JP5450799B2 - 石炭ガス化システムおよび石炭ガス化方法 - Google Patents

Description

本発明は、石炭を原料としてメタン等の製品を製造する石炭ガス化システムおよび石炭ガス化方法に関する。
本願は、２０１０年４月１６日に、日本に出願された特願２０１０−０９５４９７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、石炭をガス化して可燃性ガス等を効率的に生産するために、固定床型、流動床型、および気流床（噴流床）型等の様々な構成の石炭ガス化反応炉を有する石炭ガス化システムが検討されている。
その１つとして、たとえば、特許文献１に開示されている石炭ガス化システムが知られている。この石炭ガス化システムは、石炭を熱分解する熱分解ガス化反応炉（上部反応容器）と、熱分解ガス化反応炉から発生したガス等から顕熱を回収する熱交換器と、このガス等からチャー（ｃｈａｒ：未ガス化石炭残滓または熱分解残滓）を分離するサイクロンと、チャーを分離したガスから硫黄分を除去してガスを精製する脱硫装置とを備えている。

熱分解ガス化反応炉は、下方側で高温ガス化炉（下部反応容器）に連通している。高温ガス化炉には、石炭、酸素や酸素富化空気等の酸素含有ガス、および水蒸気が供給される。高温ガス化炉は、水素ガスと一酸化炭素ガスを主成分とする高温ガスを発生する。
熱分解ガス化反応炉には、熱分解ガス化反応炉内に石炭を吹き込む石炭吹き込みノズルと、熱分解ガス化反応炉内に水蒸気を添加する水蒸気ノズルとが設けられている。石炭吹き込みノズルから熱分解ガス化反応炉内へ供給された石炭からは、熱分解反応によりチャーと揮発性ガス等が発生する。ここで発生したチャーは以下の化学反応式により各種のガスに分解される。

Ｃ（チャー）＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ ・・・（１）
Ｃ（チャー）＋ＣＯ₂→２ＣＯ ・・・（２）

特許文献１では、上記の化学反応式のうち、化学反応式（１）の反応速度は化学反応式（２）の反応速度よりも数倍程度速いことが記載され、このことから、水蒸気ノズルから水蒸気を供給して熱分解ガス化反応炉内を水蒸気富化雰囲気とすることが、チャーを分解するのに極めて有効であるとしている。
また一方で、一般的に、石炭の熱分解により炭素を主成分とするタールが発生して熱分解ガス化反応炉内に付着する。タールの付着量が増加すると、最終的に熱分解ガス化反応炉の一部にタールが詰まり、熱分解ガス化反応炉が正常に運転できなくなる恐れがある。しかし、このタールも上記の化学反応式（１）および（２）の化学反応によりガス化される。ここで、タールの付着とはタールに由来する炭素質物質の付着を含む。

日本国特開２００２−１５５２８９号公報

しかしながら、熱分解ガス化反応炉に供給する水蒸気量が増加すると、熱分解ガス化反応炉内の温度が低下して上記の化学反応の反応速度が遅くなってしまう。また、水蒸気を熱分解ガス化反応炉に供給するには、水蒸気ノズルや水蒸気供給ポンプ等の一定の装置が必要になり、石炭ガス化システムが大型化するという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、上部反応容器に水蒸気を供給する装置を必要とせず、上部反応容器の内部における水蒸気量を調節することができる石炭ガス化システムおよび石炭ガス化方法の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の一態様に係る石炭ガス化システムは、石炭を乾燥させて所定の水分量を有する水分量調節石炭とする乾燥装置と；前記水分量調節石炭を燃焼させて水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成する石炭ガス化反応炉であって、下部反応容器と、前記下部反応容器の上方に設けられ、前記下部反応容器と連通する上部反応容器と、前記下部反応容器に前記水分量調節石炭および酸素含有ガスを供給し、前記水分量調節石炭を燃焼させるバーナー部と、前記上部反応容器に前記水分量調節石炭を供給するノズル部とを有する石炭ガス化反応炉と；前記ノズル部よりも下方の炉内圧力と、前記上部反応容器上部の炉内圧力との差を測定する圧力測定部と；前記圧力測定部によって測定された圧力差に基づいて前記乾燥装置を制御し、前記石炭に含有される水分量を調節する制御部と；を備える。

上記の石炭ガス化システムによれば、石炭を、乾燥装置によって所定の水分量を有する程度に乾燥させて水分量調節石炭とする。この水分量調節石炭を、酸素含有ガスとともに下部反応容器に供給し、バーナー部で燃焼させると、下部反応容器内部で一酸化炭素ガスを主成分とする高温ガスが発生する。下部反応容器内部で発生した高温ガスは、上部反応容器に流入する。さらに、上記水分量調節石炭を、下部反応容器に供給される分とは別に、ノズル部を通じて上部反応容器に供給し、上部反応容器に流入した高温ガスにより加熱する。水分量調節石炭が高温ガスより加熱されると、熱分解により炭素を主成分とするタール、チャーが生成される。このタールおよびチャーは、水分量調節石炭にあえて残された所定量の水分と化学反応し、ガス化される（式（１）参照）。
一般に、亜瀝青炭、褐炭などの石炭には、３０〜６０％（重量％）程度もの水分が含まれている。そこで、これらを乾燥させる過程であえて所定の水分量が残るように調節しておき、その残存水分を利用して水蒸気を発生させ、タールのガス化を促す。これにより、従来のように上部、下部の各反応容器に水蒸気を供給しなくても、ガス化反応炉内にタールが付着するのを防止することができる。その結果、ガス化反応炉に供給される水蒸気量の増加に伴う炉内の温度低下、およびその温度低下に起因する化学反応の反応速度の遅れを改善することができる。また、ガス化反応炉に水蒸気を供給する設備を設ける必要がなくなるので、石炭ガス化システムの小型化が実現できる。

タールは、ノズル部よりも上方の上部反応容器内面に集中して付着する傾向がある。そこで、本発明の石炭ガス化システムによれば、前記ノズル部よりも下方の炉内圧力と、前記上部反応容器上部の炉内圧力との差を圧力測定部によって測定する。そして、タールの付着が認められる程度の圧力差を検出した場合に、乾燥装置を制御し、石炭に含有される水分量を増加させる。水分量を増した水分量調節石炭が高温ガスより加熱されると、熱分解により炭素を主成分とするタール、チャーが生成されるとともに、水分が気化して水蒸気となる。タール、チャーは発生した水蒸気の一部と化学反応し、ガス化される。さらに、反応容器内面に付着したタールは、残った水蒸気と化学反応し、ガス化される。これにより、上部反応容器内面にタールが付着するのを抑制することができる。

また、本発明の一態様に係る石炭ガス化システムは、水分を質量比で２０％以上含有する亜瀝青炭または褐炭を、これらが所定の水分量を有するように乾燥させて水分量調節石炭とする乾燥装置と；前記水分量調節石炭を燃焼させることで少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを製造する石炭ガス化反応炉と；前記乾燥装置を制御して前記亜瀝青炭または前記褐炭が有する水分量を調節する制御部と；を備え、前記石炭ガス化反応炉は、内部に収容空間が形成された下部反応容器と；前記下部反応容器の上方に設けられた上部反応容器と；を有し、前記下部反応容器は、前記下部反応容器に水蒸気を供給することなく前記水分量調節石炭および酸素含有ガスを所定の割合で供給し、前記水分量調節石炭を燃焼させるバーナー部を有し、前記上部反応容器は、縮径部を介して前記下部反応容器の前記収容空間と連通し、上下方向に延びる貫通孔と；前記上部反応容器に水蒸気を供給することなく前記水分量調節石炭のみを供給するノズル部と；を有し、前記石炭ガス化反応炉は、前記上部反応容器の貫通孔における前記ノズル部より下方の部分の内圧または前記下部反応容器の収容空間における内圧と、前記貫通孔の上方の端部の内圧との間の圧力差を測定する圧力測定部を有し、前記所定の水分量は、前記水分量調節石炭から発生する水蒸気とタールとが化学反応して前記貫通孔内にタールが付着しない量に設定され、前記制御部は、前記圧力測定部が測定した前記圧力差に基づいて、前記乾燥装置を制御する。

亜瀝青炭や褐炭には、３０〜６０％（重量％）程度もの水分が含有されている。この発明によれば、まず乾燥装置により亜瀝青炭または褐炭を乾燥させて水分量調節石炭とし、水分量調節石炭が従来の石炭ガス化システムにおける残留水分量より多い水分を含有するように調節する。具体的には、上部反応容器において、水分量調節石炭の所定量の水分と、水分量調節石炭から発生したタールとが化学反応することで、貫通孔内にタールが付着ないように水分量調節石炭中の水分量を調整しておく。
そして、下部反応容器内の収容空間にバーナー部から水蒸気を供給することなく水分量調節石炭、および酸素含有ガスを所定の割合で供給して水分量調節石炭を燃焼させるとともに、上部反応容器内の貫通孔に、ノズル部から水蒸気を供給することなく、水分量調節石炭のみを供給する。

上部反応容器内に供給される炭素と水分は、ともに水分量調節石炭中に含まれている。水分量調節石炭の加熱分解により、炭素を主成分とするタールやチャーが生成する。水分量調節石炭中の水分は、上部反応容器内で加熱されて水蒸気となる。水分量調節石炭から生成した直後のタール、チャーおよび水蒸気は混合状態となる。これらタール、チャーおよび水蒸気が別々のノズルから供給された場合には、タールおよびチャーと水蒸気とが離れた位置にあるために反応できなくなることがある。しかし、上記の態様によれば、タール、チャーおよび水蒸気は混合状態となるので、これらが反応できなくなることが防止される。
このとき、上部反応容器内に供給される水分量調節石炭中に含まれる水分量は、乾燥装置によって調節され、水分量調節石炭の熱分解によって発生するタールと水蒸気とが化学反応して貫通孔内にタールが付着しない量になっている。そのため、貫通孔内に付着するタールの量が増加して貫通孔が詰まることがない。このように、上部反応容器内で混合状態となっている水蒸気とタールおよびチャーとを、より確実に反応させることができる。そのため、タールを上部反応容器内に付着させないために上部反応容器内に供給する水蒸気を低減又は不要にすることができる。

石炭が熱分解することにより発生するタールが上部反応容器内に付着する状態になったとしても、タールは上部反応容器の貫通孔におけるノズル部より鉛直方向における上方の位置に集中的に付着する。したがって、圧力差を測定する位置の一方を上部反応容器の貫通孔におけるノズル部より鉛直方向における下方の部分または下部反応容器の収容空間とし、他方を貫通孔の上方の端部とすることで、圧力差を測定する箇所がタールにより詰まることを防止し圧力差を確実に測定することができる。
また、貫通孔内にタールが付着した場合には、圧力測定部で測定される圧力差が大きくなる。このときに制御部が、水分量調節石炭中の水分量を増加させることでタールと水蒸気との化学反応がより促進され、上部反応容器の貫通孔内に付着したタールをガス化させることができる。

また、上記の石炭ガス化システムにおいて、前記所定の水分量は、前記水分量調節石炭中の含有量で１５％以上４０％以下の質量比に設定されていてもよい。
この場合、水分量調節石炭における水分の含有量を質量比で１５％以上とすることで、上部反応容器内におけるタールと水蒸気との反応をより促進させ、貫通孔内にタールが付着しないようにすることができる。

本発明の一態様に係る石炭ガス化方法は、上記のいずれかに記載の石炭ガス化システムを用いる石炭ガス化方法であって、前記上部反応容器の前記貫通孔における前記ノズル部より下方の部分の内圧または前記下部反応容器の前記収容空間における内圧と、前記貫通孔の上方の端部の内圧との間の圧力差に基づいて前記乾燥装置を制御し、前記亜瀝青炭または前記褐炭を所定の水分量を有するように乾燥させて前記水分量調節石炭とする乾燥工程と、前記下部反応容器に、前記バーナー部から水蒸気を供給することなく前記水分量調節石炭、および酸素含有ガスを供給し前記水分量調節石炭を燃焼させるとともに、前記上部反応容器に前記ノズル部から前記水分量調節石炭のみを供給して前記水分量調節石炭を化学反応させる化学反応工程と、を備える。

上記の石炭ガス化方法は、前記化学反応工程において、前記水分量調節石炭から発生するタールと、前記水分量調節石炭に含まれる水分が加熱されて発生する水蒸気と、を化学反応させて、少なくとも一酸化炭素ガスおよび水素ガスを製造してもよい。

本発明の石炭ガス化システムおよび石炭ガス化方法によれば、上部反応容器に水蒸気を供給する装置を必要とせず、上部反応容器内における水蒸気量を調整することができる。

本発明の第１実施形態に係る石炭ガス化システムのブロック図である。 同石炭ガス化システムの要部の一部を破断した図である。 同石炭ガス化システムの乾燥装置の断面図である。 同石炭ガス化システムの粉砕部の出口温度に対する水分量調節石炭中の水分の含有量の変化を示す図である。 同石炭ガス化システムにおける水分量調節石炭中の水分量に対する貫通孔におけるタールの付着量の増加速度の関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る石炭ガス化システムの要部の一部を破断した図である。 同石炭ガス化システムの圧力測定装置で測定される圧力差と、その圧力差を通常の値に戻すのに必要な水分量調節石炭中の水分量との関係を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る石炭ガス化システムの第１実施形態を、図１から図５を参照しながら説明する。図１に示すように、石炭ガス化システム１は、石炭を原料として水素ガスと一酸化炭素ガスを主成分とする合成ガスを合成し、この合成ガスから最終的にメタン、メタノールおよびアンモニア等の製品を製造するプラント設備である。本実施形態の石炭ガス化システム１で使用される石炭としては、水分を重量比で２０％以上含有する亜瀝青炭または褐炭を用いることができる。
石炭ガス化システム１は、石炭乾燥及び粉砕設備（乾燥装置）２と、石炭供給設備３と、石炭ガス化反応炉４と、熱回収設備５と、チャー回収設備６と、シフト反応設備７と、ガス精製設備８と、化学合成設備９と、空気分離設備１０とを備えている。

図２に示すように、石炭乾燥及び粉砕設備２は、石炭を加熱する乾燥部１３と、石炭を所定の粒径（外径）に粉砕する粉砕部１４とを有している。
一般に、石炭は粒径が不均一であり、亜瀝青炭や褐炭には、たとえば質量比で３０〜６０％程度の多量の水分が含まれている。そこで、乾燥部１３において加熱した亜瀝青炭または褐炭を、粉砕部１４で、粒径がたとえば１０μｍ以上１００μｍ以下程度の粒状となるように粉砕することで、亜瀝青炭または褐炭が所定の水分量を有するように調節する。このようにして、質量比で３０〜６０％程度の水分量を有する石炭から、所定の水分量を有する水分量調節石炭を製造する。加熱した石炭を粒状とすることで石炭から水分が蒸発するため、水分量調節石炭中の水分量は、水分量調節石炭が粉砕部１４から出たときに定まる。このように、乾燥部１３および粉砕部１４が、ともに、石炭を乾燥させる乾燥装置として機能する。
石炭乾燥及び粉砕設備２で製造された粒状の水分量調節石炭が有する水分量は、乾燥前の石炭が有する水分量よりも低い、質量比で１５％以上４０％以下に設定されている。
乾燥前の石炭の水分量の測定、及び、乾燥及び粉砕後の水分量調節石炭の水分量の測定は、例えば、赤外線水分計を用いて行うことができる。例えば、乾燥部１３における加熱温度、加熱時間、又は粉砕部１４における粉砕後の石炭の粒径を調節することで、水分量調節石炭の水分量の調整を行うことが可能である。

図３に示すように、乾燥部１３は、同軸上に配置された内筒１５と外筒１６との二重管構造により構成されている。内筒１５および外筒１６は、先端側が水平面に対して一定の角度、下方に傾くように配置されている。内筒１５の基端側（鉛直方向の斜め上方側）には石炭Ｂを内筒１５内に導入するホッパ１７が接続されている。内筒１５内には、石炭Ｂを先端側（鉛直方向の斜め下方側）に送り出す送出し機構１８が配置されている。
外筒１６の先端部には、外筒１６と内筒１５との間に、一定の温度の水蒸気を流量を調整して供給する流量調整バルブ１９が接続されている。内筒１５と外筒１６の間に供給された水蒸気は石炭Ｂが送られる方向に対向するように流れて、外筒１６に接続された排出管２０から排出される。
図２に示す粉砕部１４の出口には、粉砕部１４の出口温度を測定する温度センサが設けられている。

このように構成された乾燥部１３は、粉砕部１４の温度センサで測定しながら流量調整バルブ１９を操作して内筒１５と外筒１６の間を流れる水蒸気の量を調整する。そして、石炭Ｂを内筒１５内を先端側に搬送する間に、水蒸気により石炭Ｂを加熱する。これにより、石炭Ｂに含まれる水分量が調整される。
なお、乾燥部における石炭を乾燥する方法は、石炭中の水分量を調節できるものであれば特に限定されない。例えば、本実施形態のように水蒸気で石炭を加熱する方法でもよいし、ヒータ等で加熱する方法でもよい。図３に示す本実施形態の乾燥部１３を使用すると、石炭の粉砕と乾燥を１つの装置で同時に行うことができ、設備のコンパクト化及びコスト低減が可能である。

図４に、石炭乾燥及び粉砕設備２により石炭Ｂを乾燥させた結果の一例を示す。なお、図４においては、石炭Ｂを一次乾燥して石炭Ｂ中の水分量を２５％まで乾燥させた状態で乾燥部１３に供給している。図４の横軸に温度センサで測定された粉砕部１４の出口温度、縦軸に粉砕部１４を出た後の水分量調節石炭中の水分量を示す。この試験結果では、粉砕部１４の出口温度が７５℃のとき水分量調節石炭の水分量は５％であり、粉砕部１４の出口温度が５０℃のとき水分量調節石炭中の水分量は１８％であった。
内筒１５と外筒１６の間を流れる水蒸気の流量が増加するほど、粉砕部１４の出口温度が高くなる。そして、粉砕部１４の出口温度が高くなると、石炭Ｂが内筒１５内でより高い温度まで加熱され、粉砕部１４の出口から排出された水分量調節石炭中の水分量が減少することが分かる。

図２に示すように、粉砕部１４で粉砕された水分量調節石炭は、石炭ガス化反応炉４内に供給可能な状態にするために石炭供給設備３内で搬送ガスと混合される。この水分量調節石炭を含む搬送ガスは、所定の圧力まで昇圧されて石炭ガス化反応炉４に供給される。なお、乾燥部１３を出て内部の一定量の水分を蒸発させた水分量調節石炭は、水分量が変化しないように乾燥した窒素が充填されて密閉された空間内を移動する。
図１に示す空気分離設備１０は、空気を圧縮して液化し、液体となった空気から沸点の違いにより乾燥した酸素ガスや窒素ガス等を分離する。空気分離設備１０で分離された酸素ガスは、石炭ガス化反応炉４に供給される。

図２に示すように、石炭ガス化反応炉４は、水分量調節石炭を内部で燃焼させることで少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを製造する装置である。石炭ガス化反応炉４は、部分酸化部（下部反応容器）２６と、部分酸化部２６の鉛直方向における上方Ｄ１に設けられた熱分解部（上部反応容器）２８とを備えている。部分酸化部２６は、内部に収容空間２６ａが形成されている。熱分解部２８は、縮径部２８ａを介して、部分酸化部２６の収容空間２６ａと連通して上下方向Ｄに延びる貫通孔（管状部）２７を有している。石炭ガス化反応炉４は、耐熱性のレンガ等によって形成されている。
貫通孔２７と収容空間２６aとの間に縮径部２８ａを設けることで、部分酸化部２６と熱分解部２８とを、それぞれ独立した反応条件で運転することが可能となる。
部分酸化部２６の下方Ｄ２には、スラグ冷却水槽２９が設けられている。部分酸化部２６とスラグ冷却水槽２９は上下方向（鉛直方向）Ｄに連通している。部分酸化部２６とスラグ冷却水槽２９との接続部分には径が縮小された小径部が形成されている。

部分酸化部２６は、上下方向Ｄに延びる略円筒状に形成されている。部分酸化部２６の内周面上には、軸線Ｃ１に沿って延びる円筒状に形成されたガス化バーナー（バーナー部）３０が複数設けられている。ガス化バーナー３０は、石炭供給設備３および空気分離設備１０に接続されていて、部分酸化部２６に水分量調節石炭および酸素含有ガス、および（以下、「水分量調節石炭等」と称する。）を所定の割合で供給することができる。ガス化バーナー３０は、水平面に対して先端側が斜め下方を向くとともに、その軸線Ｃ１が部分酸化部２６の中心軸線Ｃ２に対してねじれの位置となるように配置されている。これにより、ガス化バーナー３０は、噴出するガスの流れが、部分酸化部２６の中心軸線Ｃ２を中心として旋回する旋回流となるように配置されている。
また、部分酸化部２６の外周面には不図示の冷却手段が設けられていて、水分量調節石炭の燃焼により加熱される部分酸化部２６を冷却することができる。

熱分解部２８は、上下方向Ｄに延びる管状又は筒状に形成されている。貫通孔２７の内径は、部分酸化部２６の収容空間２６ａの内径よりも小さい。
熱分解部２８の上下方向Ｄの中間部には、熱分解部２８に水分量調節石炭のみを供給する複数のノズル部３１が設けられている。ノズル部３１は石炭供給設備３に接続されている。
なお、熱分解部２８には、従来の熱分解部のように熱分解部に水蒸気を供給する水蒸気ノズルは設けられていない。また、ガス化バーナー３０およびノズル部３１の数に制限はなく、幾つでもよい。
熱分解部２８の貫通孔２７の上方Ｄ１の端部２７ａは、熱回収設備５に接続されている。

また、本実施形態では、石炭ガス化システム１には、熱分解部２８の貫通孔２７内の圧力差を測定する圧力測定装置（圧力測定部）３３が備えられている。圧力測定装置３３は、第一の配管３４と、第二の配管３５と、本体部３６とを有している。第一の配管３４は部分酸化部２６の収容空間２６ａに接続され、第二の配管３５は貫通孔２７の端部２７ａに接続されている。本体部３６は、第一の配管３４の内圧と第二の配管３５の配管の内部の内圧との圧力差を測定する。
スラグ冷却水槽２９には所定の量の水Ｗが収容されていて、後述するように、部分酸化部２６から流れ落ちるスラグを冷却する。

このように構成された石炭ガス化反応炉４が運転されると、以下に説明する化学反応工程が実施される。
まず、水分量調節石炭等は、所定の流速でガス化バーナー３０から部分酸化部２６内に供給される。それぞれのガス化バーナー３０は、上記のように、噴出するガスの流れが旋回流となるように配置されている。そのため、ガス化バーナー３０から噴出される水分量調節石炭等は、下方Ｄ２に進みながら部分酸化部２６の中心軸線Ｃ２の回りを回る旋回流となる。このとき、部分酸化部２６内は、高温かつ高圧（たとえば、温度が１３００℃以上１７００℃以下であって、圧力が２ＭＰａ以上３ＭＰａ以下。）になっている。この環境下で水分量調節石炭が高温になり、熱分解される。この過程において、チャーと、タールおよび水蒸気等を含む揮発性ガスと、が分離して発生する。また、水分量調節石炭が燃焼することにより、下記の化学反応式（３）〜（５）による高温の一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、および水素ガスと、スラグ（灰分）とが発生する。

２Ｃ＋Ｏ₂→２ＣＯ ・・・（３）
Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂ ・・・（４）
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ ・・・（５）

部分酸化部２６内で発生したガスやスラグ等は、高温になって膨張することで浮力により上方Ｄ１向きの力を受けて、旋回しながら部分酸化部２６内を上昇する。
部分酸化部２６内で発生したスラグは溶融した状態となっている。このスラグの一部が部分酸化部２６の内周面で前述の冷却手段により冷やされてこの内周面に付着し、その他の部分が部分酸化部２６の下方に設けられたスラグ冷却水槽２９内の水Ｗ内に落ちて冷やされ、回収される。

部分酸化部２６内で発生した水蒸気などのガス、タール、チャー等は、部分酸化部２６から送り出されて熱分解部２８の貫通孔２７内を上昇する。部分酸化部２６内は、温度が１０００℃以上であって、圧力が１ＭＰａ以上に調節されている。
ノズル部３１は、この貫通孔２７の内部へ水分量調節炭を供給する。水分量調節炭は、石炭乾燥及び粉砕設備２で乾燥され上記の所定の水分量を有するように調整されている。
ノズル部３１から供給された水分量調節石炭は熱分解によりタールを発生させる。また、水分量調節石炭に含まれている所定量の水分は加熱されて水蒸気となる。ノズル部３１から供給された水分量調節石炭から生成したタールおよび水蒸気は、部分酸化部２６内から上昇してきたタールおよび水蒸気と混合状態となり、下記の化学反応式（６）により一酸化炭素ガスおよび水素ガスに分解される。
なお、熱分解部２８に供給された水分量調節石炭中の炭素の一部は、熱分解部２８内の二酸化炭素ガスと反応して下記の化学反応式（７）により一酸化炭素ガスになる。

Ｃ（タール）＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ ・・・（６）
Ｃ＋ＣＯ₂→２ＣＯ ・・・（７）

ここで、図５に、水分量調節石炭中の水分量に対する貫通孔２７におけるタールの付着量の増加速度の関係を示す。図５の横軸に水分量調節石炭中の水分量、縦軸にタールの付着量の増加速度を示す。
水分量調節石炭中の水分量が多いほどタールと水蒸気との反応が促進され、タールの付着量の増加速度が小さくなる。具体的には、水分量調節石炭中の水分量が１５％より小さいと、タールの付着量が増加して貫通孔２７内にタールが付着するようになる。一方で、水分量調節石炭中の水分量が１５％より大きいと、貫通孔２７内にタールが付着しなくなり、何らかの要因で貫通孔２７内にタールが付着した場合であってもそのタールが時間とともにガスに分解されて無くなる。
なお、水分量が６０％程度の石炭を乾燥部１３で加熱すること無くそのまま粉砕部１４で粉砕しても、粉砕された石炭から水分が蒸発するので、水分量調節石炭中の水分量が４０％を超えることはない。このように、水分量調節石炭における水分の含有量が質量比で４０％以下になることで、水分量調節石炭から発生した水蒸気によって上記の化学反応が遅くなることを防止できる。
以上の手順により、化学反応工程が終了する。

そして、図１に示すように、熱分解部２８から、水素ガスおよび一酸化炭素ガスを主成分とする高温の合成ガスがチャーとともに搬送され、熱回収設備５に供給される。
熱回収設備５では、熱分解部２８から搬送された合成ガスと、外部の水蒸気との熱交換により、この水蒸気の温度が上昇する。この水蒸気は前述の乾燥部１３等に石炭の乾燥等の目的のために供給される。
熱回収設備５で冷却された合成ガスは、熱回収設備５からチャー回収設備６に供給され、チャー回収設備６で合成ガスに含まれるチャーが回収される。
チャー回収設備６を通過した合成ガスは、シフト反応設備７に供給される。そして、合成ガス中の一酸化炭素ガスに対する水素ガスの比率を一定の値まで高めるために、シフト反応設備７中に水蒸気が供給される。シフト反応設備７においては、下記の化学反応式（８）で示されるシフト反応により、合成ガス中の一酸化炭素ガスと水蒸気から炭酸ガスと水素ガスが生成する。

ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ ・・・（８）

シフト反応設備７において成分を調整された合成ガスは、ガス精製設備８に供給され、合成ガスに含まれる二酸化炭素ガスや、硫黄を成分として含むガス等が回収される。
ガス精製設備８で精製された合成ガスは、化学合成設備９に供給され、メタンやメタノール等の製品が製造される。

次に、以上のように構成された石炭ガス化システム１において、何らかの要因で貫通孔２７にタールが付着した場合の運転方法を、乾燥部１３および石炭ガス化反応炉４に重点をおいて説明する。
図４に示すように、粉砕部１４の温度センサの温度がＴ０のときに、得られる水分量調節石炭の水分量がＸ０であるとする。この水分量調節石炭を石炭ガス化反応炉４のノズル部３１から供給することで、貫通孔２７にタールが付着することなく石炭ガス化反応炉４が運転されている場合について説明する。
貫通孔２７内にタールが付着し、圧力測定装置３３で測定される圧力差が設定値よりも大きくなったとする。このとき、運転者は、乾燥部１３の流量調整バルブ１９により乾燥部１３を流れる水蒸気の流量を所定の量だけ低下させる。これにより、温度センサの温度を下げてＴ１とし、乾燥部１３により得られる水分量調節石炭の水分量をＸ０から増加させてＸ１とする。
水分量がＸ１に増加した水分量調節石炭をノズル部３１から貫通孔２７内へ供給することで、水分量調節石炭からより多くの水蒸気が発生する。そして、貫通孔２７に付着したタールと水蒸気との化学反応式（６）による反応が促進され、付着したタールがガス化して消滅する。

なお、圧力差が通常の運転時の圧力差程度に小さくなったときには、熱分解部２８内での反応速度を所定値以上に維持するために、流量調整バルブ１９により乾燥部１３を流れる水蒸気の流量を増加させてもよい。これにより温度センサの温度を例えばＴ０またはＴ２に上昇させ、水分量調節石炭の水分量をＸ０またはＸ２に減少させてもよい。

以上説明したように、本実施形態の石炭ガス化システム１によれば、まず、石炭乾燥及び粉砕設備２により、水分を重量比で２０％以上含有する亜瀝青炭または褐炭を乾燥させる。そして、従来の石炭ガス化システムにおける残留水分量より多い所定の水分量を有する水分量調節石炭を製造する。具体的には、熱分解部２８において、水分量調節石炭中に含まれる所定量の水分と、水分量調節石炭から発生したタールとが化学反応することで、貫通孔２７内にタールが付着しないように、石炭中の水分量を調整しておく。
そして、部分酸化部２６内の収容空間２６ａにガス化バーナー３０から水蒸気を供給することなく水分量調節石炭、および酸素含有ガスを所定の割合で供給して水分量調節石炭を燃焼させる。同時に、熱分解部２８内の貫通孔２７に、ガス化バーナー３０から水蒸気を供給することなく、水分量調節石炭のみを供給する。ここで、酸素含有ガスとは酸素を含むガスを指し、酸素ガスに限らず、空気や酸素富化空気を含む。但し、熱分解部２８で生成した合成ガスの発熱量を低下させないためには、酸素含有ガスとしては、酸素含有量が８５％以上の高濃度の酸素ガスを使用することが好ましい。

熱分解部２８内に供給される炭素と水分はともに水分量調節石炭中に含まれていて、水分量調節石炭からは加熱分解により炭素を主成分とするタールやチャーが生成する。また、水分量調節石炭中の水分は熱分解部２８内で加熱されて水蒸気となる。水分量調節石炭から生成した直後のタール、チャーおよび水蒸気は混合状態となる。そのため、これらが別々のノズルから供給された場合のように、水蒸気がタールおよびチャーから離れた位置に供給され、これらが反応できなくなることが防止される。
このとき、熱分解部２８内に供給される水分量調節石炭中の水分量は、石炭乾燥及び粉砕設備２によって、タールと水蒸気が化学反応して貫通孔２７内にタールが付着しない量に調節されている。そのため、貫通孔２７内に付着するタールの量が増加して貫通孔２７が詰まることはない。そして、熱分解部２８内で混合状態となっている水蒸気、タールおよびチャーをより確実に反応させることで、タールを付着させないようにするために外部から熱分解部２８内に供給する水蒸気を従来よりも低減させるか又は不要にして、熱分解部２８内での化学反応を促進させることができる。

また、水分は水分量調節石炭中に含有された状態で熱分解部２８へ供給される。そのため、水蒸気ノズル等の水蒸気を熱分解部２８に供給する装置が不要になり、石炭ガス化システム１の製造コストを低下させることができる。
石炭乾燥及び粉砕設備２で石炭を乾燥するためには、石炭を加熱するための一定のエネルギーが必要になる。本実施形態では、水分の含有量が多い石炭を、従来の石炭ガス化システムにおける石炭の残留水分量まで乾燥させることなく熱分解部２８に供給する。そして、水分量調節石炭中の水分を熱分解部２８で効果的に反応させることにより、従来石炭を乾燥させるのに要していたエネルギーの一部を削減することができる。

さらに、水分量調節石炭中の水分量を１５％以上とすることで、熱分解部２８におけるタールと水蒸気との反応をより促進させ、貫通孔２７内にタールが付着しないようにすることができる。

また、条件によっては水分量調節石炭が熱分解することにより発生するタールが付着する場合がある。このような場合に、試験の結果から、発明者らは、熱分解部２８の貫通孔２７におけるノズル部３１より上方Ｄ１の所定の位置（たとえば、ノズル部３１より上方Ｄ１に数百ｍｍ程度の位置）にタールが集中的に付着することを見出した。すなわち、圧力測定装置３３の第一の配管３４を部分酸化部２６の収容空間２６ａに接続するとともに、第二の配管３５を貫通孔２７の上方Ｄ１の端部２７ａに接続する。圧力測定装置３３をこのように構成することで、各配管３４、３５がタールにより詰まることを防止し、圧力差を確実に測定することができる。
なお、熱分解部２８の貫通孔２７におけるノズル部３１より下方Ｄ２の部分もタールが付着し難いことが分かっているので、この部分に第一の配管３４を接続してもよい。

また、本実施形態では、石炭ガス化反応炉４の貫通孔２７内でのタールの付着量が工業用内視鏡等の別の手段で測定できるときは、圧力測定装置３３は備えられなくてもよい。
部分酸化部２６へ供給される水分量調節石炭と熱分解部２８へ供給される水分量調節石炭に含まれる水分は同じである必要はない。例えば、石炭の乾燥及び粉砕、供給系統設備を２系列準備することで、部分酸化部２６と熱分解部２８とへ、異なる水分量を有する水分量調節石炭を供給することが可能である。部分酸化部２６へ供給する水分量調節石炭中の水分は多すぎると効率低下につながるため少なくし、熱分解部２８へ供給される水分量調節石炭に含まれる水分は付着物防止につながるため多い方が好ましい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上述の第１実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図６に示すように、本実施形態の石炭ガス化システム４１は、第１実施形態の石炭ガス化システム１の各構成に加えて、圧力測定装置３３が測定した圧力差に基づいて、水分量調節石炭中の水分量を調節する制御部４２を備えている。

制御部４２は、不図示のメモリおよび演算ユニットを備えている。制御部４２は、圧力測定装置３３、乾燥部１３および粉砕部１４の温度センサと電気的に接続されている。メモリには、図４に示すような粉砕部１４の温度センサの温度と石炭乾燥及び粉砕設備２を出た後の水分量調節石炭中の水分量との関係式、および、図７に示すような圧力測定装置３３で測定される圧力差と、その圧力差を通常の値に戻すのに必要な水分量調節石炭中の水分量との関係式が記憶されている。
また、演算ユニットは、圧力測定装置３３からの信号を受信するとともに、メモリに記憶された上記の関係式に基づいて、乾燥部１３を制御することができる。

次に、以上のように構成された石炭ガス化システム４１において、何らかの要因で貫通孔２７にタールが付着した場合の運転方法を、乾燥部１３、石炭ガス化反応炉４および制御部４２に重点をおいて説明する。
なお、上記の第１実施形態における運転方法と同様に、粉砕部１４の温度センサの温度がＴ０のときに、得られる水分量調節石炭の水分量がＸ０であるとする。この水分量調節石炭をノズル部３１から供給することで、圧力測定装置３３で測定される圧力差がＰ０（図７参照）となり貫通孔にタールが付着することなく石炭ガス化反応炉４が運転されている場合について説明する。
貫通孔２７内にタールが付着し、圧力測定装置３３で測定される圧力差が図７に示すＰ０からＰ１に大きくなったとする。このとき、制御部４２の演算ユニットは、圧力測定装置３３からの信号を受信することで圧力差が大きくなったことを検出する。そして、演算ユニットは、メモリに記憶された図７に示す圧力測定装置３３の圧力差と水分量調節石炭中の水分量との関係式から圧力差のＰ１に対応する水分量のＸ１を算出する。さらに、演算ユニットは、メモリに記憶された図４に示す温度センサの温度と水分量調節石炭中の水分量との関係式から水分量のＸ１に対応する温度センサの温度のＴ１を算出する。
続いて、演算ユニットは、乾燥部１３を制御して温度センサの温度がＴ１となるように調整する。このように制御することで、石炭ガス化反応炉４のノズル部３１から水分量がＸ１に増加した水分量調節石炭が熱分解部２８内に供給される。これにより、貫通孔２７に付着したタールと水蒸気との反応が促進され、付着したタールがガス化して消滅する。
圧力測定装置３３で測定される圧力差が大きくなりすぎると、付着したタールをガス化して消滅させるための時間が長くなる。そのため、制御部４２が上記の制御を行うのは、圧力測定装置３３で測定される圧力差が通常運転時よりも１０〜３０％上昇した時に開始することが好ましい。

なお、圧力測定装置３３で測定される圧力差が通常の運転時の圧力差程度に小さくなりＰ０またはＰ２（図７参照）となったとする。このときには、反応速度を所定値以上に維持するために、演算ユニットにより、両関係式から圧力差のＰ０、Ｐ２に対応する温度のＴ０、Ｔ２を算出し、温度センサの温度をＴ０またはＴ２に調整し、水分量調節石炭の水分量をＸ０またはＸ２に減少させててもよい。

以上説明したように、本実施形態の石炭ガス化システム４１によれば、熱分解部２８に水蒸気を供給する装置を必要とせず、熱分解部２８に供給する水分量を調整することができる。
さらに、貫通孔２７内にタールが付着した場合には、圧力測定装置３３で測定される圧力差が大きくなる。このときに演算ユニットが石炭乾燥及び粉砕設備２により水分量調節石炭の水分量を増加させることでタールと水蒸気との化学反応がより促進され、熱分解部２８の貫通孔２７内に付着したタールをガス化させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
たとえば、上記第１実施形態および第２実施形態では、石炭ガス化反応炉４の運転条件によっては、部分酸化部２６に必要な水蒸気の量より、部分酸化部２６に供給される水分量調節石炭中の水分量の方が多い場合が考えられる。この場合には、石炭乾燥及び粉砕設備２において、熱分解部２８に供給するのに適した水分量を含有する石炭と、その石炭より水分量が少ない部分酸化部２６用の石炭の２種類を製造する。そして、それら２種類の石炭を部分酸化部２６および熱分解部２８のそれぞれに供給するように構成してもよい。

上記の石炭ガス化システム１を用いて、部分酸化部２６内の温度を１３００℃、ガス化バーナー３０から部分酸化部２６内に供給される水分量が１８％の水分量調節石炭、酸素含有ガス（本実施例では酸素ガス）の流量をそれぞれ６５０（ｋｇ／ｈ）、３４５（Ｎｍ³／ｈ）とした。部分酸化部２６に水蒸気は供給していない。
なお、乾燥装置は図３に示す粉砕機を兼ねる装置を使用し、石炭を１０μｍ以上１００μｍ以下の粒状となるように乾燥及び粉砕した。
この条件で、ノズル部３１から熱分解部２８に、水分量が１８％の水分量調節石炭を１５０（ｋｇ／ｈ）供給し、かつ水蒸気を供給しない場合に、貫通孔２７にタールが付着しないことが分かった。
このように、本発明の実施例に係る石炭ガス化システム１においては、水蒸気ノズルや水蒸気供給ポンプ等の装置を設置しなくても、タールの付着を防止して安定的に運転することができ、装置全体としてコンパクトな設備構成とすることができた。
なお、比較例として、部分酸化部２６内に石炭（水分量５％）を５６１（ｋｇ／ｈ）、酸素含有ガス（本比較例では酸素ガス）を３４５（Ｎｍ³／ｈ）、水蒸気を８９（ｋｇ／ｈ）供給する。また、ノズル部３１から熱分解部２８に、水分量が５％の石炭を１３０（ｋｇ／ｈ）と水蒸気を２２（ｋｇ／ｈ）供給する。この場合に、貫通孔２７にタールが付着しないことが分かった。しかし、水蒸気ノズルや水蒸気供給ポンプ等の装置が必要となり、実施例１と比較して装置全体として大型化し、設備コストも増大した。

上記の石炭ガス化システム１を用いて、部分酸化部２６内と熱分解部２８の圧力差を第一の配管３４および第二の配管３５で測定した。そして、部分酸化部２６内に水分量１０％の石炭６０６（ｋｇ／ｈ）、酸素含有ガス（本実施例では酸素ガス）３３０（Ｎｍ³／h）を供給した。また、ノズル部３１から熱分解部２８内に水分量が１２％の水分量調節石炭を１３６（ｋｇ／ｈ）供給して運転した。なお、乾燥装置は図３に記載の粉砕機を兼ねる装置を使用し、石炭を１０μｍ以上１００μｍ以下の粒状となるように乾燥及び粉砕した。
その結果、操業開始から約２０時間後に部分酸化部２６内と熱分解部２８の圧力差が上昇し始めた。圧力差が上昇前の約２０％の上昇となった時点で粉砕部１４の出口ガス温度を６５℃から４５℃に低下させた。その結果、水分量調節石炭に含まれるの水分量が質量比で１８％となった。そして、この水分量調節石炭が反応器に投入され始めると部分酸化部２６内と熱分解部２８の圧力差が低下し、ほぼ圧力差上昇前の水準に戻ることが確認できた。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

この石炭ガス化システムおよび石炭ガス化方法によれば、上部反応容器に水蒸気を供給する装置を必要とせず、上部反応容器内における水蒸気量を調整することができる。

１、４１ 石炭ガス化システム ２石炭乾燥及び粉砕設備（乾燥装置） ４石炭ガス化反応炉 ２６ 部分酸化部（下部反応容器） ２６ａ 収容空間 ２７ 貫通孔 ２８ 熱分解部（上部反応容器） ２８ａ 縮径部 ３０ ガス化バーナー（バーナー部） ３３ 圧力測定装置（圧力測定部） ４２ 制御部 Ｄ 上下方向

Claims (5)

1. 石炭を乾燥させて所定の水分量を有する水分量調節石炭とする乾燥装置と；
   前記水分量調節石炭を燃焼させて水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成する石炭ガス化反応炉であって、下部反応容器と、前記下部反応容器の上方に設けられ、前記下部反応容器と連通する上部反応容器と、前記下部反応容器に前記水分量調節石炭および酸素含有ガスを供給し、前記水分量調節石炭を燃焼させるバーナー部と、前記上部反応容器に前記水分量調節石炭を供給するノズル部とを有する石炭ガス化反応炉と；
   前記ノズル部よりも下方の炉内圧力と、前記上部反応容器上部の炉内圧力との差を測定する圧力測定部と；
   前記圧力測定部によって測定された圧力差に基づいて前記乾燥装置を制御し、前記石炭に含有される水分量を調節する制御部と；
   を備える石炭ガス化システム。
2. 水分を質量比で２０％以上含有する亜瀝青炭または褐炭を、これらが所定の水分量を有するように乾燥させて水分量調節石炭とする乾燥装置と；
   前記水分量調節石炭を燃焼させることで少なくとも水素ガスおよび一酸化炭素ガスを製造する石炭ガス化反応炉と；
   前記乾燥装置を制御して前記亜瀝青炭または前記褐炭が有する水分量を調節する制御部と；
   を備え、
   前記石炭ガス化反応炉は、
   内部に収容空間が形成された下部反応容器と；
   前記下部反応容器の上方に設けられた上部反応容器と；
   を有し、
   前記下部反応容器は、
   前記下部反応容器に水蒸気を供給することなく前記水分量調節石炭および酸素含有ガスを所定の割合で供給し、前記水分量調節石炭を燃焼させるバーナー部を有し、
   前記上部反応容器は、
   縮径部を介して前記下部反応容器の前記収容空間と連通し、上下方向に延びる貫通孔と；
   前記上部反応容器に水蒸気を供給することなく前記水分量調節石炭のみを供給するノズル部と；
   を有し、
   前記石炭ガス化反応炉は、前記上部反応容器の貫通孔における前記ノズル部より下方の部分の内圧または前記下部反応容器の収容空間における内圧と、前記貫通孔の上方の端部の内圧との間の圧力差を測定する圧力測定部を有し、
   前記所定の水分量は、前記水分量調節石炭から発生する水蒸気とタールとが化学反応して前記貫通孔内にタールが付着しない量に設定され、
   前記制御部は、前記圧力測定部が測定した前記圧力差に基づいて、前記乾燥装置を制御する石炭ガス化システム。
3. 前記所定の水分量は、前記水分量調節石炭に対する質量比で１５％以上４０％以下である請求項２に記載の石炭ガス化システム。
4. 請求項２または３に記載の石炭ガス化システムを用いる石炭ガス化方法であって、
   前記上部反応容器の前記貫通孔における前記ノズル部より下方の部分の内圧または前記下部反応容器の前記収容空間における内圧と、前記貫通孔の上方の端部の内圧との間の圧力差に基づいて前記乾燥装置を制御し、前記亜瀝青炭または前記褐炭を所定の水分量を有するように乾燥させて前記水分量調節石炭とする乾燥工程と、
   前記下部反応容器に、前記バーナー部から水蒸気を供給することなく前記水分量調節石炭、および酸素含有ガスを供給し前記水分量調節石炭を燃焼させるとともに、前記上部反応容器に前記ノズル部から前記水分量調節石炭のみを供給して前記水分量調節石炭を化学反応させる化学反応工程と、
   を備える石炭ガス化方法。
5. 前記化学反応工程は、前記水分量調節石炭から発生するタールと、前記水分量調節石炭に含まれる水分が加熱されて発生する水蒸気と、を化学反応させて、すくなくとも一酸化炭素ガスおよび水素ガスを製造する請求項４に記載の石炭ガス化方法。

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