JP5389335B2 - ガス化炉 - Google Patents
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Description
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。
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延長した4本の仮想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。
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。
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)。
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から流下し、溶融スラグ冷却室8に排出される。
このため、炉本体2の直径を増大する際にも、その増大量をできるだけ小さくする必要がある。炉本体2の直径の増大を抑えつつ、処理能力を高める方策として、炉本体2内でのガス流速を高める方法がある。
図3は、このファウリング障害について説明するためのもので、炉本体2内でのガスの流れを示す模式図で、図1と同一構成部分には同一符号を付してある。
炉本体2の中心部のガスの流れは基本的に上昇流22である。この時、溶融スラグ出口7を流下する溶融スラグ13の一部が上記反転流21に吹き千切られ、炉本体2に再び運ばれる現象が起こる。
かくして、炉本体2内のガス流速を速くすることはファウリング障害の原因となる溶融スラグの飛散を増長するのである。
請求項1にかかる発明は、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、炉本体の下端部には溶融スラグが排出される溶融スラグ出口が形成され、
ガス出口の直径(Dout)と炉本体の直径(D)との比率Dout/Dを1>Dout/D≧0.4とし、
上部バーナ群および下部バーナ群は、いずれも3以上のバーナから構成され、これらバーナは炉本体の周壁に配置され、
上部バーナ群の各バーナによって形成される仮想的な旋回流の直径をDuとし、下部バーナ群の各バーナによって形成される仮想的な旋回流の直径をDlとした時、D>Du≧Dout>Dlとなるように両バーナ群を配置するとともに、
炉内圧力が、2.5〜3.0MPaで、年間8000時間の運転を行った場合、ガス出口の圧力損失(ΔPout)を炉内圧力(Pg)で徐した値である、年間の差圧上昇の積算値(ΔPout/Pg)が炉内圧力の1%以下であることを特徴とするガス化炉である。
また、上部バーナ群により形成される旋回流の直径をDuとし、下部バーナ群により形成される旋回流の直径をDlとした時、D>Du≧Dout>Dlとなるように両バーナー群を配置したことにより、上部バーナ群から噴出した固形炭化水素燃料粉末の一部が直接ガス出口に向かって流れることがなく、ガス化効率が低下することもない。
本発明者の検討によれば、溶融スラグのガス出口5からの飛散は、ガス化炉中心部の上昇流速度に依存し、この速度は、ガス出口5の直径の影響を強く受けることがわかった。
この知見に基づいて、ガス出口5の直径とファウリングの関係についてさらに検討を行い、その結果を表1に示す。
炉本体2内のガス平均速度(Ugas)は、単位時間当たりの生成ガス量を炉本体2の断面積で割った値で、試験No=1での値を1とした相対値で示している。
なお、表1の検討例は、固形炭化水素燃料の処理能力が50〜150トン/日で、炉内圧力が2.5〜3.0MPaの規模のガス化炉におけるものである。
従来法の〔試験1〕は、ガス出口径/炉本体直径(Dout/D)が小さいため、炉本体2の中心部でのガスの上昇速度が速く、溶融スラグの飛散量が多くなってΔPout/Δt=0.166kPa/hとなり、ガス出口5での溶融スラグの付着と成長が認められた。
同じく、従来法の〔試験2〕では、Dout/Dを〔試験1〕より大きくした結果、ΔPout/Δtは小さくなり、溶融スラグの飛散防止に有効であった。
〔試験4〕は、〔試験3〕より更にガス平均速度Ugasを大きくしたが、ΔPout/Δtは同程度であった。
以上により、ガス平均速度Ugasを従来法の2倍に増やしても、Dout/Dをある程度大きくすることにより、ファウリング障害が防止できることを見出した。
表1より、適切なDout/Dは0.4以上となる。
実用ガス化炉では、できるだけ運転障害がないことが必要であり、年間の差圧上昇程度(ΔPout/Pg)は、炉内圧力の1%以下が望ましい。よって、図4のグラフから、Dout/Dは、0.4以上となる。
したがって、D>Du≧Dout>Dlという関係が好適である。この関係は、すなわち、1>Du/D≧Dout/D>Dl/Dとなる。Du/Dは、図1に示したように上部バーナ群3の配置位置によって定まる。この比が1に近いとバーナ火炎が炉壁に直接当たり損傷をもたらす。この点を考慮すると0.9>Du/Dとなる。
そして、D>Du≧Dout>Dlという関係が満たされるように、上部バーナ群3と下部バーナ群4とのそれぞれのバーナ31、32・・、41、42・・の配置を設定することが好適である。
例えば、500MW用発電設備に用いるガス化炉の直径は従来法では5mだったものが、本発明法では約3.5mにでき、設備費及び炉壁からの伝熱損失が低減できる。
また、本発明での固形炭化水素燃料としては、石炭以外にオイルコークスなどの灰分となる無機物を含む固形炭化水素燃料が用いられ、さらには灰分となる無機物を添加したプラスチックなども使用できる。
さらに、酸化剤には、空気、純酸素ガス、酸素含有ガス、水、水蒸気などが用いられる。
Claims (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、炉本体の下端部には溶融スラグが排出される溶融スラグ出口が形成され、
ガス出口の直径(Dout)と炉本体の直径(D)との比率Dout/Dを1>Dout/D≧0.4とし、
上部バーナ群および下部バーナ群は、いずれも3以上のバーナから構成され、これらバーナは炉本体の周壁に配置され、
上部バーナ群の各バーナによって形成される仮想的な旋回流の直径をDuとし、下部バーナ群の各バーナによって形成される仮想的な旋回流の直径をDlとした時、D>Du≧Dout>Dlとなるように両バーナ群を配置するとともに、
炉内圧力が、2.5〜3.0MPaで、年間8000時間の運転を行った場合、ガス出口の圧力損失(ΔPout)を炉内圧力(Pg)で徐した値である、年間の差圧上昇の積算値(ΔPout/Pg)が炉内圧力の1%以下であることを特徴とするガス化炉。
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