特許第6033064号(P6033064)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特許6033064CO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
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6033064
(24)【登録日】2016年11月4日
(45)【発行日】2016年11月30日
(54)【発明の名称】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
(51)【国際特許分類】
   C10K 3/04 20060101AFI20161121BHJP
   C10J 3/46 20060101ALI20161121BHJP
【FI】
   C10K3/04
   C10J3/46 J
【請求項の数】10
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2012-266143(P2012-266143)
(22)【出願日】2012年12月5日
(65)【公開番号】特開2014-111684(P2014-111684A)
(43)【公開日】2014年6月19日
【審査請求日】2015年11月30日
(73)【特許権者】
【識別番号】000217686
【氏名又は名称】電源開発株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098017
【弁理士】
【氏名又は名称】吉岡 宏嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100120053
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 哲明
(73)【特許権者】
【識別番号】514030104
【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098017
【弁理士】
【氏名又は名称】吉岡 宏嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100120053
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 哲明
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】舟山 八三郎
(72)【発明者】
【氏名】小山 博紀
(72)【発明者】
【氏名】中村 郷平
(72)【発明者】
【氏名】岡野 哲朗
(72)【発明者】
【氏名】石橋 誠
(72)【発明者】
【氏名】山内 浩大
(72)【発明者】
【氏名】川口 常久
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 和彦
(72)【発明者】
【氏名】穐山 徹
【審査官】 森 健一
(56)【参考文献】
【文献】 特開2012−224725(JP,A)
【文献】 特開2012−21144(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C10K 3/04
(57)【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(CO)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COを分離して回収するCO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COに変換(シフト)させてCO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H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H(水素)とCO(二酸化炭素)に変換している。
CO+HO⇔CO+H+8.3kal/gmol (1)
シフト反応により生成されるHはガスタービンへ燃料として供給し、COはCO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CO放出量を低減している。CO分離回収装置は、例えばCO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CO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(CO)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COを分離して回収するCO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CO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H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(HO)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HOが反応してCOとH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、COが吸収液に吸収されて石炭ガスから分離される。COが分離されると、石炭ガスは殆どH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CO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CO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HとCOにシフトさせ、CO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CO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CO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CO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CO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CO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
図2
図3
図4
図5
図6