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JP6122664B2 - ガス精製装置およびガス精製方法 - Google Patents

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Description

本発明は、原料ガスのＨ２Ｏ濃度を調整することにより、ＣＯＳの分解処理を促進することのできるガス精製装置、およびガス精製方法に関する。
近年のエネルギー問題の切り札の１つとして、石炭の有効利用が着目されている。石炭をメタノールやアンモニアといった付加価値の高いエネルギー媒体へと変換するためには、石炭をガス化する技術やガス化したものを精製する技術など、高度な技術が用いられる。
石炭には、一般的に硫黄分が含まれており、石炭をガス化すると、ガス中には硫化カルボニル（ＣＯＳ）や硫化水素（Ｈ２Ｓ）といった硫黄化合物が含まれることとなる。これらの硫黄化合物を除去せずに、ガス化したガスを燃焼すると、硫黄酸化物として大気に排出されて酸性雨等の環境破壊の原因となる。このような硫黄化合物の除去方法として、Ｈ２Ｓについてはアミン系水溶液で除去する湿式ガス精製プロセスが実用化されているものの、アミン系水溶液ではＣＯＳを除去することはできない。
そこで、ＣＯＳ転換触媒を用いて、下記式（２）に示す加水分解反応によりＣＯＳを分解し、アミン系水溶液で除去できるＨ２Ｓに転換する触媒反応プロセスが提案されている（例えば、特許文献１）。
Figure 0006122664
ＣＯＳの分解反応は、加水分解反応であるため、原料ガス中のＨ２Ｏ濃度が高ければ、より高い分解率でＣＯＳを分解することができる。例えば、特許文献２に記載されたガス精製装置では、ガス化炉から排出されるガス化ガスは、水洗浄塔を介してＣＯＳ転化器へ導入されてＣＯＳが分解され、その後、吸収塔へ送られてＨ２Ｓが除去される。水洗浄塔では、ガス化ガス中の不純物が回収されると共に、ガス化ガス中のＨ２Ｏ濃度が高くなるため、ＣＯＳ転化器においてＣＯＳが分解されやすくなる。ただし、ガス化炉にて加熱されたガス化ガスは、水洗浄塔で水洗浄するために冷却する必要があり、その後、冷却されたガス化ガスをＣＯＳの分解に適した温度へ再度加熱する必要がある。このように、ガス精製装置としては、ガス化ガスの加熱と冷却を繰り返すため、設備構成が複雑となるのみならず、熱効率に劣るプロセス構成となってしまう。
一方で、例えば特許文献３に記載されたガス精製装置では、ガス化炉から排出されるガス化ガスは、ＣＯＳ処理装置へ導入されてＣＯＳが分解された後に水洗浄塔へ送られる装置構成となっている。ガス化炉にて加熱されたガス化ガスは、熱交換器によりＣＯＳの分解に適した温度へ冷却され、ＣＯＳの分解後は熱交換器により水洗浄に適した温度へ更に冷却される。このようにガス精製装置としては、ガス化ガスの加熱と冷却を繰り返すことがなく、熱効率に優れるプロセス構成となる。ただし、ガス化炉から排出されたガス化ガスは、Ｈ２Ｏ濃度が調整されることなくＣＯＳ処理装置へ導入されることから、ガス化ガス中のＨ２Ｏ濃度は、ガス化炉のガス化条件に依存する。そのため、常に高い分解率でＣＯＳを分解することは、困難である。
特許第４５９４８８６号 特許第３６８８９２２号 特許第４４６７８７２号
上記問題点に鑑み、本発明は、熱効率に優れると共に、高い分解率でＣＯＳを分解することができるガス精製装置、およびガス精製方法を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明者は、熱効率を低下させることなく、ＣＯＳの分解率を向上させるべく、種々の検討を行った。そうしたところ、ＣＯＳを加水分解する前にガスのＨ２Ｏ濃度を調整すれば、熱効率を低下させることなく、高い分解率でＣＯＳを分解することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明に係る第一の形態は、ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製するガス精製装置であって、石炭の水分を除去することにより石炭を乾燥する石炭乾燥装置と、乾燥した前記石炭をガス化して前記ガスを得るガス化炉とＣＯＳ転換触媒を備え、前記ガス中のＣＯＳを加水分解により分解処理するＣＯＳ処理装置と、前記ＣＯＳ処理装置へ導入する前記ガスのＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ調整手段であって、前記石炭乾燥装置で前記石炭の水分量を調整する手段であるＨ ２ Ｏ調整手段とを少なくとも備えるガス精製装置、である。
すなわち、本発明に係る第二の形態は、ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製するガス精製方法であって、石炭の水分を除去することにより石炭を乾燥する石炭乾燥工程と、前記ガスのＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ調整工程であって、前記石炭乾燥工程で前記石炭の水分量を調整する工程と、乾燥した前記石炭をガス化し、前記ガスを得るガス化工程とＨ２Ｏ濃度を調整した前記ガス中のＣＯＳを、ＣＯＳ転換触媒を用いて加水分解することにより分解処理するＣＯＳ処理工程とを少なくとも含むガス精製方法、である。
本発明によれば、熱効率を低下させることなく、高い分解率でＣＯＳを分解することができる。
ガス精製プロセスの概略図。 図１のガス精製プロセスに水洗浄塔等を追加したガス精製プロセスの概略図。 図１、および図２とは異なる態様のガス精製プロセスの概略図。 図１〜図３とは異なる態様のガス精製プロセスの概略図。 図１〜図４のＨ２Ｏ調整手段を全て備える態様のガス精製プロセスの概略図。 本発明のガス精製装置の一例を示すダイアグラム。
以下、本発明について、その一般的形態を詳細に説明する。
まず、本発明のガス精製装置は、ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製する装置である。このような化合物を含むガスとしては、石炭や石油、バイオマス等をガス化したガスが挙げられる。本発明の精製対象となるガスは、上記の化合物の他、ＣＯ、Ｎ２、ＨＣｌ、Ｏ２等を含む場合がある。
本発明のガス精製装置は、ＣＯＳ処理装置と、Ｈ２Ｏ調整手段とを少なくとも備える。ＣＯＳ処理装置は、ＣＯＳ転換触媒を備え、精製対象となるガス中のＣＯＳを加水分解により分解処理する装置である。ＣＯＳ処理装置としては、リアクタ内部にＣＯＳ転換触媒を装填したものや、Ｏ２除去触媒とＣＯＳ転換触媒を組み合わせてリアクタ内部に装填したもの、Ｏ２除去機能を兼ね備えるＣＯＳ転換触媒をリアクタ内部に装填したもの、を用いることができる。また、ＣＯＳ転換触媒としては、一般的にチタニア、クロム、アルミナを含む触媒を用いることができる。
本発明のガス精製装置におけるＨ２Ｏ調整手段は、ＣＯＳ処理装置へ導入するガスのＨ２Ｏ濃度を調整する手段である。ＣＯＳ転換触媒によりＣＯＳを加水分解する前に、精製対象となるガスのＨ２Ｏ濃度を調整することにより、高い分解率でＣＯＳを分解することができる。
本発明のガス精製装置におけるＨ２Ｏ調整手段は、前記ガス中のＣＯＳの分圧をＰＣＯＳ、Ｈ２Ｏの分圧をＰＨ２Ｏ、ＣＯ２の分圧をＰＣＯ２、およびＨ２Ｓの分圧をＰＨ２Ｓとするとき、下記式（１）で示される圧平衡定数ＫＰが１≦ＫＰ≦２０となるようにＨ２Ｏ濃度を調整する手段であることが好ましい。
Figure 0006122664
ＣＯＳの加水分解反応は可逆的な反応であり、ＫＰが２０以下であると、ＣＯＳの加水分解が進みやすくなることから、高い分解率でＣＯＳを分解することができる。ＫＰが１０以下であれば、より速やかにＣＯＳを分解することができる。ＣＯＳは、ＫＰが１の場合においても良好に分解することができるものの、ＫＰが１を下回ると、平衡上ＣＯＳの加水分解に不利となるため、ＣＯＳの加水分解が進み難くなる。
圧平衡定数は、Ｈ２Ｏの分圧のみならず、ＣＯＳ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓの分圧を調整することによっても理論上は変動させることができる。しかしながら、ＣＯＳ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓは、ガス化する原材料やガス化条件等によってこれらの割合が固定される。そのため、これらの割合を変動させるためには、例えばガス化後のガスへ、ＣＯＳ、ＣＯ２、またはＨ２Ｓを個々に混入させる方法をとることとなる。しかしながら、ＣＯＳやＨ２Ｓは回収対象となる化合物であり、増量させることは好ましくない。また、圧平衡定数を調整するためだけにＣＯ２を混入させることは、ＣＯ２の購入コストや別途設備を設置する必要がある等の理由により、効率的ではない。ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓの中では、Ｈ２Ｏであれば、その量を例えば石炭等の原材料の乾燥処理条件により調整することが容易であり、また、ガス化後のガスに混入することで調整することが容易である。そのため、本発明において、圧平衡定数を変動させるためには、Ｈ２Ｏを調整することが、最も有効な手段である。
本発明のガス精製装置は、少なくとも１つの水洗浄装置と、少なくとも１つの排水処理装置とをさらに備えることができる。水洗浄装置は、ＣＯＳ処理装置から排出されたガスを水洗浄する装置であり、水洗浄により水溶性のハロゲン化合物、アンモニア、有機物、微量金属等の不純物を除去する。水洗浄装置は、ガス精製装置において好ましくは直列に複数備えていることが好ましい。１つの水洗浄装置では不純物を全て除去することが困難であるところ、複数の水洗浄装置を備えて不純物を除去することにより、ガスの純度を高めることができる。水洗浄装置を複数備える場合、これらの水洗浄装置は、同じ形状のものを使用することができる。
排水処理装置は、水洗浄装置から排出される排水を処理する装置であり、水洗浄によりガスから除去した不純物を含む排水を廃棄できるように処理する。具体的には、アンモニアストリッピング塔や凝集沈殿装置といった装置構成により、不純物を処理する。１つの水洗浄装置から排出される排水を、１つの排水処理装置により処理することが可能である。また、複数の水洗浄装置から排出される排水を、１つの排水処理装置により処理することもできる。さらには、少なくとも１つ以上の水洗浄装置から排出される排水を、複数の排水処理装置により処理することもできる。
本発明のガス精製装置が水洗浄装置および排水処理装置を備える場合において、Ｈ２Ｏ調整手段は、排水処理装置の水をＣＯＳ処理装置へ導入するガスへ混入する手段とすることができる。例えば、ＣＯＳ処理装置へガスを導入する導入ラインに、排水処理装置から水を供給する供給ラインを接続し、さらにガスの組成に応じて水の供給量を制御する制御手段を設ければ、排水処理装置の水をガスへ混入することにより、Ｈ２Ｏを調整することができる。かかる手段によれば、ガス精製装置の外部からＨ２Ｏを導入することなく、ガスの精製過程で使用する水を循環させて繰り返し使用することが可能であり、ガス精製装置の設備構成を簡素化することができる。
本発明のガス精製装置が、排水処理装置を複数備える場合には、より不純物の少ない排水を処理する排水処理装置の水をガスへ混入することが好ましい。精製対象となるガス中には、不純物としてハロゲン化合物が含まれる場合があり、このハロゲン化合物がＣＯＳ転換触媒の寿命を縮める要因の１つとなり得る。ガス中のハロゲン化合物に、さらに排水中に含まれるハロゲン化合物が加わると、ＣＯＳ転換触媒の寿命をより縮めてしまうこととなる。より不純物の少ない排水を処理する排水処理装置の水をガスへ混入することにより、ＣＯＳ転換触媒への影響を最小限に留めることができる。
本発明のガス精製装置において、Ｈ２Ｏ調整手段は、水蒸気をＣＯＳ処理装置へ導入するガスへ混入する手段とすることができる。例えば、ＣＯＳ処理装置へガスを導入する導入ラインに、水蒸気供給手段から水蒸気を供給する供給ラインを接続し、さらにガスの組成に応じて水の供給量を制御する制御手段を設ければ、水蒸気をガスへ混入することにより、Ｈ２Ｏを調整することができる。水蒸気供給手段としては、ボイラー、蒸気タービンからの抽気等が挙げられる。水蒸気供給手段がガス精製装置を構成する手段である場合には、ガス精製装置の外部からＨ２Ｏを導入することなく、ガス精製装置の設備構成を簡素化することができる。かかる水蒸気をＣＯＳ処理装置へ導入するガスへ混入する手段は、上記した排水処理装置の水をＣＯＳ処理装置へ導入するガスへ混入する手段と併用することができる。
本発明のガス精製装置は、石炭乾燥装置と、ガス化炉とをさらに備えることができる。石炭乾燥装置は、石炭の水分を除去することにより石炭を乾燥する装置であり、例えば高温排ガス加熱方式、回転ドライヤー式、蒸気流動層式、およびメカニカルプレス式等の石炭乾燥機を使用することができる。精製対象となるガスの原材料として石炭を使用する場合、石炭に過剰な水分が含まれていると、ガス化効率が低下してしまう。そこで、石炭をガス化するにあたり、ガス化効率が低下しないように石炭の水分を所定量とするべく、石炭乾燥装置を使用する。石炭の乾燥には、ガスの精製過程で生じる排ガスの熱を利用することが可能であり、また、ガス精製装置の外部から石炭乾燥装置へ熱を導入して石炭を乾燥することもできる。
ガス化炉は、乾燥した石炭をガス化する炉である。ガス化炉には、石炭乾燥装置にて乾燥した石炭と、ガス化剤として酸素、空気、酸素富化された空気が投入され、熱分解によりガス化ガスが取り出される。
本発明のガス精製装置が石炭乾燥装置およびガス化炉を備える場合において、Ｈ２Ｏ調整手段は、石炭乾燥装置で石炭の水分量を調整する手段とすることができる。例えば、ガス化炉内にてガス化ガス中の水分を測定する測定手段を設け、さらに、水分量に応じて石炭乾燥装置へ導入する熱量や石炭の乾燥時間を調整する調整手段を設ければ、ガス化前の石炭の水分量を制御することにより、Ｈ２Ｏを調整することができる。なお、石炭の水分量を制御するにあたり、ガス化効率を考慮することが重要である。かかる手段によれば、ガス化ガス中のＣＯＳ濃度が急激に高くなった場合の非定常時の対応として、追加設備を設置することなく、既存の石炭乾燥装置やガス化炉を用いてＨ２Ｏを調整することができる。
石炭乾燥装置で石炭の水分量を調整する手段は、上記した水蒸気をＣＯＳ処理装置へ導入するガスへ混入する手段や、上記した排水処理装置の水をＣＯＳ処理装置へ導入するガスへ混入する手段と併用することができる。
本発明のガス精製装置は、上記した装置の他、ガス中のダストを除去する集塵装置、ガスの温度を調整する熱交換器、ガス中のＨ２Ｓを回収するＨ２Ｓ吸収塔、およびＨ２Ｓを吸収した吸収液を再生する吸収液再生塔といった装置等を備えることができる。
本発明のガス精製装置であれば、ＣＯＳを加水分解する前に、予めガスのＨ２Ｏ濃度を調整することができる。ガスへ水分を混入することによりガスが適度に冷却されるため、ガス化炉から排出される高温のガスを、加水分解に好適な温度へ冷却する熱交換器の負担が軽減される結果、熱交換器を小型化することができる。そして、ガスのＨ２Ｏ濃度を調整したことにより、加水分解が進みやすくなる結果、ＣＯＳ転換触媒の量を減らすことが可能であり、ＣＯＳ処理装置を小型化することができる。さらに、ガスのＨ２Ｏ濃度をガス化後に調整することができるため、従来使用されてきた原材料のみならず、硫黄分の多い原材料や水分量の少ない原材料を使用することができる。
次に、本発明のガス精製方法について、以下に説明する。
本発明のガス精製方法は、ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製する方法であり、Ｈ２Ｏ調整工程と、ＣＯＳ処理工程とを少なくとも含む。Ｈ２Ｏ調整工程は、ガスのＨ２Ｏ濃度を調整する工程である。高い分解率でＣＯＳを分解するため、精製対象となるガスのＨ２Ｏ濃度を予め調整する準備工程である。
ＣＯＳ処理工程は、Ｈ２Ｏ調整工程によりＨ２Ｏ濃度を調整したガス中のＣＯＳを、ＣＯＳ転換触媒を用いて加水分解することにより分解処理する工程である。ＣＯＳの加水分解反応は触媒反応であり、触媒の使用条件に適合した温度条件に調整する必要がある。そこで、ガスのＨ２Ｏ濃度を調整した後やＨ２Ｏ濃度の調整と同時にガスの温度をＣＯＳの加水分解に適した２００℃〜４００℃に調整することが好ましい。
本発明のガス精製方法におけるＨ２Ｏ調整工程は、前記ガス中のＣＯＳの分圧をＰＣＯＳ、Ｈ２Ｏの分圧をＰＨ２Ｏ、ＣＯ２の分圧をＰＣＯ２、およびＨ２Ｓの分圧をＰＨ２Ｓとするとき、下記式（１）で示される圧平衡定数ＫＰが１≦ＫＰ≦２０となるようにＨ２Ｏ濃度を調整する工程であることが好ましい。圧平衡定数を変動させるためには、変動の容易性から、Ｈ２Ｏを調整することが、最も有効な手段である。
Figure 0006122664
本発明のガス精製方法は、少なくとも１つの水洗浄工程と、少なくとも１つの排水処理工程とをさらに含むことができる。水洗浄工程は、ＣＯＳを分解処理したガスを水洗浄する工程であり、水洗浄により水溶性のハロゲン化合物、アンモニア、有機物、微量金属等の不純物を除去する。水洗浄工程は、１回のみの水洗浄であってもよいが、ガスの精製純度を高めるべく、複数回の水洗浄としてもよい。
排水処理工程は、水洗浄工程により排出される排水を処理する工程であり、水洗浄によりガスから除去した不純物を含む排水を廃棄できるように処理する。具体的には、ハロゲン化合物、アンモニア、有機物、微量金属等の不純物を、アンモニアストリッピングや凝集沈殿により処理する。特に、アンモニアは十分に処理する必要があり、排水処理装置を複数設けるなどにより、アンモニアストリッピング処理を複数回実施する場合がある。
本発明のガス精製方法が、水洗浄工程および排水処理工程を含む場合において、Ｈ２Ｏ調整工程は、排水処理工程により処理された水をＣＯＳ処理工程前にガスへ混入する工程とすることができる。
本発明のガス精製方法において、Ｈ２Ｏ調整工程は、水蒸気をＣＯＳ処理工程前にガスへ混入する工程とすることができる。かかる水蒸気をＣＯＳ処理工程前にガスへ混入する工程は、上記した排水処理工程により処理された水をＣＯＳ処理工程前にガスへ混入する工程と併用することができる。
本発明のガス精製方法は、石炭乾燥工程と、ガス化工程とをさらに含むことができる。石炭乾燥工程は、石炭の水分を除去することにより石炭を乾燥する工程である。精製対象となるガスの原材料として石炭を使用する場合、ガス化効率が低下しないように石炭の水分を所定量とするために行う工程である。
ガス化工程は、乾燥した石炭をガス化する工程である。ガス化剤として酸素、空気、酸素富化された空気を使用し、ガス化剤の雰囲気下にて石炭を熱分解することにより、ガス化する。
本発明のガス精製方法が石炭乾燥工程およびガス化工程を含む場合において、Ｈ２Ｏ調整工程は、石炭乾燥工程で石炭の水分量を調整する工程とすることができる。例えば、ガス化炉出口にてガス化ガス中の水分を測定する測定手段を設け、さらに、水分量に応じて石炭乾燥装置へ導入する熱量や石炭の乾燥時間を調整する調整手段を設ければ、ガス化前の石炭の水分量を制御することにより、Ｈ２Ｏを調整することができる。
石炭乾燥工程で石炭の水分量を調整する工程は、上記した水蒸気をＣＯＳ処理工程前にガスへ混入する工程や、上記した排水処理工程により処理された水をＣＯＳ処理工程前にガスへ混入する工程と併用することができる。
本発明のガス精製方法は、上記した工程の他、ガス中のダストを除去する集塵工程、ガスの温度を調整する温度調整工程、ガス中のＨ２Ｓを回収するＨ２Ｓ回収工程、およびＨ２Ｓを吸収した吸収液を再生する吸収液再生工程といった工程等を備えることができる。
本発明のガス精製方法であれば、ガスを加水分解に好適な温度へ冷却する熱交換器を小型化することや、ＣＯＳ転換触媒の触媒量を減らすこと、およびＣＯＳ処理装置を小型化することができる。また、ガスのＨ２Ｏ濃度をガス化後に調整することができるため、従来使用されてきた原材料のみならず、硫黄分の多い原材料や水分量の少ない原材料を使用することができる。
以下、本発明のガス精製装置およびガス精製方法について、その実施の形態を、図面を参照して説明する。この場合において、本発明は図面の実施形態に限定されるものではない。
図１は、ガス精製プロセス１−１の概略図である。このプロセスでは、まず石炭２をガス化剤３の存在下にてガス化炉４でガス化する。石炭をガス化したガスには、ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓが少なくとも含まれており、ハロゲン化合物等の不純物も含有している。得られたガスは、ガス中のＣＯＳをＣＯＳ処理装置５でＨ２Ｓに変換し、水洗浄塔６ａで不純物を除去後、Ｈ２Ｓ吸収塔７でガス中のＨ２Ｓを回収して精製する。精製後のガスは、メタノールやアンモニア等の化成品合成８、もしくはガスタービンあるいは蒸気タービンに導入して発電装置９により発電を行う。排水処理装置１０ａは、水洗浄塔６から排出される排水を処理する。処理後の排水の一部は、ガス化炉４からＣＯＳ処理装置５へガスを導入する導入ライン１１に、供給ライン１２ａを介して排水処理装置１０から排水を供給することで、ＣＯＳ処理装置５へ導入される前のガスのＨ２Ｏを調整する。
図２は、図１のガス精製プロセスに水洗浄塔６ｂ、排水処理装置１０ｂ、および供給ライン１２ｂを追加したガス精製プロセス１−２の概略図である。排水中のハロゲン化合物が与えるＣＯＳ転換触媒への影響を考慮して、排水処理装置１０ａの排水は放流し、ＣＯＳ処理装置５へ導入される前のガスへ、より不純物の少ない排水処理装置１０ｂの排水を導入する。
図３は、図１、および図２とは異なる態様のガス精製プロセス１−３の概略図である。このプロセスでは、ボイラー１３から供給ライン１４を介して、導入ライン１１に水蒸気を供給することで、ＣＯＳ処理装置５へ導入される前のガスのＨ２Ｏを調整する。また、蒸気タービン１５から蒸気を抽気し、Ａで示すルートによりガスのＨ２Ｏを調整することや、排水回収ボイラー１６へ給水する水の一部をＢで示すルートにより供給して、ガスのＨ２Ｏを調整することも可能である。
図４は、図１〜図３とは異なる態様のガス精製プロセス１−４の概略図である。石炭２は、石炭乾燥装置１７で水分を除去して乾燥した後、ガス化炉４へ導入される。石炭の乾燥は、乾燥用排ガス１８から導入される排ガスの熱を利用する。このガス精製プロセス１−４では、排ガスの温度や供給量、石炭の乾燥時間等を制御することにより、水分の一部を系外へ排出すると共に、水分量を保持した石炭２をガス化炉へ導入し、ガスのＨ２Ｏを調整する。
図５は、図１〜図４のＨ２Ｏ調整手段を全て備える態様のガス精製プロセス１−５の概略図である。排水処理装置からの排水の導入や、ボイラーからの水蒸気の導入、および石炭の乾燥を制御することによる水分の導入は、個々に制御することが可能であり、ガスの精製の状況に応じて、適宜ガスのＨ２Ｏを調整する。
図６は、本実施の形態に係るガス精製装置２０の一例を示すダイアグラムである。図２のガス精製プロセス１−２の概略図に対応するガス精製装置である。ガス化炉４、集塵装置２１、熱交換器２２、および２３、ＣＯＳ処理装置５、水洗浄塔６ａ、および６ｂ、排水処理装置１０ａ、および１０ｂ、Ｈ２Ｓ吸収塔７、および吸収液再生塔２４を基本構成とする。
このガス精製装置１８では、まず石炭２をガス化剤３の存在下にてガス化炉４でガス化する。石炭をガス化したガスには、ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓが少なくとも含まれており、ハロゲン化合物等の不純物やダストを含有している。得られたガスは、まず集塵装置２１によりダストを除去し、熱交換器２２でＣＯＳの加水分解に適した２００℃〜４００℃の温度に冷却される。次に、ガス中のＣＯＳをＣＯＳ処理装置５でＨ２Ｓに変換し、熱交換器２３で熱回収を行ってから、水洗浄塔６ａ、６ｂで不純物を除去後、Ｈ２Ｓ吸収塔７でガス中のＨ２Ｓを回収して精製する。精製後のガスは、低温であり、発電装置９へ導入される際に、熱交換器２２、２３を経由することにより、集塵装置１９またはＣＯＳ処理装置５から排出されたガスの冷却に用いられながら熱回収される。Ｈ２Ｓ吸収塔７でＨ２Ｓを吸収した液は、吸収液再生塔２４で高濃度となったＨ２Ｓ２５と分離することにより再生されて、Ｈ２Ｓ吸収塔７へ送られる。排水処理装置１０ａ、１０ｂは、水洗浄塔６ａ、６ｂから排出される排水を処理する。処理後の排水の一部は、集塵装置２１からＣＯＳ処理装置５へガスを導入する導入ライン１１に、供給ライン１２を介して排水処理装置１０ｂから排水を供給することで、ＣＯＳ処理装置５へ導入される前のガスのＨ２Ｏを調整する。排水の供給は、供給ライン１２からの排水が混入される前後の、導入ライン１１を通過する水分量を測定器２６により測定し、水分量に応じて制御弁２７を開閉することにより調整する。測定器２６は、ガス中の水分量のほか、ＣＯＳ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓの含有量を測定することができる。測定器２６の測定値から、ガス中のＣＯＳの分圧（ＰＣＯＳ）、Ｈ２Ｏの分圧（ＰＨ２Ｏ）、ＣＯ２の分圧（ＰＣＯ２）およびＨ２Ｓの分圧（ＰＨ２Ｓ）から算出される圧平衡定数（ＫＰ）が１≦ＫＰ≦２０となるように、Ｈ２Ｏ濃度を調整することができる。排水は、ガスの温度により気化させることができる。また、排水を予め気化させた後、ガスへ混入させることも可能である。
本実施の形態に係るガス精製装置において、ガス化炉としては、固定式ガス化炉、流動式ガス化炉、および噴流式ガス化炉等を使用することかできる。そして、集塵装置としては、サイクロン、ろ過式等の集塵装置を使用することができる。また、熱交換器としては、シェルアンドチューブ式熱交換器等を使用することができる。
本実施の形態に係るガス精製装置において、ＣＯＳ処理装置としては、例えばリアクタ内部にＣＯＳ転換触媒が装填されている装置を用いることができる。ＣＯＳ転換触媒は、例えばハニカム形状のほかペレット形状の触媒を使用することが可能であり、ガスが触媒を通過する際にＣＯＳがＨ２Ｓへ転換される。
次に、水洗浄塔としては、例えば、水洗浄塔内の上部から洗浄水を供給すると共に、下部に溜まった洗浄水を、循環ポンプにより循環して供給する構成の水洗浄塔とすることができる。
そして、排水処理装置としては、アンモニアストリッピング塔や凝集沈殿装置といった構成の排水処理装置とすることができる。アンモニアストリッピング塔は、排水中に含まれる高濃度のアンモニアをスチームまたは空気を吹き込んで気相に放散することにより除去する装置である。アンモニアストリッピング塔内は、例えば多孔板とダウンカマーより構成され、排水はダウンカマーを通って上段より下段に流下する。一方、蒸気は多孔板の孔を下段より上段に流れ、多孔板上に堰き止められた液中を上昇する。このとき、排水と蒸気が接触し、排水中の溶解アンモニアが蒸気側に移行する。放散したアンモニアは、例えば触媒を充填した触媒反応塔を通して酸化分解され、無害な窒素として大気に放散される。一方、凝集沈殿装置は、例えば凝集槽と沈殿槽から構成される。凝集槽内では、排水と硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム等の凝集剤とを混合して不純物を凝集し、フロック化する。そして、沈殿槽では、フロックを沈殿して沈殿凝集物と処理水に分離する。これらのアンモニアストリッピング塔や凝集沈殿装置により、排水を処理する。
また、Ｈ２Ｓ吸収塔は、例えば、Ｈ２Ｓ吸収塔内の上部からアミン化合物の水溶液からなるアミン化合物吸収液を供給すると共に、下部に溜まった吸収液を、循環ポンプにより循環して供給する構成のＨ２Ｓ吸収塔とすることができる。
吸収液再生塔は、Ｈ２Ｓを吸収した吸収液をリボイラにより加熱後、クーラーにより冷却して、Ｈ２Ｓとアミン化合物吸収液に分離し、その後、ポンプによりこのアミン化合物吸収液をＨ２Ｓ吸収塔へ送る構成の吸収液再生塔とすることができる。
図６のガス精製装置１８であれば、ＣＯＳを加水分解する前に、ガスへ水分を混入することにより、ガスが適度に冷却される。よって、ガス化炉から排出される高温のガスを冷却する熱交換器２０の負担が軽減される結果、熱交換器２０を小型化することができる。そして、ガスのＨ２Ｏ濃度を調整したことにより、加水分解が進みやすくなる結果、ＣＯＳ転換触媒２６の触媒量を減らすことが可能であり、ＣＯＳ処理装置５を小型化することができる。さらに、ガスのＨ２Ｏ濃度をガス化後に調整することができるため、従来使用されてきた石炭２のみならず、硫黄分の多い石炭や水分量の少ない石炭を使用することができる。
本発明のガス精製装置、およびガス精製方法によれば、原料ガスのＨ２Ｏ濃度を調整することにより、熱効率を低下させることなく、ＣＯＳの分解処理を促進することができるため、産業上有用である。
本願の出願当初の特許請求の範囲の記載は、以下の通りであった。
請求項１：
ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製するガス精製装置であって、
ＣＯＳ転換触媒を備え、前記ガス中のＣＯＳを加水分解により分解処理するＣＯＳ処理装置と、
前記ＣＯＳ処理装置へ導入する前記ガスのＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ調整手段と
を少なくとも備えるガス精製装置。
請求項２：
前記Ｈ２Ｏ調整手段は、前記ガス中のＣＯＳの分圧をＰＣＯＳ、Ｈ２Ｏの分圧をＰＨ２Ｏ、ＣＯ２の分圧をＰＣＯ２、およびＨ２Ｓの分圧をＰＨ２Ｓとするとき、下記式（１）：
Figure 0006122664
で示される圧平衡定数ＫＰが１≦ＫＰ≦２０となるようにＨ２Ｏ濃度を調整する手段である請求項１記載のガス精製装置。
請求項３：
前記ＣＯＳ処理装置から排出されたガスを水洗浄する少なくとも１つの水洗浄装置と、
前記水洗浄装置から排出される排水を処理する少なくとも１つの排水処理装置と
をさらに備え、
前記Ｈ２Ｏ調整手段は、前記排水処理装置の水を前記ＣＯＳ処理装置へ導入する前記ガスへ混入する手段である請求項１または請求項２記載のガス精製装置。
請求項４：
前記Ｈ２Ｏ調整手段は、水蒸気を前記ＣＯＳ処理装置へ導入する前記ガスへ混入する手段である請求項１〜請求項３のいずれかに記載のガス精製装置。
請求項５：
石炭の水分を除去することにより石炭を乾燥する石炭乾燥装置と、
乾燥した前記石炭をガス化するガス化炉と
をさらに備え、
前記Ｈ２Ｏ調整手段は、前記石炭乾燥装置で前記石炭の水分量を調整する手段である請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガス精製装置。
請求項６：
ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製するガス精製方法であって、
前記ガスのＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ調整工程と、
Ｈ２Ｏ濃度を調整した前記ガス中のＣＯＳを、ＣＯＳ転換触媒を用いて加水分解することにより分解処理するＣＯＳ処理工程と
を少なくとも含むガス精製方法。
請求項７：
前記Ｈ２Ｏ調整工程は、前記ガス中のＣＯＳの分圧をＰＣＯＳ、Ｈ２Ｏの分圧をＰＨ２Ｏ、ＣＯ２の分圧をＰＣＯ２、およびＨ２Ｓの分圧をＰＨ２Ｓとするとき、下記式（１）：
Figure 0006122664
 で示される圧平衡定数ＫＰが１≦ＫＰ≦２０となるようにＨ２Ｏ濃度を調整する工程である請求項６記載のガス精製方法。
請求項８：
ＣＯＳを分解処理したガスを水洗浄する少なくとも１つの水洗浄工程と、
前記水洗浄工程により排出される排水を処理する少なくとも１つの排水処理工程と
をさらに含み、
前記Ｈ２Ｏ調整工程は、前記排水処理工程により処理された水を前記ＣＯＳ処理工程前に前記ガスへ混入する工程である請求項６または請求項７記載のガス精製方法。
請求項９：
前記Ｈ２Ｏ調整工程は、水蒸気を前記ＣＯＳ処理工程前に前記ガスへ混入する工程である請求項６〜請求項８のいずれかに記載のガス精製方法。
請求項１０：
石炭の水分を除去することにより石炭を乾燥する石炭乾燥工程と、
乾燥した前記石炭をガス化するガス化工程と
をさらに含み、
前記Ｈ２Ｏ調整工程は、前記石炭乾燥工程で前記石炭の水分量を調整する工程である請求項６〜請求項９のいずれかに記載のガス精製方法。
１−１ ガス精製プロセス
１−２ ガス精製プロセス
１−３ ガス精製プロセス
１−４ ガス精製プロセス
１−５ ガス精製プロセス
２ 石炭
３ ガス化剤
４ ガス化炉
５ ＣＯＳ処理装置
６ａ、６ｂ 水洗浄塔
７ Ｈ２Ｓ吸収塔
８ 化成品合成
９ 発電装置
１０ａ、１０ｂ 排水処理装置
１１ 導入ライン
１２ａ、１２ｂ 供給ライン
１３ ボイラー
１４ 供給ライン
１５ 蒸気タービン
１６ 排水回収ボイラー
１７ 石炭乾燥装置
１８ 乾燥用排ガス
１９ 水蒸気
２０ ガス精製装置
２１ 集塵装置
２２ 熱交換器
２３ 熱交換器
２４ 吸収液再生塔
２５ 高濃度Ｈ２Ｓ
２６ 測定器
２７ 制御弁
２８ ＣＯＳ転換触媒

Claims (4)

  1. ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製するガス精製装置であって、
    石炭の水分を除去することにより石炭を乾燥する石炭乾燥装置と、
    乾燥した前記石炭をガス化して前記ガスを得るガス化炉と
    ＣＯＳ転換触媒を備え、前記ガス中のＣＯＳを加水分解により分解処理するＣＯＳ処理装置と、
    前記ＣＯＳ処理装置へ導入する前記ガスのＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ調整手段であって、前記石炭乾燥装置で前記石炭の水分量を調整する手段であるＨ２Ｏ調整手段と
    を少なくとも備えるガス精製装置。
  2. 前記Ｈ２Ｏ調整手段は、前記ガス中のＣＯＳの分圧をＰＣＯＳ、Ｈ２Ｏの分圧をＰＨ２Ｏ、ＣＯ２の分圧をＰＣＯ２、およびＨ２Ｓの分圧をＰＨ２Ｓとするとき、下記式（１）：
    Figure 0006122664
    で示される圧平衡定数ＫＰが１≦ＫＰ≦２０となるようにＨ２Ｏ濃度を調整する手段である請求項１記載のガス精製装置。
  3. ＣＯＳ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＨ２Ｓを少なくとも含むガスを精製するガス精製方法であって、
    石炭の水分を除去することにより石炭を乾燥する石炭乾燥工程と、
    前記ガスのＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ調整工程であって、前記石炭乾燥工程で前記石炭の水分量を調整する工程と、
    乾燥した前記石炭をガス化し、前記ガスを得るガス化工程と
    Ｈ２Ｏ濃度を調整した前記ガス中のＣＯＳを、ＣＯＳ転換触媒を用いて加水分解することにより分解処理するＣＯＳ処理工程と
    を少なくとも含むガス精製方法。
  4. 前記Ｈ２Ｏ調整工程は、前記ガス中のＣＯＳの分圧をＰＣＯＳ、Ｈ２Ｏの分圧をＰＨ２Ｏ、ＣＯ２の分圧をＰＣＯ２、およびＨ２Ｓの分圧をＰＨ２Ｓとするとき、下記式（１）：
    Figure 0006122664
    で示される圧平衡定数ＫＰが１≦ＫＰ≦２０となるようにＨ２Ｏ濃度を調整する工程である請求項３記載のガス精製方法。
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