JPH09268294A - 複合発電装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電効率と信頼性の高い複合発電システムを
提供する。 【解決手段】 トッピングサイクルによる複合発電シス
テムで用いる石炭ガス化炉を、酸化剤に酸素を用いた噴
流層式石炭ガス化炉とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は石炭ガス化を用いた
トッピングサイクルによる複合発電装置とその運転方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】トッピングサイクルによる複合発電シス
テムは高発電効率が期待できることより、加圧流動層燃
焼発電システム（以下ＰＦＢＣと称する）、石炭ガス化
複合発電システム（以下ＩＧＣＣと称する）に次ぐ次々
世代の石炭利用発電システムとして開発が進められてい
る。トッピングサイクルによる複合発電システムは、石
炭を加圧下のガス化炉でガス化し、生成する燃料ガスか
らチャーを分離した後、トッピング燃焼器にて燃焼され
る。一方、分離されたチャーは同じく加圧下の酸化炉に
おいて空気にて燃焼後、灰およびダストを分離してから
燃焼排ガスを先程の燃料ガスと共にトッピング燃焼器に
導き、トッピング燃焼器出口の燃焼排ガスをガスタービ
ンに導いて発電を行う。そして、空気圧縮機で石炭ガス
化炉，チャーの酸化炉，トッピング燃焼器用の加熱空気
をも得るシステムであり、ガスタービン出口の排ガスは
排熱回収ボイラによって熱回収し、蒸気を発生させて蒸
気タービンでも発電を行う。

【０００３】前述したＩＧＣＣでは、炉内に脱硫剤の石
灰石（ＣａＣＯ3）を投入しても、反応した有害なＣａ
Ｓがスラグに溶出してしまうため、炉内脱硫を採用する
ことが困難である。したがって、炉外に脱硫装置を設置
する必要があり、炉外脱硫に適する温度まで燃料ガスを
冷却する必要があり、ガスタービンの発電効率がどうし
ても低くなるが、本システムでは、安価な石灰石を利用
した炉内脱硫を行うことが可能であり、ガス化炉高温部
に投入して脱硫を行った際に生成する有害のＣａＳを、
チャーと共に酸化炉で燃焼することにより、石膏として
無害化することができる。そのため脱硫剤の再生や再生
時の排ガスの処理が不要となって、所用動力を低く抑え
ることができると共に、ガスタービンの発電比率を高め
ることができる。また、ＰＦＢＣと比較しても、生成ガ
スの燃焼熱が利用できるので、ガスタービン入口温度を
高くすることができ、ガスタービンでの発電比率を高く
することができる。これらの理由により、トッピングサ
イクルによる複合発電システムは、ＩＧＣＣやＰＦＢＣ
よりも高発電効率が期待できる。

【０００４】トッピングサイクルによる複合発電システ
ムの開発で従来計画されているプラントの構成図を、図
４に示す。石炭４と脱硫剤である石灰石５は、空気２３
で搬送されて流動層ガス化炉２２に投入される。流動層
ガス化炉２２内では、石炭４をガス化させて燃料ガス１
２を生成させる。燃料ガス１２は、集塵装置１０でチャ
ー等１１と石灰石５が反応して生成したＣａＳを分離し
た後、ガス中に含まれるアルカリ金属蒸気をアルカリ金
属捕集装置２４で除去し、トッピング燃焼器１３での燃
料ガス１２として供給される。集塵装置１０で捕集され
たチャー等１１は、酸化炉１４で空気圧縮機１８から抽
気される空気１７によって加圧下約８５０℃で焼却され
る。酸化炉１４から排出される燃焼排ガスには、灰の他
ＣａＳが酸化したＣａＳＯ4（石膏），アルカリ金属蒸
気が含まれるが、集塵装置１６でＣａＳＯ4と灰を除去
してからアルカリ金属捕集装置２５でアルカリ金属蒸気
を捕集した後、トッピング燃焼器１３に導入される。ト
ッピング燃焼器１３では燃料ガス１２が空気圧縮機１８
出口の空気１７にて燃焼され、燃焼排ガス１５と共にガ
スタービン２０に導かれ、発電が行われる。さらに、空
気圧縮機１８をも駆動する。

【０００５】図４で示した例以外にも多くのシステムが
報告されているが、システムに用いられる石炭ガス化炉
は総て空気を酸化剤とする流動層式のガス化炉である。
また、炉内脱硫剤として石灰石が石炭と共にガス化炉底
部に供給される。空気を酸化剤とした流動層ガス化炉が
用いられる理由として石炭の未燃分（チャー）は、後流
の酸化炉で燃焼させるので高いガス化率を必要としない
ためであり、炉内温度は石炭の灰分が溶融，凝集しない
ように約８５０℃に保たれて、燃料ガスもその温度でガ
ス化炉を出る。また、チャーの酸化炉の燃焼排ガス出口
温度も同様の理由で約８５０℃に保たれて、両者ともト
ッピング燃焼器に入る。トッピング燃焼器では、燃料ガ
スが燃焼されて温度が上昇し、ガスタービン入口温度は
約１３００℃となり、高温故に高効率の発電効率が得ら
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のトッピングサイ
クルによる複合発電システムを開発するにあたって、以
下の課題が挙げられる。 １．流動層ガス化炉では、石炭中の灰分を溶融・凝集さ
せない温度以下とする一方、生成した燃料ガス中にター
ルやフェノールをできるだけ含まないようにすることが
求められ、層内温度は石炭性状によっても異なるが約８
５０℃に保つ必要がある。この条件は発電プラントの部
分負荷時（石炭処理量低下時）にも要求されるが、流動
層であるため、炉内の空塔速度は部分負荷時にも常に一
定流速の範囲内であることが必要で、運用上の制約が多
い。 ２．高発電効率維持のため、ガス化炉出口の燃料ガス温
度およびチャーの酸化炉出口の燃焼排ガス温度は、いず
れも高温のまま（約８５０℃）トッピング燃焼器に導く
必要があるが、集塵装置は高温下においても高い集塵率
が得られるよう材料の運用上信頼性のあるものが必要と
なる。

【０００７】３．炉内脱硫については、環境規制上所定
の脱硫率となるようにしなければならない。図３は、基
礎試験による石灰石の脱硫試験結果を示すが、高温ほど
またガス中のＣＯ2濃度が低いほど、高い脱硫率が得ら
れる。しかし、流動層ガス化炉内では前述の如く炉内温
度は８５０℃と低く、またＣＯ2濃度も高いため、脱硫
率は低く、特に日本の環境規制に対して充分な脱硫率を
得ることは困難と予想される。 ４．ガス化炉内の温度が８５０℃位であっても運転状態
によって多少のタールが発生する場合があり、後続の機
器や配管等へタールが付着してトラブルが発生するのを
防止する必要がある。 ５．燃料ガスや燃焼排ガス中には、蒸気状のアルカリ金
属（Ｎａ，Ｋ等）が存在するが、ガス温度が高温であれ
ばあるほどその濃度は高くなり、８００度以上では０.
１ppmに達し、ガスタービンの材料を腐食するほどにな
る。 上記課題は、チャーの酸化炉を常圧とし、燃焼排ガスを
排熱回収ボイラにて熱回収することによって得られる蒸
気で蒸気タービンによる発電を行う複合発電システムで
も同様である。本発明は、トッピングサイクル複合発電
システムの実用化にあたっての上記課題を解決し、発電
効率と信頼性の高い複合発電装置とその運転方法を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題は、次の解決手
段によって達成される。トッピングサイクル複合発電シ
ステムに使用する石炭ガス化炉を、酸素を酸化剤とした
噴流層式のガス化炉とする。また、この噴流層式ガス化
炉出口の燃料ガスとチャーの酸化炉出口の燃焼排ガスの
温度を７００℃以下とした後、各々の集塵装置に導入し
て運転する。さらには、炉内脱硫用の石灰石を気流によ
り搬送し、石炭ガス化炉の熱回収部入口近傍へ石灰石を
供給する噴出孔を設ける。この気流による石灰石の供給
気体は窒素を用いることができる。また、石灰石の噴出
孔は炉壁面に対して接線方向に複数個設けて、炉内で石
灰石の供給気体が旋回流を形成するようにする。

【０００９】噴流層式石炭ガス化炉とは、ガス化部で石
炭を酸素（または空気）と高温下で反応させて石炭中の
灰分の一部を溶融スラグとして炉底より取り出すもの
で、残りの灰分は石炭中の未燃炭素と共に、チャーとし
てガス化炉から生成ガスと共に飛散する。炉内は石炭中
の灰分を溶融させるため、灰の流動点以上である１２０
０度以上で運転が行われる。また、温度を高くするため
使用する酸素量（空気量）は流動層タイプのものよりも
多い。トッピングサイクル複合発電に噴流層式ガス化炉
を用いると、高温で反応させるため生成する燃料ガス中
にタールを含まないと同時に、流動層型のものよりも使
用酸素量が多く炉内での石炭のガス化率が高くなり、チ
ャーの発生量が少なくなる。したがって、チャーの酸化
炉から発生する燃焼排ガス量も少なくなる。本発明は酸
化剤に酸素を用いる噴流層式石炭ガス化炉とするため、
生成する燃料ガス中に窒素を含まず、酸化剤に空気を使
用したものよりもガス量を約１／３にすることができ、
後続の機器を小さくすることができる。炉内脱硫を行う
と酸化剤に空気を使用したものよりも生成ガス中のＣＯ
2濃度が低くなりかつ温度が高いため、高脱硫率を得る
ことができる。

【００１０】次に、石灰石による脱硫反応は以下で示さ
れる。 ＣａＣＯ3→ＣａＯ＋ＣＯ2 ＣａＣＯ3＋Ｈ2Ｓ→ＣａＳ＋Ｈ2Ｏ ＣａＯ＋ＣＯＳ→ＣａＳ＋ＣＯ2 噴流層式で炉内脱硫を採用するにあたっては、有害なＣ
ａＳを炉底から排出する溶融スラグに取り込まれないよ
うにする必要があるが、ガス化炉の熱回収部入口近傍に
石灰石を供給すれば、灰が溶融して流下する部分よりも
上部であるためそれを防止でき、しかもガス温度が１１
００℃以上となっているため、高脱硫率を得ることがで
きる。また、この部分で灰が固着するのを防止しなけれ
ばならないので、灰の軟化点（石炭により異なるが１１
００〜１５００℃）以下となるようにガスを冷却する必
要があるが、石灰石供給気体をガスの冷却用としても利
用できる。また、石灰石供給気体に窒素ガスを用いれ
ば、生成ガスと化学的に反応しないので、生成ガスの成
分が変化することがない。。さらに、石灰石供給気体の
噴出孔を壁面に対し接線方向に複数個設置すれば、炉内
で旋回流を形成し、壁面付近のガスのみ局部的に冷却さ
れて灰が付着せず、ＣａＳが灰に取り込まれることなく
生成した燃料ガス中に飛散させることができる。

【００１１】噴流層式石炭ガス化炉出口の燃料ガスを７
００℃以下にして第１の集塵装置へ、また、チャーの酸
化炉出口の燃焼料排ガスも７００℃以下として第２の集
塵装置へ各々導入した後、共にトッピング燃焼器に導い
て発電することで、各々のガス中のアルカリ金属濃度を
０.１ppm以下にできるので、アルカリ金属捕集装置を設
置する必要がなくなる。また、酸化剤に酸素を用いてい
るのでガス化率が高く、チャー酸化炉からの燃焼排ガス
濃度を７００℃以下に冷却しても、ガスタービン出力割
合の低下が小さく効率低下の影響は少ない。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に用いる噴流式石炭ガス化
炉は、ガス化部とその上方に熱回収部、ガス化部の下方
に位置するスラグのクエンチ部（冷却部）より構成され
ている。ガス化部は上下方向に２段以上のバーナを設置
して炉内で旋回流を形成するようにバーナから微粉炭を
供給するものを用いると、炉内での微粉炭の滞留時間が
長いため、本発明は最も効果を奏する。さらに、上下段
のバーナの供給酸素量を可変にし、下段バーナの酸素量
を上段よりも多くすることで下段側のガス温度を高くし
て溶融スラグを流下し易くすると、上段バーナ側のガス
温度は低くなっているため、石灰石を供給する気体量が
少なくて済む。この気体量は灰の軟化点以下の温度にな
るように制御する。石灰石の供給気体に窒素を使用する
場合は、酸化剤の酸素を製造するための空気分離装置で
副生される窒素を用いれば、新たな設備を設置すること
なく効率的に対応できる。

【００１３】

【実施例】図１に、本発明の実施例であるトッピングサ
イクルによる複合発電システムの構成図を示す。空気分
離装置１で副生した窒素２により、石炭４は一室二段旋
回型噴流層ガス化炉６に設置されたバーナの上下段に供
給され、空気分離装置１で生成した酸素３により加圧下
でガス化される。ガス化部ではＣＯおよびＨ2に富む燃
料ガスが生成され、石炭中の灰分の一部は溶融スラグと
なってガス化部底部から流下し、水を溜めたクエンチ部
を経て、微細な固化スラグ７が炉底より排出される。熱
回収部入口の絞り部には、脱硫剤である石灰石５の噴出
孔を、図２に示されるよう石灰石５が窒素２により壁面
に対して接線方向に供給されるよう複数個設ける。窒素
２によりガスの冷却が壁面沿いに局部的に行われ、噴流
層ガス化炉６の壁面へ灰の付着が防止される。噴流層ガ
ス化炉６を出た燃料ガス，チャーおよび反応した脱硫剤
ＣａＳは燃料ガスクーラ８にて７００℃以下まで冷却さ
れ、集塵装置１０でチャー，ＣａＳおよび凝縮したアル
カリ金属が捕集される。脱塵された燃料ガス１２は、ト
ッピング燃焼器１３での燃料ガスとして供給される。

【００１４】一方、集塵装置１０で捕集されたチャー等
１１は、空気分離装置１で副生する窒素２によって酸化
炉１４に送られ、ガスタービン２０の空気圧縮機１８か
ら抽気される空気１７によって約８５０℃の加圧下で焼
却される。酸化炉１４からは燃焼排ガスと共に、チャー
が燃焼して生成した灰の他、ＣａＳが酸化したＣａＳＯ
4（石膏）およびアルカリ金属蒸気が含まれる。この燃
焼排ガスは、燃焼排ガスクーラ９によって７００℃以下
に冷却され、灰，石膏，凝縮したアルカリ金属が集塵装
置１６にて分離される。脱塵された燃焼排ガス１５は燃
料ガス１２と同様、トッピング燃焼器１３に供給され
る。トッピング燃焼器１３では燃料ガス１２が空気圧縮
機１８出口の空気１７にて燃焼され、燃焼排ガス１５と
共にガスタービン２０に導かれ発電が行われると共に空
気圧縮機１８を駆動する。ガスタービン２０の出口の燃
焼排ガス１９は常圧の排熱回収ボイラ２１で熱回収され
た後、大気に排出される。噴流層ガス化炉６，燃料ガス
クーラ８，燃焼排ガスクーラ９および排熱回収ボイラ２
１で、熱回収によって得られた蒸気は図示していない蒸
気タービンへと送られ、そこでも発電が行われる。本発
明の他の実施例としては、酸化炉を常圧とし、酸化炉の
燃焼排ガスを集塵装置を経た後、排熱回収ボイラに導く
常圧チャー酸化炉型の複合発電システムが挙げられる。
この場合も同じ手段により、同様の効果が得られる。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、高効率で信頼性の高い
トッピングサイクルによる複合発電システムが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例であるトッピングサイクルによ
る複合発電システムの構成図である。

【図２】図１の石炭ガス化炉の石灰石供給部分の断面図
である。

【図３】基礎試験による石灰石の脱硫試験結果の図であ
る。

【図４】トッピングサイクルによる複合発電システムの
開発で従来計画されているプラントの構成図である。

【符号の説明】

１：空気分離装置 ２：窒素 ３：酸素 ４：石炭 ５：石灰石 ６：噴流層石炭ガ
ス化炉 ７：固化スラグ ８：燃料ガスクー
ラ ９：燃焼排ガスクーラ １０：集塵装置 １１：チャー等 １２：燃料ガス １３：トッピング燃焼器 １４：酸化炉 １５：燃焼排ガス １６：集塵装置 １７：空気 １８：空気圧縮機 １９：燃焼排ガス ２０：ガスタービ
ン ２１：排熱回収ボイラ ２２：流動層石炭
ガス化炉 ２３：空気 ２４：アルカリ金
属捕集装置 ２５：アルカリ金属捕集装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 石炭ガス化炉から生成する燃料ガスと、
   該燃料ガスから分離したチャーの酸化炉から排出する燃
   焼排ガスとを用いて発電を行うトッピングサイクルによ
   る複合発電装置において、前記石炭ガス化炉は酸素を酸
   化剤とした噴流層式石炭ガス化炉であることを特徴とす
   る複合発電装置。
2. 【請求項２】 石炭ガス化炉を構成する熱回収部の燃料
   ガス入口近傍に、石灰石を供給する噴出孔を設けたこと
   を特徴とする請求項１記載の複合発電装置。
3. 【請求項３】 石灰石の供給気体は、窒素を用いたこと
   を特徴とする請求項２記載の複合発電装置。
4. 【請求項４】 石灰石の噴出孔は、石灰石の供給気体が
   ガス化炉内で旋回流を形成するように、ガス化炉の壁面
   に対して接線方向に複数個設けたことを特徴とする請求
   項２または３記載の複合発電装置。
5. 【請求項５】 酸素を酸化剤とした噴流層式石炭ガス化
   炉からから生成する燃料ガスを７００℃以下にして第１
   の集塵装置でチャーを分離した後トッピング燃焼器に導
   入し、一方、前記チャーは酸化炉にて燃焼させて発生し
   た燃焼排ガスを７００℃以下にして第２の集塵装置に導
   入した後前記燃料ガスと共に前記トッピング燃焼器で燃
   焼させてからガスタービンに供給して発電を行うことを
   特徴とする複合発電装置の運転方法。