(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化石燃料とガス化剤を接触させて可燃性ガスを生成するガス化炉と、
可燃性ガスの燃焼によりタービンを回転させて発電するガスタービンと、
ガスタービン空気圧縮機から一部抽気された空気を、上記ガス化炉にガス化剤として供給する抽気空気系ラインと
を備えたガス化発電システムにおいて、
大気を導入する原料用空気圧縮機と接続した空気分離装置を設け、
該空気分離装置で分離された窒素の一部を上記ガス化炉に導入し、残りの窒素を上記ガス化炉と上記ガスタービンの間のシステム系内へ導入する窒素供給ラインであって、上記窒素の一部を上記ガス化炉に導入する窒素供給ラインが、上記窒素を上記ガス化炉のアニュラス部に導入するアニュラスラインと、上記窒素を上記ガス化炉前段の微粉炭供給装置に導入する加圧ラインと、上記窒素を導入してチャーを上記ガス化炉に搬送する搬送ラインとを含む、窒素供給ラインと、
分離された酸素を上記抽気空気系ラインに混合する酸素富化空気供給ラインを有することを特徴とするガス化発電システム。
【請求項２】
上記窒素供給ライン、上記酸素富化空気供給ライン及び上記抽気空気系ラインの窒素及び酸素量を検知するガス流量計を設け、酸素富化空気供給ラインの酸素の流出量、窒素供給ラインの窒素の流出量及び抽気空気系ラインの空気の流出量を制御する制御装置を設けてなる請求項１に記載のガス化発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化石燃料から生成されたガス化ガスによりガスタービンを作動させるガス化発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭等の化石燃料をガス化して可燃性ガスを発生させ、この可燃性ガスをガスタービンで燃焼して発電させるとともに、さらに、この発電システムの熱交換器、排熱回収ボイラーで発生した蒸気を蒸気タービンに導いて発電に使用するガス化複合発電システムが知られている。
図８は、従来の空気吹き石炭ガス化複合発電システムの一例を示す。この石炭ガス化複合システムＡの主要部の構成は、上流側から順にアニュラス部１ａに配設されるガス化炉１、生成ガス冷却器２、サイクロン３とポーラスフィルター４からなる脱塵装置５、脱硫装置６及びガスタービン７の順に配設されている。
【０００３】
ガス化炉１には、原料炭が微粉炭供給ライン１０１から微粉炭供給装置８に導入され、微粉炭搬送ライン１０２をとおりガス化炉１に供給される。ガス化炉１は、微粉炭供給装置８で微粉砕した原料炭を、その内部で酸素等のガス化剤９と接触させる。そして、原料炭を１５００〜２０００℃の高温で燃焼及びガス化し、可燃性ガスを発生させ、それを生成ガス冷却器２に排出する。この際、ガス化炉１内で生じたスラグは、ガス化炉１の下部からスラグ排出ライン１１６から排出される。
生成ガス冷却器２では、導入した一酸化炭素、水素ガス、メタンガスなどを含む可燃性ガスを冷却して熱を回収し、それを下流側の脱塵装置５に排出する。脱塵装置５では、可燃性ガスに含まれる固体成分の未反応チャーの粗粒子をサイクロン３で脱塵し、さらにサイクロン３で脱塵できなかった微粒子を、ポーラスフィルタ４で脱塵する。ここで可燃性ガスから分離されたチャーは、チャー供給ライン１０３を経て、ガス化炉１に回収して再利用され、他方脱塵装置５により脱塵された可燃性ガスは、脱硫装置６に排出される。
【０００４】
脱硫装置６では、可燃性ガスのガス中に含まれる硫黄を分離し、可燃性ガス供給ライン１０４及び燃焼部７ｂを経て、可燃性ガスをガスタービン７に排出する。ガスタービン７は、可燃性ガスを燃料としてタービンを回転させて発電する。ガスタービン７の下流側に配設されている排熱回収ボイラー１１は、ガスタービン７で燃焼した可燃性ガスの排出ガスを導入し、その熱で蒸気を発生させて蒸気をライン１２４に排出する。そして、上記した生成ガス冷却器２で発生した蒸気とともに蒸気タービン１２に排出し、これを稼働させて発電に利用する。なお、蒸気は冷却器１２ｂで冷却され、復水ポンプ１２ｃにより、生成ガス冷却器２に送られる。
また、ガスタービン空気圧縮機７ａで発生した圧縮空気は抽気空気系１１１にも一部導入され、上流側の再生熱交換器９をとおって抽気空気圧縮機２１で圧縮された後、下流側の再生熱交換器１０をとおり、ガス化ガス供給ライン１１４を経て、ガス化炉１に導入される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の抽気空気系を備えたガス化複合システムは、抽気空気昇圧機を備えることで、酸素製造装置による所内動力の増加がなく送電端効率が良いということで用いられているが、微粉炭及び未反応チャーを加圧ガス化炉に供給する場合に、この抽気空気を使用するため、酸化昇温の危険性があり、安全性が欠ける欠点があった。
また一方、ガス化剤を空気としているために、灰を溶融しスラグとして安定に排出するために炉内を高温に保つことと、ガスタービンの安定燃焼に必要な可燃性ガスの発熱量を一定水準以上に確保することを同時に満たすためには、化石燃料量とガス化剤（この場合空気）量の比を前者の条件を満たす下限値と、後者の条件を満たす上限値からその範囲内に運転する必要があり、運転裕度が少ない欠点があった。特に部分負荷では、相対的に炉のヒートロスが定格負荷よりも増大するため、運転裕度はさらに少なくなる傾向があった。
【０００６】
さらに、従来は、システム内の機器のパージやシールのために、または石炭もしくは未反応チャーの搬送のために、可燃性ガスの一部を、ガスタービンに入る前に分岐して昇圧して使っていた。この可燃性ガスを使うためには、昇圧圧縮機はもとより、昇圧前に所内動力の低減等のために、冷却器を設置する必要があり、設備が複雑になるという欠点があった。さらに、可燃性ガスは、一般に石炭などの化石燃料中に含まれる硫黄に由来する硫化水素（Ｈ2Ｓ）及び水分等を含んでおり、腐食が発生しやすく、運転温度等の管理を厳しく要求されるという欠点があった。
また、ガス化複合システムには、安全性の向上のために使用される不活性ガスとして窒素を供給でき、また、運転裕度（特に部分負荷、なお、部分負荷とは発電機の定格発電量（１００％）に対して、要求発電量が小さい（例えば、２０〜３０％）のことをいう）の向上のために、ガス化剤の酸素濃度を向上（すなわち、酸素濃度を向上させることにより炉内のガス温度を高めるとともに可燃性ガスの発熱量を高める）させることができる、酸素の同時供給が可能な空気分離装置（ＡＳＵ）を備えたシステムがある。
【０００７】
しかし、一般的にガス化発電システムで使用される大容量の空気分離装置は、深冷分離法が採用されており、酸素及び窒素の沸点の極低温まで冷却するため、負荷変化がしにくく、かつ起動に時間がかかるという欠点があった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、発電システムにおける抽気空気系の特性を維持しつつ、安全性の確保と運転裕度の向上の利点をもつ空気分離装置を有し、かつ、該空気分離装置に伴う欠点が解消されたガス化発電システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明にかかるガス化発電システムは、化石燃料とガス化剤を接触させ、燃焼及びガス化によって可燃性ガスを生成するガス化炉と、可燃性ガスの燃焼によりタービンを回転させて発電するガスタービンと、ガスタービン空気圧縮機から一部抽気された空気を、上記ガス化炉にガス化剤として供給する抽気空気系ラインとを備えたガス化発電システムであって、大気を導入する原料用空気圧縮機と接続した空気分離装置を設け、該空気分離装置で分離された窒素の一部を上記ガス化炉に導入し、残りの窒素を上記ガス化炉と上記ガスタービンの間のシステム系内へ導入する窒素供給ラインと、分離された酸素を上記抽気空気系ラインに混合する酸素富化空気供給ラインを有している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、従来例と同じ構成には、図面に同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図１は、本発明に係るガス化複合発電システムＢを示す。これは、図８の従来例で説明した空気吹き石炭ガス化複合システムＡに対して、空気分離装置１３と制御装置１９及びそれらに付帯する設備を設けたことが異なる。以下、これらの装置について説明する。
【００１０】
図１に示す空気分離装置１３は、空気に含まれている窒素と酸素を分離する装置で、空気を吸入するため発電システム系外の大気から空気を吸入する原料用空気圧縮機２２を設けている。空気分離装置１３により分離された空気のうち、窒素ガスは窒素供給ライン１１３に排出され、酸素は酸素富化空気供給ライン１１２に排出される。
窒素供給ライン１１３では、窒素圧縮機２３により窒素ガスは圧縮されて後流側に排出された後、２方向に分岐する。すなわち、一部の窒素ガスは、窒素制御弁３１または３２を介在して、微粉炭供給装置８及びチャーをガス化炉に供給する際の加圧媒体または搬送媒体等として使用し、残りの窒素ガスは、窒素制御弁３５を介在して、系内の生成ガス冷却器２の後流側に送られ、ガス化炉への投入酸素濃度が最適となるような量の窒素を系内に流す。
酸素富化空気供給ライン１１２では、酸素圧縮機２４により酸素ガスは圧縮されて、後流側に排出された後、酸素制御弁３８を介在させて、抽気空気系ライン１１１のガスと混合する。この場合、混合は抽気空気系ライン１１１の途中でもよいし、ガス化炉１のバーナ先端でもよい。
【００１１】
図２に示す制御装置１９は抽気空気系ライン１１１、窒素供給ライン１１３及び酸素富化空気供給ライン１１２の各ガスの流量を制御するためのもので、上述及び後述する制御弁３１〜４０及び抽気空気系ライン１１１に設けた抽気空気制御弁２７の各ガスの流量を制御する。これらの制御弁が配設されている各ラインの管路には、管路を流れる各ガスの流量を検知する流量計４１〜５０が設けられている。また、制御装置１９は、発電機７ｃ，１２ａ、微粉炭供給装置８、各圧縮機２１〜２６、これを制御する制御盤２１ａ，２６ａに接続されている。なお、チャー供給ライン１０３にも、チャーの流量を検知する流量計５１と制御弁３０が配設され、制御装置１９に接続され、チャーの流量を制御している。
【００１２】
このような構成により、ガス化複合発電システムＢは、ガスタービン７から排気した空気を再生熱交換器９で冷却させて抽気空気圧縮機２１で圧縮した後、再度再生熱交換器１０を経て、ガス化炉１側に排出する。この際、空気分離装置１３で分離された酸素が酸素富化空気供給ライン１１２を経て、抽気空気系ライン１１１の空気と混合する。このとき、酸素富化空気供給ライン１１２に配設した流量計４８は、酸素ガスの流量を、抽気空気系ライン１１１に配設した流量計４９は、抽気空気ガス流量を検知する。そして、制御装置１９は制御弁３８，３９の絞り量を調整し、ガス化剤９として好ましい混合比で、酸素と窒素を含んだガスを、ガス化炉１内に導入する。これによって、効率良く可燃性ガスが生成する。
他方、窒素供給ライン１１３では、同じく制御装置１９が、流量計４１，４２，４５により窒素ガスの流量を検知し、制御弁３１，３２，３５の絞り量を調整し、制御弁３１，３２については、微粉炭及びチャーの加圧ライン１１５または搬送用ライン１１７に対して、適した絞り量に調整し、また制御弁３５についてはこれらの全ての窒素と酸素の混合比が好適となるように絞り量を調整し、ライン１２１に戻す。
【００１３】
本実施の形態では、空気吹きガス化複合発電システムを採用しているので、酸素の供給に要する動力が少なく、効率的である。同様に、抽気空気系を備えた本発明の発電システムは、安全性の確保のために使用される不活性ガスを供給し、かつ運転裕度を良くするためにガス化剤の酸度濃度を向上させる空気分離装置を備えている。したがって、本発明の発電システムは、抽気空気系を備えた発電システムと空気分離装置を備えた発電システムの両者の長所を有する。
【００１４】
また、抽気空気系には、効率が良く、かつ負荷変化率が優る抽気空気圧縮機を設け、負荷変化率の劣る空気分離装置には、別に原料用空気圧縮機を使用している。そのため、部分負荷時には、空気分離装置を一定負荷または緩やかな負荷変化で運転することによって、酸素濃度を定格負荷時よりも増加させ、炉内の温度を上げまたは保持することによって灰の安定した流下を可能とすることができる。また、残りの窒素を系内に戻すことによって、ガスタービン入口の可燃性ガスの発熱量をほぼ一定としつつ、負荷変化率の向上を図ることができる。図３のＡ及びＢに概念図を示す。
【００１５】
さらに、起動時間が長い空気分離装置に別置の原料用空気圧縮機及び窒素または酸素のブリードまたは循環ラインを設置することによって、空気分離装置のみを独自のスケジュールで起動させることによって、これ以外の系の起動時間を最短とし、電力等の起動用ユーティリティを最小に抑えることが可能となる。すなわち、空気分離装置の長い起動時間に合わせて、ガスタービン及びガス化炉を起動させる必要がない。
【００１６】
【実施例１】
図４は、本発明を適用した実施例の一つである。図１に示した複合発電システムＢでは、窒素ライン１１３に、微粉炭供給装置８用及びチャーの加圧搬送用の管路に遮断弁３１，３２と流量計４１，４２を設置している。本実施例では、これ以外に、チャー回収用フィルター４の逆洗用の管路に遮断弁３６と流量計４６を設置し、ガス化炉１のアニュラスライン１１９に遮断弁３４と流量計４４を設置し、及びガスタービン入口への戻しライン用の管路１２３に遮断弁３７と流量計４７を設置している。
これによって、微粉炭及びチャーの安全な加圧搬送に加えて、フィルターの安全な逆洗運転が可能となり、かつガス化炉１のアニュラス部を窒素でシールすることにより、生成ガスの侵入を防止しつつチャーの堆積を防止することで、アニュラス内の構造物の腐食を防止することが可能となり、かつ点検環境を改善することができる。なお、図中、アニュラス部１ａからガス化炉１の後流側管路に連絡する管路は、均圧ライン１２０である。
【００１７】
【実施例２】
図５は、本発明を適用した実施例の一つである。本実施例では、窒素ライン１１３に、微粉炭及びチャーの加圧搬送用遮断弁３１，３２以外に、ガス化炉１の生成ガス中の溶融灰粒子のクエンチ用ライン１１８に遮断弁３３と流量計４３を設置している。
これによって、ガス化炉１の出口温度（例えば灰の溶融点）が高く、後流の生成ガス冷却器２のバンク上にチャーが付着し、焼結固化する場合に、クエンチ（急冷）ガスとして窒素をガス化炉１内に投入混合させ、効率的にガス化炉１出口のガス温度とともに、ガス中の灰の溶融粒子を下げることが可能となる。
【００１８】
【実施例３】
図６は、本発明を適用した実施例の一つである。本実施例では、窒素供給ライン１１３に、窒素のブリードライン用の管路１２５を設け、ここに遮断弁４０と流量計５０を設置している。このラインから窒素の一部をブリードすることによって、酸素富化効果を向上させることが可能となる。
例えば、ブリードする前と炉内の運転状態が同一である場合、窒素をバランス量だけガスタービン入口（遮断弁３７を設置した管路）へ戻すときに、ブリードラインを使用して窒素量を減ずることによって、ガスタービン入口の生成ガスの発熱量を増加させることができる。すなわち、灰の溶融点が著しく高い炭種を使用したときに、通常のバランスした運転状態では、炉内の温度を高く保持するために、生成ガスの発熱量がガスタービンの安定燃焼に必要な制限値よりも低くなってしまう（投入酸素量と投入石炭量が高い）。このような場合に、ブリードラインを使用することによって安定した運転が可能となる。
なお、図７は、上記した実施例１〜実施例３の全てを取り入れたガス化複合発電システムを示す。
【００１９】
【発明の効果】
以上、述べたように本発明によれば、発電システムにおける抽気空気系の特性を維持しつつ、安全性確保や運転裕度を向上させる空気分離装置の利点を有し、かつ、該空気分離装置の欠点を解消したガス化発電システムを得ることができる。具体的には、部分負荷時に、空気分離装置を一定負荷または緩やかな負荷変化で運転することによって、酸素濃度を定格負荷時よりも増加させ、炉内の温度を上げまたは保持することによって、灰の安定した流下を可能とし、かつ、残りの窒素を系内に戻すことによって、ガスタービン入口の可燃性ガスの発熱量をほぼ一定としつつ、負荷変化率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるガス化複合発電システムの概略図である。
【図２】ガス化複合発電システムの制御装置の概略図である。
【図３】Ａは、本発明の実施の形態によるガス化複合発電システムの抽気空気と酸素の流量と負荷の関係を示す線図であり、Ｂは同ガス化複合発電システムのガス化剤中の酸素濃度と負荷等の関係を示す線図である。
【図４】本発明の実施例１によるガス化複合発電システムの概略図である。
【図５】本発明の実施例２によるガス化複合発電システムの概略図である。
【図６】本発明の実施例３によるガス化複合発電システムの概略図である。
【図７】実施例１〜３の全てを取り入れたガス化複合発電システムの概略図である。
【図８】従来のガス化複合発電システムの概略図である。
【符号の説明】
１  ガス化炉
２  生成ガス冷却器
３  サイクロン
４  ポーラスフィルター
５  脱塵装置
６  脱硫装置
７  ガスタービン
８  原料炭
８ａ  微粉炭供給装置
９，１０  再生熱交換器
１１  排熱回収ボイラー
１２  蒸気タービン
１３  空気分離装置
１９  制御装置
２１  抽気空気圧縮機
２２  原料用空気圧縮機
２３  窒素圧縮機
２４  酸素圧縮機
３１〜４０  制御弁
４１〜５０  流量計
１１１  抽気空気系
１１３  窒素供給ライン
Ｂ  ガス化複合発電システム
【図１】
0003977890.tif 000002
【図２】
0003977890.tif 000003
【図３】
0003977890.tif 000004
【図４】
0003977890.tif 000005
【図５】
0003977890.tif 000006
【図６】
0003977890.tif 000007
【図７】
0003977890.tif 000008
【図８】
0003977890.tif 000009