JPH02113091A - 噴流層石炭ガス化炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は石炭を熱分解および部分酸化によりガス化し、
燃料あるいは化学用原料ガスを製造する装置に係り、特
にその装置の負荷変動に対応性の良い噴流層石炭ガス化
炉に関する。

〔従来の技術〕

石炭は豊富な埋蔵量を持つ有用なエネルギー源であるが
、固体であり、がっ燃焼後に灰となる成分を多く含有す
るため１石油や天然ガスに比べ、その利用分野が限定さ
れている。しかし、この石炭をガスや液に転換すれば、
利用分野が大幅に広がり有益なエネルギー源となり得る
ため、各国で石炭の流体化技術が開発されている０本発
明に係る石炭ガス化装置は、細かく砕いた石炭を酸化剤
（酸素あるいは空気）と共に高温のガス化炉へ供給し、
そこで、砕いた石炭を部分酸化反応させて。

一酸化炭素と水素を主成分とする可燃性ガスを生成とす
るものである。

この生成ガスは、工業用燃料、あるいはガスタービンに
よる発電用燃料等のエネルギー源、および水素、一酸化
炭素を出発点とする化学産業用原料として使用される。

この石炭ガス化装置の主機器である石炭ガス化炉内では
、ガス化反応によりガスが生成されると共に、石炭中の
灰分は溶融しスラグ状態となる６石炭ガス化炉を安定に
稼動させるには、このスラブを連続的に炉外へ排出しな
ければならないが、このためスラブの流動状態を保つた
めに、常に石炭ガス化炉内の温度を高温に保持する必要
があり通常１４００℃から１６００℃の非常に高い温度
域で石炭ガス化炉は操作される。この温度域では、石炭
ガス化炉本体を構成する材料の寿命は極めて短かく、こ
のためいろいろ工夫がなされているが、最も好適な構造
は１石炭ガス化炉本体の内壁に沿って水冷管であるボイ
ラ管で構成されたメンブレンウオールを設けその内側面
に耐火材をライニングする方式がとられている。

第５図〜第７図により従来の噴流層石炭ガス化装置につ
いて説明する。第５図はその装置の全体図、第６図、第
７図はそれぞれ石炭ガス化炉のガス化部の縦断面図、横
断面図である。石炭供給ホッパ１から気流搬送された石
炭は石炭供給うイン１４を通して石炭ガス化炉２のガス
化部３に供給され１石炭の一部を燃焼させ、その燃焼熱
により石炭ガス化反応を起し、Ｇｏ、Ｈ，を主成分とす
るガスを生成する。

石炭ガス化炉２は下部をガスを生成するガス化部３とし
、上記をそのガスの熱を回収する熱回収部４として、石
炭ガス化炉２の内側壁はボイラ水を導通するボイラ管２
４ａからなるメンブレンウオール２４で覆われており、
さらにガス化部３ではそのメンブレンウォール２４下半
部の内壁面が耐火材でライニングされて耐火壁１８を形
成している。ガス化部３で生成されたガスは、ボイラ管
２４ａのメンブレンウオール２４の上半部からなる熱回
収部４に入り、そこでボイラ管２４ａを導通するボイラ
水に熱を吸収され、ガス自身は炉外のサイクロン６、熱
回収熱交７、集じん装置９゜水洗塔１０および脱硫装置
１１を通して燃料または原料として取出される。またボ
イラ管２４ａ中のボイラ水は前記ガスの輻射伝熱により
スチームを発生しボイラドラム３に入り、そこで凝縮さ
れて、再びメンブレンウォール２４下部に流入されて、
ガス化部３の耐火壁１８を冷却して熱回収部へと回流す
る。一方、燃焼した石炭の灰分は、溶融状態となり耐火
壁１８をったって流下しガス化部３の下部の水中に滴下
し水砕スラグとなって炉外へ取出される。上記の方式で
は、耐火壁１８の温度はメンブレンウオール２４の冷却
効果によす石炭灰の溶融温度以下となるため、スラブの
耐火ｖ、１８との接触部は固化し、スラグ固化層１９が
生成し、耐火材の役割をなす、スラグの固化層１９厚み
がある厚さとなると、高温ガス接触部のスラグは溶融温
度以上となり、流化状況を保つ、このスラグ固化層１９
の厚みは、ガス化部３の温度とメンブレンウオール２４
の冷却効果とのバランスによって決まってくるが、スラ
グ固化Ｎ！Ｊ１９の厚みが増すとガス化部３の容積を減
少させ、石炭ガス化炉２の能力低下を招く。さらに、ス
ラグ流出部分の閉塞等を生じ、稼動が不可能になる。こ
のため、石炭の種類、供給量により、酸化剤の供給量を
増減して、スラグが流出する条件を保持することになる
。しかしながら、酸化剤の増加は、不活性なガスの二酸
化炭素の発生量を増大させ、石炭の発熱量の低下、石炭
から生成ガスへのエネルギーの転換率の低下を招くもの
で最も少ない酸化剤での操業が望ましい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように従来技術では、メンブレンウォール２４の
ボイラ管２４ａには、ボイラー水を通し蒸気を発生する
方式をとっている。所定の石炭の種類および、供給量に
対して、最適な酸化剤量を得るよう石炭ガス化炉２のボ
イラ管２４ａ定格負荷に対して設計される。このボイラ
水による水冷管方式は伝熱面積および、ボイラ水温度は
一定であるため、このボイラ管２４ａヘガスから移動す
る熱量もほぼ一定となる。このため石炭供給量を低下さ
せると、ボイラ管２４ａへの移動熱量の石炭ガス化炉２
内での発生熱量に対する比率が増加し、ガス化温度の低
下を招き、スラブ同化層１９の増加により、溶融スラグ
の流出口の閉塞トラブルにつながる。すなわち、低負荷
の運転に対しては、伝熱面積過大の状況になり、これは
ガス化炉の安定操業を不可能にする要因である。

対応としては、酸化剤の供給量を増して、ガス化温度の
上昇をはかるが、前述の如く発熱量の低下、エネルギー
転換率低下すなわちガス化効率の低下を招き、石炭ガス
化装置としての本来の性能を満足することが出来なくな
る。すなわち、従来の石炭ガス化装置は、通常、設計条
件での定格負荷運転を前提としているため、負荷低下に
対しての対工６が困難であり、不経済な運転を行なうこ
とになる。

しかしながら、発電用の石炭ガス化装置では、電力需要
の変動に伴い、石炭ガス化炉の負荷変動が効率的に行な
えるものでなくてはならない。又、化学原料用等の他用
途向のガス化装置においても。

需要に応じた負荷での運転が出来るガス化装置は、大き
なメリットを生む。

本発明の目的は、これらの問題点を解決し、高いガス化
効率をもって負荷変動に対して容易に対応できる石炭ガ
ス化装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

石炭等の化石燃料を熱分解および酸素との反応により水
素、一酸化炭素を主成分とするガスに変換するガス化部
と前記ガスの熱を回収する熱回収部とからなる噴流層石
炭ガス化炉において、前記ガス化部を、耐火壁と、該耐
火壁を該耐火壁の外周から冷却する第１熱媒体を導通す
る冷却管からなるガス化部メンブレンウオールとから構
成し、前記第１熱媒体を第２熱媒体で熱交換して冷却す
る冷却装置と、前記第２熱媒体を供給する第２熱媒体供
給装置と、前記ガス化部内の温度を検出する温度計と、
前記第２熱媒体の流量を前記温度計の検出信号を基に制
御する第２熱媒体流量制御装置とからなる冷却系を具備
したことを特徴とする噴流層石炭ガス化炉により、上記
問題は解決される。

〔作用〕

ガス化部への石炭供給量を定格負荷時より減少させた場
合、石炭の発熱量が減少し冷却管からなる第１メンブレ
ンウオールへの移動熱量の石炭発熱量に対する比率が増
大してガス化部の温度は低下し、ガス化反応を低下させ
る。この温度を検出する温度計は温度低下に応じて低い
検出値を出力し、第２熱媒体流量制御装置は前記検出値
を入力してその値を基に第２熱媒体供給装置からの第２
熱媒体の流量を減少させ、冷却装置は減量した第２熱媒
体を供給されるためガス化部メンブレンウオールからの
第１熱媒体の冷却を抑制し、この第１熱媒体が再びガス
化部メンブレンウオールに回流した時、ガス化部の耐火
壁の冷却効果を減じ、その結果、ガス化部の温度を上昇
させ石炭のガス化反応を促進させることになる。また、
逆にガス化温度が過度に上昇した場合は、温度計は高い
検出値を出力し、第２熱媒体流量制御装置は第２熱媒体
を増加して第１熱媒体の冷却を強化し、その結果、ガス
化部の温度を下げることになる。

〔実施例〕

本発明を実施するに最も好適な石炭ガス化装置の一例の
全体フローを第１図に示す。又、本発明になる噴流層石
炭ガス化炉のガス化部構造およびその冷却系の模式図を
第２図にガス化部の横断面を第３図に示す。

石炭供給ホッパ１から気流搬送された石炭は、石炭供給
ライン１４を通して、噴流層石炭ガス化炉２の（以後石
炭ガス炉２という）下部のガス化部３に供給される。同
時に酸素あるいは酸素を含む酸化剤が酸化剤供給ライン
１３を通して供給され、石炭の一部を燃焼させその熱量
により１石炭のガス化反応を起こし、Ｃ○、Ｈ２からな
るガスを生成する。このガス化部３は、１４００℃〜１
６００℃の高温で操作され、石炭中の灰分は溶融状態と
なりガス化部３の壁面を流下し、ガス化部３下部の水中
に滴下し、水砕スラグとなり、炉外へ取出される。高温
のスラグが流下するガス化部３の壁面は、高温のスラグ
に耐えるものとするため冷却管１７ａで構成したガス化
部メンブレンウオール１７の内側面に耐火材を内張すし
て形成した耐火壁１８で構成している。この構造は耐火
壁の温度を耐用温度以下に保つ構造として好適なことは
良く知られている。一方、ガス化されたガスは石炭ガス
化炉２上部の水冷管なるボイラ管２４ａからなる熱回収
部メンブレンウオールで構成されに熱回収部４に入り、
ガスの輻射伝熱により。

ボイラ管２４ａ中でスチームを発生させ、そのスチーム
はボイラドラム５を介して取り出され、ガス自身は冷却
され、サイクロン６に入り、サイクロン６で同伴の石炭
チャーを分離後、熱回収熱交７でさらに熱回収され、集
塵装置９で脱塵、水洗塔１０で水洗、脱硫装置１１で脱
硫処理され生成ガスとなる。補集分離された石炭チャー
は、石炭ガス化炉２ヘリサイクルされ、さらにガス化処
理される。

本発明になる石炭ガス化炉２は、ガス化部３にガス化部
メンブレンウオール１７を、熱回収部には熱回収部メン
ブレンウオール２４を有しており、これらメンブレンウ
オール１７．２４は互いに分離されたものである。ガス
化部３のガス化部メンブレンウオール１７は、その冷却
管としてヒートパイプ１７ａの蒸発部（以後ヒートパイ
プ吸熱部という）１７ａ１で構成され、このガス化部メ
ンブレンウオール１７の内側面に耐火壁１８が形成され
ている。ヒートパイプ吸熱部１７ａ１は炉外に設置され
た冷却装置１２を構成するヒートパイプの凝縮部（以後
ヒートパイプ冷却部という）１７ａ２に往復２本の配管
で接続されており、このヒートパイプ１７ａ中には水等
の作動流体が第１熱媒体として封入されている。この作
動流体は、ヒートパイプ吸熱部１７ａ１において耐火壁
１８から熱を吸収し前記配管を通じて冷却装置１２のヒ
ートパイプ冷却部１７ａ２に流れる。冷却装置１２では
、ヒートパイプ冷却部１７ａ２の作動流体は酸化剤供給
ライン１３からバイパスして供給されてきた第２熱媒体
としての酸化剤により冷却され、それからガス化部メン
ブレンウオール１７のヒートパイプ吸熱部１７ａ□に回
流する。酸化剤供給ライン１３の前記バイパスには、流
量制御弁２２ａを含む第２熱媒体流量制御装置２２を設
置し、この第２熱媒体流量制御装置２２が、ガス化部３
の下部に設置されに温度計２３からの信号により、第２
熱媒体としての酸化剤の流量と調整するようになってい
る。ここで加熱された酸化剤はガス化炉２へ石炭と共に
供給される。また、ここでは第２熱媒体として常温の酸
化剤を用いているので、酸化剤供給ライン１３に設置さ
れた酸化剤供給装置２５が第２熱媒体供給装置を兼ねて
いることになる。尚、この第２熱媒体は特に、酸化剤に
限るものではなく、他の熱媒体を他の熱媒体供給ライン
から供給しても良い。酸化剤を用いる場合は、ここでの
熱ロス分を酸化剤の顕熱として。

ガス化炉のリサイクル出来るので、熱効率のロスが抑え
られるメリットがある。

一方、ガス化部３に供給された石炭と酸化剤が高温でガ
ス化されると、石炭中の灰分は溶融状態のスラグとなり
、耐火壁１８表面に付着し、耐火壁接触部では、そのス
ラグの温度が低下しスラグ固化層１９を形成する。さら
にこのスラグ固化層１９のガス接触部にあるスラグは、
流動状況を保ち、耐火壁面１８にそって流下するスラグ
流下層２０を形成する。しかるに、石炭の供給量を低下
させると、ガス化部３での燃焼による総発熱量が減少す
るにかかわらず耐火壁１８面がらヒートパイプ１７を通
して冷却装置１２へ移動する熱量は、一定であるので、
ガス化部３の温度が低下し、スラグ流下層２０の温度も
低下し、粘度の上昇もしくは、固化にいたり、スラグの
排出が出来なくなるが、この温度の低下を温度計２３で
検出し、この検出信号により第２熱媒体流量制御装置２
２が流量制御弁２２ａの酸化剤の流量を絞るように制御
して、冷却装置１２での冷却熱量を減少させる。

すると、ヒートパイプ中の圧力および温度の上昇がおこ
リヒートパイプ吸熱部１７ａ１の温度も上昇するため、
ガスからヒートパイプ吸熱部１７ａ１への移動熱量も減
少し、ガス化部３の温度低下を抑制し、スラグの固化を
防止する。従来のガス化部と熱回収部のメンブレンウオ
ールを一体とした方式では、ボイラ水の温度が一定にな
るため、この実施例のように温度上昇によりスラグ固化
を防止することが出来ない。このため、酸化剤の石炭に
ゼする比率を増加させ部分燃焼割合を増加し対応してい
たが、ＣＯ□量の増大を招き、ガスの発熱量の低下、熱
効率の低下を招く。この実施例によれば、酸化剤の石炭
に対する比率を上げることなく、石炭ガス化炉を低負荷
で安定して運転を行なうことが出来るようになる。

又１本実施例では、第２熱媒体に酸化剤を用いたが、酸
化剤を用いると、酸化剤へ移動した熱量はガス化炉ヘリ
サイクルされるので、熱効率のロスを抑えることが出来
る。

さらに、ガス化部をガス化部メンブレンウオールとその
内側面に内張すされた耐火壁で、熱回収部をガス化部メ
ンブレンウオールとは分離した熱回収部メンブレンウオ
ールで構成したことにより。

最も厳しい条件にさらされるガス化部の補修が単独に実
施できるので、定期補修、メンテナンスが容易になる。

また、ヒートパイプの吸熱部と冷却部間の熱伝達は非常
に速いので、ヒートパイプを用いることによりガス化部
の温度制御の応答性が良くなるという効果もある。

前記実施例で用いたヒートパイプ、冷却装置、温度計等
からなる冷却系の適用は、噴流層石炭ガス化炉に限られ
るものではなく、炉中の反応のより生じた生成物が耐火
壁に付着して運転トラブルを起こすような反応炉あるい
は燃焼炉等に応用可能であることは勿論である。その−
例として、第４図に示すサイクロンボイラについて説明
する。

第４図において、石炭供給ライン１４を通して供給され
た石炭と１次空気ライン１３を通して供給された１次空
気は、石炭バーナ１０５により着火して燃焼炉１０２の
燃焼部１０３に入り、そこで２次空気ライン１１７を通
して送給された２次空気のサイクロン効果により完全燃
焼するとともに石炭灰のスラグを生成する。このサイク
ロンボイラの運転においては、サイクロン効果を保つた
めに、燃焼用空気はほぼ、一定の供給量とし、負荷を低
下する場合は、石炭供給量の減少のみで対応するが、こ
の際、熱量不足により燃焼部の温度低下、スラグの流下
不良を起こし、負荷低下が困戴である問題があった。こ
の問題は、燃焼部１０３を構成する耐火壁１０６にヒー
トパイプ吸熱部１７ａ□を埋め込み、そのヒートパイプ
吸熱部１７ａ工は炉外に設置された冷却装置１２を構成
するヒートパイプ冷却部］、７ａ、に２本の配管で接続
し、冷却装置１２でヒートパイプの作動流体を冷却する
ことにより、解決できる。

さらに詳しく説明する。ヒートパイプ中の作動流体はヒ
ートパイプ吸熱部１７ａ１において耐火壁１８から熱を
吸収して前記配管を通じてヒートパイプ冷却部１７ａ２
に流れる。ヒートパイプ冷却１７ａ２の作動流体は、冷
却装置１２内で、誘引通風ファン１１５がら空気予熱器
１０７を介して導入された冷却媒体としての１次空気に
より冷却された後、再びヒートパイプ吸熱部１７ａ１に
回流する。１次空気ライン１３には流量制御弁２２ａを
含む一次空気流量制御装置ｆ！２２を設置し、この−次
空気流量制御袋１ｉＷ２２は燃焼部１０３の温度を測定
する温度計２３からの信号によって一次空気流量を制御
するようになっている。

いま、石炭供給量を減少させて低負荷でサイクロンボイ
ラを運転したとすると、熱量の不足により燃焼部１０３
の温度が低下し、スラブ２０の流下不良を生じる恐れが
でてくる。この時、温度計２３は、その温度低下を検知
し、その検知信号により一次空気流量制御装置２２が流
量制御弁２２ａの一次空気流量を絞るように制御して、
冷却装置１２での冷却熱量を減少させる。するとヒート
パイプ中の圧力および温度の上昇が起こり、ヒートパイ
プ吸熱部１７ａ工の温度も上昇するため。

燃焼部１０３から耐火壁１０６を通してヒートパイプ吸
熱部１７ａ１への移動熱量も減少し、燃焼部１０３の温
度低下を抑制してスラグ２０の流下不良を防止すること
になる。

かくしてヒートパイプを用いて、燃焼炉からヒートパイ
プへの移動熱量を負荷に応じて、調整することにより、
サイクロンボイラの安定運転が低負荷でも可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、噴流層石炭ガス化炉は、そのガス化部
を、耐火壁と、その耐火壁を外周面から冷却する第１熱
媒体を導通する冷却管からなるガス化部のメンブレンウ
オールとから構成し、第１熱媒体を第２熱媒体で冷却す
る冷却装置と、第２熱媒体供給装置と、第２熱媒体流量
制御装置と、ガス化部の温度計とからなる冷却系を備え
て、その冷却系によって、ガス化部の温度を基に第２熱
媒体の流量を調整し、第１熱媒体の温度を制御し。

耐火壁を介して第１熱媒体への石炭発熱量の移動熱量を
制御し、ガス化部の温度を石炭ガス化の適正温度に制御
できるので、噴流層石炭ガス化炉の負荷変動変動に対し
て高いガス化効率をもって容易に対応できるという効果
があり、例えば石炭供給量を低下させた場合でも石炭ガ
ス化効率の低下を抑えて噴流層石炭ガス化炉を安定して
運転することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の噴流層石炭ガス化炉を用いた石炭ガス
化装置の全体図、第２図は本発明の噴流層ガス化炉のガ
ス化部の構造とその冷却系の模式図、第３図はガス化部
の横断面図、第４図はサイクロンボイラに実施例の冷却
系を応用した例：第５図は従来の噴流層石炭ガス化装置
の全体図、第６図は従来の噴流層石炭ガス化炉のガス化
部縦断面図、第７図は第６図の横断面図である。 ２・・・噴流層石炭ガス化炉、３・・・ガス化部、４・
・・熱回収部、１２・・・冷却装置、１７・・・ガス化
部タンブレンウオール、１７ａ・・・冷却管、１８・・
・耐火壁、２２・・・第２熱媒体流量制御装置、２３・
・・温度計、２４・・・熱回収部メンブレンウオール、
２４ａ・・・水冷管、２５・・・第２熱媒体供給装置。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）石炭等の化石燃料を熱分解および酸素との反応に
   より水素、一酸化炭素を主成分とするガスに変換するガ
   ス化部と前記ガスの熱を回収する熱回収部とからなる噴
   流層石炭ガス化炉において、前記ガス化部を、耐火壁と
   、該耐火壁を該耐火壁の外周から冷却する第１熱媒体を
   導通する冷却管からなるガス化部メンブレンウォールと
   から構成し、前記第１熱媒体を第２熱媒体で熱交換して
   冷却する冷却装置と、前記第２熱媒体を供給する第２熱
   媒体供給装置と、前記ガス化部内の温度を検出する温度
   計と、前記第２熱媒体の流量を前記温度計の検出信号を
   基に制御する第２熱媒体流量制御装置とからなる冷却系
   を具備したことを特徴とする噴流層石炭ガス化炉。
2. （２）前記ガス化部メンブレンウォールをヒートパイプ
   の蒸発部により構成し、前記冷却装置内の前記第１熱媒
   体の導通部分を前記ヒートパイプの凝縮部により構成し
   、該ヒートパイプの作動流体を前記第１熱媒体としたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の噴流層石炭
   ガス化炉。
3. （３）前記熱回収部を冷却水を導通する水冷管からなる
   熱回収部メンブレンウォールから構成し、該メンブレン
   ウォールは前記ガス化部メンブレンウォールとは分離し
   て構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は
   第２項記載の噴流層石炭ガス化炉。