JP5217292B2 - 石炭ガス化ガス精製方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、石炭ガス化ガス精製方法及び装置に関するものである。

一般に、石炭のガス化プロセスでは、酸素や空気を用いた部分酸化プロセスによるガス化が知られているが、従来の部分酸化プロセスは、部分酸化熱による１３００℃以上の高温で石炭をガス化しており、生成されるガス化ガスに含まれるタール分は非常に少ないことから、該タール分の除去に関してはほとんど問題はなかった。しかし、この場合、ガス化プロセスが高温・高圧で行われるため、ガス化炉のコストが高くなるといった欠点を有していた。

そこで、石炭を７００℃〜９００℃の低温で水蒸気を用いてガス化することにより、ガス化プロセスを低圧で行い、ガス化炉のコスト削減を図る方法が本発明者等によって開発されているが、生成されるガス化ガスに含まれるタール分が高温でのガス化に比べて非常に高いといった問題を有していた。ガス化ガスに含まれるタール分は、ガス化ガスを化学合成原料に利用する場合、下流の機器類や化学合成プロセスにおいて、凝縮による配管閉塞や機器類のトラブル、合成触媒で被毒する等といった問題を引き起こすため、前記タール分はガス化ガスから除去する必要がある。

ところで、石炭の高温でのガス化に比べて低い温度でガス化が行われるバイオマスや廃棄物のガス化プロセスにおいて、ガス化ガス中に含まれるタール分は、石炭の高温でのガス化ガスに含まれるタール分よりも高い量を示すことから、バイオマス等のガス化ガスに含まれるタール等の不純物質を除去する方法を、石炭の低温でのガス化ガスに適用することも検討されている。

尚、廃棄物のガス化ガスに含まれるタール等の微量成分を除去するガス化ガス精製方法の一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。
特開２００７−４５８５７号公報

しかしながら、バイオマス等のガス化ガスに含まれるタール等の不純物質を除去する方法の場合、特許文献１にも記載されているように、塔内で洗浄油を噴霧しガスと洗浄油とを接触させることでガス中に含まれる軽油分を洗浄油に溶解させる軽油スクラバーや、該軽油スクラバーで回収された洗浄油から軽油分を蒸留・分離する蒸留塔等が必要になり、プロセスが複雑で且つコスト面でも不利となる。

このため、石炭を低温でガス化するプロセスを検討する場合、特許文献１に記載されているような、バイオマス等のガス化ガスに含まれるタール等の不純物質を除去する方法をそのまま適用することは難しく、改善の余地が多く残されていると言える。

本発明は、斯かる実情に鑑み、プロセスの簡略化とコストダウンを図りつつ、石炭の低温でのガス化ガスに含まれるタール分を確実に除去し得、石炭低温ガス化の実現化に寄与し得る石炭ガス化ガス精製方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、石炭をガス化炉で７００℃〜９００℃の低温にてガス化したガス化ガスを精製して合成ガスを得るための石炭ガス化ガス精製方法において、
前記ガス化ガスを熱交換器で冷却して熱回収し、該冷却後のガス化ガスを水スプレー噴霧による直接冷却器で温度が３０℃〜９０℃まで低下するよう直接冷却し、該直接冷却したガス化ガスを第一間接冷却器で温度が３０℃以下まで低下するよう間接冷却して重質なタール分と軽質なタール分と水蒸気とを凝縮させ、該間接冷却した常圧のガス化ガスをミスト除去器で処理してミスト状のタール分を除去し、該ミスト除去器で処理したガス化ガスを昇圧器において１MPa〜５MPaまで加圧することによりガス化ガス中のタール分の飽和蒸気濃度を下げ、該昇圧されて温度の上昇したガス化ガスを第二間接冷却器で温度が３０℃以下まで低下するよう間接冷却して重質なタール分と軽質なタール分とを凝縮・ミスト化し、除去することを特徴とする石炭ガス化ガス精製方法にかかるものである。

前記石炭ガス化ガス精製方法においては、前記第二間接冷却器で間接冷却したガス化ガスを吸着器に導入することにより、蒸気化している軽質なタール分を吸着除去することが望ましい。

この場合、前記第二間接冷却器で間接冷却したガス化ガスを補助ミスト除去器に導入することにより、ミスト化したタール分を除去した後、前記吸着器に導くようにしても良い。

又、前記石炭ガス化ガス精製方法においては、前記タール分除去プロセスにおいて発生するタール分を含有した排水を排水処理器で処理することにより可燃性物質を濃縮し、該濃縮した可燃性物質をガス化の原料或いは熱源としてガス化炉に投入することも有効となる。

一方、本発明は、石炭をガス化炉で７００℃〜９００℃の低温にてガス化したガス化ガスを精製して合成ガスを得るための石炭ガス化ガス精製装置において、
前記ガス化ガスを冷却して熱回収する熱交換器と、
該熱交換器で冷却した後のガス化ガスを水スプレー噴霧により温度が３０℃〜９０℃まで低下するよう直接冷却する直接冷却器と、
該直接冷却器で直接冷却したガス化ガスを温度が３０℃以下まで低下するよう間接冷却して重質なタール分と軽質なタール分と水蒸気とを凝縮させる第一間接冷却器と、
該第一間接冷却器で間接冷却した常圧のガス化ガスからミスト状のタール分を除去するミスト除去器と、
該ミスト除去器で処理したガス化ガスを１MPa〜５MPaまで加圧することによりガス化ガス中のタール分の飽和蒸気濃度を下げる昇圧器と、
該昇圧器で昇圧されて温度の上昇したガス化ガスを温度が３０℃以下まで低下するよう間接冷却して重質なタール分と軽質なタール分とを凝縮・ミスト化し除去する第二間接冷却器と
を備えたことを特徴とする石炭ガス化ガス精製装置にかかるものである。

前記石炭ガス化ガス精製装置においては、前記第二間接冷却器で間接冷却したガス化ガスが導入され、且つ該ガス化ガス中に蒸気化している軽質なタール分を吸着除去する吸着器を備えることが望ましい。

この場合、前記第二間接冷却器で間接冷却したガス化ガスが導入され、且つ該ガス化ガス中のミスト化したタール分を除去した後、ガス化ガスを前記吸着器に導く補助ミスト除去器を備えるようにしても良い。

又、前記石炭ガス化ガス精製方法においては、前記タール分を除去する機器において発生するタール分を含有した排水を処理することにより可燃性物質を濃縮し、該濃縮した可燃性物質をガス化の原料或いは熱源としてガス化炉に投入する排水処理器を備えるようにすることも有効となる。

本発明の石炭ガス化ガス精製方法及び装置によれば、プロセスの簡略化とコストダウンを図りつつ、石炭の低温でのガス化ガスに含まれるタール分を確実に除去し得、石炭低温ガス化の実現化に寄与し得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例であって、
ガス化原料としての石炭と水蒸気とが供給され、石炭を７００℃〜９００℃の低温にてガス化してガス化ガスを生成するガス化炉１と、
該ガス化炉１で生成されたガス化ガスを冷却して熱回収する熱交換器２と、
該熱交換器２で冷却した後のガス化ガスを水スプレー噴霧により温度が３０℃〜９０℃まで低下するよう直接冷却する直接冷却器３と、
該直接冷却器３で直接冷却したガス化ガスを温度が３０℃以下まで低下するよう間接冷却して重質なタール分と軽質なタール分と水蒸気とを凝縮させる第一間接冷却器４と、
該第一間接冷却器４で間接冷却した常圧のガス化ガスからミスト状のタール分を除去するミスト除去器５と、
該ミスト除去器５で処理したガス化ガスを１MPa〜５MPaまで加圧することによりガス化ガス中のタール分の飽和蒸気濃度を下げる昇圧器６と、
該昇圧器６で昇圧されて温度の上昇したガス化ガスを温度が３０℃以下まで低下するよう間接冷却して重質なタール分と軽質なタール分とを凝縮・ミスト化し除去する第二間接冷却器７と、
該第二間接冷却器７で間接冷却したガス化ガスが導入され、且つ該ガス化ガス中に蒸気化している軽質なタール分を吸着除去する吸着器８と、
前記タール分を除去する機器としての、直接冷却器３、第一間接冷却器４、ミスト除去器５、昇圧器６、第二間接冷却器７において発生するタール分を含有した排水を処理することにより可燃性物質（タール分、チャー）を濃縮し、該濃縮した可燃性物質をガス化の原料或いは熱源として前記ガス化炉１に投入する排水処理器９と
を備えるようにしたものである。

前記吸着器８においてタール分を吸着除去したガス化ガスには、Ｈ₂ＳやＣＯＳ、ＣＳ₂といった硫黄分が数十ｐｐｍ以下の濃度で存在するため、該硫黄分をガス化ガス中から除去する、湿式脱硫プロセス或いは乾式脱硫プロセスを用いた脱硫器１０を設けてある。湿式脱硫プロセスとしては、アンモニアを吸収剤としたタカハックスプロセス、フマックスプロセス、ダイヤモックスプロセス、カールスチルプロセスがあり、炭酸ソーダを用いたストレットフォードプロセスがある。更に、数ｐｐｂレベルでの脱硫性能が求められる場合には、化学処理を施した活性炭を充填した活性炭充填塔等の精密脱硫器１３を必要に応じて設け、該精密脱硫器１３にガス化ガスを通気して微量の硫黄分を吸着除去するようにすれば良い。

前記ガス化原料の性状により窒素分や塩素分が多い場合、前記直接冷却器３において除去されなかった窒素分や塩素分を吸収除去するための脱アンモニア器１１や脱塩器１２を必要に応じて設けるようにすれば良い。

尚、前記直接冷却器３としては、充填塔、モレタナ塔、サイクロンスクラバー、荷電式スクラバー、ベンチュリースクラバー、ジェットスクラバー、溜水式スクラバーを用いることができる。

又、前記ミスト除去器５としては、電気集塵機やバグフィルタ、スプレー塔や充填塔、モレタナ塔、サイクロンスクラバー、荷電式スクラバー、ベンチュリースクラバー、ジェットスクラバー、溜水式スクラバーを用いることができる。

更に又、前記吸着器８としては、活性炭充填塔や溶媒洗浄塔を用いることができる。

次に、上記図示例の作用を説明する。

先ず、ガス化炉１においては、７００℃〜９００℃の低温で石炭がガス化される。ガス化原料は低温でガス化しやすいものがよく、石炭の中でも比較的ガス化しやすい褐炭やペトロコーク、黒液が挙げられる。ガス化剤には水蒸気が用いられ水蒸気ガス化が行われる。これらの原料のガス化に伴って発生するガス化ガスに含まれるタール分の量は、石炭の高温ガス化に比べて多く、バイオマス等のガス化に比べて若干少ない。

前記ガス化炉１を出たガス化ガスは７００℃〜９００℃であり、熱交換器２において蒸気と熱交換し、出口ガス温度が３００℃〜６００℃になるまで、ガス化ガスの顕熱が蒸気として回収される。

前記熱交換器２を出たガス化ガスは、直接冷却器３において水をスプレー噴霧することにより冷却され、凝縮したタール分がガス化ガス中から除去される。該直接冷却器３にはスプレー冷却器が用いられ、噴霧する水の流量は入口のガス化ガス温度により調節され、出口ガス化ガス温度が３０℃〜９０℃になるようにしている。即ち、該直接冷却器３では、ガス化ガスを冷却してタール分の飽和蒸気濃度を低減し、凝縮・ミスト化したタール分をスプレー噴霧水との衝突によりガス化ガス中から除去するようになっている。尚、ミスト化したタール分を効率よく除去するため、噴霧する水の液滴は最適なものを用いる。噴霧水の液滴径は噴霧するスプレーノズルの型式及び噴霧水の供給圧力によって制御できる。噴霧水滴径は小さいほどタールミストとの接触面積及び接触効率が増えるため望ましいが、小さくしすぎると処理すべきガス化ガスに随伴されて飛ばされてしまうため、スプレー噴霧水滴径はガス化ガスのスプレー塔内実流速以上の終端速度を有する径を下限として、なるべく小さな値とする。

前記直接冷却器３を出たガス化ガスは、第一間接冷却器４において３０℃以下になるように冷却される。該第一間接冷却器４ではなるべく温度を下げることでガス化ガス中のタール分の飽和蒸気濃度を低減し、重質なタール分と軽質なタール分と水蒸気とを可能な限り凝縮・ミスト化して除去する。冷却媒体としては海水や、ブラインを用いて深冷冷却するとより効果的である。該第一間接冷却器４内部で凝縮したタール分によるガス化ガスラインの閉塞を回避するため、定期的に若しくは圧力損失が規定値を超えた場合に間欠的に、タール凝縮面である熱交換面に温水若しくは水を噴霧し、堆積したタール分を洗浄して除去する。

前記第一間接冷却器４を出たガス化ガスはミスト状のタール分を除去することを目的として、ミスト除去器５に通気される。該ミスト除去器５として電機集塵機を用いる場合、印加電圧が高いほどタール除去率は高くなるが、印加電圧が高くなると放電線と集電面との間でスパークが生じてミスト除去率が低下する。そこで、通気するガス化ガスの組成、ガス流速に応じてスパークの生じない範囲で安定的に運転ができる最大の印加電圧において運転を行うようになっている。又、集電面に堆積するタール分が増えると集電効率が低下するため、定期的に温水若しくは水を集電面にスプレー噴霧し、堆積したタール分を洗浄して除去する。

前記ミスト除去器５を出たガス化ガスは昇圧器６により１MPa〜５MPaまで昇圧される。該昇圧器６には圧縮機若しくはポンプを用い、ターボ型及び容積型の二種類のいずれかを用いる。前記第一間接冷却器４及びミスト除去器５において凝縮してミスト化したタール分を除去し、飽和蒸気濃度までタール分を除去している場合、圧縮機においてはタール分の凝縮は発生しない。但し、第一間接冷却器４において軽質タール分を代表としてミスト化したタール分が除去しきれていない場合、昇圧器６内部において凝縮したタール分が昇圧器６内に滞留してトラブルを引き起こすため、昇圧器６内に凝縮するタール分を排出する機構を設けるものとする。

前記昇圧器６を出たガス化ガスは１００℃〜２００℃であり、第二間接冷却器７において３０℃以下まで冷却される。この状態でガス化ガスは加圧された状態にあり、３０℃以下での飽和蒸気濃度はベンゼンにおいて数百ｍｇ／Ｎｍ³となる。ベンゼンよりも蒸気圧の高い２環以上の芳香族類、高分子量のタール類については数百ｍｇ／Ｎｍ³以下の濃度まで低減することができる。

前記第二間接冷却器７を出たガス化ガスは、吸着器８に通気され、該ガス化ガスに含まれるタール分が吸着除去される。該吸着器８の一例として活性炭充填塔を用いる場合、活性炭のタール吸着性能は、温度が低いほど向上する。しかし水蒸気濃度が高いほど、具体的には相対湿度が５０％を超えて高いほど吸着性能は低下する。そのため、活性炭の運転温度は２５℃〜２００℃とし、ガス化ガス中の相対湿度を５０％以下に維持することを念頭に置きながら最適な運転温度を維持する。又、該吸着器８上流にある電気集塵機等のミスト除去器５においてミスト化した重質なタール分が除去しきれずに活性炭充填塔で吸着除去する必要が生じた場合、軽質タールに比べて重質なタールの吸着性能は高温度側にシフトするため、軽質なタールの吸着性能及び吸着除去すべき量を考慮して、１００℃〜２００℃の範囲で最適な温度を維持するものとする。更に又、タール分を吸着した活性炭は再生処理をすることで繰り返しタール分の吸着除去を行う。

一方、前記タール分を除去する機器としての、直接冷却器３、第一間接冷却器４、ミスト除去器５、昇圧器６、第二間接冷却器７において発生するタール分を含有した排水は、排水処理器９に集められて処理され、可燃性物質（タール分、チャー）が濃縮され、該濃縮された可燃性物質がガス化の原料或いは熱源として前記ガス化炉１に投入される。

前記吸着器８を出たガス化ガスは、脱硫器１０で硫黄分が除去され、前記ガス化原料の性状により窒素分や塩素分が多い場合、前記脱硫器１０を出たガス化ガスが必要に応じて脱アンモニア器１１や脱塩器１２に導かれ、前記直接冷却器３において除去されなかった窒素分や塩素分が吸収除去され、更に、数ｐｐｂレベルでの脱硫性能が求められる場合には、精密脱硫器１３にガス化ガスが通気されて微量の硫黄分が吸着除去される。

尚、前記ガス化炉１には、ガス化ガスの一部が必要に応じて供給される。

この結果、石炭を低温でガス化するプロセスにおいて、バイオマス等のガス化ガスに含まれるタール等の不純物質を除去する方法のように、塔内で洗浄油を噴霧しガスと洗浄油とを接触させることでガス中に含まれる軽油分を洗浄油に溶解させる軽油スクラバーや、該軽油スクラバーで回収された洗浄油から軽油分を蒸留・分離する蒸留塔等を設けなくても、石炭の低温でのガス化ガスに含まれるタール分を確実に除去することが可能となり、プロセスが複雑とならず、且つコスト面でも有利となる。

こうして、プロセスの簡略化とコストダウンを図りつつ、石炭の低温でのガス化ガスに含まれるタール分を確実に除去し得、石炭低温ガス化の実現化に寄与し得る。

図２は本発明を実施する形態の他の例であって、図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図１に示すものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図２に示す如く、前記第二間接冷却器７で間接冷却したガス化ガスが導入され、且つ該ガス化ガス中のミスト化したタール分を除去した後、ガス化ガスを前記吸着器８に導く補助ミスト除去器１４を備えるようにした点にある。

前記第二間接冷却器７を出たガス化ガスは、加圧された状態にあって飽和蒸気濃度が数百ｍｇ／Ｎｍ³以下まで低減されており、飽和蒸気濃度以上のタール分はミスト化していると考えられるため、補助ミスト除去器１４にガス化ガスを通気すると、該補助ミスト除去器１４においてミスト状のタール分が効率良く除去される。

前記補助ミスト除去器１４の一例として電気集塵機を用いる場合、印加電圧が高いほどタール除去率は高くなるが、印加電圧が高くなると放電線と集電面との間でスパークが生じてミスト除去率が低下する。そこで、通気するガス化ガスの組成、ガス流速に応じてスパークの生じない範囲で安定的に運転ができる最大の印加電圧において運転を行うことが望ましい。又、集電面に堆積するタール分が増えると集電効率が低下するため、定期的に温水若しくは水を集電面にスプレー噴霧し、堆積したタール分を洗浄して除去すれば良い。

こうして、図２に示す例のように構成しても、図１に示す例の場合と同様、プロセスの簡略化とコストダウンを図りつつ、石炭の低温でのガス化ガスに含まれるタール分を確実に除去し得、石炭低温ガス化の実現化に寄与し得る。

尚、本発明の石炭ガス化ガス精製方法及び装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す全体概要構成図である。 本発明を実施する形態の他の例示す全体概要構成図である。

符号の説明

１ ガス化炉
２ 熱交換器
３ 直接冷却器
４ 第一間接冷却器
５ ミスト除去器
６ 昇圧器
７ 第二間接冷却器
８ 吸着器
９ 排水処理器
１０ 脱硫器
１１ 脱アンモニア器
１２ 脱塩器
１３ 精密脱硫器
１４ 補助ミスト除去器

Claims (8)

1. 石炭をガス化炉で７００℃〜９００℃の低温にてガス化したガス化ガスを精製して合成ガスを得るための石炭ガス化ガス精製方法において、
   前記ガス化ガスを熱交換器で冷却して熱回収し、該冷却後のガス化ガスを水スプレー噴霧による直接冷却器で温度が３０℃〜９０℃まで低下するよう直接冷却し、該直接冷却したガス化ガスを第一間接冷却器で温度が３０℃以下まで低下するよう間接冷却して重質なタール分と軽質なタール分と水蒸気とを凝縮させ、該間接冷却した常圧のガス化ガスをミスト除去器で処理してミスト状のタール分を除去し、該ミスト除去器で処理したガス化ガスを昇圧器において１MPa〜５MPaまで加圧することによりガス化ガス中のタール分の飽和蒸気濃度を下げ、該昇圧されて温度の上昇したガス化ガスを第二間接冷却器で温度が３０℃以下まで低下するよう間接冷却して重質なタール分と軽質なタール分とを凝縮・ミスト化し、除去することを特徴とする石炭ガス化ガス精製方法。
2. 前記第二間接冷却器で間接冷却したガス化ガスを吸着器に導入することにより、蒸気化している軽質なタール分を吸着除去するようにした請求項１記載の石炭ガス化ガス精製方法。
3. 前記第二間接冷却器で間接冷却したガス化ガスを補助ミスト除去器に導入することにより、ミスト化したタール分を除去した後、前記吸着器に導くようにした請求項２記載の石炭ガス化ガス精製方法。
4. 前記タール分除去プロセスにおいて発生するタール分を含有した排水を排水処理器で処理することにより可燃性物質を濃縮し、該濃縮した可燃性物質をガス化の原料或いは熱源としてガス化炉に投入するようにした請求項１〜３のいずれか一つに記載の石炭ガス化ガス精製方法。
5. 石炭をガス化炉で７００℃〜９００℃の低温にてガス化したガス化ガスを精製して合成ガスを得るための石炭ガス化ガス精製装置において、
   前記ガス化ガスを冷却して熱回収する熱交換器と、
   該熱交換器で冷却した後のガス化ガスを水スプレー噴霧により温度が３０℃〜９０℃まで低下するよう直接冷却する直接冷却器と、
   該直接冷却器で直接冷却したガス化ガスを温度が３０℃以下まで低下するよう間接冷却して重質なタール分と軽質なタール分と水蒸気とを凝縮させる第一間接冷却器と、
   該第一間接冷却器で間接冷却した常圧のガス化ガスからミスト状のタール分を除去するミスト除去器と、
   該ミスト除去器で処理したガス化ガスを１MPa〜５MPaまで加圧することによりガス化ガス中のタール分の飽和蒸気濃度を下げる昇圧器と、
   該昇圧器で昇圧されて温度の上昇したガス化ガスを温度が３０℃以下まで低下するよう間接冷却して重質なタール分と軽質なタール分とを凝縮・ミスト化し除去する第二間接冷却器と
   を備えたことを特徴とする石炭ガス化ガス精製装置。
6. 前記第二間接冷却器で間接冷却したガス化ガスが導入され、且つ該ガス化ガス中に蒸気化している軽質なタール分を吸着除去する吸着器を備えた請求項５記載の石炭ガス化ガス精製装置。
7. 前記第二間接冷却器で間接冷却したガス化ガスが導入され、且つ該ガス化ガス中のミスト化したタール分を除去した後、ガス化ガスを前記吸着器に導く補助ミスト除去器を備えた請求項６記載の石炭ガス化ガス精製装置。
8. 前記タール分を除去する機器において発生するタール分を含有した排水を処理することにより可燃性物質を濃縮し、該濃縮した可燃性物質をガス化の原料或いは熱源としてガス化炉に投入する排水処理器を備えた請求項５〜７のいずれか一つに記載の石炭ガス化ガス精製装置。

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