JPH10279959A - 石炭ガス化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却炉でスラグの付着による閉塞を防止し
て、高い石炭ガス化炉でのスラグの捕集効率を確保す
る。 【解決の手段】 ガス化炉の天井部に突起物を設けるこ
とで、ガス化炉バーナーの旋回力が強くても、スロート
部に入るガス化バーナーの旋回力を減衰させることで、
スロート部の炉壁に付着した溶融スラグをガス化炉に移
動することが可能になり、スロート下部に滞留した溶融
スラグが数ｍｍの径の溶融スラグになって冷却炉に飛散
して、冷却炉を閉塞することが防止でき、さらにガス化
炉におけるスラグ捕集効率を高くすることが可能にな
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、微粉炭、微粉チャ
ー等を酸化剤を用いる噴流層でガス化する装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】石炭を微粉炭にして噴流層ガス化炉でガ
ス化する方法は、高い熱効率とガス化効率が得られる点
が優れている。従来実用化されているこのガス化方法
は、図５に示すように、ガス化炉１、バーナー３、スロ
ート２、スラグタップ４、冷却炉５、冷却水槽６から構
成されたガス化炉装置において、バーナー３から微粉炭
と酸化剤を噴出させ、ガス化炉１内で約１５００℃で微
粉炭と酸化剤を反応させてガス化する方法である。

【０００３】生成した高温のガスは、ガス化炉上部から
スロート２を通って排出され、冷却炉３で石炭中の灰分
が固化する温度、約１０００〜１２００℃以下まで冷却
し、その後で集塵、熱回収、有害物の除去後燃料又は化
学原料ガスとして使用する。石炭中の灰分の大部分は、
高温のガスで溶融し、ガス化炉の底部に溜まった後、ス
ラグとしてスラグタップ４から排出され、冷却水槽４で
冷却・固化されるが、一部は、ガス化ガスに同伴されて
冷却炉３に飛散する。ガス炉１は天井部９と円筒状の側
壁１０と底部１１から構成され通常鋼製であるが、ガス
化炉１の天井部９、側壁１０、底部１１の炉壁は、外面
を水冷ジャケット又は、冷却管が設けられた冷却構造に
なっている。ガスと接触する内面は、溶融スラグによる
セルフライニングで保護する方法が一般的である。ガス
化炉の天井部９は、天井部に付着したスラグが炉内に落
下しないで、天井から側壁を伝わって落下するように湾
曲した形状になっている。

【０００４】バーナー３はガス化炉１の側壁１０に、図
４に示すように、炉壁の接線方向に対して一定の角度を
付して設けられており、微粉炭が酸化剤と共に吹き込ま
れる際、炉内でガスが旋回して、石炭粒子の炉内での滞
留時間を長くして、未燃物の発生を抑制すると同時に、
石炭中の溶融した灰分がガスの旋回力でガス化炉側壁に
衝突して捕集されて、スラグタップ４から排出するスラ
グ量が増加するようにしているのが一般的である。バー
ナーの旋回径は、図４のバーナーの切線が示す角度を表
し、バーナーはガス化炉側壁に角度をもって取付る。図
４の実線はガス化炉の炉内壁を、点線がバーナー旋回径
を示す。

【０００５】冷却炉５は、輻射型のボイラーの使用が一
般的であるが、特開平５ー２９５３７１号公報に示され
るように石炭を吹き込んでガスの冷却と同時に石炭を熱
分解する方法もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】噴流層ガス化炉は、微
粉炭と酸化剤をガス化炉側壁部に設けたバーナー出口で
混合して燃焼させるが、バーナーは図４に示すように、
ガス化したガスがガス化炉内を旋回するようにして、ガ
ス化炉内でガスと揮発分の抜けたチャー、溶融スラグ粒
子がショートパスして、ガス化炉上部の出口から出て行
かないようにし、さらに、溶融したスラグがガス化炉側
壁に衝突して捕捉されるようにしているのが一般的であ
るが、溶融スラグは完全に捕捉することは不可能で、一
部はガスと同伴されてガス化炉出口から飛散する。この
飛散したスラグは、冷却炉で冷却炉の炉壁又は冷却炉内
に設けられた冷却管に付着・成長して冷却炉が閉塞する
という問題がある。

【０００７】この原因は、石炭をガス化した際に石炭中
の灰分が溶融して発生するスラグがガス化炉出口のスロ
ートの炉壁に付着し、付着したスラグがさらにスロート
の炉壁から数ｍｍ径のスラグ粒になって冷却炉内に飛散
して、冷却炉の炉壁に付着して固化することにあり、ス
ロートの径を大きくしてスロート部のガス流速を低下す
ることによって、スロートの炉壁への付着が減少させ、
数ｍｍ径のスラグ粒が冷却炉内に飛散することを防止で
きると言われている。

【０００８】しかし、スロート部の径を大きくすること
は、ガス化炉から冷却炉への輻射熱が増加してガス化炉
損失熱が増加するため、ガス化炉の冷ガス効率（ガスの
潜熱／石炭の潜熱）の低下を招くほか、冷却炉の熱負荷
が増加する点から好ましくない。また、特開平５ー２９
５３７１号公報に示されるように、石炭を冷却炉の役割
を果たす熱分解炉に吹き込み、ガスの冷却と同時に石炭
を熱分解しようとする場合には、スロート径の拡大は、
熱分解炉に投入した石炭がガス化炉に落下しやすくなる
点からも好ましくない。

【０００９】本発明の目的は、スロートの径を拡大しな
いで、スロート炉壁からのスラグの飛散を防止して、冷
却部におけるスラグの付着による閉塞を防止することに
ある。

【００１０】

【発明を解決するための手段】上記課題を解決するため
の、本発明の手段は以下の通りである。

【００１１】（１）少なくとも天井部と側壁と底部とを
有するガス化炉と、このガス化炉内の周囲に設けられ
た、微粉状の石炭を酸化剤と共に吹き込むバーナーと、
このガス化炉の上方に設けられた冷却炉と、冷却炉とガ
ス化炉の間にあって、ガス化炉の天井部のガス出口と冷
却炉のガス入口と連通するスロートとを少なくとも有す
る石炭ガス化装置において、前記ガス化炉の天井部に、
下方に突出する突起状構造物を設けることを特徴とする
石炭のガス化装置である。

【００１２】（２）突起状構造物は、ガス化炉天井部の
ガス出口から側壁の方向に放射状に筋状に設けられるこ
とを特徴とする（１）に記載の石炭のガス化装置であ
る。

【００１３】（３）突起状構造物の高さを、５０〜７０
ｍｍとする（１）または（２）に記載の石炭ガス化装置
である。

【００１４】（４）突起物が水冷構造を有することを特
徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の石炭ガ
ス化装置である。

【００１５】本発明においては、ガス化炉の天井に突起
物を設けることにより、スロートに入るガス流の旋回力
を減衰させることが可能になり、スロートの炉壁に捕集
された溶融スラグをスロートとガス化炉上部の間に滞留
させることなく、ガス化炉天井壁に移動させることがで
きるため溶融スラグが冷却炉に飛散するのを防止する石
炭ガス化装置である。

【００１６】本発明者は、高粘性液体をガス化炉に吹き
込んで冷間で観察し、スロートにおけるガス及び液滴の
挙動を調査することによって、ガス化炉、スロートにお
けるスラグ液滴の挙動を解析した。液滴は、ガス化炉中
心部にノズルから供給し、ガスは、空気を実機のガス量
に相当する量をバーナー流速に等しい速度で図４に示す
ように、ガス化炉内で旋回するようにノズルから供給し
た。液滴の大部分はガス化炉の側壁に衝突して捕捉され
るが、一部は炉内を旋回しながら、ガスに同伴されてス
ロートに達する。

【００１７】スロートでは、ガスの旋回力でスロート炉
壁に衝突して、液膜となりスロート部炉壁に沿って落下
する。落下した液体は、ガス化炉の天井部の炉壁に移動
し、ガス化炉側壁を伝わってスラグタップから排出され
るのであるが、バーナーの旋回力が強い（図４に示すガ
ス化炉内径Ｄに対するバーナー旋回径ｄの比率が大き
い）と、液滴はスロートとガス化炉天井の境界近傍の炉
壁には蓋して厚い液膜となり、ガスの旋回流によって落
下しないで、液が溜まった状態になり、大きく成長した
後にこの液が炉壁からガスに吹き飛ばされて、数ｍｍの
液滴になって飛散することが判明した。この数ｍｍの液
滴スラグは、表面だけは冷却されるが、内部は高温のま
まで炉壁に衝突するため、内部の溶融物が炉壁に付着す
ることが、粒子の冷却計算から判った。一方、ガス化炉
から直接冷却炉まで飛散するスラグは、数１０ミクロン
のフライアッシュ状の微粉で、冷却炉の炉壁に達する時
点では、ガス温度まで冷却されて、冷却壁に達した時点
では、冷却壁表面で直ぐ固化して付着しないので問題は
ない。

【００１８】バーナー旋回力が弱い場合あるいはスロー
ト径が大きい場合は、スロート部の炉壁に捕集された液
滴は、ガス化炉の天井部に移動してしまうため、上記の
位置では液の溜まった状態はなく、数ｍｍの液滴は飛散
しなかった。したがって、バーナー旋回力を弱くする、
すなわちバーナー旋回径を小さくすることあるいはスロ
ート径を大きくすることで、スロート下部からのスラグ
の飛散は防止できる。しかし、バーナー旋回力が弱い
と、微粉炭が燃焼して生成したスラグが、ガス化炉の側
壁に衝突して捕捉され、ガス化炉底部に移動してスラグ
タップから排出されるスラグ量が減少し、冷却炉にガス
に同伴されて飛散するフライアッシュが増加する。これ
は、気流層ガス化炉のメリットの一つである、石炭中の
灰分を取扱及び利用しやすい水砕状のスラグとして捕集
する割合が減少して、捕集及び利用の困難なフライアッ
シュが増加する点から好ましくない。

【００１９】さらに、バーナー旋回径を小さくすること
は、石炭中の揮発分が抜けたチャー粒子がガス化炉内で
旋回せず、ガス化しないでショートパスしてガス化炉か
ら出ていく比率が増加するので、石炭のガス化効率が低
下する点からも好ましくない。一方、スロート径の拡大
は、冷却炉への輻射熱の増加の他に、特開平５ー２９５
３７１号公報に示されるように、石炭を熱分解炉に吹き
込んでガスの冷却と同時に石炭を熱分解する方法では、
石炭がガス化炉に落下する点からも好ましくない。

【００２０】そこで、バーナーの旋回力は確保し、スロ
ート径を大きくしないで、ガス化効率、スラグの水砕へ
の回収効率は高くでき、かつ、スロート部で炉壁に衝突
して捕集された溶融スラグが、冷却炉に大粒径のスラグ
として飛散、付着するのを防止する方法を検討した結
果、ガス化炉の天井部に突起物をつけることによってガ
ス化炉内のガスの旋回力をスロートに入る前に減衰させ
る、スロートに溶融スラグが液溜まりを発生させないこ
とを確認した。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下添付図によって本発明の実施
の形態を詳細に説明する。

【００２２】図１は、本発明の石炭ガス化装置を示すも
ので、ガス化炉１、スロート２、ガス化バーナー３、ス
ラグタップ４、冷却炉５によって構成され、ガス化炉１
の天井部９には突起物７を設けているものである。

【００２３】ガス化炉１は天井部９と円筒状の側壁１０
と底部１１から構成され、ガス化炉１には、ガス化炉１
内でガス化したガスが旋回するように、ガス化炉１の側
壁に対してある角度をもって配置された微粉炭のガス化
バーナー３が取り付けられており、ガス化バーナー３か
ら微粉炭と酸化剤を供給して、石炭をガス化させる。ガ
ス化したガスはガス化炉１内を旋回しながら上昇して、
ガス化炉上部に設けられたスロート２を通って、スロー
ト２の上部の冷却炉５に入る。石炭中の灰分は、ガス化
炉１内で高温の溶融スラグになり、大部分のスラグはガ
ス化炉の側壁１０に衝突して、ガス化炉底部１１に溜ま
りスラグタップ４から排出し、ガス化炉下部の冷却水槽
６に落下して固化する。残りの灰分は、ガスに同伴され
てスロート２から冷却炉５に入るが、一部のスラグはス
ロート２の炉壁に付着して、溶融したままスロート側壁
を伝って落下する。

【００２４】図２ａ，ｂは、ガス化炉１の天井部９に設
けた突起物７の取付状態を示した図１のＡ−Ａ矢視の断
面図で、ガス化炉天井部９の突起物７は、湾曲したガス
化炉天井部９にスロート２下部から側壁へ放射状に取り
付ける。突起物の形状、個数は、ガス化炉１を、直径１
６００ｍｍ、高さ２２００ｍｍ、スロート２の径を４０
０ｍｍ、高さは３００ｍｍ、ガス化バーナー３を４本備
えた装置を使用し、バーナー旋回径を変えて冷間で試験
し、冷却炉２に液滴が飛散しないバーナー旋回径を調査
した。突起物がない場合は、液滴の飛散が起こらないバ
ーナー旋回径は４００ｍｍ以下であった。

【００２５】突起物の形状は、図２のａ，ｂの２形状で
試験した。ａは１本の連続した筋状の突起物を放射状に
複数配置したもので、ｂは短い突起をほほ等間隔に分散
して筋状に配置して１本の突起物とし、これを複数放射
状に位置したものである。突起物の本数は４本、突起物
の高さは５０ｍｍとした。その結果を表１に液滴が飛散
しないバーナー旋回径として示す。

【００２６】

【表１】 突起を設けない場合に比べて、突起を設けた場合の方が
バーナー旋回径が大きく、また、連続した突起物を設け
た方が液滴が飛散しないバーナー旋回径が大きく効果が
あることが判る。

【００２７】突起物の本数は、ガス化炉天井部の出口か
ら側壁に取り付けた筋状の突起物の個数を示し、図２
ａ，ｂは４本を示している。突起物の本数は、２〜１２
本まで変化させてしたが、表３に示すように、２本より
４本と本数を増やすほど効果は大きいが、８本を超える
とその効果の増加程度は小さくなる。したがって４から
８本が好ましい。

【００２８】

【表３】 突起物の高さを変えて調べた結果を表４に示す。突起物
の高さは、７０ｍｍまでは高さが大きくなるほど効果は
増加する。すなわち飛散を生じない旋回径が大きくなる
が、高さが７０ｍｍを超えるとその効果の程度は小さく
なる。したがって突起物の高さは、５０〜７０ｍｍが好
ましい。

【００２９】

【表４】 次に突起物の断面形状を図３ａ，ｂと変えてその効果を
調べた結果を表２に示す。

【００３０】

【表２】 突起物の断面形状は、図３ａに示すような断面が矩形で
ある方が効果が大きいようであるが、図３ｂの三角形状
のものとの効果の差は小さい。したがって、断面は施工
性等を勘案して決めればよい。

【００３１】ガス化炉天井部の突起物７は、１５００℃
程度の高温ガスと接触することを考慮して、耐熱性を有
する材料たとえばセラミックス等の耐熱材料が使用でき
る。ボイラー鋼管を使用して、内部に冷却水又はボイラ
ー給水を使用した水冷構造の突起物にしてもよい。この
場合、溶融スラグは突起物の表面にセルフライニングさ
れ、２０から３０ｍｍの付着物がつく。図３ｃは、外径
３４ｍｍのパイプ２本重ねてガス化炉天井部の突起物７
を構成した例で、８は付着したスラグを示す。パイプ１
本配置して突起物を構成してもよいが、図３ａに示すよ
うな板状の高さ７０ｍｍの突起物を形成することができ
た。

【００３２】

【実施例】図１に示すようなガス化装置を用いて、ガス
化を行った。なお、ガス化炉１は、直径１６００ｍｍ、
高さ２２００ｍｍでガス化バーナー３は４本を使用し、
石炭１６００ｋｇ／ｈ、酸素１２００Ｎｍ³／ｈ、蒸気
８００Ｎｍ³／ｈを使用して約１５００℃でガス化し
た。スロート２の径は４００ｍｍ、高さは３００ｍｍで
ある。冷却炉は、特開平５ー２９５３７１号公報に示す
石炭を熱分解して冷却する方法で８００℃に冷却した。
冷却炉はボイラーでなく、冷却炉の下部に石炭を吹き込
んで、ガス化ガスを石炭で冷却すると同時に石炭の熱分
解を行う方法である。表１に示すバーナー旋回径と、長
さ５００ｍｍで図３ｃに示す外径３４ｍｍのパイプ２本
を重ねた突起物を４本取り付けたもの（突起物高さ６８
ｍｍ）、外径３４ｍｍのパイプ１本を４本取り付けたも
の（突起物高さ３４ｍｍ）と、取り付けない場合の４水
準で行った結果と合わせて表５に示す。突起物に使用し
たパイプは温度２００℃の飽和水で冷却し、冷却熱は蒸
気で回収した。

【００３３】

【表５】 ガス化炉の天井に突起物を設けなかった場合、バーナー
旋回径６００ｍｍでは、スラグ捕集率は８１％と高かっ
たが、冷却炉は約４日間で閉塞し、運転を停止した。冷
却炉には、スラグと熱分解したチャーの混合物が付着・
固化していた。また、バーナー旋回径４００ｍｍでは、
スラグ捕集率は６５％と低かったが、７日間運転しても
閉塞なかった。

【００３４】一方、ガス化炉天井にパイプ２本を取り付
けた場合、バーナー旋回径６００ｍｍの条件で７日間試
験したが、冷却炉では閉塞は起こらず、運転停止後も冷
却炉には付着物もなく、スラグ捕集率は８８％と高い値
を示した。突起物のパイプには、図３ｃに示すようにス
ラグが付着していたが、炉壁から７０ｍｍ以上飛び出し
ていた。スラグの捕集率が、突起物がない場合より高く
なっているのは、突起物によってもスラグが捕集された
ものと見られる。パイプ１本では、７日間の試験でバー
ナー旋回径５００ｍｍでは冷却炉の付着物はなかった
が、バーナー旋回径６００ｍｍでは閉塞しなかったもの
の、冷却炉に付着物がみられた。

【００３５】この結果、長期間の使用に対してはパイプ
２本を取り付けた突起物とする方が好ましいことがわか
る。

【００３６】本実施例では、石炭の酸素によるガス化に
ついて示したが、チャー等の灰分を含む物質のガス化に
も適用可能であり、空気を使用する酸化剤にも適用可能
である。さらに、石炭類のガス化だけでなく、ゴミを噴
流層で燃焼して溶融処理するゴミ溶融炉にも適用可能で
ある。突起物は、冷却したパイプを使用したが、セラミ
ックス等の耐熱物の使用も可能である。冷却炉は、石炭
で冷却する実施例を示したが、輻射ボイラーを使用する
方法においても効果を発揮することは当然である。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、高いスラグ捕集率を確
保して、かつ、スロート部から大粒径の溶融スラグの飛
散を防止して、冷却炉の閉塞を回避して石炭をガス化す
ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の石炭ガス化装置の概略構成を示す図で
ある。

【図２】本発明の石炭ガス化装置のガス化炉天井部の突
起物の配置の実施例を示す平面図（図１におけるＡ−Ａ
矢視）であり、（ａ）は一体に連続して設けた例、
（ｂ）は分散して設けた例を示す図である。

【図３】本発明の石炭ガス化装置のガス化炉の天井の突
起物の形状を示す断面図であり、（ａ）は断面が矩形
状、（ｂ）は断面が三角形状、（ｃ）は断面がパイプを
重ねて配置した状態を示す図である。

【図４】石炭ガス化炉におけるガス化バーナーの旋回径
を示す説明する概念図である。

【図５】従来の石炭ガス化装置の概略構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ ガス化炉 ２ スロート ３ ガス化バーナー ４ スラグタップ ５ 冷却炉 ６ 冷却水槽 ７ ガス化炉天井部の突起物 ８ スラグ ９ ガス化炉の天井部 １０ ガス化炉の側壁部 １１ ガス化炉の底部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも天井部と側壁と底部とを有す
   るガス化炉と、このガス化炉内の周囲に設けられた、微
   粉状の石炭を酸化剤と共に吹き込むバーナーと、このガ
   ス化炉の上方に設けられた冷却炉と、冷却炉とガス化炉
   の間にあって、ガス化炉の天井部のガス出口と冷却炉の
   ガス入口と連通するスロートとを少なくとも有する石炭
   ガス化装置において、前記ガス化炉の天井部に、下方に
   突出する突起状構造物を設けることを特徴とする石炭の
   ガス化装置。
2. 【請求項２】 突起状構造物は、ガス化炉天井部のガス
   出口から側壁の方向に放射状に筋状に設けられることを
   特徴とする請求項１に記載の石炭のガス化装置。
3. 【請求項３】 突起状構造物の高さを、５０〜７０ｍｍ
   とする請求項１または２に記載の石炭ガス化装置。
4. 【請求項４】 突起物が水冷構造を有することを特徴と
   する請求項１ないし３のいずれかに記載の石炭ガス化装
   置。