JP2012172080A

JP2012172080A - 石炭ガス化装置における石炭ガス化方法

Info

Publication number: JP2012172080A
Application number: JP2011036074A
Authority: JP
Inventors: Masumi Itonaga; 眞須美糸永; Katsushi Kosuge; 克志小管; Yasuki Namiki; 泰樹並木; Taku Takeda; 卓武田; Yoshiyuki Sachi; 良之幸; Hiroyuki Kotsuru; 広行小水流; Hideaki Yabe; 英昭矢部
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-09-10
Anticipated expiration: 2031-02-22
Also published as: JP5745288B2

Abstract

【課題】灰分が不足する低灰分炭をガス化する場合にも、簡易な方式により、炉内において最適なスラグコーティングを行うことができる石炭ガス化装置における石炭ガス化方法を提供する。
【解決手段】石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％、好ましくは６〜１０ｗｔ％となるように、石炭の原材料となる原炭に調製剤を添加することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置に係り、ガス化炉内のスラグコーティングを運転効率が最大となる適正量に維持することができる石炭ガス化方法に関する技術である。

従来、この種の石炭ガス化装置として、例えば、特許文献１〜３に示される技術が知られている。
特許公報１及び２に示される石炭ガス化装置では、下段のガス化炉において、酸素、又は、酸素及び水蒸気と、石炭を投入して部分酸化によりガス化ガスを生成し、上段の改質炉において、前記生成したガス化ガス中に石炭及び水素を投入して水素化熱分解によりガス、オイル、及びチャーを生成する、上下二室二段の反応器を用いた方式が示されている。そして、このように反応器を二室二段とすることで、石炭のガス化を行う部分と水素化熱分解を行う部分を分離し、各部分の操作条件を自由に設定することが可能となる。

特許公報３に示される石炭ガス化装置では、微粉炭及びガス化剤（酸素含有ガス等）を、高温加圧されたガス化炉内に噴入して内部のガス化部で部分酸化させる構成であり、これにより生成ガスを得るものである。
また、特許公報４に示される石油コークス供給原料のガス化方法では、Ｘ（ＣａＯ、ＣａＣＯ_３、ＭｇＯ、ＭｇＣＯ_３、酸化鉄、酸化ホウ素、酸化ナトリウム、酸化カリウム及びその混合物から構成される群から選択される塩基性灰成分）、Ａｌ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２から構成される三成分系状態から、最適な組成を判定することにより、スラグ粘度の適正化を図る技術が示されている。

特開２００８‐１７４５８３号公報特開２００５‐１６２８９６号公報特開平１１‐１４０４６４号公報特表平９‐５０５０９２号公報

ところで、上記特許公報１〜４に示される石炭ガス化装置のガス化炉では、副産物として石炭中の灰分はスラグとなって炉内の壁面がスラグコーティングされ、かつそのスラグコーティングの一部が溶融スラグとなって、該ガス化炉下部のスラグタップ排出孔を経由して下方に位置する水槽（水砕部）に案内される。
このガス化炉のスラグコーティングはその量が不十分であると、水壁炉からの抜熱が大きくなり、適正なガス化温度を維持するための酸素ガスの供給量が増加する。また、スラグコーティングが過剰になると、炉内のスラグコーティングは維持されるものの、炉外に排出される溶融スラグ量も多くなり、その結果、炉内から流出する熱量が増加し、適正なガス化温度を維持するための酸素ガスの供給量が増加する。
すなわち、上記特許公報１〜４に示される石炭ガス化炉では、適正なスラグコーティングが最適量に維持されないと、ガス化温度を維持するための酸素ガス供給量が増加し、ガス化炉を運転するためのコストが増大するという問題があった。

また、特許文献４では、スラグ粘度の適正化を図るために三成分系状態から最適な石炭組成を検討する技術が示されているが、最適な石炭組成を得るために試行錯誤しなければならない。特に、灰分が不足する低灰分炭（例えば、灰分量が２ｗｔ％より小さい）をガス化する場合には、組成のみで原料成分を決定することは困難であるという問題があった。近年この種の低灰分炭は、石炭ガス化装置に好適に用いられている。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易な方式により、灰分が不足する低灰分炭をガス化する場合にも、炉内において最適なスラグコーティングを行うことで、ガス化炉内の温度を好適に維持することができる石炭ガス化装置における石炭ガス化方法を提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本願の請求項１は、石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置における石炭ガス化方法であって、前記石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％となるように、前記石炭の原材料となる原炭に調製剤を添加することを特徴とする。

本発明によれば、石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％となるように原炭に調製剤を添加したので、灰分が不足する低灰分炭を原炭として使用してガス化した場合であっても、ガス化炉内のスラグコーティングが適正量に維持され、該スラグコーティングの不足又は過剰から生じる炉内の温度低下を防止することができる。このように、本発明では、石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％となるように原炭に調製剤を添加するという簡易な方式により、灰分が不足する低灰分炭を原炭としてガス化する場合にも、炉内において最適なスラグコーティングを行うことができ、ガス化炉内の温度を好適に維持して効率良い石炭ガス化装置の運転を行うことができる。
すなわち、石炭の灰分量が２ｗｔ％よりも小さいと、ガス化炉のスラグコーティングの量が不十分となって水壁炉（炉壁）からの抜熱が大きくなり、適正なガス化温度を維持するための酸素ガスの供給量が増加し、また、灰分量が１９ｗｔ％よりも大きいと、スラグコーティングが過剰になって炉外に排出される溶融スラグ量も多くなり、その結果、炉内から流出する熱量が増加し、適正なガス化温度を維持するための酸素ガスの供給量が増加するという問題が発生する。しかし、本発明では、石炭の灰分量が適正となる２〜１９ｗｔ％となるように原炭に調製剤を添加したので、灰分が不足する低灰分炭を原炭として使用してガス化した場合であっても、ガス化炉内のスラグコーティングが適正量に維持され、該スラグコーティングの不足又は過剰から生じる炉内の温度低下を防止することができるものである。
なお石炭の灰分とは、石炭が含有する石英、粘土鉱物、硫化鉄、有機物中の微量の金属類などの無機物を意味する。

また、本願の請求項２に係る石炭ガス化方法によれば、前記石炭の灰分量が、好ましくは６〜１０ｗｔ％となるように調製剤を添加することを特徴とする。

本発明によれば、石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％となるように好ましくは６〜１０ｗｔ％となるように調製剤を添加することで、ガス化炉内のスラグコーティングが最適量に維持され、該スラグコーティングの不足又は過剰から生じる炉内の温度低下を確実に防止することができる。

また、本願の請求項３に係る石炭ガス化方法によれば、前記調製剤としては、石灰石・硅砂等の鉱物、高炉スラグ粉末・耐火材粉末・各種セメント粉末等の酸化物粉末が利用されることを特徴とする。

本発明によれば、調製剤として、石灰石・硅等の鉱物、高炉スラグ粉末・耐火材粉末・各種セメント粉末等の酸化物粉末を利用することで、石炭の灰分量の調整を好適に行うことが可能となる。

本願の請求項１に係る石炭ガス化方法によれば、石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％となるように原炭に調製剤を添加したので、灰分が不足する低灰分炭を原炭として使用してガス化した場合であっても、ガス化炉内のスラグコーティングが適正量に維持され、該スラグコーティングの不足又は過剰から生じる炉内の温度低下を防止することができる。すなわち、本発明では、石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％となるように原炭に調製剤を添加するという簡易な方式により、灰分が不足する低灰分炭を原炭としてガス化する場合にも、炉内において最適なスラグコーティングを行うことができ、ガス化炉内の温度を好適に維持して効率良い石炭ガス化装置の運転を行うことができる。

本願の請求項２に係る石炭ガス化方法によれば、石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％となるように好ましくは６〜１０ｗｔ％となるように原炭に調製剤を添加することで、ガス化炉内のスラグコーティングが最適量に維持され、該スラグコーティングの不足又は過剰から生じる炉内の温度低下を確実に防止することができる。

本願の請求項３に係る石炭ガス化方法によれば、調製剤として、石灰石・硅等の鉱物、高炉スラグ粉末・耐火材粉末・各種セメント粉末等の酸化物粉末を利用することで、石炭の灰分量の調整を好適に行うことが可能となる。

本発明が適用される石炭ガス化装置の概略構成図である。石炭ガス化装置の石炭ガス化炉における石炭の灰分量（横軸）と、全体の熱損失量（縦軸）との関係を示すグラフである。

本発明の一実施形態について図１及び図２を参照して説明する。
図１は、本実施形態として示される一般的な石炭ガス化装置１００であって、ライン（図示略）より微粉炭（石炭）を搬送し、ライン１を用いてガス化剤（酸素含有ガス等）をバーナ２より高温の加圧されたガス化炉３内に噴入して部分酸化させる構成であり、このガス化炉３で生じる生成ガスＧを上部開口３Ａから排出する。
なお、ガス化炉３の上部開口３Ａの上方には、該ガス化炉３内で生成したガス化ガス中に水素を投入して水素化熱分解によりガス、オイル、及びチャーを生成する図示しない改質炉が連設されている。

また、ガス化炉３での部分酸化に伴い、副産物として石炭中の灰分がスラグとなってガス化炉３の内壁にスラグコーティング（符号Ｓで示す）されるとともに、その一部は溶融スラグＳ１になって排出される。
すなわち、前記ガス化炉３は、その下部に設けられたスラグタップ排出孔３Ｂを経由して、内部で形成される溶融スラグＳ１が排出かつ滴下されるものであって、スラグタップ排出孔３Ｂから排出された溶融スラグＳ１は、スラグ冷却部４を滴下する間に冷却された後、スラグ水砕部５に貯留される。
このスラグ水砕部５は内部にスラグ冷却水６が貯留されるものであって、溶融スラグＳ１を水砕・急冷却して水砕スラグＳ２とした後、下部のスラグ排出孔５Ａより排出する。

前記スラグ水砕部５の下部に位置するスラグ排出孔５Ａには、弁７を有する連結管８が接続されており、該連結管８を通じて、スラグ水砕部５から排出された水砕スラグＳ２がスラグロックホッパ１０に送られる。
このスラグロックホッパ１０では、水砕スラグＳ２を一定時間貯留して、スラグ沈殿させるものであって、一定時間が経過後に、弁１１を有する連結管１２を経由して水砕スラグＳ２を系外に取り出すようにしている。

次に、ガス化炉３の内壁に形成されるスラグコーティングＳの最適化について説明する。
本発明に係る石炭ガス化装置１００では、灰分が不足する低灰分炭を原炭としてガス化する際に、ガス化炉３の内壁に形成されるスラグコーティングＳが不足しないように適正量とするために、石炭の原材料となる原炭に調製剤を添加して、石炭の灰分量を調整する。

ここで調整される灰分量の割合について図２を参照して説明する。
図２のグラフは、２０００ｔ／ｄのガス化炉３に供給される石炭の灰分量（横軸）と、全体の熱損失量（縦軸）との関係を示すものであって、「□」は灰分量に応じて溶融スラグＳ１となって流出する灰持ち出し熱量を示すグラフ、「△」は灰分量に応じてガス化炉３から発熱される炉抜熱量を示すグラフ、「○」は前記「□」と「△」の総和を示す熱損失合計を示すグラフである。

そして、「○」の熱損失合計を示すグラフを参照して分かるように、このガス化炉３では、熱損失合計が最小となる（最適な）灰分量は８ｗｔ％に調製した場合であり、その際の熱損失合計は６.０１Ｇｃａｌ／ｈとなる。また、灰分量が６〜１０ｗｔ％にある場合は、最小の熱損失合計に比べ＋１％以内の抜熱量（６.０９Ｇｃａｌ／ｈ未満）であり、灰分量が２〜１９ｗｔ％にある場合は、最小の熱損失合計に比べて＋２０％以内の熱損失合計（７.１０Ｇｃａｌ／ｈ未満）となる。
以上より、石炭の灰分量を２〜１９ｗｔ％（図２に範囲ａで示す）、好ましくは６〜１０ｗｔ％（図２に範囲ｂで示す）に調製し、最も好ましくは、８ｗｔ％に調製すれば、熱損失合計を抑えることができる。

なお、灰分が不足する低灰分炭を原炭としてガス化する際に、石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％（好ましくは６〜１０ｗｔ％）となるように原炭に調製剤を添加するときに、調製剤としては、鉱物（石灰石、硅砂、葉ろう石等）や酸化物粉末（高炉スラグ粉末、耐火材粉末、各種セメント粉末等）が利用できる。

ここで、本実施形態に係る石炭ガス化装置における石炭ガス化方法における原材料の調整方法の一例について、以下の（１）〜（３）に示す。

（１）ＳｉＯ_２、ＣａＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、Ｐ_２Ｏ_５、ＳＯ_３、Ｋ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏで、残分は強熱減量（ｉｇ. Ｌｏｓｓ）を灰組成とする原炭を用意し、その灰分量を測定する。

（２）次に、原炭の灰分量の割合が適正値でなく、ガス化炉３の内壁に形成されるスラグコーティングＳが不足する恐れがある場合には、灰分量が２〜１９ｗｔ％（好ましくは６〜１０ｗｔ％）となるように原炭に調製剤を添加する。

（３）最後に、原炭と調製剤を混合する。例えば、原炭をコンベアスケール等で計量しながら搬送する場合は、その時間当りの流量（ｋｇ／ｈ）に合わせて、調製剤を一定の重量比で混入する。この後、固体混合器や気流搬送等を用いて原炭と調製剤を良く混合する。これにより、灰分量が２〜１９ｗｔ％とされた石炭が生成される。

〔実施例〕
以下、本実施形態に係る石炭ガス化装置における石炭ガス化方法の一例について具体的に説明する。
まず、ここで使用する原炭をロイヤン炭とすると、その灰組成及びその灰分量は、例えば、ＳｉＯ_２を１６.４７ｗｔ％、ＣａＯを１２.１６ｗｔ％、Ｆｅ_２Ｏ_３を７.７１ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３を１１.２１ｗｔ％、ＭｎＯを０.０９ｗｔ％、ＭｇＯを１１.１ｗｔ％、ＴｉＯ_２を０.６５ｗｔ％、Ｐ_２Ｏ_５を０.０４４ｗｔ％、ＳＯ_３を１８.２５２ｗｔ％、Ｋ_２Ｏを０.５３ｗｔ％、Ｎａ_２Ｏを７.１８ｗｔ％、ｉｇ. Ｌｏｓｓを１４.６０４ｗｔ％（いずれもＤＲＹ）となる。この原炭は灰分量が１.７ｗｔ％であり、そのままガス化すると熱損失合計が多くなることから、上記（２）及び（３）で示すように調製剤を添加して、灰分量を８ｗｔ％にまで増やすことで、熱損失合計の減少を図った。

また、本例では、原炭の塩基度は０.７３８程度である。石炭ガス化炉を、部分酸化部石炭６５０ｋｇ／ｈ、酸素３００Ｎｍ^３／ｈ、水蒸気６５ｋｇ／ｈ、改質部石炭量２００ｋｇ／ｈを投入し、圧力２．５ＭＰａＧ、温度１５５０℃で運転を行ったところ、ガス発生量は約１４００Ｎｍ^３／ｈ、チャー７０ｋｇ／ｈとなった。このような原炭を使用した際のスラグの発生量は、３５ｋｇ／ｈ程度、そのほとんどが径が０．５以下の円柱状の繊維状スラグであった。
また、上述したように調製剤を添加することにより、１.７ｗｔ％であった原炭の灰分量を８ｗｔ％にまで増やすようにしたので、ガス化炉３の内壁にて十分なスラグコーティングＳを得ることができ、酸素ガスの供給量を増やすことなく、ガス化炉３の温度を一定に維持することが確認できた。

以上詳細に説明したように本発明の本実施形態に係る石炭ガス化方法によれば、原材料となる石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％、好ましくは６〜１０ｗｔ％となるように調製剤を添加したので、灰分が不足する低灰分炭を原炭として使用してガス化した場合であっても、ガス化炉３内のスラグコーティングＳが適正量に維持され、該スラグコーティングＳの不足又は過剰から生じる炉内の温度低下を防止することができる。すなわち、本発明の本実施形態に係る石炭ガス化方法によれば、石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％（好ましくは６〜１０ｗｔ％）となるように調製剤を添加するという簡易な方式により、灰分が不足する低灰分炭を原炭としてガス化する場合にも、炉内において最適なスラグコーティングＳを行うことで、ガス化炉内の温度を好適に維持することができ、効率良い石炭ガス化装置の運転を行うことができる。

なお、上記実施形態では、石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％となるように調製剤を添加しているものであるが、これに加えて、繊維状スラグの発生割合を低く抑えるために、スラグの塩基度を上昇させる成分調整を行っても良い。

また、上記実施形態では、ガス化炉３及び改質炉からなる二室二段炉を使用したが、これに限定されず、例えば１つの炉において、ガス化ガスを生成と、水素化熱分解とを共に行うガス化炉を有する石炭ガス化装置などにおいて、最適なスラグコーティングを行うために、石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％となるように調製剤を添加するようにしても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置における石炭ガス化方法に関する。

３ガス化炉
１００石炭ガス化装置
Ｓスラグコーティング

Claims

石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置における石炭ガス化方法であって、
前記石炭の灰分量が２〜１９ｗｔ％となるように、前記石炭の原材料となる原炭に調製剤を添加することを特徴とする石炭ガス化方法。
前記石炭の灰分量が、好ましくは６〜１０ｗｔ％となるように調製剤を添加することを特徴とする請求項１に記載の石炭ガス化方法。
前記調製剤としては、石灰石・硅砂等の鉱物、高炉スラグ粉末・耐火材粉末・各種セメント粉末等の酸化物粉末が利用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の石炭ガス化方法。