JP6301118B2

JP6301118B2 - ガス化燃料電池複合発電システム及びガス化燃料電池複合発電システムの運転方法

Info

Publication number: JP6301118B2
Application number: JP2013245225A
Authority: JP
Inventors: 雅人村山; 小山　智規; 智規小山; 堤　孝則; 孝則堤; 斎臣吉田; 貴藤井; 茂賢武田
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: JP2015103487A

Description

本発明は、ガス化によって生成された可燃性ガスを用いるガス化燃料電池複合発電システム及びガス化燃料電池複合発電システムの運転方法に関するものである。

石炭ガス化複合発電設備（IGCC：Integrated Coal Gasification Combined Cycle）では、炭化水素起源燃料（例えば、石炭、バイオ燃料又は石油残渣油）がガス化されて精製された可燃性ガスを燃焼することで得られるガスタービンの駆動力と、ガスタービンの排熱を回収することで得られる蒸気タービンの駆動力によって発電が行われる。
そして、上記ＩＧＣＣに燃料電池を組み込んだ石炭ガス化燃料電池複合発電システム（IGFC：Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle）では、燃料電池が、ガス化されて精製された可燃性ガスを燃料ガスとして用いることによって、発電が行われる。
特許文献１には、複合発電システムに関する発明であって、燃料電池からガスタービンの燃焼器に未反応の燃料ガスが供給されるとき、燃焼器入口における発熱量が一定になるように、可燃性ガス供給手段から燃焼器に供給される可燃性ガスの量が制御されることが記載されている。

特開２００６−９０２８７号公報

図２に示すように、ＩＧＦＣにおいてガスタービンの上流側に燃料電池を設置した場合、可燃性ガスが燃料電池で燃料ガスとして用いられるため、ガスタービンの燃焼器入口における可燃性ガスの燃料ガス発熱量が低下する。図２に示すＩＧＦＣでは、燃料電池から燃焼器へ供給される未反応の燃料ガスの発熱量を上昇させて、ガスタービンの運転に適した温度まで燃焼器の燃焼温度を上昇させようとすると、燃焼器入口の燃料ガス量を増加させる必要がある。そのためには、可燃性ガスを生成するガス化炉での入熱を増加させなければならないが、石炭搬送用イナートガスや酸素など、系外から系内へ流入するガスの流量も増加する。

また、燃料電池では、燃料極に供給される燃料ガスの全てが発電に寄与しない。発電に寄与しない燃料ガスは、燃料極を通過する間に副反応によって組成が変化し、発熱量が低下する。そのため、燃料極に供給される燃料ガスの量を増加させたとしても、増加分の燃料ガスについても副反応が生じて未反応の燃料ガスの発熱量が損失してしまう。
なお、図２で示したガス化燃料電池複合発電システムの構成は、本発明の一実施形態に係るガス化燃料電池複合発電設備と重複することから、図１を用いて後述する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃焼器に供給される燃料ガスの発熱量を上昇させて、燃焼器入口の燃料ガス発熱量を増加させ、燃焼器での燃焼を安定化させるガス化燃料電池複合発電システム及びガス化燃料電池複合発電システムの運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のガス化燃料電池複合発電システム及びガス化燃料電池複合発電システムの運転方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るガス化燃料電池複合発電システムは、炭化水素起源燃料をガス化するガス化炉と、前記ガス化されたガスを精製するガス精製部と、前記精製された可燃性ガスが供給されて発電を行う固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池を通過した前記可燃性ガスが供給される燃焼器を有し、発電機を駆動させるガスタービンと、前記ガス精製部の下流側、かつ、前記固体酸化物形燃料電池の上流側に設けられ、前記ガス精製部によって精製された前記可燃性ガスを前記固体酸化物形燃料電池へ供給し、かつ、前記固体酸化物形燃料電池を介さずに前記燃焼器へ供給する分岐部と、前記ガス精製部によって精製された前記可燃性ガスに含まれる水を分離して、前記固体酸化物形燃料電池へ供給される前記可燃性ガスに対して、分離した前記水を全て添加する水分離部を更に備える。

この構成によれば、ガス精製部からガスタービンの燃焼器へ供給される可燃性ガスは、固体酸化物形燃料電池を介して供給されるだけでなく、固体酸化物形燃料電池を通過せずバイパスして燃焼器へ供給される。その結果、燃焼器での可燃性ガスの燃料ガス発熱量を適切に保つことができ、燃焼器の安定燃焼を確保できる。また、固体酸化物形燃料電池の燃料利用率を低下させることなく固体酸化物形燃料電池へ可燃性ガスを供給したまま、燃焼器での燃料ガス発熱量を適切に保つことができる。また、固体酸化物形燃料電池へ供給される可燃性ガスに水を添加することができ、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン）比を調整することによって、固体酸化物形燃料電池での炭素析出を防止できる。

上記発明において、前記分岐部から前記固体酸化物形燃料電池を介さずに前記燃焼器へ供給される前記可燃性ガスの流量は、前記燃焼器の温度に基づいて調整されてもよい。

この構成によれば、固体酸化物形燃料電池を通過せずバイパスして燃焼器へ供給される可燃性ガスの流量によって、燃焼器での燃焼温度を上昇させたり下降させたりすることができる。

本発明に係るガス化燃料電池複合発電システムの運転方法は、ガス化炉が炭化水素起源燃料をガス化するステップと、ガス精製部が前記ガス化されたガスを精製するステップと、前記精製された可燃性ガスが供給されて固体酸化物形燃料電池が発電を行うステップと、前記固体酸化物形燃料電池を通過した未反応の前記可燃性ガスが供給される燃焼器を有するガスタービンが発電機を駆動させるステップと、前記ガス精製部によって精製された前記可燃性ガスを分岐して、前記固体酸化物形燃料電池へ前記可燃性ガスを供給し、かつ、前記固体酸化物形燃料電池を介さずに前記燃焼器へ前記可燃性ガスを供給するステップと、前記ガス精製部によって精製された前記可燃性ガスに含まれる水を分離して、前記固体酸化物形燃料電池へ供給される前記可燃性ガスに対して、分離した前記水を全て添加するステップとを備える。

この発明によれば、燃焼器に供給される燃料ガスの発熱量を上昇させて、燃焼器入口の燃料ガス発熱量を増加させ、燃焼器での燃焼を安定化させることができる。

本発明の一実施形態に係るガス化燃料電池複合発電システムを示す構成図である。従来のガス化燃料電池複合発電システムを示す構成図である。

以下、本発明の一実施形態に係るガス化燃料電池複合発電システムを図面に基づいて説明する。
本実施形態のガス化燃料電池複合発電システムは、例えば、石炭などの炭化水素起源燃料をガス化して得られる燃料を用いて複合発電をする石炭ガス化燃料電池複合発電システム（IGFC：Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle）である。なお、ガス化炉でのガス化の対象となる炭化水素起源燃料は、石炭に限定されることはなく、例えばバイオ燃料、石油残渣油などでもよい。

本実施形態に係るＩＧＦＣでは、炭化水素起源燃料がガス化炉１０でガス化され、ガス化されたガスがガス精製部２０において精製される。ガス化精製部２０で精製されて生じるガス化ガスは、燃料ガスとして固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）３０に供給され、ＳＯＦＣ３０が発電を行う。また、ＩＧＦＣでは、ガスタービン４０を発電機Ｇの駆動源とする発電と、ガスタービン４０から排出される燃焼排ガスの排熱を利用して発生した蒸気を導入して運転する蒸気タービン５１を発電機Ｇの駆動源とする発電とが組み合わされて複合発電が行われる。

ガス精製部２０は、ガス化炉１０でガス化されたガスに対して、脱硫処理等の各種処理を施す。その結果、ガス精製部２０において精製されたガス化ガスは、ＳＯＦＣ３０での発電及びガスタービン４０の燃焼器４１の燃焼に適した燃料ガスとなる。

ＳＯＦＣ３０は、燃料ガス及び酸化剤（例えば、空気あるいは酸素富化空気）の供給を受ける。ＳＯＦＣ３０は、電解質を介した燃料ガスと酸化剤の電気化学反応によって発電を行う。ＳＯＦＣ３０では、ガス精製部２０から供給される燃料ガスと、大気から導入される空気とを用いて、発電が行われる。なお、ＳＯＦＣ３０に導入される空気は、圧縮機４２で圧縮された空気を分岐して用いてもよい。ＳＯＦＣ３０は、発電に使用されなかった未反応の燃料ガス及び空気を燃焼器４１へ供給する。

ガスタービン４０は、燃焼器４１と、圧縮機４２と、タービン４３などを具備する。
燃焼器４１は、圧縮機４２から圧縮空気が供給され、ＳＯＦＣ３０とＨ_２Ｏ分離・添加装置８０から燃料ガスが供給される。燃焼器４１は、燃料ガスを燃焼させて、高温高圧の燃焼排ガスを生成する。燃焼排ガスはタービン４３へ供給されることによってタービン４３を回転させ、タービン４３は軸出力を発生させる。タービン４３で発生した軸出力は、同軸に連結された発電機Ｇを駆動し、発電機Ｇにおいてガスタービン４０を駆動源とする発電が行われる。また、タービン４３の軸出力は、圧縮機４２の継続運転にも使用される。タービン４３で仕事をした燃焼排ガスは、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：Heat Recovery Steam Generator）５０へ供給される。

ＨＲＳＧ５０は、ガスタービン４０から供給され、依然として十分な熱量を保有している燃焼排ガスを熱源にして、水と熱交換して蒸気を生成する。この蒸気は蒸気タービン５１に供給されることによって、蒸気タービン５１を回転させ、蒸気タービン５１は軸出力を発生させる。蒸気タービン５１で発生した軸出力は、同軸に連結された発電機Ｇを駆動し、発電機Ｇにおいて蒸気タービン５１を駆動源とする発電が行われる。ＨＲＳＧ５０を通過した燃焼排ガスは、適宜排ガス処理が施された後、煙突５２から大気へ放出される。
なお、図１で示した発電機Ｇは、ガスタービン４０のタービン４３及び蒸気タービン５１と同軸に連結されているが、ガスタービン４０及び蒸気タービン５１に各々専用の発電機を連結して発電する構成としてもよい。

ガスタービン４０の圧縮機４２では、圧縮された空気の一部が抽気される。この空気は、抽気空気昇圧機７０によって昇圧されてガス化炉１０に供給され、炭化水素起源燃料のガス化に使用される。

酸素製造装置６０は、空気から酸素や窒素（イナートガス）を製造する。酸素製造装置６０は、例えばＡＳＵ（Air Separation Unit：深冷空気分離装置）である。酸素製造装置６０にて製造された酸素及び窒素は、ガス化炉１０における炭化水素起源燃料のガス化に使用される。酸素製造装置６０で製造された酸素は、抽気空気昇圧機７０で昇圧された空気に合流されることで、昇圧された空気を酸素富化空気とする。

Ｈ_２Ｏ分離・添加装置８０は、ガス精製部２０の下流側、かつ、ＳＯＦＣ３０及び燃焼器４１の上流側に設けられる。Ｈ_２Ｏ分離・添加装置８０は、ガス精製部２０から可燃性ガスが供給され、ガス精製部２０から供給された可燃性ガスをＳＯＦＣ３０及び燃焼器４１の両方に供給する。また、Ｈ_２Ｏ分離・添加装置８０は、ガス精製部２０から供給された可燃性ガスに含まれる水を分離し、ＳＯＦＣ３０に供給される可燃性ガスに分離した水を全て添加する。これにより、ガス精製部２０の下流側にＨ_２Ｏ分離・添加装置８０が設けられない場合に比べて、ＳＯＦＣ３０へ供給される可燃性ガス中の水分量が増加する。その結果、ＳＯＦＣ３０での炭素析出が生じにくくなる。なお、ＳＯＦＣ３０で適切なＳ／Ｃ（スチーム／カーボン）比に満たない場合、ＳＯＦＣ３０での炭素析出を防止するため、Ｈ_２Ｏ分離・添加装置８０で外部から水を導入して、ＳＯＦＣ３０に供給される可燃性ガスに外部から導入した水を添加してもよい。
例えば、Ｈ_２Ｏ分離・添加装置８０の上流側に設けられた検知器（図示せず。）を用いて、ＳＯＦＣ３０へ供給される可燃性ガスのガス組成を分析する。検知結果に基づいて、例えばＳ／Ｃ比が２から４程度となるように、Ｈ_２Ｏ分離・添加装置８０が外部から水を添加する。

ガス精製部２０から供給された可燃性ガスは、ＳＯＦＣ３０を介さずにバイパス流路８４を介して、Ｈ_２Ｏ分離・添加装置８０から燃焼器４１に供給される。この可燃性ガスは、ＳＯＦＣ３０で燃料ガスとして用いられずにバイパスされて燃焼器４１へ供給されるため、ＳＯＦＣ３０へ供給される可燃性ガスと比べて、燃焼器４１入口での燃料ガス発熱量が低下しない。

バイパス流路８４には、圧力調整弁８２が設けられる。例えばＳＯＦＣ３０の出口圧を測定し、ＳＯＦＣ３０の出口圧とバイパス流路８４の出口圧がほぼ等しくなるように、圧力調整弁８２を調整する。ＳＯＦＣ３０では圧力損失が生じるところ、圧力調整弁８２によってバイパス流路８４側の圧力とＳＯＦＣ３０側の圧力をほぼ等しくすることで、ＳＯＦＣ３０へのガスの逆流を防止できる。その結果、バイパス流路８４側からの可燃性ガスとＳＯＦＣ３０側からの可燃性ガスを合流させることができる。

ＳＯＦＣ３０を介さずにバイパス流路８４を介して、Ｈ_２Ｏ分離・添加装置８０から燃焼器４１に供給される可燃性ガスの流量は、例えば燃焼器４１の温度によって調整される。例えば、タービン４３の入口の可燃性ガスの発熱量を分析して、分析された発熱量に基づいて可燃性ガスの流量を調整する。その結果、バイパス流路８４が設けられず、ＳＯＦＣ３０のみから可燃性ガスを燃焼器４１へ供給する場合に比べて、燃焼器４１での燃焼温度を上昇させることができる。

以上、本実施形態によれば、ガス精製部２０からガスタービン４０の燃焼器４１へ供給される可燃性ガスは、ＳＯＦＣ３０を介して供給されるだけでなく、ＳＯＦＣ３０を通過せずバイパスして燃焼器４１へ供給される。その結果、燃焼器４１での可燃性ガスの燃料ガス発熱量を適切に保つことができ、燃焼器４１の安定燃焼を確保できる。
また、ＳＯＦＣ３０の燃料利用率を低下させることなくＳＯＦＣ３０へ可燃性ガスを供給したまま、燃焼器４１での燃料ガス発熱量を適切に保つことができる。したがって、ＳＯＦＣ３０での未反応の燃料ガスの副反応による発熱量の損失を低減でき、プラント効率を向上させることができる。例えば、燃料ガス発熱量の下限は、ガスタービン４０の火が消えない（失火が生じない）ように決定され、燃料ガス発熱量の上限は、ガスタービン４０の機器の耐久性が保持されるように決定される。
さらに、ＳＯＦＣ３０に供給される可燃性ガスに含まれる水分量が従来に比べて多くなることから、ＳＯＦＣ３０での炭素析出を起こしにくい運転状態とすることができる。

１０ガス化炉
２０ガス精製部
３０固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
４０ガスタービン
４１燃焼器
４２圧縮機
４３タービン
５０排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
５１蒸気タービン
６０酸素製造装置
７０抽気空気昇圧機
８０Ｈ_２Ｏ分離・添加装置（分岐部）
８２圧力調整弁
Ｇ発電機

Claims

炭化水素起源燃料をガス化するガス化炉と、
前記ガス化されたガスを精製するガス精製部と、
前記精製された可燃性ガスが供給されて発電を行う固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池を通過した前記可燃性ガスが供給される燃焼器を有し、発電機を駆動させるガスタービンと、
前記ガス精製部の下流側、かつ、前記固体酸化物形燃料電池の上流側に設けられ、前記ガス精製部によって精製された前記可燃性ガスを前記固体酸化物形燃料電池へ供給し、かつ、前記固体酸化物形燃料電池を介さずに前記燃焼器へ供給する分岐部と、
前記ガス精製部によって精製された前記可燃性ガスに含まれる水を分離して、前記固体酸化物形燃料電池へ供給される前記可燃性ガスに対して、分離した前記水を全て添加する水分離部を更に備えるガス化燃料電池複合発電システム。
前記分岐部から前記固体酸化物形燃料電池を介さずに前記燃焼器へ供給される前記可燃性ガスの流量は、前記燃焼器の温度に基づいて調整される請求項１に記載のガス化燃料電池複合発電システム。
ガス化炉が炭化水素起源燃料をガス化するステップと、
ガス精製部が前記ガス化されたガスを精製するステップと、
前記精製された可燃性ガスが供給されて固体酸化物形燃料電池が発電を行うステップと、
前記固体酸化物形燃料電池を通過した前記可燃性ガスが供給される燃焼器を有するガスタービンが発電機を駆動させるステップと、
前記ガス精製部によって精製された前記可燃性ガスを前記固体酸化物形燃料電池へ供給し、かつ、前記固体酸化物形燃料電池を介さずに前記燃焼器へ供給するステップと、
前記ガス精製部によって精製された前記可燃性ガスに含まれる水を分離して、前記固体酸化物形燃料電池へ供給される前記可燃性ガスに対して、分離した前記水を全て添加するステップと、
を備えるガス化燃料電池複合発電システムの運転方法。