(57)【要約】【課題】ガス化運転開始時に生じ得る微細固体燃料やスート等のペブル層通り抜けを防止し、ガス化運転開始時のガス化効率を向上することができるペブル床ガス化炉の運転方法を提供する。【解決手段】ペブル床ガス化炉（１）は、固体燃料（Ｆ）をガス化溶融する反応炉（１０）と、ペブル層（１６）を介してガス化反応域（１４）と連通する分離室（２０）とを備える。ガス化反応域は、ガス化炉の運転開始時に所定温度に加熱され、所定温度以下の融点を有する石炭灰（不燃物質）がガス化反応域に投入される。ペブル（１７）の表面に石炭灰溶融物の皮膜（Ｃ）が形成された後、固体燃料がガス化反応域に投入され、ガス化運転が開始する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料をガス化溶融する反応炉と、反応炉のペブル層を介して反応炉内のガス化反応域と連通する分離室とを備えたペブル床ガス化炉の運転方法において、
ガス化炉の運転開始時に前記ガス化反応域の温度を所定温度に昇温するとともに、該所定温度以下の温度で熱溶融し且つ可燃分を実質的に含まない熱溶融可能な不燃物質を前記ガス化反応域に投入し、該不燃物質を溶融せしめ、前記ペブル層を構成するペブルの表面に前記不燃物質の溶融物の皮膜を形成した後、固体燃料を前記ガス化反応域に投入し、ガス化炉のガス化運転を開始することを特徴とするペブル床ガス化炉の運転方法。
【請求項２】
前記所定温度は、１３００℃〜１４００℃に設定され、前記不燃物質として、１３００〜１４００℃以下の融点を有する石炭灰を使用することを特徴とする請求項１に記載のペブル床ガス化炉の運転方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の運転方法に従って運転可能なペブル床ガス化炉であって、
固体燃料を前記ガス化反応域に供給する燃料供給路と、前記不燃物質をガス化反応域に供給する不燃物質供給路と、ガス化炉の運転開始時にガス化反応域の温度を昇温するウォームアップ運転用の初期燃焼装置と、ガス化反応域に対する不燃物質の供給および固体燃料の供給を選択的に切換える切換手段とを備えたことを特徴とするペブル床ガス化炉。
【請求項４】
固体燃料を前記ガス化反応域に供給する燃料供給ノズルがガス化炉の頂部に配設され、前記切換手段は、該燃料供給ノズルを前記燃料供給路及び不燃物質供給路に選択的に接続する切換弁を有し、該切換弁は、ガス化炉の運転開始時に不燃物質供給路を燃料供給ノズルに接続し、ウォームアップ運転完了時に燃料供給路を燃料供給ノズルに接続することを特徴とする請求項３に記載のペブル床ガス化炉。
【請求項５】
１０００℃以上の高温空気を前記ガス化反応域に供給する高温空気供給ノズルがガス化炉の頂部に配設され、前記燃料供給ノズルは、高温空気供給ノズル内に配置されることを特徴とする請求項４に記載のペブル床ガス化炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペブル床ガス化炉の運転方法に関するものであり、より詳細には、ペブル床ガス化炉の運転開始時に微細固体燃料、スート等がペブル層を通り抜ける現象を防止し、ガス化運転開始時のガス化効率を向上することができるペブル床ガス化炉の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
廃プラスチック、汚泥、シュレッダダスト又は都市ゴミ等の廃棄物、或いは、石炭等の固体燃料を熱分解炉に導入し、無酸素又は低酸素状態の高温還元性雰囲気において固体燃料を熱分解して熱分解ガスを生成する固体燃料のガス化システムが知られている。熱分解炉として、廃棄物ガス化溶融炉、石炭ガス化炉、ロータリーキルン式熱分解炉（外部加熱式熱分解炉）又はー括投入型熱分解炉（自燃式熱分解炉）  などの様々な形式の燃焼炉又は焼成炉が、一般に使用される。
【０００３】
本発明者等は、８００℃を超える高温空気を連続的に供給可能な高温空気発生装置と、固形廃棄物等の固体燃料を高温空気によりガス化するガス化溶融炉とを含む燃料ガス化溶融システムを近年において開発している（特願２０００−２８４３７２  号等）  。高温空気発生装置の高温空気は、ガス化炉に導入され、炉内の廃棄物は、溶融スラグ化する。廃棄物の熱分解により生成した熱分解ガスは、所望により、７００℃を超える高温の水蒸気により改質された後、洗浄装置及び浄化装置に導入される。洗浄・浄化装置は、熱分解ガスの塩素分、硫黄分、重金属又は微量残留物等の環境汚染物質を除去するとともに、熱分解ガスを急冷し、ダイオキシンの再合成等を防止し、洗浄・浄化され且つ冷却した熱分解ガスは、比較的良質の合成ガスとしてボイラ又は工業炉等の加熱炉、ガスエンジン、ガスタービン又はディーゼルエンジン等の内燃機関、或いは、各種の熱サイクル機関等の如く、任意の燃焼設備又は熱機関に供給される。
このようなガス化溶融システムに好適に使用可能なガス化溶融炉として、本発明者等は、球形の耐熱性セラミックスからなる多数のペブルを内蔵したペブル床ガス化炉を既に開発している（特開平１１−２０９７６４  号公報、特開２０００−２８２０６２  号公報）  。この形式のガス化炉は、固体廃棄物等の低質燃料をガス化溶融する反応炉を有し、反応炉の炉床は、多数のペブルを充填したペブル充填層より形成される。ガス化運転時には、固体燃料がガス化炉内に投入され、同時に、約１０００℃の高温空気がガス化炉に導入される。炉内の固体燃料は、化学量論比以下の酸素による部分酸化反応によりガス化溶融する。ガス化反応域に生成した高温の反応ガス（熱分解ガス）がペブル充填層のペブル間隙を通過し、ペブルの表面に付着した溶融灰が徐々にペブル層を降下する。溶融灰はペブルの表面を緩慢な速度で流下するので、溶融灰に含まれた未燃分等のガス化反応が適切に進行する。ペブル表面を被覆する溶融灰は、微細な固体燃料やスート等のペブル層通り抜けを防止するので、微細固体燃料等は、ガス化溶融に要する炉内滞留時間を十分に確保することができる。ペブル充填層を通過した反応ガスは、ペブル床下方の分離室を介して後続の改質工程、浄化工程等に供給され、ペブル床から分離室に滴下した溶融スラグは、分離排出される。
【特許文献１】特開平１１−２０９７６４  号公報
【特許文献２】特開２０００−２８２０６２  号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなペブル床ガス化炉では、炉内に投入された微細な固体燃料、炉内で微細化した固体燃料、固体燃料の部分酸化反応により炉内に生成したスート等をペブル層に滞留せしめ、そのガス化溶融時間を確保することがガス化効率を向上する上で重要となる。しかしながら、溶融灰生成前のガス化運転開始時にガス化炉に投入された微細固体燃料及びスートや、ガス化炉内で微細化した固体燃料等は、ペブル層のペブル間隙を通過して分離室に通り抜けてしまうので、固体燃料の炉内滞留時間を十分に確保し難く、このため、ガス化運転開始時にガス化効率が低下するという問題が生じた。
【０００５】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガス化運転開始時に生じ得る微細固体燃料やスート等のペブル層通り抜けを防止し、ガス化運転開始時のガス化効率を向上することができるペブル床ガス化炉の運転方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記目的を達成すべく、固体燃料をガス化溶融する反応炉と、反応炉のペブル層を介して反応炉内のガス化反応域と連通する分離室とを備えたペブル床ガス化炉の運転方法において、
ガス化炉の運転開始時に前記ガス化反応域の温度を所定温度に昇温するとともに、該所定温度以下の温度で熱溶融し且つ可燃分を実質的に含まない熱溶融可能な不燃物質を前記ガス化反応域に投入し、該不燃物質を溶融せしめ、前記ペブル層を構成するペブルの表面に前記不燃物質の溶融物の皮膜を形成した後、固体燃料を前記ガス化反応域に投入し、ガス化炉のガス化運転を開始することを特徴とするペブル床ガス化炉の運転方法を提供する。
好ましくは、上記所定温度は、１３００℃〜１４００℃に設定され、上記不燃物質として、１３００〜１４００℃以下の融点を有する石炭灰が好適に使用される。
【０００７】
本発明の上記構成によれば、ガス化炉のガス化反応域は、ガス化運転開始時のウォームアップ運転により所定温度に加熱され、ガス化炉内に投入された不燃物質は溶融する。不燃物質の溶融物は、ペブル層内に浸透し、ペブルの表面に溶融物の皮膜を形成する。ウォームアップ運転完了後のガス化運転開始時にガス化炉内に投入される微細な固体燃料、ガス化反応域に生成したスート、ガス化炉内で微細化した固体燃料等は、ペブル表層の溶融物に捕捉され、ペブル間隙をすり抜けることなく、ペブル層に滞留する。従って、微細な固体燃料等の炉内滞留時間がガス化運転開始時に十分に確保され、ガス化運転開始時のガス化効率は向上する。
【０００８】
本発明は又、上記運転方法に従って運転可能なペブル床ガス化炉であって、
固体燃料を前記ガス化反応域に供給する燃料供給路と、前記不燃物質をガス化反応域に供給する不燃物質供給路と、ガス化炉の運転開始時にガス化反応域の温度を昇温するウォームアップ運転用の初期燃焼装置と、ガス化反応域に対する不燃物質の供給および固体燃料の供給を選択的に切換える切換手段とを備えたことを特徴とするペブル床ガス化炉を提供する。
【０００９】
このような構成のガス化炉によれば、切換手段により不燃物質の供給および固体燃料の供給を切換制御して、ウォームアップ運転用の初期燃焼装置の作動時に不燃物質をガス化反応域に供給し、これにより、上記運転方法に従ってガス化炉を運転することができる。
好ましくは、ガス化炉は、固体燃料を炉内に供給する燃料供給ノズルを備え、上記切換手段は、燃料供給ノズルを上記燃料供給路及び不燃物質供給路に選択的に接続する切換弁を有し、切換弁は、ガス化炉の運転開始時に不燃物質供給路を燃料供給ノズルに接続し、ウォームアップ運転完了時に燃料供給路を燃料供給ノズルに接続する。
【００１０】
更に好ましくは、ガス化炉は、１０００℃以上の高温空気をガス化反応域に供給する高温空気供給ノズルを有し、上記燃料供給ノズルは、高温空気供給ノズル内に配置される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の好適な実施形態に係るペブル床ガス化炉の全体構成を示す縦断面図及び概略断面図である。
【００１２】
ペブル床ガス化炉１は、固体燃料Ｆの部分酸化により固体燃料をガス化溶融するガス化反応炉１０と、反応炉１０の下側に配置された分離室２０とから構成される。反応炉１０の頂部には、固形廃棄物等の固体燃料Ｆを反応炉１０内に供給する燃料供給ノズル１１と、酸化剤Ａを反応炉１０内に供給する酸化剤供給ノズル１２とが配設され、燃料供給ノズル１１は、酸化剤供給ノズル１２の流路内に同心状に配置される。酸化剤供給路２が酸化剤供給ノズル１２に接続され、固形物供給路３が燃料供給ノズル１１に接続される。
【００１３】
反応炉１０は、一段一室構造を有し、ガス化反応域１４が供給ノズル１１、１２の下方に形成される。ガス化反応域１４の内壁面は、耐熱層１０ａにより形成される。耐熱層１０ａは、炉内の反応温度（例えば１５００℃以上）に耐える耐火煉瓦、耐火キャスタブル材等の耐火材からなる。耐熱層１０ａの外側には、断熱層１０ｂが配置され、断熱層１０ｂは、反応容器１０ｃにより囲まれる。反応容器１０ｃは、好ましくは、ガス化反応を加圧下で実行可能な圧力容器構造を有する。
【００１４】
ガス反応域１４の下部には、ペブル充填層１６が配設される。燃料供給ノズル１１からガス反応域１４に投入された固体燃料Ｆは、酸化剤供給ノズル１２からガス化反応域１４に供給される高温酸化剤により部分酸化してガス化溶融し、ペブル層１６に捕獲された固形燃料Ｆの溶融灰は、ペブル充填層１６を流下しながら更なるガス化反応を受ける。
【００１５】
ペブル充填層１６は、多数のペブル１７からなり、各ペブル１７は、耐熱性を有する球形セラミックスからなる。ペブル１７として、例えば、直径２０〜１００ｍｍ程度の球形セラミックスを好適に使用し得る。本実施形態では、各ペブル１７は、直径約５０ｍｍ程度のアルミナボールよりなる。ペブル充填層１６は、相対的に大径のペブルを下層に充填し、相対的に小径のペブルを上層に充填した二層構造に構成しても良く、この場合、小径のアルミナボールからなる上層のペブル充填層は、積極的に微細固体燃料及び溶融灰を捕獲して効率的に灰分及び未燃分のガス化及び溶融スラグ化を促進し、大径のアルミナボールからなる下層のペブル充填層は、分離室２０への溶融スラグ滴下を円滑にする。なお、ペブル１７の材質は、アルミナに限定されるものではなく、１５００℃以上の高温に耐える耐熱材であれば、他のセラミック材料を採用しても良い。
【００１６】
ガス反応域１４は、供給ノズル１１、１２とペブル充填層１６との間に位置する中空空間からなり、燃料供給ノズル１１からガス反応域１４に供給された固体燃料Ｆは、酸化剤供給ノズル１２からガス反応域１４に供給された化学量論比以下の酸素で部分酸化する。ガス反応域１４に発生した溶融灰及び未燃カーボンが、ガス化反応域１４に発生した高温の反応ガスのガス流と一緒にペブル充填層１６のペブル間隙に流入する。固体燃料として、微粉砕した可燃廃棄物等の微粉燃料の他、微粉化困難な燃料（例えば、廃棄物固形化燃料：ＲＤＦ）を使用し得る。また、酸化剤として、酸素又は空気が用いられる。好適には、燃料の自己着火温度を超える高温空気、例えば、１０００℃以上に予熱された高温空気が酸化剤として使用される。
【００１７】
反応炉１０の下端開口部１０ｄには、ペブル充填層１６を支持する脱落防止装置３０が配設される。脱落防止装置３１は、特開２０００−２８２０６２  号公報に開示される如く、冷却媒体を流通可能な冷却管を内装した棒状耐火材３４を有する。
【００１８】
溶融灰は、ペブル充填層１６に捕獲され、ペブル充填層１６のペブル間隙を流下する高温ガス流で保温されながら重力によりペブル充填層１６を徐々に下方に流動し、分離室２０内に滴下する。溶融灰の滞留時間は、ガス反応域１４におけるガス流の通過時間に比べて十分に長く、従って、溶融灰に取り込まれたカーボンのガス化反応がペブル充填層１６において更に進み、未燃カーボンの排出量は低減する。
【００１９】
分離室２０は、一段一室構造を有し、分離室２０の下部には、冷却水２５が収容される。分離室２０の側壁面には、ガス給送管２２の流入ポート２３が開口し、分離室２０の下端には、灰分の抜出管２４が取付けられる。ペブル充填層１６を通過して分離室２０の分離空間２１に流入した溶融スラグＳ及び反応ガス（合成ガス）Ｇは、分離空間２１において重力分離する。高温の反応ガスＧは、ガス給送管２２から反応ガス改質工程及び浄化工程等の次工程に送出され、改質工程及び浄化工程を経た精製ガスは、内燃機関又は加熱装置の燃焼部に燃料として供給される。他方、溶融スラグＳは、冷却水２５内に落下して冷却凝固し、抜出管２４から排出される。
【００２０】
ガス化炉１は更に、ガス化炉１の運転開始前に炉温を上昇させるウォームアップ用の初期燃焼装置（図示せず）を備えるとともに、ウォームアップ運転時に低融点の石炭灰をガス化炉１に供給するための切換弁４及び石炭灰供給路６を備える。
【００２１】
ウォームアップ運転用の初期燃焼空気供給管８及び初期燃料供給管９が初期燃焼装置に接続される。初期燃焼装置の作動は、制御ユニット（制御装置）７により制御される。切換弁４は、３方弁からなり、切換弁４の流出ポート４１は、固形物供給路３に接続され、切換弁４の第１及び第２流入ポート４２、４３は、燃料供給路５及び石炭灰供給路６に夫々接続される。切換弁４の弁体駆動部の作動は、制御ユニット７により制御され、固形物供給路３は、切換弁４を介して、燃料供給路５又は石炭灰供給路６に選択的に接続される。
【００２２】
次に、上記構成のペブル床ガス化炉１の作動について説明する。
図３は、切換弁４による燃料供給ノズル制御態様を示す概略断面図であり、図４は、ウォームアップ運転時のペブルの状態を示す概念図である。
【００２３】
制御ユニット７は、ガス化炉１のガス化運転開始直前に、初期燃焼装置を作動するとともに、切換弁４を石炭灰供給位置（図３（Ａ））に切換える。初期燃焼空気供給管８及び燃料供給管９のウォームアップ運転用燃焼空気及び燃料（都市ガス等）が初期燃焼装置に供給され、比較的低融点の石炭灰が、石炭灰供給路６、固形物供給路３及び燃料供給ノズル１２を介してガス反応域１４内に供給される。ガス反応域１４内の炉温が、初期燃焼装置のウォームアップ運転により１３００〜１４００℃に上昇し、高温の炉内雰囲気がガス反応域１４に形成される。
【００２４】
石炭灰として、１３００℃以下の温度で溶融可能な石炭燃焼灰が使用される。ペブル層１６上に落下し、堆積した石炭灰は、可燃成分を実質的に含まず、高温の炉内雰囲気下に溶融してペブル層１６を徐々に流下し、この結果、各ペブル１７の外表面を覆う石炭灰溶融物の皮膜Ｃ（図４（Ａ））がペブル１７上に形成される。石炭灰の投入量は、ペブル１７の表面積及び数量と、ウォームアップ運転時に形成すべき皮膜Ｃの厚さより決定される。
【００２５】
制御ユニット７は、ガス反応域１４が所定温度に昇温した後、初期燃焼装置の作動を停止し、切換弁４を燃料供給位置（図３（Ｂ））に切換えて供給路３、５を接続する。微粉砕した可燃廃棄物等の固体燃料は、燃料供給路５、固形物供給路３及び燃料供給ノズル１１からガス反応域１４に供給される。制御ユニット７は又、高温空気発生源（図示せず）を作動し、１０００℃以上の高温空気が酸化剤供給ノズル１２からガス反応域１４に供給される。
【００２６】
燃料供給ノズル１２からガス反応域１４内に投入された固体燃料Ｆは、化学量論比以下の高温空気の存在下に部分酸化し、反応ガス（熱分解ガス）がガス反応域１４に生成する。反応ガスは、ペブル層１６のペブル間隙を流下して分離室２０の分離空間２１に吹き抜け、ガス給送管２２（図１）から反応ガス改質工程又は浄化工程等の次工程に送出される。
【００２７】
前述の如く、ガス化運転が定常状態に移行すると、固体燃料Ｆの溶融灰がペブル充填層１６の各ペブル１７外面を覆い、高温のガス流で保温されながらペブル充填層１６を徐々に流下するので、十分な溶融灰滞留時間を確保し得るが、ガス化運転の初期段階においては、図４（Ｂ）に示す如く、固体燃料Ｆは、ペブル１７上に留まらず、充填層１６のペブル間隙を通過して分離室２０の分離空間２１に通り抜けようとする。しかしながら、本実施例においては、図４（Ａ）に示す如く、石炭灰溶融物の皮膜Ｃがウォームアップ運転時にペブル１７上に形成され、ペブル１７の外表面が既にウェット状態になっているので、ペブル層１６上に落下した固体燃料Ｆは石炭灰溶融物の皮膜Ｃに捕捉され、ペブル１７上に留まる。このため、固体燃料Ｆの炉内滞留時間が十分に確保され、固体燃料Ｆの所望の溶融・ガス化反応がペブル層１６において適切に進行する。
【００２８】
ガス化炉１が定常運転状態に移行し、固体燃料Ｆの溶融・ガス化反応が進行すると、固体燃料Ｆの溶融スラグがペブル１７上に形成され、溶融スラグは、ペブル１７上に新たな皮膜を形成しようとする。ペブル１７上の皮膜は、石炭灰溶融物の皮膜Ｃから溶融スラグの皮膜に徐々に入れ替わり、石炭灰溶融物の皮膜Ｃは、固体燃料Ｆの溶融スラグと一緒に分離室２０に滴下し、排出される。
【００２９】
このように、本実施例によれば、ウォームアップ運転時の炉温よりも低い融点を有する石炭灰がガス化炉１のウォームアップ運転時にガス化炉１内に供給され、石炭灰溶融物の皮膜Ｃがペブル１７上に形成される。ウォームアップ運転後にガス反応域１４に供給され、ペブル層１６上に落下した固体燃料Ｆは、石炭灰溶融物の皮膜Ｃに捕捉され、ペブル１７上に留まる。従って、固体燃料Ｆの炉内滞留時間が十分に確保され、固体燃料Ｆのガス化溶融反応は、適切に進行する。
【００３０】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。
【００３１】
例えば、上記実施形態では、不燃物質として石炭灰を使用したが、ウォームアップ運転時の炉温で熱溶融し且つ可燃分を実質的に含まない熱溶融可能な他の不燃物質を使用しても良い。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明した如く、請求項１及び２に記載された本発明のガス化炉運転方法によれば、ペブル表面に溶融物の皮膜がウォームアップ運転時に形成され、ペブル表層の溶融物はガス化運転開始時に微細固体燃料やスート等を捕捉するので、ガス化運転開始時に生じ得る微細固体燃料やスート等のペブル層刷すり抜けを防止し、ガス化運転開始時のガス化効率を向上することができる。
【００３３】
また、請求項３乃至５に記載されたペブル床ガス化炉によれば、切換手段により不燃物質の供給および固体燃料の供給を切換制御して、ウォームアップ運転用燃焼装置の作動時に不燃物質をガス化反応域に供給し、これにより、ペブル床ガス化炉を上記運転方法で運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施形態に係るペブル床ガス化炉の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】図１に示すペブル床ガス化炉の概略断面図である。
【図３】図１及び図２に示す切換弁による燃料ノズル制御態様を示す概略断面図である。
【図４】ウォームアップ運転時のペブルの状態を示す概念図である。
【符号の説明】
１  ペブル床ガス化炉
２  酸化剤供給路
３  固形物供給路
４  切換弁
５  燃料供給路
６  石炭灰供給路
７  制御ユニット
８  初期燃焼空気供給管
９  初期燃料供給管
１０  ガス化反応炉
１１  燃料供給ノズル
１２  酸化剤供給ノズル
１４  ガス化反応域
１６  ペブル充填層
１７  ペブル
２０  分離室
３０  落下防止装置
Ｃ  皮膜
Ｆ  固体燃料
Ｇ  反応ガス
Ｓ  溶融スラグ
【図１】
2004168814.tif 000003
【図２】
2004168814.tif 000004
【図３】
2004168814.tif 000005
【図４】
2004168814.tif 000006