JP5599742B2 - Co2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント - Google Patents
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Description
排気循環によるガス化ガス燃料・O2量論比燃焼の基本的な燃焼反応特性に及ぼすガスタービンの諸状態量の影響について、反応過程を考慮する反応動力学数値解析により明らかにする。まず、ガスタービン燃焼器の燃焼過程の水素生成状況について、反応過程を考慮する反応動力学数値解析結果を示して説明する。
燃料の燃焼反応は多数の素反応から構成されており、また、ガスタービン燃焼器内の流れは複雑で、非常に速く、燃料の酸化反応に関与する各素反応を詳細に制御することは難しい。そこで、燃焼器の頭部に供給されるリサイクル排ガスは、図12〜図16に示すように、ガス化ガス燃料をガスタービン燃焼器に供給する前にガス化ガス燃料に混合させてから混合ガスとしてガスタービン燃焼器に供給するようにしても良い。より好ましくは、ガスタービン燃焼器に供給する前のガス化ガス燃料とリサイクル排ガスとを混合させた状態で還元反応による水素成分濃度の増加が成立する温度範囲に維持することにより、リサイクル排ガス中の水蒸気に起因して水素を生成させて水素濃度を増加させてから供給することである。
さらに、ガスタービン燃焼器での燃焼反応に関与する素反応は、ガス化ガス燃料組成、リサイクル排ガスを循環する希釈剤の組成と反応温度により影響され、各素反応の右向き反応速度および反応量は変化する。すなわち、燃焼反応を促進させるには、ガスタービン燃焼器の燃焼反応領域を反応ガス組成に応じた適正な反応温度に設定することが重要になる。
ガス化ガス燃料の水素濃度を高めるために水蒸気またはN2のいずれか一方または双方を混合する場合には、燃焼領域に直接あるいは燃焼領域よりも上流側においてガス化ガス燃料あるいはガスタービン燃焼器の頭部に供給されるリサイクル排ガスと混合して燃焼領域に供給することが望まれる。ガスタービン燃焼器の燃焼領域よりも下流の膨張タービンの第一段動翼入口までの範囲では、水蒸気または窒素の混合による直接的な燃焼促進効果は非常に小さいか期待できない程度のものである。図2は反応温度1350℃(燃焼器出口ガス温度)での解析結果である。1350℃という反応温度で水蒸気やN2を供給するとH2が再生成する(反応時間10-4秒)が、燃焼器出口の20ms(反応時間20×10-3秒)経過時点では、H2の再生成による燃焼促進効果は望めないことが明らかである。ただし、10−4秒という時間でH2が生成すれば、COの酸化が進むのと同時に、H2が増え、燃焼器における燃焼促進が図られて燃焼効率をさらに向上させ得る。つまり、水蒸気やN2は燃焼反応への関与の低い部位、例えば一次燃焼領域から十分な隔たりをもった位置から膨張タービンの第1段動翼の入口までの間で供給されても燃焼促進効果を上げることは期待できない。したがって、図14の実施形態の場合、圧縮機8の上流でリサイクル排ガスに水蒸気(またはN2)を混入させるようにしているので、ガスタービン燃焼器の頭部に供給されるリサイクル排ガスに限らず、燃焼器内の一次燃焼領域よりも離れた下流側で供給される燃焼ガスの温度調整のための希釈剤としてのリサイク排ガスの中にも水蒸気またはN2が混入されることとなるが、燃焼性の改善に効果が期待できないだけでシステム上の障害が誘発されるものではない。尚、水蒸気またはN2のいずれか一方または双方を混合するガスの供給は、リサイクル排ガスに混合したり、リサイクル排ガスと共に燃焼域に供給しなければならないものではなく、単独でガスタービン燃焼器の上流の燃料供給系統でガス化ガス燃料に混合したり、燃焼域に直接供給することによっても、H2の再生成による水素濃度増大による燃焼促進効果が得られるものである。したがって、ガスタービン燃焼排気ガスの還流量が減少したり、燃焼効率が悪化したときに、水蒸気を流入することで、水素成分を増やし、燃焼性の向上を図ることができる。
燃焼ガス中のCO濃度が一定量以下になるように燃料供給系統のガス化ガス燃料に対するリサイクル排ガスの供給位置あるいは量がフィードバック制御されるので、制御装置4aの指示によりリサイクル排ガスと共に水蒸気またはN2のいずれか一方または双方を混合したガスをガス化ガス燃料中に噴射して混合させるようにしても良い。この場合においても、水蒸気または窒素の一方あるいは双方を混合したガスの供給位置の選定は、燃料供給系統において同ガスを供給する混合装置4bを切り替える場合だけでなく、同ガスの供給量を各混合装置4b毎に変化させることによって、同ガスが供給される位置を変更することも含まれる。勿論、水蒸気またはN2のいずれか一方または双方を混合したガスの供給は、リサイクル排ガスに代えて、単独で混合装置4bから供給するようにしても良い。
ガスタービン燃焼器の上流側の燃料供給系統でのガス化ガス燃料に対するリサイクル排ガスの供給による還元反応は緩慢な反応であるので、時間を要する。また、還元反応は狭い温度領域でしか特異な現象を示さない。つまり、燃料の酸化反応(燃焼現象)と異なり、還元反応は特定の反応温度に長い時間維持することにより、特異な現象を示す。そこで、燃焼器出口、膨張タービン出口または排熱回収ボイラ出口における排気ガス中のCO濃度の監視により、燃焼器における燃焼性および安定性等を評価し、最適な燃焼性が得られるようにリサイクル排ガスの燃料供給系統における供給位置を選定して還元反応時間を制御することがより好ましい。
また、本発明のCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラントにおいては、定格運転温度の維持と燃焼効率を上げる燃焼温度の維持とを両立させるために、燃焼器へ供給するリサイクル排ガスを、燃焼器の頭部で燃焼反応が活発なところに燃焼温度を1500〜1900℃に調整するのに必要とする量と、燃焼ガスの燃焼器出口温度を定格温度までに下げるのに必要とする量とに分割して供給するようにしている。ここで、燃焼ガス温度または燃焼器出口温度を定格温度に調整するために必要とされる希釈剤(リサイクル排ガス)の量のうち、一次燃焼領域に供給するリサイクル排ガス(一次リサイクル排ガスと呼ぶ)の量を除いた残りの希釈剤(二次リサイクル排ガスと呼ぶ)は、燃焼ガスの温度調整を主たる目的とするものであり、燃焼反応への関与の低い部位、例えば燃焼器の一次燃焼領域から十分な隔たりをもった位置から膨張タービンの第1段動翼の入口までの間に供給されることが好ましい。尚、二次サイクル排ガス(場合によってはさらに二次あるいは三次と分割することもある)は、リサイクル排ガスの量が変動する場合、燃焼器頭部に供給される量が一定量に制限されることから、当然に変動することとなり、例えば、排ガスの循環量が多くなった場合には下流側へ供給される量が増え、少なくなった場合には減少する。
ガスタービン燃焼器の上流においてリサイクル排ガスとガス化ガス燃料との混合ガス中に水素を生成させる反応温度を適正に制御するための熱源としては、別途新たな設備を設置しても良いが、発電プラントの熱例えばガス化炉の熱または排熱回収ボイラあるいは熱交換器で回収されるリサイクル排ガスの熱を利用することが好ましい。CO2回収型ガス化ガス発電プラントには、より多くの熱源が存在する。例えば、リサイクル排ガスは770℃程度を有しており、図5または図6に示すように、ガス化ガス燃料とリサイクル排ガス、水蒸気または窒素の混合気中に水素を生成する反応に必要とされる反応温度600℃〜800℃を適切に制御することを可能にする。また、より高い反応温度を要する場合は、ガス精製前のガス化ガス燃料CG1またはガス化炉2を熱源とすることが可能であり、ガス化ガス燃料と、リサイクル排ガス、水蒸気または窒素をリサイクル排ガスGとの熱交換により、より高い反応温度を得ることが可能である。逆に低い温度で、かつより狭い温度範囲に調整することが重要になる場合は、ガスタービン6の排気ガスラインを熱源とすることにより、所定の温度に調節することが可能になる。
また、CO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラントにおいては、ガス化ガス燃料の性状が一時的に変動し燃料発熱量が大幅に一時的に変化することが考えられる。そこで、図示していないが、ガス化ガス燃料の燃料発熱量を監視して、発熱量が変化した際には、燃焼器頭部へ供給するリサイクル排ガスの量を調整することによって燃焼器頭部の燃焼温度が1700℃〜1800℃の範囲、場合によっては1600℃〜1800℃、少なくとも1500℃〜1900℃の範囲に収まるように調整することが好ましい。燃料発熱量の変化により燃焼温度が変化するため、上述の温度範囲に調整するために必要とするリサイクル排ガスの量並びに燃焼器出口温度を定格温度にするために必要とするリサイクル排ガスの量も変動することとなるので、これらを適宜調整することが望まれる。
2 ガス化炉
3 ガス化ガスのガス精製装置
4 ガス化ガス燃料へのリサイクル排ガス(希釈剤),水蒸気または窒素の噴射混合位置
4a リサイクル排ガス(希釈剤),水蒸気または窒素の供給位置を制御する装置
4b リサイクル排ガスの(希釈剤),水蒸気または窒素の供給位置
5 ガスタービン燃焼器
6 ガスタービン
7 排熱回収ボイラ
8 排ガス圧縮機
9 発電機
10 蒸気タービン
11 復水器
12 CO2回収装置
13 煙突
14 ガスタービン車軸
15 排気ガス中のCO排出濃度の計測・監視装置
15a ガス化ガス燃料への循環排気ガス供給位置を調整する信号
16 熱交換器
AD 燃焼器出口ガス温度を調整するため水蒸気または窒素の供給
AO2 酸素を主成分とする酸化剤
C 石炭等のガス化原料
CG1 ガス化後のガス
CG2 ガス精製後のガス化ガス燃料
CG3 ガス化ガス燃料とリサイクル排ガス,水蒸気または窒素を混合し、燃料中に水素成
分濃度を増加させた改質後のガス化ガス燃料
CD ガスタービン燃焼排気ガスから回収したCO2
FG ガスタービン燃焼器排出ガス
FW 復水・給水
G 膨張タービン排気後のガス
HG 圧縮機後のリサイクル排ガス
HG1 ガスタービン燃焼器の頭部にリサイクル排ガスを直接供給する排ガス供給ライン
HG1’燃料供給系統を介してガスタービン燃焼器にリサイクル排ガスを供給する排ガス供
給ライン
HG2 ガスタービン燃焼器の頭部よりも下流でガスタービンの第1段動翼の入口までの間
でリサイクル排ガスを供給する排ガス供給ライン
HG3 ガス化炉へのガス化原料搬送用の排ガス供給ライン
ST 蒸気タービンプラントの作動媒体である水蒸気
Claims (12)
- 酸化剤でガス化原料をガス化するガス化設備、および前記ガス化設備で生成されたガス化ガスを精製するガス精製設備とを備え、前記ガス化ガスを主燃料とし、酸素を主成分とする酸化剤により量論比燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンに結合されて電力を出力する発電機と、前記ガスタービンから排出された排気ガスの一部をガスタービン作動媒体としてリサイクルしつつ残りの前記排気ガスを系外に排出する際にCO2を回収するCO2回収装置を含むガス化ガス用閉サイクル型ガスタービン発電プラントにおいて、リサイクルする前記ガスタービン燃焼排気ガスを分割して、一部を前記ガスタービン燃焼器の頭部に供給し、残部を前記ガスタービン燃焼器の頭部よりも下流で前記ガスタービンの第1段動翼の入口までの間で供給する一方、前記ガスタービン燃焼器の頭部に供給する前記ガスタービン燃焼排気ガスの量を前記ガスタービン燃焼器の頭部における燃焼温度を1500〜1900℃とする量に制御することを特徴とするCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント。
- 前記ガスタービン燃焼器の頭部に供給する前記ガスタービン燃焼排気ガスは、前記ガス化ガス燃料及び前記酸化剤と共に前記ガスタービン燃焼器の頭部に直接供給するもの、あるいは前記ガス化ガス燃料に混合されてから前記ガスタービン燃焼器の頭部に供給されるものである請求項1記載のCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント。
- 前記ガスタービン燃焼器の頭部に供給する前記ガスタービン燃焼排気ガスは前記ガス化設備よりも下流側でかつ前記ガスタービン燃焼器よりも上流側において前記ガスタービン燃焼器に供給する前の前記ガス化ガス燃料と混合され、400℃〜900℃の間の温度に維持して前記ガスタービン燃焼排気ガス中の水蒸気を水素に分解し、前記ガス化ガス燃料中の水素成分濃度を上昇させてから前記ガスタービン燃焼器に供給するものである請求項1記載のCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント。
- 前記ガスタービン燃焼器の頭部に供給される前記ガスタービン燃焼排気ガスは、一部が前記ガスタービン燃焼器の頭部に直接供給される一方、一部が前記ガス化設備よりも下流側でかつ前記ガスタービン燃焼器よりも上流側において前記ガス化ガス燃料に混合されてから前記ガスタービン燃焼器に供給されるものである請求項1記載のCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント。
- 前記ガスタービン燃焼器から排出される燃焼ガス中のCO成分濃度または煤量を監視して、前記ガスタービン燃焼排気ガスの供給量を調整することにより、前記CO排出濃度を一定量以下に制御することを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載のCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント。
- 前記ガスタービン燃焼器から排出される燃焼ガス中のCO成分濃度または煤量を監視して、前記ガスタービン燃焼器に供給する前の前記ガス化ガスへ供給する前記ガスタービン燃焼排気ガスの量と、前記ガスタービン燃焼排気ガスの前記ガスタービン燃焼器の頭部へ直接供給する量との分配比を調整することにより、前記CO排出濃度を一定量以下に制御することを特徴とする請求項4に記載のCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント。
- 前記ガスタービン燃焼器から排出される燃焼ガス中のCO排出濃度を監視して、前記ガス化設備よりも下流側でかつ前記ガスタービン燃焼器よりも上流側において前記ガス化ガス燃料に混合される前記ガスタービン燃焼排気ガスの供給位置を調整することにより前記CO排出濃度を一定量以下に制御することを特徴とする請求項3,4または6に記載のCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント。
- 前記ガス化ガス燃料の燃料発熱量を監視して、発熱量が変化した際には、ガスタービン燃焼器の頭部へ供給する前記ガスタービン燃焼排気ガスの量を調整することを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載のCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント。
- リサイクルする前記ガスタービン燃焼排気ガスの残りは前記ガスタービン燃焼器の中間位置よりも下流で供給されることを特徴とする請求項1から8のいずれか1つに記載のCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント。
- 前記ガスタービン燃焼器の頭部に供給されるガス化ガス燃料または前記ガスタービン燃焼排気ガス若しくはこれらの混合ガスに予め混合してから、あるいは前記ガスタービン燃焼器の頭部に単独で、水蒸気または窒素のいずれか一方または双方を混合して供給する請求項1から8のいずれか1つに記載のCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント。
- 前記ガスタービン燃焼器から排出される燃焼ガス中のCO成分濃度または煤量を監視して、前記ガスタービン燃焼排気ガスに供給される水蒸気または窒素のいずれか一方または双方の供給量を調整することにより、前記CO排出濃度を一定量以下に制御することを特徴とする請求項10記載のCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント。
- 前記ガスタービン燃焼排気ガスと前記ガス化ガスとの混合ガス中に水素を生成させる反応温度を適正に制御するための熱源として、前記ガス化設備の熱または排熱回収ボイラあるいは熱交換器で回収される前記ガスタービン燃焼排気ガスの熱を利用することを特徴とする請求項3,4,6または7記載のCO2回収型ガス化ガス発電用閉サイクルガスタービン発電プラント。
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