JP2018141573A - バーナ、これを備えたガス化炉設備およびガス化複合発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】スラグによるバーナの開口部の閉塞を防止することができるバーナを提供する。【解決手段】バーナ３０は、略水平方向に延在して炉内側に突出し、開口部３８ａ，３９ａから燃料を炉内に導く先端部３７と、先端部３７の上部に設けられた凹部２１とを備え、凹部２１は、開口部３８ａ，３９ａから所定距離離間した位置に設けられ、下方に向かう流出路を備えている。バーナ３０の先端部３７には、水冷管４０が巻回されている。凹部２１は、先端部３７に設けられた小径水冷管４０ｂによって形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、バーナ、これを備えたガス化炉設備およびガス化複合発電設備に関するものである。

微粉炭（炭素含有固体燃料）をガス化するガス化炉設備は、微粉炭やチャーをガス化炉本体内で燃焼させる複数のバーナを備えている。
バーナは、微粉炭の溶融温度以上の高温環境で使用されると、バーナ位置よりも上方の炉壁から流下する溶融スラグによってバーナの開口部が閉塞するおそれがある。このため、炉内に突出されたバーナの先端部に冷却管を設け、バーナの開口部側へスラグが成長することを防止している（特許文献１）。

特開平１０−２８１４１４号公報

しかし、バーナが炉内へ突出する突出量が増大すると、冷却管の受熱量が増大し、耐熱性確保の観点から材料や冷却構造の改善が必要となる。一方、突出量を少なくすると、バーナの開口部へスラグが成長しやすくなり、微粉炭の安定供給を阻害するおそれがある。特に灰分が多い炭種を燃料として用いる場合、スラグ捕集効率や熱負荷に応じた突出量の適正化が必要となり、ロバスト性が低下する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、スラグによるバーナの開口部の閉塞を防止することができるバーナ、これを備えたガス化炉設備およびガス化複合発電設備を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のバーナ、これを備えたガス化炉設備およびガス化複合発電設備は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるバーナは、略水平方向に延在して炉内側に突出し、開口部から燃料を炉内に導く先端部と、前記先端部の上部に設けられた凹部とを備え、前記凹部は、前記開口部から所定距離離間した位置に設けられ、下方に向かう流出路を備えていることを特徴とする。

バーナから燃料が供給され、炉内にて火炎が形成される。燃料に含まれる灰分は、スラグとなり炉壁に付着する。炉壁に付着したスラグの一部は溶融して流下し、バーナの上方へ到達する。スラグは、バーナの先端部の上部に設けられた凹部に滞留する。凹部は、バーナの開口部から所定距離離間した位置に設けられているので、開口部までスラグが到達することが抑制される。また、凹部には下方に向かう流出路が設けられているので、凹部に滞留したスラグは流出路を通りバーナの下方へと排出される。これにより、バーナの開口部までスラグが成長して閉塞することが防止される。
また、バーナの先端部の炉内への突出量を低減した場合であっても、凹部によってバーナの開口部の閉塞を回避でき、安定的に運用することができる。

さらに、本発明のバーナでは、前記凹部は、前記先端部に設けられた冷却管によって形成されていることを特徴とする。

バーナの先端部に、炉内からの輻射熱による損傷を防止するために冷却管を設ける。このような構成とした場合には、冷却管によって凹部を形成すると好適である。

さらに、本発明のバーナでは、前記凹部は、耐火材によって形成されていることを特徴とする。

凹部を耐火材によって形成することで、凹部に流れ込んだスラグが冷えて固化することを防止することができる。これにより、スラグを凹部から効果的に排出することができる。また、上述の冷却管と組み合わせる場合には、冷却管によって形成された凹部の上に耐火材を設けることが好ましい。

また、本発明のガス化炉設備は、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、前記炭素含有固体燃料を前記ガス化炉に導く上記のいずれかに記載のバーナとを備えていることを特徴とする。

また、本発明のガス化複合発電設備は、上記のガス化炉設備と、前記ガス化炉設備から導かれた生成ガスを用いて駆動されるガスタービンと、該ガスタービンによって駆動される発電機とを備えていることを特徴とする。

バーナの先端部に凹部を設け、凹部から流出路を介してスラグを排出することとしたので、スラグによるバーナの開口部の閉塞を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備を示した概略構成図である。 図１のバーナを示した縦断面図である。 スラグの流下状態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は正面図である。 バーナの変形例を示し、（ａ）はバーナの先端部近傍の要部を示した縦断面図、（ｂ）は皿部を示した側面図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［石炭ガス化複合発電設備の全体構成］
図１には、本発明の一実施形態に係るガス化炉設備を適用した石炭ガス化複合発電設備（ガス化複合発電設備）の概略構成が示されている。

石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ：Integrated Coal Gasification Combined Cycle）１は、ガス化炉設備３を備えている。ガス化炉設備３は、空気もしくは酸素を酸化剤として用いており、石炭等の炭素含有固体燃料から可燃性ガス（生成ガス）を生成する空気燃焼方式を採用している。石炭ガス化複合発電設備１は、ガス化炉設備３で生成した生成ガスを、ガス精製設備５で精製して燃料ガスとした後、ガスタービン７に供給して発電を行っている。すなわち、石炭ガス化複合発電設備１は、空気燃焼方式（空気吹き）の発電設備となっている。ガス化炉設備３に供給する炭素含有固体燃料としては、例えば石炭が用いられる。

石炭ガス化複合発電設備１は、ガス化炉設備３と、ガス精製設備５と、ガスタービン７と、蒸気タービン１８と、発電機１９と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：Heat Recovery Steam Generator）２０とを備えている。

ガス化炉設備３は、給炭設備９を備えている。給炭設備９は、原炭として炭素含有固体燃料である石炭が給炭バンカ１２から供給され、石炭を石炭ミル１３で粉砕することで、細かい粒子状に粉砕した微粉炭を製造する。石炭ミル１３で製造された微粉炭は、微粉炭ビン１７に一時貯留され、各微粉炭供給ホッパ１４から給炭ライン１５を経て、空気分離設備４２から供給される搬送用イナートガスとしての窒素ガスによって加圧されて、ガス化炉設備３へ向けて供給される。イナートガスとは、酸素含有率が約５体積％以下の不活性ガスであり、窒素ガスや二酸化炭素ガスやアルゴンガスなどが代表例であるが、必ずしも約５％以下に制限されるものではない。

ガス化炉設備３は、給炭設備９で製造された微粉炭が供給されると共に、チャー回収設備１１で回収されたチャー（石炭の未反応分と灰分）が戻されて再利用を目的として供給されている。

また、ガス化炉設備３には、ガスタービン７（圧縮機６１）からの圧縮空気供給ライン４１が接続されており、ガスタービン７で圧縮された圧縮空気の一部が昇圧機６８で所定圧力に昇圧されてガス化炉１６に供給可能となっている。空気分離設備４２は、大気中の空気から窒素と酸素を分離生成するものであり、第１窒素供給ライン４３によって空気分離設備４２とガス化炉設備３とが接続されている。そして、この第１窒素供給ライン４３には、給炭設備９からの給炭ライン１５が接続されている。また、第１窒素供給ライン４３から分岐する第２窒素供給ライン４５もガス化炉設備３に接続されており、この第２窒素供給ライン４５には、チャー回収設備１１からのチャー戻しライン４６が接続されている。更に、空気分離設備４２は、酸素供給ライン４７によって、圧縮空気供給ライン４１と接続されている。そして、空気分離設備４２によって分離された窒素は、第１窒素供給ライン４３及び第２窒素供給ライン４５を流通することで、石炭やチャーの搬送用ガスとして利用される。また、空気分離設備４２によって分離された酸素は、酸素供給ライン４７及び圧縮空気供給ライン４１を流通することで、ガス化炉設備３において酸化剤として利用される。

ガス化炉設備３は、例えば、２段噴流床形式のガス化炉１６を備えている。ガス化炉設備３は、内部に供給された石炭（微粉炭）およびチャーを酸化剤（空気、酸素）により部分燃焼させることでガス化させ生成ガスとする。ガス化炉１６は、ガス化炉本体１６ａと、ガス化炉本体１６ａを内部に収容して加圧状態を保持する圧力容器１６ｂとを備えている。ガス化炉本体１６ａ内は、例えば、３〜４ＭＰａ（ゲージ圧）とされている。

バーナ３０，３１は、上下二段に設けられている。下方のバーナ３０に相当する位置には、コンバスタ部３２が設けられており、微粉炭及び/又はチャーの一部を燃焼させることでガス化のための熱、ＣＯ_２やＨ_２Ｏを供給する。上方のバーナ３１に相当する位置には、リダクタ部３３が設けられ、微粉炭をガス化する。

リダクタ部３３の下流側には、シンガスクーラ３５（ガス冷却器）が設けられており、生成ガスを所定温度まで冷却してからチャー回収設備１１に供給する。シンガスクーラ３５では蒸気が生成され、生成後の蒸気は排熱回収ボイラ２０へと導かれる。

ガス化炉設備３には、チャー回収設備１１に向けて生成ガスを供給するガス生成ライン４９が接続されており、チャーを含む生成ガスが排出可能となっている。

チャー回収設備１１は、集塵設備５１と複数のチャー供給ホッパ５２とを備えている。この場合、集塵設備５１は、１つまたは複数のサイクロンやポーラスフィルタにより構成され、ガス化炉設備３で生成された生成ガスに含有するチャーを回収することができる。そして、チャーが分離された生成ガスは、ガス排出ライン５３を通してガス精製設備５に送られる。

チャー供給ホッパ５２は、集塵設備５１で生成ガスから回収されたチャーを貯留するものである。集塵設備５１とチャー供給ホッパ５２との間には、チャービン５４が配置されている。チャービン５４に対して、複数のチャー供給ホッパ５２がそれぞれ接続されている。チャー供給ホッパ５２からのチャー戻しライン４６が第２窒素供給ライン４５に接続されている。

ガス精製設備５は、チャー回収設備１１によりチャーが分離された生成ガスに対して、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物を取り除くことで、ガス精製を行うものである。ガス精製設備５で精製された燃料ガスは、ガスタービン７に供給される。

ガスタービン７は、圧縮機６１、燃焼器６２、タービン６３を備えており、圧縮機６１とタービン６３とは、回転軸６４により連結されている。燃焼器６２には、圧縮機６１からの圧縮空気供給ライン６５が接続されると共に、ガス精製設備５からの燃料ガス供給ライン６６が接続され、また、タービン６３に向かって延びる燃焼ガス供給ライン６７が接続されている。また、ガスタービン７は、圧縮機６１からガス化炉設備３に延びる圧縮空気供給ライン４１が設けられており、中途部に昇圧機６８が設けられている。従って、燃焼器６２では、圧縮機６１から供給された圧縮空気の一部とガス精製設備５から供給された燃料ガスの少なくとも一部とを混合して燃焼させることで燃焼ガスを発生させ、発生させた燃焼ガスをタービン６３へ向けて供給する。そして、タービン６３は、供給された燃焼ガスにより回転軸６４を回転駆動させることで発電機１９を回転駆動させる。

蒸気タービン１８は、ガスタービン７の回転軸６４に連結されるタービン６９を備えており、発電機１９は、この回転軸６４の基端部に連結されている。排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン７（タービン６３）からの排ガスライン７０が接続されており、給水とタービン６３の排ガスとの間で熱交換を行うことで、蒸気を生成するものである。そして、排熱回収ボイラ２０は、蒸気タービン１８との間に蒸気供給ライン７１が設けられている。従って、蒸気タービン１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気によりタービン６９が回転駆動され、回転軸６４を回転させることで発電機１９を回転駆動させる。

排熱回収ボイラ２０の出口には、煙突７５が接続されており、燃焼ガスが大気へと放出される。なお、排熱回収ボイラ２０の出口に、ガス浄化設備を設けても良い。

［バーナの構成］
図２には、ガス化炉１６に設けられた下方のバーナ３０の設置状態が示されている。なお、図２では、下方のバーナ３０の位置における縦断面を示しているが、上方のバーナ３１における縦断面も同様であるので、その説明を省略する。

各バーナ３０は、略水平方向に延在し、管台３４に対して固定されている。バーナ３０は、ガス化炉本体１６ａの炉内側に先端部３７が突出するように設けられている。管台３４は、圧力容器１６ｂの外側からガス化炉本体１６ａの内側に連通する空間を形成するように設けられている。したがって、管台３４は、ガス化炉本体１６ａと圧力容器１６ｂとの間に形成されるアニュラス部に設けられている。

管台３４は、基端部側（同図において左側）にフランジ３４ａが設けられている。このフランジ３４ａに対して、バーナ３０に設けられたフランジ３６ａが固定されることによって、管台３４に対してバーナ３０が固定されている。

バーナ３０は、燃料管３８と２次空気管３９とを備えている。
燃料管３８の先端縁には開口部３８ａが設けられており、開口部３８ａから微粉炭及び/又はチャーが炉内へと導かれる。微粉炭及び/又はチャーが１次空気とともに燃料管３８の内部を矢印Ｄ１方向に流れる。燃料管３８の先端側には、スワラ４４が設けられており、２次空気に対して旋回が与えられるようになっている。
２次空気管３９は、燃料管３８を収容するように共通軸線を有して設けられている。２次空気管３９の先端縁には開口部３９ａが設けられており、開口部３９ａから２次空気が炉内へと導かれる。２次空気は、２次空気管３９の内部を矢印Ｄ２方向に流れる。

２次空気管３９の先端部３９ｂの外周には、内部に冷却水が流れる水冷管（冷却管）４０が螺旋状に巻回されている。水冷管４０によって、バーナ３０の先端部３７が冷却され、炉内の輻射熱による損傷から保護されるようになっている。

水冷管４０は、開口部３８ａ，３９ａから所定距離離間した位置に、開口部３８ａ，３９ａ側に位置する開口部側水冷管４０ａよりも小径に巻回された小径水冷管４０ｂを有している。この小径水冷管４０ｂによって、バーナ３０の先端部３７の一部に円周上に連続した凹部２１が形成される。この凹部２１の上部に炉壁から流下した溶融スラグが一時的に貯留されるとともに、両側方の凹部２１が流出路となり溶融スラグが下方へと排出される。

［石炭ガス化複合発電設備の動作］
次に、本実施形態の石炭ガス化複合発電設備１の動作について説明する。
本実施形態の石炭ガス化複合発電設備１において、給炭設備９に原炭（石炭）が供給されると、石炭は、給炭設備９において細かい粒子状に粉砕されることで微粉炭となる。給炭設備９で製造された微粉炭は、空気分離設備４２から供給される窒素により第１窒素供給ライン４３を流通してガス化炉設備３に供給される。また、後述するチャー回収設備１１で回収されたチャーが、空気分離設備４２から供給される窒素により第２窒素供給ライン４５を流通してガス化炉設備３に供給される。更に、後述するガスタービン７から抽気された圧縮空気が昇圧機６８で昇圧された後、空気分離設備４２から供給される酸素と共に圧縮空気供給ライン４１を通してガス化炉設備３に供給される。

そして、バーナ３０，３１から微粉炭及び/又はチャーが導かれる。ガス化炉本体１６ａ内で微粉炭及びチャーが圧縮空気（酸素）により燃焼し、微粉炭及びチャーがガス化することで、生成ガスを生成する。ガス化炉設備３で生成された生成ガスは、ガス化炉設備３からガス生成ライン４９を通って排出され、チャー回収設備１１に送られる。

このチャー回収設備１１にて、生成ガスは、まず、集塵設備５１に供給されることで、生成ガスに含有する微粒のチャーが分離される。そして、チャーが分離された生成ガスは、ガス排出ライン５３を通してガス精製設備５に送られる。一方、生成ガスから分離した微粒のチャーは、チャー供給ホッパ５２に堆積され、チャー戻しライン４６を通って微粉炭供給ホッパ１４に供給されてリサイクルされる。

チャー回収設備１１によりチャーが分離された生成ガスは、ガス精製設備５にて、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物が取り除かれてガス精製され、燃料ガスが製造される。圧縮機６１が圧縮空気を生成して燃焼器６２に供給する。この燃焼器６２は、圧縮機６１から供給される圧縮空気と、ガス精製設備５から供給される燃料ガスとを混合し、燃焼することで燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスによりタービン６３を回転駆動することで、回転軸６４を介して圧縮機６１及び発電機１９を回転駆動する。このようにして、ガスタービン７は発電を行うことができる。

そして、排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン７におけるタービン６３から排出された排ガスと給水とで熱交換を行うことにより蒸気を生成し、この生成した蒸気を蒸気タービン１８に供給する。蒸気タービン１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気により回転駆動されることで、回転軸６４を介して発電機１９を回転駆動し、発電を行うことができる。
なお、ガスタービン７と蒸気タービン１８は同一軸として１つの発電機１９を回転駆動しなくてもよく、別の軸として複数の発電機を回転駆動しても良い。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
図３に示すように、ガス化炉本体１６ａの炉壁に付着した溶融状態のスラグＳは流下し、バーナ３０の上方へ到達する。そして、スラグＳは、バーナ３０の先端部３７の上部に設けられた凹部２１に滞留する。凹部２１は、図２に示したように、バーナ３０の開口部３８ａ，３９ａから所定距離離間した位置に設けられているので、開口部３８ａ，３９ａまでスラグＳが到達することが抑制される。また、凹部２１の両側部には下方に向かう流出路が連続して形成されているので、凹部２１の上部に滞留したスラグＳは両側部の流出路を通りバーナ３０の下方へと排出される。これにより、バーナ３０の開口部３８ａ，３９ａまでスラグＳが成長して閉塞することが防止される。
バーナ３０の先端部３７の炉内への突出量を低減した場合であっても、凹部２１によってバーナ３０の開口部３８ａ，３９ａの閉塞を回避でき、安定的に運用することができる。

開口部側水冷管４０ａよりも巻径を小さくした小径水冷管４０ｂによって凹部２１を形成することとしたので、簡便に凹部２１を形成することができる。

また、図４に示すように本実施形態を変形することができる。すなわち、図４（ａ）に示すように、小径水冷管４０ｂの上部に耐火材で形成した皿部２２を設置する。皿部２２は、スラグを一時的に貯留できる程度の凹部を有している。皿部２２の側方には、図４（ｂ）に示すように、スラグが側方に流下するように切欠とされた湯切口（流出路）２２ａが設けられている。湯切口２２ａは、皿部２２の両側部に設けても良いし、一方の側部のみに設けても良い。凹部となる皿部２２を耐火材によって形成することで、皿部２２に流れ込んだスラグが水冷管４０によって冷えて固化することを防止することができる。これにより、スラグを皿部２２から効果的に排出することができる。なお、図４では、皿部２２を小径水冷管４０ｂの上部に設置することを一例として説明したが、小径水冷管４０ｂが設けられていない一定の巻径とされた水冷管４０に対して皿部２２を設けることとしても良い。

なお、本実施形態では、石炭ガス化複合発電設備をガス化炉設備の適用例の一例として説明したが、石炭ガス化複合発電設備１以外のプラント、例えば所望の化学種を生成ガスから得るためのガス化炉設備として用いてもよい。この場合には、ガスタービン等の発電設備を省略する。

また、上述した実施形態では、燃料として石炭としたが、石炭に限らず、再生可能な生物由来の有機性資源として使用されるバイオマスであってもよく、例えば、間伐材、廃材木、流木、草類、廃棄物、汚泥、タイヤ及びこれらを原料としたリサイクル燃料（ペレットやチップ）などを使用することも可能である。

また、本実施形態はガス化炉として、タワー型ガス化炉について説明してきたが、ガスの流通経路が上部で略逆Ｕ字状に折り返すクロスオーバー型ガス化炉としても良い。

１ 石炭ガス化複合発電設備（ガス化複合発電設備）
３ ガス化炉設備
５ ガス精製設備
７ ガスタービン
１１ チャー回収設備
１３ 石炭ミル
１４ 微粉炭供給ホッパ
１５ 給炭ライン
１６ ガス化炉
１６ａ ガス化炉本体
１６ｂ 圧力容器
１９ 発電機
２１ 凹部
２２ 皿部（凹部）
２２ａ 湯切口
３０ 下方のバーナ
３１ 上方のバーナ
３４ 管台
３７ バーナの先端部
３８ 燃料管
３９ ２次空気管
４０ 水冷管（冷却管）
４０ａ 開口部側水冷管
４０ｂ 小径水冷管（凹部，排出路）
４４ スワラ
Ｓ スラグ

Claims (5)

1. 略水平方向に延在して炉内側に突出し、開口部から燃料を炉内に導く先端部と、
   前記先端部の上部に設けられた凹部と、
   を備え、
   前記凹部は、前記開口部から所定距離離間した位置に設けられ、下方に向かう流出路を備えていることを特徴とするバーナ。
2. 前記凹部は、前記先端部に設けられた冷却管によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
3. 前記凹部は、耐火材によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のバーナ。
4. 炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、
   前記炭素含有固体燃料を前記ガス化炉に導く請求項１から３のいずれかに記載のバーナと、
   を備えていることを特徴とするガス化炉設備。
5. 請求項４に記載のガス化炉設備と、
   前記ガス化炉設備から導かれた生成ガスを用いて駆動されるガスタービンと、
   該ガスタービンによって駆動される発電機と、
   を備えていることを特徴とするガス化複合発電設備。

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