JP5386635B2 - 石炭ガス化反応炉の運転方法および石炭ガス化反応炉 - Google Patents

Description

本発明は、石炭を酸素ガスや水蒸気等の酸化剤でガス化して可燃性ガス等を生産する石炭ガス化反応炉の運転方法および石炭ガス化反応炉に関する。
本願は、２０１０年４月１６日に、日本に出願された特願２０１０−０９５４９８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、石炭をガス化して可燃性ガス等を効率的に生産するために、固定床型、流動床型、および気流床（噴流床）型等の様々な構成のガス化炉が検討されている。その一つである気流床型のガス化炉は、特に発電用としての用途を考慮した場合に、大容量化が容易であったり、負荷追従性が高かったりする等の理由から、近年におけるガス化炉の主流となっている。

気流床型のガス化炉では、石炭の熱分解によって炭素を主成分とするチャー（Ｃｈａｒ：未ガス化石炭残滓または熱分解残滓）やタール等が生じる。このチャーをガス化反応によって削減するために、下段に設けられた高温ガス化炉（下部反応容器）と、上段に設けられた熱分解ガス化反応炉（上部反応容器）とを備える二段二室構造のガス化炉（石炭ガス化反応炉）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このガス化炉に対して、高温及び高圧にされた高温ガス化炉に石炭、酸素ガス、および水蒸気を所定の割合で供給することで石炭を熱分解して炭素を主成分とするチャーやタール等を発生させる。また、このガス化炉の熱分解ガス化反応炉内に水蒸気を供給することで、チャーを下記の化学反応式（１）によりガス化し、チャーの生成量を削減している。

Ｃ（チャー）＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ ・・・（１）

日本国特開２００２−１５５２８９号公報

しかしながら、特許文献１に示すガス化炉では、石炭からチャーと同時に粘性の高いタールが発生し、このタールが熱分解ガス化反応炉の内面に付着する（実際には、タール由来の炭素質物質が内面に付着する）。発生するタールは熱分解ガス化反応炉に供給される水蒸気と反応して、上記の化学反応式（１）によりガス化される。しかし、熱分解ガス化反応炉に水蒸気を過剰に供給しているために、熱分解ガス化反応炉に投入できる石炭等の量が減少し、ガス化炉における可燃性ガスの生産量が低下する問題が生じている。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、可燃性ガスの生産量を大幅に減少させることなく、上部反応容器内においてタールの付着量が増加することを効果的に抑制できる石炭ガス化反応炉の運転方法および石炭ガス化反応炉の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の一態様に係る石炭ガス化反応炉の運転方法は、互いに連通する下部反応容器と上部反応容器とを備えた石炭ガス化反応炉の運転方法であって、以下の工程を有している。
前記下部反応容器の内部に、炭素質原料、酸素ガス、および水蒸気を供給する工程。
前記上部反応容器の内部に、石炭ノズルを用いて石炭を供給すると共に、水蒸気ノズルを用いて水蒸気を供給する工程。
前記下部反応容器の内部において発生した高温のガスにより、前記上部反応容器の内部の前記石炭を９５０℃以上の温度で反応させ、少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを含む合成ガスを製造する工程。
前記合成ガスに含まれる水蒸気の質量流量Ｑｓを求める工程。
前記石炭の炭素含有量に基づいて上部反応容器に供給される炭素の質量流量Ｑｃを求める工程。
前記水蒸気の質量流量Ｑｓと前記炭素の質量流量Ｑｃとの比Ｑｓ／Ｑｃが１．０以上かつ１．５以下となるように、前記石炭ノズルが供給する前記石炭の質量流量と、前記水蒸気ノズルが供給する前記水蒸気の質量流量との少なくとも一方を調節する工程。

上記の運転方法によれば、比Ｑｓ／Ｑｃを１．０以上とすることで、下部反応容器および上部反応容器において石炭の熱分解により生じたタールをガス化するために十分な水蒸気が供給される。したがって、上部反応容器内においてタールの付着量が増加することを効果的に抑制できる。また比Ｑｓ／Ｑｃを１．５以下とすることで、上部反応容器内に水蒸気が過剰に供給され、合成ガスの生産量が大幅に減少することを防止できる。

本発明の一態様に係る石炭ガス化反応炉の運転方法は、内部に収容空間が形成された下部反応容器と、前記下部反応容器の上方に設けられ、縮径部を介して前記下部反応容器の前記収容空間と連通し上下方向に延びる貫通孔が形成された上部反応容器と、を用いる。前記下部反応容器に炭素質原料、酸素ガス、および水蒸気を所定の割合で供給する。前記上部反応容器に石炭および水蒸気を供給する。そして、前記下部反応容器からの高温ガス顕熱により前記石炭を前記上部反応容器にて９５０℃以上の温度で反応させることで少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを製造する。このような石炭ガス化反応炉の運転方法において、前記上部反応容器に単位時間当たりに供給される前記石炭中の炭素の質量に対する、前記上部反応容器の前記貫通孔の出口から前記単位時間当たりに流出する流体に含まれる前記水蒸気の質量の比が１．０以上１．５以下となるように、前記上部反応容器に供給される前記石炭および前記水蒸気のうち少なくとも一方の質量流量を調節する。
なお、上記の炭素質原料として、例えば、石炭、チャー等の炭素を含む固形物を用いることができる。

石炭ガス化反応炉は、下部反応容器および上部反応容器において、石炭の熱分解によりタールが生じる。上部反応容器に単位時間当たりに供給される石炭中の炭素の質量流量をＱｃとし、上部反応容器の貫通孔の出口から単位時間当たりに流出する流体に含まれる水蒸気の質量流量をＱｓとする。これらの比Ｑｓ／Ｑｃを、「水蒸気／炭素質量比」という。この水蒸気／炭素質量比が１．０以上１．５以下となるように、上部反応容器に供給される石炭および水蒸気のうち少なくとも一方の質量流量が調節される。このとき、上部反応容器にて９５０℃以上の温度で反応が起きているので、タールのガス化反応が起こりやすくなる。

発明者らは、水蒸気／炭素質量比を１．０に調節することで、上部反応容器の貫通孔の内周面に付着するタールの量と、貫通孔に予め付着していて水蒸気との反応により一酸化炭素になるタールの除去量とが釣り合うことを見出した。
上部反応容器には、上部反応容器に直接供給される水蒸気だけでなく、上部反応容器に供給され加熱された石炭から発生した水蒸気や、下部反応容器の収納空間からガスとして流れてくる水蒸気が供給される。このような水蒸気は炭素と反応して一酸化炭素ガスと水素ガスとに分解される。ここで、水蒸気／炭素質量比が１．０である状態とは、炭素との反応により消費されない余剰の水蒸気が上部反応容器中に一定量存在している状態である。

このように、水蒸気／炭素質量比を１．０以上とすることで、上部反応容器内におけるタールの付着量が増加するのを効果的に抑えることができる。また、水蒸気／炭素質量比を１．５以下に調節することで、上部反応容器内に水蒸気が過剰に供給され、可燃性ガスの生産量が低下するのを防止することができる。

また、上記の石炭ガス化反応炉の運転方法において、前記上部反応容器の前記貫通孔の出口から前記単位時間当たりに流出する流体に含まれる前記水蒸気の質量を次のように求めてもよい。前記単位時間当たりに流出する前記流体の質量流量を測定する。前記流体に含まれる水蒸気濃度を測定する。そして、前記質量流量を測定した値と前記水蒸気濃度を測定した値との積を前記単位時間当たりに流出する流体に含まれる前記水蒸気の質量とする。
この方法によれば、貫通孔の出口から単位時間当たりに流出する流体に含まれる水蒸気の質量を容易に求めることができる。

また、上記の石炭ガス化反応炉の運転方法において、前記上部反応容器の内部に次のように水蒸気を供給してもよい。まず、前記上部反応容器の貫通孔における前記石炭を供給する石炭ノズルより下方の部分または前記下部反応容器の収容空間と、前記貫通孔の上方の端部との間の圧力差を測定する。そして、前記圧力差が所定の値を超えたときに前記上部反応容器の内部に所定の量の水蒸気を供給する。
この方法によれば、上部反応容器の貫通孔がタールにより詰まることをより確実に防止することができる。

また、本発明の一態様に係る石炭ガス化反応炉は、上記の運転方法に使用する石炭ガス化反応炉である。この石炭ガス化反応炉は、内部に収容空間が形成された下部反応容器と、前記下部反応容器の上方に設けられた上部反応容器と、を備える。前記下部反応容器は、前記下部反応容器に炭素質原料、酸素ガス、および水蒸気を所定の割合で供給し前記炭素質原料を燃焼させるガス化バーナーを有する。前記上部反応容器は、縮径部を介して前記下部反応容器の前記収容空間と連通し上下方向に延びる貫通孔と；内部に石炭を供給する石炭ノズルと；内部に水蒸気を供給する水蒸気ノズルと；前記貫通孔の上方の端部に設けられ、前記貫通孔の端部から単位時間当たりに流出する水蒸気の質量を測定する水分量測定装置と；を有する。

この石炭ガス化反応炉は、下部反応容器および上部反応容器において石炭の熱分解によりタールが生じる。上部反応容器においては、９５０℃以上の温度でタールと水蒸気とが反応する。また、水分量測定装置は、貫通孔の上方の端部から単位時間当たりに流出する水蒸気の質量を測定する。そして、前述の水蒸気／炭素質量比が１．０以上１．５以下となるように石炭ノズルおよび水蒸気ノズルのうち少なくとも一方を調節する。これにより、可燃性ガスの生産量を維持するとともに、上部反応容器内におけるタールの付着量が増加するのを効果的に抑えることができる。

また、上記の石炭ガス化反応炉は、第一の配管と第２の配管と圧力測定装置とを備えてもよい。前記第一の配管は、前記上部反応容器の貫通孔における前記石炭ノズルより下方の部分または前記下部反応容器の収容空間に接続される。前記第二の配管は、前記上部反応容器の前記貫通孔の上方の端部に接続される。前記圧力測定装置は、前記第一の配管と前記第二の配管との圧力差を測定する。
発明者らは、石炭が熱分解することにより発生するタールは上部反応容器の貫通孔における石炭ノズルより上方の所定の位置に集中的に付着することを見出した。
この知見に基づいて、それぞれの配管を、タールが付着し難い上部反応容器の貫通孔におけるノズル部より下方の部分または下部反応容器の収容空間、および貫通孔の上方の端部に接続する。これにより、配管にタールが付着するのを防止して圧力差を正確に測定することができる。

上記の態様に係る石炭ガス化反応炉の運転方法および石炭ガス化反応炉によれば、可燃性ガスの生産量を維持するとともに、上部反応容器内においてタールの付着量が増加するのを効果的に抑えることができる。

本発明の第１実施形態に係る石炭ガス化反応炉を含む石炭ガス化システムのブロック図である。 同石炭ガス化反応炉の断面の模式図である。 同石炭ガス化反応炉における水蒸気／炭素質量比に対する各値の変化を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る石炭ガス化反応炉の断面の模式図である。 同石炭ガス化反応炉を運転したときの経過時間に対する圧力差の変化を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る石炭ガス化反応炉を、図１から図３を参照しながら説明する。本実施形態の石炭ガス化反応炉は、石炭ガス化システムの一部であり、石炭を内部で燃焼させることで少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを製造する装置である。
図１に示すように、石炭ガス化システム１は、石炭を原料として水素ガスと一酸化炭素ガスを主成分とする合成ガスを合成し、この合成ガスから最終的にメタン、メタノールおよびアンモニア等の製品を製造するプラント設備である。
石炭ガス化システム１は、石炭粉砕及び乾燥設備２と、石炭供給設備３と、石炭ガス化反応炉４と、熱回収設備５と、チャー回収設備６と、シフト反応設備７と、ガス精製設備８と、化学合成設備９と、空気分離設備１０とを備えている。

一般に石炭は、外径が不均一であり、その種類によって所望の値より多くの水分を含む場合がある。そこで、まず石炭粉砕及び乾燥設備２において、石炭は、粒径（外径）がたとえば、１０μｍ以上１００μｍ以下程度の粒状となるように粉砕される。粉砕された石炭は、さらに所定の水分含有量となるように乾燥された後に、石炭供給設備３に供給される。なお、石炭は、石炭粉砕及び乾燥設備２から排出された後、石炭ガス化反応炉４に投入されるまでは、乾燥させた石炭中の水分量が変化しないように、石炭は密閉された空間内を移動する。
続いて、石炭は、石炭ガス化反応炉４内に供給可能な状態にするために石炭供給設備３内で搬送ガスと混合されて所定の圧力まで昇圧された後、搬送により石炭ガス化反応炉４に搬送される。なお、石炭ガス化反応炉４の後述するガス化バーナー１７からは、石炭だけでなく、不図示の供給手段によりチャー等の炭素を含む固形物も供給される。以下では、石炭、チャー等の炭素を含む固形物のことを、「炭素質原料」と称する。
空気分離設備１０は、空気を圧縮して液化し、液体となった空気から沸点の違いにより、乾燥した酸素ガス及び窒素ガスを分離する。空気分離設備１０で分離された酸素ガスは、石炭ガス化反応炉４に供給される。

図１および図２に示すように、石炭ガス化反応炉４は、内部に収容空間１１ａが形成された部分酸化部（下部反応容器）１１と、部分酸化部１１の上方Ｄ１に設けられた熱分解部（上部反応容器）１３と、を備えている。熱分解部１３には、縮径部１３ａを介して部分酸化部１１の収容空間１１ａと連通して上下方向Ｄに延びる貫通孔（管状部）１２が形成されている。石炭ガス化反応炉４は、例えば耐熱性のレンガで形成されている。
縮径部１３ａを設けることで、部分酸化部１１と熱分解部１３をそれぞれ独立した反応条件で操業することが可能となる。
部分酸化部１１の鉛直方向における下方Ｄ２には、スラグ冷却水槽１４が設けられている。部分酸化部１１とスラグ冷却水槽１４は上下方向（鉛直方向）Ｄに連通している。部分酸化部１１とスラグ冷却水槽１４との接続部分には、第２の縮径部１４ａが形成されている。

図２に示すように、部分酸化部１１は、上下方向Ｄに延びる略円筒状に形成されている。部分酸化部１１の内周面上には、所定の軸線Ｃ１に沿って延びる円筒状に形成されたガス化バーナー１７が複数設けられている。ガス化バーナー１７は、図１に示す石炭供給設備３、空気分離設備１０、および後述する方法で水蒸気を発生する熱回収設備５に接続されている。このガス化バーナー１７は、部分酸化部１１に炭素質原料、酸素ガス、および水蒸気（以下、「炭素質原料等」と称する。）を所定の割合で供給することができる。ガス化バーナー１７は、その軸線Ｃ１が、水平面に対して先端側が斜め下方を向くとともに、部分酸化部１１の中心軸線Ｃ２に対してねじれの位置となるように配置されている。
また、部分酸化部１１の外周面には不図示の冷却手段が設けられていて、石炭の燃焼により加熱される部分酸化部１１を冷却することができる。

熱分解部１３は、上下方向Ｄに延びる略管状に形成され、その内径は部分酸化部１１の内径より小さくなるように設定されている。
熱分解部１３において、上下方向Ｄの中間部には熱分解部１３に石炭を供給する複数の石炭ノズル１８が設けられ、石炭ノズル１８の下方Ｄ２には熱分解部１３に水蒸気を供給する１つの水蒸気ノズル１９が設けられている。石炭ノズル１８は石炭供給設備３に接続されていて、水蒸気ノズル１９は熱回収設備５に接続されている。
なお、石炭ノズル１８および水蒸気ノズル１９の数に制限はなく、幾つでもよい。

熱分解部１３の貫通孔１２の上方Ｄ１の端部（出口）１２ａは、熱回収設備５に接続されている。
熱分解部１３の貫通孔１２の端部１２ａには、貫通孔１２の端部１２ａから単位時間当たり（たとえば、１時間当たり）に流出する水蒸気の質量を測定する水分量測定装置２０が設けられている。
水分量測定装置２０は、貫通孔１２の端部１２ａから単位時間当たりに流出する合成ガスの質量流量を測定する流量計と、この合成ガスに含まれる水蒸気の比率（水蒸気濃度）を測定する元素分析装置等とを組み合わせて、公知の技術により構成することができる。前記単位時間当たりに流出する水蒸気の質量（質量流量Ｑｓ）は、たとえば、流量計で合成ガスの質量流量を測定した値と、元素分析装置等で測定した水蒸気濃度の値との積から求めることができる。

スラグ冷却水槽１４には所定の量の水Ｗが収容されている。スラグ冷却水槽１４、後述するように、部分酸化部１１から流れ落ちるスラグを冷却する。

次に、石炭ガス化反応炉４の運転方法について説明する。
まず、ガス化バーナー１７により粒状の石炭を含む炭素質原料等を所定の流速で部分酸化部１１内に供給する。それぞれのガス化バーナー１７は上記のように軸線Ｃ２に対してねじれの位置に配置されている。そのため、それぞれのガス化バーナー１７から供給される炭素質原料等は、部分酸化部１１の中心軸線Ｃ２の回りを下方Ｄ２に進みながららせん状に旋回する。このとき、部分酸化部１１内は、たとえば、温度が１３００℃以上１７００℃以下の高温であって、圧力が２ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の高圧になっている。この環境下で炭素質原料が高温になり、熱分解してチャーと、タールおよび水蒸気等を含む揮発性ガスとが分離する。また、炭素質原料が燃焼し、以下の化学反応式（２）〜（４）に示される化学反応により高温の一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、および水素ガスと、スラグ（灰分）が発生する。

２Ｃ＋Ｏ₂→２ＣＯ ・・・（２）
Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂ ・・・（３）
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ ・・・（４）

部分酸化部１１内で発生したガスやスラグ等は、炭素質原料が燃焼したときに発生した熱により高温になって膨張し、上方Ｄ１向きの浮力を受けて、旋回しながら部分酸化部１１内を上昇する。
部分酸化部１１内で発生したスラグは溶融した状態となっている。このスラグは、一部が部分酸化部１１の内周面で前述の冷却手段により冷やされてこの内周面に付着し、その他の部分が部分酸化部１１の下方に設けられたスラグ冷却水槽１４内の水Ｗに落ちて冷やされ、回収される。

部分酸化部１１内で発生した高温の水蒸気などのガス、タール、チャー等は、部分酸化部１１から移動して熱分解部１３内を上昇する。本実施形態では、熱分解部１３内の温度は９５０℃以上の温度になるように調節されている。熱分解部１３内の温度が９５０℃未満になると、タールの発生量が急激に増加するとともに、タールの分解反応が起こりにくくなる。
このとき、石炭ノズル１８から石炭が、水蒸気ノズル１９から水蒸気がそれぞれ供給される。操作者は、これら石炭および水蒸気の少なくとも一方の供給量を以下のように調節する。すなわち、全ての石炭ノズル１８から熱分解部１３に単位時間当たり（たとえば、１時間当たり）に供給される石炭中の炭素の質量をＱｃとする。また、貫通孔１２の端部１２ａから単位時間当たり（たとえば、１時間当たり）に流出する流体に含まれる水蒸気の質量をＱｓとする。これらの比Ｑｓ／Ｑｃすなわち水蒸気／炭素質量比を、１．０以上１．５以下となるように調節する。
熱分解部１３に供給される水蒸気は、水蒸気ノズル１９から供給される水蒸気だけでなく、部分酸化部１１の収容空間１１ａから流入する水蒸気や、石炭に含まれる水分が気化した水蒸気を含む。このため、熱分解部１３に供給される水蒸気は、貫通孔１２の端部１２ａから流出する水蒸気の量に基づいて調節する。熱分解部１３に供給された水蒸気は、炭素と反応して一酸化炭素ガスと水素ガスとが生成される。水蒸気／炭素質量比が１．０である状態は、炭素と反応しきれない余剰の水蒸気が熱分解部１３中に一定量存在している状態である。

上記の水蒸気／炭素質量比は、たとえば、次の方法によって調節する。まず、水分量測定装置２０により、熱分解部１３の貫通孔１２の端部１２ａから単位時間当たりに流出するガスに含まれる水蒸気の質量を測定する。例えば、測定された水蒸気の質量流量Ｑｓが１００（ｋｇ／ｈ）であり、水蒸気／炭素質量比を１．０以上にする場合、熱分解部１３に供給される炭素の質量流量Ｑｃが１００（ｋｇ／ｈ）以下になるように、全ての石炭ノズル１８から熱分解部１３に供給する石炭の質量流量を調整する。つまり、石炭ノズル１８が２つ設けられているときには、たとえば、それぞれの石炭ノズル１８から熱分解部１３に供給される炭素の質量流量Ｑｃが５０（ｋｇ／ｈ）以下になるように、それぞれの石炭ノズル１８から熱分解部１３に供給する石炭の質量流量を調整する。
この際、熱分解部１３に供給される石炭の炭素含有量は予め測定し、石炭の質量流量と炭素の質量流量Ｑｃとの関係を把握しておく。これにより、水蒸気／炭素質量比を１．０〜１．５とするのに必要な石炭の質量流量を決めることができる。
また、石炭ノズル１８から石炭を供給することにより水分量測定装置２０で測定される水蒸気の質量流量Ｑｓが変化する場合がある。この場合には、供給する石炭の質量流量を調整し、再度水分量測定装置２０で合成ガスに含まれる水蒸気の質量流量Ｑｓを測定する。そして、所定の水蒸気／炭素質量比を維持するように石炭の質量流量の調整と水蒸気の質量流量Ｑｓの測定を行うことを繰り返す。
なお、この実施形態においては、石炭の質量流量のみを調整しているが、条件に応じて、水蒸気ノズル１９から部分酸化部１１の収容空間１１ａに供給する水蒸気の質量流量を調整してもよい。また、石炭の質量流量の調整と共にガス化バーナー１７から部分酸化部１１の収容空間１１ａに供給する水蒸気の質量流量を調整してもよい。また、石炭の質量流量を一定にして、水蒸気ノズル１９またはガス化バーナー１７から部分酸化部１１の収容空間１１ａに供給する水蒸気の質量流量を調整してもよい。

なお、石炭ノズル１８から供給する石炭の質量流量を増加させるときには、水蒸気ノズル１９から供給する水蒸気の質量流量を適切な値に増加させておく。そして、熱分解部１３内での反応が安定した後に水分量測定装置２０により合成ガスに含まれる水蒸気の質量流量Ｑｓを測定する。
その後、上記の水蒸気／炭素質量比を満たすように石炭ノズル１８から供給される石炭の質量流量を調整すればよい。
また、水分量測定装置２０は各種の測定装置を用いることができ、露点計で代替することも可能である。

従来は、部分酸化部１１で発生したタールの一部、および、石炭ノズル１８から供給された炭素が熱分解して発生したタールの一部は、熱分解部１３の貫通孔１２内で付着性の炭素質物質となって貫通孔１２の内周面に付着する場合があった。
しかし、本実施形態においては、熱分解部１３内に供給される水蒸気の質量と炭素の質量との比Ｑｓ／Ｑｃが上記のように調整されている。そのため、従来は熱分解部１３の貫通孔１２の内周面に付着していたタールが、下記の化学反応式（５）によりガスとなって、熱分解部１３から流出する。

Ｃ（タール）＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ ・・・（５）

図３は、水蒸気／炭素質量比の変化とタールの付着量の増加速度及びエネルギー効率の変化との関係を示すグラフである。横軸に水蒸気／炭素質量比を、左側の縦軸に熱分解部１３の貫通孔１２におけるタールの付着量の増加速度を、右側の縦軸にエネルギー効率をそれぞれ示す。なお、ここで言うエネルギー効率とは、次の２つの発熱量の比である。すなわち、部分酸化部１１のガス化バーナー１７および熱分解部１３の石炭ノズル１８から供給される炭素質原料および石炭の発熱量と；石炭ガス化反応炉４で得られる水素や一酸化炭素等のガスやオイルの発熱量と；の比である。
水蒸気／炭素質量比が１．０より大きい場合には、図３において実線Ｌ１で示されるタールの付着量の増加速度が負の値になり、熱分解部１３の内周面に付着したタールの量が減少する。一方で、水蒸気／炭素質量比が１．０より小さい場合には、タールの付着量の増加速度が正の値になり、熱分解部１３の内周面でのタールの付着量が増加する。
なお、水蒸気／炭素質量比が大きくなるほど、上記の化学反応式（５）により熱分解部１３に付着したタールが取り除かれやすくなる。しかし、水蒸気の量が多くなりすぎると、熱分解部１３内の温度が低下し熱分解部１３に投入できる炭素質原料が減少し、図３において破線Ｌ２で示されるエネルギー効率が減少してしまう。エネルギー効率を必要以上に低下させないためには、水蒸気／炭素質量比の値を、１．０以上１．５以下にすることが好ましい。なお、より高いエネルギー効率が必要とされる場合には、水蒸気／炭素質量比の値を１．０以上１．１以下にしてもよい。
また、熱分解部１３に供給された石炭中の炭素の一部は、熱分解部１３内の二酸化炭素ガスと反応して下記の化学反応式（６）により一酸化炭素ガスになる。

Ｃ＋ＣＯ₂→２ＣＯ ・・・（６）

そして、図１に示すように、熱分解部１３の上方から、水素ガスおよび一酸化炭素ガスを主成分とする高温の合成ガスがチャーとともに搬送され、熱回収設備５に供給される。
熱回収設備５では、熱分解部１３から搬送された合成ガスと水蒸気とを熱交換させることにより水蒸気が加熱される。この水蒸気は前述の石炭粉砕及び乾燥設備２や石炭ガス化反応炉４等に石炭の乾燥等の目的のために供給される。
熱回収設備５で冷却された合成ガスは、熱回収設備５からチャー回収設備６に供給される。チャー回収設備６では、合成ガスに含まれるチャーが回収される。
チャー回収設備６を通過した合成ガスは、シフト反応設備７に供給される。シフト反応設備７には、合成ガス中の一酸化炭素ガスに対する水素ガスの比率を一定の値まで高めるために水蒸気が供給される。そして、下記の化学反応式（７）で示されるシフト反応により、合成ガス中の一酸化炭素ガスと水蒸気から二酸化炭素ガスと水素ガスが生成される。

ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ ・・・（７）

シフト反応設備７で成分を調整された合成ガスは、ガス精製設備８に供給され、合成ガスに含まれる二酸化炭素ガスや、硫黄を成分として含むガス等が回収される。
ガス精製設備８で精製された合成ガスは、化学合成設備９に供給され、メタンやメタノール等の製品が製造される。

以上説明したように、本実施形態の石炭ガス化反応炉４および石炭ガス化反応炉４の運転方法においては、水蒸気／炭素質量比が１．０以上１．５以下となるように、熱分解部１３に供給される石炭および水蒸気のうち少なくとも一方の質量流量が調節される。
発明者らは、水蒸気／炭素質量比を１．０に調節することで、熱分解部１３の貫通孔１２内に付着するタールの量と、貫通孔１２に予め付着していて水蒸気との上記化学反応式（５）の反応により一酸化炭素になるタールの除去量とが釣り合うことを見出した。
この知見に基づいて、上記の実施形態において水蒸気／炭素質量比を１．０以上に設定した。これにより、部分酸化部１１および熱分解部１３において石炭の熱分解によりタールが生じたとしても、熱分解部１３の貫通孔１２においてタールの付着量が増加することを効果的に抑制できる。
さらに、水蒸気／炭素質量比を１．５以下に調節することで、熱分解部１３内に水蒸気が過剰に供給され、水素ガス等の可燃性ガスの生産量が低下することを防止できる。

また、上記の実施形態においては、熱分解部１３の貫通孔１２の端部１２ａから単位時間当たりに流出する流体に含まれる水蒸気の質量を求めるときに、単位時間当たりに流出する流体の質量流量を測定し、流体に含まれる水蒸気濃度を測定する。そして、質量流量を測定した値と水蒸気濃度を測定した値との積を単位時間当たりに流出する流体に含まれる水蒸気の質量としている。
したがって、貫通孔１２の端部１２ａから単位時間当たりに流出する流体に含まれる水蒸気の質量を容易に求めることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下では、第１実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図４に示すように、本実施形態の石炭ガス化反応炉３１は、第１実施形態の石炭ガス化反応炉４の各構成に加えて、熱分解部１３の圧力差を測定する圧力測定装置３２をさらに備えている。

圧力測定装置３２は、部分酸化部１１の収容空間１１ａに連通するように接続された第一の配管３３と、熱分解部１３の貫通孔１２の端部１２ａに連通するように接続された第二の配管３４と、第一の配管３３の内圧と第二の配管３４の内圧との圧力差を測定する本体部３５とを有している。

このように構成された石炭ガス化反応炉３１が運転されると、操作者は、上記第１実施形態で説明した石炭ノズル１８および水蒸気ノズル１９から供給される石炭および水蒸気のうち少なくとも一方の質量流量を調節するとともに、以下の操作を行う。
すなわち、圧力測定装置３２を用いて定期的または連続的に第一の配管３３と第二の配管３４との圧力差を測定する。そして、測定した圧力差が所定の基準値を超えたときに、水蒸気ノズル１９から熱分解部１３の内部に所定の質量流量の水蒸気を供給する。

図５に、実際に熱分解部１３の圧力差を測定したときの結果の例を示す。図５の横軸は経過時間（ｍｉｎ）、縦軸は第一の配管３３と第二の配管３４との圧力差（通常の圧力差からの変化量）（ｋＰａ）を示している。
時間の経過とともに熱分解部１３の内周面にタールが付着していくことで、時刻Ｔ０において圧力差が上昇を開始し、時刻Ｔ１において圧力差が基準値１０（ｋＰａ）に到達した。この時点で水蒸気ノズル１９から熱分解部１３に所定の量の水蒸気を供給した。ここで所定の量の水蒸気とは、たとえば、熱分解部１３に石炭ノズル１８から１時間当たりに投入される石炭の量の５〜１０％程度の質量流量のことである。
その結果、熱分解部１３に付着したタールが減少し、圧力差が通常の圧力差にまで低下した。
なお、１時間当たりに投入される石炭の量の５〜１０％の質量流量の水蒸気を供給しても圧力差が通常の値まで低下しないときは、さらに、１時間当たりに投入される石炭の量の５％程度の質量の水蒸気を供給してもよい。その際、水蒸気／炭素質量比は１．０〜１．５の範囲に留める必要はない。しかし、圧力差が通常の圧力差まで低下した後は、水蒸気／炭素質量比が１．０〜１．５となる範囲で運転を行うことが好ましい。

以上説明したように、本実施形態の石炭ガス化反応炉３１によれば、供給する水蒸気の質量流量が必要以上に増加することがないので、可燃性ガスの生産量を維持することができる。また、タールのガス化反応に十分な質量流量の水蒸気を供給することで、熱分解部１３内におけるタールの付着量が増加するのを効果的に抑えることができる。
さらに、発明者らは、タールは熱分解部１３の貫通孔１２における石炭ノズル１８より上方Ｄ１の所定の位置（たとえば、石炭ノズル１８より上方Ｄ１に数百ｍｍ離れた位置）に集中的に付着することを見出した。この知見に基づいて、上記の実施形態においては、配管３３及び３４を、タールが付着し難い石炭ノズル１８の下方Ｄ２および貫通孔１２の端部１２ａにそれぞれ接続している。これにより、配管３３及び３４にタールが付着することを防止して圧力差を正確に測定し、熱分解部１３の貫通孔１２がタールにより詰まることをより確実に防止できる。
なお、熱分解部１３の貫通孔１２における石炭ノズル１８より下方Ｄ２の部分もタールが付着し難いので、この部分に第一の配管３３を接続してもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
たとえば、第１実施形態および第２実施形態では、石炭ガス化反応炉に水分量測定装置２０を備えず、以下に説明するように石炭ガス化反応炉を運転してもよい。すなわち、予め水蒸気量と、石炭および炭素質原料中の炭素量を計算により求め、この計算値に基づいて熱分解部１３に石炭ノズル１８から石炭を、水蒸気ノズル１９から水蒸気を供給する。部分酸化部１１で発生する水蒸気の量は、投入する炭素質原料の量、炭素質原料の組成、酸素の量および水蒸気の量に基づいて、酸素、水素、炭素の収支を取ることで、ある程度の精度での計算が可能である。熱分解部１３出口での水蒸気／炭素質量比については、熱分解部１３における石炭の投入量、水蒸気の投入量、石炭中の炭素との水蒸気反応による水蒸気の消失量に基づいて計算が可能である。なお、石炭中の炭素量は、ＪＩＳ Ｍ８８１９に規定される方法で測定することができる。
このように水分量測定装置２０を備えないときは、石炭、炭素質原料および水蒸気の流量変動や流量誤差が生じる。そのため、運転中に前述の水蒸気／炭素質量比が１．０より小さくなる危険性を回避するために、水蒸気／炭素質量比を１．０よりかなり大きめの値（たとえば、１．２以上１．５以下）とする必要がある。

（実施例１）
図１の装置を使用し、水分を３％、炭素を７１．８％含有する乾燥された石炭を用いて実験を行った。この石炭は熱分解部１３に使用するだけでなく、部分酸化部１１に供給される炭素質原料としても使用した。
全てのガス化バーナー１７から部分酸化部１１に供給される石炭の質量流量は６５０（ｋｇ／ｈ）、酸素ガスの流量は３８５（Ｎｍ³／ｈ）、水蒸気の質量流量は６０（ｋｇ／ｈ）とした。さらに、全ての石炭ノズル１８から熱分解部１３に供給される石炭の質量流量を１５０（ｋｇ／ｈ）、水蒸気ノズル１９から投入する水蒸気の質量流量を６０（ｋｇ／ｈ）とした。
このとき、水分量測定装置２０で測定された貫通孔１２の端部１２ａから流出する合成ガスに含まれる水蒸気の濃度は８．１％（体積％）、生成ガスの流量は、乾燥流量で１７６０（Ｎｍ³／ｈ）であった。そして、全ての石炭ノズル１８から単位時間当たりに供給される石炭に含まれる炭素の質量流量Ｑｃは１０４（ｋｇ／ｈ）、貫通孔１２の端部１２ａから流出する水蒸気の質量流量は、１２５（ｋｇ／ｈ）と求められ、水蒸気／炭素質量比は１．２となる。
上記の運転条件（水蒸気／炭素質量比が１．２）において、１００時間運転後および２００時間運転後に一旦運転を停止して熱分解部１３内部を調査した。その際、タール由来の炭素質物質の付着は認められなかった。

（実施例２）
図４の装置を使用し、水分を３％、炭素を７１．８％含有し、乾燥された石炭を用いて実験を行った。この石炭は熱分解部１３に使用するだけでなく、部分酸化部１１に供給される炭素質原料としても使用した。
全てのガス化バーナー１７から部分酸化部１１に供給される石炭の質量流量は６５０（ｋｇ／ｈ）、酸素ガスの流量は３８５（Ｎｍ³／ｈ）、水蒸気の質量流量は６０（ｋｇ／ｈ）とした。さらに、全ての石炭ノズル１８から熱分解部１３に供給される石炭の質量流量を１５０（ｋｇ／ｈ）、水蒸気ノズル１９から投入する水蒸気の質量流量を４０（ｋｇ／ｈ）とした。計算上では、水蒸気／炭素質量比は１．０となる条件であった。
しかしながら、石炭中の水分変動により、石炭中の水分が３％未満となる石炭がしばらく投入されたことから、第一の配管３３と第二の配管３４との圧力差が徐々に上昇した。圧力差が、運転の初期の圧力差に対して５０％増となった際に、熱分解部１３へ水蒸気ノズル１９から投入する水蒸気の質量流量を６０（ｋｇ／ｈ）へと増やした。その後、圧力差が徐々に低下したため、圧力差が運転の初期の圧力差に対して１０％を切った段階で、熱分解部１３へ水蒸気ノズル１９から投入する水蒸気の質量流量を５０（ｋｇ／ｈ）へと減らした。その後、１００時間運転後および２００時間運転後に一旦操業を停止して熱分解部１３内部を調査した。その際、タール由来の炭素質物質の付着は認められなかった。

（比較例１）
全てのガス化バーナー１７から供給される石炭の質量流量、酸素ガスの流量、及び水蒸気の質量流量を実施例１と等しくした。そして、石炭ノズル１８から供給される石炭の質量流量を１６０（ｋｇ／ｈ）、水蒸気ノズル１９より供給される水蒸気の質量流量を４０（ｋｇ／ｈ）とした。
このとき、水分量測定装置２０で測定された水蒸気の濃度は６．７％（体積濃度）、生成ガスの流量は乾燥流量で１７７５（Ｎｍ³／ｈ）であった。この条件では、熱分解部１３内に付着するタールの増加がみられた。
このとき、石炭ノズル１８から単位時間当たりに供給される石炭に含まれる炭素の質量流量Ｑｃは１１１（ｋｇ／ｈ）、貫通孔１２の端部１２ａから流出する水蒸気の質量流量Ｑｓは、１０２（ｋｇ／ｈ）と求められ、水蒸気／炭素質量比は０．９２となる。
上記の運転条件（水蒸気／炭素質量比が０．９２）において、１００時間運転後および２００時間運転後一旦操業を停止して熱分解部１３内部を調査した。その際、炭素質の付着発生および増加が確認された。

（比較例２）
全てのガス化バーナー１７から供給される石炭の質量流量、酸素ガスの流量、及び水蒸気の質量流量を、実施例１と等しくした。そして、石炭ノズル１８から供給される石炭の質量流量を１２５（ｋｇ／ｈ）、水蒸気ノズル１９より供給される水蒸気の質量流量を８０（ｋｇ／ｈ）とした。
このとき、水分量測定装置２０で測定された水蒸気の濃度は、９．０％（体積濃度）、生成ガスの流量は乾燥流量で１７３４（Ｎｍ³／ｈ）であった。この条件では、熱分解部１３内に付着物は見られなかった。
このとき、石炭ノズル１８から単位時間当たりに供給される石炭に含まれる炭素の質量流量Ｑｃは８７（ｋｇ／ｈ）、貫通孔１２の端部１２ａから流出する水蒸気の質量流量Ｑｓは１３８（ｋｇ／ｈ）と求められ、水蒸気／炭素質量比は１．５８となる。

尚、上記実施例および比較例１、比較例２において熱分解部１３の温度は一定（１１００℃）になるように熱分解部１３に投入する石炭および蒸気量を調整した。
上記実施例におけるガス発生量は乾燥流量で１７６０（Ｎｍ³／ｈ）発熱量８５４５（ｋＪ／Ｎｍ³）、比較例１におけるガス発生量は１７７５（Ｎｍ³／ｈ）発熱量８５９３（ｋＪ／Ｎｍ³）、比較例２におけるガス発生量は１７３４（Ｎｍ³／ｈ）発熱量８４９５（ｋＪ／Ｎｍ³）となった。本発明の運転方法の実施例においては、熱分解部において付着物の生成した比較例１と比較して、生成されるガス量がほとんど減少することがなく、発熱量も比較例１とほぼ同等に維持されている。しかも、炭素質物質を装置に付着させることなく運転を行うことができた。また、水蒸気を投入する量が多い比較例２においては、熱分解部に投入される石炭量が減少する。そのため、生成されるガス量は減少した。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態または実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

上記の石炭ガス化反応炉の運転方法および石炭ガス化反応炉によれば、可燃性ガスの生産量を大幅に減少させることなく、上部反応容器内においてタールの付着量が増加することを効果的に抑制できる。

４、３１ 石炭ガス化反応炉
１１ 部分酸化部（下部反応容器）
１２ 貫通孔
１２ａ 端部
１３ 熱分解部（上部反応容器）
１３ａ 縮径部
１７ ガス化バーナー
１８ 石炭ノズル
１９ 水蒸気ノズル
２０ 水分量測定装置
３２ 圧力測定装置
３３ 第一の配管
３４ 第二の配管

Claims (6)

1. 内部に収容空間が形成された下部反応容器と、前記下部反応容器の上方に設けられ、縮径部を介して前記下部反応容器の前記収容空間と連通し上下方向に延びる貫通孔が形成された上部反応容器と、を備え、
   前記下部反応容器には炭素質原料、酸素ガス、および水蒸気が所定の割合で供給され、
   前記上部反応容器には石炭および水蒸気が供給され、
   前記下部反応容器からの高温ガス顕熱により前記石炭を前記上部反応容器にて９５０℃以上の温度で反応させることで少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを製造する石炭ガス化反応炉の運転方法であって、
   前記上部反応容器に単位時間当たりに供給される前記石炭中の炭素の質量に対する、前記上部反応容器の前記貫通孔の出口から前記単位時間当たりに流出する流体に含まれる前記水蒸気の質量の比が１．０以上１．５以下となるように、前記上部反応容器に供給される前記石炭および前記水蒸気のうち少なくとも一方の質量流量を調節すること特徴とする石炭ガス化反応炉の運転方法。
2. 前記上部反応容器の前記貫通孔の出口から前記単位時間当たりに流出する流体に含まれる前記水蒸気の質量を求めるときに、
   前記単位時間当たりに流出する前記流体の質量流量を測定し、
   前記流体に含まれる水蒸気濃度を測定し、
   前記質量流量を測定した値と前記水蒸気濃度を測定した値との積を前記単位時間当たりに流出する流体に含まれる前記水蒸気の質量とすることを特徴とする請求項１に記載の石炭ガス化反応炉の運転方法。
3. 前記上部反応容器の貫通孔における前記石炭を供給する石炭ノズルより下方の部分または前記下部反応容器の収容空間と、前記貫通孔の上方の端部との間の圧力差を測定し、
   前記圧力差が所定の値を超えたときに前記上部反応容器の内部に所定の量の水蒸気を供給することを特徴とする請求項１または２に記載の石炭ガス化反応炉の運転方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の石炭ガス化反応炉の運転方法に使用する石炭ガス化反応炉であって、
   内部に収容空間が形成された下部反応容器と、
   前記下部反応容器の上方に設けられ、縮径部を介して前記下部反応容器の前記収容空間と連通し上下方向に延びる貫通孔が形成された上部反応容器と、
   を備え、
   前記下部反応容器は、
   前記下部反応容器に炭素質原料、酸素ガス、および水蒸気を所定の割合で供給し前記炭素質原料を燃焼させるガス化バーナーを有し、
   前記上部反応容器は、
   前記上部反応容器に石炭を供給する石炭ノズルと、
   前記上部反応容器に水蒸気を供給する水蒸気ノズルと、
   前記上部反応容器の前記貫通孔の上方の端部に設けられ、前記貫通孔の端部から単位時間当たりに流出する水蒸気の質量を測定する水分量測定装置と、
   を有することを特徴とする石炭ガス化反応炉。
5. 前記上部反応容器の貫通孔における前記石炭ノズルより下方の部分または前記下部反応容器の収容空間に接続された第一の配管と、
   前記上部反応容器の前記貫通孔の上方の端部に接続された第二の配管と、
   を有し、
   前記第一の配管と前記第二の配管との圧力差を測定する圧力測定装置をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の石炭ガス化反応炉。
6. 互いに連通する下部反応容器と上部反応容器とを備えた石炭ガス化反応炉の運転方法であって、
   前記下部反応容器の内部に、炭素質原料、酸素ガス、および水蒸気を供給する工程と、
   前記上部反応容器の内部に、石炭ノズルを用いて石炭を供給すると共に、水蒸気ノズルを用いて水蒸気を供給する工程と、
   前記下部反応容器の内部において発生した高温のガスにより、前記上部反応容器の内部の前記石炭を９５０℃以上の温度で反応させ、少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを含む合成ガスを製造する工程と、
   前記合成ガスに含まれる水蒸気の質量流量Ｑｓを求める工程と、
   前記石炭の炭素含有量に基づいて上部反応容器の内部に供給される炭素の質量流量Ｑｃを求める工程と、
   前記水蒸気の質量流量Ｑｓと前記炭素の質量流量Ｑｃとの比Ｑｓ／Ｑｃが１．０以上かつ１．５以下となるように、前記石炭ノズルが供給する前記石炭の質量流量と、前記水蒸気ノズルが供給する前記水蒸気の質量流量との少なくとも一方を調節する工程と、
   を有する石炭ガス化反応炉の運転方法。

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