JP3820142B2 - 可燃ガス発生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭をガス化して可燃ガスを発生させ、発生した可燃ガスから粒子を分離する粒子分離装置を備える可燃ガス発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の統合型ガス化炉は、それぞれ流動媒体により流動床の形成されたガス化室と、チャー燃焼室とを含んで構成されていた。ガス化室には、石炭が投入され、投入された石炭は、流動媒体の顕熱によりガス化され、可燃ガスが発生する。
【０００３】
石炭のガス化により発生したチャーおよび流動媒体は、ガス化室からチャー燃焼室に送られ、チャー燃焼室でチャーが燃焼され、チャーの燃焼により流動媒体に顕熱が与えられる。また、チャーの燃焼により燃焼ガスが発生する。顕熱が与えられた流動媒体は高温となり、沈降チャー燃焼室を経てガス化室に戻される。高温の流動媒体によりガス化室でさらに石炭のガス化が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような統合型ガス化炉によれば、取り扱いの対象となるガス系統が可燃ガス系と燃焼ガス系の２系統となり、可燃ガス用と燃焼ガス用との２つの配管設備が必要となり、設備費が増大する。また、ガス化室の圧力とチャー燃焼室の圧力との差を所定の値に抑える必要が生じるため、ガス化室およびチャー燃焼室各室における圧力の制御が高度化する。
【０００５】
そこで、本発明は取り扱いの対象となるガス系統の数を減少させることができ、設備費を減少させることができ、制御が単純であり簡易である可燃ガス発生装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による可燃ガス発生装置１は、例えば図１、図４に示すように、発電用ガスタービンにガスを供給する可燃ガス発生装置において、高温の流動媒体を内部で流動させ、第１の界面７２を有するガス化室流動床８２を形成し、ガス化室流動床８２内で石炭ａを加圧下でガス化して可燃ガスｂを生成するガス化室２と；流動媒体を内部で流動させ、第２の界面７３を有するチャー燃焼室流動床８３を形成し、ガス化室２でのガス化に伴い発生するチャーをチャー燃焼室流動床８３内で加圧下で燃焼させ前記流動媒体を加熱するチャー燃焼室３とを備え；ガス化室２とチャー燃焼室３とは一体に構成され；ガス化室２とチャー燃焼室３を仕切る第１の仕切壁１５の、前記第１および第２の界面７２、７３よりも下方には、ガス化室２とチャー燃焼室３とを連通する第１の開口部２５が設けられ；第１の開口部２５を通じて、チャー燃焼室３側からガス化室２側へチャー燃焼室３で加熱された流動媒体を移動させるように構成され；ガス化室２とチャー燃焼室３を仕切る第２の仕切壁１１の、前記第１および第２の界面７２、７３よりも上方には、ガス化室２とチャー燃焼室３とを連通する第２の開口部２７が設けられ；第２の開口部２７を通じて、ガス化室２側からチャー燃焼室３側へガス化室２で生成された可燃ガスｂを移動させ、チャー燃焼室３でチャーの燃焼の結果発生する燃焼ガスｕとを、チャー燃焼室３で合流させるように構成され；さらに、合流した混合ガスｇに同伴された粒子ｃをガスと分離する第１の分離装置４３であって、混合ガスｇを燃焼させることなく導入し処理する第１の分離装置４３を備え；第１の分離装置４３が、粒子ｃの分離された混合ガスｇを、発電機５７を駆動するガスタービン５５に供給するガス供給口４７を有する。
【０００７】
このように構成すると、可燃ガスｂを第２の開口部２７を通じてチャー燃焼室３に移動させ、可燃ガスｂと、燃焼ガスｕとをチャー燃焼室３で合流し混合ガスｇとするように構成され、第１の分離装置４３が、粒子ｃの分離された混合ガスｇを、発電機５７を駆動するガスタービン５５に供給するガス供給口４７を有するので、粒子ｃの分離された混合ガスｇをガス供給口４７からガスタービン５５に供給することができる。さらに、取り扱いの対象となるガス系統を混合ガス系統とし、取り扱いの対象となるガス系統の数を減少させ１つとすることができ、取り扱うガスを導く配管設備も１つとすることができ、設備費を減少させることができる。また、圧力制御の対象となるガス系統を混合ガス系統１つとすることができるので、圧力制御を単純で簡易なものとすることができる。
【０００８】
また、ガス化室２とチャー燃焼室３とは一体に構成されているので、ガス化室２とチャー燃焼室３との間で流動媒体の取り扱いが楽に行える。また、チャー燃焼室３側からガス化室２側へチャー燃焼室３で加熱された流動媒体を移動させるように構成されるので、ガス化室２で連続して石炭ａのガス化が行える。第１および第２の界面７２、７３よりも上方には、第２の開口部２７が設けられ、第２の開口部２７を通じて、ガス化室２側からチャー燃焼室３側へ可燃ガスｂを移動させ、チャー燃焼室３で燃焼ガスｕと可燃ガスｂとを合流させるように構成されているので、ガス化室２とチャー燃焼室３の差圧制御が不要になる。
【０００９】
請求項２に係る発明による可燃ガス発生装置１０１は、請求項１に記載の可燃ガス発生装置１において、例えば図２に示すように、ガス化室１０２内に設置され、ガス化室１０２で発生したガスｂと該ガスｂ中の粒子ｃとを分離する第２の分離装置１３１を備える。
【００１０】
このように構成すると、第２の分離装置１３１をガス化室１０２内に備えるので、ガス化室１０２内で発生し可燃ガスｂ中に含まれるチャーの分離をより確実に行うことができる。分離された粒子ｃは、典型的にはチャー燃焼室１０３のガス合流部より上流側に移送するように構成されている。
【００１１】
請求項３に係る発明による可燃ガス発生装置１は、請求項２に記載の可燃ガス発生装置１において、例えば図３に示すように、第２の分離装置１３１が、サイクロン式分離装置である。サイクロン式分離装置１３１であるので、可燃ガスｂ（図１）の広い温度範囲で使用が可能である。また、構造が単純であり、目づまりを起こしにくい
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る可燃ガス発生装置としての統合型ガス化炉１について、図１を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１３】
図１は、本発明のうちのガス化炉部分の基本的な構成を模式的に表現したものである。図に示す統合型ガス化炉１は、熱分解即ちガス化、チャー燃焼、熱回収の３つの機能をそれぞれ担当するガス化室２、チャー燃焼室３、熱回収室４を備え、例えば全体が円筒形又は矩形を成した炉体内に収納されている。チャー燃焼室３は、ガス化室２に隣接して一体に形成されている。
【００１４】
ガス化室２、チャー燃焼室３、熱回収室４は仕切壁１１、１２、１３、１４、１５で分割されており、流動媒体を有する濃厚層を含む流動床がそれぞれの底部に形成される。すなわち、各室２、３、４の底である炉底には、流動媒体中に流動化ガスを吹き込む散気装置が設けられている。このため、流動化ガスによって各室２、３、４の流動媒体を流動させ、ガス化室２に第１の界面としての界面７２を有するガス化室流動床８２、チャー燃焼室３に第２の界面としての界面７３を有するチャー燃焼室流動床８３、熱回収室４に第３の界面としての界面７４を有する熱回収室流動床８４が形成される。散気装置は炉底部に敷かれた例えば多孔板を含んで構成され、該多孔板を広さ方向に分割して複数の部屋に分割されており、各室内の各部の空塔速度を変えるために、散気装置の各部屋から多孔板を通して吹き出す流動化ガスの流速を変化させるように構成している。空塔速度が室の各部で相対的に異なるので各室２、３、４内の流動媒体も室２、３、４の各部で流動状態が異なり、そのため内部旋回流が形成される。図中、散気装置に示す白抜き矢印の大きさは、吹き出される流動化ガスの流速を示している。例えば３ｂで示す箇所の太い矢印は、３ａで示す箇所の細い矢印よりも流速が大きい。
【００１５】
ガス化室２とチャー燃焼室３の間は第２の仕切壁としての仕切壁１１で仕切られ、チャー燃焼室３と熱回収室４の間は仕切壁１２で仕切られ、ガス化室２と熱回収室４の間は仕切壁１３で仕切られている（なお本図は、円筒形の炉を平面的に展開して図示しているため、仕切壁１１はガス化室２とチャー燃焼室３の間にはないかのように示されている）。即ち、別々の炉として構成されておらず、一つの炉として一体に構成されている。更に、チャー燃焼室３のガス化室２と接する面の近傍には、流動媒体が下降するべく沈降チャー燃焼室５を設ける。即ち、チャー燃焼室３は沈降チャー燃焼室５と、沈降チャー燃焼室５以外のチャー燃焼室本体部とに分かれる。このため、沈降チャー燃焼室５をチャー燃焼室の他の部分（チャー燃焼室本体部）と仕切るための仕切壁１４が設けられている。沈降チャー燃焼室５とチャー燃焼室の他の部分（チャー燃焼室本体部）とは、同じ加圧下にある。また沈降チャー燃焼室５とガス化室２は、第１の仕切壁としての仕切壁１５で仕切られている。
【００１６】
ここで、各流動床８２、８３、８４と界面７２、７３、７４について説明する。流動床８２、８３、８４は、その鉛直方向下方部にある、流動化ガスにより流動状態に置かれている流動媒体（例えば珪砂）を濃厚に含む濃厚層と、その濃厚層の鉛直方向上方部にある流動媒体と多量のガスが共存し、流動媒体が勢いよくはねあがっているスプラッシュゾーンとからなる。流動床８２、８３、８４の上方即ちスプラッシュゾーンの上方には流動媒体をほとんど含まずガスを主体とするフリーボード部がある。本発明でいう界面は、ある厚さをもった前記スプラッシュゾーンの上面をいう。なお、フリーボード部は、界面より上方の部分をいう。
【００１７】
ガス化室２とチャー燃焼室３の間の仕切壁１１の上部であって界面７２、７３より上方には第２の開口部としての開口部２７が形成されている。仕切壁１１は、炉の天井１９から炉底（散気装置の多孔板）に向かって開口部２７を除いてほぼ全面的に仕切っているが、下端は炉底に接することはなく、炉底近傍に開口部２１が形成されている。但しこの開口部２１の上端が、ガス化室流動床８２の界面７２、チャー燃焼室流動床８３の界面７３のいずれの界面７２、７３を越えることはない。さらに好ましくは、開口部２１の上端が、ガス化室流動床８２の濃厚層の上面、チャー燃焼室流動床８３の濃厚層の上面のいずれよりも上方にまで達することはないようにする。言い換えれば、開口部２１は、常に濃厚層に潜っているように構成するのが好ましい。即ち、ガス化室２とチャー燃焼室３とは、少なくともフリーボード部においては、ガスの流通が開口部２７以外では生じないように仕切壁１１、１５により仕切られている。さらに言えば、開口部２７を除けば、界面７２、７３より上方においては、さらに好ましくは濃厚層の上面より上方ではガスの流通が生じないように仕切壁１１、１５により仕切られていることになる。
【００１８】
またチャー燃焼室３と熱回収室４の間の仕切壁１２はその上端が界面７３下方近傍、即ち濃厚層の上面よりは上方であるが、流動床８３のスプラッシュゾーンの上面よりは下方に位置しており、仕切壁１２の下端は炉底近傍までであり、仕切壁１１と同様に下端が炉底に接することはなく、炉底近傍に濃厚層の上面より上方に達することのない開口部２２が形成されている。
【００１９】
沈降チャー燃焼室５を設けるべくチャー燃焼室３内を仕切る仕切壁１４の上端は流動床８３の界面７３近傍で、下端は炉底に接している。仕切壁１４の上端と流動床８３との関係は、仕切壁１２と流動床８３との関係と同様である。沈降チャー燃焼室５とガス化室２を仕切る仕切壁１５は、開口部２７を考慮しなければ仕切壁１１と同様であり、炉の天井１９から炉底に向かってほぼ全面的に仕切っているが、下端は炉底に接することはなく、炉底近傍に開口部２１が形成され、この開口部２１の上端が濃厚層の上面より下にある。この開口部２１と流動床８２の関係は、後述の開口部２５と、沈降チャー燃焼室５に形成される流動床８５との関係と同様である。
【００２０】
ガス化室２に投入された石炭ａは流動媒体から熱を受け、加圧下で熱分解、ガス化される。典型的には、石炭ａはガス化室２では燃焼せず、いわゆる乾留される。残った乾溜チャーは流動媒体と共に仕切壁１１の下部にある開口部２１からチャー燃焼室３に流入する。このようにしてガス化室２から導入されたチャーはチャー燃焼室３で加圧下で燃焼して流動媒体を加熱する。チャー燃焼室３でチャーの燃焼熱によって加熱された流動媒体は仕切壁１２の上端を越えて加圧下の熱回収室４に流入し、熱回収室４内で界面７４よりも下方にあるように配設された層内伝熱管４１で収熱され、冷却された後、再び仕切壁１２の下部の開口部２２を通ってチャー燃焼室３に流入する。なお、加圧下とは、大気圧よりも高い圧力であることを意味する。
【００２１】
ここで、熱回収室４は本発明の石炭ａのガス化システムに必須ではない。即ち、ガス化室２で主として揮発成分がガス化した後に残る主としてカーボンからなるチャーの量と、チャー燃焼室３で流動媒体を加熱するのに必要とされるチャーの量がほぼ等しければ、流動媒体から熱を奪うことになる熱回収室４は不要である。また前記チャーの量の差が小さければ、例えば、ガス化室２でのガス化温度が高目になり、ガス化室２で発生するＣＯガスの量が増えるという形で、バランス状態が保たれる。
【００２２】
しかしながら図に示すように熱回収室４を備える場合は、熱回収室４における熱回収量を加減することにより、チャー燃焼室３の燃焼温度を適切に調節し、流動媒体の温度を適切に保つことができる。
【００２３】
一方チャー燃焼室３で加熱された流動媒体は仕切壁１４の上端を越えて沈降チャー燃焼室５に流入し、次いで仕切壁１５の下部にある第１の開口部としての開口部２５からガス化室２に流入する。
【００２４】
ここで、各室間の流動媒体の流動状態及び移動について説明する。
ガス化室２の内部で沈降チャー燃焼室５との間の仕切壁１５に接する面の近傍は、沈降チャー燃焼室５の流動化と比べて強い流動化状態が維持される強流動化域２ｂになっている。全体としては投入された石炭ａと流動媒体の混合拡散が促進される様に、場所によって流動化ガスの空塔速度を変化させるのが良く、一例として図に示したように強流動化域２ｂの他に弱流動化域２ａを設けて旋回流を形成させるようにする。
【００２５】
チャー燃焼室３は中央部に弱流動化域３ａ、周辺部に強流動化域３ｂを有し、流動媒体およびチャーが内部旋回流を形成している。ガス化室２、チャー燃焼室３内の強流動化域２ｂ、３ｂの流動化速度は５Umf以上、弱流動化域２ａ、３ａの流動化速度は５Umf以下とするのが好適であるが、弱流動化域２ａ、３ａと強流動化域２ｂ、３ｂに相対的な明確な差を設ければ、この範囲を超えても特に差し支えはない。チャー燃焼室３内の熱回収室４、および沈降チャー燃焼室５に接する部分には強流動化域３ｂを配するようにするのがよい。また必要に応じて炉底には弱流動化域２ａ、３ａ側から強流動化域２ｂ、３ｂ側に下るような勾配を設けるのが良い（不図示）。ここで、Umfとは最低流動化速度（流動化が開始される速度）を１Umfとした単位である。即ち、５Umfは最低流動化速度の５倍の速度である。
【００２６】
このように、チャー燃焼室３と熱回収室４との仕切壁１２近傍のチャー燃焼室３側の流動化状態を熱回収室４側の流動化状態よりも相対的に強い流動化状態に保つことによって、流動媒体は仕切壁１２の流動床８３の界面７３近傍にある上端を越えてチャー燃焼室３側から熱回収室４の側に流入し、流入した流動媒体は熱回収室４内の相対的に弱い流動化状態即ち高密度状態のために下方（炉底方向）に移動し、仕切壁１２の炉底近傍にある下端（の開口部２２）をくぐって熱回収室４側からチャー燃焼室３の側に移動する。
【００２７】
同様に、チャー燃焼室３の本体部と沈降チャー燃焼室５との仕切壁１４近傍のチャー燃焼室本体部側の流動化状態を沈降チャー燃焼室５側の流動化状態よりも相対的に強い流動化状態に保つことによって、流動媒体は仕切壁１４の流動床８３の界面７３近傍にある上端を越えてチャー燃焼室３本体部の側から沈降チャー燃焼室５の側に移動流入する。沈降チャー燃焼室５の側に流入した流動媒体は、沈降チャー燃焼室５内の相対的に弱い流動化状態即ち高密度状態のために下方（炉底方向）に移動し、仕切壁１５の炉底近傍にある下端（の開口部２５）をくぐって沈降チャー燃焼室５側からガス化室２側に移動する。なおここで、ガス化室２と沈降チャー燃焼室５との仕切壁１５近傍のガス化室２側の流動化状態は沈降チャー燃焼室５側の流動化状態よりも相対的に強い流動化状態に保たれている。このことは流動媒体の沈降チャー燃焼室５からガス化室２への移動を誘引作用により助ける。
【００２８】
同様に、ガス化室２とチャー燃焼室３との間の仕切壁１１近傍のチャー燃焼室３側の流動化状態はガス化室２側の流動化状態よりも相対的に強い流動化状態に保たれている。したがって、流動媒体は仕切壁１１の流動床８２の界面７２より下方、好ましくは濃厚層の上面よりも下方にある（濃厚層に潜った）開口部２１を通してチャー燃焼室３の側に流入する。
【００２９】
チャー燃焼室３と熱回収室４とは、上端が界面７３の高さ近傍にあり下端が濃厚層に潜った仕切壁１２で仕切られており、仕切壁１２近傍のチャー燃焼室３側の流動化状態が、仕切壁１２近傍の熱回収室４側の流動化状態よりも強く保たれている。したがって、流動媒体は仕切壁１２の上端を越えてチャー燃焼室３側から熱回収室４側に流入移動し、また仕切壁１２の下端をくぐって熱回収室４側からチャー燃焼室３側に移動する。
【００３０】
また、チャー燃焼室３とガス化室２とは、下端が濃厚層に潜った仕切壁１５により仕切られており、仕切壁１５のチャー燃焼室３側には、上端が界面７３の高さ近傍にある仕切壁１４と、仕切壁１５を含む仕切壁とで画成された沈降チャー燃焼室５が設けられ、仕切壁１４近傍のチャー燃焼室３本体部側の流動化状態が、仕切壁１４近傍の沈降チャー燃焼室５側の流動化状態よりも強く保たれている。したがって、流動媒体は仕切壁１４の上端を越えてチャー燃焼室３の本体部側から沈降チャー燃焼室５側に流入移動する。このように構成することにより沈降チャー燃焼室５に流入した流動媒体は少なくともマスバランスを保つように、仕切壁１５の下端をくぐって沈降チャー燃焼室５からガス化室２に移動する。このとき、仕切壁１５近傍のガス化室２側の流動化状態が、仕切壁１５近傍の沈降チャー燃焼室５側の流動化状態よりも強く保たれていれば、誘引作用により流動媒体の移動が促進される。
【００３１】
さらにガス化室２とチャー燃焼室３本体部とは、下端が濃厚層に潜った仕切壁１１で仕切られている。沈降チャー燃焼室５からガス化室２に移動してきた流動媒体は、さきのマスバランスを保つように仕切壁１１の下端をくぐってチャー燃焼室３に移動するが、このとき、仕切壁１１近傍のチャー燃焼室３側の流動化状態が、仕切壁１１近傍のガス化室２側の流動化状態よりも強く保たれていれば、さきのマスバランスを保つようにだけではなく、強い流動化状態により流動媒体はチャー燃焼室３側に誘引され移動する。
【００３２】
熱回収室４は全体が均等に流動化され、通常は最大でも熱回収室４に接したチャー燃焼室３の流動化状態より弱い流動化状態となるように維持される。したがって、熱回収室４の流動化ガスの空塔速度は０〜３Umfの間で制御され、流動媒体は緩やかに流動しながら沈降流動層を形成する。なおここで０Umfとは、流動化ガスが止まった状態である。このような状態にすれば、熱回収室４での熱回収を最小にすることができる。すなわち、熱回収室４は流動媒体の流動化状態を変化させることによって回収熱量を最大から最小の範囲で任意に調節することができる。また、熱回収室４では、流動化を室全体で一様に発停あるいは強弱を調節してもよいが、その一部の領域の流動化を停止し他を流動化状態に置くこともできるし、その一部の領域の流動化状態の強弱を調節してもよい。
【００３３】
ガス化室２の流動化ガスとして最も好ましいのは可燃ガスｂを昇圧してリサイクル使用することである。このようにすればガス化室２から出るガスは純粋に石炭ａから発生したガスのみとなり、非常に高品質のガスを得ることができる。それが不可能な場合は水蒸気等、できるだけ酸素を含まないガス（無酸素ガス）を用いるのが良い。ガス化の際の吸熱反応によって流動媒体の層温が低下する場合は、必要に応じて無酸素ガスに加えて、酸素もしくは酸素を含むガス、例えば空気を供給して可燃ガスの一部を燃焼させるようにしても良い。チャー燃焼室３に供給する流動化ガスは、チャー燃焼に必要な酸素を含むガス、例えば空気、酸素と蒸気の混合ガスを供給する。また熱回収室４に供給する流動化ガスは、空気、水蒸気、燃焼排ガス等を用いる。
【００３４】
ガス化室２とチャー燃焼室３の流動床８２、８３の上面（スプラッシュゾーンの上面）より上方の部分すなわち界面７２、７３の上方であるフリーボード部は完全に仕切壁１１、１５で仕切られている（但し、開口部２７を除く）。さらに言えば、流動床８２、８３の濃厚層の上面より上方の部分すなわちスプラッシュゾーン及びフリーボード部は完全に仕切壁１１、１５で仕切られている（但し、同様に開口部２７を除く）ので、チャー燃焼室３とガス化室２のそれぞれの圧力P1，P2のバランスが多少乱れても、流動媒体の状態にのみ着目して論ずれば、双方の流動層の界面７２、７３の位置の差、あるいは濃厚層の上面の位置の差、即ち層高差が多少変化するだけで乱れを吸収することができる。即ち、ガス化室２とチャー燃焼室３とは、仕切壁１１、１５で仕切られているので、それぞれの室の圧力P1，P2が変動しても、流動媒体の状態にのみ着目して論ずれば、この圧力差は層高差で吸収でき、どちらかの層が開口部２１、２５の上端に下降するまで吸収可能である。したがって、層高差で吸収できるチャー燃焼室３とガス化室２のフリーボードの圧力差の上限値は、互いを仕切る仕切壁１１、１５の下部の開口部２１、２５の上端からの、ガス化室流動床８２のヘッドと、チャー燃焼室流動床８３のヘッドとのヘッド差にほぼ等しい。開口部２７を通るガスの流れについては、後述する。
【００３５】
以上説明した実施の形態の統合型ガス化炉１では、一つの流動床炉の内部に、ガス化室２、チャー燃焼室３、熱回収室４の３つを、それぞれ隔壁を介して設け、更にチャー燃焼室３とガス化室２、チャー燃焼室３と熱回収室４はそれぞれ隣接して設けられている。この統合型ガス化炉１は２塔循環方式の炉と違って、チャー燃焼室３とガス化室２間に大量の流動媒体循環を可能にしているので、流動媒体の顕熱だけでガス化のための熱量を充分に供給でき、改良型加圧流動床炉を用いた発電システムの原則である、できるだけ少量の、且つ発熱量の高い可燃ガスを得ることが最も容易に実現できる。
【００３６】
また、熱媒体としての流動媒体とチャーはガス化室２側からチャー燃焼室３側に流入するようになっており、さらに同量の流動媒体がチャー燃焼室３側からガス化室２側に戻るように構成されているので、自然にマスバランスがとれ、流動媒体をチャー燃焼室３側からガス化室２側に戻すために、コンベヤ等を用いて機械的に搬送する必要もなく、高温粒子のハンドリングの困難さ、顕熱ロスが多いといった問題もない。
【００３７】
以上説明したように、本発明の実施の形態では、図１に示すように、１つの流動床炉内に、石炭ａの熱分解・ガス化、チャー燃焼、及び層内熱回収の３つの機能を共存させ、チャー燃焼室３内の高温流動媒体を熱分解・ガス化の熱源供給の熱媒体としてガス化室２に供給する統合型ガス化炉１において、前記ガス化室２と熱回収室４は互いに接しないように配置するか、もしくは仕切壁１３によって炉底から天井１９にわたって完全に仕切るかし、且つガス化室２とチャー燃焼室３は流動床８２、８３の界面７２、７３より上方においては完全に仕切壁１１で仕切り（但し、開口部２７を除く）、該仕切壁１１近傍のガス化室２側の流動化状態の強さとチャー燃焼室３側の流動化状態の強さとの相対的な関係を所定の関係に保つことによって、当該仕切壁１５の炉底近傍に設けた開口部２５を通じて、チャー燃焼室３側からガス化室２側へ流動媒体を移動させるように構成されている。また、ガス化室２側からチャー燃焼室３側へチャーを含んだ流動媒体を開口部２１を通じて移動させるように構成されている。
【００３８】
次に、各室間のガスの流れについて説明する。ガス化室２で生成されたガスとしての可燃ガスｂは、仕切壁１１のフリーボード部に対応する箇所（界面７２、７３より上方）に形成された開口部２７からチャー燃焼室３および熱回収室４の上部に入り込み燃焼ガスｕと混合し、混合ガスｇとなる。混合ガスｇは、可燃ガスｂが燃焼ガスｕにより希釈されたガスであり、一種の可燃ガスであるが、希釈前の可燃ガスｂと区別するため混合ガスと呼ぶことにする。燃焼ガスｕの酸素濃度を重量％で１％以下、好ましくは０．５％以下になるようにするとよい。混合ガスｇは、チャー燃焼室３の天井１９のフリーボード部に対応する箇所（界面７２、７３より上方）に形成された開口部２８から炉体外に配置された第１の分離装置としての、集塵装置４３に導かれる。
【００３９】
集塵装置４３は、混合ガスｇを導入する入口部４４と、混合ガスｇに同伴し、集塵装置４３で分離された粒子ｃを排出する粒子排出口４５と、粒子ｃが分離された混合ガスｇを供給するガス供給口４７とを備える。入口部４４は、開口部２８に、配管３７により接続されている。
【００４０】
よって、集塵装置４３のガス供給口４７からは、粒子ｃが除去された混合ガスｇが排出される。粒子排出口４５からは、ガス化室２で生成された可燃ガスｂとチャー燃焼室３で燃焼により生成された燃焼ガスｕが混合した混合ガスｇから、集塵装置４３によって分離された粒子ｃが排出される。集塵装置４３を出た、粒子ｃが分離された混合ガスｇは、混合ガスｇを利用する発電用のガスタービン５５（図４参照）に送られる。
【００４１】
集塵装置４３は、粒子ｃを含む混合ガスｇをセラミックフィルターあるいは耐熱合金を用いた金属フィルターを通過させることにより、混合ガスｇから粒子ｃを分離するフィルター式分離装置である。なお、集塵装置４３は、後述のサイクロンセパレータ１３１のようなサイクロン式分離装置であってもよい。
【００４２】
なお、仕切壁１５近傍のガス化室２側の流動化状態とチャー燃焼室３側の流動化状態の強弱を所定の状態に保つことによって、当該仕切壁１５の炉底近傍に設けた開口部２５を通じて、チャー燃焼室３側からガス化室２側へ安定に流動媒体を大量に移動させることが出来る。このため、チャー燃焼室３側からガス化室２側への流動媒体の移動に機械的な高温粒子のハンドリング手段を必要としない。また、前記ガス化室２の流動化ガスとしては無酸素ガスを用いるが、このいわゆる無酸素ガスとしては水蒸気等の全く酸素を含まないガスを用いるようにしてもよい。
【００４３】
本実施の形態の統合型ガス化炉１は、可燃ガスｂと、燃焼ガスｕとを合流するように構成され、集塵装置４３によって粒子が分離された混合ガスｇが、混合ガスｇを利用する発電用のガスタービン５５（図４参照）に送られるように構成されるので、粒子ｃが分離された品質のよい混合ガスｇをガスタービン５５に導くことができ、ガスタービン５５の寿命を長くし、ガスタービン５５のメンテナンス頻度を減少させることができる。さらに、燃料ガスの対象となるガス系統を混合ガスｇ系統とし、燃料ガスの対象となるガス系統の数を減少させ１つとすることができ、燃料ガスを導く配管設備も１つとすることができ、設備費を減少させることができる。
【００４４】
仕切壁１１の界面７２、７３よりも上方には、開口部２７が設けられ、開口部２７を通じて、ガス化室２側からチャー燃焼室３側へ可燃ガスｂを移動させ、チャー燃焼室３で燃焼ガスｕと可燃ガスｂとを合流させるように構成されるので、ガス化室２とチャー燃焼室３の差圧制御が不要になり、発電システムの圧力制御を単純で簡易なものとすることができる。統合型ガス化炉１の常圧運転時は、各室２、３、４の圧力が大気圧に近いため差圧制御を行った場合でも、差圧制御は困難ではない。しかし、統合型ガス化炉１の加圧運転時は、各室２、３、４の圧力が高くなる中で、許容できる差圧の上限値は常圧時と同じであるため差圧制御が困難であり、特に差圧制御が不要な本実施の形態は、制御の簡易化の点で意義がある。
【００４５】
図２に、他の実施の形態の統合型ガス化炉１０１を示す。図に示す統合型ガス化炉１０１は、図３に示すサイクロンセパレータ１３１を備えること以外は、図１に示す統合型ガス化炉１と同じ構成である。第２の分離装置としてのサイクロンセパレータ１３１は、統合型ガス化炉１０１のガス化室１０２内部に配置されている。
【００４６】
ガス化室１０２で生成され、図３に示すように、入り口部１３２からサイクロンセパレータ１３１に入った可燃ガスｂは、旋回流を形成し、可燃ガスｂに同伴される粒子ｃは遠心力によりサイクロンセパレータ１３１の内壁１３１Ａに向かい、内壁１３１Ａを伝って旋回しながら落下し、サイクロンセパレータ１３１の図２（Ｂ）中下部に取り付けられた粒子排出配管１３３から排出される。粒子ｃの分離された可燃ガスｂは、サイクロンセパレータ１３１の図２（Ｂ）中上部に形成されたガス排出口１３５から排出される。
【００４７】
図２に示すように、統合型ガス化炉１０１は、粒子排出配管１３３の端部に設けた粒子排出口１３４をチャー燃焼室１０３内部に位置させている。サイクロンセパレータ１３１のガス排出口１３５が配管１４０によって仕切壁１１１に形成された開口部１２７に接続される。よって、可燃ガスｂは開口部１２７を通ってチャー燃焼室１０３に送られる。可燃ガスｂからサイクロンセパレータ１３１によって分離された粒子ｃが、チャー燃焼室１０３内部に送られ、チャー中可燃分等が燃焼される。チャー燃焼室１０３に送られた可燃ガスｂは、チャー燃焼室１０３で燃焼ガスｕと混合し混合ガスｇとなる。混合ガスｇは、チャー燃焼室１０３の天井１１９のフリーボード部に対応する箇所に形成された開口部１２８からチャー燃焼室３を出て、炉体外に配置された集塵装置１４３に送られる。集塵装置１４３を出た、粒子ｃが分離された混合ガスｇは、混合ガスｇを利用する発電用のガスタービン５５（図４参照）に送られる。
【００４８】
図４は、本発明の実施の形態に係る図１の統合型ガス化炉１を複合サイクル発電システムに利用した場合を示す。本実施の形態の統合型ガス化炉１が、圧力容器５０の中に配され、加圧下で運転される。統合型ガス化炉１の外壁が圧力容器を兼ねた一体構造であっても良い。
【００４９】
図に示す、加圧流動床炉による発電システムは、まず統合型ガス化炉１の加圧ガス化室２で石炭ａをガス化し可燃ガスｂを生成し、発生した未燃カーボン（いわゆるチャー）を加圧チャー燃焼室３で燃焼する。このチャー燃焼室３から出た燃焼ガスｕを、ガス化室２で生成され開口部２７からチャー燃焼室３と熱回収室４の上部（フリーボード部）に導かれた可燃ガスｂと混合させる。そして混合により生じた混合ガスｇを開口部２８を通して集塵装置４３に送り、集塵装置４３で除塵した後、開口部２８から助燃室としてのコンバスタ５３に送る。混合ガスｇをコンバスタ５３で混合燃焼させて高温ガスｒを得て、エネルギー回収装置としてのガスタービン部５５を駆動し、発電機５７を駆動し電力を得る。
【００５０】
ガスタービン部５５は、通常のガスタービンの出力タービン部と同様の装置であり、パワーリカバリータービンとも呼ばれるものである。なお、コンバスタ５３は、必ずしも混合ガスｇ中の可燃ガスｂの濃度が高いことを要求しないものである。
【００５１】
この加圧流動床炉による発電システムにおいて重要なことは、如何にガスタービン部５５への流入ガスの温度をガスタービン側で決まる許容最高温度まで高められるかである。
【００５２】
図のシステムでは、前述のように統合型ガス化炉１からの混合ガスｇは集塵装置４３で集塵、脱塵された後、タービン部５５に導かれ動力が回収される。例えば、燃焼ガスｕを単独で直接タービン部５５に導いた場合は、この燃焼ガスｕの温度はあまり高くないので、動力回収の効率は必ずしも高くはない。そこで、燃焼ガスｕと可燃ガスｂを統合型ガス化炉１内部で混合させ、混合ガスｇを集塵装置４３に導き、さらに集塵装置４３からの混合ガスｇをコンバスタ５３に導き、ここで燃焼させる。この燃焼は、さきに述べたチャー燃焼室３からの燃焼ガスｕにとっては助燃ということになる。この燃焼熱により、チャー燃焼室３からの燃焼ガスｕは、１２００℃（出力タービン部の耐熱温度によっては１５００℃も可能）程度の高温ガスｒとなる。この高温ガスｒを出力タービン部（動力回収装置）５５に供給する。このような装置においては、チャー燃焼室３とコンバスタ５３を合わせたものが、通常の燃焼ガスタービンの燃焼器に相当する。
【００５３】
そして出力タービン部５５の回転軸に減速機を介して、あるいは直接連結された発電機５７を駆動し、電力を発生する。なお、図の実施の形態では、出力タービン部５５の回転軸には圧縮機（典型的には軸流空気圧縮機）５６が直結されており、圧縮空気を発生する。この圧縮空気は、主としてチャー燃焼室３の燃焼空気としてチャー燃焼室３に供給される。また一部はコンバスタ５３に供給される。もっともコンバスタ５３では、通常は、チャー燃焼室３からの排ガス中に残る酸素で可燃ガスｂを燃焼させることができる。なお、この実施の形態では、圧力容器５０内は５〜１０ｋｇ／ｃｍ^２ 程度に加圧される。圧力容器５０内は、出力タービン部５５の仕様に合わせて、例えば３０ｋｇ／ｃｍ^２程度にまで加圧してもよい。
【００５４】
また、出力タービン部５５から排出された排気ガスｈは経路１２５を通って廃熱ボイラ５８に導かれ、その後排気ガス経路１３０を通って不図示の脱硫、脱硝装置等を介して、不図示の煙突から放出される。
【００５５】
一方、廃熱ボイラ５８では排気ガスｈの熱を回収して、水蒸気ｓを発生する。この水蒸気ｓは水蒸気配管１２９を通って、蒸気タービン１６２に供給され、蒸気タービン１６２の回転軸に減速機を介して、あるいは直接連結された発電機１６３を駆動し、電力を発生する。蒸気タービン１６２に供給される水蒸気ｓには、伝熱管４１、４２からの水蒸気ｓを含めてもよい。
【００５６】
本実施の形態の統合型ガス化炉１で生成される混合ガスｇは、前述のようにガス化室２で生成した可燃ガスｂとチャー燃焼室３で生成した燃焼ガスｕとが混合したガスである。混合ガスｇは、可燃であり、ガスタービン部５５の直前に配置されたコンバスタ５３で燃焼される。耐熱材の制約から集塵装置４３のガス温度を９００〜９５０℃以下にする必要があるが、コンバスタ５３の上流側に集塵装置４３を配置することにより、これが可能となる。混合ガスｇを燃焼させると、ガス容積が増加するが、ガスタービン部５５の直前で燃焼させるので、ガスタービン部５５の直前でガス容積を増加させることができ、設備が過大になることを避けることができる。
【００５７】
図に示す複合サイクル発電システムでは、本発明の実施の形態に係る統合型ガス化炉１を利用しているので、粒子ｃの分離された品質のよい混合ガスｇをガスタービン部５５の燃料ガスとして使用し、ガスタービン部の５５寿命を長くし、メンテナンス頻度を減少させることができる。また、燃料ガスの対象となるガス系統を混合ガスｇ系統とし、燃料ガスの対象となるガス系統の数を減少させ１つとすることができ、燃料ガスを導く配管設備も１つとすることができ、設備費を減少させることができる。また、ガス化室２とチャー燃焼室３との間に大きな圧力差を生じないため、発電システムの圧力制御を単純で簡易なものとすることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、可燃ガスと、燃焼ガスとを合流し、混合ガスとするように構成され、第１の分離装置が、粒子の分離された混合ガスを、発電機を駆動するガスタービンに供給するガス供給口を有するので、粒子の分離された品質の高い混合ガスをガス供給口からガスタービンに供給することができる。 さらに、取り扱いの対象となるガス系統を混合ガス系統とし、取り扱いの対象となるガス系統の数を減少させ１つとすることができ、取り扱うガスを導く配管設備も１つとすることができ、設備費を減少させることができる。また、ガス化室とチャー燃焼室との間に大きな圧力差を生じないため、圧力制御を単純で簡易なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る統合型ガス化炉の基本的な概念を示す構成図である。
【図２】サイクロンセパレータをガス化室に備えた場合の統合型ガス化炉の基本的な概念を示す構成図である。
【図３】（Ａ）は、サイクロンセパレータの平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図４】図１の統合型ガス化炉を用いた複合サイクル発電システムの実施形態の説明図である。
【符号の説明】
１、１０１ 統合型ガス化炉
２、１０２ ガス化室
３、１０３ チャー燃焼室
４ 熱回収室
５ 沈降チャー燃焼室
１１，１２、１３、１４、１５ 仕切壁
２１、２２、２５、２７、２８、２９ 開口部
４３ 集塵装置
５０ 圧力容器
５３ コンバスタ
５５ ガスタービン部
７２、７３、７４ 界面
８２、８３、８４ 流動床
１３１ サイクロンセパレータ
ａ 石炭
ｂ 可燃ガス
ｃ 粒子
ｇ 混合ガス
ｈ 排気ガス
ｒ 高温ガス
ｓ 水蒸気
ｕ 燃焼ガス

Claims (3)

1. 発電用ガスタービンにガスを供給する可燃ガス発生装置において；
   高温の流動媒体を内部で流動させ、第１の界面を有するガス化室流動床を形成し、前記ガス化室流動床内で石炭を加圧下でガス化して可燃ガスを生成するガス化室と；
   流動媒体を内部で流動させ、第２の界面を有するチャー燃焼室流動床を形成し、前記ガス化室でのガス化に伴い発生するチャーを前記チャー燃焼室流動床内で加圧下で燃焼させ前記流動媒体を加熱するチャー燃焼室とを備え；
   前記ガス化室と前記チャー燃焼室とは一体に構成され；
   前記ガス化室とチャー燃焼室を仕切る第１の仕切壁の、前記第１および第２の界面よりも下方には、前記ガス化室と前記チャー燃焼室とを連通する第１の開口部が設けられ；
   前記第１の開口部を通じて、前記チャー燃焼室側から前記ガス化室側へ前記チャー燃焼室で加熱された流動媒体を移動させるように構成され；
   前記ガス化室とチャー燃焼室を仕切る第２の仕切壁の、前記第１および第２の界面よりも上方には、前記ガス化室と前記チャー燃焼室とを連通する第２の開口部が設けられ；
   前記第２の開口部を通じて、前記ガス化室側から前記チャー燃焼室側へ前記ガス化室で生成された可燃ガスを移動させ、前記チャー燃焼室でチャーの燃焼の結果発生する燃焼ガスと、前記チャー燃焼室で合流させるように構成され；
   さらに、前記合流した混合ガスに同伴された粒子をガスと分離する第１の分離装置であって、前記混合ガスを燃焼させることなく導入し処理する第１の分離装置とを備え；
   前記第１の分離装置が、前記粒子の分離された前記混合ガスを、発電機を駆動するガスタービンに供給するガス供給口を有する；
   可燃ガス発生装置。
2. 前記ガス化室内に設置され、前記ガス化室で発生したガスと該ガス中の粒子とを分離する第２の分離装置を備える、請求項１に記載の可燃ガス発生装置。
3. 前記第２の分離装置が、サイクロン式分離装置である、請求項２に記載の可燃ガス発生装置。

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