JP6934437B2 - ガス精製装置 - Google Patents

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Description

本開示は、ガス精製装置に関する。
石炭ガス化複合発電プラントにおいて、石炭をガス化して得られる生成ガスは、アンモニア除去部、例えば水洗塔でアンモニア（ＮＨ３）が除去された後、硫化水素吸収塔でアミン水溶液を用いて硫化水素（Ｈ２Ｓ）が除去されることによって精製される。特許文献１及び２には、水洗塔で除去されたＮＨ３は、ストリッパーでオフガスとして得ることができ、燃焼装置によって還元性雰囲気にて燃焼され、硫化水素吸収塔で除去されたＨ２Ｓは、オフガスとして燃焼装置によって酸化性雰囲気にて燃焼されることが記載されている。
特許第３９２４１５０号公報 特開２００４−３６９８３号公報
しかしながら、特許文献１及び２に記載のガス精製装置では、ＮＨ３の除去は水洗塔でしか行われていないので、水洗塔でＮＨ３を完全に除去することが想定されており、そうすると、水洗塔の高さが高くなって（アンモニア除去部のサイズが大きくなって）ガス精製装置のコストが増加してしまうといった問題点があった。仮に、水洗塔でＮＨ３を完全に除去しない場合には、除去されなかったＮＨ３が硫化水素吸収塔に流入し、Ｈ２Ｓと共にアミン水溶液で回収されてオフガスとなるので、Ｈ２Ｓ及びＮＨ３の混合ガスの処理設備が必要となり、ガス精製装置のコストが増加してしまう。
上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、アンモニア除去部のサイズを小さくできるガス精製装置を提供することを目的とする。
本発明の少なくとも１つの実施形態に係るガス精製装置は、アンモニア及び硫化水素を含む第１ガスを精製するガス精製装置であって、第１ガスに含まれるアンモニアの一部を第１ガスから除去するアンモニア除去部と、アンモニア除去部で除去されたアンモニアを含む第１オフガスを回収する第１オフガス回収部と、アンモニア除去部でアンモニアの一部が除去された第２ガスから硫化水素及びアンモニアを除去する硫化水素・アンモニア除去部と、硫化水素・アンモニア除去部で除去された硫化水素及びアンモニアを含む第２オフガスを回収する第２オフガス回収部と、第１オフガス及び第２オフガスを燃焼する燃焼部とを備え、燃焼部は、還元性雰囲気にて燃焼が行われる第１燃焼室と、第１燃焼室の下流側で還元性雰囲気にて燃焼が行われる第２燃焼室と、第２燃焼室の下流側で酸化性雰囲気にて燃焼が行われる第３燃焼室とを含み、第１オフガスは第１燃焼室に流入するとともに第２オフガスは第３燃焼室に流入するように構成されている。
この構成によると、アンモニア除去部で第１ガスからＮＨ３を完全に除去しなくても、第２ガス中に残存したＮＨ３を燃焼部でＨ２Ｓと共に処理できるので、アンモニア除去部でのＮＨ３の除去率を低下させることにより、アンモニア除去部のサイズを小さくすることができる。
いくつかの実施形態では、第２ガスは２ｐｐｍ以上のアンモニアを含んでもよい。アンモニア除去部で除去されずに第２ガス中に残存したＮＨ３は、第２オフガスに含まれて、第３燃焼室内で酸化性雰囲気にて燃焼される。そうすると、ＮＨ３が燃焼して窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生してしまう。しかしながら、第２ガス中に残存するＮＨ３を２ｐｐｍ以上程度の濃度にすることにより、アンモニア除去部で残存したＮＨ３由来のＮＯｘの発生量をできる限り低減できるので、ＮＯｘの発生量の増加を抑えながら、アンモニア除去部のサイズを小さくすることができる。
いくつかの実施形態では、第１ガスからアンモニアが除去される除去率は９８％以下であってもよい。除去率が１００％近くになると、除去率の増加に伴いアンモニア除去部に必要なサイズが急速に大きくなる。このため、第１ガスからＮＨ３が除去される除去率を９８％以下に抑えることにより、アンモニア除去部で残存したＮＨ３由来のＮＯｘの発生量の増加を抑えながら、アンモニア除去部のサイズを小さくすることができる。
いくつかの実施形態では、第２オフガスの一部が第２燃焼室にも流入するように構成されてもよい。この構成によれば、第２燃焼室ではＮＨ３が還元性雰囲気にて燃焼されるので、ＮＯｘはほとんど発生しない。このため、第３燃焼室で燃焼されるＮＨ３が減少するので、アンモニア除去部で残存したＮＨ３由来のＮＯｘの発生量の増加をさらに抑えながら、アンモニア除去部のサイズを小さくすることができる。
いくつかの実施形態では、第３燃焼室から流出する排ガスを脱硝するための脱硝部をさらに備えてもよい。この構成によれば、第３燃焼室におけるＮＨ３の燃焼によってＮＯｘが発生しても、脱硝部でＮＨ３の少なくとも一部を窒素及び水に分解することにより、ガス精製装置から流出するＮＯｘの総量が低減するので、アンモニア除去部で残存したＮＨ３由来のＮＯｘの発生量の増加をさらに抑えながら、アンモニア除去部のサイズを小さくすることができる。
いくつかの実施形態では、石炭をガス化して得られる生成ガスに含まれるシアン化水素及び硫化カルボニルを加水分解することによって第１ガスを生成する変換器をさらに備えてもよい。この構成によれば、石炭ガス化複合発電プラントにおいて、アンモニア除去部のサイズを小さくすることができる。
本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、アンモニア除去部で第１ガスからＮＨ３を完全に除去しなくても、第２ガス中に残存したＮＨ３を燃焼部でＨ２Ｓと共に処理できるので、アンモニア除去部でのＮＨ３の除去率を低下させることにより、アンモニア除去部のサイズを小さくすることができる。
本開示の実施形態１に係るガス精製装置の構成模式図である。 本開示の実施形態１に係るガス精製装置の燃焼部の構成模式図である。 本開示の実施形態１に係るガス精製装置の水洗塔においてＮＨ３除去率と水洗塔の高さとの関係を模式的に示すグラフである。 本開示の実施形態２に係るガス精製装置の燃焼部の構成模式図である。 本開示の実施形態３に係るガス精製装置の構成模式図である。
以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
（実施形態１）
図１は、本開示の実施形態１に係るガス精製装置１を示している。ガス精製装置１は、石炭ガス化複合発電プラントのガス化炉１００において石炭をガス化して得られる生成ガスを精製するための装置である。より具体的には、ガス精製装置１は、生成ガス中に含まれる硫化カルボニル（ＣＯＳ）及びシアン化水素（ＨＣＮ）の両方を加水分解するための触媒が充填された変換器２においてＣＯＳ及びＨＣＮが加水分解されることによって生成したＨ２Ｓ及びＮＨ３を含む第１ガスから、Ｈ２Ｓ及びＮＨ３を除去するための装置である。
ガス精製装置１は、第１ガスからＮＨ３の一部を除去するアンモニア除去部である水洗塔３と、水洗塔３で除去されたＮＨ３が溶解した排水を気液分離することによりＮＨ３を含む第１オフガスを回収する第１オフガス回収部であるストリッパー４と、水洗塔３でＮＨ３の一部が第１ガスから除去されて生成した第２ガスからＨ２Ｓ及びＮＨ３をアミン水溶液等の吸収液に吸収させることによって除去する硫化水素・アンモニア除去部である硫化水素・アンモニア吸収塔５と、吸収液に吸収されたＨ２Ｓ及びＮＨ３を含む第２オフガスを回収する第２オフガス回収部である吸収再生塔６と、第１オフガス及び第２オフガスを燃焼する燃焼部である燃焼装置７とを備えている。尚、実施形態１に係るガス精製装置１は、石炭ガス化複合発電プラントのガス化炉１００において石炭をガス化して得られる生成ガスを精製するための装置であるため、変換器２もガス精製装置１の構成要件である。
ガス精製装置１は、ストリッパー４において気液分離された排水を処理するための排水処理装置１１をさらに含むことができる。排水処理装置１１では、変換器２において変換されなかったＨＣＮを、ストリッパー４からの排水から分離して燃焼装置７に送るように構成されている。燃焼装置７は、配管１４を介して、燃焼装置７の排ガスを脱硫するための排煙脱硫装置１２に連通している。排煙脱硫装置１２は、配管１５を介して煙突１３に連通している。
また、ガス化炉１００からの生成ガスがガス精製装置１によって精製されて硫化水素・アンモニア吸収塔５から流出した精製ガスを加熱するために、ガス化炉１００と変換器２との間に熱交換器１０２を設けるとともに変換器２と水洗塔３との間に熱交換器１０３を設けることもできる。熱交換器１０２及び１０３において加熱された精製ガスは、石炭ガス化複合発電プラントのガスタービン１０１に送られるようになっている。
図２に示されるように、燃焼装置７は、上流側から下流側に向かって、第１燃焼室７ａと、第２燃焼室７ｂと、第３燃焼室７ｃとに区画されている。第１燃焼室７ａにはバーナ８が設けられ、バーナ８には燃料及び空気のそれぞれが供給されるように構成されている。また、第１燃焼室７ａは、ストリッパー４（図１参照）からの第１オフガスと、排水処理装置１１（図１参照）からのＨＣＮとが供給されるように構成されている。第２燃焼室７ｂは、空気が供給されるように構成されている。第３燃焼室７ｃは、吸収再生塔６（図１参照）からの第２オフガスと空気とが供給されるように構成されている。第３燃焼室７ｃは排熱ボイラー９と連通し、排熱ボイラー９は、配管１４を介して排煙脱硫装置１２（図１参照）に連通している。
次に、実施形態１に係るガス精製装置１の動作について説明する。
図１に示されるように、ガス化炉１００からの生成ガスは、熱交換器１０２において精製ガスと熱交換することによって冷却されて変換器２に流入する。変換器２では、生成ガス中のＣＯＳ及びＨＣＮが触媒によって加水分解されて、Ｈ２Ｓ及びＮＨ３を含む第１ガスが変換器２から流出する。変換器２から流出した第１ガスは、熱交換器１０３において精製ガスと熱交換することによって冷却されて水洗塔３に流入する。
水洗塔３では、第１ガスが水と接触することにより冷却されるとともに、第１ガス中のアＮＨ３が水に吸収されることによって、第１ガスからＮＨ３が除去される。このとき、第１ガスからＮＨ３が完全に除去されるのではなく、ＮＨ３の一部が除去される。水洗塔３から流出する第２ガス中に残存したＮＨ３の濃度は、２ｐｐｍ以上、好ましくは５ｐｐｍ以上、さらに好ましくは１０ｐｐｍ以上、最も好ましくは１０〜５０ｐｐｍである。このように水洗塔３でＮＨ３を完全に除去しないようにすることによって、アンモニア除去部のサイズを小さくすることができる、すなわち水洗塔３の高さを低くすることができる。この効果を以下に説明する。
図３には、水洗塔３においてＮＨ３除去率と水洗塔３の高さとの関係を模式的に示している。図３における横軸のＮＨ３除去率は、水洗塔３に流入するＮＨ３の量に対する水洗塔３から流出する排水に含まれるＮＨ３の量の比である。また、図３における縦軸の水洗塔３の無次元高さは、ＮＨ３除去率が１００％となるのに必要な水洗塔３の高さに対する任意のＮＨ３除去率を得るのに必要な水洗塔３の高さの比である。ＮＨ３除去率が９５〜１００％の範囲では、その範囲以下のＮＨ３除去率に比べて、ＮＨ３除去率の上昇に伴う水洗塔３の無次元高さの上昇が劇的に大きくなる。このため、ＮＨ３除去率を１００％からわずかに低減することにより、水洗塔３の高さを劇的に低くすることができる。例えば、ＮＨ３除去率を９８％以下にすることで、ＮＨ３除去率が１００％の場合に比べて、水洗塔３の高さを７０％以下にすることができ、ガス精製装置１のコストを低減することができる。このように、水洗塔３の高さは水洗塔３におけるＮＨ３除去率と関連するので、ガス精製装置１において水洗塔３よりも下流側の設備におけるＮＨ３の処理能力等を考慮して水洗塔３の高さを設計することができる。
図１に示されるように、水洗塔３でＮＨ３を吸収した水は、排水として水洗塔３から流出しストリッパー４に流入する。ストリッパー４では排水が気液分離されることによって、ＮＨ３を含む第１オフガスと、ＮＨ３が除去された排水とがストリッパー４から流出する。第１オフガスは燃焼装置７に送られ、排水は排水処理装置１１に送られる。排水処理装置１１では、排水に残存するＨＣＮが分離され、ＨＣＮは燃焼装置７に送られる。
水洗塔３で第１ガスからＮＨ３が除去されて生成した第２ガスは、水洗塔３から流出して硫化水素・アンモニア吸収塔５に流入する。硫化水素・アンモニア吸収塔５では、第２ガスがアミン水溶液等の吸収液と接触して第２ガス中のＨ２Ｓ及びＮＨ３が吸収液に溶解することにより、第２ガスからＨ２Ｓ及びＮＨ３が除去される。第２ガスからＨ２Ｓ及びＮＨ３が除去されて生成した精製ガスは、硫化水素・アンモニア吸収塔５から流出し、熱交換器１０３及び１０２のそれぞれにおいて第１ガス及び生成ガスと熱交換して加熱されて、ガスタービン１０１に流入する。
硫化水素・アンモニア吸収塔５でＨ２Ｓ及びＮＨ３を吸収した吸収液は、吸収再生塔６において加熱されることにより、Ｈ２Ｓを脱離して再生される。吸収液から脱離したＨ２Ｓは第２オフガスに含まれるように回収され、第２オフガスは燃焼装置７に送られる。
図２に示されるように、燃焼装置７において、第１燃焼室７ａでは、バーナ８から燃料及び空気が導入されて還元性雰囲気にて燃焼が行われる。第１燃焼室７ａには、ＮＨ３が含まれる第１オフガスと、排水処理装置１１（図１参照）からのＨＣＮが供給されるので、ＮＨ３が還元性雰囲気にて燃焼されて窒素及び水となり、ＨＣＮが還元性雰囲気にて燃焼されて窒素、水、及び二酸化炭素となる。
また、第３燃焼室７ｃでは、酸化性雰囲気にて燃焼が行われる。第３燃焼室７ｃには、Ｈ２Ｓ及びＮＨ３を含む第２オフガスが供給されるので、Ｈ２Ｓが酸化性雰囲気にて燃焼されて二酸化硫黄及び水となり、ＮＨ３が酸化性雰囲気にて燃焼されてＮＯｘと水となる。第２オフガスに含まれるＮＨ３は、上述したように、水洗塔３（図１参照）において完全にＮＨ３を除去しなかったために第２ガス中に残存したＮＨ３である。ガス精製装置１では、水洗塔３において完全にＮＨ３を除去しなくても、水洗塔３で第２ガス中に残存したＮＨ３を燃焼装置７において燃焼除去することができる。
しかし、水洗塔３で第２ガス中に残存したＮＨ３を燃焼装置７において燃焼除去すると、ＮＨ３の酸化性雰囲気における燃焼によってＮＯｘが発生してしまう。この実施形態１では、第２ガス中に残存するＮＨ３を２ｐｐｍ以上程度の濃度にしているので、水洗塔３で第２ガス中に残存したＮＨ３由来のＮＯｘの発生量をできる限り低減することができる。したがって、ガス精製装置１において、ＮＯｘの発生量の増加を抑えながら、水洗塔３の高さを低くすることができる。
燃焼装置７の排ガスは、排熱ボイラー９において冷却された後、配管１４を流通する。図１に示されるように、排ガスは、配管１４を流通した後、排煙脱硫装置１２において脱硫される。脱硫された排ガスは、配管１５を流通した後、煙突１３から大気中に放出される。
このように、水洗塔３で第１ガスからＮＨ３を完全に除去しなくても、第２ガス中に残存したＮＨ３を燃焼装置７でＨ２Ｓと共に処理できるので、水洗塔３でのＮＨ３除去率を低下させることにより、水洗塔３の高さを低くすることができる。その結果、ガス精製装置１のコストを低減することができる。
（実施形態２）
次に、実施形態２に係るガス精製装置について説明する。実施形態２に係るガス精製装置は、実施形態１に対して、燃焼装置７における第２オフガスの処理形態を変更したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図４に示されるように、第２オフガスの一部は第２燃焼室７ｂに流入するとともに第２オフガスの残部は第３燃焼室７ｃに流入するように構成されている。その他の構成は実施形態１と同じである。
第２燃焼室７ｂではＮＨ３が還元性雰囲気にて燃焼されるので、ＮＯｘはほとんど発生しない。このため、第３燃焼室７ｃで燃焼されるＮＨ３が減少するので、実施形態１に比べて、水洗塔３で残存したＮＨ３由来のＮＯｘの発生量の増加をさらに抑えながら、水洗塔３の高さを低くすることができる。
（実施形態３）
次に、実施形態３に係るガス精製装置について説明する。実施形態３に係るガス精製装置は、実施形態１及び２のそれぞれに対して、排ガスを脱硝するための脱硝部を追加したものである。以下では、実施形態１の構成に脱硝部を追加した構成で実施形態３を説明するが、実施形態２の構成に脱硝部を追加することによって実施形態３を構成してもよい。尚、実施形態３において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図５に示されるように、配管１４には、燃焼装置７からの排ガスを脱硝するための脱硝部である脱硝装置２０が設けられている。脱硝装置２０には、ＮＯｘを窒素と水に分解するための公知の触媒が充填されている。その他の構成は実施形態１と同じである。
実施形態１において記載したように、第３燃焼室７ｃ（図２参照）でのＮＨ３の燃焼によりＮＯｘが発生する。しかし、実施形態３では、排ガスに含まれるＮＯｘの少なくとも一部が脱硝装置２０において窒素及び水に分解されるので、実施形態１に比べて、ガス精製装置１から流出するＮＯｘの総量が低減する。このため、水洗塔３で第２ガス中に残存したＮＨ３由来のＮＯｘの発生量の増加をさらに抑えながら、水洗塔３の高さを低くすることができる。
実施形態１〜３ではそれぞれ、ガス精製装置１を石炭ガス化複合発電プラントの一部として説明したが、この形態に限定するものではなく、ガス精製装置１は任意の設備に設けることができる。この場合、ガス精製装置１は変換器２を必ずしも有さなくてもよく、ガス精製装置１は、任意の設備から排出される第１ガス（Ｈ２Ｓ及びＮＨ３を含むガス）を精製するための装置であってもよい。
１ ガス精製装置
２ 変換器
３ 水洗塔（アンモニア除去部）
４ ストリッパー（第１オフガス回収部）
５ 硫化水素・アンモニア吸収塔（硫化水素・アンモニア除去部）
６ 吸収再生塔（第２オフガス回収部）
７ 燃焼装置（燃焼部）
７ａ 第１燃焼室
７ｂ 第２燃焼室
７ｃ 第３燃焼室
８ バーナ
９ 排熱ボイラー
１１ 排水処理装置
１２ 排煙脱硫装置
１３ 煙突
１４ 配管
１５ 配管
２０ 脱硝装置（脱硝部）
１００ ガス化炉
１０１ ガスタービン
１０２ 熱交換器
１０３ 熱交換器

Claims (6)

  1. アンモニア及び硫化水素を含む第１ガスを精製するガス精製装置であって、
    前記第１ガスに含まれるアンモニアの一部を前記第１ガスから除去するアンモニア除去部と、
    前記アンモニア除去部で除去されたアンモニアを含む第１オフガスを回収する第１オフガス回収部と、
    前記アンモニア除去部でアンモニアの一部が除去された第２ガスから硫化水素及びアンモニアを除去する硫化水素・アンモニア除去部と、
    前記硫化水素・アンモニア除去部で除去された硫化水素及びアンモニアを含む第２オフガスを回収する第２オフガス回収部と、
    前記第１オフガス及び前記第２オフガスを燃焼する燃焼部と
    を備え、
    前記燃焼部は、
    還元性雰囲気にて燃焼が行われる第１燃焼室と、
    前記第１燃焼室の下流側で還元性雰囲気にて燃焼が行われる第２燃焼室と、
    前記第２燃焼室の下流側で酸化性雰囲気にて燃焼が行われる第３燃焼室と
    を含み、
    前記第１オフガスは前記第１燃焼室に流入するとともに前記第２オフガスは前記第３燃焼室に流入するように構成されているガス精製装置。
  2. 前記第２ガスは２ｐｐｍ以上のアンモニアを含む、請求項１に記載のガス精製装置。
  3. 前記第１ガスからアンモニアが除去される除去率は９８％以下である、請求項１または２に記載のガス精製装置。
  4. 前記第２オフガスの一部が前記第２燃焼室にも流入するように構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス精製装置。
  5. 前記第３燃焼室から流出する排ガスを脱硝するための脱硝部をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス精製装置。
  6. 石炭をガス化して得られる生成ガスに含まれるシアン化水素及び硫化カルボニルを加水分解することによって前記第１ガスを生成する変換器をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス精製装置。
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