JPH0459355B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、噴流層石炭ガス化炉における石炭ガ
ス化方法の改良に関するものである。

〔発明の背景〕

現在、石炭を高効率でガス化し、その生成ガス
によりガスタービン及びスチームタービンを駆動
させて発電を行うコンバインドサイクル発電シス
テムの開発が行われている。その中で、石炭のガ
ス化を行う噴流層石炭ガス化炉は、次の特長を有
している。

(1) 炉内を灰の融点以上の温度に高めるので、石
炭中の灰分を溶融状態のスラグとし系外に排出
できる。スラグはガラス質であり有害物質を閉
じ込めることができるので、環境上好適な灰の
処理が可能である。

(2) 炉内を高温に保つために微粉状石炭（以下微
粉炭と称す）のガス化反応が速やかに行なわれ
るのでカーボンガス化率が高い。また、タール
を発生させないので、これに伴うトラブルを抑
制できる。

このような噴流層の開発にあたつて本発明者等
はすでに１室２段反応型ガス化炉を提案してい
る。

これは、ガス化剤（酸素、空気等）と微粉炭を
炉の上下で２分割して供給し、上段では酸素の石
炭に対する割合を低くし、石炭に含まれる灰分の
融点以下の温度に保ち、反応性に富む活性チヤー
を生成させる。一方下段では、酸素の石炭に対す
る割合を高くし、CO₂・H₂Oに富む高温ガスを発
生させる。そしてこれらを効率良く接触させるこ
とによりガス化反応を進めるものである。

更に、微粉炭を供給するバーナを、炉の接線方
向に向けて炉内にガスの旋回流を形成させる。そ
の際、炉内に軸に対し垂直な円を仮想し（以後単
に仮想円と呼ぶ）、その接線方向にバーナを配置
するが、その仮想円の径を、下段より上段を大き
くし壁近傍に強い粒子の下降流を形成させる。こ
れにより上段より供給した微粉炭から生成した活
性チヤーが炉内を上下に往復して活性チヤーの炉
内滞留時間が長くなり、ガス化効率が向上する。

しかし、発電を目的とした噴流層には負荷変動
性が要求される。すなわち、発電状態に応じて、
30〜100％の範囲で負荷を変化させた際にも等し
く高いガス化効率が得られねばならない。これに
対し粒径の小さな微粉炭は、反応完結に要する時
間が短い反面、ガスに同伴され易く、未反応のま
ま系外に排出され、カーボンガス化率を低下させ
る原因となる。特に低い負荷量において、炉内ガ
スの旋回に粒子が同伴されることにより微粉炭に
生じる遠心力が弱まり、ある程度、径が大きい粒
子までガスに同伴され飛散してしまう。従つて特
に低負荷時における効率の低下が従来型の問題点
であつた。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その
目的とするところは、低負荷時にもガス化効率が
高い石炭ガス化方法を供給することにある。

〔発明の概要〕

旋回型ガス化炉では、バーナを炉に対して接線
方向に向けてあり微粉炭及び搬送用ガス、ガス化
剤は炉内に旋回流を形成する。更に炉上面のガス
出口径を炉径に比して小さくすることにより炉内
はサイクロンに似た形状になる。すなわち、ガス
に同伴された粒子は、炉内を旋回し、遠心力が加
えられるためガス流れと分離される。そして粒子
は壁付近に押しやられて保持され、結果として炉
内に捕集される。そしてこの遠心力は負荷量に比
例するガス量の２乗に比例するが、粒子を系外に
排出するガスの抗力は負荷量に比例する。従つて
負荷量の増大に伴いガスの抗力より遠心力が大き
くなりより大粒径な微粉炭を捕集できる。以上の
事項は次に示す実験結果より明らかとなつた。

第１図に、粒径20μｍから100μｍの粒子の負荷
量と粒子滞留時間の関係を示す。いずれの粒径で
も定性的な傾向は等しく、負荷量の増大に伴い粒
子滞留時間は減少するが、ある特定の負荷量以上
では逆に増大する傾向にある。そして、さらに負
荷量を増大させると粒子滞留時間は無限大にな
る。すなわち、粒子に加わる遠心力がガスの抗力
より大きくなり、炉内に捕集されることを示して
いる。また、粒径の増大に伴い、このように粒子
が捕集される負荷量が小さくなる。これは、粒子
に加わる遠心力が粒径の３乗に比例するのに対
し、ガスの抗力が粒径の２乗に比例するために、
粒径の増大に伴い粒子を炉内に留める遠心力が、
系外に排出させるガスの抗力より大きくなるので
低負荷で捕集できるためである。以上のような粒
子滞留時間の負荷特性から低負荷時にも高効率な
旋回型噴流層を用いた微粉炭のガス化方法を発明
した。

第２図は本発明の原理を示す。炉上部は微粉炭
に対する酸素の割合を小さくするので、ガス化反
応が遅く、完全にガス化するためには粒子滞留時
間を長くする必要がある。また、炉の下部は、微
粉炭に対する酸素の割合を大きくするので、速や
かに反応が終結するので粒子滞留時間は短くてす
む。このような特性に対し、微粉炭を分級しない
従来型の噴流層では、微粉炭の平均滞留時間は、
破線のような傾向を示す。ここで問題となるの
は、上段及び下段に供給する微粉炭の平均粒径が
等しいので、上段及び下段における粒子滞留時間
が等しくなつてしまうことである。すなわち、下
段より供給した粒子が反応終結に必要な時間に比
べて粒子滞留時間が十分に長いのに対し、上段よ
り供給した粒子は長い滞留時間が必要であるの
に、粒子滞留時間が下段と等しいのは好ましくな
い。特に、上段より供給する径の小さな粒子には
遠心力が小さいため、未反応のまま飛散する可能
性が大きく、これが炉のカーボンガス化率を低下
させている。

そこで、粒径の大きな微粉炭は上段から供給し
粒径の小さな微粉炭は下段に供給することにより
第２図に示すように上段から供給する粒子は径が
大きいために広い負荷範囲で炉に捕集される。従
つて上段より供給する粒子は完全にガス化され
る。また、下段より供給する粒子の径は小さいの
で、滞留時間が短くなるが、下段付近は高酸素雰
囲気なので短い滞留時間でも反応は完結する。従
つて、負荷を変動させても、上段より供給した粒
子は完全に捕集されるので、小粒径のものが飛散
してカーボンガス化率を低下させることはない。
すなわち、低負荷時にも効率を低下させない、負
荷変動に好適な微粉炭のガス化を行うことができ
る。

一方、微粉炭の分級方法は様々あるが、最も簡
便な方法としてサイクロンがある。このサイクロ
ンはガス化炉内で粒子が捕集されるのと同様な原
理で微粉炭を分級する。そこで、ガス化炉内で粒
子が捕集されるのと同様な条件でサイクロンを設
計し微粉炭搬送管に設置し、サイクロンで捕集さ
れるものは上段から、それ以外のサイクロンを通
過したものは下段から供給する。粒子を炉内に捕
集する力である遠心力は、入口速度の２乗を炉径
で割ることにより求められるので、サイクロンの
出口径に対する塔径の割合を、ガス化炉における
ガス出口径に対する炉径の割合と等しくし、上段
バーナからの吹出し速度と、サイクロンの入口速
度を等しくすることにより、サイクロンと炉の粒
子捕集能力を等しくできる。従つて、このような
サイクロンを用いることにより、上段に供給され
る微粉炭は完全に捕集されるので、微粉炭中の密
度のばらつき等により粒径が大きくても密度が軽
い粒子が上段に供給されて飛散するという可能性
がなくなる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図乃至第５図に
より説明する。

分級器２は、微粉炭１を粒径の大きな微粉炭１
と粒径の小さな微粉炭に分割する。前記分級器２
は微粉炭供給設備（図示せず）とガス化装置１２
を結ぶ微粉炭搬送管に設置している。そして粒径
の大きな微粉炭１′は上段バーナ４に、粒径の小
さな微粉炭１″は下段バーナ５夫々に供給してい
る。上段バーナ４には小量の酸素３′が、また、
下段バーナ５には大量の酸素３″が送られる。噴
流層ガス化装置１２は、上部の熱回収ゾーン１
０、その直下のガス化炉６、更にその下部の水層
８より構成している。ガス化炉６の水槽８と連通
する下面及び熱回収ゾーン１０と連通する上面の
径はガス化炉６の径に比べて小さく形成してい
る。上段バーナ４及び下段バーナ５は、軸に対し
て接線方向に向け、炉内に仮想した円（仮想円）
に接するよう設置されている。そして上段バーナ
４の作る仮想円径を下段バーナ５の作る仮想円径
５に比べて大きく形成している。また、７はスラ
グタツプ孔、９は水槽８から抜出されたスラグで
ある。

次に本発明の動作を説明する。200メツシユ以
下80％に粉砕した微粉炭１を、分級器２により分
級して、粒径の大きな微粉炭１′と粒径の小さな
微粉炭１″に２分割するが、粉砕した微粉炭１の
重量平均粒径を境界として、分割した両者の重量
を等しくするように行う。粒径の大きな微粉炭
１′は、酸素３′と共に上段バーナ４からガス化炉
６に噴出する。また、粒径の小さな微粉炭１″は、
酸素３″と共に下段バーナからガス化炉６に噴出
する。酸素３の噴出は、上段バーナ４から噴出す
る酸素３′と下段バーナ５から噴出する酸素３″の
噴出量の和が、ガス化に最も適した量とし、下段
バーナ５から噴出する酸素５″の噴出量は、下段
バーナ５から噴出する微粉炭１″が部分燃焼する
のに必要な量よりも多くする。

上段バーナ４より噴出した微粉炭１′は、ガス
化炉６の上段付近が、低酸素雰囲気であるため、
部分的にガス化されて反応性に富む活性チヤーを
生成する。そして、この活性チヤーは、上段バー
ナ４より噴出した粒径の大きな微粉炭１′により
生成したために大粒径なので、ガス流れに乗り系
外に排出されることがなく、遠心力により炉壁近
傍に押しやられ、ガス化炉６に捕集される。

上段バーナ４の仮想円径を、下段バーナ５の仮
想円径５より大きくすることにより、周方向の速
度が上段と下段で大きく異なり、高さ方向に圧力
分布を生じる。下段バーナ５の仮想円径が小さい
ため中心付近で急勾配な圧力分布であり、特に炉
壁近傍でガズ化炉６上部の圧力が、下部の圧力よ
り高くなり、上段から下段に向かつてガスが流れ
る。このガス流れに乗り炉壁付近に捕集された活
性チヤーは下段へ移動する。

一方、下段バーナ５より噴出した微粉炭１″は、
ガス化炉６の下段付近が高酸素雰囲気であるため
速やかにガス化され、高温のCO₂、H₂Oに富むガ
スを発生させる。この高温ガスは、上段バーナ４
より噴出した微粉炭１′から生成した活性チヤー
と効率良く接触し、完全にガス化される。そし
て、ガス化炉６上面の出口より熱回収領域１０に
移動する。そして、その以後のガス精製等の設備
に適切な温度まで下げられ、生成ガス１１として
系外に排出される。

微粉炭１に含まれた灰分は、ガス化炉６の下段
付近が、灰の融点以上の高温なので溶融してスラ
グ状になり炉壁に付着する。そして炉壁を伝つて
ガス化炉６下面に設置したスラグタツプ孔７より
水槽８に滴下して急冷され、スラグ９として系外
に排出される。

第６図は第３図と異なる他の実施例を示すもの
であり、本実施例では分級器としてサイクロン２
Ａを使用したものである。サイクロン２Ａは、ガ
ス化炉６と捕集能力が等しくなるようにする。す
なわち、粒子に加わる遠心力をガス化炉６とサイ
クロン２Ａで等しくするが、遠心力は、入口速度
の２乗を炉径で割ることにより求められるので、
サイクロン２Ａの出口径に対する塔径の割合をガ
ス化炉６における出口径に対する炉径の割合と等
しくし、上段バーナ４での吹出し速度とサイクロ
ン２Ａの入口速度を等しくすることにより両者の
粒子に加わる遠心力が等しくなる。また、微粉炭
１の搬送管には流量計１３，１４を、酸素３の搬
送管には流量調節計１５，１６を設置する。

次に本実施例の動作を説明する。サイクロン２
Ａによつて分割された微粉炭１は搬送用気体１７
で搬送され、流量計１３，１４により供給量が測
定される。そしてその供給量に応じて酸素流量調
節計１５，１６によつて流量を調整して供給す
る。その設定値は、微粉炭１の供給量に対する酸
素供給量の比は、全体として最適値とし下段バー
ナ５から噴出する酸素３″を、上段バーナ４から
噴出する酸素３′よりも多くする。

〔発明の効果〕

本発明によれば、上段バーナより噴出した微粉
炭がすべてガス化炉に捕集され完全にガス化され
るので、低負荷時も高いガス化効率を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は粒子滞留時間に及ぼす負荷量、粒径の
関係を示す線図、第２図は本発明の原理を示す説
明図、第３図は本発明石炭ガス化方法に用いられ
る石炭ガス化装置の一実施例を示す縦断面図、第
４図は第３図のＡ−Ａ断面図、第５図は第３図の
Ｂ−Ｂ断面図、第６図は第３図と異なる石炭ガス
化装置の他の実施例を示す縦断面図である。 １……微粉炭、２……分級器、２Ａ……サイク
ロン、４……上段バーナ、５……下段バーナ、６
……ガス化炉、１２……ガス化装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炉上部に該炉の内径よりも小径のガス取出口
   を有するガス化炉の高さ方向に少なくとも２段の
   バーナを設け、該各段のバーナからそれぞれ石炭
   を旋回させて噴出し、上段バーナの石炭に対する
   酸素の割合を下段バーナの石炭に対する酸素の割
   合よりも小さくして石炭をガス化する石炭ガス化
   方法において、前記上段バーナから噴出形成する
   旋回流の径を前記下段バーナから噴出形成する旋
   回流の径よりも大きく形成して、前記上段バーナ
   からの旋回流を炉底部の方向に移動させ、前記上
   段のバーナから噴出させる石炭の平均粒径を前記
   下段のバーナから噴出させる石炭の平均粒径より
   も大とすることを特徴とする石炭ガス化方法。 ２ 前記２段のバーナに供給する石炭をサイクロ
   ンにより分粒し、このサイクロンの底部から抜き
   出した石炭を前記上段バーナに供給し、上部から
   抜き出した石炭を下段バーナに供給することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の石炭ガス化
   方法。