JP6008514B2

JP6008514B2 - ガス化ガスのガス精製装置

Info

Publication number: JP6008514B2
Application number: JP2012040754A
Authority: JP
Inventors: 佳彦土山; 英正垣上; 有馬　謙一; 謙一有馬; 大浦　康二; 康二大浦; 章悟吉田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: JP2013173900A

Description

本発明は、ガス火炉でガス化したガス化ガスのガス精製装置に関する。

石炭の有効利用は近年のエネルギー問題での切り札の一つとして注目されている。
一方、石炭を付加価値の高いエネルギー媒体として、変換するためには石炭ガス化技術、ガス精製技術など高度な技術が必要とされる。
このガス化ガスを用いて発電する石炭ガス化複合発電システムが提案されている（特許文献１）。
この石炭ガス化複合発電（Integrated coal. Gasification Combined Cycle：ＩＧＣＣ）とは、石炭を高温高圧のガス化炉で可燃性ガスに転換し、そのガス化ガスを燃料としてガスタービンと蒸気タービンとによる複合発電を行うシステムをいう。

ガス化ガスには水素以外に、ＣＯ、ＣＯ₂が含まれるので、これらを精製する必要があり、精製手段としてＣＯシフト反応装置及びＣＯ₂吸収装置が用いられている（特許文献１）。

特開２００４−３３１７０１号公報

ところで、ＣＯシフト反応装置は、下記式（１）の反応により有用成分であるＣＯ₂とＨ₂とを得るようにしているので、多量の水蒸気が必要となる。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂…（１）

特に、精製ガスとしてタービン用の用途以外に、例えばメタノール、アンモニアなどの化成品合成用のガスとして適用する場合には、シフト反応に供給する蒸気量が大きく、システムにおける効率ロスとなる、という問題がある。
また、例えば豪州等の水が豊富に使用できない地域においては、蒸気発生用の水分の確保も困難である、という問題がある。

本発明は、前記問題に鑑み、ガス化システム内で水蒸気を効率的に活用することができるガス化ガスのガス精製装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、ガス化炉で得られたガス化ガスを供給し、ＣＯシフト反応を行い、改質ガスを得るＣＯシフト触媒を備えたＣＯシフト反応装置と、前記ＣＯシフト反応に用いられるＣＯシフト反応用水蒸気を、前記ＣＯシフト反応装置に供給する第１水蒸気供給ラインと、前記ガス化炉に供給する湿潤原料を過熱蒸気で乾燥させる湿潤原料乾燥装置と、該湿潤原料乾燥装置から排出される排出水蒸気を、前記ＣＯシフト反応用水蒸気の水蒸気量を補填する補填用水蒸気として再加熱することなくＣＯシフト反応装置に供給する第２水蒸気供給ラインとを具備することを特徴とするガス化ガスのガス精製装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記湿潤原料乾燥装置で乾燥された乾燥原料を、前記ガス化炉へ搬送する搬送ラインに、前記湿潤原料乾燥装置から排出される排出水蒸気を供給することを特徴とするガス化ガスのガス精製装置にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記湿潤原料乾燥装置が、水蒸気ガスを流動ガスとした流動層乾燥装置であることを特徴とするガス化ガスのガス精製装置にある。

本発明によれば、湿潤原料の乾燥の際に発生する湿潤原料乾燥装置から排出されるこの排出水蒸気を水蒸気供給ラインを介して、ＣＯシフト反応装置に供給して、ＣＯシフト反応の際に用いる水蒸気を補填するので、廃棄水蒸気の有効利用が可能となり、システム効率の向上を図ることができる。

図１は、実施例１に係るガス精製装置の概略図である。図２は、実施例２に係るガス精製装置の概略図である。図３は、実施例１に係る低品位炭供給設備を有する低品位炭を用いたガス化複合発電システムの概略構成図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例に係るガス精製装置について、図面を参照して説明する。図１は、ガス精製装置の概略図である。図３は、実施例１に係るガス精製設備を用いたガス化複合発電システムの概略構成図である。

図３は、実施例１に係る低品位炭供給設備を有する低品位炭を用いたガス化複合発電システムの概略構成図である。

実施例１の低品位炭を用いたガス化複合発電システム（ＩＧＣＣ：ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｏａｌＧａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＣｏｍｂｉｎｅｄＣｙｃｌｅ）は、空気を酸化剤としてガス化炉で石炭ガスを生成する空気燃焼方式を採用し、ガス精製装置で精製した後の石炭ガスを燃料ガスとしてガスタービン設備に供給して発電を行っている。即ち、本実施例の石炭ガス化複合発電設備は、空気燃焼方式（空気吹き）の発電設備である。この場合、ガス化炉に供給する湿潤原料として低品位炭を使用している。

図３に示すように、石炭ガス化複合発電設備１０Ａは、原料炭である低品位炭１０１を供給する低品位炭供給設備１１と、低品位炭１０１を乾燥する流動層乾燥装置１２と、乾燥低品位炭（乾燥炭）１０１Ｂを供給してガス化し可燃性ガス（生成ガス、石炭ガス）２００を生成する石炭ガス化炉１４と、ガス化ガスである可燃性ガス（生成ガス、石炭ガス）２００中のチャー１０１Ｃを回収するチャー回収装置１５と、可燃性のガス化ガス（生成ガス、石炭ガス）２００Ａを精製するガス精製装置１６と、精製された燃料ガス２００Ｂを燃焼させてタービンを駆動するガスタービン設備１７と、前記ガスタービン設備１７からのタービン排ガスを導入する排熱回収ボイラ（ＨｅａｔＲｅｃｏｖｅｒｙＳｔｅａｍＧｅｎｅｒａｔｏｒ：ＨＲＳＧ）２０で生成した蒸気により運転される蒸気タービン（ＳＴ）設備１８と、前記ガスタービン設備１７及び／又は前記蒸気タービン設備１８と連結された発電機（Ｇ）１９とを具備している。

本実施例に係る低品位炭供給設備１１は、原炭バンカ２１と、石炭供給機２２と、粉砕機２３とを有している。原炭バンカ２１は、低品位炭１０１を貯留可能であって、所定量の低品位炭１０１を石炭供給機２２に投下することができる。石炭供給機２２は、原炭バンカ２１から投下された低品位炭１０１を例えばコンベアなどにより搬送し、粉砕機２３に投下することができる。この粉砕機２３は、投下された低品位炭１０１を所定の大きさに破砕し、粉砕低品位炭（粉砕炭）１０１Ａとすることができる。

流動層乾燥装置１２は、低品位炭供給設備１１により投入された低品位炭１０１に対して乾燥用蒸気（例えば１５０℃程度の過熱蒸気）Ａを供給することで、この低品位炭１０１を流動させながら加熱乾燥するものであり、低品位炭１０１が含有する水分を除去することができる。そして、この流動層乾燥装置１２は、外部に取り出された乾燥済の乾燥炭１０１Ｂを冷却する冷却器３１が設けられ、乾燥冷却済の乾燥炭１０１Ｂが乾燥炭バンカ３４に貯留される。また、流動層乾燥装置１２は、上部から取り出された発生蒸気１０４に同伴される乾燥炭の粒子を分離する乾燥炭サイクロン等の集塵装置３０が設けられ、発生蒸気１０４から微粒の乾燥炭の粒子を分離している。なお、サイクロン等の集塵装置３０で乾燥炭が分離された蒸気は、蒸気圧縮機で圧縮されてから流動層乾燥装置１２に乾燥用蒸気として供給するようにしてもよい。

流動層乾燥装置１２で乾燥され、ついで冷却された乾燥冷却済の乾燥炭１０１Ｂは、その後、バグフィルタ３２、ビンシステム３３を介して、一時乾燥炭バンカ３４に貯留される。

石炭ガス化炉１４は、乾燥炭バンカ３４から供給される乾燥炭１０１Ｂが供給可能であると共に、チャー回収装置１５で回収されたチャー（石炭の未燃分）１０１Ｃが戻されてリサイクル可能となっている。

即ち、石炭ガス化炉１４は、ガスタービン設備１７（圧縮機６１）から圧縮空気供給ライン４１が接続されており、このガスタービン設備１７で圧縮された圧縮空気が供給可能となっている。空気分離装置４２は、大気中の空気４０から窒素（Ｎ₂）と酸素（Ｏ₂）を分離生成するものであり、第１窒素供給ライン４３が石炭ガス化炉１４に接続され、この第１窒素供給ライン４３は乾燥炭供給ライン３５に接続されている。また、第２窒素供給ライン４５も石炭ガス化炉１４に接続され、この第２窒素供給ライン４５にチャー回収装置１５から回収されたチャー１０１Ｃを戻すチャー戻しライン４６が接続されている。更に、酸素供給ライン４７は、圧縮空気供給ライン４１に接続されている。この場合、窒素（Ｎ₂）は、乾燥炭１０１Ｂやチャー１０１Ｃの搬送用ガスとして利用され、酸素（Ｏ₂）は、酸化剤として利用される。

石炭ガス化炉１４は、例えば、噴流床形式のガス化炉であって、内部に供給された乾燥炭１０１Ｂ、チャー１０１Ｃ、空気（酸素）、またはガス化剤としての水蒸気を燃焼・ガス化すると共に、一酸化炭素を主成分とする可燃性ガス（生成ガス、石炭ガス）２００を発生させ、この可燃性ガス２００をガス化剤としてガス化反応を生じさせている。なお、石炭ガス化炉１４は、微粉炭の混入した溶融スラグ等の異物を除去する異物除去装置４８が設けられている。
本例では、石炭ガス化炉１４として噴流床ガス化炉を例示しているが、本発明は、これに限定されず、例えば流動床ガス化炉や固定床ガス化炉としてもよい。そして、この石炭ガス化炉１４は、チャー回収装置１５に向けて可燃性ガス２００のガス生成ライン４９が設けられており、チャーを含む可燃性ガス２００が排出可能となっている。この場合、ガス生成ライン４９にガス冷却器を別途設けることで、可燃性ガス２００を所定温度まで冷却してからチャー回収装置１５に供給するとよい。

チャー回収装置１５は、集塵装置５１とチャー供給ホッパ５２とを有している。この場合、集塵装置５１は、１つまたは複数のバグフィルタやサイクロンにより構成され、石炭ガス化炉１４で生成された可燃性ガス２００に含有するチャー１０１Ｃを分離することができる。そして、チャー１０１Ｃが分離された可燃性のガス化ガス２００Ａは、ガス排出ライン５３を通してガス精製装置１６に送られる。チャー供給ホッパ５２は、集塵装置５１で可燃性ガス２００から分離されたチャー１０１Ｃを貯留するものである。なお、集塵装置５１と供給ホッパ５２との間にビンを配置し、このビンに複数の供給ホッパ５２を接続するように構成してもよい。そして、供給ホッパ５２からのチャー戻しライン４６が第２窒素供給ライン４５に接続されている。

ガス精製装置１６は、チャー回収装置１５によりチャー１０１Ｃが分離された可燃性のガス化ガス２００Ａに対して、ＣＯシフト反応を行うと共に、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物を取り除くことで、ガス精製を行うものである。そして、ガス精製装置１６は、チャー１０１Ｃが分離された可燃性のガス化ガス２００Ａを精製して燃料ガス２００Ｂを製造し、これをガスタービン設備１７に供給する。なお、このガス精製装置１６では、チャー１０１Ｃが分離された可燃性のガス化ガス２００Ａ中にはまだ硫黄分（Ｈ₂Ｓ）が含まれているため、例えばアミン吸収液等によって除去することで、硫黄分を最終的には石膏として回収し、有効利用する。

ガスタービン設備１７は、圧縮機６１、燃焼器６２、タービン６３を有しており、圧縮機６１とタービン６３は、回転軸６４により連結されている。燃焼器６２は、圧縮機６１から圧縮空気供給ライン６５が接続されると共に、ガス精製装置１６から燃料ガス供給ライン６６が接続され、タービン６３に燃焼ガス供給ライン６７が接続されている。また、ガスタービン設備１７は、圧縮機６１から石炭ガス化炉１４に延びる圧縮空気供給ライン４１が設けられており、中途部に昇圧機６８が設けられている。従って、燃焼器６２では、圧縮機６１から供給された圧縮空気４０Ａとガス精製装置１６から供給された燃料ガス２００Ｂとを混合して燃焼し、タービン６３にて、発生した燃焼ガス２０２により回転軸６４を回転することで発電機１９を駆動することができる。

蒸気タービン設備１８は、ガスタービン設備１７における回転軸６４に連結されるタービン６９を有しており、発電機１９は、この回転軸６４の基端部に連結されている。排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン設備１７（タービン６３）からの排ガスライン７０に設けられており、空気４０と高温の排ガス２０３との間で熱交換を行うことで、蒸気２０４を生成するものである。そのため、排熱回収ボイラ２０は、蒸気タービン設備１８のタービン６９との間に蒸気２０４を供給する蒸気供給ライン７１が設けられると共に、蒸気回収ライン７２が設けられ、蒸気回収ライン７２に復水器７３が設けられている。従って、蒸気タービン設備１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気２０４によりタービン６９が駆動し、回転軸６４を回転することで発電機１９を駆動することができる。

そして、排熱回収ボイラ２０で熱が回収された排ガス２０５は、ガス浄化装置７４により有害物質を除去され、浄化された排ガス２０５Ａは、煙突７５から大気へ放出される。

ここで、実施例１の石炭ガス化複合発電設備１０の作動について説明する。

実施例１の石炭ガス化複合発電設備１０において、低品位炭供給設備１１にて、原炭である低品位炭１０１が原炭バンカ２１に貯留されており、この原炭バンカ２１の低品位炭１０１が石炭供給機２２により粉砕機２３に投下され、ここで所定の大きさに破砕される。そして、破砕された粉砕低品位炭１０１Ａは、流動層乾燥装置１２により加熱乾燥され、乾燥炭１０１Ｂとした後、冷却器３１により冷却されて冷却済の乾燥炭１０１Ｂとされ、乾燥炭バンカ３４に貯留される。

乾燥炭バンカ３４に貯留された冷却乾燥炭１０１Ｂは、空気分離装置４２から供給される窒素により乾燥炭供給ライン３５を通して石炭ガス化炉１４に供給される。また、後述するチャー回収装置１５で回収されたチャー１０１Ｃが、空気分離装置４２から供給される窒素によりチャー戻しライン４６を通して石炭ガス化炉１４に供給される。更に、後述するガスタービン設備１７から抽気された圧縮空気３７が昇圧機６８で昇圧された後、空気分離装置４２から供給される酸素と共に圧縮空気供給ライン４１を通して石炭ガス化炉１４に供給される。

石炭ガス化炉１４では、供給された乾燥炭１０１Ｂ及びチャー１０１Ｃが圧縮空気（酸素）３７により燃焼し、乾燥炭１０１Ｂ及びチャー１０１Ｃがガス化することで、二酸化炭素を主成分とする可燃性ガス（石炭ガス）２００を生成することができる。そして、この可燃性ガス２００は、石炭ガス化炉１４からガス生成ライン４９を通して排出され、チャー回収装置１５に送られる。

このチャー回収装置１５にて、可燃性ガス２００は、まず、集塵装置５１に供給されることで、ここで可燃性ガス２００に含有するチャー１０１Ｃが分離される。そして、チャー１０１Ｃが分離された可燃性のガス化ガス２００Ａは、ガス排出ライン５３を通してガス精製装置１６に送られる。一方、可燃性ガス２００から分離した微粒のチャー１０１Ｃは、供給ホッパ５２に堆積され、チャー戻しライン４６を通して石炭ガス化炉１４に戻されてリサイクルされる。

チャー回収装置１５によりチャー１０１Ｃが分離された可燃性のガス化ガス２００Ａは、ガス精製装置１６にて、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物が取り除かれてガス精製され、燃料ガス２００Ｂが製造される。そして、ガスタービン設備１７では、圧縮機６１が圧縮空気４０Ａを生成して燃焼器６２に供給すると、この燃焼器６２は、圧縮機６１から供給される圧縮空気４０Ａと、ガス精製装置１６から供給される燃料ガス２００Ｂとを混合し、燃焼することで燃焼ガス２０２を生成し、この燃焼ガス２０２によりタービン６３を駆動することで、回転軸６４を介して発電機１９を駆動し、発電を行うことができる。

そして、ガスタービン設備１７におけるタービン６３から排出された排ガス２０３は、排熱回収ボイラ２０にて、空気４０と熱交換を行うことで蒸気２０４を生成し、この生成した蒸気２０４を蒸気タービン設備１８に供給する。蒸気タービン設備１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気２０４によりタービン６９を駆動することで、回転軸６４を介して発電機１９を駆動し、発電を行うことができる。

その後、ガス浄化装置７４では、排熱回収ボイラ２０から排出された排ガス２０５の有害物質が除去され、浄化された排ガス２０５Ａが煙突７５から大気へ放出される。

以下、上述した石炭ガス化複合発電設備１０におけるガス精製装置１０Ａについて詳細に説明する。

図１は、実施例１に係るガス精製装置の概略図である。図１に示すように、本実施例に係るガス精製装置１０Ａは、ガス化炉１４で得られたガス化ガス２００Ａを供給し、ＣＯシフト反応を行い、改質ガス２００Ｂを得るＣＯシフト触媒２１１を備えたＣＯシフト反応装置２１１と、前記ガス化炉１４に供給する湿潤原料である粉砕炭１０１Ａを乾燥させる湿潤原料乾燥装置である流動層乾燥装置１２と、該流動層乾燥装置１２から排出される排出水蒸気２２０ＡをＣＯシフト反応装置２１２に供給する水蒸気供給ライン２１３とを具備するものである。
図１中、符号２１０はガス化ガス２００Ａの粉塵を除去するフィルタ、２１４は改質ガス２００Ｂ中のＣＯ2を回収するＣＯ₂回収装置、２００ＣはＣＯ₂回収後の水素（Ｈ₂）リッチの精製ガスを図示する。

本実施例では、湿潤原料である粉砕炭１０１Ａの乾燥装置として、流動化ガスに水蒸気（流動化蒸気１０７）を用いた流動層乾燥装置１２を用いている。
湿潤原料は約６０重量％程度の水分を保有しているので、流動層乾燥装置１２から排出される排出水蒸気は、流動に用いた流動化蒸気１０７と乾燥により発生した蒸気が合算したものとなり、多量となる。

本実施例では、この排出水蒸気２２０Ａを水蒸気供給ライン２１３により、ＣＯシフト反応装置２１２に供給して、ＣＯシフト反応の際に用いる水蒸気を補填するようにしている。
なお、ＣＯシフト反応に用いる全ての水蒸気を供給することができない場合には、従来と同様の水蒸気２２０Ｂを水蒸気供給ライン２１５により供給し、ＣＯシフト反応が十分に成立するようにしている。

これにより、シフト反応装置２１２に供給する多量の水蒸気の一部を補填することとなる。

よって、従来の流動層乾燥装置から排出される廃棄水蒸気の有効利用が可能となり、システム効率の向上を図ることができる。

なお、ＣＯシフト触媒２１１の触媒被毒成分が排出水蒸気２２０Ａに含まれる場合には、浄化手段を用いて除去した後、ＣＯシフト反応装置２１２へ供給するようにすればよい。

本実施例では、ガス化炉１４に供給する粉砕炭１０１Ａを乾燥させる湿潤原料乾燥装置である流動層乾燥装置１２から排出される排出水蒸気２２０Ａを、ＣＯシフト反応装置２１２に水蒸気供給ライン２１３を介して供給することにより、シフト反応装置２１２に供給する多量の水蒸気の一部を補填することとなり、廃棄水蒸気の有効活用を図り、システム効率の向上を図ることとなる。

ＣＯシフト反応装置２１２で、ＣＯシフト反応された改質ガス２００Ｂは、その後、例えば湿式スクラバ装置（図示せず）によりさらにＣＯシフト反応後のガス化ガスを浄化し、次いで、ガス化ガス中の二酸化炭素を除去・回収するＣＯ2回収装置を経た後、水素（Ｈ₂）成分がリッチな精製ガス２００Ｃを得ることができる。

従来は、水蒸気を別途供給していたが、本実施例では、システム内で賄うことが可能となり、約１０％程度のコストの低減を図ることが可能となる。

このように、本発明によれば、湿潤原料である例えば褐炭等を乾燥するに際して発生する多量の排出水蒸気の有効利用が可能となると共に、排出水蒸気の排水処理が不要となる。

また、特に水資源が少ない地域において、本設備を設置する場合には、水蒸気の有効利用の寄与が高いものとなる。

図２は、本発明の実施例２に係るガス精製装置の概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
図２に示すように、実施例２のガス精製装置は、実施例１のガス精製装置において、さらに、水蒸気供給ライン２１３から分岐する搬送用の水蒸気供給ライン２１６を、流動層乾燥装置１２から乾燥炭１０１Ｂを搬送する乾燥炭供給ライン３５に接続している。
そして、分岐した一部の排出水蒸気２２０Ａを用いて乾燥炭１０１Ｂを、ガス化炉１４へ搬送するようにしている。

これにより、ガス火炉１４に供給する際に、予め水蒸気が供給され、水蒸気の有効利用を図ることとなる。

１０石炭ガス化複合発電設備
１１低品位炭供給設備
１２流動層乾燥装置
１４石炭ガス化炉
１５チャー回収装置
１６ガス精製装置
１７ガスタービン設備
１８蒸気タービン設備
１９発電機
２０排熱回収ボイラ
１０１低品位炭
１０１Ａ粉砕低品位炭（粉砕炭）
１０１Ｂ乾燥低品位炭（乾燥炭）
１０３伝熱部材（加熱手段）
１０４発生蒸気
２００Ａガス化ガス
２００Ｂ改質ガス
２００Ｃ精製ガス
２１２ＣＯシフト反応装置
２２０Ａ排出水蒸気
Ａ乾燥用蒸気（過熱蒸気）
Ｂ凝縮水

Claims

ガス化炉で得られたガス化ガスを供給し、ＣＯシフト反応を行い、改質ガスを得るＣＯシフト触媒を備えたＣＯシフト反応装置と、
前記ＣＯシフト反応に用いられるＣＯシフト反応用水蒸気を、前記ＣＯシフト反応装置に供給する第１水蒸気供給ラインと、
前記ガス化炉に供給する湿潤原料を過熱蒸気で乾燥させる湿潤原料乾燥装置と、
該湿潤原料乾燥装置から排出される排出水蒸気を、前記ＣＯシフト反応用水蒸気の水蒸気量を補填する補填用水蒸気として再加熱することなくＣＯシフト反応装置に供給する第２水蒸気供給ラインとを具備することを特徴とするガス化ガスのガス精製装置。
請求項１において、
前記湿潤原料乾燥装置で乾燥された乾燥原料を、前記ガス化炉へ搬送する搬送ラインに、前記湿潤原料乾燥装置から排出される排出水蒸気を供給することを特徴とするガス化ガスのガス精製装置。
請求項１又は２において、
前記湿潤原料乾燥装置が、水蒸気ガスを流動ガスとした流動層乾燥装置であることを特徴とするガス化ガスのガス精製装置。