JPS63183992A

JPS63183992A - Ｐｓａによる石炭ガス化方法及び装置

Info

Publication number: JPS63183992A
Application number: JP1538087A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Morihara; 淳森原; Shuntaro Koyama; 俊太郎小山; Shunsuke Nokita; 舜介野北
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1987-01-26
Filing date: 1987-01-26
Publication date: 1988-07-29
Anticipated expiration: 2010-08-09
Also published as: JPH0774343B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は１石炭のガス化方法及び装置に関し、更に詳し
く言えば石炭その他の炭化水素類を、空気分離装置で生
成した搬送ガスで搬送し、同じく空気分離装置で生成し
た石炭ガス化剤と共に石炭ガス化炉に供給し高温、高圧
下で反応させ可燃性ガスを得る石炭ガス化方法及び石炭
ガス化装置に関する。

〔従来の技術〕

石炭は、豊富な埋蔵量を持つ有用なエネルギー源である
が、固体であり、且つ灰分を多く含有しているため、石
油や天然ガスに比べてその利用分野が限定されている。

しかし、この石炭をガスや液体に転換すれば、利用分野
が大幅に広がり有益なエネルギー源になり得るため、各
国で石炭の流体化技術が開発されている。このような状
況下で。

特に石炭ガス化は、次世代の発電方法として注目されて
いる石炭ガス化複合発電システムの要素機器として研究
開発が進められている。

石炭ガス化とは、石炭を細かく枠いて酸化剤と共に高温
のガス化炉へ供給し高温の炉内で反応させ部分酸化等の
ガス化反応を起こさせることを言う、これにより一酸化
炭素、水素を主成分とする可燃性ガスを生成させる。

石炭ガス化複合発電システムでは、この石炭ガス化炉で
得られた高温の可燃性ガスの顕熱を熱回収してスチーム
を作りスチームタービンを駆動させ、これと同時にガス
化した可燃性ガスでガスタービンを駆動させるものであ
る。このシステムでは、従来のスチームタービンだけの
場合に比べ発電効率を数％向上させることができる。こ
のような石炭ガス化複合発電システムのような大規模な
需要に対応して石炭ガス化装置も大容量化、高効率化が
進められている。

発電を目的に石炭ガス化を行なう場合、酸化剤として酸
素を用いる酸素ガス化、酸化剤として空気を用いる空気
ガス化という二つのガス化方法に大別することができる
。このガス化方式の違いによるガス化効率、酸化剤製造
コスト、発電コストを表１に示す。

表　　　１酸化ガス化では、酸化剤が全て反応するのでガス化炉の
効率が良い、しかし、酸素の製造コストが必要なため発
電コストが高くなる。一方空気ガス化では、酸化剤とし
て反応しない窒素も合わせて供給することになるのでガ
ス化炉の効率が低い。

しかし、酸素の製造コストが不要なため発電コストは安
くなる。そこで、従来酸素製造に用いられていた深冷法
（特公昭５５−２５３４４号公報）の替わりにＰ　Ｓ　
Ａ　（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｗｉｎｇ　Ａｄｓｏｒｐｔ
ｉｏｎ　）を用いれば低い酸化剤製造コストで、しかも
高いガス化効率を得られるので空気だけで石炭をガス化
するシステムと比較して更に発電コストを低減させ得る
と考えられる。このＰＳＡに関する先行技術として特公
昭５７−５０７２２号公報等がある。

しかし、ＰＳＡで酸化剤を生成し石炭のガス化をするに
は以下に示Ｊ問題点があった。それは、特開昭５８−２
３２９５号公報に記載されているように石炭ガス化炉に
は石炭を搬送することを目的に純度の非常に高い窒素が
必要なことである。これは石炭をガス化炉内に供給する
気体に酸素が含まれると石炭が粉塵爆発し危険であるた
めである。また、一般に粉体を高圧の炉内へ供給するに
はロックホッパーシステムが用いられるが、この方式で
あると加圧した気体と粉塵を混合するので、気体に酸素
が含まれると石炭が粉塵爆発し危険であるためである。

従来の深冷法では酸素と同時に窒素も生成するので、こ
の生成した窒素を用いて石炭搬送用のガスとすれば良か
った。しかしＰＳＡでは、酸素を生成させたときに廃棄
されるガスは空気に比べれば窒素濃度は高いが、酸素濃
度が高く石炭搬送用ガスとして使用することはできない
、結果として石炭搬送用の窒素は別のプラントから持ち
込むか、酸化剤製造用以外に窒素製造用のプラントを作
らねばならない（特開昭５６−１２２８９号公報）。そ
の結果、結局プラント全体のコストに影響を及ぼし発電
コストを高くしていた。

ここでＰＳＡ、石炭ガス化装置の基本概念を述べる０石
炭ガス化用酸化剤の石炭供給量に対する割合は、最高の
冷ガス効率を与える割合が好ましい、ここで、冷ガス効
率とは、供給した石炭の発熱量に対する生成したガスの
発熱量の割合を表す。

石炭ガス化は、一般に部分ガス化反応を主体とするもの
であり、下式で示される。

ＣｎＨ，（石炭）　＋　ｎ　／　２０ｚ−＋　ｎ　ＣＯ
＋　ｍ　／　２　Ｈｘここで石炭は簡単のため灰分等の
成分は除外して炭化水素として表す、上式から石炭中の
カーボンが、全て一酸化炭素となった場合に最も生成ガ
スの発熱量が高くなると言える。この反応は、発熱反応
であるため、外部から熱を加えなくとも反応は進行する
。しかし、空気で石炭のガス化を行なおうとする場合、
一定量の発熱量があっても空気中に含まれる不活性ガス
の窒素により薄められ、炉内の温度を上昇させることが
できず、ガス化反応速度が遅くなり、ガス化速度を低下
させるという欠点がある。特に、気流層で石炭のガス化
を行なう場合、気流層の大きな特徴として１石炭中の灰
分を溶融させて処理することがあるが、このためには炉
内の温度を灰分の溶融温度以上に高くする必要があり、
上式の部分酸化反応による発熱量では不充分である。そ
こで一般に酸素量を増大させて、上式の反応と並行して
下式で示される燃焼反応を行なわせる。

ＣｎＨ，（石炭）＋　（ｎ＋ｍ／４）Ｏｘ→ｎＣＯ５＋
　ｍ　／　２　ＨｚＯしかし、この燃焼反応を同時に起こさせると、生成ガス
の発熱量が低下し、冷ガス効率が低下する。

そこで酸素富化空気により空気中に含まれる不活性ガス
の窒素量を減らして高温化することが考えられる。この
酸素富化空気の酸素量は特に気流層においては、炉内の
温度を灰分の溶融温度以上に高くすればよく、高純度酸
素の必要はない。

石炭搬送用ガスとしては、自然発火の考え方から、少な
くとも酸素濃度が５％以下であることが必要である。ま
た１石炭搬送用ガスの必要量は、石炭の安定搬送条件か
ら窒素供給量／石炭供給量を０．１　　にすることが最
も好ましい。

しかし、ＰＳＡでは、高圧で特定成分のガスを吸着させ
、低圧で脱着させる。従って低圧のパージガスでは、前
記した特定成分のガスの濃度が高く、高圧で取り出され
るガスでは特定成分のガス濃度が低い。一般的には空気
中の酸素と窒素を分離するのに、ゼオライト等の吸着剤
を用いて、窒素を吸着させ、酸素の濃度が高いガスを生
成させている。この窒素吸着型、酸素富化空気製造方法
により得られるガスを表２に示す。

表　　　２このようにＰＳＡで生産されたガスを、前記した石炭ガ
ス化に使用するとき、廃棄ガスを石炭搬送用ガスとして
使用することが考えられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、廃棄ガスをそのまま石炭搬送用ガスとして使用
するには、酸素濃度が高く（窒素濃度が低く）、石炭が
自然発火する危険があり不適である。従って、これを再
度他のＰＳＡに導入して更に酸素濃度を低下させて使用
せざるを得ない、この方法では装置が複雑となり、また
、他のＰＳＡに導入することでプラント全体のコストも
アップするので好ましくない、また１石炭運送用ガスの
量は、石炭ガス化用酸化剤である酸）富化ガスの４倍も
必要なく、ごく少量でよい０発明者は。

ＰＳＡの廃棄ガスが常に一定濃度ではなく、経時変化す
ることに着目した。ＰＳＡの廃棄ガスの経時変化を第２
図に示す、ＰＳＡの廃棄ガスは、脱着操作開始当初は、
はぼ空気と等しい窒素濃度を示すが、脱着工程が進むに
つれ窒素濃度が上昇する。すなわち、酸化濃度が低下す
る。これは、脱着操作開始当初は、塔内の空隙に充満し
た空気が、排出されるためであり、脱着工程が進むにつ
れて吸着工程で吸着剤に吸着された窒素が脱着され塔内
に充満するので酸素濃度が低下するのである。

本発明の目的は、ＰＳＡによって生成される酸素富化ガ
ス及び窒素富化ガスを用いて石炭の粉塵爆発のおそれな
く石炭をガス化することのできるＰＳＡによる石炭ガス
化方法及び装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、ＰＳＡの窒素脱着操作開始後の酸素濃度が５
％以下に低下した窒素富化ガスを、石炭ガス化炉に石炭
その他の炭化水素類を搬送する石炭搬送用ガスとして用
いるものである。

また、他の手段として、空気から窒素ガスを吸着して酸
素富化ガスを生成すると共に窒素脱着操作により窒素富
化ガスを生成する圧力吸着分離装置（ＰＳＡ）と、この
ＰＳＡの窒素富化ガスの出口とバルブを有する連通ライ
により連通され該窒素富化ガスを貯える搬送ガス貯蔵タ
ンクと、この搬送ガス貯蔵タンク内の石炭搬送用ガスに
より搬送される石炭その他の炭化水素類を貯蔵する石炭
貯蔵ホッパと、搬送された石炭その他の炭化水素類を前
記酸素富化ガスを石炭ガス化用酸化剤としてガス化する
石炭ガス化炉とから構成したものである。

〔作用〕

本発明は、ＰＳＡの脱着操作開始初期の塔内の空隙に充
満していた空気を排出させる工程と、脱着操作後期の本
来の脱着工程とを分離し、後者で排出される酸素濃度５
％以下の高濃度窒素ガスを石炭搬送ガスに用いるもので
ある。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図により説明する。　ＰＳＡの全
体は、窒素の吸脱着基２１及び吸脱着基２２゜搬送ガス
貯蔵タンク２３９石炭貯蔵ホッパ２４゜石炭ガス化炉２
６．及び以上の機器を連通ずるバルブ等により構成され
る。

空気１を圧縮して供給する空気圧縮器３１の後流の配管
はバルブ１１を介して吸脱着基２１の頂部に、バルブ１
３を介して吸脱着基２２の頂部に並行に接続されている
。吸脱着基２１及び吸脱着基２２には、ゼオライト等の
窒素を酸素と比較して選択的に吸着する吸着剤が充填さ
れている。吸脱着基２１の底部の後流の配管はバルブ１
５を介して、また、吸脱着基２２の底部の後流の配管は
バルブ１６を介して並行にガス他剤圧縮器３３に接続さ
れている。ガス他剤圧縮器３３の後流の配管は１石炭ガ
ス化炉２６に取り付けられた石炭バーナー２５に接続さ
れている。吸脱着基２１の頂部の後流の配管は、バルブ
１２を介して、また、吸脱着基２２の頂部の後流の配管
は、バルブ１４を介して合流される。更に合流した後の
配管は、バルブ１７を介して低酸素濃度ガスの利用施設
３に、及びバルブ１８を介して搬送ガス圧縮器３２に接
続される。搬送ガス圧縮器３２の後流配管は。

搬送ガス貯蔵タンク２３に接続され、搬送ガス貯蔵タン
ク２３の後流配管は、バルブ１９を介して石炭バーナ２
５に、また、バルブ４１を介して石炭ホッパ２１に接続
されている０石炭ホッパ２１の後流配管は、ロータリー
バルブ４０及びバルブ１０を介して石炭バーナ２５に接
続されている。

次に以上のような構成の本実施例での動作を詳細に述べ
る。まず、バルブ１１〜１６の開閉方法を表３に示す。

表　　　３表より明らかなように、吸脱着基２１が吸着状態の時、
吸脱着基２２は脱着状態にあり、吸脱着基２２が吸着状
態の時、吸脱着基２１は脱着状態にある。以下に、吸脱
着基２１が吸着状態にある時について述べる。

空気１は空気圧縮器３１で加圧され、バルブ１１を介し
て吸脱着基２１の頂部に送られる。吸脱着基２１では窒
素が酸素と比較して選択的に吸着される。従って吸脱着
基２１の底部より出るガスは、空気と比較して酸素濃度
が高い酸素富化ガスとして排出される。この酸素富化ガ
スは、ガス他剤圧縮器３３で加圧され、石炭バーナ２５
に送られる。尚、吸脱着基２１が脱着状態にある時は、
吸脱着基２２が以上の動作を同様に行なう。

吸脱着基２１が以上の動作を行なっている時、吸脱着基
２２では脱着操作が行なわれる。脱着操作における排出
ガスの窒素濃度の経時変化を第２図に示す。

吸脱着基２２の頂部より塔内ガスを排出するとき、供給
する空気１と同じ方向から排出することになる等の理由
で窒素ガスの脱着初期には、はぼ空気と同様な組成のガ
スが得られる。更に塔内ガスの排出が進むと、塔内の圧
力が低下し、吸着剤に吸着されていた窒素の脱着が行な
われる。その結果、吸脱著増２２の頂部より排出された
ガスの窒素濃度が増大する１以上のような傾向を第２図
は示している８本発明ではこの事実を利用して、この吸
脱著増２２の頂部より排出された窒素ガスを石炭ガス化
炉２６の石炭搬送用ガスとして利用しようとするもので
ある。

石炭搬送に使用する石炭搬送用ガスは１石炭と反応させ
ないために少なくとも酸素濃度を５％以下すなわち窒素
濃度を９５％以上にする必要があることは前述した。ま
た、石炭ガス化用酸化剤として使用するガス量と比較し
て１石炭搬送に使用する石炭搬送用ガスの量は、非常に
少量で良いことも既に述べた。そこで、第２図において
、領域Ａで排出された窒素濃度が９５％以下の窒素ガス
は１例えば脱硫装置の再生に使用し、領域Ｂで排出され
た窒素濃度が９５％以上のガスを直接石炭搬送用ガスに
利用する。

すなわち、第２図の領域Ａではバルブ１７を開放してバ
ルブ１８を閉めることで窒素濃度が９５％以下の窒素ガ
スを取り出して利用し、第２図の領域Ｂではパルブト８
を開放してバルブ１７を閉め、かつ搬送ガス圧縮器３１
を駆動させることで窒素濃度が９５％以上の石炭搬送用
ガスとして利用する。バルブ１７及び１８の開閉制御は
マニュアルでも良いし、特定のガス濃度を検出して自動
制御するものでもよい。

この石炭搬送用ガスは、連続的には生産されないので、
搬送ガス貯蔵タンク２３で一旦溜めておきバルブ４１を
介して供給量をｇｉｌ整しながら石炭貯蔵ホッパ２４へ
、バルブ１９を介して供給量をＷＲ１１！シながら石炭
貯蔵ホッパ２４へ、バルブ１９を介して供給量を肩整し
ながら石炭ガス化炉２６へ供給される０石炭ガス化炉２
６では、供給された石炭２を効率よくガス化し可燃性の
ガス４を製造する。

本実施例によれば、石炭搬送用ガスを高圧化するのに使
用する圧縮器と、脱着操作で用いる真空ポンプを搬送ガ
ス圧縮器３２で兼ねられるため、装置全体を簡略化でき
ると共に、システム全体のコストを低減できる。

第３図は、本発明を石炭ガス化発電システムに採用した
実施例を示す。石炭ガス化複合発電システムは、第１図
の実施例に示した機器に加えて、ガス精製塔２７．燃焼
器５１．ガスタービン５２゜スチームタービン５４．熱
交換器５３．空気圧縮器５５９発電機５６より構成され
る。

石炭ガス化炉２６で生成された可燃性ガス４はガス精製
塔２７に送られて硫黄分と灰分が除かれる。精製された
可燃性ガス４は、燃焼器５１へ送られて、空気圧縮器５
５よりバルブ６２を介して流量が調整された空気により
燃焼器５１で燃焼される。この燃焼によりガスタービン
５２を駆動させる。更に、この燃焼排ガスから熱交換器
５３により熱エネルギーをスチーム７として回収し、ス
チームタービン５４を駆動させる。ガスタービン５２、
スチームタービン５４９発電機５６、及び空気圧縮器５
５は連動しており、ガスタービン５２、スチームタービ
ン５４で得られたエネルギーの一部は、空気圧縮器５５
の駆動動力として使用され、その他は発電機５６に伝え
られ電気エネルギーに変換される。

空気圧縮器５５により加圧された空気は、バルブ６１に
より流量が調整された後、吸脱著増２１゜２２に送られ
て高濃度酸素、及び窒素に分離され石炭ガス化に用いら
れる。

第４図は第２実施例を示す１本実施例の基本構成は、前
記第１実施例と同様である。相違点は、吸脱着２１，２
２の脱着操作を、真空状態で行なうために、真空ポンプ
３４をバルブ１７より後流側に設けた点である。

本実施例によれば、真空状態で脱着を行なうので、吸着
剤を優れた特性で使用でき、分離効率を向上させること
ができる１通常、吸着剤は低圧レベルで脱着するものが
ほとんどであるからである。

第５図は、高圧での吸着脱着性能に優れた吸着剤を用い
た場合の実施例を示す。

現在は、ＰＳＡで生成したガスを常圧で使用するので、
常圧状態で優れた性能を示す吸着剤が一般的である。し
かし、石炭ガス化は高圧状態での酸化剤等のガスを必要
とするので、高圧での吸着脱着性能に優れた吸着剤が利
用されることも考えられる。その場合には、吸脱着基２
１．２２の操作圧力を、石炭搬送用ガスの圧力にするこ
とが可能である。そうすれば、第１実施例の第３図に示
したような搬送ガス圧縮器３２．ガス化剤圧縮器３３を
設置する必要がなくなる。但し１石炭ガス化酸化剤の必
要圧力と石炭搬送用ガスの必要圧力は異なっており、圧
力調節弁７０を設置する。

本実施例によれば、搬送ガス圧縮器３２．ガス化剤圧縮
器３３を設置する必要がなくなるので、装置が単純化で
き、また、吸脱着基２１．２２の操作圧力を高圧にでき
るので、吸脱着基２１゜２２の大きさを小型化できる。

〔発明の効果〕

本発明方法によれば、ＰＳＡにより生成される窒素富化
ガスを酸素濃度５％以下で利用するので石炭の粉塵爆発
のおそれなく石炭鴫送用ガスとして用いることができ、
別に石炭搬送用ガスを生成する装置を設ける必要がない
。

また、本発明装置によれば、ＰＳＡをそのまま利用でき
るので石炭ガス化装置全体の構造が単純化でき、しかも
大型化しない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成図、第２図は吸着剤
の特性における本実施例の操作範囲を示す説明図、第３
図は第１実施例に発電プラントを組み合わせた構成図、
第４図は第２実施例の構成図、第５図は第３実施例の構
成図を示す。２１・・・吸脱着基、２２・・・吸脱着基、２３・・・
搬送ガス貯蔵タンク、２４・・・石炭貯蔵ホッパ、２５
・・・石炭バーナ、２６・・・石炭ガス化炉、２７・・
・ガス精製塔、３１・・・空気圧縮器、３２・・・搬送
ガス圧縮器、３３・・・ガス他剤圧縮器、３４・・・真
空ポンプ、５１・・・燃焼器、５２・・・ガスタービン
、５３・・・熱交換器、５４・・・スチームタービン、
５５・・・空気圧縮器、７０・・・圧力調節弁。

Claims

【特許請求の範囲】１、圧力吸着分離装置（ＰＳＡ）で空気から窒素ガスを
吸着して酸素富化ガスを生成し、この酸素富化ガスを石
炭ガス化用酸化剤として石炭その他の炭化水素類をガス
化するＰＳＡによる石炭ガス化方法において、前記ＰＳ
Ａの窒素脱着操作開始後の酸素濃度が５％下に低下した
窒素富化ガスを、石炭ガス化炉に石炭その他の炭化水素
類を搬送する石炭搬送用ガスとして用いることを特徴と
するＰＳＡによる石炭ガス化方法。２、空気から窒素ガスを吸着して酸素富化ガスを生成す
ると共に窒素脱着操作により窒素富化ガスを生成する圧
力吸着分離装置（ＰＳＡ）と、このＰＳＡの窒素富化ガ
スの出口とバルブを有する連通ラインにより連通され該
窒素富化ガスを貯える搬送ガス貯蔵タンクと、この搬送
ガス貯蔵タンク内の石炭搬送用ガスにより搬送される石
炭その他の炭化水素類を貯蔵する石炭貯蔵ホッパと、搬
送された石炭その他の炭化水素類を前記酸素富化ガスを
石炭ガス化用酸化剤としてガス化する石炭ガス化炉とか
らなるＰＳＡによる石炭ガス化装置。３、特許請求の範囲第２項において、連通ラインを分岐
させて設けた排気ラインに真空ポンプを設けたＰＳＡに
よる石炭ガス化装置。