(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス化炉から発生した石炭ガス化ガスを精製しガスタービンに供給して複合発電を行う発電装置において、ガス化炉から発生する石炭ガス化ガスを高温状態で脱硫する高温脱硫装置と、前記石炭ガス化ガスを下流側で水洗する水スクラバ装置と、前記高温脱硫装置からの高温ガスを直接流すことにより蓄熱する蓄熱動作と、前記水スクラバ装置からのガスを直接流すことによりガスに放熱する放熱動作とを交互に行い、前記水スクラバ装置からのガスを前記高温脱硫装置からの高温ガス温度とほゞ同温度に回復させたガスを前記ガスタービン装置へ供給する蓄熱型熱交換装置とを設けたことを特徴とする石炭ガス化ガスによる発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の石炭ガス化ガスによる発電装置において、前記蓄熱型熱交換装置は、複数の蓄熱体と、各蓄熱体を蓄熱動作と放熱動作と待機中とに切り替えを行う制御手段とを備えたことを特徴とする石炭ガス化ガスによる発電装置。
【請求項３】
請求項２記載の石炭ガス化ガスによる発電装置において、前記蓄熱型熱交換装置の蓄熱体の待機中は、蓄熱体が高温脱硫装置の高温ガス温度まで加熱された状態での待機中と、蓄熱体が加熱されない状態での待機中が存在するものであることを特徴とする石炭ガス化ガスによる発電装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の石炭ガス化ガスによる発電装置において、前記蓄熱型熱交換装置は、蓄熱動作中の蓄熱体の出口温度が蓄熱動作終了時点で前記高温脱硫装置からの高温ガス温度とほゞ同等温度になるよう動作させるものであることを特徴とする石炭ガス化ガスによる発電装置。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の石炭ガス化ガスによる発電装置において、前記蓄熱型熱交換装置は、放熱動作中の蓄熱体の出口温度が放熱動作終了時点で前記高温脱硫装置からの高温ガス温度以下にならないよう動作させるものであることを特徴とする石炭ガス化ガスによる発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭ガス化ガスによる発電装置、特に、石炭を高温高圧下で酸素若しくは空気（酸素富化空気を含む）により部分酸化してガス化する石炭ガス化炉と、発生した石炭ガスを精製するガス精製装置と、ガスタービンを含む複合発電装置により発電を行なう発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
石炭ガス化炉で発生したガスは、硫黄分（Ｈ2Ｓ、ＣＯＳ）やアンモニア、ガス状金属物質等の不純物を含むためガスタービン燃料とする前にガス精製装置によりガス中の不純物を除去する必要がある。
【０００３】
従来技術として、図７に示す湿式ガス精製装置を用いたものが知られている。石炭ガス化炉７１は石炭を酸素若しくは空気の酸化剤により部分酸化して石炭ガス化する。ガス化炉７１から発生する石炭ガスは約４００°Ｃ以上で、この石炭ガス温度を間接熱交換装置（シェルアンドチューブ型、プレート型等）７２を経て、常温以下に低下させ水スクラバ装置７３等でアンモニア分の除去及びガス中不純物の除去を行い、その後湿式脱硫装置７４で脱硫液による硫黄分の除去を行い、ガスタービン装置７５へ供給するシステムである。間接熱交換装置７２により湿式脱硫装置７４で脱硫された脱硫後のガス温度の回復を図っても、装置サイズ及び経済性の観点からガスタービン７５へ供給できるガス温度は、約３００°Ｃ程度である。
【０００４】
図８は、乾式ガス精製装置を用いる方式を示し、石炭ガス化炉８１から発生する石炭ガスは約４００°Ｃ以上で、この高温状態で高温脱硫装置８２に通すことにより脱硫剤（酸化鉄、酸化亜鉛、チタン−亜鉛化合物等）に接触させ、硫黄分の除去を行ないガスタービン装置８３へ供給するシステムである。この場合は、石炭ガス化炉８１の出口温度（４００°Ｃ以上）とほゞ同程度の温度でガスタービン８３へ燃料ガスを供給できるが、高温脱硫装置８２ではガス中のアンモニア分、ガス状金属物質等の不純物が除去できない。
【０００５】
図９は、前記図８で説明した乾式ガス精製装置９２の後流側に間接熱交換装置（シェルアンドチューブ型、プレート型等）９３及び水スクラバ装置９４を設置し、アンモニア分の除去及びガス中不純物の除去を行う機能を付加したシステムである。間接熱交換装置９３により水スクラバ装置９４でアンモニア分及びガス中不純物を除去した後のガス温度の回復を図るが、間接熱交換装置９３の機能及び装置サイズ並びに経済性の観点からガスタービン装置９５へ供給できるガス温度は、約３００°Ｃ程度である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
石炭ガス化による発電装置においては、燃料ガスのガスタービンの入口温度が高い程、システム全体の熱効率が向上する。このため、上記図８の高温ガス精製システムが提案されている。この装置の作動温度は約４００°Ｃ以上であるが、ガス状の不純物が除去できない。燃料ガス中に不純物質が含まれると、ガスタービン翼の損傷、ガスタービン排ガスによる環境への影響などの問題がある。
【０００７】
また、ガス中不純物を除去するにあたって、上記図７または図９で採用されている水スクラバを用いた場合、水スクラバ動作温度は最高２２０°Ｃ以下となるため、間接熱交換器を使ってガスタービンへ供給する燃料ガスの温度を回復させるようにしているが、高々３００°Ｃ程度が現実的な温度であり、石炭ガス化炉の出口温度（４００°Ｃ以上）まで回復させることはできない。
【０００８】
また、前記間接型熱交換器では、ガス温度が低下する過程で熱交換器内にガスの不純物の析出現象（塩化アンモニウム等）が発生するため、連続的に装置の運転を行なうことができない。またガスタービンへの供給ガス温度を上昇させるためには間接熱交換器の大きさを著しく増加させなければならない。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題点を解決するため、脱硫及び不純物除去したクリーンなガスタービン供給燃料ガスの温度を石炭ガス化炉から発生する石炭ガス化ガス温度とほゞ同等な温度でガスタービンへ供給できる石炭ガス化ガスによる発電装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、石炭ガス化炉から発生する石炭ガス化ガスを高温状態で脱硫する高温脱硫装置と、前記石炭ガス化ガスを下流側で水洗する水スクラバ装置と、前記高温脱硫装置からの高温ガスを直接流すことにより蓄熱する蓄熱動作と、前記水スクラバ装置からのガスを直接流すことによりガスに放熱する放熱動作を交互に行い、前記高温脱硫装置からの高温ガス温度まで回復させた燃料ガスをガスタービン装置へ供給する蓄熱型熱交換装置とを設けた、ことによって達成される。
【００１１】
また、上記目的は、前記蓄熱型熱交換装置は、複数の蓄熱体と、各蓄熱体を蓄熱動作と放熱動作と待機中とに切り替えを行う制御手段とを備えた、ことによって達成される。
【００１２】
また、上記目的は、前記蓄熱型熱交換装置は、蓄熱体出口温度が蓄熱動作終了時点で前記高温脱硫装置からの高温ガス温度とほゞ同等になるよう動作させるものである、ことによって達成される。
【００１３】
上記手段によれば、石炭ガス化ガスは高温状態（約４００°Ｃ以上）で高温脱硫装置により脱硫剤と接触することにより硫黄分の除去が行なわれる。高温脱硫装置で脱硫された高温ガス（約４００°Ｃ以上）は、蓄熱型熱交換装置の蓄熱体を直接流れることにより蓄熱しながら下流側水スクラバ装置に至り水洗されてガス中のアンモニア分の除去及びガス中不純物の除去が行なわれる。蓄熱型熱交換装置の蓄熱体の蓄熱は、蓄熱体出口温度が高温脱硫装置からの高温ガス温度と同等（約４００°Ｃ以上）程度になるまで続けられる。前記下流側の水スクラバ装置で不純物除去が行なわれたクリーンガスは水洗処理で温度が低下しているが、前記高温ガス温度と同等（約４００°Ｃ以上）まで蓄熱加熱した蓄熱体を直接流れ、蓄熱体の放熱によりガス温度の回復を図る。この蓄熱体の放熱によりガス温度は、高効率で高温脱硫装置からの高温ガス温度と同等（約４００°Ｃ以上）程度まで容易に回復し高温状態でガスタービン装置へ供給される。
【００１４】
蓄熱型熱交換装置の蓄熱体は複数並設し、それを切り換えることにより蓄熱動作と放熱動作を交互に繰り返し、蓄熱は蓄熱動作終了時点で蓄熱体出口温度が高温脱硫装置からの高温ガス温度と同等程度まで蓄熱昇温し、また、この蓄熱体の放熱によって水スクラバ装置からのガス温度を高温脱硫装置からの高温ガス温度と同等程度にまで回復させて、ガスタービンに高温（約４００°Ｃ以上）のクリーンな燃料ガスとして供給することができる。複数の蓄熱体を切り替え動作させることより、一方が蓄熱動作中、他方が放熱動作中、また必要により待機中とするように切り替えることにより蓄熱と放熱を互いに独立に連続的に制御できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態の石炭ガス化ガスによる発電装置の構成を示すブロック図である。
【００１７】
図において、１は石炭と酸化剤を反応させて高温可燃ガスを発生させるガス化炉で、この石炭ガス化炉１で発生したガスは、硫黄分（Ｈ2Ｓ、ＣＯＳ）やアンモニア、ガス状金属物質等の不純物を含むため、ガスタービン燃料とする前にガス精製装置によりガス中不純物を除去する必要がある。高温ガス脱硫装置２は、ガス化炉１から発生する高温の石炭ガス化ガスを高温状態（約４００°Ｃ以上）で脱硫剤（酸化鉄、酸化亜鉛、チタン−亜鉛化合物等）と接触させ硫黄分を除去する。
【００１８】
更に石炭ガス化ガスは蓄熱型熱交換装置３を経て下流側に配置された水スクラバ装置４で処理される。この水スクラバ装置４は、導入ガスに水洗をしてガス中のアンモニア分の除去及びガス状金属物質等の不純物の除去を行なう。水洗処理によって温度が低下したガスは、蓄熱型熱交換装置３を通りガス温度を前記高温脱硫装置２の高温ガス温度（約４００°Ｃ以上）とほゞ同程度の温度にまで回復させ、クリーンな高温燃料ガスとしてガスタービン装置５に供給され、複合発電に供される。
【００１９】
図２は、前記石炭ガス化複合発電装置の詳細構成図である。ガス化炉１では、供給された石炭１１を高温高圧下で酸化剤１２として供給される酸素、空気若しくは酸素富化空気と反応させて高温の可燃性ガスを発生させる。反応過程で、石炭中の灰分の大半は溶融灰１３としてガス化炉より系外に排出される。一方発生した石炭ガス化ガスは高温（約１０００°Ｃ）であるためシンガスクーラ（ＣＧＣ）６により蒸気として熱回収され、高温脱硫装置２の動作温度（約３８０°Ｃ〜６４０°Ｃ）程度まで冷却される。
【００２０】
シンガスクーラ６によって発生した蒸気は、複合発電装置の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）７で発生した蒸気と合流し、蒸気タービン８により発電を行う。
【００２１】
発生した石炭ガス化ガス中には、チャー（未反応の炭素、水素及び石炭に含まれる灰分等）が固体として含まれているため、サイクロンフィルタ９によりガスとチャーとの分離を行い、回収されたチャーはガス化炉１に再投入される。固体分が除去された石炭ガス化ガス中の可燃成分は、ＣＯ，Ｈ2，ＣＨ4等であるが、石炭に起因する不純物質（Ｈ2Ｓ，ＣＯＳ，ＮＨ3，Ｃｌ、その他）を含有する。チャー分離後のガスは高温脱硫装置２に導かれ、高温状態でガス中の硫黄分（Ｈ2Ｓ，ＣＯＳ）が除去される。除去された硫黄分は石膏吸収塔１０で回収される。高温脱硫装置２の出口ガス温度は約４００°Ｃ以上を維持する。
【００２２】
高温脱硫装置２の出口ガス中には、硫黄分以外の不純物（ＮＨ3，Ｃｌ，その他ガス状金属物質等）が含まれ、これを除去する必要があるが、その前に高温ガスを蓄熱型熱交換装置３に導入する。蓄熱型熱交換装置３では、蓄熱、放熱、待機と切り替えられる複数の蓄熱塔を具備し、切り替えられた蓄熱塔は脱硫後の石炭ガスが塔内を流れ、蓄熱体（セラミック等）と直接接触することにより熱交換を行い、蓄熱材を加熱蓄熱する。蓄熱塔を流出する出口ガス温度は、蓄熱体の蓄熱状態によって初め７０°Ｃ程度から最終的には高温脱硫装置２の高温ガス温度の約４２０°Ｃ程度の範囲まで変化する。
【００２３】
蓄熱型熱交換装置３を通過した石炭ガス化ガスは、水スクラバ装置（水洗塔）４に送られ水洗され、ガス中不純物（ＮＨ3，Ｃｌ，その他）が除去される。水スクラバ装置４を通過したクリーンな石炭ガス化ガスは、再度蓄熱型熱交換装置３に流され、切り替えられた放熱塔内の蓄熱された蓄熱体と直接接触して放熱により熱交換して加熱され、蓄熱体が加熱されたほゞ高温脱硫装置２の出口温度（約４００°Ｃ以上）と同程度に加熱されその高温ガスがガスタービン５へ送られる。
【００２４】
このようにして、ガスタービン装置５では、不純物が取り除かれたクリーンな高温石炭ガス化ガスが供給され、この燃料ガスにより運転が行われ発電が行われる。またガスタービン装置５からの排気はＨＲＳＧ７に送られ、蒸気の発生を行った後、煙突１４から系外に排出される。ＨＲＳＧ７で発生した蒸気はシンガスクーラ６で発生した蒸気と合流し蒸気タービン８を駆動して発電を行う。
【００２５】
図３乃至６は、蓄熱型熱交換装置の機能の説明図であり、蓄熱体が第１塔から第４塔までの複数の場合の実施形態を示す。第１塔から第４塔まで並列的に配設され、各塔がバルブ切り替えにより下記（１）から（４）までの蓄熱、放熱及び待機の動作を交互に行う。
【００２６】
（１）高温脱硫装置２からの高温ガスと熱交換（蓄熱体の蓄熱動作）し出口ガスを水スクラバ装置４へ導入する動作中
（２）蓄熱体が高温脱硫装置の高温ガス温度にまで加熱された状態で待機中
（３）水スクラバ装置４からの温度低下ガスと熱交換（蓄熱体の放熱動作）し、高温脱硫装置２の高温ガスとほゞ同温度に加熱したクリーン石炭ガス化ガスを出口からガスタービン装置５へ供給する動作中
（４）蓄熱体が加熱されない状態で待機中
図３は、第１塔がバルブＡ，Ｄを開き（１）の蓄熱動作中、第２塔が（２）の待機中、第３塔がバルブＪ，Ｋを開き（３）の放熱動作中、第４塔は（４）の待機中を示す。
【００２７】
蓄熱動作中の第１塔は高温脱硫装置２からの高温ガスによって入口側は高温（図で白色部分）になるが流れるガスは次第に温度を下げ出口から水スクラバ装置４に導入される。時間経過にしたがって蓄熱体の蓄熱高温状態は徐々に出口側に広がって行き、第１塔全体が高温脱硫装置２からの高温ガスと同程度の温度（約４００°Ｃ以上）にまで蓄熱される。また放熱動作中の第３塔は水スクラバ装置からの温度低下ガスによって入口側は温度低下するが、高温加熱された蓄熱体を流れるガスは次第に加熱されて出口側では高温状態（約４００°Ｃ以上）を回復し高温クリーンガスになってガスタービン装置５に供給される。しかし、この第３の塔も時間経過にしたがって温度低下（図で黒色部分）が徐々に出口側に広がって行き蓄熱体の放熱が進んで行く。
【００２８】
図４は、第１塔の蓄熱体の蓄熱終了を示し出口ガス温度が高温脱硫装置２からの高温ガス温度とほゞ同温度（約４００°Ｃ以上）になった段階（水スクラバ装置４の入口ガス温度で検知）を蓄熱動作終了時点とする。この段階まで高温脱硫装置２から高温ガスを導入して蓄熱することにより、石炭ガス化ガス中の不純物は塩化アンモニウム等となって蓄熱体に一旦析出（析出温度は３００°Ｃ以下）するが、蓄熱体全体が図４の第１塔の状態に加熱（高温脱硫装置の高温ガス温、約４００°Ｃ以上）されることによって、塩化アンモニウムの昇華温度以上に達することにより、析出していた塩化アンモニウム等の不純物は蒸発して下流側の水スクラバ装置４に送られ、そこで水洗により水中に溶解し除去されるので、石炭ガス化ガスはクリーンなものとされる。
【００２９】
一方、高温脱硫装置２から高温ガスを導入して熱交換する蓄熱動作中の第１塔の蓄熱体は、蓄熱動作の最終段階で蓄熱体の温度を不純物質の昇華温度以上にすることで蓄熱体上の不純物沈着が無くなるため、蓄熱体の不純物の析出による多孔質閉塞が防止され、また放熱動作時の水スクラバ装置４からのクリーンガスへの蓄熱体上の析出物の飛散が防止され、ガスタービン装置５へは高温のクリーンガス供給が可能となる。
【００３０】
さらに、図４においては、第３塔の蓄熱体温度も低下して出口側温度も高温脱硫装置２からの高温ガス温度を維持できなくなるので、ガスタービン装置５への高温ガス（約４００°Ｃ以上）の供給が不可能となる放熱動作終了時期となっている。
【００３１】
図５では、ガスの流れを停止させずに蓄熱する塔の切り替えを第１塔から第４塔へ行うため、バルブＱ，Ｔ，Ｍ，Ｐを徐々に開き、それにつれてバルブＡ，Ｄ，Ｗ，Ｘを徐々に閉じる。また放熱する塔の切り替えを第３塔から第２塔へ切り替えを行なうため、バルブＲ，Ｆ，Ｇを徐々に開き、バルブＪ，Ｋ，Ｖを徐々に閉じる。
【００３２】
図６は蓄熱動作を第４塔へ、放熱動作を第２塔へと切り替えを完了し、第４塔に高温脱硫装置２から高温ガスを流して蓄熱しながら水スクラバ装置４に供給し、第２塔に水スクラバ装置４からクリーンガスを流して蓄熱体の放熱により加熱して高温ガスとしてガスタービン装置５へ供給する。このとき第１塔は蓄熱体が高温加熱された状態で待機中となり、第３塔は蓄熱体が加熱されない状態で待機中とされる。
【００３３】
蓄熱動作中の第４塔は高温脱硫装置２からの高温ガスによって入口側は高温になるが流れるガスは次第に温度を下げて出口側は温度低下状態にある。しかし時間経過にしたがって蓄熱体の蓄熱による高温状態は徐々に出口側に広がって行く。一方放熱動作中の第２塔は水スクラバ装置４からの温度低下ガスによって入口側は温度低下するが流れるガスは次第に高温の蓄熱体の放熱によって加熱されて出口側では高温状態を回復して高温ガスになってガスタービン装置５へ供給される。しかし、時間経過にしたがって蓄熱体の温度低下部分が徐々に出口側に広がって行く。
【００３４】
前記蓄熱動作中の第４塔の蓄熱動作終了時点で、蓄熱動作を第４塔から第３塔へ切り替え、また放熱動作中の第２塔は第１塔へ切り替えるようにする。なお、放熱動作の塔の切り替えは、ガスタービン装置５へ高温ガスを供給するために、放熱動作中の第２塔の出口ガス温度を検出して、それが高温脱硫装置２の高温ガス温度まで回復できない状態になる前の時点で切り替えを行う必要がある。蓄熱動作と放熱動作の切り替えは互いに独立して切り替え操作させてもよい。
【００３５】
蓄熱動作も放熱動作も切り替えられた蓄熱体に高温ガス及び温度低下ガスを直接流して熱交換させるものであるから極めて効率のよい熱交換を行なうことができ、ガスタービン装置へは常に高温状態のクリーンな燃料ガスを供給し効率の高い発電を行なうことができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ガスタービン装置へはクリーンで高温の石炭ガス化ガスを供給でき、高温ガス精製を用いた石炭ガスによる発電装置とほゞ同様な高い効率が得られ、不純物質によるガスタービン翼の損傷、ガスタービン排気ガス中の環境影響物質の低減がはかれると共に、管形、プレート形、拡大伝熱面型熱交換器を用いたシステムに比較し設備費の低減が図れる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のブロック構成図。
【図２】本発明の一実施形態複合発電装置の詳細構成図。
【図３】蓄熱型熱交換装置の機能説明図。
【図４】蓄熱型熱交換装置の機能説明図。
【図５】蓄熱型熱交換装置の機能説明図。
【図６】蓄熱型熱交換装置の機能説明図。
【図７】従来の発電装置のブロック図。
【図８】従来の発電装置のブロック図。
【図９】従来の発電装置のブロック図。
【符号の説明】
１…ガス化炉、２…高温脱硫装置、３…蓄熱型熱交換装置、４…水スクラバ装置、５…ガスタービン発電装置、６…シンガスクーラ、７…ＨＲＳＧ、８…蒸気タービン発電装置、９…サイクロ・フィルタ、１０…石膏吸収塔、１１…微粉炭供給、１２…ガス化剤供給、１３…スラグ、１４…煙突。
【図１】
0003848029.tif 000002
【図２】
0003848029.tif 000003
【図３】
0003848029.tif 000004
【図４】
0003848029.tif 000005
【図５】
0003848029.tif 000006
【図６】
0003848029.tif 000007
【図７】
0003848029.tif 000008
【図８】
0003848029.tif 000009
【図９】
0003848029.tif 000010