JPH0774343B2

JPH0774343B2 - Ｐｓａによる石炭ガス化方法及び装置

Info

Publication number: JPH0774343B2
Application number: JP1538087A
Authority: JP
Inventors: 森原　　淳; 俊太郎小山; 舜介野北
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-01-26
Filing date: 1987-01-26
Publication date: 1995-08-09
Anticipated expiration: 2010-08-09
Also published as: JPS63183992A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、石炭のガス化方法及び装置に関し、更に詳し
く言えば石炭その他の炭化水素類を、空気分離装置で生
成した搬送ガスで搬送し、同じく空気分離装置で生成し
た石炭ガス化剤と共に石炭ガス化炉に供給し、高温，高
圧下で反応させ可燃性ガスを得る石炭ガス化方法及び石
炭ガス化装置に関する。

〔従来の技術〕

石炭は、豊富な埋蔵量を持つ有用なエネルギー源である
が、固体であり、且つ灰分を多く含有しているため、石
油や天然ガスに比べてその利用分野が限定されている。
しかし、この石炭をガスや液体に転換すれば、利用分野
が大幅に広がり有益なエネルギー源になり得るため、各
国で石炭の流体化技術が開発されている。このような状
況下で、特に石炭ガス化は、次世代の発電方法として注
目されている石炭ガス化複合発電システムの要素機器と
して研究開発が進められている。

石炭ガス化とは、石炭を細かく砕いて酸化剤と共に高温
のガス化炉へ供給し高温の炉内で反応させ部分酸化等の
ガス化反応を起こさせることを言う。これにより一酸化
炭素，水素を主成分とする可燃性ガスを生成させる。

石炭ガス化複合発電システムでは、この石炭ガス化炉で
得られた高温の可燃性ガスの顕熱を熱回収してスチーム
を作りスチームタービンを駆動させ、これと同時にガス
化した可燃性ガスでガスタービンを駆動させるものであ
る。このシステムでは、従来のスチームタービンだけの
場合に比べ発電効率を数％向上させることができる。こ
のような石炭ガス化複合発電システムのような大規模な
需要に対応して石炭ガス化装置も大容量化，高効果率が
進められている。

発電を目的に石炭ガス化を行なう場合、酸化剤として酸
素を用いる酸素ガス化，酸化剤として空気を用いる空気
ガス化という二つのガス化方法に大別することができ
る。このガス化方式の違いによるガス化効率，酸化剤製
造コスト，発電コストを表１に示す。

酸化ガス化では、酸化剤が全て反応するのでガス化炉の
効率が良い。しかし、酸素の製造コストが必要なため発
電コストが高くなる。一方空気ガス化では、酸化剤とし
て反応しない窒素も合わせて供給することになるのでガ
ス化炉の効率が低い。しかし、酸素の製造コストが不要
なため発電コストは安くなる。そこで、従来酸素製造に
用いられていた深冷法（特公昭55−25344号公報）の替
わりにPSA（Pressure Swing Adsorption）を用いれば低
い酸化剤製造コストで、しかも高いガス化効率を得られ
るので空気だけで石英をガス化するシステムと比較して
更に発電コストを低減させ得ると考えられる。このPSA
に関する先行技術として特公昭57−50722号公報等があ
る。

しかし、PSAで酸化剤を生成し石英のガス化をするには
以下に示す問題点があつた。それは、特開昭58−23295
号公報に記載されているように石炭ガス化炉には石炭を
搬送することを目的に純度の非常に高い窒素が必要なこ
とである。これは石炭をガス化炉内に供給する気体に酸
素が含まれると石炭が粉塵爆発し危険であるためであ
る。また、一般に粉体を高圧の炉内へ供給するにはロツ
クホツパーシステムが用いられるが、この方式であると
加圧した気体と粉塵を混合するので、気体に酸素が含ま
れと石炭が粉塵爆発し危険であるためである。

従来の深冷法では酸素と同時に窒素も生成するので、こ
の生成した窒素を用いて石炭搬送用のガスとすれば良か
つた。しかしPSAでは、酸素を生成させたときに廃棄さ
れるガスは空気に比べれば窒素濃度は高いが、酸素濃度
が高く石炭搬送用ガスとして使用することはできない。
結果として石炭搬送用の窒素は別のプラントから持ち込
むか、酸化剤製造用以外に窒素製造用のプラントを作ら
ねばならない（特開昭56−12289号公報）。その結果、
結局プラント全体のコストに影響を及ぼし発電コストを
高くしていた。

ここでPSA、石炭ガス化装置の基本概念を述べる。石炭
ガス化用酸化剤の石炭供給量に対する割合は、最高の冷
ガス効率を与える割合が好ましい。ここで、冷ガス効率
とは、供給した石炭の発熱量に対する生成したガスの発
熱量の割合を表す。石炭ガス化は、一般に部分ガス化反
応を主体とするものであり、下式で示される。

C_nH_m（石炭）＋n/2O₂→nCO＋m/2H₂ ここで石炭は簡単なため灰分等の成分は除外して炭化水
素として表す。上式から石炭中のカーボンが、全て一酸
化炭素となつた場合に最も生成ガスの発熱量が高くなる
と言える。この反応は、発熱反応であるため、外部から
熱を加えなくとも反応は進行する。しかし、空気で石炭
のガス化を行なおうとする場合、一定量の発熱量があつ
ても空気中に含まれる不活性ガスの窒素により薄めら
れ、炉内の温度を上昇させることができず、ガス化反応
速度が遅くなり、ガス化速度を低下させるという欠点が
ある。特に、気流層で石炭のガス化を行なう場合、気流
層の大きな特徴として、石炭中の灰分を溶融させて処理
することがあるが、このためには炉内の温度を灰分の溶
融温度以上に高くする必要があり、上式の部分酸化反応
による発熱量では不充分である。そこで一般に酸素量を
増大させて、上式の反応と並行して下式で示される燃焼
反応を行なわせる。

C_nH_m（石炭）＋（ｎ＋m/4）O₂→nCO₂＋m/2H₂O しかし、この燃焼反応を同時に起こさせると、生成ガス
の発熱量が低下し、冷ガス効率が低下する。そこで酸素
富化空気により空気中に含まれる不活性ガスの窒素量を
減らして高温化することが考えられる。この酸素富化空
気の酸素量は特に気流層においては、炉内の温度を灰分
の溶融温度以上に高くすればよく、高純度酸素の必要は
ない。

石炭搬送用ガスとしては、自然発火の考え方から、少な
くとも酸素濃度が５％以下であることが必要である。ま
た、石炭搬送用ガスの必要量は、石炭の安定搬送条件か
ら窒素供給量／石炭供給量を0.1にすることが最も好ま
しい。

しかし、PSAでは、高圧で特定成分のガスを吸着させ、
低圧で脱着させる。従つて低圧のパージガスでは、前記
した特定成分のガスの濃度が高く、高圧で取り出される
ガスでは特定成分のガス濃度が低い。一般的には空気中
の酸素と窒素を分離するのに、ゼオライト等の吸着剤を
用いて、窒素を吸着させ、酸素の濃度が高いガスを生成
させている。この窒素吸着型，酸素富化空気製造方法に
より得られるガスを表２に示す。

このようにPSAで生産されたガスを、前記した石炭ガス
化に使用するとき、廃棄ガスを石炭搬送用ガスとして使
用することが考えられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、廃棄ガスをそのまま石炭搬送用ガスとして使用
するには、酸素濃度が高く（窒素濃度が低く）、石炭が
自然発火する危険があり不適である。従つて、これを再
度他のPSAに導入して更に酸素濃度を低下させて使用せ
ざるを得ない。この方法では装置が複雑となり、また、
他のPSAに導入することでプラント全体のコストもアツ
プするので好ましくない。また、石炭運送用ガスの量
は、石炭ガス化用酸化剤である酸素富化ガスの４倍も必
要なく、ごく少量でよい。発明者は、PSAの廃棄ガスが
常に一定濃度ではなく、経時変化することに着目した。
PSAの廃棄ガスの経時変化を第２図に示す。PSAの廃棄ガ
スは、脱着操作開始当初は、ほぼ空気と等しい窒素濃度
を示すが、脱着工程が進むにつれ窒素濃度が上昇する。
すなわち、酸化濃度が低下する。これは、脱着操作開始
当初は、塔内の空隙に充満した空気が、排出されるため
であり、脱着工程が進むにつれて吸着工程で吸着剤に吸
着された窒素が脱着され塔内に充満するので酸素濃度が
低下するのである。

本発明の目的は、PSAによつて生成される酸素富化ガス
及び窒素富化ガスを用いて石炭の粉塵爆発のおそれなく
石炭をガス化することのできるPSAによる石炭ガス化方
法及び装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、PSAの窒素脱着操作開始後の酸素濃度が５％
以下に低下した窒素富化ガスを、石炭ガス化炉に石炭そ
の他の炭化水素類を搬送する石炭搬送用ガスとして用い
るものである。

また、他の手段として、空気から窒素ガスを吸着して酸
素富化ガスを生成すると共に窒素脱着操作により窒素富
化ガスを生成する圧力吸着分離装置（PSA）と、このPSA
の窒素富化ガスの出口とバルブを有する連通ライにより
連通され該窒素富化ガスを貯える搬送ガス貯蔵タンク
と、この搬送ガス貯蔵タンク内の石炭搬送用ガスにより
搬送される石炭その他の炭化水素類を貯蔵する石炭貯蔵
ホツパと、搬送された石炭その他の炭化水素類を前記酸
素富化ガスを石炭ガス化用酸化剤としてガス化する石炭
ガス化炉とから構成したものである。

〔作用〕

本発明は、PSAの脱着操作開始初期の塔内の空隙に充満
していた空気を排出させる工程と、脱着操作後期の本来
の脱着工程とを分離し、後者で排出される酸素濃度５％
以下の高濃度窒素ガスを石炭搬送ガスに用いるものであ
る。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図により説明する。PSAの全体
は、窒素の吸脱着塔21及び吸脱着塔22,搬送ガス貯蔵タ
ンク23,石炭貯蔵ホツパ24,石炭ガス化炉26,及び以上の
機器を連通するバルブ等により構成される。

空気１を圧縮して供給する空気圧縮器31の後流の配管は
バルブ11を介して吸脱着塔21の頂部に、バルブ13を介し
て吸脱着塔22の頂部に並行に接続されている。吸脱着塔
21及び吸脱着塔22には、ゼオライト等の窒素を酸素と比
較して選択的に吸着する吸着剤が充填されている。吸脱
着塔21の底部の後流に配管はバルブ15を介して、また、
吸脱着塔22の底部の後流の配管はバルブ16を介して並行
にガス化剤圧縮器33に接続されている。ガス化剤圧縮器
33の後流の配管は、石炭ガス化炉26に取り付けられた石
炭バーナー25に接続されている。吸脱着塔21の頂部の後
流の配管は、バルブ12を介して、また、吸脱着塔22の頂
部の後流の配管は、バルブ14を介して合流される。更に
合流した後の配管は、バルブ17を介して低酸素濃度ガス
の利用施設３に、及びバルブ18を介して搬送ガス圧縮器
32に接続される。搬送ガス圧縮器32の後流配管は、搬送
ガス貯蔵タンク23に接続され、搬送ガス貯蔵タンク23の
後流配管は、バルブ19を介して石炭バーナ25に、また、
バルブ41を介して石炭ホツパ21に接続されている。石炭
ホツパ21の後流配管は、ロータリーバルブ40及びバルブ
10を介して石炭バーナ25に接続されている。

次に以上のような構成の本実施例での動作を詳細に述べ
る。まず、バルブ11〜16の開閉方法を表３に示す。

表より明らかなように、吸脱着塔21が吸着状態の時、吸
脱着塔22は脱着状態にあり、吸脱着塔22が吸着状態の
時、吸脱着塔21は脱着状態にある。以下に、吸脱着塔21
が吸着状態にある時について述べる。

空気１は空気圧縮器31で加圧され、バルブ11を介して吸
脱着塔21の頂部に送られる。吸脱着塔21では窒素が酸素
と比較して選択的に吸着される。従つて吸脱着塔21の底
部より出るガスは、空気と比較して酸素濃度が高い酸素
富化ガスとして排出される。この酸素富化ガスは、ガス
化剤圧縮器33で加圧され、石炭バーナ25に送られる。
尚、吸脱着塔21が脱着状態にある時は、吸脱着塔22が以
上の動作を同様に行なう。

吸脱着塔21が以上の動作を行なつている時、吸脱着塔22
では脱着操作が行なわれる。脱着操作における排出ガス
の窒素濃度の経時変化を第２図に示す。

吸脱着塔22の頂部より塔内ガスを排出するとき、供給す
る空気１と同じ方向から排出することになる等の理由で
窒素ガスの脱着初期には、ほぼ空気と同様な組成のガス
が得られる。更に塔内ガスの排出が進むと、塔内の圧力
が低下し、吸着剤に吸着されていた窒素の脱着が行なわ
れる。その結果、吸脱着塔22の頂部より排出されたガス
の窒素濃度が増大する。以上のような傾向を第２図は示
している。本発明ではこの事実を利用して、この吸脱着
塔22の頂部より排出された窒素ガスを石炭ガス化炉26の
石炭搬送用ガスとして利用しようとするものである。

石炭搬送に使用する石炭搬送用ガスは、石炭と反応させ
ないために少なくとも酸素濃度を５％以下すなわち窒素
濃度を95％以上にする必要があることは前述した。ま
た、石炭ガス化用酸化剤として使用するガス量と比較し
て、石炭搬送に使用する石炭搬送用ガスの量は、非常に
少量で良いことも既に述べた。そこで、第２図におい
て、領域Ａで排出された窒素濃度が95％以下の窒素ガス
は、例えば脱硫装置の再生に使用し、領域Ｂで排出され
た窒素濃度が95％以上のガスを直接石炭搬送用ガスに利
用する。

すなわち、第２図の領域Ａではバルブ17を開放してバル
ブ18を閉めることで窒素濃度が95％以下の窒素ガスを取
り出して利用し、第２図の領域Ｂではバルブ18を開放し
てバルブ17を閉め、かつ搬送ガス圧縮器31を駆動させる
ことで窒素濃度が95％以上の石炭搬送用ガスとして利用
する。バルブ17及び18の開閉制御はマニユアルでも良い
し、特定のガス濃度を検出して自動制御するものでもよ
い。

この石炭搬送用ガスは、連続的には生産されないので、
搬送ガス貯蔵タンク23で一旦溜めておきバルブ41を介し
て供給量を調整しながら石炭貯蔵ホツパ24へ、バルブ19
を介して供給量を調製しながら石炭貯蔵ホツパ24へ、バ
ルブ19を介して供給量を調整しながら石炭ガス化炉26へ
供給される。石炭ガス化炉26では、供給された石炭２を
効率よくガス化し可燃性のガス４を製造する。

本実施例によれば、石炭搬送用ガスを高圧化するのに使
用する圧縮器と、脱着操作で用いる真空ポンプを搬送ガ
ス圧縮器32で兼ねられるため、装置全体を簡略化できる
と共に、システム全体のコストを低減できる。

第３図は、本発明を石炭ガス化発電システムに採用した
実施例を示す。石炭ガス化複合発電システムは、第１図
の実施例に示した機器に加えて、ガス精製塔27,燃焼器5
1,ガスタービン52,スチームタービン54,熱交換器53,空
気圧縮器55,発電機56より構成される。

石炭ガス化炉26で生成された可燃性ガス４はガス精製塔
27に送られて硫黄分と灰分が除かれる。精製された可燃
性ガス４は、燃焼器51へ送られて、空気圧縮器55よりバ
ルブ62を介して流量が調整された空気により燃焼器51で
燃焼される。この燃焼によりガスタービン52を駆動させ
る。更に、この燃焼排ガスから熱交換器53により熱エネ
ルギーをスチーム７として回収し、スチームタービン54
を駆動させる。ガスタービン52,スチームタービン54,発
電機56、及び空気圧縮器55は連動しており、ガスタービ
ン52,スチームタービン54で得られたエネルギーの一部
は、空気圧縮器55の駆動動力として使用され、その他は
発電機56に伝えられ電気エネルギーに変換される。

空気圧縮器55により加圧された空気は、バルブ61により
流量が調整された後、吸脱着塔21,22に送られて高濃度
酸素、及び窒素に分離され石炭ガス化に用いられる。

第４図は第２実施例を示す。本実施例の基本構成は、前
記第１実施例と同様である。相違点は、吸脱着21,22の
脱着操作を、真空状態で行なうために、真空ポンプ34を
バルブ17より後流側に設けた点である。

本実施例によれば、真空状態で脱着を行なうので、吸着
剤を優れた特性で使用でき、分離効率を向上させること
ができる。通常、吸着剤は低圧レベルで脱着するものが
ほとんどであるからである。

第５図は、高圧での吸着脱着性能に優れた吸着剤を用い
た場合の実施例を示す。

現在は、PSAで生成したガスを常圧で使用するので、常
圧状態で優れた性能を示す吸着剤が一般的である。しか
し、石炭ガス化は高圧状態での酸化剤等のガスを必要と
するので、高圧での吸着脱着性能に優れた吸着剤が利用
されることも考えられる。その場合には、吸脱着塔21,2
2の操作圧力を、石炭搬送用ガスの圧力にすることが可
能である。そうすれば、第１実施例の第３図に示したよ
うな搬送ガス圧縮器32,ガス化剤圧縮器33を設置する必
要がなくなる。但し、石炭ガス化酸化剤の必要圧力と石
炭搬送用ガスの必要圧力は異なつており、圧力調節弁70
を設置する。

本実施例によれば、搬送ガス圧縮器32,ガス化剤圧縮器3
3を設置する必要がなくなるので、装置が単純化でき、
また、吸脱着塔21,22の操作圧力を高圧にできるので、
吸脱着塔21,22の大きさを小型化できる。

〔発明の効果〕

本発明方法によれば、PSAにより生成される窒息富化ガ
スを酸素濃度５％以下で利用するので石炭の粉塵爆発の
おそれなく石炭搬送用ガスとして用いることができ、別
に石炭搬送用ガスを生成する装置を設ける必要がない。

また、本発明装置によれば、PSAをそのまま利用できる
ので石炭ガス化装置全体の構造が単純化でき、しかも大
型化しない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成図、第２図は吸着剤
の特性における本実施例の操作範囲を示す説明図、第３
図は第１実施例に発電プラントを組み合わせた構成図、
第４図は第２実施例の構成図、第５図は第３実施例の構
成図を示す。 21……吸脱着塔、22……吸脱着塔、23……搬送ガス貯蔵
タンク、24……石炭貯蔵ホツパ、25……石炭バーナ、26
……石炭ガス化炉、27……ガス精製塔、31……空気圧縮
器、32……搬送ガス圧縮器、33……ガス化剤圧縮器、34
……真空ポンプ、51……燃焼器、52……ガスタービン、
53……熱交換器、54……スチームタービン、55……空気
圧縮器、70……圧力調節弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ１０Ｊ 3/72 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力吸着分離装置（PSA）で空気から窒素
ガスを吸着して酸素富化ガスを生成し、この酸素富化ガ
スを石炭ガス化用酸化剤として石炭その他の炭化水素類
をガス化するPSAによる石炭ガス化方法において、前記P
SAの窒素脱着操作開始後の酸素濃度が５％下に低下した
窒素富化ガスを、石炭ガス化炉に石炭その他の炭化水素
類を搬送する石炭搬送用ガスとして用いることを特徴す
るPSAによる石炭ガス化方法。
【請求項２】空気から窒素ガスを吸着して酸素富化ガス
を生成すると共に窒素脱着操作により窒素富化ガスを生
成する圧力吸着分離装置（PSA）と、このPSAの窒素富化
ガスの出口とバルブを有する連通ラインにより連通され
該窒素富化ガスを貯える搬送ガス貯蔵タンクと、この搬
送ガス貯蔵タンク内の石炭搬送用ガスにより搬送される
石炭その他の炭化水素類を貯蔵する石炭貯蔵ホツパと、
搬送された石炭その他の炭化水素類を前記酸素富化ガス
を石炭ガス化用酸化剤としてガス化する石炭ガス化炉と
からなるPSAによる石炭ガス化装置。
【請求項３】特許請求の範囲第２項において、連通ライ
ンを分岐させて設けた排気ラインに真空ポンプを設けた
PSAによる石炭ガス化装置。