JPH0995687A - 気流層ガス化装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス化部出口の縮流部伝熱面に飛散溶融スラ
グが付着するのを防止する気流層ガス化装置を提供す
る。 【解決手段】 上段に位置するバーナを未燃チャーが多
く発生する付着抑制バーナ９０とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は石炭に代表される微
粉固体炭素質原料の気流層方式のガス化装置に係り、特
にガス化部で発生し、生成ガスと共に飛散するスラグ
が、伝熱面に付着することを防止するガス化装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、石炭等の固体炭素原料をガス化す
る炉には、固定層、流動層、気流層等の各方式が種々提
案されている。これらの方式の中で、気流層は原料を微
粉にして酸素、空気などの酸化剤と共に原料灰の融点以
上の温度（約１３００〜１６５０℃）の炉内に供給して
ガス化させるため、他の方式に比較しガス化効率が高
い、適用炭種が広い、環境適合性が優れているなどの特
徴を有しており、合成ガス、複合発電、燃料電池等の燃
料および原料製造に適しているので、国内外で開発が進
められている。

【０００３】図７に従来の気流層ガス化装置の構造断面
図を示す。まずこのガス化装置の構成について説明す
る。高圧のガス化炉１は、ガス化部３、ガス化部３の上
方に位置する熱回収部２、ガス化部３の下方に位置する
スラグ冷却部４とを備えている。ガス化部３にはバーナ
６、７が複数段（本例は２段）設けられ、各々のバーナ
６、７には原料ライン８と酸化剤ライン９とが接続され
ている。ガス化部３の底部にはスラグを排出するスラグ
タップ１０が設けられている。スラグ冷却部４はスラグ
タップ１０の下方に位置し、冷却水５が溜められた水槽
からなる。また、スラグ冷却部４にはスラグタップ１０
に噴出方向が向けられたバーナ１１が設置してある。ガ
ス化炉１の下方には、スラグロックホッパ１３が設けら
れている。また、ガス化部３の下部側壁内および熱回収
部２の上部側壁内にはヘッダ１９、２０が設けられ、通
常はボイラ水がボイラ給水ライン２２から供給されて水
冷壁を構成する伝熱管２１を経て排水ライン２３から排
出される。伝熱管２１は管と平板とを溶接して組み上げ
た構造で、一般のボイラの水壁等に用いられているメン
ブレンと呼ばれる構造と同じである。この構造だけでは
熱回収部での圧力が数十気圧の高圧に耐えられないた
め、伝熱管２１をガス化炉１の本体を構成する高圧容器
内に収納している。そのため、パージガスライン２４か
らパージガスをガス化炉１の本体を構成する圧力容器と
伝熱管２１との空間部１４に注入して、空間部１４の圧
力を伝熱管２１によって囲まれた内部との圧力に比較し
て若干高くし、硫化水素および水蒸気を含む高温の生成
ガスが空間部１４に流入するのを防止している。

【０００４】石炭に代表される微粉固体原料を、酸素、
空気および水蒸気と共にバーナ６、７から原料の灰の溶
融温度以上の温度に保持されたガス化部３に投入し、原
料の可燃分を水素（Ｈ₂）および一酸化炭素（ＣＯ）に
富むガスに、原料の灰分をスラグに変換する。スラグタ
ップ１０から流下する溶融スラグ１６は、下方に位置す
るスラグ冷却部４内の冷却水５に落下するので、スラグ
表面と内部に温度差が生じて熱応力が発生し、冷却水５
中で２〜５ｍｍ程度の大きさに水砕される。このスラグ
冷却部４にはバーナ１１が設置されている場合がある
が、これらはスラグタップ１０を加熱して、スラグ固化
によってスラグタップ１０内が閉塞するのを防止してい
る。他にも下段側バーナ７の酸素／微粉固体原料の流量
比を高くすることで、灰分の溶融温度以上に保持してス
ラグがスラグタップ１０から流下し易くしている。

【０００５】一方、ガス化反応によって生成したガスは
ガス化部３上方に位置する、主に輻射伝熱によって熱を
回収する熱回収部２で冷却される。さらに、生成ガスラ
イン１５を経て図示していない後続の対流伝熱によって
熱を回収する熱回収ボイラ、サイクロン等の脱塵器に至
る。また、スラグ冷却部４から排出された水砕スラグ
は、バルブ１７を介したスラグロックホッパ１３に蓄え
られてからバルブ１８を経て排出される。また、ガス化
部３の生成ガス出口付近は縮流部１２を形成している
が、これはガス化部３内での微粉固体原料の滞留時間を
長くすると共に、この原料の灰分が溶融スラグとなり、
一部飛散して熱回収部２の伝熱管２１に付着することを
低減しようとするものである。

【０００６】図８は図７で示したガス化部３に設置して
いる複数個のバーナ６、７の構造断面図で、図９は、図
８のＡ−Ａ視図を示したものである。いずれの石炭バー
ナ６、７の構造も中央に微粉炭噴出孔１００を、その廻
りに酸素含有ガス噴出孔１１０を均等に配置し、さらに
水冷管１２０、１２１からの水で冷却する水冷構造にな
っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一般にガス化炉のガス
化効率を向上させるために、例えば特開昭５７−１３９
１８４、５７−１７４３９１、５７−１８２３９５、５
９−８４９８０、５９−１７２５８９、５９−１７６３
９１、６０−３２８８９、６０−６５０９４、６１−２
０７４９２および特開昭６２−２５１６５に示すよう
に、石炭バーナをガス化部の中央に旋回仮想円に接する
ように向けて、炉内に強い旋回流を発生させて石炭バー
ナから噴出した原料粒子の滞留時間を増加させるように
している。ガス化部の下流にある熱回収部の出口流路お
よびガス化部の出口流路では縮流部を形成している。一
方、ガス化部では強い旋回流となっているため、生成ガ
スが縮流部から流出するときにこの縮流部の内面に沿っ
た旋回流が存在する。したがって、ガス化部から飛散す
る未燃チャーおよび溶融スラグは生成ガスの旋回流によ
る遠心力で外周に寄せられる。大部分の溶融スラグは炉
底のスラグタップからスラグ冷却部の冷却水中へ落下す
る。

【０００８】しかし、一部の飛散溶融スラグは縮流部で
冷却、固化して付着する。その結果、付着したスラグの
熱伝導率は金属を用いている伝熱管に比較して約１／２
０と低い値であるため断熱効果が大きくなり、付着した
スラグ表面の温度が下がらないために次々と飛散スラグ
が付着する。付着したスラグが伝熱抵抗となるため、熱
回収部における熱回収量を低下させることになる。熱回
収量が低下すると熱回収部出口を通過する生成ガスの顕
熱が増加するのでエネルギーの回収が低下する。さら
に、熱回収部出口を通過するガスの温度が上昇するので
後続の機器にも影響を与える。また、前述したように溶
融スラグが伝熱管に多量に付着すると、ガス流路を狭く
して圧力損失が上昇し運転が不可能となる場合もある。

【０００９】本発明の目的は、生成ガスの組成および発
熱量を変化させることなく、飛散する溶融スラグを縮流
部の伝熱管面に付着するのを低減して長時間連続して効
率よく運転できる気流層ガス化装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願の発明は以下のとおりである。 （１） 微粉固体原料の灰の溶融温度以上に保持されか
つ該原料の可燃分を複数段のバーナから供給して一酸化
炭素および水素に富む生成ガスに、前記原料の灰分をス
ラグにそれぞれ変換するガス化部、該ガス化部の生成ガ
ス出口付近に形成された縮流部に接続して前記ガス化部
の上方に位置し前記生成ガスの熱を回収する熱回収部、
前記ガス化部の下方に位置し該ガス化部からスラグタッ
プを経て流下するスラグを冷却水により水砕するスラグ
冷却部とを含んで構成されたガス化装置において、前記
バーナの最上段は未燃チャーを多く発生させる付着抑制
バーナであることを特徴とする気流層ガス化装置。

【００１１】（２） 上記（１）において前記付着抑制
バーナは、微粉固体原料噴出孔の噴出方向が前記縮流部
に向けて設置していることを特徴とする気流層ガス化装
置。

【００１２】（３） 上記（１）または（２）におい
て、前記付着抑制バーナから微粉固体原料が噴出する旋
回仮想円の直径を、前記縮流部の直径以下とすることを
特徴とする気流層ガス化装置。

【００１３】（４） 上記（１）、（２）または（３）
において、前記付着抑制バーナに設けた複数の酸素含有
ガス噴出孔を前記微粉固体原料噴出孔の廻りの下部側の
みに設置したことを特徴とする気流層ガス化装置。

【００１４】（５） 上記（２）または（３）におい
て、前記付着抑制バーナの微粉固体原料噴出孔を水平方
向と上流方向に分岐して噴出する構造であることを特徴
とする気流層ガス化装置。

【００１５】（６） ガス化部内で複数段のバーナから
微粉固体原料を供給して一酸化炭素および水素に富む生
成ガスに変換し、該生成ガスは前記ガス化部の出口付近
で縮流を形成すると共に、前記複数段のバーナの酸素／
微粉固体原料流量比を下段のバーナに行くにしたがって
増加させて、かつ前記下段バーナの酸素／微粉固体原料
流量比は該原料の灰の溶融温度以上となるように設定し
てガス化するものにおいて、最上段のバーナの酸素／微
粉固体原料流量比を０．２以下とし、前記複数段のバー
ナ全体の酸素／微粉固体原料流量比は中段に位置するバ
ーナで制御することを特徴とする気流層ガス化装置の運
転方法。

【００１６】

【発明の実施の形態】ガス化部から飛散するスラグは付
着性が大きく、未燃チャーおよび石炭は付着性が小さい
という特性を有している。図１０に灰中の炭素割合と付
着力の関係を示しているが、灰中の炭素割合が０％のと
き、すなわちスラグ中の未燃チャー濃度が０％のとき付
着力は最大となり、未燃チャー濃度が増加するに伴い付
着力は小さくなる傾向を示す。例えば、スラグの付着力
はスラグ中の未燃チャー濃度が２％になると１／１０に
なり、未燃チャー濃度が１０％になると非常に低く粉体
状を保っている。

【００１７】図１１はスラグ粉の加熱温度と付着力の関
係を示したものである。スラグの付着力はスラグの加熱
温度に大きく影響し、加熱温度を高くするに伴い増大す
る傾向を示す。スラグの付着力を増加するスラグ加熱温
度は７５０℃以上である。スラグが付着しやすい熱回収
部２の伝熱管表面は断熱材で被覆せず、水冷管壁にする
ことでスラグの付着力を低減しているが、縮流部１２の
伝熱管表面については前述のようにあまり効果がない。
そこで、図１０、図１１の結果より、最もスラグが付着
するガス化部出口の縮流部の伝熱管面については、飛散
してくるスラグを冷却することおよびスラグ中の未燃チ
ャー濃度を高くすることで付着を低減しようとするもの
である。即ち、縮流部に近い最上段のバーナから未燃チ
ャーを多く噴出して縮流部の伝熱管面付近を未燃チャー
で覆うことで、飛散スラグが冷却し、かつスラグ中の未
燃チャーが増加してスラグが伝熱管面に接触する量と付
着力を低減させることができる。

【００１８】未燃チャーの発生量を多くさせるには、最
上段のバーナのガス化効率を低くしてバーナから噴出す
る酸素／微粉固体原料（石炭）の流量比を０．２以下に
するとよい。なお、バーナ全体の酸素／微粉固体原料の
流量比は、下段のバーナが灰分の溶融温度以上に保つた
め高くしてあるので、中段に位置するバーナで制御する
ようにする。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図１は、本発明の第１の実施例である気流層式石炭
ガス化炉の構造断面図で、図２は、図１の上段に設けた
付着抑制バーナの微粉炭噴出方向を示す平面図である。
図１に示すように、ガス化部３の出口になる縮流部１２
の伝熱管は水冷壁で構成されており、ガス化部３内には
複数段（本実施例では３段）のバーナ６、７、９０を配
置している。最上段のバーナは未燃チャーを多く発生さ
せる付着抑制バーナ９０とし、微粉炭供給量は各段均等
に分配、もしくは付着抑制バーナ９０を他のバーナ６、
７に較べて減少させている。付着抑制バーナ９０からの
噴出方向は水平もしくは縮流部１２に衝突するように向
けてあり、他のバーナ６、７は水平に噴射している。ま
た、いずれのバーナ６、７、９０においても旋回噴流と
なっている。各段のバーナ６、７、９０からの噴流旋回
仮想円イは、６、９０、７の順に大きくなるように設置
されている。特に、上段に設けた付着抑制バーナ９０の
噴流旋回仮想円イの直径は、ガス化部３出口の縮流部１
２の直径と同一もしくは小さくなるように設置してい
る。このため、縮流部１２の伝熱管面は付着抑制バーナ
９０から噴出する未燃チャーで覆われることで、１）伝
熱管表面温度の低下、２）飛散溶融スラグの冷却、３）
未燃チャー含有量の増加、４）伝熱管面への溶融スラグ
接触量の低減等に寄与し、縮流部１２の伝熱管面へのス
ラグ付着を防止することができる。ガス化炉から排出さ
れる未燃チャーは、ガス化炉１から外部の図示していな
いサイクロン、セラミックフィルタ等で回収され、再び
ガス化炉１へ戻される。そのため、未燃チャーが増加す
ることでガス化効率は低下しない。

【００２０】次に付着抑制バーナ９０から未燃チャーを
多く発生するときの制御について説明する。各バーナ
６、７、９０の酸素／石炭の流量比は、下段バーナ７に
ついては燃焼熱によって石炭灰の溶融温度以上（石炭灰
の溶融温度より約１００℃程度高く、酸素／石炭流量比
を０．８〜１．２の範囲）になるように設定し、上段に
設けた付着抑制バーナ９０は０．２以下とし、中段バー
ナ６は全体の微粉炭供給量に対する酸素量をガス化効率
が高い条件になるように制御する。これらにより、生成
ガスの組成（発熱量）を変化させることなく、飛散溶融
スラグがガス化部３の縮流部１２の伝熱管面に付着する
ことなく長時間連続運転して効率よく運転できる気流層
ガス化装置を提供することができる。

【００２１】上段の付着抑制バーナ９０の噴出方向を図
３で示すようにガス化部中心部もしくは噴出方向を縮流
部１２に向けた対抗流にすると、噴出した微粉炭はガス
化部３の内壁側に分離されず、未燃チャーとして多く縮
流部に導かれる。上段に設けた付着抑制バーナ９０から
発生する未燃チャーと飛散溶融スラグが混合してスラグ
中の未燃チャー含有量が多くなっているため、縮流部１
２の伝熱管へのスラグの付着力および付着量が低減され
る。

【００２２】図４は、本発明の第２の実施例で、図８で
示したバーナの微粉炭噴出孔１００の廻りの酸素含有ガ
ス噴出孔１１０を不均等に配置したものである。その酸
素含有ガス噴出孔１１０は、ガス化部３の上部の出口側
には設けず、下部側にのみ配置する構成となっている。
この構成のバーナを上段に設けた付着抑制バーナ９０に
配置することにより、ガス化部３の出口側の酸素／石炭
流量比が非常に低くなって多くの未燃チャーが発生す
る。その未燃チャーは縮流部１２の伝熱管に沿って流
れ、飛散溶融スラグと接触して、なおいっそうスラグの
付着力が低下する。

【００２３】図５は、本発明の第３の実施例のバーナの
構造断面図で、図６は図５のＡ−Ａ視図を示したもので
ある。上段の付着抑制バーナ９０の中央部の微粉炭噴出
孔１００先端部で上部に分岐した微粉炭噴出孔１０１を
配置している。その微粉炭噴出孔１００、１０１の廻り
には、複数の酸素含有ガス噴出孔１１０を、さらに外側
には水冷管１２０、１２１で冷却される構造で構成され
る。特に、分岐した微粉炭噴出孔１０１から噴出する微
粉炭流は、ガス化部２の出口の縮流部１２の伝熱管面に
衝突するような角度で配置されている。なお図４および
図６の付着抑制バーナ９０は、炉内に２段配置されてい
る場合の上段側のバーナにも適用できるものである。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、ガス化部出口の縮流部
付近の伝熱管面にスラグが付着することなく、安定して
長時間連続運転できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す気流層式ガス化炉
の構造断面図である。

【図２】図１の上段に設けた付着抑制バーナの微粉炭噴
出方向を示す平面図である。

【図３】本発明の第２の実施例を示す付着抑制バーナの
微粉炭噴出方向を示す平面図である。

【図４】本発明の第３の実施例を示す付着抑制バーナの
構造断面図である。

【図５】本発明の第４の実施例を示す付着抑制バーナの
構造断面図である。

【図６】図５のＡ−Ａ視図である。

【図７】従来の気流層石炭ガス化装置の構造断面図であ
る。

【図８】従来のバーナの構造断面図である。

【図９】図８のＡ−Ａ視図である。

【図１０】灰中の炭素割合と付着力の関係を示す図であ
る。

【図１１】スラグ加熱温度と付着力の関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

１：ガス化炉 ２：熱回収部 ３：ガス化部 ４：スラグ冷却部 ５：冷却水 ６：バーナ ７：バーナ ８：原料ライン ９：酸化剤ライン １０：スラグタップ １１：バーナ １２：縮流部 １３：スラグロックホッパ １４：空間部 １５：生成ガスライン １６：溶融スラグ １７：バルブ １８：バルブ １９：ヘッダ ２０：ヘッダ ２１：伝熱管 ２２：ボイラ給水
ライン ２３：排水ライン ２４：パージガ
０：付着抑制バーナ １００：微粉炭噴出孔 １０１：微粉炭噴出孔 １１０：酸素含有
ガス噴出孔 １２０：水冷管 １２１：水冷管

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成８年３月２９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】符号の説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【符号の説明】 １：ガス化炉 ２：熱回収部 ３：ガス化部 ４：スラグ冷却部 ５：冷却水 ６：バーナ ７：バーナ ８：原料ライン ９：酸化剤ライン １０：スラグタップ １１：バーナ １２：縮流部 １３：スラグロップホッパ １４：空間部 １５：生成ガスライン １６：溶融スラグ １７：バルブ １８：バルブ １９：ヘッダ ２０：ヘッダ ２１：伝熱管 ２２：ボイラ給水ライン ２３：排水ライン ２４：パージガスライン ９０：付着抑制バーナ １００：微粉炭噴出孔 １０１：微粉炭噴出孔 １１０：酸素含有ガス噴
出孔 １２０：水冷管 １２１：水冷管

フロントページの続き (72)発明者 山田 陸雄 広島県呉市宝町３番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内 (72)発明者 木田 栄次 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微粉固体原料の灰の溶融温度以上に保持
   されかつ該原料の可燃分を複数段のバーナから供給して
   一酸化炭素および水素に富む生成ガスに、前記原料の灰
   分をスラグにそれぞれ変換するガス化部、該ガス化部の
   生成ガス出口付近に形成された縮流部に接続して前記ガ
   ス化部の上方に位置し前記生成ガスの熱を回収する熱回
   収部、前記ガス化部の下方に位置し該ガス化部からスラ
   グタップを経て流下するスラグを冷却水により水砕する
   スラグ冷却部とを含んで構成されたガス化装置におい
   て、前記バーナの最上段は未燃チャーを多く発生させる
   付着抑制バーナであることを特徴とする気流層ガス化装
   置。
2. 【請求項２】 請求項（１）において前記付着抑制バー
   ナは、微粉固体原料噴出孔の噴出方向が前記縮流部に向
   けて設置していることを特徴とする気流層ガス化装置。
3. 【請求項３】 請求項（１）または（２）において、前
   記付着抑制バーナから微粉固体原料が噴出する旋回仮想
   円の直径を、前記縮流部の直径以下とすることを特徴と
   する気流層ガス化装置。
4. 【請求項４】 請求項（１）、（２）または（３）にお
   いて、前記付着抑制バーナに設けた複数の酸素含有ガス
   噴出孔を前記微粉固体原料噴出孔の廻りの下部側のみに
   設置したことを特徴とする気流層ガス化装置。
5. 【請求項５】 請求項（２）または（３）において、前
   記付着抑制バーナの微粉固体原料噴出孔を水平方向と上
   流方向に分岐して噴出する構造であることを特徴とする
   気流層ガス化装置。
6. 【請求項６】 ガス化部内で複数段のバーナから微粉固
   体原料を供給して一酸化炭素および水素に富む生成ガス
   に変換し、該生成ガスは前記ガス化部の出口付近で縮流
   を形成すると共に、前記複数段のバーナの酸素／微粉固
   体原料流量比を下段のバーナに行くにしたがって増加さ
   せて、かつ前記下段バーナの酸素／微粉固体原料流量比
   は該原料の灰の溶融温度以上となるように設定してガス
   化するものにおいて、最上段のバーナの酸素／微粉固体
   原料流量比を０．２以下とし、前記複数段のバーナ全体
   の酸素／微粉固体原料流量比は中段に位置するバーナで
   制御することを特徴とする気流層ガス化装置の運転方
   法。