(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス化発電プラントからのＮＯｘ排出量を十分に低減する方法を提供する。【解決手段】ガス化原料１をガス化剤２により生成ガス４を得るガス化装置３と、生成ガス４を精製してガス化ガス燃料４ａを得るガス精製装置５と、動力を発生させる燃焼装置６ａ、６ｂ、６ｃと、発電機７とを備えるガス化発電プラントにおいて、ガス化ガス燃料のメタン濃度と窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率と窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係について予め求められた関係式を記憶する記憶装置１６と、ガス化ガス燃料のメタン濃度測定値を得るメタン濃度測定装置１７と、メタン濃度測定値及び燃焼装置作動時の当量比から燃焼排ガスのＮＯｘ濃度予測値を得る演算装置１１と、燃焼排ガスＡに還元剤１０を供給する還元剤供給手段１３と、ＮＯｘ濃度予測値に基づいて還元剤の量を制御する制御手段１４とを備える。【選択図】図１
2010014056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、前記生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、前記ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、前記動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の前記燃焼装置でのＮＯｘへの転換率と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する前記燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係式を予め求めておき、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を取得し、
前記メタン濃度測定値及び前記燃焼装置作動時の前記当量比から前記関係式に基づいて前記燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することを特徴とするＮＯｘ排出量予測方法。
【請求項２】
ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、前記生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、前記ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、前記動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の前記燃焼装置でのＮＯｘへの転換率と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する前記燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係式を前記ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度条件毎に予め求めておき、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を取得し、
前記ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度を測定して窒素化合物濃度測定値を取得し、
前記窒素化合物濃度測定値に適合する窒素化合物濃度条件の前記関係式を選択し、
前記メタン濃度測定値及び前記燃焼装置作動時の前記当量比から前記選択された関係式に基づいて前記燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することを特徴とするＮＯｘ排出量予測方法。
【請求項３】
ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、前記生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、前記ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、前記動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の前記燃焼装置でのＮＯｘへの転換率と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する前記燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係式を予め求めておき、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を取得し、
前記メタン濃度測定値及び前記燃焼装置作動時の前記当量比から前記関係式に基づいて前記燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度予測値を得て、前記ＮＯｘ濃度予測値に応じて前記燃焼排ガスへの還元剤の供給量を制御することを特徴とするガス化発電プラントの運転方法。
【請求項４】
ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、前記生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、前記ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、前記動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の前記燃焼装置でのＮＯｘへの転換率と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する前記燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係式を前記ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度条件毎に予め求めておき、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を取得し、
前記ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度を測定して窒素化合物濃度測定値を取得し、
前記窒素化合物濃度測定値に適合する窒素化合物濃度条件の前記関係式を選択し、
前記メタン濃度測定値及び前記燃焼装置作動時の前記当量比から前記選択された関係式に基づいて前記燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度予測値を得て、前記ＮＯｘ濃度予測値に応じて前記燃焼排ガスへの還元剤の供給量を制御することを特徴とするガス化発電プラントの運転方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載のガス化発電プラントの運転方法において、
前記燃焼排ガス中のＮＯｘの還元に最適な反応温度と燃焼排ガスのＣＯ濃度との関係について予め求めておき、
前記燃焼排ガスのＣＯ濃度を測定してＣＯ濃度測定値を取得し、
前記ＣＯ濃度測定値と前記関係とに基づいて最適反応温度予測値を得て、
前記最適反応温度予測値に適合する温度帯域の前記燃焼排ガスに前記還元剤を供給することを特徴とするガス化発電プラントの運転方法。
【請求項６】
ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、前記生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、前記ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、前記動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の前記燃焼装置でのＮＯｘへの転換率と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する前記燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係について予め求められた関係式を記憶する記憶装置と、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を得るメタン濃度測定装置と、
前記メタン濃度測定値及び前記燃焼装置作動時の前記当量比から前記関係式に基づいて前記燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度予測値を得る演算装置と、
前記燃焼排ガスに還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記ＮＯｘ濃度予測値に基づいて前記還元剤供給手段から供給される前記還元剤の量を制御する制御手段とを備えることを特徴とするガス化発電プラント。
【請求項７】
ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、前記生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、前記ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、前記動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の前記燃焼装置でのＮＯｘへの転換率と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する前記燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係について予め求められた関係式と、燃焼排ガス中のＮＯｘの還元に最適な反応温度と燃焼排ガスのＣＯ濃度との相関関係とを記憶する記憶装置と、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を得るメタン濃度測定装置と、
前記燃焼排ガスのＣＯ濃度を測定してＣＯ濃度測定値を得るＣＯ濃度測定装置と、
前記メタン濃度測定値及び前記燃焼装置作動時の前記当量比から前記関係式に基づいて前記燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度予測値を得ると共に、前記ＣＯ濃度測定値と前記相関関係とに基づいて最適反応温度予測値を得る演算装置と、
前記燃焼排ガスの温度が異なる位置に還元剤を供給しうる複数の還元剤供給部が備えられている還元剤供給手段と、
前記ＮＯｘ濃度予測値と前記最適反応温度予測値とに基づいて前記還元剤供給手段から供給される前記還元剤の量を制御すると共に、前記複数の還元剤供給部のうち前記最適反応温度予測値に適合する位置の前記還元剤供給部を選択して前記還元剤を供給する制御手段とを備えることを特徴とするガス化発電プラント。
【請求項８】
ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、前記生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、前記ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、前記動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の前記燃焼装置でのＮＯｘへの転換率と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する前記燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係について前記ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度条件毎に予め求められた複数の関係式を記憶する記憶装置と、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を得るメタン濃度測定装置と、
前記ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度を測定して窒素化合物濃度測定値を得る窒素化合物濃度測定装置と、
前記窒素化合物濃度測定値に適合する窒素化合物濃度条件の前記関係式を選択すると共に、前記メタン濃度測定値及び前記燃焼装置作動時の前記当量比から前記選択された関係式に基づいて前記燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度予測値を得る演算装置と、
前記燃焼排ガスに還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記ＮＯｘ濃度予測値に基づいて前記還元剤供給手段から供給される前記還元剤の量を制御する制御手段とを備えることを特徴とするガス化発電プラント。
【請求項９】
ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、前記生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、前記ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、前記動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の前記燃焼装置でのＮＯｘへの転換率と前記ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する前記燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係について前記ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度条件毎に予め求められた複数の関係式と、燃焼排ガス中のＮＯｘの還元に最適な反応温度と燃焼排ガスのＣＯ濃度との相関関係とを記憶する記憶装置と、
前記ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を得るメタン濃度測定装置
と、
前記燃焼排ガスのＣＯ濃度を測定してＣＯ濃度測定値を得るＣＯ濃度測定装置と、
前記ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度を測定して窒素化合物濃度測定値を得る窒素化合物濃度測定装置と、
前記窒素化合物濃度測定値に適合する窒素化合物濃度条件の前記関係式を選択すると共に、前記メタン濃度測定値及び前記燃焼装置作動時の前記当量比から前記選択された関係式に基づいて前記燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度予測値を得て、さらに前記ＣＯ濃度測定値から前記相関関係に基づいて最適反応温度予測値を得る演算装置と、
前記燃焼排ガスの温度が異なる位置に還元剤を供給しうる複数の還元剤供給部が備えられている還元剤供給手段と、
前記ＮＯｘ濃度予測値と前記最適反応温度予測値とに基づいて前記還元剤供給手段から供給される前記還元剤の量を制御すると共に、前記複数の還元剤供給部のうち前記最適反応温度予測値に適合する位置の還元剤供給部を選択して前記還元剤を供給する制御手段とを備えることを特徴とするガス化発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＯｘ排出量予測方法とこの方法を利用したガス化発電プラントの運転方法及びガス化発電プラントに関する。さらに詳述すると、本発明は、ガス化発電プラントから排出されるＮＯｘ排出量を予測して低減するのに好適なガス化発電プラントの運転方法とガス化発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス化発電プラントでは、ガス化原料をガス化剤でガス化して得られる生成ガスを、ガス精製装置により精製してガス化ガス燃料とし、これを燃焼装置に供給して燃焼させることにより動力を発生させ、この動力を利用して発電機を運転して発電する。また、これに加えて、燃焼装置からの燃焼排ガスの熱を利用して発生させた蒸気により蒸気タービンを駆動させて発電するガス化複合サイクル発電プラントを構成することにより、プラント全体としての発電効率の向上を図ることも行われている。
【０００３】
ところで、ガス化原料をガス化剤でガス化して得られる生成ガスには、窒素化合物（概ねＮＨ３である）が含まれており、燃焼装置にて燃焼させると窒素化合物に起因するフュエルＮＯｘが発生する。ＮＯｘは大気汚染源となる窒素酸化物であることから、ＮＯｘ量を十分に低減した上で、ガス化発電プラントから排出する必要がある。
【０００４】
そこで、生成ガスを水スクラバーを利用した湿式精製により精製してＮＨ３を除去し、フュエルＮＯｘの発生要因であるＮＨ３が除去されたガス化ガス燃料を燃焼装置に供給する方法が知られている。この場合、燃焼装置（例えばガスタービン燃焼器）では、高温化による高効率化が図られてきたが、その際、作動媒体である空気中の窒素（Ｎ２）が酸化して発生するサーマルＮＯｘが生成される。このサーマルＮＯｘは、希薄予混合燃焼に代表される均一燃焼手法により局所高温領域をできるだけ小さくするなどの方法を採用することで、抑制することができる（例えば、非特許文献１）。しかしながら、生成ガスを湿式精製しても、ＮＨ３は完全に除去できるわけではなく、残留しているＮＨ３に起因してフュエルＮＯｘが発生してしまう。
【０００５】
また、プラント全体の熱効率の向上を目的として、生成ガスを乾式精製してガス化ガス燃料の温度低下を防ぎ、燃焼装置に供給する方式を採用する場合、生成ガスからアンモニアを除去することができない。そこで、フュエルＮＯｘの発生を抑える方法として還元燃焼法が提案されている（例えば、非特許文献２及び非特許文献３）。また、乾式精製により精製されたガス化ガス燃料を還元二段燃焼方式により燃焼させる方法が提案され（例えば、非特許文献４）、当該技術（例えば、非特許文献５及び非特許文献６）は実際にパイロットプラント等での燃焼器試験に反映されている。しかしながら、これらの方法によっても、フュエルＮＯｘの発生を完全に抑えることはできない。
【０００６】
さらに、特許文献１では、ＮＨ３をＮ２に還元する触媒を利用した触媒燃焼法により、燃焼装置での燃焼中にガス化ガス燃料中のＮＨ３を減らして、フュエルＮＯｘの発生を抑制する方法が提案されている。しかしながら、この方法には、触媒の寿命等の問題があり、実プラントで採用された例はない。また、ＮＨ３をＮ２に１００％還元できるわけではなく、フュエルＮＯｘの発生を完全に抑えることはできない。
【０００７】
そこで、従来は、燃焼装置から排出される燃焼排ガスを排煙脱硝設備により触媒脱硝方式で脱硝処理した後に排出するようにしていた。または、ＮＨ３等の還元剤を燃焼排ガスに供給してＮＯｘを気相において還元脱硝する無触媒脱硝方式で脱硝処理した後に、排煙脱硝設備により触媒脱硝方式で脱硝処理するようにしていた。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−６６２３０号公報
【特許文献２】特許第３９６７９７８号
【非特許文献１】長谷川武治、他、「石炭ガス化中カロリー燃料用ガスタービン燃焼器（第２報  希薄燃焼によるNOx低減強化型燃焼器の高圧燃焼特性）」、日本機械学会論文集Ｂ編、69巻、686号、pp.2337-2345、2003．
【非特許文献２】長谷川武治、他、「石炭ガス化低カロリー燃料用1500℃級ガスタービン燃焼器に関する研究（第１報、燃焼器試作と大気圧燃焼特性）」、日本機械学会論文集Ｂ編、64巻、618号、pp. 582-589、1998．
【非特許文献３】長谷川武治、他、「石炭ガス化中カロリー燃料用ガスタービン燃焼器（第３報  Fuel NOx/Thermal NOx同時低減燃焼技術）」、日本機械学会論文集Ｂ編、69巻、686号、pp.2346-2354、2003．
【非特許文献４】Hasegawa,T., et al., “A Study of Combustion Characteristics of Gasified Coal Fuel,” Trans. ASME, J. Eng. Gas Turbines Power, Vol. 123, Issue 1 pp. 22-32, 2001.
【非特許文献５】Nakata,T., et al.,“Experimental Evaluation of a Low NOx LBG Combustor using Bypass Air,”ASME (The American Society of Mechanical Engineers) paper, No.90-GT-380, 1990.
【非特許文献６】Sato,M., et al.,“Coal Gaseous Fueled, Low Fuel-NOx LBG Gas Turbine Combustor,”ASME paper, No.90-GT-381, 1990.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ガス化ガス燃料の組成等は、ガス化原料の種類、ガス化剤の種類、ガス化剤の酸素含有量、ガス化炉の形式及びガス化炉負荷等により異なる。例えば、表１及び表２に示すように、ガス化ガス燃料の組成は、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とが大部分を占めているものの、その組成比自体は大きくばらついている。また、発熱量についても、３〜１５ＭＪ／Ｎｍ３（LHV基準）の低〜中カロリーの間でばらつきが見られる。
【００１０】
【表１】
2010014056.tif 000003
【００１１】
【表２】
2010014056.tif 000004
【００１２】
ここで、ガス化発電プラントの汎用性を高める上では、化石燃料だけでなく様々なガス化原料を使用可能とすることが要求され、また、大小の様々な規模のプラントが立地条件により必要となる。このことから、ガス化ガス燃料の組成等の変動による燃焼排ガスのＮＯｘ濃度の変動は避けられない問題である。
【００１３】
しかしながら、従来の排煙脱硝設備を用いた触媒脱硝方式による脱硝処理では、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度の変動による排煙脱硝設備への負荷変動に対して十分に対応できない。即ち、触媒脱硝方式で脱硝処理を行う場合、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度に変動が生じると、触媒の処理能力を超えてしまい、規制値を超える濃度のＮＯｘが排出されてしまう虞がある。ＮＨ３等の還元剤を燃焼排ガスに供給してＮＯｘを気相において還元脱硝する無触媒脱硝方式の脱硝処理を併用したとしても、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度に変動が生じれば、規制値を超える濃度のＮＯｘが排出されてしまう虞はある。また、逆に、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度が変動し、燃焼排ガスに供給されるＮＨ３等の還元剤の量が燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度に対して過剰となった場合には、還元剤がガス化発電プラント外に排出されてしまう虞もある。
【００１４】
また、小規模なガス化発電プラントでは、高度なガス精製を採用することは費用対効果から難しい場合が多く、粉塵の除去以外にはガス精製を行わない場合もある。この場合にも、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物量が多いと、多量のフュエルＮＯｘが発生する場合がある。したがって、触媒脱硝方式で脱硝処理を行うことは、触媒の寿命および費用等の観点から好ましいとは言えない。また、無触媒脱硝方式の脱硝処理についても、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度の変動等により、還元剤の供給量や脱硝反応自体を制御することが難しいという問題がある。
【００１５】
したがって、ガス化ガス燃料の組成等に起因する燃焼排ガスのＮＯｘ濃度の変動を予め予測し、この予測結果に応じてＮＯｘを低減することのできる技術の確立が急務である。
【００１６】
そこで、本発明は、ガス化ガス燃料の組成等に起因する燃焼排ガスのＮＯｘ濃度の変動を事前に予測することのできる方法を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明は、ガス化ガス燃料の組成等に起因する燃焼排ガスのＮＯｘ濃度の変動に影響されることなく、還元剤の過剰な供給を防ぎながらも、プラントからのＮＯｘ排出量を十分に低減することのできるガス化発電プラントの運転方法とガス化発電プラントを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
かかる目的を解決するため、本願発明者等が鋭意研究した結果、燃焼装置においてガス化ガス燃料を燃焼させた場合に、ガス化ガス燃料に含まれるＮＨ３の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率が、ガス化ガス燃料のメタン濃度及びガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比と一義的な関係を有していることを見出した。しかも、この関係が、ガス化ガス燃料の大部分を占めるＣＯ及びＨ２の含有量には影響されないことを知見した。このことから、ガス化ガス燃料のメタン濃度とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係式を予め把握することにより、ガス化ガス燃料のメタン濃度の測定値及び燃焼装置作動時の上記当量比から、ＮＯｘ排出量を事前に予測できることを知見し、本願発明に至った。
【００１９】
かかる知見に基づく請求項１記載のＮＯｘ排出量予測方法は、ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、ガス化ガス燃料のメタン濃度とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係式を予め求めておき、ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を取得し、メタン濃度測定値及び燃焼装置作動時の上記当量比から上記関係式に基づいて燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測するようにしている。
【００２０】
したがって、請求項１記載のＮＯｘ排出量予測方法によると、ガス化ガス燃料のメタン濃度とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係について予め求められた関係式に基づいて、ガス化ガス燃料のメタン濃度の測定値及び燃焼装置作動時の上記当量比から、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することができる。
【００２１】
尚、本明細書におけるガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物とは、燃焼装置で燃焼させた際に、フュエルＮＯｘの発生源となる窒素化合物を意味している。通常、窒素化合物はほとんどがＮＨ３であるが、場合によってはＨＣＮ等のＮＨ３以外のものも含んでおり、これらを含めた全窒素化合物のフュエルＮＯｘへの転換率を意味している。
【００２２】
次に、請求項２記載のＮＯｘ排出量予測方法は、ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、ガス化ガス燃料のメタン濃度とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係式をガス化ガス燃料の窒素化合物濃度条件毎に予め求めておき、ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を取得し、ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度を測定して窒素化合物濃度測定値を取得し、窒素化合物濃度測定値に適合する窒素化合物濃度条件の関係式を選択し、メタン濃度測定値及び燃焼装置作動時の上記当量比から上記選択された関係式に基づいて燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測するようにしている。
【００２３】
したがって、請求項２記載のＮＯｘ排出量予測方法によると、ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度が変動した場合でも、ガス化ガス燃料のメタン濃度とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係について予め求められた関係式に基づいて、ガス化ガス燃料のメタン濃度の測定値及び燃焼装置作動時の上記当量比から、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することができる。
【００２４】
次に、請求項３記載のガス化発電プラントの運転方法は、ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、ガス化ガス燃料のメタン濃度とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係式を予め求めておき、ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を取得し、メタン濃度測定値及び燃焼装置作動時の上記当量比から上記関係式に基づいて燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度予測値を得て、ＮＯｘ濃度予測値に応じて燃焼排ガスへの還元剤の供給量を制御するようにしている。
【００２５】
また、請求項６記載のガス化発電プラントは、ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、ガス化ガス燃料のメタン濃度とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係について予め求められた関係式を記憶する記憶装置と、ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を得るメタン濃度測定装置と、メタン濃度測定値及び燃焼装置作動時の上記当量比から上記関係式に基づいて燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度予測値を得る演算装置と、燃焼排ガスに還元剤を供給する還元剤供給手段と、ＮＯｘ濃度予測値に基づいて還元剤供給手段から供給される還元剤の量を制御する制御手段とを備えるものである。
【００２６】
したがって、請求項３記載のガス化発電プラントの運転方法及び請求項６記載のガス化発電プラントによると、ガス化ガス燃料のメタン濃度とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係について予め求められた関係式に基づいて、ガス化ガス燃料のメタン濃度の測定値及び燃焼装置作動時の上記当量比から、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することができる。よって、この予測値に応じて最適な量の還元剤を供給することで、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を低減することができる。
【００２７】
次に、請求項４記載のガス化発電プラントの運転方法は、ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、ガス化ガス燃料のメタン濃度とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係式をガス化ガス燃料の窒素化合物濃度条件毎に予め求めておき、ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を取得し、ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度を測定して窒素化合物濃度測定値を取得し、窒素化合物濃度測定値に適合する窒素化合物濃度条件の関係式を選択し、メタン濃度測定値及び燃焼装置作動時の上記当量比から上記選択された関係式に基づいて燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度予測値を得て、ＮＯｘ濃度予測値に応じて燃焼排ガスへの還元剤の供給量を制御するようにしている。
【００２８】
また、請求項８記載のガス化発電プラントは、ガス化原料をガス化剤によりガス化して生成ガスを得るガス化装置と、生成ガスを精製してガス化ガス燃料を得るガス精製装置と、ガス化ガス燃料を燃焼させて動力を発生させる燃焼装置と、動力を利用して発電する発電機とを少なくとも備えるガス化発電プラントにおいて、ガス化ガス燃料のメタン濃度とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係についてガス化ガス燃料の窒素化合物濃度条件毎に予め求められた複数の関係式を記憶する記憶装置と、ガス化ガス燃料のメタン濃度を測定してメタン濃度測定値を得るメタン濃度測定装置と、ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度を測定して窒素化合物濃度測定値を得る窒素化合物濃度測定装置と、窒素化合物濃度測定値に適合する窒素化合物濃度条件の関係式を選択すると共に、メタン濃度測定値及び燃焼装置作動時の上記当量比から上記選択された関係式に基づいて燃焼装置から排出される燃焼排ガスのＮＯｘ濃度予測値を得る演算装置と、燃焼排ガスに還元剤を供給する還元剤供給手段と、ＮＯｘ濃度予測値に基づいて還元剤供給手段から供給される還元剤の量を制御する制御手段とを備えるものである。
【００２９】
したがって、請求項４記載のガス化発電プラントの運転方法及び請求項８記載のガス化発電プラントによると、ガス化ガス燃料の窒素化合物濃度が変動した場合でも、ガス化ガス燃料のメタン濃度とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係について予め求められた関係式に基づいて、ガス化ガス燃料のメタン濃度の測定値及び燃焼装置作動時の上記当量比から、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することができる。よって、この予測値に応じて最適な量の還元剤を供給することで、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を低減することができる。
【００３０】
ここで、請求項５、７及び９記載の発明のように、燃焼排ガス中のＮＯｘの還元に最適な反応温度と燃焼排ガスのＣＯ濃度との相関関係について予め求めておき、燃焼排ガスのＣＯ濃度を測定してＣＯ濃度測定値を取得し、ＣＯ濃度測定値と上記相関関係とに基づいて最適反応温度予測値を得て、最適反応温度予測値に適合する温度帯域の燃焼排ガスに還元剤を供給することが好ましい。
【００３１】
燃焼装置から排出される燃焼排ガスの温度は、燃焼装置出口からガス化発電プラントの後段に向かうに従い低下する。したがって、還元剤の供給量を燃焼排ガスのＮＯｘ濃度に対して最適な量としつつ、ＮＯｘの還元反応に最適な温度帯域にある燃焼排ガスに還元剤を供給することで、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を確実に低減することができる。
【発明の効果】
【００３２】
請求項１または２記載のＮＯｘ排出量予測方法によれば、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することができるので、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を低減するための対策を実施しやすくなり、ガス化発電プラントの運用性を向上することができる。
【００３３】
また、請求項３または４記載のガス化発電プラントの運転方法及び請求項６または８記載のガス化発電プラントによれば、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測し、この予測結果に応じて最適な量の還元剤を供給することが可能となる。したがって、ガス化ガス燃料の組成等に起因する燃焼排ガスのＮＯｘ濃度の変動に依らずに、ガス化発電プラントからのＮＯｘの排出量を低減することができる。しかも、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度予測値に応じて最適な量の還元剤を供給することができるので、還元剤の過剰供給を防ぐことができ、還元剤がガス化発電プラント外へ排出されることを防ぐことができる。
【００３４】
さらに、請求項５記載のガス化発電プラントの運転方法及び請求項７または９記載のガス化発電プラントによれば、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度の予測と、ＮＯｘの還元に最適な反応温度の予測とを行い、この予測結果に応じて最適な量の還元剤を最適な位置に供給することが可能となる。したがって、ガス化ガス燃料の組成等に起因する燃焼排ガスのＮＯｘ濃度の変動に依らずに、ガス化発電プラントからのＮＯｘの排出量を確実に低減することができる。しかも、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度の予測値に応じて最適な量の還元剤を供給することができるので、還元剤の過剰供給を確実に防ぐことができ、還元剤がガス化発電プラント外へ排出されることを確実に防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の実施形態では、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物をＮＨ３として説明するが、ＮＨ３以外の他の窒素化合物に対して本発明を適用することも可能である。
【００３６】
（第一の実施形態）
本発明のガス化発電プラントは、ガス化ガス燃料のメタン濃度とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物の燃焼装置でのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼装置の燃焼領域の当量比との関係について予め求められた関係式を利用して燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測し、この予測結果に基づいて最適な量の還元剤を燃焼排ガスに供給することによって、還元剤の過剰供給を防止し、還元剤のプラントからの漏洩を防ぎながらも、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を低減することができる点に特徴がある。より具体的には、ガス化装置に供給されるガス化原料の種類が変わった場合や、ガス化条件（ガス化剤の種類、ガス化剤の酸素含有量、ガス化炉の形式等）が変動したことにより、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度が変動した場合であっても、その変動を上記関係式に基づいて事前に予測し、この予測結果に応じて最適な量の還元剤を燃焼排ガスに供給し、還元剤をガス化発電プラント外へ漏洩させることなく、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を低減できるものである。
【００３７】
本発明のガス化発電プラントの第一の実施形態を図１に示す。尚、本実施形態では、燃焼装置としてガスタービンを例に挙げて説明するが、燃焼により動力を発生する燃焼装置であれば、ガスタービンに限らず使用することができる。例えば、ボイラやガスエンジン（レシプロエンジン）等を燃焼装置として使用することもできる。
【００３８】
第一の実施形態のガス化発電プラントは、ガス化原料１をガス化剤２によりガス化して生成ガス４を得るガス化装置３と、生成ガス４を精製してガス化ガス燃料４ａを得るガス精製装置５と、ガス化ガス燃料４ａを燃焼させるガスタービン６（６ａ〜６ｃ）とを備えている。ガスタービン６では、作動媒体である空気ＡＲを圧縮する空気圧縮機６ａから供給される圧縮空気ＨＡをガス化ガス燃料４ａと共にガスタービン燃焼器６ｂに供給して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスＧを膨張タービン６ｃに導入して駆動させ、膨張タービン６ｃに結合されている発電機７により発電する。ガスタービン６（６ａ〜６ｃ）から排出される燃焼排ガスＦＧのＮＯｘ濃度を予測するための装置構成は以下の通りである。即ち、ガス化ガス燃料４ａのメタン濃度とガスタービン燃焼器６ｂにおいてガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比（以下、単に還元分解関与当量比と呼ぶこともある）ガス化ガス燃料４ａに含まれるＮＨ３のガスタービン６でのＮＯｘへの転換率との関係について予め求められた関係式を記憶する記憶装置１６と、ガス化ガス燃料４ａのメタン濃度を測定するメタン濃度測定装置１７と、メタン濃度測定装置１７で測定されたメタン濃度測定値及びガスタービン燃焼器６ｂの還元分解関与当量比から記憶装置１６に記憶されている関係式に基づいて燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度を算出する演算装置１１とにより、ガスタービン燃焼器６ｂから排出される燃焼ガスＧ及び膨張タービン６ｃから排出される燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度予測値が得られる。
【００３９】
尚、燃焼排ガスＡとは、ガスタービン燃焼器６ｂから排出される燃焼ガスＧ及び膨張タービン６ｃから排出される燃焼排ガスＦＧの総称である。つまり、本発明でいうところの、「燃焼装置から排出される燃焼排ガス」を意味している。
【００４０】
本実施形態にかかるガス化発電プラントでは、燃焼排ガスＡに含まれるＮＯｘを気相にてＮ２に還元分解して除去するために還元剤１０を供給する還元剤供給手段１３が備えられ、演算装置１１により算出されたＮＯｘ濃度に基づいて還元剤供給手段１３から供給される還元剤１０の量を制御手段１４により制御するようにしている。そして、ＮＯｘがＮ２に分解除去された燃焼排ガスＦＧは、煙突９から排出される。
【００４１】
尚、本実施形態におけるガス化発電プラントでは、燃焼排ガスＦＧの熱を回収する排熱回収装置８と、復水器１５から供給される復水ＦＷを利用して排熱回収装置８により水蒸気ＳＴを発生させ、水蒸気ＳＴにより蒸気タービン２０を駆動させて発電する蒸気サイクルによる蒸気発電を併用するようにしている。但し、蒸気サイクル発電を併用するこの構成はガス化発電プラントの高効率化を図るためのものであり、ガス化発電プラントにおける必須の構成ではない。
【００４２】
以下、本実施形態にかかるガス化発電プラントをさらに詳細に説明する。
【００４３】
ガス化原料１としては、例えば、石炭、石油、バイオマス、廃棄物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００４４】
ガス化剤２は、例えば、酸素、空気、酸素富化空気等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００４５】
ガス化装置３は、ガス化原料１をガス化剤２によりガス化して、生成ガス４を得る装置であれば、特に限定されるものではない。例えば、固定床、噴流床方式のガス化炉等を使用することができる。
【００４６】
ガス精製装置５としては、生成ガス４から硫黄や灰分等の夾雑物を除去する乾式精製装置、生成ガス４から硫黄や灰分等の夾雑物のみならずＮＨ３を除去する湿式精製装置が挙げられる。また、使用する燃焼装置及びガス化発電設備によっては、フィルタ等により煤塵のみを除去するガス精製装置も含まれる。
【００４７】
ガスタービン（燃焼装置）６は、ガス化ガス燃料４ａを燃焼させ、発電機７を運転する動力を発生させるものである。ここで、ガス化ガス燃料４ａの燃焼装置６における燃焼条件については、特に限定されるものではなく、酸素又は酸素を含むガスが燃焼装置６に当量（化学量論量）以上の割合で供給される燃料過濃条件または還元燃焼方式による燃焼でもよいし、酸素又は酸素を含むガスが燃焼装置６に当量（化学量論量）未満の割合で供給される空気過剰条件としてもよい。酸素又は酸素を含むガスが燃焼装置６に当量（化学量論量）以上の割合で供給される場合の燃焼方式としては、還元燃焼法や還元二段燃焼法が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、酸素又は酸素を含むガスが燃焼装置６に当量（化学量論量）未満の割合で供給される場合の燃焼方式としては、ガスタービンやエンジン機関等で最も一般的に利用されている拡散燃焼や、部分希薄予混合燃焼に代表される疑似均一燃焼が挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【００４８】
ガス化ガス燃料４ａを当量未満で燃焼させる場合（空気過剰条件）、ガス化ガス燃料４ａに含まれるＮＨ３に起因するフュエルＮＯｘが発生し易い。ガス精製装置５によって生成ガス４を湿式精製する場合であってもＮＨ３を完全に除去できるわけではなく、このＮＨ３の残留分に起因してフュエルＮＯｘが発生してしまう。
【００４９】
また、ガス化ガス燃料４ａを当量以上で燃焼させる場合（燃料過濃条件または還元燃焼方式）においても、ガス化ガス燃料４ａに含まれるＮＨ３に起因するフュエルＮＯｘが全く発生しないわけではない。例えば、ガス精製装置５によって乾式精製されたガス化ガス燃料４ａを燃料過濃条件または還元燃焼条件で燃焼させたとしても、フュエルＮＯｘの発生を完全に抑えることは困難である。
【００５０】
さらに、近年、燃焼装置としてレシプロエンジン等のガスエンジンを採用した小規模発電設備の検討も行われつつある。このような小規模発電設備においては、ガス化ガス燃料の顕熱の損失を防ぐ観点から、乾式精製あるいは粉塵のみを除く精製処理がされたガス化ガス燃料が用いられる場合が多い。また、レシプロエンジン等のガスエンジンでは、ガス化ガス燃料を当量未満で燃焼させるのが一般的である。したがって、ガス化発電プラントからフュエルＮＯｘが発生しやすい状況になることが懸念される。
【００５１】
本発明は、燃焼排ガスＡのフュエルＮＯｘ濃度の指標となる値、即ちガス化ガス燃料４ａに含まれるＮＨ３のガスタービン燃焼器６ｂでのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料４ａのメタン濃度とガスタービン燃焼器６ｂの還元分解関与当量比との関係を示す関係式に基づいて燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度を予測するものである。
【００５２】
次に、記憶装置１６は、例えば、ハードディスク、ＲＡＭ等である。記憶装置１６には、ガス化ガス燃料４ａのメタン濃度とガスタービン燃焼器６ｂの還元分解関与当量比とガス化ガス燃料４ａに含まれるＮＨ３のガスタービン燃焼器６ｂでのＮＯｘへの転換率との関係について予め求められた関係式が記憶されている。
【００５３】
メタン濃度測定装置１７は、ガス化ガス燃料４ａのメタン濃度を測定することができる装置であれば、特に限定されるものではないが、例えば、ガスクロマトグラフ装置（AG-1000TTH、ヤナコ応技株式会社製）や、非分散型赤外線吸収法を利用したメタン濃度計（ＩＲ２１、横河電機株式会社製）を使用すればよい。尚、ガス化ガス燃料４ａのメタン濃度の測定は、ガス化ガス燃料４ａが燃焼装置６に供給される前に行う。これにより、燃焼装置６で燃焼されるガス化ガス燃料４ａに由来する燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度を事前に予測することができる。
【００５４】
演算装置１１及び制御手段１４は、ＣＰＵ（中央演算装置）またはＭＰＵ（超小型演算装置）により構成される。
【００５５】
演算装置１１では、記憶装置１６に記憶されている関係式と、メタン濃度測定装置１７から入力されるメタン濃度測定データと、ガスタービン燃焼器６ｂの還元分解関与当量比とに基づいて演算処理が行われ、演算結果に基づいて制御手段１４により還元剤供給手段１３に命令信号が送られ、その動作が制御されて、還元剤１０が燃焼排ガスＡに供給される。本実施形態では、排煙脱硝設備１２を燃焼排ガスＡの流路に設けて、排煙脱硝設備１２に還元剤１０を供給することによって燃焼排ガスＡ中のＮＯｘを還元するようにしているが、還元剤１０の供給方法はこれに限定されるものではない。例えば、燃焼排ガスＡが流通するラインに還元剤１０を直接供給するようにしてもよいし、燃焼排ガスＡが流通するラインと排煙脱硝設備１２の双方に還元剤１０を供給するようにしてもよい。
【００５６】
還元剤１０としては、ＮＯｘを還元しうる物質であれば特に限定されないが、例えば、アンモニア（ＮＨ３）や尿素（(ＮＨ２)２ＣＯ）を用いることができる。
【００５７】
還元剤供給手段１３は、還元剤１０を貯留するタンク１３ａと、開閉動作によってタンク１３ａから燃焼排ガスＡへの還元剤１０の供給を制御するバルブ１３ｂとを備えている。本実施形態では、還元剤１０を排熱回収装置８と排煙脱硝設備１２とに流入する燃焼排ガスＡに供給するようにして、無触媒脱硝方式による脱硝処理と触媒脱硝方式による脱硝処理とを併用するようにしているが、必ずしもこの形態に限定されるものではない。例えば、還元剤１０の供給を排熱回収装置８よりも前段で行うようにしてもよい。また、排煙脱硝設備１２よりも前段で燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度が十分に低下する場合には、排煙脱硝設備１２への還元剤１０の供給ラインを省略してもよい。還元剤供給手段１３には、制御手段１４からの命令信号に応答して駆動するソレノイド等が組み込まれており、ソレノイドの駆動に伴ってバルブ１３ｂが開閉動作するように構成されている。また、還元剤１０の供給量の制御は、還元剤供給手段１３のバルブ１３ｂの開度により調整してもよいし、開時間を調整することで制御するようにしてもよい。また、還元剤１０を供給する際には、還元剤１０を水等の媒体で希釈し、ノズル等から噴霧して燃焼ガスＡの全体に還元剤１０が接触するようにすることが好適である。
【００５８】
還元剤１０の供給量については、燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度と当量に相当する量とすればよい。例えば、還元剤１０としてＮＨ３を使用する場合には、以下の化学反応式１より、１モルのＮＯｘの還元に必要なＮＨ３は理論的には１モルであるから、ＮＯｘと当モル量のＮＨ３を供給すればよい。但し、ＮＯｘの還元分解率よりも還元剤１０の分解率が低い場合には、これらの比率を考慮した上で、燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度と当量に相当する量となるように、還元剤１０の供給量を少なく調整することが好適である。
（化学反応式１）ＮＯ＋ＮＨ３＋１／４Ｏ２  →  Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ
【００５９】
このように、燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度の予測値に応じて還元剤１０を供給することによって、過剰な還元剤の供給を防ぎながら、燃焼排ガスＡに含まれるＮＯｘの濃度を十分に低減することができる。したがって、排煙脱硝設備１２に流入する前の段階において燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度を低下させて、排煙脱硝設備１２の触媒にかかる負荷を大幅に低減することができ、触媒の交換間隔の長期間化や、排煙脱硝設備１２の管理にかかる手間及びコストを低減できる。また、排煙脱硝設備１２の前段において、過剰な還元剤の供給を防ぎながら、燃焼排ガスＡに含まれるＮＯｘの濃度を十分に低減して規制値以下とできる場合には、排煙脱硝設備１２の省略が可能となる。
【００６０】
尚、本願発明のＮＯｘ排出量予測方法は、ガスタービン燃焼器６ｂの燃焼領域を一次燃焼領域と二次燃焼領域とに分けて燃焼を行う二段燃焼法により得られた実験結果に基づいてなされたものであるが、燃焼領域を１つしか有さないガスタービン燃焼器や燃焼領域を複数有するガスタービン燃焼器においても適用可能である。
【００６１】
即ち、ガスタービン燃焼器６ｂの燃焼領域を一次燃焼領域と二次燃焼領域とに分けて燃焼を行う二段燃焼法を適切に行う場合、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域は主に一次燃焼領域である。二次燃焼領域は主に未燃焼成分の燃焼促進を図る燃焼領域であり、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解は殆ど起こらない。また、一次燃焼領域でＮ２まで分解せずに燃料中に残存するＮＨｉ等の窒素化合物の中間生成物が酸化されてフュエルＮＯｘが生成される場合があるものの、二段燃焼法を適切に行い、一次燃焼領域でガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物をＮ２へ十分に還元分解した場合、中間生成物を介して二次燃焼領域で酸化されて生成するフュエルＮＯｘの量は一次燃焼領域で発生するフュエルＮＯｘと比較すると極僅かであり、殆ど無視できる程度である。一方で、二段燃焼法の適正な適用がなされない場合、例えば、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比およびその滞留時間が適正な値で無い場合、燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解が不十分になり、その結果、燃料中に残存するＮＨｉ等の中間生成物が比較的多い量で存在し、二次燃焼領域でフュエルＮＯｘに酸化されてしまう。しかしながら、本願発明者の実験によれば、上記のいずれの場合でも、ガスタービン燃焼器６ｂの一次燃焼領域の当量比に対して、ガス化ガス燃料４ａのメタン濃度及び窒素化合物のＮＯｘへの転換率が一義的な関係を有していたことから、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比に対するガス化ガス燃料４ａのメタン濃度及び窒素化合物のＮＯｘへの転換率の一義的な関係を求めることで、ＮＯｘ排出量の予測が可能である。
【００６２】
したがって、例えば、ガスタービン燃焼器の燃焼領域が一つしかない場合には、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域は当然一つしかなく、その領域の当量比に対して、ガス化ガス燃料のメタンガス濃度及びＮＨ３のガスタービン燃焼器６ｂの出口でのＮＯｘへの転換率との一義的な関係を求めることで、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することができる。
【００６３】
また、ガスタービン燃焼器の燃焼領域が複数存在する場合であっても、燃焼領域の前段において燃料中のＮＨ３等窒素化合物をＮ２に分解してフュエルＮＯｘの生成を抑え、後段で未燃焼成分の燃焼促進を図るのが一般的であり、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域は、前段の燃焼領域である。例えば、還元二段燃焼法を適切に運用した場合、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域は一次燃焼領域である。二次燃焼領域は主に未燃焼成分の燃焼促進を図る燃焼領域であり、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解は殆ど起こらない。また、一次燃焼領域でＮ２まで分解せずに燃料中に残存するＮＨｉ等の窒素化合物の中間生成物が酸化されてフュエルＮＯｘが生成される場合があるものの、二段燃焼法を適切に行い、一次燃焼領域でガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物をＮ２へ十分に還元分解した場合、中間生成物を介して二次燃焼領域で酸化されて生成するフュエルＮＯｘの量は前段で発生するフュエルＮＯｘと比較すると極僅かであり、殆ど無視できる程度である。一方で、二段燃焼法の適正な適用がなされない場合、例えば、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比および滞留時間が適正な値で無い場合、燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解が不十分になり、その結果、燃料中に残存するＮＨｉ等の中間生成物が比較的多い量で存在し、二次燃焼領域でフュエルＮＯｘに酸化される。しかしながら、上記のいずれの場合でも、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域である一次燃焼領域とガス化ガス燃料のメタンガス濃度及びＮＨ３のガスタービン燃焼器６ｂの出口でのＮＯｘへの転換率との一義的な関係を求めることで、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することができる。また、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する前段の燃焼領域が複数存在していたとしても、この燃焼領域のうちガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に最も関与する燃焼領域の当量比に対し、ガス化ガス燃料のメタンガス濃度及びＮＨ３のガスタービン燃焼器６ｂの出口でのＮＯｘへの転換率との一義的な関係を求めることで、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に最も関与する燃焼領域の任意の当量比に対し、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することが可能となる。したがって、ガスタービン燃焼器の燃焼領域が複数存在する場合であっても、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与するいずれかの燃焼領域の当量比に対して、ガス化ガス燃料のメタンガス濃度及びＮＨ３のガスタービン燃焼器６ｂの出口でのＮＯｘへの転換率との一義的な関係を求めることで、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することができる。
【００６４】
本願発明のＮＯｘ排出量予測方法は、様々な燃焼方式の燃焼装置について、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比に対して、ガス化ガス燃料のメタンガス濃度及びＮＨ３の燃焼装置の出口でのＮＯｘへの転換率との一義的な関係を求めることで、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することができるものである。
【００６５】
以下、ガス化ガス燃料４ａのメタン濃度とガス化ガス燃料４ａに含まれるＮＨ３のガスタービン燃焼器６ｂでのＮＯｘへの転換率とガスタービン燃焼器６ｂの還元分解関与当量比との関係について予め求められる関係式から、燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度を求める方法について詳細に説明する。
【００６６】
ガス化ガス燃料４ａのメタン濃度とガス化ガス燃料４ａに含まれるＮＨ３のガスタービン燃焼器６ｂでのＮＯｘへの転換率とガスタービン燃焼器６ｂの還元分解関与当量比との関係について予め求められる関係式は、数式１で表される。
【００６７】
（数式１）
Ｆ（φｐ）＝Ｘ（ＣＨ４＝０）−ΔＸ／［ＣＨ４］
ここに、Ｘ（ＣＨ４＝０）はガス化ガス燃料４ａのメタン濃度が０のときのＮＨ３のＮＯｘへの転換率（Ｃ．Ｒ．）であり、［ＣＨ４］はガス化ガス燃料４ａのメタン濃度であり、ΔＸはガス化ガス燃料４ａのメタン濃度が［ＣＨ４］のときのＮＨ３のＮＯｘへの転換率からＸ（ＣＨ４＝０）を引いた値であり、φｐはガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比（還元分解関与当量比）であり、上記のように二段燃焼法を例に説明する場合には一次燃焼領域の当量比に相当する。
【００６８】
まず、ガスタービン燃焼器６ｂにおける還元分解関与当量比以外の燃焼条件を一定とし、且つガス化ガス燃料４ａのＮＨ３濃度を一定として以下の実験を行う。
【００６９】
ガスタービン燃焼器６ｂの複数の還元分解関与当量比に対して、Ｘ（ＣＨ４＝０）と、任意のメタン濃度におけるＸ（任意のメタン濃度におけるＮＨ３のＮＯｘへの転換率）の値を求める。これにより、複数の還元分解関与当量比に対して、数式１の右辺の値が求められる。そして、得られたデータについて、還元分解関与当量比を横軸とし、数式１の右辺の値を縦軸として、プロットする。
【００７０】
そうすると、還元分解関与当量比の増加に伴い、数式１の右辺の値が減少する傾向を示すので、この傾向に基づき、プロットされた結果から、還元分解関与当量比と数式１の右辺の値との関係を示す関係式を、例えば最小二乗法を用いて解析して求める。例えば、還元分解関与当量比と数式１の右辺の値との関係を一次関数として解析すると、以下のような関係式が得られる。尚、還元分解関与当量比と数式１の右辺の値との関係は、一次関数として解析する場合には限定されず、二次関数や三次関数として解析してもよい。
（数式２）Ａφｐ＋Ｂ＝Ｘ（ＣＨ４＝０）−ΔＸ／［ＣＨ４］
【００７１】
数式２において、Ａ及びＢは、最小二乗法により解析することで求められる係数である。そして、この数式２で示される関係式を利用することにより、ガス化ガス燃料４ａのメタン濃度とガスタービン燃焼器６ｂの作動時の還元分解関与当量比とが既知の場合に、ＮＨ３のＮＯｘへの転換率を求めることができる。
【００７２】
即ち、ガスタービン燃焼器６ｂの作動時の還元分解関与当量比が既知の場合、数式２の左辺を求めることができる。また、ガス化ガス燃料４ａのメタン濃度は測定することで既知となるので、数式２の右辺の［ＣＨ４］も既知となる。そして、Ｘ（ＣＨ４＝０）についても、複数の還元分解関与当量比に対してＸ（ＣＨ４＝０）を求めた上記実験結果から求めることができる。したがって、数式２において、メタン濃度が［ＣＨ４］の際のＸ以外のパラメータが既知となるので、メタン濃度が［ＣＨ４］の際のＮＨ３のＮＯｘへの転換率を求めることができる。
【００７３】
尚、ガス化ガス燃料４ａに含まれるＮＨ３のガスタービン燃焼器６ｂでのＮＯｘへの転換率（Ｃ．Ｒ．）は、以下に示す数式３で表される。
【数３】
2010014056.tif 000005
【００７４】
数式３において、［ＮＯｘ］は燃焼装置（ガスタービン燃焼器６ｂ）の燃焼排ガスＡの総ＮＯｘ濃度であり、［ＮＯｘｔｈ］はサーマルＮＯｘ濃度であり、［ＮＨ３］はガス化ガス燃料のＮＨ３濃度である。フュエルＮＯｘ濃度は、［ＮＯｘ］と［ＮＯｘｔｈ］の差として求められる。
【００７５】
サーマルＮＯｘ濃度は、ガスタービン燃焼器６ｂに供給するガス化ガス燃料のＮＨ３濃度を０としたときの燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を測定することで求めることができる。ＮＯｘ濃度の測定は、例えば堀場製作所製ＭＥＸＡ９１００分析計を利用した化学発光法により行うことができる。
【００７６】
ＮＨ３濃度は一定値としているので、その値を適用すればよい。
【００７７】
燃焼排ガスＡの総ＮＯｘ濃度は、上記と同様、例えば堀場製作所製ＭＥＸＡ９１００分析計を利用した化学発光法により行うことができる。
【００７８】
そして、上記により求めたＮＨ３のＮＯｘへの転換率から、フュエルＮＯｘ濃度とサーマルＮＯｘ濃度を加味した総ＮＯｘ濃度を予測することができる。
【００７９】
尚、上記予測方法は、酸素又は酸素を含むガスがガスタービン燃焼器６ｂに当量（化学量論量）以上の割合で供給される燃料過濃条件または還元燃焼方式による燃焼でもよいし、酸素又は酸素を含むガスが燃焼装置６に当量（化学量論量）未満の割合で供給される空気過剰条件としてもよい。本願発明者の実験によれば、ガスタービン燃焼器６ｂの燃焼領域を一次燃焼領域と二次燃焼領域とに分けて燃焼を行う二段燃焼法により得られた結果から、一次燃焼領域の当量比（φｐ）をガスタービン燃焼器６ｂの出口における当量比以上（０．４４以上）とし、且つ一次燃焼領域の当量比が３．０以下の範囲で、一義的な関係が得られる。また、ガスタービン燃焼器の燃焼領域が一つしかない場合においても、０．４４≦φｐ≦３．０の範囲において、一義的な関係を得ることができるものと考えられる。但し、当量比の範囲は、０．４４≦φｐ≦３．０に限定されるものではなく、この範囲を逸脱する場合においても一義的な関係は成立するものと考えられる。
【００８０】
また、上述の予測方法では、ガス化ガス燃料４ａのＮＨ３濃度を一定としたが、数式２で示される関係式をＮＨ３濃度条件毎に複数求めるようにしてもよい。この場合には、ガス化ガス燃料４ａのＮＨ３濃度を測定し、ＮＨ３濃度の測定値と同条件のＮＨ３濃度としたときに得られた関係式を選択し、この関係式を用いてガス化ガス燃料４ａのメタン濃度の測定値及びガスタービン燃焼器６ｂの還元分解関与当量比から、ＮＨ３のＮＯｘへの転換率を求めることができる。つまり、ガス化ガス燃料４ａのＮＨ３濃度の測定値に適合する関係式を選択し、これをＮＨ３のＮＯｘへの転換率を求めるための関係式として採用するようにしてもよい。この場合には、あらゆるＮＨ３濃度に対してＮＨ３のＮＯｘへの転換率を予測することが可能となる。
【００８１】
この場合には、図１に示すガス化発電プラントに、燃焼装置６に供給される前のガス化ガス燃料４ａのＮＨ３濃度を測定する装置（例えば、装置名：イオン選択電極法によるアンモニア濃度計（型式：NH-26）、メーカ名：京都電子工業株式会社）をさらに備え、記憶装置１６には、ＮＨ３濃度条件毎の複数の関係式を記憶させ、ＮＨ３濃度を測定する装置により測定されたＮＨ３濃度と合致するＮＨ３濃度条件の関係式を演算装置１１で選択して、メタン濃度測定値及びガスタービン燃焼器６ｂの還元分解関与当量比とからＮＨ３のＮＯｘへの転換率を求めることができる。
【００８２】
また、ガスタービン機器として、起動から１００％負荷まで運転する場合には、圧縮機、タービンと関連して燃焼振動を起こす問題があることから、安定に運転するためにパイロットバーナーを調整する場合がある。そして、パイロットバーナーからのサーマルＮＯｘの生成量がパイロットバーナーの負荷によって変化する。したがって、この場合には、パイロットバーナーの負荷毎に数式２で示される関係式を求めるようにしてもよい。また、その他の燃焼条件毎に数式２で示される関係式を求めるようにしてもよい。
【００８３】
（第二の実施形態）
本発明のガス化発電プラントの第二の実施形態を図２に示す。
【００８４】
第二の実施形態にかかるガス化発電プラントは、第一の実施形態にかかるガス化発電プラントとは、以下の点で異なる。
【００８５】
即ち、記憶装置１６には、ガス化ガス燃料４ａのメタン濃度とガス化ガス燃料４ａに含まれるＮＨ３のガスタービン燃焼器６ｂでのＮＯｘへの転換率とガスタービン燃焼器６ｂの還元分解関与当量比との関係について予め求められた関係式のみならず、ＮＯｘの還元に最適な反応温度とＣＯ濃度との相関関係も記憶されている。
【００８６】
また、燃焼排ガスＡのＣＯ濃度を測定するＣＯ濃度測定装置１８が備えられている。
【００８７】
さらに、還元剤供給手段１３の構成が異なる。即ち、第二の実施形態にかかるガス化発電プラントの還元剤供給手段１３では、燃焼排ガスＡの温度が異なる位置に還元剤１０を供給しうる複数の還元剤供給部１３ｃが備えられている。そして、制御手段１４では、還元剤供給手段１３から供給される還元剤１０の量を制御するだけでなく、複数の還元剤供給部１３ｃのうち最適反応温度に適合する位置の還元剤供給部１３ｃを選択する制御が行われる。
【００８８】
要するに、第二の実施形態にかかるガス化発電プラントでは、第一の実施形態における燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度に応じた還元剤１０の供給量の制御の他に、上記化学反応式１の最適反応温度に影響を与える燃焼排ガスＡのＣＯ濃度を測定し、ＣＯ濃度の測定値から、還元剤１０の最適供給位置を決定する点に特徴がある。燃焼排ガスＡに存在するＣＯは、ガスタービン燃焼器６ｂにおける未燃焼成分である。そして、燃焼排ガスＡはガスタービン燃焼器６ｂの出口から煙突に向かうまでの間に徐々に温度が低下していることから、上記化学反応式１の正方向（化学反応式１の右辺に向かう方向）の反応を促進する最適反応温度帯域の燃焼排ガスに還元剤１０を供給することで、確実にＮＯｘ濃度を低減するものである。
【００８９】
ＮＯｘの還元に最適な反応温度とＣＯ濃度との相関関係は、以下のようにして求めることができる。即ち、複数の反応温度帯域において、ＣＯ濃度を振りながら上記化学反応式１を進行させ、ＮＯｘのＮ２への還元分解と、ＮＨ３のＮ２への分解とが最も効率良く起こる反応温度帯域、即ち、「反応窓」を探索してこれを最適反応温度帯域とする。そして、最適温度帯域とＣＯ濃度との関係を求めることにより、ＮＯｘの還元に最適な反応温度とＣＯ濃度との相関関係が得られる。この相関関係は実験的に求めてもよいし、素反応を考慮した数値解析を利用し、理論計算により求めてもよい。また、複数の文献を利用してデータベースを作成することによって求めるようにしてもよい。
【００９０】
ＣＯ濃度測定装置１８は、ＣＯ濃度することができる装置であれば、特に限定されるものではないが、例えば、非分散赤外線吸収法（装置名：IRA-106、メーカー名：島津製作所）を使用すればよい。尚、ＣＯ濃度の測定は、ガスタービン燃焼器６ｂの出口付近で行うことが好ましい。
【００９１】
ＣＯ濃度測定装置１８によりＣＯ濃度を測定することで、記憶装置１６に記憶されている相関関係に基づき、ＮＯｘの還元に最適な反応温度が予測される。
【００９２】
次に、還元剤供給手段１３の還元剤供給部１３ｃには、熱電対（不図示）が備えられており、還元剤供給部１３ｃの各位置における燃焼排ガスＡの温度が制御手段１４に送信される。そして、燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度の予測結果と、最適反応温度の予測結果とに基づき、還元剤１０の供給量の制御と、最適反応温度に適合する燃焼排ガスの温度帯域の還元剤供給部１３ｃを選択する制御が制御手段１４で行われる。
【００９３】
以上の構成により、ガス化発電プラントから排出されるＮＯｘ量を確実に低減することができる。したがって、排煙脱硝設備１２に流入する前の段階において燃焼排ガスＡのＮＯｘ濃度を低下させて、排煙脱硝設備１２の触媒にかかる負荷を大幅に低減することができ、触媒の交換間隔の長期間化や、排煙脱硝設備１２の管理にかかる手間及びコストを低減できる。また、排煙脱硝設備１２の前段において、過剰な還元剤の供給を防ぎながら、燃焼排ガスＡに含まれるＮＯｘの濃度を十分に低減して規制値以下とし易いので、排煙脱硝設備１２の省略が実現し易い。即ち、本実施形態では排煙脱硝設備１２と排煙脱硝設備１２に還元剤１０を供給するラインが設けられているが、排煙脱硝設備１２の前段において、過剰な還元剤の供給を防ぎながら、燃焼排ガスＡに含まれるＮＯｘの濃度を十分に低減して規制値以下とできる場合には、排煙脱硝設備１２と排煙脱硝設備１２に還元剤１０を供給するラインを省略することができる。
【００９４】
上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、燃焼排ガスＡに含まれるＮ２ＯやＮＯ２成分、さらにはＣＯやＨ２成分がＮＯｘの還元反応に与える影響を加味した上で、気相において還元脱硝する無触媒脱硝反応の適正化を行うようにしてもよい。
【００９５】
また、上述の実施形態では、フュエルＮＯｘの発生要因たる窒素化合物をＮＨ３として説明したが、ＨＣＮ等、フュエルＮＯｘの発生要因たる他の窒素化合物を含めた全窒素化合物のＮＯｘへの転換率に対して本願発明を適用するようにしてもよい。
【実施例】
【００９６】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。
【００９７】
（実施例１）
内側を耐火材で覆った内径９０ｍｍ、長さ１０００ｍｍの円筒型の燃焼室３１、一次空気導入部３２および燃料噴射ノズル３３からなる燃焼器３０（図３参照）を用いて実験を行った。燃焼器３０の軸方向空気配分や二段燃焼（空気二段供給）を模擬するために、燃焼室３１の側壁には流れ方向に沿って４カ所に二次空気孔３４を設けた。二次空気孔３４は直径が１３ｍｍ、一断面について円周方向に等間隔に６ヶ所設けた。
【００９８】
本実験では、使用した燃焼室３１の内径をＤとしたとき燃料噴射ノズル３３の先端から距離３×Ｄの位置の二次空気孔を採用し、燃料噴射ノズル３３〜二次空気孔（燃料噴射ノズル３３の先端から距離３×Ｄの位置の空気孔）までの領域を一次燃焼領域、それ以降の領域を二次燃焼領域とした。供試バーナは、口径１．５ｍｍ×１２個、吹き出し角度θ＝９０゜の燃料噴射ノズルと内径２４．０ｍｍ、外径３６．４ｍｍ、旋回角度４５゜の一次空気旋回器から構成し、一次空気旋回器のスワール数Ｓは０．８４とした。
【００９９】
燃焼器３０を使用して、燃焼器３０の一次燃焼領域の当量比（φｐ）と、ガス化ガス燃料に含まれるＮＨ３の燃焼器３０の出口でのＮＯｘへの転換率（以下、ＮＨ３のＮＯｘへの転換率と呼ぶ）との関係について検討した。
【０１００】
実験条件は以下の通りとした。ガス化ガス燃料中のＮＨ３濃度を１０００ｐｐｍｖとし、ＣＯ／Ｈ２モル比を２．３３とし、燃焼発熱量を４．４ＭＪ／ｍ３（約１０００ｋｃａｌ／ｍ３）、理論平均燃焼温度を１３００℃で一定とする条件とした。また、燃焼器出口における当量比（φｅｘ）は０．４４で一定とした。尚、一次燃焼領域の当量比（φｐ）が０．４４の場合には、一次燃焼領域と二次燃焼領域の当量比は同一であることから、二次空気は供給せずに実験を行った。
【０１０１】
そして、ガス化ガス燃料のメタン濃度をパラメータとしたときに、二段燃焼法を採用した場合の一次燃焼領域の当量比（φｐ）とガス化ガス燃料中のＮＨ３のＮＯｘへの転換率の関係について実験により調べた。尚、ガス化ガス燃料中のメタン濃度を増加させる場合には、可燃性成分であるＣＯとＨ２のモル比を２．３３で一定としながら、ＣＯとＨ２のガス化ガス燃料中の含有量を減らすようにした。
【０１０２】
燃焼排ガスは、燃焼室出口ダクト中心軸上に挿入した水冷プローブ（１点）によりサンプリングし、ＣＯ、ＣＯ２については非分散赤外線吸収法により、ＮＯｘ、Ｏ２、ＴＨＣはそれぞれ化学発光法、磁気圧力法、水素炎イオン検出法により濃度を測定した（堀場製作所製ＭＥＸＡ９１００分析計を使用）。また、実験はすべて大気圧にて実施した。
【０１０３】
結果を図４に示す。尚、図４において、Ｔａｉｒは供給空気の温度（Ｋ）であり、Ｔｆｕｅｌは供給されたガス化ガス燃料の温度（Ｋ）であり、Ｖｆｕｅｌはガス化ガス燃料の燃焼器３０への燃料ノズルにおける噴射速度（ｍ／ｓ）である。
【０１０４】
図４に示される結果から、一次燃焼領域の当量比（一次当量比）を増加させることで、ガス化ガス燃料中のＮＨ３のＮＯｘへの転換率を低減できる傾向が見られたが、ガス化ガス燃料中にメタンが含まれる場合、一次当量比がある値を超えると、逆に転換率が増加する傾向が見られた。つまり、ガス化ガス燃料中にメタンが含まれる場合には、ＮＨ３のＮＯｘへの転換率を最小とする最適一次当量比が存在することが明らかとなった。
【０１０５】
次に、図４に示される結果を一義的な関係式で表すべく、種々検討した結果、図５及び以下の式によって、図４に示される結果を一義的な関係式で表せることが明らかとなった。
【０１０６】
（数式４）Ｘ（ＣＨ４＝０）−ΔＸ／［ＣＨ４］＝−４６×φｐ＋９０
【０１０７】
ここに、Ｘ（ＣＨ４＝０）はガス化ガス燃料４ａのメタン濃度が０のときのＮＨ３のＮＯｘへの転換率（Ｃ．Ｒ．）であり、［ＣＨ４］はガス化ガス燃料４ａのメタン濃度であり、ΔＸはガス化ガス燃料４ａのメタン濃度が［ＣＨ４］のときのＮＨ３のＮＯｘへの転換率からＸ（ＣＨ４＝０）を引いた値であり、φｐはガスタービン燃焼器６ｂの一次当量比である。
【０１０８】
数式４の標準偏差は４．８％であった。一次関数ではなく、二次関数または三次関数として近似すれば、標準偏差を小さくすることができる。尚、標準偏差が４．８％であった理由は、転換率に及ぼすＣＯまたはＨ２濃度の影響さらには一次当量比条件の範囲に応じてＣＨ４濃度の影響が変わることに因るものと考えられるが、数式４を用いることで、十分に高精度なＮＯｘ排出量の予測が可能であると考えられた。
【０１０９】
また、サーマルＮＯｘの排出量について検討したところ、ガスタービン燃焼器の負荷によらず、６〜８ppm（16％O2換算濃度）とほぼ一定になることが確認された。即ち、数式４においてＮＨ３のＮＯｘへの転換率を計算する際に必要なサーマルＮＯｘ濃度は、ＮＯｘ排出量低減を意図してＮＯｘ生成の抑制に関与する（ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する）燃焼器の燃焼領域の燃焼条件を同一とした場合には、ほぼ一定と考えてよいことが分かった。但し、燃焼振動の問題から、パイロットバーナーを調整する場合には、パイロットバーナーの負荷によってサーマルＮＯｘの排出量が変動するので、その場合には、パイロットバーナーの負荷毎に関係式を作成することで、パイロットバーナーの負荷によりサーマルＮＯｘの変動を加味した関係式を用いてＮＯｘ排出量の予測が可能であると考えられる。
【０１１０】
以上、本実施例の結果から、ＣＯとＨ２を主要な可燃性成分とし、且つ０．５ｖｏｌ％以上のＣＨ４を含み、残りのほとんどはＣＯ２、Ｎ２とＨ２Ｏであるガス化ガス燃料において、ガス化ガス燃料のメタン濃度とＮＨ３のＮＯｘへの転換率とガスタービン燃焼器の一次当量比が、０．４４〜３．０の範囲、即ち、ガスタービン燃焼器の出口当量比（φｅｘ＝０．４４）以上で且つ実際に設定した一次当量比の範囲において、ガス化ガス燃料中のＣＯとＨ２の含有量に依らず、一義的な関係を示すことが明らかとなり、この一義的な関係を利用することで、ガス化ガス燃料のメタン濃度及びガスタービン燃焼器の一次当量比から、ガスタービン燃焼器出口でのＮＨ３のＮＯｘへの転換率を予測できることが明らかとなった。また、一次当量比が０．４４、３．０に近づくにつれて一義的な関係から外れるような傾向は見られなかったことから、０．４４〜３．０の範囲を逸脱した場合においても、一義的な関係式は成立するものと考えられる。したがって、本願発明のＮＯｘ排出量予測方法は、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比が０．４４〜３．０の範囲のみにおいて成立しうるものではなく、この範囲を逸脱する場合においても成立するものと考えられる。
【０１１１】
また、ガスタービン燃焼器の一次当量比が、ガス化ガス燃料のメタン濃度及びＮＨ３のＮＯｘへの転換率と一義的な関係を示すことが明らかとなったことから、燃焼領域を一つしか有していない燃焼器や、燃焼領域を複数有する燃焼器においても、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比と、ガス化ガス燃料のメタン濃度及びＮＨ３のＮＯｘへの転換率との一義的な関係を明らかにすることで、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を予測することができるものと考えられる。
【０１１２】
尚、本実施例で得られた結果は、ガス化ガス燃料中のＮＨ３濃度を１０００ｐｐｍｖで一定とし、ＣＯ／Ｈ２モル比を２．３３とし、燃焼平均温度を１３００℃（φｅｘ＝０．４４）で一定とする条件下において燃料発熱量を変化させた場合における、ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比とガス化ガス燃料中のメタン濃度とＮＨ３のＮＯｘへの転換率との物理的関係を解析的に検討した結果であるが、燃焼温度、ＮＨ３濃度などの条件が他の条件の場合にも同様の手法で関係式を求めることができる。
【０１１３】
但し、燃焼温度、ＮＨ３濃度などの条件が変わった場合には、燃焼器の還元分解関与当量比とガス化ガス燃料のメタン濃度とＮＨ３のＮＯｘへの転換率との物理的関係は保たれるものの、関係式の係数は変化するので、予め必要な条件においてガス化ガス燃料のメタン濃度とＮＨ３のＮＯｘへの転換率との関係を示す式を求めておくことにより、燃焼器出口でのＮＨ３のＮＯｘへの転換率を予測することができる。
【０１１４】
以上、本実施例の結果から、ＣＯとＨ２を主要な可燃性成分とし、且つ０．５ｖｏｌ％以上のＣＨ４を含み、残りのほとんどはＣＯ２、Ｎ２とＨ２Ｏであるガス化ガス燃料において、ガス化ガス燃料のメタン濃度とＮＨ３のＮＯｘへの転換率と燃焼器においてガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比とが、一義的な関係を示すことが明らかとなり、この一義的な関係を利用することで、ガス化ガス燃料のメタン濃度及び燃焼器の還元分解関与当量比から、燃焼排ガスのＮＨ３のＮＯｘへの転換率を予測できることが明らかとなった。
【０１１５】
また、本実施形態では、窒素化合物をＮＨ３としたが、窒素化合物をＨＣＮや尿素などとした場合であっても、また、ＨＣＮ、尿素およびＮＨ３の混合物であっても、ＮＨ３の場合と同様、ガス化ガス燃料のメタン濃度と燃焼器の還元分解関与当量比とＨＣＮや尿素のＮＯｘへの転換率とが、ガス化ガス燃料の主要な成分であるＣＯとＨ２のモル比によらず、一義的な関係を示すことが推定された。
【０１１６】
即ち、素反応を考慮した数値解析を行った結果、ＨＣＮや尿素が、ＮＨ３と同様の挙動を示すことが確認された。具体的には、ＮＨ３と同様、ＨＣＮや尿素もＮＯｘに酸化されることが確認された。また、ＮＨ３と同様、ＨＣＮ及び尿素の分解開始もＯＨやＯやＨ基が主導することが確認された。さらに、ＮＨ３と同様、ＨＣＮ及び尿素についても、その分解過程において、ＣＨ４が影響を及ぼすことが確認された。そして、ＮＨ３、ＨＣＮ及び尿素等の窒素化合物は、Ｎ２へ還元分解された以外の残りのほとんど全てがＮＯｘに酸化される。換言すれば、窒素化合物のＮ２への還元分解率を１から差し引いた値が窒素化合物のＮＯｘへの転換率となる。したがって、ＨＣＮおよび尿素についても、ＮＨ３の場合と同様にＮＯｘへの転換率を推定できる。すなわち、ガス化ガス燃料のメタン濃度とＨＣＮのＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比とが、ガス化ガス燃料の主要な成分であるＣＯとＨ２の含有量によらず、一義的な関係を示すことが推定された。尚、ガス化ガス燃料中に含まれる窒素化合物として尿素が検出されたとの報告例は無いが、ガス化ガス燃料を構成する成分には尿素を構成しうる物質も含まれており、ガス化ガス燃料中に尿素が生成されることは完全には否定できない。しかしながら、このような場合にも、ＮＨ３の場合と同様に、ガス化ガス燃料のメタン濃度と尿素のＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる尿素のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比とが、ガス化ガス燃料の主要な成分であるＣＯとＨ２の含有量によらず、一義的な関係を示すことが推定された。
【０１１７】
したがって、窒素化合物にＮＨ３、ＨＣＮまたは尿素が含まれている場合においても、ガス化ガス燃料のメタン濃度と窒素化合物全体のＮＯｘへの転換率とガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物のＮ２への還元分解に関与する燃焼領域の当量比との間には一義的な関係があるものと推定された。
【０１１８】
（実施例２）
燃焼排ガスのＣＯ濃度とＮＯｘを還元するための最適反応温度との関係について、数値解析と実験の両面から検討した。
【０１１９】
まず、数値解析を行い、燃焼排ガスのＣＯ濃度がＮＯｘの還元に及ぼす影響について検討した。
【０１２０】
数値解析には、MillarとBowmanによって提案された素反応スキームを使用した（文献名：Miller,J.A., and Bowman,C.T., 1989, “Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion,” Prog. Energy Combust. Sci., Vol.15, pp.287-338.）。この文献の素反応スキームは、２４８式の素反応からなり、考慮されている化学種は５１成分である。尚、素反応スキームは様々に提案されているが、本願発明者は当該解析において、一定の条件の下で実験結果と一致することを確認している。
【０１２１】
熱力学データは、ＪＡＮＡＦの熱力学物性値を使用し、不明の物性値については、Gibbsの標準生成エネルギーと化学平衡定数の関係から導出した。即ち、５１成分の化学種が含まれる化学反応式系から、反応時間に対する各化学種濃度を求める微分方程式が５１式作成できる。この５１式の非線形微分方程式系をＧｅａｒ法を用いて解くことにより、任意の反応時間後の各化学種濃度を求めた。また、反応過程において、すべての化学種は均一に混合されているものとし、拡散・混合過程は考慮せず、反応は一定温度で進行するものとした。尚、数値解法は、Ｇｅａｒ法に限定されるものではなく、ルンゲクッタ法等の他の数値解法を用いてもよい。
【０１２２】
また、一般に、ＮＯｘの殆どはＮＯであることから、ＮＯｘをＮＯとして数値解析を行った。
【０１２３】
数値解析の条件は以下の通りとした。即ち、反応温度を８００℃で一定とし、ＮＯ濃度１５０ｐｐｍｖに対して半分の７５ｐｐｍｖに相当するＮＨ３を供給する条件下において、ＣＯ濃度を変えた場合について行った。燃焼排ガス中のＣＯ２およびＨ２Ｏ濃度はいずれも約１３ｖｏｌ％、Ｏ２濃度は約３ｖｏｌ％とし、残りはＮ２ガスで調整した。燃焼排ガスのＣＯ濃度条件は、０、５０、１００ｐｐｍｖとした。
【０１２４】
結果を図６に示す。この結果から、ＣＯ濃度が０ｐｐｍｖから１００ｐｐｍｖに変化すると、反応時間は１／１０に減少することが明らかとなった。つまり、ＣＯ濃度の上昇により、反応速度が向上する傾向が見られた。
【０１２５】
次に、実験により、燃焼排ガスのＣＯ濃度とＮＯｘを還元するための最適反応温度との関係について検討した。石英管を電気炉に入れ、混合したガス（ＮＨ３：０．１ｖｏｌ％、ＮＯ：０．１ｖｏｌ％、Ｏ２：０．５ｖｏｌ％、ベースガス：Ｎ２）を石英管に流した。そして、電気炉により１０００℃まで昇温して２．２秒間保持した後に降温し、ＮＨ３とＮＯのモル分率を計測した。また、この実験は、混合したガスにＣＯを流通しない場合（０ｐｐｍｖ）と、ＣＯを１０００ｐｐｍｖ流通した場合とについて実施した。
【０１２６】
結果を図７に示す。ＣＯを流通しない場合（０ｐｐｍｖ）においてＮＨ３及びＮＯ双方のモル分率が最も低くなったのは、９００℃付近であった。また、ＣＯを１０００ｐｐｍｖ流通した場合においてＮＨ３及びＮＯ双方のモル分率が最も低くなったのは、８００℃付近であった。
【０１２７】
この実験結果から、ＣＯ濃度によって最適反応温度がシフトし、ＣＯ濃度が高まると最適反応温度が低下することが確認された。尚、図７において、極小値が０とならなかった理由について数値解析により検討した結果、混合ガスを常温から１０００℃まで昇温する過程に起因するものであることが明らかとなった。
【０１２８】
以上より、上記化学反応式１で表される気相において還元脱硝する無触媒脱硝反応を効率良く適用するには、反応温度と反応時間を適切に設定することが好ましいことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明のガス化発電プラントの第一の実施形態の概略図である。
【図２】本発明のガス化発電プラントの第二の実施形態の概略図である。
【図３】本実施例において使用した燃焼器の構成概略図である。
【図４】一次当量比に対するＮＨ３のＮＯｘへの転換率をメタン濃度をパラメータとして検討した結果を示す図である。
【図５】ガスタービン燃焼器の一次当量比とガス化ガス燃料のメタン濃度とＮＨ３のＮＯｘへの転換率との一義的な関係を示す図である。
【図６】燃焼排ガス中の気相において還元脱硝する無触媒脱硝反応に及ぼすＣＯ濃度の影響についての数値解析結果を示す図である。
【図７】燃焼排ガスのＣＯ濃度とＮＯｘを還元するための最適反応温度との関係について実験した結果を示す図である。
【符号の説明】
【０１３０】
１  ガス化原料
２  ガス化剤
３  ガス化装置
４  生成ガス
４ａ  ガス化ガス燃料
５  ガス精製装置
６  燃焼装置（ガスタービン）
６ａ  ガスタービンの空気圧縮機
６ｂ  ガスタービン燃焼器
６ｃ  ガスタービンの膨張タービン
７  発電機
１０  還元剤
１１  演算装置
１３  還元剤供給手段
１３ｃ  還元剤供給部
１４  制御手段
１６  記憶装置
１７  メタン濃度測定装置
１８  ＣＯ濃度測定装置
ＦＧ  燃焼排ガス（ガスタービン排出ガス）
Ｇ  燃焼ガス（ガスタービン燃焼器排気ガス）
Ａ  燃焼排ガス
【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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【図７】
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