(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気または酸素富化空気を酸化剤とする噴流床石炭ガス化炉において、炉径Ｄに対し、上段バーナと下段バーナの間に径Ｄｓが０．７〜０．９Ｄのスロート部があり、上段バーナは対向配置とし、下段バーナは旋回配置とした上下２レベルのバーナで構成され下レベルの下段バーナを仮想円径Ｄｂ１が０．１〜０．３Ｄの石炭バーナとし、かつ上レベルの下段バーナの仮想円径Ｄｂ２を前記下レベルの石炭バーナの仮想円径の値以上で０．５Ｄ以下のチャーバーナとしたことを特徴とする二段噴流床石炭ガス化炉。
【請求項２】
前記下段バーナの一部または全部を下向きにチルトさせてなる請求項１記載の二段噴流床石炭ガス化炉。
【請求項３】
前記上段バーナより上部の炉壁を円筒形状壁面またはゆるやかな円錐形状壁面とした請求項１記載の二段噴流床石炭ガス化炉。
【請求項４】
前記スロート部にガス動圧Ａと生成する溶融スラグの表面張力Ｂの比Ａ／Ｂが１〜３以下となるように構成した請求項１記載の二段噴流床石炭ガス化炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は二段噴流床石炭ガス化炉に関し、特にその炉形状及びバーナ配置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の二段噴流床石炭ガス化炉の構成を図８に示してある。
図８において、４はコンバスタ部でその上にリダクタ部５が配設されており、コンバスタ部４とリダクタ部５の間にはスロート部３が形成されている。
リダクタ部５には上段バーナ１が取付けられ、コンバスタ部４には下段バーナ２が取付けられている。７はスラグホール、８はスラグホッパ水を示している。
【０００３】
従来の二段噴流床石炭ガス化炉では図８の（ａ）に示すように上段バーナ１と下段バーナ２の間に径Ｄｓが０．４Ｄ（Ｄは炉径）程度のスロート部３が設置されており、かつ、強旋回流が形成されるように下段バーナ２では図８の（ｂ）に示すように仮想円径Ｄｂが０．５〜０．７Ｄ程度に設定されていた。
【０００４】
これによって、図９に示されるように下段バーナ２が設置されているコンバスタ部４では、石炭中の灰または循環してきたチャー中の灰を１に近い高い空気比（０．６〜１．０）で、石炭の溶融点（１３００〜１６００度）以上の高温で強旋回燃焼させて壁面に溶融捕捉させ、ガスから分離しコンバスタ部４の炉底にあるスラグホール７から排出する。
【０００５】
一方、コンバスタ部４で発生した高温ガスは、上段バーナ１が設置されてスロート部３の上部にあるリダクタ部５に供給し、上段バーナ１により供給される石炭を乾留およびガス化し、チャー（炭素と灰の混合物）を生成していた。このチャーはリダクタ部５後流でサイクロンなどで捕集し、コンバスタ部４に下段バーナ２の一部によって再度投入されることによって９９％以上の石炭中炭素がガス化される。
【０００６】
この過程の中で図１０に示すように、コンバスタ部４での灰の捕捉効率は強旋回流のため極めて高く８０〜９０％であり、捕捉されなかった灰は溶融液状の粒子としてリダクタ部５に持ち上がるが、上段バーナ１から供給される石炭によって発生する石炭ガス化反応が急激な吸熱反応であるため溶融点以下の１０００〜１２００度程度まで冷却固化され、チャー粒子とともにあるいはチャー粒子としてコンバスタ部４へと循環し再度溶融され、最終的には完全にコンバスタ部４の炉底にあるスラグホールから排出され、スラグホッパ水８中に落下し水砕される。
【０００７】
この場合スロート部３での絞りはコンバスタ部４での灰の捕捉に寄与するとともに、図８に示すように下段バーナ２による強旋回流によって発生するリダクタ部５での炉中心部の逆流域をコンバスタ部４に進入させぬことによって、上段バーナ１より上部の１０００〜１２００度の低温のガスによるコンバスタ部４の温度の低下を防止している。
【０００８】
また、一段の噴流床石炭ガス化炉においては、石炭ガス化反応が終了した後も生成ガス温度は灰の溶融温度以上の１４００度以上であるため、急激に灰を冷却固化させるよう低温ガスを炉内にシール状に投入していたが、生成ガス量の２００％〜４００％もの大量の循環ガスが必要となり、設備が大がかりになりかつ所内動力が増えるため経済的でないという点があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の石炭ガス化炉では上記のプロセスによって石炭のガス化が行われるが、コンバスタ部４から持ち上がってくる溶融灰粒子は、コンバスタ部４での強旋回流による最小分離粒径として微粉炭およびチャーの粒径分布から計算すると数ミクロン程度以下となり、リダクタ部５で急激に冷却固化されると考えられ、リダクタ部５の炉壁６に付着することはないと予想された。
【００１０】
しかし、スロート部３でのガス流速がスロート部３における０．４の絞り比と強旋回流のため過大となり、図１１に示されるように上段バーナ１〜スロート部３の間の壁面に捕捉された溶融スラグが、その過大なガス動圧が溶融灰の表面張力より大きくなることによって、数mm〜３０mm程度の大径の溶融灰粒子として上段バーナ１より上部へ再飛散し、上段バーナ１より投入される石炭による吸熱反応域で急冷されるものの径が大きいために完全に固体とはならず粘調な半溶融状となり、壁面に付着成長し炉を閉塞させる問題点があった（溶融灰の再飛散）。
【００１１】
さらにまた、図１１に示す通り上段バーナ１から投入される石炭粒子は、炉中心部にむけて対向に噴出されるものの、すぐに下段バーナによる強旋回流によって噴流が曲げられ壁面に衝突し、前述した粘調な大径半溶融灰２７粒子をバインダとして炉壁６に付着し、石炭がガス化したのちは灰のみが残り、溶融灰の付着成長による炉の閉塞を加速させていた。また上段バーナ１より上部は逆円錐形状であったために、付着した半溶融灰２７が構造強度を有しやすく自重による脱落が起こりにくく成長しやすいこともあった。
【００１２】
本発明は炉壁面への溶融灰の付着成長を抑制すると共にコンバスタ部での灰の分離捕捉効率を向上させることにより安定運転が可能な二段噴流床石炭ガス化炉を提供することを課題としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、空気または酸素富化空気を酸化剤とする噴流床石炭ガス化炉における前記課題を解決するため、上段バーナと下段バーナの間のスロート部の径Ｄｓを炉径Ｄに対し０．７〜０．９Ｄとし、かつ、上段バーナは対向配置、下段バーナは旋回配置とした上下２レベルのバーナで構成され下レベルの下段バーナを仮想円径Ｄｂ１が０．１〜０．３Ｄの石炭バーナとし、かつ上レベルの下段バーナの仮想円径Ｄｂ２を前記下レベルの石炭バーナの仮想円径の値以上で０．５Ｄ以下のチャーバーナとした構成を採用する。
【００１４】
噴流床石炭ガス化炉においては、炉内のガスが上昇流で、壁面に捕捉された溶融スラグは重力による下降流であるために、ガス動圧Ａがある値以上になると溶融灰は持ち上げられ滞留し、さらにガス動圧Ａが大きくなると溶融灰の表面張力Ｂ以上の力となり、溶融灰が引きちぎられ溶融灰が大径粒子として上方へと再飛散する。
【００１５】
本発明によるガス化炉では、前記したようにスロート径Ｄｓを広げ、かつ、下段バーナでの旋回力を弱めるよう下段バーナの仮想円径Ｄｂを低減させた構成を採用することによって、ガス動圧Ａ（ガス流速の自乗に比例）を低下させることができる。さらに具体的にはスロート部のガス動圧Ａと溶融灰の表面張力Ｂの比が１〜３以下であれば溶融灰の再飛散現象が抑制されることがわかった。この比Ａ／Ｂ＝Ｗｅは下式のように表される。
【００１６】
【数１】
0003652720.tif 000002
【００１７】
これによってスロート部〜上段バーナ間での半溶融状の大径粒子の発生が抑制され、上段バーナ上部での灰の付着成長が防止できる。
また、本発明によるガス化炉では０．７〜０．９Ｄとスロート径Ｄｓを広げたが、同時に旋回力を弱めたため炉中心部での逆流も弱くなり下段バーナ部での温度低下の可能性もなくなる。
また、本発明によるガス化炉においては、旋回配置とした下段バーナを上下２レベルのバーナ構成とし、炉底にあるスラグホールからスラグの排出が円滑に行われるように燃焼性の良い石炭バーナを下レベルに設置し、かつ、ファイヤボールがスラグホールの真ん中に形成されるよう下レベルのバーナの仮想円径Ｄｂ１を０．１〜０．３Ｄ程度に小さく設定し、上レベルのバーナをチャーバーナとし、その灰分が多い上レベルのチャーバーナについては、灰の捕捉効率が高くなるように上記スロート部での作用が保持できる限度までバーナの仮想円径Ｄｂ２を０．５Ｄ以下の好ましくは０．３〜０．５程度に高く設定している。
【００１８】
さらに、コンバスタ部での灰の捕集効率については、前記したようにスロート径Ｄｓを広げ、かつ、下段バーナでの旋回力を弱めると低下する傾向にあるが、前記した構成に加え、下段バーナの全部又は一部を下向きにチルトさせた構成を採用することにより従来のガス化炉よりもコンバスタ内での石炭粒子の滞留時間が増えることによって、従来よりも同等かそれ以上のスラグ捕集効率を得ることができる。
【００１９】
また本発明による二段噴流床石炭ガス化炉では、上段バーナの石炭の投入においても、旋回力が弱まったことにより従来と比べ相対的に石炭投入時の貫通モーメンタムが増加し、炉中心付近まで石炭粒子が到達したのち主流の旋回流に乗ってガス化反応をしていくので、壁面に衝突するまでの滞留時間が十分に確保できるようになり、半溶融灰の温度も十分に低下しバインダとしての機能をもたなくなり上段バーナから投入された石炭中の灰の炉壁面への付着成長は著しく抑制される。
【００２０】
一方、これらの作用によって再飛散した大径の半溶融灰粒子が発生しなくなったとしても、コンバスタ部での未捕捉灰が残存するが、これは粒子径が小さく上段バーナ部での石炭ガス化反応により急激に冷却固化されやすく付着成長しにくい。
【００２１】
したがってこの未捕捉灰の付着成長防止のために、前記した構成に加え、上段バーナより上部を円筒形状壁面またはゆるやかな円錐形状壁面とした構成を採用することによってそれらの灰は自重で脱落しやすくする。さらに必要ならば付着した灰を除去脱落させる適宜の装置を設置した構成とすることもできる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明による二段噴流床石炭ガス化炉を図１に示した実施例により具体的に説明する。
図１に示すように、本実施例による二段噴流床石炭ガス化炉ではスロート部３の上方に上段バーナ１があり、スロート部３の下方に上下２レベルの下段バーナ２，２’が設けられている。
上段バーナ１は（ｃ）図に示すように４個のバーナが対向配置され、下段バーナは上レベルのバーナ２は、仮想円径Ｄｂ２、下レベルのバーナ２’は仮想円径Ｄｂ１の旋回配置とされている。
【００２４】
なお、上レベルのバーナ２は（ａ）図の如く水平配置とするか、（ｂ）図の如く下向きにチルトさせた配置とする。
そして、下段バーナの上レベルのバーナ２をチャーバーナとし、下レベルのバーナ２’を燃焼性の良い石炭バーナとする。
上段バーナ１は同様に石炭バーナである。
【００２５】
本実施例によるガス化炉において、下レベルの下段バーナである４本の微粉炭バーナ２’の仮想円径Ｄｂ１を０．１Ｄ、バーナの２次空気流速を１０〜３０m/s とし、上レベルの下段バーナ２である４本のチャーバーナの仮想円径Ｄｂ２を０．４Ｄ、バーナの２次空気流速を１０〜３０m/s とした場合には、スロート径Ｄｓが０．７Ｄ以上では、Ｗｅが２程度であり上段バーナと下段バーナの間において溶融灰の再飛散が著しく抑制されていることが、ガスの動圧と溶融灰の表面張力の比を一致させたコールドモデル試験で明らかにされた。
そのモデル試験の結果を図２に示してある。
【００２６】
また、上記実施例においてスロート径Ｄｓが０．９Ｄ以下であれば炉中心部での逆流域も小さくなり灰やチャーはコンバスタ部にほとんど進入しないことが、流れのコールドモデル試験および３次元の流動解析によって確認された。
そのモデル試験および３次元流動解析結果をそれぞれ図３および図７に示してある。
【００２７】
スロート径Ｄｓを０．８Ｄとした８ｔ／日容量の石炭ガス化実験炉でも逆流による下段バーナ部での温度低下が無かったことも確認されている。
その本発明による石炭ガス化実験炉と従来の構成をもつ石炭ガス化実験炉における炉内温度分布の比較結果を図５に示してある。
【００２８】
また、図４に示すように、そのときの灰の捕捉効率は従来の炉と比較してやや低い効率を保持していたが、さらにチャーバーナ２を下向きにチルトさせることによって灰の捕捉効率を従来とほぼ同等まで向上させることができることも８ｔ／日容量の石炭ガス化実験炉および３次元の流動解析によって確認された。
【００２９】
また上段バーナ２での投入石炭粒子の軌跡を３次元の流動解析によって評価すると図６のように本実施例のガス化炉では従来例に比べて壁面への衝突はその量が著しく減少しまた位置がより下流側へシフトすることが明かになった。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、二段噴流床石炭ガス化炉における上段バーナと下段バーナの間のスロート部の径を適切に選定すると共に、その上段バーナと下段バーナを独特の配置とすることにより、噴流床石炭ガス化炉として最大の課題である溶融灰の冷却過程での炉壁面への灰の付着成長を抑制するとともに、コンバスタ部の灰の分離捕捉効率を高く維持し、かつ、灰を溶融させる温度をコンバスタ部にて保持し、その溶融スラグの排出を円滑に行わせることにより、安定な運転を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による二段噴流床石炭ガス化炉を示し、（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、異るバーナ配置をもつガス化炉の側面図、（ｃ）はそのバーナ配置を示す平面図。
【図２】本発明の実施例による石炭ガス化炉におけるスロート径比と、動圧及び溶融灰の表面張力の比との関係についてのコールドモデル試験結果を示すグラフ。
【図３】本発明の実施例による石炭ガス化炉におけるスロート径比と、コンバスタへの逆流域の進入深さを示すコールドモデル試験結果のグラフ。
【図４】本発明による石炭ガス化炉におけるスロート径比と灰の捕捉効率の関係を３次元流動解析および８ｔ／日実験炉による試験結果を示すグラフ。
【図５】本発明による８ｔ／日石炭ガス化実験炉と従来の構成をもつ８ｔ／日石炭ガス化実験炉における炉内温度分布の比較結果を示すグラフ。
【図６】本発明による石炭ガス化炉と従来の石炭ガス化炉の上段バーナにおける投入石炭の軌跡を３次元流動解析した結果を示す図面。
【図７】本発明の実施例と従来例による石炭ガス化炉におけるスロート部の流速分布を示すコールドモデル試験結果のグラフ。
【図８】従来の二段噴流床石炭ガス化炉の構成を示す断面図。
【図９】図８に示した石炭ガス化炉の炉内温度分布を示す説明図。
【図１０】図８に示した石炭ガス化炉における炉内の灰の流れを示す説明図。
【図１１】図８に示した石炭ガス化炉におけるスロート部から上段バーナの上部までの炉内の状況を示す説明図。
【符号の説明】
１        上段（石炭）バーナ
２        上レベルの下段（チャー）バーナ
２’      下レベルの下段（石炭）バーナ
３        スロート部
Ｄｂ１    下レベルの下段バーナの仮想円径
Ｄｂ２    上レベルの下段バーナの仮想円径
Ｄ        炉径
Ｄｓ      スロート部の径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003652720.tif 000009
【図８】
0003652720.tif 000010
【図９】
0003652720.tif 000011
【図１０】
0003652720.tif 000012
【図１１】
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