(57)【要約】【課題】解消手段といった機械的な構成を付加的に設けることなく、スラグタップ排出孔及びスラグ排出孔といった排出系にてスラグの詰まりが発生することを未然に防止することができる、石炭ガス化装置におけるスラグ形態調整方法を提供する。【解決手段】ガス化炉で形成される溶融スラグの組成を、ＣａＯとＳｉＯ２の重量比により決定される塩基度が０．３〜１．２の範囲内に設定することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置において、前記ガス化炉で形成される溶融スラグのスラグ形態調整方法であって、
前記溶融スラグの組成は、ＣａＯとＳｉＯ２の重量比により決定される塩基度が０．３〜１．２の範囲内に設定されることを特徴とするスラグ形態調整方法。
【請求項２】
前記溶融スラグの塩基度を０．３〜１．２の範囲内に設定するために、前記石炭の原材料となる原炭及びその調製剤の成分を調整することを特徴とする請求項１に記載のスラグ形態調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置に係り、石炭ガス化の際に石炭に含まれる灰分が溶融してなるスラグの排出において閉塞が発生することを防止するスラグ形態調整方法に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の石炭ガス化装置として、例えば、特許文献１〜３に示される技術が知られている。
特許公報１及び２に示される石炭ガス化装置では、下段のガス化炉において、酸素、又は、酸素及び水蒸気と、石炭を投入して部分酸化によりガス化ガスを生成し、上段の改質炉において、前記生成したガス化ガス中に石炭及び水素を投入して水素化熱分解によりガス、オイル、及びチャーを生成する、上下二室二段の反応器を用いた方式が示されている。そして、このように反応器を二室二段とすることで、石炭のガス化を行う部分と水素化熱分解を行う部分を完全に分けることができ、各部分の操作条件を自由に設定することが可能となる。
【０００３】
また、特許公報３に示される石炭ガス化装置では、微粉炭及びガス化剤（酸素含有ガス等）を、高温加圧されたガス化炉内に噴入して内部のガス化部で部分酸化させる構成であり、これにより生成ガスを得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８‐１７４５８３号公報
【特許文献２】特開２００５‐１６２８９６号公報
【特許文献３】特開平１１‐１４０４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許公報１〜３に示される石炭ガス化装置では、ガス化炉内で発生したスラグを、該ガス化炉のスラグタップ排出孔を経由して下方に位置する水槽（水砕部）に案内し、さらに水槽のスラグ排出孔を通じてさらに下方のスラグロックホッパに案内するようにしているが、このとき、これらスラグタップ排出孔及びスラグ排出孔といった排出系が、排出されるスラグにより閉塞することがある。
このため、特許文献３では、別途、気体注入ライン、冷却水抜き出しラインなどの詰まり解消手段を設けているが、このような解消手段を設けることで、装置全体が複雑化する。また、このような解消手段を作動させれば、ガス化炉内の圧力及び温度が乱れ、石炭ガス化処理に支障を来たすという問題もあった。
【０００６】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、解消手段といった機械的な構成を付加的に設けることなく、スラグタップ排出孔及びスラグ排出孔といった排出系にてスラグの詰まりが発生することを未然に防止することができる石炭ガス化装置におけるスラグ形態調整方法を提供する。
【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、この発明は以下の手段を提案している。
本願の請求項１は、石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置において、前記ガス化炉で形成される溶融スラグのスラグ形態調整方法であって、前記溶融スラグの組成は、ＣａＯとＳｉＯ２の重量比により決定される塩基度が０．３〜１．２の範囲内に設定されることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、ガス化炉で形成される溶融スラグの組成を、塩基度が０．３〜１．２の範囲内に設定することにより、スラグの融点が上昇して運転効率の低下を招かない範囲で、スラグ詰まりの原因となりうる繊維状スラグの発生割合を低下させることができ、これによって溶融スラグを炉外に排出する排出系にてスラグの詰まりが発生することを未然に防止することができる。また、本発明では、溶融スラグの組成を、塩基度が０．３〜１．２の範囲内に設定することにより、従来のように、解消手段といった機械的な構成を付加的に設けることなく、スラグ詰まりを効果的に防止することができる。
すなわち、前記塩基度が０．３よりも小さいと、繊維状スラグの発生割合を低下させることが難しく、前記塩基度が１．２よりも大きいと、スラグの融点が上昇して運転効率が低下するおそれがある。
【０００９】
本願の請求項２は、前記溶融スラグの塩基度を０．３〜１．２の範囲内に設定するために、前記石炭の原材料となる原炭及びその調製剤の成分を調整することを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、溶融スラグの塩基度を０．３〜１．２の範囲内に設定するために、石炭の原材料となる原炭及びその調製剤の成分を調整することで、繊維状スラグを減少させてスラグ詰まりを防止できるので、従来のように、解消手段といった機械的な構成を付加的に設けることなく、スラグ詰まりを効果的に防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
本願の請求項１に係るスラグ形態調整方法によれば、ガス化炉で形成される溶融スラグの組成を、塩基度が０．３〜１．２の範囲内に設定することにより、スラグの融点が上昇して運転効率の低下を招かない範囲で、繊維状スラグの発生割合を低下させることができ、これによって溶融スラグを炉外に排出する排出系にてスラグの詰まりが発生することを未然に防止することができる。また、本発明では、溶融スラグの組成を、塩基度が０．３〜１．２の範囲内に設定することにより、従来のように、解消手段といった機械的な構成を付加的に設けることなく、スラグ詰まりを効果的に防止することができる。
【００１２】
本願の請求項２に係るスラグ形態調整方法によれば、溶融スラグの塩基度を０．３〜１．２の範囲内に設定するために、石炭の原材料となる原炭及びその調製剤の成分を調整することで、繊維状スラグを減少させてスラグ詰まりを防止できるので、従来のように、解消手段といった機械的な構成を付加的に設けることなく、スラグ詰まりを効果的に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明が適用される石炭ガス化装置の概略構成図である。
【図２】溶融スラグの塩基度と繊維状スラグの発生割合を示すグラフである。
【図３】溶融スラグ形態を示す繊維状スラグを説明するための図である。
【図４】溶融スラグの塩基度とスラグの融点との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態について図１〜図４を参照して説明する。
図１は、本実施形態として示される一般的な石炭ガス化装置１００であって、ライン（図示略）より微粉炭（石炭）を搬送し、ライン１を用いてガス化剤（酸素含有ガス等）をバーナ２より高温の加圧されたガス化炉３内に噴入して部分酸化させる構成であり、このガス化炉３で生じる生成ガスＧを上部開口３Ａから排出する。
なお、ガス化炉３の上部開口３Ａの上方には、該ガス化炉３内で生成したガス化ガス中に水素を投入して水素化熱分解によりガス、オイル、及びチャーを生成する図示しない改質炉が連設されている。
【００１５】
また、ガス化炉３での部分酸化に伴い、副産物として石炭中の灰分がスラグとなってガス化炉３の内壁にスラグコーティング（符号Ｓで示す）されるとともに、その一部は溶融スラグＳ１になって排出される。
すなわち、前記ガス化炉３は、その下部に設けられたスラグタップ排出孔３Ｂを経由して、内部で形成される溶融スラグＳ１が排出かつ滴下されるものであって、スラグタップ排出孔３Ｂから排出された溶融スラグＳ１は、スラグ冷却部４を滴下する間に冷却された後、スラグ水砕部５に貯留される。
このスラグ水砕部５は内部にスラグ冷却水６が貯留されるものであって、溶融スラグＳ１を水砕・急冷却して水砕スラグＳ２とした後、下部のスラグ排出孔５Ａより排出する。
なお、ガス化炉３内の温度は、例えば約１３００〜１６００℃程度とされ、スラグ冷却部４の温度は、例えば約５００〜８００℃程度とされ、スラグ水砕部５の温度は、例えば約４０〜６０℃程度となっている。
【００１６】
前記スラグ水砕部５の下部に位置するスラグ排出孔５Ａには、弁７を有する連結管８が接続されており、該連結管８を通じて、スラグ水砕部５から排出された水砕スラグＳ２がスラグロックホッパ１０に送られる。
このスラグロックホッパ１０は、例えば、水砕スラグＳ２を一定時間貯留して、スラグ沈殿させるものであって、一定時間が経過した後に、弁１１を有する連結管１２を経由して水砕スラグＳ２を系外に取り出すようにしている。
【００１７】
次に、ガス化炉３で生じる溶融スラグＳ１について説明する。
本発明に係る溶融スラグＳ１の組成は、塩基度が０．３〜１．２の範囲内に設定されるものであって、このような塩基度の範囲設定により、スラグ排出時の閉塞原因となる繊維状スラグの発生を抑制し、スラグの安定した排出状態が維持されるものである。
そして、このような溶融スラグＳ１の塩基度を０．３〜１．２の範囲内に設定するためには、当該塩基度を基準として、石炭の原材料となる原炭及びその調製剤の成分を調整する。なお、ここで言う塩基度とは、ＣａＯとＳｉＯ２の重量比（＝ＳｉＯ２／ＣａＯ）であって、溶融スラグＳ１の塩基度が、０．３〜１．２の範囲内になるように原炭及びその調製剤の成分を調整する。すなわち、溶融スラグＳ１の塩基度は、石炭における塩基度と相関関係があり、予め検証試験などを実施し、この相関関係を知得しておくことにより、石炭の塩基度に基づいて溶融スラグＳ１の塩基度を調整することが可能になる。
【００１８】
塩基度を０．３〜１．２の範囲内に設定する理由の一つとしては、スラグの融点が上昇して運転効率の低下を招かないように塩基度を１．２以下とするものである。すなわち、図４に示すように、塩基度を１．２より大きくすると、スラグの融点が急激に上昇し、運転効率の低下が招かれるおそれがある。
【００１９】
また、塩基度を０．３〜１．２の範囲内に設定する他の理由としては、図２に示すように、塩基度を上げることにより、スラグタップ排出孔３Ｂから排出される溶融スラグＳ１（滴下スラグ）に含有される「繊維状スラグ」の発生割合が減少するからであり、ここで閉塞発生の原因となりうる繊維状スラグの発生割合を８０％以下とするために、塩基度を０．３以上とするものである。すなわち、繊維状スラグの発生割合が８０％よりも大きいと、スラグ詰まりが発生し易いことが、本発明者の実験により確認されている。なお図２に示されるように、塩基度が０．５以上となると、繊維状スラグの発生割合が２０％以下になる。
【００２０】
ここで、溶融スラグＳ１がガス化炉３のスラグタップ排出孔３Ｂから排出されてスラグ冷却部４を滴下する際の形態変化には、スラグのガラス化及び結晶化が係っており、これらガラス化及び結晶化にはスラグの塩基度と冷却速度が関係している。特に、本実施形態で示される石炭ガス化装置１００のように、スラグがガス化炉３からスラグ冷却部４に排出され、スラグが溶融状態から急速に冷却される（冷却速度が高い範囲に設定される）場合には、塩基度の影響が大きいことが、本発明者の実験により確認されており、溶融スラグＳ１の塩基度を調整することでスラグの形態を制御することが可能となる。
このため、溶融スラグＳ１の塩基度調整のために、原炭及びその調製剤の成分を調整するようにし、これによって石炭ガス化装置１００のガス化炉３から排出困難となる滴下スラグ（溶融スラグＳ１）中の繊維状スラグの形成を抑制し、該石炭ガス化装置１００を安定的に運転可能とする。
【００２１】
また、本実施形態で示される繊維状スラグは断面形状がほぼ円形の長尺体（すなわち、円柱形状）であって、図３に示すように、円柱の径が０．５ｍｍ以下となるスラグを、本実施形態で述べる「繊維状スラグ」とする。この繊維状スラグは、径の減少に従って水中での沈降速度が低下し、排出系に詰まりが発生しやすくなる。ここで繊維状スラグの径と沈降速度との関係を表１に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
なお、繊維状スラグの径の増減と、この繊維状スラグが水中を落下する場合のレイノルズ数Ｒｅとは対応しているが、レイノルズ数Ｒｅが１００未満である場合には、繊維状スラグの抵抗係数Ｃｄが、レイノルズ数Ｒｅの減少に対して一定の傾きで増加傾向を示す。そして、繊維状スラグが水中を落下する場合には、径０．５ｍｍが「Ｒｅ＝１００」に相当する。
【００２４】
一方、塩基度が上昇することにより、繊維状スラグが減少するとともに該繊維状スラグが細かくなって、図３で示すような「粒状スラグ」に変化する。これによりスラグタップ排出孔３Ｂでの溶融スラグＳ１の流れが良くなってスラグ詰まりが確実に防止される。
【００２５】
ここで、溶融スラグＳ１の塩基度を０．３〜１．２の範囲内に設定するための塩基度の調整手順について説明する。
【００２６】
（１）予め、原炭の灰組成と灰分量を測定する。このとき例えば、原炭の灰組成として、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｎＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、Ｐ２Ｏ５、ＳＯ３、Ｋ２Ｏ、Ｎａ２Ｏを測定し、残分は強熱減量（ｉｇ. Ｌｏｓｓ）とする。
【００２７】
（２）次に、前述の測定結果、および目標とするスラグ組成の塩基度（０．３〜１．２）に基づき、調製剤を準備する。ここで調製剤の原料としては、例えば、鉱物（石灰石、硅砂、葉ろう石等）や酸化物粉末（高炉スラグ粉末、耐火材粉末、各種セメント粉末等）等が利用できる。スラグ組成は、例えば、各灰組成および酸化物組成の加重平均で計算することができる。なおこのとき、重量比が大きい代表的な組成を２〜５種類選択して判断してもよい。
【００２８】
（３）最後に、原炭と調製剤を混合する。例えば、原炭をコンベアスケール等で計量しながら搬送する場合は、その時間当りの流量（ｋｇ／ｈ）に合わせて、調製剤を一定の重量比で混入する。この後、固体混合器や気流搬送等を用いて原炭と調製剤を良く混合する。
【００２９】
〔実施例〕
以下に、本実施形態に係るスラグ形態調整方法の一例を示す。
まず、ここで使用する原炭をタニトハルム炭とし、その灰組成及びその灰分量は、例えば、ＳｉＯ２を５１.０５ｗｔ％、ＣａＯを６.８７ｗｔ％、Ｆｅ２Ｏ３を１０．９５ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３を２５.０７ｗｔ％、ＭｎＯを０．０５ｗｔ％、ＭｇＯを２.４８ｗｔ％、ＴｉＯ２を１.１３ｗｔ％、Ｐ２Ｏ５を０．３３ｗｔ％、ＳＯ３を０．０９ｗｔ％、Ｋ２Ｏを１.２８ｗｔ％、Ｎａ２Ｏを０．６２ｗｔ％、ｉｇ. Ｌｏｓｓを０．０８ｗｔ％（いずれもＤＲＹ）とする。
本例では、原炭の塩基度は０．１３５程度である。そして、石炭ガス化炉を、部分酸化部石炭５００ｋｇ／ｈ、酸素３１５Ｎｍ３／ｈ、水蒸気５０ｋｇ／ｈ、改質部石炭量１５０ｋｇ／ｈを投入し、圧力２.５ＭＰａＧ、温度１５５０℃で運転を行い、ガス発生量は約１４４０Ｎｍ３／ｈ、チャー６０ｋｇ／ｈとなったところ、原炭を使用した際のスラグの発生量は、３５ｋｇ／ｈ程度であり、そのほとんどが繊維状スラグであった。
この原炭に対して、調製剤を徐々に増量していき溶融スラグＳ１の塩基度を上げると、図２に示すように、該溶融スラグＳ１に占める繊維状スラグの重量割合は、塩基度を上げるに従って、減少することが確認された。特に、溶融スラグＳ１の塩基度が０．３を越えた時点で、溶融スラグＳ１に占める繊維状スラグの重量割合は８０％以下となって、スラグタップ排出孔３Ｂ及びさらに下流のスラグ排出孔５Ａでのスラグ詰まりを防止できることが確認されている。
【００３０】
以上詳細に説明したように本実施形態に係る石炭ガス化装置１００におけるスラグ形態調整方法によれば、ガス化炉３で形成される溶融スラグＳ１の組成を、塩基度が０．３〜１．２の範囲内に設定することにより、繊維状スラグの発生割合を低下させることができ、これによって溶融スラグＳ１及びその後に形成される水砕スラグＳ２を炉外に排出する排出系にてスラグの詰まりが発生することを未然に防止することができる。また、本実施形態では、溶融スラグＳ１の組成を、塩基度が０．３〜１．２の範囲内に設定することにより、従来のように、解消手段といった機械的な構成を付加的に設けることなく、スラグ詰まりを効果的に防止することができる。
【００３１】
なお、上記実施形態では、繊維状スラグの発生割合を低下させるために、塩基度を０．３〜１.２の範囲に設定することを必須とするものであるが、スラグの融点の上昇を抑えるために、０．３〜１.２の範囲内において特に０．３〜０．５の範囲に塩基度を設定しても良い。そして、０．３〜０．５の範囲内での塩基度設定により、２０〜８０％に繊維スラグ発生割合を維持することができる。
【００３２】
また、上記実施形態では、ガス化炉３及び改質炉からなる二室二段炉を使用したが、これに限定されず、例えば１つの炉において、ガス化ガスを生成と、水素化熱分解とを共に行うガス化炉を有する石炭ガス化装置などにおいて、繊維状スラグの発生抑制のために、溶融スラグの塩基度を０．３〜１.２の範囲内に調整しても良い。
【００３３】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、石炭を部分酸化してガス化するガス化炉を有する石炭ガス化装置におけるスラグ形態調整方法に関する。
【符号の説明】
【００３５】
３  ガス化炉
３Ｂ  スラグタップ排出孔
１００  石炭ガス化装置
Ｓ１  溶融スラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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