JP7123569B2 - 粉体燃料供給装置、ガス化炉設備およびガス化複合発電設備ならびに粉体燃料供給装置の制御方法 - Google Patents
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Description
石炭ガス化炉設備において、ガス化炉内に微粉炭やチャー(石炭の未反応分と灰分による粉体)等の粉体燃料を窒素(不活性ガス)とともに供給する燃料供給装置が知られている(例えば特許文献1)。
また、本開示の粉体燃料供給装置、ガス化炉設備およびガス化複合発電設備ならびに粉体燃料供給装置の制御方法は、粉体燃料の搬送不良が生じる場合に、バーナの炉内側先端の減耗を抑制しつつ粉体燃料流速の低下を回復させることを目的とする。
圧力損失に基づいて判断することとしたので、少ない時間遅れで粉体燃料流速の低下を判断することができる。
圧力損失計測手段によって抵抗体の圧力損失である差圧を計測し、圧力を計測する位置を所定の範囲で限定することとしたので、圧力損失を計測する範囲内で抵抗体により粉体の沈降による流路面積の縮小が生じることを回避することができる。これにより、搬送不良を正確に判断することができる。
温度計測手段を分岐管の下流端すなわちバーナの直近に設けることとしたので、温度計測手段の設置位置よりも上流側の分岐管の全領域にわたって粉体の沈降を判断することができる。これにより、正確に粉体燃料流速の低下を判断することができる。
温度計測手段は、分岐管の下流端の直近に設けることが好ましく、例えば、分岐管の口径をDとした場合、バーナとの接続位置から50D以内に設けることがより好ましい。さらに具体的には、バーナとの接続位置から5m以内の範囲とされる。
粉体燃料密度計測手段としては、例えば、γ線密度計を用いることができる。
粉体燃料の搬送不良が生じる場合には、粉体燃料流れに追加供給する不活性ガスの流量を増大させることによって、バーナの炉内側先端の減耗を抑制しつつ粉体燃料流速の低下を回復させることができる。
[第1実施形態]
図1には、ガス化炉設備14を適用した石炭ガス化複合発電設備10の概略構成が示されている。
石炭ガス化複合発電設備(IGCC:Integrated Coal Gasification Combined Cycle)10は、空気を主とする酸化剤として用いており、ガス化炉設備14において、燃料から可燃性ガス(生成ガス)を生成する空気燃焼方式を採用している。そして、石炭ガス化複合発電設備10は、ガス化炉設備14で生成した生成ガスを、ガス精製設備16で精製して燃料ガスとした後、ガスタービン17に供給して発電を行っている。すなわち、石炭ガス化複合発電設備10は、空気燃焼方式(空気吹き)の発電設備となっている。ガス化炉設備14に供給する燃料としては、例えば、石炭等の炭素含有固体燃料が用いられる。
なお、本実施形態では、上方及び下方の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。
石炭ガス化複合発電設備10において、給炭設備11に原炭(石炭)が供給されると、石炭は、給炭設備11において細かい粒子状に粉砕されることで微粉炭となる。給炭設備11で製造された微粉炭は、空気分離設備42から供給される窒素により第1窒素供給ライン43を流通してガス化炉設備14に供給される。また、後述するチャー回収設備15で回収されたチャーが、空気分離設備42から供給される窒素により第2窒素供給ライン45を流通してガス化炉設備14に供給される。更に、後述するガスタービン17から抽気された圧縮空気が昇圧機68で昇圧された後、空気分離設備42から供給される酸素と共に圧縮空気供給ライン41を通してガス化炉設備14に供給される。
なお、ガスタービン17と蒸気タービン18は同一軸として1つの発電機19を回転駆動する構成に代えて、別の軸として複数の発電機を回転駆動する構成としても良い。
ガス化炉設備14のガス化炉101において、リダクタ部118のバーナ127により窒素と微粉炭が投入されて点火されると共に、コンバスタ部116のバーナ126により微粉炭及びチャーと圧縮空気(酸素)が投入されて点火される。すると、コンバスタ部116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116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、この溶融スラグがガス化炉壁111へ付着すると共に、炉底へ落下し、最終的にスラグホッパ122内の貯水へ排出される。そして、コンバスタ部116で発生した高温燃焼ガスは、ディフューザ部117を通ってリダクタ部118に上昇する。このリダクタ部118では、ガス化反応に必要な高温状態に維持されて、微粉炭が高温燃焼ガスと混合し、高温の還元雰囲気において微粉炭を部分燃焼させてガス化反応が行われ、生成ガスが生成される。ガス化した生成ガスが鉛直方向の下方側から上方側に向かって流通する。
次に、図3及び図4を用いて、チャーが貯留された供給ホッパ52(図1参照)から、複数設けられたバーナ126(図2参照)のうちチャーが供給されるチャーバーナ126aへチャーを供給するチャー供給系統(粉体燃料供給装置)について説明する。
また、分配器84から分岐された各分岐管82では、個別でチャーバーナ126aの系統を有しており、それぞれで圧力損失の状態が異なるため、また少ない時間遅れでチャー流れの差圧を把握するに各分岐管82に差圧計86を設けると良い。
図4に示すように、供給ホッパ52からチャーと窒素との混合流体がバーナ合流器80へと導かれた後に、チャー合流配管90へと流れる。チャー合流配管90では、ミキシングチャンバ91にて希釈窒素供給配管93から所定量の窒素が追加されて希釈されて窒素流量が増大された後に、チャー供給流量調整弁92にて流量調整され、バーナ分配器84へと導かれる。チャー供給流量調整弁92は、制御部の指示に基づいて開度制御が行われる。この開度制御は、供給ホッパ52に貯留されたチャーの総重量が一定になるような総重量制御に基づいて行われる。
本実施形態では、希釈窒素供給配管93からミキシングチャンバ91に導く希釈窒素の流量を増大させて、バーナ分配器84へ導かれるチャー流れ流量を増大させて、分岐管82におけるチャー流れ流速の低下を解消するので、搬送管遮断弁89a及びバーナ入口遮断弁89bの開閉動作による分岐管82内に滞留したチャーのパージは、出来るだけ頻度を抑制することができる。このため、チャーがチャーバーナ126aから噴出する粉体流れがカーテンのようにガス化炉内からの輻射を遮ることで、チャーバーナ126aのガス化炉内側先端の減耗を抑制する効果を、できるだけ維持することが出来る。
差圧計86によって得られたフローノズル85の圧力損失により生じる差圧に基づいて、チャー流れ流速の低下を判断することとした。これにより、チャー流れ流速の低下を確実に検知して、分岐管82内で粉体燃料(チャー)が沈降することによって生じる搬送不良を事前に把握することができる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、基本的な構成は第1実施形態と同様であり、チャー流れ流速の低下を温度センサ88で判断することとした点が異なる。したがって、以下では、主として第1実施形態に対する相違点について説明する。
また、温度センサ88は、チャーバーナ126aの直近である各分岐管82の下流端82aに設置され、下流端部温度を計測している。温度センサ88は、チャーバーナ126aとの接続位置からの距離L1が50D以下、具体的には5m以内、さらに好ましくは3m以上5m以下の範囲とされる。下流端部温度の変化は、温度計測手段の設置位置よりも上流側の分岐管82の全領域にわたってチャーの沈降を判断することができ、より正確にチャー流れ流速の低下を判断することができる。
希釈窒素バイアス値を温度センサ88で得られたメタル温度(分岐管82の温度)の低下に基づいて変化させ、希釈窒素バイアス値を増大させることで、メタル温度が回復している。すなわち、チャー流れ流速の低下を回復させて、分岐管82内でチャーが沈降することを抑制することができる。このため、搬送管遮断弁89a及びバーナ入口遮断弁89bの開閉動作による分岐管82内に滞留したチャーのパージ動作頻度を低減して、チャーバーナ126aから噴出するチャーの粉体流れがカーテンのようにガス化炉内からの輻射を遮ることを継続できて、チャーバーナ126aのガス化炉内側先端の減耗を抑制することが出来る。
温度センサ88によって得られた下流端部温度に基づいてチャー流れ流速の低下を判断することとした。したがって、第1実施形態のように差圧計86を用いずにチャー流れ流速の低下を判断することができる。ただし、差圧計86と併用してチャー流れ流速の低下を判断してもよい。
そして、温度センサ88を分岐管82の下流端82aすなわちチャーバーナ126aの直近に設けて下流端部温度とすることとしたので、温度センサ88の設置位置よりも上流側の分岐管82の全領域にわたって粉体の沈降による流路面積の縮小を判断することができる。これにより、正確にチャー流れ流速の低下を判断することができる。
これにより、チャー流れ流速の低下を確実に検知して、分岐管82内で粉体が沈降することによって生じる搬送不良を事前に把握することができる。
また、温度センサ88で得られた下流端温度の低下に基づいて変化させ、希釈窒素流量を増大させることで、チャー流れ流速の低下を回復させて、分岐管82内でチャーが沈降することを抑制することができる。
このため、分岐管82内にチャーの滞留が発生したと判断して搬送管遮断弁89a及びバーナ入口遮断弁89bを全閉としてチャーバーナ126aへのチャー供給を中断する前に、チャーバーナ126aからチャーを炉内に向けて継続して供給させながらチャー流れ流速の低下を回復させることができる。これにより、チャーによる粉体流れがカーテンのようにガス化炉内からの輻射を遮ることを維持できるので、チャーバーナ126aのカス化炉内側先端の減耗を抑制することができる。
図8には、図6のメタル温度の微分値が一点鎖線で示されている。同図から分かるように、メタル温度の微分値は時刻0:00から既に低下している。この微分値の低下が所定時間(例えば15分)続いた場合に、チャー流れ流速の低下と判断する。これにより、メタル温度の変化量に基づいて判断する場合(30分経過後に判断)に比べて、早期にチャー流れ流速の低下を判断することができる。
11 給炭設備
11a 給炭ライン
14 ガス化炉設備
15 チャー回収設備
16 ガス精製設備
17 ガスタービン
18 蒸気タービン
19 発電機
20 排熱回収ボイラ
41 圧縮空気供給ライン
42 空気分離設備
43 第1窒素供給ライン
45 第2窒素供給ライン
46 チャー戻しライン
47 酸素供給ライン
49 ガス生成ライン
51 集塵設備
52 供給ホッパ
53 ガス排出ライン
61 圧縮機
62 燃焼器
63 タービン
64 回転軸
65 圧縮空気供給ライン
66 燃料ガス供給ライン
67 燃焼ガス供給ライン
68 昇圧機
69 タービン
70 排ガスライン
71 蒸気供給ライン
72 蒸気回収ライン
74 ガス浄化設備
75 煙突
80 バーナ合流器
82 分岐管
84 バーナ分配器(分配器)
85 フローノズル(抵抗体)
86 差圧計(圧力損失計測手段)
87 パージ窒素供給配管
88 温度センサ(温度計測手段)
89a 搬送管遮断弁
89b バーナ入口遮断弁
90 チャー合流配管
91 ミキシングチャンバ
92 チャー供給流量調整弁
93 希釈窒素供給配管(不活性ガス追加供給手段)
94 希釈窒素流量調整弁
95 冷却コイル
96 γ線密度計(粉体燃料密度計測手段)
101 ガス化炉
102 シンガスクーラ
110 圧力容器
111 ガス化炉壁
115 アニュラス部
116 コンバスタ部
117 ディフューザ部
118 リダクタ部
121 ガス排出口
122 スラグホッパ
126 バーナ
126a チャーバーナ
127 バーナ
131 蒸発器
132 過熱器
134 節炭器
154 内部空間
156 外部空間
Claims (8)
- 供給された粉体燃料を複数の分岐管に分岐する分配器と、
複数の前記分岐管のそれぞれの下流端に接続され、前記粉体燃料をガス化するガス化炉内に向けて粉体燃料を供給する複数のバーナと、
複数の前記分岐管のそれぞれに設けられ、前記分岐管内の粉体燃料流れに圧力損失を与える抵抗体と、
前記抵抗体により生じる差圧を計測する圧力損失計測手段と、
前記差圧に基づいて前記粉体燃料の流速の低下を判断する制御部と、
前記分配器に向けて微粉燃料が不活性ガスとともに流れる粉体燃料流れに対して不活性ガスを追加供給する不活性ガス追加供給手段と、
を備え、
前記制御部は、前記差圧に基づいて、前記分岐管を流れる前記粉体燃料の流速の低下を判断した場合に、前記不活性ガス追加供給手段から追加供給する不活性ガスの流量を増大させる粉体燃料供給装置。 - 供給された粉体燃料を複数の分岐管に分岐する分配器と、
複数の前記分岐管のそれぞれの下流端に接続され、前記粉体燃料をガス化するガス化炉内に向けて粉体燃料を供給する複数のバーナと、
前記分岐管の前記下流端における下流端部温度を計測する温度計測手段と、
前記下流端部温度に基づいて前記粉体燃料の流速の低下を判断する制御部と、
前記分配器に向けて微粉燃料が不活性ガスとともに流れる粉体燃料流れに対して不活性ガスを追加供給する不活性ガス追加供給手段と、
前記下流端部温度に基づいて、前記分岐管を流れる前記粉体燃料の流速の低下を判断した場合に、前記不活性ガス追加供給手段から追加供給する不活性ガスの流量を増大させる制御部と、
を備えている粉体燃料供給装置。 - 複数の前記分岐管のそれぞれの上流端及び下流端に、前記不活性ガス追加供給手段を挟むように前記制御部によって開閉動作が制御される遮断弁が設けられる請求項1又は2に記載の粉体燃料供給装置。
- 前記分岐管には、粉体燃料の密度を計測する粉体燃料密度計測手段を備えている請求項1から3のいずれかに記載の粉体燃料供給装置。
- 請求項1から4のいずれかに記載の粉体燃料供給装置と、
該粉体燃料供給装置から粉体燃料が供給される前記ガス化炉と、
を備えているガス化炉設備。 - 請求項5に記載のガス化炉設備と、
前記ガス化炉設備で生成した生成ガスの少なくとも一部を燃焼させることで回転駆動するガスタービンと、
前記ガスタービンから排出されたタービン排ガスを導入する排熱回収ボイラで生成した蒸気により回転駆動する蒸気タービンと、
前記ガスタービンおよび/または前記蒸気タービンと回転連結された発電機と、
を備えているガス化複合発電設備。 - 供給された粉体燃料を複数の分岐管に分岐する分配器と、
複数の前記分岐管のそれぞれの下流端に接続され、前記粉体燃料をガス化するガス化炉内に向けて粉体燃料を供給する複数のバーナと、
複数の前記分岐管のそれぞれに設けられ、前記分岐管内の粉体燃料流れに圧力損失を与える抵抗体と、
前記抵抗体により生じる差圧を計測する圧力損失計測手段と、
前記分配器に向けて微粉燃料が不活性ガスとともに流れる粉体燃料流れに対して不活性ガスを追加供給する不活性ガス追加供給手段と、
を備えた粉体燃料供給装置の制御方法であって、
前記差圧に基づいて、前記分岐管を流れる前記粉体燃料の流速の低下を判断した場合に、前記不活性ガス追加供給手段から追加供給する不活性ガスの流量を増大させる粉体燃料供給装置の制御方法。 - 供給された粉体燃料を複数の分岐管に分岐する分配器と、
複数の前記分岐管のそれぞれの下流端に接続され、前記粉体燃料をガス化するガス化炉内に向けて粉体燃料を供給する複数のバーナと、
前記分岐管の前記下流端における下流端部温度を計測する温度計測手段と、
前記分配器に向けて微粉燃料が不活性ガスとともに流れる粉体燃料流れに対して不活性ガスを追加供給する不活性ガス追加供給手段と、
を備えた粉体燃料供給装置の制御方法であって、
前記下流端部温度に基づいて、前記分岐管を流れる前記粉体燃料の流速の低下を判断した場合に、前記不活性ガス追加供給手段から追加供給する不活性ガスの流量を増大させる粉体燃料供給装置の制御方法。
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