JPS63285230A - 石炭ガス化複合発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空気酸化石炭ガス化複合発電プラントに係り
、ガスタービンの圧縮機より抽気し、さらに昇圧圧縮機
にて加圧して石炭ガス化炉へ空気を供給するシステムに
関するものである。

〔従来の技術〕

この種の複合発電プラントに関しては、特開昭５７−５
９９９３号に記載の技術で公知である。

上記の公知技術を含めて、従来一般に石炭ガス化炉への
空気はガスタービンの圧縮機から抽気し。

中間空気冷却器で冷却された後、昇圧圧縮機で加圧され
て石炭ガス化炉へ供給されている。前記公知例ではガス
タービンの圧縮機からの油気が保有する熱は中間空気冷
却器において系外へ捨てられており、プラントの熱損失
となっていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

加圧式空気酸化石炭ガス化炉と複合発電プラントとから
構成される石炭ガス化複合発電プラントでは、石炭ガス
化炉のガス化剤である空気は、ガスタービンの圧縮機か
ら抽気して昇圧圧縮機で昇圧した後に石炭ガス化炉へ供
給される。石炭ガス化炉へ供給する空気をガスタービン
の圧縮機から抽気せずに、別置の圧縮機から供給する事
も可能であるが、別置の小容量の圧縮機よりもガスター
ビンの圧縮機の方が、効率が良い（すなりち圧縮に要す
る動力が少ない）為、一般に石炭ガス化炉への空気はガ
スタービンの圧縮機から抽気して更に昇圧圧縮機により
昇圧するシステムによって供給される。

昇圧圧縮機の動力は、圧縮機での圧力比・空気重量流量
が同一の場合、空気の体積流量が小さいほど動力は小さ
くなる。従って、圧縮機入口の空気温度が高い場合は、
体積流量を減少させる為に、できる限り冷却した方がよ
いことになる。一方、ガスタービンの圧縮機出口の空気
は約３９０℃と、かなり高温である。この為、ガスター
ビンの圧縮機から油気を一度冷却して、空気の体積流量
を減少させた後、昇圧圧縮機へ送ることによって昇圧圧
縮機の消費動力を低減させている。

以上の理由により、上記従来技術においては昇圧圧縮機
の上流に空気冷却器を設置し、昇圧圧縮機の動力低減へ
の配慮はなされているが、ガスタービシの圧縮機からの
高温抽気が有する熱量の有効利用についての配慮はなさ
れておらず、プラントの熱損失が大きいという問題があ
った。

本発明の目的はガスタービンの圧縮機からガス化炉へ空
気を供給する系統の熱損失を減少させることの出来石炭
ガス化複合発電プラントを提供しようとするものである
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、昇圧圧縮機の入口に外部冷却水による空気
冷却器または排熱回収ボイラへの給水による空気冷却器
を設置し、さらにガスタービンの圧縮機からの油気と昇
圧圧縮機出口の空気とを熱交換するガス／ガス熱交換器
を設置することにより達成される。

上述の原理に基づき、これを実用面に適用するための具
体的構成として、本発明のプラントは、（ａ）ガスター
ビン圧縮機からの抽気と、昇圧圧縮機から送出される空
気との間に熱交換を行わせるガス／ガス熱交換器を設け
るとともに、（ｂ）昇圧圧縮機の吸入空気を冷却する空
気冷却器を設けたものである。

〔作用〕

上記のように構成した複合発電プラントにおいて、ガス
タービンの圧縮機出口の約３９０’Ｃの高温空気は、ガ
スタービン圧縮機出口のガス／ガス熱交換器にて約１９
０℃まで冷却されると同時に、昇圧圧縮機出口の空気を
加熱することにより、その顕熱を、ガス化炉へ供給する
空気に与えて熱回収される。更に、排熱回収ボイラへ供
給される約３０℃の給水による空気冷却器にて、約５０
℃まで冷却されると同時に、該給水を加熱することによ
り、その顕熱を排熱回収ボイラへの給水に与えて熱回収
される。給水を冷熱源とする空気冷却器を出た空気は、
更に昇圧圧縮機の入口に設置された外部冷却水による空
気冷却器によって約４０℃まで冷却された後、昇圧圧縮
機へ送られる。昇圧圧縮機へ送られた空気は、昇圧圧縮
機にて昇圧され、断熱圧縮によって温度が上昇して約１
５０℃の空気となり、さらにガスタービンの圧縮機の油
気によりガス／ガス熱交換器にて約３５０℃まで加熱さ
れた後、石炭ガス化炉へ供給される。

上記のように、従来空気冷却器において外部へ捨てられ
ていた空気の顕熱が、石炭ガス化炉へ供給される空気及
び排熱回収ボイラへの給水に熱回収されることにより、
プラント熱効率の向上が図られる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１の実施例について第１図を参照しつ
つ説明する。

石炭ガス化炉１に石炭２と空気３が供給され、該石炭ガ
ス化炉１では石炭と空気とが反応し、高温の粗生成ガス
４が生成される。高温の粗生成ガス４はガス化炉熱回収
ボイラ５でガス精製６の要求する温度まで冷却されると
同時に、その顕熱を蒸気として熱回収される。

４００℃程度まで冷却された粗生成ガスは、ガス精製６
に送られ、除塵・脱硫されてクリーンな燃料ガス７とな
る。

燃料ガス７はガスタービン８の燃焼器９へ送られ、圧縮
機１０からの空気により燃焼し高温高圧のガスを発生す
る。燃焼器９で発生した高温高圧のガスはガスタービン
１１を駆動し、このガスタービンに接続されている発電
機１２で電気出力を発生する。

ガスタービン８の高温の排ガス１３は排熱回収ボイラ１
４へ送られ、ガスの保有する顕熱を蒸気として熱回収さ
れた後、比較的低温のガス（約１００℃）として系外へ
放出される。

排熱回収ボイラ１４は過熱器１５．蒸発器１６゜節炭器
１７より構成される。排熱回収ボイラ１４への給水１８
はまず節炭器１７へ送られて高温水となり、蒸発器１６
及びガス化炉熱回収ボイラ５へ供給される。蒸発器１６
では飽和蒸気が発生し、ガス化炉熱回収ボイラ５で発生
した飽和蒸気と共に、過熱器１５へ送られて過熱蒸気と
なり、蒸気タービン１９へ供給される。蒸気タービン１
９は発電機２０を駆動して電気出力を発生させる。

一方、蒸気タービン１９で仕事をした蒸気は、復水器２
１へ送られ、冷却水によって冷却されて凝縮し、復水と
なる。復水器２１の復水は給水ポンプ２２によって排熱
回収ボイラ１４への給水１８として供給される。

石炭ガス化炉１へ供給される空気３は、ガスタービン８
の圧縮機１０により圧縮さ九た空気の一部を抽気して、
昇圧圧縮機２３にて昇圧された後、石炭ガス化炉１への
供給される。

本実施例では、昇圧圧縮機２３へ送られる空気の冷却の
為に、ガス／ガス熱交換器２４及び空気冷却器２５が設
置される。ガス／ガス熱交換器２４はガスタービン８の
圧縮機１０の出口空気と昇圧圧縮機２３の出口空気との
熱交換を行うように設置され、空気冷却器２５は昇圧圧
縮機２３の入口に設置される。

ガスタービン８の圧縮機１０からの抽気は約３９０℃と
高温であるが、ガス／ガス熱交換器２４にて昇圧圧縮機
２３からの約１５０℃の空気と熱交換し、約１９０℃程
度まで冷却される。ガス／ガス熱交換器２４を出た空気
は、更に空気冷却器２５にて外部冷却水により冷却され
る。空気冷却器２５出口の空気温度をどの程度まで下げ
られるかは外部冷却水の温度に依存するが、２０℃程度
の海水を外部冷却水に使用する場合は、空気冷却器２５
出口の空気温度は４０℃程度となる。

昇圧圧縮機２３へ送られた空気は、昇圧圧縮機にて断熱
圧縮される為、昇圧圧縮機出口の空気温度は約１５０’
Ｃ程度となる。昇圧圧縮機を出た空気は、ガス／ガス熱
交換器２４にてガスタービンの油気により加熱されて約
３５０℃となり石炭ガス化炉１へ供給される。

本実施、例によれば、従来外部へ捨てられていた空気の
顕熱を５石炭ガス化炉１へ供給するガス化用空気３及び
排熱回収ボイラ５への給水に熱回収できるのでプラント
熱効率向上の効果がある。

ガスタービン圧縮機１０から昇圧圧縮機２３へ送る空気
は、該昇圧圧縮機２３の動力低減の為に本例では、約３
９０℃から約４０℃まで冷却しているが、この空気の冷
却顕熱はプラントへの燃料人熱すなわち石炭入熱の約５
．３　％に相当する。

従来技術においてはこの約５．３　％の熱量が外部へ捨
てられて熱損失となっていたが、本実施例においては前
述の如く、空気の冷却顕熱をガス化用空気及び給水へ熱
回収することによりプラント熱効率が向上する。プラン
ト熱効率向上のメカニズムについて、以下各要因毎に具
体的に説明する。

まず第１に、空気の冷既顕熱を昇圧圧縮機２３の出口の
空気に熱回収することにより、石炭ガス化炉へ送る空気
の温度を１５０℃から３５０℃へ高めて、プラント熱効
率の向上を図っている。石炭ガス化炉１では石炭と空気
とによりガス化反応が行なわれ、粗生成ガス４が生成さ
れるが１石炭ガス化炉１内の温度は例えば噴流層方式ガ
ス化炉では１５００〜１７００℃と、かなり高温にして
いる。これは、石炭ガス化炉の灰を溶融状態のスラグで
外部へ排出するために石炭ガス化炉内の温度を灰の溶融
点以上にする必要があるからである。

石炭ガス化炉１内のガス化反応は、燃焼部分燃焼（不完
全燃焼）・水性ガス反応・シフト反応等が複雑に行なわ
れているが、ガス化空気の供給温度が低くなると燃焼の
比率が大きくなる。例えば空気の温度が１５０℃の場合
と３５０℃の場合とを想定すると、供給された空気を同
じガス化温度まで上昇させる為に１５０℃の空気の方が
より多くの熱量を必要とする。従って、１５０℃の空気
のケースの方が、より多くの熱量を供給する為に、供給
する空気量を増加し、ガス化反応の中の燃焼反応の比率
を増加させる必要がある。この為、石炭ガス化炉へ供給
される石炭の持つ発熱量の中のガスへ転換する熱量が減
少し、粗生成ガスの発熱量は減少する。又、空気量が増
加すると生成する粗生成ガス量が増加する。一方、粗生
成ガスの温度はガス化炉内で１５００〜１７００°Ｃ、
ガス化炉熱回収ボイラ出口で約４００℃とガス量によら
ず一定である為、ガス量が増加するとガス化炉熱回収ボ
イラで熱回収する熱量が増加し、熱回収ボイラの蒸気量
は増加する。

従って、複合発電設備（ガスタービン・排熱回収ボイラ
・蒸気タービンより構成される）へ供給される燃料ガス
と蒸気の熱量との比率は、ガス化用空気の温度が高いほ
ど上昇する。複合発電設備では、燃料ガスはガスタービ
ンで仕事をし、更にその排ガスが蒸気を発生させ、蒸気
タービンで仕事をするのに対し、蒸気は蒸気タービンの
みで仕事をする為、複合発電設備へ供給される総熱量の
中で燃料ガスの熱量の比率が高いほど複合発電設備の熱
効率は高くなる。ゆえに、ガス化用空気の温度が高いほ
ど燃料ガスの比率は高くなり、プラント熱効率は高くな
る。

一方、ガス化用空気の温度が高いと、複合発電設備へ入
る総熱量自体も増加する為、複合発電設備の出力が増加
し、プラント熱効率は向上する。

以上のように、ガス化用空気の温度が高くなると、複合
発電設備への総熱量の増加による効果及び燃料ガス熱量
の比率の増加による効果により、プラント熱効率は向上
する。

ガス化用空気の温度とプラント熱効率との関係を第４図
に示す。横軸は石炭ガス化炉供給空気温度を示し、縦軸
はプラント熱効率の偏差を示している。

従来技術により、ガス化用空気を約１５０℃で供給して
いる場合に比べて、本実施例により、ガス化用空気を約
３５０℃で供給する場合は、プラント熱効率が約４．２
　％（相対値）向上する。

次に、本発明の第２の実施例について、第２図を参照し
つつ説明する。但し１石炭ガス化炉１からガスタービン
８に至る燃料系及び排熱回収ボイラ１４の蒸気系につい
ては第１図と同様の構成である為、説明を省略し、空気
系について次に説明する。

本実施例では、ガスタービン８の圧縮機１０の抽気と昇
圧圧縮機２３出口の空気と熱交換するガス／ガス熱交換
器２４と、排熱回収ボイラ１４への給水による空気冷却
器２６とが設置される。第１図の実施例に比して、空気
冷却器２６の冷却に排熱回収ボイラ１４への給水１８を
用いている点が異なる。ガスタービン８の圧縮機１０か
ら石炭ガス化炉１へ送られる空気の各部の温度は、第１
図の実施例と同様である。本実施例では、空気冷却器２
６において外部冷却水を用いる代りに排熱回収ボイラ１
４への給水を用いている為、第１図の実施例では外部へ
捨てられていた空気の顕熱を給水に与えて熱回収できる
ので、排熱回収ボイラ５の蒸発量が増加する。したがっ
て、第１図の実施例に比べて、蒸気タービン１９への蒸
気量が増加して蒸気タービン出力が増え、プラント熱効
率が向上する。

吹上に述べた第２の実施例（第２図）において空気の冷
却顕熱を排熱回収ボイラ５への給水に熱回収することに
よる効果を説明する。

前述の公知技術に示されているように、従来技術におい
ては、排熱回収ボイラへの給水は復水器を出た後に給水
加熱器で加熱され排熱回収ボイラへ供給される。上記給
水加熱器の熱源は蒸気タービンからの油気であり、給水
加熱用の油気を蒸気タービンから取ることにより蒸気タ
ービン出力は低下する。本実施例においては、給水の加
熱に蒸気タービンの油気を用いず、空気の冷却顕熱を用
いている為、蒸気タービンの油気をなくし、蒸気タービ
ンの出力増加を図ることができる。従って。

プラント出力が増加し、プラント熱効率は向上する。

空気冷却器出口給水温度とプラント熱効率の関係を第５
図に示す。空気冷却器出口給水温度が復水器出口温度で
ある約３３℃（すなわち空気冷却器での熱回収がＯの場
合）から約６０℃まで給水温度６０”Ｃでプラント熱効
率向上量は約０．６　％となるが６０℃以上ではプラン
ト熱効率向上量は増加しない。

排熱回収ボイラでは、節炭器での結露防止及び煙突の白
煙防止の為、節炭器入口の給水温度を一般に約６０℃以
上にする必要があり、給水加熱器による給水の加熱等の
対策を行なっている。したがって給水温度６０℃までは
空気の冷却顕熱を給水に熱回収することによるプラント
熱効率向上の効果があるが、給水温度を６０℃以上にし
てもプラント熱効率向上量は増加しない。

以上のことから、第１図に示した実施例では空気の冷却
顕熱の約５５％をガス化用空気へ熱回収することにより
約４．２　％のプラント熱効率向上が図れる。また、第
２図に示した実施例では空気の冷却顕熱をガス化用空気
及び給水の両方に熱回収することにより、ガス化用空気
の温度上昇分で約４．２　％のプラント熱効率向上を、
また給水の加熱器で約０．６　％のプラント熱効率向上
が図れ、この両者をあわせて約４．８　％のプラント熱
効率向上が図れる。

次に、本発明の第３図の実施例について、第３図を参照
しつつ説明する。

本施例では、ガスタービン８の圧縮機１０の抽気と昇圧
圧縮Ｉｆ＆２３出口の空気とを熱交換するガス／ガス熱
交換器２４と、排熱回収ボイラ１４への籍水による空気
冷却器２６と、外部冷却水による空気冷却器２５とが設
置される。第１図の実施例及び第２図の実施例では、ガ
ス／ガス熱交換器２４の他に給水による空気冷却器２６
又は外部冷却水による空気冷却器２５のいずれか一方が
設置されているのに対し、第３図の実施例ではガス／ガ
ス熱交換器の他に給水による空気冷却器２６と外部冷却
水による空気冷却器２５との両方が設置されている点が
異なる。

ガスタービン８の圧縮機１０からの約３９０℃の油気は
、ガス／ガス熱交換器２４にて昇圧圧縮機２３からの約
１５０℃の空気と熱交換し、約１９０℃程度まで冷却さ
れる。ガス／ガス熱交換器２４を出た空気は、更に空気
冷却器２６にて給水により約５０℃程度まで冷却される
と同時に給水を加熱し、その顕熱を給水に熱回収される
。空気冷却器２６を出た空気は、更に空気冷却器２５に
て外部冷却水により４０℃程度まで冷却され、昇圧圧縮
機２３へ送られる。昇圧圧縮機２３では空気が昇圧され
、昇圧圧縮機出口の空気は約１５０°Ｃとなり、更にガ
ス／ガス熱交換器２４にて約３５０℃まで加熱された後
、石炭ガス化炉１へ供給される。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の石炭ガス化７１．６発電
プラントによれば、ガスタービンの圧縮機からガス化炉
へ送給される空気系統の熱損失を減少せしめ得るという
優れた実用的効果を奏し１石炭ガス化複合発電プラント
全体としての熱動′に向上に貢献するところ多大である
。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は、それぞれ本発明の石炭ガス化複合
発電プラントの１実施例を示す系統図である。 第４図及び第５図は本発明の作用、効果を説明するため
の図表である。 １・・・石炭ガス化炉、２・・・石炭、３・・・空気、
４・・・粗生成ガス、５・・・ガス化炉熱回収ボイラ、
６・・・ガス精製、７・・・燃料ガス、８・・・ガスタ
ービン、９・・・燃焼器、１０・・・圧縮機、１１・・
・ガスタービン、１２・・・発電機、１３・・・排ガス
、１４・・・排熱回収ボイラ、１５・・・過熱器、１６
・・・蒸発器、１７・・・節炭器、１８・・給水、１９
・・・蒸気タービン、２０・・・発電機、２１・・復水
器、２２・・・給水ポンプ、２３・・・昇圧圧縮機、２
４・・・ガス／ガス熱交換器、２５・・・空気冷却器、
２６・・・空気冷却器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加圧式空気酸化石炭ガス化炉、及び、ガスタービン
   ・排熱回収ボイラ・蒸気タービンを含む複合発電設備、
   並びに昇圧圧縮機を設けた石炭ガス化複合発電プラント
   において、 （ａ）ガスタービン圧縮機からの抽気と、昇圧圧縮機か
   ら送出される空気との間に熱交換を行わせるガス／ガス
   熱交換器を設けるとともに、（ｂ）昇圧圧縮機の吸入空
   気を冷却する空気冷却器を設けたことを特徴とする、石
   炭ガス化複合発電プラント。 ２、前記の空気冷却器は、外部冷却水を吸熱物質として
   用いたものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の石炭ガス化複合発電プラント。 ３、前記の空気冷却器は、排熱回収ボイラの給水を吸熱
   物質として用いたものであることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の石炭ガス化複合発電プラント。 ４、前記の空気冷却器は、これを複数として、外部冷却
   水を吸熱物質とする冷却器と、排熱回収ボイラ給水を吸
   熱物質とする冷却器とを直列に接続したものであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の石炭ガス化
   複合発電プラント。