JP5256807B2 - ガス化設備の運転方法 - Google Patents

Description

本発明はガス化設備の運転方法に関する。

従来より種々のガス化設備が提案されており、例えば、ガス化炉と燃焼炉とを有する２塔式と称される循環流動層ガス化設備がある（特許文献１参照）。

この２塔式ガス化設備を構成するガス化炉は、下部から供給される蒸気により流動媒体（硅砂、石灰石等）の流動層を形成して上部から投入される原料（石炭、バイオマス、タイヤチップ等）のガス化を行い生成ガスと未反応チャーとを生成し、ガス化炉で生成した生成ガスは導出系路により外部に取り出され、又、ガス化炉で生成した未反応チャーと流動媒体との混合物は導入管により燃焼炉へ導入されるようになっている。

前記２塔式ガス化設備を構成する燃焼炉は、下部から吹き上げ用空気が供給されて流動層を形成することによりガス化炉から導入される未反応チャーを燃焼させて流動媒体を加熱するようになっており、吹き上げられた燃焼排ガスは、ホットサイクロン等の媒体分離装置に導入されて流動媒体と排ガスとに分離され、分離した流動媒体は前記ガス化炉に供給されるようになっている。

上記２塔式ガス化設備では、ガス化炉の容量を大きくすることにより原料のガス化時間を長く保持させ、これによって石炭のように固定炭素分が多い原料においても効果的にガス化できるという特長を有している。

上記２塔式ガス化設備の起動時、特にコールドスタート時には、流動媒体を先ず原料のガス化が可能な温度まで加熱する必要があり、このため、従来はＬＮＧ、ＬＰＧ及び軽油等の燃料を燃焼させて加熱していた。しかし、２塔式ガス化設備のように容量が大きいガス化炉及び燃焼炉に収容される大量の流動媒体を、原料のガス化が可能な温度まで加熱するにはＬＮＧ、ＬＰＧ及び軽油等の大量の燃料が必要であり、しかもこうした燃料は比較的高価であるために、流動媒体の加熱に多大の費用が掛るという問題を有していた。又、ガス化設備は、可燃性の生成ガスを生成することから、ガス化設備の起動及び停止時には、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を不活性のガスでパージすることにより安全を図る必要があり、このために従来では窒素（Ｎ₂）等の不活性ガスを供給することによってパージしていた。しかし、ガス化炉のパージには一般にガス化炉の容積の５倍程度の不活性ガスが必要であるとされ、このために大型の窒素製造装置が必要となり、パージのための費用が増大するといった問題を有していた。

このため、ガス化設備においては、特にガス化設備のコールドスタート時における流動媒体の加熱に要する費用を軽減することができ、更に、ガス化炉及び生成ガスの導出系路をパージする作業を効果的にしかも安価に行える技術の開発が望まれているが、現在このような技術は提案されていない。
特開２００５−０４１９５９号公報

本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、特にガス化設備のコールドスタート時における流動媒体の加熱に要する費用を軽減でき、更に、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を効果的にしかも安価にパージできるようにしたガス化設備の運転方法を提供しようとするものである。

本発明は、原料のガス化を行い生成ガスと未反応チャーとを生成し、生成した生成ガスを導出系路から導出するガス化炉と、該ガス化炉で生成した未反応チャーを導入して燃焼させることにより流動媒体を加熱し燃焼排ガスから流動媒体を分離して前記ガス化炉に供給する燃焼炉と、少なくとも前記燃焼炉からの排ガスと熱交換して蒸気を生成する排熱回収ボイラとを有するガス化設備の運転方法であって、
ガス化設備のコールドスタート時は
燃焼炉及びガス化炉に流動用空気を供給して燃焼炉とガス化炉とを空気パージする空気パージ工程と、
燃焼炉に流動用空気を供給して燃焼炉流動層を流動化させると共に予熱燃料を供給して燃焼炉流動層を石炭の自然着火温度まで予熱する燃焼炉流動層予熱工程と、
燃焼炉流動層が石炭の自然着火温度に高められた後燃焼炉に石炭を投入し、石炭の燃焼により燃焼炉流動層を加熱すると同時に予熱燃料の供給を徐々に減少させて供給を停止する燃焼炉石炭投入・予熱燃料消火工程と、
ガス化炉に流動用空気を供給し、ガス化炉流動層を流動化してガス化炉の流動媒体を燃焼炉へ供給させる共に、燃焼炉に吹き上げ用空気を供給して燃焼炉流動層の流動媒体をガス化炉へ循環させる循環開始工程と、
ガス化炉に供給している流動用空気を徐々に減少すると同時に、燃焼炉からの排ガスと熱交換している排熱回収ボイラからの蒸気をガス化炉に対して徐々に増加するように供給し、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を蒸気でパージする起動時パージ工程と、
燃焼炉流動層の温度がガス化に必要な目標温度に到達するとガス化炉に原料を供給して原料の蒸気によるガス化を開始するガス化原料投入工程と、
燃焼炉へ未反応チャーが導入されることに伴い燃焼炉流動層が目標温度が維持されるように、燃焼炉への石炭の供給を徐々に減少して石炭の供給を停止することからなる原料のガス化運転工程とを有し、
ガス化設備の停止時は
排熱回収ボイラによる蒸気の生成が継続されるように、燃焼炉に石炭を徐々に増加して供給すると同時に、ガス化炉に対する原料の供給を徐々に減少させて供給を停止するガス化炉石炭停止工程と、
ガス化炉への原料の供給が停止された後、前記排熱回収ボイラからの蒸気を引き続きガス化炉へ供給することによりガス化炉及び生成ガスの導出系路を蒸気でパージする停止時パージ工程と、
燃焼炉への石炭の供給を停止する燃焼炉石炭停止工程とを有する
ことを特徴とするガス化設備の運転方法、に係るものである。

上記ガス化設備の運転方法において、燃焼炉流動層予熱工程と同時に、ガス化炉にも流動用空気を供給して流動化させると共に予熱燃料を供給してガス化炉流動層を並行して予熱することは好ましい。

又、上記ガス化設備の運転方法において、燃焼炉流動層予熱工程と同時にガス化炉流動層を並行して予熱する際に、ガス化炉出口の排ガスを燃焼炉からの排ガスに合流させることは好ましい。

又、上記ガス化設備の運転方法において、燃焼炉石炭停止工程の後に、燃焼炉への流動用空気の供給を停止して燃焼炉をバンキング状態に保持することができる。

又、上記ガス化設備の運転方法において、燃焼炉石炭停止工程の後に、燃焼炉への流動用空気の供給とガス化炉への流動用空気の供給を行ってガス化設備を冷却することができる。

又、上記ガス化設備の運転方法において、予熱燃料にはＬＮＧ、ＬＰＧ、軽油のいずれかを用いることができる。

本発明のガス化設備の運転方法によれば、ガス化設備のコールドスタート時には、燃焼炉に流動用空気を供給して燃焼炉流動層を流動化させると共にＬＮＧ、ＬＰＧ、軽油のような予熱燃料を供給して燃焼炉流動層を石炭の自然着火温度まで予熱し、その後は燃焼炉に石炭を投入して石炭の燃焼により燃焼炉流動層を加熱し、その後、流動媒体を燃焼炉とガス化炉との間で循環させて加熱するようにしているので、ＬＮＧ、ＬＰＧ、軽油のような高価な予熱燃料の使用量を燃焼炉の燃焼炉流動層を予熱するためだけの少量とすることができるため、コールドスタート時における流動媒体加熱のための費用を大幅に節減できるという効果を有する。

ガス化設備の起動時には、燃焼炉からの排ガスと熱交換する排熱回収ボイラからの蒸気をガス化炉へ供給することにより、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を蒸気でパージするので、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を排熱を利用した蒸気によって効果的にしかも安価にパージできるという効果を有する。

ガス化設備の停止時には、排熱回収ボイラにおける蒸気の生成を維持し、その蒸気をガス化炉へ供給することにより、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を蒸気でパージするので、ガス化設備の停止時にも、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を排熱を利用した蒸気によって効果的にしかも安価にパージできるという効果を有する。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する２塔式ガス化設備の一例を示すもので、このガス化設備はガス化炉１と燃焼炉９とから構成されており、ガス化炉１は、下部の図示しない散気装置から供給される蒸気２により流動媒体（硅砂、石灰石等）のガス化炉流動層３を形成して上部から投入される原料４（石炭、バイオマス、タイヤチップ等）のガス化を行い生成ガスと未反応チャーとを生成し、ガス化炉１で生成した生成ガス５は導出系路６を介して生成ガス処理系統７へ供給するようにしている。前記ガス化炉１で生成した未反応チャーと流動媒体との混合物８は、オーバーフローにより燃焼炉９へ導入されるようになっている。

燃焼炉９は、下部の図示しない散気装置から流動用空気１０が供給されて燃焼炉流動層１１を形成することにより、前記ガス化炉１から供給される未反応チャーを燃焼させて流動媒体を加熱するようになっており、流動によって吹き上げられた燃焼排ガス１２は燃焼炉９の上部から導出され、ホットサイクロン等の媒体分離装置１３に導入されて流動媒体１４と排ガス１５とに分離され、分離した流動媒体１４は前記ガス化炉１に戻されるようになっており、又、前記媒体分離装置１３で流動媒体１４が分離された排ガス１５は、排ガス系路１６により排ガス処理系統１７に供給されるようになっている。

又、前記導出系路６と排ガス系路１６の夫々には熱交換器１８，１９が配置されて排熱回収ボイラ２０を構成しており、給水を前記熱交換器１８，１９に供給して蒸気２を生成し、この蒸気２を前記ガス化炉１の下部に供給するようにしている。

又、燃焼炉９の下部には、ＬＮＧ、ＬＰＧ、軽油等の予熱燃料２２を供給できるようにしており、更に、燃焼炉９の燃焼炉流動層１１の上部には、石炭２３を供給できるようにしている。又、前記ガス化炉１の下部には、流動用空気２１を供給できるようにしており、更に、ＬＮＧ、ＬＰＧ、軽油等の予熱燃料２２'を供給できるようにしている。

又、生成ガス処理系統７入口の導出系路６と、排ガス処理系統１７入口の排ガス系路１６との間には、相互間を接続して、ガス化炉１出口の排ガスを燃焼炉９からの排ガス１５に合流できるようにしたバイパスダクト２４を設けている。図中、２５は燃焼炉流動層１１の温度を計測する燃焼炉温度計、２６はガス化炉流動層３の温度を計測するガス化炉温度計、２７は生成ガス５の酸素濃度（Ｏ₂濃度）、可燃性ガスの濃度を計測するガス成分計である。

以下に、図１に示したガス化設備の運転方法を、簡略化して示した図２〜１８図を参照して説明する。
（Ｉ）ガス化設備のコールドスタート時

図２に示す如く、燃焼炉９に流動用空気１０を供給すると共に、ガス化炉１に流動用空気２１を供給して、燃焼炉９とガス化炉１の空気パージを行う（空気パージ工程）。この空気パージ工程は、通常の流動層ボイラ等において実施されている運転法規に基づいて行われるものである。空気パージの終了後、ガス化炉１側の流動用空気１０の供給は一旦停止してもよいが、ガス化設備が空気予熱器を備えている場合には、排ガスの排熱をガス化炉流動層３の昇温に寄与できるため、そのままガス化炉１への流動用空気１０の通気・流動化を継続してもよい。

次に、図３に示す如く、燃焼炉９に流動用空気１０を供給して燃焼炉流動層１１を流動化させると共に、予熱燃料２２（ＬＰＧ）を供給して燃焼することにより燃焼炉流動層１１の予熱を行う（燃焼炉流動層予熱工程）。

次に、図４に示す如く、燃焼炉温度計２５で検出している燃焼炉流動層１１の温度が、石炭の自然着火温度（４８０℃）に到達すると、燃焼炉９への石炭２３の投入を開始し、石炭２３の燃焼により燃焼炉流動層１１を加熱すると同時に予熱燃料２２の供給を徐々に減少させて予熱燃料２２の供給を停止する（燃焼炉石炭投入・予熱燃料消火工程）。

次に、図５に示す如く、ガス化炉１に流動用空気２１を供給し、ガス化炉流動層３を流動化してガス化炉１の流動媒体１４を燃焼炉９へ供給させる共に、図６に示す如く、燃焼炉９に前記流動用空気１０より空気量を増加させた吹き上げ用空気１０'を供給することにより燃焼炉流動層１１の流動媒体１４をガス化炉１へ戻すことにより循環を開始する（循環開始工程）。

石炭２３の投入量が増加されて流動媒体１４の循環が行われることにより、ガス化炉流動層３は９００℃〜１０００℃の石炭のガス化に必要な目標温度に向かって加熱されるようになり、このとき、図７に示す如く排熱回収ボイラ２０による蒸気２の発生が開始される。この時の蒸気２は系外に排出するか又は回収する。蒸気２の圧力がガス化炉流動層３を流動化できる圧力に到達すると、図８に示す如く、排熱回収ボイラ２０の蒸気２をガス化炉１下部に供給する。この時、既にガス化炉１に供給されている流動用空気２１の供給量を徐々に減少させると同時に、排熱回収ボイラ２０からの蒸気２の供給を徐々に増加するようにラップさせて切り替える。これにより、図９に示す如く、ガス化炉１及び生成ガスの導出系路６の残留空気は蒸気２によってパージされる（起動時パージ工程）。この起動時パージは、ガス成分計２７で計測している酸素濃度（Ｏ₂濃度）が零に近い設定濃度になるまでパージを行う。

次に、図１０に示す如く、燃焼炉温度計２５で検出している燃焼炉流動層１１の温度がガス化に必要な目標温度（９００℃〜１０００℃）に到達すると、ガス化炉１に原料４（石炭）を投入し原料４の蒸気２によるガス化を開始する（ガス化原料投入工程）。

次に、ガス化炉１への原料４の投入により、未反応チャーが燃焼炉９へ供給されるようになり、これによって燃焼炉９で燃焼される燃焼量が増加されることになるので、未反応チャーが燃焼炉９へ導入されるに伴い前記燃焼炉流動層１１が目標温度が維持されるように、燃焼炉９への石炭２３の供給を徐々に減少させて図１１に示す如く石炭の供給を停止する（ガス化運転工程）。又、ガス化運転において、燃焼炉流動層１１の温度が目標温度より低下した場合には、図１２に示す如く、燃焼炉流動層１１が目標温度を維持されるように、燃焼炉９に石炭２３'を補助的に供給して助燃することもできる。

上記したように、ガス化設備のコールドスタート時には、燃焼炉９に流動用空気１０を供給して燃焼炉流動層１１を流動化させると共にＬＮＧ、ＬＰＧ、軽油のような予熱燃料２２を供給して燃焼炉流動層１１を石炭の自然着火温度まで予熱し、その後は燃焼炉９に石炭２３を投入して石炭２３の燃焼によって燃焼炉流動層１１を加熱し、その後、流動媒体１４を燃焼炉９とガス化炉１との間で循環させて加熱を行うようにしたので、ＬＮＧ、ＬＰＧ、軽油のような高価な予熱燃料２２の使用量を燃焼炉９の燃焼炉流動層１１を予熱するためだけの少量とすることができるため、コールドスタート時における流動媒体加熱のための費用を大幅に節減することができる。

更に、ガス化設備の起動時には、燃焼炉９からの排ガス１５と熱交換する排熱回収ボイラ２０からの蒸気２をガス化炉１へ供給することにより、ガス化炉１及び生成ガス５の導出系路６を蒸気２でパージするので、ガス化炉１及び生成ガス５の導出系路６を排熱を利用した蒸気２によって効果的にしかも安価にパージすることができる。

尚、上記ガス化設備のコールドスタート時の運転において、図３に示す燃焼炉流動層予熱工程と同時に、ガス化炉１にも流動用空気１０を供給してガス化炉流動層３を流動させると共に予熱燃料２２'を供給してガス化炉流動層３を並行して予熱することができ、このようにすると、流動媒体の温度を早急に高めて、ガス化設備への原料投入によるガス化を開始までの時間を短縮することができる。

又、上記ガス化設備のコールドスタート時の運転において、図３に示すように燃焼炉流動層予熱工程と同時にガス化炉１に予熱燃料２２'を供給してガス化炉流動層３を並行して予熱する際に、バイパスダクト２４を介してガス化炉１出口の排ガスを燃焼炉９からの排ガス１５に合流させることができる。このようにすると、燃焼炉９の排ガス系路１６には図１に示すように排ガス処理系統１７が備えられているので、ガス化炉１出口の排ガスを排ガス処理系統１７で処理するようにし、ガス化炉１出口の排ガスを生成ガス処理系統７に導入させないようにすることができる。
（ＩＩ）ガス化設備の停止時

ガス化設備によるガス化運転を停止するには、図１３に示す如く、排熱回収ボイラ２０による蒸気２の生成が継続されるように、燃焼炉９に石炭２３を徐々に増加して供給すると同時に、図１４に示す如く、ガス化炉１に対する原料４の供給を徐々に減少させて供給を停止する（ガス化炉原料停止工程）。

ガス化炉１への原料４の供給が停止された後は、図１５に示す如く、燃焼炉９へは吹き上げ用空気１０'を供給するようにし、排熱回収ボイラ２０からの蒸気２は引き続きガス化炉１へ供給してガス化炉１及び生成ガス５の導出系路６を蒸気２でパージする（停止時パージ工程）。尚、停止時パージ工程は、ガス成分計２７で計測している可燃性ガスの濃度が零に近い設定濃度になるまでパージを行う。

次に、図１６に示す如く、前記燃焼炉９への石炭２３の供給を停止する（燃焼炉石炭停止工程）。

上記したように、ガス化設備のガス化停止時には、排熱回収ボイラ２０における蒸気２の生成を維持し、その蒸気２をガス化炉１へ供給することにより、ガス化炉１及び生成ガス５の導出系路６を蒸気２でパージするようにしたので、ガス化設備の停止時にも、ガス化炉１及び生成ガス５の導出系路６を排熱を利用した蒸気２によって効果的にしかも安価にパージすることができる。

尚、上記ガス化設備の停止時の運転において、図１６に示す燃焼炉石炭停止工程の後に、図１７に示すように燃焼炉９への流動用空気１０の供給を停止することにより燃焼炉９をバンキング状態に保持することができ、このようにすると、燃焼炉９の流動媒体の温度を保温できるため、ガス化設備を再起動させる際に有利となる。

又、上記ガス化設備の運転において、図１６に示す燃焼炉石炭停止工程の後に、図１８に示すように燃焼炉９への流動用空気１０の供給とガス化炉１への流動用空気２１の供給を行うことによりガス化設備を冷却することができる。

なお、本発明は上記形態にのみ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種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する２塔式ガス化設備の一例を示す概略側面図である。 ガス化設備のコールドスタート時における空気パージ工程の説明図である。 燃焼炉流動層予熱工程の説明図である。 燃焼炉石炭投入・予熱燃料消火工程の説明図である。 ガス化炉流動層の流動化を開始する状態を示す説明図である。 循環開始工程の説明図である。 蒸気の発生が開始される状態を示す説明図である。 ガス化炉へ蒸気を投入する状態を示す説明図である。 起動時パージ工程の説明図である。 ガス化炉へガス化原料を投入する状態を示す説明図である。 ガス化運転工程の説明図である。 ガス化運転において温度保持のために助燃する状態を示す説明図である。 ガス化設備の停止時に燃焼炉へ石炭を投入する状態を示す説明図である。 ガス化炉原料停止工程の説明図である。 停止時パージ工程の説明図である。 燃焼炉への石炭の投入を停止する状態を示す説明図である。 燃焼炉をバンキング状態に保持する状態を示す説明図である。 燃焼炉とガス化炉へ流動用空気を供給してガス化設備を冷却する状態を示す説明図である。

符号の説明

１ ガス化炉
２ 蒸気
３ ガス化炉流動層
４ 原料
５ 生成ガス
６ 導出系路
９ 燃焼炉
１０ 流動用空気
１０' 吹き上げ用空気
１１ 燃焼炉流動層
１４ 流動媒体
１５ 排ガス
２０ 排熱回収ボイラ
２１ 流動用空気
２２ 予熱燃料
２２' 予熱燃料
２３ 石炭

Claims (6)

1. 原料のガス化を行い生成ガスと未反応チャーとを生成し、生成した生成ガスを導出系路から導出するガス化炉と、該ガス化炉で生成した未反応チャーを導入して燃焼させることにより流動媒体を加熱し燃焼排ガスから流動媒体を分離して前記ガス化炉に供給する燃焼炉と、少なくとも前記燃焼炉からの排ガスと熱交換して蒸気を生成する排熱回収ボイラとを有するガス化設備の運転方法であって、
   ガス化設備のコールドスタート時は
   燃焼炉及びガス化炉に流動用空気を供給して燃焼炉とガス化炉とを空気パージする空気パージ工程と、
   燃焼炉に流動用空気を供給して燃焼炉流動層を流動化させると共に予熱燃料を供給して燃焼炉流動層を石炭の自然着火温度まで予熱する燃焼炉流動層予熱工程と、
   燃焼炉流動層が石炭の自然着火温度に高められた後燃焼炉に石炭を投入し、石炭の燃焼により燃焼炉流動層を加熱すると同時に予熱燃料の供給を徐々に減少させて供給を停止する燃焼炉石炭投入・予熱燃料消火工程と、
   ガス化炉に流動用空気を供給し、ガス化炉流動層を流動化してガス化炉の流動媒体を燃焼炉へ供給させる共に、燃焼炉に吹き上げ用空気を供給して燃焼炉流動層の流動媒体をガス化炉へ循環させる循環開始工程と、
   ガス化炉に供給している流動用空気を徐々に減少すると同時に、燃焼炉からの排ガスと熱交換している排熱回収ボイラからの蒸気をガス化炉に対して徐々に増加するように供給し、ガス化炉及び生成ガスの導出系路を蒸気でパージする起動時パージ工程と、
   燃焼炉流動層の温度がガス化に必要な目標温度に到達するとガス化炉に原料を供給して原料の蒸気によるガス化を開始するガス化原料投入工程と、
   燃焼炉へ未反応チャーが導入されることに伴い燃焼炉流動層が目標温度が維持されるように、燃焼炉への石炭の供給を徐々に減少して石炭の供給を停止することからなる原料のガス化運転工程とを有し、
   ガス化設備の停止時は
   排熱回収ボイラによる蒸気の生成が継続されるように、燃焼炉に石炭を徐々に増加して供給すると同時に、ガス化炉に対する原料の供給を徐々に減少させて供給を停止するガス化炉原料停止工程と、
   ガス化炉への原料の供給が停止された後、前記排熱回収ボイラからの蒸気を引き続きガス化炉へ供給することによりガス化炉及び生成ガスの導出系路を蒸気でパージする停止時パージ工程と、
   燃焼炉への石炭の供給を停止する燃焼炉石炭停止工程とを有する
   ことを特徴とするガス化設備の運転方法。
2. 燃焼炉流動層予熱工程と同時に、ガス化炉にも流動用空気を供給して流動化させると共に予熱燃料を供給してガス化炉流動層を並行して予熱する請求項１に記載のガス化設備の運転方法。
3. 燃焼炉流動層予熱工程と同時にガス化炉流動層を並行して予熱する際に、ガス化炉出口の排ガスを燃焼炉からの排ガスに合流させる請求項２に記載のガス化設備の運転方法。
4. 燃焼炉石炭停止工程の後に、燃焼炉への流動用空気の供給を停止して燃焼炉をバンキング状態に保持する請求項１に記載のガス化設備の運転方法。
5. 燃焼炉石炭停止工程の後に、燃焼炉への流動用空気の供給とガス化炉への流動用空気の供給を行ってガス化設備を冷却する請求項１に記載のガス化設備の運転方法。
6. 予熱燃料はＬＮＧ、ＬＰＧ、軽油のいずれかである請求項１〜３のいずれか１つに記載のガス化設備の運転方法。

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