JP5601659B2 - 乾式ガス精製設備及び石炭ガス化複合発電設備 - Google Patents
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Description
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。
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）。
石炭ガス化炉で発生する石炭ガス化ガスには硫黄分化合物（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。
ガス精製設備として、水洗塔やＣＯＳ転換器等が設置された湿式ガス精製設備が広く用いられている。湿式ガス精製設備は、石炭ガス化ガス中の微量成分等の精密除去が可能であり、ガスタービン等の後続機器への影響に配慮された設備となっている。しかし、湿式ガス精製設備は、水分の蒸発や凝縮に起因する潜熱の損失が大きいため、石炭ガス化複合発電に用いた場合には、高効率化に限度があるのが現状である。
これに対し、温度や圧力の昇降を抑制し、主に硫化物を除去して、高温の石炭ガス化ガスを精製する乾式ガス精製設備が種々検討されている。乾式で石炭ガス化ガスを精製することで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。
乾式ガス精製設備では、温度や圧力を維持して（圧力損失を抑制して）燃料ガスを得ることができるが、後続機器に影響を与える不純物や微量成分を確実に除去するには至っていないのが現状である。このため、温度や圧力の維持を考慮したり、後続機器への影響を考慮した状態で、種々の不純物に対する除去剤の運用等を確立する必要があり、実用化に至っていないのが実情である。
石炭ガス化ガスを精製する乾式ガス精製設備において、温度や圧力の維持を考慮したり、後続機器への影響を配慮することは、発電設備に対する燃料ガス精製に限らず、化学合成用の燃料ガス精製においても同様に存在する課題となっている。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、温度や圧力の昇降に対する影響、後続機器への影響を配慮して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を提供することを目的とする。
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、温度や圧力の昇降に対する影響、後続機器への影響を配慮して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。
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の乾式ガス精製設備は、石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスを４５０℃の温度に維持して運転する乾式法によりハロゲン化物を除去するハロゲン化物除去装置と、前記ハロゲン化物除去装置によりハロゲン化物が除去された石炭ガス化ガスが導入され、石炭ガス化ガスを４５０℃の温度に維持して運転する乾式法により硫化物を除去する脱硫装置と、前記脱硫装置により硫化物が除去された石炭ガス化ガスが導入され、石炭ガス化ガスを４００℃の温度に維持して運転する乾式法によりアンモニア成分を乾式法により分解するアンモニア分解装置と、前記アンモニア分解装置によりアンモニア成分が分解された石炭ガス化ガスが導入され、石炭ガス化ガスを１８０℃に降温する熱交換装置と、前記熱交換装置で１８０℃に降温された石炭ガス化ガスが導入され、石炭ガス化ガスを１８０℃の温度に維持して運転する乾式法により水銀を除去する水銀除去装置と、前記水銀除去装置により水銀が除去された石炭ガス化ガスが導入され、石炭ガス化ガスを１８０℃の温度に維持して石炭ガス化ガスに含まれる不純物を物理的な濾過により除去することで燃料ガスを得る物理的濾過装置とを備え、前記物理的濾過装置により不純物が除去された燃料ガスが前記熱交換装置に送られ、石炭ガス化ガスが熱媒とされて前記燃料ガスが４００℃から４５０℃に昇温されることを特徴とする。
請求項１に係る本発明では、石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスのハロゲン化物がハロゲン化物除去装置で乾式により除去され、ハロゲン化物が除去された石炭ガス化ガスの硫化物が脱硫装置により乾式で除去される。
このため、高温状態を維持して石炭ガス化ガスのハロゲン化合物及び硫化物を除去することができ、温度や圧力の昇降に対する影響、後続機器へのハロゲン化物に起因する腐食等の影響を配慮して石炭ガス化ガスを乾式で精製することが可能になる。
また、石炭ガス化ガスのアンモニア成分がアンモニア分解装置により乾式で分解され、アンモニア成分を抑制した燃料ガスを得ることができる。これにより、後続機器から排出される排気ガス中の窒素酸化物も抑制され、例えば、後続設備の排煙脱硝機器の負荷を低減することが可能になる。
また、水銀除去装置により石炭ガス化ガスに含まれる水銀を乾式により除去することができる。
また、最下流部で、固体析出物、微粒子、粉体を含む不純物を物理的な濾過により石炭ガス化ガスから除去することができる。
また、水銀除去装置により石炭ガス化ガスに含まれる水銀を乾式により除去することができる。
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水銀除去装置で用いられる水銀除去剤としては、銅を主体として水銀を吸収することで水銀を除去する銅系吸収剤を用いることが好ましい。また、水銀除去剤としては、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好ましい。
銅系吸収剤や添着活性炭は、低い温度で吸収性能を発揮するため、水銀除去装置に導入される石炭ガス化ガスの温度は、熱交換手段により水銀除去剤の運転に適した温度に降温制御される。熱交換手段は、水銀除去装置に導入される石炭ガス化ガスの顕熱により物理的濾過装置からの燃料ガスを昇温させるものであり、水銀除去装置に導入される石炭ガス化ガスの温度を水銀除去剤の運転温度に降温制御することができる。
このため、水銀除去装置に導入される石炭ガス化ガスの温度を制御するための顕熱が燃料ガスを昇温させるために回収され、低い運転温度の水銀除去剤を適用した場合であっても、水銀除去装置の運転温度に対する温度制御と燃料ガスの高温維持を熱エネルギーの損失を最小限に抑えて両立させることができる。
物理的濾過装置としては、導入される石炭ガス化ガスの温度に応じて、セラミックフィルターやバグフィルター等を適用することができる。
また、請求項２に係る本発明の乾式ガス精製設備は、請求項１に記載の乾式ガス精製設備において、前記ハロゲン化物除去装置は、ペレット状に成形されたアルカリ系のハロゲン化物吸収剤が石炭ガス化ガスの導入方向に沿って配され、前記導入方向に交差する方向で石炭ガス化ガスが前記ハロゲン化物吸収剤を流通し、前記脱硫装置は、ハニカム形状化された酸化亜鉛系の脱硫剤が複数の反応塔に充填され、前記複数の反応塔は、脱硫処理が実施される前記反応塔、前記ハロゲン化合物が除去された石炭ガス化ガスの一部により前記脱硫剤の還元処理が実施される前記反応塔、還元処理された前記脱硫剤から硫黄成分の放出処理が実施される前記反応塔が並設され、前記脱硫処理、前記還元処理、前記放出処理が順次切換えられ、前記放出処理で放出された硫黄成分を回収する硫黄成分回収手段が備えられていることを特徴とする。
請求項２に係る本発明では、ペレット状に成形されたアルカリ系、好ましくは、ナトリウム系のハロゲン化物吸収剤を用い、石炭ガス化ガスの導入方向に交差する方向に石炭ガス化ガスをハロゲン化物吸収剤に流通させるので、いわゆる、ラジアルフロー形式により石炭ガス化ガスをハロゲン化物吸収剤に流通させることができる。このため、石炭ガス化ガスの圧力損失を最小限に抑制した状態で石炭ガス化ガスをハロゲン化物吸収剤の広い面積に接触させ、ハロゲン化物を確実に除去することができる。
また、脱硫装置では、脱硫処理を行うと同時に、脱硫剤の再生である還元処理及び放出処理をオンラインで実施し、脱硫剤を再利用することができ、放出された硫黄成分を回収することができる。また、脱硫剤がハニカム形状化されているため、圧力損失を抑えた状態で大容量のガス処理能力が得られ、脱硫剤の再利用により廃棄物を大幅に低減することができる。硫黄成分回収手段は、硫黄そのものとして回収する手段や、石灰・石膏法により硫黄分を石膏として回収する手段を適用することができる。
上記目的を達成するための請求項３に係る本発明の石炭ガス化複合発電設備は、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を精製して燃料ガスを得る請求項１もしくは請求項２に記載の乾式ガス精製設備と、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たことを特徴とする。
請求項３に係る本発明では、石炭ガス化ガスを乾式ガス精製設備で精製して得られた燃料ガスをガスタービンの燃料とし、ガスタービンと蒸気タービンにより複合発電が行われる。石炭ガス化炉ではガスタービン側の高圧空気の一部が酸化剤として使用され、蒸気タービンでは石炭ガス化ガスの顕熱で発生した蒸気が出力源の一部として使用される。
このため、温度や圧力の昇降に対する影響、後続機器への影響を配慮して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を備えた石炭ガス化複合発電設備とすることができる。
本発明の乾式ガス精製設備は、温度や圧力の昇降に対する影響、後続機器への影響を配慮して石炭ガス化ガスを乾式で精製することが可能になる。
また、本発明の石炭ガス化複合発電設備は、温度や圧力の昇降に対する影響、後続機器への影響を配慮して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を備えた石炭ガス化複合発電設備とすることが可能になる。
図１に基づいて石炭ガス化複合発電設備を説明する。
図１には乾式ガス精製設備を備えた本発明の一実施例に係る石炭ガス化複合発電設備の全体の構成を説明するための概略系統を示してある。
図に示した石炭ガス化複合発電設備１は、石炭ガス化炉２を備え、石炭ガス化炉２では石炭と酸化剤（酸素、空気）の反応により石炭ガス化ガスｇが生成される。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で所定の温度に調整され、乾式ガス精製設備４で不純物が除去されて精製され、燃料ガスｆとされる。
燃料ガスｆはタービン設備５の燃焼器６に送られる。即ち、タービン設備５は圧縮機１６及びガスタービン７を備え、圧縮機１６で圧縮された圧縮空気と燃料ガスｆが燃焼器６に送られる。燃焼器６では燃料ガスｆが燃焼され、燃焼ガスがガスタービン７に送られて膨張されて動力が得られる。ガスタービン７の排気ガスは排熱回収ボイラー８で熱回収され、排煙脱硝装置９で窒素酸化物が除去された後、煙突１０から大気に放出される。
一方、圧縮機１６及びガスタービン７と蒸気タービン１１が同軸状態で接続され、蒸気タービン１１には発電機１２が接続されている。排熱回収ボイラー８には、蒸気タービン１１の排気蒸気を図示しない復水器で凝縮した復水が給水され、排熱回収ボイラー８ではガスタービン７の排気ガスにより蒸気を発生させる。排熱回収ボイラー８で発生した蒸気は蒸気タービン１１に送られて動力が得られる。
直列に接続されたガスタービン７及び蒸気タービン１１の動力により発電機１２が駆動され、ガスタービン７と蒸気タービン１１による複合発電が行われる。
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の酸化剤として圧縮機１６の圧縮空気が抽気されて供給される（Ａ）。熱交換器３には、排熱回収ボイラー８に送られる復水の一部が給水され（Ｂ）、石炭ガス化ガス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１１に送られる（Ｃ）。このため、タービン設備５の圧縮空気の一部を酸化剤として使用し、排熱回収ボイラー８及び熱交換器３からの発生蒸気で蒸気タービン１１の出力を得ることができる。
上記構成の石炭ガス化複合発電設備１では、乾式ガス精製設備４により石炭ガス化ガスｇが乾式精製により精製されて燃料ガスｆを得ている。
図２から図７に基づいて乾式ガス精製設備４を説明する。
図２から図６には、本発明の参考とする第１参考例から第５参考例に係る乾式ガス精製設備４の概略系統、図７には本発明の一実施例に係る乾式ガス精製設備４の概略系統を示してある。尚、図１に示した部材と同一部材、第１参考例から第５参考例、一実施例までの共通部材には同一符号を付してある。また、第１参考例から第５参考例、一実施例の構成は異なるが、図１に示した乾式ガス精製設備４に対応しているため、第１参考例から第５参考例、一実施例では乾式ガス精製設備４として説明してある。
図２に基づいて第１参考例を説明する。
図に示すように、第１参考例の乾式ガス精製設備４は、石炭ガス化炉２で生成された石炭ガス化ガスｇを約４５０℃（露点を上回る運転温度）でハロゲン化物を除去するハロゲン化物除去装置２１と、ハロゲン化物除去装置２１によりハロゲン化物が除去された石炭ガス化ガスｇが導入され、石炭ガス化ガスｇを約４５０℃（露点を上回る運転温度）で硫化物を除去する脱硫装置２２が備えられている。脱硫装置２２で硫化物が除去されて燃料ガスｆが得られ、高温状態（例えば、約４５０℃）の燃料ガスｆはタービン設備５の燃焼器６（図１参照）に送られる。
ハロゲン化物除去装置２１では、アルカリ系としてナトリウム系のハロゲン化物吸収剤であるアルミン酸ナトリウム（ＮａＡｌＯ２）がペレット状に成形されて使用され、ハロゲン化物である塩化水素（ＨＣｌ）及びフッ化水素（ＨＦ）が同時に除去される。
脱硫装置２２では、酸化亜鉛系の脱硫剤である亜鉛フェライト脱硫剤がハニカム形状化されて使用され、亜鉛フェライト脱硫剤に石炭ガス化ガスｇを接触させることで、硫化硫黄（Ｈ２Ｓ）や硫化カルボニル（ＣＯＳ）等が極低濃度まで除去される。亜鉛フェライト脱硫剤自体が水素化触媒の機能を持つため、硫化カルボニル（ＣＯＳ）をはじめとする有機硫黄化合物にも性能を発揮することができる。
第１参考例では、石炭ガス化炉２で生成された石炭ガス化ガスｇのハロゲン化物がハロゲン化物除去装置２１で乾式により除去され、ハロゲン化物が除去された石炭ガス化ガスｇの硫化物が脱硫装置２２により乾式で除去され、高温状態（例えば、約４５０℃）の燃料ガスｆを得ることができる。このため、温度や圧力の昇降に対する影響、後続機器へのハロゲン化物及び硫化物の影響を配慮して石炭ガス化ガスｇを乾式で精製することが可能になる。
図３に基づいて第２参考例を説明する。
第２参考例の乾式ガス精製設備４は、第１参考例に対し脱硫装置２２の下流にアンモニア分解装置２３を備えた構成とされている。アンモニア分解装置２３には、脱硫装置２２で硫化物が除去された石炭ガス化ガスｇが導入され、石炭ガス化ガスｇを約４００℃（露点を上回る運転温度）でアンモニア成分を分解し、その際の発熱反応により高温状態（例えば、約５００℃）の燃料ガスｆを得ている。
アンモニア分解装置２３では、Ｎｉ／Ａｌ２Ｏ３触媒がペレット状に成形されて使用され、石炭ガス化ガスｇに含まれるアンモニア成分が窒素（Ｎ２）に分解される。このため、アンモニア成分を抑制した燃料ガスｆを得ることができ、ガスタービン７（図１参照）の排気ガス中の窒素酸化物が抑制されて排煙脱硝装置９（図１参照）の負荷を低減することが可能になる。
図４に基づいて第３参考例を説明する。
第３参考例の乾式ガス精製設備４は、第１参考例に対し脱硫装置２２の下流（最下流部）に物理的濾過装置として高温フィルター（例えば、セラミックフィルター）２４を備えた構成とされている。高温フィルター２４には、脱硫装置２２で硫化物が除去された石炭ガス化ガスｇが導入され、石炭ガス化ガスｇに含まれる固体析出物、微粒子、粉体を含む不純物が物理的に濾過され、高温状態（例えば、約４５０℃）の燃料ガスｆを得ている。このため、最下流部で不純物を物理的な濾過により石炭ガス化ガスｇから除去して燃料ガスｆを得ることができる。
図５に基づいて第４参考例を説明する。
第４参考例の乾式ガス精製設備４は、第１参考例に対し脱硫装置２２の下流にアンモニア分解装置２３を備え、アンモニア分解装置２３の下流（最下流部）に高温フィルター（例えば、セラミックフィルター）２４を備えた構成とされている。このため、石炭ガス化ガスｇのアンモニア成分が抑制され、更に、最下流部で不純物が物理的な濾過により除去された高温状態（例えば、約５００℃）の燃料ガスｆを得ることができる。
図６に基づいて第５参考例を説明する。
図に示すように、第５参考例の乾式ガス精製設備４は、石炭ガス化炉２で生成された石炭ガス化ガスｇを約４５０℃（露点を上回る運転温度）でハロゲン化物を除去するハロゲン化物除去装置２１と、ハロゲン化物除去装置２１によりハロゲン化物が除去された石炭ガス化ガスｇが導入され、石炭ガス化ガスｇを約４５０℃（露点を上回る運転温度）で硫化物を除去する脱硫装置２２が備えられている。
脱硫装置２２の下流には熱交換装置２５が備えられ、硫化物が除去された石炭ガス化ガスｇは、熱交換装置２５で、例えば、約１８０℃に温度が下げられる。熱交換装置２５の下流には水銀除去装置２６が備えられ、水銀除去装置２６では石炭ガス化ガスｇに含まれる水銀が約１８０℃の運転温度で除去される。
水銀除去装置２６の下流（最下流部）には物理的濾過手段としてのバグフィルター２７が備えられ、水銀除去装置２６で水銀が除去された石炭ガス化ガスｇに含まれる固体析出物、微粒子、粉体を含む不純物がバグフィルター２７で濾過される。石炭ガス化ガスｇはバグフィルター２７で不純物が濾過されて燃料ガスｆとされ、脱硫装置２２から送られる石炭ガス化ガスｇの顕熱により熱交換装置２５で昇温されて高温（例えば、約４００℃から約４５０℃）の燃料ガスｆとされる。
水銀除去装置２６では、銅を主体として水銀を吸収する銅系吸収剤が使用され、銅系吸収剤に石炭ガス化ガスｇを接触させることで水銀を吸収させて除去する。銅系吸収剤の反応に適した温度は、例えば、約１８０℃であるので、硫化物が除去された高温（約４５０℃）の石炭ガス化ガスｇは、熱交換装置２５で約１８０℃に降温される。
熱交換装置２５の冷却媒体は、バグフィルター２７で不純物が濾過されて熱交換装置２５で昇温される低温（約１８０℃）の燃料ガスｆであるので、水銀除去装置２６に送られる前の高温（約４５０℃）の石炭ガス化ガスｇの顕熱を低温（約１８０℃）の燃料ガスｆの昇温に使用して熱エネルギーを系内で回収することができる。
このため、水銀除去装置２６に導入される石炭ガス化ガスｇの温度を制御するための顕熱が燃料ガスｆを昇温させるために回収され、低い運転温度の銅系吸収剤を適用した場合であっても、水銀除去装置２６の運転温度に対する温度制御と燃料ガスｆの高温維持を熱エネルギーの損失を最小限に抑えて両立させることができる。
図７に基づいて本発明の一実施例に係る乾式ガス精製設備４を説明する。
本発明の一実施例に係る乾式ガス精製設備は、第５参考例で説明した設備に対し、脱硫装置２２の下流にアンモニア分解装置２３を備え、熱交換装置２５で昇温される前に石炭ガス化ガスｇのアンモニア成分が抑制される構成とされている。このため、ハロゲン化物、硫化物の除去、アンモニア成分の抑制、水銀、不純物の除去を乾式で行うことができ、熱エネルギーの損失を最小限に抑えて、種々の不純物を乾式で除去し、高温に維持された燃料ガスｆを得ることができる。
従って、上述した一実施例の乾式ガス精製設備４は、第１参考例から第５参考例の特徴を備え、熱エネルギーの損失を抑制して温度や圧力の昇降に対する影響に配慮し、種々の不純物を除去して後続機器への影響を配慮した状態で、石炭ガス化ガスｇを乾式で精製して高温に維持された燃料ガスｆを得ることが可能になる。
尚、上述した乾式ガス精製設備４では、石炭ガス化ガスｇを精製して得られる高温に維持された燃料ガスｆとして、タービン設備５（図１参照）の燃焼器６（図１参照）に供給する燃料ガスｆを例に挙げて説明したが、他の用途に適用することができ、例えば、燃料合成を行う設備の燃料、溶融炭酸塩型燃料電池の燃料として適用することも可能である。
図８に基づいて本発明の一実施例に係る乾式ガス精製設備４の具体的な構成を説明する。
図８には乾式ガス精製設備の具体的な構成を説明する系統を示してある。図８に示した系統構成は、図７に示した一実施例の乾式ガス精製設備４の具体的な構成である。このため、図７に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。
熱交換器３（図１参照）で所定温度に調整された石炭ガス化ガスｇが導入されるハロゲン化物除去装置２１は、ハロゲン化物除去器３１、３２が並列に配置されて構成されている。ハロゲン化物除去器３１、３２への石炭ガス化ガスｇの導入は、切換え手段によりいずれか一方に切換えられて実施される。ハロゲン化物除去器３１、３２にはアルカリ系としてナトリウム系のハロゲン化物吸収剤であるアルミン酸ナトリウム（ＮａＡｌＯ２）のペレットが充填され、ペレット状に成形されたハロゲン化物吸収剤３３は、ハロゲン化物除去器３１、３２の筒内部の周囲に、石炭ガス化ガスｇの導入方向に沿って（上下方向）充填されている。
ハロゲン化物除去器３１、３２の上部から下方に向けて筒内部の中央部に石炭ガス化ガスｇが導入され、導入方向に交差する方向で、筒内部の周囲に配されたハロゲン化物吸収剤３３に対して石炭ガス化ガスｇが流通する。ハロゲン化物吸収剤３３を流通してハロゲン化物が除去された石炭ガス化ガスｇはハロゲン化物除去器３１、３２の下部から脱硫装置２２に送られる。
ハロゲン化物吸収剤３３としてペレット状に成形したアルミン酸ナトリウムを使用しているので、石炭ガス化ガスｇ中の塩化水素とフッ化水素はアルミン酸ナトリウムと反応して無害・低毒性の塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）及びチオライト（Ｎａ５Ａｌ３Ｆ１４）となって除去される。この結果、石炭ガス化ガスｇ中のハロゲン化物は１ｐｐｍ以下に低減される。
ハロゲン化物除去装置２１では、石炭ガス化ガスｇの導入方向に交差する方向に石炭ガス化ガスｇをハロゲン化物吸収剤３３に流通させるので、いわゆる、ラジアルフロー形式により石炭ガス化ガスｇをハロゲン化物吸収剤３３に流通させることができる。このため、石炭ガス化ガスｇの圧力損失が最小限に抑制された状態で石炭ガス化ガスｇをハロゲン化物吸収剤３３の広い面積に接触させることができ、圧力損失を伴うことなくハロゲン化物を確実に除去することができる。
ハロゲン化物除去器３１、３２は、通常いずれか一方側に石炭ガス化ガスｇが流通している。石炭ガス化ガスｇが流通していない他方側では、図示しないホッパが用いられて、下部から使用済みのハロゲン化物吸収剤３３が排出されると共に、上部から新品のハロゲン化物吸収剤３３が充填される。ハロゲン化物除去器３１、３２に対する石炭ガス化ガスｇの流通を切換えることで、石炭ガス化ガスｇの流通とハロゲン化物吸収剤３３の交換を同時に行うことができ、運転を停止することなくハロゲン化物の除去を連続して実施することが可能になっている。
ハロゲン化物除去装置２１でハロゲン化物が除去された石炭ガス化ガスｇは脱硫装置２２に送られる。
脱硫装置２２は、３塔の反応塔３５、３６、３７が並列に配され、反応塔３５、３６、３７には、亜鉛フェライト脱硫剤がハニカム形状化された触媒を集合させた触媒ブロック３８がそれぞれ複数（図示例では４個）充填されている。３塔の反応塔３５、３６、３７への石炭ガス化ガスｇの導入は、図示しない切換え手段によりいずれかに切換えられて実施される。
即ち、３塔の反応塔３５、３６、３７は、脱硫処理が実施される反応塔と、ハロゲン化合物が除去された石炭ガス化ガスｇの一部により亜鉛フェライト脱硫剤の還元処理が実施される反応塔と、還元処理された亜鉛フェライト脱硫剤から硫黄成分の放出処理が実施される反応塔とが並設されたものとなっている。そして、図示しない切換え手段により、脱硫処理、還元処理、放出処理が順次切換えられる。
脱硫処理では、石炭ガス化ガスｇが亜鉛フェライト脱硫剤（触媒ブロック３８）に接触することにより、硫化硫黄（Ｈ２Ｓ）や硫化カルボニル（ＣＯＳ）等が除去される。亜鉛フェライト脱硫剤は、亜鉛フェライト（ＺｎＦｅ２Ｏ４）の鉄と亜鉛が相乗して高性能の脱硫機能を発揮する。例えば、石炭ガス化ガスｇの温度が４５０℃、圧力が０．９８ＭＰａで、１ｐｐｍ以下の低濃度まで硫黄分を低減することが可能である。
３塔の反応塔３５、３６、３７では、例えば、ハロゲン化物が除去された石炭ガス化ガスｇの大部分が反応塔３５に送られ、反応塔３５で脱硫処理が行われる。石炭ガス化ガスｇの一部（少量）が反応塔３６に送られ、反応塔３６で還元処理が行われる。また、反応塔３６で還元処理を終えた二酸化硫黄を含む石炭ガス化ガスｇが反応塔３７の途中部に供給され、反応塔３７硫黄成分の放出処理が行われる。３塔の反応塔３５、３６、３７では所定の期間毎にガスの流通状態が順次切換えられ、反応塔３５、３６、３７のいずれかで脱硫処理が実施される。
放出された硫黄成分は、硫黄成分回収手段３９に送られ、例えば、石灰・石膏法により、石膏として回収される。硫黄成分回収手段３９としては、硫黄成分から硫黄そのものを回収する手段を用いることも可能である。
上述した脱硫装置２２では、脱硫処理を行うと同時に、亜鉛フェライト脱硫剤の再生である還元処理、放出処理をオンラインで実施し、連続運転の過程で亜鉛フェライト脱硫剤を再生して再利用することができる。これにより、廃棄物の排出量を大幅に減らして環境負荷を低減することができる。また、亜鉛フェライト脱硫剤がハニカム形状化されているため、少ない圧力損失で大容量の石炭ガス化ガスｇを処理することができる。
尚、脱硫剤としてハニカム形状化された触媒を用いたが、装置や設備の規模、石炭ガス化ガスｇの流量に応じて他の形態の触媒にすることも可能である。
脱硫装置２２で硫黄成分が除去された石炭ガス化ガスｇはアンモニア分解装置２３に送られる。
アンモニア分解装置２３は、反応容器４１、４２が並列に配置されている。反応容器４１、４２への石炭ガス化ガスｇの導入は、切換え手段によりいずれか一方に切換えられて実施される。反応容器４１、４２にはＮｉ／Ａｌ２Ｏ３触媒のペレットが充填され、ペレット状に成形された触媒４３は、反応容器４１、４２の筒内部の周囲に、石炭ガス化ガスｇの導入方向に沿って（上下方向）充填されている。
反応容器４１、４２の上部から下方に向けて筒内部の中央部に石炭ガス化ガスｇが導入され、導入方向に交差する方向で、筒内部の周囲に配された触媒４３に対して石炭ガス化ガスｇが流通する。触媒４３を流通してアンモニア成分が窒素に分解された石炭ガス化ガスｇは反応容器４１、４２の下部から熱交換装置２５に送られる。
アンモニア分解装置２３では、石炭ガス化ガスｇの導入方向に交差する方向に石炭ガス化ガスｇを触媒４３に流通させるので、いわゆる、ラジアルフロー形式により石炭ガス化ガスｇを触媒４３に流通させることができる。このため、石炭ガス化ガスｇの圧力損失が最小限に抑制された状態で石炭ガス化ガスｇを触媒４３の広い面積に接触させることができ、圧力損失を伴うことなくアンモニア成分を確実に分解することができる。
反応容器４１、４２は、通常いずれか一方側に石炭ガス化ガスｇが流通している。触媒４３は繰り返し使用することが可能であるが、いずれか他方側を予備として並設してある。運転中に一方側の触媒４３に不具合が生じた場合、予備の触媒４３に石炭ガス化ガスｇの流通を切換え、連続運転を持続させるようにしている。脱硫装置２２としては、一つの反応容器４１で構成することも可能である。
アンモニア成分が窒素に分解された石炭ガス化ガスｇは熱交換装置２５で降温されて水銀除去装置２６に送られる。
水銀除去装置２６は、除去容器４５に銅を主体として水銀を吸収する銅系吸収剤４６が充填され、例えば、約１８０℃の石炭ガス化ガスｇが導入されて水銀が吸収される。銅系吸収剤４６の最適な運転温度で、石炭ガス化ガスｇに含まれる水が凝縮しない約１８０℃の石炭ガス化ガスｇが導入されるため、銅の吸収容量を確保して水分の凝縮を抑制することができる。
水銀除去装置２６には水銀回収手段４７が備えられ、銅系吸収剤４６に吸収された水銀を放出し、水銀吸収性能を回復させている。例えば、高温のガスにより吸収された水銀を放出し、放出した水銀を常温下で活性炭に吸収させることで、最小限の量の活性炭に対して多くの水銀を吸収させて回収することができる。
水銀除去装置２６で水銀が除去された石炭ガス化ガスｇはバグフィルター２７に送られる。
バグフィルター２７では、水銀除去装置２６で水銀が除去された石炭ガス化ガスｇに含まれる固体析出物、微粒子、粉体を含む不純物が物理的に濾過される。即ち、バグフィルター７では、粉化した銅系吸収剤４６をはじめとして、上流側で粉化した物質を含むダスト、タール分、微量物質、約１８０℃で凝縮する種々の固体析出粒子等が最下流部で濾過されて除去される。
バグフィルター２７で不純物が物理的に濾過された燃料ガスｆは、アンモニアが分解された石炭ガス化ガスｇの顕熱により、熱交換装置２５で４００℃から４５０℃程度に昇温され、高温の燃料ガスｆとされる。高温の燃料ガスｆはタービン設備５（図１参照）の燃焼器６（図１参照）に供給される。
図８に示した乾式ガス精製設備４では、石炭ガス化炉２で生成された石炭ガス化ガスｇのハロゲン化物がハロゲン化物除去装置２１で乾式により除去され、ハロゲン化物が除去された石炭ガス化ガスｇの硫化物が脱硫装置２２により乾式で除去される。その後、アンモニア分解装置２３により石炭ガス化ガスｇのアンモニア成分が乾式で分解され、水銀除去装置２６で水銀が除去され、最下流部でバグフィルター２７により固体析出物、微粒子、粉体を含む不純物が物理的な濾過により除去される。
このため、高温状態を維持した状態で石炭ガス化ガスｇの種々の不純物を除去することができるので、ガスタービン７の構成部材の腐食の原因となる不純物や、翼の冷却孔や流体の流路を塞ぐ原因となる不純物を乾式で除去することができる。従って、後続機器への影響を抑制した状態で、石炭ガス化ガスｇを乾式で精製し、無排水を実現した状態で高温の燃料ガスｆを得ることができる。
そして、ハロゲン化物除去装置２１では、ラジアルフロー形式により石炭ガス化ガスｇをハロゲン化物吸収剤３３に流通させ、脱硫装置２２では、ハニカム形状化された脱硫剤に石炭ガス化ガスｇを流通させ、アンモニア分解装置２３では、ラジアルフロー形式により石炭ガス化ガスｇを触媒４３に流通させているので、石炭ガス化ガスｇの圧力損失を大幅に低減することができ、高圧状態の燃料ガスｆを得ることができる。
更に、熱交換装置２５により、アンモニア分解装置２３でアンモニア成分が分解された石炭ガス化ガスｇの顕熱を燃料ガスｆの昇温のための熱源としているので、熱エネルギーを系内で回収して、水銀除去装置２６での運転温度を水の凝縮が生じない最適な温度に制御し、高温の燃料ガスｆを得ることができる。
また、ハロゲン化物除去装置２１、アンモニア分解装置２３では、ペレット状のハロゲン化物吸収剤３３、触媒４３を抜出し・充填することで交換できるようになっているので、運転操作性や保守性、運用性が高い設備を構築することができる。
また、脱硫装置２２、水銀除去装置２６では触媒、銅系吸収剤の再生をオンラインで行い、硫黄成分や水銀の回収を実施しているので、排出される廃棄物を低減することができ、無排水の設備であることと相俟って、環境に排出される汚染物質を大幅に低減して簡素でコンパクトな設備とすることができる。
上述した乾式ガス精製設備４を備えた石炭ガス化複合発電設備１では、種々の不純物を乾式で除去して高温・高圧状態に維持された燃料ガスｆがタービン設備５に供給される。このため、発電設備全体で効率を向上させることができ、例えば、湿式のガス精製設備を適用した石炭ガス化複合発電設備で得られる４５％程度の発電効率と比較して数％程度発電効率を向上させて、例えば、４８％程度の発電効率を達成することが可能になる。また、環境負荷が低減されて廃棄物処理設備や排水処理設備が不要になり、設備をコンパクトにして建設設備のコストを低減することが可能になる。
本発明は、乾式ガス精製設備及び石炭ガス化複合発電設の産業分野で利用することができる。
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 タービン設備
６ 燃焼器
７ ガスタービン
８ 排熱回収ボイラー
９ 排煙脱硝装置
１０ 煙突
１１ 蒸気タービン
１２ 発電機
１６ 圧縮機
２１ ハロゲン化物除去装置
２２ 脱硫装置
２３ アンモニア分解装置
２４ 高温フィルター
２５ 熱交換装置
２６ 水銀除去装置
２７ バグフィルター
３１、３２ ハロゲン化物除去器
３３ ハロゲン化物吸収剤
３５、３６、３７ 反応塔
３８ 触媒ブロック
３９ 硫黄成分回収手段
４１、４２ 反応容器
４３ 触媒
４５ 除去容器
４６ 銅系吸収剤
４７ 水銀回収手段
２ 石炭ガス化炉
３ 熱交換器
４ 乾式ガス精製設備
５ タービン設備
６ 燃焼器
７ ガスタービン
８ 排熱回収ボイラー
９ 排煙脱硝装置
１０ 煙突
１１ 蒸気タービン
１２ 発電機
１６ 圧縮機
２１ ハロゲン化物除去装置
２２ 脱硫装置
２３ アンモニア分解装置
２４ 高温フィルター
２５ 熱交換装置
２６ 水銀除去装置
２７ バグフィルター
３１、３２ ハロゲン化物除去器
３３ ハロゲン化物吸収剤
３５、３６、３７ 反応塔
３８ 触媒ブロック
３９ 硫黄成分回収手段
４１、４２ 反応容器
４３ 触媒
４５ 除去容器
４６ 銅系吸収剤
４７ 水銀回収手段
Claims (3)
- 石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスを４５０℃の温度に維持して運転する乾式法によりハロゲン化物を除去するハロゲン化物除去装置と、
前記ハロゲン化物除去装置によりハロゲン化物が除去された石炭ガス化ガスが導入され、石炭ガス化ガスを４５０℃の温度に維持して運転する乾式法により硫化物を除去する脱硫装置と、
前記脱硫装置により硫化物が除去された石炭ガス化ガスが導入され、石炭ガス化ガスを４００℃の温度に維持して運転する乾式法によりアンモニア成分を乾式法により分解するアンモニア分解装置と、
前記アンモニア分解装置によりアンモニア成分が分解された石炭ガス化ガスが導入され、石炭ガス化ガスを１８０℃に降温する熱交換装置と、
前記熱交換装置で１８０℃に降温された石炭ガス化ガスが導入され、石炭ガス化ガスを１８０℃の温度に維持して運転する乾式法により水銀を除去する水銀除去装置と、
前記水銀除去装置により水銀が除去された石炭ガス化ガスが導入され、石炭ガス化ガスを１８０℃の温度に維持して石炭ガス化ガスに含まれる不純物を物理的な濾過により除去することで燃料ガスを得る物理的濾過装置とを備え、
前記物理的濾過装置により不純物が除去された燃料ガスが前記熱交換装置に送られ、石炭ガス化ガスが熱媒とされて前記燃料ガスが４００℃から４５０℃に昇温される
ことを特徴とする乾式ガス精製設備。 - 請求項１に記載の乾式ガス精製設備において、
前記ハロゲン化物除去装置は、
ペレット状に成形されたアルカリ系のハロゲン化物吸収剤が石炭ガス化ガスの導入方向に沿って配され、前記導入方向に交差する方向で石炭ガス化ガスが前記ハロゲン化物吸収剤を流通し、
前記脱硫装置は、
ハニカム形状化された酸化亜鉛系の脱硫剤が複数の反応塔に充填され、
前記複数の反応塔は、脱硫処理が実施される前記反応塔、前記ハロゲン化合物が除去された石炭ガス化ガスの一部により前記脱硫剤の還元処理が実施される前記反応塔、還元処理された前記脱硫剤から硫黄成分の放出処理が実施される前記反応塔が並設され、前記脱硫処理、前記還元処理、前記放出処理が順次切換えられ、
前記放出処理で放出された硫黄成分を回収する硫黄成分回収手段が備えられている
ことを特徴とする乾式ガス精製設備。 - 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を精製して燃料ガスを得る請求項１もしくは請求項２に記載の乾式ガス精製設備と、
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た
ことを特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009064840A JP5601659B2 (ja) | 2009-03-17 | 2009-03-17 | 乾式ガス精製設備及び石炭ガス化複合発電設備 |
Applications Claiming Priority (1)
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