(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯとＨ２Ｏを主成分とするガスを導入して、ＣＯ２とＨ２とするＣＯシフト反応器を備えたＣＯ２分離回収装置において、
前記ＣＯシフト反応器の入り口側に設けられた入口弁と、前記ＣＯシフト反応器の出口側に設けられた出口弁と、前記入口弁の前段に高温蒸気を与えるための蒸気制御弁と、前記ＣＯシフト反応器に流入する流体のガス組成を検知するガス組成分析器とを備え、
前記ガス組成分析器の分析結果から求めたＣＯとＨ２Ｏのモル量差により前記蒸気制御弁を制御し、
前記ＣＯシフト反応器の触媒槽温度からＣＯシフト反応器の入口弁と、出口弁を制御することを特徴とするＣＯ２分離回収装置。
【請求項２】
請求項１記載のＣＯ２分離回収装置において、
前記ＣＯシフト反応器の触媒槽温度で定まるエネルギーが、その上下限エネルギーを逸脱するときにＣＯシフト反応器の入口弁と、出口弁を制御することを特徴とするＣＯ２分離回収装置。
【請求項３】
請求項２記載のＣＯ２分離回収装置において、
前記ガス組成分析器の分析結果から求めたＣＯモル量と、触媒反応必要温度エネルギーから前記ＣＯシフト反応器内の触媒反応必要温度エネルギー総量を求め、前記触媒槽温度で定まるエネルギーが、前記触媒反応必要温度エネルギー総量を下回るときに、入口弁を開制御すると同時に、出口弁を閉制御し、前記ＣＯシフト反応器内を加圧状態として、触媒槽温度を上げることを特徴とするＣＯ２分離回収装置。
【請求項４】
請求項２記載のＣＯ２分離回収装置において、
前記触媒槽温度で定まるエネルギーが、触媒反応阻害温度エネルギーを上回るときに入口弁を開制御すると同時に、出口弁を開制御して、反応器内を減圧状態として、触媒槽温度を下げることを特徴とするＣＯ２分離回収装置。
【請求項５】
請求項２記載のＣＯ２分離回収装置において、
前記ガス組成分析器の分析結果から求めたＣＯモル量と、触媒反応必要温度エネルギーから前記ＣＯシフト反応器内の触媒反応必要温度エネルギー総量を求め、前記触媒槽温度で定まるエネルギーが、前記触媒反応必要温度エネルギー総量を下回るときに、入口弁を開制御すると同時に、出口弁を閉制御し、前記ＣＯシフト反応器内を加圧状態として、触媒槽温度を上げ、
前記触媒槽温度で定まるエネルギーが、触媒反応阻害温度エネルギーを上回るときに入口弁を開制御すると同時に、出口弁を開制御して、反応器内を減圧状態として、触媒槽温度を下げることを特徴とするＣＯ２分離回収装置。
【請求項６】
蒸気タービンとガスタービンを用いたコンバインドサイクルプラントと、微粉炭をガス化し、前記コンバインドサイクルプラントのガスタービン燃焼器に燃料ガスとして与える石炭ガス化プラントと、石炭ガス化プラントの排出するＣＯとＨ２Ｏを主成分とするガスを導入してＣＯ２とＨ２とするＣＯシフト反応器を備えたＣＯ２分離回収装置から構成された、ＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントにおいて、
前記ＣＯシフト反応器の石炭ガス化プラント側に設けられた入口弁と、前記ＣＯシフト反応器の出口側に設けられた出口弁と、前記入口弁の前段に前記蒸気タービンからの抽気を与えるための抽気制御弁と、前記ＣＯシフト反応器に流入する流体のガス組成を検知するガス組成分析器とを備え、
前記ガス組成分析器の分析結果から求めたＣＯとＨ２Ｏのモル量差により前記抽気制御弁を制御し、
前記ＣＯシフト反応器の触媒層温度からＣＯシフト反応器の入口弁と、出口弁を制御することを特徴とするＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラント。
【請求項７】
請求項６記載のＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントにおいて、
前記ガス組成分析器の分析結果が、ＣＯリッチであり、かつプラント負荷に余裕があるときに前記タービン抽気を増加する方向に抽気制御弁を制御することを特徴とするＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラント。
【請求項８】
請求項７記載のＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントにおいて、
前記ガス組成分析器の分析結果が、Ｈ２Ｏリッチであるとき、前記タービン抽気を減少する方向に抽気制御弁を制御することを特徴とするＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラント。
【請求項９】
請求項７記載のＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントにおいて、
前記ガス組成分析器の分析結果が、ＣＯリッチであり、かつプラント負荷に余裕がないときに前記タービン抽気を減少する方向に抽気制御弁を制御することを特徴とするＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラント。
【請求項１０】
請求項７記載のＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントにおいて、
前記ＣＯシフト反応器の触媒槽温度で定まるエネルギーが、その上下限エネルギーを逸脱するときにＣＯシフト反応器の入口弁と、出口弁を制御することを特徴とするＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラント。
【請求項１１】
請求項７記載のＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントにおいて、
前記ガス組成分析器の分析結果から求めたＣＯモル量と、触媒反応必要温度エネルギーから前記ＣＯシフト反応器内の触媒反応必要温度エネルギー総量を求め、前記触媒槽温度で定まるエネルギーが、前記触媒反応必要温度エネルギー総量を下回るときに、入口弁を開
制御すると同時に、出口弁を閉制御し、前記ＣＯシフト反応器内を加圧状態として、触媒槽温度を上げることを特徴とするＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラント。
【請求項１２】
請求項７記載のＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントにおいて、
前記触媒槽温度で定まるエネルギーが、触媒反応阻害温度エネルギーを上回るときに入口弁を開制御すると同時に、出口弁を開制御して、反応器内を減圧状態として、触媒槽温度を下げることを特徴とするＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラント。
【請求項１３】
請求項７記載のＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントにおいて、
前記ガス組成分析器の分析結果から求めたＣＯモル量と、触媒反応必要温度エネルギーから前記ＣＯシフト反応器内の触媒反応必要温度エネルギー総量を求め、前記触媒槽温度で定まるエネルギーが、前記触媒反応必要温度エネルギー総量を下回るときに、入口弁を開制御すると同時に、出口弁を閉制御し、前記ＣＯシフト反応器内を加圧状態として、触媒槽温度を上げ、
前記触媒槽温度で定まるエネルギーが、触媒反応阻害温度エネルギーを上回るときに入口弁を開制御すると同時に、出口弁を開制御して、反応器内を減圧状態として、触媒槽温度を下げることを特徴とするＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ２分離回収装置並びにＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭は、価値が低位で安定、採掘可能な埋蔵量が多い、地域偏在性が少ない、産炭地の性状が安定しているなどの理由から、将来にわたって主要な一次エネルギーになるとみられ、世界全体で経済成長のため今後も利用が拡大すると予測されている。
【０００３】
かかる石炭の利用拡大に当り、ＥＵ諸国、北米、オーストラリア、日本の先進各国は、地球温暖化対策として革新的な中長期ＣＯ２削減目標を設定しているが、他の一次エネルギー源に比べて単位電力量当たりのＣＯ２排出量が多い石炭の利用を拡大するには、その削減が不可欠である。
【０００４】
そこで、ＣＯ２排出量を削減可能な新技術として、石炭ガス化複合発電プラントＩＧＣＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｏａｌ  Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｃｙｃｌｅ）と、ＣＯ２分離回収装置ＣＣＳ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  Ｃａｐｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｓｔｏｒａｇｅ）を組み合わせたプラント構成の石炭利用技術として、特許文献１、特許文献２がある。
【０００５】
このプラントでは、石炭ガス化炉で石炭と酸素を混合燃焼し得られた石炭ガス化ガス（ＣＯリッチガス）に水蒸気を添加し、ＣＯをＣＯ２とＨ２に転化する。そのうえで、ＣＯ２を吸収させた吸収液を再生してＣＯ２を分離回収し、回収されたＣＯ２は、圧縮液化され、輸送、貯留される。また、このときに得られるＣＯ２回収後の水素リッチガスは、ガスタービン燃料として使用されるので、プラント全体として高効率化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１４４７２０号公報
【特許文献２】特開２００９−２２１０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
石炭ガス化複合発電プラントＩＧＣＣに付帯するＣＯ２分離回収装置ＣＣＳの設備の中にＣＯに水蒸気を添加してＣＯ２とＨ２に転化するＣＯシフト反応器がある。ＣＯシフト反応器で転化されたＣＯ２は圧縮液化され、輸送、貯留される。
【０００８】
ＣＯをＣＯ２に転化するＣＯシフト反応は発熱反応であり、その反応速度を促進させる為に用いる触媒は、一般的に熱に阻害されやすく、上手く反応器内の触媒槽温度を制御しなければ触媒能低下によりＣＯ２転化率が低下する傾向にある。
【０００９】
現在、その触媒能低下に起因する温度制御は、マニュアル制御であって、プラントオペレーターの経験則と過去のプラントデータにより運用する煩雑な温度制御に留まっている。
【００１０】
本発明では、この石炭利用技術において、石炭ガス化ガスからＣＯ２を分離するＣＯシフト反応器の触媒反応に着眼し、その反応がプラントの負荷運用状態に合わせ最適条件で進行すれば、より高いＣＯ２回収率が得られるＣＯ２分離回収装置並びに高いプラント効率のＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のＣＯ２分離回収装置は、ＣＯとＨ２Ｏを主成分とするガスを導入して、ＣＯ２とＨ２とするＣＯシフト反応器を備え、
ＣＯシフト反応器の入り口側に設けられた入口弁と、ＣＯシフト反応器の出口側に設けられた出口弁と、入口弁の前段に高温蒸気を与えるための蒸気制御弁と、ＣＯシフト反応器に流入する流体のガス組成を検知するガス組成分析器とを備え、
ガス組成分析器の分析結果から求めたＣＯとＨ２Ｏのモル量差により蒸気制御弁を制御し、ＣＯシフト反応器の触媒槽温度からＣＯシフト反応器の入口弁と、出口弁を制御する。
【００１２】
また、ＣＯシフト反応器の触媒槽温度で定まるエネルギーが、その上下限エネルギーを逸脱するときにＣＯシフト反応器の入口弁と、出口弁を制御する。
【００１３】
また、ガス組成分析器の分析結果から求めたＣＯモル量と、触媒反応必要温度エネルギーから前記ＣＯシフト反応器内の触媒反応必要温度エネルギー総量を求め、触媒槽温度で定まるエネルギーが、触媒反応必要温度エネルギー総量を下回るときに、入口弁を開制御すると同時に、出口弁を閉制御し、ＣＯシフト反応器内を加圧状態として、触媒槽温度を上げる。
【００１４】
また、触媒槽温度で定まるエネルギーが、触媒反応阻害温度エネルギーを上回るときに入口弁を開制御すると同時に、出口弁を開制御して、反応器内を減圧状態として、触媒槽温度を下げる。
【００１５】
また、ガス組成分析器の分析結果から求めたＣＯモル量と、触媒反応必要温度エネルギーからＣＯシフト反応器内の触媒反応必要温度エネルギー総量を求め、触媒槽温度で定まるエネルギーが、触媒反応必要温度エネルギー総量を下回るときに、入口弁を開制御すると同時に、出口弁を閉制御し、ＣＯシフト反応器内を加圧状態として、触媒槽温度を上げ、触媒槽温度で定まるエネルギーが、触媒反応阻害温度エネルギーを上回るときに入口弁を開制御すると同時に、出口弁を開制御して、反応器内を減圧状態として、触媒槽温度を下げる。
【００１６】
本発明のＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントは、蒸気タービンとガスタービンを用いたコンバインドサイクルプラントと、微粉炭をガス化し、コンバインドサイクルプラントのガスタービン燃焼器に燃料ガスとして与える石炭ガス化プラントと、石炭ガス化プラントの排出するＣＯとＨ２Ｏを主成分とするガスを導入して、ＣＯ２とＨ２とするＣＯシフト反応器を備え、
ＣＯシフト反応器の石炭ガス化プラント側に設けられた入口弁と、ＣＯシフト反応器の出口側に設けられた出口弁と、入口弁の前段に蒸気タービンからの抽気を与えるための抽気制御弁と、ＣＯシフト反応器に流入する流体のガス組成を検知するガス組成分析器とを備え、
ガス組成分析器の分析結果から求めたＣＯとＨ２Ｏのモル量差により前記抽気制御弁を制御し、
ＣＯシフト反応器の触媒層温度からＣＯシフト反応器の入口弁と、出口弁を制御する。
【００１７】
また、ガス組成分析器の分析結果が、ＣＯリッチであり、かつプラント負荷に余裕があるときにタービン抽気を増加する方向に抽気制御弁を制御する。
【００１８】
また、ガス組成分析器の分析結果が、Ｈ２Ｏリッチであるとき、タービン抽気を減少する方向に抽気制御弁を制御する。
【００１９】
また、ガス組成分析器の分析結果が、ＣＯリッチであり、かつプラント負荷に余裕がないときにタービン抽気を減少する方向に抽気制御弁を制御する。
【００２０】
また、ＣＯシフト反応器の触媒槽温度で定まるエネルギーが、その上下限エネルギーを逸脱するときにＣＯシフト反応器の入口弁と、出口弁を制御する。
【００２１】
また、ガス組成分析器の分析結果から求めたＣＯモル量と、触媒反応必要温度エネルギーからＣＯシフト反応器内の触媒反応必要温度エネルギー総量を求め、触媒槽温度で定まるエネルギーが、触媒反応必要温度エネルギー総量を下回るときに、入口弁を開制御すると同時に、出口弁を閉制御し、ＣＯシフト反応器内を加圧状態として、触媒槽温度を上げる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のＣＯ２分離回収装置によれば、ＣＯシフト反応器内の触媒槽温度がその上下限を逸脱しても、元の安定運転状態に速やかに復帰することができる。
【００２３】
また、本発明のＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントによれば、さらにそのうえでプラント全体としての効率向上をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ＣＯシフト反応器１１の周辺の配管系統図を示す図。
【図２】ＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントの構成を示す図。
【図３】ＣＯシフト反応器制御の制御方式を決定する考え方を示す図。
【図４】水蒸気量を制御するタービン抽気弁制御を示す図。
【図５】ＣＯシフト反応器の入口と出口にある温度調節弁の制御を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例】
【００２６】
ＣＯをＣＯ２に転化するＣＯシフト反応器の適用事例として、ここでは図２のＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントの構成を示している。
【００２７】
図２のプラントは、蒸気タービンとガスタービンを用いたコンバインドサイクルプラントＣＣと、微粉炭をガス化し、このコンバインドサイクルプラントＣＣのガスタービン燃焼器に燃料ガスとして与える石炭ガス化プラントＧＣと、ガス化プラントの排出するＣＯをＣＯ２分離回収するＣＯ２分離回収装置ＣＣＳが組み合わされている。
【００２８】
なお、通常石炭ガス化複合発電プラントというときには、コンバインドサイクルプラントＣＣと石炭ガス化プラントＧＣとを組み合わせたプラント部分のことであり、図２の装置全体としてはＣＯ２分離回収装置ＣＣＳを備えた石炭ガス化複合発電プラントということができる。ＣＯをＣＯ２に転化するＣＯシフト反応器は、ＣＯ２分離回収装置ＣＣＳの主要な構成機器である。以下、ＣＯ２分離回収装置ＣＣＳを備えた石炭ガス化複合発電プラントを構成する各プラント、装置について、順を追って説明する。
【００２９】
図２において、まず、蒸気タービンとガスタービンを用いたコンバインドサイクルプラントＣＣについて説明する。図示のコンバインドサイクルプラントＣＣでは、ガスタービンＧＴと、蒸気タービンＳＴと、圧縮機２３と、発電機Ｇが同一回転軸上に設置され、ガスタービンＧＴと蒸気タービンＳＴが原動機となり、負荷である圧縮機２３と発電機Ｇを駆動する。
【００３０】
このうち、ガスタービンＧＴ側は、圧縮機２３に大気導入して圧縮空気を得、燃焼器２２において後述する石炭ガス化プラントＧＣからの燃料ガスＦと燃焼させ、この燃焼エネルギーでガスタービンＧＴが回転する。なお、燃焼器２２には石炭ガス化プラントＧＣ側から窒素も供給されているが、これは燃焼器２２での燃焼温度を低減させることにより、高温燃焼により発生する窒素酸化物ＮＯＸを低減する目的で使用されている。
【００３１】
このようにして仕事をしたガスタービンＧＴの排気３０は、まだ十分に大きな熱エネルギーを有しているので、蒸気タービンＳＴ側において、更なる熱回収を図る。具体的には、排熱回収ボイラ２６において、ガスタービン排気３０と復水器２７からの復水３１の熱交換により、蒸気３２を得、蒸気タービンＳＴを駆動する。排熱回収ボイラ２６で熱回収後の排気３３は煙突２９から大気放出される。なお、蒸気タービンＳＴで仕事をした後の蒸気は復水器２７で水に戻され、排熱回収ボイラ２６に復水として供給されることで、循環利用される。
【００３２】
次に、微粉炭をガス化し、このコンバインドサイクルプラントＣＣのガスタービン燃焼器２２に燃料ガスＦとして与える石炭ガス化プラントＧＣについて説明する。石炭ガス化プラントＧＣは、ガス化炉４を中心に構成されるが、ここでは微粉炭を高濃度酸素で燃焼させることにより、最終的に燃料ガスＦを得る。
【００３３】
このうち、ガス化炉４で使用する高濃度酸素は、先に説明したコンバインドサイクルプラントＣＣのガスタービンＧＴからの高温、高圧の排気３０を、さらに空気圧縮機１で圧縮し、空気圧縮機１を通過した圧縮空気を精留塔２に与えて、酸素と窒素に分離して求める。分離された酸素は、高濃度酸素としてガス化炉４へ送り、他方窒素はガス化炉４とガスタービン燃焼器２２へ送られる。
【００３４】
ガス化炉４では、スラリータンク３内の微粉炭を、精留塔２で分離した酸素を用いて混合燃焼させる。このとき以下の（１）（２）式の化学反応が生じ、一酸化炭素ＣＯとエンタルピＨを発生する。なお、ガス化炉４での微粉炭燃焼により発生したスラグ５は、別途排出される。
【００３５】
［数１］
Ｃ＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋ΔＨ（２９．４ｋＪ／ｍｏｌ）        …（１）
【００３６】
［数２］
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２＋ΔＨ（−３８．２ｋＪ／ｍｏｌ）      …（２）
その後、燃焼ガスはフィルタ６に導かれて不純物チャー７と分離され、クーラー８にてガスタービンＧＴへ送る燃料ガスＦと硫黄分を含む混合ガスＤに分離される。なお、不純物チャー７は、ガス化炉４に戻される。
【００３７】
このようにして、ガス化炉４での微粉炭燃焼により得られた燃料ガスＦは、先に説明したコンバインドサイクルプラントＣＣのガスタービンＧＴの燃焼器２２に与えられて、燃料として有効利用される。
【００３８】
他方、ガス化炉４での微粉炭燃焼では、硫黄分を含む混合ガスＤも得られており、この混合ガスＤは、最後に、石炭ガス化プラントＧＣの排出するＣＯをＣＯ２に分離して回収するＣＯ２分離回収装置ＣＣＳで、有効利用されるので、このことについて説明する。
【００３９】
硫黄分を含む混合ガスＤの主成分はＣＯＳであり、まずＣＯＳ変換器９において、ＣＯＳをＨ２Ｓへ転化し、さらに硫黄分ＳとＣＯ２＋Ｈ２へ分離する。
【００４０】
他方、蒸気タービンＳＴで仕事を行い復水器２７から得られる水蒸気が、ポンプ２８を通じてＣＯＳ変換器９の出口流体と混合され、ヒータ１０で加熱され、ＣＯシフト反応器１１に導かれる。このとき、ヒータ１０により加熱された混合ガス（ＣＯ＋Ｈ２＋Ｈ２Ｏ）により、ＣＯシフト反応器１１内では（３）式の化学反応が生じている。
【００４１】
［数３］
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２＋ΔＨ（４０．９ｋＪ／ｍｏｌ）…（３）
その後、ＣＯ２は吸収塔１３、再生塔１４、蒸留塔１６を経てＣＯ２回収される。他方、吸収塔１３で生じた水素Ｈ２は、ガスタービンＧＴの燃焼器２２に送られて燃料となり、水Ｈ２Ｏは回収されて、例えば蒸気タービンＳＴ系統内で再利用される。
【００４２】
ここで、ＣＯ２分離回収装置ＣＣＳにおけるＣＯシフト反応器１１内で生じる式（３）は、触媒を用いたＣＯシフト反応であって、エンタルピーΔＨ（４０．９ｋＪ／ｍｏｌ）の発熱反応である。このため、その発熱により触媒能を低下させる原因になるので、ＣＯシフト反応を有効に高効率に機能させるためには、この温度制御は不可欠である。
【００４３】
また、本反応によってＣＯ２転化率が決定され、蒸留塔１６を経て得られるＣＯ２回収率に影響する。ＣＯシフト反応はＣＯとＨ２Ｏの１対１の等モル反応であって、ＣＯはガス化炉から生成され、Ｈ２Ｏは蒸気タービンＳＴから抽気生成される。従って、これらの組成比を反応進行中にオンライン分析できれば、より高いＣＯ２転化率と反応進行を促進させる温度制御が可能となる。
【００４４】
本発明においては、ＣＯシフト反応器１１内で生じるこれら諸量の間の制御、調整を以下のように実施する。
【００４５】
図１に、ＣＯシフト反応器１１の周辺の配管系統図を示す。この図において、ＣＯシフト反応器１１は、ＣＯＳ変換器９から、ヒータ１０、反応器入口温度調節弁４０を介してＣＯ２＋Ｈ２を、導入している。また、反応器入口温度調節弁４０の前段には、蒸気タービンＳＴからの抽気が抽気調整弁４１を介して導入されている。さらにヒータ１０の前段には、図２に図示したポンプ２８からの復水蒸気が導かれている。また、ＣＯシフト反応器１１の出口側には、反応器出口温度調節弁４２が設置される。
【００４６】
なお、反応器１１には、いずれもＨ２Ｏを含む復水と抽気が導入されることになるが、これは以下のように使い分けられている。先に説明したようにポンプ２８からの復水蒸気は、ＣＯＳ変換器９の出口流体と混合され、ヒータ１０で加熱された混合ガス（ＣＯ＋Ｈ２＋Ｈ２Ｏ）となり、ＣＯシフト反応器１１内での（３）式の化学反応を生じせしめる。これに対し、蒸気タービンＳＴからの抽気は、ＣＯシフト反応がＣＯとＨ２Ｏの１対１の等モル反応であることから、等モル反応による微妙な温度調整に貢献させる。つまり、ＣＯシフト反応器１１内での大まかな、基本部分での化学反応はポンプ２８からの復水蒸気が担当し、等モル反応による微妙な温度調整を蒸気タービンＳＴからの抽気が担当している。
【００４７】
図１において、１００はＣＯシフト反応制御装置であり、ＣＯシフト反応器１１の前後配管に設けた反応器入口温度調節弁４０、抽気調整弁４１、反応器出口温度調節弁４２を制御操作端として調整する。また、この調整のためにＣＯシフト反応器１１の前後と内部に温度検出器５０，５１，５２を設け、それぞれ反応器入口流体温度、反応器内触媒温度、反応器出口温度を検出する。更に本発明では、反応器１１の前後にガス組成分析器（オンラインガスクロ）６０，６１を設置して、ＣＯとＨ２Ｏの組成を検知している。
【００４８】
このように本発明においては、ＣＯシフト反応器１１の入口と出口にオンラインガスクロ６０，６１を設置することで、常に反応中の（３）式に示すガス組成を分析する。また、触媒槽温度を温度検出器５２で検出することで触媒阻害因子である温度も監視制御可能となる。
【００４９】
図３に、オンラインガスクロ組成解析をベースとして実現するＣＯシフト反応器制御の制御方式決定チャートを示す。ここでは、ＣＯシフト反応器内の状態と、石炭ガス化複合発電プラントの運転状態とを総合的に判断したときに、今何をなすべきかを決定するための考え方を説明する。
【００５０】
本発明により行うＣＯシフト反応器１１内の反応（ＣＯシフト反応）は、ＣＯとＨ２Ｏの１対１の等モル反応である。そのため、ボックスＢ１００において、反応器入口のオンラインガスクロ６０によりＣＯ濃度（ｐｐｍ）とＨ２Ｏ濃度（ｐｐｍ）を計測し、各々のモル量を算出する。この結果として、ＣＯシフト反応器１１の入口混合ガス組成が、ＣＯリッチガスもしくはＨ２Ｏガスリッチであるかが判定できる。
【００５１】
その結果、ＣＯシフト反応器１１の入口混合ガス組成がＨ２Ｏリッチガスの場合には、ボックスＢ２００に示した判断経緯により、最終的には蒸気タービン負荷フォロー制御Ｃ１を実行すればよい。ここで、ボックスＢ２００の判断経緯とは、「Ｈ２Ｏリッチガスの場合には、ＣＯをＣＯ２に転化するＨ２Ｏガス量は必要以上に存在するので、タービン抽気弁４１を閉制御し、タービンからの蒸気抽気量を減少させるべきである。このときには、抽気量が減少することで、主蒸気圧力が増加し発電効率も向上する」というものである。この運転モードは、タービン負荷フォロー制御Ｃ１である。このように、Ｈ２Ｏリッチガスの場合には、オンラインガスクロを用いてガス組成を分析することで、プラント負荷運用に見合ったＣＯシフト反応条件の確立が可能となる。
【００５２】
これに対し、ＣＯリッチガスの場合には、他の条件も考慮する必要がある。ボックスＢ３００では、他の条件として実負荷と設定負荷の大小関係を考慮する。ここでの判断は、「ＣＯリッチガスならば、等モル反応なのでＣＯモル量に見合うＨ２Ｏガスモル量が必要となってくる。つまり、より多くの抽気量を導入すればよい。しかしながら、Ｈ２Ｏの供給源はタービンの抽気弁であるので、プラント負荷運用に大きく影響を及ぼす。そこで、負荷運用に影響を与える範囲か否かによって以後の対応を変更する」というものである。具体的には、負荷設定値に対して実負荷の偏差を算出し、プラント出力の余裕値を判定する。
【００５３】
この判定の結果、その偏差が負荷変動許容範囲内であれば、ボックスＢ４００の判断によりＣＯシフト反応フォロー制御Ｃ２を選択実行する。ここで、ボックスＢ４００の判断経緯とは、「ＣＯリッチガスかつプラント出力の余裕値ありの場合には、Ｈ２Ｏガス量が不足しているので、タービン抽気弁４１を開制御し、タービンからの蒸気抽気量を増加させてよい。このときには、ＣＯ２転化率が増加する」というものである。この運転モードは、ＣＯシフト反応フォロー制御Ｃ２である。
【００５４】
またこの判定の結果、その偏差が負荷変動許容範囲を超過しているときには、ボックスＢ５００の判断により蒸気タービン負荷フォロー制御Ｃ１を選択実行する。ここで、ボックス５００の判断経緯とは、「ＣＯリッチガス、かつプラント出力の余裕値なしの場合には、Ｈ２Ｏガス量が不足しているが、蒸気タービン負荷の余裕値不足を優先に考えて、タービン抽気弁４１を閉制御し、タービンからの蒸気抽気量を減少させる。このときには、ＣＯ２転化率が減少する」というものである。この運転モードは、蒸気タービン負荷フォロー制御Ｃ１である。なお、この場合には、ＣＯリッチガスの状態が継続し、このままでは改善されないが止むを得ないものとされる。プラント出力に余裕値が出た場合に、改めてボックスＢ４００の経緯で改善されることになる。
【００５５】
本発明においては、図３の判断により、蒸気タービン負荷フォロー制御Ｃ１とＣＯシフト反応フォロー制御Ｃ２のいずれかを選択して、各制御操作端である反応器入口温度調節弁４０、抽気調整弁４１、反応器出口温度調節弁４２を調整する。
【００５６】
次に、以上の観点から実施される抽気調整弁４１の制御について説明する。図４に、ＣＯシフト反応に添加する水蒸気量を制御するタービン抽気弁制御図を示す。図４において、ＤＩＶ１とＤＩＶ２は、除算回路であり、反応器１１の前段に設置したガス組成分析器（オンラインガスクロ）６０の出力から、ＣＯモル量ＸとＨ２Ｏモル量Ｙをモル算出し、減算器ＳＵＢ１においてその差分を求める。差分からＣＯリッチ判断回路ＵＣＫと、Ｈ２Ｏリッチ判断回路ＬＣＫにおいて、それぞれガス状態を判別し、ＣＯリッチの場合にはアンド回路ＡＮＤに、Ｈ２Ｏリッチの場合にはオア回路ＯＲに信号印加される。
【００５７】
アンド回路ＡＮＤのもう一方の入力端子には、負荷制限器ＬＬの出力が与えられている。負荷制限器ＬＬの入力には、負荷設定値と実負荷の差（減算器ＳＵＢ２）が与えられており、プラントに余裕度があるときに出力される。
【００５８】
このアンド回路ＡＮＤの出力は、ＣＯリッチかつプラントに余裕度ありのときに出力されることになり、オア回路ＯＲ経由で抽気調整弁４１の調節器ＰＩに与えられる。調節器ＰＩは、そのＸ端子に減算器ＳＵＢ１の偏差信号が目標値として印加され、かつ調節器ＰＩ後段の関数発生器ＦＧの出力を端子Ｚに帰還して抽気調整弁４１の開度制御を実行する。関数発生器ＦＧは、その入力が大きいほど抽気調整弁４１の開度を開くように調整するので、プラントに余裕度がある限り、ＣＯリッチを改善すべくタービン抽気を供給する。このときの動作は、図３のブロックＢ４００に基づくＣＯシフト反応フォロー制御Ｃ２である。
【００５９】
なお、この制御はプラントに余裕度が無くなるか、あるいはＣＯリッチが改善された状態で中止される。プラントに余裕度が無くなったときには、アンド回路ＡＮＤ出力がなくなるので、調節器ＰＩは、その入力に関わりなく抽気調整弁４１を閉じてしまい、抽気供給を停止する。このときの動作は、図３のブロックＢ５００に基づく蒸気タービン負荷フォロー制御Ｃ１である。なお、このときに抽気調整弁４１を閉じてしまわずに、制御としては生かしたまま抽気量を最小限に制限するような制御とすることも可能である。
【００６０】
最後に、Ｈ２Ｏリッチの場合にはオア回路ＯＲに信号印加されて、調節器ＰＩによる抽気調整弁４１の制御が実行される。但し、このときには調節器ＰＩの入力端子Ｘに減算器ＳＵＢ１から与えられている信号の極性は、ＣＯリッチのときとは逆極性なので、抽気調整弁４１は閉められる方向（抽気を減少させる方向）に制御されることになる。このときの動作は、図３のブロックＢ２００に基づく蒸気タービン負荷フォロー制御Ｃ１である。
【００６１】
以上、図３の各場面における抽気調整弁４１の制御について説明したが、係る制御の結果として図１のＣＯシフト反応器１１に流入する流量が大きく変動し、かつＣＯシフト反応器１１内の温度も変化するので、図４の抽気調整弁４１の制御と同時に、図５の反応器入口温度調節弁４０と出口温度調節弁４２を温度制御の観点から制御する。
【００６２】
まず、ここでの温度制御の考え方を説明する。ＣＯシフト反応器１１でのＣＯシフト反応は、発熱反応である。その温度エネルギーが触媒に阻害因子をもたらす。このため、最適な触媒槽温度を保つ必要がある。本発明では、ＣＯシフト反応器１１の入口と出口にある温度調節弁４０，４２を用いて、触媒槽温度を最適温度に保持すべく制御する。
【００６３】
触媒槽温度を最適化するのに、以下の温度条件を考慮する。
【００６４】
［数４］
温度Ａ［ｋＪ／ｍｏｌ］×反応物［ｍｏｌ］＜温度Ｂ［ｋＪ］＜温度Ｃ［ｋＪ］…（４）
但し、
温度Ａ：触媒反応必要最低温度エネルギー［ｋＪ／ｍｏｌ］
温度Ｂ：触媒槽温度エネルギー［ｋＪ］
温度Ｃ：触媒反応阻害温度エネルギー［ｋＪ］
反応物：ＣＯ、Ｈ２Ｏのモル量［ｍｏｌ］
である。
【００６５】
温度Ａは、触媒反応が最低限進行できる温度エネルギーである。このエネルギー量は反応物量（（式３）ＣＯとＨ２Ｏのモル量）に依存する。
【００６６】
温度Ｂは反応器１１から検出される実測温度エネルギーであって、絶対値である。
【００６７】
温度Ｃは、触媒反応が阻害される温度エネルギーである。（４）式に示す温度Ｂの温度
量が常に保持されることが、ＣＯシフト反応を最適に進行させる条件となる。
【００６８】
以上の関係を満たすべく、本発明においては図５の制御ロジックに従って、ＣＯシフト反応器１１の入口と出口にある温度調節弁４０，４２を制御する。この制御に当り、先に説明した３組の温度Ａ，Ｂ，Ｃのうち、温度Ａ，Ｃが予め設定されている。温度Ｂは、触媒槽に設置した温度計測器５１からの実測値である。
【００６９】
まず、反応器１１の入り口に設けられるガスクロ６０の出力から除算器ＤＩＶ３においてＣＯモル量Ｘが求められ、乗算器ＭＬＴにおいて温度Ａと乗算されることにより、反応器１１内のＣＯに必要な触媒反応必要最低温度エネルギーの総量（ＫＪ）が求められる。減算器ＳＵＢ３は、乗算器ＭＬＴからの触媒反応必要最低温度エネルギーの総量（ＫＪ）と、触媒槽温度エネルギー［ｋＪ］Ｂの差分を求め、かつ不足判定器ＵＣＫ１において、不足（触媒槽温度エネルギー［ｋＪ］Ｂが触媒反応必要最低温度エネルギーの総量（ＫＪ）よりも少ない）とされたときに、オア回路ＯＲ経由で温度調節弁４０，４２の調節器ＰＩ２による制御を実行する。
【００７０】
また、オア回路ＯＲのもう１つの成立条件がある。減算器ＳＵＢ４では、触媒反応阻害温度エネルギーＣと触媒槽温度エネルギーＢの減算を実行しており、かつ超過判定器ＬＣＫ１において、超過（触媒槽温度エネルギーＢが触媒反応阻害温度エネルギーＣよりも大きい）とされたときに、オア回路ＯＲ経由で温度調節弁４０，４２の調節器ＰＩ２による制御を実行する。
【００７１】
オア回路ＯＲが成立する前者の条件では、触媒槽は加熱される必要があり、後者の条件では触媒槽は冷却されねばならない。
【００７２】
具体的には、触媒反応必要最低温度エネルギー［ｋＪ／ｍｏｌ］と触媒槽温度エネルギー［ｋＪ］に差分があって、触媒槽温度の上昇が必要な場合は、入口温度調節弁４０を開制御すると同時に、出口温度調節弁４２を閉制御し、反応器内を加圧状態として、触媒槽温度を上げる。
【００７３】
また、触媒槽温度エネルギー［ｋＪ］が触媒反応阻害温度エネルギー［ｋＪ］を上回って、触媒槽温度を減少しなければならない場合は、入口温度調節弁４０を開制御すると同時に、出口温度調節弁４２を開制御して、反応器内を減圧状態として触媒槽温度を下げる。この制御方式によって、反応器内に滞留するガス組成に見合った触媒槽温度制御が可能となる。
【００７４】
なお、制御量切替器Ｕは、調節器ＰＩ２の入力端子Ｘに与える設定値を、状況に応じて切り替えるものであり、オア回路ＯＲが不足判定器ＵＣＫ１側で成立しているとき、減算器ＳＵＢ３の出力を設定信号とし、オア回路ＯＲが超過判定器ＬＣＫ１側で成立しているとき、減算器ＳＵＢ４の出力を設定信号として調節器ＰＩ２に印加して入口温度調節弁４０と出口温度調節弁４２を制御する。
【００７５】
また、入口温度調節弁４０と出口温度調節弁４２は、同じ調節器ＰＩ２で駆動され、あるときは同じ方向に開閉制御され、あるときには一方が開放、他方が閉成とされる。この操作方向の切り替えについては、図５に図示していないが、不足判定器ＵＣＫ１と超過判定器ＬＣＫ１のどちらで操作許可条件が成立しているかを勘案し、適宜入口温度調節弁４０と出口温度調節弁４２の開閉方向を変更するための極性反転回路を設けることで容易に実現できることであるので、ここでは具体的実現手法の説明を省略する。
【００７６】
本発明のＣＯ２分離回収装置におけるＣＯシフト反応に添加する水蒸気量を制御するタービン抽気弁制御、ＣＯ２分離回収装置におけるＣＯシフト反応器温度制御を用いれば、ＣＯ２分離回収装置におけるＣＯシフト反応器制御方式最適化が実現可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
ＣＯ２分離回収装置を備えた石炭ガス化複合発電プラントでは、効率と環境の両面から本発明の適用が望まれる。
【符号の説明】
【００７８】
１：空気圧縮機
２：精留塔
３：スラリータンク
４：ガス化炉
５：スラグ
６：フィルタ
７：不純物チャー
８：クーラー
９：ＣＯＳ変換器
１０：ヒータ
１１：ＣＯシフト反応器
１３：吸収塔
１４：再生塔
１６：蒸留塔
２２：燃焼器
２３：圧縮機
２９：煙突
３０：ガスタービン排気
２６：排熱回収ボイラ
２８：ポンプ
２７：復水器
３１：復水
３２：蒸気
ＧＴ：ガスタービン
ＳＴ：蒸気タービン
Ｇ：発電機
Ｆ：燃料ガス
Ｄ：硫黄分を含む混合ガス
ＤＩＶ：除算回路
６０，６１：ガス組成分析器（オンラインガスクロ）
ＳＵＢ：減算器ＳＵＢ
ＵＣＫ：ＣＯリッチ判断回路
ＬＣＫ：Ｈ２Ｏリッチ判断回路
ＡＮＤ：アンド回路
ＯＲ：オア回路
ＬＬ：負荷制限器
４１：抽気調整弁
ＰＩ：調節器
ＦＧ：関数発生器
Ｃ２：ＣＯシフト反応フォロー制御
Ｃ１：蒸気タービン負荷フォロー制御
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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