JP5639955B2 - 石炭ガス化システム - Google Patents

Description

本発明は、石炭を原料として一酸化炭素ガスなどを製造する石炭ガス化システムに関する。

従来、石炭をガス化して可燃性ガスなどを効率的に製造するために、固定床型、流動床型、および気流床型（気流床型）など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、特許文献１に開示された合成システム（石炭ガス化システム）がある。この合成システムでは、石炭ガス化反応炉のバーナーに炭素質燃料および酸素含有ガスを供給するにあたり、それまでの合成システムにおいて搬送ガスに用いられていた窒素ガスに代えて、二酸化炭素ガスを含有したガスを使用している。

この搬送ガスは、合成システム内の二酸化炭素回収システム（二酸化炭素回収装置）にてエネルギーを消費して分離回収された二酸化炭素ガスが用いられている。

特表２００９−５１１６９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された合成システムでは、搬送ガスとして窒素ガスを使用してきたものを二酸化炭素ガスに置き換えているだけであり、搬送ガスに使用した分だけ、二酸化炭素回収システムにてエネルギーを消費して回収すべき二酸化炭素ガスの量が増えてしまうという問題がある。

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、二酸化炭素回収装置にて回収する二酸化炭素ガスの量を低減させることができる石炭ガス化システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の石炭ガス化システムは、石炭をガス化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システムであって、下段に配置され前記石炭を部分酸化させる部分酸化部、および前記部分酸化部に連通して上段に配置され前記石炭を熱分解させる熱分解部を有する二段構造の石炭ガス化反応炉と、前記石炭ガス化反応炉で発生した二酸化炭素ガスを含み、一酸化炭素ガスや水素ガスを主成分とする生成ガスを、二酸化炭素ガスの濃度が低く燃焼性の希薄ガスと前記希薄ガスに比べて二酸化炭素ガスの濃度が高い濃厚ガスとに分離する二酸化炭素回収装置と、前記二酸化炭素回収装置に接続され前記希薄ガスを搬送する希薄ガス流路と、前記二酸化炭素回収装置に接続され前記濃厚ガスを搬送する濃厚ガス流路と、前記希薄ガス流路に接続され、前記希薄ガスを搬送ガスとして前記石炭を気流搬送し前記部分酸化部に供給する第一の気流搬送装置と、前記濃厚ガス流路に接続され、前記濃厚ガスを搬送ガスとして前記石炭を気流搬送し前記熱分解部に供給する第二の気流搬送装置と、を備えることを特徴としている。

この発明によれば、生成ガスには水素ガス、一酸化炭素ガス、および二酸化炭素ガスなどが含まれるため、希薄ガスは、主に水素ガスおよび一酸化炭素ガスが含まれた燃焼性のガスとなる。

また、上記の石炭ガス化システムにおいて、前記熱分解部で発生したチャーを回収するチャー回収装置と、前記チャー回収装置で回収された前記チャーを気流搬送により前記部分酸化部に供給するチャー搬送装置と、を備え、前記チャー搬送装置は前記濃厚ガス流路に接続されていて、前記濃厚ガスを搬送ガスとすることがより好ましい。
また、上記の石炭ガス化システムにおいて、前記熱分解部で発生したチャーを回収するチャー回収装置を備え、前記チャー回収装置で回収された前記チャーを前記第一の搬送装置に供給することで、前記チャーを前記第一の搬送装置により気流搬送される前記石炭とともに前記部分酸化部に供給することがより好ましい。

本発明において、請求項１に記載の石炭ガス化システムによれば、第一の搬送装置で部分酸化部に石炭を気流搬送するのに搬送ガスとして二酸化炭素希薄ガスを用いることで、石炭ガス化システム全体の運転に必要な二酸化炭素ガスの量を低減させることができる。そして、部分酸化部内に供給された石炭がガス化するときの炎を安定させ、石炭の反応率を向上させることができる。
請求項２に記載の石炭ガス化システムによれば、チャー搬送装置で部分酸化部にチャーを気流搬送するのに搬送ガスとして二酸化炭素濃厚ガスを用いることで、部分酸化部内において、チャー中の炭素と濃厚ガス中の二酸化炭素ガスとが反応するときに、前記二酸化炭素ガスが酸化剤として作用して一酸化炭素ガスになる反応を促進させ、一酸化炭素ガスを効率的に製造することができる。
請求項３に記載の石炭ガス化システムによれば、チャー回収装置で回収したチャーを第一の搬送装置に供給し、第一の搬送装置により気流搬送される石炭とともにチャーを部分酸化部に供給する。これにより、上記石炭とは別にチャーを搬送していたチャー搬送装置を備えなくても石炭及びチャーの反応率を下げることなく、チャー供給用の気流搬送ガス（濃厚ガス）を削減するとともに、石炭ガス化システムを小型化することができる。

本発明の実施形態の石炭ガス化システムのブロック図である。

以下、本発明に係る石炭ガス化システムの実施形態を、図１を参照しながら説明する。
本石炭ガス化システムは、石炭を原料として用い、石炭をガス化させることで水素ガスおよび一酸化炭素ガスをなど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は、第一の石炭供給器（第一の搬送装置）１１、第二の石炭供給器（第二の搬送装置）１２と、ガス化反応器（石炭ガス化反応炉）１３と、熱回収器１４と、除塵器（チャー回収装置）１５と、シフト反応器１６と、ガス冷却・ガス精製器１７と、ＣＯ_２回収器（二酸化炭素回収装置）１８と、チャー供給器（チャー搬送装置）１９とを備えている。

本実施形態の石炭ガス化システム１には、瀝青炭・亜瀝青炭や褐炭など、様々な種類の石炭を用いることができる。一般に、石炭は外径が不均一であり、瀝青炭・亜瀝青炭や褐炭には、たとえば１０〜６０％程度もの多量の水分が含有されている。そこで、不図示の粉砕・乾燥器において粉砕・加熱し、含有水分が２％〜２０％となるまで乾燥させるとともに、外径をたとえば１０μｍ以上１００μｍ以下程度の微粉状となるように粉砕された石炭を、第一の石炭供給器１１および第二の石炭供給器１２に供給する。
第一の石炭供給器１１は、ＣＯ_２回収器１８で二酸化炭素が分離された後述する希薄ガスを搬送ガスとして、微粉状の石炭を気流搬送によりガス化反応器１３の後述する部分酸化部２１に供給する。同様に、第二の石炭供給器１２は、ＣＯ_２回収器１８で分離された後述する濃厚ガスを搬送ガスとして、石炭を気流搬送によりガス化反応器１３の後述する熱分解部２２に供給する。
なお、希薄ガスは主に水素ガスおよび一酸化炭素ガスを含む燃焼性のガスであり、濃厚ガスは二酸化炭素ガスを主成分とするガスである。

ガス化反応器１３は、下段に配置された部分酸化部２１、および部分酸化部２１に連通した状態で上段に配置された熱分解部２２を有して二室二段構造に構成されている。部分酸化部２１の下方には、部分酸化部２１に連通する不図示のスラグ冷却水槽が設けられている。部分酸化部２１および熱分解部２２は、内部に所定の大きさの空間が設けられた反応容器であり、スラグ冷却水槽とともに耐熱性の耐火物などで形成されている。
部分酸化部２１には、ガス化バーナー２１ａおよびチャー供給ノズル２１ｂが設けられている。ガス化バーナー２１ａを通して、第一の石炭供給器１１により石炭、不図示の空気分離器で分離した酸素ガス、および熱回収器１４で発生した水蒸気が、それぞれ部分酸化部２１内に供給される。チャー供給ノズル２１ｂからは、チャー供給器１９により部分酸化部２１内にチャー（未ガス化石炭残滓または熱分解残滓）が供給される。

部分酸化部２１内に供給された微粉状の石炭、チャー、酸素ガスおよび水蒸気は、部分酸化部２１内を旋回しながら上昇する。このとき、部分酸化部２１内は、高温・高圧（たとえば、温度が１３００℃以上１８００℃以下であって、圧力が２ＭＰａ以上５ＭＰａ以下。）になっている。この環境下で石炭およびチャーがガス化し、下記の化学反応式（１）〜（４）により高温の一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素ガスおよびスラグ（灰分）が発生する。
２Ｃ＋Ｏ_２→２ＣＯ ・・・（１）
Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２ ・・・（２）
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２ ・・・（３）
Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ ・・・（４）

部分酸化部２１内で発生したガス、チャーおよびスラグなどは旋回しながら部分酸化部２１内を上昇し、熱分解部２２内に移動する。
部分酸化部２１内で発生したスラグは溶融した状態となっているが、一部が部分酸化部２１の内面で冷やされてこの内面に付着し、その他の部分がスラグ冷却水槽内の水に落ちて冷やされ、回収される。

熱分解部２２には、供給ノズル２２ａが設けられている。供給ノズル２２ａを通して、第二の石炭供給器１２により石炭が熱分解部２２内に供給される。なお、熱回収器１４にて発生した水蒸気は、熱分解部２２に石炭と同時に規定量供給されてもてよい。
本実施形態では、熱分解部２２内の温度は９５０℃以上１２００℃以下（好ましくは、１０００℃以上１１５０℃以下）となるように調節されている。熱分解部２２内の温度が９５０℃未満になると、タールの発生量が急激に増加し、さらに熱分解部２２でのタールの分解反応が起こりにくくなる
熱分解部２２内に供給される石炭中の炭素および水蒸気は、前述の化学反応式（３）により反応して、一酸化炭素ガスと水素ガスとに分解される。

また、熱分解部２２内に供給された石炭中の炭素の一部は、熱分解部２２内の二酸化炭素ガスと反応して上記の化学反応式（４）により一酸化炭素ガスになる。

そして、熱分解部２２で発生した、水素ガス、一酸化炭素ガスおよび二酸化炭素ガスなどからなる高温の生成ガスがチャーとともに搬送され、熱回収器１４に供給される。なお、生成ガスにおいては、一酸化炭素ガスおよび水素ガスが主成分となっている。
熱回収器１４では、生成ガスおよびチャーが冷却水と熱交換することで冷却されるとともに、冷却水が水蒸気となる。熱回収器１４で発生した水蒸気は、部分酸化部２１および熱分解部２２に所定量供給される。
熱回収器１４で冷却された生成ガスおよびチャーは、除塵器１５に供給される。除塵器１５には不図示のサイクロンやフィルタが内蔵されていて、フィルタに引っかかったチャーが希薄ガスを用いて払い落され、サイクロンで回収されたチャーと共に回収される。除塵器１５で回収されたチャーは、チャー供給器１９に供給される。
除塵器１５を通過した生成ガスは、シフト反応器１６に供給される。そして、生成ガス中における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、シフト反応器１６中に入る前に所定の量の水蒸気が供給され、下記の化学反応式（５）で示されるシフト反応により、生成ガス中の一酸化炭素ガスが水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスが発生する。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ ・・・（５）

シフト反応器１６で成分を調節された生成ガスは、ガス冷却・ガス精製器１７に供給され、生成ガス中に含まれる硫黄化合物を代表とする不純物成分ガスなどが回収される。
ガス冷却・ガス精製器１７を通過した生成ガスはＣＯ_２回収器１８に搬送され、ＣＯ_２回収器１８で公知の方法により、二酸化炭素ガスの濃度が低い希薄ガスと、希薄ガスに比べて二酸化炭素ガスの濃度が高い濃厚ガスとに分離される。なお、ＣＯ_２回収器１８には、硫化水素ガスと二酸化炭素ガスを同時に分離する公知の方法を適用し、前段のガス精製の脱硫の機能を省略してもよい。
希薄ガス中の二酸化炭素ガスの濃度は、たとえば、重量比で２０％以下に調節されていて、前述のように、希薄ガスには主に水素ガスおよび一酸化炭素ガスが含まれている。
一方で、濃厚ガス中の二酸化炭素ガスの濃度は、たとえば、９０％以上に調節されている。

ＣＯ_２回収器１８には、分離した希薄ガスを搬送する希薄ガス流路２５の一端と、濃厚ガスを搬送する濃厚ガス流路２６の一端とが接続されている。
希薄ガス流路２５には圧縮機２７が設けられていて、希薄ガス流路２５内を流れる希薄ガスの圧力を高めている。同様に、濃厚ガス流路２６には圧縮機２８が設けられていて、濃厚ガス流路２６内を流れる濃厚ガスの圧力を高めている。
希薄ガス流路２５の他端は、第一の石炭供給器１１および部分酸化部２１のガス化バーナー２１ａにそれぞれ接続されている。一方で、濃厚ガス流路２６の他端は、第二の石炭供給器１２、熱分解部２２の供給ノズル２２ａおよびチャー供給器１９に接続されている。

ＣＯ_２回収器１８で分離された希薄ガスの一部は、下流の工程に搬送され、メタンやメタノールなど合成ガスが製造される。ＣＯ_２回収器１８で分離された濃厚ガスの一部も下流の工程に搬送される。
希薄ガス流路２５の中間部は、熱回収器１４および除塵器１５に接続されていて、希薄ガスが、熱回収器１４の冷却管の付着物のブローや各部のパージと、チャーが付着したフィルタからのチャーの払い落し用とに用いられる。

チャー供給器１９は、除塵器１５で回収されたチャーを、気流搬送により部分酸化部２１のチャー供給ノズル２１ｂを通して部分酸化部２１に供給する。
チャー供給器１９の搬送ガスとしては、濃厚ガス流路２６により搬送された濃厚ガスが用いられる。

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、第一の石炭供給器１１で部分酸化部２１に石炭を気流搬送するのに搬送ガスとして希薄ガスを用いることで、石炭ガス化システム１全体の運転に必要な二酸化炭素ガスの量を低減させ、さらに、ＣＯ_２回収器１８で必要な二酸化炭素ガスの回収エネルギーを抑えることができる。希薄ガス中の水素ガスなどの燃焼性の成分が着火剤の役割を果たすため、部分酸化部２１内に供給された石炭がガス化するときの炎（フレーム）が安定し、ガス化反応器１３を安定的かつ効率的に運転させることができる。
また、第二の石炭供給器１２の搬送ガスとして熱分解部２２に濃厚ガスを供給することで、石炭が濃厚ガスと混在した状態で熱分解部２２供給されることになる。このため、二酸化炭素ガスが酸化剤として作用して石炭中の炭素と濃厚ガス中の二酸化炭素ガスとが反応して一酸化炭素ガスになる反応を促進させ、熱分解部２２内で一酸化炭素ガスを効率的に製造することができる。

石炭ガス化システム１は、チャーを回収する除塵器１５と、このチャーを濃厚ガスを搬送ガスとして気流搬送するチャー供給器１９とを備えている。このため、部分酸化部２１内において、チャー中の炭素と濃厚ガス中の二酸化炭素ガスとが反応して二酸化炭素ガスが酸化剤として作用して一酸化炭素ガスになる反応を促進させ、一酸化炭素ガスを効率的に製造することができる。

以上、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なども含まれる。
たとえば、前記実施形態では、希薄ガスとしてＣＯ_２回収器１８で分離されたガスを用いたが、このガスに代えて、希薄ガスとしてガス冷却・ガス精製器１７からＣＯ_２回収器１８に供給される生成ガスを用いてもよい。
また、前記実施形態では、チャー供給器１９の搬送ガスとして濃厚ガスを用いたが、希薄ガスを用いてもよい。
さらには、石炭ガス化システム１にチャー供給器１９およびチャー供給ノズル２１ｂを備えずに、除塵器１５で回収したチャーを第一の石炭供給器１１が搬送する微粉状の石炭に混合して部分酸化部２１に供給してもよい。
このように構成することで、上記石炭とは別にチャーを搬送、供給していたチャー供給器１９およびチャー供給ノズル２１ｂを備えなくても石炭及びチャーの反応率を下げることなく、チャー供給用の気流搬送ガス（濃厚ガス）も削減することができる。さらに、石炭ガス化システム１を小型化することができる。

（実施例）
前記石炭ガス化システム１で試験を行うとともに、前記石炭ガス化システム１に対して第一の石炭供給器１１および第二の石炭供給器１２の搬送ガスとして窒素ガスを用いた比較例の石炭ガス化システムでも試験を行った。

その結果、部分酸化部におけるＣ転換率（ガス中の炭素の質量を原料中の炭素の質量で割った値に１００を掛けた値。）は、比較例の石炭ガス化システムが９５％なのに対して本実施形態の石炭ガス化システム１が９７％となり、約２％向上することが分かった。
熱分解部に供給される炭素分に対して、比較例の石炭ガス化システムでは４０％がチャーとしてガス化されずに下流の工程に搬送され、回収されていたのに対して、本実施形態の石炭ガス化システム１では下流の工程に搬送されるチャーの炭素分が３０〜３５％に低減された。これにより、本実施形態の石炭ガス化システム１では、熱分解部に供給される炭素分を効率的にガス化できることが分かった。

１ 石炭ガス化システム
１１ 第一の石炭供給器（第一の搬送装置）
１２ 第二の石炭供給器（第二の搬送装置）
１３ ガス化反応器（石炭ガス化反応炉）
１５ 除塵器（チャー回収装置）
１８ ＣＯ_２回収器（二酸化炭素回収装置）
１９ チャー供給器（チャー搬送装置）
２１ 部分酸化部
２２ 熱分解部
２５ 希薄ガス流路
２６ 濃厚ガス流路

Claims (3)

1. 石炭をガス化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システムであって、
   下段に配置され前記石炭を部分酸化させる部分酸化部、および前記部分酸化部に連通して上段に配置され前記石炭を熱分解させる熱分解部を有する二段構造の石炭ガス化反応炉と、
   前記石炭ガス化反応炉で発生した二酸化炭素ガスを含み、一酸化炭素ガスや水素ガスを主成分とする生成ガスを、二酸化炭素ガスの濃度が低く燃焼性の希薄ガスと前記希薄ガスに比べて二酸化炭素ガスの濃度が高い濃厚ガスとに分離する二酸化炭素回収装置と、
   前記二酸化炭素回収装置に接続され前記希薄ガスを搬送する希薄ガス流路と、
   前記二酸化炭素回収装置に接続され前記濃厚ガスを搬送する濃厚ガス流路と、
   前記希薄ガス流路に接続され、前記希薄ガスを搬送ガスとして前記石炭を気流搬送し前記部分酸化部に供給する第一の搬送装置と、
   前記濃厚ガス流路に接続され、前記濃厚ガスを搬送ガスとして前記石炭を気流搬送し前記熱分解部に供給する第二の搬送装置と、
   を備えることを特徴とする石炭ガス化システム。
2. 前記熱分解部で発生したチャーを回収するチャー回収装置と、
   前記チャー回収装置で回収された前記チャーを気流搬送により前記部分酸化部に供給するチャー搬送装置と、
   を備え、
   前記チャー搬送装置は前記濃厚ガス流路に接続されていて、前記濃厚ガスを搬送ガスとすることを特徴とする請求項１に記載の石炭ガス化システム。
3. 前記熱分解部で発生したチャーを回収するチャー回収装置を備え、
   前記チャー回収装置で回収された前記チャーを前記第一の搬送装置に供給することで、前記チャーを前記第一の搬送装置により気流搬送される前記石炭とともに前記部分酸化部に供給することを特徴とする請求項１に記載の石炭ガス化システム。

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