(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
旋回流が形成され、微粉固体原料の灰の溶融温度以上に保持され、かつ該原料の可燃分を一酸化炭素および水素に富む生成ガスに、前記原料の灰分をスラグにそれぞれ変換し、側壁が水冷壁からなるガス化部と、該ガス化部の下方に位置し該ガス化部からスラグ流下孔を経て流下するスラグを冷却水により水砕するスラグ流下孔より大径の側壁を有するスラグ冷却部と、前記ガス化部の上方に位置し前記生成ガスの熱を回収する熱回収部とを含んで構成されたガス化装置において、前記スラグ冷却部は、側壁に前記ガス化部の水冷壁とは異なるボイラ系統の水冷壁を有し、該水冷壁の表面温度を３５０℃以下に維持することを特徴とする気流層ガス化装置。
【請求項２】
旋回流が形成され、微粉固体原料の灰の溶融温度以上に保持され、かつ該原料の可燃分を一酸化炭素および水素に富む生成ガスに、前記原料の灰分をスラグにそれぞれ変換し、側壁が水冷壁からなるガス化部と、該ガス化部の下方に位置し該ガス化部からスラグ流下孔を経て流下するスラグを冷却水により水砕し、前記スラグ流下孔を加熱するバーナを設置したスラグ流下孔より大径の側壁を有するスラグ冷却部と、前記ガス化部の上方に位置し前記生成ガスの熱を回収する熱回収部とを含んで構成されたガス化装置において、前記スラグ冷却部は、側壁に前記ガス化部の水冷壁とは異なるボイラ系統の水冷壁を有し、該水冷壁の表面温度を３５０℃以下に維持することを特徴とする気流層ガス化装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記スラグ冷却部の水冷壁の表面温度を変化させることができることを特徴とする気流層ガス化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は石炭に代表される微粉固体炭素質原料の気流層方式のガス化装置に係り、特にガス化部の下方に位置するスラグ冷却部にスラグを付着させないあるいは効率よく除去するガス化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、石炭等の固体炭素原料をガス化する炉には、固定層、流動層、気流層等の各方式が種々提案されている。これらの方式の中で、気流層は原料を微粉にして酸素、空気などの酸化剤と共に原料灰の融点以上の温度（約１３００〜１６００℃）の炉内に供給してガス化させるため、他の方式に比較しガス化効率が高い、適用炭種が広い、環境適合性が優れているなどの特徴を有しており、合成ガス、複合発電、燃料電池等の燃料および原料製造に適しているので、国内外で開発が進められている。
【０００３】
図６に従来の気流層ガス化装置の概略構成図を示す。まずこのガス化装置の構成について説明する。ガス化装置１は、ガス化部３、ガス化部３の上方に位置する熱回収部４、ガス化部３の下方に位置するスラグ冷却部５とを備えた高圧のガス化炉２と、ガス化炉２の下方に位置するスラグ分離部６とから構成される。ガス化部３にはバーナ７が複数段設けられ、各々のバーナ７には原料ライン８と酸化剤ライン９とが接続されている。ガス化部３の底部にはスラグを排出するスラグ流下孔１０が設けられている。
【０００４】
熱回収部４は図７に示すように伝熱管１２と平板１３を溶接して組み上げられた構造で、一般のボイラの水壁等に用いられているメンブレンと呼ばれる構造である。この構造だけでは熱回収部の数十気圧の圧力に耐えられないため、熱回収部４を本体圧力容器１１の内部に空間部１４を介して収容している。空間部１４には、図に示していないが熱回収部４内の圧力より少し高い圧力のパージガスを注入する。
【０００５】
ガス化部３の横断面の構造を第８図に示す。このガス化部３はガス化炉２の中でもっとも高温になる部分であるため、伝熱管１２の内部に耐火材３３を施工した構造になっている。
【０００６】
一方、スラグ冷却部５はスラグ流下孔１０の下方に位置し、側壁が耐火材３２で構成され、空間部１５と冷却水１６が溜められた水槽からなる。また、スラグ冷却部５にはスラグ流下孔１０に噴出方向が向けられたバーナ３５とガス抜きライン３４が設置してある。バーナ３５には、軽油、メタン等の燃料を供給する燃料ライン３６、および燃焼用空気を供給する空気ライン３７とが接続されている。
【０００７】
スラグ分離部６は本体圧力容器１１の下方に位置しており、スラグロックホッパ１７、スラグ・水分離器１８が設けられている。また、ガス化部３の下部側壁内および熱回収部４の上部側壁内にはヘッダ１９、２０が設けられ、通常はボイラ水がボイラ給水ライン２２から供給されて水冷壁を構成する伝熱管１２を経て排水ライン２３から排出される。
【０００８】
石炭に代表される微粉固体原料を、酸素、空気および水蒸気と共にバーナ７から原料の灰の溶融温度以上の温度に保持されたガス化部３に投入し、原料の可燃分を水素（Ｈ2）および一酸化炭素（ＣＯ）に富むガスに、原料の灰分をスラグに変換する。スラグ流下孔１０から流下する溶融スラグ２４は、下方に位置するスラグ冷却部５内の冷却水１６に落下するので、スラグ表面と内部に温度差が生じて熱応力が発生し、冷却水１６中で１０ｍｍ以下の大きさに水砕される。このスラグ冷却部５にはバーナ３５およガス抜きライン３４が設置されている場合があるが、これらはスラグ流下孔１０を加熱して、スラグ固化によってスラグ流下孔１０内が閉塞するのを防止している。
【０００９】
一方、ガス化反応によって生成したガスはガス化部３上方に位置する、主に輻射伝熱によって熱を回収する熱回収部４で冷却される。さらに、生成ガスライン２５を経て図示していない後続の対流伝熱によって熱を回収する熱回収ボイラ、サイクロン等の脱塵器に至る。
【００１０】
スラグ分離部６では水砕スラグをスラグと水とに分けており、スラグはバルブ２６を経て、スラグロックホッパ１７に蓄えられ、次にバルブ２７を経てスラグ・水分離器１８で水とスラグに分離して、スラグ排出ライン２８、水排出ライン２９から排出される。なお、スラグロックホッパ１７には、高圧水を高圧水注入ライン３０から供給して、圧力を保持しながらスラグをスラグ冷却部５からスラグロックホッパ１７内に導入し、またスラグを炉外に排出する際は、大気圧にするため高圧水を高圧水排出ライン３１から排出している。
【００１１】
微粉固体原料のガス化炉内粒子滞留時間を増加させてガス化効率を上げるため、例えば特開昭５９ー１７６３９１、実開昭６１ー２４２６では、原料と酸化剤とを供給するバーナを炉内に仮想する円に接するように向け、ガス化部で旋回流を発生させている。また、ガス化部で発生する旋回流によってガス化部の中心よりも周りの方が圧力が高いことを利用して炉底に複数個の孔を開孔させて、炉内の高温のガスを循環するスラグ流下法が特開昭６２ー２３６８９１に記載されている。さらに、スラグ冷却部から高温のガスをスラグ流下孔を通して抜くことでスラグ流下孔を加熱する方法が、特開昭５８ー２９８８７、特開昭６０ー９２３９１等に記載されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前述したようにガス化によって原料中の可燃分はＨ２、ＣＯに富む生成ガスになりガス化炉２上方から排出され、一方、灰分はスラグとなってガス化部３からスラグ流下孔１０を経てスラグ冷却部５内の冷却水１６に流下して排出される。原料の可燃分の一部はチャーとなってスラグの一部と共に生成ガスの流れに伴いガス化部３から上方に排出されるが、中にはスラグの一部とチャーの一部が、ガス化部３内で原料の部分燃焼によって生じるガスの圧力変動により、スラグ冷却部５内にも混入する。前述の特開昭５８ー２９８８７、特開昭６０ー９２３９１に記載されたスラグ流下孔の加熱方法では、スラグ流下孔にガス化部で発生した高温ガスの一部を通過させるために、微細な溶融した飛散スラグとチャーが、スラグ流下孔を経てスラグ冷却部内にも混入してくる。さらに旋回流を発生させるガス化法では、ガス化部で発生する旋回流によって、高温ガスと共にスラグがスラグ流下孔を通ってスラグ冷却部内に流入する。
【００１３】
このようにガスと共にスラグ冷却部５に流入した溶融飛散スラグとチャーの一部は、スラグ冷却部５の空間部１５の側壁に付着し、長時間運転を行なうとこれら付着物が成長して大きな塊になる。ついには、自重で側壁との付着力に耐えきれないほど成長し、側壁から剥離して水槽に落下する。しかしながら、スラグ冷却部５はガス化部３に比較すれば低温であり、スラグ塊も１０００℃以下の低温で既に凝固しているため、水槽内の冷却水１６に落下しても水砕されない。水砕されずに冷却水中に留まると、スラグ塊は水槽内のスラグ排出口を閉塞させてしまうので排出されずに運転が続行できなくなる。なお、実開平３ー１２３５３７には冷却水中にスラグを粉砕する機器を設置した事例が開示されているが、この事例では数cmの大きさのスラグを破砕するもので、数十cmの大きさのスラグを破砕するものではない。数十cmの大きさのスラグを破砕しようとすれば、動力が非常に大きい破砕機を設置せざるを得ず、設備費が高くなる。
【００１４】
また、スラグ流下孔１０を加熱するバーナ３５を使用するときは、バーナ３５に送給される酸素供給量が理論燃焼酸素量よりも多いために余剰の酸素が残り、この余剰酸素と流入したチャーとがガス化反応し、一方同伴した灰分は溶融してスラグを生成するので、このスラグもスラグ冷却部５の空間部１５の側壁に付着し、時間の経過と共に大きな塊に成長する。
【００１５】
そこで、スラグ冷却部５の側壁にスラグが付着しないように、この側壁を水冷壁構造とすることが考えられる。例えば、特開平５ー８６３７５には、スラグ冷却部にガス化部と同じ系統の水冷壁が設置されているが、スラグを付着させない程度に冷却するには、水冷壁に供給するボイラ水を低圧にしなければならない。その結果、ガス化部における水冷壁への熱移動量が多くなるため、供給する原料の可燃性ガスへの変換割合が低下する。すなわち、ガス化効率が低くなる。さらに低圧の蒸気しか得られないので、その使用用途が限定されることになる。
【００１６】
また、実開平１ー１６１２４１には、炉頂に石炭バーナを有し生成ガスを下方に流して、スラグ冷却部の側壁に冷却水を流す図が開示されているが、この方式を図６のガス化装置に適用しても、冷却水によってスラグ流下孔１０が冷却されるため、スラグ流下孔１０を加熱するバーナ３５の燃料供給量を多く必要とするし、生成ガス中の水分含有量が多くなるのでガス化効率の低下を招く。
【００１７】
さらに特開昭６１ー２１８６８９および特開昭６１ー２１８６９０では、圧力容器と水冷壁との間に水封機構を設置した図が開示されているが、スラグ流下孔と水封部間は単なるリング構造であり、リング構造は高温になるためこの部分に、流入したスラグが付着する。
本発明の目的は、スラグ塊によって生じるスラグ冷却部の閉塞を防止して、しかもガス化効率を良好に維持しながら運転できる気流層ガス化装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願の発明は以下のとおりである。
（１）旋回流が形成され、微粉固体原料の灰の溶融温度以上に保持され、かつ該原料の可燃分を一酸化炭素および水素に富む生成ガスに、前記原料の灰分をスラグにそれぞれ変換し、側壁が水冷壁からなるガス化部と、該ガス化部の下方に位置し該ガス化部からスラグ流下孔を経て流下するスラグを冷却水により水砕するスラグ流下孔より大径の側壁を有するスラグ冷却部と、前記ガス化部の上方に位置し前記生成ガスの熱を回収する熱回収部とを含んで構成されたガス化装置において、前記スラグ冷却部は、側壁に前記ガス化部の水冷壁とは異なるボイラ系統の水冷壁を有し、該水冷壁の表面温度を３５０℃以下に維持することを特徴とする気流層ガス化装置。
【００１９】
（２）旋回流が形成され、微粉固体原料の灰の溶融温度以上に保持され、かつ該原料の可燃分を一酸化炭素および水素に富む生成ガスに、前記原料の灰分をスラグにそれぞれ変換し、側壁が水冷壁からなるガス化部と、該ガス化部の下方に位置し該ガス化部からスラグ流下孔を経て流下するスラグを冷却水により水砕し、前記スラグ流下孔を加熱するバーナを設置したスラグ流下孔より大径の側壁を有するスラグ冷却部と、前記ガス化部の上方に位置し前記生成ガスの熱を回収する熱回収部とを含んで構成されたガス化装置において、前記スラグ冷却部は、側壁に前記ガス化部の水冷壁とは異なるボイラ系統の水冷壁を有し、該水冷壁の表面温度を３５０℃以下に維持することを特徴とする気流層ガス化装置。
【００２１】
（４）  （１）または（２）において、スラグ冷却部の水冷壁の表面温度を変化させることができることを特徴とする気流層ガス化装置。
【００２６】
【作用】
スラグ冷却部側壁に飛散スラグが付着する現象を解明するために、本発明者等は加熱した鋼板および耐火材上に溶融スラグを落下させて鋼板および耐火材の表面温度とスラグの付着力を測定した。図９にその試験結果を示す。図中の縦軸の付着力は、スラグの付着強さを示す。図９より、鋼板では表面温度を３５０℃以下、耐火材では３００℃以下にすれば、溶融スラグは付着しないことがわかる。
【００２７】
従来技術による耐火材施工の側壁構造では、スラグ流下孔を加熱するバーナの輻射熱によって、特にバーナよりも上方の側壁表面温度がスラグ流下孔と同様に灰の溶融温度以上になっているので、飛散スラグおよびチャーが灰化したスラグはバーナより上方の耐火材表面に付着する。前述のように、鋼板の表面温度を３５０℃以下にすればスラグは付着しないので、水冷壁構造とした伝熱管の表面温度を３５０℃以下になるように蒸気条件を設定する。なお、３５０℃の飽和蒸気圧力は１７０ａｔａであり、伝熱管に供給するボイラ水の圧力を１７０ａｔａ以下にすればよい。
【００２８】
一方、１７０ａｔａ以上の飽和蒸気圧に設定したときは、スラグが付着する。このような場合には、定期的に蒸気条件を変化、あるいは温度の低い水を注入することによって伝熱管の表面温度を変化させると、伝熱管は膨張、収縮するので付着物を剥離して除去することができる。また、少なくともスラグ流下孔を加熱するバーナよりも上方の水冷壁の側壁の断面形状が下方になるほど大きくすれば、付着物は自重によって剥離し易くなる。
さらに、従来技術の耐火材を施工したスラグ冷却部構造において、側壁の断面形状が下方になるほど階段状に大きくすることによって、各階段上の側壁に付着したスラグが階段状になった側壁の端で小さな粒で落下するため、大きな塊に成長することがなく安定してガス化炉から排出できる。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施例である気流層ガス化装置の概略構成図を示し、図２は図１のスラグ冷却部の詳細な構成図を示す。本実施例は、図６に示す従来の気流層ガス化装置のスラグ冷却部５に伝熱管４８を配置したものである。なお、この伝熱管４８は図７に示す熱回収部４と同様のメンブレン構造で、伝熱管４８の内側表面には耐火材を施工していない。このようにスラグ冷却部５の側壁に伝熱管４８を配置し、伝熱管表面の温度を３５０℃以下にすることによって、ガス化部３からスラグ冷却部５の空間部１５に流入したスラグあるいはチャーが、伝熱管に接触しても付着することがない。
【００３０】
なお、熱回収部４においても生成ガスの流れに乗って溶融した飛散スラグが、側壁である伝熱管４９の表面に接触し付着、成長して大きな塊となって炉内を閉塞させる恐れがある。そこで、本実施例では熱回収部４とスラグ冷却部５に供給するボイラ水系統は共通にしているが、本発明は特にこれに限定されるものではない。ただし、スラグ冷却部５の伝熱管４８のボイラ水系統を、ガス化部３の伝熱管２１に供給するボイラ水系統とは分離している。ボイラ給水ライン３８から供給されたボイラ水は、スラグ冷却部５の側壁内に設置したヘッダ３９、伝熱管４８、ヘッダ４０を経た後、水・蒸気ライン４３から共通のボイラ水系統である熱回収部側に供給される。熱回収部４内のヘッダ４１、伝熱管４９、ヘッダ４２を経て、水・蒸気ライン５０に排出されて低圧蒸気として利用される。一方、ガス化部側のボイラ水系統は、ボイラ給水ライン４４からボイラ水が供給されて、ヘッダ４５、伝熱管２１、ヘッダ４６を経て水・蒸気ライン４７から高圧蒸気として利用される。
【００３１】
このように、スラグ冷却部５とガス化部３とはボイラ系統を別にすることで、ガス化部側では高温高圧の蒸気を回収することができるので、ガス化装置から回収される蒸気の用途が拡大できる。さらに、高温の飽和水をガス化部３の伝熱管２１に供給できるため、ガス化部３における水冷壁への熱移動量が少なくなり、原料の可燃性ガスへの変換割合が増加する。すなわち、ガス化効率が高くなる。本実施例では、水冷壁を熱回収部４、ガス化部３、およびスラグ冷却部５の３つに分割しているため、それぞれの接合部でクリアランスをとることができる。熱による伝熱管の伸びをこのクリアランス部分で各々とることができるので、これらが分割していない一体構造の水冷壁よりも、全体の熱の伸びを減少することができる。
【００３２】
なお、側壁が耐火材で構成されたスラグ冷却部に、噴出方向がスラグ流下孔１０に向けられたバーナ３５を設置した従来のガス化装置では、バーナ３５からの輻射熱によってバーナ３５よりも上方の側壁表面が灰の溶融温度以上になっている。一方、バーナ３５よりも下方では冷却水１６に輻射熱をとられるため、約３００℃以下の低温になっている。したがって、ガス化部３から流入した溶融スラグあるいはチャーが、バーナ３５に供給された余剰の酸素によって灰化あるいはスラグ化し、スラグ冷却部５の側壁に付着するのはバーナ３５よりも上方である。このようにスラグ流下孔１０を加熱するバーナ３５を設置したガス化装置では、少なくともバーナ３５よりも上方の側壁の伝熱管表面温度を３５０℃以下となるようにする。その結果、スラグ冷却部５の空間部１５の側壁にスラグが付着することなく、連続した安定運転が可能となる。
【００３３】
また、伝熱管４８の表面温度が３５０℃よりも高くなった場合にはスラグが付着するが、定期的に伝熱管内の蒸気条件を変えたり水を注入することで、伝熱管４８の表面温度を変化させて付着物を剥離除去することができる。
【００３４】
図３は本発明の第２の実施例である気流層ガス化装置のスラグ冷却部の詳細な構成図を示す。本実施例ではスラグ冷却部５に設置した伝熱管４８の側壁の断面直径が、下方になるほど大きくしたものである。このようにすることで、たとえ伝熱管４５にスラグが付着しても付着物の自重によって剥離し易くなり、剥離した付着物は小さい。その結果、図２に示す構造よりも剥離後のスラグ付着物は小さいため、水槽のスラグ抜き出し部を閉塞することなく、スラグが系外に排出される。
【００３５】
図４は本発明の気流層ガス化装置のスラグ冷却部の詳細な構成を示す参考図である。本参考例は、スラグ冷却部５の側壁が耐火材３２で構成された従来の図６に示すガス化装置において、スラグ冷却部５の側壁の形状に特徴を持つ発明であり、側壁の断面直径を下方になるほど階段状に大きくなるようにしたものである。側壁が耐火材構造であるため、ガス化部３から流入したスラグは側壁の垂直面５１に付着し、溶融状態を保つ。側壁が階段状であり、水平面５２によって垂直面５１に付着したスラグが各階段毎に分離されるので大きな塊に成長しない。その結果、垂直面５１に付着したスラグは小さな粒状で冷却水１６中に落下し水砕される。
【００３６】
図５は本発明のスラグ冷却部の詳細な構成を示す他の参考図である。本参考例は図４に示す構造に比較して垂直面５１と水平面５２の交差する角度を鋭角にしたもので、側壁の各段の垂直面５１に付着した溶融スラグを水平面５２で縁切りして、落下し易くしたものである。実施例１ではスラグ冷却部５の側壁にスラグを付着させない方法であったが、図４および５に示す参考例では、逆に側壁に積極的に付着させ、大きな塊にならないように高さ方向の領域に分けて各々の狭い領域（垂直面５１）で付着したスラグを溶融状態で落下させるものである。したがって、スラグが大きな塊に成長することなく落下するので、水槽内のスラグ抜き出し部は閉塞することなくスラグを系外に排出できるようになる。スラグ流下孔１０の加熱用バーナ３５が設置されている場合は、スラグが付着するのはバーナ３５の上方なので、少なくともバーナ３５の上方の側壁断面を下方になるほど階段状に大きくすればよい。
【００３７】
【本発明の効果】
本発明によれば、ガス化効率を高く維持したままスラグ冷却部が閉塞することなくスラグを系外に排出できて、安定した連続運転が可能となる
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施例を示す気流層ガス化装置の概略構成図である。
【図２】図２は、図１のスラグ冷却部の詳細な構成図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施例を示す気流層ガス化装置のスラグ冷却部の詳細な構成図である。
【図４】  図４は、本発明の気流層ガス化装置のスラグ冷却部の詳細な構成を示す参考図である。
【図５】  図５は、本発明の気流層ガス化装置のスラグ冷却部の詳細な構成を示す他の参考図である。
【図６】図６は、従来の気流層ガス化装置の概略構成図である。
【図７】図７は、図６の熱回収部の横断面の詳細構成図である。
【図８】図８は、図６のガス化部の横断面の詳細構成図である。
【図９】図９は、鋼板および耐火材の表面温度と溶融スラグの付着力の関係を示した図である。
【符号の説明】
１：ガス化装置                    ２：ガス化炉
３：ガス化部                      ４：熱回収部
５：スラグ冷却部                  ６：スラグ分離部
７：バーナ                        ８：原料ライン
９：酸化剤ライン                １０：スラグ流下孔
１１：本体圧力容器                １２：伝熱管
１３：平板                        １４：空間部
１５：空間部                      １６：冷却水
１７：スラグロックホッパ          １８：スラグ・水分離器
１９：ヘッダ                      ２０：ヘッダ
２１：伝熱管                      ２２：ボイラ給水ライン
２３：排水ライン                  ２４：溶融スラグ
２５：生成ガスライン              ２６：バーナ
２７：バルブ                      ２８：スラグ排出ライン
２９：排水ライン                  ３０：高圧水注入ライン
３１：高圧水排出ライン            ３２：耐火材
３３：耐火材                      ３４：ガス抜きライン
３５：バーナ                      ３６：燃料ライン
３７：空気ライン                  ３８：ボイラ給水ライン
３９：ヘッダ                      ４０：ヘッダ
４１：ヘッダ                      ４２：ヘッダ
４３：水・蒸気ライン              ４４：ボイラ給水ライン
４５：ヘッダ                      ４６：ヘッダ
４７：水・蒸気ライン              ４８：伝熱管
４９：伝熱管                      ５０：水・蒸気ライン
５１：垂直面                      ５２：水平面
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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