JP2010168951A - ガス化発電プラントの安定運転方法及びガス化発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】ガス化炉で生成されるガスが燃焼器での燃焼が難しい性状であっても、簡単に燃焼器の保炎が図れるようにする。
【解決手段】バイオマスをガス化するためのガス化炉６と、ガス化炉６からの生成ガスを主燃焼領域に導入するガス入口部４１ａ、及び、主燃焼領域を含む内部空間に分散して空気を導入する空気入口部４１ｂを有する燃焼器１４と、を備えたガス化発電プラント１の安定運転方法であって、ガス化炉６からの生成ガスの性状が所定の燃焼条件を満たすときに生成ガスを燃焼器１４のガス入口部４１ａに導き、ガス化炉６からの生成ガスの性状が所定の不燃焼条件を満たすときに生成ガスの全部もしくは一部を燃焼器１４の空気入口部４１ｂに導く。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス化炉で発生した生成ガスを燃焼器で燃焼させて発電を行うガス化発電プラントの安定運転方法及びガス化発電プラントに関するものである。

バイオマス等の燃料を用いたガス化発電プラントでは、ガス化炉で燃料をガス化して生成されたガスをガスタービン燃焼器で燃焼させ、タービンを回すことにより発電を行っている。このプラントの起動時には、ガスタービン燃焼器を灯油等の補助燃料で起動し、タービンに連動する圧縮機で圧縮された空気の一部をガス化炉へ送り、ガス化炉の内部温度を燃料がガス化可能となるまで昇温する。

このガス化炉の昇温過程においてガス化炉から出される不活性なガスは、ガスタービン燃焼器での燃焼が難しい性状を有しており、このガスをガスタービン燃焼器のガス入口部に導入すると、ガスタービン燃焼器の保炎が難しくなる。また、ガス化炉の昇温過程においてガス化炉から出されるガスを、系外へ煙突から排出するとすれば、圧縮機で圧縮された空気を外部へ捨てることになってエネルギーロスが生じると共に、ガス化炉から出されるガスにバイオマスの燃焼によるＣＯ等が混じっている場合には、インシネレータやガス冷却器等の排ガス処理設備が必要となり、プラントが大型化してコストが増大する。

そこで特許文献１には、排ガス処理設備を不要としながらも、ガスタービン燃焼器の保炎を可能とするガス化発電プラントが開示されている。このガス化発電プラントでは、ガスタービン燃焼器において補助燃料用バーナとガス化燃料用バーナとの間に空気ポートを設け、補助燃料用バーナの保炎用空気を確保することで、ガス化燃料用バーナに不活性なガスが導入された場合でも、補助燃料用バーナの失火を抑制するようにしている。

特開平８−２４０１２８号公報

しかしながら、特許文献１のガス化発電プラントの場合、ガス化炉からガス化燃料用バーナに導入されるガス量が増加すると、その分だけガスタービン燃焼器の主燃焼領域（一次燃焼領域）の流速が増大する。そうすると、ガスタービン燃焼器の火炎が速い気流に晒されることになるため、燃焼が不安定となって失火につながってしまう。よって、ガス化炉の起動を早めるために、ガス化炉の昇温用空気量を増加させることが難しくなる。また、補助燃料用バーナとガス化燃料用バーナとの間に空気ポートを追加するため、ガスタービン燃焼器を新規に製作する必要が生じると共にガスタービン燃焼器が大型化してしまうことにもなる。

そこで本発明は、ガス化炉で生成されるガスが燃焼器での燃焼が難しい性状であっても、簡単に燃焼器の保炎が図れるようにすることを目的としている。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係るガス化発電プラントの安定運転方法は、燃料をガス化するためのガス化炉と、前記ガス化炉からの生成ガスを主燃焼領域に導入するガス入口部及び前記主燃焼領域を含む内部空間に分散して空気を導入する空気入口部を有する燃焼器と、を備えたガス化発電プラントの安定運転方法であって、前記ガス化炉からの生成ガスの性状が所定の燃焼条件を満たすときに前記生成ガスを前記燃焼器の前記ガス入口部に導き、前記ガス化炉からの生成ガスの性状が所定の不燃焼条件を満たすときに前記生成ガスの全部もしくは一部を前記燃焼器の前記空気入口部に導くことを特徴とする。

前記方法によれば、ガス化炉からの生成ガスの性状が所定の燃焼条件を満たす場合には、生成ガスはガス入口部を介して燃焼器の主燃焼領域に供給され、燃焼器の定常運転が行われる。一方、ガス化炉からの生成ガスの性状が所定の不燃焼条件を満たす場合には、生成ガスの全部もしくは一部は、空気入口部を介して燃焼器の主燃焼領域を含む内部空間に分散して供給される。即ち、所定の不燃焼条件のときには、ガス化炉からの生成ガスは燃焼器の内部空間に分散して導入され、主燃焼領域の一部に集中して生成ガスが供給されることが抑制されることとなる。したがって、ガス化炉からの生成ガスが燃焼器での燃焼が難しい性状であっても、簡単に燃焼器の保炎を図ることができる。

また、前記所定の燃焼条件及び前記所定の不燃焼条件は、前記生成ガスの発熱量、ガス成分、温度及び流量のうち少なくとも１つに関する条件であってもよい。

また、前記ガス化発電プラントの起動時において、前記ガス化炉からの生成ガスの性状が前記所定の燃焼条件に達するまでは前記生成ガスの全部もしくは一部を前記燃焼器の前記空気入口部に導き、前記ガス化炉からの生成ガスの性状が前記所定の燃焼条件に達すると前記生成ガスを前記燃焼器の前記ガス入口部に導いてもよい。

本発明のガス化発電プラントは、燃料をガス化するためのガス化炉と、前記ガス化炉からの生成ガスを主燃焼領域に導入するガス入口部及び前記主燃焼領域を含む内部空間に分散して空気を導入する空気入口部を有する燃焼器と、前記ガス化炉からの生成ガスを前記燃焼器の前記ガス入口部に導く第１生成ガス管と、前記ガス化炉からの生成ガスを前記燃焼器の前記空気入口部に導く第２生成ガス管と、前記第１生成ガス管の流路を開閉可能な第１生成ガス弁と、前記第２生成ガス管の流路を開閉可能な第２生成ガス弁と、前記ガス化炉からの生成ガスの性状を検出可能なセンサと、前記センサの出力に基づいて前記第１生成ガス弁及び第２生成ガス弁を開閉可能な制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記センサの出力により前記ガス化炉からの生成ガスの性状が所定の燃焼条件を満たすと判断したときに前記第１生成ガス弁を開いて前記第２生成ガス弁を閉じ、前記センサの出力により前記ガス化炉からの生成ガスの性状が所定の不燃焼条件を満たすと判断したときに前記第２生成ガス弁を開くことを特徴とする。

前記構成によれば、前記同様に、ガス化炉からの生成ガスの性状が所定の燃焼条件を満たす場合には、生成ガスはガス入口部を介して燃焼器の主燃焼領域に供給され、燃焼器の定常運転が行われる。一方、ガス化炉からの生成ガスの性状が所定の不燃焼条件を満たす場合には、生成ガスは空気入口部を介して主燃焼領域を含む内部空間に分散して供給される。即ち、所定の不燃焼条件のときには、ガス化炉からの生成ガスは燃焼器の内部空間に分散して導入され、主燃焼領域の一部に集中して生成ガスが供給されることが抑制されることとなる。したがって、ガス化炉からの生成ガスが燃焼器での燃焼が難しい性状であっても、簡単に燃焼器の保炎を図ることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ガス化炉からの生成ガスが燃焼器での燃焼が難しい性状であっても、簡単に燃焼器の保炎を図ることができる。

本発明の実施形態に係るガス化発電プラントを示す系統図である。 図１に示すガス化発電プラントのガスタービン燃焼器及びその近傍を表した一部断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係るガス化発電プラント１を示す系統図である。図１に示すように、ガス化発電プラント１は、バイオマス等の燃料（例えば、木質バイオマス）をガス化炉６へ供給する供給機構２をもち、ガス化炉６へ供給された燃料は、適切な温度・圧力下にて反応してガス化する。

ガス化炉６で発生した生成ガスは、共通生成ガス管９に導かれる。共通生成ガス管９には、ガス化炉６からの生成ガスの性状を検出可能なセンサとして、温度センサ３０及び流量センサ３１が接続されている。温度センサ３０は、共通生成ガス管９の内部の流路を流れる生成ガスの温度を検出可能となっている。流量センサ３１は、共通生成ガス管９の内部の流路を流れる生成ガスの流量を検出可能となっている。それらセンサ３０，３１には制御装置２９が接続されており、各センサ３０，３１の出力が制御装置２９に入力されるように構成されている。

共通生成ガス管９は、その下流側において第１生成ガス管１０と第２生成ガス管１２とに分岐している。第１生成ガス管１０の下流側は、ガスタービン燃焼器１４の後述するガス入口部４１ａ（図２参照）に接続されており、ガス化炉６で発生した生成ガスが、第１生成ガス管１０によりガスタービン燃焼器１４のガス入口部４１ａ（図２参照）に導入可能となっている。第１生成ガス管１０には、その流路を開閉可能な第１生成ガス弁１１が設けられている。

第２生成ガス管１２の下流側は、ガスタービン燃焼器１４の後述する空気入口部４１ｂに接続された第１空気管１９に合流接続されており、ガス化炉６で発生した生成ガスが、第２生成ガス管１２によりガスタービン燃焼器１４の空気入口部４１ｂ（図２参照）に導入可能となっている。第２生成ガス管１２には、その流路を開閉可能な第２生成ガス弁１３が設けられている。そして、制御装置２９は、温度センサ３０及び／又は流量センサ３１の出力に基づいて第１生成ガス弁１１及び第２生成ガス弁１３を開閉制御できるようになっている。

ガスタービン燃焼器１４は、タービン１５に接続されており、ガスタービン燃焼器１４からの高温高圧の排ガスがタービン１５に導入される構成となっている。タービン１５には、圧縮機１６が接続されており、タービン１５の回転に連動して圧縮機１６が動作する構成となっている。また、タービン１５には、発電機１７も接続されており、タービン１５の回転に連動して発電機１７が動作して発電が行われる構成となっている。

圧縮機１６で圧縮された高温高圧の空気は、共通空気管１８に導かれる。共通空気管１８は、その下流側において第１空気管１９と第２空気管２１とに分岐している。第１空気管１９の下流側は、ガスタービン燃焼器１４の後述する空気入口部４１ｂ（図２参照）に接続されており、圧縮機１６で圧縮された空気が、第１空気管１９によりガスタービン燃焼器１４の空気入口部４１ｂ（図２参照）に導入可能となっている。第１空気管１９には、その流路を開閉可能な第１空気弁２０が設けられている。

第２空気管２１の下流側は、ガス化炉６の下部に接続されており、圧縮機１６で圧縮された空気が、ガス化炉６に供給されるように構成されている。第２空気管２１には、その流路を開閉可能な第２空気弁２２が設けられている。タービン１５から排出された排ガスは、煙突２８から外部に排出される。

図２は図１に示すガス化発電プラント１のガスタービン燃焼器１４及びその近傍を表した一部断面図である。図２に示すように、ガスタービン燃焼器１４は、生成ガス及び空気の流路を形成する外殻４１と、外殻４１の内部に配置されて燃焼空間を含む内部空間５０を形成する内殻４２とを備えている。外殻４１には、その長手方向の一端部に補助燃料吐出装置４３が設けられている。補助燃料吐出装置４３は、その長手方向の一端が外殻４１の外部に配置されている一方、その他端が外殻４１を貫通して内殻４２の一端部の中央に配置されている。その補助燃料吐出装置４３の他端には、ノズル４３ａが設けられており、補助燃料吐出装置４３に外部から供給された灯油等の補助燃料は、ノズル４３ａにより内殻４２内の内部空間５０の主燃焼領域に吐出可能となっている。

内殻４２は、その一端開口においてノズル４３ａ、生成ガス供給口４６及び空気供給口４９が設けられ、側面部において周方向に間隔をあけて且つ長手方向（流れ方向）に間隔をあけて、複数の空気流入孔４２ａが並ぶように形成されている。また、内殻４２の下流側は、タービン１５（図１参照）に接続されている。

内殻４２の内部空間は、ノズル４３ａに隣接した主燃焼領域（一次燃焼領域）と、その主燃焼領域の下流側に隣接した二次燃焼領域と、その二次燃焼領域の下流側に隣接した希釈領域とを有している。主燃焼領域は、内殻４２の内部空間５０の最も上流側にあり、ノズル４３ａから吐出された補助燃料や生成ガス供給口４６から流入した生成ガスが先ず初めに着火して火炎を形成する領域である。二次燃焼領域は、主燃焼領域を通過した未燃の補助燃料や生成ガスが遅れて着火する領域である。希釈領域は、主燃焼領域及び二次燃焼領域で発生した排ガスに空気が混合される領域である。

外殻４１の一端部には、ガス入口部４１ａが設けられている。このガス入口部４１ａには、前述した第１生成ガス管１０が接続されている。ガス入口部４１ａは、補助燃料吐出装置４３に沿って形成された生成ガス流路４５を介して生成ガス供給口４６に連通している。生成ガス供給口４６は、内殻４２の一端部においてノズル４３ａの周囲に配置されている。即ち、ガス入口部４１ａに流入した生成ガスは、生成ガス流路４５及び生成ガス供給口４６を介して内部空間５０の主燃焼領域に導かれることとなる。

外殻４１の他端部には、空気入口部４１ｂが設けられている。この空気入口部４１ｂには、前述した第１空気管１９が接続されている。内殻４２と外殻４１との間には、空気流路４８が形成されている。そして、空気入口部４１ｂは、空気流路４８に連通し、その空気流路４８は内殻４２の側面部の複数の空気流入孔４２ａ及び空気供給口４９に連通している。空気供給口４９は、内殻４２の一端部において生成ガス供給口４６の周囲に配置されている。なお、生成ガス供給口４６と空気供給口４９との位置関係は、この形態に限られず、たとえば周方向に交互に配置される構成としてもよい。

圧縮機１６からの空気は、空気入口部４１ｂから空気流路４８に導入される。空気流路４８の空気の一部は、まず、内殻４２の側面部の複数の空気流入孔４２ａを介して内部空間５０の全体に分散して流入する。残りの空気は、空気供給口４９を介して主燃焼領域に流入する。つまり、空気入口部４１ｂからの空気は、内部空間５０に対して流れ方向に分散して導入される。

以上のような構成のガスタービン燃焼器１４は、生成ガス供給口４６から流入する生成ガスの発熱量、温度及び流量が所定の設計値（例えば、生成ガスの発熱量：１０００ｋｃａｌ／Ｎｍ³、温度：５００℃、流量：７００Ｎｍ³／ｈ）のときに適切な燃焼が行われるように設計されている。

次に、ガス化発電プラント１の動作について説明する。ガス化発電プラント１の起動時には、補助燃料吐出装置４３を用いてガスタービン燃焼器１４を始動させ、圧縮機１６からの高温の圧縮空気をガス化炉６に導き、ガス化炉６の内部温度が燃料の発火温度に達するまでガス化炉６を昇温する。

このときの共通生成ガス管９における生成ガスの性状（例えば、熱量：０ｋｃａｌ／Ｎｍ³、温度：１００〜３２０℃、流量：１０００Ｎｍ³／ｈ）は、ガスタービン燃焼器１４での燃焼が適切に行われる設計値とは異なる。具体的には、このときに温度センサ３０で検出される温度は、ガスタービン燃焼器１４が保炎される所定の燃焼条件（所定の目標温度以上）に達しておらず、燃焼に不適であると推測される。言い換えると、このときに温度センサ３０で検出される温度は、ガスタービン燃焼器１４が消炎しうる所定の不燃焼条件（所定の目標温度未満）を満たすこととなる。このようなときには、制御装置２９は、第１生成ガス弁１１が閉じて第２生成ガス弁１３が開いた状態となるように制御を行う。なお、第１生成ガス弁１１及び第２生成ガス弁１３を開度調整可能な弁とし、生成ガスの性状が所定の不燃焼状態のときには、第２生成ガス弁１３を開くとともに第１生成ガス弁１１を完全に閉じずに開度を調節し、生成ガスを第１生成ガス弁１１及び第２生成ガス弁１３の両方を通過させる（即ち、生成ガスの一部を第２生成ガス弁１３側に導く）ようにしてもよい。

次いで、ガス化炉６内に燃料を供給し、ガス化炉６内で燃焼させることにより、ガス化炉６をさらに昇温する。このときの共通生成ガス管９における生成ガスの性状（例えば、発熱量：０ｋｃａｌ／Ｎｍ³、温度：３２０〜６５０℃、流量：７００Ｎｍ³／ｈ）も、前記同様に、ガスタービン燃焼器１４での燃焼が適切に行われる設計値とは異なるので、制御装置２９は、第１生成ガス弁１１が閉じて第２生成ガス弁１３が開いた状態（又は、第１生成ガス弁１１及び第２生成ガス弁１３の両方が開いた状態）を維持するように制御を行う。

第１生成ガス弁１１及び第２生成ガス弁１３が前記した状態では、ガス化炉６からの生成ガスの全部もしくは一部は、第１空気管１９において圧縮機１６からの空気と合流する。圧縮機１６からの空気（例えば、流量：５０００Ｎｍ³／ｈ）は、ガス化炉６からの生成ガスに比べて流量が多く、互いが合流することで生成ガスは圧縮機１６からの空気に希釈される。そして、その希釈された生成ガスは、ガスタービン燃焼器１４の空気入口部４１ｂに導入される（図２参照）。そして、その導入された生成ガスは、ガスタービン燃焼器１４において空気流路４８を通って燃焼器１４の内殻４２の内部空間５０の全体に分配される。その結果、空気入口部４１ｂに導入された生成ガスのうちの一部（例えば、二割程度）のみが主燃焼領域に流入することとなる。

次いで、制御装置２９は、温度センサ３０で検出される温度が所定の目標温度に達したことを検出すると、生成ガスの性状が所定の燃焼条件を満たすと判断し、第２生成ガス弁１３を閉じ且つ第１生成ガス弁１１を開く。これにより、ガス化炉６で発生した生成ガスの全部が、ガスタービン燃焼器１４においてガス入口部４１ａ、生成ガス流路４５及び生成ガス供給口４６を通って、主燃焼領域に供給されることとなる。

以上に説明したガス化発電プラント１によれば、ガス化炉６からの生成ガスの性状が所定の燃焼条件を満たす場合には、生成ガスはガス入口部４１ａを介してガスタービン燃焼器１４の主燃焼領域に供給され、ガスタービン燃焼器１４の定常運転が行われる。一方、ガス化炉６からの生成ガスの性状が所定の不燃焼条件を満たす場合には、生成ガスは空気入口部４１ｂを介してガスタービン燃焼器１４の内部空間５０の全体に分散して供給される。即ち、主燃焼領域にはガス化炉６からの生成ガスの一部のみが供給され、主燃焼領域に供給される生成ガス量が抑制されることとなる。したがって、ガス化炉６からの生成ガスがガスタービン燃焼器１４での燃焼が難しい性状であっても、簡単にガスタービン燃焼器１４の保炎を図ることができる。

また、空気入口部４１ｂに導入された生成ガスは、周方向に均一に空気流路４８へと流れるため、ガスタービン燃焼器１４内で生成ガスが周方向に不均一に分布することもなく、排ガス温度の周方向分布が不均一となることが抑制される。よって、排ガス温度の不均一により発生する下流にあるタービン１５の局所的な温度上昇による焼損を回避することができる。

さらに、本発明のガス化発電プラント１では、ガス化炉６からの生成ガスをガスタービン燃焼器１４の空気入口部４１ｂに導く第２生成ガス管１２と、第２生成ガス管１２の流路を開閉可能な第２生成ガス弁１３とを設けるだけで、既存のガスタービン燃焼器１４を使用することができ、あらゆる構造の燃焼器に適用することも可能となる。

なお、前述した実施形態では、第１生成ガス弁１１及び第２生成ガス弁１３の操作を制御装置２９によって自動的に行っているが、オペレータにより手動で操作してもよい。また、前述した実施形態では、燃焼器としてガスタービン燃焼器１４を用いているが、他の方式の燃焼器であってもよい。また、前述した実施形態では、第１生成ガス弁１１及び第２生成ガス弁１３の開閉はガス化発電プラント１の起動時に実施しているが、それ以外の状態（例えば、停止時や通常稼動時）に実施してもよい。

また、前述した実施形態では、生成ガスの温度に基づいて第１生成ガス弁１１及び第２生成ガス弁１３の開閉を行っているが、生成ガスの発熱量やガス成分や流量に基づいて行ってもよい。例えば、生成ガスの発熱量が所定値以上である場合には、生成ガスを燃焼器のガス入口部を介して主燃焼領域に供給し、生成ガスの発熱量が所定値未満である場合には、生成ガスを燃焼器の空気入口部を介して内部空間５０の全体に分散して供給するとよい。

以上のように、本発明に係るガス化発電プラントの安定運転方法及びガス化発電プラントは、ガス化炉からの生成ガスが燃焼器での燃焼が難しい性状であっても簡単に燃焼器の保炎を図ることができる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できるバイオマス流動層ガス化発電プラント等に広く適用すると有益である。

１ ガス化発電プラント
３ 燃料
６ ガス化炉
１０ 第１生成ガス管
１１ 第１生成ガス弁
１２ 第２生成ガス管
１３ 第２生成ガス弁
１４ ガスタービン燃焼器
２９ 制御装置
３０ 温度センサ
３１ 流量センサ
４１ａ ガス入口部
４１ｂ 空気入口部

Claims (4)

1. 燃料をガス化するためのガス化炉と、前記ガス化炉からの生成ガスを主燃焼領域に導入するガス入口部及び前記主燃焼領域を含む内部空間に分散して空気を導入する空気入口部を有する燃焼器と、を備えたガス化発電プラントの安定運転方法であって、
   前記ガス化炉からの生成ガスの性状が所定の燃焼条件を満たすときに前記生成ガスを前記燃焼器の前記ガス入口部に導き、
   前記ガス化炉からの生成ガスの性状が所定の不燃焼条件を満たすときに前記生成ガスの全部もしくは一部を前記燃焼器の前記空気入口部に導くことを特徴とするガス化発電プラントの安定運転方法。
2. 前記所定の燃焼条件及び不燃焼条件は、前記生成ガスの発熱量、ガス成分、温度及び流量のうち少なくとも１つに関する条件であることを特徴とする請求項１に記載のガス化発電プラントの安定運転方法。
3. 前記ガス化発電プラントの起動時において、前記ガス化炉からの生成ガスの性状が前記所定の燃焼条件に達するまでは前記生成ガスの全部もしくは一部を前記燃焼器の前記空気入口部に導き、前記ガス化炉からの生成ガスの性状が前記所定の燃焼条件に達すると前記生成ガスを前記燃焼器の前記ガス入口部に導くことを特徴とする請求項１又は２に記載のガス化発電プラントの安定運転方法。
4. 燃料をガス化するためのガス化炉と、
   前記ガス化炉からの生成ガスを主燃焼領域に導入するガス入口部及び主燃焼領域を含む内部空間に分散して空気を導入する空気入口部を有する燃焼器と、
   前記ガス化炉からの生成ガスを前記燃焼器の前記ガス入口部に導く第１生成ガス管と、
   前記ガス化炉からの生成ガスを前記燃焼器の前記空気入口部に導く第２生成ガス管と、
   前記第１生成ガス管の流路を開閉可能な第１生成ガス弁と、
   前記第２生成ガス管の流路を開閉可能な第２生成ガス弁と、
   前記ガス化炉からの生成ガスの性状を検出可能なセンサと、
   前記センサの出力に基づいて前記第１生成ガス弁及び第２生成ガス弁を開閉可能な制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記センサの出力により前記ガス化炉からの生成ガスの性状が所定の燃焼条件を満たすと判断したときに前記第１生成ガス弁を開いて前記第２生成ガス弁を閉じ、前記センサの出力により前記ガス化炉からの生成ガスの性状が所定の不燃焼条件を満たすと判断したときに前記第２生成ガス弁を開くことを特徴とするガス化発電プラント。

Images