開度を調整して冷却水１３の排出量を調整できるようになっている。

停止手段６５には、遮断弁３５を開閉する制御手段３７と水位測定手段７１が接続されている。停止手段６５は、水位測定手段７１で測定した水位が設定水位を超えると、ガス化炉１の運転を停止するようになっている。また、停止手段６５は、制御手段３７が遮断弁３５を開けてスートブローノズル３１から窒素ガスを噴射している間は、ガス化炉１の運転を停止する動作が止まるようになっている。さらに、停止手段６５は、制御手段３７が遮断弁３５を閉じてスートブローノズル３１からの窒素ガスの噴射が止まると、止めた動作を再開するようになっている。

これによれば、窒素ガスを噴射している間は停止手段６５の動作を止めていることから、噴射した窒素ガスや落下した溶融スラグ８が冷却水１３の水面を波打たせて冷却水１３の水位が設定水位を超えても、ガス化炉１が停止することを防止できる。つまり、窒素ガスの噴射や落下した溶融スラグ８が冷却水１３の水面を上昇させるのは一時的であり、ガス化炉１の運転を停止する必要がないから、停止手段６５を止めることでガス化炉１を安定して長時間運転することができる。

なお、スートブローノズル３１から窒素ガスを噴射している間は、水位制御手段６３が調整弁７３を開けて冷却水１３を排出する動作も止め、窒素ガスの噴射による冷却水１３の排出量の増加を防止できる。

１ガス化炉
３ガス化部
４生成ガス
５冷却部
８溶融スラグ
３１スートブローノズル
３５遮断弁
６５停止手段
７１水位測定手段

Claims

炭素含有固体原料をガス化剤でガス化反応させて生成ガスを生成するとともに、前記炭素含有固体原料中の灰分を溶融スラグとするガス化部と、該ガス化部から流下される前記溶融スラグを底部に貯留した冷却水に落下させて冷却する冷却部と、該冷却部に設けられ側壁に沿って前記冷却水の液面に向けて気体を噴射するノズルを備えてなるガス化炉。
請求項１に記載のガス化炉において、
前記気体は、窒素ガス又は前記生成ガスであることを特徴とするガス化炉。
請求項１に記載のガス化炉において、
前記ノズルには、前記気体を間欠的に噴射する制御手段が備えられることを特徴とするガス化炉。
請求項３に記載のガス化炉において、
前記冷却部の側壁を水平方向に複数の領域に分けて各領域毎に前記ノズルが備えられ、前記制御手段は前記領域毎に前記ノズルの前記気体の噴射を制御することを特徴とするガス化炉。
請求項３又は４に記載のガス化炉において、
前記冷却水の水位を測定する測定手段と、前記冷却水の水位が設定水位を超えた場合に前記ガス化炉の運転を停止する停止手段を備え、
前記ノズルが前記気体を噴射している間は前記停止手段の動作を止めることを特徴とするガス化炉。