JP5046887B2 - 高粘結性炭用バーナ及びガス化炉 - Google Patents

Description

本発明は、石炭ガス化複合発電設備の固体燃料ガス化炉等に適用される高粘結性炭用バーナ及びガス化炉に関する。

従来、石炭火力プラントの発電効率向上を目的として、いわゆる石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ；Integrated Coal Gasification Combined Cycle）が開発・実用化されている。この石炭ガス化複合発電プラント（以下、「ＩＧＣＣ」と呼ぶ）は、石炭をガス化して得られる石炭ガスを燃料として運転及び発電されるガスタービン発電機と、ガスタービンより排出される高温の燃焼排ガスから排熱回収ボイラで熱回収して得られる蒸気により運転及び発電される蒸気タービン発電機とを具備した構成とされる。

このようなＩＧＣＣにおいて、石炭ガスを生成するガス化炉への燃料供給は、窒素、二酸化炭素、空気等の気流を搬送ガスとして粒子状に粉砕された固体燃料がバーナまで搬送され、バーナからガス化炉の内部へ噴射して供給されるようになっている。一方、ガス化炉は、システムの構成及びガス化炉内の反応面から、内部圧力を高く設定した高圧運転がなされている。
このような高圧運転を行うため、高圧運用されるガス化炉は圧力容器とされ、この圧力容器の壁面を貫通するバーナは、固体燃料（微粉炭、石油コークス等）及びガス化剤（空気、酸素、水蒸気等）が同一配管内に収納されている。

図１０は、ガス化炉のバーナ部を拡大した従来構造を示しており、圧力容器としたガス化炉１０の周壁（炉壁）１１を貫通して高粘結性炭用バーナ（以下、「バーナ」と呼ぶ）１２′が取り付けられている。このバーナ１２′は、内側の固体燃料流路１３と外側のガス化剤流路１４とを同心に配置した二重管構造とされる。
固体燃料流路１３は、粒子状に粉砕された固体燃料を供給する高圧燃料供給装置１５と燃料供給配管１６を介して接続されている。また、高圧燃料供給装置１５には、流量制御装置（不図示）により流量制御された搬送ガスが供給される。従って、固体燃料流路１３は、高圧燃料供給装置１５で所望の供給量に調整された固体燃料を、流量制御装置で所望の流量に調整された搬送ガスによりガス化炉１０の内部へ供給する。すなわち、粒子状の固体燃料は、搬送ガスの気流により搬送されてガス化炉１０の内部に供給される。

ガス化剤流路１４は、ガス化剤を供給するガス化剤供給配管１７と接続され、図示しない流量制御装置により所望の供給量に調整されたガス化剤を、ガス化炉１０の内部へ供給する。
このようにして、ガス化炉１０の内部に固体燃料、搬送ガス及びガス化剤が供給されることにより、ガス化炉１０の内部で所定の処理を施された固体燃料がガス化され、次工程のガス精製設備に供給される。

他の従来技術としては、石炭等の炭素微粉原料をガス化原料とし、窒素ガス等のガス化原料の搬送ガス及び酸素や空気等の酸化剤を用い、炭素微粉原料灰の溶融点以上の温度で原料をガス化する噴流層方式の微粉原料ガス化装置において、ガス化原料の搬送ラインがガス化装置内に供給される出口部近傍の上流側に、窒素ガス、炭酸ガス、不活性ガス等のガスを搬送ライン出口部に向けて噴出し、ガス化原料と合流させるためのガス噴出ノズルを設けることが公知である。このガス噴出ノズルは、ガス化原料搬送ラインの出口部に付着したスラグ等を吹き飛ばすものであり、バーナ出口部に付着物のない状態を常に保つことができるとされる。（たとえば、特許文献１参照）

また、微粉炭等の固体燃料と空気等の気体の混合体を燃料として燃焼する微粉固体燃料燃焼装置において、燃料２次空気の一部または風箱外から供給される圧縮空気を気流として吹き込む補助混合ノズルを設けることにより、混合気ノズルの摩耗低減及び燃料の付着堆積を防止する技術が開示されている。（たとえば、特許文献２参照）
特公平８−３３６１号公報（第１図参照） 特許第３７９０４８９号公報

上述した図１０の従来技術によれば、固体燃料をガス化するガス化炉１０が高圧運用されることにより、気流搬送される固体燃料の粒子間距離は近い状態にある。すなわち、固体燃料流路１３内を気流搬送される固体燃料は、空間への固体燃料充填率が非常に高い状態にある。
一方、固体燃料流路１３とガス化剤流路１４とを同心二重配管構造としたバーナ１２′においては、両流路１３，１４間の熱伝達率が高くなるため、高温側のガス化剤により低温側の固体燃料を加熱する熱量が大きくなる。

このため、ガス化剤から加熱を受ける固体燃料の粒子温度が高くなり、温度上昇した固体燃料の粒子が溶融・膨張する。このとき、固体燃料の粘結性が高い場合には、溶融・膨張した固体燃料の隣接粒子どうしがアグロメして燃焼不良になったり、あるいは、溶融・膨張した固体燃料が固体燃料流路１３の内壁面に付着してバーナ１２′を閉塞させるという問題が起こりうる。なお、このような問題の発生は、微粉炭や石油コークス等の固体燃料だけでなく、たとえば油残渣及びプラスチック等のように粘結性の高い他の固体燃料を使用するガス化炉のバーナにおいても同様である。

このように、粘結性の高い固体燃料をガス化するガス化炉に用いられる高粘結性炭用バーナにおいては、固体燃料流路及びガス化剤流路を同心二重配管構造としたバーナ内の熱伝達により、固体燃料粒子が温度上昇して溶融・膨張することにより生じる問題の解決が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、固体燃料流路及びガス化剤流路を二重配管構造とした高粘結性炭用バーナにおいて、バーナ内の熱伝達により高粘結性固体燃料の粒子が温度上昇して溶融・膨張することを防止または抑制し、ガス化炉の安定した運転を可能にする高粘結性炭用バーナ及びガス化炉を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る高粘結性炭用バーナは、粒子状に粉砕された高粘結性の固体燃料をガス化するガス化炉の炉壁を貫通して取り付けられ、前記固体燃料を気流搬送によりガス化炉内へ供給する固体燃料流路と、ガス化剤をガス化炉内へ供給するガス化剤流路とが二重管構造に配設されている高粘結性炭用バーナにおいて、前記固体燃料流路と前記ガス化剤流路との間に冷却水を循環させる冷却水流路を備えた三重管構造とされ、前記冷却水が使用後に回収されるとともに、前記固体燃料流路の閉塞状態を検知して前記冷却水の温度を調整する冷却水温度制御手段を備えていることを特徴とするものである。

このような高粘結性炭用バーナによれば、固体燃料流路とガス化剤流路との間に冷却水を循環させる冷却水流路を備えた三重管構造とし、冷却水が使用後に回収されるようにしたので、固体燃料流路とガス化剤流路との間に生じる温度差は、間に設けられた冷却水流路により低減される。このため、固体燃料の粒子が高温のガス化剤から受ける加熱量は減少し、高粘結性固体燃料の粒子が温度上昇することによる溶融・膨張を防止または抑制することができる。そして、使用後の温度上昇した冷却水が回収され、たとえば発電用水蒸気へと変換して利用すればエネルギーロスをなくすことができる。
また、固体燃料流路の閉塞状態を検知して冷却水の温度を調整する冷却水温度制御手段を備えているので、気流搬送される固体燃料及びガス化剤の温度低下を最小限に抑えることができる。

本発明に係る高粘結性炭用バーナは、粒子状に粉砕された高粘結性の固体燃料をガス化するガス化炉の炉壁を貫通して取り付けられ、前記固体燃料を気流搬送によりガス化炉内へ供給する固体燃料流路と、ガス化剤をガス化炉内へ供給するガス化剤流路とが二重管構造に配設されている高粘結性炭用バーナにおいて、前記固体燃料流路と前記ガス化剤流路との間に冷却水を流す冷却水流路を備えた三重管構造とされ、前記冷却水がガス化剤として前記ガス化炉内へ投入されるとともに、前記固体燃料流路の閉塞状態を検知して前記冷却水の温度を調整する冷却水温度制御手段を備えていることを特徴とするものである。

このような高粘結性炭用バーナによれば、固体燃料流路とガス化剤流路との間に冷却水を流す冷却水流路を備えた三重管構造とし、冷却水がガス化剤としてガス化炉内へ投入されるようにしたので、固体燃料流路とガス化剤流路との間に生じる温度差は、間に設けられた冷却水流路により低減される。このため、固体燃料の粒子が高温のガス化剤から受ける加熱量は減少し、高粘結性固体燃料の粒子が温度上昇することによる溶融・膨張を防止または抑制することができる。そして、使用後の温度上昇した冷却水は、ガス化剤としてガス化炉へ投入されるため、ガス化反応によりガス化ガスに変換される。
また、固体燃料流路の閉塞状態を検知して冷却水の温度を調整する冷却水温度制御手段を備えているので、気流搬送される固体燃料及びガス化剤の温度低下を最小限に抑えることができる。

この場合、前記冷却水温度制御手段は、前記固体燃料流路のバーナ入口と、該バーナ入口より下流側の適所との間の差圧を検出し、該差圧から換算される流量損失係数が所定値以上まで増加した場合に冷却水温度を低下させることが好ましく、これにより、ガス化炉の圧力、固体燃料の流量及び搬送ガスの流量によって変化する差圧を換算して得られる流量損失係数から、固体燃料流路の流路閉塞状況を確実に判断することができる。

また、前記冷却水温度制御手段は、バーナ入口と該バーナ入口より下流側の適所との間で検出した第１の差圧と、前記固体燃料流路の上流側に接続される燃料供給配管に設定した任意の区間で計測される第２の差圧との差圧比から換算される流量損失係数が所定値以上に増加した場合に冷却水温度を低下させることが好ましく、これにより、ガス化炉の圧力、固体燃料の流量及び搬送ガスの流量による影響を受けない差圧比により得られる流量損失係数から、固体燃料流路の流路閉塞状況を確実に判断することができる。

また、前記冷却水温度制御手段は、前記固体燃料流路の内壁面温度を検出し、該内壁面温度が所定値以上の高温を検出した場合に冷却水温度を低下させることが好ましく、これにより、実際の内壁面温度に基づいて固体燃料流路の流路閉塞状況を確実に判断することができる。

また、上記の発明において、前記冷却水温度制御手段は、前記固体燃料流路の内壁面温度を検出し、該内壁面温度が前記固体燃料の粘結性に応じて定まる設定温度以上とならないように冷却水温度を調整することが好ましく、これにより、流路閉塞の問題が生じない最も高い温度で効率のよい運転が可能になる。

本発明のガス化炉は、粒子状にした高粘結性炭等の固体燃料を気流搬送によりガス化炉内へ供給し、ガス化剤とともに高圧環境下でガス化処理する圧力容器のガス化炉が、請求項１から６のいずれか１項に記載の高粘結性炭用バーナを備えていることを特徴とするものである。

このようなガス化炉によれば、上述した高粘結性炭用バーナを備えているので、高粘結性炭用バーナにおける固体燃料流路の流路閉塞進行状況に応じて流路閉塞の原因となる固体燃料温度を低減し、高粘結性固体燃料の粒子が温度上昇することによる溶融・膨張を防止または抑制することができる。

上述した本発明によれば、粘結性の高い固体燃料をガス化するガス化炉に用いられる高粘結性炭用バーナにおいて、固体燃料流路とガス化剤流路との間に冷却水を循環または流す冷却水流路を備えた三重管構造としたので、固体燃料流路とガス化剤流路との間に生じる温度差は、間に設けられた冷却水流路により低減される。このため、固体燃料の粒子が高温のガス化剤から受ける加熱量は減少し、高粘結性固体燃料の粒子が温度上昇することによる溶融・膨張を防止または抑制できるようになる。
従って、高粘結性の固体燃料が温度上昇することにより、溶融・膨張した隣接粒子どうしがアグロメして燃焼不良の原因になったり、あるいは、固体燃料流路の内壁面に付着して閉塞させることを防止できるので、高粘結性炭用バーナ及びガス化炉の安定した運転が可能になる。また、高粘結性炭用バーナ及びガス化炉に使用できる粘結性の高い固体燃料について、適用範囲を拡大することも可能になる。

さらに、使用後の冷却水は、温度上昇した冷却水を回収し、たとえば発電用水蒸気へと変換して利用すればエネルギーロスをなくすことができ、また、ガス化剤としてガス化炉へ投入すればガス化反応によりガス化ガスに変換される。従って、固体燃料流路とガス化剤流路との間に形成された冷却水流路に供給される冷却水は、固体燃料を冷却するだけでなく、ガス化炉の運転にも有効利用することができる。

以下、本発明に係る高粘結性炭用バーナ及びガス化炉の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図９は、石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ）の概要を示すブロック図である。このＩＧＣＣは、石炭（固体燃料）をガス化して得られる石炭ガスを燃料として発電する複合発電設備である。すなわち、ＩＧＣＣは、石炭等の固体燃料を乾燥させて粉砕し、粒子状の固体燃料とする固体燃料乾燥粉砕装置１と、粒子状の固体燃料を搬送ガスによる気流搬送をして供給する高圧燃料供給装置２と、ガス化炉の内部に気流搬送された固体燃料及びガス化剤の供給を受けることにより、固体燃料をガス化して石炭ガス化ガスを得るガス化炉設備３と、ガス化炉設備３で生成された石炭ガス中に含まれる不純物等を除去して精製するガス精製設備４と、ガスタービン発電機及び蒸気タービン発電機よりなる複合発電設備５とを主な構成要素としている。

ガスタービン発電機は、精製された石炭ガスを燃料としてガスタービンを運転し、ガスタービンの軸出力により駆動されて発電を行う発電機である。
蒸気タービン発電機は、ガスタービン発電機のガスタービンから排出された高温の燃焼排ガスを排熱回収ボイラに導入し、燃焼排ガスから熱回収して得られた蒸気のエネルギを用いて運転される蒸気タービンの軸出力により駆動されて発電を行う発電機である。
また、ガス化炉設備３は、水を供給する給水ポンプ６を備えている。この給水ポンプ６から供給された水は、ガス化炉設備３内で加熱され、ガス化炉設備３内で生成された水蒸気が複合発電設備５へ供給される。

＜第１の実施形態＞
上述したＩＧＣＣのガス化炉設備３には、図１に示すように、圧力容器のガス化炉１０が設けられている。このガス化炉１０には、圧力容器を構成する炉壁である周壁１１を貫通して、高粘結性炭用バーナ（以下、「バーナ」と呼ぶ）１２が取り付けられている。
バーナ１２は、内側の中心位置に配置した固体燃料流路１３と外側に配置したガス化剤流路１４との間に冷却水流路２０が設けられた同心の三重管構造とされる。なお、この実施形態における冷却水流路２０は、循環した使用後の冷却水が冷却水戻り配管（不図示）を通って回収される循環流路構造となっている。

固体燃料流路１３は、粒子状に粉砕された高粘結性の固体燃料をガス化炉１０内へ供給する燃料供給流路である。この固体燃料流路１３は、燃料供給配管１６を介して高圧燃料供給装置１５に接続されている。
高圧燃料供給装置１５は、粒子状に粉砕された固体燃料の供給を受け、所望の固体燃料供給量を搬送ガスを用いた気流搬送によってガス化炉１０へ供給するための装置である。この高圧燃料供給装置１５には、流量制御された搬送ガスが供給される。なお、この場合の気流搬送に使用可能な搬送ガスとしては、窒素、二酸化炭素及び空気等がある。

ガス化剤流路１４は、ガス化剤供給配管１７を介してガス化剤供給源（不図示）に接続されている。このガス化剤流路１４は、所望の流量に調整された高温のガス化剤をガス化炉１０の内部に供給する。なお、この場合に使用可能なガス化剤としては、空気、酸素及び蒸気等がある。
冷却水流路２０は、冷却水供給配管２１を介して冷却水の供給源（不図示）に接続されている。この実施形態において、冷却水流路２０は、バーナ１２の内部を循環した後に回収される循環流路構造となる。また、冷却水供給配管２１は、導入した冷却水を冷却水流路２０に供給して循環させた後、回収した冷却水を適所に供給して再利用する配管流路構成となっている。冷却水流路２０に導入する冷却水は、ガス化炉設備３の給水ポンプ６による給水、あるいは、ガス化炉設備３の加熱水（図９参照）、あるいは、給水ポンプ６の給水とガス化炉設備３の加熱水との混合水を使用する。

冷却水流路２０に供給された冷却水は、固体燃料流路１３とガス化剤流路１４との間を循環して流れるので、高温側のガス化剤による加熱を受けて温度上昇する。しかし、冷却水流路２０は、最も内側となる固体燃料流路１３の外周に接しており、冷却水流路２０を流れる冷却水はガス化剤より低温である。従って、固体燃料流路１３とガス化剤流路１４とが直接接している従来の二重管構造と比較すれば、固体燃料流路１３の外周側に配置された冷却水配管２０との温度差は低減され、高温側のガス化剤と低温側の固体燃料との交換熱量も低下する。このため、固体燃料流路１３内を気流搬送される固体燃料の粒子は、加熱量の低減により温度上昇が抑制される。

このようにして、固体燃料流路１３を流れる固体燃料は、粒子温度の上昇が抑制されることにより、粒子が溶融・膨張する温度まで上昇することはなく、従って、隣接する粒子どうしのアグロメが防止されるとともに、固体燃料流路１３の内壁に付着して閉塞を進行させることもない。
また、冷却水流路２０を循環して流れた冷却水は回収され、再度給水ポンプ６の給水として使用されたり、あるいは、ガス化炉設備３の加熱水と合流させて使用したり、あるいは、ガス化炉設備３による熱交換により複合発電設備５に供給するための水蒸気に変換されるなど、適所に供給して再利用される。すなわち、この実施形態で説明するバーナ１２は、固体燃料流路１３とガス化剤流路１４との間に冷却水を循環させる冷却水流路２０を備えた三重管構造とされ、冷却水流路２０を循環させて使用した後の冷却水については、回収して有効に再利用するものである。

ところで、上述した冷却水流路２０の循環方式には、たとえば図２に示す螺旋管方式や図３に示す円環方式等がある。
図２に示す螺旋管方式を採用したバーナ１２Ａでは、固体燃料流路１３の外周に冷却水流路となる配管を螺旋状に巻き付けた冷却水螺旋流路２０Ａが設けられている。従って、冷却水供給配管２１から冷却水螺旋流路２０Ａに供給された冷却水は、螺旋部分の一方から流入して他方から流出することとなる。図示の冷却水螺旋流路２０Ａでは、冷却水供給配管２１がバーナ１２の入口側に接続されており、冷却水戻り配管２１Ａがガス化炉１０の内部となるバーナ出口側の先端部付近に接続されている。このため、バーナ１２の入口側から冷却水螺旋流路２０Ａに流入した冷却水は、冷却水螺旋流路２０Ａを通ってガス化炉１０の内部となるバーナ出口側の先端部付近まで流れた後、冷却水戻り配管２１Ａを通って再利用先に導かれる。

図３に示す円環方式を採用したバーナ１２Ｂでは、バーナ出口側の先端部に封止板２２を設けて閉じた冷却水円環流路２０Ｂに冷却水を供給して循環させる。図示の例では、一端が封止板２２により閉じられたドーナツ形断面形状の冷却水円環流路２０Ｂに対して、バーナ入口側から冷却水供給配管２１に接続された給水管２３を封止板２２の近傍まで挿入して冷却水を供給する。
また、冷却水円環流路２０Ｂのバーナ入口側端部には、内部を循環した冷却水を回収する冷却水戻り配管２１Ｂが接続されている。従って、冷却水円環流路２０Ｂの内部には、バーナ出口側に温度の低い冷却水が供給され、冷却水円環流路２０Ｂの内部を循環した冷却水は、バーナ入口側に接続された冷却水戻り配管２１Ｂから流出して回収される。こうして回収された冷却水は、再利用先に導かれる。

＜第２の実施形態＞
続いて、上述したガス化炉１０を貫通して設けられるバーナについて、第２の実施形態を図４に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、固体燃料流路１３とガス化剤流路１４との間に冷却水を流す冷却水通過流路２０Ｃが設けられた同心の三重管構造のバーナ１２Ｃとされ、使用後の冷却水については、冷却水通過流路２０Ｃのバーナ出口側からガス化剤としてガス化路１０の内部へ投入される。すなわち、この実施形態のバーナ１２Ｃは、三重管構造であることは上述した実施形態と同様であるが、冷却水を循環させて回収する代わりに、冷却剤をガス化剤として直接ガス化炉１０へ投入する点が異なっている。

従って、この実施形態におけるバーナ１２Ｃは、バーナ入口側に冷却水供給配管２１が接続されて冷却水の供給を受けるものの、使用後の冷却水を回収する冷却水戻し配管との接続はなく、使用後の冷却水は、バーナ出口側に開口する冷却水出口２４からガス化炉１０内へ流出してガス化剤となる。
このような構成としても、冷却水通過流路２０Ｃに供給された冷却水は、固体燃料流路１３とガス化剤流路１４との間を通過して流れるので、高温側のガス化剤による加熱を受けて温度上昇する。しかし、冷却水通過流路２０Ｃは、最も内側となる固体燃料流路１３の外周に接しており、冷却水通過流路２０Ｃを流れる冷却水はガス化剤より低温である。従って、固体燃料流路１３とガス化剤流路１４とが直接接している従来の二重管構造と比較すれば、固体燃料流路１３の外周側に配置された冷却水通過配管２０Ｃとの温度差は低減され、高温側のガス化剤と低温側の固体燃料との交換熱量も低下する。このため、固体燃料流路１３内を気流搬送される固体燃料の粒子は、加熱量の低減により温度上昇が抑制される。

このようにして、固体燃料流路１３を流れる固体燃料は、粒子温度の上昇が抑制されることにより、粒子が溶融・膨張する温度まで上昇することはなく、従って、隣接する粒子どうしのアグロメが防止されるとともに、固体燃料流路１３の内壁に付着して閉塞を進行させることもない。
また、固体燃料の冷却に使用した冷却水は、最終的にはガス化剤として有効利用されるので、ガス化反応により水素ガス等のガス化ガスに変換される。従って、冷却水の有効利用が可能となる。

＜第３の実施形態＞
続いて、上述したガス化炉１０を貫通して設けられるバーナについて、第３の実施形態を図５に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、固体燃料通路１３の閉塞状態を検知して冷却水の温度を調整する冷却水温度制御手段を備えている。すなわち、固体燃料粒子のアグロメやバーナ１２の閉塞を防止する際には、固体燃料通路１３の閉塞状態をダイレクトに検出して冷却水流路２０に供給する冷却水の温度制御を行い、固体燃料通路１３を気流搬送される固体燃料及びガス化剤流路１４を流れるガス化剤の温度低下を最小限に抑えて効率のよい運転を可能にするものである。

以下、上述した冷却水温度制御手段について、図５を参照して具体的に説明する。
図５に示す実施形態では、冷却水温度制御手段として冷却水温度制御装置３０が設けられている。この冷却水温度制御装置３０は、閉塞検知装置４０から出力される閉塞状態検出信号に基づいて、高温のガス化炉加熱水と低温の給水ポンプ給水との混合割合を調整することにより、冷却水温度を制御するものである。すなわち、ガス化炉加熱水の混合割合を増すことにより冷却水温度が上昇し、給水ポンプ給水の混合割合を増すことにより冷却水温度は低下する。

閉塞検知装置４０は、固体燃料流路１３のバーナ入口と、バーナ入口より下流側の適所としてガス化炉１０の内圧との間の差圧Ｐａを検出し、該差圧Ｐａから換算される流路損失係数λが所定値以上まで増加した場合に、固体燃料流路１３の閉塞状態を検出したと判断して閉塞状態検出信号を出力する。
図示の例では、固体燃料流路１３のバーナ入口側圧力Ｐ１と、ガス化炉１０の内圧Ｐ２とを検出し、両圧力Ｐ１及びＰ２から差圧Ｐａを算出する。なお、ここで算出する差圧Ｐａについては、ガス化炉１０の内圧Ｐ２に代えて、バーナ出口圧力Ｐ２′を採用してもよい。

閉塞検知装置４０が閉塞状態検出信号を出力すると、この制御信号を受けた冷却水温度制御装置３０において冷却水の温度を低下させる制御が実施される。この制御により冷却水温度が低下すると、高温のガス化剤から固体燃料流路１３内を気流搬送される固体燃料の冷却能力を増すことができる。換言すれば、冷却水温度を必要以上に低下させてガス化炉１０の運転効率が低下しないように、冷却水の温度については、固体燃料流路１３が閉塞状態とならない上限近傍に設定することが可能になる。

ここで、差圧Ｐａから換算される流路損失係数λについて説明する。
固体燃料の粒子を気流搬送する固気二相流において、差圧Ｐａはガス化炉１０の内部圧力、固体燃料の流量及び搬送ガスの流量によって変化するので、固体燃料流路の流路閉塞状況を確実に判断するためには、差圧Ｐａを換算して得られる流路損失係数λに基づいた判断が望ましい。この流路損失係数λは、固気二相流の圧力損失を求める公知の数式に使用される値である。すなわち、上述した差圧Ｐａは圧力損失に相当する値であるから、この圧力損失を求める公知の数式及び差圧Ｐａの検出値から、実際のバーナ１２における流路損失係数λを算出することができる。

上述した流路損失係数λは、所定値以上か否かについて判断される。そして、流路損失係数λが所定値以上に大きい場合には、固体燃料流路１３を流れる固体燃料及び搬送ガスの固気二相流において、所定値以上に大きな圧力損失が生じていると判断することができる。すなわち、固体燃料流路１３の内壁面に固体燃料が付着して流路断面積が狭められるなど、固気二相流の圧力損失が増す状況になっていると判断できる。従って、流路損失係数λが所定値以上に大きくなった場合や、所定値以上に大きくなる変化をした場合には、閉塞検知装置４０が閉塞状態検出信号を出力し、この制御信号を受けた冷却水温度制御装置３０において冷却水の温度を低下させる制御を実施する。
このような冷却水温度制御装置３０及び閉塞検知装置４０は、上述したバーナ１２に適用可能なだけでなく、図２〜図４に示した他のバーナ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃにも適用可能である。

続いて、上述した閉塞検知装置４０を用いた冷却水温度制御装置３０について、その第１変形例となる冷却水温度制御装置３０Ａを図６に基づいて説明する。なお、図６において、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この第１変形例において、冷却水温度制御装置３０Ａに出力される閉塞状態を検知する閉塞検知装置４０Ａは、流路閉塞状態の判断基準として、上述した実施形態の差圧Ｐａを換算する流路損失係数λに代えて、差圧比に基づいて換算された流路損失係数λ′を採用する。

具体的に説明すると、閉塞検知装置４０Ａは、バーナ入口の圧力Ｐ１とバーナ入口より下流側となるガス化炉１０の内圧Ｐ２との間で検出した第１の差圧Ｐａと、固体燃料流路１３の上流側に接続される燃料供給配管１６に設定した任意の区間で計測される第２の差圧Ｐｂとの差圧比から換算される流量損失係数λ′が所定値以上に増加した場合に閉塞状態を検出したと判断する。図示の例では、燃料供給配管１６の適所に定めた２箇所の固定測定位置で二つの圧力Ｐ３，Ｐ４を検出し、両圧力Ｐ３，Ｐ４間に生じた差圧Ｐｂが第２の差圧となる。すなわち、第２の差圧Ｐｂは、燃料供給配管１６に設定した所定の流路長さを流れた固気二相流に生じる圧力損失と略一致するものである。

従って、第１の差圧Ｐａと第２の差圧Ｐｂとの差圧比は、ガス化炉１０の圧力、固体燃料の流量及び搬送ガスの流量による影響を受けない値となるので、この差圧比により得られる流量損失係数λ′を基準にすれば、固体燃料流路１３の流路閉塞状況を確実に判断することができる。すなわち、流量損失係数λ′が所定値以上か否かを判断基準とし、この流量損失係数λ′が所定値以上に大きい場合を所定の閉塞状態と判断するようにすれば、固体燃料流路１３の流路閉塞状況をより一層確実に判断することができる。
このような冷却水温度制御装置３０Ａ及び閉塞検知装置４０Ａは、上述したバーナ１２に適用可能なだけでなく、図２〜図４に示した他のバーナ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃにも適用可能である。

続いて、上述した冷却水温度検出装置３０の第２変形例を図７に基づいて説明する。なお、図７において、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この第２変形例においては、冷却水温度制御手段として冷却水温度制御装置３０Ｂが設けられている。この冷却水温度制御装置３０Ｂは、固体燃料流路１３の内壁面温度を検出する温度センサ５０を備え、この温度センサ５０で検出した内壁面温度が所定値以上の高温を検出した場合に冷却水温度を低下させるように制御する。

すなわち、温度センサ５０が所定値以上の高温を検出すると、固体燃料流路１３の内壁面温度が高く固体燃料の粒子を膨張・溶融させると判断できるため、閉塞状態検出信号を出力する。この場合の閉塞状態検出信号は、設定温度にもよるが、厳密には閉塞状態警報の信号であり、閉塞状態になる可能性があることを検出して、給水ポンプ給水の混合割合を増すことにより冷却水温度を低下させて予防するものである。
このように、固体燃料流路１３の内壁面温度を温度センサ５０で検出して制御するようにしたので、温度センサ５０で検出した実際の内壁面温度に基づいて固体燃料流路１３の流路閉塞状況（閉塞の可能性）を確実に判断することができる。
このような冷却水温度制御装置３０Ｂについても、上述したバーナ１２と同様に、図２〜図４に示した他のバーナ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃにも適用可能である。

また、このような温度センサ５０の検出温度は、図８に示す第３変形例のように、上述した閉塞検知装置４０，４０Ａにより出力される閉塞状況検出信号と併用してもよい。すなわち、図８に示す冷却水温度制御装置３０Ｃのように、閉塞検知装置４０により固体燃料流路１３の閉塞状況をダイレクトに検出するとともに、温度センサ５０により固体燃料流路１３の内壁面温度を検出し、この内壁面温度が固体燃料の粘結性に応じて定まる設定温度以上とならないように冷却水温度を調整する。
従って、閉塞検出装置４０が固体燃料流路１３の閉塞状態を検出して冷却水の温度を低下させる場合には、温度センサ５０の検出温度を利用することにより、冷却水の温度を下げすぎてガス化炉１０の運転効率が低下しないように制御することができる。すなわち、ガス化炉１０の運転効率低下を最小限に抑えて、固体燃料粒子のアグロメや固体燃料供給管１３の閉塞を効率よく防止することが可能になる。

このような冷却水温度制御装置３０Ｃ及び閉塞検知装置４０についても、上述したバーナ１２と同様に、図２〜図４に示した他のバーナ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃにも適用可能である。また、冷却水温度制御装置３０Ｃに閉塞検出信号を出力する閉塞検知装置４０についても、差圧比から流路損失係数λ′を換算する方式の閉塞検知装置４０′と組み合わせてもよい。

このように、本発明の高粘結性炭用バーナ１２及びガス化炉１０によれば、粘結性の高い固体燃料をガス化するガス化炉１０に用いられる高粘結性炭用バーナ１２は、固体燃料流路１３とガス化剤流路１４との間に冷却水を循環または流す冷却水流路２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを備えた同心の三重管構造としたので、固体燃料流路１３とガス化剤流路１４との間に生じる温度差は、間に設けられた冷却水流路２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを流れる冷却水により低減される。このため、固体燃料の粒子が高温のガス化剤から受ける加熱量は減少し、高粘結性固体燃料の粒子が温度上昇することによる溶融・膨張を防止または抑制できるようになる。

従って、高粘結性の固体燃料が温度上昇することにより、溶融・膨張した隣接粒子どうしがアグロメして燃焼不良の原因になったり、あるいは、固体燃料流路１３の内壁面に付着して閉塞させることを防止できるので、高粘結性炭用バーナ及びガス化炉の安定した運転が可能になる。また、高粘結性炭用バーナ及びガス化炉に使用できる粘結性の高い固体燃料について、適用範囲を拡大することも可能になる。

さらに、使用後の冷却水は、温度上昇した冷却水を回収し、たとえば発電用水蒸気へと変換して利用すればエネルギーロスをなくすことができ、ガス化剤としてガス化炉へ投入すればガス化反応によりガス化ガスに変換されるので、ガス化炉１０の運転に有効利用することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る高粘結性炭用バーナ及びガス化炉の第１の実施形態を示す要部の構成図である。 螺旋管方式を採用した高粘結性炭用バーナ及びガス化炉を示す要部の構成図である。 円環方式を採用した高粘結性炭用バーナ及びガス化炉を示す要部の構成図である。 本発明に係る高粘結性炭用バーナ及びガス化炉の第２の実施形態を示す要部の構成図である。 本発明に係る高粘結性炭用バーナ及びガス化炉の第３の実施形態を示す要部の構成図である。 図５に示した高粘結性炭用バーナ及びガス化炉の第１変形例を示す要部の構成図である。 図５に示した高粘結性炭用バーナ及びガス化炉の第２変形例を示す要部の構成図である。 図５に示した高粘結性炭用バーナ及びガス化炉の第３変形例を示す要部の構成図である。 石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ）の概要を示すブロック図である。 高粘結性炭用バーナ及びガス化炉の従来例を示す要部の構成図である。

符号の説明

１０ ガス化炉
１１ 周壁（炉壁）
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ 高粘結性炭用バーナ（バーナ）
１３ 固体燃料流路
１４ ガス化剤流路
２０ 冷却水流路
２０Ａ 冷却水螺旋流路
２０Ｂ 冷却水円環流路
２０Ｃ 冷却水通過流路
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ 冷却水温度制御装置
４０，４０Ａ 閉塞検知装置
５０ 温度センサ

Claims (7)

1. 粒子状に粉砕された高粘結性の固体燃料をガス化するガス化炉の炉壁を貫通して取り付けられ、前記固体燃料を気流搬送によりガス化炉内へ供給する固体燃料流路と、ガス化剤をガス化炉内へ供給するガス化剤流路とが二重管構造に配設されている高粘結性炭用バーナにおいて、
   前記固体燃料流路と前記ガス化剤流路との間に冷却水を循環させる冷却水流路を備えた三重管構造とされ、前記冷却水が使用後に回収されるとともに、
   前記固体燃料流路の閉塞状態を検知して前記冷却水の温度を調整する冷却水温度制御手段を備えていることを特徴とする高粘結性炭用バーナ。
2. 粒子状に粉砕された高粘結性の固体燃料をガス化するガス化炉の炉壁を貫通して取り付けられ、前記固体燃料を気流搬送によりガス化炉内へ供給する固体燃料流路と、ガス化剤をガス化炉内へ供給するガス化剤流路とが二重管構造に配設されている高粘結性炭用バーナにおいて、
   前記固体燃料流路と前記ガス化剤流路との間に冷却水を流す冷却水流路を備えた三重管構造とされ、前記冷却水がガス化剤として前記ガス化炉内へ投入されるとともに、
   前記固体燃料流路の閉塞状態を検知して前記冷却水の温度を調整する冷却水温度制御手段を備えていることを特徴とする高粘結性炭用バーナ。
3. 前記冷却水温度制御手段は、前記固体燃料流路のバーナ入口と、該バーナ入口より下流側の適所との間の差圧を検出し、該差圧から換算される流量損失係数が所定値以上まで増加した場合に冷却水温度を低下させることを特徴とする請求項１または２に記載の高粘結性炭用バーナ。
4. 前記冷却水温度制御手段は、バーナ入口と該バーナ入口より下流側の適所との間で検出した第１の差圧と、前記固体燃料流路の上流側に接続される燃料供給配管に設定した任意の区間で計測される第２の差圧との差圧比から換算される流量損失係数が所定値以上に増加した場合に冷却水温度を低下させることを特徴とする請求項１または２に記載の高粘結性炭用バーナ。
5. 前記冷却水温度制御手段は、前記固体燃料流路の内壁面温度を検出し、該内壁面温度が所定値以上の高温を検出した場合に冷却水温度を低下させることを特徴とする請求項１または２に記載の高粘結性炭用バーナ。
6. 前記冷却水温度制御手段は、前記固体燃料流路の内壁面温度を検出し、該内壁面温度が前記固体燃料の粘結性に応じて定まる設定温度以上とならないように冷却水温度を調整することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の高粘結性炭用バーナ。
7. 粒子状にした高粘結性炭等の固体燃料を気流搬送によりガス化炉内へ供給し、ガス化剤とともに高圧環境下でガス化処理するガス化炉が、請求項１から６のいずれか１項に記載の高粘結性炭用バーナを備えていることを特徴とするガス化炉。

Images