JP6482020B2 - 石炭ガス化複合発電設備 - Google Patents

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Description

本発明は、石炭ガス化ガスをガスタービンの燃料とした石炭ガス化複合発電設備に関する。
石炭は世界の広い地域に存在し、可採埋蔵量が多く、価格が安定しているため、供給安定性が高く発熱量あたりの価格が低廉である。かかる石炭を燃料とする火力発電の一つの方式として、石炭ガス化複合発電（IGCC：Integrated coal Gasfication Combined Cycle）が知られている。石炭ガス化複合発電では、石炭ガス化ガスを燃料としてガスタービンを駆動して電力を得ると共に、ガスタービンの排気熱を回収して蒸気を発生させ、発生した蒸気により蒸気タービンを駆動して電力を得ている（例えば、特許文献１参照）。
石炭ガス化ガスの組成は、石炭ガス化炉に投入される石炭の種類により異なり、石炭ガス化ガスの発熱量やガスタービンの燃焼器での燃焼温度が変化するのが現状である。このため、石炭の種類に拘わらず石炭ガス化炉への投入量を一定にすると、石炭の種類によって石炭ガス化ガスの発熱量が異なる（低下する）虞がある。発熱量が低い石炭を投入する場合、ガスタービンの出力（発電出力）を一定とするためには、石炭ガス化炉への石炭の投入量を増加させ、ガスタービンへの熱量の投入を増加させているのが実情であった。つまり、ガスタービンの出力（発電出力）を一定とするためには、石炭の種類により石炭の投入量を調整する必要があるのが実情であった。
特開２００５―１７１１４８号公報
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、石炭ガス化炉に投入される石炭の種類に拘わらず一定の発電出力が得られる石炭ガス化複合発電設備を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の石炭ガス化複合発電設備は、石炭が投入され石炭ガス化ガスを得る石炭ガス化炉と、前記石炭ガス化炉で得られた石炭ガス化ガスが圧縮流体と共に投入されて燃焼されることで燃焼ガスを得る燃焼器と、前記燃焼器で得られた前記燃焼ガスを膨張して駆動力を得るタービンと、前記燃焼器に投入される前記石炭ガス化ガスの組成を導出する組成導出手段と、前記燃焼器もしくは前記石炭ガス化炉の少なくともいずれか一方に流体燃料を投入する流体燃料投入手段と、前記組成導出手段で導出された前記石炭ガス化ガスの組成に応じて、前記流体燃料投入手段による前記流体燃料の投入を制御する制御手段と、前記タービンの排気ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラで発生した蒸気が導入されて駆動力を得る蒸気タービンとを備え、前記流体燃料投入手段は、前記排熱回収ボイラに流体燃料の一部を投入して再燃させることで、蒸気量を増加させて、前記石炭ガス化ガスの組成に応じて、前記蒸気タービンの出力を増加させることを特徴とする。
請求項１に係る本発明では、石炭ガス化炉で得られた石炭ガス化ガスが燃焼され、燃焼ガスがガスタービンで膨張されて駆動され発電出力が得られる。組成導出手段により導出された石炭ガス化ガスの組成に応じて、流体燃料投入手段による流体燃料の投入が制御され、例えば、石炭ガス化ガスの発熱量が低い状況であれば流体燃料を増加して燃焼器での燃焼温度を上昇させ、石炭ガス化ガスの発熱量が高い状況の時のガスタービンの出力と同等の出力を得る。
そして、石炭ガス化炉に投入される石炭の種類に拘わらず、一定の出力でガスタービンを駆動することができ、一定の発電出力を得ることができる石炭ガス化発電設備を備え、ガスタービンの排気ガスを排熱回収ボイラで熱回収して蒸気を得て、排熱回収ボイラで得られた蒸気により蒸気タービンを駆動させることができる。
これにより、石炭ガス化炉に投入される石炭の種類に拘わらず、一定の出力でガスタービンを駆動することができ、一定の発電出力を得ることができる。
そして、石炭ガス化炉に投入される石炭の種類に拘わらず一定の発電出力が得られる石炭ガス化発電設備を備えた石炭ガス化複合発電設備とすることが可能になる。
そして、請求項２に係る本発明の石炭ガス化複合発電設備は、請求項１に記載の石炭ガス化複合発電設備において、前記タービンで仕事を終えた排気ガスの通路に設けられ、アンモニアもしくは尿素を供給することにより前記排気ガスの脱硝を行う脱硝手段を備え、前記流体燃料は、前記脱硝手段に供給される前記アンモニアもしくは尿素であることを特徴とする。
請求項２に係る本発明では、系の内部に備えられた脱硝手段に用いられるアンモニアもしくは尿素を流体燃料として使用することができ、別途、流体燃料を供給するための設備を必要としない。
また、請求項３に係る本発明の石炭ガス化複合発電設備は、請求項１もしくは請求項２に記載の石炭ガス化複合発電設備において、前記組成導出手段は、前記石炭ガス化炉に投入される石炭の種類を判断する炭種判断手段であることを特徴とする。
請求項３に係る本発明では、石炭ガス化炉に投入される石炭の種類を判断することで、石炭ガス化ガスの組成を求め、流体燃料投入手段による流体燃料の投入を制御することができる。
また、請求項４に係る本発明の石炭ガス化複合発電設備は、請求項１もしくは請求項２に記載の石炭ガス化複合発電設備において、前記組成導出手段は、前記燃焼器に投入される前記石炭ガス化ガスの組成を検知する組成検知手段であることを特徴とする。
請求項４に係る本発明では、燃焼器に投入される石炭ガス化ガスの組成を検知することで、石炭ガス化ガスの組成を求め、流体燃料投入手段による流体燃料の投入を制御することができる。
本発明の石炭ガス化複合発電設備は、石炭ガス化炉に投入される石炭の種類に拘わらず一定の発電出力を得ることが可能な石炭ガス化発電設備を備えた石炭ガス化複合発電設備となる。
本発明の一実施例に係る石炭ガス化発電設備を備えた石炭ガス化複合発電設備の概略系統図である。 石炭の種類毎の組成状況とアンモニア投入量との状況を説明する表図である。
図１には本発明の一実施例に係る石炭ガス化複合発電設備の全体の構成を表す概略系統を示してある。
本実施例の石炭ガス化複合発電設備１は、石炭ガス化炉２を備え、石炭ガス化炉２では石炭（石炭ミル３で作製された微粉炭）と酸化剤（酸素、空気）の反応により石炭ガス化ガスが生成される。石炭ガス化ガスは除塵されて熱交換器４で所定温度に調整され、ガス精製設備５で不純物が除去されて燃料ガスとされる。
燃料ガスはタービン設備６の燃焼器７に投入される。タービン設備６は圧縮機１１及びガスタービン（タービン）１２を備え、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気と燃料ガスが燃焼器７に送られる。燃焼器７からの燃焼ガスはタービン１２で膨張されて動力が得られ、発電機１３が駆動される（石炭ガス化発電設備）。タービン１２の排気ガスは排熱回収ボイラ１４で熱回収され、脱硝装置１５（脱硝手段）でＮＯｘが除去された後、煙突から大気に放出される。
脱硝装置１５にはアンモニア供給装置１６（脱硝手段）からアンモニア（もしくは尿素）が供給され、排ガス中にアンモニアが投入されてＮＯｘが浄化される。アンモニア供給装置１６からは、アンモニアが流体燃料として燃焼器７に供給できるようになっている（流体燃料投入手段）。尚、アンモニア供給装置１６から、石炭ガス化炉２に流体燃料としてアンモニアを供給することも可能である（図中点線で示してある）。
圧縮機１１及びタービン１２と同軸状態に蒸気タービン１８が接続され、蒸気タービン１８には排熱回収ボイラ１４からの蒸気が送られて動力が得られる。蒸気タービン１８の排気蒸気は復水器１９で凝縮され、復水器１９で凝縮された復水が排熱回収ボイラ１４に給水される。
つまり、石炭ガス化複合発電設備１は、石炭ガス化炉２で得られた石炭ガス化ガスが燃焼器７で燃焼され、燃焼ガスがタービン１２で膨張されて駆動され、発電機１３により発電出力が得られる。タービン１２の排気ガスは排熱回収ボイラ１４で熱回収されて蒸気が得られ、排熱回収ボイラ１４で得られた蒸気により蒸気タービン１８が駆動される。
燃焼器７の上流側の燃料供給経路には燃焼器７に投入される石炭ガス化ガス（燃料ガス）の組成を検知する組成検知手段２１（組成導出手段）が設けられ、組成検知手段２１で検知された燃料ガスの組成の情報は制御装置２２に送られる。制御装置２２には微粉炭の種類の情報が入力される（組成導出手段：炭種判断手段）。
制御装置２２からは、アンモニア供給装置１６に対し、組成検知手段２１で検知された燃料ガスの組成、及び、微粉炭の種類の情報に応じて類推された燃料ガスの組成に応じて、燃焼器７（石炭ガス化ガス）にアンモニアを送る指令が出力される。つまり、制御装置２２は、燃料ガスの組成（微粉炭の種類）に応じて、燃焼器７に投入するアンモニアの量を制御する。
例えば、組成検知手段２１で検知された燃料ガスの組成、及び、微粉炭の種類の情報により、石炭ガス化ガス（燃料ガス）の発熱量が低い状況であると判断された場合、アンモニアを増加して燃焼器７での燃焼温度を上昇させ、石炭ガス化ガス（燃料ガス）の発熱量が高い状況の時のタービン１２の出力と同等の出力を得るようにしている。
これにより、石炭ガス化炉２に投入される石炭の種類に拘わらず、一定の出力でタービン１２を駆動することができ、一定の発電出力を得ることができる。
そして、系内の脱硝装置１５に供給するアンモニアを流体燃料として燃焼器７に供給するので、別途、アンモニアを供給するための設備を必要としない。尚、燃焼器７に供給する流体燃料としては、アンモニア供給装置１６（脱硝手段）からのアンモニアに限定されず、専用のアンモニア（もしくは尿素）を供給する手段を設けることもできる。また、燃焼器７に供給する流体燃料としては、他の発電設備の系統から流体燃料（アンモニアもしくは尿素）を供給する手段を設けることもできる。
また、湿式のガス精製設備を備えた場合、ガス精製設備で洗い流されたアンモニアを燃焼器７に供給することも可能である。また、流体燃料としては、液化天然ガスやガス化ガス等他の流体燃料を用いることも可能である。尚、系内の脱硝装置１５に供給するアンモニアの一部を排熱回収ボイラ１４で再燃して蒸気量を増やし、蒸気タービン１８の出力を増加させて石炭の種類の違いに対応させることも可能である。
図２に基づいて、異なる種類の微粉炭（石炭）を石炭ガス化炉２に投入した時の燃焼器７での燃料ガス（石炭ガス化ガス）の組成の状況を説明する。
ケースＩは、石炭Ａ（例えば瀝青炭）を石炭ガス化炉２に投入した例で、基準となる発熱量が得られる石炭の例である。燃焼器７内の燃料の成分は、ＣＯが３１.０％、Ｈ２が１１.０％、ＣＨ４が０.８％、ＣＯ２が３.２％、Ｎ２他が５４.０％である。石炭Ａを用いた場合、発熱量が１３００ｋｃａｌ／Ｎｍ３で、燃焼温度が１５００℃となった。ケースＩの発熱量が基準とされ発熱量比が１.０とされる。
ケースＩＩは、石炭Ｂ（例えば瀝青炭）を石炭ガス化炉２に投入した例で、燃焼器７内の燃料の成分は、ＣＯが２８.０％、Ｈ２が１０.０％、ＣＨ４が０.３％、ＣＯ２が３.７％、Ｎ２他が５８.０％である。石炭Ｂを用いた場合、発熱量が１１９０ｋｃａｌ／Ｎｍ３で、燃焼温度が１４１０℃となった。ケースＩに対するケースＩＩの発熱量比は、０.９となっている。
ケースIIIは、石炭Ｃ（例えば亜瀝青炭）を石炭ガス化炉２に投入した例で、燃焼器７内の燃料の成分は、ＣＯが２４.０％、Ｈ２が９.０％、ＣＨ４が０.３％、ＣＯ２が２.７％、Ｎ２他が６４.０％である。石炭Ｃを用いた場合、発熱量が１０１０ｋｃａｌ／Ｎｍ３で、燃焼温度が１２７０℃となった。ケースＩに対するケースIIIの発熱量比は、０.８となっている。
ケースＩからケースIIIに示したように、石炭の種類により、石炭ガス化ガス（燃料ガス）の燃焼器７内での発熱量が異なっている。ケースＩの石炭Ａに対して、ケースIIIの石炭Ｃを使用する際に、アンモニア（ＮＨ３）を加えることで、燃焼器７での燃焼温度が上昇する（ケースIV、ケースV）。
ケースIVは、石炭Ｃ（例えば亜瀝青炭）とＮＨ３（５.８ｖｏｌ％）を石炭ガス化炉２に投入した例で、燃焼器７内の燃料の成分は、ＣＯが２２.０ｖｏｌ％、Ｈ２が８.０ｖｏｌ％、ＣＨ４が０.２ｖｏｌ％、ＣＯ２が３.０ｖｏｌ％、Ｎ２他が６１.０ｖｏｌ％、ＮＨ３が５.８ｖｏｌ％である。石炭ＣにＮＨ３（５.８ｖｏｌ％）を加えた場合、発熱量が１１９０ｋｃａｌ／Ｎｍ３になり、発熱量比がケースＩＩと略同等の、０.９となっている。
ケースVは、石炭Ｃ（例えば亜瀝青炭）とＮＨ３（９.８ｖｏｌ％）を石炭ガス化炉２に投入した例で、燃焼器７内の燃料の成分は、ＣＯが２１.０ｖｏｌ％、Ｈ２が８.０ｖｏｌ％、ＣＨ４が０.２ｖｏｌ％、ＣＯ２が３.０ｖｏｌ％、Ｎ２他が５８.０ｖｏｌ％、ＮＨ３が９.８ｖｏｌ％である。石炭ＣにＮＨ３（９.８ｖｏｌ％）を加えた場合、発熱量が１３００ｋｃａｌ／Ｎｍ３になり、発熱量比がケースＩと同等の、１.０となっている。
ケースIV、ケースVで示したように、基準となる石炭Ａに対する発熱量比が０.８の石炭Ｃに対し、ＮＨ３を加えることで、燃焼器７での熱量が増熱され、発熱量が高い状況の時の（ケースＩの時の）発熱量を得ることができる。このため、石炭の種類が異なっても、即ち、発熱量が高い石炭Ａに代えて石炭Ｃを使用しても、石炭ガス化ガス（燃料ガス）の発熱量が高い状況の時のタービン１２の出力と同等の出力を得ることができる。
従って、石炭ガス化炉２に投入される石炭の種類に拘わらず、即ち、石炭Ａを使用しても、石炭Ｃを使用しても、一定の出力でタービン１２を駆動することができ、一定の発電出力を得ることができる。これにより、石炭ガス化複合発電設備１は、石炭ガス化炉２に投入される石炭の種類に拘わらず一定の発電出力を得ることが可能になる。
また、本発明は、石炭ガス化ガスをガスタービンの燃料とした石炭ガス化発電設備を備えた石炭ガス化複合発電設備の産業分野で利用することができる。
１ 石炭ガス化複合発電設備
２ 石炭ガス化炉
３ 石炭ミル
４ 熱交換器
５ ガス精製設備
６ タービン設備
７ 燃焼器
１１ 圧縮機
１２ タービン
１３ 発電機
１４ 排熱回収ボイラ
１５ 脱硝装置
１６ アンモニア供給装置
１８ 蒸気タービン
１９ 復水器
２１ 組成検出手段
２２ 制御装置

Claims (4)

  1. 石炭が投入され石炭ガス化ガスを得る石炭ガス化炉と、
    前記石炭ガス化炉で得られた石炭ガス化ガスが圧縮流体と共に投入されて燃焼されることで燃焼ガスを得る燃焼器と、
    前記燃焼器で得られた前記燃焼ガスを膨張して駆動力を得るタービンと、
    前記燃焼器に投入される前記石炭ガス化ガスの組成を導出する組成導出手段と、
    前記燃焼器もしくは前記石炭ガス化炉の少なくともいずれか一方に流体燃料を投入する流体燃料投入手段と、
    前記組成導出手段で導出された前記石炭ガス化ガスの組成に応じて、前記流体燃料投入手段による前記流体燃料の投入を制御する制御手段と、
    前記タービンの排気ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
    前記排熱回収ボイラで発生した蒸気が導入されて駆動力を得る蒸気タービンとを備え、
    前記流体燃料投入手段は、
    前記排熱回収ボイラに流体燃料の一部を投入して再燃させることで、蒸気量を増加させて、前記石炭ガス化ガスの組成に応じて、前記蒸気タービンの出力を増加させる
    ことを特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
  2. 請求項１に記載の石炭ガス化複合発電設備において、
    前記タービンで仕事を終えた排気ガスの通路に設けられ、アンモニアもしくは尿素を供給することにより前記排気ガスの脱硝を行う脱硝手段を備え、
    前記流体燃料は、前記脱硝手段に供給される前記アンモニアもしくは尿素である
    ことを特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
  3. 請求項１もしくは請求項２に記載の石炭ガス化複合発電設備において、
    前記組成導出手段は、前記石炭ガス化炉に投入される石炭の種類を判断する炭種判断手段である
    ことを特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
  4. 請求項１もしくは請求項２に記載の石炭ガス化複合発電設備において、
    前記組成導出手段は、前記燃焼器に投入される前記石炭ガス化ガスの組成を検知する組成検知手段である
    ことを特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
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