炭素系燃料のガス化システム
【課題】シフト反応器に供給する生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合のガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを提供する。
【解決手段】ガス化炉３１で生成した生成ガス４中のＣＯをＣＯ２に転化させるシフト反応を行なう触媒の流動層を収容した流動層型のシフト反応器３６をガス化炉３１の下流側に設置し、ガス化炉３１で生成した生成ガス４に含まれる未燃分及び流動層から飛散した触媒を回収する脱塵設備４０をシフト反応器３６の下流側に設置し、脱塵設備４０によって回収された未燃分及び流動層から飛散した触媒を脱塵設備４０からガス化炉３１に供給する供給配管９ｂを配設し、シフト反応器３６の内部に収容した触媒の流動層のレベルが一定となるように新触媒１５をこのシフト反応器３６の流動層に補充する新触媒補充手段をシフト反応器３６に設置したことを特徴とする。
【解決手段】ガス化炉３１で生成した生成ガス４中のＣＯをＣＯ２に転化させるシフト反応を行なう触媒の流動層を収容した流動層型のシフト反応器３６をガス化炉３１の下流側に設置し、ガス化炉３１で生成した生成ガス４に含まれる未燃分及び流動層から飛散した触媒を回収する脱塵設備４０をシフト反応器３６の下流側に設置し、脱塵設備４０によって回収された未燃分及び流動層から飛散した触媒を脱塵設備４０からガス化炉３１に供給する供給配管９ｂを配設し、シフト反応器３６の内部に収容した触媒の流動層のレベルが一定となるように新触媒１５をこのシフト反応器３６の流動層に補充する新触媒補充手段をシフト反応器３６に設置したことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素系燃料をガス化し、生成ガス中のＣＯの一部と水蒸気を反応させて水素と二酸化炭素を主成分とする生成ガスを得る炭素系燃料のガス化システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素系燃料をガス化し、得られた一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）を主成分とする生成ガスからメタノールや合成軽油を製造するためには、水素／一酸化炭素比は約２が望ましい。一方、炭素系燃料として石炭をガス化した場合の水素／一酸化炭素比は約０．４であり、調整が必要である。
【０００３】
このために、一酸化炭素（ＣＯ）と水蒸気を反応させて二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）を得るシフト反応が用いられる。シフト反応は触媒を用いれば、約３００℃の温度で反応を進めることができる。
【０００４】
また、炭素系燃料をガス化して燃料として用いるガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル発電をする発電プラントにおいて、大気へのＣＯ２放出を抑制する場合にもシフト反応が用いられる。即ち、炭素系燃料から生成した生成ガスを燃料としてガスタービン燃焼器で燃焼させる前に水蒸気とともにシフト反応器に供給し、ＣＯとＨ２を主成分とする前記生成ガスをＣＯ２とＨ２を主成分とする生成ガスに変換して、この生成ガス中のＣＯ２をアミン吸収法などによって除去する方法が用いられている。
【０００５】
このような炭素系燃料のガス化システムの技術は、例えば、特開平９−２７９１６３号公報に開示されている。前記特開平９−２７９１６３号公報に開示された技術では、生成ガスを湿式スクラバ（水洗塔）で脱塵した後にシフト反応させるシフト反応器を設置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２７９１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特開平９−２７９１６３号公報に開示された炭素系燃料のガス化システムの技術では、ガス化炉の下流の水洗塔（スクラバ）において、生成ガス中の微粒子やハロゲン化合物を除去した後に、生成ガスをシフト反応器に供給しているために、シフト反応器の手前で生成ガスの温度を昇温し、さらにシフト反応に必要な水蒸気を供給する必要があった。
【０００８】
水洗塔入口の生成ガスと水洗塔出口の生成ガスとを熱交換することによって水洗塔出口の生成ガス温度を上げることはできるが、そのようにすると熱損失が生じるので生成ガスを昇温する必要がある。
【０００９】
また、水洗塔では生成ガスの温度が下がるので、水洗塔出口の生成ガス中の水蒸気量は水洗塔内のガス温度における飽和水蒸気量以上にはならず、よってシフト反応器入口で高温の水蒸気を供給する必要がある。この場合、水蒸気は伝熱管を用いる間接熱交換で別途製造する必要があることから、直接熱交換に比べて熱損失が大きく、また、間接熱交換に伝熱管が必要であることから、この伝熱管を有する熱交換器を設置することによって炭素系燃料のガス化システムの設備が複雑な構成となる。
【００１０】
本発明の目的は、炭素系燃料のガス化システムにおいて、シフト反応させるシフト反応器に供給する炭素系燃料から生成した生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合に、生成ガスの加熱及び水蒸気の供給によるガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の炭素系燃料のガス化システムは、炭素系燃料を酸化剤によりガス化してＣＯとＨ２を主成分とする生成ガスを製造するガス化炉を設置し、このガス化炉の内部であって生成ガスを製造する該ガス化炉内の下流側に位置し、生成ガスに液体の水を噴霧して水蒸気を生成する水供給部を設置し、前記ガス化炉で生成した生成ガスとＣＯ及び水蒸気を混合させて生成ガス中のＣＯをＣＯ２に転化させるシフト反応を行なう触媒の流動層を内部に収容した流動層型のシフト反応器を前記ガス化炉の下流側に設置し、前記ガス化炉で生成した生成ガスに含まれる未燃分及び前記シフト反応器の流動層から飛散した触媒を回収する脱塵設備を前記シフト反応器の下流側に設置し、前記脱塵設備によって回収された生成ガスに含まれる未燃分及びシフト反応器の流動層から飛散した触媒を該脱塵設備からガス化炉に供給する供給配管を前記脱塵設備と前記ガス化炉との間に配設し、前記シフト反応器の内部に収容した触媒の流動層を形成する該流動層のレベルが一定となるように新触媒をこのシフト反応器の流動層に補充する新触媒補充手段を前記シフト反応器に設置したことを特徴とする。
【００１２】
また 本発明の炭素系燃料のガス化システムは、炭素系燃料を酸化剤によりガス化してＣＯとＨ２を主成分とする生成ガスを製造するガス化炉を設置し、このガス化炉の内部であって生成ガスを製造する該ガス化炉内の下流側に位置し、生成ガスに液体の水を噴霧して水蒸気を生成する水供給部を設置し、前記ガス化炉で生成した生成ガスとＣＯ及び水蒸気を混合させて生成ガス中のＣＯをＣＯ２に転化させるシフト反応を行なう触媒の流動層を内部に収容した流動層型のシフト反応器を前記ガス化炉の下流側に設置し、前記ガス化炉で生成した生成ガスに含まれる未燃分及び前記シフト反応器の流動層から飛散した触媒を回収する脱塵設備を前記シフト反応器の下流側に設置し、前記脱塵設備によって回収された生成ガスに含まれる未燃分及びシフト反応器の流動層から飛散した触媒を該脱塵設備からガス化炉に供給する供給配管を前記脱塵設備と前記ガス化炉との間に配設し、前記シフト反応器の内部に収容した触媒の流動層を形成する該流動層のレベルが一定となるように新触媒をこのシフト反応器の流動層に補充する新触媒補充手段を前記シフト反応器に設置し、前記シフト反応器のシフト反応を制御する制御装置を設置し、前記制御装置は、
前記シフト反応器のシフト反応によって生成ガス中のＣＯを水蒸気と反応させてＣＯ２に転化するＣＯ転化率を設定するＣＯ転化率目標設定器と、前記ＣＯ転化率目標設定器で設定されたＣＯ転化率の設定値を前記シフト反応器で得るために必要な水蒸気濃度を演算し、この水蒸気濃度を得るために必要なガス化炉に供給する水の量を演算する必要水蒸気量計算器と、前記シフト反応器の入口側及び出口側に設置されたガス組成計でそれぞれ測定された生成ガス中のガス組成に基づいてシフト反応器による実際のＣＯ転化率を演算するＣＯ転化率計算器と、前記必要水蒸気量計算器で求めたガス化炉に供給する水の量を、前記ＣＯ転化率計算器で演算した実際のＣＯ転化率の値と前記ＣＯ転化率目標設定器で設定したＣＯ転化率の設定値に基づいて補正してガス化炉の水供給部に供給する水の量を演算し、前記ガス化炉の水供給部に供給する水の量を調節する調節弁を制御する弁開度計算器と、を備えて構成したことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、炭素系燃料のガス化システムにおいて、シフト反応させるシフト反応器に供給する炭素系燃料から生成した生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合に、生成ガスの加熱及び水蒸気の供給によるガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例である炭素系燃料ガス化システムの構成を示した概略系統図。
【図２】本発明の第２実施例である炭素系燃料ガス化システムの触媒製造部分を示した概略系統図。
【図３】本発明の第３実施例である炭素系燃料ガス化システムの制御装置の構成を示した概略構成図。
【図４】本発明の第４実施例である炭素系燃料ガス化システムの流動層型のシフト反応器を示した部分図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施例である炭素系燃料ガス化システムについて図面を参照して以下に説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の第１実施例である炭素系燃料ガス化システムの概略構成について図１を用いて説明する。
【００１７】
図１に示した炭素系燃料ガス化システムにおいて、前記炭素系燃料ガス化システムは、炭素系燃料をガス化して生成ガス４を生成するガス化炉３１と、前記ガス化炉３１の下流側に設置され、該ガス化炉３１で生成した生成ガス４中のＣＯを触媒下で水蒸気と反応させてＣＯ２とＨ２を得るシフト反応を行うシフト反応器３６と、前記シフト反応器３６の下流側に設置され、該シフト反応器３６を経た生成ガス６に含まれる未燃分及び該シフト反応器３６に収容した触媒の流動層９１から飛散した触媒を回収して生成ガス６から脱塵する脱塵設備４０を備えている。
【００１８】
前記ガス化炉３１で炭素系燃料をガス化するには、炭素系燃料１と酸化剤２を前記ガス化炉３１に供給し、このガス化炉３１によって炭素系燃料をガス化してＣＯとＨ２を主成分とする生成ガス４を得る。
【００１９】
前記ガス化炉１の下流に位置する水供給部３２では、液体の水３を噴霧し、ガス化炉１で生成した生成ガス４と直接熱交換することにより、生成ガス４中の水蒸気濃度を高める。そして水供給部３２で得られた水蒸気濃度を高めた生成ガス４は、ガス化炉１の下流に設置されたシフト反応器３６に供給する。
【００２０】
前記シフト反応器３６には流動層型を用い、シフト反応器３６の内部に収容するシフト反応用の触媒は、ガス化炉３１から排出されるスラグ５を微粉砕してアルカリ水溶液と混合し、加熱処理して製造したものを流動層９１として用いる。
【００２１】
このシフト反応器３６でのシフト反応によって、生成ガス４中のＣＯが触媒下でシフト反応器３６の水供給部３２に供給された水蒸気（Ｈ２Ｏ）と反応して、ＣＯ２とＨ２を主成分とする生成ガス６が得られる。
【００２２】
シフト反応器３６におけるシフト反応は発熱反応であり、シフト反応器３６の内部で生成ガス４の温度が上昇する。生成ガス４の温度が大きく上昇すると、シフト反応器３６に収容した触媒の劣化が加速するので、生成ガス４から熱を回収する必要がある。
【００２３】
そこで、シフト反応器３６の内部に冷却用の水蒸気８、或いは冷却水を流す伝熱管３７を設置して、シフト反応器３６内の温度が規定値以下となるように水蒸気あるいは冷却水を供給する。
【００２４】
シフト反応器３６の出口から流下する生成ガス６は、シフト反応器３６から飛散した触媒と未燃分を含んでいる。これらはシフト反応器３６の下流側に設置された機器の安定運転を阻害する要因となることから、シフト反応器３６の下流側に脱塵設備４０を設置して回収、或いは除去する。
【００２５】
尚、脱塵設備４０で回収されたもののうち未燃分の微粒子９は、再度、ガス化炉３１へ供給するように構成されている。
【００２６】
脱塵設備４０で回収された未燃分の微粒子９は炭素を含むことから、燃料の利用効率向上の観点からも、回収してガス化炉３１へ供給することが望ましい。
【００２７】
前記脱塵設備４０は、比較的粒径の大きい粒子を除去するサイクロン４１と、比較的粒径の小さい粒子を除去するフィルタ４２とを組み合せて構成することで、高い捕集効率を実現することが可能である。
【００２８】
脱塵設備４０の圧力はガス化炉３１の圧力に比べて低くなっており、脱塵設備４０で回収された未燃分の微粒子９をガス化炉３１に供給するためには、該脱塵設備４０の最下流側に設置されて微粒子９を貯蔵するフィードホッパ４５の圧力をガス化炉３１よりも高い圧力に設定して運用する。
【００２９】
そこで、サイクロン４１の下に設置した中間ホッパ４３と、フィルタ４２の下に設置した中間ホッパ４４は、サイクロン４１及びフィルタ４２から微粒子９を受け入れる時は脱塵設備４０と同圧になるように設定し、フィードホッパ４５に微粒子９を充填する場合にはフィードホッパ４５と同圧になるように設定して運用する。
【００３０】
炭素系燃料ガス化システムには主要機器の運転制御を行う制御装置１００が備えられている。
【００３１】
ところで、前記シフト反応器３６として、流動層型のシフト反応器を採用した場合には、このシフト反応器の内部に収容した流動層からシフト触媒がシフト反応器の外部に少しずつ飛散するので、その分、新触媒１５を前記シフト反応器の流動層に補充する必要がある。そこで、流動層型のシフト反応器における流動層にはレベル計を設置し、流動層レベルが一定となるように新触媒を補充するように運用する。
【００３２】
本実施例のガス化システムで生成され、前記脱塵設備４０で脱塵されたＨ２とＣＯ２を主成分とする生成ガス７は、メタノールやアンモニア、合成軽油等の原料とすることができる。また、前記生成ガス７中のＣＯ２を除去した後に石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）の燃料とする二酸化炭素回収型ＩＧＣＣへの適用も可能である。
【００３３】
本実施例によれば、炭素系燃料のガス化システムにおいて、シフト反応させるシフト反応器に供給する炭素系燃料から生成した生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合に、生成ガスの加熱及び水蒸気の供給によるガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを実現することができる。
【実施例２】
【００３４】
次に本発明の第２実施例である炭素系燃料ガス化システムについて図２に示した触媒製造部分を用いて説明する。図２に示した本実施例の炭素系燃料ガス化システムは図１に示した第１実施例の炭素系燃料ガス化システムと基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。
【００３５】
図２に示した本実施例の炭素系燃料ガス化システムは触媒製造部分を示している。図２において、ガス化炉３１から排出されたスラグ５は、ガス化炉３１の下部に設置された水砕部３３の水溜りに落下して急冷されて砕かれる。このスラグ５は水砕されても流動性は低いので、前記水砕部３３の下流側に設置された破砕機３４によって更に砕いた後に、この破砕機３４の下流側に設置されたスラグホッパ３５に充填される。
【００３６】
前記スラグホッパ３５から廃棄する廃棄スラグ１１のうち、廃棄スラグ１１の一部を触媒原料用スラグ１２として記スラグホッパ３５から微粉砕機５１に導き、この微粉砕機５１にて最大粒径が１００μｍ程度となるまで微粉砕する。
【００３７】
前記微粉砕機５１で微粉砕された微粉砕スラグ１３を触媒製造設備５２に供給する。前記触媒製造設備５２では、微粉砕機５１で微粉砕された微粉砕スラグ１３と別途供給された水酸化ナトリウム２０などのアルカリ水溶液を混合し、加熱処理して触媒にする。
【００３８】
前記触媒製造設備５２で製造された触媒は触媒貯蔵ホッパ５３に保管する。
【００３９】
そして、シフト反応器３６におけるシフト反応によってシフト反応器３６のＣＯ転化率が規定値以下となった場合、あるいはＣＯ転化率の低下率が規定値以上となった場合に、シフト反応器３６に収容されている触媒の一部を該シフト反応器３６から抜出し、廃棄触媒１６として廃棄する。
【００４０】
ここで、シフト反応器３６から抜出した廃棄触媒１６はガス化炉３１へ供給する。ガス化炉３１の高温によって廃棄触媒１６は溶融してスラグ５となる。
【００４１】
また、前記触媒貯蔵ホッパ５３に保管された触媒は新触媒１５としてシフト反応器３６に供給するようにして、有効に活用される。
【００４２】
本実施例によれば、炭素系燃料のガス化システムにおいて、シフト反応させるシフト反応器に供給する炭素系燃料から生成した生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合に、生成ガスの加熱及び水蒸気の供給によるガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを実現することができる。
【実施例３】
【００４３】
次に本発明の第３実施例である炭素系燃料ガス化システムの運転方法について図３を用いて説明する。図３に示した本実施例の炭素系燃料ガス化システムの運転方法は図１に示した第１実施例の炭素系燃料ガス化システムと基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。
【００４４】
図３には炭素系燃料ガス化システムの運転方法を行う制御装置１００が備えられており、前記制御装置１００によってガス化炉３１の下流に設置された水供給部３２への水３の供給は、以下のように制御される。
【００４５】
即ち、ガス化炉３１に供給する燃料１の流量を計測する燃料流量計７１と、酸化剤２の流量を計測する酸化剤流量計７２を設置して、これらの燃料流量計７１及び酸化剤流量計７２でそれぞれ測定した燃料流量及び酸化剤流量の測定値を、制御装置１００に入力してガス化炉３１で生成する生成ガス４の組成を予測する。
【００４６】
次に、ガス化炉３１で生成した生成ガス４に対して、前記シフト反応器３３のシフト反応によって生成ガス４中のＣＯを触媒下で水蒸気（Ｈ２Ｏ）と反応させてＣＯ２とＨ２を得るＣＯ転化率の目標値をＣＯ転化率目標設定器６１で設定して、前記シフト反応器３３でこの設定されたＣＯ転化率を得るために必要な水蒸気濃度を必要水蒸気量計算器６２による演算によって求める。
【００４７】
生成ガス４中の水蒸気濃度を前記水蒸気濃度の値とするために必要な水の量は、この必要水蒸気量計算器６２によって演算した前記水蒸気濃度に基づいて該必要水蒸気量計算器６２で演算し、水供給部３２に供給する水３の供給量の基準値とする。
【００４８】
生成ガスが流入する前記シフト反応器３６の入口側には該シフト反応器３６に流入する生成ガス４の温度を計測する温度計７４及び生成ガス４の組成を計測するガス組成計７５が夫々設置されており、前記シフト反応器３１の出口側にはシフト反応器３６にてシフト反応して該シフト反応器３６から排出された生成ガス６の温度を計測する温度計７７及び生成ガス７の組成を計測するガス組成計７８が夫々設置されている。
【００４９】
シフト反応器３６でシフト反応することによって実際のＣＯ転化率は、ＣＯ転化率計算器６５によって演算される。
【００５０】
シフト反応器３６の入口側に設置したガス組成計７５で測定した生成ガス４の入口ガス組成の分析値、及びシフト反応器３６の出口側に設置したガス組成計７７で測定した生成ガス６の出口ガス組成の分析値に基づいて、前記ＣＯ転化率計算器６５によって前記シフト反応器３６でのシフト反応によってＣＯとＨ２Ｏを触媒下で反応させてＣＯ２とＨ２に転化させた実際のＣＯ転化率を演算する。
【００５１】
前記ＣＯ転化率計算器６５によって演算した実際のＣＯ転化率の値と、前記ＣＯ転化率目標設定器６１で設定して目標とするＣＯ転化率の値との間に差異がなくなるように、前記必要水蒸気量計算器６２で演算した水３の供給量の基準値を補正する。
【００５２】
制御装置１００には前記必要水蒸気量計算器６２で演算した水３の供給量の補正値に基づいて前記水供給部３２に供給する水３の流量を調節する流量調節弁８１の開度を制御する弁開度計算器６４が設置されている。
【００５３】
そして、前記弁開度計算器６４によって流量調節弁８１の開度を制御し、適量の水３が前記水供給部３２に供給されるように操作する。
【００５４】
なお、シフト反応器３６の入口のガス温度が規定値以下となると、シフト反応器３６に収容したシフト反応用の触媒の活性が低下するため、ＣＯ転化率目標設定器６１で設定された目標とするＣＯ転化率を得ることができなくなる。また、生成ガス４中の水蒸気が液化するリスクが高まる。
【００５５】
そこで、制御装置１００にシフト反応設備入口下限温度設定器６３を設置して、シフト反応器３６の入口に設置された温度計７４によって計測される生成ガス４の温度を監視し、この温度計７４で計測する生成ガス４の温度が前記シフト反応設備入口下限温度設定器６３で設定した下限温度以下にならない範囲で、前記弁開度計算器６４によって流量調節弁８１の開度を制御し、水３の供給量を制御するものである。
【００５６】
シフト反応器３６におけるシフト反応は発熱反応であり、シフト反応の進行に伴って生成ガス４の温度が上昇すると、シフト反応器３６の内部に収容されたシフト反応用の触媒の温度も上昇する。
【００５７】
触媒は温度が規定値以上になると劣化が加速するので、生成ガス４の温度が規定値以上にならないように冷却する必要がある。
【００５８】
そこで、シフト反応器３６の内部に温度計７６を設置して、この温度計７６で計測するシフト反応器３６の内部の温度が規定値以下となるように、第２のＰＩ演算器１０２によって温度計７６で計測した温度とシフト反応器温度目標値６９との比較に基づいて、前記シフト反応器３６の内部に設置した伝熱管３７に供給する内部冷却用水蒸気流量８、或いは冷却水量を調節する調節弁８２の開度を操作して水蒸気流量８、或いは冷却水量を制御する。
【００５９】
前記シフト反応器３６の内部に流動層９１として収容されたシフト反応用の触媒がシフト反応器３６から飛散して流出し流動層９１のレベルが低下したりするとシフト反応器３６のシフト反応に影響するので、シフト反応器３６内の流動層９１のレベルを一定に制御する必要がある。
【００６０】
そこで、前記シフト反応器３６の内部に流動層９１のレベルを計測する流動層レベル計７９を設置して、この流動層レベル計７９によって計測される流動層９１のレベルを監視し、第１のＰＩ演算器１０１によって流動層レベル計７９で計測した流動層９１のレベルとシフト反応器レベル目標値７０との比較に基づいて、流出した触媒の量と同量の新触媒１５を調節弁８３を操作して新触媒補給ノズル９３によってシフト反応器３６に供給することで、シフト反応器３６の内部の流動層９１のレベルを一定に保持している。
【００６１】
ところで、前記シフト反応器３６の内部に流動層９１として収容されたシフト反応用の触媒が劣化すると、生成ガス４中の水蒸気量を増やしてもＣＯ転化率が上がらなくなり、ついには目標とするＣＯ転化率が得られなくなる。
【００６２】
そこで、シフト反応器３６の入口及び出口にそれぞれ設置したガス組成計７５及びガス組成計７８で測定したシフト反応器３６に流入する生成ガス４のガス組成、及びシフト反応器３６から排出する生成ガス６のガス組成の分析結果に基づいて、制御装置１００を構成する前記ＣＯ転化率計算器６５によってシフト反応器３６の実際のＣＯ転化率を演算する。
【００６３】
そして、制御装置１００に設置されたＣＯ転化率制限値設定器６６に設定されたＣＯ転化率の絶対値制限値及びＣＯ転化率の低下率制限値と、前記ＣＯ転化率計算器６５で演算された実際のＣＯ転化率の演算値とを、制御装置１００に設置されたＣＯ転化率低下率計算及び触媒劣化判定器６７で比較することによって前記シフト反応器３６に収容された触媒劣化有無を判定する。
【００６４】
前記ＣＯ転化率低下率計算及び触媒劣化判定器６７によってシフト反応器３６に収容されたシフト反応用の触媒が劣化していると判定された場合には、廃棄触媒抜出ノズル９４によって調節弁８４を操作してシフト反応器３６から流動層９１を形成している触媒の一部を抜出し、抜出した触媒の量と同量の新触媒１５を調節弁８３を操作して新触媒補給ノズル９３によってシフト反応器３６の触媒層９１に新たに供給することで、前記シフト反応器３６に収容する触媒の触媒交換操作６８を実施するように構成している。
【００６５】
本実施例によれば、炭素系燃料のガス化システムにおいて、シフト反応させるシフト反応器に供給する炭素系燃料から生成した生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合に、生成ガスの加熱及び水蒸気の供給によるガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを実現することができる。
【実施例４】
【００６６】
次に本発明の第４実施例である炭素系燃料ガス化システムについて図４に示したシフト反応器３６の拡大図を用いて説明する。図４に示した本実施例のシフト反応器３６を備えた炭素系燃料ガス化システムは図１に示した第１実施例の炭素系燃料ガス化システムと基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。
【００６７】
図４は本実施例の炭素系燃料ガス化システムに設置される流動層型のシフト反応器３６の詳細構造を示すものであり、前記シフト反応器３６では該シフト反応器３６の内部に収容されたシフト反応触媒の流動層９１の粒径が小さくなると、流動層９１から飛散してシフト反応器３６ａの外部に流出する触媒の飛散量が増加する。飛散した触媒の全量をガス化炉３１に供給する場合、補充する新触媒１５の必要量が増加する。
【００６８】
そこで、本実施例のシフト反応器３６ではサイクロン９２を該シフト反応器３６に設置し、シフト反応器３６の流動層９１から飛散して外部に流出した触媒を前記サイクロン９２によって回収し、この回収した触媒を、サイクロン９２の底部から供給配管９８を通じてシフト反応器３６の底部に供給して該シフト反応器３６の流動層９１に戻すように構成することで、シフト反応器３６に補充する新触媒１５の必要量を低減する。
【００６９】
この場合、サイクロン９２ではシフト反応器３６の流動層９１から飛散して流出した触媒だけでなく、ガス化炉３１からシフト反応器３６に供給される生成ガス４に含まれる未燃分の微粒子も捕集されるので、該サイクロン９２から前記供給配管９８を通じてシフト反応器３６ａの流動層９１に戻されてリサイクルされることになるが、この未燃分自体がシフト反応に活性のある金属を含んでいるので、特に問題はない。
【００７０】
尚、サイクロン９２では生成ガス４中の微粒子の全てを捕集することはできないので、シフト反応器３６ａの下流側に脱塵設備４０を設置することは必要である。
【００７１】
本実施例によれば、炭素系燃料のガス化システムにおいて、シフト反応させるシフト反応器に供給する炭素系燃料から生成した生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合に、生成ガスの加熱及び水蒸気の供給によるガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は炭素系燃料のガス化システムに適用可能である。炭素系燃料をガス化して製造された生成ガスは、メタノールやアンモニア、合成軽油等の原料とすることができる。また、生成ガス中の二酸化炭素を除去した後に石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）の燃料とする二酸化炭素回収型ＩＧＣＣへの適用も可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１：燃料、２：酸化剤、３：水（液体）、４：生成ガス、５：スラグ、６：シフト反応器出口生成ガス、７：脱塵設備出口生成ガス、８：冷却用水蒸気、９：微粒子、９ｂ：供給配管、１１：廃棄スラグ、１２：触媒原料用スラグ、１３：微粉砕スラグ、１５：新触媒、１６：廃棄触媒、２０：水酸化ナトリウム、３１：ガス化炉、３２：水供給部、３３：水砕部、３４：破砕機、、３５：スラグホッパ、３６：シフト反応器、３７：伝熱管、４０：脱塵設備、４１：サイクロン、４２：フィルタ、４３〜４４：中間ホッパ、４５：フィードホッパ、５１：微粉砕機、５２：触媒製造設備、５３：触媒貯蔵ホッパ、６１：ＣＯ転化率目標設定器、６２：必要水蒸気量計算器、６３：シフト反応設備入口下限温度設定器、６４：弁開度計算器、６５：ＣＯ転化率計算器、６６：ＣＯ転化率制限値設定器、６７：触媒劣化判定器、７１、７２：流量計、７３、７４、７６、７７：温度計、７５、７８：ガス組成分析計、９１：流動層、９２：サイクロン、９３：新触媒補給ノズル、９４：廃棄触媒抜出ノズル、９８：供給配管、１００：制御装置、１０１、１０２：演算器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素系燃料をガス化し、生成ガス中のＣＯの一部と水蒸気を反応させて水素と二酸化炭素を主成分とする生成ガスを得る炭素系燃料のガス化システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素系燃料をガス化し、得られた一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）を主成分とする生成ガスからメタノールや合成軽油を製造するためには、水素／一酸化炭素比は約２が望ましい。一方、炭素系燃料として石炭をガス化した場合の水素／一酸化炭素比は約０．４であり、調整が必要である。
【０００３】
このために、一酸化炭素（ＣＯ）と水蒸気を反応させて二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）を得るシフト反応が用いられる。シフト反応は触媒を用いれば、約３００℃の温度で反応を進めることができる。
【０００４】
また、炭素系燃料をガス化して燃料として用いるガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル発電をする発電プラントにおいて、大気へのＣＯ２放出を抑制する場合にもシフト反応が用いられる。即ち、炭素系燃料から生成した生成ガスを燃料としてガスタービン燃焼器で燃焼させる前に水蒸気とともにシフト反応器に供給し、ＣＯとＨ２を主成分とする前記生成ガスをＣＯ２とＨ２を主成分とする生成ガスに変換して、この生成ガス中のＣＯ２をアミン吸収法などによって除去する方法が用いられている。
【０００５】
このような炭素系燃料のガス化システムの技術は、例えば、特開平９−２７９１６３号公報に開示されている。前記特開平９−２７９１６３号公報に開示された技術では、生成ガスを湿式スクラバ（水洗塔）で脱塵した後にシフト反応させるシフト反応器を設置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２７９１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特開平９−２７９１６３号公報に開示された炭素系燃料のガス化システムの技術では、ガス化炉の下流の水洗塔（スクラバ）において、生成ガス中の微粒子やハロゲン化合物を除去した後に、生成ガスをシフト反応器に供給しているために、シフト反応器の手前で生成ガスの温度を昇温し、さらにシフト反応に必要な水蒸気を供給する必要があった。
【０００８】
水洗塔入口の生成ガスと水洗塔出口の生成ガスとを熱交換することによって水洗塔出口の生成ガス温度を上げることはできるが、そのようにすると熱損失が生じるので生成ガスを昇温する必要がある。
【０００９】
また、水洗塔では生成ガスの温度が下がるので、水洗塔出口の生成ガス中の水蒸気量は水洗塔内のガス温度における飽和水蒸気量以上にはならず、よってシフト反応器入口で高温の水蒸気を供給する必要がある。この場合、水蒸気は伝熱管を用いる間接熱交換で別途製造する必要があることから、直接熱交換に比べて熱損失が大きく、また、間接熱交換に伝熱管が必要であることから、この伝熱管を有する熱交換器を設置することによって炭素系燃料のガス化システムの設備が複雑な構成となる。
【００１０】
本発明の目的は、炭素系燃料のガス化システムにおいて、シフト反応させるシフト反応器に供給する炭素系燃料から生成した生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合に、生成ガスの加熱及び水蒸気の供給によるガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の炭素系燃料のガス化システムは、炭素系燃料を酸化剤によりガス化してＣＯとＨ２を主成分とする生成ガスを製造するガス化炉を設置し、このガス化炉の内部であって生成ガスを製造する該ガス化炉内の下流側に位置し、生成ガスに液体の水を噴霧して水蒸気を生成する水供給部を設置し、前記ガス化炉で生成した生成ガスとＣＯ及び水蒸気を混合させて生成ガス中のＣＯをＣＯ２に転化させるシフト反応を行なう触媒の流動層を内部に収容した流動層型のシフト反応器を前記ガス化炉の下流側に設置し、前記ガス化炉で生成した生成ガスに含まれる未燃分及び前記シフト反応器の流動層から飛散した触媒を回収する脱塵設備を前記シフト反応器の下流側に設置し、前記脱塵設備によって回収された生成ガスに含まれる未燃分及びシフト反応器の流動層から飛散した触媒を該脱塵設備からガス化炉に供給する供給配管を前記脱塵設備と前記ガス化炉との間に配設し、前記シフト反応器の内部に収容した触媒の流動層を形成する該流動層のレベルが一定となるように新触媒をこのシフト反応器の流動層に補充する新触媒補充手段を前記シフト反応器に設置したことを特徴とする。
【００１２】
また 本発明の炭素系燃料のガス化システムは、炭素系燃料を酸化剤によりガス化してＣＯとＨ２を主成分とする生成ガスを製造するガス化炉を設置し、このガス化炉の内部であって生成ガスを製造する該ガス化炉内の下流側に位置し、生成ガスに液体の水を噴霧して水蒸気を生成する水供給部を設置し、前記ガス化炉で生成した生成ガスとＣＯ及び水蒸気を混合させて生成ガス中のＣＯをＣＯ２に転化させるシフト反応を行なう触媒の流動層を内部に収容した流動層型のシフト反応器を前記ガス化炉の下流側に設置し、前記ガス化炉で生成した生成ガスに含まれる未燃分及び前記シフト反応器の流動層から飛散した触媒を回収する脱塵設備を前記シフト反応器の下流側に設置し、前記脱塵設備によって回収された生成ガスに含まれる未燃分及びシフト反応器の流動層から飛散した触媒を該脱塵設備からガス化炉に供給する供給配管を前記脱塵設備と前記ガス化炉との間に配設し、前記シフト反応器の内部に収容した触媒の流動層を形成する該流動層のレベルが一定となるように新触媒をこのシフト反応器の流動層に補充する新触媒補充手段を前記シフト反応器に設置し、前記シフト反応器のシフト反応を制御する制御装置を設置し、前記制御装置は、
前記シフト反応器のシフト反応によって生成ガス中のＣＯを水蒸気と反応させてＣＯ２に転化するＣＯ転化率を設定するＣＯ転化率目標設定器と、前記ＣＯ転化率目標設定器で設定されたＣＯ転化率の設定値を前記シフト反応器で得るために必要な水蒸気濃度を演算し、この水蒸気濃度を得るために必要なガス化炉に供給する水の量を演算する必要水蒸気量計算器と、前記シフト反応器の入口側及び出口側に設置されたガス組成計でそれぞれ測定された生成ガス中のガス組成に基づいてシフト反応器による実際のＣＯ転化率を演算するＣＯ転化率計算器と、前記必要水蒸気量計算器で求めたガス化炉に供給する水の量を、前記ＣＯ転化率計算器で演算した実際のＣＯ転化率の値と前記ＣＯ転化率目標設定器で設定したＣＯ転化率の設定値に基づいて補正してガス化炉の水供給部に供給する水の量を演算し、前記ガス化炉の水供給部に供給する水の量を調節する調節弁を制御する弁開度計算器と、を備えて構成したことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、炭素系燃料のガス化システムにおいて、シフト反応させるシフト反応器に供給する炭素系燃料から生成した生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合に、生成ガスの加熱及び水蒸気の供給によるガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例である炭素系燃料ガス化システムの構成を示した概略系統図。
【図２】本発明の第２実施例である炭素系燃料ガス化システムの触媒製造部分を示した概略系統図。
【図３】本発明の第３実施例である炭素系燃料ガス化システムの制御装置の構成を示した概略構成図。
【図４】本発明の第４実施例である炭素系燃料ガス化システムの流動層型のシフト反応器を示した部分図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施例である炭素系燃料ガス化システムについて図面を参照して以下に説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の第１実施例である炭素系燃料ガス化システムの概略構成について図１を用いて説明する。
【００１７】
図１に示した炭素系燃料ガス化システムにおいて、前記炭素系燃料ガス化システムは、炭素系燃料をガス化して生成ガス４を生成するガス化炉３１と、前記ガス化炉３１の下流側に設置され、該ガス化炉３１で生成した生成ガス４中のＣＯを触媒下で水蒸気と反応させてＣＯ２とＨ２を得るシフト反応を行うシフト反応器３６と、前記シフト反応器３６の下流側に設置され、該シフト反応器３６を経た生成ガス６に含まれる未燃分及び該シフト反応器３６に収容した触媒の流動層９１から飛散した触媒を回収して生成ガス６から脱塵する脱塵設備４０を備えている。
【００１８】
前記ガス化炉３１で炭素系燃料をガス化するには、炭素系燃料１と酸化剤２を前記ガス化炉３１に供給し、このガス化炉３１によって炭素系燃料をガス化してＣＯとＨ２を主成分とする生成ガス４を得る。
【００１９】
前記ガス化炉１の下流に位置する水供給部３２では、液体の水３を噴霧し、ガス化炉１で生成した生成ガス４と直接熱交換することにより、生成ガス４中の水蒸気濃度を高める。そして水供給部３２で得られた水蒸気濃度を高めた生成ガス４は、ガス化炉１の下流に設置されたシフト反応器３６に供給する。
【００２０】
前記シフト反応器３６には流動層型を用い、シフト反応器３６の内部に収容するシフト反応用の触媒は、ガス化炉３１から排出されるスラグ５を微粉砕してアルカリ水溶液と混合し、加熱処理して製造したものを流動層９１として用いる。
【００２１】
このシフト反応器３６でのシフト反応によって、生成ガス４中のＣＯが触媒下でシフト反応器３６の水供給部３２に供給された水蒸気（Ｈ２Ｏ）と反応して、ＣＯ２とＨ２を主成分とする生成ガス６が得られる。
【００２２】
シフト反応器３６におけるシフト反応は発熱反応であり、シフト反応器３６の内部で生成ガス４の温度が上昇する。生成ガス４の温度が大きく上昇すると、シフト反応器３６に収容した触媒の劣化が加速するので、生成ガス４から熱を回収する必要がある。
【００２３】
そこで、シフト反応器３６の内部に冷却用の水蒸気８、或いは冷却水を流す伝熱管３７を設置して、シフト反応器３６内の温度が規定値以下となるように水蒸気あるいは冷却水を供給する。
【００２４】
シフト反応器３６の出口から流下する生成ガス６は、シフト反応器３６から飛散した触媒と未燃分を含んでいる。これらはシフト反応器３６の下流側に設置された機器の安定運転を阻害する要因となることから、シフト反応器３６の下流側に脱塵設備４０を設置して回収、或いは除去する。
【００２５】
尚、脱塵設備４０で回収されたもののうち未燃分の微粒子９は、再度、ガス化炉３１へ供給するように構成されている。
【００２６】
脱塵設備４０で回収された未燃分の微粒子９は炭素を含むことから、燃料の利用効率向上の観点からも、回収してガス化炉３１へ供給することが望ましい。
【００２７】
前記脱塵設備４０は、比較的粒径の大きい粒子を除去するサイクロン４１と、比較的粒径の小さい粒子を除去するフィルタ４２とを組み合せて構成することで、高い捕集効率を実現することが可能である。
【００２８】
脱塵設備４０の圧力はガス化炉３１の圧力に比べて低くなっており、脱塵設備４０で回収された未燃分の微粒子９をガス化炉３１に供給するためには、該脱塵設備４０の最下流側に設置されて微粒子９を貯蔵するフィードホッパ４５の圧力をガス化炉３１よりも高い圧力に設定して運用する。
【００２９】
そこで、サイクロン４１の下に設置した中間ホッパ４３と、フィルタ４２の下に設置した中間ホッパ４４は、サイクロン４１及びフィルタ４２から微粒子９を受け入れる時は脱塵設備４０と同圧になるように設定し、フィードホッパ４５に微粒子９を充填する場合にはフィードホッパ４５と同圧になるように設定して運用する。
【００３０】
炭素系燃料ガス化システムには主要機器の運転制御を行う制御装置１００が備えられている。
【００３１】
ところで、前記シフト反応器３６として、流動層型のシフト反応器を採用した場合には、このシフト反応器の内部に収容した流動層からシフト触媒がシフト反応器の外部に少しずつ飛散するので、その分、新触媒１５を前記シフト反応器の流動層に補充する必要がある。そこで、流動層型のシフト反応器における流動層にはレベル計を設置し、流動層レベルが一定となるように新触媒を補充するように運用する。
【００３２】
本実施例のガス化システムで生成され、前記脱塵設備４０で脱塵されたＨ２とＣＯ２を主成分とする生成ガス７は、メタノールやアンモニア、合成軽油等の原料とすることができる。また、前記生成ガス７中のＣＯ２を除去した後に石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）の燃料とする二酸化炭素回収型ＩＧＣＣへの適用も可能である。
【００３３】
本実施例によれば、炭素系燃料のガス化システムにおいて、シフト反応させるシフト反応器に供給する炭素系燃料から生成した生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合に、生成ガスの加熱及び水蒸気の供給によるガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを実現することができる。
【実施例２】
【００３４】
次に本発明の第２実施例である炭素系燃料ガス化システムについて図２に示した触媒製造部分を用いて説明する。図２に示した本実施例の炭素系燃料ガス化システムは図１に示した第１実施例の炭素系燃料ガス化システムと基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。
【００３５】
図２に示した本実施例の炭素系燃料ガス化システムは触媒製造部分を示している。図２において、ガス化炉３１から排出されたスラグ５は、ガス化炉３１の下部に設置された水砕部３３の水溜りに落下して急冷されて砕かれる。このスラグ５は水砕されても流動性は低いので、前記水砕部３３の下流側に設置された破砕機３４によって更に砕いた後に、この破砕機３４の下流側に設置されたスラグホッパ３５に充填される。
【００３６】
前記スラグホッパ３５から廃棄する廃棄スラグ１１のうち、廃棄スラグ１１の一部を触媒原料用スラグ１２として記スラグホッパ３５から微粉砕機５１に導き、この微粉砕機５１にて最大粒径が１００μｍ程度となるまで微粉砕する。
【００３７】
前記微粉砕機５１で微粉砕された微粉砕スラグ１３を触媒製造設備５２に供給する。前記触媒製造設備５２では、微粉砕機５１で微粉砕された微粉砕スラグ１３と別途供給された水酸化ナトリウム２０などのアルカリ水溶液を混合し、加熱処理して触媒にする。
【００３８】
前記触媒製造設備５２で製造された触媒は触媒貯蔵ホッパ５３に保管する。
【００３９】
そして、シフト反応器３６におけるシフト反応によってシフト反応器３６のＣＯ転化率が規定値以下となった場合、あるいはＣＯ転化率の低下率が規定値以上となった場合に、シフト反応器３６に収容されている触媒の一部を該シフト反応器３６から抜出し、廃棄触媒１６として廃棄する。
【００４０】
ここで、シフト反応器３６から抜出した廃棄触媒１６はガス化炉３１へ供給する。ガス化炉３１の高温によって廃棄触媒１６は溶融してスラグ５となる。
【００４１】
また、前記触媒貯蔵ホッパ５３に保管された触媒は新触媒１５としてシフト反応器３６に供給するようにして、有効に活用される。
【００４２】
本実施例によれば、炭素系燃料のガス化システムにおいて、シフト反応させるシフト反応器に供給する炭素系燃料から生成した生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合に、生成ガスの加熱及び水蒸気の供給によるガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを実現することができる。
【実施例３】
【００４３】
次に本発明の第３実施例である炭素系燃料ガス化システムの運転方法について図３を用いて説明する。図３に示した本実施例の炭素系燃料ガス化システムの運転方法は図１に示した第１実施例の炭素系燃料ガス化システムと基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。
【００４４】
図３には炭素系燃料ガス化システムの運転方法を行う制御装置１００が備えられており、前記制御装置１００によってガス化炉３１の下流に設置された水供給部３２への水３の供給は、以下のように制御される。
【００４５】
即ち、ガス化炉３１に供給する燃料１の流量を計測する燃料流量計７１と、酸化剤２の流量を計測する酸化剤流量計７２を設置して、これらの燃料流量計７１及び酸化剤流量計７２でそれぞれ測定した燃料流量及び酸化剤流量の測定値を、制御装置１００に入力してガス化炉３１で生成する生成ガス４の組成を予測する。
【００４６】
次に、ガス化炉３１で生成した生成ガス４に対して、前記シフト反応器３３のシフト反応によって生成ガス４中のＣＯを触媒下で水蒸気（Ｈ２Ｏ）と反応させてＣＯ２とＨ２を得るＣＯ転化率の目標値をＣＯ転化率目標設定器６１で設定して、前記シフト反応器３３でこの設定されたＣＯ転化率を得るために必要な水蒸気濃度を必要水蒸気量計算器６２による演算によって求める。
【００４７】
生成ガス４中の水蒸気濃度を前記水蒸気濃度の値とするために必要な水の量は、この必要水蒸気量計算器６２によって演算した前記水蒸気濃度に基づいて該必要水蒸気量計算器６２で演算し、水供給部３２に供給する水３の供給量の基準値とする。
【００４８】
生成ガスが流入する前記シフト反応器３６の入口側には該シフト反応器３６に流入する生成ガス４の温度を計測する温度計７４及び生成ガス４の組成を計測するガス組成計７５が夫々設置されており、前記シフト反応器３１の出口側にはシフト反応器３６にてシフト反応して該シフト反応器３６から排出された生成ガス６の温度を計測する温度計７７及び生成ガス７の組成を計測するガス組成計７８が夫々設置されている。
【００４９】
シフト反応器３６でシフト反応することによって実際のＣＯ転化率は、ＣＯ転化率計算器６５によって演算される。
【００５０】
シフト反応器３６の入口側に設置したガス組成計７５で測定した生成ガス４の入口ガス組成の分析値、及びシフト反応器３６の出口側に設置したガス組成計７７で測定した生成ガス６の出口ガス組成の分析値に基づいて、前記ＣＯ転化率計算器６５によって前記シフト反応器３６でのシフト反応によってＣＯとＨ２Ｏを触媒下で反応させてＣＯ２とＨ２に転化させた実際のＣＯ転化率を演算する。
【００５１】
前記ＣＯ転化率計算器６５によって演算した実際のＣＯ転化率の値と、前記ＣＯ転化率目標設定器６１で設定して目標とするＣＯ転化率の値との間に差異がなくなるように、前記必要水蒸気量計算器６２で演算した水３の供給量の基準値を補正する。
【００５２】
制御装置１００には前記必要水蒸気量計算器６２で演算した水３の供給量の補正値に基づいて前記水供給部３２に供給する水３の流量を調節する流量調節弁８１の開度を制御する弁開度計算器６４が設置されている。
【００５３】
そして、前記弁開度計算器６４によって流量調節弁８１の開度を制御し、適量の水３が前記水供給部３２に供給されるように操作する。
【００５４】
なお、シフト反応器３６の入口のガス温度が規定値以下となると、シフト反応器３６に収容したシフト反応用の触媒の活性が低下するため、ＣＯ転化率目標設定器６１で設定された目標とするＣＯ転化率を得ることができなくなる。また、生成ガス４中の水蒸気が液化するリスクが高まる。
【００５５】
そこで、制御装置１００にシフト反応設備入口下限温度設定器６３を設置して、シフト反応器３６の入口に設置された温度計７４によって計測される生成ガス４の温度を監視し、この温度計７４で計測する生成ガス４の温度が前記シフト反応設備入口下限温度設定器６３で設定した下限温度以下にならない範囲で、前記弁開度計算器６４によって流量調節弁８１の開度を制御し、水３の供給量を制御するものである。
【００５６】
シフト反応器３６におけるシフト反応は発熱反応であり、シフト反応の進行に伴って生成ガス４の温度が上昇すると、シフト反応器３６の内部に収容されたシフト反応用の触媒の温度も上昇する。
【００５７】
触媒は温度が規定値以上になると劣化が加速するので、生成ガス４の温度が規定値以上にならないように冷却する必要がある。
【００５８】
そこで、シフト反応器３６の内部に温度計７６を設置して、この温度計７６で計測するシフト反応器３６の内部の温度が規定値以下となるように、第２のＰＩ演算器１０２によって温度計７６で計測した温度とシフト反応器温度目標値６９との比較に基づいて、前記シフト反応器３６の内部に設置した伝熱管３７に供給する内部冷却用水蒸気流量８、或いは冷却水量を調節する調節弁８２の開度を操作して水蒸気流量８、或いは冷却水量を制御する。
【００５９】
前記シフト反応器３６の内部に流動層９１として収容されたシフト反応用の触媒がシフト反応器３６から飛散して流出し流動層９１のレベルが低下したりするとシフト反応器３６のシフト反応に影響するので、シフト反応器３６内の流動層９１のレベルを一定に制御する必要がある。
【００６０】
そこで、前記シフト反応器３６の内部に流動層９１のレベルを計測する流動層レベル計７９を設置して、この流動層レベル計７９によって計測される流動層９１のレベルを監視し、第１のＰＩ演算器１０１によって流動層レベル計７９で計測した流動層９１のレベルとシフト反応器レベル目標値７０との比較に基づいて、流出した触媒の量と同量の新触媒１５を調節弁８３を操作して新触媒補給ノズル９３によってシフト反応器３６に供給することで、シフト反応器３６の内部の流動層９１のレベルを一定に保持している。
【００６１】
ところで、前記シフト反応器３６の内部に流動層９１として収容されたシフト反応用の触媒が劣化すると、生成ガス４中の水蒸気量を増やしてもＣＯ転化率が上がらなくなり、ついには目標とするＣＯ転化率が得られなくなる。
【００６２】
そこで、シフト反応器３６の入口及び出口にそれぞれ設置したガス組成計７５及びガス組成計７８で測定したシフト反応器３６に流入する生成ガス４のガス組成、及びシフト反応器３６から排出する生成ガス６のガス組成の分析結果に基づいて、制御装置１００を構成する前記ＣＯ転化率計算器６５によってシフト反応器３６の実際のＣＯ転化率を演算する。
【００６３】
そして、制御装置１００に設置されたＣＯ転化率制限値設定器６６に設定されたＣＯ転化率の絶対値制限値及びＣＯ転化率の低下率制限値と、前記ＣＯ転化率計算器６５で演算された実際のＣＯ転化率の演算値とを、制御装置１００に設置されたＣＯ転化率低下率計算及び触媒劣化判定器６７で比較することによって前記シフト反応器３６に収容された触媒劣化有無を判定する。
【００６４】
前記ＣＯ転化率低下率計算及び触媒劣化判定器６７によってシフト反応器３６に収容されたシフト反応用の触媒が劣化していると判定された場合には、廃棄触媒抜出ノズル９４によって調節弁８４を操作してシフト反応器３６から流動層９１を形成している触媒の一部を抜出し、抜出した触媒の量と同量の新触媒１５を調節弁８３を操作して新触媒補給ノズル９３によってシフト反応器３６の触媒層９１に新たに供給することで、前記シフト反応器３６に収容する触媒の触媒交換操作６８を実施するように構成している。
【００６５】
本実施例によれば、炭素系燃料のガス化システムにおいて、シフト反応させるシフト反応器に供給する炭素系燃料から生成した生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合に、生成ガスの加熱及び水蒸気の供給によるガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを実現することができる。
【実施例４】
【００６６】
次に本発明の第４実施例である炭素系燃料ガス化システムについて図４に示したシフト反応器３６の拡大図を用いて説明する。図４に示した本実施例のシフト反応器３６を備えた炭素系燃料ガス化システムは図１に示した第１実施例の炭素系燃料ガス化システムと基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。
【００６７】
図４は本実施例の炭素系燃料ガス化システムに設置される流動層型のシフト反応器３６の詳細構造を示すものであり、前記シフト反応器３６では該シフト反応器３６の内部に収容されたシフト反応触媒の流動層９１の粒径が小さくなると、流動層９１から飛散してシフト反応器３６ａの外部に流出する触媒の飛散量が増加する。飛散した触媒の全量をガス化炉３１に供給する場合、補充する新触媒１５の必要量が増加する。
【００６８】
そこで、本実施例のシフト反応器３６ではサイクロン９２を該シフト反応器３６に設置し、シフト反応器３６の流動層９１から飛散して外部に流出した触媒を前記サイクロン９２によって回収し、この回収した触媒を、サイクロン９２の底部から供給配管９８を通じてシフト反応器３６の底部に供給して該シフト反応器３６の流動層９１に戻すように構成することで、シフト反応器３６に補充する新触媒１５の必要量を低減する。
【００６９】
この場合、サイクロン９２ではシフト反応器３６の流動層９１から飛散して流出した触媒だけでなく、ガス化炉３１からシフト反応器３６に供給される生成ガス４に含まれる未燃分の微粒子も捕集されるので、該サイクロン９２から前記供給配管９８を通じてシフト反応器３６ａの流動層９１に戻されてリサイクルされることになるが、この未燃分自体がシフト反応に活性のある金属を含んでいるので、特に問題はない。
【００７０】
尚、サイクロン９２では生成ガス４中の微粒子の全てを捕集することはできないので、シフト反応器３６ａの下流側に脱塵設備４０を設置することは必要である。
【００７１】
本実施例によれば、炭素系燃料のガス化システムにおいて、シフト反応させるシフト反応器に供給する炭素系燃料から生成した生成ガスの加熱及び水蒸気の供給を行なう場合に、生成ガスの加熱及び水蒸気の供給によるガス化システムの熱効率の低下をコンパクトな構成の設備で抑制可能にした炭素系燃料のガス化システムを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は炭素系燃料のガス化システムに適用可能である。炭素系燃料をガス化して製造された生成ガスは、メタノールやアンモニア、合成軽油等の原料とすることができる。また、生成ガス中の二酸化炭素を除去した後に石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）の燃料とする二酸化炭素回収型ＩＧＣＣへの適用も可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１：燃料、２：酸化剤、３：水（液体）、４：生成ガス、５：スラグ、６：シフト反応器出口生成ガス、７：脱塵設備出口生成ガス、８：冷却用水蒸気、９：微粒子、９ｂ：供給配管、１１：廃棄スラグ、１２：触媒原料用スラグ、１３：微粉砕スラグ、１５：新触媒、１６：廃棄触媒、２０：水酸化ナトリウム、３１：ガス化炉、３２：水供給部、３３：水砕部、３４：破砕機、、３５：スラグホッパ、３６：シフト反応器、３７：伝熱管、４０：脱塵設備、４１：サイクロン、４２：フィルタ、４３〜４４：中間ホッパ、４５：フィードホッパ、５１：微粉砕機、５２：触媒製造設備、５３：触媒貯蔵ホッパ、６１：ＣＯ転化率目標設定器、６２：必要水蒸気量計算器、６３：シフト反応設備入口下限温度設定器、６４：弁開度計算器、６５：ＣＯ転化率計算器、６６：ＣＯ転化率制限値設定器、６７：触媒劣化判定器、７１、７２：流量計、７３、７４、７６、７７：温度計、７５、７８：ガス組成分析計、９１：流動層、９２：サイクロン、９３：新触媒補給ノズル、９４：廃棄触媒抜出ノズル、９８：供給配管、１００：制御装置、１０１、１０２：演算器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系燃料を酸化剤によりガス化してＣＯとＨ２を主成分とする生成ガスを製造するガス化炉を設置し、このガス化炉の内部であって生成ガスを製造する該ガス化炉内の下流側に位置し、生成ガスに液体の水を噴霧して水蒸気を生成する水供給部を設置し、
前記ガス化炉で生成した生成ガスとＣＯ及び水蒸気を混合させて生成ガス中のＣＯをＣＯ２に転化させるシフト反応を行なう触媒の流動層を内部に収容した流動層型のシフト反応器を前記ガス化炉の下流側に設置し、
前記ガス化炉で生成した生成ガスに含まれる未燃分及び前記シフト反応器の流動層から飛散した触媒を回収する脱塵設備を前記シフト反応器の下流側に設置し、
前記脱塵設備によって回収された生成ガスに含まれる未燃分及びシフト反応器の流動層から飛散した触媒を該脱塵設備からガス化炉に供給する供給配管を前記脱塵設備と前記ガス化炉との間に配設し、
前記シフト反応器の内部に収容した触媒の流動層を形成する該流動層のレベルが一定となるように新触媒をこのシフト反応器の流動層に補充する新触媒補充手段を前記シフト反応器に設置したことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項２】
請求項１に記載の炭素系燃料のガス化システムにおいて、
前記脱塵設備は、比較的粒径の大きい粒子を除去するサイクロンと、比較的粒径の小さい粒子を除去するフィルタとを組合せて構成していることを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項３】
請求項１に記載の炭素系燃料のガス化システムにおいて、
前記シフト反応器に収容するシフト反応用の触媒は、ガス化炉で石炭中の灰分が溶融して排出されたスラグを微粉砕し、この微粉砕したスラグとアルカリ水溶液を混合して加熱処理して製造したものを使用することを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項４】
請求項１に記載の炭素系燃料のガス化システムにおいて、
前記シフト反応器に収容する触媒の流動層内に伝熱管を配設し、前記伝熱管に水蒸気あるいは液体の水を流通させてシフト反応器でのシフト反応による発熱を回収して流動層内の温度上昇を抑制するように構成したことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項５】
炭素系燃料を酸化剤によりガス化してＣＯとＨ２を主成分とする生成ガスを製造するガス化炉を設置し、このガス化炉の内部であって生成ガスを製造する該ガス化炉内の下流側に位置し、生成ガスに液体の水を噴霧して水蒸気を生成する水供給部を設置し、
前記ガス化炉で生成した生成ガスとＣＯ及び水蒸気を混合させて生成ガス中のＣＯをＣＯ２に転化させるシフト反応を行なう触媒の流動層を内部に収容した流動層型のシフト反応器を前記ガス化炉の下流側に設置し、
前記ガス化炉で生成した生成ガスに含まれる未燃分及び前記シフト反応器の流動層から飛散した触媒を回収する脱塵設備を前記シフト反応器の下流側に設置し、
前記脱塵設備によって回収された生成ガスに含まれる未燃分及びシフト反応器の流動層から飛散した触媒を該脱塵設備からガス化炉に供給する供給配管を前記脱塵設備と前記ガス化炉との間に配設し、
前記シフト反応器の内部に収容した触媒の流動層を形成する該流動層のレベルが一定となるように新触媒をこのシフト反応器の流動層に補充する新触媒補充手段を前記シフト反応器に設置し、
前記シフト反応器のシフト反応を制御する制御装置を設置し、前記制御装置は、
前記シフト反応器のシフト反応によって生成ガス中のＣＯを水蒸気と反応させてＣＯ２に転化するＣＯ転化率を設定するＣＯ転化率目標設定器と、
前記ＣＯ転化率目標設定器で設定されたＣＯ転化率の設定値を前記シフト反応器で得るために必要な水蒸気濃度を演算し、この水蒸気濃度を得るために必要なガス化炉に供給する水の量を演算する必要水蒸気量計算器と、
前記シフト反応器の入口側及び出口側に設置されたガス組成計でそれぞれ測定された生成ガス中のガス組成に基づいてシフト反応器による実際のＣＯ転化率を演算するＣＯ転化率計算器と、
前記必要水蒸気量計算器で求めたガス化炉に供給する水の量を、前記ＣＯ転化率計算器で演算した実際のＣＯ転化率の値と前記ＣＯ転化率目標設定器で設定したＣＯ転化率の設定値に基づいて補正してガス化炉の水供給部に供給する水の量を演算し、前記ガス化炉の水供給部に供給する水の量を調節する調節弁を制御する弁開度計算器と、
を備えて構成したことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項６】
請求項５に記載の炭素系燃料のガス化システムシステムにおいて、
前記シフト反応器に収容する触媒の流動層内に水蒸気あるいは液体の水を流通させる伝熱管を配設し、
前記シフト反応器の温度を設定するシフト反応器温度設定器による温度設定値と前記シフト反応器に設置された温度計で測定されたシフト反応器温度の測定値に基づいて該シフト反応器の前記伝熱管に供給する水蒸気或いは水の量を演算し、前記ガ伝熱管に供給する水蒸気或いは水の量を調節する調節弁を制御する演算器を備えていることを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項７】
請求項５に記載の炭素系燃料のガス化システムにおいて、
前記シフト反応器のシフト反応によるＣＯ転化率の絶対値制限値及びＣＯ転化率の低下率制限値を設定するＣＯ転化率制限値設定器を設置し、
前記ＣＯ転化率計算器で計算した実際のＣＯ転化率が前記ＣＯ転化率制限値設定器で設定したＣＯ転化率の絶対値制限値以下、或いはＣＯ転化率の低下率制限値以上になった場合に、前記シフト反応器の内部に収容した触媒層の触媒が劣化したと判断するＣＯ転化率低下率計算及び触媒劣化判定器を設置し、
前記ＣＯ転化率低下率計算及び触媒劣化判定器による判定で前記シフト反応器の内部に収容した触媒層の触媒が劣化したと判断した場合に、該シフト反応器から劣化した触媒を外部に排出する廃棄触媒抜出ノズルを設置すると共に、新触媒を該シフト反応器に供給する新触媒補給ノズルを設置したことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項１】
炭素系燃料を酸化剤によりガス化してＣＯとＨ２を主成分とする生成ガスを製造するガス化炉を設置し、このガス化炉の内部であって生成ガスを製造する該ガス化炉内の下流側に位置し、生成ガスに液体の水を噴霧して水蒸気を生成する水供給部を設置し、
前記ガス化炉で生成した生成ガスとＣＯ及び水蒸気を混合させて生成ガス中のＣＯをＣＯ２に転化させるシフト反応を行なう触媒の流動層を内部に収容した流動層型のシフト反応器を前記ガス化炉の下流側に設置し、
前記ガス化炉で生成した生成ガスに含まれる未燃分及び前記シフト反応器の流動層から飛散した触媒を回収する脱塵設備を前記シフト反応器の下流側に設置し、
前記脱塵設備によって回収された生成ガスに含まれる未燃分及びシフト反応器の流動層から飛散した触媒を該脱塵設備からガス化炉に供給する供給配管を前記脱塵設備と前記ガス化炉との間に配設し、
前記シフト反応器の内部に収容した触媒の流動層を形成する該流動層のレベルが一定となるように新触媒をこのシフト反応器の流動層に補充する新触媒補充手段を前記シフト反応器に設置したことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項２】
請求項１に記載の炭素系燃料のガス化システムにおいて、
前記脱塵設備は、比較的粒径の大きい粒子を除去するサイクロンと、比較的粒径の小さい粒子を除去するフィルタとを組合せて構成していることを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項３】
請求項１に記載の炭素系燃料のガス化システムにおいて、
前記シフト反応器に収容するシフト反応用の触媒は、ガス化炉で石炭中の灰分が溶融して排出されたスラグを微粉砕し、この微粉砕したスラグとアルカリ水溶液を混合して加熱処理して製造したものを使用することを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項４】
請求項１に記載の炭素系燃料のガス化システムにおいて、
前記シフト反応器に収容する触媒の流動層内に伝熱管を配設し、前記伝熱管に水蒸気あるいは液体の水を流通させてシフト反応器でのシフト反応による発熱を回収して流動層内の温度上昇を抑制するように構成したことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項５】
炭素系燃料を酸化剤によりガス化してＣＯとＨ２を主成分とする生成ガスを製造するガス化炉を設置し、このガス化炉の内部であって生成ガスを製造する該ガス化炉内の下流側に位置し、生成ガスに液体の水を噴霧して水蒸気を生成する水供給部を設置し、
前記ガス化炉で生成した生成ガスとＣＯ及び水蒸気を混合させて生成ガス中のＣＯをＣＯ２に転化させるシフト反応を行なう触媒の流動層を内部に収容した流動層型のシフト反応器を前記ガス化炉の下流側に設置し、
前記ガス化炉で生成した生成ガスに含まれる未燃分及び前記シフト反応器の流動層から飛散した触媒を回収する脱塵設備を前記シフト反応器の下流側に設置し、
前記脱塵設備によって回収された生成ガスに含まれる未燃分及びシフト反応器の流動層から飛散した触媒を該脱塵設備からガス化炉に供給する供給配管を前記脱塵設備と前記ガス化炉との間に配設し、
前記シフト反応器の内部に収容した触媒の流動層を形成する該流動層のレベルが一定となるように新触媒をこのシフト反応器の流動層に補充する新触媒補充手段を前記シフト反応器に設置し、
前記シフト反応器のシフト反応を制御する制御装置を設置し、前記制御装置は、
前記シフト反応器のシフト反応によって生成ガス中のＣＯを水蒸気と反応させてＣＯ２に転化するＣＯ転化率を設定するＣＯ転化率目標設定器と、
前記ＣＯ転化率目標設定器で設定されたＣＯ転化率の設定値を前記シフト反応器で得るために必要な水蒸気濃度を演算し、この水蒸気濃度を得るために必要なガス化炉に供給する水の量を演算する必要水蒸気量計算器と、
前記シフト反応器の入口側及び出口側に設置されたガス組成計でそれぞれ測定された生成ガス中のガス組成に基づいてシフト反応器による実際のＣＯ転化率を演算するＣＯ転化率計算器と、
前記必要水蒸気量計算器で求めたガス化炉に供給する水の量を、前記ＣＯ転化率計算器で演算した実際のＣＯ転化率の値と前記ＣＯ転化率目標設定器で設定したＣＯ転化率の設定値に基づいて補正してガス化炉の水供給部に供給する水の量を演算し、前記ガス化炉の水供給部に供給する水の量を調節する調節弁を制御する弁開度計算器と、
を備えて構成したことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項６】
請求項５に記載の炭素系燃料のガス化システムシステムにおいて、
前記シフト反応器に収容する触媒の流動層内に水蒸気あるいは液体の水を流通させる伝熱管を配設し、
前記シフト反応器の温度を設定するシフト反応器温度設定器による温度設定値と前記シフト反応器に設置された温度計で測定されたシフト反応器温度の測定値に基づいて該シフト反応器の前記伝熱管に供給する水蒸気或いは水の量を演算し、前記ガ伝熱管に供給する水蒸気或いは水の量を調節する調節弁を制御する演算器を備えていることを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【請求項７】
請求項５に記載の炭素系燃料のガス化システムにおいて、
前記シフト反応器のシフト反応によるＣＯ転化率の絶対値制限値及びＣＯ転化率の低下率制限値を設定するＣＯ転化率制限値設定器を設置し、
前記ＣＯ転化率計算器で計算した実際のＣＯ転化率が前記ＣＯ転化率制限値設定器で設定したＣＯ転化率の絶対値制限値以下、或いはＣＯ転化率の低下率制限値以上になった場合に、前記シフト反応器の内部に収容した触媒層の触媒が劣化したと判断するＣＯ転化率低下率計算及び触媒劣化判定器を設置し、
前記ＣＯ転化率低下率計算及び触媒劣化判定器による判定で前記シフト反応器の内部に収容した触媒層の触媒が劣化したと判断した場合に、該シフト反応器から劣化した触媒を外部に排出する廃棄触媒抜出ノズルを設置すると共に、新触媒を該シフト反応器に供給する新触媒補給ノズルを設置したことを特徴とする炭素系燃料のガス化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２１９１５６（Ｐ２０１２−２１９１５６Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８５００７（Ｐ２０１１−８５００７）
【出願日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【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)
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【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)
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