JP5811628B2 - ガス化ガス生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、流動媒体を利用するガス化炉を備えたガス化ガス生成装置に関する。

近年、石油に代えて、石炭やバイオマス、タイヤチップ等の固体原料をガス化してガス化ガスを生成する技術が開発されている。このようにして生成されたガス化ガスは、石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ: Integrated coal Gasification Combined Cycle）といった効率的な発電システムや、水素の製造、合成燃料（合成石油）の製造、化学肥料（尿素）等の化学製品の製造等に利用されている。ガス化ガスの原料となる固体原料のうち、特に石炭は、可採年数が１５０年程度と、石油の可採年数の３倍以上であり、また、石油と比較して埋蔵地が偏在していないため、長期に亘り安定供給が可能な天然資源として期待されている。

従来、石炭のガス化プロセスは、酸素や空気を用いて部分酸化することにより行われていたが、２０００℃といった高温で部分酸化する必要があるため、ガス化炉のコストが高くなるといった欠点を有していた。

そこで、流動媒体が流動層を形成しているガス化炉内で、水蒸気を利用して、７００℃〜９００℃程度で石炭をガス化する技術（水蒸気ガス化）が開発されている（例えば、特許文献１）。この水蒸気ガス化技術では、温度を低く設定することでプラントおよび運転コストを低減することが可能となる。

特許第３９３３１０５号

上述したような、流動層中で水蒸気ガス化を行う技術において、ガス化炉内のメンテナンスを行う場合、ガス化炉内から流動媒体を抜き出す作業が必要となる。このような作業では、ガス化炉に設けられた抜出管を通じて、流動媒体をガス化炉内から抜き出す。従来、ガス化炉から流動媒体を抜き出すための抜出管は、ガス化炉の側面からガス化炉の外側に向けて水平方向に延伸するように形成されていた。つまり、抜出管は常温下（例えば、２５℃程度）に配されていた。

したがって、ガス化炉の運転中において、ガス化炉内の温度は７００℃〜９００℃程度と高温であるものの、抜出管の温度は常温であるため、ガス化炉へ導入された水蒸気が抜出管内に導かれると、抜出管内において水蒸気が凝縮して水になる。そうすると、この凝縮した水によって、抜出管内で流動媒体が固着し、抜出管を閉塞してしまう。

また、ガス化炉内をメンテナンスするために、ガス化炉の運転を停止した場合でも、運転中に抜出管内に凝縮した水が残存しているため、抜出管内で流動媒体が固着し、抜出管が閉塞されたままである。

このように抜出管が閉塞されてしまうと、抜出管から流動媒体をスムーズに抜き出すことができない。このため、運転中やメンテナンス中において、作業員は、抜出管に対してハンマリングを行ったり、別途の装置を用いて抜出管から流動媒体を掻き出したりするメンテナンス作業が必要となり、作業員に煩雑な作業を強いることになっていた。

また、抜出管にヒータ等を巻き付けて抜出管内の水を蒸発させる構成も考えられるが、別途ヒータを用意せざるを得ず、ヒータの消費電力がかかってしまったり、ヒータ自体を設置するための費用がかかってしまったりしていた。

そこで本発明は、ガス化炉から流動媒体を抜出する抜出管の設置位置を工夫することで、抜出管内の水蒸気の凝縮を防止することができ、抜出管における流動媒体の閉塞を抑制することが可能なガス化ガス生成装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のガス化ガス生成装置は、流動層化した流動媒体が有する熱でガス化原料をガス化させてガス化ガスを生成するガス化炉と、ガス化炉の鉛直下方に配され、水蒸気を貯留する水蒸気貯留部と、ガス化炉と水蒸気貯留部とを連通し、水蒸気貯留部に貯留された水蒸気をガス化炉に導入する複数の連通部と、ガス化炉から下方向に延伸して水蒸気貯留部を貫通し、ガス化炉内の流動媒体を流通させることが可能な抜出管と、抜出管の外周面に向かって水蒸気を噴射するとともに、水蒸気貯留部に水蒸気を導入する水蒸気噴射部と、を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の他のガス化ガス生成装置は、流動層化した流動媒体が有する熱でガス化原料をガス化させてガス化ガスを生成するガス化炉と、ガス化炉の鉛直下方に配され、水蒸気を貯留する水蒸気貯留部と、ガス化炉と水蒸気貯留部とを連通し、水蒸気貯留部に貯留された水蒸気をガス化炉に導入する複数の連通部と、ガス化炉から下方向に延伸して水蒸気貯留部を貫通し、ガス化炉内の流動媒体を流通させることが可能な抜出管と、抜出管の外周面に立設し、外部の熱を抜出管の内部に伝導させるフィンと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ガス化炉から流動媒体を抜出する抜出管の設置位置を工夫することで、抜出管内の水蒸気の凝縮を防止することができ、抜出管における流動媒体の閉塞を抑制することが可能となる。

実施形態にかかるガス化ガス生成装置の具体的な構成を説明するための説明図である。 ガス化炉と水蒸気貯留部との近傍の具体的な構成を説明するための説明図である 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 抜出管内にスクリューフィーダを設けた構成を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（ガス化ガス生成装置１００）
図１は、本実施形態にかかるガス化ガス生成装置１００の具体的な構成を説明するための説明図である。ここでは、ガス化ガス生成装置１００として、二塔式の流動層ガス化炉を挙げて説明する。ガス化ガス生成装置１００は、流動媒体によって流動層が形成されているガス化炉１３０内で、水蒸気を利用して石炭等の固体原料をガス化し、ガス化ガスを生成する。

本実施形態では、ガス化炉１３０から流動媒体を容易に抜き出すことができるガス化ガス生成装置１００を提供することを目的とする。ここでは、まず、ガス化炉１３０から流動媒体を抜き出す機構の目的を把握すべく、ガス化ガスを生成する全体的な構成を説明し、その後、ガス化炉１３０から流動媒体を抜き出す機構の具体的な構成を詳述する。

図１に示すようにガス化ガス生成装置１００は、燃焼炉１１０と、媒体分離装置１２０と、ガス化炉１３０と、保温部１４０と、水蒸気貯留部１５０と、連通部１６０と、抜出管１７０と、水蒸気噴射部１８０と、を含んで構成される。

ガス化ガス生成装置１００では、全体として、粒径が３００μｍ程度の硅砂（珪砂）等の砂で構成される流動媒体を熱媒体として循環させている。流動媒体の流れに着目すると、まず、燃焼炉１１０で１０００℃程度に加熱された高温の流動媒体が、燃焼排ガスと共に媒体分離装置１２０に導入され、媒体分離装置１２０において高温の流動媒体と、燃焼排ガスに分離される。媒体分離装置１２０で分離された燃焼排ガスは、不図示のボイラ等で熱回収される。また、媒体分離装置１２０で分離された高温の流動媒体は、ガス化炉１３０に導入され、ガス化炉１３０において、後述する水蒸気貯留部１５０から導入される水蒸気によって流動層を形成する。

ガス化炉１３０は、水蒸気貯留部１５０から導入された水蒸気によって流動層化した流動媒体が有する熱でガス化原料をガス化させてガス化ガスを生成する。具体的に説明すると、ガス化炉１３０では、流動媒体で形成される流動層に、褐炭等の石炭、石油コークス（ペトロコークス）、バイオマス、タイヤチップ等のガス化原料が供給され、ガス化原料が、水蒸気と、流動媒体の熱により、７００℃〜９００℃程度でガス化されてガス化ガスが生成される。そして、流動層としての機能を果たした流動媒体は、最終的に燃焼炉１１０に戻る。保温部１４０は、ガス化炉１３０から外部への放熱を抑制する。

水蒸気貯留部１５０は、ガス化炉１３０の鉛直下方に配され、水蒸気供給源２００から供給された２００℃〜５００℃程度の水蒸気を一時的に貯留する。水蒸気貯留部１５０には、後述する水蒸気噴射部１８０を通じて、水蒸気供給源２００から水蒸気が供給される。

連通部１６０は、ガス化炉１３０と水蒸気貯留部１５０とを連通し、水蒸気貯留部１５０に貯留された水蒸気をガス化炉１３０に導入する。

図２は、ガス化炉１３０と水蒸気貯留部１５０との近傍の具体的な構成を説明するための説明図である。図２に示すように、連通部１６０は、複数設けられており、ガス化炉１３０の底部と水蒸気貯留部１５０の天部とを連通する。なお、ここで、底部は、ガス化炉１３０の最底面１３０ａのみならず、最底面１３０ａに立設した面１３０ｂと、面１３０ｂと直交する面１３０ｃを含み、天部は、水蒸気貯留部１５０の最天面１５０ａのみならず、最天面１５０ａに立設した面１５０ｂと、面１５０ｂと直交する面１５０ｃを含む。図２に示すように、本実施形態において、連通部１６０は、水蒸気貯留部１５０の天部を構成する面１５０ｂと、ガス化炉１３０の底部を構成する面１３０ｂとを連通する。

具体的に説明すると、連通部１６０は、水蒸気貯留部１５０の天部を構成する面１５０ｂからガス化炉１３０の底部を構成する面１３０ｂまで、鉛直下方に向かって傾斜するとともに、面１５０ｂと面１３０ｂとを連通する。これにより、ガス化炉１３０内で流動媒体の流動層を効率よく形成させるとともに、ガス化炉１３０から水蒸気貯留部１５０への流動媒体の落下を抑制することが可能となる。なお、連通部１６０の直径は、例えば、３ｍｍ程度である。

このようにして、ガス化炉１３０内で流動媒体が流動層化し、その流動層化した流動媒体の熱と、水蒸気貯留部１５０から導入される水蒸気によってガス化原料がガス化される。

（流動媒体を抜き出す機構）
続いて、メンテナンス時や運転中にガス化炉１３０から流動媒体を容易に抜き出すことが可能な抜出管１７０について説明する。本実施形態では、抜出管１７０の設置位置を工夫することで、抜出管１７０内に水蒸気が凝縮する事態を防止することが可能となる。

（抜出管１７０）
図２を参照すると、抜出管１７０は、ガス化炉１３０から鉛直下方向（図２中Ｙ軸方向）に延伸して水蒸気貯留部１５０を貫通する管で構成されており、ガス化炉１３０内の流動媒体を流通可能に形成されている。ここで、抜出管１７０は、ガス化炉１３０から実質的に鉛直下方向に向かって延伸すればよく、鉛直下方向からある程度の角度を為して延伸するとしてもよい。例えば、ガス化炉１３０内から外部への流動媒体の抜き出しを試みる場合、抜出管１７０に設けられたバルブ１７２を閉状態から開状態に移行する。そうすると、流動媒体が、ガス化炉１３０内から抜出管１７０を通過して外部に排出されることになる。

ここで、ガス化ガス生成装置１００の運転中において、抜出管１７０が設置される水蒸気貯留部１５０内の水蒸気の温度は、２００℃〜５００℃程度である。つまり、抜出管１７０を水蒸気貯留部１５０内に設置することにより、水蒸気貯留部１５０内の水蒸気によって抜出管１７０が継続的に加熱されることになり、抜出管１７０の内部の温度を水の凝縮点（露点すなわち１００℃）以上に維持することができる。したがって、ガス化ガス生成装置１００の運転中において、抜出管１７０の内部での水蒸気の凝縮を抑制することができる。

なお、メンテナンス中等、ガス化ガス生成装置１００全体を停止する場合、水蒸気供給源２００からの水蒸気の供給も停止されるため、抜出管１７０の内部には、水蒸気が入り込まない。したがって、ガス化ガス生成装置１００が停止し、水蒸気貯留部１５０内の温度が低下したとしても抜出管１７０の内部に水蒸気が凝縮することはない。

つまり、本実施形態にかかるガス化ガス生成装置１００によれば、ガス化ガス生成装置１００の運転中であっても、停止中であっても、抜出管１７０の内部での水蒸気の凝縮を抑制することができ、抜出管１７０内で流動媒体が固着し、抜出管１７０を閉塞してしまう事態を回避することが可能となる。

また、抜出管１７０は、その側面の一部にベローズ構造１７０ａを有している。上述したように、抜出管１７０が配される水蒸気貯留部１５０は、ガス化ガス生成装置１００の運転中において２００℃〜５００℃程度と高温であるため、この熱によって抜出管１７０が熱膨張し、鉛直方向（図２中Ｙ軸方向）に延びてしまう（熱延びが発生する）おそれがある。

一方、ガス化ガス生成装置１００を停止する場合、水蒸気供給源２００から水蒸気貯留部１５０への水蒸気の供給が停止するため、水蒸気貯留部１５０内の温度が低下する。この際、水蒸気貯留部１５０内の温度の低下に伴って、高温になっていた抜出管１７０が冷却される。そうすると、抜出管１７０が、鉛直方向（図２中Ｙ軸方向）に収縮してしまうおそれがある。

仮に、抜出管１７０に熱延びが発生したり、抜出管１７０が収縮すると、ガス化炉１３０の底部、水蒸気貯留部１５０の天部または、水蒸気貯留部１５０の底面部１５０ｄに圧力がかかり、ガス化炉１３０や水蒸気貯留部１５０が撓んでしまったり、破損してしまったりする可能性もある。

そこで、抜出管１７０が、その側面の少なくとも一部にベローズ構造１７０ａを有する構成により、ベローズ構造１７０ａが抜出管１７０の鉛直方向の熱延びや収縮を吸収することができ、ガス化炉１３０の底部、水蒸気貯留部１５０の天部または、水蒸気貯留部１５０の底面部１５０ｄへの圧力を抑制することが可能となる。したがって、ガス化炉１３０や水蒸気貯留部１５０が撓んでしまったり、破損してしまったりする事態を回避することが可能となる。

図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図３に示すように、ガス化ガス生成装置１００において抜出管１７０は５つ設けられている。

水蒸気噴射部１８０は、水蒸気供給源２００から供給された水蒸気を、抜出管１７０の外周面に向かって噴射するとともに、水蒸気貯留部１５０に水蒸気を導入する。このように、水蒸気噴射部１８０を備える構成により、水蒸気供給源２００から供給された高温の水蒸気を、抜出管１７０の外周面に直接衝突させることができる。したがって、水蒸気供給源２００から供給された水蒸気の熱を抜出管１７０の内部に直接伝導させることが可能となる。

ただし、水蒸気噴射部１８０が噴出した水蒸気をすべて抜出管１７０に衝突させることは困難であるため、抜出管１７０への熱伝導効率が十分とは言えない。そこで、本実施形態では、図３に示すように、抜出管１７０の外周面に、当該抜出管１７０の外周面に立設したフィン１９０を設けている。

抜出管１７０の外周面にフィン１９０を設ける構成により、水蒸気噴射部１８０が噴射した水蒸気との接触面積を増大させることができ、水蒸気の熱を抜出管１７０の内部に効率よく伝導させることが可能となる。これにより、ガス化ガス生成装置１００の運転中における抜出管１７０の内部において水蒸気が凝縮するのをさらに抑制することができる。

また、図３中破線矢印で示すように、水蒸気噴射部１８０から噴射された水蒸気は、抜出管１７０の外周面やフィン１９０に衝突してガス化炉１３０に導入されることになる。

したがって、水蒸気噴射部１８０から噴射された水蒸気が水蒸気貯留部１５０内で対流することになり、水蒸気貯留部１５０内の水蒸気が満遍なく混合され、水蒸気貯留部１５０内の水蒸気の温度を均一にすることができる。これにより、ガス化炉１３０に均一な温度の水蒸気を導入することができ、ガス化炉１３０におけるガス化反応を安定して遂行させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態にかかるガス化ガス生成装置１００によれば、ガス化炉１３０から流動媒体を抜出する抜出管１７０を水蒸気貯留部１５０内に設置することで、抜出管１７０内の水蒸気の凝縮を抑制することができ、抜出管１７０における流動媒体の閉塞を防止することが可能となる。これにより、ガス化炉１３０が停止中であっても運転中であっても、作業員に煩雑な作業を強いることなく、ガス化炉１３０から流動媒体をスムーズに抜き出すことができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態において、ガス化ガス生成装置１００は、抜出管１７０を複数（５つ）備える構成について説明したが、ガス化炉１３０から鉛直下方向に延伸して水蒸気貯留部１５０を貫通し、ガス化炉１３０内の流動媒体を流通させることが可能であれば１つであっても、複数であってもよい。また、抜出管１７０の水平面（図３中、ＸＺ平面）内の設置位置は限定されない。

さらに、上述した実施形態では、ガス化炉１３０から鉛直下方向に延伸して水蒸気貯留部１５０を貫通した抜出管１７０について説明したため、ガス化炉１３０内の流動媒体は、その自重で抜出管１７０を流通することになる。しかし、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、抜出管１７０のうち、ガス化炉１３０から水平方向（図４中Ｘ軸方向）に延伸する部分がある場合、抜出管１７０内に、螺旋羽根２５０ａを回転させることより、ガス化炉１３０内の流動媒体を外部に移動させるスクリューフィーダ２５０を設けてもよい。これにより、抜出管１７０内の流動媒体を確実に掻き出すことが可能となる。なお、図４（ｃ）に示すように、上述した、ガス化炉１３０から鉛直下方向に延伸して水蒸気貯留部１５０を貫通した抜出管１７０にスクリューフィーダ２５０を設けることもできる。

本発明は、流動媒体を利用するガス化炉を備えたガス化ガス生成装置に関する。

１００ …ガス化ガス生成装置
１３０ …ガス化炉
１５０ …水蒸気貯留部
１６０ …連通部
１７０ …抜出管
１７０ａ …ベローズ構造
１８０ …水蒸気噴射部
１９０ …フィン

Claims (2)

1. 流動層化した流動媒体が有する熱でガス化原料をガス化させてガス化ガスを生成するガス化炉と、
   前記ガス化炉の鉛直下方に配され、水蒸気を貯留する水蒸気貯留部と、
   前記ガス化炉と前記水蒸気貯留部とを連通し、該水蒸気貯留部に貯留された水蒸気を前記ガス化炉に導入する複数の連通部と、
   前記ガス化炉から下方向に延伸して前記水蒸気貯留部を貫通し、該ガス化炉内の流動媒体を流通させることが可能な抜出管と、
   前記抜出管の外周面に向かって水蒸気を噴射するとともに、前記水蒸気貯留部に水蒸気を導入する水蒸気噴射部と、
   を備えたことを特徴とするガス化ガス生成装置。
2. 流動層化した流動媒体が有する熱でガス化原料をガス化させてガス化ガスを生成するガス化炉と、
   前記ガス化炉の鉛直下方に配され、水蒸気を貯留する水蒸気貯留部と、
   前記ガス化炉と前記水蒸気貯留部とを連通し、該水蒸気貯留部に貯留された水蒸気を前記ガス化炉に導入する複数の連通部と、
   前記ガス化炉から下方向に延伸して前記水蒸気貯留部を貫通し、該ガス化炉内の流動媒体を流通させることが可能な抜出管と、
   前記抜出管の外周面に立設し、外部の熱を該抜出管の内部に伝導させるフィンと、
   を備えたことを特徴とするガス化ガス生成装置。

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