WO2012073300A1

WO2012073300A1 - ガス化設備

Info

Publication number: WO2012073300A1
Application number: PCT/JP2010/071212
Authority: WO
Inventors: 溝越　康隆; 弘実石井; 崇岩橋; 横濱　克彦; 山元　崇
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-06-07
Also published as: US9890331B2; US20130112543A1

Abstract

ガス化原料となる粉体燃料をガス化炉まで気流搬送する搬送媒体として可燃性ガスを使用し、燃料供給ホッパから排気された可燃性ガスを安全に大気放出できるガス化設備を提供する。粉体燃料の微粉炭を微粉炭供給ホッパ（７）からガス化炉（１１）へ搬送する搬送媒体として可燃性ガスを用いるガス化設備においては、微粉炭供給ホッパ（７）から排出される可燃性ガスは焼却処理してから大気へ放出されるため、安全に大気へ放出することができる。

Description

ガス化設備

　本発明は、石炭ガス化複合発電用ガス化炉や化学用石炭ガス化炉等を備えたガス化設備に適用され、ガス化原料の搬送媒体として可燃性ガスを使用するガス化設備に関する。

　従来、石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ）用のガス化炉として、効率に優れる空気吹きのガス化炉が知られている。
　図６に示す石炭ガス化複合発電設備において、図中の符号１は原料（燃料）の石炭、３は石炭を粉砕して微粉炭とするミル、５は微粉炭貯蔵ホッパ、７は微粉炭供給ホッパであり、ガス化の原料となる微粉炭は、搬送ガス（搬送媒体）である窒素ガス９により搬送されて空気吹きのガス化炉１１内に投入される。この場合の搬送ガスとしては、窒素ガス９の他にも空気等の不活性ガスが使用可能である。

　ガス化炉１１で生成された可燃性ガスは、ガス冷却器１３、チャー回収・リサイクル装置１５、脱硫装置１７を通ってガスタービン設備１９の燃焼器に供給される。
　一方、脱硫装置１７で分離回収されたオフガスは、オフガス燃焼炉２１に導かれて焼却処理される。
　ガスタービン設備１９は、ガスタービン出力でガスタービン発電機（不図示）を駆動して発電するとともに、高温の燃焼排ガスを蒸気タービン設備２３へ供給する。

　蒸気タービン設備２３は、図示しない排熱回収ボイラを備えており、ガスタービン１９から供給された燃焼排ガス及びオフガス燃焼炉２１から供給される燃焼排ガスの熱を回収して蒸気を生成する。この蒸気で運転される蒸気タービンは、図示しない蒸気タービン発電機を駆動して発電する。

　蒸気タービン設備２３で蒸気生成に使用された燃焼排ガスは、必要な処理を施した後に煙突２５から大気に放出される。
　上述した微粉炭供給ホッパ７の搬送ガスは、窒素ガス９や空気等の不活性ガスであるため、微粉炭供給ホッパ７から回収した搬送ガス（排気ガス）は、排気バグフィルタ２７を通して除塵した後、大気へ放出される。この場合、複数の微粉炭供給ホッパ７が並列に配置されており、各微粉炭供給ホッパ７は、大気圧のミル３から微粉炭を受け入れるための減圧と、ガス化炉１１内へ微粉炭を投入するための搬送媒体による加圧とを順次繰り返して行うことにより、ガス化炉１１に対する微粉炭の連続投入を実現している。

　石炭ガス化システムにおいては、微粉炭及びチャーをガス化炉に供給する搬送ガスとして、可燃性ガスを用いることが提案されている。すなわち、この場合の搬送ガスには、ガス化炉で生成された可燃性ガスからチャー回収後の一部を取り出したものが使用されている。（たとえば、特許文献１参照）

特開２０００－３２８０７４号公報

　上述したように、微粉炭の搬送ガスに不活性ガスを使用した場合、微粉炭供給ホッパ７の排気ガスは、排気バグフィルタ２７を通してそのまま大気へ放出することができる。
　しかし、微粉炭のような粉体燃料を気流搬送する搬送ガスとして可燃性ガスを使用する場合には、可燃性ガスである排気ガスをそのまま大気へ放出することができない。従って、微粉炭供給ホッパ７のような燃料供給ホッパを備えたガス化設備においては、粉体燃料の搬送媒体として使用した可燃性ガスを安全に大気放出する技術の開発が望まれる。すなわち、複数の燃料供給ホッパは、各燃料供給ホッパが順番に加減圧を行って粉体燃料をガス化炉へ連続投入するので、減圧時に燃料供給ホッパから排出される搬送媒体の可燃性ガスを安全に処理することが必要となる。

　微粉炭を搬送する搬送ガスとして可燃性ガスを使用する方式のガス化炉は、不活性ガスを使用する方式と比較した場合、ガス化の阻害要因となる不活性ガスがなくなることで効率の向上に有利といわれているが、現状での実績はない。
　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガス化原料となる微粉炭等の粉体燃料をガス化炉まで気流搬送する場合、搬送媒体として使用し燃料供給ホッパから排気された可燃性ガスを安全に大気放出できるガス化設備を提供することにある。

　本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
　本発明に係るガス化設備は、粉体燃料を燃料供給ホッパからガス化炉へ搬送する搬送媒体として可燃性ガスを用いるガス化設備において、前記燃料供給ホッパから排出される可燃性ガスが焼却処理してから大気へ放出されることを特徴とするものである。

　このような本発明のガス化設備によれば、燃料供給ホッパから排出される可燃性ガスが焼却処理してから大気へ放出されるため、安全に大気へ放出することができる。

　上記の発明において、前記焼却処理は、ガス化炉の下流に設置されたオフガス燃焼炉、ガス化炉の下流に設置されたフレアスタック、または、ガス化炉の下流に設置されたガスタービン燃焼器で行われることが望ましい。

　また、上記の発明において、前記可燃性ガスは、前記ガス化炉で生成された可燃性ガスの一部を導入して使用されることが望ましい。

　上述した本発明によれば、粉体燃料をガス化炉へ搬送する搬送媒体としてガス化効率のよい可燃性ガスを使用し、燃料供給ホッパから排出される使用済みの可燃性ガスを焼却処理して安全に大気へ放出するので、安全を確保してガス化設備の効率を向上させるという顕著な効果が得られる。

本発明に係るガス化設備の構成例として、第１の実施形態（定常運転時）を示す系統図である。図１の実施形態に係るガス化設備の第１変形例を示す系統図である。図１の実施形態に係るガス化設備の第２変形例を示す系統図である。本発明に係る燃料供給ホッパの構成例として、第２の実施形態（起動時）を示す系統図である。本発明に係る燃料供給ホッパの構成例として、第３の実施形態（定常運転時）を示す系統図である。従来のガス化設備に係る構成例を示す系統図である。

　以下、本発明に係るガス化設備の一実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、石炭ガス化複合発電設備用のガス化炉を備えたガス化設備に適用した構成例を説明するが、本発明はこれに限定されることはなく、たとえば化学用石炭ガス化炉等のように、微粉炭や他の粉体を原料（燃料）としてガス化するガス化炉を備えたガス化設備にも適用可能なことはいうまでもない。
　なお、他の粉体燃料としては、たとえばバイオマス等があり、たとえば微粉炭とバイオマスのように、複数種の粉体を混合した粉体燃料も包含する。

＜第１の実施形態＞
　石炭ガス化複合発電設備は、微粉炭をガス化した可燃性ガスをガスタービン設備１９でガスタービン燃焼器（不図示）の燃料として使用し、ガスタービン出力によりガスタービン発電機（不図示）を駆動して発電するとともに、ガスタービン設備１９から排出される燃焼排ガス等の排熱を利用して蒸気タービン設備２３で蒸気を生成し、この蒸気により蒸気タービン（不図示）及び蒸気タービン発電機（不図示）を駆動して発電する。図１に示す実施形態のガス化設備は、前記石炭ガス化複合発電設備の構成要素となっている。図１の系統図は定常運転時に使用する主な構成要素を示すものであり、起動時に使用する主な構成要素は後述する図４に示されている。

　ガス化の原料となる石炭１は、微粉炭機となるミル３に投入して粉砕され、所望の微粉度の微粉炭が微粉炭貯蔵ホッパ５に一時貯蔵される。この後、ガス化炉１１でガス化される微粉炭は、可燃性ガス９Ａを搬送ガス（搬送媒体）として、必要量が燃料供給ホッパの微粉炭供給ホッパ７を介して空気吹きのガス化炉１１に供給される。
　この場合の微粉炭供給ホッパ７は、大気圧のミル３から微粉炭を受け入れ、内圧が大気圧より高圧のガス化炉１１内へ微粉炭を投入する必要がある。従って、微粉炭供給ホッパ７では、ガス化炉１１内の圧力をＰｇとすれば、微粉炭の受け入れる際の大気圧から投入時の圧力「Ｐｇ＋α」までの範囲で加減圧が行われている。すなわち、微粉炭供給ホッパ７を含む微粉炭供給系は複数設けられ、順次微粉炭を投入する微粉炭供給ホッパ７を切り換えていくことで、ガス化炉１１に対して微粉炭を連続投入するようになっている。この場合の搬送ガスは、可燃性ガスの種類や供給源が特に限定されるものではなく、たとえばガス化炉１１で生成された可燃性ガスの一部を、ガス化炉１１の下流側適所から導入して使用できる。

　ガス化炉１１に投入された微粉炭は、部分酸化により一酸化炭素や水素を主成分とする可燃性ガス（石炭ガス）となる。しかし、ガス化炉１１から流出するガス化生成物は、可燃性ガスの他にもチャー（未燃分）や硫黄分等を含んでいる。従って、これらのガス化生成物は、ガス冷却器１３を通って冷却された後、チャー回収・リサイクル装置１５及び脱硫装置１７を通り、チャーや硫黄分等の成分が分離除去される。
　こうして精製された可燃性ガスは、ガスタービン設備１９に燃料として供給され、分離回収したチャーは、ガス化炉１１に戻して再度ガス化される。また、脱硫装置１７で分離されたオフガスは、オフガス焼却炉２１に供給して焼却される。

　ガスタービン設備１９では、可燃性ガスをガスタービン燃焼器で燃焼させることにより高温高圧の燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスが保有するエネルギーによりガスタービンのロータを回転させる。こうして発生したガスタービンの出力は、ガスタービン発電機の駆動源となり、ガスタービン発電機による第１段階の発電が行われる。
　一方、ガスタービンのロータを回転させた燃焼ガスは、高温の燃焼排ガスとして蒸気タービン設備２３へ供給される。

　蒸気タービン設備２３に供給された高温の燃焼排ガスは、図示しない排熱回収ボイラの加熱源として使用される。また、オフガス燃焼炉２１からも高温の燃焼排ガスが排出されるので、この燃焼排ガスも蒸気タービン設備２３に供給されて、排熱回収ボイラの加熱源として使用される。
　排熱回収ボイラは、高温の燃焼排ガスによる加熱を受けて蒸気を生成する。この蒸気が保有するエネルギーは蒸気タービンのロータを回転させ、こうして発生した蒸気タービンの出力は、蒸気タービン発電機の駆動源となる。従って、蒸気タービン発電機による第２段階の発電が行われるため、高効率の発電が可能となる。

　蒸気タービン設備２３で蒸気生成に使用された燃焼排ガスは、公知の必要な処理を施した後に煙突２５から大気に放出される。
　一方、本実施形態では、上述した微粉炭供給ホッパ７からガス化炉１１に微粉炭を搬送する搬送ガスとして可燃性ガス９Ａを用いている。このため、粉炭供給ホッパ７から発生する排気は、すなわち搬送媒体として供給される可燃性ガス９Ａの一部は、微粉炭投入工程から微粉炭受け入れ工程に移行する際の減圧により排出される。この排気は、排気バグフィルタ２７を通して粒子成分等を除去した後、オフガス焼却炉２１へ供給される。従って、粉炭供給ホッパ７から回収された可燃性ガスの排気は、脱硫装置１７から供給されるオフガスとともにオフガス焼却炉２１で焼却処理され、その排熱を蒸気タービン設備２３の蒸気生成に有効利用することができる。

　すなわち、本実施形態のガス化設備において、微粉炭の搬送ガスとして使用され、粉炭供給ホッパ７の排気ガスとして回収された可燃性ガスは、微粉炭供給ホッパ７の排気先がオフガス燃焼炉２１となり、焼却処理した燃焼排ガスが蒸気タービン設備２３の系統を介して煙突２５から大気へ放出される。
　このため、搬送ガスとして使用した可燃性ガスは、オフガス燃焼炉２１で焼却処理したことにより、煙突２５から大気へ安全に放出することができる。しかも、焼却処理により排出される高温の燃焼排ガスを大気へ放出する際には、蒸気タービン設備２３を介して蒸気生成に使用する。したがって、可燃性ガスが有する熱量（カロリー）の回収により、ガス化設備及び石炭ガス化複合発電設備の熱効率を向上させことができる。

　上述した実施形態では、搬送媒体となる可燃性ガスについて、種類や供給源を特定していないが、図２に示す第１変形例及び図３に示す第２変形例では、ガス化炉１１で生成した可燃性ガスの一部を導入して使用する。図２及び図３の構成例では、図１に示す実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　すなわち、第１変形例及び第２変形例のガス化設備は、可燃性ガスの供給源に関する構成が異なるだけである。従って、微粉炭の搬送媒体として使用した可燃性ガス９Ｂ，９Ｃについては、上述した実施形態と同様の過程を経て、煙突２５から安全に大気へ放出することができる。

　図２に示す第１変形例では、チャー回収・リサイクル装置１５の下流側から導入された可燃性ガスの一部は、搬送媒体の可燃性ガス９Ｂとして使用される。従って、この可燃性ガス９Ｂは、脱硫前の硫黄分を含む可燃性ガスとなり、たとえば３００℃程度とガス温度が高めになる。
　図３に示す第２変形例では、脱硫装置１７の下流側から導入された可燃性ガスの一部は、搬送媒体の可燃性ガス９Ｃとして使用される。従って、この可燃性ガス９Ｃは、脱硫後で硫黄分が除去された可燃性ガスとなり、しかも脱硫処理の過程において温度低下するので、たとえば２００℃程度と比較的ガス温度が低い。このため、第１変形例の可燃性ガス９Ｂと比較すれば、低温の可燃性ガス９Ｃは、自然発火が懸念される微粉炭の搬送媒体としては好ましい。また、搬送媒体の可燃性ガス９Ｃは、微粉炭とともにガス化炉１１内に投入されるものであるから、硫黄分が少ないほど後処理等において有利になる。

＜第２の実施形態＞
　次に、本発明に係るガス化設備について、ガス化炉起動時に適用される第２の実施形態を図４に基づいて説明する。上述した実施形態と及びその変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　この実施形態では、ガス化炉１１のガス生成が不安定なガス化炉起動時においても、微粉炭の搬送ガスとして可燃性ガスが使用される。この場合、微粉炭供給ホッパ７の排気ガスとして回収された可燃性ガスの排気先は、すなわち、微粉炭供給ホッパ７の排気先は、上述した実施形態のオフガス燃焼炉２１からフレアスタック２９に変更されている。

　このガス化設備でも、ガス化炉１１で生成された可燃性ガスは、ガス冷却器１１で冷却した後、チャー回収・リサイクル装置１５でチャーが回収される。しかし、起動時のガス化炉１１で生成される可燃性ガスは、組成やガス量が安定しないため、ガスタービン設備１９の燃料として使用するには問題が多い。このため、チャーを回収した後の可燃性ガスは、ガス生成が安定する定常運転に入るまでの間、フレアスタック２９に導かれて焼却処理される。
　従って、微粉炭供給ホッパ７から発生する可燃性ガスの排気についても、排気バグフィルタ２７を通して粒子成分等を除去した後、フレアスタック２９へ導かれて余剰ガスとともに焼却処理される。

　この結果、ガス化設備の起動時において、搬送媒体の可燃性ガスは微粉炭供給ホッパ７の排気先がグランドフレア系統となり、従って、オフガス焼却炉２１を運転しない起動時にも、可燃性ガスをグランドフレア２９で焼却処理して安全に大気へ放出することができる。
　この実施形態においても、上述した第１変形例及び第２変形例と同様に、チャー回収・リサイクル装置１５または脱硫装置１７の下流側から可燃性ガスの一部を導入し、搬送媒体の可燃性ガス９Ｂ，９Ｃとしてもよい。

＜第３の実施形態＞
　次に、本発明に係るガス化設備について、第３の実施形態を図５に基づいて説明する。上述した実施形態と及びその変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　この実施形態では、微粉炭の搬送ガスとして使用され、微粉炭供給ホッパ７の排気ガスとして回収された可燃性ガスの排気先が、すなわち、微粉炭供給ホッパ７の排気先が、上述した実施形態のオフガス燃焼炉２１またはフレアスタック２９から、ガスタービン設備１９に変更されている。

　すなわち、ガスタービン設備１９のガスタービン燃焼器（不図示）で燃焼させる燃料として、ガス化炉１１で生成された脱硫後の可燃性ガスと、可燃性ガスである微粉炭供給ホッパ７の排気とが用いられる。従って、微粉炭供給ホッパ７から発生する可燃性ガスの排気は、排気バグフィルタ２７を通して粒子成分等を除去した後、脱硫装置１７を通って脱硫された主燃料の可燃性ガスとともに、ガスタービン燃焼器で焼却処理される。

　この結果、搬送媒体の可燃性ガスは、微粉炭供給ホッパ７の排気先がガスタービン設備１９となる。従って、可燃性ガスをガスタービン燃焼器で焼却処理して煙突２５から安全に大気へ放出することができる。この場合、ガスタービン設備１７から排出される燃焼排ガスは、大気放出前に公知の必要な処理が施されるので、特に問題となることはない。
　この実施形態においても、上述した第１の実施形態に係る第１変形例及び第２変形例と同様に、チャー回収・リサイクル装置１５または脱硫装置１７の下流側から可燃性ガスの一部を導入し、搬送媒体の可燃性ガス９Ｂ，９Ｃとしてもよい。

　このように、上述した各実施形態及び変形例のガス化設備によれば、ガス化原料となる微粉炭（粉体燃料）をガス化炉１１まで搬送する搬送媒体に可燃性ガスを使用しても、オフガス焼却炉１１，フレアスタック２９またはガスタービン設備１９で焼却処理される。したがって、ガス化の効率が向上するとともに、使用した可燃性ガスを安全に大気へ放出することができる。
　なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば粉体燃料が微粉炭に限定されないなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

　　１　　石炭（ガス化の原料）
　　３　　ミル（微粉炭機）
　　５　　微粉炭貯蔵ホッパ
　　７　　微粉炭供給ホッパ（燃料供給ホッパ）
　　９　　窒素ガス（搬送媒体）
　　９Ａ～Ｃ　　可燃性ガス（搬送媒体）
　１１　　ガス化炉
　１３　　ガス冷却器
　１５　　チャー回収・リサイクル装置
　１７　　脱硫装置
　１９　　ガスタービン設備
　２１　　オフガス燃焼炉
　２３　　蒸気タービン設備
　２５　　煙突
　２７　　排気バグフィルタ
　２９　　フレアスタック

Claims

　粉体燃料を燃料供給ホッパからガス化炉へ搬送する搬送媒体として可燃性ガスを用いるガス化設備において、
　前記燃料供給ホッパから排出される可燃性ガスが焼却処理してから大気へ放出されるガス化設備。
　前記焼却処理がガス化炉の下流に設置されたオフガス燃焼炉で行われる請求項１に記載のガス化設備。
　前記焼却処理がガス化炉の下流に設置されたフレアスタックで行われる請求項１に記載のガス化設備。
　前記焼却処理がガス化炉の下流に設置されたガスタービン燃焼器で行われる請求項１に記載のガス化設備。
　前記可燃性ガスが前記ガス化炉で生成された可燃性ガスの一部を導入して使用される請求項１から４のいずれかに記載のガス化設備。