JP5734234B2 - ガス化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、石炭やバイオマスなどを燃焼・ガス化してガス燃料を生成するガス化装置に関するものである。
例えば、石炭ガス化複合発電設備は、石炭をガス化し、コンバインドサイクル発電と組み合わせることにより、従来型の石炭火力に比べてさらなる高効率化・高環境性を目指した発電設備である。この石炭ガス化複合発電設備は、資源量が豊富な石炭を利用可能であることも大きなメリットであり、適用炭種を拡大することにより、さらにメリットが大きくなることが知られている。
従来の石炭ガス化複合発電設備は、一般的に、給炭装置、乾燥装置、石炭ガス化装置、ガス精製装置、ガスタービン設備、蒸気タービン設備、排熱回収ボイラ、ガス浄化装置などを有している。従って、石炭が乾燥されてから粉砕され、石炭ガス化装置に対して、微粉炭として供給されると共に、空気が取り込まれ、この石炭ガス化装置で石炭が燃焼ガス化されて生成ガス（可燃性ガス）が生成される。そして、この生成ガスがガス精製されてからガスタービン設備に供給されることで燃焼して高温・高圧の燃焼ガスを生成し、タービンを駆動する。タービンを駆動した後の排気ガスは、排熱回収ボイラで熱エネルギが回収され、蒸気を生成して蒸気タービン設備に供給され、タービンを駆動する。これにより発電が行なわれる。一方、熱エネルギが回収された排気ガスは、ガス浄化装置で有害物質が除去された後、煙突を介して大気へ放出される。
ところで、石炭ガス化装置は、ガス化炉と熱交換器（ガス冷却器）とから構成されている。ガス化炉は、供給された石炭（微粉炭）を圧縮空気（酸素）により燃焼してガス化することで、可燃性ガス（石炭ガス）を生成する。熱交換器は、ガス化炉で生成された可燃性ガスを冷却するものである。一般的にガス化炉と熱交換器は、隣接して設置されており、ガス化炉で生成された可燃性ガスは、配管を通して熱交換器に送られて冷却される。
ところが、石炭ガス化装置としてガス化炉と熱交換器を別々に設置し、両者を配管により連結すると、全体構造が大型化すると共に設置コストが増加してしまうという問題がある。このような問題を解決するものとして、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された石炭ガス化装置は、ガス化炉の上部に熱交換器を直接連続形成したものである。
特開昭６１−２２１２９４号公報
上述した従来の石炭ガス化装置にあっては、ガス化炉の上部に熱交換器を配置して一体化している。この場合、ガス化炉と熱交換器とでは、それぞれの機能が相違することから、ガス化効率や熱交換効率を向上することが困難である。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、構造の簡素化及び効率の向上を可能とするガス化装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明のガス化装置は、燃料を燃焼・ガス化することでガス燃料を生成するガス化装置であって、６角形以上の多角形中空断面形状を有するガス化炉と、４角形中空断面形状を有する熱交換器と、前記ガス化炉の上部と前記熱交換器の下部とを接続する接続部と、を備えることを特徴とするものである。
従って、ガス化炉を六角形以上の多角形中空断面形状とすることで、燃料が燃焼することで発生する熱が壁部に伝達され、ここからの輻射熱が適正に燃料に作用することで、燃料の加熱むらを抑制することができると共に、熱交換器を四角形中空断面形状とすることで、伝熱管などを効率良く配置することができる。そして、このガス化炉と熱交換器を接続部により接続することで、全体を一つの容器として構成することができ、構造を簡素化することができると共に、ガス化効率及び熱交換効率を向上することができる。
本発明のガス化装置では、前記ガス化炉を構成する少なくとも２つの壁部と前記熱交換器を構成する２つの壁部が平行をなすように配置されることを特徴としている。
従って、ガス化炉の壁部と熱交換器の壁部を平行とすることで、ガス化炉が熱交換器の荷重を周方向で均等にバランス良く受け止めることができ、ガス化炉の挫屈を防止することができると共に、ガス化炉の大型化を抑制することができる。
本発明のガス化装置では、前記ガス化炉と前記接続部と前記熱交換器の外側に中空形状をなす圧力容器が配置され、前記ガス化炉の外面が前記圧力容器の内面に支持されることを特徴としている。
従って、燃料や空気などを内部に噴射するバーナが圧力容器とガス化炉を貫通して設けられており、ガス化炉を圧力容器に支持することで、加熱によりガス化炉が基点となって上下に延びることとなり、この熱延びによるバーナへの悪影響を抑制することができる。
本発明のガス化装置では、前記熱交換器は、上端部がエキスパンションジョイントにより前記圧力容器に連結され、前記ガス化炉は、下端部が前記圧力容器に設けられるスラグホッパの貯留水により水封されることを特徴としている。
従って、加熱によりガス化炉が基点となって上下に延びても、熱交換器はエキスパンションジョイントによりその延びが吸収され、ガス化炉は下端部が貯留水によりその延びが吸収されることとなり、圧力容器へ作用する応力を低減することができる。
本発明のガス化装置では、前記ガス化炉と前記接続部と前記熱交換器は、壁部が鉛直方向に延びて周方向に並設される複数の伝熱管により構成されることを特徴としている。
従って、ガス化炉と接続部と熱交換器を上下に連続する伝熱管により構成することで、構造を簡素化することができると共に、ガス化炉から熱交換器に向けて熱交換媒体が各伝熱管を通って移動することとなり、ガス化効率及び熱交換効率を向上することができる。
本発明のガス化装置では、前記熱交換器は、上下方向に沿って複数の熱交換部が配設され、少なくとも最下方に位置する前記熱交換部は、上端壁部に固定された梁部材から吊具を介して吊下げ支持されることを特徴としている。
従って、ガス化炉に近くて比較的温度の高い領域に配置される熱交換部を上端壁部から吊下げ支持することで、この熱交換部及びその支持部の熱による損傷を抑制することができる。
本発明のガス化装置では、前記吊具は、冷却媒体が流通可能な冷却管により構成されることを特徴としている。
従って、吊具を冷却管とすることで、冷却媒体により吊具を冷却することが可能となり、熱交換部及びその支持部の熱による損傷を抑制することができる。
本発明のガス化装置では、前記複数の熱交換部は、節炭器と過熱器と蒸発器により構成され、前記冷却管は、前記節炭器への給水管または前記蒸発器の伝熱管または壁部を形成する伝熱管により構成されることを特徴としている。
従って、冷却管を、熱交換器を構成する給水管や伝熱管により構成することで、別途冷却水源や冷却管を設ける必要がなく、製造コストの増加を抑制することができる。
本発明のガス化装置によれば、六角形以上の多角形中空断面形状を有するガス化炉と、四角形中空断面形状を有する熱交換器と、ガス化炉の上部と熱交換器の下部とを接続する接続部とを設けるので、全体を一つの容器として構成することができ、構造を簡素化することができると共に、ガス化効率及び熱交換効率を向上することができる。
図１は、本発明の実施例１に係るガス化装置を表す概略図である。 図２は、実施例１のガス化装置を表す平面概略図である。 図３は、実施例１のガス化装置が適用された石炭ガス化複合発電設備の概略構成図である。 図４は、本発明の実施例２に係るガス化装置を表す概略図である。 図５は、本発明の実施例３に係るガス化装置を表す概略図である。
以下に添付図面を参照して、本発明に係るガス化装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
図１は、本発明の実施例１に係るガス化装置を表す概略図、図２は、実施例１のガス化装置を表す平面概略図、図３は、実施例１のガス化装置が適用された石炭ガス化複合発電設備の概略構成図である。
実施例１の石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏａｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ）は、空気を酸化剤としてガス化装置で石炭ガスを生成する空気燃焼方式を採用し、ガス精製装置で精製した後の石炭ガスを燃料ガスとしてガスタービン設備に供給して発電を行っている。即ち、実施例１の石炭ガス化複合発電設備は、空気燃焼方式（空気吹き）の発電設備である。
実施例１において、図３に示すように、石炭ガス化複合発電設備１０は、給炭装置１１、流動層乾燥装置１２、微粉炭機（ミル）１３、石炭ガス化装置１４、チャー回収装置１５、ガス精製装置１６、ガスタービン設備１７、蒸気タービン設備１８、発電機１９、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｔｅａｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）２０を有している。
給炭装置１１は、原炭バンカ２１と、石炭供給機２２と、クラッシャ２３とを有している。原炭バンカ２１は、石炭を貯留可能であって、所定量の石炭を石炭供給機２２に投下することができる。石炭供給機２２は、原炭バンカ２１から投下された石炭をコンベアなどにより搬送し、クラッシャ２３に投下することができる。このクラッシャ２３は、投下された石炭を所定の大きさに破砕することができる。
流動層乾燥装置１２は、給炭装置１１により投入された石炭に対して乾燥用蒸気（過熱蒸気）を供給することで、この石炭を流動させながら加熱乾燥するものであり、石炭が含有する水分を除去することができる。そして、この流動層乾燥装置１２は、下部から取り出された乾燥済の石炭を冷却する冷却器３１が設けられ、乾燥冷却済の乾燥炭が乾燥炭バンカ３２に貯留される。また、流動層乾燥装置１２は、上部から取り出された蒸気から乾燥炭の粒子を分離する乾燥炭サイクロン３３と乾燥炭電気集塵機３４が設けられ、蒸気から分離された乾燥炭の粒子が乾燥炭バンカ３２に貯留される。なお、乾燥炭電気集塵機３４で乾燥炭が分離された蒸気は、蒸気圧縮機３５で圧縮されてから流動層乾燥装置１２に乾燥用蒸気として供給される。
微粉炭機１３は、石炭粉砕機であって、流動層乾燥装置１２により乾燥された石炭（乾燥炭）を細かい粒子状に粉砕して微粉炭を製造するものである。即ち、微粉炭機１３は、乾燥炭バンカ３２に貯留された乾燥炭が石炭供給機３６により投下され、この乾燥炭を所定粒径以下の石炭、つまり、微粉炭とするものである。そして、微粉炭機１３で粉砕後の微粉炭は、微粉炭バグフィルタ３７ａ，３７ｂにより搬送用ガスから分離され、微粉炭供給ホッパ３８ａ，３８ｂに貯留される。
石炭ガス化装置１４は、微粉炭機１３で処理された微粉炭が供給可能であると共に、チャー回収装置１５で回収されたチャー（石炭の未燃分）が戻されてリサイクル可能となっている。
即ち、石炭ガス化装置１４は、ガスタービン設備１７（圧縮機６１）から圧縮空気供給ライン４１が接続されており、このガスタービン設備１７で圧縮された圧縮空気が供給可能となっている。空気分離装置４２は、大気中の空気から窒素と酸素を分離生成するものであり、第１窒素供給ライン４３が石炭ガス化装置１４に接続され、この第１窒素供給ライン４３に微粉炭供給ホッパ３８ａ，３８ｂからの給炭ライン４４ａ，４４ｂが接続されている。また、第２窒素供給ライン４５も石炭ガス化装置１４に接続され、この第２窒素供給ライン４５にチャー回収装置１５からのチャー戻しライン４６が接続されている。更に、酸素供給ライン４７は、圧縮空気供給ライン４１に接続されている。この場合、窒素は、石炭やチャーの搬送用ガスとして利用され、酸素は、酸化剤として利用される。
石炭ガス化装置１４は、例えば、２段２室噴流床形式のガス化炉を有し、内部に供給された石炭、チャー、空気（酸素）、またはガス化剤としての水蒸気を燃焼・ガス化すると共に、二酸化炭素を主成分とする可燃性ガス（生成ガス、石炭ガス）が発生し、この可燃性ガスをガス化剤としてガス化反応が起こる。なお、石炭ガス化装置１４は、微粉炭の混入した異物を除去する異物除去装置４８が設けられている。この場合、石炭ガス化装置１４は噴流床ガス化炉に限らず、流動床ガス化炉や固定床ガス化炉としてもよい。そして、この石炭ガス化装置１４は、チャー回収装置１５に向けて可燃性ガスのガス生成ライン４９が設けられており、チャーを含む可燃性ガスが排出可能となっている。この場合、ガス生成ライン４９にガス冷却器を設けることで、可燃性ガスを所定温度まで冷却してからチャー回収装置１５に供給するとよい。
チャー回収装置１５は、集塵装置５１と供給ホッパ５２とを有している。この場合、集塵装置５１は、１つまたは複数のバグフィルタやサイクロンにより構成され、石炭ガス化装置１４で生成された可燃性ガスに含有するチャーを分離することができる。そして、チャーが分離された可燃性ガスは、ガス排出ライン５３を通してガス精製装置１６に送られる。供給ホッパ５２は、集塵装置５１で可燃性ガスから分離されたチャーを貯留するものである。なお、集塵装置５１と供給ホッパ５２との間にビンを配置し、このビンに複数の供給ホッパ５２を接続するように構成してもよい。そして、供給ホッパ５２からのチャー戻しライン４６が第２窒素供給ライン４５に接続されている。
ガス精製装置１６は、チャー回収装置１５によりチャーが分離された可燃性ガスに対して、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物を取り除くことで、ガス精製を行うものである。そして、ガス精製装置１６は、可燃性ガスを精製して燃料ガスを製造し、これをガスタービン設備１７に供給する。なお、このガス精製装置１６では、チャーが分離された可燃性ガス中にはまだ硫黄分（Ｈ２Ｓ）が含まれているため、アミン吸収液によって除去することで、硫黄分を最終的には石膏として回収し、有効利用する。
ガスタービン設備１７は、圧縮機６１、燃焼器６２、タービン６３を有しており、圧縮機６１とタービン６３は、回転軸６４により連結されている。燃焼器６２は、圧縮機６１から圧縮空気供給ライン６５が接続されると共に、ガス精製装置１６から燃料ガス供給ライン６６が接続され、タービン６３に燃焼ガス供給ライン６７が接続されている。また、ガスタービン設備１７は、圧縮機６１から石炭ガス化装置１４に延びる圧縮空気供給ライン４１が設けられており、中途部に昇圧機６８が設けられている。従って、燃焼器６２では、圧縮機６１から供給された圧縮空気とガス精製装置１６から供給された燃料ガスとを混合して燃焼し、タービン６３にて、発生した燃焼ガスにより回転軸６４を回転することで発電機１９を駆動することができる。
蒸気タービン設備１８は、ガスタービン設備１７における回転軸６４に連結されるタービン６９を有しており、発電機１９は、この回転軸６４の基端部に連結されている。排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン設備１７（タービン６３）からの排ガスライン７０に設けられており、空気と高温の排ガスとの間で熱交換を行うことで、蒸気を生成するものである。そのため、排熱回収ボイラ２０は、蒸気タービン設備１８のタービン６９との間に蒸気供給ライン７１が設けられると共に、蒸気回収ライン７２が設けられ、蒸気回収ライン７２に復水器７３が設けられている。従って、蒸気タービン設備１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気によりタービン６９が駆動し、回転軸６４を回転することで発電機１９を駆動することができる。
そして、排熱回収ボイラ２０で熱が回収された排ガスは、ガス浄化装置７４により有害物質を除去され、浄化された排ガスは、煙突７５から大気へ放出される。
ここで、実施例１の石炭ガス化複合発電設備１０の作動について説明する。
実施例１の石炭ガス化複合発電設備１０において、給炭装置１１にて、原炭（石炭）が原炭バンカ２１に貯留されており、この原炭バンカ２１の石炭が石炭供給機２２によりクラッシャ２３に投下され、ここで所定の大きさに破砕される。そして、破砕された石炭は、流動層乾燥装置１２により加熱乾燥された後、冷却器３１により冷却され、乾燥炭バンカ３２に貯留される。また、流動層乾燥装置１２の上部から取り出された蒸気は、乾燥炭サイクロン３３及び乾燥炭電気集塵機３４により乾燥炭の粒子が分離され、蒸気圧縮機３５で圧縮されてから流動層乾燥装置１２に乾燥用蒸気として戻される。一方、蒸気から分離された乾燥炭の粒子は、乾燥炭バンカ３２に貯留される。
乾燥炭バンカ３２に貯留される乾燥炭は、石炭供給機３６により微粉炭機１３に投入され、ここで、細かい粒子状に粉砕されて微粉炭が製造され、微粉炭バグフィルタ３７ａ，３７ｂを介して微粉炭供給ホッパ３８ａ，３８ｂに貯留される。この微粉炭供給ホッパ３８ａ，３８ｂに貯留される微粉炭は、空気分離装置４２から供給される窒素により第１窒素供給ライン４３を通して石炭ガス化装置１４に供給される。また、後述するチャー回収装置１５で回収されたチャーが、空気分離装置４２から供給される窒素により第２窒素供給ライン４５を通して石炭ガス化装置１４に供給される。更に、後述するガスタービン設備１７から抽気された圧縮空気が昇圧機６８で昇圧された後、空気分離装置４２から供給される酸素と共に圧縮空気供給ライン４１を通して石炭ガス化装置１４に供給される。
石炭ガス化装置１４では、供給された微粉炭及びチャーが圧縮空気（酸素）により燃焼し、微粉炭及びチャーがガス化することで、二酸化炭素を主成分とする可燃性ガス（石炭ガス）を生成することができる。そして、この可燃性ガスは、石炭ガス化装置１４からガス生成ライン４９を通して排出され、チャー回収装置１５に送られる。
このチャー回収装置１５にて、可燃性ガスは、まず、集塵装置５１に供給されることで、ここで可燃性ガスからこのガスに含有するチャーが分離される。そして、チャーが分離された可燃性ガスは、ガス排出ライン５３を通してガス精製装置１６に送られる。一方、可燃性ガスから分離した微粒チャーは、供給ホッパ５２に堆積され、チャー戻しライン４６を通して石炭ガス化装置１４に戻されてリサイクルされる。
チャー回収装置１５によりチャーが分離された可燃性ガスは、ガス精製装置１６にて、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物が取り除かれてガス精製され、燃料ガスが製造される。そして、ガスタービン設備１７では、圧縮機６１が圧縮空気を生成して燃焼器６２に供給すると、この燃焼器６２は、圧縮機６１から供給される圧縮空気と、ガス精製装置１６から供給される燃料ガスとを混合し、燃焼することで燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスによりタービン６３を駆動することで、回転軸６４を介して発電機１９を駆動し、発電を行うことができる。
そして、ガスタービン設備１７におけるタービン６３から排出された排気ガスは、排熱回収ボイラ２０にて、空気と熱交換を行うことで蒸気を生成し、この生成した蒸気を蒸気タービン設備１８に供給する。蒸気タービン設備１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気によりタービン６９を駆動することで、回転軸６４を介して発電機１９を駆動し、発電を行うことができる。
その後、ガス浄化装置７４では、排熱回収ボイラ２０から排出された排気ガスの有害物質が除去され、浄化された排ガスが煙突７５から大気へ放出される。
以下、上述した石炭ガス化複合発電設備１０における石炭ガス化装置１４について詳細に説明する。
石炭ガス化装置１４は、図１及び図２に示すように、６角形以上の多角形中空断面形状を有するガス化炉１０１と、４角形中空断面形状を有する熱交換器１０２と、ガス化炉１０１の上部と熱交換器１０２の下部とを接続する接続部１０３とを有している。そして、ガス化炉１０１を構成する少なくとも２つの壁部と熱交換器１０２を構成する２つの壁部が平行をなすように配置されている。
ガス化炉１０１は、上部からリダクタ部１１１、ディフューザ部１１２、コンダクタ部１１３とから構成されており、リダクタ部１１１が８角形中空断面形状をなし、コンダクタ部１１３が３２角形中空断面形状をなしており、ディフューザ部１１２は、８角形中空断面から３２角形中空断面へ移行する中空断面形状となっている。また、熱交換器１０２は、４角形中空断面形状をなしており、接続部１０３は、４角形中空断面から８角形中空断面へ移行する中空断面形状となっている。
なお、実施例１では、ガス化炉１０１のリダクタ部１１１を８角形中空断面形状とし、コンダクタ部１１３を３２角形中空断面形状としたが、この形状に限定されるものではない。即ち、ガス化炉１０１（リダクタ部１１１、コンダクタ部１１３）は、６角形以上の多角形中空断面形状、好ましくは、４の倍数である多角形中空断面形状であればよい。そして、ガス化炉１０１が４の倍数である多角形中空断面形状であれば、４つの壁部が４角形中空断面形状をなす熱交換器１０２の全て（４つ）の壁部と平行となる。
即ち、実施例１では、ガス化炉１０１のリダクタ部１１１は、路壁（壁部）１０１ａ，１０１ｂが交互に連結された正８角形をなし、熱交換器１０２は、路壁（壁部）１０１ａが連結された正４角形をなしており、路壁１０１ａと路壁１０２ａとが平行をなすように、ガス化炉１０１のリダクタ部１１１が熱交換器１０２と接続部１０３により接続されている。
圧力容器１０４は、中空円筒形状をなし、上端部にガス排出口１２１が形成される一方、下端部にスラグ排出口１２２が形成されている。この圧力容器１０４は、内部にガス化炉１０１と接続部１０３と熱交換器１０２が配置されている。即ち、ガス化炉１０１と接続部１０３と熱交換器１０２は、所定の空間部１０５を介してその外側に圧力容器１０４が配置されており、ガス化炉１０１におけるリダクタ部１１１の外面が支持部１０６により圧力容器１０４の内面に支持されている。
そして、熱交換器１０２は、上端部がエキスパンションジョイント１２３により圧力容器の上端部に連結され、ガス排出口１２１に連通している。圧力容器１０４は、下部にスラグホッパ１２４が設けられており、ガス化炉１０１は、下端部、つまり、コンダクタ部１１３から垂下されたリング形状をなす延出部１１４がこのスラグホッパ１２４の貯留水に浸水して水封されている。
また、ガス化炉１０１は、リダクタ部１１１に周方向に均等間隔で配置される複数のバーナ１１５からなる燃焼装置が配置され、コンダクタ部１１３に均等間隔で配置される複数のバーナ１１６，１１７からなる２組の燃焼装置が配置されている。この各バーナ１１５，１１６，１１７は、外部から圧力容器１０４及びガス化炉１０１を貫通して略水平をなすように固定されている。そして、ガス化炉１０１の支持部１０６は、バーナ１１５の上方に位置している。この場合、支持部１０６は、この位置に限らず、ディフューザ部１１２やコンダクタ部１１３に設けてもよい。即ち、各バーナ１１５，１１６，１１７の近傍であることが好ましい。
なお、バーナ１１５は、図３に示すように、第１窒素供給ライン４３と給炭ライン４４ａ，４４ｂとが集合したラインが接続され、バーナ１１６は、チャー戻しライン４６が接続され、バーナ１１７は、酸素供給ライン４７と圧縮空気供給ライン４１とが集合したラインが接続される。
一方、熱交換器１０２は、上下方向に沿って複数の熱交換部として、上方から節炭器（エコノマイザ）１３１、過熱器（スーパーヒータ）１３２，１３３、蒸発器（エバポレータ）１３４が配置されている。
ガス化炉１０１と接続部１０３と熱交換器１０２は、炉壁が鉛直方向に延びて周方向に並設される複数の伝熱管１４１により構成されている。具体的に、路壁は、伝熱管１４１とフィン１４２が交互に溶接により連結されており、この伝熱管１４１とフィン１４２は、ステンレス製とすることが好ましい。この場合、各伝熱管１４１及びフィン１４２は、ガス化炉１０１で８角形断面、熱交換器１０２で４角形断面を形成し、８角形断面のガス化炉１０１と４角形断面の熱交換器１０２とが接続部１０３により接続される。この接続部１０３は、伝熱管１４１の形状を変更することなく、伝熱管１４１の配置、フィン１４２の形状、伝熱管１４１とフィン１４２との連結位置などを変更することで、ガス化炉１０１と熱交換器１０２を接続する。
そして、ガス化炉１０１と接続部１０３と熱交換器１０２は、炉壁が鉛直方向に延びる同数の伝熱管１４１により構成される。即ち、各伝熱管１４１は、ガス化炉１０１から接続部１０３を介して熱交換器１０２まで延設されており、一部の伝熱管１４１が切断されることなく、また、別の伝熱管が増加することなく、同じ伝熱管１４１が上下に伸び、周方向に並設されることで、ガス化炉１０１と接続部１０３と熱交換器１０２の炉壁が形成されている。
そして、複数の伝熱管１４１は、下端部が管寄せ１４１ａに集められ、上端部が管寄せ１４１ｂに集められている。蒸気ドラム１５１は、下降管１５２を介して管寄せ１４１ａに連結されると共に、上昇管１５３を介して管寄せ１４１ｂに連結されており、下降管１５２に循環ポンプ１５４が設けられている。また、下降管１５２は、分岐管１５５が設けられ、この分岐管１５５は、蒸発器１３４の伝熱管１３４ａの一端部（入口ヘッダ）に連結され、この伝熱管１３４ａの他端部（出口ヘッダ）に連結された配送管１５６は、蒸気ドラム１５１に連結されている。
外部からの給水管１５７は、節炭器１３１の伝熱管１３１ａの一端部（入口ヘッダ）に連結され、この伝熱管１３１ａの他端部（出口ヘッダ）に連結された送水管１５８は、蒸気ドラム１５１に連結されている。また、蒸気ドラム１５１からの蒸気管１５９は、分岐して過熱器１３２，１３３の伝熱管１３２ａ，１３３ａの一端部（入口ヘッダ）に連結され、この伝熱管１３２ａ，１３３ａの他端部（出口ヘッダ）に連結された蒸気排出管１６０は、図示しない蒸気タービンに連結されている。
熱交換器１０２は、節炭器１３１より上方に梁部材１６１が配置されており、この梁部材１６１は、端部が炉壁（伝熱管１４１及びフィン１４２）に溶接により連結されている。また、熱交換器１０２は、上下方向に沿って吊具としての複数の冷却管１６２が配置されており、下端部が給水管１５７に連結される一方、上端部が梁部材１６１に支持された後、送水管１５８に連結されている。そして、２つの過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４は、吊り金具１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｂを介して複数の冷却管１６２に吊下げ支持されている。また、節炭器１３１は、炉壁（伝熱管１４１及びフィン１４２）に溶接により固定された支持板１３１ｂに載置支持されている。
即ち、熱交換器１０２は、ガス化炉１０１に近い下部ほど温度が高いことから、溶接の耐久性が厳しい。そのため、下方に位置する２つの過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４を、上方の梁部材１６１から複数の冷却管１６２を介して吊下げ、上方に位置する節炭器１３１を、炉壁に溶接された支持板１３１ｂに載置している。この場合、熱交換器１０２の温度条件に応じて、２つの過熱器１３２，１３３も炉壁に支持板を溶接して載置支持してもよい。
ここで、上述した本実施例の石炭ガス化装置１４の作動について説明する。
石炭ガス化装置１４において、ガス化炉１０１にて、バーナ１１５により窒素と微粉炭が投入されて点火されると共に、バーナ１１６，１１７によりチャーと圧縮空気（酸素）が投入されて点火される。すると、コンバスタ部１１３では、微粉炭とチャーの燃焼により高温燃焼ガスが発生する。また、コンバスタ部１１３では、微粉炭とチャーの燃焼により高温ガス中で溶融スラグが生成され、この溶融スラグが炉壁へ付着すると共に、炉底へ落下し、最終的にスラグホッパ１２４内の貯水へ排出される。そして、コンバスタ部１１３で発生した高温燃焼ガスは、ディフューザ部１１２を通ってリダクタ部１１１に上昇する。このリダクタ部１１１では、微粉炭が高温燃焼ガスと混合し、高温の還元雰囲気場においてガス化反応が行われ、二酸化炭素を主成分とする可燃性ガス（石炭ガス）が生成される。
このとき、給水管１５７から節炭器１３１へ給水が行われ、給水がここで加熱された後、送水管１５８を通って蒸気ドラム１５１に送られる。この蒸気ドラム１５１は、給水を循環ポンプ１５４により下降管１５２を通して炉壁としての複数の伝熱管１４１の下部に送ると共に、分岐管１５５を通して蒸発器１３４に送る。そして、給水が複数の伝熱管１４１を上昇するとき、ガス化炉１０１、接続部１０３、熱交換器１０２が冷却され、上昇管１５３を通って蒸気ドラム１５１に送られる。また、蒸発器１３４は、熱交換器１０２内を上昇する可燃性ガスにより給水を加熱し、汽水混合の状態で配送管１５６を通して蒸気ドラム１５１に送る。
また、蒸気ドラム１５１は、汽水分離が行われ、蒸気を蒸気管１５９により過熱器１３２，１３３に送り、ここで過熱する。過熱器１３２，１３３は、熱交換器１０２内を上昇する可燃性ガスにより蒸気を過熱し、生成した過熱蒸気を蒸気排出管１６０から蒸気タービンに送る。
このように実施例１のガス化装置にあっては、８角形中空断面形状を有するガス化炉１０１と、４角形中空断面形状を有する熱交換器１０２と、ガス化炉１０１の上部と熱交換器１０２の下部とを接続する接続部１０３とを設けている。
従って、ガス化炉１０１を８角形中空断面形状とすることで、微粉炭が燃焼することで発生する熱が壁部に伝達され、ここからの輻射熱が適正に微粉炭に作用することで、微粉炭の加熱むらを抑制することができると共に、熱交換器１０２を４角形中空断面形状とすることで、伝熱管１４１などを効率良く配置することができる。そして、このガス化炉１０１と熱交換器１０２を接続部１０３により接続することで、全体を一つの容器として構成することができ、構造を簡素化することができると共に、ガス化効率及び熱交換効率を向上することができる。
この場合、ガス化炉１０１を８角形中空断面形状とし、熱交換器１０２を４角形中空断面形状とすることで、それぞれ４つの壁部１０１ａ，１０２ａが平行をなすように配置される。従って、ガス化炉１０１が熱交換器１０２の荷重を周方向で均等にバランス良く受け止めることができ、ガス化炉１０１の挫屈を防止することができると共に、ガス化炉１０１の大型化を抑制することができる。
実施例１のガス化装置では、ガス化炉１０１と接続部１０３と熱交換器１０２の外側に中空形状をなす圧力容器１０４を配置し、ガス化炉１０１の外面を圧力容器１０４の内面に支持している。従って、微粉炭や空気などを内部に噴射するバーナ１１５，１１６，１１７が圧力容器１０４とガス化炉１０１を貫通して設けられており、ガス化炉１０１を圧力容器１０４に支持することで、加熱によりガス化炉１０１が基点となって上下に延びることとなり、この熱延びによりバーナ１１５，１１６，１１７の向きが変わったり、変形したりすることがなく、バーナ１１５，１１６，１１７への悪影響を抑制することができる。
実施例１のガス化装置では、熱交換器１０２の上端部をエキスパンションジョイント１２３により圧力容器１０４に連結し、ガス化炉１０１の下端部を圧力容器１０４に設けられるスラグホッパ１２４の貯留水により水封している。従って、加熱によりガス化炉１０１が基点となって上下に延びても、熱交換器１０２はエキスパンションジョイント１２３によりその延びが吸収され、ガス化炉１０１は下端部が貯留水によりその延びが吸収されることとなり、圧力容器１０４へ作用する応力を低減することができる。
実施例１のガス化装置では、ガス化炉１０１と接続部１０３と熱交換器１０２の壁部を、鉛直方向に延びて周方向に並設される複数の伝熱管１４１及びフィン１４２により構成している。従って、全体を上下に連続する伝熱管１４１及びフィン１４２により構成することで、構造を簡素化することができると共に、ガス化炉１０１から熱交換器１０２に向けて冷却水が各伝熱管１４１を通って移動することとなり、ガス化効率及び熱交換効率を向上することができる。
実施例１のガス化装置では、熱交換器１０２に、上下方向に沿って複数の熱交換部としての節炭器１３１と過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４を配設し、過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４を上端壁部に固定された梁部材１６１により吊下げ支持している。従って、ガス化炉１０１に近くて比較的温度の高い領域に配置される過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４を上端壁部から吊下げ支持することで、この過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４の支持部の熱による損傷を抑制することができる。
実施例１のガス化装置では、梁部材１６１から冷却管１６２を吊下げ支持し、この冷却管１６２に節炭器１３１への給水管１５７を連結すると共に、冷却管１６２により過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４を吊下げ支持している。従って、冷却管１６２を吊具とすることで、冷却水により過熱器１３２，１３３や蒸発器１３４の吊り金具１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｂを冷却することが可能となり、支持部の熱による損傷を抑制することができる。また、冷却管１６２に節炭器１３１への給水管１５７を連結することで、別途冷却水源や冷却管を設ける必要がなく、製造コストの増加を抑制することができる。
図４は、本発明の実施例２に係るガス化装置を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
実施例２において、図４に示すように、石炭ガス化装置１４は、ガス化炉１０１と熱交換器１０２が接続部１０３により接続されて構成されている。ガス化炉１０１は、８角形中空断面形状をなすリダクタ部１１１、ディフューザ部１１２、３２角形中空断面形状をなすコンダクタ部１１３とから構成され、ガス化炉１０１の正８角形をなすリダクタ部１１１の上部と正４角形をなす熱交換器１０２の下部が接続部１０３により接続され、路壁１０１ａと路壁１０２ａ（図２参照）とが平行をなしている。
そして、ガス化炉１０１と接続部１０３と熱交換器１０２は、所定の空間部１０５を介してその外側に圧力容器１０４が配置され、ガス化炉１０１におけるリダクタ部１１１の外面が支持部１０６により圧力容器１０４の内面に支持されている。熱交換器１０２は、上端部がエキスパンションジョイント１２３により圧力容器の上端部に連結され、ガス化炉１０１は、下端部がこのスラグホッパ１２４の貯留水に浸水して水封されている。
また、熱交換器１０２は、上下方向に沿って上方から節炭器１３１、過熱器１３２，１３３、蒸発器１３４が配置されている。
ガス化炉１０１と接続部１０３と熱交換器１０２は、炉壁が鉛直方向に延びて周方向に並設される複数の伝熱管１４１とフィン１４２により構成されている。蒸気ドラム１５１は、下降管１５２を介して伝熱管１４１の下部に連結されると共に、上昇管１５３を介して伝熱管１４１の上部に連結されている。また、下降管１５２からの分岐管１５５は、蒸発器１３４の伝熱管１３４ａに連結され、配送管１５６を介して蒸気ドラム１５１に連結されている。給水管１５７は、節炭器１３１の伝熱管１３１ａに連結され、送水管１５８を介して蒸気ドラム１５１に連結されている。また、蒸気ドラム１５１からの蒸気管１５９は、過熱器１３２，１３３の伝熱管１３２ａ，１３３ａに連結され、蒸気排出管１６０を介して蒸気タービンに連結されている。
そして、熱交換器１０２は、節炭器１３１より上方に梁部材１６１が配置されており、この梁部材１６１は、端部が炉壁（伝熱管１４１及びフィン１４２）に溶接により連結されている。また、熱交換器１０２は、上下方向に沿って吊具としての複数の冷却管１７１が配置されており、下端部が蒸発器１３４の伝熱管１３４ａに連結される一方、上端部が梁部材１６１に支持された後、給水管１５７に連結されている。そして、２つの過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４は、吊り金具１３２ｂ，１３３ｂ，１４３ｂを介して複数の冷却管１７１に吊下げ支持されている。また、節炭器１３１は、炉壁（伝熱管１４１及びフィン１４２）に溶接により固定された支持板１３１ｂに載置支持されている。
即ち、熱交換器１０２は、ガス化炉１０１に近い下部ほど温度が高いことから、溶接の耐久性が厳しい。そのため、下方に位置する２つの過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４を、上方の梁部材１６１から複数の冷却管１７１を介して吊下げ、上方に位置する節炭器１３１を、炉壁に溶接された支持板１３１ｂに載置している。
なお、本実施例の石炭ガス化装置１４の作動は、実施例１と同様であることから、説明は省略する。
このように実施例２のガス化装置にあっては、ガス化炉１０１の上部と熱交換器１０２の下部を接続部１０３により接続し、熱交換器１０２に、節炭器１３１と過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４を配設し、過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４を上端壁部に固定された梁部材１６１により冷却管１７１を介して吊下げ支持している。従って、ガス化炉１０１に近くて比較的温度の高い領域に配置される過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４を上端壁部から吊下げ支持することで、この過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４の支持部の熱による損傷を抑制することができる。
この場合、冷却管１７１に蒸発器１３４の伝熱管１３４ａを連結している。従って、冷却管１７１を吊具とすることで、冷却水により過熱器１３２，１３３や蒸発器１３４の吊り金具１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｂを冷却することが可能となり、支持部の熱による損傷を抑制することができる。また、冷却管１７１に蒸発器１３４の伝熱管１３４ａを連結することで、別途冷却水源や冷却管を設ける必要がなく、製造コストの増加を抑制することができる。
図５は、本発明の実施例３に係るガス化装置を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
実施例３において、図５に示すように、石炭ガス化装置１４は、ガス化炉１０１と熱交換器１０２が接続部１０３により接続されて構成されている。ガス化炉１０１は、８角形中空断面形状をなすリダクタ部１１１、ディフューザ部１１２、３２角形中空断面形状をなすコンダクタ部１１３とから構成され、ガス化炉１０１の正８角形をなすリダクタ部１１１の上部と正４角形をなす熱交換器１０２の下部が接続部１０３により接続され、路壁１０１ａと路壁１０２ａ（図２参照）とが平行をなしている。
そして、熱交換器１０２は、節炭器１３１より上方に梁部材１６１が配置されており、この梁部材１６１は、端部が炉壁（伝熱管１４１及びフィン１４２）に溶接により連結されている。また、熱交換器１０２は、上下方向に沿って吊具としての複数の冷却管１８１が配置されており、下端部が炉壁を構成する伝熱管１４１に連結される一方、上端部が梁部材１６１に支持された後、再び伝熱管１４１に連結されている。そして、２つの過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４は、吊り金具１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｂを介して複数の冷却管１８１に吊下げ支持されている。また、節炭器１３１は、炉壁（伝熱管１４１及びフィン１４２）に溶接により固定された支持板１３１ｂに載置支持されている。
このように実施例３のガス化装置にあっては、ガス化炉１０１の上部と熱交換器１０２の下部を接続部１０３により接続し、熱交換器１０２に、節炭器１３１と過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４を配設し、過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４を上端壁部に固定された梁部材１６１により冷却管１８１を介して吊下げ支持している。従って、ガス化炉１０１に近くて比較的温度の高い領域に配置される過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４を上端壁部から吊下げ支持することで、この過熱器１３２，１３３と蒸発器１３４の支持部の熱による損傷を抑制することができる。
この場合、冷却管１８１に炉壁を構成する伝熱管１４１を連結している。従って、冷却管１８１を吊具とすることで、冷却水により過熱器１３２，１３３や蒸発器１３４の吊り金具１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｂを冷却することが可能となり、支持部の熱による損傷を抑制することができる。また、冷却管１８１に伝熱管１４１を連結することで、別途冷却水源や冷却管を設ける必要がなく、製造コストの増加を抑制することができる。
なお、上述した実施例では、熱交換器１０２内に吊具としての冷却管１６２，１７１，１８１を配置し、節炭器１３１への給水管１５７、蒸発器１３４の伝熱管１３４ｂ、炉壁を構成する伝熱管１４１を連結したが、この構成に限定されるものではない。即ち、別途、冷却管１６２，１７１，１８１を設けず、節炭器１３１への給水管１５７を延長したり、蒸発器１３４の伝熱管１３４ｂや炉壁を構成する伝熱管１４１の一部を配置変更して設けてもよい。
また、上述した実施例では、燃料として石炭を使用したが、高品位炭や低品位炭であっても適用可能であり、また、石炭に限らず、再生可能な生物由来の有機性資源として使用されるバイオマスであってもよく、例えば、間伐材、廃材木、流木、草類、廃棄物、汚泥、タイヤ及びこれらを原料としたリサイクル燃料（ペレットやチップ）などを使用することも可能である。
１１ 給炭装置
１２ 流動層乾燥装置
１３ 微粉炭機
１４ 石炭ガス化装置
１５ チャー回収装置
１６ ガス精製装置
１７ ガスタービン設備
１８ 蒸気タービン設備
１９ 発電機
２０ 排熱回収ボイラ
１０１ ガス化炉
１０２ 熱交換器
１０３ 接続部
１０４ 圧力容器
１１１ リダクタ部
１１２ ディフューザ部
１１３ コンダクタ部
１１５，１１６，１１７ バーナ
１２３ エキスパンションジョイント
１２４ スラグホッパ
１３１ 節炭器（熱交換部）
１３２，１３３ 過熱器（熱交換部）
１３４ 蒸発器（熱交換部）
１４１ 伝熱管
１４２ フィン
１５１ 蒸気ドラム
１５２ 下降管
１５３ 上昇管
１５７ 給水管
１５９ 蒸気管
１６１ 梁部材
１６２，１７１，１８１ 冷却管

Claims (7)

  1. 燃料を燃焼・ガス化することでガス燃料を生成するガス化装置であって、
    ６角形以上の多角形中空断面形状を有するガス化炉と、
    前記ガス化炉の上方に配置されて壁部が４角形中空断面形状を有する熱交換器と、
    前記ガス化炉の上部の多角形中空断面形状が前記熱交換器の下部の４角形中空断面形状に移行するように接続する接続部と、
    を備え、
    前記ガス化炉を構成する少なくとも２つの壁部と前記熱交換器を構成する２つの壁部が平行をなすように配置される、
    ことを特徴とするガス化装置。
  2. 前記ガス化炉と前記接続部と前記熱交換器の外側に中空形状をなす圧力容器が配置され、前記ガス化炉の外面が前記圧力容器の内面に支持されることを特徴とする請求項１に記載のガス化装置。
  3. 前記熱交換器は、上端部がエキスパンションジョイントにより前記圧力容器に連結され、前記ガス化炉は、下端部が前記圧力容器に設けられるスラグホッパの貯留水により水封されることを特徴とする請求項２に記載のガス化装置。
  4. 前記ガス化炉と前記接続部と前記熱交換器は、壁部が鉛直方向に延びて周方向に並設される複数の伝熱管により構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のガス化装置。
  5. 前記熱交換器は、上下方向に沿って複数の熱交換部が配設され、少なくとも最下方に位置する前記熱交換部は、前記熱交換器の上端壁部に固定された梁部材から吊具を介して吊下げ支持されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のガス化装置。
  6. 前記吊具は、冷却媒体が流通可能な冷却管により構成されることを特徴とする請求項５に記載のガス化装置。
  7. 前記複数の熱交換部は、節炭器と過熱器と蒸発器により構成され、前記冷却管は、前記節炭器への給水管または前記蒸発器の伝熱管または壁部を形成する伝熱管により構成されることを特徴とする請求項６に記載のガス化装置。
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