WO2014136632A1 - ガス精製装置およびガス精製方法 - Google Patents

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雄大 加藤
中村　健太郎
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三菱重工業株式会社
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    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/093—Coal

Definitions

  • the present invention relates to a gas purification apparatus and a gas purification method that can promote the decomposition treatment of COS by adjusting the H 2 O concentration of a raw material gas.
  • Coal generally contains a sulfur content.
  • the gas contains sulfur compounds such as carbonyl sulfide (COS) and hydrogen sulfide (H 2 S). If gasified gas is burned without removing these sulfur compounds, it is discharged into the atmosphere as sulfur oxides, causing environmental damage such as acid rain.
  • COS carbonyl sulfide
  • H 2 S hydrogen sulfide
  • the decomposition reaction of COS is a hydrolysis reaction, if the H 2 O concentration in the raw material gas is high, COS can be decomposed at a higher decomposition rate.
  • the gasification gas discharged from the gasification furnace is introduced into the COS converter through the water washing tower, COS is decomposed, and then sent to the absorption tower. And H 2 S is removed.
  • the water washing tower impurities in the gasification gas are recovered and the H 2 O concentration in the gasification gas is increased, so that COS is easily decomposed in the COS converter.
  • the gasification gas heated in the gasification furnace needs to be cooled in order to perform water washing in the water washing tower, and then the heated gasification gas is heated again to a temperature suitable for decomposition of COS. There is a need.
  • the gas purification apparatus repeats heating and cooling of the gasification gas, not only the equipment configuration is complicated, but also the process configuration is inferior in thermal efficiency.
  • the gasification gas discharged from the gasification furnace is introduced into the COS treatment apparatus, and the COS is decomposed and then sent to the water washing tower. It has become.
  • the gasification gas heated in the gasification furnace is cooled to a temperature suitable for COS decomposition by the heat exchanger, and further cooled to a temperature suitable for water washing by the heat exchanger after the COS decomposition.
  • the gas purification apparatus has a process configuration with excellent thermal efficiency without repeating heating and cooling of the gasification gas.
  • an object of the present invention is to provide a gas purification apparatus and a gas purification method that are excellent in thermal efficiency and can decompose COS at a high decomposition rate.
  • the present inventor has made various studies in order to improve the decomposition rate of COS without reducing the thermal efficiency. As a result, it was found that adjusting the H 2 O concentration of the gas before hydrolyzing the COS can decompose the COS at a high decomposition rate without lowering the thermal efficiency, and the present invention has been completed. .
  • the first aspect according to the present invention is a gas purification device for purifying a gas containing at least COS, H 2 O, CO 2 , and H 2 S, comprising a COS conversion catalyst, and the COS in the gas
  • a gas refining device comprising at least a COS treatment device for hydrolyzing the gas and H 2 O adjusting means for adjusting the H 2 O concentration of the gas introduced into the COS treatment device.
  • the second embodiment according to the present invention adjusts COS, H 2 O, CO 2, and H 2 S to a gas purification method for purifying at least containing gas, of H 2 O concentration of the gas H
  • a gas purification method comprising at least a 2 O adjustment step and a COS treatment step of decomposing the COS in the gas with the adjusted H 2 O concentration by hydrolysis using a COS conversion catalyst.
  • COS can be decomposed at a high decomposition rate without lowering the thermal efficiency.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a gas purification process in which all of the H 2 O adjusting means of FIGS. 1 to 4 are provided. The diagram which shows an example of the gas purification apparatus of this invention.
  • the gas purification apparatus of the present invention is an apparatus for purifying a gas containing at least COS, H 2 O, CO 2 , and H 2 S.
  • the gas containing such a compound include gas obtained by gasifying coal, petroleum, biomass and the like.
  • the gas to be purified in the present invention may contain CO, N 2 , HCl, O 2 and the like in addition to the above compounds.
  • the gas purification apparatus of the present invention includes at least a COS treatment device and H 2 O adjusting means.
  • the COS treatment apparatus is an apparatus that includes a COS conversion catalyst and decomposes COS in a gas to be purified by hydrolysis.
  • the COS treatment equipment includes a reactor loaded with a COS conversion catalyst, a combination of an O 2 removal catalyst and a COS conversion catalyst, and a COS conversion catalyst that also has an O 2 removal function. Can be used. Further, as the COS conversion catalyst, a catalyst containing titania, chromium and alumina can be generally used.
  • the H 2 O adjusting means in the gas purification apparatus of the present invention is a means for adjusting the H 2 O concentration of the gas introduced into the COS treatment apparatus. Before the COS is hydrolyzed by the COS conversion catalyst, the COS can be decomposed at a high decomposition rate by adjusting the H 2 O concentration of the gas to be purified.
  • the H 2 O adjusting means in the gas purification apparatus of the present invention is configured such that the partial pressure of COS in the gas is P COS , the partial pressure of H 2 O is P H2O , the partial pressure of CO 2 is P CO2 , and H 2 S.
  • the partial pressure is P H2S
  • it is preferably a means for adjusting the H 2 O concentration so that the pressure equilibrium constant K P represented by the following formula (1) satisfies 1 ⁇ K P ⁇ 20.
  • the hydrolysis reaction of COS is a reversible reaction, and when K P is 20 or less, the hydrolysis of COS easily proceeds, so that COS can be decomposed at a high decomposition rate. If K P is 10 or less, it can be decomposed more rapidly COS. Although COS can be decomposed satisfactorily even when K P is 1, when K P is less than 1, it is disadvantageous for hydrolysis of COS on equilibrium, so that hydrolysis of COS is difficult to proceed.
  • the pressure equilibrium constant can theoretically be changed by adjusting not only the partial pressure of H 2 O but also the partial pressures of COS, CO 2 , and H 2 S.
  • the ratio of COS, CO 2 , and H 2 S is fixed depending on the raw materials to be gasified, gasification conditions, and the like. Therefore, in order to change these ratios, for example, a method of individually mixing COS, CO 2 , or H 2 S into the gas after gasification is used.
  • COS and H 2 S are compounds to be recovered, and it is not preferable to increase the amount.
  • mixing CO 2 only to adjust the pressure equilibrium constant is not efficient because of the purchase cost of CO 2 or the need to install a separate facility.
  • H 2 O Among COS, H 2 O, CO 2 , and H 2 S, if it is H 2 O, it is easy to adjust the amount according to the drying treatment conditions of raw materials such as coal, and after gasification It is easy to adjust by mixing in the gas. Therefore, in the present invention, adjusting H 2 O is the most effective means for changing the pressure equilibrium constant.
  • the gas purification device of the present invention can further include at least one water cleaning device and at least one waste water treatment device.
  • the water cleaning apparatus is an apparatus for cleaning the gas discharged from the COS treatment apparatus, and removes impurities such as water-soluble halogen compounds, ammonia, organic substances, and trace metals by water cleaning. It is preferable that a plurality of water cleaning apparatuses are provided in series in the gas purification apparatus. Where it is difficult to remove all impurities with a single water cleaning device, the purity of the gas can be increased by providing a plurality of water cleaning devices and removing the impurities. When a plurality of water cleaning devices are provided, those water cleaning devices having the same shape can be used.
  • the waste water treatment device is a device for treating the waste water discharged from the water washing device, and treats the waste water containing impurities removed from the gas by water washing so that it can be discarded.
  • impurities are treated by an apparatus configuration such as an ammonia stripping tower or a coagulating sedimentation apparatus.
  • Waste water discharged from one water washing device can be treated by one waste water treatment device.
  • waste water discharged from a plurality of water cleaning devices can be treated by one waste water treatment device.
  • waste water discharged from at least one water cleaning device can be treated by a plurality of waste water treatment devices.
  • the H 2 O adjusting means can be a means for mixing water from the wastewater treatment device into the gas introduced into the COS treatment device.
  • a supply line for supplying water from a waste water treatment device is connected to an introduction line for introducing gas to the COS treatment device, and further provided with a control means for controlling the supply amount of water according to the composition of the gas, H 2 O can be adjusted by mixing the water of the processing apparatus into the gas.
  • water used in the gas purification process can be circulated and used repeatedly without introducing H 2 O from the outside of the gas purification device, and the equipment configuration of the gas purification device is simplified.
  • the gas purification device of the present invention includes a plurality of waste water treatment devices, it is preferable to mix the water of the waste water treatment device for treating waste water with less impurities into the gas.
  • the gas to be purified may contain a halogen compound as an impurity, and this halogen compound can be one of the factors that shorten the life of the COS conversion catalyst. If the halogen compound contained in the wastewater is further added to the halogen compound in the gas, the life of the COS conversion catalyst will be further shortened.
  • the H 2 O adjusting means can be means for mixing water vapor into the gas introduced into the COS treatment apparatus.
  • H 2 O can be adjusted by mixing in the gas.
  • the steam supply means include extraction from a boiler and a steam turbine.
  • the water vapor supply means is a means constituting the gas purification apparatus, the equipment configuration of the gas purification apparatus can be simplified without introducing H 2 O from the outside of the gas purification apparatus.
  • the means for mixing the water vapor into the gas introduced into the COS treatment apparatus can be used in combination with the means for mixing the water of the waste water treatment apparatus described above into the gas introduced into the COS treatment apparatus.
  • the gas purification apparatus of the present invention can further include a coal drying apparatus and a gasification furnace.
  • the coal drying apparatus is an apparatus that dries coal by removing moisture from the coal. it can.
  • a coal drying device is used so that the moisture content of the coal becomes a predetermined amount so that the gasification efficiency does not decrease.
  • For drying the coal it is possible to use the heat of the exhaust gas generated in the gas refining process, and it is also possible to dry the coal by introducing heat into the coal drying device from the outside of the gas purification device.
  • Gasification furnace is a furnace that gasifies dried coal.
  • the gasification furnace is charged with coal dried by a coal drying apparatus, oxygen, air, and oxygen-enriched air as a gasifying agent, and gasified gas is taken out by thermal decomposition.
  • the H 2 O adjusting means can be a means for adjusting the moisture content of coal with the coal drying apparatus.
  • a measurement means for measuring the moisture in the gasification gas is provided in the gasification furnace, and further an adjustment means for adjusting the amount of heat to be introduced into the coal drying apparatus and the drying time of the coal according to the amount of moisture is provided.
  • H 2 O can be adjusted.
  • the means for adjusting the moisture content of the coal in the coal drying apparatus includes means for mixing the water vapor into the gas introduced into the COS treatment apparatus, and means for mixing the water from the waste water treatment apparatus into the gas introduced into the COS treatment apparatus. Can be used together.
  • the gas purification apparatus of the present invention includes a dust collector that removes dust in the gas, a heat exchanger that adjusts the temperature of the gas, an H 2 S absorption tower that recovers H 2 S in the gas, in addition to the above-described apparatus. And an apparatus such as an absorption liquid regeneration tower that regenerates the absorption liquid that has absorbed H 2 S.
  • gas purifying apparatus of the present invention it is possible to adjust before hydrolyzing COS, of H 2 O concentration of the pre-gas. Since the gas is appropriately cooled by mixing moisture into the gas, the burden on the heat exchanger that cools the high-temperature gas discharged from the gasification furnace to a temperature suitable for hydrolysis is reduced. The exchanger can be reduced in size. By adjusted of H 2 O concentration in the gas, hydrolysis proceeds readily result, it is possible to reduce the amount of COS conversion catalyst, it is possible to reduce the size of the COS processor. Furthermore, since the H 2 O concentration of the gas can be adjusted after gasification, not only raw materials that have been conventionally used, but also raw materials with a high sulfur content and raw materials with a low water content can be used.
  • the gas purification method of the present invention is a method for purifying a gas containing at least COS, H 2 O, CO 2 , and H 2 S, and includes at least a H 2 O adjustment step and a COS treatment step.
  • the H 2 O adjustment step is a step of adjusting the H 2 O concentration of the gas. This is a preparatory step for preliminarily adjusting the H 2 O concentration of the gas to be purified in order to decompose COS at a high decomposition rate.
  • the COS treatment step is a step of decomposing the COS in the gas whose H 2 O concentration is adjusted by the H 2 O adjustment step by hydrolyzing it using a COS conversion catalyst.
  • the hydrolysis reaction of COS is a catalytic reaction, and it is necessary to adjust to a temperature condition suitable for the use condition of the catalyst. Therefore, it is preferable to adjust the 200 ° C. ⁇ 400 ° C. for a suitable adjustment at the same time the temperature of the gas and H 2 O concentrations after adjusting of H 2 O concentration of the gas in the hydrolysis of COS.
  • the H 2 O adjusting step includes the step of adjusting the partial pressure of COS in the gas to P COS , the partial pressure of H 2 O to P H2O , the partial pressure of CO 2 to P CO2 , and H 2 S.
  • the partial pressure is P H2S
  • it is preferably a step of adjusting the H 2 O concentration so that the pressure equilibrium constant K P represented by the following formula (1) satisfies 1 ⁇ K P ⁇ 20.
  • adjusting H 2 O is the most effective means because of the ease of variation.
  • the gas purification method of the present invention can further include at least one water washing step and at least one waste water treatment step.
  • the water washing step is a step of washing a gas obtained by decomposing COS, and removes impurities such as water-soluble halogen compounds, ammonia, organic substances, and trace metals by water washing.
  • the water washing step may be a single water washing, but may be a plurality of water washings in order to increase the purification purity of the gas.
  • the wastewater treatment process is a process for treating the wastewater discharged by the water washing process, so that the wastewater containing impurities removed from the gas by the water washing can be discarded.
  • impurities such as halogen compounds, ammonia, organic substances, and trace metals are treated by ammonia stripping or coagulation precipitation.
  • ammonia needs to be sufficiently treated, and ammonia stripping may be performed a plurality of times, for example, by providing a plurality of waste water treatment apparatuses.
  • the H 2 O adjustment step may be a step of mixing water treated by the wastewater treatment step into the gas before the COS treatment step. it can.
  • the H 2 O adjustment step can be a step of mixing water vapor into the gas before the COS treatment step.
  • the step of mixing the water vapor into the gas before the COS treatment step can be used in combination with the step of mixing the water treated in the waste water treatment step into the gas before the COS treatment step.
  • the gas purification method of the present invention can further include a coal drying step and a gasification step.
  • a coal drying process is a process of drying coal by removing the moisture of coal. When coal is used as the raw material of the gas to be refined, this is a step performed to make the moisture of the coal a predetermined amount so that the gasification efficiency does not decrease.
  • the gasification step is a step of gasifying dried coal. Oxygen, air, and oxygen-enriched air are used as a gasifying agent, and gasification is performed by pyrolyzing coal in an atmosphere of the gasifying agent.
  • the H 2 O adjustment step can be a step of adjusting the moisture content of coal in the coal drying step. For example, if a measuring means for measuring the moisture in the gasification gas is provided at the gasification furnace outlet, and further an adjustment means for adjusting the amount of heat to be introduced into the coal drying device and the drying time of the coal according to the amount of moisture By controlling the moisture content of the coal before gasification, H 2 O can be adjusted.
  • the process of adjusting the moisture content of coal in the coal drying process includes mixing the water vapor into the gas before the COS treatment process and mixing the water treated by the waste water treatment process into the gas before the COS treatment process. Can be used in combination with a process.
  • the gas purification method of the present invention includes a dust collection step for removing dust in the gas, a temperature adjustment step for adjusting the temperature of the gas, a H 2 S recovery step for recovering H 2 S in the gas, And an absorption liquid regeneration step for regenerating the absorption liquid that has absorbed H 2 S.
  • the heat exchanger for cooling the gas to a temperature suitable for hydrolysis can be downsized, the amount of the COS conversion catalyst can be reduced, and the COS treatment apparatus can be downsized. Can do.
  • the H 2 O concentration of the gas can be adjusted after gasification, not only raw materials that have been conventionally used, but also raw materials having a high sulfur content and raw materials having a low water content can be used.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the gas purification process 1-1.
  • the coal 2 is first gasified in the gasification furnace 4 in the presence of the gasifying agent 3.
  • the gas obtained by gasifying coal contains at least COS, H 2 O, CO 2 , and H 2 S, and also contains impurities such as halogen compounds.
  • the obtained gas is obtained by converting COS in the gas into H 2 S by the COS treatment device 5, removing impurities by the water washing tower 6 a, and then collecting H 2 S in the gas by the H 2 S absorption tower 7. Purify.
  • the refined gas is introduced into a chemical synthesis 8 such as methanol or ammonia, or introduced into a gas turbine or a steam turbine to generate electricity.
  • the waste water treatment device 10 a treats the waste water discharged from the water washing tower 6. A part of the treated waste water is supplied from the waste water treatment device 10 via the supply line 12 a to the introduction line 11 for introducing gas from the gasification furnace 4 to the COS treatment device 5. The H 2 O of the gas before being introduced into is adjusted.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a gas purification process 1-2 in which a water cleaning tower 6b, a waste water treatment device 10b, and a supply line 12b are added to the gas purification process of FIG.
  • the wastewater from the wastewater treatment apparatus 10a is discharged. Then, the wastewater from the wastewater treatment device 10b with less impurities is introduced into the gas before being introduced into the COS treatment device 5.
  • FIG. 3 is a schematic view of a gas purification process 1-3 different from that in FIGS. 1 and 2.
  • H 2 O of the gas before being introduced into the COS treatment device 5 is adjusted.
  • steam is extracted from the steam turbine 15 and gas H 2 O is adjusted by the route indicated by A, or a part of the water supply 30 supplied to the waste water recovery boiler 16 is supplied by the route indicated by B, It is also possible to adjust the H 2 O.
  • FIG. 4 is a schematic view of a gas purification process 1-4 having a mode different from those in FIGS.
  • the coal 2 is dried by removing moisture with the coal drying device 17 and then introduced into the gasification furnace 4.
  • the drying of the coal uses the heat of the exhaust gas introduced from the exhaust gas 18 for drying.
  • this gas purification process 1-4 by controlling the temperature and supply amount of the exhaust gas, the drying time of the coal, etc., a part of the moisture is discharged out of the system, and the coal 2 retaining the moisture amount is gasified. And adjust the gas H 2 O.
  • FIG. 5 is a schematic view of a gas purification process 1-5 including all the H 2 O adjusting means shown in FIGS.
  • the introduction of wastewater from the wastewater treatment equipment, the introduction of water vapor from the boiler, and the introduction of moisture by controlling the drying of coal can be controlled individually, depending on the gas purification situation, The gas H 2 O is appropriately adjusted.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the gas purification device 20 according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a gas purification apparatus corresponding to the schematic diagram of the gas purification process 1-2 of FIG. 2.
  • the tower 24 is a basic configuration.
  • the coal 2 is first gasified in the gasification furnace 4 in the presence of the gasifying agent 3.
  • the gas obtained by gasifying coal contains at least COS, H 2 O, CO 2 , and H 2 S, and contains impurities such as halogen compounds and dust.
  • dust is removed from the obtained gas by the dust collector 21, and then cooled by the heat exchanger 22 to a temperature of 200 ° C. to 400 ° C. suitable for COS hydrolysis.
  • COS in the gas is converted to H 2 S by the COS treatment device 5, heat is recovered by the heat exchanger 23, impurities are removed by the water washing towers 6 a and 6 b, and then the H 2 S absorption tower 7 is used.
  • the purified gas has a low temperature, and is used for cooling the gas discharged from the dust collector 19 or the COS treatment device 5 through the heat exchangers 22 and 23 when introduced into the power generation device 9. Heat recovered. Liquid has absorbed H 2 S in H 2 S absorption tower 7, it is reproduced by separating the H 2 S25 became high concentration in the absorbing solution regeneration tower 24 is sent to the H 2 S absorption tower 7.
  • the waste water treatment devices 10a and 10b treat the waste water discharged from the water washing towers 6a and 6b. A part of the treated wastewater is supplied from the wastewater treatment device 10b via the supply line 12 to the introduction line 11 for introducing gas from the dust collector 21 to the COS treatment device 5, whereby the COS treatment device 5 is provided.
  • the H 2 O of the gas before being introduced into is adjusted.
  • the supply of waste water is adjusted by measuring the amount of water passing through the introduction line 11 before and after the waste water from the supply line 12 is mixed, by opening and closing the control valve 27 according to the amount of water.
  • the measuring device 26 can measure the contents of COS, CO 2 and H 2 S in addition to the moisture content in the gas. From the measured value of the measuring device 26, the partial pressure of COS in the gas (P COS ), the partial pressure of H 2 O (P H2O ), the partial pressure of CO 2 (P CO2 ), and the partial pressure of H 2 S (P H2S).
  • the H 2 O concentration can be adjusted so that the pressure equilibrium constant (K P ) calculated from (1) satisfies 1 ⁇ K P ⁇ 20.
  • the drainage can be vaporized depending on the temperature of the gas. It is also possible to vaporize the wastewater in advance and then mix it into the gas.
  • a fixed gasifier, a fluidized gasifier, a jet gasifier, or the like can be used as the gasifier.
  • a dust collector such as a cyclone or a filtration type can be used as the dust collector.
  • a heat exchanger a shell and tube type heat exchanger etc. can be used.
  • the COS treatment apparatus for example, an apparatus in which a COS conversion catalyst is loaded inside the reactor can be used.
  • the COS conversion catalyst for example, a honeycomb-shaped catalyst or a pellet-shaped catalyst can be used. When the gas passes through the catalyst, COS is converted into H 2 S.
  • the water washing tower for example, a washing tower having a configuration in which washing water is supplied from the upper part of the water washing tower and the washing water accumulated in the lower part is circulated and supplied by a circulation pump. it can.
  • the ammonia stripping tower is a device that removes high-concentration ammonia contained in waste water by blowing steam or air into the gas phase.
  • the inside of the ammonia stripping tower is composed of, for example, a perforated plate and a downcomer, and the wastewater flows down from the upper stage through the downcomer.
  • the vapor flows through the holes of the perforated plate from the lower stage to the upper stage, and rises in the liquid dammed on the perforated plate.
  • the waste water and the steam come into contact, and the dissolved ammonia in the waste water moves to the steam side.
  • the released ammonia is oxidatively decomposed through, for example, a catalytic reaction tower packed with a catalyst, and is released into the atmosphere as harmless nitrogen.
  • the coagulation sedimentation apparatus is composed of, for example, a coagulation tank and a precipitation tank.
  • the waste water and a coagulant such as aluminum sulfate or polyaluminum chloride are mixed to coagulate impurities and form a floc.
  • a floc is settled and isolate
  • the H 2 S absorption tower supplies, for example, an amine compound absorption liquid composed of an aqueous solution of an amine compound from the upper part of the H 2 S absorption tower, and supplies the absorption liquid accumulated in the lower part by circulation with a circulation pump.
  • an amine compound absorption liquid composed of an aqueous solution of an amine compound from the upper part of the H 2 S absorption tower, and supplies the absorption liquid accumulated in the lower part by circulation with a circulation pump.
  • the absorption liquid that has absorbed H 2 S is heated by a reboiler, cooled by a cooler, and separated into H 2 S and an amine compound absorption liquid, and then the amine compound absorption liquid is H 2 by a pump. It can be set as the absorption liquid reproduction
  • the gas is appropriately cooled by mixing moisture into the gas before hydrolyzing the COS. Therefore, as a result of reducing the burden on the heat exchanger 20 that cools the high-temperature gas discharged from the gasification furnace, the heat exchanger 20 can be reduced in size.
  • H 2 O concentration in the gas hydrolysis proceeds readily result, it is possible to reduce the catalytic amount of COS conversion catalyst 26, it is possible to reduce the size of the COS processor 5.
  • the H 2 O concentration of the gas can be adjusted after gasification, not only coal 2 that has been conventionally used, but also coal having a high sulfur content or coal having a low water content can be used.
  • the COS decomposition process can be promoted without reducing the thermal efficiency, which is industrially useful. It is.
  • Gas purification process 1-1 Gas purification process 1-2 Gas purification process 1-3 Gas purification process 1-4 Gas purification process 1-5 Gas purification process 2 Coal 3 Gasifying agent 4 Gasification furnace 5 COS treatment equipment 6a, 6b Water washing tower 7 H 2 S absorption tower 8 Chemical synthesis 9 Power generation device 10a, 10b Waste water treatment device 11 Introduction line 12a, 12b Supply line 13 Boiler 14 Supply line 15 Steam turbine 16 Waste water recovery boiler 17 Coal drying device 18 Drying exhaust gas 19 Water vapor 20 Gas purifier 21 Dust collector 22 Heat exchanger 23 Heat exchanger 24 Absorbent regeneration tower 25 High concentration H 2 S 26 Measuring instrument 27 Control valve 28 COS conversion catalyst 29 Gas turbine 30 Water supply

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Abstract

　熱効率に優れると共に、高い分解率でＣＯＳを分解することができるガス精製装置、およびガス精製方法を提供することを目的とする。ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製するガス精製装置であって、ＣＯＳ転換触媒を備え、前記ガス中のＣＯＳを加水分解により分解処理するＣＯＳ処理装置と、前記ＣＯＳ処理装置へ導入する前記ガスのＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ調整手段とを少なくとも備えるガス精製装置。

Description

ガス精製装置およびガス精製方法
　本発明は、原料ガスのＨ２Ｏ濃度を調整することにより、ＣＯＳの分解処理を促進することのできるガス精製装置、およびガス精製方法に関する。
　近年のエネルギー問題の切り札の１つとして、石炭の有効利用が着目されている。石炭をメタノールやアンモニアといった付加価値の高いエネルギー媒体へと変換するためには、石炭をガス化する技術やガス化したものを精製する技術など、高度な技術が用いられる。
　石炭には、一般的に硫黄分が含まれており、石炭をガス化すると、ガス中には硫化カルボニル（ＣＯＳ）や硫化水素（Ｈ２Ｓ）といった硫黄化合物が含まれることとなる。これらの硫黄化合物を除去せずに、ガス化したガスを燃焼すると、硫黄酸化物として大気に排出されて酸性雨等の環境破壊の原因となる。このような硫黄化合物の除去方法として、Ｈ２Ｓについてはアミン系水溶液で除去する湿式ガス精製プロセスが実用化されているものの、アミン系水溶液ではＣＯＳを除去することはできない。
　そこで、ＣＯＳ転換触媒を用いて、下記式（２）に示す加水分解反応によりＣＯＳを分解し、アミン系水溶液で除去できるＨ２Ｓに転換する触媒反応プロセスが提案されている
（例えば、特許文献１）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
　ＣＯＳの分解反応は、加水分解反応であるため、原料ガス中のＨ２Ｏ濃度が高ければ、より高い分解率でＣＯＳを分解することができる。例えば、特許文献２に記載されたガス精製装置では、ガス化炉から排出されるガス化ガスは、水洗浄塔を介してＣＯＳ転化器へ導入されてＣＯＳが分解され、その後、吸収塔へ送られてＨ２Ｓが除去される。水洗浄塔では、ガス化ガス中の不純物が回収されると共に、ガス化ガス中のＨ２Ｏ濃度が高くなるため、ＣＯＳ転化器においてＣＯＳが分解されやすくなる。ただし、ガス化炉にて加熱されたガス化ガスは、水洗浄塔で水洗浄するために冷却する必要があり、その後、冷却されたガス化ガスをＣＯＳの分解に適した温度へ再度加熱する必要がある。このように、ガス精製装置としては、ガス化ガスの加熱と冷却を繰り返すため、設備構成が複雑となるのみならず、熱効率に劣るプロセス構成となってしまう。
　一方で、例えば特許文献３に記載されたガス精製装置では、ガス化炉から排出されるガス化ガスは、ＣＯＳ処理装置へ導入されてＣＯＳが分解された後に水洗浄塔へ送られる装置構成となっている。ガス化炉にて加熱されたガス化ガスは、熱交換器によりＣＯＳの分解に適した温度へ冷却され、ＣＯＳの分解後は熱交換器により水洗浄に適した温度へ更に冷却される。このようにガス精製装置としては、ガス化ガスの加熱と冷却を繰り返すことがなく、熱効率に優れるプロセス構成となる。ただし、ガス化炉から排出されたガス化ガスは、Ｈ２Ｏ濃度が調整されることなくＣＯＳ処理装置へ導入されることから、ガス化ガス中のＨ２Ｏ濃度は、ガス化炉のガス化条件に依存する。そのため、常に高い分解率でＣＯＳを分解することは、困難である。
特許第４５９４８８６号 特許第３６８８９２２号 特許第４４６７８７２号
　上記問題点に鑑み、本発明は、熱効率に優れると共に、高い分解率でＣＯＳを分解することができるガス精製装置、およびガス精製方法を提供することを目的とする。
　上記問題を解決するため、本発明者は、熱効率を低下させることなく、ＣＯＳの分解率を向上させるべく、種々の検討を行った。そうしたところ、ＣＯＳを加水分解する前にガスのＨ２Ｏ濃度を調整すれば、熱効率を低下させることなく、高い分解率でＣＯＳを分解することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
　すなわち、本発明に係る第一の形態は、ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製するガス精製装置であって、ＣＯＳ転換触媒を備え、前記ガス中のＣＯＳを加水分解により分解処理するＣＯＳ処理装置と、前記ＣＯＳ処理装置へ導入する前記ガスのＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ調整手段とを少なくとも備えるガス精製装置、である。
　また、本発明に係る第二の形態は、ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製するガス精製方法であって、前記ガスのＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ調整工程と、Ｈ２Ｏ濃度を調整した前記ガス中のＣＯＳを、ＣＯＳ転換触媒を用いて加水分解することにより分解処理するＣＯＳ処理工程とを少なくとも含むガス精製方法、である。
　本発明によれば、熱効率を低下させることなく、高い分解率でＣＯＳを分解することができる。
ガス精製プロセスの概略図。 図１のガス精製プロセスに水洗浄塔等を追加したガス精製プロセスの概略図。 図１、および図２とは異なる態様のガス精製プロセスの概略図。 図１～図３とは異なる態様のガス精製プロセスの概略図。 図１～図４のＨ２Ｏ調整手段を全て備える態様のガス精製プロセスの概略図。 本発明のガス精製装置の一例を示すダイアグラム。
　以下、本発明について、その一般的形態を詳細に説明する。
　まず、本発明のガス精製装置は、ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製する装置である。このような化合物を含むガスとしては、石炭や石油、バイオマス等をガス化したガスが挙げられる。本発明の精製対象となるガスは、上記の化合物の他、ＣＯ、Ｎ２、ＨＣｌ、Ｏ２等を含む場合がある。
　本発明のガス精製装置は、ＣＯＳ処理装置と、Ｈ２Ｏ調整手段とを少なくとも備える。
ＣＯＳ処理装置は、ＣＯＳ転換触媒を備え、精製対象となるガス中のＣＯＳを加水分解により分解処理する装置である。ＣＯＳ処理装置としては、リアクタ内部にＣＯＳ転換触媒を装填したものや、Ｏ２除去触媒とＣＯＳ転換触媒を組み合わせてリアクタ内部に装填したもの、Ｏ２除去機能を兼ね備えるＣＯＳ転換触媒をリアクタ内部に装填したもの、を用いることができる。また、ＣＯＳ転換触媒としては、一般的にチタニア、クロム、アルミナを含む触媒を用いることができる。
　本発明のガス精製装置におけるＨ２Ｏ調整手段は、ＣＯＳ処理装置へ導入するガスのＨ２Ｏ濃度を調整する手段である。ＣＯＳ転換触媒によりＣＯＳを加水分解する前に、精製対象となるガスのＨ２Ｏ濃度を調整することにより、高い分解率でＣＯＳを分解することができる。
　本発明のガス精製装置におけるＨ２Ｏ調整手段は、前記ガス中のＣＯＳの分圧をＰＣＯＳ、Ｈ２Ｏの分圧をＰＨ２Ｏ、ＣＯ２の分圧をＰＣＯ２、およびＨ２Ｓの分圧をＰＨ２Ｓとするとき、下記式（１）で示される圧平衡定数ＫＰが１≦ＫＰ≦２０となるようにＨ２Ｏ濃度を調整する手段であることが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
  
　ＣＯＳの加水分解反応は可逆的な反応であり、ＫＰが２０以下であると、ＣＯＳの加水分解が進みやすくなることから、高い分解率でＣＯＳを分解することができる。ＫＰが１０以下であれば、より速やかにＣＯＳを分解することができる。ＣＯＳは、ＫＰが１の場合においても良好に分解することができるものの、ＫＰが１を下回ると、平衡上ＣＯＳの加水分解に不利となるため、ＣＯＳの加水分解が進み難くなる。
　圧平衡定数は、Ｈ２Ｏの分圧のみならず、ＣＯＳ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓの分圧を調整することによっても理論上は変動させることができる。しかしながら、ＣＯＳ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓは、ガス化する原材料やガス化条件等によってこれらの割合が固定される。そのため、これらの割合を変動させるためには、例えばガス化後のガスへ、ＣＯＳ、ＣＯ２、またはＨ２Ｓを個々に混入させる方法をとることとなる。しかしながら、ＣＯＳやＨ２Ｓは回収対象となる化合物であり、増量させることは好ましくない。また、圧平衡定数を調整するためだけにＣＯ２を混入させることは、ＣＯ２の購入コストや別途設備を設置する必要がある等の理由により、効率的ではない。ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓの中では、Ｈ２Ｏであれば、その量を例えば石炭等の原材料の乾燥処理条件により調整することが容易であり、また、ガス化後のガスに混入することで調整することが容易である。そのため、本発明において、圧平衡定数を変動させるためには、Ｈ２Ｏを調整することが、最も有効な手段である。
　本発明のガス精製装置は、少なくとも１つの水洗浄装置と、少なくとも１つの排水処理装置とをさらに備えることができる。水洗浄装置は、ＣＯＳ処理装置から排出されたガスを水洗浄する装置であり、水洗浄により水溶性のハロゲン化合物、アンモニア、有機物、微量金属等の不純物を除去する。水洗浄装置は、ガス精製装置において好ましくは直列に複数備えていることが好ましい。１つの水洗浄装置では不純物を全て除去することが困難であるところ、複数の水洗浄装置を備えて不純物を除去することにより、ガスの純度を高めることができる。水洗浄装置を複数備える場合、これらの水洗浄装置は、同じ形状のものを使用することができる。
　排水処理装置は、水洗浄装置から排出される排水を処理する装置であり、水洗浄によりガスから除去した不純物を含む排水を廃棄できるように処理する。具体的には、アンモニアストリッピング塔や凝集沈殿装置といった装置構成により、不純物を処理する。１つの水洗浄装置から排出される排水を、１つの排水処理装置により処理することが可能である。また、複数の水洗浄装置から排出される排水を、１つの排水処理装置により処理することもできる。さらには、少なくとも１つ以上の水洗浄装置から排出される排水を、複数の排水処理装置により処理することもできる。
　本発明のガス精製装置が水洗浄装置および排水処理装置を備える場合において、Ｈ２Ｏ調整手段は、排水処理装置の水をＣＯＳ処理装置へ導入するガスへ混入する手段とすることができる。例えば、ＣＯＳ処理装置へガスを導入する導入ラインに、排水処理装置から水を供給する供給ラインを接続し、さらにガスの組成に応じて水の供給量を制御する制御手段を設ければ、排水処理装置の水をガスへ混入することにより、Ｈ２Ｏを調整することができる。かかる手段によれば、ガス精製装置の外部からＨ２Ｏを導入することなく、ガスの精製過程で使用する水を循環させて繰り返し使用することが可能であり、ガス精製装置の設備構成を簡素化することができる。
　本発明のガス精製装置が、排水処理装置を複数備える場合には、より不純物の少ない排水を処理する排水処理装置の水をガスへ混入することが好ましい。精製対象となるガス中には、不純物としてハロゲン化合物が含まれる場合があり、このハロゲン化合物がＣＯＳ転換触媒の寿命を縮める要因の１つとなり得る。ガス中のハロゲン化合物に、さらに排水中に含まれるハロゲン化合物が加わると、ＣＯＳ転換触媒の寿命をより縮めてしまうこととなる。より不純物の少ない排水を処理する排水処理装置の水をガスへ混入することにより、ＣＯＳ転換触媒への影響を最小限に留めることができる。
　本発明のガス精製装置において、Ｈ２Ｏ調整手段は、水蒸気をＣＯＳ処理装置へ導入するガスへ混入する手段とすることができる。例えば、ＣＯＳ処理装置へガスを導入する導入ラインに、水蒸気供給手段から水蒸気を供給する供給ラインを接続し、さらにガスの組成に応じて水の供給量を制御する制御手段を設ければ、水蒸気をガスへ混入することにより、Ｈ２Ｏを調整することができる。水蒸気供給手段としては、ボイラー、蒸気タービンからの抽気等が挙げられる。水蒸気供給手段がガス精製装置を構成する手段である場合には、ガス精製装置の外部からＨ２Ｏを導入することなく、ガス精製装置の設備構成を簡素化することができる。かかる水蒸気をＣＯＳ処理装置へ導入するガスへ混入する手段は、上記した排水処理装置の水をＣＯＳ処理装置へ導入するガスへ混入する手段と併用することができる。
　本発明のガス精製装置は、石炭乾燥装置と、ガス化炉とをさらに備えることができる。石炭乾燥装置は、石炭の水分を除去することにより石炭を乾燥する装置であり、例えば高温排ガス加熱方式、回転ドライヤー式、蒸気流動層式、およびメカニカルプレス式等の石炭乾燥機を使用することができる。精製対象となるガスの原材料として石炭を使用する場合、石炭に過剰な水分が含まれていると、ガス化効率が低下してしまう。そこで、石炭をガス化するにあたり、ガス化効率が低下しないように石炭の水分を所定量とするべく、石炭乾燥装置を使用する。石炭の乾燥には、ガスの精製過程で生じる排ガスの熱を利用することが可能であり、また、ガス精製装置の外部から石炭乾燥装置へ熱を導入して石炭を乾燥することもできる。
　ガス化炉は、乾燥した石炭をガス化する炉である。ガス化炉には、石炭乾燥装置にて乾燥した石炭と、ガス化剤として酸素、空気、酸素富化された空気が投入され、熱分解によりガス化ガスが取り出される。
　本発明のガス精製装置が石炭乾燥装置およびガス化炉を備える場合において、Ｈ２Ｏ調整手段は、石炭乾燥装置で石炭の水分量を調整する手段とすることができる。例えば、ガス化炉内にてガス化ガス中の水分を測定する測定手段を設け、さらに、水分量に応じて石炭乾燥装置へ導入する熱量や石炭の乾燥時間を調整する調整手段を設ければ、ガス化前の石炭の水分量を制御することにより、Ｈ２Ｏを調整することができる。なお、石炭の水分量を制御するにあたり、ガス化効率を考慮することが重要である。かかる手段によれば、ガス化ガス中のＣＯＳ濃度が急激に高くなった場合の非定常時の対応として、追加設備を設置することなく、既存の石炭乾燥装置やガス化炉を用いてＨ２Ｏを調整することができる。
　石炭乾燥装置で石炭の水分量を調整する手段は、上記した水蒸気をＣＯＳ処理装置へ導入するガスへ混入する手段や、上記した排水処理装置の水をＣＯＳ処理装置へ導入するガスへ混入する手段と併用することができる。
　本発明のガス精製装置は、上記した装置の他、ガス中のダストを除去する集塵装置、ガスの温度を調整する熱交換器、ガス中のＨ２Ｓを回収するＨ２Ｓ吸収塔、およびＨ２Ｓを吸収した吸収液を再生する吸収液再生塔といった装置等を備えることができる。
　本発明のガス精製装置であれば、ＣＯＳを加水分解する前に、予めガスのＨ２Ｏ濃度を調整することができる。ガスへ水分を混入することによりガスが適度に冷却されるため、ガス化炉から排出される高温のガスを、加水分解に好適な温度へ冷却する熱交換器の負担が軽減される結果、熱交換器を小型化することができる。そして、ガスのＨ２Ｏ濃度を調整したことにより、加水分解が進みやすくなる結果、ＣＯＳ転換触媒の量を減らすことが可能であり、ＣＯＳ処理装置を小型化することができる。さらに、ガスのＨ２Ｏ濃度をガス化後に調整することができるため、従来使用されてきた原材料のみならず、硫黄分の多い原材料や水分量の少ない原材料を使用することができる。
　次に、本発明のガス精製方法について、以下に説明する。
　本発明のガス精製方法は、ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製する方法であり、Ｈ２Ｏ調整工程と、ＣＯＳ処理工程とを少なくとも含む。Ｈ２Ｏ調整工程は、ガスのＨ２Ｏ濃度を調整する工程である。高い分解率でＣＯＳを分解するため、精製対象となるガスのＨ２Ｏ濃度を予め調整する準備工程である。
　ＣＯＳ処理工程は、Ｈ２Ｏ調整工程によりＨ２Ｏ濃度を調整したガス中のＣＯＳを、ＣＯＳ転換触媒を用いて加水分解することにより分解処理する工程である。ＣＯＳの加水分解反応は触媒反応であり、触媒の使用条件に適合した温度条件に調整する必要がある。そこで、ガスのＨ２Ｏ濃度を調整した後やＨ２Ｏ濃度の調整と同時にガスの温度をＣＯＳの加水分解に適した２００℃～４００℃に調整することが好ましい。
　本発明のガス精製方法におけるＨ２Ｏ調整工程は、前記ガス中のＣＯＳの分圧をＰＣＯＳ、Ｈ２Ｏの分圧をＰＨ２Ｏ、ＣＯ２の分圧をＰＣＯ２、およびＨ２Ｓの分圧をＰＨ２Ｓとするとき、下記式（１）で示される圧平衡定数ＫＰが１≦ＫＰ≦２０となるようにＨ２Ｏ濃度を調整する工程であることが好ましい。圧平衡定数を変動させるためには、変動の容易性から、Ｈ２Ｏを調整することが、最も有効な手段である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
  
　本発明のガス精製方法は、少なくとも１つの水洗浄工程と、少なくとも１つの排水処理工程とをさらに含むことができる。水洗浄工程は、ＣＯＳを分解処理したガスを水洗浄する工程であり、水洗浄により水溶性のハロゲン化合物、アンモニア、有機物、微量金属等の不純物を除去する。水洗浄工程は、１回のみの水洗浄であってもよいが、ガスの精製純度を高めるべく、複数回の水洗浄としてもよい。
　排水処理工程は、水洗浄工程により排出される排水を処理する工程であり、水洗浄によりガスから除去した不純物を含む排水を廃棄できるように処理する。具体的には、ハロゲン化合物、アンモニア、有機物、微量金属等の不純物を、アンモニアストリッピングや凝集沈殿により処理する。特に、アンモニアは十分に処理する必要があり、排水処理装置を複数設けるなどにより、アンモニアストリッピング処理を複数回実施する場合がある。
　本発明のガス精製方法が、水洗浄工程および排水処理工程を含む場合において、Ｈ２Ｏ調整工程は、排水処理工程により処理された水をＣＯＳ処理工程前にガスへ混入する工程とすることができる。
　本発明のガス精製方法において、Ｈ２Ｏ調整工程は、水蒸気をＣＯＳ処理工程前にガスへ混入する工程とすることができる。かかる水蒸気をＣＯＳ処理工程前にガスへ混入する工程は、上記した排水処理工程により処理された水をＣＯＳ処理工程前にガスへ混入する工程と併用することができる。
　本発明のガス精製方法は、石炭乾燥工程と、ガス化工程とをさらに含むことができる。石炭乾燥工程は、石炭の水分を除去することにより石炭を乾燥する工程である。精製対象となるガスの原材料として石炭を使用する場合、ガス化効率が低下しないように石炭の水分を所定量とするために行う工程である。
　ガス化工程は、乾燥した石炭をガス化する工程である。ガス化剤として酸素、空気、酸素富化された空気を使用し、ガス化剤の雰囲気下にて石炭を熱分解することにより、ガス化する。
　本発明のガス精製方法が石炭乾燥工程およびガス化工程を含む場合において、Ｈ２Ｏ調整工程は、石炭乾燥工程で石炭の水分量を調整する工程とすることができる。例えば、ガス化炉出口にてガス化ガス中の水分を測定する測定手段を設け、さらに、水分量に応じて石炭乾燥装置へ導入する熱量や石炭の乾燥時間を調整する調整手段を設ければ、ガス化前の石炭の水分量を制御することにより、Ｈ２Ｏを調整することができる。
　石炭乾燥工程で石炭の水分量を調整する工程は、上記した水蒸気をＣＯＳ処理工程前にガスへ混入する工程や、上記した排水処理工程により処理された水をＣＯＳ処理工程前にガスへ混入する工程と併用することができる。
　本発明のガス精製方法は、上記した工程の他、ガス中のダストを除去する集塵工程、ガスの温度を調整する温度調整工程、ガス中のＨ２Ｓを回収するＨ２Ｓ回収工程、およびＨ２Ｓを吸収した吸収液を再生する吸収液再生工程といった工程等を備えることができる。
　本発明のガス精製方法であれば、ガスを加水分解に好適な温度へ冷却する熱交換器を小型化することや、ＣＯＳ転換触媒の触媒量を減らすこと、およびＣＯＳ処理装置を小型化することができる。また、ガスのＨ２Ｏ濃度をガス化後に調整することができるため、従来使用されてきた原材料のみならず、硫黄分の多い原材料や水分量の少ない原材料を使用することができる。
　以下、本発明のガス精製装置およびガス精製方法について、その実施の形態を、図面を参照して説明する。この場合において、本発明は図面の実施形態に限定されるものではない。
　図１は、ガス精製プロセス１－１の概略図である。このプロセスでは、まず石炭２をガス化剤３の存在下にてガス化炉４でガス化する。石炭をガス化したガスには、ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓが少なくとも含まれており、ハロゲン化合物等の不純物も含有している。得られたガスは、ガス中のＣＯＳをＣＯＳ処理装置５でＨ２Ｓに変換し、水洗浄塔６ａで不純物を除去後、Ｈ２Ｓ吸収塔７でガス中のＨ２Ｓを回収して精製する。精製後のガスは、メタノールやアンモニア等の化成品合成８、もしくはガスタービンあるいは蒸気タービンに導入して発電装置９により発電を行う。排水処理装置１０ａは、水洗浄塔６から排出される排水を処理する。処理後の排水の一部は、ガス化炉４からＣＯＳ処理装置５へガスを導入する導入ライン１１に、供給ライン１２ａを介して排水処理装置１０から排水を供給することで、ＣＯＳ処理装置５へ導入される前のガスのＨ２Ｏを調整する。
　図２は、図１のガス精製プロセスに水洗浄塔６ｂ、排水処理装置１０ｂ、および供給ライン１２ｂを追加したガス精製プロセス１－２の概略図である。排水中のハロゲン化合物が与えるＣＯＳ転換触媒への影響を考慮して、排水処理装置１０ａの排水は放流する。そして、ＣＯＳ処理装置５へ導入される前のガスへ、より不純物の少ない排水処理装置１０ｂの排水を導入する。
　図３は、図１、および図２とは異なる態様のガス精製プロセス１－３の概略図である。このプロセスでは、ボイラー１３から供給ライン１４を介して、導入ライン１１に水蒸気を供給することで、ＣＯＳ処理装置５へ導入される前のガスのＨ２Ｏを調整する。また、蒸気タービン１５から蒸気を抽気し、Ａで示すルートによりガスのＨ２Ｏを調整することや、排水回収ボイラー１６へ給水する給水３０の一部をＢで示すルートにより供給して、ガスのＨ２Ｏを調整することも可能である。
　図４は、図１～図３とは異なる態様のガス精製プロセス１－４の概略図である。石炭２は、石炭乾燥装置１７で水分を除去して乾燥した後、ガス化炉４へ導入される。石炭の乾燥は、乾燥用排ガス１８から導入される排ガスの熱を利用する。このガス精製プロセス１－４では、排ガスの温度や供給量、石炭の乾燥時間等を制御することにより、水分の一部を系外へ排出すると共に、水分量を保持した石炭２をガス化炉へ導入し、ガスのＨ２Ｏを調整する。
　図５は、図１～図４のＨ２Ｏ調整手段を全て備える態様のガス精製プロセス１－５の概略図である。排水処理装置からの排水の導入や、ボイラーからの水蒸気の導入、および石炭の乾燥を制御することによる水分の導入は、個々に制御することが可能であり、ガスの精製の状況に応じて、適宜ガスのＨ２Ｏを調整する。
　図６は、本実施の形態に係るガス精製装置２０の一例を示すダイアグラムである。図２のガス精製プロセス１－２の概略図に対応するガス精製装置である。ガス化炉４、集塵装置２１、熱交換器２２、および２３、ＣＯＳ処理装置５、水洗浄塔６ａ、および６ｂ、排水処理装置１０ａ、および１０ｂ、Ｈ２Ｓ吸収塔７、および吸収液再生塔２４を基本構成とする。
　このガス精製装置１８では、まず石炭２をガス化剤３の存在下にてガス化炉４でガス化する。石炭をガス化したガスには、ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓが少なくとも含まれており、ハロゲン化合物等の不純物やダストを含有している。得られたガスは、まず集塵装置２１によりダストを除去し、熱交換器２２でＣＯＳの加水分解に適した２００℃～４００℃の温度に冷却される。次に、ガス中のＣＯＳをＣＯＳ処理装置５でＨ２Ｓに変換し、熱交換器２３で熱回収を行ってから、水洗浄塔６ａ、６ｂで不純物を除去後、Ｈ２Ｓ吸収塔７でガス中のＨ２Ｓを回収して精製する。精製後のガスは、低温であり、発電装置９へ導入される際に、熱交換器２２、２３を経由することにより、集塵装置１９またはＣＯＳ処理装置５から排出されたガスの冷却に用いられながら熱回収される。Ｈ２Ｓ吸収塔７でＨ２Ｓを吸収した液は、吸収液再生塔２４で高濃度となったＨ２Ｓ２５と分離することにより再生されて、Ｈ２Ｓ吸収塔７へ送られる。排水処理装置１０ａ、１０ｂは、水洗浄塔６ａ、６ｂから排出される排水を処理する。処理後の排水の一部は、集塵装置２１からＣＯＳ処理装置５へガスを導入する導入ライン１１に、供給ライン１２を介して排水処理装置１０ｂから排水を供給することで、ＣＯＳ処理装置５へ導入される前のガスのＨ２Ｏを調整する。排水の供給は、供給ライン１２からの排水が混入される前後の、導入ライン１１を通過する水分量を測定器２６により測定し、水分量に応じて制御弁２７を開閉することにより調整する。測定器２６は、ガス中の水分量のほか、ＣＯＳ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓの含有量を測定することができる。測定器２６の測定値から、ガス中のＣＯＳの分圧（ＰＣＯＳ）、Ｈ２Ｏの分圧（ＰＨ２Ｏ）、ＣＯ２の分圧（ＰＣＯ２）およびＨ２Ｓの分圧（ＰＨ２Ｓ）から算出される圧平衡定数（ＫＰ）が１≦ＫＰ≦２０となるように、Ｈ２Ｏ濃度を調整することができる。排水は、ガスの温度により気化させることができる。また、排水を予め気化させた後、ガスへ混入させることも可能である。
　本実施の形態に係るガス精製装置において、ガス化炉としては、固定式ガス化炉、流動式ガス化炉、および噴流式ガス化炉等を使用することかできる。そして、集塵装置としては、サイクロン、ろ過式等の集塵装置を使用することができる。また、熱交換器としては、シェルアンドチューブ式熱交換器等を使用することができる。
　本実施の形態に係るガス精製装置において、ＣＯＳ処理装置としては、例えばリアクタ内部にＣＯＳ転換触媒が装填されている装置を用いることができる。ＣＯＳ転換触媒は、例えばハニカム形状のほかペレット形状の触媒を使用することが可能であり、ガスが触媒を通過する際にＣＯＳがＨ２Ｓへ転換される。
　次に、水洗浄塔としては、例えば、水洗浄塔内の上部から洗浄水を供給すると共に、下部に溜まった洗浄水を、循環ポンプにより循環して供給する構成の水洗浄塔とすることができる。
　そして、排水処理装置としては、アンモニアストリッピング塔や凝集沈殿装置といった構成の排水処理装置とすることができる。アンモニアストリッピング塔は、排水中に含まれる高濃度のアンモニアをスチームまたは空気を吹き込んで気相に放散することにより除去する装置である。アンモニアストリッピング塔内は、例えば多孔板とダウンカマーより構成され、排水はダウンカマーを通って上段より下段に流下する。一方、蒸気は多孔板の孔を下段より上段に流れ、多孔板上に堰き止められた液中を上昇する。このとき、排水と蒸気が接触し、排水中の溶解アンモニアが蒸気側に移行する。放散したアンモニアは、例えば触媒を充填した触媒反応塔を通して酸化分解され、無害な窒素として大気に放散される。一方、凝集沈殿装置は、例えば凝集槽と沈殿槽から構成される。凝集槽内では、排水と硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム等の凝集剤とを混合して不純物を凝集し、フロック化する。そして、沈殿槽では、フロックを沈殿して沈殿凝集物と処理水に分離する。これらのアンモニアストリッピング塔や凝集沈殿装置により、排水を処理する。
　また、Ｈ２Ｓ吸収塔は、例えば、Ｈ２Ｓ吸収塔内の上部からアミン化合物の水溶液からなるアミン化合物吸収液を供給すると共に、下部に溜まった吸収液を、循環ポンプにより循環して供給する構成のＨ２Ｓ吸収塔とすることができる。
　吸収液再生塔は、Ｈ２Ｓを吸収した吸収液をリボイラにより加熱後、クーラーにより冷却して、Ｈ２Ｓとアミン化合物吸収液に分離し、その後、ポンプによりこのアミン化合物吸収液をＨ２Ｓ吸収塔へ送る構成の吸収液再生塔とすることができる。
　図６のガス精製装置１８であれば、ＣＯＳを加水分解する前に、ガスへ水分を混入することにより、ガスが適度に冷却される。よって、ガス化炉から排出される高温のガスを冷却する熱交換器２０の負担が軽減される結果、熱交換器２０を小型化することができる。そして、ガスのＨ２Ｏ濃度を調整したことにより、加水分解が進みやすくなる結果、ＣＯＳ転換触媒２６の触媒量を減らすことが可能であり、ＣＯＳ処理装置５を小型化することができる。さらに、ガスのＨ２Ｏ濃度をガス化後に調整することができるため、従来使用されてきた石炭２のみならず、硫黄分の多い石炭や水分量の少ない石炭を使用することができる。
　本発明のガス精製装置、およびガス精製方法によれば、原料ガスのＨ２Ｏ濃度を調整することにより、熱効率を低下させることなく、ＣＯＳの分解処理を促進することができるため、産業上有用である。
　　１－１　　　　　ガス精製プロセス
　　１－２　　　　　ガス精製プロセス
　　１－３　　　　　ガス精製プロセス
　　１－４　　　　　ガス精製プロセス
　　１－５　　　　　ガス精製プロセス
　　２　　　　　　　石炭
　　３　　　　　　　ガス化剤
　　４　　　　　　　ガス化炉
　　５　　　　　　　ＣＯＳ処理装置
　　６ａ、６ｂ　　　水洗浄塔
　　７　　　　　　　Ｈ２Ｓ吸収塔
　　８　　　　　　　化成品合成
　　９　　　　　　　発電装置
　　１０ａ、１０ｂ　排水処理装置
　　１１　　　　　　導入ライン
　　１２ａ、１２ｂ　供給ライン
　　１３　　　　　　ボイラー
　　１４　　　　　　供給ライン
　　１５　　　　　　蒸気タービン
　　１６　　　　　　排水回収ボイラー
　　１７　　　　　　石炭乾燥装置
　　１８　　　　　　乾燥用排ガス
　　１９　　　　　　水蒸気
　　２０　　　　　　ガス精製装置
　　２１　　　　　　集塵装置
　　２２　　　　　　熱交換器
　　２３　　　　　　熱交換器
　　２４　　　　　　吸収液再生塔
　　２５　　　　　　高濃度Ｈ２Ｓ
　　２６　　　　　　測定器
　　２７　　　　　　制御弁
　　２８　　　　　　ＣＯＳ転換触媒
　　２９　　　　　　ガスタービン
　　３０　　　　　　給水

Claims (10)

  1. 　ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製するガス精製装置であって、
    　ＣＯＳ転換触媒を備え、前記ガス中のＣＯＳを加水分解により分解処理するＣＯＳ処理装置と、
    　前記ＣＯＳ処理装置へ導入する前記ガスのＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ調整手段と
    　を少なくとも備えるガス精製装置。
  2. 　前記Ｈ２Ｏ調整手段は、前記ガス中のＣＯＳの分圧をＰＣＯＳ、Ｈ２Ｏの分圧をＰＨ２Ｏ、ＣＯ２の分圧をＰＣＯ２、およびＨ２Ｓの分圧をＰＨ２Ｓとするとき、下記式（１）：
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
      
    　で示される圧平衡定数ＫＰが１≦ＫＰ≦２０となるようにＨ２Ｏ濃度を調整する手段である請求項１記載のガス精製装置。
  3. 　前記ＣＯＳ処理装置から排出されたガスを水洗浄する少なくとも１つの水洗浄装置と、
    　前記水洗浄装置から排出される排水を処理する少なくとも１つの排水処理装置と
    　をさらに備え、
    　前記Ｈ２Ｏ調整手段は、前記排水処理装置の水を前記ＣＯＳ処理装置へ導入する前記ガスへ混入する手段である請求項１または請求項２記載のガス精製装置。
  4. 　前記Ｈ２Ｏ調整手段は、水蒸気を前記ＣＯＳ処理装置へ導入する前記ガスへ混入する手段である請求項１～請求項３のいずれかに記載のガス精製装置。
  5. 　石炭の水分を除去することにより石炭を乾燥する石炭乾燥装置と、
    　乾燥した前記石炭をガス化するガス化炉と
    　をさらに備え、
    　前記Ｈ２Ｏ調整手段は、前記石炭乾燥装置で前記石炭の水分量を調整する手段である請求項１～請求項４のいずれかに記載のガス精製装置。
  6. 　ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製するガス精製方法であって、
    　前記ガスのＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ調整工程と、
    　Ｈ２Ｏ濃度を調整した前記ガス中のＣＯＳを、ＣＯＳ転換触媒を用いて加水分解することにより分解処理するＣＯＳ処理工程と
    　を少なくとも含むガス精製方法。
  7. 　前記Ｈ２Ｏ調整工程は、前記ガス中のＣＯＳの分圧をＰＣＯＳ、Ｈ２Ｏの分圧をＰＨ２Ｏ、ＣＯ２の分圧をＰＣＯ２、およびＨ２Ｓの分圧をＰＨ２Ｓとするとき、下記式（１）：
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
      
    　で示される圧平衡定数ＫＰが１≦ＫＰ≦２０となるようにＨ２Ｏ濃度を調整する工程である請求項６記載のガス精製方法。
  8. 　ＣＯＳを分解処理したガスを水洗浄する少なくとも１つの水洗浄工程と、
    　前記水洗浄工程により排出される排水を処理する少なくとも１つの排水処理工程と
    　をさらに含み、
    　前記Ｈ２Ｏ調整工程は、前記排水処理工程により処理された水を前記ＣＯＳ処理工程前に前記ガスへ混入する工程である請求項６または請求項７記載のガス精製方法。
  9. 　前記Ｈ２Ｏ調整工程は、水蒸気を前記ＣＯＳ処理工程前に前記ガスへ混入する工程である請求項６～請求項８のいずれかに記載のガス精製方法。
  10. 　石炭の水分を除去することにより石炭を乾燥する石炭乾燥工程と、
    　乾燥した前記石炭をガス化するガス化工程と
    　をさらに含み、
    　前記Ｈ２Ｏ調整工程は、前記石炭乾燥工程で前記石炭の水分量を調整する工程である請求項６～請求項９のいずれかに記載のガス精製方法。
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