JP4481906B2 - 加圧型ガス化装置、その運転方法およびガス化発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、石炭などの固体燃料をガス化するための加圧型ガス化装置と、その運転方法に関する。また、本発明は加圧型ガス化装置を備えた発電装置に関する。

固体燃料である石炭やプラスチック廃棄物などの固体炭化水素を微粉砕し、加圧条件下で部分酸化して、一酸化炭素や水素を主成分とする可燃性ガスを生成するガス化装置として、加圧気流層（または噴流層）方式のガス化装置がある。加圧気流層方式のガス化装置は、約１５００℃の高温で運転が可能であり、固体燃料からガスへの転換効率が高い。また、固体燃料に含まれている灰分の溶融温度以上で運転が可能であり、灰分を溶融して灰分スラグとして回収し、再利用することができる。

加圧気流層方式のガス化炉を備えたガス化装置では、一般に、ガス化炉本体や生成ガス冷却器および熱回収ボイラなどが圧力容器に格納される。また、ガス化炉本体や生成ガス冷却器などの壁面は、水冷管を並べて接合することにより構成される水冷壁で形成される。圧力容器と水冷壁の間には空間が設けられる。この空間のことを以下、空洞部と称する。

水冷壁は一般に耐圧性が乏しく、炉内側と空洞部側との圧力差が大きくなると変形しやすい。このため、炉内側と空洞部側の間に圧力差が生じないようにガス化装置を操業する必要がある。ガス化炉内は、固体燃料の供給変動や負荷などの操業条件の変化により、圧力が変化することから、空洞部の圧力をガス化炉内の圧力に追従して変化させることが望ましい。このための方法が、いくつか提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特許文献１には、石炭ガス化炉の生成ガス出口部にシール構造を設け、炉内外の圧力差変動に応じて空洞部にガスが出入する際に、生成ガス中のチャーを空洞部に侵入させないようにしたものが記載されている。

特許文献２には、空洞部に水冷壁と圧力容器の内面とを連結する隔壁を設け、その隔壁に均圧弁を設けて、隔壁の両側の圧力差が所定値以上になったときに、均圧弁が開いてガスが流通できるようにすることが記載されている。

特開２００１−２６７８９号公報 特開平４−３３９９３号公報

特許文献１，２のように構成することにより、ガス化炉の圧力が上昇した場合に、空洞部にガス化炉の生成ガスを流出させて、ガス化炉内側と空洞部側との圧力差をなくすことが可能である。また、生成ガスは隔壁或いはシール構造によって仕切られた空間へ流出するだけで収まるので、生成ガス中の硫化水素などの腐食成分によって空洞部の内外壁構成材料および空洞部内に設置されている配管等が腐食されるのを抑制することができる。

ガス化炉内の圧力上昇は一般に過渡的であり、ある程度の時間が経てば収まることから、空洞部に侵入した生成ガスは時間経過につれて排出されるものと考えられる。しかし、空洞部に生成ガスが残留しているうちに、更にガス化炉の圧力上昇が発生した場合には、先に侵入したガス化炉生成ガスが空洞部全体に拡散し、空洞部内外壁の構成材料及び空洞部内に設置された配管等を腐食させる可能性がある。

本発明の目的は、ガス化炉の圧力上昇に伴って前記空洞部に侵入したガス化炉生成ガスが、空洞部全体に拡散するのを抑制した加圧型ガス化装置、その運転方法およびガス化発電装置を提供することにある。

本発明の加圧型ガス化装置は、ガス化炉が格納されている圧力容器の内部空間を、複数の室に分割するとともに各室をガスが流通できるようにし、かつ、ガス化炉生成ガス出口に通じる室にガス化炉圧力以上に加圧されたガスを供給するためのガス供給機構を設けることにある。

又、本発明の加圧型ガス化装置運転方法は、前記加圧型ガス化装置により固体燃料を部分酸化して可燃性ガスを製造し、ガス化炉圧力が上昇したならば生成ガスの一部を前記ガス化炉生成ガス出口に通じる室に流入させて炉内外圧力差を解消し、圧力差が解消されたならば、前記ガス化炉生成ガス出口に通じる室にガス化炉圧力以上に加圧されたガスを供給して、その室に侵入しているガス化炉生成ガスを排出するようにしたことにある。

又、本発明のガス化発電装置は、前記加圧型ガス化装置と、脱塵，脱硫，脱ハロゲン処理を行うガス精製装置と、ガスタービン発電装置を具備し、ガス精製装置で精製された可燃性ガスをガス化炉圧力以上に加圧して前記加圧型ガス化装置におけるガス供給機構に供給するようにしたことにある。

又、本発明は、前記加圧型ガス化装置と、脱塵，脱硫，脱ハロゲン処理を行うガス精製装置と、ガスタービン発電装置と、前記加圧型ガス化装置で使用される酸化剤を製造するための空気分離器とを具備し、前記空気分離器で製造された窒素ガスをガス化炉圧力以上に加圧して前記加圧型ガス化装置におけるガス供給機構に供給するようにしたガス化発電装置にある。

本発明により、ガス化炉の炉内圧力上昇時に空洞部に侵入したガス化炉生成ガスが、空洞部全体に拡散するのを抑制することができた。

加圧型ガス化装置は、通常、空洞部に窒素ガス、或いはガス化炉生成ガスを脱塵，脱塩素，脱硫化水素処理したガスのように非腐食性のガスを供給し、炉内外の圧力バランスを保っている。この状態からガス化炉圧力が上昇すると、ガス化炉生成ガスが空洞部に侵入し、これにより炉内外の圧力差が解消される。本発明のガス化装置は、空洞部を複数の室に分割して、炉内圧力上昇時に空洞部に侵入するガス化炉生成ガスを、ガス化炉出口に通じる室への侵入に止めている。また、ガス化炉生成ガス出口に通じる室に加圧ガスを供給するためのガス供給機構を設け、前記室に侵入したガス化炉生成ガスを排出できるようにしている。ガス供給機構からは、窒素ガス或いはガス化炉の生成ガスを脱塵，脱塩素，脱硫化水素処理し、さらにガス化炉圧力以上に加圧したガスを供給する。このガスの供給により、ガス化炉出口に通じる室のガスは置換され、非腐食性のガス雰囲気になる。このため、ガス化炉の圧力上昇に伴い、ガス化炉生成ガスが侵入しても、空洞部全体にガス化炉生成ガスが拡散するのを防止できる。

以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

図1は、本発明の一実施例による加圧型ガス化装置の全体構成図を示している。図１では、図示簡略化のために、ガス供給機構が省略されている。図４にガス化炉の生成ガス出口に通じる室を拡大して示し、ここにガス供給機構を示した。なお、本実施例は、石炭のガス化炉に適用した場合を例示しているが、その他のプラスチック廃棄物などをガス化するガス化炉に対しても、同様の構成で適用できる。

図１のガス化装置は、ガス化部１と、スラグ回収部２と、生成ガス冷却部３と、連絡管４と、熱回収ボイラ５と、水冷壁９と、圧力容器８と、空洞部１６と、仕切板１４およびガス置換室１５を主要な構成要素としている。ガス置換室１５はガス化炉出口部に通じている。また、この室は図４に示すガス供給機構からガスが供給によって雰囲気ガスが置換されることから、ガス置換室と称している。ガス化部と熱回収ボイラを含めた水冷壁で形成されている炉を、以下ではガス化炉と称する。

ガス化部１には上段石炭バーナ１０と下段石炭バーナ１１および起動バーナ１２がそれぞれ複数個設置されている。石炭と、空気或いは酸素などの酸化剤は、上段石炭バーナ１０と下段石炭バーナ１１によりガス化部１へ供給される。ガス化部１では、石炭と酸化剤により部分酸化反応が生じ、一酸化炭素と水素を主成分とする可燃性のガスが生成される。生成ガスの温度は約１０００℃であり、ガス化部１の上部に設置された生成ガス冷却部３に導入されて冷却される。生成ガスは、さらに熱回収ボイラ５に導入されて４００℃程度の温度に冷却され、生成ガス出口管６を通してガス化炉より取り出される。一方、石炭中の灰分は、ガス化部１内の１６００℃程度の高温により溶融し、スラグ回収部２に流下し、スラグ排出管７を通してガス化炉より取り出される。このようなガス化炉を２ＭＰａ以上の加圧下で操業する。

水冷壁９は、水冷管を並べてメンブレンバーにより接合して構成されるが、一般に内外の圧力差に弱く、圧力差が大きくなると破損する。このため、ガス化炉内側と空洞部１６との間に連通部１３を設けて、ガスを流通させて圧力差を解消する。ガス化炉内側の圧力が高くなった場合には、連通部１３を通して空洞部１６側に生成ガスを流出させて圧力差を解消する。反対に、空洞部１６側の圧力が高くなった場合には、連通部１３を通して空洞部１６内のガスをガス化炉側に流入させて圧力差を解消する。

空洞部１６は仕切板１４により複数の室、図１では二つの室に分割されている。連通部１３に通じるガス置換室１５は、ガス化炉生成ガスが侵入し腐食されやすいので、必要最小限の容積とすることが好ましい。仕切板１４で仕切られたガス置換室１５と空洞部１６との間には図４に示すように隙間２１が設けられ、ガスが相互に流通できるようになっている。また、連通部１３に近いガス置換室１５にはガス供給機構におけるガス噴出口１９が設けられ、ガス化炉圧力以上に加圧された窒素ガス等の非腐食性のガスが供給されるようになっている。

ガス化炉内の圧力が上昇した場合には、ガス置換室１５にガス化炉生成ガスが侵入する。この生成ガスの侵入によって、ガス置換室に残留していたガスは押し上げられ、隙間２１を通って隣接する室に流出する。このとき、ガス置換室１５にガス化炉生成ガスが残留していると、腐食性のガス化炉生成ガスが空洞部１６全体に拡散する恐れがある。そこで、ガス置換室１５にガス噴出口１９から置換ガスを供給し、残留しているガス化炉生成ガスを排出すると共に、ガス置換室を非腐食性の置換ガスで置換する。

置換ガスの供給によって、ガス化炉生成ガスを効果的に排出するために、ガス噴出口１９は水冷壁１９と仕切板１４の接点付近に配置することが望ましい。また、ガス噴出口１９から供給される置換ガスの流れ２０は、図３に示すガス置換室内のガスの流れ１８と同一の方向にすることが望ましい。更に、仕切板１４は水冷壁側に接するように設け、ガスが流通可能な隙間２１は圧力容器側に設けることが望ましい。

一般に、水冷壁９には高圧水や蒸気が流通しており、圧力容器８の外側は外気であるため、水冷壁の温度は圧力容器の温度よりも高い。従って、ガス置換室１５内に満たされているガスは、水冷壁９によって加熱されて上昇し、圧力容器８によって冷却されて下降するという自然対流を生じている。このため、ガス化炉内側の圧力が上昇して生成ガスが連通部１３を通ってガス置換室１５内に侵入すると、上記の自然対流により図３の流れ１８に示すように流れる。

したがって、仕切板１４は水冷壁９に接して設け、圧力容器８側に隙間２１を設けることが望ましい。このようにすることより、生成ガスに混入しているチャーが空洞部１６へ流れるのを抑制することができる。また、ガス噴出口１９は、置換室内のガスの流れが上昇流から下降流に変わる、水冷壁と仕切板との接点付近に配置することが望ましく、置換ガスの流れ方向は、図３に示す生成ガスの流れ１８と同一方向にすることが望ましい。これにより、ガス置換室内に滞留しているガス化炉生成ガスの排出を効果的に実施することができる。

ガス化炉生成ガスに混入しているチャーは密度が約１００〜３００ｋｇ／ｍ^３と非常に小さく、浮遊しやすい。このため、隙間２１を通して空洞部１６に侵入する可能性がある。チャーの侵入をできるだけ少なく抑えるために、図２に示す仕切板設置角２３をチャーの安息角以上にして、仕切板１４上へのチャーの堆積を抑制することが望ましい。なお、チャーの安息角は一般的に４５度程度であるため、仕切板設置角２３は４５度以下とすることが望ましい。

本発明を適用した場合の効果の一例について説明する。図９は、本発明を適用した場合と、適用しない場合について、空洞部内の生成ガス濃度の経時変化を示した図である。ガス化炉内側の圧力が周期的に変動し、ガス置換室１５や空洞部１６に生成ガスが繰り返し侵入した場合に、空洞部１６内の生成ガスの平均濃度が経時変化する様子を示している。本発明を適用しない場合に相当する比較例は、ガス置換室１５内の生成ガス濃度が約６０００ｐｐｍまで上昇して定常となる。これに対し、本発明を適用して、仕切板１４やガス噴出口１９などを配した場合には、生成ガスの大部分はガス置換室１５内に納まり、空洞部１６内での生成ガスの定常濃度は１ｐｐｍ以下に抑制することができた。石炭のガス化の場合、硫化水素などの腐食成分の濃度は、一般に生成ガスの１／１０００程度であるので、本発明を適用した場合には、ガス置換室１５内の腐食成分の濃度を０．００１ｐｐｍ以下に抑制することができる。

次に、仕切板の構成について説明する。図５及び図６は、好ましい仕切板の例を示している。ガス置換室１５内のガスの流れ１８を下方に反転させて、空洞部１６側に生成ガスが侵入しにくいようにするために、仕切板１４の縁に下向きのガイド部２２を設置することが望ましい。また、ガイド部２２は、図５に示した形状のほかに、図６に示したように、途中で折れ曲がっている形状でも良い。ガイド部と圧力容器の間の隙間２１の長さが長いほど、空洞部１６へのガス化炉生成ガスの侵入を抑制する効果が大きい。

以上により、空洞部に仕切板とガス供給機構を設けるのみの簡単な構造で、空洞部１６全体にガス化炉生成ガスが拡散するのを抑制することができる。また、空洞部内の配管などを高価な耐食材料で製作する必要が無くなる。

本発明のガス化装置を用いた石炭ガス化発電システムについて、図７を用いて説明する。本実施例の石炭ガス化発電システムは、ミル３１，石炭ホッパ３２，ガス化装置３３，スラグホッパ４５，サイクロン３４，チャーフィルタ３５，チャーホッパ３６，ハロゲン除去器３７，ＣＯＳ転化器３８，脱硫塔３９，燃焼器４０，空気５７を圧縮する空気圧縮機４１，ガスタービン４２，原空圧縮機４３，空気分離器４４から構成される。

石炭３０は、ミル３１で粉砕され、石炭ホッパ３２に充填される。石炭ホッパ３２で石炭はロックホッパ方式によりガス化装置３３の圧力以上に加圧され、ガス化装置３３に供給される。このとき、空気分離器４４で製造された窒素を、窒素搬送管５１を通して微粉炭搬送管５０に送り、石炭を気流搬送する。一方、空気分離器４４で製造された酸素も酸素搬送管５３を通してガス化装置３３に供給される。石炭はガス化装置３３内で酸素と反応してガス化され、一酸化炭素と水素を主成分とするガスを生成する。生成ガス５４はガス精製装置であるサイクロン３４およびチャーフィルタ３５により脱塵された後、ハロゲン除去器３７と脱硫塔３９などで脱ハロゲンおよび脱硫処理され、ガスタービン設備で燃焼される。ここで、ガス化装置３３内のガス置換室１５の置換ガスとして、空気分離器４４で製造した窒素を、置換ガス供給管５２を介してガス化装置３３に供給する。空気分離器４４としては、深冷分離式の精留塔を使用することができる。また、ハロゲン除去器３７では、水洗浄塔やハロゲン吸着剤を使用することができる。

本発明のガス化装置を用いた石炭ガス化発電システムの別の例について、図８を用いて説明する。図８が図７と相違しているのは、精製後のガスを燃焼器４０に導入する精製ガス供給管５５を分岐し、ガス化装置３３のガス置換室１５の置換ガスとしていることである。精製ガス供給管５５から分岐された精製ガスはリサイクルガス圧縮機４６に導入され、ここでガス化装置３３以上の圧力に加圧され、置換ガス供給管５２を介してガス化装置３３のガス置換室１５に供給される。

本発明の実施例による加圧型ガス化装置の全体構成を示した概略図である。 生成ガス出口部近傍を拡大して示した概略図である。 ガス置換室内のガス流れを示した概念図である。 ガス置換室とガス供給機構を示した概略図である。 仕切板の一例を示した概略図である。 仕切板の別の例を示した概略図である。 本発明のガス化装置を適用した発電装置の一例を示した概略図である。 本発明のガス化装置を具備する発電装置の別の例を示した概略図である。 本発明を適用した場合と適用しない場合について、空洞部内の生成ガスの濃度の経時変化を示した図である。

符号の説明

１…ガス化部、２…スラグ回収部、３…生成ガス冷却部、４…連絡管、５…熱回収ボイラ、６…生成ガス出口管、７…スラグ排出管、８…圧力容器、９…水冷壁、１３…連通部、１４…仕切板、１５…ガス置換室、１６…空洞部、１９…ガス噴出口、２１…隙間、２２…ガイド部、２３…仕切板設置角、３３…ガス化装置、３４…サイクロン、３７…ハロゲン除去器、３８…ＣＯＳ転化器、３９…脱硫塔、４０…燃焼器、４１…空気圧縮機、４２…ガスタービン、４４…空気分離器、５２…置換ガス供給管、５５…精製ガス供給管。

Claims (16)

1. 加圧条件下で固体燃料を部分酸化して可燃性ガスを生成するガス化装置であり、ガス化反応部と熱回収ボイラを含むガス化炉が水冷管を配した水冷壁で構成され、前記ガス化炉が圧力容器に格納され、前記ガス化炉の生成ガス出口と前記圧力容器の内部とが連通し、前記圧力容器の内部の空間が前記水冷壁と前記圧力容器の内面との間に仕切板を配することによって複数の室に分けられ、前記仕切板にガス流通可能な隙間が設けられている加圧型ガス化装置において、前記仕切板によって分割された複数の室のうちで前記生成ガス出口に接する室に前記ガス化炉の炉外からガス化炉圧力以上に加圧されたガスを供給するためのガス供給機構が設けられていることを特徴とする加圧型ガス化装置。
2. 請求項１において、前記ガス供給機構からガスが供給される室の容積が他の室の容積よりも小さいことを特徴とする加圧型ガス化装置。
3. 請求項１において、前記圧力容器の内部の空間が２つの室に分割されていることを特徴とする加圧型ガス化装置。
4. 請求項１において、前記仕切板を前記水冷壁と前記圧力容器の内面のうち一方に接し、他方に接しないように設けることによって、前記隙間が形成されていることを特徴とする加圧型ガス化装置。
5. 請求項１において、前記隙間が前記圧力容器の内面側に設けられていることを特徴とする加圧型ガス化装置。
6. 請求項１において、前記仕切板が前記水冷壁に接して設けられていることを特徴とする加圧型ガス化装置。
7. 請求項1において、前記ガス供給機構からガスが供給される室の前記仕切板に近い位置に、前記ガス供給機構のガス噴出口が設けられていることを特徴とする加圧型ガス化装置。
8. 請求項１において、前記ガス供給機構からガスが供給される室に流入するガス化炉生成ガスの流れ方向に沿って、前記ガス供給機構からガスが供給されるように前記ガス供給機構が構成されていることを特徴とする加圧型ガス化装置。
9. 請求項１において、前記仕切板が、前記水冷壁に沿って上昇するガス化炉生成ガスの流れ方向からみて４５度以下の角度で設置されていることを特徴とする加圧型ガス化装置。
10. 請求項１において、前記ガス供給機構から、ガス化炉圧力以上に加圧した窒素ガス、或いは前記ガス化炉の生成ガスを脱塵，脱塩素，脱硫化水素処理したのちガス化炉圧力以上に加圧したガスが供給されることを特徴とする加圧型ガス化装置。
11. 請求項５において、前記仕切板の隙間側の縁に、前記隙間に向かって流れるガス化炉生成ガスの流れ方向を反転させるため、下向きのガイド部を有することを特徴とする加圧型ガス化装置。
12. 固体燃料を部分酸化して可燃性ガスを生成するガス化炉を圧力容器に格納し、前記圧力容器の内部空間を複数の室に分割すると共に各室をガスが流通できるようにし、前記ガス化炉で固体燃料を部分酸化して可燃性ガスを生成し、炉内圧力が上昇したならばガス化炉生成ガスの一部を前記圧力容器の内部空間に流入させて、炉内外の圧力差を解消するようにした加圧型ガス化装置の運転方法であって、前記ガス化炉の炉内外圧力差が解消されたならば、前記ガス化炉の生成ガス出口に接して設けられている室にガス化炉の圧力以上に加圧された非腐食性のガスを供給して、室に侵入しているガス化炉生成ガスを排出するようにしたことを特徴とする加圧型ガス化装置の運転方法。
13. 請求項１２において、前記非腐食性のガスの供給によって、前記ガス化炉の生成ガス出口に接して設けられている室のガスを置換することを特徴とする加圧型ガス化装置の運転方法。
14. 請求項１２において、前記非腐食性のガスが、ガス化炉圧力以上に加圧した窒素ガス、或いは前記ガス化炉の生成ガスを脱塵，脱塩素，脱硫化水素処理したのちガス化炉圧力以上に加圧したガスであることを特徴とする加圧型ガス化装置の運転方法。
15. 水冷管を配した水冷壁で構成されたガス化炉を圧力容器に格納し、前記ガス化炉の生成ガス出口と前記圧力容器の内部空間を連通させ、それによって前記ガス化炉の圧力が上昇したときに生成ガスの一部が前記圧力容器の内部空間に侵入するようにし、ガス流通可能な隙間を有する仕切板を前記水冷壁と前記圧力容器の内面との間に配することによって前記圧力容器の内部を複数の室に分割し、加圧条件下で固体燃料を部分酸化して可燃性ガスを生成するようにしたガス化装置と、
    前記ガス化装置で製造された可燃性ガスの脱塵，脱硫，脱ハロゲン処理を行うガス精製装置と、
    前記ガス精製装置で精製処理された可燃性ガスを燃料として発電を行うガスタービン発電装置と、
    前記ガス化装置で使用される酸化剤を、空気を分離することによって製造する空気分離器とを具備するガス化発電装置であって、
    前記ガス化装置における前記圧力容器の内部空間に設けられている複数の室のうちで、前記生成ガス出口に通じる室に、前記空気分離器で製造された窒素ガスをガス化炉圧力以上に加圧して供給するガス供給機構を設けたことを特徴とするガス化発電装置。
16. 水冷管を配した水冷壁で構成されたガス化炉を圧力容器に格納し、前記ガス化炉の生成ガス出口と前記圧力容器の内部空間を連通させ、それによって前記ガス化炉の圧力が上昇したときに生成ガスの一部が前記圧力容器の内部空間に侵入するようにし、ガス流通可能な隙間を有する仕切板を前記水冷壁と前記圧力容器の内面との間に配することによって前記圧力容器の内部を複数の室に分割し、加圧条件下で固体燃料を部分酸化して可燃性ガスを生成するようにしたガス化装置と、
    前記ガス化装置で製造された可燃性ガスの脱塵，脱硫，脱ハロゲン処理を行うガス精製装置と、
    前記ガス精製装置で精製された可燃性ガスを燃料として発電を行うガスタービン発電装置とを具備するガス化発電装置であって、
    前記ガス化装置における前記圧力容器の内部空間に設けられている複数の室のうちで、前記生成ガス出口に通じる室に、前記ガス精製装置で精製された可燃性ガスをガス化炉圧力以上に加圧して供給するガス供給機構を設けたことを特徴とするガス化発電装置。

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