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技術 石炭ガス化方法

出願人 三菱重工業株式会社長菱エンジニアリング株式会社
発明者 徳田君代中島文也品田治外野雅彦大栗正治
出願日 1993年7月30日 (28年1ヶ月経過) 出願番号 1993-190066
公開日 1995年2月10日 (26年6ヶ月経過) 公開番号 1995-041776
状態 特許登録済
技術分野 固体物質からの合成ガス等の製造
主要キーワード 反応終了温度 平均酸素濃度 気体搬送 堆積防止 一酸化炭素分子 ガス化反応速度 酸素製造設備 噴流床石炭ガス化炉
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1995年2月10日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

目的

噴流床石炭ガス化炉微粉炭燃焼ガス化して可燃性石炭ガスを生成する方法の改良。

構成

酸素製造設備(101) を設置し、製造した酸素(102)をコンバスタ燃焼用空気(16)に混入して酸素富化空気(104)とし、コンバスタ(02)へ投入する。また酸素(102)製造時において副生成される窒素(103)を、スラッギング防止用ガス(105)として再循環ガス代りリダクタ(01)壁面へ吹込む。更にコンバスタ(02)へ投入される酸素富化空気(104)とリダクタ(01)へ投入される窒素(103)との混合ガス平均酸素濃度を 23 〜 54 vol %とする。これにより、リダクタ(01)出口ガス温度は、ガス化反応促進とガス冷却器(05)における灰付着・堆積防止との両面から最適な 1000 〜 1100 ℃となる。

概要

背景

本発明の前提となる従来の方法の概要を図2および図3により説明する。図2は通常の空気により石炭ガス化する方法、図3は酸素富化空気により石炭をガス化する方法をそれぞれ示す。

これらの図において、(01)はリダクタ,(02)はコンバスタ,(03)はリダクタディフューザ部,(04)はスラグホッパ,(05)はガス冷却器,(06)は節炭器蒸気過熱器等の蒸気発生器,(07)は脱塵器,(08)は乾式クリーナ,(09)はガスタービン燃焼器,(10)はガスタービン,(11)は微粉炭,(12)はコンバスタ用微粉炭,(13)はリダクタ用微粉炭,(14)はリサイクルチャー,(15)は燃焼用空気,(16)はコンバスタ用燃焼用空気,(17)はガスタービン燃焼器用燃焼用空気,(18)は粗製石炭ガス,(19)は精製石炭ガス,(20)は再循環ガス,(21)はスラグタップ,(22)は溶融スラグ,(23)は高温燃焼ガス,(24)は湿式クリーナ,(25)は酸素製造設備,(26)は酸素,をそれぞれ示す。

まず図2において、図示されてない石炭粉設備から気体搬送されて来た微粉炭(11)はコンバスタ用(12)とリダクタ用(13)に分けられ、コンバスタ用微粉炭(12)は、別途ガスタービン(10)の圧縮機で断熱圧縮により昇温されて送り込まれて来るコンバスタ用燃焼用空気(16)とともに、リダクタ(01)の下方に設けられたコンバスタ(02)内へ吹き込まれて燃焼する。コンバスタ(02)における燃焼は低空気比による部分燃焼ではあるが、微粉炭燃焼によって発生する灰を溶融排出するために、理論空気量に近い空気比で燃焼させて高温燃焼ガス(23)を発生させる。また後出の脱塵器(07)で捕集されたリサイクルチャー(14)も精製石炭ガス(19)によって搬送され、このコンバスタ(02)に吹込まれて燃焼に供される。

コンバスタ(02)で発生した高温燃焼ガス(23)は、リダクタディフューザ部(03)においてリダクタ用微粉炭(13)と混合される。リダクタディフューザ部(03)は、コンバスタ(02)から送り込まれて来る高温燃焼ガス(23)とリダクタ用微粉炭(13)との均一混合および同微粉炭(13)の乾留を目的として設けられている。リダクタ用微粉炭(13)の吹込み量は、リダクタディフューザ部(03)出口において粗製石炭ガス(18)の空気比が可燃性ガスの生成に適正な範囲の空気比となるよう設定される。

リダクタディフューザ部(03)でリダクタ用微粉炭(13)を混合された高温燃焼ガス(23)は、リダクタ(01)へ送り込まれるが、リダクタ(01)では、高温燃焼ガス(23)中に混合されたリダクタ用微粉炭(17)の乾留によって生じたチャーのガス化反応が、例えば次のような反応式で行なわれる。

概要

噴流床石炭ガス化炉で微粉炭を燃焼・ガス化して可燃性の石炭ガスを生成する方法の改良。

酸素製造設備(101) を設置し、製造した酸素(102)をコンバスタ用燃焼用空気(16)に混入して酸素富化空気(104)とし、コンバスタ(02)へ投入する。また酸素(102)製造時において副生成される窒素(103)を、スラッギング防止用ガス(105)として再循環ガスの代りにリダクタ(01)壁面へ吹込む。更にコンバスタ(02)へ投入される酸素富化空気(104)とリダクタ(01)へ投入される窒素(103)との混合ガス平均酸素濃度を 23 〜 54 vol %とする。これにより、リダクタ(01)出口のガス温度は、ガス化反応促進とガス冷却器(05)における灰付着・堆積防止との両面から最適な 1000 〜 1100 ℃となる。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
3件

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請求項1

微粉炭噴流床石炭ガス化炉低空気比燃焼させて高温可燃性ガスを生成する方法において、酸素製造設備で製造した酸素を空気に混入した酸素富化空気コンバスタ投入する一方、上記酸素製造設備の副生成物である窒素スラッギング防止用ガスとしてリダクタに投入し、上記酸素富化空気と上記スラッギング防止用ガスとからなる混合ガス平均酸素濃度を 23 〜54 vol%とするとともに、上記混合ガスに含まれる全酸素量を、コンバスタ,ディフューザ部およびリダクタへ供給される微粉炭およびリサイクルチャーからなる全燃料ガス化に必要な理論酸素量となるようにして、燃焼ガス化反応を行なわせ、かつガス化反応終了温度が 1000 〜 1100 ℃となるように運転制御することを特徴とする石炭ガス化方法

技術分野

0001

本発明は、微粉砕した石炭噴流床石炭ガス化炉燃焼ガス化して可燃性石炭ガスを生成する石炭ガス化方法に関する。

背景技術

0002

本発明の前提となる従来の方法の概要図2および図3により説明する。図2は通常の空気により石炭をガス化する方法、図3酸素富化空気により石炭をガス化する方法をそれぞれ示す。

0003

これらの図において、(01)はリダクタ,(02)はコンバスタ,(03)はリダクタディフューザ部,(04)はスラグホッパ,(05)はガス冷却器,(06)は節炭器蒸気過熱器等の蒸気発生器,(07)は脱塵器,(08)は乾式クリーナ,(09)はガスタービン燃焼器,(10)はガスタービン,(11)は微粉炭,(12)はコンバスタ用微粉炭,(13)はリダクタ用微粉炭,(14)はリサイクルチャー,(15)は燃焼用空気,(16)はコンバスタ用燃焼用空気,(17)はガスタービン燃焼器用燃焼用空気,(18)は粗製石炭ガス,(19)は精製石炭ガス,(20)は再循環ガス,(21)はスラグタップ,(22)は溶融スラグ,(23)は高温燃焼ガス,(24)は湿式クリーナ,(25)は酸素製造設備,(26)は酸素,をそれぞれ示す。

0004

まず図2において、図示されてない石炭粉設備から気体搬送されて来た微粉炭(11)はコンバスタ用(12)とリダクタ用(13)に分けられ、コンバスタ用微粉炭(12)は、別途ガスタービン(10)の圧縮機で断熱圧縮により昇温されて送り込まれて来るコンバスタ用燃焼用空気(16)とともに、リダクタ(01)の下方に設けられたコンバスタ(02)内へ吹き込まれて燃焼する。コンバスタ(02)における燃焼は低空気比による部分燃焼ではあるが、微粉炭燃焼によって発生する灰を溶融排出するために、理論空気量に近い空気比で燃焼させて高温燃焼ガス(23)を発生させる。また後出の脱塵器(07)で捕集されたリサイクルチャー(14)も精製石炭ガス(19)によって搬送され、このコンバスタ(02)に吹込まれて燃焼に供される。

0005

コンバスタ(02)で発生した高温燃焼ガス(23)は、リダクタディフューザ部(03)においてリダクタ用微粉炭(13)と混合される。リダクタディフューザ部(03)は、コンバスタ(02)から送り込まれて来る高温燃焼ガス(23)とリダクタ用微粉炭(13)との均一混合および同微粉炭(13)の乾留を目的として設けられている。リダクタ用微粉炭(13)の吹込み量は、リダクタディフューザ部(03)出口において粗製石炭ガス(18)の空気比が可燃性ガスの生成に適正な範囲の空気比となるよう設定される。

0006

リダクタディフューザ部(03)でリダクタ用微粉炭(13)を混合された高温燃焼ガス(23)は、リダクタ(01)へ送り込まれるが、リダクタ(01)では、高温燃焼ガス(23)中に混合されたリダクタ用微粉炭(17)の乾留によって生じたチャーのガス化反応が、例えば次のような反応式で行なわれる。

0007

0008

上記のCO,H2生成反応において望まれる吸熱反応を有利に進行させるためには、反応速度の面からもある程度以上の高温が必要である。そのためガス化反応ゾーンであるリダクタ(01)内は、必要な高温雰囲気(リダクタ(01)出口温度= 1000 〜 1100 ℃)を確保するよう設定されている。この結果リダクタ(01)内は、入口部が約 1600 ℃以上、出口部が 1000 〜 1100 ℃という高温雰囲気下にある。

0009

リダクタ(01)でのチャーのガス化反応を終えた粗製石炭ガス(18)は、リダクタ(01)出口において 1000 〜 1100 ℃の高温でガス冷却器(05)へ送り込まれ、そこで減温される。ガス冷却器(05)で減温された精製石炭ガス(18)は、脱塵器(07)へ導かれ、含有するチャーがリサイクルチャー(14)として分離除去された後、乾式クリーナ(08)へ導かれる。そしてその乾式クリーナ(08)で精製された精製石炭ガス(19)は、ガスタービン燃焼器(09)へ導かれて燃焼し、発生した燃焼ガスはガスタービン(10)へ送給される。

0010

次に図3に示される酸素富化空気で石炭をガス化する方法も、基本的には前記図2により説明した方法と同じであるが、酸素製造設備(25)を設置して酸素(26)を製造することと、クリーナを湿式クリーナ(24)とすることが異なる。酸素(26)により燃焼・ガス化された粗製石炭ガス(18)の温度は、そのままではリダクタ(01)出口において 1260 〜 1600 ℃と高く、この温度域では燃焼・ガス化で生じた灰は溶融状態にあるので、ガス冷却器(05)の蒸気発生器(06)に付着堆積することになる。そこで湿式クリーナ(24)出口の精製石炭ガス(19)を再循環ガス(20)として分岐し、粗製石炭ガス(18)と混合してガス温度を 1000 〜 1100 ℃まで低下させている。

発明が解決しようとする課題

0011

図4は、冷ガス効率ηCG石炭ガス化反応において生成された石炭ガスの熱量とそのために使用された石炭の熱量との比で)と酸素比λG (λG はガス化反応に使用された酸素量とガス化に必要な理論酸素量との比;またガス化に必要な理論酸素量とは石炭中炭素原子および水素原子がガス化終了後に一酸化炭素分子(CO)および水素分子(H2 )となるのに必要な酸素量)の関係を示す図である。この図から判るように、冷ガス効率ηCGが最高になるのは、酸素比λG が1の場合である。

0012

図5は、λG =1でかつガス化炉における熱損失が4%と8%の場合について、ガス化反応終了温度とガス化炉へ供給される空気中の酸素濃度との関係を示したものである。酸素濃度が 100%の時の反応終了温度は 1260 〜1630℃と高く、この温度域では粗製石炭ガス(18)の灰は溶融状態にあるので、灰が凝固する1000〜 1100 ℃まで冷却する必要がある。このために湿式クリーナ(24)後の精製石炭ガス(19)を多量に再循環して混合冷却する方法があるが、その場合にはガス冷却器(05)以降の系統の容量を増す必要があって経済的でない。一方酸素濃度21%の通常の空気を使用する場合は、反応終了温度が 870〜970 ℃と低くガス化反応速度が遅くなるので、リダクタ(01)の容積を増大する必要があった。この場合、燃焼ガス化反応におけるコンバスタ(02)からリダクタ(01)出口までのガス温度特性を示す図6から判るように、λG を1.5 としてガス温度を増大する方法があるが、そうすると前記図4に示されるように、冷ガス効率が 0.87 から 0.64 へ低下し、生成ガス発熱量が低下するという欠点があった。

0013

上記のとおり石炭ガス化では、ガス化反応促進とガス冷却器における灰付着・堆積防止との両面から、反応終了温度すなわちリダクタ(01)出口ガス温度を1000 〜1100 ℃とすると好適であることが確認された。

課題を解決するための手段

0014

本発明は、前記従来の課題を解決するために、微粉炭を噴流床石炭ガス化炉で低空気比燃焼させて高温の可燃性ガスを生成する方法において、酸素製造設備で製造した酸素を空気に混入した酸素富化空気をコンバスタに投入する一方、上記酸素製造設備の副生成物である窒素スラッギング防止用ガスとしてリダクタに投入し、上記酸素富化空気と上記スラッギング防止用ガスとからなる混合ガス平均酸素濃度を 23 〜 54 vol %とするとともに、上記混合ガスに含まれる全酸素量を、コンバスタ,ディフューザ部およびリダクタへ供給される微粉炭およびリサイクルチャーからなる全燃料のガス化に必要な理論酸素量となるようにして、燃焼ガス化反応を行なわせ、かつガス化反応終了温度が 1000 〜 1100 ℃となるように運転制御することを特徴とする石炭ガス化方法を提案するものである。

0015

本発明においては、燃焼用空気の一部として酸素富化空気をコンバスタに投入するとともに、リダクタには窒素を投入するので、それらの量を調節して混合ガスの酸素を 23 〜 54 vol %とすることにより、ガス化反応終了温度を1000 〜1100 ℃の間で自在に調整し、広範囲燃料性状の石炭に対応でき、かつ高発熱量の石炭ガスを生成できる。

0016

また、供給される全酸素量を供給される全燃料のガス化に必要な理論酸素量になるよう調整するので、冷ガス効率が最高に保たれる。

0017

加えて、リダクタに投入した窒素により、リダクタ壁面におけるスラッギングが防止される。

0018

図1本発明方法に用いられる設備の一実施例を示す系統図である。この図において、前記図2および図3に示されたものと同様の部分については、冗長になるのを避けるため、同一の符号を付け詳しい説明を省く。図1において新しく用いられた符号として、(101) は酸素製造設備,(102) は酸素,(103) は窒素,(104) は酸素富化空気,(105) はスラッギング防止用ガスをそれぞれ示す。

0019

図1において、燃焼用空気(15)はガスタービンの圧縮機によって加圧され、一部はガスタービン燃焼器用燃焼用空気(17)として分流されてガスタービン燃焼器(09)へ送り込まれる。残りはコンバスタ用燃焼用空気(16)として石炭ガス化炉のコンバスタ(02)の方へ導かれるが、コンバスタ(02)へ投入される前に、酸素製造設備(101) によって製造された酸素が混入され、酸素富化空気(104) となる。そしてこの酸素富化空気(104) は、別途供給されて来たコンバスタ用微粉炭(12)およびリサイクルチャー(14)とともにコンバスタ(02)内へ投入され、燃焼して高温燃焼ガス(23)が生成される。

0020

コンバスタ(02)で発生した高温燃焼ガス(23)には、リダクタディフューザ部(03)においてリダクタ用微粉炭(13)が投入される。リダクタディフューザ部(03)でリダクタ用微粉炭(13)を吹込まれた高温燃焼ガス(23)は、リダクタ(01)へ導かれ、ガス化反応が進行する。

0021

これらのガス化反応は、前記冷ガス効率ηCGが最高となる酸素比λG =1(図4参照)で、かつガス化反応終了温度がガス化反応の進行度操業性の両面で最適な 1000 〜 1100 ℃になるようにコントロールして行なう。ガス化反応終了温度のコントロールは、酸素富化空気(104) 中の酸素濃度とリダクタ(01)中へ吹込む窒素(103) の量を調節して行なう。すなわち、ガス化反応終了温度を1000〜 1100 ℃にコントロールするために、酸素富化空気(104) とリダクタ(01)へ吹込む窒素(103) との混合ガスの平均酸素濃度を図5により 23 〜 54 vol %とする。このように本実施例では、平均酸素濃度 23 〜 54 vol %で燃焼・ガス化を行なうことにより、ガス化反応終了温度を 1000 ℃から 1100 ℃の間で自在に調整できるので、広範囲な燃料性状の石炭に対応できるうえ、高発熱量の石炭ガスを生成できる。

0022

また、酸素製造設備(101) による酸素(102) 製造時には、同時に酸素(102) の約4倍(容積比)もの窒素(103)が生成するが、本実施例ではこれをスラッギング防止用ガス(105) としてリダクタ(01)壁面へ吹込む。したがってリダクタ(01)壁面におけるスラッギングが防止される。

発明の効果

0023

本発明方法においては、コンバスタ用燃焼用空気中に酸素を混入して、リダクタへ投入する窒素との混合ガスの平均酸素濃度を 23 〜 54 vol %とし、かつ酸素比λG =1のガス化反応を行なわせることにより、反応終了温度を 1000 ℃から 1100 ℃の間で自在に調整できるので、広範囲な燃料性状石炭に対応できる上、高発熱量の石炭ガスが生成される。

図面の簡単な説明

0024

図1図1は本発明方法に用いられる設備の一実施例を示す系統図である。
図2図2は従来の方法に用いられる設備の一例を示す系統図である。
図3図3は従来の方法に用いられる設備の他の例を示す系統図である。
図4図4は冷ガス効率ηCGと酸素比λG との関係を示す図である。
図5図5は反応終了温度と空気中の酸素濃度との関係を示す図である。
図6図6は燃焼ガス化時の石炭ガス化炉におけるガス温度特性を示す図である。

--

0025

(01)リダクタ
(02)コンバスタ
(03) リダクタディフューザ部
(04)スラグホッパ
(05)ガス冷却器
(06)節炭器,蒸気過熱器等の蒸気発生器
(07) 脱塵器
(08) 乾式クリーナ
(09)ガスタービン燃焼器
(10)ガスタービン
(11)微粉炭
(12) コンバスタ用微粉炭
(13) リダクタ用微粉炭
(14)リサイクルチャー
(15)燃焼用空気
(16) コンバスタ用燃焼用空気
(17)ガスタービン燃焼器用燃焼用空気
(18) 粗製石炭ガス
(19) 精製石炭ガス
(20)再循環ガス
(21)スラグタップ
(22)溶融スラグ
(23)高温燃焼ガス
(24)湿式クリーナ
(25)酸素製造設備
(26)酸素
(101) 酸素製造設備
(102) 酸素
(103)窒素
(104)酸素富化空気
(105)スラッギング防止用ガス

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