JPH0678534B2 - 石炭ガス化炉の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は石炭を部分酸化によりガス化するガス化炉に係
り、生成ガスの発生量を変化させながら運転することが
要求される場合に生成ガス発熱量を一定値以上に保つた
めのガス化炉運転条件の制御装置に関する。

〔従来の技術〕

部分酸化法により石炭をガス化する場合、生成ガスの発
熱量を支配する因子には、ガス化温度，ガス化圧力，ガ
ス化剤である酸素又は空気のような酸素含有ガスと石炭
との流量比，石炭のガス化率などがある。これらの因子
で運転条件として操作可能な因子はガス化剤及び石炭の
流量とガス化圧力である。ガス化温度はガス化剤の予熱
温度、あるいは、ガス化炉材の冷却媒体の温度によりあ
る程度操作可能であるが、ガス化炉を高温に維持する熱
源は石炭の部分酸化反応で発生する反応熱が主体であ
り、従つて、ガス化温度はガス化剤と石炭との流量比が
定まつた場合、結果として得られるガス化温度をガス化
剤の予熱温度等により大幅に変化させることは困難であ
る。又、石炭のガス化率は、供給された石炭がいかに効
率良くガス化剤と反応するかを表わす因子で、他の条件
が一定であれば、ガス化率が大きい程生成ガス発熱量は
高い。但し、ガス化率は、ガス化炉、あるいは、ガス化
剤、及び、石炭の供給装置等の構造、ガス化反応条件等
で定まるため、運転条件により直接操作可能な因子では
ない。

更に、操作可能な因子のうち、ガス化炉圧力は、商用規
模の装置ではガス化炉の周辺機器への影響を考慮すると
一定圧力に保持することが好ましく、あえて操作したと
しても時間的に極めて緩やかな変化に限られ、急激な変
化は困難である。従つてガス化炉の運転条件として実質
的に操作可能な因子は、第一次的に供給する石炭及びガ
ス化剤の流量となり、副次的にガス化剤予熱温度，ガス
化圧力等となる。

特開昭56−79186号公報には溶融金属中に石炭を吹き込
んでガス化する場合の石炭とガス化剤の供給量を制御す
る装置が示されている。この公知例は本発明のガス化炉
と形式が異なるガス化炉に関する発明であるが、ガス化
剤の制御は類似する点が多い。この公知例は、石炭供給
量を設定値に維持する制御装置を基本に、石炭及びガス
化剤の加熱温度を一定に保つための加熱制御装置を備
え、更に、石炭・ガス化剤・生成ガスそれぞれの温度・
流量とガス化炉内温度から総合的にガス化剤の流量を決
定しようとするもので、例えば、起動操作中と定常運転
中とで、各部の温度、そのうちでも特にガス化炉内温度
を極力変化させないように制御し、溶融金属の固化を防
止することを主目的としている。石炭供給量がほぼ一定
に保たれた状態では、外乱としての石炭供給量変動に対
してガス化炉温度を一定に保つことにより実質的に生成
ガス発熱量を一定にすることが可能であるため、生成ガ
ス流量を大幅に変化させる必要のないガス製造装置に、
制御装置として、上記の公知例は十分な機能を果すと考
えられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

これに対して、生成ガスを貯蔵することなくガスタービ
ンのような発電設備に導きその燃料として使用する場
合、目標とする発熱量に応じて生成ガス発生量を調節す
る必要があり、且つ、生成ガス発熱量が燃料として許容
され得る範囲内に常に制御されることが要求される。近
年の火力発電では運用上少なくとも一分間当り３％程度
の負荷の増減速度が要求されており、これに組み合わせ
るガス化炉では発生ガス量もほぼ負荷の増減に見合つて
変化させる必要がある。この従来技術のようにガス化炉
温度を一定に保つように制御すると、負荷が変化しても
炉からの熱損失は基本的に不変であるため、低負荷時に
はガス化炉内で発生しなければならない発熱反応量の供
給される石炭の発熱量に対する相対的な割合が増し、生
成ガスの発熱量が低下する。又、生成ガス発熱量を炉内
温度に準じて検出できれば、従来技術と同様な制御で生
成ガス発熱量を一定に保つことが可能だが、噴流層ガス
化炉のように高温・高圧でダストを含有するガスの発熱
量を検出するには、ガスの一部をサンプリングし冷却・
除塵した後、特殊な燃焼器で燃焼させて発熱量を直接測
定するか、ガスクロマトグラフ等で組成を分析し、成分
毎の理論発熱量から計算で間接的に求めねばならず、サ
ンプリング系・分析系での時間遅れが大きく、応答の速
い検出端を備えるのは困難である。ガス化炉の運転条件
が緩やかに変化する場合は時間遅れの大きい検出端を用
いても生成ガスの発熱量制御は可能だが、発電プラント
のように負荷変動が著しく変化速度も大きい運転の場
合、時間遅れの大きな発熱量検出端では適切な制御とな
り得ない。

本発明の目的は、生成ガス発熱量の測定精度では劣るが
ガス化炉運転状態を応答性良く検知する検出端と、ガス
化炉生成ガスの発熱量測定精度では優れるが応答の遅い
検出端とを同時に使用し、両検出量から得られる情報を
合理的にフイードバツクすることにより、負荷変動中に
も生成ガス発熱量をほぼ一定に制御することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的は、負荷変化に応じて石炭供給量を定め、応
答性の良い第一の検出端で検出される状態量が設定値と
なるようガス化剤供給量を制御しながら、応答の遅い第
二の検出端で精度良い生成ガス発熱量が検出されるのを
待ち、第二の検出端で生成ガス発熱量が検出された時点
でこれを発熱量設定値と比較し誤差に応じて第一の検出
端で検出される状態量の設定値を変更する制御ループを
構成することにより達成される。

〔実施例〕

以下、第１図により本発明の構成をより詳細に述べる。
第１図は本発明を具象化するのに好適な制御ブロツクの
接続構成を示したものである。発電側の負荷に応じて与
えられる石炭供給量設定値１は石炭供給量検出回路13の
出力と比較され、両者の誤差によりPID調節計で構成さ
れる補償回路11を通して石炭供給量制御装置12を制御
し、ガス化炉40への石炭供給量２を調節する。一方、生
成ガス発熱量設定値３は生成ガス発熱量検出回路32の出
力と比較され、両者の誤差によりガス化炉温度補正回路
21を通してガス化炉温度設定値４にオフセツトを加え、
更に、ガス化炉温度検出回路31の出力と比較される。こ
の誤差はガス化剤供給量演算回路22によりガス化剤供給
量設定値に変換され、ガス化剤供給量検出回路25の出力
と比較され、その誤差によりPID調節計で構成される補
償回路23を通してガス化剤供給量制御弁24を制御し、ガ
ス化炉40へガス化剤供給量５を調節する。ガス化炉40か
らはガス化炉温度検出信号６及び生成ガス発熱量検出信
号７が取り出され、それぞれ、ガス化炉温度検出回路31
及び生成ガス発熱量検出回路32へ入力される。このう
ち、生成ガス発熱量検出回路32は新たに生成ガス発熱量
が検出，測定されるまでは直前に測定された発熱量を保
持する機能を持たせている。

いま、第１図で制御されるガス化炉が定常状態にあり、
ある時点から、石炭供給量設定値１を徐徐に低下させた
場合、ブロツク11〜13で構成され開ループにより、石炭
供給量２が低下し始める。この直後には、ブロツク23〜
25で構成される開ループによりガス化剤供給量５は一定
に保たれるため、単位石炭供給量当りのガス化剤は増加
することになり、ガス化炉40の運転状態は完全燃焼に近
づく。この状態変化はガス化炉温度の上昇と生成ガス発
熱量の低下に結びつくが、まず、温度上昇が温度検出回
路31を通じてフイードバツクされ、ガス化剤供給量演算
回路の出力であるガス化剤供給量設定値を低下させ、ブ
ロツク23〜25で構成される閉ループは新たな設定値に向
けてガス化剤供給量を低下させる。ガス化剤供給量はガ
ス化炉40の温度検出信号６が以前の定常値に達するまで
低下し続ける。この間に生成ガス検出回路32から新たな
生成ガス発熱量の実測値が得られ、生成ガス発熱量がそ
の設定値３を下回つていると、温度補正回路21によりオ
フセツト値が増加し、見掛け上、低いガス化炉温度設定
値とし、ガス化剤供給量５を更に低下させ単位石炭供給
量当りのガス化剤供給量を小さくし、生成ガス発熱量を
回復するように働く。

なお、本発明はガス化炉に設置される検出端の種類に限
定されるものではなく、第１図における温度並びにそれ
に係るブロツクは、他の状態量、例えば、生成ガス中の
特定成分の濃度、あるいは、同特定二成分の濃度比、と
それに係るブロツクで置き換えてもよい。但し、この
時、検出端の応答はガス化炉のガス滞留時間に比較して
同等程度以下となる検出端を選定することが好ましい。
又、第１図の発熱量検出に係る部分は、ガクスロマトグ
ラフ等により生成ガス中の大部分の成分を定量し発熱量
を算出する検出端でも、生成ガスの一部又は部分を燃焼
させ、燃焼温度等からガスの発熱量を求める検出端でも
よい。

温度補正回路21の内容の変更により本発明は生成ガス発
熱量の一定制御としても、下限値制御としても働く。必
要であれば、両者の制御方式を条件に応じて切換えるこ
とも可能である。例えば、生成ガスをガスタービン燃料
として使用する場合、定格、あるいは、それに準じる負
荷で運転中は燃焼器温度が異常に高くなるのを防止する
ため、ガス化炉での生成ガス発熱量は定格値付近で一定
に保つことが好ましく、低負荷運転中は燃焼器温度が低
下しているため燃焼器での失火を防止するため、ガス化
炉生成ガス発熱量が限界値を下回らないように制御でき
ればよい。

ガス化炉40として、内径300mm,高さ1200mmのガス化部を
もつ噴流層ガス化炉を用い、圧力4kg/cm²Gで太平洋炭を
約150℃に予熱した空気によりガス化する際に、第１図
に示した制御ブロツクにより、温度検出端としてガス化
炉出口に設置した熱電対を、発熱量検出端として分析周
期10分のプロセス用ガスクロマトグラフの分析値からの
計算値を用いたところ、石炭供給量を32kg/hから14kg/h
まで毎分３％の割合で低下しても、生成ガス発熱量は75
0〜820Kcal/kg（低位発熱量）の範囲内に制御できた。

第２図は本発明の他の実施例の制御ブロツクの接続構成
を示したもので、第１図の実施例にガス化剤の温度制御
を付加したものである。即ち、温度補正回路21の出力を
分岐し、ガス化剤予熱温度補償回路51に導き、温度補正
回路21の出力がゼロとなるようガス化剤予熱器52の加熱
量を制御する。本実施例のガス化剤温度制御はガス化剤
の供給温度を一定に保つ制御とは本質的に異なり、低負
荷時のガス化剤予熱温度を定格運転時に比べ高めてガス
化炉温度の低下を補うもので、負荷の低減限界をより低
くし、運転可能範囲を拡大することができる。又、制御
ブロツクの構成から明らかなように、ガス化剤の温度制
御の最終目的はあくまで生成ガス発熱量の維持であり、
ガス化炉温度を一定に保つことではない。従つて、部分
負荷状態を続けた場合のガス化炉定常温度は定格状態の
ガス化炉定常温度と必ずしも一致せず、又、どの程度異
なるかはもつぱら系の特性に依存する。

更に生成ガスをガスタービン燃料として利用する場合、
ガスタービン燃料器での生成ガスの燃焼をガス発熱量検
出端とみなし、その情報をフイードバツクすることも可
能である。この場合、ガス化炉からの生成ガスは冷却，
除塵，脱硫などの処理が加えられ、発熱量検出端である
ガスタービン燃焼器に達するまでに数分の時間遅れがあ
るが、本発明による制御法では特に問題とはならない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、噴流層石炭ガス化炉を用いて石炭供給
量を変化させながら運転しても、ガス化炉から発生する
生成ガスの発熱量の低下を抑制でき、石炭からガスター
ビン等の燃料として好適なガスの製造が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の制御ブロツク構成図、第２
図は他の実施例の制御ブロツク構成図である。 １……石炭供給量設定値、２……石炭供給量、３……生
成ガス発熱量設定値、４……ガス化炉温度設定値、５…
…ガス化剤供給量、６……温度検出信号、７……生成ガ
ス発熱量検出信号、８……ガス化剤温度、40……ガス化
炉。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 俊太郎 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 野口 芳樹 東京都千代田区神田駿河台４丁目６番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 木田 栄次 広島県呉市宝町６番９号 パプコツク日立 株式会社呉工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酸素又は酸素含有ガスをガス化剤とし噴流
   層ガス化炉により石炭をガス化するに際し、炉内状態の
   変化を検出する第一の検出端と、生成ガス発熱量を検出
   する第二の検出端とを備え、前記第一の検出端から得ら
   れる情報により石炭と前記ガス化剤の供給流量比を制御
   する第一の制御ループと、前記第二の検出端で得られる
   前記生成ガス発熱量の情報により前記第一の制御ループ
   の制御目標値を修正する第二の制御ループとを備えるこ
   とを特徴とする石炭ガス化炉の制御装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、 ガス化炉出口近傍からサンプリングしたガス中の一酸化
   炭素と二酸化炭素の濃度比を前記第一の検出端の情報と
   することを特徴とする石炭ガス化炉の制御装置。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項において、 ガス化炉内部又はガス化炉近傍の生成ガスラインに設け
   られた温度検出端を前記第一の検出端とすることを特徴
   とする石炭ガス化炉の制御装置。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項において、 前記第二の制御ループで得られる前記第一の制御ループ
   の設定温度の修正値を用いて、修正が不要となるようガ
   ス化剤予熱温度を制御することを特徴とする石炭ガス化
   炉の制御装置。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項において、 燃焼器内の温度から演算される情報を前記第二の検出端
   で得られる生成ガス発熱量情報として用いることを特徴
   とする石炭ガス化炉の制御装置。