JP5420371B2 - Ｃｏ２回収型ガス化発電システム - Google Patents

Description

本発明は、炭素系の燃料をガス化して燃焼させて発電する、二酸化炭素を除去する機構を備えた、ＣＯ２回収型ガス化発電システムに関する。

地球温暖化防止の観点から、二酸化炭素排出量の削減が国際的に求められている。化石燃料を燃焼させて発電する発電システムにおいて、該発電システムから排出される燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を分離、回収することは、二酸化炭素排出量の削減のための有効な手段の一つである。

例えば、非特許文献１には、酸素とＣＯ２をガス化炉に供給する石炭ガス化設備と、リサイクルした排ガスに酸素を混合して燃焼させるクローズドサイクルガスタービンを組み合わせた、ＣＯ２回収型石炭ガス化複合発電システムが開示されている。

このＣＯ２回収型石炭ガス化複合発電システムでは、リサイクルする排ガスの大部分はＣＯ２と湿分であるので、排ガスの一部を冷却することにより、湿分が凝縮し、高濃度のＣＯ２を比較的容易に分離することができる。

そのため、化学吸収や物理吸収によるＣＯ２分離方法と比較して、分離に必要なエネルギーが小さいという特徴がある。加えて、非特許文献１では、酸素とＣＯ２をガス化炉に供給する石炭ガス化設備を提示してある。

この概念は、特許文献１で新たに提示された概念であり、この特許文献１によると、排ガスから回収したＣＯ２を、燃料を搬送する用途と、ガス化炉への灰の付着などを防止するクエンチガスとしての用途に供することにより、ガス化炉内でＣとＣＯ２の吸熱反応によりＣＯの生成が促進される。

その結果、ガス化炉内の温度上昇を抑えた状態でガス化ガスを生成することができ、投入燃料の単位流量あたりの発熱量に対する、生成ガスの単位流量あたりの発熱量を高く維持することができ、ガス化ガスの温度上昇を抑制して灰の付着が生じ難いガス化炉を提供することができる。

前記非特許文献１に記載されたＣＯ２回収型高効率石炭ガス化複合発電システムは、システム全体としての発電効率を高めるために、クローズドサイクルガスタービンの排ガス系統に排ガスの熱を回収する排熱回収ボイラを設置し、この排熱回収ボイラから発生させた水蒸気により蒸気タービンを駆動して、発電機から電力を得る構成となっている。

このようなガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた発電システムは、コンバインドサイクルと呼ばれ、オープンサイクルのガスタービンとの組み合わせでは、広く実用化がなされている。

石炭ガス化複合発電システムでは、ガスタービンの排ガスだけでなく、ガス化炉からも排熱が発生するので、非特許文献１に記載されたＣＯ２回収型高効率石炭ガス化複合発電システムでは、ガス化炉から発生した排熱で水蒸気を発生させ、蒸気タービンに供給することにより、蒸気タービンの出力を増加させることに利用している。

非特許文献２には冷却ガス流量を評価する方法が開示されている。

また、排熱回収ボイラや蒸気タービンを用いずに高い発電効率を狙ったガスタービン発電システムとして、高湿分空気を利用したガスタービンシステムが特許文献２に開示されている。

また特許文献３及び特許文献４も高湿分空気を利用したガスタービンに関するものであるが、圧縮空気への加湿装置である増湿塔の下流側から加湿空気を分岐して冷却ガスとする技術が提案されている。

特開２００８−２９１０８１号公報 特許第４２８５７８１号公報 特開平１１−２５７００６号公報 特開２００５−１３３６５８号公報

白井裕三、ほか９名、「ＣＯ２回収型高効率石炭ガス化複合発電システムの提案とその課題」、電力中央研究所報告 Ｍ０７００３（２００７） Kristin Jordal, "Gas Turbine Cooling Modeling - Thermodynamic Analysis and Cycle Simulations", Licentiate Thesis, Department of Heat and Power Engineering, Lund Institute of Technology LUTMDN/TMVK-7034-SE (2000)

前記非特許文献１に記載されたＣＯ２回収型高効率石炭ガス化複合発電システムでは、ガスタービンの排ガスだけでなく、ガス化炉から発生した排熱で水蒸気を発生させて蒸気タービンに供給することにより、蒸気タービンの出力を増加させることに利用しているが、発電システムの構成が複雑になりすぎるという課題がある。

また、特許文献１乃至特許文献４に記載された高湿分空気利用ガスタービンシステムでは蒸気タービンを持たないため、ガス化炉から発生した排熱で水蒸気を発生させ、蒸気タービンによる発電に利用することができないという課題がある。

本発明の目的は、ＣＯ２回収型高効率石炭ガス化複合発電システムを簡易なシステム構成にして、ガス化設備と閉サイクルガスタービン設備とを組み合わせて高い発電効率を達成するＣＯ２回収型ガス化発電システムを提供することにある。

本発明のＣＯ２回収型ガス化発電システムは、炭素系の燃料と酸素の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉の内部にＣＯ２を投入する手段を備えたガス化設備と、前記ガス化設備から送出されるガス化ガスを燃料とする閉サイクルガスタービン設備を備えたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、前記閉サイクルガスタービン設備は、主にＣＯ２と湿分からなるガスを圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮されたガスを加湿する加湿装置と、該加湿装置で加湿されたガスと前記ガス化設備から送出されるガス化ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成した燃焼ガスを膨張させて動力エネルギーを取り出すタービンと、該タービンの排ガスにより前記加湿装置で加湿されたガスを加熱する再生熱交換器を備え、前記加湿装置は、前記ガス化炉から生成したガス化ガスから熱回収して生成した熱水を該加湿装置内部に供給して該圧縮機から吐出された吐出ガスと気液接触させる手段を備えていることを特徴とする。
また本発明のＣＯ２回収型ガス化発電システムは、炭素系の燃料と酸素の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉の内部にＣＯ２を投入する手段を備えたガス化設備と、前記ガス化設備から送出されるガス化ガスを燃料とする閉サイクルガスタービン設備を備えたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、前記閉サイクルガスタービン設備は、主にＣＯ２と湿分からなるガスを圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮されたガスを加湿する加湿装置と、該加湿装置で加湿されたガスと前記ガス化設備から送出されるガス化ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成した燃焼ガスを膨張させて動力エネルギーを取り出すタービンと、該タービンの排ガスにより前記加湿装置で加湿されたガスを加熱する再生熱交換器を備え、前記ガス化炉から生成したガス化ガスから熱回収して生成した水蒸気を、前記閉サイクルガスタービン設備の加湿装置の下流側となるガス流路に供給する手段を備えていることを特徴とする。
また本発明のＣＯ２回収型ガス化発電システムは、炭素系の燃料と酸素の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉の内部にＣＯ２を投入する手段を備えたガス化設備と、前記ガス化設備から送出されるガス化ガスを燃料とする閉サイクルガスタービン設備を備えたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、前記閉サイクルガスタービン設備は、主にＣＯ２と湿分からなるガスを圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮されたガスを加湿する加湿装置と、該加湿装置で加湿されたガスと前記ガス化設備から送出されるガス化ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成した燃焼ガスを膨張させて動力エネルギーを取り出すタービンと、該タービンの排ガスにより前記加湿装置で加湿されたガスを加熱する再生熱交換器を備え、前記ガス化炉から生成したガス化ガスから熱回収して生成した水蒸気を、前記タービンの内部に供給する手段を備えており、前記タービンの内部に供給された水蒸気は、タービン翼の冷却流体もしくはタービン構成要素のシール流体として用いられることを特徴とする。

本発明によれば、ＣＯ２回収型高効率石炭ガス化複合発電システムを簡易なシステム構成にして、ガス化設備と閉サイクルガスタービン設備とを組み合わせて高い発電効率を達成するＣＯ２回収型ガス化発電システムを実現することができる。

本発明の一実施例であるＣＯ２回収型ガス化発電システムを示す概略系統図。 図１に示した本発明の一実施例におけるガスタービンの概略部分断面図。 タービン翼の冷却に必要な冷却ガス流量を決定する手順を示すフローチャート。 タービンの各静翼および動翼の冷却に必要な冷却ガス流量の計算結果の一例。 タービンの各静翼および動翼入口での主流ガス温度の計算結果の一例。 各評価ケースの発電端効率の計算結果の一例。 本発明の他の実施例であるＣＯ２回収型ガス化発電システムを示す概略系統図。 本発明の更に他の実施例であるＣＯ２回収型ガス化発電システムを示す概略系統図。

本発明の実施例であるＣＯ２回収型ガス化発電システムについて図面を参照して以下に説明する。

図１は、本発明の一実施例であるＣＯ２回収型ガス化発電システムの構成を示す概略系統図である。

図１に示した本実施例のＣＯ２回収型ガス化発電システムでは、炭素系の燃料として、石炭を想定しており、ガス化設備部分の主要な構成機器は、石炭をガス化炉に投入可能な微粉炭状態に処理する石炭前処理設備３０と、石炭前処理設備３０から配管１１４を経由して微粉炭を受け入れて高温状態で酸素とＣＯ２によりガス化するガス化炉３１と、ガス化炉から発生するスラグ排水からスラグを分離・回収するスラグ処理設備３２と、ガス化炉３１で生成した高温のガス化ガスを、配管１１５を経由して導き、ガス精製に適した温度まで冷却するとともに、その排熱で水蒸気を生成するシンガスクーラー３３と、シンガスクーラー３３で冷却されたガス化ガスを配管１１６を経由して導き、硫黄分などの物質を除去するガス精製設備３４からなる。

クローズドサイクルガスタービンの主要な構成機器は、リサイクルガスを圧縮して吐出する圧縮機２と、圧縮機２から配管１１１、１１８を経由して導かれた圧縮されたリサイクルガスを加湿する加湿装置７と、燃焼ガスによって駆動されたタービン１から排出された排ガスを流下する排気ダクト１３の経路に設置され、排ガスを熱源として、加湿装置７で加湿されたリサイクルガスを加熱する再生熱交換器１２と、リサイクルガスに前記ガス精製設備３４から配管１１７を経由して供給されるガス化ガスを混合して燃焼する燃焼器４と、この燃焼器４で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービン１からなる。

圧縮機２とタービン１は軸１０１によって発電機１０２に接続されており、発電機１０２で発電した電力を系統に送電可能となっている。

圧縮機２から吐出されたリサイクルガスが加湿装置７に至る配管１１１には、圧縮により高温となったリサイクルガスを冷却しつつ、熱を回収する後置冷却器２１が設置されている。

加湿装置７を経たリサイクルガスは、配管４３によって再生熱交換器１２の被加熱流体入口に接続されている。また、再生熱交換器１２から排出される排ガスの経路となる排気ダクト１３には、排ガスから熱を回収して熱水を生成するエコノマイザ１６が設置されている。

前記加湿装置７には、配管５３を経由して、後置冷却器２１で生成した熱水が供給されるとともに、配管５２を経由して、エコノマイザ１６で生成した熱水が供給される構成となっている。

加湿装置７は、充填物７２を内蔵した容器であり、後置冷却器２１とエコノマイザ１６から配管５３、５２を通じて供給された熱水を充填物７２の上方に設置された液分散器（図示せず）から散布し、充填物７２の表面を流下する熱水と、充填物７２の下方から上向きに流れるリサイクルガスとの気液直接接触により、リサイクルガスが加湿される構造となっている。

加湿装置７の下部容器６２には、充填物７２表面を流下した水が収集され、ポンプ６３により加圧されて、再び配管５３および配管５２を経由してそれぞれ後置冷却器２１とエコノマイザ１６へ給水されるよう構成されている。

また、排ガスダクト１３のエコノマイザ１６の下流には、水回収装置１７で回収された回収水を、エコノマイザ１６から排出される排ガスにより加熱する回収水加熱器４０と、回収水加熱器４０から排出される排ガスを冷却して排ガス中の湿分を凝縮回収する水回収装置１７が設置されている。

水回収装置１７を通過した排ガスの一部は、リサイクルガスとして配管１１２を経由して吸気噴霧冷却装置１４に供給され、この吸気噴霧冷却装置１４で微細な水滴を噴霧された後、吸気ダクト３を経由して再び圧縮機２に吸入される構成となっている。

水回収装置１７を通過した排ガスの残りの部分は、配管１１３を経由してＣＯ２分離設備４２に導かれ、このＣＯ２分離設備４２で排ガスの圧縮と冷却の組み合わせにより、湿分は凝縮されて配管４８から回収されるとともに、凝縮しなかったＣＯ２は配管４９から抜き出され、そのＣＯ２の一部は配管５１を経由してガス化炉３１へ供給され、残りのＣＯ２は回収ＣＯ２として、配管５０を経由して図示しないＣＯ２処分設備に送出される構成となっている。

本実施例のＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいては、加湿装置７の下部容器６２の保有水は、ポンプ６３と配管５４を経由してシンガスクーラー３３に供給される構成となっている。

シンガスクーラー３３での熱交換によって生成した水蒸気は配管４４を経由して、加湿装置７の下流側の配管４３に合流するように接続されている。

配管４３のさらに下流側には、配管４５によってリサイクルガスをタービン１に供給するための分岐点が設けられている。配管４５によって供給されたリサイクルガスは、本発明の一実施例であるＣＯ２回収型ガス化発電システムを構成するタービン１の内部で、図２に示すタービン１の静翼８１ａ、８２ａ、８３ａ及び動翼８１ｂ、８２ｂ、８３ｂの冷却や、シールに利用する構造となっている。

配管４３のさらに下流側には、配管４６により燃焼に必要な酸素が供給される接続点が設けられている。配管４６から供給される酸素は、配管５５からガス化炉３１へ供給する酸素と同様に、図示しない酸素製造装置で製造したものである。

図２に示すように、タービン１は、タービン１の内部を流れる作動流体である燃焼ガス９９の流れに沿って複数段の静翼と動翼の翼列が設置されており、本実施例では４段の翼列を有している。そして各段の翼列は、周方向に複数枚の静翼をケーシングに備えた静止翼列と、周方向に複数枚の動翼をロータに備えた回転翼列とから成る。

タービン１のロータは燃焼ガス９９の流れに沿って上流側から第１段ディスク９０、スペーサ９１、第２段ディスク９２、スペーサ９３、第３段ディスク９４、スペーサ９５、第４段ディスク９６の順に連結されている。

そして、これらディスク９０、９２、９４、９６及びスペーサ９１、９３、９５をスタッキングボルト９７により強固に固定して、回転体であるロータを形成する。静翼と動翼の配置は、上流から順に第１段静翼８１ａ、第１段動翼８１ｂ、第２段静翼８２ａ、第２段動翼８２ｂ、第３段静翼８３ａ、第３段動翼８３ｂ、第４段静翼８４ａ及び第４段動翼８４ｂである。

そして、第１段動翼８１ｂは第１段ディスク９０に固定されている。同様に、第１段動翼８１ｂは第１段ディスク９０に、第２段動翼８２ｂは第２段ディスク９２に、第３段動翼８３ｂは第３段ディスク９４に、第４段動翼８４ｂは第４段ディスク９６にそれぞれ固定される。

さらに、図２において、各静翼を冷却する静翼冷却ガス８５と、各動翼を冷却する動翼冷却ガス８６は、図１に示したＣＯ２回収型ガス化発電システムの配管４５を経由して供給されたリサイクルガスである。

本実施例では、動翼冷却ガス８６をタービン１の下流側の軸端より導入する構造を想定した。タービン１の第１段ディスク９０は、軸方向への貫通部がない構造であるが、ディスク９２、９４、９６およびスペーサ９１、９３、９５には、軸方向に貫通部を有している。

それにより、タービン下流側の軸端に導入された動翼冷却ガス８６は、ディスクとスペーサの軸方向に設けられた貫通部空間をタービン上流側に向かって流動可能となる。そして、スペーサの半径方向に設けられたスリット等により第１段動翼８１ｂと第２段動翼８２ｂと第３段動翼８３ｂとの冷却流路入口に導かれる構造となっている。

これら動翼には、内部に冷却流路が形成されており、動翼を冷却した後の冷却ガスは、タービンのガスパス中に放出されるように前記動翼に流路が設けられている。

次に、静翼冷却ガス８５は、タービン１のケーシング８７に設けられた貫通部分から、ケーシング内部の空洞部分であるキャビティーを経由して、第１段静翼８１ａ、第２段静翼８２ａ、第３段静翼８３ａの冷却流路の入口にそれぞれ導かれる構造となっている。これら静翼も、内部に冷却流路が形成されており、静翼を冷却した後の冷却ガスは、タービンのガスパス中に放出されるように前記静翼に流路が設けられている。

次に図１および図２を用いて、本実施例のＣＯ２回収型ガス化発電システムの動作を説明する。

図１及び図２において、本実施例のＣＯ２回収型ガス化発電システムで燃料として想定した石炭は、石炭前処理設備３０で微粉炭状態に処理され、配管５１から供給されるＣＯ２により、微粉炭がガス化炉３１に搬送される。

ガス化炉３１では、図示しない酸素製造装置で製造され配管５５から供給される酸素と石炭の化学反応により高温のガス化ガスが生成される。

一方、配管５１から供給されるＣＯ２の一部は、ガス化炉３１の出口付近にクエンチガスとして投入され、生成ガスの温度を下げてガス化炉３１への灰の付着を防止する役割も果たす。

これらの結果、ガス化炉３１では、ＣＯ２が共存する状態で石炭と酸素が反応するため、ＣとＣＯ２によるＣＯの生成反応が促進される。この反応は吸熱反応であり、生成ガスの温度を高めることなく、石炭燃料の発熱量に対する生成ガスの発熱量を高く維持することができる。

また、従来の石炭ガス化システムでは、微粉炭の自然発火を防止する観点から、微粉炭の搬送に窒素ガスを用いていたが、搬送にＣＯ２を用いた場合も同様の機能を果たすことができる。ガス化炉３１で発生するスラグ排水は、スラグ処理設備３２でスラグを分離し回収する。

ガス化炉３１で生成した高温のガス化ガスは、配管１１５を経由して供給されたシンガスクーラー３３により、ガス精製に適した温度まで冷却するとともに、その排熱で水蒸気を生成する。

シンガスクーラー３３によって冷却されたガス化ガスは、配管１１６を経由してガス精製設備３４に供給され、図示しない脱塵装置で生成ガス中の灰分を除去し、図示しない脱硫装置で硫黄分が除去される。

本実施例では、乾式脱硫装置を想定しており、ガス化ガスを４００℃程度の高温のまま、ガスタービン系統へ供給することができる。仮に、湿式脱硫装置を想定した場合、脱硫剤を含む水とガス化ガスを気液接触する必要があり、脱硫後のガス化ガスは比較的低温となり、システム熱効率が若干低下する。

次に、本実施例のＣＯ２回収型ガス化発電システムに設置されたクローズドサイクルガスタービンの動作を説明する。吸気噴霧冷却装置１４で微細な水滴を噴霧されたＣＯ２を主成分とするリサイクルガスは、圧縮機２により約３ＭＰａまで圧縮される。

本実施例では、吸気噴霧冷却装置１４に流入するリサイクルガスの温度は３０℃、噴霧される微細な水滴の温度も３０℃であり、吸気ダクト３でリサイクルガスは冷却されないが、圧縮機２の内部でリサイクルガスが圧縮されて高温になるのに対応して、微細な水滴が順次蒸発して蒸発潜熱を奪うことから、リサイクルガスが連続的に冷却される作用がある。

この圧縮機２の内部でのリサイクルガスの冷却によってリサイクルガスの体積が減少する作用があり、圧縮機２の必要動力が低減し、その分だけ、同一の軸に連結されたタービン１の軸端出力が増加できる効果がある。

圧縮機２から吐出されるリサイクルガスは、配管１１１を経由して供給された後置冷却器２１によって冷却される。冷却する理由は、加湿装置７の充填物７２から流下する水の温度を低下させ、エコノマイザ１６への給水温度を低下させ、エコノマイザ１６での熱回収量を増加させるためである。

後置冷却器２１で冷却されたリサイクルガスは、配管１１８を経由して加湿装置７の充填物７２の下部から供給され、充填物７２の上方から散布されて流下する熱水と、充填物７２の表面で気液接触を繰返し、リサイクルガスが加湿される。

充填物７２の上方から散布された熱水は、加湿により蒸発した分の流量が減少し、蒸発しなかった水が加湿装置７の下部容器６２に収集される。下部容器６２に収集された水は、ポンプ６３により加圧されて、一部は配管５２を経由してエコノマイザ１６へ給水され、エコノマイザ１６で排気ダクト１３を流下するリサイクルガスにより加熱されて、再び加湿装置７の上部空間の液分散器に供給される。

一方、ポンプ６３により加圧された水の別の一部は、配管５３を経由して後置冷却器２１へ供給され、配管１１１を流下する圧縮機２の高温の吐出リサイクルガスにより加熱されて、再び加湿装置７の上部空間の液分散器に供給される。

ポンプ６３により加圧された水のさらに別の一部は、配管５４を経由してシンガスクーラー３３へ供給され、配管１１５を流下するガス化炉３１の高温のガス化ガスにより加熱されて蒸発し、水蒸気として配管４４により、加湿装置７の下流側の配管４３に合流する。

この加湿装置７の循環水は、加湿により減少してくるので、水回収装置１７で回収した水を配管５６を経由して補給する。

この加湿装置７の加湿により、リサイクルガスの流量と比エンタルピが増加する。このエネルギーの増加は、圧縮機２の必要動力の増加を伴わず、タービン作動流体の流量と比エンタルピが増加するため、ガスタービンとしての軸端出力が増加し、発電効率が向上する特徴がある。

また、シンガスクーラー３３で生成した水蒸気を追加することにより、リサイクルガスの流量と比エンタルピがさらに増加し、発電効率をさらに向上させることが可能となる。

加湿装置７で加湿されたリサイクルガスは、シンガスクーラー３３で生成した水蒸気が合流したあと、配管４３から分岐した配管４５によって翼冷却に使用するガスを分岐する。配管４５により翼冷却に使用するガスを分岐した位置よりも下流側の配管４３で、配管４６によって供給される燃焼に必要な酸素をリサイクルガスに添加する。

このリサイクルガスは、配管４３を経由して供給された再生熱交換器１２にて、排気ダクト１３を流下したタービン１の排ガスによって加熱されて、配管４７を経由して燃焼器４に供給される。この時、再生熱交換器１２で加熱される前のリサイクルガスの温度は２００℃以下であるが、加熱後のリサイクルガスの温度は６００℃以上とすることが可能であり、再生熱交換器１２での熱量の増加が大きく、燃焼器４での燃料を低減できることから、発電効率の大幅な向上が可能となる。

燃焼器４では、ガス精製設備３４から配管１１７を経由して送出された燃料とともに配管４７を経由して供給したリサイクルガスを燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成する。この高温の燃焼ガスは、タービン１に供給され、図２に示した静翼８１ａから動翼８４ｂまでを順次通過することにより、ブレイトンサイクルの膨張過程を経て、熱エネルギーが回転運動エネルギーに変換される。

回転運動エネルギーは、タービン１と同じ軸１０１に連結された圧縮機２を駆動することに消費されるとともに、同じ軸１０１に接続された発電機１０２により、電気エネルギーとして取り出される。

タービン１での膨張過程を経て排出された排ガスは排ガスダクト１３を経由して再生熱交換器１２に供給され、前記したリサイクルガスの加熱に利用される。さらに、再生熱交換器１２から排出された排ガスは、排ガスダクト１３に設置されたエコノマイザ１６で前記した配管５２を経由して供給される循環水を加熱し、さらに下流側の排ガスダクト１３に設置された回収水加熱器４０により、水回収装置１７で回収された回収水を加熱する。

回収水加熱器４０を通過した排ガスは、排ガスダクト１３を経由して水回収装置１７に入り、外部から供給された冷却水により、排ガスが冷却されて、排ガス中の湿分が凝縮される。

この凝縮水は、ポンプ４１により回収水熱交換器４０に移送され、加熱されたのちに配管５６によって加湿装置７の下部容器６２に補給される。水回収装置１７では、排ガスは３０℃まで冷却され、排ガスの成分は、３０℃の飽和水蒸気圧に対応した湿分を含むＣＯ２ガスとなる。

水回収装置１７を通過した排ガスの一部は、排ガスダクト１３と接続した配管１１２を経由して再び吸気噴霧冷却装置１４に供給され、圧縮機２により圧縮される。水回収装置１７を通過した残りの排ガスは、排ガスダクト１３と接続した配管１１３を経由してＣＯ２分離設備４２に供給され、このＣＯ２分離設備４２によって圧縮、冷却されて、湿分は凝縮水となり配管４８から排出され、ＣＯ２を主成分とする圧縮ガスは配管４９から取り出される。

配管４９から取り出されたＣＯ２を主成分とする圧縮ガスの一部は、配管４９に接続した配管５１を経由して再びガス化炉３１に供給され、ＣＯ２を主成分とする圧縮ガスの残りは、配管４９に接続した配管５０から図示しないＣＯ２処分設備に送出される。

加湿装置７の出口の配管４３から、配管４５によって分岐されたガスは、タービン１の翼冷却に利用される。即ち、配管４５によって分岐されたガスの一部は、図２の静翼冷却ガス８５として、第１段静翼８１ａ、第２段静翼８２ａ、第３段静翼８３ａの冷却流路に導かれ、対流熱伝達によりこれら静翼を冷却する。

これら静翼を冷却した後の冷却ガスは、タービン１のガスパス中に放出され、主流ガスと混合してさらに下流側の段で膨張する。配管４５によって分岐された残りのガスは、図２の動翼冷却ガス８６として、第１段動翼８１ｂ、第２段動翼８２ｂ、第３段動翼８３ｂの冷却流路に導かれる。

対流熱伝達によりこれら動翼を冷却した後、冷却ガスは、タービン１のガスパス中に放出され、主流ガスと混合してさらに下流側の段で膨張する。これら静翼冷却ガス８５あるいは動翼冷却ガス８６は、ここに示した流路以外にも、静翼と動翼の間隙など、タービン構成部材の微小な間隙に流入し、高温の燃焼ガスがこれら微小な間隙から漏れ出すことを防止する、シール流体としても作用している。

本実施例で、翼冷却に使用するガスを、配管４５によって導入した理由と効果を説明する。

燃焼ガス温度が１０００℃を超えるガスタービンでは、タービン翼材料の高温強度維持の観点から、タービン翼の内部に冷却流路を構成して冷却ガスを供給し、対流熱伝達により翼材料温度を許容値以下に冷却することが行なわれる。この冷却ガスとしては、タービン１の作動流体を圧縮する圧縮機２からの抽気が用いられることが多い。

しかし、圧縮機２から冷却ガスを抽気する場合、タービン入口の作動流体の流量が減少し、ガスタービンの出力と効率が低下するため、冷却ガスの流量は可及的に少ないほうが良い。

翼冷却に必要な冷却ガスの量は、冷却ガスの温度と比熱で決定され、なるべく低温で、なるべく比熱が大きい流体を用いることにより、少ない冷却ガスで翼を冷却することができる。但し、冷却ガスの温度が低すぎる場合、冷却後のガスも低温となるため、冷却後のガスが放出されるタービンの主流ガスも低温となってしまい、タービンから取り出す仕事量の観点からは最善ではない場合もある。

そこで、発明者らは、表１に示す評価ケースとして、ケース（１）〜（５）の５通りの系統構成から冷却ガスを分岐してタービンへ注入する場合におけるガスタービンの効率変化を検討した。計算で想定した各機器の動作条件は表２に示す通りである。

また、表３には、冷却ガスとしての燃料ガスの組成を示す。

表１に示すように、ケース（１）〜（５）で分岐するそれぞれの冷却ガスは比熱や温度がそれぞれ異なる。それぞれのケースで必要な冷却ガス流量を評価する方法は、図３に示す手順のタービン翼の冷却に必要な冷却ガス流量を決定する手順を示すフローチャートに基づいて行なった。なお、この方法は非特許文献２に示されている方法であり、詳細は割愛する。この手順で用いた翼冷却ガス流量の決定に想定した条件は表４に示した通りである。

これらの計算の結果、ケース（１）〜（５）で分岐する各静翼、動翼の冷却に必要な冷却ガス流量は図４に示すものとなった。また、そのときの各静翼、動翼入口での主流ガス温度は図５に示すとおりである。

本実施例の条件では、図５に示すように、ケース（５）以外では、第４段静翼、第４段動翼に接する作動流体の温度が８００℃以下になっており、第４段静翼、第４段動翼は冷却の必要が無い結果となった。

図４に示した冷却ガス流量よると、表１に示した主流ガスと冷却ガスの比熱の比が特に小さいケース（１）とケース（２）は、必要な冷却ガス流量が多くなっている。また、ケース（３）とケース（４）は、表１に示した冷却ガス温度や、主流ガスと冷却ガスの比熱の比が全ケース中で中間的な値であり、図４に示す冷却ガス流量の計算結果も、全ケース中で中間的な値となった。

一方、ケース（５）では、冷却ガス温度はやや高いものの、主流ガスと冷却ガスの比熱の比が他のケースの２倍程度の大きさであるため、必要な冷却ガス流量が最も少なくなった。

これらの計算の結果、各評価ケースの発電端効率は図６に示すものとなった。全体としては、冷却ガス流量が少ないものほど発電端効率が高い傾向がある。しかし、ケース（１）とケース（２）では、冷却ガス流量の大小と、発電端効率の高低関係が逆転している。理由として、図５の主流ガス温度の変化から判るように、ケース（２）の冷却ガス温度は最も低く、タービンの主流ガスの温度が低下して、タービン仕事が減少しているためと考えられる。

この図６からも判るように、ケース（３）、ケース（４）、ケース（５）の効率はほぼ同等であるものの、ケース（５）が最高効率となった。しかし、ケース（５）は、効率は最も高いものの、シンガスクーラー３３から水蒸気が生成されてから、即ちガス化炉３１が起動した後でなければ翼冷却ガスとして水蒸気を供給することができない特性があり、本実施例では加湿装置出口でシンガスクーラー３３の水蒸気が合流する前の位置から翼冷却ガスを抜き出す、ケース（３）を選択して例示した。

つまり本実施例により、シンガスクーラー３３が生成した水蒸気の混合箇所と、翼冷却ガスの分岐箇所の最適点が明らかになった。

次に、ケース（３）、ケース（４）では、燃焼用酸素を注入する位置は、加湿装置７出口のリサイクルガスの配管４３の、翼冷却ガスの分岐箇所より下流側とした理由と効果を説明する。

前記した非特許文献１のＣＯ２回収型高効率石炭ガス化複合発電システムでは、燃焼用酸素の注入位置は、リサイクルガスの圧縮機の出口配管とすることが示されている。

一方、本実施例では、リサイクルガスの圧縮機２出口の配管１１１には、後置冷却器２１、加湿装置７、シンガスクーラー３３の生成蒸気の合流点、翼冷却ガスの分岐点などが存在するため、加湿装置７出口下流の配管４３に配管４６を経由して燃焼用酸素を注入する注入位置を検討する必要がある。

プラントの熱効率のみに着目した場合、燃焼器４での燃焼に必要な酸素は、後置冷却器２１出口のリサイクルガスへ注入することが最適と考えられる。理由は、後述する実施例２で示すように、加湿装置７への流入ガス量が増加すると、加湿装置７で飽和まで加湿した場合の加湿量が増加するので、後置冷却器２１やエコノマイザ１６で、より多くの排熱が回収できるためである。

しかしながら、酸素を後置冷却器２１出口のリサイクルガスへ注入した場合、酸素が混入したリサイクルガスを配管４３から分岐した配管４５によって分岐して翼冷却ガスとして用いることになり、酸素の燃焼反応が起きないため、タービン１の排ガス中に酸素が混入することになる。

本実施例では、ＣＯ２分離設備４２において、大部分がＣＯ２と湿分からなるリサイクルガスから湿分を除去してＣＯ２を分離回収するため、リサイクルガスに酸素が混入すると、分離したＣＯ２に酸素が混入することとなる。その場合、ＣＯ２分離設備４２では、ＣＯ２以外の余分な成分を圧縮・冷却することとなり、無駄な動力を消費する。

また、酸素を注入する配管４６から、実際に燃焼に必要な量よりも多量の酸素を供給する事になるため、酸素製造装置の動力を多く消費し、発電設備としては、送電端効率が低下することになる。

したがって、本実施例では、燃焼器４での燃焼に必要な酸素は、加湿装置７出口のリサイクルガスの配管４３の、翼冷却ガスの配管４５が分岐する位置より下流側の配管４３の位置に配管４６を接続して酸素を注入することが重要となる。

本実施例では、後置冷却器２１とエコノマイザ１６が設置されているが、どちらか一方だけの設置でも実現可能である。後置冷却器２１を削除した場合、加湿装置７へ供給するリサイクルガスの温度が上がるため、加湿装置７の充填物７２から下部容器６２へ流下する散布水の水温が上昇する。その結果、エコノマイザ１６への給水温度が上昇するので、エコノマイザ１６での排熱回収量が減少し、システムとしての熱効率が多少低下する。

また、エコノマイザ１６を削除した場合、加湿装置７へ供給する熱水のエネルギーが減少するので加湿装置７による加湿量が減少し、システムとしての熱効率が多少低下する。

また、本実施例では、排気ダクト１３に水回収装置１７を設置したが、これを削除することも可能である。その場合は、吸気噴霧冷却装置１４に供給するガスの温度を必要な温度まで冷却するために、熱交換器が別途必要となる。また、排ガスから水が回収されないために、加湿装置７で消費する水を外部から供給する必要がある。

また、本実施例では、吸気噴霧冷却装置１４を設置したが、これを削除することも可能である。その場合は、圧縮機２の内部での冷却作用が得られないため、圧縮機２の途中段に中間冷却器を設置するなどの代替手段を講じればよい。

また、本実施例では、炭素系の燃料として、石炭を想定したが、ガス化設備によりガス化できる炭素系の燃料、例えばバイオマスや重質油も利用可能である。木屑などのバイオマスの場合には、技術的には、石炭よりも比較的低温でガス化可能であるが、ガス化ガスからタール分などの除去が必要となる。

一方、バイオマスはカーボンニュートラルであるので、発電時にＣＯ２の排出を抑制するだけでなく、過去に大気中に放出されたＣＯ２を回収する効果があり、地球温暖化防止効果は大きなものとなる。

また、石油精製時の残渣油やアスファルト、オリノコタールなどの重質油は、比較的高温でのガス化が必要であり、ガス化ガスには硫黄分、ナトリウムなど除去が必要な不純物が比較的多く含まれているが、これら重質油は、広く薄く分布しているバイオマスよりも大量調達が容易である場合が多く、発電設備の大容量化に適している特徴がある。

上記した本発明の実施例によれば、ＣＯ２回収型高効率石炭ガス化複合発電システムを簡易なシステム構成にして、ガス化設備と閉サイクルガスタービン設備とを組み合わせて高い発電効率を達成するＣＯ２回収型ガス化発電システムを実現することができる。

本発明の他の実施例であるＣＯ２回収型ガス化発電システムについて図７を用いて説明する。

本実施例のＣＯ２回収型ガス化発電システムは図１及び図２に示した先の実施例であるＣＯ２回収型ガス化発電システムと基本的な構成及び作用は同じなので、両者に共通した説明は省略し、相違する部分のみ以下に説明する。

図７に示した本実施例のＣＯ２回収型ガス化発電システムでは、シンガスクーラー３３で水蒸気を発生させる代わりに熱水を発生させるように構成している。この場合、図７に示すように、シンガスクーラー３３で発生した熱水を配管１２１を経由して加湿装置７に供給して充填物７２で気液接触させ、加湿量を増加させることができる。

上記した本実施例の構成では、散布水のエネルギーが増加するため、加湿装置７の充填物７２から下部容器６２へ流下する散布水の水温が上昇する。その結果、後置冷却器２１あるいはエコノマイザ１６での排熱回収量が減少するので、加湿装置７による加湿量が減少し、システムとしての熱効率が多少低下する。

また、本実施例では、加湿装置７の方式として、充填物７２による気液接触によるものを想定したが、スプレイによる気液接触でも構成可能である。その場合は、スプレイ液滴とリサイクルガスとの気液接触により、液滴表面から水分が蒸発し、リサイクルガスが加湿される。その際、スプレイ液滴は蒸発潜熱を奪われることにより温度が低下し、最後まで蒸発せずに残った液滴はドレンとして回収された後、後置冷却器２１あるいはエコノマイザ１６へ給水される。

スプレイ式は、ガス側の圧力損失を小さくできる特徴があるが、気液接触性能を高めるためには、ガスやスプレイ液滴の空間的流量配分の均一化、スプレイ液滴の微細化などが求められる。充填物式は、ガス側の空間的流量配分の均一化が比較的容易であるが、ガス側の圧力損失が大きくなる傾向がある。

上記した本発明の実施例によっても、ＣＯ２回収型高効率石炭ガス化複合発電システムを簡易なシステム構成にして、ガス化設備と閉サイクルガスタービン設備とを組み合わせて高い発電効率を達成するＣＯ２回収型ガス化発電システムを実現することができる。

本発明の更に他の実施例であるＣＯ２回収型ガス化発電システムについて図８を用いて説明する。

本実施例のＣＯ２回収型ガス化発電システムは図１及び図２に示した先の実施例であるＣＯ２回収型ガス化発電システムと基本的な構成及び作用は同じなので、両者に共通した説明は省略し、相違する部分のみ以下に説明する。

図８に示した本実施例のＣＯ２回収型ガス化発電システムでは、タービン翼冷却ガスとして、シンガスクーラー３３が生成した水蒸気を利用するように構成している。

図１及び図２に示した先の実施例で示した発電効率の計算によれば、本実施例の方式が最も高効率であった。一方、この構成では、ガス化炉３１が起動した後でなければ、シンガスクーラー３３から水蒸気を供給することができないため、補助ボイラにより冷却ガスを供給可能な構成とするか、タービンの運用方法を工夫する必要がある。

即ち、シンガスクーラー３３が水蒸気を生成していない状態では、図８に示した本実施例の構成のように、補助ボイラ９８を設置して、この補助ボイラ９８が生成した水蒸気を弁６１を備えた配管１２２を経由して配管４５に供給し翼冷却ガス８５、８６として利用可能とする。

そして、シンガスクーラー３３が水蒸気を生成可能となったら、弁６０を備えた配管１２３からシンガスクーラー３３の水蒸気を配管４５に供給し、翼冷却ガス８５、８６として利用可能とすることができる。

また、上記した補助ボイラ９８を設置しない場合は、別の方法として、図１で説明した構成のように、加湿装置７出口のリサイクルガスを翼冷却ガス８５、８６として供給する系統も設けておき、シンガスクーラー３３が水蒸気を生成したら、本実施例と同様に弁を切り替えて水蒸気を翼冷却ガス８５、８６として供給する系統に切り替えることもできる。

前記図１及び図２を用いて説明した先の実施例と図８に示した本実施例との第二の相違点は、燃焼器４での燃焼に必要な酸素の注入位置である。前記図１の先の実施例では、タービン翼冷却ガスを抜き出した下流側の位置に酸素の注入位置があったが、本実施例では配管４６によって後置冷却器２１から加湿装置７に至る配管１１８における後置冷却器２１の下流側の位置に酸素を注入する。

酸素注入位置を後置冷却器２１の下流側とした理由と効果を表５により説明する。酸素注入位置として、表５に示す評価ケースは、ケース（ａ）：圧縮機出口、ケース（ｂ）：後置冷却器出口、ケース（ｃ）：加湿装置出口の３ケースを想定して、先の実施例と同様にシステム熱物質収支計算を実施した。

計算の条件は、先の実施例で示した表２、表３、表４と同一であり、タービン翼冷却ガスとしては表１のケース（５）即ちシンガスクーラー３３の生成蒸気を用いる想定である。

表５によると、ケース（ａ）、ケース（ｂ）は、加湿装置７の上流側で酸素を注入するため、ケース（ｃ）と比較して加湿装置７入口でのガス流量が約１０％多い。その結果、加湿装置７で飽和まで加湿した場合の加湿量が多くなり、充填物から流下水の水温が低くなる。その結果、後置冷却器２１やエコノマイザ１６で回収する熱量も多くなり、最終的には発電端効率が向上する。

これらケース（ａ）、ケース（ｂ）の発電端効率は同等となったため、本実施例ではケース（ｂ）：後置冷却器２１出口に酸素を注入する場合を例示した。その他のシステム全体の動作、効果などは前記図１を用いて説明した実施例と同様である。

なお、本実施例では、発電端効率が最高となる構成を例示したが、配管４６を接続する酸素注入位置は加湿装置７出口の配管４３における何れの位置でも実現可能である。それは、本実施例では、前記図１を用いて説明した実施例とは異なり、タービン翼の冷却にはシンガスクーラー３３の生成蒸気を用いているため、翼冷却ガスに酸素が混入する可能性を考慮する必要が無いためである。酸素注入位置を加湿装置７出口側とした場合、表５で示したように、発電端効率が若干低下する。

上記した本発明の実施例によっても、ＣＯ２回収型高効率石炭ガス化複合発電システムを簡易なシステム構成にして、ガス化設備と閉サイクルガスタービン設備とを組み合わせて高い発電効率を達成するＣＯ２回収型ガス化発電システムを実現することができる。

本発明はＣＯ２回収型ガス化発電システムに利用可能である。

１：タービン、２：圧縮機、３：吸気ダクト、４：燃焼器、７：加湿装置、１２：再生熱交換器、１３：排気ダクト、１４：吸気噴霧冷却装置、１６：エコノマイザ、１７：水回収装置、２１：後置冷却器、３０：石炭前処理設備、３１：ガス化炉、３２：スラグ処理設備、３３：シンガスクーラー、３４：ガス精製設備、４０：回収水加熱器、４１：ポンプ、４２：ＣＯ２分離設備、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０、５１、５２、５３、５４、５５、５６：配管、６０、６１：弁、６２：下部容器、６３：ポンプ、７２：充填物、８１ａ：第１段静翼、８１ｂ：第１段動翼、８２ａ：第２段静翼、８２ｂ：第２段動翼、８３ａ：第３段静翼、８３ｂ：第３段動翼、８４ａ：第４段静翼、８４ｂ：第４段動翼、８５：静翼冷却ガス、８６：動翼冷却ガス、８７：ケーシング、９０：第１段ディスク、９１：スペーサ、９２：第２段ディスク、９３：スペーサ、９４：第３段ディスク、９５：スペーサ、９６：第４段ディスク、９７：スタッキングボルト、９８：補助ボイラ、９９：燃焼ガス、１０１：軸、１０２：発電機、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８：配管。

Claims (10)

1. 炭素系の燃料と酸素の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉の内部にＣＯ２を投入する手段を備えたガス化設備と、前記ガス化設備から送出されるガス化ガスを燃料とする閉サイクルガスタービン設備を備えたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、
   前記閉サイクルガスタービン設備は、主にＣＯ２と湿分からなるガスを圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮されたガスを加湿する加湿装置と、該加湿装置で加湿されたガスと前記ガス化設備から送出されるガス化ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成した燃焼ガスを膨張させて動力エネルギーを取り出すタービンと、該タービンの排ガスにより前記加湿装置で加湿されたガスを加熱する再生熱交換器を備え、
   前記加湿装置は、前記ガス化炉から生成したガス化ガスから熱回収して生成した熱水を該加湿装置内部に供給して該圧縮機から吐出された吐出ガスと気液接触させる手段を備えていることを特徴とするＣＯ２回収型ガス化発電システム。
2. 炭素系の燃料と酸素の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉の内部にＣＯ２を投入する手段を備えたガス化設備と、前記ガス化設備から送出されるガス化ガスを燃料とする閉サイクルガスタービン設備を備えたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、
   前記閉サイクルガスタービン設備は、主にＣＯ２と湿分からなるガスを圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮されたガスを加湿する加湿装置と、該加湿装置で加湿されたガスと前記ガス化設備から送出されるガス化ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成した燃焼ガスを膨張させて動力エネルギーを取り出すタービンと、該タービンの排ガスにより前記加湿装置で加湿されたガスを加熱する再生熱交換器を備え、
   前記ガス化炉から生成したガス化ガスから熱回収して生成した水蒸気を、前記閉サイクルガスタービン設備の加湿装置の下流側となるガス流路に供給する手段を備えていることを特徴とするＣＯ２回収型ガス化発電システム。
3. 炭素系の燃料と酸素の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉の内部にＣＯ２を投入する手段を備えたガス化設備と、前記ガス化設備から送出されるガス化ガスを燃料とする閉サイクルガスタービン設備を備えたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、
   前記閉サイクルガスタービン設備は、主にＣＯ２と湿分からなるガスを圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮されたガスを加湿する加湿装置と、該加湿装置で加湿されたガスと前記ガス化設備から送出されるガス化ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成した燃焼ガスを膨張させて動力エネルギーを取り出すタービンと、該タービンの排ガスにより前記加湿装置で加湿されたガスを加熱する再生熱交換器を備え、
   前記ガス化炉から生成したガス化ガスから熱回収して生成した水蒸気を、前記タービンの内部に供給する手段を備えており、前記タービンの内部に供給された水蒸気は、タービン翼の冷却流体もしくはタービン構成要素のシール流体として用いられることを特徴とするＣＯ２回収型ガス化発電システム。
4. 請求項３に記載されたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、
   前記閉サイクルガスタービンの圧縮機の出口から前記加湿装置の入口に至る区間のガス流路に酸素を供給する手段を備えていることを特徴とするＣＯ２回収型ガス化発電システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載されたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、
   ガス化炉の内部にＣＯ２を投入する手段は、炭素系の燃料を該ガス化炉に搬送する燃料搬送手段、もしくは、ガス化ガスを冷却して灰の付着などを防止するクエンチガスであることを特徴とするＣＯ２回収型ガス化発電システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載されたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、
   前記閉サイクルガスタービン設備の加湿装置は、前記圧縮機の吐出ガスから熱回収して生成した熱水を該加湿装置内部に供給して前記吐出ガスと気液接触させる手段、もしくは、前記再生熱交換器から排出されたタービン排ガスから熱回収して生成した熱水を該加湿装置内部に供給して該圧縮機で圧縮された前記ガスと気液接触させる供給する手段を備えていることを特徴とするＣＯ２回収型ガス化発電システム。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載されたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、
   前記閉サイクルガスタービン設備は、前記再生熱交換器から排出される排ガスから湿分を回収する手段を備えていることを特徴とするＣＯ２回収型ガス化発電システム。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載されたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、
   前記閉サイクルガスタービン設備は、前記圧縮機が吸入するガスに液滴を噴霧する手段を備えていることを特徴とするＣＯ２回収型ガス化発電システム。
9. 請求項２に記載されたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、
   前記閉サイクルガスタービン設備の加湿装置の下流側となるガス流路に第１接続点を備え、この第１接続点から分岐して抜き出したガスを前記タービンの内部に供給する手段を備えており、前記タービンの内部に供給されたガスは、タービン翼の冷却流体もしくはタービン構成要素のシール流体として用いられることを特徴とするＣＯ２回収型ガス化発電システム。
10. 請求項９に記載されたＣＯ２回収型ガス化発電システムにおいて、
    前記第１接続点よりも下流側のガス流路に第２接続点を備え、第２接続点に酸素を供給する手段を備えていることを特徴とするＣＯ２回収型ガス化発電システム。

Images