JP2004331701A - 石炭ガス化プラント、および石炭ガス化方法並びに石炭ガス化発電プラント - Google Patents
石炭ガス化プラント、および石炭ガス化方法並びに石炭ガス化発電プラント Download PDFInfo
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Abstract
【課題】発電プラント効率の低下を抑えつつＣＯ２の排出量を低減すること。
【解決手段】この石炭ガス化発電プラント１００は、石炭をガス化して燃焼用のガスを生成する石炭ガス化炉１０と、ＣＯＳ変換装置２０と、ＣＯシフト装置３０と、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０と、発電機６０が接続されたガスタービン５０とを備えている。石炭ガス化炉１０で作られた生成ガス中のＣＯＳは、ＣＯＳ変換装置２０によってＨ２Ｓに変換される。ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯは、ＣＯシフト装置３０によってＣＯ２に変換される。このＣＯ２は、生成ガス中に含まれるＨ２Ｓとともに、アミン液を用いたＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０によって回収される。Ｈ２ＳとＣＯ２とが回収された後の生成ガスはガスタービン５０に供給され、この生成ガスを燃料としてガスタービン５０が駆動されて、発電機６０によって電力を発生する。
【選択図】 図１
【解決手段】この石炭ガス化発電プラント１００は、石炭をガス化して燃焼用のガスを生成する石炭ガス化炉１０と、ＣＯＳ変換装置２０と、ＣＯシフト装置３０と、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０と、発電機６０が接続されたガスタービン５０とを備えている。石炭ガス化炉１０で作られた生成ガス中のＣＯＳは、ＣＯＳ変換装置２０によってＨ２Ｓに変換される。ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯは、ＣＯシフト装置３０によってＣＯ２に変換される。このＣＯ２は、生成ガス中に含まれるＨ２Ｓとともに、アミン液を用いたＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０によって回収される。Ｈ２ＳとＣＯ２とが回収された後の生成ガスはガスタービン５０に供給され、この生成ガスを燃料としてガスタービン５０が駆動されて、発電機６０によって電力を発生する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、石炭、石油その他のハイドロカーボン系の燃料をガス化することに関し、更に詳しくは、ＣＯ２の排出量を低減すること、発電プラントの効率低下を抑えることのうち少なくとも一つを達成できる石炭ガス化プラント、石炭ガス化方法、および石炭ガス化発電プラント、並びに石炭ガス化プラントの増設設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭、石油その他のハイドロカーボン系の燃料は取り扱いが比較的容易であるため、これを用いて発電するプラントが従来から多数稼動している。特に石炭はその埋蔵量が莫大であることから、将来にわたって安定した供給が可能であるので、有望な燃料の一つとして注目されている。しかしながら、他のハイドロカーボン系の燃料と比較して燃料中に含まれる炭素（Ｃ）分を多く含むため、単位熱量当たりのＣＯ２排出量が多いという問題がある。特に、近年においては地球環境保全の観点から、ＣＯ２の排出量を低減することは早急に達成すべき重要な課題となっている。ここで、発電プラントの効率が向上すれば、同じ電力を発生させるために必要な燃料の量を低減できるので、ＣＯ２の排出量を低減できる。このため、従来の石炭焚発電プラントにおいては、プラントの効率を向上させてＣＯ２の排出量を抑制する対策がとられていた。
【０００３】
このようなプラント効率を向上させる技術としては、石炭ガス化複合発電（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏａｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ：ＩＧＣＣ）という技術が知られている。この技術は、石炭をそのまま燃焼させるのではなく、一旦ガス化してから発電用の燃料として供給するものである。石炭ガス化複合発電においては、ガスタービンおよび蒸気タービンと組み合わせることによって、従来４０％程度であった石炭焚発電プラントの効率を約４６％まで向上させることができる。このプラント効率の向上によって、ＣＯ２の排出量は従来の石炭焚ボイラに対して約１３％削減できる。
【０００４】
また、近年地球環境温暖化の問題から、ＣＯ２の排出量をさらに削減するために、ＣＯ２を回収する技術が研究されている。特許第２８７０９２９号や特許第３１４９５６１号に開示された石炭ガス化発電プラントでは、ＣＯシフト装置やＣＯ２回収設備を追加することによりＣＯ２を回収し、ＣＯ２の排出量をさらに低減させた石炭ガス化発電プラントが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの石炭ガス化複合発電ではＣＯ２の回収率が高いため、ガスタービンの作動流体である燃焼ガスの質量流量が減少する結果、ガスタービンの出力低下を招いていた。また、ＣＯシフトやＣＯ２を回収した後の回収液を再生するために必要な蒸気を供給するため、蒸気タービンに供給する蒸気量が低減していた。これらの影響によって、上記石炭ガス化発電プラントにおいては、結果としてプラント効率が低下するという問題があった。
【０００６】
このため、ある程度の発電量を確保しようとすると、より多くの燃料を消費してしまうので燃料コストの増加を招き、ＣＯ２の排出量も増加してしまう。さらに、省エネルギーの要請にも沿い難くなる。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＣＯ２の排出量を低減すること、発電プラントの効率低下を抑えることのうち少なくとも一つを達成できる石炭ガス化プラント、石炭ガス化方法、および石炭ガス化発電プラント、並びに石炭ガス化プラントの増設設備を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に係る石炭ガス化プラントは、石炭をガス化して燃焼用のガスを生成する石炭ガス化炉と、この石炭ガス化炉で作られた生成ガス中のＣＯＳをＨ２Ｓに変換するＣＯＳ変換手段と、当該ＣＯＳ変換手段によるＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換するＣＯシフト手段と、アミン液によって前記変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この石炭ガス化プラントは、ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換し、アミン液によるＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段を用いてＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するようにしてある。このため、ＣＯ２の量を低減しつつある程度のＣＯを含んだ生成ガスを供給できるので、ガスタービンやガスエンジン等でこの生成ガスを燃料とした場合には排出するＣＯ２の量を低減しつつ出力低下も抑制できる。また、この石炭ガス化プラントを備えた発電プラントにおいては、ＣＯ２の含有量を抑えつつある程度のＣＯを含んだ生成ガスを燃料として使用できるので、ＣＯ２の排出量を抑えつつプラント効率の低下も抑制できる。さらに、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収手段によってＣＯ２とともにＨ２Ｓの回収、すなわち生成ガスの脱硫もできる。このため、従来の石炭ガス化プラントのように脱硫設備を別個に設ける必要がないので、設備投資の費用も抑えることができる。また、プラントの設備を簡略化できるので、その分保守・点検の手間も軽減でき、プラントの信頼性も向上させることができる。なお、この石炭ガス化プラントによって燃料用の生成ガスを作り、パイプライン等を介して異なる場所にある発電プラントに生成ガスを燃料として供給してもよい。
【０００９】
また、請求項２に係る石炭ガス化プラントは、上記石炭ガス化プラントにおいて、上記アミン液は第３級アルカノールアミン溶液であることを特徴とする。この石炭ガス化プラントは、生成ガス中のＨ２ＳとＣＯ２とを回収するために使用するアミン液に第３級アルカノールアミン溶液を使用する。このため、Ｈ２Ｓの選択吸収性を抑え、生成ガス中のＨ２ＳとＣＯ２とを同時に吸収することができる。これによって、生成ガス中のＣＯ２量を低減できるので、この石炭ガス化プラントによって生成した生成ガスをガスタービンやガスエンジン等の燃料とした場合には、大気中に排出するＣＯ２量を低減できる。また、Ｈ２Ｓも同時に回収できるので脱硫設備も不要となり、プラントの設備を簡略化できる。ここで、Ｈ２ＳとＣＯ２とを効率よく同時に吸収できるようにするため、このアミン液に活性剤をさらに添加したり、他のアミン等を調合したりすることによって、より好適なＨ２Ｓ／ＣＯ２吸収性能を持たせてもよい。
【００１０】
また、請求項３に係る石炭ガス化プラントは、上記石炭ガス化プラントにおいて、上記ＣＯシフト手段におけるＣＯ転換率を、２０％以上５５％以下としたことを特徴とする。この石炭ガス化プラントは、ＣＯ転換率を２０％以上５５％以下としてあるので、ＣＯからＣＯ２に転換されないＣＯをある程度残した生成ガスをガスタービンやガスエンジン等に供給することができる。また、ＣＯ２に転換されたＣＯはＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段によって回収されるため、生成ガス中のＣＯ２含有量も低減できる。これによって、ガスタービンやガスエンジン等の燃料として燃焼させた場合には、ＣＯ２の排出量を低減しつつ作動流体の質量流量をある程度確保できるので、ガスタービンやガスエンジン等の出力低下を抑えることができる。また、ＣＯシフトに必要な蒸気量を抑制できるので、ガスタービン等の排熱を回収して蒸気タービンを駆動するガスタービン複合発電プラント等においては、蒸気タービンにより多くの蒸気を供給できる。これらの作用によって、この石炭ガス化プラントを備えた複合発電プラントにおいては、ＣＯ２回収機能を有さない従来のプラントと比較して、ＣＯ２を有効に回収しつつ、プラント全体の効率低下を最小限に抑えることができる。
【００１１】
また、請求項４に係る石炭ガス化プラントは、上記石炭ガス化プラントにおいて、ＣＯシフトにおける温度は２５０℃以上３５０℃以下であることを特徴とする。一般にＣＯシフト反応温度が低いほどＣＯ転換率は高くなるが、反応速度は反応温度が低くなるにしたがって急速に低下する。この石炭ガス化プラントは、ＣＯシフトにおける温度を２５０℃以上３５０℃以下としてあるので、反応温度をある程度確保することによりＣＯシフトの反応速度が高く維持される結果、反応に必要な触媒量を経済的に適当な量に抑えることができる。
【００１２】
また、請求項５に係る石炭ガス化方法は、石炭をガス化して燃焼用のガスを生成する石炭ガス化工程と、この石炭ガス化炉で作られた生成ガス中のＣＯＳをＨ２Ｓに変換するＣＯＳ変換工程と、当該ＣＯＳ変換工程によるＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換するＣＯシフト工程と、アミン液によって前記ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するＨ２Ｓ／ＣＯ２回収工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
この石炭ガス化方法は、ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換し、アミン液によるＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段を用いてＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するようにしてある。このため、ＣＯ２の量を低減した生成ガスを供給できるので、ガスタービンやガスエンジン等でこの生成ガスを燃料とした場合には排出するＣＯ２の量を低減できる。
【００１４】
また、発電プラントにおいて、この石炭ガス化方法によって生成した生成ガスを燃料として供給した場合には、ＣＯ２の含有量が少ない生成ガスを燃料として使用できるので、ＣＯ２の排出量を抑えつつプラント効率の低下も抑制できる。さらに、この石炭ガス化方法においては、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収手段によってＣＯ２とともにＨ２Ｓの回収、すなわち生成ガスの脱硫もできる。このため、この石炭ガス化方法によって燃料である生成ガスを供給する石炭ガス化発電プラントにおいては、従来の石炭ガス化発電プラントのように脱硫設備を別個に設ける必要がないので、設備投資の費用も抑えることができる。なお、この石炭ガス化方法によって燃料用の生成ガスを作り、パイプライン等を介して異なる場所にある発電プラントに生成ガスを燃料として供給してもよい。
【００１５】
また、請求項６に係る石炭ガス化発電プラントは、上記いずれかの石炭ガス化プラントを備え、この石炭ガス化プラントでガス化された生成ガスによって駆動される発電手段を備えたことを特徴とする。この石炭ガス化発電プラントは、上記したいずれかの石炭ガス化プラントを備えているので、従来の石炭ガス化発電プラントと比較して、ＣＯ２の排出量を低減しつつ、発電プラントの効率低下も抑えることができる。なお、この発明が適用できる発電プラントとしては、石炭から生成されたガスを発電機と接続されたガスタービンやガスエンジン等の発電手段に供給して発電するものがある。また、ガスタービン等の排ガスから回収した熱エネルギーによって、発電機が接続された蒸気タービン等の発電手段をさらに運転して発電する、いわゆる複合発電プラントにも、この発明は適用できる。本発明で石炭ガス化発電プラントというときには、ガスタービン等単独による発電プラントの他、蒸気タービンも併用する複合発電プラントも含むものとする（以下同様）。
【００１６】
また、請求項７に係る石炭ガス化プラントの増設設備は、石炭をガス化して燃焼用のガスを生成する石炭ガス化炉と、この石炭ガス化炉で作られた生成ガス中のＣＯＳをＨ２Ｓに変換するＣＯＳ変換手段とを備えた石炭ガス化プラントに取付け得るもので、前記ＣＯＳ変換手段によるＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換するＣＯシフト手段と、前記ＣＯシフト後の生成ガスからＨ２ＳとＣＯ２とを回収し、Ｈ２ＳとＣＯ２とが回収された後の生成ガスを前記発電手段に供給するＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段とを有することを特徴とする。
【００１７】
この石炭ガス化プラントの増設設備は、石炭ガス化炉とＣＯＳ変換手段を備えた石炭ガス化設備に、ＣＯシフト手段とＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段とを取付けるものである。このように、既存の石炭ガス化設備に取付けることで、生成ガス中に含まれるＣＯ２の排出量を低減させることができる。これによって、既存の設備を利用して、ＣＯ２の排出量を低減できるので、設備投資を抑制でき経済的である。また、この増設設備によって改造した石炭ガス化プラントによって生成した生成ガスをガスタービン等に供給した場合には、ガスタービン等の出力低下を抑えつつＣＯ２の排出量も低減できる。さらに、この増設設備によって改造した石炭ガス化プラントを有する発電プラントにおいては、ＣＯ２の排出量を従来よりも低減しつつプラント効率の低下も抑えることができる。したがって、新たな発電プラントを新設する必要もなく、少ない設備投資で性能を改善した発電プラントとすることができ、経済的である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。
【００１９】
（実施の形態）
図１は、この発明に係る石炭ガス化発電プラントを示す説明図である。この石炭ガス化発電プラントは、石炭をガス化した生成ガスにＣＯシフト反応を起こさせた後、生成ガスを脱硫（Ｈ２Ｓの除去）するとともに生成ガス中のＣＯ２を回収する点に特徴がある。なお、石炭ガス化炉１０と、ＣＯＳ変換手段であるＣＯＳ変換装置２０と、ＣＯシフト手段であるＣＯシフト装置３０と、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収手段であるＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０とによって、石炭ガス化プラントを構成することもできる。
【００２０】
つぎに図１を用いて、この石炭ガス化発電プラント１００の運転手順を説明する。ガス化炉１０には石炭と、ガス化空気と石炭を搬送するための窒素とが供給される。ガス化空気はガス化空気圧縮機１６から供給され、空気分離装置１２で分離された酸素と混合される。また、窒素は空気分離装置１２で空気から酸素を分離することで製造される。ガス化炉１０でガス化された石炭は脱塵装置１４に送られて、生成ガス中の粉塵が除去される。粉塵が除去された後の生成ガスはＣＯＳ変換装置２０へ送られて、ここで生成ガス中のＣＯＳがＨ２Ｓに変換される。
【００２１】
ＣＯＳがＨ２Ｓに変換された後の生成ガスはＣＯシフト手段であるＣＯシフト装置３０へ送られる。ＣＯシフト装置３０にはボイラ等から水蒸気が供給されて、つぎのＣＯシフト反応を起こさせる。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２＋４１．１６ ｋＪ／ｍｏｌ
このときＣＯシフト装置３０における反応温度はある程度高い温度として、ＣＯシフト反応を迅速に進行させるとともに、水蒸気供給量を調整してＣＯ転換率をある程度以下に抑える。具体的にはＣＯシフト反応温度を２５０℃以上３５０℃以下の範囲としてＣＯシフト反応を進行させる。ＣＯシフト反応温度が低いほどＣＯ転換率は高くなるが、一般に反応速度は反応温度が低くなるにしたがって急速に低下する。ＣＯシフト反応温度を上記範囲に抑えるのは、反応温度をある程度確保することによりＣＯシフトの反応速度が高く維持される結果、反応に必要な触媒量を経済的に適当な量に抑えることができるからである。
【００２２】
ＣＯ転換率は、充分なＣＯシフト触媒と充分な蒸気量とが供給できれば、ほぼ１００％までＣＯ転換率を引き上げることができる。しかしながら、ＣＯシフトのために蒸気を供給すると、本来発電プラントとして蒸気タービンで発電に供する蒸気量を減少させることになり、発電出力の低下を招き好ましくない。さらに、ＣＯ転換率を高くすると、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０においてはそれだけ多くのＣＯ２がアミン吸収液に吸収されることになる。したがって、大量のＣＯ２を吸収したアミン吸収液を再生させる工程においても多量の蒸気を使用することになり、プラント全体の熱効率を著しく低下させる。したがって、ＣＯ転換率はある程度の範囲に抑える必要があり、具体的には、ＣＯ転換率を１０％以上６０％以下にすることが好ましく、また、ＣＯ転換率を２０％以上５５％以下にすると、ＣＯ２の排出量を低減しつつ発電プラントの効率低下を充分に抑えることができるので好ましい。さらには、ＣＯ転換率を３０％以上５５％以下とすると、さらにＣＯ２の排出量を低減しつつ発電プラントの効率低下を充分に抑えることができるので、より好ましい。なお、ＣＯ２の排出量を抑えたいときにはＣＯ転換率を高めに設定し、プラント効率を高くしたいときには、ＣＯ転換率を低めに設定するとよい。
【００２３】
ＣＯ転換率を上記範囲に抑えるのはつぎの理由による。まず、ＣＯシフトに必要な蒸気量を抑制して蒸気タービン６４の出力を確保するためである。つぎに、ＣＯからＣＯ２に転換されないＣＯをある程度残してガスタービン５０に供給し、最終的にガスタービン５０の燃料として燃焼させることによってガスタービン５０の出力を確保するためである。さらに、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０でＣＯ２を吸収したアミン吸収液を再生する必要があるが、この再生工程において使用する蒸気量をできるだけ少なく抑え、蒸気タービン６４に供給する蒸気量を多くするためである。これらの相互作用によって、ＣＯ２回収機能を有さない従来のプラントと比較して、ＣＯ２を有効に回収しつつ、プラント全体の熱効率低下を最小限に抑えることができる。なお、ＣＯ転換率は、
１００−ＣＯｏ／ＣＯｉである。
ここで、ＣＯｏはＣＯシフト装置３０の出口におけるＣＯ濃度を表し、ＣＯｉはＣＯシフト装置３０の入口におけるＣＯの濃度を表す。
【００２４】
ＣＯシフト装置３０でＣＯシフト変換された後の生成ガスはＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０へ送られ、ここでＨ２ＳとＣＯ２とが除去される。このＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０は、アミン吸収液を使用した湿式アミン法によるものである。ここで、石炭ガス化発電プラントで従来使用されてきた湿式アミン法においては、Ｈ２Ｓの回収率を高くするためにＨ２Ｓの選択回収性を高くしていた。この場合には、Ｈ２Ｓの回収率を表す尺度であるＣＯ２スリップ率は７０〜８０％という高い値であった。ここでＣＯ２スリップ率は、（Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０出口におけるＣＯ２）／（Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０入口におけるＣＯ２）である。
【００２５】
しかし、本発明のＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０においては、Ｈ２Ｓの選択性を抑え、Ｈ２ＳとともにＣＯ２も回収するようになっている。このときのＣＯ２スリップ率は、およそ２％以下であり、ほとんどのＣＯ２はＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０で回収される。また、回収液の通液量を増やしたり、回収温度を低くしたりすることによってＨ２Ｓについても従来と同程度の回収率を維持できる。本発明のＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０では、燃焼排ガスではなく燃料の段階で、しかも高圧下においてＣＯ２を除去するため、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０をコンパクトにすることができ、経済的である。また、このＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０はＣＯ２の回収とともに脱硫も兼ねているので、別個に脱硫設備を設ける必要がない。したがってプラント建設においては設備投資額を低減することができ、経済的である。
【００２６】
このように、この発明に係る石炭ガス化発電プラントにおいては、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０でＨ２ＳとＣＯ２とを同時に除去するため、アミン吸収液の中でもＨ２Ｓの選択回収性を低くしてＣＯ２の回収性を高めた第３級アルカノールアミン溶液を使用する。一般に、第３級アルカノールアミン溶液はＣＯ２の吸収速度が遅く、Ｈ２Ｓを選択的に吸収できるため、天然ガスの処理プロセスに使用する場合には好適である。しかし、本発明に係るプラントにおいてはＨ２ＳとＣＯ２とを同時に吸収する必要があるので、あまりＨ２Ｓの選択吸収性が高いと本発明に係るプラントには適用できない。したがって、ＣＯ２の吸収速度を高くし、Ｈ２Ｓの選択吸収性を低くして、Ｈ２ＳとＣＯ２とを同時に吸収できるようにする必要がある。このような吸収特性を持つ第３級アルカノールアミン溶液の吸収液として、特にＭＤＥＡ（メチルジエタノールアミン）を使用することが好ましい。さらに、上記アミン液に活性剤をさらに添加したり、他のアミン等を調合したりすることによって、より好適なＨ２Ｓ／ＣＯ２吸収性能を持たせることが好ましい。
【００２７】
Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０で処理された後の生成ガスは、発電手段であるガスタービン５０の燃焼器５２に供給され、ここで燃焼して高温・高圧の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスによってタービン５４を駆動する。タービン５４は発電機６０と連結されており、タービン５４が駆動することによって発電機６０が電力を発生する。タービン５４を駆動したあとの排ガスはまだ５００〜６００℃の温度を持っているため、ＨＲＳＧ６２（Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｔｅａｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：排熱回収ボイラ）へ送られて熱エネルギーを回収することが好ましい。ＨＲＳＧ６２では、排ガスの熱エネルギーによって蒸気が生成され、この蒸気によって蒸気タービン６４を駆動する。ＨＲＳＧ６２で熱エネルギーを回収された排ガスは、脱硝装置（図示せず）で排ガス中のＮＯｘ分が除去された後、大気中へ放出される。
【００２８】
なお、発電手段としてはガスタービン５０の代わりにガスエンジンを使用してもよい。そして、このガスエンジンの排ガスをガスタービンに供給して、ガスエンジンとガスタービンとによって発電してもよい。ガスタービンを駆動した後の排ガスは、上記例と同様にＨＲＳＧで熱エネルギーを回収し、回収した熱エネルギーにより蒸気タービンを駆動する。さらに、発電手段としてはガスタービン５０の代わりに燃料電池を用いて、これによって発電してもよい。燃料電池の排気はガスタービンやガスエンジンに供給してこれらを駆動して発電したり、ＨＲＳＧによって蒸気を生成して蒸気タービンを駆動して発電したりすることによって、燃料電池の排気が持つ熱エネルギーを回収することができる。
【００２９】
図２は、この発明に係る石炭ガス化発電プラントにおけるＣＯ２除去率とＣＯ転換率との関係について示した説明図である。ここでいうＣＯ２除去率は、ＣＯシフト装置３０を設置する前と比較して、ガスタービン５０の出口においてＣＯ２の排出量が低減した割合を示すものである。同図に示すように、ＣＯ転換率が上昇すると生成ガス中のＣＯが減少し、ＣＯ２の割合が増加する。生成ガス中のＣＯ２はＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０で９８％以上が除去されるため、ガスタービン５０の燃焼器５２入口におけるＣＯおよびＣＯ２の総量が低減する。これによって、ガスタービン５０の出口におけるＣＯ２の排出量が低減して、ＣＯ２除去率が上昇する。例えば、ＣＯシフト装置３０で４０％のＣＯがＣＯ２に変換された場合には、ＣＯ転換率が０％の場合と比較して、４０％のＣＯ２が削減されることになる。
【００３０】
一方、ＣＯシフト装置３０ではすべてのＣＯがＣＯ２に変換される訳ではないので、ＣＯ転換率が１００％の場合と比較してそれだけ燃焼ガス中のＣＯ２が多くなり、この分だけ作動流体である燃焼ガスの質量流量を大きくできる。これによって、ガスタービンの出力はＣＯ転換率が１００％に近いときよりも高くなるので、プラント全体の効率もそれだけ高くできる。例えば、ＣＯシフト装置３０で４０％のＣＯがＣＯ２に変換された場合には、ＣＯ２に変換されなかった６０％のＣＯが燃焼してＣＯ２になる。そして、この分だけＣＯ転換率が１００％に近いときよりも作動流体の質量が増加するので、ガスタービン５０の出力もこの分だけ増加しプラント効率も高くできる。
【００３１】
図３は、この発明に係る石炭ガス化発電プラントにおけるＣＯ転換率とプラント効率との関係を示す説明図である。この図から分かるように、ＣＯ転換率が５５％を超えるとプラント全体の熱効率低下が大きくなる。したがって、ＣＯ転換率を所定値以下に抑えることによって、発電プラント全体の熱効率低下を抑えつつ、ＣＯ２排出量も抑えることができる。
【００３２】
表１は、この発明に係る石炭ガス化発電プラントと他の発電プラントとを比較したプラント効率等の比較結果を示す。例えば、ＣＯ転換率を５５％以下に抑えた場合には、ＣＯ２の排出量を従来の石炭ガス化複合発電プラントの約５０％に、熱効率は従来の石炭焚ボイラ火力発電プラントと比較して約４％高くなる。ここで、ＣＯ２の排出量は、従来の石炭焚ボイラによる火力発電におけるＣＯ２の排出量をＭとしたときの割合である。
【００３３】
一方、従来の石炭ガス化複合発電プラントと比較しても、熱効率の低下は約２％に抑えることができる。その結果、従来の石炭ガス化複合発電プラントのようにＣＯ転換率が高い場合と比較して、より少ない燃料で同じ発電量を得ることができる。このように、燃料消費量を低減できるため、その分だけ燃料コストを低減できる。また、燃料消費量が低減する分だけ大気中に放出されるＣＯ２の量も低減するので、上記ＣＯ２の低減効果に加えて、さらなるＣＯ２の低減効果を奏する。
【表１】
【００３４】
なお、上述したように、石炭ガス化炉１０と、ＣＯＳ変換装置２０と、ＣＯシフト装置３０と、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０とによって、石炭ガス化プラントを構成することもできるが、このときにはＣＯ２の量を低減しつつある程度のＣＯを含む生成ガスを供給できる。この生成ガスによってガスタービンやガスエンジンを駆動した場合には、ＣＯ２の排出量を低減しつつ出力低下を抑えることができる。また、この石炭ガス化プラントを備えた発電プラントにおいては、ＣＯ２の排出量を低減しつつプラント効率の低下を抑えることができる。さらに、この石炭ガス化プラントからパイプライン等によって複数の発電プラントへ生成ガスを供給してもよい。このようにすれば、各発電プラント毎に石炭ガス化施設を用意する必要がなくなるので、発電プラントの設備投資を低く抑えつつ、ＣＯ２の排出量を抑えたプラント効率の高い発電プラントを提供できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る石炭ガス化プラント（請求項１）では、ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換し、アミン液によるＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段を用いてＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するようにした。このため、ＣＯ２の量を低減しつつある程度のＣＯを含んだ生成ガスを供給できるので、ガスタービンやガスエンジン等でこの生成ガスを燃料とした場合には、排出するＣＯ２の量を低減しつつ出力低下を抑えることができる。また、この石炭ガス化プラントを備えた発電プラントにおいては、ＣＯ２の含有量を抑えつつある程度のＣＯを含んだ生成ガスを燃料として使用できるので、ＣＯ２の排出量を抑えつつプラント効率の低下も抑制できる。さらに、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収手段によって生成ガスの脱硫もできるので、従来の石炭ガス化プラントのように脱硫設備を別個に設ける必要がなく、設備投資の費用も抑えることができる。
【００３６】
また、この発明に係る石炭ガス化プラント（請求項２）では、生成ガス中のＨ２ＳとＣＯ２とを回収するために使用するアミン液に第３級アルカノールアミン溶液を使用するようにした。このため、Ｈ２Ｓの選択吸収性を抑え、生成ガス中のＨ２ＳとＣＯ２とを同時に吸収することができる。これによって、生成ガス中のＣＯ２量を低減できるので、この石炭ガス化プラントによって生成した生成ガスをガスタービン等の燃料とした場合には、大気中に排出するＣＯ２量を低減できる。また、Ｈ２Ｓも同時に回収できるので脱硫設備も不要となり、プラントの設備を簡略化できる。
【００３７】
また、この発明に係る石炭ガス化プラント（請求項３）では、ＣＯ転換率を２０％以上５５％以下としたので、ＣＯからＣＯ２に転換されないＣＯをある程度残した生成ガスをガスタービンやガスエンジン等に供給することができる。また、ＣＯ２に転換されたＣＯはＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段によって回収されるため、生成ガス中のＣＯ２含有量も低減できる。これによって、発電プラントの燃料としてこの生成ガスを燃焼させた場合には、ＣＯ２の排出量を低減しつつ作動流体の質量流量をある程度確保できるので、プラントの効率低下を抑えることができる。また、ＣＯシフトに必要な蒸気量を抑制できるので、ガスタービン等の排熱を回収して蒸気タービンを駆動するガスタービン複合発電プラント等においては、蒸気タービンにより多くの蒸気を供給できる。これによって、この石炭ガス化プラントを備えた複合発電プラントにおいては、ＣＯ２を有効に回収しつつ、プラント全体の効率低下を最小限に抑えることができる。
【００３８】
また、この発明に係る石炭ガス化プラント（請求項４）では、ＣＯシフトにおける温度を２５０℃以上３５０℃以下としてあるので、反応温度をある程度確保することによりＣＯシフトの反応速度が高く維持される。その結果、反応に必要な触媒量を経済的に適当な量に抑えることができ、プラントの維持費用を低減できる。
【００３９】
また、この発明に係る石炭ガス化方法（請求項５）では、ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換し、アミン液によるＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段を用いてＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するようにした。このため、ＣＯ２の量を低減した生成ガスを供給できるので、ガスタービンやガスエンジン等でこの生成ガスを燃料とした場合には排出するＣＯ２の量を低減できる。また、発電プラントにおいて、この石炭ガス化方法によって生成した生成ガスを燃料として供給した場合には、ＣＯ２の含有量が少ない生成ガスを燃料として使用できるので、ＣＯ２の排出量を抑えつつプラント効率の低下も抑制できる。さらに、この石炭ガス化方法においては、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収手段によってＣＯ２とともに生成ガスの脱硫もできるので、従来の石炭ガス化発電プラントのように脱硫設備を別個に設ける必要がなく、設備投資の費用も抑えることができる。
【００４０】
また、この発明に係る石炭ガス化発電プラント（請求項６）では、上記したいずれかの石炭ガス化プラントを備えたので、従来の石炭ガス化発電プラントと比較して、ＣＯ２の排出量を低減しつつ、発電プラントの効率低下も抑えることができる。
【００４１】
また、この発明に係る石炭ガス化プラントの増設設備（請求項７）では、石炭ガス化炉とＣＯＳ変換手段を備えた石炭ガス化設備に、ＣＯシフト手段とＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段とを取付けるようにした。このため、既存の設備を利用して、ＣＯ２の排出量を低減できるので、設備投資を抑制でき経済的である。また、この増設設備によって改造した石炭ガス化プラントを有する発電プラントにおいては、ＣＯ２の排出量を従来よりも低減しつつプラント効率の低下も抑えることができる。したがって、新たな発電プラントを新設する必要もなく、少ない設備投資で性能を改善した発電プラントとすることができ、経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る石炭ガス化発電プラントを示す説明図である。
【図２】この発明に係る石炭ガス化発電プラントにおけるＣＯ２除去率とＣＯ転換率との関係について示した説明図である。
【図３】この発明に係る石炭ガス化発電プラントにおけるＣＯ転換率とプラント効率との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ ガス化炉
１２ 空気分離装置
１４ 脱塵装置
１６ ガス化空気圧縮機
２０ ＣＯＳ変換装置
３０ ＣＯシフト装置
４０ Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置
５０ ガスタービン
５２ 燃焼器
５４ タービン
６０ 発電機
６４ 蒸気タービン
１００ 石炭ガス化発電プラント
【発明の属する技術分野】
この発明は、石炭、石油その他のハイドロカーボン系の燃料をガス化することに関し、更に詳しくは、ＣＯ２の排出量を低減すること、発電プラントの効率低下を抑えることのうち少なくとも一つを達成できる石炭ガス化プラント、石炭ガス化方法、および石炭ガス化発電プラント、並びに石炭ガス化プラントの増設設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭、石油その他のハイドロカーボン系の燃料は取り扱いが比較的容易であるため、これを用いて発電するプラントが従来から多数稼動している。特に石炭はその埋蔵量が莫大であることから、将来にわたって安定した供給が可能であるので、有望な燃料の一つとして注目されている。しかしながら、他のハイドロカーボン系の燃料と比較して燃料中に含まれる炭素（Ｃ）分を多く含むため、単位熱量当たりのＣＯ２排出量が多いという問題がある。特に、近年においては地球環境保全の観点から、ＣＯ２の排出量を低減することは早急に達成すべき重要な課題となっている。ここで、発電プラントの効率が向上すれば、同じ電力を発生させるために必要な燃料の量を低減できるので、ＣＯ２の排出量を低減できる。このため、従来の石炭焚発電プラントにおいては、プラントの効率を向上させてＣＯ２の排出量を抑制する対策がとられていた。
【０００３】
このようなプラント効率を向上させる技術としては、石炭ガス化複合発電（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏａｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ：ＩＧＣＣ）という技術が知られている。この技術は、石炭をそのまま燃焼させるのではなく、一旦ガス化してから発電用の燃料として供給するものである。石炭ガス化複合発電においては、ガスタービンおよび蒸気タービンと組み合わせることによって、従来４０％程度であった石炭焚発電プラントの効率を約４６％まで向上させることができる。このプラント効率の向上によって、ＣＯ２の排出量は従来の石炭焚ボイラに対して約１３％削減できる。
【０００４】
また、近年地球環境温暖化の問題から、ＣＯ２の排出量をさらに削減するために、ＣＯ２を回収する技術が研究されている。特許第２８７０９２９号や特許第３１４９５６１号に開示された石炭ガス化発電プラントでは、ＣＯシフト装置やＣＯ２回収設備を追加することによりＣＯ２を回収し、ＣＯ２の排出量をさらに低減させた石炭ガス化発電プラントが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの石炭ガス化複合発電ではＣＯ２の回収率が高いため、ガスタービンの作動流体である燃焼ガスの質量流量が減少する結果、ガスタービンの出力低下を招いていた。また、ＣＯシフトやＣＯ２を回収した後の回収液を再生するために必要な蒸気を供給するため、蒸気タービンに供給する蒸気量が低減していた。これらの影響によって、上記石炭ガス化発電プラントにおいては、結果としてプラント効率が低下するという問題があった。
【０００６】
このため、ある程度の発電量を確保しようとすると、より多くの燃料を消費してしまうので燃料コストの増加を招き、ＣＯ２の排出量も増加してしまう。さらに、省エネルギーの要請にも沿い難くなる。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＣＯ２の排出量を低減すること、発電プラントの効率低下を抑えることのうち少なくとも一つを達成できる石炭ガス化プラント、石炭ガス化方法、および石炭ガス化発電プラント、並びに石炭ガス化プラントの増設設備を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に係る石炭ガス化プラントは、石炭をガス化して燃焼用のガスを生成する石炭ガス化炉と、この石炭ガス化炉で作られた生成ガス中のＣＯＳをＨ２Ｓに変換するＣＯＳ変換手段と、当該ＣＯＳ変換手段によるＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換するＣＯシフト手段と、アミン液によって前記変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この石炭ガス化プラントは、ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換し、アミン液によるＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段を用いてＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するようにしてある。このため、ＣＯ２の量を低減しつつある程度のＣＯを含んだ生成ガスを供給できるので、ガスタービンやガスエンジン等でこの生成ガスを燃料とした場合には排出するＣＯ２の量を低減しつつ出力低下も抑制できる。また、この石炭ガス化プラントを備えた発電プラントにおいては、ＣＯ２の含有量を抑えつつある程度のＣＯを含んだ生成ガスを燃料として使用できるので、ＣＯ２の排出量を抑えつつプラント効率の低下も抑制できる。さらに、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収手段によってＣＯ２とともにＨ２Ｓの回収、すなわち生成ガスの脱硫もできる。このため、従来の石炭ガス化プラントのように脱硫設備を別個に設ける必要がないので、設備投資の費用も抑えることができる。また、プラントの設備を簡略化できるので、その分保守・点検の手間も軽減でき、プラントの信頼性も向上させることができる。なお、この石炭ガス化プラントによって燃料用の生成ガスを作り、パイプライン等を介して異なる場所にある発電プラントに生成ガスを燃料として供給してもよい。
【０００９】
また、請求項２に係る石炭ガス化プラントは、上記石炭ガス化プラントにおいて、上記アミン液は第３級アルカノールアミン溶液であることを特徴とする。この石炭ガス化プラントは、生成ガス中のＨ２ＳとＣＯ２とを回収するために使用するアミン液に第３級アルカノールアミン溶液を使用する。このため、Ｈ２Ｓの選択吸収性を抑え、生成ガス中のＨ２ＳとＣＯ２とを同時に吸収することができる。これによって、生成ガス中のＣＯ２量を低減できるので、この石炭ガス化プラントによって生成した生成ガスをガスタービンやガスエンジン等の燃料とした場合には、大気中に排出するＣＯ２量を低減できる。また、Ｈ２Ｓも同時に回収できるので脱硫設備も不要となり、プラントの設備を簡略化できる。ここで、Ｈ２ＳとＣＯ２とを効率よく同時に吸収できるようにするため、このアミン液に活性剤をさらに添加したり、他のアミン等を調合したりすることによって、より好適なＨ２Ｓ／ＣＯ２吸収性能を持たせてもよい。
【００１０】
また、請求項３に係る石炭ガス化プラントは、上記石炭ガス化プラントにおいて、上記ＣＯシフト手段におけるＣＯ転換率を、２０％以上５５％以下としたことを特徴とする。この石炭ガス化プラントは、ＣＯ転換率を２０％以上５５％以下としてあるので、ＣＯからＣＯ２に転換されないＣＯをある程度残した生成ガスをガスタービンやガスエンジン等に供給することができる。また、ＣＯ２に転換されたＣＯはＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段によって回収されるため、生成ガス中のＣＯ２含有量も低減できる。これによって、ガスタービンやガスエンジン等の燃料として燃焼させた場合には、ＣＯ２の排出量を低減しつつ作動流体の質量流量をある程度確保できるので、ガスタービンやガスエンジン等の出力低下を抑えることができる。また、ＣＯシフトに必要な蒸気量を抑制できるので、ガスタービン等の排熱を回収して蒸気タービンを駆動するガスタービン複合発電プラント等においては、蒸気タービンにより多くの蒸気を供給できる。これらの作用によって、この石炭ガス化プラントを備えた複合発電プラントにおいては、ＣＯ２回収機能を有さない従来のプラントと比較して、ＣＯ２を有効に回収しつつ、プラント全体の効率低下を最小限に抑えることができる。
【００１１】
また、請求項４に係る石炭ガス化プラントは、上記石炭ガス化プラントにおいて、ＣＯシフトにおける温度は２５０℃以上３５０℃以下であることを特徴とする。一般にＣＯシフト反応温度が低いほどＣＯ転換率は高くなるが、反応速度は反応温度が低くなるにしたがって急速に低下する。この石炭ガス化プラントは、ＣＯシフトにおける温度を２５０℃以上３５０℃以下としてあるので、反応温度をある程度確保することによりＣＯシフトの反応速度が高く維持される結果、反応に必要な触媒量を経済的に適当な量に抑えることができる。
【００１２】
また、請求項５に係る石炭ガス化方法は、石炭をガス化して燃焼用のガスを生成する石炭ガス化工程と、この石炭ガス化炉で作られた生成ガス中のＣＯＳをＨ２Ｓに変換するＣＯＳ変換工程と、当該ＣＯＳ変換工程によるＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換するＣＯシフト工程と、アミン液によって前記ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するＨ２Ｓ／ＣＯ２回収工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
この石炭ガス化方法は、ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換し、アミン液によるＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段を用いてＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するようにしてある。このため、ＣＯ２の量を低減した生成ガスを供給できるので、ガスタービンやガスエンジン等でこの生成ガスを燃料とした場合には排出するＣＯ２の量を低減できる。
【００１４】
また、発電プラントにおいて、この石炭ガス化方法によって生成した生成ガスを燃料として供給した場合には、ＣＯ２の含有量が少ない生成ガスを燃料として使用できるので、ＣＯ２の排出量を抑えつつプラント効率の低下も抑制できる。さらに、この石炭ガス化方法においては、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収手段によってＣＯ２とともにＨ２Ｓの回収、すなわち生成ガスの脱硫もできる。このため、この石炭ガス化方法によって燃料である生成ガスを供給する石炭ガス化発電プラントにおいては、従来の石炭ガス化発電プラントのように脱硫設備を別個に設ける必要がないので、設備投資の費用も抑えることができる。なお、この石炭ガス化方法によって燃料用の生成ガスを作り、パイプライン等を介して異なる場所にある発電プラントに生成ガスを燃料として供給してもよい。
【００１５】
また、請求項６に係る石炭ガス化発電プラントは、上記いずれかの石炭ガス化プラントを備え、この石炭ガス化プラントでガス化された生成ガスによって駆動される発電手段を備えたことを特徴とする。この石炭ガス化発電プラントは、上記したいずれかの石炭ガス化プラントを備えているので、従来の石炭ガス化発電プラントと比較して、ＣＯ２の排出量を低減しつつ、発電プラントの効率低下も抑えることができる。なお、この発明が適用できる発電プラントとしては、石炭から生成されたガスを発電機と接続されたガスタービンやガスエンジン等の発電手段に供給して発電するものがある。また、ガスタービン等の排ガスから回収した熱エネルギーによって、発電機が接続された蒸気タービン等の発電手段をさらに運転して発電する、いわゆる複合発電プラントにも、この発明は適用できる。本発明で石炭ガス化発電プラントというときには、ガスタービン等単独による発電プラントの他、蒸気タービンも併用する複合発電プラントも含むものとする（以下同様）。
【００１６】
また、請求項７に係る石炭ガス化プラントの増設設備は、石炭をガス化して燃焼用のガスを生成する石炭ガス化炉と、この石炭ガス化炉で作られた生成ガス中のＣＯＳをＨ２Ｓに変換するＣＯＳ変換手段とを備えた石炭ガス化プラントに取付け得るもので、前記ＣＯＳ変換手段によるＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換するＣＯシフト手段と、前記ＣＯシフト後の生成ガスからＨ２ＳとＣＯ２とを回収し、Ｈ２ＳとＣＯ２とが回収された後の生成ガスを前記発電手段に供給するＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段とを有することを特徴とする。
【００１７】
この石炭ガス化プラントの増設設備は、石炭ガス化炉とＣＯＳ変換手段を備えた石炭ガス化設備に、ＣＯシフト手段とＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段とを取付けるものである。このように、既存の石炭ガス化設備に取付けることで、生成ガス中に含まれるＣＯ２の排出量を低減させることができる。これによって、既存の設備を利用して、ＣＯ２の排出量を低減できるので、設備投資を抑制でき経済的である。また、この増設設備によって改造した石炭ガス化プラントによって生成した生成ガスをガスタービン等に供給した場合には、ガスタービン等の出力低下を抑えつつＣＯ２の排出量も低減できる。さらに、この増設設備によって改造した石炭ガス化プラントを有する発電プラントにおいては、ＣＯ２の排出量を従来よりも低減しつつプラント効率の低下も抑えることができる。したがって、新たな発電プラントを新設する必要もなく、少ない設備投資で性能を改善した発電プラントとすることができ、経済的である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。
【００１９】
（実施の形態）
図１は、この発明に係る石炭ガス化発電プラントを示す説明図である。この石炭ガス化発電プラントは、石炭をガス化した生成ガスにＣＯシフト反応を起こさせた後、生成ガスを脱硫（Ｈ２Ｓの除去）するとともに生成ガス中のＣＯ２を回収する点に特徴がある。なお、石炭ガス化炉１０と、ＣＯＳ変換手段であるＣＯＳ変換装置２０と、ＣＯシフト手段であるＣＯシフト装置３０と、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収手段であるＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０とによって、石炭ガス化プラントを構成することもできる。
【００２０】
つぎに図１を用いて、この石炭ガス化発電プラント１００の運転手順を説明する。ガス化炉１０には石炭と、ガス化空気と石炭を搬送するための窒素とが供給される。ガス化空気はガス化空気圧縮機１６から供給され、空気分離装置１２で分離された酸素と混合される。また、窒素は空気分離装置１２で空気から酸素を分離することで製造される。ガス化炉１０でガス化された石炭は脱塵装置１４に送られて、生成ガス中の粉塵が除去される。粉塵が除去された後の生成ガスはＣＯＳ変換装置２０へ送られて、ここで生成ガス中のＣＯＳがＨ２Ｓに変換される。
【００２１】
ＣＯＳがＨ２Ｓに変換された後の生成ガスはＣＯシフト手段であるＣＯシフト装置３０へ送られる。ＣＯシフト装置３０にはボイラ等から水蒸気が供給されて、つぎのＣＯシフト反応を起こさせる。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２＋４１．１６ ｋＪ／ｍｏｌ
このときＣＯシフト装置３０における反応温度はある程度高い温度として、ＣＯシフト反応を迅速に進行させるとともに、水蒸気供給量を調整してＣＯ転換率をある程度以下に抑える。具体的にはＣＯシフト反応温度を２５０℃以上３５０℃以下の範囲としてＣＯシフト反応を進行させる。ＣＯシフト反応温度が低いほどＣＯ転換率は高くなるが、一般に反応速度は反応温度が低くなるにしたがって急速に低下する。ＣＯシフト反応温度を上記範囲に抑えるのは、反応温度をある程度確保することによりＣＯシフトの反応速度が高く維持される結果、反応に必要な触媒量を経済的に適当な量に抑えることができるからである。
【００２２】
ＣＯ転換率は、充分なＣＯシフト触媒と充分な蒸気量とが供給できれば、ほぼ１００％までＣＯ転換率を引き上げることができる。しかしながら、ＣＯシフトのために蒸気を供給すると、本来発電プラントとして蒸気タービンで発電に供する蒸気量を減少させることになり、発電出力の低下を招き好ましくない。さらに、ＣＯ転換率を高くすると、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０においてはそれだけ多くのＣＯ２がアミン吸収液に吸収されることになる。したがって、大量のＣＯ２を吸収したアミン吸収液を再生させる工程においても多量の蒸気を使用することになり、プラント全体の熱効率を著しく低下させる。したがって、ＣＯ転換率はある程度の範囲に抑える必要があり、具体的には、ＣＯ転換率を１０％以上６０％以下にすることが好ましく、また、ＣＯ転換率を２０％以上５５％以下にすると、ＣＯ２の排出量を低減しつつ発電プラントの効率低下を充分に抑えることができるので好ましい。さらには、ＣＯ転換率を３０％以上５５％以下とすると、さらにＣＯ２の排出量を低減しつつ発電プラントの効率低下を充分に抑えることができるので、より好ましい。なお、ＣＯ２の排出量を抑えたいときにはＣＯ転換率を高めに設定し、プラント効率を高くしたいときには、ＣＯ転換率を低めに設定するとよい。
【００２３】
ＣＯ転換率を上記範囲に抑えるのはつぎの理由による。まず、ＣＯシフトに必要な蒸気量を抑制して蒸気タービン６４の出力を確保するためである。つぎに、ＣＯからＣＯ２に転換されないＣＯをある程度残してガスタービン５０に供給し、最終的にガスタービン５０の燃料として燃焼させることによってガスタービン５０の出力を確保するためである。さらに、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０でＣＯ２を吸収したアミン吸収液を再生する必要があるが、この再生工程において使用する蒸気量をできるだけ少なく抑え、蒸気タービン６４に供給する蒸気量を多くするためである。これらの相互作用によって、ＣＯ２回収機能を有さない従来のプラントと比較して、ＣＯ２を有効に回収しつつ、プラント全体の熱効率低下を最小限に抑えることができる。なお、ＣＯ転換率は、
１００−ＣＯｏ／ＣＯｉである。
ここで、ＣＯｏはＣＯシフト装置３０の出口におけるＣＯ濃度を表し、ＣＯｉはＣＯシフト装置３０の入口におけるＣＯの濃度を表す。
【００２４】
ＣＯシフト装置３０でＣＯシフト変換された後の生成ガスはＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０へ送られ、ここでＨ２ＳとＣＯ２とが除去される。このＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０は、アミン吸収液を使用した湿式アミン法によるものである。ここで、石炭ガス化発電プラントで従来使用されてきた湿式アミン法においては、Ｈ２Ｓの回収率を高くするためにＨ２Ｓの選択回収性を高くしていた。この場合には、Ｈ２Ｓの回収率を表す尺度であるＣＯ２スリップ率は７０〜８０％という高い値であった。ここでＣＯ２スリップ率は、（Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０出口におけるＣＯ２）／（Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０入口におけるＣＯ２）である。
【００２５】
しかし、本発明のＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０においては、Ｈ２Ｓの選択性を抑え、Ｈ２ＳとともにＣＯ２も回収するようになっている。このときのＣＯ２スリップ率は、およそ２％以下であり、ほとんどのＣＯ２はＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０で回収される。また、回収液の通液量を増やしたり、回収温度を低くしたりすることによってＨ２Ｓについても従来と同程度の回収率を維持できる。本発明のＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０では、燃焼排ガスではなく燃料の段階で、しかも高圧下においてＣＯ２を除去するため、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０をコンパクトにすることができ、経済的である。また、このＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０はＣＯ２の回収とともに脱硫も兼ねているので、別個に脱硫設備を設ける必要がない。したがってプラント建設においては設備投資額を低減することができ、経済的である。
【００２６】
このように、この発明に係る石炭ガス化発電プラントにおいては、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０でＨ２ＳとＣＯ２とを同時に除去するため、アミン吸収液の中でもＨ２Ｓの選択回収性を低くしてＣＯ２の回収性を高めた第３級アルカノールアミン溶液を使用する。一般に、第３級アルカノールアミン溶液はＣＯ２の吸収速度が遅く、Ｈ２Ｓを選択的に吸収できるため、天然ガスの処理プロセスに使用する場合には好適である。しかし、本発明に係るプラントにおいてはＨ２ＳとＣＯ２とを同時に吸収する必要があるので、あまりＨ２Ｓの選択吸収性が高いと本発明に係るプラントには適用できない。したがって、ＣＯ２の吸収速度を高くし、Ｈ２Ｓの選択吸収性を低くして、Ｈ２ＳとＣＯ２とを同時に吸収できるようにする必要がある。このような吸収特性を持つ第３級アルカノールアミン溶液の吸収液として、特にＭＤＥＡ（メチルジエタノールアミン）を使用することが好ましい。さらに、上記アミン液に活性剤をさらに添加したり、他のアミン等を調合したりすることによって、より好適なＨ２Ｓ／ＣＯ２吸収性能を持たせることが好ましい。
【００２７】
Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０で処理された後の生成ガスは、発電手段であるガスタービン５０の燃焼器５２に供給され、ここで燃焼して高温・高圧の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスによってタービン５４を駆動する。タービン５４は発電機６０と連結されており、タービン５４が駆動することによって発電機６０が電力を発生する。タービン５４を駆動したあとの排ガスはまだ５００〜６００℃の温度を持っているため、ＨＲＳＧ６２（Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｔｅａｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：排熱回収ボイラ）へ送られて熱エネルギーを回収することが好ましい。ＨＲＳＧ６２では、排ガスの熱エネルギーによって蒸気が生成され、この蒸気によって蒸気タービン６４を駆動する。ＨＲＳＧ６２で熱エネルギーを回収された排ガスは、脱硝装置（図示せず）で排ガス中のＮＯｘ分が除去された後、大気中へ放出される。
【００２８】
なお、発電手段としてはガスタービン５０の代わりにガスエンジンを使用してもよい。そして、このガスエンジンの排ガスをガスタービンに供給して、ガスエンジンとガスタービンとによって発電してもよい。ガスタービンを駆動した後の排ガスは、上記例と同様にＨＲＳＧで熱エネルギーを回収し、回収した熱エネルギーにより蒸気タービンを駆動する。さらに、発電手段としてはガスタービン５０の代わりに燃料電池を用いて、これによって発電してもよい。燃料電池の排気はガスタービンやガスエンジンに供給してこれらを駆動して発電したり、ＨＲＳＧによって蒸気を生成して蒸気タービンを駆動して発電したりすることによって、燃料電池の排気が持つ熱エネルギーを回収することができる。
【００２９】
図２は、この発明に係る石炭ガス化発電プラントにおけるＣＯ２除去率とＣＯ転換率との関係について示した説明図である。ここでいうＣＯ２除去率は、ＣＯシフト装置３０を設置する前と比較して、ガスタービン５０の出口においてＣＯ２の排出量が低減した割合を示すものである。同図に示すように、ＣＯ転換率が上昇すると生成ガス中のＣＯが減少し、ＣＯ２の割合が増加する。生成ガス中のＣＯ２はＨ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０で９８％以上が除去されるため、ガスタービン５０の燃焼器５２入口におけるＣＯおよびＣＯ２の総量が低減する。これによって、ガスタービン５０の出口におけるＣＯ２の排出量が低減して、ＣＯ２除去率が上昇する。例えば、ＣＯシフト装置３０で４０％のＣＯがＣＯ２に変換された場合には、ＣＯ転換率が０％の場合と比較して、４０％のＣＯ２が削減されることになる。
【００３０】
一方、ＣＯシフト装置３０ではすべてのＣＯがＣＯ２に変換される訳ではないので、ＣＯ転換率が１００％の場合と比較してそれだけ燃焼ガス中のＣＯ２が多くなり、この分だけ作動流体である燃焼ガスの質量流量を大きくできる。これによって、ガスタービンの出力はＣＯ転換率が１００％に近いときよりも高くなるので、プラント全体の効率もそれだけ高くできる。例えば、ＣＯシフト装置３０で４０％のＣＯがＣＯ２に変換された場合には、ＣＯ２に変換されなかった６０％のＣＯが燃焼してＣＯ２になる。そして、この分だけＣＯ転換率が１００％に近いときよりも作動流体の質量が増加するので、ガスタービン５０の出力もこの分だけ増加しプラント効率も高くできる。
【００３１】
図３は、この発明に係る石炭ガス化発電プラントにおけるＣＯ転換率とプラント効率との関係を示す説明図である。この図から分かるように、ＣＯ転換率が５５％を超えるとプラント全体の熱効率低下が大きくなる。したがって、ＣＯ転換率を所定値以下に抑えることによって、発電プラント全体の熱効率低下を抑えつつ、ＣＯ２排出量も抑えることができる。
【００３２】
表１は、この発明に係る石炭ガス化発電プラントと他の発電プラントとを比較したプラント効率等の比較結果を示す。例えば、ＣＯ転換率を５５％以下に抑えた場合には、ＣＯ２の排出量を従来の石炭ガス化複合発電プラントの約５０％に、熱効率は従来の石炭焚ボイラ火力発電プラントと比較して約４％高くなる。ここで、ＣＯ２の排出量は、従来の石炭焚ボイラによる火力発電におけるＣＯ２の排出量をＭとしたときの割合である。
【００３３】
一方、従来の石炭ガス化複合発電プラントと比較しても、熱効率の低下は約２％に抑えることができる。その結果、従来の石炭ガス化複合発電プラントのようにＣＯ転換率が高い場合と比較して、より少ない燃料で同じ発電量を得ることができる。このように、燃料消費量を低減できるため、その分だけ燃料コストを低減できる。また、燃料消費量が低減する分だけ大気中に放出されるＣＯ２の量も低減するので、上記ＣＯ２の低減効果に加えて、さらなるＣＯ２の低減効果を奏する。
【表１】
なお、上述したように、石炭ガス化炉１０と、ＣＯＳ変換装置２０と、ＣＯシフト装置３０と、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置４０とによって、石炭ガス化プラントを構成することもできるが、このときにはＣＯ２の量を低減しつつある程度のＣＯを含む生成ガスを供給できる。この生成ガスによってガスタービンやガスエンジンを駆動した場合には、ＣＯ２の排出量を低減しつつ出力低下を抑えることができる。また、この石炭ガス化プラントを備えた発電プラントにおいては、ＣＯ２の排出量を低減しつつプラント効率の低下を抑えることができる。さらに、この石炭ガス化プラントからパイプライン等によって複数の発電プラントへ生成ガスを供給してもよい。このようにすれば、各発電プラント毎に石炭ガス化施設を用意する必要がなくなるので、発電プラントの設備投資を低く抑えつつ、ＣＯ２の排出量を抑えたプラント効率の高い発電プラントを提供できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る石炭ガス化プラント（請求項１）では、ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換し、アミン液によるＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段を用いてＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するようにした。このため、ＣＯ２の量を低減しつつある程度のＣＯを含んだ生成ガスを供給できるので、ガスタービンやガスエンジン等でこの生成ガスを燃料とした場合には、排出するＣＯ２の量を低減しつつ出力低下を抑えることができる。また、この石炭ガス化プラントを備えた発電プラントにおいては、ＣＯ２の含有量を抑えつつある程度のＣＯを含んだ生成ガスを燃料として使用できるので、ＣＯ２の排出量を抑えつつプラント効率の低下も抑制できる。さらに、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収手段によって生成ガスの脱硫もできるので、従来の石炭ガス化プラントのように脱硫設備を別個に設ける必要がなく、設備投資の費用も抑えることができる。
【００３６】
また、この発明に係る石炭ガス化プラント（請求項２）では、生成ガス中のＨ２ＳとＣＯ２とを回収するために使用するアミン液に第３級アルカノールアミン溶液を使用するようにした。このため、Ｈ２Ｓの選択吸収性を抑え、生成ガス中のＨ２ＳとＣＯ２とを同時に吸収することができる。これによって、生成ガス中のＣＯ２量を低減できるので、この石炭ガス化プラントによって生成した生成ガスをガスタービン等の燃料とした場合には、大気中に排出するＣＯ２量を低減できる。また、Ｈ２Ｓも同時に回収できるので脱硫設備も不要となり、プラントの設備を簡略化できる。
【００３７】
また、この発明に係る石炭ガス化プラント（請求項３）では、ＣＯ転換率を２０％以上５５％以下としたので、ＣＯからＣＯ２に転換されないＣＯをある程度残した生成ガスをガスタービンやガスエンジン等に供給することができる。また、ＣＯ２に転換されたＣＯはＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段によって回収されるため、生成ガス中のＣＯ２含有量も低減できる。これによって、発電プラントの燃料としてこの生成ガスを燃焼させた場合には、ＣＯ２の排出量を低減しつつ作動流体の質量流量をある程度確保できるので、プラントの効率低下を抑えることができる。また、ＣＯシフトに必要な蒸気量を抑制できるので、ガスタービン等の排熱を回収して蒸気タービンを駆動するガスタービン複合発電プラント等においては、蒸気タービンにより多くの蒸気を供給できる。これによって、この石炭ガス化プラントを備えた複合発電プラントにおいては、ＣＯ２を有効に回収しつつ、プラント全体の効率低下を最小限に抑えることができる。
【００３８】
また、この発明に係る石炭ガス化プラント（請求項４）では、ＣＯシフトにおける温度を２５０℃以上３５０℃以下としてあるので、反応温度をある程度確保することによりＣＯシフトの反応速度が高く維持される。その結果、反応に必要な触媒量を経済的に適当な量に抑えることができ、プラントの維持費用を低減できる。
【００３９】
また、この発明に係る石炭ガス化方法（請求項５）では、ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換し、アミン液によるＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段を用いてＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するようにした。このため、ＣＯ２の量を低減した生成ガスを供給できるので、ガスタービンやガスエンジン等でこの生成ガスを燃料とした場合には排出するＣＯ２の量を低減できる。また、発電プラントにおいて、この石炭ガス化方法によって生成した生成ガスを燃料として供給した場合には、ＣＯ２の含有量が少ない生成ガスを燃料として使用できるので、ＣＯ２の排出量を抑えつつプラント効率の低下も抑制できる。さらに、この石炭ガス化方法においては、Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収手段によってＣＯ２とともに生成ガスの脱硫もできるので、従来の石炭ガス化発電プラントのように脱硫設備を別個に設ける必要がなく、設備投資の費用も抑えることができる。
【００４０】
また、この発明に係る石炭ガス化発電プラント（請求項６）では、上記したいずれかの石炭ガス化プラントを備えたので、従来の石炭ガス化発電プラントと比較して、ＣＯ２の排出量を低減しつつ、発電プラントの効率低下も抑えることができる。
【００４１】
また、この発明に係る石炭ガス化プラントの増設設備（請求項７）では、石炭ガス化炉とＣＯＳ変換手段を備えた石炭ガス化設備に、ＣＯシフト手段とＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段とを取付けるようにした。このため、既存の設備を利用して、ＣＯ２の排出量を低減できるので、設備投資を抑制でき経済的である。また、この増設設備によって改造した石炭ガス化プラントを有する発電プラントにおいては、ＣＯ２の排出量を従来よりも低減しつつプラント効率の低下も抑えることができる。したがって、新たな発電プラントを新設する必要もなく、少ない設備投資で性能を改善した発電プラントとすることができ、経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る石炭ガス化発電プラントを示す説明図である。
【図２】この発明に係る石炭ガス化発電プラントにおけるＣＯ２除去率とＣＯ転換率との関係について示した説明図である。
【図３】この発明に係る石炭ガス化発電プラントにおけるＣＯ転換率とプラント効率との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ ガス化炉
１２ 空気分離装置
１４ 脱塵装置
１６ ガス化空気圧縮機
２０ ＣＯＳ変換装置
３０ ＣＯシフト装置
４０ Ｈ２Ｓ／ＣＯ２回収装置
５０ ガスタービン
５２ 燃焼器
５４ タービン
６０ 発電機
６４ 蒸気タービン
１００ 石炭ガス化発電プラント
Claims (7)
- 石炭をガス化して燃焼用のガスを生成する石炭ガス化炉と、
この石炭ガス化炉で作られた生成ガス中のＣＯＳをＨ２Ｓに変換するＣＯＳ変換手段と、
当該ＣＯＳ変換手段によるＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換するＣＯシフト手段と、
アミン液によって前記ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段と、
を備えたことを特徴とする石炭ガス化プラント。 - 上記アミン液は第３級アルカノールアミン溶液であることを特徴とする請求項１に記載の石炭ガス化プラント。
- 上記ＣＯシフト手段におけるＣＯ転換率を、２０％以上５５％以下としたことを特徴とする請求項１または２に記載の石炭ガス化プラント。
- ＣＯシフトにおける温度は２５０℃以上３５０℃以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の石炭ガス化プラント。
- 石炭をガス化して燃焼用のガスを生成する石炭ガス化工程と、
この石炭ガス化炉で作られた生成ガス中のＣＯＳをＨ２Ｓに変換するＣＯＳ変換工程と、
当該ＣＯＳ変換工程によるＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換するＣＯシフト工程と、
アミン液によって前記ＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＨ２ＳとともにＣＯ２を回収するＨ２Ｓ／ＣＯ２回収工程と、
を有することを特徴とする石炭ガス化方法。 - 請求項１〜４のいずれか一つに記載した石炭ガス化プラントを備え、この石炭ガス化プラントでガス化された生成ガスによって駆動される発電手段を備えたことを特徴とする石炭ガス化発電プラント。
- 石炭をガス化して燃焼用のガスを生成する石炭ガス化炉と、この石炭ガス化炉で作られた生成ガス中のＣＯＳをＨ２Ｓに変換するＣＯＳ変換手段とを備えた石炭ガス化プラントに取付け得るもので、
前記ＣＯＳ変換手段によるＣＯＳ変換後の生成ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換するＣＯシフト手段と、前記ＣＯシフト後の生成ガスからＨ２ＳとＣＯ２とを回収し、Ｈ２ＳとＣＯ２とが回収された後の生成ガスを前記発電手段に供給するＨ２Ｓ／ＣＯ２回収手段とを有することを特徴とする石炭ガス化プラントの増設設備。
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