(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体または液体の有機物を酸化剤にてガス化して燃料ガスを生成するガス化炉と、前記生成した燃料ガスを浄化するガス精製設備と、前記浄化した燃料ガスを主要な燃料とするガスタービン発電装置と、空気から前記酸化剤と窒素ガスとを生成する空気分離装置と、前記酸化剤を昇圧して前記ガス化炉へ供給する酸化剤昇圧機と、前記窒素ガスを昇圧して前記ガス化炉またはガス精製設備に供給する窒素ガス昇圧機とを具備する発電システムにおいて、
前記空気分離装置の再生工程で使用した排出窒素ガスを昇圧し、該昇圧された排出窒素ガスを、少なくとも前記酸化剤昇圧機のグランド部と前記窒素ガス昇圧機のグランド部の何れか一方へ供給する排出窒素ガス昇圧機を具備することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
固体または液体の有機物を酸化剤にてガス化して燃料ガスを生成するガス化炉と、前記生成した燃料ガスを浄化するガス精製設備と、前記浄化した燃料ガスを主要な燃料とするガスタービン発電装置と、空気から前記酸化剤と窒素ガスとを生成する空気分離装置と、前記酸化剤を昇圧して前記ガス化炉へ供給する酸化剤昇圧機と、前記窒素ガスを昇圧して前記ガス化炉またはガス精製設備に供給する窒素ガス昇圧機とを具備する発電システムにおいて、
前記ガスタービン発電装置は、前記生成ガスを燃焼させるための主ノズルと、起動用液体燃料を燃焼させるための副ノズルを有しており、
前記空気分離装置の再生工程で使用した排出窒素ガスを昇圧し、該昇圧された排出窒素ガスを前記副ノズルへ供給して、少なくとも起動用液体燃料の霧化促進、起動後の副ノズルの冷却または副ノズルのノズルパージのいずれか１つの用途に使用することを特徴とする発電システム。
【請求項３】
更に、昇圧された排出窒素ガスを、少なくとも前記酸化剤昇圧機のグランド部または窒素ガス昇圧機のグランド部の何れか一方へ供給することを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記酸化剤は、更に、前記ガスタービン発電装置の圧縮機から供給される空気を含んでいる請求項１から３の何れか１項に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭、石油等の有機物をガス化し、これを主要な燃料ガスとする発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から石炭または石油をガス化して燃料ガスを生成し、この燃料ガスをガスタービン発電装置を駆動する燃料とするガス化発電システムが提案されている。このガス化発電システムでは、酸素、酸素富化空気または空気を酸化剤として石炭、石油コークス、重質油等の化石燃料をガス化炉でガス化し、一酸化炭素および水素等を主成分とする燃料ガスを生成し、この生成された燃料ガスからチャーや硫黄成分等を除去するガス精製工程を経て、浄化された燃料ガスをガスタービン発電装置の燃料として用いている。
【０００３】
酸化剤として酸素または酸素富化空気を用いる場合、空気分離装置にて空気から窒素を分離することにより高純度の酸素ガスまたは体積比で約４０％以上の酸素を含む酸素富化空気が酸化剤として生成される。この空気分離装置における酸化剤生成プロセスでは副生成物として窒素ガスが生成される。空気分離装置により生成された酸化剤は酸化剤昇圧機により昇圧されガス化炉に供給される。副生成物である窒素ガスは窒素ガス昇圧機により加圧され、ガス化炉へ供給されて微粉炭等の固体燃料の搬送媒体、または、ガス精製設備に供給されてチャー搬送媒体等に使用される。
【０００４】
また、ガス化発電システムを起動する際、ガス化炉等の暖機を十分に行うため、或いは、ガス化炉への酸化剤供給のために、ガスタービンは起動用液体燃料（例えば軽油および灯油）にて先行して立ち上げる必要がある。よって、ガスタービンは、主燃料である燃料ガスを燃焼させるための主ノズルと、起動用燃料である液体燃料を燃焼させる副ノズルとを有するデユアル燃焼器を具備している。
【０００５】
更に、こうしたガス化発電システムで用いられる酸化剤を昇圧する酸化剤昇圧機は、一般的に、入口圧力０．１〜２ＭＰａ、吐出圧力２〜６ＭＰａ、吐出容量６００００〜２４００００ｍ3Ｎ／ｈと比較的大型の圧縮機となることから、遠心式または軸流式圧縮機が採用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
酸化剤昇圧機を構成する遠心式または軸流式圧縮機には、ケーシングの駆動軸貫通部にグランド部が設けられており様々なシール構造が採用されているが、グランド部からの酸化剤のリーク量は圧縮機容量の０．５〜１．０％に達し、プロセス上無視できない損失となっている。一方、空気分離装置からの酸化剤を昇圧する酸化剤昇圧機のグランド部では、純度の高い酸素ガスまたは高濃度の酸素ガスを含む酸素富化空気の漏洩を防止しなければならない。
【０００７】
更に、ガスタービンのデュアル燃焼器の副ノズルにおいては、起動時の液体燃料霧化を目的とした噴霧媒体が、副ノズル消火後の副ノズルノズルでの液体燃料の炭化防止を目的としたパージ媒体が、通常運転中は、使用していない副ノズルのノズルを主ノズルにおける燃焼ガスの輻射熱から保護するために冷却を目的としたスイープ媒体が必要である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、固体または液体の有機物を酸化剤にてガス化して燃料ガスを生成するガス化炉と、前記生成した燃料ガスを浄化するガス精製設備と、前記浄化した燃料ガスを主要な燃料とするガスタービン発電装置と、空気から前記酸化剤と窒素ガスとを生成する空気分離装置と、前記酸化剤を昇圧して前記ガス化炉へ供給する酸化剤昇圧機と、前記窒素ガスを昇圧して前記ガス化炉またはガス精製設備に供給する窒素ガス昇圧機とを具備する発電システムにおいて、
前記空気分離装置の再生工程で使用した排出窒素ガスを昇圧し、該昇圧された窒素ガスを、少なくとも前記酸化剤昇圧機のグランド部または前記窒素ガス昇圧機のグランド部の何れか一方へ供給する排出窒素ガス昇圧機を具備することを特徴とする発電システムを要旨とする。
【０００９】
空気分離装置で使用した排出窒素ガスを昇圧し、酸化剤昇圧機または窒素ガス昇圧機のグランド部へ供給することにより、これら昇圧機のグランド部での漏洩を防止すると共に、従来空気分離装置から廃棄されていた排出窒素ガスの有効利用が可能となる。
【００１０】
請求項２に記載の本発明は、固体または液体の有機物を酸化剤にてガス化して燃料ガスを生成するガス化炉と、前記生成した燃料ガスを浄化するガス精製設備と、前記浄化した燃料ガスを主要な燃料とするガスタービン発電装置と、空気から前記酸化剤と窒素ガスとを生成する空気分離装置と、前記酸化剤を昇圧して前記ガス化炉へ供給する酸化剤昇圧機と、前記窒素ガスを昇圧して前記ガス化炉またはガス精製設備に供給する窒素ガス昇圧機とを具備する発電システムにおいて、
前記ガスタービン発電装置は、前記生成ガスを燃焼させるための主ノズルと、起動用液体燃料を燃焼させるための副ノズルを有しており、空気分離装置の再生工程で使用した排出窒素ガスを昇圧し、該昇圧された窒素ガスを前記副ノズルへ供給して、少なくとも起動用液体燃料の霧化促進、起動後の副ノズルの冷却または副ノズルのノズルパージのいずれか１つの用途に使用することを特徴とする発電システムを要旨とする。
【００１１】
空気分離装置で発生した排出窒素ガスを昇圧し、ガスタービン発電装置の副ノズルに供給し、起動時には液体燃料の噴霧用に、起動用燃料の消火後には液体燃料の炭化防止のためのパージ用に、また通常の燃料ガスを主ノズルにて燃焼させている間には副ノズルを冷却するスイープ媒体として使用する。これにより、デユアル燃焼器の安定な運転、耐久性の向上、安定な再起動が可能となり、かつ、従来空気分離装置から廃棄されていた排出窒素ガスの有効利用が可能となる。
更に、酸化剤は、ガスタービン発電装置の圧縮機から供給される空気を含んでいてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
先ず、図１を参照すると、本発明の第１の実施形態による発電システム１０は、石炭、石油コークス等の固体化石燃料または重質油等の液体化石燃料その他の有機物をガス化し燃料ガスを生成するガス化炉１２と、ガス化炉１２において生成した燃料ガスからチャー、硫黄成分等を除去、浄化するガス精製設備１４と、コンプレッサ１６ａ、タービン１６ｂ、発電機１６ｃ、および、燃焼器１６ｄを具備するガスタービン発電装置１６と、空気から窒素を分離して酸化剤を生成しガス化炉１２へ供給する空気分離装置１８とを主要な構成要素として含んでいる。更に、発電システム１０は、空気分離装置１８で生成される酸化剤としての高純度の酸素ガスまたは高濃度の酸素ガスを含む酸素富化空気を昇圧してガス化炉１２へ供給するための酸化剤昇圧機２２、空気分離装置１８で生成される窒素ガスを昇圧してガス化炉１２、特に、その微粉炭バーナを含む微粉炭搬送経路２８、および、ガス精製設備１４へ供給するための窒素ガス昇圧機２４を含んでいる。酸化剤昇圧機２２および窒素ガス昇圧機２４は、遠心式または軸流式の昇圧機とすることができる。
【００１３】
図２に空気分離装置１８の一例を示す。空気分離装置１８は、酸素と窒素の沸点の差を利用して空気から酸素と窒素とを分離する所謂深冷分離方式の空気分離装置であり、精留塔１８ａと、熱交換器１８ｂと、大気中の二酸化炭素や水分を除去するモレキュラーシーブを収容した吸着塔１８ｃとを主要な構成要素として含んで成る。原料となる空気は、空気圧縮機２０、例えば、ガスタービン発電装置１６のコンプレッサ１６ａまたはコンプレッサ１６ａとは独立の圧縮機により圧縮され、空気管路１８ｄを介して吸着塔１８ｃ、熱交換器１８ｂを経て精留塔１８ａへ供給される。空気分離装置１８は概ね従来公知の構成を有しており、熱交換器１８ｂにおいて低温となった空気の一部を利用して膨張タービン（図示せず）により寒冷を発生させ、精留塔１８ａ内に液体空気が生成されるようになっている。精留塔１８ａでは、液体空気は精留により酸素ガスまたは高濃度の酸素ガスを含む酸素富化空気と窒素ガスが生成され、各々が酸化剤供給管路１８ｅ、窒素ガス供給管路１８ｆを介して酸化剤昇圧機２２、窒素ガス圧縮機２４（図１）へ供給される。
【００１４】
従来公知となっているように、吸着塔１８はモレキュラーシーブを収容した複数の吸着塔を含んで成り、各々の吸着塔内のモレキュラーシーブに空気中の二酸化炭素、水分を吸着させる吸着工程と、吸着させた二酸化炭素および水分をモレキュラーシーブから分離する再生工程とを交互に切り替えながら運転するようになっている。従来技術では、再生工程では精留塔１８ａで生成した窒素の一部をモレキュラーシーブに通気して、モレキュラーシーブに吸着した二酸化炭素および水分をモレキュラーシーブから分離し、その窒素と共に大気中に放出、廃棄している。こうして廃棄される窒素ガス(本明細書では排出窒素ガスと称する)は、一般的に０．２〜０．３ＭＰａの圧力を有し、かつ、空気分離装置の原料空気量の１０〜２０％の流量に達し、プロセス上無視できない損失となっている。
【００１５】
本実施形態では、モレキュラーシーブを再生するために熱交換器１８ｂの下流において窒素ガス供給管路１８ｆから分岐した再生用窒素ガス供給管路１８ｇにより、精留塔１８ａで生成した窒素ガスの一部が供給される（図２）。次いで、吸着塔１８ｃでの再生工程で使用されモレキュラーシーブからの二酸化炭素および水分を含有する排出窒素ガスは、排出窒素ガス管路１８ｈを介して排出窒素ガス昇圧機２６（図１）へ供給される。排出窒素ガス昇圧機２６で昇圧された排出窒素ガスは、排出窒素ガス昇圧機２６の出口管路２６ａを介して、酸化剤昇圧機２２および窒素ガス昇圧機２４の各々のグランド部２２ａ、２４ａの少なくとも何れか一方に供給される。この場合、排出窒素ガス昇圧機２６の出口圧力は、酸化剤昇圧機２２および窒素ガス昇圧機２４の出口圧力を考慮して決定されるが、一例として排出窒素ガス昇圧機２６の出口圧力は３〜４ＭＰａとすることができる。
【００１６】
また、ガス化炉１２が必要とする酸化剤流量と、ガス化炉１２およびガス精製設備１４が必要とする窒素ガスの流量が整合せずに窒素ガスが余る場合には、熱交換器１８ｂの下流において窒素ガス供給管路１８ｆから分岐して排出窒素ガス管路１８ｈへ接続されたたバイパス管路１８ｊにより、余剰の窒素ガスを吸着塔１８ｃをバイパスして排出窒素ガス昇圧機２６へ供給するようにしてもよい。
【００１７】
以下、発電システム１０が固体燃料、特に石炭を使用するガス化発電プラントである場合を一例に本実施形態の作用を説明する。
先ず、コールミル（図示せず）を含む微粉炭供給源から、ガス化炉１２の微粉炭バーナを含む微粉炭搬送経路２８を介して微粉炭がガス化炉１２へ供給される。その際、空気分離装置１８で生成され窒素ガス昇圧機２４により昇圧された窒素ガスが、窒素ガス昇圧機出口管路２４ｂを介して微粉炭搬送経路２８に供給される。窒素ガス昇圧機２４にて昇圧された窒素ガスは、また、ガス化炉１２のシールガスとして用いてもよい。更に、窒素ガス昇圧機２４で昇圧された窒素ガスはガス精製設備１４へ供給され、ガス精製設備１４のチャー搬送媒体として用いられる。
【００１８】
一方、空気分離装置１８で生成され酸化剤昇圧機２２で昇圧された酸化剤が、酸化剤昇圧機出口管路２２ｂを介してガス化炉１２へ供給され、ガス化炉１２に供給された微粉炭とガス化反応を経て、一酸化炭素および水素を主成分とする燃料ガスが生成される。ガス化炉１２において生成された燃料ガスは、上記の一酸化炭素および水素の他、多量のチャー、硫黄成分等の不純物を含んでいる。そこで、ガス化炉１２で生成された燃料ガスは、ガスタービン発電装置１６へ供給するに先立ってガス精製設備１４においてこうした不純物が除去される。ガス精製設備１４は、従来公知となっているように、チャー分離装置、脱硫装置等を含んでいる。
【００１９】
空気分離装置１８では、原料となる空気が、空気圧縮機２０（図２）により圧縮され、空気管路１８ｄを介して吸着塔１８ｃ、熱交換器１８ｂを経て精留塔１８ａへ供給される。精留塔１８ａでは、液体空気が精留により酸素ガスまたは高濃度の酸素ガスを含む酸素富化空気と窒素ガスが生成される。その際、吸着塔１８のモレキュラーシーブの再生工程では、精留塔１８ａで生成した窒素の一部が熱交換器１８ｂの下流において窒素ガス供給管路１８ｆから分岐した再生用窒素ガス供給管路１８ｇを介して吸着塔１８ｃへ供給される。再生工程で発生する排出窒素ガスは、排出窒素ガス管路１８ｈを介して排出窒素ガス昇圧機２６（図１）へ供給され、該排出窒素ガス昇圧機２６で昇圧された排出窒素ガスが、排出窒素ガス昇圧機出口管路２６ａを介して酸化剤昇圧機２２および窒素ガス昇圧機２４の各々のグランド部２２ａ、２４ａの少なくとも一方に供給され、そのシールガスとして使用される。
【００２０】
ガス精製設備１４で浄化された燃料ガスは、燃料ガス供給管路１４ａを介してガスタービン発電装置１６の燃焼器１６ｄへ供給され、燃焼器１６ｄにおいてコンプレッサ１６ａからの空気と混合、燃焼し、燃焼ガスがタービン１６ｂへ供給される。タービン１６ｂからの排気ガスは、例えば、図１に示すように、排ガスボイラ１０２、蒸気タービン発電装置１０４、コンデンサ１０６等を主要な構成要素として含む蒸気タービン発電システム１００の熱源として用い、コンバインドサイクルを形成することができる。
【００２１】
上述のように、本実施形態によれば、吸着塔１８ｃのモレキュラーシーブの再生工程において発生する０．２〜０．３ＭＰａの圧力と、原料空気量の１０〜２０％の流量を有し、従来大気中に廃棄されていた排出窒素ガスが、酸化剤昇圧機２２および窒素ガス昇圧機２４の各々のグランド部２２ａ、２４ａの少なくとも一方に供給され、そのシールガスとして有効利用可能となる。
【００２２】
次に、図３を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。
第１の実施形態では、図１に示すように、空気分離装置１８からの排出窒素ガスは排気窒素ガス昇圧機２６により昇圧され、酸化剤昇圧機２２と窒素ガス昇圧機２４の各グランド部２２ａ、２４ａの少なくとも何れか一方に供給するようになっていた。これに対して、第２の実施形態では、ガスタービン発電装置は所謂デュアル燃焼器を備えており、空気分離装置１８からの排出窒素ガスは、排出窒素ガス昇圧機２６により昇圧された後にガスタービン発電装置の燃焼器に供給されるようになっている。第２の実施形態は、その他の構成については第１の実施形態と概ね同様に構成されており、以下の説明では、第１と第２の実施形態で相違する構成についてのみ説明する。なお、図３において、図１と同様の構成要素には同じ参照符号が付されている。
【００２３】
従来技術の説明において既述したように、ガス化発電システムを起動する際、ガス化炉等の暖機を十分に行うため、或いは、ガス化炉への酸化剤供給のために、ガスタービンは起動用液体燃料、例えば軽油や灯油にて先行して立ち上げる必要がある。第２の実施形態において、ガスタービン発電装置３２は、コンプレッサ３２ａ、タービン３２ｂ、発電機３２ｃ、および、燃焼器３２ｄを具備し、燃焼器３２ｄは、主燃料である燃料ガスを燃焼させるための主ノズルと、起動用燃料である液体燃料を燃焼させる副ノズルとを有するデュアル燃焼器となっている。燃焼器３２ｄの主ノズルには、燃料ガス供給管路１４ａを介してガス精製設備１４から燃料ガスが供給され、副ノズルには液体燃料供給管路３４を介して、燃料タンク、燃料ポンプ等を含む液体燃料源（図示せず）から軽油や灯油等の液体燃料が供給される。
【００２４】
本実施形態では、空気分離装置１８からの排出窒素ガスが排出窒素ガス供給管路１８ｈを介して排出窒素ガス昇圧機２６により昇圧され、排出窒素ガス昇圧機出口管路２６ｂを介して、燃焼器３２ｄ、特に、デュアル燃焼器の副ノズルに供給され、少なくとも起動時の液体燃料霧化を目的とした噴霧媒体として、液体燃料消火後には副ノズルでの液体燃料の炭化防止を目的としたパージ媒体として、そして、通常運転中は、使用していない副ノズルを主ノズルにおける燃焼ガスの輻射熱から保護するスイープ媒体の何れかの用途で用いられる。この場合、排出窒素ガス昇圧機２６の出口圧力は、副ノズルで使用する窒素ガスの最大圧力となる液体燃料噴霧やパージ目的で使用する圧力を考慮して決定されるが、一例として出口圧力３〜４ＭＰａとすることができる。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明がこれに限定されず、種々の変形、修正が可能であることは当業者の当然とするところである。
例えば、第１と第２の実施形態の各々の実施形態では、空気分離装置１８で発生する排出窒素ガスを昇圧機のグランド部や、デュアル燃焼器の副ノズルへ供給するようになっていたが、図４に示すように、第１と第２の実施形態を組み合わせてもよい。図４の実施形態では、排出窒素ガス昇圧機出口管路は、第１と第２の排出窒素ガス昇圧機出口管路２６ａ、２６ｂを含んでおり、空気分離装置１８からの排出窒素ガスは、排出窒素ガス昇圧機２６により３〜４ＭＰａ程度に昇圧された後に、第１と第２の排出窒素ガス昇圧機出口管路２６ａ、２６ｂを介して、酸化剤昇圧機２２のグランド部２２ａと窒素ガス昇圧機２４のグランド部２４ａの少なくとも一方、および、ガスタービン発電装置３２の燃焼器３２ｄの副ノズルへ供給される。
【００２６】
更に、既述の実施形態では、ガス化炉１２へ供給する酸化剤としては、空気分離装置１８からの高純度の酸素ガスまたは酸素富化空気が用いられる旨説明したが、本発明は、これに限定されず、図５に示すように、ガスタービン発電装置１６のコンプレッサ１６ａにて圧縮された空気の一部をブースタコンプレッサまたは補助コンプレッサ４０を用いて昇圧し、この空気を空気分離装置１８からの酸素ガスまたは酸素富化空気と共に酸化剤として用いてもよい。こうした実施形態では、排出窒素ガス昇圧機２６にて昇圧した排出窒素ガスを補助コンプレッサ４０のグランド部４０ａに供給しシールガスとして用いることができる。
【００２７】
更に、既述の実施形態では、酸化剤昇圧機２２、窒素ガス昇圧機２４、排出窒素ガス昇圧機２６、補助コンプレッサ４０は、インペラが片持ち式に支持されているように図示されているが、本発明では、インペラは片持ち支持と両端支持の何れでもよく、インペラが両端支持される場合には、排出窒素ガス昇圧機２６からのシールガスとしての排出窒素ガスは、インペラの両端に設けられるグランド部の何れへも供給されることは言うまでもない。
【００２８】
更に、既述の実施形態では、ガスタービンサイクルと蒸気タービンサイクルの複合サイクルを採用した例を示したが、本発明はこれに限定されず、ガスタービンサイクルのみを含む発電システムであってもよい。
【００２９】
更に、既述の実施形態では、石炭ガス化の場合を一例として説明したが、本発明はこれに限定されず、ガス化の原料としては、石炭以外の固体化石燃料である石油コークスや、重質油等の液体化石燃料を含む有機物とすることができる。特に、液体有機物を用いる場合には、窒素ガス昇圧機２４により昇圧された窒素ガスは、微粉炭搬送媒体に代えて液体燃料の噴霧に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の概略図である。
【図２】空気分離装置の一例を示す略図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の概略図である。
【図４】本発明の他の実施形態の概略図である。
【図５】本発明の更に他の実施形態の概略図である。
【符号の説明】
１０…発電システム
１２…ガス化炉
１４…ガス精製設備
１６…ガスタービン発電装置
１８…空気分離装置
２２…酸化剤昇圧機
２４…窒素ガス昇圧機
２６…排出窒素ガス昇圧機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0004146052.tif 000005
【図５】
0004146052.tif 000006