固定床反応容器及び吸収剤の充填方法
【課題】吸収剤の使用割合を高めて無駄を抑制して吸収剤を交換することができる固定床反応容器とする。
【解決手段】独立した複数の充填部６２、６３を備え、交換時期となった際に、仕切板６４を抜き外すことで下流側の充填部６３の内部の充填剤を上流側の充填部６２の内部に落下させ、詰め替えの時間と労力を大幅に低減して、下流の充填部６３に充填された未使用の吸収剤を上流側で使用する。
【解決手段】独立した複数の充填部６２、６３を備え、交換時期となった際に、仕切板６４を抜き外すことで下流側の充填部６３の内部の充填剤を上流側の充填部６２の内部に落下させ、詰め替えの時間と労力を大幅に低減して、下流の充填部６３に充填された未使用の吸収剤を上流側で使用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス温度を露点以下に下げない乾式法により原料ガスから不純物を除去する吸収剤が充填される固定床反応容器に関する。
【０００２】
また、本発明は、ガス温度を露点以下に下げない乾式法により原料ガスから不純物を除去する吸収剤の固定床反応容器への充填方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
近年、資源の有効利用や廃棄物の減量化が求められており、バイオマスや廃棄物から製造した原料ガスを発電機器（燃料電池やガスエンジン）の燃料ガスとすることが考えられている。燃料電池やガスエンジン等の発電機器の燃料ガスとしては、不純物が含まれていると性能を発揮することができないので、あらかじめ燃料ガスの不純物を発電機器の許容濃度以下まで低減しておく必要がある。バイオマスや廃棄物から製造した原料ガスには環境に影響を与える不純物が含まれているため、水銀やハロゲン化物等の不純物を除去する必要がある。
【０００４】
水銀を除去する吸収剤としては、例えば、触媒作用あるいは化学反応性を有する成分を担持させ水銀との化学反応により生成した塩を吸着することで水銀を除去する添着活性炭を用いることが知られている。また、銅を主体とした銅系吸収剤を用いる技術（例えば、特許文献１参照）が知られている。ゴミ焼却設備等の分野では、ハロゲン化物を吸収剤に固定する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
水銀を除去する吸収剤やハロゲン化物を除去する吸収剤は、固定床反応器に充填されることが考えられ、精製ガスを燃料電池等の燃料に使用する場合、固定床反応器の出口の不純物濃度を数ｐｐｍ程度にする必要がある。固定床反応器では、入口側から順に吸収剤が消費され、出口側に浄化されたガスが流出する。出口側に流出する精製ガス中の不純物の濃度を目標の清浄度以下（例えば、１ｐｐｍ以下）に保つためには、固定床反応器の出口側に常に未使用の吸収剤を残した状態で運用する必要がある。
【０００６】
このため、燃料電池等の燃料ガスを精製するような場合、目標の清浄度が高く（出口側の燃料ガスに含まれる不純物濃度が低く）、固定床反応器の充填層に占める未使用の吸収剤の割合が高くなる。出口側の不純物の濃度が目標値を越えることが予想された（超えた）場合には、吸収剤を交換することになるが、目標の清浄度が高ければ高いほど未使用に近い吸収剤が多くなるのが現状であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１６１２５５号公報
【特許文献２】特開２００２−１３０６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、吸収剤の使用割合を高めて無駄を抑制して吸収剤を交換することができる固定床反応容器を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、固定床反応容器の出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、吸収剤の使用割合を高めて無駄を抑制して吸収剤を充填することができる吸収剤の充填方法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】
【００１０】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の固定床反応容器は、原料ガス中の不純物を吸収する吸収剤が充填される固定床反応容器であって、原料ガスの流れ方向に沿って独立した複数の充填部を備え、複数の充填部が上下に配設されて原料ガスが下から上に流通され、隣接する充填部の層間は抜き差し自在な壁部材で隔てられ、充填部の間に不純物の状況を検出する検出手段を備え、検出手段の結果により検出手段の上流側の充填部に充填された吸収剤の使用状況を把握し、所定期間運転が行なわれた後に、壁部材を抜き外すことで下流側の充填部の内部の吸収剤を上流側の充填部の内部に落下させることで、下流側の充填部の内部の吸収剤が上流側の充填部の内部に移されることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る本発明では、原料ガスの流れ方向に沿って独立した複数の充填部を備えたので、出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、流れの上流の充填部に充填された使用済みの吸収剤だけを交換することが可能になり、流れの下流の充填部に充填された未使用の吸収剤を上流側で使用する等、全体の吸収剤の使用割合を高めることが可能になる。このため、無駄を抑制して吸収剤を交換することができる固定床反応容器とすることができる。
【００１２】
また、検出手段により上流側の充填部を流通した原料ガスの不純物の状況を検出することで、上流側の充填部に充填された吸収剤の使用状況に基づいて交換時期を的確に把握することができる。検出手段としては、ガス分析手段を用いることができる。そして、未使用に近い下流側の吸収剤を上流側に移すことで、目標の清浄度が高い設備に適用した場合でも吸収剤を無駄なく使用することが可能になり、壁部材を抜き外すことで下流側の充填部の内部の充填剤を上流側の充填部の内部に落下させるので、詰め替えの時間と労力を大幅に低減することができる。
【００１３】
そして、請求項２に係る本発明の固定床反応容器は、請求項１に記載の固定床反応容器において、充填部に充填される吸収剤は、水銀との化学反応により生成した塩を吸着することで水銀を吸収する添着活性炭、銅を主体として水銀を吸収する銅系吸収剤、ハロゲン化物を吸収するハロゲン化物吸収剤、硫化物を吸収する脱硫剤のいずれかであることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る本発明では、水銀除去の反応容器、ハロゲン除去の反応容器、硫化物除去の反応容器として適用することができる。
【００１５】
また、請求項３に係る本発明の固定床反応容器は、請求項２に記載の固定床反応容器において、原料ガスは、化石燃料、バイオマス、廃棄物をガス化した原料ガスであり、不純物が吸収されて燃料ガスが精製され、精製された燃料ガスは高温型燃料電池の燃料ガスとして用いられることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る本発明では、化石燃料、バイオマス、廃棄物をガス化した原料ガスを高温型燃料電池の燃料ガスに精製する精製設備の固定床反応器として適用することができる。
【００１７】
上記目的を達成するための請求項４に係る本発明の吸収剤の充填方法は、原料ガスの流れ方向に対して独立した複数の層に吸収剤を充填する一方、原料ガスを模擬した模擬ガスの流速条件を原料ガスの流速条件に一致させて模擬用吸収剤に模擬ガスを流通させ、模擬ガスを流通させた模擬用吸収剤の不純物吸収の分布に基づいて、不純物の吸収が所定量以下の模擬用吸収剤の模擬ガスの流れ方向の長さにより、独立した複数の層の最下流側の層の吸収剤の原料ガスの流れ方向の層の長さを決定することを特徴とする。
【００１８】
請求項４に係る本発明では、流速条件を一致させた模擬ガスを流通させた際の模擬用吸収剤の不純物吸収の分布により、最下流側の層の吸収剤の層の長さである層厚を決定するので、目標の清浄度が高い設備で後流側の未使用の割合が多くなる設備に対して未使用の吸収剤の範囲を的確に把握した状態で吸収剤を充填することが可能になる。この結果、固定床反応容器の出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、吸収剤の使用割合を高めて無駄を抑制して吸収剤を充填することが可能になる。
【００１９】
固定床反応容器としては、上流側の充填部をバイパスして下流側の充填部に原料ガスを流通させるバイパス経路を備え、上流側の充填部に充填された吸収剤を交換する際に原料ガスをバイパス経路に流通させることも可能である。
【００２０】
これにより、上流側の充填部に充填された吸収剤を交換する際に、バイパス経路により原料ガスを下流側の充填部に流通させることで、連続運転を行うことが可能になる。好ましくは、更に、下流側の充填部をバイパスするバイパス経路を設けて流通を制御することで、下流側の充填部の吸収剤を交換する際にも連続運転が可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の固定床反応容器は、出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、吸収剤の使用割合を高めて無駄を抑制して吸収剤を交換することができる固定床反応容器となる。
【００２２】
また、本発明の吸収剤の充填方法は、固定床反応容器の出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、吸収剤の使用割合を高めて無駄を抑制して吸収剤を充填することができる充填方法となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例に係る固定床反応容器を適用した乾式ガス精製システムの概略系統図である。
【図２】固定床反応容器の概略構成図である。
【図３】吸収剤の不純物吸収の分布状況説明図である。
【図４】固定床反応容器の概略構成図である。
【図５】本発明の一実施例に係る固定床反応容器の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の固定床反応容器は、バイオマス、廃棄物からなる固形燃料をガス化して得られた原料ガス、即ち、不純物として多種の不純物が入っている原料ガスを精製して燃料電池やガスエンジンの燃料ガスとするガス精製設備の固定床反応容器に適用され、水銀との化学反応により生成した塩を吸着することで水銀を吸収する添着活性炭や、銅を主体として水銀を吸収する銅系吸収剤、ハロゲン化物を吸収するハロゲン化物吸収剤、硫化物を吸収する脱硫剤が充填されるものである。そして、固定床反応容器の出口側では、水銀を５μｇ／ｍ3Ｎ以下の低濃度に除去すると共に、塩化水素、フッ化水素等のハロゲン化物を１ｐｐｍ以下の低濃度に除去し、更に、硫化物を１ｐｐｍ以下の低濃度に除去して不特定の不純物が高い清浄度で除去された燃料ガスを精製し、例えば、溶融炭酸塩型燃料電池、ガスエンジン、ガスタービン等の燃料ガスとして用いるものである。
【００２５】
図１には本発明の固定床反応容器を適用した乾式ガス精製システムの概略系統、図２には固定床反応容器の参考例の概略構成、図３には吸収剤の不純物吸収の分布状況、図４には固定床反応容器の参考例の概略構成、図５には本発明の一実施例に係る固定床反応容器の概略構成を示してある。
【００２６】
図１〜図３に基づいて乾式ガス精製システムの全体及び固定床反応容器の参考例を説明する。最初に図１によって、乾式ガス精製システムの概略系統を説明する。
【００２７】
図１に示すように、バイオマスガス化炉１で得られた原料ガスは、まず、バグフィルター２に送られる。バグフィルター２の上流にはハロゲン化物除去剤の供給装置を備えており、ハロゲン化物除去剤をバグフィルター２にあらかじめ吹き付けておく（プレコート）か、あるいは原料ガスに吹き込んで原料ガスと共にバグフィルター２に搬送される。
【００２８】
こうすることで、原料ガス中のハロゲン化物の一部はハロゲン化物除去剤に吸収されて固定化されるので、バグフィルター２で、ダスト等の固体状不純物が濾過されて除去される際に同時にハロゲン化物の一部も除去される。
【００２９】
バグフィルター２を通過した原料ガスは重金属類除去装置３に送られ、重金属類除去装置３では金属水銀蒸気（Ｈｇ0）をはじめ、活性炭等により塩基性ガス（アンモニア）、重金属類（砒素、セレン等）、有機塩素化合物（ダイオキシン）が吸着除去される（運転温度１２０℃〜１６０℃）。
【００３０】
重金属類除去装置３で重金属類が除去された原料ガスは熱交換器８で昇温された後、ハロゲン化物除去装置４に送られ、そこで原料ガスに残存している塩化水素やフッ化水素等のハロゲン化物が１ｐｐｍ以下の低濃度に除去される（運転温度２５０℃〜４５０℃）。
【００３１】
ハロゲン化物が１ｐｐｍ以下の低濃度に除去された原料ガスは脱硫装置５に送られ、硫黄化合物が吸収されて除去される（運転温度２５０℃〜４５０℃）。硫黄化合物が脱硫除去された原料ガスは燃料ガスとして発電装置６（例えば、溶融炭酸塩型燃料電池、ガスエンジン、ガスタービン等）に送られる。
【００３２】
以上の乾式ガス精製システムの概略系統の機能を要約して説明する。
【００３３】
図に示した乾式ガス精製システムでは、バグフィルター２によりダスト等の固体状不純物が濾過されて除去される。金属水銀蒸気（Ｈｇ0）をはじめ重金属類、有機塩素化合物が重金属類除去装置３で除去されて水銀が５μｇ／ｍ3Ｎ以下の低濃度に除去される。そして、ハロゲン化物除去装置４のハロゲン化物除去剤に塩化水素やフッ化水素等のハロゲン化物が吸収されてハロゲン化物が１ｐｐｍ以下の低濃度に除去される。また、硫黄化合物が脱硫装置５の脱硫剤に吸収されて硫黄化合物が１ｐｐｍ以下の低濃度に除去される。これにより、バイオマスをガス化した原料ガス、即ち、不純物として多種の不純物が入っている原料ガスを発電装置６の燃料ガスとして精製することができる。
【００３４】
上述した乾式ガス精製システムの重金属類除去装置３、ハロゲン化物除去装置４及び脱硫装置５に本発明の固定床反応容器が用いられている。即ち、重金属類除去装置３の固定床反応容器１１には、例えば、銅を主体として水銀を吸収する銅系吸収剤１５がペレット状にされて充填されている。重金属類除去装置３の固定床反応容器１１には、例えば、触媒作用あるいは化学反応性を有する成分を担持させ水銀との化学反応により生成した塩を吸着することで水銀を除去する添着活性炭が充填されてもよい。
【００３５】
また、ハロゲン化物除去装置４の固定床反応容器１２には、例えば、アルミン酸ナトリウムを含有したハロゲン化物吸収剤１６がペレット状にされて充填されている。また、脱硫装置５の固定床反応容器１３には、例えば、酸化亜鉛脱硫剤の脱硫剤１７が充填されている。
【００３６】
図１、図２に基づいて固定床反応容器１１、１２、１３の構成の参考例を説明する。固定床反応容器１１、１２、１３の構成は基本的に同一であるので、代表して固定床反応容器１３について説明する。
【００３７】
固定床反応容器１３には原料ガスの流れ方向（上から下方向）に対して独立した２つの充填部２１、２２が備えられ、充填部２１、２２には脱硫剤１７がそれぞれ充填されている。尚、固定床反応容器１１の場合、充填部２１、２２には銅系吸収剤１５（もしくは添着活性炭）がそれぞれ充填され、固定床反応容器１２の場合、充填部２１、２２にはハロゲン化物吸収剤１６がそれぞれ充填されている。
【００３８】
充填部２１と充填部２２の吸収剤の層の原料ガスの流れ方向の長さである層厚は、不純物の吸収分布に基づいて決められている（詳細は後述する）。つまり、上流側の充填部２１の脱硫剤１７が十分に使用された時に、下流側の充填部２２の脱硫剤１７が未使用状態に維持され、出口の硫黄化合物の濃度（不純物の濃度）が１ｐｐｍ以下に保たれる状態になるように充填部２２の層厚Ｌが決められている。
【００３９】
図３を参照して脱硫剤１７の充填方法、即ち、充填部２２の層厚Ｌの決定方法を説明する。図３（ａ）は脱硫剤の使用状況、図３（ｂ）は硫黄化合物の分布である。脱硫剤としては酸化亜鉛脱硫剤を使用した。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、原料ガスを模擬した模擬ガス２５の反応条件（温度，圧力，ガス組成など）ならびに流速条件（線速度）を原料ガスの反応条件ならびに流速条件（線速度）に一致させ、反応管２４内の模擬用吸収剤２６（脱硫剤）に模擬ガス２５を流通させる。所定の期間、即ち、出口の硫黄化合物の濃度を所定濃度（例えば、１５ｐｐｍ）まで破過させた期間、模擬用吸収剤２６に模擬ガス２５を流通させ続ける。この状態で脱硫剤層をガス流れ方向に沿っていくつかの層に分割し、それぞれの層の硫黄化合物の吸収量を分析して硫黄化合物の分布を調べた。
【００４１】
図３（ｂ）に硫黄化合物の分布を例示する。図に示すように、脱硫剤は上流の３分の１程度までは完全に使用され、中央の３分の１程度の区間で急激に未使用部分が増加し、下流の３分の１程度は未使用部分が大部分となっている。下流の３分の２程度の長さＤ（典型的な反応条件で硫黄化合物の分布を調べた場合、例えば、１５ｃｍ〜２０ｃｍ程度の長さとなる）が実際の処理設備の反応容器で未使用部分となる層の厚さであると言える。実際の処理設備の反応容器では、ガスの偏流や脱硫剤の充填状態により未使用部分の層厚が変動する可能性があるため、層厚ＬとしてはＤの１．５倍から２倍程度の余裕をもって、Ｌ＝１．５ＤないしＬ＝２Ｄとするのが好ましい。この層厚Ｌが決定されることによって、実際の反応器においては、処理ガス量に応じて反応管２４の内径を拡大して充填部２１ならびに充填部２２の内径を決定することと、脱硫剤の交換期間を考慮して充填部２１の層高さを決定することによって、目的に応じた適切な固定床反応器の設計が可能となる。
【００４２】
この結果に基づいて、固定床反応容器１３の下流側の充填部２２の層厚Ｌが決められ、上流側の充填部２１の脱硫剤１７が十分に使用された時に、下流側の充填部２２の脱硫剤１７の大部分が未使用状態で維持されるようになっている。ハロゲン化合物、水銀を除去するための固定床反応容器１１、１２における充填部２２の層厚Ｌも同様に決定される。
【００４３】
脱硫剤１７を交換する場合、上流側の充填部２１で完全に使用済みとされた脱硫剤１７を排出し、下流側の充填部２２でほとんど未使用とされた脱硫剤１７及び新品の脱硫剤１７を上流側の充填部２１に充填すると共に、新品の脱硫剤１７を下流側の充填部２２に充填する。これにより、脱硫剤１７を完全に使用済みとされるまで使用することができる。このため、全体の脱硫剤１７の使用割合を高めることが可能になり、無駄を抑制して脱硫剤１７を交換することができる固定床反応容器１３とすることができる。
【００４４】
尚、充填部２１に充填された使用済みの脱硫剤１７だけを交換することも可能である。この場合、充填部２２の脱硫剤１７を充填部２１に使用したり、充填部２２の脱硫剤１７をそのまま使用する等の運用が任意に可能になる。
【００４５】
流速条件を一致させた模擬ガス２５を流通させた際の模擬用吸収剤２６の硫黄化合物の分布により、固定床反応容器１３の下流側の充填部２２の層厚Ｌを決定することで、目標の清浄度が高い設備であって、下流側の未使用の割合が多くなる設備に対しても、未使用となる層厚分として適切な量の脱硫剤１７を充填部２２に有し、完全に使用済みとなる脱硫剤１７を充填部２１に配することができ、なおかつ充填部２１が完全に使用済みになったことを的確に把握した状態で、脱硫剤１７を交換することが可能になる。この結果、固定床反応容器１３の出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、脱硫剤１７の使用割合を高めて無駄を抑制して脱硫剤１７を使用することが可能になる。
【００４６】
一方、図１、図２に示すように、固定床反応容器１３の充填部２１と充填部２２の間には、ガスを抽出するガス抽出手段５１が設けられ、ガス抽出手段５１で抽出したガスの状況を分析するガス分析手段５２が設けられている（検出手段）。また、固定床反応容器１３の出口部には出口ガス抽出手段５３が設けられ、出口ガス抽出手段５３で抽出したガスの状況がガス分析手段５２により分析される。
【００４７】
固定床反応容器１３の充填部２１の出口側の原料ガスがガス抽出手段５１で抽出されてガス分析手段５２で分析される。図３（ｂ）に示した硫黄化合物の分布状況に基づいて、所定の濃度状況になったことを監視する。即ち、充填部２１の出口で硫黄化合物を測定して破過しているか否かを監視する（入口側に流入した硫黄化合物が出口側に流出しているか否かを監視する）。また、出口ガス抽出手段５３により固定床反応容器１３の出口ガスの硫黄化合物の状況が監視され、固定床反応容器１３が破過していないことが監視されている。
【００４８】
これにより、上流側の充填部２１に充填された脱硫剤１７の使用状況を検出することができ、充填部２１に充填された脱硫剤１７の交換時期を的確に把握することができる。下流側の充填部２２の層厚Ｌを十分に確保しておくことで、上流側の充填部２１で破過させて（完全に脱硫剤１７を使用済みの状態にさせて）、充填部２２の出口に破過していない状態のガスを流出させることができる。つまり、上流側の充填部２１に充填させた脱硫剤１７を完全に使用済み状態にすることができる。
【００４９】
上述した固定床反応容器１３（１１、１２）では、出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、脱硫剤１７の使用割合を高めて無駄を抑制して脱硫剤１７を交換することができる。つまり、消費する脱硫剤１７を最小限にして使用済みの脱硫剤１７を減量することができ、コスト低減を図ることが可能になる。また、脱硫剤１７の交換時期を適切に把握することができるので、流入する原料ガスの不純物量を把握する必要がなく、運用の簡素化を図ることが可能になる。
【００５０】
図４に基づいて固定床反応容器の他の参考例を説明する。
【００５１】
固定床反応容器３１は、上流側の充填部３２を形成する上流側容器３３と、下流側の充填部３４を形成する下流側容器３５とが備えられている。下流側の充填部３４の流路長（層厚）は、図２に示した充填部２２と同様に長さＬに設定されている。
【００５２】
固定床反応容器３１の入口側の流路３０からバイパス路３６が分岐して設けられ、バイパス路３６は上流側容器３３の出口側の流路３８に接続されている。バイパス路３６の分岐部の下流側の流路３０には第１流通制御弁４２が設けられ、バイパス路３６には第２流通制御弁４３が設けられている。
【００５３】
また、上流側容器３３の出口側の流路３８のバイパス路３６が接続される部位の上流側から第２バイパス路３９が設けられ、第２バイパス路３９は下流側容器３５の出口側の流路３７に接続されている。そして、第２バイパス路３９には第３流通制御弁４５が設けられている。第２バイパス路３９の分岐部とバイパス路３６の接続部の間における流路３８には第４流通制御弁４４が設けられ、第２バイパス路３９の接続部の上流側における流路３７には第５流通制御弁４６が設けられている。
【００５４】
バイパス路３６の接続部の下流側における流路３８にはガス抽出手段５１が設けられ、第２バイパス路３９の接続部の下流側における流路３７には出口ガス抽出手段５３が設けられている。ガス抽出手段５１及び出口ガス抽出手段５３で抽出したガスの状況がガス分析手段５２により分析される。このため、第１実施形態例と同様に吸収剤の交換時期が適切に把握される。
【００５５】
第１流通制御弁４２、第２流通制御弁４３、第３流通制御弁４５、第４流通制御弁４４及び第５流通制御弁４６は何れも開閉弁であり、第１流通制御弁４２、第２流通制御弁４３、第３流通制御弁４５、第４流通制御弁４４及び第５流通制御弁４６の開閉状態の切換えにより、流路３０からの原料ガスが上流側容器３３及び下流側容器３５を流通する経路、流路３０からの原料ガスが上流側容器３３をバイパスして下流側容器３５だけを流通するバイパス経路、流路３０からの原料ガスが上流側容器３３だけを流通して下流側容器３５をバイパスするバイパス経路が選択される。
【００５６】
つまり、第２流通制御弁４３及び第３流通制御弁４５を閉状態にすると共に、第１流通制御弁４２及び第４流通制御弁４４及び第５流通制御弁４６を開状態にすることで、流路３０からの原料ガスが上流側容器３３、流路３８、下流側容器３５を流通して流路３７に送られる。
【００５７】
また、第１流通制御弁４２及び第３流通制御弁４５及び第４流通制御弁４４を閉状態にすると共に、第２流通制御弁４３及び第５流通制御弁４６を開状態にすることで、流路３０からの原料ガスがバイパス路３６を通って下流側容器３５に送られ、下流側容器３５だけを流通して流路３７に送られる。
【００５８】
また、第２流通制御弁４３及び第４流通制御弁４４及び第５流通制御弁４６を閉状態にすると共に、第１流通制御弁４２及び第３流通制御弁４５を開状態にすることで、流路３０からの原料ガスが上流側容器３３だけを流通して第２バイパス路３９から流路３７に送られる。
【００５９】
このため、上流側容器３３の充填部３２に充填された吸収剤を交換する際に、バイパス路３６により原料ガスを下流側容器３５の充填部３４に流通させることで、上流側容器３３の充填部３２に流れる原料ガスをバイパスさせることができ、連続運転を行うことが可能になる。更に、下流側容器３５の充填部３４に充填された吸収剤を交換する際に、バイパス経路である第２バイパス路３９により上流側容器３３を流通した原料ガスを流路３７に流通させることで、下流側容器３５の充填部３４に流れる原料ガスをバイパスさせることができ、連続運転を行うことが可能になる。
【００６０】
上述したように、上流側容器３３及び下流側容器３５の上流（入口）と下流（出口）にそれぞれ流通制御弁を設けた経路構成とすることで、上流側容器３３または下流側容器３５に充填された吸収剤を交換する際に、上流側容器３３または下流側容器３５を流路から完全に切り離すことができる。
【００６１】
上述した固定床反応容器３１は、運転を止めることなく上流側の充填部３２に充填された吸収剤、または、下流側の充填部３４に充填された吸収剤を交換することができ、連続運転が可能になる。
【００６２】
図５に基づいて本発明の固定床反応容器の一実施例を説明する。図５に示した固定床反応容器６１を図１に示した固定床反応容器１１、１２、１３として適用することで、本発明の固定床反応容器を用いた乾式ガス精製システムとなる。
【００６３】
固定床反応容器６１には充填部６２及び充填部６３が上下に配され、固定床反応容器６１には原料ガスが下から上に流通される。つまり、下側の充填部６２が上流側とされ、上側の充填部６３が下流側とされている。充填部６２、６３には吸収剤が充填され、下流側の充填部６３の流路長は、図２に示した充填部２２と同様に長さＬに設定されている。
【００６４】
下流側の充填部６３の底部と上流側の充填部６２の上面部とは壁部材としての仕切板６４で仕切られ、仕切板６４は原料ガスが流通可能とされると共に抜き差し自在とされている。そして、図２に示した参考例と同様に、充填部６２の出口側にはガス抽出手段５１が設けられ、固定床反応容器６１の出口側には出口ガス抽出手段５３が設けられ、ガス分析手段５２によりガスの状況が分析されて吸収剤の交換時期が適切に把握されている。
【００６５】
上述した固定床反応容器６１では、原料ガスが下から上に流通され、充填部６２から充填部６３に送られる。吸収剤を交換する場合、上流側の充填部６２で完全に使用済みとされた吸収剤を排出し、仕切板６４を抜き外して下流側の充填部６３でほとんど未使用とされた吸収剤を上流側の充填部６２の内部に落下させる。吸収剤を落下させた後、仕切板６４を挿入して下流側の充填部６３に新品の吸収剤を充填する。
【００６６】
このため、仕切板６４を抜き外すことで下流側の充填部６３の内部の充填剤を上流側の充填部６２の内部に落下させて移すことができるので、充填剤の詰め替えの時間と労力を大幅に低減することができる。
【００６７】
上述した固定床反応容器が適用されるガス精製設備の機器の状況等は図１に示したシステムには限定されない。つまり、例えば、バイオマスや廃棄物から製造した原料ガス、あるいは、化石燃料から得られた原料ガス、即ち、多成分の不純物を有する原料ガスから的確に不純物を高い清浄度で除去する運用を行なう設備であれば、ガス精製設備の態様は種々の設備に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、ガス温度を露点以下に下げない乾式法により原料ガスから不純物を除去する吸収剤が充填される固定床反応容器の産業分野で利用することができる。
【００６９】
また、本発明は、ガス温度を露点以下に下げない乾式法により原料ガスから不純物を除去する吸収剤の固定床反応容器への充填方法の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１ バイオマスガス化炉
２ バグフィルター
３ 重金属類除去装置
４ ハロゲン化物除去装置
５ 脱硫装置
６ 発電装置
８ 熱交換器
１１、１２、１３、３１、６１ 固定床反応容器
１５ 銅系吸収剤
１６ ハロゲン化物吸収剤
１７ 脱硫剤
２１、２２、３２、３４、６２、６３ 充填部
２４ 反応管
２５ 模擬ガス
２６ 模擬用吸収剤
３０、３７、３８ 流路
３３ 上流側容器
３５ 下流側容器
３６ バイパス路
３９ 第２バイパス路
４２ 第１流通制御弁
４３ 第２流通制御弁
４４ 第４流通制御弁
４５ 第３流通制御弁
４６ 第５流通制御弁
５１ ガス抽出手段
５２ ガス分析手段
５３ 出口ガス抽出手段
６４ 仕切板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス温度を露点以下に下げない乾式法により原料ガスから不純物を除去する吸収剤が充填される固定床反応容器に関する。
【０００２】
また、本発明は、ガス温度を露点以下に下げない乾式法により原料ガスから不純物を除去する吸収剤の固定床反応容器への充填方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
近年、資源の有効利用や廃棄物の減量化が求められており、バイオマスや廃棄物から製造した原料ガスを発電機器（燃料電池やガスエンジン）の燃料ガスとすることが考えられている。燃料電池やガスエンジン等の発電機器の燃料ガスとしては、不純物が含まれていると性能を発揮することができないので、あらかじめ燃料ガスの不純物を発電機器の許容濃度以下まで低減しておく必要がある。バイオマスや廃棄物から製造した原料ガスには環境に影響を与える不純物が含まれているため、水銀やハロゲン化物等の不純物を除去する必要がある。
【０００４】
水銀を除去する吸収剤としては、例えば、触媒作用あるいは化学反応性を有する成分を担持させ水銀との化学反応により生成した塩を吸着することで水銀を除去する添着活性炭を用いることが知られている。また、銅を主体とした銅系吸収剤を用いる技術（例えば、特許文献１参照）が知られている。ゴミ焼却設備等の分野では、ハロゲン化物を吸収剤に固定する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
水銀を除去する吸収剤やハロゲン化物を除去する吸収剤は、固定床反応器に充填されることが考えられ、精製ガスを燃料電池等の燃料に使用する場合、固定床反応器の出口の不純物濃度を数ｐｐｍ程度にする必要がある。固定床反応器では、入口側から順に吸収剤が消費され、出口側に浄化されたガスが流出する。出口側に流出する精製ガス中の不純物の濃度を目標の清浄度以下（例えば、１ｐｐｍ以下）に保つためには、固定床反応器の出口側に常に未使用の吸収剤を残した状態で運用する必要がある。
【０００６】
このため、燃料電池等の燃料ガスを精製するような場合、目標の清浄度が高く（出口側の燃料ガスに含まれる不純物濃度が低く）、固定床反応器の充填層に占める未使用の吸収剤の割合が高くなる。出口側の不純物の濃度が目標値を越えることが予想された（超えた）場合には、吸収剤を交換することになるが、目標の清浄度が高ければ高いほど未使用に近い吸収剤が多くなるのが現状であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１６１２５５号公報
【特許文献２】特開２００２−１３０６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、吸収剤の使用割合を高めて無駄を抑制して吸収剤を交換することができる固定床反応容器を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、固定床反応容器の出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、吸収剤の使用割合を高めて無駄を抑制して吸収剤を充填することができる吸収剤の充填方法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】
【００１０】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の固定床反応容器は、原料ガス中の不純物を吸収する吸収剤が充填される固定床反応容器であって、原料ガスの流れ方向に沿って独立した複数の充填部を備え、複数の充填部が上下に配設されて原料ガスが下から上に流通され、隣接する充填部の層間は抜き差し自在な壁部材で隔てられ、充填部の間に不純物の状況を検出する検出手段を備え、検出手段の結果により検出手段の上流側の充填部に充填された吸収剤の使用状況を把握し、所定期間運転が行なわれた後に、壁部材を抜き外すことで下流側の充填部の内部の吸収剤を上流側の充填部の内部に落下させることで、下流側の充填部の内部の吸収剤が上流側の充填部の内部に移されることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る本発明では、原料ガスの流れ方向に沿って独立した複数の充填部を備えたので、出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、流れの上流の充填部に充填された使用済みの吸収剤だけを交換することが可能になり、流れの下流の充填部に充填された未使用の吸収剤を上流側で使用する等、全体の吸収剤の使用割合を高めることが可能になる。このため、無駄を抑制して吸収剤を交換することができる固定床反応容器とすることができる。
【００１２】
また、検出手段により上流側の充填部を流通した原料ガスの不純物の状況を検出することで、上流側の充填部に充填された吸収剤の使用状況に基づいて交換時期を的確に把握することができる。検出手段としては、ガス分析手段を用いることができる。そして、未使用に近い下流側の吸収剤を上流側に移すことで、目標の清浄度が高い設備に適用した場合でも吸収剤を無駄なく使用することが可能になり、壁部材を抜き外すことで下流側の充填部の内部の充填剤を上流側の充填部の内部に落下させるので、詰め替えの時間と労力を大幅に低減することができる。
【００１３】
そして、請求項２に係る本発明の固定床反応容器は、請求項１に記載の固定床反応容器において、充填部に充填される吸収剤は、水銀との化学反応により生成した塩を吸着することで水銀を吸収する添着活性炭、銅を主体として水銀を吸収する銅系吸収剤、ハロゲン化物を吸収するハロゲン化物吸収剤、硫化物を吸収する脱硫剤のいずれかであることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る本発明では、水銀除去の反応容器、ハロゲン除去の反応容器、硫化物除去の反応容器として適用することができる。
【００１５】
また、請求項３に係る本発明の固定床反応容器は、請求項２に記載の固定床反応容器において、原料ガスは、化石燃料、バイオマス、廃棄物をガス化した原料ガスであり、不純物が吸収されて燃料ガスが精製され、精製された燃料ガスは高温型燃料電池の燃料ガスとして用いられることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る本発明では、化石燃料、バイオマス、廃棄物をガス化した原料ガスを高温型燃料電池の燃料ガスに精製する精製設備の固定床反応器として適用することができる。
【００１７】
上記目的を達成するための請求項４に係る本発明の吸収剤の充填方法は、原料ガスの流れ方向に対して独立した複数の層に吸収剤を充填する一方、原料ガスを模擬した模擬ガスの流速条件を原料ガスの流速条件に一致させて模擬用吸収剤に模擬ガスを流通させ、模擬ガスを流通させた模擬用吸収剤の不純物吸収の分布に基づいて、不純物の吸収が所定量以下の模擬用吸収剤の模擬ガスの流れ方向の長さにより、独立した複数の層の最下流側の層の吸収剤の原料ガスの流れ方向の層の長さを決定することを特徴とする。
【００１８】
請求項４に係る本発明では、流速条件を一致させた模擬ガスを流通させた際の模擬用吸収剤の不純物吸収の分布により、最下流側の層の吸収剤の層の長さである層厚を決定するので、目標の清浄度が高い設備で後流側の未使用の割合が多くなる設備に対して未使用の吸収剤の範囲を的確に把握した状態で吸収剤を充填することが可能になる。この結果、固定床反応容器の出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、吸収剤の使用割合を高めて無駄を抑制して吸収剤を充填することが可能になる。
【００１９】
固定床反応容器としては、上流側の充填部をバイパスして下流側の充填部に原料ガスを流通させるバイパス経路を備え、上流側の充填部に充填された吸収剤を交換する際に原料ガスをバイパス経路に流通させることも可能である。
【００２０】
これにより、上流側の充填部に充填された吸収剤を交換する際に、バイパス経路により原料ガスを下流側の充填部に流通させることで、連続運転を行うことが可能になる。好ましくは、更に、下流側の充填部をバイパスするバイパス経路を設けて流通を制御することで、下流側の充填部の吸収剤を交換する際にも連続運転が可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の固定床反応容器は、出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、吸収剤の使用割合を高めて無駄を抑制して吸収剤を交換することができる固定床反応容器となる。
【００２２】
また、本発明の吸収剤の充填方法は、固定床反応容器の出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、吸収剤の使用割合を高めて無駄を抑制して吸収剤を充填することができる充填方法となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例に係る固定床反応容器を適用した乾式ガス精製システムの概略系統図である。
【図２】固定床反応容器の概略構成図である。
【図３】吸収剤の不純物吸収の分布状況説明図である。
【図４】固定床反応容器の概略構成図である。
【図５】本発明の一実施例に係る固定床反応容器の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の固定床反応容器は、バイオマス、廃棄物からなる固形燃料をガス化して得られた原料ガス、即ち、不純物として多種の不純物が入っている原料ガスを精製して燃料電池やガスエンジンの燃料ガスとするガス精製設備の固定床反応容器に適用され、水銀との化学反応により生成した塩を吸着することで水銀を吸収する添着活性炭や、銅を主体として水銀を吸収する銅系吸収剤、ハロゲン化物を吸収するハロゲン化物吸収剤、硫化物を吸収する脱硫剤が充填されるものである。そして、固定床反応容器の出口側では、水銀を５μｇ／ｍ3Ｎ以下の低濃度に除去すると共に、塩化水素、フッ化水素等のハロゲン化物を１ｐｐｍ以下の低濃度に除去し、更に、硫化物を１ｐｐｍ以下の低濃度に除去して不特定の不純物が高い清浄度で除去された燃料ガスを精製し、例えば、溶融炭酸塩型燃料電池、ガスエンジン、ガスタービン等の燃料ガスとして用いるものである。
【００２５】
図１には本発明の固定床反応容器を適用した乾式ガス精製システムの概略系統、図２には固定床反応容器の参考例の概略構成、図３には吸収剤の不純物吸収の分布状況、図４には固定床反応容器の参考例の概略構成、図５には本発明の一実施例に係る固定床反応容器の概略構成を示してある。
【００２６】
図１〜図３に基づいて乾式ガス精製システムの全体及び固定床反応容器の参考例を説明する。最初に図１によって、乾式ガス精製システムの概略系統を説明する。
【００２７】
図１に示すように、バイオマスガス化炉１で得られた原料ガスは、まず、バグフィルター２に送られる。バグフィルター２の上流にはハロゲン化物除去剤の供給装置を備えており、ハロゲン化物除去剤をバグフィルター２にあらかじめ吹き付けておく（プレコート）か、あるいは原料ガスに吹き込んで原料ガスと共にバグフィルター２に搬送される。
【００２８】
こうすることで、原料ガス中のハロゲン化物の一部はハロゲン化物除去剤に吸収されて固定化されるので、バグフィルター２で、ダスト等の固体状不純物が濾過されて除去される際に同時にハロゲン化物の一部も除去される。
【００２９】
バグフィルター２を通過した原料ガスは重金属類除去装置３に送られ、重金属類除去装置３では金属水銀蒸気（Ｈｇ0）をはじめ、活性炭等により塩基性ガス（アンモニア）、重金属類（砒素、セレン等）、有機塩素化合物（ダイオキシン）が吸着除去される（運転温度１２０℃〜１６０℃）。
【００３０】
重金属類除去装置３で重金属類が除去された原料ガスは熱交換器８で昇温された後、ハロゲン化物除去装置４に送られ、そこで原料ガスに残存している塩化水素やフッ化水素等のハロゲン化物が１ｐｐｍ以下の低濃度に除去される（運転温度２５０℃〜４５０℃）。
【００３１】
ハロゲン化物が１ｐｐｍ以下の低濃度に除去された原料ガスは脱硫装置５に送られ、硫黄化合物が吸収されて除去される（運転温度２５０℃〜４５０℃）。硫黄化合物が脱硫除去された原料ガスは燃料ガスとして発電装置６（例えば、溶融炭酸塩型燃料電池、ガスエンジン、ガスタービン等）に送られる。
【００３２】
以上の乾式ガス精製システムの概略系統の機能を要約して説明する。
【００３３】
図に示した乾式ガス精製システムでは、バグフィルター２によりダスト等の固体状不純物が濾過されて除去される。金属水銀蒸気（Ｈｇ0）をはじめ重金属類、有機塩素化合物が重金属類除去装置３で除去されて水銀が５μｇ／ｍ3Ｎ以下の低濃度に除去される。そして、ハロゲン化物除去装置４のハロゲン化物除去剤に塩化水素やフッ化水素等のハロゲン化物が吸収されてハロゲン化物が１ｐｐｍ以下の低濃度に除去される。また、硫黄化合物が脱硫装置５の脱硫剤に吸収されて硫黄化合物が１ｐｐｍ以下の低濃度に除去される。これにより、バイオマスをガス化した原料ガス、即ち、不純物として多種の不純物が入っている原料ガスを発電装置６の燃料ガスとして精製することができる。
【００３４】
上述した乾式ガス精製システムの重金属類除去装置３、ハロゲン化物除去装置４及び脱硫装置５に本発明の固定床反応容器が用いられている。即ち、重金属類除去装置３の固定床反応容器１１には、例えば、銅を主体として水銀を吸収する銅系吸収剤１５がペレット状にされて充填されている。重金属類除去装置３の固定床反応容器１１には、例えば、触媒作用あるいは化学反応性を有する成分を担持させ水銀との化学反応により生成した塩を吸着することで水銀を除去する添着活性炭が充填されてもよい。
【００３５】
また、ハロゲン化物除去装置４の固定床反応容器１２には、例えば、アルミン酸ナトリウムを含有したハロゲン化物吸収剤１６がペレット状にされて充填されている。また、脱硫装置５の固定床反応容器１３には、例えば、酸化亜鉛脱硫剤の脱硫剤１７が充填されている。
【００３６】
図１、図２に基づいて固定床反応容器１１、１２、１３の構成の参考例を説明する。固定床反応容器１１、１２、１３の構成は基本的に同一であるので、代表して固定床反応容器１３について説明する。
【００３７】
固定床反応容器１３には原料ガスの流れ方向（上から下方向）に対して独立した２つの充填部２１、２２が備えられ、充填部２１、２２には脱硫剤１７がそれぞれ充填されている。尚、固定床反応容器１１の場合、充填部２１、２２には銅系吸収剤１５（もしくは添着活性炭）がそれぞれ充填され、固定床反応容器１２の場合、充填部２１、２２にはハロゲン化物吸収剤１６がそれぞれ充填されている。
【００３８】
充填部２１と充填部２２の吸収剤の層の原料ガスの流れ方向の長さである層厚は、不純物の吸収分布に基づいて決められている（詳細は後述する）。つまり、上流側の充填部２１の脱硫剤１７が十分に使用された時に、下流側の充填部２２の脱硫剤１７が未使用状態に維持され、出口の硫黄化合物の濃度（不純物の濃度）が１ｐｐｍ以下に保たれる状態になるように充填部２２の層厚Ｌが決められている。
【００３９】
図３を参照して脱硫剤１７の充填方法、即ち、充填部２２の層厚Ｌの決定方法を説明する。図３（ａ）は脱硫剤の使用状況、図３（ｂ）は硫黄化合物の分布である。脱硫剤としては酸化亜鉛脱硫剤を使用した。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、原料ガスを模擬した模擬ガス２５の反応条件（温度，圧力，ガス組成など）ならびに流速条件（線速度）を原料ガスの反応条件ならびに流速条件（線速度）に一致させ、反応管２４内の模擬用吸収剤２６（脱硫剤）に模擬ガス２５を流通させる。所定の期間、即ち、出口の硫黄化合物の濃度を所定濃度（例えば、１５ｐｐｍ）まで破過させた期間、模擬用吸収剤２６に模擬ガス２５を流通させ続ける。この状態で脱硫剤層をガス流れ方向に沿っていくつかの層に分割し、それぞれの層の硫黄化合物の吸収量を分析して硫黄化合物の分布を調べた。
【００４１】
図３（ｂ）に硫黄化合物の分布を例示する。図に示すように、脱硫剤は上流の３分の１程度までは完全に使用され、中央の３分の１程度の区間で急激に未使用部分が増加し、下流の３分の１程度は未使用部分が大部分となっている。下流の３分の２程度の長さＤ（典型的な反応条件で硫黄化合物の分布を調べた場合、例えば、１５ｃｍ〜２０ｃｍ程度の長さとなる）が実際の処理設備の反応容器で未使用部分となる層の厚さであると言える。実際の処理設備の反応容器では、ガスの偏流や脱硫剤の充填状態により未使用部分の層厚が変動する可能性があるため、層厚ＬとしてはＤの１．５倍から２倍程度の余裕をもって、Ｌ＝１．５ＤないしＬ＝２Ｄとするのが好ましい。この層厚Ｌが決定されることによって、実際の反応器においては、処理ガス量に応じて反応管２４の内径を拡大して充填部２１ならびに充填部２２の内径を決定することと、脱硫剤の交換期間を考慮して充填部２１の層高さを決定することによって、目的に応じた適切な固定床反応器の設計が可能となる。
【００４２】
この結果に基づいて、固定床反応容器１３の下流側の充填部２２の層厚Ｌが決められ、上流側の充填部２１の脱硫剤１７が十分に使用された時に、下流側の充填部２２の脱硫剤１７の大部分が未使用状態で維持されるようになっている。ハロゲン化合物、水銀を除去するための固定床反応容器１１、１２における充填部２２の層厚Ｌも同様に決定される。
【００４３】
脱硫剤１７を交換する場合、上流側の充填部２１で完全に使用済みとされた脱硫剤１７を排出し、下流側の充填部２２でほとんど未使用とされた脱硫剤１７及び新品の脱硫剤１７を上流側の充填部２１に充填すると共に、新品の脱硫剤１７を下流側の充填部２２に充填する。これにより、脱硫剤１７を完全に使用済みとされるまで使用することができる。このため、全体の脱硫剤１７の使用割合を高めることが可能になり、無駄を抑制して脱硫剤１７を交換することができる固定床反応容器１３とすることができる。
【００４４】
尚、充填部２１に充填された使用済みの脱硫剤１７だけを交換することも可能である。この場合、充填部２２の脱硫剤１７を充填部２１に使用したり、充填部２２の脱硫剤１７をそのまま使用する等の運用が任意に可能になる。
【００４５】
流速条件を一致させた模擬ガス２５を流通させた際の模擬用吸収剤２６の硫黄化合物の分布により、固定床反応容器１３の下流側の充填部２２の層厚Ｌを決定することで、目標の清浄度が高い設備であって、下流側の未使用の割合が多くなる設備に対しても、未使用となる層厚分として適切な量の脱硫剤１７を充填部２２に有し、完全に使用済みとなる脱硫剤１７を充填部２１に配することができ、なおかつ充填部２１が完全に使用済みになったことを的確に把握した状態で、脱硫剤１７を交換することが可能になる。この結果、固定床反応容器１３の出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、脱硫剤１７の使用割合を高めて無駄を抑制して脱硫剤１７を使用することが可能になる。
【００４６】
一方、図１、図２に示すように、固定床反応容器１３の充填部２１と充填部２２の間には、ガスを抽出するガス抽出手段５１が設けられ、ガス抽出手段５１で抽出したガスの状況を分析するガス分析手段５２が設けられている（検出手段）。また、固定床反応容器１３の出口部には出口ガス抽出手段５３が設けられ、出口ガス抽出手段５３で抽出したガスの状況がガス分析手段５２により分析される。
【００４７】
固定床反応容器１３の充填部２１の出口側の原料ガスがガス抽出手段５１で抽出されてガス分析手段５２で分析される。図３（ｂ）に示した硫黄化合物の分布状況に基づいて、所定の濃度状況になったことを監視する。即ち、充填部２１の出口で硫黄化合物を測定して破過しているか否かを監視する（入口側に流入した硫黄化合物が出口側に流出しているか否かを監視する）。また、出口ガス抽出手段５３により固定床反応容器１３の出口ガスの硫黄化合物の状況が監視され、固定床反応容器１３が破過していないことが監視されている。
【００４８】
これにより、上流側の充填部２１に充填された脱硫剤１７の使用状況を検出することができ、充填部２１に充填された脱硫剤１７の交換時期を的確に把握することができる。下流側の充填部２２の層厚Ｌを十分に確保しておくことで、上流側の充填部２１で破過させて（完全に脱硫剤１７を使用済みの状態にさせて）、充填部２２の出口に破過していない状態のガスを流出させることができる。つまり、上流側の充填部２１に充填させた脱硫剤１７を完全に使用済み状態にすることができる。
【００４９】
上述した固定床反応容器１３（１１、１２）では、出口側の目標の清浄度が高い運用を行なう場合であっても、脱硫剤１７の使用割合を高めて無駄を抑制して脱硫剤１７を交換することができる。つまり、消費する脱硫剤１７を最小限にして使用済みの脱硫剤１７を減量することができ、コスト低減を図ることが可能になる。また、脱硫剤１７の交換時期を適切に把握することができるので、流入する原料ガスの不純物量を把握する必要がなく、運用の簡素化を図ることが可能になる。
【００５０】
図４に基づいて固定床反応容器の他の参考例を説明する。
【００５１】
固定床反応容器３１は、上流側の充填部３２を形成する上流側容器３３と、下流側の充填部３４を形成する下流側容器３５とが備えられている。下流側の充填部３４の流路長（層厚）は、図２に示した充填部２２と同様に長さＬに設定されている。
【００５２】
固定床反応容器３１の入口側の流路３０からバイパス路３６が分岐して設けられ、バイパス路３６は上流側容器３３の出口側の流路３８に接続されている。バイパス路３６の分岐部の下流側の流路３０には第１流通制御弁４２が設けられ、バイパス路３６には第２流通制御弁４３が設けられている。
【００５３】
また、上流側容器３３の出口側の流路３８のバイパス路３６が接続される部位の上流側から第２バイパス路３９が設けられ、第２バイパス路３９は下流側容器３５の出口側の流路３７に接続されている。そして、第２バイパス路３９には第３流通制御弁４５が設けられている。第２バイパス路３９の分岐部とバイパス路３６の接続部の間における流路３８には第４流通制御弁４４が設けられ、第２バイパス路３９の接続部の上流側における流路３７には第５流通制御弁４６が設けられている。
【００５４】
バイパス路３６の接続部の下流側における流路３８にはガス抽出手段５１が設けられ、第２バイパス路３９の接続部の下流側における流路３７には出口ガス抽出手段５３が設けられている。ガス抽出手段５１及び出口ガス抽出手段５３で抽出したガスの状況がガス分析手段５２により分析される。このため、第１実施形態例と同様に吸収剤の交換時期が適切に把握される。
【００５５】
第１流通制御弁４２、第２流通制御弁４３、第３流通制御弁４５、第４流通制御弁４４及び第５流通制御弁４６は何れも開閉弁であり、第１流通制御弁４２、第２流通制御弁４３、第３流通制御弁４５、第４流通制御弁４４及び第５流通制御弁４６の開閉状態の切換えにより、流路３０からの原料ガスが上流側容器３３及び下流側容器３５を流通する経路、流路３０からの原料ガスが上流側容器３３をバイパスして下流側容器３５だけを流通するバイパス経路、流路３０からの原料ガスが上流側容器３３だけを流通して下流側容器３５をバイパスするバイパス経路が選択される。
【００５６】
つまり、第２流通制御弁４３及び第３流通制御弁４５を閉状態にすると共に、第１流通制御弁４２及び第４流通制御弁４４及び第５流通制御弁４６を開状態にすることで、流路３０からの原料ガスが上流側容器３３、流路３８、下流側容器３５を流通して流路３７に送られる。
【００５７】
また、第１流通制御弁４２及び第３流通制御弁４５及び第４流通制御弁４４を閉状態にすると共に、第２流通制御弁４３及び第５流通制御弁４６を開状態にすることで、流路３０からの原料ガスがバイパス路３６を通って下流側容器３５に送られ、下流側容器３５だけを流通して流路３７に送られる。
【００５８】
また、第２流通制御弁４３及び第４流通制御弁４４及び第５流通制御弁４６を閉状態にすると共に、第１流通制御弁４２及び第３流通制御弁４５を開状態にすることで、流路３０からの原料ガスが上流側容器３３だけを流通して第２バイパス路３９から流路３７に送られる。
【００５９】
このため、上流側容器３３の充填部３２に充填された吸収剤を交換する際に、バイパス路３６により原料ガスを下流側容器３５の充填部３４に流通させることで、上流側容器３３の充填部３２に流れる原料ガスをバイパスさせることができ、連続運転を行うことが可能になる。更に、下流側容器３５の充填部３４に充填された吸収剤を交換する際に、バイパス経路である第２バイパス路３９により上流側容器３３を流通した原料ガスを流路３７に流通させることで、下流側容器３５の充填部３４に流れる原料ガスをバイパスさせることができ、連続運転を行うことが可能になる。
【００６０】
上述したように、上流側容器３３及び下流側容器３５の上流（入口）と下流（出口）にそれぞれ流通制御弁を設けた経路構成とすることで、上流側容器３３または下流側容器３５に充填された吸収剤を交換する際に、上流側容器３３または下流側容器３５を流路から完全に切り離すことができる。
【００６１】
上述した固定床反応容器３１は、運転を止めることなく上流側の充填部３２に充填された吸収剤、または、下流側の充填部３４に充填された吸収剤を交換することができ、連続運転が可能になる。
【００６２】
図５に基づいて本発明の固定床反応容器の一実施例を説明する。図５に示した固定床反応容器６１を図１に示した固定床反応容器１１、１２、１３として適用することで、本発明の固定床反応容器を用いた乾式ガス精製システムとなる。
【００６３】
固定床反応容器６１には充填部６２及び充填部６３が上下に配され、固定床反応容器６１には原料ガスが下から上に流通される。つまり、下側の充填部６２が上流側とされ、上側の充填部６３が下流側とされている。充填部６２、６３には吸収剤が充填され、下流側の充填部６３の流路長は、図２に示した充填部２２と同様に長さＬに設定されている。
【００６４】
下流側の充填部６３の底部と上流側の充填部６２の上面部とは壁部材としての仕切板６４で仕切られ、仕切板６４は原料ガスが流通可能とされると共に抜き差し自在とされている。そして、図２に示した参考例と同様に、充填部６２の出口側にはガス抽出手段５１が設けられ、固定床反応容器６１の出口側には出口ガス抽出手段５３が設けられ、ガス分析手段５２によりガスの状況が分析されて吸収剤の交換時期が適切に把握されている。
【００６５】
上述した固定床反応容器６１では、原料ガスが下から上に流通され、充填部６２から充填部６３に送られる。吸収剤を交換する場合、上流側の充填部６２で完全に使用済みとされた吸収剤を排出し、仕切板６４を抜き外して下流側の充填部６３でほとんど未使用とされた吸収剤を上流側の充填部６２の内部に落下させる。吸収剤を落下させた後、仕切板６４を挿入して下流側の充填部６３に新品の吸収剤を充填する。
【００６６】
このため、仕切板６４を抜き外すことで下流側の充填部６３の内部の充填剤を上流側の充填部６２の内部に落下させて移すことができるので、充填剤の詰め替えの時間と労力を大幅に低減することができる。
【００６７】
上述した固定床反応容器が適用されるガス精製設備の機器の状況等は図１に示したシステムには限定されない。つまり、例えば、バイオマスや廃棄物から製造した原料ガス、あるいは、化石燃料から得られた原料ガス、即ち、多成分の不純物を有する原料ガスから的確に不純物を高い清浄度で除去する運用を行なう設備であれば、ガス精製設備の態様は種々の設備に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、ガス温度を露点以下に下げない乾式法により原料ガスから不純物を除去する吸収剤が充填される固定床反応容器の産業分野で利用することができる。
【００６９】
また、本発明は、ガス温度を露点以下に下げない乾式法により原料ガスから不純物を除去する吸収剤の固定床反応容器への充填方法の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１ バイオマスガス化炉
２ バグフィルター
３ 重金属類除去装置
４ ハロゲン化物除去装置
５ 脱硫装置
６ 発電装置
８ 熱交換器
１１、１２、１３、３１、６１ 固定床反応容器
１５ 銅系吸収剤
１６ ハロゲン化物吸収剤
１７ 脱硫剤
２１、２２、３２、３４、６２、６３ 充填部
２４ 反応管
２５ 模擬ガス
２６ 模擬用吸収剤
３０、３７、３８ 流路
３３ 上流側容器
３５ 下流側容器
３６ バイパス路
３９ 第２バイパス路
４２ 第１流通制御弁
４３ 第２流通制御弁
４４ 第４流通制御弁
４５ 第３流通制御弁
４６ 第５流通制御弁
５１ ガス抽出手段
５２ ガス分析手段
５３ 出口ガス抽出手段
６４ 仕切板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガス中の不純物を吸収する吸収剤が充填される固定床反応容器であって、
原料ガスの流れ方向に沿って独立した複数の充填部を備え、複数の充填部が上下に配設されて原料ガスが下から上に流通され、隣接する充填部の層間は抜き差し自在な壁部材で隔てられ、
充填部の間に不純物の状況を検出する検出手段を備え、検出手段の結果により検出手段の上流側の充填部に充填された吸収剤の使用状況を把握し、
所定期間運転が行なわれた後に、壁部材を抜き外すことで下流側の充填部の内部の吸収剤を上流側の充填部の内部に落下させることで、下流側の充填部の内部の吸収剤が上流側の充填部の内部に移される
ことを特徴とする固定床反応容器。
【請求項２】
請求項１に記載の固定床反応容器において、
充填部に充填される吸収剤は、
水銀との化学反応により生成した塩を吸着することで水銀を吸収する添着活性炭、銅を主体として水銀を吸収する銅系吸収剤、ハロゲン化物を吸収するハロゲン化物吸収剤、硫化物を吸収する脱硫剤のいずれかである
ことを特徴とする固定床反応容器。
【請求項３】
請求項２に記載の固定床反応容器において、
原料ガスは、化石燃料、バイオマス、廃棄物をガス化した原料ガスであり、不純物が吸収されて燃料ガスが精製され、精製された燃料ガスは高温型燃料電池の燃料ガスとして用いられることを特徴とする固定床反応容器。
【請求項４】
原料ガスの流れ方向に沿って独立した複数の層に吸収剤を充填する一方、
原料ガスを模擬した模擬ガスの流速条件を原料ガスの流速条件に一致させて模擬用吸収剤に模擬ガスを流通させ、模擬ガスを流通させた模擬用吸収剤の不純物吸収の分布に基づいて、不純物の吸収が所定量以下の模擬用吸収剤の模擬ガスの流れ方向の長さにより、独立した複数の層の最下流側の層の吸収剤の原料ガスの流れ方向の層の長さを決定する
ことを特徴とする吸収剤の充填方法。
【請求項１】
原料ガス中の不純物を吸収する吸収剤が充填される固定床反応容器であって、
原料ガスの流れ方向に沿って独立した複数の充填部を備え、複数の充填部が上下に配設されて原料ガスが下から上に流通され、隣接する充填部の層間は抜き差し自在な壁部材で隔てられ、
充填部の間に不純物の状況を検出する検出手段を備え、検出手段の結果により検出手段の上流側の充填部に充填された吸収剤の使用状況を把握し、
所定期間運転が行なわれた後に、壁部材を抜き外すことで下流側の充填部の内部の吸収剤を上流側の充填部の内部に落下させることで、下流側の充填部の内部の吸収剤が上流側の充填部の内部に移される
ことを特徴とする固定床反応容器。
【請求項２】
請求項１に記載の固定床反応容器において、
充填部に充填される吸収剤は、
水銀との化学反応により生成した塩を吸着することで水銀を吸収する添着活性炭、銅を主体として水銀を吸収する銅系吸収剤、ハロゲン化物を吸収するハロゲン化物吸収剤、硫化物を吸収する脱硫剤のいずれかである
ことを特徴とする固定床反応容器。
【請求項３】
請求項２に記載の固定床反応容器において、
原料ガスは、化石燃料、バイオマス、廃棄物をガス化した原料ガスであり、不純物が吸収されて燃料ガスが精製され、精製された燃料ガスは高温型燃料電池の燃料ガスとして用いられることを特徴とする固定床反応容器。
【請求項４】
原料ガスの流れ方向に沿って独立した複数の層に吸収剤を充填する一方、
原料ガスを模擬した模擬ガスの流速条件を原料ガスの流速条件に一致させて模擬用吸収剤に模擬ガスを流通させ、模擬ガスを流通させた模擬用吸収剤の不純物吸収の分布に基づいて、不純物の吸収が所定量以下の模擬用吸収剤の模擬ガスの流れ方向の長さにより、独立した複数の層の最下流側の層の吸収剤の原料ガスの流れ方向の層の長さを決定する
ことを特徴とする吸収剤の充填方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−８６２１５（Ｐ２０１２−８６２１５Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５０１６２（Ｐ２０１１−２５０１６２）
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【分割の表示】特願２００７−１９５２１５（Ｐ２００７−１９５２１５）の分割
【原出願日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【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１８年度、新エネルギー・産業技術総合開発機構、「多燃料・多種不純物対応乾式ガス精製システム研究開発」共同研究、産業活力再生特別措置法第３０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５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【分割の表示】特願２００７−１９５２１５（Ｐ２００７−１９５２１５）の分割
【原出願日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【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１８年度、新エネルギー・産業技術総合開発機構、「多燃料・多種不純物対応乾式ガス精製システム研究開発」共同研究、産業活力再生特別措置法第３０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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