JP2012159031A

JP2012159031A - ガス化炉ガス利用発電システム

Info

Publication number: JP2012159031A
Application number: JP2011018786A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sakuno; 慎一作野; Koji Sasazu; 浩司笹津; Jin Nakatomi; 仁中富
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-08-23

Abstract

【課題】石炭ガス化燃料電池複合発電（ＩＧＦＣ）システム全体において二酸化炭素の回収率を高めるために、ガス化炉ガスのシフト反応に要する蒸気添加に起因する発電効率の低下を防止する。
【解決手段】石炭ガス化炉１から発生するガス化炉ガスを燃料として燃料極に導入する固体酸化物型燃料電池８と、この固体酸化物型燃料電池の燃料極８ａから排出される燃料電池排気燃料ガス中の二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素分離回収器７と、この二酸化炭素分離回収器からのオフガスを燃料としてガスタービン発電を行うガスタービン発電設備９と、このガスタービン発電設備から排出される高温排気ガスを熱源として蒸気発電を行う蒸気発電設備１３を備える。二酸化炭素回収率を高めるために、固体酸化物型燃料電池８と二酸化炭素分離回収器７との間にシフト反応器を設けることもできる。
【選択図】図１

Description

この発明は、石炭ガス化炉などのガス化炉において発生するガス（以下、ガス化炉ガスと言う。）を高度に効率よく、複合的に利用して発電を行うシステムに関し、二酸化炭素の分離回収による効率低下を抑え、システム全体での発電効率を高めるようにしたものである。

ガス化炉ガスを効率よく複合的に利用して高い発電効率で発電するシステムとして、石炭ガス化燃料電池複合発電システム（以下、ＩＧＦＣシステムと言う。）が提案されている。
図４は、このＩＧＦＣシステムの一例を示すもので、石炭ガス化炉１で発生したガス化炉ガスはサイクロン２、脱硫装置３などから構成される精製設備４に送られ、ここで、灰、硫黄化合物などが除去される。このガス化炉ガスは、約５０〜５５％（体積比、以下同じ）の一酸化炭素、約２０〜２５％の水素を主成分とし、窒素、二酸化炭素、メタンなどを少量含むものである。

ついで、精製されたガス化炉ガスはシフト反応器５に送られる。シフト反応器５には、後述する蒸気発電設備１３の蒸気系統から抽気した蒸気が経路６を経て送り込まれ、導入されたガス化炉ガス中の一酸化炭素の大部分が、以下のシフト反応により、前記蒸気（水分）と反応して、二酸化炭素と水素とに変換される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２

シフト反応器５から排出されるシフト反応器出口ガスはついで二酸化炭素分離回収器７に送られ、シフト反応器出口ガス中の大部分の二酸化炭素が分離回収される。分離回収器７での二酸化炭素の分離回収は、シフト反応器出口ガスをアミン溶液などの吸収液と気液接触させて、シフト反応器出口ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させて行うものであり、この吸収液が飽和となった際には、この吸収液を後述する蒸気発電設備１３の蒸気系統から抽気した蒸気により加熱して、二酸化炭素を分離し再生するようになっている。分離された二酸化炭素は、別途回収・貯留されるようになっている。

二酸化炭素分離回収器７で二酸化炭素が分離回収された後のオフガスは水素濃度が高いものとなっており、このオフガスは固体酸化物型燃料電池８の燃料極８ａに燃料として導入される。この固体酸化物型燃料電池８の空気極８ｂには酸化剤としての空気が送り込まれ、燃料極８ａに導入された前記オフガス中の水素、一酸化炭素が燃料となって反応し、発電が行われる。
固体酸化物型燃料電池８の燃料極８ａから排出される高温の燃料電池排気燃料ガスには水素、メタン、一酸化炭素の可燃成分が含まれており、この燃料電池排気燃料ガスはガスタービン発電設備９に付随する燃焼器１０に燃料として送られる。この燃焼器１０には、前記固体酸化物型燃料電池８の空気極８ｂから排出される高温の酸素含有ガスが酸化剤として送り込まれ、ここで燃料電池排気燃料ガスが燃焼する。

燃焼器１０から排出される燃焼ガスは、約８００℃以上の高温となっており、ガスタービン発電設備９のガスタービン１１に送られ、ガスタービン１１を回転駆動し、ガスタービン１１は発電機１２を駆動し、発電が行われる。
ガスタービン１１から排出される排気ガスはまだ約４００℃以上の高温を保っており、この排気ガスは、ついで蒸気発電設備１３を構成する排熱回収ボイラ１４に送られ、ここで蒸気を発生して熱回収され、自らは冷却されて１００℃以下となって、煙突１５から外部に排出される。
石炭ガス化炉１や排熱回収ボイラ１４で発生した蒸気は、蒸気タービン１６に送られ、これを回転駆動し、蒸気タービン１６は発電機１２を駆動して発電を行う。

この際、上述したように、石炭ガス化炉１や排熱回収ボイラ１４で発生した蒸気の一部を抽気（抜き出し）して経路６を介して前記シフト反応器５に送るようになっている。また、石炭ガス化炉１や排熱回収ボイラ１４で発生した蒸気の一部を同様に抽気して前記二酸化炭素分離回収器７に送り、この蒸気を二酸化炭素分離回収器７での二酸化炭素の分離回収を行うための熱源として利用するようになっている。

以上のように、このＩＧＦＣシステムでは、固体酸化物型燃料電池８、ガスタービン発電設備９および蒸気発電設備１３においてそれぞれ発電がなされ、システム全体では高い発電効率が期待できるとされている。
ところで、このＩＧＦＣシステムにおいて、前述のように、ガス化炉ガスに蒸気を添加してガス化炉ガス中の一酸化炭素をシフト反応器５において二酸化炭素と水素に変換している。これは、次段の固体酸化物型燃料電池８の燃料として水素を多く含むガスを用いることで固体酸化物型燃料電池８での発電効率が高くなって好ましいためである。

しかしながら、前記シフト反応器５に導入されるガス化炉ガスに添加される蒸気は前述のように、蒸気発電設備１３の蒸気系統で発生した蒸気の一部であり、この蒸気の抽気により蒸気発電設備１３での蒸気発電の出力が低下する問題が残されている。
この蒸気発電設備１３での発電出力の低下は、システム全体では、系外の蒸気供給源から蒸気を添加するシステムに比較して、約１０％程度の効率の低下を招くと推算されている。

また、ＩＧＦＣシステム全体での二酸化炭素の回収率を高くしようとすると、前記シフト反応器５および二酸化炭素分離回収器７に送る蒸気の排熱回収ボイラ１４からの抽気量が多くなり、二酸化炭素回収率を高くするとこれに応じて発電効率が低下することも知られている。

特開２００８−２９１０８１号公報

本発明における課題は、ＩＧＦＣシステム全体において二酸化炭素の回収率を高めるために、ガス化炉ガスのシフト反応に要する蒸気添加に起因する発電効率の低下を防止することにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、ガス化炉から発生するガス化炉ガスを燃料として燃料極に導入する固体酸化物型燃料電池と、この固体酸化物型燃料電池の燃料極から排出される燃料電池排気燃料ガス中の二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素分離回収器と、この二酸化炭素分離回収器からのオフガスを燃料としてガスタービン発電を行うガスタービン発電設備と、このガスタービン発電設備から排出される高温排気ガスを熱源として蒸気発電を行う蒸気発電設備を備えたことを特徴とするガス化炉ガス利用発電システムである。

請求項２にかかる発明は、前記燃料電池排気燃料ガスを導入して該排気燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応器をさらに設け、このシフト反応器からのシフト反応器出口ガスを前記二酸化炭素分離回収器に送り、前記シフト反応器出口ガス中の二酸化炭素を分離回収することを特徴とする請求項１記載のガス化炉ガス利用発電システムである。

請求項３にかかる発明は、前記ガスタービン発電設備は、燃焼器を備え、この燃焼器には前記二酸化炭素分離回収器からのオフガスを送る経路と前記固体酸化物型燃料電池の空気極から排出される酸素含有ガスを送る経路が接続され、前記二酸化炭素分離回収器からのオフガスを燃焼させて燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスをガスタービンに送るようにしたことを特徴とする請求項１または２記載のガス化炉ガス利用発電システムである。

本発明によれば、ガス化炉ガスをまず固体酸化物型燃料電池の燃料極に燃料として送って、酸化剤と反応させ発電することにより、固体酸化物型燃料電池の燃料極から排出される燃料電池排気燃料ガス中には二酸化炭素および水分（蒸気）が多く含まれ、一酸化炭素が減少することになる。このため、シフト反応器を設けなくとも、二酸化炭素分離回収器において大部分の二酸化炭素を分離回収できる。このため、シフト反応に必要な水分（蒸気）を添加する必要がなくなる。

また、シフト反応器を設けたシステムにあっても、ここでのシフト反応に必要とされる水分は、燃料電池排気燃料ガス中に含まれる水分で賄われるので、外部からシフト反応に必要は水分（蒸気）を供給する必要がない。
したがって、蒸気発電設備からの蒸気の抽気量が少なくなり、蒸気発電設備での発電効率が低下せず、システム全体の発電効率の低下が防止される。
さらに、二酸化炭素分離回収器における運転条件が１００℃以下の低温となるため、ここに導入された燃料電池排気燃料ガスが冷却され、これに含まれる水分が凝縮する。このため、二酸化炭素分離回収器の後段以降に送られるガス量が大幅に減少し、ガスタービン発電設備以降のガスの処理設備をコンパクトにすることができる。

本発明のガス化炉ガス利用発電システムの一例を示す概略構成図である。本発明のガス化炉ガス利用発電システムの他の例を示す概略構成図である。本発明のガス化炉ガス利用発電システムにおける送電端効率と二酸化炭素回収率との関係を示すグラフである。従来のガス化炉ガス利用発電システムの一例を示す概略構成図である。

図１は、本発明のガス化炉ガス利用発電システムの一例を示す概略構成図である。図１において、図４に示した構成部分と同一の構成部分には同一符号を付して、その説明を簡略化する。
石炭ガス化炉１からのガス化炉ガスは精製設備４により精製された後、固体酸化物型燃料電池８の燃料極８ａに送られる。固体酸化物型燃料電池８の燃料極８ａに導入されるガス化炉ガスの成分は、一酸化炭素と水素が大部分を占め、二酸化炭素は約１０％以下となっている。
固体酸化物型燃料電池８では、その燃料極８ａに供給されたガス化炉ガス中の一酸化炭素、水素が、空気極８ｂに導入された空気中の酸素を酸化剤として、これと以下のように反応して二酸化炭素と水になり、発電が行われる。

ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
ガス化炉ガス中の大部分の一酸化炭素と水素とが発電反応に使われるため、固体酸化物型燃料電池８の燃料極８ａから排出される燃料電池排気燃料ガスには、多くの二酸化炭素と水とが含まれる。

この燃料電池排気燃料ガスは、ついで二酸化炭素分離回収器７に送られる。二酸化炭素分離回収器７は二酸化炭素吸収塔と加熱再生塔とから構成され、二酸化炭素吸収液がこれら２基の塔を循環するようになっている。二酸化炭素吸収塔ではアミン溶液などの二酸化炭素吸収液と前記燃料電池排気燃料ガスとを気液接触させて、これに含まれる二酸化炭素を二酸化炭素吸収液に吸収させる。二酸化炭素吸収液が飽和に達すると、二酸化炭素吸収液を加熱再生塔に送り、排熱回収ボイラ１４から経路１７を経て送られる蒸気により二酸化炭素吸収液を加熱し、吸収液から二酸化炭素を放出して吸収液を再生し、再び二酸化炭素吸収液塔に送るようにする。この操作を繰り返すことで二酸化炭素が分離回収される。

なお、二酸化炭素の分離吸収は前述の吸収液を用いた化学吸収法以外に物理吸収法等を用いても良い。
ここでの二酸化炭素の分離回収率は、前述のように、吸収液の加熱に排熱回収ボイラ１４から抽気された蒸気を用いるため、システム全体の発電効率に影響を与えるので、大気中に放散可能な二酸化炭素量を勘案して決められる。

二酸化炭素分離回収器７から排出されるオフガスは、約２５〜３０％の水素、約２０％の二酸化炭素、約５〜８％のメタン、少量の一酸化炭素を含んでおり、このオフガスは、ついでガスタービン発電設備９の燃焼器１０に燃料として送られる。燃焼器１０には固体酸化物型燃料電池８の空気極８ｂから排出される高温の酸素含有ガスが酸化剤として送られ、二酸化炭素分離回収器７からのオフガス中のメタン、水素がここで燃焼する。

燃焼器１０から排出される燃焼ガスは、ガスタービン発電設備９のガスタービン１１に送られ、ガスタービン１１を回転駆動し、ガスタービン１１は発電機１２を駆動し、発電が行われる。
ガスタービン１１から排出される排気ガスはまだ約４００℃程度の高温を保っており、このガスは、ついで蒸気発電設備１３を構成する排熱回収ボイラ１４に送られ、ここで蒸気を発生し熱回収され、自らは冷却されて１００℃以下となって、その一部は凝縮水として除去され、気体成分は、煙突１５から外部に排出される。

排熱回収ボイラ１４で発生した蒸気は、蒸気タービン１６に送られ、これを回転駆動し、蒸気タービン１６は発電機１２を駆動して発電を行う。排熱回収ボイラ１４からは、前述のように、一部の蒸気が抽気され、経路１７を介して二酸化炭素分離回収器７に送られ、その二酸化炭素吸収液の再生に用いられる。

このような構成のガス化炉ガス利用発電システムにあっては、固体酸化物型燃料電池８の燃料極８ａから排出される燃料電池排気燃料ガスには、二酸化炭素および水分がかなりの量含まれることから、この燃料電池排気燃料ガスを直接二酸化炭素分離回収器７に導入することができる。このため、シフト反応に必要な蒸気を抽気する必要がなくなることから、蒸気発電設備１３での発電に用いる蒸気の損失がなくなり、蒸気発電設備１３の発電出力を維持でき、システム全体での発電効率が従来のシステムに比較して高いものとなる。ただし、二酸化炭素分離回収器７での二酸化炭素分離回収に要する蒸気の抽気は従来と同等となるが、システム全体としてみれば、従来のシステムに比較して蒸気の抽気は少なくて済む。

また、二酸化炭素分離回収器７でのプロセスが１００℃以下の低温のプロセスであることから、燃料電池排気燃料ガス中の水分がここで凝縮し、ガス量が減少する。このため、燃焼器１０から後段の排気ガスの処理をコンパクトにすることができ、設備コストを削減することも可能である。

さらに、この実施形態での発電システムでは、従来のシフト反応器を用いる必要がなく、固体酸化物型燃料電池８を上流側に、二酸化炭素分離回収器７を下流側に配置するだけでよく、設備コストが余分に必要となることもない。

図２は、本発明のガス化炉ガス利用発電システムの他の例を示す概略構成図である。図２において、図１と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この実施形態のシステムでは、二酸化炭素分離回収器７の前段にシフト反応器５を設け、固体酸化物型燃料電池８の燃料極８ａから排出される燃料電池排気燃料ガスをシフト反応器５に送り、このシフト反応器５の出口ガスを二酸化炭素分離回収器７に送るようにした点が、図１に示したシステムと異なるところである。

この実施形態のシステムでは、燃料電池排気燃料ガス中に残存する一酸化炭素がシフト反応器５において二酸化炭素に変換され、この二酸化炭素と燃料電池排気燃料ガス中に存在する二酸化炭素とが二酸化炭素分離回収器７にて分離回収され、二酸化炭素の分離回収率を高めることができる。
この場合でも、シフト反応器５でのシフト反応には、燃料電池排気燃料ガス中に多量に含まれる水分をそのまま利用できる。したがって、従来のシステムとは異なり、シフト反応器５でのシフト反応のための蒸気を排熱回収ボイラ１４から抽気して供給しなくとも良い。

以下、具体例を挙げる。
図１および図４に示した発電システムについて、シミュレーションを行い、ぞれぞれの発電効率を算出した。
シミュレーションのための設定条件は、表１に示した通りである。

図３には、このシミュレーションで得られた結果を示し、システム全体ので送電端効率と二酸化炭素回収率との関係をグラフとして示している。
送電端効率とは、発生した電力からシステム内で使用する電力を差し引いた電力と投入される熱量との比である。二酸化炭素回収率とは、ガス化炉ガス中の全炭素量と回収した二酸化炭素量との比である。
図３に示した結果から、本発明の発電システムでは、従来の発電システムに比較して、発電効率が高いことがわかる。なお、二酸化炭素回収率が０％では、本発明のシステムと従来のシステムの送電端効率が同じである理由は、二酸化炭素を回収しない場合は二酸化炭素分離回収器をバイパスするシステムとなり、従来のＩＧＦＣシステムとなることから送電端効率は同一となるためである。

１・・石炭ガス化炉、８・・固体酸化物型燃料電池、８ａ・・燃料極、８ｂ・・空気極、５・・シフト反応器、７・・二酸化炭素分離回収器、９・・ガスタービン発電設備、１０・・燃焼器、１３・・蒸気発電設備

Claims

ガス化炉から発生するガス化炉ガスを燃料として燃料極に導入する固体酸化物型燃料電池と、この固体酸化物型燃料電池の燃料極から排出される燃料電池排気燃料ガス中の二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素分離回収器と、この二酸化炭素分離回収器からのオフガスを燃料としてガスタービン発電を行うガスタービン発電設備と、このガスタービン発電設備から排出される高温排気ガスを熱源として蒸気発電を行う蒸気発電設備を備えたことを特徴とするガス化炉ガス利用発電システム。
前記燃料電池排気燃料ガスを導入して該排気燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応器をさらに設け、このシフト反応器からのシフト反応器出口ガスを前記二酸化炭素分離回収器に送り、前記シフト反応器出口ガス中の二酸化炭素を分離回収することを特徴とする請求項１記載のガス化炉ガス利用発電システム。
前記ガスタービン発電設備は、燃焼器を備え、この燃焼器には前記二酸化炭素分離回収器からのオフガスを送る経路と前記固体酸化物型燃料電池の空気極から排出される酸素含有ガスを送る経路が接続され、前記二酸化炭素分離回収器からのオフガスを燃焼させて燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスをガスタービンに送るようにしたことを特徴とする請求項１または２記載のガス化炉ガス利用発電システム。