JPH03210028A - 粗悪燃料のガス化ガスを燃料とするガスタービン発電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧力スイング式酸素の製造方法を利用した石
炭、タール、重質油等の粗悪燃料のガス化ガスを燃料と
するガスタービン発電方法に関する。

〔従来の技術〕

石炭ガス化複合発電システムは、化石燃料を利用した熱
機関の中で最も効率の高いガスタービンを利用し、ガス
タービンの燃料としては、ガス化炉により製造したガス
化ガスを脱塵、脱硫した後使用するために、高効率でク
リーンな発電が期待できる。石炭、タール、重質油等の
粗悪燃料のガス化にあたっては、酸化剤として空気を使
用する方法と酸素を使用する方法とが提案されている。

ガス化に当って空気を使用する場合には、粗悪燃料のガ
ス化炉の圧力は、ガスタービン圧力よりも高圧で操作さ
れるために、空気中にある酸素に随伴する窒素をも昇圧
することとなるために動力２的に不利である。また、ガ
ス化によって得られる一ゝガフ化ヵ玖も、１．。。。ｋ
ｃａ□／Ｎ、３を下廻４　、：ａ　、：　ｆｔリ、その
燃焼にも技術を要する。更に、ガス化炉自身及び脱塵、
脱硫等のクリーンアップ系は処理ガス量に大きく依存す
るために、ガス化ガスに空気中の窒素が含まれる空気を
使用する方法では、非常に設備費が増大する。

以上の理由によって、酸素を使用する方法が期待される
ところとなるが、現実には大容量酸素製造方法として広
く使用されている深冷分離法では、酸素製造等の消費電
力が大きく、また、設備費も高いために、空気を使用す
る方法の欠点を克服するに至っていない。これに加えて
、深冷法では、近年の発電ソステムで採用される負荷変
動、週末停止、各日停止等に対応することは非常に困難
である。

第２図にこのような長所及び欠点を有する酸素吹き石炭
ガス化複合発電システムのフローシートを示す。空気圧
縮機０１で圧力６ａｔｍ程度に昇圧された空気は、全低
圧式深冷分離製造装置０２において、圧力１〜１　、２
ａ　Ｌｍの酸素ガス０３と同しく圧力１〜１．２ａｔ＋
ｎの窒素ガス０４に分離される。全低圧式深冷分離製造
装置０２で得られる酸素の純度は、９０〜９９．６ｖｏ
１％と極めて高濃度である。酸素製造時の消費電力は、
酸素純度９０ｖｏ　１％の場合で０．３６ｋｗｈ／Ｎｍ
″−Ｏｘ、酸素純度９９．６ｖｏ１％の場合で０．４ｋ
ｗｈ／　Ｎｍ３−Ｏｚ程度である。

発電システムでは、それ程高濃度を要求されないために
、純度９Ｑｖｏ１％で酸素ガスを製造し、これを酸圧機
０５によって圧力３０ａ　Ｌｍに圧縮した後、水蒸気０
６と混合して石炭ガス化炉０７に石炭０８と伴に供給し
て石炭のガス化を行なう。平均熱量５，０００ｋｃａｌ
／Ｎｍ″のガス化ガスは、高温脱塵装置０９で脱塵され
乾式脱硫装置０１０で脱硫されてガスタービンサイクル
に使用可能な程にクリーンにされた後流路０１１から燃
焼器０１２に供給される。

一方、圧縮機０１３で圧縮された空気の大部分は、流路
０１４から燃焼器０１２に供給され、前記ガス化ガスを
加圧燃焼して流路０１５から高温高圧流体として膨張型
のガスタービン０１６に入る。現在の技術水準では、ガ
スタービン材料の使用上限温度は１　、３８０°Ｃ程度
であり、燃焼器０１２における燃焼温度はこの温度を上
田るため、前記圧縮空気の一部は流路０１７から流路０
１５へ供給されて、冷却用に使用される。

圧縮機０１３とガスタービン０１６は、同軸０１Ｂで発
電機０１９に接続されており、ガスタービン０１６の回
転によって電力が採り出される。ガスタービン０１６で
仕事をして降温、降圧した排ガスは、５００’Ｃ程度の
温度を有するために、廃熱回収ボイラー蒸気タービンシ
ステム０２０でも電気エネルギーが採り出される。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上説明した石炭等粗悪燃料のガス化用酸化剤として空
気の代わりに酸素を使用する発電システムでは、窒素を
分離した比較的小量の酸素を用いており、 （１）　　ガス化炉酸化剤の昇圧に要する動力の大幅な
削減及び昇圧機設備費の削減。

（２）石炭ガス化炉の塔断面積の縮少に基づく設備費の
削減。

（３）石炭ガス化ガスの減容に基づき、処理ガス量に設
備費、変動費とも太き（依存する脱塵装置、脱硫装置の
設備費、変動費の低減。

（４）石炭ガス化ガスの高カロリー化による燃焼器操作
性の改善。

（５）発電と化学原料製造ガス化の同時プロセスが可能
。

等の多大な利点が挙げられる。しかし、酸素製造方法と
して大容量領域で広く採用されている深冷分離法の設備
費、変動費は、ガス化用酸化剤として酸素を使用する場
合の前記の利点をほぼ相殺し、かつ負荷変動、週末停止
、各日停止等の発電システムで必須となっている操作が
非常に困難なことが、この方法の採用を見合せる要因と
なっている。

本発明は、前記問題点を解決するために、圧力スイング
式酸素の製造方法を利用して粗悪燃料のガス化を行い、
このガス化ガスを燃料とするガスタービンの発電方法を
提供しようとするものである。

〔＃Ｊ題を解決するための手段〕

本発明の粗悪燃料のガス化ガスを燃料とするガスタービ
ン発電方法は、ガスタービンで駆動される空気圧縮機に
よる高圧の加圧空気の一部を抽気して酸素吸着剤を収容
した酸素吸着塔へ導入して酸素を酸素吸着剤に吸着させ
ると共に窒素ガスを高圧の状態で酸素吸着塔を流過させ
、減圧下で酸素吸着剤に吸着された酸素を酸素吸着剤か
ら脱着し、該脱着された酸素ガスを加圧した上これを酸
化剤として粗悪燃料をガス化し、該粗悪燃料のガス化ガ
スを前記空気圧縮機による加圧空気の残部によって燃焼
させ、該燃焼による燃焼ガスに前記吸着塔を流過した高
圧の窒素ガスを混合して前記ガスタービン−・導入して
該タービンを駆動して発電を行なうことを特徴とする。

［作用］ 本発明では、ガスタービンで駆動される空気圧縮機によ
る高圧の加圧空気の一部は抽気されて酸素吸着塔へ導入
され、空気中の酸素が同塔内の酸素吸着剤に吸着され、
残部の窒素ガスは開基を高圧の状態で流過する。この酸
素吸着塔における酸素の吸着は、高圧下で行なわれるた
めに吸着効率が高く、また空気中の体積比約２０％の酸
素の吸着を行なっているので、少量の酸素吸着剤で吸着
が可能であり、また、吸着塔を小形化することが可能で
ある。

酸素吸着剤に吸着された酸素は減圧下で脱着されて酸素
ガスとなり、これを加圧した上石炭その他の粗悪燃料の
ガス化の酸化剤として用いられる。

粗悪燃料のガス化によって生じたガス化ガスは、空気を
用いる場合のように窒素を随伴しない分だけ減容され、
発熱量が高いものとなり、またガス化炉等のガス化装置
の容量の減小が可能になる。

このガス化ガスは、前記空気圧縮機による高圧の加圧空
気の残部によって燃焼され、高温高圧の燃焼ガスとなる
。この燃焼ガスに前記酸素吸着塔を流過した高圧の窒素
ガスが混合された上ガスタービンへ導入され、ガスター
ビンを駆動して発電が行なわれる。

ガスタービンへ導入される燃焼ガスと窒素ガスの混合流
体は、窒素ガスの混合によって温度が低下し、ガスター
ビン材料の使用上限温度以下になると共に、高圧の窒素
ガスのもつエネルギーが燃焼ガスのエネルギーと共にガ
スタービンによって動力へ変換される。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図によって説明する。

空気圧縮機１、膨張型のガスタービン２３及び発電機２
４は同軸に接続されており、空気圧縮機ｌの出口の流路
２は、ガスタービン２３へ燃焼ガスを供給する燃焼器２
０の入口側に接続されている。５ａ、５ｂは並列に設け
られた酸素吸着塔であり、同吸着塔５ａ、５ｂの底部に
接続された流路３０ａ　、　３０ｂは、前記流路２から
分岐する抽気流路３に、それぞれ、バルブ４ａ、４ｂを
介して接続されている。前記酸素吸着塔５ａ、５ｂ内に
は、それぞれ、下部から上部に順次活性アルミナの脱湿
剤６ａ、６ｂ、蓄冷剤８ａ、８ｂ、両塔を貫通ずる空気
熱交換器７とフロン熱交換器９、及びＮａ−Ａ型ゼオラ
イトの酸素吸着剤１０ａ、１０ｂが配置されている。酸
素吸着塔５ａ、５ｂの頂部には、それぞれ、バルブｌｌ
ａ、　Ｉｌｂをもつ流路３１ａ、３１ｂが接続され、同
流路３１ａ、３１ｂは、前記燃焼器２０の出口側とガス
タービン２３の間の流路２２に接続された流路１２に接
続されている。また、前記の空気熱交換器７は、流路１
２に設けられた熱交換器７′に接続されている。

酸素吸着塔５ａ、５ｂの前記流路３０ａ、３０ｂのバル
ブ４ａ＋４ｂと同吸着塔５ａ、５ｂの中間からは、それ
ぞれバルブ１３ａ、Ｉ３ｂをもつ流路３２ａ、３２ｂが
分岐し、両流路３２ａ。

３２ｂは合流して圧縮機１４の入口側へ接続されている
。同圧縮機１４の出口側は、水蒸気供給路１５と合流し
てガス化炉１６の底部に接続され、また、同ガス化炉１
６の底部は石炭供給路１５′に接続されている。同ガス
化炉１６の頂部に接続された流路１７は、脱塵装置１８
へ接続され、同脱塵装置１８は脱硫装置１９へ、また同
脱硫装置１９は前記燃焼器２０の入口側へ、それぞれ接
続されている。２５はガスタービン２３の排ガスが供給
される回収ボイラー蒸気タービンシステムである。

本実施例においては、ガスタービン２３で駆動される空
気圧縮機１で１５ａｔ−程度に圧縮された加圧空気が、
流路２から一部抽気されて流路３へ入る。

並列に配置された酸素吸着塔５ａ、５ｂのうち、塔５ａ
のバルブ４ａ、ｌｌａが開かれると共にバルブ１３ａが
閉じられ、塔５ｂのバルブ４ｂ、Ｉｌｂが閉じられると
共にバルブ＋４ａが開かれている。開状態のバルブ４ａ
がら、加圧空気が酸素吸着塔５ａへ入り、同加圧空気は
、脱湿剤６ａで除湿され、蓄冷剤８ａ及び空気熱交換器
７で冷却され、更に不足の寒冷を補うフロン熱交換器９
で一７０°Ｃ程度迄冷却された上、酸素吸着剤１０ａを
通過し、加圧空気中の酸素は同吸着剤１０ａに吸着され
る。一方窒素は高圧の状態で吸着塔５ａを流過する。吸
着塔５ａを流過した窒素は同吸着塔５ａにおける圧ｔｉ
Ｏ，１〜０．５ａｔ…だけ減少した１５（０，１〜０．
５）ａｔＩ＋＋の圧力を存している。この高圧の窒素は
、バルブｌｌａ、熱交換器７′から流路１２へと流過す
る。このように、酸素吸着塔５ａへは、加圧空気が供給
され、高圧の状態で酸素が酸素吸着剤１０ａに吸着され
るために、吸着効率が向上して必要とする酸素吸着剤の
址が低減されると共に、酸素吸着塔５ａをコンパクト化
することができる。

一方、他の酸素吸着塔５ｂは、流路３０ｂ、開かれたバ
ルブ１３ｂをもつ流路３２ｂによって圧縮機１４の入口
側へ接続されて減圧状態となっており、酸素吸着塔５ｂ
に吸着された酸素は同吸着塔５ｂから脱着されて酸素ガ
スとなって圧縮機１４へ入り、同圧縮機１４で加圧され
た上、水蒸気供給路１５からの水蒸気と合流して石炭供
給路１５’からの石炭と共に、ガス化炉１６へ供給され
る。

前記酸素吸着塔５ａにおける酸素の吸着、及び酸素吸着
塔５ｂにおける酸素の脱着が終了すると、各吸着塔のバ
ルブを切換えて、酸素吸着塔５ｂへ加圧空気を導入して
酸素の吸着を行ない、酸素吸着塔５ａで吸着された酸素
を脱着して酸素ガスとして圧縮機１４へ導入する。この
ように、酸素吸着塔５ａ、５ｂにおいて、一方では酸素
の吸着を行ない、他方では酸素の脱着を行ない、これを
順次切換えることによって、連続的に酸素の吸着及び脱
着が行なわれることになる。なお、この酸素吸着塔５ａ
、５ｂにおける吸着、脱着は、通常７５秒程度の期間で
行なわれる。

酸素吸着塔５ａ、５ｂにおいて酸素吸着剤１０ａ、ｌＯ
ｂに吸着された酸素は、圧縮機１４による減圧によって
、前記したように、−酸素吸着剤１０ａ、１０ｂから脱
着されて酸素ガスとなり、このときに酸素吸着剤の再生
が行なわれる。また、酸素ガスはまず蓄冷剤８ａ。

８ｂを流過して、−７０″Ｃの冷熱が回収されてほぼ室
温迄昇温し、次いで水分で飽和した脱湿剤６ａ、６ｂを
流過して水分を離脱して脱湿剤６ａ、６ｂを再生させる
。

ガス化炉１６−１供給される酸素ガスは、圧縮機１４に
よって、圧力が３０ａ　Ｌｍ程度迄昇圧されて供給され
る。従来例で述べた前記の深冷法では、大気圧の酸素を
３０ａ　Ｌｍ程度迄昇圧する必要があるが、本実施例で
は、酸素吸着剤からの脱着開始時に１０ａｔｍ程度から
３０ａ　ｔ＋ｎ程度へ圧縮比３で昇圧する。その後約７
５秒にわたる酸素の脱着によって、吸着塔内圧力は暫次
降圧して最終的にｌａｔｍ程度となり、この最終段階で
は、酸素ガスは圧縮［１４によってｌａｔｍがら３Ｑａ
　Ｌｍへ昇圧される。従って、約７５秒にわたる酸素の
脱着においては、平均で４８ＬＩ１１から３０ａ　Ｌｍ
への昇圧とほぼ等価となり、これによって、深冷法に対
して本実施例では約５０％の消費電力ですむことになる
。

ガス化炉１６においては、前記のように同炉に供給され
た酸素ガス、水蒸気によって石炭のガス化が行なわれ、
同炉で生成されたガス化ガスは流路１７へ入る。生成し
たガス化ガスには、空気を用いた場合のように窒素を随
伴していないために、発生するガス化ガスのガス量は空
気を用いた場合の約５０％であり、従って、ガス化炉１
６を容量の小さいものとすることができ、またガス化ガ
スの発熱量は３．０００ｋｃａｌ／Ｎ＋ｍ”を上進るこ
ととなる。

前記のように、容量の小さいガス化ガスは、流路１７か
ら脱塵装置１Ｂ及び脱硫装置１９を経て脱塵、脱硫等の
クリーンアップをされた上、燃焼器２０へ入り、空気圧
縮機ｌから流路２Ｉより供給される加圧空気によって燃
焼して流路２２からガスタービン２３へと入る。

本実施例では、流路１２，２２を経て、ガスタービン２
３へ、高圧状態を保って酸素吸着塔５ａ、５ｂを流過し
た窒素ガスが、前記燃焼ガスに混合されて導入される。

窒素ガスを混合することによって、ガスタービン２３へ
入る流体の温度は、ガスタービン材料の使用上限を下部
ることとなり、また、高圧の窒素ガスのもつエネルギー
も燃焼ガスのエネルギーと共に、ガスタービン２３で動
力に転換して回収され、発電８２４による発電が行なわ
れる。

ガスタービン２３から排出されたガスは、その後流側の
回収ボイラー蒸気タービンシステム２５によって、その
エネルギーが回収されて電力が採り出される。

なお、上記実施例では、並列に配置された２個の酸素吸
着塔を用いているが、３個以上の並列に配置された複数
個の酸素吸着塔を用いるようにしてもよく、また、互い
に独立した酸素吸着塔の複数個を用いて酸素の吸着、脱
着を各酸素吸着塔で行ない脱着された酸素を連続的に得
るようにしてもよい。

〔発明の効果］ 本発明は次の効果を挙げることができる。

（１）ガスタービンの空気圧縮機による加圧空気を抽気
して酸素吸着塔へ導入して、加圧下で酸素を酸素吸着剤
に吸着することによって、酸素を効率良く吸着すること
ができる。また、酸素吸着塔では、空気中の体積比約２
０％の酸素の吸着を行なっているために、前記の高圧下
における効率の良い吸着と相まって、酸素吸着塔を小形
化することができ、必要とする酸素吸着剤の量も低減す
ることができる。

（２）酸素吸着剤から脱着された酸素ガスによって、粗
悪燃料のガス化を行なうために、空気によるガス化に比
して、扱うガス及び生成するガス化ガスの量が減容され
、ガス化炉及びガス化ガスの脱硫、除塵用等の機器を小
形にすることができると共に、ガス化ガスの発熱量を窩
くすることができ、ガス化ガスの燃焼性を改善すること
ができる。

（３）酸素吸着塔を流過した高圧状態の窒素ガスは、ガ
スタービンへ導入されてそのエネルギーを回収すること
ができる。また、窒素ガスを混合することによって、ガ
スタービンへ導入される高温高圧流体の温度をガスター
ビン材料の使用上限温度以下に下げ、ガスタービンを安
全に運転することができる。

（４）酸素吸着塔における酸素の吸着・脱着及びその他
の本発明の各工程は、短時間で起動、停止及び調節を行
なうことができ、負荷変動及び頻繁な発電の発停に対応
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図は従来の酸
素を用いる石炭ガス化複合発電プラントの系統図である
。 １・・・空気圧縮機、　　　５ａ、５ｂ・・・酸素吸着
塔、６ａ、６ｂ・・・脱湿剤、　　　　７・・・空気熱
交換器、８ａ、８ｂ・・・蓄冷剤、　　　　９・・・フ
ロン熱交換器、１０ａ、１０ｂ・・・酸素吸着剤、 ４ａ、４ｂ　１１ａ、１１ｂ、１３ａ、１３ｂ−・−バ
ルブ、１４・・・圧縮機、　　　　　１６・・・ガス化
炉、１８・・・脱塵装置、　　　　１９・・・脱硫装置
、２０・・・燃焼器、　　　　　２３・・・ガスタービ
ン、２４・・・発電機。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガスタービンで駆動される空気圧縮機による高圧の加圧
   空気の一部を抽気して酸素吸着剤を収容した酸素吸着塔
   へ導入して酸素を酸素吸着剤に吸着させると共に窒素ガ
   スを高圧の状態で酸素吸着塔を流過させ、減圧下で酸素
   吸着剤に吸着された酸素を酸素吸着剤から脱着し、該脱
   着された酸素ガスを加圧した上これを酸化剤として粗悪
   燃料をガス化し、該粗悪燃料のガス化ガスを前記空気圧
   縮機による加圧空気の残部によって燃焼させ、該燃焼に
   よる燃焼ガスに前記吸着塔を流過した高圧の窒素ガスを
   混合して前記ガスタービンへ導入して該タービンを駆動
   して発電を行なうことを特徴とする粗悪燃料のガス化ガ
   スを燃料とするガスタービン発電方法。