WO2011040101A1 - ガス化炉 - Google Patents

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light oil
oil combustion
gas
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創研 ▲高▼瀬
弘実 石井
貴 藤井
横濱　克彦
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三菱重工業株式会社
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    • Y02E20/18—Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]

Definitions

  • the present invention is, for example, integrated gasification combined power generation (Integrated Gasification). It relates to gasifiers applied to Combined Cycle / IGCC equipment.
  • Coal gasification combined power generation can perform highly efficient power generation by combining a gas turbine with a steam turbine by gasifying solid coal in a gasification furnace.
  • a large amount of coal ash is generated in the conventional coal-fired power generation, whereas in the coal gasification combined power generation, glassy slag (ash) is discharged after the coal is gasified in the gasification furnace. .
  • the volume of the slag discharged from the gasification furnace is substantially halved compared with the coal ash discharged from the conventional coal-fired boiler.
  • a conventional gasification furnace 10 shown in FIG. 8 includes a bottomed cylindrical combustor 12 that generates combustible gas from pulverized coal, a reductor (not shown) provided on the upper part of the combustor 12, and a lower part of the combustor 12.
  • the slag S discharged from the gasification of coal is slag cooling water Ws stored in the light oil combustion chamber 14 from a slag hole 16 opened at the bottom center of the combustor 12. To flow down.
  • a melt burner 20 is installed below the slag hole 16 inside the light oil combustion chamber 14.
  • the molten burner 20 heats and melts the slag S to increase the fluidity.
  • methane and oxygen It is started by.
  • continuous operation of the molten burner 20 may be required, which increases the methane consumption of the fuel, which is disadvantageous in terms of running cost.
  • the conventional technique for heating and melting the slag using the molten burner 20 is a continuous operation of the molten burner 20 depending on the type of coal, and therefore has a problem of running cost due to an increase in fuel gas consumption. ing.
  • the conventional technology for internally heating the slag hole has a high melting point of about 1200 to 1400 ° C., the life of the metal material constituting the slag hole is shortened by internally heating the slag hole to the same temperature. Has the problem of becoming.
  • consumption of combustion gas as fuel is indispensable.
  • Patent Document 1 since the prior art described in Patent Document 1 is provided with a gas discharge pipe in the light oil combustion chamber to flow out the high-temperature product gas introduced from the inside of the combustor, the apparatus structure can be improved by handling the high-temperature product gas pipe. It has the problem of becoming complicated. In addition, since the gas discharged from the gas discharge pipe into the gas oil combustion chamber becomes a high-temperature product gas containing unburned coal char, the unburned amount in the slag increases and the gas discharge pipe is blocked by the char. This is also a concern.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to gasify a coal gasification combined power generation facility that can stabilize the slag flow by reducing the frequency of use of a molten burner. To provide a furnace.
  • a gasification furnace includes a slag hole in which a combustor that generates combustible gas from pulverized coal opens at the bottom, and the pulverized powder is added to slag cooling water in a light oil combustion chamber provided at a lower portion of the combustor.
  • the eddy current forming means for reducing the pressure in the center of the chamber is provided in the light oil combustion chamber, the hot gas zone in the combustor is under the slag hole in the gas oil fuel chamber where the pressure has decreased due to the influence of the generated vortex. Therefore, the slag flowing down from the slag hole can be heated by this high temperature to suppress solidification.
  • a gasification furnace includes a slag hole in which a combustor that generates combustible gas from pulverized coal opens at the bottom, and the pulverized powder is added to slag cooling water in a light oil combustion chamber provided at a lower portion of the combustor.
  • the slag discharged by gasifying the charcoal flows down from the slag hole, and a melt burner is provided in the vicinity of the slag hole in the light oil combustion chamber, and a seal gas is provided in a camera window of an indoor monitoring camera installed in the light oil combustion chamber.
  • the gasification furnace is provided with eddy current forming means for lowering the pressure at the center of the interior of the gas oil combustion chamber.
  • the eddy current forming means for reducing the pressure in the center of the chamber is provided in the light oil combustion chamber, the hot gas zone in the combustor is under the slag hole in the gas oil fuel chamber where the pressure has decreased due to the influence of the generated vortex. Therefore, the slag flowing down from the slag hole can be heated by this high temperature to suppress solidification.
  • the generated vortex in the light oil combustion chamber formed by the vortex forming means is caused by a synergistic effect with the swirl flow (vortex) formed in the combustor by the burner of the combustor. A circulating flow of hot gas consisting of an upward flow is formed. As a result, even if a low-temperature seal gas is introduced into the light oil combustion chamber, a rapid temperature drop under the slag hole can be mitigated.
  • the seal gas is an oxygen-enriched gas, whereby carbon monoxide and hydrogen contained in the high-temperature gas react with oxygen in the oxygen-enriched gas. Because it generates heat, the hot gas can be heated. In this case, the exothermic reaction mainly occurs under a slag hole in which the local concentration increases, so that the temperature under the slag hole can be effectively heated to a high temperature.
  • a partition plate in which a slag flow outlet is formed is provided in the light oil fuel chamber, and the vortex forming means is provided in the light oil fuel chamber. It is preferable to divide the space into upper and lower spaces, which makes it possible to prevent the influence of the hot gas zone from being blocked by the partition plate and reaching the lower space of the vortex forming means. The rise in water temperature can be suppressed.
  • the vortex forming means may be installed in the slag cooling water, thereby generating the slag cooling water.
  • the generated vortex transfers the vortex to the gas in the gas oil combustion chamber due to the viscosity, and the high temperature gas zone in the combustor reaches under the slag hole where the pressure is reduced under the influence of the generated vortex. Therefore, the slag flowing down the slag hole is heated by the high temperature of the high-temperature gas zone and solidification is suppressed. Since the slag cooling water vortex collects the underwater granulated slag to the center of the vortex, slag recovery from the bottom of the gasifier becomes easy.
  • the use of the melting burner is achieved by effectively utilizing the high heat of the high-temperature gas zone in the combustor.
  • the flow of slag can be stabilized by minimizing the slag. For this reason, at the time of the operation
  • the gasification furnace which concerns on this invention is a principal part block diagram (longitudinal sectional drawing) of the slag flow lower part periphery which shows 2nd Embodiment. It is a cross-sectional view which shows the example of arrangement
  • the gasification furnace according to the present invention is used, for example, in an apparatus for generating combustible gas by putting pulverized coal (pulverized coal) into the furnace in a coal gasification combined power generation facility.
  • pulverized coal pulverized coal
  • combustible gas generated in a gasification furnace is supplied to a gas turbine combustor as fuel for the gas turbine.
  • the ash in the coal needs to be discharged out of the furnace from the bottom of the gasification furnace as granulated slag.
  • a gasification furnace 10A of the embodiment shown in FIGS. 1A and 1B includes a bottomed cylindrical combustor 12, a reductor (not shown) provided on the top of the combustor 12, and a bottomed provided on the bottom of the combustor 12.
  • a cylindrical light oil combustion chamber 14 is provided, and slag cooling water Ws is stored inside (bottom part) of the light oil combustion chamber 14.
  • the combustor 12 includes a slag hole 16 that opens in the center of the bottom of the bottomed cylinder.
  • the slag hole 16 serves as a passage opening for allowing the slag S discharged by partially burning pulverized coal in the combustor 12 to flow down to the slag cooling water Ws in the light oil combustion chamber 14.
  • the slag S flowing down to the slag cooling water Ws is cooled and solidified, and then discharged to the outside of the gasification furnace 10 ⁇ / b> A from an outlet provided at a bottom portion (not shown) of the light oil combustion chamber 14.
  • a melt burner 20 is provided in the vicinity of the lower portion of the slag hole 16 inside the light oil combustion chamber 14. This melting burner 20 heats and melts the slag S flowing down from the slag hole 16 by, for example, combusting methane as a fuel to increase the fluidity, and the slag flowing down from the slag hole 16 into the light oil combustion chamber 14.
  • methane as a fuel
  • the flow of S becomes unstable, that is, when the high-viscosity slag S is solidified due to a rapid temperature drop, it is activated and used.
  • a vortex generator 30 is provided as a vortex generating means for reducing the pressure in the center of the light oil combustion chamber 14. That is, the vortex generator 30 generates a vortex (see arrow C in the drawing) inside the light oil combustion chamber 14, thereby reducing the pressure at the center of the light oil combustion chamber 14 having a circular cross section, and the high temperature of the combustor 12.
  • the gas zone extends to the bottom of the slag hole 16 where the pressure is low.
  • the vortex generator 30 provided in the light oil combustion chamber 14
  • the interior of the light oil combustion chamber 14 is below the slag hole 16 that opens at the axial center position of the light oil combustion chamber 14 having a circular cross section. Therefore, the hot gas zone of the combustor 12 passes through the slag hole 16 and reaches the inside of the light oil combustion chamber 14.
  • the vortex generator 30 includes one in which one or a plurality of rotary blades 32 are installed horizontally.
  • a plurality of rotor blades 32 as the vortex generator 30, for example, two units are installed at a 180 ° pitch in the circumferential direction of the light oil combustion chamber 14, and arranged at an equal pitch in the circumferential direction of the light oil combustion chamber 14. It is desirable to do.
  • the vortex generator 30A of the modified example shown in FIG. 1B has one or a plurality of rotary blades 34 installed vertically.
  • rotor blades 34 are installed at a 90-degree pitch in the circumferential direction of the light oil combustion chamber 14, and when a plurality of rotor blades 34 are installed, the horizontal rotor blades 32 described above are installed. Similarly, it is desirable to arrange them at equal pitches in the circumferential direction of the light oil combustion chamber 14.
  • the vortex generators 30 and 30A for lowering the pressure in the center of the chamber in the light oil combustion chamber 14, the hot gas zone in the combustor 14 affected by the generated vortex C is below the slag hole 16. It reaches to the region in the light oil combustion chamber 14 where the pressure is reduced. Therefore, in the light oil combustion chamber 14, the slag S flowing down from the slag hole 16 due to the high temperature of the high temperature gas zone can be heated to prevent or suppress solidification.
  • the vortex generators 30 and 30A stabilize the slag flow by making the region where the slag S flows down from the slag hole 16 to a high temperature by the heat of the high temperature gas zone and preventing or suppressing the solidification of the slag S due to the temperature drop. is there.
  • the required vortex flow velocity v is calculated by the following calculation formula (see Equation 2). Calculated.
  • the vortex C having a vortex flow velocity v of about 3 m / s is generated by the vortex generators 30 and 30A, the temperature below the slag hole 16 is increased to about 0.5 m in the light oil combustion chamber 14. it can.
  • the vortex generators 30 and 30A in the light oil combustion chamber 14 to generate the vortex C, the slag S in which the hot gas zone in the combustor 12 flows down through the slag hole 16 is reduced in temperature or Solidification is prevented or suppressed, and the flow becomes stable.
  • the usage frequency of the melting burner 20 can be minimized, and the consumption of fuel such as methane can be reduced.
  • the gasification furnace 10B shown in FIG. 3 includes an indoor monitoring camera 40 installed in the light oil combustion chamber 14 in addition to the configuration of the above-described embodiment.
  • This indoor monitoring camera 40 monitors the water surface of the slag hole 16 and the slag cooling water Ws in the light oil combustion chamber 14, and normally a seal gas is flowed through the camera window 42 to prevent contamination.
  • the pressure at the center of the room inside the light oil combustion chamber 14 is compared with the gasification furnace 10B in which the sealing gas is allowed to flow through the camera window 42 of the indoor monitoring camera 40 to prevent contamination.
  • the two rotary blades 32 are installed horizontally, but the vertical rotary blades 34 may be used.
  • the number of installed rotating blades 32 and 34 may be either one or a plurality.
  • the sealing gas described above has only an outlet channel that flows into the light oil combustion chamber 14 from the outside and then flows out 12 to the combustor through the slag hole 16.
  • a seal gas flow (see arrow Fa in the figure) is generated from the slag hole 16 toward the combustor 12 and upwards as a whole.
  • a hot gas swirling flow (see arrow Cg in the figure) is generated inside the combustor 12 by a burner (not shown), and the swirling flow (vortex) causes the hot gas in the high temperature gas zone to center. It naturally circulates in the light oil combustion chamber 14 from the slag hole 16 of the part. For this reason, in the light oil combustion chamber 14, the lower part of the slag hole 16 becomes high temperature. However, when the flow rate of the seal gas is large, the natural circulation of the high temperature gas disappears due to the upward seal gas flow Fa.
  • the generated vortex C in the light oil combustion chamber 14 formed by the vortex generator 30 is caused to flow downward in the center in the light oil combustion chamber 14 by a synergistic effect with the swirl flow Cg formed in the combustor 12 by the burner.
  • a high-temperature gas circulation flow (see arrow Fg in the figure) consisting of the surrounding upward flow is formed, so that the natural circulation of the high-temperature gas disappears even if the seal gas is introduced into the light oil combustion chamber 14. Can be prevented.
  • oxygen-enriched gas as the seal gas of this embodiment. That is, for example, as shown in FIG. 4, a seal gas outlet 44 for blowing out an oxygen-enriched gas having a high oxygen concentration as a seal gas toward the camera window 42 in the light oil combustion chamber 14 is installed, and the seal gas having a high oxygen concentration is provided. Is put into the light oil combustion chamber 14. Then, since carbon monoxide and hydrogen contained in the high-temperature gas in the combustor 12 react with oxygen in the oxygen-enriched gas and generate heat, the high-temperature gas can be efficiently heated by this heat generation.
  • the direction in which the seal gas outlet 44 is installed is so that it substantially coincides with the tangential direction of the generated vortex C formed in the light oil combustion chamber 14 by the vortex generator 30, that is, toward the tangential direction in which the generated vortex C is accelerated.
  • the oxygen-enriched gas may be blown out to the camera window 42 in the light oil combustion chamber 14.
  • FIGS. 6 a third embodiment of the gasification furnace according to the present invention will be described with reference to FIGS. The same parts as those in the embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • vortex forming means such as a rotor blade (not shown) is installed in the slag cooling water Ws. This vortex generating means generates the vortex Cw in the slag cooling water Ws, and further the vortex Cw generated in the slag cooling water Ws is transmitted to the gas in the light oil combustion chamber 14 by viscosity to form the vortex C. To do.
  • the vortex generating means in this case includes one that generates the vortex Cw by the circulation / supply method of the slag cooling water Ws.
  • the vortex Cw of the slag cooling water Ws can be easily recovered from the center of the bottom of the light oil combustion chamber 14 because the granulated slag (not shown) crushed in water is collected at the center of the vortex.
  • the floating slag Sa containing bubbles is generated by foaming, the floating slag Sa floats on the surface of the slag cooling water Ws, making it difficult to collect the floating slag Sa.
  • stray slag Sa gather the vortex center, slag S flowing down the vortex center is attached to overlie the floating slag Sa, floating slag Sa over time Almost the entire surface is coated to have a specific gravity of 1 or more.
  • the floating slag Sa containing bubbles also settles in the water of the slag cooling water Ws when the specific gravity becomes 1 or more, so that the same recovery as the normal slag S is performed from the bottom of the light oil combustion chamber 14. be able to.
  • the above-mentioned floating slag Sa sinks with the portion coated with the flowing-down slag S down and the uncoated portion naturally goes up. Will increase.
  • the density of the floating slag Sa is, for example, about 0.6 to 0.9 g / cm 3 , and therefore, when the coating thickness of the flowing down slag S necessary for the floating slag Sa to sink is approximated, it is shown in FIG. It becomes like this.
  • the coating thickness may be about 1 to 3 mm with respect to the diameter of the floating slag Sa of 10 to 60 mm.
  • the floating slag Sa is a sphere, and the mixed slag density for sinking is 1.1 g / cm 3 .
  • the high temperature formed in the combustor 12 in the gasification furnace 10A of the coal gasification combined cycle facility that uses the melting burner 20 to heat and melt the slag S By effectively using the high heat of the gas band, the slag S can be stabilized by minimizing the heating and melting of the slag S by the melting burner 20 and minimizing the heat flow. For this reason, when the gasification furnace 10A for gasifying coal is operated, the fuel consumption of the molten burner 20 can be reduced and the slag flow can be stabilized at a low running cost. And low-cost coal gasification gas can be generated.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed within a range not departing from the gist of the present invention, for example, the gasification furnace is not limited to a coal gasification combined power generation gasification furnace.

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Abstract

　溶融バーナの使用頻度を低減してスラグの流下を安定させることができるガス化炉を提供する。微粉炭から可燃性ガスを生成するコンバスタ（１２）が底部に開口するスラグホール（１６）を備え、コンバスタ（１２）の下部に設けられた軽油燃焼室（１４）内のスラグ冷却水Ｗｓに微粉炭をガス化して排出されたスラグ（Ｓ）をスラグホール（１６）から流下させるとともに、軽油燃焼室（１４）内のスラグホール（１６）近傍に溶融バーナ（２０）が設けられているガス化炉（１０Ａ）において、軽油燃焼室（１４）内に室内中心部の圧力を降下させる渦発生装置（３０）を設けた。

Description

ガス化炉
　本発明は、たとえば石炭ガス化複合発電（Integrated Gasification
Combined Cycle／IGCC）の設備に適用されるガス化炉に関する。
　石炭ガス化複合発電は、固体の石炭をガス化炉でガス化することにより、蒸気タービンにガスタービンを組み合わせた高効率の発電を行うことができる。
　また、従来型の石炭火力では、多量の石炭灰が発生するのに対して、石炭ガス化複合発電では、ガス化炉で石炭をガス化した後にはガラス状のスラグ（灰）が排出される。このようにしてガス化炉から排出されるスラグの容積は、従来の石炭焚きボイラから排出される石炭灰と比較して、略半減されたものとなる。
　以下、上述した石炭ガス化複合発電を行う発電設備のガス化炉について、図面を参照して要部の構成を簡単に説明する。
　図８に示す従来のガス化炉１０は、微粉炭から可燃性ガスを生成する有底円筒状のコンバスタ１２と、コンバスタ１２の上部に設けられたリダクタ（不図示）と、コンバスタ１２の下部に設けられた軽油燃焼室１４とを備えており、石炭をガス化して排出されたスラグＳは、コンバスタ１２の底部中央に開口するスラグホール１６から軽油燃焼室１４内に貯留されたスラグ冷却水Ｗｓまで流下する。
　また、軽油燃焼室１４の内部には、溶融バーナ２０がスラグホール１６の下方に設置されている。この溶融バーナ２０は、スラグホール１６から軽油燃焼室１４内を流下するスラグＳの流れが不安定になった場合、スラグＳを加熱・溶融させて流動性を増すものであり、通常メタンと酸素とにより起動される。しかし、スラグＳが高粘度となる炭種によっては、溶融バーナ２０の連続運用が必要となる可能性もあるため、燃料のメタン消費量が増大してランニングコストの面で不利になる。
　スラグＳの流下が不安定になる原因は、スラグホール１６の下方において、スラグＳの温度が急激に低下して固化するためである。従って、スラグＳの固化による不具合を改善するため、スラグホールを金属製とし、スラグホールの内部で燃焼ガスを燃焼させて内部加熱する従来技術が提案されている。
　さらに、たとえば特許文献１に開示されているように、スラグホールより下方の軽油燃焼室に開口する高温生成ガスのガス排出管を設けておき、コンバスタ内で生成された高温ガスの一部を軽油燃焼室に流出させて加熱する従来技術も提案されている。
特開平８－１４３８７７号公報
　上述したように、溶融バーナ２０を使用してスラグを加熱・溶融する従来技術は、炭種によっては溶融バーナ２０の連続運用となるので、燃料ガス消費量の増大によるランニングコストの問題を有している。
　また、スラグホールを内部加熱する従来技術は、スラグの融点が１２００～１４００℃程度と高温であるため、同温度までスラグホールを内部加熱することにより、スラグホールを構成する金属材料の寿命が短くなるという問題を有している。なお、この従来技術の場合、スラグホールの内部温度を維持するためには、燃料となる燃焼ガスの消費が不可欠である。
　また、特許文献１に記載された従来技術は、軽油燃焼室にガス排出管を設けてコンバスタ内から導入した高温生成ガスを流出させるものであるから、高温生成ガス配管の取り回しなどにより装置構造が複雑になるという問題を有している。しかも、ガス排出管から軽油燃焼室に流出するのは、石炭未燃分のチャーを含んだ高温生成ガスとなるため、スラグ中の未燃分が増加するとともに、ガス排出管がチャーにより閉塞することも懸念される。
　このような背景から、溶融バーナを使用してスラグを加熱・溶融する石炭ガス化複合発電設備のガス化炉においては、ランニングコストを低減してコンバスタから軽油燃焼室へのスラグ流下を安定させることが望まれる。
　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、溶融バーナの使用頻度を低減してスラグの流下を安定させることができる石炭ガス化複合発電設備のガス化炉を提供することにある。
　本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
　本発明の一態様に係るガス化炉は、微粉炭から可燃性ガスを生成するコンバスタが底部に開口するスラグホールを備え、前記コンバスタの下部に設けられた軽油燃焼室内のスラグ冷却水に前記微粉炭をガス化して排出されたスラグを前記スラグホールから流下させるとともに、前記軽油燃焼室内の前記スラグホール近傍に溶融バーナが設けられているガス化炉であって、前記軽油燃焼室内に室内中心部の圧力を降下させる渦流形成手段を設けた。
　上記態様によれば、軽油燃焼室内に室内中心部の圧力を降下させる渦流形成手段を設けたので、発生渦の影響を受けてコンバスタ内の高温ガス帯が圧力低下した軽油燃料室内のスラグホール下まで及ぶようになり、従って、この高温によりスラグホールから流下するスラグを加熱して固化を抑制することができる。
　本発明の一態様に係るガス化炉は、微粉炭から可燃性ガスを生成するコンバスタが底部に開口するスラグホールを備え、前記コンバスタの下部に設けられた軽油燃焼室内のスラグ冷却水に前記微粉炭をガス化して排出されたスラグを前記スラグホールから流下させるとともに、前記軽油燃焼室内の前記スラグホール近傍に溶融バーナが設けられ、前記軽油燃焼室内に設置した室内監視カメラのカメラ窓にシールガスを流して汚れを防いでいるガス化炉であって、前記軽油燃焼室内に室内中心部の圧力を降下させる渦流形成手段を設けた。
　上記態様によれば、軽油燃焼室内に室内中心部の圧力を降下させる渦流形成手段を設けたので、発生渦の影響を受けてコンバスタ内の高温ガス帯が圧力低下した軽油燃料室内のスラグホール下まで及ぶようになり、従って、この高温によりスラグホールから流下するスラグを加熱して固化を抑制することができる。
　そして、渦流形成手段により形成された軽油燃焼室内の発生渦は、コンバスタのバーナによりコンバスタ内に形成された旋回流（渦）との相乗効果により、軽油燃焼室内に中心部の下降流及び周囲の上昇流よりなる高温ガスの循環流れを形成する。この結果、軽油燃焼室内に低温のシールガスが投入されても、スラグホール下の急激な温度低下を緩和することができる。
　上記態様に係るガス化炉においては、前記シールガスを酸素富化ガスにすることが好ましく、これにより、高温ガス中に含まれる一酸化炭素及び水素が、酸素富化ガス中の酸素と反応して発熱するので、高温ガスを加熱することができる。この場合の発熱反応は、主に局所濃度が高まるスラグホール下で生じることから、スラグホール下を効果的に加熱して高温にすることができる。
　本発明の一態様に係るガス化炉によれば、上述のいずれかのガス化炉において、前記軽油燃料室内にスラグ流下口を形成した仕切板を設け、前記軽油燃料室内を前記渦流形成手段の上下空間に区分することが好ましく、これにより、高温ガス帯の影響が仕切板に遮られて渦流形成手段の下部空間に及ぶことを防止できるようになり、従って、高温ガス帯の高温によるスラグ冷却水の温度上昇を抑えることができる。
　本発明の一態様に係るガス化炉によれば、上述のいずれかのガス化炉において、前記渦流形成手段を前記スラグ冷却水の水中に設置してもよく、これにより、スラグ冷却水に発生させた渦が粘性により軽油燃焼室内のガスに渦を伝達し、この発生渦の影響を受けてコンバスタ内の高温ガス帯が圧力低下したスラグホール下まで及ぶようになる。従って、スラグホールを流下するスラグは、高温ガス帯の高温により加熱されて固化が抑制される。
　スラグ冷却水の渦は、水中の水砕スラグを渦中心部へ集めるため、ガス化炉底部からのスラグ回収が容易になる。
　一方、発泡により気泡を内包したスラグが発生すると、スラグ冷却水に浮遊するため回収は困難になるが、流下するスラグが渦中心部に集まる浮遊スラグの上に覆い被さるように付着するので、時間が経過するにつれて、浮遊スラグの略全表面がコーティングされて１以上の比重となる。この結果、気泡を内包したスラグについても、比重が１以上となった時点でスラグ冷却水中に沈むため、ガス化炉底部より通常の回収が可能となる。
　上述した本発明によれば、溶融バーナを使用してスラグを加熱溶融する石炭ガス化複合発電設備のガス化炉において、コンバスタ内の高温ガス帯の高熱を有効利用することにより、溶融バーナの使用を最小限に抑えてスラグの流下を安定させることができる。このため、石炭をガス化する運転時には、溶融バーナの燃料消費量を低減することができるので、低いランニングコストでガス化炉の運転が可能となる。
本発明に係るガス化炉について第１の実施形態を示すスラグ流下部周辺の要部構成図であり、渦発生装置の回転翼を横置きにした状態の縦断面図である。 本発明に係るガス化炉について第１の実施形態を示すスラグ流下部周辺の要部構成図であり、渦発生装置の回転翼を縦置きにした状態（変形例）の横断面図である。 図１Ａおよび図１Ｂのガス化炉において、渦発生装置により軽油燃料室内に形成される強制渦の模式図である。 本発明に係るガス化炉について、第２の実施形態を示すスラグ流下部周辺の要部構成図（縦断面図）である。 図３のガス化炉について、シールガスとして酸素富化ガスを使用する場合の吹出口配置例を示す横断面図である。 図３のガス化炉について、仕切板を設けた変形例を示すスラグ流下部周辺の要部構成図（縦断面図）である。 本発明に係るガス化炉について、第３の実施形態を示すスラグ冷却水面周辺の斜視図である。 浮遊スラグ直径（ｍｍ）と流下スラグコート厚さ（ｍｍ）との相関関係を示す図である。 従来のガス化炉について要部の構成例を示す縦断面図である。
　以下、本発明に係るガス化炉の一実施形態を図面に基づいて説明する。
　本発明に係るガス化炉は、たとえば石炭ガス化複合発電設備において、粉砕された石炭（微粉炭）を炉内に投入して可燃性ガスを生成するための装置に用いられる。石炭ガス化複合発電設備の場合、ガス化炉で生成された可燃性ガスは、ガスタービンの燃料としてガスタービン燃焼器に供給される。一方、石炭中の灰は、水砕スラグとしてガス化炉底部より炉外へ排出することが必要となる。
＜第１の実施形態＞
　図１Ａおよび図１Ｂに示す実施形態のガス化炉１０Ａは、有底円筒状のコンバスタ１２と、コンバスタ１２の上部に設けられたリダクタ（不図示）と、コンバスタ１２の下部に設けられた有底円筒状の軽油燃焼室１４とを備え、軽油燃焼室１４の内部（底部）にはスラグ冷却水Ｗｓが貯留されている。
　コンバスタ１２は、有底円筒の底部中央に開口するスラグホール１６を備えている。このスラグホール１６は、コンバスタ１２内で微粉炭を部分燃焼して排出されたスラグＳを軽油燃焼室１４内のスラグ冷却水Ｗｓに流下させるための通路開口部となる。スラグ冷却水Ｗｓに流下したスラグＳは、冷却されて固化した後、軽油燃焼室１４の図示しない底部に設けた出口からガス化炉１０Ａの外部へ排出される。
　スラグホール１６の上方には、コンバスタ１２内で微粉炭の部分燃焼により形成された高温ガス帯が存在している。
　一方、軽油燃焼室１４の内部には、スラグホール１６の下方近傍に溶融バーナ２０が設けられている。この溶融バーナ２０は、たとえばメタンを燃料として燃焼させることにより、スラグホール１６から流下するスラグＳを加熱溶融させて流動性を増すものであり、スラグホール１６から軽油燃焼室１４内を流下するスラグＳの流れが不安定になった場合に、すなわち、高粘度のスラグＳが急激な温度低下により固化するような場合に起動して使用される。
　このように構成されたガス化炉１０Ａの軽油燃焼室１４には、軽油燃焼室１４の室内中心部の圧力を降下させる渦流形成手段として渦発生装置３０が設けられている。すなわち、渦発生装置３０が軽油燃焼室１４の内部に渦（図中の矢印Ｃ参照）を発生させることにより、円形断面を有する軽油燃焼室１４の中心部で圧力を降下させ、コンバスタ１２の高温ガス帯が低圧になったスラグホール１６の下まで及ぶようにしている。換言すれば、軽油燃焼室１４内に設けた渦発生装置３０を運転することにより、軽油燃焼室１４の内部は、円形断面を有する軽油燃焼室１４の軸中心位置に開口するスラグホール１６の下方が低圧になるので、コンバスタ１２の高温ガス帯がスラグホール１６を通過して軽油燃焼室１４の内部まで及ぶようになる。
　この渦発生装置３０には、たとえば図１Ａに示すように、１または複数の回転翼３２を横置きに設置したものがある。渦発生装置３０として複数の回転翼３２を設置する場合には、たとえば軽油燃焼室１４の周方向に１８０度ピッチで２台設置するというように、軽油燃焼室１４の周方向に等ピッチで配置することが望ましい。
　図１Ｂに示す変形例の渦発生装置３０Ａは、１または複数の回転翼３４を縦置きに設置したものである。図示の渦発生装置３０Ａは、軽油燃焼室１４の周方向に９０度ピッチで４台の回転翼３４が設置されており、複数の回転翼３４を設置する場合、上述した横置きの回転翼３２と同様に軽油燃焼室１４の周方向に等ピッチで配置することが望ましい。
　このように、軽油燃焼室１４内に室内中心部の圧力を降下させる渦発生装置３０，３０Ａを設けることにより、発生渦Ｃの影響を受けるコンバスタ１４内の高温ガス帯は、スラグホール１６の下方において圧力低下した軽油燃焼室１４内の領域まで及ぶようになる。従って、軽油燃焼室１４内では、高温ガス帯の高温によりスラグホール１６から流下するスラグＳを加熱して固化を防止または抑制することができる。すなわち、渦発生装置３０，３０Ａは、スラグＳがスラグホール１６から流れ落ちる領域を高温ガス帯の熱により高温とし、温度低下によるスラグＳの固化を防止または抑制してスラグ流下を安定化するものである。
　ところで、上述したコンバスタ１２の高温ガス帯がスラグホール１６から軽油燃焼室１４内に進入する深さ（渦の進入深さ；Δｈ）は、コンバスタ１２と軽油燃焼室１４とでガスの出入りがないと仮定した場合、下記の強制渦基礎式（数１参照）により、概略の見積もりが可能である。図２に示す強制渦の模式図において、ｖは渦流速である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　ここで、一例としてガス化炉１０Ａの炉径（直径）が３ｍの場合、進入深さΔｈは０．５ｍくらい欲しいので、必要となる渦流速ｖは、下記の計算式（数２参照）により算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
　この結果、渦発生装置３０，３０Ａにより渦流速ｖが３ｍ／ｓ程度の渦Ｃを発生させると、軽油燃焼室１４内においては、スラグホール１６の下方を約０．５ｍまで高温にすることができる。
　このように、軽油燃焼室１４内に渦発生装置３０，３０Ａを設けて渦Ｃを発生させることにより、コンバスタ１２内の高温ガス帯がスラグホール１６を通って流下するスラグＳは、温度低下や固化が防止または抑制されて安定した流下をするようになる。この結果、溶融バーナ２０の使用頻度を最低限に抑えることができ、メタン等の燃料消費量を減らすことができる。
＜第２の実施形態＞
　次に、本発明に係るガス化炉について、第２の実施形態を図３に基づいて説明する。上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　図３に示すガス化炉１０Ｂは、上述した実施形態の構成に加えて、軽油燃焼室１４内に設置した室内監視カメラ４０を備えている。この室内監視カメラ４０は、軽油燃焼室１４内のスラグホール１６やスラグ冷却水Ｗｓの水面を監視するものであり、通常はカメラ窓４２にシールガスを流して汚れを防いでいる。
　本実施形態では、室内監視カメラ４０のカメラ窓４２にシールガスを流して汚れを防いでいるガス化炉１０Ｂに対し、上述した実施形態と同様に、軽油燃焼室１４内に室内中心部の圧力を降下させる渦発生装置３０を設けている。図示の構成例では、２台の回転翼３２を横置きに設置しているが、縦置きの回転翼３４としてもよい。回転翼３２，３４の設置台数についても、１または複数のいずれでもよい。
　ところで、上述したシールガスには、外部から軽油燃焼室１４内に流入した後、スラグホール１６を通ってコンバスタへ１２流出する出口流路しかない。このため、軽油燃焼室１４の内部には、スラグホール１６からコンバスタ１２へ向かい、全体的に上向きとなるシールガス流（図中の矢印Ｆａを参照）が発生する。
　一方、コンバスタ１２の内部には、バーナ（不図示）によって高温ガスの旋回流（図中の矢印Ｃｇを参照）が発生しており、この旋回流（渦）により高温ガス帯の高温ガスが中心部のスラグホール１６から軽油燃焼室１４内に自然循環してくる。このため、軽油燃焼室１４内においては、スラグホール１６の下部が高温となる。しかしながら、シールガスの流量が多いと、上向きのシールガス流Ｆａにより高温ガスの自然循環が消滅してしまう。
　このような状況において、軽油燃焼室１４内に設けた渦発生装置３０を運転すると、渦発生装置３０により軽油燃焼室１４内に形成された発生渦Ｃの影響を受けて、コンバスタ１２内の高温ガス帯がスラグホール１６から圧力低下した軽油燃焼室１４内に流入し、スラグホール１６の下部が高温となる。この結果、スラグホール１６から流下するスラグＳを加熱し、固化を抑制することができる。
　そして、渦発生装置３０により形成された軽油燃焼室１４内の発生渦Ｃは、バーナによりコンバスタ１２内に形成された旋回流Ｃｇとの相乗効果により、軽油燃焼室１４内に中心部の下降流及び周囲の上昇流よりなる高温ガスの循環流れ（図中の矢印Ｆｇを参照）を形成するので、軽油燃焼室１４内にシールガスが投入されても、高温ガスの自然循環が消滅することを防止できる。
　すなわち、軽油燃焼室１４の内部に渦Ｃを発生させれば、コンバスタ１２内の渦Ｃｇとの相乗効果により軽油燃焼室１４内に高温ガスの循環流れＦｇが形成されるので、軽油燃焼室１４から室内監視カメラ４０用のシールガスＦａがプラスされても、スラグホール１６の下方における急激な温度低下を緩和できる。このため、シールガスＦａを使用するガス化炉１０Ｂにおいても、スラグＳの流下を安定させることができる。
　ところで、本実施形態のシールガスは、酸素富化ガスを使用することが望ましい。すなわち、たとえば図４に示すように、シールガスとして酸素濃度の高い酸素富化ガスを軽油燃焼室１４内のカメラ窓４２に向けて吹き出すシールガス吹出口４４を設置し、酸素濃度の高いシールガスを軽油燃焼室１４内に投入する。すると、コンバスタ１２内の高温ガス中に含まれる一酸化炭素及び水素と、酸素富化ガス中の酸素とが反応して発熱するので、この発熱により高温ガスを効率よく加熱することができる。この発熱反応は、主として酸素の局所濃度が高まるスラグホール１６の下方において生じることから、スラグホール下を効果的に加熱して高温にすることができる。
　シールガス吹出口４４を設置する向きは、渦発生装置３０が軽油燃焼室１４内に形成した発生渦Ｃの接線方向と略一致するように、すなわち、発生渦Ｃを加速する接線方向に向けて、軽油燃焼室１４内のカメラ窓４２へ酸素富化ガスを吹き出すようにするとよい。
　コンバスタ１２内に生成された高温ガスの循環で軽油燃焼室１４の吸熱量が上昇し、スラグ冷却水Ｗｓの温度上昇が問題となる場合には、たとえば図５に示すガス化炉１０Ｃのように、軽油燃焼室１４内にスラグ流下口１８ａを形成した仕切板１８を設け、軽油燃焼室１４内を渦発生装置３０の上下空間に区分することが望ましい。すなわち、軽油燃焼室１４内の空間は、軽油燃焼室１４内に設置した仕切板１８によりスラグ流下口１８ａの開口面積を残して上下に分離されるので、渦発生装置３０により発生する渦Ｃの領域は、スラグホール１６の近傍となる仕切板１８の上部に制限される。
　この結果、コンバスタ１２から流下した高温ガス帯の熱影響は、仕切板１８の遮断により最小限に抑えられる。このため、高温ガス帯の熱影響が渦発生装置３０の下部空間に及ぶことを防止または抑制できるようになり、従って、高温ガス帯の高温によるスラグ冷却水Ｗｓの温度上昇を抑えることができる。
　このような仕切板１８は、上述した第１の実施形態においても有効である。
＜第３の実施形態＞
　次に、本発明に係るガス化炉について、第３の実施形態を図６及び図７に基づいて説明する。上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　図６に示すガス化炉１０Ｄにおいては、たとえば回転翼（不図示）のような渦流形成手段がスラグ冷却水Ｗｓの水中に設置されている。この渦発生手段は、スラグ冷却水Ｗｓに渦Ｃｗを生じさせるものであり、さらに、スラグ冷却水Ｗｓに発生させた渦Ｃｗが粘性により軽油燃焼室１４内のガスに伝達して渦Ｃを形成する。この結果、軽油燃焼室１４内には、室内中心部の圧力を降下させる渦流が形成され、この渦Ｃの影響を受けて、コンバスタ１２内の高温ガス帯が圧力低下したスラグホール１６の下部領域まで及ぶようになる。従って、スラグホール１６を流下するスラグＳは、高温ガス帯の高温により加熱溶融されて固化が抑制されるので、安定した流下が可能となる。
　この場合の渦発生手段は、スラグ冷却水Ｗｓの循環・供給方式により渦Ｃｗを発生させるものを包含する。
　スラグ冷却水Ｗｓの渦Ｃｗは、水中で破砕された水砕スラグ（不図示）を渦中心部へ集めるため、軽油燃焼室１４の底部中央から容易に回収することができる。
　一方、発泡により気泡を内包した浮遊スラグＳａが発生すると、この浮遊スラグＳａはスラグ冷却水Ｗｓの水面に浮遊して、浮遊スラグＳａの回収は困難になる。しかし、渦Ｃｗを発生させれば、浮遊スラグＳａは渦中心部に集まるので、渦中心部に流下するスラグＳが浮遊スラグＳａの上に覆い被さるように付着し、時間の経過とともに浮遊スラグＳａの略全表面がコーティングされて１以上の比重となる。この結果、気泡を内包した浮遊スラグＳａについても、比重が１以上となった時点でスラグ冷却水Ｗｓの水中に沈降するため、軽油燃焼室１４の底部より通常のスラグＳと同様の回収を行うことができる。
　すなわち、上述した浮遊スラグＳａは、流下スラグＳでコートされた部分が下になって沈み、コートされていない部分が自然に上になるので、時間の経過に伴い順次全体がコートされて比重を増すこととなる。
　ところで、浮遊スラグＳａの密度は、たとえば０．６～０．９ｇ／ｃｍ３程度であり、従って、浮遊スラグＳａが沈むために必要な流下スラグＳのコート厚さを概算すると、図７に示すようになる。ここで、流下スラグＳの密度を３ｇ／ｃｍ３程度とすれば、浮遊スラグＳａの直径１０～６０ｍｍに対してコート厚さは１～３ｍｍ程度あればよい。この概算では、浮遊スラグＳａを球体とし、沈むための混合スラグ密度は１．１ｇ／ｃｍ３とした。
　このように、上述した本発明の各実施形態によれば、溶融バーナ２０を使用してスラグＳを加熱溶融する石炭ガス化複合発電設備のガス化炉１０Ａにおいて、コンバスタ１２内に形成される高温ガス帯の高熱を有効利用することにより、溶融バーナ２０によるスラグＳの加熱溶融を最小限に抑えてスラグの流下を安定させることができる。このため、石炭をガス化するガス化炉１０Ａの運転時には、溶融バーナ２０の燃料消費量を低減して低いランニングコストでスラグの流下を安定させることができるので、ガス化炉１０Ａの安定した運転を実現して低コストの石炭ガス化ガスを生成することができる。
　本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえばガス化炉が石炭ガス化複合発電のガス化炉に限定されないなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
　１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ　　ガス化炉
　１２　　コンバスタ
　１４　　軽油燃焼室
　１６　　スラグホール
　１８　　仕切板
　１８ａ　　スラグ流下口
　２０　　溶融バーナ
　３０，３０Ａ　　渦発生装置
　３２，３４　　回転翼
　４０　　室内監視カメラ
　４２　　カメラ窓
　４４　　シールガス吹出口
　Ｓ　　スラグ
　Ｓａ　　浮遊スラグ
　Ｗｓ　　スラグ冷却水

Claims (5)

  1. 　微粉炭から可燃性ガスを生成するコンバスタが底部に開口するスラグホールを備え、前記コンバスタの下部に設けられた軽油燃焼室内のスラグ冷却水に前記微粉炭をガス化して排出されたスラグを前記スラグホールから流下させるとともに、前記軽油燃焼室内の前記スラグホール近傍に溶融バーナが設けられているガス化炉であって、
    　前記軽油燃焼室内に室内中心部の圧力を降下させる渦流形成手段を設けたガス化炉。
  2. 　微粉炭から可燃性ガスを生成するコンバスタが底部に開口するスラグホールを備え、前記コンバスタの下部に設けられた軽油燃焼室内のスラグ冷却水に前記微粉炭をガス化して排出されたスラグを前記スラグホールから流下させるとともに、前記軽油燃焼室内の前記スラグホール近傍に溶融バーナが設けられ、前記軽油燃焼室内に設置した室内監視カメラのカメラ窓にシールガスを流して汚れを防いでいるガス化炉であって、
    　前記軽油燃焼室内に室内中心部の圧力を降下させる渦流形成手段を設けたガス化炉。
  3. 　前記シールガスを酸素富化ガスにした請求項２に記載のガス化炉。
  4. 　前記軽油燃料室内にスラグ流下口を形成した仕切板を設け、前記軽油燃料室内を前記渦流形成手段の上下空間に区分した請求項１から３のいずれかに記載のガス化炉。
  5. 　前記渦流形成手段を前記スラグ冷却水の水中に設置した請求項１から４のいずれかに記載のガス化炉。
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