JP2007091787A - 流動床ガス化装置の運転方法及び流動床ガス化装置、石炭ガス化複合発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 酸化炉およびガス化炉を安定して運転させることができて、凝集粒子の発生を防止することのできる流動床ガス化装置および石炭ガス化複合発電システムを提供することを目的とする。
【解決手段】 ガス化炉２から排出されたガス化残渣、脱硫炉３から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉４と、を具備する流動床ガス化装置６の運転方法であって、運転中、前記酸化炉４の出口におけるガス中の酸素濃度が所定値を維持するように、前記酸化炉４に石炭を供給することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、火力発電設備や燃料ガス製造設備等において石炭のガス化に使用される流動床ガス化装置およびこれを備えた石炭ガス化複合発電システムに関するものである。

従来から石炭火力プラントの発電効率向上のために、石炭ガス化複合発電システムの開発が進められており、たとえば、そのシステムの一例として、ガス化炉、脱硫炉、酸化炉、脱塵装置、ガスタービン、蒸気タービン、脱硝装置などから構成されたシステムが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２０００−２２７２０５号公報（図２）

しかしながら、このような従来の石炭ガス化複合発電システムでは、起動時に、酸化炉負荷１００％に相当する石炭が酸化炉に投入されて酸化炉が起動され、その後、ガス化炉が起動され、このガス化炉内のチャーやサイクロン灰が酸化炉に投入されて、酸化炉の燃料が石炭からチャー等に切り替えられると、酸化炉内への石炭の投入が停止されるようになっている。
酸化炉内への石炭の投入が停止されると、酸化炉へのチャー量やチャーの組成に変化が生じた場合（すなわち、カーボン量が多くなったり少なくなったりした場合）に、この変化に対応して酸化炉内の燃焼ガス（ガス）の酸素濃度（酸素量）が変化するようになり、ガス化炉に一定の酸素濃度を有する燃焼ガスが供給されず、ガス化炉の層温度や生成ガス発熱量が変動し、ガス化炉内で凝集粒子（アグロメレーション粒子）が形成されるようになる。
ガス化炉内や、石炭、流動床を形成するためのガス、石炭を燃焼させる酸素を含む燃焼ガス等を供給する配管内等にこのような凝集粒子が形成されると、それらの供給や装置内での物質流動がうまくいかなくなり、適正な温度調節や流動床形成、燃料の燃焼等が困難になってしまう。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、酸化炉およびガス化炉を安定して運転させることができて、凝集粒子の発生を防止することのできる流動床ガス化装置および石炭ガス化複合発電システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の流動床ガス化装置の運転方法は、固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉と、前記ガス化炉で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉と、前記ガス化炉から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉と、を具備する流動床ガス化装置の運転方法であって、運転中、前記酸化炉の出口におけるガス中の酸素濃度が所定値（約４％）を維持するように、前記酸化炉に石炭を供給することを特徴とする。
このような流動床ガス化装置の運転方法によれば、運転中、酸化炉の出口における酸素濃度が所定値に保たれるように、酸化炉に石炭が投入されるようになっていて、酸化炉の燃焼ガスの酸素量（組成）が安定化するとともに、酸化炉の下流側に位置するガス化炉に酸素濃度が所定値（約４％）に保たれたガスが供給されるようになり、ガス化炉の運転状態（層温度、生成ガス発熱量）が安定化するとともに、凝集粒子の発生が抑制されることとなる。

請求項２に記載の流動床ガス化装置は、固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉と、前記ガス化炉で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉と、前記ガス化炉から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉と、を具備する流動床ガス化装置であって、前記酸化炉の出口に、ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段が設けられているとともに、前記酸素濃度測定手段で測定された酸素濃度に基づいて、運転中、前記酸化炉に石炭が供給されるように構成されていることを特徴とする。
このような流動床ガス化装置によれば、運転中、酸化炉の出口における酸素濃度が所定値に保たれるように、酸化炉に石炭が投入されるようになっていて、酸化炉の燃焼ガスの酸素量（組成）が安定化するとともに、酸化炉の下流側に位置するガス化炉に酸素濃度が所定値に保たれたガスが供給されるようになり、ガス化炉の運転状態（層温度、生成ガス発熱量）が安定化するとともに、凝集粒子の発生が抑制されることとなる。

請求項３に記載の石炭ガス化複合発電システムは、請求項２に記載の流動床ガス化装置を具備してなることを特徴とする。
このような石炭ガス化複合発電システムによれば、凝集粒子の発生を防止することのできる流動床ガス化装置を具備しているので、石炭ガス化複合発電システムが常に良好な状態で運転され、システムの稼働率が向上するとともに、運転コストの低減が図られることとなる。

本発明によれば、運転中に、酸化炉の出口における酸素濃度が所定値に保たれるよう、酸化炉に石炭が投入されるようになっているので、酸化炉の燃焼ガスの酸素量（組成）を安定化させることができるとともに、ガス化炉の運転状態（層温度、生成ガス発熱量）を安定化させることができて、凝集粒子の発生を抑制することができる。
また、凝集粒子の発生が抑制されることにより、温度調節や流動床形成、燃料の燃焼等を良好な状態に維持することができる、
さらに、生成した凝集粒子を除去するために、装置を長時間停止する必要がなくなり、装置の稼働率を向上させることができる。

以下、本発明による流動床ガス化装置およびこれを備えた石炭ガス化複合発電システムの一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電システム１は、ガス化炉（「部分ガス化炉」とも呼ばれる）２、脱硫炉３、および酸化炉４からなる流動床ガス化装置６と、生成ガス冷却器７と、第１のサイクロン８と、精密脱塵装置９と、空気圧縮機１０と、ガスタービン燃焼器１１と、ガスタービン１２と、ガスタービン付き発電機１２ａと、排熱回収ボイラ１３と、煙突１４と、復水器１５と、蒸気タービン１６と、蒸気タービン付き発電機１６ａと、第２のサイクロン１７とを主たる要素として構成されたものである。

まず、本実施形態に含まれる主要な構成要素について概説する。
ガス化炉２は、石炭を石炭ガス化ガス（以下、「燃料ガス」という）に転換するためのものであって、このガス化炉２では、石炭と空気および酸化炉４からの燃焼ガスが供給され、石炭のガス化により、ＣＯやＣＨ_４およびＨ_２を可燃成分とする燃料ガスとチャーが生成される。なお、チャーとは石炭をガス化した際に残存する炭素質多孔材（未燃炭素および灰分を含む）のことである。
脱硫炉３は、燃料ガス中の硫黄分を石灰石中にＣａＳとして固定・脱硫するための炉であって、この脱硫炉３では、石灰石を用いて、ガス化炉２で生成した燃料ガス中に含まれるＨ_２Ｓの脱硫が行われる。次式に高温乾式石灰石脱硫の反応式を示す。
１）ＣａＣＯ_３→ＣａＯ＋ＣＯ_２（カルシネーション反応）
２）ＣａＯ＋Ｈ_２Ｓ→ＣａＳ＋Ｈ_２Ｏ
また、ＣａＳはそのまま排出すると大気中では吸湿しＨ_２Ｓを発生するため、酸化炉４で処理される。

酸化炉４はチャーを燃焼させるとともに、ＣａＳを酸化させるものであって、酸化炉４では、ガス化炉２から供給されるチャーの燃焼および脱硫炉３から供給されるＣａＳの酸化（石膏化（ＣａＣＯ_４化））が行われる。燃焼ガスはガス化炉２へ供給され、石炭灰および石膏は酸化炉４から排出される。
酸化炉４の出口側配管４ａには、酸化炉４から第２のサイクロン１７に供給されるガス（燃焼ガス）中の酸素濃度を測定する酸素濃度計（酸素濃度測定手段）１８が設けられているとともに、この酸素濃度計１８で測定されたデータは、制御器１９に出力されるようになっている。
一方、酸化炉４の入口側配管４ｂには、制御器１９からの信号によりその開度が調整される入口バルブ２０が設けられている。この入口バルブ２０は、酸素濃度計１８で測定された酸素濃度が高いときにはその開度が開放されて石炭がより多く供給されるようにし、反対に酸素濃度が低いときにはその開度が絞られて石炭があまり供給されないようにして、酸素濃度が所定値（約４％）に保たれるよう（一定に保たれるよう）になっている。
酸化炉４へは、酸化炉負荷の２０％〜４０％に相当する石炭が投入されるようになっている。

次に、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電システムの作用を説明する。
まず、ガス化炉２に石炭と酸化ガス（空気）を供給すると、ガス化炉２において、石炭が酸化ガス中の酸素と、酸化炉４からの燃焼ガスによりガス化される。これによって、石炭が燃料ガスとチャーとに転換される。生成したチャーは酸化炉４に送られる。次いで、燃料ガスは、脱硫炉３に送られる。脱硫炉３においては、石灰石が供給されて石灰石の流動床が形成され、燃料ガスは、その流動床の流動化ガスの役割を果たす。ここで、燃料ガス中の硫黄分（Ｈ_２Ｓ及びＣＯＳ）が石灰石中にＣａＳとして固定され脱硫が行われる。残存する脱硫剤であるＣａＳを含む石灰石は、酸化炉４に送られる。石灰石の抜き出し量は、図示しない脱硫剤移送装置により調整することができる。

脱硫後の燃料ガスは、生成ガス冷却器７で冷却された後、第１のサイクロン８に送られる。第１のサイクロン８では、ＣａＳ及び残存するチャーが分離されて酸化炉４に送られる。酸化炉４では、主として石灰石（脱硫剤）により流動床が形成される。この流動床にはチャーと石灰石等が供給される。流動床は、炉底から供給される空気と水蒸気とによって流動化される。流動床内では、チャーは燃焼反応によって速やかにガスと灰分に転換されるのに対して、石灰石中のＣａＳはゆっくりとＣａＳＯ_４に転換されるので、流動床の流動化粒子は石灰石が主体となる。酸化炉４には熱交換器４ｃが設置されており、流動床の熱を吸収することにより、流動床の温度が適正な温度（８５０℃〜１０５０℃）に維持される。この温度範囲では、ＣａＳをＣａＳＯ_４とする反応が生じるとともに、副反応で生じたＳＯ_２をＣａＯと反応させてＣａＳＯ_４とする反応が進行し、しかも灰や脱硫剤が軟化することがない。

酸化炉４から排出される燃焼ガスは、第２のサイクロン１７を経てガス化炉２に送られる。第２のサイクロン１７では、燃焼ガスから石膏及び灰分が除去される。一方、燃料ガスは、生成ガス冷却器７及び第１のサイクロン８を経て精密脱塵装置（「セラミックフィルタ」とも呼ばれる）９に送られ、この精密脱塵装置９で脱塵（除塵）される。そして、このガスは、ガスタービン１２のガスタービン燃焼器１１に送られる。ガスタービン燃焼器１１は、空気圧縮機１０からの空気で燃料ガスを燃焼させ、膨張側のタービンを回転させるとともにガスタービン付き発電機１２ａを回転させて発電を行う。タービンを回転させた後の排ガスは、排熱回収ボイラ１３へ送られて排熱回収が行われた後、煙突１４から大気中に放出される。

排熱回収ボイラ１３では排熱回収により蒸気が発生する。排熱回収ボイラ１３で発生した蒸気の一部は、図１において破線矢印で示すように、生成ガス冷却器７→酸化炉４の熱交換器４ｃ→蒸気タービン１６→復水器１５→排熱回収ボイラ１３の経路を循環するようになっている。また、蒸気が蒸気タービン１６を通過する際には、上述したガスタービン１２と同様、タービンを回転させるとともに蒸気タービン付き発電機１６ａを回転させて発電を行うようになっている。

このように、本実施形態では、運転中に、酸化炉４の出口における酸素濃度が所定値に保たれるよう、酸化炉４に石炭が連続して投入されるようになっているので、酸化炉４の燃焼ガスの酸素量（組成）を安定化させることができるとともに、ガス化炉２の運転状態（層温度、生成ガス発熱量）を安定化させることができて、凝集粒子の発生を抑制することができる。
また、凝集粒子の発生が抑制されることにより、温度調節や流動床形成、燃料の燃焼等を良好な状態に維持することができる、
さらに、生成した凝集粒子を除去するために、装置を長時間停止する必要がなくなり、装置の稼働率を向上させることができる。

なお、本実施形態ではガス化炉４の出口に酸素濃度計１８が設けられたものについて説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、この酸素濃度計１８の代わりに（あるいは酸素濃度計１８とともに）、出口側配管４ａに、酸化炉４から第２のサイクロン１７に供給される燃焼ガスの温度を測定するガス温度計（温度測定手段）を設けるようにすることもできる。
この場合には、燃焼ガスの温度が所定値（約４％）に保たれるよう（一定に保たれるよう）に、制御器１９により入口バルブ２０が調整されて、酸化炉４に石炭が投入されるようになっている。すなわち、燃焼ガスの温度が所定値よりも高い場合には、入口バルブ２０が絞られて投入される石炭の量が減少させられ、逆に燃焼ガスの温度が所定値よりも低い場合には、入口バルブ２０が開放されて投入される石炭の量が増加させられて、燃焼ガスの温度が一定に保たれるようになっている。
このように構成しても、酸素濃度計１８を設けた場合と同じ作用効果を得ることができる。

本発明による流動床ガス化装置の一実施形態を具備した石炭ガス化複合発電システムの概略構成図である。

符号の説明

１ 石炭ガス化複合発電システム
２ ガス化炉
３ 脱硫炉
４ 酸化炉
６ 流動床ガス化装置
１８ 酸素濃度計（酸素濃度測定手段）

Claims (3)

1. 固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉と、
   前記ガス化炉で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉と、
   前記ガス化炉から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉と、を具備する流動床ガス化装置の運転方法であって、
   運転中、前記酸化炉の出口におけるガス中の酸素濃度が所定値を維持するように、前記酸化炉に石炭を供給することを特徴とする流動床ガス化装置の運転方法。
2. 固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉と、
   前記ガス化炉で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉と、
   前記ガス化炉から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉と、を具備する流動床ガス化装置であって、
   前記酸化炉の出口に、ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段が設けられているとともに、前記酸素濃度測定手段で測定された酸素濃度に基づいて、運転中、前記酸化炉に石炭が供給されるように構成されていることを特徴とする流動床ガス化装置。
3. 請求項２に記載の流動床ガス化装置を具備してなることを特徴とする石炭ガス化複合発電システム。

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