JP5672791B2 - ガス化ガス製造システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス化ガス製造システム及び方法に関する。

特許文献１、２には、石炭のガス化設備で発生した生成ガス（ガス化ガス）を精製する技術として、生成ガス中に含まれる塩化水素、シアン化水素、アンモニアを水洗塔で洗浄水に吸収させ、該洗浄水をストリッパで減圧すると共に蒸気で加熱してシアン化水素、アンモニアを気体として分離し、分離したシアン化水素、アンモニアを燃焼炉で燃焼処理する一方、洗浄水の一部を水洗塔に戻してリサイクルすることが記載されている。また、特許文献１に記載されたガス化ガスの精製装置では、各種の精製処理を経た排水に安水活性汚泥処理設備で活性汚泥処理を施す。なお、上記ガス化設備では、原料である可燃性廃棄物や石炭にボイラで発生させた水蒸気を付加し９００℃程度まで加熱することによりガス化ガスを発生させる。

特開２００７−０４５８５７号公報 特開２００６−２３２９０４号公報

ところで、上述したようにガス化設備には水蒸気を発生させるボイラが不可欠である。これに対して、例えば原料となる低品位炭が採掘される地域では水の入手が困難な場合が多く、このような地域に建設されたガス化設備では、ボイラ水が極めて貴重なものとなっている。上述した従来技術は、このような貴重なボイラ水を考慮に入れたものではなく、ボイラ水の入手を考慮した石炭ガス化システムの開発が切望されている。

また、上記排水の活性汚泥処理では、有機成分を十分に除去することができず、特にガス化ガスの製造過程に何らかの不具合が発生してガス化ガスに規定値を超えるタール成分が混入した場合に排水処理が不安定にあるという問題がある。したがって、活性汚泥処理は、ガス化ガスの製造過程で発生する排水の処理として好ましいものではない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ガス化ガスの製造過程で発生した排水をボイラ水として有効活用することを目的とするものである。また、本発明は、ガス化ガスの製造過程で発生した排水を安定して処理することをも目的としている。

上記目的を達成するために、本発明では、ガス化ガス製造システムに係る第１の解決手段として、ボイラで生成した水蒸気を用いて可燃性原料をガス化するガス化手段と、該ガス化手段で生成されたガス化ガスを精製するガス精製手段と、を具備し、前記ガス精製手段は、ガス化ガスの精製から発生した排水に有機成分除去処理及び窒素成分除去処理を施すことにより前記ボイラに供するためのボイラ水を生成する、という手段を採用する。

ガス化ガス製造システムに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記ガス精製手段は、無機イオン除去処理あるいは蒸留処理のいずれか一方あるいは両方をさらに施す、という手段を採用する。

ガス化ガス製造システムに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記ガス精製手段は、排水に有機成分除去処理を施す設備として、少なくとも凝集沈殿槽を備える、という手段を採用する。

ガス化ガス製造システムに係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記ガス精製手段は、排水に窒素成分除去処理を施す設備としてアンモニアトリッピング装置を備える、という手段を採用する。

ガス化ガス製造システムに係る第５の解決手段として、上記第２〜第４のいずれかの解決手段において、前記ガス精製手段は、無機イオン除去処理を施す設備としてイオン交換膜を備える、という手段を採用する。

また、本発明では、ガス化ガス製造方法に係る第１の解決手段として、ボイラで生成した水蒸気を用いて可燃性原料からガス化ガスを生成し、該ガス化ガスに不純物を除去する精製処理を施すガス化ガス製造方法であって、前記精製処理から発生した排水に有機成分除去処理及び有機成分除去処理を施すことにより前記ボイラに供するためのボイラ水を生成する、という手段を採用する。

本発明によれば、ガス化ガスの精製で発生した排水から有機成分及び窒素成分を除去するので、ボイラ水として要求される程度の排水を清浄化してボイラ水として有効活用することができる。

本発明の一実施形態に係るガス化ガス製造システムのシステム構成図である。 本発明の一実施形態に係るガス化ガス製造システムにおける排水処理装置８の機能構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るガス化ガス製造システムは、図１に示すように、ガス化炉１、ボイラ２、酸化改質炉３、直接冷却器４、間接冷却器５、コンプレッサ６、脱硫・脱ＣＯ_２装置７、また排水処理装置８によって構成されている。このような各構成要素のうち、ガス化炉１及びボイラ２及び排水処理装置８はガス化手段を構成し、また酸化改質炉３、直接冷却器４、間接冷却器５、コンプレッサ６及び脱硫・脱ＣＯ_２装置７は、ガス精製手段を構成している。

以下に詳説するが、このようなガス化ガス製造システムは、可燃性原料を水蒸気を用いてガス化ガスにガス化すると共に、当該ガス化ガスに不純物を除去するための精製処理を施して製品ガス（ガス化ガス）を製造する設備である。なお、本実施形態における可燃性原料は、石炭である。

ガス化炉１は、投入口から投入された可燃性原料にボイラ２から供給された水蒸気を混合させて例えば９００℃程度まで加熱することにより、可燃性原料をガス化する装置である。すなわち、ガス化炉１は、燃焼室を備えており、当該燃焼室で燃料を燃焼させて発生する熱を用いて水蒸気と混合した状態の可燃性原料を９００℃程度まで加熱することによりガス化ガスを発生させる。このようなガス化炉１で発生したガス化ガスは、ガス化炉１から酸化改質炉３に排出される。

ボイラ２は、上記ガス化炉１の燃焼室で発生する熱を用いて排水処理装置８から供給されたボイラ水を加熱して水蒸気を発生させる装置である。すなわち、このボイラ２は、上記ガス化炉１の排熱を回収してボイラ水を気化させる排熱回収ボイラであり、自らが発生した水蒸気をガス化炉１に供給する。酸化改質炉３は、水素を燃料として燃焼させて得られる熱によってガス化ガスを例えば１１００〜１３００℃まで加熱することにより酸化改質する装置である。この酸化改質炉３には、改質処理されたガス化ガスの排出口近傍に冷却水を噴霧する冷却水噴霧装置が備えられており、当該冷却水の噴霧によって例えば１０００〜１２００℃まで冷却したガス化ガスを直接冷却器４に排出する。

直接冷却器４は、上記酸化改質炉３から供給されたガス化ガスに冷却水を噴霧することにより直接冷却する装置である。この直接冷却器４は、冷却後のガス化ガスを間接冷却器５に排出すると共に、当該直接冷却に供された後の冷却水を排水として排水処理装置８に排出する。間接冷却器５は、熱交換器であり、冷却水との熱交換によってガス化ガスを間接冷却してコンプレッサ６に排出すると共に、当該間接冷却に供された後の冷却水を排水として排水処理装置８に排出する。

コンプレッサ６は、ガス化ガス中に含まれるタール成分の飽和蒸気濃度を低下させるために、ガス化ガスを例えば１〜５ＭＰａまで昇圧する装置である。なお、このコンプレッサ６では、上記タール成分等の一部成分が凝縮水としてある程度凝縮する。コンプレッサ６は、このような凝縮水を排水として排水処理装置８に排出する。脱硫・脱ＣＯ_２装置７は、ガス化ガスに含まれる硫黄（Ｓ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を除去する装置である。脱硫や脱ＣＯ_２の方式についてはいくつかのものが知られているが、この脱硫・脱ＣＯ_２装置７としては何れの方式のものでも良い。

排水処理装置８は、上記直接冷却器４、間接冷却器５及びコンプレッサ６から供給される各排水を浄化処理し、ボイラ水として上記ボイラ２に供給するものである。この排水処理装置８は、本ガス化ガス製造システムを構成する各種構成要素のうち、最も特徴的な構成要素であり、図２に示すように沈殿池８ａ、凝集沈殿槽８ｂ、アンモニアトリッピング装置８ｃ、第１蒸留装置８ｄ、第１イオン交換装置８ｅ、第２蒸留装置８ｆ、第２イオン交換装置８ｇ及び選択装置８ｈから構成されている。

沈殿池８ａは、静置分離法に基づいて有機成分を沈殿させて排水から分離するものであり、上澄水を処理水として凝集沈殿槽８ｂに排水する。凝集沈殿槽８ｂは、上記処理水に凝集剤を添加することにより処理水中に残存する有機成分を強制的に凝集除去するものであり、有機成分を強制凝集除去した処理水をアンモニアトリッピング装置８ｃに排水する。アンモニアトリッピング装置８ｃは、凝集沈殿槽８ｂから供給された処理水中に含まれる窒素成分（アンモニアとして存在する）を水と化学反応させることによりアンモニアガスとして分離除去する装置である。アンモニアトリッピング装置８ｃは、窒素成分を除去した処理水を第１蒸留装置８ｄ、第２蒸留装置８ｆ及び第２イオン交換装置８ｇに排水する。

第１蒸留装置８ｄは、アンモニアトリッピング装置８ｃから供給された処理水に蒸留処理を施すことにより処理水中に残存するタール成分等の各種固形物を除去するものである。この第１蒸留装置８ｄは、タール成分等の固形物が除去された蒸留水を第１イオン交換装置８ｅに排水する。第１イオン交換装置８ｅは、上記蒸留水に含まれる無機イオンをイオン交換膜によって除去する装置である。この第１イオン交換装置８ｅは、無機イオンが除去されたイオン交換膜の透過水を選択装置８ｈに排水する。

第２蒸留装置８ｆは、上記第１蒸留装置８ｄと同様に、アンモニアトリッピング装置８ｃから供給された処理水に蒸留処理を施すことにより、処理水中に残存するタール成分等の固形物を除去するものである。この第２蒸留装置８ｆは、蒸留水を選択装置８ｈに排水する。第２イオン交換装置８ｇは、アンモニアトリッピング装置８ｃから供給された処理水に含まれる無機イオンをイオン交換膜によって除去する装置である。この第２イオン交換装置８ｇは、イオン交換膜の透過水を選択装置８ｈに排水する。

選択装置８ｈは、上記第１イオン交換装置８ｅ、第２蒸留装置８ｆ、第２イオン交換装置８ｇあるいはアンモニアトリッピング装置８ｃのいずれか１つを択一的に選択する装置である。この選択装置８ｈは、自らが選択した装置から供給される透過水、蒸留水あるいは処理水をボイラ水として上記ボイラ２に供給する。

なお、上記第１蒸留装置８ｄ及び第２蒸留装置８ｆは、ガス化ガス製造システムの全体的なエネルギー効率を向上させるために、ガス化炉１の排熱を利用して蒸留処理を行うことが好ましい。

次に、本ガス化ガス製造システムの動作について詳しく説明する。
本ガス化ガス製造システムでは、ガス化手段によって水蒸気を用いて可燃性原料からガス化ガスが生成され、当該ガス化ガスはガス精製手段によって生成されることによって製品ガスとなる。そして、このガス精製手段によるガス化ガスの精製過程において各種の排水が発生するが、これら排水は、ガス精製手段の構成要素である排水処理装置８によってボイラ水として再利用できるまでに浄化されてガス化手段を構成するボイラ２に供給される。

すなわち、直接冷却器４、間接冷却器５及びコンプレッサ６で発生した各排水は、排水処理装置８において最上流に位置する沈殿池８に順次供給される。このような排水は、水を主成分とするが、直接冷却器４においてガス化ガスと気液接触したものやコンプレッサ６において凝縮したもの等であり、ガス化炉１における生成過程や酸化改質炉３における酸化改質過程でタール成分や有機成分、また無機成分を不純物として含むものである。このような排水は、上記不純物に起因してボイラ２がボイラ水として要求する純度を下回るものである。

一般的に、ボイラは低圧ボイラと高圧ボイラとに分類されるが、高圧ボイラは低圧ボイラよりも純度の高いボイラ水を必要とするように設計されている。また、このような分類に各々属するボイラにおいても設計仕様に応じてボイラ水に求められる純度（水質）は異なる。したがって、上記排水をボイラ水に利用するためには、不純物を除去することによりボイラ種別や設計仕様に応じて要求される純度まで排水を浄化する必要がある。

本ガス化ガス製造システムの排水処理装置８において最上流に位置する沈殿池８ａは、上記直接冷却器４、間接冷却器５及びコンプレッサ６から順次供給される排水を一定期間静置することにより当該排水に含まれる比較的沈殿し易い有機成分を沈殿させて分離除去する。しかしながら、沈殿池８ａにおける有機成分の除去は必ずしも十分なものではないので、沈殿池８ａの処理水（上澄み水）は、後段の凝集沈殿槽８ｂに導入されて凝集剤が添加され、残存する有機成分が強制的に凝集沈殿処理される。このような沈殿池８ａ及び凝集沈殿槽８ｂによって排水中の有機成分は、ボイラ２が要求するボイラ水の残存有機成分の許容値を満足するものとなる。

そして、沈殿池８ａ及び凝集沈殿槽８ｂにおいて有機成分が除去された処理水は、アンモニアトリッピング装置８ｃにおいてボイラ２が要求するボイラ水の残存窒素成分の許容値を満足するように窒素成分がアンモニアとして分離除去される。そして、アンモニアトリッピング装置８ｃにおいて窒素成分が除去された処理水は、第１蒸留装置８ｄ、第２蒸留装置８ｆあるいは第２イオン交換装置８ｇで択一的に処理されることによりタール成分等の固形物除去あるいは無機イオン除去が行われた後に、選択装置８ｈからボイラ２にボイラ水として供給される。

すなわち、アンモニアトリッピング装置８ｃから第１蒸留装置８ｄに供給された処理水は、当該第１蒸留装置８ｄでタール成分等の固形物が除去され、さらに第１イオン交換装置８ｅにおいて無機イオンが除去された後に、選択装置８ｈを介してボイラ２にボイラ水として供給される。一方、アストリッピング装置８ｃから第２蒸留装置８ｆに供給された処理水は、当該第２蒸留装置８ｆでタール成分等の固形物が除去された後に、選択装置８ｈを介してボイラ２にボイラ水として供給される。一方、アンモニアトリッピング装置８ｃから第２イオン交換装置８ｇに供給された処理水は、当該第２イオン交換装置８ｇにおいて無機イオンが除去された後に、選択装置８ｈを介してボイラ２にボイラ水として供給される。

選択装置８ｈは、このような３つの処理経路であられたボイラ水とアンモニアトリッピング装置８ｃから排出された処理水をそのままボイラ水とする処理経路のうち、ボイラ２がボイラ水として要求する純度（水質）を満足する処理経路で処理された処理水を選択してボイラ２に供給する。すなわち、第１蒸留装置８ｄと第１イオン交換装置８ｅとからなる処理経路（第１処理経路）は、タール成分等の固形物と無機イオンとの両方を除去するものなので、３つの処理経路のうち最も純度の高い（水質が最も良好な）ボイラ水をボイラ２に提供できるものである。

一方、第２蒸留装置８ｆからなる処理経路（第２処理経路）は、タール成分等の固形物のみを除去するものであり、よって第１処理経路を経て生成されたボイラ水よりも無機イオンの残存量が多いボイラ水をボイラ２に提供するものである。一方、第２イオン交換装置８ｇからなる処理経路（第３処理経路）は、無機イオンのみを除去するものであり、よって第１処理経路を経て生成されたボイラ水よりもタール成分等の固形物の残存量が多いボイラ水をボイラ２に提供するものである。一方、アンモニアトリッピング装置８ｃから排出された処理水をそのままボイラ水とする処理経路（第４処理経路）は、第１処理経路を経て生成されたボイラ水よりもタール成分等の固形物及び無機イオンの残存量が多いボイラ水をボイラ２に提供するものである。

このような本実施形態によれば、ガス化ガスの精製で発生した排水から有機成分を少なくとも除去するので、排水をボイラ水として有効活用することができる。また、選択装置８ｈによってタール成分等の固形物と無機イオンの除去処理を択一的に選択できるので、有機成分の除去に加えて、必要に応じてタール成分等の固形物あるいは／及び無機イオンが除去されたボイラ水をボイラ２に供給することができる。
また、本実施形態によれば、活性汚泥処理を利用することなく排水を処理するので、ガス化ガスの製造過程で発生した排水を安定して処理することをも目的としている。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では石炭を可燃性原料とし、この関係で排水にタール成分や有機成分、また無機成分が不純物としてまれるが、可燃性原料は石炭に限定されるものではない。ガス化炉１に供される可燃性原料としては、石炭の他に、例えば都市ごみ、産業廃棄物、汚泥、農業廃棄物等の各種廃棄物等の固形燃料やバイオマス等が考えられ、可燃性原料の性状に応じて排水に含まれる不純物は異なるので、タール成分や有機成分、また無機成分の他にボイラ水として不都合な成分（例えば塩素成分やシアン成分）を除去する装置を追加しても良い。

（２）上記実施形態では、第１〜第４処理経路を選択装置８ｈで択一的に選択するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば排水処理装置８を沈殿池８ａ、凝集沈殿槽８ｂ及びアンモニアトリッピング装置８ｃのみから構成するようにしても良く、また沈殿池８ａ、凝集沈殿槽８ｂ及びアンモニアトリッピング装置８ｃに第１蒸留装置８ｄ及び第１イオン交換装置８ｅのみを加えた構成、あるいは沈殿池８ａ、凝集沈殿槽８ｂ及びアンモニアトリッピング装置８ｃに第２蒸留装置８ｆのみを加えた構成、あるいは沈殿池８ａ、凝集沈殿槽８ｂ及びアンモニアトリッピング装置８ｃに第２イオン交換装置８ｇのみを加えた構成としても良い。

（３）上記実施形態では、ガス精製手段を酸化改質炉３、直接冷却器４、間接冷却器５、コンプレッサ６、脱硫・脱ＣＯ_２装置７及び排水処理装置８によって構成するようにしたが、本発明はこれに限定されない。本発明の要旨は、ガス化ガスの製造過程で発生する排水をボイラ水とすることにあるので、排水をボイラ水とするために必要な装置以外の装置構成は種々の構成が取り得る。

（４）上記実施形態では、排水処理装置８で得られる処理水をボイラ水としてボイラ２に供給するようにしたが、排水処理装置８が出力する処理水の量がボイラ２が必要とするボイラ水の量を上回る場合には、排水処理装置８が出力する処理水の一部を冷却水として酸化改質炉３、直接冷却器４、間接冷却器５に供給するようにしても良い。

１…ガス化炉、２…ボイラ、３…酸化改質炉、４…直接冷却器、５…間接冷却器、６…コンプレッサ、７…脱硫・脱ＣＯ_２装置、８…排水処理装置、８ａ…沈殿池、８ｂ…凝集沈殿槽、８ｃ…アンモニアトリッピング装置、８ｄ…第１蒸留装置、８ｅ…第１イオン交換装置、８ｆ…第２蒸留装置、８ｇ…第２イオン交換装置、８ｈ…選択装置

Claims (6)

1. ボイラで生成した水蒸気を用いて可燃性原料をガス化するガス化手段と、
   該ガス化手段で生成されたガス化ガスを精製するガス精製手段と、を具備し、
   前記ガス精製手段は、ガス化ガスの精製から発生した排水に有機成分除去処理及び窒素成分除去処理を施すことにより前記ボイラに供するためのボイラ水を生成することを特徴とするガス化ガス製造システム。
2. 前記ガス精製手段は、無機イオン除去処理あるいは蒸留処理のいずれか一方あるいは両方をさらに施すことを特徴とする請求項１記載のガス化ガス製造システム。
3. 前記ガス精製手段は、排水に有機成分除去処理を施す設備として、少なくとも凝集沈殿槽を備えることを特徴とする請求項１または２記載のガス化ガス製造システム。
4. 前記ガス精製手段は、排水に窒素成分除去処理を施す設備としてアンモニアストリッピング装置を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス化ガス製造システム。
5. 前記無機イオン除去処理は、イオン交換膜によって行われることを特徴とする請求項２に記載のガス化ガス製造システム。
6. ボイラで生成した水蒸気を用いて可燃性原料からガス化ガスを生成し、該ガス化ガスに不純物を除去する精製処理を施すガス化ガス製造方法であって、
   前記精製処理から発生した排水に有機成分除去処理及び窒素成分除去処理を施すことにより前記ボイラに供するためのボイラ水を生成することを特徴とするガス化ガス製造方法。

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