JPH0331757B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は、噴流層による石炭のガス化方法に係
わり、特に反応性の悪い石炭をガス化するのに好
適な噴流層による石炭ガス化方法に関する。 〔発明の背景〕 従来の噴流層ガス化炉は、例えば、特開昭59−
176391号公報あるいは特願昭59−28552号公報に
記載されているように、反応を２段型とし炉内に
ガス下降流を形成させて、粒子滞留時間を増大さ
せ且つ高温雰囲気中で反応を起こさせることによ
りガス化効率を向上させて来た。この原理は、ガ
ス化剤（酸素、空気等）と微粉炭を炉を上下で２
分割して供給するものであるが、下段では、微粉
炭が完全燃焼するのに十分なガス化剤を供給し高
温の２酸化炭素、水蒸気を発生させる。一方、上
段では、微粉炭を完全燃焼するのに必要な量の半
分の酸化剤を供給し、微粉炭中の含まれる灰分の
融点以下の温度で微粉炭をガス化し、反応性に富
む活性チヤーとカロリー数の高い可燃性ガスを生
成させる。そして、炉内に粒子下降流を生成さ
せ、上段付近で生成した活性チヤーを下段付近へ
移動させることにより、下段で生成した高温の２
酸化炭素、水蒸気と接触させて反応を完結させる
ものである。ここで、下降流は、下段旋回円径を
上段回円径より小さくすることにより生じる。こ
こで旋回円とは、炉内に円を仮想し、バーナをそ
の円に接する方向に設置することにより炉内に旋
回流を形成させるが、この仮想した円を旋回円と
呼ぶ。従つて、この旋回円径が大きいほど旋回力
は強まり、逆に旋回円径が小さいほど旋回力は弱
まる。特願昭59−28552号では、下段バーナ旋回
円径を上段バーナ旋回円径より小さくすることに
より、炉の上下で旋回力を変化させ、圧力差を生
じさせ炉壁付近に上段から下段へガス流れを生じ
せしむ。このガス下降流により、上段で生じた活
性チヤーをより炉の下方に運搬できるので、粒子
の反応がより促進される。 しかし、特に反応性が悪い石炭に関しては考慮
されていなかつた。一般に石炭の反応性を評価す
る場合、次に示す２つの要因を考える必要があ
る。最も支配的な要因と考えられるのは石炭の重
質度である。一般に、重質度は、炭素の水素に対
する比率や、原料中の炭素含有量を表すパラメー
タと考えられるが、炭素含量の多い高炭化度の方
が反応性が悪い。これに含まれる石炭としては中
国の大同炭が代表される。次に細孔構造が問題と
なる。この細孔構造は、反応の進行に伴つて変化
するが、反応初期には、細孔が多く、反応性も良
いが、反応が進行するに従い、活性な部分が消耗
し反応性が悪くなる。この傾向はあらゆる炭種で
同様であるが、初期の細孔構造は一般的な傾向は
ない、又、反応性評価においては、当然熱履歴も
問題となる。活性点を残留させれば石炭の反応性
は良くなる。以上に示した評価で反応性の悪い石
炭、あなわち、細孔構造が悪く、炭化度の進んだ
石炭をガス化するためには、それなりの処置が必
要である。特願昭59−28552号で提案した技術で
は、粒子降流が促進されるために、高効率化は得
られるが反応性の悪い石炭に対しては配慮されて
いなかつた。すなわち、上段バーナ付近で、活性
チヤーを生成する過程が不十分である。上段バー
ナ付近では、石炭灰の融点以下の温度で石炭をガ
ス化させるが、粒子が下降している間に、活性チ
ヤーを形成させねばならない。しかし、反応性の
悪い石炭では、一般に用いられる石炭の10倍以上
反応速度が遅い。逆に言うと、一般の10倍以上の
反応時間がガス化には必要となる。しかし、異径
構造により得られる粒子滞留時間は、同径である
場合の２倍程度であり、低反応性の石炭をガス化
させるには十分な滞留時間が得られない。また、
特に反応性の悪い石炭は、直接酸化剤に接触させ
る以前に、十分に、高温域に保持して、活性を進
める必要がある。しかし、異径旋回型ガス化炉で
は、単に炉内の上下移動により滞留時間を延ばし
ているだけであり、石炭の活性を進める上では適
当ではない。従つて、反応性の悪い石炭には、特
願昭59−28552号で示すガス化炉は効果が少ない。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、反応性の悪い石炭をガス化す
るのに好適な、噴流層石炭ガス化方法を提供する
ことにある。 〔発明の概要〕 石炭のガスへの転化率を向上させるためには、
１）高温領域に存在させ、反応速度を増大させ
る、２）長時間反応を進行させる、３）常に新し
いガス化剤と接触させる、という３つの条件が必
要である。特に、反応性の悪い石炭に対しては不
可欠である。実際のガス化炉で、この３つの条件
を満たす領域を形成することは困難であつた。例
えば、単バーナにおいて、酸化剤の量を増大させ
れば、高温で新しい酸化剤と石炭が接触するため
に、前記１）及び３）を、達成することま可能だ
が、ガス化反応を行うためには、ガス化剤を少く
しなければならず、高温域を作ることはできな
い。炉を大きくすることにより粒子滞留時間を増
大でき、２）を達成することはできるが、高温領
域を形成するには不利である。 これら３つの条件を同時に満たすためには、新
しい酸化剤を常に供給し、高温領域を形成するバ
ーナの近傍に、長時間粒子を滞留、封じ込める領
域を形成することが必要である。このような可能
性を秘めた領域として、第５図ａ，ｂに示すよう
な、２通りの滞留域の存在が考えられる。第２図
ａは、サイクロンと同様の原理で、出口１１の径
を絞り、出口１１と上段バーナ１２との中間部に
存在する滞留域１４である。しかしこの滞留域１
４は、ガスの流通に乏しいために、滞留はして
も、ガス化の反応は進行しない。 一方、第５図ｂは、上段バーナ１２及び下段バ
ーナ１３の中間部に滞留域１５を形成するもので
あるが、この領域は、ガスの流通があり且つ高温
となるバーナに近接しており、反応の進行上は好
適である。 本発明は、この反応上最も有効な領域に、粒子
を長時間滞留させ封じ込むことが可能となる流れ
を形成したことにより生まれたものである。 バーナ間に滞留域を形成するためには、バーナ
の中間部に存在する粒子に、壁方向及び、適度な
上向きの力を加え、上段バーナより上方、あるい
はガス化炉の中央部へ粒子が飛散しないことが必
要である。石炭のガス化によつて形成した生成ガ
スは、炉の上方に出口が存在した場合、炉底部か
ら炉上部に向かつて流れるが、このガス流れに乗
つて粒子には上向きの力が加わる。従つてその中
間部で粒子の上昇を止めるためには、上向きのガ
ス速度は粒子の終端速度過度まで小さくしなけれ
ばならないが、このためには、炉径が極端に大き
くなり非現実的である。以上から単に一様な上向
きの力を与えて粒子を保持することはできない。 そこで、粒子に加わる遠心力に期待し、遠心力
の強い領域に向けて、粉体及びガスが供給され、
そこで、強い遠心力を受けて粒子は捕集され、ガ
スだけがその滞留域から排出されるべく流れを、
形成する方法を発明した。第６図に、その原理図
を示す。上段バーナ１２より供給されたガスは、
上段バーナ１２設置付近から放射状で一様に流れ
る。下段バーナ１３も同様である。ここで、上段
バーナ１２と下段バーナ１３から排出されたガス
が衝突する領域、第６図においては、１６に示す
領域は、本発明に求められた条件をすべて満たし
た領域である。すなわち、上段バーナ１２及び下
段バーナ１３により供給された新しい酸化剤は、
常に供給され、また、粒子は、炉内の強い遠心力
により炉壁に押し付けられる。一方、一旦この滞
留域１５に入つた酸化剤は、滞留域１５に存在し
た粒子と反応し、可燃性のガスを形成しこの可燃
性ガスは、炉壁から中心方向に向かつて流れる。
この際、粒子は中心方向へ流れるガスの抗力を受
けるが、粒子に遠心力が加わつており粒子の反応
が十分に完結し、粒径が十分に小さくなり、ガス
と同等となりうるまでは炉壁から離れない。従つ
て、粒子が完全にガス化されるまで、ガスに搬送
されて飛散せずに、上述した領域に捕集されてい
ることを示している。尚１７はスラグタツプ孔を
示す。 次に、この滞留域の存在領域を第７図に示す。 横軸は中段角運動量に対する上（下）段角運動
量の割合αを示す。ここで、角運動量を下式で定
義した。 角運動量＝旋回円径×バーナ噴出速度 ×バーナ供給質量 ……(1) また、上（下）段角運動量とは上（下）段バー
ナによつて形成される角運動量を、中段角運動量
とは中段バーナによつて形成される角運動量をそ
れぞれ表す。 縦軸は炉高に対する高さの割合を示し1.0は炉
出口を、０は炉底部を示す。また上段バーナ、中
段バーナ、下段バーナの位置を縦軸に示す。 第７図中の斜線部は粒子の滞留領域を表し、縦
の実線はその実測値を表す。粒子の滞留領域は、
αを増大させるにしたがい次第に中段バーナに移
動し、αを2.3にすると、中段バーナ上に移動す
る。更にαを2.3以上にすると、粒子の滞留領域
を安定して中段バーナ上に存在させることができ
る。 以上から、(1)式に基づき、αを2.3以上にすべ
く、各段のバーナ条件を設定することにより、中
段バーナ付近に、安定した粒子滞留領域を形成す
ることができる。 ここで、炉内の流れは、上（下）段バーナから
供給する流体によつて支配的に形成されるが、上
（下）段バーナから供給する石炭は、中段バーナ
付近の粒子滞留領域に到達する確率は低い。そこ
で上（下）段バーナより供給する石炭は完全にガ
ス化しておかねばならない。従つて、上（下）段
バーナから供給するガス化剤は、上（下）段バー
ナから供給する石炭の理論完全燃焼に必要な量以
上に設定する。 また、中段バーナから供給した石炭は、粒子滞
留領域に完全に留められガス化される。よりガス
化効率を向上するためには、中段バーナから供給
した石炭は活性チヤーにすることが有効である。
従つて、中段バーナから供給するガス化剤は、中
段バーナから供給する石炭の理論完全燃焼に必要
な量の半分以下が適当である。 次に、滞留量に及ぼす石炭供給量の影響を第８
図に示す。横軸は石炭の供給量、縦軸は炉内の粒
子滞留量を表す。石炭供給量を増大させるにした
がい粒子滞留量もほぼ直線的に増大する。このこ
とから、本発明の記載の滞留域が、石炭の供給量
を増大させても安定して形成しており、反応が十
分に完結するまで炉内に粒子を保持できることを
示している。 〔発明の実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図を用いて説明
する。ガス化炉４の全体は、上段バーナ群１、中
段バーナ群２、下段バーナ群３及びこれらを保持
する炉壁５より構成される。炉壁５は、炉内の温
度が高温となるため、これを十分に断熱する材質
を用いる。また、炉壁５は水冷壁を用いて炉壁に
温度差をつけ、スラグ固化層を形成せしめるセル
フコーテイング方式も用いられる。炉底は、炉の
内径に比べて小さくする。また、炉底の開孔部６
の下側には、水層７を設ける。 第２図乃至第４図に示すごとくバーナは、旋回
円に接する方向に設置する。上段バーナ群１、中
段バーナ群２、下段バーナ群３はそれぞれ４本ず
つで、各バーナ群は均等の間隔（90゜）に設置す
る。各バーナ群の高さ方向の間隔は、炉の内径と
等しい距離におかれる。上段バーナ群１の旋回円
径は炉径の0.7倍、中段バーナ群２の旋回円径は
炉径の0.7倍、下段バーナ群３の旋回円径は炉径
の0.3倍とする。 上段バーナ１及び下段バーナ３からは、全体か
ら供給する石炭の20％ずつ、また中段バーナ２か
ら60％送る。また酸化剤とする酸素は、バーナか
ら供給する石炭の完全燃焼するのに十分な量即ち
酸素比１以上を供給する。すなわち、石炭中のＣ
分はCO₂に、Ｈ分はH₂Oに、Ｓ分はSO₂に変換す
るとして、それぞれの酸素量を合計し、これを石
炭が完全燃焼するのに必要な酸素量とする。従つ
てこの完全燃焼に必要な酸素量は、炭種によつて
異なる。炭種に合わせて過不足なく供給する。 石炭をガス化させるのに最低限必要な酸素量は
石炭中のカーボンと等しいモル数である。これ
は、ガス化が次式により成立しているためであ
る。 石炭中Ｃ＋１／２O₂→CO 石炭中Ｈ →H₂ しかし実際は、下式に示すシフト反応により
CO₂、H₂Oを生成する。 CO＋H₂O_k CO₂＋H₂ この反応速度定数ｋは、炉内温度により決ま
る。以上から、最低限必要な酸素量よりやや多量
の酸素が必要となる。従つて、この量がガス化に
必要な酸素量である。 本発明のガス化炉においても同様に石炭全量に
対しこのガス化に必要な量の酸素を供給する。 炉内の流れは、上（下）段バーナ１，３から供
給する流体によつて支配的に形成されるが、上
（下）段バーナ１，３から供給する石炭は、中段
バーナ２付近の粒子滞留領域に到達する確率は低
い。そこで上（下）段バーナ１，３より供給する
石炭は完全にガス化しておかねばならない。従つ
て、上（下）段バーナ１，３から供給するガス化
剤は、上（下）段バーナ１，３から供給する石炭
の理論完全燃焼に必要な量以上に設定する。 また、中段バーナ２から供給した石炭は、粒子
滞留領域に完全に留められガス化される。よりガ
ス化効率を向上するためには、中段バーナ２から
供給した石炭は活性チヤーにすることが有効であ
る。従つて、中段バーナ２から供給するガス化剤
は、中段バーナ２から供給する石炭の理論完全燃
焼に必要な量の半分以下に設定する。 上（下）段バーナ１，３及び中段バーナ２の噴
出速度は第７図を参考に決定する。すなわち上
（下）段バーナ１，３群により形成される粒子の
角運動量の、中段バーナ２群により形成される粒
子の角運動量に対する割合αを2.3以上に設定す
る。ここで角運動量は、前記(1)式で表されること
は既に説明した。上（下）段バーナ１，３の角運
動量を中段バーナ２の角運動量の2.3倍以上に設
定するためには、上（下）段バーナ１，３の噴出
速度をなるべく速くし、中段バーナ２の噴出速度
をなるべく遅く設定すればよい。中段バーナ２で
は、石炭搬送に必要な最低限度の流速を確保し、
酸素は炉中ガスが酸素供給孔に拡散あるいは侵入
しない最低限度の流速を確保する。これから、中
段バーナ２の噴出速度を設定する。一方、上
（下）段バーナ１，３の噴出速度は既に決定した
中段バーナ２の噴出速度から(1)式に基づき算定
し、ノズル径やバーナ構造の適正化により設定す
る。 次に、本発明の動作について説明する。石炭は
200メツシユ以下80〜90％に粉砕され、窒素、炭
酸ガス、あるいは生成ガスにより気流搬送され
る。ここで炉が高圧であつた場合、ロツクホツパ
ー等のシステムにより供給される。供給される微
粉炭は、上段バーナ１用に20％、下段バーナ３用
に20％、中段バーナ２用に60％ずつ分割した。更
に、各段において均等に４分割され各バーナへ供
給される。上段バーナ１、及び下段バーナ３にお
いては、石炭を完全燃焼するのに十分な酸化剤を
供給してあるために、すみやかに燃焼しCO₂、
H₂Oの高温ガスを生成する。中段バーナ２に比
べて、上段バーナ１、及び下段バーナ３により供
給する運動量が十分に大きいので、炉内のガス流
れは、上段バーナ１、及び下段バーナ３により形
成される。ここで炉内では、上段バーナ１により
生じる下降流と、下段バーナ３により生じる上昇
流により、中段バーナ２付近に滞留域を生じる。
この滞留域は、中段バーナ２により供給された微
粉炭が、ガス流れに微粉炭が乗ることにより生じ
る遠心力により壁に押しやられ、また、上段バー
ナ１による下降流及び、下段バーナ３により生ず
る上昇流により生じたものである。この滞留域
は、高温を発生する上段１及び下段バーナ３に隣
接しているために輻射熱を十分に受け、乾留が進
み、可燃焼のガスを大量に発生する。特に反応性
のきわめて悪い石炭でも遠心力により長時間保持
され、更に、滞留域が高温にさらされるため十分
に反応を進行させることができる。 反応が完結すると石炭中の灰分が溶融しスラク
となり、炉壁をつたつて、炉底部に設置したスラ
グタツプ孔より炉下部に設置した水層に滴下す
る。この滴下した際に、スラグは急冷され、この
急激な温度差により粉々にくだける。 次に、本実施例によつて、エルメロ炭のガス化
を行つた結果を次表に示す。

〔発明の効果〕

本発明によれば、微粉炭を長時間炉内に滞留さ
せることができるので、特に反応性の悪い石炭を
ガス化するのに好適な噴流層石炭ガス化方法を提
供する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の石炭ガス化方法に用いられ
るガス化炉の縦断面図、第２図乃至第４図は第１
図のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ線断面図、第５図
ａ，ｂは、滞留域の存在位置を示した説明図、第
６図は本発明における炉内流れの説明図、第７図
は、上下段旋回力の滞留域に及ぼす影響の説明
図、第８図は、滞留域の安全性を示した線図であ
る。 １……上段バーナ群、２……中段バーナ群、３
……下段バーナ群、４……ガス化炉、５……炉
壁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ガス化炉の炉壁に取り付けられた複数個のバ
   ーナから石炭粒子とガス化剤とを噴出して石炭粒
   子の一部を燃料として石炭粒子を加熱してガス化
   するものにおいて、該バーナを上段、中断及び下
   段の３段にそれぞれ複数個ずつ設置し、上段バー
   ナ群及び下段バーナ群からは石炭の理論完全燃焼
   に必要な量以上のガス化剤を石炭粒子とともにガ
   ス化炉内で水平方向に旋回を与えながら供給し、
   中段のバーナ群からは石炭の理論完全燃焼に必要
   な量の半分以下のガス化剤を石炭粒子とともにガ
   ス化炉内で水平方向に旋回を与えながら供給し、
   かつ上段バーナ群及び下段バーナ群から噴出され
   る石炭粒子の角運動量を中段バーナ群から噴出さ
   れる石炭粒子の角運動量の2.3倍以上に保つこと
   を特徴とする石炭ガス化法。