JP6721996B2 - ガス化炉壁、これを有するガス化複合発電設備及びガス化炉壁の製造方法 - Google Patents

ガス化炉壁、これを有するガス化複合発電設備及びガス化炉壁の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、石炭等の炭素含有固体燃料を部分燃焼させてガス化するガス化装置で、冷却管が配置されているガス化炉壁、これを有するガス化複合発電設備及びガス化炉壁の製造方法に関する。
従来、ガス化装置として、石炭等の炭素含有固体燃料をガス化炉内に供給し、炭素含有固体燃料を不完全燃焼させることで、可燃性ガスを生成する炭化質燃料ガス化装置（石炭ガス化装置）が知られている。石炭ガス化装置は、内部に燃焼ガスが通過するガス化炉壁の内部を高温のガスが通過する。そのため、ガス化炉壁は、炉壁の加熱を抑制するために、冷却媒体が通過する管路が内部に配置されている。
特許文献１には、火力発電所やごみ焼却炉ではあるがボイラの炉壁の構造及び製造方法が記載されている。具体的には、特許文献２には、冷却水を通過させる複数の筒状管路部とこれらの管路部の間に位置させられて両側端が管路部の周壁に接合された連結板とを備える水冷壁パネルが記載されている。また、特許文献２には、熱交換器の伝熱管ではあるが、内管を炭素鋼、ステンレス鋼または低合金鋼で構成し、外管を高合金鋼で構成する二重管が記載されている。また、特許文献２には、内管に対する外管を溶接で製作することが記載されている。
特開２０１３−１５４３５９号公報 特開２００１−２６３６０４号公報
ところで、ガス化装置のガス化炉壁は、化炉の内部が１５００℃を越える高温のガス（可燃性ガス）が通過する空間が腐食雰囲気であるとともに高い熱負荷がある雰囲気となり、化炉の外部が可燃性ガスよりも温度が低い不活性ガスが流通する非腐食雰囲気となる。化炉内部のガス化炉壁の耐食性対策として、内管の水冷管の外側の外管を耐食性合金鋼で構成する二重管とすることが出来るが、ガス化炉壁面では石炭などのスラグが付着と脱落を繰り返すことで、ガス化炉壁面の温度変化が発生するとともに、１５００℃を越える高温であることで温度差は大きくなり易く、内管と外管との間で温度分布や材質の違いにより熱応力が繰り返し発生する場合がある。また、ガス化炉壁で隔離する２つの空間の雰囲気温度が大きく異なる場合には、ガス化炉壁面の内管と外管の耐食材質の線膨張率の違いが大きくなると、ガス化炉壁にますます熱応力負荷が偏りを生じて大きな負荷となる場合がある。熱負荷に対する応力緩和のためにガス化炉壁の構造を、内管から外管に向けて熱膨張率が順次変化するよう材質を多層化して使用するなどして複雑化すると、炉壁自体の重量が増加する場合や製造コストが高くなる場合があり、要求される機能と課題を総合的に判断して、ガス化炉壁の構造を最適なものとすることが求められている。
そこで、本発明は、壁部の内部と外部とで雰囲気または温度が異なる環境であっても耐久性が高く、かつ簡単な構造のガス化炉壁、これを有するガス化複合発電設備及びガス化炉壁の製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するためにガス化炉壁は、内部に冷却媒体が流れ、第１材料で製作され、並んで配置された複数の配管で構成させるガス化炉壁の少なくとも一部は、前記複数の配管のそれぞれの周囲に積層され、前記配管よりも耐食性が高い第２材料で製作された外周部と、前記外周部と隣接する前記外周部との間に配置された板材と、前記外周部と前記板材とを連結する溶接部と、を有し、前記外周部と前記板材とで内部空間と外部空間とを分離する壁面を構成し、前記外周部は、前記複数の配管の前記周方向の全域を覆っていることを特徴とする。
これによりガス化炉内部の腐食の発生を抑制しつつ、壁部の内部と外部とで雰囲気または温度が異なる環境であっても、壁部の内部と外部が同じ構成であるため、応力負荷の偏りを小さくすることができ、ガス化炉内部空間側からの熱負荷に対しても、化炉壁面の強度を確保して、耐久性を高くすることができる。また、配管と外周部と板材と溶接部とを組み合わせた構造であるため、構造を簡単にすることができる。
前記板材は、前記配管よりも耐食性が高い第３材料で作製されていることが好ましい。板材を第２材料と同様に前記配管よりも耐食性が高い第３材料で形成することで、外周部との溶接接合が容易になる。
前記内部空間は、１５００℃以上のガスが通過することが好ましい。１５００℃を越えるガス化炉内部空間側からの高い熱負荷に対しても、化炉壁面の強度を確保して耐久性を高くすることができる。
前記内部空間は、腐食性雰囲気であり、前記外部空間は、非腐食性雰囲気であることが好ましい。このように、内部空間が腐食性雰囲気である場合でも、化炉壁面の強度を確保して腐食雰囲気に耐久性を保有することができる。
また、前記内部空間は、前記外部空間よりも高温のガスが流れることが好ましい。このように、内部空間が高温雰囲気である場合でも、化炉壁面の強度を確保して腐食雰囲気に耐久性を保有することができる。
また、前記第１材料の熱伝導率に対する前記第２材料の熱伝導率の比率が０．４５以上０．７以下であるとともに、前記第１材料の熱膨張率に対する前記第２材料の熱膨張率の比率が０．９以上１．１以下であることが好ましい。第１材料と第２材料の熱伝導率を上記範囲とすることで、熱の影響による伸びの差をより小さくすることができる。これにより、ガス化炉の熱変形を抑制することができる。また、水冷壁管１４２の冷却性能を高くすることができる。また、ガス化炉壁は、第１材料と第２材料の熱膨張率を上記範囲とすることで、熱の影響による伸びの差をより小さくすることができる。これにより、ガス火炉の熱応力を抑制することができる。
また、前記外周部は、厚みが０より大きく５ｍｍ以下であることが好ましい。外周部の厚みを０より大きくすることで、配管を腐食からより確実に保護することができる。外周部１６４の厚みを５ｍｍ以下とすることで、外周部及び板材とで必要とされる熱伝導特性を維持することができ、外周部の温度上昇を抑制するので外周部の耐久性を向上させることができる。また、配管の熱を外周部及び板材に伝達することができ、ガス化炉壁の冷却性能が低下することを抑制できる。
上記課題を解決するためにガス化複合発電設備は、炭素含有固体燃料をガス化して可燃性ガスを生成する上記のいずれかに記載のガス化炉壁を備えるガス化装置と、前記ガス化装置で生成した前記可燃性ガスの少なくとも一部を燃焼させることで回転駆動するガスタービンと、前記ガスタービンから排出されるタービン排ガスを導入する排熱回収ボイラで生成した蒸気により回転駆動する蒸気タービンと、前記ガスタービンおよび前記蒸気タービンと連結された発電機と、を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高いガス化装置によって生成された生成ガスをガスタービンに供給し、ガスタービン及び蒸気タービンが回転することによって、発電機による発電を行うことができる。
上記課題を解決するために炉壁の製造方法は、第１材料で製作された複数の配管のそれぞれの外周全周に前記第１材料よりも耐食性の高い第２材料の肉盛溶接で外周部を形成するステップと、前記外周部を形成した前記配管と前記外周部を形成した他の前記配管との間に板材を配置するステップと、前記板材と前記外周部とを溶接し、前記板材と前記外周部とを固定する溶接部を形成するステップと、を備えることを特徴とする。
これにより、壁部の内部と外部とで雰囲気または温度が異なる環境であっても、腐食の発生を抑制しつつ、板材の熱効力の増加抑制できる炉壁を製造することができる。
また、前記外周部を形成するステップは、前記配管を回転させつつ肉盛溶接を行い、前記外周部を前記配管の外周の全域に形成するらせん肉盛溶接によることが好ましい。これにより、配管への入熱を少なくしつつ、簡単に外周部を形成することができる。以上より、配管の負荷を少なくすることができ、炉壁の耐久性を高くすることができる。
本発明によれば、壁部の内部と外部とで雰囲気または温度が異なる環境であっても耐久性が高く、かつ簡単な構造のガス化炉壁とすることができる。
図１は、本実施形態に係るガス化装置を適用した石炭ガス化複合発電設備の概略構成図である。 図２は、本実施形態に係るガス化装置を表す概略構成図である。 図３は、ガス化装置のガス化炉壁の概略構成を示す断面図である。 図４は、ガス化炉壁の概略構成を示す部分斜視図である。 図５は、ガス化炉壁の概略構成を示す拡大断面図である。 図６は、ガス化炉壁とバーナとの関係を示す模式図である。 図７は、比較対象のガス化炉壁の概略構成を示す拡大断面図である。 図８は、ガス化炉壁の製造方法の一例を示すフローチャートである。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
図１は、本実施形態に係るガス化装置を適用した石炭ガス化複合発電設備の概略構成図である。図２は、本実施形態に係るガス化装置を表す概略構成図である。
本実施形態に係るガス化装置１４が適用される石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ：Integrated Coal Gasification Combined Cycle）１０は、空気を酸化剤として用いており、ガス化装置１４において、燃料から生成ガスを生成する空気燃焼方式を採用している。そして、石炭ガス化複合発電設備１０は、ガス化装置１４で生成した生成ガスを、ガス精製装置１６で精製して燃料ガスとした後、ガスタービン設備１７に供給して発電を行っている。すなわち、本実施形態の石炭ガス化複合発電設備１０は、空気燃焼方式（空気吹き）の発電設備となっている。ガス化装置１４に供給する燃料としては、例えば、石炭等の炭素含有固体燃料が用いられる。
石炭ガス化複合発電設備（ガス化複合発電設備）１０は、図１に示すように、給炭装置１１と、ガス化装置１４と、チャー回収装置１５と、ガス精製装置１６と、ガスタービン設備１７と、蒸気タービン設備１８と、発電機１９と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：Heat Recovery Steam Generator）２０とを有している。
給炭装置１１は、原炭としての炭素含有固体燃料である石炭が供給され、石炭ミル（図示略）などで粉砕することで、細かい粒子状に粉砕した微粉炭を製造する。給炭装置１１で製造された微粉炭は、後述する空気分離装置４２から供給される搬送用イナートガスとしての窒素によってガス化装置１４へ向けて供給される。
ガス化装置１４は、給炭装置１１で製造された微粉炭が供給されると共に、チャー回収装置１５で回収されたチャー（石炭の未反応分および灰分）が戻されて再利用可能に供給されている。イナートガスとは、酸素含有率が約５体積％以下の不活性ガスであり、窒素ガスや二酸化炭素ガスやアルゴンガスなどが代表例であるが、必ずしも約５％以下に制限されるものではない。
また、ガス化装置１４には、ガスタービン設備１７（圧縮機６１）からの圧縮空気供給ライン４１が接続されており、ガスタービン設備１７で圧縮された圧縮空気がガス化装置１４に供給可能となっている。空気分離装置４２は、大気中の空気から窒素と酸素を分離生成するものであり、第１窒素供給ライン４３によって空気分離装置４２とガス化装置１４とが接続されている。そして、この第１窒素供給ライン４３には、給炭装置１１からの給炭ライン１１ａが接続されている。また、第１窒素供給ライン４３から分岐する第２窒素供給ライン４５もガス化装置１４に接続されており、この第２窒素供給ライン４５には、チャー回収装置１５からのチャー戻しライン４６が接続されている。更に、空気分離装置４２は、酸素供給ライン４７によって、圧縮空気供給ライン４１と接続されている。そして、空気分離装置４２によって分離された窒素は、第１窒素供給ライン４３及び第２窒素供給ライン４５を流通することで、石炭やチャーの搬送用ガスとして利用される。また、空気分離装置４２によって分離された酸素は、酸素供給ライン４７及び圧縮空気供給ライン４１を流通することで、ガス化装置１４において酸化剤として利用される。
ガス化装置１４は、例えば、２段噴流床形式のガス化炉を有している。ガス化装置１４は、内部に供給された石炭（微粉炭）を酸化剤（空気、酸素）により部分燃焼させてガス化させることで、（可燃性ガスを生成する。なお、ガス化装置１４は、微粉炭に混入した異物を除去する異物除去装置４８が設けられている。そして、このガス化装置１４には、チャー回収装置１５に向けて可燃性ガスを供給するガス生成ライン４９が接続されており、チャーを含む可燃性ガスが排出可能となっている。この場合、ガス生成ライン４９にガス冷却器を設けることで、可燃性ガスを所定温度まで冷却してからチャー回収装置１５に供給してもよい。
チャー回収装置１５は、集塵装置５１と供給ホッパ５２とを有している。この場合、集塵装置５１は、１つまたは複数のポーラスフィルタやサイクロンにより構成され、ガス化装置１４で生成された可燃性ガスに含有するチャーを分離することができる。そして、チャーが分離された可燃性ガスは、ガス排出ライン５３を通してガス精製装置１６に送られる。供給ホッパ５２は、集塵装置５１で可燃性ガスから分離されたチャーを貯留するものである。なお、集塵装置５１と供給ホッパ５２との間にビンを配置し、このビンに複数の供給ホッパ５２を接続するように構成してもよい。そして、供給ホッパ５２からのチャー戻しライン４６が第２窒素供給ライン４５に接続されている。
ガス精製装置１６は、チャー回収装置１５によりチャーが分離された可燃性ガスに対して、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物を取り除くことで、ガス精製を行うものである。そして、ガス精製装置１６は、可燃性ガスを精製して燃料ガスを製造し、これをガスタービン設備１７に供給する。なお、チャーが分離された可燃性ガス中にはまだ硫黄分（Ｈ２Ｓなど）が含まれているため、このガス精製装置１６では、アミン吸収液によって硫黄分を除去回収し、有効利用する。
ガスタービン設備１７は、圧縮機６１、燃焼器６２、タービン６３を有しており、圧縮機６１とタービン６３とは、回転軸６４により連結されている。燃焼器６２には、圧縮機６１からの圧縮空気供給ライン６５が接続されると共に、ガス精製装置１６からの燃料ガス供給ライン６６が接続され、また、タービン６３に向かって延びる燃焼ガス供給ライン６７が接続されている。また、ガスタービン設備１７は、圧縮機６１からガス化装置１４に延びる圧縮空気供給ライン４１が設けられており、中途部に昇圧機６８が設けられている。従って、燃焼器６２では、圧縮機６１から供給された圧縮空気とガス精製装置１６から供給された燃料ガスとを混合して燃焼させることで燃焼ガスを発生させ、発生させた燃焼ガスをタービンへ向けて供給する。そして、タービン６３は、供給された燃焼ガスにより回転軸６４を回転駆動させることで発電機１９を回転駆動させる。
蒸気タービン設備１８は、ガスタービン設備１７の回転軸６４に連結されるタービン６９を有しており、発電機１９は、この回転軸６４の基端部に連結されている。排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン設備１７（タービン６３）からの排ガスライン７０が接続されており、給水と排ガスとの間で熱交換を行うことで、蒸気を生成するものである。そして、排熱回収ボイラ２０は、蒸気タービン設備１８のタービン６９との間に蒸気供給ライン７１が設けられると共に蒸気回収ライン７２が設けられ、蒸気回収ライン７２に復水器７３が設けられている。また、排熱回収ボイラ２０で生成する蒸気には、ガス化炉１０１の熱交換器１０２で生成ガスと熱交換って生成された蒸気を排熱回収ボイラ２０で更に熱交換したもの含んでもよい。従って、蒸気タービン設備１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気によりタービン６９が回転駆動し、回転軸６４を回転させることで発電機１９を回転駆動させる。
そして、排熱回収ボイラ２０出口から煙突７５までには、ガス浄化装置７４を備えている。
ここで、本実施形態の石炭ガス化複合発電設備１０の作動について説明する。
本実施形態の石炭ガス化複合発電設備１０において、給炭装置１１に原炭（石炭）が供給されると、石炭は、給炭装置１１において、細かい粒子状に粉砕されることで微粉炭となる。給炭装置１１で製造された微粉炭は、空気分離装置４２から供給される窒素により第１窒素供給ライン４３を流通してガス化装置１４に供給される。また、後述するチャー回収装置１５で回収されたチャーが、空気分離装置４２から供給される窒素により第２窒素供給ライン４５を流通してガス化装置１４に供給される。更に、後述するガスタービン設備１７から抽気された圧縮空気が昇圧機６８で昇圧された後、空気分離装置４２から供給される酸素と共に圧縮空気供給ライン４１を通してガス化装置１４に供給される。
ガス化装置１４では、供給された微粉炭及びチャーが圧縮空気（酸素）により燃焼し、微粉炭及びチャーがガス化することで、可燃性ガス（生成ガス）を生成する。そして、この可燃性ガスは、ガス化装置１４からガス生成ライン４９を通って排出され、チャー回収装置１５に送られる。
このチャー回収装置１５にて、可燃性ガスは、まず、集塵装置５１に供給されることで、可燃性ガスに含有する微粒のチャーが分離される。そして、チャーが分離された可燃性ガスは、ガス排出ライン５３を通してガス精製装置１６に送られる。一方、可燃性ガスから分離した微粒チャーは、供給ホッパ５２に堆積され、チャー戻しライン４６を通ってガス化装置１４に戻されてリサイクルされる。
チャー回収装置１５によりチャーが分離された可燃性ガスは、ガス精製装置１６にて、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物が取り除かれてガス精製され、燃料ガスが製造される。圧縮機６１が圧縮空気を生成して燃焼器６２に供給する。この燃焼器６２は、圧縮機６１から供給される圧縮空気と、ガス精製装置１６から供給される燃料ガスとを混合し、燃焼することで燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスによりタービン６３を回転駆動することで、回転軸６４を介して発電機１９を回転駆動し、発電を行うことができる。このようにして、ガスタービン設備１７は発電を行うことができる。
そして、排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン設備１７におけるタービン６３から排出された排気ガスと給水とで熱交換を行うことにより蒸気を生成し、この生成した蒸気を蒸気タービン設備１８に供給する。蒸気タービン設備１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気によりタービン６９を駆動することで、回転軸６４を介して発電機１９を回転駆動し、発電を行うことができる。なお、ガスタービン設備１７と蒸気タービン設備１８は同一軸として１つの発電機１９を回転駆動しなくてもよく、別の軸として複数の発電機を回転駆動しても良い。
その後、ガス浄化装置７４では、排熱回収ボイラ２０から排出された排気ガスの有害物質が除去され、浄化された排ガスが煙突７５から大気へ放出される。
次に、図１及び図２を参照して、上述した石炭ガス化複合発電設備１０におけるガス化装置１４について詳細に説明する。
ガス化装置１４は、図２に示すように、ガス化炉１０１と、熱交換器１０２と、を備えている。
ガス化炉１０１は、鉛直方向に延びて形成されており、鉛直方向の下方側に微粉炭及び酸素が供給され、部分燃焼させてガス化した可燃性ガス（生成ガス）が鉛直方向の下方側から上方側に向かって流通している。ガス化炉１０１は、圧力容器１１０と、圧力容器１１０の内部に設けられるガス化炉壁１１１とを有している。そして、ガス化炉１０１は、圧力容器１１０とガス化炉壁１１１との間の空間にアニュラス部１１５を形成している。また、ガス化炉１０１は、ガス化炉壁１１１の内部の空間において、鉛直方向の下方側（つまり、生成ガスの流通方向の上流側）から順に、コンバスタ部１１６、ディフューザ部１１７、リダクタ部１１８を形成している。
圧力容器１１０は、内部が中空空間となる筒形状に形成され、上端部にガス排出口１２１が形成される一方、下端部（底部）にスラグホッパ１２２が形成されている。ガス化炉壁１１１は、内部が中空空間となる筒形状に形成され、その壁面が圧力容器１１０の内面と対向して設けられている。本実施形態では圧力容器１１０は円筒形状で、ガス化炉壁１１１は、多角筒形状や円筒形状に形成されている。そして、ガス化炉壁１１１は、図示しない支持部材により圧力容器１１０内面に連結されている。
ガス化炉壁１１１は、圧力容器１１０の内部を内部空間１５４と外部空間１５６に分離する筒状の部材である。ガス化炉壁１１１は、断面形状が変わらない筒ではなく、一部に凹凸や絞りが設けられている。ガス化炉壁１１１は、その上端部が、圧力容器１１０のガス排出口１２１に接続され、その下端部が圧力容器１１０の底部と隙間を空けて設けられている。そして、圧力容器１１０の底部に形成されるスラグホッパ１２２には、貯留水が溜められており、ガス化炉壁１１１の下端部が貯留水に浸水することで、ガス化炉壁１１１の内外を封止している。ガス化炉壁１１１には、バーナ１２６、１２７が挿入され、内部空間１５４に熱交換器１０２が配置されている。ガス化炉壁１１１の構造については後述する。
アニュラス部１１５は、圧力容器１１０の内側とガス化炉壁１１１の外側に形成された空間、つまり外部空間１５６であり、空気分離装置４２で分離された不活性ガスである窒素が、図示しない窒素供給ラインを通って供給される。このため、アニュラス部１１５は、窒素が充満する空間となる。なお、このアニュラス部１１５の鉛直方向の上部付近には、ガス化炉１０１内を均圧にするための図示しない炉内均圧管が設けられている。炉内均圧管は、ガス化炉壁１１１の内外を連通して設けられ、ガス化炉壁１１１の内部（コンバスタ部１１６、ディフューザ部１１７及びリダクタ部１１８）と外部（アニュラス部１１５）とを均圧にしている。
コンバスタ部１１６は、微粉炭及びチャーと空気とを一部燃焼させる空間となっており、コンバスタ部１１６におけるガス化炉壁１１１には、複数のバーナ１２６からなる燃焼装置が配置されている。コンバスタ部１１６で微粉炭及びチャーの一部を燃焼した高温の燃焼ガスは、ディフューザ部１１７を通過してリダクタ部１１８に流入する。
リダクタ部１１８は、ガス化反応に必要な高温状態に維持されコンバスタ部１１６からの燃焼ガスに微粉炭を供給して、微粉炭を揮発分（一酸化炭素、水素、低級炭化水素等）へと熱分解してガス化されて可燃性ガスを生成する空間となっており、リダクタ部１１８におけるガス化炉壁１１１には、複数のバーナ１２７からなる燃焼装置が配置されている。
熱交換器１０２は、ガス化炉壁１１１の内部に設けられると共に、リダクタ部１１８のバーナ１２７の鉛直方向の上方側に設けられている。熱交換器１０２は、ガス化炉壁１１１の鉛直方向の下方側（生成ガスの流通方向の上流側）から順に、蒸発器（エバポレータ）１３１、過熱器（スーパーヒータ）１３２、節炭器（エコノマイザ）１３４が配置されている。これらの熱交換器１０２は、リダクタ部１１８において生成された生成ガスと熱交換を行うことで、生成ガスを冷却する。また、蒸発器（エバポレータ）１３１、過熱器（スーパーヒータ）１３２、節炭器（エコノマイザ）１３４は、図に記載されたその数量を限定するものではない。
ここで、上述した本実施形態のガス化装置１４の作動について説明する。ガス化装置１４のガス化炉１０１において、リダクタ部１１８のバーナ１２７により窒素と微粉炭が投入されて点火されると共に、コンバスタ部１１６のバーナ１２６により微粉炭及びチャーと圧縮空気（酸素）が投入されて点火される。すると、コンバスタ部１１６では、微粉炭とチャーの燃焼により高温燃焼ガスが発生する。また、コンバスタ部１１６では、微粉炭とチャーの燃焼により高温ガス中で溶融スラグが生成され、この溶融スラグがガス化炉壁１１１へ付着すると共に、炉底へ落下し、最終的にスラグホッパ１２２内の貯水へ排出される。そして、コンバスタ部１１６で発生した高温燃焼ガスは、ディフューザ部１１７を通ってリダクタ部１１８に上昇する。このリダクタ部１１８では、ガス化反応に必要な高温状態に維持されて、微粉炭が高温燃焼ガスと混合し、高温の還元雰囲気場において微粉炭を揮発分（一酸化炭素、水素、低級炭化水素等）へと熱分解してガス化反応が行われ、可燃性ガス（生成ガス）が生成される。ガス化した可燃性ガス（生成ガス）が鉛直方向の下方側から上方側に向かって流通する。
次に、図２に加え、図３から図７を用いて、ガス化炉壁について詳細に説明する。図３は、ガス化装置のガス化炉壁の概略構成を示す断面図である。図４は、ガス化炉壁の概略構成を示す部分斜視図である。図５は、ガス化炉壁の概略構成を示す拡大断面図である。図６は、ガス化炉壁とバーナとの関係を示す模式図である。図７は、比較対象のガス化炉壁の概略構成を示す拡大断面図である。
ガス化炉壁１１１は、多角筒形状や円筒形状であるが、図３に示す形態では円筒形状のものであり、筒形状となる壁部１４０に複数の水冷壁管１４２が設けられている。つまり壁部１４０の一部に複数の水冷壁管１４２が設けられている。
ガス化装置１４は、水冷壁管１４２に冷媒（冷却水として給水や蒸気など）を循環させる冷却水循環機構１４３を有する。冷却水循環機構１４３は、循環経路１４４と、ポンプ１４８と、入口ヘッダ１５０と、出口ヘッダ１５２と、を有する。循環経路１４４は、入口ヘッダ１５０と、出口ヘッダ１５２とを介して複数の水冷壁管１４２の両端と接続されている。複数の水冷壁管１４２は、下端部が入口ヘッダ１５０に集められ、上端部が管寄せ出口ヘッダ１５２に集められている。複数の水冷壁管１４２は、ガス化炉１０１を全域にわたって鉛直方向に沿って延設されており、一部の水冷壁管が切断されることなく、また、別の伝熱管が増加することなく、同じ水冷壁管１４２が鉛直方向上下に伸び、周方向に並設されることで、ガス化炉１０１の壁部１４０が形成されている。循環経路１４４には、冷却装置１４６と、ポンプ１４８と、が設けられている。
循環経路１４４には、冷却装置１４６が設けられていても良い。冷却装置１４６は、水冷壁管１４２を通過して温度が上昇した冷却水を熱交換などにより冷却する。冷却装置１４６は、例えば、蒸気発生装置でも良い。外部からの給水管（図示しない）は、一部はポンプ１４８により入口ヘッダ１５０へ供給され、他部は節炭器１３４へ供給する。蒸気ドラム（図示しない）は、出口ヘッダ１５２に連結され、また図示しない配管で、蒸発器１３１の伝熱管、過熱器１３２の伝熱管、節炭器１３４の伝熱管にも各々連結され、リダクタ部１１８において生成された生成ガスと熱交換を行うことで、給水から蒸気を発生する。発生した蒸気は蒸気排出管（図示しない）により排ガス回収ボイラ２０で発生する蒸気とともに、蒸気タービン設備１８に連結されている。また、生成ガスは熱交換を行うことで冷却されて、圧力容器１１０の上端部のガス排出口１２１から排出される。
ポンプ１４８は、循環経路１４４を流れる冷却水を所定方向に送液し、循環経路１４４と水冷壁管１４２に冷却水の流れを形成する。ポンプ１４８は、水冷壁管１４２内に鉛直方向下から上に向かう冷却水の流れを形成する。入口ヘッダ１５０は、アニュラス部１１５、つまり、ガス化炉壁１１１と圧力容器１１０との間の外部空間１５６に配置されている。
入口ヘッダ１５０は、複数の水冷壁管１４２の鉛直方向下側の端部と接続している。入口ヘッダ１５０は、ポンプ１４８により循環経路１４４に流れる冷却水を均圧化して、複数の水冷壁管１４２に供給する。出口ヘッダ１５２は、複数の水冷壁管１４２の鉛直方向上側の端部と接続している。出口ヘッダ１５２は、複数の水冷壁管１４２から排出された冷却水（熱水や蒸気）を循環経路１４４に供給する。このように、冷却水循環機構１４３は、複数の水冷壁管１４２に冷却水を供給する。
次に、ガス化炉壁１１１の壁部１４０と水冷壁管１４２の構造をより詳細に説明する。水冷壁管１４２の少なくとも一部は、配管１６２と、配管１６２の外周に設けられた外周部１６４と、を有する。配管１６２は、内部に冷却水が流れる管路である。外周部１６４は、配管１６２の周方向の全周に配置され、配管１６２の外周面を覆っている。外周部１６４は、例えば、配管１６２の表面に肉盛溶接を行うことで、形成する。
壁部１４０は、水冷壁管１４２と水冷壁管１４２との間に板材（フィン）１６６が設けられている。本実施形態の壁部１４０は、複数の水冷壁管１４２を同心円状に配置し、水冷壁管１４２と水冷壁管１４２との間を板材１６６で塞ぐことで、筒形状を形成している。また、壁部１４０は、水冷壁管１４２の外周部１６４と板材１６６とを連結する溶接部１６８を有する。溶接部１６８は、外周部１６４と板材１６６との接触部分の内部空間１５４側の端部と、外部空間１５６側の端部に形成されている。溶接部１６８は、溶接により形成され、外周部１６４と板材１６６との両方と密着することで、外周部１６４と板材１６６とを連結する。
また、ガス化炉壁１１１は、上述したようにバーナ１２６、１２７が挿入されている。バーナ１２７が挿入される位置のガス化炉壁１１１は、図６に示すように、バーナ１２７が挿入される位置の近傍の水冷壁管１４２がバーナ１２７に沿って、湾曲した形状となる。また、湾曲した水冷壁管１４２の間に配置された板材１６６は、水冷壁管１４２に沿って一部が広くなっている。板材１６６は、広くなっている領域のバーナ１２７が挿入される位置に、バーナ１２７を挿入する穴が形成されている。また、ガス化炉壁１１１の周方向において、バーナ１２７が挿入される板材１６６の周囲の板材１６６及び水冷壁管１４２は、軸方向においてバーナ１２７が挿入される位置の幅が短く（狭く）なり、その他の部分の幅が長く（広く）なる。これにより、バーナ１２７から離れるにしたがって、水冷壁管１４２の湾曲が小さくなり、所定本数離れた水冷壁管１４２を直管とすることができる。なお、図６では、バーナ１２７が挿入される位置のガス化炉壁１１１の形状を示したが、バーナ１２６が挿入される位置のガス化炉壁１１１も同様の形状である。
ガス化炉壁１１１は、配管１６２が第１材料で製作され、外周部１６４が第２材料で作製されている。また、板材１６６及び溶接部１６８は、第２材料で作製されていてもよい。第１材料及び第２材料は、金属である。第２材料は、第１材料よりも耐食性（耐腐食性）が高く、かつ、耐熱性が高い材料である。ガス化炉壁１１１は、外周部１６４を配管１６２よりも耐食性が高く、かつ、耐熱性が高い材料で形成することで、配管１６２を保護することができる。具体的には、ガス化炉壁１１１の内側の可燃性ガスが流れる内部空間１５４は、酸素と燃料を含む流体が流れ、かつ高温となる。配管１６２の内部空間１５４側の面を外周部１６４で覆うことで、配管１６２を腐食や高温の使用環境から保護することができる。また、ガス化炉壁１１１の配管１６２や外周部１６４や板材１６６に石炭などのスラグが付着と脱落を発生すことで、ガス化炉壁１１１の壁面の温度変化が発生して、配管１６２や外周部１６４で温度分布が生じると、材質の違いによる熱膨張差の影響が大きくなり、局部的な熱応力が大きくなる。さらに１５００℃を越える高温雰囲気であることで温度差は大きくなり易い。このため本実施形態では、ガス化炉壁１１１の外部空間１５６側と内部空間１５４側は、配管１６２の軸心と板材１６６の板厚中心を結ぶ面に対して対称となる同じ形状としてあり、局所的な温度分布が発生しても熱膨張差による熱負荷の増大を抑制することが出来て、ガス化炉壁１１１の耐久性を向上できる。
また、ガス化炉壁１１１の外側は、窒素が充満して非腐食雰囲気である外部空間１５６である。内部空間１５４は、鉛直方向の高さ位置で温度が異なるが、コンバスタ部１１６では、１５００℃を越える高温雰囲気であるとともに、燃焼反応が行われる腐食雰囲気である。一方、外部空間１５６は、内部空間１５４よりも温度が低い空間であり、数１００℃程度の非腐食雰囲気である。配管１６２の中には冷媒が流通するので、配管１６２の外周部１６４や板材１６６の温度は数１００℃となり、鉛直方向の同じ高さ位置では冷媒の流通により温度分布は小さく抑えられている。本実施形態では、外部空間１５６側の配管１６２の表面にも内部空間１５４側と同様な外周部１６４を設けてあり、これにより、板材１６４と水冷壁管１４２との接触部に外周部１６４を配置することができる。板材１６４と水冷壁管１４２との接触部は、溶接部１６８となる。このような構造により、１５００℃を越える高温のガス（可燃性ガス）が通過するガス化炉壁１１１において、熱負荷が高く温度差による熱応力が発生し易い環境でも、腐食雰囲気と温度差雰囲気に耐久性を保有することができる。
例えば、図７に示す比較対象のガス化炉壁２１１である。比較対象のガス化炉壁２１１は、配管２６２と配管２６２の間に板材２６６を設けている。配管２６２と板材２６６が溶接等により連結されている。また、配管２６２と板材２６６の内部空間１５４側の面に外周部２６４と保護壁２６９を設けている。ここで、配管２６２と板材２６６は、第１材料で製作されている。外周部２６４と保護壁２６９は、第２材料で製作されている。ガス化炉壁２１１は、腐食雰囲気であり、温度が高くなる内部空間１５４側に選択的に、外周部２６４、保護壁２６９を設けることで、ガス化炉壁２１１の配管２６２と板材２６６を腐食や高温の使用環境から保護することができる。しかしながら、ガス化炉壁２１１に石炭などのスラグが付着と脱落を発生すことで、ガス化炉壁１１１の壁面の温度変化が発生した場合は、板材２６６により熱膨張差による応力が増加する場合があり、意図しない応力が偏って発生することで負担が増加する恐れがある。
これに対して、本実施形態のガス化炉壁１１１の少なくとも一部は、板材１６６を単一部材で製作している。また、さらにガス化炉壁１１１の少なくとも一部の板材１６６を第２材料で製作するときは、板材１６６と第２材料で製作された外周部１６４とを溶接部１６８で連結することで、板材１６６を単一材料の部材とすることができ、かつ、連結部を第２材料と同種の金属を主成分とする部材で溶接することができ、溶接作業が一層に容易となる。この本実施形態が適用される部分は、例えば、コンバスタ部１１６に適用されても良く、さらにはディフューザ部１１７に適用してもよい。このように、板材１６６を単一材料の部材とすることで、温度上昇に伴う熱伸び差が無いので板材１６６に熱膨張差にともなう応力が生じることを抑制できる。また、ガス化炉壁１１１の外部空間１５６側と、内部空間１５４側は異なる温度での使用環境であるとともに、配管１６２は第１材料で、外周部１６４と板材１６６及び溶接部１６８が第２材料で作製されているので、第１材料と第２材料との間の熱膨張差による、応力を発生する場合がある。しかしながら本実施形態では、ガス化炉壁１１１の外部空間１５６側と内部空間１５４側は、配管１６２の軸心と板材１６６の板厚中心を結ぶ面に対して対称となる同じ形状であり、熱膨張差により一部に偏り増加する応力発生を抑制することが出来る。さらに、板材１６６を第２材料で製作するときは、連結部を、同種金属材を主成分とする金属で溶接することができることで、溶接部１６８が板材１６６と外周部１６４（水冷壁管１４２）とを連結する力を、異種材料同士を溶接する場合よりも接続部分の強度を強くすることができ、併せて溶接作業が簡易になる。これにより、ガス化炉壁１１１は、板材１６６の自身の温度差による応力を生じにくくし、かつ、軸対称な構造の水冷壁管１４２と溶接部１６８で板材１６６を支持する構造により、第１材料と第２材料との間の熱膨張差により生じる応力の偏りの発生により、熱応力が増大することを抑制することができる。熱応力の増加を抑制できることで、耐久性を高くすることができる。また、二重管の水冷壁管１４２と板材１６６と溶接部１６８とを組み合わせた構造であるため、構造と施工を簡単にすることができる。
なお、板材１６６及び溶接部１６８は、第２材料で作製することが好ましいが、第２材料とは異なる第３材料で作製してもよい。第３材料は、第２材料と同様の性能の材料、具体的には、第１材料よりも耐食性（耐腐食性）が高く、かつ、耐熱性が高い材料である。第３材料を第２材料と同じ特性とすることで、溶接しやすくすることができる。また、板材１６６と溶接部１６８とを第２材料の候補となる材料のうち別々の材料で作製してもよい。
また、ガス化炉壁１１１は、外部空間１５６側の面も耐食性が高い第２材料で覆うことができる。これにより、運転時に意図せず、外部空間に燃料ガスや酸素が流入した場合でも、ガス化炉壁１１１が腐食することを抑制できる。これにより、ガス化炉壁１１１の耐食性をより高くすることができる。
ここで、ガス化炉壁１１１は、第１材料の熱伝導率に対する第２材料の熱伝導率の比率（第２材料の熱伝導率／第１材料の熱伝導率）は、０．４５以上０．７以下であることが好ましい。ガス化炉壁１１１は、第１材料と第２材料の熱伝導率を上記範囲とすることで、水冷壁管１４２での熱通過に伴う熱抵抗の差により、外周部１６４に温度差が生じる影響による伸びの差をより小さくすることができる。これにより、ガス化炉壁１１１の熱応力を抑制することができる。また、水冷壁管１４２での熱抵抗の差を少なくすることで、水冷壁管１４２の冷却性能を高くすることができる。
また、ガス化炉壁１１１は、第１材料の熱膨張率に対する第２材料の熱膨張率の比率（第２材料の熱膨張率／第１材料の熱膨張率）は０．９以上１．１以下であることが好ましい。第１材料の熱膨張率と第２材料の熱膨張率はいずれが他方に対して大きくてもよい。ガス化炉壁１１１は、第１材料と第２材料の熱膨張率を上記範囲とすることで、温度上昇時の材料の差や温度の差の影響による伸びの差をより小さくすることができる。これにより、ガス化炉壁１１１の熱応力を抑制することができる。
また、ガス化炉壁１１１は、第１材料が、炭素鋼又は、１〜２％程度のクロムを含有する合金炭素鋼であり、前記第２材料が、ニッケル基合金やニッケル含有合金であることが好ましい。ここで、炭素鋼又は合金炭素鋼としては、例えばＳＴＢ５１０の炭素鋼やＳＴＢＡ２３等の１Ｃｒ鋼や２Ｃｒ鋼を用いることが好ましい。ニッケル基合金としては、例えば、インコネル（登録商標）６００、インコネル（登録商標）６２２、インコネル（登録商標）６２５、インコネル（登録商標）６９０、ＨＲ−１６０、ハステロイＸ（商標）、Ａｌｌｏｙ７２、Ａｌｌｏｙ７２Ｍなどを用いることが好ましい。ガス化炉壁１１１は、第１材料と第２材料に上記材料を用いることで、第２材料の耐食性、耐久温度を第１材料よりも高くしつつ、第１材料と第２材料との熱膨張率の差を小さくすることができる。これにより、ガス化炉壁１１１の熱応力を抑制することができ、かつ、ガス化炉壁１１１としての耐食性、耐久温度を高くすることができる。
外周部１６４は、厚みが０より大きく５ｍｍ以下であることが好ましい。外周部１６４の厚みを０を含まない膜のような存在以上とすることで、配管１６２を腐食からより保護することができる。外周部１６４の厚みを５ｍｍ以下とすることで、配管１６２を通過する冷媒との熱抵抗を小さくして外周部１６４及び板材１６６とで必要とされる熱伝導特性を維持することができ、外周部１６４の温度上昇を抑制するので外周部１６４の耐久性が向上する。また、ガス化炉壁１１１の冷却性能が低下することを抑制できる。
また、ガス化炉壁１１１は、配管１６２の全周に外周部１６４を設ける施工にあたり、らせん肉盛溶接により外周部１６４を製作することができる。これにより、配管１６２に対する入熱を少なくすることができ、外周部１６４の材料の耐久性を左右する固溶成分（例えばクロムなど）が、配管１６２へと拡散浸透し外周部１６４の耐食性が低下することが抑制される。すなわち、水冷壁管１４２の製造時に生じる負荷を少なくすることができることで、ガス化炉壁１１１の耐久性を高くすることができる。また、外周部１６４の溶接施工時は、従来用いられた長手方向へ往復動作による肉盛溶接でもよいが、らせん肉盛溶接により配管１６２に対する入熱を少なくすることができるので、より好ましい。
次に、図８を用いて、ガス化炉壁の製造方法について説明する。図８は、ガス化炉壁の製造方法の一例を示すフローチャートである。図８に示す処理は、作業者が加工機械を用いて実行することができる。また、加工機械を用いて、自動で実行することもできる。
作業者は、配管１６２の周囲全周に肉盛り溶接を行い、外周部１６４を形成する（ステップＳ１２）。具体的には、第１材料で形成された配管１６２の周囲に第２材料を肉盛溶接し、外周部１６４を形成する。配管１６２の全周に外周部１６４を形成する場合、配管１６２の周方向に溶接位置を移動させるらせん肉盛で外周部１６４を形成する。作業者は、ステップＳ１２の処理を繰り返し、配管１６２の周囲に外周部１６４を形成した水冷壁管１４２を複数作成する。
作業者は、複数の水冷壁管１４２を作成したら、水冷壁管１４２を並べて配置し、水冷壁管１４２の外周部１６４と、水冷壁管１４２の外周部１６４と、の間に板材１６６を配置する（ステップＳ１４）。板材１６６は、水冷壁管１４２の外周部１６４と接している。作業者は、水冷壁管１４２と水冷壁管１４２との間に外周部１６４を配置したら、板材１６６と外周部１６４とを溶接し、溶接部１６８を形成する（ステップＳ１６）。作業者は、ステップＳ１４とステップＳ１６の処理を行い。１つの水冷壁管１４２の周方向両端側に２つの板材１６６を溶接で繋げ、最終的には溶接で繋げていった最端部となる１つの板材１６６に２つの水冷壁管１４２を繋げることで、筒状のガス化炉壁１１１を形成する。
ガス化炉壁の製造方法は、上記処理でガス化炉壁１１１を製造することができる。ガス化炉壁１１１、１１１ａを上記組み合わせで製造することで、耐久性が高く、かつ簡単な構造のガス化炉壁１１１、１１１ａを製造することができる。また、配管１６２の全周に外周部１６４を形成する場合は、らせん肉盛溶接で外周部１６４を形成することで、少ない入熱でより簡単に外周部１６４を形成することができる。
また、上記実施形態では、石炭ガス化複合発電設備１０のガス化炉１０１のガス化炉壁１１１として説明したが、石炭ガス化複合発電設備１０以外のプラント、例えば化学プラントのガス化炉１０１のガス化炉壁１１１に用いてもよい。
なお、本実施形態ではタワー型ガス化炉について説明してきたが、ガス化炉はクロスオーバー型ガス化炉でも同様に実施が可能である。
１０ 石炭ガス化複合発電設備（ガス化複合発電設備）
１１ 給炭装置
１１ａ 給炭ライン
１４ ガス化装置
１５ チャー回収装置
１６ ガス精製装置
１７ ガスタービン設備
１８ 蒸気タービン設備
１９ 発電機
２０ 排熱回収ボイラ
４１ 圧縮空気供給ライン
４２ 空気分離装置
４３ 第１窒素供給ライン
４５ 第２窒素供給ライン
４６ チャー戻しライン
４７ 酸素供給ライン
４９ ガス生成ライン
５１ 集塵装置
５２ 供給ホッパ
５３ ガス排出ライン
６１ 圧縮機
６２ 燃焼器
６３ タービン
６４ 回転軸
６５ 圧縮空気供給ライン
６６ 燃料ガス供給ライン
６７ 燃焼ガス供給ライン
６８ 昇圧機
６９ タービン
７０ 排ガスライン
７１ 蒸気供給ライン
７２ 蒸気回収ライン
７４ ガス浄化装置
７５ 煙突
１０１ ガス化炉（内部空間）
１０２ 熱交換器
１１０ 圧力容器
１１１ ガス化炉壁
１１５ アニュラス部（外部空間）
１１６ コンバスタ部
１１７ ディフューザ部
１１８ リダクタ部
１２１ ガス排出口
１２２ スラグホッパ
１２６ バーナ
１２７ バーナ
１３１ 蒸発器
１３２ 過熱器
１３４ 節炭器
１４０ 壁部
１４２ 水冷壁管
１４３ 冷却水循環機構
１４４ 循環経路
１４６ 冷却装置
１４８ ポンプ
１５０ 入口ヘッダ
１５２ 出口ヘッダ
１５４ 内部空間
１５６ 外部空間
１６２ 配管
１６４ 外周部
１６６ 板材（フィン）
１６８ 溶接部

Claims (9)

  1. 内部に冷却媒体が流れ、第１材料で製作され、並んで配置された複数の配管で構成させるガス化炉壁の少なくとも一部は、
    前記複数の配管のそれぞれの周囲に積層され、前記配管よりも耐食性が高い第２材料で製作された外周部と、
    前記外周部と隣接する前記外周部との間に配置された板材と、
    前記外周部と前記板材とを連結する溶接部と、を有し、
    前記外周部と前記板材とで内部空間と外部空間とを分離する壁面を構成し、
    前記外周部は、前記複数の配管の周方向の全域を覆っており、
    前記第１材料の熱伝導率に対する前記第２材料の熱伝導率の比率が０．４５以上０．７以下であるとともに、
    前記第１材料の熱膨張率に対する前記第２材料の熱膨張率の比率が０．９以上１．１以下であることを特徴とするガス化炉壁。
  2. 前記板材は、前記配管よりも耐食性が高い第３材料で製作されていることを特徴とする請求項１に記載のガス化炉壁。
  3. 前記内部空間は、１５００℃以上のガスが通過することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス化炉壁。
  4. 前記内部空間は、腐食性雰囲気であり、
    前記外部空間は、非腐食性雰囲気であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガス化炉壁。
  5. 前記内部空間は、前記外部空間よりも高温のガスが流れることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガス化炉壁。
  6. 前記外周部は、厚みが０より大きく５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガス化炉壁。
  7. 炭素含有固体燃料をガス化して可燃性ガスを生成する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のガス化炉壁を備えるガス化装置と、
    前記ガス化装置で生成した前記可燃性ガスの少なくとも一部を燃焼させることで回転駆動するガスタービンと、
    前記ガスタービンから排出されるタービン排ガスを導入する排熱回収ボイラで生成した蒸気により回転駆動する蒸気タービンと、
    前記ガスタービンおよび前記蒸気タービンと連結された発電機と、を備えることを特徴とするガス化複合発電設備。
  8. 第１材料で製作された複数の配管のそれぞれの外周全周に前記第１材料よりも耐食性の高い第２材料の肉盛溶接で外周部を形成するステップと、
    前記外周部を形成した前記配管と前記外周部を形成した他の前記配管との間に板材を配置するステップと、
    前記板材と前記外周部とを溶接し、前記板材と前記外周部とを固定する溶接部を形成するステップと、を備え、
    前記第１材料の熱伝導率に対する前記第２材料の熱伝導率の比率が０．４５以上０．７以下であるとともに、
    前記第１材料の熱膨張率に対する前記第２材料の熱膨張率の比率が０．９以上１．１以下であることを特徴とするガス化炉壁の製造方法。
  9. 前記外周部を形成するステップは、前記配管を回転させつつ肉盛溶接を行い、前記外周部を前記配管の外周の全域に形成するらせん肉盛溶接によることを特徴とする請求項８に記載のガス化炉壁の製造方法。
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