JP2012051963A

JP2012051963A - 石炭スラグの排出性評価試験方法

Info

Publication number: JP2012051963A
Application number: JP2010193548A
Authority: JP
Inventors: Hirotake Oki; 裕壮沖; Saburo Hara; 三郎原
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: JP5554182B2

Abstract

【課題】石炭ガス化炉からの溶融スラグの排出を実際の状況に即して評価する。
【解決手段】石炭ガス化炉で得られた、またはその過程を想定して調整した石炭スラグの固形試料を耐熱容器１内で予め定められた試験温度よりも高く且つ完全に溶融させることができる温度にまで加熱して完全に溶融させた後（ステップＳ２２）、耐熱容器１内で溶融スラグ２を試験温度にまで冷却し（ステップＳ２３）、耐熱容器１から流下させて流下量を計測して評価を行う（ステップＳ２４，Ｓ２５）。
【選択図】図１

Description

本発明は、石炭スラグの排出性評価試験方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、石炭スラグの固形試料を溶融させた後、自然落下させて評価を行う石炭スラグの排出性評価試験方法に関するものである。

高効率で環境性に優れた発電システムである石炭ガス化複合発電の中核をなす石炭ガス化炉では、発生した溶融スラグ（石炭スラグ）を確実に排出する必要がある。石炭ガス化炉で発生した溶融スラグの排出性はその粘性に強く影響を受け、粘性は石炭の成分に依存するため、溶融スラグの排出性は炭種毎に異なる。そのため、予め炭種毎にスラグの排出性を評価し、石炭ガス化炉に適した炭種を選択しておくことが重要である。特に、今後は石炭需要の増加が予測されており、限りある資源である石炭として今までよりも品位の低いものを使わざるを得ないこともあり、予め炭種毎にスラグの排出性を評価し、特定のガス化炉に利用可能な石炭種を見極めることがより一層重要となる。

また、燃料として購入した石炭を石炭ガス化炉で使用する際には、炭種に応じた適正なガス化炉運転条件をみきわめることも重要であり、炉底温度を想定した炭種毎のスラグ排出性評価は必要な技術である。

従来、石炭スラグの排出性をＪＩＳの石炭灰及びコークス灰の分析方法（ＪＩＳＭ８８１５）に準じて評価することが考えられている。この方法は、石炭を空気中で灰化して得られた灰化灰（灰化試料）を成形した三角錐形の試験片をＪＩＳで規格された雰囲気ガス（ＣＯ／ＣＯ_２混合ガス）で満たされた炉内で加熱し、溶けて変形する様子を観察し、温度と形状変化との関係に基づき計測した「融点」または「溶流点」などからスラグの排出性を評価するものである。

石炭スラグの排出特性を評価する方法としては、これまでに高温回転粘度計を用い、灰化試料を坩堝内に入れて加熱溶融させた後に、一定の温度プログラムにそって降温しながらスラグを撹拌して計測した高温粘度とスラグ温度との関係（高温粘度特性）からスラグの排出性を評価する方法が提案されている（非特許文献１）。

また、スラグ流下試験装置を使用した評価方法の試行例も報告されている（非特許文献２）。スラグ流下試験装置を図５に示す。スラグ流下試験装置は、電気炉１０１内のアルミナ管１０２の内側に灰化試料１０３を入れた黒鉛坩堝１０４をセットし、灰化試料１０３をヒータ１０５で加熱し溶かして坩堝１０４から落下させてその重量を電子天秤１０６で計測するものである。坩堝１０４の下には落下したスラグを受けるステンレス製の容器１０７が設けられている。スラグ温度とスラグの流下量（重量）との関係からスラグの排出性を評価するものである。

H.J.Hurst et.al.,Fuel 78 (1999) 1831-1840 新エネルギー・産業技術総合開発機構、共同研究先：バブコック日立株式会社「平成１６〜１８年度成果報告書多目的石炭ガス製造技術開発（支援・調査研究）成果報告書」平成１９年５月

しかしながら、上記のＪＩＳに準じた評価方法およびスラグ流下試験装置を使用した評価方法は、いずれも石炭ガス化炉とはプロセスの異なる灰化試料を原料とする固形試料を加熱し溶かしながら評価するものであり、灰化試料が溶融し始めるときの特性に評価が大きく影響されることになる。即ち、灰化試料は融点の異なる複数種の鉱物の混合体であり、灰化試料中の融点の高い成分が溶け始める前に融点の低い成分が溶けて流出し始めるので、評価が融点の低い成分の影響を大きく受けることになり、試料全体が溶融した場合を正しく評価するのに不向きである。

これに対し、実際の石炭ガス化炉ではスラグ排出口の温度は炉内温度よりも低く、石炭スラグの排出性が問題になるのは、炉内で完全に溶融されていたスラグがスラグ排出口に移動することで冷却され流動性が悪化する場面である。そのため、上記のＪＩＳに準じた評価方法及びスラグ流下試験装置を使用した評価方法では、実際の状況に即した評価を行うことができない。

また、上記の高温粘度特性から排出量を評価する方法では、灰化試料を完全溶融する点では本特許と類似点があるが、温度をステップ状に十数点変化させ、計測のたびに試料内部の温度分布が均一となるまで一定時間保持し、さらに攪拌抵抗が安定するまで溶融スラグを撹拌し続ける必要があるため、温度保持時間が長時間に及ぶことはさけられない。そのため、耐熱容器の特性によっては、鉄分の多い炭種などでスラグ成分の比重分離を招いて実際の状況に即した評価を行うことができないことがある。

こうした石炭スラグの特性を輸入前に評価し、当該炭種の適合性を見極めた上で、購入炭仕様を検討できることが国内ユーザにとっては理想的であり、高温回転粘度計のような精密電子計測器によることなくＪＩＳの融点計測法のような電気炉をベースとした簡便かつ高精度な排出性評価法の開発が求められている。

本発明は、実際の状況に即して評価を簡便かつ高精度に行うことができる石炭スラグの排出性評価試験方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の石炭スラグの排出性評価試験方法は、炭種によって異なる石炭ガス化炉からの石炭スラグ排出特性を、石炭スラグの固形試料を耐熱容器内で予め定められた試験温度よりも高く且つ完全に溶融させることができる温度にまで加熱して完全に溶融させた後、耐熱容器内で溶融スラグを試験温度にまで冷却し耐熱容器から流下させて流下量を計測し評価を行うものである。

したがって、石炭ガス化炉内と同様に完全に溶融したスラグが冷却される過程におけるスラグの排出性を評価することができる。ここで、試験温度は石炭スラグの排出性を評価したい温度であり、特定のガス化炉の特定部位の実測ガス温度でも良いし、特定ガス化炉を想定した数値解析で得られた炉内特定部位のガス温度であっても良い。また、溶融スラグの耐熱容器からの流下量の計測は、耐熱容器に残っているスラグの量を計測しても良いし、耐熱容器から流下したスラグ量を計測しても良い。

耐熱容器に排出口を設けて当該排出口から溶融スラグを流下させる場合には以下に注意せねばならない。溶融スラグの比重は石炭灰の組成によって大きく変わるため、特に灰中鉄分が多い炭種などでは、スラグ比重が大きく排出口を塞ぐ栓との比重の関係から栓に大きな浮力が作用し、排出口を意図的に開く前に栓が勝手に開いて溶融スラグが漏出することも考えられる。そこで、後述するように、栓に対して一定の加重を加えて漏れを防止することが有効である。

本発明で試料として用いる石炭スラグは、既設石炭ガス化炉で生成したスラグを入手できない場合には、空気中で燃焼生成した灰試料を還元・溶融・水砕処理した石炭スラグの固形試料を原料としてもかまわない。還元処理の方法としては、不活性雰囲気内で黒鉛坩堝に入れた灰化試料を加熱溶融させ、装置下部の水受けに落下・水砕してもよいし、安全な還元性ガス（例えば、０．１％（爆発限界４％以下）の水素を混入させた窒素ガスなど）雰囲気内で灰化試料を加熱溶融させ、装置下部の水受けに落下・水砕してもよい。

請求項１記載の石炭スラグの排出性評価試験方法によれば、固形試料を一旦完全に溶融させた後、溶融スラグの温度を試験温度まで下げて評価を行うので、石炭ガス化炉から溶融スラグ（石炭スラグ）が実際に排出される場合の挙動を模擬することができ、実際の状況に即した評価を簡便かつ高精度に行うことができる。

また、石炭スラグの排出性評価試験方法では、空気中で生成した石炭灰ではなく、石炭ガス化炉で生成したスラグに近い、還元・水砕のスラグを用いることで、より石炭ガス化炉のスラグ排出に近い現象を対象にスラグ排出特性を評価することができる。

本発明の石炭スラグの排出性評価試験方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。本発明の石炭スラグの排出性評価試験方法を実施する電気炉を示す概略図である。耐熱容器から溶融スラグを流下させる様子を示し、（Ａ）は排出口を閉じた状態の耐熱容器の断面図、（Ｂ）は排出口を開いた状態の耐熱容器の断面図である。耐熱容器から溶融スラグを流下させる様子を示し、（Ａ）は傾ける前の状態の耐熱容器の断面図、（Ｂ）は傾けた状態の耐熱容器の断面図である。従来のスラグ流下試験装置の概略図である。

以下、本発明の構成を図面に示す形態に基づいて詳細に説明する。

図１〜図３に、本発明の石炭スラグの排出性評価試験方法の実施形態の一例を示す。石炭スラグの排出性評価試験方法（以下、単に排出性評価試験方法という）は、炭種によって異なる石炭ガス化炉からの石炭スラグ排出特性を、石炭スラグの固形試料を耐熱容器１内で予め定められている試験温度よりも高く且つ完全に溶融させることができる温度にまで加熱して完全に溶融させた後、耐熱容器１内で溶融スラグ２を試験温度にまで冷却し、耐熱容器１から流下させて流下量を計測し評価を行うものである。

本実施形態では、電気炉を使用して排出性評価試験を行う。試験に使用する電気炉３を図２に示す。圧力容器４内には反応管５を囲むようにしてヒータ６が設けられている。反応管５内のヒータ６に対向する位置には耐熱容器１を載せるステージ７が設けられている。ステージ７は支持管８によって下から支持されている。また、反応管５の下には例えば１室式のスラグ受け９が設けられている。スラグ受け９には冷却水が貯められている。

耐熱容器１はステージ７上に載せられて固定されている。耐熱容器１の底の中央には棒状の栓部材１０によって塞がれる排出口１１が設けられている。栓部材１０には反応管５内に上から引き込まれているワイヤ１２が接続されており、ワイヤ１２を上方に引いて栓部材１０を排出口１１から引き抜くことで、排出口１１を開いて溶融スラグ２を自然に流下させることができる。耐熱容器１として、例えば耐熱性に優れたアルミナ，シリカ等のセラミック製の坩堝が使用される。また、栓部材１０も同様に、耐熱性に優れ、溶融スラグ２と反応し難いアルミナ，シリカ等のセラミック製のものが使用される。ただし、耐熱容器１および栓部材１０の材料はこれらに限るものではなく、耐熱性に優れ、溶融スラグ２と反応し難いものであればその他の材料を使用しても良い。

固形試料として、評価対象となる石炭の石炭灰又は石炭スラグを固化させたものが使用される。なお、このように固形試料として石炭ガス化炉で実際に得られたものを使用する代わりに、実際に得られる固形試料を想定して調整した固形試料を使用しても良い。

まず最初に、排出口１１を塞いだ状態の耐熱容器１内に固体試料を所定量充填した後、この耐熱容器１を電気炉３の反応管５内のステージ７上に載せて固定する（前準備：ステップＳ２１）。次に、電気炉３を稼働させて耐熱容器１内の固体試料を完全に溶融させる（ステップＳ２２、図３（Ａ））。即ち、完全に溶融する温度にまで固体試料を十分加熱する。この温度は試験温度よりも高い温度である。溶融スラグ２はこの温度に一定時間、例えば１０分〜１５分程度保持される。

ステップＳ２３では、ヒータ６の出力を低下させて又はヒータ６のスイッチを切って耐熱容器１内の溶融スラグ２の温度を試験温度にまで下げる。ここで、試験温度は石炭スラグ（溶融スラグ２）の排出性を評価したい温度であり、評価対象の石炭を使用しようとする石炭ガス化炉のスラグ排出部あるいはスラグ排出部外近傍付近のガス温度等が設定される。溶融スラグ２の温度が試験温度にまで下がった後、溶融スラグ２は試験温度に一定時間例えば１０分〜１５分程度保持される。この時間の適正値は耐熱容器の容量と試料量、電気炉の加熱能力によって変化する。

次に、栓部材１０を引き抜いて耐熱容器１の排出口１１を開き、溶融スラグ２を自然に流下させる（ステップＳ２４、図３（Ｂ））。溶融スラグ２はその粘性等に応じたスピードで排出口１１から流下する。この状態で一定時間例えば１０分〜１５分程度放置され定常となるのを待つ。耐熱容器１から流下した溶融スラグ２はスラグ受け９によって受け止められ、スラグ受け９内の冷却水によって冷却される。

耐熱容器１内の溶融スラグ２が定常となった後、スラグ受け９から冷却固化されたスラグを回収し、溶融スラグ２の流下量を測定する（ステップＳ２５）。本実施形態では、スラグ受け９から回収したスラグの重量を計測して溶融スラグ２の流下量を算出する（流下量＝耐熱容器１への固形試料の充填量−スラグ受け９からのスラグ回収量）。そして、算出した流下量から、固形試料の炭種の試験温度におけるスラグ排出性を評価する。例えば、スラグの流下量が多いほど排出性が良いと評価する。

本発明では、固形試料を一旦完全に溶融させた後、試験温度にまで下げて評価を行うので、石炭ガス化炉から溶融スラグ２が実際に排出される場合の挙動を模擬して評価を行うことができる。そのため、実際の状況に即した評価を行うことができ、ガス化炉に対する炭種適合性を精度良く且つ簡便に評価することができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、耐熱容器１の排出口１１を栓部材１０によって栓をすることで塞ぎ、栓部材１０を引き抜くことで排出口１１を開くようにしていたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、他の手段によって排出口１１を開閉するようにしても良い。

また、例えば、栓部材１０が溶融スラグ２に浮いて排出口１１から抜けてしまう虞がある場合等には、栓部材１０に炭種に応じて定められる抜け止め荷重をかけることが好ましい。即ち、固形試料（溶融スラグ２）は燃焼前の石炭の種類によって組成が異なり、その密度も異なる。例えば、鉄分を多く含むスラグの場合、密度が大きく、高温耐熱材料である高純度アルミナよりもかなり重くなる。したがって、未溶融の粒状物としてのスラグに対しては自重だけで栓ができたアルミナ製の栓部材１０であっても、溶融後のスラグ中では浮力に負けて浮いてしまい、栓が抜けてしまうことも考えられる。このように栓部材１０抜ける虞がある場合には、栓部材１０に抜け止め荷重をかけることで栓が外れてしまうのを防止することができる。抜け止め荷重のかけ方としては、例えば、栓部材１０の上に錘をのせる方法、栓部材１０の上に連結された長いシャフトに対して炉外から油圧・空気圧のシリンダなどで圧力をかける方法等がある。

また、上述の説明では、栓部材１０にワイヤ１２を接続し、ワイヤ１２を上に引っ張ることで栓部材１０を排出口１１から引き抜くようにしていたが、栓部材１０を引き抜く、即ち排出口１１を開く手段はこれに限るものではない。例えば、栓部材１０を排出口１１の直径よりやや大きな球状とし、これを排出口１１に通したワイヤで捕縛し、排出口１１を下から塞ぐように配置してワイヤで上向きに引き上げる形をとっておき、排出時にワイヤの張力をゆるめて排出口１１を開放することも可能である。

また、上述の説明では、スラグ受け９から回収したスラグ量（重量）を計測して溶融スラグ２の流下量を算出するようにしていたが、耐熱容器１内のスラグ残留量を計測して溶融スラグ２の流下量を算出しても良い（流下量＝耐熱容器１への固形試料の充填量−耐熱容器１内のスラグ残留量）。この場合、スラグが残存する耐熱容器１の重量を計測し、耐熱容器１への固形試料の充填量と耐熱容器１の重量との合計値から引くことで、耐熱容器１内のスラグ残存量を算出することができる（耐熱容器１内のスラグ残存量＝（耐熱容器１への固形試料の充填量＋耐熱容器１の重量）−スラグが残存する耐熱容器１の重量）。

また、上述の説明では、計測した溶融スラグ２の流下量をそのまま評価したが、流下量を流下のスピードに変換して評価を行っても良い。即ち、上述の説明では耐熱容器１内の溶融スラグ２が定常になるまでの流下量（総量）に基づいて評価を行っていたが、所定時間（定常になるまでの時間よりも短い時間）内における流下量（単位時間当たりの流下量＝流下スピード）に基づいて評価を行っても良い。例えば、溶融スラグ２の流下スピードが速いほど排出性が良いと評価する。

また、溶融スラグ２の流下量（総量）と流下スピードの両方に基づいて評価しても良い。例えば、総量が多く且つ流下スピードが速いほど排出性が良いと評価し、総量が少なく且つ流下スピードが遅いほど排出性が悪いと評価する。

また、上述の説明では、固形試料の加熱に電気炉３を使用していたが、電気炉３以外の加熱手段を使用しても良い。

また、上述の説明では、耐熱容器１の底に孔（排出口１１）を設け、孔から溶融スラグ２を自然に流下させるようにしていたが、必ずしもこの構成に限るものではない。例えば、耐熱容器１を傾けることで溶融スラグ２を流下させるようにしても良い。この場合の例を、図４に示す。耐熱容器１は周壁の上端開口近傍を貫通するシャフト１３によって反応管５に回転可能に支持されている。また、周壁の上端開口近傍のシャフト１３から最も離れた位置にはワイヤ１４が接続されている（図４（Ａ））。ワイヤ１４を引き上げることで耐熱容器１をシャフト１３まわりに回転させて傾け、耐熱容器１内の溶融スラグ２を流下させることができる（図４（Ｂ））。

また、上述の説明ではスラグ受け９として１室式のものを使用したが、例えば、耐熱容器１からの溶融スラグ２の流下を意図的に開始させる前に、排出口１１からの漏れ等によって意図しない流下が生じる場合等には２室式のスラグ受け９を使用しても良い。即ち、試験温度に冷却する前に耐熱容器１から漏れた溶融スラグ２（意図しない流下による溶融スラグ２）を、試験温度にまで冷却した後に耐熱容器１から流下させた溶融スラグ２（意図した流下による溶融スラグ２）とは区別して回収するようにしても良い。例えば、意図しない流下による溶融スラグ２と意図した流下による溶融スラグ２とをスラグ受け９の別々の室で受けるようにし、両者を区別して回収するようにしても良い。両者を区別して回収することで、意図した流下による溶融スラグ２を正確に計測することができ、試験温度での流下量（総量）や流下スピードを正確に算出することができる。

１耐熱容器
２溶融スラグ

Claims

炭種によって異なる石炭ガス化炉からの石炭スラグ排出特性を、石炭スラグの固形試料を耐熱容器内で予め定められた試験温度よりも高く且つ完全に溶融させることができる温度にまで加熱して完全に溶融させた後、前記耐熱容器内で溶融スラグを前記試験温度にまで冷却し前記耐熱容器から流下させて流下量を計測し評価を行うことを特徴とする石炭スラグの排出性評価試験方法。