JP5305327B2

JP5305327B2 - 石炭ガス化発電システム及び石炭ガス化発電システムにおける水銀の除去方法

Info

Publication number: JP5305327B2
Application number: JP2008114587A
Authority: JP
Inventors: 哲正山口; 茂男伊藤; 直希野田; 広幸秋保
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: JP2009263498A

Description

本発明は石炭ガス化発電システム及び石炭ガス化発電システムにおける水銀の除去方法に関し、特に石炭ガス化ガス中に含まれる微量元素である水銀を除去する場合に適用して有用なものである。

石炭は世界の広い地域に存在し、可採埋蔵量が多く、価格が安定しているため、供給安定性が高く発熱量あたりの価格も低廉である。このため、石炭火力発電は、エネルギーの確保、エネルギー価格の安定に重要な役割を果たしている。

石炭を燃料とする発電方式の一つとして石炭ガス化複合発電（IGCC：Integrated coal Gasification Combined Cycle）が注目されている。石炭ガス化複合発電では、石炭ガス化発電システムで石炭をガス化し、この結果得られる石炭ガス化ガスを精製して燃焼器で燃焼させることにより燃焼器からの燃焼ガスでガスタービンを回転駆動して発電する。同時に、ガスタービンによる発電に加え、ガスタービンの排気ガスの熱を回収することで得られた蒸気で蒸気タービンを回転駆動して発電する。

かかる石炭ガス化複合発電における石炭ガス化発電システムは、石炭を完全に燃焼させることなくガス化するガス化炉と、このガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの脱硫等を行うガス精製設備とを備えており、精製した石炭ガス化ガスを発電設備のガスタービン等に供給して所定の仕事をさせるように構成してある。ガスタービン等で燃焼されて仕事を終え、ガスタービン等から排出された排ガスは煙突を介して大気中に排出される。

ここで、石炭ガス化ガス中には種々の有害な元素が微量含まれている。かかる微量元素の一種として水銀があるが、従来は排ガスを介してその大気中への排出は特には規制されていなかった。ただ、環境保全の観点からは排ガス中の水銀も可及的に低減するのが望ましい。

石炭ガス化ガス中の揮発性微量元素を除去する工程を含む浄化システムを開示する公知技術として特許文献１がある。これは、ガス化炉で生成される石炭ガス化ガスに含まれる揮発性微量ガスを除去するため、ガス化炉から排出される石炭灰を捕集剤として利用する技術を開示するものであるが、水銀を捕集の対象とするものではない。また、特許文献１はガス化炉から脱硫工程に至る硫黄分が多い石炭ガス化ガス中の揮発性微量ガス中の元素の吸着を目的としているのでかかる雰囲気で水銀を除去することはできない。

一方、排ガス中の水銀を回収する公知文献として特許文献２を挙げることができる。これは未燃カーボンを含んだ微粒子灰により水銀を吸着して回収するものであるが、ごみ焼却設備の排ガス中の水銀を回収する技術であり、石炭ガス化発電システムに関するものではない。

特開２０００−３８５８９号公報特公平７−３８９３５号公報

本発明は、上記従来技術に鑑み、石炭ガス化ガス中に含まれる水銀を回収して大気中に排出される水銀を可及的に低減し得る石炭ガス化発電システム及び石炭ガス化発電システムにおける水銀の除去方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は次の実験による知見を基礎とするものである。一般に、石炭ガス化発電システムでは、ガス化炉で生成された石炭ガス化ガス中に含まれる石炭微粒子である石炭チャーをガス化炉の下流側の集塵手段で回収している。未燃分を含んでいる石炭チャーを原料の一部としてガス化炉に戻してやるためである。そこで、本発明者等は回収した石炭チャーを原料として利用するだけでなく水銀の吸着剤として利用することに思い至り、石炭チャーによる水銀の吸着特性を調べる実験を行った。実験条件は表１に示す通りである。すなわち、反応器入口での濃度が９．４乃至９．６μｇ／ｍ^３の水銀（Ｈｇ）を含有する所定のガス組成のガスと所定量の石炭チャーを接触させて時間的な水銀濃度の変化を測定した。なお、この場合のガス組成は石炭ガス化発電システムにおける発電設備の排ガスを模擬して表１に示すガス組成とし、石炭チャーも表１に示す量とした。

ここで、表１中の最左欄の条件が図１の特性、中央欄の条件が図２の特性、最左欄の条件が図３の特性にそれぞれ対応している。また、図１が塩化水素（ＨＣｌ）を含むガスと石炭チャーとの接触をタイミングＡで開始した場合の特性図、図２が塩化水素（ＨＣｌ）を含まないガスと石炭チャーとの接触をタイミングＢで開始した場合の特性図、図３が塩化水素（ＨＣｌ）を含まないガスと石炭チャーとの接触をタイミングＣで開始するとともにタイミングＤ，Ｅ，Ｆでそれぞれ２ｓｅｃ，１０ｓｅｃ，３０ｓｅｃの間、塩化水素を注入した場合の特性図である。図３に示す実験では、供給時間を変えてスパイク状に塩素ガスを供給することにより、塩素ガスを注入した場合の評価も同時に行えるようにしている。

図１を参照すれば、塩化水素を含むガスにおいては、石炭チャーとの接触によりほぼ完全に水銀を除去し得ることが分かる。図２を参照すれば、図１に示す場合程ではないが、塩化水素を含まない場合でも５０％程度の水銀を除去し得ることが分かる。図３を参照すれば、石炭チャーの量が多い分、図２に示す場合に比べ、より多くの水銀を除去し得ることが分かる。また、塩化水素を間欠的に注入したタイミングＤ，Ｅ，Ｆでは顕著に水銀除去効果が向上していること、しかも注入時間が長いほど効果的であることが分かる。

かかる図１乃至図３に示す実験結果は、ガス化炉に戻す石炭チャーの一部を抽出して発電設備の排気ガスに供給してやれば排気ガス中の水銀を吸着させることができることを示している。そして、排気ガス中に塩素ガスが含まれる場合がより効果的に水銀を吸着することができ、また石炭チャーの量が多い程より効果的に水銀を吸着することができることを示している。

かかる知見に基づく本発明の第１の態様は、
石炭をガス化して石炭ガス化ガスを生成するガス化炉と、このガス化炉の下流側で前記石炭ガス化ガス中の石炭チャーを回収する第１の集塵手段と、この第１の集塵手段の下流側で前記石炭ガス化ガスを燃料として発電を行う発電設備と、この発電設備で発電に供した前記石炭ガス化ガスの排ガスを大気中に排出するための排出手段とを具備する石炭ガス化発電システムであって、
前記発電設備の下流側で前記排出手段との間に第２の集塵手段を設ける一方、前記第１の集塵手段で回収した石炭チャーを前記第２の集塵手段の上流側で前記排ガス中に供給するとともに前記第２の集塵手段で回収するように構成したことを特徴とする石炭ガス化発電システムにある。

本態様によれば、ガス化炉の下流側で第１の集塵手段で回収した石炭ガス化ガス中の石炭チャーを、発電設備で発電に供した後の排ガス中に供給するとともに、この石炭チャーを下流で第２の集塵手段により捕捉・回収することができる。

本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する石炭ガス化発電システムにおいて、
前記第２の集塵手段にはハロゲン化ガスを供給するようにしたことを特徴とする石炭ガス化発電システムにある。

本態様によればハロゲン化ガスを供給したことにより石炭チャーによる水銀の吸着をさらに促進させることができる。

本発明の第３の態様は、
第２の態様に記載する石炭ガス化発電システムにおいて、
前記ハロゲン化ガスは、前記第２の集塵手段を逆洗する逆洗ガスに混入させて供給するようにしたことを特徴とする石炭ガス化発電システムにある。

本態様によれば、ハロゲン化ガスを最も合理的に供給することができる。

本発明の第４の態様は、
第２の態様又は第３の態様に記載する石炭ガス化発電システムにおいて、
前記ハロゲン化ガスは塩化水素ガスであることを特徴とする石炭ガス化発電システムにある。

本態様によれば最も経済的なハロゲン化ガスの供給を行うことができる。

本発明の第５の態様は、
第１の態様乃至第４の態様の何れか一つに記載する石炭ガス化発電システムにおいて、
前記第１の集塵手段は、上流側から順に直列に接続されたサイクロンとフィルタとを有しており、前記排ガス中に供給する石炭チャーに占める前記サイクロンで回収した粒径が大きい石炭チャーの量と前記フィルタで回収した粒径が小さい石炭チャーの量との割合を調整可能に構成したことを特徴とする石炭ガス化発電システムにある。

本態様によれば、第２の集塵手段の目詰まりを生起しにくい粒径が大きい石炭チャーと、単位重量当りの表面積が大きく水銀の吸着能力に優れる粒径が小さい石炭チャーとをそれぞれの特長を考慮して使い分けることができる。

本発明の第６の態様は、
第１の態様乃至第５の態様の何れか一つに記載する石炭ガス化発電システムにおいて、
前記第２の集塵手段で回収した石炭チャーは、前記第２の集塵手段の上流側で再度前記排ガス中に供給して循環させるように構成したことを特徴とする石炭ガス化発電システムにある。

本態様によれば第２の集塵手段で回収する水銀を吸着した石炭チャーの水銀濃度をある程度濃くした状態で最終処分に回すことができる。

本発明の第７の態様は、
第１の態様乃至第６の態様の何れか一つに記載する石炭ガス化発電システムにおいて、
脱硫後の石炭ガス化ガスの排煙処理を行う排煙処理設備内の前記石炭ガス化ガスにも前記第１の集塵手段から石炭チャーを供給することを特徴とする石炭ガス化発電システムにある。

本態様によれば、排煙処理設備内でも水銀を回収することができ、その分当該石炭ガス化発電システムから大気中には排出される水銀の量を低減することができる。

本発明の第８の態様は、
石炭をガス化して石炭ガス化ガスを生成するガス化炉の下流側で前記石炭ガス化ガス中の石炭チャーを第１の集塵手段で回収するとともに、発電設備に供給されて発電に供した後の前記石炭ガス化ガスの排ガス中に前記第１の集塵手段で回収した石炭チャーを供給し、この石炭チャーに前記排ガス中の水銀を吸着させて第２の集塵手段で回収するようにしたことを特徴とする石炭ガス化発電システムにおける水銀の除去方法にある。

本態様によれば、発電設備で発電に供した後の排ガス中に石炭チャーを供給することにより排ガス中の水銀を石炭チャーに吸着させて除去することができる。

本発明によれば、ガス化炉の下流側で第１の集塵手段で回収した石炭ガス化ガス中の石炭チャーを、発電設備で発電に供した後の排ガス中に供給するとともに、この石炭チャーを下流で第２の集塵手段により捕捉・回収することができる。この結果、排ガス中の水銀を石炭チャーに吸着させた状態で良好に除去でき、水銀の大気中への漏出を未然に防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の形態に限定されない。

図４は本発明の実施の形態に係る石炭ガス化発電システムを示すブロック線図である。同図に示すように、当該石炭ガス化発電システムにおいては、粉砕機１で粉砕した石炭をガス化炉２に移送してガス化している。この際、空気分離装置（ＡＳＵ）３により空気が酸素ガスと窒素ガスとに分離され、酸素及び窒素ガスがガス化炉２に供給される。窒素ガスは、石炭のキャリヤガスとして機能する。ガス精製設備は、ガス化ガスクーラ（シンガスクーラ）４でガスを冷却し、集塵装置５で脱塵し、ガスガスヒータ６を経て水洗塔７でガス化ガス（シンガス、還元ガス）中に含まれる硫化水素ガスを水洗により除去した後、脱硫塔８で脱硫し、ガスガスヒータ６で冷却する。こうしてガス精製設備で精製されたガスは、燃焼器９で燃焼され、この燃焼ガスによりガスタービン１０を駆動する。これにより発電機１１にて発電が行われる。このとき、燃焼器９には圧縮機１２で圧縮した燃焼用の空気が供給される。また、ガスタービン１０で仕事を終えたその排ガスは廃熱回収ボイラ１４で熱回収を行った後、排出手段である煙突１５を介して大気中に排出される。排ガスとの熱交換の結果廃熱回収ボイラ１４で発生した蒸気は蒸気タービン１３に供給されてこれを回転駆動する。すなわち、発電機１１はガスタービン１０及び蒸気タービン１３を原動機として回転駆動される。

本形態においては、廃熱回収ボイラ１４の下流側で煙突１５との間に第２の集塵手段であるバグフィルタ１６が配設してあり、第１の集塵手段である集塵装置５で回収した石炭チャーの一部を第２の集塵手段であるバグフィルタ１６の上流側で前記排ガス中に供給するようになっている。この結果、排ガス中の水銀を石炭チャーに吸着させることができ、この状態の石炭チャーをバグフィルタ１６で回収することができる。本形態における集塵装置５は、上流側から順に直列に接続されたサイクロン５Ａとフィルタ５Ｂとからなり、それぞれで回収した石炭チャーをガス化炉２に戻すとともに、それぞれの一部を前記排ガス中に供給するようになっている。ここで、サイクロン５Ａでは相対的に粒径が大きい石炭チャーが回収される一方、フィルタ５Ｂでは相対的に粒径が小さい石炭チャーが回収される。粒径が大きい石炭チャーは排ガスに供給した場合、下流のバグフィルタ１６で目詰まりを生起する可能性が粒径の小さい石炭チャーの場合よりも少ない。一方、粒径が小さい石炭チャーは単位重量当りの表面積が大きいので、排ガス中に供給した場合、粒径が大きい石炭チャーの場合よりも水銀の吸着能力は優れていると考えられる。ここで、フィルタ５Ｂから排出される石炭チャーは、バグフィルタ１６の上流側へ一定量を供給するか若しくは全量をガス化炉２に戻すとともに、サイクロン５Ａから排出される石炭チャーを主にバグフィルタ１６の上流側への供給するように調整している。かくして、排ガス中の水銀濃度を監視しておき、水銀濃度が小さいときにはサイクロン５Ａ及びフィルタ５Ｂ、又はサイクロン５Ａのみから石炭チャーを排ガス中に供給する一方、水銀濃度が大きいときにはサイクロン５Ａからの供給する石炭チャーの量を増加させて排ガス中に供給するような運転を行っている。ただ、かかる運転方法に限定するものではない。

さらに、バグフィルタ１６に塩化水素ガスを供給し得るように構成しても良い。図１に示す実験結果と図２に示す実験結果とを比較すれば明らかな通り、塩化水素ガスを注入した場合の方が石炭チャーによる水銀の吸着性能が顕著に向上するからである。ここで、注入する塩化水素ガスはなるべく少量に抑えるのが望ましい。未反応の塩素ガスが煙突１５を介して大気中に排出されるのを回避するためである。

ここで、バグフィルタ１６は目詰まりを防止するため定期的に逆洗を行っている。逆洗とは、通常のガス流れと反対側から洗浄ガスを流して経時的にフィルタ内に蓄積される石炭チャー等の塵芥を吹き飛ばし、圧力損失を低減することによりフィルタとしての除去性能を回復させるための作業である。逆洗ガスとしては空気乃至窒素ガスが汎用されている。そこで、逆洗時に塩化水素ガスを逆洗ガスに混入させてバグフィルタ１６内に注入するのが最適であると考えられる。この場合の注入量は、検出した排ガス中の水銀濃度に応じて制御するようにすればより好ましい。

なお、バグフィルタ１６で回収した石炭チャーは、バグフィルタ１６の上流側で再度排ガス中に供給して循環させるように構成しても良い。このことにより、ある程度濃縮された水銀を吸着させた状態で石炭チャーの回収による最終処分を行うことができる。

さらに、本形態におけるガス精製設備では湿式脱硫を行っている。すなわち、先ず石炭ガス化ガスを水洗塔７で水洗し、その後水洗した石炭ガス化ガスを脱硫塔８で脱硫している。かかる湿式脱硫においては再生塔１７を出た脱硫後の石炭ガス化ガスが排煙設備を構成するフィルタ１８を介して大気中に排出されている。そこで、フィルタ１８の上流側に石炭チャーを供給することによりフィルタ１８から排気される石炭ガス化ガスの水銀を吸着・回収することができる。すなわち、かかる構成によっても副次的な水銀の除去を行うことができ、全体的な水銀の除去効率の向上に資することができる。

このように本形態によればガス化炉２の下流側で集塵装置５によって回収された石炭ガス化ガス中の石炭チャーを、発電設備で発電に供した後の排ガス中に供給するとともに、この石炭チャーを下流でバグフィルタ１６により捕捉・回収することができる。この結果、排ガス中の水銀を石炭チャーに吸着させた状態で良好に除去でき、大気中への漏出を未然に防止することができる。ここで、石炭チャーは脱硫後の石炭ガス化ガスを燃焼させた硫黄分を殆ど含まない排ガス中に供給されるので、石炭チャーによる水銀の吸着は良好に行われる。

図４は湿式脱硫を行う場合の石炭ガス化発電システムであるが、本発明に係る石炭ガス化発電システムは乾式脱硫方式を採用した石炭ガス化発電システムであっても良い。これを図５に示す。図５に示すように、当該石炭ガス化発電システムは、乾式脱硫方式を採用している点を除き多くの構成要素が重複しているので、図４と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。当該石炭ガス化発電システムは乾式の脱硫装置１９から排煙処理に回される石炭ガス化ガスは存在しないので、廃熱回収ボイラ１４の下流のみに集塵装置５から石炭チャーの一部を供給してバグフィルタ１６で回収するように構成してある。

この場合でも図４に示す場合と全く同様に排ガス中の水銀が回収され、煙突１５を介して大気中に排出される水銀を可及的に除去し得る。

なお、上記実施の形態における発電設備はガスタービンを有するものであるが、勿論これに限るものではない。ガスエンジンを原動機とする発電設備、燃料電池を有する発電設備であっても同様に適用することができ、適用した場合には同様の効果を得る。

また、上記実施の形態では塩化水素ガスを補足的に注入するようにしたが、水素濃度が小さい場合等には必ずしも注入する必要はない。注入しなくても十分な水素除去効果が得られる場合があるからである。さらに、ハロゲン化ガスであれば塩化水素に限定するものでもない。例えば臭化水素及びフッ化水素等を適用できる。

石炭ガス化設備を用いた電力の供給を行う産業分野で有効に利用し得る。

塩化水素（ＨＣｌ）を含むガスと石炭チャーとを接触させた場合の水銀除去特性を示す特性図である。塩化水素（ＨＣｌ）を含まないガスと石炭チャーとを接触させた場合の水銀除去特性を示す特性図である。塩化水素（ＨＣｌ）を含まないガスと石炭チャーとを接触させた場合の水銀除去特性を示す特性図である。本発明の実施の形態に係る石炭ガス化ガス発電システムを示すブロック線図である。本発明の他の実施の形態に係る石炭ガス化ガス発電システムを示すブロック線図である。

符号の説明

２ガス化炉
５集塵装置（第１の集塵手段）
５Ａサイクロン
５Ｂフィルタ
１０ガスタービン
１１発電機
１５煙突（排出手段）
１６フィルタ（第２の集塵手段）
１８フィルタ（排煙処理設備）

Claims

石炭をガス化して石炭ガス化ガスを生成するガス化炉と、このガス化炉の下流側で前記石炭ガス化ガス中の石炭チャーを回収する第１の集塵手段と、この第１の集塵手段の下流側で前記石炭ガス化ガスを燃料として発電を行う発電設備と、この発電設備で発電に供した前記石炭ガス化ガスの排ガスを大気中に排出するための排出手段とを具備する石炭ガス化発電システムであって、
前記発電設備の下流側で前記排出手段との間に第２の集塵手段を設ける一方、前記第１の集塵手段で回収した石炭チャーを前記第２の集塵手段の上流側で前記排ガス中に供給するとともに前記第２の集塵手段で回収するように構成したことを特徴とする石炭ガス化発電システム。
請求項１に記載する石炭ガス化発電システムにおいて、
前記第２の集塵手段にはハロゲン化ガスを供給するようにしたことを特徴とする石炭ガス化発電システム。
請求項２に記載する石炭ガス化発電システムにおいて、
前記ハロゲン化ガスは、前記第２の集塵手段を逆洗する逆洗ガスに混入させて供給するようにしたことを特徴とする石炭ガス化発電システム。
請求項２又は請求項３に記載する石炭ガス化発電システムにおいて、
前記ハロゲン化ガスは塩化水素ガスであることを特徴とする石炭ガス化発電システム。
請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載する石炭ガス化発電システムにおいて、
前記第１の集塵手段は、上流側から順に直列に接続されたサイクロンとフィルタとを有しており、前記排ガス中に供給する石炭チャーに占める前記サイクロンで回収した粒径が大きな石炭チャーの量と前記フィルタで回収した粒径が小さい石炭チャーの量との割合を調整可能に構成したことを特徴とする石炭ガス化発電システム。
請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載する石炭ガス化発電システムにおいて、
前記第２の集塵手段で回収した石炭チャーは、前記第２の集塵手段の上流側で再度前記排ガス中に供給して循環させるように構成したことを特徴とする石炭ガス化発電システム。
請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載する石炭ガス化発電システムにおいて、
脱硫後の石炭ガス化ガスの排煙処理を行う排煙処理設備内の前記石炭ガス化ガスにも前記第１の集塵手段から石炭チャーを供給することを特徴とする石炭ガス化発電システム。
石炭をガス化して石炭ガス化ガスを生成するガス化炉の下流側で前記石炭ガス化ガス中の石炭チャーを第１の集塵手段で回収するとともに、発電設備に供給されて発電に供した後の前記石炭ガス化ガスの排ガス中に前記第１の集塵手段で回収した石炭チャーを供給し、この石炭チャーに前記排ガス中の水銀を吸着させて第２の集塵手段で回収するようにしたことを特徴とする石炭ガス化発電システムにおける水銀の除去方法。