JP5256807B2 - ガス化設備の運転方法 - Google Patents

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Description

本発明はガス化設備の運転方法に関する。
従来より種々のガス化設備が提案されており、例えば、ガス化炉と燃焼炉とを有する2塔式と称される循環流動層ガス化設備がある(特許文献1参照)。
この2塔式ガス化設備を構成するガス化炉は、下部から供給される蒸気により流動媒体(硅砂、石灰石等)の流動層を形成して上部から投入される原料(石炭、バイオマス、タイヤチップ等)のガス化を行い生成ガスと未反応チャーとを生成し、ガス化炉で生成した生成ガスは導出系路により外部に取り出され、又、ガス化炉で生成した未反応チャーと流動媒体との混合物は導入管により燃焼炉へ導入されるようになっている。
前記2塔式ガス化設備を構成する燃焼炉は、下部から吹き上げ用空気が供給されて流動層を形成することによりガス化炉から導入される未反応チャーを燃焼させて流動媒体を加熱するようになっており、吹き上げられた燃焼排ガスは、ホットサイクロン等の媒体分離装置に導入されて流動媒体と排ガスとに分離され、分離した流動媒体は前記ガス化炉に供給されるようになっている。
上記2塔式ガス化設備では、ガス化炉の容量を大きくすることにより原料のガス化時間を長く保持させ、これによって石炭のように固定炭素分が多い原料においても効果的にガス化できるという特長を有している。
上記2塔式ガス化設備の起動時、特にコールドスタート時には、流動媒体を先ず原料のガス化が可能な温度まで加熱する必要があり、このため、従来はLNG、LPG及び軽油等の燃料を燃焼させて加熱していた。しかし、2塔式ガス化設備のように容量が大きいガス化炉及び燃焼炉に収容される大量の流動媒体を、原料のガス化が可能な温度まで加熱するにはLNG、LPG及び軽油等の大量の燃料が必要であり、しかもこうした燃料は比較的高価であるために、流動媒体の加熱に多大の費用が掛るという問題を有していた。又、ガス化設備は、可燃性の生成ガスを生成することから、ガス化設備の起動及び停止時には、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を不活性のガスでパージすることにより安全を図る必要があり、このために従来では窒素(N2)等の不活性ガスを供給することによってパージしていた。しかし、ガス化炉のパージには一般にガス化炉の容積の5倍程度の不活性ガスが必要であるとされ、このために大型の窒素製造装置が必要となり、パージのための費用が増大するといった問題を有していた。
このため、ガス化設備においては、特にガス化設備のコールドスタート時における流動媒体の加熱に要する費用を軽減することができ、更に、ガス化炉及び生成ガスの導出系路をパージする作業を効果的にしかも安価に行える技術の開発が望まれているが、現在このような技術は提案されていない。
特開2005−041959号公報
本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、特にガス化設備のコールドスタート時における流動媒体の加熱に要する費用を軽減でき、更に、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を効果的にしかも安価にパージできるようにしたガス化設備の運転方法を提供しようとするものである。
本発明は、原料のガス化を行い生成ガスと未反応チャーとを生成し、生成した生成ガスを導出系路から導出するガス化炉と、該ガス化炉で生成した未反応チャーを導入して燃焼させることにより流動媒体を加熱し燃焼排ガスから流動媒体を分離して前記ガス化炉に供給する燃焼炉と、少なくとも前記燃焼炉からの排ガスと熱交換して蒸気を生成する排熱回収ボイラとを有するガス化設備の運転方法であって、
ガス化設備のコールドスタート時は
燃焼炉及びガス化炉に流動用空気を供給して燃焼炉とガス化炉とを空気パージする空気パージ工程と、
燃焼炉に流動用空気を供給して燃焼炉流動層を流動化させると共に予熱燃料を供給して燃焼炉流動層を石炭の自然着火温度まで予熱する燃焼炉流動層予熱工程と、
燃焼炉流動層が石炭の自然着火温度に高められた後燃焼炉に石炭を投入し、石炭の燃焼により燃焼炉流動層を加熱すると同時に予熱燃料の供給を徐々に減少させて供給を停止する燃焼炉石炭投入・予熱燃料消火工程と、
ガス化炉に流動用空気を供給し、ガス化炉流動層を流動化してガス化炉の流動媒体を燃焼炉へ供給させる共に、燃焼炉に吹き上げ用空気を供給して燃焼炉流動層の流動媒体をガス化炉へ循環させる循環開始工程と、
ガス化炉に供給している流動用空気を徐々に減少すると同時に、燃焼炉からの排ガスと熱交換している排熱回収ボイラからの蒸気をガス化炉に対して徐々に増加するように供給し、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を蒸気でパージする起動時パージ工程と、
燃焼炉流動層の温度がガス化に必要な目標温度に到達するとガス化炉に原料を供給して原料の蒸気によるガス化を開始するガス化原料投入工程と、
燃焼炉へ未反応チャーが導入されることに伴い燃焼炉流動層が目標温度が維持されるように、燃焼炉への石炭の供給を徐々に減少して石炭の供給を停止することからなる原料のガス化運転工程とを有し、
ガス化設備の停止時は
排熱回収ボイラによる蒸気の生成が継続されるように、燃焼炉に石炭を徐々に増加して供給すると同時に、ガス化炉に対する原料の供給を徐々に減少させて供給を停止するガス化炉石炭停止工程と、
ガス化炉への原料の供給が停止された後、前記排熱回収ボイラからの蒸気を引き続きガス化炉へ供給することによりガス化炉及び生成ガスの導出系路を蒸気でパージする停止時パージ工程と、
燃焼炉への石炭の供給を停止する燃焼炉石炭停止工程とを有する
ことを特徴とするガス化設備の運転方法、に係るものである。
上記ガス化設備の運転方法において、燃焼炉流動層予熱工程と同時に、ガス化炉にも流動用空気を供給して流動化させると共に予熱燃料を供給してガス化炉流動層を並行して予熱することは好ましい。
又、上記ガス化設備の運転方法において、燃焼炉流動層予熱工程と同時にガス化炉流動層を並行して予熱する際に、ガス化炉出口の排ガスを燃焼炉からの排ガスに合流させることは好ましい。
又、上記ガス化設備の運転方法において、燃焼炉石炭停止工程の後に、燃焼炉への流動用空気の供給を停止して燃焼炉をバンキング状態に保持することができる。
又、上記ガス化設備の運転方法において、燃焼炉石炭停止工程の後に、燃焼炉への流動用空気の供給とガス化炉への流動用空気の供給を行ってガス化設備を冷却することができる。
又、上記ガス化設備の運転方法において、予熱燃料にはLNG、LPG、軽油のいずれかを用いることができる。
本発明のガス化設備の運転方法によれば、ガス化設備のコールドスタート時には、燃焼炉に流動用空気を供給して燃焼炉流動層を流動化させると共にLNG、LPG、軽油のような予熱燃料を供給して燃焼炉流動層を石炭の自然着火温度まで予熱し、その後は燃焼炉に石炭を投入して石炭の燃焼により燃焼炉流動層を加熱し、その後、流動媒体を燃焼炉とガス化炉との間で循環させて加熱するようにしているので、LNG、LPG、軽油のような高価な予熱燃料の使用量を燃焼炉の燃焼炉流動層を予熱するためだけの少量とすることができるため、コールドスタート時における流動媒体加熱のための費用を大幅に節減できるという効果を有する。
ガス化設備の起動時には、燃焼炉からの排ガスと熱交換する排熱回収ボイラからの蒸気をガス化炉へ供給することにより、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を蒸気でパージするので、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を排熱を利用した蒸気によって効果的にしかも安価にパージできるという効果を有する。
ガス化設備の停止時には、排熱回収ボイラにおける蒸気の生成を維持し、その蒸気をガス化炉へ供給することにより、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を蒸気でパージするので、ガス化設備の停止時にも、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を排熱を利用した蒸気によって効果的にしかも安価にパージできるという効果を有する。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図1は本発明を実施する2塔式ガス化設備の一例を示すもので、このガス化設備はガス化炉1と燃焼炉9とから構成されており、ガス化炉1は、下部の図示しない散気装置から供給される蒸気2により流動媒体(硅砂、石灰石等)のガス化炉流動層3を形成して上部から投入される原料4(石炭、バイオマス、タイヤチップ等)のガス化を行い生成ガスと未反応チャーとを生成し、ガス化炉1で生成した生成ガス5は導出系路6を介して生成ガス処理系統7へ供給するようにしている。前記ガス化炉1で生成した未反応チャーと流動媒体との混合物8は、オーバーフローにより燃焼炉9へ導入されるようになっている。
燃焼炉9は、下部の図示しない散気装置から流動用空気10が供給されて燃焼炉流動層11を形成することにより、前記ガス化炉1から供給される未反応チャーを燃焼させて流動媒体を加熱するようになっており、流動によって吹き上げられた燃焼排ガス12は燃焼炉9の上部から導出され、ホットサイクロン等の媒体分離装置13に導入されて流動媒体14と排ガス15とに分離され、分離した流動媒体14は前記ガス化炉1に戻されるようになっており、又、前記媒体分離装置13で流動媒体14が分離された排ガス15は、排ガス系路16により排ガス処理系統17に供給されるようになっている。
又、前記導出系路6と排ガス系路16の夫々には熱交換器18,19が配置されて排熱回収ボイラ20を構成しており、給水を前記熱交換器18,19に供給して蒸気2を生成し、この蒸気2を前記ガス化炉1の下部に供給するようにしている。
又、燃焼炉9の下部には、LNG、LPG、軽油等の予熱燃料22を供給できるようにしており、更に、燃焼炉9の燃焼炉流動層11の上部には、石炭23を供給できるようにしている。又、前記ガス化炉1の下部には、流動用空気21を供給できるようにしており、更に、LNG、LPG、軽油等の予熱燃料22'を供給できるようにしている。
又、生成ガス処理系統7入口の導出系路6と、排ガス処理系統17入口の排ガス系路16との間には、相互間を接続して、ガス化炉1出口の排ガスを燃焼炉9からの排ガス15に合流できるようにしたバイパスダクト24を設けている。図中、25は燃焼炉流動層11の温度を計測する燃焼炉温度計、26はガス化炉流動層3の温度を計測するガス化炉温度計、27は生成ガス5の酸素濃度(O2濃度)、可燃性ガスの濃度を計測するガス成分計である。
以下に、図1に示したガス化設備の運転方法を、簡略化して示した図2〜18図を参照して説明する。
(I)ガス化設備のコールドスタート時
図2に示す如く、燃焼炉9に流動用空気10を供給すると共に、ガス化炉1に流動用空気21を供給して、燃焼炉9とガス化炉1の空気パージを行う(空気パージ工程)。この空気パージ工程は、通常の流動層ボイラ等において実施されている運転法規に基づいて行われるものである。空気パージの終了後、ガス化炉1側の流動用空気10の供給は一旦停止してもよいが、ガス化設備が空気予熱器を備えている場合には、排ガスの排熱をガス化炉流動層3の昇温に寄与できるため、そのままガス化炉1への流動用空気10の通気・流動化を継続してもよい。
次に、図3に示す如く、燃焼炉9に流動用空気10を供給して燃焼炉流動層11を流動化させると共に、予熱燃料22(LPG)を供給して燃焼することにより燃焼炉流動層11の予熱を行う(燃焼炉流動層予熱工程)。
次に、図4に示す如く、燃焼炉温度計25で検出している燃焼炉流動層11の温度が、石炭の自然着火温度(480℃)に到達すると、燃焼炉9への石炭23の投入を開始し、石炭23の燃焼により燃焼炉流動層11を加熱すると同時に予熱燃料22の供給を徐々に減少させて予熱燃料22の供給を停止する(燃焼炉石炭投入・予熱燃料消火工程)。
次に、図5に示す如く、ガス化炉1に流動用空気21を供給し、ガス化炉流動層3を流動化してガス化炉1の流動媒体14を燃焼炉9へ供給させる共に、図6に示す如く、燃焼炉9に前記流動用空気10より空気量を増加させた吹き上げ用空気10'を供給することにより燃焼炉流動層11の流動媒体14をガス化炉1へ戻すことにより循環を開始する(循環開始工程)。
石炭23の投入量が増加されて流動媒体14の循環が行われることにより、ガス化炉流動層3は900℃〜1000℃の石炭のガス化に必要な目標温度に向かって加熱されるようになり、このとき、図7に示す如く排熱回収ボイラ20による蒸気2の発生が開始される。この時の蒸気2は系外に排出するか又は回収する。蒸気2の圧力がガス化炉流動層3を流動化できる圧力に到達すると、図8に示す如く、排熱回収ボイラ20の蒸気2をガス化炉1下部に供給する。この時、既にガス化炉1に供給されている流動用空気21の供給量を徐々に減少させると同時に、排熱回収ボイラ20からの蒸気2の供給を徐々に増加するようにラップさせて切り替える。これにより、図9に示す如く、ガス化炉1及び生成ガスの導出系路6の残留空気は蒸気2によってパージされる(起動時パージ工程)。この起動時パージは、ガス成分計27で計測している酸素濃度(O2濃度)が零に近い設定濃度になるまでパージを行う。
次に、図10に示す如く、燃焼炉温度計25で検出している燃焼炉流動層11の温度がガス化に必要な目標温度(900℃〜1000℃)に到達すると、ガス化炉1に原料4(石炭)を投入し原料4の蒸気2によるガス化を開始する(ガス化原料投入工程)。
次に、ガス化炉1への原料4の投入により、未反応チャーが燃焼炉9へ供給されるようになり、これによって燃焼炉9で燃焼される燃焼量が増加されることになるので、未反応チャーが燃焼炉9へ導入されるに伴い前記燃焼炉流動層11が目標温度が維持されるように、燃焼炉9への石炭23の供給を徐々に減少させて図11に示す如く石炭の供給を停止する(ガス化運転工程)。又、ガス化運転において、燃焼炉流動層11の温度が目標温度より低下した場合には、図12に示す如く、燃焼炉流動層11が目標温度を維持されるように、燃焼炉9に石炭23'を補助的に供給して助燃することもできる。
上記したように、ガス化設備のコールドスタート時には、燃焼炉9に流動用空気10を供給して燃焼炉流動層11を流動化させると共にLNG、LPG、軽油のような予熱燃料22を供給して燃焼炉流動層11を石炭の自然着火温度まで予熱し、その後は燃焼炉9に石炭23を投入して石炭23の燃焼によって燃焼炉流動層11を加熱し、その後、流動媒体14を燃焼炉9とガス化炉1との間で循環させて加熱を行うようにしたので、LNG、LPG、軽油のような高価な予熱燃料22の使用量を燃焼炉9の燃焼炉流動層11を予熱するためだけの少量とすることができるため、コールドスタート時における流動媒体加熱のための費用を大幅に節減することができる。
更に、ガス化設備の起動時には、燃焼炉9からの排ガス15と熱交換する排熱回収ボイラ20からの蒸気2をガス化炉1へ供給することにより、ガス化炉1及び生成ガス5の導出系路6を蒸気2でパージするので、ガス化炉1及び生成ガス5の導出系路6を排熱を利用した蒸気2によって効果的にしかも安価にパージすることができる。
尚、上記ガス化設備のコールドスタート時の運転において、図3に示す燃焼炉流動層予熱工程と同時に、ガス化炉1にも流動用空気10を供給してガス化炉流動層3を流動させると共に予熱燃料22'を供給してガス化炉流動層3を並行して予熱することができ、このようにすると、流動媒体の温度を早急に高めて、ガス化設備への原料投入によるガス化を開始までの時間を短縮することができる。
又、上記ガス化設備のコールドスタート時の運転において、図3に示すように燃焼炉流動層予熱工程と同時にガス化炉1に予熱燃料22'を供給してガス化炉流動層3を並行して予熱する際に、バイパスダクト24を介してガス化炉1出口の排ガスを燃焼炉9からの排ガス15に合流させることができる。このようにすると、燃焼炉9の排ガス系路16には図1に示すように排ガス処理系統17が備えられているので、ガス化炉1出口の排ガスを排ガス処理系統17で処理するようにし、ガス化炉1出口の排ガスを生成ガス処理系統7に導入させないようにすることができる。
(II)ガス化設備の停止時
ガス化設備によるガス化運転を停止するには、図13に示す如く、排熱回収ボイラ20による蒸気2の生成が継続されるように、燃焼炉9に石炭23を徐々に増加して供給すると同時に、図14に示す如く、ガス化炉1に対する原料4の供給を徐々に減少させて供給を停止する(ガス化炉原料停止工程)。
ガス化炉1への原料4の供給が停止された後は、図15に示す如く、燃焼炉9へは吹き上げ用空気10'を供給するようにし、排熱回収ボイラ20からの蒸気2は引き続きガス化炉1へ供給してガス化炉1及び生成ガス5の導出系路6を蒸気2でパージする(停止時パージ工程)。尚、停止時パージ工程は、ガス成分計27で計測している可燃性ガスの濃度が零に近い設定濃度になるまでパージを行う。
次に、図16に示す如く、前記燃焼炉9への石炭23の供給を停止する(燃焼炉石炭停止工程)。
上記したように、ガス化設備のガス化停止時には、排熱回収ボイラ20における蒸気2の生成を維持し、その蒸気2をガス化炉1へ供給することにより、ガス化炉1及び生成ガス5の導出系路6を蒸気2でパージするようにしたので、ガス化設備の停止時にも、ガス化炉1及び生成ガス5の導出系路6を排熱を利用した蒸気2によって効果的にしかも安価にパージすることができる。
尚、上記ガス化設備の停止時の運転において、図16に示す燃焼炉石炭停止工程の後に、図17に示すように燃焼炉9への流動用空気10の供給を停止することにより燃焼炉9をバンキング状態に保持することができ、このようにすると、燃焼炉9の流動媒体の温度を保温できるため、ガス化設備を再起動させる際に有利となる。
又、上記ガス化設備の運転において、図16に示す燃焼炉石炭停止工程の後に、図18に示すように燃焼炉9への流動用空気10の供給とガス化炉1への流動用空気21の供給を行うことによりガス化設備を冷却することができる。
なお、本発明は上記形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明を実施する2塔式ガス化設備の一例を示す概略側面図である。 ガス化設備のコールドスタート時における空気パージ工程の説明図である。 燃焼炉流動層予熱工程の説明図である。 燃焼炉石炭投入・予熱燃料消火工程の説明図である。 ガス化炉流動層の流動化を開始する状態を示す説明図である。 循環開始工程の説明図である。 蒸気の発生が開始される状態を示す説明図である。 ガス化炉へ蒸気を投入する状態を示す説明図である。 起動時パージ工程の説明図である。 ガス化炉へガス化原料を投入する状態を示す説明図である。 ガス化運転工程の説明図である。 ガス化運転において温度保持のために助燃する状態を示す説明図である。 ガス化設備の停止時に燃焼炉へ石炭を投入する状態を示す説明図である。 ガス化炉原料停止工程の説明図である。 停止時パージ工程の説明図である。 燃焼炉への石炭の投入を停止する状態を示す説明図である。 燃焼炉をバンキング状態に保持する状態を示す説明図である。 燃焼炉とガス化炉へ流動用空気を供給してガス化設備を冷却する状態を示す説明図である。
符号の説明
1 ガス化炉
2 蒸気
3 ガス化炉流動層
4 原料
5 生成ガス
6 導出系路
9 燃焼炉
10 流動用空気
10' 吹き上げ用空気
11 燃焼炉流動層
14 流動媒体
15 排ガス
20 排熱回収ボイラ
21 流動用空気
22 予熱燃料
22' 予熱燃料
23 石炭

Claims (6)

  1. 原料のガス化を行い生成ガスと未反応チャーとを生成し、生成した生成ガスを導出系路から導出するガス化炉と、該ガス化炉で生成した未反応チャーを導入して燃焼させることにより流動媒体を加熱し燃焼排ガスから流動媒体を分離して前記ガス化炉に供給する燃焼炉と、少なくとも前記燃焼炉からの排ガスと熱交換して蒸気を生成する排熱回収ボイラとを有するガス化設備の運転方法であって、
    ガス化設備のコールドスタート時は
    燃焼炉及びガス化炉に流動用空気を供給して燃焼炉とガス化炉とを空気パージする空気パージ工程と、
    燃焼炉に流動用空気を供給して燃焼炉流動層を流動化させると共に予熱燃料を供給して燃焼炉流動層を石炭の自然着火温度まで予熱する燃焼炉流動層予熱工程と、
    燃焼炉流動層が石炭の自然着火温度に高められた後燃焼炉に石炭を投入し、石炭の燃焼により燃焼炉流動層を加熱すると同時に予熱燃料の供給を徐々に減少させて供給を停止する燃焼炉石炭投入・予熱燃料消火工程と、
    ガス化炉に流動用空気を供給し、ガス化炉流動層を流動化してガス化炉の流動媒体を燃焼炉へ供給させる共に、燃焼炉に吹き上げ用空気を供給して燃焼炉流動層の流動媒体をガス化炉へ循環させる循環開始工程と、
    ガス化炉に供給している流動用空気を徐々に減少すると同時に、燃焼炉からの排ガスと熱交換している排熱回収ボイラからの蒸気をガス化炉に対して徐々に増加するように供給し、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を蒸気でパージする起動時パージ工程と、
    燃焼炉流動層の温度がガス化に必要な目標温度に到達するとガス化炉に原料を供給して原料の蒸気によるガス化を開始するガス化原料投入工程と、
    燃焼炉へ未反応チャーが導入されることに伴い燃焼炉流動層が目標温度が維持されるように、燃焼炉への石炭の供給を徐々に減少して石炭の供給を停止することからなる原料のガス化運転工程とを有し、
    ガス化設備の停止時は
    排熱回収ボイラによる蒸気の生成が継続されるように、燃焼炉に石炭を徐々に増加して供給すると同時に、ガス化炉に対する原料の供給を徐々に減少させて供給を停止するガス化炉原料停止工程と、
    ガス化炉への原料の供給が停止された後、前記排熱回収ボイラからの蒸気を引き続きガス化炉へ供給することによりガス化炉及び生成ガスの導出系路を蒸気でパージする停止時パージ工程と、
    燃焼炉への石炭の供給を停止する燃焼炉石炭停止工程とを有する
    ことを特徴とするガス化設備の運転方法。
  2. 燃焼炉流動層予熱工程と同時に、ガス化炉にも流動用空気を供給して流動化させると共に予熱燃料を供給してガス化炉流動層を並行して予熱する請求項1に記載のガス化設備の運転方法。
  3. 燃焼炉流動層予熱工程と同時にガス化炉流動層を並行して予熱する際に、ガス化炉出口の排ガスを燃焼炉からの排ガスに合流させる請求項2に記載のガス化設備の運転方法。
  4. 燃焼炉石炭停止工程の後に、燃焼炉への流動用空気の供給を停止して燃焼炉をバンキング状態に保持する請求項1に記載のガス化設備の運転方法。
  5. 燃焼炉石炭停止工程の後に、燃焼炉への流動用空気の供給とガス化炉への流動用空気の供給を行ってガス化設備を冷却する請求項1に記載のガス化設備の運転方法。
  6. 予熱燃料はLNG、LPG、軽油のいずれかである請求項1〜3のいずれか1つに記載のガス化設備の運転方法。
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