JPH0547595B2

JPH0547595B2 -

Info

Publication number: JPH0547595B2
Application number: JP58172165A
Authority: JP
Inventors: Eiji Kida; Toshiki Furue
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1983-09-20
Filing date: 1983-09-20
Publication date: 1993-07-19
Also published as: JPS6065094A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、噴流層石炭ガス化炉による石炭ガス
化方法に係り、特にガス化効率が高く、かつ信頼
性の高いガス化方法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、
炉全体にひろがつて上昇する。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（アツシユ、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、スラグタツプ１１部の温度が上昇せずに、
スラグがタツプ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
ス一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を内張り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、耐火性
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
炭ガス化炉による石炭ガス化方法を提供すること
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適切な抜き出しを可
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
層石炭ガス化炉による石炭ガス化方法を提供する
ものである。

すなわち、本発明は、石炭ガス化炉内を絞り部
によつて３つの室に分割し、下部をスラグ冷却
部、中間部をガス化部、上部をガス冷却部とし、
該スラグ冷却部入口にスラグタツプ口を設けると
ともに、前記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を複数段配置し、上部
のガス冷却部から生成ガスを取り出すようにした
噴流層石炭ガス化炉による石炭ガス化方法におい
て、前記各段バーナから供給される混合流体によ
つて形成される旋回仮想円径が下段より上段の方
が大で、かつ該旋回仮想円からガス化部炉内壁ま
での水平距離が上段より下段の方が大となり、ま
た前記ガス化炉径をＤ、絞り部径をd₁、上段バー
ナ旋回仮想円径をD₁、下段バーナ旋回仮想円径
をD₂、およびスラグタツプ口径をd₂としたとき
にＤ＞D₁＞d₁、d₂＜D₂≧d₁およびd₁＞d₂の関係と
なり、かつ各段バーナを水平方向に対して下向き
に設置し、下段バーナの酸素供給量が上段バーナ
のそれよりも多くなるように、各段バーナの条件
ならびに各段バーナに供給する前記混合流体の組
成および流量を調節することを特徴とする。

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、Ｏ） →Ｃ（チヤー）、CO、H₂、CH₄、C₂等 (1) Ｃ（チヤー）＋O₂→CO (2) Ｃ（チヤー）＋O₂→CO₂ (3) Ｃ（チヤー）＋CO₂＋H₂O→CO＋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ヤ
ーと、高温のCO₂、H₂Oとを効率よく接触させ、
(c)チヤ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り絞り構造とし、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ヤ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
ヤ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、上段バーナの仮想円径を下段バ
ーナを仮想円径より大きくした異径仮想円構造に
よつ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つて
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
り構造によつて、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構造および異径仮想円構
造が適していることが明らかになつた。

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、スラグタツプ口１１を底部に
有するガス化部１９、絞り部１６によつてガス化
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１２、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１
３からガス化部１９に投入される。バーナ１２お
よび１３は第８図、第９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１２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
径をとる。また第１０図に示すように、上段バー
ナおよび下段バーナは、粒子滞留時間を長くする
ため、バーナ角度２３が水平方向に対して下向き
となるように配置されるが、その角度は20°を超
えないのが好ましい。すなわち、上部バーナ仮想
円径D₁、絞り部径d₁、ガス化部径Ｄの関係は、
Ｄ＞D₁＞d₁の関係となる。上段バーナ１２から
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、石炭を伴つ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、回転力が弱くなつた
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
によりシヨートパスし、回転しながら絞り部１６
へ入るため、ガス化効率が低下する。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２０の径D₂は、下部の
スラツグタツプ口１１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ツプ口
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ツ
プ口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ヤ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
または若干大きくなるように設定する。このよう
な絞り部径d₁、下段バーナの仮想円径D₂、スラ
グタツプ口径d₂の関係を式で示せば下記のように
なる。

d₂＜D₂≧d₁ さらに絞り部径d₁とスラグタツプ口径d₂の関係
をd₁＞d₂とすることにより、上段バーナから吹き
込まれた石炭と酸素を含むガスの下降流がスラグ
タツプ口付近でスムースに上昇流に反転し、シン
グルサイクロンと同じ原理により混合流から石炭
粒子が分離されやすくなるため、石炭粒子の滞留
時間が長くなり、ガス化効率が向上する。

第１２図は、上段バーナ仮想円D₁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
ストンフロー時（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D₁とガス化部径Ｄの比（P₁／Ｄ）は0.3〜0.8が
好ましいことがわかる。

さらに絞り部径d₁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d₁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d₁はD₁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1000〜1300℃程度でガス化し
て活性チヤーを生成させ、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、CO₂、
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ヤ
ーと混合し、活性チヤー＋CO₂＋H₂O→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℃）および高温
（1500〜2400℃）で生成したチヤーの反応性を調
べた結果を示すものである。図中、Ｃは上段バー
ナのチヤー、Ｄは下段バーナのチヤーの各場合を
示す。図のように低温生成チヤーである上段バー
ナのチヤーＣの方が高温生成チヤーである下段バ
ーナチヤー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ヤーは多孔質（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つた。

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、スラツ
グタツプ口からのスラグ排出も非常に円滑に行わ
れることがわかつた。

本発明において、炉のガス化部は高温（1200〜
2500℃）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によつて
断熱されるため常に高温状態にあり、スラグ２６
は耐火材２５の表面温度３０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（1200〜2500℃）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イング層（固体スラグ層）
２７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、チヤー）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、絞り部径にそつたガス流れ４と裸管
水冷壁１４との間に形成されるデツドゾーンを隔
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３
３の仮想円が一番小さく、順次、第ｎ段バーナ３
２に行くに従つ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、本発明の方法によれば、ガス化
部に複数段配置された石炭供給バーナから供給す
る石炭と酸素の混合流体を、各段（上下段）の旋
回仮想円径が異径となり、かつガス化炉径Ｄ、絞
り部径d₁、上段バーナ旋回仮想円径D₁、下段バ
ーナ旋回仮想円径D₂およびスラグタツプ口径d₂
が一定の関係を有し、かつ各段バーナを水平方向
に対して下向きに設置し、上段の酸素供給量が下
段のそれよりも多くなるように各段バーナの条件
ならびに各段バーナに供給する前記混合流体の組
成および流量を調節することにより、、粒子（石
炭、チヤー）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、本発明の原理を説明する噴流
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１２図は仮想円による粒子滞留時間の
影響を示す図、第１３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
ーナのチヤ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。１……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……
スラグタツプ口、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）、２２……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。

Claims

【特許請求の範囲】

１石炭ガス化炉内を絞り部によつて３つの室に
分割し、下部をスラグ冷却部、中間部をガス化
部、上部をガス冷却部とし、該スラグ冷却部入口
にスラグタツプ口を設けるとともに、前記ガス化
部に石炭と酸素の混合流体を旋回方向に供給する
バーナを複数段配置し、上部のガス冷却部から生
成ガスを取り出すようにした噴流層石炭ガス化炉
による石炭ガス化方法において、前記各段バーナ
から供給される混合流体によつて形成される旋回
仮想円径が下段より上段の方が大で、かつ該旋回
仮想円からガス化部炉内壁までの水平距離が上段
より下段の方が大となり、また前記ガス化炉径を
Ｄ、絞り部径をd₁、上段バーナ旋回仮想円径を
D₁、下段バーナ旋回仮想円径をD₂、およびスラ
グタツプ口径をd₂としたときにＤ＞D₁＞d₁、d₂＜
D₂≧d₁およびd₁＞d₂の関係となり、かつ各段バー
ナを水平方向に対して下向きに設置し、下段バー
ナの酸素供給量が上段バーナのそれよりも多くな
るように、各段バーナの条件ならびに各段バーナ
に供給する前記混合流体の組成および流量を調節
することを特徴とする噴流層石炭ガス化炉による
石炭ガス化方法。