CN102884162A - 煤气化反应炉的运转方法及煤气化反应炉 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具备互相连通的下部反应容器和上部反应容器的煤气化反应炉的运转方法，具有以下的工序。向上述下部反应容器的内部供给碳质原料、氧气和水蒸气的工序。向上述上部反应容器的内部、在用煤喷嘴供给煤的同时用水蒸气喷嘴供给水蒸气的工序。利用在上述下部反应容器的内部生成的高温的气体使上述上部反应容器的内部的上述煤在950℃以上的温度下发生反应来制造至少含有氢气和一氧化碳气体的合成气体的工序。以上述合成气体中含有的水蒸气的质量流量Qs与供至上部反应容器的碳的质量流量Qc之比Qs/Qc达到1.0以上且1.5以下的方式、调节上述煤喷嘴所供给的上述煤的质量流量和上述水蒸气喷嘴所供给的上述水蒸气的质量流量中的至少一方的工序。

Description

煤气化反应炉的运转方法及煤气化反应炉
技术领域
本发明涉及用氧气或水蒸气等氧化剂将煤气化来生产可燃性气体等的煤气化反应炉的运转方法及煤气化反应炉。
本申请基于2010年4月16日在日本提出申请的日本特愿2010-095498号主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
以往，为了将煤气化来有效地生产可燃性气体等，研究了固定床型、流化床型以及气流床(喷流床)型等各种构成的气化炉。对于作为其中之一的气流床型的气化炉，特别是在考虑作为发电用的用途时，由于大容量化容易、负荷追随性高等理由，已成为近年的气化炉的主流。
在气流床型的气化炉中，通过煤的热解而产生以碳为主成分的煤焦(Char：未气化煤残渣或热解残渣)、焦油等。为了通过气化反应来削减该煤焦，提出了具备设在下段的高温气化炉(下部反应容器)和设在上段的热解气化反应炉(上部反应容器)的二段二室结构的气化炉(煤气化反应炉)(例如参照专利文献1)。
对于该气化炉，通过向设为高温和高压的高温气化炉以规定的比例供给煤、氧气和水蒸气，从而将煤热解来产生以碳为主成分的煤焦、焦油等。另外，通过向该气化炉的热解气化反应炉内供给水蒸气，从而基于下述化学反应式(1)将煤焦气化来削减煤焦的生成量。
C(煤焦)＋H2O→CO＋H2        (1)
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-155289号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，在专利文献1所示的气化炉中，从煤生成煤焦的同时生成粘性高的焦油，该焦油会附着在热解气化反应炉的内表面(实际上是来自焦油的碳质物质附着于内表面)。生成的焦油与供至热解气化反应炉的水蒸气发生反应，基于上述化学反应式(1)被气化。但是，由于向热解气化反应炉中过量地供给水蒸气，因此能够投入到热解气化反应炉中的煤等的量减少，产生气化炉中的可燃性气体的产量降低的问题。
本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于提供不会大幅减少可燃性气体的产量、并能有效地抑制在上部反应容器内焦油的附着量增加的煤气化反应炉的运转方法及煤气化反应炉。
用于解决技术问题的手段
为了达到上述目的，本发明的一个方案的煤气化反应炉的运转方法是具备互相连通的下部反应容器和上部反应容器的煤气化反应炉的运转方法，其具有以下的工序。
向上述下部反应容器的内部供给碳质原料、氧气和水蒸气的工序。
向上述上部反应容器的内部、在用煤喷嘴供给煤的同时用水蒸气喷嘴供给水蒸气的工序。
利用在上述下部反应容器的内部生成的高温的气体使上述上部反应容器的内部的上述煤在950℃以上的温度下发生反应来制造至少含有氢气和一氧化碳气体的合成气体的工序。
求算上述合成气体中含有的水蒸气的质量流量Qs的工序。
基于上述煤的碳含量来求算供至上部反应容器的碳的质量流量Qc的工序。
以上述水蒸气的质量流量Qs与上述碳的质量流量Qc之比Qs/Qc达到1.0以上且1.5以下的方式、调节上述煤喷嘴所供给的上述煤的质量流量和上述水蒸气喷嘴所供给的上述水蒸气的质量流量中的至少一方的工序。
根据上述运转方法，通过使比Qs/Qc为1.0以上，可供给足以将在下部反应容器和上部反应容器中通过煤的热解生成的焦油气化的水蒸气。因此，能够有效地抑制在上部反应容器内焦油的附着量增加。另外，通过使比Qs/Qc为1.5以下，能够防止向上部反应容器内过量地供给水蒸气而防止合成气体的产量大幅减少。
本发明的一个方案的煤气化反应炉的运转方法使用下部反应容器和上部反应容器，所述下部反应容器在内部形成有收纳空间，所述上部反应容器设在上述下部反应容器的上方，并形成有介由缩径部与上述下部反应容器的上述收纳空间连通且沿上下方向延伸的贯穿孔。以规定的比例向上述下部反应容器供给碳质原料、氧气和水蒸气。向上述上部反应容器供给煤和水蒸气。然后，利用来自上述下部反应容器的高温气体显热，使上述煤在上述上部反应容器中在950℃以上的温度下发生反应，从而至少制造氢气和一氧化碳气体。在这样的煤气化反应炉的运转方法中，以每单位时间从上述上部反应容器的上述贯穿孔的出口流出的流体中含有的上述水蒸气的质量与每上述单位时间供至上述上部反应容器的上述煤中的碳的质量之比达到1.0以上且1.5以下的方式，调节供至上述上部反应容器的上述煤和上述水蒸气中的至少一方的质量流量。
另外，作为上述碳质原料，例如可以使用煤、煤焦等含有碳的固体物质。
煤气化反应炉在下部反应容器和上部反应容器中通过煤的热解来生成焦油。将每单位时间供至上部反应容器的煤中的碳的质量流量设为Qc，将每单位时间从上部反应容器的贯穿孔的出口流出的流体中含有的水蒸气的质量流量设为Qs。将它们的比Qs/Qc称为“水蒸气/碳质量比”。以该水蒸气/碳质量比达到1.0以上且1.5以下的方式，调节供至上部反应容器的煤和水蒸气中的至少一方的质量流量。此时，由于在上部反应容器中在950℃以上的温度下发生反应，因此容易引起焦油的气化反应。
本发明人发现，通过将水蒸气/碳质量比调节至1.0，附着于上部反应容器的贯穿孔的内周面的焦油的量与预先附着于贯穿孔并通过与水蒸气的反应而变成一氧化碳的焦油的除去量达到均衡。
对上部反应容器，不仅供给直接供至上部反应容器的水蒸气，还供给由供至上部反应容器并加热的煤生成的水蒸气、从下部反应容器的收纳空间作为气体流出的水蒸气。这样的水蒸气会与碳发生反应而分解成一氧化碳气体和氢气。这里，水蒸气/碳质量比为1.0的状态是指在上部反应容器中存在一定量未通过与碳的反应而被消耗的剩余的水蒸气的状态。
这样，通过使水蒸气/碳质量比为1.0以上，能够有效地抑制上部反应容器内的焦油的附着量增加。另外，通过将水蒸气/碳质量比调节至1.5以下，能够防止向上部反应容器内过量地供给水蒸气、从而防止可燃性气体的产量降低。
另外，在上述煤气化反应炉的运转方法中，可以如下来求算每上述单位时间从上述上部反应容器的上述贯穿孔的出口流出的流体中含有的上述水蒸气的质量。测定每上述单位时间流出的上述流体的质量流量。测定上述流体中含有的水蒸气浓度。然后，将测定上述质量流量得到的值与测定上述水蒸气浓度得到的值的乘积作为每上述单位时间流出的流体中含有的上述水蒸气的质量。
根据该方法，能够容易地求算每单位时间从贯穿孔的出口流出的流体中含有的水蒸气的质量。
另外，在上述煤气化反应炉的运转方法中，可以按下面的方式向上述上部反应容器的内部供给水蒸气。首先，测定上述上部反应容器的贯穿孔中供给上述煤的煤喷嘴的下方的部分或者上述下部反应容器的收纳空间与上述贯穿孔的上方的端部之间的压力差。然后，当上述压力差超过规定的值时，向上述上部反应容器的内部供给规定的量的水蒸气。
根据该方法，能够更确实地防止上部反应容器的贯穿孔被焦油堵塞。
另外，本发明的一个方案的煤气化反应炉是在上述运转方法中使用的煤气化反应炉。该煤气化反应炉具备在内部形成有收纳空间的下部反应容器和设在上述下部反应容器的上方的上部反应容器。上述下部反应容器具有以规定的比例向上述下部反应容器供给碳质原料、氧气和水蒸气并使上述碳质原料燃烧的气化烧嘴(喷烧器)。上述上部反应容器具有：介由缩径部与上述下部反应容器的上述收纳空间连通且沿上下方向延伸的贯穿孔；向内部供给煤的煤喷嘴；向内部供给水蒸气的水蒸气喷嘴；以及设在上述贯穿孔的上方的端部、并测定每单位时间从上述贯穿孔的端部流出的水蒸气的质量的水分量测定装置。
该煤气化反应炉在下部反应容器和上部反应容器中通过煤的热解来生成焦油。在上部反应容器中，在950℃以上的温度下焦油与水蒸气发生反应。另外，水分量测定装置测定每单位时间从贯穿孔的上方的端部流出的水蒸气的质量。然后，以上述水蒸气/碳质量比达到1.0以上且1.5以下的方式调节煤喷嘴和水蒸气喷嘴中的至少一方。由此，能够维持可燃性气体的产量，并有效地抑制上部反应容器内的焦油的附着量增加。
另外，上述煤气化反应炉可以具备第一配管、第二配管和压力测定装置。上述第一配管与上述上部反应容器的贯穿孔中上述煤喷嘴的下方的部分或者上述下部反应容器的收纳空间连接。上述第二配管与上述上部反应容器的上述贯穿孔的上方的端部连接。上述压力测定装置测定上述第一配管与上述第二配管的压力差。
本发明人发现，因煤的热解而生成的焦油会集中附着于上部反应容器的贯穿孔中煤喷嘴的上方的规定位置。
基于该发现，将各配管与焦油难以附着的上部反应容器的贯穿孔中喷嘴部的下方的部分或者下部反应容器的收纳空间、以及贯穿孔的上方的端部连接。由此，能够防止焦油附着于配管而准确地测定压力差。
发明效果
根据上述方案的煤气化反应炉的运转方法和煤气化反应炉，能够维持可燃性气体的产量，并有效地抑制在上部反应容器内焦油的附着量增加。
附图说明
图1是包含本发明第1实施方式的煤气化反应炉的煤气化***的框图。
图2是本发明第1实施方式的煤气化反应炉的剖面的示意图。
图3是表示本发明第1实施方式的煤气化反应炉中的各值相对于水蒸气/碳质量比的变化的图。
图4是本发明第2实施方式的煤气化反应炉的剖面的示意图。
图5是表示运转本发明第2实施方式的煤气化反应炉时压力差相对于经过时间的变化的图。
具体实施方式
(第1实施方式)
下面，参照图1至图3对本发明第1实施方式的煤气化反应炉进行说明。本实施方式的煤气化反应炉是煤气化***的一部分，是通过使煤在内部燃烧来至少制造氢气和一氧化碳气体的装置。
如图1所示，煤气化***1是以煤作为原料来合成以氢气和一氧化碳气体为主成分的合成气体、并由该合成气体来最终制造甲烷、甲醇和氨等产品的成套设备。
煤气化***1具备煤粉碎及干燥设备2、煤供给设备3、煤气化反应炉4、热回收设备5、煤焦回收设备6、变换反应设备7、气体精制设备8、化学合成设备9和空气分离设备10。
通常，煤的外径不均匀，根据其种类的不同有时含有比所期望的值更多的水分。为此，首先在煤粉碎及干燥设备2中，煤被粉碎成粒径(外径)例如为10μm以上且100μm以下左右的粒状。粉碎后的煤进一步被干燥以达到规定的水分含量后供至煤供给设备3。另外，煤从煤粉碎及干燥设备2排出后至投入到煤气化反应炉4为止，煤在密闭的空间内移动，以使干燥后的煤中的水分量不发生变化。
接着，为了成为可供至煤气化反应炉4内的状态，煤在煤供给设备3内与载气混合并升压至规定的压力后，通过传送被送至煤气化反应炉4。另外，从煤气化反应炉4的后述的气化烧嘴17不仅供给煤，还通过未图示出的供给手段供给煤焦等含碳的固体物质。以下，将煤、煤焦等含碳的固体物质称为“碳质原料”。
空气分离设备10通过将空气压缩液化、从成为液体的空气中利用沸点的不同来分离经干燥的氧气和氮气。在空气分离设备10中分离出的氧气供至煤气化反应炉4。
如图1和图2所示，煤气化反应炉4具备在内部形成有收纳空间11a的部分氧化部(下部反应容器)11和设在部分氧化部11的上方D1的热解部(上部反应容器)13。在热解部13形成有经由缩径部13a与部分氧化部11的收纳空间11a连通并沿上下方向D延伸的贯穿孔(管状部)12。煤气化反应炉4例如由耐热性的砖来形成。
通过设置缩径部13a，可以将部分氧化部11和热解部13在各自独立的反应条件下进行操作。
在部分氧化部11的铅直方向中的下方D2上设有炉渣冷却水槽14。部分氧化部11和炉渣冷却水槽14在上下方向(铅直方向)D上连通。在部分氧化部11与炉渣冷却水槽14的连接部分上形成有第2缩径部14a。
如图2所示，部分氧化部11形成为沿上下方向D延伸的大致圆筒状。在部分氧化部11的内周面上，设有多个形成为沿规定的轴线C1延伸的圆筒状的气化烧嘴17。气化烧嘴17与图1所示的煤供给设备3、空气分离设备10、以及用后述的方法生成水蒸气的热回收设备5连接。该气化烧嘴17能够向部分氧化部11以规定的比例供给碳质原料、氧气和水蒸气(以下称为“碳质原料等”)。气化烧嘴17按以下方式来配置：其轴线C1相对于水平面而前端侧朝向斜下方，且相对于部分氧化部11的中心轴线C2为扭转的位置。
另外，在部分氧化部11的外周面设有未图示出的冷却手段，能够将因煤的燃烧而被加热的部分氧化部11冷却。
热解部13形成为沿上下方向D延伸的大致管状，其内径以小于部分氧化部11的内径的方式来设定。
在热解部13中，在上下方向D的中间部设置向热解部13供给煤的多个煤喷嘴18，在煤喷嘴18的下方D2设有向热解部13供给水蒸气的1个水蒸气喷嘴19。煤喷嘴18与煤供给设备3连接，水蒸气喷嘴19与热回收设备5连接。
另外，煤喷嘴18和水蒸气喷嘴19的数量没有限制，几个均可。
热解部13的贯穿孔12的上方D1的端部(出口)12a与热回收设备5连接。
在热解部13的贯穿孔12的端部12a设有测定每单位时间(例如每1小时)从贯穿孔12的端部12a流出的水蒸气的质量的水分量测定装置20。
水分量测定装置20可以通过将测定每单位时间从贯穿孔12的端部12a流出的合成气体的质量流量的流量计与测定该合成气体中含有的水蒸气的比率(水蒸气浓度)的元素分析装置等组合、并利用公知的技术来构成。上述每单位时间流出的水蒸气的质量(质量流量Qs)例如可以由用流量计测定合成气体的质量流量得到的值与用元素分析装置等测定的水蒸气浓度的值的乘积来求算。
在炉渣冷却水槽14中收纳有规定量的水W。如后所述那样，炉渣冷却水槽14将从部分氧化部11流下的炉渣冷却。
接着，对煤气化反应炉4的运转方法进行说明。
首先，通过气化烧嘴17将含有粒状煤的碳质原料等以规定的流速供至部分氧化部11内。各个气化烧嘴17如上所述那样配置在相对于轴线C2扭转的位置上。因此，从各个气化烧嘴17供给的碳质原料等边向下方D2移动边围绕部分氧化部11的中心轴线C2呈螺旋状旋转。此时，部分氧化部11内例如是温度为1300℃以上且1700℃以下的高温、压力为2MPa以上且3MPa以下的高压。在这种环境下碳质原料变成高温而发生热解，煤焦和含有焦油和水蒸气等的挥发性气体分离。另外，碳质原料发生燃烧，基于以下化学反应式(2)～(4)所示的化学反应而生成高温的一氧化碳气体、二氧化碳气体、以及氢气和炉渣(灰分)。
2C＋O2→2CO           (2)
C＋O2→CO2            (3)
C＋H2O→CO＋H2        (4)
在部分氧化部11内生成的气体、炉渣等因碳质原料燃烧时生成的热而变成高温并膨胀，受到向上方D1的浮力而边旋转边在部分氧化部11内上升。
在部分氧化部11内生成的炉渣为熔融的状态。该炉渣的一部分在部分氧化部11的内周面被上述的冷却手段冷却后附着在该内周面上，另一部分落入设在部分氧化部11下方的炉渣冷却水槽14内的水W中被冷却、回收。
在部分氧化部11内生成的高温的水蒸气等气体、焦油、煤焦等从部分氧化部11移动并在热解部13内上升。在本实施方式中，热解部13内的温度被调节至950℃以上的温度。当热解部13内的温度低于950℃时，焦油的生成量会急剧增加，且变得难以发生焦油的分解反应。
此时，分别从煤喷嘴18供给煤、从水蒸气喷嘴19供给水蒸气。操作人员按以下方式来调节上述煤和水蒸气的至少一方的供给量。即，将每单位时间(例如每1小时)从全部的煤喷嘴18供至热解部13的煤中的碳的质量设为Qc。另外，将每单位时间(例如每1小时)从贯穿孔12的端部12a流出的流体中含有的水蒸气的质量设为Qs。将它们的比Qs/Qc即水蒸气/碳质量比调节成1.0以上且1.5以下。
供至热解部13的水蒸气不仅是从水蒸气喷嘴19供给的水蒸气，还包含从部分氧化部11的收纳空间11a流入的水蒸气、煤中含有的水分气化而成的水蒸气。因此，供至热解部13的水蒸气基于从贯穿孔12的端部12a流出的水蒸气的量来进行调节。供至热解部13的水蒸气与碳发生反应而生成一氧化碳气体和氢气。水蒸气/碳质量比为1.0的状态是在热解部13中存在一定量没有与碳反应完的剩余的水蒸气的状态。
上述水蒸气/碳质量比例如采用以下的方法来进行调节。首先，通过水分量测定装置20，测定每单位时间从热解部13的贯穿孔12的端部12a流出的气体中含有的水蒸气的质量。例如，当测得的水蒸气的质量流量Qs为100(kg/h)、水蒸气/碳质量比为1.0以上时，以供至热解部13的碳的质量流量Qc达到100(kg/h)以下的方式对从全部的煤喷嘴18供至热解部13的煤的质量流量进行调节。也就是说，当设有2个煤喷嘴18时，例如以从各个煤喷嘴18供至热解部13的碳的质量流量Qc达到50(kg/h)以下的方式对从各个煤喷嘴18供至热解部13的煤的质量流量进行调节。
此时，供至热解部13的煤的碳含量预先进行测定，并事先掌握煤的质量流量与碳的质量流量Qc的关系。由此，能够决定使水蒸气/碳质量比为1.0～1.5所需要的煤的质量流量。
另外，由于从煤喷嘴18供给煤，因此有时用水分量测定装置20测定的水蒸气的质量流量Qs会发生变化。在这种情况下，对供给的煤的质量流量进行调节，再用水分量测定装置20测定合成气体中含有的水蒸气的质量流量Qs。而且，为了维持规定的水蒸气/碳质量比，反复进行煤的质量流量的调节和水蒸气的质量流量Qs的测定。
另外，在该实施方式中，虽然仅对煤的质量流量进行了调节，但根据条件，也可以对从水蒸气喷嘴19供至部分氧化部11的收纳空间11a的水蒸气的质量流量进行调节。另外，还可以在调节煤的质量流量的同时，对从气化烧嘴17供至部分氧化部11的收纳空间11a的水蒸气的质量流量进行调节。另外，也可以使煤的质量流量恒定，而对从水蒸气喷嘴19或气化烧嘴17供至部分氧化部11的收纳空间11a的水蒸气的质量流量进行调节。
另外，当使从煤喷嘴18供给的煤的质量流量增加时，事先使从水蒸气喷嘴19供给的水蒸气的质量流量增加至适当的值。而且，在热解部13内的反应稳定后，利用水分量测定装置20来测定合成气体中含有的水蒸气的质量流量Qs。
然后，只要对从煤喷嘴18供给的煤的质量流量进行调节以满足上述水蒸气/碳质量比即可。
另外，水分量测定装置20可以使用各种测定装置，也可以用露点仪来代替。
以往，部分氧化部11中生成的焦油的一部分以及从煤喷嘴18供给的碳发生热解而生成的焦油的一部分有时会在热解部13的贯穿孔12内变成附着性的碳质物质而附着于贯穿孔12的内周面。
但是，在本实施方式中，供至热解部13内的水蒸气的质量与碳的质量的比Qs/Qc如上所述那样进行了调节。因此，以往附着于热解部13的贯穿孔12的内周面的焦油会基于下述的化学反应式(5)而变成气体，并从热解部13流出。
C(焦油)＋H2O→CO＋H2        (5)
图3是表示水蒸气/碳质量比的变化与焦油的附着量的增加速度及能量效率的变化的关系的图表。横轴表示水蒸气/碳质量比，左侧的纵轴表示热解部13的贯穿孔12中的焦油的附着量的增加速度，右侧的纵轴表示能量效率。另外，这里所述的能量效率是下面2个发热量的比。即：从部分氧化部11的气化烧嘴17和热解部13的煤喷嘴18供给的碳质原料和煤的发热量、与煤气化反应炉4中得到的氢和一氧化碳等气体、油的发热量之比。
当水蒸气/碳质量比大于1.0时，在图3中实线L1所示的焦油的附着量的增加速度为负值，附着于热解部13的内周面的焦油的量减少。另一方面，当水蒸气/碳质量比小于1.0时，焦油的附着量的增加速度为正值，热解部13的内周面的焦油的附着量增加。
另外，水蒸气/碳质量比越大，基于上述化学反应式(5)而附着于热解部13的焦油越易除去。但是，当水蒸气的量过多时，热解部13内的温度会降低，能够投入到热解部13中的碳质原料减少，在图3中虚线L2所示的能量效率减少。为了使能量效率不过分降低，优选将水蒸气/碳质量比的值设为1.0以上且1.5以下。另外，当需要更高的能量效率时，可以将水蒸气/碳质量比的值设为1.0以上且1.1以下。
另外，供至热解部13的煤中的碳的一部分与热解部13内的二氧化碳气体发生反应，基于下述化学反应式(6)而变成一氧化碳气体。
C＋CO2→2CO        (6)
然后，如图1所示那样，从热解部13的上方，以氢气和一氧化碳气体为主成分的高温的合成气体与煤焦一起被传送而供至热回收设备5。
在热回收设备5中，通过使从热解部13传送的合成气体与水蒸气进行热交换来加热水蒸气。该水蒸气被供至上述煤粉碎及干燥设备2、煤气化反应炉4等用于煤的干燥等目的。
在热回收设备5中冷却后的合成气体从热回收设备5供至煤焦回收设备6。在煤焦回收设备6中，合成气体中含有的煤焦被回收。
通过煤焦回收设备6后的合成气体供至变换反应设备7。在变换反应设备7中，为了将合成气体中氢气相对于一氧化碳气体的比率提高到一定的值而供给水蒸气。然后，基于下述化学反应式(7)所示的变换反应，由合成气体中的一氧化碳气体和水蒸气生成二氧化碳气体和氢气。
CO＋H2O→CO2＋H2        (7)
在变换反应设备7中调节了成分的合成气体供至气体精制设备8，合成气体中含有的二氧化碳气体、含有硫作为成分的气体等被回收。
在气体精制设备8中精制后的合成气体供至化学合成设备9，制造甲烷、甲醇等产品。
如以上所说明的那样，在本实施方式的煤气化反应炉4和煤气化反应炉4的运转方法中，对供至热解部13的煤和水蒸气中的至少一方的质量流量进行调节以使水蒸气/碳质量比达到1.0以上且1.5以下。
本发明人发现，通过将水蒸气/碳质量比调节至1.0，附着于热解部13的贯穿孔12内的焦油的量、与预先附着于贯穿孔12且通过与水蒸气的上述化学反应式(5)的反应而变成一氧化碳的焦油的除去量均衡。
基于该发现，上述实施方式中将水蒸气/碳质量比设定为1.0以上。由此，即使在部分氧化部11和热解部13因煤的热解而生成了焦油，也能够有效地抑制在热解部13的贯穿孔12中焦油的附着量增加。
此外，通过将水蒸气/碳质量比调节至1.5以下，能够防止水蒸气被过量地供至热解部13内而使氢气等可燃性气体的产量降低。
另外，在上述实施方式中，当求算每单位时间从热解部13的贯穿孔12的端部12a流出的流体中含有的水蒸气的质量时，测定每单位时间流出的流体的质量流量，测定流体中含有的水蒸气浓度。而且，将测定质量流量得到的值与测定水蒸气浓度得到的值的乘积作为每单位时间流出的流体中含有的水蒸气的质量。
因此，能够容易地求算每单位时间从贯穿孔12的端部12a流出的流体中含有的水蒸气的质量。
(第2实施方式)
接着，对本发明的第2实施方式进行说明。以下，对与第1实施方式相同的部位赋予相同的符号并省略其说明，仅对与第1实施方式不同的方面进行说明。
如图4所示，本实施方式的煤气化反应炉31除第1实施方式的煤气化反应炉4的各构成以外，还进一步具备测定热解部13的压力差的压力测定装置32。
压力测定装置32具有以与部分氧化部11的收纳空间11a连通的方式连接的第一配管33、以与热解部13的贯穿孔12的端部12a连通的方式连接的第二配管34、和测定第一配管33的内压与第二配管34的内压的压力差的主体部35。
当如此构成的煤气化反应炉31运转时，操作人员在进行上述第1实施方式中说明过的从煤喷嘴18和水蒸气喷嘴19供给的煤和水蒸气中的至少一方的质量流量的调节的同时，进行以下的操作。
即，用压力测定装置32定期或者连续地测定第一配管33与第二配管34的压力差。然后，当测得的压力差超过规定的基准值时，从水蒸气喷嘴19向热解部13的内部供给规定的质量流量的水蒸气。
图5示出了实际测定热解部13的压力差时的结果的例子。图5的横轴表示经过时间(min)，纵轴表示第一配管33与第二配管34的压力差(与通常的压力差的变化量)(kPa)。
随着时间的经过，焦油逐渐附着于热解部13的内周面，在时刻T0时压力差开始上升，在时刻T1时压力差达到基准值10(kPa)。此时从水蒸气喷嘴19向热解部13供给规定量的水蒸气。这里所谓的规定量的水蒸气例如是每1小时从煤喷嘴18向热解部13投入的煤的量的5～10%左右的质量流量。
其结果是，附着于热解部13的焦油减少，压力差降低至通常的压力差。
另外，当即使供给每1小时投入的煤的量的5～10%的质量流量的水蒸气、压力差也不降低至通常的值时，可以进一步供给每1小时投入的煤的量的5%左右的质量的水蒸气。此时，水蒸气/碳质量比不需要限定成1.0～1.5的范围。但是，当压力差降低至通常的压力差后，优选在水蒸气/碳质量比为1.0～1.5的范围内进行运转。
如以上所说明的那样，根据本实施方式的煤气化反应炉31，由于供给的水蒸气的质量流量不会过分增加，因此可以维持可燃性气体的产量。另外，通过向焦油的气化反应供给足够的质量流量的水蒸气，可以有效地抑制热解部13内的焦油的附着量增加。
此外，本发明人发现，焦油集中附着于热解部13的贯穿孔12中的煤喷嘴18的上方D1的规定的位置(例如煤喷嘴18的上方D1距离煤喷嘴18数百mm的位置)。基于该发现，在上述实施方式中，将配管33和34分别连接在焦油不易附着的煤喷嘴18的下方D2和贯穿孔12的端部12a。由此，可以防止焦油附着于配管33和34而准确地测定压力差，可更确实地防止热解部13的贯穿孔12被焦油堵塞。
另外，由于热解部13的贯穿孔12中的煤喷嘴18的下方D2的部分也不易附着焦油，因此也可以在该部分连接第一配管33。
以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详细描述，但具体的构成不限于该实施方式，也包含不脱离本发明主旨的范围的构成的变更等。
例如，在第1实施方式和第2实施方式中，也可以不在煤气化反应炉中具备水分量测定装置20，而按以下所说明地那样来运转煤气化反应炉。即，预先通过计算求算水蒸气量和煤及碳质原料中的碳量，基于该计算值向热解部13由煤喷嘴18供给煤、由水蒸气喷嘴19供给水蒸气。关于部分氧化部11中生成的水蒸气的量，通过基于投入的碳质原料的量、碳质原料的组成、氧的量及水蒸气的量来获取氧、氢、碳的收支，从而能够以一定程度的精度进行计算。关于热解部13出口处的水蒸气/碳质量比，可以基于热解部13中的煤的投入量、水蒸气的投入量、因与煤中的碳的水蒸气反应而引起的水蒸气的消失量来进行计算。另外，煤中的碳量可以采用JIS M8819中规定的方法来测定。
在如此不具备水分量测定装置20时，会产生煤、碳质原料和水蒸气的流量变动和流量误差。因此，为了避免运转中上述水蒸气/碳质量比小于1.0的危险性，需要将水蒸气/碳质量比设为远远大于1.0的值(例如1.2以上且1.5以下)。
实施例
(实施例1)
使用图1的装置，用含有3%的水分、71.8%的碳的经干燥的煤进行实验。该煤不仅用于热解部13，还用作供至部分氧化部11的碳质原料。
从全部的气化烧嘴17供至部分氧化部11的煤的质量流量为650(kg/h)、氧气的流量为385(Nm3/h)、水蒸气的质量流量为60(kg/h)。此外，从全部的煤喷嘴18供至热解部13的煤的质量流量为150(kg/h)、从水蒸气喷嘴19投入的水蒸气的质量流量为60(kg/h)。
此时，用水分量测定装置20测得的从贯穿孔12的端部12a流出的合成气体中含有的水蒸气的浓度为8.1%(体积%)，生成气体的流量以干燥流量计为1760(Nm3/h)。然后，求得每单位时间从全部的煤喷嘴18供给的煤中含有的碳的质量流量Qc为104(kg/h)、从贯穿孔12的端部12a流出的水蒸气的质量流量为125(kg/h)，水蒸气/碳质量比为1.2。
在上述运转条件(水蒸气/碳质量比为1.2)下，在100小时运转后和200小时运转后暂时停止运转，对热解部13内部进行了调查。此时，没有发现来自焦油的碳质物质的附着。
(实施例2)
使用图4的装置，用含有3%的水分、71.8%的碳的经干燥的煤进行实验。该煤不仅用于热解部13，还用作供至部分氧化部11的碳质原料。
从全部的气化烧嘴17供至部分氧化部11的煤的质量流量为650(kg/h)、氧气的流量为385(Nm3/h)、水蒸气的质量流量为60(kg/h)。此外，从全部的煤喷嘴18供至热解部13的煤的质量流量为150(kg/h)、从水蒸气喷嘴19投入的水蒸气的质量流量为40(kg/h)。从计算上看，是水蒸气/碳质量比达到1.0的条件。
但是，由于煤中的水分变动，使煤中的水分低于3%的煤暂时被投入，因此第一配管33与第二配管34的压力差逐渐上升。当压力差相对于运转初期的压力差增加50%时，从水蒸气喷嘴19投入到热解部13中的水蒸气的质量流量增加为60(kg/h)。然后，压力差逐渐降低，因此在压力差相对于运转初期的压力差低于10%的阶段，从水蒸气喷嘴19投入到热解部13中的水蒸气的质量流量减少为50(kg/h)。然后，在100小时运转后和200小时运转后暂时停止操作，对热解部13内部进行了调查。此时，未发现来自焦油的碳质物质的附着。
(比较例1)
使从全部的气化烧嘴17供给的煤的质量流量、氧气的流量以及水蒸气的质量流量与实施例1相等。而且，使从煤喷嘴18供给的煤的质量流量为160(kg/h)、从水蒸气喷嘴19供给的水蒸气的质量流量为40(kg/h)。
此时，用水分量测定装置20测得的水蒸气的浓度为6.7%(体积浓度)，生成气体的流量以干燥流量计为1775(Nm3/h)。在该条件下，可见附着于热解部13内的焦油的增加。
此时，求得每单位时间从煤喷嘴18供给的煤中含有的碳的质量流量Qc为111(kg/h)、从贯穿孔12的端部12a流出的水蒸气的质量流量Qs为102(kg/h)，水蒸气/碳质量比为0.92。
在上述的运转条件(水蒸气/碳质量比为0.92)下，在100小时运转后和200小时运转后暂时停止操作，对热解部13内部进行了调查。此时，确认到碳质的附着产生及增加。
(比较例2)
使从全部的气化烧嘴17供给的煤的质量流量、氧气的流量以及水蒸气的质量流量与实施例1相等。而且，使从煤喷嘴18供给的煤的质量流量为125(kg/h)、从水蒸气喷嘴19供给的水蒸气的质量流量为80(kg/h)。
此时，用水分量测定装置20测得的水蒸气的浓度为9.0%(体积浓度)，生成气体的流量以干燥流量计为1734(Nm3/h)。在该条件下，在热解部13内没有观察到附着物。
此时，求得每单位时间从煤喷嘴18供给的煤中含有的碳的质量流量Qc为87(kg/h)、从贯穿孔12的端部12a流出的水蒸气的质量流量Qs为138(kg/h)，水蒸气/碳质量比为1.58。
另外，在上述实施例和比较例1、比较例2中，对投入到热解部13中的煤和蒸气量进行了调节以使热解部13的温度为恒定(1100℃)。
上述实施例中的气体生成量以干燥流量计为1760(Nm3/h)、发热量为8545(kJ/Nm3)，比较例1中的气体生成量为1775(Nm3/h)、发热量为8593(kJ/Nm3)，比较例2中的气体生成量为1734(Nm3/h)、发热量为8495(kJ/Nm3)。在本发明的运转方法的实施例中，与在热解部生成了附着物的比较例1相比，生成的气体量几乎没有减少，发热量也维持在与比较例1大致相等的水平。并且，能够在碳质物质不附着于装置的情况下进行运转。另外，在投入水蒸气的量多的比较例2中，投入到热解部中的煤量减少。因此，生成的气体量减少。
以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式或实施例。在不脱离本发明的主旨的范围内，可以进行构成的附加、省略、置换、以及其它变更。本发明不限于上述说明，仅限于添附的权利要求的范围。
产业上利用的可能性
根据上述煤气化反应炉的运转方法和煤气化反应炉，能够在不使可燃性气体的产量大幅减少的情况下有效地抑制焦油在上部反应容器内的附着量增加。
符号说明
4、31  煤气化反应炉
11     部分氧化部(下部反应容器)
12     贯穿孔
12a    端部
13     热解部(上部反应容器)
13a    缩径部
17     气化烧嘴
18     煤喷嘴
19     水蒸气喷嘴
20     水分量测定装置
32     压力测定装置
33     第一配管
34     第二配管

Claims (6)

1.一种煤气化反应炉的运转方法，其特征在于，
所述煤气化反应炉具备下部反应容器和上部反应容器，所述下部反应容器在内部形成有收纳空间，所述上部反应容器设在所述下部反应容器的上方，并形成有介由缩径部与所述下部反应容器的所述收纳空间连通且沿上下方向延伸的贯穿孔，
以规定的比例向所述下部反应容器供给碳质原料、氧气和水蒸气，
向所述上部反应容器供给煤和水蒸气，
利用来自所述下部反应容器的高温气体显热，使所述煤在所述上部反应容器中在950℃以上的温度下发生反应，从而至少制造氢气和一氧化碳气体，
其中，以每单位时间从所述上部反应容器的所述贯穿孔的出口流出的流体中含有的所述水蒸气的质量与每所述单位时间供至所述上部反应容器的所述煤中的碳的质量之比达到1.0以上且1.5以下的方式，调节供至所述上部反应容器的所述煤和所述水蒸气中的至少一方的质量流量。
2.根据权利要求1所述的煤气化反应炉的运转方法，其特征在于，
在求算每所述单位时间从所述上部反应容器的所述贯穿孔的出口流出的流体中含有的所述水蒸气的质量时，
测定每所述单位时间流出的所述流体的质量流量，
测定所述流体中含有的水蒸气浓度，
将测定所述质量流量得到的值与测定所述水蒸气浓度得到的值的乘积作为每所述单位时间流出的流体中含有的所述水蒸气的质量。
3.根据权利要求1或2所述的煤气化反应炉的运转方法，其特征在于，
测定所述上部反应容器的贯穿孔中供给所述煤的煤喷嘴的下方部分或者所述下部反应容器的收纳空间与所述贯穿孔的上方的端部之间的压力差，
当所述压力差超过规定的值时，向所述上部反应容器的内部供给规定的量的水蒸气。
4.一种煤气化反应炉，其特征在于，
其是在权利要求1～3中任一项所述的煤气化反应炉的运转方法中使用的煤气化反应炉，
其具备下部反应容器和上部反应容器，所述下部反应容器在内部形成有收纳空间，所述上部反应容器设在所述下部反应容器的上方，并形成有介由缩径部与所述下部反应容器的所述收纳空间连通且沿上下方向延伸的贯穿孔，
所述下部反应容器具有以规定的比例向所述下部反应容器供给碳质原料、氧气和水蒸气并使所述碳质原料燃烧的气化烧嘴，
所述上部反应容器具有：
向所述上部反应容器供给煤的煤喷嘴；
向所述上部反应容器供给水蒸气的水蒸气喷嘴；和
设在所述上部反应容器的所述贯穿孔的上方的端部、并测定每单位时间从所述贯穿孔的端部流出的水蒸气的质量的水分量测定装置。
5.根据权利要求4所述的煤气化反应炉，其特征在于，具有：
第一配管，其与所述上部反应容器的贯穿孔中的所述煤喷嘴的下方的部分或者所述下部反应容器的收纳空间连接；和
第二配管，其与所述上部反应容器的所述贯穿孔的上方的端部连接，
进一步具备测定所述第一配管与所述第二配管的压力差的压力测定装置。
6.一种煤气化反应炉的运转方法，其是具备互相连通的下部反应容器和上部反应容器的煤气化反应炉的运转方法，具有下述工序：
向所述下部反应容器的内部供给碳质原料、氧气和水蒸气的工序；
向所述上部反应容器的内部、在用煤喷嘴供给煤的同时用水蒸气喷嘴供给水蒸气的工序；
利用在所述下部反应容器的内部生成的高温的气体使所述上部反应容器的内部的所述煤在950℃以上的温度下发生反应来制造至少含有氢气和一氧化碳气体的合成气体的工序；
求算所述合成气体中含有的水蒸气的质量流量Qs的工序；
基于所述煤的碳含量来求算供至上部反应容器的内部的碳的质量流量Qc的工序；以及
以所述水蒸气的质量流量Qs与所述碳的质量流量Qc之比Qs/Qc达到1.0以上且1.5以下的方式、调节所述煤喷嘴所供给的所述煤的质量流量和所述水蒸气喷嘴所供给的所述水蒸气的质量流量中的至少一方的工序。
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