JP2759190B2 - 噴流層型石炭ガス化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、噴流層型石炭ガス化装
置に係り、特に石炭ガス化炉のスラグの流下安定性を保
持しつつガス化効率を向上するに好適な噴流層型石炭ガ
ス化装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】図２に、一般的な噴流層型の石炭ガス化
炉の断面図を示す。図示のように、石炭ガス化炉の下部
に位置された反応層部は下部反応層部２と上部反応層部
３とで構成されており、バーナ４を介してそれぞれの反
応層に石炭５と、ガス化剤としての酸素富化空気６が供
給されている。バーナ４は炉の接線方向に傾けて設けら
れている。したがって、バーナ４から炉内に噴射された
石炭５と酸素富化空気６は旋回して噴流層を形成し、熱
分解反応などの反応により石炭５がガス化される。ガス
化により生じた粗ガス７は炉頂から抜き出されてチャー
捕集器８を通してガス消費設備等へ供給される。 【０００３】下部反応層２の下方にはスラグタップ９が
設けられており、反応層で溶融したスラグ１０が連続し
て排出される。ガス化炉１の上部は熱回収部１１とされ
ており、水冷壁構造となっている。粗ガス７の中には未
反応のチャーが含まれので、チャー補集器８で補集し、
ガス化炉１の下部反応層２に循環して効率を上げるよう
にしている。 【０００４】このように構成される噴流層型の石炭ガス
化炉１は、燃料である微粉炭が気流中で数秒以内に反応
するので、応答が早く、負荷追従運転が容易であるが、
一方でどのような運転状態でもガス化効率を高く維持
し、かつ発生する石炭灰を溶融し、溶融スラグとして安
定に排出する条件を確保する必要がある。 【０００５】一般に、石炭ガス化炉におけるガス化効率
には、ＣＯ、ＣＯ₂などのガスに転化した石炭中のカー
ボンの割合を表すカーボンガス化率と、生成ガスと石炭
の発熱量との比率を表す冷ガス効率とがあり、カーボン
ガス化率と冷ガス効率との差は、生成ガスの顕熱の割合
とみなすことができる。石炭ガス化炉１では両者の効率
を同時に高めるとともに、生成ガスの顕熱をいかに回収
し有効に利用するかが、発電プラント等のプラント全体
の熱効率を向上する上で重要である。 【０００６】一方、噴流層型の石炭ガス化炉１では、石
炭は部分燃焼反応によってＨ₂，ＣＯ等に転化すると同
時に、発生する熱によって高温となり、石炭中の灰分が
溶融してスラグ１０となる。このスラグ１０は炉壁を流
下してスラグタップ９から排出されるのであるが、少な
くとも下部反応層２の温度をスラグ１０の溶融点以上に
保持しておかないと、スラグ１０が炉壁やスラグタップ
９に固着し、これによって炉の運転ができなくなる。ス
ラグ１０の融点は主として石炭５の性状に依存するが、
灰の融点が高い石炭であってもスラグの溶融状態を保持
して安定に流下させ、安定なガス化処理をすることが要
求される。 【０００７】上述したガス化効率とスラグの流下安定性
は、ガス化剤である酸素供給量によって支配される。図
３に、酸素比（酸素供給量／石炭供給量）に対する理論
ガス化温度、ガス化効率、ガス発熱量との関係を示す。
同図から判るように、酸素比を大きくするとガス化温度
は上昇し、カーボンガス化率η_Cも増大するが、冷ガス
効率η_Gは酸素比＝０．８１付近から低下する。これは
ある酸素比から、生成ガス中のＣＯ₂濃度が増大し、ガ
ス発熱量が低下することによる。一方、ガス化炉内の温
度は高いほど石炭灰は溶融しやすいので、スラグが流下
しやすい。 【０００８】したがって、スラグの安定流下とカーボン
ガス化率η_Cの向上の面から、酸素比は大きいほどよい
が、その反面ガス化効率が低下するという問題がある。 【０００９】以上のように、噴流層型の石炭ガス化炉で
は、できるだけ酸素比を小さくして冷ガス効率η_Gを高
くし、しかもスラグを安定に流すようにすることが必要
である。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】ところで、石炭ガス化
炉１の熱損失はバーナのピーク温度で決まり、負荷の大
小には無関係に略一定である。したがって、負荷が低下
した状態で酸素比を一定のままにしておくと、下部反応
層２の温度が灰の溶融点以下となり、スラグ１０の排出
が困難となり、石炭ガス化炉１の運転が不可能となる。 【００１１】これらのことから、従来の石炭ガス化炉で
は、予め若干高めの酸素比で運転するか、酸素比を負荷
によって調節するか、いずれかの方法がとられる。しか
し、酸素比を高くしておく前者の方法によると、高負荷
でのガス化効率が悪くなるという問題がある。一方、酸
素比を負荷によって調節する後者の方法によると、上部
反応層３にも下部反応層２と同じ酸素比のガス化剤が供
給されるため、スラグの溶融温度は保持できるが、ガス
化効率としては低下するという問題がある。 【００１２】また、上記従来例あるいは特開昭 58-8038
1 号公報のように、ガス化剤として酸素富化空気を用
い、これを上部・下部反応層に区別して供給するように
したものにあっては、酸素比が大きくなると酸素製造装
置も大形となり、トータルのエネルギ効率が低下して経
済性が劣化するという問題がある。 【００１３】本発明が解決しようとする課題は、上述し
た問題を解決すること、言い換えれば、噴流層型石炭ガ
ス化装置において、負荷変動などの炉状態の変動に対応
させてガス化効率を高く維持でき、かつ石炭ガス化炉に
おけるスラグの流下安定性を保持できるようにすること
にある。 【００１４】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、石炭の供給口と酸素含有ガスの供給口と
がそれぞれ炉の上下方向に複数配置され、それらの供給
口から供給される石炭とガス化剤とにより炉内に噴流層
を形成して石炭をガス化するとともに、発生したスラグ
を炉底部に流下させて排出するように形成された石炭ガ
ス化炉を備えてなる噴流層型石炭ガス化装置において、
下部の供給口に供給する酸素含有ガスの酸素濃度を、上
部の供給口に供給する酸素含有ガスの酸素濃度よりも高
くすることを特徴とする。 【００１５】特に、上部の供給口に供給する酸素含有ガ
スを空気とし、下部の供給口に供給する酸素含有ガスを
酸素富化空気とすることが好ましい。この場合におい
て、下部の供給口に供給する酸素富化空気は、空気に酸
素又は酸素富化空気を混入したものとすることが好まし
い。 【００１６】また、下部の供給口のうち石炭ガス化炉の
下部反応層に対応する供給口に供給する酸素富化空気の
量を調整して、下部反応層の温度を設定値以上に制御す
る制御手段を備えることが好ましい。 【００１７】また、上部及び下部の供給口に供給する空
気の量は、石炭の供給量に対応させて定められた酸素比
に基づいて調整する制御手段を備えることが好ましい。 【００１８】 【作用】上記手段によれば、以下の作用により、課題が
解決される。 【００１９】下部の供給口に供給するガス化剤としての
酸素含有ガスの酸素濃度を、上部の供給口に供給する酸
素含有ガスの酸素濃度よりも高くしたことから、石炭の
燃焼が促進されて下部反応層の温度を高くなり、負荷が
変動しても下部反応層の温度をスラグの溶融点以上に保
持することが容易になる。その結果、上部に供給する酸
素含有ガスの量を負荷に応じて調整できるから、ガス化
効率を高く維持できる。 【００２０】また、上部に供給する酸素含有ガスとして
空気を用いているから、ガス化温度を下げることがで
き、これによってガス化効率、特に冷ガス効率を高く維
持し、一方で、下部反応層には酸素富化空気を供給する
ことによって、スラグ溶融点の温度以上に保持すること
ができるのである。 【００２１】つまり、ガス化効率の調整と下部反応層の
温度調整とを別々に行うことができ、ガス化炉の負荷が
変動しても、上部の酸素含有ガスの量を調整してガス化
率を高く維持しながら、一方で酸素富化空気を調整して
スラグの流下安定性を保持することが容易になし得るこ
とになる。 【００２２】しかも、酸素富化空気の消費量を下部反応
層の温度維持分のみに低減できるので、酸素発生装置は
小形のものでよいことになる。 【００２３】 【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
図１に、本発明を適用してなる噴流層型石炭ガス化装置
の一実施例の全体構成を示す。同図において、石炭ガス
化炉１は図２の従来例と同一の構成を有するものである
ことから、模式的に簡略化して示されている。 【００２４】石炭ガス化炉１の下部反応層２および上部
反応層３に対して、ガスタービン装置２０のコンプレッ
サ２２からガス化剤としての抽気空気が供給されてい
る。それぞれの空気供給量は空気量調整弁１２，１３に
より調節可能になっている。また、抽気空気３１を原料
として酸素製造装置３０で酸素富化空気３２が製造さ
れ、酸素富化空気調節弁１４を介して下部反応層２へ供
給されるようになっている。 【００２５】石炭５は石炭量調節器１５，１６を介して
負荷（または空気供給量）に応じた量に調整され、それ
ぞれ下部反応層２と上部反応層３とに供給されている。
石炭ガス化炉１において発生した粗ガス７は、チャー補
集器８おいてチャーが分離除去された後、熱回収装置１
７に送られて被熱交換媒体と熱交換され、これにより蒸
気を発生することにより粗ガス７の熱が回収される。そ
の後、粗ガス７はガス精製装置１８に導かれてガス中に
含まれるダストおよび硫黄等の反応化合物が除去、精製
されて石炭の生成ガス７’となる。生成ガス７’はガス
タービン装置２０の燃焼器２１に供給され、コンプレッ
サ２２により加圧された酸化剤としての高圧空気２３と
反応して燃焼ガス２４が生成される。この燃焼ガス２４
はガスタービン２５に導かれてガスタービン２５を駆動
する。このガスタービン２５で発生した動力の一部は発
電機２６の駆動に使用され電力を発生する。ガスタービ
ン動力の過半はコンプレッサ２２の駆動に使用される。
このコンプレッサ２２の吐出高圧空気２３の一部は前記
石炭ガス化炉１のガス化剤（酸素含有ガス）として抽気
され、昇圧コンプレッサ３３により所定の圧力に昇圧さ
れ、石炭ガス化炉１へ供給される。 【００２６】一方、ガスタービン２５の排ガス２８は排
熱回収ボイラ２９に送られ、高温高圧の蒸気を発生さ
せ、その蒸気により図示していない蒸気タービンを駆動
し、これに連結されている発電機を回転させ電力を発生
するように構成されている。 【００２７】このように構成される実施例の動作につい
て、特に空気３１と酸素富化空気３２の調整動作につい
て説明する。図３に示したように、酸素富化空気３２を
使うと生成ガスの発熱量を高くすることができるが、一
方で酸素富化空気３２を製造する費用が発生するため、
発電プラント全体としての経済性が低下する。したがっ
て、プラントが頻繁に運転される負荷帯では、極力酸素
富化空気３２を使わずに、抽気空気２１のみによる空気
吹き込み運転を行うようにすることが得策である。 【００２８】そこで、石炭ガス化炉１の酸素比は、空気
吹き込みベースの酸素比で調整し、酸素富化空気３２の
調整は酸素比制御から除外する。つまり、石炭ガス化炉
１は基本的には、空気吹き込み運転とするのである。こ
の場合、酸素比は石炭ガス化炉１の効率をよくするため
に、負荷運用範囲を考えて極力小さい値を選択してお
く。そして、酸素富化空気３２の使い方としては、石炭
ガス化炉１の下部反応層２の温度が所定値よりも低下し
たときだけ下部反応層２へ酸素富化空気２３を供給し、
下部反応層２の酸素比を増加して反応温度を上げ、スラ
グの溶融流下を保持するようにする。 【００２９】ここで、酸素比の設定方法を図４を用いて
説明する。同図は、石炭ガス化炉１の空気酸化による理
論ガス化温度と酸素比との関係を示しており、１００％
の負荷の場合を線ａ、５０％の負荷の場合を線ｂとし、
また、石炭５の石炭ガス化炉１におけるスラグ溶融排出
のための操作下限温度を1700℃とする。例えば、酸素比
をＡ点におくと、定格負荷以下ではスラグの溶融排出が
不可能になるので、酸素比を若干高いＢ点に設定してお
くようにする。Ｂ点に設定しておいても、石炭ガス化炉
１の負荷が５０％まで下がるとＣ点となり、スラグの溶
融排出の操作下限温度となる。したがって、このＣ点に
なったときに、下部反応層２への酸素富化空気３２の供
給を開始するようにする。 【００３０】上述したように、本実施例によれば、負荷
変動してもガス化効率を高く維持でき、かつスラグの流
下安定性を保持することができるという効果がある。ま
た、ガス化剤として基本的に空気を用いていることか
ら、酸素富化空気の消費量を低減することができ、これ
によって酸素発生装置を小型化して経済性を向上させる
ことができる。 【００３１】ここで、上記実施例の空気３１および酸素
富化空気３２の供給量を調整する具体的な自動制御装置
の構成を図５に示して説明する。前述した方法で決定し
た酸素比を酸素比設定器５１へ予め設定しておく。そし
て、流量検出器で検出された抽気空気３１の流量信号に
基づいて、石炭量調節器１５，１６により石炭ガス化炉
１への石炭供給量を制御する。 【００３２】一方、プラントの負荷信号６０は空気量制
御装置６１へ与えられ、空気量調節弁１２，１３によっ
て抽気空気３１を制御する。また、下部反応層２の反応
温度を温度検出器６５により検出し、その反応温度がス
ラグの溶融温度以上になるように、酸素富化空気調節弁
１４を制御して下部反応層２へ酸素富化空気３２を供給
し、下部反応層２だけの酸素比を高め、反応温度を高く
維持する。 【００３３】なお、実際には、下部反応層２の温度は20
00℃近くにもなり、直接的に温度を測定することは極め
て困難であるから、下部反応層２の反応温度に相関する
他の状態値、例えば、石炭ガス化炉１の出口の粗ガス７
の温度等で代用することも可能である。 【００３４】また、実験等によって負荷と酸素比と反応
温度の関係が予め得られている場合は、負荷に基づいて
酸素富化空気３２の量を制御することも可能である。あ
るいは、反応層温度に相関する複数の状態値を組み合わ
せてもよい。 【００３５】また、図１，図５の実施例においては、い
ずれも酸素富化空気３２を下部反応層２へ直接的に供給
するようにしたが、下部反応層２へ供給される空気３１
に混入するようにしてもよい。この場合は、調節弁１２
の下流側配管に注入するようにする。要は、下部反応層
へ供給するガス化剤としての酸素含有ガスの酸素濃度を
上部反応層の酸素濃度よりも高くすればよい。 【００３６】また、図１，５の実施例によれば、主ガス
化剤としての空気３１とは独立に、下部反応層２に酸素
富化空気３２を供給して、下部反応層２の温度をスラグ
溶融点以上に保持するようにしていることから、酸素比
以外の他の反応温度低下原因（外乱）に対しても有効に
対応でき、石炭ガス化炉の保護を達成することができ
る。そのような外乱としては、急激な負荷変動や、負荷
変動に対するガス化剤用空気の追従遅れ、石炭の性状の
変化、あるいは、チャーのリサイクル量の変動等があ
る。特に、チャーの還流量は石炭の供給量の２０〜３０
％になるので、チャー還流量の変動は下部反応層２に大
きく影響を及ぼすのである。従来は、このような変動に
対して何ら配慮していなかったが、本発明によれば、下
部反応層２の温度を直接調節するようにしているので、
そのような外乱に対しても有効に作用する。 【００３７】 【発明の効果】本発明によれば、負荷変動などの炉状態
の変動に対応させてガス化効率を高く維持でき、かつ石
炭ガス化炉におけるスラグの流下安定性を保持できると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施例の噴流層型石炭ガス化装置の
系統構成図である。 【図２】一般的な噴流層型石炭ガス化炉の断面図であ
る。 【図３】酸素比とガス化効率、ガス発熱量、理論ガス化
温度の関係を示す線図である。 【図４】図１実施例における酸素比の設定法を説明する
図である。 【図５】本発明の主要部である自動制御装置の一実施例
の系統構成図である。 【符号の説明】 １ 石炭ガス化炉 ２ 下部反応層 ３ 上部反応層 １２，１３ 空気量調節弁 １４ 酸素富化空気量調節弁 １５，１６ 石炭量調節器 ３１ 空気 ３２ 酸素富化空気 ５１ 酸素比設定器 ６５ 温度検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長崎 伸男 茨城県日立市幸町３丁目２番１号 日立 エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 服部 洋市 茨城県日立市幸町３丁目２番１号 日立 エンジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−182395（ＪＰ，Ａ) Ｕ．Ｓ．ＤＥＰＡＲＴＭＥＮＴ ＯＦ ＥＮＥＲＧＹ ａｎｄ ＥＬＥＣＴＲ ＩＣ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ 編「Ｃｏｍ ｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ ｇ Ｔｗｏ−Ｓｔａｇｅ，Ａｔｏｍｏｓ ｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ，Ｅｎ ｔｒａｉｎｅｄ Ｆｌｏｗ Ｃｏａｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅ ｓｓ Ｄｅｖｅｒｏｐｍｅｎｔ Ｕｎｉ ｔ Ｐｒｏｇｒａｍ］（1983年発行)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．石炭の供給口と酸素含有ガスの供給口とがそれぞれ
   炉の上下方向に複数配置され、それらの供給口から供給
   される石炭と酸素含有ガスとにより炉内に噴流層を形成
   して石炭をガス化するとともに、発生したスラグを炉底
   部に流下させて排出するように形成された噴流層型石炭
   ガス化装置において、下部の供給口に供給する酸素含有
   ガスの酸素濃度を、上部の供給口に供給する酸素含有ガ
   スの酸素濃度よりも高くして、下部反応層の温度を設定
   値以上にすることを特徴とする噴流層型石炭ガス化装
   置。 ２．上部の供給口に供給する酸素含有ガスを空気とし、
   下部の供給口に供給する酸素含有ガスを酸素富化空気と
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の噴
   流層型石炭ガス化装置。 ３．下部の供給口に供給する酸素富化空気は、空気に酸
   素又は酸素富化空気を混入したものであることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項に記載の噴流層型石炭ガス化
   装置。 ４．前記下部の供給口のうち前記石炭ガス化炉の下部反
   応層に対応する供給口に供給する酸素富化空気の量を調
   整して、前記下部反応層の温度を設定値以上に制御する
   制御手段を備えてなることを特徴とする特許請求の範囲
   第３項に記載の噴流層型石炭ガス化装置。 ５．上部及び下部の供給口に供給する空気の量は、石炭
   の供給量に対応させて定められた酸素比に基づいて調整
   する制御手段を備えてなることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項又は第３項に記載の噴流層型石炭ガス化装
   置。