JP2012241104A - 石炭ガス化システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】石炭をガス化させることで少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを製造する石炭ガス化システム1であって、石炭を気流搬送する石炭供給装置11と、石炭供給装置により石炭を供給され、二酸化炭素ガスを含む生成ガスを発生させるガス化反応装置12と、生成ガスを、二酸化炭素ガスの濃度が低い希薄ガスと希薄ガスに比べて二酸化炭素ガスの濃度が高い濃厚ガスとに分離する二酸化炭素回収装置17と、希薄ガスを搬送する希薄ガス流路21と、濃厚ガスを搬送する濃厚ガス流路22とを備え、石炭供給装置には、希薄ガス流路により搬送された希薄ガスおよび濃厚ガス流路により搬送された濃厚ガスのいずれか一方が供給可能とされている。
【選択図】図1
Description
その1つとして、特許文献1に開示された合成システム(石炭ガス化システム)がある。この合成システムでは、ガス化反応器のバーナーに炭素質燃料および酸素含有ガスを供給するにあたり、二酸化炭素ガスを含有した搬送ガスを使用している。
本発明の石炭ガス化システムは、石炭をガス化させることで少なくとも水素ガスおよび二酸化炭素ガスを製造する石炭ガス化システムであって、石炭を気流搬送する石炭供給装置と、前記石炭供給装置により前記石炭を供給され、一酸化炭素ガス、水素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む生成ガスを発生させるガス化反応装置と、前記生成ガスを、二酸化炭素ガスの濃度が高い濃厚ガスと前記濃厚ガスに比べて二酸化炭素ガスの濃度が低い希薄ガスとに分離する二酸化炭素回収装置と、前記濃厚ガスを搬送する濃厚ガス流路と、前記希薄ガスを搬送する希薄ガス流路と、を備え、前記石炭供給装置には、前記濃厚ガス流路により搬送された前記濃厚ガスおよび前記希薄ガス流路により搬送された前記希薄ガスのいずれか一方が供給可能とされていることを特徴としている。
この発明によれば、二酸化炭素ガスの吸着量が多い石炭を気流搬送するときには二酸化炭素濃厚ガスを用いることで、二酸化炭素ガスを充分に吸着した石炭がガス化反応装置に投入されることになる。このようにして、ガス化反応装置内で石炭中の炭素の近傍に二酸化炭素ガスがある状態で炭素と二酸化炭素ガスとを反応させることで、一酸化炭素ガスが発生しやすくなる。
また、上記の石炭ガス化システムにおいて、前記ガス化反応装置から発生するチャーを回収するチャー回収装置と、前記チャー回収装置で回収された前記チャーを気流搬送により前記ガス化反応装置に供給するチャー供給装置と、を備え、前記濃厚ガス流路は、前記チャー供給装置に前記濃厚ガスを供給することがより好ましい。
請求項2に記載の石炭ガス化システムによれば、石炭供給装置に供給するガスを容易に切り替えることができる。
請求項3に記載の石炭ガス化システムによれば、石炭に比べて二酸化炭素ガスの吸着量が多いチャーを、チャーの近傍に二酸化炭素ガスがあるようにすることで、二酸化炭素ガスとチャー中の炭素を効果的に反応させることができる。
本実施形態の石炭ガス化システム1は、石炭供給器(石炭供給装置)11と、ガス化反応器(ガス化反応装置)12と、熱回収器13と、除塵器(チャー回収装置)14と、シフト反応器15と、ガス冷却・ガス精製器16と、CO2回収器(二酸化炭素回収装置)17と、チャー供給器(チャー供給装置)18とを備えている。
一般に、石炭は外径が不均一であり、亜瀝青炭や褐炭には、たとえば30〜60%程度もの多量の水分が含有されている。そこで、不図示の石炭粉砕・乾燥器において石炭を粉砕・加熱し、含有水分を2%〜20%まで乾燥させるとともに外径をたとえば10μm以上100μm以下程度の粒状となるように粉砕することで、石炭の性状を調節した後、石炭供給器11に送る。石炭供給器11は、CO2回収器17で分離された後述する濃厚ガスなどにより昇圧した状態で石炭を気流搬送によりガス化反応器12に送る。
2C+O2→2CO ・・・(1)
C+O2→CO2 ・・・(2)
C+H2O→CO+H2 ・・・(3)
C+CO2→2CO ・・・(4)
なお、化学反応式(1)〜(4)の反応時には、チャー(未ガス化石炭残滓または熱分解残滓)なども発生する。
熱回収器13で冷却された生成ガスは、除塵器14に供給される。除塵器14には不図示のフィルタが内蔵されていて、生成ガスに含まれていてフィルタに引っかかったチャーが希薄ガスを用いてフィルタよりチャーを払い落すことで回収される。除塵器14で回収されたチャーは、チャー供給器18に供給される。
除塵器14を通過した生成ガスは、シフト反応器15に供給される。そして、生成ガス中における一酸化炭素ガスに対する水素ガスの比率を一定の値まで高めるために、シフト反応器15中に水蒸気が供給され、下記の化学反応式(5)で示されるシフト反応により、生成ガス中一酸化炭素ガスが消費されて水素ガスが発生する。
CO+H2O→CO2+H2 ・・・(5)
ガス冷却・ガス精製器16を通過した生成ガスはCO2回収器17に搬送され、CO2回収器17で公知の方法により、二酸化炭素ガスの濃度が低い希薄ガスと、希薄ガスに比べて二酸化炭素ガスの濃度が高い濃厚ガスとに分離される。
希薄ガス中の二酸化炭素ガスの濃度は、たとえば、容量比で20%以下に調節されていて、希薄ガス中には、主に水素ガスおよび一酸化炭素ガスが含まれている。なお、水素ガスおよび一酸化炭素ガスは、炭素とは反応しにくいガスである。
一方で、濃厚ガス中の二酸化炭素ガスの濃度は、たとえば、容量比で90%以上に調節されている。
希薄ガス流路21には圧縮機23が設けられていて、希薄ガス流路21内を流れる希薄ガスの圧力を高めている。同様に、濃厚ガス流路22には圧縮機24が設けられていて、濃厚ガス流路22内を流れる濃厚ガスの圧力を高めている。
第一の希薄ガス分岐路26の他方の端部と第一の濃厚ガス分岐路28の他方の端部とには、ガスを貯蔵可能な貯蔵タンク30aが設けられた第一の接続管30の一端が接続されていて、第一の接続管30の他端は石炭供給器11およびガス化反応器12のガス化バーナー12aに接続されている。
第二の希薄ガス分岐路27の他方の端部と第二の濃厚ガス分岐路29の他方の端部とには、ガスを貯蔵可能な貯蔵タンク31aが設けられた第二の接続管31の一端が接続されていて、第二の接続管31の他端はチャー供給器18に接続されている。
同様に、第二の希薄ガス分岐路27および第二の濃厚ガス分岐路29により、開閉バルブ27a、29aを操作することで、チャー供給器18に希薄ガスおよび濃厚ガスのいずれか一方が供給可能とされている。
希薄ガス流路21の中間部は、熱回収器13および除塵器14に接続されていて、希薄ガスが熱回収器13の冷却管の付着物のブローや各部のパージと、チャーのフィルタからの払い落し用に用いられる。
石炭中には小さな穴が多数形成されていて、この穴の大きさや石炭全体に占める割合は石炭の種類により異なる。この穴内に二酸化炭素ガスが入り込むことにより石炭に二酸化炭素ガスが吸着されるが、石炭に吸着される二酸化炭素ガスの量は、穴の大きさや、穴が石炭全体に占める割合により異なる。
二酸化炭素ガスの吸着量が多い石炭を石炭供給器11で気流搬送するときに二酸化炭素ガスの濃度が比較的高い濃厚ガスを用いることで、二酸化炭素ガスを充分に吸着した石炭がガス化反応器12に投入されることになる。石炭中の炭素の近傍に二酸化炭素ガスがある状態でガス化反応器12内において炭素と二酸化炭素ガスとを反応させることで、一酸化炭素ガスが発生しやすくなる。このように、石炭供給器11で二酸化炭素ガスの吸着量が多い石炭を気流搬送するときには、搬送ガスとして濃厚ガスを使用することが好ましい。
一方で、石炭供給器11で二酸化炭素ガスの吸着量が少ない石炭を気流搬送するときには、二酸化炭素ガスを石炭ガス化システム1の他の機器に使用したり二酸化炭素ガス発生量を低減させたりするために、搬送ガスとして希薄ガスを使用することが好ましい。
また、一般的にチャーに形成されている穴は、石炭に形成されている穴より数が多くて大きいため二酸化炭素ガスが吸着されやすい。したがって、チャー供給器18の搬送ガスとしては濃厚ガスを使用することが好ましい。
以下では、石炭中に炭素が重量比で69%含まれる場合で説明する。
石炭1gに含まれる炭素の物質量は、下記の式(1)から求めることができる。
(1/12)×0.69=0.0575mol ・・・(1)
下記の化学反応式(6)から、0.0575molの炭素は0.0575molの二酸化炭素ガスと反応する。
C+CO2→2CO ・・・(6)
この物質量の二酸化炭素ガスの占める体積は、標準状態で式(2)から求められる。
0.0575×0.02241=1.29×10−3m3 ・・・(2)
ガス化反応器12の運転圧力を2.5MPaとすると、分圧0.1MPaにおける二酸化炭素ガスの反応当量は、式(3)のようになる。
1.29×10−3/25=51.6×10−6m3 ・・・(3)
炭素の反応当量の50%以上の二酸化炭素ガスが必要であるとすると、式(4)のようになる。
51.6×10−6×0.5=25.8×10−6m3 ・・・(4)
すなわち、分圧0.1MPaにおいて、1g当たりの二酸化炭素ガスの吸着量が、約25×10−6m3(約25ml)以上の石炭を使用するときには、石炭供給器11における搬送ガスとして濃厚ガスを使用し、一方で二酸化炭素ガスの吸着量が約25×10−6m3未満の石炭を使用するときには、石炭供給器11における搬送ガスとして希薄ガスを使用する。
二酸化炭素ガスの吸着量が約25×10−6m3以上の石炭としては、亜瀝青炭、褐炭などを挙げることができ、二酸化炭素ガスの吸着量が約25×10−6m3未満の石炭としては、無煙炭などを挙げることができる。なお、炭種によるばらつきがあるので、すべてが当てはまるとは限らない。すなわち、たとえば、炭種によらずすべての亜瀝青炭が、二酸化炭素ガスの吸着量が約25×10−6m3以上の石炭になる、というわけではない。
一方で、二酸化炭素ガスの吸着量が少ない無煙炭などの石炭をガス化反応器12に気流搬送するのに希薄ガスを用いることで、石炭ガス化システム1全体の動作に必要な二酸化炭素ガスの量をさらに低減させることができる。
二酸化炭素ガスを吸着した状態でガス化反応器12内に吹き込まれた石炭は、ガス化反応器12内で昇温されるとともに二酸化炭素ガスを放出する。放出された二酸化炭素ガスの一部は、石炭の近傍に存在することによって、見かけ上の二酸化炭素ガスの分圧が高くなって炭素と二酸化炭素ガスとの反応速度が速くなり、前述の化学反応式(4)による反応が促進される。
これにより、従来に比べてC転換率(ガス中の炭素の質量を原料中の炭素の質量で割った値に100を掛けた値。)を向上させることができる。
また、希薄ガスを用いることで、CO2回収器17で二酸化炭素ガスを分離するのに要するエネルギーが増加して石炭ガス化システム1のエネルギー効率が低下するのを防止することができる。
また、石炭ガス化システム1は、希薄ガスが供給可能されたチャー供給器18を備えている。したがって、石炭に比べて二酸化炭素ガスの吸着量が多いチャーを、チャーの近傍に二酸化炭素ガスがあるようにすることで、二酸化炭素ガスとチャー中の炭素を効果的に反応させることができる。
たとえば、前記実施形態では、第一の接続管30に貯蔵タンク30aが設けられなくてもよいし、第二の接続管31に貯蔵タンク31aが設けられなくてもよい。
前記実施形態では、二酸化炭素ガスの吸着量が多い石炭から生じたチャーをチャー供給器18で搬送するときに、搬送ガスとして希薄ガスを用いてもよい。
前記石炭ガス化システム1に、二酸化炭素ガスの分圧が0.1MPaで1g当たりの二酸化炭素ガスの吸着量が3.6×10−4m3(360ml)の石炭を使用して試験を行った。ガス化反応器12の運転圧力を2.5MPa、運転温度を1350℃とした。
その結果に基づいて、C転換率を試算した結果を図2に示す。図2には、横軸にガス化反応器12中のガスが反応に要する時間、縦軸にC転換率を示す。図2中の実線は、石炭供給器11により濃厚ガスを搬送ガスとして石炭を供給した場合を示し、図2中の点線は、石炭供給器11により希薄ガスを搬送ガスとして石炭を供給した場合を示す。
また、C転換率は約97.5%で一定とすると、ガスの反応時間が約2.0秒から約1.6秒へとなり、20%程度短縮できることが分かった。
11 石炭供給器(石炭供給装置)
12 ガス化反応器(ガス化反応装置)
14 除塵器(チャー回収装置)
17 CO2回収器(二酸化炭素回収装置)
18 チャー供給器(チャー供給装置)
21 希薄ガス流路
22 濃厚ガス流路
32 ガス切り替え装置
Claims (3)
- 石炭をガス化させることで少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを製造する石炭ガス化システムであって、
石炭を気流搬送する石炭供給装置と、
前記石炭供給装置により前記石炭を供給され、一酸化炭素ガス、水素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む生成ガスを発生させるガス化反応装置と、
前記生成ガスを、二酸化炭素ガスの濃度が低い希薄ガスと前記希薄ガスに比べて二酸化炭素ガスの濃度が高い濃厚ガスとに分離する二酸化炭素回収装置と、
前記希薄ガスを搬送する希薄ガス流路と、
前記濃厚ガスを搬送する濃厚ガス流路と、
を備え、
前記石炭供給装置には、前記希薄ガス流路により搬送された前記希薄ガスおよび前記濃厚ガス流路により搬送された前記濃厚ガスのいずれか一方が供給可能とされていることを特徴とする石炭ガス化システム。 - 前記希薄ガス流路および前記濃厚ガス流路に接続され、前記石炭供給装置に前記希薄ガスおよび前記濃厚ガスの一方を供給するガス切り替え装置を備えることを特徴とする請求項1に記載の石炭ガス化システム。
- 前記ガス化反応装置から発生するチャーを回収するチャー回収装置と、
前記チャー回収装置で回収された前記チャーを気流搬送により前記ガス化反応装置に供給するチャー供給装置と、
を備え、
前記濃厚ガス流路は、前記チャー供給装置に前記濃厚ガスを供給することを特徴とする請求項1または2に記載の石炭ガス化システム。
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