JP6095116B2 - ガス精製設備及び石炭ガス化複合発電設備 - Google Patents
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Description
本発明は、ガス精製設備及び石炭ガス化複合発電設備に関する。
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が低廉である。かかる石炭を燃料とする火力発電の一つの方式として、石炭ガス化複合発電（IGCC：Integrated coal GasficationCombined Cycle）が知られている。石炭ガス化複合発電では、石炭ガス化ガスを燃料としてガスタービンを駆動して電力を得ると共に、ガスタービンの排気熱を回収して蒸気を発生させ、発生した蒸気により蒸気タービンを駆動して電力を得ている（例えば、特許文献１参照）。
石炭ガス化炉で発生する石炭ガス化ガスにはハロゲン化合物、硫黄分化合物（硫化物）等の不純物や、後続機器に対して影響を与える不純物、微量成分が含まれるため、ガス精製設備により石炭ガス化ガスの不純物を除去して燃料ガスとしている。
ガス精製設備として、温度や圧力の昇降を抑制し、高温の石炭ガス化ガスを精製する乾式ガス精製設備が種々検討されている。乾式で石炭ガス化ガスを精製することで石炭ガス化ガスを高温のまま精製することができるので、温度や圧力の昇降を抑えて燃料ガスを得ることができる。
一方、石炭ガス化複合発電では、ガスタービンの排気ガスによって排出されるＣＯ２を削減するために、あらかじめＣＯ２を回収する場合がある。精製された石炭ガス化ガスの段階で炭酸ガスを減らしておけば、ガスタービンによる発電の際に排出される排ガスに含まれるＣＯ２の絶対量が減少し、ガスタービンの排気ガスからＣＯ２回収を行うよりもＣＯ２回収するための設備を小型にでき回収に必要な動力が少なくて済む等のメリットがある。
このような状況から、乾式ガス精製設備において、ガスの精製過程でＣＯ２の回収が行えることが望まれているのが実情である。しかし、ＣＯ２を回収するためには、ＣＯ２を吸収する溶剤等を用いる必要があり、高温の乾式ガス精製設備での適用は検討されていないのが現状であった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、ガス化ガスの温度の低下を最小限に抑えて、熱効率を低下させることなく、また、設備を複雑にすることなく、不純物の除去とＣＯ２の回収を両立させることができるガス精製設備を提供することを目的とする。
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、ガス化ガスの温度の低下を最小限に抑えて、熱効率を低下させることなく、また、設備を複雑にすることなく、不純物の除去とＣＯ２の回収を両立させることができるガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明のガス精製設備は、露点温度を越えるガス温度でガス化ガスを流通させ、不純物を除去する物理的濾過手段と、前記物理的濾過手段で不純物が除去されたガス化ガスを、露点温度を越えるガス温度で流通させ、不純物を吸着剤によって吸着除去する吸着除去手段と、前記吸着除去手段で不純物が除去されたガス化ガスを、露点温度を越えるガス温度で流通させ、触媒により化学変換して不純物を除去する触媒変換除去手段と、前記触媒変換除去手段で不純物が除去されたガス化ガスに、水を供給して増湿させる増湿手段と、前記増湿手段で増湿されたガス化ガスを流通させ、一酸化炭素を二酸化炭素にシフト反応させるシフト反応手段と、前記シフト反応手段でシフト反応させたガス化ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収手段とを備えると共に、前記シフト反応手段でシフト反応させたガス化ガスを水洗いして不純物を除去する水洗手段とを備え、前記水洗手段で不純物が水洗いされたガス化ガスが前記二酸化炭素回収手段に送られることを特徴とする。
請求項１に係る本発明では、触媒変換除去手段で不純物が除去された高温のガス化ガスに水を供給することで蒸気が得られ、得られた蒸気によりシフト反応手段により一酸化炭素が二酸化炭素にシフト反応され、二酸化炭素回収手段で回収される。このため、二酸化炭素回収手段の運転温度までガス化ガスの温度を低下させるだけで、温度の低下を最小限に抑えて、熱効率を低下させることなく、また、設備を複雑にすることなく、不純物の除去と二酸化炭素（ＣＯ２）の回収を両立させることができる。
そして、水洗手段でアンモニアや水銀等の不純物が水洗いされ、二酸化炭素の溶解等を阻害する不純物が除去された状態のガス化ガスが二酸化炭素回収手段に送られる。
そして、水洗手段でアンモニアや水銀等の不純物が水洗いされ、二酸化炭素の溶解等を阻害する不純物が除去された状態のガス化ガスが二酸化炭素回収手段に送られる。
また、請求項２に係る本発明のガス精製設備は、請求項１に記載のガス精製設備において、前記シフト反応手段でシフト反応させたガス化ガスを、露点温度を越えるガス温度で流通させて吸収剤と化学反応させることで不純物を除去する反応除去手段を備え、前記反応除去手段で不純物が除去されたガス化ガスが前記水洗手段に送られることを特徴とする。
請求項２に係る本発明では、水洗いの前に、乾式の環境で不純物（例えば、水銀）を吸収剤（例えば、銅を主体として構成される吸収剤）と反応させて除去することができる。
また、請求項３に係る本発明のガス精製設備は、請求項２に記載のガス精製設備において、前記シフト反応手段でシフト反応させたガス化ガスを冷却する熱交換器を備え、前記熱交換器の冷却媒体は、前記二酸化炭素回収手段で二酸化炭素が回収された後のガス化ガスであり、ガス化ガスが所定の温度に昇温されて燃料ガスにされることを特徴とする。
請求項３に係る本発明では、二酸化炭素回収手段で二酸化炭素を回収するためにガス化ガスを冷却しても、外部の熱エネルギーを用いることなく燃料ガスを昇温することができる。
また、請求項４に係る本発明のガス精製設備は、請求項１に記載のガス精製設備において、前記吸着除去手段で吸着除去される不純物はハロゲン化合物を含み、前記触媒変換除去手段で除去される不純物は硫黄化合物を含むことを特徴とする。また、請求項５に係る本発明のガス精製設備は、請求項２に記載のガス精製設備において、前記反応除去手段で除去される不純物は水銀であることを特徴とする。
請求項４に係る本発明では、ハロゲン化合物、硫黄化合物を除去することができ、請求項５に係る本発明では、水銀を除去することが可能になる。
上記目的を達成するための本発明の石炭ガス化複合発電設備は、石炭及び酸化剤の反応により石炭ガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、前記石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスを精製して燃料ガスを得る請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガス精製設備と、前記ガス精製設備で得られた燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼手段からの燃焼ガスを膨張することで動力を得るガスタービンと、前記ガスタービンの排気ガスの熱を回収して得られた蒸気を膨張することで動力を得る蒸気タービンとを備えたことを特徴とする。
請求項６に係る本発明では、二酸化炭素回収手段の運転温度までガス化ガスの温度を低下させるだけで、温度の低下を最小限に抑えて、熱効率を低下させることなく、また、設備を複雑にすることなく、不純物の除去と二酸化炭素（ＣＯ２）の回収を両立させることができるガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備とすることができる。
本発のガス精製設備は、ガス化ガスの温度の低下を最小限に抑えて、熱効率を低下させることなく、また、設備を複雑にすることなく、不純物の除去とＣＯ２の回収を両立させることが可能になる。
本発明の石炭ガス化複合発電設備は、ガス化ガスの温度の低下を最小限に抑えて、熱効率を低下させることなく、また、設備を複雑にすることなく、不純物の除去とＣＯ２の回収を両立させることができるガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備とすることが可能になる。
図１に基づいて石炭ガス化複合発電設備を説明する。
図１には乾式ガス精製設備を備えた本発明の一実施例に係る石炭ガス化複合発電設備の全体の構成を説明するための概略系統を示してある。
図１には乾式ガス精製設備を備えた本発明の一実施例に係る石炭ガス化複合発電設備の全体の構成を説明するための概略系統を示してある。
図に示した石炭ガス化複合発電設備１は、石炭ガス化炉２を備え、石炭ガス化炉２では石炭と酸化剤（酸素、空気）の反応により石炭ガス化ガスｇが生成される。石炭ガス化ガスｇは図示しない除塵手段により除塵されて熱交換器３で所定の温度に調整され、乾式ガス精製設備４で不純物が除去されて精製され、燃料ガスｆとされる。
燃料ガスｆはタービン設備５の燃焼器６に送られる。即ち、タービン設備５は圧縮機１６及びガスタービン７を備え、圧縮機１６で圧縮された圧縮空気と燃料ガスｆが燃焼器６に送られる。燃焼器６では燃料ガスｆが燃焼され、燃焼ガスがガスタービン７に送られて膨張されて動力が得られる。ガスタービン７の排気ガスは排熱回収ボイラー８で熱回収され、排煙脱硝装置９で窒素酸化物成分が除去された後、煙突１０から大気に放出される。
一方、圧縮機１６及びガスタービン７と蒸気タービン１１が同軸状態で接続され、蒸気タービン１１には発電機１２が接続されている。排熱回収ボイラー８には、蒸気タービン１１の排気蒸気を図示しない復水器で凝縮した復水が給水され、排熱回収ボイラー８ではガスタービン７の排気ガスにより蒸気を発生させる。排熱回収ボイラー８で発生した蒸気は蒸気タービン１１に送られて動力が得られる。
直列に接続されたガスタービン７及び蒸気タービン１１の動力により発電機１２が駆動され、ガスタービン７と蒸気タービン１１による複合発電が行われる。
上述した石炭ガス化複合発電設備１では、石炭ガス化炉２の酸化剤として圧縮機１６の圧縮空気が抽気されて供給される。熱交換器３には、排熱回収ボイラー８に送られる復水の一部が給水され、石炭ガス化ガスとの熱交換により蒸気を発生させ、発生した蒸気は蒸気タービン１１に送られる。このため、タービン設備５の圧縮空気の一部を酸化剤として使用し、排熱回収ボイラー８及び熱交換器３からの発生蒸気で蒸気タービン１１の出力を得ることができる。
上記構成の石炭ガス化複合発電設備１では、乾式ガス精製設備４により石炭ガス化ガスｇが乾式精製により精製されて燃料ガスｆを得ている。
図２に基づいて乾式ガス精製設備４の具体的な構成を説明する。図２には乾式ガス精製設備の具体的な構成を説明する系統を示してある。
石炭ガス化炉２の熱交換器３で所定温度に調整された石炭ガス化ガスｇは、ダストフィルター１９で固形の不純物が除去される。固形の不純物が除去された石炭ガス化ガスｇは約４５０℃（露点を上回る運転温度）でハロゲン化物除去装置２１に送られる。ハロゲン化物除去装置２１では、アルカリ系としてナトリウム系のハロゲン化物吸収剤であるアルミン酸ナトリウム（ＮａＡｌＯ２）がペレット状に成形されて使用され、ハロゲン化物である塩化水素（ＨＣｌ）及びフッ化水素（ＨＦ）が同時に除去される。
ハロゲン化物除去装置２１によりハロゲン化物が除去された石炭ガス化ガスｇは約４５０℃（露点を上回る運転温度）で脱硫装置２２に送られる。脱硫装置２２では、乾式の脱硫剤である亜鉛フェライト脱硫剤がハニカム形状化されて使用され、亜鉛フェライト脱硫剤に石炭ガス化ガスｇを接触させることで、硫化水素（Ｈ２Ｓ）や硫化カルボニル（ＣＯＳ）等が極低濃度まで除去される。亜鉛フェライト脱硫剤自体が水素化触媒の機能を持つため、硫化カルボニル（ＣＯＳ）をはじめとする有機硫黄化合物にも性能を発揮することができる。
硫化物が除去された石炭ガス化ガスｇは増湿手段としての増湿器２７に送られ、増湿器２７では石炭ガス化ガスｇに水が供給されて約３００℃の水蒸気ガスにされる（増湿される）。水蒸気ガスはシフト反応装置２８に送られて一酸化炭素（ＣＯ）が二酸化炭素（ＣＯ２）にシフト反応される。つまり、シフト反応装置２８において下式の反応が生じる。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２
シフト反応によりＣＯがＣＯ２とされたガスは、熱交換器（ガスガスヒータ）２９で冷却されて約４０℃にされる。熱交換器２９の冷媒は、後述する二酸化炭素回収手段としてのＣＯ２吸収塔３２でＣＯ２が吸収された後のガスが用いられる。
熱交換器２９で約４０℃に冷却されたガスは水洗手段としての洗浄塔３１で水洗いされ、ＣＯ２の溶解を阻害する不純物、例えば、アンモニア、水銀が洗い流されて除去される。洗浄塔３１で水洗いされたガスはＣＯ２吸収塔３２の吸収剤にＣＯ２が吸収され（例えば、溶媒にＣＯ２が溶解する）、ＣＯ２吸収塔３２で吸収されたＣＯ２は外部に回収される。
ＣＯ２が除去されたガス（約２０℃）は熱交換器２９で昇温されて約２８０℃の燃料ガスｆとされ、高温状態の燃料ガスｆはタービン設備５の燃焼器６に送られる。
このため、温度や圧力の昇降に対する影響、後続機器への不純物の影響を配慮して、石炭ガス化ガスｇを乾式で精製することが可能になる。そして、ガスの精製過程でＣＯ２の回収が可能になる。
従って、高温の乾式ガス精製設備であっても、石炭ガス化ガスｇの温度の低下を最小限に抑えて、熱効率を低下させることなく、また、設備を複雑にすることなく、不純物の除去と炭酸ガス（ＣＯ２）の回収を両立させることが可能になる。
図３に基づいて乾式ガス精製設備４の第２実施例を説明する。
図３には第２実施例に係る乾式ガス精製設備の具体的な構成を説明する系統を示してある。尚、図２に示した設備の構成部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
図３には第２実施例に係る乾式ガス精製設備の具体的な構成を説明する系統を示してある。尚、図２に示した設備の構成部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
図３に示した第２実施例は、図２に示した実施例に対し、熱交換器２９と洗浄塔３１の間に、露点を上回る運転温度で水銀を除去する水銀除去装置３４が備えられている。水銀除去装置３４では、銅を主体として水銀を吸収する銅系吸収剤が使用され、銅系吸収剤に石炭ガス化ガスｇを約１２０℃で接触させることで水銀を吸収させて除去する。
水銀除去装置３４で水銀が除去されたガスは洗浄塔３１で水洗いされ、ＣＯ２の溶解を阻害する不純物、例えば、アンモニアが洗い流されて除去される。洗浄塔３１で水洗いされたガスはＣＯ２吸収塔３２の吸収剤にＣＯ２が吸収され（例えば、溶媒にＣＯ２が溶解する）、ＣＯ２吸収塔３２で吸収されたＣＯ２は外部に回収される。
このため、水洗いの前に、乾式の環境で吸収剤に吸収される水銀を除去して炭酸ガス（ＣＯ２）の回収を行うことが可能になる。
図４に基づいて乾式ガス精製設備４の第３実施例を説明する。
図４には第３実施例に係る乾式ガス精製設備の具体的な構成を説明する系統を示してある。尚、図２、図３に示した設備の構成部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
図４には第３実施例に係る乾式ガス精製設備の具体的な構成を説明する系統を示してある。尚、図２、図３に示した設備の構成部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
図４に示した第３実施例は、図２に示した実施例に対し、脱硫装置２２と増湿器２７の間に、露点を上回る運転温度でアンモニアを分解除去するアンモニア分解装置３５、及び、露点を上回る運転温度で水銀を除去する水銀除去装置３４が備えられている。
脱硫装置２２で硫化物が除去された石炭ガス化ガスｇは第１熱交換器３７で約４５０℃から約２５０℃に熱交換されてアンモニア分解装置３５に送られる。第１熱交換器３７の熱交換媒体は、後述する第２熱交換器３８で熱交換（昇温：約２３０℃）された後のガスが用いられる。
アンモニア分解装置３５では、石炭ガス化ガスｇを約２５０℃（露点を上回る運転温度）でアンモニア成分を分解し、その際の発熱反応により、例えば、約３５０℃のガスを得て第２熱交換器３８に送られて２２０℃に冷却される。アンモニア分解装置３５では、Ｎｉ／Ａｌ２Ｏ３触媒がペレット状に成形されて使用され、石炭ガス化ガスｇに含まれるアンモニア成分が窒素（Ｎ２）に分解される。
第２熱交換器３８で２２０℃に冷却されたガスは、給水加熱器３９に送られて水の熱媒体とされる（水を加熱するために利用される）。給水加熱器３９で水の熱媒体とされて１２０℃まで冷却されたガスは水銀除去装置３４に送られ、水銀除去装置３４で水銀が除去されて１００℃のガスとされる。
第２熱交換器３８の冷媒は、水銀除去装置３４で水銀が除去された後の約１００℃のガスが用いられ、水銀除去装置３４で水銀が除去された後の約１００℃のガスは、アンモニア成分を分解した後の約３５０℃のガスにより第２熱交換器３８で約２３０℃に昇温される。
第２熱交換器３８で約２３０℃に昇温されたガスは第１熱交換器３７に送られ、４３０℃に昇温されて増湿器２７に送られ、増湿器２７では、給水加熱器３９で加熱された水がガスに供給されて約２８０℃の水蒸気ガスにされる（増湿される）。その後、シフト反応装置２８でシフト反応され、洗浄塔３１で水洗いされて残留するアンモニア、水銀が洗い流されて除去され、ＣＯ２が除去・回収されて約２６０℃の燃料ガスｆがタービン設備５の燃焼器６に送られる。
このため、水洗いの前に、乾式の環境でアンモニア及び水銀を除去して炭酸ガス（ＣＯ２）の回収を行うことが可能になる。
上述した乾式ガス精製設備４は、ガス化ガスの温度の低下を最小限に抑えて、熱効率を低下させることなく、また、設備を複雑にすることなく、ハロゲン化合物、硫黄成分、アンモニア成分、水銀等の不純物の除去とＣＯ２の回収を両立させることが可能になる。
そして、石炭ガス化複合発電設備では、ガス化ガスの温度の低下を最小限に抑えて、熱効率を低下させることなく、また、設備を複雑にすることなく、不純物の除去とＣＯ２の回収を両立させることができる乾式ガス精製設備４を備えた石炭ガス化複合発電設備１とすることが可能になる。
本発明は、ガス精製設備及び石炭ガス化複合発電設備の産業分野で利用することができる。
１ 石炭ガス化複合発電設備
２ 石炭ガス化炉
３ 熱交換器
４ 乾式ガス精製設備
５ タービン設備
６ 燃焼器
７ ガスタービン
８ 排熱回収ボイラー
９ 排煙脱硝装置
１０ 煙突
１１ 蒸気タービン
１２ 発電機
１６ 圧縮機
１９ ダストフィルター
２１ ハロゲン化物除去装置
２２ 脱硫装置
２７ 増湿器
２８ シフト反応装置
２９ 熱交換器
３１ 洗浄塔
３２ ＣＯ２吸収塔
３４ 水銀除去装置
３５ アンモニア分解装置
３７ 第１熱交換器
３８ 第２熱交換器
３９ 給水加熱器
２ 石炭ガス化炉
３ 熱交換器
４ 乾式ガス精製設備
５ タービン設備
６ 燃焼器
７ ガスタービン
８ 排熱回収ボイラー
９ 排煙脱硝装置
１０ 煙突
１１ 蒸気タービン
１２ 発電機
１６ 圧縮機
１９ ダストフィルター
２１ ハロゲン化物除去装置
２２ 脱硫装置
２７ 増湿器
２８ シフト反応装置
２９ 熱交換器
３１ 洗浄塔
３２ ＣＯ２吸収塔
３４ 水銀除去装置
３５ アンモニア分解装置
３７ 第１熱交換器
３８ 第２熱交換器
３９ 給水加熱器
Claims (6)
- 露点温度を越えるガス温度でガス化ガスを流通させ、不純物を除去する物理的濾過手段と、
前記物理的濾過手段で不純物が除去されたガス化ガスを、露点温度を越えるガス温度で流通させ、不純物を吸着剤によって吸着除去する吸着除去手段と、
前記吸着除去手段で不純物が除去されたガス化ガスを、露点温度を越えるガス温度で流通させ、触媒により化学変換して不純物を除去する触媒変換除去手段と、
前記触媒変換除去手段で不純物が除去されたガス化ガスに、水を供給して増湿させる増湿手段と、
前記増湿手段で増湿されたガス化ガスを流通させ、一酸化炭素を二酸化炭素にシフト反応させるシフト反応手段と、
前記シフト反応手段でシフト反応させたガス化ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収手段とを備えると共に、
前記シフト反応手段でシフト反応させたガス化ガスを水洗いして不純物を除去する水洗手段とを備え、
前記水洗手段で不純物が水洗いされたガス化ガスが前記二酸化炭素回収手段に送られる
ことを特徴とするガス精製設備。 - 請求項１に記載のガス精製設備において、
前記シフト反応手段でシフト反応させたガス化ガスを、露点温度を越えるガス温度で流通させて吸収剤と化学反応させることで不純物を除去する反応除去手段を備え、
前記反応除去手段で不純物が除去されたガス化ガスが前記水洗手段に送られる
ことを特徴とするガス精製設備。 - 請求項２に記載のガス精製設備において、
前記シフト反応手段でシフト反応させたガス化ガスを冷却する熱交換器を備え、
前記熱交換器の冷却媒体は、
前記二酸化炭素回収手段で二酸化炭素が回収された後のガス化ガスであり、ガス化ガスが所定の温度に昇温されて燃料ガスにされる
ことを特徴とするガス精製設備。 - 請求項１に記載のガス精製設備において、
前記吸着除去手段で吸着除去される不純物はハロゲン化合物を含み、前記触媒変換除去手段で除去される不純物は硫黄化合物を含む
ことを特徴とするガス精製設備。 - 請求項２に記載のガス精製設備において、
前記反応除去手段で除去される不純物は水銀である
ことを特徴とするガス精製設備。 - 石炭及び酸化剤の反応により石炭ガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、
前記石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスを精製して燃料ガスを得る請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガス精製設備と、
前記ガス精製設備で得られた燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、
前記燃焼手段からの燃焼ガスを膨張することで動力を得るガスタービンと、
前記ガスタービンの排気ガスの熱を回収して得られた蒸気を膨張することで動力を得る蒸気タービンとを備えた
ことを特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
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