(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化用気体と共に、炭素含有燃料をガス化炉に投入してガス化する炭素含有燃料ガス化設備において、同設備のガス化炉用バーナに独立の３流路を設け、炭素含有燃料と、高濃度酸素と、ガスタービンに直結された空気圧縮機から導かれた高温空気とを、上記バーナの別個の流路をそれぞれ経由させて炉内へ投入することを特徴とする炭素含有燃料ガス化設備。
【請求項２】
酸化用気体と共に、炭素含有燃料をガス化炉に投入してガス化する炭素含有燃料ガス化設備のガス化炉用バーナにおいて、同心的に配置された筒状部材によって独立の３流路を構成し、炭素含有燃料と、高濃度酸素と、ガスタービンに直結された空気圧縮機から導かれた高温空気とを、それぞれ上記の別個の流路を経てガス化炉内へ投入することを特徴とするガス化炉用バーナ。
【請求項３】
請求項２に記載のガス化炉用バーナにおいて、高濃度酸素と高温空気とを隣り合う流路に流すと共に、両流路間に、保護筒と断熱材とからなる断熱層を設けたことを特徴とするガス化炉用バーナ。
【請求項４】
請求項２に記載のガス化炉用バーナにおいて、高濃度酸素と高温空気とを隣り合う流路に流すと共に、両流路間に、保護筒と同保護筒に隣接する隙間に滞留する空気とからなる断熱層を設けたことを特徴とするガス化炉用バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭素含有燃料からガス燃料を生成するガス化設備および同設備のガス化炉に用いられるバーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は一般的なガス化複合発電設備の系統図である。図において、５はガスタービン、３１は同ガスタービンに連なる発電機、６は同ガスタービンに連なる空気圧縮機である。３４は蒸気タービン、３５は同蒸気タービンに連なる発電機である。１は前記ガスタービンにガスを供給し、蒸気タービンに蒸気を供給するガス化炉、３２はガスタービンの排熱を回収して得た蒸気を蒸気タービンへ送るための排熱回収ボイラである。その他の機器については以下の作用説明中で述べる。図の系統の太線はガス系統、細線は蒸気・水系統である。
【０００３】
ガスタービン５は起動用の燃料によって起動する。そのガスタービンに連結された空気圧縮機６によって、ガスタービン５自身の空気を圧縮昇圧すると共に、ガス化炉１に空気を供給する。ガス化炉１にはバーナ２から炭素含有燃料Ｆが供給され、ガスタービン５の燃料となるガス燃料が生成される。生成ガスは脱硫脱塵設備３０によりクリーンな精製ガスとなり、ガスタービン５に導かれる。ガスタービン５では燃料を起動用燃料から精製ガスに切り替え、負荷をとり、ガスタービンに連結されたガスタービン発電機３１により発電する。ガスタービン５の排ガスはかなり高温であるため、排熱回収ボイラ３２により熱を回収し蒸気を発生させる。その後、排ガスは煙突３３から排出される。
【０００４】
一方、ガス化炉１においても、燃料をガス化する際に発生した熱で蒸気を発生させ、排熱回収ボイラ３２からの発生蒸気と共に蒸気タービン３４へ導き、蒸気タービン発電機３５によって発電する。蒸気は、蒸気タービン３４で仕事をし、復水器３６で水に戻され、ポンプ３７によって排熱回収ボイラ３２とガス化炉１へ供給され循環する。
【０００５】
図５は上記ガス化複合発電設備に用いられている従来の炭素含有燃料ガス化設備の系統図である。燃料の供給と空気を含めた酸化剤の供給について述べる。図において、１はガス化炉、２は同ガス化炉に設けてあるバーナ、３は同バーナへ微粉炭燃料を供給する燃料供給装置、４は燃料と同燃料を搬送するための窒素ガスとを混合する混合器、５はガスタービン、６は同ガスタービンに連る空気圧縮機、７は、ガス化炉１に必要な約３０ａｔｇ  程度の圧力にまで前記空気圧縮機によって圧縮されて高温となった空気を冷却するための空気冷却器である。８はファン、９は同ファンから供給された大気を酸素と窒素ガスとに分離する空気分離機である。ここで分離された窒素ガスは前記混合器４へ供給され、燃料の搬送に供される。１０は前記空気分離機で分離された酸素を圧縮する酸素圧縮機、１１は圧縮された酸素を冷却する酸素冷却器である。空気冷却器７と酸素冷却器１１との各出口配管は合流してバーナ２へ至る。
【０００６】
図中の矢印Ｆ１は微粉炭燃料、Ｆ２はガス搬送されている微粉炭燃料である。図中の矢印Ｇ１〜Ｇ５は、各機器を結ぶ配管を流れる気体を示している。気体Ｇ１は、ガスタービン５に直結する空気圧縮機６から吐出される高温空気、気体Ｇ２は、同高温空気が空気冷却器７によって冷却された空気、気体Ｇ３は、空気分離機９で分離され、酸素圧縮機１０によって圧縮され、酸素冷却器１１によって冷却された高濃度酸素である。気体Ｇ４は上記の冷却された空気Ｇ２と高濃度酸素Ｇ３とが混合された酸素富化空気であり、バーナ２を経てガス化炉へ供給され、前記燃料が炉内で燃焼するに際しての酸化剤となるものである。気体Ｇ５は、空気分離機９で分離され、混合器４へ送られ微粉炭燃料Ｆ１と混合され同微粉炭燃料を搬送する窒素ガスであり、ガス搬送されている燃料Ｆ２の一部をなすものである。
【０００７】
一般に、酸素の場合は高温になると金属と急激に発熱反応して危険であるため、酸素濃度、圧力、温度、配管材料、配管内の流速、配管内の清浄さ等が問題となる。特に酸素濃度と温度は重要であるので、高濃度酸素は、酸素冷却器で約１００℃以下になるよう冷却された後、供給される。
【０００８】
次に、約３５０℃の空気と、約１００℃以下の上記高濃度酸素とをガス化炉１のバーナ２に導くのであるが、この方法としては、空気と高濃度酸素とを混合して酸素富化空気として導いている。酸素富化空気が、酸素濃度約２５％以上、温度約２００℃以上であると一般の鋼管内では発熱する危険性があるため、高温空気Ｇ１を空気冷却器７で冷却して冷却された空気Ｇ２とし、これに高濃度酸素Ｇ３を混合し、酸素富化空気Ｇ４としてバーナ２へ導く。この時、酸素富化空気Ｇ４の温度が２００℃以下になるよう、空気冷却器７の出口における空気Ｇ２の温度を調節している。上記各気体の酸素濃度（体積パーセント）および温度は一例であり、まとめると表１のようになる。
【０００９】
【表１】
0003581520.tif 000002
【００１０】
図６は上記設備のガス化炉に使用されている従来のバーナ２の縦断面図である。図において、１２は内筒、１３は外筒であり、二重構造になっている。内筒１２内の流路には、窒素ガスで搬送されている微粉炭燃料Ｆ２が供給され、内筒１２と外筒１３の間の環状断面流路には酸素富化空気Ｇ４が供給される。
【００１１】
上記の例では、微粉炭燃料の場合を示したが、このバーナは液体燃料のガス化にも用いられる。この場合には、液体燃料は内筒１２内の流路へ供給される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
空気圧縮機６から導かれた高温（３５０℃）の空気Ｇ１に直接高濃度酸素Ｇ３を混合すると、混合後の酸素富化空気の状態が、酸素濃度約２５％以上、温度約２００℃以上となり、前述のように一般の鋼管内では発熱の危険性がある。特に配管内に錆、不純物等の微細な可燃物が存在するとこれが発火し、更にその熱によって配管が燃焼し、重大事故を惹起することになる。
【００１３】
このような事故を防止するため、従来は酸素富化空気の温度が２００℃以下となるように、約３５０℃の高温空気Ｇ１を、空気冷却器７によって冷却し、温度２００℃程度に冷却された空気Ｇ２とし、これに約１００℃以下に冷却した高濃度酸素Ｇ３を加えて、温度の低い酸素富化空気Ｇ４としてガス化炉に供給している。しかし、このように空気を冷却してガス化炉に供給するということは、冷却によって熱量を失い、ガス化炉への入熱を減らしていることであり、プラント全体の熱効率を低下させていることになる。即ち、発電効率を低下させる原因の一つとなっている。
【００１４】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、ガスタービンに接続された空気圧縮機６からの高温空気Ｇ１を、冷却することなくガス化炉に投入する手段を提供することによって、ガス化複合発電設備における熱の損失を少なくし、熱の有効利用を図ろうとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決したものであって、次の特徴を有する炭素含有燃料ガス化設備、及びガス化炉用バーナに関するものである。
（１）  酸化用気体と共に、炭素含有燃料をガス化炉に投入してガス化する炭素含有燃料ガス化設備において、同設備のガス化炉用バーナに独立の３流路を設け、炭素含有燃料と、高濃度酸素と、ガスタービンに直結された空気圧縮機から導かれた高温空気とを、上記バーナの別個の流路をそれぞれ経由させて炉内へ投入することを特徴とする炭素含有燃料ガス化設備。
（２）  酸化用気体と共に、炭素含有燃料をガス化炉に投入してガス化する炭素含有燃料ガス化設備のガス化炉用バーナにおいて、同心的に配置された筒状部材によって独立の３流路を構成し、炭素含有燃料と、高濃度酸素と、ガスタービンに直結された空気圧縮機から導かれた高温空気とを、それぞれ上記の別個の流路を経てガス化炉内へ投入することを特徴とするガス化炉用バーナ。
（３）  上記（２）項に記載のガス化炉用バーナにおいて、高濃度酸素と高温空気とを隣り合う流路に流すと共に、両流路間に、保護筒と断熱材とからなる断熱層を設けたことを特徴とするガス化炉用バーナ。
（４）  上記（２）項に記載のガス化炉用バーナにおいて、高濃度酸素と高温空気とを隣り合う流路に流すと共に、両流路間に、保護筒と同保護筒に隣接する隙間に滞留する空気とからなる断熱層を設けたことを特徴とするガス化炉用バーナ。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態に係る炭素含有燃料ガス化設備の系統図である。図において、２０は従来とは異なる構造のバーナである。本実施形態においては、従来技術（図５）においてガスタービン５に連る空気圧縮機６から導かれた高温空気Ｇ１を冷却する目的で設けられていた空気冷却器７は廃止されている。空気圧縮機６から導かれた高温空気Ｇ１は温度３５０℃の高温のまま、高濃度酸素Ｇ３と混合されることなく、それぞれ独立にバーナ２０へ導かれている。バーナ２０は従来のバーナとは異なるものであり、後述するように独立の３系統の流路を有するものである。ガス搬送されている燃料Ｆ２、高温空気Ｇ１、高濃度酸素Ｇ３はそれぞれの流路へ別々に供給され、それぞれ独立にガス化炉内へ投入される。上記以外の部分の構成は従来技術と同じである。
【００１７】
この系統ではバーナに至る配管内での高温空気Ｇ１と高濃度酸素Ｇ３との混合が無いので高濃度酸素Ｇ３が高温となることはなく、したがって配管内での発火の危険は生じない。また、高温空気を冷却しないので、発電効率の低下も生じない。
【００１８】
図２は上記ガス化炉用バーナ２０の実施の第１形態に係る縦断面図である。図において、２１は内筒、２２はその外側に設けられている中間筒、２３はさらにその外側に設けられている外筒である。これらは同心的に配置され、中心部流路Ａの外側に二つの環状流路Ｂ，Ｃが形成されている。中心部流路Ａには１００℃以下の高濃度酸素Ｇ３、中間環状流路Ｂには約４０℃の窒素ガスで搬送されている燃料Ｆ２、外周環状流路Ｃには約３５０℃の高温空気Ｇ１が供給され流通する。即ち、高温空気Ｇ１と高濃度酸素Ｇ３とは、予め混合されることなくバーナに供給され、ガス化炉に投入される。燃料Ｆ２、高温空気Ｇ１、高濃度酸素Ｇ３はガス化炉内で混合され燃焼する。
【００１９】
このバーナによって、高温空気Ｇ１を冷却することなくガス化炉に投入することができ、発電効率の低下が生じないという効果がある。バーナに至る配管内での高温空気Ｇ１と高濃度酸素Ｇ３との混合が無いので配管内での発火の危険が無い。また、バーナ内では高濃度酸素Ｇ３と高温空気Ｇ１との間に、低温（４０℃）の窒素ガスＧ５で搬送される燃料Ｆ２が流通するので、高濃度酸素Ｇ３は高温空気Ｇ１の影響を受けることはなく、したがってバーナ内での発火の危険も生じない。
【００２０】
図３は本発明のガス化炉用バーナの実施の第２形態に係る縦断面図である。図において、２１は内筒、２２はその外側に設けられている中間筒、２４はその外側に接して設けられている断熱材層、２５はその外側に接して設けられ、断熱材層２４の断熱材を保護する保護筒、２３は最も外側に設けられている外筒である。これらは同心的に配置され、内筒の内側の中心部流路Ａ、内筒２１と中間筒２２の間の中間環状流路Ｂ、保護筒２５と外筒２３との間の外周環状流路Ｃを形成している。中心部流路Ａには約４０℃の窒素ガスで搬送されている燃料Ｆ２、中間環状流路Ｂには高濃度酸素Ｇ３、外周環状流路Ｃには約３５０℃の高温空気Ｇ１が供給され流通する。このバーナへ燃料や気体を供給する配管系統は図１に示したものと同じである。
【００２１】
一般に微粉体を気体搬送する場合は、粉体の沈降、気流内における濃度の安定性、均一性、配管に対する抵抗などの面から、環状断面の流路よりは円形断面の管内で搬送する方が良い。このため本実施形態のバーナは中心部流路Ａにガス搬送される燃料Ｆ２を流通させている。この結果、外側の隣り合う環状流路に高濃度酸素Ｇ３と高温空気Ｇ１を流通させることになる。このため両環状流路の間に断熱材層２４を設けて高濃度酸素Ｇ３が高温空気Ｇ１の影響を受けないよう配慮してある。
【００２２】
本バーナによって、効率よく微粉炭燃料を搬送し、高温空気を冷却することなくガス化炉へ投入でき、また配管およびバーナ内での高濃度酸素の発火を防ぐことができる。
【００２３】
図４は本発明のガス化炉用バーナの実施の第３形態に係る縦断面図である。本実施形態は、前述の第２実施形態のバーナにおける断熱材層２４の代わりに滞留空気層２６を設けたものである。空気の流れが生じると熱が伝わり易くなるので、層の間隙は小さくし、気体が動きにくくしてある。上記以外の部分の構成は第２実施形態（図３）のバーナと同じであり、流路構成、および各流路への燃料・気体の流通も第２実施形態と同じである。
【００２４】
本実施形態は普通の断熱材より空気の方が熱伝導率がはるかに小さいことに着目して滞留空気層２６を設け、高温空気Ｇ１から高濃度酸素Ｇ３への伝熱量を少なくしたことが特徴である。その他の効果は第２実施形態のバーナと同じである。
【００２５】
上記各実施形態のバーナを液体燃料のガス化に使用する場合は、窒素ガス搬送の微粉炭燃料Ｆ２を流通させていた流路へ液体燃料を流通させることによって、同様の効果がもたらされる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の炭素含有燃料ガス化設備においては、同設備のガス化炉用バーナに独立の３流路を設け、炭素含有燃料と、高濃度酸素と、ガスタービンに直結された空気圧縮機から導かれた高温空気とを、上記バーナの別個の流路をそれぞれ経由させて炉内へ投入するので、バーナに至る配管内で高濃度酸素と高温空気を混合していた従来技術において発生の可能性のあった発火事故が防止される。また、高温空気を冷却せず、高温のままでガス化炉に投入するので、冷却した熱量を回収する設備も必要でなく、ガス化複合発電設備全体の熱効率の低下、即ち発電効率の低下が生じない。
【００２７】
上記の炭素含有燃料ガス化設備のガス化炉用バーナにおいて、同心的に配置された筒状部材によって独立の３流路を構成し、炭素含有燃料と、高濃度酸素と、ガスタービンに直結された空気圧縮機から導かれた高温空気とを、それぞれ上記の別個の流路を経てガス化炉内へ投入するので、上記の効果が実現できる。
【００２８】
上記ガス化炉用バーナにおいて、高濃度酸素と高温空気とを隣り合う流路に流すと共に、両流路間に、保護筒と断熱材とからなる断熱層を設けたもの、および両流路間に、保護筒と同保護筒に隣接する隙間に滞留する空気とからなる断熱層を設けたものにおいては、高濃度酸素の温度上昇によるバーナ内での発火が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る炭素含有燃料ガス化設備の系統図。
【図２】上記設備のガス化炉に使用されるバーナの実施の第１形態に係る縦断面図。
【図３】本発明のガス化炉用バーナの実施の第２形態に係る縦断面図。
【図４】本発明のガス化炉用バーナの実施の第３形態に係る縦断面図。
【図５】従来の炭素含有燃料ガス化設備の系統図。
【図６】上記設備のガス化炉に使用されている従来のバーナの縦断面図。
【図７】一般的なガス化複合発電設備の系統図。
【符号の説明】
Ａ      中心部流路
Ｂ      中間環状流路
Ｃ      外周環状流路
Ｆ      炭素含有燃料
Ｆ１    微粉炭燃料
Ｆ２    ガス搬送されている燃料
Ｇ１    高温空気
Ｇ２    冷却された空気
Ｇ３    高濃度酸素
Ｇ４    酸素富化空気
Ｇ５    窒素ガス
１      ガス化炉
２      バーナ
３      燃料供給装置
４      混合器
５      ガスタービン
６      空気圧縮機
７      空気冷却器
８      ファン
９      空気分離機
１０    酸素圧縮機
１１    酸素冷却器
１２    内筒
１３    外筒
２０    バーナ
２１    内筒
２２    中間筒
２３    外筒
２４    断熱材層
２５    保護筒
２６    滞留空気層
３０    脱硫脱塵設備
３１    ガスタービン発電機
３２    排熱回収ボイラ
３３    煙突
３４    蒸気タービン
３５    蒸気タービン発電機
３６    復水器
３７    ポンプ
【図１】
0003581520.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003581520.tif 000006
【図５】
0003581520.tif 000007
【図６】
0003581520.tif 000008
【図７】
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