JP5620171B2

JP5620171B2 - ガス化炉

Info

Publication number: JP5620171B2
Application number: JP2010160830A
Authority: JP
Inventors: 雅一歌野; 寳山　登; 登寳山; 植田　昭雄; 昭雄植田; 竹田誠; 誠竹田; 正徳山藤
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd; Babcock Hitachi KK
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-07-15
Also published as: JP2012021090A

Description

本発明は、ガス化炉に係り、特に、バーナの流体噴出口（以下、バーナ先端という。）にスラグが付着したことを精度良く判定する技術に関する。

この種のガス化炉としては、炉壁に設けたバーナから炭素含有固体原料と酸化剤、例えば、微粉炭と空気を炉内に噴出し、炉内で微粉炭を部分酸化してＨ_２やＣＯを主成分とする燃料ガスなどを生成するものが知られている（例えば、特許文献１）。特に、同文献によれば、微粉炭中に含まれる灰分が炉内の熱で溶融したスラグがバーナ先端に付着してバーナが閉塞するのを防止するため、バーナの中心側に位置する燃料ノズルを炉内に突出駆動させ、燃料ノズルの先端を付着したスラグに衝突させてスラグを除去するようにしている。このとき、バーナ先端近傍の炉内圧力とバーナへの酸化剤の供給圧力との差圧からバーナにおける酸化剤の圧力損失を検出し、圧力損失が大きくなった場合にバーナ先端にスラグが付着したと判定するようにしている。

特開２００２―１６１２８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、ガス化炉内の圧力が変動することを考慮していないから、バーナ先端へのスラグ付着の判定を誤ることがある。つまり、ガス化炉の負荷変化による炉内圧力の変動や、酸化剤の供給圧力の変化に対する炉内圧力の変化遅れなどにより、バーナにおける酸化剤の圧力損失が変動してバーナ先端のスラグ付着の判定精度が悪くなるおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、スラグ付着の判定精度を向上させ、バーナの閉塞を未然に防止することにある。

本課題を解決するため、本発明は、炉壁に設けられ炉内に炭素含有固体原料と該炭素含有固体原料を気流搬送する搬送用気体とを噴出する原料ノズルと、原料ノズルの外周に設けられた酸化剤を噴出する酸化剤ノズルと、酸化ノズルの外周に設けられた冷却管とを備えてなるバーナと、バーナにおける噴出流体の圧力損失を検出する検出器と、該検出器により検出された検出値に基づいてバーナの流体噴出口にスラグが付着したことを判定する判定手段と、判定手段の判定に基づいて付着したスラグを除去する除去手段を備え、炭素含有固体原料を酸化剤で部分燃焼させてガス化するガス化炉において、バーナは、炉壁に複数設けられ、検出器は、それぞれのバーナの原料ノズルの外周の酸化剤ノズルから噴出される酸化剤の圧力損失を検出し、判定手段は、それぞれの検出器が検出した検出値の平均値を求め、平均値とそれぞれの検出器の検出値の比を予め設定される判定値と比較して当該バーナへのスラグの付着を判定することを特徴とする。

このように、炉壁に複数のバーナを設けたガス化炉の場合は、それぞれのバーナにおける酸化剤の圧力損失の検出値から圧力損失の平均値を求め、その平均値と各バーナにおける酸化剤の圧力損失の値の比を判定値と比較する。つまり、炉内圧力の変動などによるバーナにおける酸化剤の圧力損失の変動は、全てのバーナで共通して発生するから、各バーナの酸化剤ノズルの圧力損失の平均値を求める。求めた平均値と各バーナの酸化剤ノズルの圧力損失の比を求め、この比を予め定めた判定値と比較する。これにより、炉内圧力の変動などの影響を低減して、各バーナのスラグ付着の判定精度を向上させ、バーナの閉塞を未然に防止することができる。なお、炭素含有固体原料を窒素や空気などの搬送用気体でガス化炉に気流搬送する場合は、それぞれのバーナにおける搬送用気体の圧力損失を検出して平均値を求め、その平均値と各バーナにおける搬送用気体の圧力損失の値の比を判定値と比較することができる。

また、ガス化炉の負荷変化などによる炉内圧力の変動や、酸化剤の供給圧力の変化に対する炉内圧力の変化遅れなどにより、検出した酸化剤の圧力損失が変動する。そこで、酸化剤の圧力損失（ΔＰ_０）は、酸化剤の流量（Ｑ）と密度（ρ）と圧力損失係数（β）に相関することから、数１式により、圧力損失係数βを求める。この圧力損失係数βは、バーナ先端にスラグが付着すると変化することから、求めた圧力損失係数βと判定値とを比較することで、スラグ付着の判定精度を向上できる。つまり、ガス化炉の負荷変動などによる酸化剤の供給圧力の変化に相関する酸化剤の流量Ｑと密度ρにより、酸化剤の圧力損失ΔＰ_０を補正したことから、スラグ付着の判定精度を向上できる。

一方、バーナ先端にスラグが付着した場合は、例えば、ガス化炉へ供給する酸化剤の供給量を増加させて、炉内の酸化反応を促進させることで、バーナ先端に付着したスラグを除去できる。つまり、炉内の酸化反応を促進させて、バーナ先端近傍の温度を上昇させ、スラグの粘度を低下させて付着したスラグをバーナ先端から流下できる。これによれば、スラグを除去する装置を別途設ける必要がないことから、付着したスラグの除去にかかるコストを低減できる。

本発明によれば、スラグ付着の判定精度を向上でき、バーナの閉塞を未然に防止できる。

実施形態１のガス化炉の概略構成図である。図１のガス化炉のバーナ位置における横断面図である。図１のバーナの概略構成図である。図１の判定手段の動作を示す概略フローである。図１の判定手段の動作を例示した図である。実施形態１の変形例を示す図である。実施形態２のガス化炉の概略構成図である。図７の判定手段の動作を示す概略フローである。図７の判定手段の動作を例示した図である。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
（実施形態１）
図１は実施形態１のガス化炉の概略構成図であり、図２は図１のバーナが設けられた位置のガス化炉の横断面図であり、図３はバーナの概略構成図である。図示のように実施形態１のガス化炉１は、竪型円筒状に形成されている。ガス化炉１は、ガス化部３、熱回収部５、スラグ冷却部７で構成され、判定手段８を備えている。ガス化炉１の頂部には生成ガスを排出する排出口１１が設けられている。ガス化炉１の底部には、水砕スラグ１２を排出する図示していない排出口が備えられている。

ガス化部３は、高温高圧雰囲気で炭素含有固体原料、例えば、微粉炭を、酸化剤、例えば、空気で部分燃焼させてガス化しＨ_２やＣＯを主成分とする生成ガスを発生させるようになっている。ガス化部３の炉壁１３には、微粉炭と空気を炉内に噴出する複数（本実施形態では４つ）のバーナ１５が設けられている。バーナ１５は、炉壁の同じ高さの位置にバーナ１５先端を炉壁の接線方向に向けて設けられている。これにより、バーナ１５から噴出した微粉炭と空気がガス化炉１の内壁に沿って旋回するようになっている。バーナ１５の中心には、微粉炭を炉内に噴出する原料ノズル１７が配置されている。原料ノズル１７の後端側には、微粉炭を気流搬送する原料供給管１８が接続されている。バーナ１５の原料ノズル１７の外周側には、原料ノズル１７を包囲して空気を炉内に噴出する酸化剤ノズル１９が設けられている。酸化剤ノズルの後端側には、空気が通流する酸化剤供給管２０が接続されている。さらに、バーナ１５の外周側には、酸化剤ノズル１９を包囲して内部を冷却水が通流する冷却管２１が設けられている。冷却管２１内には、冷却水が通流する流路２３が形成されている。冷却管２１内を通流する冷却水でバーナ１５を冷却し、バーナ１５の過熱を抑制するようになっている。なお、炭素含有固体原料としては、生成ガスに含まれる未燃炭素分（チャー）を用いることができる。また、酸化剤は空気に限定されず、炭素をガス化できる酸素などの酸化剤を用いることができる。

熱回収部５は、ガス化部３で発生した生成ガスの熱を熱媒体で回収するようになっている。熱回収部５の炉壁には、図示していない配管が埋設され、水などの熱媒体が配管内を通流するようになっている。

スラグ冷却部７は、ガス化炉１の底部側に設けられ、微粉炭中の灰分を溶融させた溶融スラグを水中に落下させて水砕スラグ１２としてガス化炉１の底部から排出するようになっている。スラグ冷却部７には、溶融スラグを冷却する冷却水２７が貯留されている。

判定手段８は、バーナ１５における空気の圧力損失を検出器２９により検出して、バーナ１５先端のスラグ付着の有無を判定するようになっている。検出器２９は、バーナ１５への空気の供給圧力とガス化炉１内のバーナ１５先端近傍の圧力との差圧から、バーナ１５における空気の圧力損失を検出するようになっている。さらに、酸化剤供給管２０には、供給する空気の供給量を調節する図示していない弁が接続されている。なお、図１は、図示をわかりやすくするため１本のバーナ１５にのみ検出器２９を記載しているが、同様に他のバーナ１５にも検出器２９が設けられている。

このように構成される実施形態１の動作を説明する。ガス化炉１のガス化部３には、微粉炭と微粉炭の理論燃焼酸素量より少ない量の空気がバーナ１５から噴出される。噴出された微粉炭は、ガス化炉１の内壁に沿って旋回しながら空気に含まれる酸素により部分燃焼され、Ｈ_２やＣＯを主成分とする生成ガスにガス化される。生成ガスは旋回しながらガス化炉１を上昇し、上方の熱回収部５に導入される。熱回収部５に導入された生成ガスは、熱回収部５の炉壁内を通流する熱媒体と熱交換し、生成ガスの熱が熱媒体に回収される。熱回収部５を通過して冷却された生成ガスは、ガス化炉１の頂部から排出され、適宜処理した後、例えば、図示していないガスタービンや燃料電池の燃料として使用される。

一方、微粉炭中の灰分は、微粉炭の部分燃焼により発生した熱により溶融されて溶融スラグとなる。溶融スラグは生成ガスの旋回流による遠心力により炉壁に付着する。炉壁に付着した溶融スラグは、炉壁を伝わり自重により流下してスラグ冷却部７の冷却水２７に落下して急冷される。急冷された溶融スラグは水砕スラグ１２としてガス化炉１の底部から排出される。

次に、実施形態１の特徴動作を図４を用いて説明する。図４は判定手段８の動作を説明するフロー図である。判定手段８には、検出器２９で検出した各バーナ１５の空気の圧力損失（ΔＰ_０ｉ）と各バーナ１５への空気流量（Ｑ_０ｉ）が入力される。判定手段８は、入力された圧力損失から数２式によりバーナ１５における空気の圧力損失の平均値（ΔＰ_０ａｖｇ）を演算する。

数２式で求めたΔＰ_０ａｖｇとバーナ１５ごとに検出したΔＰ_０ｉから数３式により、各バーナ１５におけるΔＰ_０ｉとΔＰ_０ａｖｇの比（α_ｉ）を演算する。つまり、判定手段８は、各バーナ１５で検出したΔＰ_０ｉをΔＰ_０ａｖｇで補正する。

判定手段８は、数３式で求めたα_ｉが予め設定された判定値、例えば、１．２を超えると、スラグがバーナ１５先端に付着したと判定する。スラグが付着したと判定した場合は、スラグが付着したバーナ１５に供給する空気の流量を増加させて酸素比を高くする。そして、α_ｉが判定値を下回り一定になると、判定手段８はバーナ１５からスラグが除去されたと判定し、空気の供給量を減少させバーナ１５における酸素比を元に戻す。

図５に４本のバーナ１５の内、Ｎｏ．１のバーナ１５にスラグが付着した場合の判定手段８の動作を説明する。図５の横軸は時間を示す。区間Ａはバーナ１５先端にスラグが付着していない通常運転時であり、区間Ｂは付着したスラグの成長時であり、区間Ｃはバーナ１５における酸素比の上昇時であり、区間Ｄは付着したスラグの除去時であり、区間Ｅはスラグの除去完了時であり、区間Ｆはバーナにおける酸素比の減少時である。図５の縦軸（ａ）はバーナ１５先端のスラグの付着量（成長度合）を示し、（ｂ）はバーナ１５における酸素比を示し、（ｃ）はバーナ１５における空気の差圧（圧力損失：ΔＰ_０ｉ）を示し、（ｄ）は酸化剤差圧比（α_ｉ）を示す。

図示のように、バーナ１５先端にスラグが付着していない区間Ａでは、Ｎｏ．１のバーナ１５における空気の圧力損失に変化はなく、α_１も約１と一定である。しかし、図３に示すようにバーナ１５先端にスラグが付着・固化して付着量が増加し、付着したスラグが成長する区間Ｂでは、Ｎｏ．１のバーナ１５のみ圧力損失及びα_１が上昇する。これに対し、スラグが付着していないＮｏ．２〜４のバーナ１５には圧力損失の変化がなく、また、α_２〜４は圧力損失の平均値の上昇により減少している。そして、Ｎｏ．１のバーナ１５のα_１が１．２を超えた場合、区間Ｃに示すようにＮｏ．１のバーナ１５のみ空気の供給量を上げて酸素比を高くする。これにより、区間Ｄに示すように、付着したスラグを減少できる。つまり、Ｎｏ．１のバーナ１５における酸化反応を促進させ温度を上昇させることで、スラグの粘度を低下させて空気や微粉炭の噴流でスラグを容易に飛散あるいは落下させ、付着したスラグを除去できる。そして、α_１の値が低下して区間Ｅに示すように一定になると、区間Ｆに示すように空気の供給量を減らし、酸素比を減少させて区間Ａの通常運転時の酸素比に戻す。なお、Ｎｏ．１のバーナ１５の圧力損失が区間ＣでΔＰ_０１ｃ分上昇しているのは、空気の供給量の増加により空気の供給圧が上昇したからである。また、スラグ除去後の区間ＥでＮｏ．１のバーナ１５の圧力損失が区間ＡよりもΔＰ_０１Ｅ分だけ上昇しているのも、空気の供給量の増加により酸化剤の供給圧が上昇したからである。

これによれば、判定値と比較する酸化剤の圧力損失の検出値として炉内の圧力変動の影響を低減するよう補正した検出値を用いることから、スラグ付着の判定精度を向上でき、スラグの付着量が増加してバーナ１５が閉塞する前にスラグを除去できることから、バーナ１５の閉塞を未然に防止することができる。つまり、炉内圧力の変動などによるバーナ１５における空気の圧力損失の変動は、全てのバーナ１５で共通して発生するから、圧力損失の平均値で各バーナ１５の圧力損失の値を補正することで、炉内圧力の変動などの影響を低減でき、スラグ付着の判定精度を向上できる。

また、バーナ１５にスラグが付着すると、バーナ１５における流体の噴出向きが変化し、ガス化炉１の側壁近傍の温度が上昇して、例えば、熱回収部５の炉壁内の配管を損傷するおそれがある。しかし、実施形態１は、スラグ付着の判定精度を向上できることから、付着したスラグを早期に除去できガス化炉１を安定運転できる。

なお、図６に示すように微粉炭を気流搬送する窒素の圧力損失に基づいて、バーナ１５先端のスラグの付着を判定できる。つまり、それぞれのバーナ１５における窒素の圧力損失を検出器３５で検出して平均値を求め、その平均値と各バーナにおける窒素の圧力損失との値の比を判定値と比較することができる。しかし、搬送用気体には微粉炭が含まれ、原料供給管１８内の圧力の変動が大きいことから、バーナ１５における空気の圧力損失に基づいて、スラグ付着の判定を行うことが好ましい。

また、スラグ除去は実施形態１の除去手段に限定されるものではない。例えば、スラグ除去用のバーナをバーナ１５の先端に向けて設け、付着したスラグを加熱して除去するなど周知の除去手段を用いることができる。しかし、実施形態１のように酸化剤の供給量を増加させてスラグを除去すると、別途スラグ除去の装置を設ける必要がないことから、スラグ除去にかかるコストを低減できる。

なお、実施形態１では、スラグが付着したと判定する判定値を１．２としたが、これに限定されるものではなく適宜選択できる。また、付着したスラグを除去する場合、スラグが付着したバーナ１５に加え、スラグが付着していないバーナ１５の空気供給量も増加させて、炉内温度を上昇させることができる。

（実施形態２）
図７に実施形態２のガス化炉の概略構成図を示す。実施形態２が実施形態１と相違する点は、予め求めた酸化剤の密度、例えば、酸素の密度を入力し、酸素の流量と密度から求めた酸素の圧力損失に相関する物理量と検出器２９の検出値との比（β）を予め設定された判定値と比較している点である。その他の構成は実施形態１と同一であるから同一の符号を付して説明を省略する。

実施形態２の判定手段８の動作を図８を用いて説明する。判定手段８には、スラグが付着していない状態のバーナ１５における酸素の圧力損失係数（β_ｓｉ）が判定値として予め設定されている。また、判定手段８には、予め求めておいた酸素の密度ρが入力されている。そして、検出器２９で検出した各バーナ１５の酸素の圧力損失（ΔＰ_０ｉ）、流量計３１で計測した酸素の流量（Ｑ_０ｉ）が判定手段８に入力される。判定手段８は、上述した数１式により、酸素の圧力損失係数（β_ｉ）を求める。つまり、判定手段８は、各バーナ１５におけるΔＰ_０ｉを酸素の流量と密度で補正してβ_ｉを求める。そして、求めたβ_ｉと予め入力されているβ_ｓｉを比較し、例えば、β_ｉがβ_ｓｉより１０％上昇したと判断した場合は、バーナ１５先端にスラグが付着したと判定する。この場合、酸素の流量（Ｑ_０ｉ）を増加させて、バーナ１５における酸素比を大きくしてスラグを除去する。そして、β_ｉの上昇分が１０％を下回り一定になったと判断すると、バーナ１５からスラグが除去されたと判定し、酸素の供給量を減少させ、バーナにおける酸素比を元に戻す。なお、スラグが付着したと判定する閾値は１０％に限定されるものではなく適宜選択できる。

図９を用いて、４本のバーナ１５の内、Ｎｏ．１のバーナにスラグが付着した場合の判定手段８の動作を説明する。図９の横軸は時間を示し、区間Ａはバーナ１５先端にスラグが付着していない通常運転時であり、区間Ｂは付着したスラグの成長時であり、区間Ｃはバーナ１５における酸素比の上昇時であり、区間Ｄは付着したスラグの除去時であり、区間Ｅはスラグの除去完了時であり、区間Ｆはバーナにおける酸素比の減少時である。図９の縦軸は、（ａ）はバーナ１５先端のスラグの付着量（成長度合）であり、（ｂ）はバーナ１５における酸素比であり、（ｃ）はバーナ１５における空気の差圧（ΔＰ_０ｉ）であり、（ｄ）は圧力損失係数（β_ｉ）である。

図示のように、バーナ先端にスラグが付着していない区間Ａでは、Ｎｏ．１のバーナにおける空気の圧力損失及びβ_１に変化はない。しかし、バーナにスラグが付着・固化して付着量が増加しスラグがバーナ１５先端で徐々に成長する区間Ｂでは、Ｎｏ．１のバーナ１５のみ圧力損失及びβ_１が上昇している。これに対し、スラグが付着していないＮｏ．２〜４のバーナ１５には圧力損失及びβ_２〜４に変化はない。そして、Ｎｏ．１のバーナ１５のβ_１が予め入力されたβ_Ｓ１よりも１０％上昇すると、区間Ｃに示すようにＮｏ．１のバーナ１５のみ酸素の供給量を増加させて酸素比を高くする。これにより、区間Ｄに示すように、付着したスラグを減少できる。そして、β_１の値が低下して区間Ｅで示すように一定になると、区間Ｆに示すように酸素の供給量を減らし、酸素比を減少させて区間Ａの通常運転時の酸素比に戻す。

これによれば、酸素の流量（Ｑ）と密度（ρ）により求めた酸素の圧力損失に相関する物理量で酸素の圧力損失を補正して求めたβ_ｉとβ_ｓｉを比較することから、ガス化炉の負荷変化などによる炉内圧力の変動や、酸化剤の供給圧力の変化に対する炉内圧力の変化遅れの影響を低減して、スラグ付着を判定できる。その結果、スラグ付着の判定精度を向上できることから、バーナの閉塞を未然に防止でき、ガス化炉１を安定運転できる。

なお、本実施形態では、予め求めておいた酸化剤の密度を判定手段８に入力しているが、これに代えて、酸化剤供給管２０に密度計を設けて酸化剤の密度を測定することにより、より正確にβ_ｉを算出することができる。

また、バーナ１５の本数は適宜選択でき、例えば、一本とすることもできる。

１ガス化炉
８判定手段
１５バーナ
２９検出器
３１流量計
３５検出器

Claims

炉壁に設けられ炉内に炭素含有固体原料と該炭素含有固体原料を気流搬送する搬送用気体とを噴出する原料ノズルと、該原料ノズルの外周に設けられた酸化剤を噴出する酸化剤ノズルと、前記酸化ノズルの外周に設けられた冷却管とを備えてなるバーナと、該バーナにおける噴出流体の圧力損失を検出する検出器と、該検出器により検出された検出値に基づいて前記バーナの流体噴出口にスラグが付着したことを判定する判定手段と、該判定手段の判定に基づいて付着した前記スラグを除去する除去手段を備え、前記炭素含有固体原料を前記酸化剤で部分燃焼させてガス化するガス化炉において、
前記バーナは、前記炉壁に複数設けられ、
前記検出器は、それぞれの前記バーナの前記原料ノズルの外周の前記酸化剤ノズルから噴出される前記酸化剤の圧力損失を検出し、
前記判定手段は、それぞれの前記検出器が検出した検出値の平均値を求め、該平均値とそれぞれの前記検出器の検出値の比を予め設定される判定値と比較して当該バーナへのスラグの付着を判定することを特徴とするガス化炉。
請求項１に記載のガス化炉において、
前記除去手段は、前記酸化剤の供給量を増加させて前記バーナ近傍の温度を上昇させることを特徴とするガス化炉。