JP2006010225A

JP2006010225A - 石炭ガス化複合発電設備

Info

Publication number: JP2006010225A
Application number: JP2004188886A
Authority: JP
Inventors: Nariomi Yoshida; 斎臣吉田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】硫酸により排熱回収ボイラの熱交換器が腐食する問題を解決し、排熱回収ボイラ出口ガス温度を硫酸の露点以下に設定して石炭ガス化複合発電設備の高効率化を達成すること。
【解決手段】微粉炭を処理して気体燃料に変換する石炭ガス化炉と、気体燃料を燃料として運転されるガスタービン設備５と、ガスタービン設備５の燃焼排ガスを導入する排熱回収ボイラ３０で生成した蒸気により運転される蒸気タービン設備７と、ガスタービン設備５及び蒸気タービン設備７と連結された発電機Ｇとを備え、排熱回収ボイラ３０から排出される燃焼排ガスを脱硫して大気放出する排煙脱硫方式の石炭ガス化複合発電設備１において、排熱回収ボイラ３０が、主熱交換器４３の下流側にボイラ給水を予熱する耐酸性給水加熱器４２を備えている構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、石炭を燃料として複合発電を行う石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ；Integrated Coal Gasification Combined Cycle）に係り、特に、排煙脱硫方式の石炭ガス化複合発電設備における高効率化に関するものである。

従来より、排煙脱硫方式の石炭ガス化複合発電設備（以下、「ＩＧＣＣ」と呼ぶ）が知られている。このような排煙脱硫方式のＩＧＣＣにおいては、ガスタービンの排気ガスに多量の硫黄分を含んでいる。しかしながら、ガスタービンの後流に設置される排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）は、炭素鋼の熱交換器を内部に設置した構成とされるため、硫黄分から生成した硫酸による腐食が問題となる。
この腐食を防止するためには、排熱回収ボイラ出口ガス温度を硫酸の露点（１３０℃）温度よりも高く（たとえば１５０℃程度）設定する必要がある。しかし、排熱回収ボイラ出口ガス温度を高く設定することは、排熱回収ボイラでガスタービン排気ガスから回収されるガスの熱エネルギーが減少することを意味するので、このガスを利用する蒸気タービンの出力が減少し、プラント効率が下がることとなる。

上述した硫酸による腐食対策としては、たとえば脱気器における再循環量を調節することにより、排熱回収ボイラ出口ガス温度を硫酸の露点以上とするものが提案されている。ただし、この方法ではガスと接する伝熱面表面のメタル温度を上げることにより腐食を防止することはできるが、ガス温度も同時に上がるため、熱回収量が減少し、発電効率が下がってしまうという問題があった。（たとえば、特許文献１参照）
特開平１１−１４８６０３号公報

上述した排煙脱硫方式のＩＧＣＣにおいては、ガスタービンの排気ガス（燃焼排ガス）からできるだけ多くの熱エネルギーを回収することにより、プラント効率を向上させることが望まれている。このため、ガスタービンの燃焼排ガスから回収する熱エネルギーを増すことにより、排熱回収ボイラの出口ガス温度が硫酸の露点よりも低くなる場合であっても、排熱回収ボイラ内の熱交換器が硫酸により腐食する問題を解決してＩＧＣＣの高効率化を達成することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、硫酸により熱交換器が腐食する問題を解決し、排熱回収ボイラ出口ガス温度を硫酸の露点以下に設定して高効率化を達成できる石炭ガス化複合発電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。
本発明に係る石炭ガス化複合発電設備は、微粉炭を処理して気体燃料に変換する石炭ガス化炉と、前記気体燃料を燃料として運転されるガスタービン設備と、前記ガスタービン設備の燃焼排ガスを導入する排熱回収ボイラで生成した蒸気により運転される蒸気タービン設備と、前記ガスタービン設備及び／又は前記蒸気タービン設備と連結された発電機とを備え、前記排熱回収ボイラから排出される前記燃焼排ガスを脱硫して大気放出する排煙脱硫方式の石炭ガス化複合発電設備において、
前記排熱回収ボイラの下流側にボイラ給水を予熱する耐酸性給水加熱器を備えていることを特徴とするものである。

本発明の石炭ガス化複合発電設備によれば、排熱回収ボイラの下流側にボイラ給水を予熱する耐酸性給水加熱器を備えているので、硫酸による腐食を心配することなく、燃焼排ガスの保有する熱エネルギーを最大限に利用して蒸気を生成することができる。
この場合、前記耐酸性給水加熱器は、前記燃焼排ガスの温度が硫酸の露点より低くなる領域に設置されることが好ましく、これにより、高価な耐酸性給水加熱器の使用を最小限に抑えて燃焼排ガスの保有する熱エネルギーを有効に利用することができる。

また、上記の石炭ガス化複合発電設備においては、前記耐酸性給水加熱器の上流側に洗浄水噴射手段を設け、かつ前記燃焼排ガスの流れ方向を下向きとすることが好ましく、これにより、発電設備の運転中であっても、燃焼排ガスと同方向の下向きに洗浄流体を噴射して耐酸性給水加熱器等を洗浄することができる。
すなわち、洗浄の対象とする部分のガス流れ方向を下方とすることにより、耐酸性熱交換器等を運転中に洗浄を行うことができる。洗浄後の水は後流の排煙脱硫設備へ流入するため、特段排水処理設備を付加する必要もない。

上述した本発明の石炭ガス化複合発電設備によれば、下流側にボイラ給水を予熱する耐酸性給水加熱器を備えた排熱回収ボイラにより、燃焼排ガス中に含まれる硫黄分から生成される硫酸による熱交換器の腐食を心配することなく、燃焼排ガスが保有する熱エネルギーを最大限に利用して蒸気を生成することができる。このため、石炭ガス化複合発電設備の高効率化を実現するとともに、耐久性を向上させるという顕著な効果が得られる。特に、燃焼排ガスの温度が硫酸の露点より低くなる領域に耐酸性給水加熱器を設置してボイラ給水の余熱を行うようにすれば、コストを抑えて高効率化を達成することが可能になる。

また、耐酸性給水加熱器の上流側に洗浄水噴射手段を設けることにより、燃焼排ガスと同方向に洗浄流体が噴射されるので、発電設備の運転を停止しなくても耐酸性給水加熱器及びその下流側機器等を洗浄することが可能になる。

以下、本発明に係る石炭ガス化複合発電設備の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示されているように、石炭を燃料とする石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ；Integrated Coal Gasification Combined Cycle）１は、主として、石炭ガス化炉３と、ガスタービン設備５と、蒸気タービン設備７とを備えている。
石炭ガス化炉３の上流側には、石炭ガス化炉３へと微粉炭を供給する石炭供給設備１０が設けられている。この石炭供給設備１０は、原料炭を粉砕して数μｍ〜数百μｍの微粉炭とする粉砕機（図示せず）を備えており、この粉砕機によって粉砕された微粉炭が複数のホッパ１１，１１…に貯留されるようになっている。

各ホッパ１１に貯留された微粉炭は、一定流量ずつ空気分離装置１５から供給される窒素とともに石炭ガス化炉３へと搬送される。
石炭ガス化炉３は、下方から上方へとガスが流されるように形成された石炭ガス化部３ａと、石炭ガス化部３ａの下流側に接続されて、上方から下方へとガスが流されるように形成された熱交換部３ｂとを備えている。
石炭ガス化部３ａには、下方から、コンバスタ１３及びリダクタ１４が設けられている。コンバスタ１３は、微粉炭及びチャーの一部分を燃焼させ、残りは熱分解により揮発分（ＣＯ，Ｈ_２，低級炭化水素）として放出させる部分である。コンバスタ１３には噴流床が採用されている。しかし、流動床式や固定床式であっても構わない。

コンバスタ１３及びリダクタ１４には、それぞれ、コンバスタバーナ１３ａ及びリダクタバーナ１４ａが設けられており、これらバーナ１３ａ，１４ａに対して石炭供給設備１０から微粉炭が供給される。
コンバスタバーナ１３ａには、空気昇圧機１７からの空気が、空気分離装置１３において分離された酸素とともに供給されるようになっている。このようにコンバスタバーナ１３ａには酸素濃度が調整された空気が供給されるようになっている。
リダクタ１４では、コンバスタ１３からの高温燃焼ガスによって微粉炭がガス化される。これにより、石炭からＣＯやＨ_２等の可燃性ガスが生成される。石炭ガス化反応は、微粉炭及びチャー中の炭素が高温ガス中のＣＯ_２及びＨ_２Ｏと反応してＣＯやＨ_２を生成する吸熱反応である。

石炭ガス化炉３の熱交換部３ｂには、複数の熱交換器が設置されており、リダクタ１４から導かれるガスから顕熱を得て蒸気を発生させるようになっている。熱交換器において発生した蒸気は、主として、蒸気タービン７ｂの駆動用蒸気として用いられる。
熱交換部３ｂを通過したガスは、チャー回収装置２０へと導かれる。このチャー回収装置２０は、ポーラスフィルタを備えており、ポーラスフィルタを通過させることによってガスに混在するチャーを捕捉して回収する。このように回収されたチャーは、空気分離装置１３において分離された窒素とともに石炭ガス化炉のコンバスタバーナ１３ａへと返送されてリサイクルされる。

チャー回収装置２０を通過したガスは、燃料ガスとしてガスタービン設備５の燃焼器５ａへと送られる。
チャー回収装置２０とガスタービン設備５の燃焼器５ａとの間には、分岐路２２が設けられており、この分岐路２２の下流には、開閉弁２３を介してフレアシステム２４が設けられている。フレアシステム２４は、石炭ガス化炉３の起動時において生成される発熱量の少ないガスを燃焼させて処理する設備である。

ガスタービン設備５は、ガス化されたガスが燃焼させられる燃焼器５ａと、燃焼ガスによって駆動されるガスタービン５ｂと、燃焼器５ａへと高圧空気を送り出すターボ圧縮機５ｃとを備えている。ガスタービン５ｂとターボ圧縮機５ｃとは同一の回転軸５ｄによって接続されている。ターボ圧縮機５ｃにおいて圧縮された空気は、燃焼器５ａとは別に、空気昇圧器１７へも導かれるようになっている。
ガスタービン５ｂを通過した燃焼排ガス（ガスタービン排気ガス）は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）３０へと導かれる。

蒸気タービン設備７の蒸気タービン７ｂは、ガスタービン設備５と同じ回転軸５ｄに接続されており、いわゆる一軸式のコンバインドシステムとなっている。蒸気タービン７ｂには、石炭ガス化炉３及び排熱回収ボイラ３０から高圧蒸気が供給される。なお、一軸式のコンバインドシステムに限らず、別軸式のコンバインドシステムであっても構わない。
ガスタービン５ｂ及び蒸気タービン７ｂによって駆動される回転軸５ｄから電気を出力する発電機Ｇが、蒸気タービン設備７を挟んでガスタービン設備５の反対側に設けられている。なお、発電機の配置位置については、この位置に限られず、回転軸５ｄから電気出力が得られるようであればどの位置であっても構わない。

排熱回収ボイラ３０は、ガスタービン５ｂからの燃焼排ガスによって蒸気を発生するものであり、その燃焼排ガス流の下流には脱硫装置３２が設けられている。この脱硫装置３２によって、排ガス中の硫黄分が取り除かれるようになっている。
脱硫装置３２を通過したガスは、湿式電気集塵機（ｗｅｔ−ＥＰ）３４及び誘引ファン（ＢＵＦ）３６を通過して煙突３８から大気へと放出される。

続いて、排熱回収ボイラ３０及びその周辺の構成を図２に基づいて詳細に説明する。
排熱回収ボイラ３０は、ガスタービン５ｂで仕事をした燃焼排ガスの供給を受け、ボイラ給水を加熱して蒸気を生成する。ボイラ給水が循環するボイラ水配管系４０は、給水ポンプ４１、耐酸性給水加熱器４２、主熱交換器４３、蒸気タービン７ｂ及び復水器４４が配管４５により連結された閉回路を形成している。
給水ポンプ４１は、ボイラ水配管系４０を循環し、給水、蒸気及び復水の順に状態変化を繰り返すボイラ給水の送出手段である。

耐酸性給水加熱器４２は、排熱回収ボイラ３０内において燃焼排ガスとボイラ給水とを熱交換させるものであり、この熱交換により燃焼排ガスの排熱を有効に利用してボイラ給水を予熱するプレヒータとして機能する。
ここで採用する耐酸性給水加熱器４２には、燃焼排ガスと接する全ての面に耐酸性皮膜を形成したものが採用される。燃焼排ガス中に含まれる硫黄分から生成される硫酸に有効な耐酸性皮膜としては、たとえばテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂（４フッ化エチレン樹脂）皮膜、溶射により形成したクロム（Ｃｒ）皮膜、ＣｒまたはＮｉ−Ｃｒ合金のアンダーコートとセラミック質のＣｒ_２Ｏ_３よりなるトップコートとの複合被膜等がある。

主熱交換器４３は、排熱回収ボイラ３０内において耐酸性給水加熱器４２よりも燃焼排ガス流れ方向の上流側に配設されており、高温の燃焼排ガスとの熱交換によりボイラ給水を加熱して蒸気を生成する。
なお、復水器４４は、蒸気タービン７ｂで仕事をした蒸気を冷却して水に戻すための熱交換器である。

また、耐酸性給水加熱器４２よりも燃焼排ガス流れ方向の下流側には、ガス−ガス熱交換器５０の吸熱器５１が配設されている。ガス−ガス熱交換器５０は、吸熱器５１と、放熱器５２と、熱媒体循環装置５３とが配管５４で連結された閉回路を形成し、吸熱器５１で加熱を受けて吸熱した熱媒体が熱媒体循環装置５３の作動によりより熱エネルギーを放熱器５２に搬送する。放熱器５２は、湿式電気集塵機３４の下流側に配設されており、煙突３８から大気へ放出する前の燃焼排ガスを白煙が生じない温度まで加熱するガス再加熱器として機能する。

また、耐酸性給水加熱器４２の上流側には、下向きに流れる燃焼排ガスと同方向に洗浄水を噴射する洗浄水噴射手段として、洗浄水ライン６０に１または複数の噴霧ノズル６１が設置されている。この洗浄水ライン６０には、必要に応じて洗浄水が供給され、この洗浄水を噴霧ノズル６１から噴出させることで耐酸性給水加熱器４２及びその下流側の機器類等の洗浄が可能となる。
なお、図中の符号７０は吸収液循環ポンプ、７１はノズルを示している。

次に、上記構成の石炭ガス化複合発電設備１の動作について説明する。
原料炭は粉砕機（図示せず）で粉砕された後、ホッパ１１へと導かれて貯留される。ホッパ１１に貯留された微粉炭は、空気分離装置１５において分離された窒素とともに、リダクタバーナ１４ａ及びコンバスタバーナ１３ａへと供給される。さらに、コンバスタバーナ１３ａには、微粉炭だけでなく、チャー回収装置２０において回収されたチャーが供給される。
コンバスタバーナ１３ａの燃焼用空気としては、タービン圧縮機５ｃから抽気した圧縮空気をさらに空気昇圧機１７によって昇圧した圧縮空気に、空気分離機１３において分離された酸素が添加された空気が使用される。コンバスタ１３では、微粉炭及びチャーが燃焼用空気によって部分燃焼させられ、残部は揮発分（ＣＯ，Ｈ_２，低級炭化水素）へと熱分解させられる。

リダクタ１４では、リダクタバーナ１４ａから供給された微粉炭及びコンバスタ１３内で揮発分を放出したチャーが、コンバスタ１３から上昇してきた高温ガスによりガス化され、ＣＯやＨ_２等の可燃性ガスが生成される。
リダクタ１４を通過したガスは、石炭ガス化炉３の熱交換部３ｂを通過しつつ各熱交換器にその顕熱を与え、蒸気を発生させる。熱交換部３ｂで発生させた蒸気は、主として、蒸気タービン７ｂの駆動のために用いられる。
熱交換部３ｂを通過したガスは、チャー回収装置２０へと導かれ、チャーが回収される。回収されたチャーは、石炭ガス化炉３へと返送される。

チャー回収装置２０を通過したガスは、ガスタービン設備５の燃焼器５ａへと導かれ、ターボ圧縮機５ｃから供給される圧縮空気とともに燃焼させられる。この燃焼ガスによってガスタービン５ｂが回転させられ、回転軸５ｂが駆動させられる。
なお、石炭ガス化炉３の起動時には、ガスタービン設備５の燃焼器５ａに供給しうる程度の発熱量を有するガスが得られないので、開閉弁２３を開けてフレアシステム２４へと低発熱量ガスを導き、フレアシステム２４において焼却処理する。

ガスタービン５ｂを通過した燃焼排ガスは、排熱回収ボイラ３０へと導かれ、この燃焼排ガスの顕熱を利用することによって蒸気が発生させられる。排熱回収ボイラ３０において発生した蒸気は、主として、蒸気タービン７ｂの駆動のために用いられる。このような燃焼排ガスの排熱回収時において、排熱回収ボイラ３０に導入された燃焼排ガスの上流側では、主熱交換器４３内を流れるボイラ給水が高温の燃焼排ガスにより加熱されて蒸気になる。この熱交換により温度低下した燃焼排ガスは、下流側に設置された耐酸性給水加熱器４２を通過して低温のボイラ給水を加熱して予熱する。
すなわち、燃焼排ガスが保有する熱エネルギーを有効に利用するため、主熱交換器４３により高温の燃焼排ガスと予熱されたボイラ給水とを熱交換して効率よく蒸気を発生させ、さらに、耐酸性給水加熱器４２により温度低下した燃焼排ガスが低温のボイラ給水を予熱するという２段階の加熱を行って熱エネルギーの有効利用を可能にしている。

また、上述した耐酸性給水加熱器４２によるボイラ給水の予熱で燃焼排ガスが温度低下し、周囲の温度が硫酸の露点以下、すなわち１３０℃以下になった場合であっても、燃焼排ガスと接する全ての面に耐酸性皮膜を施した熱交換器を使用しているので、硫酸により腐食が生じることはない。換言すれば、耐酸性給水加熱器４２により燃焼排ガスの保有する排熱を硫酸の露点を考慮することなく最大限に回収し、ボイラ給水を最大限に予熱しても腐食が問題になるようなことはないので、ＩＧＣＣ１の高効率化が可能となる。

蒸気タービン７ｂは、石炭ガス化炉３からの蒸気及び排熱回収ボイラ３０からの蒸気によって回転させられ、ガスタービン設備５と同一の回転軸５ｂを駆動させる。回転軸５ｂの回転力は、発電機Ｇによって電気出力へと変換される。
排熱回収ボイラ３０を通過した燃焼排ガスは、脱硫装置３２へと導かれ、ここで硫黄分が除去される。この後、誘引ファン３６により吸引された燃焼排ガスは、湿式電気集塵機３４を通過して燃焼排ガス中の煤塵及び硫酸ミストが除去され、さらに、放熱器５２を通過して白煙が生じない温度まで加熱された後、煙突３６から大気へと放出される。

また、上述した運転中に耐酸性給水加熱器４２の洗浄が必要となった場合には、噴霧ノズル６１から洗浄水を噴出させることにより、ＩＧＣＣ１の運転を停止することなく洗浄が可能となる。これは、排熱回収ボイラ３０内における燃焼排ガスの流れ方向と洗浄水の流れ方向とが同一になるためであり、洗浄のためにわざわざ設備の運転停止を行う必要がない。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明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。

石炭ガス化複合発電設備の概要を示す構成図である。本発明に係る石炭ガス化複合発電設備の要部を示す構成図である。

符号の説明

１石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ）
３石炭ガス化炉
５ガスタービン設備
５ａ燃焼器
５ｂガスタービン
５ｃターボ圧縮機
５ｄ回転軸
７蒸気タービン設備
７ｂ蒸気タービン
１０石炭供給設備
２０チャー回収装置
２４フレアシステム
３０排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
３２脱硫装置（ＦＧＤ）
３８煙突
４０ボイラ水配管系
４１給水ポンプ
４２耐酸性給水加熱器
４３主熱交換器
４４復水器
５０ガス−ガス熱交換器
５１吸熱器
５２放熱器
６０洗浄水ライン
６１噴霧ノズル
Ｇ発電機

Claims

微粉炭を処理して気体燃料に変換する石炭ガス化炉と、
前記気体燃料を燃料として運転されるガスタービン設備と、
前記ガスタービン設備の燃焼排ガスを導入する排熱回収ボイラで生成した蒸気により運転される蒸気タービン設備と、
前記ガスタービン設備及び／又は前記蒸気タービン設備と連結された発電機とを備え、
前記排熱回収ボイラから排出される前記燃焼排ガスを脱硫して大気放出する排煙脱硫方式の石炭ガス化複合発電設備において、
前記排熱回収ボイラの下流側にボイラ給水を予熱する耐酸性給水加熱器を備えていることを特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
前記耐酸性給水加熱器は、前記燃焼排ガスの温度が硫酸の露点より低くなる領域に設置されることを特徴とする請求項１に記載の石炭ガス化複合発電設備。
前記耐酸性給水加熱器の上流側に洗浄水噴射手段を設け、かつ前記燃焼排ガスの流れ方向を下向き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複合発電設備。