JP2018203994A - 石炭浄化及び完全燃焼の方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】石炭を完全にガス化して完全に燃焼し、汚染を減らす石炭浄化及び完全燃焼の方法を提供する。【解決手段】コールガス化装置中で、固体状の石炭を、各種炭化水素化合物及び有毒物質を含む空気が無い状態下で加熱してガス化させ、所定の温度範囲になるまで加熱するステップ（３１０）と、反応室に酸素を供給し、コールガス化装置と接続させるステップ（３２０）と、炭化水素化合物から有害物質を分離するステップ（３３０）と、反応室からのガス化石炭を凝縮し、その流動相中で炭化水素化合物を収集するステップ（３４０）と、加熱・流動化された炭化水素化合物をガス化させるステップ（３５０）と、流動化されてガス化された炭化水素化合物を酸素と混合するステップ（３６０）と、炭化水素化合物と酸素とを混合したものに点火し、完全に燃焼させるステップ（３７０）とを含む。【選択図】図３

Description

本出願は、米国特許法第１１９条の下で２０１７年５月１９日出願の米国仮特許出願第６２／５０８，９１２号の優先権を主張し、その全内容はここに参考文献として援用される。
本発明は、コールガス化プロセスに関し、特に、石炭を完全にガス化して完全に燃焼し、汚染を減らすコールガス化プロセスに関する。
現代の大気汚染の主要源の一つは、石炭発電の電気ボイラーである。これらの設備において、天然ガスなどのクリーン化石燃料は、その希少性及びコストが原因により、発電方面において実用的に石炭に代替し得るものではなかった。また、住宅及び小規模な商業ニーズを満たすために、使用可能なクリーン燃料を供給することができる場合、汚染を効果的に防ぐことができるはずである。
従来の石炭燃焼又はガス化プロセスにおいて、温度が石炭の軟化点より高いとき、石炭の塑性が始まる。当該点に達すると、通常、約３７０℃〜４８０℃の範囲内となり、脱揮期間に気泡が形成されるため、石炭顆粒の膨張及び変形を開始する。温度が上昇するに伴い、変形がさらに大きくなり、石炭が塑性及び粘性を備えるように変化し、最終的に不完全燃焼の小顆粒を包み込む薄膜に形成される。この段階では、石炭のガス化は不完全であると考えられる。
その後、石炭が微小な固体の石炭顆粒に分解され、「黒煙」のようなものが空気中に放出される。これらの顆粒は、固体であり、有毒、発がん性が高いため、大量の黒色固体の石炭顆粒が空気中に放出されると、環境を汚染し、人体の健康が大きく損なわれることもあった。そのため、排出される気体に「黒色固体スモッグ」のような有害物質が発生することを防ぎ、完全なガス化及び完全燃焼を行い、放出される二酸化炭素の量を減らし、上述したような問題点を改善する、改良されて新しいコールガス化プロセスが求められていた。
従来、石炭が燃焼する際、固体状態では燃焼前の混合は理想的でなかった。簡単に言うと、完全燃焼することは困難であった。そのため完全燃焼を行うために、固体状態の石炭をガス化させて正に帯電し、燃焼前に負に帯電された酸素と十分に混合して完全に燃焼させる技術が求められていた。
本発明の目的は、石炭を完全にガス化して完全に燃焼し、汚染を減らす石炭浄化及び完全燃焼の方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、コールガス化装置中で、固体状の石炭を、各種炭化水素化合物及び有毒物質を含む空気が無い状態下で加熱してガス化させ、所定の温度範囲になるまで加熱するステップと、反応室に酸素を供給し、コールガス化装置と接続させるステップと、前記炭化水素化合物から前記有害物質を分離するステップと、前記反応室からのガス化石炭を凝縮し、その流動相中で前記炭化水素化合物を収集するステップと、加熱・流動化された前記炭化水素化合物をガス化させるステップと、流動化されてガス化された前記炭化水素化合物を前記酸素と混合するステップと、前記炭化水素化合物と前記酸素とを混合したものに点火し、完全に燃焼させるステップと、を含むことを特徴とする、石炭浄化及び完全燃焼の方法が提供される。
前記有害物質には、硫化物及びリン酸塩が含まれることが好ましい。
（ｉ）２Ｓ＋３Ｏ２＝２ＳＯ３
（ｉｉ）Ｃ６Ｈ６＋ＳＯ３＝Ｃ６Ｈ５ＳＯ３Ｈ
（ｉｉｉ）Ｃ６Ｈ５ＳＯ３Ｈ＋Ｈ２Ｏ＝Ｃ６Ｈ６＋Ｈ２ＳＯ４
に基づき、スルホン化プロセスにより前記硫化物を除去することが好ましい。
（ｉ）２Ｐ＋３Ｏ２＝２ＰＯ３
（ｉｉ）Ｃ６Ｈ６＋ＰＯ３＝Ｃ６Ｈ５ＰＯ３Ｈ
（ｉｉｉ）Ｃ６Ｈ５ＰＯ３Ｈ＋Ｈ２Ｏ＝Ｃ６Ｈ６＋Ｈ２ＰＯ４
に基づき、リン酸化プロセスにより前記リン酸塩を除去することが好ましい。
２ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ＣａＯ → ２Ｃａ（ＯＨ）ＣＯ３＋Ｈ２
により、前記石炭の浄化及び完全燃焼で発生した二酸化炭素を除去することが好ましい。
前記流動化された炭化水素化合物が正に帯電され、前記酸素が負に帯電されることが好ましい。
前記コールガス化装置中の所定の温度範囲は９００〜１２００℃であることが好ましい。
本発明の石炭浄化及び完全燃焼の方法は、石炭を完全にガス化して完全に燃焼し、汚染を減らす。
本発明の一実施形態に係る石炭浄化及びガス化システムが有害物質を除去する説明図である。 加熱純化させた流体炭化水素化合物の反応を表し、炭化水素化合物をガス化させて酸素と混合して行う完全燃焼を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る石炭浄化及び完全燃焼の方法の石炭浄化及びガス化のステップを示す流れ図である。 本発明の一実施形態に係る石炭浄化及び完全燃焼の方法の二酸化炭素（ＣＯ２）の除去方法を示す説明図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。
図１を参照する。図１に示すように、本発明の一実施形態に係る石炭浄化及び完全燃焼の方法は、コールガス化装置１１０、反応領域１２０及び流動化分離領域１３０を含む。
本実施形態のコールガス化装置１１０において、石炭を空気が無い状態下で９００〜１２００℃まで加熱して可燃ガスを放出させ、タールをコールガス化装置１１０の開口コールタール取り出し口管１１２から分離して収集してもよい。他の実施形態において、石炭をコール入れ口１１４からコールガス化装置１１０に連続的に投入してもよい。ガスフィルター１１３に通過された可燃ガスがガス化されると同時に、複数のモータ１１６により反応領域１２０へ送られる。
反応領域１２０に設けられた１つの微小な単方向空気取り入れ口１１１を介して少量の空気が進入され、一部の有害物質（例えばイオウ）と反応する。例えば、イオウ（Ｓ）が反応して三酸化硫黄（ＳＯ３）に変化し、リン（Ｐ）が反応して三酸化二リン（ＰＯ３）に変化する。石炭炭化水素化合物中の可燃ガスのうちの一つであるベンゼンは、三酸化硫黄と反応してベンゼンスルホン酸（Ｃ６Ｈ５ＳＯ３Ｈ）に変化する。ベンゼンは、三酸化二リンと反応し、フェニルリン酸（Ｃ６Ｈ５ＰＯ３Ｈ）に変化する。
続いて、ガス化石炭を反応領域１２０に進入させる。硫化物などの一部の有害物質は、酸化されてＳＯ３に変化する（化学式（ｉ）に示す）。以下の化学式（ｉｉ）に示すように、ＳＯ３は、石炭中のベンゼン（Ｃ６Ｈ６）と反応するが、これはスルホン化プロセスと称され、ベンゼンスルホン酸（Ｃ６Ｈ５ＳＯ３Ｈ）が生成されるが、これは流動化されて流動化分離領域１３０中で分離されてもよい。分離した後、水が加えられてベンゼン（Ｃ６Ｈ６）及び硫酸（除去される）が生成される（化学式（ｉｉｉ）に示す）。ここで、硫化物と同様に、以下の式（ｉｖ）〜（ｖｉ）に示すリン酸化プロセスのように、流動化分離領域１３０中からリン酸塩を除去してもよい。
さらに詳細には、反応領域１２０は、有害物質（例えば硫化物及び／又はリン酸塩など）が空気及びベンゼン（石炭可燃ガスの一つ）と反応できるようにしてもよい。この反応領域１２０は、硫黄、リン酸塩などが酸素及びベンゼンと反応する空間を提供して有害物質を除去し、ガス化炭化水素化合物が流動化分離領域１３０中で流動化、分離及び収集が行われてもよい。
続いて、ガス化石炭が流動化分離領域１３０に進入するが、それはベンゼンスルホン酸及びフェニルリン酸を含み、異なる沸点を有し、それは流動化されて分離される。ベンゼンスルホン酸（Ｃ６Ｈ５ＳＯ３Ｈ）及びフェニルリン酸（Ｃ６Ｈ５ＰＯ３Ｈ）などの有害物質は分離される。
水を加えた後、分離されたベンゼンスルホン酸は、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）及び硫酸（Ｈ２ＳＯ４）に変化する。硫酸及びリン酸が除去され、ベンゼンは、石炭炭化水素化合物中に戻される。ここで、純化された石炭には、それぞれ異なる沸点を有する様々なタイプの炭化水素化合物（例えば、ベンゼン、トルエン、オレフィン、キシレン、パラフィン族炭化水素、スチレン、ナフタレンなど）が含まれてもよい。
スルホン化：
（ｉ）２Ｓ＋３Ｏ２＝２ＳＯ３
（ｉｉ）Ｃ６Ｈ６＋ＳＯ３＝Ｃ６Ｈ５ＳＯ３Ｈ
（ｉｉｉ）Ｃ６Ｈ５ＳＯ３Ｈ＋Ｈ２Ｏ＝Ｃ６Ｈ６＋Ｈ２ＳＯ４
リン酸化：
（ｉｖ）２Ｐ＋３Ｏ２＝２ＰＯ３
（ｖ）Ｃ６Ｈ６＋ＰＯ３＝Ｃ６Ｈ５ＰＯ３Ｈ
（ｖｉ）Ｃ６Ｈ５ＰＯ３Ｈ＋Ｈ２Ｏ＝Ｃ６Ｈ６＋Ｈ２ＰＯ４
混合物は、ベンゼンスルホン酸、フェニルホスホン酸を含んでもよく、純化した後のガス化石炭が流動化分離領域１３０に進入される。ここで、純化された石炭には、それぞれ異なる沸点を有する様々なタイプの炭化水素化合物（例えば、ベンゼン、トルエン、オレフィン、キシレン、パラフィン族炭化水素、スチレン、ナフタレンなど）が含まれてもよい。本実施形態において、各物質はそれぞれ異なる沸点を有するため、分留により混合物を分離してもよい。
図１に示すように、各種炭化水素化合物、ベンゼンスルホン酸、フェニルホスホン酸は分離することが可能であり、さらに重要なこととしては、分留ステップで石炭が流動化されて純化される。
本発明の主な目的は、石炭のガス化プロセス中の石炭中の有害物質（例えば、硫化物、リン酸塩など）を除去し、石炭を「完全に」燃焼し、汚染を大幅に減らすことにある。流動化分離領域１３０を離れた後、石炭（又は炭化水素化合物）が流動化される上、浄化される。
図２を参照する。図２に示すように、燃焼プロセスでは、流動化の炭化水素化合物が第１の反応室２１０の位置１５１で再加熱されて炭化水素がガス化される上、第１の反応室２１０の位置１５２が正に帯電される。同時に、空気が第１の反応室２１０に接続された第２の反応室２２０に進入し、空気中の酸素は第２の反応室２２０の位置１５２で負に帯電される。
正に帯電された炭化水素化合物と、負に帯電された酸素がともに第３の反応室２３０へ送られて十分に混合され、炭化水素混合物が暖炉（ｆｉｒｅ ｐｌａｃｅ）２４０中で酸素と一緒に燃焼される。上で説明した石炭流動化プロセス中で有害物質を除去することができるため、「完全に」燃焼する目的を達成して汚染を減らすことができる。
また、図３を参照する。図３に示すように、浄化及び酸化の方法には、以下のステップが含まれる。
ステップ３１０：コールガス化装置中で、各種炭化水素化合物と、硫化物、リン酸塩のような有毒物質と、を含む石炭を９００〜１２００℃まで加熱する。
ステップ３２０：反応室に酸素を供給し、コールガス化装置と接続させる。
ステップ３３０：ガス化石炭中の硫化物及びリン酸塩がコールガス化装置から反応室に進入し、酸素と反応する。
ステップ３４０：分離領域中で有害物質と炭化水素化合物との混合物が分離され、その中の炭化水素化合物を収集する。
ステップ３５０：流動化された炭化水素化合物をガス化されるまで加熱し、ガス化された炭化水素化合物を正に帯電する。
ステップ３６０：負に帯電された酸素と、ガス化されて正に帯電された炭化水素化合物とを混合し、炭化水素化合物を完全に燃焼させる。
本実施形態において、化学式（ｉ）に示すように、ステップ３３０中の硫化物がＳＯ３に酸化され、上述した化学式（ｉｉ）に示すように、ＳＯ３がさらに石炭中のベンゼン（Ｃ６Ｈ６）と反応するが、これはスルホン化工程と称され、ベンゼンスルホン酸（Ｃ６Ｈ５ＳＯ３Ｈ）を生成し、化学式（ｉｉｉ）に示すように、ベンゼンスルホン酸は、分離して水と反応した後にスルホン酸に変化して除去される。他の実施形態において、硫化物と同様に、リン酸塩が流動化分離領域１３０中で分離されて除去されるが、上述したステップ３４０において化学式（ｖｉ）で表される。
図４を参照する。図４に示すように、各種炭化水素化合物が排気チャンバー２５０中の暖炉２４０で燃焼するときに大量の二酸化炭素（ＣＯ２）が発生する。脱二酸化炭素領域２６０、酸化カルシウム（ＣａＯ）が水と混合され、自動制御装置１６１により水位が保持される。
領域１６３内において、脱二酸化炭素領域２６０中の化学式（ｖｉｉ）に基づいて発生する炭酸水素カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）ＣＯ３）により飽和レベルに達し、センサが自動制御装置１６４をトリガし、飽和した炭酸カルシウムを淘汰した後、新しい酸化カルシウムが水と混合されて取水管１６２に充填される。
二酸化炭素（ＣＯ２）を含む廃ガスが、脱二酸化炭素領域２６０の複数の送水管１６５を通過し、水が混合された酸化カルシウム（ＣａＯ）が二酸化炭素と反応し、炭酸水素カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）ＣＯ３）が生成される（化学式（ｖｉｉ）に示す）。大部分の二酸化炭素（ＣＯ２）が除去されると、残りの廃ガスが煙突１６６から排出される。
（ｖｉｉ）２ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ＣａＯ → ２Ｃａ（ＯＨ）ＣＯ３＋Ｈ２
要するに、固体状の石炭を空気が無い状態下で９００〜１２００℃に加熱させ、ガス化された炭化水素化合物の可燃ガスを押出してコールタールを除去する。ガス化炭化水素化合物を流動相中で凝縮させて有害物質を除去した後、クリーンな炭化水素化合物を流動化形式で貯蔵し、クリーン化石燃料として用い、クリーンな流動化炭化水素化合物を再加熱してガス化させ、正に帯電したキャリアにし、燃焼前に負に帯電した酸素と十分に混合させた後、混合物を点火して完全に燃焼させることができる。
化学式（ｖｉｉ）に示すように、水と混合する酸化カルシウム（ＣａＯ）と二酸化炭素と反応して炭酸水素カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）ＣＯ３）を生成し、大部分の二酸化炭素（ＣＯ２）を除去する。
当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。
１００ コールガス化・浄化システム
１１０ コールガス化装置
１１１ 単方向空気取り入れ口
１１２ 開口コールタール取り出し口管
１１３ ガスフィルター
１１４ コール入れ口
１１６ モータ
１２０ 反応領域
１３０ 流動化分離領域
１５１ 位置
１５２ 位置
１５３ 位置
１６１ 自動制御装置
１６２ 取水管
１６３ 領域
１６４ 自動制御装置
１６５ 送水管
１６６ 煙突
２１０ 第１の反応室
２２０ 第２の反応室
２３０ 第３の反応室
２４０ 暖炉
２５０ 排気チャンバー
２６０ 脱二酸化炭素領域

Claims (7)

  1. コールガス化装置中で、固体状の石炭を、各種炭化水素化合物及び有毒物質を含む空気が無い状態下で加熱してガス化させ、所定の温度範囲になるまで加熱するステップと、
    反応室に酸素を供給し、コールガス化装置と接続させるステップと、
    前記炭化水素化合物から前記有害物質を分離するステップと、
    前記反応室からのガス化石炭を凝縮し、その流動相中で前記炭化水素化合物を収集するステップと、
    加熱・流動化された前記炭化水素化合物をガス化させるステップと、
    流動化されてガス化された前記炭化水素化合物を前記酸素と混合するステップと、
    前記炭化水素化合物と前記酸素とを混合したものに点火し、完全に燃焼させるステップと、を含むことを特徴とする、
    石炭浄化及び完全燃焼の方法。
  2. 前記有害物質には、硫化物及びリン酸塩が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の石炭浄化及び完全燃焼の方法。
  3. （ｉ）２Ｓ＋３Ｏ２＝２ＳＯ３
    （ｉｉ）Ｃ６Ｈ６＋ＳＯ３＝Ｃ６Ｈ５ＳＯ３Ｈ
    （ｉｉｉ）Ｃ６Ｈ５ＳＯ３Ｈ＋Ｈ２Ｏ＝Ｃ６Ｈ６＋Ｈ２ＳＯ４
    に基づき、スルホン化プロセスにより前記硫化物を除去することを特徴とする、請求項２に記載の石炭浄化及び完全燃焼の方法。
  4. （ｉ）２Ｐ＋３Ｏ２＝２ＰＯ３
    （ｉｉ）Ｃ６Ｈ６＋ＰＯ３＝Ｃ６Ｈ５ＰＯ３Ｈ
    （ｉｉｉ）Ｃ６Ｈ５ＰＯ３Ｈ＋Ｈ２Ｏ＝Ｃ６Ｈ６＋Ｈ２ＰＯ４
    に基づき、リン酸化プロセスにより前記リン酸塩を除去することを特徴とする、請求項２に記載の石炭浄化及び完全燃焼の方法。
  5. ２ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ＣａＯ → ２Ｃａ（ＯＨ）ＣＯ３＋Ｈ２
    により、前記石炭の浄化及び完全燃焼で発生した二酸化炭素を除去することを特徴とする、請求項１に記載の石炭浄化及び完全燃焼の方法。
  6. 前記流動化された炭化水素化合物が正に帯電され、前記酸素が負に帯電されることを特徴とする、請求項１に記載の石炭浄化及び完全燃焼の方法。
  7. 前記コールガス化装置中の所定の温度範囲は９００〜１２００℃であることを特徴とする、請求項１に記載の石炭浄化及び完全燃焼の方法。
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