JP3578494B2 - 噴流層石炭ガス化炉及び石炭ガス化方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、噴流層石炭ガス化炉に係る。
【０００３】
【従来の技術】
石炭ガス化炉は、石炭を酸化剤である酸素或いは空気と高温で接触させることにより、水素，一酸化炭素，メタンなどで構成された可燃性ガスを生成する装置である。各種の石炭ガス化炉の中で、噴流層石炭ガス化炉は、石炭と酸化剤の反応を速やかに完結させて石炭のガス化効率を向上させ、同時に石炭中に含まれる灰分を溶融させて処理し石炭灰中に含まれる有害な金属を封じ込めることができることから、環境性に優れた反応炉型式である。
【０００４】
石炭ガス化炉では、負荷すなわち石炭処理量を変化させると、これによる熱損失が変化する。これは同一の炉では負荷を減少させても炉内の断面積は一定であり熱吸収量は変化しないが、処理量の減少により発生熱量が減るので相対的に熱損失の割合が大きくなるためであり、熱損失割合の変化により生成ガスの組成，発熱量も変化する。生成ガスの組成，発熱量等の特性の変化は、ガスタービンに於ては安定した燃焼が得られないし、燃料電池に於ては安定した性能が得られないので、システム全体の運用性，効率の低下及び信頼性の低下を引き起こす。また生成ガスの組成が一定しないことにより安定な状態に落ち着くまでに時間がかかり負荷追従性にも問題がある。
【０００５】
これらの問題に着目し、特開昭５９−１７２５８９号公報において、噴流層ガス化炉の上段バーナに供給する酸素量の石炭供給量に対する比を石炭灰の溶融温度を超えない値に設定し、下段バーナへ供給する酸素量の石炭供給量に対する比を上段バーナのそれよりも大きく設定して石炭灰の溶融温度を超えるようにした石炭ガス化方法が提案された。また、特開昭６３−２９７７３６号公報において、噴流層ガス化炉の上段と下段に石炭を１：１の割合で供給し、下段の酸化剤量／石炭量比を石炭の溶融点以上の温度を維持できる値で一定にし、上段の酸化剤量／石炭量比を上段付近の温度が石炭の溶融点を超えることがない範囲内で調節して、負荷変動に対応するようにした石炭ガス化方法が提案された。更に、特開平４−３４２８３２ 号公報において、石炭ガス化により発生したガスと液体燃料を混合することにより異常時への対応を図る方法が提案された。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭５９−１７２５８９号公報及び特開昭６３−２９７７３６号公報に記載された噴流層ガス化方法は、いずれも負荷変動に対応するために有効ではあるが、熱損失まで考慮していないので、負荷変動に適切に対応させるにはまだ問題がある。
【０００７】
特開平４−３４２８３２ 号公報に記載された方法は、補助施設が必要になり、装置が複雑化する。
【０００８】
本発明の目的は、石炭ガス化炉内での熱損失を制御することにより、負荷変動に適切に対応させることができるようにした噴流層石炭ガス化炉を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、ガス化室内の上段と下段の２系列に石炭と酸化剤を噴出して可燃性ガスを生成させるバーナを備え、該上下段バーナはガス化室の接線方向にそれぞれ複数個設けて旋回流が形成されるようにし、前記ガス化室の上部に断面積を減少させた生成ガス排出口を備え、下部に断面積を減少させたスラグ排出口を備え、前記上段バーナに供給する石炭及び酸化剤の割合を石炭灰の溶融温度を超えない値に設定し前記下段バーナに供給する石炭及び酸化剤の割合を石炭灰の溶融温度を超える値に設定する石炭・酸化剤量制御手段を備えた噴流層石炭ガス化炉において、負荷量である石炭処理量に応じて前記下段バーナへ供給する石炭量を変化させる手段と、負荷量に応じて前記下段バーナへ供給する酸化剤量と石炭量の比を変化させる手段と、前記上段バーナによって形成される上段反応領域と前記下段バーナによって形成される下段反応領域の割合を負荷量に応じて変化させ負荷量が大になるにつれて下段反応領域の割合を大きくする反応領域制御手段を備え、該反応領域制御手段として、前記上下段バーナによる旋回力の比を負荷量に応じて変化させ負荷量が大になるにつれて下段バーナによる旋回力を強める手段を備えたことを特徴とする噴流層石炭ガス化炉によって達成される。
【００１４】
また、ガス化室内の上段と下段の２系列に石炭と酸化剤を噴出して可燃性ガスを生成させるバーナを備え、該上下段バーナはガス化室の接線方向にそれぞれ複数個設けて旋回流が形成されるようにし、前記ガス化室の上部に断面積を減少させた生成ガス排出口を備え、下部に断面積を減少させたスラグ排出口を備え、前記上段バーナに供給する石炭及び酸化剤の割合を石炭灰の溶融温度を超えない値に設定し前記下段バーナに供給する石炭及び酸化剤の割合を石炭灰の溶融温度を超える値に設定する石炭・酸化剤量制御手段を備えた噴流層石炭ガス化炉において、負荷量である石炭処理量に応じて前記下段バーナへ供給する石炭量を変化させる手段と、負荷量に応じて前記下段バーナへ供給する酸化剤量と石炭量の比を変化させる手段と、前記上段バーナによって形成される上段反応領域と前記下段バーナによって形成される下段反応領域の割合を負荷量に応じて変化させ負荷量が大になるにつれて下段反応領域の割合を大きくする反応領域制御手段を備え、前記下段バーナの近傍に空気ノズルを備え、前記反応領域制御手段として、該空気ノズルへの空気供給量を負荷量に応じて変化させ負荷量が大になるにつれて空気供給量を多くする手段を備えたことを特徴とする噴流層石炭ガス化炉によって達成される。
【００２９】
本発明において共通している点は、石炭ガス化炉内で熱損失を積極的に制御することにより、生成ガスの発熱量を一定とすることにある。噴流層石炭ガス化方法では、炉壁と反応部との間に石炭による断熱層が形成される。この断熱層を負荷に応じて増減し、炉壁から逃げる熱量を制御し、常に一定の熱損失にすることで生成ガスの発熱量を一定にするものである。
【００３０】
【作用】
石炭の主なガス化反応は、以下の反応式で示される。
【００３１】
石炭 →揮発分（ＣＨ４，ＣＯ，Ｈ２等）＋チャー（Ｃ）…（１）
チャー（Ｃ）＋Ｈ２Ｏ →ＣＯ＋Ｈ２ …（２）
チャー（Ｃ）＋ＣＯ２ →２ＣＯ …（３）
（石炭，チャー）＋Ｏ２→ＣＯ＋ＣＯ２ …（４）
この内、（１），（２）、及び（３）式は吸熱反応、（４）式は発熱反応である。一般的には、最初に（１）式の反応で揮発分が生成し、チャーを発生させると同時に揮発分が燃焼して雰囲気の温度が上昇する。また、ほぼ同時に（４）式の反応で石炭と酸素とが直接反応し、やはり雰囲気の温度が上昇すると同時にＣＯ，ＣＯ２が発生する。揮発分の燃焼で生じたＨ２Ｏ，ＣＯ２は、高温雰囲気下で（２），（３）式で示されるようにチャーと反応して可燃性のガスであるＨ２ 及びＣＯを生成する。噴流層ガス化炉においては、反応の段階で石炭中の灰分を溶融するのに十分な温度にし、石炭中に含まれる灰を溶融させて液体状のスラグとして取り出しガラス状にして有害金属を封じ込めて炉より排出する。
【００３２】
噴流層ガス化炉における二段ガス化方式では、石炭ガス化炉の上段より石炭と少量の酸化剤，下段より石炭と大量の酸化剤を供給する。そして、下段ではスラグが溶融するのに十分な温度を保ち、上段では石炭中の灰分を溶融させない温度を保ってガス化反応を行わせる。これにより十分なガス化反応が行われ、しかも炉上部での灰分の炉壁固着を抑制できるので、灰のハンドリングと高効率とを両立させることができる。
【００３３】
この二段ガス化方式では、熱損失は、上下段のそれぞれの反応段階で決定される。両者とも発熱が起こる領域の炉内温度と表面温度及び表面積によって熱損失が決まるが、両者の反応段階が接触する面積の割合を変化させれば、熱損失割合を一定にすることができる。すなわち熱損失は概略的には次式によって決定される。
【００３４】
Ｑ＝ｋ・Ａ（Ｔ４−Ｔｗ４） …（５）
ここで、Ｑは吸熱量、Ａは表面積、Ｔは炉内温度、Ｔｗは炉内表面温度を表わす。ｋは輻射係数である。温度差が大きい場合には、吸熱量も多いので発熱反応が起こり、ガスの温度が高い下段において熱損失が全体の大部分を占めることになる。従って、最大負荷状態の場合と比較して低負荷の場合に、下段の反応領域に対応した伝熱面積を減少させ熱損失を少なくすれば、一定の熱損失割合が達成できる。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図１により説明する。
【００３６】
ガス化炉は、ベッセル５１で囲まれた耐火壁５０でできた円筒形の炉である。ガス化炉全体は、炉上部のガス冷却室１１と炉下部のスラグ冷却室１５及びガス化室１３とからなっている。ガス化室１３の炉壁には、上下２系列に石炭と酸化剤を噴出するバーナが設置されている。上段バーナ２１及び下段バーナ３１は、いずれも旋回流が形成されるように接線方向に設けることが望ましい。また、バーナの本数もそれぞれ複数本ずつ設けることが望ましい。上段バーナと下段バーナの旋回方向は、同一方向にすべきである。ガス化室とガス冷却室との間は、絞り部１２によって断面積が小さくなっている。また、ガス化室とスラグ冷却室との間すなわちスラグタップ１４も断面積が小さくなっている。スラグ冷却室には、スラグ水冷槽１６が設けられている。上段バーナ及び下段バーナには、石炭及び酸化剤が供給される。石炭には、細かく粉砕した微粉炭が用いられる。また、酸化剤には、酸素或いは空気が用いられる。この実施例では酸素を用いている。石炭をバーナまで搬送するために、窒素の如き不活性なガスを搬送ガスとして用いる。図１の符号２２は上段バーナへ供給する酸素を示しており、２３は石炭を示している。また、符号３２は下段バーナへ供給する酸素を示しており、３３は石炭を示している。上段バーナによって上段反応領域１が形成され、下段バーナによって下段反応領域２が形成される。この上下段の反応領域の大きさは、負荷量に応じて変えられる。なお図１では、上下段の反応境界を模擬的に符号３で示している。
【００３７】
上段バーナ２１からは、石炭及び酸化剤を、その比率が石炭中の灰分が溶融しないように設定して供給する。通常、石炭中の灰分の溶融点は１４００℃近辺或いはそれを若干超える程度であるから、１４００℃を超えないようにすると良い。また、下段バーナからは、石炭及び酸化剤を、その比率が石炭中の灰分が溶融するように設定して供給する。石炭量に対する酸化剤量の比率を高めることによって、反応領域の温度を高めることができる。特開昭５９−１７２５８９号公報には、上段バーナの酸素供給量／石炭供給量の比を０．３６〜０．３８（ｋｇ／ｋｇ）にすることによって上段バーナ付近の温度を１３１０℃にできることが記載され、また、下段バーナの酸素供給量／石炭供給量の比を１．２６〜１．２８（ｋｇ／ｋｇ）にすることによって下段バーナ付近の温度を１８８０℃にできることが記載されているが、本発明においても、上段バーナの酸素供給量／石炭供給量の比をこのように設定することができる。尚、上下段バーナ全体としては、負荷量の変動に関係なく酸素供給量／石炭供給量の比を常に一定に保つことが望ましい。
【００３８】
上段バーナの酸素と石炭の比率を灰の溶融点を超えないように設定することにより、ガス化室内の上部に灰の融点よりも低温の上段反応領域１が形成され、この領域の炉壁表面に未燃チャー４が滞留する。また、炉下部には灰の融点よりも高温の下段反応領域２が形成され、この領域の炉壁表面に溶融スラグ５が付着し、スラグ冷却室へと流れ落ちる。溶融スラグは、熱伝導率が高く、すでに溶融が終了しているので、それ自身には熱を吸収する機能がないので、下段反応領域２では熱損失が多い。
【００３９】
これに対し、上段反応領域１では、温度が低いので、炉壁からの熱損失は下段反応領域に較べれば少ない。また、上段反応領域の熱は最初に未燃チャー４に伝えられるが、この際に未燃チャーのガス化反応が進行して吸熱され、この熱が可燃性のガスに変換されるので、炉壁からの熱損失とはならない。
【００４０】
次に、この未燃チャー４の滞留領域を変化させることにより、伝熱面積を変化させる手法について説明する。同一の炉を使用するので全体の伝熱面積は一定であるが、熱損失が支配的な下段反応領域２に面した部分の面積割合を変化させることは可能である。図２に上段及び下段反応領域の大きさが変化する状況を示す。横軸には全旋回力に対する下段旋回力の割合を示し、縦軸には上段反応領域と下段反応領域の境界をそれぞれ無次元化して示す。旋回力は、バーナ噴出速度と噴出する質量速度及び旋回円半径の積として求めた。図２から明らかなように、下段の旋回力を増大させると、下段の反応領域が増大する。
【００４１】
図３に、上段バーナと下段バーナに供給する石炭の量及び酸素量／石炭量の比を、負荷量に伴って変えていく状況を示す。上段バーナへ供給する酸素の石炭量に対する割合は一定とし、上下段バーナ全体の酸素量に対する石炭量の割合も一定としている。図３の操作によって生じるガス化炉内の状態変化を図４に示す。負荷量を最大負荷の１００％，７５％，５０％と変化させるにつれて、上段バーナへ供給する石炭量を減少し、下段バーナへ供給する石炭量を多くしていくと、（ａ），（ｂ）及び（ｃ）に示すように上段反応領域が次第に大きくなり、熱吸収が大きい溶融スラグ５で覆われた下段反応領域が次第に小さくなる。これにより、炉全体への熱供給の減少にともない熱の吸収も減少されるので、熱損失は一定となり、炉の負荷が下がっても生成ガスの組成は変化しなくなる。なお、本実施例の特有の効果としては、図３に示すように、負荷が減少するにつれて、下段バーナへ供給する酸素の石炭量に対する割合が増加するので、炉下部の燃焼量が増えて温度の低下を防げ、スラグの流下に必要な温度を維持できるという点がある。
【００４２】
図５は、下段バーナの近傍にスチームジェットの供給で旋回力を付加できるスチームノズル４０を設置した例を示している。
【００４３】
負荷が低い状態では、通常の運転を行うが、負荷が増大したときにはスチーム４１を供給する。この操作は、図３の操作と並行して行ってもかまわない。これにより図４に示したのと同様の効果が得られる。本実施例の特有の効果としては、負荷の増大による炉下部の異常昇温をスチーム４１の供給により押さえると共に、スチーム自体が反応してガス化効率を向上させることができる点にある。
【００４４】
図５のスチームノズルに変えて空気ノズルを設置しても良い。これによっても、スチームノズルを設けた場合と同様に図４に示す効果が得られる。この場合の特有の効果としては、負荷の増大により、炉下部に空気が供給されるので、酸素製造に必要な動力を低減できる点がある。
【００４５】
本発明のガス化炉を備えた複合発電システムの例を図６に示す。この発電システムは、石炭ガス化炉８２，ガスタービン８５，スチームタービン８７，石炭・酸化剤量制御手段９９，ガス化炉の反応領域制御手段９１などから構成されている。石炭ガス化炉８２で生成したガスは、脱塵装置８３及び脱硫装置８４を通過することで生成ガス中のダスト，硫黄分が除去され、ガスタービン８５で燃焼し発電する。この排ガスが排熱回収ボイラ８６を通過してスチームを生成しスチームタービン８７で発電する。この実施例では、ガス化炉８２で水からスチームを生成し、このスチームを排熱回収ボイラ８６へ送っている。ガスタービン８５のコンプレッサーで生成した加圧空気８９は、酸素製造装置８１に送られて窒素と酸素とに分離され、窒素は石炭ホッパー８０での加圧用窒素として使われ、酸素はガス化炉の酸化剤として使われる。加圧空気の一部は、ガス化炉の上下段の反応領域の大きさを変えるために、直接、ガス化炉の下段バーナ近傍からガス化炉へ供給されることもある。負荷指令１００に対応して反応領域制御手段９１で上下段バーナに供給する石炭の量を決定する。その信号を石炭・酸化剤量制御手段９９へ送り、上段バーナへ供給する石炭の供給量並びに酸化剤重量／石炭重量の比を決定し、下段バーナへ供給する石炭の供給量並びに酸化剤重量／石炭重量の比を決定する。そして、この信号に基づいて上段バーナの石炭量調整手段９２及び酸化剤量調整手段９４をコントロールし、下段バーナの石炭量調整手段９３及び酸化剤量調整手段９５をコントロールする。この場合の石炭供給量の算出は次式による。
【００４６】
上段石炭供給量＝Ｆ・（全石炭供給量）
下段石炭供給量＝全石炭供給量−上段石炭供給量
ここで関数Ｆは一般に傾きが負の一次式で示され、これは図２に示した実験値と実測値の熱バランスから算出される。この実施例の特有の効果は、ガスタービン８５のコンプレッサーで生成した加圧空気を用いるので、酸化剤や加圧用窒素の昇圧のエネルギーが削減でき、システム全体の効率が向上する点である。
【００４７】
図７は、炉壁を冷却水７１によって冷却する水例壁とした例である。水冷壁にすることにより、炉壁は十分に冷やされ、しかも溶融したスラグ５が炉壁の侵食を防ぐので炉材の信頼性が増し長寿命化できるという効果がある。
【００４８】
図８は、石炭ガス化燃料電池発電システムの構成図を示している。石炭ガス化炉８２で生成したガスは、脱塵装置８３及び脱硫装置８４を通過することで生成ガス中のダスト，硫黄分が除去され、燃料電池９０で発電する。空気は酸素製造装置８１に送られて窒素と酸素とに分離され、窒素は石炭ホッパー８０での加圧用窒素として使われ、酸素はガス化炉の酸化剤として使われる。石炭ガス炉の上下段の反応領域の大きさを負荷量に応じて制御する具体的なやり方は、ここでは図示を省略したが、図６と同じである。本実施例の特有の効果は、高効率な発電システムである燃料電池を用いることでシステム全体の効率が向上できる点である。
【００４９】
図９は、上段ノズル可動装置９７及び下段ノズル可動装置９８を設置した点にある。これによりノズル先端の断面積が変化し噴出速度を負荷変化量に合わせて変化させ一定のガス組成を得ることができる。本実施例特有の効果としては、機械的な操作だけで物質の供給には変化がないので、補助的な装置を必要とせずにシステムを単純化できる点がある。
【００５０】
図１０について説明する。このガス化炉は旋回流方式ではないので、上段反応領域を形成するために、上段バーナ２１は下向きに設置される。下段バーナ３１は対向方向に設置する。上段バーナ２１より供給する石炭量と下段バーナ３１より供給する石炭量の比率を変化させることにより、上下段の反応領域の大きさを変化させる。具体的には、全体の負荷量を増大させるにしたがい、下段バーナの石炭供給量を増加させ、上段バーナの石炭供給量を減少させる。本実施例の特有の効果は、炉内に旋回流を形成しない場合でも、上段及び下段の反応領域を可変にできることである。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、石炭ガス化炉内での熱損失を制御することにより、負荷変動に適切に対応させることができるようにした噴流層石炭ガス化炉を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す石炭ガス化炉の縦断面図。
【図２】上下段反応領域の大きさに及ぼす旋回力の影響を示すグラフ。
【図３】負荷量と酸素量／石炭量の比並びに石炭量との関係を示すグラフ。
【図４】（ａ），（ｂ）及び（ｃ）は、負荷量によって上下段反応領域の大きさが変化する状況を示す説明図。
【図５】本発明の他の実施例を示す石炭ガス化炉の部分縦断面図。
【図６】
本発明の実施例を示す石炭ガス化複合発電システムの構成図。
【図７】
本発明の他の実施例を示す石炭ガス化炉の部分縦断面図。
【図８】
本発明の他の実施例を示す石炭ガス化燃料電池発電システムの構成図。
【図９】
本発明の他の実施例を示す石炭ガス化炉の部分縦断面図。
【図１０】
本発明の他の実施例を示す石炭ガス化炉の部分縦断面図。
【符号の説明】
１…上段反応領域、２…下段反応領域、４…未燃チャー、５…溶融スラグ、 １１…ガス冷却室、１２…絞り部、１３…ガス化室、１４…スラグタップ、１５…スラグ冷却室、１６…スラグ水冷槽、２１…上段バーナ、２２，３２…酸素、２３，３３…石炭、３１…下段バーナ、４０…スチームノズル、４１…スチーム、５０…耐火壁、５１…ベッセル、８２…石炭ガス化炉、８５…ガスタービン、８７…スチームタービン、９０…燃料電池、９１…反応領域制御手段、９９…石炭・酸化剤量制御手段、１００…負荷指令。
【産業上の利用分野】
本発明は、噴流層石炭ガス化炉に係る。
【０００３】
【従来の技術】
石炭ガス化炉は、石炭を酸化剤である酸素或いは空気と高温で接触させることにより、水素，一酸化炭素，メタンなどで構成された可燃性ガスを生成する装置である。各種の石炭ガス化炉の中で、噴流層石炭ガス化炉は、石炭と酸化剤の反応を速やかに完結させて石炭のガス化効率を向上させ、同時に石炭中に含まれる灰分を溶融させて処理し石炭灰中に含まれる有害な金属を封じ込めることができることから、環境性に優れた反応炉型式である。
【０００４】
石炭ガス化炉では、負荷すなわち石炭処理量を変化させると、これによる熱損失が変化する。これは同一の炉では負荷を減少させても炉内の断面積は一定であり熱吸収量は変化しないが、処理量の減少により発生熱量が減るので相対的に熱損失の割合が大きくなるためであり、熱損失割合の変化により生成ガスの組成，発熱量も変化する。生成ガスの組成，発熱量等の特性の変化は、ガスタービンに於ては安定した燃焼が得られないし、燃料電池に於ては安定した性能が得られないので、システム全体の運用性，効率の低下及び信頼性の低下を引き起こす。また生成ガスの組成が一定しないことにより安定な状態に落ち着くまでに時間がかかり負荷追従性にも問題がある。
【０００５】
これらの問題に着目し、特開昭５９−１７２５８９号公報において、噴流層ガス化炉の上段バーナに供給する酸素量の石炭供給量に対する比を石炭灰の溶融温度を超えない値に設定し、下段バーナへ供給する酸素量の石炭供給量に対する比を上段バーナのそれよりも大きく設定して石炭灰の溶融温度を超えるようにした石炭ガス化方法が提案された。また、特開昭６３−２９７７３６号公報において、噴流層ガス化炉の上段と下段に石炭を１：１の割合で供給し、下段の酸化剤量／石炭量比を石炭の溶融点以上の温度を維持できる値で一定にし、上段の酸化剤量／石炭量比を上段付近の温度が石炭の溶融点を超えることがない範囲内で調節して、負荷変動に対応するようにした石炭ガス化方法が提案された。更に、特開平４−３４２８３２ 号公報において、石炭ガス化により発生したガスと液体燃料を混合することにより異常時への対応を図る方法が提案された。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭５９−１７２５８９号公報及び特開昭６３−２９７７３６号公報に記載された噴流層ガス化方法は、いずれも負荷変動に対応するために有効ではあるが、熱損失まで考慮していないので、負荷変動に適切に対応させるにはまだ問題がある。
【０００７】
特開平４−３４２８３２ 号公報に記載された方法は、補助施設が必要になり、装置が複雑化する。
【０００８】
本発明の目的は、石炭ガス化炉内での熱損失を制御することにより、負荷変動に適切に対応させることができるようにした噴流層石炭ガス化炉を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、ガス化室内の上段と下段の２系列に石炭と酸化剤を噴出して可燃性ガスを生成させるバーナを備え、該上下段バーナはガス化室の接線方向にそれぞれ複数個設けて旋回流が形成されるようにし、前記ガス化室の上部に断面積を減少させた生成ガス排出口を備え、下部に断面積を減少させたスラグ排出口を備え、前記上段バーナに供給する石炭及び酸化剤の割合を石炭灰の溶融温度を超えない値に設定し前記下段バーナに供給する石炭及び酸化剤の割合を石炭灰の溶融温度を超える値に設定する石炭・酸化剤量制御手段を備えた噴流層石炭ガス化炉において、負荷量である石炭処理量に応じて前記下段バーナへ供給する石炭量を変化させる手段と、負荷量に応じて前記下段バーナへ供給する酸化剤量と石炭量の比を変化させる手段と、前記上段バーナによって形成される上段反応領域と前記下段バーナによって形成される下段反応領域の割合を負荷量に応じて変化させ負荷量が大になるにつれて下段反応領域の割合を大きくする反応領域制御手段を備え、該反応領域制御手段として、前記上下段バーナによる旋回力の比を負荷量に応じて変化させ負荷量が大になるにつれて下段バーナによる旋回力を強める手段を備えたことを特徴とする噴流層石炭ガス化炉によって達成される。
【００１４】
また、ガス化室内の上段と下段の２系列に石炭と酸化剤を噴出して可燃性ガスを生成させるバーナを備え、該上下段バーナはガス化室の接線方向にそれぞれ複数個設けて旋回流が形成されるようにし、前記ガス化室の上部に断面積を減少させた生成ガス排出口を備え、下部に断面積を減少させたスラグ排出口を備え、前記上段バーナに供給する石炭及び酸化剤の割合を石炭灰の溶融温度を超えない値に設定し前記下段バーナに供給する石炭及び酸化剤の割合を石炭灰の溶融温度を超える値に設定する石炭・酸化剤量制御手段を備えた噴流層石炭ガス化炉において、負荷量である石炭処理量に応じて前記下段バーナへ供給する石炭量を変化させる手段と、負荷量に応じて前記下段バーナへ供給する酸化剤量と石炭量の比を変化させる手段と、前記上段バーナによって形成される上段反応領域と前記下段バーナによって形成される下段反応領域の割合を負荷量に応じて変化させ負荷量が大になるにつれて下段反応領域の割合を大きくする反応領域制御手段を備え、前記下段バーナの近傍に空気ノズルを備え、前記反応領域制御手段として、該空気ノズルへの空気供給量を負荷量に応じて変化させ負荷量が大になるにつれて空気供給量を多くする手段を備えたことを特徴とする噴流層石炭ガス化炉によって達成される。
【００２９】
本発明において共通している点は、石炭ガス化炉内で熱損失を積極的に制御することにより、生成ガスの発熱量を一定とすることにある。噴流層石炭ガス化方法では、炉壁と反応部との間に石炭による断熱層が形成される。この断熱層を負荷に応じて増減し、炉壁から逃げる熱量を制御し、常に一定の熱損失にすることで生成ガスの発熱量を一定にするものである。
【００３０】
【作用】
石炭の主なガス化反応は、以下の反応式で示される。
【００３１】
石炭 →揮発分（ＣＨ４，ＣＯ，Ｈ２等）＋チャー（Ｃ）…（１）
チャー（Ｃ）＋Ｈ２Ｏ →ＣＯ＋Ｈ２ …（２）
チャー（Ｃ）＋ＣＯ２ →２ＣＯ …（３）
（石炭，チャー）＋Ｏ２→ＣＯ＋ＣＯ２ …（４）
この内、（１），（２）、及び（３）式は吸熱反応、（４）式は発熱反応である。一般的には、最初に（１）式の反応で揮発分が生成し、チャーを発生させると同時に揮発分が燃焼して雰囲気の温度が上昇する。また、ほぼ同時に（４）式の反応で石炭と酸素とが直接反応し、やはり雰囲気の温度が上昇すると同時にＣＯ，ＣＯ２が発生する。揮発分の燃焼で生じたＨ２Ｏ，ＣＯ２は、高温雰囲気下で（２），（３）式で示されるようにチャーと反応して可燃性のガスであるＨ２ 及びＣＯを生成する。噴流層ガス化炉においては、反応の段階で石炭中の灰分を溶融するのに十分な温度にし、石炭中に含まれる灰を溶融させて液体状のスラグとして取り出しガラス状にして有害金属を封じ込めて炉より排出する。
【００３２】
噴流層ガス化炉における二段ガス化方式では、石炭ガス化炉の上段より石炭と少量の酸化剤，下段より石炭と大量の酸化剤を供給する。そして、下段ではスラグが溶融するのに十分な温度を保ち、上段では石炭中の灰分を溶融させない温度を保ってガス化反応を行わせる。これにより十分なガス化反応が行われ、しかも炉上部での灰分の炉壁固着を抑制できるので、灰のハンドリングと高効率とを両立させることができる。
【００３３】
この二段ガス化方式では、熱損失は、上下段のそれぞれの反応段階で決定される。両者とも発熱が起こる領域の炉内温度と表面温度及び表面積によって熱損失が決まるが、両者の反応段階が接触する面積の割合を変化させれば、熱損失割合を一定にすることができる。すなわち熱損失は概略的には次式によって決定される。
【００３４】
Ｑ＝ｋ・Ａ（Ｔ４−Ｔｗ４） …（５）
ここで、Ｑは吸熱量、Ａは表面積、Ｔは炉内温度、Ｔｗは炉内表面温度を表わす。ｋは輻射係数である。温度差が大きい場合には、吸熱量も多いので発熱反応が起こり、ガスの温度が高い下段において熱損失が全体の大部分を占めることになる。従って、最大負荷状態の場合と比較して低負荷の場合に、下段の反応領域に対応した伝熱面積を減少させ熱損失を少なくすれば、一定の熱損失割合が達成できる。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図１により説明する。
【００３６】
ガス化炉は、ベッセル５１で囲まれた耐火壁５０でできた円筒形の炉である。ガス化炉全体は、炉上部のガス冷却室１１と炉下部のスラグ冷却室１５及びガス化室１３とからなっている。ガス化室１３の炉壁には、上下２系列に石炭と酸化剤を噴出するバーナが設置されている。上段バーナ２１及び下段バーナ３１は、いずれも旋回流が形成されるように接線方向に設けることが望ましい。また、バーナの本数もそれぞれ複数本ずつ設けることが望ましい。上段バーナと下段バーナの旋回方向は、同一方向にすべきである。ガス化室とガス冷却室との間は、絞り部１２によって断面積が小さくなっている。また、ガス化室とスラグ冷却室との間すなわちスラグタップ１４も断面積が小さくなっている。スラグ冷却室には、スラグ水冷槽１６が設けられている。上段バーナ及び下段バーナには、石炭及び酸化剤が供給される。石炭には、細かく粉砕した微粉炭が用いられる。また、酸化剤には、酸素或いは空気が用いられる。この実施例では酸素を用いている。石炭をバーナまで搬送するために、窒素の如き不活性なガスを搬送ガスとして用いる。図１の符号２２は上段バーナへ供給する酸素を示しており、２３は石炭を示している。また、符号３２は下段バーナへ供給する酸素を示しており、３３は石炭を示している。上段バーナによって上段反応領域１が形成され、下段バーナによって下段反応領域２が形成される。この上下段の反応領域の大きさは、負荷量に応じて変えられる。なお図１では、上下段の反応境界を模擬的に符号３で示している。
【００３７】
上段バーナ２１からは、石炭及び酸化剤を、その比率が石炭中の灰分が溶融しないように設定して供給する。通常、石炭中の灰分の溶融点は１４００℃近辺或いはそれを若干超える程度であるから、１４００℃を超えないようにすると良い。また、下段バーナからは、石炭及び酸化剤を、その比率が石炭中の灰分が溶融するように設定して供給する。石炭量に対する酸化剤量の比率を高めることによって、反応領域の温度を高めることができる。特開昭５９−１７２５８９号公報には、上段バーナの酸素供給量／石炭供給量の比を０．３６〜０．３８（ｋｇ／ｋｇ）にすることによって上段バーナ付近の温度を１３１０℃にできることが記載され、また、下段バーナの酸素供給量／石炭供給量の比を１．２６〜１．２８（ｋｇ／ｋｇ）にすることによって下段バーナ付近の温度を１８８０℃にできることが記載されているが、本発明においても、上段バーナの酸素供給量／石炭供給量の比をこのように設定することができる。尚、上下段バーナ全体としては、負荷量の変動に関係なく酸素供給量／石炭供給量の比を常に一定に保つことが望ましい。
【００３８】
上段バーナの酸素と石炭の比率を灰の溶融点を超えないように設定することにより、ガス化室内の上部に灰の融点よりも低温の上段反応領域１が形成され、この領域の炉壁表面に未燃チャー４が滞留する。また、炉下部には灰の融点よりも高温の下段反応領域２が形成され、この領域の炉壁表面に溶融スラグ５が付着し、スラグ冷却室へと流れ落ちる。溶融スラグは、熱伝導率が高く、すでに溶融が終了しているので、それ自身には熱を吸収する機能がないので、下段反応領域２では熱損失が多い。
【００３９】
これに対し、上段反応領域１では、温度が低いので、炉壁からの熱損失は下段反応領域に較べれば少ない。また、上段反応領域の熱は最初に未燃チャー４に伝えられるが、この際に未燃チャーのガス化反応が進行して吸熱され、この熱が可燃性のガスに変換されるので、炉壁からの熱損失とはならない。
【００４０】
次に、この未燃チャー４の滞留領域を変化させることにより、伝熱面積を変化させる手法について説明する。同一の炉を使用するので全体の伝熱面積は一定であるが、熱損失が支配的な下段反応領域２に面した部分の面積割合を変化させることは可能である。図２に上段及び下段反応領域の大きさが変化する状況を示す。横軸には全旋回力に対する下段旋回力の割合を示し、縦軸には上段反応領域と下段反応領域の境界をそれぞれ無次元化して示す。旋回力は、バーナ噴出速度と噴出する質量速度及び旋回円半径の積として求めた。図２から明らかなように、下段の旋回力を増大させると、下段の反応領域が増大する。
【００４１】
図３に、上段バーナと下段バーナに供給する石炭の量及び酸素量／石炭量の比を、負荷量に伴って変えていく状況を示す。上段バーナへ供給する酸素の石炭量に対する割合は一定とし、上下段バーナ全体の酸素量に対する石炭量の割合も一定としている。図３の操作によって生じるガス化炉内の状態変化を図４に示す。負荷量を最大負荷の１００％，７５％，５０％と変化させるにつれて、上段バーナへ供給する石炭量を減少し、下段バーナへ供給する石炭量を多くしていくと、（ａ），（ｂ）及び（ｃ）に示すように上段反応領域が次第に大きくなり、熱吸収が大きい溶融スラグ５で覆われた下段反応領域が次第に小さくなる。これにより、炉全体への熱供給の減少にともない熱の吸収も減少されるので、熱損失は一定となり、炉の負荷が下がっても生成ガスの組成は変化しなくなる。なお、本実施例の特有の効果としては、図３に示すように、負荷が減少するにつれて、下段バーナへ供給する酸素の石炭量に対する割合が増加するので、炉下部の燃焼量が増えて温度の低下を防げ、スラグの流下に必要な温度を維持できるという点がある。
【００４２】
図５は、下段バーナの近傍にスチームジェットの供給で旋回力を付加できるスチームノズル４０を設置した例を示している。
【００４３】
負荷が低い状態では、通常の運転を行うが、負荷が増大したときにはスチーム４１を供給する。この操作は、図３の操作と並行して行ってもかまわない。これにより図４に示したのと同様の効果が得られる。本実施例の特有の効果としては、負荷の増大による炉下部の異常昇温をスチーム４１の供給により押さえると共に、スチーム自体が反応してガス化効率を向上させることができる点にある。
【００４４】
図５のスチームノズルに変えて空気ノズルを設置しても良い。これによっても、スチームノズルを設けた場合と同様に図４に示す効果が得られる。この場合の特有の効果としては、負荷の増大により、炉下部に空気が供給されるので、酸素製造に必要な動力を低減できる点がある。
【００４５】
本発明のガス化炉を備えた複合発電システムの例を図６に示す。この発電システムは、石炭ガス化炉８２，ガスタービン８５，スチームタービン８７，石炭・酸化剤量制御手段９９，ガス化炉の反応領域制御手段９１などから構成されている。石炭ガス化炉８２で生成したガスは、脱塵装置８３及び脱硫装置８４を通過することで生成ガス中のダスト，硫黄分が除去され、ガスタービン８５で燃焼し発電する。この排ガスが排熱回収ボイラ８６を通過してスチームを生成しスチームタービン８７で発電する。この実施例では、ガス化炉８２で水からスチームを生成し、このスチームを排熱回収ボイラ８６へ送っている。ガスタービン８５のコンプレッサーで生成した加圧空気８９は、酸素製造装置８１に送られて窒素と酸素とに分離され、窒素は石炭ホッパー８０での加圧用窒素として使われ、酸素はガス化炉の酸化剤として使われる。加圧空気の一部は、ガス化炉の上下段の反応領域の大きさを変えるために、直接、ガス化炉の下段バーナ近傍からガス化炉へ供給されることもある。負荷指令１００に対応して反応領域制御手段９１で上下段バーナに供給する石炭の量を決定する。その信号を石炭・酸化剤量制御手段９９へ送り、上段バーナへ供給する石炭の供給量並びに酸化剤重量／石炭重量の比を決定し、下段バーナへ供給する石炭の供給量並びに酸化剤重量／石炭重量の比を決定する。そして、この信号に基づいて上段バーナの石炭量調整手段９２及び酸化剤量調整手段９４をコントロールし、下段バーナの石炭量調整手段９３及び酸化剤量調整手段９５をコントロールする。この場合の石炭供給量の算出は次式による。
【００４６】
上段石炭供給量＝Ｆ・（全石炭供給量）
下段石炭供給量＝全石炭供給量−上段石炭供給量
ここで関数Ｆは一般に傾きが負の一次式で示され、これは図２に示した実験値と実測値の熱バランスから算出される。この実施例の特有の効果は、ガスタービン８５のコンプレッサーで生成した加圧空気を用いるので、酸化剤や加圧用窒素の昇圧のエネルギーが削減でき、システム全体の効率が向上する点である。
【００４７】
図７は、炉壁を冷却水７１によって冷却する水例壁とした例である。水冷壁にすることにより、炉壁は十分に冷やされ、しかも溶融したスラグ５が炉壁の侵食を防ぐので炉材の信頼性が増し長寿命化できるという効果がある。
【００４８】
図８は、石炭ガス化燃料電池発電システムの構成図を示している。石炭ガス化炉８２で生成したガスは、脱塵装置８３及び脱硫装置８４を通過することで生成ガス中のダスト，硫黄分が除去され、燃料電池９０で発電する。空気は酸素製造装置８１に送られて窒素と酸素とに分離され、窒素は石炭ホッパー８０での加圧用窒素として使われ、酸素はガス化炉の酸化剤として使われる。石炭ガス炉の上下段の反応領域の大きさを負荷量に応じて制御する具体的なやり方は、ここでは図示を省略したが、図６と同じである。本実施例の特有の効果は、高効率な発電システムである燃料電池を用いることでシステム全体の効率が向上できる点である。
【００４９】
図９は、上段ノズル可動装置９７及び下段ノズル可動装置９８を設置した点にある。これによりノズル先端の断面積が変化し噴出速度を負荷変化量に合わせて変化させ一定のガス組成を得ることができる。本実施例特有の効果としては、機械的な操作だけで物質の供給には変化がないので、補助的な装置を必要とせずにシステムを単純化できる点がある。
【００５０】
図１０について説明する。このガス化炉は旋回流方式ではないので、上段反応領域を形成するために、上段バーナ２１は下向きに設置される。下段バーナ３１は対向方向に設置する。上段バーナ２１より供給する石炭量と下段バーナ３１より供給する石炭量の比率を変化させることにより、上下段の反応領域の大きさを変化させる。具体的には、全体の負荷量を増大させるにしたがい、下段バーナの石炭供給量を増加させ、上段バーナの石炭供給量を減少させる。本実施例の特有の効果は、炉内に旋回流を形成しない場合でも、上段及び下段の反応領域を可変にできることである。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、石炭ガス化炉内での熱損失を制御することにより、負荷変動に適切に対応させることができるようにした噴流層石炭ガス化炉を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す石炭ガス化炉の縦断面図。
【図２】上下段反応領域の大きさに及ぼす旋回力の影響を示すグラフ。
【図３】負荷量と酸素量／石炭量の比並びに石炭量との関係を示すグラフ。
【図４】（ａ），（ｂ）及び（ｃ）は、負荷量によって上下段反応領域の大きさが変化する状況を示す説明図。
【図５】本発明の他の実施例を示す石炭ガス化炉の部分縦断面図。
【図６】
本発明の実施例を示す石炭ガス化複合発電システムの構成図。
【図７】
本発明の他の実施例を示す石炭ガス化炉の部分縦断面図。
【図８】
本発明の他の実施例を示す石炭ガス化燃料電池発電システムの構成図。
【図９】
本発明の他の実施例を示す石炭ガス化炉の部分縦断面図。
【図１０】
本発明の他の実施例を示す石炭ガス化炉の部分縦断面図。
【符号の説明】
１…上段反応領域、２…下段反応領域、４…未燃チャー、５…溶融スラグ、 １１…ガス冷却室、１２…絞り部、１３…ガス化室、１４…スラグタップ、１５…スラグ冷却室、１６…スラグ水冷槽、２１…上段バーナ、２２，３２…酸素、２３，３３…石炭、３１…下段バーナ、４０…スチームノズル、４１…スチーム、５０…耐火壁、５１…ベッセル、８２…石炭ガス化炉、８５…ガスタービン、８７…スチームタービン、９０…燃料電池、９１…反応領域制御手段、９９…石炭・酸化剤量制御手段、１００…負荷指令。
Claims (2)
- ガス化室内の上段と下段の２系列に石炭と酸化剤を噴出して可燃性ガスを生成させるバーナを備え、該上下段バーナはガス化室の接線方向にそれぞれ複数個設けて旋回流が形成されるようにし、前記ガス化室の上部に断面積を減少させた生成ガス排出口を備え、下部に断面積を減少させたスラグ排出口を備え、前記上段バーナに供給する石炭及び酸化剤の割合を石炭灰の溶融温度を超えない値に設定し前記下段バーナに供給する石炭及び酸化剤の割合を石炭灰の溶融温度を超える値に設定する石炭・酸化剤量制御手段を備えた噴流層石炭ガス化炉において、
負荷量である石炭処理量に応じて前記下段バーナへ供給する石炭量を変化させる手段と、負荷量に応じて前記下段バーナへ供給する酸化剤量と石炭量の比を変化させる手段と、前記上段バーナによって形成される上段反応領域と前記下段バーナによって形成される下段反応領域の割合を負荷量に応じて変化させ負荷量が大になるにつれて下段反応領域の割合を大きくする反応領域制御手段を備え、該反応領域制御手段として、前記上下段バーナによる旋回力の比を負荷量に応じて変化させ負荷量が大になるにつれて下段バーナによる旋回力を強める手段を備えたことを特徴とする噴流層石炭ガス化炉。 - ガス化室内の上段と下段の２系列に石炭と酸化剤を噴出して可燃性ガスを生成させるバーナを備え、該上下段バーナはガス化室の接線方向にそれぞれ複数個設けて旋回流が形成されるようにし、前記ガス化室の上部に断面積を減少させた生成ガス排出口を備え、下部に断面積を減少させたスラグ排出口を備え、前記上段バーナに供給する石炭及び酸化剤の割合を石炭灰の溶融温度を超えない値に設定し前記下段バーナに供給する石炭及び酸化剤の割合を石炭灰の溶融温度を超える値に設定する石炭・酸化剤量制御手段を備えた噴流層石炭ガス化炉において、
負荷量である石炭処理量に応じて前記下段バーナへ供給する石炭量を変化させる手段と、負荷量に応じて前記下段バーナへ供給する酸化剤量と石炭量の比を変化させる手段と、前記上段バーナによって形成される上段反応領域と前記下段バーナによって形成される下段反応領域の割合を負荷量に応じて変化させ負荷量が大になるにつれて下段反応領域の割合を大きくする反応領域制御手段を備え、前記下段バーナの近傍に空気ノズルを備え、前記反応領域制御手段として、該空気ノズルへの空気供給量を負荷量に応じて変化させ負荷量が大になるにつれて空気供給量を多くする手段を備えたことを特徴とする噴流層石炭ガス化炉。
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