JPS6065094A

JPS6065094A - 噴流層石炭ガス化炉

Info

Publication number: JPS6065094A
Application number: JP17216583A
Authority: JP
Inventors: Eiji Kida; 木田　栄次; Toshiki Furue; 古江　俊樹
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1983-09-20
Filing date: 1983-09-20
Publication date: 1985-04-13
Also published as: JPH0547595B2

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】本発明は、噴流層石炭ガス化炉に係り、特にガス化効率
が高く、かつ信頼性の高いガス化炉に関するものである
。

噴流層型のガス化炉は、第１図ないし第４図に示すよう
に各種のものが知られているが、下記のような欠点を有
している。すなわち、第１図および第２図は、炉内に石
炭供給バーナ２を対向配置したものであるが、この炉で
は、ガス化炉本体１に石炭および酸素が供給され、バー
ナ火炎３が生成され、生成ガスは、ガス流れ４に示すご
とく、炉全体にひろがって上昇する。供給された石炭も
矢印のようにバーナ火炎からその直上に上昇し、粒子滞
留時間が短かくなる。さらに絞り部がないため、ガスは
炉全体に均等に流れ、高温化したスラグ（アンシュ、灰
分）がガス化炉本体の水冷壁（メンブレンウオール）に
付着しやすくなる。また第１図に示すように、バーナを
多段に配置しても、上下バーナ共に同一の酸素、石炭量
であるために、スラグタップ１１部の温度が上昇せずに
、スラグがクンブ部で固化を生ずるという欠点がある。

第３図は、第１図においてバーナを旋回方向に配置した
例を示すものであるが、旋回によりガス−粒子の滞留時
間はやや大きくなるが、上部に絞り部がないために、ス
ラグの付着や粒子の反転等の現象がなく、滞留時間の大
幅な向上はみられない。

第４図は炉頂部にバーナ２を備えたガス化炉本体１に耐
火材８を内張すしたガス化炉本体の頂部に下向きのバー
ナ２を設けたいわゆるＴＥＸＡＣＯ炉の概念図を示した
ものであるが、この炉ではバーナ火炎による輻射熱によ
り石炭の溶融スラグが耐火材表面に付着するという欠点
がある。さらに耐火材を強制的に冷却していないために
、耐火材表面温度は常に高温にさらされ、その上付着し
たスラグの温度が高いため、固化することなく耐火材を
侵食し、耐火材の破損、剥離等を生じ、運転停止に到る
という問題がある。

本発明の目的は、石炭と酸素を含む原料の炉内滞留時間
が長く、かつガス化効率の高い噴流層石炭ガス化炉を提
供することにある。

本発明は、異径の旋回流および絞り部の設置、さらにバ
ーナの酸素量を変えることにより、高効率のガス化なら
びにスラグの通切な抜き出しを可能にし、また高温のガ
ス化部の耐火材に強制冷却の水冷壁（熱回収壁）を設置
することにより、耐火材の損傷を防止し、高効率で信頼
性の高い噴流層ガス化炉を提供するものである。

すなわち、本発明は、ガス化部およびその上部にガス冷
却部を有し、該ガス化部に石炭と酸素の混合流体を旋回
方向に供給するバーナが多段配置された噴流層石炭ガス
化炉において、該ガス化部とガス冷却部を絞り部によっ
て区分するとともに、前記バーナを仮想円形の相違する
少なくとも２段に配置し、かつ該各段バーナの酸素供給
量を可変にしたことを特徴とする。

以下、本発明を図面によりさらに詳細に説明する。

第５図は、本発明の２段噴流層石炭ガス化炉の基本的原
理を示す模式図であり、第６図は、炉内温度分布と燃焼
およびガス化反応を示した図である。炉内で起こる反応
は下式で示される。

石炭（Ｃ，Ｈ，０）−Ｃ（、チャー）、Ｃ０１Ｈ２、Ｃ
Ｈ４、Ｃ２等　（１）Ｃ（チャー）＋０２−Ｃｏ　（２）Ｃ（チ＋−）　＋０２−ＣＯｚ　（３）Ｃ（チャー）＋
ｃｏ２＋Ｈ２０−４ＣＯ＋Ｈ２（４）（１）式は熱分解
反応、〈２）式は部分燃焼反応、（３）式は燃焼反応、
（４）式はガス化反応である。

炉上部では主に（１）式、および（４）式の反応が、炉
下部では（２）式および（３）式の反応が起こるものと
思われる。

このようなガス化炉では、（ａ）炉内の反応領域を分割
し、（ｂ）低酸素で微粉炭が反応して生成したチャーと
、高温のＣＯ２、Ｈ２０とを効率よく接触させ、（ｃ）
チャーのガス化反応を十分に進めるのに必要な滞留時間
を確保することが重要な課題である。このため本発明で
は、（ａ）に対してはバーナを上下各段に配置し、（ｂ
）、（Ｃ）に対しては、炉内ガス化部出口径を炉径に比
べ細くした絞り構造とし、かつ各段バーナの流れが旋回
流を形成するようにして上段バーナで生成したチャーを
下段に移動させ、下段の高温ガスとの接触を向上させる
と同時にチャーの炉内滞留時間を増大させている。

またバーナを上下に配置した２段反応型噴流層石炭ガス
化炉におけるガス流れおよび粒子滞留時間に及ぼす炉構
造の影響をコールドモデルを用いて調べたところ、上段
バーナから下段バーナの仮想円径を大きくした異径仮想
円構造によってガス下降流が生じること、上段バーナを
炉底と炉出口の中間の高さに配置することによってガス
下降流は上段バーナと炉出口の間にも生じること、炉ガ
ス化部出口径を炉径より小さくした絞り構造によって、
該出口付近の周方向速度が大きくなり粒子に強い壁向き
の力が加わることがわかり、これらの点から、２段反応
型噴流層ガス化炉の構造では、壁側に下降流の形成によ
り粒子滞留時間を増大せしめる絞り異径仮想円構造が適
していることが明らかになった。

第７図は、上述の原理のもとに構成された本発明の噴流
層ガス化炉の一実施例を示す図、第８図および第９図は
、それぞれ第７図の上段バーナおよび下段バーナ付近の
断面を示す図である。

このガス化炉は、スラグタンプロ１１を底部に有するガ
ス化部１９、絞り部１６によっｔガス化部１６と区分さ
れた上方のガス冷却部（熱回収部）１８、上段バーナ１
２、下段バーナ１３、および耐火材被覆水冷壁１５から
主として構成される。

上記構成において、ガス化の原料がある石炭および酸素
は上段および下段バーナ１２および１３からガス化部１
９に投入される。バーナ１２および１３は第６図、第７
図に示すごとく、各々相違した仮想円１７および２０を
形成するように旋回方向に吹き込まれる。上段バーナ１
２の仮想円１７は絞り部１６に近いため、絞り部径１６
より広く、ガス化部１９の水冷壁１５の径より小さい径
をとり、また第１０図に示すように、バーナ角度２３を
零か下向きにＯ〜２０°の範囲に配置される。

すなわち、上部バーナ仮想円径Ｄ１、絞り部径ｄ１、ガ
ス化部径りの関係は、Ｄ＞Ｄ＋　＞ｄ＋の関係となる。

上段バーナ１２がら吹き込まれた石炭と酸素を含むガス
は遠心力により旋回し、石炭を伴って下向きに回転しな
がら下りていくが、回転力により中心部２２は外側部２
１に比べて負の圧力となり、回転力が弱くなった点から
上昇流となる。なお、上段バーナの仮想円が絞り径より
小さい場合は下段バーナからの流れによりショートパス
し、回転しながら絞り部１６へ入るので好ましくない。

第１１図は、下段バーナ１３の燃焼状態を示したもので
あるが、下段バーナ仮想円２ｏの径Ｄ２は、下部のスラ
グタンプロ径焼の径ｄ２よりも大きい径となるように設
定される。これは石炭粒子がタップ口から落ちるのを防
止するためである。下段バーナ１３は、酸素量が上段バ
ーナより多くなるように設定され、また滞留時間が長く
なるように下方に位置しているので、スラグが停滞する
スラグタンプロ１１を加熱し、スラグ流下を助長させる
。さらに下段バーナの仮想円２０は、上段バーナで生じ
たより反応性の活性チャーを下部バーナで発生した高温
ガスと早急に混合させるために、第１１図に示したよう
に、ガスの上昇流径とほぼ同一径の仮想円とすることが
好ましい。すなわち、上昇流径は絞り部径ｄ、とほぼ同
一かまたは若干大きくなるように設定することが好まし
い。このような絞り部径ｄ１、下段バーナの仮想円径Ｄ
２、スラグタンプロ径ｄ２の関係を式で示せば下記のよ
うになる。

ｄにＤ２〉ｄ２第１２図は、上段バーナ仮想円（Ｄ＋）とガス化部径（
Ｄ）との比と粒子の滞留時間との関係を示したものであ
るが、上記のように下段および上段バーナの仮想円を設
定することにより、第１２図のＡに示すように、粒子の
滞留時間は、ガス化部でのピストンフロ一時（Ｂで示す
）にくらべて１．５〜３倍程度となる。また、この図か
ら上部バーナ仮想円（Ｄ＋）とガス化部径（Ｄ）の比（
Ｐ＋／Ｄ）は０．３〜０．８が好ましいことがわかる。

さらに絞り部径（ｄｌ）とガス化部径（Ｄ）の比の滞留
時間への効果を第１３図に示すが、この結果から、絞り
部径（ｄｌ）はガス化部径（Ｄ）の０．２〜０．７程度
の範囲が好ましいことがわかる。

但し、これらの場合、絞り部径（ｄｌ）はＤ＋より小さ
く、下段バーナ仮想円（Ｄ２）は前述のように設定され
る。

次に上下段バーナの酸素量を変えた場合、トータルの石
炭と酸素の重量比は、噴流層ガス化では酸素／石炭＝０
．６〜１．４程度であり、上下段同一の比率に設定して
もよいが、上段バーナで酸素量を少なくし、火炎温度１
０００〜１３００℃程度でガス化して活性チャーを生成
させ、一方、下部バーナへは酸素を多めに供給し、温度
を１２００〜２４００℃程度にすることにより、石炭を
高温でガス化し、Ｃ０２、Ｈ２Ｏを多く含んだガスとす
ることが好ましい。この場合、下段バーナで生成した高
温ガスは前述のように上段バーナで発生した反応性のよ
いチャーと混合し、活性ナヤー＋ＣＯ２＋Ｈ２０−ＣＯ
＋Ｈ２（前述の（４）式）等の反応をおこし、効率向上
をはかることができる。

第１４図は、低温（１０００〜１３００°Ｃ）および高
＠（１５００〜２４００℃）で生成したチャーの反応性
を調べた結果を示すものである。図中、Ｃは上段バ＝す
のチャー、Ｄは下段バーナのチャーの各場合を示す。図
のように低温生成チャーである上段バーナのチャーＣの
方が高温生成チャーである下段バーナチャーＤよりも反
応性がよいことがわかる。これは低温により生成したチ
ャーは多孔質（電子顕微鏡写真で確認された）であるた
めと思われる。上記のような結果から上段バーナは酸素
／石炭比（重量比）−０，３〜０，８、下段バーナの酸
素／石炭比−０，６〜１．４の範囲がカーボンガス化率
の点で特に効果があることがわかった。

第１５図は、本発明のように２段で上下段バーナの仮想
円径を変化させて石炭を旋回方向に供給し、さらに絞り
部を設置し、酸素量をかえた本発明の場合Ｅと、従来の
単段バーナの場合Ｆのカーボンガス化率（ガスとして発
生するカーボン量／石炭中のカーボン量）および冷ガス
効率を比較したものである。図から明らかなように、本
発明方法ではカーボンガス化率、冷ガス効率共に５％以
上の効率向上が見られる。またこの場合、スラノグタッ
プロからのスラグ排出も非常に円滑に行われることがわ
かった。

本発明において、炉のガス化部は高ａＬ（１２゜０〜２
５００℃）になり、石炭中の灰分が溶融して腐食性のス
ラグを生成する。このように石炭中の灰分がスラグ化す
れば、ガス化効率（カーボンガス化率）は向上するが、
反面、炉壁の腐食が問題になる。すなわち、第１６図は
、従来の耐火材内張のみの場合の炉壁の温度分布カーブ
を示したものであるが、耐火材２５は外側の断熱材２４
によって断熱されるため常に高温状態にあり、スラグ２
６は耐火材２５の表面温度３ｏが高温（３０）になるた
め、固体化することなく常に液化状態となる。このため
耐火材は内外共に高温（１２゜０〜２５００°Ｃ）とな
り、液状スラグの侵食をうけ、腐食が進行しやすくなる
。このため、本発明では、高温となるガス化部１９の炉
壁は耐火材被覆の水冷壁とすることが望ましい。第１７
図は、本発明において水冷壁７（メンブレンウオール）
を設けた炉壁を示すものであるが、水冷壁による冷却に
より、耐火材表面温度は低温（１５００℃以下）に保持
され（符号３０）、このためスラグは耐火材２５表面で
スラグ自体のセルフコーティング層（固体スラグ層）２
７が形成され、耐火材２５の表面温度が低温に保持され
る。

なお、ガス化部の上端の絞り部１６からは高温で粒子（
スラグ、チャー）を含んだガスがガス冷却部１８に流出
するが、このガスは、第１８図に示すように、絞り部径
にそったガス流れ４と裸管水冷壁１４との間に形成され
るデッドゾーンを隔てて輻射伝熱３１により、スラグ等
が付着しない温度領域（１０００℃以下）まで冷却され
る。このように絞り部１６は、ガス化部１９での粒子滞
留時間の上昇効果以外に、上記のような冷却部へのスラ
グ付着防止等の効果も有する。

このようにして炉壁のガス化部の炉壁耐火材を損傷する
ことなく、またその上方のガス冷却部の炉壁にスラグ付
着することなく、信頼性の高い運転を行なうことができ
る。

さらに第１９図は、バーナを３段以上、多段配置した本
発明の他の実施例を示すものであるが、２段バーナの場
合と同じように、第１段バーナ３３の仮想円が一番小さ
く、順次、第ｎ段バーナ３２に行くに従って大きくなる
ように構成される。

このようにしても２段バーナの場合と同様の効果が得ら
れる。

以上のように、本発明によれば、石炭供給バーナを多段
に旋回方向に配置し、各段（上下段）の旋回仮想円を異
径し、かつガス化部上部に絞り部を設け、また各段（上
下段）の酸素量を変えるように構成したことにより、粒
子（石炭、チャー）の滞留時間を増加させ、ガス化効率
（カーボンガス化率および冷ガス効率）を著しく向上さ
せることができる。さらにガス化部を耐火材被覆水冷壁
で構成することにより、スラグによるガス化部、ガス冷
却部の侵食、損傷等によるトラブルを防止し、信頼性の
高いガス化炉とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の石炭ガス化炉の説明図、第２図および
第３図は、第１図のガス化炉の断面図、第４図は、従来
の他のガス化炉（テキサコ炉）の説明図、第５図は、本
発明の詳細な説明する噴流層石炭ガス化炉の説明図、第
６図は、第５図のガス化炉の温度分布を示す図、第７図
は、本発明の一実施例を示す石炭ガス化炉の断面図、第
８図および第９図は第７図の石炭ガス化炉の上段および
下段バーナを示す平面図、第１０図および第１１図は、
上段および下段バーナの流体の状態を示す説明図、第１
２図は仮想円による粒子滞留時間の影響を示す図、第１
３図は絞り部径による滞留時間の影響を示す図、第１４
図は上段および下段バーナのチャーの反応性を示す図、
第１５図は本発−明の実施例における効率を示す図、第
１６図および第１７図は耐火材の温度分布を示す図、第
１８図は本発明のガス化炉におけるガスの冷却を示す図
、第１９図は本発明の他の実施例を示す説明図である。 ■・・・ガス化炉本体、２・・・石炭供給バーナ、４・
・・ガス流れ、５・・・スラグ、７・・・水冷壁、８・
・・耐火材、１０・・・生成ガス出口、１１・・・スラ
グタンプロ、１２・・・上段バーナ、１３・・・下段バ
ーナ、１４・・・裸管水冷壁、１５・・・耐火材被覆水
冷壁、１６・・・絞り部、１７・・・上段バーナ仮想円
、１８・・・ガス冷却部、１９・・・ガス化部、２０・
・・下段バーナ仮想円、２１・・・下降流（正圧）、２
２・・・上昇流（負圧）、２３・・・バーナ角度、２４
・・・断熱材、２６・・・液状スラグ、２７・・・固体
スラグ、２８・・・ガス化炉内部温度、２９・・・外気
温度、３０・・・耐火材表面温度、３１・・・輻射伝熱
、３２・・・第ｎ段バーナ、３３・・・第１段バーナ。代理人　弁理士　川　北　武　長第１図　第２図第３図　第４図第５図第６図流　ル（１Ｃ）第１８図１８第１９囚

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ガス化部およびその上部にガス冷却部を有し、該
ガス化部４こ石炭と酸素の混合流体を旋回方向に供給す
るバーナが多段配置された噴流層石炭ガス化炉において
、該ガス化部とガス冷却部を絞り部によって区分すると
ともに、前記バーナを仮想円形の相違する少なくとも２
段に配置し、かつ該各段バーナの酸素供給量を可変にし
たことを特徴とする噴流層石炭ガス化炉。（２、特許請求の範囲第１項において、前記ガス化部の
高温部を耐火材で被覆された水冷壁で構成したことを特
徴とする噴流層石炭ガス化炉。