(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、様々の炭種の石炭（微粉炭、石炭スラリーを含む）や、汚泥、バイオマス燃料等を燃料として、安定して生成ガスを生成し、高いガス化効率を達成できるガス化炉装置を提供することにある。【解決手段】  本発明のガス化炉装置１は、固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域１０ａを備え、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉１０と、ガス化炉から排出される前記生成ガスにより、燃焼用酸化ガスを前記固体燃料の着火温度以上に加熱して高温燃焼用酸化ガスを生成する熱交換手段２１と、高温燃焼用酸化ガスをガス化炉の部分燃焼領域に供給する高温酸化ガス供給手段１２と、固体燃料をガス化炉の部分燃焼領域に供給し、固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段１１とを備えることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域を備え、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉と、
前記ガス化炉から排出される前記生成ガスにより、燃焼用酸化ガスを前記固体燃料の着火温度以上に加熱して高温燃焼用酸化ガスを生成する熱交換手段と、
前記高温燃焼用酸化ガスを前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給する高温酸化ガス供給手段と、
前記固体燃料を前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給する、該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段と
を備えることを特徴とするガス化炉装置。
【請求項２】
炉体底部に配設される、流動媒体からなる流動層を有し、該流動層を流動化させる流動床炉方式のガス化炉装置において、
固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域を前記流動層の上側に形成し、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉と、
前記ガス化炉から排出される前記生成ガスにより、燃焼用酸化ガスを前記固体燃料の着火温度以上に加熱して高温燃焼用酸化ガスを生成する熱交換手段と、
前記流動層に前記高温燃焼用酸化ガスを吹き込んで流動化させる散気手段と、
前記固体燃料を前記流動層に供給し、該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段と
を備えることを特徴とするガス化炉装置。
【請求項３】
前記燃料供給手段の噴出口より後流側に固体燃料を供給し、該固体燃料を熱分解させて生成ガスを更に発生させる後段燃料供給手段を更に備えることを特徴とする、請求項1又は２のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項４】
前記生成ガスから粉塵を除去する粉塵除去手段と、
該粉塵除去手段により除去された粉塵を前記部分燃焼領域に噴出させる粉塵供給手段とを更に備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項５】
前記燃焼用酸化ガスは、空気であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項６】
前記燃焼用酸化ガスは、酸素であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項７】
前記熱交換手段は、多管式熱交換器であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項８】
前記熱交換手段は、蓄熱式熱交換器であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項９】
前記固体燃料は、石炭であって、前記熱交換手段は、前記燃焼用酸化ガス温度を、８００℃以上に加熱することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載のガス化炉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化複合サイクル発電等において、固体燃料の一部を燃焼させ、その燃焼熱で残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体燃料の一部のみを燃焼させ、その燃焼熱で残余の固体燃料を加熱し、熱分解させて生成ガスを発生させるガス化炉が知られている。このようなガス化炉により生成される生成ガスは、可燃性ガスを含むので、例えば、水素ガス製造の原料として使用される場合もあるが、例えば、ガス化炉をプロセスの一部に含むガス化複合サイクル発電（ＩＧＣＣ）におけるガスタービンの燃料ガスとして使用されることがある（例えば、特許文献１参照）。ガス化複合サイクル発電は、高い熱効率での発電が可能であることを優れた特徴を有し、ガス化炉は、固体燃料から上記複合サイクルの燃料となる生成ガスを生成するための必要不可欠な要素を構成している。
【特許文献１】特開２０００−２１３３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ガス化炉内において燃料の一部を燃焼させる際には、ガス化炉内に燃焼用空気又は酸素（以下、「燃焼用空気等」という）を供給するが、その量は燃料の一部を燃焼させる量にすぎないので、燃焼によりガス化炉内には還元性雰囲気が形成される。また、ガス化炉内には低温の燃焼用空気等が流入するので、ガス化炉内の部分燃焼領域の雰囲気温度が低下し、結局、低温の還元性雰囲気が形成され、燃料の着火性が低下するので、燃焼が不安定となり消炎の虞がある。
【０００４】
従来技術においては、熱分解されて生成ガスとなる燃料と、燃焼により該燃料の加熱と熱分解に必要な熱エネルギを供給する燃料に加えて、上述の燃焼用空気等を加熱するための一定量の燃料をガス化炉内に供給し、ガス化炉内の温度を上昇させて燃焼を行っていた。しかし、この「燃焼用空気等を加熱するための一定量の燃料」は、ガス化炉内で燃焼してしまい、生成ガス生成には寄与しないので、その分、同じ量の生成ガスを製造するために必要な燃料量が増加し、ガス化効率が低下する原因となっていた。
【０００５】
前述の特許文献１の発明は、上記問題を解決するため、生成ガスとの熱交換により燃焼用酸素を予熱することとしていたが、該発明も燃焼用酸素の温度をせいぜい４５０℃程度まで予熱することを開示するにすぎない。このため、特に、揮発や熱分解しにくく、生成ガスを生成しにくい炭種や、水分含有量の多い木材チップ等のバイオマス燃料及び汚泥等を燃料として使用する場合には、ある程度燃焼用酸素の供給量を増加させる必要があり、燃焼用酸素を含む雰囲気全体を高温に加熱するために燃料が消費されることになり、必ずしも、ガス化効率を十分に向上できるとはいえない。
【０００６】
本発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、様々の炭種の石炭（微粉炭、石炭スラリーを含む）や、汚泥、バイオマス燃料等を燃料として、安定して生成ガスを生成し、高いガス化効率を達成できるガス化炉装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１の発明によっては、固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域を備え、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉と、前記ガス化炉から放出される前記生成ガスにより、燃焼用酸化ガスを前記固体燃料の着火温度以上に加熱して高温燃焼用酸化ガスを生成する熱交換手段と、前記高温燃焼用酸化ガスを前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給する高温酸化ガス供給手段と、前記固体燃料を前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給し、該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段とを備えることを特徴とするガス化炉装置が提供される。なお、本発明は種々の固体燃料が適用可能であり、ここでいう「固体燃料」には、石炭や木材チップ等の固体状燃料のほか、汚泥、石炭スラリー等スラリー状の燃料が含まれる。また、「生成ガス」中には、固体燃料が熱分解して発生した生成ガスの他、該生成ガスが燃焼して発生する燃焼排気ガスが含まれる場合がある。
【０００８】
請求項２の発明によっては、炉体底部に配設される、流動媒体からなる流動層を有し、該流動層を流動化させる流動床炉方式のガス化炉装置において、固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域を前記流動層の上側に形成し、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉と、前記ガス化炉から排出される前記生成ガスにより、燃焼用酸化ガスを前記固体燃料の着火温度以上に加熱して高温燃焼用酸化ガスを生成する熱交換手段と、前記流動層に前記高温燃焼用酸化ガスを吹き込んで流動化させる散気手段と、前記固体燃料を前記流動層に供給し、該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段とを備えることを特徴とするガス化炉装置が提供される。
【０００９】
前記燃料供給手段の噴出口より後流側に固体燃料を供給し、該固体燃料を熱分解させて生成ガスを更に発生させる後段燃料供給手段を更に備えていてもよい（請求項３）。
前記生成ガスから粉塵を除去する粉塵除去手段と、該粉塵除去手段により除去された粉塵を前記部分燃焼領域に噴出させる粉塵供給手段とを更に備えていてもよい（請求項４）。
【００１０】
また、前記燃焼用酸化ガスは、空気であってもよく（請求項５）、酸素であってもよい（請求項６）。
前記熱交換手段は、多管式熱交換器であってもよく（請求項７）、蓄熱式熱交換器であってもよい（請求項８）。
前記固体燃料は、石炭であって、前記熱交換手段は、前記燃焼用酸化ガス温度を、８００℃以上に加熱することとしてもよい（請求項９）。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１のガス化炉装置は、ガス化炉から放出される高温の生成ガスを熱源として、熱交換手段により、燃焼用酸化ガスを固体燃料の着火温度以上に加熱して高温燃焼用酸化ガスを生成し、該酸化ガスを高温酸化ガス供給手段によりガス化炉に供給するとともに、燃料供給ノズルから供給される固体燃料の一部を燃焼させてガス化炉の部分燃焼領域を高温化させ、残余の石炭を熱分解させて生成ガスを生成するもので、特に、ガス化炉から放出される高温の混合ガスを熱源として燃焼用酸化ガスを固体燃料の着火温度以上に加熱してガス化炉内の部分燃料領域に供給することにその特徴がある。
【００１２】
上記、請求項１の発明の技術的特徴により以下の４点の効果が得られる。
第１に、熱交換手段を用いて、生成ガスが有する熱エネルギにより燃焼用酸化ガスを燃料の着火温度以上に加熱するので、ガス化炉内雰囲気が高温となり還元性雰囲気であっても安定した燃焼を維持することができ、また、燃焼用酸化ガスを加熱するために一定量の燃料を余分に燃焼させる必要がない。このため従来技術に比較して同じ量の燃料でより多くの生成ガスを得ることが出来る、すなわち、ガス化効率が向上する。
【００１３】
第２に、高温の燃焼用酸化ガスの供給により燃焼領域に高温雰囲気が形成され、固体燃料の熱分解が促進されて、着火性が向上するので、熱分解しにくく、生成ガスを生成しにくい炭種や、水分含有量の多い木材チップ等のバイオマス燃料及び汚泥等を燃料として使用する場合にも、燃焼用空気等の供給量を増加させる必要がなく、増加した燃焼用空気等を含む雰囲気全体を高温に加熱するための余分の燃料が不要となり、そのためにガス化効率を向上させることができる。
【００１４】
第３に、上記「固体燃料の熱分解が促進される」とは、言い換えれば「熱分解により発生する生成ガス量が増加する」ことであるから、同じ量の燃料から得られる生成ガス量が増加する、すなわちガス化効率が増加する。これは、第１の効果、すなわち、「燃焼用酸化ガスを加熱するための一定量の燃料が不要になるのでガス化効率が向上する」こととは全く別の効果であり、燃料に含まれ、熱分解せずに残留するチャ−の量が減少することによる効果である。
【００１５】
第４に、高温燃焼用酸化ガスを供給するので、補助燃料や補助バーナを使用せず含水率の高い（例えば、８０％）の汚泥等のみを燃料として生成ガスを生成させることができる。すなわち、従来技術によってはスラリー状の汚泥を燃料として使用する場合には、多量の水分を蒸発させるため、オイル混焼を行うか、或いは補助バーナ等を使用しているが、本発明によっては高温燃焼用酸化ガスが供給されてその熱により水分を蒸発させられるため、これらの補助装置を必要とせず、含水率の高い汚泥等のみを燃料として使用することができる。
【００１６】
請求項２の発明は、流動床炉方式のガス化炉装置において、生成ガスにより燃焼用酸化ガスを固体燃料の着火温度以上に加熱して高温燃焼用酸化ガスを生成する熱交換手段と、流動層に高温燃焼用酸化ガスを吹き込んで流動化させる散気手段と、固体燃料をガス化炉に供給し、固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段とを備える。その技術的特徴は、流動床炉において、請求項１の発明と同様、生成ガスを熱源として燃焼用酸化ガスを固体燃料の着火温度以上に加熱することにあり、その効果は、流動床方式のガス化炉において、請求項１と同様の効果を奏することができることにある。
【００１７】
請求項３の発明によっては、燃料燃料供給手段の噴出口より後流側に固体燃料を供給し、該固体燃料を熱分解させて生成ガスを更に発生させる後段燃料供給手段を更に備えることとしたので、前段の燃料供給手段からの燃料の燃焼により形成される火炎の熱を有効に利用して後段燃料供給手段から供給される固体燃料を熱分解して生成ガスを生成させ、ガス化効率を更に高めることができる。
【００１８】
請求項４の発明によっては、生成ガスから粉塵を除去する粉塵除去手段と、該粉塵除去手段により除去された粉塵を部分燃焼領域に噴出させる粉塵供給手段とを更に備えたので、生成ガス中の粉塵が除去され、ガス化炉装置の後流に接続してガス化炉装置からの生成ガスを燃焼等させるガスタービン装置等において該粉塵による磨耗や粉塵付着による閉塞を生じる虞がない。また、粉塵に含まれる可燃性成分をガス化炉に戻して燃焼させることができるので、ガス化効率を向上させることができる。
【００１９】
高温燃焼用酸化ガスとしては、適宜濃度の酸素を含有するガスであれば様々のガスが使用できるが、空気を使用して供給コストを低減することも可能であり（請求項５）、また、酸素を使用して生成ガス中に窒素が含まれないようにし、生成ガスの単位体積（又は単位重量）あたりの発熱量を増加させることもできる（請求項６）。
また、熱交換手段としては、様々な方式が採用できるが、多管式熱交換器（請求項７）を適用すると高温ガスが接触する部位に切換弁を必要とせず、又は安価な畜熱材に畜熱させる蓄熱式熱交換器（請求項８）を使用すると、高温耐熱材の使用を必要とする多管式熱交換器に比較してコスト的に有利になる。
【００２０】
さらに、本発明の固体燃料としては、汚泥、バイオマス燃料をはじめとする様々の燃料が使用可能であるが、固体燃料が石炭の場合、石炭の着火性は炭種により異なるが、種々の炭種を考慮しても８００℃以上の高温とすることにより（請求項９）、高い着火性が確保され、高いガス化効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ種々実施例に基づき説明する。
図１に示す本発明の第１の実施例にかかるガス化炉装置１は、例えば、ＩＧＣＣの一部として構成され、石炭スラリＦＬを燃料として生成ガスを生成させ、ガスタービン発電設備の燃料として、該生成ガスを供給するものである。
ガス化炉装置１は、石炭スラリ（固体燃料）ＦＬの一部を乾燥（水分蒸発）させて燃焼させる部分燃焼領域１０ａを備え、該燃焼の燃焼熱により残余の石炭スラリＦＬを乾燥、加熱して生成ガスＧを生成させるガス化炉１０と、ガス化炉１０から排出される生成ガスＧにより、燃焼用酸化ガスＢＡを石炭（乾燥石炭）の着火温度（例えば、８００℃）以上に加熱して高温燃焼用空気ＢＡＨ（高温燃焼用酸化ガス）を生成する多管式熱交換器（熱交換手段）２１と、高温燃焼用空気ＢＡＨをガス化炉１０の部分燃焼領域１０ａに噴出させる高温空気ノズル１２（高温酸化ガス供給手段）と、石炭スラリＦＬをガス化炉１０の部分燃焼領域１０ａに供給し、石炭スラリＦＬの一部を乾燥、燃焼させる燃料供給管（燃料供給手段）１１等を備えて構成される。
【００２２】
ガス化炉１０は、両端が半球状の蓋部及び底部により閉じた縦型円筒形状を有し、上部の蓋部には、図示しないスラリ貯層から供給される石炭スラリＦＬを部分燃焼領域１０ａに供給して乾燥させ、その一部を燃焼させて火炎Ｆを形成させる燃料供給管１１、高温燃焼用空気ＢＡＨを火炎Ｆ近傍に噴出させる高温空気ノズル１２等を備え、またガス化炉１０底部には、熱交換器２１の生成ガス入口２１ａに配管を介して接続する生成ガス排気口１０ｃを備える。なお、ガス化炉１０内部は、燃料ノズル１１近傍の、石炭スラリＦＬの一部を乾燥、燃焼させて火炎Ｆを形成させる部分燃焼領域１０ａと、部分燃焼領域１０ａの下側（生成ガスの流れとしては後流）の空間であって、火炎Ｆの輻射熱および燃焼排気ガスの熱により残余の石炭スラリＦＬを乾燥、熱分解させて生成ガスＧを生成するガス生成領域１０ｂとに区分される。
【００２３】
なお、ガス化炉１０の寸法は特に限定するものではないが、部分燃焼による火炎Ｆの形成を妨げないよう部分領域１０ａの径や高さを設定するとともに、生成ガスＧがガス生成領域１０ｂ内を下降して流れる間に生成ガスＧに同伴する石炭スラリが総て乾燥、熱分解して生成ガスＧを生成するよう、生成ガスＧの下降速度と熱分解の反応時間等とを考慮してガス生成領域の高さが設定され、全体としてガス化炉１０の径と高さとが設定される。また、生成ガス排気口１０ｃを底部に配置するのは、ガス生成領域１０ｂでの生成ガスＧの下降時間を十分に確保するためである。
【００２４】
燃料供給管１１は、部分燃焼領域１０ａを臨むようにガス化炉１０蓋部に取りつけられており、図示しないスラリ供給貯層から供給される石炭スラリＦＬを燃焼領域１０ａに供給する機能を有する。燃料供給管１１の形状、大きさ、材質、供給方向等については、特に制限はないが、石炭スラリＦＬを部分燃焼領域１０ａの所望の位置に閉塞なく供給できる様々の形式のものが採用できる。また、乾燥した石炭に着火することのできる図示しない着火装置も備える。
【００２５】
高温空気ノズル１２は、ガス化炉１０蓋部に開口し、高温燃焼用空気ＢＡＨを適宜方向に適宜強さの旋回を与えて部分燃焼領域１０ａに噴出させるもので、該噴出機能を有する様々の形式が採用できる。
多管式熱交換器２１は、ガス化炉１０の下側に配設され、多管式熱交換器２１の生成ガス入口２１ａが、生成ガス排気口１０ｃと、生成ガス出口２１ｂが後述する脱硫装置２２入口に、燃焼用空気入口２１ｄが図示しない給気装置に、燃焼用空気出口２１ｃが高温空気ノズル１２に、それぞれ配管を介して接続する。
【００２６】
熱交換器２１は、生成ガス排気口１０ｃから放出された高温の生成ガスＧを流入させて、該生成ガスＧを熱源として図示しない給気装置から供給される燃焼用空気ＢＡを、例えば、８００℃まで加熱し、高温燃焼用空気ＢＡＨとして高温空気ノズル１２から部分燃焼領域１０ａに噴出させる機能を有する。多管式熱交換器２１は、公知のものであり、その形状、材質等は特に限定するものではないが、例えば、９００〜１０００℃の生成ガスＧと燃焼用空気ＢＡとの熱交換を行うものであるので、伝熱面等の部分については十分な耐熱性が要求され、例えば耐熱合金が好適に使用できる。
【００２７】
熱交換器２１の下側には、さらに溶融灰スラグを収納するホッパ３１が配設され、熱交換器２１底部には、スラグ出口２１ｅが開口して配管を介してホッパ３１上部に開口するスラグ入口３１ａに接続する。
熱交換器２１の生成ガス出口２１ｂに接続する脱硫装置２２の生成ガス出口２２ａは、図示しない集塵器を介してガスタービン燃焼室（図示せず）へ接続しており、脱硫装置２２は、温度が低下した状態で熱交換器２１から排出される生成ガスＧ中の硫黄酸化物等を除去した上で、集塵器を介してガスタービン燃焼室へ供給する機能を有する。
【００２８】
次に本ガス化炉装置１の作用を説明する。
ガス化炉１０の部分燃焼領域１０ａには、燃料供給管１１から石炭スラリＦＬが供給され、該石炭スラリＦＬの一部に含まれる水分が蒸発し、該石炭スラリが乾燥、燃焼して火炎Ｆを形成する。火炎Ｆ周囲には、高温空気ノズル１２から噴出する高温燃焼用空気ＢＡＨが噴出供給される。また、残余の石炭スラリＦＬの一部は高温に熱せられて分解し生成ガス（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ2等）Ｇを発生する。生成ガスＧは、燃焼そのものにより発生する燃焼排気ガスとともに、部分燃焼領域１０ａからガス生成領域１０内に向って下降して流れる。なお、この下降流は、脱硫装置２２の更に後流側に設置される図示しないブロワの吸気作用により発生するもので、その流量や圧力は該ブロワ等により適宜調整される。生成ガスＧ中には、未反応の石炭スラリＦＬ（該石炭スラリが乾燥したものを含む）も含まれるが、ガス生成領域１０ｂ内を下降する間に該未反応の石炭スラリＦＬが火炎Ｆの輻射熱や高温の生成ガスＧの熱により乾燥、熱分解されて生成ガスＧを生成する。前述のように、ガス生成領域１０ｂの高さは、生成ガスＧがガス生成領域１０ｂ内に、かかる反応を完結させるのに必要な時間滞留した後に生成ガス排気口１０ｃからガス化炉１０外へ排出されるように設定されるので、燃料ノズル１１から供給された石炭スラリＦＬの殆どすべてが生成ガスＧとなって生成ガス排気口１０ｃから排出される。また、燃焼及び熱分解により発生し、高温のため溶融状態で生成ガスに同伴する溶融灰は、溶融灰スラグＭＳとなってガス化炉１０内を下へ移動し、生成ガス排気口１０ｃから、熱交換器２１内へ流入し、途中で冷却されつつ、さらに熱交換器スラグ出口２１ｅを介してホッパ３１に収容される。
【００２９】
高温の生成ガスＧは、生成ガス排気口１０ｃから配管を介して熱交換器２１に流入し、図示しない給気装置から供給される燃焼用空気ＢＡを、石炭の着火温度、例えば、種々の炭種を考慮して８００℃以上に加熱して燃焼用空気ＢＡＨを生成して自らの温度は低下する。なお、生成ガスの温度は、ガスタービン燃料として適切な温度等を考慮して設定される。温度の低下した生成ガスＧは、脱硫装置２２で硫黄酸化物等を除去し、更に図示しない集塵装置により塵埃などを除去した上で、例えば、図示しないガスタービンの燃焼室へ燃料として供給される。脱硫装置２２から排出される生成ガスＧの温度は、前述のとおり後段に接続されるガスタービン設備等の受け入れ条件に適合するように調整される。
【００３０】
一方、多管式熱交換器２１におおいて加熱された高温燃焼用空気ＢＡＨは、高温空気ノズル１２から、部分燃焼領域１０ａに形成されている火炎Ｆ近傍へ噴出供給される。
従来技術では燃焼用空気の加熱のために燃料を余分に必要としていたが、本ガス化炉装置１ではかかる余分の燃料が不要となり、ガス化炉１０に供給される燃料の大部分が熱分解されて生成ガスを生成するのでガス化効率が向上する。発明者の試算によれば、本装置１により生成ガスＧを製造した場合、ガス化炉１０内に供給する燃焼用空気量を、従来技術に比較して１０〜１５％程度減少させることができる。燃焼用空気を減少させられるということは、それだけ、ガス化炉１０内で加熱のために燃焼してしまう燃料の量が減少し、その分の燃料が生成ガスＧ生成に寄与することを意味し、同じ燃料量でそれだけ多くの生成ガスＧが得られる、すなわちガス化効率が向上するということである。
【００３１】
以上で第１の実施例にかかるガス化炉装置１の説明を終了するが、第１実施例にかかるガス化炉装置には様々の態様があることはいうまでもない。以下にかかる別態様について説明する。
第１実施例においては、熱交換器２１から排出される生成ガスＧを直接脱硫装置２２へ供給していたが、図２に示すように熱交換器２１の生成ガス出口２１ｂと脱硫装置２２との間にサイクロン（粉塵除去手段）３２を介装して、生成ガスＧ中の粉塵（飛灰、チャ−を含む）を除去して該ガスＧを脱硫装置２２へ供給するとともに、除去された粉塵は、高温空気ノズル１２近傍に設置された粉塵ノズル（粉塵供給手段）３３を介してガス化炉１０内に戻す構造としてもよい。生成ガスＧ中に含まれる粉塵をサイクロン３２により除去して、脱硫装置２２や更にその後流に接続されるガスタービン装置等における粉塵による閉塞や磨耗を防止するとともに、除去された粉塵は、ガス化炉１０内に戻して燃焼または溶融処理でき、特にチャ−についてはガス化炉１０内でガス化させてガス化効率をさらに向上できる。
【００３２】
第１実施例においては燃料供給管１１を部分燃焼領域１０ａを臨むようにのみ設置したが、図３に示すように該燃料供給管１１に加えて、ガス生成領域１０ｂを臨むように後段燃料供給管（後段燃料供給手段）４１を設置してもよい。この場合には、燃料供給管１１から供給される石炭スラリＦＬの一部により火炎が形成され、ガス化炉１０内が高温になる。一方、該後段燃料供給管４１から供給される石炭スラリＦＬは、上記火炎からの輻射熱等により加熱されるが、燃焼用の空気が供給されず、後段燃料供給管４１近傍には強い還元性雰囲気が形成され、石炭スラリＦＬの殆どは燃焼せず、乾燥、熱分解して生成ガスＧを生成する。
【００３３】
第１実施例においては、熱交換手段を多管式熱交換器としたが交番型あるいは回転型の蓄熱式熱交換器を熱交換手段として使用することもできる。
さらに、第１実施例においては、燃焼用酸化ガスとしては空気を使用したが、これに代えて酸素を使用してもよい。酸素を使用した場合には、生成ガスの中に窒素が含まれず、生成ガスの単位体積（又は単位重量）あたりの発熱量が増加する。
【００３４】
また、第１実施例においては、固体燃料としては石炭スラリＦＬを使用したが、微粉炭やより粒子の粗い粒状の石炭や木材チップ等のバイオマス燃料、或いは、例えば含水率８０％程度の汚泥を使用することもできる。特に汚泥を使用した場合には、燃焼、或いは熱分解による生成ガス生成の前に、汚泥に含有される水分を蒸発させることが必要になるが、本発明によっては、ガス化炉内に高温燃焼用空気ＢＡＨを供給するので、第１実施例の石炭スラリの乾燥、部分燃焼及び熱分解による生成ガス生成プロセスと同様、補助燃料や補助バーナを使用せずに、汚泥のみを燃料として該水分を蒸発させ、生成ガスを生成させることができる。
【００３５】
第１実施例においては、本ガス化炉は、ガス化複合サイクル発電への燃料供給を目的として使用したが、水素ガス、ジメチルエーテル或いはメタノール等の燃料生産システム、或いはガス化燃料電池発電システム（ＩＧＦＣ）等への燃料供給も考えられる。
本発明の第２の実施例にかかるガス化炉装置５０を図４を参照しつつ説明する。
ガス化炉装置５０は、微粉炭を燃料とする噴流床炉方式のガス化炉５１に本発明を適用するものであり、ガス化炉５１の形状、構造及びそれに伴なう生成ガス、溶融灰スラグ等の流れ等が異なり、また、燃料が水分を含まないことために、燃料の乾燥がなく部分燃焼及び熱分解を生じる等の相違があるが、それ以外の基本的な装置構成、作用効果は第１実施例と同様である。
【００３６】
本ガス化炉装置５０は、微粉炭（固体燃料）ＦＣの一部を燃焼させる部分燃焼領域５２ａを備え、該燃焼の燃焼熱により残余の微粉炭ＦＣを加熱して生成ガスＧを生成させるガス化炉５１と、ガス化炉５１から排出される生成ガスＧにより、燃焼用酸化ガスＢＡを微粉炭の着火温度（例えば、８００℃）以上に加熱して高温燃焼用空気ＢＡＨ（高温燃焼用酸化ガス）を生成する多管式熱交換器（熱交換手段）５７と、高温燃焼用空気ＢＡＨをガス化炉５１の部分燃焼領域５２ａに噴出させる高温空気ノズル（高温酸化ガス供給手段）５６と、微粉炭ＦＣをガス化炉５１の部分燃焼領域５２ａに噴出させて、微粉炭ＦＣの一部を燃焼させる燃料ノズル（燃料供給手段）５５等を備えて構成される。
【００３７】
ガス化炉５１は、微粉炭の一部を燃焼させる部分燃焼領域５２ａを備え、該燃焼による火炎Ｆを形成するコンバスタ５２と、コンバスタ５２の上側（生成ガスの流れとしては後流）に配設され、火炎Ｆの輻射熱および燃焼排気ガスの熱により残余の微粉炭を熱分解させるリダクタ５３及びコンバスタ５２の下側に配設され、コンバスタ５２内における微粉炭ＦＣ燃焼、リダクタ５３内における微粉炭ＦＣの熱分解等により発生する溶融灰スラグＭＳを回収するホッパ５４等を備える。
【００３８】
コンバスタ５２は、リダクタ５３と連通する円環状の蓋部と円筒状の胴部と漏斗状の底部とから形成され、胴部には、図示しないミルにより適宜平均粒径に粉砕され搬送用空気により圧送される微粉炭ＦＣをコンバスタ内の部分燃焼領域５２ａに噴出させて火炎Ｆを形成させる燃料ノズル５５、高温燃焼用空気ＢＡＨを火炎Ｆ近傍に噴出させる高温空気ノズル５６等を備える。
【００３９】
燃料ノズル５５は、部分燃焼領域５２ａを臨むようにコンバスタ５２胴部に取りつけられており、図示しないミルから搬送用空気により圧送された微粉炭ＦＣを燃焼領域５２ａに噴出する機能を有する。燃料ノズル５５の形状、大きさ、材質、噴出方向、旋回強さ、噴出させた燃料の濃淡分布等については、特に制限はないが、微粉炭ＦＣを部分燃焼領域５２ａの所望の位置に閉塞なく噴出させることのできる様々の形式のものが採用できる。但し、ノズル先端部に微粉炭に着火するための着火機構（図示せず）を有することはいうまでもなく、スラッギング防止装置等適宜必要装置を付加することができる。
【００４０】
リダクタ５３は、上端に蓋を有する円筒形状を形成しており、下端部はコンバスタ５２に連通し、上端の蓋部（炉頂部）には、生成ガスＧをガス化炉５１外へ放出する生成ガス排気口５３ａを備え、前述のようにコンバスタ５２の火炎の輻射熱及び高温の燃焼排気ガスからの熱により残余の微粉炭ＦＣを熱分解して生成ガスを生成する機能を有する。
多管式熱交換器５７は、リダクタ５３の生成ガス排気口５３ａから放出された高温の生成ガスＧを流入させて、該生成ガスＧを熱源として図示しない給気装置から供給される燃焼用空気ＢＡを、例えば、８００℃まで加熱し、高温燃焼用空気ＢＡＨとして高温空気ノズル５６からコンバスタ５２ａの部分燃焼領域に噴出させる機能を有する。
【００４１】
脱硫装置５８の生成ガス出口５８ａは、図示しない集塵装置を介してガスタービン燃焼室（図示せず）へ接続しており、脱硫装置５８は、温度が低下した状態で熱交換器５７から排出される生成ガスＧ中の硫黄酸化物等を除去した上で、生成ガスＧを該設備へ供給する機能を有する。
上記に説明した以外のシステム構成、機器等については第１実施例と同様であるので説明を省略する。
【００４２】
次に本ガス化炉装置５０の作用について説明する。
燃料ノズル５５から噴出する微粉炭燃料ＦＣの一部が、高温空気ノズル５６から供給される高温燃焼用空気ＢＡＨにより燃焼し、部分燃焼領域５２ａ内に高温の還元雰囲気を形成する。この部分燃焼領域５２ａで燃料ＦＣの熱分解により発生した生成ガスＧとそれに同伴する未燃の燃料ＦＣがリダクタ５３内を上昇しつつ、燃焼火炎Ｆからの輻射熱及び高温の生成ガスＧに晒されることにより未燃の燃料ＦＣが加熱され、熱分解して生成ガスＧを生成する。この際発生する溶融灰は下へ落下し、溶融スラグＭＳとなってホッパ５４へ回収される。高温の生成ガスＧは、リダクタ頂部の生成ガス排気口５３ａから熱交換器５７へ導かれそこで燃焼用空気ＢＡを微粉炭燃料の着火温度（例えば、８００℃）以上に加熱し、自らの温度は低下し、脱硫器５８において硫黄酸化物等を除去された上で図示しないガスタービンの燃焼室などへ送られる。一方高温に加熱された高温燃焼用空気ＢＡＨは高温空気ノズル５６から部分燃焼領域５２ａに噴出されることは前述のとおりである。
【００４３】
以上のプロセスにより生成ガスＧが生成されるため、高温の生成ガスＧにより燃焼用空気が加熱され、該加熱のために特に燃料を加えて燃焼させる必要がなく、そのためにガス化効率が向上する等、第１実施例と同様の効果が生じることはいうまでもない。
次に本発明の第３の実施例にかかるガス化炉装置６０を図５を参照しつつ説明する。
本ガス化炉装置６０は、流動床炉をガス化炉６１として本発明を適用する例であり、ガス化炉６１の形状、構造等及びそれに伴なう生成ガスの流れ等を除く、基本的なシステム構成、機器等及びその作用効果については、第１実施例と同様である。
【００４４】
ガス化炉装置６０は、石炭スラリー（固体燃料）ＦＬを燃料とするガス化炉設備であるが、底部近傍に流動媒体である砂の流動層が形成され、流動層を流動化させながら石炭スラリＦＬを乾燥（水分蒸発）させ、その一部を燃焼させるとともに残余の石炭スラリＦＬを、乾燥、熱分解させてガス化するガス化炉６１と、該ガス化炉６１から排気される生成ガスＧを熱源として、燃焼用空気ＢＡを、石炭スラリＦＬを乾燥させ着火温度以上に加熱することのできる温度まで加熱する多管式熱交換器（熱交換手段）７１等を備える。
【００４５】
ガス化炉６１は、上部に膨らみを有し、上下両端が閉じられた円筒状構造物である。底部近傍に炉床６２が配設され、ガス化炉６１を炉床６２上側の上部空間６３と下側の空気室６７とに区画している。上部空間６３は、砂（流動媒体）６４ａが適宜高さまで充填される流動層６４、流動化した石炭（石炭スラリが乾燥したもの）の一部が燃焼する部分燃焼領域６５と、更にその上の炉頂近傍のリダクタ６６が炉床６２から上に向ってこの順序で形成される。部分燃焼領域６５とリダクタ６６との境界近傍のガス化炉６１壁面には石炭スラリＦＬをガス化炉６１内に供給する燃料供給管６８が開口している。
【００４６】
一方、ガス化炉６１の炉頂近傍には、ガス化炉６１内で生成する生成ガスＧを排出する生成ガス排気口６６ａが配設され、該排気口６６ａは配管を介して多管式熱交換器７１に接続し、さらに熱交換後の生成ガスＧは、生成ガスＧ中の硫黄酸化物等を除去する脱硫装置７２を経て図示しない集塵装置を介してガスタービン燃焼室（図示せず）に供給される構造となっている。
【００４７】
また、空気室６７内には、後述する高温燃焼用空気ＢＡＨを、空気室６７に噴出させる高温空気ノズル６７ａを備える。
炉床６２には、炉床６２を上下に貫通する孔部である、多数の散気ノズル（散気手段）６２ａが開孔しており、前述の高温空気ノズル６７ａから空気室６７へ流入した高温燃焼用空気ＢＡＨを流動層６４内へ均一に吹き込むことができる構造となっている。なお、該炉床６２および散気ノズル６２ａは、それぞれ流動床炉において公知のものである。
【００４８】
多管式熱交換器７１は、ガス化炉６１の生成ガス排気口６６ａから排出される高温の生成ガスＧと、燃焼用空気ＢＡとを熱交換させ、燃焼用空気ＢＡを加熱して、高温燃焼用空気ＢＡＨを生成し、高温空気ノズル６７ａを介して空気室６７へ噴出される構造となっている。
燃料供給管(燃料供給手段)６８は、石炭スラリＦＬを定量的にガス化炉６１の流動層の上に供給するものである。
【００４９】
次に本ガス化炉装置６０の作用について説明する。
高温燃焼用空気ＢＡＨが高温空気ノズル６７ａを介して空気室６７に流入し、炉床６２の多数の散気ノズル６２ａを通して流動層６４内に均一に噴出し、流動媒体（砂）６４ａをまきあげて流動層６４を流動化させる。この状態で燃料供給管６８から流動層６４の上に石炭スラリＦＬが供給される。該石炭スラリＦＬ中の水分が、高温燃焼用空気ＢＡＨによりただちに蒸発し、燃料ＦＬ自身も水分蒸発により乾燥するとともに、燃料ＦＬの一部が高温燃焼用空気ＢＡＨにより加熱され着火温度まで加熱されて着火し、燃焼火炎Ｆを形成する。このとき、残余の未燃石炭スラリ（及びその乾燥物）は、燃焼ガスとともにリダクタ６６内を上昇しつつ火炎Ｆからの輻射熱及び燃焼排気ガスを含む生成ガスＧにより加熱されて熱分解して生成ガスＧを生成する。
【００５０】
生成ガスＧは、生成ガス排気口６６ａから排出され、熱交換器７１において燃焼用空気ＢＡを加熱して例えば８００℃程度の高温燃焼用空気ＢＡＨを生成させ、自らの温度は低下して、脱硫装置７２において硫黄酸化物等が除去され図示しないガスタービン燃焼室などへ供給される。
以上のプロセスにより生成ガスＧが生成されるため、高温の生成ガスＧにより燃焼用空気が加熱され、該加熱のために特に燃料を加えて燃焼させる必要がなく、そのためにガス化効率が向上する等、第１実施例と同様の効果が生じることはいうまでもない。
【００５１】
なお、第２、第３実施例については代表的な例を説明するに留めたが、第１実施例に記載した様々の別態様を適宜適用することができることはいうまでもない。
なお、ここで説明した実施形態は一つの例であって、本発明はこれのみに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において変更を加えうることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１実施例にかかるガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【図２】本発明の第１実施例の別態様のガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【図３】本発明の第１実施例の更に又別の態様のガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【図４】本実施の第２実施例にかかるガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【図５】本実施の第３実施例にかかるガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【符号の説明】
【００５３】
１、５０、６０  ガス化炉装置
１０、５１、６１  ガス化炉
１０ａ、５２ａ、６５  部分燃焼領域
１１、６８  燃料供給管
１２、５６、６７ａ  高温空気ノズル
２１、５７，７１  多管式熱交換器
３２  サイクロン
３３  粉塵ノズル
４１  後段燃料供給管
５５  燃料ノズル
６２  炉床
６２ａ  散気ノズル
６４  流動層
６４ａ  砂（流動媒体）
【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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