JP7258663B2 - 炭素系燃料のガス化システム - Google Patents

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Description

本発明は、炭素系燃料から水素を主成分とするガスを生成するための炭素系燃料のガス化システムに関する。
特許文献１には、石炭を部分酸化した後、シフト工程及びＣＯ２分離工程を経て、水素を主成分とするガスを生成するシステムが開示されている。このシステムでは、石炭と酸素をガス化炉に送り、部分酸化反応によりＣＯと水素を主成分とするガス化ガスを生成する。生成したガス化ガスは水洗塔に送られ、ガス化ガス中の重金属やハロゲン化水素等の不純物質が除去される。水洗塔で洗浄された生成ガスは、シフト反応器に送られるが、この際、熱交換器及びガス加熱器により加熱され、シフト触媒の反応温度まで昇温させられる。シフト反応器の入口で水蒸気が供給され、シフト反応器に充填されたシフト触媒により、ＣＯシフト反応が進行する。シフト反応器から排出されたガスは、熱交換器によって冷却され、ガス中の水分がノックアウトドラムにより凝縮して除去される。水分が除去されたガスは、吸収塔に送られ、吸収液によりＨ２Ｓ及びＣＯ２が除去される。Ｈ２Ｓ及びＣＯ２が除去されたガスの主成分はＨ２であり、発電用のプラントのガスタービンの燃料などに使用される。
特開２００９－９５７６９号公報
特許文献１のシステムでは、シフト反応器へ供給する水蒸気（シフト反応に必要な水蒸気）を得るために、多数の伝熱管で構成される熱回収部を設ける必要がある。加えて、熱回収部に直接工業用水を供給することはできないため、純水製造のための設備も必要となる。
また、シフト反応器とノックアウトドラムとの間に、ガス中のアンモニアを除去するための第２水洗塔を設けることが考えられる。第２水洗塔を設けることにより、生成されるガス中からアンモニアを除去することが可能となるが、この場合、第２水洗塔からの排水を処理する設備が必要となる。
さらに、純水製造や排水処理は消費エネルギーの増大を伴うため、システム全体の熱効率を向上させることが難しい。
そこで本発明は、設備負担の軽減及び熱効率の向上が可能な炭素系燃料のガス化システムの提供を目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明の第１の態様は、炭素系燃料のガス化システムであって、ガス化炉と、水噴霧装置と、脱塵装置と、第１水洗塔と、シフト反応器と、第２水洗塔と、吸収塔と、排水供給配管とを備える。
ガス化炉は、炭素系燃料を酸化剤によりガス化して一酸化炭素と水素を主成分とする生成ガスを得る。水噴霧装置は、ガス化炉の下流で生成ガスに対して水を噴霧する。脱塵装置は、水噴霧装置の下流で生成ガス中の未反応石炭を除去する。第１水洗塔は、脱塵装置の下流で生成ガス中のハロゲンを除去する。シフト反応器は、第１水洗塔の下流で生成ガス中の水蒸気と一酸化炭素とをシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換する。第２水洗塔は、シフト反応器の下流で生成ガス中のアンモニアを除去する。吸収塔は、第２水洗塔の下流で生成ガス中の硫化水素及び二酸化炭素を除去する。排水供給配管は、第２水洗塔の排水を水噴霧装置へ供給する。水噴霧装置は、排水供給配管から供給された排水を噴霧する。
上記構成では、生成ガスは、ガス化炉から脱塵装置、第１水洗塔、シフト反応器、及び第２水洗塔を順に流れる。第２水洗塔からの排水は、アンモニアを含んだ状態で排水供給配管を介して水噴霧装置へ供給され、ダイレクトクエンチ水としてガス化炉の下流で且つ脱塵装置の上流の生成ガス中に噴霧される。ガス化炉の下流の生成ガスは高温であるため、ダイレクトクエンチ水に含まれるアンモニアの一部が熱分解する。脱塵装置及び第１水洗塔では、生成ガス中の未反応石炭及びハロゲンがそれぞれ除去され、シフト反応器では、生成ガス中の水蒸気と一酸化炭素とがシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換される。第２水洗塔では、洗浄水が生成ガスの流入口の上方（上部）から下方（下部）へ流下し、生成ガス中に存在するアンモニアが洗浄水によって除去される。吸収塔では、生成ガス中の硫化水素及び二酸化炭素が除去され、水素（Ｈ２）を主成分とするガスが生成される。
このように、生成ガスに対して水蒸気を供給せず、第２水洗塔からの排水を直接供給するので、水蒸気を得るための熱回収部や、熱回収部に供給する純水を製造するための設備が必要ない。また、第２水洗塔からの排水を処理する設備も必要ない。従って、設備負担の軽減及びシステム全体の熱効率の向上を図ることができる。
本発明の第２の態様は、第１の態様のガス化システムであって、冷却器と、ノックアウトドラムと、回収水供給配管とを備える。
冷却器は、第２水洗塔と吸収塔との間に設けられ、第２水洗塔の下流で生成ガスを冷却する。ノックアウトドラムは、冷却器と吸収塔との間に設けられ、冷却器の下流で生成ガス中の水分を凝縮して除去する。回収水供給配管は、ノックアウトドラムで生成ガスから除去された水分を回収して第２水洗塔へ供給する。
上記構成では、生成ガスは、ノックアウトドラムにより水分が除去された状態で吸収塔へ供給される。このため、吸収塔の吸収液の濃度の低下(生成ガス中の水分による希薄化)を防止することができる。また、生成ガスから除去された水分を、回収水供給配管を介して第２水洗塔へ供給するので、システム外から第２水洗塔へ補充する水量（工業用水の使用量）を低減することができる。
さらに、ノックアウトドラムへ流入する生成ガスを冷却するための冷却器を、第２水洗塔の上流ではなく下流に設けているので、冷却器で冷却される前の高温状態の生成ガスが第２水洗塔へ流入する。このため、ダイレクトクエンチ水として用いる第２水洗塔の排水が高温状態の生成ガスによって加熱され、水噴霧装置から噴霧されたダイレクトクエンチ水の水滴が壁面（生成ガスの流通空間を区画する壁面）に衝突した際の熱衝撃を低減することができる。
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様のガス化システムであって、水噴霧装置は、上流側から下流側へ並ぶ複数段のノズルを有し、排水供給配管から供給された排水を複数段のノズルの各々から噴霧する。
上記構成では、ダイレクトクエンチ水を多段噴霧するので、単段で噴霧する場合に比べて生成ガスの急激な温度低下が生じ難い。アンモニアの熱分解率（平衡熱分解率）は生成ガスが高温であるほど高くなるので、多段噴霧によってアンモニアの熱分解に好適なガス温度環境（アンモニアの熱分解温度以上の温度環境）が継続し易くなり、安定した運転を行うことができる。
本発明の第４の態様は、第３の態様のガス化システムであって、水噴霧装置は、ガス温度検出手段と、噴霧量制御手段とを備える。ガス温度検出手段は、最上流である１段目のノズルからの水噴霧により低下した生成ガスの温度を１段目の水噴霧後のガス温度として検出する。噴霧量制御手段は、検出された１段目の水噴霧後のガス温度がアンモニアの熱分解温度以上の所定の第１段目標温度となるように、１段目のノズルからの水噴霧量を制御する。
上記構成では、１段目から２段目の間のガス温度は、アンモニアの熱分解温度以上に調整されるので、好適なガス温度環境を継続して維持することができる。
本発明の第５の態様は、第４の態様のガス化システムであって、ガス温度検出手段は、脱塵装置へ流入する生成ガスの温度を脱塵流入温度として検出する。噴霧量制御手段は、検出された脱塵流入温度が露点以上で且つ脱塵装置の使用上限温度以下の所定の目標流入温度となるように、最終段のノズルからの水噴霧量を制御する。
上記構成では、脱塵流入温度（例えば、脱塵装置の入口のガス温度）が露点以上で且つ脱塵装置の使用上限温度以下に維持されるので、脱塵装置における水分の凝縮を防止することができ、脱塵装置でチャー粒子が合体・成長して塊となることを防止することができる。また、脱塵流入温度が脱塵装置の使用上限温度（最高使用温度）を超過することがなく、温度超過に起因した脱塵装置の摩耗や減肉等の発生を防止することができる。
ガス温度検出手段は、１段目及び最終段のノズルを除く各段のノズルからの水噴霧により低下した生成ガスの温度を、各段の水噴霧後のガス温度として検出してもよく、噴霧量制御手段は、検出された各段の水噴霧後のガス温度が第１段目標温度と目標流入温度との間であって前段の目標温度以上に設定された各段の目標温度となるように、各段のノズルからの水噴霧量を制御してもよい。
最終段のノズルを除く各段のノズルからの水噴霧により低下した生成ガスの温度を検出するガス温度検出手段として、各段に対応する温度計を設けてもよい。この場合、Ｎ段目の水噴霧後のガス温度を検出するための温度計は、Ｎ段目のノズルによる水噴霧位置（当該段の水噴霧位置）と（Ｎ＋１）段面のノズルによる水噴霧位置（次段の水噴霧位置）との間が好適であり、次段の水噴霧位置の直前がさらに好適である。
本発明の第６の態様は、第１～第５の態様のガス化システムであって、排水供給配管の途中に設けられ、第２水洗塔の排水を一時的に貯留可能な排水タンクを備える。
上記構成では、排水タンクは、第２水洗塔から供給される排水を受け入れ、ガス化炉の下流で噴霧するダイレクトクエンチ水として貯留する。このため、排水タンクの容量範囲内であれば、排水（ダイレクトクエンチ水）の供給量と使用量とに差がある場合であっても、第２水洗塔から水噴霧装置への排水の供給制御と、水噴霧装置からのダイレクトクエンチ水の噴霧量制御とを独立して行うことができる。
本発明の第７の態様は、第６の態様のガス化システムであって、洗浄水供給配管と、貯留洗浄水量検出手段と、洗浄水供給制御手段と、タンク水量検出手段と、排水供給制御手段とを備える。
洗浄水供給配管は、生成ガス中のアンモニアを除去するため第２水洗塔内を流下させる洗浄水を第２水洗塔へ供給する。貯留洗浄水量検出手段は、第２水洗塔内を流下して第２水洗塔の下部に溜まった洗浄水の量を貯留洗浄水量として検出する。洗浄水供給制御手段は、検出された貯留洗浄水量が所定の規定貯留洗浄水量に維持されるように、洗浄水供給配管から第２水洗塔への洗浄水の供給を制御する。
タンク水量検出手段は、排水タンクに貯留された排水の量をタンク貯水量として検出する。排水供給制御手段は、検出されたタンク貯水量が所定のタンク下限貯水量未満に低下しないように、排水供給配管から排水タンクへの排水の供給を制御する。
上記構成では、排水タンクに貯留された排水がダイレクトクエンチ水として噴霧され、排水タンクに貯留された排水の量（タンク貯水量）がタンク下限貯水量よりも低下すると、排水供給制御手段は、タンク貯水量がタンク下限貯水量に達するように第２水洗塔から排水タンクへ排水を供給する。第２水洗塔から排水タンクへ排水が供給され、第２水洗塔の下部に溜まった洗浄水の量（貯留洗浄水量）が規定貯留洗浄水量よりも減少（水位が低下）すると、洗浄水供給制御手段は、貯留洗浄水量が規定貯留洗浄水量に達するように第２水洗塔へ洗浄水を供給する。一方、第２水洗塔の貯留洗浄水量が規定貯留洗浄水量以上の場合には、洗浄水供給制御手段は第２水洗塔へ洗浄水を供給しない。
このように、第２水洗塔の貯留洗浄水量が規定貯留洗浄水量に維持されるので、排水供給制御手段を送水ポンプによって構成した場合に、送水ポンプへの空気混入や送水ポンプの空回りを防止することができる。また、第２水洗塔の生成ガスの流入口が水没しないように規定貯留洗浄水量を設定することにより、生成ガスの流入口の水没を防止することができる。
また、排水タンクに貯留された排水の量（タンク貯水量）がタンク下限貯水量以上に維持されるので、排水タンクから水噴霧装置へ排水（ダイレクトクエンチ水）を送水ポンプによって供給する場合に、送水ポンプへの空気混入や送水ポンプ空回りを防止することができる。
本発明の第８の態様は、第７の態様のガス化システムであって、供給洗浄水量検出手段と、洗浄水循環供給配管と、洗浄水循環供給制御手段とを備える。
供給洗浄水量検出手段は、洗浄水供給配管から第２水洗塔へ供給する洗浄水の量を供給洗浄水量として検出する。洗浄水循環供給配管は、第２水洗塔から水噴霧装置へ供給する排水の一部を、生成ガス中のアンモニアを除去するための洗浄水として第２水洗塔へ供給可能である。洗浄水循環供給制御手段は、検出された供給洗浄水量が所定の洗浄水規定供給量未満となった場合、第２水洗塔内を流下する洗浄水の量が洗浄水規定供給量以上になるように、洗浄水循環供給配管から第２水洗塔への洗浄水の供給を制御する。
上記構成では、第２水洗塔の貯留洗浄水量が規定貯留洗浄水量以上の場合、洗浄水供給制御手段は、洗浄水供給配管から第２水洗塔へ洗浄水を供給しない。このため、洗浄水供給配管から第２水洗塔へ供給する洗浄水の量（供給洗浄水量）は洗浄水規定供給量未満となる。供給洗浄水量が洗浄水規定供給量未満になると、洗浄水循環供給制御手段は、第２水洗塔内を流下する洗浄水の量が洗浄水規定供給量以上になるように、洗浄水循環供給配管から第２水洗塔へ洗浄水を供給する。
このように、洗浄水供給配管から第２水洗塔へ洗浄水が供給されない場合であっても、第２水洗塔を流下する洗浄水の量を洗浄水規定供給量以上に維持することができ、第２水洗塔におけるアンモニアの除去率の低下を防止することができる。
本発明の第９の態様は、第６の態様のガス化システムであって、洗浄水供給配管と、ガス量検出手段と、洗浄水供給制御手段と、貯留洗浄水量検出手段と、排水供給制御手段とを備える。
洗浄水供給配管は、生成ガス中のアンモニアを除去するため第２水洗塔内を流下させる洗浄水を第２水洗塔へ供給する。ガス量検出手段は、第２水洗塔から吸収塔へ流れる生成ガスのガス量を生成ガス量として検出する。洗浄水供給制御手段は、洗浄水供給配管から第２水洗塔への洗浄水の供給を、検出された生成ガス量に応じて制御する。
貯留洗浄水量検出手段は、第２水洗塔内を流下して第２水洗塔の下部に溜まった洗浄水の量を貯留洗浄水量として検出する。排水供給制御手段は、検出された貯留洗浄水量が所定の規定貯留洗浄水量に維持されるように、排水供給配管から排水タンクへの排水の供給を制御する。
上記構成では、洗浄水供給制御手段は、洗浄水供給配管から第２水洗塔へ供給する洗浄水の量（供給洗浄水量）を、第２水洗塔から吸収塔へ流れる生成ガスのガス量（生成ガス量）の増減に応じて増減する。排水供給制御手段は、第２水洗塔の貯留洗浄水量が規定貯留洗浄水量に維持されるように、排水供給配管から排水タンクへの排水の供給を制御する。
このように、第２水洗塔内を流れる生成ガスのガス量に応じた量の洗浄水を供給するので、生成ガスからアンモニアを効率良く且つ確実に除去することができる。
また、第２水洗塔の貯留洗浄水量が規定貯留洗浄水量に維持されるので、排水供給制御手段を送水ポンプによって構成した場合に、送水ポンプへの空気混入や送水ポンプの空回りを防止することができる。また、第２水洗塔の生成ガスの流入口が水没しないように規定貯留洗浄水量を設定することにより、生成ガスの流入口の水没を防止することができる。
本発明の第１０の態様は、第９の態様のガス化システムであって、タンク水量検出手段と、洗浄水循環供給配管と、洗浄水循環供給制御手段とを備える。
タンク水量検出手段は、排水タンクに貯留された排水の量をタンク貯水量として検出する。洗浄水循環供給配管は、第２水洗塔から水噴霧装置へ供給する排水の一部を、生成ガス中のアンモニアを除去するための洗浄水として第２水洗塔へ供給可能である。洗浄水循環供給制御手段は、洗浄水循環供給配管から第２水洗塔への洗浄水の供給を制御する。
検出されたタンク貯水量が所定のタンク上限貯水量を超えた場合、洗浄水供給制御手段は、洗浄水供給配管から第２水洗塔への洗浄水の供給を停止し、排水供給制御手段は、排水供給配管から排水タンクへの排水の供給を停止し、洗浄水循環供給制御手段は、洗浄水循環供給配管から第２水洗塔への洗浄水の供給を、検出された生成ガス量に応じて制御する。
上記構成では、排水タンクに貯留された排水の量（タンク貯水量）が増加してタンク上限貯水量を超えると、排水供給制御手段を、排水供給配管から排水タンクへの排水の供給を停止する。従って、排水タンクのタンク貯水量を、タンク上限貯水量を超えないように調整することができる。また、洗浄水供給制御手段は、洗浄水供給配管から第２水洗塔への洗浄水の供給を停止するので、第２水洗塔の貯留洗浄水量の過度な増加（例えば、規定貯留洗浄水量以上で生成ガスの流入口が水没しない上限貯留洗浄水量を超えた増加）を防止することができる。
また、排水タンクのタンク貯水量がタンク上限貯水量を超え、洗浄水供給制御手段が洗浄水供給配管から第２水洗塔への洗浄水の供給を停止した場合、洗浄水循環供給制御手段は、第２水洗塔内を流下する洗浄水の量が洗浄水規定供給量以上になるように、洗浄水循環供給配管から第２水洗塔へ洗浄水を供給する。
このように、洗浄水供給配管から第２水洗塔へ洗浄水が供給されない場合であっても、第２水洗塔を流下する洗浄水の量を洗浄水規定供給量以上に維持することができ、第２水洗塔におけるアンモニアの除去率の低下を防止することができる。
本発明の第１１の態様は、第９の態様のガス化システムであって、噴霧水補充配管と、タンク水量検出手段と、タンク貯水量制御手段とを備える。
噴霧水補充配管は、排水供給配管とは別に排水タンクに水を供給可能である。タンク水量検出手段は、排水タンクに貯留された排水の量をタンク貯水量として検出する。タンク貯水量制御手段は、検出されたタンク貯水量が所定のタンク下限貯水量未満に低下しないように、噴霧水補充配管から排水タンクへの水の供給を制御する。
上記構成では、排水タンクに貯留された排水の量（タンク貯水量）がタンク下限貯水量以上に維持されるので、排水タンクから水噴霧装置へ排水（ダイレクトクエンチ水）を送水ポンプによって供給する場合に、送水ポンプへの空気混入や送水ポンプの空回りを防止することができる。
本発明によれば、システムの設備負担の軽減及び熱効率の向上が可能となる。
本発明のガス化システムの概要を示すブロック構成図である。 本発明の第１実施形態のガス化システムの系統構成図である。 第１実施形態の制御に関するブロック構成図である。 本発明の第２実施形態のガス化システムの系統構成図である。 第２実施形態の制御に関するブロック構成図である。
本発明のガス化システムの概要について、図１を参照して説明する。
図１に示すように、本発明のガス化システムは、ガス化炉１、水噴霧部２、水噴霧装置（ダイレクトクエンチ装置）３、脱塵装置（脱塵設備）４、第１水洗塔５、シフト反応器６、第２水洗塔７、吸収塔８、及び排水供給配管９によって概略構成される。
ガス化炉１は、炭素系燃料（例えば石炭）を酸化剤によりガス化して一酸化炭素と水素を主成分とする生成ガスを得る。水噴霧部２は、ガス化炉１から連続して鉛直上方に延びるガス化炉１の下流空間であり、水噴霧装置３は、水噴霧部２を上方に向かって流れる生成ガスに対して水を噴霧する。脱塵装置４は、水噴霧装置３の下流で生成ガス中の未反応石炭（チャー）を除去する。第１水洗塔５は、脱塵装置４の下流で生成ガス中のハロゲンなどを除去する。
シフト反応器６は、生成ガス中の水蒸気と一酸化炭素とを、次式（１）に示すシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換する。第２水洗塔７は、シフト反応器６の下流で生成ガス中のアンモニアなどを除去する。吸収塔８は、第２水洗塔７の下流で生成ガス中の硫化水素及び二酸化炭素を除去する。
排水供給配管９は、水噴霧装置３と第２水洗塔７とを接続し、第２水洗塔７の排水をダイレクトクエンチ水として水噴霧装置３へ供給する。水噴霧装置３は、排水供給配管９から供給された排水（ダイレクトクエンチ水）を噴霧する。噴霧された排水が高温の生成ガスで加熱されることにより、排水中の水分が水蒸気となり、水蒸気を含有する生成ガスが下流のシフト反応器６へ供給される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・（１）
このように、生成ガスに対して水蒸気を供給せず、第２水洗塔７からの排水を直接供給するので、水蒸気を得るための熱回収部や、熱回収部に供給する純水を製造するための設備が必要ない。また、第２水洗塔７からの排水を処理する設備も必要ない。従って、設備負担の軽減及びシステム全体の熱効率の向上を図ることができる。
なお、第１水洗塔５の排水（洗浄水）は、排水処理装置（排水処理設備）１０で処理されて、第１水洗塔５に循環供給される。
［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態のガス化システムについて、図２を参照して説明する。
このガス化システムは、粉砕された石炭（炭素系燃料・固体燃料）と酸素とが供給され、供給された石炭をガス化するガス化炉１と、ガス化炉１から連続して鉛直上方に延び、ガス化炉１で発生したガス（生成ガス）が上方へ流れる水噴霧部２と、水噴霧部２を流れる生成ガスに対して水（ダイレクトクエンチ水）を噴霧する水噴霧装置３とを備える。
また、水噴霧部２でダイレクトクエンチ水が噴霧された生成ガス中の粉塵（未反応石炭等）を除去する脱塵装置４（サイクロン４５及びチャーフィルタ１１）と、チャーが除去された生成ガスを水洗してハロゲンなどを除去する第１水洗塔５と、第１水洗塔５で水洗された生成ガスをシフト反応させる複数（本実施形態では３つ）のシフト反応器６と、シフト反応後の生成ガス中の生成ガスを水洗してアンモニアなどを除去する第２水洗塔７と、第２水洗塔７で水洗された生成ガスを冷却する冷却器１２と、冷却された生成ガス中の水分を凝縮して除去するノックアウトドラム１３と、水分が除去された生成ガス中の硫化水素及び二酸化炭素を除去する吸収塔８と、硫化水素及び二酸化炭素を吸収した吸収液を再生する再生塔１４等を備える。吸収塔８から流出した生成ガスは、水素を主成分とするガスであり、その一部はタービン６０に供給される。
第２水洗塔７と水噴霧装置３とは、排水供給配管９によって接続され、第２水洗塔７の排水がダイレクトクエンチ水として水噴霧装置３に供給される。排水供給配管９の途中には、第２水洗塔７の排水を一時的に貯留可能な排水タンク２１が設けられている。排水タンク２１には、排水供給配管９とは別に排水タンク２１に水（工業用水）を供給する噴霧水補充配管３１が接続され、噴霧水補充配管３１には、バルブ３２が設けられている。排水タンク２１には、排水タンク２１に貯留された排水の量をタンク貯水量として検出するレベルセンサ（タンク水量検出手段）４０が設けられている。
第２水洗塔７とノックアウトドラム１３とは、回収水供給配管４１によって接続されている。回収水供給管４１は、ノックアウトドラム１３で生成ガスから除去された水分を回収して第２水洗塔７へ供給する。
また、ガス化システムの制御装置は、図３に示すように、噴霧量制御部５０と、排水供給制御部５１と、洗浄水供給制御部５２と、洗浄水循環供給制御部５３とを備える。
次に、図２のガス化システムの詳細構成を動作とともに説明する。図示を省略しているが、石炭は、粉砕装置で粉砕されてロックホッパに貯留される。ロックホッパで所定の圧力まで昇圧された石炭は、移送弁を介してフィードホッパに移送された後、搬送ガスに同伴されて燃料搬送管と燃料バーナを介して、ガス化炉１に投入される。
石炭の移送および搬送用ガスとして、Ｎ２やＣＯ２などの不活性ガスを用いる。本実施形態では、再生塔１４で処理されたＣＯ２の一部を抜き出して回収して、搬送用ガスとして用いる（図中※参照）。
燃料バーナ（図示省略）からガス化炉１に投入された石炭は、同じく燃料バーナから投入された酸素と混合して部分燃焼してガス化し、高温の生成ガスを発生する。生成ガスの主成分は、ＣＯおよびＨ２である。ガス化炉１に投入する酸素は、空気分離器（図示省略）で製造される。空気をコンプレッサ（図示省略）で昇圧して空気分離器に供給して、窒素と酸素に分離する。本実施形態では、この分離された酸素を用いる。高温となった生成ガスは、水噴霧部２に供給され、水噴霧装置３から生成ガスに対してダイレクトクエンチ水が噴霧される。
水噴霧装置３は、上流側から下流側へ並ぶ複数段のノズル２２，２３，２４を有する。本実施形態では、最上流の１段目の第１ノズル２２と、２段目の第２ノズル２３と、最下流の３段目の第３ノズル２４とが設けられている。排水供給配管９から供給された排水は各ノズル２２，２３，２４から噴霧される。
水噴霧装置３には、第１ノズル２２からの水噴霧により低下した生成ガスの温度を１段目の水噴霧後のガス温度として検出する第１ガス温度センサ２５と、第２ノズル２３からの水噴霧により低下した生成ガスの温度を２段目の水噴霧後のガス温度として検出する第２ガス温度センサ２６と、脱塵装置４（サイクロン４５）へ流入する生成ガスの温度を脱塵流入温度として検出する脱塵入口ガス温度センサ２７とが、ガス温度検出手段として設けられている。第１ガス温度センサ２５は、第２ノズル２３の水噴霧位置の直前のガス温度を検出し、第２ガス温度センサ２６は、第３ノズル２４の水噴霧位置の直前のガス温度を検出する。各ノズル２２，２３，２４からの水噴霧量は、バルブ（第１噴霧量調整バルブ２８、第２噴霧量調整バルブ２９、第３噴霧量調整バルブ３０）の開閉によって増減する。
図２及び図３に示すように、各バルブ２８，２９，３０の開閉は、噴霧量制御部５０によって制御される。すなわち、各バルブ２８，２９，３０と噴霧量制御部５０とは、各段からの水噴霧量を制御する噴霧量制御手段を構成する。
噴霧量制御部５０は、第１ガス温度センサ２５によって検出された１段目の水噴霧後のガス温度がアンモニアの熱分解温度以上の所定の第１段目標温度となるように、第１ノズル２２からの水噴霧量（第１噴霧量調整バルブ２８）を制御する。ダイレクトクエンチ水が噴霧された後のガス温度とアンモニアの熱分解率とは、ガス温度の上昇とともに熱分解率が向上するという関係を有し、係る関係に基づいて、アンモニアの熱分解温度を設定することができる。
噴霧量制御部５０は、脱塵入口ガス温度センサ２７によって検出された脱塵流入温度が露点以上で且つ脱塵装置４（サイクロン４５）の使用上限温度以下の所定の目標流入温度となるように、第３ノズル２４からの水噴霧量（第３噴霧量調整バルブ３０）を制御する。
さらに、噴霧量制御部５０は、第２ガス温度センサ２６によって検出された２段目の水噴霧後のガス温度が第１段目標温度と目標流入温度との間に設定された第２段目標温度となるように、第２ノズル２３からの水噴霧量（第２噴霧量調整バルブ２９）を制御する。
水噴霧部２から流出した生成ガスは、サイクロン４５及びチャーフィルタ１１で、同伴した未反応石炭（チャー）と分離される。分離したチャーは、チャーロックホッパ１５に貯留され、適宜、チャーフィードホッパ１６に移送された後、ガス化炉１に再投入される。
チャーフィルタ１１から流出した生成ガスは、第１水洗塔５でハロゲン系物質（塩素等）や微細な粒子が除去された後、熱交換器１７により加熱され、シフト触媒の反応温度まで昇温されて直列に並ぶ３つのシフト反応器６に順次送られる。シフト反応は発熱反応であるため、シフト反応器６から流出した生成ガスは、熱交換器１８，１９，２０によって冷却され、第２水洗塔７でアンモニアなどが除去された後、冷却器１２で冷却され、ノックアウトドラム１３に送られる。
第２水洗塔７において、生成ガスは、中間高さのガス流入口から塔内へ流入し、上端部ガス流出口から流出する。洗浄水は、ガス流入口の上方の塔上部から供給され、塔内を流下して、ガス流入口の下方の塔下部に溜まる。第２水洗塔７の下端部は、排水供給配管９を介して排水タンク２１に接続される。排水供給配管９には、送水ポンプ３３とバルブ３４とが設けられている。送水ポンプ３３とバルブ３４とは、排水供給制御部５１とともに、排水供給配管９から排水タンク２１への排水の供給を制御する排水供給制御手段を構成する。
第２水洗塔７の塔上部には、洗浄水を第２水洗塔７へ供給する洗浄水供給配管３５が接続され、洗浄水供給配管３５には、バルブ３６が設けられている。バルブ３６は、洗浄水供給制御部５２とともに、第２水洗塔７への洗浄水の供給を制御する洗浄水供給制御手段を構成する。
排水供給配管９の上流端部には、第２水洗塔７から排水タンク２１へ供給する排水の一部を再度洗浄水として第２水洗塔７の塔上部へ供給する洗浄水循環供給配管３７が分岐接続され、洗浄水循環供給配管３７には、送水ポンプ３８が設けられている。送水ポンプ３８は、洗浄水循環供給制御部５３とともに、洗浄水循環供給配管３７から第２水洗塔７への洗浄水の循環供給を制御する洗浄水循環供給制御手段を構成する。
第２水洗塔７には、塔内を流下して塔下部に溜まった洗浄水の量を貯留洗浄水量として検出するレベルセンサ（貯留洗浄水量検出手段）４６が設けられ、洗浄水供給配管３５には、洗浄水供給配管３５から第２水洗塔７へ供給する洗浄水の量を供給洗浄水量として検出する流量センサ（供給洗浄水量検出手段）３９が設けられている。
洗浄水供給制御部５２は、レベルセンサ４６により検出された第２水洗塔７の貯留洗浄水量が所定の規定貯留洗浄水量に維持されるように、洗浄水供給配管３５から第２水洗塔７への洗浄水の供給を制御する。排水供給制御部５１は、レベルセンサ４０により検出された排水タンク２１のタンク貯水量が所定のタンク下限貯水量未満に低下しないように、排水供給配管９から排水タンク２１への排水の供給を制御する。また、洗浄水循環供給制御部５３は、流量センサ３９により検出された第２水洗塔７への供給洗浄水量が所定の洗浄水規定供給量未満となった場合、第２水洗塔７内を流下する洗浄水の量が洗浄水規定供給量以上になるように、洗浄水循環供給配管３７から第２水洗塔７への洗浄水の循環供給を制御する。
本実施形態によれば、ダイレクトクエンチ水を多段噴霧するので、単段で噴霧する場合に比べて生成ガスの急激な温度低下が生じ難い。アンモニアの熱分解率は生成ガスが高温であるほど高くなるので、多段噴霧によってアンモニアの熱分解に好適なガス温度環境（アンモニアの熱分解温度以上の温度環境）が継続し易くなり、安定した運転を行うことができる。
多段噴霧における１段目から２段目の間のガス温度は、アンモニアの熱分解温度以上に調整されるので、好適なガス温度環境を継続して維持することができる。
サイクロン４５入口の生成ガスの温度（脱塵流入温度）が露点以上で且つサイクロン４５の使用上限温度以下に維持されるので、サイクロン４５における水分の凝縮を防止することができ、サイクロン４５でチャー粒子が合体・成長して塊となることを防止することができる。また、脱塵流入温度がサイクロン４５の使用上限温度（最高使用温度）を超過することがなく、温度超過に起因したサイクロン４５の摩耗や減肉等の発生を防止することができる。
排水タンク２１は、第２水洗塔７から供給される排水を受け入れ、ガス化炉１の下流で噴霧するダイレクトクエンチ水として貯留する。このため、排水タンク２１の容量範囲内であれば、排水（ダイレクトクエンチ水）の供給量と使用量とに差がある場合であっても、第２水洗塔７から水噴霧装置３への排水の供給制御と、水噴霧装置３からのダイレクトクエンチ水の噴霧量制御とを独立して行うことができる。
排水タンク２１に貯留された排水がダイレクトクエンチ水として噴霧され、排水タンク２１に貯留された排水の量（タンク貯水量）がタンク下限貯水量よりも低下すると、排水供給制御部５１は、タンク貯水量がタンク下限貯水量に達するように第２水洗塔７から排水タンク２１へ排水を供給する。第２水洗塔７から排水タンク２１へ排水が供給され、第２水洗塔７の下部に溜まった洗浄水の量（貯留洗浄水量）が規定貯留洗浄水量よりも減少（水位が低下）すると、洗浄水供給制御部５２は、貯留洗浄水量が規定貯留洗浄水量に達するように第２水洗塔７へ洗浄水を供給する。一方、第２水洗塔７の貯留洗浄水量が規定貯留洗浄水量以上の場合には、洗浄水供給制御部５２は第２水洗塔７へ洗浄水を供給しない。
このように、第２水洗塔７の貯留洗浄水量が規定貯留洗浄水量に維持されるので、送水ポンプ３３への空気混入や送水ポンプ３３の空回りを防止することができる。また、第２水洗塔７の生成ガスの流入口（ガス流入口）が水没しないように規定貯留洗浄水量を設定することにより、生成ガスの流入口の水没を防止することができる。
排水タンク２１に貯留された排水の量（タンク貯水量）がタンク下限貯水量以上に維持されるので、排水タンク２１から水噴霧装置３へ排水（ダイレクトクエンチ水）を送る送水ポンプ（図示省略）への空気混入や送水ポンプ空回りを防止することができる。
第２水洗塔７の貯留洗浄水量が規定貯留洗浄水量以上の場合、洗浄水供給制御部５２は、洗浄水供給配管３５から第２水洗塔７へ洗浄水を供給しない。このため、洗浄水供給配管３５から第２水洗塔７へ供給する洗浄水の量（供給洗浄水量）は洗浄水規定供給量未満となる。供給洗浄水量が洗浄水規定供給量未満になると、洗浄水循環供給制御部５３は、第２水洗塔７内を流下する洗浄水の量が洗浄水規定供給量以上になるように、洗浄水循環供給配管３７から第２水洗塔７へ洗浄水を供給する。
このように、洗浄水供給配管３５から第２水洗塔７へ洗浄水が供給されない場合であっても、第２水洗塔７を流下する洗浄水の量を洗浄水規定供給量以上に維持することができ、第２水洗塔７におけるアンモニアの除去率の低下を防止することができる。
また、生成ガスは、ノックアウトドラム１３により水分が除去された状態で吸収塔８へ供給される。このため、吸収塔８の吸収液の濃度の低下(生成ガス中の水分による希薄化)を防止することができる。また、生成ガスから除去された水分を、回収水供給配管４１を介して第２水洗塔７へ供給するので、システム外から第２水洗塔７へ補充する水量（工業用水の使用量）を低減することができる。
さらに、ノックアウトドラム１３へ流入する生成ガスを冷却するための冷却器１２を、第２水洗塔７の上流ではなく下流に設けているので、冷却器１２で冷却される前の高温状態の生成ガスが第２水洗塔７へ流入する。このため、ダイレクトクエンチ水として用いる第２水洗塔７の排水が高温状態の生成ガスによって加熱され、水噴霧装置３から噴霧されたダイレクトクエンチ水の水滴が水噴霧部２を区画する内周壁面に衝突した際の熱衝撃を低減することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態のガス化システムについて、図４及び図５を参照して説明する。なお、本実施形態は、第１実施形態と制御が相違するため、第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図４及び図５に示すように、本実施形態のガス化システムは、ノックアウトドラム１３から吸収塔８へ流入する生成ガスのガス量を生成ガス量として検出する流量センサ（ガス量検出手段）４２を備え、制御装置は、タンク貯水量制御部５４を備える。タンク貯水量制御部５４とバルブ３２とは、噴霧水補充配管３１から排水タンク２１への水の供給を制御するタンク貯水量制御手段を構成する。
洗浄水供給制御部５２は、洗浄水供給配管３５から第２水洗塔７への洗浄水の供給を、流量センサ４２により検出された生成ガス量に応じて制御する。排水供給制御部５１は、レベルセンサ４６により検出された貯留洗浄水量が所定の規定貯留洗浄水量に維持されるように、排水供給配管９から排水タンク２１への排水の供給を制御する。
レベルセンサ４０により検出された排水タンク２１タンク貯水量が所定のタンク上限貯水量を超えた場合、洗浄水供給制御部５２は、洗浄水供給配管３５から第２水洗塔７への洗浄水の供給を停止し、排水供給制御部５１は、排水供給配管９から排水タンク２１への排水の供給を停止し、洗浄水循環供給制御部５３は、洗浄水循環供給配管３７から第２水洗塔７への洗浄水の循環供給を、流量センサ４２により検出された生成ガス量に応じて制御する。
また、タンク貯水量制御部５４は、レベルセンサ４０により検出されたタンク貯水量が所定のタンク下限貯水量未満に低下しないように、噴霧水補充配管３１から排水タンク２１への水の供給を制御する。
本実施形態によれば、洗浄水供給制御部５２は、洗浄水供給配管３５から第２水洗塔７へ供給する洗浄水の量（供給洗浄水量）を、第２水洗塔７からノックアウトドラム１３を介して吸収塔８へ流れる生成ガスのガス量（生成ガス量）の増減に応じて増減する。排水供給制御部５１は、第２水洗塔７の貯留洗浄水量が規定貯留洗浄水量に維持されるように、排水供給配管９から排水タンク２１への排水の供給を制御する。
このように、第２水洗塔７内を流れる生成ガスのガス量に応じた量の洗浄水を第２水洗塔７に供給するので、生成ガスからアンモニアを効率良く且つ確実に除去することができる。
また、第２水洗塔７の貯留洗浄水量が規定貯留洗浄水量に維持されるので、送水ポンプ３３への空気混入や送水ポンプ３３の空回りを防止することができる。また、第２水洗塔７の生成ガスの流入口が水没しないように規定貯留洗浄水量を設定することにより、生成ガスの流入口の水没を防止することができる。
また、排水タンク２１に貯留された排水の量（タンク貯水量）が増加してタンク上限貯水量を超えると、排水供給制御部５１は、排水供給配管９から排水タンク２１への排水の供給を停止する。従って、排水タンク２１のタンク貯水量は、タンク上限貯水量を超えないように調整することができる。また、洗浄水供給制御部５２は、洗浄水供給配管３５から第２水洗塔７への洗浄水の供給を停止するので、第２水洗塔７の貯留洗浄水量の過度な増加（例えば、規定貯留洗浄水量以上で生成ガスの流入口が水没しない上限貯留洗浄水量を超えた増加）を防止することができる。
また、排水タンク２１のタンク貯水量がタンク上限貯水量を超え、洗浄水供給制御部５２が洗浄水供給配管３５から第２水洗塔７への洗浄水の供給を停止した場合、洗浄水循環供給制御部５３は、第２水洗塔７内を流下する洗浄水の量が洗浄水規定供給量以上になるように、洗浄水循環供給配管３７から第２水洗塔７へ洗浄水を供給する。
このように、洗浄水供給配管３５から第２水洗塔７へ洗浄水が供給されない場合であっても、第２水洗塔７を流下する洗浄水の量を洗浄水規定供給量以上に維持することができ、第２水洗塔７におけるアンモニアの除去率の低下を防止することができる。
また、排水タンク２１に貯留された排水の量（タンク貯水量）がタンク下限貯水量以上に維持されるので、排水タンク２１から水噴霧装置３へ排水（ダイレクトクエンチ水）を送水ポンプ（図示省略）によって供給する場合に、送水ポンプへの空気混入や送水ポンプ空回りを防止することができる。
なお、本発明は、一例として説明した上述の実施形態及び変形例に限定されることはなく、上述の実施形態等以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
１：ガス化炉、２：水噴霧部、３：水噴霧装置、４：脱塵装置（脱塵設備）、５：第１水洗塔、６：シフト反応器、７：第２水洗塔、８：吸収塔、９：排水供給配管、１０：排水処理装置（排水処理設備）、１１：チャーフィルタ、１２：冷却器、１３：ノックアウトドラム、１４：再生塔、２１：排水タンク、２５：第１ガス温度センサ（ガス温度検出手段）、２６：第２ガス温度センサ（ガス温度検出手段）、２７：脱塵入口ガス温度センサ（ガス温度検出手段）、２８：第１噴霧量調整バルブ（噴霧量制御手段）、２９：第２噴霧量調整バルブ（噴霧量制御手段）、３０：第３噴霧量調整バルブ（噴霧量制御手段）、３２：バルブ（タンク貯水量制御手段）、３３：送水ポンプ（排水供給制御手段）、３４：バルブ（排水供給制御手段）、３６：バルブ（洗浄水供給制御手段）、３８：送水ポンプ（洗浄水循環供給制御手段）、３９：流量センサ（供給洗浄水量検出手段）、４０：レベルセンサ（タンク水量検出手段）、４２：流量センサ（ガス量検出手段）、４６：レベルセンサ（貯留洗浄水量検出手段）、５０：噴霧量制御部（噴霧量制御手段）、５１：排水供給制御部（排水供給制御手段）、５２：洗浄水供給制御部（洗浄水供給制御手段）、５３：洗浄水循環供給制御部（洗浄水循環供給制御手段）、５４：タンク貯水量制御部（タンク貯水量制御手段）、６０：タービン

Claims (11)

  1. 炭素系燃料を酸化剤によりガス化して一酸化炭素と水素を主成分とする生成ガスを得るガス化炉と、
    前記ガス化炉の下流で生成ガスに対して水を噴霧する水噴霧装置と、
    前記水噴霧装置の下流で生成ガス中の未反応石炭を除去する脱塵装置と、
    前記脱塵装置の下流で生成ガス中のハロゲンを除去する第１水洗塔と、
    前記第１水洗塔の下流で生成ガス中の水蒸気と一酸化炭素とをシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換するシフト反応器と、
    前記シフト反応器の下流で生成ガス中のアンモニアを除去する第２水洗塔と、
    前記第２水洗塔の下流で生成ガス中の硫化水素及び二酸化炭素を除去する吸収塔と、
    前記第２水洗塔の排水を前記水噴霧装置へ供給する排水供給配管と、を備え、
    前記水噴霧装置は、前記排水供給配管から供給された排水を噴霧する
    ことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
  2. 請求項１に記載のガス化システムであって、
    前記第２水洗塔と前記吸収塔との間に設けられ、前記第２水洗塔の下流で生成ガスを冷却する冷却器と、
    前記冷却器と前記吸収塔との間に設けられ、前記冷却器の下流で生成ガス中の水分を凝縮して除去するノックアウトドラムと、
    前記ノックアウトドラムで生成ガスから除去された水分を回収して前記第２水洗塔へ供給する回収水供給配管と、を備える
    ことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
  3. 請求項１又は請求項２に記載のガス化システムであって、
    前記水噴霧装置は、上流側から下流側へ並ぶ複数段のノズルを有し、前記排水供給配管から供給された排水を前記複数段のノズルの各々から噴霧する
    ことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
  4. 請求項３に記載のガス化システムであって、
    前記水噴霧装置は、最上流である１段目のノズルからの水噴霧により低下した生成ガスの温度を１段目の水噴霧後のガス温度として検出するガス温度検出手段と、前記検出された１段目の水噴霧後のガス温度がアンモニアの熱分解温度以上の所定の第１段目標温度となるように、前記１段目のノズルからの水噴霧量を制御する噴霧量制御手段とを有する
    ことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
  5. 請求項４に記載のガス化システムであって、
    前記ガス温度検出手段は、前記脱塵装置へ流入する生成ガスの温度を脱塵流入温度として検出し、
    前記噴霧量制御手段は、前記検出された脱塵流入温度が露点以上で且つ前記脱塵装置の使用上限温度以下の所定の目標流入温度となるように、最終段のノズルからの水噴霧量を制御する
    ことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
  6. 請求項１～請求項５の何れか１項に記載のガス化システムであって、
    前記排水供給配管の途中に設けられ、前記第２水洗塔の排水を一時的に貯留可能な排水
    タンクを備える
    ことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
  7. 請求項６に記載のガス化システムであって、
    生成ガス中のアンモニアを除去するため前記第２水洗塔内を流下させる洗浄水を前記第２水洗塔へ供給する洗浄水供給配管と、
    前記第２水洗塔内を流下して前記第２水洗塔の下部に溜まった洗浄水の量を貯留洗浄水量として検出する貯留洗浄水量検出手段と、
    前記検出された貯留洗浄水量が所定の規定貯留洗浄水量に維持されるように、前記洗浄水供給配管から前記第２水洗塔への洗浄水の供給を制御する洗浄水供給制御手段と、
    前記排水タンクに貯留された排水の量をタンク貯水量として検出するタンク水量検出手段と、
    前記検出されたタンク貯水量が所定のタンク下限貯水量未満に低下しないように、前記排水供給配管から前記排水タンクへの排水の供給を制御する排水供給制御手段と、を備える
    ことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
  8. 請求項７に記載のガス化システムであって、
    前記洗浄水供給配管から前記第２水洗塔へ供給する洗浄水の量を供給洗浄水量として検出する供給洗浄水量検出手段と、
    前記第２水洗塔から前記水噴霧装置へ供給する排水の一部を、生成ガス中のアンモニアを除去するための洗浄水として前記第２水洗塔へ供給する洗浄水循環供給配管と、
    前記検出された供給洗浄水量が所定の洗浄水規定供給量未満となった場合、前記第２水洗塔内を流下する洗浄水の量が前記洗浄水規定供給量以上になるように、前記洗浄水循環供給配管から前記第２水洗塔への洗浄水の供給を制御する洗浄水循環供給制御手段と、を備える
    ことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
  9. 請求項６に記載のガス化システムであって、
    生成ガス中のアンモニアを除去するため前記第２水洗塔内を流下させる洗浄水を前記第２水洗塔へ供給する洗浄水供給配管と、
    前記第２水洗塔から前記吸収塔へ流れる生成ガスのガス量を生成ガス量として検出するガス量検出手段と、
    前記洗浄水供給配管から前記第２水洗塔への洗浄水の供給を、前記検出された生成ガス量に応じて制御する洗浄水供給制御手段と、
    前記第２水洗塔内を流下して前記第２水洗塔の下部に溜まった洗浄水の量を貯留洗浄水量として検出する貯留洗浄水量検出手段と、
    前記検出された貯留洗浄水量が所定の規定貯留洗浄水量に維持されるように、前記排水供給配管から前記排水タンクへの排水の供給を制御する排水供給制御手段と、を備える
    ことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
  10. 請求項９に記載のガス化システムであって、
    前記排水タンクに貯留された排水の量をタンク貯水量として検出するタンク水量検出手段と、
    前記第２水洗塔から前記水噴霧装置へ供給する排水の一部を、生成ガス中のアンモニアを除去するための洗浄水として前記第２水洗塔へ供給可能な洗浄水循環供給配管と、
    前記洗浄水循環供給配管から前記第２水洗塔への洗浄水の供給を制御する洗浄水循環供給制御手段と、を備え、
    前記検出されたタンク貯水量が所定のタンク上限貯水量を超えた場合、前記洗浄水供給制御手段は、前記洗浄水供給配管から前記第２水洗塔への洗浄水の供給を停止し、前記排水供給制御手段は、前記排水供給配管から前記排水タンクへの排水の供給を停止し、前記洗浄水循環供給制御手段は、前記洗浄水循環供給配管から前記第２水洗塔への洗浄水の供給を、前記検出された生成ガス量に応じて制御する
    ことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
  11. 請求項９に記載のガス化システムであって、
    前記排水供給配管とは別に前記排水タンクに水を供給可能な噴霧水補充配管と、
    前記排水タンクに貯留された排水の量をタンク貯水量として検出するタンク水量検出手段と、
    前記検出されたタンク貯水量が所定のタンク下限貯水量未満に低下しないように、前記噴霧水補充配管から前記排水タンクへの水の供給を制御するタンク貯水量制御手段と、を備える
    ことを特徴とする炭素系燃料ガス化システム。
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