JP2014009328A - 合成ガス生成システムおよび合成ガス生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】含水固体原料を乾燥させる際に生じた排水を有効利用することで、排水処理に要するコストを低減する。
【解決手段】合成ガス生成システム１００は、水より沸点が低い水溶性有機溶媒と含水固体原料ＷＦとを接触させることで、乾燥固体原料ＤＦと、混合液ＭＳとを生成する接触部２２０と、混合液ＭＳと、乾燥固体原料ＤＦとを分離する固液分離部２３０と、固液分離部２３０において分離された混合液ＭＳから水溶性有機溶媒を分離し、溶媒混合水ＳＳを生成する再生部２４０と、再生部２４０において生成された溶媒混合水ＳＳを気化させて、水溶性有機溶媒の蒸気と水蒸気との混合気ＭＧを生成する蒸気生成部２６０と、生成された混合気ＭＧ中の水蒸気を用いて、混合気ＭＧ中の水溶性有機溶媒および乾燥固体原料ＤＦをガス化させて合成ガスを生成するガス化炉１１６と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、褐炭等の水を多く含む含水固体原料を用いて合成ガスを生成する合成ガス生成システムおよび合成ガス生成方法に関する。

近年、石油に代えて、石炭やバイオマス、タイヤチップ等のガス化原料をガス化して合成ガスを生成する技術が開発されている。このようにして生成された合成ガスは、発電システムや、水素の製造、合成燃料（合成石油）の製造、化学肥料（尿素）等の化学製品の製造等に利用されている。合成ガスの原料となるガス化原料のうち、特に石炭は、可採年数が１５０年程度と、石油の可採年数の３倍以上であり、また、石油と比較して埋蔵地が偏在していないため、長期に亘り安定供給が可能な天然資源として期待されている。

石炭は、炭素含有量の低い順に、泥炭、亜炭、褐炭、亜瀝青炭、瀝青炭、半無煙炭、無煙炭に分類され、泥炭、亜炭、褐炭、亜瀝青炭（以下、含水石炭と称する）は、瀝青炭、半無煙炭、無煙炭（以下、無煙炭等と称する）と比較して水の含有率が高い。したがって、無煙炭等と比較して、含水石炭は、単位重量あたりの発熱量が低くなるため、輸送コストに対する燃料としてのエネルギー効率が低い。

そこで、メタノール等の溶媒に含水石炭を浸漬し、含水石炭中の水をメタノールに溶解させることで、含水石炭から水を除去して含水石炭を乾燥させる技術（浸漬法）が開発されている（例えば、特許文献１）。

このような技術を利用して含水石炭を乾燥させた場合、メタノールと水との混合液が生じる。そこで、かかる混合液を蒸留することで、メタノールと水とを分留し、混合液からメタノールを再度回収する（再生する）ことが考えられる。こうすることで、再生したメタノールを含水石炭の乾燥に再度利用することができる。

米国特許第４０１４１０４号

しかし、上述した特許文献１の技術の場合、分留した水（排水）には、少量ではあるもののメタノールが含まれているため、そのまま放流（廃棄）することができない。したがって、放流基準値未満となるまでメタノールを除去する必要があり、メタノール除去に要する費用が嵩んでしまっていた。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、含水石炭等の含水固体原料を乾燥させる際に生じた排水を有効利用することで、排水処理に要するコストを低減することが可能な合成ガス生成システムおよび合成ガス生成方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の合成ガス生成システムは、水より沸点が低い水溶性有機溶媒と含水固体原料とを接触させることで、含水固体原料中の水を水溶性有機溶媒に移動させて、水が除去された含水固体原料である乾燥固体原料と、水溶性有機溶媒と水との混合液とを生成する接触部と、接触部において生成された混合液と、乾燥固体原料とを分離する固液分離部と、固液分離部において分離された混合液から水溶性有機溶媒を分離し、混合液と比較して水の含有率が高い水溶性有機溶媒と水との混合液である溶媒混合水を生成する再生部と、再生部において生成された溶媒混合水を気化させて、水溶性有機溶媒の蒸気と水蒸気との混合気を生成する蒸気生成部と、生成された混合気中の水蒸気を用いて、混合気中の水溶性有機溶媒および乾燥固体原料をガス化させて合成ガスを生成するガス化炉と、を備えたことを特徴とする。

また、再生部において生成された溶媒混合水から、含水固体原料に含まれる物質であって水より沸点が高い物質である不純物を分離する分離部をさらに備え、蒸気生成部は、分離部によって不純物が分離された後の溶媒混合水を気化させるとしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の合成ガス生成方法は、水より沸点が低い水溶性有機溶媒と含水固体原料とを接触させることで、含水固体原料中の水を水溶性有機溶媒に移動させて、水が除去された含水固体原料である乾燥固体原料と、水溶性有機溶媒と水との混合液とを生成する工程と、生成した混合液と、乾燥固体原料とを分離する工程と、分離した混合液から水溶性有機溶媒を分離し、混合液と比較して水の含有率が高い水溶性有機溶媒と水との混合液である溶媒混合水を生成する工程と、生成した溶媒混合水を気化させて、水溶性有機溶媒の蒸気と水蒸気との混合気を生成する工程と、生成した混合気中の水蒸気を用いて、混合気中の水溶性有機溶媒および乾燥固体原料をガス化させて合成ガスを生成する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、含水固体原料を乾燥させる際に生じた排水を有効利用することで、排水処理に要するコストを低減することが可能となる。

合成ガス生成システムの構成を説明するための図である。 固体原料乾燥装置を説明するための図である。 合成ガス生成方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（合成ガス生成システム１００）
図１は、本実施形態にかかる合成ガス生成システム１００の構成を説明するための図である。図１に示すように、合成ガス生成システム１００は、合成ガス生成装置１１０と、固体原料乾燥装置２１０とを含んで構成される。なお、図１中、固体原料およびガスの流れを実線の矢印で、流動媒体の流れを一点鎖線の矢印で示す。

合成ガス生成装置１１０では、全体として、粒径が３００μｍ程度の硅砂（珪砂）等の砂で構成される流動媒体を熱媒体として循環させている。具体的には、まず、流動媒体は、燃焼炉１１２で１０００℃程度に加熱され、二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む燃焼排ガスとともに媒体分離装置１１４に導入される。媒体分離装置１１４においては、高温の流動媒体と燃焼排ガスとが分離され、当該分離された高温の流動媒体が、ガス化炉１１６に導入される。そして、ガス化炉１１６に導入された流動媒体は、ガス化炉１１６の底面から導入されるガス化剤（水蒸気）によって流動層化された後、最終的に、燃焼炉１１２に戻される。また、媒体分離装置１１４で分離された燃焼排ガスは、ボイラ等で熱回収される。

ガス化炉１１６は、例えば、気泡流動層ガス化炉であり、固体原料を７００℃〜９００℃でガス化させて合成ガス（ガス化ガス）を生成する。本実施形態では、ガス化炉１１６に水蒸気を供給することにより、固体原料をガス化させて合成ガスを生成する（水蒸気ガス化）。

なお、ここでは、ガス化炉１１６として、循環流動層方式を例に挙げて説明したが、固体原料ＤＦをガス化することができれば、ガス化炉１１６は、単なる流動層方式や、砂が自重で鉛直下方向に流下することで移動層を形成する移動層方式であってもよい。

ここで、ガス化炉１１６に投入される固体原料が、含水石炭やバイオマス等の含水固体原料である場合、水の含有率が相対的に低い無煙炭等の固体原料と比較して、単位重量あたりの発熱量が低くなるため、輸送コストに対する原料としてのエネルギー効率が低くなってしまう。また、無煙炭等と比較して水の含有率が高い含水固体原料を、そのままガス化炉１１６に投入すると、ガス化炉１１６の温度が低下し、ガス化効率が低下してしまうおそれもある。

そこで、本実施形態では、褐炭といった含水石炭等の含水固体原料ＷＦから効率よく水を除去する固体原料乾燥装置２１０を用い、含水固体原料ＷＦを乾燥させた後にガス化炉１１６に投入して合成ガスを生成する。以下、固体原料乾燥装置２１０の具体的な構成について説明する。

（固体原料乾燥装置２１０）
図２は、固体原料乾燥装置２１０を説明するための図である。図２に示すように、固体原料乾燥装置２１０は、接触部２２０と、固液分離部２３０と、再生部２４０と、貯留部２５０と、蒸気生成部２６０と、分離部２７０とを含んで構成される。なお、図２中、液体の流れを実線の矢印で示し、気体の流れを破線の矢印で示す。

接触部２２０は、水より沸点が低い水溶性有機溶媒と含水固体原料ＷＦとを接触させることで、当該含水固体原料ＷＦ中の水を水溶性有機溶媒に移動させて、水が除去された含水固体原料ＷＦである乾燥固体原料ＤＦと、水溶性有機溶媒と水との混合液ＭＳとを生成する。ここでは、水より沸点が低い水溶性有機溶媒として、メタノールを例に挙げて説明するが、アセトン、エタノール等であってもよい。

具体的に説明すると、接触部２２０は、例えば、本体２２２と、本体２２２内に設けられた搬送部２２４とを含んで構成される。

本体２２２は、円筒形状に形成され、その両端に投入口２２２ａと、排出口２２２ｂが設けられている。搬送部２２４は、駆動部２２４ａが、らせん型のスクリュー２２４ｂを回転し、回転軸の方向に含水固体原料ＷＦ（または乾燥固体原料ＤＦ）を送り出すスクリューフィーダであり、投入口２２２ａから投入された含水固体原料ＷＦ（図２中、白丸で示す）を排出口２２２ｂまで搬送する。

また、投入口２２２ａを通じて、後述する貯留部２５０から本体２２２内にメタノールが供給される。このように、本体２２２内にメタノールが供給されると、搬送部２２４によって、投入口２２２ａから排出口２２２ｂへ搬送される間に、含水固体原料ＷＦは、メタノールと接触する（水溶性溶媒に浸漬される）ことになる。そうすると、含水固体原料ＷＦ中の水がメタノールに移動し、乾燥固体原料ＤＦと、混合液ＭＳ（メタノールと水の混合液）が生成される。

このようにして、接触部２２０において、投入口２２２ａから排出口２２２ｂに搬送されるにしたがって、含水固体原料ＷＦから水が除去され乾燥固体原料ＤＦとなる（図２中、グレーの丸から黒い丸で示す）。

また、接触部２２０が搬送部２２４を含むことで、メタノールを接触させながら、含水固体原料ＷＦを移動させることができるため、含水固体原料ＷＦの投入および脱水処理を連続的に行うことが可能となる。

固液分離部２３０は、網、フィルター等で構成され、接触部２２０においてメタノールを含水固体原料ＷＦに接触させることで得られたメタノールと水との混合液ＭＳと、乾燥固体原料ＤＦ（水が除去された含水固体原料ＷＦ）とを分離する。

そして、固液分離部２３０において分離された乾燥固体原料ＤＦはガス化炉１１６に投入され、混合液ＭＳは、後述する再生部２４０の本体２４２に送出されることとなる。

接触部２２０および固液分離部２３０を備える構成により、含水固体原料ＷＦから効率よく水を除去することができる。したがって、水の含有率が高い含水固体原料ＷＦの投入によりガス化炉１１６の温度が低下し、ガス化効率が低下してしまう事態を回避することが可能となる。

再生部２４０は、固液分離部２３０において分離された混合液ＭＳからメタノールを分離して、溶媒混合水ＳＳを生成する。ここで、溶媒混合水ＳＳは、メタノールと水との混合液であって、混合液ＭＳと比較して水の含有率が高い液体である。

具体的に説明すると、再生部２４０は、例えば、蒸留塔で構成され、本体２４２と、リボイラ２４４と、還流部２４６とを含んで構成される。なお、再生部２４０は、混合液ＭＳからメタノールを分離できればよく、図２に示す構成に限らず、本体２４２内が多段構造の蒸留塔であってもよい。

本体２４２は、混合液ＭＳ（メタノールと水の混合液）を貯留する。リボイラ２４４は、本体２４２に貯留された混合液ＭＳを外部に取り出して加熱し、メタノールの蒸気と水蒸気との混合蒸気を生成して、本体２４２に返送する。還流部２４６は、混合蒸気を凝縮して、本体２４２に返送する。還流部２４６を備える構成により、本体２４２内において、凝縮した混合液と混合蒸気とを向流接触させることができる。したがって、メタノールと水の沸点の違いから、凝縮した混合液と接触した水蒸気が液化して鉛直下方に落下し、混合蒸気中のメタノールの純度を向上させることが可能となる。こうして、再生部２４０において、混合液ＭＳがメタノールと溶媒混合水ＳＳに分離（分留）されて、分留されたメタノールは、還流部２４６を通じて凝縮され、メタノールを貯留する貯留部２５０へ送出され、溶媒混合水ＳＳは排出されることとなる。

再生部２４０の運転状況にもよるが、溶媒混合水ＳＳには、１％〜５％程度のメタノールが含まれているため、溶媒混合水ＳＳをそのまま放流することはできない。したがって、従来は、溶媒混合水ＳＳからメタノールを除去する処理（排水処理）を行わなければならず、排水処理に要するコストを費やしていた。

そこで、本実施形態では、溶媒混合水ＳＳを有効利用することで、排水処理に要するコストを低減する。具体的に説明すると、再生部２４０で生成された溶媒混合水ＳＳは、直接または間接的に、蒸気生成部２６０に送出され、蒸気生成部２６０は、溶媒混合水ＳＳを気化させて、メタノールの蒸気と水蒸気との混合気ＭＧを生成する。そして、蒸気生成部２６０において生成された混合気ＭＧは、上述したガス化炉１１６へ導入される水蒸気に代えて、または、水蒸気に加えて導入される。

かかる構成により、従来排出されていた溶媒混合水ＳＳをガス化炉１１６において有効利用することができる。また、溶媒混合水ＳＳからメタノールを除去するための排水処理が不要となるため、排水処理に要するコストを低減することが可能となる。

また、溶媒混合水ＳＳに含まれるメタノールは、下記反応式（１）に示すように、ガス化炉１１６において、ＣＯ（一酸化炭素）やＨ_２（水素）といった合成ガスにガス化されることとなる。
２ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋２Ｈ_２＋ＣＯ_２
…反応式（１）
したがって、ガス化炉１１６においては、乾燥固体原料ＤＦおよびメタノールから合成ガスが生成されることとなり、生成される合成ガスの総量を増加させることができる。

なお、水溶性有機溶媒としてエタノールを用いた場合や、アセトンを用いた場合であっても、下記反応式（２）、反応式（３）に示すように、メタノールと同様に、ガス化炉１１６において、ＣＯ（一酸化炭素）やＨ_２（水素）といった合成ガスにガス化される。
Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→２ＣＯ＋４Ｈ_２
…反応式（２）
（ＣＨ_３）_２ＣＯ＋２Ｈ_２Ｏ→３ＣＯ＋５Ｈ_２
…反応式（３）

ところで、含水固体原料ＷＦが褐炭等の含水石炭である場合、含水固体原料ＷＦをメタノールに浸漬すると、含水固体原料ＷＦに含まれる炭化水素がメタノール中に溶解することとなる。つまり、混合液ＭＳには、含水固体原料ＷＦ由来の炭化水素が含まれることとなる。そして、混合液ＭＳが再生部２４０において分留されると、含水固体原料ＷＦ由来の炭化水素のうち、水の沸点未満の沸点を有する炭化水素は、メタノールとともに貯留部２５０へ送出され、水の沸点以上の沸点を有する炭化水素は、溶媒混合水ＳＳとともに排出される。

ここで、含水固体原料ＷＦ由来の炭化水素であって、水の沸点以上の沸点を有する炭化水素（以下、単に不純物と称する）を含む溶媒混合水ＳＳが蒸気生成部２６０に直接導入されると、蒸気生成部２６０において、不純物が析出し、蒸気生成部２６０の加熱管を閉塞したり、汚染したりするおそれがある。

そこで、本実施形態では、蒸気生成部２６０の上流側に分離部２７０を備える。分離部２７０は、再生部２４０において生成された溶媒混合水ＳＳから、不純物（含水固体原料ＷＦに含まれる物質であって水より沸点が高い物質）を分離する。

具体的に説明すると、分離部２７０は、溶媒混合水ＳＳを収容する収容槽と、収容槽に、ポリ塩化アルミニウム等の凝集剤を供給する凝集剤供給部と、収容槽内の溶媒混合水ＳＳおよび凝集剤を攪拌する攪拌部とを含んで構成され、不純物を凝集剤で凝集させて沈殿させることによって、溶媒混合水ＳＳから不純物を除去する。

分離部２７０を備える構成により、溶媒混合水ＳＳから不純物を除去することができ、蒸気生成部２６０において不純物が析出し、蒸気生成部２６０の加熱管を閉塞したり、汚染したりする事態を回避することができる。

（合成ガス生成方法）
続いて、合成ガス生成システム１００を用いた合成ガス生成方法について説明する。図３は、合成ガス生成方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。

図３に示すように、接触部２２０は、まず、メタノールと含水固体原料ＷＦを接触させることで、含水固体原料ＷＦ中の水をメタノールに移動させて、乾燥固体原料ＤＦと、混合液ＭＳとを生成する（接触工程Ｓ３１０）。

続いて、固液分離部２３０は、接触工程Ｓ３１０において生成された混合液ＭＳと、乾燥固体原料ＤＦとを分離する（固液分離工程Ｓ３１２）。そして、再生部２４０は、固液分離工程Ｓ３１２で分離された混合液ＭＳからメタノールを分離して、溶媒混合水ＳＳを生成する（再生工程Ｓ３１４）。

再生工程Ｓ３１４において分離されたメタノールは、貯留部２５０で一旦貯留された後、上述した接触工程Ｓ３１０において用いられることとなる。溶媒混合水ＳＳは、分離部２７０において、不純物が除去されて、蒸気生成部２６０へ送出される（除去工程Ｓ３１６）。

続いて、蒸気生成部２６０は、再生工程Ｓ３１４において生成され、除去工程Ｓ３１６において不純物が除去された溶媒混合水ＳＳを気化させて、メタノールの蒸気と水蒸気の混合気ＭＧを生成する（蒸気生成工程Ｓ３１８）。

そして、ガス化炉１１６は、蒸気生成工程Ｓ３１８において生成された混合気ＭＧ中の水蒸気を用いて、固液分離工程Ｓ３１２において分離された乾燥固体原料ＤＦおよび混合気ＭＧ中のメタノールをガス化させて合成ガスを生成する（ガス化工程Ｓ３２０）。

以上説明したように、本実施形態にかかる合成ガス生成方法によれば、含水固体原料ＷＦを乾燥させる際に生じた溶媒混合水ＳＳ（排水）を、ガス化炉１１６において水蒸気として有効利用することで、排水処理に要するコストを低減することが可能となる。

また、ガス化炉１１６には、水に加えて、乾燥に利用したメタノール（水溶性有機溶媒）も導入されることとなるため、乾燥固体原料ＤＦのみならずメタノールをもガス化することができ、ガス化炉１１６において生成される合成ガスの総量を増加させることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態において、水溶性有機溶媒を接触させながら、含水固体原料ＷＦを移動させることができる接触部２２０について説明したが、接触部は、水溶性有機溶媒と含水固体原料ＷＦとを接触できれば、必ずしも含水固体原料ＷＦを移動させる必要はない。

また、上述した実施形態では、再生部２４０が蒸留塔である場合を例に挙げて説明したが、蒸留塔に限定されず、再生部２４０は、混合液ＭＳから、水溶性有機溶媒と、溶媒混合水ＳＳとを分離できればよい。例えば、再生部２４０を分離膜で構成してもよい。

また、含水固体原料ＷＦが、水より沸点の高い物質（不純物）を含まない場合や、蒸気生成部２６０が不純物を分解または気化できる構成である場合、分離部２７０を設けなくてもよい。

なお、本明細書の合成ガス生成方法の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はない。

本発明は、褐炭等の水を多く含む含水固体原料を用いて合成ガスを生成する合成ガス生成システムおよび合成ガス生成方法に利用することができる。

１００ …合成ガス生成システム
１１６ …ガス化炉
２２０ …接触部
２３０ …固液分離部
２４０ …再生部
２６０ …蒸気生成部
２７０ …分離部

Claims (3)

1. 水より沸点が低い水溶性有機溶媒と含水固体原料とを接触させることで、該含水固体原料中の水を該水溶性有機溶媒に移動させて、水が除去された該含水固体原料である乾燥固体原料と、前記水溶性有機溶媒と水との混合液とを生成する接触部と、
   前記接触部において生成された前記混合液と、前記乾燥固体原料とを分離する固液分離部と、
   前記固液分離部において分離された前記混合液から前記水溶性有機溶媒を分離し、該混合液と比較して水の含有率が高い前記水溶性有機溶媒と水との混合液である溶媒混合水を生成する再生部と、
   前記再生部において生成された前記溶媒混合水を気化させて、前記水溶性有機溶媒の蒸気と水蒸気との混合気を生成する蒸気生成部と、
   生成された前記混合気中の水蒸気を用いて、該混合気中の水溶性有機溶媒および前記乾燥固体原料をガス化させて合成ガスを生成するガス化炉と、
   を備えたことを特徴とする合成ガス生成システム。
2. 前記再生部において生成された前記溶媒混合水から、前記含水固体原料に含まれる物質であって水より沸点が高い物質である不純物を分離する分離部をさらに備え、
   前記蒸気生成部は、前記分離部によって不純物が分離された後の溶媒混合水を気化させることを特徴とする請求項１に記載の合成ガス生成システム。
3. 水より沸点が低い水溶性有機溶媒と含水固体原料とを接触させることで、該含水固体原料中の水を該水溶性有機溶媒に移動させて、水が除去された該含水固体原料である乾燥固体原料と、前記水溶性有機溶媒と水との混合液とを生成する工程と、
   生成した前記混合液と、前記乾燥固体原料とを分離する工程と、
   分離した前記混合液から前記水溶性有機溶媒を分離し、該混合液と比較して水の含有率が高い前記水溶性有機溶媒と水との混合液である溶媒混合水を生成する工程と、
   生成した前記溶媒混合水を気化させて、前記水溶性有機溶媒の蒸気と水蒸気との混合気を生成する工程と、
   生成した前記混合気中の水蒸気を用いて、該混合気中の水溶性有機溶媒および前記乾燥固体原料をガス化させて合成ガスを生成する工程と、
   を含むことを特徴とする合成ガス生成方法。