(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系燃料をガス化するためのガス化炉、前記炭素系燃料を供給するための燃料供給部、及び、酸化剤を供給するための酸化剤供給部を含み、かつ、シフト反応に利用するための水を供給するための水供給配管、及び、この水供給配管を接続する水供給部を具備するガス化設備と、このガス化設備の下流側に、生成ガスと水とを接触させるための水溜りを有する水洗塔と、前記ガス化設備で発生する二酸化炭素を除去するための二酸化炭素除去設備と、前記水洗塔に接続された排水処理設備とを含み、前記ガス化設備と前記二酸化炭素除去設備との間にシフト反応設備を有し、前記排水処理設備にて処理された循環水を前記水洗塔に供給する構成を有するガス化システムの運転方法であって、前記シフト反応設備の下流側における生成ガスの組成を用いて前記シフト反応設備における水蒸気と一酸化炭素との比を算出する工程と、この比、炭素系燃料供給量、酸化剤供給量及び前記炭素系燃料の組成を用いて前記水の供給量を調節する工程と、前記炭素系燃料供給量、前記酸化剤供給量、前記炭素系燃料の組成及び前記比を用いて、前記シフト反応設備における必要水蒸気量を算出する工程と、前記ガス化設備の下流側の生成ガス温度並びに前記水洗塔の生成ガスの温度及び圧力を用いて、前記生成ガスが前記水溜りを通過した後の水蒸気濃度を予測し、この時の生成ガスに含まれる水蒸気量を算出する工程と、この水蒸気量を前記必要水蒸気量に近づけるために前記循環水量の制御を行う工程とを含むことを特徴とするガス化システムの運転方法。
【請求項２】
前記シフト反応設備の上流側の生成ガス温度を測定し、この生成ガス温度を前記シフト反応設備への通ガス可能温度以上となる範囲で前記水溜りでの前記循環水量を変化させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載のガス化システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策のため、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）の混合ガスを製造する炭素系燃料のガス化システムに対しても、炭素系燃料中に含まれる炭素を回収することが求められている。炭素系燃料をガス化した生成ガスの主成分は、一酸化炭素及び水素である。生成ガスに含まれる炭素を除去するために、この一酸化炭素を除去すると、生成ガスの発熱量が大きく低下する。
【０００３】
このため、下記反応式（１）に示すシフト反応を利用して一酸化炭素を水蒸気（Ｈ２Ｏ）と反応させて水素と二酸化炭素（ＣＯ２）とし、二酸化炭素を生成ガスから除去することで、生成ガスの発熱量の低下を最小限に抑えながら、生成ガスに含まれる炭素を回収する方式が、一般的に用いられている。
【０００４】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２      （１）
このようなシフト反応プロセスを含む炭素系燃料のガス化システムとしては、例えば、特許文献１がある。このシステムでは、シフト反応を進めるためのシフト反応器（シフトコンバータ）を設置し、この設備へ水蒸気を供給している。すなわち、特許文献１には、石炭ガス化ガス中に含まれる塩化水素ガスを除去しＣＯ転換率を高めて炭酸ガスを回収できるＣＯ２除去石炭ガス化複合発電システムを提供することを目的として、石炭等の燃料をガス化炉でガス化して高温の石炭ガス化ガスを発生させ、これを発電に利用する石炭ガス化複合発電システムにおいて、上記ガス化炉からの石炭ガス化ガスを、湿式スクラバを通してガスに含まれる塩化水素を除去した後、シフトコンバータに導入し、そのシフトコンバータに蒸気を供給してガスに含まれるＣＯをＣＯ２に転換し、その後、石炭ガス化ガスを、脱炭酸ガス装置を通してＣＯ２を除去することを特徴とするＣＯ２除去石炭ガス化複合発電システムが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、ガス化炉にスチームや炭層ガスを供給し、ガス化炉でシフト反応を進めることで、シフト反応器を不要とする方式が示されている。すなわち、特許文献２には、石炭と炭層ガスを高圧条件下で反応させて、水素と一酸化炭素の混合ガスを製造することができる製造装置及びこれを備える燃料・電力併産プラントを提供することを目的として、炭素系燃料とメタンを主成分とする炭層ガスを原料とし、ガス化装置にて水素と一酸化炭素の混合ガスを製造する装置であって、ガスが一方向に流れる前記ガス化装置と、該ガス化装置の上流域で前記炭素系燃料と前記炭層ガスの部分酸化が行われるように該上流域に該炭素系燃料と該炭層ガス及び酸化剤を供給する供給系と、該ガス化装置の下流域で前記上流域にて生成した一酸化炭素の一部が水素にシフトされるように該下流域に水蒸気を供給する供給系とを備えたことを特徴とする水素・一酸化炭素混合ガスの製造装置が開示されている。
【０００６】
生成ガスに含まれる二酸化炭素を除去する方法としては、アミンなどの吸収液を用いる方法（例えば、特許文献３）、ゼオライトなどの二酸化炭素の吸着体（例えば、特許文献４）などが公開されている。
【０００７】
特許文献３には、二酸化炭素吸収部においてアミン化合物を含有する吸収液との気液接触により二酸化炭素が吸収除去された脱炭酸排ガスに対し、水洗部において洗浄水と気液接触させることより、前記脱炭酸排ガスに同伴するアミン化合物を回収するアミン回収方法において、前記水洗部を複数段構成とし、且つ、各段では、前記水洗部の入口側に設けられた液保留部に保留されている洗浄水を、前記水洗部の出口側へと輸送して、前記水洗部へ供給し、前記複数段の水洗部において、順次、前記脱炭酸排ガスに同伴するアミン化合物の回収処理を行うとともに、二酸化炭素吸収部及び各段の水洗部の出口にデミスタを設け、これらのデミスタによって脱炭酸排ガスに同伴する吸収液ミストや洗浄水ミストを除去し、且つ、後段の水洗部における液保留部から洗浄水を抜き出し、前段のデミスタをバイパスして、前段の水洗部又は前段の水洗部における液保留部へ供給することを特徴とするアミン回収方法が開示されている。
【０００８】
また、特許文献４には、ガス発生源中の二酸化炭素の吸着体であって、Ｓｉ／Ａｌ原子比が１．０〜１．５のＡ型若しくはＸ型ゼオライトの担持率が５〜１００（質量％）で、嵩密度が０．０５〜１．００（ｇ／ｃｍ３）であり、ハニカム型、格子状型若しくはスパイラル型の構造を有することを特徴とする二酸化炭素の吸着体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−２７９１６３号公報
【特許文献２】特開２００１−１３９３０３号公報
【特許文献３】特開２００７−１９０５５３号公報
【特許文献４】特開２００４−２０２４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献２に記載の水素・一酸化炭素混合ガスの製造装置においては、ガス化装置に供給するための水蒸気をガス化装置の外部で発生させる必要があった。特に、蒸気タービンにおける発電に利用するために発生させた水蒸気の一部をガス化装置に供給する場合、発電のための熱源が奪われることとなり、発電効率が低下するとともに、水蒸気を輸送する際の熱損失も発生する点で改善の余地があった。
【００１１】
本発明の目的は、炭素系燃料に含まれる炭素を二酸化炭素として回収しながら水素及び一酸化炭素の混合ガスを製造するガス化システムにおいて、シフト反応設備に供給する水蒸気を低減して低コスト化を図るとともに、水蒸気の生成及び輸送に伴う熱損失を低減し、発電システム全体の熱効率を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のガス化設備は、炭素系燃料をガス化するためのガス化炉と、前記炭素系燃料を供給するための燃料供給部と、酸化剤を供給するための酸化剤供給部とを含むガス化設備であって、シフト反応に利用するための水を供給するための水供給配管、及び、この水供給配管と前記ガス化設備とを直接接続する水供給部を具備することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のガス化システムは、上記のガス化設備と、このガス化設備で発生する二酸化炭素を除去するための二酸化炭素除去設備とを含むことを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の発電システムは、上記のガス化システムと、このガス化システムで製造されるガスを利用して発電を行うための発電機とを含むことを特徴とする。
【００１５】
さらにまた、本発明のガス化システムの運転方法は、炭素系燃料をガス化するためのガス化炉、前記炭素系燃料を供給するための燃料供給部、及び、酸化剤を供給するための酸化剤供給部を含み、かつ、シフト反応に利用するための水を供給するための水供給配管、及び、この水供給配管と前記ガス化設備とを直接接続する水供給部を具備するガス化設備と、このガス化設備で発生する二酸化炭素を除去するための二酸化炭素除去設備とを含み、前記ガス化設備と前記二酸化炭素除去設備との間にシフト反応設備を有するガス化システムの運転方法であって、前記シフト反応設備の下流側における生成ガスの組成を用いてシフト反応設備における水蒸気と一酸化炭素との比を算出する工程と、この比、炭素系燃料供給量、酸化剤供給量及び前記炭素系燃料の組成を用いて前記水の供給量を調節する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、水蒸気を製造するための間接熱交換設備が不要であることから、プラント建設費が低減される。
【００１７】
また、本発明によれば、生成ガスと水とを直接接触させて水蒸気を製造することから、熱損失の少ないガス化設備及びガス化システム並びにこれらを用いた発電システムを提供することができる。
【００１８】
さらに、本発明によれば、ガス化システムの運転状態が変動しても、安定した炭素の回収率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による実施例１のガス化システムの設備及び流路を模式的に示す構成図である。
【図２】本発明による実施例１のガス化システムの信号配線を模式的に示す構成図である。
【図３】本発明による実施例１の変形例であるガス化システムの設備及び流路を模式的に示す構成図である。
【図４】本発明による実施例１の変形例であるガス化システムの信号配線を模式的に示す構成図である。
【図５】本発明による実施例２のガス化システムの設備及び流路を模式的に示す構成図である。
【図６】本発明による実施例２のガス化システムの信号配線を模式的に示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、二酸化炭素回収設備を備えたガス化システム及びその運転方法に関する。
【００２１】
また、本発明は、炭素系燃料をガス化し、燃料に含まれる炭素は二酸化炭素として排ガスから回収し、水素を主成分とするガスを製造するシステムに関するもので、二酸化炭素による地球温暖化防止に寄与する技術である。
【００２２】
炭素系燃料をガス化して得られた生成ガスから二酸化炭素を回収し、水素及び一酸化炭素の混合ガスを製造するガス化システムは、炭素系燃料に含まれる炭素の回収率の目標によって最適な構成が異なる。しかし、いずれのガス化システムに対しても、ガス化設備で製造された生成ガスに水を直接接触させ、以下に示すガス化システムの運転方法を用いることで、生成ガスに含まれる水蒸気濃度をシフト反応に必要な値とすることが可能となる。
【００２３】
まず、炭素系燃料に含まれる炭素の回収率の目標が低い場合について、課題を解決するための手段を示す。
【００２４】
炭素の回収率の目標値が低い場合、シフト反応に必要な水蒸気濃度も低いため、ガス化設備で製造された生成ガスに接触させる水の量が少ない。このため、生成ガスの温度低下は小さく、ガス化設備の下流側で生成ガスの熱を間接熱交換器により蒸気として回収することができる。この場合、生成ガスと水とを接触させる方法としては、ガス化設備のガス化炉やガス化炉出口に水を噴霧させる方法が適しており、以下に示す方法でガス化システムの運転を行う。
【００２５】
シフト反応は、一般に、触媒を用いて行われ、触媒の種類、触媒量、触媒層温度等の条件によって、一酸化炭素１モルあたりに必要な水蒸気量が変化する。この水蒸気と一酸化炭素との比、炭素系燃料の供給量、酸化剤の供給量、生成ガス量及び生成ガス組成を測定した結果、及び、炭素系燃料の組成を用い、二酸化炭素濃度目標値（生成ガスに含まれる炭素モル数比）を実現するために必要な生成ガスに含まれる水蒸気量を求める。ここで、二酸化炭素濃度目標値は下記式（２）で定義される数値である。なお、以下において炭素を元素記号Ｃで表示する場合がある。
【００２６】
（ＣＯ２濃度目標値）＝Ａ／Ｂ      （２）
（Ａ：単位体積あたりの生成ガスに含まれるＣＯ２のモル数の目標値、Ｂ：単位体積あたりの生成ガスに含まれる炭素のモル数）
必要な水蒸気量は下記式（３）で求める。
【００２７】
（必要な水蒸気量）＝｛（ＣＯ２濃度の目標値）×（生成ガスに含まれる炭素のモル数）−(ＣＯ２のモル数）｝×ｒ      （３）
（ｒ：水蒸気と一酸化炭素との比）
上記式（３）で求めた量の水を、ガス化設備におけるガス化炉或いはガス化炉出口に噴霧し、生成ガスの熱によって噴霧した水の全量を水蒸気として生成ガスに同伴させる。
【００２８】
生成ガスに含まれる二酸化炭素を除去する方法としては、アミン溶液などの吸収液を用いる方法、ゼオライトなどの吸着剤を用いる方法などがある。これらの方法により、生成ガスに含まれる二酸化炭素の全量が除去される場合、二酸化炭素濃度の目標値は、生成ガスに含まれる二酸化炭素モル数が下記式（４）を満たすように設定すればよい。
【００２９】
（ＣＯ２のモル数の目標値）＝（炭素系燃料に含まれる炭素の回収率の目標値）×（炭素系燃料に含まれる炭素のモル数）      （４）
しかし、二酸化炭素を除去する方法は、熱効率の低下を抑え、かつ、プラント仕様を満たす最適な運転条件では、二酸化炭素の一部は除去されずに下流へ流出する。そこで、二酸化炭素濃度の目標値は、この下流への流出分を考慮して、上記のようにして求めた値よりも高めに設定する。この目標値の調整は、二酸化炭素を除去する前の生成ガス流量及びガス組成並びに二酸化炭素除去後のガス組成から炭素燃料に含まれる炭素の回収率を求め、この値が目標値より低い場合は二酸化炭素濃度の目標値を高くし、この値が目標値より高い場合は二酸化炭素濃度の目標値を低くする。
【００３０】
なお、ガス化炉又はガス化炉出口に水を噴霧すると、生成ガス温度が低下する。下流でシフト反応を進めるために、生成ガスの温度はシフト反応器への通ガス可能温度以上とする必要がある。そこで、各部の温度、水供給量、生成ガス量及び熱回収設備の仕様からシフト反応設備入口の生成ガス温度を予測し、この温度をシフト反応設備への通ガス可能温度以上とすることができる水供給量の上限を求め、この水供給量を上限として水供給量を変化させる。
【００３１】
つぎに、炭素系燃料に含まれる炭素の回収率の目標値が低い場合について、課題を解決するための手段を示す。炭素の回収率の目標値が高い場合、シフト反応に必要な水蒸気濃度も高い。このため、ガス化設備において生成ガスに接触させる水の量を多くする必要がある。このため、生成ガスの温度の低下が大きく、ガス化設備の下流で生成ガスの熱を回収する余地がない。このため、直接、下流側のシフト反応設備に生成ガスを送ることが望ましい。この場合、生成ガスと水とを接触させる方法としては、水溜り（液溜り）を通過させる方法が適しており、例えば水洗塔などを用いる。このように構成したガス化システムの場合、以下に示すように運転を行う。
【００３２】
シフト反応設備における水蒸気と一酸化炭素との比、炭素系燃料の供給量、酸化剤の供給量を測定した結果、及び、炭素系燃料の組成を用い、目標とする二酸化炭素濃度を得るために必要な生成ガスに含まれる水蒸気量（必要水蒸気量）を求める。つぎに、水溜り出口における生成ガスの温度及び圧力を測定した結果を用いて、生成ガスが水溜り通過した後の水蒸気濃度を予測し、この時の生成ガスに含まれる水蒸気量を求め、必要水蒸気量より小さい場合は、水溜りでの循環水量を減らして水溜りの温度を上げ、必要水蒸気量より大きい場合は、水溜りでの循環水量を増やして水溜りの温度を下げる。これは、水溜りを通過した後の生成ガスの温度が水溜りの温度と等しくなり、生成ガスに含まれる水蒸気濃度がこの温度の関数となることを利用するものである。
【００３３】
ここで、水溜りには、生成ガスに含まれる未燃分や塩化水素などの微量成分が吸収されるため、水溜りの水を水洗塔の外部に排出してそれらを除去し、再び水洗塔の内部に戻す循環利用を行う。処理された水は大気温度と等しくなっており、この循環水量が少ない場合は水溜りの温度が上昇し、循環水量が多い場合は水溜りの温度が低下する。なお、水溜りの水は、生成ガスと接触して水蒸気となって下流へ流出するため、上記式（３）に示した量の水を補給する必要がある。二酸化炭素濃度の目標値の設定方法、及び、水溜り出口生成ガス温度がシフト反応設備への通ガス可能温度以上となるように水溜りでの循環水量を変化させる方法などは、炭素系燃料に含まれる炭素の回収率の目標値が低い場合と同様である。
【００３４】
本発明において、発電システムとは、上記のガス化システムと、このガス化システムで製造されるガスを利用して発電を行うための発電機とを含むものの総称であり、石炭ガス化発電プラント、燃料電池発電システムなどを含む。
【００３５】
以下、本発明の実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００３６】
本実施例は、炭素系燃料に含まれる炭素の回収率の目標値が低い場合のガス化システム及びその運転方法に関するものである。ここで、炭素の回収率の目標値が低い場合とは、天然ガスの炭素含有率を想定し、炭素の回収率の目標値を約６０％に設定する場合をいう。
【００３７】
図１は、本実施例のガス化システムの設備及び流路を模式的に示す構成図である。図２は、本実施例のガス化システムの信号配線を模式的に示す構成図である。
【００３８】
これらの図におけるガス化システムは、上流側から、ガス化設備１０、熱回収設備２０、脱塵設備３０、シフト反応設備４０、水洗塔５１と硫化水素除去設備５３とを含むガス生成設備５０及び二酸化炭素除去設備６０を含む構成となっている。
【００３９】
図１において、ガス化設備１０は、ガス化炉１０１及び生成ガス移動部１０２を含む構成であり、ガス化炉１０１と生成ガス移動部１０２との接続部は、ガス化炉出口１０３と呼ぶ。
【００４０】
生成ガスから炭素を除去するためには、一酸化炭素と水蒸気とを反応（シフト反応）させて二酸化炭素と水素とし、二酸化炭素を生成ガスから除去する必要がある。一酸化炭素は可燃性ガスであり、一酸化炭素を直接除去すると生成ガスの発熱量が低下するため、シフト反応で一酸化炭素を二酸化炭素に変換する必要がある。シフト反応には水蒸気が必要である。
【００４１】
ガス化設備１０は、炭素系燃料１（石炭）を供給するための燃料供給部１１１と、酸化剤２（酸素又は空気）を供給するための酸化剤供給部１１２とを有し、シフト反応に利用するための水４を供給するための水供給配管、及び、この水供給配管と前記ガス化設備とを直接接続する水供給部１１３を有する。ここで、水４は、少なくとも水供給配管の上流側では液体である。すなわち、供給される水４が水供給部１１３に達する前にガス化設備１０の熱を受けて沸騰し、水蒸気となっても問題はない。本発明においては、水４を沸騰させる熱源及び熱交換器、並びに、沸騰した水蒸気を輸送するための配管が不要となっている点が重要である。
【００４２】
通常、燃料供給部１１１及び酸化剤供給部１１２は、ガス化設備１０の下部に位置するガス化炉１０１に設置されるが、ガス化設備１０の上部に位置する生成ガス移動部１０２に燃料供給部１１１又は酸化剤供給部１１２を設置してもよい。
【００４３】
また、本実施例においては、水供給部１１３をガス化炉１０１又はガス化炉出口１０３若しくはその近傍に設置している。本実施例においては、ガス化設備１０の下部に位置するガス化炉１０１に燃料供給部１１１及び酸化剤供給部１１２を設置しているため、水供給部１１３の設置位置は、燃料供給部１１１及び酸化剤供給部１１２の下流側である。ただし、水供給部１１３の設置位置はこれに限定されるものではなく、約１３００℃となるガス化炉１０１又は生成ガス移動部１０２の高温部に水蒸気を供給することができる構成であって、ガス化炉１０１の高温部の温度を必要以上に低下させない構成であれば、水供給部１１３をガス化設備１０の他の部位に設置してもよい。
【００４４】
ここで、約１３００℃の高温部に水蒸気を供給することが望ましい理由は、シフト反応が１３００℃未満の温度では進行しにくくなるためである。ただし、１０００〜１３００℃においてシフト反応の速度が急激に増加するため、この温度領域を利用してシフト反応を行うことも可能である。すなわち、１０００〜１３００℃となる温度領域に水蒸気を供給することも可能である。
【００４５】
炭素系燃料１（石炭）及び酸化剤２（酸素又は空気）がガス化設備１０に供給され、炭素系燃料１がガス化されることにより一酸化炭素及び水素を主成分とする生成ガスになる。この生成ガスは、生成ガス移動部１０２の出口において高温度（約１０００℃）であるため、熱回収設備２０にて生成ガスの熱を回収して冷却する。
【００４６】
本実施例においては、ガス化設備のガス化炉１０１やガス化炉出口１０３に水を噴霧（供給）し、ガス化炉１０１で発生する熱（ガス化炉１０１若しくはガス化炉出口１０３の壁部或いは生成ガスの顕熱）で水を蒸発させることにより水蒸気を得ることができるようになっている。
【００４７】
図２において、制御装置７０は、酸化剤流量測定部８１、炭素系燃料流量測定部８２、ガス化設備温度測定部８５、供給水流量測定部９５、ガス化設備出口温度測定部８６、シフト反応設備上流側温度測定部８７、シフト反応設備下流側ガス組成測定部８９、ガス精製設備上流側流量測定部８３、ガス精製設備下流側ガス組成測定部９０、二酸化炭素除去設備上流側流量測定部８４及び二酸化炭素除去設備下流側ガス組成測定部９１で測定した値を元に、水の供給量（噴霧量）を算出し、水供給弁７１の開度を調節するための制御を行う。この制御により水の供給量を調節する。
【００４８】
制御装置７０における水の供給量は、以下の手順により算出する。
【００４９】
すなわち、シフト反応設備下流側ガス組成測定部８９で測定したガス組成を用いて、シフト反応設備４０における水蒸気と一酸化炭素との比を算出し、この比とともに、炭素系燃料流量測定部８２及び酸化剤流量測定部８１で測定した炭素系燃料供給量及び酸化剤供給量、並びに、既知である炭素系燃料の組成を用いて、二酸化炭素濃度目標値を実現するために必要な生成ガスに含まれる水蒸気量を求める。制御装置７０は、この水蒸気量と供給水流量測定部９５で測定した供給水流量とを用いてフィードバック制御により目標とする量の水が供給されるように、水供給弁７１を操作する。
【００５０】
ここで、ガス化設備１０のガス化炉１０１又はガス化炉出口１０３に水を噴霧（供給）すると、生成ガス温度が低下する。下流側のシフト反応設備４０においてシフト反応を進めるためには、生成ガスの温度を所定の温度以上とする必要がある。
【００５１】
そこで、各部の温度測定結果、目標とする量の水の供給による温度低下、及び熱回収部での温度低下の予測結果から、シフト反応設備４０の入口でのガス温度を予測し、この温度がシフト反応設備への通ガス可能温度以上となる範囲で水供給量を変化させることが望ましい。
【００５２】
また、シフト反応設備４０における水蒸気と一酸化炭素との比や、二酸化炭素除去設備６０での二酸化炭素の回収率は、計画値を上回ることも、下回ることもある。このような場合に、目標とする炭素の回収率が得られない可能性がある。
【００５３】
そこで、ガス精製設備上流側流量測定部８３で測定する生成ガス流量８３、シフト反応設備下流側ガス組成測定部８９で測定したガス組成及び二酸化炭素除去設備下流側ガス組成測定部９１で測定したガス組成を用いて炭素系燃料からの炭素の回収率を求め、この値が目標値より低い場合は二酸化炭素濃度目標値を高くし、目標値より高い場合は二酸化炭素濃度目標値を低くする。
【００５４】
水蒸気濃度を高めた生成ガスは、熱回収設備２０で熱回収され、脱塵設備３０へ送られる。なお、炭素の回収率の目標値によっては、シフト反応に必要な水を供給した後の生成ガスから熱回収することができないことがある。その場合は、図３及び図４に示すように、熱回収設備２０を用いずにガス化システムを構成する。
【００５５】
脱塵設備３０においては、サイクロン３１及び電気集塵機３２を用いて生成ガスに含まれるチャー（未燃炭素）などの微粒子が回収される。回収された微粒子は、ガス化炉１０１へリサイクルされる。脱塵後の生成ガスは、この生成ガスに含まれる硫化カルボニル（ＣＯＳ）を水蒸気と反応させて硫化水素及び二酸化炭素に変換するためのＣＯＳ転化器５４(硫化カルボニル転化器とも呼ぶ。)に送られる。ＣＯＳ転化器５４には、チタニア系やアルミナ系の触媒が充填されている。これは、硫化水素除去設備５３で用いるアミン系の吸収液はＣＯＳを吸収しないため、アミン系の吸収液に吸収させて高い脱硫率を達成するためにＣＯＳを硫化水素とする必要があるからである。
【００５６】
ガス化システムの構成上、ガス化設備１０におけるシフト反応が十分でないとされる場合、本実施例に示すように、ＣＯＳ転化器５４の次の段階として、シフト反応設備４０を設けることが望ましい。シフト反応設備４０には、鉄−クロム系や銅−亜鉛系の触媒が充填されている。
【００５７】
シフト反応後の生成ガスは、ガス精製設備５０に導かれ、ガス精製設備５０の水洗塔５１で塩化水素等を除去し、ガス精製設備５０の硫化水素除去設備５３で硫化水素を除去する。
【００５８】
水洗塔５１での塩化水素除去率を上げるためには、水洗塔５１へ供給する水の水素イオン濃度（ｐＨ）を、水酸化ナトリウムなどを用いてアルカリ性にすればよい。
【００５９】
硫化水素除去設備５３は、アミン水溶液などの吸収液５６が用いられる。硫化水素を吸収した吸収液１５６は、再生塔（図示せず）に送られ、吸収液１５６に含まれる硫化水素を除去して循環利用される。
【００６０】
硫化水素が除去された生成ガスは、二酸化炭素除去設備６０に送られる。ここで生成ガスから二酸化炭素が除去され、水素を主成分とする製品ガス３が下流へ供給される。二酸化炭素吸収に用いる吸収液５５としては、アミン水溶液などが用いられる。二酸化炭素を吸収した吸収液１５５は、再生塔（図示せず）に送られ、吸収液１５６に含まれる二酸化炭素を除去して循環利用される。
【００６１】
上述のガス化システムの運転方法に関する特徴をまとめると、以下のようになる。
【００６２】
二酸化炭素除去設備６０の上流側における生成ガスの流量及び組成並びに二酸化炭素除去設備６０の下流側における生成ガスの組成を用いて炭素系燃料１に含まれる炭素の回収率を算出する工程と、この炭素の回収率に応じて二酸化炭素濃度の目標値を調整する工程とを含む。
【００６３】
ガス化設備１０及びガス化設備１０の上流側の温度、水の供給量及びシフト反応設備４０の下流側の生成ガス流量を用いてシフト反応設備４０の上流側の生成ガス温度を予測する工程と、この生成ガス温度をシフト反応設備４０への通ガス可能温度以上とすることができる水の供給量の上限値を算出する工程と、この上限値以下の範囲で水の供給量を変化させる工程とを含む。
【実施例２】
【００６４】
本実施例においては、炭素系燃料に含まれる炭素の回収率の目標値が高い場合のガス化システム及びその運用方法に関するものである。ここで、炭素の回収率の目標値が高い場合とは、可能な限り炭素の回収を行うことを想定し、炭素の回収率の目標値を約９０％に設定する場合をいう。
【００６５】
図５は、本発明による実施例２のガス化システムの設備及び流路を模式的に示す構成図である。図６は、本発明による実施例２のガス化システムの信号配線を模式的に示す構成図である。
【００６６】
本実施例においては、図３及び図４に示すガス化システムと同様、熱回収設備２０を用いない。
【００６７】
図５に示すように、本実施例のガス化システムは、上流側から、ガス化設備１０、脱塵設備３０、水洗塔５１、ＣＯＳ転化器５４、シフト反応設備４０、硫化水素除去設備５３及び二酸化炭素除去設備６０を含む構成となっている。水洗塔５１は、排水処理設備５２と接続され、排水処理設備５２にて処理された循環水６を水洗塔５１に供給させるようになっている。
【００６８】
また、図６においては、循環水６の量を、弁７３の開度を制御装置７０で調節するようになっている。
【００６９】
炭素の回収率の目標値が高い場合、シフト反応に必要な水蒸気濃度も高い。また、必要な水蒸気量も多い。このため、ガス化設備１０で製造された生成ガスに接触させる水の量が多い。このため、生成ガスの温度の低下が大きく、ガス化設備１０の下流で生成ガスの熱を回収する余地がない。このため、サイクロン２３０を有する脱塵設備３０に生成ガスを導入して比較的大きい微粒子を除去した後、下流側のシフト反応設備４０に供給する。
【００７０】
本実施例においては、底部に液溜り２５２を有する水洗塔５１を用い、生成ガスと水とを接触させる方式用いている。
【００７１】
この水洗塔５１の上流側には、ベンチュリースクラバー２５１が設けてあり、このベンチュリースクラバー２５１に補給する水４を導入して水４を微粒化することにより、生成ガスに含まれる微粒子の除去効率を向上させている。水４と混合された生成ガスは、水洗塔５１の下部の液溜り２５２に導入される。水洗塔５１に補給する水４は、水洗塔５１の上部から供給してもよい。この水４の供給量は、水供給弁７２の開度を調節することにより変化させる。
【００７２】
また、塩化水素などを吸収した水洗塔５１の排水５は、排水処理設備５２に送り、塩化水素を除去して循環水６とし、水洗塔５１の上部から供給して再利用する。水洗塔５１の内部には、棚段２５３が設けてあり、生成ガスに含まれる塩化水素などの微量成分の除去効率を向上させている。ここで、排水５の流量は、弁７４により調節できるようになっている。
【００７３】
さらに、排水処理設備５２のチャーを含有する水をチャー含有水７としてガス化炉１０１へ供給し、チャーをガス化するとともに、水分をガス化炉１０１におけるシフト反応に利用する。ここで、排水処理設備５２で処理する排水５の上澄みを循環水６とし、チャーの濃度が高い水をチャー含有水７とすることが望ましい。
【００７４】
これにより、チャーの処理も容易となり、補給する水の量を低減することができる。
【００７５】
炭素系燃料１及び酸化剤２の供給方式は、実施例１と同様である。
【００７６】
本実施例においては、上述のように、チャー含有水７をガス化炉１０１に供給することにより、ガス化炉１０１におけるシフト反応に必要な水分を供給している。ガス化設備１０を出た生成ガスは、脱塵設備３０に送られ、生成ガスに含まれる未燃石炭粒子が除去される。この未燃石炭粒子はガス化炉へリサイクルされる。微粒子を除去した生成ガスは、上記の水洗塔５１へ送られる。
【００７７】
水洗塔５１の出口の生成ガスに含まれる水蒸気量を、シフト反応に必要な量とするため、以下の方法で制御装置７０を用いて制御する。
【００７８】
まず、シフト反応設備４０における水蒸気と一酸化炭素との比、炭素系燃料１の供給量、酸化剤２の供給量、炭素系燃料１の組成を用い、二酸化炭素濃度の目標値を得るために必要な生成ガス中の水蒸気量（必要水蒸気量）を求める。
【００７９】
つぎに、水洗塔５１の出口における生成ガスの温度及び圧力をそれぞれ、水洗塔出口温度測定部８８及び水洗塔出口圧力測定部８５で測定した結果を用いて生成ガスが水洗塔５１を通過した後の水蒸気濃度を予測（算出）し、この時の生成ガス中に含まれる水蒸気量を求める。
【００８０】
この水蒸気量が上記の必要水蒸気量より小さい場合は、水供給弁７３の開度を低くして水洗塔５１での循環水６の量を減らし、水洗塔５１下部の液溜り２５２の温度を上げる。また、上記の必要水蒸気量より大きい場合は、水供給弁７３の開度を高くして循環水６の量を増やし、液溜り２５２の温度を下げる。
【００８１】
水洗塔５１には、この循環水６とは別に、水４（補給水）を供給する必要がある。これは、生成ガスと接触して水蒸気となって水洗塔５１の下流へ流出する水分を補う必要があるためである。水４の量は、水洗塔５１で生成ガスに添加する必要がある水の量と同等とするが、必要に応じて水洗塔５１下部の液溜り２５２の高さが一定になるように調整する。
【００８２】
なお、水洗塔５１の出口における水蒸気と一酸化炭素との比を目標値まで上げることができない場合、シフト反応設備４０に水蒸気８を供給することにより、シフト反応で不足する水蒸気を補う。
【００８３】
水洗塔５１の下部からは、上記の循環水６の量と同等の水を抜き出すが、必要に応じて、水洗塔５１の液溜り２５２の高さが一定になるように調整する。水洗塔５１から抜き出した水５は排水処理設備５２に導く。凝集沈降装置（図示せず）を用い、未燃の石炭粒子を含む排水を濃縮してガス化炉１０１へリサイクルする。未燃の石炭粒子が少ない上澄み液は、微粒子を除去し、さらに塩化水素などの微量成分を除去した後に、水洗塔５１へリサイクルする。
【００８４】
二酸化炭素濃度の目標値の設定方法は、実施例１と同様である。また、液溜り２５２の出口における生成ガス温度がシフト反応設備４０への通ガス可能温度以上となる範囲で循環水６の量を変化させる方法なども、実施例１と同様である。
【００８５】
上述のガス化システムの運転方法に関する特徴をまとめると、以下のようになる。
【００８６】
ガス化設備１０の下流側に、生成ガスと水とを接触させるための水溜り２５２を有する水洗塔５１を設け、水洗塔５１と排水処理設備５２とを接続し、排水処理設備５２にて処理された循環水６を水洗塔５１に供給させる構成を有するガス化システムの運転方法であって、炭素系燃料供給量、酸化剤供給量、炭素系燃料１の組成、及び、シフト反応設備４０における水蒸気と一酸化炭素との比を用いて、シフト反応設備４０における必要水蒸気量を算出する工程と、ガス化設備１０の下流側の生成ガス温度並びに水洗塔５１の生成ガスの温度及び圧力を用いて、生成ガスが水溜り２５２を通過した後の水蒸気濃度を予測し、この時の生成ガスに含まれる水蒸気量を算出する工程と、この水蒸気量を必要水蒸気量に近づけるために循環水６の流量の制御を行う工程とを含む。
【００８７】
シフト反応設備４０の上流側の生成ガス温度を測定し、この生成ガス温度をシフト反応設備４０への通ガス可能温度以上となる範囲で水溜り２５２での循環水６の流量を変化させる工程を含む。
【符号の説明】
【００８８】
１：炭素系燃料、２：酸化剤、３：製品ガス、４：水、５：排水、６：循環水、７：チャー含有水、８：水蒸気、１０：ガス化設備、２０：熱回収設備、３０：脱塵設備、４０：シフト反応設備、５０：ガス精製設備、５１：水洗塔、５２：排水処理設備、５３：硫化水素除去設備、５４：ＣＯＳ転化器、６０：二酸化炭素除去設備、７０：制御装置、１１３：水供給部。
【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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【図６】
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