(57)【要約】【課題】  ガス化炉の炉底部における溶融スラグの状況を直接的に把握し、スラグ排出状況の変化を早期かつ正確に検知できるようにする。【解決手段】  ガス化炉の炉底部３の裏面に設置されて当該炉底部３から炉内に向けて超音波を照射し反射波を検出する超音波探触子５と、該超音波探触子５が検出した信号に基づき排出前における溶融スラグ１の炉内における厚さを計測する超音波厚さ計８とを備え、超音波厚さ計８による計測値に基づいて溶融スラグ排出状況の変化を検知する。【選択図】        図１
2006070056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス化炉の炉底部を流動しスラグ排出口より炉外へ排出される溶融スラグの当該スラグ排出口からの排出状況を監視する溶融スラグ排出状況監視装置において、前記炉底部の裏面に設置されて当該炉底部から炉内に向けて超音波を照射し反射波を検出する超音波探触子と、該超音波探触子が検出した信号に基づき排出前における前記溶融スラグの前記炉内における厚さを計測する超音波厚さ計とを備え、前記超音波厚さ計による計測値に基づいて前記溶融スラグ排出状況の変化を検知することを特徴とする溶融スラグ排出状況監視装置。
【請求項２】
前記超音波探触子を複数備えていることを特徴とする請求項１に記載の溶融スラグ排出状況監視装置。
【請求項３】
前記溶融スラグを加熱するためのスラグ溶融バーナと、前記超音波厚さ計による計測値に基づいてこのスラグ溶融バーナの動作を制御するバーナ制御装置とを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の溶融スラグ排出状況監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融スラグ排出状況監視装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、石炭ガス化炉などから排出される溶融スラグの炉内における状況を評価するための技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭ガス化炉に投入された石炭中の灰分は高温の炉内において加熱されて溶融し、炉底部に設けられたスラグ排出口より溶融スラグとして炉外に排出される。この際、石炭ガス化炉を安定かつ連続的に運転する上で、この溶融スラグを安定して排出することは重要な課題となっている。
【０００３】
このように溶融スラグを安定して排出するためには、その温度を灰溶融温度以上に保って流動状態を維持する必要がある。一方、石炭ガス化炉の性能面として冷ガス効率を考えた場合、この冷ガス効率を向上させるためには空気比を低く設定することが望ましい。しかし、空気比を低く設定するとガス化炉内の温度が低下し、溶融スラグの安定排出に必要な熱量が不足することが懸念される。そこで、溶融スラグの安定排出を確保しつつ最適な空気比を設定するために、溶融スラグの排出状況をより正確に検知し評価する手法を確立することが望まれている。
【０００４】
このように排出状況の変化を正確に、しかもいち早く検知するという観点からすれば、溶融スラグ排出状況をより正確に監視するための技術が重要である。従来、このような監視技術としては、スラグ排出口から流下する溶融スラグを検出腕の動きを利用して検出するもの（例えば特許文献１参照）、溶融スラグが冷却水に落下する際の音を利用して検出するもの（例えば特許文献２参照）などが提案されている。これらはいずれも炉外へ排出された後の溶融スラグを監視する技術であるということができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１２７７８２号公報
【特許文献２】特開平８−３２５５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したような溶融スラグ排出状況の監視技術によって炉内における溶融スラグ排出状況の変化を早期に検知することは難しいという問題がある。しかも、スラグ排出口の閉塞が急速に進行したような場合、スラグ溶融バーナを使うといったような溶融スラグ排出状況を改善するための対策が間に合わないことさえあるという問題もある。
【０００７】
そうすると、石炭ガス化炉などにおいて溶融スラグの安定排出に対する十分な対策と検討を講ずるためには、溶融スラグ排出状況の変化を早期に検知して排出前の炉内における溶融スラグ流動状況をより正確に把握することが望ましいことは明らかである。ところが、炉内は高温高圧であることに加え、気体中には微粉炭や灰粒子が存在するということもあって、炉内に機器を設置する等して溶融スラグ流動状況を直接観察するといったことはまず不可能だというのが現状である。
【０００８】
そこで、本発明は、ガス化炉の炉底部における溶融スラグの状況を直接的に把握することによってスラグ排出状況の変化を早期かつ正確に検知できるようにした溶融スラグ排出状況監視装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる目的を達成するため、本発明者は種々の検討を重ねた。スラグ排出状況を評価するための手法が完全には確立していないという現状においては、ガス化炉運転中に排出される溶融スラグ自体あるいは灰融点等の分析値から炉内における溶融スラグの状況を経験的に判断しているにすぎない。このため、炉内温度の低下等によって溶融スラグの流動性が悪化したとしても、排出状況が変化していること、あるいはそのおそれがあることを即座に検知することまでは困難である。
【００１０】
これについてもう少し詳しく説明すると、通常、炉底部およびスラグ排出口は冷却構造を有しており、冷却面と溶融スラグ層との間には凝固層が形成されるが、ここで炉内温度が低下してスラグ溶融状態を維持するために必要な熱量が十分に得られなくなると、溶融スラグ層の温度が低下して凝固層厚さが増加するとともに溶融スラグの粘度が低下することになる。溶融スラグ粘度が低下すると溶融スラグの流動性が悪化するため、溶融スラグ層厚さが増加し、ついにはスラグ排出口の閉塞に至るおそれさえあると考えられた。
【００１１】
そうすると、このような状況に陥るのを避けるためには石炭ガス化炉運転時におけるスラグ排出状況を監視しなければならないし、監視中に状況変化を検知した場合にはスラグ溶融バーナを使って溶融スラグ層温度を維持するといった排出状況改善のための対策を講じなければならない。以上のようなことを鑑みると、単に溶融スラグが炉底から排出されるのを監視するのでは足りず、炉内における溶融スラグの凝固厚さに関するデータを得てこれを基に炉内における溶融スラグの流動状況を把握することが課題を解決することに結び付くと考えられた。
【００１２】
本願の請求項１に記載の発明はかかる検討の結果想到したものであり、ガス化炉の炉底部を流動しスラグ排出口より炉外へ排出される溶融スラグの当該スラグ排出口からの排出状況を監視する溶融スラグ排出状況監視装置において、炉底部の裏面に設置されて当該炉底部から炉内に向けて超音波を照射し反射波を検出する超音波探触子と、該超音波探触子が検出した信号に基づき排出前における溶融スラグの炉内における厚さを計測する超音波厚さ計とを備え、超音波厚さ計による計測値に基づいて溶融スラグ排出状況の変化を検知するというものである。
【００１３】
この監視装置においては、炉底部の裏面から照射された超音波の一部が炉内の溶融スラグの表面にて反射し、超音波探触子にて検出される。検出されたデータは超音波厚さ計に送信され、これに基づいて炉内のスラグ厚さが計測される。このように、排出前の炉内において溶融スラグの厚さを計測することにより、炉内における溶融スラグの状況を経験的にではなく数値データに基づいてより正確に把握することが可能となる。
【００１４】
このような溶融スラグ排出状況監視装置は、請求項２に記載のように超音波探触子を複数備えていることが好ましい。これによれば、一度により多くのポイントにおいて溶融スラグ厚さを計測することができる。例えば、これら複数の超音波探触子を径方向に沿って配置した場合であればスラグ厚さが径方向に沿ってどのようになっているかを短時間で計測し把握することが可能となる。
【００１５】
さらに溶融スラグ排出状況監視装置は、溶融スラグを加熱するためのスラグ溶融バーナと、超音波厚さ計による計測値に基づいてこのスラグ溶融バーナの動作を制御するバーナ制御装置とを備えていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１記載の溶融スラグ排出状況監視装置によれば、溶融スラグ層および凝固層厚さの計測結果に基づいて炉内における溶融スラグ流動状況をより正確に把握することが可能となる。このため、溶融スラグ排出状況の変化を早期に検知し、排出口閉塞に至る前に前もって溶融スラグ排出状況を改善するための対策を講ずることも可能となる。つまり、従来技術によれば外から見える現象ないしは情報のみによって炉内の状況を経験的に判断するしかなかった、さらに別の表現をすれば、従来技術は炉外へ排出された後の溶融スラグの状況から炉内の状況を推定するという監視技術でしかなかったのに対し、本発明によれば数値化して得られたスラグ厚さというデータに基づいて炉内状況をより正確に判断し評価することを可能としており、この結果として、スラグ排出状況の変化を早期かつ正確に検知することも可能にしたという従来にはない作用効果を実現している。
【００１７】
請求項２に記載の溶融スラグ排出状況監視装置によれば、例えばこれら複数の超音波探触子を径方向に沿って配置した場合であればスラグ厚さが径方向に沿ってどのようになっているかを短時間で計測し把握することが可能となるなど、一度により多くのポイントにおいて溶融スラグ厚さを計測することができるようになる。
【００１８】
さらに請求項３に記載の溶融スラグ排出状況監視装置によれば、ガス化炉における溶融スラグの排出状況を良好に維持することが可能となる。すなわち、超音波探触子および超音波厚さ計によれば、炉底部における溶融スラグの厚さや排出状況を即時的に把握することが可能である。したがって、温度低下により溶融スラグの厚さが増したことを検出した場合であればバーナ制御装置を介してスラグ溶融バーナを作動させ、当該溶融スラグを即座に加熱することができ、こうすることにより溶融スラグの流動性を回復させて排出状況を好転させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１〜図４に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる溶融スラグ排出状況監視装置は、ガス化炉の炉底部３を流動しスラグ排出口４より炉外へ排出される溶融スラグ１の当該スラグ排出口４からの排出状況を監視するというものであり、本実施形態においては、超音波探触子５と超音波厚さ計８とを備え、超音波厚さ計８による計測値に基づいて溶融スラグ排出状況の変化を検知する装置として構成されている。
【００２１】
この溶融スラグ排出状況監視装置の設置対象となる炉は、例えば石炭ガス化炉など、炉底部３を流動する溶融スラグ１を当該炉底部３に設置されたスラグ排出口４から排出する構造の炉である。図１にはこのようなガス化炉の例として、炉底部３が中央に向かって傾斜した円筒型であり当該炉底部３の中央にスラグ排出口４が設けられたものを示している。炉内で発生した溶融スラグ１は炉内を流動し、このスラグ排出口４から炉外へと排出される。図１においては、このような溶融スラグ１の一例として、炉壁に接する部分が凝固層７となりその凝固層７の表面に流動可能な溶融スラグ層６が形成されているという２層状のものを図示している。
【００２２】
ガス化炉の炉内にあって炉底部３およびスラグ排出口４の付近は冷却構造２となっている（図１参照）。この冷却構造２はガス化炉の炉底部３およびスラグ排出口４を冷却してそれらの健全性を保つために設けられているもので、その内部を冷却水や冷却用蒸気が流れる冷却管によって構成されており、冷却することにより溶融スラグ１との間に凝固層を発生させてこれをコーティング層として利用する。冷却管は複数本で構成されていてもよいし、あるいは１本の渦巻き状の管で構成されていてもよい。
【００２３】
超音波探触子５は炉内に向けて超音波を照射し反射波を検出するためのもので、図示するように炉底部３の裏面に設置されている（図１参照）。この場合における超音波探触子５の設置位置は、厚さを計測しようとする溶融スラグ１に対応した位置ということになり、特に位置限定されることはない。ただ、スラグ厚さの影響が大きい箇所という観点から、スラグ排出口４に近い箇所の溶融スラグ１が計測対象になる場合がある（図１参照）。
【００２４】
また、超音波探触子５は、原則として炉底部３の裏面に対し垂直となるように設置されている（図１、図２参照）。超音波の送信と受信とは別の探触子で行われ（図２においては符号５ａで送信側探触子、５ｂで受信側探触子を示している）、超音波経路は反射点Ｒを頂点とする二等辺三角形となり、その等辺の長さを測り、指示値として三角形高さつまり計測厚さＴを算出する（図２参照）。
【００２５】
上述した例では１個の超音波探触子５が炉底部３に設置されているが、複数箇所におけるスラグ厚さを同時に検出するという観点からすればこの超音波探触子５を複数配列するかあるいはフェイズドアレイ探触子とすることが好ましい。一例を挙げると、図３に示すように３個の超音波探触子５を径方向に沿って配置した場合であれば、炉内におけるスラグ厚さが径方向に沿ってどのようになっているかを同時に計測して径方向の厚さ分布を把握することができ、これによって炉内における溶融スラグ流動状況を高精度に把握することが可能となる。
【００２６】
また、上述のように図１と図３では超音波探触子５が炉底部３に固定された形態を説明したがこれらに限られることはなく、限られた個数の超音波探触子５によって複数箇所におけるスラグ厚さを計測するという観点からすればこれら超音波探触子５を移動可能とすることもできる。特に図示はしていないが、具体例を挙げれば、径方向に移動可能とすれば径方向に沿ってスラグ厚さがどのような状況になっているかを把握することができるし、周方向に移動可能とすれば周方向に沿ったスラグ厚さの状況を把握することができるようになる。
【００２７】
超音波厚さ計８は、超音波探触子５が検出した信号に基づき排出前における溶融スラグ１の炉内における厚さを計測ないしは算出するために設けられている装置である（図１参照）。この場合、厚さ計測は連続的に行われるものであることが好ましい。例えば数分おきに厚さ計測しても厚さ状況を把握することは可能だが、溶融スラグ１の流動状況が急激に変化する場合があることからするとできるだけ時間的に連続して厚さ計測することが好ましい。また、超音波信号に基づき時間的に連続して厚さ計測した場合、隙間のない連続データが得られることに加え、例えば表示された目視可能なデータから変化の内容や特性を見出すことも出来るようになるという利点がある。ここでは特に図示していないが、この超音波厚さ計８による計測結果はディスプレイやプリンタなどの出力手段を通じて出力されるようになっている。
【００２８】
次にこの溶融スラグ排出状況監視装置による動作について簡単に説明すると、炉内の溶融スラグ１はいわば溶融したガラス状になっており、その表面には音響インピーダンスが大きく異なる炉内の気体層が接した状態となっている（図１参照）。このような状態となっている炉内に向けて超音波探触子５から例えばパルス状の超音波が照射されると、当該超音波は炉底部３および溶融スラグ１を伝播し、そのうちの一部が音響インピーダンスの大きく異なる当該溶融スラグ１の溶融スラグ層６とそこに接する気体の層との境界面で反射して超音波探触子５に戻る。超音波探触子５は当該反射波を検出し、データを超音波厚さ計８に送信する。超音波厚さ計８は受信したこのデータに基づいて炉内のスラグ厚さを計測する。つまり、反射波の時間間隔は、測定物の材質に固有である音速に応じて変わってくるため、この時間間隔を一定周波数のクロックパルスの数をカウンタで計数し、その値に音速補正係数をかけて、当該時間値を厚さ値に換算してスラグ厚さを求める。このようなスラグ厚さの計測値からは、スラグ排出口４からの溶融スラグ１の排出状況の変化もより正確に検知することが可能となる。つまり、通常、ガス化炉が定常運転している場合であれば炉内におけるスラグ厚さはほとんど変化しないということができるため、例えば計測したスラグ厚さに大きな変化がなければ溶融スラグ１が安定して排出されていると判断することができるし、スラグ厚さに変化が生じたのであればスラグ排出状況に変化が生じていると判断したり、あるいはこれから変化が生じると予測したりすることが可能となる。このように、本実施形態の溶融スラグ排出状況監視装置によればスラグ排出口４から排出される溶融スラグ１自体を計測する必要はなく、スラグ厚さを媒介としてスラグ排出状況を即時的に把握し、尚かつ状況変化を見極めることが可能となる。また、ガス化炉の運転員や作業員にとっては、スラグ厚さの計測値に基づいて溶融スラグの排出状況の変化を早期に察知し、改善のための対策を講ずることが可能となる。
【００２９】
ちなみに、ここまで説明したように本発明にかかる装置は名称こそ「監視装置」ではあるが、スラグ厚さの計測結果に基づいてガス化炉内における溶融スラグの凝固状況といった様子を把握することを可能としたことからすれば、スラグ排出状況を単に監視するにすぎなかった従来のような「監視装置」よりも、むしろスラグ排出状況を判断するための材料を駆使して正確な判断を下すという判断装置、検出装置といったものに近いものであるということができる。
【００３０】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、ここまで説明した溶融スラグ排出状況監視装置１に対しさらにバーナ制御装置９およびスラグ溶融バーナ１０を設置することもできる（図４参照）。バーナ制御装置９は超音波厚さ計８と接続され、超音波厚さ計８による厚さ計測結果（計測値）に基づいてスラグ溶融バーナ１０を制御する装置で、スラグ溶融バーナ１０を点火したり、熱量を調整したりする。制御の一例としては、スラグ厚さの計測値にあらかじめ上限値を設けておき、バーナ制御装置９による計測結果を入力したときにこの上限値と比較してその結果に基づきスラグ溶融バーナ１０を自動的に作動させあるいは停止させるといったものが挙げられる。
【００３１】
また、本実施形態では石炭ガス化炉を例に挙げて溶融スラグ排出状況監視装置の形態を説明したが、対象となる炉が石炭ガス化炉に限られるというわけではなく、石炭以外のガス化炉（例えば、燃料中の灰分を溶融して排出する方式のバイオマスガス化炉や廃棄物溶融ガス化炉）や焼却灰溶融炉などにおいてももちろん適用可能である。
【００３２】
また、上述したとおり超音波探触子５を複数配置することが好ましいが、単一の超音波探触子５のみによりいわばピンポイントでスラグ厚さを計測することももちろん可能である。ただし、このように超音波探触子５を単一（単独）とする場合は、スラグ排出口４の形状や形態等に応じて望ましい配置とすべきであり、例えば図５に示すように円形のスラグ排出口４において対向する２個一組の湯口４ａが設けられている場合であれば、超音波探触子５は図中矢印で示す破線区域のような湯口４ａからできるだけ離れた箇所に配置されていることが好ましい。すなわち、加熱面温度の低下に伴いスラグ厚さが増加しさらに凝固層の発生により当該厚さが急激に増加することが本発明者によって確認され、これに伴う不安定な状況を回避するには湯口４ａから離れた箇所でスラグ厚さを計測するのが望ましいと考えられたためである。例を挙げて説明すると、例えば図５における溶融スラグ１が粘度の高いＭ炭（Ｔ炭、Ｄ炭、Ｍ炭といった炭種の一種）だとすると、当該溶融スラグ１の表面は湯口４ａからもっとも離れた９０°ずれた位置においてスラグタップ堰高さに達し、加熱面温度がさらに低下した場合、湯口４ａ以外からの流出（つまりオーバーフロー）によって溶融スラグ排出状況が不安定となることが懸念される。これに対し、上述したように湯口４ａからできるだけ離れた箇所（例えば１８０°離れて２個の湯口４ａが対向している図５の場合であれば９０°ずれた位置）で常にスラグ厚さを計測しておけば、当該箇所におけるスラグ厚さの変化をいち早く検知してオーバーフローが生じないように対処することが可能となる。付け加えると、以上のことは超音波探触子５が単一の場合に限ったことではない。例えば複数の超音波探触子５を径方向に並べる場合に、当該探触子列を上述したのと同じく湯口４ａから９０°ずれた位置に並べるようにしてもよい。また図５のように２個の湯口４ａが対向している場合であれば、図中に示した破線区域の両方に探触子列を並べることによって両区域におけるスラグ厚さの変化をいち早く検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明にかかる溶融スラグ排出状況監視装置の全体構成を、当該装置が設置されたガス化炉の炉底部とともに示す図である。
【図２】超音波探触子を構成する送信側探触子および受信側探触子を示す図である。
【図３】超音波探触子を複数備えた溶融スラグ排出状況監視装置を示す図である。
【図４】スラグ溶融バーナおよびバーナ制御装置を備えた溶融スラグ排出状況監視装置を示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態を説明するための図で、湯口が２箇所に設けられているスラグ排出口および炉底部の様子を示すとともに超音波探触子の好ましい設置位置を破線で表したものである。
【符号の説明】
【００３４】
１  溶融スラグ
３  炉底部
４  スラグ排出口
５  超音波探触子
８  超音波厚さ計
９  バーナ制御装置
１０  スラグ溶融バーナ
【図１】
2006070056.tif 000003
【図２】
2006070056.tif 000004
【図３】
2006070056.tif 000005
【図４】
2006070056.tif 000006
【図５】
2006070056.tif 000007