JP7134637B2 - ガス化炉設備及びこれを備えたガス化複合発電設備並びにガス化炉設備の製造方法及び生成ガスの排出方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス化炉設備及びこれを備えたガス化複合発電設備並びにガス化炉設備の製造方法及び生成ガスの排出方法に関するものである。

微粉炭等の炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉設備は、圧力容器内にガス化を行うガス化炉壁を備えている（例えば特許文献１参照）。ガス化炉壁は、鉛直方向に立設された筒状とされており、下方側にはコンバスタ部とリダクタ部が設けられている。微粉炭及び酸化材がコンバスタ部及びリダクタ部に供給され、部分燃焼されてガス化した生成ガスが生成される。生成ガスは、鉛直方向上方側に向かって流通し、シンガスクーラ（熱交換器）にて熱交換を行って冷却される。

特許第３３７１６９２号公報

ガス化炉壁の上部は、生成ガスを外部へと導く生成ガス管が設けられている。ガス化炉壁から流路断面積が小さい生成ガス管に接続するために、ガス化炉壁の上部にはテーパ状に内径を縮小したホッパ形状部が設けられている。したがって、ホッパ形状部の絞り部に向かって生成ガスの流れが集まるようになっている。このとき、生成ガスの流れは流速が増大するとともに偏流が発生すると、生成ガスにはチャー等の固い固形物が含まれるために、絞り部の内周側にエロージョンが生じて減肉が発生するおそれがある。

また、ホッパ形状部の周囲や上流側（下方側）には、シンガスクーラを構成する伝熱管群を支持するための吊下管（構造物）が複数設けられており、生成ガスの偏流の発生によって吊下管の摩耗が促進されるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、チャー等を含む生成ガスの局所的な偏流などの流れによって生じるガス化炉壁や構造物の摩耗を抑制することができるガス化炉設備及びこれを備えたガス化複合発電設備並びにガス化炉設備の製造方法及び生成ガスの排出方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るガス化炉設備は、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉でガス化された生成ガスが流通する筒形状とされたガス化炉壁と、前記ガス化された生成ガスを前記ガス化炉壁の外部へ導く生成ガス管と、を備え、前記生成ガス管の上流端は、前記ガス化炉壁から内部側に突出し、前記生成ガス管の前記上流端は、ベルマウス形状とされている。

筒形状とされたガス化炉壁の内部でガス化された生成ガスは、ガス化炉壁内を流れ、生成ガス管からガス化炉壁の外部へと導かれる。
生成ガス管の上流端は、ガス化炉壁より内部側に突出して設けられている。これにより、ガス化炉壁の内部から生成ガス管内に導かれる生成ガスは、ガス化炉壁から突出した生成ガス管の上流端に向かう流線に従って流れるので、ガス化炉壁の天井部よりも内部側で、生成ガス管の上流端の背後側に回り込む流れなど局所的に流速が速くなる偏流発生を抑制することができる。これにより、生成ガス管の上流端の周囲に配置された構造物やガス化炉壁に速度の速い生成ガスが衝突することを抑制することができる。
ここで、速度の速い生成ガスとは、構造物の許容減肉速度を上回る摩耗を発生させる流速となったチャーなどを含む生成ガスである。

さらに、本発明の一態様に係るガス化炉設備では、前記生成ガス管の前記上流端は、前記ガス化炉壁から内部側に向けて拡径された拡径部とされている。

生成ガス管の上流端を、ガス化炉壁から内部側に向けて拡径された拡径部とすることとしたので、生成ガス管の上流端に流れ込む生成ガスの流れを一層に円滑に導くことができる。これにより、生成ガスの流速の速い流れが発生して、生成ガス管の上流端に衝突することを抑制することができる。
なお、拡径部として、例えばベルマウス形状を用いることができる。

さらに、本発明の一態様に係るガス化炉設備では、前記生成ガス管の前記上流端は、前記ガス化炉壁の天井部から鉛直下方に向けて挿入されている。

生成ガス管の上流端を、ガス化炉壁の天井部から鉛直下方に向けて挿入することとしたので、生成ガス管の上流端の背後に位置するガス化炉壁の天井部や、この天井部から熱交換器などの機器を吊り下げるための吊り下げ構造物に対して生成ガスが衝突することを抑制することができる。

さらに、本発明の一態様に係るガス化炉設備では、水平方向に延在する前記天井部は、平坦形状とされている。

天井部が水平方向に延在する平坦形状とされているので、鉛直上側に向かい凸とされた形状の天井部に比べて鉛直方向の高さを抑えて、鉛直位置を低くなるようにすることができる。これにより、ガス化炉設備の全体高さを抑えることができる。

さらに、本発明の一態様に係るガス化炉設備では、前記生成ガス管の前記上流端は、前記ガス化炉壁の側部から挿入されている。

生成ガス管の上流端を、ガス化炉壁の側部から挿入することとしたので、生成ガス管の上流端の背後に位置するガス化炉壁の側部や天井部及び天井部からの吊り下げ構造物に対して速度の速い生成ガスが衝突することを抑制することができる。

さらに、本発明の一態様に係るガス化炉設備では、前記生成ガス管の前記上流端は、前記ガス化炉壁の前記側部の周囲の複数箇所から挿入されている。

生成ガス管の上流端を、ガス化炉壁の側部の周囲の複数箇所から挿入することにより、生成ガスを複数の位置から吸い込むことができる。これにより、生成ガス管の上流端へと向かう水平面内での流速が速い流れの発生を抑制し、水平面内における生成ガスの流れを略均一にすることができる。

さらに、本発明の一態様に係るガス化炉設備では、前記生成ガス管の前記上流端を冷却する冷却手段を備えている。

生成ガス管の上流端を冷却手段によって冷却することで、生成ガス管の耐久性を大きく低下させることなく生成ガス管の摩耗を抑制することができる。
冷却手段としては、例えば、内部に冷却水が流れる冷却コイルなどが挙げられる。

さらに、本発明の一態様に係るガス化炉設備では、前記生成ガス管の前記上流端には、耐摩耗材が設けられている。

生成ガス管の上流端に耐摩耗材を設けることによって、生成ガス管の摩耗を抑制することができる。
耐摩耗材としては、例えば、セラミックス等を用いることができる。

また、本発明の一態様に係るガス化複合発電設備は、請求項１から請求項８のいずれかに記載のガス化炉設備と、前記ガス化炉設備で生成した生成ガスの少なくとも一部を燃焼させることで回転駆動するガスタービンと、前記ガスタービンから排出されたタービン排ガスを導入する排熱回収ボイラで生成した蒸気により回転駆動する蒸気タービンと、前記ガスタービンおよび／または前記蒸気タービンと連結された発電機と、を備えている。

また、本発明の一態様に係るガス化炉設備の製造方法は、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉でガス化された生成ガスが流通するガス化炉壁と、前記生成ガスを前記ガス化炉壁の外部へ導く生成ガス管と、を備えたガス化炉設備の製造方法であって、前記生成ガス管の上流端を、前記ガス化炉壁から内部側に突出させて設置し、前記生成ガス管の前記上流端は、ベルマウス形状とされている。

また、本発明の一態様に係る生成ガスの排出法は、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉でガス化された生成ガスが流通するガス化炉壁と、前記生成ガスを前記ガス化炉壁の外部へ導く生成ガス管と、を備えたガス化炉の生成ガスの排出方法であって、前記生成ガス管の上流端を、前記ガス化炉壁よりも内部側に突出させて設置し、前記生成ガス管の前記上流端は、ベルマウス形状とされている。

生成ガス管の上流端の周囲に配置された構造物やガス化炉壁にチャー等を含む生成ガスが衝突することを抑えることで、生成ガスの局所的な偏流などの流れによって生じるガス化炉壁や構造物の摩耗を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備を示した概略構成図である。 図１のガス化装置を示した概略構成図である。 ガス化炉壁の上部構造を拡大して示した縦断面である。 図３の天井部を示した平面図である。 本発明の第２実施形態に係るガス化炉壁を拡大して示した縦断面図である。 図５の変形例を示した縦断面図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、以下においては、上方及び下方の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。
［第１実施形態］
図１には、ガス化炉設備１４を適用した石炭ガス化複合発電設備１０の概略構成が示されている。
石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ：Integrated Coal Gasification Combined Cycle）１０は、空気を主とする酸化剤として用いており、ガス化炉設備１４において、燃料から可燃性ガス（生成ガス）を生成する空気燃焼方式を採用している。そして、石炭ガス化複合発電設備１０は、ガス化炉設備１４で生成した生成ガスを、ガス精製設備１６で精製して燃料ガスとした後、ガスタービン１７に供給して発電を行っている。すなわち、実施形態１の石炭ガス化複合発電設備１０は、空気燃焼方式（空気吹き）の発電設備となっている。ガス化炉設備１４に供給する燃料としては、例えば、石炭等の炭素含有固体燃料が用いられる。

石炭ガス化複合発電設備（ガス化複合発電設備）１０は、図１に示すように、給炭設備１１と、ガス化炉設備１４と、チャー回収設備１５と、ガス精製設備１６と、ガスタービン１７と、蒸気タービン１８と、発電機１９と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：Heat Recovery Steam Generator）２０とを備えている。

給炭設備１１は、原炭として炭素含有固体燃料である石炭が供給され、石炭を石炭ミル（図示略）などで粉砕することで、細かい粒子状に粉砕した微粉炭を製造する。給炭設備１１で製造された微粉炭は、給炭ライン１１ａ出口で後述する空気分離設備４２にから供給される搬送用イナートガスとしての窒素ガスによって加圧されて、ガス化炉設備１４へ向けて供給される。イナートガスとは、酸素含有率が約５体積％以下の不活性ガスであり、窒素ガスや二酸化炭素ガスやアルゴンガスなどが代表例であるが、必ずしも約５体積％以下に制限されるものではない。

ガス化炉設備１４は、給炭設備１１で製造された微粉炭が供給されると共に、チャー回収設備１５で回収されたチャー（石炭の未反応分と灰分）が再利用を目的として供給されている。

また、ガス化炉設備１４には、ガスタービン１７（圧縮機６１）からの圧縮空気供給ライン４１が接続されており、ガスタービン１７で圧縮された圧縮空気の一部が昇圧機６８で所定圧力に昇圧されてガス化炉設備１４に供給可能となっている。空気分離設備４２は、大気中の空気から窒素と酸素を分離生成するものであり、第１窒素供給ライン４３によって空気分離設備４２とガス化炉設備１４とが接続されている。そして、この第１窒素供給ライン４３には、給炭設備１１からの給炭ライン１１ａが接続されている。また、第１窒素供給ライン４３から分岐する第２窒素供給ライン４５もガス化炉設備１４に接続されており、この第２窒素供給ライン４５には、チャー回収設備１５からのチャー戻しライン４６が接続されている。更に、空気分離設備４２は、酸素供給ライン４７によって、圧縮空気供給ライン４１と接続されている。そして、空気分離設備４２によって分離された窒素は、第１窒素供給ライン４３及び第２窒素供給ライン４５を流通することで、石炭やチャーの搬送用ガスとして利用される。また、空気分離設備４２によって分離された酸素は、酸素供給ライン４７及び圧縮空気供給ライン４１を流通することで、ガス化炉設備１４において酸化剤として利用される。

ガス化炉設備１４は、例えば、２段噴流床形式のガス化炉１０１（図２参照）を備えている。ガス化炉設備１４は、内部に供給された石炭（微粉炭）およびチャーを酸化剤（空気、酸素）により部分燃焼させることでガス化させ生成ガスとする。なお、ガス化炉設備１４は、微粉炭に混入した異物（スラグ）を除去する異物除去設備４８が設けられている。そして、このガス化炉設備１４には、チャー回収設備１５に向けて生成ガスを供給するガス生成ライン４９が接続されており、チャーを含む生成ガスが排出可能となっている。この場合、図２に示すように、ガス生成ライン４９にシンガスクーラ１０２（熱交換器）を設けることで、生成ガスを所定温度まで冷却してからチャー回収設備１５に供給してもよい。

チャー回収設備１５は、集塵設備５１と供給ホッパ５２とを備えている。この場合、集塵設備５１は、１つまたは複数のサイクロンやポーラスフィルタにより構成され、ガス化炉設備１４で生成された生成ガスに含有するチャーを分離することができる。そして、チャーが分離された生成ガスは、ガス排出ライン５３を通してガス精製設備１６に送られる。供給ホッパ５２は、集塵設備５１で生成ガスから分離されたチャーを貯留するものである。なお、集塵設備５１と供給ホッパ５２との間にビンを配置し、このビンに複数の供給ホッパ５２を接続するように構成してもよい。そして、供給ホッパ５２からのチャー戻しライン４６が第２窒素供給ライン４５に接続されている。

ガス精製設備１６は、チャー回収設備１５によりチャーが分離された生成ガスに対して、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物を取り除くことで、ガス精製を行うものである。そして、ガス精製設備１６は、生成ガスを精製して燃料ガスを製造し、これをガスタービン１７に供給する。なお、チャーが分離された生成ガス中にはまだ硫黄分（Ｈ_２Ｓなど）が含まれているため、このガス精製設備１６では、アミン吸収液などによって硫黄分を除去回収して、有効利用する。

ガスタービン１７は、圧縮機６１、燃焼器６２、タービン６３を備えており、圧縮機６１とタービン６３とは、回転軸６４により連結されている。燃焼器６２には、圧縮機６１からの圧縮空気供給ライン６５が接続されると共に、ガス精製設備１６からの燃料ガス供給ライン６６が接続され、また、タービン６３に向かって延びる燃焼ガス供給ライン６７が接続されている。また、ガスタービン１７は、圧縮機６１からガス化炉設備１４に延びる圧縮空気供給ライン４１が設けられており、中途部に昇圧機６８が設けられている。従って、燃焼器６２では、圧縮機６１から供給された圧縮空気の一部とガス精製設備１６から供給された燃料ガスの少なくとも一部とを混合して燃焼させることで燃焼ガスを発生させ、発生させた燃焼ガスをタービン６３へ向けて供給する。そして、タービン６３は、供給された燃焼ガスにより回転軸６４を回転駆動させることで発電機１９を回転駆動させる。

蒸気タービン１８は、ガスタービン１７の回転軸６４に連結されるタービン６９を備えており、発電機１９は、この回転軸６４の基端部に連結されている。排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン１７（タービン６３）からの排ガスライン７０が接続されており、排熱回収ボイラ２０への給水とタービン６３の排ガスとの間で熱交換を行うことで、蒸気を生成するものである。そして、排熱回収ボイラ２０は、蒸気タービン１８のタービン６９との間に蒸気供給ライン７１が設けられると共に蒸気回収ライン７２が設けられ、蒸気回収ライン７２に復水器７３が設けられている。また、排熱回収ボイラ２０で生成する蒸気には、ガス化炉１０１のシンガスクーラ１０２で生成ガスと熱交換して生成された蒸気を含んでもよい。従って、蒸気タービン１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気によりタービン６９が回転駆動し、回転軸６４を回転させることで発電機１９を回転駆動させる。

排熱回収ボイラ２０の出口から煙突７５までには、ガス浄化設備７４が設けられている。

次に、石炭ガス化複合発電設備１０の動作について説明する。
石炭ガス化複合発電設備１０において、給炭設備１１に原炭（石炭）が供給されると、石炭は、給炭設備１１において細かい粒子状に粉砕されることで微粉炭となる。給炭設備１１で製造された微粉炭は、空気分離設備４２から供給される窒素により第１窒素供給ライン４３を流通してガス化炉設備１４に供給される。また、後述するチャー回収設備１５で回収されたチャーが、空気分離設備４２から供給される窒素により第２窒素供給ライン４５を流通してガス化炉設備１４に供給される。更に、後述するガスタービン１７から抽気された圧縮空気が昇圧機６８で昇圧された後、空気分離設備４２から供給される酸素と共に圧縮空気供給ライン４１を通してガス化炉設備１４に供給される。

ガス化炉設備１４では、供給された微粉炭及びチャーが圧縮空気（酸素）により燃焼し、微粉炭及びチャーがガス化することで、生成ガスを生成する。そして、この生成ガスは、ガス化炉設備１４からガス生成ライン４９を通って排出され、チャー回収設備１５に送られる。

このチャー回収設備１５にて、生成ガスは、まず、集塵設備５１に供給されることで、生成ガスに含有する微粒のチャーが分離される。そして、チャーが分離された生成ガスは、ガス排出ライン５３を通してガス精製設備１６に送られる。一方、生成ガスから分離した微粒のチャーは、供給ホッパ５２に堆積され、チャー戻しライン４６を通ってガス化炉設備１４に戻されてリサイクルされる。

チャー回収設備１５によりチャーが分離された生成ガスは、ガス精製設備１６にて、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物が取り除かれてガス精製され、燃料ガスが製造される。圧縮機６１が圧縮空気を生成して燃焼器６２に供給する。この燃焼器６２は、圧縮機６１から供給される圧縮空気と、ガス精製設備１６から供給される燃料ガスとを混合し、燃焼することで燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスによりタービン６３を回転駆動することで、回転軸６４を介して圧縮機６１及び発電機１９を回転駆動する。このようにして、ガスタービン１７は発電を行うことができる。

そして、排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン１７におけるタービン６３から排出された排ガスと排熱回収ボイラ２０への給水とで熱交換を行うことにより蒸気を生成し、この生成した蒸気を蒸気タービン１８に供給する。蒸気タービン１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気によりタービン６９を回転駆動することで、回転軸６４を介して発電機１９を回転駆動し、発電を行うことができる。
なお、ガスタービン１７と蒸気タービン１８は同一軸として１つの発電機１９を回転駆動する構成に代えて、別の軸として複数の発電機を回転駆動する構成としても良い。

その後、ガス浄化設備７４では排熱回収ボイラ２０から排出された排気ガスの有害物質が除去され、浄化された排気ガスが煙突７５から大気へ放出される。

次に、図１及び図２を参照して、上述した石炭ガス化複合発電設備１０におけるガス化炉設備１４について詳細に説明する。

図２に示すように、ガス化炉設備１４は、ガス化炉１０１と、シンガスクーラ１０２と、を備えている。

ガス化炉１０１は、鉛直方向に延びて形成されており、鉛直方向の下方側に微粉炭及び酸素が供給され、部分燃焼させてガス化した生成ガスが鉛直方向の下方側から上方側に向かって流通している。ガス化炉１０１は、圧力容器１１０と、圧力容器１１０の内部に設けられたガス化炉壁１１１とを有している。そして、ガス化炉１０１は、圧力容器１１０とガス化炉壁１１１との間の空間にアニュラス部１１５を形成している。また、ガス化炉１０１は、ガス化炉壁１１１の内部の空間において、鉛直方向の下方側（つまり、生成ガスの流通方向の上流側）から順に、コンバスタ部１１６、ディフューザ部１１７、リダクタ部１１８を形成している。

圧力容器１１０は、内部が中空空間となる筒形状に形成され、上端部にガス排出口１２１が形成される一方、下端部（底部）にスラグホッパ１２２が形成されている。ガス化炉壁１１１は、内部が中空空間となる筒形状に形成され、その壁面が圧力容器１１０の内面と対向して設けられている。本実施形態では圧力容器１１０は円筒形状で、ガス化炉壁１１１のディフューザ部１１７も円筒形状に形成されている。そして、ガス化炉壁１１１は、図示しない支持部材により圧力容器１１０内面に連結されている。

ガス化炉壁１１１は、圧力容器１１０の内部を内部空間１５４と外部空間１５６に分離する。ガス化炉壁１１１は、横断面形状がコンバスタ部１１６とリダクタ部１１８との間のディフューザ部１１７で変化する形状とされている。ガス化炉壁１１１は、鉛直上方側となるその上端部が、圧力容器１１０のガス排出口１２１に接続され、鉛直下方側となるその下端部が圧力容器１１０の底部と隙間を空けて設けられている。そして、圧力容器１１０の底部に形成されるスラグホッパ１２２には、貯留水が溜められており、ガス化炉壁１１１の下端部が貯留水に浸水することで、ガス化炉壁１１１の内外を封止している。ガス化炉壁１１１には、バーナ１２６，１２７が挿入され、内部空間１５４にシンガスクーラ１０２が配置されている。ガス化炉壁１１１の構造については後述する。

アニュラス部１１５は、圧力容器１１０の内側とガス化炉壁１１１の外側に形成された空間、つまり外部空間１５６であり、空気分離設備４２で分離された不活性ガスである窒素が、図示しない窒素供給ラインを通って供給される。このため、アニュラス部１１５は、窒素が充満する空間となる。なお、このアニュラス部１１５の鉛直方向の上部付近には、ガス化炉１０１内を均圧にするための図示しない炉内均圧管が設けられている。炉内均圧管は、ガス化炉壁１１１の内外を連通して設けられ、ガス化炉壁１１１の内部（コンバスタ部１１６、ディフューザ部１１７及びリダクタ部１１８）と外部（アニュラス部１１５）との圧力差を所定圧力以内となるよう略均圧にしている。

コンバスタ部１１６は、微粉炭及びチャーと空気とを一部燃焼させる空間となっており、コンバスタ部１１６におけるガス化炉壁１１１には、複数のバーナ１２６からなる燃焼装置が配置されている。コンバスタ部１１６で微粉炭及びチャーの一部を燃焼した高温の燃焼ガスは、ディフューザ部１１７を通過してリダクタ部１１８に流入する。

リダクタ部１１８は、ガス化反応に必要な高温状態に維持されコンバスタ部１１６からの燃焼ガスに微粉炭を供給し部分燃焼させて、微粉炭を揮発分（一酸化炭素、水素、低級炭化水素等）へと分解してガス化されて生成ガスを生成する空間となっており、リダクタ部１１８におけるガス化炉壁１１１には、複数のバーナ１２７からなる燃焼装置が配置されている。

シンガスクーラ１０２は、ガス化炉壁１１１の内部に設けられると共に、リダクタ部１１８のバーナ１２７の鉛直方向の上方側に設けられている。シンガスクーラ１０２は熱交換器であり、ガス化炉壁１１１の鉛直方向の下方側（生成ガスの流通方向の上流側）から順に、蒸発器（エバポレータ）１３１、過熱器（スーパーヒータ）１３２、節炭器（エコノマイザ）１３４が配置されている。これらのシンガスクーラ１０２は、リダクタ部１１８において生成された生成ガスと熱交換を行うことで、生成ガスを冷却する。また、蒸発器（エバポレータ）１３１、過熱器（スーパーヒータ）１３２、節炭器（エコノマイザ）１３４は、図に記載されたその数量を限定するものではない。

上述のガス化炉設備１４は、以下のように動作する。
ガス化炉設備１４のガス化炉１０１において、リダクタ部１１８のバーナ１２７により窒素と微粉炭が投入されて点火されると共に、コンバスタ部１１６のバーナ１２６により微粉炭及びチャーと圧縮空気（酸素）が投入されて点火される。すると、コンバスタ部１１６では、微粉炭とチャーの燃焼により高温燃焼ガスが発生する。また、コンバスタ部１１６では、微粉炭とチャーの燃焼により高温ガス中で溶融スラグが生成され、この溶融スラグがガス化炉壁１１１へ付着すると共に、炉底へ落下し、最終的にスラグホッパ１２２内の貯水へ排出される。そして、コンバスタ部１１６で発生した高温燃焼ガスは、ディフューザ部１１７を通ってリダクタ部１１８に上昇する。このリダクタ部１１８では、ガス化反応に必要な高温状態に維持されて、微粉炭が高温燃焼ガスと混合し、高温の還元雰囲気において微粉炭を部分燃焼させてガス化反応が行われ、生成ガスが生成される。ガス化した生成ガスが鉛直方向の下方側から上方側に向かって流通する。

［ガス化炉壁の上部構造］
次に、図３を用いてガス化炉壁１１１の上部構造について説明する。
図３に示されているように、筒形状とされたガス化炉壁１１１の上部には、生成ガス管８０が設けられている。生成ガス管８０は、図１に示したガス生成ライン４９の上流側に設けられている。生成ガス管８０の流路断面積は、ガス化炉壁１１１の流路断面積よりも小さい。生成ガス管８０は、ガス化炉壁１１１の上端を仕切る天井壁とされた天井部１１１ａに対して固定されている。生成ガス管８０の上流端８０ａは、ガス化炉壁１１１より内部側（図３において紙面下方側）に突出している。具体的には、生成ガス管８０の上流端８０ａは、ガス化炉壁１１１の天井部１１１ａから鉛直下方に向けて挿入されている。生成ガス管８０の上流端８０ａが天井部１１１ａから突出する突出量ｈ（ｈ＞０）は、生成ガスの流量、圧力、温度などの状態量、及びガス化炉壁１１１の内径に対する生成ガス管８０の内径の関係などで適切に選定されるが、例えば数ｍｍから数百ｍｍ程度とされている。突出量ｈは、生成ガス流れＧの一部が生成ガス管８０の上流端８０ａの背後面と天井部１１１ａとの間に回り込んで流速の速い偏流を発生させたり、生成ガス流れＧの流速の速いものが天井部１１１ａに直接衝突することがないようにシミュレーション等を行って適宜設定される。ただし、突出量ｈが大きくなると、生成ガス管８０の下方側に点検等を行うための一定の作業空間を確保する必要があるため天井部１１１ａの高さ位置が高くなってしまう。このため、突出量ｈの上限は、ガス化炉設備１４の高さ制限から決定される。
なお、チャーなどを含む生成ガスが、構造物に許容減肉速度以上の摩耗を発生させないとする限界流速がある。構造物の摩耗による減肉は流速の３乗に比例することから、速い流速を低下させることが必要になる。本実施形態では、流速の速い生成ガスとは、限界流速を超えるガス流速となったものである。構造物の材質や形状にも因るが、限界流速は、例えば１５ｍ／ｓ以上２５ｍ／ｓ以下とされる。

生成ガス管８０の上流端８０ａには、生成ガス流れの上流側となる下方側へ向かって拡径する拡径部８０ｂが設けられている。拡径部８０ｂは、本実施形態では、ベルマウス形状とされている。このベルマウス形状は、生成ガス流れの下流側となる上方へ向かう生成ガス流れＧが生成ガス管８０の上流側及び下流側で滑らかに流れるような形状とされている。

天井部１１１ａは、水平方向に延在する平坦形状とされている。すなわち、ガス化炉壁１１１の上部は、特許文献１で示したようなホッパ形状とされていない。天井部１１１ａには、ガス化炉壁１１１より内部側にある機器を吊り下げるための複数の吊下管（構造物）８１が設けられている。吊下管８１は、内部に冷却水が流通する金属パイプとされており、例えばシンガスクーラ１０２の節炭器１３４（図２参照）を吊り下げるために用いられる。なお、図３では、吊下管８１の上下部分を省略して示しているが、実際には吊下管８１は上下方向に延在している。

生成ガス管８０は、ガス化炉壁１１１の外側、すなわち天井部１１１ａより上方側の位置に、エキスパンション部８０ｃを備えている。エキスパンション部８０ｃは、例えば金属製のベローズとされている。エキスパンション部８０ｃによって、ガス化炉壁１１１の熱膨張に伴う変位を許容するようになっている。したがって、エキスパンション部８０ｃは、熱膨張によって生じた変位を吸収する際に、生成ガス管８０を介して天井部１１１ａに反力を加えることになる。この反力を受けるために、図４に示すように、天井部１１１ａには、補強部材として複数のフレーム材８２が設けられている。各フレーム材８２は、図４のように平面視した場合に、互いに直交するように設けられている。なお、図４に示した符号８３は、ガス化炉壁１１１を構成する炉壁管８３であり、炉壁管８３の内部を水や蒸気の流体を流通させる。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
筒形状とされたガス化炉壁１１１の内部でガス化された生成ガスは、ガス化炉壁１１１内を鉛直上方へ流れ、生成ガス管８０からガス化炉壁１１１の外部へと導かれる。このとき、生成ガス管８０の上流端８０ａは、ガス化炉壁１１１より内部側に突出量ｈを有して突出して設けられている。これにより、ガス化炉壁１１１の内部から生成ガス管８０内に導かれる生成ガスは、ガス化炉壁１１１から突出した生成ガス管８０の上流端８０ａに向かう生成ガス流れＧの流線に従って流れるので、ガス化炉壁１１１の天井部１１１ａより内部側で、流速の速い偏流の発生や、生成ガス管８０の上流端８０ａの背後側に回り込む流れなど局所的な流速の速い偏流を抑制することができる。図３に示すように、生成ガス管８０の上流端８０ａの背後側に流れ込んだ生成ガスは、緩慢な渦Ｖを形成するだけである。これにより、生成ガス管８０の上流端８０ａの周囲に配置された吊下管８１やガス化炉壁１１１に流速の速い生成ガスが衝突することを抑制することができる。

生成ガス管８０の上流端８０ａを、ガス化炉壁１１１より内部側に向けて拡径された拡径部８０ｂとすることとしたので、生成ガス管８０の上流端８０ａに流れ込む生成ガス流れＧをより一層に円滑に導くことができる。これにより、流速の速い生成ガスの流れが発生して生成ガス管８０の上流端８０ａに衝突することを抑制することができる。特に、拡径部８０ｂをベルマウス形状としているので、円滑に生成ガス管８０へと生成ガスを導くことができる。

生成ガス管８０の上流端８０ａを、ガス化炉壁１１１の天井部１１１ａから鉛直下方に向けて挿入することとした。これにより、生成ガス管８０の上流端８０ａの背後に位置するガス化炉壁１１１の天井部１１１ａや、この天井部１１１ａから熱交換器などの機器を吊り下げるための吊り下げ構造物である吊下管８１などに対して速度の速い生成ガスが衝突することを抑制することができる。

ガス化炉壁１１１の天井部１１１ａが水平な平坦形状とされているので、鉛直上側に向かい凸とされた形状の天井部に比べて鉛直方向の高さを抑えて鉛直位置を低くすることができる。これにより、ガス化炉設備１４の全体高さを抑えることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図５を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、生成ガス管８０の接続構造が異なるが、他の構成については同様であるのでその説明は省略する。
図５に示されているように、生成ガス管８０は、圧力容器１１０の側方側から挿入され、かつ、ガス化炉壁１１１の天井部１１１ａに連結する側部１１１ｂから挿入されている。生成ガス管８０が挿入される高さ位置は、ガス化炉壁１１１の天井部１１１ａよりも下方側で、かつ、シンガスクーラ１０３の最上方側に位置する節炭器１３４よりも上方側とされる。また、生成ガス管８０は、第１実施形態と同様に、生成ガスの流速が局所的に速くなるような流れの偏流が生じないような範囲で、天井部１１１ａに近い位置に設置される。生成ガス管８０の上流端８０ａの側部１１１ｂからの突出量ｈは、第１実施形態と同様に、生成ガスの流れが生成ガス管８０の上流端８０ａに向かって円滑に流れるように設定される。

このように、本実施形態では、生成ガス管８０の上流端８０ａを、ガス化炉壁１１１の側部１１１ｂから挿入することとしたので、生成ガス管８０の上流端８０ａの背後に位置するガス化炉壁１１１の側部１１１ｂや周囲の構造物に対して流速の速い生成ガスが衝突することを抑制することができる。

また、図６に示すように、生成ガス管８０の上流端８０ａを、ガス化炉壁１１１の側部１１１ｂの周囲の複数箇所から挿入することとしても良い。具体的には、略同一とされた鉛直方向の高さ位置で、平面視してガス化炉壁１１１より内側中央にある軸心に対称になるように略等角度間隔位置で複数の生成ガス管８０をガス化炉壁１１１の側部１１１ｂに挿入し、圧力容器１１０の外側でリング形状とされた集合管８５に各生成ガス管８０を接続する。これにより、水平面内における生成ガスの流れを一層に略均一にするとともに、生成ガス管８０の上流端８０ａへ向かう水平面での流速の速い流れを抑制することができる。

また、本実施形態のようにガス化炉壁１１１の側部１１１ｂから生成ガス管８０を挿入することで、図３に示したような生成ガス管８０を天井部１１１ａから挿入する場合に比べて、図６に図示した矢印で示すように、ガス化炉壁１１１の天井部１１１ａ及び圧力容器１１０の天井部１１０ａの鉛直方向の高さを低くすることができる。

なお、チャー等を含む生成ガスからの耐摩耗性を向上するにあたり、上述した各実施形態の生成ガス管８０の上流端８０ａを冷却する冷却手段を設けることとしてもよい。生成ガス管８０の上流端８０ａを冷却手段によって冷却することで、生成ガス管８０の耐久性を大きく低下させることがなくなり、生成ガス管８０の摩耗を抑制することができる。冷却手段としては、例えば、内部に冷却水が流れる冷却コイルなどを用いてもよい。

また、上述した各実施形態の生成ガス管８０の上流端８０ａに、耐摩耗材を設けることとしても良い。生成ガス管８０の上流端８０ａに耐摩耗材を設けることによって、生成ガス管８０の摩耗を抑制することができる。耐摩耗材としては、例えば、セラミックス等を用いてもよい。

また、生成ガス管８０の拡径部８０ｂとして、本実施形態ではベルマウス形状とすることとしたが、滑らかに拡径する形状であればベルマウス形状に限定されるものではない。また、生成ガス管８０の上流端８０ａがガス化炉壁１１１より内部側に突き出していれば良く、拡径部８０ｂを設けずに例えば上流端８０ａを拡径させずに天井部１１１ａより内部側の鉛直下方へ、または天井部１１１ａに連結する側部１１１ｂより内部側へ突き出した直管形状としても良い。

また、上述した各実施形態では、燃料として石炭を使用したが、高品位炭や低品位炭など他の炭素含有固体燃料であっても適用可能であり、また、石炭に限らず、再生可能な生物由来の有機性資源として使用されるバイオマスであってもよく、例えば、間伐材、廃材木、流木、草類、廃棄物、汚泥、タイヤ及びこれらを原料としたリサイクル燃料（ペレットやチップ）などを使用することも可能である。

また、上述した各実施形態はガス化炉１０１として、タワー型ガス化炉について説明してきたが、ガス化炉１０１の下流側が下方に折れ曲がる逆Ｕ字形のクロスオーバー型ガス化炉でも、第２実施形態のようにガス化炉壁１１１の側部１１１ｂから生成ガス管８０を挿入する形式であれば同様に適用することができる。

１０ 石炭ガス化複合発電設備（ガス化複合発電設備）
１１ 給炭設備
１１ａ 給炭ライン
１４ ガス化炉設備
１５ チャー回収設備
１６ ガス精製設備
１７ ガスタービン
１８ 蒸気タービン
１９ 発電機
２０ 排熱回収ボイラ
４１ 圧縮空気供給ライン
４２ 空気分離設備
４３ 第１窒素供給ライン
４５ 第２窒素供給ライン
４６ チャー戻しライン
４７ 酸素供給ライン
４９ ガス生成ライン
５１ 集塵設備
５２ 供給ホッパ
５３ ガス排出ライン
６１ 圧縮機
６２ 燃焼器
６３ タービン
６４ 回転軸
６５ 圧縮空気供給ライン
６６ 燃料ガス供給ライン
６７ 燃焼ガス供給ライン
６８ 昇圧機
６９ タービン
７０ 排ガスライン
７１ 蒸気供給ライン
７２ 蒸気回収ライン
７４ ガス浄化設備
７５ 煙突
８０ 生成ガス管
８０ａ 上流端
８０ｂ 拡径部
８０ｃ エキスパンション部
８１ 吊下管
８２ フレーム材
８３ 炉壁管
８５ 集合管
１０１ ガス化炉
１０２ シンガスクーラ（熱交換器）
１１０ 圧力容器
１１１ ガス化炉壁
１１１ａ 天井部
１１１ｂ 側部
１１５ アニュラス部
１１６ コンバスタ部
１１７ ディフューザ部
１１８ リダクタ部
１２１ ガス排出口
１２２ スラグホッパ
１２６ バーナ
１２７ バーナ
１３１ 蒸発器
１３２ 過熱器
１３４ 節炭器
１５４ 内部空間
１５６ 外部空間
ｈ 突出量
Ｇ 生成ガス流れ

Claims (10)

1. 炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉でガス化された生成ガスが流通する筒形状とされたガス化炉壁と、
   前記ガス化された生成ガスを前記ガス化炉壁の外部へ導く生成ガス管と、
   を備え、
   前記生成ガス管の上流端は、前記ガス化炉壁から内部側に突出し、
   前記生成ガス管の前記上流端は、ベルマウス形状とされているガス化炉設備。
2. 炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉でガス化された生成ガスが流通する筒形状とされたガス化炉壁と、
   前記ガス化された生成ガスを前記ガス化炉壁の外部へ導く生成ガス管と、
   を備え、
   前記生成ガス管の上流端は、前記ガス化炉壁から内部側に突出し、
   前記生成ガス管の前記上流端を冷却する冷却手段を備えているガス化炉設備。
3. 前記生成ガス管の前記上流端は、前記ガス化炉壁の天井部から鉛直下方に向けて挿入されている請求項１又は２に記載のガス化炉設備。
4. 前記天井部は、水平方向に延在する平坦形状とされている請求項３に記載のガス化炉設備。
5. 前記生成ガス管の前記上流端は、前記ガス化炉壁の側部から挿入されている請求項１又は２に記載のガス化炉設備。
6. 前記生成ガス管の前記上流端は、前記ガス化炉壁の前記側部の周囲の複数箇所から挿入されている請求項５に記載のガス化炉設備。
7. 前記生成ガス管の前記上流端には、耐摩耗材が設けられている請求項１から６のいずれかに記載のガス化炉設備。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載のガス化炉設備と、
   前記ガス化炉設備で生成した生成ガスの少なくとも一部を燃焼させることで回転駆動するガスタービンと、
   前記ガスタービンから排出されるタービン排ガスを導入する排熱回収ボイラで生成した蒸気により回転駆動する蒸気タービンと、
   前記ガスタービンおよび／または前記蒸気タービンと連結された発電機と、
   を備えているガス化複合発電設備。
9. 炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉でガス化された生成ガスが流通するガス化炉壁と、
   前記生成ガスを前記ガス化炉壁の外部へ導く生成ガス管と、
   を備えたガス化炉設備の製造方法であって、
   前記生成ガス管の上流端を、前記ガス化炉壁から内部側に突出させて設置し、
   前記生成ガス管の前記上流端は、ベルマウス形状とされているガス化炉設備の製造方法。
10. 炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉でガス化された生成ガスが流通するガス化炉壁と、
    前記生成ガスを前記ガス化炉壁の外部へ導く生成ガス管と、
    を備えたガス化炉の生成ガスの排出方法であって、
    前記生成ガス管の上流端を、前記ガス化炉壁よりも内部側に突出させて設置し、
    前記生成ガス管の前記上流端は、ベルマウス形状とされている生成ガスの排出方法。

Images