JP5654338B2 - 窒素ガス製造装置およびこれを用いたガス化複合発電システム - Google Patents
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Description
(i)上述した酸素吹きIGCCシステムにおいては、空気分離装置からの酸素ガスをIGCCに吹き込むために高圧に昇圧する必要がある。こうした高圧酸素の供給には、接ガス材料や安全対策が施された高額な酸素圧縮機が必要となる。
(ii)一方、空気吹きIGCCシステムにおいては、通常、2〜5MPa程度まで加圧された空気が供給され、酸素圧縮機は不要であるが、酸素吹きIGCCシステムと比較してガス化炉での燃焼効率が劣り、燃焼効率の改善という課題が未解決のままであった。
(iii)また、高い支燃性を有する酸素の操作や取扱いには、周知のように法律的あるいは実務的に所定の制限が課される。空気よりも高濃度の酸素を含む場合の酸素濃度についても規制され、ガス化剤として供給される圧縮対象流体に対しては、JIGA(Japanese Industrial Gas Association)あるいはEIGA(European Industrial Gas Association)の定める空気圧縮機の酸素純度許容範囲(35%未満、以下「EIGA許容範囲」という)が適用され、供給される酸素ガスに対する制約条件を満たすことが要求される。
さらに、上記廃ガスを、空気圧縮機の一次側に供給し、空気とともに該圧縮機によって加圧した後分岐し、一方をガス化炉のガス化剤の一部として導入し、他方をガス燃焼器の支燃ガスとしてガス燃焼器に導入することによって、ガス化炉での安定なガス化処理と同時に、支燃性ガスとしてガス化剤と同組成の圧縮ガスが供給され、安定かつ高効率な燃焼処理を行うことを可能にした。
加圧条件のガス化剤の供給時において、本発明は、ガス化剤の一部として供給される酸素リッチな廃ガス流量を最適範囲に制御する構成によって、ガス化剤中の酸素濃度を上記EIGA許容範囲に抑えるとともに、燃焼効率の向上に伴う効率的なガス化処理を行い、かつ空気圧縮機の負荷の低減を図ることを可能とした。なお、空気圧縮機の負荷の低減は、さらに低コストの空気圧縮機の選択や流路各部材負荷の軽減を図ることができる。
精留塔を用いた深冷分離式の空気分離装置においては、比較的シンプルな単塔タイプによっても、所定の圧力を有する窒素ガスを連続的に供出することができると同時に、ほぼ一定の酸素濃度を有するほぼ常圧の酸素リッチな廃ガスを連続的に取り出すことができる。つまり、こうした構成は、エネルギー効率の高いガス化複合発電システムを形成するために要求される窒素や酸素を使用状態に適合した条件で供給することができるものであり、窒素ガス製造装置としての効率的な使用を可能とするだけではなく、ガス化複合発電システム全体としての効率的な使用を形成することが可能となった。
こうした構成によって、窒素ガス製造装置から供給される窒素ガスを主たるオペレーションガスとして利用し、酸素リッチな廃ガスを最適な濃度のガス化剤を作製するための酸素濃度調整剤として利用することが可能になるとともに、特別な構成要素の付加や特殊操作を必要とせずに、エネルギー効率の高いガス化複合発電システムを提供することが可能となった。
最適な濃度のガス化剤を作製するためには、空気およびこれと混合する廃ガスの定量性が確保されなければならない。本発明は、空気圧縮機の一次側に設けられた混合器またはエジェクタを設け、そこに廃ガスが供給されることによって、十分に混合し安定した酸素濃度のガス化剤を形成し、効率的なガス化処理およびガス化ガスの燃焼処理を行うガス化複合発電システムを形成することが可能となった。
ガス化複合発電システムであっては、ガス化炉での安定なガス化処理と同時に、作製されたガス化ガスの複合発電設備のガス燃焼器での安定な燃焼処理も、高いエネルギー効率を確保するために重要である。本発明は、ガス燃焼器での燃焼処理における支燃性ガスとしてガス化剤と同組成の圧縮ガスを供給することによって、安定かつ高効率な燃焼処理を行うことを可能にした。
本装置からの窒素ガスおよび酸素ガスを利用する本システムの基本構成例の概要を、図1に示す(第1構成例)。本システムは、原料空気Aから窒素ガスNおよび酸素リッチな廃ガスBが供出される本装置1と、ガス化原料(IGCCにおいては、石炭が相当する)Cとガス化剤Maおよび操作ガスN1が導入され、ガス化ガスGが供出されるガス化炉設備2と、ガス化ガスGが導入され、冷却・除塵・精製処理された燃料ガスFが供出されるガス精製設備3と、燃料ガスFと支燃性ガス(図示せず)が導入され、燃焼反応によって発生したエネルギーを電力に変換する複合発電設備4から構成される。
ガス化炉設備2は、ガス化原料Cと操作ガスN1が導入されガス化原料Cを供出する原料供給装置21と、ガス化原料Cとガス化剤Maが導入され、ガス化ガスGが供出されるガス化炉22と、フィルタ23を介して清浄化された空気に本装置1から供給される廃ガスBが添加され、混合されたガス化剤Maが導入され、加圧してガス化炉22に給送する空気圧縮機24から構成される。操作ガスN1によって、ガス化反応しやすい性状に攪拌や分散処理されたガス化原料Cが、安全にかつ円滑にガス化炉22に搬送・導入される。このとき、原料供給装置21において、無酸素雰囲気で予め予熱されることによって、ガス化反応を促進することができる。ガス化炉22においては、ガス化原料Cに含まれる炭素成分や炭化水素あるいは含酸素炭化水素成分を、ガス化剤Ma中の酸素と反応させ、一酸化炭素(CO)や水素(H2)を含むガス化ガスGが作製される。IGCCのように、このときチャー等の未反応の炭素や炭化水素を含む残分Rが発生する場合には、これをガス化炉22に還流して再度反応させることが好ましい。ガス化炉22には、その温度管理用センサおよび必要に応じて二酸化炭素(CO2),H2O,CO,H2のいずれかあるいは残留酸素などの複数成分の濃度管理用センサ(図示せず)が設けられることが好ましい。
ガス精製設備3は、ガス化炉22から供出されたガス化ガスGを冷却する冷却装置31と、ガス化ガスG中の塵埃を分離し除去する除塵装置32と、タール分やCO2等を分離し除去する精製装置33から構成される。ガス化ガスGが清浄化され、燃料ガスFとして複合発電設備4に供出される。除塵装置32において分離された残分Rには、チャーやタール等の未反応の高沸点の炭素や炭化水素が含まれることから、ホッパ34を介してガス化炉22に還流される。このとき、本装置1からの窒素ガスNが、操作ガスN2としてホッパ34に導入されて攪拌処理や搬送処理に用いられる。操作ガスN2の導入量および供給圧力は、ガス化原料Cの投入量やその性状によって調整される。操作ガスN1と同様にガス化炉22に導入されることから、いずれも同じ圧力で供給することができるため、本装置1から共通的に供給することができる。また、精製装置33には、酸化鉄系の吸着剤やMDEA(メチルジエタノールアミン)等が充填される。
複合発電設備4は、精製装置33から供出された燃料ガスFと支燃性ガス(図示せず)が導入され、燃焼反応によって発生した燃焼排ガスEを供出するガス燃焼器41と、燃焼排ガスEが導入され、タービンを駆動するガスタービン42と、ガスタービン42と連結し、タービンの駆動により燃焼エネルギーを電力に変換する発電機43と、ガスタービン42から供出された燃焼排ガスEが導入され、蒸気生成等に使用される排ガスボイラ44から構成される。ガス燃焼器41で生成される高温高圧の燃焼エネルギーが発電エネルギーに効率的に変換される。排ガスボイラ44で蒸気生成に使用された排ガスは、必要な処理を施されて大気に排気される。
本システムに用いられる本装置1としては、精留塔を用いた深冷分離式、分子篩を利用したPSA式あるいはTSA式や高分子膜モジュールを利用した分離膜式などを用いることができる。操作ガスN1,N2として無酸素あるいはこれと同等の窒素ガスが所望されることから、こうした窒素ガス製造装置を用いることによって本システムが構成される。このとき、本装置1から供出される窒素ガスN中あるいは廃ガス中の酸素濃度を測定することが好ましく、また、調整弁や流量計を内蔵することによって、供給圧力や供給流量が調整されることが好ましい。
精留塔を用いた深冷分離式の本装置1の構成例の概要を、図2に示す。本装置1は、深冷分離法により原料空気Aを精留して窒素ガスNを分離する精留塔11と、原料空気Aを液化温度付近まで冷却する熱交換器12から構成される。具体的には、熱交換器12で低温液化された原料空気Aが、精留塔11の塔下部11aに導入され、沸点の差により精溜部11bにおいて精留され、窒素ガスNが作製される。精留塔11の塔頂部11cから供出された低温の窒素ガスNが、熱交換器12によって加温され、
約0.5〜1.2MPa程度の圧力を有して供出される。比較的シンプルな単塔タイプによっても、所定の圧力を有する窒素ガスNを連続的に供出することができる。
分子篩を利用したPSA式の本装置1の構成例の概要を、図3に示す。本装置1は、原料空気A中の酸素を選択的に吸着する吸着剤が充填された2つの吸着塔13a,13bからなる吸着塔ユニット13と、吸着塔13a,13bへの原料空気Aの供給の切換えを可能とする開閉弁V1〜V4と再生ガスBaの供給の切換えを可能とする開閉弁V5〜V8からなる切換ユニット14と、廃ガスBの供出流路に設けられた緩衝用のタンク15を備える。一方の低温の吸着塔への加圧された原料空気Aの供給および所定の圧力を有する窒素ガスの供出機能と同時に、他方の高温の吸着塔内への再生ガスの供給および常圧レベルの酸素リッチな廃ガスの供出機能を有する。また、廃ガスBを所定の内容積を有するタンク15に導入し、一時的に貯留することによって、酸素濃度の均一化および廃ガスB温度の低温化と均一化を図ることができる。
本システムは、上記第1構成例を基本とし、上述の本装置1のいくつかの構成例が選択可能であるように、ガス化炉設備2、ガス精製設備3および複合発電設備4についても、種々の応用的な構成例を適用することができるとともに、本装置1からの廃ガスBの利用方法についても種々の応用が可能である。以下に、本システムの他の構成例として、ガス化剤Maの作製に係る構成およびガス燃焼器41の支燃ガスMbとしての利用に係る構成に特徴を有する他の構成例(第2,第3構成例)について説明する。
次に、窒素ガスNの供出量とガス化剤Ma及び支燃ガスMbの相互の量的関係を検証する。なお、水分及びアルゴンは微量のため0と近似し、窒素ガスNは純窒素と仮定した。廃ガスBを支燃ガスMbの一部として供給することができる条件を検証すると、以下の通りとなる。本装置1からの酸素リッチな廃ガスBの供出量bは、原料空気Aの導入量aから窒素ガスNの供出量cを取り除いた残量であることから、例えば、廃ガスBが酸素60%を含有する場合の窒素成分および酸素成分の収支から、以下の式1〜3が成立する。
a*0.79=c+b*0.40 (式1)
a*0.21=b*0.60 (式2)
b≒c*0.54 (式3)
つまり、窒素ガスNの供出量の約54%の廃ガスBの供給が可能である。
ここで、廃ガスBの供出量bうちの供給量b1が、空気の吸引量dと混合する供給量eの35%のガス化剤Maの一部に使用されるとすれば、以下の式4〜6が成立する。
e*0.65=d*0.79+b1*0.40 (式4)
e*0.35=d*0,21+b1*0.60 (式5)
b1≒e*0.36 (式6)
つまり、ガス化剤Maとしての使用量の約36%が廃ガスBの使用量となり、廃ガスBの供出量b=供給量b1とすれば、以下の式7が成立する。
e≒c*1.50 (式7)
つまり、窒素ガスNの供出量の約150%のガス化剤Maの供給が可能である。従って、ガス化剤Maとしての使用量がそれを下回る場合には、廃ガスBを支燃ガスMbの一部として供給することができる。
2 ガス化炉設備
21 原料供給装置
22 ガス化炉
23 フィルタ
24 空気圧縮機
25 合流点
3 ガス精製設備
31 冷却装置
32 除塵装置
33 精製装置
34 ホッパ
4 複合発電設備
41 ガス燃焼器
42 ガスタービン
43 発電機
44 排ガスボイラ
A 原料空気
B 廃ガス
C ガス化原料
E 燃焼排ガス
F 燃料ガス
G ガス化ガス
Ma ガス化剤
N 窒素ガス
N1,N2 操作ガス
R 残分
Claims (5)
- ガス化炉設備、ガス精製設備および複合発電設備からなるガス化複合発電システムの一部を構成する窒素ガス製造装置であって、
原料空気から該ガス化炉設備やガス精製設備において使用される窒素ガスを製造し供給するとともに、該原料空気から窒素ガスが取り出された酸素リッチな廃ガスを、前記ガス化炉設備に備えられた空気を圧縮するための圧縮機の一次側に供給し、空気とともに該圧縮機によって加圧した後分岐し、一方を前記ガス化炉のガス化剤の一部として導入し、他方を前記複合発電設備のガス燃焼器での燃焼処理における支燃ガスとして該ガス燃焼器に導入することを特徴とする窒素ガス製造装置。 - 前記ガス化炉に導入されるガス化剤中の酸素濃度が約22〜35%となるように、前記圧縮機の一次側に供給する廃ガス流量を制御することを特徴とする請求項1記載の窒素ガス製造装置。
- 深冷分離法により原料空気を精留して窒素を分離する精留塔と、原料空気を液化温度付近まで冷却する熱交換器を備え、前記精留塔からの戻りガスを前記熱交換器に導入させ、前記酸素リッチな廃ガスとして使用することを特徴とする請求項1または2記載の窒素ガス製造装置。
- 窒素ガス製造装置を用い、ガス化炉設備、ガス精製設備および複合発電設備からなるガス化複合発電システムであって、
前記ガス化炉から供出されたガス化ガスが、燃料ガスとして前記複合発電設備のガス燃焼器に導入されるとともに、前記窒素ガス製造装置からの窒素ガスが、前記ガス化炉設備やガス精製設備に供給され、原料空気から前記窒素ガスが取り出された酸素リッチな廃ガスが、前記ガス化炉設備に備えられた空気圧縮機の一次側に供給され、空気とともに該空気圧縮機によって加圧され、加圧された圧縮ガスが分岐され、一方が前記ガス化炉に導入されるガス化剤の一部とされ、他方が前記ガス燃焼器の支燃ガスとしてガス燃焼器に導入されることを特徴とするガス化複合発電システム。 - 前記空気圧縮機の一次側において、前記廃ガスが、混合器または空気を吸引流体とするエジェクタによって該空気と混合されることを特徴とする請求項4記載のガス化複合発電システム。
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