JPH06264073A - 石炭ガス化装置 - Google Patents

石炭ガス化装置

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JPH06264073A
JPH06264073A JP5053827A JP5382793A JPH06264073A JP H06264073 A JPH06264073 A JP H06264073A JP 5053827 A JP5053827 A JP 5053827A JP 5382793 A JP5382793 A JP 5382793A JP H06264073 A JPH06264073 A JP H06264073A
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furnace
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char
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祐一 藤岡
Kimiyo Tokuda
君代 徳田
Fumiya Nakajima
文也 中島
Shigeyasu Ishigami
重泰 石神
Toshimitsu Ichinose
利光 一ノ瀬
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  • Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)
  • Industrial Gases (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 石炭が有する化学エネルギーを効果的に利用
し、かつ、ガス化ガス中の硫黄成分濃度を低下させうる
石炭ガス化装置を提供する。 【構成】 石炭ガス化炉1から出たガス化ガス700aは石
灰石流動層を形成する脱硫炉2に導かれる。脱硫炉2内
は内部分散板22によって上下部流動層2B,2Aに分けられ
ている。石炭ガス化炉1からのチャー101 はホッパ70a
〜 74aを経て圧力を高められて酸化炉3へ供給される。
脱硫炉2から出るCaS 等401 もホッパ70b 〜 74bを経て
圧力を高められて酸化炉3へ供給される。酸化炉3では
チャー101 とCaS 等401 が空気201 と水蒸気300 により
酸化され発生した熱は酸化炉3内の熱交換器4によって
回収される。酸化炉からの燃焼ガスはサイクロン6を経
て石炭ガス化炉1へ導かれる。図中10a ,10b ,10c ,
10d はイナートガスを使った流量調整部である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は石炭をガス化して石炭ガ
ス化ガスを得る装置に関する。
【0002】
【従来の技術】石炭は埋蔵量の多さと、その埋蔵量の偏
在性が世界的に小さいことから発電用の燃料として今後
とも重要であるが、石炭発電所からのSOX ,NOX ,CO2
等の地球環境に悪影響を与える物質の排出量を低減さ
せ、かつ発電効率を向上させる必要がある。そのため
に、従来の微粉炭ボイラにかわる石炭ガス化発電装置や
加圧流動層燃焼ボイラ発電装置が開発されている。それ
ら開発中の発電装置の一つとして、流動層石炭ガス化炉
を用いた発電装置がある。その従来例を図3に示す。
【0003】この従来例は、本発明者らが開発を実施し
ていた流動層石炭ガス化炉である。その開発に関しては
三菱重工技報のVol.22 No.3 の1〜7頁に報告してい
る。図3に沿って、その従来例を説明する。石炭100 と
石炭の搬送空気200 は、石炭ガス化炉1へ供給される。
石炭ガス化炉1では、石炭とチャーが流動層1Aの流動化
粒子となり、ガス分散板11を通して導入される下段ガス
化炉9のガス化ガス700dと石炭の搬送空気200 により流
動化されて流動層1Aが形成されている。石炭100 が流動
層1Aにおいてガス化される。
【0004】石炭ガス化炉1から発生したガス化ガス70
0aはサイクロン5により脱塵される。脱塵後のガス化ガ
ス700bは後流のガス精製装置(図示せず。)へ送られ
る。石炭ガス化炉1でガス化されなかったチャー101
は、石炭ガス化炉1から抜き出されてチャー移送装置76
へ移送される。サイクロン5により回収されたチャー10
2 はチャー移送装置77に移送される。
【0005】チャー移送装置76により、重力とイナート
ガス500eの作用によりチャー101 は下段ガス化炉9へ供
給される。チャー移送装置77により、チャー102 は空気
203に気流搬送されて下段ガス化炉9へ供給される。下
段ガス化炉9には、空気201 と水蒸気300 がガス分散板
31を通して供給される。空気201 と水蒸気300 により、
チャーが流動化され、流動層9Aにおいてチャーがガス化
され、可燃のガス化ガス700dと排出灰901 に転換され
る。
【0006】以上説明した従来技術の第一の問題点は、
石炭の有する化学エネルギーの利用効率が低いことであ
る。石炭の持つ化学エネルギーの内、石炭ガス化炉1お
よび下段ガス化炉9でガス化されずに系外に排出された
チャー901 および石炭ガス化ガス700bに随伴されて系外
へ持ち出される未燃炭素の割合が大きかった。従来の技
術の第二の問題点は、脱硫のために石炭ガス化ガス700b
の温度を低下させる必要があり、この温度低下がエネル
ギーロスとなっていたことである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、石炭の有す
る化学エネルギーをガスの顕熱に効率的に変化させて火
力プラントで利用することができるようにした高効率の
石炭ガス化装置を提供することを課題としている。ま
た、本発明はSOX , NOX , CO2 などの排出量が少い石炭
ガス化炉を提供することも課題としている。更に、本発
明は石炭ガス化炉を出た石炭ガス化ガスが導かれる脱硫
装置を上下流動層に分割しそれぞれの流動層を最適条件
に制御して石炭ガス化ガス中の硫黄化合物を効果的に固
定することができるようにした石炭ガス化装置を提供す
ることも課題としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
(未燃炭素の減少)本発明による石炭ガス化装置では、
石炭ガス化炉からチャーの供給を受けてチャー中の未燃
分を酸化すると共に脱硫炉から脱硫剤の供給を受けて脱
硫剤中のCaS をCaSO4 へ転換し、これら酸化反応によっ
て生じた熱で流体を加熱する熱交換器を備え、燃焼ガス
を石炭ガス化炉へ燃焼ガスとして供給する酸化炉を設け
ている。この酸化炉では、未燃炭素を減少させるため
に、空気比1以上で運転できるように、炉内に熱交換器
を設置し、流動層の温度を流動層粒子が軟化し、粒子同
士の付着による造粒が生じないような温度以下に制御し
ながら、ガス化炉で発生したチャーを燃焼させ、チャー
の保有しているエネルギーを有効に回収する。
【0009】(ガス化ガスを冷却せずに脱硫)本発明に
よる石炭ガス化装置では、ガス化ガスの脱硫を石炭ガス
化ガス温度をあまり低下させずに行えるように、石灰石
を脱硫剤とした脱硫炉を石炭ガス化炉の後流に設置して
いる。すなわち、本発明による石炭ガス化装置において
は、石灰石の供給を受け同石灰石を流動化用の粒子と
し、ガス化炉から供給される石炭ガス化ガスを流動化用
のガスとして流動層を形成し同石炭ガス化ガス中の硫黄
化合物をCaS として固定する脱硫炉を設けている。
【0010】更にまた、本発明による石炭ガス化装置で
は次の構成をもつ脱硫炉も採用する。すなわち、脱硫炉
として、石灰石の流動層を形成させるガス分散板と、同
流動層内に配設され同流動層内の粒子の動きを制限し同
流動層を上段流動層と下段流動層に分割する内部分散板
とを有し、前記上段流動層には熱交換器が配設されて同
上段流動層の温度が800 °〜900 ℃に保たれると共に前
記石灰石が供給され、前記下段流動層には前記ガス分散
板を経て石炭ガス化炉から石炭ガス化ガスが供給されて
同下段流動層の温度が900 °〜1000℃に保たれる。
【0011】
【作用】
(未燃炭素の減少)本発明による石炭ガス化装置では前
記したように酸化炉を設置しており、この酸化炉を酸化
雰囲気として石炭ガス化炉から出るチャーを燃焼させる
ことにより、石炭ガス化炉で発生したチャー中の未燃分
を完全にガスに転換することが可能となり、石炭ガス化
ガスに随伴して系外に持ち出される未燃分と、この酸化
炉の下部から抜き出される灰中の未燃分の濃度を極めて
小さな値とすることが可能となった。
【0012】(ガス化ガスを冷却せずに脱硫)石灰石と
H2S およびCOS の反応は、石灰石からCO2 が抜けていく
カルシネーション反応を併発させてやることにより、石
灰石からCaS への反応率を向上させることができる。石
炭ガス化ガスをガスタービンコンバインド発電用に使用
する場合は、ガス化炉の圧力は10〜30Kg/cm2の圧力が選
定されるが、そのような場合の脱硫温度は、900 〜1050
℃が適当である。この温度は、流動層石炭ガス化炉の運
用温度とほぼ同じ温度となり、石炭ガス化ガスを冷却な
しで脱硫炉へ導入して、ガス化ガスの脱硫が可能とな
る。本発明による石炭ガス化装置においては、前記した
ように石灰石の流動層による脱硫炉を用いており、石灰
石の滞留時間は、石灰石の流動層高さを調整することに
より調整可能であり、石灰石がCaS へ転換する反応が完
了する、任意の石灰石の滞留時間を確保することが可能
となる。
【0013】なお、本発明によって脱硫炉内の流動層を
内部分散板によって上下段に分割し、上段流動層には熱
交換器が配設されて800 °〜900 ℃に保たれると共に石
灰石が供給され、下段流動層にはガス分散板を経て石炭
ガス化炉から石炭ガス化ガスが供給されて900 °〜1000
℃に保たれている構成を採用したものでは、上段流動層
では石灰石の粒子の表面付近で未反応の石灰石とH2S ,
COS が反応し、ガス中のH2S ,COS が石灰石表面に固定
される。
【0014】表面がCaS となった石灰石の粒子は下段流
動層へ移動し、流動層温度が900 〜1000℃となり、石灰
石中のCaSO3 がCaO とCO2 に分解する反応が生じ、石灰
石粒子内部からCO2 が放出される際に石灰石の反応有効
面積が増加し、H2S とCOS が石灰石内部にCaS として固
定される。下段流動層の温度を900 〜1000℃とすること
で、CaCO3 がCaO とCO2 になる反応速度と、脱硫反応速
度をほぼ等速度とすることが可能となり、石灰石重量あ
たりのCaS 生成重量を増大させることができる。上記の
CaCO3 がCaO とCO2 になる反応速度はCO2 分圧に影響さ
れるので、温度によりCaCO3 がCaO とCO2 となる反応速
度の微調整が可能となる。
【0015】下段流動層でガス化ガス中のH2S とCOS の
濃度が低下するが、石灰石とH2S の反応平衡から図2に
示すように、温度が高いほど反応平衡上ガス中のH2S 濃
度は高くなる。下段流動層で反応平衡上のガス中のH2S
濃度に近い値となった後、上段流動層で未反応の石灰石
と下段流動層よりも低い温度で反応することにより、更
にH2S 濃度を低減することが可能となる。
【0016】(発電効率向上)本発明による石炭ガス化
装置により生成されるガス化ガスをガスタービンコンバ
インドサイクル発電装置用に使用する場合、本発明によ
る石炭ガス化装置で採用している酸化炉内に配設された
熱交換器に供給する流体としては水蒸気と加圧空気の2
ケースが考えられる。即ち、酸化炉の熱交換器に水蒸気
を供給し、その水蒸気によりスチームタービンを駆動さ
せ発電する場合と、酸化炉の熱交換器に空気圧縮器から
発生する加圧空気を供給して加圧空気の温度を上昇させ
て、その加圧空気をガスタービンのガス燃焼器に供給し
その燃焼ガスをガスタービンに供給することにより、ガ
スタービンの発電出力を増加させる場合であるが、いづ
れの場合も発電効率を向上させることが可能になる。
【0017】(脱硫率の向上(酸化炉ガスの脱硫))本
発明による石炭ガス化装置で採用している酸化炉では脱
硫炉から出るCaS をO2と反応させてCaSO4 とする次の反
応が生じる。
【0018】
【数1】
【0019】その副反応として次の反応が生じる。
【0020】
【数2】
【0021】上記(2)の反応により発生したSO2 は、
酸化炉流動層内でCaO と反応して上記(1)の反応でCa
SO4 として固定されるが、CaO と接触するチャンスが無
いまヽこの酸化炉から石炭ガス化炉へ燃焼ガス中のSO2
として供給されても、石炭ガス化炉でSO2 がH2S に転換
され、石灰石中にCaS として固定される。
【0022】
【実施例】以下、本発明による石炭ガス化装置を図1に
示す一実施例に基づいて具体的に説明する。石炭ガス化
炉1に石炭100 と加圧空気200 を供給する。石炭ガス化
炉1において石炭100 が加圧空気200 中の酸素とガス化
炉分散板11を通して導入される酸化炉3の燃焼ガス600d
によりガス化され、ガス化ガス700aと、チャー101 に転
換される。
【0023】粒子流量調整部10a は、配管内にイナート
ガス500aが供給される。そのイナートガス500aは断続的
に供給され、イナートガス500aが供給された場合は、配
管内粒子は流動化し、イナートガス500aが供給されない
場合は固定層となる。粒子が流動化している時に、ガス
化炉1からホッパ 70aへ粒子が移送される。チャー101
は、イナートガス500aの供給量とその断続させる時間に
より、排出量を制御してホッパ 70aへ抜き出す量を制御
する。
【0024】ガス化ガス700aはサイクロン5により脱塵
される。サイクロン5により脱塵された粒子は粒子流量
調整部10b を通して、イナートガス500bでサイクロン5
の下部から流動層1A内にリサイクルする。脱塵後のガス
化ガス700bは脱硫炉2へ分散板21を通して供給される。
脱硫炉2において石灰石400 の流動層が形成され、ガス
化ガス700bは、その流動層の流動化ガスの役目を果た
す。
【0025】脱硫炉2は上部流動層2Bと下部流動層2Aに
内部分散板22で分割されている。石灰石400 は、上部流
動層2Bへ供給される。内部分散板22は流動層の断面積
を、その部分だけ50%以下にせばめており、上部流動層
2Bと下部流動層2Aの粒子混合を制限している。上部流動
層2B内には冷却器23が設置されており、これによる粒子
とガスの冷却と、内部分散板22の上部流動層2Bの粒子と
下部流動層2Aの粒子の混合量の制御により、上部流動層
2Bの温度は800 〜900 ℃に、下部流動層2Aの温度は950
℃に保たれる。石灰石400 とガス化ガス700b中のH2S と
COS が反応し、石灰石400 の一部がCaS に転換される。
脱硫後のガス化ガス700cは脱塵装置( 図示せず。) へ送
られる。
【0026】脱硫炉2から抜き出す脱硫剤401 は、イナ
ートガス500cを用いた粒子流量調整部10c により、その
抜き出し量を調整されながら抜き出される。石炭ガス化
炉1で生成したチャー101 は、ホッパ 70aに受け入れら
れ、ホッパ72a が加圧中の場合はホッパ72a の圧力がホ
ッパ70a と同圧となるまでチャー101はホッパ 70aの中
に蓄えられ、ホッパ 70aとホッパ72a が同圧となった
ら、バルブ71a が開かれ、チャー101 は、ホッパ72a へ
落下する。次にバルブ71a が閉じられ、ホッパ72a は加
圧され、ホッパ74a と同圧となったらバルブ73a が開か
れチャー101 はホッパ74a に落下する。ホッパ74a 内の
チャー101 はロータリーフィーダ75a により、酸化炉3
へ定量供給される。
【0027】脱硫炉2で生成したCaS を含む石灰石は、
チャー101 と同様にして、ホッパ70b ,72b, 74b とバ
ルブ71b , 73b とロータリーフィーダ75b を使用して酸
化炉3へ供給される。酸化炉3では、主として脱硫剤に
より流動層が形成される。チャー101 と、石灰石401 と
サイクロン6により回収され、イナートガス500dを用い
た粒子流量調整部10d を通して粒子402 が流動層3Aへ供
給される。流動層3Aは、炉底から分散板31を通して供給
された空気201 と水蒸気300 により流動化される。流動
層3Aでは、チャーは燃焼反応により速やかにガスと灰分
に転換され、それに対して石灰石中のCaS はゆっくりと
CaSO4 に転換されるので、流動層3Aの流動化粒子は、脱
硫剤が主体となる。
【0028】酸化炉3のフリーボードには流体202 を流
す熱交換器4が設置され、流動層3Aから舞い上がってく
る粒子およびガスの熱を吸収することにより流動層3Aの
温度をCaS をCaSO4 とする反応が生じ、副反応で生じた
SO2 をCaO と反応させてCaSO 4 とする反応が進行し、か
つ灰や脱硫剤が軟化してアグロメが生じない温度であ
る、850 〜1050℃の範囲に制御される。酸化炉3からサ
イクロン6へは、2本の配管で連結されており、一本は
酸化炉3の頂部すなわち熱交換器4の上部付近の位置か
ら、他方は熱交換器4の下部と同じ高さの位置から配管
が設置されている。これは、その配管の片方に取りつけ
られたバルブ8により、熱交換器4の上部からサイクロ
ン6へ移送する燃焼ガス600aと熱交換器4の下部からサ
イクロン6へ移送する燃焼ガス600bの量を調整すること
により、ガス化炉1に供給する燃焼ガス600dの温度を調
整するためである。酸化炉3からの燃焼ガスは合わさっ
て600cとなりサイクロン6へ流れる。
【0029】石炭中の灰および脱硫後の石灰石は酸化炉
3の炉底から、排出灰900 として、あるいはサイクロン
6の下部より排出灰901 として本装置外へ排出される。
以上、本発明を図示した実施例に基づいて具体的に説明
したが、本発明がこれらの実施例に限定されず特許請求
の範囲に示す本発明の範囲内で、その形状、構造に種々
の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【0030】
【発明の効果】本発明による石炭ガス化装置において
は、ガス化炉からチャーの供給を受けてチャー中の未燃
分を酸化すると共に脱硫炉から脱硫剤の供給を受けて脱
硫剤中のCaS をCaSO4 へ転換し、これら酸化反応によっ
て生じた熱で流体を加熱する熱交換器を備え、燃焼ガス
を前記ガス化炉へ前記燃焼ガスとして供給する酸化炉を
用いているので、石炭ガス化炉から排出されるチャー
等、石炭の有する化学エネルギーを熱交換器で十分回収
することができる。例えば、本発明の石炭ガス化装置に
おける石炭ガス化炉をガスタービンコンバインドサイク
ル発電用の石炭ガス化炉として用い、酸化炉の熱交換器
に加圧空気を供給し、その加圧空気をガスタービンのガ
ス燃焼器へ供給するように構成することにより、石炭の
有する化学エネルギーを全量ガスタービンへ供給するガ
スの顕熱へ転換することが可能な石炭ガス化ガスタービ
ンコンバインドサイクル発電装置を構成することが可能
となり高効率発電を行うことができる。
【0031】また、本発明による石炭ガス化装置では、
石灰石の供給を受け同石灰石を流動化用の粒子としガス
化炉から供給される石炭ガス化ガスを流動化用のガスと
して流動層を形成し同石炭ガス化ガス中の硫黄化合物を
CaS として固定する脱硫炉を採用しているので石炭ガス
化炉の発生する石炭ガス化ガスをこの脱硫炉における石
灰石の流動層に通すことにより、ガス化ガス中のH2S と
COS 濃度の和を、次の式の化学平衡濃度まで低減させる
ことが可能となる。
【0032】
【数3】
【0033】上記反応のH2S の化学平衡濃度と水蒸気濃
度の関係は図2に示したとおりである。上記に加え、本
発明に基づいて、脱硫炉の流動層内に内部分散板を配設
して同流動層内の粒子の動きを制限し同流動層を上段流
動層と下段流動層に分割し上段流動層には熱交換器を配
設して、800 °〜900 ℃に保つと共に、下段流動層には
石炭ガス化炉から石炭ガス化ガスを供給して900 °〜10
00℃に保つようにすれば、石炭ガス化ガス中の硫黄化合
物を効果的にCaS として固定して除去できるものとな
る。
【0034】以上のとおり、本発明のシステム構成とす
ることにより、酸化炉で発生するSO 2 濃度を抑制するこ
とが可能となり、上述の石炭ガス化ガスのH2S 濃度の低
減が可能となる。以上のように本発明は、経済的で、か
つ、SOX , NOX , CO2 の排出量の少ない高効率な石炭ガ
ス化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る石炭ガス化装置の構成
を示す機器配置図。
【図2】脱硫後のH2S 濃度とガス化ガス中の水分濃度の
関係を示す線図。
【図3】従来の流動層石炭ガス化炉を示す機器配置図。
【符号の説明】
1 ガス化炉 1A ガス化炉流動層 11 ガス化炉分散板 100 石炭 101 チャー 10a ガス化炉チャー用粒子流量
調整部 10b サイクロンチャー用粒子流
量調整部 10c 脱硫剤用粒子流量調整部 2 脱硫炉 2A 脱硫炉下部流動層 2B 脱硫炉上部流動層 21 脱硫炉分散板 22 内部分散板 23 熱交換器 200 , 201 空気 202 流体(空気又はスチーム) 203 空気 3 酸化炉 3A 酸化炉流動層 300 水蒸気 31 分散板 4 熱交換器 400 石灰石 401 脱硫炉で反応した石灰石 5 ガス化炉サイクロン 6 酸化炉サイクロン 500a,500b,500c,500d イナートガス 600a,600b,600c,600d 燃焼ガス 70a,70b,72a,72b,74a,74b ホッパ 71a,71b,73a,73b バルブ 75a ,75b ロータリーバルブ 76,77 粒子移送装置 700a,700b,700c,700d 石炭ガス化ガス 8 流量調整バルブ 9 下段ガス化炉 9A 下段ガス化炉流動層 900,901 排出灰
フロントページの続き (72)発明者 石神 重泰 東京都千代田区丸の内二丁目5番1号 三 菱重工業株式会社内 (72)発明者 一ノ瀬 利光 長崎市深堀町5丁目717番1号 三菱重工 業株式会社長崎研究所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 石炭、空気及び燃焼ガスの供給を受けて
    石炭及びその生成チャーを流動化粒子とし、前記燃焼ガ
    スと空気を流動化用のガスとして流動層を形成し石炭を
    石炭ガス化ガスとチャーへ転換するガス化炉、石灰石の
    供給を受け同石灰石を流動化用の粒子とし、前記ガス化
    炉1から供給される石炭ガス化ガスを流動化用のガスと
    して流動層を形成し同石炭ガス化ガス中の硫黄化合物を
    CaS として固定する脱硫炉、前記ガス化炉からチャーの
    供給を受けてチャー中の未燃分を酸化すると共に前記脱
    硫炉から脱硫剤の供給を受けて脱硫剤中のCaS をCaSO4
    へ転換し、これら酸化反応によって生じた熱で流体を加
    熱する熱交換器を備え、燃焼ガスを前記ガス化炉へ前記
    燃焼ガスとして供給する酸化炉、前記ガス化炉と、前記
    酸化炉に連結され同ガス化炉からチャーを受入れて同酸
    化炉の圧力まで昇圧してチャーを同酸化炉に移送するチ
    ャー移送装置、および前記脱硫炉と前記酸化炉に連結さ
    れ同脱硫炉から脱硫剤を受入れて同酸化炉の圧力まで昇
    圧して脱硫剤を同酸化炉に移送する脱硫剤移送装置を有
    することを特徴とする石炭ガス化装置。
  2. 【請求項2】 前記脱硫炉が前記石灰石の流動層を形成
    させるガス分散板と、同流動層内に配設され同流動層内
    の粒子の動きを制限し同流動層を上段流動層と下段流動
    層に分割する内部分散板とを有し、前記上段流動層には
    熱交換器が配設されて、同上段流動層の温度が 800°〜
    900℃に保たれると共に前記石灰石が供給され、前記下
    段流動層には前記ガス分散板を経て前記石炭ガス化炉か
    ら石炭ガス化ガスが供給されて同下段流動層の温度が90
    0 °〜1000℃に保たれていることを特徴とする請求項1
    記載の石炭ガス化装置。
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