水素を主成分とするガスの製造方法及び製造装置
【課題】炭素系燃料及び酸化剤から水素及び一酸化炭素の混合ガス又は水素リッチガスを製造するとともに、炭素系燃料に含まれる炭素を二酸化炭素として回収する場合において、シフト反応に必要な水蒸気の量を低減し、シフト反応に必要な水蒸気を製造する設備を不要として低コスト化するとともに、熱効率を向上し、二酸化炭素の回収率を向上させる。
【解決手段】炭素系燃料を酸化剤により反応させて生成ガスを発生させるガス化部と、前記生成ガスに含まれる煤塵を回収する脱塵部と、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を反応させて水素及び二酸化炭素に変換するシフト反応部とを含み、前記ガス化部又は前記ガス化部の下流側に水を供給する水供給部及び微粉砕した鉄鉱石又は石灰石である触媒を供給する触媒供給部を設け、前記脱塵部にて前記煤塵とともに前記触媒を回収して前記ガス化部に還流する煤塵還流部を設けた水素を主成分とするガスの製造装置を用いる。
【解決手段】炭素系燃料を酸化剤により反応させて生成ガスを発生させるガス化部と、前記生成ガスに含まれる煤塵を回収する脱塵部と、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を反応させて水素及び二酸化炭素に変換するシフト反応部とを含み、前記ガス化部又は前記ガス化部の下流側に水を供給する水供給部及び微粉砕した鉄鉱石又は石灰石である触媒を供給する触媒供給部を設け、前記脱塵部にて前記煤塵とともに前記触媒を回収して前記ガス化部に還流する煤塵還流部を設けた水素を主成分とするガスの製造装置を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を主成分とするガスの製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策のため、炭素系燃料から水素と一酸化炭素との混合ガスを製造するガス化システムに関しても、炭素系燃料に含まれる炭素を回収することが求められている。
【０００３】
炭素系燃料をガス化した生成ガスの主成分は、一酸化炭素及び水素である。生成ガスに含まれる炭素を除去するために一酸化炭素を除去すると、生成ガスの発熱量が大きく低下する。このため、下記反応式（１）に示すシフト反応を用いて、一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素及び二酸化炭素とし、この二酸化炭素を生成ガスから除去することにより、生成ガスの発熱量の低下を最小限に抑えながら生成ガスに含まれる炭素を回収する方式が一般的に用いられている。
【０００４】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ …反応式（１）
このようなシフト反応プロセスを含む炭素系燃料のガス化システムは、例えば、特許文献１に記載されている。
【０００５】
特許文献１には、シフト反応を進めるためのシフト反応器（シフトコンバータ）を設置し、このシフト反応器へ水蒸気を供給するＣＯ２除去石炭ガス化複合発電システムが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、ガス化炉にスチームや炭層ガスを供給し、ガス化炉でシフト反応を進めることにより、シフト反応器を不要とする水素・一酸化炭素混合ガスの製造方法が開示されている。ただし、特許文献２は、下流の燃料合成に適したガス組成にするためにシフト反応を進めることを目的としており、生成ガス中の一酸化炭素の一部を水蒸気と反応させれば十分であるため、シフト反応器なしでシステムが成立するものである。
【０００７】
また、特許文献３には、ガス化炉に鉄鉱石や石灰石を供給し、鉄鉱石や石灰石が保有する顕熱を利用して石炭を熱分解、及び燃焼することにより、水素・一酸化炭素混合ガスを取り出す方法が開示されている。
【０００８】
さらに、非特許文献１には、ガス化炉にチャー（未燃炭素）を供給し、チャー中の鉄やカルシウムの触媒効果によってシフト反応が促進されることが記載されている。
【０００９】
非特許文献２には、天然ソーダ灰とリモナイトより調製したＮａ／Ｆｅ複合触媒を用いることにより、チャー転化率が向上することが記載されている。
【００１０】
このほか、シフト反応によって生成した二酸化炭素を除去する方法としては、アミンなどの吸収液を用いる方法、ゼオライトなどの吸着剤を用いる方法など、多くの方法が公知となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−２７９１６３号公報
【特許文献２】特開２００１−１３９３０３号公報
【特許文献３】特開平６−１４５６７３号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】石炭科学会議発表論文集（４６）、６６−６７、２００９−１１−２６
【非特許文献２】石炭科学会議発表論文集（４６）、７４−７５、２００９−１１−２６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に開示されたシステムにおいては、シフト反応設備に水蒸気を供給する必要があり、この水蒸気を製造するための設備が必要となることからプラント建設コストが高い点、及び、水蒸気の製造がガスと水との間接熱交換によるため効率が低い点で改善の余地があった。
【００１４】
また、特許文献２に開示された方法は、生成ガス中の水素／一酸化炭素の比を調整することを目的としており、シフト反応器が必要な条件において生成ガス中の水蒸気／一酸化炭素の比を調整する方法は示されていない。
【００１５】
また、特許文献３に開示された方法においては、鉄鉱石は部分還元し、石灰石は焼成して生石灰になるため、シフト反応が十分促進されない。
【００１６】
また、非特許文献１の方式においては、チャー中の鉄やカルシウムの量が炭種によって異なっているため、シフト反応が十分促進されない場合がある。
【００１７】
本発明の目的は、炭素系燃料及び酸化剤から水素及び一酸化炭素の混合ガス又は水素リッチガスを製造するとともに、炭素系燃料に含まれる炭素を二酸化炭素として回収する場合において、シフト反応に必要な水蒸気の量を低減し、シフト反応に必要な水蒸気を製造する設備を不要として低コスト化するとともに、熱効率を向上し、二酸化炭素の回収率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の水素を主成分とするガスの製造方法は、炭素系燃料を酸化剤により反応させてガス化し、このガス化により生成された生成ガスを水と接触させて前記生成ガスに含まれる水蒸気の濃度を増加させ、前記生成ガスに含まれる前記炭素系燃料の未反応の可燃分を含む煤塵を回収し、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を水素及び二酸化炭素に変換し、少なくとも前記生成ガスに含まれる二酸化炭素を除去して水素を主成分とするガスを製造する方法であって、前記炭素系燃料及び前記酸化剤若しくは前記炭素系燃料、前記酸化剤及び水の混合物又は前記生成ガスに微粉砕した鉄鉱石又は石灰石である触媒を供給し、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素の一部及び水蒸気の一部を反応させて水素及び二酸化炭素とし、前記触媒を前記煤塵とともに回収し、回収した前記触媒及び前記煤塵を前記混合物又は前記生成ガスと混合することを特徴とする。
【００１９】
本発明の水素を主成分とするガスの製造装置は、炭素系燃料を酸化剤により反応させて生成ガスを発生させるガス化部と、前記生成ガスに含まれる煤塵を回収する脱塵部と、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を反応させて水素及び二酸化炭素に変換するシフト反応部とを含み、前記ガス化部又は前記ガス化部の下流側に水を供給する水供給部及び微粉砕した鉄鉱石又は石灰石である触媒を供給する触媒供給部を設け、前記脱塵部にて前記煤塵とともに前記触媒を回収して前記ガス化部に還流する煤塵還流部を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、炭素系燃料及び酸化剤から製造される生成ガスをシフト反応器に導入する前に、生成ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応を進行させ、シフト反応器で必要となる水蒸気の量を低減することができる。このため、水蒸気を製造するための間接熱交換設備を不要とすることができ、プラント建設費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例の水素を主成分とするガスの製造装置を示す概略構成図である。
【図２】実施例のガス化設備を示す概略構成図である。
【図３】実施例の制御器で行われる鉄噴霧量、水噴霧量、及び炭素系燃料に対する酸化剤配分の制御を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、炭素系燃料をガス化し、燃料に含まれる炭素は二酸化炭素として排ガスから回収し、水素を主成分とするガスを製造するシステムに関するものであり、二酸化炭素による地球温暖化防止に寄与する技術である。
【００２３】
本発明の水素を主成分とするガスの製造方法は、炭素系燃料を酸化剤によりガス化し、生成ガスを水と接触させて生成ガス中の水蒸気濃度を増加させ、ガス化炉（ガス化部の中央部）あるいはガス化炉出口（ガス化部のガス冷却部を含む。）に微粉砕した鉄鉱石または石灰石を噴霧して生成ガス中の一酸化炭素の一部と水蒸気の一部とを反応させて水素及び二酸化炭素とする。生成ガスに同伴された鉄鉱石を未反応の可燃分を含む煤塵とともに回収する。回収した鉄鉱石または石灰石を含む煤塵をガス化炉へ供給する。
【００２４】
ガス化炉あるいはガス化炉出口に微粉砕した鉄鉱石または石灰石を噴霧すると、鉄またはカルシウムの触媒効果によってガス温度が低下することなく一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応が促進される。噴霧した鉄鉱石または石灰石は、ガス化炉の下流側に設けた煤塵回収設備（脱塵部）によって回収され、煤塵とともにガス化炉に投入されるため、最終的にガス化炉の内部で溶融スラグとともに回収される。
【００２５】
また、本発明の水素を主成分とするガスの製造装置（水素を主成分とするガスの製造装置）は、バーナの設置位置よりも下流となるガス化炉壁面あるいはガス化炉出口に水を噴霧するノズルを配置し、水を噴霧するノズルの下流側（上方）となるガス化炉壁面あるいはガス化炉出口に、微粉砕した鉄鉱石または石灰石を噴霧するノズルを配置し、生成ガスに同伴された鉄鉱石または石灰石を未反応の可燃分を含む煤塵とともに回収し、回収した鉄鉱石または石灰石を含む煤塵をガス化炉に供給する。微粉砕した鉄鉱石または石灰石を噴霧するノズルは、鉄鉱石の還元や石灰石の焼成がガス化炉の内部で噴霧直後に生じないように、ガス温度が鉄鉱石の還元温度、または石灰石の焼成温度より低い箇所に設置する。
【００２６】
また、鉄鉱石または石灰石を噴霧するノズルは、ガス化炉周方向に複数本設置してもよい。このようにノズルを設置すると、ガス化炉へ鉄鉱石または石灰石が効率よく分散するため、シフト反応を促進することができる。
【００２７】
また、本発明の水素を主成分とするガスの製造装置は、バーナに供給する炭素系燃料流量に基づいて、微粉砕した鉄鉱石または石灰石（触媒）を噴霧するノズルから噴霧される鉄鉱石または石灰石粉体量を調整する制御器（制御部）を設ける。
【００２８】
また、本発明の水素を主成分とするガスの製造装置は、微粉砕した鉄鉱石または石灰石を噴霧するノズルに搬送される鉄鉱石または石灰石の粉体量を調整する機構と、水を噴霧するノズルに供給する水量を調整する機構を流路にそれぞれ設置し、ガス化炉に噴霧する量を調整できるようにする。噴霧される鉄鉱石または石灰石の粉体量は、生成ガス中の一酸化炭素濃度に基づいて計算され、制御器によって供給量が制御される。
【００２９】
一酸化炭素濃度が高い場合は噴霧する粉体量を多くし、一酸化炭素濃度が低い場合は粉体量を少なくする。また、噴霧される水量は、生成ガス中の一酸化炭素濃度と鉄鉱石または石灰石を噴霧する量に基づいて、制御器によって供給量が制御される。一酸化炭素濃度が高い場合は噴霧する水量を多くし、一酸化炭素濃度が低い場合は水量を少なくする。これにより、ガス温度の低下が抑制され、シフト反応の促進効果が高まり、下流のシフト反応器（シフト反応部）で必要とする水蒸気を削減できる。
【００３０】
また、本発明の水素を主成分とするガスの製造装置は、バーナへ供給する炭素系燃料の流量を制御する機構と、バーナへ供給する酸化剤の流量を制御する機構を流路に設置する。炭素系燃料及び酸化剤の供給量は、生成ガス中の一酸化炭素濃度から計算された鉄鉱石または石灰石の粉体供給量に基づいて調整され、制御器で配分が決定される。
【００３１】
鉄鉱石や石灰石は、スラグの融点を下げる効果があるため、供給量からスラグの融点を推定し、その値から炭素系燃料に対する酸化剤の量を調整する。鉄鉱石または石灰石の供給量が多いときには炭素系燃料に対する酸化剤の量を少なくし、ガス化炉内の温度を下げ、鉄鉱石または石灰石の供給量が少ないときには炭素系燃料に対する酸化剤の量を多くし、ガス化炉内の温度をスラグ溶融温度以上に設定する。このように炭素系燃料に対する酸化剤の量を調整することによって、ガス化炉の効率を高めることができる。
【００３２】
さらに、必要に応じて、生成ガスに含まれる硫黄化合物を除去して水素リッチガスとする。
【００３３】
以下、実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００３４】
本実施例においては、ガス化炉出口に微粉砕した鉄鉱石を噴霧することにより、生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を水素及び二酸化炭素に変換する方法及び装置構成について図１及び図２を用いて説明する。
【００３５】
図１は、水素を主成分とするガスの製造装置を示す構成図である。
【００３６】
本図において、炭素系燃料１及び酸化剤２は、ガス化設備２６（ガス化部）に供給され、炭素系燃料１がガス化されて一酸化炭素及び水素を主成分とする生成ガスになる。ガス化設備２６は、炭素系燃料１及び酸化剤２をバーナ３から投入してガス化するガス化炉１６、ガス化炉１６の下方に設けられたスラグ回収部１５、及びガス化炉１６の上方に設けられたガス冷却部１７で構成されている。
【００３７】
生成ガスは、熱回収設備２７（熱回収部）に送られて冷却される。つぎに、生成ガスは、脱塵設備２８（脱塵部）に送られ、生成ガスに含まれる炭素系燃料１の未反応の可燃分を含む煤塵が回収される。
【００３８】
脱塵後の生成ガスは、水洗塔２９に送られ、塩化水素等を除去した後、硫化カルボニル転化器３０（ＣＯＳ転化器）に送られる。硫化カルボニル転化器３０は、チタニア系やアルミナ系の触媒を用い、生成ガスに含まれる硫化カルボニル（ＣＯＳ）と水蒸気を反応させ、硫化水素及び二酸化炭素に変換する。
【００３９】
硫化水素除去設備３３（硫黄化合物除去部）は、硫黄化合物を除去するためのものである。硫化水素除去設備３３で用いるアミン系の吸収液は、ＣＯＳを吸収しないため、硫化カルボニル転化器３０（硫化カルボニル転化部）においてＣＯＳを硫化水素として脱硫率を向上する。
【００４０】
つぎに、生成ガスは、シフト反応器３１に送られる。シフト反応器３１には、鉄−クロム系や銅−亜鉛系の触媒が内蔵されており、シフト反応が進行するようになっている。これにより、生成ガスは、水素濃度が高くなった水素リッチガス（シフトガス）に変換される。
【００４１】
つぎに、水素リッチガスは、ガス精製設備４１（ガス精製部）に導かれる。ガス精製設備４１の水洗塔３２においては、水素リッチガスから塩化水素等が除去され、ガス精製設備４１の硫化水素除去設備３３においては、硫化水素等が除去される。
【００４２】
水洗塔３２における塩化水素の除去率を上げるためには、水酸化ナトリウムなどを用いて水洗塔３２に供給する水のｐＨを高くすればよい（アルカリ性にすればよい）。
【００４３】
硫化水素除去設備３３における硫化水素の除去には、アミン水溶液などの吸収液が用いられる。硫化水素を吸収した吸収液は、再生塔（図示していない）に送られ、吸収液に含まれる硫化水素を分離して循環利用される。
【００４４】
硫化水素が除去された精製ガス３４は、更に下流側に設置された二酸化炭素除去設備（図示していない）に送られる。二酸化炭素除去設備においては、精製ガス３４に含まれる二酸化炭素が除去され、水素を主成分とするガスとなる。
【００４５】
硫化カルボニル転化器３０とシフト反応器３１との間（シフト反応器３１の上流側）には、一酸化炭素濃度計１９が設置してある。
【００４６】
一酸化炭素は可燃性ガスであり、一酸化炭素を直接除去すると生成ガスの発熱量が低下するため、シフト反応器３１で一酸化炭素を二酸化炭素に変換する必要がある。
【００４７】
本実施例においては、シフト反応器３１の上流側でシフト反応を進行させるため、ガス化設備２６の水供給管６から水を噴霧（供給）して生成ガス中の水蒸気濃度を高めるとともに、鉄鉱石タンク１２から微粉砕した鉄鉱石（触媒）をガス化設備２６に供給する。
【００４８】
このようにガス化設備２６に鉄鉱石及び水を供給すると、鉄の触媒作用によって一酸化炭素及び水蒸気のシフト反応が促進される。これにより、下流側のシフト反応器３１で消費する水蒸気を低減することができる。
【００４９】
微粉砕した鉄鉱石は、不活性ガス供給管９から導入される窒素などの不活性ガスにより搬送され、鉄鉱石流量調整機構１１（触媒流量調整部）によって鉄鉱石の微粒子の供給量が調整される。
【００５０】
鉄鉱石の供給量（鉄噴霧量）は、一酸化炭素濃度計１９で測定した一酸化炭素濃度２０によって制御器１８で調整される。一酸化炭素濃度２０が高いときは鉄鉱石の供給量を多くし、一酸化炭素濃度２０が低いときは鉄鉱石の供給量を少なくする。また、鉄鉱石の供給量によってガス化設備２６に供給される炭素系燃料１と酸化剤２との配分を調整する。鉄鉱石の供給によってスラグの融点が変動するため、供給量と燃料中の灰組成からスラグの融点を推定する。スラグの融点が低いときには炭素系燃料１に対する酸化剤２の量を少なくし、ガス化炉１６の内部の温度を下げ、スラグの融点が高いときには炭素系燃料１に対する酸化剤２の量を多くし、ガス化炉１６の内部の温度をスラグ溶融温度以上に上げる。このように炭素系燃料１に対する酸化剤２の量を調整することによって、ガス化炉１６の効率を高めることができる。
【００５１】
すなわち、制御部は、ガス化部に供給する炭素系燃料１の流量に基づいて微粒子の供給量を調整する。
【００５２】
また、制御部は、生成ガスに含まれる一酸化炭素の濃度に基づいて、鉄鉱石の供給量、及び水の供給量を調整する。
【００５３】
さらに、制御部は、生成ガスに含まれる一酸化炭素の濃度から計算された鉄鉱石の供給量及び灰中組成に基づいて、ガス化部で溶融したスラグの融点を推定し、スラグの融点に基づいて炭素系燃料及び酸化剤の配分を調整する。
【００５４】
水供給管６から供給される水は、一酸化炭素濃度計１９で測定した一酸化炭素濃度２０によって制御器１８で流量が計算される。そして、水量調整機構８によって流量が調整される。一酸化炭素濃度２０が高いときは水の噴霧量（供給量）を多くし、一酸化炭素濃度２０が低いときは水の噴霧量（水噴霧量）を少なくする。水を噴霧すると生成ガス中の水蒸気濃度が高まり、シフト反応が進行しやすくなる一方で、ガス温度低下によるシフト反応速度の低下も生じるため、水の噴霧量を多くする場合は、鉄鉱石の供給量を多くしてから水の噴霧量を調整するようにする。水の噴霧量を少なくする場合は、水の噴霧量を少なくしてから鉄鉱石の供給量を調整するようにする。
【００５５】
鉄鉱石を含む生成ガスは、熱回収設備２７で熱回収され、脱塵設備２８に供給される。脱塵設備２８においては、生成ガスに含まれるチャーなどの微粒子とともに、鉄鉱石の微粒子が回収される。チャー及び鉄鉱石の混合粉体１３は、ガス化設備２６にリサイクル（還流）され、スラグ回収部１５で溶融スラグとして回収される。
【００５６】
図２は、実施例のガス化設備を示す構成図である。
【００５７】
ガス化設備２６は、炭素系燃料１及び酸化剤２をバーナ３から投入してガス化するガス化炉１６、ガス化炉１６の下方に設けられたスラグ回収部１５、及びガス化炉１６の上方に設けられたガス冷却部１７で構成されている。
【００５８】
バーナ３は、ガス化炉１６の上段及び下段にそれぞれ設置してある。チャーバーナ１４（煤塵還流部）はガス化炉１６の下段に設置してある。水噴霧ノズル７（水供給部）は、上段のバーナ３より下流側に設置してある。
【００５９】
本図においては、鉄鉱石供給ノズル１０（触媒供給部）は、水噴霧ノズル７より下流側（上方）に配置し、鉄鉱石がガス化炉１６の内部で供給直後に溶融しないようにしている。鉄鉱石供給ノズル１０は、ガス化炉１６の温度が鉄の溶融温度より低い部位、又はガス冷却部１７に設置することが望ましい。本図においては、ガス冷却部１７に水噴霧ノズル７及び鉄鉱石供給ノズル１０を配置している。
【００６０】
ガス化炉１６に供給した鉄鉱石のうち、ガス化炉１６の内部で溶融したものの一部は、スラグ回収部１５に流下して回収される。また、生成ガス及びチャーとともにガス化炉１６の下流に送られた鉄鉱石は、脱塵設備２８にて回収され、チャーと鉄鉱石との混合粉体１３となってチャーバーナ１４を介してガス化炉１６に投入される。
【００６１】
チャーバーナ１４は、ガス化炉１６下段の高温部に設置してある。チャーと鉄鉱石との混合粉体１３は、ガス化炉１６の内部で溶融してスラグとして回収される。
【実施例２】
【００６２】
本実施例においては、鉄噴霧量、水噴霧量、及び炭素系燃料に対する酸化剤の配分を制御する方法について図３を用いて説明する。
【００６３】
図３は、実施例の制御装置で行われる水噴霧量、鉄噴霧量、及び炭素系燃料に対する酸化剤の配分の制御例を示すブロック図である。
【００６４】
燃料流量調整機構４は、炭素系燃料流量２１（燃料流量）を測定できるようになっている。また、酸化剤流量調整機構５は、酸化剤流量２２を測定できるようになっている。
【００６５】
水噴霧量は、バーナ３に供給される炭素系燃料流量２１、及びシフト反応器入口（シフト反応器３１の上流側）の一酸化炭素濃度計１９によって測定された一酸化炭素濃度２０が制御器１８に入力されることにより、炭素系燃料流量２１に対する配分が決定される。
【００６６】
制御器１８からの信号によって水量調整機構開度指令２４が水量調整機構８（水量調整部）に送られ、ガス化炉１６の内部に噴霧する水噴霧量が制御される。
【００６７】
鉄噴霧量は、バーナ３に供給される炭素系燃料流量２１、及びシフト反応器入口の一酸化炭素濃度計１９により測定された一酸化炭素濃度２０が制御器１８に入力されることにより、燃料流量に対する配分が計算される。制御器１８からの信号により鉄鉱石流量調整機構開度指令２５が鉄鉱石流量調整機構１１に送られ、ガス化炉１６の内部に噴霧する鉄噴霧量が制御される。
【００６８】
炭素系燃料に対する酸化剤の配分は、以下の手順により決定される。
【００６９】
バーナ３へ供給される炭素系燃料流量２１及び一酸化炭素濃度２０から計算された燃料に対する鉄噴霧量と、燃料中の灰組成とに基づいて、ガス化炉１６の内部のスラグ溶融温度を推定する。
【００７０】
さらに、推定したスラグ溶融温度、及びバーナ３に供給される酸化剤流量２２に基づいて、炭素系燃料に対する酸化剤の配分を計算する。
【００７１】
計算された炭素系燃料に対する酸化剤の配分に基づいて、酸化剤流量調整機構開度指令２３が酸化剤流量調整機構５に送られ、ガス化炉１６の内部に供給する酸素量を制御する。
【００７２】
シフト反応器入口の一酸化炭素濃度２０が高い場合は、鉄噴霧量を多くしてシフト反応速度を高めるように制御器１８で調整する。鉄噴霧量を増加しても一酸化炭素濃度が高い場合は、水噴霧量を多くしてシフト反応を進行させる。一酸化炭素濃度が低い場合は、水噴霧量を少なくして鉄噴霧量を調整することにより一酸化炭素濃度２０が増加しないように調整する。
【００７３】
本制御方法を用いれば、水噴霧によるガス温度の低下を最小限にしてシフト反応を促進することができるため、効果的である。
【００７４】
一方、鉄は、灰の融点を変化させる作用があるため、灰の溶融に必要なガス化炉温度を調節する必要がある。灰の融点が低下したときは、バーナ３から供給する炭素系燃料に対する酸化剤の配分を少なくし、ガス温度を下げるように酸化剤の供給量を少なくするように調整する。鉄噴霧によって灰の融点が増加した場合は、バーナ３から供給する炭素系燃料に対する酸化剤の配分を多くし、ガス温度が灰の溶融温度以上になるように酸化剤の供給量を調整する。
【００７５】
本制御方法を用いれば、シフト反応を促進し、かつガス化炉の運転状況に応じて少ない酸素で高効率なガス化運転が可能となる。
【００７６】
なお、鉄噴霧量は、Ｆｅ２Ｏ３の量で、通常の炭素系燃料の場合、重量基準で炭素系燃料の１％以上とする。また、望ましくは３％以上、更に望ましくは５％以上である。
【実施例３】
【００７７】
ガス化炉出口に微粉砕した石灰石を噴霧して、生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を水素及び二酸化炭素に変換する場合、図１〜３に示す鉄鉱石の代わりに石灰石を用いる。それ以外の構成は、実施例１及び２と同様である。
【００７８】
本発明によれば、炭素系燃料に含まれる炭素を二酸化炭素として回収するとともに、水素及び一酸化炭素の混合ガス又は水素リッチガスを製造する場合において、シフト反応に必要な水蒸気の量を低減し、シフト反応器に供給する水蒸気を発生させる設備を不要として低コスト化するとともに、熱効率を向上し、二酸化炭素の回収率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７９】
１：炭素系燃料、２：酸化剤、３：バーナ、４：燃料流量調整機構、５：酸化剤流量調整機構、６：水供給管、７：水噴霧ノズル、８：水量調整機構、９：不活性ガス供給管、１０：鉄鉱石供給ノズル、１１：鉄鉱石流量調整機構、１２：鉄鉱石タンク、１３：混合粉体、１４：チャーバーナ、１５：スラグ回収部、１６：ガス化炉、１７：ガス冷却部、１８：制御器、１９：一酸化炭素濃度計、２０：一酸化炭素濃度、２１：燃料流量、２２：酸化剤流量、２３：酸化剤流量調整機構開度指令、２４：水量調整機構開度指令、２５：鉄鉱石流量調整機構開度指令、２６：ガス化設備、２７：熱回収設備、２８：脱塵設備、２９：水洗塔、３０：ＣＯＳ転化器、３１：シフト反応器、３２：水洗塔、３３：硫化水素除去設備、３４：精製ガス。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を主成分とするガスの製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策のため、炭素系燃料から水素と一酸化炭素との混合ガスを製造するガス化システムに関しても、炭素系燃料に含まれる炭素を回収することが求められている。
【０００３】
炭素系燃料をガス化した生成ガスの主成分は、一酸化炭素及び水素である。生成ガスに含まれる炭素を除去するために一酸化炭素を除去すると、生成ガスの発熱量が大きく低下する。このため、下記反応式（１）に示すシフト反応を用いて、一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素及び二酸化炭素とし、この二酸化炭素を生成ガスから除去することにより、生成ガスの発熱量の低下を最小限に抑えながら生成ガスに含まれる炭素を回収する方式が一般的に用いられている。
【０００４】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ …反応式（１）
このようなシフト反応プロセスを含む炭素系燃料のガス化システムは、例えば、特許文献１に記載されている。
【０００５】
特許文献１には、シフト反応を進めるためのシフト反応器（シフトコンバータ）を設置し、このシフト反応器へ水蒸気を供給するＣＯ２除去石炭ガス化複合発電システムが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、ガス化炉にスチームや炭層ガスを供給し、ガス化炉でシフト反応を進めることにより、シフト反応器を不要とする水素・一酸化炭素混合ガスの製造方法が開示されている。ただし、特許文献２は、下流の燃料合成に適したガス組成にするためにシフト反応を進めることを目的としており、生成ガス中の一酸化炭素の一部を水蒸気と反応させれば十分であるため、シフト反応器なしでシステムが成立するものである。
【０００７】
また、特許文献３には、ガス化炉に鉄鉱石や石灰石を供給し、鉄鉱石や石灰石が保有する顕熱を利用して石炭を熱分解、及び燃焼することにより、水素・一酸化炭素混合ガスを取り出す方法が開示されている。
【０００８】
さらに、非特許文献１には、ガス化炉にチャー（未燃炭素）を供給し、チャー中の鉄やカルシウムの触媒効果によってシフト反応が促進されることが記載されている。
【０００９】
非特許文献２には、天然ソーダ灰とリモナイトより調製したＮａ／Ｆｅ複合触媒を用いることにより、チャー転化率が向上することが記載されている。
【００１０】
このほか、シフト反応によって生成した二酸化炭素を除去する方法としては、アミンなどの吸収液を用いる方法、ゼオライトなどの吸着剤を用いる方法など、多くの方法が公知となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−２７９１６３号公報
【特許文献２】特開２００１−１３９３０３号公報
【特許文献３】特開平６−１４５６７３号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】石炭科学会議発表論文集（４６）、６６−６７、２００９−１１−２６
【非特許文献２】石炭科学会議発表論文集（４６）、７４−７５、２００９−１１−２６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に開示されたシステムにおいては、シフト反応設備に水蒸気を供給する必要があり、この水蒸気を製造するための設備が必要となることからプラント建設コストが高い点、及び、水蒸気の製造がガスと水との間接熱交換によるため効率が低い点で改善の余地があった。
【００１４】
また、特許文献２に開示された方法は、生成ガス中の水素／一酸化炭素の比を調整することを目的としており、シフト反応器が必要な条件において生成ガス中の水蒸気／一酸化炭素の比を調整する方法は示されていない。
【００１５】
また、特許文献３に開示された方法においては、鉄鉱石は部分還元し、石灰石は焼成して生石灰になるため、シフト反応が十分促進されない。
【００１６】
また、非特許文献１の方式においては、チャー中の鉄やカルシウムの量が炭種によって異なっているため、シフト反応が十分促進されない場合がある。
【００１７】
本発明の目的は、炭素系燃料及び酸化剤から水素及び一酸化炭素の混合ガス又は水素リッチガスを製造するとともに、炭素系燃料に含まれる炭素を二酸化炭素として回収する場合において、シフト反応に必要な水蒸気の量を低減し、シフト反応に必要な水蒸気を製造する設備を不要として低コスト化するとともに、熱効率を向上し、二酸化炭素の回収率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の水素を主成分とするガスの製造方法は、炭素系燃料を酸化剤により反応させてガス化し、このガス化により生成された生成ガスを水と接触させて前記生成ガスに含まれる水蒸気の濃度を増加させ、前記生成ガスに含まれる前記炭素系燃料の未反応の可燃分を含む煤塵を回収し、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を水素及び二酸化炭素に変換し、少なくとも前記生成ガスに含まれる二酸化炭素を除去して水素を主成分とするガスを製造する方法であって、前記炭素系燃料及び前記酸化剤若しくは前記炭素系燃料、前記酸化剤及び水の混合物又は前記生成ガスに微粉砕した鉄鉱石又は石灰石である触媒を供給し、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素の一部及び水蒸気の一部を反応させて水素及び二酸化炭素とし、前記触媒を前記煤塵とともに回収し、回収した前記触媒及び前記煤塵を前記混合物又は前記生成ガスと混合することを特徴とする。
【００１９】
本発明の水素を主成分とするガスの製造装置は、炭素系燃料を酸化剤により反応させて生成ガスを発生させるガス化部と、前記生成ガスに含まれる煤塵を回収する脱塵部と、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を反応させて水素及び二酸化炭素に変換するシフト反応部とを含み、前記ガス化部又は前記ガス化部の下流側に水を供給する水供給部及び微粉砕した鉄鉱石又は石灰石である触媒を供給する触媒供給部を設け、前記脱塵部にて前記煤塵とともに前記触媒を回収して前記ガス化部に還流する煤塵還流部を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、炭素系燃料及び酸化剤から製造される生成ガスをシフト反応器に導入する前に、生成ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応を進行させ、シフト反応器で必要となる水蒸気の量を低減することができる。このため、水蒸気を製造するための間接熱交換設備を不要とすることができ、プラント建設費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例の水素を主成分とするガスの製造装置を示す概略構成図である。
【図２】実施例のガス化設備を示す概略構成図である。
【図３】実施例の制御器で行われる鉄噴霧量、水噴霧量、及び炭素系燃料に対する酸化剤配分の制御を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、炭素系燃料をガス化し、燃料に含まれる炭素は二酸化炭素として排ガスから回収し、水素を主成分とするガスを製造するシステムに関するものであり、二酸化炭素による地球温暖化防止に寄与する技術である。
【００２３】
本発明の水素を主成分とするガスの製造方法は、炭素系燃料を酸化剤によりガス化し、生成ガスを水と接触させて生成ガス中の水蒸気濃度を増加させ、ガス化炉（ガス化部の中央部）あるいはガス化炉出口（ガス化部のガス冷却部を含む。）に微粉砕した鉄鉱石または石灰石を噴霧して生成ガス中の一酸化炭素の一部と水蒸気の一部とを反応させて水素及び二酸化炭素とする。生成ガスに同伴された鉄鉱石を未反応の可燃分を含む煤塵とともに回収する。回収した鉄鉱石または石灰石を含む煤塵をガス化炉へ供給する。
【００２４】
ガス化炉あるいはガス化炉出口に微粉砕した鉄鉱石または石灰石を噴霧すると、鉄またはカルシウムの触媒効果によってガス温度が低下することなく一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応が促進される。噴霧した鉄鉱石または石灰石は、ガス化炉の下流側に設けた煤塵回収設備（脱塵部）によって回収され、煤塵とともにガス化炉に投入されるため、最終的にガス化炉の内部で溶融スラグとともに回収される。
【００２５】
また、本発明の水素を主成分とするガスの製造装置（水素を主成分とするガスの製造装置）は、バーナの設置位置よりも下流となるガス化炉壁面あるいはガス化炉出口に水を噴霧するノズルを配置し、水を噴霧するノズルの下流側（上方）となるガス化炉壁面あるいはガス化炉出口に、微粉砕した鉄鉱石または石灰石を噴霧するノズルを配置し、生成ガスに同伴された鉄鉱石または石灰石を未反応の可燃分を含む煤塵とともに回収し、回収した鉄鉱石または石灰石を含む煤塵をガス化炉に供給する。微粉砕した鉄鉱石または石灰石を噴霧するノズルは、鉄鉱石の還元や石灰石の焼成がガス化炉の内部で噴霧直後に生じないように、ガス温度が鉄鉱石の還元温度、または石灰石の焼成温度より低い箇所に設置する。
【００２６】
また、鉄鉱石または石灰石を噴霧するノズルは、ガス化炉周方向に複数本設置してもよい。このようにノズルを設置すると、ガス化炉へ鉄鉱石または石灰石が効率よく分散するため、シフト反応を促進することができる。
【００２７】
また、本発明の水素を主成分とするガスの製造装置は、バーナに供給する炭素系燃料流量に基づいて、微粉砕した鉄鉱石または石灰石（触媒）を噴霧するノズルから噴霧される鉄鉱石または石灰石粉体量を調整する制御器（制御部）を設ける。
【００２８】
また、本発明の水素を主成分とするガスの製造装置は、微粉砕した鉄鉱石または石灰石を噴霧するノズルに搬送される鉄鉱石または石灰石の粉体量を調整する機構と、水を噴霧するノズルに供給する水量を調整する機構を流路にそれぞれ設置し、ガス化炉に噴霧する量を調整できるようにする。噴霧される鉄鉱石または石灰石の粉体量は、生成ガス中の一酸化炭素濃度に基づいて計算され、制御器によって供給量が制御される。
【００２９】
一酸化炭素濃度が高い場合は噴霧する粉体量を多くし、一酸化炭素濃度が低い場合は粉体量を少なくする。また、噴霧される水量は、生成ガス中の一酸化炭素濃度と鉄鉱石または石灰石を噴霧する量に基づいて、制御器によって供給量が制御される。一酸化炭素濃度が高い場合は噴霧する水量を多くし、一酸化炭素濃度が低い場合は水量を少なくする。これにより、ガス温度の低下が抑制され、シフト反応の促進効果が高まり、下流のシフト反応器（シフト反応部）で必要とする水蒸気を削減できる。
【００３０】
また、本発明の水素を主成分とするガスの製造装置は、バーナへ供給する炭素系燃料の流量を制御する機構と、バーナへ供給する酸化剤の流量を制御する機構を流路に設置する。炭素系燃料及び酸化剤の供給量は、生成ガス中の一酸化炭素濃度から計算された鉄鉱石または石灰石の粉体供給量に基づいて調整され、制御器で配分が決定される。
【００３１】
鉄鉱石や石灰石は、スラグの融点を下げる効果があるため、供給量からスラグの融点を推定し、その値から炭素系燃料に対する酸化剤の量を調整する。鉄鉱石または石灰石の供給量が多いときには炭素系燃料に対する酸化剤の量を少なくし、ガス化炉内の温度を下げ、鉄鉱石または石灰石の供給量が少ないときには炭素系燃料に対する酸化剤の量を多くし、ガス化炉内の温度をスラグ溶融温度以上に設定する。このように炭素系燃料に対する酸化剤の量を調整することによって、ガス化炉の効率を高めることができる。
【００３２】
さらに、必要に応じて、生成ガスに含まれる硫黄化合物を除去して水素リッチガスとする。
【００３３】
以下、実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００３４】
本実施例においては、ガス化炉出口に微粉砕した鉄鉱石を噴霧することにより、生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を水素及び二酸化炭素に変換する方法及び装置構成について図１及び図２を用いて説明する。
【００３５】
図１は、水素を主成分とするガスの製造装置を示す構成図である。
【００３６】
本図において、炭素系燃料１及び酸化剤２は、ガス化設備２６（ガス化部）に供給され、炭素系燃料１がガス化されて一酸化炭素及び水素を主成分とする生成ガスになる。ガス化設備２６は、炭素系燃料１及び酸化剤２をバーナ３から投入してガス化するガス化炉１６、ガス化炉１６の下方に設けられたスラグ回収部１５、及びガス化炉１６の上方に設けられたガス冷却部１７で構成されている。
【００３７】
生成ガスは、熱回収設備２７（熱回収部）に送られて冷却される。つぎに、生成ガスは、脱塵設備２８（脱塵部）に送られ、生成ガスに含まれる炭素系燃料１の未反応の可燃分を含む煤塵が回収される。
【００３８】
脱塵後の生成ガスは、水洗塔２９に送られ、塩化水素等を除去した後、硫化カルボニル転化器３０（ＣＯＳ転化器）に送られる。硫化カルボニル転化器３０は、チタニア系やアルミナ系の触媒を用い、生成ガスに含まれる硫化カルボニル（ＣＯＳ）と水蒸気を反応させ、硫化水素及び二酸化炭素に変換する。
【００３９】
硫化水素除去設備３３（硫黄化合物除去部）は、硫黄化合物を除去するためのものである。硫化水素除去設備３３で用いるアミン系の吸収液は、ＣＯＳを吸収しないため、硫化カルボニル転化器３０（硫化カルボニル転化部）においてＣＯＳを硫化水素として脱硫率を向上する。
【００４０】
つぎに、生成ガスは、シフト反応器３１に送られる。シフト反応器３１には、鉄−クロム系や銅−亜鉛系の触媒が内蔵されており、シフト反応が進行するようになっている。これにより、生成ガスは、水素濃度が高くなった水素リッチガス（シフトガス）に変換される。
【００４１】
つぎに、水素リッチガスは、ガス精製設備４１（ガス精製部）に導かれる。ガス精製設備４１の水洗塔３２においては、水素リッチガスから塩化水素等が除去され、ガス精製設備４１の硫化水素除去設備３３においては、硫化水素等が除去される。
【００４２】
水洗塔３２における塩化水素の除去率を上げるためには、水酸化ナトリウムなどを用いて水洗塔３２に供給する水のｐＨを高くすればよい（アルカリ性にすればよい）。
【００４３】
硫化水素除去設備３３における硫化水素の除去には、アミン水溶液などの吸収液が用いられる。硫化水素を吸収した吸収液は、再生塔（図示していない）に送られ、吸収液に含まれる硫化水素を分離して循環利用される。
【００４４】
硫化水素が除去された精製ガス３４は、更に下流側に設置された二酸化炭素除去設備（図示していない）に送られる。二酸化炭素除去設備においては、精製ガス３４に含まれる二酸化炭素が除去され、水素を主成分とするガスとなる。
【００４５】
硫化カルボニル転化器３０とシフト反応器３１との間（シフト反応器３１の上流側）には、一酸化炭素濃度計１９が設置してある。
【００４６】
一酸化炭素は可燃性ガスであり、一酸化炭素を直接除去すると生成ガスの発熱量が低下するため、シフト反応器３１で一酸化炭素を二酸化炭素に変換する必要がある。
【００４７】
本実施例においては、シフト反応器３１の上流側でシフト反応を進行させるため、ガス化設備２６の水供給管６から水を噴霧（供給）して生成ガス中の水蒸気濃度を高めるとともに、鉄鉱石タンク１２から微粉砕した鉄鉱石（触媒）をガス化設備２６に供給する。
【００４８】
このようにガス化設備２６に鉄鉱石及び水を供給すると、鉄の触媒作用によって一酸化炭素及び水蒸気のシフト反応が促進される。これにより、下流側のシフト反応器３１で消費する水蒸気を低減することができる。
【００４９】
微粉砕した鉄鉱石は、不活性ガス供給管９から導入される窒素などの不活性ガスにより搬送され、鉄鉱石流量調整機構１１（触媒流量調整部）によって鉄鉱石の微粒子の供給量が調整される。
【００５０】
鉄鉱石の供給量（鉄噴霧量）は、一酸化炭素濃度計１９で測定した一酸化炭素濃度２０によって制御器１８で調整される。一酸化炭素濃度２０が高いときは鉄鉱石の供給量を多くし、一酸化炭素濃度２０が低いときは鉄鉱石の供給量を少なくする。また、鉄鉱石の供給量によってガス化設備２６に供給される炭素系燃料１と酸化剤２との配分を調整する。鉄鉱石の供給によってスラグの融点が変動するため、供給量と燃料中の灰組成からスラグの融点を推定する。スラグの融点が低いときには炭素系燃料１に対する酸化剤２の量を少なくし、ガス化炉１６の内部の温度を下げ、スラグの融点が高いときには炭素系燃料１に対する酸化剤２の量を多くし、ガス化炉１６の内部の温度をスラグ溶融温度以上に上げる。このように炭素系燃料１に対する酸化剤２の量を調整することによって、ガス化炉１６の効率を高めることができる。
【００５１】
すなわち、制御部は、ガス化部に供給する炭素系燃料１の流量に基づいて微粒子の供給量を調整する。
【００５２】
また、制御部は、生成ガスに含まれる一酸化炭素の濃度に基づいて、鉄鉱石の供給量、及び水の供給量を調整する。
【００５３】
さらに、制御部は、生成ガスに含まれる一酸化炭素の濃度から計算された鉄鉱石の供給量及び灰中組成に基づいて、ガス化部で溶融したスラグの融点を推定し、スラグの融点に基づいて炭素系燃料及び酸化剤の配分を調整する。
【００５４】
水供給管６から供給される水は、一酸化炭素濃度計１９で測定した一酸化炭素濃度２０によって制御器１８で流量が計算される。そして、水量調整機構８によって流量が調整される。一酸化炭素濃度２０が高いときは水の噴霧量（供給量）を多くし、一酸化炭素濃度２０が低いときは水の噴霧量（水噴霧量）を少なくする。水を噴霧すると生成ガス中の水蒸気濃度が高まり、シフト反応が進行しやすくなる一方で、ガス温度低下によるシフト反応速度の低下も生じるため、水の噴霧量を多くする場合は、鉄鉱石の供給量を多くしてから水の噴霧量を調整するようにする。水の噴霧量を少なくする場合は、水の噴霧量を少なくしてから鉄鉱石の供給量を調整するようにする。
【００５５】
鉄鉱石を含む生成ガスは、熱回収設備２７で熱回収され、脱塵設備２８に供給される。脱塵設備２８においては、生成ガスに含まれるチャーなどの微粒子とともに、鉄鉱石の微粒子が回収される。チャー及び鉄鉱石の混合粉体１３は、ガス化設備２６にリサイクル（還流）され、スラグ回収部１５で溶融スラグとして回収される。
【００５６】
図２は、実施例のガス化設備を示す構成図である。
【００５７】
ガス化設備２６は、炭素系燃料１及び酸化剤２をバーナ３から投入してガス化するガス化炉１６、ガス化炉１６の下方に設けられたスラグ回収部１５、及びガス化炉１６の上方に設けられたガス冷却部１７で構成されている。
【００５８】
バーナ３は、ガス化炉１６の上段及び下段にそれぞれ設置してある。チャーバーナ１４（煤塵還流部）はガス化炉１６の下段に設置してある。水噴霧ノズル７（水供給部）は、上段のバーナ３より下流側に設置してある。
【００５９】
本図においては、鉄鉱石供給ノズル１０（触媒供給部）は、水噴霧ノズル７より下流側（上方）に配置し、鉄鉱石がガス化炉１６の内部で供給直後に溶融しないようにしている。鉄鉱石供給ノズル１０は、ガス化炉１６の温度が鉄の溶融温度より低い部位、又はガス冷却部１７に設置することが望ましい。本図においては、ガス冷却部１７に水噴霧ノズル７及び鉄鉱石供給ノズル１０を配置している。
【００６０】
ガス化炉１６に供給した鉄鉱石のうち、ガス化炉１６の内部で溶融したものの一部は、スラグ回収部１５に流下して回収される。また、生成ガス及びチャーとともにガス化炉１６の下流に送られた鉄鉱石は、脱塵設備２８にて回収され、チャーと鉄鉱石との混合粉体１３となってチャーバーナ１４を介してガス化炉１６に投入される。
【００６１】
チャーバーナ１４は、ガス化炉１６下段の高温部に設置してある。チャーと鉄鉱石との混合粉体１３は、ガス化炉１６の内部で溶融してスラグとして回収される。
【実施例２】
【００６２】
本実施例においては、鉄噴霧量、水噴霧量、及び炭素系燃料に対する酸化剤の配分を制御する方法について図３を用いて説明する。
【００６３】
図３は、実施例の制御装置で行われる水噴霧量、鉄噴霧量、及び炭素系燃料に対する酸化剤の配分の制御例を示すブロック図である。
【００６４】
燃料流量調整機構４は、炭素系燃料流量２１（燃料流量）を測定できるようになっている。また、酸化剤流量調整機構５は、酸化剤流量２２を測定できるようになっている。
【００６５】
水噴霧量は、バーナ３に供給される炭素系燃料流量２１、及びシフト反応器入口（シフト反応器３１の上流側）の一酸化炭素濃度計１９によって測定された一酸化炭素濃度２０が制御器１８に入力されることにより、炭素系燃料流量２１に対する配分が決定される。
【００６６】
制御器１８からの信号によって水量調整機構開度指令２４が水量調整機構８（水量調整部）に送られ、ガス化炉１６の内部に噴霧する水噴霧量が制御される。
【００６７】
鉄噴霧量は、バーナ３に供給される炭素系燃料流量２１、及びシフト反応器入口の一酸化炭素濃度計１９により測定された一酸化炭素濃度２０が制御器１８に入力されることにより、燃料流量に対する配分が計算される。制御器１８からの信号により鉄鉱石流量調整機構開度指令２５が鉄鉱石流量調整機構１１に送られ、ガス化炉１６の内部に噴霧する鉄噴霧量が制御される。
【００６８】
炭素系燃料に対する酸化剤の配分は、以下の手順により決定される。
【００６９】
バーナ３へ供給される炭素系燃料流量２１及び一酸化炭素濃度２０から計算された燃料に対する鉄噴霧量と、燃料中の灰組成とに基づいて、ガス化炉１６の内部のスラグ溶融温度を推定する。
【００７０】
さらに、推定したスラグ溶融温度、及びバーナ３に供給される酸化剤流量２２に基づいて、炭素系燃料に対する酸化剤の配分を計算する。
【００７１】
計算された炭素系燃料に対する酸化剤の配分に基づいて、酸化剤流量調整機構開度指令２３が酸化剤流量調整機構５に送られ、ガス化炉１６の内部に供給する酸素量を制御する。
【００７２】
シフト反応器入口の一酸化炭素濃度２０が高い場合は、鉄噴霧量を多くしてシフト反応速度を高めるように制御器１８で調整する。鉄噴霧量を増加しても一酸化炭素濃度が高い場合は、水噴霧量を多くしてシフト反応を進行させる。一酸化炭素濃度が低い場合は、水噴霧量を少なくして鉄噴霧量を調整することにより一酸化炭素濃度２０が増加しないように調整する。
【００７３】
本制御方法を用いれば、水噴霧によるガス温度の低下を最小限にしてシフト反応を促進することができるため、効果的である。
【００７４】
一方、鉄は、灰の融点を変化させる作用があるため、灰の溶融に必要なガス化炉温度を調節する必要がある。灰の融点が低下したときは、バーナ３から供給する炭素系燃料に対する酸化剤の配分を少なくし、ガス温度を下げるように酸化剤の供給量を少なくするように調整する。鉄噴霧によって灰の融点が増加した場合は、バーナ３から供給する炭素系燃料に対する酸化剤の配分を多くし、ガス温度が灰の溶融温度以上になるように酸化剤の供給量を調整する。
【００７５】
本制御方法を用いれば、シフト反応を促進し、かつガス化炉の運転状況に応じて少ない酸素で高効率なガス化運転が可能となる。
【００７６】
なお、鉄噴霧量は、Ｆｅ２Ｏ３の量で、通常の炭素系燃料の場合、重量基準で炭素系燃料の１％以上とする。また、望ましくは３％以上、更に望ましくは５％以上である。
【実施例３】
【００７７】
ガス化炉出口に微粉砕した石灰石を噴霧して、生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を水素及び二酸化炭素に変換する場合、図１〜３に示す鉄鉱石の代わりに石灰石を用いる。それ以外の構成は、実施例１及び２と同様である。
【００７８】
本発明によれば、炭素系燃料に含まれる炭素を二酸化炭素として回収するとともに、水素及び一酸化炭素の混合ガス又は水素リッチガスを製造する場合において、シフト反応に必要な水蒸気の量を低減し、シフト反応器に供給する水蒸気を発生させる設備を不要として低コスト化するとともに、熱効率を向上し、二酸化炭素の回収率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７９】
１：炭素系燃料、２：酸化剤、３：バーナ、４：燃料流量調整機構、５：酸化剤流量調整機構、６：水供給管、７：水噴霧ノズル、８：水量調整機構、９：不活性ガス供給管、１０：鉄鉱石供給ノズル、１１：鉄鉱石流量調整機構、１２：鉄鉱石タンク、１３：混合粉体、１４：チャーバーナ、１５：スラグ回収部、１６：ガス化炉、１７：ガス冷却部、１８：制御器、１９：一酸化炭素濃度計、２０：一酸化炭素濃度、２１：燃料流量、２２：酸化剤流量、２３：酸化剤流量調整機構開度指令、２４：水量調整機構開度指令、２５：鉄鉱石流量調整機構開度指令、２６：ガス化設備、２７：熱回収設備、２８：脱塵設備、２９：水洗塔、３０：ＣＯＳ転化器、３１：シフト反応器、３２：水洗塔、３３：硫化水素除去設備、３４：精製ガス。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系燃料を酸化剤により反応させてガス化し、このガス化により生成された生成ガスを水と接触させて前記生成ガスに含まれる水蒸気の濃度を増加させ、前記生成ガスに含まれる前記炭素系燃料の未反応の可燃分を含む煤塵を回収し、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を水素及び二酸化炭素に変換し、少なくとも前記生成ガスに含まれる二酸化炭素を除去して水素を主成分とするガスを製造する方法であって、前記炭素系燃料及び前記酸化剤若しくは前記炭素系燃料、前記酸化剤及び水の混合物又は前記生成ガスに微粉砕した鉄鉱石又は石灰石である触媒を供給し、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素の一部及び水蒸気の一部を反応させて水素及び二酸化炭素とし、前記触媒を前記煤塵とともに回収し、回収した前記触媒及び前記煤塵を前記混合物又は前記生成ガスと混合することを特徴とする水素を主成分とするガスの製造方法。
【請求項２】
前記触媒は、不活性ガスを用いて搬送して前記混合物又は前記生成ガスに噴霧することを特徴とする請求項１記載の水素を主成分とするガスの製造方法。
【請求項３】
前記生成ガスに含まれる硫黄化合物は、除去することを特徴とする請求項１又は２に記載の水素を主成分とするガスの製造方法。
【請求項４】
炭素系燃料を酸化剤により反応させて生成ガスを発生させるガス化部と、前記生成ガスに含まれる煤塵を回収する脱塵部と、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を反応させて水素及び二酸化炭素に変換するシフト反応部とを含み、前記ガス化部又は前記ガス化部の下流側に水を供給する水供給部及び微粉砕した鉄鉱石又は石灰石である触媒を供給する触媒供給部を設け、前記脱塵部にて前記煤塵とともに前記触媒を回収して前記ガス化部に還流する煤塵還流部を設けたことを特徴とする水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項５】
前記生成ガスに含まれる硫黄化合物を除去する硫黄化合物除去部を設けたことを特徴とする請求項４記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項６】
前記触媒供給部は、前記水供給部の下流側に設けたことを特徴とする請求項４又は５に記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項７】
前記ガス化部の下部には、スラグ回収部を設け、前記ガス化部の上部には、ガス冷却部を設け、前記触媒供給部は、前記ガス冷却部に設けたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項８】
前記煤塵還流部は、前記ガス化部の中央部であるガス化炉に設けたことを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項９】
前記触媒供給部に搬送される前記触媒の量を調整する触媒流量調整部と、前記水供給部に供給する水の量を調整する水量調整部とを設けたことを特徴とする請求項４〜８のいずれか一項に記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項１０】
前記ガス化部に供給する前記炭素系燃料の流量に基づいて前記触媒の供給量を調整する制御部を設けたことを特徴とする請求項４〜９のいずれか一項に記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素の濃度に基づいて、前記触媒の供給量、及び前記水の供給量を調整することを特徴とする請求項１０記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素の濃度から計算された前記触媒の供給量に基づいて、前記ガス化部で溶融したスラグの融点を推定し、前記スラグの融点に基づいて炭素系燃料及び酸化剤の配分を調整することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項１】
炭素系燃料を酸化剤により反応させてガス化し、このガス化により生成された生成ガスを水と接触させて前記生成ガスに含まれる水蒸気の濃度を増加させ、前記生成ガスに含まれる前記炭素系燃料の未反応の可燃分を含む煤塵を回収し、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を水素及び二酸化炭素に変換し、少なくとも前記生成ガスに含まれる二酸化炭素を除去して水素を主成分とするガスを製造する方法であって、前記炭素系燃料及び前記酸化剤若しくは前記炭素系燃料、前記酸化剤及び水の混合物又は前記生成ガスに微粉砕した鉄鉱石又は石灰石である触媒を供給し、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素の一部及び水蒸気の一部を反応させて水素及び二酸化炭素とし、前記触媒を前記煤塵とともに回収し、回収した前記触媒及び前記煤塵を前記混合物又は前記生成ガスと混合することを特徴とする水素を主成分とするガスの製造方法。
【請求項２】
前記触媒は、不活性ガスを用いて搬送して前記混合物又は前記生成ガスに噴霧することを特徴とする請求項１記載の水素を主成分とするガスの製造方法。
【請求項３】
前記生成ガスに含まれる硫黄化合物は、除去することを特徴とする請求項１又は２に記載の水素を主成分とするガスの製造方法。
【請求項４】
炭素系燃料を酸化剤により反応させて生成ガスを発生させるガス化部と、前記生成ガスに含まれる煤塵を回収する脱塵部と、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素及び水蒸気を反応させて水素及び二酸化炭素に変換するシフト反応部とを含み、前記ガス化部又は前記ガス化部の下流側に水を供給する水供給部及び微粉砕した鉄鉱石又は石灰石である触媒を供給する触媒供給部を設け、前記脱塵部にて前記煤塵とともに前記触媒を回収して前記ガス化部に還流する煤塵還流部を設けたことを特徴とする水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項５】
前記生成ガスに含まれる硫黄化合物を除去する硫黄化合物除去部を設けたことを特徴とする請求項４記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項６】
前記触媒供給部は、前記水供給部の下流側に設けたことを特徴とする請求項４又は５に記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項７】
前記ガス化部の下部には、スラグ回収部を設け、前記ガス化部の上部には、ガス冷却部を設け、前記触媒供給部は、前記ガス冷却部に設けたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項８】
前記煤塵還流部は、前記ガス化部の中央部であるガス化炉に設けたことを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項９】
前記触媒供給部に搬送される前記触媒の量を調整する触媒流量調整部と、前記水供給部に供給する水の量を調整する水量調整部とを設けたことを特徴とする請求項４〜８のいずれか一項に記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項１０】
前記ガス化部に供給する前記炭素系燃料の流量に基づいて前記触媒の供給量を調整する制御部を設けたことを特徴とする請求項４〜９のいずれか一項に記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素の濃度に基づいて、前記触媒の供給量、及び前記水の供給量を調整することを特徴とする請求項１０記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記生成ガスに含まれる一酸化炭素の濃度から計算された前記触媒の供給量に基づいて、前記ガス化部で溶融したスラグの融点を推定し、前記スラグの融点に基づいて炭素系燃料及び酸化剤の配分を調整することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の水素を主成分とするガスの製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１０６８９４（Ｐ２０１２−１０６８９４Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５８４３０（Ｐ２０１０−２５８４３０）
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
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