JP3776603B2

JP3776603B2 - 石炭ガス化複合発電システム用酸化炉

Info

Publication number: JP3776603B2
Application number: JP29022398A
Authority: JP
Inventors: 稔彦瀬戸口; 祐一藤岡; 佳彦土山
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2018-10-13
Also published as: JP2000121007A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭ガス化複合発電システムに使用される酸化炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭火力プラントの発電効率向上のため、高度加圧流動床燃焼システムを使用した石炭ガス化複合発電システムの開発が進められている。このような発電システムは、石炭部分酸化炉（石炭ガス化炉）、脱硫炉、酸化炉（ＰＦＢＣ：加圧流動層燃焼炉）、脱塵装置、ガスタービン、蒸気タービン、脱硝装置等から構成されている。このようなシステムでは、石灰石脱硫の際にＣａＳが副生する。このＣａＳをそのまま廃棄すると、大気中の水蒸気と反応してＨ２Ｓ（硫化水素）を発生するため、酸化炉にてＣａＳＯ₄に酸化安定化する必要がある。しかし、酸化反応初期に粒子表面に生じるＣａＳＯ₄により、ガスの拡散が阻害されることがあった。このため、粒子内部まで酸化することが困難となり、ＣａＳを完全に酸化することができないおそれがあった。
【０００３】
これに対して従来は、酸化炉内を二分割し、互いに隣接するセル構造として、形成される流動層を二分割し、一方の流動層を高酸素雰囲気、他方を低酸素雰囲気として、ガス空塔速度差で層内粒子を循環させることとしていた。これによって、流動層内の粒子を循環させ、ＣａＳを高酸素雰囲気で酸化し、低酸素雰囲気でＣａＳＯ₄の還元分解を繰り返しながら粒子内部まで酸化するようにしていた。
酸化炉の温度コントロールは、チャーの燃焼、ＣａＳの酸化による発熱と、流動層内に挿入する伝熱管中の水あるいは水蒸気による除熱によるバランスで行う。上記二分割の流動層において、入熱量はチャー、ＣａＳの供給量により決まるが、除熱量は流動層内のガス空塔速度を変化させて流動層内の熱伝達係数を変化させることで変化させることができる。
【０００４】
上記酸素雰囲気は、従来酸化炉底から空気を送り込むことによって行っていた。ところが、流動層温度を調節する際にガス空塔速度を変化させると、二分割した流動層間のガス空塔速度の差も変化し粒子の循環量も変化することになる。すなわち、場合によっては、循環量が減少し、ＣａＳの酸化安定化を必ずしも効率的に行うことができなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に対して、高度加圧流動床燃焼システムを使用した石炭ガス化複合発電システムに使用される酸化炉であって、ＣａＳの酸化安定化を効率的に行うことができるようにした酸化炉を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、石炭部分酸化炉、酸化炉、及び石炭ガス化ガス中の硫黄分を除去するための脱硫炉を含む石炭ガス化複合発電システムに使用される石炭ガス化複合発電システム用酸化炉において、炉底部のガス供給口と、形成される流動層の中央部分のガス供給口とを具備し、上記酸化炉内を二分割し、互いに隣接するセル構造とし、上記形成される流動層を二分割し、一方の流動層を高酸素雰囲気、他方を低酸素雰囲気とし、高酸素雰囲気の形成される側のセルに、上記流動層の中央部分のガス供給口を設けることとしたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面に示した実施の形態を参照しながら本発明に係る酸化炉を説明する。
まず、図１は、本発明の適用される対象となる酸化炉について、その一形態を示す。この形態に係る酸化炉１では、空気供給口を炉底部の供給口２と、流動層の中央部分の供給口３の２ケ所とした点を特徴としている。
この酸化炉１では、目皿４の下部の炉底部から上記供給口２より空気を供給すると同時に水蒸気を水蒸気供給口５から供給する。目皿４の下は炉底部において風室６を構成する。この風室６の下部及び目皿４を貫通して石炭供給ノズル７の供給端８が目皿４の上に突出している。そして、目皿４に向けて部分酸化炉からチャーが供給ノズル９から供給される。また、脱硫炉からのサイクロン灰も目皿４に向けて供給ノズル１０から供給される。流動層の粒子は粒子排出管１２から排出されるが、流動層内の比較的重い粒子は、炉底粒子抜き出し口１１から抜き出される。排ガスは酸化炉排ガス出口１３から排出される。
【０００８】
酸化炉１では、石炭部分酸化炉からのチャーが供給ノズル９から供給され、脱硫炉からのサイクロン灰が供給ノズル１０から送給され、供給ノズル７から石炭が供給される。これらの供給された原料は、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流動層を形成する。そして、空気供給口２，３からの酸化ガス（空気）中の酸素により、上記チャーを燃焼させる。また、これとともに、ＣａＳをＣａＳＯ₄に転換し、それら酸化反応によって生じた反応熱で内蔵する熱交換器内の水又は水蒸気を加熱し、熱交換後のガスを排ガス出口１３から石炭部分酸化炉へ送給する。
【０００９】
ここで、２次空気供給口３の下側は低酸素雰囲気に保たれ、上側は２次空気供給口３からの空気によって高酸素雰囲気に保たれる。これによって、粒子が流動層内を上下に循環する間にＣａＳの酸化、ＣａＳＯ₄の還元分解が進みＣａＳ粒子は内部まで好適に酸化される。なお、空気供給口２から供給される空気と、２次空気供給口から供給される空気の割合は、１：９〜７：３であるが、好ましくは６対４とすることが好適である。
【００１０】
流動層における酸化操作は、投入されるＣａＳの一単位当たり５〜１０時間程度行うことが好ましい。重い粒子は順次抜き出し口１１から抜き出され、微細粒子は、排出管１２から排出されて行く。前述したように、燃焼排ガスは、排ガス出口１３から上記石炭部分酸化炉へ送給される。
【００１１】
図２に、上記した形態について説明した酸化炉が使用される石炭ガス化複合発電システムの一実施の形態を示す。この実施の形態は、ガスタービンからの排ガスから排熱回収を行う排熱回収装置の後流に脱硝装置を配設したタイプである。図２に示すように、この石炭ガス化複合発電システムは、石炭部分酸化炉２１、酸化炉２２、脱硫炉２３、ガスタービン２４、排熱回収装置２５、２５、脱硝装置２６及び煙突２７を含む。
【００１２】
まず、本実施の形態に含まれる主要な構成要素について概説する。
石炭部分酸化炉（ガス化炉）２１は、石炭を石炭ガス化ガスとチャーへ転換するための炉である。すなわち、この炉２１では、石炭とその生成チャーを流動化用の粒子とし、酸化炉２２からの燃焼排ガスと酸化ガス（一般的には空気）とを流動化用のガスとしている。これらの粒子とガスとによって流動層を形成する。そして、上記酸化炉燃焼排ガスと上記酸化ガスとに含まれる酸素により石炭を燃焼させる。燃焼により発生した二酸化炭素及び水蒸気と、上記酸化炉燃焼ガス中の二酸化炭素及び水蒸気とにより、石炭を石炭ガス化ガスとチャーに転換する。
この部分酸化炉２１で起こる主な反応は以下の通りである。
Ｃ＋ＣＯ₂ → ２ＣＯ
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋Ｈ₂
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のことである。
【００１３】
酸化炉２２の働きは、上記酸化炉２１について説明したと同様である。
脱硫炉２３は、上記石炭ガス化ガス中の硫黄化合物を石灰石中にＣａＳとして固定・脱硫するための炉である。石炭部分酸化炉２１に連結されており、投入される石灰石を流動化用の粒子とし、石炭部分酸化炉２１から導入された石炭ガス化ガスを流動化用のガスとして流動層を形成し、硫黄化合物の固定を行う。
この脱硫炉２３で起こる主な反応は以下の通りである。
ＣａＣＯ₃ → ＣａＯ＋ＣＯ₂
ＣａＯ＋Ｈ₂Ｓ → ＣａＳ＋Ｈ₂Ｏ
【００１４】
排熱回収装置２５には、一般的には排ガスボイラが用いられる。ガスタービン２４から排出された燃焼ガスの廃熱により水又は水蒸気を加熱して上記酸化炉２２の熱交換器へ送給する。
ガスタービン２４は、空気圧縮機３０からの空気により燃焼器３１で石炭ガス化ガスを燃焼させ、これによって回転する。なお、石炭ガス化ガスに適合するガスタービンであることが好適である。
【００１５】
次に、図２の石炭ガス化複合発電システムの作用を説明する。
まず、石炭部分酸化炉２１に石炭と酸化ガス（空気）を供給すると、部分酸化炉２１において、石炭が酸化ガス中の酸素と、酸化炉２２からの燃焼排ガスによりガス化される。これによって、ガス化ガスとチャーとに転換される。生成したチャーは酸化炉２２に送られる。
次いで、ガス化ガスは、脱硫炉２３に送られる。脱硫炉２３においては、石灰石が供給されて石灰石の流動層が形成され、石炭ガス化ガスは、その流動層の流動化ガスの役割を果たす。ここで、石炭ガス化ガス中の硫黄化合物（Ｈ₂Ｓ及びＣＯＳ等）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２２に送られる。石灰石の抜き出し量はオーバーフロー管により制御されており、石灰石供給量に見合う量が抜き出され、一定の流動層高を維持することになる。
【００１６】
脱硫後の石炭ガス化ガスは、サイクロン３６を経て、ガス冷却器３７に送られる。サイクロン３６では、ＣａＳ及び残存するチャーが石炭ガス化ガスから分離されて酸化炉２２に送られる。
酸化炉２２では、図１について前記したところによって処理が行われる。
酸化炉２２から排出される燃焼排ガスは、サイクロン３８を経て石炭部分酸化炉２１に送られる。サイクロン３８では、燃焼排ガスから石膏及び灰分が除去される。
一方、石炭ガス化ガスは、ガス冷却器３７で冷却された後、除塵装置として設けたセラミックフィルター３９で除塵される。ここで、約４５０℃付近となる。そして、このガスは、ガスタービン２４の燃焼器３１に送られる。燃焼器３１は、空気圧縮機３０からの空気で石炭ガス化ガスを燃焼させ、膨張側のタービンを回転させる。
そして、排ガスは排熱回収装置２５へと送られる。ここでは排熱回収が行われ、エネルギーを回収して図示しない蒸気タービンの動力源となり、発電を行う。
さらに、脱硝装置２６では、排ガスの脱硝が行われ、煙突２７から排ガスが排出される。
【００１７】
本発明に係る実施の形態
図３は、本発明に係る酸化炉の一実施の形態を示す。この実施の形態に係る酸化炉５１は、内部を互いに隣接する二分割したセル構造として流動層を二分割し、一方のセル５０Ａ内の流動層を高酸素雰囲気、他方のセル５０Ｂ内を低酸素雰囲気としている。そして、左右のセル５０Ａ，Ｂの、ガス空塔速度差で層内粒子を循環させることとしている。これによって、流動層内の粒子を循環させている。そして、本実施の形態では、高酸素雰囲気側のセル５０Ａにおいて、空気供給口を炉底部の供給口５２Ａ，Ｂと、流動層の中央部分の供給口５３の３ケ所とした点を特徴としている。
【００１８】
この酸化炉５１では、左右のセルの目皿５４Ａ，Ｂの下部の炉底部から上記供給口５２Ａ，Ｂより空気を供給すると同時に水蒸気を水蒸気供給口５５Ａ，Ｂから供給する。目皿５４Ａ，Ｂの下は炉底部において風室５６Ａ，Ｂを構成する。このうち一方の風室５６Ａの下部及び目皿５４Ａを貫通して石炭供給ノズル５７の供給端５８が目皿５４Ａの上に突出している。そして、目皿５４Ｂに向けて部分酸化炉からのチャーがセル５０Ｂの供給ノズル５９を経て供給される。また、脱硫炉からのサイクロン灰も目皿５４Ｂに向けてセル５０Ｂの供給ノズル６０から供給される。流動層内の比較的重い粒子は、炉底粒子抜き出し口６１から抜き出される。流動層上方の微細粒子は粒子排出管６２から排出される。排ガスは酸化炉排ガス出口６３から排出される。
【００１９】
酸化炉５１では、石炭部分酸化炉からのチャーが供給ノズル５９から供給され、脱硫炉からのサイクロン灰が供給ノズル６０から送給され、供給ノズル５７から石炭が供給される。これらの供給された原料は、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流動層を形成する。そして、空気供給口５２Ａ，Ｂ，５３からの酸化ガス（空気）中の酸素により、上記チャーを燃焼させる。また、これとともに、ＣａＳをＣａＳＯ₄に転換し、それら酸化反応によって生じた反応熱で内蔵する熱交換器内の水又は水蒸気を加熱し、熱交換後の燃焼排ガスを排ガス出口６３から石炭部分酸化炉へ送給する。
【００２０】
ここで、向かって左側のセル５０Ａ内の流動層を高酸素雰囲気、向かって右側のセル５０Ｂ内を低酸素雰囲気としている。そして、左右のセル５０Ａ，５０Ｂの、ガス空塔速度差で層内粒子を循環させることとしていた。これによって、流動層内の粒子を循環させている。このような酸素分布に加え、２次空気供給口５３の下側は低酸素雰囲気に保たれ、上側は２次空気供給口５３からの空気によって高酸素雰囲気に保たれる。これによって、左右のセル５０Ａ，Ｂ間での横方向の粒子の循環による酸素濃度の変化と、上下方向の酸素濃度の変化を得ることができる。これによって、ＣａＳの酸化、ＣａＳＯ₄の還元分解が進み、ＣａＳ粒子は内部まで好適に酸化される。なお、空気供給口２から供給される空気と、２次空気供給口から供給される空気の割合は、１：９〜７：３、好ましくは６対４とすることが好適である。
【００２１】
図３の実施の形態の酸化炉も図２について説明した石炭ガス化複合発電システムに適用することができる。また、図３に示した酸化炉は、その目的に沿う限り、他の形態の石炭ガス化複合発電システムにも適用することができる。
【００２２】
【実施例】
以下の試験条件で、本発明に係る酸化炉の運転を行った。
温度：９００〜１０５０℃
圧力：１０〜２０ａｔａ
出口Ｏ₂濃度：１〜４％
層高：１．０〜１．２ｍ
石灰石：井倉産石灰石、平均粒径０．３ｍｍ
図４に試験結果を示す。本発明に係る燃焼（二段燃焼）のほうが、従来（通常燃焼）よりも優れていることが了解される。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、高度加圧流動床燃焼システムを使用した石炭ガス化複合発電システムに使用される酸化炉であって、ＣａＳの酸化安定化を効率的に行うことができるようにした石炭ガス化複合発電システム用酸化炉が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される対象となる石炭ガス化複合発電システム用酸化炉の一実施の形態を示す概念図である。
【図２】本発明に係る酸化炉が使用される石炭ガス化複合発電システムの実施の形態を示す概念図である。
【図３】本発明に係る石炭ガス化複合発電システム用酸化炉の第２の実施の形態を示す概念図である。
【図４】本発明に係る石炭ガス化複合発電システム用酸化炉の試験結果を示すグラフである。

Claims

石炭部分酸化炉、酸化炉、及び石炭ガス化ガス中の硫黄分を除去するための脱硫炉を含む石炭ガス化複合発電システムに使用される石炭ガス化複合発電システム用酸化炉において、炉底部のガス供給口と、形成される流動層の中央部分のガス供給口とを具備し、上記酸化炉内を二分割し、互いに隣接するセル構造とし、上記形成される流動層を二分割し、一方の流動層を高酸素雰囲気、他方を低酸素雰囲気とし、高酸素雰囲気の形成される側のセルに、上記流動層の中央部分のガス供給口を設けることとしたことを特徴とする石炭ガス化複合発電システム用酸化炉。