JPH10259910A - 石炭ガス化装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】石炭供給系の自由なレイアウトと、配置スペー
スの大幅な低減ができる石炭ガス化装置を提供する。 【解決手段】ガス化炉３３のガス化炉耐火壁４１と外壁
３３’に埋設している複数の石炭バーナ７の外周に、リ
ング状の分配器３９を設置し、バーナ７と分岐間５０に
よって接続している。微粉炭と搬送ガスからなる固気二
相流４７を供給する石炭供給ライン２４は、リング式分
配器３９の接線方向に接続され、チャー３５を含む混層
流は旋回流となって、各分配器５０に均等に分配され
る。ガス化炉内部と各分配器５０の差圧がアンバランス
となった場合、ノズル４６から分配器３９内に高速の不
活性ガスを注入し、旋回流を加速して均等分配性能を回
復する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石炭ガス化装置に
係わり、特に、微粉炭と搬送用気体等の混層流を反応炉
に安定に供給する分配方法と分配器に関する。

【０００２】

【従来の技術】石炭を灰の溶融温度以上でガス化する噴
流層ガス化法は、高効率で水素ガス（Ｈ₂）、一酸化炭
素ガス（ＣＯ）を製造できるので、燃料ガスの製造やメ
タノール等の合成用として普及している。

【０００３】図１１は、従来の噴流層型石炭ガス化装置
の概略を示す。この石炭ガス化装置は石炭供給系、酸化
剤供給系、ガス化炉及び集塵回収系などから成る。

【０００４】粉砕機１で粉砕された微粉炭２２は、石炭
供給装置（フィーダ）４で供給量を設定し、混合器５に
自由落下させて不活性ガス５５と混合する。その後、気
流輸送による石炭輸送ライン２４を経、分配器６で複数
本の分岐管２５に均等に分配し、石炭バーナ７を介して
ガス化炉３３に供給する。

【０００５】酸化剤圧縮機１７からの空気又は酸素は、
酸化剤流量制御弁１８、酸化剤流通ライン３２を経て石
炭バーナ７に供給する。酸化剤は石炭量に対してほぼ等
量を供給し、ガス化炉３３の反応ゾーン８を灰分が溶融
する１６００℃以上の高温に維持する。ガス化反応部９
は、高温になるため炉壁が溶融しないように耐火物４１
を内張りした構造である。

【０００６】高温、高圧化の反応により生成したＨ₂，
ＣＯの混合ガスは、ガス化炉３３の熱回収器１０を通っ
て炉外に出、生成ガス搬送ライン１１、集塵装置１２を
経て精製装置３６に供給される。溶融した灰分はスラグ
になり、冷却水２８に自由落下して回収される。また、
生成ガスに伴われて流出したチャーは、集塵装置１２で
分離され、チャー回収系を経てガス化炉３３に供給す
る。

【０００７】このような石炭ガス化装置では、高圧の反
応炉に微粉炭の固気二相流を安定に供給するための分配
技術が重要になる。固気二相流を均等に分配する代表的
な方法として、下記に上げる例が知られている。

【０００８】特開昭６２−２０３１２７１号（引用例
１）では、微粉炭を流動化させた容器内に、外周に波状
のオーバフロー堰を取り付けオーバフロー管を設け、オ
ーバフロー堰の底部で捕集した微粉炭をそれぞれ搬送す
る分岐管を配置している。これにより、微粉炭はオーバ
フロー堰に良好にオーバフローし、各分岐管へ均一に供
給できる。

【０００９】特開昭６１−１７５４０９号（引用例２）
では、１本の微粉炭供給管を円錐容器の下端に接続し、
その円錐容器の上部に配置した円筒の同一円周上に複数
の分岐管を設け、微粉炭の均等な分配を可能にしてい
る。

【００１０】特開昭５８−２５２５号（引用例３）で
は、微粉炭を保持する加圧容器の下部に、高炉の羽口と
同数の粉体出口を設け、粉体出口と羽口のラインで流量
を制御することにより、高炉の羽口に粉体を均等に供給
する。

【００１１】特開昭６１−２４００２５号（引用例４）
では、分配器下流側の各輸送管の固気二相流に対する搬
送抵抗が等しくなるように構成し、管内流速の平均化を
図って、粉体を均等かつ安定に分配する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の微粉炭
を含む混層流の分配方法は、均等分配を行うために分岐
管の長さや分岐管形状（曲部数や傾斜角度等）を同じに
している。また、分配器本体と分岐管出口に圧力差が必
要なことから、分配器本体からガス化炉への配管方法に
制約がある。このため、分岐管の配管が複雑になり、石
炭ガス化プラントのレイアウトを難しくしている。

【００１３】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を克服し、分岐管の形状や配管に制約がなく、プラン
トをコンパクトに構成できる石炭ガス化装置と、不均等
な分配を是正する分配方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する石炭
ガス化装置は、ガス化炉と、その複数の石炭バーナと、
微分炭と搬送用気体の固気二相流の導入管と、前記固気
二相流の微粉炭を前記石炭バーナの各々に分配する分配
器を備え、かつ前記分配器の本体をリング管により構成
して前記ガス化炉の内壁または外壁の外側に配置し、前
記リング管に前記導入管と複数の分岐管を接続し、前記
分岐管と前記石炭バーナを接続してなることを特徴とす
る。

【００１５】また、前記導入管は前記リング管の円周の
接線方向に接続し、リング管内に供給される前記固気二
相流が所定速度以上の旋回流となるように構成したこと
を特徴とする。また、前記分岐管の内径を前記リング管
の管内径より小さくし、分岐管の内圧をリング管より高
くしている。さらに、前記リング管内で前記分岐管の各
入口の後流に、順に径を変えたオリフィスを設けてい
る。これらによって、各バーナへの均等分配が可能にな
る。

【００１６】さらに、ガス化炉と各分岐管の差圧を検出
する手段と、前記リング管の接線方向に高速の不活性ガ
スを注入するための速度調整用ノズルと、差圧の異常時
に前記不活性ガスを注入する制御手段を設けたことを特
徴とする。

【００１７】上記目的を達成する本発明の石炭ガス化装
置の運転方法は、複数の石炭バーナをもつガス化炉、微
分炭と搬送用気体の固気二相流の導入管、前記固気二相
流の微粉炭を前記バーナの各々に均等に分配する分配器
を備えた石炭ガス化装置において、前記分配器の本体を
リング管により構成し、分岐管を介して各バーナと接続
している場合に、前記ガス化炉の内部と各分岐管の差圧
を監視し、いずれかの差圧の偏差が所定値を越えたとき
に、前記リング管内における前記固気二相流の速度を上
回る速度の不活性ガスを前記リング管に注入するよう制
御することを特徴とする。

【００１８】本発明によれば、石炭供給系からの微分炭
と搬送用気体の固気二相流はリング管内に供給され、た
とえば７ｍ／ｓ以上の高速で旋回しながら分配される。
従って、石炭供給系の長さや形状には無関係で、リング
式分配器の性能によって均等分配される。

【００１９】リング式分配器の分配性能は、固気二相流
が一定速度以上で旋回するときに、均等分配が可能にな
る。また、上記のように分岐管入口部の内圧や抵抗を調
整することで、分配性能をより向上できる。

【００２０】本発明では、ガス化炉内の付着灰により石
炭バーナの出口付近が閉塞ぎみになると、それを差圧監
視によって検知し、リング式分配器に高速の不活性ガス
を注入して固気二相流を加速して、均等分配性能の回復
と付着灰の剥離を行うので、安定な連続運転を確保でき
る。

【００２１】さらに、リング式分配器を石炭バーナの設
置レベルの外壁部空間部、又はガス化炉内のガス化炉反
応壁部と外壁部の間の空間部に設置することにより、石
炭供給系及びガス化炉のレイアウトを容易にし、そのコ
ンパクト化を実現できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明のリング式分配器を
備える石炭ガス化装置の実施形態１，２を、図面にした
がって詳細に説明する。実施形態１はガス化炉の外壁部
の外側に、実施形態２はガス化炉の反応壁部と外壁部の
間に、リング式分配器を設置する。

【００２３】〔実施形態１〕図１は、本発明を適用する
石炭ガス化装置の概略の構成を示す。システムの構成は
石炭供給系、酸化剤供給系、ガス化炉、集塵回収系およ
び精製系から成る。

【００２４】石炭供給系は、粉砕機１、石炭常圧ホッパ
２、石炭常圧・加圧ホッパ２３、石炭供給ホッパ３、石
炭供給装置（フィーダ等）４、混合器５、気流石炭輸送
ライン２４、リング式分配器３９、分岐管５０、分岐管
流通遮断弁４４及び石炭バーナ７を有している。

【００２５】粉砕機１で粉砕された微粉炭２２は、石炭
常圧ホッパ２、石炭常圧・加圧ホッパ２３に充填した
後、石炭供給ホッパ３に移送し充填した後、石炭供給装
置４で供給量を設定した後、微粉炭２２を自由落下させ
混合器５内で不活性ガス（窒素ガス、二酸化炭素等）５
５と混合する。その後、気流輸送による石炭輸送ライン
２４を経て、リング式分配器３９で数本の分岐管５０に
均等に分配した後、石炭バーナ７を介してガス化反応部
９内に供給する。

【００２６】図２，図３に、本発明のリング式分配器の
実施例を示す。図２はガス化炉の垂直断面に、図３はガ
ス化炉の水平断面に、それぞれ対応したリング式分配器
の配置を示している。

【００２７】リング式分配器３９の本体は、円筒を輪状
にしたリング管からなる。分配器３９はガス化炉３３の
外壁の外側に、石炭バーナ７を囲みそれと同程度の高さ
に設置している。このリング式分配器３９に、固気二相
流４７の石炭輸送ライン２４、チャー導入管３４、速度
調節用ノズル４６、及びバーナ７と分配器３９を接続す
る分岐管５０を設けている。

【００２８】石炭輸送ライン２４とチャー導入管３４
は、リング式分配器３９のリング円周の接線方向にその
供給入口部を設け、微粉炭２２と搬送ガスの固気二相流
４７やチャー３５が、リング内を７ｍ／ｓ以上の速度で
流通するように構成している。この速度により、リング
式分配器３９から複数本の分岐管５０へ、チャーも含ん
だ混層流４７’の均等な分配が可能になる。混層流４
７’のリング内の速度が低下して、各分岐管５０への分
配が不均等になると、差圧のアンバランスが検出され、
速度調節用ノズル４６から高速の不活性ガス（窒素、二
酸化炭素等）５４を注入し、リング内の混層流４７’を
加速して均等配分を維持する。

【００２９】図４に、分岐管付近の断面図を示す。分岐
管５０の管内径はリング式分配器３９の管内径より小さ
くして、分岐管５０の内圧を高める構造とし、機構的に
も均等分配を可能にしている。さらに、分岐管５０への
分岐入口部４５は、混相流４７’の滞留や付着が生じに
くいように、Ｒ状及びテーパ状にして徐々に縮小する構
造とした。分岐管５０には差圧測定用の分岐管圧端部６
１を設けている。

【００３０】図５に、石炭バーナ付近の断面図を示す。
石炭バーナ７は、三重構造で外管部４２、４３に冷却水
４９を循環させる構造で、二重管の中心側を固気二相流
４７’、その外側を酸化剤４８が流通する。石炭バーナ
７と分岐管５０の接続部には、運転停止時等に閉鎖され
る石炭供給ライン遮断弁４４が設けられている。

【００３１】各分岐管５０への固気二相流４７’の供給
状態を監視するために、ガス化炉反応部９の圧端部６０
と分岐管圧端部６１に差圧発信器５１を設置し、各分岐
管とガス化炉の差圧を測定する。データ集積装置５６は
各差圧レベル値を比較すると共に、均等分配の性能を評
価する基準として標準偏差σ（σ＝（Σ（Ｐ−Ｐａ））
／ｎＰ）を求めた。Ｐは各分岐管差圧（ｋｇ／ｃｍ
²Ｇ）、Ｐａは各分岐管差圧の平均、ｎは分岐管本数で
ある。

【００３２】例えば、標準偏差が５％以上になると均等
分配が悪化したと判断し、データ集積装置５６から不均
等分配調整用制御装置５７に通知する。制御装置５７は
速度調節用流量調節弁５５を開または開度大に調整し、
不活性ガス（窒素、二酸化炭素等）５４を不活性ガス集
合管５３に流通して分岐した後、速度調節用ノズル４６
からリング式分配器３９内に注入して、混相流４７’を
加速して均等分配性能を回復する。この操作により、標
準偏差が５％以内に回復したら、分配器内速度調節用ノ
ズル４６からの不活性ガスを遮断または元の設定値に戻
し、再び定常運転を続行する。

【００３３】図１２に、本実施形態の石炭ガス化装置に
おける試験運転時の分配特性を示す。横軸に経過時間、
縦軸に分岐管５０ａ〜ｄの差圧を示す。リング管内径１
４ｍｍ、分岐管内径８ｍｍ、分岐管４本での石炭供給量
４０ｋｇ／ｈ、リング管内及び分岐管内流速８ｍ／ｓ一
定の各条件で試験を実施した。図示のように、定常後は
一定な差圧レベルで推移し、１時間を越える連続運転が
行われた。この間の最大の標準偏差は３．５％で、均等
分配の良否の判断基準となる標準偏差５％以内を達成で
き、良好な均等分配が確認できた。

【００３４】図１３に、不均等分配の是正を行った試験
結果を示す。ここでは、１本の分岐管差圧が異常に上昇
し、速度調節により回復した状況を示している。石炭バ
ーナ７ａの先端部が閉塞ぎみになると（試験は石炭バー
ナ７ａ先端に、スラグを付着させた）、その分岐管５０
ａの差圧ａが急上昇（図中ｅ）した。そこで、速度調節
用ノズル４６から窒素ガスを多量に瞬間的に噴出し、リ
ング式分配器３９内のガス流速を２０ｍ／ｓ以上にし
た。この結果、差圧ａが他の３本と同レベルに復帰し
た。また、停止後の確認では石炭バーナ７ａに付着させ
たスラグが剥離していた。

【００３５】以上の実施形態１によれば、リング式分配
器で微粉炭の混相流を一定速度以上で旋回しながら分配
するので、石炭供給系の経路の長さや形状に無関係とな
る。しかも、ガス化炉を取り囲むリング状の形状でコン
パクトに構成できるので、石炭ガス化プラントの設置空
間を減少でき、また自由なレイアウトが可能になる。こ
れにより、プラントコストの低減も実現できる。

【００３６】また、各分岐管とガス化反応部間の差圧を
監視し、差圧の異常上昇を検知すると、リング式分配器
内に高速の不活性ガスを吹き出して内部の混相流を加速
するので、石炭バーナ先端部の灰付着等によって発生す
る不均等な分配が是正でき、均等な分配による安定な運
転が継続できる。

【００３７】図６〜図８に、実施形態１の代替案を示
す。図６は、分岐管付近のリング式分配器の断面図を示
す。図４との相違は、リング式分配器３９内で各分岐管
入口部４５の後部に、それぞれ径の異なるオリフィス６
３を設置した点である。微粉炭を含む固気二相流４７’
のリング管供給口に近い、分岐管５０後部のオリフィス
径を一番大きくし、順に小さくしている。これにより、
各入口部４５の抵抗を調節して、均等分配性を向上して
いる。

【００３８】図７は、他の代替案による分岐管付近のリ
ング式分配器の断面図を示す。図８は、図７の代替案の
石炭バーナ付近の断面図を示す。この代替案では、リン
グ式分配器３９の分岐管入口部４５をリング外周の外側
に設けている。

【００３９】リング管３９内のガス流速を速くすると旋
回流となり、微粉炭２２はリングの外周側に沿って流れ
る。したがって、分岐管入口部４５を外側に設けると、
分岐管２５への微粉炭２２の供給がスムーズになる。

【００４０】〔実施形態２〕次に、本発明の第二の実施
形態を説明する。図９は、石炭ガス化装置の概略の構成
を示している。図１との相違は、リング式分配器３９が
ガス化炉３９の内部に設けられている点である。

【００４１】図１０は、ガス化炉の垂直断面に対応した
リング式分配器の配置を示している。リング式分配器３
９は、ガス化炉３３の耐火壁４１（内壁部）と外壁部３
３’の間の空間に埋設している。耐火壁４１の外面に設
置している石炭バーナ７とリング管９を短小の分岐管５
０で接続している。洗浄や点検がしやすいように、分配
器３９の埋設箇所は、外壁部３３’が４分割できる構造
にし、バーナ７や分岐管５０等の解体を可能にしてい
る。その他は実施形態１と同様である。

【００４２】本実施形態によれば、リング式分配器をガ
ス化炉の構造内に設けることができるので、ガス化装置
の構成をさらにコンパクトにできる。なお、石炭バーナ
７がガス化炉３９の外壁３９’の外側に突設している構
造の場合、図７及び図８に示した分岐管５０を分配器３
９の外側に設ける構成を用いることで、大幅な改造を行
うことなく、本実施形態を適用できる。

【００４３】以上、本発明による石炭ガス化装置の複数
の実施形態を、噴流層型のガス化装置に適用した例で説
明した。しかし、本発明はこれに限られるものではな
く、流動層型、固定層型等の広範なガス化炉に適用可能
である。

【００４４】

【発明の効果】本発明の石炭ガス化装置によれば、リン
グ式分配器で微粉炭の混相流を一定速度以上に旋回しな
がら分配するので、石炭供給系の経路の長さや形状に無
関係に均等分配できる。しかも、ガス化炉の内壁または
外壁を取り囲むリング形状でコンパクトに構成できるの
で、石炭ガス化プラントの設置空間を大幅に減少でき、
また自由なレイアウトが可能になるなどの効果がある。

【００４５】本発明の石炭ガス化装置の運転方法によれ
ば、各分岐管とガス化反炉管の差圧の異常上昇を検知す
ると、リング式分配器内に不活性ガスを高速に注入して
内部の混相流を加速するので、石炭バーナの灰付着等に
よって発生する不均等な分配が是正でき、均等分配によ
る安定な運転を継続できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の石炭ガス化装置の一実施例を示すシス
テムの概略図。

【図２】ガス化炉の側断面とリング分配器の周辺部の構
成図。

【図３】ガス化炉の横断面とリング分配器の周辺部の構
成図。

【図４】リング分配器と分岐管の接続部付近の断面図。

【図５】リング分配器と石炭バーナ部の断面図。

【図６】図４の代替案で、リング管内にオリフィスを設
置した接続部付近の断面図。

【図７】図４の代替案で、分岐管の出口を外側に設置し
た接続部付近の断面図。

【図８】図７のリング分配器と石炭バーナ部の断面図。

【図９】本発明の石炭ガス化装置の他の実施例を示すシ
ステムの概略図。

【図１０】他の実施例によるガス化炉の側断面とリング
分配器の周辺部の構成図。

【図１１】従来の分配器を設置した石炭ガス化装置の概
略図。

【図１２】本発明の石炭ガス化装置の試験運転における
正常分配を示すタイムチャート。

【図１３】試験運転における異常分配と、その是正制御
の結果を示すタイムチャート。

【符号の説明】

１…粉砕機、３…石炭供給ホッパ、４…石炭供給装置、
５…混合器、６…分配器、７…石炭バーナ、８…反応ゾ
ーン、９…ガス化炉反応部、１０…熱回収器、１０’…
冷却媒体流通路、１１…生成ガスライン、１２…集塵装
置、１３…チャー中間ホッパ、１４…チャー供給ホッ
パ、１５…フィーダ、１６…チャー混合器、１７…酸化
剤圧縮機、１８，１９…酸化剤流量制御弁、２０…スラ
グ回収ホッパ、２２…微粉炭、２３…石炭常圧・加圧ホ
ッパ、２４…石炭輸送ライン、２７…スラグ回収室、２
８…水充填部、３２…酸化剤流通ライン、３３…ガス化
炉、３３’…ガス化炉外壁、３４…チャー輸送ライン、
３５…チャー、３６…精製装置、３７…熱回収器入口
（絞り部）、３８…不活性ガス、３９…リング式分配
器、４１…ガス化炉耐火壁（内壁）、４４…石炭バーナ
流通ライン遮断弁、４５…分岐管入口部、４６…速度調
節用ノズル、４７…固気二相流（微粉炭と搬送用気体の
混相流）、４８…石炭バーナ内酸化剤流通部、５０…分
岐管、５１…差圧発信器、５２…不活性ガスライン、５
３…不活性ガス集合管、５５…速度調節用流量調節弁、
５６…データ集積装置、５７…不均等分配調整用制御装
置、６０…ガス化炉反応部圧端管、６１…分岐管圧端
管、６３…オリフィス。

───────────────────────────────────────────────────── 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 高橋 貞夫 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 穐山 徹 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

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス化炉と、その複数の石炭バーナと、
   微分炭と搬送用気体の固気二相流の導入管と、前記固気
   二相流の微粉炭を前記バーナの各々に分配する分配器を
   備えた石炭ガス化装置において、 前記分配器の本体をリング管により構成して前記ガス化
   炉の内壁または外壁の外側に配置し、前記リング管に前
   記導入管と複数の分岐管を接続し、各分岐管と各石炭バ
   ーナを接続してなることを特徴とする石炭ガス化装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記導入管は前記リング管の円周の接線方向に接続し、
   前記リング管に供給される前記固気二相流が所定速度以
   上で旋回するように構成したことを特徴とする石炭ガス
   化装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、 前記分岐管の内径を前記リング管の管内径より小さくし
   たことを特徴とする石炭ガス化装置。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３において、 前記リング管内で前記分岐管の各入口の後流に、オリフ
   ィス径を順に変えたオリフィスを設けたことを特徴とす
   る石炭ガス化装置。
5. 【請求項５】 複数の石炭バーナをもつガス化炉、微分
   炭と搬送用気体の固気二相流の導入管、前記固気二相流
   の微粉炭を前記バーナの各々に均等に分配する分配器を
   備えた石炭ガス化装置の運転方法において、 前記分配器の本体をリング管により構成し、分岐管を介
   して各バーナと接続している場合に、前記ガス化炉の内
   部と各分岐管の差圧を監視し、いずれかの差圧の偏差が
   所定値を越えたときに、前記リング管内における前記固
   気二相流の速度を上回る速度の不活性ガスを前記リング
   管に注入するように制御することを特徴とする石炭ガス
   化装置の運転方法。