乾式ガス精製設備及び石炭ガス化複合発電設備
【課題】不純物の除去剤や配管等に炭素が析出することを防止し、石炭ガス化ガスを乾式で精製することができる乾式ガス精製設備及び当該乾式ガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備を提供する。
【解決手段】石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスを脱硫装置６に送る配管２１に、水蒸気を添加する。石炭ガス化ガスに水蒸気を添加することで、脱硫装置６においては、配管表面や脱硫剤に炭素が析出することが防止される。すなわち、水蒸気の添加により、（１）水性シフト反応が促進され、（２）ＣＯ２のモル分率ｘＣＯ２が増大する。（３）モル分率ｘＣＯ２が増大すると、一酸化炭素から二酸化炭素及び炭素への反応であるBoudouard反応が抑制され、（４）炭素の析出が抑制される。
【解決手段】石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスを脱硫装置６に送る配管２１に、水蒸気を添加する。石炭ガス化ガスに水蒸気を添加することで、脱硫装置６においては、配管表面や脱硫剤に炭素が析出することが防止される。すなわち、水蒸気の添加により、（１）水性シフト反応が促進され、（２）ＣＯ２のモル分率ｘＣＯ２が増大する。（３）モル分率ｘＣＯ２が増大すると、一酸化炭素から二酸化炭素及び炭素への反応であるBoudouard反応が抑制され、（４）炭素の析出が抑制される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾式ガス精製設備及び石炭ガス化複合発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭は世界の広い地域に存在し、可採埋蔵量が多く、価格が安定しているため、供給安定性が高く発熱量あたりの価格が低廉である。かかる石炭を燃料とする火力発電の一つの方式として、石炭ガス化複合発電（IGCC：Integrated Coal Gasfication Combined Cycle）が知られている。石炭ガス化複合発電では、石炭を不完全燃焼させて得られた石炭ガス化ガスを燃料としてガスタービンを駆動して電力を得ると共に、ガスタービンの排気熱を回収して蒸気を発生させ、発生した蒸気により蒸気タービンを駆動して電力を得ている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
石炭ガス化炉で発生する石炭ガス化ガスには、燃焼される一酸化炭素の他に、硫黄化合物（硫化物）等の不純物や後続機器に対して影響を与える不純物、微量成分が含まれるため、ガス精製設備により石炭ガス化ガスの不純物を除去して燃料ガスとしている。
【０００４】
このようなガス精製設備としては、石炭ガス化ガスの温度を露点を上回る温度に維持して不純物を除去する乾式のガス精製設備がある（例えば、特許文献２参照）。かかる乾式ガス精製設備によれば、石炭ガス化ガスを高温のまま精製することができるので、温度や圧力の昇降を抑えて燃料ガスを得ることができる。
【０００５】
しかしながら、石炭ガス化炉で発生した石炭ガス化ガスは１０００℃以上であり、乾式ガス精製設備で不純物を除去するために適した温度（４５０℃程度）にまで降温する必要があるが、このとき、石炭ガス化ガス中の一酸化炭素が固体の炭素として析出してしまうことが懸念される。
【０００６】
すなわち、石炭ガス化炉から乾式ガス精製設備に至る配管や、乾式ガス精製設備の反応器の材質は鉄を含むため、鉄を触媒として配管等の表面に炭素が析出し、得られる燃料ガスのカロリーが低下したり、機器の劣化・損傷を誘発する虞がある。また、乾式脱硫プロセスで用いられる剤、例えば硫黄化合物を除去するための亜鉛フェライトなどの脱硫剤が炭素析出の触媒として作用してしまい、炭素析出により脱硫剤の本来の脱硫作用を阻害してしまう虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５―１７１１４８号公報
【特許文献２】特開２００９−１７３７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、不純物の除去剤や配管等に炭素が析出することを防止し、石炭ガス化ガスを乾式で精製することができる乾式ガス精製設備及び当該乾式ガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための第１の態様は、石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガス中の不純物を除去する除去装置と、前記除去装置において炭素の析出を抑制する流体を、前記除去装置の上流で前記石炭ガス化ガスに添加する流体添加手段とを備えることを特徴とする乾式ガス精製設備にある。
【００１０】
かかる第１の態様では、除去装置の配管表面や不純物の除去剤に、石炭ガス化ガス中の一酸化炭素から炭素が析出することを防止することができる。これにより、除去剤が有する不純物の除去機能が炭素析出で阻害されることが防止され、確実に石炭ガス化ガスを精製することができる。また、除去装置の配管表面などで炭素析出が抑制されるので、装置の劣化損傷が抑えられる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する乾式ガス精製設備において、前記流体添加手段は、石炭ガス化ガス中の二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガスの反応条件におけるモル分率をそれぞれｘＣＯ２及びｘＣＯとし、石炭ガス化ガスの圧力をＰとし、下記数１で定義されるＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体を前記石炭ガス化ガスに添加することを特徴とする乾式ガス精製設備にある。
〔数１〕
ＫＢ＝ｘＣＯ２／（ｘＣＯ２×Ｐ）
【００１２】
かかる第２の態様では、炭素析出を抑制するために添加する流体として上記ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体を用いることができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する乾式ガス精製設備において、前記流体添加手段は、前記流体として水蒸気を石炭ガス化ガスに添加することを特徴とする乾式ガス精製設備にある。
【００１４】
かかる第３の態様では、上記ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体として水蒸気を用いることができる。
【００１５】
本発明の第４の態様は、第２の態様に記載する乾式ガス精製設備において、前記流体添加手段は、前記流体として二酸化炭素ガスを石炭ガス化ガスに添加することを特徴とする乾式ガス精製設備にある。
【００１６】
かかる第４の態様では、上記ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体として二酸化炭素ガスを用いることができる。
【００１７】
本発明の第５の態様は、第２の態様に記載する乾式ガス精製設備において、前記流体添加手段は、前記流体として水蒸気及び二酸化炭素ガスを含む混合ガスを石炭ガス化ガスに添加することを特徴とする乾式ガス精製設備にある。
【００１８】
かかる第５の態様では、上記ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体として水蒸気及び二酸化炭素ガスを含む混合ガスを用いることができる。
【００１９】
本発明の第６の態様は、石炭及び酸化剤の反応により石炭ガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、前記石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガス中の不純物を除去する除去装置と、前記除去装置において炭素の析出を抑制する流体を、前記除去装置の上流で前記石炭ガス化ガスに添加する流体添加手段と、前記乾式ガス精製設備で得られた燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼手段からの燃焼ガスを膨張することで動力を得るガスタービンと、前記ガスタービンの排気ガスの熱を回収して得られた蒸気を膨張することで動力を得る蒸気タービンとを備え、前記流体添加手段は、前記除去装置の上流において、前記流体として前記蒸気タービンで仕事をした水蒸気を石炭ガス化ガスに添加することを特徴とする石炭ガス化複合発電設備にある。
【００２０】
かかる第６の態様では、上記ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体として、系内の蒸気タービンで仕事をした排気蒸気を有効利用することができ、外部から水蒸気を別途調達することなく、容易に流体添加手段を構成することができる。
【００２１】
本発明の第７の態様は、石炭及び酸化剤の反応により石炭ガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、前記石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガス中の不純物を除去する除去装置と、前記除去装置において炭素の析出を抑制する流体を、前記除去装置の上流で前記石炭ガス化ガスに添加する流体添加手段と、前記乾式ガス精製設備で得られた燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼手段からの燃焼ガスを膨張することで動力を得るガスタービンと、前記ガスタービンの排気ガスの熱を回収して得られた蒸気を膨張することで動力を得る蒸気タービンとを備え、前記流体添加手段は、前記流体として前記ガスタービンの排気ガスを回収する二酸化炭素回収系から、前記除去装置の上流において、石炭ガス化ガスに二酸化炭素を添加することを特徴とする石炭ガス化複合発電設備にある。
【００２２】
かかる第７の態様では、上記ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体として、系内のガスタービンで仕事をした排気ガスを有効利用することができ、外部から二酸化炭素ガスを別途調達することなく、容易に流体添加手段を構成することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、不純物の除去剤や配管等に炭素が析出することを防止し、石炭ガス化ガスを乾式で精製することができる乾式ガス精製設備及び石炭ガス化複合発電設備が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１に係る乾式ガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備の構成図である。
【図２】実施形態１に係る炭素析出防止の原理を示す概念図である。
【図３】石炭ガス化ガスのＫＢと炭素析出量との関係を示すグラフである。
【図４】実施形態２に係る乾式ガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備の構成図である。
【図５】実施形態２に係る炭素析出防止の原理を示す概念図である。
【図６】石炭ガス化ガスに添加した水蒸気及び二酸化炭素ガスの添加量と炭素析出量との関係を示すグラフである。
【図７】石炭ガス化ガスに水蒸気、二酸化炭素ガスのそれぞれを添加した場合の脱硫性能を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
〈実施形態１〉
図１に基づいて、本発明の実施形態に係る乾式ガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備の構成を説明する。
【００２６】
図示するように、石炭ガス化複合発電設備１は、石炭ガス化炉２を備えている。石炭ガス化炉２には、系内からの二酸化炭素が供給され、酸化剤（酸素、空気）の反応により石炭ガス化ガスｇが生成される。二酸化炭素及び酸素で石炭をガス化することで、二酸化炭素のガス化促進効果により、空気、酸素濃度を高めた空気、または酸素で石炭をガス化することに比べ、炉内炭素転換率が大幅に向上する。
【００２７】
石炭ガス化ガスｇには、一酸化炭素や水素ガスなどの可燃成分が含まれ、また、水溶性不純物、凝縮性不純物、粒子状不純物、及びガス状不純物が含まれている。二酸化炭素及び酸素で石炭をガス化することで、石炭ガス化ガスｇに含まれる一酸化炭素や水素は空気で石炭をガス化することに比べ、高濃度になる。石炭ガス化ガスｇは、図示しない除塵手段により除塵されて熱交換器３で所定温度に調整され、乾式ガス精製設備４に送られる。
【００２８】
乾式ガス精製設備４は、石炭ガス化ガスｇの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガスｇの不純物を除去する。本実施形態では、乾式ガス精製設備４は、不純物を除去する除去装置の一例として、ハロゲン化物除去装置５と脱硫装置６とを備えている。
【００２９】
ハロゲン化物除去装置５は、石炭ガス化ガスｇに含まれるハロゲン化物と化学反応するハロゲン化物吸収剤を備えている。ハロゲン化物吸収剤としては、アルミニウムとアルカリ物質との複合酸化物であるアルミン酸アルカリを含有すると共に強度補強添加剤を含有するものを用いることができる。また、アルミン酸アルカリ以外のハロゲン化物吸収剤を用いることも可能である。
【００３０】
脱硫装置６は、石炭ガス化ガスｇに含まれる硫黄化合物と化学反応する金属酸化物系脱硫剤を備えている。金属酸化物系脱硫剤は、硫化カルボニル（ＣＯＳ）や硫化水素（Ｈ２Ｓ）等の硫黄化合物を低濃度まで除去することができる。金属酸化物系脱硫剤としては、硫黄化合物と化学反応する金属酸化物を含んでいれば良く、例えば、酸化鉄を主成分とする脱硫剤、亜鉛フェライトを主成分とする脱硫剤、酸化亜鉛を主成分とする脱硫剤を用いることができる。
【００３１】
なお、乾式ガス精製設備４としては、上述したハロゲン化物除去装置５と脱硫装置６の他に、ガスに含まれるアンモニアを除去するアンモニア除去装置や、ガスに含まれる水銀を除去する水銀除去装置を用いてもよい。
【００３２】
このような乾式ガス精製設備４に石炭ガス化ガスｇが送られると、ハロゲン化物除去装置５でハロゲン化物が除去され、脱硫装置６で硫黄化合物が除去されて精製され、燃料ガスｆとされる。
【００３３】
燃料ガスｆは、燃焼器７に送られる。さらに燃焼器７には、酸素製造装置８で製造された高濃度の酸素が送られ、燃料ガスｆが燃焼される。酸素製造装置８で製造された酸素は石炭ガス化炉２にも供給される。酸素製造装置８は、例えば、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて加圧された酸素が供給される設備や、深冷設備からの酸素が所定圧力に加圧されて供給される設備を適用することができる。
【００３４】
燃焼器７での燃焼により生じた燃焼ガスは、ガスタービン１０に送られて膨張され、発電動力が得られる。ガスタービン１０で仕事を終えた排気ガスｅ（二酸化炭素を主成分とする作動流体）は排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１１で熱回収され、ＨＲＳＧ１１で熱回収された排気ガスｅは圧縮機９で圧縮され、圧縮機９で圧縮された排気ガスｅは、再生熱交換器１２で昇温されて燃焼器７に投入される。再生熱交換器１２は、ガスタービン１０からの排気ガスｅの一部が送られ、排気ガスｅの熱回収を行う。
【００３５】
また、ＨＲＳＧ１１で熱回収された排気ガスｅの一部は、後述する二酸化炭素回収系で回収される。
【００３６】
ガスタービン１０の出口側の排気ガスｅは、二酸化炭素ガスを主成分とする作動流体であるため比熱比が小さく、圧縮機９及びガスタービン１０の出入口温度差が小さくなり、再生熱交換器１２による熱効率を大幅に向上させることができる。つまり、再生による熱効率の効果を得やすいシステムとなっている。
【００３７】
ＨＲＳＧ１１で発生した蒸気は蒸気タービン１３に送られ、蒸気タービン１３で膨張され、動力が得られる。上述した圧縮機９及びガスタービン１０と蒸気タービン１３は、同軸状態で接続され、蒸気タービン１３には発電機１４が接続されている。直列に接続されたガスタービン１０及び蒸気タービン１３の動力により発電機１４が駆動され、ガスタービン１０と蒸気タービン１３による複合発電が行われる。
【００３８】
蒸気タービン１３で仕事を終えた排気蒸気は復水器１５で復水されて図示しない給水ポンプにより給水加熱器１６に送られる。給水加熱器１６にはＨＲＳＧ１１で熱回収された排気ガスｅの一部が送られ、その回収された熱により復水器１５で凝縮された復水が加熱され、ＨＲＳＧ１１に供給される。
【００３９】
ＨＲＳＧ１１で熱回収された排気ガスの一部は、二酸化炭素回収系により二酸化炭素が回収される。すなわち、排気ガスｅ（ＣＯ２を含むガス）は、給水加熱器１６で冷却されたのち、汽水分離器（冷却器）１７で水分が分離され、水分が分離された排気ガスｅ（ＣＯ２）は圧縮機１８で所定圧力に加圧された後、更に、汽水分離器（冷却器）１９で冷却される。冷却されて水分が除去された排気ガスｅ（ＣＯ２）は圧縮機２０で所定圧力に加圧されて石炭ガス化炉２に送られる。余剰のＣＯ２は加圧して液化する等により回収される。
【００４０】
石炭ガス化炉２には、酸化剤として圧縮機９の流体が抽気されて供給される（Ａ）。熱交換器３には、復水器１５からの復水の一部が供給され（Ｂ）、石炭ガス化ガスｇとの熱交換により蒸気を発生させ、発生した蒸気は蒸気タービン１３に送られる（Ｃ）。
【００４１】
上述した石炭ガス化複合発電設備１では、石炭ガス化炉２において、酸化剤と石炭と酸素製造装置８から送られる酸素と、回収された二酸化炭素ガスの反応により石炭ガス化ガスｇが生成され、石炭ガス化ガスｇを乾式ガス精製設備４で精製して燃料ガスｆとし、この燃料ガスｆを燃焼器７に送り、燃焼器７で酸素燃焼することで二酸化炭素を主成分とする比熱比の小さな燃焼ガス（作動流体）が得られ、燃焼器７からの燃焼ガスはガスタービン１０で膨張され発電動力が得られる。ガスタービン１０で仕事を終えた排気ガスｅはＨＲＳＧ１１で熱回収され、ＨＲＳＧ１１及び熱交換器３からの発生蒸気は蒸気タービン１３に送られ発電出力が得られる。また、排気ガスｅの一部は、再生熱交換器１２に送られて熱回収され、石炭ガス化炉２に送られて石炭のガス化に用いられ、又は回収される。
【００４２】
ここで、流体添加手段について説明する。乾式ガス精製設備４の上流側には、脱硫装置６の脱硫剤や配管などで炭素の析出が抑制される組成の石炭ガス化ガスｇとなるように、流体を添加する流体添加手段が設けられている。
【００４３】
このような流体添加手段が設けられることで、脱硫装置６の配管表面や脱硫剤に、石炭ガス化ガスｇ中の一酸化炭素から炭素が析出することを防止することができる。これにより、脱硫剤が有する硫黄化合物の除去機能が炭素析出で阻害されることが防止され、確実に石炭ガス化ガスｇを精製することができる。また、脱硫装置６の配管表面などで炭素析出が抑制されるので、劣化損傷が抑えられる。
【００４４】
このような流体添加手段の具体的構成を説明する。
図１に示すように、流体添加手段は、熱交換器３とハロゲン化物除去装置５とを接続する石炭ガス化ガスｇの配管２１にＨＲＳＧ１１で製造した水蒸気を供給するように構成されている（Ｄ）。
【００４５】
水蒸気を石炭ガス化ガスｇに添加する場所は、乾式ガス精製設備４の上流側であり、かつ、石炭ガス化炉２の下流であればよい。本実施形態では、熱交換器３において、乾式ガス精製設備４での乾式ガス精製プロセスに適した温度にされた石炭ガス化ガスｇの流路となる配管２１に水蒸気を供給するようにした。
【００４６】
配管２１に添加される水蒸気の圧力は、配管２１に送られる石炭ガス化ガスｇの圧力と同等以上にする。例えば、ＨＲＳＧ１１で製造した水蒸気は、配管２１の石炭ガス化ガスに添加するのに適した温度、圧力を有している。なお、石炭ガス化複合発電設備１の系内で水蒸気を抽出する箇所に特に限定はない。蒸気タービン１３で仕事を終えた排気蒸気の圧力が石炭ガス化ガスｇの圧力以下であるならば、より高い圧力の蒸気を別途製造して配管２１に供給するようにしてもよい。
【００４７】
石炭ガス化ガスｇに添加する水蒸気の流量は、ＫＢを増大させるのに必要な流量とする。すなわち、石炭ガス化ガスｇ中の二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガスの平衡におけるモル分率をそれぞれｘＣＯ２及びｘＣＯとし、石炭ガス化ガスｇの圧力をＰとしたとき、乾式ガス精製設備４よりも上流において、下記数２で定義されるＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体を石炭ガス化ガスｇに添加する。
【００４８】
〔数２〕
ＫＢ＝ｘＣＯ２／（ｘＣＯ２×Ｐ）
（なお、二酸化炭素の分圧をＰＣＯ２、一酸化炭素の分圧をＰＣＯとすれば、ＰＣＯ２＝ｘＣＯ２×Ｐ、ＰＣＯ＝ｘＣＯ×Ｐであるので、ＫＢ＝ＰＣＯ２／（ＰＣＯ）２とも表現できる。また、同式の詳細な説明は、本明細書末のＫＢの説明を参照のこと。）
【００４９】
全圧Ｐは、乾式脱硫プロセスの運転圧力であるから、自由に設定することはできない。また、石炭ガス化ガスｇの組成は、石炭ガス化炉２の特性で決まるので、ｘＣＯ２やｘＣＯを自由に変えることはできない。そこで、二酸化炭素ガスもしくは水蒸気のそれぞれを単独で、又は双方を石炭ガス化ガスｇに添加することで、ＫＢを増大させるようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる。
【００５０】
石炭ガス化ガスｇに添加する水蒸気の流量の目安としては、例えば、石炭ガス化ガスｇの流量の５〜１０％程度とすることが好ましい。５％で十分な効果が期待できるが、より高い効果を期待する場合には１０％程度まで増大させてもよい。ただし、水蒸気の添加量を増やすほど、IGCC全体の発電効率を低下させるので添加量は必要最小限とすることが望ましい。なお、水蒸気の添加量と炭素析出量との関係については後述する。
【００５１】
このような構成の流体添加手段を設けることで、石炭ガス化ガスｇにはＫＢを増大させる水蒸気が添加され、脱硫装置６の配管の表面や脱硫剤に炭素が析出することが防止される。このような炭素析出防止の原理を図２に基づいて説明する。
【００５２】
図２に示すように、石炭ガス化炉２から配管２１に送られる石炭ガス化ガスｇに、ＨＲＳＧ１１（図１参照）からの水蒸気が添加されると、（１）下記数３に示す水性シフト反応が左辺から右辺に進み、（２）一酸化炭素のモル分率ｘＣＯが減少し、二酸化炭素のモル分率ｘＣＯ２が増大するためＫＢが増大する。（３）モル分率ｘＣＯ２が増大すると、一酸化炭素から二酸化炭素及び炭素への反応であるBoudouard反応が抑制され、（４）炭素の析出が抑制される。このようにして、石炭ガス化ガスｇに、ＫＢを増大させるように水蒸気を添加することで、脱硫装置６において炭素の析出が抑制される。
【００５３】
〔数３〕
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
【００５４】
ここで、図３に基づいて、石炭ガス化ガスｇのＫＢと炭素析出量との関係について説明する。同図は、配管２１に送られた石炭ガス化ガスｇに様々な流量の水蒸気を加え、そのときのＫＢと、当該石炭ガス化ガスｇにより脱硫装置６の脱硫剤等に生じた炭素の析出量をプロットしたグラフである。横軸はＫＢであり、縦軸は炭素析出量［mol%］である。なお、石炭ガス化ガスｇの温度は４００℃〜４５０℃、圧力は０．９８ＭＰａである。
【００５５】
同図に示すように、石炭ガス化炉２の出口における石炭ガス化ガスｇ（水蒸気が添加されていない状態のもの）は、ＫＢが約０．００７〜０．００８の範囲にある。この範囲の石炭ガス化ガスｇが脱硫装置６に送られると、脱硫剤に、約１〜７mol%の炭素が析出した。
【００５６】
一方、石炭ガス化ガスｇに水蒸気を添加した場合は、脱硫装置６の出口におけるガスのＫＢは約０．０１５〜０．０２３の範囲にあり、何れも炭素は析出しなかった。
【００５７】
これらの結果から、水蒸気の添加は、炭素の析出を抑制する手段として有効であるということが分かった。
【００５８】
ここで、石炭ガス化ガスｇにその流量に対する割合で７．６％の水蒸気を添加した場合を例に、水蒸気を添加したときに期待される効果をＫＢに基づいて説明する。二酸化炭素及び酸素で石炭をガス化したときの、石炭ガス化ガスｇに含まれる主成分の組成を化学平衡計算によって求めると表１の（１）のようになる。石炭ガス化炉２の典型的な運転条件から、全圧Ｐは２７．５１ ｂａｒに設定した。このときのＫＢの値は０．００７１である。この組成の石炭ガス化ガスｇにその流量に対する割合で７．６％の水蒸気を添加したときの組成は（３）となる。このときのＫＢの値は０．００７６であり（１）とほとんど変わらない値である。石炭ガス化炉２では１０００℃以上の温度で生成される石炭ガス化ガスを、乾式ガス精製設備４で不純物を除去するために適した温度（４５０℃程度）にまで降温すると、数３の水性ガスシフト反応が進む。（１）の組成の石炭ガス化ガスｇは、水性ガスシフト反応が４５０℃の化学平衡まで進むことにより（２）の組成となる。このときのＫＢの値は０．０１０２まで僅かに増大する。水蒸気を添加した効果は水性ガスシフト反応後の組成に顕著に現れる。（３）の組成のガスは、水性ガスシフト反応が４５０℃の化学平衡まで進むと、（４）の組成となる。このときのＫＢの値は０．０２２３まで大幅に増大し、図３に示したように、炭素の析出が抑制される。このように水蒸気を添加することによって、水性ガスシフト反応後のＫＢが大幅に増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させることができるため、Boudouard反応の進行を抑制できる。
【００５９】
【表１】
【００６０】
本実施形態に係る流体添加手段を備えた乾式ガス精製設備４は、乾式ガス精製に先立ち、石炭ガス化炉２から供給される石炭ガス化ガスｇに水蒸気を添加することで、乾式ガス精製プロセスにおいて、脱硫剤や脱硫装置６の配管等に炭素が析出することを防止できる。
【００６１】
このような炭素析出抑制効果により、脱硫剤は、脱硫作用が炭素析出により阻害されないので、確実に、乾式ガス精製設備４は、石炭ガス化ガスｇから硫黄化合物を除去して高カロリーの燃料ガスｆを精製できる。
【００６２】
また、乾式ガス精製設備４には、炭素が析出しにくい石炭ガス化ガスｇが供給されるので、脱硫装置６が炭素析出で劣化・損傷することも抑制され、脱硫装置６の保守に要するコストを削減できる。さらに、脱硫装置６の配管等に特殊なコーティングを実施しなくてもよく、脱硫装置６に掛かるコストを更に削減することができる。脱硫剤についても、炭素が析出して交換を要する事態がなくなるので、長期に亘り使用可能となり、脱硫剤に掛かるコストも削減することができる。
【００６３】
さらに、このような乾式ガス精製設備４を備えた石炭ガス化複合発電設備１は、石炭ガス化ガスｇに添加する水蒸気として、系内のＨＲＳＧ１１で製造した水蒸気を有効利用することができ、外部から水蒸気を別途調達することなく、容易に流体添加手段を構成することができる。
【００６４】
なお、図１では、排気ガスｅを圧縮機１８、２０で圧縮して、二酸化炭素回収のための所定圧力にする例を挙げて説明したが、圧縮機の数及び配置は任意であり、設備の規模や機器構成により適宜配置することができる。また、圧縮機９、ガスタービン１０、蒸気タービン１３は一軸で配列して発電機１４を備えた構成としたが、圧縮機９とガスタービン１０の軸と、蒸気タービン１３の軸を並列に配置してそれぞれ発電機を備えた構成としてもよい。
【００６５】
〈実施形態２〉
本実施形態では、石炭ガス化ガスｇに添加する流体として二酸化炭素ガスを用いる場合について説明する。図４は、本実施形態に係る乾式ガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備の概略構成図である。実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６６】
図示するように、流体添加手段は、熱交換器３とハロゲン化物除去装置５とを接続する石炭ガス化ガスｇの配管２１に、圧縮機２０で圧縮された排気ガスｅの二酸化炭素ガスを供給するように構成されている（Ｅ）。
【００６７】
配管２１に添加される二酸化炭素ガスの温度、圧力は、配管２１に送られる石炭ガス化ガスｇの温度、圧力と同等以上にすることが望ましい。しかし、石炭ガス化複合発電設備１では、排気ガスｅから二酸化炭素ガスを分離する工程上、高温の二酸化炭素ガスが得られない。したがって、二酸化炭素ガスを抽出する箇所は、二酸化炭素ガスの圧力が配管２１の石炭ガス化ガスｇの圧力に近いところとし、必要に応じて昇圧することが好ましい。
【００６８】
二酸化炭素ガスを石炭ガス化ガスｇに添加する場所は、乾式ガス精製設備４の上流側であり、かつ、熱交換器３の下流となる配管２１とした。ただし、二酸化炭素ガスを添加する場合は、配管２１に限らず、乾式ガス精製設備４の上流側であればよい。例えば、圧縮機２０で昇圧した二酸化炭素ガスは、炉内炭素転換率の向上のため、石炭ガス化炉２に供給されているが、配管２１における二酸化炭素ガスの流量が増大するように、更に石炭ガス化炉２に供給される二酸化炭素ガスの流量を増やすなど調整してもよい。
【００６９】
石炭ガス化ガスｇに添加する二酸化炭素ガスの流量は、ＫＢを増大させるのに必要な流量とすればよいが、目安としては、石炭ガス化ガスｇの流量の５〜２２％程度とすることが好ましい。５％で十分な効果が期待できるが、より高い効果を期待する場合には２２％程度まで増大させてもよい。ただし、一酸化炭素の添加量を増やすほど、IGCC全体の発電効率を低下させるので添加量は必要最小限とすることが望ましい。なお、二酸化炭素ガスの添加量と炭素析出量との関係については後述する。
【００７０】
このような構成の流体添加手段を設けることで、石炭ガス化ガスｇにはＫＢを増大させる二酸化炭素ガスが添加されるため、脱硫装置６の配管の表面や脱硫剤に炭素が析出することが防止される。このような炭素析出防止の原理を図５に基づいて説明する。
【００７１】
図５に示すように、石炭ガス化炉２から配管２１に送られる石炭ガス化ガスｇに、圧縮機２０（図４参照）からの二酸化炭素ガスが添加されると、（１）二酸化炭素ガスのモル分率ｘＣＯ２が増大する。（２）モル分率ｘＣＯ２の増大、すなわちＫＢの増大により、一酸化炭素から二酸化炭素及び炭素への反応であるBoudouard反応が抑制され、（３）炭素の析出が抑制される。このようにして、石炭ガス化ガスｇに、ＫＢを増大させるように二酸化炭素ガスを添加することで、脱硫装置６において炭素の析出が抑制される。
【００７２】
ここで、石炭ガス化ガスｇにその流量に対する割合で２１．２％の二酸化炭素を添加した場合を例に、二酸化炭素を添加したときに期待される効果をＫＢに基づいて説明する。二酸化炭素及び酸素で石炭をガス化したときの、石炭ガス化ガスｇに含まれる主成分の組成を化学平衡計算によって求めると表２の（１）のようになる。石炭ガス化炉の典型的な運転条件から、全圧Ｐは２７．５１ ｂａｒに設定した。このときのＫＢの値は０．００７１である。これらの値は表１の（１）とまったく同じ組成である。この組成の石炭ガス化ガスｇにその流量に対する割合で２１．２％の二酸化炭素を添加したときの組成は（２）となる。このときｘＣＯ２とｘＣＯとの比が変化するため、ＫＢの値は０．０２９８まで増大し、Boudouard反応の抑制効果がある。さらに、乾式ガス精製設備４で不純物を除去するために適した温度（４５０℃程度）にまで降温して、数３の水性ガスシフト反応が４５０℃の化学平衡まで進むと（３）の組成となる。このときのＫＢの値は０．０３３９まで大幅に増大する。このように二酸化炭素を添加すること、および水性ガスシフト反応が進むこととの相乗効果によって、ＫＢが大幅に増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させることができるため、Boudouard反応の進行を抑制できる。
【００７３】
【表２】
【００７４】
本実施形態に係る流体添加手段を備えた乾式ガス精製設備４は、乾式ガス精製に先立ち、石炭ガス化炉２から供給される石炭ガス化ガスｇに二酸化炭素ガスを添加することで、乾式ガス精製プロセスにおいて、脱硫剤や脱硫装置６の配管等に炭素が析出することを防止できる。
【００７５】
このような炭素析出抑制効果により、脱硫剤は、脱硫作用が炭素析出により阻害されないので、確実に、石炭ガス化ガスｇから硫黄化合物を除去して高カロリーの燃料ガスｆを精製できる。
【００７６】
また、炭素が析出しにくい石炭ガス化ガスｇが供給されるので、脱硫装置６が炭素析出で劣化・損傷することも抑制され、脱硫装置６の保守に要するコストを削減できる。さらに、脱硫装置６の配管等に特殊なコーティングを実施しなくてもよく、脱硫装置６に掛かるコストを更に削減することができる。脱硫剤についても、炭素が析出して交換を要する事態がなくなるので、長期に亘り使用可能となり、脱硫剤に掛かるコストも削減することができる。
【００７７】
さらに、このような乾式ガス精製設備４を備えた石炭ガス化複合発電設備１は、石炭ガス化ガスｇに添加する二酸化炭素ガスとして、系内の排気ガスｅを有効利用することができ、外部から二酸化炭素ガスを別途調達することなく、容易に流体添加手段を構成することができる。
【００７８】
さらに、石炭ガス化ガスｇに二酸化炭素ガスを添加することによる熱損失は、実施形態１において示した水蒸気を添加することによる熱損失よりも少ない。このため、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備は、実施形態１と比較して、全体の効率を高めることができる。
【００７９】
〈水蒸気及び二酸化炭素ガスの添加量と炭素析出量との関係〉
図６は、実施形態１及び実施形態２について、水蒸気及び二酸化炭素ガスの添加量と炭素析出量との関係を示したグラフである。縦軸は、脱硫剤の重量に対する炭素析出量（ｗｔ％）を表し、横軸は、石炭ガス化ガスの流量に対する水蒸気、二酸化炭素ガスの流量の割合（％）を表している。
【００８０】
同図に示すように、石炭ガス化ガスに水蒸気を添加した場合（実施形態１）、水蒸気の添加量が増大するのに伴い、炭素析出量が低減している。水蒸気の添加量が７．５６％であるとき炭素の析出がゼロとなっている。
【００８１】
一方、石炭ガス化ガスに二酸化炭素ガスを添加した場合（実施形態２）、二酸化炭素ガスの添加量が増大するのに伴い、炭素析出量が低減している。二酸化炭素ガスの添加量が２１．２２％であるとき炭素の析出がゼロとなっている。
【００８２】
このように、水蒸気及び二酸化炭素ガスの何れを添加する場合についても、添加量と脱硫剤での炭素析出量とに傾向があることが分かる。
【００８３】
〈水蒸気及び二酸化炭素ガスの添加量と脱硫性能との関係〉
図７は、実施形態１及び実施形態２について、水蒸気及び二酸化炭素ガスの添加量と脱硫性能との関係を示したグラフである。縦軸は、脱硫装置６の出口における当該ガスに含まれる硫黄化合物の濃度（ｐｐｍ）である。横軸は、脱硫剤の除去できる硫黄化合物の理論量を当該ガスで供給できる時間を「１」として、実際に当該ガスを供給した時間を比で表した無次元化時間（ｔN［−］）である。また、石炭ガス化ガスに対する水蒸気の添加量は１０％であり、二酸化炭素ガスも１０％である。
【００８４】
同図に示すように、石炭ガス化ガスに水蒸気を添加した場合（実施形態１）、無次元化時間が０．４〜０．５になった時点で、硫黄濃度が上昇傾向を示し始める。その後、無次元化時間が１．０付近を越えても硫黄濃度が引き続き上昇傾向を続けており、硫黄化合物を低濃度に維持できる時間が短く、脱硫剤が完全に硫黄化合物を吸収しきるまでの時間が１．０より長くかかる傾向を示している。
【００８５】
一方、石炭ガス化ガスに二酸化炭素ガスを添加した場合（実施形態２）、無次元化時間が０．８付近まで硫黄濃度はほぼゼロであり、その後、硫黄濃度が上昇している。
【００８６】
このように、水蒸気及び二酸化炭素ガスの何れを添加する場合についても、無次元化時間が１に達するまでの一定期間、脱硫剤が脱硫性能を維持していることが分かる。特に、二酸化炭素ガスを添加する場合は、脱硫剤は、無次元化時間の「１」に近い時点までほぼ完全に脱硫を行うことができる。
【００８７】
〈他の実施形態〉
上述したように、実施形態１〜２では、石炭ガス化ガスｇに添加する流体として、ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体（水蒸気、二酸化炭素ガス）を用いたが、炭素析出の抑制効果がある流体を添加する方法も有効である。乾式ガス精製設備４の脱硫剤や配管などで炭素の析出が抑制される流体を、石炭ガス化ガスｇにあらかじめ含ませておくため、たとえば乾式ガス精製設備４の上流側にて添加すればよい。
【００８８】
このような流体として、例えば硫化水素ガスなどの硫黄化合物を挙げることができる。流体添加手段としては、配管２１の石炭ガス化ガスｇの圧力と同等以上の圧力にした硫化水素ガスを配管２１に供給するように構成する。
【００８９】
このような構成の流体添加手段を設けることで、石炭ガス化ガスｇは、脱硫装置６の配管の表面や脱硫剤に炭素が析出することを防止できる組成となる。このような炭素析出防止の原理は、次のように説明できる。
【００９０】
硫化水素は吸着性が極めて高く、元来固体表面に吸着されやすい性質を持っている。また、高温で石炭ガス化ガスに含まれていると反応性が高く、金属や金属酸化物との化学反応により硫化物を生成しやすい。これらの性質があるため、硫化水素は脱硫装置６の脱硫剤に除去されたり、配管などに付着したりする。一方でBoudouard反応は、後述するように２分子の一酸化炭素（ＣＯ）が反応するが、気体のＣＯ同士の化学反応が進む、いわゆる気相反応ではなくて、何らかの固体に吸着されたＣＯが、さらに気相からのＣＯと接触して化学反応が進むことによって、二酸化炭素と炭素になると考えられている。硫化水素のような吸着性や反応性の高いガスを添加しておくと、ＣＯと硫化水素とが競争吸着になると考えられ、吸着性の高い硫化水素がＣＯの吸着を妨げるため、結果としてBoudouard反応を抑制することができる。
【００９１】
なお、脱硫装置６の下流の配管等では硫化水素は除去されてなくなっているため、上述の硫化水素の効果は得られない。脱硫装置６で水性ガスシフト反応が進むため、脱硫装置６での炭素析出が抑制されておれば、さらに下流の配管等でのBoudouard反応は抑制されると考えられる。
【００９２】
さらに、他の実施形態としては、実施形態１〜２において、流体添加手段は、水蒸気又は二酸化炭素ガスの何れか一方を配管２１に供給するように構成したが、双方を配管２１に供給するように構成してもよい。例えば、ガスタービン１０で仕事を終えた排気ガスには水蒸気及び二酸化炭素ガスの双方が含まれているので、この排気ガスを用いる構成とすることができる。温度及び圧力の観点から、圧縮機９で昇圧された排気ガスを再生熱交換器１２に投入される前に一部を抽出して、配管２１に投入することが好ましい。このような構成の石炭ガス化複合発電設備１においても脱硫装置６に炭素が析出することを防止し、脱硫剤の性能低下を防止することができる。また、系内の水蒸気及び二酸化炭素ガスを有効利用することができる。
【００９３】
また、流体添加手段は、系外の水蒸気及び二酸化炭素ガスを乾式ガス精製設備４の上流側に供給するように構成してもよい。
【００９４】
〈ＫＢの説明〉
石炭ガス化ガスから炭素が析出する主反応は、Boudouard反応（式１）と考えられている。この反応が進むと２分子の気体が１分子になるため、反応系が圧力を低下させる方向に動く。この作用により、本反応は、圧力が高いほど進みやすいと予測できる。
（１）２ＣＯ→ＣＯ２＋Ｃ（固体）
【００９５】
実際に本反応の進みやすさを決める基準は、Boudouard反応に寄与する二酸化炭素と一酸化炭素の分圧比（ＰＣＯ２／（ＰＣＯ）２）であり、化学平衡の観点から以下のように説明できる。
【００９６】
炭素析出の進行はある温度Ｔにおいて、（式２）で決まる化学平衡定数、ＫＢ（Ｔ）が達成されると平衡となりそれ以上の反応は進行しない状態になる。
（２）ＫＢ（Ｔ）＝ρＣＯ２／（ρＣＯ）２
【００９７】
ＫＢ（Ｔ）は、圧力平衡定数（温度Ｔで決まる定数）、ρＣＯ２及びρＣＯは、化学平衡時の二酸化炭素及び一酸化炭素の分圧である。ガス組成と分圧の関係は（式３）（式４）の通りである。
（３）ρＣＯ２＝χＣＯ２×Ｐ
（４）ρＣＯ＝χＣＯ×Ｐ
χＣＯ２及びχＣＯは、石炭ガス化ガス中の二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガスの平衡におけるモル分率であり、Ｐは、石炭ガス化ガスの圧力である。
【００９８】
（２）に（３）と（４）を代入すると、圧力平衡定数とガス組成の関係が得られる（式５、数２の式）。
（５）ＫＢ（Ｔ）＝χＣＯ２×Ｐ／（χＣＯ×Ｐ）２＝χＣＯ２／（χＣＯ２×Ｐ）
あるガス組成で計算された分圧比ＫＢ＝ｘＣＯ２／（ｘＣＯ２×Ｐ）が、
（６）ＫＢ（Ｔ）＞ＫＢ
の関係にあるときは、ｘＣＯ２／（ｘＣＯ２×Ｐ）が増大するほう、すなわちBoudouard反応が進むことを意味している。逆にあらかじめ
（７）ＫＢ（Ｔ）≦ＫＢ
の関係となっているときは、Boudouard反応は進まない。ＫＢ＝ｘＣＯ２／（ｘＣＯ２×Ｐ）を増大させることが、Boudouard反応の抑制になることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、石炭から石炭ガス化ガスを生成し、乾式で不純物を除去する乾式ガス精製設備及びこれを備える石炭ガス化複合発電設備で利用することができる。
【符号の説明】
【０１００】
１ 石炭ガス化複合発電設備
２ 石炭ガス化炉
３ 熱交換器
４ 乾式ガス精製設備
５ ハロゲン化物除去装置
６ 脱硫装置
７ 燃焼器
８ 酸素製造装置
９ 圧縮機
１０ ガスタービン
１１ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
１２ 再生熱交換器
１３ 蒸気タービン
１４ 発電機
１５ 復水器
１６ 給水加熱器
１７、１９ 汽水分離器
１８、２０ 圧縮機
２１ 配管
ｅ 排気ガス
ｆ 燃料ガス
ｇ 石炭ガス化ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾式ガス精製設備及び石炭ガス化複合発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭は世界の広い地域に存在し、可採埋蔵量が多く、価格が安定しているため、供給安定性が高く発熱量あたりの価格が低廉である。かかる石炭を燃料とする火力発電の一つの方式として、石炭ガス化複合発電（IGCC：Integrated Coal Gasfication Combined Cycle）が知られている。石炭ガス化複合発電では、石炭を不完全燃焼させて得られた石炭ガス化ガスを燃料としてガスタービンを駆動して電力を得ると共に、ガスタービンの排気熱を回収して蒸気を発生させ、発生した蒸気により蒸気タービンを駆動して電力を得ている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
石炭ガス化炉で発生する石炭ガス化ガスには、燃焼される一酸化炭素の他に、硫黄化合物（硫化物）等の不純物や後続機器に対して影響を与える不純物、微量成分が含まれるため、ガス精製設備により石炭ガス化ガスの不純物を除去して燃料ガスとしている。
【０００４】
このようなガス精製設備としては、石炭ガス化ガスの温度を露点を上回る温度に維持して不純物を除去する乾式のガス精製設備がある（例えば、特許文献２参照）。かかる乾式ガス精製設備によれば、石炭ガス化ガスを高温のまま精製することができるので、温度や圧力の昇降を抑えて燃料ガスを得ることができる。
【０００５】
しかしながら、石炭ガス化炉で発生した石炭ガス化ガスは１０００℃以上であり、乾式ガス精製設備で不純物を除去するために適した温度（４５０℃程度）にまで降温する必要があるが、このとき、石炭ガス化ガス中の一酸化炭素が固体の炭素として析出してしまうことが懸念される。
【０００６】
すなわち、石炭ガス化炉から乾式ガス精製設備に至る配管や、乾式ガス精製設備の反応器の材質は鉄を含むため、鉄を触媒として配管等の表面に炭素が析出し、得られる燃料ガスのカロリーが低下したり、機器の劣化・損傷を誘発する虞がある。また、乾式脱硫プロセスで用いられる剤、例えば硫黄化合物を除去するための亜鉛フェライトなどの脱硫剤が炭素析出の触媒として作用してしまい、炭素析出により脱硫剤の本来の脱硫作用を阻害してしまう虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５―１７１１４８号公報
【特許文献２】特開２００９−１７３７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、不純物の除去剤や配管等に炭素が析出することを防止し、石炭ガス化ガスを乾式で精製することができる乾式ガス精製設備及び当該乾式ガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための第１の態様は、石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガス中の不純物を除去する除去装置と、前記除去装置において炭素の析出を抑制する流体を、前記除去装置の上流で前記石炭ガス化ガスに添加する流体添加手段とを備えることを特徴とする乾式ガス精製設備にある。
【００１０】
かかる第１の態様では、除去装置の配管表面や不純物の除去剤に、石炭ガス化ガス中の一酸化炭素から炭素が析出することを防止することができる。これにより、除去剤が有する不純物の除去機能が炭素析出で阻害されることが防止され、確実に石炭ガス化ガスを精製することができる。また、除去装置の配管表面などで炭素析出が抑制されるので、装置の劣化損傷が抑えられる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する乾式ガス精製設備において、前記流体添加手段は、石炭ガス化ガス中の二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガスの反応条件におけるモル分率をそれぞれｘＣＯ２及びｘＣＯとし、石炭ガス化ガスの圧力をＰとし、下記数１で定義されるＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体を前記石炭ガス化ガスに添加することを特徴とする乾式ガス精製設備にある。
〔数１〕
ＫＢ＝ｘＣＯ２／（ｘＣＯ２×Ｐ）
【００１２】
かかる第２の態様では、炭素析出を抑制するために添加する流体として上記ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体を用いることができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する乾式ガス精製設備において、前記流体添加手段は、前記流体として水蒸気を石炭ガス化ガスに添加することを特徴とする乾式ガス精製設備にある。
【００１４】
かかる第３の態様では、上記ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体として水蒸気を用いることができる。
【００１５】
本発明の第４の態様は、第２の態様に記載する乾式ガス精製設備において、前記流体添加手段は、前記流体として二酸化炭素ガスを石炭ガス化ガスに添加することを特徴とする乾式ガス精製設備にある。
【００１６】
かかる第４の態様では、上記ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体として二酸化炭素ガスを用いることができる。
【００１７】
本発明の第５の態様は、第２の態様に記載する乾式ガス精製設備において、前記流体添加手段は、前記流体として水蒸気及び二酸化炭素ガスを含む混合ガスを石炭ガス化ガスに添加することを特徴とする乾式ガス精製設備にある。
【００１８】
かかる第５の態様では、上記ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体として水蒸気及び二酸化炭素ガスを含む混合ガスを用いることができる。
【００１９】
本発明の第６の態様は、石炭及び酸化剤の反応により石炭ガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、前記石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガス中の不純物を除去する除去装置と、前記除去装置において炭素の析出を抑制する流体を、前記除去装置の上流で前記石炭ガス化ガスに添加する流体添加手段と、前記乾式ガス精製設備で得られた燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼手段からの燃焼ガスを膨張することで動力を得るガスタービンと、前記ガスタービンの排気ガスの熱を回収して得られた蒸気を膨張することで動力を得る蒸気タービンとを備え、前記流体添加手段は、前記除去装置の上流において、前記流体として前記蒸気タービンで仕事をした水蒸気を石炭ガス化ガスに添加することを特徴とする石炭ガス化複合発電設備にある。
【００２０】
かかる第６の態様では、上記ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体として、系内の蒸気タービンで仕事をした排気蒸気を有効利用することができ、外部から水蒸気を別途調達することなく、容易に流体添加手段を構成することができる。
【００２１】
本発明の第７の態様は、石炭及び酸化剤の反応により石炭ガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、前記石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガス中の不純物を除去する除去装置と、前記除去装置において炭素の析出を抑制する流体を、前記除去装置の上流で前記石炭ガス化ガスに添加する流体添加手段と、前記乾式ガス精製設備で得られた燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼手段からの燃焼ガスを膨張することで動力を得るガスタービンと、前記ガスタービンの排気ガスの熱を回収して得られた蒸気を膨張することで動力を得る蒸気タービンとを備え、前記流体添加手段は、前記流体として前記ガスタービンの排気ガスを回収する二酸化炭素回収系から、前記除去装置の上流において、石炭ガス化ガスに二酸化炭素を添加することを特徴とする石炭ガス化複合発電設備にある。
【００２２】
かかる第７の態様では、上記ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体として、系内のガスタービンで仕事をした排気ガスを有効利用することができ、外部から二酸化炭素ガスを別途調達することなく、容易に流体添加手段を構成することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、不純物の除去剤や配管等に炭素が析出することを防止し、石炭ガス化ガスを乾式で精製することができる乾式ガス精製設備及び石炭ガス化複合発電設備が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１に係る乾式ガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備の構成図である。
【図２】実施形態１に係る炭素析出防止の原理を示す概念図である。
【図３】石炭ガス化ガスのＫＢと炭素析出量との関係を示すグラフである。
【図４】実施形態２に係る乾式ガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備の構成図である。
【図５】実施形態２に係る炭素析出防止の原理を示す概念図である。
【図６】石炭ガス化ガスに添加した水蒸気及び二酸化炭素ガスの添加量と炭素析出量との関係を示すグラフである。
【図７】石炭ガス化ガスに水蒸気、二酸化炭素ガスのそれぞれを添加した場合の脱硫性能を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
〈実施形態１〉
図１に基づいて、本発明の実施形態に係る乾式ガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備の構成を説明する。
【００２６】
図示するように、石炭ガス化複合発電設備１は、石炭ガス化炉２を備えている。石炭ガス化炉２には、系内からの二酸化炭素が供給され、酸化剤（酸素、空気）の反応により石炭ガス化ガスｇが生成される。二酸化炭素及び酸素で石炭をガス化することで、二酸化炭素のガス化促進効果により、空気、酸素濃度を高めた空気、または酸素で石炭をガス化することに比べ、炉内炭素転換率が大幅に向上する。
【００２７】
石炭ガス化ガスｇには、一酸化炭素や水素ガスなどの可燃成分が含まれ、また、水溶性不純物、凝縮性不純物、粒子状不純物、及びガス状不純物が含まれている。二酸化炭素及び酸素で石炭をガス化することで、石炭ガス化ガスｇに含まれる一酸化炭素や水素は空気で石炭をガス化することに比べ、高濃度になる。石炭ガス化ガスｇは、図示しない除塵手段により除塵されて熱交換器３で所定温度に調整され、乾式ガス精製設備４に送られる。
【００２８】
乾式ガス精製設備４は、石炭ガス化ガスｇの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガスｇの不純物を除去する。本実施形態では、乾式ガス精製設備４は、不純物を除去する除去装置の一例として、ハロゲン化物除去装置５と脱硫装置６とを備えている。
【００２９】
ハロゲン化物除去装置５は、石炭ガス化ガスｇに含まれるハロゲン化物と化学反応するハロゲン化物吸収剤を備えている。ハロゲン化物吸収剤としては、アルミニウムとアルカリ物質との複合酸化物であるアルミン酸アルカリを含有すると共に強度補強添加剤を含有するものを用いることができる。また、アルミン酸アルカリ以外のハロゲン化物吸収剤を用いることも可能である。
【００３０】
脱硫装置６は、石炭ガス化ガスｇに含まれる硫黄化合物と化学反応する金属酸化物系脱硫剤を備えている。金属酸化物系脱硫剤は、硫化カルボニル（ＣＯＳ）や硫化水素（Ｈ２Ｓ）等の硫黄化合物を低濃度まで除去することができる。金属酸化物系脱硫剤としては、硫黄化合物と化学反応する金属酸化物を含んでいれば良く、例えば、酸化鉄を主成分とする脱硫剤、亜鉛フェライトを主成分とする脱硫剤、酸化亜鉛を主成分とする脱硫剤を用いることができる。
【００３１】
なお、乾式ガス精製設備４としては、上述したハロゲン化物除去装置５と脱硫装置６の他に、ガスに含まれるアンモニアを除去するアンモニア除去装置や、ガスに含まれる水銀を除去する水銀除去装置を用いてもよい。
【００３２】
このような乾式ガス精製設備４に石炭ガス化ガスｇが送られると、ハロゲン化物除去装置５でハロゲン化物が除去され、脱硫装置６で硫黄化合物が除去されて精製され、燃料ガスｆとされる。
【００３３】
燃料ガスｆは、燃焼器７に送られる。さらに燃焼器７には、酸素製造装置８で製造された高濃度の酸素が送られ、燃料ガスｆが燃焼される。酸素製造装置８で製造された酸素は石炭ガス化炉２にも供給される。酸素製造装置８は、例えば、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて加圧された酸素が供給される設備や、深冷設備からの酸素が所定圧力に加圧されて供給される設備を適用することができる。
【００３４】
燃焼器７での燃焼により生じた燃焼ガスは、ガスタービン１０に送られて膨張され、発電動力が得られる。ガスタービン１０で仕事を終えた排気ガスｅ（二酸化炭素を主成分とする作動流体）は排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１１で熱回収され、ＨＲＳＧ１１で熱回収された排気ガスｅは圧縮機９で圧縮され、圧縮機９で圧縮された排気ガスｅは、再生熱交換器１２で昇温されて燃焼器７に投入される。再生熱交換器１２は、ガスタービン１０からの排気ガスｅの一部が送られ、排気ガスｅの熱回収を行う。
【００３５】
また、ＨＲＳＧ１１で熱回収された排気ガスｅの一部は、後述する二酸化炭素回収系で回収される。
【００３６】
ガスタービン１０の出口側の排気ガスｅは、二酸化炭素ガスを主成分とする作動流体であるため比熱比が小さく、圧縮機９及びガスタービン１０の出入口温度差が小さくなり、再生熱交換器１２による熱効率を大幅に向上させることができる。つまり、再生による熱効率の効果を得やすいシステムとなっている。
【００３７】
ＨＲＳＧ１１で発生した蒸気は蒸気タービン１３に送られ、蒸気タービン１３で膨張され、動力が得られる。上述した圧縮機９及びガスタービン１０と蒸気タービン１３は、同軸状態で接続され、蒸気タービン１３には発電機１４が接続されている。直列に接続されたガスタービン１０及び蒸気タービン１３の動力により発電機１４が駆動され、ガスタービン１０と蒸気タービン１３による複合発電が行われる。
【００３８】
蒸気タービン１３で仕事を終えた排気蒸気は復水器１５で復水されて図示しない給水ポンプにより給水加熱器１６に送られる。給水加熱器１６にはＨＲＳＧ１１で熱回収された排気ガスｅの一部が送られ、その回収された熱により復水器１５で凝縮された復水が加熱され、ＨＲＳＧ１１に供給される。
【００３９】
ＨＲＳＧ１１で熱回収された排気ガスの一部は、二酸化炭素回収系により二酸化炭素が回収される。すなわち、排気ガスｅ（ＣＯ２を含むガス）は、給水加熱器１６で冷却されたのち、汽水分離器（冷却器）１７で水分が分離され、水分が分離された排気ガスｅ（ＣＯ２）は圧縮機１８で所定圧力に加圧された後、更に、汽水分離器（冷却器）１９で冷却される。冷却されて水分が除去された排気ガスｅ（ＣＯ２）は圧縮機２０で所定圧力に加圧されて石炭ガス化炉２に送られる。余剰のＣＯ２は加圧して液化する等により回収される。
【００４０】
石炭ガス化炉２には、酸化剤として圧縮機９の流体が抽気されて供給される（Ａ）。熱交換器３には、復水器１５からの復水の一部が供給され（Ｂ）、石炭ガス化ガスｇとの熱交換により蒸気を発生させ、発生した蒸気は蒸気タービン１３に送られる（Ｃ）。
【００４１】
上述した石炭ガス化複合発電設備１では、石炭ガス化炉２において、酸化剤と石炭と酸素製造装置８から送られる酸素と、回収された二酸化炭素ガスの反応により石炭ガス化ガスｇが生成され、石炭ガス化ガスｇを乾式ガス精製設備４で精製して燃料ガスｆとし、この燃料ガスｆを燃焼器７に送り、燃焼器７で酸素燃焼することで二酸化炭素を主成分とする比熱比の小さな燃焼ガス（作動流体）が得られ、燃焼器７からの燃焼ガスはガスタービン１０で膨張され発電動力が得られる。ガスタービン１０で仕事を終えた排気ガスｅはＨＲＳＧ１１で熱回収され、ＨＲＳＧ１１及び熱交換器３からの発生蒸気は蒸気タービン１３に送られ発電出力が得られる。また、排気ガスｅの一部は、再生熱交換器１２に送られて熱回収され、石炭ガス化炉２に送られて石炭のガス化に用いられ、又は回収される。
【００４２】
ここで、流体添加手段について説明する。乾式ガス精製設備４の上流側には、脱硫装置６の脱硫剤や配管などで炭素の析出が抑制される組成の石炭ガス化ガスｇとなるように、流体を添加する流体添加手段が設けられている。
【００４３】
このような流体添加手段が設けられることで、脱硫装置６の配管表面や脱硫剤に、石炭ガス化ガスｇ中の一酸化炭素から炭素が析出することを防止することができる。これにより、脱硫剤が有する硫黄化合物の除去機能が炭素析出で阻害されることが防止され、確実に石炭ガス化ガスｇを精製することができる。また、脱硫装置６の配管表面などで炭素析出が抑制されるので、劣化損傷が抑えられる。
【００４４】
このような流体添加手段の具体的構成を説明する。
図１に示すように、流体添加手段は、熱交換器３とハロゲン化物除去装置５とを接続する石炭ガス化ガスｇの配管２１にＨＲＳＧ１１で製造した水蒸気を供給するように構成されている（Ｄ）。
【００４５】
水蒸気を石炭ガス化ガスｇに添加する場所は、乾式ガス精製設備４の上流側であり、かつ、石炭ガス化炉２の下流であればよい。本実施形態では、熱交換器３において、乾式ガス精製設備４での乾式ガス精製プロセスに適した温度にされた石炭ガス化ガスｇの流路となる配管２１に水蒸気を供給するようにした。
【００４６】
配管２１に添加される水蒸気の圧力は、配管２１に送られる石炭ガス化ガスｇの圧力と同等以上にする。例えば、ＨＲＳＧ１１で製造した水蒸気は、配管２１の石炭ガス化ガスに添加するのに適した温度、圧力を有している。なお、石炭ガス化複合発電設備１の系内で水蒸気を抽出する箇所に特に限定はない。蒸気タービン１３で仕事を終えた排気蒸気の圧力が石炭ガス化ガスｇの圧力以下であるならば、より高い圧力の蒸気を別途製造して配管２１に供給するようにしてもよい。
【００４７】
石炭ガス化ガスｇに添加する水蒸気の流量は、ＫＢを増大させるのに必要な流量とする。すなわち、石炭ガス化ガスｇ中の二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガスの平衡におけるモル分率をそれぞれｘＣＯ２及びｘＣＯとし、石炭ガス化ガスｇの圧力をＰとしたとき、乾式ガス精製設備４よりも上流において、下記数２で定義されるＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体を石炭ガス化ガスｇに添加する。
【００４８】
〔数２〕
ＫＢ＝ｘＣＯ２／（ｘＣＯ２×Ｐ）
（なお、二酸化炭素の分圧をＰＣＯ２、一酸化炭素の分圧をＰＣＯとすれば、ＰＣＯ２＝ｘＣＯ２×Ｐ、ＰＣＯ＝ｘＣＯ×Ｐであるので、ＫＢ＝ＰＣＯ２／（ＰＣＯ）２とも表現できる。また、同式の詳細な説明は、本明細書末のＫＢの説明を参照のこと。）
【００４９】
全圧Ｐは、乾式脱硫プロセスの運転圧力であるから、自由に設定することはできない。また、石炭ガス化ガスｇの組成は、石炭ガス化炉２の特性で決まるので、ｘＣＯ２やｘＣＯを自由に変えることはできない。そこで、二酸化炭素ガスもしくは水蒸気のそれぞれを単独で、又は双方を石炭ガス化ガスｇに添加することで、ＫＢを増大させるようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる。
【００５０】
石炭ガス化ガスｇに添加する水蒸気の流量の目安としては、例えば、石炭ガス化ガスｇの流量の５〜１０％程度とすることが好ましい。５％で十分な効果が期待できるが、より高い効果を期待する場合には１０％程度まで増大させてもよい。ただし、水蒸気の添加量を増やすほど、IGCC全体の発電効率を低下させるので添加量は必要最小限とすることが望ましい。なお、水蒸気の添加量と炭素析出量との関係については後述する。
【００５１】
このような構成の流体添加手段を設けることで、石炭ガス化ガスｇにはＫＢを増大させる水蒸気が添加され、脱硫装置６の配管の表面や脱硫剤に炭素が析出することが防止される。このような炭素析出防止の原理を図２に基づいて説明する。
【００５２】
図２に示すように、石炭ガス化炉２から配管２１に送られる石炭ガス化ガスｇに、ＨＲＳＧ１１（図１参照）からの水蒸気が添加されると、（１）下記数３に示す水性シフト反応が左辺から右辺に進み、（２）一酸化炭素のモル分率ｘＣＯが減少し、二酸化炭素のモル分率ｘＣＯ２が増大するためＫＢが増大する。（３）モル分率ｘＣＯ２が増大すると、一酸化炭素から二酸化炭素及び炭素への反応であるBoudouard反応が抑制され、（４）炭素の析出が抑制される。このようにして、石炭ガス化ガスｇに、ＫＢを増大させるように水蒸気を添加することで、脱硫装置６において炭素の析出が抑制される。
【００５３】
〔数３〕
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
【００５４】
ここで、図３に基づいて、石炭ガス化ガスｇのＫＢと炭素析出量との関係について説明する。同図は、配管２１に送られた石炭ガス化ガスｇに様々な流量の水蒸気を加え、そのときのＫＢと、当該石炭ガス化ガスｇにより脱硫装置６の脱硫剤等に生じた炭素の析出量をプロットしたグラフである。横軸はＫＢであり、縦軸は炭素析出量［mol%］である。なお、石炭ガス化ガスｇの温度は４００℃〜４５０℃、圧力は０．９８ＭＰａである。
【００５５】
同図に示すように、石炭ガス化炉２の出口における石炭ガス化ガスｇ（水蒸気が添加されていない状態のもの）は、ＫＢが約０．００７〜０．００８の範囲にある。この範囲の石炭ガス化ガスｇが脱硫装置６に送られると、脱硫剤に、約１〜７mol%の炭素が析出した。
【００５６】
一方、石炭ガス化ガスｇに水蒸気を添加した場合は、脱硫装置６の出口におけるガスのＫＢは約０．０１５〜０．０２３の範囲にあり、何れも炭素は析出しなかった。
【００５７】
これらの結果から、水蒸気の添加は、炭素の析出を抑制する手段として有効であるということが分かった。
【００５８】
ここで、石炭ガス化ガスｇにその流量に対する割合で７．６％の水蒸気を添加した場合を例に、水蒸気を添加したときに期待される効果をＫＢに基づいて説明する。二酸化炭素及び酸素で石炭をガス化したときの、石炭ガス化ガスｇに含まれる主成分の組成を化学平衡計算によって求めると表１の（１）のようになる。石炭ガス化炉２の典型的な運転条件から、全圧Ｐは２７．５１ ｂａｒに設定した。このときのＫＢの値は０．００７１である。この組成の石炭ガス化ガスｇにその流量に対する割合で７．６％の水蒸気を添加したときの組成は（３）となる。このときのＫＢの値は０．００７６であり（１）とほとんど変わらない値である。石炭ガス化炉２では１０００℃以上の温度で生成される石炭ガス化ガスを、乾式ガス精製設備４で不純物を除去するために適した温度（４５０℃程度）にまで降温すると、数３の水性ガスシフト反応が進む。（１）の組成の石炭ガス化ガスｇは、水性ガスシフト反応が４５０℃の化学平衡まで進むことにより（２）の組成となる。このときのＫＢの値は０．０１０２まで僅かに増大する。水蒸気を添加した効果は水性ガスシフト反応後の組成に顕著に現れる。（３）の組成のガスは、水性ガスシフト反応が４５０℃の化学平衡まで進むと、（４）の組成となる。このときのＫＢの値は０．０２２３まで大幅に増大し、図３に示したように、炭素の析出が抑制される。このように水蒸気を添加することによって、水性ガスシフト反応後のＫＢが大幅に増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させることができるため、Boudouard反応の進行を抑制できる。
【００５９】
【表１】
【００６０】
本実施形態に係る流体添加手段を備えた乾式ガス精製設備４は、乾式ガス精製に先立ち、石炭ガス化炉２から供給される石炭ガス化ガスｇに水蒸気を添加することで、乾式ガス精製プロセスにおいて、脱硫剤や脱硫装置６の配管等に炭素が析出することを防止できる。
【００６１】
このような炭素析出抑制効果により、脱硫剤は、脱硫作用が炭素析出により阻害されないので、確実に、乾式ガス精製設備４は、石炭ガス化ガスｇから硫黄化合物を除去して高カロリーの燃料ガスｆを精製できる。
【００６２】
また、乾式ガス精製設備４には、炭素が析出しにくい石炭ガス化ガスｇが供給されるので、脱硫装置６が炭素析出で劣化・損傷することも抑制され、脱硫装置６の保守に要するコストを削減できる。さらに、脱硫装置６の配管等に特殊なコーティングを実施しなくてもよく、脱硫装置６に掛かるコストを更に削減することができる。脱硫剤についても、炭素が析出して交換を要する事態がなくなるので、長期に亘り使用可能となり、脱硫剤に掛かるコストも削減することができる。
【００６３】
さらに、このような乾式ガス精製設備４を備えた石炭ガス化複合発電設備１は、石炭ガス化ガスｇに添加する水蒸気として、系内のＨＲＳＧ１１で製造した水蒸気を有効利用することができ、外部から水蒸気を別途調達することなく、容易に流体添加手段を構成することができる。
【００６４】
なお、図１では、排気ガスｅを圧縮機１８、２０で圧縮して、二酸化炭素回収のための所定圧力にする例を挙げて説明したが、圧縮機の数及び配置は任意であり、設備の規模や機器構成により適宜配置することができる。また、圧縮機９、ガスタービン１０、蒸気タービン１３は一軸で配列して発電機１４を備えた構成としたが、圧縮機９とガスタービン１０の軸と、蒸気タービン１３の軸を並列に配置してそれぞれ発電機を備えた構成としてもよい。
【００６５】
〈実施形態２〉
本実施形態では、石炭ガス化ガスｇに添加する流体として二酸化炭素ガスを用いる場合について説明する。図４は、本実施形態に係る乾式ガス精製設備を備えた石炭ガス化複合発電設備の概略構成図である。実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６６】
図示するように、流体添加手段は、熱交換器３とハロゲン化物除去装置５とを接続する石炭ガス化ガスｇの配管２１に、圧縮機２０で圧縮された排気ガスｅの二酸化炭素ガスを供給するように構成されている（Ｅ）。
【００６７】
配管２１に添加される二酸化炭素ガスの温度、圧力は、配管２１に送られる石炭ガス化ガスｇの温度、圧力と同等以上にすることが望ましい。しかし、石炭ガス化複合発電設備１では、排気ガスｅから二酸化炭素ガスを分離する工程上、高温の二酸化炭素ガスが得られない。したがって、二酸化炭素ガスを抽出する箇所は、二酸化炭素ガスの圧力が配管２１の石炭ガス化ガスｇの圧力に近いところとし、必要に応じて昇圧することが好ましい。
【００６８】
二酸化炭素ガスを石炭ガス化ガスｇに添加する場所は、乾式ガス精製設備４の上流側であり、かつ、熱交換器３の下流となる配管２１とした。ただし、二酸化炭素ガスを添加する場合は、配管２１に限らず、乾式ガス精製設備４の上流側であればよい。例えば、圧縮機２０で昇圧した二酸化炭素ガスは、炉内炭素転換率の向上のため、石炭ガス化炉２に供給されているが、配管２１における二酸化炭素ガスの流量が増大するように、更に石炭ガス化炉２に供給される二酸化炭素ガスの流量を増やすなど調整してもよい。
【００６９】
石炭ガス化ガスｇに添加する二酸化炭素ガスの流量は、ＫＢを増大させるのに必要な流量とすればよいが、目安としては、石炭ガス化ガスｇの流量の５〜２２％程度とすることが好ましい。５％で十分な効果が期待できるが、より高い効果を期待する場合には２２％程度まで増大させてもよい。ただし、一酸化炭素の添加量を増やすほど、IGCC全体の発電効率を低下させるので添加量は必要最小限とすることが望ましい。なお、二酸化炭素ガスの添加量と炭素析出量との関係については後述する。
【００７０】
このような構成の流体添加手段を設けることで、石炭ガス化ガスｇにはＫＢを増大させる二酸化炭素ガスが添加されるため、脱硫装置６の配管の表面や脱硫剤に炭素が析出することが防止される。このような炭素析出防止の原理を図５に基づいて説明する。
【００７１】
図５に示すように、石炭ガス化炉２から配管２１に送られる石炭ガス化ガスｇに、圧縮機２０（図４参照）からの二酸化炭素ガスが添加されると、（１）二酸化炭素ガスのモル分率ｘＣＯ２が増大する。（２）モル分率ｘＣＯ２の増大、すなわちＫＢの増大により、一酸化炭素から二酸化炭素及び炭素への反応であるBoudouard反応が抑制され、（３）炭素の析出が抑制される。このようにして、石炭ガス化ガスｇに、ＫＢを増大させるように二酸化炭素ガスを添加することで、脱硫装置６において炭素の析出が抑制される。
【００７２】
ここで、石炭ガス化ガスｇにその流量に対する割合で２１．２％の二酸化炭素を添加した場合を例に、二酸化炭素を添加したときに期待される効果をＫＢに基づいて説明する。二酸化炭素及び酸素で石炭をガス化したときの、石炭ガス化ガスｇに含まれる主成分の組成を化学平衡計算によって求めると表２の（１）のようになる。石炭ガス化炉の典型的な運転条件から、全圧Ｐは２７．５１ ｂａｒに設定した。このときのＫＢの値は０．００７１である。これらの値は表１の（１）とまったく同じ組成である。この組成の石炭ガス化ガスｇにその流量に対する割合で２１．２％の二酸化炭素を添加したときの組成は（２）となる。このときｘＣＯ２とｘＣＯとの比が変化するため、ＫＢの値は０．０２９８まで増大し、Boudouard反応の抑制効果がある。さらに、乾式ガス精製設備４で不純物を除去するために適した温度（４５０℃程度）にまで降温して、数３の水性ガスシフト反応が４５０℃の化学平衡まで進むと（３）の組成となる。このときのＫＢの値は０．０３３９まで大幅に増大する。このように二酸化炭素を添加すること、および水性ガスシフト反応が進むこととの相乗効果によって、ＫＢが大幅に増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させることができるため、Boudouard反応の進行を抑制できる。
【００７３】
【表２】
【００７４】
本実施形態に係る流体添加手段を備えた乾式ガス精製設備４は、乾式ガス精製に先立ち、石炭ガス化炉２から供給される石炭ガス化ガスｇに二酸化炭素ガスを添加することで、乾式ガス精製プロセスにおいて、脱硫剤や脱硫装置６の配管等に炭素が析出することを防止できる。
【００７５】
このような炭素析出抑制効果により、脱硫剤は、脱硫作用が炭素析出により阻害されないので、確実に、石炭ガス化ガスｇから硫黄化合物を除去して高カロリーの燃料ガスｆを精製できる。
【００７６】
また、炭素が析出しにくい石炭ガス化ガスｇが供給されるので、脱硫装置６が炭素析出で劣化・損傷することも抑制され、脱硫装置６の保守に要するコストを削減できる。さらに、脱硫装置６の配管等に特殊なコーティングを実施しなくてもよく、脱硫装置６に掛かるコストを更に削減することができる。脱硫剤についても、炭素が析出して交換を要する事態がなくなるので、長期に亘り使用可能となり、脱硫剤に掛かるコストも削減することができる。
【００７７】
さらに、このような乾式ガス精製設備４を備えた石炭ガス化複合発電設備１は、石炭ガス化ガスｇに添加する二酸化炭素ガスとして、系内の排気ガスｅを有効利用することができ、外部から二酸化炭素ガスを別途調達することなく、容易に流体添加手段を構成することができる。
【００７８】
さらに、石炭ガス化ガスｇに二酸化炭素ガスを添加することによる熱損失は、実施形態１において示した水蒸気を添加することによる熱損失よりも少ない。このため、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備は、実施形態１と比較して、全体の効率を高めることができる。
【００７９】
〈水蒸気及び二酸化炭素ガスの添加量と炭素析出量との関係〉
図６は、実施形態１及び実施形態２について、水蒸気及び二酸化炭素ガスの添加量と炭素析出量との関係を示したグラフである。縦軸は、脱硫剤の重量に対する炭素析出量（ｗｔ％）を表し、横軸は、石炭ガス化ガスの流量に対する水蒸気、二酸化炭素ガスの流量の割合（％）を表している。
【００８０】
同図に示すように、石炭ガス化ガスに水蒸気を添加した場合（実施形態１）、水蒸気の添加量が増大するのに伴い、炭素析出量が低減している。水蒸気の添加量が７．５６％であるとき炭素の析出がゼロとなっている。
【００８１】
一方、石炭ガス化ガスに二酸化炭素ガスを添加した場合（実施形態２）、二酸化炭素ガスの添加量が増大するのに伴い、炭素析出量が低減している。二酸化炭素ガスの添加量が２１．２２％であるとき炭素の析出がゼロとなっている。
【００８２】
このように、水蒸気及び二酸化炭素ガスの何れを添加する場合についても、添加量と脱硫剤での炭素析出量とに傾向があることが分かる。
【００８３】
〈水蒸気及び二酸化炭素ガスの添加量と脱硫性能との関係〉
図７は、実施形態１及び実施形態２について、水蒸気及び二酸化炭素ガスの添加量と脱硫性能との関係を示したグラフである。縦軸は、脱硫装置６の出口における当該ガスに含まれる硫黄化合物の濃度（ｐｐｍ）である。横軸は、脱硫剤の除去できる硫黄化合物の理論量を当該ガスで供給できる時間を「１」として、実際に当該ガスを供給した時間を比で表した無次元化時間（ｔN［−］）である。また、石炭ガス化ガスに対する水蒸気の添加量は１０％であり、二酸化炭素ガスも１０％である。
【００８４】
同図に示すように、石炭ガス化ガスに水蒸気を添加した場合（実施形態１）、無次元化時間が０．４〜０．５になった時点で、硫黄濃度が上昇傾向を示し始める。その後、無次元化時間が１．０付近を越えても硫黄濃度が引き続き上昇傾向を続けており、硫黄化合物を低濃度に維持できる時間が短く、脱硫剤が完全に硫黄化合物を吸収しきるまでの時間が１．０より長くかかる傾向を示している。
【００８５】
一方、石炭ガス化ガスに二酸化炭素ガスを添加した場合（実施形態２）、無次元化時間が０．８付近まで硫黄濃度はほぼゼロであり、その後、硫黄濃度が上昇している。
【００８６】
このように、水蒸気及び二酸化炭素ガスの何れを添加する場合についても、無次元化時間が１に達するまでの一定期間、脱硫剤が脱硫性能を維持していることが分かる。特に、二酸化炭素ガスを添加する場合は、脱硫剤は、無次元化時間の「１」に近い時点までほぼ完全に脱硫を行うことができる。
【００８７】
〈他の実施形態〉
上述したように、実施形態１〜２では、石炭ガス化ガスｇに添加する流体として、ＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体（水蒸気、二酸化炭素ガス）を用いたが、炭素析出の抑制効果がある流体を添加する方法も有効である。乾式ガス精製設備４の脱硫剤や配管などで炭素の析出が抑制される流体を、石炭ガス化ガスｇにあらかじめ含ませておくため、たとえば乾式ガス精製設備４の上流側にて添加すればよい。
【００８８】
このような流体として、例えば硫化水素ガスなどの硫黄化合物を挙げることができる。流体添加手段としては、配管２１の石炭ガス化ガスｇの圧力と同等以上の圧力にした硫化水素ガスを配管２１に供給するように構成する。
【００８９】
このような構成の流体添加手段を設けることで、石炭ガス化ガスｇは、脱硫装置６の配管の表面や脱硫剤に炭素が析出することを防止できる組成となる。このような炭素析出防止の原理は、次のように説明できる。
【００９０】
硫化水素は吸着性が極めて高く、元来固体表面に吸着されやすい性質を持っている。また、高温で石炭ガス化ガスに含まれていると反応性が高く、金属や金属酸化物との化学反応により硫化物を生成しやすい。これらの性質があるため、硫化水素は脱硫装置６の脱硫剤に除去されたり、配管などに付着したりする。一方でBoudouard反応は、後述するように２分子の一酸化炭素（ＣＯ）が反応するが、気体のＣＯ同士の化学反応が進む、いわゆる気相反応ではなくて、何らかの固体に吸着されたＣＯが、さらに気相からのＣＯと接触して化学反応が進むことによって、二酸化炭素と炭素になると考えられている。硫化水素のような吸着性や反応性の高いガスを添加しておくと、ＣＯと硫化水素とが競争吸着になると考えられ、吸着性の高い硫化水素がＣＯの吸着を妨げるため、結果としてBoudouard反応を抑制することができる。
【００９１】
なお、脱硫装置６の下流の配管等では硫化水素は除去されてなくなっているため、上述の硫化水素の効果は得られない。脱硫装置６で水性ガスシフト反応が進むため、脱硫装置６での炭素析出が抑制されておれば、さらに下流の配管等でのBoudouard反応は抑制されると考えられる。
【００９２】
さらに、他の実施形態としては、実施形態１〜２において、流体添加手段は、水蒸気又は二酸化炭素ガスの何れか一方を配管２１に供給するように構成したが、双方を配管２１に供給するように構成してもよい。例えば、ガスタービン１０で仕事を終えた排気ガスには水蒸気及び二酸化炭素ガスの双方が含まれているので、この排気ガスを用いる構成とすることができる。温度及び圧力の観点から、圧縮機９で昇圧された排気ガスを再生熱交換器１２に投入される前に一部を抽出して、配管２１に投入することが好ましい。このような構成の石炭ガス化複合発電設備１においても脱硫装置６に炭素が析出することを防止し、脱硫剤の性能低下を防止することができる。また、系内の水蒸気及び二酸化炭素ガスを有効利用することができる。
【００９３】
また、流体添加手段は、系外の水蒸気及び二酸化炭素ガスを乾式ガス精製設備４の上流側に供給するように構成してもよい。
【００９４】
〈ＫＢの説明〉
石炭ガス化ガスから炭素が析出する主反応は、Boudouard反応（式１）と考えられている。この反応が進むと２分子の気体が１分子になるため、反応系が圧力を低下させる方向に動く。この作用により、本反応は、圧力が高いほど進みやすいと予測できる。
（１）２ＣＯ→ＣＯ２＋Ｃ（固体）
【００９５】
実際に本反応の進みやすさを決める基準は、Boudouard反応に寄与する二酸化炭素と一酸化炭素の分圧比（ＰＣＯ２／（ＰＣＯ）２）であり、化学平衡の観点から以下のように説明できる。
【００９６】
炭素析出の進行はある温度Ｔにおいて、（式２）で決まる化学平衡定数、ＫＢ（Ｔ）が達成されると平衡となりそれ以上の反応は進行しない状態になる。
（２）ＫＢ（Ｔ）＝ρＣＯ２／（ρＣＯ）２
【００９７】
ＫＢ（Ｔ）は、圧力平衡定数（温度Ｔで決まる定数）、ρＣＯ２及びρＣＯは、化学平衡時の二酸化炭素及び一酸化炭素の分圧である。ガス組成と分圧の関係は（式３）（式４）の通りである。
（３）ρＣＯ２＝χＣＯ２×Ｐ
（４）ρＣＯ＝χＣＯ×Ｐ
χＣＯ２及びχＣＯは、石炭ガス化ガス中の二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガスの平衡におけるモル分率であり、Ｐは、石炭ガス化ガスの圧力である。
【００９８】
（２）に（３）と（４）を代入すると、圧力平衡定数とガス組成の関係が得られる（式５、数２の式）。
（５）ＫＢ（Ｔ）＝χＣＯ２×Ｐ／（χＣＯ×Ｐ）２＝χＣＯ２／（χＣＯ２×Ｐ）
あるガス組成で計算された分圧比ＫＢ＝ｘＣＯ２／（ｘＣＯ２×Ｐ）が、
（６）ＫＢ（Ｔ）＞ＫＢ
の関係にあるときは、ｘＣＯ２／（ｘＣＯ２×Ｐ）が増大するほう、すなわちBoudouard反応が進むことを意味している。逆にあらかじめ
（７）ＫＢ（Ｔ）≦ＫＢ
の関係となっているときは、Boudouard反応は進まない。ＫＢ＝ｘＣＯ２／（ｘＣＯ２×Ｐ）を増大させることが、Boudouard反応の抑制になることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、石炭から石炭ガス化ガスを生成し、乾式で不純物を除去する乾式ガス精製設備及びこれを備える石炭ガス化複合発電設備で利用することができる。
【符号の説明】
【０１００】
１ 石炭ガス化複合発電設備
２ 石炭ガス化炉
３ 熱交換器
４ 乾式ガス精製設備
５ ハロゲン化物除去装置
６ 脱硫装置
７ 燃焼器
８ 酸素製造装置
９ 圧縮機
１０ ガスタービン
１１ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
１２ 再生熱交換器
１３ 蒸気タービン
１４ 発電機
１５ 復水器
１６ 給水加熱器
１７、１９ 汽水分離器
１８、２０ 圧縮機
２１ 配管
ｅ 排気ガス
ｆ 燃料ガス
ｇ 石炭ガス化ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガス中の不純物を除去する除去装置と、
前記除去装置において炭素の析出を抑制する流体を、前記除去装置の上流で前記石炭ガス化ガスに添加する流体添加手段とを備える
ことを特徴とする乾式ガス精製設備。
【請求項２】
請求項１に記載する乾式ガス精製設備において、
前記流体添加手段は、石炭ガス化ガス中の二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガスの反応条件におけるモル分率をそれぞれｘＣＯ２及びｘＣＯとし、石炭ガス化ガスの圧力をＰとし、下記数１で定義されるＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体を前記石炭ガス化ガスに添加する
ことを特徴とする乾式ガス精製設備。
〔数１〕
ＫＢ＝ｘＣＯ２／（ｘＣＯ２×Ｐ）
【請求項３】
請求項２に記載する乾式ガス精製設備において、
前記流体添加手段は、前記流体として水蒸気を石炭ガス化ガスに添加する
ことを特徴とする乾式ガス精製設備。
【請求項４】
請求項２に記載する乾式ガス精製設備において、
前記流体添加手段は、前記流体として二酸化炭素ガスを石炭ガス化ガスに添加する
ことを特徴とする乾式ガス精製設備。
【請求項５】
請求項２に記載する乾式ガス精製設備において、
前記流体添加手段は、前記流体として水蒸気及び二酸化炭素ガスを含む混合ガスを石炭ガス化ガスに添加する
ことを特徴とする乾式ガス精製設備。
【請求項６】
石炭及び酸化剤の反応により石炭ガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、
前記石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガス中の不純物を除去する除去装置と、
前記除去装置において炭素の析出を抑制する流体を、前記除去装置の上流で前記石炭ガス化ガスに添加する流体添加手段と、
前記乾式ガス精製設備で得られた燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、
前記燃焼手段からの燃焼ガスを膨張することで動力を得るガスタービンと、
前記ガスタービンの排気ガスの熱を回収して得られた蒸気を膨張することで動力を得る蒸気タービンとを備え、
前記流体添加手段は、前記除去装置の上流において、前記流体として前記蒸気タービンで仕事をした水蒸気を石炭ガス化ガスに添加する
ことを特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
【請求項７】
石炭及び酸化剤の反応により石炭ガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、
前記石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガス中の不純物を除去する除去装置と、
前記除去装置において炭素の析出を抑制する流体を、前記除去装置の上流で前記石炭ガス化ガスに添加する流体添加手段と、
前記乾式ガス精製設備で得られた燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、
前記燃焼手段からの燃焼ガスを膨張することで動力を得るガスタービンと、
前記ガスタービンの排気ガスの熱を回収して得られた蒸気を膨張することで動力を得る蒸気タービンとを備え、
前記流体添加手段は、前記流体として前記ガスタービンの排気ガスを回収する二酸化炭素回収系から、前記除去装置の上流において、石炭ガス化ガスに二酸化炭素を添加する
ことを特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
【請求項１】
石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガス中の不純物を除去する除去装置と、
前記除去装置において炭素の析出を抑制する流体を、前記除去装置の上流で前記石炭ガス化ガスに添加する流体添加手段とを備える
ことを特徴とする乾式ガス精製設備。
【請求項２】
請求項１に記載する乾式ガス精製設備において、
前記流体添加手段は、石炭ガス化ガス中の二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガスの反応条件におけるモル分率をそれぞれｘＣＯ２及びｘＣＯとし、石炭ガス化ガスの圧力をＰとし、下記数１で定義されるＫＢが増大するようにｘＣＯ２とｘＣＯとの比を変化させる流体を前記石炭ガス化ガスに添加する
ことを特徴とする乾式ガス精製設備。
〔数１〕
ＫＢ＝ｘＣＯ２／（ｘＣＯ２×Ｐ）
【請求項３】
請求項２に記載する乾式ガス精製設備において、
前記流体添加手段は、前記流体として水蒸気を石炭ガス化ガスに添加する
ことを特徴とする乾式ガス精製設備。
【請求項４】
請求項２に記載する乾式ガス精製設備において、
前記流体添加手段は、前記流体として二酸化炭素ガスを石炭ガス化ガスに添加する
ことを特徴とする乾式ガス精製設備。
【請求項５】
請求項２に記載する乾式ガス精製設備において、
前記流体添加手段は、前記流体として水蒸気及び二酸化炭素ガスを含む混合ガスを石炭ガス化ガスに添加する
ことを特徴とする乾式ガス精製設備。
【請求項６】
石炭及び酸化剤の反応により石炭ガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、
前記石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガス中の不純物を除去する除去装置と、
前記除去装置において炭素の析出を抑制する流体を、前記除去装置の上流で前記石炭ガス化ガスに添加する流体添加手段と、
前記乾式ガス精製設備で得られた燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、
前記燃焼手段からの燃焼ガスを膨張することで動力を得るガスタービンと、
前記ガスタービンの排気ガスの熱を回収して得られた蒸気を膨張することで動力を得る蒸気タービンとを備え、
前記流体添加手段は、前記除去装置の上流において、前記流体として前記蒸気タービンで仕事をした水蒸気を石炭ガス化ガスに添加する
ことを特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
【請求項７】
石炭及び酸化剤の反応により石炭ガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、
前記石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスの温度を、露点を上回る温度に維持して運転する乾式法により石炭ガス化ガス中の不純物を除去する除去装置と、
前記除去装置において炭素の析出を抑制する流体を、前記除去装置の上流で前記石炭ガス化ガスに添加する流体添加手段と、
前記乾式ガス精製設備で得られた燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、
前記燃焼手段からの燃焼ガスを膨張することで動力を得るガスタービンと、
前記ガスタービンの排気ガスの熱を回収して得られた蒸気を膨張することで動力を得る蒸気タービンとを備え、
前記流体添加手段は、前記流体として前記ガスタービンの排気ガスを回収する二酸化炭素回収系から、前記除去装置の上流において、石炭ガス化ガスに二酸化炭素を添加する
ことを特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２１１３８（Ｐ２０１２−２１１３８Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０６７４４（Ｐ２０１１−１０６７４４）
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「革新的ゼロエミッション石炭ガス化発電プロジェクト／革新的ガス化技術に関する基盤研究事業／ＣＯ２回収型次世代ＩＧＣＣ技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「革新的ゼロエミッション石炭ガス化発電プロジェクト／革新的ガス化技術に関する基盤研究事業／ＣＯ２回収型次世代ＩＧＣＣ技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
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