ガス化技術水準向上のための提案

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石炭ガス化技術の向上に向けた提案
著者／出典：中国化学工程株式会社 总工程師 汪寿建
日付：2016年8月3日
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粉炭ガス化技術、水素化石炭スラリーガス化技術、破砕石炭加圧ガス化技術は、それぞれ約15年、30年、40年にわたって研究・実用化・改良が重ねられ、技術レベルはかなり高い水準に達している。しかし、石炭ガス化は依然として石炭化学プロジェクトの中で最も投資額が大きく、エネルギー消費量も多く、問題も最も多く発生するプロセスである。ガス化技術の固有の特性や運用上で生じる問題により、ガス化技術にはまだ大きな改善の余地がある。 国産化のレベルをさらに向上させ、設備投資を削減する。導入されているShell、GSP、GE、コーリンのガス化技術と、国内の同様のガス化技術とを比較すると、投資額ははるかに高くなっている。その主な理由は、第一にソフトウェア費用が高いこと（特許料＋PDP料金＋技術サービス料）、第二にいくつかの特許取得済み機器や重要な機器を購入しなければならないこと、第三に一部のプロセスや制御システムの設計が過度に複雑で不合理であることも、投資額が高くなる要因である。したがって、海外のガス化技術を導入する際には、特許付き機器や重要な機器（つまり指定メーカーの機器）の購入をさらに削減し、プロセスと管理を最適化して投資コストを低減しなければならない。 ガス化圧力を高め、1基あたりの石炭投入量を増やす。現在のさまざまなガス化プロセスを見ると、スラリーガス化はガス化圧力を6.5～8.7MPaまで高めているのに対し、他のガス化プロセスでは圧力が1.0～4.0MPaの範囲に留まっている。これにより設備が巨大になり投資額も増加するだけでなく、石炭化学プロジェクトの高エネルギー消費の主な原因ともなっている。したがって、気化圧力にはさらなる向上の余地があり、例えばルッチ社はMK+スラグガス気化プロセスの気化圧力を6.0MPaまで高めている（まだ完全な工業化には至っていない）。 単炉のガス化能力が小さいことも、石炭化学プラントの投資額や敷地面積が大きくなる主な原因である。現在、シェルの粉炭ガス化法や多ノズル対向式水コークススラリーガス化法では単炉での最大石炭投入量が3000t/日に達しているが、他のガス化法では単炉での最大石炭投入量は1000～2200t/日の間にとどまっている。3000t/日に達する方法もあるが、まだ実用化されてはいない。 投資を総合的に削減し、エネルギー効率を向上させる。現在稼働中または建設中の石炭化学プロジェクトを見ると、ガス化は奇妙な悪循環に陥っているようだ。装置の投資が高くエネルギー効率も高いか、あるいは装置の投資が低くエネルギー効率も低いかのどちらかである。例えば、SHELLのガス化プラントには合成ガス冷却器が設置されており、5.2 MPaの中圧蒸気を生成できるためエネルギー密度が高いが、投資額も高くなる；例えばGSP、宇宙炉、コリンなどのガス化プロセスはShellガス化よりも投資額が低いが、水冷壁で生成されるのは低圧の飽和蒸気であり、エネルギー値が低く有効に利用しにくい。ガス化炉から出る1350℃の高温ガスをそのまま急冷するため、ガス中に大量の水蒸気が含まれることになる。これは、深部CO変換が必要な石炭化学プロジェクト（例えば合成アンモニアプロジェクト）には適しているが、深部変換が不要な石炭化学プロジェクト（石炭からのガス製造、石炭からの石油製造）では、ガス中の水蒸気過多がエネルギー値の低下やエネルギー損失を招くだけでなく、エネルギー回収のために熱交換器や分離器を追加する必要があり、それによってプロセスが長くなり抵抗が増し、投資も増加する；水コークススラリーのガス化はほとんどが急冷プロセスを採用しており、こちらにも同様の問題が存在する；石炭の粉砕圧力ガス化やCO変換も大量の低圧飽和蒸気を生成するため、利用が難しい。したがって、ガス化プロセスの選定は石炭化学プロジェクト全体と合わせて検討する必要があり、投資を削減しつつエネルギー効率を向上させ、それによってプロジェクト全体を合理的かつ効率的なものにしなければならない。 エネルギー消費量と水の使用量を削減する。石炭化学プロジェクトはエネルギー消費量と水の使用量が多いプロジェクトであり、これらをさらに削減することが不可欠である。ガス化においても改善の余地がある。例えば、Shellのガス化プロセスでは圧縮された循環ガスを用いて合成ガスを約900℃まで冷却しているが、これによってもエネルギーの無駄が生じている。冷却や除塵の効果を得るために他の媒体や方法を利用できないかということで、国内のエンジニアリング会社が改良を試みている；シェルのガス化プロセスは乾式集塵を採用しており、大量のパージガスが必要となるため消費量が増加し、改良も検討できる。 現在、大規模な石炭化学プロジェクトでは、原料となる粉炭と砕石炭の比率の問題に対処するため、複数の異なるタイプのガス化プロセスを組み合わせて検討されており、異なるガス化プロセスが抱える様々な問題を統合的に処理するための結合型のアプローチの採用も検討可能である。例えば、現在の大規模な石炭からの天然ガス製造プロジェクトでは、ほとんどが微粉炭加圧気化と流動層気化（水コークススラリー気化または微粉炭気化）を組み合わせた方式が採用されている。微粉炭加圧気化と水コークススラリー気化を組み合わせた気化プロセスを用いる場合、微粉炭加圧気化で発生する大量の有害廃水を水コークススラリー気化に利用してスラリーを製造することが考えられる。これにより、水の消費量を節約できるだけでなく、廃水処理のための投資やコストも削減でき、環境汚染も軽減される。 灰水処理システムを最適化し、粉塵の排出量を削減する。現在、一部のガス化装置ではガス中の粉塵量が多く、その結果CO変換装置の熱交換器が詰まったり、第1変換炉の上部にある触媒が不活性化したりする問題が生じている。また、汚水の排出量や灰水の循環量も多いという問題もあるため、ガス洗浄および灰水循環プロセスの最適化についてさらに検討する必要がある。