JP5011040B2 - 反応炉装置および反応炉内ガス温度推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、固形の炭化水素燃料を高温度で反応させる反応炉装置とこの反応炉装置の反応炉の生成ガス温度推定方法に関する。

石炭、コークス、バイオマス、産業廃棄物を熱分解して得られた炭化物（乾留物）等の固体炭化水素燃料を高温度で燃焼する燃焼炉、又はガス化するガス化炉等の反応炉においては、反応が適切に進行するよう、また反応炉に損傷を与えないようにするため、反応炉内の温度を計測し、最適に制御する必要がある。
ここで計測・制御しようとする温度レベルは概ね１３００℃〜１６００℃であり、この温度は、上記固体炭化水素燃料に灰分（無機物）が含まれる場合ではその灰分が溶融する温度以上である。

かかる温度の計測手段として、従来、熱電対が最も一般的に用いられている。熱電対は異種の金属線を接続した素線と、素線を使用雰囲気下の環境から守るための保護管より構成されている。特に高温用の熱電対としては素線にＰｔ−ＰｔＲｈ系、保護管にＩｒ合金やセラミックスを用いている。
あるいは、反応場の火炎や高温ガスの輻射エネギーを利用する放射温度計が用いられている。これは反応炉に透明の覗き窓（通常ガラス製）を設け、そこから出射する光の波長および輝度を測定して温度を計測するものである。

なお、特開２００２−２５７６６７号公報には、ガス温度を他の計測データに基づいて推測することが開示されている。また、鉄鋼プラントにおける熱間圧延ラインの加熱炉の温度を、熱バランス方程式により求める方法が特公平６−６３０３９号公報に開示されている。
特開２００２−２５７６６７号公報 特公平６−６３０３９号公報

しかし、元来、反応炉の温度は高いため、上記熱電対の保護管は使用環境下のガス及び固体燃料特有の溶融灰により腐食し損傷する。その結果、素線まで損傷を受け、長時間の使用に耐えられない。また、放射温度計を用いる方法では、光を通す窓が反応炉内の溶融灰やダストで汚れ、正確な計測に支障を来たした。放射温度計には通常、窓の付着物を吹き飛ばすガスを流通するが、長期に渡って常に清浄に保つことは困難であった。

また、特開２００２−２５７６６７号公報で開示の方法は、熱交換器におけるガス温度の推算に関するものであり、燃料反応炉に関しては開示されていない。
特公平６−６３０３９号公報に提案されたものは、気体燃料に関する推算であり、固体燃料に関しては開示されていない。
すなわち、従来の固体炭化水素燃料の高温反応炉における温度計測法は、長期の使用に耐えるだけの信頼性が欠けていた。また、温度推算法については開示されていなかった。
したがって、本発明の目的は固体炭化水素燃料を燃料とする各種の反応炉の高信頼な温度推定方法を提供することにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１に係る発明は、固体炭化水素燃料を燃焼またはガス化する反応炉内部のガス温度を推定する方法であって、
固体炭化水素燃料の物性値を計測する燃料物性計測工程Ａと、
前記工程Ａで計測された固体炭化水素燃料物性値と反応炉への固体炭化水素燃料供給量および酸素供給量とに基づいて反応炉から飛散する未反応炭素物質量を推算する飛散未反応炭素物質量推算工程Ｂと、
前記反応炉で生成するガスの流量および組成を実測してガス化炭素量を求めるガス化炭素量実測工程Ｃと、
前記工程Ｂで推算された飛散未反応炭素物質量と前記工程Ｃで実測されたガス化炭素量とに基づいて反応炉に返送する未反応炭素物質供給量を推算する未反応炭素物質供給量推算工程Ｄと、
前記反応炉の炉壁から外部に伝熱する伝熱量を実測する反応炉壁伝熱量実測工程Ｅと、前記工程Ｂで推算された飛散未反応炭素物質量と、 前記工程Ｄで推算された未反応炭素物質供給量と、前記反応炉への固体炭化水素燃料供給量および酸素供給量と、前記工程Ｅで実測された反応炉壁伝熱量と、前記工程Ａで計測された固体炭化水素燃料物性値とに基づいて、反応炉内のガス化温度を推算するガス温度推算工程Ｆを有する反応炉内ガス温度推定方法である。

請求項２に係る発明は、固体炭化水素燃料を燃焼またはガス化する反応炉と、
この反応炉に供給する固体炭化水素燃料の物性値を計測する計測手段Ｍと、
前記反応炉への燃料供給量および酸素供給量を計測する計測手段Ｎと、
前記反応炉から飛散する未反応炭素物質量を回収して反応炉に返送する未反応炭素物質回収手段Ｏと、
前記反応炉からの生成ガスの流量および組成を測定してガス化炭素量を求めるガス化炭素量実測手段Ｐと、
前記反応炉の炉壁から外部に伝熱する伝熱量を実測する反応炉壁伝熱量実測手段Ｑを具備する反応炉装置であって、
さらに、前記計測手段Ｍで求められた固体炭化水素燃料物性値と、前記計測手段Ｎで求められた固体炭化水素燃料供給量および酸素供給量とに基づいて反応炉から飛散する未反応炭素物質量を推算する飛散未反応炭素物質推算工程Ｂと、
前記工程Ｂで推算された飛散未反応炭素物質量と前記実測手段Ｐで実測されたガス化炭素量とに基づいて反応炉に返送する未反応炭素物質供給量を推算するダスト供給量推算工程Ｄと、
前記実測手段Ｑで求められた反応炉壁伝熱量と、前記工程Ｂで推算された飛散未反応炭素物質量と、前記工程Ｄで推算されたダスト供給量と、前記計測手段Ｎで実測された反応炉への石炭供給量および酸素供給量と、前記計測手段Ｍで計測された石炭物性値とに基づいて、反応炉内ガス温度を推算するガス温度推算工程Ｆとを実施するガス温度推定演算手段Ｒを備えた反応炉装置である。

請求項３に係る発明は、固体炭化水素燃料を燃焼またはガス化する反応炉内部のガス温度を推定する方法であって、
固体炭化水素燃料の物性値を計測する燃料物性計測工程Ａと、
前記反応炉で生成するガスの流量および組成に基づいて反応炉から飛散する未反応炭素物質量を推算する飛散未反応炭素物質量推算工程Ｂ’と
前記反応炉の炉壁から外部に伝熱する伝熱量を実測する反応炉壁伝熱量実測工程Ｅと、
前記反応炉への固体炭化水素燃料供給量および酸素供給量と、前記工程Ｅで実測された反応炉壁伝熱量と、前記工程Ａで計測された固体炭化水素燃料物性値と、前記工程Ｂ’で推算された飛散未反応炭素物質量とに基づいて、反応炉内のガス化温度を推算するガス化温度推算工程Ｇを有する反応炉内ガス温度推定方法である。

請求項４に係る発明は、固体炭化水素燃料を燃焼またはガス化する反応炉と、
この反応炉に供給する固体炭化水素燃料の物性値を計測する計測手段Ｍと、
前記反応炉への燃料供給量および酸素供給量を計測する計測手段Ｎと、
前記反応炉の炉壁から外部に伝熱する伝熱量を実測する反応炉壁伝熱量実測手段Ｐを具備する反応炉装置であって、
さらに、前記反応炉からの生成ガスの流量および組成を測定してガス化炭素量を求めるガス化炭素実測手段Ｐと、前記実測手段Ｑで求められた反応炉壁伝熱量と、前記計測手段Ｎで実測された反応炉への石炭供給量および酸素供給量と、前記計測手段Ｍで計測された固体炭化水素燃料物性値と、前記工程Ｂ’で推算された飛散未反応炭素物質量に基づいて反応炉内ガス温度を推算するガス温度推算工程Ｇとを実施するガス化温度推定演算手段Ｒを備えた反応炉装置である。

請求項５に係る発明は、前記反応炉壁伝熱量実測工程Ｅが、反応炉壁の半径方向の異なる２点での温度を測定し、この温度差に基づいて伝熱量を算出するものである請求項１または３記載の反応炉内ガス温度推定方法である。
請求項６に係る発明は、前記反応炉壁伝熱量実測工程Ｅが、反応炉壁をボイラ伝熱管で構成し、ここから発生する蒸気量に基づいて伝熱量を求めるものである請求項１または３記載の反応炉内ガス温度推定方法である。

請求項７に係る発明は、前記反応炉壁伝熱量実測手段Ｑが、反応炉壁の半径方向の２点での温度を測定する温度計と、この温度計で測定された温度差に基づいて伝熱量を算出する演算部を備えたものである請求項２または４記載の反応炉装置である。
請求項８に係る発明は、前記反応炉壁伝熱量実測手段Ｑが、反応炉壁をボイラ伝熱管で構成し、ここから発生する蒸気量を測定して伝熱量を求める測定手段を備えたものである請求項２または４記載の反応炉装置である。

本発明の温度推定方法にあっては、対象とする反応炉の熱・物質収支モデルと確実に計測できる実測値とを用いて反応炉内のガス温度を推定するようにしたので、従来の計測機器の使用に耐えない高温度となる反応炉内のガス温度が常時、かつ長期に渡り高い信頼度で計測できる。
特に、固体炭化水素燃料の燃焼に特有の未反応炭素物質の反応炉への出入りも上記収支モデルに組み入れたものにおいても、同様に高い信頼度でガス温度を推定できる。

以下、本発明について、石炭ガス化プラントにおけるガス化炉に適用した場合の実施形態を説明する。
図１は、石炭ガス化プラントのプロセスフローシートである。この石炭ガス化プラントは、ガス化炉１０、熱回収装置２０、脱塵装置３０、ダスト供給装置４５、ガス洗浄装置５０、脱硫装置６０とで概略構成されている。この石炭ガス化プラントにおいて生成されたガス６１は発電設備又は化学合成設備（いずれも図示せず）に送られ、それぞれの用途に供される。

ガス化炉１０には、石炭１、酸素ガス２又は空気、ガス化スチーム３、窒素ガス４を、又場合により補助燃料５を供給し、高温度で反応させてＣＯとＨ_２に富むガスを発生させる。生成ガス１１中には石炭の未反応炭素物質が存在し、ガス化炉から飛散する（以下、飛散ダスト１２と称す）。またガス化炉壁から伝熱により外部に逃げる熱７０が存在する。
生成したガスの温度は１３００〜１６００℃であり、これを熱回収装置２０に通し、４００℃程度の温度に下げる。飛散ダスト１２は脱塵装置３０により除去し、続いてガス洗浄装置５０に通し、微量の飛散ダストやアルカリ化合物を除去した後、脱硫装置６０に通してガス中の硫黄分を除去する。
ガス洗浄装置５０の下流には、生成したガスの流量およびその組成を測定してガス化炭素量を求めるガス化炭素量実測手段５１が設けられている。また、ガス化炉１０に供給する石炭の物性値を測定する石炭物性値計測手段５２が設けられている。さらに、石炭、酸素ガス、水蒸気、窒素ガスおよび補助燃料の反応炉１１への供給量を実測する計測手段（図示略）が設けられて、それぞれの供給量が実測されるように構成されている。

脱塵装置３０で回収された飛散ダスト１２は、ダスト貯留装置４０に一旦貯められた後、ダスト供給装置４５により、再度ガス化炉１０に供給する。この時、飛散ダスト１２と再度供給する供給ダスト４６の量的なバランスがガス化炉温度に強く影響し、両ダスト量を把握することは温度推定にとって極めて重要である。
通常、ダスト供給量はダスト供給装置４５の回転数等で計測されるが、精度は必ずしも高くない。また、飛散ダスト量は直接的な計測が不可能なので、ダスト貯留装置４０に溜まる量を時系列的に計測し、重量変化速度に基づいて算定するが、この計測法の精度は高くない。本発明では後述する方法でこれを解決した。

図２はガス化炉壁の構成図であり、（ａ）は炉壁をボイラ伝熱管群１６と耐火物１５で構成した例、（ｂ）は耐火物１５のみで炉壁を構成した例である。
ガス化炉１０の温度は高温なので、炉を構成する壁はこれに耐えるように構築する。（ａ）はボイラ伝熱管群１６の内側に耐火物１５を張ることで対処している。ボイラ伝熱管群１６には冷却水１４を通し、ボイラ伝熱管群１６及び耐火物１５を冷却する。冷却水は蒸気ドラム１７に導入し、水蒸気１８を発生させ、蒸気発生量を測定するようになっている。（ｂ）は耐火物１５のみで構築した炉壁で、（ａ）の構造よりも低いガス化温度の場合に用いる。

図２（ａ）の構造の炉壁では、耐火物１５の内側とボイラ伝熱管群１６に温度計が設置されてそれぞれの位置で温度が計測されるようになっている。また、図２（ｂ）の炉壁では、耐火物１５の内側と外側に温度計が設置されてそれぞれの位置で温度が計測されるようになっている。

図１、図２には本発明で必要とする計測点も示す。図１の記号の意味は以下のとおりである。
石炭供給量Ｆ_ｃｏａｌ（ｋｇ／ｈ）、酸素供給量Ｆｏ_２（ｋｇ／ｈ）、ガス化スチーム供給量Ｆ_{ｓｔｅａｍ}（ｋｇ／ｈ）、窒素供給量Ｆｎ_２（ｋｇ／ｈ）、補助燃料供給量Ｆ_ａｕｘ（ｋｇ／ｈ）であり、計測点はいずれもガス化炉の入口である。
また、生成ガス流量Ｑ_ｇａｓ（Ｎｍ^３／ｈ）、生成ガス組成ω_{ｇａｓ−ｉ}（−）である。計測点はガスが清浄になった場所が適切で、少なくともガス洗浄装置５０の後とする。

生成ガス組成記号のｉはＨ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｎ_２、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｓ、ＣＯＳ、ＨＣｌ、ＮＨ_３、ＨＣＮの成分に対応する。
また、図２では、ドラム蒸気発生量Ｑ_{ｓｔｅａｍ}（ｋｇ／ｈ）、反応炉壁半径方向温度高温側Ｔ_{ｗａｌｌ−Ｈ}（℃）、低温側Ｔ_{ｗａｌｌ−Ｌ}（℃）である。これらの計測手段はぞれぞれ極めて信頼性の高いもので、ガス化プラントの長期連続運転において、確実に測定データが取得できるものである。

図３にガス化温度推定システムの構成を示す。本システムはガス化炉の熱・物質収支からガス化温度を推定するものである。まず、物質収支（炭素収支）について説明する。
石炭物性計測工程１００は、石炭の元素分析、工業分析、発熱量分析、石炭灰組成分析、石炭灰溶融温度測定、石炭溶融スラグ粘度等の物性値を実測する工程であり、この計測工程１００は、前記石炭物性値計測手段５２で行われる。

飛散ダスト発生量推算工程１１０は、ガス化炉から飛散するダスト量を推算する工程である。供給した石炭の炭素量からガス化で反応した炭素量を差し引いた値を飛散ダスト量とするもので、次のモデル式に従う。なお、各炭素量は供給した石炭の炭素量を１とした相対値で示している。
石炭炭素反応量η_ｃ＝ｆ（Ｘ_ｏｘｙ） −−−−−−−−−−−−−−−−（１）
飛散ダスト量＝１−η_ｃ −−−−−−−−−−−−−−−−（２）
ここで、Ｘ_ｏｘｙは石炭中炭素割合ω_Ｃ、石炭中酸素割合ω_Ｏ、石炭供給量Ｆ_ｃｏａｌ、酸素供給量Ｆ_Ｏ２の関数ｇで表されるガス化炉供給酸化剤等価量である。
Ｘ_ｏｘｙ＝ｇ（ω_Ｃ、ω_Ｏ、Ｆ_ｃｏａｌ、Ｆ_Ｏ２） −−−−−−−−−−−（３）

石炭炭素反応量η_ｃを表す（１）式は、多くの石炭に対するガス化試験結果を、（３）式で示した変数Ｘ_ｏｘｙの関数ｆとして、例えば（４）式、（４−ａ）式で近似したもので、図４に示したグラフで表される特性である。
Ｘ_ｏｘｙ≦Ｘ^＊ ： η_ｃ＝ａ×Ｘ_ｏｘｙ ^２＋ｂ×Ｘ_ｏｘｙ ＋ｃ （ａ，ｂ，ｃは定数） −−−−−−−−−−−−−−−−（４）
Ｘ^＊＜Ｘ_ｏｘｙ ： η_ｃ＝ｋ （ｋは定数） −−−−−−−−−（４−ａ）
（１）式の関数ｆは、対象とするガス化方式に依存するもので、予め定めておく。なお、関数ｆは近似式であるから、次の１次式でもよい。
Ｘ_ｏｘｙ≦Ｘ^＊ ： η_ｃ＝ａ’×Ｘ_ｏｘｙ＋ｂ’ （ａ’，ｂ’は定数）
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−（４−ｂ）

ガス化炭素実測工程１２０は、前記ガス化炭素量実測手段５１において測定された生成ガス流量Ｑ_ｇａｓと生成ガス組成ω_{ｇａｓ−ｉ}に基づき、実測値として次式によりガス化炭素量を求める工程である。
ガス化炭素量η_ａｌｌ＝Ｑ_ｇａｓ×（ω_ＣＯ＋ω_ＣＯ２＋ω_ＣＨ４＋ω_ＨＣＮ）×１２／２２．４／（Ｆ_ｃｏａｌ×ω_Ｃ） −−−−−−（５）

ダスト供給量推算工程１３０は、（５）式で求めたガス化炭素量η_ａｌｌと（１）式で求めた石炭炭素反応量の差がダスト貯留装置からガス化炉へ供給されたダスト量であるとし、次式でダスト供給量を求める工程である。
ダスト供給量＝η_ａｌｌ−η_ｃ −−−−−−−−−−−−−−−−−（６）
かくして、ガス化炉に供給された物質量、ガス化炉から出てゆく物質量が決まる。

ガス化温度推算工程１５０は、温度を推算する工程である。この工程における熱収支について説明する。熱収支に関しては以下の式が成立する。
Ｅ_{ｉｎｐｕｔ} ＝Ｅ_{ｏｕｔｐｕｔ} −−−−−−−−−−−−−−−−−−（７）
Ｅ_{ｉｎｐｕｔ} ＝Ｅ_ｃｏａｌ＋Ｅ_{ｄｕｓｔ−ｉｎ}＋Ｅ_Ｏ２＋Ｅ_Ｎ２＋Ｅ_{ｓｔｅａｍ} ＋Ｅ_ａｕｘ −−−−−−−−−−−−−−−−−−（８）
Ｅ_{ｏｕｔｐｕｔ}＝Ｅ_ｇａｓ＋Ｅ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ}＋Ｅ_ｓｌａｇ＋Ｈ_ｌｏｓｓ −−−−−−−−（９）
ここでＥはそれぞれの物質のエンタルピである。Ｈ_ｌｏｓｓはガス化炉壁から伝熱によって逃げる熱７０である。ガス化炉への入熱Ｅ_{ｉｎｐｕｔ}については、ガス化炉に供給される全ての物質の流量、温度が計測されており、また石炭の発熱量も事前に石炭物性値計測手段５２で測定されており、測定値として求められる。また供給されるダスト量は前出（６）式で得た値であり、これを用いてＥ_{ｄｕｓｔ−ｉｎ}を定めることができる。

一方、出熱Ｅ_ｏｕｔはそれぞれ次式で現される。
生成ガス出熱量：Ｅ_ｇａｓ ＝Ｑ_ｇａｓ×（Ｈ_ｇａｓ＋Ｃ_ｇａｓ×Ｔ_ＧＦ）−−−−（１０）
飛散ダスト出熱量：Ｅ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ} ＝Ｆ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ}×（Ｈ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ}＋Ｃ_ｄｕｓｔ×Ｔ_ＧＦ ） −−−−−−−−−−−（１１）
スラグ出熱量：Ｅ_ｓｌａｇ ＝Ｆ_ｓｌａｇ×Ｃ_ｓｌａｇ×Ｔ_ＧＦ −−−−−−−−（１２）
ここで、Ｔ_ＧＦが求めようとしているガス化炉温度である。Ｑ_ｇａｓは実測値を用いる。ガス発熱量Ｈ_ｇａｓ（ｋＪ／ｋｇ）は生成ガス組成ω_{ｇａｓ−ｉ}により計算で求まる（式は省略）。ガスの比熱Ｃ_ｇａｓ（ｋＪ／ｋｇ．Ｃ）はガス化温度Ｔ_ＧＦの関数である。その表示法はいくつかあるが、近似式として例えば次の２次式で表す。
Ｃ_{ｇａｓ−ｉ}＝α_ｉ＋β_ｉ×Ｔ_ＧＦ＋γ_ｉ×Ｔ_ＧＦ ^２ −−−−−−−−−−−−（１３）
ここでｉは生成ガスの各成分に対応し、生成ガス（混合ガス）の比熱は各成分の比熱に各成分割合を重み付けし、次式（１３）′で求める。

飛散ダスト量Ｆ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ}は、前述（２）式で求めた値に基づく。ダストの発熱量Ｈ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ}、比熱Ｃ_ｄｕｓｔ（ｋＪ／ｋｇ．ｃ）は定数とした。スラグ比熱Ｃ_ｓｌａｇ（ｋＪ／ｋｇ．ｃ）は定数とした。

（９）式のガス化炉壁伝熱量Ｈ_ｌｏｓｓは、ガス化炉壁伝熱量実測工程１４０で求める。ここでは２つの方法を採用する。方式１は、図２（ａ）に示した構造の炉壁を採用した場合のものであり、方式２は、図２（ｂ）に示した構造の炉壁を採用した場合のものである。
＜方式１＞ Ｈ_ｌｏｓｓ＝κ_１×Ｑ_{ｓｔｅａｍ}×Ｈ_{ｓｔｅａｍ−ｗａｌｌ} −−−−−−−（１４）
＜方式２＞ Ｈ_ｌｏｓｓ＝κ_２×Ｓ_ｗａｌｌ×Ｋ^＊×（Ｔ_{ｗａｌｌ−Ｈ}−Ｔ_{ｗａｌｌ−Ｌ}）−−（１５）
ここで、ドラム蒸気発生量Ｑ_{ｓｔｅａｍ}は実測値であり、蒸気エンタルピＨ_{ｓｔｅａｍ−ｗａｌｌ}は蒸気温度、圧力から求める。Ｔ_{ｗａｌｌ−Ｈ} 、Ｔ_{ｗａｌｌ−Ｌ}は図２に示したように炉壁半径方向の高温点と低温点の温度で、それぞれ実測値である。Ｓ_ｗａｌｌ（ｍ^２）は対象とする炉壁の表面積、Ｋ^＊は炉壁構成材の熱伝導率（Ｗ／ｍ^２．Ｋ）である。

（１４）、（１５）式において、κは伝熱量補正係数であり、実際の運転により適宜定める。＜方式１＞と＜方式２＞は同時に用いるのではなく、図２に示したような炉壁構造に応じて用いる。但し、図２（ａ）の場合であっても、＜方式２＞を採用することも可能で、その場合Ｔ_{ｗａｌｌ−Ｈ}は耐火材温度、Ｔ_{ｗａｌｌ−Ｌ}は伝熱管群温度とする。

以上のようにして、（７）式は、結局ガス化温度Ｔ_ＧＦの多元方程式（２次、又は３次）となり、定法（例えばＮｅｗｔｏｎ法）に従ってＴ_ＧＦを求めることができる。

ところで、石炭ガス化方式には、ガス化炉へ石炭を分割して供給する方式もある。図１に示した形態は、ガス化炉の一箇所に石炭を供給した方式であり、得られたガス化炉温度はガス化炉全域の温度を表す。分割する場合は、分割したそれぞれの反応場の温度計測が必要である。しかし、生成ガス流量とガス組成は図１と同様、ガス化炉下流で計測するので、分割した個々の反応場でのガス流量、組成は不明である。そこで、分割した場合の温度計算方法を以下に説明する。

図５は、分割供給する場合の石炭ガス化プロセスフローシートである。ガス化炉１０は反応場１０−ａと反応場１０−ｂで構成され、通常二つの場は連通している。図５の鎖線が仮想的な境界部分１９である。反応場１０−ｂには分割した一方の石炭６と、酸素７、窒素９を供給し、必要に応じて水蒸気８を供給する。このような分割型では、スラグを排出する側、図５では反応場１０−ａの温度を高くして操業するので、ここの温度計測が問題となる。本発明をこのような石炭分割型のガス化炉に適用する場合、反応場１０−ａで生成するガスの流量とガス組成が実測できない。そこでこれらを計算で求める。

今、反応場１０−ａから生成するガスをＨ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２とし、それぞれの流量をＱ_Ｈ２、Ｑ_ｃｏ、Ｑ_ｃｏ２、Ｑ_Ｈ２Ｏ、Ｑ_Ｎ２とすると、以下の物質収支が成立する。
〔炭素収支〕Ｆ_{ｃｏａｌ−ａ}×ω_{Ｃ−ｃｏａｌ}＋Ｆ_ａｕｘ×ω_{ｃ−ａｕｘ}＋Ｆ_{ｄｕｓｔ−ｉｎ}×ω_{ｃ−ｄｕｓｔ} ＝（Ｑ_ＣＯ＋Ｑ_ＣＯ２）×１２／２２．４＋Ｆ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ}×ω_{ｃ−ｄｕｓｔ} −−−−（１６）
〔水素収支〕Ｆ_{ｃｏａｌ−ａ}×ω_{Ｈ−ｃｏａｌ}＋Ｆ_ａｕｘ×ω_{Ｈ−ａｕｘ}＋Ｆ_{ｓｔｅａｍ−ａ}×ω_{Ｈ−ｓｔｅａｍ} ＝ （Ｑ_Ｈ２＋Ｑ_Ｈ２Ｏ）×２／２２．４ −−−−−−−−−−（１７）
〔酸素収支〕Ｆ_{ｃｏａｌ−ａ}×ω_{Ｏ−ｃｏａｌ} ＋ ２Ｆ_Ｏ２ ＋ Ｆ_{ｓｔｅａｍ−ａ}×ω_{Ｏ−ｓｔｅａｍ}＝（Ｑ_ＣＯ＋２Ｑ_ＣＯ２＋ Ｑ_Ｈ２Ｏ）×１６／２２．４ −−−−−−−−−−（１８）
〔窒素収支〕Ｆ_{ｃｏａｌ−ａ}×ω_{Ｎ−ｃｏａｌ}＋２Ｆ_Ｎ２−ａ＝Ｑ_Ｎ２×２８／２２．４ −−（１９）

一方、石炭の高温ガス化反応ではＨ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏは、次のシフト反応の平衡組成になることが公知である。
ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２ −−−−−−−−−−−−−−（２０）
また、このシフト反応の平衡値Ｋ_ｅｑは次式（２１）で表せることが公知である。

（１６）〜（１８）、（２１）式を解いて、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏの流量が求まる。また（１９）式からＮ_２の流量が求まる。さらにこれらから、ガス組成（ガス分圧）が求まる。なお、（２１）式のシフト反応平衡温度Ｔ_ｅｑは適宜与える必要があり、例えばＴ_ｅｑ＝１８００℃とした。

このようにして得られた反応場１０−ａからの生成ガス量Ｑ_{ｇａｓ−ａ}は、Ｑ_{ｇａｓ−ａ}＝Ｑ_Ｈ２＋Ｑ_ＣＯ＋Ｑ_ＣＯ２＋Ｑ_Ｈ２＋Ｑ_Ｎ２である。ガス組成は、ω_{ｇａｓ−ａ−Ｈ２Ｏ}＝Ｑ_Ｈ２Ｏ／Ｑ_{ｇａｓ−ａ}、ω_{ｇａｓ−ａ−ＣＯ}＝Ｑ_ＣＯ／Ｑ_{ｇａｓ−ａ}、ω_{ｇａｓ−ａ−ＣＯ２}＝Ｑ_ＣＯ２／Ｑ_{ｇａｓ−ａ}、ω_{ｇａｓ−ａ−Ｈ２}＝Ｑ_Ｈ２／Ｑ_{ｇａｓ−ａ} 、ω_{ｇａｓ−ａ−Ｎ２}＝Ｑ_Ｎ２−ａ／Ｑ_{ｇａｓ−ａ}である。これらを前記（１０）、（１３）式に適用すれば、前記と同様に、反応場１０−ａでのガス化温度が求められる。

次に、実施例の結果を図６に示す。ここで用いたガス化炉は上記石炭分割型である。石炭供給量は１２０〜１５０ ｔ／ｄ、ガス化圧力２．５ＭＰａである。反応場１０−ａと１０−ｂへの石炭供給量は等しい。この図６での温度実測値とは、反応場１０−ａに供給する石炭バーナの高さ位置にあって、ガス化炉壁から約１０ｍｍ程度突き出た箇所に、素線がＰｔ−ＰｔＲｕ、保護管がＩｒ製の熱電対温度計を設置して計測したものである。方式１は前記図２（ａ）に示したボイラ伝熱管群で発生した蒸気量に基づいた結果、方式２は前記図２（ａ）で、炉壁温度Ｔ_{ｗａｌｌ−Ｈ、}Ｔ_{ｗａｌｌ−Ｌ}の温度差に基づいた結果である。

この実施例では、熱電対が正常に作動している時に、（１４）、（１５）式における伝熱補正係数を定めた。その結果、図６の程度まで実測と一致させるための係数は、方式１でκ_１＝０．７５、方式２でκ_２＝１．４であった。図６によれば、本発明による温度推定値は実測値をよく表現している。
なお、使用した熱電対は、試験開始後約３日間程度で損傷し、計測不能となった。しかし、その後も得られた補正係数を用いて推定した温度は運転条件に見合って、妥当と思われる値を指示し続けた。

以上は飛散ダストをガス化炉に戻す場合の例であるが、石炭ガス化プロセスでは、上述の実施形態以外に、飛散ダストをガス化炉に供給しないタイプのものがある。以下、このようなタイプのガス化炉での温度推定方法について説明する。

図７は、このような石炭ガス化プロセスの実施形態を示すもので、図１に示したものと同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この実施形態では、ダスト供給装置を欠く点が図１に示したものと相違するところである。

脱塵装置３０で回収された飛散ダスト１２は、ダスト貯留装置４０に一旦溜められるが、飛散ダスト量を把握することは、この場合でも、温度推定にとって極めて重要である。飛散ダスト量は同様に直接的な測定はできないので、後述する方法で求めた。

ガス化炉炉壁の構造は、図２に示した先の実施形態と同様であるのでその説明は省略する。
図７における記号の意味は以下の通りである。
石炭供給量Ｆ_ｃｏａｌ（ｋｇ／ｈ）、酸素供給量Ｆｏ_２（ｋｇ／ｈ）、スチーム供給量Ｆ_{ｓｔｅａｍ}（ｋｇ／ｈ）、窒素供給量Ｆｎ_２（ｋｇ／ｈ）、補助燃料供給量Ｆ_ａｕｘ（ｋｇ／ｈ）であり、計測点はいずれもガス化炉の入口である。

図８にガス化温度推算システムの構成を示すが、図３に示したものと同一構成部分には同一符号を付してある。
石炭物性計測工程１００は、石炭の元素分析、工業分析、発熱量分析、石炭灰組成分析、石炭灰溶融温度測定、石炭溶融スラグ粘度等の物性値を実測する工程であり、この計測工程１００は、前記石炭物性値計測手段５２で行われる。

飛散ダスト推算工程１００’はガス化炉から飛散するダスト量を推算する工程である。この飛散ダストをガス化炉に供給しない場合、供給した石炭の炭素量からガス化炭素量実測値を差し引いた値を飛散ダスト量とするもので、次のモデル式に従う。
ガス化炭素量ηall=＝Ｑ_ｇａｓ×（ω_ＣＯ＋ω_ＣＯ２＋ω_ＣＨ４＋ω_ＨＣＮ）×１２／２２．４／（Ｆ_ｃｏａｌ×ω_Ｃ） −−−−−−（２２）
飛散ダスト量=1−ηall−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−（２３）
かくして、ガス化炉１０から出て行く物質量が決まる。

ガス化温度推算工程１５０は、温度を推算する工程である。この工程における熱収支について説明する。熱収支に基づいて関しては以下の式が成立する。
Ｅ_{ｉｎｐｕｔ} ＝Ｅ_{ｏｕｔｐｕｔ} −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−（２６）
Ｅ_{ｉｎｐｕｔ} ＝Ｅ_ｃｏａｌ＋Ｅ_Ｏ２＋Ｅ_Ｎ２＋Ｅ_{ｓｔｅａｍ} ＋Ｅ_ａｕｘ −−−−−−−−−（２７）
Ｅ_{ｏｕｔｐｕｔ}＝Ｅ_ｇａｓ＋Ｅ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ}＋Ｅ_ｓｌａｇ＋Ｈ_ｌｏｓｓ −−−−−−−−−−（２８）
ここでＥはそれぞれの物質のエンタルピである。Ｈ_ｌｏｓｓはガス化炉壁から伝熱によって逃げる熱７０である。ガス化炉への入熱Ｅ_{ｉｎｐｕｔ}については、ガス化炉に供給される全ての物質の流量、温度が計測されており、また石炭の発熱量も事前に計測手段Ｍで測定されており、測定値として求められる。

一方、出熱Ｅ_ｏｕｔはそれぞれ次式で表される。
生成ガス出熱量：Ｅ_ｇａｓ ＝Ｑ_ｇａｓ×（Ｈ_ｇａｓ＋Ｃ_ｇａｓ×Ｔ_ＧＦ） −−−−（２９）
飛散ダスト出熱量：Ｅ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ} ＝Ｆ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ}×（Ｈ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ}＋Ｃ_ｄｕｓｔ×Ｔ_ＧＦ ） −−−−−−−−−−−−−（３０）
スラグ出熱量：Ｅ_ｓｌａｇ ＝Ｆ_ｓｌａｇ×Ｃ_ｓｌａｇ×Ｔ_ＧＦ −−−−−−−−−（３１）
ここで、Ｔ_ＧＦが求めようとしているガス化炉温度である。Ｑ_ｇａｓは実測値を用いる。ガス発熱量Ｈ_ｇａｓ（ｋＪ／ｋｇ）は生成ガス組成ω_{ｇａｓ−ｉ}により計算で求まる（式は省略）。ガスの比熱Ｃ_ｇａｓ（ｋＪ／ｋｇ．Ｃ）はガス化温度Ｔ_ＧＦの関数である。その表示法はいくつかあるが、近似式として例えば次の２次式で表す。
Ｃ_{ｇａｓ−ｉ}＝α_ｉ＋β_ｉ×Ｔ_ＧＦ＋γ_ｉ×Ｔ_ＧＦ ^２ −−−−−−−−−−−−（３２）
ここでｉは生成ガスの各成分に対応し、生成ガス（混合ガス）の比熱は各成分の比熱に各成分割合を重み付けし、次式（３２）′で求める。

飛散ダスト量Ｆ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ}は、前述（２３）式で求めた値に基づく。ダストの発熱量Ｈ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ}、比熱Ｃ_ｄｕｓｔ （ｋＪ／ｋｇ．ｃ）は定数とした。スラグ比熱Ｃ_ｓｌａｇ（ｋＪ／ｋｇ．ｃ）は定数とした。

（２８）式のガス化炉壁伝熱量Ｈ_ｌｏｓｓは、ガス化炉壁伝熱量実測工程１４０で求めるが、これは先の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

以上のようにして、（２６）式は、結局ガス化温度Ｔ_ＧＦの多元方程式（２次、又は３次）となり、定法（例えばＮｅｗｔｏｎ法）に従ってＴ_ＧＦを求めることができる。

さらに、この飛散ダストをガス化炉に供給しない形態においても、先の図５に示したように、ガス化炉１０内を２つの反応場１０−ａと１０−ｂとに分けて、それぞれの反応場に石炭を分割して供給して運転することがある。
この場合のガス化温度の推定方法は、前述の推定方法における式（１６）のみを以下のように変形した式（１６）′を用いて計算すればよい。
〔炭素収支〕Ｆ_{ｃｏａｌ−ａ}×ω_{Ｃ−ｃｏａｌ}＋Ｆ_ａｕｘ×ω_{ｃ−ａｕｘ}＝（Ｑ_ＣＯ＋Ｑ_ＣＯ２）×１２／２２．４＋Ｆ_{ｄｕｓｔ−ｏｕｔ}×ω_{ｃ−ｄｕｓｔ} −−−−−−−−−（１６）′

以上の説明においては、反応炉として石炭ガス化炉の例を示したが、本発明での反応炉には、これ以外に、固体炭化水素燃料としてコークス、石油コークス、バイオマス、産業廃棄物を熱分解して得られた炭化物（乾留物）などを使用するボイラなどの燃焼炉、ガス化炉、炭化炉、熱分解炉などが含まれる。また、燃料には、無機物を混合したものを使用することもでき、スラリー状の形態の燃料を使用することもできる。さらに、酸化剤には、空気、酸素、酸素富化空気などを使用できる。

本発明の実施形態のプロセスフロー図である。 本発明の実施形態における反応炉壁構造を示す図である。 本発明による温度推定法の一例を示すブロック図である。 本発明における飛散ダストを求めるためのグラフである。 本発明の他の実施形態のプロセスフロー図である。 本発明における温度推定結果と実測結果の比較を示すブラフである。 本発明の他の実施形態のプロセスフロー図である。 本発明による温度推定法の他の例を示すブロック図である。

符号の説明

１、６…石炭、２、７…酸素ガス２又は空気、３、８…ガス化スチーム、４、９…窒素ガス、５…補助燃料、１０…ガス化炉、１０−ａ、ガス化炉反応場ａ、１０−ｂ、ガス化炉反応場ｂ、１１…生成ガス、１１‘…反応場ａからの生成ガス、１２…飛散ダスト、１３…スラグ、１４…冷却水、１５…耐火物、１６…伝熱管群、１７…蒸気ドラム、１８…ドラム水蒸気、１９…仮想境界、２０…熱回収装置、３０…脱塵装置、４０…ダスト貯留装置、４５…ダスト供給装置、４６…供給ダスト、５０…ガス洗浄装置、５１…ガス化炉炭素量実測手段、５１−ａ…生成ガス流量、５１−ｂ…生成ガス組成、５２…石炭物性値計測手段、６０…脱硫装置、６１…清浄ガス、７０…ガス化炉壁逸散熱
１００…石炭物性計測工程、１１０…ダストを返送する場合の飛散ダスト発生量推定工程、１１０´…ダストを返送しない場合の飛散ダスト発生量推定工程、１２０…ガス化炭素実測工程、１３０…ダスト供給量推算工程、１４０…ガス化炉壁伝熱量実測工程、１５０…ガス化温度推算工程

Claims (8)

1. 固体炭化水素燃料を燃焼またはガス化する反応炉内部のガス温度を推定する方法であって、
   固体炭化水素燃料の物性値を計測する燃料物性計測工程Ａと、
   前記工程Ａで計測された固体炭化水素燃料物性値と反応炉への固体炭化水素燃料供給量および酸素供給量とに基づいて反応炉から飛散する未反応炭素物質量を推算する飛散未反応炭素物質量推算工程Ｂと、
   前記反応炉で生成するガスの流量および組成を実測してガス化炭素量を求めるガス化炭素量実測工程Ｃと、
   前記工程Ｂで推算された飛散未反応炭素物質量と前記工程Ｃで実測されたガス化炭素量とに基づいて反応炉に返送する未反応炭素物質供給量を推算する未反応炭素物質供給量推算工程Ｄと、
   前記反応炉の炉壁から外部に伝熱する伝熱量を実測する反応炉壁伝熱量実測工程Ｅと、
   前記工程Ｂで推算された飛散未反応炭素物質量と、前記工程Ｄで推算された未反応炭素物質供給量と、前記反応炉への固体炭化水素燃料供給量および酸素供給量と、前記工程Ｅで実測された反応炉壁伝熱量と、前記工程Ａで計測された固体炭化水素燃料物性値とに基づいて、反応炉内のガス温度を推算するガス温度推算工程Ｆを有する反応炉内ガス温度推定方法。
2. 固体炭化水素燃料を燃焼またはガス化する反応炉と、
   この反応炉に供給する固体炭化水素燃料の物性値を計測する計測手段Ｍと、
   前記反応炉への燃料供給量および酸素供給量を計測する計測手段Ｎと、
   前記反応炉から飛散する未反応炭素物質量を回収して反応炉に返送する未反応炭素物質回収手段Ｏと、
   前記反応炉からの生成ガスの流量および組成を測定してガス化炭素量を求めるガス化炭素量実測手段Ｐと、
   前記反応炉の炉壁から外部に伝熱する伝熱量を実測する反応炉壁伝熱量実測手段Ｑを具備する反応炉装置であって、
   さらに、前記計測手段Ｍで求められた固体炭化水素燃料物性値と、前記計測手段Ｎで求められた固体炭化水素燃料供給量および酸素供給量とに基づいて反応炉から飛散する未反応炭素物質量を推算する飛散未反応炭素物質推算工程Ｂと、
   前記工程Ｂで推算された飛散未反応炭素物質量と前記実測手段Ｐで実測されたガス化炭素量とに基づいて反応炉に返送する未反応炭素物質供給量を推算するダスト供給量推算工程Ｄと、
   前記実測手段Ｑで求められた反応炉壁伝熱量と、前記工程Ｂで推算された飛散未反応炭素物質量と、前記工程Ｄで推算されたダスト供給量と、前記計測手段Ｎで実測された反応炉への石炭供給量および酸素供給量と、前記計測手段Ｍで計測された石炭物性値とに基づいて、反応炉内ガス温度を推算するガス温度推算工程Ｆとを実施するガス温度推定演算手段Ｒを備えた反応炉装置。
3. 固体炭化水素燃料を燃焼またはガス化する反応炉内部のガス温度を推定する方法であって、
   固体炭化水素燃料の物性値を計測する燃料物性計測工程Ａと、
   前記反応炉で生成するガスの流量および組成に基づいて反応炉から飛散する未反応炭素物質量を推算する飛散未反応炭素物質量推算工程Ｂ’と
   前記反応炉の炉壁から外部に伝熱する伝熱量を実測する反応炉壁伝熱量実測工程Ｅと、
   前記反応炉への固体炭化水素燃料供給量および酸素供給量と、前記工程Ｅで実測された反応炉壁伝熱量と、前記工程Ａで計測された固体炭化水素燃料物性値と、前記工程Ｂ’で推算された飛散未反応炭素物質量とに基づいて、反応炉内のガス温度を推算するガス温度推算工程Ｇを有する反応炉内ガス温度推定方法。
4. 固体炭化水素燃料を燃焼またはガス化する反応炉と、
   この反応炉に供給する固体炭化水素燃料の物性値を計測する計測手段Ｍと、
   前記反応炉への燃料供給量および酸素供給量を計測する計測手段Ｎと、
   前記反応炉の炉壁から外部に伝熱する伝熱量を実測する反応炉壁伝熱量実測手段Ｐを具備する反応炉装置であって、
   さらに、前記反応炉からの生成ガスの流量および組成を測定してガス化炭素量を求めるガス化炭素実測手段Ｐと、前記実測手段Ｑで求められた反応炉壁伝熱量と、前記計測手段Ｎで実測された反応炉への石炭供給量および酸素供給量と、前記計測手段Ｍで計測された固体炭化水素燃料物性値と、前記工程Ｂ’で推算された飛散未反応炭素物質量とに基づいて反応炉内ガス温度を推算するガス温度推算工程Ｇとを実施するガス温度推定演算手段Ｒを備えた反応炉装置。
5. 前記反応炉壁伝熱量実測工程Ｅが、反応炉壁の半径方向の異なる２点での温度を測定し、この温度差に基づいて伝熱量を算出するものである請求項１または３記載の反応炉内ガス温度推定方法。
6. 前記反応炉壁伝熱量実測工程Ｅが、反応炉壁をボイラ伝熱管で構成し、ここから発生する蒸気量に基づいて伝熱量を求めるものである請求項１または３記載の反応炉内ガス温度推定方法。
7. 前記反応炉壁伝熱量実測手段Ｑが、反応炉壁の半径方向の２点での温度を測定する温度計と、この温度計で測定された温度差に基づいて伝熱量を算出する演算部を備えたものである請求項２または４記載の反応炉装置。
8. 前記反応炉壁伝熱量実測手段Ｑが、反応炉壁をボイラ伝熱管で構成し、ここから発生する蒸気量を測定して伝熱量を求める測定手段を備えたものである請求項２または４記載の反応炉装置。

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