ガス化炉装置
【課題】様々の炭種の石炭（微粉炭、石炭スラリを含む）や、汚泥、バイオマス燃料等を燃料として、安定して生成ガスを生成し、高いガス化効率を達成できるガス化炉装置を提供する。
【解決手段】 本発明のガス化炉装置１は、固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域１０ａを備え、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉１０と、生成ガスの一部を抽気し、これを燃焼用酸化ガスと混合して燃焼させ、該生成ガスの燃焼熱により燃焼用酸化ガスを加熱して、固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段１５と、高温燃焼用酸化ガスをガス化炉の部分燃焼領域に供給する高温酸化ガス供給手段１２と、固体燃料を前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給して該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段１１とを備える。
【解決手段】 本発明のガス化炉装置１は、固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域１０ａを備え、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉１０と、生成ガスの一部を抽気し、これを燃焼用酸化ガスと混合して燃焼させ、該生成ガスの燃焼熱により燃焼用酸化ガスを加熱して、固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段１５と、高温燃焼用酸化ガスをガス化炉の部分燃焼領域に供給する高温酸化ガス供給手段１２と、固体燃料を前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給して該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段１１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化複合サイクル発電等において、固体燃料の一部を燃焼させ、その燃焼熱で残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体燃料の一部のみを燃焼させ、その燃焼熱で残余の固体燃料を加熱し、熱分解させて生成ガスを発生させるガス化炉が知られている。このようなガス化炉により生成される生成ガスは、可燃性ガスを含むので、水素ガス製造の原料として使用される場合もあるが、ガス化炉をプロセスの一部に含むガス化複合サイクル発電（ＩＧＣＣ）におけるガスタービンの燃料ガスとして使用されることもある（例えば、特許文献１参照）。ガス化複合サイクル発電は、高い熱効率での発電が可能であるという優れた特徴を有し、ガス化炉は、固体燃料から上記複合サイクルの燃料となる生成ガスを生成するための必要不可欠な要素を構成している。
【特許文献１】特開２０００−２１３３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ガス化炉内において燃料の一部を燃焼させる際には、ガス化炉内に燃焼用空気又は酸素等（以下、「燃焼用酸化ガス」という）を供給するが、その量は燃料の一部を燃焼させる量にすぎないので、燃焼によりガス化炉内には還元性雰囲気が形成される。また、ガス化炉内には低温の燃焼用酸化ガスが流入するので、ガス化炉内の部分燃焼領域の雰囲気温度が低下し、結局、低温の還元性雰囲気が形成され、燃料の着火性が低下するので、燃焼が不安定となり消炎の虞がある。
【０００４】
従来の技術においては、低温の燃焼用酸化ガスを加熱するための余分の燃料をガス化炉に供給してガス化炉内の温度を上昇させることにより上記問題に対処している。しかし、特に、揮発や熱分解しにくく、生成ガスを生成しにくい炭種や、水分含有量の多い木材チップ等のバイオマス燃料及び汚泥等を燃料として使用する場合には、燃焼用酸化ガスの供給量を増加させる必要が生じ、そのために増加した燃焼用酸化ガスを含む雰囲気全体を高温に加熱するためにさらに余分の燃料が消費されることになるので、必ずしも、ガス化効率を十分に向上できるとはいえない。
【０００５】
本発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、様々の炭種の石炭（微粉炭、石炭スラリを含む）や、汚泥、バイオマス燃料等を燃料として、安定して生成ガスを生成し、高いガス化効率を達成できるガス化炉装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１の発明によっては、固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域を備え、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉と、前記生成ガスの一部を抽気し、これを燃焼用酸化ガスと混合して燃焼させ、該生成ガスの燃焼熱により前記燃焼用酸化ガスを加熱して、前記固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段と、前記高温燃焼用酸化ガスを前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給する高温酸化ガス供給手段と、前記固体燃料を前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給して、該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段とを備えることを特徴とするガス化炉装置が提供される。なお、本発明は種々の固体燃料が適用可能であり、ここでいう「固体燃料」には、石炭や木材チップ等の固体状燃料のほか、汚泥、石炭スラリー等スラリー状の燃料が含まれる。また、「生成ガス」中には、固体燃料が熱分解して発生した生成ガスの他、該生成ガスが燃焼して発生する燃焼排気ガスが含まれる。
【０００７】
請求項２の発明によっては、炉体底部に配設される、流動媒体からなる流動層を有し、該流動層を流動化させる流動床炉方式のガス化炉装置において、固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域を前記流動層の上側に形成し、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉と、前記生成ガスの一部を抽気し、燃焼用酸化ガスと混合して燃焼させ、該生成ガスの燃焼熱により前記燃焼用酸化ガスを加熱して、前記固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段と、前記流動層に前記高温燃焼用酸化ガスを吹き込んで流動化させる散気手段と、前記固体燃料を前記流動層に供給し、該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段とを備えることを特徴とするガス化炉装置が提供される。
【０００８】
前記燃料供給手段の噴出口より後流側に固体燃料を供給し、該固体燃料を熱分解させて生成ガスを更に発生させる後段燃料供給手段を更に備えていてもよい（請求項３）。
前記生成ガスから粉塵を除去する粉塵除去手段と、該粉塵除去手段により除去された粉塵を前記部分燃焼領域に噴出させる粉塵供給手段とを更に備えていてもよい（請求項４）。
【０００９】
また、前記燃焼用酸化ガスは、空気であってもよく（請求項５）、酸素であってもよい（請求項６）。
前記固体燃料は、石炭であって、前記高温燃焼用酸化ガス生成手段は、前記燃焼用酸化ガス温度を、８００℃以上に加熱することとしてもよい（請求項７）。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１のガス化炉装置は、燃料供給手段から供給される固体燃料の一部を燃焼させ、その燃焼熱により残余の固体燃料を熱分解させて生成ガスを生成させるガス化炉であり、その技術的特徴は、２つある。すなわち、第１の技術的特徴は、固体燃料の燃焼に使用する燃焼用酸化ガスを固体燃料の着火温度以上に加熱した高温燃焼用酸化ガスとして供給することである。また、第２の技術的特徴は、高温燃焼用酸化ガスが、高温の生成ガスの一部を抽気して、燃焼用酸化ガスと混合、燃焼させ、該燃焼の燃焼熱により、燃焼により消費されなかった燃焼用酸化ガスを加熱することにより生成されることである。
【００１１】
上記、請求項１の発明の技術的特徴により以下の５点の効果が得られる。
第１に、固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを生成するので、ガス化炉内雰囲気が高温となり、還元性雰囲気であっても安定した燃焼を維持することができる。
第２に、高温の燃焼用酸化ガスの供給により燃焼領域に高温雰囲気が形成され、固体燃料の熱分解が促進されて、着火性が向上するので、熱分解しにくく、生成ガスを生成しにくい炭種や、水分含有量の多い木材チップ等のバイオマス燃料及び汚泥等を燃料として使用する場合にも、燃焼用空気等の供給量を増加させる必要がなく、燃焼用空気等を含む雰囲気全体を高温に加熱するための余分の燃料が不要となり、そのためにガス化効率を向上させることができる。
【００１２】
第３に、上記「固体燃料の熱分解が促進される」とは、言い換えれば「熱分解により発生する生成ガス量が増加する」ことであるから、同じ量の燃料から得られる生成ガス量が増加する、すなわちガス化効率が増加する。
第４に、高温燃焼用酸化ガスを供給するので、補助燃料や補助バーナを使用せず含水率の高い（例えば、８０％）の汚泥等のみを燃料として生成ガスを生成させることができる。すなわち、従来技術によってはスラリ状の汚泥を燃料として使用する場合には、多量の水分を蒸発させるため、燃料の部分酸化量を増やしたり、オイル混焼を行うか、或いは補助バーナ等を使用したりしているが、本発明によっては高温燃焼用酸化ガスが供給されてその熱により水分を蒸発させられるため、これらの補助装置等を必要とせず、含水率の高い汚泥等のみを燃料として使用し、しかもその部分酸化量を増やすことなくガス化することができる。
【００１３】
第５に、高温燃焼用酸化ガスの生成方法が、生成ガスの一部を抽気して燃焼させることであるので、大型・高温の熱交換器等を使用せず、簡単な装置で容易に高温燃焼用酸化ガスを生成できる。
請求項２の発明は、流動床式のガス化炉において、請求項１の発明と同様、（１）燃焼用酸化ガスとして固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを供給すること、（２）高温燃焼用酸化ガスは、生成ガスを一部抽気して燃焼用酸化ガスと混合、燃焼させ、その燃焼熱により燃焼用酸化ガスを加熱することにより生成すること、を技術的特徴とするものである。従って、その効果は、流動床方式のガス化炉において、請求項１と同様の５つの効果を奏することができることにある。
【００１４】
請求項３の発明によっては、燃料燃料供給手段の噴出口より後流側に固体燃料を供給し、該固体燃料を熱分解させて生成ガスを更に発生させる後段燃料供給手段を更に備えることとしたので、前段の燃料供給手段からの燃料の燃焼により形成される火炎の熱を有効に利用して後段燃料供給手段から供給される固体燃料を熱分解して生成ガスを生成させ、ガス化効率を更に高めることができる。
【００１５】
請求項４の発明によっては、生成ガスから粉塵を除去する粉塵除去手段と、該粉塵除去手段により除去された粉塵を部分燃焼領域に噴出させる粉塵供給手段とを更に備えたので、生成ガス中の粉塵が除去され、ガス化炉装置の後流に接続してガス化炉装置からの生成ガスを燃焼等させるガスタービン装置等において該粉塵による磨耗や粉塵付着による閉塞を生じる虞がない。また、粉塵に含まれるチャーをガス化炉に戻してガス化させることができるので、ガス化効率を向上させることができる。
【００１６】
高温燃焼用酸化ガスとしては、適宜濃度の酸素を含有するガスであれば様々のガスが使用できるが、空気を使用して供給コストを低減することも可能であり（請求項５）、また、酸素を使用して生成ガス中に窒素が含まれることを防止して、生成ガスの単位体積（又は単位重量）あたりの発熱量を増加させることもできる（請求項６）。
また、本発明の固体燃料としては、汚泥、バイオマス燃料をはじめとする様々の燃料が使用可能であるが、固体燃料が石炭の場合、石炭の着火性は炭種により異なるが、種々の炭種を考慮しても高温燃焼用酸化ガス温度を８００℃以上とすることにより（請求項７）、高い着火性が確保され、高いガス化効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ種々実施例に基づき説明する。
図１に示す本発明の第１の実施例にかかるガス化炉装置１は、例えば、ＩＧＣＣの一部として構成され、石炭スラリＦＬを燃料として生成ガスを生成させ、ガスタービン発電設備の燃料として、該生成ガスを供給するものである。
ガス化炉装置１は、石炭スラリ（固体燃料）ＦＬの一部を乾燥（水分蒸発）させて燃焼させる部分燃焼領域１０ａを備え、該燃焼の燃焼熱により残余の石炭スラリＦＬを乾燥、加熱して生成ガスＧを生成させるガス化炉１０と、ガス化炉１０から排出される生成ガスＧの一部を抽気して、燃焼用酸化ガスＢＡに混合、燃焼させて、その燃焼熱により燃焼により消費されなかった燃焼用酸化ガスを石炭（乾燥石炭）の着火温度（例えば、８００℃）以上の高温燃焼用空気ＢＡＨ（高温燃焼用酸化ガス）とする燃焼器（高温燃焼用酸化ガス生成手段）１５と、抽気されなかった残余の生成ガスの温度を熱交換によりガスタービン燃料として適切な温度にまで低下させるとともに水蒸気を発生させる蒸気発生器２１と、蒸気発生器２１の下側に接続する溶融灰のホッパ３１等を備える。
【００１８】
ガス化炉１０は、両端が半球状の蓋部及び底部により閉じた縦型円筒形状を有し、上部の蓋部には、図示しないスラリ貯層から供給される石炭スラリＦＬを部分燃焼領域１０ａに供給して乾燥させ、その一部を燃焼させて火炎Ｆを形成させる燃料供給管（燃料供給手段）１１、高温燃焼用空気ＢＡＨを火炎Ｆ近傍に噴出させる高温空気ノズル（高温酸化ガス供給手段）１２等を備え、またガス化炉１０底部近傍には、蒸気発生器２１の生成ガス入口２１ａに配管を介して接続する生成ガス排気口１０ｃ、及び燃焼器１５の吸引側配管１５ｃに接続する生成ガス抽気口１０ｄを備える。
【００１９】
なお、ガス化炉１０内部は、燃料供給管１１近傍の、石炭スラリＦＬの一部を乾燥、燃焼させて火炎Ｆを形成させる部分燃焼領域１０ａと、部分燃焼領域１０ａの下側（生成ガスの流れとしては後流）の空間であって、火炎Ｆの輻射熱および燃焼排気ガスの熱により残余の石炭スラリＦＬを乾燥、熱分解させて生成ガスＧを生成するガス生成領域１０ｂとに区分される。
【００２０】
また、ガス化炉１０の寸法は特に限定するものではないが、部分燃焼による火炎Ｆの形成を妨げないよう部分領域１０ａの径や高さを設定するとともに、生成ガスＧがガス生成領域１０ｂ内を下降して流れる間に生成ガスＧに同伴する石炭スラリが総て乾燥、熱分解して生成ガスＧを生成するよう、生成ガスＧの下降速度と熱分解の反応時間等とを考慮してガス生成領域の高さが設定され、全体としてガス化炉１０の径と高さとが設定される。また、生成ガス排気口１０ｃを底部に配置するのは、ガス生成領域１０ｂでの生成ガスＧの下降時間を十分に確保するためである。
【００２１】
ガス化炉１０に開口する燃料供給管１１は、部分燃焼領域１０ａを臨むようにガス化炉１０蓋部に取りつけられており、図示しないスラリ供給貯層から供給される石炭スラリＦＬを燃焼領域１０ａに供給する機能を有する。燃料供給管１１の形状、大きさ、材質、供給方向等については、特に制限はないが、石炭スラリＦＬを部分燃焼領域１０ａの所望の位置に閉塞なく供給できる様々の形式のものが採用できる。また、乾燥した石炭に着火することのできる図示しない着火装置も備えることは言うまでもなく、必要の応じ、スラッギング防止装置等も設置できる。
【００２２】
ガス化炉１０に開口する高温空気ノズル１２は、ガス化炉１０蓋部に開口し、高温燃焼用空気ＢＡＨを適宜方向に適宜強さの旋回を与えて部分燃焼領域１０ａに噴出させるもので、該噴出機能を有する様々の形式が採用できる。
燃焼器１５は、その機構を図２に示すように、エジェクタ１５ｂと該エジェクタ１５ｂを内蔵する容器１５ａ等から構成され、該容器１５ａ内で生成された高温燃焼用空気ＢＡＨを排出して高温空気ノズル１２に供給する配管１５ｄを備える。エジェクタ１５ｂは、給気装置（図示せず）から加圧されて供給される燃焼用空気ＢＡを作動流体として生成ガスＧの一部を生成ガス抽気口１０ｄ、及びエジェクタ側の吸引側配管１０ｃを通して、ガス化炉１０から吸引抽気するもので、エジェクタ１５ａの出口１５ｅ近傍には図示しない着火装置を備える。
【００２３】
蒸気発生器２１は、ガス化炉１０の下側に配設され、ガス化炉の生成ガス排気口１０ｃと接続する生成ガス流入口２１ａから生成ガスＧを流入させ、蒸気発生器内を流れる冷却水を加熱して蒸気を発生させた後、脱硫装置２２へ接続する生成ガス出口２１ｂから排出させる機能を有する。
脱硫装置２２は、図示しない集塵装置等を経てガスタービン燃焼室（図示せず）に接続し、脱硫装置２２内で生成ガスから硫黄酸化物等を除去して、集塵装置等を介してガスタービン燃焼室に燃料ガスとして供給する機能を有する。
【００２４】
ホッパ３１は、その上部に蒸気発生器２１下部に開口するのスラグ入口３１ａを有し、該入口３１ａを通して、ガス化炉１０内で燃料の燃焼、ガス化に伴なって発生しガス化炉１０及び蒸気発生器２１内を通過して落下する溶融スラグＭＳを受け入れ収納する機能を有する。
次に本ガス化炉装置１の作用を説明する。
【００２５】
ガス化炉１０の部分燃焼領域１０ａには、燃料供給管１１から石炭スラリＦＬが供給される。該石炭スラリＦＬは、高温燃焼用酸化ガスＢＡＨにより加熱されて水分が蒸発し、該石炭スラリの一部が乾燥、燃焼して火炎Ｆを形成する。火炎Ｆ周囲には、高温空気ノズル１２から噴出する高温燃焼用空気ＢＡＨが噴出供給されるが、その量は燃料である石炭スラリＦＬを全量燃焼させるのに必要な量に比較して少ないので、石炭スラリＦＬの一部が燃焼するにすぎない。また、火炎Ｆ周囲は、該空気ＢＡＨ量が少ないので還元性雰囲気となっているが、着火点以上の高温が維持されているので、消炎の虞なく安定な燃焼が維持される。また、残余の石炭スラリＦＬは高温に熱せられて高い効率で分解し、生成ガス（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ2等）Ｇを発生する。生成ガスＧは、燃焼そのものにより発生する燃焼排気ガスとともに、部分燃焼領域１０ａからガス生成領域１０ｂに向って下降して流れる。なお、この下降流は、脱硫装置２２の更に後流側に設置される図示しないブロワの吸気作用により発生するもので、その流量や圧力は該ブロワ等により適宜調整される。生成ガスＧ中には、未反応の石炭スラリＦＬ（該石炭スラリが乾燥したものを含む）も含まれるが、ガス生成領域１０ｂ内を下降する間に該未反応の石炭スラリＦＬが火炎Ｆの輻射熱や高温の生成ガスＧの熱により乾燥、熱分解されて生成ガスＧを生成する。前述のように、ガス生成領域１０ｂの高さは、生成ガスＧがガス生成領域１０ｂ内に、かかる反応を完結させるのに必要な時間滞留した後に生成ガス排気口１０ｃからガス化炉１０外へ排出されるように設定されるので、燃料ノズル１１から供給された石炭スラリＦＬの殆どすべてが生成ガスＧとなって生成ガス排気口１０ｃから排出される。また、燃焼及び熱分解により発生し、高温のため溶融状態で生成ガスに同伴する溶融灰は、溶融灰スラグＭＳとなってガス化炉１０内を下へ移動し、蒸気発生器２１を経て、ホッパ３１に収容される。
【００２６】
高温の生成ガスＧの一部は、生成ガス抽気口１０ｄから燃焼器１５のエアエジェクタ１５ｂの吸引作用により抽気され、燃焼用空気ＢＡと混合されて、燃焼器１５内のエアエジェクタ出口１５ｅ近傍において燃焼する。該燃焼の燃焼熱により燃焼により消費されなかった残余の燃焼用空気ＢＡを加熱して高温燃焼用空気ＢＡＨ（例えば、８００〜９００℃）を生成する。このとき、吸引抽気される生成ガスＧの量は、燃焼用酸化ガスＢＡを該生成ガスＧの燃焼により加熱して所望の温度の高温燃焼用酸化ガスＢＡＨが得られるよう適宜設定する。なお、この際の燃焼用酸化ガスＢＡの量は、少なくとも生成ガスの燃焼に必要な量にガス化炉１０内での石炭スラリＦＬの燃焼に必要な量を加えたものである。なお、高温空気ノズル１２に供給される高温燃焼用空気ＢＡＨは、実際には、生成ガスＧの燃焼による排気ガスも含む。しかし、もともと高温燃焼用空気ＢＡＨの生成のために必要な生成ガスＧの量が少なく、従って、該生成ガスの燃焼のために消費される酸素量、上記排気ガス量も少ない。そのため、高温燃焼用空気ＢＡＨ中の酸素濃度は、若干低下してはいるものの極端な低下はなく、ガス化炉１０内における部分燃焼に悪影響はない。
【００２７】
該高温燃焼用空気ＢＡＨは、前述のように高温空気ノズル１２からガス化炉１０の部分燃焼領域１０ａに形成されている火炎Ｆ近傍へ噴出供給される。
抽気されなかった残余の生成ガスＧは、生成ガス排気口１０ｃを介して蒸気発生器２１へ流入し、蒸気発生気２１の冷却水を加熱して水蒸気を発生させるとともに自らの温度は所定の温度まで低下し、脱硫装置２２において硫黄酸化物等を除去し、さらに図示しない集塵器により粉塵等を除去してガスタービンエンジン燃焼室（図示せず）へ燃料として供給され、発電等を行う。さらに、蒸気発生器２１において発生した水蒸気は、図示しない蒸気タービンに送られ、蒸気タービンを回転させて発電等を行う。
【００２８】
以上で第１の実施例にかかるガス化炉装置１の説明を終了するが、第１実施例にかかるガス化炉装置には様々の態様があることはいうまでもない。以下にかかる別態様について説明する。
第１実施例においては、生成ガスＧを蒸気発生器２１から直接脱硫装置２２へ供給していたが、図３に示すように蒸気発生器２１の生成ガス出口２１ｂと脱硫装置２２との間にサイクロン（粉塵除去手段）３２を介装して、生成ガスＧ中の粉塵（飛灰、チャ−を含む）を除去して該ガスＧを脱硫装置２２へ供給するとともに、除去された粉塵は、高温空気ノズル１２近傍に設置された粉塵ノズル（粉塵供給手段）３３を介してガス化炉１０内に戻す構造としてもよい。生成ガスＧ中に含まれる粉塵をサイクロン３２により除去して、脱硫装置２２や更にその後流に接続されるガスタービン装置等における粉塵による閉塞や磨耗を防止するとともに、除去された粉塵は、ガス化炉１０内に戻して燃焼、ガス化または溶融処理でき、特にチャ−についてはガス化炉１０内でガス化させ、ガス化効率をさらに向上できる。
【００２９】
第１実施例においては燃料供給管１１を部分燃焼領域１０ａを臨むようにのみ設置したが、図４に示すように該燃料供給管１１に加えて、ガス生成領域１０ｂを臨むように後段燃料供給管（後段燃料供給手段）４１を設置してもよい。この場合には、燃料供給管１１から供給される石炭スラリＦＬの一部により火炎が形成され、ガス化炉１０内が高温になる。一方、該後段燃料供給管４１から供給される石炭スラリＦＬは、上記火炎からの輻射熱等により加熱されるが、燃焼用の空気が供給されず、後段燃料供給管４１近傍には強い還元性雰囲気が形成され、石炭スラリＦＬの殆どは燃焼せず、乾燥、熱分解して生成ガスＧを生成する。
【００３０】
また、第１実施例においては、燃焼用酸化ガスとしては空気を使用したが、これに代えて酸素を使用してもよい。酸素を使用した場合には、空気を使用した場合と異なり生成ガス中に窒素が存在しないので、生成ガスの単位体積（又は単位重量）あたりの発熱量が増加する。
第１実施例においては、生成ガスＧを抽気するため、燃焼器１５内にエアエジェクタ１５ｂを設置したが、例えば、高温で使用できるブロワの吸入側を生成ガス抽気口１０ｄに接続し、吐出側をエアエジェクタを内蔵しない燃焼器に接続してもよい。ブロワの吸入作用により生成ガスＧの一部をガス化炉から抽気して、燃焼器に供給し、別途供給される燃焼用空気ＢＡと混合、燃焼させて高温燃焼用空気ＢＡＨを生成することができる。なお、この場合には、高温燃焼用酸化ガス生成手段には、燃焼器等の他、ブロワが含まれることになる。
【００３１】
第１実施例においては、生成ガスＧの温度を適切な温度に冷却するために蒸気発生器を使用したが、生成ガスの用途により、高温の生成ガスが必要な場合には、蒸気発生器を省略し、直接高温の生成ガスを供給することとしてもよい。
さらに、第１実施例においては、固体燃料としては石炭スラリＦＬを使用したが、微粉炭やより粒子の粗い粒状の石炭や木材チップ等のバイオマス燃料、或いは、例えば含水率８０％程度の汚泥を使用することもできる。特に汚泥を使用した場合には、燃焼、或いは熱分解による生成ガス生成の前に、汚泥に含有される水分を蒸発させることが必要になるが、本発明によっては、ガス化炉内に高温燃焼用空気ＢＡＨを供給するので、第１実施例の石炭スラリの乾燥、部分燃焼及び熱分解による生成ガス生成プロセスと同様、補助燃料や補助バーナを使用せずに、汚泥のみを燃料として該水分を蒸発させ、生成ガスを生成させることができる。
【００３２】
第１実施例においては、本ガス化炉は、ガス化複合サイクル発電への燃料供給を目的として使用したが、水素ガス、ジメチルエーテル或いはメタノール等の燃料生産システム、或いはガス化燃料電池発電システム（ＩＧＦＣ）等への燃料供給も考えられる。
次に本発明の第２の実施例にかかるガス化炉装置５０を図５を参照しつつ説明する。
本ガス化炉装置５０は、流動床炉をガス化炉５１として本発明を適用する例であり、ガス化炉５１の形状、構造等及びそれに伴なう生成ガスの流れ等を除く、基本的なシステム構成、機器等及びその作用効果については、第１実施例と同様である。
【００３３】
ガス化炉装置５０は、固体燃料である石炭、例えば石炭スラリＦＬを燃料とするガス化炉設備であるが、底部近傍に流動媒体である砂の流動層が形成され、流動層を流動化させながら石炭スラリＦＬを乾燥（水分蒸発）させ、その一部を燃焼させるとともに残余の石炭スラリＦＬを、乾燥、熱分解させてガス化するガス化炉５１と、第１の実施例の燃焼器１５と同様の構造、機能を有する燃焼器（高温燃焼用酸化ガス生成手段）５９と蒸気発生器６１等を備える。
【００３４】
ガス化炉５１は、上部に膨らみを有し、上下両端が閉じられた円筒状構造物である。底部近傍に炉床５２が配設され、ガス化炉５１を炉床５２上側の上部空間５３と下側の空気室５７とに区画している。上部空間５３は、砂（流動媒体）５４ａが適宜高さまで充填される流動層５４、流動化した石炭（石炭スラリが乾燥したもの）の一部が燃焼する部分燃焼領域５５と、更にその上の炉頂近傍のリダクタ５６が炉床５２から上に向ってこの順序で形成される。部分燃焼領域５５とリダクタ５６との境界近傍のガス化炉５１壁面には石炭スラリＦＬをガス化炉５１内の流動層５４の上に定量的に供給する燃料供給管５８が開口している。燃料供給管５８は、図示しない着火装置を備える。
【００３５】
また、ガス化炉５１の炉頂近傍には、ガス化炉５１内で生成する生成ガスＧの一部を抽気する生成ガス抽気口５６ｂと、抽気されなかった残余の生成ガスＧを排出する生成ガス排気口５６ａが配設され、抽気口５６ｂは燃焼器５９に、排気口５６ａは蒸気発生器６１にそれぞれ配管を介して接続している。
一方、ガス化炉５１下部の空気室５７内には、燃焼器５９から供給される高温燃焼用空気ＢＡＨを、空気室５７に噴出させる高温空気ノズル５７ａを備える。
【００３６】
前述の炉床５２には、炉床５２を上下に貫通する孔部である、多数の散気ノズル（散気手段）５２ａが開孔しており、前述の高温空気ノズル５７ａから空気室５７へ流入した高温燃焼用空気ＢＡＨを流動層５４内へ均一に吹き込むことができる構造となっている。なお、該炉床５２および散気ノズル５２ａは、それぞれ流動床炉において公知のものである。
【００３７】
燃焼器５９は、第１実施例の燃焼器１５と同様の構造、機能を有するので説明を省略する。蒸気発生器６１及び脱硫装置６２の機能等も、第１実施例のそれらと同様である。
次に本ガス化炉装置５０の作用について説明する。
高温燃焼用空気ＢＡＨが高温空気ノズル５７ａを介して空気室５７に流入し、炉床５２の多数の散気ノズル５２ａを通して流動層５４内に均一に噴出し、流動媒体（砂）５４ａをまきあげて流動層５４を流動化させる。この状態で燃料供給管５８から流動層５４の上に石炭スラリＦＬが供給される。該石炭スラリＦＬ中の水分が、高温燃焼用空気ＢＡＨにより加熱されてただちに蒸発し、燃料ＦＬ自身も水分蒸発により乾燥するとともに、燃料ＦＬの一部が高温燃焼用空気ＢＡＨにより加熱され着火温度まで加熱されて着火し、安定な燃焼火炎Ｆを形成する。このとき、残余の未燃石炭スラリ（及びその乾燥物）は、燃焼ガスとともにリダクタ５６内を上昇しつつ火炎Ｆからの輻射熱及び燃焼排気ガスを含む生成ガスＧにより加熱されて高い効率で熱分解して生成ガスＧを生成する。
【００３８】
生成ガスＧの一部が、生成ガス抽気口５６ｂから燃焼器５９の作用により吸引抽気されること、抽気された該生成ガスＧの燃焼により燃焼用空気ＢＡが加熱されて高温燃焼用空気ＢＡＨが生成され、該空気ＢＡＨが高温空気ノズル５７ａからガス化炉５１に供給されること、抽気されなかった残余の生成ガスＧは、生成ガス排気口５６ａから排出されて蒸気発生器６１において水蒸気を発生させた上、脱硫装置６２において硫黄酸化物が除去され、集塵装置等（図示せず）を介してガスタービン燃焼室（図示せず）などへ供給されることは、第１実施例と同様である。
【００３９】
なお、第２実施例についても第１実施例に記載した様々の別態様を適宜適用することができることはいうまでもない。
また、ここで説明した実施形態は一つの例であって、本発明はこれのみに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において変更を加えうることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施例にかかるガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【図２】図１に示された燃焼器の概略を示す説明図である。
【図３】本発明の第１実施例の別態様のガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【図４】本発明の第１実施例の更に又別の態様のガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【図５】本発明の第２実施例にかかるガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【符号の説明】
【００４１】
１、５０ ガス化炉装置
１０、５１ ガス化炉
１０ａ、５５ 部分燃焼領域
１０ｄ、５６ｂ 生成ガス抽気口
１１、５８ 燃料供給管（燃料供給手段）
１２、５７ａ 高温空気ノズル（高温燃焼用酸化ガス供給手段）
１５、５９ 燃焼器（高温燃焼用酸化ガス生成手段）
３２ サイクロン（粉塵除去手段）
３３ 粉塵ノズル（粉塵供給手段）
４１ 後段燃料ノズル（後段燃料供給手段）
５２ａ 散気ノズル（散気手段）
５４ 流動層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化複合サイクル発電等において、固体燃料の一部を燃焼させ、その燃焼熱で残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体燃料の一部のみを燃焼させ、その燃焼熱で残余の固体燃料を加熱し、熱分解させて生成ガスを発生させるガス化炉が知られている。このようなガス化炉により生成される生成ガスは、可燃性ガスを含むので、水素ガス製造の原料として使用される場合もあるが、ガス化炉をプロセスの一部に含むガス化複合サイクル発電（ＩＧＣＣ）におけるガスタービンの燃料ガスとして使用されることもある（例えば、特許文献１参照）。ガス化複合サイクル発電は、高い熱効率での発電が可能であるという優れた特徴を有し、ガス化炉は、固体燃料から上記複合サイクルの燃料となる生成ガスを生成するための必要不可欠な要素を構成している。
【特許文献１】特開２０００−２１３３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ガス化炉内において燃料の一部を燃焼させる際には、ガス化炉内に燃焼用空気又は酸素等（以下、「燃焼用酸化ガス」という）を供給するが、その量は燃料の一部を燃焼させる量にすぎないので、燃焼によりガス化炉内には還元性雰囲気が形成される。また、ガス化炉内には低温の燃焼用酸化ガスが流入するので、ガス化炉内の部分燃焼領域の雰囲気温度が低下し、結局、低温の還元性雰囲気が形成され、燃料の着火性が低下するので、燃焼が不安定となり消炎の虞がある。
【０００４】
従来の技術においては、低温の燃焼用酸化ガスを加熱するための余分の燃料をガス化炉に供給してガス化炉内の温度を上昇させることにより上記問題に対処している。しかし、特に、揮発や熱分解しにくく、生成ガスを生成しにくい炭種や、水分含有量の多い木材チップ等のバイオマス燃料及び汚泥等を燃料として使用する場合には、燃焼用酸化ガスの供給量を増加させる必要が生じ、そのために増加した燃焼用酸化ガスを含む雰囲気全体を高温に加熱するためにさらに余分の燃料が消費されることになるので、必ずしも、ガス化効率を十分に向上できるとはいえない。
【０００５】
本発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、様々の炭種の石炭（微粉炭、石炭スラリを含む）や、汚泥、バイオマス燃料等を燃料として、安定して生成ガスを生成し、高いガス化効率を達成できるガス化炉装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１の発明によっては、固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域を備え、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉と、前記生成ガスの一部を抽気し、これを燃焼用酸化ガスと混合して燃焼させ、該生成ガスの燃焼熱により前記燃焼用酸化ガスを加熱して、前記固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段と、前記高温燃焼用酸化ガスを前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給する高温酸化ガス供給手段と、前記固体燃料を前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給して、該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段とを備えることを特徴とするガス化炉装置が提供される。なお、本発明は種々の固体燃料が適用可能であり、ここでいう「固体燃料」には、石炭や木材チップ等の固体状燃料のほか、汚泥、石炭スラリー等スラリー状の燃料が含まれる。また、「生成ガス」中には、固体燃料が熱分解して発生した生成ガスの他、該生成ガスが燃焼して発生する燃焼排気ガスが含まれる。
【０００７】
請求項２の発明によっては、炉体底部に配設される、流動媒体からなる流動層を有し、該流動層を流動化させる流動床炉方式のガス化炉装置において、固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域を前記流動層の上側に形成し、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉と、前記生成ガスの一部を抽気し、燃焼用酸化ガスと混合して燃焼させ、該生成ガスの燃焼熱により前記燃焼用酸化ガスを加熱して、前記固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段と、前記流動層に前記高温燃焼用酸化ガスを吹き込んで流動化させる散気手段と、前記固体燃料を前記流動層に供給し、該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段とを備えることを特徴とするガス化炉装置が提供される。
【０００８】
前記燃料供給手段の噴出口より後流側に固体燃料を供給し、該固体燃料を熱分解させて生成ガスを更に発生させる後段燃料供給手段を更に備えていてもよい（請求項３）。
前記生成ガスから粉塵を除去する粉塵除去手段と、該粉塵除去手段により除去された粉塵を前記部分燃焼領域に噴出させる粉塵供給手段とを更に備えていてもよい（請求項４）。
【０００９】
また、前記燃焼用酸化ガスは、空気であってもよく（請求項５）、酸素であってもよい（請求項６）。
前記固体燃料は、石炭であって、前記高温燃焼用酸化ガス生成手段は、前記燃焼用酸化ガス温度を、８００℃以上に加熱することとしてもよい（請求項７）。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１のガス化炉装置は、燃料供給手段から供給される固体燃料の一部を燃焼させ、その燃焼熱により残余の固体燃料を熱分解させて生成ガスを生成させるガス化炉であり、その技術的特徴は、２つある。すなわち、第１の技術的特徴は、固体燃料の燃焼に使用する燃焼用酸化ガスを固体燃料の着火温度以上に加熱した高温燃焼用酸化ガスとして供給することである。また、第２の技術的特徴は、高温燃焼用酸化ガスが、高温の生成ガスの一部を抽気して、燃焼用酸化ガスと混合、燃焼させ、該燃焼の燃焼熱により、燃焼により消費されなかった燃焼用酸化ガスを加熱することにより生成されることである。
【００１１】
上記、請求項１の発明の技術的特徴により以下の５点の効果が得られる。
第１に、固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを生成するので、ガス化炉内雰囲気が高温となり、還元性雰囲気であっても安定した燃焼を維持することができる。
第２に、高温の燃焼用酸化ガスの供給により燃焼領域に高温雰囲気が形成され、固体燃料の熱分解が促進されて、着火性が向上するので、熱分解しにくく、生成ガスを生成しにくい炭種や、水分含有量の多い木材チップ等のバイオマス燃料及び汚泥等を燃料として使用する場合にも、燃焼用空気等の供給量を増加させる必要がなく、燃焼用空気等を含む雰囲気全体を高温に加熱するための余分の燃料が不要となり、そのためにガス化効率を向上させることができる。
【００１２】
第３に、上記「固体燃料の熱分解が促進される」とは、言い換えれば「熱分解により発生する生成ガス量が増加する」ことであるから、同じ量の燃料から得られる生成ガス量が増加する、すなわちガス化効率が増加する。
第４に、高温燃焼用酸化ガスを供給するので、補助燃料や補助バーナを使用せず含水率の高い（例えば、８０％）の汚泥等のみを燃料として生成ガスを生成させることができる。すなわち、従来技術によってはスラリ状の汚泥を燃料として使用する場合には、多量の水分を蒸発させるため、燃料の部分酸化量を増やしたり、オイル混焼を行うか、或いは補助バーナ等を使用したりしているが、本発明によっては高温燃焼用酸化ガスが供給されてその熱により水分を蒸発させられるため、これらの補助装置等を必要とせず、含水率の高い汚泥等のみを燃料として使用し、しかもその部分酸化量を増やすことなくガス化することができる。
【００１３】
第５に、高温燃焼用酸化ガスの生成方法が、生成ガスの一部を抽気して燃焼させることであるので、大型・高温の熱交換器等を使用せず、簡単な装置で容易に高温燃焼用酸化ガスを生成できる。
請求項２の発明は、流動床式のガス化炉において、請求項１の発明と同様、（１）燃焼用酸化ガスとして固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを供給すること、（２）高温燃焼用酸化ガスは、生成ガスを一部抽気して燃焼用酸化ガスと混合、燃焼させ、その燃焼熱により燃焼用酸化ガスを加熱することにより生成すること、を技術的特徴とするものである。従って、その効果は、流動床方式のガス化炉において、請求項１と同様の５つの効果を奏することができることにある。
【００１４】
請求項３の発明によっては、燃料燃料供給手段の噴出口より後流側に固体燃料を供給し、該固体燃料を熱分解させて生成ガスを更に発生させる後段燃料供給手段を更に備えることとしたので、前段の燃料供給手段からの燃料の燃焼により形成される火炎の熱を有効に利用して後段燃料供給手段から供給される固体燃料を熱分解して生成ガスを生成させ、ガス化効率を更に高めることができる。
【００１５】
請求項４の発明によっては、生成ガスから粉塵を除去する粉塵除去手段と、該粉塵除去手段により除去された粉塵を部分燃焼領域に噴出させる粉塵供給手段とを更に備えたので、生成ガス中の粉塵が除去され、ガス化炉装置の後流に接続してガス化炉装置からの生成ガスを燃焼等させるガスタービン装置等において該粉塵による磨耗や粉塵付着による閉塞を生じる虞がない。また、粉塵に含まれるチャーをガス化炉に戻してガス化させることができるので、ガス化効率を向上させることができる。
【００１６】
高温燃焼用酸化ガスとしては、適宜濃度の酸素を含有するガスであれば様々のガスが使用できるが、空気を使用して供給コストを低減することも可能であり（請求項５）、また、酸素を使用して生成ガス中に窒素が含まれることを防止して、生成ガスの単位体積（又は単位重量）あたりの発熱量を増加させることもできる（請求項６）。
また、本発明の固体燃料としては、汚泥、バイオマス燃料をはじめとする様々の燃料が使用可能であるが、固体燃料が石炭の場合、石炭の着火性は炭種により異なるが、種々の炭種を考慮しても高温燃焼用酸化ガス温度を８００℃以上とすることにより（請求項７）、高い着火性が確保され、高いガス化効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ種々実施例に基づき説明する。
図１に示す本発明の第１の実施例にかかるガス化炉装置１は、例えば、ＩＧＣＣの一部として構成され、石炭スラリＦＬを燃料として生成ガスを生成させ、ガスタービン発電設備の燃料として、該生成ガスを供給するものである。
ガス化炉装置１は、石炭スラリ（固体燃料）ＦＬの一部を乾燥（水分蒸発）させて燃焼させる部分燃焼領域１０ａを備え、該燃焼の燃焼熱により残余の石炭スラリＦＬを乾燥、加熱して生成ガスＧを生成させるガス化炉１０と、ガス化炉１０から排出される生成ガスＧの一部を抽気して、燃焼用酸化ガスＢＡに混合、燃焼させて、その燃焼熱により燃焼により消費されなかった燃焼用酸化ガスを石炭（乾燥石炭）の着火温度（例えば、８００℃）以上の高温燃焼用空気ＢＡＨ（高温燃焼用酸化ガス）とする燃焼器（高温燃焼用酸化ガス生成手段）１５と、抽気されなかった残余の生成ガスの温度を熱交換によりガスタービン燃料として適切な温度にまで低下させるとともに水蒸気を発生させる蒸気発生器２１と、蒸気発生器２１の下側に接続する溶融灰のホッパ３１等を備える。
【００１８】
ガス化炉１０は、両端が半球状の蓋部及び底部により閉じた縦型円筒形状を有し、上部の蓋部には、図示しないスラリ貯層から供給される石炭スラリＦＬを部分燃焼領域１０ａに供給して乾燥させ、その一部を燃焼させて火炎Ｆを形成させる燃料供給管（燃料供給手段）１１、高温燃焼用空気ＢＡＨを火炎Ｆ近傍に噴出させる高温空気ノズル（高温酸化ガス供給手段）１２等を備え、またガス化炉１０底部近傍には、蒸気発生器２１の生成ガス入口２１ａに配管を介して接続する生成ガス排気口１０ｃ、及び燃焼器１５の吸引側配管１５ｃに接続する生成ガス抽気口１０ｄを備える。
【００１９】
なお、ガス化炉１０内部は、燃料供給管１１近傍の、石炭スラリＦＬの一部を乾燥、燃焼させて火炎Ｆを形成させる部分燃焼領域１０ａと、部分燃焼領域１０ａの下側（生成ガスの流れとしては後流）の空間であって、火炎Ｆの輻射熱および燃焼排気ガスの熱により残余の石炭スラリＦＬを乾燥、熱分解させて生成ガスＧを生成するガス生成領域１０ｂとに区分される。
【００２０】
また、ガス化炉１０の寸法は特に限定するものではないが、部分燃焼による火炎Ｆの形成を妨げないよう部分領域１０ａの径や高さを設定するとともに、生成ガスＧがガス生成領域１０ｂ内を下降して流れる間に生成ガスＧに同伴する石炭スラリが総て乾燥、熱分解して生成ガスＧを生成するよう、生成ガスＧの下降速度と熱分解の反応時間等とを考慮してガス生成領域の高さが設定され、全体としてガス化炉１０の径と高さとが設定される。また、生成ガス排気口１０ｃを底部に配置するのは、ガス生成領域１０ｂでの生成ガスＧの下降時間を十分に確保するためである。
【００２１】
ガス化炉１０に開口する燃料供給管１１は、部分燃焼領域１０ａを臨むようにガス化炉１０蓋部に取りつけられており、図示しないスラリ供給貯層から供給される石炭スラリＦＬを燃焼領域１０ａに供給する機能を有する。燃料供給管１１の形状、大きさ、材質、供給方向等については、特に制限はないが、石炭スラリＦＬを部分燃焼領域１０ａの所望の位置に閉塞なく供給できる様々の形式のものが採用できる。また、乾燥した石炭に着火することのできる図示しない着火装置も備えることは言うまでもなく、必要の応じ、スラッギング防止装置等も設置できる。
【００２２】
ガス化炉１０に開口する高温空気ノズル１２は、ガス化炉１０蓋部に開口し、高温燃焼用空気ＢＡＨを適宜方向に適宜強さの旋回を与えて部分燃焼領域１０ａに噴出させるもので、該噴出機能を有する様々の形式が採用できる。
燃焼器１５は、その機構を図２に示すように、エジェクタ１５ｂと該エジェクタ１５ｂを内蔵する容器１５ａ等から構成され、該容器１５ａ内で生成された高温燃焼用空気ＢＡＨを排出して高温空気ノズル１２に供給する配管１５ｄを備える。エジェクタ１５ｂは、給気装置（図示せず）から加圧されて供給される燃焼用空気ＢＡを作動流体として生成ガスＧの一部を生成ガス抽気口１０ｄ、及びエジェクタ側の吸引側配管１０ｃを通して、ガス化炉１０から吸引抽気するもので、エジェクタ１５ａの出口１５ｅ近傍には図示しない着火装置を備える。
【００２３】
蒸気発生器２１は、ガス化炉１０の下側に配設され、ガス化炉の生成ガス排気口１０ｃと接続する生成ガス流入口２１ａから生成ガスＧを流入させ、蒸気発生器内を流れる冷却水を加熱して蒸気を発生させた後、脱硫装置２２へ接続する生成ガス出口２１ｂから排出させる機能を有する。
脱硫装置２２は、図示しない集塵装置等を経てガスタービン燃焼室（図示せず）に接続し、脱硫装置２２内で生成ガスから硫黄酸化物等を除去して、集塵装置等を介してガスタービン燃焼室に燃料ガスとして供給する機能を有する。
【００２４】
ホッパ３１は、その上部に蒸気発生器２１下部に開口するのスラグ入口３１ａを有し、該入口３１ａを通して、ガス化炉１０内で燃料の燃焼、ガス化に伴なって発生しガス化炉１０及び蒸気発生器２１内を通過して落下する溶融スラグＭＳを受け入れ収納する機能を有する。
次に本ガス化炉装置１の作用を説明する。
【００２５】
ガス化炉１０の部分燃焼領域１０ａには、燃料供給管１１から石炭スラリＦＬが供給される。該石炭スラリＦＬは、高温燃焼用酸化ガスＢＡＨにより加熱されて水分が蒸発し、該石炭スラリの一部が乾燥、燃焼して火炎Ｆを形成する。火炎Ｆ周囲には、高温空気ノズル１２から噴出する高温燃焼用空気ＢＡＨが噴出供給されるが、その量は燃料である石炭スラリＦＬを全量燃焼させるのに必要な量に比較して少ないので、石炭スラリＦＬの一部が燃焼するにすぎない。また、火炎Ｆ周囲は、該空気ＢＡＨ量が少ないので還元性雰囲気となっているが、着火点以上の高温が維持されているので、消炎の虞なく安定な燃焼が維持される。また、残余の石炭スラリＦＬは高温に熱せられて高い効率で分解し、生成ガス（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ2等）Ｇを発生する。生成ガスＧは、燃焼そのものにより発生する燃焼排気ガスとともに、部分燃焼領域１０ａからガス生成領域１０ｂに向って下降して流れる。なお、この下降流は、脱硫装置２２の更に後流側に設置される図示しないブロワの吸気作用により発生するもので、その流量や圧力は該ブロワ等により適宜調整される。生成ガスＧ中には、未反応の石炭スラリＦＬ（該石炭スラリが乾燥したものを含む）も含まれるが、ガス生成領域１０ｂ内を下降する間に該未反応の石炭スラリＦＬが火炎Ｆの輻射熱や高温の生成ガスＧの熱により乾燥、熱分解されて生成ガスＧを生成する。前述のように、ガス生成領域１０ｂの高さは、生成ガスＧがガス生成領域１０ｂ内に、かかる反応を完結させるのに必要な時間滞留した後に生成ガス排気口１０ｃからガス化炉１０外へ排出されるように設定されるので、燃料ノズル１１から供給された石炭スラリＦＬの殆どすべてが生成ガスＧとなって生成ガス排気口１０ｃから排出される。また、燃焼及び熱分解により発生し、高温のため溶融状態で生成ガスに同伴する溶融灰は、溶融灰スラグＭＳとなってガス化炉１０内を下へ移動し、蒸気発生器２１を経て、ホッパ３１に収容される。
【００２６】
高温の生成ガスＧの一部は、生成ガス抽気口１０ｄから燃焼器１５のエアエジェクタ１５ｂの吸引作用により抽気され、燃焼用空気ＢＡと混合されて、燃焼器１５内のエアエジェクタ出口１５ｅ近傍において燃焼する。該燃焼の燃焼熱により燃焼により消費されなかった残余の燃焼用空気ＢＡを加熱して高温燃焼用空気ＢＡＨ（例えば、８００〜９００℃）を生成する。このとき、吸引抽気される生成ガスＧの量は、燃焼用酸化ガスＢＡを該生成ガスＧの燃焼により加熱して所望の温度の高温燃焼用酸化ガスＢＡＨが得られるよう適宜設定する。なお、この際の燃焼用酸化ガスＢＡの量は、少なくとも生成ガスの燃焼に必要な量にガス化炉１０内での石炭スラリＦＬの燃焼に必要な量を加えたものである。なお、高温空気ノズル１２に供給される高温燃焼用空気ＢＡＨは、実際には、生成ガスＧの燃焼による排気ガスも含む。しかし、もともと高温燃焼用空気ＢＡＨの生成のために必要な生成ガスＧの量が少なく、従って、該生成ガスの燃焼のために消費される酸素量、上記排気ガス量も少ない。そのため、高温燃焼用空気ＢＡＨ中の酸素濃度は、若干低下してはいるものの極端な低下はなく、ガス化炉１０内における部分燃焼に悪影響はない。
【００２７】
該高温燃焼用空気ＢＡＨは、前述のように高温空気ノズル１２からガス化炉１０の部分燃焼領域１０ａに形成されている火炎Ｆ近傍へ噴出供給される。
抽気されなかった残余の生成ガスＧは、生成ガス排気口１０ｃを介して蒸気発生器２１へ流入し、蒸気発生気２１の冷却水を加熱して水蒸気を発生させるとともに自らの温度は所定の温度まで低下し、脱硫装置２２において硫黄酸化物等を除去し、さらに図示しない集塵器により粉塵等を除去してガスタービンエンジン燃焼室（図示せず）へ燃料として供給され、発電等を行う。さらに、蒸気発生器２１において発生した水蒸気は、図示しない蒸気タービンに送られ、蒸気タービンを回転させて発電等を行う。
【００２８】
以上で第１の実施例にかかるガス化炉装置１の説明を終了するが、第１実施例にかかるガス化炉装置には様々の態様があることはいうまでもない。以下にかかる別態様について説明する。
第１実施例においては、生成ガスＧを蒸気発生器２１から直接脱硫装置２２へ供給していたが、図３に示すように蒸気発生器２１の生成ガス出口２１ｂと脱硫装置２２との間にサイクロン（粉塵除去手段）３２を介装して、生成ガスＧ中の粉塵（飛灰、チャ−を含む）を除去して該ガスＧを脱硫装置２２へ供給するとともに、除去された粉塵は、高温空気ノズル１２近傍に設置された粉塵ノズル（粉塵供給手段）３３を介してガス化炉１０内に戻す構造としてもよい。生成ガスＧ中に含まれる粉塵をサイクロン３２により除去して、脱硫装置２２や更にその後流に接続されるガスタービン装置等における粉塵による閉塞や磨耗を防止するとともに、除去された粉塵は、ガス化炉１０内に戻して燃焼、ガス化または溶融処理でき、特にチャ−についてはガス化炉１０内でガス化させ、ガス化効率をさらに向上できる。
【００２９】
第１実施例においては燃料供給管１１を部分燃焼領域１０ａを臨むようにのみ設置したが、図４に示すように該燃料供給管１１に加えて、ガス生成領域１０ｂを臨むように後段燃料供給管（後段燃料供給手段）４１を設置してもよい。この場合には、燃料供給管１１から供給される石炭スラリＦＬの一部により火炎が形成され、ガス化炉１０内が高温になる。一方、該後段燃料供給管４１から供給される石炭スラリＦＬは、上記火炎からの輻射熱等により加熱されるが、燃焼用の空気が供給されず、後段燃料供給管４１近傍には強い還元性雰囲気が形成され、石炭スラリＦＬの殆どは燃焼せず、乾燥、熱分解して生成ガスＧを生成する。
【００３０】
また、第１実施例においては、燃焼用酸化ガスとしては空気を使用したが、これに代えて酸素を使用してもよい。酸素を使用した場合には、空気を使用した場合と異なり生成ガス中に窒素が存在しないので、生成ガスの単位体積（又は単位重量）あたりの発熱量が増加する。
第１実施例においては、生成ガスＧを抽気するため、燃焼器１５内にエアエジェクタ１５ｂを設置したが、例えば、高温で使用できるブロワの吸入側を生成ガス抽気口１０ｄに接続し、吐出側をエアエジェクタを内蔵しない燃焼器に接続してもよい。ブロワの吸入作用により生成ガスＧの一部をガス化炉から抽気して、燃焼器に供給し、別途供給される燃焼用空気ＢＡと混合、燃焼させて高温燃焼用空気ＢＡＨを生成することができる。なお、この場合には、高温燃焼用酸化ガス生成手段には、燃焼器等の他、ブロワが含まれることになる。
【００３１】
第１実施例においては、生成ガスＧの温度を適切な温度に冷却するために蒸気発生器を使用したが、生成ガスの用途により、高温の生成ガスが必要な場合には、蒸気発生器を省略し、直接高温の生成ガスを供給することとしてもよい。
さらに、第１実施例においては、固体燃料としては石炭スラリＦＬを使用したが、微粉炭やより粒子の粗い粒状の石炭や木材チップ等のバイオマス燃料、或いは、例えば含水率８０％程度の汚泥を使用することもできる。特に汚泥を使用した場合には、燃焼、或いは熱分解による生成ガス生成の前に、汚泥に含有される水分を蒸発させることが必要になるが、本発明によっては、ガス化炉内に高温燃焼用空気ＢＡＨを供給するので、第１実施例の石炭スラリの乾燥、部分燃焼及び熱分解による生成ガス生成プロセスと同様、補助燃料や補助バーナを使用せずに、汚泥のみを燃料として該水分を蒸発させ、生成ガスを生成させることができる。
【００３２】
第１実施例においては、本ガス化炉は、ガス化複合サイクル発電への燃料供給を目的として使用したが、水素ガス、ジメチルエーテル或いはメタノール等の燃料生産システム、或いはガス化燃料電池発電システム（ＩＧＦＣ）等への燃料供給も考えられる。
次に本発明の第２の実施例にかかるガス化炉装置５０を図５を参照しつつ説明する。
本ガス化炉装置５０は、流動床炉をガス化炉５１として本発明を適用する例であり、ガス化炉５１の形状、構造等及びそれに伴なう生成ガスの流れ等を除く、基本的なシステム構成、機器等及びその作用効果については、第１実施例と同様である。
【００３３】
ガス化炉装置５０は、固体燃料である石炭、例えば石炭スラリＦＬを燃料とするガス化炉設備であるが、底部近傍に流動媒体である砂の流動層が形成され、流動層を流動化させながら石炭スラリＦＬを乾燥（水分蒸発）させ、その一部を燃焼させるとともに残余の石炭スラリＦＬを、乾燥、熱分解させてガス化するガス化炉５１と、第１の実施例の燃焼器１５と同様の構造、機能を有する燃焼器（高温燃焼用酸化ガス生成手段）５９と蒸気発生器６１等を備える。
【００３４】
ガス化炉５１は、上部に膨らみを有し、上下両端が閉じられた円筒状構造物である。底部近傍に炉床５２が配設され、ガス化炉５１を炉床５２上側の上部空間５３と下側の空気室５７とに区画している。上部空間５３は、砂（流動媒体）５４ａが適宜高さまで充填される流動層５４、流動化した石炭（石炭スラリが乾燥したもの）の一部が燃焼する部分燃焼領域５５と、更にその上の炉頂近傍のリダクタ５６が炉床５２から上に向ってこの順序で形成される。部分燃焼領域５５とリダクタ５６との境界近傍のガス化炉５１壁面には石炭スラリＦＬをガス化炉５１内の流動層５４の上に定量的に供給する燃料供給管５８が開口している。燃料供給管５８は、図示しない着火装置を備える。
【００３５】
また、ガス化炉５１の炉頂近傍には、ガス化炉５１内で生成する生成ガスＧの一部を抽気する生成ガス抽気口５６ｂと、抽気されなかった残余の生成ガスＧを排出する生成ガス排気口５６ａが配設され、抽気口５６ｂは燃焼器５９に、排気口５６ａは蒸気発生器６１にそれぞれ配管を介して接続している。
一方、ガス化炉５１下部の空気室５７内には、燃焼器５９から供給される高温燃焼用空気ＢＡＨを、空気室５７に噴出させる高温空気ノズル５７ａを備える。
【００３６】
前述の炉床５２には、炉床５２を上下に貫通する孔部である、多数の散気ノズル（散気手段）５２ａが開孔しており、前述の高温空気ノズル５７ａから空気室５７へ流入した高温燃焼用空気ＢＡＨを流動層５４内へ均一に吹き込むことができる構造となっている。なお、該炉床５２および散気ノズル５２ａは、それぞれ流動床炉において公知のものである。
【００３７】
燃焼器５９は、第１実施例の燃焼器１５と同様の構造、機能を有するので説明を省略する。蒸気発生器６１及び脱硫装置６２の機能等も、第１実施例のそれらと同様である。
次に本ガス化炉装置５０の作用について説明する。
高温燃焼用空気ＢＡＨが高温空気ノズル５７ａを介して空気室５７に流入し、炉床５２の多数の散気ノズル５２ａを通して流動層５４内に均一に噴出し、流動媒体（砂）５４ａをまきあげて流動層５４を流動化させる。この状態で燃料供給管５８から流動層５４の上に石炭スラリＦＬが供給される。該石炭スラリＦＬ中の水分が、高温燃焼用空気ＢＡＨにより加熱されてただちに蒸発し、燃料ＦＬ自身も水分蒸発により乾燥するとともに、燃料ＦＬの一部が高温燃焼用空気ＢＡＨにより加熱され着火温度まで加熱されて着火し、安定な燃焼火炎Ｆを形成する。このとき、残余の未燃石炭スラリ（及びその乾燥物）は、燃焼ガスとともにリダクタ５６内を上昇しつつ火炎Ｆからの輻射熱及び燃焼排気ガスを含む生成ガスＧにより加熱されて高い効率で熱分解して生成ガスＧを生成する。
【００３８】
生成ガスＧの一部が、生成ガス抽気口５６ｂから燃焼器５９の作用により吸引抽気されること、抽気された該生成ガスＧの燃焼により燃焼用空気ＢＡが加熱されて高温燃焼用空気ＢＡＨが生成され、該空気ＢＡＨが高温空気ノズル５７ａからガス化炉５１に供給されること、抽気されなかった残余の生成ガスＧは、生成ガス排気口５６ａから排出されて蒸気発生器６１において水蒸気を発生させた上、脱硫装置６２において硫黄酸化物が除去され、集塵装置等（図示せず）を介してガスタービン燃焼室（図示せず）などへ供給されることは、第１実施例と同様である。
【００３９】
なお、第２実施例についても第１実施例に記載した様々の別態様を適宜適用することができることはいうまでもない。
また、ここで説明した実施形態は一つの例であって、本発明はこれのみに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において変更を加えうることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施例にかかるガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【図２】図１に示された燃焼器の概略を示す説明図である。
【図３】本発明の第１実施例の別態様のガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【図４】本発明の第１実施例の更に又別の態様のガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【図５】本発明の第２実施例にかかるガス化炉装置の構成を示すシステム図である。
【符号の説明】
【００４１】
１、５０ ガス化炉装置
１０、５１ ガス化炉
１０ａ、５５ 部分燃焼領域
１０ｄ、５６ｂ 生成ガス抽気口
１１、５８ 燃料供給管（燃料供給手段）
１２、５７ａ 高温空気ノズル（高温燃焼用酸化ガス供給手段）
１５、５９ 燃焼器（高温燃焼用酸化ガス生成手段）
３２ サイクロン（粉塵除去手段）
３３ 粉塵ノズル（粉塵供給手段）
４１ 後段燃料ノズル（後段燃料供給手段）
５２ａ 散気ノズル（散気手段）
５４ 流動層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域を備え、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉と、
前記生成ガスの一部を抽気し、これを燃焼用酸化ガスと混合して燃焼させ、該生成ガスの燃焼熱により前記燃焼用酸化ガスを加熱して、前記固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段と、
前記高温燃焼用酸化ガスを前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給する高温酸化ガス供給手段と、
前記固体燃料を前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給して、該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段と
を備えることを特徴とするガス化炉装置。
【請求項２】
炉体底部に配設される、流動媒体からなる流動層を有し、該流動層を流動化させる流動床炉方式のガス化炉装置において、
固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域を前記流動層の上側に形成し、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉と、
前記生成ガスの一部を抽気し、これを燃燃焼用酸化ガスと混合して燃焼させ、該生成ガスの燃焼熱により前記燃焼用酸化ガスを加熱して、前記固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段と、
前記流動層に前記高温燃焼用酸化ガスを吹き込んで流動化させる散気手段と、
前記固体燃料を前記流動層に供給し、該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段と
を備えることを特徴とするガス化炉装置。
【請求項３】
前記燃料供給手段の噴出口より後流側に固体燃料を供給し、該固体燃料を熱分解させて生成ガスを更に発生させる後段燃料供給手段を更に備えることを特徴とする、請求項1又は２のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項４】
前記生成ガスから粉塵を除去する粉塵除去手段と、
該粉塵除去手段により除去された粉塵を前記部分燃焼領域に噴出させる粉塵供給手段とを更に備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項５】
前記燃焼用酸化ガスは、空気であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項６】
前記燃焼用酸化ガスは、酸素であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項７】
前記固体燃料は、石炭であって、前記高温燃焼用酸化ガス生成手段は、前記燃焼用酸化ガス温度を、８００℃以上に加熱することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項１】
固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域を備え、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉と、
前記生成ガスの一部を抽気し、これを燃焼用酸化ガスと混合して燃焼させ、該生成ガスの燃焼熱により前記燃焼用酸化ガスを加熱して、前記固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段と、
前記高温燃焼用酸化ガスを前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給する高温酸化ガス供給手段と、
前記固体燃料を前記ガス化炉の部分燃焼領域に供給して、該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段と
を備えることを特徴とするガス化炉装置。
【請求項２】
炉体底部に配設される、流動媒体からなる流動層を有し、該流動層を流動化させる流動床炉方式のガス化炉装置において、
固体燃料の一部を燃焼させる部分燃焼領域を前記流動層の上側に形成し、該燃焼の燃焼熱により残余の固体燃料を加熱して生成ガスを生成させるガス化炉と、
前記生成ガスの一部を抽気し、これを燃燃焼用酸化ガスと混合して燃焼させ、該生成ガスの燃焼熱により前記燃焼用酸化ガスを加熱して、前記固体燃料の着火温度以上の高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段と、
前記流動層に前記高温燃焼用酸化ガスを吹き込んで流動化させる散気手段と、
前記固体燃料を前記流動層に供給し、該固体燃料の一部を燃焼させる燃料供給手段と
を備えることを特徴とするガス化炉装置。
【請求項３】
前記燃料供給手段の噴出口より後流側に固体燃料を供給し、該固体燃料を熱分解させて生成ガスを更に発生させる後段燃料供給手段を更に備えることを特徴とする、請求項1又は２のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項４】
前記生成ガスから粉塵を除去する粉塵除去手段と、
該粉塵除去手段により除去された粉塵を前記部分燃焼領域に噴出させる粉塵供給手段とを更に備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項５】
前記燃焼用酸化ガスは、空気であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項６】
前記燃焼用酸化ガスは、酸素であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のガス化炉装置。
【請求項７】
前記固体燃料は、石炭であって、前記高温燃焼用酸化ガス生成手段は、前記燃焼用酸化ガス温度を、８００℃以上に加熱することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のガス化炉装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−８９６２８（Ｐ２００６−８９６２８Ａ）
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２７７７６６（Ｐ２００４−２７７７６６）
【出願日】平成１６年９月２４日（２００４．９．２４）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２４日（２００４．９．２４）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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