ガス化炉、ガス化炉の運転方法、及び石炭ガス化複合発電プラント
【課題】本発明はガス化炉の炉壁耐火材の溶損及び炉壁耐火材への付着物の成長を抑制し得る信頼性の高いガス化炉を提供する。
【解決手段】ガス化炉１の上部と下部に設置されて石炭２６、３２と酸素２８、３４を供給する上段バーナ５及び下段バーナ６と、ガス化炉１の壁面を構成してその内側にガス化部４を形成する側壁耐火材７を備えたガス化炉１において、上段バーナ５と下段バーナ６との間の側壁耐火材７の内部に温度測定器１６をガス化炉１の高さ方向に沿って複数個設置し、これらの温度測定器１６で測定した温度測定値に基づいてガス化部４の内部の前記側壁耐火材７近傍の温度分布を演算し、この演算した温度分布に基づいて上段バーナ５及び下段バーナ６からガス化部４内に供給する石炭２６、３２及び酸素２８、３４の流量を調整する制御装置２１を備えた。
【解決手段】ガス化炉１の上部と下部に設置されて石炭２６、３２と酸素２８、３４を供給する上段バーナ５及び下段バーナ６と、ガス化炉１の壁面を構成してその内側にガス化部４を形成する側壁耐火材７を備えたガス化炉１において、上段バーナ５と下段バーナ６との間の側壁耐火材７の内部に温度測定器１６をガス化炉１の高さ方向に沿って複数個設置し、これらの温度測定器１６で測定した温度測定値に基づいてガス化部４の内部の前記側壁耐火材７近傍の温度分布を演算し、この演算した温度分布に基づいて上段バーナ５及び下段バーナ６からガス化部４内に供給する石炭２６、３２及び酸素２８、３４の流量を調整する制御装置２１を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭等の固体燃料を用いたガス化炉、ガス化炉の運転方法、及びガス化複合発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭等の固体燃料をガス化するガス化炉の運転には、ガス化炉の炉内温度、ガス化炉の炉壁耐火材の溶損及び付着物の成長、及びガス化炉内で生成する溶融スラグの流下状況を監視して、ガス化炉の炉内の燃焼条件を調整する必要がある。
【０００３】
特開２００７−２７１２０５号公報の第１図には、ガス化炉の生成ガスや炉内温度、及び溶融スラグ流下状況を、炉壁の冷却水温度の出入口の温度差の変化で監視してガス化炉の運転条件を調整するガス化炉の運転方法が開示されている。
【０００４】
また、特開２００２−２５０５１２号公報の第１図には、燃焼溶融炉における同一平面で９０度間隔に４本の気体供給ノズルを備えた溶融炉において、対向する２本の気体供給ノズルを交互に使用する運用を繰り返すことで、ノズル近傍に形成される付着物の成長を抑制する燃焼溶融炉の運転方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７１２０５号公報（第１図）
【特許文献２】特開２００２−２５０５１２号公報（第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガス化炉においては、ガス化炉の炉壁耐火材にチャーやスラグによる付着物の形成と、高温の溶融スラグによる耐火材侵食のリスクが存在する。
【０００７】
ガス化炉の炉内の付着物の成長は、ガス化炉の閉塞や、バーナ火炎の流動変化による炉壁耐火材の局所的な溶損加速に繋がる可能性がある。
【０００８】
また、高温の溶融スラグによる耐火材の侵食は、耐火材溶損による耐火材厚み低下により、外筒の金属材を焼損させ、ガス化炉破損に繋がる可能性がある。
【０００９】
本発明の目的はガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、ガス化炉の運転方法、及び石炭ガス化複合発電プラントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガス化炉は、窒素搬送の石炭と酸素をガス化炉の内部に供給する上段バーナ及び下段バーナと、前記ガス化炉に設置されてガス化炉の壁面を構成する側壁耐火材と、前記上段バーナ及び下段バーナから供給された石炭中の可燃分をガス化して石炭中の灰分を溶融スラグ化させるように前記側壁耐火材の内側に形成されたガス化部と、前記ガス化部内でガス化した生成ガスを外部に抜き出す開口部を有する天井部及び溶融スラグを下方に流下させる別の開口部を有するスラグタップを底部にそれぞれ備えたガス化炉において、前記上段バーナと下段バーナとの間の前記側壁耐火材の内部に温度測定器をガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置し、
複数個設置した前記温度測定器で測定した温度測定値に基づいてガス化部の内部の前記側壁耐火材近傍の温度分布を演算し、この側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量を調整する制御装置を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明のガス化炉の運転方法は、ガス化炉の上段と下段とに設けた上段バーナ及び下段バーナから窒素搬送の石炭と酸素をガス化炉の壁面を構成する側壁耐火材の内側に形成されたガス化部に供給して石炭中の可燃分をガス化して石炭中の灰分を溶融スラグ化させ、前記ガス化部内でガス化した生成ガスを外部に抜き出す開口部を有する天井部及び溶融スラグを下方に流下させる別の開口部を有するスラグタップを底部にそれぞれ備えたガス化炉の運転方法において、ガス化炉の側壁耐火材の内部にガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置した温度測定器で計測した温度測定値基づいてガス化部の内部の前記側壁耐火材近傍の温度分布を演算し、この演算で求めた側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量を調整するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の石炭ガス化複合発電プラントは、窒素搬送の石炭と酸素をガス化炉の内部に供給する上段バーナ及び下段バーナと、前記ガス化炉に設置されてガス化炉の壁面を構成する側壁耐火材と、前記上段バーナ及び下段バーナから供給された石炭中の可燃分をガス化して石炭中の灰分を溶融スラグ化させるように前記側壁耐火材の内側に形成されたガス化部と、前記ガス化部内でガス化した生成ガスを外部に抜き出す開口部を有する天井部及び溶融スラグを下方に流下させる別の開口部を有するスラグタップを底部にそれぞれ備え、前記上段バーナと下段バーナとの間の前記側壁耐火材の内部に温度測定器をガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置し、複数個設置した前記温度測定器で測定した温度測定値に基づいてガス化部の内部の前記側壁耐火材近傍の温度分布を演算し、この側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量を調整する制御装置を備えたガス化炉を備えており、前記ガス化炉のガス化部で生成されて該ガス化炉から導出された生成ガスを脱塵する脱塵装置と、前記脱塵装置で生成ガス中から回収したチャーをガス化炉に設置されたチャーバーナに供給するチャー供給系統と、脱塵装置で脱塵された生成ガスの脱硫を行なう脱硫装置と、前記脱硫装置で脱硫された生成ガスを燃料として燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動するガスタービンと、前記ガスタービンで駆動して発電する発電機と、前記燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、ガス化炉の運転方法、及び石炭ガス化複合発電プラントが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例であるガス化炉の概略構造を示す断面図。
【図２】図１に示す第１実施例のガス化炉の上段バーナ高さにおける断面図。
【図３】図１に示す第１実施例のガス化炉の下段バーナ高さにおける断面図。
【図４】図１に示す第１実施例のガス化炉の側壁近傍ガス温度分布の一例を表したガス温度分布図。
【図５】本発明の第２実施例であるガス化炉の概略構造を示す断面図。
【図６】本発明の第３実施例であるガス化炉の概略構造を示す断面図。
【図７】本発明の第４実施例であるガス化炉の概略構造を示す断面図。
【図８】本発明の第５実施例であるガス化炉の概略構造を示す断面図。
【図９】図８に示す第５実施例のガス化炉の下段バーナ高さにおける断面図。
【図１０】本発明の第６実施例であるガス化炉を備えた石炭ガス化複合発電プラントの概略構造を示すプラント系統図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施例であるガス化炉、ガス化炉の運転方法、及び石炭ガス化複合発電プラントについて図面を用いて以下に説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例であるガス化炉及びガス化炉の運転方法について図１を用いて説明する。
【００１７】
図１は本発明の第１実施例であるガス化炉１の概略構成を示す断面図であり、図１に示したように、ガス化炉１は外形が円筒状に形成されており、このガス化炉１の頂部には精製ガスを外部に抜き出す天井部開口部２が、ガス化炉１の底部に設けたスラグタップ１０の中心部には溶融スラグを流下させるスラブタップ開口部９がそれぞれ形成されている。
【００１８】
そしてガス化炉１の内部には燃料の石炭中の可燃分を酸素と燃焼反応させてガス化してＣＯ及びＨ２を主成分とする生成ガスを発生させるガス化部４が形成されている。
【００１９】
前記ガス化炉１は、前記ガス化部４で石炭中の灰分が溶融した溶融スラグをその中心部に開口させたスラグタップ開口部９から下方に流下させるスラグタップ１０と、スラグタップ１０の直下に位置して溶融したスラグを下方に導くバッファ空間となるクエンチ部１１と、クエンチ部１１の下方に位置して溶融したスラグを冷却するスラグ冷却水槽６とを備えている。
【００２０】
ガス化炉１の外筒としてガス化炉１の頂部に金属製の天井部外筒３が設置され、ガス化炉１の外周には金属製の側壁外筒８が設置されている。
【００２１】
ガス化炉１の内部は高温ガスに晒されるため、側壁外筒８の内部には円筒状に側壁耐火材７を張り側壁外筒８を保護している。
【００２２】
これらの天井部外筒３及び側壁外筒８は温度上昇を抑制するため、水冷して保護することが多い。
【００２３】
ガス化部４を内部に形成するガス化炉１の壁面を構成する側壁耐火材７には、上段バーナ５と下段バーナ６が上下方向に相互に離間して、それぞれ接線方向に取り付けられており、前記上段バーナ５と下段バーナ６から微粉にした固体燃料の石炭と酸素含有ガスである窒素及び酸素とを前記側壁耐火材７の内部に形成したガス化部４内に投入して、このガス化部４内で旋回流を形成させる。
【００２４】
即ち、制御装置２１からの指令信号によって上段バーナ石炭流量調整器２３、上段バーナ窒素流量調整器２４、及び上段バーナ酸素流量調整器２５がそれぞれ制御され、上段バーナ石炭流量調整器２３で調節された流量の石炭２６、上段バーナ窒素流量調整器２４で調節された流量の窒素２７、及び上段バーナ酸素流量調整器２５で調節された流量の酸素２８が前記上段バーナ５からガス化部４内に投入されるように構成されている。
【００２５】
同様に制御装置２１からの指令信号によって下段バーナ石炭流量調整器２９、下段バーナ窒素流量調整器３０、及び下段バーナ酸素流量調整器３１がそれぞれ制御され、下段バーナ石炭流量調整器２９で調節された流量の石炭３２、下段バーナ窒素流量調整器３０で調節された流量の窒素３３、及び下段バーナ酸素流量調整器３１で調節された流量の酸素３４が前記下段バーナ６からガス化部４内に投入されるように構成されている。
【００２６】
上段バーナ５及び下段バーナ６からガス化部４内に投入された石炭中の可燃分はガス化部４内で酸素と反応してガス化し、ＣＯ及びＨ２を主成分とする生成ガス２０となる。これは、ガス化部４に投入される酸素量が、石炭の完全燃焼に必要な酸素量より少ない条件で運転されることによる。
【００２７】
一方、石炭中の灰分（不燃物）を含むチャーは、ガス化部４内の旋回流によって遠心力を受け、側壁耐火材７の炉壁側に移動する。
【００２８】
灰分はガス化部４内の高温火炎により溶融スラグ化して側壁耐火材７の壁面に付着する。溶融スラグは、炉壁耐火材７の壁面からスラグタップ１０の上面を通り、スラグタップ開口部９から下方に流下する。
【００２９】
スラグタップ開口部９を流下した溶融スラグは、クエンチ部１１を経由してスラグ冷却水槽１２に流入し、このスラグ冷却水槽１２にて冷却されてガラス状の固形スラグとして回収される。
【００３０】
スラグ冷却水槽１２の底部から排出されて回収される固形スラグの回収量は、スラグ重量計測器５０で計測し、スラグ重量計測器５０で計測されたスラグ重量の計測データは制御装置２１に取り込まれる。
【００３１】
ガス化部４内の温度分布については、側壁耐火材７に設置する高さが異なるように埋め込まれた複数個の温度測定器１６によって計測する。
【００３２】
前記複数の温度測定器１６を側壁耐火材７に埋め込んで測定した温度検出値に基づいて計測された炉内温度分布データ２２は制御装置２１に取り込まれる。
【００３３】
このように温度測定器１６によってガス化部４内の温度分布を計測することで、ガス化部４内の高温火炎インピンジによる温度測定器１６の焼損、溶融スラグによる側壁耐火材７の溶損、飛散粒子の衝突による側壁耐火材７の損耗のリスクを低減できる。
【００３４】
さらに、ガス化部４内の側壁近傍のガス温度については、温度測定器１６で計測した温度検出値、温度測定器１６が設置されたガス化部４における設置深さ（側壁耐火材７の表面からの厚み方向の距離）、側壁耐火材７の耐火材の物性、側壁外筒８の温度に基づいて制御装置２１にて推定演算される。
【００３５】
次に、本実施例であるガス化炉１のガス化部４内に形成される火炎の流れについて説明する。
【００３６】
図１において、上段バーナ５から投入される石炭２６、窒素２７、及び酸素２８は、ガス化部４内で着火し、上段バーナ５によって形成された火炎１４となって、ガス化部４内部を旋回流で下降する。
【００３７】
下段バーナ６から投入される石炭３２、窒素３３、及び酸素３４についても、ガス化部４内で着火し、下段バーナ６によって形成された火炎１５となる。下段バーナ６によって形成された火炎１５は、ガス化部４内部を旋回流で下降し、スラグタップ１０によって反転して上昇流となる。
【００３８】
この上昇流となった下段バーナによって形成された火炎１５は、ガス化部４内部を旋回流で側壁耐火材７の壁面近傍を上昇し、上段バーナ５と下段バーナ６の間となるガス化部４内の場所で上段バーナ５によって形成された火炎１４と衝突することになる。
【００３９】
上段バーナ５の火炎１４と下段バーナ６の火炎１５とが衝突するガス化部４内の場所では、火炎に同伴されるチャー粒子が滞流しやすく、温度条件によっては側壁耐火材７の壁面に庇状に付着物１９を形成・成長させやすい。
【００４０】
一方、ガス化効率の面からも、ガス化炉１のガス化部４内で生成された生成ガス２０に同伴して飛散するチャー量を減らした方が有利である。
【００４１】
従って、上段バーナ５の火炎１４と下段バーナ６の火炎１５とが衝突するガス化部４内の場所より下部となるガス化部４内のガス温度を、灰分の溶流点以上となるように高めて灰溶融領域とし、側壁耐火材７の壁面に付着した溶融スラグでチャーを多く捕捉できる運転条件とすることが望ましい。
【００４２】
一方、上段バーナ５の火炎１４と下段バーナ６の火炎１５との衝突によって減衰した上段バーナ５の火炎１４と下段バーナの火炎１５中の気体成分は、ガス化部４内の軸心側となる中心部より上昇流となって、生成ガス２０として天井部開口部２からガス化炉１の外部に放出される。これは、ガス化部４内の中心部が、火炎１４及び火炎１５の旋回流の影響によって側壁耐火材７の壁面近傍よりも低圧となることによる。
【００４３】
ガス化炉１の側壁耐火材７に設置した複数個の温度測定器１６によって計測された炉内温度分布データ２２であるガス化部４の側壁近傍ガス温度分布の一例を、図４に示す。本図は、ガス化部４を対象とした熱流動解析に基づく演算によって求めたものである。
【００４４】
図４に示されたガス化炉１のガス化部４の側壁近傍ガス温度分布から明らかなように、ガス化部４の下部では、ガス温度が灰溶流点よりもかなり高くなっており、溶融スラグによる側壁耐火材７の溶損領域である。
【００４５】
ガス化部４の上部は、ガス温度が灰溶流点より低く、側壁耐火材７にチャーが付着する領域である。この領域では、石炭ガス化反応（吸熱反応）を利用し、ガス温度の上昇を防ぐ。
【００４６】
これに対し、上段バーナ高さ付近、及び上下段バーナの中間付近のガス温度は、灰溶流点並みである。
【００４７】
これら領域では、スラグとチャーが側壁耐火材７の壁面に付着する。粘度の高い溶融スラグにチャーが付着すると、側壁耐火材７の壁面に付着した付着物が成長しやすい。
【００４８】
以上より、付着物の成長有無や耐火材溶損の監視方法、及び付着物を成長抑制させる運転方法の確立が必須である。
【００４９】
図２に記載した上段バーナ５のガス化炉１への設置位置については図１にII−IIとして示し、図３に記載した下段バーナ６のガス化炉１への設置位置については図１にIII−IIIとして示した。
【００５０】
そして、上段バーナ５及び下段バーナ６による各旋回径１７、１８については図２及び図３に記載したガス化炉１の内部のガス化部４にそれぞれ示した。
【００５１】
そこで本実施例のガス火炉１においては、まず、上下段バーナ５、６の火炎１４、１５の旋回流の大小関係を監視するガス化炉の運転条件の一つである角運動量比について説明する。定義式は、（１）〜（３）式にそれぞれ示されている。
【００５２】
角運動量比＝上段バーナの角運動量／（上段バーナの角運動量＋下段バーナの角運動量）・・・（１）
上段バーナの角運動量＝上段バーナによる旋回径×（上段バーナの石炭質量流量×上段バーナの石炭の投入流速＋上段バーナの窒素質量流量×上段バーナの窒素の投入流速＋上段バーナの酸素質量流量×上段バーナの酸素の投入流速）・・・（２）
下段バーナの角運動量＝下段バーナによる旋回径×（下段バーナの石炭質量流量×下段バーナの石炭の投入流速＋下段バーナの窒素質量流量×下段バーナの窒素の投入流速＋下段バーナの酸素質量流量×下段バーナの酸素の投入流速）・・・（３）
例えば、上段バーナ５の角運動量を高くすると、角運動量比も高くなり、図１の上段バーナ５によって形成された火炎１４の旋回力が増す。
【００５３】
これにより、上段バーナ５の火炎１４と下段バーナ６の火炎１５の衝突位置が低くなり、粒子の滞流しやすい領域も下方に移動する。
【００５４】
図４に示すガス化部４内の側壁近傍のガス温度分布についても、ガス化部４内の下部の側壁耐火材７に溶損が生じる可能性がある溶損領域の高さが低くなり、ガス化部４内の中段のスラグ・チャー付着領域も下方に移動する。以上より、側壁耐火材７の壁面に付着する付着物１９が成長する位置も、下方に移動する。
【００５５】
次に、ガス化炉１を定常条件で運用中のガス化部４の監視方法について説明する。上段バーナ５と下段バーナ６からガス化部４内にそれぞれ投入される石炭、窒素、酸素の流量を一定条件で運用し、単位時間あたりの回収スラグ重量も安定すれば、複数の温度測定器１６によって計測されるガス化部４内のガス温度の分布を示す炉内温度分布データ２２も定常状態で安定するはずである。
【００５６】
炉内温度分布データ２２の有意な変動の有無、及びその場所を検知することで、側壁耐火材７に異常が発生した場所と原因を特定することができる。
【００５７】
例えば、側壁外筒８の温度が一定で、側壁耐火材７に埋め込まれた温度測定器１６の温度が単調上昇の傾向を示した場合は、その場所の側壁耐火材７の厚みが減少したことを意味する。
【００５８】
この原因は、側壁耐火材７に生じた溶融スラグによる溶損か、粒子による磨耗である。両者のいずれかは、温度測定器１６で測定した温度側壁耐火材７の側壁近傍のガス温度で判定する。すなわち、温度測定器１６で測定した側壁近傍の前記ガス温度が、供試した石炭中の灰分の溶流点以上（図４に破線で示すガス温度）の温度領域であれば、溶融スラグの溶損による可能性が高いことになる。
【００５９】
逆に、温度測定器１６で測定した側壁近傍の前記ガス温度が、灰分の溶流点未満の温度領域であれば、粒子の磨耗による可能性が高いことになる。
【００６０】
本実施例のガス化炉においては、原因推定の基準値として灰分の溶流点を用いて説明したが、実際のガス化炉１の運用で経験的に得た温度基準値に変更しても構わない。
【００６１】
溶融スラグによる溶損、又は石炭粒子の磨耗によって側壁耐火材７の厚さ減少が続くと、側壁耐火材７に埋め込まれた温度測定器１６の破損や、側壁外筒８の温度の上昇に繋がる。
【００６２】
特に側壁外筒８が焼損した場合は、ガス化炉１の運転停止のみならず、ガス化部４内からＣＯやＨ２などの有毒ガスな可燃ガスが系外に放出されることになるので、このような事態は回避しなければならない。
【００６３】
一方、側壁外筒８の温度が一定で、側壁耐火材７に埋め込まれた温度測定器１６の温度が単調減少の傾向を示した場合は、その場所の側壁耐火材７の壁面に付着した付着物の厚みが増加したことを意味する。
【００６４】
前記付着物はチャー又は粘度の高い溶融スラグからなる。側壁耐火材７の壁面に付着した付着物の成長は、バーナ付近などの、粒子濃度が高く低温箇所のある領域や、ガス温度が灰分の軟化点〜溶流点の間で粒子の滞流しやすい領域で見られる。
【００６５】
前記付着物の成長を放置すると、ガス化部４を閉塞させるだけでなく、上下段バーナ火炎１４、１５の流動変化によるバーナ火炎のインピンジにより、側壁耐火材７の溶損に繋がる可能性が高くなる。
【００６６】
ここで、上段バーナ５の設置高さII−IIにおけるガス化炉１の断面図を図２に、下段バーナ６の設置高さIII―IIIにおけるガス化炉１の断面図を図３にそれぞれ示す。
【００６７】
図２及び図３には、ガス化炉１の各断面と共に、このガス化炉１に設ける上段バーナ５及び下段バーナ６を等間隔に４本ずつ設置し、偏りのない火炎１４及び火炎１５の各旋回流の形成を目指したバーナ配置の一例が示されている。
【００６８】
温度測定器１６も同様に側壁耐火材７の壁面の周囲に等間隔に４本ずつ設置することで、バーナ５及びバーナ６のそれぞれの間の流量偏差、及び側壁耐火材７の溶損状況や付着物の成長状況の差の有無についても監視することができる。
【００６９】
上下段バーナ５、６の配置について、下段バーナ６による旋回径１８は、上段バーナ５による旋回径１７より小さい方が良い。これは、図４を用いて前述したように、下段バーナ６付近の温度が上段バーナ５付近の温度よりも高いためである。
【００７０】
下段バーナ６による旋回径１８を拡大すると、高温火炎のインピンジが起こり易くなり、側壁耐火材７の溶損リスクが高まる。
【００７１】
これに対し、上段バーナ５では、上段バーナ５からガス化部４内に投入する酸素量を抑えることで火炎温度の上昇を抑えつつ、下降流を形成させることができる。
【００７２】
上段バーナ５による旋回径１７は、粒子の磨耗による耐火材保護、付着物の成長抑制の観点でその大きさを設定する。
【００７３】
次に、計測された炉内温度分布データ２２に基づいて下記した（１）〜（３）の３種類の側壁耐火材７の異常状態、及び（４）に示すスラグタップ９からのスラグ流下の異常状態に対処するガス化炉の運転方法について、図１と図４を用いて説明する。
【００７４】
（１）粒子の磨耗による側壁耐火材の損耗：
上段バーナ５での実施を例にとって説明する。上段バーナ５からガス化部４内に投入する流速の低減対策が最も効果的である。ガス化炉１の運転を停止して上段バーナ５の口径を拡大する方法が良い。
【００７５】
ガス化炉１の運転を停止させずに対処する場合は、制御装置２１から上段バーナ石炭流量調整器２３、上段バーナ窒素流量調整器２４、及び上段バーナ酸素流量調整器２５に指令信号をそれぞれ出力して、上段バーナ５からガス化部４内に投入する石炭２６、窒素２７、及び酸素２８の各流量を低減させれば良い。また、投入する石炭２６の粒径を細かくしても効果的である。
【００７６】
（２）溶融スラグの侵食による側壁耐火材の溶損：
下段バーナ６での実施を例にとって説明する。側壁耐火材７近傍のガス及びスラグの温度の低減対策が最も効果的である。
【００７７】
制御装置２１から下段バーナ酸素流量調整器３１に酸素流量低減の指令を出力して該下段バーナ酸素流量調整器３１の調節によって下段バーナ６からガス化部４内に投入する酸素３４の流量を減少させる。
【００７８】
下段バーナ６から投入する酸素３４の低減量は、運転条件や石炭性状（発熱量や水分量など）などにもよるが、下段バーナ６から投入する石炭量に対する重量比で５〜１０％程度を目安にすると良い。この場合、ガス化部４の底部のガス温度は、約１００〜２００℃程度低減すると見込まれる。
【００７９】
或いは、生成ガス２０流量に対する制約がなければ、制御装置２１から下段バーナ石炭流量調整器２９及び酸素流量調整器３１に指令信号を出力して下段バーナ６からガス化部４内に投入する石炭３２及び酸素３４の流量を低減し、下段バーナ窒素流量調整器３０に指令信号を出力して下段バーナ６からガス化部４内に投入する窒素３３の流量を増加させるようにしても構わない。石炭重量に対する酸素重量を一定で制御すれば、下段バーナ６からの入熱量は、石炭３２流量に比例して低下する。
【００８０】
これらの操作によってガス化部４内の火炎温度を低下させて溶融スラグの粘度を高め、耐火材の溶損箇所をスラグコーティングする。また、投入する石炭３２に一時的にＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の粉末を添加して溶融スラグの粘度を高める方法も効果的である。
【００８１】
（３）付着物の成長：
まず、ガス化部４の中段の側壁耐火材７の壁面に付着物１９が成長した場合を例にとって説明する。下段バーナ６の火炎１５の旋回力を高めて角運動量比を低減し、図４に示すガス化部４の下部の高温領域の高さを拡大させる。
これにより、付着物１９が側壁耐火材７の壁面に付着する場所を灰溶融領域とすることで、付着物１９の焼切り運転を行なう。そしてこの焼切り運転が終了すれば、元の運転条件に戻す。
【００８２】
具体的な操作としては、制御装置２１から上段バーナ酸素流量調整器２５に酸素量低減の指令信号と、下段バーナ酸素量調整器３１に酸素量増加の指令信号をそれぞれ出力する。
【００８３】
そして上段バーナ酸素流量調整器２５の調節によって上段バーナ５からガス化部４内に投入する酸素２８の流量を低減させ、下段バーナ酸素量調整器３１の調節によって下段バーナ６からガス化部４内に投入する酸素３４の流量を増加させるようにするものである。
下段バーナ６から投入する酸素３４の増加量は、運転条件や石炭性状（発熱量や水分量など）などにもよるが、下段バーナ６から投入する石炭量に対する重量比で５〜１０％程度を目安にすると良い。この場合、ガス化部４の底部から中段におけるガス温度の上昇は、約１００〜２００℃程度と見込まれる。
【００８４】
付着物１９の焼切り状況は、側壁耐火材７に埋め込んだ温度測定器１６で検知する。側壁耐火材７の壁面上に付着した付着物１９の焼切り運転が終了すると、この温度測定器１６で検知する温度が上昇して高くなる。
【００８５】
この付着物１９の焼切り運転の終了後は、元の運転条件（付着物１９が側壁耐火材７の壁面に付着する前の運転条件）に戻すべく、制御装置２１から各流量調整器に指令を出力する。
【００８６】
次に、上段バーナ５より上部における側壁耐火材７への付着物１９の成長した場合を例にとって説明する。この場合は、焼切り運転を実施せず、付着物１９の自重で剥離・落下するのを待つか、パージなどで強制的に落下させる運用が良い。付着物１９の成長しにくい上段バーナ５の配置、付着物１９の除去に有効なパージ方法については、ガス化部４の運転実績に基づき、決定すると良い。
【００８７】
この部位の付着物１９に対して、焼切り運転を推奨しない理由は、次の２点である。
・上段バーナ５の火炎インピンジや天井開口部２の縮小・閉塞に繋がらなければ、ガス化部４の運用に支障ない。
・焼切り運転を実施する場合、上段バーナ５の熱負荷を高めるか、天井部直下に焼切り運転用のバーナ設置が必要となる。溶融スラグの液滴が、天井部開口部２に飛散・付着すると、天井部開口部２の閉塞が懸念される。
【００８８】
万が一、上段バーナ５より上部の側壁耐火材７の付着物１９についての焼切り運転を実施する場合には、上段バーナ５高さから天井部にかけての側壁耐火材７内の温度測定器１６の温度データだけでなく、天井部外筒３の金属温度の監視も必要となる。これは、天井部には耐火材を施工しておらず、金属製の天井部外筒３の焼損を防ぐためである。
【００８９】
（４）ガス化部底部へのスラグ堆積：
スラグタップ開口部９に溶融スラグが付着し、スラグタップ開口部９が縮小すると、ガス化部４底部における溶融スラグの排出も阻害されて、ガス化部４底部に溶融スラグが堆積する。
【００９０】
これは、スラグタップ開口部９からガス化部４底部のガス温度が、灰溶流点付近まで低下したためである。この場合、溶融スラグ温度が低下するだけでなく、ガス化部４底部に堆積する溶融スラグ厚みも増す。従って、ガス化部４底部の側壁耐火材７内部に設置された温度測定器１６の温度も低下することで、検知できる。
【００９１】
対策となる運用方法としては、下段バーナ６の酸素３４の流量の増加が有効である。酸素３４の増加量は、運転条件や石炭性状(発熱量や水分量など)などにもよるが、上述の（３）と同様に、まずは、下段バーナ６から投入する石炭量に対する重量比で５〜１０％程度を目安にすると良い。
【００９２】
以上説明したように、本実施例では付着物の成長有無や耐火材溶損の監視方法、付着物を成長抑制させる運転方法を実施することで、ガス化炉の運転停止を回避して長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、及びガス化炉の運転方法が可能となる。
【００９３】
本実施例によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、並びにガス化炉の運転方法が実現できる。
【実施例２】
【００９４】
図５は本発明の第２実施例であるガス化炉１の概略構成を示す断面図である。
【００９５】
図５に示した本実施例のガス化炉１は図１に示した第１実施例のガス化炉１と基本的な構成及び運転方法は共通しているので、両実施例に共通した構成の説明は省略して相違する部分のみ以下に説明する。
【００９６】
図５に示した本実施例のガス化炉１においては、ガス化部４の側壁耐火材７の内部に設置する温度測定器１６を、側壁耐火材７の厚み方向にも複数個設置した構成を採用したものであり、第１実施例のガス化炉１とは、側壁耐火材７の内部に設置した温度測定器１６の数が、側壁耐火材７の厚み方向に１箇所から３箇所に増加させた点が異なっている。
【００９７】
側壁耐火材７の内面の溶損や、側壁耐火材７の壁面上の付着物１９の成長を検知する応答性を高めるには、ガス化部４の内面近傍に温度測定器１６を設置することが有効である。その反面、側壁耐火材７の溶損が進行すると、ガス化部４の内面近傍の温度測定器１６が損傷するリスクが高まる。
【００９８】
そこで、本実施例のように、温度測定器１６を側壁耐火材７の厚み方向に沿って、内面近傍、側壁の厚み中央、側壁外筒８の近傍と３箇所程度、温度測定器１６を設置することによって、運用上の信頼性を高めることが可能となる。
【００９９】
尚、側壁近傍のガス温度の推定方法は、第１実施例における制御装置２１による演算と同様にして推定する。側壁近傍のガス温度の推定精度は、側壁耐火材７の厚み方向に沿って３箇所設置した温度測定器１６のうち、ガス化部４の内面近傍に設置した温度測定器１６の測定データを用いた場合の方が精度を高めることができる。
【０１００】
従って、側壁耐火材７の側壁の厚み中央の温度測定器１６の測定データは内面近傍のバックアップに、側壁外筒８の近傍の温度測定器１６の測定データは側壁外筒８の保護に用いる監視方法が適している。
【０１０１】
本実施例によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、並びにガス化炉の運転方法が実現できる。
【実施例３】
【０１０２】
図６は本発明の第３実施例であるガス化炉１の概略構成を示す断面図である。
【０１０３】
図６に示した本実施例のガス化炉１は図１に示した第１実施例のガス化炉１と基本的な構成及び運転方法は共通しているので、両実施例に共通した構成の説明は省略して相違する部分のみ以下に説明する。
【０１０４】
図６に示した本実施例のガス化炉１においては、ガス化炉１のクエンチ部１１に酸素と窒素を供給する酸素・窒素ノズル１３を設けた構成を採用したものであり、第１実施例のガス化炉１とは、ガス化炉１に酸素と窒素を供給する酸素・窒素ノズル１３を設け、この酸素・窒素ノズル１３からクエンチ部１１内に供給する窒素の流量を調節する窒素流量調整器３５及び酸素の流量を調節する酸素流量調整器３６をそれぞれ設けた点が異なっている。
【０１０５】
前記酸素・窒素ノズル１３からクエンチ部１１内に供給する酸素３８の投入は、ガス化部４の底部、特にスラグタップ１０に開口させたスラグタップ開口部９付近の局所的な加熱に有効である。
【０１０６】
スラグタップ開口部９は、ガス化部４内からクエンチ部１１に流下する溶融スラグの唯一の排出口であり、スラグの安定流下がガス化炉１を安定運転することに不可欠である。
【０１０７】
酸素・窒素ノズル１３からクエンチ部１１内に投入される酸素３８により、下段バーナ６によってガス化部４の内部に形成する火炎１５の温度も上昇する。
【０１０８】
これは、実施例１のガス化炉１でも説明したように、ガス化部４に投入される酸素量は、石炭の完全燃焼に必要な酸素量より少ないためである。
【０１０９】
下段バーナ６の角運動量を一定として、下段バーナ６によってガス化部４内に形成する火炎１５の温度を調整できるので、ガス化部４の底部に形成される灰溶融領域での溶融スラグの粘度も調整できる。
【０１１０】
本実施例におけるガス化炉の運転方法は、特に融点の高い溶融スラグを扱う場合に有効である。これは、融点の高い溶融スラグほど、スラグタップ開口部９に溶融スラグが付着するリスクが高まるためである。
【０１１１】
溶融スラグの付着により、スラグタップ開口部９が縮小すると、ガス化部４底部における溶融スラグの排出も阻害され、溶融スラグがガス化部４底部に堆積する。堆積した溶融スラグの温度は、側壁耐火材７への放熱の影響により、ガス化部４底部のガス温度よりも低くなるので、側壁耐火材７内の温度測定器１６で計測したガス化部４底部温度は低下する。
【０１１２】
これにより、ガス化部４底部への溶融スラグ堆積有無を検知でき、温度低下のあった温度測定器１６の高さで、堆積した溶融スラグ深さの推定も可能である。
【０１１３】
対策となる運用方法については、まず下段バーナ６の酸素３４の増量である。これと併用して、制御装置２１によって窒素流量調整器３５を制御して酸素・窒素ノズル１３からクエンチ部１１内に投入する窒素３７の供給量を調節すると、ガス化部４の底部保護に有効である。すなわち、下段バーナ６によるガス化部４内の火炎１５の急激な温度上昇を防ぎ、スラグタップ１０の開口部９付近やスラグタップ１０の上面の耐火材、ガス化部４の側壁耐火材７の溶損加速を防止する。
【０１１４】
また、制御装置２１によって酸素流量調整器３６を制御して酸素・窒素ノズル１３からクエンチ部１１内に投入する酸素３８の供給量及び酸素濃度を調整することで、下段バーナ６の操作条件を一定のままで、スラグタップ開口部９からガス化部４底部を加熱できるだけでなく、酸素・窒素ノズル１３自身も保護する。
【０１１５】
特に、融点の低い溶融スラグを扱う場合には、酸素・窒素ノズル１３からクエンチ部１１内に窒素３７を多く投入すると良い。
【０１１６】
これにより、下段バーナ６によりガス化部４内に形成される火炎１５の温度が低下するため、ガス化部４の底部に形成される灰溶融領域での溶融スラグの粘度が増加し、側壁耐火材７の溶損を抑制できる。
【０１１７】
以上の説明から明らかなように、酸素・窒素ノズル１３は、下段バーナ６の運転条件、すなわち角運動量比を一定のままで、下段バーナ６による火炎１５の温度を調整することが可能となる。
【０１１８】
本実施例によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、並びにガス化炉の運転方法が実現できる。
【実施例４】
【０１１９】
図７は本発明の第４実施例であるガス化炉１の概略構成を示す断面図である。
【０１２０】
図７に示した本実施例のガス化炉１は図１に示した第１実施例のガス化炉１と基本的な構成及び運転方法は共通しているので、両実施例に共通した構成の説明は省略して相違する部分のみ以下に説明する。
【０１２１】
図７に示した本実施例のガス化炉１においては、ガス化炉１の上段バーナ５に酸素２８を供給する酸素供給系に窒素又は水蒸気４０を添加する窒素または水蒸気の流量調整器３９が設置され、ガス化炉１の下段バーナ６に酸素３４を供給する酸素供給系に窒素または水蒸気４２を添加する窒素または水蒸気の流量調整器４１が設置された構成となっている。
【０１２２】
本実施例のガス化炉１では、上段バーナ５に供給する酸素２８に窒素又は水蒸気４０を添加することで、上段バーナ５自身の焼損を防ぎ、上段バーナ５によって形成した該上段バーナ５近傍のガス化部４内の火炎１４の温度を低減する。
【０１２３】
これにより、ガス化部４内の上段バーナ５付近の側壁近傍ガス温度を低減し、この領域での側壁耐火材７の溶損や側壁耐火材７の壁面へのスラグ付着を抑制する。
【０１２４】
上段バーナ５から供給する酸素２８に添加する窒素又は水蒸気４０の流量は制御装置２１からの指令に基づいて前記窒素または水蒸気の流量調整器３９を制御することで調整される。
【０１２５】
本実施例では、上段バーナ５の高さ付近の側壁耐火材７に設置した温度測定器１６で検出した温度が上昇し、側壁耐火材７の溶損が懸念される場合に有効である。
【０１２６】
また、本実施例のガス化炉１では、下段バーナ６から供給する酸素３４に窒素又は水蒸気４２を添加することで、下段バーナ６自身の焼損を防ぎ、下段バーナ６によって形成した該下段バーナ６近傍のガス化部４内の火炎１５の温度を低減する。
【０１２７】
これにより、ガス化部４下部の側壁耐火材７の溶損領域である側壁近傍ガス温度を低減し、この領域での側壁耐火材７の溶損を抑制する。
【０１２８】
下段バーナ６から供給する酸素３４に添加する窒素又は水蒸気４２流量は制御装置２１からの指令に基づいて前記窒素または水蒸気の流量調整器４１を制御することで調整される。
【０１２９】
本実施例により、上段バーナ５及び下段バーナ６から投入する石炭及び酸素の流量を一定にして、上段バーナ５及び下段バーナ６によりガス化部４内に形成する火炎１４、１５の火炎温度をそれぞれ調整できるので、ガス化部４を構成する側壁耐火材７の溶損抑制する運用が可能となる。
【０１３０】
特に本実施例は、実施例１の（１）式に示した角運動量比を変えることなく、上段バーナ５及び下段バーナ６の火炎温度のみを調整できるため、ガス化炉１を一定負荷で連続運転する場合の調整手段として有効である。
【０１３１】
また、上段バーナ５に供給する窒素又は水蒸気４０、下段バーナ６に供給する窒素又は水蒸気４２について、水蒸気を供給すると、還元雰囲気で運転されるガス化部４内では、（４）式に示すシフト反応が促進する。
【０１３２】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・（４）
これにより、ガス化部４で発生する生成ガスのＣＯ２、Ｈ２濃度が高まる。よって、生成ガス中のＣＯ２を回収し、Ｈ２を発電用燃料又はアンモニア製造等の工業用材料として利用するガス化システムに適した運用となる。
本実施例によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、並びにガス化炉の運転方法が実現できる。
【実施例５】
【０１３３】
図８及び図９は本発明の第５実施例であるガス化炉１の概略構成を示す断面図である。
【０１３４】
図８は本発明の第５実施例であるガス化炉１の概略構成を示す断面図であり、図９は下段バーナ６の設置高さにおけるガス化炉１の断面を示す断面図である。
【０１３５】
図８に示した本実施例のガス化炉１は図１に示した第１実施例のガス化炉１と基本的な構成及び運転方法は共通しているので、両実施例に共通した構成の説明は省略して相違する部分のみ以下に説明する。
【０１３６】
図８及び図９に示した本実施例のガス化炉１では、ガス化炉１のガス化部４内にチャー４７、窒素４８、酸素４９を投入するチャーバーナ４３を４本設置し、このチャーバーナ４３の設置高さを、下段バーナ６と同一とした構成である。
【０１３７】
図９に下段バーナ６の設置高さのガス化炉１の断面図で示したように、ガス化炉１には下段バーナ６とチャーバーナ４３とを交互に４５度間隔でそれぞれ４本ずつ設置し、チャーバーナ４３による旋回径は、下段バーナ６による旋回径１８と同一とした。
【０１３８】
これにより、本実施例のガス化炉１では側壁耐火材７の周方向の熱負荷分布の均等化を図ることが可能となる。
【０１３９】
また、第１実施例のガス化炉１で説明した角運動量比については、チャーバーナ４３から投入するチャー４７、窒素４８、酸素４９の角運動量を、下段バーナ６の角運動量比に加えて管理すると良い。
【０１４０】
チャーバーナ４３から投入するチャー、酸素、窒素の流量制御は、制御装置２１からの指令信号に基づいてチャー４７の流量を調節するチャー流量調整器４４、窒素４８の流量を調節するチャーバーナ窒素流量調整器４５、酸素４９の流量を調節するチャーバーナ酸素流量調整器４６を制御することによって行なう。
【０１４１】
ガス化炉１で発生する生成ガス２０にはチャーも含まれる。生成ガス２０に同伴したチャーを回収し、その全量をこのチャーバーナ４３からガス化炉１のガス化部４内に再投入することで、石炭中の全量の可燃分のガス化と灰分の溶融スラグ化が可能となる。
【０１４２】
また、制御装置２１によってチャーバーナ酸素流量調整器４６を制御し、チャーバーナ４３から投入される酸素４９の流量をチャー４７の完全燃焼に必要な酸素量よりも少なくすると良い。投入したチャー４７が、ガス化部４内でガス化反応（吸熱反応）を起こすこととなり、下段バーナ６高さ付近の火炎１５の温度上昇を抑制することが可能となる。
【０１４３】
付着物１９の成長有無、及びガス化部４内の温度分布の監視は、温度測定器１６で計測する炉内温度分布データ２２を用いる。また各バーナの運用条件の監視は、（５）〜（７）式に示した、チャーバーナ４３も含めた角運動量比で監視する。
・角運動量比＝上段バーナの角運動量／（上段バーナの角運動量＋下段の角運動量）・・・（５）
・上段バーナの角運動量＝上段バーナによる旋回径×（上段バーナの石炭質量流量×上段バーナの石炭の投入流速＋上段バーナの窒素質量流量×上段バーナの窒素の投入流速＋上段バーナの酸素質量流量×上段バーナの酸素の投入流速）・・・（６）
・下段の角運動量＝下段バーナによる旋回径×（下段バーナの石炭質量流量×下段バーナの石炭の投入流速＋下段バーナの窒素質量流量×下段バーナの窒素の投入流速＋下段バーナの酸素質量流量×下段バーナの酸素の投入流速）＋チャーバーナによる旋回径×（チャーバーナのチャー質量流量×チャーバーナのチャーの投入流速＋チャーバーナの窒素質量流量×チャーバーナの窒素の投入流速＋チャーバーナの酸素質量流量×チャーバーナの酸素の投入流速）・・・（７）
付着物１９の成長時の焼切り運転、炉内温度分布に対応した角運動量比の調整方法は、実施例１の場合と同様である。しかし、本実施例では、下段の角運動量＝下段バーナの角運動量＋チャーバーナの角運動量であることから、チャーバーナの運用条件のみを調整することで、下段の角運動量、及び角運動量比を調整することも可能である。
【０１４４】
本実施例によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、並びにガス化炉の運転方法が実現できる。
【実施例６】
【０１４５】
図１０は、本発明の第６実施例であるガス化炉１を備えた石炭ガス化複合発電プラントの概略構成を示す断面図である。
【０１４６】
本実施例の石炭ガス化複合発電プラントに備えられたガス化炉１の一例として、図８及び図９に示した第５実施例のガス化炉１を採用している。
【０１４７】
本実施例の石炭ガス化複合発電プラントの概略構成を説明すると、図１０に示したように、ガス化炉１の上段バーナ５及び下段バーナ６からガス化部４内に投入された石炭２６、３２はガス化部４内でガス化して、ＣＯ及びＨ２を主成分とする生成ガスとなる。
【０１４８】
ガス化部４で発生した生成ガス２０はガス化炉１の頂部からガス化炉１の外部に導出されるが、この生成ガス２０は熱回収部５１に流入して冷却され、次に脱塵装置５２に供給される。
【０１４９】
生成ガス２０に同伴したチャーはこの脱塵装置５２によって脱塵され、前記脱塵装置５２で回収された回収チャー６７は、ガス化炉１に設けたチャー流量調整器４４、チャーバーナ４３を通じてガス化路１のガス化部４に再投入される。
【０１５０】
脱塵装置５２で脱塵後の生成ガス２０は、塩素除去装置５３に流入して脱塩し、次に脱硫装置５４に流入して脱硫されて精製され、発電用の生成ガス５５となる。
【０１５１】
この発電用の生成ガス５５は、ガスタービン装置の燃焼器５６に燃料として供給され、燃焼して高温の燃焼ガスを発生する。
【０１５２】
燃焼器５６に供給される燃焼用空気は、燃焼ガスによって駆動されるガスタービン５９と同軸で駆動する圧縮機５７から取り込まれた空気６６が用いられる。
【０１５３】
燃焼器５６で生成ガス５５を燃焼して発生した燃焼ガスはガスタービン５９を駆動し、このタービン５９によって発電機（図示せず）を駆動して発電する。
【０１５４】
また、ガスタービン５９から排出された燃焼ガスは燃焼排ガスとなってボイラ６１に供給され、このボイラ６１での熱交換によって燃焼排ガスから熱回収して発生した蒸気６３を蒸気タービン装置の蒸気タービン６０に供給し、この蒸気タービン６０によって発電機（図示せず）を駆動して発電する。
【０１５５】
また、蒸気タービン６０を駆動した後の蒸気６３は復水器（図示せず）で冷却されて復水６８となって、再度、ボイラ６１に供給される。
【０１５６】
また、ボイラ６１で熱を回収されて冷却した燃焼排ガスは煙突６２から系外に放出される。
【０１５７】
本実施例の石炭ガス化複合発電プラントでは、ガスタービン装置と蒸気タービン装置とを組み合わせた複合発電とすることで、発電効率の高いガス化炉を備えた石炭ガス化複合発電プラントを提供できる。
【０１５８】
本実施例によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉を備えた石炭ガス化複合発電プラントが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５９】
本発明は、石炭等の固体燃料を用いたガス化炉、ガス化炉の運転方法、及びガス化複合発電プラントに適用可能である。
【符号の説明】
【０１６０】
１：ガス化炉、２：天井部開口部、３：天井部外筒、４：ガス化部、５：上段バーナ、６：下段バーナ、７：側壁耐火材、８：側壁外筒、９：スラグタップ開口部、１０：スラグタップ、１１：クエンチ部、１２：スラグ冷却水槽、１３：酸素・窒素ノズル、１４：上段バーナの火炎、１５：下段バーナの火炎、１６：温度測定器、１７：上段バーナによる旋回径、１８：下段バーナによる旋回径、１９：付着物、２０：生成ガス、２１：制御装置、２２：炉内温度分布データ、２３：上段バーナ石炭流量調整器、２４：上段バーナ窒素流量調整器、２５：上段バーナ酸素流量調整器、２６：石炭、２７：窒素、２８：酸素、２９：下段バーナ石炭流量調整器、３０：下段バーナ窒素流量調整器、３１：下段バーナ酸素流量調整器、３２：石炭、３３：窒素、３４：酸素、３５：窒素流量調整器、３６：酸素流量調整器、３７：窒素、３８：酸素、３９：窒素又は水蒸気の流量調整器、４０：窒素又は水蒸気、４１：窒素又は水蒸気の流量調整器、４２：窒素又は水蒸気、４３：チャーバーナ、４４：チャー流量調整器、４５：チャーバーナ窒素流量調整器、４６：チャーバーナ酸素流量調整器、４７：チャー、４８：窒素、４９：酸素、５０：スラグ重量計測器、５１：熱回収部、５２：脱塵装置、５３：塩素除去装置、５４：脱硫装置、５５：発電用の生成ガス、５６：燃焼器、５７：圧縮機、５８：空気分離器、５９：ガスタービン、６０：蒸気タービン、６１：ボイラ、６２：煙突、６３：蒸気、６４：窒素、６５：酸素、６６：空気、６７：回収チャー、６８：復水。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭等の固体燃料を用いたガス化炉、ガス化炉の運転方法、及びガス化複合発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭等の固体燃料をガス化するガス化炉の運転には、ガス化炉の炉内温度、ガス化炉の炉壁耐火材の溶損及び付着物の成長、及びガス化炉内で生成する溶融スラグの流下状況を監視して、ガス化炉の炉内の燃焼条件を調整する必要がある。
【０００３】
特開２００７−２７１２０５号公報の第１図には、ガス化炉の生成ガスや炉内温度、及び溶融スラグ流下状況を、炉壁の冷却水温度の出入口の温度差の変化で監視してガス化炉の運転条件を調整するガス化炉の運転方法が開示されている。
【０００４】
また、特開２００２−２５０５１２号公報の第１図には、燃焼溶融炉における同一平面で９０度間隔に４本の気体供給ノズルを備えた溶融炉において、対向する２本の気体供給ノズルを交互に使用する運用を繰り返すことで、ノズル近傍に形成される付着物の成長を抑制する燃焼溶融炉の運転方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７１２０５号公報（第１図）
【特許文献２】特開２００２−２５０５１２号公報（第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガス化炉においては、ガス化炉の炉壁耐火材にチャーやスラグによる付着物の形成と、高温の溶融スラグによる耐火材侵食のリスクが存在する。
【０００７】
ガス化炉の炉内の付着物の成長は、ガス化炉の閉塞や、バーナ火炎の流動変化による炉壁耐火材の局所的な溶損加速に繋がる可能性がある。
【０００８】
また、高温の溶融スラグによる耐火材の侵食は、耐火材溶損による耐火材厚み低下により、外筒の金属材を焼損させ、ガス化炉破損に繋がる可能性がある。
【０００９】
本発明の目的はガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、ガス化炉の運転方法、及び石炭ガス化複合発電プラントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガス化炉は、窒素搬送の石炭と酸素をガス化炉の内部に供給する上段バーナ及び下段バーナと、前記ガス化炉に設置されてガス化炉の壁面を構成する側壁耐火材と、前記上段バーナ及び下段バーナから供給された石炭中の可燃分をガス化して石炭中の灰分を溶融スラグ化させるように前記側壁耐火材の内側に形成されたガス化部と、前記ガス化部内でガス化した生成ガスを外部に抜き出す開口部を有する天井部及び溶融スラグを下方に流下させる別の開口部を有するスラグタップを底部にそれぞれ備えたガス化炉において、前記上段バーナと下段バーナとの間の前記側壁耐火材の内部に温度測定器をガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置し、
複数個設置した前記温度測定器で測定した温度測定値に基づいてガス化部の内部の前記側壁耐火材近傍の温度分布を演算し、この側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量を調整する制御装置を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明のガス化炉の運転方法は、ガス化炉の上段と下段とに設けた上段バーナ及び下段バーナから窒素搬送の石炭と酸素をガス化炉の壁面を構成する側壁耐火材の内側に形成されたガス化部に供給して石炭中の可燃分をガス化して石炭中の灰分を溶融スラグ化させ、前記ガス化部内でガス化した生成ガスを外部に抜き出す開口部を有する天井部及び溶融スラグを下方に流下させる別の開口部を有するスラグタップを底部にそれぞれ備えたガス化炉の運転方法において、ガス化炉の側壁耐火材の内部にガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置した温度測定器で計測した温度測定値基づいてガス化部の内部の前記側壁耐火材近傍の温度分布を演算し、この演算で求めた側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量を調整するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の石炭ガス化複合発電プラントは、窒素搬送の石炭と酸素をガス化炉の内部に供給する上段バーナ及び下段バーナと、前記ガス化炉に設置されてガス化炉の壁面を構成する側壁耐火材と、前記上段バーナ及び下段バーナから供給された石炭中の可燃分をガス化して石炭中の灰分を溶融スラグ化させるように前記側壁耐火材の内側に形成されたガス化部と、前記ガス化部内でガス化した生成ガスを外部に抜き出す開口部を有する天井部及び溶融スラグを下方に流下させる別の開口部を有するスラグタップを底部にそれぞれ備え、前記上段バーナと下段バーナとの間の前記側壁耐火材の内部に温度測定器をガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置し、複数個設置した前記温度測定器で測定した温度測定値に基づいてガス化部の内部の前記側壁耐火材近傍の温度分布を演算し、この側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量を調整する制御装置を備えたガス化炉を備えており、前記ガス化炉のガス化部で生成されて該ガス化炉から導出された生成ガスを脱塵する脱塵装置と、前記脱塵装置で生成ガス中から回収したチャーをガス化炉に設置されたチャーバーナに供給するチャー供給系統と、脱塵装置で脱塵された生成ガスの脱硫を行なう脱硫装置と、前記脱硫装置で脱硫された生成ガスを燃料として燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動するガスタービンと、前記ガスタービンで駆動して発電する発電機と、前記燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、ガス化炉の運転方法、及び石炭ガス化複合発電プラントが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例であるガス化炉の概略構造を示す断面図。
【図２】図１に示す第１実施例のガス化炉の上段バーナ高さにおける断面図。
【図３】図１に示す第１実施例のガス化炉の下段バーナ高さにおける断面図。
【図４】図１に示す第１実施例のガス化炉の側壁近傍ガス温度分布の一例を表したガス温度分布図。
【図５】本発明の第２実施例であるガス化炉の概略構造を示す断面図。
【図６】本発明の第３実施例であるガス化炉の概略構造を示す断面図。
【図７】本発明の第４実施例であるガス化炉の概略構造を示す断面図。
【図８】本発明の第５実施例であるガス化炉の概略構造を示す断面図。
【図９】図８に示す第５実施例のガス化炉の下段バーナ高さにおける断面図。
【図１０】本発明の第６実施例であるガス化炉を備えた石炭ガス化複合発電プラントの概略構造を示すプラント系統図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施例であるガス化炉、ガス化炉の運転方法、及び石炭ガス化複合発電プラントについて図面を用いて以下に説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例であるガス化炉及びガス化炉の運転方法について図１を用いて説明する。
【００１７】
図１は本発明の第１実施例であるガス化炉１の概略構成を示す断面図であり、図１に示したように、ガス化炉１は外形が円筒状に形成されており、このガス化炉１の頂部には精製ガスを外部に抜き出す天井部開口部２が、ガス化炉１の底部に設けたスラグタップ１０の中心部には溶融スラグを流下させるスラブタップ開口部９がそれぞれ形成されている。
【００１８】
そしてガス化炉１の内部には燃料の石炭中の可燃分を酸素と燃焼反応させてガス化してＣＯ及びＨ２を主成分とする生成ガスを発生させるガス化部４が形成されている。
【００１９】
前記ガス化炉１は、前記ガス化部４で石炭中の灰分が溶融した溶融スラグをその中心部に開口させたスラグタップ開口部９から下方に流下させるスラグタップ１０と、スラグタップ１０の直下に位置して溶融したスラグを下方に導くバッファ空間となるクエンチ部１１と、クエンチ部１１の下方に位置して溶融したスラグを冷却するスラグ冷却水槽６とを備えている。
【００２０】
ガス化炉１の外筒としてガス化炉１の頂部に金属製の天井部外筒３が設置され、ガス化炉１の外周には金属製の側壁外筒８が設置されている。
【００２１】
ガス化炉１の内部は高温ガスに晒されるため、側壁外筒８の内部には円筒状に側壁耐火材７を張り側壁外筒８を保護している。
【００２２】
これらの天井部外筒３及び側壁外筒８は温度上昇を抑制するため、水冷して保護することが多い。
【００２３】
ガス化部４を内部に形成するガス化炉１の壁面を構成する側壁耐火材７には、上段バーナ５と下段バーナ６が上下方向に相互に離間して、それぞれ接線方向に取り付けられており、前記上段バーナ５と下段バーナ６から微粉にした固体燃料の石炭と酸素含有ガスである窒素及び酸素とを前記側壁耐火材７の内部に形成したガス化部４内に投入して、このガス化部４内で旋回流を形成させる。
【００２４】
即ち、制御装置２１からの指令信号によって上段バーナ石炭流量調整器２３、上段バーナ窒素流量調整器２４、及び上段バーナ酸素流量調整器２５がそれぞれ制御され、上段バーナ石炭流量調整器２３で調節された流量の石炭２６、上段バーナ窒素流量調整器２４で調節された流量の窒素２７、及び上段バーナ酸素流量調整器２５で調節された流量の酸素２８が前記上段バーナ５からガス化部４内に投入されるように構成されている。
【００２５】
同様に制御装置２１からの指令信号によって下段バーナ石炭流量調整器２９、下段バーナ窒素流量調整器３０、及び下段バーナ酸素流量調整器３１がそれぞれ制御され、下段バーナ石炭流量調整器２９で調節された流量の石炭３２、下段バーナ窒素流量調整器３０で調節された流量の窒素３３、及び下段バーナ酸素流量調整器３１で調節された流量の酸素３４が前記下段バーナ６からガス化部４内に投入されるように構成されている。
【００２６】
上段バーナ５及び下段バーナ６からガス化部４内に投入された石炭中の可燃分はガス化部４内で酸素と反応してガス化し、ＣＯ及びＨ２を主成分とする生成ガス２０となる。これは、ガス化部４に投入される酸素量が、石炭の完全燃焼に必要な酸素量より少ない条件で運転されることによる。
【００２７】
一方、石炭中の灰分（不燃物）を含むチャーは、ガス化部４内の旋回流によって遠心力を受け、側壁耐火材７の炉壁側に移動する。
【００２８】
灰分はガス化部４内の高温火炎により溶融スラグ化して側壁耐火材７の壁面に付着する。溶融スラグは、炉壁耐火材７の壁面からスラグタップ１０の上面を通り、スラグタップ開口部９から下方に流下する。
【００２９】
スラグタップ開口部９を流下した溶融スラグは、クエンチ部１１を経由してスラグ冷却水槽１２に流入し、このスラグ冷却水槽１２にて冷却されてガラス状の固形スラグとして回収される。
【００３０】
スラグ冷却水槽１２の底部から排出されて回収される固形スラグの回収量は、スラグ重量計測器５０で計測し、スラグ重量計測器５０で計測されたスラグ重量の計測データは制御装置２１に取り込まれる。
【００３１】
ガス化部４内の温度分布については、側壁耐火材７に設置する高さが異なるように埋め込まれた複数個の温度測定器１６によって計測する。
【００３２】
前記複数の温度測定器１６を側壁耐火材７に埋め込んで測定した温度検出値に基づいて計測された炉内温度分布データ２２は制御装置２１に取り込まれる。
【００３３】
このように温度測定器１６によってガス化部４内の温度分布を計測することで、ガス化部４内の高温火炎インピンジによる温度測定器１６の焼損、溶融スラグによる側壁耐火材７の溶損、飛散粒子の衝突による側壁耐火材７の損耗のリスクを低減できる。
【００３４】
さらに、ガス化部４内の側壁近傍のガス温度については、温度測定器１６で計測した温度検出値、温度測定器１６が設置されたガス化部４における設置深さ（側壁耐火材７の表面からの厚み方向の距離）、側壁耐火材７の耐火材の物性、側壁外筒８の温度に基づいて制御装置２１にて推定演算される。
【００３５】
次に、本実施例であるガス化炉１のガス化部４内に形成される火炎の流れについて説明する。
【００３６】
図１において、上段バーナ５から投入される石炭２６、窒素２７、及び酸素２８は、ガス化部４内で着火し、上段バーナ５によって形成された火炎１４となって、ガス化部４内部を旋回流で下降する。
【００３７】
下段バーナ６から投入される石炭３２、窒素３３、及び酸素３４についても、ガス化部４内で着火し、下段バーナ６によって形成された火炎１５となる。下段バーナ６によって形成された火炎１５は、ガス化部４内部を旋回流で下降し、スラグタップ１０によって反転して上昇流となる。
【００３８】
この上昇流となった下段バーナによって形成された火炎１５は、ガス化部４内部を旋回流で側壁耐火材７の壁面近傍を上昇し、上段バーナ５と下段バーナ６の間となるガス化部４内の場所で上段バーナ５によって形成された火炎１４と衝突することになる。
【００３９】
上段バーナ５の火炎１４と下段バーナ６の火炎１５とが衝突するガス化部４内の場所では、火炎に同伴されるチャー粒子が滞流しやすく、温度条件によっては側壁耐火材７の壁面に庇状に付着物１９を形成・成長させやすい。
【００４０】
一方、ガス化効率の面からも、ガス化炉１のガス化部４内で生成された生成ガス２０に同伴して飛散するチャー量を減らした方が有利である。
【００４１】
従って、上段バーナ５の火炎１４と下段バーナ６の火炎１５とが衝突するガス化部４内の場所より下部となるガス化部４内のガス温度を、灰分の溶流点以上となるように高めて灰溶融領域とし、側壁耐火材７の壁面に付着した溶融スラグでチャーを多く捕捉できる運転条件とすることが望ましい。
【００４２】
一方、上段バーナ５の火炎１４と下段バーナ６の火炎１５との衝突によって減衰した上段バーナ５の火炎１４と下段バーナの火炎１５中の気体成分は、ガス化部４内の軸心側となる中心部より上昇流となって、生成ガス２０として天井部開口部２からガス化炉１の外部に放出される。これは、ガス化部４内の中心部が、火炎１４及び火炎１５の旋回流の影響によって側壁耐火材７の壁面近傍よりも低圧となることによる。
【００４３】
ガス化炉１の側壁耐火材７に設置した複数個の温度測定器１６によって計測された炉内温度分布データ２２であるガス化部４の側壁近傍ガス温度分布の一例を、図４に示す。本図は、ガス化部４を対象とした熱流動解析に基づく演算によって求めたものである。
【００４４】
図４に示されたガス化炉１のガス化部４の側壁近傍ガス温度分布から明らかなように、ガス化部４の下部では、ガス温度が灰溶流点よりもかなり高くなっており、溶融スラグによる側壁耐火材７の溶損領域である。
【００４５】
ガス化部４の上部は、ガス温度が灰溶流点より低く、側壁耐火材７にチャーが付着する領域である。この領域では、石炭ガス化反応（吸熱反応）を利用し、ガス温度の上昇を防ぐ。
【００４６】
これに対し、上段バーナ高さ付近、及び上下段バーナの中間付近のガス温度は、灰溶流点並みである。
【００４７】
これら領域では、スラグとチャーが側壁耐火材７の壁面に付着する。粘度の高い溶融スラグにチャーが付着すると、側壁耐火材７の壁面に付着した付着物が成長しやすい。
【００４８】
以上より、付着物の成長有無や耐火材溶損の監視方法、及び付着物を成長抑制させる運転方法の確立が必須である。
【００４９】
図２に記載した上段バーナ５のガス化炉１への設置位置については図１にII−IIとして示し、図３に記載した下段バーナ６のガス化炉１への設置位置については図１にIII−IIIとして示した。
【００５０】
そして、上段バーナ５及び下段バーナ６による各旋回径１７、１８については図２及び図３に記載したガス化炉１の内部のガス化部４にそれぞれ示した。
【００５１】
そこで本実施例のガス火炉１においては、まず、上下段バーナ５、６の火炎１４、１５の旋回流の大小関係を監視するガス化炉の運転条件の一つである角運動量比について説明する。定義式は、（１）〜（３）式にそれぞれ示されている。
【００５２】
角運動量比＝上段バーナの角運動量／（上段バーナの角運動量＋下段バーナの角運動量）・・・（１）
上段バーナの角運動量＝上段バーナによる旋回径×（上段バーナの石炭質量流量×上段バーナの石炭の投入流速＋上段バーナの窒素質量流量×上段バーナの窒素の投入流速＋上段バーナの酸素質量流量×上段バーナの酸素の投入流速）・・・（２）
下段バーナの角運動量＝下段バーナによる旋回径×（下段バーナの石炭質量流量×下段バーナの石炭の投入流速＋下段バーナの窒素質量流量×下段バーナの窒素の投入流速＋下段バーナの酸素質量流量×下段バーナの酸素の投入流速）・・・（３）
例えば、上段バーナ５の角運動量を高くすると、角運動量比も高くなり、図１の上段バーナ５によって形成された火炎１４の旋回力が増す。
【００５３】
これにより、上段バーナ５の火炎１４と下段バーナ６の火炎１５の衝突位置が低くなり、粒子の滞流しやすい領域も下方に移動する。
【００５４】
図４に示すガス化部４内の側壁近傍のガス温度分布についても、ガス化部４内の下部の側壁耐火材７に溶損が生じる可能性がある溶損領域の高さが低くなり、ガス化部４内の中段のスラグ・チャー付着領域も下方に移動する。以上より、側壁耐火材７の壁面に付着する付着物１９が成長する位置も、下方に移動する。
【００５５】
次に、ガス化炉１を定常条件で運用中のガス化部４の監視方法について説明する。上段バーナ５と下段バーナ６からガス化部４内にそれぞれ投入される石炭、窒素、酸素の流量を一定条件で運用し、単位時間あたりの回収スラグ重量も安定すれば、複数の温度測定器１６によって計測されるガス化部４内のガス温度の分布を示す炉内温度分布データ２２も定常状態で安定するはずである。
【００５６】
炉内温度分布データ２２の有意な変動の有無、及びその場所を検知することで、側壁耐火材７に異常が発生した場所と原因を特定することができる。
【００５７】
例えば、側壁外筒８の温度が一定で、側壁耐火材７に埋め込まれた温度測定器１６の温度が単調上昇の傾向を示した場合は、その場所の側壁耐火材７の厚みが減少したことを意味する。
【００５８】
この原因は、側壁耐火材７に生じた溶融スラグによる溶損か、粒子による磨耗である。両者のいずれかは、温度測定器１６で測定した温度側壁耐火材７の側壁近傍のガス温度で判定する。すなわち、温度測定器１６で測定した側壁近傍の前記ガス温度が、供試した石炭中の灰分の溶流点以上（図４に破線で示すガス温度）の温度領域であれば、溶融スラグの溶損による可能性が高いことになる。
【００５９】
逆に、温度測定器１６で測定した側壁近傍の前記ガス温度が、灰分の溶流点未満の温度領域であれば、粒子の磨耗による可能性が高いことになる。
【００６０】
本実施例のガス化炉においては、原因推定の基準値として灰分の溶流点を用いて説明したが、実際のガス化炉１の運用で経験的に得た温度基準値に変更しても構わない。
【００６１】
溶融スラグによる溶損、又は石炭粒子の磨耗によって側壁耐火材７の厚さ減少が続くと、側壁耐火材７に埋め込まれた温度測定器１６の破損や、側壁外筒８の温度の上昇に繋がる。
【００６２】
特に側壁外筒８が焼損した場合は、ガス化炉１の運転停止のみならず、ガス化部４内からＣＯやＨ２などの有毒ガスな可燃ガスが系外に放出されることになるので、このような事態は回避しなければならない。
【００６３】
一方、側壁外筒８の温度が一定で、側壁耐火材７に埋め込まれた温度測定器１６の温度が単調減少の傾向を示した場合は、その場所の側壁耐火材７の壁面に付着した付着物の厚みが増加したことを意味する。
【００６４】
前記付着物はチャー又は粘度の高い溶融スラグからなる。側壁耐火材７の壁面に付着した付着物の成長は、バーナ付近などの、粒子濃度が高く低温箇所のある領域や、ガス温度が灰分の軟化点〜溶流点の間で粒子の滞流しやすい領域で見られる。
【００６５】
前記付着物の成長を放置すると、ガス化部４を閉塞させるだけでなく、上下段バーナ火炎１４、１５の流動変化によるバーナ火炎のインピンジにより、側壁耐火材７の溶損に繋がる可能性が高くなる。
【００６６】
ここで、上段バーナ５の設置高さII−IIにおけるガス化炉１の断面図を図２に、下段バーナ６の設置高さIII―IIIにおけるガス化炉１の断面図を図３にそれぞれ示す。
【００６７】
図２及び図３には、ガス化炉１の各断面と共に、このガス化炉１に設ける上段バーナ５及び下段バーナ６を等間隔に４本ずつ設置し、偏りのない火炎１４及び火炎１５の各旋回流の形成を目指したバーナ配置の一例が示されている。
【００６８】
温度測定器１６も同様に側壁耐火材７の壁面の周囲に等間隔に４本ずつ設置することで、バーナ５及びバーナ６のそれぞれの間の流量偏差、及び側壁耐火材７の溶損状況や付着物の成長状況の差の有無についても監視することができる。
【００６９】
上下段バーナ５、６の配置について、下段バーナ６による旋回径１８は、上段バーナ５による旋回径１７より小さい方が良い。これは、図４を用いて前述したように、下段バーナ６付近の温度が上段バーナ５付近の温度よりも高いためである。
【００７０】
下段バーナ６による旋回径１８を拡大すると、高温火炎のインピンジが起こり易くなり、側壁耐火材７の溶損リスクが高まる。
【００７１】
これに対し、上段バーナ５では、上段バーナ５からガス化部４内に投入する酸素量を抑えることで火炎温度の上昇を抑えつつ、下降流を形成させることができる。
【００７２】
上段バーナ５による旋回径１７は、粒子の磨耗による耐火材保護、付着物の成長抑制の観点でその大きさを設定する。
【００７３】
次に、計測された炉内温度分布データ２２に基づいて下記した（１）〜（３）の３種類の側壁耐火材７の異常状態、及び（４）に示すスラグタップ９からのスラグ流下の異常状態に対処するガス化炉の運転方法について、図１と図４を用いて説明する。
【００７４】
（１）粒子の磨耗による側壁耐火材の損耗：
上段バーナ５での実施を例にとって説明する。上段バーナ５からガス化部４内に投入する流速の低減対策が最も効果的である。ガス化炉１の運転を停止して上段バーナ５の口径を拡大する方法が良い。
【００７５】
ガス化炉１の運転を停止させずに対処する場合は、制御装置２１から上段バーナ石炭流量調整器２３、上段バーナ窒素流量調整器２４、及び上段バーナ酸素流量調整器２５に指令信号をそれぞれ出力して、上段バーナ５からガス化部４内に投入する石炭２６、窒素２７、及び酸素２８の各流量を低減させれば良い。また、投入する石炭２６の粒径を細かくしても効果的である。
【００７６】
（２）溶融スラグの侵食による側壁耐火材の溶損：
下段バーナ６での実施を例にとって説明する。側壁耐火材７近傍のガス及びスラグの温度の低減対策が最も効果的である。
【００７７】
制御装置２１から下段バーナ酸素流量調整器３１に酸素流量低減の指令を出力して該下段バーナ酸素流量調整器３１の調節によって下段バーナ６からガス化部４内に投入する酸素３４の流量を減少させる。
【００７８】
下段バーナ６から投入する酸素３４の低減量は、運転条件や石炭性状（発熱量や水分量など）などにもよるが、下段バーナ６から投入する石炭量に対する重量比で５〜１０％程度を目安にすると良い。この場合、ガス化部４の底部のガス温度は、約１００〜２００℃程度低減すると見込まれる。
【００７９】
或いは、生成ガス２０流量に対する制約がなければ、制御装置２１から下段バーナ石炭流量調整器２９及び酸素流量調整器３１に指令信号を出力して下段バーナ６からガス化部４内に投入する石炭３２及び酸素３４の流量を低減し、下段バーナ窒素流量調整器３０に指令信号を出力して下段バーナ６からガス化部４内に投入する窒素３３の流量を増加させるようにしても構わない。石炭重量に対する酸素重量を一定で制御すれば、下段バーナ６からの入熱量は、石炭３２流量に比例して低下する。
【００８０】
これらの操作によってガス化部４内の火炎温度を低下させて溶融スラグの粘度を高め、耐火材の溶損箇所をスラグコーティングする。また、投入する石炭３２に一時的にＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の粉末を添加して溶融スラグの粘度を高める方法も効果的である。
【００８１】
（３）付着物の成長：
まず、ガス化部４の中段の側壁耐火材７の壁面に付着物１９が成長した場合を例にとって説明する。下段バーナ６の火炎１５の旋回力を高めて角運動量比を低減し、図４に示すガス化部４の下部の高温領域の高さを拡大させる。
これにより、付着物１９が側壁耐火材７の壁面に付着する場所を灰溶融領域とすることで、付着物１９の焼切り運転を行なう。そしてこの焼切り運転が終了すれば、元の運転条件に戻す。
【００８２】
具体的な操作としては、制御装置２１から上段バーナ酸素流量調整器２５に酸素量低減の指令信号と、下段バーナ酸素量調整器３１に酸素量増加の指令信号をそれぞれ出力する。
【００８３】
そして上段バーナ酸素流量調整器２５の調節によって上段バーナ５からガス化部４内に投入する酸素２８の流量を低減させ、下段バーナ酸素量調整器３１の調節によって下段バーナ６からガス化部４内に投入する酸素３４の流量を増加させるようにするものである。
下段バーナ６から投入する酸素３４の増加量は、運転条件や石炭性状（発熱量や水分量など）などにもよるが、下段バーナ６から投入する石炭量に対する重量比で５〜１０％程度を目安にすると良い。この場合、ガス化部４の底部から中段におけるガス温度の上昇は、約１００〜２００℃程度と見込まれる。
【００８４】
付着物１９の焼切り状況は、側壁耐火材７に埋め込んだ温度測定器１６で検知する。側壁耐火材７の壁面上に付着した付着物１９の焼切り運転が終了すると、この温度測定器１６で検知する温度が上昇して高くなる。
【００８５】
この付着物１９の焼切り運転の終了後は、元の運転条件（付着物１９が側壁耐火材７の壁面に付着する前の運転条件）に戻すべく、制御装置２１から各流量調整器に指令を出力する。
【００８６】
次に、上段バーナ５より上部における側壁耐火材７への付着物１９の成長した場合を例にとって説明する。この場合は、焼切り運転を実施せず、付着物１９の自重で剥離・落下するのを待つか、パージなどで強制的に落下させる運用が良い。付着物１９の成長しにくい上段バーナ５の配置、付着物１９の除去に有効なパージ方法については、ガス化部４の運転実績に基づき、決定すると良い。
【００８７】
この部位の付着物１９に対して、焼切り運転を推奨しない理由は、次の２点である。
・上段バーナ５の火炎インピンジや天井開口部２の縮小・閉塞に繋がらなければ、ガス化部４の運用に支障ない。
・焼切り運転を実施する場合、上段バーナ５の熱負荷を高めるか、天井部直下に焼切り運転用のバーナ設置が必要となる。溶融スラグの液滴が、天井部開口部２に飛散・付着すると、天井部開口部２の閉塞が懸念される。
【００８８】
万が一、上段バーナ５より上部の側壁耐火材７の付着物１９についての焼切り運転を実施する場合には、上段バーナ５高さから天井部にかけての側壁耐火材７内の温度測定器１６の温度データだけでなく、天井部外筒３の金属温度の監視も必要となる。これは、天井部には耐火材を施工しておらず、金属製の天井部外筒３の焼損を防ぐためである。
【００８９】
（４）ガス化部底部へのスラグ堆積：
スラグタップ開口部９に溶融スラグが付着し、スラグタップ開口部９が縮小すると、ガス化部４底部における溶融スラグの排出も阻害されて、ガス化部４底部に溶融スラグが堆積する。
【００９０】
これは、スラグタップ開口部９からガス化部４底部のガス温度が、灰溶流点付近まで低下したためである。この場合、溶融スラグ温度が低下するだけでなく、ガス化部４底部に堆積する溶融スラグ厚みも増す。従って、ガス化部４底部の側壁耐火材７内部に設置された温度測定器１６の温度も低下することで、検知できる。
【００９１】
対策となる運用方法としては、下段バーナ６の酸素３４の流量の増加が有効である。酸素３４の増加量は、運転条件や石炭性状(発熱量や水分量など)などにもよるが、上述の（３）と同様に、まずは、下段バーナ６から投入する石炭量に対する重量比で５〜１０％程度を目安にすると良い。
【００９２】
以上説明したように、本実施例では付着物の成長有無や耐火材溶損の監視方法、付着物を成長抑制させる運転方法を実施することで、ガス化炉の運転停止を回避して長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、及びガス化炉の運転方法が可能となる。
【００９３】
本実施例によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、並びにガス化炉の運転方法が実現できる。
【実施例２】
【００９４】
図５は本発明の第２実施例であるガス化炉１の概略構成を示す断面図である。
【００９５】
図５に示した本実施例のガス化炉１は図１に示した第１実施例のガス化炉１と基本的な構成及び運転方法は共通しているので、両実施例に共通した構成の説明は省略して相違する部分のみ以下に説明する。
【００９６】
図５に示した本実施例のガス化炉１においては、ガス化部４の側壁耐火材７の内部に設置する温度測定器１６を、側壁耐火材７の厚み方向にも複数個設置した構成を採用したものであり、第１実施例のガス化炉１とは、側壁耐火材７の内部に設置した温度測定器１６の数が、側壁耐火材７の厚み方向に１箇所から３箇所に増加させた点が異なっている。
【００９７】
側壁耐火材７の内面の溶損や、側壁耐火材７の壁面上の付着物１９の成長を検知する応答性を高めるには、ガス化部４の内面近傍に温度測定器１６を設置することが有効である。その反面、側壁耐火材７の溶損が進行すると、ガス化部４の内面近傍の温度測定器１６が損傷するリスクが高まる。
【００９８】
そこで、本実施例のように、温度測定器１６を側壁耐火材７の厚み方向に沿って、内面近傍、側壁の厚み中央、側壁外筒８の近傍と３箇所程度、温度測定器１６を設置することによって、運用上の信頼性を高めることが可能となる。
【００９９】
尚、側壁近傍のガス温度の推定方法は、第１実施例における制御装置２１による演算と同様にして推定する。側壁近傍のガス温度の推定精度は、側壁耐火材７の厚み方向に沿って３箇所設置した温度測定器１６のうち、ガス化部４の内面近傍に設置した温度測定器１６の測定データを用いた場合の方が精度を高めることができる。
【０１００】
従って、側壁耐火材７の側壁の厚み中央の温度測定器１６の測定データは内面近傍のバックアップに、側壁外筒８の近傍の温度測定器１６の測定データは側壁外筒８の保護に用いる監視方法が適している。
【０１０１】
本実施例によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、並びにガス化炉の運転方法が実現できる。
【実施例３】
【０１０２】
図６は本発明の第３実施例であるガス化炉１の概略構成を示す断面図である。
【０１０３】
図６に示した本実施例のガス化炉１は図１に示した第１実施例のガス化炉１と基本的な構成及び運転方法は共通しているので、両実施例に共通した構成の説明は省略して相違する部分のみ以下に説明する。
【０１０４】
図６に示した本実施例のガス化炉１においては、ガス化炉１のクエンチ部１１に酸素と窒素を供給する酸素・窒素ノズル１３を設けた構成を採用したものであり、第１実施例のガス化炉１とは、ガス化炉１に酸素と窒素を供給する酸素・窒素ノズル１３を設け、この酸素・窒素ノズル１３からクエンチ部１１内に供給する窒素の流量を調節する窒素流量調整器３５及び酸素の流量を調節する酸素流量調整器３６をそれぞれ設けた点が異なっている。
【０１０５】
前記酸素・窒素ノズル１３からクエンチ部１１内に供給する酸素３８の投入は、ガス化部４の底部、特にスラグタップ１０に開口させたスラグタップ開口部９付近の局所的な加熱に有効である。
【０１０６】
スラグタップ開口部９は、ガス化部４内からクエンチ部１１に流下する溶融スラグの唯一の排出口であり、スラグの安定流下がガス化炉１を安定運転することに不可欠である。
【０１０７】
酸素・窒素ノズル１３からクエンチ部１１内に投入される酸素３８により、下段バーナ６によってガス化部４の内部に形成する火炎１５の温度も上昇する。
【０１０８】
これは、実施例１のガス化炉１でも説明したように、ガス化部４に投入される酸素量は、石炭の完全燃焼に必要な酸素量より少ないためである。
【０１０９】
下段バーナ６の角運動量を一定として、下段バーナ６によってガス化部４内に形成する火炎１５の温度を調整できるので、ガス化部４の底部に形成される灰溶融領域での溶融スラグの粘度も調整できる。
【０１１０】
本実施例におけるガス化炉の運転方法は、特に融点の高い溶融スラグを扱う場合に有効である。これは、融点の高い溶融スラグほど、スラグタップ開口部９に溶融スラグが付着するリスクが高まるためである。
【０１１１】
溶融スラグの付着により、スラグタップ開口部９が縮小すると、ガス化部４底部における溶融スラグの排出も阻害され、溶融スラグがガス化部４底部に堆積する。堆積した溶融スラグの温度は、側壁耐火材７への放熱の影響により、ガス化部４底部のガス温度よりも低くなるので、側壁耐火材７内の温度測定器１６で計測したガス化部４底部温度は低下する。
【０１１２】
これにより、ガス化部４底部への溶融スラグ堆積有無を検知でき、温度低下のあった温度測定器１６の高さで、堆積した溶融スラグ深さの推定も可能である。
【０１１３】
対策となる運用方法については、まず下段バーナ６の酸素３４の増量である。これと併用して、制御装置２１によって窒素流量調整器３５を制御して酸素・窒素ノズル１３からクエンチ部１１内に投入する窒素３７の供給量を調節すると、ガス化部４の底部保護に有効である。すなわち、下段バーナ６によるガス化部４内の火炎１５の急激な温度上昇を防ぎ、スラグタップ１０の開口部９付近やスラグタップ１０の上面の耐火材、ガス化部４の側壁耐火材７の溶損加速を防止する。
【０１１４】
また、制御装置２１によって酸素流量調整器３６を制御して酸素・窒素ノズル１３からクエンチ部１１内に投入する酸素３８の供給量及び酸素濃度を調整することで、下段バーナ６の操作条件を一定のままで、スラグタップ開口部９からガス化部４底部を加熱できるだけでなく、酸素・窒素ノズル１３自身も保護する。
【０１１５】
特に、融点の低い溶融スラグを扱う場合には、酸素・窒素ノズル１３からクエンチ部１１内に窒素３７を多く投入すると良い。
【０１１６】
これにより、下段バーナ６によりガス化部４内に形成される火炎１５の温度が低下するため、ガス化部４の底部に形成される灰溶融領域での溶融スラグの粘度が増加し、側壁耐火材７の溶損を抑制できる。
【０１１７】
以上の説明から明らかなように、酸素・窒素ノズル１３は、下段バーナ６の運転条件、すなわち角運動量比を一定のままで、下段バーナ６による火炎１５の温度を調整することが可能となる。
【０１１８】
本実施例によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、並びにガス化炉の運転方法が実現できる。
【実施例４】
【０１１９】
図７は本発明の第４実施例であるガス化炉１の概略構成を示す断面図である。
【０１２０】
図７に示した本実施例のガス化炉１は図１に示した第１実施例のガス化炉１と基本的な構成及び運転方法は共通しているので、両実施例に共通した構成の説明は省略して相違する部分のみ以下に説明する。
【０１２１】
図７に示した本実施例のガス化炉１においては、ガス化炉１の上段バーナ５に酸素２８を供給する酸素供給系に窒素又は水蒸気４０を添加する窒素または水蒸気の流量調整器３９が設置され、ガス化炉１の下段バーナ６に酸素３４を供給する酸素供給系に窒素または水蒸気４２を添加する窒素または水蒸気の流量調整器４１が設置された構成となっている。
【０１２２】
本実施例のガス化炉１では、上段バーナ５に供給する酸素２８に窒素又は水蒸気４０を添加することで、上段バーナ５自身の焼損を防ぎ、上段バーナ５によって形成した該上段バーナ５近傍のガス化部４内の火炎１４の温度を低減する。
【０１２３】
これにより、ガス化部４内の上段バーナ５付近の側壁近傍ガス温度を低減し、この領域での側壁耐火材７の溶損や側壁耐火材７の壁面へのスラグ付着を抑制する。
【０１２４】
上段バーナ５から供給する酸素２８に添加する窒素又は水蒸気４０の流量は制御装置２１からの指令に基づいて前記窒素または水蒸気の流量調整器３９を制御することで調整される。
【０１２５】
本実施例では、上段バーナ５の高さ付近の側壁耐火材７に設置した温度測定器１６で検出した温度が上昇し、側壁耐火材７の溶損が懸念される場合に有効である。
【０１２６】
また、本実施例のガス化炉１では、下段バーナ６から供給する酸素３４に窒素又は水蒸気４２を添加することで、下段バーナ６自身の焼損を防ぎ、下段バーナ６によって形成した該下段バーナ６近傍のガス化部４内の火炎１５の温度を低減する。
【０１２７】
これにより、ガス化部４下部の側壁耐火材７の溶損領域である側壁近傍ガス温度を低減し、この領域での側壁耐火材７の溶損を抑制する。
【０１２８】
下段バーナ６から供給する酸素３４に添加する窒素又は水蒸気４２流量は制御装置２１からの指令に基づいて前記窒素または水蒸気の流量調整器４１を制御することで調整される。
【０１２９】
本実施例により、上段バーナ５及び下段バーナ６から投入する石炭及び酸素の流量を一定にして、上段バーナ５及び下段バーナ６によりガス化部４内に形成する火炎１４、１５の火炎温度をそれぞれ調整できるので、ガス化部４を構成する側壁耐火材７の溶損抑制する運用が可能となる。
【０１３０】
特に本実施例は、実施例１の（１）式に示した角運動量比を変えることなく、上段バーナ５及び下段バーナ６の火炎温度のみを調整できるため、ガス化炉１を一定負荷で連続運転する場合の調整手段として有効である。
【０１３１】
また、上段バーナ５に供給する窒素又は水蒸気４０、下段バーナ６に供給する窒素又は水蒸気４２について、水蒸気を供給すると、還元雰囲気で運転されるガス化部４内では、（４）式に示すシフト反応が促進する。
【０１３２】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・（４）
これにより、ガス化部４で発生する生成ガスのＣＯ２、Ｈ２濃度が高まる。よって、生成ガス中のＣＯ２を回収し、Ｈ２を発電用燃料又はアンモニア製造等の工業用材料として利用するガス化システムに適した運用となる。
本実施例によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、並びにガス化炉の運転方法が実現できる。
【実施例５】
【０１３３】
図８及び図９は本発明の第５実施例であるガス化炉１の概略構成を示す断面図である。
【０１３４】
図８は本発明の第５実施例であるガス化炉１の概略構成を示す断面図であり、図９は下段バーナ６の設置高さにおけるガス化炉１の断面を示す断面図である。
【０１３５】
図８に示した本実施例のガス化炉１は図１に示した第１実施例のガス化炉１と基本的な構成及び運転方法は共通しているので、両実施例に共通した構成の説明は省略して相違する部分のみ以下に説明する。
【０１３６】
図８及び図９に示した本実施例のガス化炉１では、ガス化炉１のガス化部４内にチャー４７、窒素４８、酸素４９を投入するチャーバーナ４３を４本設置し、このチャーバーナ４３の設置高さを、下段バーナ６と同一とした構成である。
【０１３７】
図９に下段バーナ６の設置高さのガス化炉１の断面図で示したように、ガス化炉１には下段バーナ６とチャーバーナ４３とを交互に４５度間隔でそれぞれ４本ずつ設置し、チャーバーナ４３による旋回径は、下段バーナ６による旋回径１８と同一とした。
【０１３８】
これにより、本実施例のガス化炉１では側壁耐火材７の周方向の熱負荷分布の均等化を図ることが可能となる。
【０１３９】
また、第１実施例のガス化炉１で説明した角運動量比については、チャーバーナ４３から投入するチャー４７、窒素４８、酸素４９の角運動量を、下段バーナ６の角運動量比に加えて管理すると良い。
【０１４０】
チャーバーナ４３から投入するチャー、酸素、窒素の流量制御は、制御装置２１からの指令信号に基づいてチャー４７の流量を調節するチャー流量調整器４４、窒素４８の流量を調節するチャーバーナ窒素流量調整器４５、酸素４９の流量を調節するチャーバーナ酸素流量調整器４６を制御することによって行なう。
【０１４１】
ガス化炉１で発生する生成ガス２０にはチャーも含まれる。生成ガス２０に同伴したチャーを回収し、その全量をこのチャーバーナ４３からガス化炉１のガス化部４内に再投入することで、石炭中の全量の可燃分のガス化と灰分の溶融スラグ化が可能となる。
【０１４２】
また、制御装置２１によってチャーバーナ酸素流量調整器４６を制御し、チャーバーナ４３から投入される酸素４９の流量をチャー４７の完全燃焼に必要な酸素量よりも少なくすると良い。投入したチャー４７が、ガス化部４内でガス化反応（吸熱反応）を起こすこととなり、下段バーナ６高さ付近の火炎１５の温度上昇を抑制することが可能となる。
【０１４３】
付着物１９の成長有無、及びガス化部４内の温度分布の監視は、温度測定器１６で計測する炉内温度分布データ２２を用いる。また各バーナの運用条件の監視は、（５）〜（７）式に示した、チャーバーナ４３も含めた角運動量比で監視する。
・角運動量比＝上段バーナの角運動量／（上段バーナの角運動量＋下段の角運動量）・・・（５）
・上段バーナの角運動量＝上段バーナによる旋回径×（上段バーナの石炭質量流量×上段バーナの石炭の投入流速＋上段バーナの窒素質量流量×上段バーナの窒素の投入流速＋上段バーナの酸素質量流量×上段バーナの酸素の投入流速）・・・（６）
・下段の角運動量＝下段バーナによる旋回径×（下段バーナの石炭質量流量×下段バーナの石炭の投入流速＋下段バーナの窒素質量流量×下段バーナの窒素の投入流速＋下段バーナの酸素質量流量×下段バーナの酸素の投入流速）＋チャーバーナによる旋回径×（チャーバーナのチャー質量流量×チャーバーナのチャーの投入流速＋チャーバーナの窒素質量流量×チャーバーナの窒素の投入流速＋チャーバーナの酸素質量流量×チャーバーナの酸素の投入流速）・・・（７）
付着物１９の成長時の焼切り運転、炉内温度分布に対応した角運動量比の調整方法は、実施例１の場合と同様である。しかし、本実施例では、下段の角運動量＝下段バーナの角運動量＋チャーバーナの角運動量であることから、チャーバーナの運用条件のみを調整することで、下段の角運動量、及び角運動量比を調整することも可能である。
【０１４４】
本実施例によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉、並びにガス化炉の運転方法が実現できる。
【実施例６】
【０１４５】
図１０は、本発明の第６実施例であるガス化炉１を備えた石炭ガス化複合発電プラントの概略構成を示す断面図である。
【０１４６】
本実施例の石炭ガス化複合発電プラントに備えられたガス化炉１の一例として、図８及び図９に示した第５実施例のガス化炉１を採用している。
【０１４７】
本実施例の石炭ガス化複合発電プラントの概略構成を説明すると、図１０に示したように、ガス化炉１の上段バーナ５及び下段バーナ６からガス化部４内に投入された石炭２６、３２はガス化部４内でガス化して、ＣＯ及びＨ２を主成分とする生成ガスとなる。
【０１４８】
ガス化部４で発生した生成ガス２０はガス化炉１の頂部からガス化炉１の外部に導出されるが、この生成ガス２０は熱回収部５１に流入して冷却され、次に脱塵装置５２に供給される。
【０１４９】
生成ガス２０に同伴したチャーはこの脱塵装置５２によって脱塵され、前記脱塵装置５２で回収された回収チャー６７は、ガス化炉１に設けたチャー流量調整器４４、チャーバーナ４３を通じてガス化路１のガス化部４に再投入される。
【０１５０】
脱塵装置５２で脱塵後の生成ガス２０は、塩素除去装置５３に流入して脱塩し、次に脱硫装置５４に流入して脱硫されて精製され、発電用の生成ガス５５となる。
【０１５１】
この発電用の生成ガス５５は、ガスタービン装置の燃焼器５６に燃料として供給され、燃焼して高温の燃焼ガスを発生する。
【０１５２】
燃焼器５６に供給される燃焼用空気は、燃焼ガスによって駆動されるガスタービン５９と同軸で駆動する圧縮機５７から取り込まれた空気６６が用いられる。
【０１５３】
燃焼器５６で生成ガス５５を燃焼して発生した燃焼ガスはガスタービン５９を駆動し、このタービン５９によって発電機（図示せず）を駆動して発電する。
【０１５４】
また、ガスタービン５９から排出された燃焼ガスは燃焼排ガスとなってボイラ６１に供給され、このボイラ６１での熱交換によって燃焼排ガスから熱回収して発生した蒸気６３を蒸気タービン装置の蒸気タービン６０に供給し、この蒸気タービン６０によって発電機（図示せず）を駆動して発電する。
【０１５５】
また、蒸気タービン６０を駆動した後の蒸気６３は復水器（図示せず）で冷却されて復水６８となって、再度、ボイラ６１に供給される。
【０１５６】
また、ボイラ６１で熱を回収されて冷却した燃焼排ガスは煙突６２から系外に放出される。
【０１５７】
本実施例の石炭ガス化複合発電プラントでは、ガスタービン装置と蒸気タービン装置とを組み合わせた複合発電とすることで、発電効率の高いガス化炉を備えた石炭ガス化複合発電プラントを提供できる。
【０１５８】
本実施例によれば、ガス火炉の炉内の付着物の成長及び耐火材の溶損を抑制してガス化炉が運転停止に至る状況を回避し、長期の連続運転に耐える信頼性の高いガス化炉を備えた石炭ガス化複合発電プラントが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５９】
本発明は、石炭等の固体燃料を用いたガス化炉、ガス化炉の運転方法、及びガス化複合発電プラントに適用可能である。
【符号の説明】
【０１６０】
１：ガス化炉、２：天井部開口部、３：天井部外筒、４：ガス化部、５：上段バーナ、６：下段バーナ、７：側壁耐火材、８：側壁外筒、９：スラグタップ開口部、１０：スラグタップ、１１：クエンチ部、１２：スラグ冷却水槽、１３：酸素・窒素ノズル、１４：上段バーナの火炎、１５：下段バーナの火炎、１６：温度測定器、１７：上段バーナによる旋回径、１８：下段バーナによる旋回径、１９：付着物、２０：生成ガス、２１：制御装置、２２：炉内温度分布データ、２３：上段バーナ石炭流量調整器、２４：上段バーナ窒素流量調整器、２５：上段バーナ酸素流量調整器、２６：石炭、２７：窒素、２８：酸素、２９：下段バーナ石炭流量調整器、３０：下段バーナ窒素流量調整器、３１：下段バーナ酸素流量調整器、３２：石炭、３３：窒素、３４：酸素、３５：窒素流量調整器、３６：酸素流量調整器、３７：窒素、３８：酸素、３９：窒素又は水蒸気の流量調整器、４０：窒素又は水蒸気、４１：窒素又は水蒸気の流量調整器、４２：窒素又は水蒸気、４３：チャーバーナ、４４：チャー流量調整器、４５：チャーバーナ窒素流量調整器、４６：チャーバーナ酸素流量調整器、４７：チャー、４８：窒素、４９：酸素、５０：スラグ重量計測器、５１：熱回収部、５２：脱塵装置、５３：塩素除去装置、５４：脱硫装置、５５：発電用の生成ガス、５６：燃焼器、５７：圧縮機、５８：空気分離器、５９：ガスタービン、６０：蒸気タービン、６１：ボイラ、６２：煙突、６３：蒸気、６４：窒素、６５：酸素、６６：空気、６７：回収チャー、６８：復水。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素搬送の石炭と酸素をガス化炉の内部に供給する上段バーナ及び下段バーナと、前記ガス化炉に設置されてガス化炉の壁面を構成する側壁耐火材と、前記上段バーナ及び下段バーナから供給された石炭中の可燃分をガス化して石炭中の灰分を溶融スラグ化させるように前記側壁耐火材の内側に形成されたガス化部と、前記ガス化部内でガス化した生成ガスを外部に抜き出す開口部を有する天井部及び溶融スラグを下方に流下させる別の開口部を有するスラグタップを底部にそれぞれ備えたガス化炉において、
前記上段バーナと下段バーナとの間の前記側壁耐火材の内部に温度測定器をガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置し、
複数個設置した前記温度測定器で測定した温度測定値に基づいてガス化部の内部の前記側壁耐火材近傍の温度分布を演算し、この側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量を調整する制御装置を備えたことを特徴とするガス化炉。
【請求項２】
請求項１に記載のガス化炉において、
前記温度測定器は前記天井部から前記スラグタップまでの側壁耐火材の内部にガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置させたことを特徴とするガス化炉。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のガス化炉において、
前記側壁耐火材の内部に設置する温度測定器は、側壁耐火材の厚み方向にも複数個設置させたことを特徴とするガス化炉。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のガス化炉において、
前記ガス化部のスラグタップ直下にクエンチ部を備え、前記クエンチ部の内部に酸素及び窒素を供給する酸素・窒素ノズルを設置し、前記酸素・窒素ノズルに供給する酸素の流量を調整する第２の酸素流量調整器と窒素の流量を調整する窒素流量調整器とをそれぞれ設置し、前記制御装置によって前記第２の酸素流量調整器及び窒素流量調整器を制御して前記酸素・窒素ノズルからクエンチ部内に供給する酸素の流量及び窒素の流量を調整することを特徴とするガス化炉。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のガス化炉において、
前記上段バーナ及び下段バーナからガス化炉内に酸素を供給する酸素供給系統に、窒素又は水蒸気を添加する窒素又は水蒸気の流量調整器をそれぞれ設置し、前記制御装置によって前記窒素又は水蒸気の流量調整器を制御して前記窒素又は水蒸気の流量調整器から酸素供給系統に添加する窒素の流量又は水蒸気の流量を調整することを特徴とするガス化炉。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のガス化炉において、
チャーと酸素をガス化部内に供給するチャーバーナを前記下段バーナが設置されたガス化炉の高さ位置と同じ高さに設置し、前記チャーバーナからガス化炉内にチャーを供給するチャー流量調整器及び酸素を供給する第３の酸素流量調整器をそれぞれ設置し、前記制御装置によって前記チャー流量調整器及び第３の酸素流量調整器を制御して前記チャーバーナからガス化炉内に供給するチャー及び酸素の流量を調整することを特徴とするガス化炉。
【請求項７】
ガス化炉の上段と下段とに設けた上段バーナ及び下段バーナから窒素搬送の石炭と酸素をガス化炉の壁面を構成する側壁耐火材の内側に形成されたガス化部に供給して石炭中の可燃分をガス化して石炭中の灰分を溶融スラグ化させ、前記ガス化部内でガス化した生成ガスを外部に抜き出す開口部を有する天井部及び溶融スラグを下方に流下させる別の開口部を有するスラグタップを底部にそれぞれ備えたガス化炉の運転方法において、
ガス化炉の側壁耐火材の内部にガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置した温度測定器で計測した温度測定値基づいてガス化部の内部の前記側壁耐火材近傍の温度分布を演算し、
この演算で求めた側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量を調整するようにしたことを特徴とするガス化炉の運転方法。
【請求項８】
請求項７に記載のガス化炉の運転方法において、
演算で求めた前記側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて側壁耐火材の厚さ減少の有無及び場所、又は側壁耐火材への付着物成長の有無及び場所を検知して前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量をそれぞれ調整し、ガス化部内に形成する火炎の温度を調節するようにしたことを特徴とするガス化炉の運転方法。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載のガス化炉の運転方法において、
演算で求めた前記側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて側壁耐火材の厚さ減少の有無及び場所、又は側壁耐火材への付着物成長の有無及び場所を検知して前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する搬送窒素、石炭及び酸素による上段バーナ及び下段バーナの角運動量をそれぞれ調節し、ガス化部の下部に形成される灰溶融領域の高さを調整するようにしたことを特徴とするガス化炉の運転方法。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載のガス化炉の運転方法において、
前記ガス化部のスラグタップ直下に備えたクエンチ部の内部に酸素・窒素ノズルから酸素及び窒素を供給するように構成し、演算で求めた前記側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記酸素・窒素ノズルからクエンチ部内に投入する酸素及び窒素の混合ガスの流量と酸素濃度を調整してガス化部の底部の加熱を調節することを特徴とするガス化炉の運転方法。
【請求項１１】
請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載のガス化炉の運転方法において、
前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する酸素の供給系統に設置された窒素又は水蒸気の流量調整器から窒素又は水蒸気を添加するように構成し、演算で求めた前記側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記窒素又は水蒸気の流量調整器から前記酸素の供給系統に添加する窒素又は水蒸気の供給量を調節することを特徴とするガス化炉の運転方法。
【請求項１２】
請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に記載のガス化炉の運転方法において、
前記下段バーナが設置されたガス化炉の高さ位置と同じ高さに設置したチャーバーナからチャーと酸素をガス化部内に供給するように構成し、
演算で求めた前記側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記チャーバーナからガス化部内に供給するチャーと酸素の供給量を調節することを特徴とするガス化炉の運転方法。
【請求項１３】
窒素搬送の石炭と酸素をガス化炉の内部に供給する上段バーナ及び下段バーナと、前記ガス化炉に設置されてガス化炉の壁面を構成する側壁耐火材と、前記上段バーナ及び下段バーナから供給された石炭中の可燃分をガス化して石炭中の灰分を溶融スラグ化させるように前記側壁耐火材の内側に形成されたガス化部と、前記ガス化部内でガス化した生成ガスを外部に抜き出す開口部を有する天井部及び溶融スラグを下方に流下させる別の開口部を有するスラグタップを底部にそれぞれ備え、前記上段バーナと下段バーナとの間の前記側壁耐火材の内部に温度測定器をガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置し、複数個設置した前記温度測定器で測定した温度測定値に基づいてガス化部の内部の前記側壁耐火材近傍の温度分布を演算し、この側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量を調整する制御装置を備えたガス化炉を備えており、
前記ガス化炉のガス化部で生成されて該ガス化炉から導出された生成ガスを脱塵する脱塵装置と、前記脱塵装置で生成ガス中から回収したチャーをガス化炉に設置されたチャーバーナに供給するチャー供給系統と、脱塵装置で脱塵された生成ガスの脱硫を行なう脱硫装置と、前記脱硫装置で脱硫された生成ガスを燃料として燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動するガスタービンと、前記ガスタービンで駆動して発電する発電機と、前記燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機を備えたことを特徴とする石炭ガス化複合発電プラント。
【請求項１】
窒素搬送の石炭と酸素をガス化炉の内部に供給する上段バーナ及び下段バーナと、前記ガス化炉に設置されてガス化炉の壁面を構成する側壁耐火材と、前記上段バーナ及び下段バーナから供給された石炭中の可燃分をガス化して石炭中の灰分を溶融スラグ化させるように前記側壁耐火材の内側に形成されたガス化部と、前記ガス化部内でガス化した生成ガスを外部に抜き出す開口部を有する天井部及び溶融スラグを下方に流下させる別の開口部を有するスラグタップを底部にそれぞれ備えたガス化炉において、
前記上段バーナと下段バーナとの間の前記側壁耐火材の内部に温度測定器をガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置し、
複数個設置した前記温度測定器で測定した温度測定値に基づいてガス化部の内部の前記側壁耐火材近傍の温度分布を演算し、この側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量を調整する制御装置を備えたことを特徴とするガス化炉。
【請求項２】
請求項１に記載のガス化炉において、
前記温度測定器は前記天井部から前記スラグタップまでの側壁耐火材の内部にガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置させたことを特徴とするガス化炉。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のガス化炉において、
前記側壁耐火材の内部に設置する温度測定器は、側壁耐火材の厚み方向にも複数個設置させたことを特徴とするガス化炉。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のガス化炉において、
前記ガス化部のスラグタップ直下にクエンチ部を備え、前記クエンチ部の内部に酸素及び窒素を供給する酸素・窒素ノズルを設置し、前記酸素・窒素ノズルに供給する酸素の流量を調整する第２の酸素流量調整器と窒素の流量を調整する窒素流量調整器とをそれぞれ設置し、前記制御装置によって前記第２の酸素流量調整器及び窒素流量調整器を制御して前記酸素・窒素ノズルからクエンチ部内に供給する酸素の流量及び窒素の流量を調整することを特徴とするガス化炉。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のガス化炉において、
前記上段バーナ及び下段バーナからガス化炉内に酸素を供給する酸素供給系統に、窒素又は水蒸気を添加する窒素又は水蒸気の流量調整器をそれぞれ設置し、前記制御装置によって前記窒素又は水蒸気の流量調整器を制御して前記窒素又は水蒸気の流量調整器から酸素供給系統に添加する窒素の流量又は水蒸気の流量を調整することを特徴とするガス化炉。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のガス化炉において、
チャーと酸素をガス化部内に供給するチャーバーナを前記下段バーナが設置されたガス化炉の高さ位置と同じ高さに設置し、前記チャーバーナからガス化炉内にチャーを供給するチャー流量調整器及び酸素を供給する第３の酸素流量調整器をそれぞれ設置し、前記制御装置によって前記チャー流量調整器及び第３の酸素流量調整器を制御して前記チャーバーナからガス化炉内に供給するチャー及び酸素の流量を調整することを特徴とするガス化炉。
【請求項７】
ガス化炉の上段と下段とに設けた上段バーナ及び下段バーナから窒素搬送の石炭と酸素をガス化炉の壁面を構成する側壁耐火材の内側に形成されたガス化部に供給して石炭中の可燃分をガス化して石炭中の灰分を溶融スラグ化させ、前記ガス化部内でガス化した生成ガスを外部に抜き出す開口部を有する天井部及び溶融スラグを下方に流下させる別の開口部を有するスラグタップを底部にそれぞれ備えたガス化炉の運転方法において、
ガス化炉の側壁耐火材の内部にガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置した温度測定器で計測した温度測定値基づいてガス化部の内部の前記側壁耐火材近傍の温度分布を演算し、
この演算で求めた側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量を調整するようにしたことを特徴とするガス化炉の運転方法。
【請求項８】
請求項７に記載のガス化炉の運転方法において、
演算で求めた前記側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて側壁耐火材の厚さ減少の有無及び場所、又は側壁耐火材への付着物成長の有無及び場所を検知して前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量をそれぞれ調整し、ガス化部内に形成する火炎の温度を調節するようにしたことを特徴とするガス化炉の運転方法。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載のガス化炉の運転方法において、
演算で求めた前記側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて側壁耐火材の厚さ減少の有無及び場所、又は側壁耐火材への付着物成長の有無及び場所を検知して前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する搬送窒素、石炭及び酸素による上段バーナ及び下段バーナの角運動量をそれぞれ調節し、ガス化部の下部に形成される灰溶融領域の高さを調整するようにしたことを特徴とするガス化炉の運転方法。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載のガス化炉の運転方法において、
前記ガス化部のスラグタップ直下に備えたクエンチ部の内部に酸素・窒素ノズルから酸素及び窒素を供給するように構成し、演算で求めた前記側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記酸素・窒素ノズルからクエンチ部内に投入する酸素及び窒素の混合ガスの流量と酸素濃度を調整してガス化部の底部の加熱を調節することを特徴とするガス化炉の運転方法。
【請求項１１】
請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載のガス化炉の運転方法において、
前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する酸素の供給系統に設置された窒素又は水蒸気の流量調整器から窒素又は水蒸気を添加するように構成し、演算で求めた前記側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記窒素又は水蒸気の流量調整器から前記酸素の供給系統に添加する窒素又は水蒸気の供給量を調節することを特徴とするガス化炉の運転方法。
【請求項１２】
請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に記載のガス化炉の運転方法において、
前記下段バーナが設置されたガス化炉の高さ位置と同じ高さに設置したチャーバーナからチャーと酸素をガス化部内に供給するように構成し、
演算で求めた前記側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記チャーバーナからガス化部内に供給するチャーと酸素の供給量を調節することを特徴とするガス化炉の運転方法。
【請求項１３】
窒素搬送の石炭と酸素をガス化炉の内部に供給する上段バーナ及び下段バーナと、前記ガス化炉に設置されてガス化炉の壁面を構成する側壁耐火材と、前記上段バーナ及び下段バーナから供給された石炭中の可燃分をガス化して石炭中の灰分を溶融スラグ化させるように前記側壁耐火材の内側に形成されたガス化部と、前記ガス化部内でガス化した生成ガスを外部に抜き出す開口部を有する天井部及び溶融スラグを下方に流下させる別の開口部を有するスラグタップを底部にそれぞれ備え、前記上段バーナと下段バーナとの間の前記側壁耐火材の内部に温度測定器をガス化炉の高さ方向に沿って複数個設置し、複数個設置した前記温度測定器で測定した温度測定値に基づいてガス化部の内部の前記側壁耐火材近傍の温度分布を演算し、この側壁耐火材近傍の温度分布に基づいて前記上段バーナ及び下段バーナからガス化部内に供給する石炭及び酸素の流量を調整する制御装置を備えたガス化炉を備えており、
前記ガス化炉のガス化部で生成されて該ガス化炉から導出された生成ガスを脱塵する脱塵装置と、前記脱塵装置で生成ガス中から回収したチャーをガス化炉に設置されたチャーバーナに供給するチャー供給系統と、脱塵装置で脱塵された生成ガスの脱硫を行なう脱硫装置と、前記脱硫装置で脱硫された生成ガスを燃料として燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動するガスタービンと、前記ガスタービンで駆動して発電する発電機と、前記燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機を備えたことを特徴とする石炭ガス化複合発電プラント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−６２３７６（Ｐ２０１２−６２３７６Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０６２１８（Ｐ２０１０−２０６２１８）
【出願日】平成２２年９月１５日（２０１０．９．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度〜２１年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 多目的石炭ガス製造技術開発（ＥＡＧＬＥ）パイロット試験設備およびゼロエミッション化技術に関する研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【出願人】（０００２１７６８６）電源開発株式会社 (207)
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１５日（２０１０．９．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度〜２１年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 多目的石炭ガス製造技術開発（ＥＡＧＬＥ）パイロット試験設備およびゼロエミッション化技術に関する研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【出願人】（０００２１７６８６）電源開発株式会社 (207)
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