(57)【要約】【課題】石炭ガス中のＣＯ濃度変動及び流量変動に対応させて、最上流の高温シフト反応器内の触媒温度を耐熱限界温度以下に安定に保持する。【解決手段】蒸気が混合された石炭ガスが流入される最上流の高温シフト反応器５を含む、直列に接続された複数のシフト反応器５、７、９と、高温シフト反応器５に流入する主ガス量を調節する主ガス量調節弁１８ａと、主ガス量調節弁の上流側から分岐して高温シフト反応器５をバイパスして石炭ガスを下流側に流すバイパスライン２１と、バイパスガス量を調節するバイパスガス量調節弁１８ｂと、最上流の高温シフト反応器５の触媒層内にガス流れ方向に配置された複数の温度センサ２３ａ〜ｃとを備え、制御装置２５は、温度センサ２３ａ〜ｃのうちの最高計測温度を設定温度に保持するように主ガス量調節弁１８ａとバイパスガス量調節弁１８ｂを制御する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭をガス化して供給される石炭ガスに高圧蒸気を混合する高圧蒸気ミキサーと、前記高圧蒸気が混合された石炭ガスが流入される活性提示温度の高いＣＯシフト触媒が充填された最上流の高温シフト反応器を含む直列に接続された複数のシフト反応器と、前記高圧蒸気ミキサーを介して前記高温シフト反応器に流入する石炭ガスのガス量を調節する主ガス量調節弁と、該主ガス量調節弁の上流側から分岐して前記高温シフト反応器をバイパスして石炭ガスを下流側のシフト反応器に導入するバイパスラインと、該バイパスラインに設けられバイパスガス量を調節するバイパスガス量調節弁とを備えてなるＣＯシフト反応装置において、最上流の前記高温シフト反応器のＣＯシフト触媒層内にガス流れ方向に沿って配置された複数の温度センサと、該複数の温度センサの計測温度を入力して当該ＣＯシフト触媒層内の温度に基づいて前記主ガス量調節弁と前記バイパスガス量調節弁とを制御して触媒温度を設定温度に制御する制御装置とを備え、該制御装置は、前記複数の温度センサの計測温度を比較して最高触媒温度を前記設定温度に保持するように、前記主ガス量調節弁と前記バイパスガス量調節弁を制御することを特徴とするＣＯシフト反応装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＣＯシフト反応装置において、
前記最上流の高温シフト反応器のＣＯシフト触媒層内に配置される複数の温度センサは、少なくとも前記ＣＯシフト触媒層の入口部、中央部、出口部の３箇所に配置され、
前記制御装置は、前記温度センサのうちで最高計測温度を示した温度センサの計測温度を前記最高触媒温度として、前記主ガス量調節弁と前記バイパスガス量調節弁を制御することを特徴とするＣＯシフト反応装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＣＯシフト反応装置において、
前記制御装置は、前記最上流の高温シフト反応器の前記最高触媒温度が前記設定温度を越えて上昇したとき、前記設定温度と耐熱温度（警報設定値）の中間に設定した閾値を越えた時点で、前記バイパスガス量調節弁の開度を全開の５〜１０％の範囲で瞬時的（一時的）に開いた後、前記バイパスガス量調節弁の開度を元に戻す制御を行うことを特徴とするＣＯシフト反応装置。
【請求項４】
請求項３に記載のＣＯシフト反応装置において、
前記制御装置は、前記最上流の高温シフト反応器のＣＯシフト触媒層の最高触媒温度が前記設定温度を越えて上昇したとき、前記主ガス量調節弁と前記バイパスガス量調節弁に対して開度指令を出力するものとし、
前記開度指令は、前記主ガス量調節弁は開度１００％から予め定めた設定開度に絞り込んで固定し、前記バイパスガス量調節弁は開度を０％から開度指令に従って一定のレートで開度を増加する指令であることを特徴とするＣＯシフト反応装置。
【請求項５】
請求項４に記載のＣＯシフト反応装置において、
前記バイパスガス量調節弁の開度を増加する前記レートは、前記バイパスガス量調節弁の開度１００％のときに、前記主ガス量調節弁を流通する石炭ガス量と前記バイパスガス量調節弁を流通するバイパスガス量が、前記石炭ガスの全量に対し５０％ずつでほぼ同量となるように設定されていることを特徴とするＣＯシフト反応装置。
【請求項６】
石炭をガス化して供給される石炭ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ２）に変換するＣＯシフト反応装置と、該ＣＯシフト反応装置で変換された前記ＣＯ２を分離して回収するＣＯ２分離回収装置とを備え、前記ＣＯシフト反応装置は、前記石炭ガスに高圧蒸気を混合する高圧蒸気ミキサーと、前記高圧蒸気が混合された石炭ガスが流入される活性提示温度の高いＣＯシフト触媒が充填された最上流の高温シフト反応器を含む直列に接続された複数のシフト反応器と、前記高圧蒸気ミキサーを介して前記高温シフト反応器に流入する石炭ガスのガス量を調節する主ガス量調節弁と、該主ガス量調節弁の上流側から分岐して前記高温シフト反応器をバイパスして石炭ガスを下流側のシフト反応器に導入するバイパスラインと、該バイパスラインに設けられバイパスガス量を調節するバイパスガス量調節弁とを備えてなる石炭ガス化システムにおいて、
前記最上流の前記高温シフト反応器のＣＯシフト触媒層内にガス流れ方向に沿って配置された複数の温度センサと、該複数の温度センサの計測温度を入力して当該ＣＯシフト触媒層内の温度に基づいて前記主ガス量調節弁と前記バイパスガス量調節弁とを制御して触媒温度を設定温度に制御する制御装置とを備え、該制御装置は、前記複数の温度センサの計測温度を比較して最高触媒温度を前記設定温度に保持するように、前記主ガス量調節弁と前記バイパスガス量調節弁を制御することを特徴とする石炭ガス化システム。
【請求項７】
請求項６に記載の石炭ガス化システムにおいて、
前記最上流の高温シフト反応器のＣＯシフト触媒層内に配置される複数の温度センサは、少なくとも前記ＣＯシフト触媒層の入口部、中央部、出口部の３箇所に配置され、
前記制御装置は、前記温度センサのうちで最高計測温度を示した温度センサの計測温度を前記最高触媒温度として、前記主ガス量調節弁と前記バイパスガス量調節弁を制御することを特徴とする石炭ガス化システム。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の石炭ガス化システムにおいて、
前記制御装置は、前記最上流の高温シフト反応器の前記最高触媒温度が前記設定温度を越えて上昇したとき、前記設定温度と耐熱温度（警報設定値）の中間に設定した閾値を越えた時点で、前記バイパスガス量調節弁の開度を全開の５〜１０％の範囲で瞬時的に開いた後、前記バイパスガス量調節弁の開度を元に戻す制御を行うことを特徴とする石炭ガス化システム。
【請求項９】
請求項８に記載の石炭ガス化システムにおいて、
前記制御装置は、前記最上流の高温シフト反応器のＣＯシフト触媒層の最高触媒温度が前記設定温度を越えて上昇したとき、前記主ガス量調節弁と前記バイパスガス量調節弁に対して開度指令を出力するものとし、
前記開度指令は、前記主ガス量調節弁は開度１００％から予め定めた設定開度に絞り込んで固定し、前記バイパスガス量調節弁は開度を０％から開度指令に従って一定のレートで開度を増加する指令であることを特徴とする石炭ガス化システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の石炭ガス化システムにおいて、
前記バイパスガス量調節弁の開度を増加する前記レートは、前記バイパスガス量調節弁の開度１００％のときに、前記主ガス量調節弁を流通する石炭ガス量と前記バイパスガス量調節弁を流通するバイパスガス量が、前記石炭ガスの全量に対し５０％ずつでほぼ同量となるように設定されていることを特徴とする石炭ガス化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯシフト反応装置及び該ＣＯシフト反応装置を備えた石炭ガス化システムに係り、特に、石炭ガス化ガス中のＣＯをＣＯ２に変換（シフト）させてＣＯ２を分離回収するのに好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭焚火力発電プラントの効率の向上を図る技術として、石炭ガス化複合発電（Integrated Coal Gasification Cycle）システムが研究開発されている。すなわち、微粉炭と酸素をガス化炉で反応させてＣＯとＨ２を主成分とする石炭ガス化ガス（以下、適宜、石炭ガスと略称する。）を発生させ、これを精製した後、ガスタービン発電機で燃焼して発電するとともに、ガスタービンの燃焼排ガスで蒸気を発生させて蒸気タービンを駆動して発電を行うシステムである。
【０００３】
石炭ガス化過程では、高濃度のＣＯ（一酸化炭素）が発生するため、ＣＯシフト反応装置を設け、式（１）で示すシフト反応により、ＣＯシフト触媒の存在下でＣＯを水蒸気と反応させてＨ２（水素）とＣＯ２（二酸化炭素）に変換している。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋Ｈ２＋８．３ｋａｌ/ｇｍｏｌ      （１）
シフト反応により生成されるＨ２はガスタービンへ燃料として供給し、ＣＯ２はＣＯ２分離回収装置で効率的に回収して、石炭ガス化複合発電プラントの発電効率の向上を図るとともに、プラントからのＣＯ２放出量を低減している。ＣＯ２分離回収装置は、例えばＣＯ２を吸収液に吸収させて回収するように構成することができるが、石炭ガスを圧縮してＣＯ２を凝縮させて分離回収するなど、他の公知の方式を適用できる。
【０００４】
ところで、式（１）のシフト反応は発熱反応であるから、シフト反応によりＣＯシフト触媒が加熱され、触媒の耐熱性から定まる耐熱限界温度を越えるおそれがある。そこで、特許文献１には、ＣＯシフト触媒が耐熱限界温度を越えないようにＣＯシフト反応装置を制御可能なシステム構成が提案されている。すなわち、特許文献１によれば、精製した石炭ガスに高圧蒸気ミキサーで高圧蒸気を混合し、高圧蒸気が混合された石炭ガスを直列に接続された複数のシフト反応器に流通してＣＯシフト反応を行わせている。特に、最上流側のシフト反応器に流入させる石炭ガスを予熱するとともに、各シフト反応器の出側に冷却器を設けて、シフト反応で加熱された石炭ガスを冷却するようにしている。また、最上流側に活性提示温度の高いシフト触媒を充填した高温シフト反応器を配置し、最下流側に活性提示温度の低いシフト触媒を充填した低温シフト反応器を配置し、中間には例えば活性提示温度の高いシフト触媒を充填した高温シフト反応器を配置している。
【０００５】
また、特許文献１では、最上流の高温シフト反応器に流入される石炭ガスのＣＯ濃度変動によりＣＯシフト触媒が耐熱限界温度を越えないようにするため、石炭ガスの一部を蒸気ミキサー、予熱器及び最上流の高温シフト反応器をバイパスして次段の例えば高温シフト反応器に導入するバイパスラインを設けている。これにより、最上流の高温シフト反応器に流入させる主ガス量と、バイパスさせるガス量を調整して、最上流の高温シフト反応器の出口部のガス温度がＣＯシフト触媒の耐熱限界温度よりも低く、かつ活性提示温度よりも高く保持するようにしている。さらに、必要に応じて、最下流の低温シフト反応器から流出されるＣＯ濃度の低い石炭ガスを昇圧して、最上流の高温シフト反応器の蒸気ミキサーの上流側に戻すリサイクルガスラインを設け、上述した最上流の高温シフト反応器への流入ガス量と、バイパスガス量の調整に加えて、リサイクルガス量を調整してＣＯシフト触媒の温度を制御可能に構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２１１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、最上流の高温シフト反応器への流入させるガス量の調整に伴って、その高温シフト反応器のＣＯシフト触媒層内のガス流れ方向の温度分布が変化することについて配慮していない。すなわち、石炭ガスのＣＯ濃度が高くなると（例えば、５０ｖｏｌ％）、ＣＯシフト反応により触媒温度が耐熱限界温度（例えば、４８０℃）を越えるおそれがある。そこで、石炭ガスを最上流の高温シフト反応器をバイパスさせて、後流側のシフト反応器へ流し、最上流の高温シフト反応器に導入する主ガス量を減少させることにより、ＣＯシフト反応の発熱量を減少させて出口部のガス温度を低下させるようにしている。
【０００８】
しかし、最上流の高温シフト反応器に流通する主ガス量を減らすと、空搭速度（Space Velocity）が低下するので、ＣＯシフト触媒層の単位長さ当たりのシフト反応が促進される。そのため、最高温度点が上流側に移動するとともに、耐熱限界温度を越える可能性が高くなるおそれがある。また、ＣＯシフト触媒層の出口部に設置した熱電対の計測温度に基づいて、最上流の高温シフト反応器に流通させる主ガス量を減らすと、最下流部の温度が急激に低下する。そして、これに応答して最上流の高温シフト反応器に流通させる主ガス量が増加される結果、今度は空搭速度が増大して最高温度点が下流側に移動する。しかし、熱移動には遅れが伴うから、ＣＯシフト触媒層の最高触媒温度がバイパス制御前よりも高くなり、主ガス量とバイパスガス量の制御がハンチングを起こすおそれがある。このようなハンチング現象は、バイパス制御運転の開始時あるいは負荷増加時に頻繁に発生することになる。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、石炭ガス中のＣＯ濃度変動及び流量変動に対応させて、最上流の高温シフト反応器内のＣＯシフト反応触媒の温度を耐熱限界温度以下に安定に保持することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明の第1の態様は、石炭をガス化して供給される石炭ガスに高圧蒸気を混合する高圧蒸気ミキサーと、前記高圧蒸気が混合された石炭ガスが流入される活性提示温度の高いＣＯシフト触媒が充填された最上流の高温シフト反応器を含む直列に接続された複数のシフト反応器と、前記高圧蒸気ミキサーを介して前記高温シフト反応器に流入する石炭ガスのガス量を調節する主ガス量調節弁と、該主ガス量調節弁の上流側から分岐して前記高温シフト反応器をバイパスして石炭ガスを下流側のシフト反応器に導入するバイパスラインと、該バイパスラインに設けられバイパスガス量を調節するバイパスガス量調節弁とを備えてなるＣＯシフト反応装置において、最上流の前記高温シフト反応器のＣＯシフト触媒層内にガス流れ方向に沿って配置された複数の温度センサと、該複数の温度センサの計測温度を入力して当該ＣＯシフト触媒層内の温度に基づいて前記主ガス量調節弁と前記バイパスガス量調節弁とを制御して触媒温度を設定温度に制御する制御装置とを備え、該制御装置は、前記複数の温度センサの計測温度を比較して最高触媒温度を前記設定温度に保持するように、前記主ガス量調節弁と前記バイパスガス量調節弁を制御することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、最上流の高温シフト反応器のＣＯシフト触媒層内に配置される複数の温度センサは、ＣＯシフト触媒層の入口部、中央部、出口部の温度が計測できるように、少なくとも３個以上であることが好ましい。この場合、制御装置は、最高温度を示した温度センサを選択して、ＣＯシフト触媒層の温度制御に用いる。
【００１２】
また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記制御装置は、最上流の高温シフト反応器の最高触媒温度が前記設定温度を越えて上昇したとき、前記設定範囲と耐熱限界温度（警報設定値）の中間に設定した閾値を越えた時点で、前記バイパスガス量調節弁の開度を全開の５〜１０％の範囲で瞬時的（一時的）に開いた後、前記バイパスガス量調節弁の開度を元に戻す制御をおこなうようにすることができる。
【００１３】
この第３の態様の場合において、最上流の高温シフト反応器の最高触媒温度が前記設定範囲を超過して上昇したとき、前記主ガス量調節弁と前記バイパスガス量調節弁に対して開度指令を出力して、前記主ガス量調節弁は開度１００％から予め定めた設定開度に絞り込んで固定し、前記バイパスガス量調節弁は開度を０％から開度指令に従って一定のレートで開度を増加するように制御することができる。
【００１４】
また、第３の態様において、前記バイパスガス量調節弁の開度の増加レートは、前記バイパスガス量調節弁の開度１００％のときに、前記主ガス量調節弁を流通する石炭ガス量と前記バイパスガス量調節弁を流通するバイパス流量が、前記石炭ガスの全流量に対し５０％ずつでほぼ同量となるよう、前記バイパスガス量調節弁の開度を決定することができる。
【００１５】
また、本発明の石炭ガス化システムは、石炭をガス化して供給される石炭ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ２）に変換するＣＯシフト反応装置と、該ＣＯシフト反応装置で変換された前記ＣＯ２を分離して回収するＣＯ２分離回収装置とを備えて構成され、前記ＣＯシフト反応装置として、前記第１乃至第３のいずれかの態様のＣＯシフト反応装置を単独で、もしくは組み合わせて適用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、石炭ガス中のＣＯ濃度変動及び流量変動に対応させて、最上流の高温シフト反応器内のＣＯシフト反応触媒の温度を耐熱限界温度以下に安定に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態の石炭ガス化システムのブロック構成図である。
【図２】本発明のＣＯシフト反応装置の実施例１の系統構成図である。
【図３】本発明のＣＯシフト反応装置の実施例１の特徴構成に係る解決課題を説明する図である。
【図４】本発明の実施例１の主ガス量調節弁とバイパスガス量調節弁の開度の関連制御を説明する図である。
【図５】本発明の実施例１のＣＯシフト触媒層の温度を速やかに下げる先行制御の一例を説明する図である。
【図６】本発明のＣＯシフト反応装置の実施例２の系統構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明のＣＯシフト反応装置を備えたＣＯ２分離回収装置を含んでなる石炭ガス化システムを実施形態に基づいて説明する。図１に示すように、本発明の一実施形態の石炭ガス化システム１００は、石炭加圧供給設備１０２に石炭１０１が送られて粉砕され、かつ加圧された微粉炭がガス化炉１０３に供給される。微粉炭は加圧されたガス化炉１０３の炉壁に設けられたノズルから、空気分離設備１０４から供給される酸素とともに炉内に噴出され、微粉炭の一部の燃焼熱によりＣＯ及びＨ２を主成分とする石炭ガスにガス化される。石炭ガスは、ガス熱交換器１０５により熱回収されて脱塵・脱硫設備１０６に導かれ、石炭ガス中の飛灰及び硫黄分が除去される。飛灰及び硫黄分が除去された石炭ガスは、ガス精製設備１０７においてさらに精製されてＣＯシフト反応装置１０８に導入される。
【００１９】
ＣＯシフト反応装置１０８では、高圧蒸気設備１０９から高圧蒸気（Ｈ２Ｏ）が供給され、前述の式（１）のＣＯシフト反応によって石炭ガス中のＣＯとＨ２Ｏが反応してＣＯ２とＨ２に変換（シフト）される。ＣＯシフト反応装置１０８でシフトされた石炭ガスは吸収搭１１０に導かれ、ＣＯ２が吸収液に吸収されて石炭ガスから分離される。ＣＯ２が分離されると、石炭ガスは殆どＨ２となってガスタービン１１１に燃料として供給される。吸収搭１１０にてＣＯ２を吸収した吸収液は、吸収液再生装置１１２に導かれて吸収液中のＣＯ２が分離回収されて吸収液が再生される。再生された吸収液は、吸収液ポンプ１１３により吸収搭１１０に循環される。このようにして、本実施形態の石炭ガス化システム１００は、石炭を連続してガス化してＣＯをＨ２とＣＯ２にシフトさせ、ＣＯ２を分離回収してガスタービンの効率を向上させるとともにＣＯ２放出量を低減している。
【実施例１】
【００２０】
次に、図２を参照して、ＣＯシフト反応装置１０８のシステム構成の実施例１を詳細に説明する。石炭ガスは、Ｎｏ.１予熱器１０６ａで予熱され、脱硫器１０６ｂにおいてＣＯシフト触媒の被毒成分である石炭ガス中の硫黄分が除去される。また、Ｎｏ.１予熱器１０６ａの上流側の管路に、パージ用窒素ガス供給弁１７を介して窒素ガスを供給可能になっている。
【００２１】
ＣＯシフト反応装置１０８は、高圧蒸気ミキサー３と、Ｎｏ.２予熱器４と、最上流の高温シフト反応器５と、Ｎｏ.１シフトガス冷却器６と、２段目の高温シフト反応器７と、Ｎｏ.２シフトガス冷却器８と、３段目の低温シフト反応器９と、Ｎｏ.３シフトガス冷却器１０とが順次直列に接続されている。Ｎｏ.３シフトガス冷却器１０は石炭ガスを過冷却して水蒸気を凝縮させ、ノックアウトドラム１１に導いて凝縮水を除去した後、図１に示した吸収搭１１０にて吸収液にＣＯ２を吸収させて分離回収するようになっている。
【００２２】
高圧蒸気ミキサー３には、脱硫器１０６ｂから石炭ガスライン２０及び主ガス量調節弁１８ａを介して石炭ガスが供給されるようになっている。また、主ガス量調節弁１８ａの上流側から分岐して、高圧蒸気ミキサー３とＮｏ.２予熱器４と最上流の高温シフト反応器５をバイパスして、石炭ガスを高温シフト反応器５の出口側の管路に導入するバイパスライン２１が設けられている。バイパスライン２１には、バイパスガス量調節弁１８ｂが介装されている。また、高温シフト反応器５の出口とＮｏ.１シフトガス冷却器６を結ぶ管路に、Ｎｏ.１シフトガス冷却器６に流通する石炭ガスのガス量を調節して、Ｎｏ.１シフトガス冷却器６の出口側の石炭ガスの温度を制御する温度調節弁１２が介装されている。同様に、高温シフト反応器７とＮｏ.２シフトガス冷却器８とを結ぶ管路に、Ｎｏ.２シフトガス冷却器８の出口側の石炭ガスの温度を制御する温度調節弁１３が介装されている。
【００２３】
また、ノックアウトドラム１１の下流側から石炭ガスをリサイクルガス圧縮機１４により抜き出して、高圧蒸気ミキサー３の流入側にリサイクルするリサイクルガスライン１９が設けられている。リサイクルガスライン１９にはリサイクルガス量調節弁１５が介装されている。これにより、高温シフト反応器５に流入する石炭ガスのＣＯ濃度を希釈することができるようになっている。なお、ＣＯシフト反応装置１０８の全体をバイパスして、脱硫器１０６ｂの下流側からノックアウトドラム１１の下流側へ石炭ガスを逃すバイパスライン２２が設けられている。バイパスライン２２にはバイパス弁１６が介装されている。
【００２４】
Ｎｏ.１予熱器１０６ａの上流側の管路に流れる石炭ガスの流量を計測する流量計２４ａと、高温シフト反応器５に流入する石炭ガスの主ガス量を計測する流量計２４ｂと、高温シフト反応器５のバイパスライン２１に流通されるバイパスガス量を計測する流量計２４ｃと、ＣＯシフト反応装置１０８の全体をバイパスするバイパスライン２２に流通されるバイパスガス量を計測する流量計２４ｄが設けられている。これらの流量計２４ａ〜ｄにより計測された流量は、制御装置２５に入力されている。
【００２５】
また、本実施例の高温シフト反応器５のＣＯシフト触媒層内の入口部、中央部、出口部に、ＣＯシフト触媒層の温度を計測する例えば熱電対を用いてなる温度センサ２３ａ、２３ｂ、２３ｃが設置されている。また、高温シフト反応器５のＣＯシフト触媒層から流出される石炭ガスの温度を測定する温度センサ２３ｄが設置されている。これらの温度センサ２３ａ〜ｄにより計測された温度は、制御装置２５に入力されている。制御装置２５は、主ガス量調節弁１８ａと、バイパスガス量調節弁１８ｂと、温度調節弁１２、１３と、リサイクルガス量調節弁１５と、バイパス弁１６と、パージ用窒素ガス供給弁１７は、それぞれ制御装置２５により制御されるようになっている。
【００２６】
このように構成される実施例１のＣＯシフト反応装置１０８の動作について説明する。脱硫器１０６ｂから流出される石炭ガスは主ガス量調節弁１８ａを介して高圧蒸気ミキサー３に流入される。このとき、石炭ガスの流量は、流量計２４ｂの計測流量に基づいて、主ガス量調節弁１８ａの開度を制御装置２５により調節して制御する。また、図示していないが、前記式（１）のシフト反応に見合う高圧蒸気が蒸気ミキサー３に供給されて混合される。次に、Ｎｏ．２予熱器４にてＣＯシフト触媒の活性提示温度（例えば、≒３００℃）まで予熱して、最上流の高温シフト反応器５に流入させることにより、ＣＯのシフト反応が進行する。
【００２７】
高温シフト反応器５から流出するシフトされた石炭ガスは、Ｎｏ.１シフトガス冷却器６で冷却された後、２段目の高温シフト反応器７に流入してシフト反応が進行する。高温シフト反応器７から流出するシフトされた石炭ガスは、Ｎｏ.２シフトガス冷却器８で冷却された後、低温シフト反応器９に流入されてさらにシフト反応が進行する。低温シフト反応器９から流出するシフトされた石炭ガスは、Ｎｏ．３シフトガス冷却器１０で冷却され、かつ過剰な水蒸気の凝縮が行われ、発生した凝縮水はノックアウトドラム１１で除去される。ノックアウトドラム１１を通過した石炭ガスは、図１に示した吸収搭１１０に導入されてＣＯ２が吸収分離される。
【００２８】
ところで、石炭ガスはＣＯ濃度が非常に高い（例えば、５０ｖｏｌ％）ことから、シフト反応による反応熱が多いため、最上流の高温シフト反応器５内の触媒温度が耐熱限界温度（例えば、４８０℃）を超過して、シフト触媒が損傷するとＣＯシフト反応装置１０８、延いては石炭ガス化システムの安定した連続運転が損なわれる。
【００２９】
そこで、従来から、最上流の高温シフト反応器５にバイパスライン２１を設けるとともに、高温シフト反応器５に流入する石炭ガスのＣＯ濃度を希釈するリサイクルガスライン１９を設けている。すなわち、バイパスライン２１は、脱硫器２と高圧蒸気ミキサー３の間の石炭ガスライン２０から高温シフト反応器５をバイパスして、石炭ガスを高温シフト反応器５の出口側に導くようにしている。バイパスライン２１を流通する石炭ガスのバイパス流量は、制御装置２５によってバイパスガス流量調整弁１８ｂを制御して調節する。また、高温シフト反応器５に流通させる石炭ガスの流量は、制御装置２５によって主ガス量調節弁１８ａを制御して調節する。具体的には、高温シフト反応器５のＣＯシフト触媒層の温度が、予め設定された設定温度を越えたとき、高温シフト反応器５に流入する石炭ガス量を制限し、発熱反応を抑制してＣＯシフト触媒層の温度を設定温度に保持する。
【００３０】
一方、高温シフト反応器５をバイパスした石炭ガスは、２段目の高温シフト反応器７に流入してシフト反応が進行する。しかし、２段目の高温シフト反応器７においては、ＣＯ濃度が低下していること、及び高温シフト反応器５で反応しても、Ｎｏ.１シフトガス冷却器６で冷却されるから、シフト反応で発熱しても、予め設定された設定温度を越えるほど上昇しない。さらに、バイパスライン２１によるバイパス制御で高温シフト反応器５の触媒温度の上昇を吸収しきれなかった場合は、バイパス弁１６を開けて石炭ガスを逃がすと共に、リサイクルガス圧縮機１４よりリサイクルガスライン１９を通してシフトされた石炭ガスをリサイクルすることにより、高温シフト反応器５の入口の石炭ガスのＣＯ濃度を希釈して対応する。このような、従来の高温シフト反応器５をバイパスする温度制御は、ＣＯシフト反応装置に不可欠な方法である。
【００３１】
ここで、実施例１のＣＯシフト反応装置１０８の特徴構成について説明する。そのために、特徴構成に係る解決課題について、図３を参照して説明する。
（１）シフト反応器をバイパスさせることに伴う課題
主ガス量調節弁１８ａの開度を絞るとともに、バイパスガス量調節弁１８ｂの開度を開くと、高温シフト反応器５に流通する石炭ガスの主ガス量が減る。その主ガス量の減少に伴い、高温シフト反応器５のＣＯシフト触媒の発熱量が減少し、高温シフト反応器５から流出される石炭ガスの温度が低下する。しかし、ガス量の減少に伴いシフト触媒のＳＶが低下するため、ＣＯシフト触媒にとっては性能（活性）に余裕のある状態となる。その結果、ＣＯシフト触媒層中の最高温度点はＣＯシフト触媒層のガス流れ方向の上流側に移動する（図３（ａ）の点Ａから点Ｂ）。このときのガス流れ方向の温度分布は、図中の点線３１から実線３２に示すプロファイルに変化する。また、ＳＶの低下により触媒活性が高くなることに伴い、最高触媒温度が上昇して、耐熱限界温度を超過する場合が発生するという不都合が発生する。
【００３２】
（２）ＣＯシフト触媒の温度制御点の位置に起因する課題
高温シフト反応器５のＣＯシフト触媒の温度制御は、従来は、一般に図２の温度センサ２３ｄで計測した計測温度を予め設定した設定温度に保持するように、主ガス量調節弁１８ａとバイパスガス量調節弁１８ｂとを制御している。つまり、温度計測点は温度センサ２３ｄの１点であるから、上記の（１）で説明したように、ＣＯシフト触媒層中の最高温度点が上流側に移動すると、温度計測点である温度センサ２３ｄの計測温度が急速に低下する（図３（ａ）の点Ａから点Ｃ）。その結果、制御装置２５は主ガス量調節弁１８ａを開き、バイパスガス量調節弁１８ｂを閉じる方向の指令を出すから、高温シフト反応器５に流通される石炭ガスの主ガス量が増加し、シフト反応熱が増加してＣＯシフト触媒層の温度が上昇する。このとき、最高温度点も、図３（ｂ）に示すように、ガス流れ方向の上流側に移動し（点線３３から実線３４）、温度センサ２３ｄの計測温度が急速に上昇する（図３（ｂ）の点Ｄから点Ｅ）。
【００３３】
また、熱移動の時間遅れも加わり、最高触媒温度はバイパス制御前より高くなり、耐熱限界温度を超過することがある。そのため、制御装置２５は、逆に、主ガス量調節弁１８ａを閉じ、バイパスガス量調節弁１８ｂを開く方向の指令を出すことになる。この一連の制御により、高温シフト反応器５においてＣＯシフト触媒層の温度分布と最高触媒温度に変動が生じ、高温シフト反応器５へ流入する主ガス量及びバイパスライン２１のバイパスガス量も変動し、ＣＯシフト触媒層の温度制御ができなくなるハンチング現象が生じる。また、一般に、ＣＯシフト触媒層の温度は触媒保護の観点から、ＣＯシフト反応装置を含めて石炭ガス化システムを緊急に停止する事象も発生する。特に、上述のハンチング現象は、高温シフト反応器５のバイパス制御開始時や、負荷を増加する時に、頻繁に発生するものと推定され、装置の安定運転を阻害する要因となる。
【００３４】
これらの課題に対応するため、本実施例１では、以下に述べる特徴構成を備えたことにある。まず、最上流の高温シフト反応器５のＣＯシフト触媒層内に、ガス流れ方向に沿って入口部と中央部と出口部の３箇所に温度センサ２３ａ、２３ｂ、２３ｃを分散配置したことを特徴とする。なお、温度センサの分散配置数は３個に限られるものではなく、ＣＯシフト触媒層のガス流れ方向の長さ、断面積に応じて３個以上配置することができる。また、高温シフト反応器５の出口部の石炭ガスの温度を計測するため、ＣＯシフト触媒層の下流端側の反応器の空間に温度センサ２３ｄを設置しているのは、従来と同様である。
【００３５】
本実施例１によれば、ＣＯシフト触媒層内の温度センサ２３ａ、２３ｂ、２３ｃの計測温度を制御装置２５に取り込み、制御装置２５は最高計測温度を示すいずれかの温度センサ２３ａ〜ｃを１つ選択する。そして、選択した温度センサ２３の計測温度を最高触媒温度とし、その最高触媒温度を予め設定された設定温度に保持するように、例えば耐熱制限温度に近付いた場合あるいは越えたときに、主ガス量調節弁１８ａを閉じ、バイパスガス量調節弁１８ｂを開く操作を行う。
【００３６】
図４を参照して、本実施例１の主ガス量調節弁１８ａとバイパスガス量調節弁１８ｂの開度の関連制御を説明する。温度センサ２３ａ〜２３ｃのうちで、最高計測温度を示す温度センサの計測温度をＣＯシフト触媒層の最高触媒温度とする。そして、ＣＯシフト触媒層の最高触媒温度が耐熱制限温度に近付いた場合あるいは越えたときに、制御装置２５は主ガス量調節弁１８ａに指令を送って、全開から設定開度（図４の例では、７０％開度）まで絞り、その開度を維持する。これは、高温シフト反応器５を流通する石炭ガスに流通抵抗を与えて、バイパスライン２１に石炭ガスが流れやすくすること、及びバイパスガス量の調整を容易にするためである。
【００３７】
一方、制御装置２５は、ＣＯシフト触媒層の最高温度が設定温度を越えた程度に応じて、バイパスガス量調節弁１８ｂに開度指令（０〜１００％）を送る。なお、バイパスガス量調節弁１８ｂは、開度０から設定開度（図４の例では、８７％開度）まで開くようになっている。ここで、主ガス量調節弁１８ａとバイパスガス量調節弁１８ｂの開度は、予め両者の開度と流通ガス量との関係を求めておき、開度指令９０％のときに、主ガス量とバイパスガス量の流量比が概ね１：１となるように設定する。このように、主ガス量調節弁１８ａとバイパスガス量調節弁１８ｂの開度指令を設定することにより、制御装置２５はＣＯシフト触媒層の最高温度が設定温度を越えた程度に応じてバイパスガス量調節弁１８ｂの開度指令を制御するだけで、主ガス量を調整するとともに、バイパスガス量を調整することができる。つまり、本実施例１の主ガス量調節弁１８ａとバイパスガス量調節弁１８ｂの開度制御は、双方の調節弁の開度を相関させるように設定した一連のプログラムによって行うようにしている。
【００３８】
ところで、図４に示した本実施例１の主ガス量調節弁１８ａとバイパスガス量調節弁１８ｂの開度制御が支障なく行われていても、石炭ガス組成の変動に伴い、ＣＯシフト触媒層の計測最高温度が耐熱限界温度を越える場合がある。このような場合は、図４に示した関連制御を行いながら、図５に示すように、先行的にバイパスガス量を一時的に増加する先行制御を行うことが望ましい。つまり、設定温度（図示例では、４７０℃）と耐熱限界温度（図示例では、４８０℃）との中間に閾値（図示例では、４７５℃）を設定する。そして、計測最高温度が閾値を越えたときに、バイパスガス量調節弁１８ｂの開度を一時的に設定開度（例えば、全開の０〜１０％、好ましくは５〜１０％）だけ増開して速やかに元の開度に戻す。これにより、ＣＯシフト触媒層の温度を急速に低下させることができ、ＣＯシフト触媒層の温度上昇を抑制できる。
【実施例２】
【００３９】
図６に、本発明のＣＯシフト反応装置１０８の実施例２のシステム構成図を示す。本実施例２が、実施例１と相違する点は、実施例１のバイパス弁１６を開けて石炭ガスを逃がすラインと、リサイクルガス圧縮機１４よりリサイクルガスライン１９を通してシフトされた石炭ガスをリサイクルして高温シフト反応器５の入口の石炭ガスのＣＯ濃度を希釈するラインを省略したことにある。その他の構成は、実施例１と同一であることから、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４０】
以上説明したように、本発明によれば、高濃度のＣＯを含有する石炭ガス化ガスからＣＯ２を効率的に分離回収するために、石炭ガス化ガス中のＣＯをＣＯ２に変換するＣＯシフト反応装置において、ＣＯシフト触媒をシフト反応熱による温度上昇から保護し、安定した運転が可能となる。また、ＣＯシフト反応器のバイパス制御運転の開始時あるいは負荷増加時を含むすべての運転状態において、石炭ガス中のＣＯ濃度変動及び流量変動に対応させて最上流側の高温シフト反応器内のＣＯシフト触媒の温度を耐熱限界温度以下に安定に維持することができる。
【符号の説明】
【００４１】
３  高圧蒸気ミキサー
４  Ｎｏ．２予熱器
５  高温シフト反応器
６  Ｎｏ.１シフトガス冷却器
７  高温シフト反応器
８  Ｎｏ.２シフトガス冷却器
９  低温シフト反応器
１０  Ｎｏ.３シフトガス冷却器
１１  ノックアウトドラム
１２  温度調節弁
１３  温度調節弁
１４  リサイクルガス圧縮機
１５  リサイクルガス量調節弁
１６  バイパス弁
１７  パージ用窒素ガス供給弁
１８ａ  主ガス量調節弁
１８ｂ  バイパスガス量調節弁
１９  リサイクルガスライン
２０  石炭ガスライン
２１  バイパスライン
２２  バイパスライン
２３ａ〜ｄ  温度センサ
２４ａ〜ｄ  流量計
２５  制御装置
【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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