JP5674517B2 - 石炭ガス化方法 - Google Patents
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Description
本発明は、石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置に係り、ガス化炉内のスラグコーティングを運転効率が最大となる適正量に維持することができる石炭ガス化方法に関する技術である。
従来、この種の石炭ガス化装置として、例えば、特許文献１〜３に示される技術が知られている。
特許公報１及び２に示される石炭ガス化装置では、下段のガス化炉において、酸素、又は、酸素及び水蒸気と、石炭を投入して部分酸化によりガス化ガスを生成し、上段の改質炉において、前記生成したガス化ガス中に石炭及び水素を投入して水素化熱分解によりガス、オイル、及びチャーを生成する、上下二室二段の反応器を用いた方式が示されている。そして、このように反応器を二室二段とすることで、石炭のガス化を行う部分と水素化熱分解を行う部分を分離し、各部分の操作条件を自由に設定することが可能となる。
特許公報１及び２に示される石炭ガス化装置では、下段のガス化炉において、酸素、又は、酸素及び水蒸気と、石炭を投入して部分酸化によりガス化ガスを生成し、上段の改質炉において、前記生成したガス化ガス中に石炭及び水素を投入して水素化熱分解によりガス、オイル、及びチャーを生成する、上下二室二段の反応器を用いた方式が示されている。そして、このように反応器を二室二段とすることで、石炭のガス化を行う部分と水素化熱分解を行う部分を分離し、各部分の操作条件を自由に設定することが可能となる。
特許公報３に示される石炭ガス化装置では、微粉炭及びガス化剤（酸素含有ガス等）を、高温加圧されたガス化炉内に噴入して内部のガス化部で部分酸化させる構成であり、これにより生成ガスを得るものである。
また、特許公報４に示される石油コークス供給原料のガス化方法では、Ｘ（ＣａＯ、ＣａＣＯ３、ＭｇＯ、ＭｇＣＯ３、酸化鉄、酸化ホウ素、酸化ナトリウム、酸化カリウム及びその混合物から構成される群から選択される塩基性灰成分）、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２から構成される三成分系状態から、最適な組成を判定することにより、スラグ粘度の適正化を図る技術が示されている。
また、特許公報４に示される石油コークス供給原料のガス化方法では、Ｘ（ＣａＯ、ＣａＣＯ３、ＭｇＯ、ＭｇＣＯ３、酸化鉄、酸化ホウ素、酸化ナトリウム、酸化カリウム及びその混合物から構成される群から選択される塩基性灰成分）、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２から構成される三成分系状態から、最適な組成を判定することにより、スラグ粘度の適正化を図る技術が示されている。
ところで、上記特許公報１〜４に示される石炭ガス化装置のガス化炉では、副産物として石炭中の灰分は溶融スラグとなって炉内の壁面がスラグコーティングされ、かつそのスラグコーティングの一部の溶融スラグが、該ガス化炉下部のスラグタップ排出孔を経由して下方に位置する水槽（水砕部）に案内される。
しかしながら、上記特許公報１〜４に示される石炭ガス化炉では、スラグコーティングを運転効率が最大となる適正量に維持することが困難であった。なお、スラグコーティングが適正量に維持されないと、例えば、その量が不十分の場合、水壁炉からの抜熱が大きくなり、適正なガス化温度を維持するための酸素ガスの供給量が増加し、ガス化炉を運転するためのコストが増大するという問題などがあった。
しかしながら、上記特許公報１〜４に示される石炭ガス化炉では、スラグコーティングを運転効率が最大となる適正量に維持することが困難であった。なお、スラグコーティングが適正量に維持されないと、例えば、その量が不十分の場合、水壁炉からの抜熱が大きくなり、適正なガス化温度を維持するための酸素ガスの供給量が増加し、ガス化炉を運転するためのコストが増大するという問題などがあった。
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、炉壁の溶融スラグコーティングを適正量に維持することができる石炭ガス化装置における石炭ガス化方法を提供する。
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。
すなわち、本願の請求項１は、石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置における石炭ガス化方法であって、所定の成分からなる石炭を前記ガス化炉内に投入したときに生成される溶融スラグの温度と、この溶融スラグの液相／固相率と、の相関関係を、予め求めておき、前記ガス化炉で形成される溶融スラグの固相比率が３５ｖｏｌ％以下となる範囲で固相分が含まれるように前記ガス化炉内の温度を調整することにより、前記溶融スラグの一部で前記ガス化炉の炉壁にスラグコーティングを形成することを特徴とする。
すなわち、本願の請求項１は、石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置における石炭ガス化方法であって、所定の成分からなる石炭を前記ガス化炉内に投入したときに生成される溶融スラグの温度と、この溶融スラグの液相／固相率と、の相関関係を、予め求めておき、前記ガス化炉で形成される溶融スラグの固相比率が３５ｖｏｌ％以下となる範囲で固相分が含まれるように前記ガス化炉内の温度を調整することにより、前記溶融スラグの一部で前記ガス化炉の炉壁にスラグコーティングを形成することを特徴とする。
本発明によれば、石炭ガス化装置のガス化炉で形成される溶融スラグの固相比率を３５ｖｏｌ％以下となる範囲で固相分が含まれるようにガス化炉内の温度を調整することにより、固相比率の上昇に伴って溶融スラグの粘度が緩やかに上昇し、これにより炉壁のスラグコーティングを適正量に維持することができる。
すなわち、溶融スラグに固相分が含まれていないと、溶融スラグの粘度が低く、スラグコーティングを適正量に維持することができないおそれがある。一方、溶融スラグの固相比率が３５ｖｏｌ％を超えると、少しの温度低下で溶融スラグが急激に固化し、ガス化炉の運転に影響を与えるおそれがある。
すなわち、溶融スラグに固相分が含まれていないと、溶融スラグの粘度が低く、スラグコーティングを適正量に維持することができないおそれがある。一方、溶融スラグの固相比率が３５ｖｏｌ％を超えると、少しの温度低下で溶融スラグが急激に固化し、ガス化炉の運転に影響を与えるおそれがある。
また、本願の請求項２に係る石炭ガス化方法は、前記溶融スラグの固相比率が、２０ｖｏｌ％以下となるように前記温度を調整することを特徴とする。
本発明によれば、石炭ガス化装置のガス化炉で形成される溶融スラグの固相比率を、好ましくは２０ｖｏｌ％以下の範囲でガス化炉内の温度を調整することにより、炉壁のスラグコーティングを最適量に維持することができる。
なお、本願の請求項３に係る石炭ガス化方法は、前記溶融スラグの固相比率が、１５ｖｏｌ％以下となるように前記温度を調整することを特徴とする。
さらに、本願の請求項４に係る石炭ガス化方法は、前記ガス化炉で形成される溶融スラグの塩基度を上昇させるように、前記ガス化炉に投入する石炭の成分調整を行うことを特徴とする。
なお、本願の請求項３に係る石炭ガス化方法は、前記溶融スラグの固相比率が、１５ｖｏｌ％以下となるように前記温度を調整することを特徴とする。
さらに、本願の請求項４に係る石炭ガス化方法は、前記ガス化炉で形成される溶融スラグの塩基度を上昇させるように、前記ガス化炉に投入する石炭の成分調整を行うことを特徴とする。
本願の請求項１に係る石炭ガス化方法によれば、石炭ガス化装置のガス化炉で形成される溶融スラグの固相比率を３５ｖｏｌ％以下となる範囲で固相分が含まれるようにガス化炉内の温度を調整することにより、溶融スラグの温度が低下する一方で、固相比率の上昇に伴って溶融スラグの粘度が緩やかに上昇し、これにより炉壁のスラグコーティングを適正量に維持することができる。
また、本願の請求項２に係る石炭ガス化方法によれば、石炭ガス化装置のガス化炉で形成される溶融スラグの固相比率を、好ましくは２０ｖｏｌ％以下の範囲でガス化炉内の温度を調整することにより、炉壁のスラグコーティングを最適量に維持することができる。
本発明の一実施形態について図１〜図３を参照して説明する。
図１は、本実施形態として示される一般的な石炭ガス化装置１００であって、ライン（図示略）より微粉炭（石炭）を搬送し、ライン１を用いてガス化剤（酸素含有ガス等）をバーナ２より高温の加圧されたガス化炉３内に噴入して部分酸化させる構成であり、このガス化炉３で生じる生成ガスＧを上部開口３Ａから排出する。
なお、ガス化炉３の上部開口３Ａの上方には、該ガス化炉３内で生成したガス化ガス中に水素を投入して水素化熱分解によりガス、オイル、及びチャーを生成する図示しない改質炉が連設されている。
図１は、本実施形態として示される一般的な石炭ガス化装置１００であって、ライン（図示略）より微粉炭（石炭）を搬送し、ライン１を用いてガス化剤（酸素含有ガス等）をバーナ２より高温の加圧されたガス化炉３内に噴入して部分酸化させる構成であり、このガス化炉３で生じる生成ガスＧを上部開口３Ａから排出する。
なお、ガス化炉３の上部開口３Ａの上方には、該ガス化炉３内で生成したガス化ガス中に水素を投入して水素化熱分解によりガス、オイル、及びチャーを生成する図示しない改質炉が連設されている。
また、ガス化炉３での部分酸化に伴い、副産物として石炭中の灰分がスラグとなってガス化炉３の内壁にスラグコーティング（符号Ｓで示す）されるとともに、その一部は溶融スラグＳ１になって排出される。
ここで、スラグコーティングＳを形成する溶融スラグＳ１は、１００ｖｏｌ％液相である場合もあるし、固相が混ざって液相比率が低下する場合もあるが、以下、１００ｖｏｌ％液相である場合の他、固相が混ざって液相比率が１００％以下となる場合も「溶融スラグＳ１」として説明する。
ここで、スラグコーティングＳを形成する溶融スラグＳ１は、１００ｖｏｌ％液相である場合もあるし、固相が混ざって液相比率が低下する場合もあるが、以下、１００ｖｏｌ％液相である場合の他、固相が混ざって液相比率が１００％以下となる場合も「溶融スラグＳ１」として説明する。
前記ガス化炉３は、その下部に設けられたスラグタップ排出孔３Ｂを経由して、内部で形成される溶融スラグＳ１が排出かつ滴下されるものであって、スラグタップ排出孔３Ｂから排出された溶融スラグＳ１は、スラグ冷却部４を滴下する間に冷却された後、スラグ水砕部５に貯留される。
このスラグ水砕部５は内部にスラグ冷却水６が貯留されるものであって、溶融スラグＳ１を水砕・急冷却して水砕スラグＳ２とした後、下部のスラグ排出孔５Ａより排出する。
このスラグ水砕部５は内部にスラグ冷却水６が貯留されるものであって、溶融スラグＳ１を水砕・急冷却して水砕スラグＳ２とした後、下部のスラグ排出孔５Ａより排出する。
前記スラグ水砕部５の下部に位置するスラグ排出孔５Ａには、弁７を有する連結管８が接続されており、該連結管８を通じて、スラグ水砕部５から排出された水砕スラグＳ２がスラグロックホッパ１０に送られる。
このスラグロックホッパ１０は、例えば、水砕スラグＳ２を一定時間貯留して、スラグ沈殿させるものであって、一定時間が経過した後に、弁１１を有する連結管１２を経由して水砕スラグＳ２を系外に取り出すようにしている。
このスラグロックホッパ１０は、例えば、水砕スラグＳ２を一定時間貯留して、スラグ沈殿させるものであって、一定時間が経過した後に、弁１１を有する連結管１２を経由して水砕スラグＳ２を系外に取り出すようにしている。
次に、炉壁のスラグコーティングＳを適正量に維持することが可能なスラグ組成について説明する。
石炭ガス化装置１００に使用する原炭は、その組成により決定される溶融温度（三成分系状態図により示される）に基づき１００ｖｏｌ％液相となるものであるが、このとき、炉壁のスラグコーティングＳを適正量に維持するという観点からすれば、液相率が１００ｖｏｌ％である必要がない。
ここで、図２の溶融スラグの温度と溶融スラグの液相率との関係を示すグラフを参照して分かるように、「○」「△」で示される「Ａ炭」、「◆」「◇」で示される「Ｂ炭」（Ａ炭とは種類が異なる）の全てが、石炭の種類によらず溶融スラグの温度を上昇させることで、液相率が１００ｖｏｌ％となる。なお上記「Ａ炭」はアダロ炭であり、「Ｂ炭」はタニトハルム炭である。
石炭ガス化装置１００に使用する原炭は、その組成により決定される溶融温度（三成分系状態図により示される）に基づき１００ｖｏｌ％液相となるものであるが、このとき、炉壁のスラグコーティングＳを適正量に維持するという観点からすれば、液相率が１００ｖｏｌ％である必要がない。
ここで、図２の溶融スラグの温度と溶融スラグの液相率との関係を示すグラフを参照して分かるように、「○」「△」で示される「Ａ炭」、「◆」「◇」で示される「Ｂ炭」（Ａ炭とは種類が異なる）の全てが、石炭の種類によらず溶融スラグの温度を上昇させることで、液相率が１００ｖｏｌ％となる。なお上記「Ａ炭」はアダロ炭であり、「Ｂ炭」はタニトハルム炭である。
図２より、溶融スラグの液相率が６５ｖｏｌ％以上（固相率が３５ｖｏｌ％以下）の場合は、温度と液相率の関係が緩やかに変化するが、液相率が６５ｖｏｌ％より小さくなる（固相率が３５ｖｏｌ％を超える）場合は、温度と液相率の関係が急激に変化し、少しの温度低下で急激に固化し、石炭ガス化運転が困難となる。
この点を示したのが、溶融スラグの固相率と粘度との関係を示した図３であり、森−乙竹の式による相対粘度がよく当てはまる。この図を参照して分かるように、溶融スラグの固相率が上昇すると、スラグの相対粘度も上昇する関係があることが示されている。そして、図３のグラフに示すように、溶融スラグの固相率が３５ｖｏｌ％を超えると相対粘度が４を超えるようになり（元の粘度の４倍）、急激に流動性が悪くなることが確認される。なお、液相率１００ｖｏｌ％の溶融スラグにおける固有粘度は、組成にもよるが、例えば１４５０℃において１．６８〜２２．７Ｐａ・ｓ、１５００℃において１．１５〜１３．１Ｐａ・ｓとなっている。
このことから、温度と液相率の関係が緩やかに変化する、溶融スラグの液相率が６５ｖｏｌ％以上の範囲（固相率が３５ｖｏｌ％以下）に保つことにより、炉壁のスラグコーティングＳを適正量に維持して、石炭ガス化運転を良好に行うことができると判断される。さらに、石炭ガス化運転を更に良好に行うためには、液相率６５ｖｏｌ％以上の範囲において、粘度の変化の少ない液相率を８０ｖｏｌ％以上に（固相率を２０ｖｏｌ％以下に）することがさらに適当であると、判断される。さらにまた、固相率は１５ｖｏｌ％以下であることが一層好ましい。
このことから、温度と液相率の関係が緩やかに変化する、溶融スラグの液相率が６５ｖｏｌ％以上の範囲（固相率が３５ｖｏｌ％以下）に保つことにより、炉壁のスラグコーティングＳを適正量に維持して、石炭ガス化運転を良好に行うことができると判断される。さらに、石炭ガス化運転を更に良好に行うためには、液相率６５ｖｏｌ％以上の範囲において、粘度の変化の少ない液相率を８０ｖｏｌ％以上に（固相率を２０ｖｏｌ％以下に）することがさらに適当であると、判断される。さらにまた、固相率は１５ｖｏｌ％以下であることが一層好ましい。
なお、溶融スラグの固相率の制御は、例えばガス化炉３内の温度を制御することにより行うことができる。
すなわち溶融スラグの組成は、ガス化炉３内に投入する石炭の成分に依存することから、所定の成分からなる石炭をガス化炉３内に投入したときに生成される溶融スラグの温度と、この溶融スラグの液相／固相率と、の相関関係は、例えば検証試験などを行うことにより、図２に示すグラフのように予め求めておくことができる。そして、この相関関係に基づき、ガス化炉３内の温度を、例えば溶融スラグの固相率が３５ｖｏｌ％以下になるような範囲（例えば、図２に示す「△」のＡ端では、およそ１２４０℃以上の範囲）にすることにより、溶融スラグの固相率を制御することができる。
すなわち溶融スラグの組成は、ガス化炉３内に投入する石炭の成分に依存することから、所定の成分からなる石炭をガス化炉３内に投入したときに生成される溶融スラグの温度と、この溶融スラグの液相／固相率と、の相関関係は、例えば検証試験などを行うことにより、図２に示すグラフのように予め求めておくことができる。そして、この相関関係に基づき、ガス化炉３内の温度を、例えば溶融スラグの固相率が３５ｖｏｌ％以下になるような範囲（例えば、図２に示す「△」のＡ端では、およそ１２４０℃以上の範囲）にすることにより、溶融スラグの固相率を制御することができる。
また、ガス化炉３内の溶融スラグにおける固相比率は、公知の方法を用いて算出することが可能であり、例えば溶融スラグのスラグ組成（灰組成）、および液相の生成自由エネルギーの推定と化合物の熱力学データ基づいて、平衡状態図を作成可能なソフトウェアにより算出すること等ができる。
以上詳細に説明したように本発明の本実施形態に係る石炭ガス化方法によれば、ガス化炉３で形成される溶融スラグの固相比率を３５ｖｏｌ％、好ましくは２０ｖｏｌ％以下となる範囲で固相分が含まれるようにガス化炉３内の温度を調整することにより、固相比率の上昇に伴って溶融スラグの粘度が緩やかに上昇し、これにより炉壁のスラグコーティングを適正量に維持することができる。
なお、上記実施形態では、ガス化炉３で形成される溶融スラグの固相比率を３５ｖｏｌ％以下となる範囲で固相分が含まれるようにガス化炉３内の温度を調整することを必須とするが、これに加えて、繊維状スラグの発生割合を低く抑えるために、スラグの塩基度を上昇させる原炭の成分調整を行っても良い。
また、上記実施形態では、ガス化炉３及び改質炉からなる二室二段炉を使用したが、これに限定されず、例えば１つの炉において、ガス化ガスを生成と、水素化熱分解とを共に行うガス化炉を有する石炭ガス化装置などにおいて、ガス化炉で形成される溶融スラグの固相比率が３５ｖｏｌ％以下となるようにガス化炉内の温度を調整しても良い。
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設計変更等も含まれる。
本発明は、石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置における石炭ガス化方法に関する。
３ ガス化炉
１００ 石炭ガス化装置
Ｓ スラグコーティング
１００ 石炭ガス化装置
Ｓ スラグコーティング
Claims (4)
- 石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置における石炭ガス化方法であって、
所定の成分からなる石炭を前記ガス化炉内に投入したときに生成される溶融スラグの温度と、この溶融スラグの液相／固相率と、の相関関係を、予め求めておき、
前記ガス化炉で形成される溶融スラグの固相比率が３５ｖｏｌ％以下となる範囲で固相分が含まれるように前記ガス化炉内の温度を調整することにより、前記溶融スラグの一部で前記ガス化炉の炉壁にスラグコーティングを形成することを特徴とする石炭ガス化方法。 - 前記溶融スラグの固相比率が、２０ｖｏｌ％以下となるように前記温度を調整することを特徴とする請求項１に記載の石炭ガス化方法。
- 前記溶融スラグの固相比率が、１５ｖｏｌ％以下となるように前記温度を調整することを特徴とする請求項１に記載の石炭ガス化方法。
- 前記ガス化炉で形成される溶融スラグの塩基度を上昇させるように、前記ガス化炉に投入する石炭の成分調整を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の石炭ガス化方法。
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