JP5552157B2 - 石炭ガス化炉 - 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を生産する石炭ガス化炉に関する。
本願は、２０１０年４月１６日に、日本に出願された特願２０１０−０９５４９６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、微粉炭等から可燃性ガスを生産するガス化炉（石炭ガス化炉）として、たとえば、特許文献１に示すようなものが知られている。このガス化炉では、圧力容器（反応容器）内に、平面視で４基のコンバスタバーナが所定の平面における円周上に等距離ごとに配置されている。そして、円周の中心軸を挟んで対称の位置に配置された２組のコンバスタバーナは、互いに向かい合うように配置されている。

コンバスタバーナは、中心部に設けられガス化炉起動用の軽油バーナーと、軽油バーナーと同心円状に内側から外側にかけて順に配置された空気ノズル、チャーノズル、燃料用石炭ノズル、２次空気ノズルとで構成されている。
空気、チャー（未ガス化石炭残滓または熱分解残滓）、燃料用石炭はそれぞれのノズル内で旋回したあとで、軽油バーナーで着火されて圧力容器内に噴射される。

特許第３５９５４０４号公報

しかしながら、上記特許文献１に示すガス化炉では、それぞれのコンバスタバーナから旋回して流れるガス等が噴射されるとき、コンバスタバーナは互いに対向する位置に配置されているので、コンバスタバーナから噴射されたガス等が互いに衝突し、ガス化炉内のガスなどの流れが安定しないという問題がある。そして、ガス化炉の内周面は、石炭の部分酸化（以下、「ガス化」と称する）により高温環境下にさらされるが、ガス化炉の内周面に一定の厚さのスラグが安定して付着しないと、熱損失が大きくなり性能低下につながるとともに、この内周面が熱による影響を受けて損傷する恐れがある。
さらに、ガス化によって生じたガス等はガス化炉内を上昇するが、ガス化炉内におけるガス等の上昇する流れの不均一が生じたりすると、石炭中のカーボン（チャー）が十分にガス化反応する前にガス化炉から流出してしまい、反応率（石炭中の炭素のガスへの転換率）が低下してしまうことがある。

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、コンパクトな反応容器内で石炭を十分に反応させるとともに、反応容器の内周面にスラグを安定させて付着させることができる高効率の石炭ガス化炉を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の石炭ガス化炉は、石炭を反応容器内で部分酸化反応によりガス化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炉が、上方に延びる円筒状に形成した反応容器と、前記反応容器の上端側設けられた排出口と、前記反応容器内に、第一の管路により供給された石炭、および、前記第一の管路とは異なる第二の管路により供給された酸化剤である酸素ガスおよび水蒸気を供給する複数の筒状のバーナー部とを有し、前記複数のバーナー部は、前記排出口より下方に位置する水平面に平行な基準平面上で、前記反応容器の内周面の周方向に向けて間隔を開けて設けられ、前記反応容器の上方からみて、前記各バーナー部の軸線が、前記反応容器の中心軸線を中心としている反応容器の内径よりも径の小さい仮想円に、同一方向回りに接するように、前記各バーナー部を配置し、前記酸素ガスが前記石炭に対する重量比で０．７〜０．９の範囲で供給され、かつ、前記水蒸気が前記石炭に対する重量比で０．０５〜０．３の範囲で供給される前記バーナー部が、前記バーナー部の軸線が水平面に平行に、または前記バーナー部の先端に向かうほど下方に向かうように配置されており、それぞれの前記バーナー部から前記反応容器内に供給される前記石炭、前記酸化剤の質量流量をｍ１（ｋｇ／ｓ）、ｍ２（ｋｇ／ｓ）、それぞれの前記バーナー部内での前記石炭、前記酸化剤の流速をＶ１（ｍ／ｓ）、Ｖ２（ｍ／ｓ）としたときに、（１）式による平均流速Ｖａ（ｍ／ｓ）が、１０（ｍ／ｓ）以上且つ５０（ｍ／ｓ）以下に設定され、前記反応容器の内径に対する前記仮想円の直径の比が、１／１０以上１／３以下に設定され、ぞれぞれの前記バーナー部の軸線の水平面に対する角度が、０°以上且つ１０°以下に設定されていることを特徴とする。
Ｖａ＝（ｍ１×Ｖ１＋ｍ２×Ｖ２）／（ｍ１＋ｍ２） ・・（１）

この発明によれば、バーナー部が円筒状の反応容器内に石炭および酸化剤を供給するときに、反応容器の中心軸線回りに旋回する流体の流れを発生させることが出来る。このため、反応容器の内周面近傍における流体の流れが周方向の位置のいずれであっても安定し、石炭がガス化することによって発生した溶融したスラグが反応容器の内周面に付着する厚さをほぼ均一にすることができる。
また、バーナー部は、自身の軸線が水平面に平行に、またはバーナー部の先端に向かうほど下方に向かうように配置されている。ガス化して膨張し、反応容器内を旋回しながら上昇しようとする石炭を、バーナー部から一度水平または下方に向かうように流すことにより、石炭が反応容器中を流れる時間を増加させ、排出口から排出される前に反応容器内で十分にガス化させることができる。
また、平均流速Ｖａを５０（ｍ／ｓ）以下とすることで、反応容器の内周面に付着したスラグが内周面から剥がれるのが抑えられて反応容器から外部に伝えられる熱損失を低下させることができる。また、平均流速Ｖａを１０（ｍ／ｓ）以上とすることで、バーナー部において酸化剤により石炭を安定して搬送させることができる。
また、反応容器の内径に対する仮想円の直径の比（以下、「直径比」とも称する。）を１／３以下とすることで、反応容器の内周面における流体の速度勾配を小さくし、反応容器の内周面に付着したスラグが内周面から剥がれるのが抑えられる。したがって、反応容器の内周面が高温下にさらされて、熱損失の増加により性能が低下することや内周面が損傷するのを防止することができる。
また、直径比を１／１０以上とすることで、バーナー部から供給される石炭および酸化剤等が互いに正面から衝突するのを防止して、反応容器の中心軸線回りに旋回する流れを確実に生じさせ、ガス化反応時間を長くし、反応率を向上することができる。
また、この角度を０°以上且つ１０°以下とすることで、バーナー部より吹き込んだ石炭粒子をバーナー部近傍の高温場に長く存在させることができるので、チャーのガス化反応が促進され、反応率を上昇させることができる。

また、上記の石炭ガス化炉において、前記バーナー部は、前記反応容器の中心軸線回りに等間隔毎に配置されていることがより好ましい。
この発明によれば、反応容器内における、バーナー部から供給される石炭および酸化剤、そして石炭の燃焼により生じるガスを含む流体の流れをより安定させることができる。

また、上記の石炭ガス化炉において、前記反応容器における、前記バーナー部の直近の上方であって前記基準平面に平行な第二の基準平面上には、チャーバーナーが前記バーナー部と同様に配置されることがより好ましい。
この発明によれば、反応容器のチャーバーナーによって未反応で回収されたチャーを石炭ガス化炉へリサイクルさせてガス化反応をさせることで、石炭中のカーボンのガス化反応率を９９％以上とすることができる。

本発明の石炭ガス化炉によれば、コンパクトな反応容器内で石炭を十分に反応させるとともに、反応容器の内周面にスラグを安定させて付着させることができる。

本発明の実施形態の石炭ガス化炉が用いられた石炭ガス化合成ガス製造システムのブロック図である。 同石炭ガス化炉の要部の縦断面図である。 図２中の切断線Ａ−Ａによる平面断面図である。 図３中の基準平面における流速分布を示す図である。 同石炭ガス化炉の部分酸化部における直径比に対する熱損失比と反応率比の関係を示す図である。 同石炭ガス化炉における石炭と酸化剤の平均流速に対する熱損失比の関係を示す図である。

以下、本発明に係る石炭ガス化炉の実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。石炭ガス化炉は、石炭ガス化システムの一部に組み込まれて用いられ、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、石炭ガス化合成ガス製造システム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製造するプラント設備である。この製品合成ガスを化学合成設備等の原料として供給することで、最終的にメタン、メタノールおよびアンモニア等を製造することができる。
石炭ガス化合成ガス製造システム１は、石炭粉砕・乾燥設備２と、石炭供給設備３と、本実施形態の石炭ガス化炉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、空気分離設備９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・乾燥設備２において、石炭は、２００メッシュ以下７５％程度、平均粒子径が３０〜６０（μｍ）程度の微粉炭となるように粉砕され、さらに所定の水分含有量、望ましくは全水分量で１０％以下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、石炭粉砕・乾燥設備２の後から石炭ガス化炉４までは、乾燥し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、石炭ガス化炉４内に供給するために石炭供給設備３内で搬送ガス等により所定の圧力まで昇圧され、その後で石炭ガス化炉４に気流搬送にて所定の重量が定量供給される。石炭ガス化炉の運転圧力は特に限定されないが、ガス化炉のコンパクト化による反応効率の向上、設備費及び用役費低減の観点から、２ＭＰａＧ以上且つ５ＭＰａＧ以下であることが望ましい。
一方で、空気分離設備９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や窒素ガス等を分離する。空気分離設備９で分離された酸素ガスは、石炭ガス化炉４に所定流量供給される。

図２に示すように、石炭ガス化炉４は、上方Ｄ１に少なくとも部分酸化部（反応容器）１２を有し、部分酸化部１２の下方Ｄ２には、予熱部１５が設けられている。部分酸化部１２、および予熱部１５は上下方向Ｄに連通している。

図２および図３に示すように、部分酸化部１２は、耐熱性の耐火物等で上下方向Ｄに延びる円筒状に形成され、部分酸化部１２の内周面上には、軸線Ｃ１に沿って延びる円筒状に形成された８基のバーナー部１７ａ〜１７ｈが設けられている（以下、これらのバーナー部１７ａ〜１７ｈを特に区別無く示すときは、これらをまとめて「バーナー部１７」と称する。）。
なお、部分酸化部１２に設けられるバーナー部１７の数に制限はなく、２つ以上であれば幾つでもよい。ただし、部分酸化部１２の大きさが大きくなるのに応じて、４基、６基、８基、‥、というように、数を増やして偶数基設けることが好ましいが、奇数基でも全く問題ない。
８基のバーナー部１７は、水平面に平行な基準平面Ｐ１上設けられるとともに、部分酸化部１２の中心軸線Ｃ２回りに等間隔毎に配置されている。

バーナー部１７は、図３に示すように、上方Ｄ１からみたときに、バーナー部１７の軸線Ｃ１が部分酸化部１２の内径Ｒ１よりも小径で中心軸線Ｃ２を中心とする仮想円Ｅに同一方向Ｆ１回りに接するように配置されている。ここで、同一方向Ｆ１回りに接するとは、それぞれのバーナー部１７の軸線Ｃ１をバーナー部１７の先端から延びるものとしてみたときに、軸線Ｃ１が仮想円Ｅに対して方向Ｆ１回りに接することを意味する。なお、それぞれのバーナー部１７の軸線Ｃ１が、仮想円Ｅに方向Ｆ１とは反対方向である方向Ｆ２回りに接するように配置されていてもよい。
そして、部分酸化部１２の内径Ｒ１に対する仮想円の直径Ｒ２の比（仮想円の直径Ｒ２／反応容器の内径Ｒ１）である直径比が１／１０以上且つ１／３以下となるように設定されている。直径比はより好ましくは１／５以上且つ３／１０以下である。
さらに、図２に示すように、バーナー部１７の軸線Ｃ１の水平面に対する角度θが、０°以上且つ１０°以下となるように設定されている。
即ち、バーナー部１７の先端が、部分酸化部１２の下方に向けて、水平面に対して０°以上かつ１０°以下であることが好ましく、より好ましくは０°以上且つ２°以下傾いている。

石炭粉砕・乾燥設備２において粉砕・乾燥された微粉状の石炭は、石炭供給部２０により各バーナー部１７に所定の流量となるように供給される。空気分離設備９で分離された酸素ガス、および後述するように熱回収設備５により供給された水蒸気は、酸化剤供給部２１により各バーナー部１７に所定の流量となるように供給される。
より詳しく説明すると、バーナー部１７から部分酸化部１２内に供給される石炭、酸化剤（酸素ガスおよび水蒸気）の質量流量をｍ１（ｋｇ／ｓ）、ｍ２（ｋｇ／ｓ）、バーナー部１７内での石炭、酸化剤の流速をＶ１（ｍ／ｓ）、Ｖ２（ｍ／ｓ）とする。このとき、下記の（２）式による平均流速Ｖａ（ｍ／ｓ）が、１０（ｍ／ｓ）以上且つ５０（ｍ／ｓ）以下となるように、石炭供給部２０および酸化剤供給部２１により、石炭及び酸化剤の流量が調節されている。
Ｖａ＝（ｍ１×Ｖ１＋ｍ２×Ｖ２）／（ｍ１＋ｍ２） ・・（２）
即ち、平均流速Ｖａとはバーナー部１７の原料噴射口から射出される流体の平均流速である。
ただし、酸化剤中の酸素ガスは、酸素と石炭の重量比（酸素／石炭）で０．７〜０．９、水蒸気は、水蒸気と石炭の重量比（水蒸気／石炭）で０．０５〜０．３の範囲で、石炭銘柄や運転計画温度にて適切に設定される。また、バーナー部１７内の酸化剤の流速Ｖ２（ｍ／ｓ）は、酸素ガスおよび水蒸気の混合された状態での流速とする。石炭銘柄の違いは、石炭の工業分析値及び元素分析値、灰組成等で示すことが出来る。
また、平均流速Ｖａは、１０（ｍ／ｓ）以上且つ３０（ｍ／ｓ）以下であることがより好ましい。

部分酸化部１２の外周面には、部分酸化部１２を冷却するための冷却壁管路２２が配設されていて、冷却壁管路２２には、その内部に水や飽和水（ボイラ―水）を流すためのポンプ２３が接続されている。この冷却壁管路２２内を流れる水や飽和水は、冷却壁管路２２内を循環してもよいし、部分酸化部１２をボイラ―として用いて加熱し、高温の水蒸気となった後で蒸気として回収・利用してもよい。

粉砕され昇圧された石炭および酸化剤は、平均流速Ｖａで上述のバーナー部１７から部分酸化部１２内に供給される。８基のバーナー部１７は図３に示すように配置されているので、バーナー部１７から供給される石炭および酸化剤は、図２に示すように、まず、部分酸化部１２の中心軸線Ｃ２回りに旋回しながら下向きに、または同一水平面上を流れるように噴射される。部分酸化部１２内は、高温・高圧（たとえば、温度が１２００℃以上１８００℃以下であって、圧力が２ＭＰａ以上。）になっている。この環境下で石炭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とともに、石炭がガス化することにより、下記化学反応式（１）〜（３）による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 ・・・（１）
Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂ ・・・（２）
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ ・・・（３）

このときの、部分酸化部１２内の各部位における、水素ガスや一酸化炭素ガス等の流速分布を図４に示す。図４は、図３中に示す部分酸化部１２の中心軸線Ｃ２を含む基準平面Ｐ２上において、中心軸線Ｃ２からｒ方向の位置に対する流速ｖを示したものである。ここで、基準平面Ｐ２は、水平面に平行な基準平面Ｐ１に対して垂直な面である。部分酸化部１２では、中心軸線Ｃ２から半径方向（ｒ方向）に向けて、水素ガスや一酸化炭素ガスなどの流体が同一方向（例えば方向Ｆ１）に旋回しながら上昇する。図４では、この基準平面Ｐ２の、ある高さの位置におけるｒ方向の流体の流速ｖの変化（分布）を示している。ここで、ある高さの位置とは、部分酸化部１２の高さ方向に沿った何れかの場所であり、バーナー部１７ａより上であればよい。図４において、横軸は中心軸線Ｃ２に対するｒ方向の位置、縦軸は流速ｖを示す。なお、実際には、ｒ方向の位置が正の側（図３における中心軸線Ｃ２に対してバーナー部１７ａ側）と、ｒ方向の位置が負の側（図３における中心軸線Ｃ２に対してバーナー部１７ｅ側）とで、流速ｖの向きは異なるが、図４では流速ｖの向きを考えない大きさのみを示すものとした。さらに、図４では部分酸化部１２の内周面に付着する後述するスラグの厚さは考慮せずに示している。

図４中に、部分酸化部（反応容器）１２の内径に対する仮想円の直径比が１／５以上で３／１０以下となるように、部分酸化部１２にバーナー部１７を設置し、平均流速Ｖａが、１０（ｍ／ｓ）以上且つ３０（ｍ／ｓ）以下としたときの流速ｖのモデルを実線で示す。
図４中に実線で示す通り、バーナー部１７ｃの軸線Ｃ１上の位置となるｒ方向の位置がＲ２／２となる位置付近、およびバーナー部１７ｇの軸線Ｃ１上の位置となるｒ方向の位置が−Ｒ２／２となる位置付近で、流速ｖが最大となる。そして、部分酸化部１２の内周面の位置となるｒ方向の位置がＲ１／２となる位置、および−Ｒ１／２となる位置で、流速ｖが０に近づくとともに流速ｖの曲線の傾き（速度勾配）の絶対値は小さな値となる。
水素ガスや一酸化炭素ガス等がニュートン流体と仮定したときには、流体がスラグを剥がそうとする力（剪断力）は、流体の流速ｖの速度勾配に流体の粘性係数μを掛けたもの（μ（ｄｖ／ｄｒ））になるので、この場合の剪断力は比較的小さいことが分かる。

これに対して、（２）式による平均流速Ｖａが５０（ｍ／ｓ）を超えた比較例では、図４中に点線で示したように、流速ｖが最大値をとる位置は変わらずに流速ｖの最大値が増加する。従って、流速ｖの曲線の傾きの絶対値が増加してスラグに作用する剪断力が増加し、スラグが剥がれやすくなる。
また、実線で示された流体の流速分布を示す部分酸化部１２の構成に対して、バーナー部１７ｂの軸線Ｃ１を部分酸化部１２の中心軸線Ｃ２から離間させて直径比が１／３を超えた比較例では、流体の流速分布は図４中に二点鎖線で示すような分布になる。すなわち、この場合においても、部分酸化部１２の内周面の位置となるｒ方向の位置がＲ１／２および−Ｒ１／２となる位置での流速ｖの曲線の傾きの絶対値が増加してスラグに作用する剪断力が増加することで、スラグが剥がれやすくなる。

図２に示すように、部分酸化部１２内で発生したガスやスラグ等は、部分酸化部１２の中心軸線Ｃ２回りを旋回しながら径方向外側に移動するとともに、高温になって膨張することで浮力により上向きの力を受けて、部分酸化部１２の内周面側を上昇する。部分酸化部１２内で発生したスラグは溶融した状態となっているが、一部のスラグＳが部分酸化部１２の内周面で冷やされて付着し、その他の部分が部分酸化部１２の下方Ｄ２に設けられたスラグタップ２４に落ちて予熱部１５内に流れ出して回収される。
なお、部分酸化部１２の内周面に付着したスラグＳが厚くなるほど、スラグＳによる断熱効果が増して部分酸化部１２が高熱から保護されるとともに、部分酸化部１２から冷却壁管路２２内の水等に伝えられる熱量（以下、「熱損失」と称する。）が低減される。

ここで、熱損失について図５を用いて説明する。直径比が１／３のときの熱損失量を１（基準）とした他の条件との熱損失量の比率を熱損失比とすると、直径比の値が１／３を超えたときに熱損失比（Ｌ１）が急激に大きくなる。これは、バーナー部１７の軸線Ｃ１と部分酸化部１２の内周面との距離が近くなる。即ち、バーナー部１７から射出される流体が部分酸化部１２の中心部ではなく、内周面に向かいやすくなる。従って、部分酸化部１２の内周面に付着したスラグが剥がれやすくなるためである。また、直径比が１／１０未満になると、部分酸化部１２の内部の旋回流の径が急激に小さくなるので、必要な反応時間が確保できなくなり反応率比（Ｌ２）が急激に小さくなってしまう。ここで言う、反応率比とは、直径比が１／３のときの反応率を１（基準）として他の条件との反応率の比率のことを意味する。
そして、上記の平均流速Ｖａは、図６に示すように、値が５０（ｍ／ｓ）を超えると、上述のようにスラグが剥がれやすくなり熱損失比が急激に大きくなる。また、平均流速Ｖａが１０（ｍ／ｓ）未満になると、石炭供給設備３からバーナー部１７を介して石炭ガス化炉４内への石炭の気流搬送が不安定もしくは閉塞により不能となり、部分酸化部１２への石炭供給量が変動してしまう。

そして、図１に示すように、石炭ガス化炉４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にチャーが同伴し、熱回収設備５に供給される。
熱回収設備５では、石炭ガス化炉４から搬送された合成ガスとボイラ水とを熱交換させることにより水蒸気が製造される。この水蒸気は前述の石炭粉砕・乾燥設備２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、チャー回収設備６で合成ガスに含まれるチャーが回収される。ここで、回収されたチャーは、燃料等として外部利用することもできるが、このチャーを石炭ガス化炉４にリサイクルさせてガス化することもできる。
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。そして、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、シフト反応設備７中に水蒸気を供給し、下記の化学反応式（４）で示される触媒を用いたシフト反応を生じさせる。このシフト反応により、一酸化炭素ガスが消費されて代わりに水素ガスが発生する。

ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ ・・・（４）

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で精製された製品合成ガスは、化学合成設備等に供給され、メタンやメタノール及びアンモニア等が製造される。

以上説明したように、本実施形態の石炭ガス化炉４では、バーナー部１７が円筒状の反応容器１２内に石炭および酸化剤を供給することにより、反応容器１２の中心軸線Ｃ２回りに旋回する流れを発生させることができる。このため、反応容器１２の内周面近傍における流体の流れが周方向の位置によらずに安定し、石炭がガス化することによって発生した溶融したスラグが反応容器１２の内周面に付着する厚さをほぼ均一にすることができる。
また、バーナー部１７は、自身の軸線Ｃ１が水平面に平行に、またはバーナー部の先端に向かうほど下方Ｄ２に向かうように配置されている。この構成によれば、ガス化して膨張し、部分酸化部１２内を旋回しながら上昇しようとする燃焼する石炭を、熱回収設備５に移動する前にバーナー部１７から一度水平または下方Ｄ２に向かうように流すことができる。従って、バーナー部１７より吹き込んだ石炭粒子をバーナー部１７近傍の高温場に長く存在させることができ、さらには、石炭中のカーボン（チャー）が部分酸化部１２中を流れる時間を増加させることができるので、部分酸化部１２内で十分にガス化させることができる。

そして、バーナー部１７は、部分酸化部１２の中心軸線Ｃ２回りに等間隔毎に配置されているので、バーナー部１７から供給される石炭および酸化剤、そして石炭のガス化により生じるガスを含む流体の部分酸化部１２内での流れをより安定させることができる。
また、バーナー部１７は、反応容器の内径に対する仮想円の直径比が１／１０以上１／３以下となるように配置されている。直径比を１／３以下とすることで、部分酸化部１２の内周面における流体の速度勾配を小さくし、部分酸化部１２の内周面に付着した溶融したスラグ等が内周面から剥がれるのが抑えられる。したがって、部分酸化部１２の内周面が高温下にさらされて損傷するのを防止することができる。さらに、直径比を１／１０以上とすることで、バーナー部１７から供給される石炭および酸化剤等が互いに正面から衝突するのを防止して、部分酸化部１２の中心軸線Ｃ２回りに旋回する流れを確実に生じさせ、反応率比が小さくなることを防止することができる。

そして、平均流速Ｖａを５０（ｍ／ｓ）以下とすることで、部分酸化部１２の内周面に付着したスラグが内周面から剥がれるのが抑えられて部分酸化部１２から外部に伝えられる熱損失を低下させることができる。一方、平均流速Ｖａを１０（ｍ／ｓ）以上とすることで、バーナー部１７において酸化剤により石炭を安定して搬送させることができる。
また、バーナー部１７の軸線Ｃ１の水平面に対する角度θを０°以上且つ１０°以下とすることで、バーナー部１７より吹き込んだ石炭粒子をバーナー部１７近傍の高温場に長く存在させることができるので、石炭中のカーボンのガス化反応が促進され、反応率を上昇させることができる。

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、上記実施形態では、バーナー部１７の形状を円筒状としたが、所定の軸線に沿って延びる形状であれば、扁平した円筒状や角筒状等でもよい。
また、上記実施形態では、バーナー部１７は部分酸化部１２の中心軸線Ｃ２回りに等間隔毎に配置されていなくても部分酸化部１２内の流体の流れは旋回する流れになるので、バーナー部１７は中心軸線Ｃ２回りに等間隔毎に配置されていなくてもよい。

また、上記の石炭ガス化炉において、部分酸化部１２におけるバーナー部１７の直近の上方であって基準平面Ｐ１に平行な第二の基準平面上に、チャーバーナーをバーナー部１７と同様に配置してもよい。すなわち、チャーバーナーは、上方Ｄ１からみたときに、チャーバーナーの軸線が部分酸化部１２の内径Ｒ１よりも小径で中心軸線Ｃ２を中心とする仮想円に同一方向回りに接するように配置されるとよい。更に、チャーバーナーの軸線が水平面に平行に、またはチャーバーナーの先端に向かうほど下方に向かうように、チャーバーナーを配置してもよい。
尚、上記リサイクルに関しては、チャーバーナーを使用せずチャーを石炭に均一に混合したものをバーナー部１７に供給してもよい。
さらに、上記実施形態では、部分酸化部１２の上部に、熱分解部を備えて部分酸化部１２からの高温の水素ガスおよび一酸化炭素ガスを主成分とする合成ガスに石炭を吹き込み、上記合成ガスの熱を熱分解に利用してもよい。

上記の石炭ガス化炉４の部分酸化部１２において、内周面の直径を０．６５（ｍ）、内部の高さを１．０（ｍ）とし、部分酸化部１２に等間隔ごとに４基のバーナー部１７を設けた。そして、石炭に灰分５％の瀝青炭を用いて試験を行った。
バーナー部１７の平均流速Ｖａを３０（ｍ／ｓ）として、直径比を１／３から１／５に変えて運転したところ、直径比が１／５とした方が、直径比が１／３とした場合に対して部分酸化部１２から冷却壁管路２２内の水等に伝えられる上記の熱損失が約２０％低減することが分かった。
また、部分酸化部１２の直径比を１／３に固定して、バーナー部１７の平均流速Ｖａを５０（ｍ／ｓ）から３０（ｍ／ｓ）に変えて運転したところ、平均流速Ｖａが３０（ｍ／ｓ）のときの方が、平均流速Ｖａが５０（ｍ／ｓ）のときに対して熱損失が約１０％低減することが分かった。
そして、直径比を１／３から１／５に変えるとともに、平均流速Ｖａを５０（ｍ／ｓ）から３０（ｍ／ｓ）に変えて運転したときには、熱損失が約２０％低下した。

また、上記の実施例の形状の石炭ガス化炉４において、直径比を１／４、平均流速Ｖａを１０（ｍ／ｓ）として灰分１％の石炭をガス化して運転したところ、部分酸化部１２の内周面に付着したスラグ厚さは一定厚みを維持できることがわかった。
ただし、上記の熱損失は、灰分が３％以上であれば灰分が５％の場合と同等であるが、灰分が５％の場合は灰分が１％の場合より約３０％低下することが分かっている。

４ 石炭ガス化炉
１２ 部分酸化部（反応容器）
１７ａ〜１７ｈ バーナー部
Ｃ１ 軸線
Ｃ２ 中心軸線
Ｅ 仮想円
Ｐ１ 基準平面
θ 角度

Claims (2)

1. 石炭を反応容器内で部分酸化反応によりガス化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炉が、
   上方に延びる円筒状に形成した反応容器と、
   前記反応容器の上端側設けられた排出口と、
   前記反応容器内に、第一の管路により供給された石炭、および、前記第一の管路とは異なる第二の管路により供給された酸化剤である酸素ガスおよび水蒸気を供給する複数の筒状のバーナー部とを有し、
   前記複数のバーナー部は、前記排出口より下方に位置する水平面に平行な基準平面上で、前記反応容器の内周面の周方向に向けて間隔を開けて設けられ、
   前記反応容器の上方からみて、前記各バーナー部の軸線が、前記反応容器の中心軸線を中心としている反応容器の内径よりも径の小さい仮想円に、同一方向回りに接するように、前記各バーナー部を配置し、
   前記酸素ガスが前記石炭に対する重量比で０．７〜０．９の範囲で供給され、かつ、前記水蒸気が前記石炭に対する重量比で０．０５〜０．３の範囲で供給される前記バーナー部が、前記バーナー部の軸線が水平面に平行に、または前記バーナー部の先端に向かうほど下方に向かうように配置されており、
   それぞれの前記バーナー部から前記反応容器内に供給される前記石炭、前記酸化剤の質量流量をｍ１（ｋｇ／ｓ）、ｍ２（ｋｇ／ｓ）、それぞれの前記バーナー部内での前記石炭、前記酸化剤の流速をＶ１（ｍ／ｓ）、Ｖ２（ｍ／ｓ）としたときに、（１）式による平均流速Ｖａ（ｍ／ｓ）が、１０（ｍ／ｓ）以上且つ５０（ｍ／ｓ）以下に設定され、
   前記反応容器の内径に対する前記仮想円の直径の比が、１／１０以上１／３以下に設定され、
   ぞれぞれの前記バーナー部の軸線の水平面に対する角度が、０°以上且つ１０°以下に設定されていることを特徴とする石炭ガス化炉。
   Ｖａ＝（ｍ１×Ｖ１＋ｍ２×Ｖ２）／（ｍ１＋ｍ２） ・・（１）
2. 前記バーナー部は、前記反応容器の中心軸線回りに等間隔毎に配置されている請求項１に記載の石炭ガス化炉。

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