JP2008231294A - 二段ガス化炉 - Google Patents

Abstract

【課題】二段ガス化炉をスケールアップする目的で、炉本体の直径を大きくする際にあたって、炉本体の高さをむやみに高くすることなく、炉本体内で低温領域と高温領域とが明確に形成されて望ましい温度分布が形成されるようにし、かつ炉壁の損傷を防止でき、炉壁からの熱損失を小さくする。
【解決手段】円筒状の炉本体２と、この炉本体の上部に配される上部バーナー群３と、炉本体の下部に配される下部バーナー群４を備え、炉本体２の上端部に、製品ガスが排出されるガス出口５が、炉本体２の下端部には溶融スラグが排出される溶融スラグ出口７が形成され、上部バーナ群３と下部バーナ群４との間隔Ｌｂと、ガス出口５と上部バーナ群３との間隔Ｌｕとの比率がＬｂ／Ｌｕ＝２〜１２とされているガス化炉である。
【選択図】図１

Description

この発明は、石炭等の固形炭化水素燃料から一酸化炭素、水素、メタンなどの燃料ガスを製造する石炭ガス化プロセスに用いられる二段ガス化炉に関する。

石炭ガス化に用いられるプロセスとして、二段ガス化法がある。この二段ガス化法に関して、例えば特公平４−７２８７７号公報、特公平４−５５２３８号公報にこのプロセスに用いられる二段ガス化炉が開示されている。

図１は、このような二段ガス化炉の一例を示すものである。この二段ガス化炉１は、図１（ａ）に示すように、炉本体２と、この炉本体２の上部に設けられた上部バーナ群３と、炉本体２の下部に設けられた下部バーナ群４とから概略構成されている。
炉本体２は、ほぼ一定の断面積を有する円筒状となっており、その頂部には炉本体２内で生成した一酸化炭素、水素、メタンなどの製品ガスを導出するガス出口５が開口している。このガス出口５の直径（Ｄｏｕｔ）は、炉本体２の直径（Ｄ）よりも小さくされ、後段の機器に接続されるようになっている。

炉本体２に下部の内面には、円環状のスラグスタック６が取り付けられており、このスラグスタック６の中心開口部は、溶融スラグが流下する溶融スラグ出口７となっている。この溶融スラグ出口７の直径も炉本体２の直径よりも小さくされ、この溶融スラグ出口７からの放熱を少なくするように構成されている。

上部バーナ群３は、炉本体２の上部に配置され、図１（ｂ）に示すように４本のバーナ３１、３２、３３、３４がそれぞれ炉本体２の周壁に均等に配されて取り付けられている。これらバーナ３１・・・は、それぞれの噴射口が炉本体２の中心軸に向けられておらず、図示のように、中心軸よりも外側に向けられており、それぞれの噴射口から噴射される燃焼ガスが炉本体２の円周方向に流れ、炉本体２内で旋回流を形成するようになっている。

この上部バーナ群３により形成される旋回流の仮想的な円の直径は「仮想旋回流円径」と呼ばれ、これの直径を以下、Ｄｕと呼ぶ。
なお、本発明での「仮想旋回流円径」とは、現実のガスの流れによる旋回流についてのものではなく、各バーナ３１、３２・・のノズルの噴射方向軸を仮想的に延長した４本の直線に内接する円の直径を言うものと定義する。これにより、「仮想旋回流円径」を定めることにより、各バーナ３１、３２・・の配置が定まることになる。
上部バーナ群３を構成する個々のバーナには、石炭などの固形炭化水素燃料の微粉末と空気、酸素ガスなどの酸素含有気体からなる酸化剤が供給され、これがそれぞれの噴射口から噴射されるようになっている。以下、酸化剤と固形炭化水素燃料との混合比（酸化剤供給量／固形炭化水素燃料供給量：重量比）を酸化剤量比とする。

下部バーナ群４は、炉本体２の下部のスラグスタック６の上方に配置され、図（ｃ）に示すように４本のバーナ４１、４２、４３、４４がそれぞれ炉本体２の周壁に均等に配されて取り付けられている。これらバーナ４１・・・も、それぞれの噴射口が炉本体２の中心軸に向けられておらず、図示のように、中心軸よりも外側に向けられており、それぞれの噴射口から噴射される燃焼ガスが同様にして炉本体２内で旋回流を形成するようになっている。この下部バーナ群４により形成される旋回流の仮想的な円の直径は、やはり「仮想旋回流円径」と呼ばれ、この直径を以下、Ｄｌと呼ぶ。ここでの「仮想旋回流円径」の定義は、上部バーナ群３におけるものと同様である。

下部バーナ群４を構成する個々のバーナには、上部バーナ群３と同様に、固形炭化水素燃料の微粉末と空気、酸素ガスなどの酸素含有気体からなる酸化剤が供給され、これがそれぞれの噴射口から噴射されるようになっている。
そして、上部バーナ群３による仮想旋回流円径Ｄｕが下部バーナ群４による仮想旋回流円径Ｄｌよりも大きくなるように、かつ下部バーナ群４による仮想旋回流円径Ｄｌがガス出口５の直径Ｄｏｕｔよりも大きくなるように構成されている（Ｄｕ＞Ｄｌ＞Ｄｏｕｔ）。

このように構成された二段ガス化炉１では、上部バーナ群３での酸化剤量比を低くし、下部バーナ群４での酸化剤量比を高くして燃焼させ、燃焼ガスの旋回流を形成することにより、図２に示すような炉本体２内での温度分布が形成され、上部領域では固形炭化水素燃料中の灰分が溶融しない温度で、下部領域では灰分が溶融する温度で運転される。

これにより、上部バーナ群３付近の領域では、高温の旋回流内での化学反応により、水素、一酸化炭素、メタンなどのガスが生成し、上部のガス出口５から高温の製品ガスとして導出される。このガスの温度は、固形炭化水素燃料中の灰分の溶融温度よりも低い温度となっている。
一方、下部バーナ群４付近の領域では二酸化炭素、水分などのガスが生成し、このガスは上部バーナ群３の領域に上昇し、ここでの反応に供される。また、固形炭化水素燃料中の灰分は、上部バーナ群３で生成して降下する灰分ととも溶融し、この溶融した灰分は溶融スラグとして、旋回流に乗って炉本体２の壁面に付着し、ここを伝わって下部の溶融スラグ出口７から流下、排出される。
ここで、下部バーナ群４と溶融スラグ出口７との間隔をＬｌとし、両バーナ群間の間隔をＬｂとし、上部バーナ群３とガス出口５の間隔をＬｕとし、炉本体２の高さをＬとしたとき、Ｌ＝Ｌｌ＋Ｌｂ＋Ｌｕとなっている。

このような二段ガス化炉１を用いた二段ガス化法にあっては、製品ガスの収率が高く、溶融スラグの回収が良好に行える、製品ガスの温度を低くすることができ、後段の熱回収機器での熱負荷が軽減され、小型化が可能であり、溶融スラグや燃焼灰が付着するスラッギング、ファウリングなどが生じないなどの利点があるとされている。

ところで、このような二段ガス化炉１を実用化に向けてスケールアップ（処理能力の増強）する場合には、以下のような問題がある。
すなわち、二段ガス化炉１をスケールアップするための手段の１つとして、炉本体２の直径（Ｄ）を大きくする場合には、炉本体２の高さ（Ｌ）と炉本体２の直径（Ｄ）との比率（Ｌ／Ｄ）が小さくなり、同時に上部バーナ群３と下部バーナ群４との間隔（Ｌｂ）と炉本体２の直径（Ｄ）との比率（Ｌｂ／Ｄ）も小さくなる。
このため、上部バーナ群３および下部バーナ群４での酸化剤量比を適切に設定したとしても、炉本体２内での温度分布に、図２に示すような低温領域と高温領域の明確な形成が困難となる。

このような問題に対する対応策として、炉本体２内での図２に示すような適切な温度分布を形成するため、炉本体２の高さ（Ｌ）を、小型炉における炉本体２の高さ（Ｌ）と炉本体２の直径（Ｄ）との比率（Ｌ／Ｄ）と同じ割合を保ちつつ、高くすることが考えられる。
しかし、このようにして炉本体２の高さ（Ｌ）を高くすると、炉本体２の炉壁面積が過大となり、その結果として、炉壁からの伝熱損失が増え、温度維持のための酸素量が増え、製品ガスの回収量が少なくなる(ガス化効率が低下)。また、炉負荷が小さいときには石炭入熱が少ないため、この現象は一層顕著となる。

また、炉本体２の高さ（Ｌ）が高いため、高温領域も必要以上に広がり、溶融スラグに晒される炉壁領域が増大し、炉壁の損傷の範囲が広まることにもなる。
また、炉本体２の高さだけでなく、上部バーナ群３と下部バーナ群４との間隔もできるだけ長くするために、上部バーナ群３をできるだけガス出口５に近づけると、上部バーナ群３の火炎が炉本体２の天井壁に直接接触し、壁に損傷を及ぼすことになる。
特公平４−７２９７７号公報 特公平４−５５２３８号公報

よって、本発明における課題は、二段ガス化炉をスケールアップする目的で、炉本体の直径を大きくする際にあたって、炉本体の高さをむやみに高くすることなく、炉本体内で低温領域と高温領域とが明確に形成されて望ましい温度分布が形成されるようにし、かつ炉壁の損傷を防止でき、炉壁からの熱損失を小さくすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、円筒状の炉本体と、この炉本体の上部に配され、固形炭化水素燃料粉末と酸化剤との混合流体を噴射する上部バーナー群と、炉本体の下部に配され、固形炭化水素燃料粉末と酸化剤との混合流体を噴射する下部バーナー群を備え、
炉本体の上端部には、製品ガスが排出されるガス出口が形成され、
上部バーナ群と下部バーナ群との間隔Ｌｂと、ガス出口と上部バーナ群との間隔Ｌｕとの比率がＬｂ／Ｌｕ＝２〜１２とされていることを特徴とするガス化炉である。

本発明によれば、上部バーナ群と下部バーナ群との間隔Ｌｂと、ガス出口と上部バーナ群との間隔Ｌｕとの比率をＬｂ／Ｌｕ＝２〜１２とすることにより、炉本体の直径を大きくしてガス化炉のスケールアップを図る場合にも、炉本体の高さをむやみに高くしなくとも、炉本体内の温度分布を、図２に示すような適切なものとすることができる。
このため、炉本体の高さを高くすることによる製品ガスの回収量の低下、炉本体の炉壁の損傷などの弊害が生じることがなくなる。

以下、図１を利用して、本発明のガス化炉の一例を説明する。
この例のガス化炉１では、上部バーナ群３と下部バーナ群４との間隔Ｌｂと、ガス出口５と上部バーナ群３との間隔Ｌｕとの比率（Ｌｂ／Ｌｕ）が２〜１２とされている以外は、図１に示した従来のものと同様の構造となっている。

以下、本発明において、上部バーナ群３と下部バーナ群４との間隔Ｌｂと、ガス出口５と上部バーナ群３との間隔Ｌｕとの比率、Ｌｂ／Ｌｕを２〜１２とした理由もしくは根拠に関して説明する。
図３に、小規模な２段ガス化炉の炉内温度分布（ガス化炉半径方向の平均温度）を示す。縦軸は相対炉高さＬ＊で、Ｌ＊＝１は生成ガス出口５を、Ｌ＊＝０は溶融スラグ出口７を表す。
試験条件は、上部バーナ群３の酸化剤量比＝０．５４（トン／トン）、下部バーナ群４の酸化剤量比＝１．１１（トン／トン）、ガス化圧力２．５ＭＰａである。
使用した石炭の灰の溶融温度（ＪＩＳ法、酸化雰囲気の流動点）は、１４３０℃である。グラフ中の黒点は実測値を示し、実線は３次元熱流動解析の結果を示す。

Ｌ＊が約０．４５以下で灰溶融温度を超える領域、０．４５以上で灰溶融温度よりも低い領域が明瞭に形成されている。これは、下部バーナ群４付近では、下部バーナ群４による反応で発生した高温ガスにより灰溶融とスラグ流下に充分必要な温度領域が形成される一方、上部バーナ群３による反応で発生した灰の溶融温度以下のガスが下部バーナ群３に向ってある位置まで下降するためである。
図３に示した温度分布が、本発明で対象とする２段ガス化炉の理想とする温度分布の一例である。

図３に示したような炉本体２内での温度分布は、ガス化炉１の上部バーナ群３、下部バーナ群４から噴出される固形炭化水素燃料粉末と酸化剤との反応やこれらの流動状態で決まるので、炉高さＬと炉径Ｄの比Ｌ／Ｄや上部バーナ群３と下部バーナ群４との間隔（Ｌｂ）に影響される。
そこで、Ｌ／ＤおよびＬｂを任意に変え、３次元熱流動解析で炉内での温度分布を調べた結果、２段ガス化炉内の温度分布形成は、上部バーナ群３と下部バーナ群４との間隔Ｌｂと上部バーナ群３とガス出口２の間隔Ｌｕの比に支配されることを見出した。

図４にその結果を示す。
検討の対象としたガス化炉の処理量は小規模ガス化炉の２０倍とし、ガス化条件は、上部バーナ群３の酸化剤量比＝０．５４（トン／トン）、下部バーナ群４の酸化剤量比＝１．０５（トン／トン）、ガス化圧力３．０ＭＰａである。石炭灰の溶融温度は１４３０℃である。
図４のグラフでの横軸はＬｂ／Ｌｕで、縦軸は上部バーナ群３と下部バーナ群４との間の領域での最も低い温度で、この温度により灰の溶融・非溶融形成がバーナ間で形成されるかどうかの判定ができる。
また、温度は、ガス化炉半径方向の平均温度と壁近傍の温度を示した。壁近傍の温度は、ガス化炉壁に溶融スラグ層が形成されるかどうか否か（灰の非溶融壁状態、又は溶融壁状態）の直接的な判断要素となる。

その結果、Ｌｂ／Ｌｕが小さいと、バーナ間最低温度は灰溶融温度を超えるが、この比が大きくなるに伴いバーナ間最低温度は灰溶融温度より低くなり、ある値から再び高くなることがわかる。
Ｌｂ／Ｌｕが小さいということは上部バーナ群３がガス化炉天井壁から離れている（Ｌｕが大きい）か、Ｌｂが小さい（上部バーナ群３と下部バーナ群４が接近している）かであり、いずれでも両バーナ群間には灰の非溶融領域は形成されない。

この状態は、（１）灰溶融領域が長く（広く）、溶融スラグにより耐火物が損傷する領域が広がりやすい、（２）伝熱損失量が増える、（３）実際の運転にあたり２段反応機能の維持、制御操作が困難になる、等の理由で好ましくない。
Ｌｂ／Ｌｕが大きくなる、すなわち両バーナ群間を離すと（Ｌｂが大きい）、両バーナ群間に低温領域がうまく形成されるようになる。しかし、さらに大きくすると、すなわち（ａ）バーナ群間を離し過ぎる（Ｌｂが大き過ぎる）と、上部バーナ群３で生成した低温ガスの高温側への流れが弱まり、両バーナ群間の温度は全体的に高温側温度の影響に支配されるため、または（ｂ）上部バーナ群３がガス化炉天井壁６に近すぎる（Ｌｕが小さ過ぎる）と上部バーナ群３の各バーナ３１・・・の噴出孔近傍の局所的高温火炎の影響が強くなり、いずれも両バーナ群間の最低温度は高くなる。

また、（ｂ）の場合、バーナ火炎がガス化炉天井壁に直接触れる。通常、ガス化炉天井壁は炉壁と同様な構造か、または水冷管で構成されているが、バーナ火炎が直接当たると炉壁損傷を招くので好ましくない。
したがって、図４の結果から、好適な炉内温度分を形成するための望ましい範囲としては２≦Ｌｂ／Ｌｕ≦１２となる。
なお、下部バーナ群４と溶融スラグ出口７の間隔Ｌｌは、溶融スラグの安定排出やガス化炉壁や炉床に損傷を与えない条件で溶融スラグ出口７に近い位置で決められるもので、この種のガス化炉で定められている範囲とすればよい。

本発明のＬｂ／Ｌｕを２≦Ｌｂ／Ｌｕ≦１２の範囲に設定することにより、炉高Ｌを過大にしなくても２段反応の温度分布を形成できる例を図５および図６に示す。
図５の（ａ）で示したガス化炉１は、従来の手法、すなわち小規模ガス化炉におけるＬ／Ｄと等しいＬ／Ｄを保って処理能力を２０倍とした大型炉を示す。また、（ｂ）で示したガス化炉１は、本発明の手法を用い、Ｌｂ／Ｌｕ＝４．８とし、炉の高さ（Ｌ）を（ａ）のガス化炉の０．３８倍とし、処理能力を２０倍とした大型炉を示す。

この２種のガス化炉における温度分布を３次元熱流動解析により求めたものが図６である。図６の曲線（ａ）は図５の（ａ）で示したガス化炉についての温度分布であり、曲線（ｂ）は図５の（ｂ）で示したガス化炉についても温度分布である。この結果、本発明によるガス化炉（ｂ）でも従来手法によるガス化炉（ａ）と同様な温度分布が形成でき、本発明では炉の高さをむやみに高くする必要がないことがわかった。
以上のように、両バーナ群の配置位置を適正化することにより、炉の寸法を大型化しても適切な温度分布形成を可能とするものである。

図７は、炉高さによる伝熱損失量の影響を示すものである。図７のグラフは、図５の（ｂ）のガス化炉１の炉高およびその時の炉壁からの伝熱損失量をそれぞれ１とした時の相対高さと相対伝熱損失量の関係を示したものである。
仮に大型炉の炉高Ｌを従来の設計法により求めると、本発明による炉高より１／０．３８≒２．６倍高くする必要があるが、これにより炉壁の伝熱損失は約２．１倍になる。これによるガス化温度の低下を防ぐため、酸素使用量は３．７％増加し、これによりＣＯとＨ_２の生成量は２．０％低下することになる。

上述の実施形態では酸化剤に酸素を用いたが、酸化剤には、これ以外に空気、又は空気と酸素の混合ガスが用いられる。また、石炭種が決まれば、その元素組成や灰組成、灰溶融温度等に応じて適切な２段反応を行わせる温度（灰溶融、非溶融温度）は決まり、いずれの酸化剤を用いたとしても、そのような温度を維持するように酸化剤と石炭の供給割合を決める。
また、固形炭化水素燃料には石炭以外の固形炭化水素燃料、例えば、石油残渣油、固形バイオマス、プラスチック等の固形廃棄物等が用いられる。なお、固形炭化水素燃料に灰分が一定以上含まれないものには、ガス化炉壁保護の観点で、原料に灰分相当の組成の無機物を添加することもできる。

本発明における二段ガス化炉の例を示す概略構成図である。 本発明における二段ガス化炉の炉本体内での温度分布を示すグラフである。 小規模炉における炉本体内での温度分布を示すグラフである。 本発明におけるＬｂ／Ｌｕとバーナ群間での最低温度との関係を示すグラフである 本発明での効果を確認するための本発明および従来手法によるモデル炉を示す説明図である。 図５に示した２種のモデル炉における温度分布を示すグラフである。 ガス化炉の炉高さと炉壁伝熱損失との関係を示すグラフである。

符号の説明

１・・ガス化炉、２・・炉本体、３・・上部バーナ群、４・・下部バーナ群、５・・ガス出口、７・・溶融スラグ出口

Claims (1)

1. 固形炭化水素燃料粉末と酸化剤との反応によりガスを生成する円筒状の炉本体と、この炉本体の上部に配され、固形炭化水素燃料粉末と酸化剤との混合流体を炉本体内に噴射する上部バーナー群と、炉本体の下部に配され、固形炭化水素燃料粉末と酸化剤との混合流体を炉本体内に噴射する下部バーナー群を備え、
   炉本体の上端部には、製品ガスが排出されるガス出口が形成され、
   上部バーナ群と下部バーナ群との間隔Ｌｂと、ガス出口と上部バーナ群との間隔Ｌｕとの比率がＬｂ／Ｌｕ＝２〜１２とされていることを特徴とする二段ガス化炉。

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