JP2000345174A - 石炭ガス化発電プラント及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】酸素製造装置で製造した酸素、あるいは酸素富
化空気により石炭をガス化し、生成したガスを燃料とし
てガスタービンをまわす石炭ガス化発電プラントにおい
て、負荷変動に対応できるようにする。 【解決手段】ガスタービン圧縮機の抽気空気を用いて酸
素製造装置で酸素、あるいは酸素富化空気を製造し、こ
れを酸化剤に用いて石炭をガス化し、生成したガスを燃
料としてガスタービンを動かして発電を行う石炭ガス化
発電プラントにおいて、負荷上昇時にガスタービン圧縮
機からの抽気空気を直接ガス化炉へ供給し、負荷追従性
能を向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は酸素製造装置を有
し、酸化剤として酸素、あるいは酸素富化空気を用いて
石炭を部分酸化し、得られた石炭ガス化ガスを燃料とし
てガスタービンを用いて発電するプラントに関する。

【０００２】

【従来の技術】石炭を部分酸化し、得られる石炭ガス化
ガスを燃料としてガスタービンを用いて発電するプラン
トにおいて、酸素製造装置を有し、石炭ガス化用の酸化
剤として酸素を用いるプラントは、酸化剤として空気を
利用するプラントに比べると石炭ガス化に必要な高温が
容易に得られることから酸素製造による発電電力量の減
少に比べて酸素利用による発電電力量の増加量が大き
く、高効率なシステムとなっている。

【０００３】この酸素製造装置を有する石炭ガス化複合
発電プラントで負荷指令に応じて発電量を変化させる場
合、酸素製造の負荷追従特性が問題となる。これは酸素
製造装置が空気から酸素と窒素を分離する装置であり、
処理速度を急激に変化させることが困難なためである。
例えば酸素製造に蒸留法を用いる場合、蒸留は酸素と窒
素の沸点の違いを利用するので、まず常温の空気の温度
を−１９０℃まで下げる必要があることから大きな熱交
換器が不可欠である。また、気液平衡の理論で示されて
いるように酸素と窒素の分離効率の制約から、高純度の
酸素を得るためには蒸留工程を複数回繰り返さなければ
ならない。

【０００４】このような酸素製造装置を用いる石炭ガス
化発電プラントで負荷追従性能を向上させる取り組みと
しては、酸素製造装置自体の負荷追従性向上、及び石炭
ガス化発電プラント全体でのシステム構成最適化による
負荷追従性向上がある。

【０００５】まず、酸素製造装置自体の負荷追従性向上
の方法としては、精留塔外部の保冷槽内にバッファータ
ンクを設ける方法（特開平6−313674 号公報）が公知で
ある。但し、この方法ではバッファータンクが必要とな
るだけでなく、保冷槽の容量も大きくする必要がある。

【０００６】石炭ガス化複合発電プラント全体のシステ
ム構成を変更して負荷追従性を向上する方法としては、
酸素貯蔵タンクを設置する方法（特開昭63−57825 号公
報）が公知である。この方法では、酸素貯蔵タンクを酸
素製造装置の保冷槽外側に設置する場合は効率低下が著
しく、また、保冷槽内部に設置するとコストがかさむ。

【０００７】また、酸素製造装置は常時最大負荷で運転
し、石炭ガス化炉の負荷割合に応じて空気量を調整する
方法（特開昭57−207690号公報）も公知である。この方
法では負荷追従性の向上、酸素製造装置の容量低減が実
現されているが、石炭ガス化炉の最大負荷状態における
酸化剤中の酸素割合が最大効率を与える値よりは低くな
る。従って、この公知例は効率の点からは実用的ではな
い。

【０００８】上記したように従来技術による酸素製造装
置を有する石炭ガス化プラントで負荷指令に応じて負荷
変動運転する方法には問題点があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、石炭
を部分酸化し、得られた石炭ガス化ガスを燃料としてガ
スタービンを用いて発電するプラントにおいて、負荷追
従性能の低い酸素製造装置を有し、酸化剤として酸素、
あるいは酸素富化空気を用いる場合でも、発電量を負荷
指令に応じて変化させることができるようにすることに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の実施態様
は、空気を原料として酸素又は酸素富化空気を製造する
酸素製造装置と、該酸素製造装置で製造された酸素又は
酸素富化空気を酸化剤として石炭をガス化する石炭ガス
化炉と、該石炭ガス化炉で生成されたガスを燃料として
発電するガスタービン発電装置とを備え、該ガスタービ
ン発電装置におけるガスタービン圧縮機からの抽気空気
がガスタービン燃焼器と前記酸素製造装置及び前記石炭
ガス化炉へ導入されるようにした石炭ガス化発電プラン
トにおいて、前記ガスタービン発電装置の負荷上昇時に
前記ガスタービン圧縮機からの抽気空気が前記酸素製造
装置をバイパスして前記石炭ガス化炉へ導入されるよう
に構成したことにある。

【００１１】本発明においては、負荷指令と、酸素製造
装置及び石炭ガス化炉の状態とに基づいて、酸素製造装
置をバイパスして石炭ガス化炉へ導入される抽気空気の
流量を算出する制御装置を備えることが好ましい。

【００１２】また、ガスタービン圧縮機からの抽気空気
を酸素製造装置をバイパスして石炭ガス化炉へ導入する
ラインに流量調節弁を設け、前記制御装置からの指令に
基づいて該流量調節弁の開度が調整されるようにするこ
とが好ましい。

【００１３】本発明の他の実施態様は、空気を原料とし
て酸素又は酸素富化空気を製造する酸素製造装置と、該
酸素製造装置で製造された酸素又は酸素富化空気を酸化
剤として石炭をガス化する石炭ガス化炉と、該石炭ガス
化炉で生成されたガスを燃料として発電するガスタービ
ン発電装置とを備え、該ガスタービン発電装置における
ガスタービン圧縮機からの抽気空気をガスタービン燃焼
器と前記酸素製造装置及び前記石炭ガス化炉へ導入する
ようにした石炭ガス化発電プラントの運転方法であっ
て、該ガスタービン発電装置の負荷上昇時に、前記ガス
タービン圧縮機からの抽気空気を前記酸素製造装置をバ
イパスして前記石炭ガス化炉の酸化剤として導入するよ
うにしたことにある。

【００１４】石炭ガス化炉の一つのタイプとして、石炭
供給口と酸化剤供給口を上下二段に設けたものがある。
このタイプの石炭ガス化炉では、通常、石炭は上下の各
供給口へ均等に分配される。一方、酸化剤は、下段の供
給口の方に多目に入れる。このようにするのは、ガス化
炉のスラグタップが閉塞しないように、炉下部の領域を
高温に保持することからきている。石炭をガズ化するに
は自ずと適正な酸素，石炭の比率がある。この適正な比
率を保つように上段に供給する酸化剤の量をコントロー
ルする。本発明においては、上下二段の酸化剤供給口の
一方或いは両方にガスタービン圧縮機からの抽気空気を
導入することができる。但し、負荷変化スピードが早い
場合には、ガス化炉の下段側の酸化剤供給口にガスター
ビン圧縮機からの抽気空気を導入し、負荷変化スピード
が遅い場合には、上段の酸化剤供給口へガスタービン圧
縮機からの抽気空気を導入することが望ましい。

【００１５】負荷が目標とする状態に達したならば、ガ
スタービン圧縮機からの抽気空気を石炭ガス化炉へ供給
するのを止め、酸素製造装置へ供給するようにする。

【００１６】空気を原料として酸素又は酸素富化空気を
製造する酸素製造装置と、この酸素製造装置で製造され
た酸素又は酸素富化空気を酸化剤として石炭をガス化す
る石炭ガス化炉と、この石炭ガス化炉で生成されたガス
を燃料として発電するガスタービン発電装置とを備えた
石炭ガス化発電プラントの構成方式の一つに、ガスター
ビン発電装置のガスタービン圧縮機からの抽気空気を酸
素製造装置と石炭ガス化炉へ導入する方式がある。この
方式は特開平10−226791号公報及び特開昭58−80381 号
公報に示されている。本発明は、この方式のプラントに
おいて、ガスタービン圧縮機からの抽気空気を、酸素製
造装置に供給せず、石炭ガス化炉へ直接導入するバイパ
スラインを設け、負荷上昇時にガスタービン圧縮機から
の抽気空気の一部をこのバイパスラインを通して石炭ガ
ス化炉へ導入する。また、このバイパスラインには流量
調節弁を設置し、前記バイパスラインを流れる前記抽気
空気の流量を負荷指令及び前記石炭ガス化炉の状態をも
とに算出する制御装置を設け、この制御装置からの指令
に基づいて前記バイパスラインを流れる前記抽気空気の
流量をコントロールする。

【００１７】

【発明の実施の形態】（実施例１）まず、図１を用いて
本発明で対象とする石炭ガス化複合発電プラントの構成
を示す。このシステムは大きく石炭供給部１００，酸素
製造装置２００，石炭ガス化部３００，ガス精製部４０
０，発電部５００から構成される。石炭供給部100から
供給される石炭１と酸素製造装置２００から供給される
酸化剤（酸素あるいは酸素富化空気）２を石炭ガス化部
３００において反応させ、生成した水素と一酸化炭素を
主成分とする石炭ガス化ガス６をガス精製部４００にお
いて脱塵，脱硫し、この精製ガス７を燃料として発電部
５００において発電するシステムである。本実施例では
発電部に、ガスタービン５１３だけでなく、ガスタービ
ンの排熱を利用して蒸気タービン５２０を駆動する方式
を示すが、ガスタービンだけを用いて発電部を構成して
もよい。

【００１８】次に各部の詳細について説明する。石炭供
給部１００は石炭バンカ１０１，ミル１０２，ロックホ
ッパ１０３で構成される。石炭バンカ１０１は石炭を保
管する施設である。ミル１０２は石炭をたとえば１００
メッシュアンダー９０％に粉砕し、粗粘物を除去する装
置である。ロックホッパ１０３は微粉石炭を酸素製造装
置２００からの副産物である窒素５によって加圧し、ガ
ス化炉バーナへ供給するための装置である。

【００１９】酸素製造装置２００はガスタービン圧縮機
５１１から抽気した抽気空気４を冷却して空気中の窒素
と酸素を沸点の違いを利用して分留する装置である。酸
素供給弁９３はシステムの稼動状況に応じて酸化剤であ
る酸素あるいは酸素富化空気の供給量を制御するための
バルブである。

【００２０】石炭ガス化部３００は石炭ガス化炉３１
０，熱回収部３２０から構成される。石炭ガス化炉３１
０は石炭１及び酸化剤２を供給するための下段バーナ３
１１，上段バーナ３１２，反応ガスを冷却するための熱
回収部３２０，石炭灰分が溶融して生じるスラグを捕集
するためのスラグ水冷槽３３０を備えている。固化した
スラグはライン１１により排出される。

【００２１】ガス精製部４００はサイクロン４１０，ダ
ストフィルター４２０，脱硫装置４３０，ガス−ガス熱
交換器４４０から構成される。サイクロン４１０及びダ
ストフィルター４２０は石炭ガス化ガス中の固体微粒子
を捕集するための装置であり、脱硫装置４３０は反応ガ
ス中の硫化水素を除去するための装置であり、湿式法と
乾式法のいずれを用いてもよい。湿式脱硫法としては脱
硫剤としてメチルジエタノールアミンなどの吸収剤を用
いる化学吸収法，セレクソールなどの吸収剤を用いる物
理吸収法などがある。また、炭酸カルシウム、あるいは
酸化亜鉛の微粉粒子によって硫化水素を直接固定する乾
式脱硫法を用いることもできる。

【００２２】発電部５００はガスタービン圧縮機５１
１,燃焼器５１２,ガスタービン５１３，排熱回収ボイラ
５３０，蒸気タービン５２０，復水器５５０，発電機５
４０から構成され、複合発電（コンバインドサイクル発
電）を行う。ガスタービン圧縮機５１１は空気３を加圧
して圧縮空気を生成し、燃焼器５１２はこの圧縮空気で
精製された水素，一酸化炭素を主成分とする石炭ガス化
ガスを燃焼し、この燃焼ガスでガスタービン５１３を駆
動し、発電機５４０を回転させる。ここで、ガスタービ
ン圧縮機へ供給する空気量はインレットガイドベーン５
１４を用いて制御する。排熱回収ボイラ５３０はガスタ
ービン５１３の排ガス８から熱エネルギーを水蒸気１０
の形態で回収する装置である。この排熱回収ボイラ５３
０から得られた水蒸気１０によって蒸気タービン５２０
を駆動し、発電機５４０を回転させる。また、蒸気ター
ビン５２０を駆動した水蒸気１０は復水器５５０によっ
て液体１２に戻され、排熱回収ボイラ５３０及びガス化
炉熱回収部３２０に供給される。符号９は冷却水、符号
２０１，２０２は圧縮機を示す。

【００２３】図１のプラントにおいて、負荷上昇時には
石炭ガス化炉３１０に対して酸素製造装置２００で製造
される酸素又は酸素富化空気に、ガスタービン圧縮機５
１１からの抽気空気４を加えて供給する。このために、
図１に示されるようにガスタービン圧縮機５１１からの
抽気空気を石炭ガス化炉３１０へ供給するバイパスライ
ン２０、このバイパスラインを通して供給されるバイパ
ス空気量を制御するための流量調節弁９１，抽気空気を
加圧するための圧縮機２０３を備えている。ガスタービ
ン圧縮機から抽気された抽気空気をガス化炉へ導入する
ために、圧縮機２０３が必要である。この図１では酸素
製造装置からの酸素又は酸化富化空気とガスタービン圧
縮機からの抽気ガスを混合器２１で混合して上段バーナ
及び下段バーナの両方に供給しているが、抽気空気は上
段あるいは下段のいずれかにのみ供給し、他方には酸素
又は酸素富化空気のみを供給してもよい。この方法につ
いては実施例３〜５に示す。

【００２４】（実施例２）本実施例では図１に示す石炭
ガス化発電プラントの運用方法を示す。大まかには負荷
指令３１とプラントの状態量３０を制御部５０の制御値
算出関数器４０に入力して、酸素製造装置２００をバイ
パスしてガス化炉３１０へ供給するガスタービン抽気空
気量７１，酸素製造装置へ供給するガスタービン抽気空
気量７２，酸素製造装置からガス化炉へ供給する酸素量
又は酸素富化空気量７３，ガスタービン圧縮機へ供給す
る空気量７４を算出し、これらの値に基づいてコントロ
ーラ６１〜６４でそれぞれ流量調節弁９１，空気供給弁
９２，酸素又は酸素富化空気供給弁９３，インレットガ
イドベーン５１４を制御する。プラントの状態量は、具
体的には酸素製造装置の状態量と石炭ガス化炉の状態量
である。

【００２５】制御部の詳細は図２に示す。まず、流量調
節弁９１の制御方式について示す。負荷指令３１からガ
ス化炉が必要とする酸素量を算出する。これに対して酸
素製造装置出口での酸素又は酸素富化空気供給量，酸素
濃度を実測して、酸素製造装置による実酸素供給量を算
出する。前記必要酸素量と実酸素供給量との差から酸素
製造装置をバイパスしてガス化炉へ供給するガスタービ
ン抽気空気量（図中バイパス空気量）を算出する。ここ
で、空気をガス化炉に供給した場合、空気中には酸素の
約４倍の窒素が存在することから、高純度酸素を供給す
る場合よりもガス化炉温度は低下する。そこで、ガス化
炉状態として例えば炉内温度，スラグ流下状況を実測し
て、バイパス空気量を増やす補正を施す。以上のように
して求めたバイパス空気量の目標値をコントローラ６１
に入力し、流量調節弁９１を制御する。ここで、コント
ローラはバイパス空気量の実測値を測定しており、この
実測値と目標値の偏差を用いた比例積分制御方式によっ
て弁の開度を制御する装置である。

【００２６】空気供給弁９２は、負荷指令から酸素製造
装置で必要とする空気量を算出し、この空気供給量の目
標値をコントローラ６２に入力し、空気供給弁を制御す
る。ここで、コントローラはバイパス空気量の実測値を
測定しており、この実測値と目標値の偏差を用いた比例
積分制御方式によって弁の開度を制御する装置である。

【００２７】次に酸素又は酸素富化空気供給弁９３の制
御方式を示す。まず、負荷指令からガス化炉が必要とす
る酸素量を計算する。ここで、酸素製造装置の負荷追従
能力は低いので、前記計算した酸素量を酸素製造装置か
ら抜き出すと、酸素製造装置の圧力が急激に低下するお
それがある。そこで、酸素製造装置の状態として例えば
圧力，温度などを用い、前記計算した酸素量に補正を加
え、酸素製造装置の制約を越えない範囲内の酸素量とす
る。この値を目標値としてコントローラ６３に入力し、
酸素供給又は酸素富化空気弁を制御する。ここで、コン
トローラ６３は酸素供給量を実測しており、この実測値
と目標値の偏差を用いた比例積分制御方式によって弁の
開度を制御する装置である。

【００２８】インレットガイドベーン５１４は、ガスタ
ービン（ＧＴ）が必要とする空気量，酸素製造装置をバ
イパスしてガス化炉へ供給するバイパス空気量，酸素製
造装置へ供給する空気量を合計し、この値をコントロー
ラ６４に入力してインレットガイドベーンを制御する。

【００２９】（実施例３）本実施例ではガスタービン圧
縮機から抽気した空気をガス化炉へ供給する方式を示
す。まず図３を用いて機器構成を示す。ガスタービン圧
縮機から抽気した抽気空気４を酸素製造装置２００に通
すことなく、ガス化炉へ供給するバイパスライン２０に
は、上流側から順に遮断弁９５，流量調節弁９１，圧縮
機２０３，遮断弁９６が設置されており、バイパスライ
ンはガス化炉上段へ酸素を供給するラインの遮断弁９８
の下流にある混合器２１に接続されている。

【００３０】次に、これら機器の運用方法を示す。酸素
不足が発生する可能性のある負荷変化速度での負荷上げ
指令が入力された場合、バイパスライン上の遮断弁９
５，９６を開け、圧縮機２０３を起動する。そして制御
装置からの指令に基づいて流量調節弁９１により、バイ
パス流量を制御する。ここで、圧縮機２０３の回転数は
バイパス流量に合わせて制御する。

【００３１】（実施例４）本実施例ではガスタービン圧
縮機から抽気した空気をガス化炉へ供給する他の方式を
示す。まず図３を用いて機器構成を示す。ガスタービン
圧縮機から抽気した抽気空気４を酸素製造装置２００に
通すことなく、ガス化炉へ供給するバイパスライン２０
には、上流側から順に遮断弁９５，バイパス流量調節弁
９１，圧縮機２０３，遮断弁９６が設置されており、バ
イパスラインはガス化炉下段へ酸素を供給するラインの
遮断弁９７の下流にある混合器２１に接続されている。

【００３２】次に、これら機器の運用方法を示す。酸素
不足が発生する可能性のある負荷変化速度での負荷上げ
指令が入力された場合、バイパスライン上の遮断弁９
５，９６を開け、圧縮機を起動する。そして制御装置か
らの指令に基づいて流量調節弁９１により、バイパス流
量を制御する。ここで、圧縮機２０３の回転数はバイパ
ス流量に合わせて制御する。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば石炭を部分酸化し、得ら
れた石炭ガス化ガスを燃料としてガスタービンを用いて
発電するプラントにおいて、負荷追従性能の低い酸素製
造装置を有し、酸化剤として酸素、あるいは酸素富化空
気を用いる場合でも、発電量を負荷指令に応じて変化さ
せることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の石炭ガス化発電プラントの一実施例を
示す図である。

【図２】本発明の石炭ガス化発電プラントの運用方法の
一実施例を示す図である。

【図３】本発明の石炭ガス化発電プラントのバイパスラ
イン構成の一実施例を示す図である。

【図４】本発明の石炭ガス化発電プラントのバイパスラ
イン構成の他の一実施例を示す図である。

【符号の説明】

１…石炭、２…酸化剤、４…抽気空気、６…石炭ガス化
ガス、２０…バイパスライン、３０…プラントの状態
量、３１…負荷指令、４０…制御値算出関数器、５０…
制御部、６１〜６４コントローラ、１００…石炭供給
部、２００…酸素製造装置、２０３…圧縮機、３００…
石炭ガス化部、３１０…石炭ガス化炉、３１１…下段バ
ーナ、３１２…上段バーナ、４００…ガス精製部、５０
０…発電部、５１１…ガスタービン圧縮機、５１３…ガ
スタービン、５２０…蒸気タービン、５４０…発電機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 穐山 徹 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 森原 淳 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 3G081 BA02 BA13 BB00 BC07 BD00 DA21

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気を原料として酸素又は酸素富化空気を
   製造する酸素製造装置と、該酸素製造装置で製造された
   酸素又は酸素富化空気を酸化剤として石炭をガス化する
   石炭ガス化炉と、該石炭ガス化炉で生成されたガスを燃
   料として発電するガスタービン発電装置とを備え、該ガ
   スタービン発電装置におけるガスタービン圧縮機からの
   抽気空気がガスタービン燃焼器と前記酸素製造装置及び
   前記石炭ガス化炉へ導入されるようにした石炭ガス化発
   電プラントにおいて、前記ガスタービン発電装置の負荷
   上昇時に前記ガスタービン圧縮機からの抽気空気が前記
   酸素製造装置をバイパスして前記石炭ガス化炉へ導入さ
   れるように構成したことを特徴とする石炭ガス化発電プ
   ラント。
2. 【請求項２】請求項１において、前記負荷上昇時に、負
   荷指令と、前記酸素製造装置及び前記石炭ガス化炉の状
   態に基づいて、前記酸素製造装置をバイパスして前記石
   炭ガス化炉へ導入される抽気空気の流量を算出する制御
   装置を備えたことを特徴とする石炭ガス化発電プラン
   ト。
3. 【請求項３】請求項２において、前記ガスタービン圧縮
   機からの抽気空気を前記酸素製造装置をバイパスして前
   記石炭ガス化炉へ導入するラインに流量調節弁を設け、
   前記制御装置からの指令に基づいて該流量調節弁の開度
   が調整されるようにしたことを特徴とする石炭ガス化発
   電プラント。
4. 【請求項４】請求項１において、前記石炭ガス化炉が石
   炭供給口と酸化剤供給口をそれぞれ上下二段に有するタ
   イプであり、前記ガスタービン圧縮機からの抽気空気が
   前記酸素製造装置をバイパスして前記石炭ガス化炉の上
   段の酸化剤供給口へ導入されるようにしたことを特徴と
   する石炭ガス化発電プラント。
5. 【請求項５】請求項１において、前記石炭ガス化炉が石
   炭供給口と酸化剤供給口をそれぞれ上下二段に有するタ
   イプであり、前記ガスタービン圧縮機からの抽気空気が
   前記酸素製造装置をバイパスして前記石炭ガス化炉の下
   段の酸化剤供給口へ導入されるようにしたことを特徴と
   する石炭ガス化発電プラント。
6. 【請求項６】空気を原料として酸素又は酸素富化空気を
   製造する酸素製造装置と、該酸素製造装置で製造された
   酸素又は酸素富化空気を酸化剤として石炭をガス化する
   石炭ガス化炉と、該石炭ガス化炉で生成されたガスを燃
   料として発電するガスタービン発電装置とを備え、該ガ
   スタービン発電装置におけるガスタービン圧縮機からの
   抽気空気をガスタービン燃焼器と前記酸素製造装置及び
   前記石炭ガス化炉へ導入するようにした石炭ガス化発電
   プラントの運転方法であって、該ガスタービン発電装置
   の負荷上昇時に、前記ガスタービン圧縮機からの抽気空
   気を前記酸素製造装置をバイパスして前記石炭ガス化炉
   の酸化剤として導入するようにしたことを特徴とする石
   炭ガス化発電プラントの運転方法。