JP3126517B2 - 高温石炭ガスの不純物分離装置 - Google Patents

高温石炭ガスの不純物分離装置

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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は石炭ガスから不純物を除
去する装置に係り、特に、燃料電池燃料の燃料ガスを供
給するために石炭をガス化して高温ガスにし洗浄する高
温石炭ガスの不純物分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料ガスと酸素ガスを電気化学的に結合
して発電する燃料電池が知られている。ここで、燃料ガ
スは石炭ガス化プラントから供給される。
【０００３】燃料電池の燃料たるには石炭ガス中の不純
物、たとえば硫黄、塩化物、随伴するいろいろな粒子状
物質が十分低レベルまで除去されていなければならな
い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来ある２つの方法は
燃料電池に対しては不適当である。すなわち、従来から
知られている“高温”ガス浄化システムは十分な除去が
できないし、また“低温”ガス浄化システムでは除去の
効率が低い上にコストがかかりすぎる。
【０００５】この“低温”ガス浄化システムの欠点は燃
料ガス中の蒸気が凝縮することによる潜熱ロスによりシ
ステム効率が低下することにあるが、この凝縮というも
のはガス中から不純物を含む廃水を取り除いて、環境基
準以内に持っていく上に必要な操作なのである。もう一
つは石炭ガスを上記の範囲へ冷却し、さらに純化した石
炭ガスを燃料電池へ供給できる温度まで加熱するコスト
（装置のコストと運転コストの両方）が高いことであ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の石炭ガス浄化シ
ステムは上記のような問題を避けて、石炭ガスを十分に
低濃度の不純物含有率になるまで浄化できるものであ
る。
【０００７】まず、高温石炭ガス中の不純物を除去する
装置について考察する。この装置は高温石炭ガスをター
ビンに導びいて動力を回収するとともにガスの温度、圧
力を下げ、そこで比較的低温での不純物分離法を適用す
るものである。
【０００８】このシステムは、従来の高温ガス浄化装置
の下流に設置されるものとする。そして本発明の低温除
去法は低温ガスから塩化物の吸着手段、同じく低温ガス
から硫黄の吸着手段、低温ガスの温度をさらに下げる冷
却手段、さらに低温になったガス中の硫黄を吸着する手
段、そしてこの低温ガス中の随伴粒子を分離するフィル
ターから成っている。
【０００９】高温石炭ガスから不純物を分離するプロセ
スについても検討する。このプロセスというのは高温ガ
スを膨張させて動力を取り出し、それとともにガス温度
を下げ、そしてこの温度を下げられたガスから不純物を
分離するものである。
【００１０】このシステムにおいては高温浄化システム
から出た約５９３℃、１７．５ata以上のガスを４２７
℃、７ata に膨張させる。
【００１１】温度を下げられたガスから不純物を分離す
るプロセスは塩化物、硫黄分、随伴粒子の分離工程を有
するわけである。
【００１２】
【実施例】本発明の浄化システムの実施例を図１に示
す。
【００１３】石炭ガス化プラント２において生成された
石炭ガス４は通常の高温ガス浄化装置６で浄化され、不
純物が分離された高温の石炭ガス８となる。石炭ガス８
は高温ガス浄化装置６を出たところで５９３℃、１７．
５ata 以上であり、実際には６４９℃、２２．４ata に
なっている。
【００１４】石炭ガス８の不純物は従来技術である高温
ガス浄化システムで分離されたレベルのものである。つ
まり手段としては遠心分離法、高温セラミックフィルタ
ー、再生型硫黄吸着ベットによる方法によっている。つ
まり石炭ガス８は２体積ppmのハロゲン化合物（主とし
てＨｃｌ）、約１５ppm の硫黄（Ｈ2 Ｓ）、高温セラミ
ックフィルターや遠心分離装置を抜けた粒子、それにヒ
素、鉛、水素、セレニウム、亜鉛の蒸気または凝縮した
ものなどを含んでいる。
【００１５】高温石炭ガス８はタービン１０で膨張し自
ら温度を下げると同時に動力を発生する。それは７ata
、４２７℃以下ぐらいに下がるのが理想的である。本
発明のシステムの場合約４．２ata 、３８２℃のガス１
２の状態になる。
【００１６】石炭ガスの温度を下げることによって、従
来の高温ガス浄化プロセスに比して、既存技術によって
不純物を非常に低いレベルにまで除去できるという利点
を生かすことができる。
【００１７】この装置システムで考えたように石炭ガス
をタービンで膨張させることは、適切なコストと適切な
効率とを以ってガスの温度を降下させることができると
同時に、いわゆる従来の低温ガス浄化法において出て来
る廃水の発生を避けることができ好都合である。
【００１８】温度降下した石炭ガス１２は塩化物処理床
１４で処理を受け塩化物が除かれる。塩化物処理床１４
は重炭酸ソーダ、活性アルミナから成っている。これら
はガスから塩化物を除去するのに普通使われる物質であ
る。あるいは時にこの処理床１４には粒子状の重炭酸ソ
ーダもよく使われる。
【００１９】この塩化物処理床１４はガス１２中の塩化
物のレベルをある要求値以下にするのに最も安いコスト
で行なえるよう設計される。かくしてその出口のガス１
６の塩化物濃度は０．０１体積ppm 以下にすることがで
きる。
【００２０】温度降下し、低塩化物濃度となった石炭ガ
ス流れ１６は次に第１硫黄処理床１８で処理を受け、硫
黄化合物が除去される。
【００２１】この第１硫黄処理床には普通に硫黄を除去
するのに使われる材料が用いられる。たとえば粒子状亜
鉛酸化物とか粒子状担体に保持された亜鉛酸化物などが
用いられる。
【００２２】この第１硫黄処理床１８は安いコストでガ
ス中の硫黄化合物をあるレベル以下にするよう設計され
る。かくして硫黄処理床１８の出口における石炭ガス２
０の硫黄分を約１．０体積ppm のレベルにまで下げるこ
とができる。
【００２３】温度降下を受け、塩化物が除去され、硫黄
分が除去された石炭ガス２０はさらに水２２で急冷さ
れ、さらに温度降下を受けた、低塩化物、低硫黄分のガ
ス２４となる。多分２４点のガスは水による急冷効果に
より２６０℃〜２０４℃以下にすることができる。
【００２４】温度降下を受け、塩化物、硫黄分が除去さ
れたガス２４はさらに第２硫黄処理床２６で処理を受け
さらに硫黄分が除去される。この第２硫黄処理床に使わ
れる材料もまた普通にガス流から硫黄を除去するのに使
われる材質が使われる。それはたとえば第１処理床に使
ったと同じ亜鉛酸化物の粒子または担体に保持された亜
鉛酸化物である。この第２処理床の設計も第１処理床と
同じ通常の方法で設計し、ガス中の硫黄分をある予定し
たレベル以下に下げることができる。この例では出口ガ
ス２８の硫黄分を０．０１体積ppm 以下にすることがで
きる。
【００２５】温度降下を受け、塩化物濃度、硫黄分濃度
が降下したガスは次にフィルター３０で濾過され、ここ
で各種粒子状物質とか、ガス中の凝縮した金属などがト
ラップされる。フィルター３０はごく普通に使われるフ
ィルター材料、たとえば焼結金属とか高分子材料といっ
たこの条件下で安定な物質を使えばよい。たとえばガス
２８の状態は２０４℃だから、ここでは焼結金属がよい
であろう。１７７℃以下に冷却されたようなところでは
繊維状の高分子フィルターがよいであろう。
【００２６】ガス中の粒子、あるいは凝縮金属の濃度を
所定の値以下に下げるためのフィルターの設計法は従来
の普通の方法でよい。今考えているフィルター３０はガ
ス流３２における上記の粒子などを実質的に０にする。
つまりこれらの物質を通常の方法では検出できないレベ
ルにまで下げることができている。
【００２７】ガス流３２は燃料電池プラントへの燃料と
して供給するのにさしつかえないレベルにまでクリーン
になっている。つまり、ここでの不純物濃度は十分に所
定の値以下になっている。
【００２８】ある種類の不純物のレベルというものはそ
れが燃料電池プラントへ供給できるかどうかの許容値に
対する値にもとづき決められる。今の場合クリーンガス
と云われるレベルは塩化物０．０１体積ppm 以下、硫黄
分０．０１体積ppm 以下、実質的に浮遊粒子０、凝縮金
属０で４０，０００時間以上の溶融炭酸塩燃料電池へ供
給可能なものである。必要ならば不純物のレベルはさら
に減少できる。つまり２８点の温度をさらに下げ、さら
に１または２つ以上の塩化物処理床、硫黄分処理床２６
とフィルター３０の間に設置すればよい。
【００２９】
【発明の効果】本発明に係る石炭ガス浄化システムは適
切な温度と条件とを設定し、これによって以下のことが
可能になる。つまり １）硫黄とか塩化物の濃度を十分に低いレベルまで下げ
ることができる。 ２）揮発性金属成分を検出できないほどのレベルに十分
濃度が落ちるまで凝縮させることができる。 ３）十分に有効な焼結合金フィルターとか繊維状フィル
ターを材料の劣化、腐食を伴なうことなく働かせること
ができる。
【００３０】石炭ガスを低い温度に下げることによっ
て、水分を凝縮させることなく、またシステム効率を低
下させることなく、最終的な浄化装置の設計およびその
材料の選択において大きな選択の幅を持たせることがで
きる。
【００３１】以上好適な実施例を説明したが、本発明に
おける基本的考え方からはずれることなく、いろいろな
変形例や置換例が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高温石炭ガスの不純物分離装の実施例
を示す概略構成図。
【符号の説明】
２ 石炭ガス化プラント ４ 石炭ガス配管 ６ 高温ガス浄化装置 ８ 高温浄化化石炭ガス １０ タービン １２ 降下温度石油ガス １４ 塩化物処理床 １６ 塩化物処理床出口ガス １８ 第１硫黄処理床 ２０ 第１硫黄処理床出口ガス ２２ ガス急冷用出口ガス ２６ 第２硫黄処理床 ２８ 第２硫黄処理床出口ガス ３０ フィルター ３２ フィルター出口ガス ３４ 燃料電池プラント ３６ ガス冷却用水系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランクリン、キンチュング、チャン アメリカ合衆国テキサス州、ヒュースト ン、バーガイン、ストリート、12211 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C10J 3/46 B01D 46/00 B01D 53/02 H01M 8/06

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】高温石炭ガスを膨張させ温度降下した降下
    温度石炭ガスを生成し動力を発生させるタービン装置； 前記降下温度石炭ガスから不純物を分離する降下温度分
    離手段；を備えることを特徴とする高温石炭ガスの不純
    物分離装置。
  2. 【請求項２】前記高温石炭ガスから不純物を分離するた
    めに、さらに前記タービン装置の上流に高温分離手段を
    備えることを特徴とする請求項１に記載の高温石炭ガス
    の不純物分離装置。
  3. 【請求項３】前記高温分離手段は、前記高温石炭ガスか
    ら硫黄分を吸着分離するための再生手段、 前記高温石炭ガスから粒子状の不純物を濾過除去するセ
    ラミックフィルター装置、を有することを特徴とする請
    求項２に記載の高温石炭ガスの不純物分離装置。
  4. 【請求項４】前記降下温度分離手段は、前記降下温度石
    炭ガスから塩化物を吸着除去する塩化物吸着除去装置を
    有することを特徴とする請求項１に記載の高温石炭ガス
    の不純物分離装置。
  5. 【請求項５】前記塩化物吸着除去装置は、粒子状重炭酸
    ナトリウムから成る塩化物処理床を有することを特徴と
    する請求項４に記載の高温石炭ガスの不純物分離装置。
  6. 【請求項６】前記降下温度分離手段は、硫黄分または硫
    黄化合物を前記降下温度石炭ガスから吸着除去する手
    段、 前記降下温度石炭ガスの温度を温度降下して低温ガスを
    生成するための急冷手段、 前記低温ガスから硫黄分あるいは硫黄化合物を吸着分離
    する手段、を有することを特徴とする請求項１に記載の
    高温石炭ガスの不純物分離装置。
  7. 【請求項７】前記降下温度石炭ガスまたは前記低温ガス
    から硫黄分または硫黄化合物を吸着分離する各々の手段
    は、いずれも酸化亜鉛の粒子床を用いた処理床装置を有
    することを特徴とする請求項６に記載の高温石炭ガスの
    不純物分離装置。
  8. 【請求項８】前記降下温度分離手段は、前記低温ガスか
    ら粒子状のする不純物を濾過除去する焼結金属フィルタ
    ーを有することを特徴とする請求項６に記載の高温石炭
    ガスの不純物分離装置。
  9. 【請求項９】前記降下温度分離手段は、前記降下温度石
    炭ガスから塩化物を吸着する手段；前記降下温度石炭ガ
    スから硫黄分を吸着する手段； 前記降下温度石炭ガスの温度を温度降下して低温ガスを
    生成するための急冷手段； 前記低温ガスから硫黄分を吸着する手段； 前記低温ガスから粒子状のする不純物を濾過除去するフ
    ィルター装置；を有することを特徴とする請求項１に記
    載の高温石炭ガスの不純物分離装置。
  10. 【請求項１０】高温石炭ガスを膨張させて温度の降下し
    た降下温度石炭ガスを生成し動力を発生させる工程； 前記降下温度石炭ガスから不純物を分離する工程；を備
    えることを特徴とする高温石炭ガスの不純物分離方法。
  11. 【請求項１１】前記高温石炭ガスは約５９３℃（１１０
    ０Ｆ）より高い温度にあるとともに約１７．５ata （２
    ５０ｐｓｉａ）より高い圧力にあり、前記降下温度石炭
    ガスは約４２７℃（８００Ｆ）より低い温度にあるとと
    もに約７ata （１００ｐｓｉａ）より低い圧力にあるこ
    とを特徴とする請求項１０に記載の高温石炭ガスの不純
    物分離方法。
  12. 【請求項１２】前記降下温度石炭ガスから不純物を分離
    する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１０に
    記載の高温石炭ガスの不純物分離方法。
  13. 【請求項１３】前記不純物を分離する工程は、塩化物を
    前記降下温度石炭ガスから分離する工程を有することを
    特徴とする請求項１０に記載の高温石炭ガスの不純物分
    離方法。
  14. 【請求項１４】前記不純物を分離する工程は、硫黄分ま
    たは硫黄化合物を前記降下温度石炭ガスから分離する工
    程； 前記降下温度石炭ガスの温度を温度降下して低温ガスを
    生成するための急冷する工程； 前記低温ガスから硫黄分あるいは硫黄化合物を分離する
    工程；を有することを特徴とする請求項１０に記載の高
    温石炭ガスの不純物分離方法。
  15. 【請求項１５】前記高温石炭ガスは約５９３℃（１１０
    ０Ｆ）より高い温度にあるとともに約１７．５ata （２
    ５０ｐｓｉａ）より高い圧力にあり、前記降下温度石炭
    ガスは約４２７℃（８００Ｆ）より低い温度にあるとと
    もに約７ata （１００ｐｓｉａ）より低い圧力にあり、
    前記低温ガスは約２６０℃（５００Ｆ）より低い温度に
    あることを特徴とする請求項１４に記載の高温石炭ガス
    の不純物分離方法。
  16. 【請求項１６】前記不純物を分離する工程は、前記低温
    ガスから粒子状の不純物を分離する工程を有することを
    特徴とする請求項１４に記載の高温石炭ガスの不純物分
    離方法。
  17. 【請求項１７】前記不純物を分離する工程は、塩化物を
    前記降下温度石炭ガスから分離する工程； 硫黄分または硫黄化合物を前記降下温度石炭ガスから分
    離する工程； 前記降下温度石炭ガスの温度を温度降下して低温ガスを
    生成する工程； 前記低温ガスから硫黄分あるいは硫黄化合物を分離する
    工程； 前記低温ガスから粒子状の不純物を分離して、不純物が
    非常に少なくなった石炭ガスを生成する工程；を有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の高温石炭ガスの不
    純物分離方法。
  18. 【請求項１８】不純物が非常に少なくなった前記石炭ガ
    スは、燃料電池プラント用の燃料ガスとして好適である
    ことを特徴とする請求項１７に記載の高温石炭ガスの不
    純物分離方法。
  19. 【請求項１９】不純物が非常に少なくなった前記石炭ガ
    スは、約０．０１ppm より少ない塩素含有率および約
    ０．０１ppm より少ない硫黄含有率を有し、粒子状不純
    物および浮遊金属成分をほとんど含まないことを特徴と
    する請求項１７に記載の高温石炭ガスの不純物分離方
    法。
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