(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させて高温のガスを発生させるガス化部と、
ガス流路を介して連通する前記ガス化部の上部に位置し、前記高温のガスと熱交換する熱交換チューブを有する熱交換器と、
前記ガス化部の底部に形成され、前記燃料をガス化することで生成された焼結物、チャー及びスラグの少なくとも一つを排出するスラグホールと、を備え、
前記熱交換チューブは、ガス流れに対し直交する方向に一定のピッチで配置され、前記ピッチ毎にガス流れ方向に沿って配列されており、
前記スラグホールの開口径は、前記熱交換チューブの前記ピッチの３倍以上である、
ことを特徴とするガス化炉。
【請求項２】
前記ガス化部は、
燃料を燃焼させるコンバスタと、
該コンバスタの上部に位置し、前記燃料をガス化させるリダクタと、
からなることを特徴とする請求項１に記載のガス化炉。
【請求項３】
前記スラグホールの上部には、前記ガス化部の流路の径が絞られたスロート部が形成され、
前記スロート部の開口径は、前記熱交換器における前記熱交換チューブの前記ピッチの３倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のガス化炉。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のガス化炉と、
前記ガス化炉によって発生した生成ガスから不純物を取り除くガス精製設備と、
前記ガス精製設備により精製されたガスによって駆動されるガスタービンと、を備えることを特徴とするガス化発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば石炭ガス化複合発電（Integrated Gasification Combined Cycle／IGCC）の設備に適用されるガス化炉、ガス化発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭ガス化複合発電は、固体の石炭をガス化炉でガス化することにより、蒸気タービンにガスタービンを組み合わせた高効率の発電を行うことができる。
また、従来型の石炭火力では、多量の石炭灰が発生するのに対して、石炭ガス化複合発電では、ガス化炉で石炭をガス化した後にはガラス状のスラグ（灰）が排出される。このようにしてガス化炉から排出されるスラグの容積は、従来の石炭焚きボイラから排出される石炭灰と比較して、略半減されたものとなる。
【０００３】
ガス化炉は、燃料を燃焼させて高温のガスを生成するコンバスタと、コンバスタの上部に位置してコンバスタと連通し、燃料を高温のガスと接触させることでガス化反応を行わせてガス化させるリダクタとを備えている。
【０００４】
特許文献１においては、このようなガス化炉において、リダクタにおいてガス化反応の終了した高温ガスの冷却を行うため、リダクタの上方に冷却手段としてパネル型水冷壁（以下、これを熱交換器と称することがある。）を備えた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平７−５８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、リダクタの上方に冷却手段としての熱交換器を備えた場合、ガス化したガス中で焼結することで生成される焼結物が、熱交換器に付着する。この、熱交換器に付着した焼結物が、下方のディフューサ部やコンバスタに落下すると、ガス化炉下方のスラグホールを閉塞してしまうことがある。スラグホールが閉塞されてしまうと、当然のことながらガス化炉の運転に支障をきたす。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、焼結物によるスラグホールの閉塞を防ぎ、ガス化炉の運転を安定して行うことのできるガス化炉、ガス化発電プラント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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるガス化炉は、燃料を燃焼させて高温のガスを発生させるガス化部と、ガス流路を介して連通する前記ガス化部の上部に位置し、前記高温のガスと熱交換する熱交換チューブを有する熱交換器と、前記ガス化部の底部に形成され、前記燃料をガス化することで生成された焼結物、チャー及びスラグの少なくとも一つを排出するスラグホールと、を備え、前記熱交換チューブは、ガス流れに対し直交する方向に一定のピッチで配置され、前記ピッチ毎にガス流れ方向に沿って配列されており、前記スラグホールの開口径は、前記熱交換チューブの前記ピッチの３倍以上である、ことを特徴とする。
このようなガス化炉において、前記ガス化部は、燃料を燃焼させるコンバスタと、該コンバスタの上部に位置し、前記燃料をガス化させるリダクタと、からなることを特徴とする。
ここで、ガス化部の上部に位置する熱交換器（上部熱交換器）において、水等が流れる熱交換チューブの列が、ガスの流れ方向に直交する方向に間隔を隔てて配置されたものである場合、ガス流路の幅は、熱交換チューブの列のピッチに相当する。
【０００８】
また、上記のガス化炉において、前記スラグホールの上部には、前記ガス化部の流路の径が絞られたスロート部が形成され、前記スロート部の開口径は、前記熱交換器における前記熱交換チューブの前記ピッチの３倍以上であることを特徴とする。
本発明のガス化炉によれば、上部熱交換器のガス流路の幅に対し、その下方に位置するスラグホールの開口径を３倍以上とすることで、上部熱交換器で生成された焼結物が落下しても、スラグホールが閉塞されてしまうのを防ぐことができる。
【０００９】
また、本発明にかかるガス化発電プラントは、上記したようなガス化炉と、ガス化炉によって発生した生成ガスから不純物を取り除くガス精製設備と、ガス精製設備により精製されたガスによって駆動されるガスタービンと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、上部熱交換器のガス流路の幅に対し、その下方に位置するスラグホールの開口径を３倍以上とすることで、上部熱交換器で生成された焼結物が落下しても、スラグホールが閉塞されてしまうのを防ぐことができる。これにより、ガス化炉の運転を安定して行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備の概略構成を示す図である。
【図２】石炭ガス化炉の構成例を示す図である。
【図３】（ａ）は、石炭ガス化部の上部に設けられた熱交換器の構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、石炭ガス化炉の要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
以下、本発明の第一実施形態について、図１を用いて説明する。
本発明に係るガス化炉は、たとえば石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ；Integrated Coal Gasification Combined Cycle）（ガス化発電プラント）において、粉砕された石炭（微粉炭）を炉内に投入して可燃性ガスを生成するための装置に用いられる。石炭ガス化複合発電設備の場合、ガス化炉で生成された可燃性ガスは、ガスタービンの燃料としてガスタービン燃焼器に供給される。一方、石炭中の灰は、水砕スラグとしてガス化炉底部より炉外へ排出することが必要となる。
【００１５】
石炭ガス化炉１０１は、図示しない石炭供給経路から供給された燃料である石炭をガス化して生成ガスを発生するものである。また、石炭ガス化炉１０１は、壁部に設けられている水管１５４（図２参照）等に水（流体）を流動させて蒸気を発生する。
【００１６】
石炭ガス化炉１０１は、下方から上方へと生成した生成ガスが導かれるように石炭ガス化炉１０１の上流側に形成された石炭ガス化部１０と、石炭ガス化炉１０１の下流側に接続されて、生成ガスが上流側から下流側へと導かれる順に、蒸発器１５１、過熱器（図示せず）、節炭器１５３とを備えている。生成ガスは、蒸発器１５１、過熱器、節炭器１５３を通過する際に、蒸発器１５１、過熱器、節炭器１５３各々において熱交換が行われる。石炭ガス化部１０は、蒸発器１５１、過熱器、節炭器１５３と共に石炭ガス化炉圧力容器１０２内に格納されている。これにより、生成ガスが石炭ガス化炉圧力容器１０２外へと流出することが防止されている。
【００１７】
図２に示すように、石炭ガス化炉１０１の石炭ガス化部１０は、有底円筒状のコンバスタ１２と、コンバスタ１２の上部に設けられたリダクタ（不図示）と、コンバスタ１２の下部に設けられた有底円筒状の起動用燃料燃焼室１４とを備え、起動用燃料燃焼室１４の内部（底部）にはスラグ冷却水Ｗｓが貯留されている。
【００１８】
コンバスタ１２は、石炭及びチャーの一部分を燃焼させている。コンバスタ１２は、有底円筒の底部中央に開口するスラグホール１６を備えている。このスラグホール１６は、コンバスタ１２内で微粉炭を部分燃焼して排出されたスラグを起動用燃料燃焼室１４内のスラグ冷却水Ｗｓに流下させるための通路開口部となる。
スラグ冷却水Ｗｓに流下したスラグは、冷却されて固化した後、起動用燃料燃焼室１４の図示しない底部に設けた出口からガス化炉１０１の外部へ排出される。
【００１９】
リダクタは、コンバスタから導かれた高温のガスによって石炭をガス化させている。これにより、石炭から一酸化炭素や水素等の可燃性の生成ガスが生成される。石炭ガス化反応は、石炭及びチャー中の炭素が高温ガス中の二酸化炭素及び水分と反応して一酸化炭素や水素を生成する吸熱反応である。
【００２０】
図１に示したように、蒸発器１５１には、石炭ガス化炉１０１の外部から水が供給される。蒸発器１５１に供給された水は、リダクタから導かれた高温の生成ガスと熱交換することによって蒸気とされ、気水分離器であり、且つ、ガス領域及び水領域（流体領域）を有する石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２へと導かれる。
ちなみに、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内の水を有する範囲を水領域といい、水を有しない範囲をガス領域という。
【００２１】
過熱器には、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内で水分が分離されたことによって発生した蒸気が導かれる。過熱器に導かれた蒸気は、高温の生成ガスと熱交換することによって過熱蒸気とされて蒸気タービン１０９へと導かれる。
【００２２】
節炭器１５３には、水が供給される。節炭器１５３に供給された水は、蒸発器１５１及び過熱器に熱を与えることによって温度が低下した生成ガスと熱交換することによって温度が上昇する。温度が上昇した水は、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２へと導かれる。
【００２３】
蒸発器１５１、過熱器、節炭器１５３を通過して温度が下げられた生成ガスには、不純物であるダストや、硫化水素または硫化カルボニルといった硫黄化合物が含まれており、ダスト及び硫黄化合物を含む生成ガスを石炭ガス化炉１０１からガス精製設備へと導く。ちなみに、ガス精製設備は、脱塵装置１０４と、脱硫装置１０５とを備えている。
【００２４】
脱塵装置１０４は、生成ガス中の不純物であるダストを取り除くものである。脱硫装置１０５は、生成ガス中の不純物である硫黄化合物を取り除くものである。生成ガスは、脱塵装置１０４及び脱硫装置１０５により、脱塵と脱硫とが行われて精製されたクリーンな精製ガスとしてガスタービン１０６へと導かれる。
【００２５】
ガスタービン１０６に導かれた精製ガスは、まず、ガスタービン１０６に設けられている燃焼器（図示せず）へと送られる。ガスタービン１０６は、燃焼器と、燃焼器によって燃焼された排ガスによって駆動されるタービン（図示せず）と、燃焼器へと高圧の空気を送り出す圧縮機（図示せず）とを備えている。
【００２６】
燃焼器では、導かれた精製ガスと、空気とが燃焼されて排ガス（排気）が排出される。燃焼器から排出された排ガスは、ガスタービン１０６へと導かれ、ガスタービン１０６を回転駆動させる。ガスタービン１０６が排ガスによって回転駆動されることによって、ガスタービン１０６に接続されている回転軸（図示せず）が回転される。回転されている回転軸上には、圧縮機が接続されており、圧縮機は、回転軸が回転されることによって回転駆動して空気を圧縮する。圧縮機によって圧縮された空気は、燃焼器と石炭ガス化炉１０１とに導かれる。また、回転軸には、発電機が接続されているため、回転軸を回転させることによって、発電機が駆動して発電する。
【００２７】
ガスタービン１０６を回転駆動させた排ガスは、排熱回収ボイラ（流体加熱熱交換器）１０７へと導かれる。排熱回収ボイラ１０７は、ガスタービン１０６から導かれた排ガスの熱によって過熱蒸気（流体）を発生するものである。排熱回収ボイラ１０７において熱が回収された排ガスは、煙突１０８から石炭ガス化複合発電プラント１００の外へと排出される。
【００２８】
排熱回収ボイラ１０７において発生された過熱蒸気は、蒸気タービン１０９へと導かれる。また、蒸気タービン１０９には、前述した石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２及び過熱器から過熱蒸気が導かれる。蒸気タービン１０９は、ガスタービン１０６と同回転軸に接続されており、いわゆる一軸式のコンバインドシステムとなっている。なお、一軸式のコンバインドシステムに限らず、別軸式のコンバインドシステムであっても構わない。
【００２９】
ガスタービン１０６によって駆動されている回転軸は、蒸気タービン１０９に蒸気が導かれることによって更に駆動力が増加する。そのため、回転軸に接続されている発電機の発電量が増加する。
蒸気タービン１０９を回転駆動した蒸気は、復水器１１１へと導かれる。復水器１１１に導かれた蒸気は、海水によって冷却されて水（復水）に戻される。復水は、低圧給水ポンプ１１２によって排熱回収ボイラ１０７へと給水され、排熱回収ボイラ１０７に導かれた排ガスによって高温の水になる。高温の水は、排熱回収ボイラ１０７内へ再度導かれて過熱蒸気とされる。
【００３０】
さて、上記のような石炭ガス化炉１０１の石炭ガス化部１０の上部には、熱交換器（上部熱交換器）２０が備えられている。
図３（ａ）に示すように、この熱交換器２０は、石炭ガス化部１０の上部において、下方から上方に向かうガスの流れＦに対し、直交する方向に一定のピッチＳＴ毎に、熱交換チューブ２１が配置されている。このような熱交換チューブ２１は、ガスの流れＦの方向に沿って複数段に配列されている。つまり、熱交換チューブ２１は、直交する方向に一定ピッチＳＴ毎に、ガスの流れＦ方向に沿って列をなして配置されている。
この熱交換チューブ２１に外部から供給された水等が流れることで、互いに隣接する熱交換チューブ２１の列Ｌ、Ｌ、…の間のガス流路２５を通過するガスと熱交換し、ガスを十分に冷却する。
【００３１】
さてここで、熱交換器２０において、ガス流路２５の幅、すなわち熱交換チューブ２１の列のピッチＳＴに対し、図３（ｂ）に示すように、スラグホール１６の直径（開口径）Ｄ１が３倍以上となるよう、ピッチＳＴとスラグホール１６とが形成されている。
熱交換器２０において焼結物が付着するが、焼結物５０の直径Ｄ２は、最大でも熱交換チューブ２１の列のピッチＳＴとなる。
スラグホール１６の直径Ｄ１が、熱交換チューブ２１の列のピッチＳＴの２倍程度であると、二つのチャーや焼結物５０がスラグホール１６に二つ並ぶことで、スラグホール１６を閉塞してしまうことがある。
これに対し、熱交換チューブ２１の列のピッチＳＴに対し、スラグホール１６の直径Ｄ１を３倍以上とすることで、焼結物５０がスラグホール１６を閉塞しなくなる。
【００３２】
一方、スラグホール１６の直径Ｄ１は、石炭ガス化炉１０１の炉径Ｄ４に対し、１／４以下とするのが好ましい。スラグホール１６の直径Ｄ１は、石炭ガス化炉１０１の炉径に対し、１／３程度としたのではコンバスタ１２の輻射熱が起動用燃料燃焼室１４へ逃げてしまうためである。
【００３３】
また、スラグホール１６の上部においては、石炭ガス化炉１０１の炉径が絞られているスロート部１７を形成する場合がある。このスロート部１７の直径Ｄ３は、スラグホール１６と同様、熱交換チューブ２１の列のピッチＳＴに対し、３倍以上となるようにするのが好ましい。なお、上述した石炭ガス化部１０においては、図２に破線で示すように、スロート部１７のない構成もある。
【００３４】
以上の通り、本実施形態にかかる石炭ガス化炉１０１、石炭ガス化複合発電設備によれば、以下の作用効果を奏する。
すなわち、石炭ガス化部１０の上部に熱交換器２０を備えた構成において、スラグホール１６やスロート部１７の直径Ｄ１、Ｄ３を、熱交換チューブ２１の列のピッチＳＴに対し３倍以上となるようにした。これにより、熱交換器２０から落下する焼結物５０によってスラグホール１６やスロート部１７が閉塞されるのを防ぎ、石炭ガス化炉１０１の運転を安定して行うことが可能となる。
【００３５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、石炭ガス化炉１０１の各部の構成については、適宜他の構成とすることができる。
例えば、熱交換チューブ２１の列のピッチＳＴに対し、スラグホール１６の直径Ｄ１が３倍以上となるようにしたが、熱交換器２０が熱交換チューブ２１以外からなる構成の場合であっても、下方から上方に向かうガスの流れＦに対し直交する方向におけるガス流路の幅に対し、スラグホール１６の直径Ｄ１が３倍以上となるようにすればよい。
これ以外にも、たとえば上述したガス化炉やガス化部は、石炭をガス化する石炭ガス化炉や石炭ガス化部、さらには石炭ガス化複合発電設備のガス化炉に限定されないなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０    石炭ガス化部（ガス化部）
１２    コンバスタ
１４    起動用燃料燃焼室
１６    スラグホール
１７    スロート部
２０    熱交換器（上部熱交換器）
２１    熱交換チューブ
２５    ガス流路
５０    焼結物
１００    石炭ガス化複合発電プラント
１０１    石炭ガス化炉
１０２    石炭ガス化炉圧力容器
１０４    脱塵装置（ガス精製設備）
１０５    脱硫装置（ガス精製設備）
１０６    ガスタービン
１０７    排熱回収ボイラ
１０８    煙突
１０９    蒸気タービン
１１１    復水器
１１２    低圧給水ポンプ
１５１    蒸発器
１５２    石炭ガス化炉蒸気ドラム
１５３    節炭器
１５４    水管
【図１】
0005818704.tif 000002
【図２】
0005818704.tif 000003
【図３】
0005818704.tif 000004