JP3976888B2 - 石炭の気流床ガス化方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭の酸素（空気を含む）およびスチーム等の酸化性ガスによるガス化反応により、可燃性ガスを気流床（噴流床ともいう）にて製造する方法および装置に関する。特に、この可燃性ガスの燃焼によるガスタービンおよびスチームタービンを用いたコンバインドサイクルによる石炭ガス化複合発電分野に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
石炭火力発電は、現在、微粉炭焚きボイラー発電（最新鋭臨界圧火力：送電端効率３８％）が実用化されているが、カルノーサイクルの制約から蒸気タービンによる発電効率は現状でほぼ限界に近い。石炭火力は、発電効率の向上、環境保全性を狙いとして種々の技術開発が進められている。この中で、石炭ガス化複合発電技術（ＩＧＣＣ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏａｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ）は、発電効率の大幅な向上の期待、環境保全性に優れた技術ということから、２１世紀の石炭火力の主流として期待されている。
【０００３】
石炭ガス化複合発電プロセスにおける石炭ガス化炉としては、固定床、流動床、気流床（噴流床）の様々な炉形式で開発が進められているが、中でも気流床は、ガス化効率が高く大型化に適していること、石炭灰の溶融排出によるスラグの価値向上が可能となることから環境調和性に優れた炉形式として最も実用化に近い開発レベルにある。
【０００４】
石炭の石炭ガス化炉への搬送方式として、気流搬送方式を用い、ガス化剤として酸素・スチームを用いる気流床ガス化炉として、Ｓｈｅｌｌ、Ｐｒｅｎｆｌｏ、Ｈｙｃｏｌなどのガス化方式がある。
【０００５】
これらのガス化方法のプロセスフローを図１に示す。石炭ガス化炉１においては、供給する全量の微粉炭２を酸素３およびスチーム４のガス化剤で以下の（１）式に示す一段反応で進行し、圧力２０〜３０ａｔｍ、温度１５００℃〜１７００℃の高温反応で、ＣＯ、Ｈ₂を主成分とする可燃性ガスを得る。
【０００６】
微粉炭［（ＣＨＯ）（Ａｓｈ）］＋Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ
→ＣＯ＋Ｈ₂＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ＋Ｓｌａｇ （１）
石炭中の灰は、溶融スラグ５として石炭ガス化炉底から排出される。ガス化温度が高温であるためにガス化ガス６中にはＣＨ₄などの炭化水素ガスを含まず、その発熱量は２３００〜２７００ｋｃａｌ／Ｎｍ³程度である。ガス化炉の性能を示す冷ガス効率、η_c（（２）式で定義）は、７５〜８０％程度である。
【０００７】
η_c＝（ガス化ガス発生量×ガス化ガス発熱量）
／（供給石炭量×石炭発熱量） （２）
１５００℃〜１７００℃でガス化炉ｌから排出された可燃性のガス化ガスは、熱交換器７により高温ガスの顕熱が回収され、さらに脱塵装置８、脱硫装置９の各工程を経て、クリーンなガスタービン用ガス燃料１０となる。
【０００８】
特開平５−２９５３７１号公報は、石炭の熱分解によって生成する石炭チャーを１４００℃〜１８００℃で酸素およびスチームによりガス化（ＣＯおよびＨ_２ガスを主成分とするガス）し、その高温ガス中に微粉炭を吹き込み、気流床にて石炭の急速加熱・熱分解反応を数秒以内の短時間で実現し、ガス、タール、チャーの生成物を製造する熱効率の高いプロセスである。この石炭熱分解プロセスでは産業用燃料ガスとしてのガス、化学原料としてのタールを主な狙いとするプロセスであるために、一般に反応圧力１０ａｔｍ以下の低圧、熱分解部反応温度９００℃以下の低温で操業される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
石炭ガス化複合発電技術の実用化においては、冷ガス効率の向上による発電効率の向上、高温ガス化ガス顕熱回収、脱塵、脱硫のガス精製工程の簡素化による設備コストの低減が大きな課題である。
【００１０】
従来の気流床石炭ガス化方法では、全量の供給石炭を酸素・スチームを用いて、１５００℃〜１７００℃の高温で一段で反応させるために、ガス化ガス量は多いがガス発熱量がＣＨ₄に代表される炭化水素を含まないために低く、ガス化炉壁を通した熱損失が多くなるために、冷ガス効率は７５〜８０％が限界である。また、ガス化炉から排出される１５００℃〜１７００℃の高温ガス化ガスからの熱回収負荷が大きく、また脱塵、脱硫のガス精製工程もガス化ガス量が多いために設備コストが増大する。
【００１１】
特開平５−２９５３７１号公報に示す石炭熱分解プロセスでは、圧力が１０ａｔｍ以下の低圧であること、また９００℃以下の反応温度であるために液状のタールが発生し、この熱分解ガスを直接、高効率にガスタービンおよび蒸気タービンの複合発電用燃料として使用することはできない。
【００１２】
本発明では、気流床石炭ガス化による可燃性ガスの製造法において、冷ガス効率が高く、かつ設備コストの低減可能な石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）用ガス化の製造方法およびそのためのガス化炉を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、微粉炭の酸素およびスチームによるガス化で発生する１４００℃〜１７００℃の高温ガス化ガスの冷却および熱回収方法として、微粉炭吹き込みによる熱分解反応での冷却および熱回収方法を考え、タール等の液状物が生成しない圧力１０ａｔｍ以上、温度９００℃以上の条件を見い出し、本発明に至った。
【００１４】
本発明は、前記の課題を解決するために、１４００℃〜１７００℃の高温ガス化ガス中に微粉炭を吹き込み、圧力２０〜３０ａｔｍの高圧条件下、熱分解反応温度を９００℃以上とすることで、タールの発生を抑制し、冷ガス効率が高く、かつ設備コストの低減可能な石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）用ガス化炉を実現することを特徴とする。
【００１５】
即ち、本発明の要旨とするところは、
（１）ガス化炉とその後段の石炭熱分解炉に分かれている二室二段気流床ガス化炉を用いて、圧力２０〜３０ａｔｍの高圧条件下で、石炭から可燃性ガスを製造する石炭の気流床ガス化方法であって、
前記石炭熱分解炉から生成する熱分解ガス中に含まれる石炭チャーを捕集し、該捕集した石炭チャーと微粉炭とを酸素およびスチームとともに前記ガス化炉に吹き込み、１４００℃〜１７００℃の高温下で部分酸化反応を起こさせて、主に、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ _２ ）からなる高温ガスを生成し、次いで、前記ガス化炉に連結して設けた前記石炭熱分解炉で前記ガス化炉からの前記高温ガスに微粉炭を吹き込み、熱分解反応を起こさせて、水素（Ｈ _２ ）、一酸化炭素（ＣＯ）およびメタン（ＣＨ _４ ）を主成分とする石炭熱分解ガス、並びに、前記石炭チャーを生成するとともに、９００℃〜１４００℃に冷却することを特徴とする石炭の気流床ガス化方法
【００１６】
（２） 前記（１）記載の気流床ガス化方法において、ガス化炉への微粉炭供給量とリサイクルされる石炭チャーの供給量の重量比を熱分解炉温度に応じて０〜２としたことを特徴とする石炭の気流床ガス化方法。
【００１７】
（３） ガス化炉とその後段の石炭熱分解炉に分かれている二室二段気流床ガス化炉を有する石炭の気流床ガス化装置であって、
圧力２０〜３０ａｔｍの高圧条件下で、石炭、およびその熱分解反応により生成した石炭チャーを、酸素およびスチームにより１４００℃〜１７００℃の高温下で部分酸化反応を起こさせて、主に、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ _２ ）からなる高温ガスを生成する前記ガス化炉と、
前記ガス化炉とスロート構造で直結されて前記ガス化炉からの前記高温ガスに微粉炭を吹き込み、熱分解反応を起こさせて、水素（Ｈ _２ ）、一酸化炭素（ＣＯ）およびメタン（ＣＨ _４ ）を主成分とする石炭熱分解ガス、並びに、石炭チャーを生成するとともに、９００℃〜１４００℃に冷却する熱分解炉とを備え、
前記熱分解炉にて生成した石炭チャーを捕集して前記ガス化炉へリサイクルする機能を有することを特徴とする石炭の気流床ガス化装置。
にある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。
【００１９】
図２に本発明の石炭の二室二段気流床石炭ガス化法のプロセスフローを示す。炉本体は、石炭熱分解炉１２とガス化炉１１の二室に分かれている。ガス化炉１１では、石炭熱分解炉１２で生成した石炭熱分解ガス１８の熱回収を熱交換器７行った後、サイクロンなどの脱塵装置８により捕集した全量の石炭チャー１３をリサイクルし、ガス化炉１１に複数本設置したチャーバーナー１４からガス化原料として炉内に吹き込む。一方、脱塵されたガスは、脱硫装置９で脱硫した後にガスタービン用ガス燃料１０等に使用される。そして、ガス化原料として炉内に吹き込まれた石炭チャー１３は、酸素３およびスチーム４により以下の（３）式で示す反応が進行する。また、微粉炭供給装置１６からガス化炉１１に供給された微粉炭２は、ガス化炉１１に複数本設置された微粉炭バーナー１５からガス化原料としてガス化炉１１に吹き込まれ、石炭チャー１３と同様に、酸素３およびスチーム４により前記（１）式で示す反応が進行する。
【００２０】
ここでの微粉炭２は、平均粒径約５０μｍ程度の微粉粒子が好ましいが、この粒径に限られるものではない。
【００２１】
石炭チャー［Ｃ（Ａｓｈ）］＋Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ
→ＣＯ＋Ｈ₂＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ＋Ｓｌａｇ （３）
石炭チャーガス化反応および微粉炭ガス化反応は、圧力２０〜３０ａｔｍ、温度１４００℃〜１７００℃で進行し、ＣＯ、Ｈ₂を主成分とする高温の可燃性ガスが生成される。石炭チャーおよび微粉炭中の灰は溶融状態でガス化炉底から溶融スラグ５として排出される。ガス化炉１１とスロート構造で直結された石炭熱分解炉１２では、微粉炭供給装置１６から微粉炭２が気流搬送により石炭熱分解炉１２下部に設置した複数本のノズル１７から炉内に吹き込まれ、ガス化炉１１で生成された高温ガス化ガスの冷却剤として作用する。吹き込まれた微粉炭２は、ガス化炉１１からの１４００℃〜１７００℃の高温のガス化ガス流の顕熱により急速加熱・熱分解され、（４）式に示す反応が進行する。
【００２２】
微粉炭［（ＣＨＯ）（Ａｓｈ）］
→ＣＨ_４〜Ｃ_３Ｈ_８＋ＣＯ＋Ｈ_２＋石炭チャー［Ｃ（Ａｓｈ）］ （４）
この反応は、圧力２０〜３０ａｔｍ、温度９００℃以上で進行し、ＣＨ_４〜Ｃ_３Ｈ_８の炭化水素ガスを含む石炭熱分解ガス１８を生成する。ここでは、９００℃以上１４００℃以下、好ましくは９５０℃以上１２００℃以下の高温でかつ高圧であるために液状のタールは発生しない。ガス化炉１１からのガス化ガスと熱分解反応により生成したガスが混合され、石炭熱分解炉１２の炉頂から石炭熱分解ガス１８として熱交換器７ヘ送られる。生成される石炭熱分解ガス１８の発熱量は図１に示す従来の気流床ガス化ガス法に比較して、３０００〜４０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３と高くなる。また（４）式の反応は、熱分解反応であり、生成チャーのガス化を必要としないために反応時間が数秒以下と極めて短時間で良く、石炭熱分解炉１２はコンパクトな炉となる。
【００２３】
石炭熱分解炉１２の温度を高くする場合には、ガス化炉１１への微粉炭２の供給量を増加し、高温のガス化ガス量を増大させることで対応する。微粉炭供給量とリサイクルされる石炭チャー供給量の重量比は、炭種により相異するが、９００℃から１４００℃の温度範囲では０〜２の範囲とする必要がある。
【００２４】
供給された微粉炭２を９００℃以上１４００℃以下、好ましくは９５０℃以上１２００℃以下の低温で熱分解し、生成した石炭チャー１３を１４００℃〜１７００℃の高温でガス化する二段反応の本発明のガス化法では、石炭チャー１３および微粉炭２のガス化により生成した高温ガス化ガスの顕熱が熱分解ガスの潜熱として直接回収されるために、非常に熱効率の高いガス化法となる。従来の一段ガス化法のガスに比較して、本発明の二段ガス化法ではガス発生量は少なくなるが、ガス発熱量が高いガスが得られ、（２）式で示される冷ガス効率は熱効率の高さから数％高くなる。また、従来の一段ガス化法では１４００〜１７００℃のガス化ガスからの熱回収が必要となるため、熱交換器の負荷が非常に大きくならざるを得ない。一方、二段法では、１４００℃〜１７００℃の高温ガス化ガスの顕熱を熱分解生成ガスの潜熱で回収しているために、９５０℃〜１２００℃のガスからの顕熱回収で良い。このため、熱交換器の負荷が軽く、設備コストも小さくなる。
【００２５】
【実施例】
図２に示したフローにおいて、２００メッシュ以下７０％の微粉炭１ｔを石炭熱分解炉に供給した。熱分解炉の反応条件は、圧力２５ａｔｍ、温度９５０℃、ガス滞留時間２ｓｅｃである。９５０℃以上においては、発電用燃料の障害となるタールは生成しなかった。石炭熱分解ガスは、Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄を主成分とするガスで、ガス量は１６００Ｎｍ³で、発熱量は３８００ｋｃａｌ／Ｎｍ³であった。
【００２６】
脱塵装置（サイクロン）により回収された石炭チャー量は、０．４８ｔで、この石炭チャーは微粉炭の熱分解反応に所要の熱を与えるために全量をガス化炉にリサイクルし、酸素３４０Ｎｍ³、スチーム３６０Ｎｍ³により、ＣＯおよびＨ₂を主成分とするガスにガス化し、石炭熱分解炉に導入した。ガス化条件は、圧力２５ａｔｍ、温度１５５０℃である。このプロセスにおける冷ガス効率は８４％であった。
【００２７】
微粉炭１ｔを上記条件と同様に石炭熱分解炉に供給し、その反応条件を圧力２５ａｔｍ、温度１２００℃、ガス滞留時間２ｓｅｃとすると、石炭熱分解ガス中の炭化水素ガス割合が減少し、ガス量は２８９５Ｎｍ³で発熱量３０００ｋｃａｌ／Ｎｍ³となった。石炭熱分解炉の温度を１２００℃に維持するためにサイクロンにより回収された石炭チャー０．４８ｔの全量と新たに微粉炭０．５ｔをガス化炉に供給し、酸素６８０Ｎｍ³、スチーム７２０Ｎｍ³により、上記反応条件と同様な条件でガス化を行った。この条件における冷ガス効率は８０％であった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明により、冷ガス効率が高く、かつ設備コストの低減可能な石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）用ガス化炉を実現することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図ｌ】従来の気流床一段ガス化炉の概略図である。
【図２】本発明の二室二段ガス化炉の概略図である。
【符号の説明】
１ 石炭ガス化炉
２ 微粉炭
３ 酸素
４ スチーム
５ 溶融スラグ
６ ガス化ガス
７ 熱交換器
８ 脱塵装置
９ 脱硫装置
１０ ガスタービン用ガス燃料
１１ ガス化炉
１２ 石炭熱分解炉
１３ 石炭チャー
１４ チャーバーナー
１５ 微粉炭バーナー
１６ 微粉炭供給装置
１７ 微粉炭ノズル
１８ 石炭熱分解ガス

Claims (3)

1. ガス化炉とその後段の石炭熱分解炉に分かれている二室二段気流床ガス化炉を用いて、圧力２０〜３０ａｔｍの高圧条件下で、石炭から可燃性ガスを製造する石炭の気流床ガス化方法であって、
   前記石炭熱分解炉から生成する熱分解ガス中に含まれる石炭チャーを捕集し、該捕集した石炭チャーと微粉炭とを酸素およびスチームとともに前記ガス化炉に吹き込み、１４００℃〜１７００℃の高温下で部分酸化反応を起こさせて、主に、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ _２ ）からなる高温ガスを生成し、次いで、前記ガス化炉に連結して設けた前記石炭熱分解炉で前記ガス化炉からの前記高温ガスに微粉炭を吹き込み、熱分解反応を起こさせて、水素（Ｈ _２ ）、一酸化炭素（ＣＯ）およびメタン（ＣＨ _４ ）を主成分とする石炭熱分解ガス、並びに、前記石炭チャーを生成するとともに、９００℃〜１４００℃に冷却することを特徴とする石炭の気流床ガス化方法。
2. 請求項１記載の気流床ガス化方法において、ガス化炉への微粉炭供給量とリサイクルされる石炭チャーの供給量の重量比を熱分解炉温度に応じて０〜２としたことを特徴とする石炭の気流床ガス化方法。
3. ガス化炉とその後段の石炭熱分解炉に分かれている二室二段気流床ガス化炉を有する石炭の気流床ガス化装置であって、
   圧力２０〜３０ａｔｍの高圧条件下で、石炭、およびその熱分解反応により生成した石炭チャーを、酸素およびスチームにより１４００℃〜１７００℃の高温下で部分酸化反応を起こさせて、主に、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ _２ ）からなる高温ガスを生成する前記ガス化炉と、
   前記ガス化炉とスロート構造で直結されて前記ガス化炉からの前記高温ガスに微粉炭を吹き込み、熱分解反応を起こさせて、水素（Ｈ _２ ）、一酸化炭素（ＣＯ）およびメタン（ＣＨ _４ ）を主成分とする石炭熱分解ガス、並びに、石炭チャーを生成するとともに、９００℃〜１４００℃に冷却する熱分解炉とを備え、
   前記熱分解炉にて生成した石炭チャーを捕集して前記ガス化炉へリサイクルする機能を有することを特徴とする石炭の気流床ガス化装置。

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