(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化炉でガス化すると共に乾式精製した後に燃料改質部で改質することによって得られたガス化ガス燃料を主燃料として燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンに結合されて電力を出力する発電機とを少なくとも含む発電プラントにおいて、前記ガス化ガス燃料と共に窒素酸化物と空気または酸素とを前記燃料改質部に供給して前記ガス化ガス燃料中の窒素化合物と前記窒素酸化物を酸素の存在下で選択的に反応させて窒素に分解し、且つ前記ガスタービンの全作動負荷条件範囲において前記ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流部を燃料過剰条件とする二段燃焼法とすることにより、前記燃料改質部で分解されずに前記ガス化ガス燃料中に残留した前記窒素化合物と前記窒素酸化物とが選択反応して燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制することを特徴とする改質型ガス化ガス発電プラント。
【請求項２】
前記ガス化炉における高温ガス化ガスの熱、前記ガスタービンから排出される高温排気ガスの熱または前記ガスタービンのタービン翼を冷却した後の高温ガスの熱を前記燃料改質部に供給し、前記ガス化ガス燃料中の窒素化合物の選択的還元反応の熱源に利用することを特徴とする請求項１記載の改質型ガス化ガス発電プラント。
【請求項３】
前記燃料改質部を前記燃焼器内の燃焼室上流部または前記燃焼器内筒と外筒の間、若しくは前記燃焼器尾筒外周部のいずれかに設けたことを特徴とする請求項１記載の改質型ガス化ガス発電プラント。
【請求項４】
前記燃料改質部を前記ガスタービンのタービン翼内部に設けたことを特徴とする請求項１記載の改質型ガス化ガス発電プラント。
【請求項５】
前記燃料改質部を第１の燃料改質部と第２の燃料改質部の２段とし、前記ガス化ガス燃料の一部を、前記第１の燃料改質部にて追い焚きあるいは触媒による反応制御の下で前記ガス化ガス燃料中の窒素化合物を窒素酸化物にほぼ全量酸化し、この窒素酸化物を使って前記第２の燃料改質部にて残りのガス化ガス燃料中の窒素化合物を酸素の存在下で選択的に反応させ窒素へと還元させる無触媒還元反応を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の改質型ガス化複合発電プラント。
【請求項６】
前記ガスタービン燃焼器を、燃焼室全域を燃料過濃条件とする第１の燃焼器と燃焼室上流部を燃料過濃条件とする二段燃焼法を採用する第２の燃焼器の２段とし、前記燃料改質部を経由して含有する窒素化合物の一部が還元された前記ガス化ガス燃料を、燃焼用空気又は酸素と窒素酸化物と共に前記第１の燃焼器に供給し、酸素の存在下で前記ガス化ガス燃料中の残存窒素化合物と供給された前記窒素酸化物とを選択的に反応させて窒素へと還元させる無触媒還元反応を生じさせ、該第１の燃焼器の燃焼ガスと燃焼用空気または酸素とを前記第２の燃焼器に供給することにより、前記第１の燃焼器で分解されずに前記燃焼ガス中に残留した前記窒素化合物と前記窒素酸化物が燃焼室内における燃焼過程で、酸素の存在下で無触媒還元反応によりさらに窒素へと分解することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラント。
【請求項７】
前記燃料改質部から供給される前記ガス化ガス燃料の一部を、燃焼用空気または酸素と前記窒素酸化物と共に前記第１の燃焼器に供給して無触媒還元反応を生じさせ、該第１の燃焼器の燃焼ガスと前記ガス化ガス燃料の残りを、前記第２の燃焼器に供給することにより、前記第１の燃焼器で分解されずに前記燃焼ガス中に残留した窒素化合物と窒素酸化物が燃焼室内における燃焼過程で、酸素の存在下で無触媒還元反応によりさらに窒素へと分解することを特徴とする請求項６に記載の改質型ガス化ガス発電プラント。
【請求項８】
前記第２のガスタービン燃焼器に窒素酸化物を供給することにより、前記第１の燃焼器で分解されずに前記燃焼ガス中に残留した窒素化合物を前記第２の燃焼器の燃焼室上流における燃料過剰燃焼の過程で、酸素の存在下で無触媒還元反応によりさらに窒素へと分解することを特徴とする請求項６または７記載の改質型ガス化ガス発電プラント。
【請求項９】
前記ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流端から当該燃焼室内へ窒素を直接供給する第１の窒素供給系統と、前記ガスタービン燃焼器内で前記燃焼室内へ噴出される前の燃焼用空気中へ窒素を噴出して混合させ燃焼室の下流側に噴出させる第２の窒素供給系統とを備え、前記ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその濃度が所定量以下になるように、前記第１及び第２の窒素供給系統への窒素供給割合を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラント。
【請求項１０】
請求項５に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、前記ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、前記第１及び第２の燃料改質部への前記ガス化ガス燃料の供給割合を制御することを特徴とする改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下となるように、前記窒素酸化物の前記ガスタービン燃焼器若しくは前記燃料改質部への供給量を制御することを特徴とする改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法。
【請求項１２】
請求項９記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、前記ガスタービン燃焼器への窒素の供給は、起動用燃料並びにガス化ガス燃料による安定燃焼時には前記第１の窒素供給系統から行われ、前記起動用燃料からガス化ガス燃料へ切り替わる時及びガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には前記第２の窒素供給系統から供給し、かつ前記ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその値が所定の値を超える時には前記第２の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させ、所定値以下の場合には前記ガスタービン負荷の上昇に伴って前記第１の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させるように前記第１の窒素供給系統と前記第２の窒素供給系統との間での窒素供給割合を制御することを特徴とする改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化して得られるガス化ガス燃料を乾式ガス精製して用いる改質型ガス化ガス発電プラントおよびその運転方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、フュエルＮＯxの生成源となるガス化ガス燃料中の窒素化合物を燃焼器内の熱または排ガスの熱を利用して窒素に分解することにより、ＮＯx低減化を図ることを主眼としたガス化ガス燃料改質型ガス発電プラントおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス化複合発電プラントは、ガス化ガス燃料をガスタービン燃焼器で燃焼させて得た高温高圧の燃焼ガスを用いてガスタービンを駆動し発電する一方、更にガスタービンから排出される燃焼ガスを用いて蒸気を発生させこの蒸気で蒸気タービンを駆動して発電させるように設けられている。この発電プラントのガスタービンではガスタービン入口温度を上昇させるとガスタービン熱効率が向上するため、ガスタービン入口温度すなわちガスタービン燃焼器の出口温度の上昇を図ることによって発電プラントの高効率化が図られている。
【０００３】
ところで、ガス化複合発電プラントでは、石炭、重質油などをガス化炉でガス化したガス化ガス燃料が使用される。このガス化ガス燃料は、石炭や重質油などをガス化剤（空気または酸素）と共にガス化炉に投入してガス化することによって得られるガス化炉生成ガス（粗生成ガス）を、ガス精製装置により精製（脱硫・集塵）してガス化精製ガスにしたものである。石炭をガス化した石炭ガス化燃料の場合はガス化剤並びにガス化炉の形式により燃料組成や発熱量は異なるが、例えば表１に示すように空気吹きガス化炉では燃料発熱量が約４MJ/Nm３程度の低カロリーのガス化燃料、酸素吹きガス化炉では燃料発熱量が約１０〜１３MJ／Nm３の中カロリーのガス化燃料が生成され、その燃料組成のうち可燃性成分は水素と一酸化炭素とが大部分を占め、多くの場合に一部メタン（ＣＨ４）が僅かに（0.01〜0.5vol％）含まれる。また、このガス化ガス燃料中には、アンモニアに代表される窒素化合物が除去されずに残留している。
【０００４】
【表１】
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このため、ガス化ガス燃料中の窒素化合物が燃焼過程で多量のフュエルＮＯxを発生することとなり、これが発電プラントから排出されるＮＯｘの大半を占める。このガス化ガス燃料中の窒素化合物は、湿式ガス精製法を採用することにより容易に除去することができる。しかし、この湿式ガス精製法は、ガス化炉生成ガスを２００℃以下に冷して水洗し、更に有機溶媒の中を通すことにより集塵・脱硫を行うことから、環境対策上優れたものではあるが、浄化された石炭ガス化ガスが４０℃程度に冷えてしまい、発電プラントの熱効率を４０％以下とする問題を有している。
【０００５】
そこで、熱効率が高い石炭ガス化複合発電の特徴を最大限に活かすには、ガス化炉で生成するガスを高温高圧のまま脱硫・集塵する乾式精製が望まれる。この乾式精製によれば、ガス化炉生成ガスを４００〜５００℃で精製することによって４５％程度の送電端効率（一層のプラント熱効率向上およびプラント構成システムの簡素化によるコスト低減等）が期待される。そして、この乾式ガス精製を採用しながらフュエルＮＯｘの発生を抑制できる燃焼方法や前処理が望まれている。
【０００６】
従来、乾式ガス精製を採用する空気吹きガス化複合発電プラントにおいてフュエルＮＯｘの抑制技術としては、ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流部を燃料過剰条件としてフュエルＮＯxの生成を抑制しようとするものがある（例えば、1997年のASME（The American Society of Mechanical Engineers）の文献の97-GT-277に示される）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流部を燃料過剰条件とする二段燃焼法によると、フュエルＮＯxの低減効果は燃料組成に大きく影響を受け、ＣＨ４濃度が高くなるに従って燃料過剰状態が却ってＮＨ３からＮＯｘへの転換率を上げる結果となってしまい、湿式ガス精製を採用した場合と比較して依然としてＮＯx排出量が多いという問題がある。
【０００８】
また、現在、実用化が検討される酸素吹きガス化複合発電プラントに乾式ガス精製を採用した場合では、空気から酸素を分離・製造した後に残る窒素をガス化ガス燃料に混合することにより、火炎温度を下げて空気中の窒素に起因して生成されるサーマルＮＯxを抑制する方法が採用されている。しかし、火炎温度を下げるだけでは、サーマルＮＯｘの抑制には効果的でもフュエルＮＯxの抑制については効果がない。また、窒素を燃焼用空気に混合して燃焼室に供給する方法も考えられるが、この場合にもサーマルＮＯxを抑制する方法としては効果があるが、フュエルＮＯxを抑制することはできない。
【０００９】
本発明は、ガス化ガス燃料中の窒素化合物に起因して発生するフュエルＮＯxを抑制することができ、さらには重質油あるいは石炭等をガス化する複合発電プラントの一層の熱効率向上およびプラント構成システムの簡素化によるコスト低減等を達成できる改質型ガス化ガス発電プラントおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化炉でガス化し乾式精製した後に燃料改質部で改質することによって得られたガス化ガス燃料を主燃料として燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、該ガスタービンに結合されて電力を出力する発電機とを少なくとも含む発電プラントにおいて、ガス化ガス燃料と共に窒素酸化物と空気または酸素とを燃料改質部に供給してガス化ガス燃料中の窒素化合物と窒素酸化物を酸素の存在下で選択的に反応させて窒素に分解し、且つガスタービンの全作動負荷条件範囲においてガスタービン燃焼器の燃焼室の上流部を燃料過剰条件とする二段燃焼法とすることにより、燃料改質部で分解されずにガス化ガス燃料中に残留した窒素化合物と窒素酸化物とが選択反応して燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制するようにしている。
【００１１】
燃料改質部では、微量の窒素酸化物例えばＮＯと酸素（または空気）の供給により、ガス化ガス燃料中の窒素化合物例えばＮＨ３と供給した窒素酸化物例えばＮＯを酸素Ｏ２の存在下で選択的に反応させて無触媒還元反応を起こしている。ここで、無触媒還元反応には、一般に７００℃〜１０００℃程度の高い反応温度が必要とされる。しかし、無触媒還元反応温度は燃料組成に大きく影響されることが本発明者等による実験および解析から判明した。即ち、水素（Ｈ２）や一酸化炭素（ＣＯ）の含有率が高いとＮＨ３分解反応温度が低下する傾向を示し、ガス化ガス燃料中に含まれる程度のメタン（ＣＨ４）の含有率は反応温度への影響は比較的小さい。例えばＣＯを含まない場合には無触媒還元反応に７００〜１０００℃程度の反応温度が必要であるが、ＣＯやＨ２を１０vol%含む場合、ガス化炉やガスタービンなどから得られる４５０〜６００℃程度の温度で反応が起こる。図１７にＮＨ３-ＮＯ-Ｏ２-ＣＯ-Ｎ２ガスの反応系（Ｈ２，ＣＨ４は含まず）で、ＣＯ濃度を変化させた場合について、ＮＨ３とＮＯの濃度変化と反応温度の関係を調べた解析結果を示す。この解析結果から、ＣＯを１０ｖｏｌ％含むことにより、反応温度は２００〜３００℃低下していたことが分かった。図１８にＮＨ３-ＮＯ-Ｏ２-Ｈ２-Ｎ２ガスの反応系（ＣＯ，ＣＨ４は含まず）で、Ｈ２濃度を変化させた場合について、ＮＨ３とＮＯの濃度変化と反応温度の関係を調べた解析結果を示す。この解析結果から、Ｈ２を１ｖｏｌ％含むことにより、反応温度は３００〜４００℃低下していたことが分かった。但し、Ｈ２を１０ｖｏｌ％含むと反応が開始する温度はさらに低下するが、ＮＨ３とＮＯの分解率が低下していくことがわかる。さらに、図１９にＮＨ３-ＮＯ-Ｏ２-ＣＨ４-Ｎ２ガスの反応系（ＣＯ，Ｈ２は含まず）で、ＣＨ４濃度を変化させた場合について、ＮＨ３とＮＯの濃度変化と反応温度の関係を調べた実験結果を示す。この実験結果から、ＣＨ４の場合には変化がさらに複雑で、ＣＨ４が０．１ｖｏｌ％含まれる場合は反応温度を低下させるが、０．５ｖｏｌ％以上になると反応温度を上昇させてしまうことが分かった。但し、ガス化ガス燃料に含まれるＣＨ４  は０．０１ｖｏｌ％〜０．５ｖｏｌ％程度の極微量であるため、反応温度に与える影響は比較的小さい。したがって、燃料改質部では、ガスタービン排ガスのような比較的低温の熱源を利用してガス化ガス燃料中の窒素化合物と供給した窒素酸化物を酸素の存在下で選択的に化学式１の無触媒還元反応
【化１】
ＮＨ3＋ＮＯ＋1/4Ｏ2→Ｎ2＋3/2Ｈ2Ｏ
を起こして燃料中のＮＨ３を分解できる。
【００１２】
ここで、ＮＯの注入量は窒素化合物の分解に必要な範囲で可能な限り少ない方が経済的には好ましい。そこで、ＮＯの注入量はシステム全体でガス化ガス燃料中の窒素化合物量の２倍以内、好ましくは１．５倍以内、最も好ましくは１倍以内にすることである。更に、窒素酸化物の注入回数は、特に限定されるものではなく、例えば請求項６〜９に記載の発明のように多段注入による場合に効果が高いときもあるし、１段注入による場合の方が効果が高い場合もある。これは、滞留時間とガス中の共存成分に因るところが大きい。
【００１３】
この燃料改質部での無触媒還元反応にはガス条件にもよるが１〜１０秒程度の反応時間が必要と思われる。このため、反応を完了するのに十分な滞留時間が得られずに窒素化合物の一部を残留させたまま燃焼器へ供給されることもある。
【００１４】
しかし、燃料中に分解されずにＮＨ３が残っていたとしても、燃焼室の燃料過剰条件とされた上流部で、僅かなＯ２とＮＯの存在下に燃焼熱を受けてＮＨ３とＮＯとが選択反応し、即ち酸素が触媒的な働きをして還元反応（無触媒還元反応）を起こし、燃料中に残存する窒素化合物が窒素Ｎ２に転換してから燃焼する。これにより、燃焼過程で酸化されてＮＯｘへ転換するのを抑制する。例えば、図１５に示す実験結果から明らかなように、１０００℃の温度条件下ではＮＨ３が１０００ｐｐｍ含まれる場合にＮＯを１０００ｐｐｍ注入すると、ＮＨ３とＮＯの合計量２０００ｐｐｍが６００ｐｐｍ（ＴＦＮ）まで減少した。しかも、拡散燃焼の採用により安定燃焼を確保できる。更に、乾式精製を可能としているのでプラントの熱効率の低下を招くことがない。ここで、一般には当量比を上昇させるに伴い、効果的には当量比を１以上の燃料過剰にすれば前述の転換率は低下するのであるが、ＣＨ４を含むガス化ガス燃料ではＣＨ４濃度が高くなるに従って燃料過剰状態が却って転換率を上げること、またＣＨ４濃度の上昇に伴い転換率を最小とする条件範囲が狭く、しかも最小となる転換率の値も高くなることを本発明者等は知見した（図１４参照）。そこで、燃料組成に応じた適切な燃料過剰状態が必要となる。一般には、石炭ガス化ガス燃料ではＣＨ４は体積で１vol%以下、多くは０．５〜０．００１vol%であるので、当量比は１以上、好ましくは１〜２．５、最も好ましくは１．５〜２．０程度の範囲で燃料過剰状態であることが好ましい。
【００１５】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガス化炉における高温ガス化ガスの熱、ガスタービンから排出される高温排気ガスの熱または前記ガスタービンのタービン翼を冷却した後の高温ガスの熱を燃料改質部に供給し、ガス化ガス燃料中の窒素化合物の選択的還元反応の熱源に利用するようにしたものである。この場合、ガス化炉で発生した高温ガス化ガスあるいはガスタービンを回転させた後の排ガスあるいはタービン翼を冷却した後の冷却媒体を燃料改質部に導入して無触媒還元反応の熱源として利用することができる。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、請求項１に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、燃料改質部をガスタービン燃焼器内例えば燃焼室の上流部、または燃焼器内筒と外筒の間の流路、または燃焼器尾筒外周部のいずれかに設けるようにしている。この場合には、燃料改質部の周りから無触媒還元反応に必要な熱を直接得ることができる。
【００１７】
また、請求項４記載の発明は、請求項１に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、燃料改質部をタービン静翼内部に設けるようにしている。この場合、無触媒還元反応で必要とする熱がタービン静翼から得られると同時に、タービン静翼が冷却される。このため、タービン静翼の冷却のために圧縮機の空気を使用する必要がなく、プラント熱効率の向上が図れる。
【００１８】
また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載のガス化複合発電プラントにおいて、燃料改質部を第１の燃料改質部及び第２の燃料改質部の２段とし、ガス化ガス燃料の一部を、第１の燃料改質部にて追い焚きあるいは触媒による反応制御の下でガス化ガス燃料中の窒素化合物を窒素酸化物にほぼ全量酸化し、この窒素酸化物を使って第２の燃料改質部にて残りのガス化ガス燃料中の窒素化合物を酸素の存在下で選択的に反応させ窒素へと還元させる無触媒還元反応を行うようにしている。この場合、ガス化ガス燃料中の窒素化合物の一部例えば１／２程度を第１の燃料改質部に導いて微量の酸素又は空気の下で全量酸化して窒素酸化物を得、これを利用して残りのガス化燃料の窒素化合物を第２の燃料改質部内で無触媒還元反応により窒素に還元させることができる。
【００１９】
また、請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガスタービン燃焼器を、全域を燃料過濃条件とする第１の燃焼器と上流部を燃料過濃条件とした二段燃焼法を採用する第２の燃焼器との２段とし、燃料改質部を経由して含有する窒素化合物の一部が還元されたガス化ガス燃料を、燃焼用空気または酸素と窒素酸化物と共に第１の燃焼器に供給し、酸素の存在下でガス化ガス燃料中の残存窒素化合物と供給した窒素酸化物とを選択的に反応させて窒素へと還元させる無触媒還元反応を生じさせ、該第１の燃焼器の燃焼ガスと燃焼用空気又は酸素とを第２の燃焼器に供給することにより、第１の燃焼器で分解されずに燃焼ガス中に残留した窒素化合物と窒素酸化物が燃焼室内における燃焼過程で、酸素の存在下で無触媒還元反応によりさらに窒素へと分解するようにしている。この場合、前段の第１の燃焼器の全域において燃料過剰状態で燃焼させ、更に後段の第２の燃焼器の上流部を燃料過剰状態とした二段燃焼法により、燃焼器内での無触媒還元反応を十分進行させる反応時間を確保することができる。
【００２０】
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、燃料改質部から供給されるガス化ガス燃料の一部を、燃料燃焼用の空気または酸素と窒素酸化物と共に第１の燃焼器に供給して無触媒還元反応を生じさせ、該第１の燃焼器の燃焼ガスとガス化ガス燃料の残りとを第２の燃焼器に供給することにより、第１の燃焼器で分解されずに前記燃焼ガス中に残留した窒素化合物と窒素酸化物が燃焼室内における燃焼過程で、酸素の存在下で無触媒還元反応によりさらに窒素へと分解するようにしている。この場合、各燃焼器でそれぞれガス化ガス燃料中に残留した窒素化合物を無触媒還元により分解することができ、更にＮＨ３のＮＯへの転換率を低減させる。
【００２１】
また、請求項８記載の発明は、請求項６または７記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、第２のガスタービン燃焼器に窒素酸化物を供給することにより、この新たに供給された窒素酸化物と第１の燃焼器の燃焼ガス中に残留した窒素酸化物とを利用して第１の燃焼器で分解されずに燃焼ガス中に残留した窒素化合物を第２の燃焼器の燃焼室上流における燃料過剰燃焼の過程で、酸素の存在下で無触媒還元反応によりさらに窒素へと分解するようにしている。この場合には、第２の燃焼器の燃焼室上流に注入されるＮＯによって、更に残留していたＮＨ３のＮＯへの転換率を低減させる。
【００２２】
また、請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流端から直接当該燃焼室内へ窒素を供給する第１の窒素供給系統と、ガスタービン燃焼器内で燃焼室内へ噴出される前の燃焼用空気中へ窒素を噴出して混合させ燃焼室の下流側に噴出させる第２の窒素供給系統とを備え、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその濃度が所定量以下になるように、前記第１及び第２の窒素供給系統への窒素供給割合を制御する制御手段を備えるようにしている。これによれば、フュエルＮＯxの低減と同時に、燃焼安定性を確保しつつサーマルＮＯxをも同時に低減できる。
【００２３】
また、請求項１０記載の発明にかかる改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法は、請求項５に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、第１及び第２の燃料改質部へのガス化ガス燃料の供給割合を制御するようにしている。この場合、ガスタービン燃焼器内での無触媒還元反応を含めて窒素化合物を分解するのに必要なだけの窒素酸化物を生成するようにして過剰な窒素酸化物の供給を防ぐことができる。同時に、ガス化ガス燃料中の窒素化合物の一部例えば１／２程度を第１の燃料改質部に導いて窒素酸化物を得、これを利用して残りのガス化燃料の窒素化合物を第２の燃料改質部内で窒素に還元させることができるので、窒素化合物の無触媒還元反応量を半分程度にまで低減させることができる。
【００２４】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１から９のいずれかに記載のガス化複合発電プラントにおいて、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下となるように、窒素酸化物のガスタービン燃焼器若しくは燃料改質部への供給量を制御するようにしている。この場合、窒素化合物の分解に寄与しない過剰な窒素酸化物の注入を防ぐことが可能である。
【００２５】
また、請求項１２記載の改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法の発明は、請求項９記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガスタービン燃焼器への窒素の供給は、起動用燃料並びにガス化ガス燃料による安定燃焼時には第１の窒素供給系統から行われ、起動用燃料からガス化ガス燃料へ切り替わる時及びガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には第２の窒素供給系統から供給し、かつガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその値が所定の値を超える時には第２の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させ、所定値以下の場合にはガスタービン負荷の上昇に伴って第１の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させるように第１の窒素供給系統と第２の窒素供給系統との間での窒素供給割合を制御するようにしている。
【００２６】
この場合、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその値が所定の値を超える時に第２の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させ、所定値以下の場合には第１の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させるように第１の窒素系統と第２の窒素供給系統との間での窒素供給割合を漸次変えながら窒素供給位置を切り替えるようにしている。この運転方法によると、フュエルＮＯxを低減できると同時に、燃焼室内への窒素の供給により火炎温度を下げてサーマルＮＯxを低減できる。しかも、火炎温度が高く火炎安定性に優れる起動用燃料を使った燃焼時並びに定格燃焼時には、第１の窒素供給系から燃焼室上流部のみに供給される窒素によって火炎の温度が下げられてサーマルＮＯｘの発生が抑制され、火炎温度が低くかつ火炎位置が変化し燃焼が不安定となり易い起動用燃料からガス化ガス燃料への切り替え時並びにガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には燃焼室上流部に集中させずに燃焼室全体に分散させて第２窒素供給系統から供給される窒素によって、燃焼室上流部での燃焼温度を低下させずに火炎安定性を維持しながら燃焼ガス全体の温度を下げてサーマルＮＯｘの発生を抑制することができる。更に、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその値が所定の値以下になるように第１の窒素供給系統と第２の窒素供給系統から供給する窒素流量を制御することにより燃焼安定性を確保することができる。加えて、乾式精製を可能とするため発電プラントの熱効率の低下を招くことがない。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２８】
本発明の改質型ガス化ガス発電プラントは、空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化すると共に乾式精製した後に燃料改質部で改質することによって得られたガス化ガス燃料を主燃料として燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、ガスタービンに結合されて電力を出力する発電機とを少なくとも含むものである。
【００２９】
ここで、燃料改質部は、独立した装置としての形態をとる必要はなく、他の装置や機器類に組み込んだりしても良い。この燃料改質部は、微量の窒素酸化物と窒素化合物を還元分解反応させるのに必要とされる以上の空気または酸素の供給によって発電プラントシステムから得られる程度の熱例えばガス化炉における高温ガス化ガスの熱、ガスタービンから排出される高温排気ガスの熱または前記ガスタービンのタービン翼を冷却した後の高温ガスの熱と酸素の存在下で窒素化合物例えばＮＨ３と供給した窒素酸化物例えばＮＯとを選択的に反応させ窒素へと分解させる無触媒還元反応を起こさせるものである。この燃料改質部での反応には、ＨＣＮなども生じていると思われるが極めて微量か反応途中過程であることから、実質的にはＮＨ３をＮ２に還元させる反応で占められる。また、ガス化方法に因ってガス化ガス燃料中に窒素化合物としてＨＣＮが含まれることがあるが、ここでは、ＮＨ３を例に説明する。
【００３０】
この燃料改質部は、ガス化炉における高温ガス化ガスまたはガスタービンから排出される高温排気ガスを導入してその熱を触媒反応の熱源として利用したり、あるいは燃料改質部そのものを燃焼器内の燃焼室上流部または燃焼器内筒と外筒の間、若しくは燃焼器尾筒外周部のいずれかに設けてこれら設備から直接受ける熱を利用したり、若しくはガスタービンの静翼を冷却する熱媒体等との間で熱交換することで得られる熱を利用するようにすることが発電システムの熱効率を向上させる上で好ましい。例えば、ガス精製装置の下流に燃料改質装置として設置してガスタービンからの排気ガスやガス化炉からのガス化炉壁を水冷した後の熱・蒸気を導入して間接熱交換あるいは直接熱交換を行う場合ばかりでなく、場合によってはガスタービン燃焼器内やガスタービン静翼などに直接組み込まれることもある。例えば、ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流部または燃焼器内筒と外筒の間の流路、若しくは燃焼器尾筒外周部のいずれかに設けたり、ガスタービンのタービン翼内部に設けることが可能である。ここで、燃料改質部に供給されるガス化ガス燃料の改質には、低温触媒を利用することも考えられ、その場合、前もって脱塵を行っておくことが望ましいが、脱硫についてはこの限りではなく、前もって処理することが好ましいのであるがシステムの熱効率を考慮するとさまざまなケースが考えられることから必ずしも前に処理しなければならないものでもない。
【００３１】
また、ガスタービンはその全作動負荷条件範囲において燃焼室の上流部を燃料過剰条件とすることにより、燃料改質部で分解されずにガス化ガス燃料中に残留した窒素化合物を僅かな酸素と窒素酸化物の存在下に窒素酸化物と選択反応させて燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制する。ここで、窒素化合物が窒素酸化物（ＮＯｘ）に転換する率（Ｃ．Ｒ．％）は、燃料中のＣＨ４の量に影響される。即ち、ＣＨ４を含むガス化ガス燃料の場合、ＮＨ３とＣＨ４とが反応してＨＣＮが生成され、二段燃焼の際にＮＨ３がＮ２に分解するのを妨げる（ＣＨ４がなければＮ２に分解していたものが、一部がＨＣＮとなりこれによりＮＯｘを生成する）。そこで、燃焼器上流部でＮＨ３とＮＯとを選択反応させ、ＮＨ３をＮ２に分解するには、一次燃焼領域の当量比を転換率を最小にする値に設定する必要がある。一般に、ガス化ガス燃料中のＣＨ４は１vol%以下、多くは０．５〜０．００１vol%であるので、図１４に示すように当量比は１以上、好ましくは１〜２．５、最も好ましくは１．５〜２．０程度の範囲で燃料過剰状態とすることが好ましい。
【００３２】
また、このガスタービン燃焼器内での選択的な反応による還元分解反応においても、注入位置や滞留時間との関係で混合や反応が不十分となり燃料改質部内での無触媒還元反応によっても分解されずに残存したガス化ガス燃料中の窒素化合物や窒素酸化物が分解し切れずに残ることも考えられる。この場合には、ガスタービン燃焼器を燃焼室全域を燃料過濃条件とする第１の燃焼器と燃焼室上流部を燃料過濃条件とする二段燃焼法を採用する第２の燃焼器の２段とし、燃料改質部を経由して含有する窒素化合物の一部が還元されたガス化ガス燃料を、燃焼用空気または酸素と、窒素酸化物と共に燃料過濃条件とする第１の燃焼器に供給し、酸素の存在下でガス化ガス燃料中の残存窒素化合物と供給した窒素酸化物とを選択的に反応させて窒素へと還元させる無触媒還元反応を生じさせ、該第１の燃焼器の燃焼ガスと、燃焼用空気または酸素とを、上流部を燃料過濃条件とする二段燃焼法を採用する第２の燃焼器に供給することにより、第１の燃焼器で分解されずに燃焼ガス中に残留した窒素化合物と窒素酸化物が燃焼室内における燃焼過程で、酸素の存在下で無触媒還元反応によりさらに窒素へと分解することが好ましい。
【００３３】
更に、この２段の燃焼器で連続的にガス化ガス燃料中の窒素化合物を燃焼室内での無触媒還元反応により窒素に分解するシステムにおいて、第２のガスタービン燃焼器にも窒素酸化物を供給することにより、第１の燃焼器で分解されずに燃焼ガス中に残留した窒素化合物を第２の燃焼器の燃焼室上流における燃料過剰燃焼の過程で、酸素の存在下で無触媒還元反応によりさらに窒素へと分解することが好ましい。
【００３４】
更に、第１の燃焼器には燃料改質部を出たガス化ガス燃料の一部を燃料燃焼用の空気（または酸素）と窒素酸化物と共に導入して、酸素の存在下でガス化ガス燃料中の窒素化合物と供給した窒素酸化物とを選択的に反応させて窒素へと還元させる無触媒還元反応を生じさせる一方、第２の燃焼器には第１の燃焼器の燃焼ガスとガス化ガス燃料の残り並びに燃焼用の空気（または酸素）及び窒素酸化物と共に導入して、第１の燃焼器で分解されずに燃焼ガス中に残留した窒素化合物と窒素酸化物および新たに供給した窒素酸化物が燃焼室内における燃焼過程で、酸素の存在下での無触媒還元反応によりさらに窒素へと分解するようにしても良い。尚、この２段の燃焼器で並列的にガス化ガス燃料中の窒素化合物を燃焼室内での無触媒還元反応により窒素に分解するシステムにおいては、第２のガスタービン燃焼器側に窒素酸化物を供給しなくとも、第１の燃焼器から供給される燃焼ガス中に残留する窒素酸化物を利用して第２の燃焼器での無触媒還元反応を成立させることもできる。
【００３５】
これら燃料改質部並びに燃焼器へのＮＯの注入量は、理論的には窒素化合物と同量であることが好ましい。しかし、実際には燃料改質部内を通過する間に完全に攪拌・混合することは困難であるため、窒素化合物よりも多めに供給されることが考えられるが、理論上適切な量以上注入しても、注入位置や滞留時間との関係で混合が不十分となり窒素化合物や窒素酸化物が分解し切れずに残ることも考えられる。また、ＮＯの供給は、発電システム系外でＮＯを生成してから供給する場合にはそのコストが高くなると予想されるし、発電システム系内のタービン排ガスを利用すると発電システムの熱効率が低下することとなり、いずれも経済的にメリットが低下する。このため、ＮＯの注入量は窒素化合物の分解に必要な範囲で可能な限り少ない方が経済的には好ましい。そこで、ＮＯの注入量はシステム全体でガス化ガス燃料中の窒素化合物量の２倍以内、好ましくは１．５倍以内、最も好ましくは１倍以内にすることである。更に、窒素酸化物の注入回数は、特に限定されるものではなく、多段注入による場合に効果が高いときもあるし、１段注入による場合の方が効果が高い場合もある。これは、滞留時間とガス中の共存成分に因るところが大きい。即ち、無触媒脱硝反応を阻害する成分がある場合には、滞留時間は長くする必要があり、多段注入は事実上無理になる。逆に、無触媒脱硝反応を促進する成分が含まれる場合には、ＮＯの多段注入は効果的であると考えられる。ただし、負荷変動があるような実際の発電プラントでは、化学プラントと異なり反応を制御することが難しいので、多段注入は効果的であり好ましい。例えば、窒素化合物の０．３倍〜０．５倍程度の窒素酸化物の注入する場合には１〜２秒で注入ＮＯの殆どを分解しながら２割〜３割位の窒素化合物を分解できるが、一度に大量に注入しても分解し切れないので、２段以上に分けて注入することが好ましい。この場合、各段でのＮＯ注入を注入ＮＯが完全に０ｐｐｍとなる反応が期待できる量としてそれを多段で繰り返すことが好ましい。例えば、ＮＨ３（窒素化合物）の０．３倍のＮＯ（窒素酸化物）を供給すると、図１５に示す実験結果から明らかなように、ＮＨ３は１０００ｐｐｍから８００ｐｐｍへと、ＮＯは３００ｐｐｍから０ｐｐｍへと反応する。そこで、この注入を繰り返すことによって、ＮＨ３は１０００ｐｐｍ→８００ｐｐｍ→６４０ｐｐｍ→５１２ｐｐｍと分解され、かつＮＯは全ての段階で０ｐｐｍであったことから、ＮＨ３＋ＮＯ＝５１２ｐｐｍとなる。１回でＮＨ３とＮＯを同量注入して、ＮＨ３＋ＮＯ＝６００ｐｐｍ と分解する場合よりもＮＯｘを低減できる。
【００３６】
また、窒素化合物のＮＨ３＋ＮＯ＋１／４Ｏ２→Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏの還元分解反応に要する酸素量は、理論的にはＮＨ３の１／４体積量であれば良いが、実際の反応ではそれ以上の量が必要であり、程度にもよるが多ければ多いほど反応が進むことが本発明者等の実験によって分かった。無触媒還元反応に及ぼす酸素濃度の影響についての実験によれば、ＮＨ３の０〜２０倍まで酸素濃度を変化させた場合、酸素濃度が高い程反応が進んだ。しかし、過剰な酸素の存在はアンモニアＮＨ３の酸化反応を促進させたり、酸素製造設備の増強が必要であるため好ましくない。そこで、ＣＯやＨ２を含む空気吹きガス化低カロリー燃料では、図１６の実験結果より明らかなように、酸素は一定以上、例えばＮＨ３の５倍程度であれば良い。また、反応制御および促進を目的に窒素化合物の還元分解に触媒を使用する場合、使用する低温触媒としては、ガス化炉における高温ガス化ガスの熱またはガスタービンから排出される高温排気ガスの熱を触媒反応の熱源に利用できる程度のもので、一般には選択還元触媒が使用される。
【００３７】
尚、燃料改質部や燃焼器へ供給する窒素酸化物は、特定の設備から供給されるものに限定されるものではなく、例えばガスタービンから排出される燃焼排ガス中に存在する窒素酸化物（ＮＯｘ）、あるいはガス化ガス燃料中の窒素化合物（主にＮＨ３）の一部を酸化して窒素酸化物に変換したもの、若しくは別の設備から導入する窒素酸化物のいずれでも利用可能である。そこで、場合によっては、ガスタービンから排出される燃焼排ガスを燃料改質部に導入することによって排ガス中に存在する窒素酸化物・ＮＯｘ及び酸素を反応に利用するようにしたり、窒素化合物を窒素に分解する第２の燃料改質部とは別の燃料改質部、即ち追い焚き機能あるいは酸化触媒を備えている第１の燃料改質部を備え、ガス化ガス燃料の一部例えば１/２程度の中に含まれる窒素化合物を全量酸化して窒素酸化物にしたものを利用したりすることが可能である。後者の場合、第１の燃料改質部で生成された窒素酸化物を使って残りの１／２程度のガス化ガス燃料を第２の燃料改質部で改質してその中の窒素化合物の還元分解反応を行うので、窒素化合物の還元反応させる物質は半分で済むことになる。尚、第１の燃料改質部では追い焚きや触媒による反応制御によってＮＨ３をＮＯとする反応が起こるが、場合によってはＮ２Ｏが生じることもある。しかし、Ｎ２Ｏは特定の条件で生成されるので、条件を制御することによってＮ２Ｏの生成を抑えることができる。この場合における燃料改質部への窒素酸化物の供給は、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、燃料改質部へ供給する窒素酸化物の量を直接制御したり、ガス化ガス燃料の２つの燃料改質部への供給割合を制御する制御手段（図示省略）を設けて一方の燃料改質部で生成される窒素酸化物の量を調整することが窒素酸化物の過剰供給を防ぐ上で好ましい。また、窒素酸化物のガスタービン燃焼器への供給量も、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下となるように制御することが好ましい。更に、燃料改質部へ供給される酸素についても同様で、特定の設備から供給されるものに限定されるものではなく、例えば空気からガス化炉へ供給するための酸素を分離する酸素製造装置から得られる酸素や、別の設備から導入される酸素を利用するようにしても良い。
【００３８】
また、ガスタービン燃焼器には窒素が供給される。この窒素の供給は、空気分離装置から供給される窒素を２系統に分けて、燃焼室の上流端から直接当該燃焼室内へ窒素を供給する第１の窒素供給系統と、ガスタービン燃焼器内で燃焼室内へ噴出される前の燃焼用空気中へ窒素を噴出して混合させ主に燃焼室の下流側に噴出させる第２の窒素供給系統とを備え、ガスタービンの負荷変化に伴い、第１の窒素供給系統と第２の窒素供給系統とを切り替えあるいは併用してガスタービン燃焼器への窒素の供給位置を調整可能とすることが好ましい。例えば、燃焼器に供給される窒素を、起動用燃料並びにガス化ガス燃料による安定燃焼時には第１の窒素供給系統から供給し、起動用燃料からガス化ガス燃料へ切り替える時及びガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には第２の窒素供給系統から主に供給するようにしている。そして、窒素供給位置の切り替えは、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその値が所定の値を超える時には第２の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させ、所定値以下の場合にはガスタービン負荷の上昇に伴って第１の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させ第２の窒素供給系統へ供給する窒素流量を減らすように第１の窒素系統と第２の窒素供給系統との間での窒素供給割合を漸次変える制御が行われる。この窒素供給割合の制御は、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度に着目して行うことが好ましい。即ち、ガスタービン負荷の低い状態では窒素供給により火炎温度が下がり過ぎ、未燃の燃料成分の排出が懸念される。即ち、未燃の燃料成分が出るということは、火炎温度が下がり過ぎていることになる。そこで第２の窒素供給系統に窒素の一部あるいは全部をバイパスさせることによって火炎温度を下げ過ぎないように制御して燃焼安定性を確保する。
【００３９】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施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、ガスタービン燃焼器を２段とした場合には、第１のガスタービン燃焼器と第２のガスタービン燃焼器との間に中間タービンを設置することも可能である。この場合、同等の燃焼温度とする１段のガスタービンに比較して、プラント熱効率が向上するという相乗効果が得られると共に、ガスタービン排気ガス中の窒素酸化物濃度によっては、燃料改質部およびガスタービン下流における脱硝装置を縮小もしくは削除することができ、プラントの構成機器を少なくし、コスト低減を図ることも可能である。また、本実施形態では複合発電システムに適用した場合を例に挙げて主に説明しているがこれに特に限定されるものではなく、蒸気タービン発電システムを含まないガスタービンだけの発電システムに適用することも効果的である。
【００４０】
《実施形態１》
図１に本発明を改質型ガス化複合発電システムに適用した第１の実施形態を示す。このガス化ガス燃料改質型複合発電プラントは、酸素製造装置２で空気から分離生成した酸素ＡＯ２を主成分とした酸化剤によって重質油あるいは石炭Ｃをガス化するガス化炉３と、そのガス化ガスＣＧ１を乾式精製するガス精製装置５と、ガス化ガス燃料ＣＧ２中の窒素化合物を無触媒で還元分解する燃料改質装置４と、ガス化ガス燃料ＣＧ３を燃焼させて得た高温・高圧の燃焼ガスＦＧでガスタービンを駆動して該ガスタービンに連結されている発電機１０を回転させて発電する圧縮機１と、ガスタービン燃焼器６及びガスタービン７から成るガスタービン発電システム、並びにガスタービン７から排出される高温の排気ガスＧの熱を利用して蒸気サイクルにより発電機１０を回転させて発電する廃熱回収ボイラ８と蒸気タービン９及び復水器１１から成る蒸気発電システムとで構成される。
【００４１】
ここで、燃料改質部４は、微量例えばガス化ガス燃料ＣＧ２中の窒素化合物とほぼ同量の窒素酸化物ＲＮＯと５倍程度の酸素AO２の供給によって、ガス化ガス燃料CG２中の窒素化合物と供給した窒素酸化物RNOとを酸素の存在下で選択的に反応させ、前述の化学式１の無触媒還元反応により窒素（Ｎ２）に分解する。無触媒還元反応はガス化炉３内の適当な温度領域の熱あるいはガスタービン７からの排気ガスＧの熱を利用して行われる。ここで、石炭ガス化ガス燃料の場合、通常ＣＯやＨ２は１０vol%以上程度含まれるので、４５０〜６００℃程度のガスタービン排ガスやガス化炉における高温ガス化ガスの熱でもＮＨ３分解反応を開始する。窒素酸化物RNOはガスタービン燃焼器６からの排出ガスFG中の微量の窒素酸化物あるいは発電プラント系外で生成されたものが、酸素ＡＯ２は酸素製造装置２で生成されるものの一部がそれぞれ供給される。また、ガス化ガス燃料CG２はその全量が燃料改質部４に供給される。尚、燃料改質部４は、ガス精製装置５の下流に設置される場合だけでなく、必要に応じてガス精製装置５の前に設置されたり、ガスタービン７からの高温排気ガスGの熱を利用するために廃熱回収ボイラ８の前後に設置されることもある。
【００４２】
また、ガスタービン燃焼器６は、例えば、図２に示すように、圧力容器である燃焼器外筒１３、燃焼用空気HARを燃焼室１４に導くためのフロースリーブ１５、燃焼室１４を囲む燃焼器内筒１６、燃料を供給し火炎１７を保持するための燃料ノズル１８、燃料ノズル１８を外筒１３に固定するヘッドエンド部３５、燃焼室１４で燃焼したガスFGをガスタービン７に案内する燃焼器尾筒１９とから構成され、その全作動負荷条件範囲において図３に示すように、燃焼室１４の上流部を燃料過剰条件（当量比以上でフュエルＮＯxの生成を抑制する）とする二段燃焼法を採用することにより、燃料改質部４で分解されずにガス化ガス燃料ＣＧ３中に残留した窒素化合物例えばＮＨ３を窒素酸化物（ＮＯ）と選択反応させて窒素（Ｎ２）に分解し、燃焼室１４内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制するようにしている。尚、燃焼室１４の下流側では、燃焼空気孔20から燃焼用空気HARを供給し、燃焼器出口で未燃分を一定量以下に抑制する。
【００４３】
燃焼器内筒１６には、フロースリーブ１５との間の流路３６と燃焼室１４とを連通する燃焼空気孔２０が設けられ、圧縮機１から供給される燃焼用空気ＨＡＲが燃焼室１４の周りの空気孔２０、空気旋回器３２及びアトマイズ空気噴孔（図示省略）から噴出されるように設けられている。燃焼用空気孔２０は、燃焼室１４の上流域から離れた後半に、軸方向並びに周方向へ複数設けられており、圧縮機１から吐出される高圧空気HARを燃焼室１４の下流域に優先的に供給するように設けられている。そして、全作動負荷条件で、燃焼室１４の上流域を燃料過剰（当量比以上でフュエルＮＯxの生成を抑制する）条件とすることにより、ガス化ガス燃料CG３中の残留窒素化合物を僅かな酸素と窒素酸化物の存在下に窒素酸化物と選択反応させて還元反応により窒素（Ｎ２）を生成し、燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制するようにしている。これにより、燃焼室１４の上流部の酸素濃度を低下させることができ、サーマルＮＯxを低減できると同時にガス化ガス燃料CG２中の窒素化合物に起因して生成されるフュエルＮＯxを抑制することができる。さらに、軸方向下流に向かうに従って燃焼空気孔２０から燃焼用空気HARを供給し未燃成分を燃焼させて、燃焼器６の出口での未燃分を一定量以下に抑制する（図３参照）。
【００４４】
バーナは、起動用液体燃料２１を霧化して噴射するアトマイズ空気噴孔（図示省略）を備えたノズル２２と、ガス化ガスCG３を供給するためのガス化ガス燃料ノズル１８並びに旋回器２３と、窒素供給系統２６ａから供給される窒素AN２を燃焼室１４に供給するための窒素噴射ノズル２４並びに旋回器２５とから成り、それらを同軸上に組み合わせることにより構成され、ガスタービン燃焼器６の上流端の中心軸上に配置される。このバーナは、燃料、空気、窒素およびそれらの混合ガスを旋回させながら供給することで、燃焼室１４の上流部のノズル出口付近に低温でかつ安定した火炎１７を形成させる。また、窒素噴孔たる旋回器２５を燃料ノズル１８の周りに設けて、火炎１７の存在する燃焼室１４の上流部の高温領域に窒素AN２を供給することで、燃焼室１４の上流部をガス化ガス燃料の過剰条件としている状態を保ちながら、高温領域のガス温度を低下させることができ、フュエルＮＯxと同時に、サーマルＮＯxも低減することが可能である。
【００４５】
次に、以上のように構成された改質型ガス化複合発電システムの運転方法を説明する。尚、本システムは酸化剤として酸素を使用するものである。
【００４６】
まず、始動時には、外部動力によって駆動された圧縮機１で高圧とされた空気HARを例えば図２に示すガスタービン燃焼器６に供給し、起動用燃料２１を用いて燃焼させる。この燃焼ガスＦＧを燃焼器尾筒１９を経てガスタービン７に導入することによって、ガスタービン７を駆動する。ガスタービン７が昇速してガスタービン７の無負荷定格回転数に達した後、発電機１０を併入し、徐々に負荷をとり始める。
【００４７】
一方、ガス化炉３に必要な酸素AO２は、酸素製造装置２にて生成される。酸素製造装置２では、圧縮機１かあるいは図示しないバックアップ用圧縮機か、あるいは圧縮機１より抽気される高圧空気HARから窒素AN２を分離することによって酸素AO２が得られる。そして、酸素AO２はガス化炉３へ、窒素AN２はガスタービン燃焼器６へそれぞれ供給される。ガス化炉３では酸素AO２の供給により石炭Cを酸化してガス化ガス（ガス化炉生成ガス）CG１を発生する。さらにガス精製装置５により脱塵、脱硫してガス化ガス燃料CG２を得た後、燃料改質装置４において含有窒素化合物を分解除去してガスタービン燃焼器６に供給するガス化ガス燃料CG３を生成する。ガス化炉３の負荷が上昇してある程度以上の品位のガス化ガスCG１が製造されるようになると、起動用燃料２１とガス化ガス燃料CG３とを切り替えてガスタービン燃焼器６を運転し、所望の燃焼ガスを得てガスタービンを駆動する。その後、さらにプラント負荷を上昇させ、主に定格条件にて運転する。
【００４８】
また、ガスタービン７の高温排気ガスGは、廃熱回収ボイラ８で給水FWに熱を受け渡し、発生した水蒸気STを蒸気タービン９に導入してこれを駆動し、発電機１０を回して発電させる。廃熱回収ボイラ８を通過した排気ガスは煙突１２から排気される。
【００４９】
このような構造を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化複合発電プラントの全作動負荷範囲内において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、サーマルＮＯxおよびフュエルＮＯxを低減することが可能となる。
【００５０】
《実施形態２》
図４に本発明の発電プラントの第２の実施形態であるガス化ガス燃料改質型複合発電用ガスタービンプラントの概略構成を示す。この実施形態は、燃料改質装置４をガスタービン燃焼器の燃焼室１４の上流部の１カ所あるいは複数箇所に設置し、直接ガスタービン燃焼器６の内部で発生する熱を低温無触媒還元反応の熱源として利用するようにしたものである。この場合、ガスタービン燃焼器６内は確実に触媒の作動温度条件にまで昇温する。しかも、燃料改質部４を設置する場所をとらず、また配管なども簡略化できるのでプラントシステムを簡素な構造とできる。そして、この実施形態の場合にも実施形態１と同様にフュエルＮＯｘをプラント熱効率を下げずに低減できる。尚、燃料改質装置（あるいは改質部）４は燃焼器内筒１６と外筒１３との間の流路３６、または尾筒１９の外周部（尾筒１９の外面に接するように据え付ける）のいずれかの１カ所あるいは複数箇所に設置して直接ガスタービン燃焼器６で発生する熱を無触媒反応の熱源として利用することも可能である。
【００５１】
《実施形態３》
図５に本発明の発電プラントの第３の実施形態を示す。この実施形態は、燃料改質装置４をタービン静翼内部に構成したものである。この場合、燃料改質部４を設置する場所をとらず、また配管なども簡略化できるのでプラントシステムを簡素な構造とできる。そして、この実施形態の場合にも実施形態１と同様にフュエルＮＯｘをプラント熱効率を下げずに低減できる。
【００５２】
また、上記低温改質触媒をガスタービン７の静翼に設置した場合、タービン翼の冷却に圧縮機１の空気を使用する必要がなく、使用空気量が低下するため、相対的にプラント熱効率の向上が図れる。
【００５３】
《実施形態４》
図６に本発明の発電プラントの第４の実施形態を示す。この実施形態の発電プラントは、図１の発電プラントのガスタービン燃焼器を燃焼室全域を燃料過濃条件とする第１の燃焼器６６と燃焼室上流部を燃料過濃条件とする二段燃焼法を採用する第２の燃焼器６の２段とし、燃料改質装置４での無触媒還元反応でも分解しきれずに残った窒素化合物CG３中の窒素化合物を、更に第１の燃焼器６６内でも無触媒還元反応により分解し、より一層のガス化ガス燃料中の窒素化合物の分解の促進を図るようにしたものである。
【００５４】
即ち、燃料改質装置４を出たガス化ガス燃料CG３を、圧縮機１から供給される燃料燃焼用空気（または酸素）HARと、燃料改質装置４に供給する窒素酸化物RNO１とは別の微量の第２の窒素酸化物RNO２と共に全体を燃料過濃条件とする第１の燃焼器６６に供給し、ガス化ガス燃料CG３中に残留した窒素化合物と供給した窒素酸化物RNO2を、酸素の存在下で選択的に反応させて窒素へと還元させる無触媒還元反応を生じさせる。次いで、第１の燃焼器６６の燃焼ガスと、圧縮機１からの燃焼用の空気HAR（または酸素）を、上流部を燃料過濃条件とする二段燃焼法を採用する第２の燃焼器６に供給することにより、第１の燃焼器６６で分解されずに燃焼ガス中に残留した窒素化合物ＮＨ３と窒素酸化物RNO２が燃焼室内における燃焼過程で、酸素の存在下で無触媒還元反応によりさらに窒素へと分解する。ここで、窒素酸化物RNO１，RNO２は、特に限定されるものではないが、各々の注入段階で残留する窒素化合物の０．３〜０．５倍程度が注入され、総量として１倍以内となるようにされることが好ましい。尚、窒素酸化物の燃焼器への供給については、より圧力の低い燃焼室に直接供給することも考えられる。
【００５５】
《実施形態５》
図７に本発明の発電プラントの第５の実施形態を示す。この実施形態のガス化複合発電プラントは、実施形態４のガス化複合発電プラントにおいて、第２のガスタービン燃焼器６についても第３の窒素酸化物RNO3を供給することにより、第１の燃焼器６６で分解されずに燃焼ガス中に残留した窒素化合物を第２の燃焼器６の燃焼室上流端における燃料過剰燃焼の過程で、酸素の存在下で無触媒還元反応によりさらに窒素へと分解するようにしたものである。
【００５６】
この発電プラントによれば、第１の燃焼器６６で分解しきれなかった窒素化合物を新たに供給する窒素酸化物RNO３と燃焼用空気HAR中の酸素の下で燃焼室の上流端を燃料過剰状態とする二段燃焼の中での無触媒還元反応により更に窒素に分解させることにより、一層のフュエルＮＯｘの発生の低減を図ることができる。この場合において、窒素酸化物RNO１，RNO２，RNO３は、特に限定されるものではないが、各々の注入段階で残留する窒素化合物の０．３〜０．５倍程度が注入され、総量として１．１倍以内となるようにされることが好ましい。
【００５７】
《実施形態６》
図８に本発明の発電プラントの第６の実施形態を示す。この実施形態のガス化ガス複合発電プラントは、実施形態５のガス化複合発電プラントにおいて、改質装置４を出たガス化ガス燃料CG３の一部を第１の燃焼器６６に、残りを第２の燃焼器６にそれぞれ供給し、第１の燃焼器６６での分解処理量を減らすようにしたものである。
【００５８】
具体的には、燃料燃焼用の空気HAR（または酸素）と、微量の第２の窒素酸化物RNO2と共に燃料過濃条件とする第１の燃焼器６６に供給し、酸素の存在下でガス化ガス燃料中の窒素化合物と供給した第２の窒素酸化物RNO2と選択的に反応させ、窒素へと還元させる無触媒還元反応を生じさせ、第１の燃焼器６６の燃焼ガスとガス化ガス燃料の残りを、燃焼用の空気（または酸素）と、微量の第３の窒素酸化物RNO3を、燃焼室上流部を燃料過濃条件とする二段燃焼法を採用する第２の燃焼器６に供給することにより、第１の燃焼器６６で分解されずに燃焼ガス中に残留した窒素化合物と分解されずに残留した第１、２の窒素酸化物RNO1、RNO2および第３の窒素酸化物RNO3が第２の燃焼器６内の燃焼室の燃焼過程で、酸素の存在下で無触媒還元反応によりさらに窒素へと分解するようにしている。尚、本実施形態では第５の実施形態を前提として説明しているがこれに特に限定されず第４の実施形態に適用すること、即ち本実施形態から第３の窒素酸化物RNO３の注入を省いて実施することも可能である。この場合には、各段で注入され窒素化合物の分解に寄与されなかった窒素酸化物RNO１,RNO２の残留物を利用して無触媒還元反応を実現する。
【００５９】
《実施形態７》
図９に本発明の第７の実施形態を示す。この実施形態の改質型ガス化複合発電プラントは、無触媒還元反応により窒素化合物を窒素に分解する第２の燃料改質装置４と、追い焚き機能あるいは酸化触媒を備える第１の燃料改質装置４４との２段とし、ガス化ガス燃料の一部を使って窒素化合物の還元分解反応に必要な窒素酸化物を供給するようにしたものである。
【００６０】
即ち、このプラントは、第１の実施形態において、追い焚き機能あるいは酸化触媒を備える第１の燃料改質装置４４と、無触媒還元反応により窒素化合物を窒素に分解する第２の燃料改質装置４とを備え、ガス化ガス燃料CG２の一部例えば１/２程度の中に含まれる窒素化合物を第１の燃料改質部４４で全量酸化して窒素酸化物にし、この窒素酸化物を使って残りのガス化ガス燃料CG５に含まれる窒素化合物を微量の空気（または酸素）の下に第２の燃料改質部４で改質してその中の窒素酸化物の還元分解反応を行うようにしている。第１の燃料改質部４４にてガス化ガス燃料CG２中の窒素化合物を窒素酸化物にほぼ全量酸化したガスCG４を、第１の燃料改質装置４４をバイパスしたガス化ガス燃料CG５と予混合した後、この予混合ガスCG６を第２の燃料改質装置４に供給して、窒素化合物の還元分解反応を起こさせてからガスタービン燃焼器６の燃料ノズル１８から燃料旋回器２３を通して燃焼室１４に供給し二段燃焼させる。そして、ガス精製装置５を出たガス化ガス燃料CG２の第１及び第２の燃料改質装置４４，４への供給割合は、ガスタービン７の出口での窒素酸化物濃度を排ガス分析計３８により監視してそれが一定量以下になるように制御されている。例えば、電磁バルブ３９の開度が調整されることによって第２の燃料改質装置４へ供給されるガス化ガス燃料CG５の供給割合を制御するものである。この制御は、ガス化ガス燃料によりガスタービンを運転する無負荷定格回転数から定格負荷までの間のガスタービン負荷変化に伴い、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、２つの燃料改質部へのガス化ガス燃料の供給割合を制御するようにしている。これにより、ガスタービン燃焼器内での無触媒還元反応を含めて窒素化合物を分解するのに必要なだけの窒素酸化物を生成するようにして過剰な窒素酸化物の供給を防ぐことができる。
【００６１】
《実施形態８》
図１０に本発明の第８の実施形態を示す。この発電プラントは、ガスタービン７の出口での窒素酸化物濃度を排ガス分析計３８により監視してその濃度が一定量以下となるように、第１及び第２のガスタービン燃焼器６６，６並びに燃料改質装置４に供給・注入される窒素酸化物RNO1，RNO2,RNO3の注入量を制御するようにしたものである。具体的には、図８の第６の実施形態の発電プラントにおいて、燃料改質装置４並びに第１及び第２の燃焼器６６、６へそれぞれ窒素酸化物RNO,RNO2,RNO3を供給するラインに流量制御手段例えば電磁バルブ４０、４１、４２が設けられ、これらの開度が排ガス分析計３８に含まれるプログラマブルコントローラ等の制御手段によって窒素酸化物濃度が一定量以下となるように制御されている。これにより、ガスタービン全負荷帯に渡り、より一層のＮＯx低減を図ることができると共に、ガスタービン排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度によっては、前記燃料改質部およびガスタービン下流における脱硝設備を縮小もしくは削除することができ、プラントの構成機器を少なくし、コスト低減を図ることも可能となる。
【００６２】
尚、場合によっては、上述の３つの窒素酸化物RNO１,RNO2,RNO3の全てを制御対象とせずに、いずれか１つまたは２つの窒素酸化物の注入量だけを制御するようにしても良い。また、本実施形態では、１つの燃料改質装置４と２段の燃焼器６６、６とを備えるシステムについて言及しているが、これには限られず第１〜第７の全ての実施形態において、供給される窒素酸化物の量を制御対象として、排気ガスGの窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下となるように制御することにより、過剰な窒素酸化物の供給を防ぐようにすることも効果的である。
【００６３】
《実施形態９》
図１１に本発明の第９の実施形態にかかるガス化ガス複合発電プラントで使用するガスタービン燃焼器の一実施形態を示す。実施形態９は、実施形態１から実施形態８に記載した各ガス化ガス燃料改質型複合発電プラントのガスタービン燃焼器６に窒素を供給してフュエルＮＯｘと同時にサーマルＮＯｘを低減させるようにしたものである。即ち、窒素を２つの供給系統26a、26bに分割し、一方の窒素供給系統26aを用いた実施形態１と同様に燃料ノズルボディー30に導いて窒素噴射ノズル24から噴出させ、他方の第２の窒素供給系統26bをガスタービン燃焼器外筒13と燃焼器内筒16との空間内に導き、空気流中に設けた窒素供給ノズル28から燃焼用空気中に窒素を噴射させ、空気と混合させることを図ったものである。
【００６４】
実施形態９においては、第１の窒素供給系統26aから窒素AN2を供給する場合に、実施形態１と同様に燃料ノズルボディ30を介して燃料ノズル18に設けた窒素噴孔24から、窒素を燃焼室14内に直接噴射する。
【００６５】
燃焼器外筒13と内筒16との空間内に配置された窒素供給ノズル28から供給された窒素は、燃焼空気HARと混合する。窒素と空気との混合ガス31は、燃焼室14に開口している燃焼空気孔20から、燃焼室14内に順次供給される。したがって、第１の窒素供給系統から供給する窒素の一部もしくは全量を第２の窒素供給系統26bから供給することにより、燃料ノズル18の空気旋回器32を通過する空気中の酸素濃度を極端に低下させることがなく、燃焼室14上流部の燃焼ガス温度および燃焼安定性を維持できる。
【００６６】
ＮＯx排出量の低減と所内動力の回復を目的に、定格条件だけでなく、起動用燃料21燃焼時、燃料切り替え時、およびガス化ガス燃料CG3による部分負荷燃焼時においても、酸素製造装置2から生成される窒素AN2を燃焼器6に供給するが、この際に、窒素AN2を第２の供給系統26bから供給することにより、燃焼室14上流部での燃焼温度を低下させることなく、火炎安定性を維持できる。
【００６７】
また、ガスタービン燃焼器6内の燃焼室14は、実施形態１と同様に、複合発電プラントの全作動負荷条件において、上流部を燃料過剰条件としており、前記上流部における燃料と空気流量の比率はガスタービン負荷条件により、ＮＯx排出量を最も効果的に低減するように調整する。そのため、窒素供給系統を２系統に分割して供給する手法との組み合わせによる本発明により、燃焼不安定性の回避と未燃分の排出の抑制を図ることが可能となる。
【００６８】
このガスタービン燃焼器６は、２つの窒素の供給系統２６a，２６bを有し、図１３に示すように燃料及び負荷状況に応じて窒素の噴射位置を変更するものである。即ち、一方の窒素供給系統２６aを燃料ノズル１８に導いて窒素噴射ノズル２４から噴出させ、他方の第２の窒素供給系統２６bをガスタービン燃焼器外筒１３と燃焼器内筒１６との間の流路３６に導き、空気流中に設けた窒素供給ノズル２８から燃焼用空気中に窒素を噴射させ、空気と混合させるようにしたものである。
【００６９】
第１の窒素供給系統２６aから窒素AN２を供給する場合に、実施形態１と同様に燃料ノズルボディ３０を介して燃料ノズル１８に設けた窒素噴射ノズル２４から、窒素を燃焼室１４内に直接噴射する。
【００７０】
また、燃焼器外筒１３と内筒１６との間の流路３６に配置された第２の窒素供給系統２６ｂの窒素供給ノズル２８から供給された窒素は、燃焼空気HARと混合されてから主に噴孔２０を経て燃焼室の下流部分へ噴射される。即ち、窒素と空気との混合ガス３１は、燃焼室１４に開口している燃焼空気孔２０から、燃焼室１４内に順次供給される。したがって、第１の窒素供給系統２６ａあるいは第２の窒素供給系統２６bのいずれか一方あるいは双方からガスタービン燃焼器へ供給する窒素の全量若しくは一部を供給することにより、燃料ノズル１８の空気旋回器３２から噴出された空気噴流中の酸素濃度を極端に低下させることがなく、燃焼室１４上流部の燃焼ガス温度および燃焼安定性を維持できる。また、混合ガス３１の一部は燃焼室１４の上流端の空気旋回器３２、アトマイズ空気噴孔（図示省略）を経て起動用燃料２１あるいはガス化ガス燃料ＣＧ３に噴き付けられる。
【００７１】
ＮＯx排出量の低減と所内動力の回復を目的に、定格運転時だけでなく、起動用燃料２１による燃焼時、燃料切り替え時およびガス化ガス燃料CG３による部分負荷燃焼時においても、酸素製造装置２から生成される窒素AN２を燃焼器６に供給するが、この際に、起動用燃料２１からガス化ガス燃料ＣＧ３へ切り替えられるとき及びガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には、窒素AN２を第２の供給系統２６bから供給することにより、燃焼室１４上流部での燃焼温度を低下させることがないので、火炎安定性を維持できる。
【００７２】
また、ガスタービン燃焼器６内の燃焼室１４は、複合発電プラントの全作動負荷条件において、上流部を燃料過剰条件としており、上流部における燃料と空気流量の比率はガスタービン負荷条件により、ＮＯx排出量を最も効果的に低減するように調整する。そのため、窒素供給系統を２系統に分割して供給する手法との組み合わせによる本発明により、燃焼不安定性の回避と未燃分の排出の抑制を図ることが可能となる。
【００７３】
このような構造および制御方法を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化複合発電プラントの全作動負荷範囲内において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、サーマルＮＯxおよびフュエルＮＯxの同時低減燃焼が可能となる。
【００７４】
次に、ガスタービン負荷運用について説明する。図１３は、ガスタービン燃焼器６の起動および無負荷定格回転数から定格負荷までの間の、ガスタービン負荷とガスタービン燃焼器６に供給される起動用燃料２１、ガス化ガス燃料CG３、窒素供給量/使用可能窒素量割合および窒素バイパス供給割合の関係を示す図である。本運転方法では、ガスタービン発電プラントにおいて、ガスタービンの負荷変化に伴い、ガスタービン排気ガスG中の未燃の燃料成分濃度を監視して一定量以下になるように、窒素の供給量/使用可能窒素量割合、または窒素の第１窒素供給系統２６aおよび第２窒素供給系統２６bの供給割合を、図示省略している制御手段例えば燃料成分濃度測定手段と電磁バルブなどで制御する実施例である。
【００７５】
始動時には、外部動力により駆動された圧縮機１の吐出空気HARを用い、ノズル２２から噴射される起動用燃料２１を燃焼させる。起動用燃料２１による燃焼が安定したら、酸素製造装置２より生成される窒素AN２を燃料ノズル１８の周りに設けた窒素噴射ノズル２４から燃焼室１４に直接噴射し、サーマルＮＯxの低減を図る。起動用燃料ノズル２２を用いた燃焼により、ガスタービン７が定格回転数に達した後、ガスタービン負荷を一定としたまま、燃焼安定性を確保するため、ガスタービン燃焼器６へ酸素製造装置２から供給されている窒素ＡＮ２のほぼ全量を第２の窒素供給系統２６bであるバイパス側に切り替えて燃焼用空気ＨＡＲと予混合して供給すると共に、燃料を起動用燃料２１から主燃料であるガス化ガス燃料CG３の燃焼に徐々に切り替える。ガス化ガス燃料CG３に完全に切り替えられた後は、ガスタービン７の負荷を上昇させ、燃焼室１４内での燃焼が安定したところで、再び窒素を第１の窒素供給系統２６aに切り替え、ガス化ガス燃料の噴射口の周りから直接燃焼室内へほぼ全量供給する。そして、発電機１０を併入し、徐々に負荷を取り出し始める。
【００７６】
しかし、起動用燃料２１からガス化ガス燃料CG３への切り替え時並びにガス化ガス燃料による低負荷運転時には、火炎１７の温度が低く、しかも燃焼室１４内で形成される火炎１７の位置が変化し、燃焼が不安定になる可能性がある。そこで、ガスタービン排気ガスＧ中の未燃分の濃度を監視しながら、窒素の第１の窒素供給系統２６aおよび第２の窒素供給系統２６bへの供給割合を調整し、燃焼安定性を確保する。即ち、ガスタービン７の負荷が上昇するにつれて、火炎１７の温度が上昇し燃焼が安定するので、第２の窒素供給系統２６bであるバイパス側を徐々に減少させ、燃料ノズル１８に設けた第１の窒素供給系統２６aへの窒素供給割合を徐々に増加させ火炎温度の上昇を防いでサーマルＮＯｘの低減を図る。
【００７７】
このような構造および制御方法を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化複合発電プラントの全作動負荷範囲内において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、サーマルＮＯxおよびフュエルＮＯxの同時低減燃焼が可能となる。
【００７８】
尚、第２の窒素供給系統２６bは、図１１の実施形態のものに特に限定されず、図１２に示すように窒素供給ノズル２８をガスタービン車室27に設けるようにしても良い。
【００７９】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載の発明によると、ガス化ガス燃料中の窒素化合物を燃料改質部での無触媒還元反応により窒素に分解すると共にこの燃料改質部で分解されずにガス化ガス燃料中に残留した窒素化合物をガスタービン燃焼器の燃焼室の上流部で選択反応により分解させるようにしているので、燃焼過程での窒素化合物に起因するサーマルＮＯｘの発生が抑制でき、発電プラントから排出される窒素酸化物を大幅に低減することが可能である。したがって、ガスタービンの下流において燃焼ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝設備を取り除いたりあるいは大幅に縮小して、環境保全性を満足しつつプラントシステムの簡素化によるプラント建設コスト並びに運用コストを大幅に低減することが可能である。しかも、乾式精製を採用できるので発電プラントの一層の熱効率向上を図ることができる。
【００８０】
また、請求項２記載の改質型ガス化ガス発電プラントによると、ガス化炉で発生した高温ガス化ガス、ガスタービンを回転させた後の排ガスあるいはタービン翼を冷却した後の冷却媒体を燃料改質部に導入して無触媒還元反応の熱源として有効利用することができるので、新たな熱源を用意する必要が無く発電プラント全体の熱効率を上げることができると共に運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００８１】
また、請求項３記載の改質型ガス化ガス発電プラントによると、燃料改質部を燃焼器内の上流部または燃焼器内筒と外筒の間の流路、または燃焼器尾筒外周部のいずれかに設けたことから、無触媒還元反応で必要とする熱を燃料改質部へ導く配管設備等を必要とせず、プラント建設が簡単でかつ設備コスト並びに運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００８２】
また、請求項４記載の改質型ガス化ガス発電プラントによると、燃料改質部をタービン翼内部に設けたので、無触媒還元反応で必要とする熱を燃料改質部へ導く配管設備等を必要とせず、プラント建設が簡単でかつ設備コスト並びに運用コストを大幅に低減することが可能であると共にタービン静翼の冷却に圧縮機の空気を使用する必要がなく、プラント熱効率の向上が図れる。
【００８３】
また、請求項５記載の改質型ガス化ガス発電プラントによると、ガス化ガス燃料の一部好ましくは半分程度を使って低温触媒下での窒素化合物の還元分解反応に用いる窒素酸化物を得ることができると共に、ガス化ガス燃料中の窒素化合物の分解反応量を減らすこと例えば１／２程度に減らすことができるので、窒素化合物の無触媒還元量を元の半分程度にして運用コストを大幅に低減することが可能である。しかも、燃料改質部に供給する窒素酸化物をプラント内で調達することができると共に、ガスタービン排気ガスを用いる場合の様に、排気ガス圧縮機等の大規模設備を設置する必要が無く、且つ、無触媒還元反応を利用することができ、脱硝設備を大幅に縮小もしくは削除できるため、プラント建設コストおよび運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００８４】
また、請求項６記載の発明によると、燃料改質部で分解しきれなかったガス化ガス燃料中の窒素化合物を更に第１及び第２の燃焼器での無触媒還元反応により分解して一層の分解反応率を達成してフュェルＮＯｘを大幅に低減できる。
【００８５】
また、請求項７記載の発明によると、第１の燃焼器で分解するガス化ガス燃料中の窒素化合物の量を減らすことができるので各段で供給する窒素酸化物が完全に分解される反応が実現でき、総量としてのＮＯの発生量を低減できる。
【００８６】
また、請求項８記載の発明によると、更に第２の燃焼器の上流端での無触媒還元反応が促進されるため、残留窒素化合物のＮＯへの転換率を一層低減できる。
【００８７】
さらに、請求項１０記載の改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法によると、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視して一定量以下になるように、ガス化ガス燃料の燃料改質部への供給割合を制御するので、ガスタービン燃焼器内での無触媒還元反応の分解を含めて窒素化合物を分解するのに必要なだけの窒素酸化物濃度を生成させ、余剰な窒素酸化物の発生を抑制することができる。
【００８８】
また、請求項１１記載の発明によると、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視して一定量以下になるように、燃料改質部あるいは第１の燃焼器と第２の燃焼器に供給する窒素化合物量を制御することにより、ガスタービン全負荷帯に渡り、より一層のＮＯx制御を図ることができると共に、ガスタービン排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度によっては、前記燃料改質部およびガスタービン下流における脱硝設備を縮小もしくは削除することができ、プラントの構成機器を少なくし、コスト低減を図ることも可能である。
【００８９】
また、請求項９記載の改質型ガス化ガス発電プラント及び請求項１２記載の改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法によると、フュエルＮＯxを低減できると同時に、プラントの熱効率の低下を招くことなく、燃焼安定性を確保しつつ、サーマルＮＯxを低減できる。即ち、火炎温度が高く火炎安定性に優れる起動用燃料を使った燃焼時並びに定格燃焼時には、第１の窒素供給系から燃焼室上流部のみに供給される窒素によって火炎の温度が下げられてサーマルＮＯｘの発生が抑制され、火炎温度が低くかつ火炎位置が変化し燃焼が不安定となり易い起動用燃料からガス化ガス燃料への切り替え時並びにガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には燃焼室上流部に集中させずに燃焼室全体に分散させて第２窒素供給系から供給される窒素によって、燃焼室上流部での燃焼温度を低下させずに火炎安定性を維持しながら燃焼ガス全体の温度を下げてサーマルＮＯｘの発生を抑制している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガス化複合発電プラントの第１の実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明に係るガス化複合発電プラントガスタービン燃焼器の一例を示す概略図である。
【図３】本発明に係るガスタービン燃焼器の空気配分の例を示すグラフである。
【図４】本発明に係るガス化複合発電プラントの第２の実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明に係るガス化複合発電プラントの第３の実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明に係るガス化複合発電プラントの第４の実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明に係るガス化複合発電プラントの第５の実施形態を示す概略図である。
【図８】本発明に係るガス化複合発電プラントの第６の実施形態を示す概略図である。
【図９】本発明に係るガス化複合発電プラントの第７の実施形態を示す概略図である。
【図１０】本発明に係るガス化複合発電プラントの第８の実施形態を示す概略図である。
【図１１】本発明に係るガスタービン発電プラントの第９の実施形態に使用されるガスタービン燃焼器の概略図である。
【図１２】本発明に係るガスタービン発電プラントの第９の実施形態に使用されるガスタービン燃焼器の他の例を示す概略図である。
【図１３】第９の実施形態に係るガス化複合発電プラントの運転方法を示す概略図であり、ガスタービンの起動および無負荷定格回転数から定格負荷までの間の窒素および燃料の供給割合を示す。
【図１４】一次燃焼域（燃焼室上流部）での当量比と燃料中の窒素化合物から窒素酸化物への転換率との関係を求めた実験結果を示すグラフである。
【図１５】窒素化合物と窒素酸化物との無触媒脱硝反応と窒素酸化物の供給量との関係を求めた実験結果を示すグラフである。
【図１６】無触媒還元反応に及ぼす酸素濃度の影響を示すグラフである。
【図１７】ＮＨ３-ＮＯ-Ｏ２-ＣＯ-Ｎ２ガスの反応系（Ｈ２，ＣＨ４は含まず）で、ＣＯ濃度を変化させた場合について、ＮＨ３とＮＯの濃度変化と反応温度の関係を調べた解析結果を示すグラフである。
【図１８】ＮＨ３-ＮＯ-Ｏ２-Ｈ２-Ｎ２ガスの反応系（ＣＯ，ＣＨ４は含まず）で、Ｈ２濃度を変化させた場合について、ＮＨ３とＮＯの濃度変化と反応温度の関係を調べた解析結果を示すグラフである。
【図１９】ＮＨ３-ＮＯ-Ｏ２-ＣＨ４-Ｎ２ガスの反応系（ＣＯ，Ｈ２は含まず）で、ＣＨ４濃度を変化させた場合について、ＮＨ３とＮＯの濃度変化と反応温度の関係を調べた実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１    圧縮機
２    酸素製造装置
３    ガス化炉
４    第２の燃料改質装置（燃料改質部）
４４  第１の燃料改質装置（燃料改質部）
５    ガス精製装置
６    第２のガスタービン燃焼器（ガスタービン燃焼器）
６６  第１のガスタービン燃焼器
７    ガスタービン
１０  発電機
１４  燃焼室
１９  燃焼器尾筒
２１  ガスタービン起動用燃料（灯油等）
２４  窒素噴射ノズル
２５  窒素旋回器
２６ａ  第１の窒素供給系統
２６ｂ  第２の窒素供給系統
３６  燃焼器外筒と内筒との間の流路
AO２  酸素を主体とするガス
AN２  窒素を主体とするガス
CG１  ガス化後のガス
CG２  ガス精製後のガス化ガス燃料
CG３  改質後のガス化ガス燃料
CG４  含有する窒素化合物を酸化して窒素酸化物に改質したガス化ガス燃料
CG５  第２の改質装置を通さずにバイパスしたガス化ガス燃料
CG６  ガス化ガス燃料CG４とバイパスしたガス化燃料CG５の予混合ガス
FG    燃焼室排出ガス
G     ガスタービン排気ガス
HAR   圧縮機の吐出空気
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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