JP4933442B2 - 燃料ガス化装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料をガス化して合成ガスを形成するための装置に関するものであり、その際スラグも形成される。

このようなガス化装置は、石炭ガス化プラントなどの気体、液体又は固体燃料ガス化プラントの一部とし得る。

石炭ガス化プラントでは、石炭などの微粉炭素質燃料が、主に合成ガスから構成される生成物ガスに変換される。一般に、ガス化プラントはガス化反応器を有するガス化装置を備え、ガス化反応器では高圧及び高温の条件下で微粉炭素質燃料をガス化する。このガス化装置では、壁面上に灰からスラグを形成し得る。このような壁面は例えば特許明細書ＧＢ１５０１２８４に記載のようにメンブレン壁の形状にて設けることができる。

このスラグは壁面に沿ってスラグ放出開口部又はスラグタップまでしたたり落ちることができ、該開口部又はタップにてスラグはスラグ水槽に自由に落下することができ、該水槽において冷却し凝固することができる。このことは、例えば米国特許ＵＳ４，８５２，９９７に記載されている。例えばＵＳ４４３６５３０、ＤＥ４１０９０６３及びＵＳ５９７６２０３には、その他のガス化反応器が記載されている。

上記ＵＳ４，８５２，９９７に記載のガス化装置反応器は、スラグがスラグタップから落ちる領域の周りにフード付き要素の形状のスカートを備える。このスカートは、上部から底部を見たとき広がっていく円錐状下部を有し、端部はスプレーリングになっている。スプレーリングの機能は、スラグ槽上に水を噴霧してスラグ槽の水面上に浮いているスラグをぬらすことである。

上記ＵＳ４，８５２，９９７に示されたスカートには種々の問題がある。自由落下しているスラグは溶融しており高温であるから、スカートが過熱して損傷する。
ＧＢ１５０１２８４ ＵＳ４８５２９９７ ＵＳ４４３６５３０ ＤＥ４１０９０６３ ＵＳ５９７６２０３

本発明の目的は上記の問題を最小限にすることである。

別の目的は代わりに使える燃料ガス化装置を提供することである。

上記又はその他の目的の１つ又は複数が本発明、すなわち、燃料をガス化して合成ガスを形成する装置であって、その際にスラグも形成される該装置が、
- 大気圧より高い圧力に維持するための圧力シェルと；
- 前記圧力シェルの下部に設置されて急冷液を含んでいるスラグ槽と；
- 前記圧力シェルの内側に配置されると共に、運転中に合成ガスを形成できるガス化室を形成するガス化装置壁であって、ガス化装置壁の下部は、前記スラグ槽中の急冷液より上に位置するスラグ放出開口部を備えた狭まっていく壁部分を有する前記ガス化装置壁と；
- 前記スラグ放出開口部と前記スラグ槽との間を下向きに延びるスラグの自由落下軌道と；
- 前記自由落下軌道の少なくとも一部と前記圧力シェルとの間にて前記スラグ槽より上に配置された熱シールドであって、該熱シールドは冷却液を流すことができる壁構造を有し、前記壁構造は上方壁部と下方壁部とからなり、前記上方壁部は前記下方壁部よりも前記スラグ放出開口部に近接して設置され、前記下方壁部は前記上方壁部よりも前記スラグ槽に近接して設置される前記熱シールドと；
を少なくとも備え、
前記熱シールドの前記下方壁部が本質的に非耐火性であることを特徴とする装置により達っせられる。

好ましくは、壁構造はメンブレン壁構造であり、適切には冷却液を流すことのできるチューブ壁構造からなる。

本発明のガス化装置は多数の利点を有する。メンブレン壁構造に冷却液を流すことにより熱シールドを冷却できる。

高温の合成ガス及び落下スラグから保護すると共に、ガス化室から不必要な熱損失を避けるべく冷却可能な熱シールドのメンブレン壁構造の間に断熱層を設けるために、この熱シールドの少なくとも一部は耐火材料の層を備えてもよい。耐火層の劣化から生じ得る熱シールドの過熱損傷は、上記冷却能力により避けられる。

しかし、この冷却の能力により、耐火層の存在は必要とされない。少なくとも部分的に耐火性でない熱シールドを代わりに設けることができる。このように、熱シールド上で冷却の能力を有することにより、少なくとも部分的に非耐火性の熱シールドを維持できる可能性が与えられる。

スラグ槽中の急冷液と熱シールドとの接触が起こり得る領域では、耐火保護が偶発的に壊れる可能性があり、それにより熱シールド中の温度が不必要に局所的に変動することで機械的な応力が生じ、最終的には熱シールドのメンブレン壁構造に漏れが生じるかもしれない。さらに、壊れた耐火材料の一部がスラグ槽及びスラグ放出システムにおける下流で閉塞を生じさせるかのしれない。

したがって、本質的に非耐火性である熱シールドの下方壁部を、熱シールドの上方壁部よりもスラグ槽に近接して配置させ、該上方壁部は下方壁部よりもスラグ放出開口部に近接して配置させるのが特に有利である。このような好ましい配置は、スラグ槽中の急冷液との偶発的な接触に対して、下部に耐火層を備えた熱シールドよりも適している。

以下、例として限定的でない添付図面に関して本発明をさらに詳しく説明する。
図中、同じ参照符号は同じ構成要素を示す。

図１には、少なくともＣＯとＨ_２とを含む合成ガスの生成のために設けられたガス化装置３の下端部が概略的に示されている。石炭ガス化プラントでは、一般にこの合成ガスの生成は、石炭ガス化装置において酸素又は酸素含有ガスの存在下、１０００℃〜３０００℃の範囲の相対的に高い温度で約１〜７０バール、好ましくは７〜７０バールの圧力範囲にて石炭などの炭素質燃料を部分燃焼させることにより行われる。ガス化装置３は、実質的に円錐状又は凸状の上端部及び下端部を備え、好ましくは円筒形で圧力シェル１の形式の外側シェルを有する長円形の縦型容器とし得る。

ガス化室２は周囲のガス化装置壁４により形成され、ガス化装置壁４は（好ましくは）冷却液を循環させるためメンブレン壁構造とし得る。一般に、ガス化装置３は直径の両側位置にバーナー（図示せず）を備え、該バーナーにより酸素と燃料をガス化室２に送るが、これは本発明の本質的な要素ではない。ガス化室２は反応室を形成し、反応室では燃料を部分酸化して合成ガスを形成する。

ガス化装置壁４は燃料の燃焼中に不燃性の灰を燃料から分離するのを助ける。運転中、スラグ１１が形成され、狭まっていく壁部分１４にしたたり落ちることができ、この狭まっていく壁部分１４の下端部には、スラグ放出開口部５又はスラグタップが設けられる。スラグ１１はスラグ放出開口部５を通って放出され、自由落下軌道（全体的に参照符号１０で示されている）に沿って落下し、圧力シェル１の下部にてスラグ槽容器８中に保持されているスラグ槽１５中に入る。スラグ槽容器８は急冷液として水で満たすことができる。

好ましくは、スラグ放出開口部５は比較的急なドリッパーエッジ３２を備え、スラグ槽１５中へのスラグの自由落下を促進する。

スラグ槽１５は漏斗６を備え、漏斗６中にスラグ１１が集められる。スラグ１１の流れはスラグ水槽１５の放出開口部１８に送られ、水と共に放出される。スプレーリング支持構造上に支持されたスプレーリング７が水位１６より上に設けられ、スラグ槽１５からのリサイクル水を水面１６上に噴霧（概略的に９で示す）することで、浮いているスラグ粒子が沈むのを容易にする。記載された態様では、スラグ槽容器８がスプレーリング支持構造として機能している。別法として、別のスプレーリング支持構造を用いてもよい。

自由落下しているスラグ１１の熱や運転中に自由落下軌道１０中にも通常存在する高温の合成ガスの熱から圧力シェル１を保護するために、自由落下しているスラグ１１と圧力シェル１との間に熱シールド２１が設けられる。冷却液を流すようにするため、熱シールド２１はメンブレン壁構造からなる。熱シールド２１を冷却することにより、熱シールド２１上に設けられた任意の耐火性ライニングに漏れが存在する場合に起こり得る過熱に対して熱シールドを保護する。

また、この冷却の能力により、熱シールド２１は耐熱性を有さないか又は部分的に耐熱性を有さなくてもよい。

熱シールド２１とスラグ槽１５中に含まれる水との不必要な接触を防ぐため、スラグ槽１５中に含まれる水の水位１６より上に熱シールド２１を配置する。運転状態ではこの水は熱シールド２１に有害な腐食作用を及ぼし得る。

熱シールド２１を圧力シェル１の内側に配置することにより、内側に大きな圧力差を機械的に保持できるようにする必要はない。ガス化装置壁４及び／又は熱シールド２１の両側での著しい圧力差を防ぐために、スプレーリング７と熱シールド２１の下端部との間にガス抜きギャップ２２が設けられている。

次に図２を参照すると、冷却液を流すようにするために、熱シールド２１はチューブ壁構造２３、２４を有する。図１及び２の態様では、水平に配置されたリング形状の複数のチューブ３５が適切には溶接継手により互いに固定されている。狭まっていく壁又は広がっていく壁は、隣接するリング形状のチューブと比べて増大又は減少する直径を有するリング形状のチューブのアセンブリにより作ることができる。

リング形状のチューブ３５の各々には、冷却液を供給、放出できるように、入口と出口を設けることができる。代案として、局所的な熱流束に依存して、１つの入口と１つの出口の間に２個以上のリングを直列に連結することもできる。この選択肢はおそらくより小さなリングの場合に魅力的となり得る。

メンテナンス又は修理のための停止運転中に熱シールド２１の交換を容易にするために、圧力シェル１内に別個の給水及び戻り配管を内蔵させる。

冷却液の供給系は冷却液を熱シールド２１に供給するのに専用できる。このように、他の内部構造物は同じ冷却液を共用しない。例えば熱シールド２１において腐食や熱応力の結果として漏れが大きくなっても、他の内部構造物は冷却液不足の悪影響を受けない。さらに、漏れを示している如何なる不足も検出するため、熱シールド２１への冷却液の流入と熱シールド２１からの冷却液の流出を運転中に監視できる。水は好ましい冷却液である。

図１及び２の態様では、ガス化装置壁４の狭まっていく壁部分１４もまた、リング形状のチューブ３５のアセンブリから形成される。好ましくは、実質的にガス化装置壁４の全体が、これらのリング形状のチューブ３５から形成される。

熱シールド２１はガス化装置壁４から下向きに延びており、好ましくは、高温の合成ガスが熱シールド２１と圧力シェル１との間の環状空間１２に入りガス抜きギャップ２２を通ってスラグ槽空間に循環して戻ってくるのを防ぐためにガス化装置壁４に密封連結される。

好ましい態様の熱シールド２１は自由落下軌道１０の周りにスカートとして延びる。熱シールド２１は上方壁部２３と下方壁部２４とからなる。上方壁部２３は、下方壁部２４とガス化装置壁４の狭まっていく壁部分１４との間に配置され、スラグが落ちる方向で見て広がっていく部分を有する。

好ましくは、熱シールド２１の上方壁部２３は耐火材料の層３３で保護される。耐火材料３３の好ましい断熱特性により、ガス化室２から冷却される熱シールド２１への不必要な熱漏れが最小限に抑えられる。適切には、耐火材料３３はＰｌｙｒａｍ ＳｉＣ Ｌ３００１から作られ、層の厚みは好ましくは１０〜２０ｍｍであり、さらに好ましくは約１４ｍｍである。耐火材料３３は固定装置（図示せず）により適切に固定され支持され、好ましくは、ＡｌＳｉ ３１０ ｓｓから作られる。一般に、固定装置の直径は約１０ｍｍとし得る。

熱シールド２１又は少なくともその下部２４は、スラグ槽１５中の水と接触する危険性が相対的に高いので、好ましくはモリブデンも含有し、好ましくは化学的腐食に対する耐性を強める他の合金元素を含有する例えばニッケルクロム系の超合金などの耐食金属から適切に作られる。適切なＮｉ-Ｃｒ系の超合金は、Ｉｎｃｏｌｏｙ ８２５の名称で販売されており、表１に記載の範囲内の組成を有するオーステナイト相で入手できる。

低合金鋼を含めてその他の物質、特に酸化又は還元環境においてリン酸及び硫酸に対して優れた耐食性を有するものを代わりに使用できる。

下方壁部２４は本質的に自由落下軌道１０の周りに円筒状に配置される。下方壁部２４は自由落下軌道１０に面する方に滑らかな内面を有する。この滑らかな内面は自由落下軌道１０の周りに配置された大チューブの形状にて設けることができ、密接に接触して大チューブの周りに配置される冷却液用の複数のチューブ３５によって冷却される。図２に示される態様では、下方壁部２４は円筒状に配置された複数のスーパーΩチューブからなり、その各々はΩ形状の断面又は真っ直ぐな輪郭部分を有する断面をもつ。滑らかな内面は、一連の真っ直ぐな輪郭部分が滑らかな面を形成するようにそれらの輪郭部分を互いに溶接することによって得られる。

熱シールドの最後のチューブ２５は、円形の断面を有する普通のリング形状のチューブの形状にて設けられる。

下方壁部２４は耐火材料の層を備えていない。もし耐火材料の層を備えていれば、熱シールド２１がスラグ槽の急冷液中に偶発的に漬かると壊れてしまうであろう。

運転中、液体スラグ１１の小滴（いわゆるフライスラグ）は、熱シールド２１のうち耐火性のない部分と接触するかもしれない。以下の仮定に縛られることを意図するものではないが、自由落下軌道に面する方の熱シールドの内面は凝固したスラグの層で覆われることが予想される。これは、液体スラグが（高温の）冷却されていない熱シールドと接触する場合に比べて有利である。というのは、スラグ１１中のアルカリ化合物は液体スラグ中で腐食性であり得るが、スラグは凝固すると不活性になるからである。よって、固体スラグが保護層を与える。

本発明のガス化装置の下部を断面図にて概略的に示す。 図１において破線で囲まれた領域について図１のガス化装置の細部を概略的に示す。

符号の説明

１ 圧力シェル
２ ガス化室
３ ガス化装置
４ ガス化装置壁
５ スラグ放出開口部
１０ 自由落下軌道
１５ スラグ槽
２１ 熱シールド

Claims (11)

1. 燃料をガス化して合成ガスを形成する装置（３）であって、その際にスラグ（１１）も形成される該装置（３）が、
   − 大気圧より高い圧力に維持するための圧力シェル（１）と；
   − 前記圧力シェル（１）の下部に設置されて急冷液を含んでいるスラグ槽（１５）と；
   − 前記圧力シェル（１）の内側に配置されると共に、運転中に合成ガスを形成できるガス化室（２）を形成するガス化装置壁（４）であって、ガス化装置壁（４）の下部は、前記スラグ槽（１５）中の急冷液より上に位置するスラグ放出開口部（５）を備えた狭まっていく壁部分（１４）を有する前記ガス化装置壁（４）と；
   − 前記スラグ放出開口部（５）と前記スラグ槽（１５）との間を下向きに延びるスラグ（１１）の自由落下軌道（１０）と；
   − 前記自由落下軌道（１０）の少なくとも一部と前記圧力シェル（１）との間にて前記スラグ槽（１５）より上に配置された熱シールド（２１）であって、該熱シールド（２１）は冷却液を流すことができる壁構造を有し、前記壁構造は上方壁部（２３）と下方壁部（２４）とからなり、前記上方壁部（２３）は前記下方壁部（２４）よりも前記スラグ放出開口部（５）に近接して設置され、前記下方壁部（２４）は前記上方壁部（２３）よりも前記スラグ槽（１５）に近接して設置される前記熱シールド（２１）と；
   を少なくとも備え、
   前記熱シールド（２１）の前記下方壁部（２４）が本質的に非耐火性であって、円筒状に配置された複数のスーパーΩチューブからなることを特徴とする装置（３）。
2. 前記熱シールド（２１）が前記ガス化装置壁（４）から下方に延びることを特徴とする請求項１に記載の装置（３）。
3. 前記熱シールド（２１）は合成ガスが通過するのを防ぐため前記ガス化装置壁（４）に密封連結されることを特徴とする請求項２に記載の装置（３）。
4. 前記熱シールド（２１）が前記自由落下軌道（１０）の周りにスカートの形状にて設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置（３）。
5. 前記壁構造がチューブ壁構造からなり、好ましくは前記自由落下軌道（１０）の周りに水平に配置された１又は複数のリング形状のチューブ（３５）を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置（３）。
6. 前記壁構造は、前記自由落下軌道（１０）の方を向いた滑らかな表面を有する滑らかな壁部分を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（３）。
7. 前記熱シールド（２１）の前記上方壁部（２３）の少なくとも一部が耐火材料（３３）の層で覆われていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置（３）。
8. 前記熱シールド（２１）の前記上方壁部（２３）が自由落下方向に沿って見たとき広がっていく壁を有し、前記下方壁部（２４）が前記自由落下軌道（１０）の周りに本質的に円筒状に延びることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置（３）。
9. 前記滑らかな壁部分が前記下方壁部（２４）に含まれることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置（３）。
10. 前記圧力シェル（１）の内側に配置されると共に前記ガス化室（２）を形成する前記ガス化装置壁（４）が実質的に冷却液を流すことができる壁構造から構成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置（３）。
11. 前記圧力シェル（１）と前記熱シールド（２１）とで環状空間（１２）を形成することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置（３）。