JP4016299B2 - 炉内温度計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭ガス化炉のガス化室の温度計測に係り、特に保守が容易な炉内温度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石油危機以来、燃料多様化の流れの中で、石炭の利用技術開発が進められている。中でも、石炭ガス化複合発電システムは、従来の微粉炭焚火力発電システムよりも高いエネルギー効率が期待されている。石炭ガス化複合発電システムは、石炭ガス化炉で発生した燃料ガスでガスタービンを駆動し、かつ石炭ガス化炉で発生した蒸気で蒸気タービンを駆動して発電する。また、石炭ガス化炉で発生した水素含有ガスを精製して燃料電池発電の原料として供給するシステムもある。システムの中核をなす石炭ガス化炉は、現在、種々の形式のものが提案され、開発されつつある。中でも、石炭の灰分を溶融スラグとして生成ガスより分離し、炉外へ排出する気流層式石炭ガス化法は、別名スラッキングガス化法とも呼ばれ、エネルギー効率が高く、灰処理等の環境対応の面でも優れている。
【０００３】
従来の気流層石炭ガス化炉においては、ガス化室に石炭と酸素等のガス化剤とを供給して高温で反応させ、一酸化炭素（ＣＯ）及び水素（Ｈ₂）等の有用なガスを生成させるとともに、石炭の灰分を溶融させ、流動性を有する液状の溶融スラグとしてガス化室外へ排出する。図５に気流層石炭ガス化炉の構造例を示す。主として、ガス化室２、熱回収室３及びスラグ冷却室４よりなり、これらが圧力容器１内に収容された構造になっている。ガス化室２の上部はスロート６に形成され、熱回収室３に連通している。ガス化室２の下部にスラグ流下口７が形成され、スラグ冷却室４に連通されている。ガス化室２には、石炭及び酸素等のガス化剤を供給するためのバーナ５ａ、５ｂが挿着されている。ガス化室２では、一酸化炭素及び水素等の有用な生成ガス13ａを高効率で生成させ、石炭の灰分を溶融スラグ８としてスラグ流下口７より安定してスラグ冷却室４に排出するためには、ガス化室２の温度制御及び監視は極めて重要であり、かかる目的のために、ガス化室２には温度計14が挿着される。
【０００４】
ガス化室２内の温度は、通常、極めて高く、灰分の融点が高い石炭をガス化する場合は、ガス化室２内の雰囲気温度が1500℃を越えることもある。また、ガス化室２内は、一酸化炭素及び水素を主成分とする還元性のガス、多成分の酸化物よりなる石炭灰が溶融した溶融スラグ、石炭の乾留物であるチャー及び未溶融ないし半溶融状態の石炭灰等の粉体、アルカリ金属元素等の蒸気、硫化水素並びに塩化水素等が共存しており、場合によってはこれらの物質が高速で流動する環境である。そのため、ガス化室２を構成する材料に与える腐蝕及び損耗作用は、極めて大きい。このような高温かつ腐蝕性の高い環境下で、何らかの対策なしに支障なく長期間の使用に耐えるガス化室２の構成材料は、現状では存在しない。そこで、ガス化室２はメンブレン壁15等の水冷壁に、耐火材20をライニングした水冷耐火壁９によって構成されるのが普通である。ちなみに、ガス化室２より生成ガス13ａが上昇する熱回収室３は、水冷壁10によって構成されており、また、スラグ冷却室４には、スラグ流下口７より流下した溶融スラグを冷却し、固化するための冷却水11が貯水されている。
【０００５】
ガス化室２に挿着される温度計14の従来の構造例を図６に示す。従来の温度計14は、通常、保護管21とその内部に納められた熱電対23等の温度センサーとよりなる。ガス化室２の温度を感度よく計測するためには、熱電対23の温度感知部を保護管21の保護管先端22に置き、保護管先端22をガス化室２内の雰囲気に十分さらす必要がある。そのため、保護管21は、管16同士ををフィン17により連結し管16内に水18を循環するメンブレン壁15と、耐火材20とよりなる水冷耐火壁９の孔19内を貫通させ、その保護管先端22はスラグ24の内表面よりガス化室２内に突き出してある。
【０００６】
以上のように、高温、高腐蝕性雰囲気に曝される温度計14の保護管21の寿命は極めて短かく、頻繁に保守しかつ交換する必要を生じる。気流層石炭ガス化炉は高温高圧で運転されており、保守及び交換は運転を停止した時に行われる。当然のことながら、運転時には溶融状態で流動性を有していた溶融スラグが冷却固化し、ガス化室２の水冷耐火壁９及び温度計14の保護管21のガス化室２に突き出した先端部に固着残存している。そのため、温度計14の保護管21を交換するためには、耐火材20の内表面及び温度計14の保護管21に固着したスラグを除去する必要がある。この作業は、ガス化室２の内側から行う必要があり、作業性が悪く、多大の労力と困難を伴う。また、固着したスラグを除去する際に、水冷耐火壁９の耐火材20を損傷させる恐れがある。
【０００７】
一方、温度計14の保護管21の寿命を延ばすための方策としては、特開平06−346067号公報に、温度計保護管の材料として、高融点のイリジウム（Ｉｒ）又はイリジウム合金を用いることが提案されている。かかる特殊な材料は高価であり、またこのような材料を用いたとしても、温度計14の保護管21を交換する場合には前述の作業の困難さや水冷耐火壁９の損傷の問題は解決されない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の石炭ガス化炉にあっては、高温、高腐蝕性雰囲気にさらされる温度計の保護管の寿命は極めて短かく、頻繁に保守しかつ交換する必要が生じる。運転時に溶融状態で流動性を有していた溶融スラグは冷却固化し、水冷耐火壁及び温度計の保護管のガス化室に突き出した先端に固着残存している。そのため、温度計の保護管を交換するためには、固着したスラグを除去する必要がある。この作業は、ガス化室の内側から行うため、作業性が悪く、多大の労力と困難を伴い水冷耐火壁の耐火材を損傷させる恐れがある。一方、温度計の保護管の寿命を延ばす方策として、高融点のイリジウム又はイリジウム合金を用いたとしても、温度計の保護管を交換する場合に水冷耐火壁を損傷する恐れがある問題は解決されない。
【０００９】
本発明の課題は、ガス化室に挿着した温度計の保守作業を容易にし、かつ作業時の水冷耐火壁の損傷を防止可能とする炉内温度計測装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、本発明に係る炉内温度計測装置は、石炭とガス化剤とを高温で反応させるガス化室に、耐火材を貫通して保護管を着脱自在に挿着し、保護管を介して温度を計測し溶融スラグを制御する炉内温度計測装置において、耐火材の内表面に冷却部材を配置して保護管を貫通させ、冷却部材に冷却媒体の流路が形成された冷却手段を設けてなる。
【００１１】
そして冷却部材は、ステンレス鋼で形成されるとともに、冷却部材の温度を600℃以下に冷却する構成でもよい。
【００１２】
また冷却部材は、クロム含有量９％以下の合金綱で形成されるとともに、冷却部材の温度を450℃以下に冷却する構成でもよい。
【００１３】
さらに冷却部材は、炭素綱で形成されるとともに、冷却部材の温度を400℃以下に冷却する構成でもよい。
【００１４】
そして冷却手段は、保護管を貫通させる内筒と、内筒の外周に冷却媒体の出口流路を形成する中間筒と、中間筒の外周に冷却媒体の入口流路を形成しかつ中間筒へ連通する外筒とよりなる三重管で形成され、冷却部材は、円環状に形成されるとともに三重管の保護管の先端側に固設される構成でもよい。
【００１５】
また冷却部材は、冷却ブロックで形成され、冷却手段は、冷却媒体の入口と出口とを有する冷却室で形成される構成でもよい。
【００１６】
さらに石炭ガス化炉にあっては、前記いずれか一つの炉内温度計測装置を、ガス化室に挿着してなる構成とする。
【００１７】
本発明によれば、ガス化室の耐火材の内表面に冷却部材を配し、冷却部材を先端に固設させた三重管を配し、三重管に冷却媒体を流して冷却部材をその材質に応じて付着防止温度に冷却することにより、保護管へのスラグの付着力が低減され、炉外より保護管の着脱が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１を参照しながら説明する。図１に示すように、石炭とガス化剤とを高温で反応させるガス化室２に、水冷耐火壁９の耐火材20を貫通して保護管21を着脱自在に挿着し、保護管21を介して温度を計測し溶融スラグの排出を制御する炉内温度計測装置であって、耐火材20のほぼ内表面に冷却部材28を配置して保護管21を貫通させ、冷却部材28を材質に応じてスラグ24ｂの付着防止温度の上限値以下に冷却する手段を保護管21に付設し、冷却部材28の温度を熱伝対40等で計測しその計測温度に応じて冷却媒体33ａの流量を制御する図示しない制御手段を設けた構成とする。そして冷却する手段は、保護管21を挿通させる中心側の内筒25と、内筒25の外周に冷却媒体33ｂの出口流路を形成する中間筒26と、中間筒26の外周に冷却媒体33ａの入口流路を形成し中間筒26へ連通する外筒27とよりなる三重管で形成され、冷却部材28は、円環状の板で形成されるとともに三重管の保護管21の先端側に固設されるものとする。
【００１９】
すなわち冷却部材（金属部材）28を冷却する手段として、冷却媒体33ａ、33ｂを通過させることができる三重管を採用している。この三重管は、軸中心より外側に向けて、内筒25、中間筒26及び外筒27の順に配置してある。外筒27のガス化室２側の端部と内筒25のガス化室２側の端部とを、中心に温度計23の保護管21を貫通させるための孔が開けてある円環状の冷却部材28で接続し、三重管の一方の端面としている。冷却部材28は、通常、ステンレス綱、合金綱又は炭素綱等の金属で形成される。三重管の他方の端面は、圧力容器１の外部に位置しており、内筒25と中間筒26の端部を円環状の端部封止材30で接続し、中間筒26の外面と外筒27の端部とを端部封止材29で接続してある。そして保護管21の他方の端部にフランジ40が設けられ、ガスケット41を介して端部封止材30にボルト等で固定される。また外筒27の外周にはフランジ43が固設してあり、圧力容器１側のフランジにボルト締めされて三重管が固定される。
【００２０】
冷却媒体入口31は、外筒27に配置されており、冷却媒体出口32は、中間筒26に配置されている。三重管は、圧力容器１を貫通し、メンブレン壁15及び耐火材20よりなる水冷耐火壁９のガス化室２側の内表面に達している。三重管の一方の端面をなす冷却部材28が、耐火材20の内表面とほぼ同じ位置になるように、三重管の長さを決めてある。冷却媒体入口31及び冷却媒体出口32は、圧力容器１の外に位置している。三重管を形成する内筒25の内部に、熱電対23を内装した保護管21を貫通し、保護管21の保護管先端22がガス化室２の中に突き出すように、保護管21の長さを決めてある。本実施の形態では、冷却部材28の温度を計測するために、冷却部材28に熱電対42を付設してある。
【００２１】
ここで図２に示す保護管の材料の表面温度とスラグの付着力との関係を説明する。スラグを電気炉内で溶融させ、種々の温度に保持した各種の供試材表面上に適下させ、供試材表面と適下スラグとの接触面における相互の付着力を評価した。その結果、供試材の表面温度が特定の温度を越えると、適下スラグと供試材表面との付着力が急激に増加することを見いだした。また、付着力が急激に増加する温度は、供試材の種類にもよること、スラグの温度にも若干の影響を受けること等を見いだした。これらの結果から、材料の表面温度を特定の温度以下、すなわち付着力が急激に増加し始める温度以下に保持することにより、材料表面におけるスラグの強固な付着を防止できると判断するに至った。図２は、各種材料における付着防止温度の上限値を示したものであり、この温度上限値よりも低い表面温度であれば、供試材へのスラグの強固な付着を防止できる。スラグの付着防止温度の上限値は、材料がステンレス綱の場合で600℃、クロム含有量９％以下の合金綱の場合で450℃及び炭素綱の場合で400℃である。
【００２２】
従って、温度計の保護管の周囲に配置されている金属部材の温度をその材質に応じて、上記の特定温度以下に冷却して石炭ガス化炉の運転を行うことにより、石炭ガス化炉の停止時における温度計の保護管の交換の際、保護管の周囲に配置された金属部材部分ではスラグの剥離が容易であり、炉外より保護管を着脱することにより耐火材の損傷を防止することができる。
【００２３】
つぎに本実施の形態の作用を説明する。石炭ガス化炉運転中は、冷却媒体33ａを冷却媒体入口31より供給し、冷却部材28を前記の特定温度以下に保持しておく。冷却部材28の温度調節は、冷却媒体33ａ、33ｂの流量を調節することによって行える。本実施の形態では、冷却部材28に温度を計測するための熱電対42が付着されているため、冷却部材28の温度調節及び監視が容易に行える。石炭ガス化炉の運転中は、スラグ24ａ，24ｂは溶融しており、耐火材20の内表面を流れている。この時、保護管21の保護管先端22は、ガス化室２側に突き出しているため、ガス化室２の雰囲気温度を検出できる。
【００２４】
石炭ガス化炉の運転が停止されると、ガス化室２の温度が下がり、耐火材20の表面には残留したスラグ24ａが固着した状態となる。一方、特定温度に保持していた冷却部材28の上面に付着したスラグ24ｂは、前記のように、相互の付着力が小さく、容易に剥離させることができる。従って、保護管21を交換する必要が生じた場合は、圧力容器１の外側から保護管21のみを引き抜き、交換することができる。さらに、三重管とともに引き抜くことも可能であり、保護管21の交換作業における労力が低減される。
【００２５】
つぎに本発明の第２の実施の形態を図３に示す。この第２の実施の形態では、冷却部材の冷却する手段である三重管の外筒27の先端側に、外筒27の外径よりも大きい径を有する冷却部材35を設けており、溶融スラグの冷却されて固着力の小さい領域が増えるため、固化スラグの剥離及び除去が一層容易となる。
【００２６】
さらに本発明の第３の実施例を図４に示す。この第３の実施例では、冷却部材として、冷却部材である冷却ブロック36に隣接して冷却媒体入口配管38及び冷却媒体出口配管39を接続した冷却室37を有するものであり、簡単な構造を提供するものである。
【００２７】
また、第１の実施例では、冷却部材28の温度を熱電対42により測定したが、熱電対42は必須ではない。図１に示すように、冷却媒体出口32より排出される冷却媒体33ｂの温度を温度検出器34等で計測することにより代用できる。この実施例は、第１の実施例よりも簡単な構成となり、ほぼ同等の効果を得ることができる。
【００２８】
本発明の第４の実施の形態として石炭ガス化炉は、図１及び図５に示すように、前記いずれか一つの炉内温度計測装置を挿着したガス化室２と、ガス化室２よりスラグ流下口７を経て排出される溶融スラグ８を冷却するスラグ冷却室４と、ガス化室２よりスロート６を経て上昇した生成ガス13ａをガス出口12より送出する熱回収室３とよりなる構成とする。この第４の実施の形態によっても前記と同様な作用、効果を得ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、耐火材の内表面に配置した冷却部材に保護管を貫通させ、冷却部材をスラグの付着防止温度に冷却することにより、冷却部材よりスラグの剥離及び除去が容易になるため、冷却部材を貫通する保護管の着脱が炉外より可能となり、かつ交換作業時に耐火材の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す炉内温度計測装置の断面図である。
【図２】各種材料とスラグの付着防止温度との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図５】石炭ガス化炉の一般的な構造を示す縦断面図である。
【図６】図５に示すＡ部を拡大した断面図である。
【符号の説明】
１ 圧力容器
２ ガス化室
３ 熱回収室
４ スラグ冷却室
５ バーナ
９ 水冷耐火壁
１０ 水冷却壁
１１ 冷却水
１３ 生成ガス
１４ 温度計
１５ メンブレン壁
２０ 耐火材
２１ 保護管
２３，４２ 熱伝対
２４ スラグ
２５ 内筒
２６ 中間筒
２７ 外筒
２８ 冷却部材
３３ 冷却媒体
３６ 冷却ブロック
３７ 冷却室

Claims (7)

1. 石炭とガス化剤とを高温で反応させるガス化室に、耐火材を貫通して保護管を着脱自在に挿着し、該保護管を介して温度を計測し溶融スラグを制御する炉内温度計測装置において、前記耐火材の内表面に冷却部材を配置して前記保護管を貫通させ、前記冷却部材に冷却媒体の流路が形成された冷却手段を設けてなることを特徴とする炉内温度計測装置。
2. 請求項１記載の炉内温度計測装置において、冷却部材は、ステンレス鋼で形成されるとともに、前記冷却部材の温度を600℃以下に冷却することを特徴とする炉内温度計測装置。
3. 請求項１記載の炉内温度計測装置において、冷却部材は、クロム含有量９％以下の合金綱で形成されるとともに、前記冷却部材の温度を450℃以下に冷却することを特徴とする炉内温度計測装置。
4. 請求項１記載の炉内温度計測装置において、冷却部材は、炭素綱で形成されるとともに、前記冷却部材の温度を400℃以下に冷却することを特徴とする炉内温度計測装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の炉内温度計測装置において、前記冷却手段は、保護管を貫通させる内筒と、該内筒の外周に冷却媒体の出口流路を形成する中間筒と、該中間筒の外周に前記冷却媒体の入口流路を形成しかつ前記中間筒へ連通する外筒とよりなる三重管で形成され、冷却部材は、円環状に形成されるとともに前記三重管の前記保護管の先端側に固設されることを特徴とする炉内温度計測装置。
6. 請求項１〜４のいずれか１項記載の炉内温度計測装置において、冷却部材は、冷却ブロックで形成され、前記冷却手段は、冷却媒体の入口と出口とを有する冷却室で形成されることを特徴とする炉内温度計測装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の炉内温度計測装置を、ガス化室に挿着してなることを特徴とする石炭ガス化炉。

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