JPH0718266A - ガス化炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生成ガスの組成及び発熱量を全く変化させる
ことなく、生成ガスからの熱回収量の減少を抑制するガ
ス化炉とすること。 【構成】 ガス化炉の熱回収部１３の上部の生成ガスの
出口付近の縮小部３２に、伝熱管２５が形成する円筒の
直径の0．4倍の円錐状の抵抗体１７を配置して、生成ガ
スの流れが形成する柱状渦を減少させて、伝熱管２５近
傍の生成ガスの流速を増加させ、チャーが伝熱管２５に
付着するのを防いでいる。 【効果】 生成ガスの組成及び発熱量を変化させること
なく、柱状渦を減少させて、伝熱管近傍のガス流速を増
加して伝熱管にチャーを付着させることなく、熱回収量
の減少を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、石炭に代表される微粉
固体炭素質原料をガス化する気流層方式のガス化装置に
おいて、前記原料の未燃焼分が、生成ガスの熱を回収す
る伝熱管面に付着するのを防ぎ、伝熱管面の伝熱効率を
低下させずに熱を回収できるガス化炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、石炭などの固体炭素質原料をガス
化する炉の方式には、固定層、流動層、気流層等の各種
方式が提案されている。これらの方式の中で、気流層方
式は、原料を微粉にして酸素や空気などの酸化剤と共に
原料の灰の融点以上の温度（1300〜1600℃）の炉内に供
給して、原料中の可燃分をガスに、灰分をスラグに変換
する方式である。このため、他の方式に比較し気流層方
式は、ガス化効率が高く、適用炭種が広く、さらに、環
境適合性が優れているなどの特徴を有している。したが
って、この方式から取り出されたガスは、複合発電装置
及び燃料電池などの燃料や、合成ガスなどの原料の製造
に適しているので、国内あるいは国外で開発が進められ
ている。

【０００３】従来のガス化装置のブロック図を図９に示
す。石炭に代表される微粉炭素質固体原料を酸素や空気
等の酸化剤と共にバーナ８、９から原料の灰の溶融温度
以上の温度に保持されたガス化部１１に投入し、原料の
可燃分を水素及び一酸化炭素に富むガスに、灰分をスラ
グにそれぞれ変換する。スラグタップ２７から下方のス
ラグ冷却水１８の中に落下したスラグは温度差による熱
応力で水砕される。生成されたガスの熱は、輻射伝熱に
よって伝熱管２５と熱交換され、その後、生成ガスは生
成ガスライン１９を経て下流のサイクロン等の脱塵器に
至る。

【０００４】前記熱回収部１３の横断面を図１０に示
す。伝熱管２５は、管と平板とを溶接などで組み上げた
構造で、ガス化炉１０と同心で、かつ該ガス化炉１０の
内周面に沿って炉内周面との間に空間部２４をもって配
置された円筒状をなし、一般のボイラの水壁などに用い
られているメンブレンと呼ばれているものと同じ構造で
ある。生成ガスが通過する前記熱回収部１３の内部圧力
が数十気圧という高圧となるため、前記伝熱管２５は圧
力容器であるガス化炉１０の中に格納されている。さら
に、伝熱管２５とガス化炉１０との間の前記空間部２４
の圧力が、熱回収部１３の内部圧力より少し高めの圧力
となるようにパージガスを注入している。このことによ
り、硫化水素あるいは水蒸気を含む高温の生成ガスが空
間部２４へ流入するのを防いでいる。したがって、パー
ジガスライン３から注入するパージガスは窒素、炭酸ガ
ス、あるいは腐食性の硫化水素などを除去し精製された
生成ガスのリサイクルガスが用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ガス化部１１では一般
にガス化効率を高めるために、特開昭59−176391号公
報、特開昭59−86624号公報に示すように、バーナ８、
９の噴出方向をガス化部１１の中に仮想した円に接する
ように向けて配置し、バーナ８、９から噴出された原料
粒子の流れに強い旋回流を発生させて、前記原料粒子の
ガス化部１１内の滞留時間を増加させるようにしてい
る。ガス化部１１上部には生成ガスの流れを縮流する縮
流部２６が、また熱回収部１３の下部には前記縮流部２
６と同じ内径の絞り部３０が配置されている。生成ガス
の流れは、縮流部２６では強い旋回流となり、絞り部３
０から流出するときは、絞り部３０の内側面に沿う旋回
流となる。この他に、前記生成ガスの流れは、熱回収部
１３の中心部において柱状の渦の流れとなり、その一部
は柱状渦の中心を高速で流れるガスとなる。なお、この
柱状渦については、「自然の渦と工学における渦」（大
橋秀雄監訳、山口訳、145P、朝倉書店、1988年6月）
に、「柱状渦は、高速の旋回流の出口部が縮小している
と、軸方向の速度が加わるために発生する。」と記載さ
れている。

【０００６】このように絞り部３０から流出する生成ガ
スの一部は、熱回収部１３の中心で柱状渦を形成し生成
ガスライン１９出口に直接流れるので、伝熱管２５と十
分熱交換されない。さらに生成ガスの流れの一部は、柱
状渦を形成することによって、熱回収部１３で熱交換す
る伝熱管２５におけるガス流速も低くなる。したがっ
て、ガス化部で発生し、ガス化部から飛散する原料のチ
ャーを含んだガス流速は小さくなるため、さらにチャー
の粒径が１０μｍ以下と非常に小さいのでチャーの分子
間力、静電気力等の力が働くために、チャーが伝熱管２
５に付着する。その結果、付着したチャーが伝熱抵抗と
なるため、熱回収部１３における生成ガスの熱回収量を
低下させる。生成ガスの熱回収量が低下すると生成ガス
ライン１９を通過する生成ガスの顕熱が増加するので、
生成ガスのエネルギの回収が悪化する。さらに、生成ガ
スライン１９を通過するガスの温度が下降しないので後
続の機器にも悪影響を与える。

【０００７】石炭などの固体炭素質原料を燃焼して蒸気
を発生させる通常の常圧のボイラでも、該原料の未燃焼
分及び灰分が燃焼ガスとともに飛散し、輻射伝熱部ある
いは対流伝熱部に付着する。このようなときには、伝熱
部に蒸気を噴射して除去する方法がとられている。この
方法を、上述のガス化炉に適用してもガス化炉が数十気
圧の高圧であるため、付着物を除去する効果はあまりな
い。さらに生成ガス中に水蒸気を注入すると、水蒸気分
圧が増加するので水が一酸化炭素と反応して水素と二酸
化炭素になるシフト反応が進むので、生成ガスの組成が
変化してしまう。さらに水蒸気を添加すれば生成ガスの
単位容積あたりの発熱量さえも変化させてしまう。生成
ガスの発熱量を変化させないようにしようとすれば精製
したガス化による生成ガスを循環する案もあるが後続の
精製ガス工程からさらに数十気圧昇圧する必要があり、
特別の設備費用を必要としたり運転費用を著しく増加さ
せてしまう。

【０００８】なお、実開平2−87048号公報には絞り部出
口に旋回防止用のフィンを設置する考案が開示されてい
るが、絞り部を通過する時のガスの温度が高いので例え
ばフィンを水冷構造にするなどの冷却手段が必要である
し、チャーとともに飛散する溶融スラグがこのフィンに
付着、成長し、ガス流路を閉塞させる危険性が強い。ま
た、旋回流を打ち消すと伝熱管近傍のガス流速が低下す
るので、伝熱管にチャーが付着し伝熱抵抗を増加させ、
熱回収部における熱回収量を低下させることになる。

【０００９】本発明の目的は、生成ガスの組成及び発熱
量を全く変化させることなく、生成ガスからの熱回収量
の減少を抑制するガス化炉とすることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題は、炉内の温度
が少なくとも微粉固体原料の灰の溶融温度に保持され、
さらに加圧された炉内で、酸化剤を用いて前記原料の可
燃分を一酸化炭素及び水素からなる生成ガスに、前記原
料の灰分をスラグにそれぞれ変換するガス化部と、該ガ
ス化部の上方に配置され内径が該ガス化部より絞られた
絞り部と該絞り部の上部にあって内径がその上部に向か
って順次拡大する拡大部を含んでなり前記ガス化部で発
生したガスから熱を回収する熱回収部と、該熱回収部の
上方に配置され内径が前記生成ガスを炉外に送り出す生
成ガスラインに向かって順次縮小する縮小部と、前記ガ
ス化部の下方に配置され流下してくる前記のスラグを水
砕させる冷却水が溜められているスラグ冷却部とを含ん
でなるガス化炉において、前記生成ガスの流れが形成す
る柱状渦を遮る抵抗体を前記熱回収部の上部及びまたは
前記縮小部に配置することで達成される。

【００１１】

【作用】熱回収部の上部及びまたは熱回収部上方の縮小
部に、前記生成ガスの流れが形成する柱状渦を遮る抵抗
体を配置することによって、生成ガスの流れが形成する
柱状渦は減少される。したがって、この柱状渦の中心を
流れる高速の生成ガスの流れもなくなり、これらの渦及
び高速の流れがもっていたエネルギが、伝熱管面に沿っ
て流れる旋回流に加わり、該旋回流の流速を増加させ
る。よって、チャーの伝熱管へ付着する量が少なくな
る。このように絞り部から流出する生成ガスの流れが柱
状渦を形成しても、抵抗体で遮られるので熱回収部出口
に高温のガスが直接流れない。このため、伝熱管近傍の
ガスの旋回流の流速が増加するので、チャーの分子間
力、静電気力などの力が遮られるので、チャーの伝熱管
に付着する量が少なくなる。その結果、チャー付着によ
る伝熱管の伝熱抵抗が小さくなる。また伝熱管近傍のガ
スの旋回流の流速が増加するのでガス境膜が薄くなる。
よって、ガス側の伝熱抵抗が小さくなる。これらの２種
類の伝熱抵抗が小さくなるので、熱回収部における熱回
収量の減少を抑制する。

【００１２】

【実施例】本発明の第１の実施例を図１に示す。ガス化
炉本体１０は、微粉固体原料の可燃分を水素及び一酸化
炭素からなる生成ガスに変換するとともに、前記原料の
灰分をスラグに変換するガス化部１１と、該ガス化部１
１の下方に配置され冷却水１８を溜めて落下したスラグ
２９を水砕するスラグ冷却部１２と、前記ガス化部１１
の上方に配置され、生成ガスからの熱を回収する熱回収
部１３と、該熱回収部１３の上方に配置され内径が前記
生成ガスを炉外に送り出す生成ガスライン１９に向かっ
て順次縮小する縮小部３２と、を含んで構成されてい
る。

【００１３】前記ガス化部１１は、炉壁２８を貫通し、
一端は炉内に開口し、他端は原料供給ライン４、５及び
酸化剤供給ライン６、７にそれぞれ接続されているバー
ナ８、９と、生成ガスの出口を形成する縮流部２６と、
スラグ２９をスラグ冷却部１２へ落すスラグタップ２７
で構成されている。前記熱回収部１３は、内径が前記ガ
ス化部より絞られた絞り部３０と、該絞り部３０の上部
にあって内径がその上部に向かって順次拡大する拡大部
３１を含んでガス化炉１０の内周面に沿って炉内周面と
の間に空間２４をもって同心に配置された伝熱管２５
と、生成ガスの熱を回収する伝熱管２５で構成された熱
回収ボイラ用のボイラ水給水ライン１４およびボイラ水
出口ライン１５と、前記空間２４にパージガスを注入す
るパージガスライン３を含んで構成されている。さら
に、前記縮小部３２に、伝熱管２５が形成する円筒の直
径の0．4倍の直径の底面をもつ円錐状の抵抗体１７が伝
熱管２５が形成する円筒と同心で配置されている。原料
を供給する原料供給部は、供給フィーダ１、２と、該供
給フィーダ１、２に接続された前記原料供給ライン４、
５とを含んで構成されている。

【００１４】前記抵抗体１７を配置した場合と、配置し
ない場合の前記絞り部３０から拡大部３１の間における
生成ガスの流速分布の状態を図２に示す。縦軸は生成ガ
スの炉軸方向の流速を、横軸は前記熱回収部１３の横断
面の直径方向の計測場所をあらわしている。抵抗体１７
を配置しない場合には、熱回収部１３の中央部に流速の
大きい部分があるのに対して、抵抗体１７を配置した場
合は、前記の流速の大きい部分が消滅している。よっ
て、従来技術ではガス化炉における高温の生成ガスが直
接生成ガスライン１９に流出していたが、前記抵抗体１
７を配置した場合には、該抵抗体１７によって高温の生
成ガスが直接生成ガスライン１９に流出するのを遮られ
ている。その代りに伝熱管２５近傍の流速が増加してい
ることが分かる。前記伝熱管２５へのチャー付着量と生
成ガス流速の関係についての発明者らの実験では、前記
ガス流速が約５ｍ／ｓ以上であれば、伝熱管２５への前
記チャーの付着は、ほとんどないことが分かった。よっ
て、抵抗体１７を配置すれば伝熱管２５の近傍のガス流
速を大きくすることができるので、伝熱管２５にチャー
が付着しない。このためチャー付着による伝熱管２５の
伝熱抵抗が無くなる。また、伝熱管２５近傍のガス流速
が増加するので生成ガス境膜が薄くなる。その結果、生
成ガス側の伝熱抵抗が小さくなる。これらの２種類の伝
熱抵抗が小さくなるので、熱回収部１３における生成ガ
スからの熱回収量の減少を抑制できる。

【００１５】なお、伝熱管２５へのチャーの付着を防止
するために、伝熱管面積を減少させずに生成ガスの流速
を大きくしようとすると、絞り部３０のガス流路の断面
積を小さくせざるをえなくなる。そうすると熱回収部１
３の生成ガスの流れ方向の長さが非常に大きくなり、熱
回収部１３の高さが非常に大きくなるが、本実施例の装
置では、熱回収部１３の高さを変化させる必要はない。
また、水蒸気や生成ガスのリサイクルガスによるスート
ブローを実施する必要がないので、これにかかる初期の
設備費用や炉の運転費用も節約できる。

【００１６】本実施例では、温度が低い熱回収部上方の
縮小部３２に抵抗体１７を配置しているため、抵抗体１
７を冷却する手段を必要としないし、熱回収部１３の絞
り部３０において飛散したスラグは溶融しているが、前
記出口付近では飛散スラグは凝固して付着性がなくなっ
ているので前記抵抗体１７に付着しない。

【００１７】抵抗体１７の円錐の底面の直径を種々変化
させて、生成ガスの流れが形成する柱状渦を減少できる
かどうか検討した結果、前記直径が、伝熱管２５が形成
する円筒の直径の0．3倍以上であればよいことがわかっ
た。

【００１８】なお、本実施例では、抵抗体１７の形状を
円錐体としたが、円板としても同じ効果が得られた。

【００１９】本発明の第２の実施例を図３及び図４に示
す。本実施例の構成は第１の実施例と同様であるが、熱
回収部の上部に配置した抵抗体の形状を仕切板１７Ａと
したものである。該仕切板１７Ａの形状は、短辺の長さ
が熱回収部の内径の0．4倍とした２枚の同型の長方形の
長辺の中心を熱回収部の円筒の中心で十字形に交叉させ
たものであり、その板面は炉の軸方向に向けて配置され
ている。

【００２０】本発明の第３の実施例を図５及び図６に示
す。本実施例の構成は第１の実施例と同様であるが、熱
回収部の上方の縮小部３２に配置した抵抗体の形状を第
２の実施例のように仕切板１７Ｂとしたものである。該
仕切板１７Ｂの形状は、高さが熱回収部の内径の0．4倍
とした２枚の同型の台形の上下辺の中心を熱回収部の上
方の縮小部の円錐筒の中心で十字形に交叉させたもので
あり、その板面は炉の軸方向に向けて配置されている。

【００２１】上記した第２、第３の実施例に対する比較
例を図７及び図８に示す。本比較例の構成は第１の実施
例と同様であるが、第２の実施例と同じような形状の仕
切板１７Ｃを生成ガスライン１９の送り出し口の配管内
に配置したものである。該仕切板１７Ｃの形状は、一辺
の長さが前記生成ガスライン１９の管の内径より少し短
い正方形の板２枚を前記管の中心で十字形に交叉させた
ものであり、その面は管軸方向に配置されている。

【００２２】上記第２及び第３の実施例いずれとも、生
成ガスの流れが形成する柱状渦を減少することができ
た。が、比較例では、前記柱状渦を減少することができ
なかった。

【００２３】これらの結果より、熱回収部の円筒の内径
の0．4倍の高さをもった２枚の同型の台形の板を熱回収
部の上方の縮小部の円錐筒の中心で十字形に交叉させた
ものを、すくなくとも熱回収部の上方の縮小部に、その
面は炉の軸方向に配置されていればよい。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、生成ガスの組成及び発
熱量を全く変化させることなく、生成ガスの流れが形成
する柱状渦を減少させて、伝熱管近傍のガス流速を増加
して、伝熱管に原料の未燃焼分を付着させないことによ
り、生成ガスからの熱回収量を減少させないガス化炉と
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のガス化炉のブロック図
である。

【図２】本発明の第１の実施例のガス化炉の生成ガスの
熱回収部における流速分布の比較グラフである。

【図３】本発明の第２の実施例のガス化炉に抵抗体であ
る仕切板を配置した部分断面図である。

【図４】本発明の第２の実施例のガス化炉の図３の抵抗
体である仕切板のIV−IV線矢視横断面図である。

【図５】本発明の第３の実施例のガス化炉に抵抗体であ
る仕切板を配置した部分断面図である。

【図６】本発明の第３の実施例のガス化炉の図５の抵抗
体である仕切板のVI−VI線矢視横断面図である。

【図７】本発明の比較例のガス化炉の抵抗体である仕切
板を配置した部分断面図である。

【図８】本発明の比較例のガス化炉の図７の抵抗体であ
る仕切板のVIII−VIII線矢視横断面図である。

【図９】従来のガス化炉のブロック図である。

【図１０】従来のガス化炉の熱回収部のX−X線矢視横断
面図である。

【符号の説明】

１ 原料供給フィーダ ２ 原料供給フィ
ーダ ３ パージガスライン ４ 原料供給ライ
ン ５ 原料供給ライン ６ 酸化剤供給ラ
イン ７ 酸化剤ライン ８ バーナ ９ バーナ １０ ガス化炉本
体 １１ ガス化部 １２ スラグ冷却
部 １３ 熱回収部 １４ ボイラ水給
水ライン １５ ボイラ水出口ライン １６ バーナ １７ 抵抗体 １７Ａ 抵抗体
（仕切板） １７Ｂ 抵抗体（仕切板） １７Ｃ 抵抗体
（仕切板） １８ スラグ冷却水 １９ 生成ガスラ
イン ２０ 弁 ２１ スラグロッ
クホッパ ２２ 冷却水入口 ２３ 冷却水出口 ２４ 空間部 ２５ 伝熱管 ２６ 縮流部 ２７ スラグタッ
プ ２８ ガス化炉壁 ２９ スラグ ３０ 絞り部 ３１ 拡大部 ３２ 縮小部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 俊太郎 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 池田 利光 千葉県袖ヶ浦市中袖３−１ 石炭利用水素 製造技術研究組合 運転研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉内の温度が少なくとも微粉固体原料の
   灰の溶融温度に保持され、さらに加圧された炉内で、酸
   化剤を用いて前記原料の可燃分を一酸化炭素及び水素か
   らなる生成ガスに、前記原料の灰分をスラグにそれぞれ
   変換するガス化部と、該ガス化部の上方に配置され内径
   が該ガス化部より絞られた絞り部と該絞り部の上部にあ
   って内径がその上部に向かって順次拡大する拡大部を含
   んでなり前記ガス化部で発生したガスから熱を回収する
   熱回収部と、該熱回収部の上方に配置され内径が前記生
   成ガスを炉外に送り出す生成ガスラインに向かって順次
   縮小する縮小部と、前記ガス化部の下方に配置され流下
   してくる前記のスラグを水砕させる冷却水が溜められて
   いるスラグ冷却部とを含んでなるガス化炉において、前
   記生成ガスの流れが形成する柱状渦を遮る抵抗体を前記
   熱回収部の上部及びまたは前記縮小部に配置したことを
   特徴とするガス化炉。
2. 【請求項２】 前記抵抗体が、複数枚の同形の方形の板
   の一辺の中心を炉の軸心で交叉させ、該板面が炉の軸方
   向となるように、前記熱回収部の上部に配置された仕切
   板であることを特徴とする請求項１に記載のガス化炉。
3. 【請求項３】 前記抵抗体が、複数枚の同形の台形の板
   の上下辺の中心を炉の軸心で交叉させ下辺を炉下部に向
   け、該板面が炉の軸方向となるように、前記縮小部に配
   置された仕切板であることを特徴とする請求項１に記載
   のガス化炉。