JP5139714B2 - ガス化炉及びガス化装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機物をガス化し、無機物を溶融スラグ化するガス化炉と、ガス化発電プラント、ガス化装置及びガス化炉の運転方法に関する。

ガス化炉では、スラグタップで溶融スラグを安定流下させるために、スラグタップ下面を保温する必要がある。スラグタップ直下のクエンチ部にはバーナが設置されているものの、エネルギー効率を高めるため、起動・停止時や低負荷運転時にのみ燃料が使用されるのが通例である。

スラグタップ下面を保温するために、クエンチ部に酸素含有ガスを供給し、スラグタップからクエンチ部に流入するガスに含まれる粒子を燃焼させて、スラグタップ付近を高温に保持することが提案されている（例えば、特許文献１参照)。

また、クエンチ部にバーナを設置し、ガス化炉でガス化した生成ガスと酸化剤を投入してスラグタップを保温することが提案されている（例えば、特許文献２参照）
特開２００４−９９７６０号公報（要約） 特開平７−１１２６１号公報（要約）

特許文献１には、スラグタップ監視装置に酸素含有ガスを噴射するノズルを設けて酸素含有ガスを噴射すると共に、起動用バーナ及びスラグ排出孔ノズルの一方又は両方から酸素含有ガスを噴射することが記載されている。

特許文献２に記載の発明は、クエンチ部に設置したバーナ自体で燃焼ガスを生成して、その燃焼ガスによりスラグタップを保温するものである。

本発明の目的は、クエンチ部に助燃燃料を投入することなく、スラグタップを保温できるようにしてエネルギー効率の悪化を抑制し、しかも、少ないガス量でスラグタップ下面を保温し、スラグの安定流下を実現できるようにしたガス化炉と、ガス化発電プラント、ガス化装置及びガス化炉の運転方法を提供することにある。

本発明のガス化炉は、有機物をガス化し、無機物を溶融スラグにするガス化部と、前記ガス化部の底部にあり、前記ガス化部で有機物がガス化して生成された生成ガスの一部とともに前記溶融スラグを流下させるスラグタップと、前記スラグタップの下部にあるクエンチ部と、前記クエンチ部の下部にある水槽とを具備するガス化炉において、前記クエンチ部に少なくとも1本のノズル又はバーナを備え、前記ノズル又はバーナから酸素を含む気体の噴流が水平方向に供給されるようにして前記気体の噴流を前記ノズルに対向する前記クエンチ部の壁面に衝突させ、前記スラブタップに向けて緩慢な上昇流を形成するようにしたことを特徴とする。

本発明のガス化炉は、有機物をガス化し、無機物を溶融スラグにするガス化部と、前記ガス化部の底部にあり、前記ガス化部で有機物がガス化して生成された生成ガスの一部とともに前記溶融スラグを流下させる小判型開口部を持つスラグタップと、前記スラグタップの下部にあるクエンチ部と、前記クエンチ部の下部にある水槽とを具備するガス化炉において、前記クエンチ部の同一円周上に複数本の前記ノズル又はバーナが等間隔又は略等間隔で配置され、前記ノズル又はバーナから供給される酸素を含む気体の運動量が独立に変えられて前記気体の噴流を水平方向に供給し、該噴流をクエンチ部内で衝突させて、前記スラブタップに向けて緩慢な上昇流を形成するようにしたことを特徴とする。

本発明のガス化炉は、有機物をガス化し、無機物を溶融スラグにするガス化部と、前記ガス化部の底部にあり、前記ガス化部で有機物がガス化して生成された生成ガスの一部とともに前記溶融スラグを流下させる小判型開口部を持つスラグタップと、前記スラグタップの下部にあるクエンチ部と、前記クエンチ部の下部にある水槽とを具備するガス化炉において、
前記クエンチ部に少なくとも1本のノズル又はバーナが備えられ、前記ノズル又はバーナの設置角度が水平方向を基準に上方０°から４５°までの範囲で可変になっており、前記ノズル又はバーナから酸素を含む気体の噴流が水平方向ないし前記スラグタップを直撃しない範囲でスラグタップ方向に向けて供給して前記気体の噴流を前記ノズルに対向する前記クエンチ部の壁面に衝突させ、前記スラブタップに向けて緩慢な上昇流を形成することを特徴とする。

本発明のガス化炉では、クエンチ部内において、スラグタップ下面に向かう酸素含有ガスの上昇流が形成され、ガス化部からスラグタップを下降する生成ガスと、スラグタップ下面付近で混合するようになる。これにより、助燃燃料を用いずに、少ないガス量で、スラグタップ下面付近を局所的に加熱できるようになり、エネルギー効率に優れるガス化炉となる。

本発明のガス化炉において、酸素を含む気体を供給するバーナ又はノズルは、１本ないしは複数本を備えることができる。複数本備える場合には、クエンチ部の同一円周上に等間隔又は略等間隔で配置することが望ましい。等間隔又は概略等間隔で配置することが望ましいのは、対向するノズル又はバーナからの噴流同士が衝突し、これにより、スラグタップ直下で、スラグタップを流下した生成ガスと酸素とが緩慢混合するようになり、少ないガス量で、スラグタップ下面を保温できるからである。

クエンチ部に設置されるノズル又はバーナからは、酸素を含む気体とともに、ガス化炉生成ガスの一部を供給できるようにしてもよい。この場合には、可燃性の生成ガスが酸素を含む気体に同伴されて、スラグタップ直下に上昇し、スラグタップの下面付近で燃焼するようになる。これにより、燃料を用いずに、スラグタップ下面の保温効果を高めることができる。

クエンチ部の同一円周上に等間隔又は略等間隔で設置された複数本のノズル又はバーナを、酸素を含む気体の運動量が独立に制御できる構成とすることも極めて望ましい。これにより、対向するノズル又はバーナからの噴流同士が衝突する位置を調整することができる。検討の結果、対向するノズル又はバーナのうち一方の前記運動量を大にし、他方の前記運動量を小にして、図７のようにスラグタップ直下から離れた位置で、それらの噴流同士を衝突させた場合には、図３のようにスラグタップ直下で噴流を衝突させた場合よりも、少ないガス量でスラグタップを保温できることがわかった。

本発明では、他の実施形態として、酸素含有気体を噴出するノズル又はバーナを、その設置角度が、水平方向を基準に上方０°から４５°までの範囲で可変となるように設置することを提案する。この場合には、ノズル又はバーナからの酸素を含む気体の噴流が、水平方向ないしはスラグタップを直撃しない範囲でスラグタップ方向に向けて供給されるようにする。酸素含有気体の噴流がスラグタップを直撃しないようにするのは、スラグタップ下面の溶損、および溶融スラグの飛散の恐れがあるためである。

クエンチ部には、非常時用のノズルを設けることもできる。非常時とは、例えば、ガス化部での旋回流の流速低下により、スラグタップを流下する生成ガスの流量が低下した場合である。非常時用のノズルは、使用時のみクエンチ部に挿入できるように、クエンチ部に出し入れ可能な構成にすることが望ましい。また、非常時用のノズルからは、酸素を含む気体もしくはガス化炉生成ガスの一部を供給することが望ましい。

以下、本発明を石炭ガス化炉に適用した場合について、図面を用いて説明する。

本実施例は、既存の助燃バーナを用い、燃料を使用せずに、かつ、少ないガス量で、スラグタップ下面付近を局所的に加熱するようにしたものであり、エネルギー効率に優れている。

図１は、スラグタップ保温のためにクエンチ部に加熱バーナを設置したガス化炉の断面図を示す。ガス化部２には上段バーナ６と下段バーナ７が取り付けられており、各バーナより円筒型のガス化炉の接線方向に石炭、窒素、酸素が投入され、旋回流が形成される。投入された石炭は、ガス化部２においてガス化し、ＣＯ及Ｈ_２を主成分とする生成ガス８となり、ガス化部２内を旋回しながら下降する。ガス化部２での旋回流の影響により、ガス化部２およびスラグタップ３内の圧力分布は、外側で高く、中心側で低くなる。

下降する生成ガス８の流れは、ガス化部２の底面に設置されたスラグタップ３にて反転し、ガス化部２の中心部を上昇する。一方、生成ガス８の一部は、スラグタップ３を下降し、直下のクエンチ部４に流入する。スラグタップを下降する生成ガスを、下降生成ガス９と呼ぶこととする。

クエンチ部４には、加熱バーナ１０が設置されている。加熱バーナ１０は、起動・停止時やガス化炉１を低負荷で運転する際に、助燃バーナとして軽油、酸素、窒素を投入し、スラグタップ３及びガス化部２の下部を加熱する役割を持つ。ガス化炉１を所定の負荷以上で運転する際には、加熱バーナ１０より軽油等の助燃燃料は投入せず、酸素を含む気体１１のみを投入する。ここで、酸素を含む気体１１とは、例えば酸素と窒素の混合気体や、酸素富化した空気である。

加熱バーナ１０より投入された酸素を含む気体１１の噴流は、直進してクエンチ部４の反対側の壁に衝突し、スラグタップ３に向かう上昇流を形成する。これにより、スラグタップを下降する下降生成ガス９は、スラグタップ３の下面付近において、酸素を含む気体１１と混合し燃焼する。これは、下降生成ガス９が高温で、かつＣＯやＨ_２といった可燃分を含むことによる。

スラグタップの加熱方法及びスラグタップ３の役割について、スラグタップ付近のガスの流動状態を示した図２を用いて、詳細に説明する。

スラグタップ３の主な役割は、ガス化部２にて、溶融スラグを高温の生成ガス８と分離して排出し、溶融スラグを水槽５の冷却水に供給することである。１５００℃以上に達するガス化部２と、水槽５の冷却水には非常に大きな温度差があるため、ガス化部２及びスラグタップ３を高温に保持するためのバッファ空間として、クエンチ部４を設ける。

スラグタップ３から溶融スラグを連続して安定に流下させるためには、スラグタップ３の下面、特にスラグタップ開口部５１の下面付近を加熱することと、クエンチ部４内への溶融スラグの飛散防止が必要になる。このため、スラグタップ開口部５１の形状を小判型にすることが非常に好ましい。小判型とは、正方形や真円でない矩形の総称であり、楕円、長方形、角丸四角形、瓢箪型などを意味する。

ガス化部２内の旋回流の影響で、スラグタップを下降する下降生成ガス９は、小判型のスラグタップ開口部５１の外側、すなわち長辺側から下降する。また、スラグタップ３の上面に溜まった溶融スラグも、スラグタップを下降する下降生成ガス９の流れに同伴され、小判型のスラグタップ開口部５１の長辺側から流下する。スラグタップを下降する下降生成ガス９は高温であるため、スラグタップ３を流下する溶融スラグを保温できる。

次にクエンチ部４において、スラグタップ開口部５１の下面で、溶融スラグを重力で落下させる。ここで、溶融スラグを加熱し、かつ溶融スラグの飛散による、クエンチ部４内の側壁への付着・固化を防止しなければならない。小判型のスラグタップ開口部５１とすることで、スラグタップを下降する下降生成ガス９の旋回方向の運動エネルギーを減衰させる。これは、旋回方向の速度ベクトルが、スラグタップ開口部５１の内壁に衝突することによる。これにより、スラグタップ開口部５１の下面にて、溶融スラグがクエンチ部に流入した生成ガス４９で振られることにより、クエンチ部４内を飛散することを抑制できる。

一方で、クエンチ部に流入した生成ガス４９は、旋回方向の運動エネルギーが減衰したため、クエンチ部４内に拡散せず、スラグタップ開口部５１の下面付近に滞留しやすくなる。生成ガス４９にはＣＯやＨ_２といった可燃分が含まれているため、スラグタップ開口部５１の下面付近に、酸素を含む気体１１を供給することで、スラグタップ開口部５１の下面付近を局所的に加熱することができる。生成ガス４９と、酸素を含む気体１１とから発生した燃焼ガスは、スラグタップを上昇する燃焼ガス５０となって、スラグタップ開口部５１の中央部を上昇し、ガス化部の生成ガス８とともに、炉上方から下流の系統に排出される。

以上のように、小判型の開口部を持つスラグタップ３を用いることで、クエンチ部４へのスラグ飛散を抑制し、スラグタップ開口部５１の下面付近を局所的に加熱することができる。

ただし、上記の方法を実現するためには、クエンチ部４に投入する酸素を含む気体１１を、本実施例のようにスラグタップ開口部５１の直下に緩慢に供給することが不可欠になる。その理由は、次の２点である。

一点目は、スラグタップ開口部５１の直下の生成ガス及び溶融スラグの流動状態を乱さないことであり、二点目は、酸素を含む気体１１の流量を極力減らすことで、所内動力を低減することである。

すなわち、酸素を含む気体１１の噴流を、スラグタップ開口部５１に直撃させず、対向する壁面に衝突させて、スラグタップ３の下面に向かう上昇流を形成する。これにより、酸素を含む気体１１の噴流を減衰し、スラグタップ開口部５１の直下付近にて、クエンチ部に流入した生成ガス４９と緩慢混合するようになり、溶融スラグの飛散も抑制される。

また、酸素を含む気体１１の噴流の向きを、スラグタップ３と平行にすることで、自身の運動エネルギーと周囲のガスとの間に働くせん断力で、周囲のガスを同伴するため、スラグタップ３の直下の圧力が低下する。これにより、スラグタップ３を下降する下降生成ガス９の流れが促進される。

酸素を含む気体１１の噴流を、スラグタップ開口部５１に直撃させた場合には、酸素を含む気体１１の噴流で、溶融スラグがクエンチ部４内に飛散するだけでなく、クエンチ部に流入した生成ガス４９も乱れ、クエンチ部４内に拡散する。これにより、酸素を含む気体１１の投入で着火する領域が大きくなるため、スラグタップ開口部５１の下面付近の加熱に必要な、酸素を含む気体１１の流量が増加する。

本実施例では、ガス化部２内に発生させた旋回流を用いて、下降生成ガス９をスラグタップ３からクエンチ部４に下降させる場合について説明した。ここで、下降生成ガス９をスラグタップ３からクエンチ部４に下降させるためには、ガス化部２の外周側の圧力を高くして、クエンチ部４と圧力差を生じさせることがポイントである。従って、ガス化部２とクエンチ部４に圧力差を生じさせる手段を有すれば、本発明は成立する。旋回流以外の方法で圧力差を生じさせる手段としては、例えば、以下の方法がある。

（１）ガス化部２の底部の下段バーナ７を下向きとし、バーナから投入する石炭及びガスの運動エネルギーで、スラグタップ３からクエンチ部４まで貫通する流れを形成する。

（２）クエンチ部４に設置したノズルから、内部のガスを吸引する。これにより、クエンチ部４内の圧力をガス化部２より低くして、ガス化部２内からの下降生成ガス９の下降を促進する。

本実施例では、スラグタップ保温のために、クエンチ部に複数の加熱バーナを対向させて設置した場合について説明する。図３は、本実施例のガス化炉を示している。

ガス化部２には、上段バーナ６、下段バーナ７が取り付けられており、各バーナより接線方向に石炭、窒素、酸素が投入される。投入された石炭は、ガス化部２においてガス化し、ＣＯ及びＨ_２を主成分とする生成ガス８となり、ガス化部２内を旋回しながら下降する。

下降する生成ガス８の流れは、ガス化部２の底面に設置されたスラグタップ３にて反転し、ガス化部２の中心部を上昇する。一方、生成ガス８の一部は、スラグタップ３を下降し、スラグタップ３直下のクエンチ部４に流入する。ガス化部２での旋回流の影響により、ガス化部２およびスラグタップ３内の圧力分布は、外側で高く、中心側で低い。

従って、スラグタップを下降する下降生成ガス９は、スラグタップ３内の外側を下降する。スラグタップを下降する下降生成ガス９は高温であるため、スラグタップ３を流下する溶融スラグを保温する。

クエンチ部４には、加熱バーナ１０と加熱バーナ１２が水平に、対向して設置されている。２本の加熱バーナは、ともに、起動・停止時やガス化炉１を低負荷で運転する際に、助燃バーナとして軽油、酸素、窒素を投入し、スラグタップ３及びガス化部２の下部を加熱する役割を持つ。一方、ガス化炉１を所定の負荷以上で運転する際には、２本の加熱バーナより、それぞれ酸素を含む気体を投入する。ここで、酸素を含む気体とは、例えば酸素と窒素の混合気体である。

加熱バーナ１０より投入された酸素を含む気体１１、及び加熱バーナ１２より投入された酸素を含む気体１３の噴流は、クエンチ部４内で衝突し、緩慢な上昇流となってスラグタップ３に向かう。

スラグタップ方向に上昇する酸素を含む気体１４は、スラグタップ３の下面付近において、スラグタップ３を下降する下降生成ガス９と混合し燃焼する。これは、下降生成ガス９が高温であり、ＣＯやＨ_２といった可燃分を含むことによる。

酸素を含む気体１４及び下降生成ガス９による燃焼ガスは、スラグタップ３の中心側を上昇し、ガス化部２内の生成ガス８と混合して、ガス化部２内の中心部を上昇する。

本実施例によれば、既存の助燃バーナを用い、燃料を使用せずに、少ないガス量で、スラグタップ下面付近を局所的に加熱することができる。これにより、エネルギー効率に優れ、スラグタップ３における溶融スラグの安定流下が実現される。

本実施例では、石炭ガス化複合発電プロセスについて説明する。このプロセスでは、実施例２の構造のガス化炉を用い、かつ、加熱バーナから、酸素を含む気体と共に、ガス化炉で発生した生成ガスの一部を供給できるようにした。図４に本実施例の石炭ガス化複合発電プロセスフローを示す。

まず、石炭ガス化複合発電のプロセスフローについて説明する。ガス化部２内に投入された有機物はガス化し、ＣＯ及びＨ_２を主成分とする生成ガス８となる。生成ガス８は、ガス化炉１の頂部から熱回収部１５を経て冷却され、脱塵装置１６にて脱塵され、塩素除去装置１７にて塩素が除去される。さらに、脱硫装置１８にて脱硫されて、生成ガス８中の不純物が除去される。

脱硫装置１８を出た生成ガスは、発電用の生成ガス２０として、燃焼器２１に供給される。燃焼器２１では、圧縮機２２からの空気が供給され、発電用の生成ガス２０と混合・燃焼する。燃焼器２１の排ガスは、ガスタービン２３を駆動し、ボイラ２５で冷却され、煙突２７から系外に出される。ここで、ボイラ２５では、排ガスの熱で蒸気２６が加熱され、蒸気タービン２４を駆動する。

一方、脱硫装置１８では、硫黄分を石膏として回収するものの、微量の硫黄分（Ｈ_２Ｓ等）を含む排ガス１９も排出する。この排ガス１９は、燃焼器５２で完全燃焼させた後、煙突２７に供給される。

石炭ガス化複合発電プロセスでは、ガス化炉１を加圧状態で運転する。この場合、空気４６をガスタービン２３で駆動する圧縮機２２で昇圧し、空気分離設備２９にて酸素３０及び窒素３１を取り出し、独立した系統でガス化炉１に供給する。この系統から、クエンチ部４に設置した加熱バーナ１０及び加熱バーナ１２に酸素３０及び窒素３１が供給される。

ここで、非常用として、加熱バーナ１０及び加熱バーナ１２には、上述の脱硫装置１８を出た生成ガスの一部を、加熱バーナ供給用の生成ガス２８として供給する系統を備えておくと良い。本系統の使用方法について、以下に説明する。

スラグタップ３において、溶融スラグの冷却・固化により、スラグタップ孔の面積が縮小すると、一般に、ガス化部２よりスラグタップを下降する下降生成ガス９の流量は減少する。これは、実施例２でも述べたように、旋回流の影響でガス化部２の外側の圧力が高いため、スラグタップを下降する下降生成ガス９は、スラグタップ３の外側から流入することによる。

この場合、クエンチ部の加熱バーナ１０及び加熱バーナ１２から投入する酸素３０の流量を増加させても、スラグタップ３の下面を保温できない。これは、スラグタップを下降する下降生成ガス９の流量が減少するため、クエンチ部４内のスラグタップ３の下面付近における可燃分が少ないためである。

スラグタップ３の下面を保温するためには、可燃分を追加で投入する必要がある。そこで、加熱バーナ供給用の生成ガス２８を用いる。加熱バーナ供給用の生成ガス２８は、３００℃以下で供給されており、加熱バーナから供給された酸素を含む気体１１、及び加熱バーナ１２から供給された酸素を含む気体１３に同伴され、クエンチ部４内で衝突・混合する。スラグタップ方向に上昇する酸素を含む気体１４は、可燃分である加熱バーナ供給用の生成ガス２８を同伴して、スラグタップ３直下に上昇する。上部のガス化部２からの伝熱により、クエンチ部４内の温度は、スラグタップ３に近づくほど高くなる。これにより、加熱バーナ供給用の生成ガス２８は、スラグタップ３下面付近で燃焼するため、燃料を用いずにスラグタップを保温できる。

加熱バーナ供給用の生成ガス２８を用いると、プラント効率は低下する。従って、定常運転中は、加熱バーナから酸素３０及び窒素３１のみを投入して、スラグタップ３下面を保温する運転方法が良い。溶融スラグの冷却・固化によりスラグタップ３の孔が閉塞傾向にある場合、及びスラグタップ３下部の付着スラグを焼ききる場合といった非常時に、加熱バーナ供給用の生成ガス２８を用いると良い。

石炭ガス化複合発電プロセスの別の実施形態について、図５を用いて説明する。図５では、加熱バーナ１０と加熱バーナ１２から、酸素富化した空気、及びガス化炉で発生した生成ガスの一部を供給できるようにした。

図５に示す石炭ガス化複合発電プロセスにおいて、空気４６は圧縮機２２で昇圧され、加熱バーナに供給する空気４７の系統、及び空気分離設備２９にそれぞれ供給される。圧縮機２２では、空気４６を最大２ＭＰａ程度までしか昇圧できないため、空気４６を２ＭＰａ以上に昇圧する場合には、昇圧機４８を追設する。

空気分離設備２９では、酸素３０を取り出し、加熱バーナに供給する空気４７の系統に混合する。これにより、加熱バーナに供給する空気４７を、酸素富化することができる。

尚、本実施例では、加熱バーナに供給する空気４７をガスタービン２３の動力で駆動する圧縮機２２で抽気したガス化設備について説明した。しかし、加熱バーナに供給する空気４７は、前記の圧縮機２２ではなく、ガスタービン２３とは別個に運転する新たなコンプレッサから抽気しても良い。

また、本実施例では、酸素製造装置として、空気分離設備２９を用いたガス化設備について説明したが、ボンベ等から供給した酸素を用いても構わない。

本実施例では、ガス化炉のクエンチ部に設置する加熱バーナを、水平よりも上向きに角度をつけて設置した場合について説明する。図６は、本実施例のガス化炉の断面図を示す。

図６では、クエンチ部４に、加熱バーナ１０と加熱バーナ１２が、水平に対して上向きに、対向して設置されている。バーナの水平に対する設置角度は、０〜４５度程度が望ましい。これは、両バーナからの噴流をスラグタップ３の直下で衝突させるためである。

ガス化炉１を所定の負荷以上で運転する際には、２本の加熱バーナより、それぞれ酸素を含む気体を投入する。ここで、酸素を含む気体とは、例えば酸素と窒素の混合気体である。

加熱バーナ１０より投入された酸素を含む気体１１、及び加熱バーナ１２より投入された酸素を含む気体１３の噴流は、スラグタップ３の直下で衝突して減衰し、緩慢な上昇流となってスラグタップ３に向かう。

本実施例のように、加熱バーナの噴流をスラグタップ３の直下で衝突させると、スラグタップ３直下の流れが乱れる。これにより、スラグタップ方向に上昇する酸素を含む気体１４は、スラグタップ３の下面付近において、スラグタップを下降する下降生成ガス９と混合しやすくなる。従って、スラグタップ３直下における下降生成ガス９の燃焼が促進され、加熱バーナから供給する酸素量を低減できる。

本実施例では、クエンチ部の左右に設置された加熱バーナに投入するガスの運動量を独立に変化させて不均一とした場合について説明する。図７に本実施例のガス化炉を示す。

加熱バーナ１０及び加熱バーナ１２に投入するガスの運動量を独立に変化させるには、たとえば、バーナ口径を左右で変える、或いは左右のバーナから投入するガスの流量を独立に変えることが望ましい。上記のうち一つを用いてもよいし、両方を組み合わせても構わない。

ガス化炉１を所定の負荷以上で運転する際には、加熱バーナ１０と加熱バーナ１２より酸素を含む気体を投入する。ここで、酸素を含む気体とは、例えば酸素と窒素の混合気体、酸素富化した空気である。

本実施例では、加熱バーナ１０より投入された酸素を含む気体１１の噴流の持つ運動量が、加熱バーナ１２より投入された酸素を含む気体１３の噴流の持つ運動量よりも強い場合について説明する。

加熱バーナ１０より投入された酸素を含む気体１１の噴流は、加熱バーナ１２より投入された酸素を含む気体１３の噴流と衝突するものの、自身の運動量の強さから、クエンチ部４の壁面近傍に到達し、スラグタップ３下面に向かう渦を形成する。ここで、本方式は、加熱バーナ１０からの噴流が、クエンチ部４の壁面への衝突を抑えるため、壁面衝突時の噴流の上下への分散抑制や、壁面の保護にも有効である。

渦状でスラグタップ方向に上昇する酸素を含む気体１４は、スラグタップ３の下面付近において、スラグタップを下降する下降生成ガス９と混合し燃焼する。これは、下降生成ガス９が高温であり、ＣＯやＨ_２といった可燃分を含むことによる。

また、酸素を含む気体１１の噴流は、直進する際に、自身のせん断力で周囲のガスを同伴するため、スラグタップ３の直下の圧力が低下する。これにより、スラグタップを下降する下降生成ガス９の流れが促進される。

本方式は、せん断力によるクエンチ部４への生成ガス流入促進、渦流を用いたスラグタップ直下での加熱バーナから投入された酸素と生成ガスの混合促進、２つの対向噴流の衝突による壁面保護といった観点から、燃料を用いずにスラグタップ３下面を保温する最良の方法である。

本実施例では、クエンチ部の加熱バーナ１０，１２とスラグタップの間に、対向する２本の加熱ノズルを追設した場合について説明する。図８は、本実施例のガス化炉を示す。

クエンチ部４において、対向する加熱バーナ１０，１２と、スラグタップ３の間に、２本の加熱ノズル３２，３３を対向させて設置する。

加熱バーナ１０，１２と加熱ノズル３２，３３に供給するガスは、酸素、窒素、ガス化炉１で発生した生成ガス８である。ガス化炉１の定常運転時は、加熱バーナ１０及び加熱バーナ１２のみを用い、非常時に加熱ノズル３２及び加熱ノズル３３を用いると良い。以下、加熱ノズルを用いたスラグタップ３下面の保温方法について説明する。

ここで、非常時とは、ガス化部２内での旋回流の流速低下、溶融スラグの冷却・固化によるスラグタップ３の孔面積の縮小などにより、ガス化部２よりスラグタップを下降する下降生成ガス９の流量が減少して、溶融スラグを安定排出できない場合である。

この場合に、加熱ノズル３２，３３を用いて、スラグタップ下面付近を局所的に加熱する。加熱ノズル３２及び加熱ノズル３３をクエンチ部４内に挿入し、ノズル先端をスラグタップ３の直下付近に設置する。加熱ノズル３２及び加熱ノズル３３から、酸素及びガス化部で発生した生成ガスを投入することで、スラグタップ３の下面付近のみを加熱する。

尚、加熱ノズル３２，３３の保護の観点から、これらのノズルをクエンチ部４内に挿入するのは非常時のみとし、定常運転時は、クエンチ部の外に抜き出し、休止させておくのが良い。

本実施例では、石炭ガス化発電プラントにおいて、クエンチ部における加熱バーナの制御装置を含む石炭ガス化発電プラントについて、図９を参照して説明する。

本実施例において、スラグタップ３の保温状態及び溶融スラグの流下状態は、以下に示す５種類のデータを制御装置４０に取り込み、監視する。

５種類のデータは、スラグタップ内ガス温度、クエンチ部内ガス温度、スラグタップ差圧、溶融スラグ流下の画像、およびスラグ重量である。

スラグタップ内ガス温度は、スラグタップ温度計４２で計測する。温度計測位置が溶融スラグに埋まった場合でも、ガス化部２に投入した無機物の軟化点以上の温度が保持されるようにする。

クエンチ部内ガス温度は、クエンチ部温度計４３で計測する。温度計の設置位置は、スラグタップ３の孔部下面に近づける方が良い。クエンチ部温度計４３の温度が、スラグタップ３下面に溶融スラグが付着・固化しない温度になるように、ガス化部２に投入した無機物の軟化点以上を保持する。

クエンチ部温度計４３を複数設けて、スラグタップ下面の温度だけでなく、壁面近傍のガス温度も計測することは望ましい。壁面近傍のクエンチ部温度計４３の温度が、ガス化部２に投入した無機物の軟化点以下又は側壁材料の許容温度以下となるようにすることにより、壁面近傍に飛散した溶融スラグの壁面への付着を防止して、炉壁の溶損を防止できる。

スラグタップ差圧は、ガス化部２とクエンチ部４の差圧を、差圧計４４で計測することにより計測される。スラグタップが溶融スラグ等で閉塞すると、差圧計４４の差圧が上昇する。従って、この差圧を所定値以下に保持されるようにする。

溶融スラグ流下の画像は、クエンチ部４内に監視カメラ４５を設置して撮影する。スラグタップ３又はクエンチ部４内を流下する溶融スラグの画像を監視して、定常運転時のスラグの流下状態から変化がないか否かを監視する。

スラグ重量は、スラグ重量計測器４１により、単位時間あたりのスラグ回収量を計測する。ガス化部２に投入した無機物の重量に対し、所定の割合分をスラグとして回収できているか否かを監視する。

定常運転時で、上記の５項目のいずれかで異常を検知した場合には、加熱バーナの運用条件を以下の手順で変更し、加熱バーナ１０，１２に投入する酸素、窒素、ガス化炉生成ガスの流量を制御して、ラグタップ３下面の加熱及び溶融スラグの流下を促進する。尚、２本の加熱バーナのうち、１本のみ運用条件を変更しても良いし、２本とも運用条件を変更しても構わない。制御は、生成ガス流量制御バルブ３４，３５と、酸素流量制御バルブ３６，３７と、窒素流量制御バルブ３８，３９の開度を調節することによって行われる。

手順１：酸素３０及び窒素３１の流量を増加させる。

手順２：酸素３０の流量のみ増加させ、加熱バーナから投入する気体の酸素濃度を高くする。本手順では、加熱バーナ保護のため、加熱バーナから投入する気体の酸素濃度に上限値を設けることが望ましい。

手順３：加熱バーナに、加熱バーナ供給用の生成ガス２８を供給する。本手順では、クエンチ部温度計４３を複数設置することで、火炎の位置の把握、クエンチ部４の側壁及び加熱バーナ端面の保護にも注意する必要がある。また、発電効率を高める観点から、本手順は非定常時のみの運用とすることが望ましい。

第一実施例のガス化炉の断面図である。 第一実施例におけるガス化炉のスラグタップ付近の流動状態を示す説明図である。 第二実施例のガス化炉の断面図である。 第三実施例の石炭ガス化発電プロセスフロー図である。 第四実施例の石炭ガス化発電プロセスフロー図である。 第五実施例のガス化炉の断面図である。 第六実施例のガス化炉の断面図である。 第七実施例のガス化炉の断面図である。 第八実施例の石炭ガス化発電プロセスフローと加熱バーナの制御系統図である。

符号の説明

１…ガス化炉、２…ガス化部、３…スラグタップ、４…クエンチ部、５…水槽、６…上段バーナ、７…下段バーナ、８…生成ガス、９…下降生成ガス、１０…加熱バーナ、１１…酸素を含む気体、１２…加熱バーナ、１３…酸素を含む気体、１４…酸素を含む気体、１５…熱回収部、１６…脱塵装置、１７…塩素除去装置、１８…脱硫装置、１９…排ガス、２０…発電用の生成ガス、２１…燃焼器、２２…圧縮機、２３…ガスタービン、２４…蒸気タービン、２５…ボイラ、２６…蒸気、２７…煙突、２８…加熱バーナ供給用の生成ガス、２９…空気分離設備、３０…酸素、３１…窒素、３２…加熱ノズル、３３…加熱ノズル、３４…生成ガス流量制御バルブ、３５…生成ガス流量制御バルブ、３６…酸素流量制御バルブ、３７…酸素流量制御バルブ、３８…窒素流量制御バルブ、３９…窒素流量制御バルブ、４０…制御装置、４１…スラグ重量計測器、４２…スラグタップ温度計、４３…クエンチ部温度計、４４…差圧計、４５…監視カメラ、４６…空気、４７…加熱バーナに供給する空気、４８…昇圧機、４９…クエンチ部に流入した生成ガス、５０…スラグタップを上昇する燃焼ガス、５１…スラグタップ開口部、５２…燃焼器。

Claims (8)

1. 有機物をガス化し、無機物を溶融スラグにするガス化部と、前記ガス化部の底部にあり、前記ガス化部で有機物がガス化して生成された生成ガスの一部とともに前記溶融スラグを流下させるスラグタップと、前記スラグタップの下部にあるクエンチ部と、前記クエンチ部の下部にある水槽とを具備するガス化炉において、
   前記クエンチ部に少なくとも1本のノズル又はバーナを備え、前記ノズル又はバーナから酸素を含む気体の噴流が水平方向に供給されるようにして前記気体の噴流を前記ノズルに対向する前記クエンチ部の壁面に衝突させ、前記スラブタップに向けて緩慢な上昇流を形成するようにしたことを特徴とするガス化炉。
2. 請求項１に記載のガス化炉において、前記スラグタップが小判型の開口部を有することを特徴とするガス化炉。
3. 請求項２に記載のガス化炉において、前記ノズル又はバーナが、前記ガス化部で有機物をガス化して生成された生成ガスの一部を供給できるように構成されていることを特徴とするガス化炉。
4. 請求項２に記載のガス化炉において、前記クエンチ部に、非常時用の加熱ノズルが出し入れ可能に備えられ、前記加熱用ノズルから酸素を含む気体又は／及びガス化炉生成ガスの一部が供給されるようにしたことを特徴とするガス化炉。
5. 有機物をガス化し、無機物を溶融スラグにするガス化部と、前記ガス化部の底部にあり、前記ガス化部で有機物がガス化して生成された生成ガスの一部とともに前記溶融スラグを流下させる小判型開口部を持つスラグタップと、前記スラグタップの下部にあるクエンチ部と、前記クエンチ部の下部にある水槽とを具備するガス化炉において、
   前記クエンチ部の同一円周上に複数本の前記ノズル又はバーナが等間隔又は略等間隔で配置され、前記ノズル又はバーナから供給される酸素を含む気体の運動量が独立に変えられて前記気体の噴流を水平方向に供給し、該噴流をクエンチ部内で衝突させて、前記スラブタップに向けて緩慢な上昇流を形成するようにしたことを特徴とするガス化炉。
6. 有機物をガス化し、無機物を溶融スラグにするガス化部と、前記ガス化部の底部にあり、前記ガス化部で有機物がガス化して生成された生成ガスの一部とともに前記溶融スラグを流下させる小判型開口部を持つスラグタップと、前記スラグタップの下部にあるクエンチ部と、前記クエンチ部の下部にある水槽とを具備するガス化炉において、
   前記クエンチ部に少なくとも1本のノズル又はバーナが備えられ、前記ノズル又はバーナの設置角度が水平方向を基準に上方０°から４５°までの範囲で可変になっており、前記ノズル又はバーナから酸素を含む気体の噴流が水平方向ないし前記スラグタップを直撃しない範囲でスラグタップ方向に向けて供給して前記気体の噴流を前記ノズルに対向する前記クエンチ部の壁面に衝突させ、前記スラブタップに向けて緩慢な上昇流を形成することを特徴とするガス化炉。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガス化炉と、前記ガス化炉のガス化部内とスラグタップ内、及びクエンチ部内の温度及び圧力を計測する計測装置と、前記ガス化炉から回収したスラグの重量を計測する計測装置と、前記ガス化炉のクエンチ部に落下するスラグの撮影装置と、前記温度と圧力とスラグ重量及びスラグ画像に基づいて、前記ガス化炉のクエンチ部に設置されたノズル又はバーナに供給する酸素、窒素、空気の流量を独立に制御する制御装置とを備えたことを特徴とするガス化装置。
8. 請求項３に記載のガス化炉と、前記ガス化炉のガス化部内とスラグタップ内、及びクエンチ部内の温度及び圧力を計測する計測装置と、前記ガス化炉から回収したスラグの重量を計測する計測装置と、前記ガス化炉のクエンチ部に落下するスラグの撮影装置と、前記温度と圧力とスラグ重量及びスラグ画像に基づいて、前記ガス化炉のクエンチ部に設置されたノズル又はバーナから供給するガス化炉生成ガスの流量を独立に制御する制御装置とを備えたことを特徴とするガス化装置。

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