JP2019156984A - ガス精製装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮの濃度変化に応じて各成分の加水分解反応の反応率を変更できるガス精製装置を提供する。【解決手段】ガス精製装置は、硫化カルボニル及びシアン化水素の両方を加水分解するための触媒が充填された変換器と、変換器に流入する前のガスとガスを冷却する冷却流体とが熱交換する上流側熱交換器と、変換器内の反応温度を推定するための反応温度推定部材と、反応温度推定部材による推定値に基づいて、上流側熱交換器に流入する冷却流体の流量を調節して反応温度を制御する流量調節部材とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、ガス精製装置に関する。
特許文献１及び２には、硫化カルボニル（ＣＯＳ）及びシアン化水素（ＨＣＮ）の両方を加水分解できる触媒が開示されている。ただし、このような触媒において、ＣＯＳ及びＨＣＮそれぞれの加水分解反応、
ＣＯＳ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２Ｓ＋ＣＯ２ （１）
ＨＣＮ＋Ｈ２Ｏ→ＮＨ３＋ＣＯ （２）
の最適温度は異なっており、反応（１）の最適温度は２４０℃〜３２０℃、反応（２）の最適温度は２８０℃〜３５０℃である。
特許文献３には、石炭をガス化して得られる生成ガスに含まれるＣＯＳを反応（１）によって硫化水素（Ｈ２Ｓ）に変換する触媒が充填された変換器の上流側に熱交換器が設置され、この熱交換器において生成ガスが冷却されて、生成ガスが反応（１）に最適な温度で変換器に流入することが記載されている。
特許第２６１７２１６号公報 特許第５９５５０２６号公報 特許第４２２７６７６号公報
特許文献３に記載された変換器に特許文献１又は２の触媒を充填してＣＯＳ及びＨＣＮの両方を加水分解する場合、反応（１）及び（２）それぞれの最適温度の共通温度２８０℃〜３２０℃の範囲に生成ガスの温度を調節することが考えられる。しかし、例えばＣＯＳ及びＨＣＮのいずれか一方の濃度が上昇して、濃度が上昇した方の成分の加水分解反応を促進する必要がある場合、特許文献３の構成では生成ガスの温度を調節することができないので、濃度が上昇した成分を優先的に加水分解することができないといった問題点があった。
上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮの濃度変化に応じて各成分の加水分解反応の反応率を変更できるガス精製装置を提供することを目的とする。
本発明の少なくとも１つの実施形態に係るガス精製装置は、ＣＯＳ及びＨＣＮの両方を加水分解するための触媒が充填された変換器と、変換器に流入する前のガスとガスを冷却する冷却流体とが熱交換する上流側熱交換器と、変換器内の反応温度を推定するための反応温度推定部材と、反応温度推定部材による推定値に基づいて、上流側熱交換器に流入する冷却流体の流量を調節して反応温度を制御する流量調節部材とを備える。
この構成によると、上流側熱交換器において生成ガスと熱交換する冷却流体の流量を調節することによって変換器内の反応温度を制御できるので、ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮの濃度変化に応じて各成分の加水分解反応の反応率を変更することができる。
いくつかの実施形態では、反応温度推定部材は、上流側熱交換器と変換器との間に設けられるとともに変換器に流入するガスの温度を検出する温度センサであってもよい。触媒は、変換器に流入するガスによって昇温されるので、定常状態において反応温度は、変換器に流入するガスの温度にほぼ等しいと考えられる。この構成によると、変換器に流入するガスの温度を反応温度の推定値とすることによって、反応温度を比較的正確に推定することができる。
いくつかの実施形態では、変換器の上流側に設けられるとともにガス中のＣＯＳの濃度及びＨＣＮの濃度を分析する分析装置と、分析装置の分析結果に基づいて、反応温度の設定温度範囲を決定する設定温度範囲決定部とをさらに備え、反応温度推定部材による推定値が設定温度範囲内となるように、流量調節部材は、上流側熱交換器に流入する冷却流体の流量を調節してもよい。この構成によれば、ガス中のＣＯＳの濃度及びＨＣＮの濃度の分析結果に基づいて決定された設定温度範囲内に反応温度の推定値が入るように制御されるので、より正確に、ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮの濃度変化に応じて各成分の加水分解反応の反応率を変更することができる。
いくつかの実施形態では、変換器から流出したガスからＣＯＳの加水分解によって生成したＨ２Ｓを除去することにより精製ガスを生成する硫化水素除去装置と、変換器から流出したガスと硫化水素除去装置から流出した精製ガスとが熱交換する下流側熱交換器とをさらに備え、冷却流体は、下流側熱交換器において変換器から流出したガスと熱交換した後の精製ガスであってもよい。この構成によれば、変換器を流通して硫化水素除去装置において脱硫処理された精製ガスを冷却流体としているので、冷却流体を別に準備する場合に比べて、ガスの精製コストを低減することができる。
いくつかの実施形態では、変換器に流入する前のガスよりも低温のスチームの供給源をさらに備え、冷却流体は、供給源から供給されるスチームであってもよい。この場合、供給源は蒸気タービンであってもよい。この構成によれば、スチームを使用する設備であれば、そのスチームの一部を冷却流体とすることができるので、スチームを別に準備する場合に比べて、ガスの精製コストを低減することができる。
いくつかの実施形態では、変換器に流入する前のガスは、石炭をガス化して得られる生成ガスであってもよい。この構成によれば、石炭ガス化複合発電プラントにおいて、生成ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮの濃度変化に応じて各成分の加水分解反応の反応率を変更することができる。
本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、上流側熱交換器において生成ガスと熱交換する冷却流体の流量を調節することによって変換器内の反応温度を制御できるので、ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮの濃度変化に応じて各成分の加水分解反応の反応率を変更することができる。
本開示の実施形態１に係るガス精製装置の構成模式図である。 本開示の実施形態１に係るガス精製装置の変換器に充填される触媒の反応温度と反応率との関係を模式的に示すグラフである。 本開示の実施形態２に係るガス精製装置の構成模式図である。
以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
（実施形態１）
図１は、本開示の実施形態１に係るガス精製装置１を示している。ガス精製装置１は、石炭ガス化複合発電プラントのガス化炉において石炭をガス化して得られる生成ガスを精製するため、より具体的には、生成ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮを除去するための装置である。ガス精製装置１は、ＣＯＳ及びＨＣＮの両方を加水分解するための触媒が充填された変換器２と、変換器２に流入する前の生成ガスと生成ガスを冷却する冷却流体とが熱交換する上流側熱交換器３と、変換器２に流入する生成ガスの温度を検出するために上流側熱交換器３と変換器２との間に設けられた温度センサ４と、温度センサ４による検出値に基づいて、上流側熱交換器３に流入する冷却流体の流量を調節する流量調節部材である流量調節弁５とを備えている。
変換器２に充填される触媒は、ＣＯＳ及びＨＣＮの両方を加水分解するための触媒である。この触媒として、バリウム、ニッケル、ルテニウム、コバルト、モリブデンの少なくとも１種を主成分とする活性成分を酸化チタン系担体に担持した触媒を使用することができる。この触媒において、酸化チタン系担体は、酸化チタン及び酸化ケイ素の複合酸化物、酸化チタン及び酸化アルミニウムの複合酸化物、酸化チタン及び酸化ジルコニウムの複合酸化物の少なくとも１種であり、酸化チタン系担体に、炭酸バリウム、炭酸ニッケル、硝酸ルテニウム、炭酸コバルト、モリブデン酸アンモニウムの少なくとも１種が添加されている。
変換器２に充填される触媒を用いたＣＯＳ及びＨＣＮの加水分解反応について、反応温度とＣＯＳ及びＨＣＮの反応率との関係を模式的に図２のグラフに示す。反応温度と反応率との関係や生成ガスに含まれる他の成分との関係から、変換器２に充填される触媒を用いた場合のＣＯＳの加水分解反応の最適温度範囲（以下、「ＣＯＳ変換最適温度」という）を２４０〜３２０℃とし、ＨＣＮの加水分解反応の最適温度範囲（以下、「ＨＣＮ変換最適温度」という）を２８０〜３５０℃とする。ＣＯＳ変換最適温度及びＨＣＮ変換最適温度は、共通する温度範囲（２８０〜３２０℃）はあるものの、互いに異なっている。
したがって、変換器２において、ＣＯＳ及びＨＣＮの各成分について目標とする反応率を得られるように触媒が機能するためには、反応温度を制御することが重要である。しかし、反応温度を正確に検出することは難しい。触媒は、変換器２に流入する生成ガスによって昇温されるので、定常状態において反応温度は、変換器２に流入する生成ガスの温度にほぼ等しいと考えられる。そこで、実施形態１では、図１に示されるように、変換器２に流入する生成ガスの温度を温度センサ４によって検出し、この検出値を反応温度の推定値とする。したがって、温度センサ４は、変換器２内の反応温度を推定するための反応温度推定部材を構成する。
上流側熱交換器３において生成ガスと熱交換する冷却流体には、生成ガスよりも低温な流体であれば任意の流体を使用することができる。実施形態１では、冷却流体として、生成ガスが変換器２を流通した後に脱硫処理された精製ガスを使用する。ガス精製装置１は、変換器２を流通した後の生成ガスを精製して精製ガスを生成するための精製設備１０と、変換器２から流出した生成ガスと精製ガスとが熱交換する下流側熱交換器６とをさらに備えている。精製設備１０は、生成ガスを水と接触させて冷却する水洗塔１１と、冷却された生成ガスからＣＯＳの加水分解で生じたＨ２Ｓを除去することにより精製ガスを生成する硫化水素除去装置１２とを備えている。
下流側熱交換器６において生成ガスと熱交換した精製ガスが流通する配管７の途中から、上流側熱交換器３に連通する分岐管８が分岐している。分岐管８に、上述した流量調節弁５が設けられている。上流側熱交換器３において生成ガスと熱交換した精製ガスが流通する配管９には、配管７が合流している。配管９は、石炭ガス化複合発電プラントのガスタービンに連通している。
次に、実施形態１に係るガス精製装置１の動作について説明する。
図１に示されるように、ガス化炉からの生成ガスはＣＯＳ及びＨＣＮを含んでいる。生成ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮそれぞれの濃度は、ガス化炉に投入される石炭種によっておおよそ決定される。このため、ガス化炉に投入される石炭の標準炭種を使用した場合に想定される生成ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮそれぞれの濃度を、ＣＯＳ及びＨＣＮそれぞれの濃度の計画値と規定する。この計画値に基づいて各成分の適切な反応率を決定し、各反応率から変換器２の反応温度の設定温度範囲を決定する。
実施形態１では、標準炭種の石炭をガス化炉に投入している場合、すなわち、生成ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮそれぞれの濃度が計画値である場合、ＣＯＳ及びＨＣＮの加水分解反応の両方を促進させるような条件でガス精製装置１を動作させることとする。この場合、反応温度の設定温度範囲を、ＣＯＳ変換最適温度及びＨＣＮ変換最適温度の共通する温度範囲（２８０〜３２０℃）とする（図２参照）。尚、このような設定温度範囲はあくまでも例示に過ぎず、各成分の濃度が計画値である場合の設定温度範囲は任意の方法で決定してもよい。
ガス化炉からの生成ガスは、上流側熱交換器３において冷却流体である精製ガスと熱交換されて反応温度の設定温度範囲内の温度に冷却される。生成ガスの温度制御は、上流側熱交換器３から流出した生成ガスの温度を温度センサ４によって検出し、この検出値が設定温度範囲内となるように流量調節弁５の開度を調節することにより行われる。例えば、温度センサ４の検出値が設定温度範囲より高い場合（例えば３５０℃）には、上流側熱交換器３における生成ガスの冷却能力を高める必要があるので、流量調節弁５の開度を大きくすることによって上流側熱交換器３に流入する精製ガスの流量を増加させる。逆に、温度センサ４の検出値が設定温度範囲よりも低い場合（例えば２５０℃）には、上流側熱交換器３における生成ガスの冷却能力を抑える必要があるので、流量調節弁５の開度を小さくすることによって上流側熱交換器３に流入する精製ガスの流量を減少させる。
上流側熱交換器３において設定温度範囲内の温度に制御された生成ガスが変換器２に流入すると、変換器２に充填された触媒が生成ガスによって昇温されて、定常状態では、触媒の温度が生成ガスの温度、すなわち設定温度範囲内の温度になる。これにより、変換器２内の反応温度が設定温度範囲内に制御される。変換器２では触媒によってＣＯＳ及びＨＣＮが加水分解される。各加水分解反応は、反応温度に対応する反応率（図２参照）で進行する。各加水分解反応で、ＣＯＳはＨ２Ｓ及びＣＯ２に変換され、ＨＣＮはＮＨ３及びＣＯに変換される。
変換器２から流出した生成ガスは、下流側熱交換器６において精製ガスと熱交換されて冷却される。その後、生成ガスは、水洗塔１１に流入して冷却され、続いて、硫化水素除去装置１２に流入してＨ２Ｓが除去されることによって、精製ガスが生成する。上述したように、精製ガスは、下流側熱交換器６において生成ガスと熱交換することによって加熱される。下流側熱交換器６において加熱された精製ガスは配管７を流通し、その一部が分岐管８を介して上流側熱交換器３に流入し、上述したように生成ガスと熱交換することによって加熱される。上流側熱交換器３において加熱された精製ガスは、上流側熱交換器３から流出して配管９を流通する。残りの精製ガスは、配管７を流通した後、配管９に流入して、配管９を流通する精製ガスと合流する。精製ガスは配管９を流通して、ガスタービンに流入する。
ガス化炉に投入する石炭種が変更されると、想定される生成ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮの濃度が変化する場合がある。ＣＯＳ及びＨＣＮの一方の濃度が上昇するような場合には、濃度が上昇する成分の加水分解反応を促進するように反応温度の設定温度範囲を変更する必要がある。
例えば、ＣＯＳの濃度が変化しないでＨＣＮの濃度が計画値より高くなる場合を想定する。この場合には、図２に示されるように、ＨＣＮの加水分解反応の反応率を上昇させるために設定温度範囲を例えば２８０〜３５０℃に変更する。この温度範囲では、変更前の温度範囲（２８０〜３２０℃）に比べてＣＯＳの加水分解反応の反応率はある程度低下する可能性があるが、ＨＣＮの濃度の上昇に対応してＨＣＮの加水分解反応の反応率の上昇を優先させる。逆に、ＨＣＮの濃度が変化しないでＣＯＳの濃度が計画値よりも高くなる場合には、ＣＯＳの加水分解反応の反応率を上昇させるために設定温度範囲を例えば２４０〜３２０℃に変更する。この場合には、ＨＣＮの加水分解反応の反応率がある程度低下する可能性があるが、ＣＯＳの濃度の上昇に対応してＣＯＳの加水分解反応の反応率の上昇を優先させる。
図１に示されるように、反応温度の設定温度範囲を変更する場合には、変換器２に流入する生成ガスの温度を変化させるように、流量調節弁５の開度を変えて、上流側熱交換器３に流入する冷却流体である精製ガスの流量を変化させる。反応温度の設定温度範囲を変更することによって、ＣＯＳ及びＨＣＮの濃度変化に応じてＣＯＳ及びＨＣＮのいずれか一方の加水分解反応の反応率が変更される。
このように、上流側熱交換器３において生成ガスと熱交換する冷却流体である精製ガスの流量を調節して反応温度を制御できるので、ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮの濃度変化に応じて各成分の加水分解反応の反応率を変更することができる。
（実施形態２）
次に、実施形態２に係るガス精製装置について説明する。実施形態２に係るガス精製装置は、実施形態１に対して、変換器に流入する生成ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮそれぞれの濃度を分析して、その分析結果に基づいて反応温度を制御するようにしたものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図３に示されるように、実施形態２に係るガス精製装置１は、ガス化炉と上流側熱交換器３との間に設けられた分析装置２１と、分析装置２１及び温度センサ４のそれぞれに電気的に接続された設定温度範囲決定部２２とを備えている。分析装置２１は、生成ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮそれぞれの濃度を分析するためのものである。設定温度範囲決定部２２は、分析装置２１の分析結果に基づいて反応温度の設定温度範囲を決定するためのもので、例えば、石炭ガス化複合発電プラントの運転制御を行うコンピューターに組み込まれている。その他の構成は実施形態１と同じである。
実施形態１では、ガス化炉に投入される石炭種の変更時のように、生成ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮの濃度が変化し得る場合に、石炭ガス化複合発電プラントの運転制御を行うコンピューター上で反応温度の設定温度範囲を手動で変更することを想定している。しかし、実施形態２は、ガス精製装置１の運転中、分析装置２１が生成ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮの濃度を測定し、これらの濃度に基づいて、設定温度範囲決定部２２が設定温度範囲を決定し、変換器２内の反応温度が設定温度範囲内になるように、上流側熱交換器３に流入する精製ガスの流量を調節する点で、実施形態１と異なる。この実施形態１と異なる動作を以下に説明する。
例えば、ＨＣＮの濃度が計画値よりも高くなった場合には、設定温度範囲決定部２２は、ＨＣＮの加水分解反応の反応率を上昇させるために設定温度範囲を例えば２８０〜３５０℃に変更する。例えば、ＣＯＳの濃度が計画値よりも高くなった場合には、設定温度範囲決定部２２は、ＣＯＳの加水分解反応の反応率を上昇させるために設定温度範囲を例えば２４０〜３２０℃に変更する。尚、ＨＣＮ及びＣＯＳそれぞれの濃度が計画値より高いか低いかで設定温度範囲を決定するのではなく、各成分の濃度に対応した設定温度範囲を細かく決定するようにしてもよい。変更された設定温度範囲内に反応温度を制御するために、上流側熱交換器３に流入する精製ガスの流量を調節する動作は実施形態１と同じである。
このように、生成ガス中のＣＯＳの濃度及びＨＣＮの濃度の分析結果によって決定された設定温度範囲内に反応温度が入るように制御されるので、より正確に、ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮの濃度変化に応じて各成分の加水分解反応の反応率を変更することができる。
実施形態１及び２ではそれぞれ、温度センサ４は、上流側熱交換器３の上流側に設けられていたが、この形態に限定するものではない。生成ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮの濃度がｐｐｍオーダーの場合は、変換器２内における加水分解反応時の発熱量がわずかであることから、変換器２に流入する生成ガスの温度と、変換器２から流出する生成ガスの温度とはほぼ同等である。このため、温度センサ４を変換器２の下流側、すなわち、変換器２と下流側熱交換器６との間に設けてもよい。また、変換器２の構成によっては、変換器２の内部の温度を検出できるように温度センサ４を設けてもよい。
実施形態１及び２ではそれぞれ、反応温度推定部材が温度センサ４であったが、この形態に限定するものではない。反応温度推定部材は、変換器２に流入する生成ガスの温度を計算によって算出するものであってもよい。例えば、ガス化炉からの生成ガスの温度及び流量と、上流側熱交換器３に流入する精製ガスの温度及び流量とが分かれば、上流側熱交換器３から流出する生成ガス、すなわち、変換器２に流入する生成ガスの温度を算出することができる。この場合、生成ガスの温度及び流量を検出する検出器と、上流側熱交換器３に流入する精製ガスの温度及び流量を検出する検出器と、各検出器による検出値に基づいて、変換器２に流入する生成ガスの温度を算出する算出部とが、反応温度推定部材を構成する。
実施形態１及び２ではそれぞれ、上流側熱交換器３で使用される冷却流体は、生成ガスが変換器２を流通した後に脱硫処理された精製ガスであったが、精製ガスに限定するものではない。上述したように、生成ガスよりも低温な流体であれば任意の流体を冷却流体とすることができるが、例えば、生成ガスよりも低温なスチームであってもよい。上流側熱交換器３にスチームを供給するために、任意の構成の供給源をガス精製装置１に設けてもよい。
ガス精製装置１が石炭ガス化複合発電プラントの一部である場合には、スチームの供給源を蒸気タービンとすることができ、蒸気タービンの高圧タービン又は中圧タービンの出口から抜き出されたスチームを冷却流体とすることができる。この場合、スチームを別に準備する場合に比べて、ガスの精製コストを低減することができる。
実施形態１及び２では、ガス精製装置１を石炭ガス化複合発電プラントの一部として説明したが、この形態に限定するものではなく、ガス精製装置１は任意の設備に設けることができる。
１ ガス精製装置
２ 変換器
３ 上流側熱交換器
４ 温度センサ（反応温度推定部材）
５ 流量調節弁（流量調節部材）
６ 下流側熱交換器
７ 配管
８ 分岐管
９ 配管
１０ 生成設備
１１ 水洗塔
１２ 硫化水素除去装置
２１ 分析装置
２２ 設定温度範囲決定部

Claims (7)

  1. 硫化カルボニル及びシアン化水素の両方を加水分解するための触媒が充填された変換器と、
    前記変換器に流入する前のガスと該ガスを冷却する冷却流体とが熱交換する上流側熱交換器と、
    前記変換器内の反応温度を推定するための反応温度推定部材と、
    前記反応温度推定部材による推定値に基づいて、前記上流側熱交換器に流入する前記冷却流体の流量を調節して前記反応温度を制御する流量調節部材と
    を備えるガス精製装置。
  2. 前記反応温度推定部材は、前記上流側熱交換器と前記変換器との間に設けられるとともに前記変換器に流入する前記ガスの温度を検出する温度センサである、請求項１に記載のガス精製装置。
  3. 前記変換器の上流側に設けられるとともに前記ガス中の硫化カルボニルの濃度及びシアン化水素の濃度を分析する分析装置と、
    前記分析装置の分析結果に基づいて、前記反応温度の設定温度範囲を決定する設定温度範囲決定部と
    をさらに備え、
    前記反応温度推定部材による前記推定値が前記設定温度範囲内となるように、前記流量調節部材は、前記上流側熱交換器に流入する前記冷却流体の流量を調節する、請求項１または２に記載のガス精製装置。
  4. 前記変換器から流出した前記ガスから硫化カルボニルの加水分解によって生成した硫化水素を除去することにより精製ガスを生成する硫化水素除去装置と、
    前記変換器から流出した前記ガスと前記硫化水素除去装置から流出した前記精製ガスとが熱交換する下流側熱交換器と
    をさらに備え、
    前記冷却流体は、前記下流側熱交換器において前記変換器から流出した前記ガスと熱交換した後の前記精製ガスである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス精製装置。
  5. 前記変換器に流入する前の前記ガスよりも低温のスチームの供給源をさらに備え、
    前記冷却流体は、前記供給源から供給される前記スチームである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス精製装置。
  6. 前記供給源は蒸気タービンである、請求項５に記載のガス精製装置。
  7. 前記変換器に流入する前のガスは、石炭をガス化して得られる生成ガスである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス精製装置。
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