JP2010168482A - ガス化ガス精製方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機器を小型化すると共に水素を容易に利用し得るガス化ガス精製方法及び装置を提供する。
【解決手段】ガス化炉１からのガス化ガスを酸化改質炉２で酸化改質し、改質したガス化ガスを熱交換器１０で冷却して熱回収し、冷却後のガス化ガスを冷却器１１で冷却してガス化ガスに残存する水蒸気を凝縮させ、冷却したガス化ガスを昇圧機１３で加圧し、加圧したガス化ガスをＣＯ_２吸収装置１４で処理してＣＯ_２を分離するガス化ガス精製方法であって、酸化改質炉２の下流側に水素分離膜を配してガス化ガスから水素を分離し、ガス化ガスの体積を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス化ガス精製方法及び装置に関するものである。

一般に、石炭等のガス化ガス精製装置は、図３に示す如くガス化原料として石炭と水蒸気とを供給してガス化ガスを生成するガス化炉１と、ガス化炉１からのガス化ガスを高温にて酸化改質する酸化改質炉２と、酸化改質炉２で改質したガス化ガスを冷却する水冷壁３と、水冷壁３で冷却したガス化ガスを更に冷却して熱回収する熱交換器４と、熱交換器４で冷却した後のガス化ガスを冷却する直接冷却器５と、直接冷却器５で冷却したガス化ガスを更に間接冷却する間接冷却器６と、間接冷却器６で間接冷却したガス化ガスを加圧する昇圧機７と、昇圧機７で昇圧されたガス化ガスから硫黄分・窒素分・ＣＯ_２等を除去する脱硫器・脱窒素器・脱ＣＯ_２器８と、直接冷却器５、間接冷却器６、昇圧機７で発生した排水を処理する排水処理器９とを備えている。

ガス化炉１は、石炭を７００℃〜９００℃の温度にてガス化するように設定されており、更にガス化炉１には、石炭と水蒸気のみならず、排水処理器９からのタール分やチャー、循環して残ったガス化ガス等が供給されるようになっている。

酸化改質炉２は、酸素、空気を導入すると共に水素を燃焼して１１００℃〜１３００℃程度の高温になるように設定されている。

水冷壁３は、冷却水等の配管を有する構成を備えると共に、熱交換器４は、ボイラ等の熱回収構造により構成されている。

直接冷却器５は、水スプレー噴霧等の冷却手段を備えると共に、間接冷却器６は、熱交換用の配管等の間接冷却手段を備えている。

昇圧機７は、ガス化ガスを１MPa〜５MPa程度まで加圧するガスコンプレッサであり、ガス化ガス中のタール分の飽和蒸気濃度を下げるようにしている。

脱硫器・脱窒素器・脱ＣＯ_２器８は、ガス化ガスから硫黄分（Ｈ_２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ_２）、窒素分（ＮＨ_３、ＨＣＮ）及びＣＯ_２を分離するように構成されている。

排水処理器９は、直接冷却器５、間接冷却器６、昇圧機７において発生する排水を処理し、可燃性物質のタール分及びチャーと、処理水とを分離するように構成されている。

ガス化ガスを処理する際には、ガス化炉１において石炭等をガス化し、ガス化炉１からのガス化ガスを酸化改質炉２で酸化・水蒸気改質することでガス化ガスに含まれるタール分を除去し、改質したガス化ガスを水冷壁３で冷却し、更に熱交換器４で冷却して熱回収し、冷却後のガス化ガスを直接冷却器５及び間接冷却器６で冷却してガス化ガスに残存する水蒸気を凝縮させ、冷却したガス化ガスを昇圧機７で加圧し、加圧したガス化ガスを脱硫器・脱窒素器・脱ＣＯ_２器８で冷却して硫黄分、窒素分、ＣＯ_２を分離し、ＣＯを含むガス化ガスを合成ガスとして発電、化学原料合成に利用する。

ここで酸化改質炉２の出口側では、水冷壁３でガス温度を１１００℃程度まで下げ、下流側の熱交換器４等の耐久性を保証しているが、ガス化ガスの２０％程度（モル流量比）の冷却水（クエンチ水）を噴霧してガス温度を１１００℃程度まで下げ、下流側の熱交換器４等の耐久性を保証しても良い。またガス化炉１に投入した水蒸気や、噴霧した冷却水は、下流側の直接冷却器５、間接冷却器６、昇圧機７で温度低下に伴って凝縮され、排水処理器９に送られている。

また排水処理器９は、排水から可燃性物質のタール分及びチャーを分離してガス化炉１へ供給している。

尚、ガス化ガス精製方法や燃料ガス改質装置の一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１,２がある。
特開２００７−４５８５７号公報 特開２００５−６０５３３号公報

しかしながら、このようなガス化ガス精製方法及び装置において大量のガス化ガスを処理する場合には、直接冷却器５、間接冷却器６、昇圧機７等が大型化し、製造コストや運転コストが増加するという問題があった。また特許文献の場合にも同じ問題を生じていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、機器を小型化すると共に水素を容易に利用し得るガス化ガス精製方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明のガス化ガス精製方法は、ガス化炉からのガス化ガスを酸化改質炉で酸化改質し、該改質したガス化ガスを熱交換器で冷却して熱回収し、該冷却後のガス化ガスを冷却器で冷却してガス化ガスに残存する水蒸気を凝縮させ、該冷却したガス化ガスを昇圧機で加圧し、該加圧したガス化ガスをＣＯ_２吸収装置で処理してＣＯ_２を分離するガス化ガス精製方法であって、前記酸化改質炉の下流側に水素分離膜を配してガス化ガスから水素を分離し、ガス化ガスの体積を低減するものである。

また本発明のガス化ガス精製方法においては、酸化改質炉と熱交換器の間で水素分離膜により水素を分離することが好ましい。

また本発明のガス化ガス精製方法においては、熱交換器と冷却器の間で、酸性ガスシフト反応器によりガス化ガスに対してシフト反応を行い、更に水素分離膜により水素を分離することが好ましい。

また本発明のガス化ガス精製方法においては、水素分離膜で分離した水素を間接冷却器により冷却することが好ましい。

本発明のガス化ガス精製装置は、ガス化炉からのガス化ガスを酸化改質する酸化改質炉と、
該酸化改質炉で改質したガス化ガスを冷却して熱回収する熱交換器と、
該熱交換器で冷却した後のガス化ガスを冷却して水蒸気を凝縮させる冷却器と、
該冷却器で冷却したガス化ガスを加圧する昇圧機と、
該昇圧機で加圧したガス化ガスを冷却してＣＯ_２を分離するＣＯ_２吸収装置と、
酸化改質炉の下流側にガス化ガスから水素を分離する水素分離膜とを備えるものである。

また本発明のガス化ガス精製装置においては、酸化改質炉と熱交換器の間に、水素を分離する水素分離膜の分離器を備えたものである。

また本発明のガス化ガス精製装置においては、熱交換器と冷却器の間に、ガス化ガスに対してシフト反応を行う酸性ガスシフト反応器を備えると共に、酸性ガスシフト反応器の下流側に、水素を分離する水素分離膜の分離器を備えたものである。

また本発明のガス化ガス精製装置においては、水素分離膜で分離した水素を冷却する間接冷却器を備えたものである。

本発明のガス化ガス精製方法及び装置によれば、酸化改質炉の下流側でガス化ガスから水素を分離してガス化ガスの体積を低減するので、熱交換器、冷却器、昇圧機、ＣＯ_２吸収装置での処理容量を減らすことができ、よって熱交換器、冷却器、昇圧機、ＣＯ_２吸収装置を小型化して製造コストや運転コストを低減することができる。また分離した水素を容易に利用することができるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明を実施する形態の第一例を図１を参照して説明する。

図１はガス化ガス精製方法及び装置を実施する形態の第一例であり、図中、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表している。

第一例のガス化ガス精製装置は、ガス化原料として石炭と水蒸気とを供給してガス化ガスを生成するガス化炉１と、ガス化炉１からのガス化ガスを高温にて酸化改質する酸化改質炉２と、酸化改質炉２で改質したガス化ガスを冷却する水冷壁３と、水冷壁３で冷却したガス化ガスを更に冷却して熱回収する熱交換器１０と、熱交換器１０で冷却した後のガス化ガスを冷却する直接冷却器（冷却器）１１と、直接冷却器１１で冷却したガス化ガスを更に間接冷却する間接冷却器１２と、間接冷却器１２で間接冷却したガス化ガスを加圧する昇圧機１３と、昇圧機１３で昇圧されたガス化ガスからＣＯ_２を分離するＣＯ_２吸収装置１４と、直接冷却器１１、間接冷却器１２、昇圧機１３で発生した排水を処理する排水処理器９とを備えている。

ここで、熱交換器１０、直接冷却器１１、間接冷却器１２、昇圧機１３は、従来例と略同じ構成を備える一方で、ガス化ガスの処理し得る体積量を低減して小型化されている。

またＣＯ_２吸収装置１４は、アミンやメタノール、ポリエチレングリコール等の吸収液を用いるＣＯ_２吸収塔等で構成され、同様にガス化ガスの処理し得る体積量を低減して小型化されている。

酸化改質炉２の下流側に位置する水冷壁３と熱交換器１０の間には、水素を分離するように、水素分離膜を有する分離器１５が配置されている。分離器１５の水素分離膜は、シリカ系やアルミナ系のセラミック分離膜やセラミックで強化したパラジウム膜で構成されている。ここで水素分離膜は分離器１５に着脱し得るものでも良いし、固定するものでも良いし、ガス化ガスを通過させるものならば形状や設置構造は特に制限されるものではない。

また水素分離膜を有する分離器１５には、分離した水素を製品の状態で利用先へ供給する供給ライン１６が接続されており、供給ライン１６には、冷水管等を有する間接冷却器１７が配置されている。

以下本発明を実施する形態の第一例の作用を説明する。

ガス化ガスを処理する際には、ガス化炉１において石炭等をガス化し、ガス化炉１からのガス化ガスを酸化改質炉２で酸化改質することでガス化ガスに含まれるタール分を除去し、改質したガス化ガスを水冷壁３で冷却し、冷却後のガス化ガスを約１０００℃〜１１００℃程度の温度で水素分離膜の分離器１５に通して水素を分離し、ガス化ガスの主成分をＣＯ、ＣＯ_２、水蒸気にすると共に微量成分を硫黄分（Ｈ_２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ_２）、窒素分（ＮＨ_３、ＨＣＮ）にする。

続いて熱交換器１０で冷却して熱回収した後、冷却後のガス化ガスを直接冷却器１１及び間接冷却器１２で冷却してガス化ガスに残存する水蒸気を凝縮させて分離し、冷却したガス化ガスを昇圧機１３で加圧し、加圧したガス化ガスをＣＯ_２吸収装置１４で冷却して硫黄分、窒素分、ＣＯ_２を分離し、ＣＯのガス化ガスを発電や、水蒸気とのシフト反応に利用する。

同時に分離器１５では、ガス化ガスを１０００℃以上で水素分離膜に通し、タール分等が水素分離膜に詰まることを防止すると共に、分離した水素を供給ライン１６に供給し、間接冷却器１７により冷却して製品の状態で利用先に供給する。

また水素分離膜の分離器１５はガス化ガスから水素を分離してガス化ガスの体積を低減し、熱交換器１０、直接冷却器１１、間接冷却器１２のガス化ガスの冷却容量を減らすと共にＣＯ_２吸収装置１４で処理するガス化ガスの量を約半分に減らし、水素分離膜の分離器１５の下流側の機器の処理容量を減らす。

而して、このように実施の形態の第一例によれば、酸化改質炉２の下流側でガス化ガスから水素を分離してガス化ガスの体積を低減するので、熱交換器１０、直接冷却器１１、間接冷却器１２、昇圧機１３、ＣＯ_２吸収装置１４での処理容量を減らすことができ、よって熱交換器１０、直接冷却器１１、間接冷却器１２、昇圧機１３、ＣＯ_２吸収装置１４を小型化して製造コストや運転コストを低減することができる。また分離した水素を容易に利用することができる。

実施の形態の第一例において、酸化改質炉２と熱交換器１０の間で水素分離膜により水素を分離すると、水素分離膜より下流側の機器である熱交換器１０、直接冷却器１１、間接冷却器１２、昇圧機１３、ＣＯ_２吸収装置１４での処理容量を容易に減らすことができ、よって熱交換器１０、直接冷却器１１、間接冷却器１２、昇圧機１３、ＣＯ_２吸収装置１４を適切に小型化して製造コストや運転コストを一層低減することができる。

実施の形態の第一例において、水素分離膜で分離した水素を間接冷却器１７により冷却すると、分離した水素を製品の状態で利用先に供給し得るので、水素を一層容易に利用することができる。

以下、本発明の実施の形態の第二例を図２を参照して説明する。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。

本発明のガス化ガス精製方法及び装置の形態の第二例は、水素を分離する構成や分離位置を変更したものであり、その他の構成は第一例と略同じ構成を備えている。

第二例の直接冷却器１１、間接冷却器１２、昇圧機１３、ＣＯ_２吸収装置１４は、第一例と同様に、ガス化ガスの処理し得る体積量を低減して小型化している。

また熱交換器４と直接冷却器１１（冷却器）の間には、ガス化ガスに対してシフト反応を行う酸性ガスシフト反応器１８が配置されていると共に、酸性ガスシフト反応器１８と直接冷却器１１の間には、水素を分離する水素分離膜の分離器１９が配置されている。

酸性ガスシフト反応器１８は、シフト反応を生じる触媒を備えており、触媒は酸性ガスシフト触媒であってガス化ガス中の硫黄分による被毒を回避するようにしている。

また分離器１９の水素分離膜は、第一例と同様に、シリカ系やアルミナ系のセラミック分離膜やセラミックで強化したパラジウム膜で構成されている。ここで水素分離膜は分離器１９に着脱し得るものでも良いし、固定するものでも良いし、ガス化ガスを通過させるものならば形状や設置構造は特に制限されるものではない。

更に水素分離膜を有する分離器１９には、分離した水素を製品の状態で利用先へ供給する供給ライン２０が接続されており、供給ライン２０には、冷水管等を有する間接冷却器２１が配置されている。

以下本発明を実施する形態の第二例の作用を説明する。

ガス化ガスを処理する際には、ガス化炉１において石炭等をガス化し、ガス化炉１からのガス化ガスを酸化改質炉２で酸化改質することでガス化ガスに含まれるタール分を除去し、改質したガス化ガスを水冷壁３で冷却し、更に熱交換器４で冷却して熱回収し、冷却後のガス化ガスを約４００℃〜５００℃程度の温度で酸性ガスシフト反応器１８に通してガス化ガス中の水素の割合を増やし、そしてガス化ガスを水素分離膜の分離器１９に通して水素を分離し、ガス化ガスの主成分をＣＯ、ＣＯ_２、水蒸気にすると共に微量成分を硫黄分（Ｈ_２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ_２）、窒素分（ＮＨ_３、ＨＣＮ）にする。

続いてガス化ガスを直接冷却器１１及び間接冷却器１２で冷却してガス化ガスに残存する水蒸気を凝縮させて分離し、冷却したガス化ガスを昇圧機１３で加圧し、加圧したガス化ガスをＣＯ_２吸収装置１４で冷却して硫黄分、窒素分、ＣＯ_２を分離し、ＣＯのガス化ガスを発電や、水蒸気とのシフト反応に利用する。

同時に分離器１９では、分離した水素を供給ライン２０に供給し、間接冷却器２１により冷却して製品の状態で利用先に供給する。

また水素分離膜の分離器１９はガス化ガスから水素を分離してガス化ガスの体積を低減し、直接冷却器１１、間接冷却器１２のガス化ガスの冷却容量を減らすと共にＣＯ_２吸収装置１４で処理するガス化ガスの量を大幅に減らし、水素分離膜の分離器１９の下流側の機器の処理容量を減らす。

而して、このように実施の形態の第二例によれば、熱交換器４の下流側でガス化ガスから水素を分離してガス化ガスの体積を低減するので、直接冷却器１１、間接冷却器１２、昇圧機１３、ＣＯ_２吸収装置１４での処理容量を減らすことができ、よって直接冷却器１１、間接冷却器１２、昇圧機１３、ＣＯ_２吸収装置１４を小型化して製造コストや運転コストを低減することができる。また分離した水素を容易に利用することができる。

実施の形態の第二例において、熱交換器４と直接冷却器（冷却器）１１の間で、酸性ガスシフト反応器１８によりガス化ガスに対してシフト反応を行い、更に水素分離膜により水素を分離すると、水素分離膜より下流側の機器である直接冷却器１１、間接冷却器１２、昇圧機１３、ＣＯ_２吸収装置１４での処理容量を容易に減らすことができ、よって直接冷却器１１、間接冷却器１２、昇圧機１３、ＣＯ_２吸収装置１４を適切に小型化して製造コストや運転コストを一層低減することができる。

実施の形態の第二例において、水素分離膜で分離した水素を間接冷却器２１により冷却すると、分離した水素を製品の状態で利用先に供給し得るので、水素を一層容易に利用することができる。

尚、本発明のガス化ガス精製方法及び装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の第一例を示す全体概要構成図である。 本発明を実施する形態の第二例を示す全体概要構成図である。 従来のガス化ガス精製装置を示す全体概要構成図である。

１ ガス化炉
２ 酸化改質炉
４ 熱交換器
１０ 熱交換器
１１ 直接冷却器（冷却器）
１２ 間接冷却器
１３ 昇圧機
１４ ＣＯ_２吸収装置
１５ 水素分離膜の分離器
１７ 間接冷却器
１８ 酸性ガスシフト反応器
１９ 水素分離膜の分離器
２１ 間接冷却器

Claims (8)

1. ガス化炉からのガス化ガスを酸化改質炉で酸化改質し、該改質したガス化ガスを熱交換器で冷却して熱回収し、該冷却後のガス化ガスを冷却器で冷却してガス化ガスに残存する水蒸気を凝縮させ、該冷却したガス化ガスを昇圧機で加圧し、該加圧したガス化ガスをＣＯ_２吸収装置で処理してＣＯ_２を分離するガス化ガス精製方法であって、前記酸化改質炉の下流側に水素分離膜を配してガス化ガスから水素を分離し、ガス化ガスの体積を低減することを特徴とするガス化ガス精製方法。
2. 酸化改質炉と熱交換器の間で水素分離膜により水素を分離することを特徴とする請求項１に記載のガス化ガス精製方法。
3. 熱交換器と冷却器の間で、酸性ガスシフト反応器によりガス化ガスに対してシフト反応を行い、更に水素分離膜により水素を分離することを特徴とする請求項１に記載のガス化ガス精製方法。
4. 水素分離膜で分離した水素を間接冷却器により冷却することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス化ガス精製方法。
5. ガス化炉からのガス化ガスを酸化改質する酸化改質炉と、
   該酸化改質炉で改質したガス化ガスを冷却して熱回収する熱交換器と、
   該熱交換器で冷却した後のガス化ガスを冷却して水蒸気を凝縮させる冷却器と、
   該冷却器で冷却したガス化ガスを加圧する昇圧機と、
   該昇圧機で加圧したガス化ガスを冷却してＣＯ_２を分離するＣＯ_２吸収装置と、
   酸化改質炉の下流側にガス化ガスから水素を分離する水素分離膜とを備えたことを特徴とするガス化ガス精製装置。
6. 酸化改質炉と熱交換器の間に、水素を分離する水素分離膜の分離器を備えたことを特徴とする請求項５に記載のガス化ガス精製装置。
7. 熱交換器と冷却器の間に、ガス化ガスに対してシフト反応を行う酸性ガスシフト反応器を備えると共に、酸性ガスシフト反応器の下流側に、水素を分離する水素分離膜の分離器を備えたことを特徴とする請求項５に記載のガス化ガス精製装置。
8. 水素分離膜で分離した水素を冷却する間接冷却器を備えたことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載のガス化ガス精製装置。

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