JP5407376B2 - ガス化ガス精製方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、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、石炭等のガス化ガス精製装置は、図４に示す如くガス化原料として石炭と水蒸気とを供給してガス化ガスを生成するガス化炉１と、ガス化炉１からのガス化ガスを高温にて酸化改質する酸化改質炉２と、酸化改質炉２で改質したガス化ガスを冷却する水冷壁３と、水冷壁３で冷却したガス化ガスを更に冷却して熱回収する熱交換器４と、熱交換器４で冷却した後のガス化ガスを冷却する直接冷却器５と、直接冷却器５で冷却したガス化ガスを更に間接冷却する間接冷却器６と、間接冷却器６で間接冷却したガス化ガスを加圧する昇圧機７と、昇圧機７で昇圧されたガス化ガスから硫黄分・窒素分・ＣＯ_２等を除去する脱硫器・脱窒素器・脱ＣＯ_２器８と、直接冷却器５、間接冷却器６、昇圧機７で発生した排水を処理する排水処理器９とを備えている。

ガス化炉１は、石炭を７００℃〜９００℃の温度にてガス化するように設定されており、更にガス化炉１には、石炭と水蒸気のみならず、排水処理器９からのタール分やチャー、循環して残ったガス化ガス等が供給されるようになっている。

酸化改質炉２は、酸素、空気を導入すると共に水素を燃焼して１１００℃〜１３００℃程度の高温になるように設定されている。

水冷壁３は、冷却水等の配管を有する構成を備えると共に、熱交換器４は、ボイラ等の熱回収構造により構成されている。

直接冷却器５は、水スプレー噴霧等の冷却手段を備えると共に、間接冷却器６は、熱交換用の配管等の間接冷却手段を備えている。

昇圧機７は、ガス化ガスを１MPa〜５MPa程度まで加圧するガスコンプレッサである。

脱硫器・脱窒素器・脱ＣＯ_２器８は、ガス化ガスから硫黄分（Ｈ_２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ_２）、窒素分（ＮＨ_３、ＨＣＮ）及びＣＯ_２を分離するように構成されている。

排水処理器９は、直接冷却器５、間接冷却器６、昇圧機７において発生する排水を処理し、可燃性物質のタール分及びチャーと、窒素分と、処理水とを分離するように構成されている。

ガス化ガスを処理する際には、ガス化炉１において石炭等をガス化し、ガス化炉１からのガス化ガスを酸化改質炉２で酸化・水蒸気改質することでガス化ガスに含まれるタール分を除去し、改質したガス化ガスを水冷壁３で冷却し、更に熱交換器４で冷却して熱回収し、冷却後のガス化ガスを直接冷却器５及び間接冷却器６で冷却してガス化ガスに残存する水蒸気を凝縮させ、冷却したガス化ガスを昇圧機７で加圧し、加圧したガス化ガスを脱硫器・脱窒素器・脱ＣＯ_２器８で冷却して硫黄分、窒素分、ＣＯ_２を分離し、水素とＣＯを含むガス化ガスを合成ガスとして発電、化学原料合成に利用する。

ここで酸化改質炉２の出口側では、水冷壁３でガス温度を１１００℃程度まで下げ、下流側の熱交換器４等の耐久性を保証しているが、ガス化ガスの２０％程度（モル流量比）の冷却水（クエンチ水）を噴霧してガス温度を１１００℃程度まで下げ、下流側の熱交換器４等の耐久性を保証しても良い。またガス化炉１に投入した水蒸気や、噴霧した冷却水は、下流側の直接冷却器５、間接冷却器６、昇圧機７で温度低下に伴って凝縮され、排水処理器９に送られている。

また排水処理器９は、排水から可燃性物質のタール分、チャー及び窒素分を分離してガス化炉１へ供給している。

尚、ガス化ガス精製方法や燃料ガス改質装置の一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１,２がある。

特開２００７−４５８５７号公報 特開２００５−６０５３３号公報

しかしながら、このようなガス化ガス精製方法及び装置においてガス化ガスを処理する場合には、ガス化ガスを効率的に利用することが求められており、特に有用性の高い水素の収量を増やす必要があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、水素の収量を増やす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。

本発明のガス化ガス精製方法は、ガス化炉にガス化原料として石炭と水蒸気とを供給してガス化ガスとし、該ガス化炉からのガス化ガスを酸化改質炉で酸化改質してガス化ガス中のタール分を除去し、該改質した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冷却器で冷却してガス化ガスに残存する水蒸気を凝縮させ、該冷却したガス化ガスを昇圧機で加圧し、該加圧したガス化ガスをＣＯ_２吸収装置で処理してＣＯを取り出すガス化ガス精製方法であって、前記ＣＯ_２吸収装置で取り出したＣＯを前記ガス化炉の下流側へ戻し、ＣＯとガス化ガスの水蒸気とに対してシフト反応を行って水素に変換し、更に下流側に配置した水素分離膜にガス化ガスを１０００℃以上の温度で通してガス化ガスから水素を分離するものである。

また本発明のガス化ガス精製方法においては、ＣＯ_２吸収装置で取り出したＣＯを酸化改質炉の出口側へ戻すことが好ましい。

また本発明のガス化ガス精製方法においては、酸化改質炉と熱交換器の間で水素分離膜により水素を分離することが好ましい。

また本発明のガス化ガス精製方法においては、熱交換器と冷却器の間で、酸性ガスシフト反応器によりガス化ガスに対してシフト反応を行い、更に水素分離膜により水素を分離することが好ましい。

本発明のガス化ガス精製装置は、ガス化原料として石炭と水蒸気とを供給してガス化ガスを生成するガス化炉と、
ガス化炉からのガス化ガスを酸化改質する酸化改質炉と、
該酸化改質炉で改質した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冷却して水蒸気を凝縮させる冷却器と、
該冷却器で冷却したガス化ガスを加圧する昇圧機と、
該昇圧機で加圧したガス化ガスを処理してＣＯを取り出すＣＯ_２吸収装置と、
該ＣＯ_２吸収装置で取り出したＣＯを前記ガス化炉の下流側へ戻す戻しラインと、
前記酸化改質炉の下流側でガス化ガスから水素を１０００℃以上の温度で分離する水素分離膜とを備えるものである。

また本発明のガス化ガス精製装置においては、ＣＯ_２吸収装置で取り出したＣＯを酸化改質炉の出口側へ戻す戻しラインを備えることが好ましい。

また本発明のガス化ガス精製装置においては、酸化改質炉と熱交換器の間に、水素を分離する水素分離膜の分離器を備えることが好ましい。

また本発明のガス化ガス精製装置においては、熱交換器と冷却器の間に、ガス化ガスに対してシフト反応を行う酸性ガスシフト反応器を備えると共に、酸性ガスシフト反応器の下流側に、水素を分離する水素分離膜の分離器を備えることが好ましい。

本発明のガス化ガス精製方法及び装置によれば、ＣＯ_２吸収装置で取り出したＣＯをガス化炉の下流側へ戻し、ＣＯとガス化ガスの水蒸気とに対してシフト反応を行って水素に変換し、更に下流側に配置した水素分離膜でガス化ガスから水素を分離するので、水素の収量を増やすことができる。またガス化ガスの精製処理や機器に影響を与えることなく、好適に水素を取り出すことができるという優れた効果を奏し得る。

本発明の実施例１を示す全体概要構成図である。 本発明の実施例１であって戻しラインの供給先を変更した例を示す全体概要構成図である。 本発明の実施例２を示す全体概要構成図である。 従来のガス化ガス精製装置を示す全体概要構成図である。

以下、本発明の実施例１を図１を参照して説明する。

図１はガス化ガス精製方法及び装置を実施する実施例１であり、図中、図４と同一の符号を付した部分は同一物を表している。

実施例１のガス化ガス精製装置は、ガス化原料として石炭と水蒸気とを供給してガス化ガスを生成するガス化炉１と、ガス化炉１からのガス化ガスを高温にて酸化改質する酸化改質炉２と、酸化改質炉２で改質したガス化ガスを冷却する水冷壁３と、水冷壁３で冷却したガス化ガスを更に冷却して熱回収する熱交換器４と、熱交換器４で冷却した後のガス化ガスを冷却する直接冷却器（冷却器）５と、直接冷却器５で冷却したガス化ガスを更に間接冷却する間接冷却器６と、間接冷却器６で間接冷却したガス化ガスを加圧する昇圧機７と、昇圧機７で昇圧されたガス化ガスからＣＯ_２を分離するＣＯ_２吸収装置１０と、直接冷却器５、間接冷却器６、昇圧機７で発生した排水を処理する排水処理器９とを備えている。

ここで、熱交換器４、直接冷却器５、間接冷却器６、昇圧機７、排水処理器９は、従来例と略同じ構成を備えており、ＣＯ_２吸収装置１０は、アミンやメタノール、ポリエチレングリコール等の吸収液を用いるＣＯ_２吸収塔等で構成され、硫黄分、窒素分、ＣＯ、ＣＯ_２を分離するようになっている。

酸化改質炉２の下流側に位置する水冷壁３と熱交換器４の間には、水素を分離するように、水素分離膜を有する分離器１１が配置されている。分離器１１の水素分離膜は、シリカ系やアルミナ系のセラミック分離膜やセラミックで強化したパラジウム膜で構成されている。ここで水素分離膜は分離器１１に着脱し得るものでも良いし、固定するものでも良いし、ガス化ガスを通過させるものならば形状や設置構造は特に制限されるものではない。

また水素分離膜を有する分離器１１には、分離した水素を製品の状態で利用先へ供給する供給ライン１２が接続されており、供給ライン１２には、冷水管等を有する間接冷却器１３が配置されている。ここで分離器１１では、ガス化ガスを１０００℃以上で水素分離膜に通し、タール分等が水素分離膜に詰まることを防止するようにしている。

一方、ＣＯ_２吸収装置１０には、分離したＣＯをガス化炉の下流側へ戻すように、酸化改質炉２の出口側に接続される戻しライン１４が配置されている。ここで酸化改質炉２の出口側とは、酸化改質炉２の出口の近傍であって酸化改質炉２の出口側に位置するラインや反応器等を示している。また戻しライン１４にはＣＯの温度を調整し得るように加熱器（図示せず）を備えても良い。更に戻しライン１４は図２に示す如く供給先を酸化改質炉２の入口側にしても良く、ＣＯを酸化改質炉２の入口側に供給する場合には、戻しライン１４に加熱器１４ａを備えて酸化改質炉２の温度を低下させないようにしている。

以下本発明の実施例１の作用を説明する。

ガス化ガスを処理する際には、ガス化炉１において石炭等をガス化し、ガス化炉１からのガス化ガスを酸化改質炉２で酸化改質することでガス化ガスに含まれるタール分を除去し、改質したガス化ガスを水冷壁３で冷却し、冷却後のガス化ガスを約１０００℃〜１１００℃程度の温度で水素分離膜の分離器１１に通してガス化ガス中の水素を分離し、ガス化ガスの主成分をＣＯ、ＣＯ_２、水蒸気にすると共に微量成分を硫黄分（Ｈ_２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ_２）、窒素分（ＮＨ_３、ＨＣＮ）にする。

続いて熱交換器４で冷却して熱回収した後、冷却後のガス化ガスを直接冷却器５及び間接冷却器６で冷却してガス化ガスに残存する水蒸気を凝縮させて分離し、冷却したガス化ガスを昇圧機７で加圧し、加圧したガス化ガスをＣＯ_２吸収装置１０で処理して硫黄分、窒素分、ＣＯ、ＣＯ_２を分離し、更に常温のＣＯを戻しライン１４から酸化改質炉２の出口側に高濃度で供給する。

酸化改質炉２の出口側に供給された常温のＣＯはガス化ガスの温度を冷却し、約１０００℃以上１１００℃以下、好ましくは約１１００℃にする。ここでガス化ガスの冷却は、冷却水の冷却や水冷壁３の冷却を併用しても良いし、常温のＣＯの供給による冷却、冷却水の冷却、水冷壁３の冷却から選択しても良い。

酸化改質炉２の出口側にＣＯが供給されると、１０００℃以上１１００℃以下、好ましくは約１１００℃で、触媒を用いることなく、ＣＯ及びガス化ガス中の水蒸気に対し、気相でシフト反応を行って水素に変換し、ガス化ガス中の水素濃度を高める。

そしてガス化ガスを約１０００℃〜１１００℃程度の温度で水素分離膜の分離器１１に通してガス化ガス中の水素を分離し、分離した水素を供給ライン１２に供給し、間接冷却器１３により冷却して製品の状態で利用先に供給する。

ここで戻しライン１４を適用してＣＯを供給をした場合と、戻しライン１４を適用せずにＣＯを供給しない場合とを比較すると、戻しライン１４を適用してＣＯをリサイクルした場合には、水素分離膜の分離器１１で分離された水素が、ＣＯを供給しない場合に比べて収量で約４％ほど増加することが明らかとなった。

而して、このように実施例１によれば、ＣＯ_２吸収装置１０で取り出したＣＯをガス化炉の下流側へ戻し、ＣＯとガス化ガスの水蒸気とに対してシフト反応を行って水素に変換し、更に下流側に配置した水素分離膜でガス化ガスから水素を分離するので、水素の収量を増やすことができる。またガス化ガスの精製処理や機器に影響を与えることなく、好適に水素を取り出すことができる。

実施例１において、ＣＯ_２吸収装置１０で取り出したＣＯを酸化改質炉２の出口側へ戻すと、ＣＯとガス化ガスの水蒸気とに対してシフト反応を好適に行って水素に変換するので、水素の収量を一層増やすことができる。またＣＯを酸化改質炉２の出口側へ戻すことによりガス化ガスの温度を冷却するので、下流側の機器の温度耐久性を確保し、ガス化ガスの精製処理や機器に影響を与えることなく、水素を適切に取り出すことができる。更に約１０００℃以上１１００℃以下、好ましくは約１１００℃で、ＣＯとガス化ガス中の水蒸気に対してシフト反応を行うので、適切に水素に変換することができる。ここで、温度が１１００℃より高温の場合には、下流側の機器の温度耐久性を損なう可能性を生じ、温度１０００℃より低温の場合には、シフト反応触媒が必要になるという問題がある。

実施例１において、酸化改質炉２と熱交換器４の間で水素分離膜により水素を分離すると、ＣＯとガス化ガスの水蒸気とのシフト反応により生じた水素を好適に分離し得るので、水素の収量を一層増やすことができる。また水素分離膜で分離した水素を間接冷却器１３により冷却すると、分離した水素を製品の状態で利用先に供給し得るので、水素を容易に利用することができる。

以下、本発明の実施例２を図３を参照して説明する。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。

本発明のガス化ガス精製方法及び装置の実施例２は、水素を分離する構成や分離位置を変更したものであり、その他の構成は実施例１と略同じ構成を備えている。

実施例２の直接冷却器５、間接冷却器６、昇圧機７、排水処理器９、ＣＯ_２吸収装置１０は、実施例１と同様に構成されており、ＣＯ_２吸収装置１０で分離したＣＯをガス化炉１の下流側へ戻す戻しライン１４も実施例１と同様に構成されている。ここで戻しライン１４は実施例１と同様に供給先を酸化改質炉２の入口側にすると共に加熱器１４ａを備えても良い。

熱交換器４と直接冷却器（冷却器）５の間には、ガス化ガスに対してシフト反応を行う酸性ガスシフト反応器１５が配置されていると共に、酸性ガスシフト反応器１５と直接冷却器５の間には、水素を分離する水素分離膜の分離器１６が配置されている。

酸性ガスシフト反応器１５は、シフト反応を生じる触媒を備えており、触媒は酸性ガスシフト触媒であってガス化ガス中の硫黄分による被毒を回避するようにしている。

また分離器１６の水素分離膜は、実施例１と同様に、シリカ系やアルミナ系のセラミック分離膜やセラミックで強化したパラジウム膜で構成されている。ここで水素分離膜は分離器１６に着脱し得るものでも良いし、固定するものでも良いし、ガス化ガスを通過させるものならば形状や設置構造は特に制限されるものではない。

更に水素分離膜を有する分離器１６には、分離した水素を製品の状態で利用先へ供給する供給ライン１７が接続されており、供給ライン１７には、冷水管等を有する間接冷却器１８が配置されている

以下本発明を実施する実施例２の作用を説明する。

ガス化ガスを処理する際には、ガス化炉１において石炭等をガス化し、ガス化炉１からのガス化ガスを酸化改質炉２で酸化改質することでガス化ガスに含まれるタール分を除去し、改質したガス化ガスを水冷壁３で冷却し、更に熱交換器４で冷却して熱回収し、ガス化ガスを酸性ガスシフト反応器１５及び水素分離膜の分離器１６に通して水素を分離し、ガス化ガスの主成分をＣＯ、ＣＯ_２、水蒸気にすると共に微量成分を硫黄分（Ｈ_２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ_２）、窒素分（ＮＨ_３、ＨＣＮ）にする。

続いてガス化ガスを直接冷却器５及び間接冷却器６で冷却してガス化ガスに残存する水蒸気を凝縮させて分離し、冷却したガス化ガスを昇圧機７で加圧し、加圧したガス化ガスをＣＯ_２吸収装置１０で処理して硫黄分、窒素分、ＣＯ、ＣＯ_２を分離し、更に常温のＣＯを戻しライン１４から酸化改質炉２の出口側に高濃度で供給する。

酸化改質炉２の出口側に供給された常温のＣＯはガス化ガスの温度を冷却し、約１０００℃以上１１００℃以下、好ましくは約１１００℃にする。ここでガス化ガスの冷却は、冷却水の冷却や水冷壁３の冷却を併用しても良いし、常温のＣＯの供給による冷却、冷却水の冷却、水冷壁３の冷却から選択しても良い。

酸化改質炉２の出口側にＣＯが供給されると、１０００℃以上１１００℃以下、好ましくは約１１００℃で、触媒を用いることなく、ＣＯ及びガス化ガス中の水蒸気に対して気相でシフト反応を行って水素に変換し、ガス化ガス中の水素濃度を高める。

そして熱交換器４により冷却したガス化ガスを約４００℃〜５００℃程度の温度で酸性ガスシフト反応器１５に通してガス化ガス中の水素濃度を更に高め、そしてガス化ガスを水素分離膜の分離器１６に通して水素を分離し、分離した水素を供給ライン１７に供給し、間接冷却器１８により冷却して製品の状態で利用先に供給する。

而して、このように実施例２によれば、実施例１と同様な作用効果を得ることができる。

また実施例２において、熱交換器４と直接冷却器（冷却器）５の間で、酸性ガスシフト反応器１５によりガス化ガスに対してシフト反応を行い、更に水素分離膜により水素を分離すると、酸性ガスシフト反応器１５により水素濃度を高めると共に水素を好適に分離し得るので、水素の収量を一層増やすことができる。また水素分離膜で分離した水素を間接冷却器１８により冷却すると、分離した水素を製品の状態で利用先に供給し得るので、水素を容易に利用することができる。

尚、本発明の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、戻しラインの供給先は、ガス化炉の下流側から水素分離膜までの間ならば他の位置でも良いこと、その他、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。

１ ガス化炉
２ 酸化改質炉
４ 熱交換器
５ 直接冷却器（冷却器）
７ 昇圧機
１０ ＣＯ_２吸収装置
１１ 分離器
１４ 戻しライン
１５ 酸性ガスシフト反応器
１６ 分離器

Claims (8)

1. ガス化炉にガス化原料として石炭と水蒸気とを供給してガス化ガスとし、該ガス化炉からのガス化ガスを酸化改質炉で酸化改質してガス化ガス中のタール分を除去し、該改質した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冷却器で冷却してガス化ガスに残存する水蒸気を凝縮させ、該冷却したガス化ガスを昇圧機で加圧し、該加圧したガス化ガスをＣＯ_２吸収装置で処理してＣＯを取り出すガス化ガス精製方法であって、前記ＣＯ_２吸収装置で取り出したＣＯを前記ガス化炉の下流側へ戻し、ＣＯとガス化ガスの水蒸気とに対してシフト反応を行って水素に変換し、更に下流側に配置した水素分離膜にガス化ガスを１０００℃以上の温度で通してガス化ガスから水素を分離することを特徴とするガス化ガス精製方法。
2. ＣＯ_２吸収装置で取り出したＣＯを酸化改質炉の出口側へ戻すことを特徴とする請求項１に記載のガス化ガス精製方法。
3. 酸化改質炉と熱交換器の間で水素分離膜により水素を分離することを特徴とする請求項１に記載のガス化ガス精製方法。
4. 熱交換器と冷却器の間で、酸性ガスシフト反応器によりガス化ガスに対してシフト反応を行い、更に水素分離膜により水素を分離することを特徴とする請求項１に記載のガス化ガス精製方法。
5. ガス化原料として石炭と水蒸気とを供給してガス化ガスを生成するガス化炉と、
   ガス化炉からのガス化ガスを酸化改質する酸化改質炉と、
   該酸化改質炉で改質した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冷却して水蒸気を凝縮させる冷却器と、
   該冷却器で冷却したガス化ガスを加圧する昇圧機と、
   該昇圧機で加圧したガス化ガスを処理してＣＯを取り出すＣＯ_２吸収装置と、
   該ＣＯ_２吸収装置で取り出したＣＯを前記ガス化炉の下流側へ戻す戻しラインと、
   前記酸化改質炉の下流側でガス化ガスから水素を１０００℃以上の温度で分離する水素分離膜とを備えたことを特徴とするガス化ガス精製装置。
6. ＣＯ_２吸収装置で取り出したＣＯを酸化改質炉の出口側へ戻す戻しラインを備えたことを特徴とする請求項５に記載のガス化ガス精製装置。
7. 酸化改質炉と熱交換器の間に、水素を分離する水素分離膜の分離器を備えたことを特徴とする請求項５に記載のガス化ガス精製装置。
8. 熱交換器と冷却器の間に、ガス化ガスに対してシフト反応を行う酸性ガスシフト反応器を備えると共に、酸性ガスシフト反応器の下流側に、水素を分離する水素分離膜の分離器を備えたことを特徴とする請求項５に記載のガス化ガス精製装置。

Images