JP2011102538A - 二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の目的は、二酸化炭素分離回収装置で燃料ガスに含まれた一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応熱を有効に回収して発電システムの発電効率を向上することにある。
【解決手段】
燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応器と、燃料ガスから吸収液に二酸化炭素を吸収させる二酸化炭素吸収搭と、吸収液を再生する吸収液再生装置とを有する二酸化炭素分離回収装置と、二酸化炭素吸収搭で二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼させて駆動するガスタービン装置と、ガスタービン装置の排ガスで蒸気を発生する排熱回収ボイラとを有するガス化発電システムとを備え、シフト反応器で生じたシフト反応熱で昇温した燃料ガスと熱交換して蒸気を発生する蒸発器を設け、蒸発器で発生した前記蒸気をシフト反応器の上流側の蒸気混合器に供給してシフト蒸気として燃料ガスと共に前記シフト反応器に流入するように構成した。
【選択図】図１
【解決手段】
燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応器と、燃料ガスから吸収液に二酸化炭素を吸収させる二酸化炭素吸収搭と、吸収液を再生する吸収液再生装置とを有する二酸化炭素分離回収装置と、二酸化炭素吸収搭で二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼させて駆動するガスタービン装置と、ガスタービン装置の排ガスで蒸気を発生する排熱回収ボイラとを有するガス化発電システムとを備え、シフト反応器で生じたシフト反応熱で昇温した燃料ガスと熱交換して蒸気を発生する蒸発器を設け、蒸発器で発生した前記蒸気をシフト反応器の上流側の蒸気混合器に供給してシフト蒸気として燃料ガスと共に前記シフト反応器に流入するように構成した。
【選択図】図１
Description
本発明は、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化複合発電システムに係り、特に一酸化炭素と水素を含有するガス化した燃料ガスをガスタービンで燃焼して発電するガス化複合発電システムにおいて、ガスタービンから排出した排ガスに含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置と共に、この二酸化炭素分離回収装置が有するシフト反応器にて一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応で生じるシフト反応熱を有効に回収する二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムに関する。
石炭やバイオマスをガス化してガスタービンの燃料として利用する技術はあるが、特に石炭をガス化した場合はその石炭の炭種によって異なるが、石炭ガス化による生成ガスの代表成分は体積割合で５５％が一酸化炭素、２０％が水素、２０％が窒素ガス、３％が二酸化炭素ガス、２％が水蒸気やその他成分である。
したがって、石炭ガス化による生成ガスの主成分である一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素を得る下記（１）式のシフト反応が、一般的に化学プラント等の二酸化炭素回収システムでは活用されている。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・（１）
即ち、シフト反応器によって上記（１）式のシフト反応を起し、石炭をガス化した石炭ガスを一旦、水素ガスと二酸化炭素に転換して、水素ガスはガスタービンの燃料ガスとして活用し、二酸化炭素は後流の二酸化炭素吸収搭で吸収液により吸収するものである。尚、この時のシフト反応は発熱反応である。
即ち、シフト反応器によって上記（１）式のシフト反応を起し、石炭をガス化した石炭ガスを一旦、水素ガスと二酸化炭素に転換して、水素ガスはガスタービンの燃料ガスとして活用し、二酸化炭素は後流の二酸化炭素吸収搭で吸収液により吸収するものである。尚、この時のシフト反応は発熱反応である。
特開２００８−１０８６２１号公報には、一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応を行うシフト反応器を有する二酸化炭素回収装置を備えた燃料電池発電システムに関する技術が開示されている。
しかしながら、特開２００８−１０８６２１号公報に記載された構成の二酸化炭素回収装置を備えた発電システムでは、二酸化炭素回収装置が有するシフト反応器にて燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応に伴って熱エネルギーが発生するが、このシフト反応で発生した熱エネルギーは発電システムに有効に利用されておらず、発電システムの発電効率の向上を図れていないという課題があった。
本発明の目的は、一酸化炭素を含有するガス化した燃料ガスをガスタービンで燃焼して発電を行うガス化発電システムにおいて、二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置で燃料ガスに含まれた一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応の際に生じるシフト反応熱を有効に回収すると共に、排熱回収ボイラで発生させた蒸気を蒸気混合器に供給するシフト蒸気を抑制させて発電システムの発電効率を向上させた、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムを提供することにある。
本発明の二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムは、一酸化炭素と水素を含んだ燃料ガスに水蒸気を混合してシフト反応させて燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応器と、シフト反応器を流下した二酸化炭素を含む燃料ガスから吸収液に二酸化炭素を吸収させて二酸化炭素を除去した燃料ガスを生成する二酸化炭素吸収搭と、二酸化炭素吸収搭で吸収液に吸収した二酸化炭素を解離させて吸収液を再生する吸収液再生装置とを有する二酸化炭素分離回収装置と、前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器で燃焼させて駆動するガスタービン装置と、ガスタービン装置から排出された排ガスによって蒸気を発生させるドラムを有する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラのドラムで発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンを有するガス化発電システムとを備え、前記二酸化炭素分離回収装置のシフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して昇温した蒸気を発生させる蒸発器を該シフト反応器の下流側に設置し、前記蒸発器で発生する昇温した蒸気を前記シフト反応器の上流側の燃料ガス管路に設置した蒸気混合器に供給する蒸気管路を配設し、この蒸気管路を通じて供給される昇温した蒸気を前記蒸気混合器からシフト蒸気として燃料ガスと共に前記シフト反応器に流入させることを特徴とする。
また本発明の二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムは、一酸化炭素と水素を含んだ燃料ガスに水蒸気を混合してシフト反応させて燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換する第１シフト反応器及びこの第１シフト反応器の下流側に設置された第２シフト反応器と、前記両シフト反応器を流下した二酸化炭素を含む燃料ガスから吸収液に二酸化炭素を吸収させて二酸化炭素を除去した燃料ガスを生成する二酸化炭素吸収搭と、二酸化炭素吸収搭で吸収液に吸収した二酸化炭素を解離させて吸収液を再生する吸収液再生装置とを有する二酸化炭素分離回収装置と、前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器で燃焼させて駆動するガスタービン装置と、ガスタービン装置から排出された排ガスによって蒸気を発生させるドラムを有する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラのドラムで発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンを有するガス化発電システムとを備え、前記二酸化炭素分離回収装置の第１シフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して昇温した蒸気を発生させる第１の蒸発器を該第１シフト反応器の下流側に設置し、前記二酸化炭素分離回収装置の第２シフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して昇温した蒸気を発生させる第２の蒸発器を該第２シフト反応器の下流側に設置し、前記第１の蒸発器及び第２の蒸発器で発生する昇温した各蒸気を前記第１シフト反応器の上流側の燃料ガス管路に設置した蒸気混合器に供給する蒸気管路をそれぞれ配設し、これらの蒸気管路を通じて供給される昇温した前記各蒸気を前記蒸気混合器からシフト蒸気として燃料ガスと共に前記第１シフト反応器及び第２シフト反応器に流入させることを特徴とする。
本発明によれば、一酸化炭素を含有するガス化した燃料ガスをガスタービンで燃焼して発電を行うガス化発電システムにおいて、二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置で燃料ガスに含まれた一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応の際に生じるシフト反応熱を有効に回収すると共に、排熱回収ボイラで発生させた蒸気を蒸気混合器に供給するシフト蒸気を抑制させて発電システムの発電効率を向上させた、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムが実現できる。
本発明の実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムについて図面を参照して説明する。
本発明の第１実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムについて図１及び図３を用いて説明する。
図１は本発明の第１実施例である二酸化炭素分離回収設備を備えた高効率なガス化発電システムの概略系統を示しており、図３は図１に示した本発明の第１実施例のガス化発電システムに備えられた二酸化炭素分離回収装置を構成するシフト反応器周り系統、二酸化炭素吸収液循環系統、及び吸収液の再生フラッシュ系統の概略構成を示している。
図１及び図３において、本実施例の二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムは発電プラント１００と二酸化炭素分離回収装置２００とを備えており、石炭ガス化装置（図示せず）から供給される一酸化炭素を含んだ水素リッチの燃料ガスが、入口ガス管路１を通じて二酸化炭素分離回収装置２００に供給されている。
本実施例のガス化発電システムに備えられた発電プラント１００には、水素リッチの燃料ガスを燃焼器７１で燃焼して発生させた燃焼ガスで駆動するガスタービン７２を有するガスタービン装置と、このガスタービン７２から排出された排ガスを熱源として蒸気を発生させる排熱回収ボイラ２０と、この排熱回収ボイラ２０に設置した中圧ドラム３０及び高圧ドラム３１から発生した蒸気を中圧ドラム過熱蒸気管路３３及び高圧ドラム過熱蒸気管路７６を通じてそれぞれ供給し駆動する蒸気タービン２３が備えられている。
前記蒸気タービン２３は発電機２２を駆動して電力を発生するように構成されており、この蒸気タービン２３を流下した蒸気は復水器２４で冷却されて復水となり、この復水が給水ポンプ２７で昇圧されて復水管路２６を通じて排熱回収ボイラ２０に供給される。
前記ガスタービン装置は燃料ガスを燃焼する燃焼器７１と、燃焼器７１で発生した高温の燃焼ガスで駆動されるガスタービン７２と、ガスタービン７２によって駆動され燃焼器７１に供給する空気を加圧する圧縮機７２及び電力を発生する発電機２２を備えている。
前記二酸化炭素分離回収装置２００では、石炭ガス化装置（図示せず）から供給される一酸化炭素を含んだ水素リッチの燃料ガスを流下させる入口ガス管路１に設けたシフト蒸気混合器４に、発電プラント１００の排熱回収ボイラ２０で発生した蒸気の一部をシフト反応用蒸気管路３２を通じて供給し、この蒸気を混合した燃料ガスが入口ガス管路１を流下して第１シフト反応器５に流入する。
前記入口ガス管路１にはシフト反応器をバイパスするために入口ガス管路１から分岐したシフト反応器バイパス管路２を配設して燃焼器入口管路４４に連通させている。
第１シフト反応器５の内部には、燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応を発生させる触媒が充填されている。そしてこの触媒によって燃料ガスに含まれた一酸化炭素はシフト反応によって二酸化炭素に転換される。このシフト反応は発熱反応なので転換された二酸化炭素を含んだ燃料ガスはこのシフト反応熱によって加熱されて高温に昇温される。
本実施例のガス化発電システムに備えられた二酸化炭素分離回収装置では、第１シフト反応器５で一酸化炭素を二酸化炭素に転換する際に発生するシフト反応のシフト反応熱で昇温した燃料ガスを熱源として利用して、前記第１シフト反応器５の下流側に設置した後述する第１プロセスガス蒸発器６に供給し、該第１プロセスガス蒸発器６にて高温の水蒸気を発生させる。
前記第１プロセスガス蒸発器６には排熱回収ボイラ２０で発生した蒸気の一部が給水管路２８を通じて供給されているので、この第１プロセスガス蒸発器６で燃料ガスとの熱交換で発生した高温の蒸気は、第１シフト反応器５の上流側の入口ガス管路１に設置したシフト蒸気混合器４に蒸気管路３４を通じて供給され、入口ガス管路１を流下する燃料ガスと共に前記第１シフト反応器５でのシフト反応に使用されるシフト蒸気として流入する。
前記第１プロセスガス蒸発器６にて高温の燃料ガスとの熱交換で発生した高温の蒸気は、前述したようにシフト反応器のシフト反応に必要なシフト蒸気として利用するので、排熱ボイラ２０から蒸気管路３２を通じて前記シフト蒸気混合器４に供給して第１シフト反応器５のシフト蒸気として使用される補助蒸気量を低減することが可能となる。
第１シフト反応器５を出た高温の燃料ガスは該第１シフト反応器５の下流に設置された第１プロセスガス蒸発器６にて排熱ボイラ２０から蒸気管路２８を通じて供給される蒸気との熱交換によって冷却される。
前記第１プロセスガス蒸発器６での熱交換によって冷却した燃料ガスは該第１プロセスガス蒸発器６の下流に設置された第２シフト反応器７に流入する。
第２シフト反応器７の内部にも、燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応を発生させる触媒が充填されており、第２シフト反応器７に充填された触媒によって燃料ガス中の一酸化炭素はシフト反応によって二酸化炭素に転換するシフト反応がさらに進む。また、このシフト反応熱によって燃料ガスは再び高温に昇温する。
第２シフト反応器７を出た高温に昇温した燃料ガスは、この第２シフト反応器７の下流に設置された第１燃料ガス加熱器８に流入する。
この第１燃料ガス加熱器８には、後述する二酸化炭素分離回収装置２００の二酸化炭素吸収塔３７によって燃料ガスに含まれた二酸化炭素を吸収液で吸収して二酸化炭素を除去した水素リッチの燃料ガスが、二酸化炭素分離回収装置２００から燃料管路３を通じて第３燃料ガス加熱器１２及び第２燃料ガス加熱器１０を順次経由して供給される。
前記第１燃料ガス加熱器８での熱交換で冷却された第２シフト反応器７から流下した燃料ガスは第１燃料ガス加熱器８の下流側に設置された第２プロセスガス蒸発器９に供給される。
また、前記第１燃料ガス加熱器８にて第２シフト反応器７から流下した燃料ガスとの熱交換によって燃料管路３を通じて供給され昇温した二酸化炭素が除去された水素リッチの燃料ガスは、燃焼器入口管路４４を通じてガスタービン装置の燃焼器７１に供給され、この燃焼器７１で水素リッチの燃料ガスを燃焼して発生した高温の燃焼ガスをガスタービン７２に供給して該ガスタービン７２を駆動し、発電機２２を回転させて発電する。
前記第１燃料ガス加熱器８での熱交換で冷却された燃料ガスは該第１燃料ガス加熱器８の下流側に設置された第２プロセスガス蒸発器９に供給されるが、前記第２プロセスガス蒸発器９には排熱回収ボイラ２０で発生した蒸気の一部が給水管路２９を通じて供給されている。
前記第２プロセスガス蒸発器９にて高温の燃料ガスと熱交換して発生した高温の蒸気は蒸気管路３５を通じて流下し、後述する図３に示した二酸化炭素分離回収装置２００の吸収液を加熱する二酸化炭素吸収液加熱器３９に熱源として供給される。
また、前記第２プロセスガス蒸発器９で給水管路２９を通じて排熱ボイラ２０から供給された低温の蒸気との熱交換によって冷却した燃料ガスは第２燃料ガス加熱器１０に流入し、この第２燃料ガス加熱器１０にて二酸化炭素分離回収装置２００から燃料管路３を通じて供給された二酸化炭素を除いた燃料ガスとの熱交換で冷却され、該第２燃料ガス加熱器１０の下流に設置された第３シフト反応器１１に流入する。
第３シフト反応器１１の内部にも、燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応を発生させる触媒が充填されおり、第３シフト反応器１１に充填された触媒によって燃料ガス中の一酸化炭素はシフト反応させることによって燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応が完了する。
第３シフト反応器１１でのシフト反応熱で加熱された高温の燃料ガスは、この第３シフト反応器１１の下流に設置された第３燃料ガス加熱器１２に流入し、第３燃料ガス加熱器１２にて燃料管路３を通じて供給された燃料ガスとの熱交換によって冷却され、該第３燃料ガス加熱器１２の下流に設置された第３プロセスガス蒸発器１３に供給される。
前記第３プロセスガス蒸発器１３には排熱回収ボイラ２０に供給された給水の一部が給水管路２５を通じて供給されている。
前記第３プロセスガス蒸発器１３には排熱回収ボイラ２０に供給された給水の一部が給水管路２５を通じて供給されている。
前記第３プロセスガス蒸発器１３にて高温の燃料ガスと熱交換して発生した高温の蒸気は蒸気管路３６を通じて流下し、後述する図３に示した二酸化炭素分離回収装置２００の吸収液を加熱する二酸化炭素吸収液加熱器３９に熱源として供給される。
前記第３プロセスガス蒸発器１３にて給水管路２５を通じて排熱ボイラ２０から供給された低温の蒸気との熱交換によって冷却した燃料ガスはプロセスガス冷却器１４で流入された後に第１ノックアウトドラム１５に流入し、この第１ノックアウトドラム１５から前記燃料ガスはプロセスガス管路１６を通じて二酸化炭素吸収塔３７に供給される。
そして前記二酸化炭素吸収塔３７に供給された燃料ガスはこの二酸化炭素吸収塔３７にて燃料ガスに含まれた二酸化炭素を吸収液に吸収させて除去する。
図３に示した二酸化炭素分離回収装置２００においては、第１ノックアウトドラム１５から流下した水素リッチの燃料ガスに含まれた二酸化炭素を吸収液に吸収させ、二酸化炭素を除去した燃料ガスを生成する二酸化炭素吸収搭３７と、この二酸化炭素吸収搭３７で二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を解離させて前記吸収液を再生する吸収液再生装置である二酸化炭素フラッシュタンク３８が設置されている。
前記第１ノックアウトドラム１５では、シフト反応で余った水分を燃料ガスから分離してドレン管路４２を通じて系外に排出し、水分を分離した二酸化炭素ガスを多く含んだ水素リッチの燃料ガスはプロセスガス管路１６を通じて二酸化炭素吸収搭３７に供給される。
そして低温の二酸化炭素吸収搭３７にて二酸化炭素を吸収液によって吸収された水素リッチガスは、燃料ガス管路４３を通じて二酸化炭素吸収搭３７の下流に設置した第２ノックアウトドラム４０に導入され、吸収液のミスト分を分離して燃料ガス昇圧圧縮機４１で昇圧され、燃料配管３及び燃焼器入口管路４４を通じてガスタービン装置の燃焼器７１に供給されて燃焼する。
尚、第２ノックアウトドラム４０で分離した吸収液のミストは二酸化炭素フラッシュタンク３８に流入する。
前記二酸化炭素吸収搭３７で燃料ガスに含まれた二酸化炭素を吸収した吸収液は、吸収液管路７７に設置された二酸化炭素吸収液加熱器３９で加熱されて吸収液再生装置である二酸化炭素フラッシュタンク３８に流入し、この二酸化炭素フラッシュタンク３８にてフラッシュして吸収液に吸収した二酸化炭素を解離する。
吸収液から解離した二酸化炭素は二酸化炭素フラッシュタンク３８から二酸化炭素管路５０を通じて系外の二酸化炭素貯蔵（図示せず）に導出される。
また、吸収液再生装置である二酸化炭素フラッシュタンク３８に供給されて該二酸化炭素フラッシュタンク３８でフラッシングすることによって吸収液中の二酸化炭素を解離したリーン吸収液は、循環ポンプ４８で昇圧されてリーン液管路４９を通じて二酸化炭素吸収搭３７に供給され、この二酸化炭素吸収搭３７にて再び燃料ガスに含まれた二酸化炭素を吸収し、吸収液管路７７を通じて二酸化炭素フラッシュタンク３８に再び供給されるように構成している。
一方、第２ノックアウトドラム４０で吸収液のミストを分離した水素リッチの燃料ガスは、燃料ガス昇圧圧縮機４１にて昇圧され、燃料配管３を通じて流下して、第３燃料ガス加熱器１２、第２燃料ガス加熱器１０で昇温された後に第１燃料ガス加熱器８で高温の燃料ガスとの熱交換によって更に加温され、燃焼器入口管路４４を通じてガスタービン装置の燃焼器７１に供給され、この燃焼器７１で燃焼する。
第１プロセスガス蒸発器６を出た蒸気は、第１プロセスガス蒸発器６から蒸気管路３４を通じてシフト蒸気混合器４に供給されており、このシフト蒸気混合器４から入口ガス管路１を流れる燃料ガスと混合して第１シフト反応器５にシフト蒸気として流入する。
第１シフト蒸気混合器５には排熱回収ボイラ２０からも蒸気管路３２を通じて補助蒸気がシフト蒸気として利用できるように導入されており、第１シフト反応器５にて発生するシフト反応熱を回収するプロセスガス蒸発器６において、燃料ガスとの熱交換で発生した蒸気が蒸気配管３４を経由してシフト蒸気混合器４に供給される蒸気量が不足した場合に、この補助蒸気を第１シフト反応器５で使用するシフト蒸気の不足分を補う系統となっている。
図１に示した発電プラント１００においては、蒸気タービン２３の排気蒸気は復水器２４で冷却されて復水となり、この復水の一部が給水管路２５を経由して第３プロセスガス蒸発器１３に供給され、この第３プロセスガス蒸発器１３にて高温の燃料ガスと熱交換して蒸気となって蒸気管路３６を通じて前記二酸化炭素分離回収装置２００の二酸化炭素吸収液加熱器３９に熱源として供給される。
復水管路２６を流下する復水は給水ポンプ２７で昇圧されて給水として排熱回収ボイラ２０に供給され、この排熱回収ボイラ２０にてガスタービン７２から排出された高温の排ガスによって加熱され、この加熱された給水は給水管路２９を経て第２プロセスガス蒸発器９に燃料ガスと熱交換する蒸気として供給される。
そして前記第２プロセスガス蒸発器９にてこの蒸気は高温の燃料ガスとの熱交換によって高温の蒸気となり、蒸気管路３５を通じて前記二酸化炭素分離回収装置２００の二酸化炭素吸収液加熱器３９に熱源として供給される。
ガスタービン７２から排出された高温の排ガスによって加熱され、排熱回収ボイラ２０の中圧ドラム３０で発生した蒸気は中圧ドラム過熱蒸気管路３３を通じて蒸気タービン２３に供給され、該蒸気タービン２３を駆動して発電機２２を回転して発電する。
排熱回収ボイラ２０で加熱された給水の一部は、給水管路２８を通じて第１プロセスガス蒸発器６に供給され、この第１プロセスガス蒸発器６にて高温の燃料ガスとの熱交換によって加熱蒸気となり、この加熱蒸気は蒸気管路３４を通じてシフト蒸気混合器４に供給され、シフト蒸気として高温の燃料ガスと共に入口ガス管路１を通じて第１シフト反応器５に供給される。
復水管路２６を流下する復水は給水ポンプ２７で昇圧されて給水として排熱回収ボイラ２０に供給され、この排熱回収ボイラ２０にてガスタービン７２から排出された高温の排ガスによって加熱され、この加熱された給水は給水管路２９を経て第２プロセスガス蒸発器９に高温の燃料ガスと熱交換する蒸気源として供給される。
そして前記第２プロセスガス蒸発器９にて高温の燃料ガスとの熱交換によって高温の蒸気となり、蒸気管路３５を通じて前記二酸化炭素分離回収装置２００の二酸化炭素吸収液加熱器３９に熱源として供給される。
二酸化炭素分離回収装置２００の二酸化炭素吸収搭３７によって燃料ガスに含まれた二酸化炭素を吸収液で吸収して二酸化炭素を除去した水素リッチの燃料ガスは、ガスタービン燃料管路３に夫々設置した第３燃料ガス加熱器１２、第２燃料ガス加熱器１０及び第１燃料ガス加熱器８での高温の燃料ガスとの熱交換によって順次加温され、最終的には入口ガス管路１から分岐して燃焼器入口管路４４に連通したシフト反応器バイパス管路２を通過してくる高温の燃料ガスの温度レベルまで昇温させる。
二酸化炭素分離回収装置２００に供給される燃料ガスのうち、約３０％の燃料ガスが入口ガス管路１を通じて供給され、約７０％の燃料ガスがシフト反応器バイパス管路２を通じて供給されるように配分している。
前記シフト反応器バイパス管路２を流下した燃料ガスと、二酸化炭素分離回収装置２００の各機器で処理されて燃料管路３を流下した燃料ガスとは、この燃焼器入口管路４４にて合流し、ガスタービン装置の燃焼器７１に供給されて燃焼する。
次に、本発明の第１実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムについて、各プロセスガスや二酸化炭素ガスや吸収液の温度分布を図５を用いてその有効性を説明する。
図５に示した本発明の第１実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおける各プロセスガス、二酸化炭素ガス及び吸収液の温度分布は、二酸化炭素吸収搭３７の出口の吸収液が８０℃の場合に、この吸収液を二酸化炭素吸収液加熱器３９に加熱源として供給した蒸気による加熱によって１１０℃まで昇温させた場合の例である。
図５に示した本発明の第１実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおいて、第１プロセスガス蒸発器６にてシフト反応器５のシフト反応の熱エネルギーで昇温した燃料ガスと熱交換して発生した蒸気は、蒸気管路３４を通じてシフト蒸気混合器４に導入され、該シフト蒸気混合器４にて燃料ガスと混合してその下流側に配設した第１シフト反応器５及び第２シフト反応器７にシフト蒸気として流入する。
この結果、第１プロセスガス蒸発器６から蒸気管路３４を通じてシフト蒸気混合器４に供給された蒸気は、第１シフト反応器５及び第２シフト反応器７のシフト反応に用いられるシフト蒸気として活用される為、排熱回収ボイラ２０から抽気して前記シフト蒸気混合器４に補助蒸気として供給されるシフト用の蒸気を減少させることが可能となる。
よって、排熱回収ボイラ２０から補助蒸気としてシフト蒸気混合器４に供給する蒸気量が減少できるので、その分だけガスタービン排熱回収ボイラ２０から蒸気タービン２３への供給蒸気量は増加するので、蒸気タービン２３の出力が増加しプラント発電端効率は向上する。
また、図５に示すように第２プロセスガス蒸発器９で発生した蒸気及び第３プロセスガス蒸発器１３で発生した蒸気は、蒸気管路３５、３６を通じて二酸化炭素吸収液加熱器３９に導かれる。これらの発生蒸気は二酸化炭素吸収液加熱器３９にて二酸化炭素吸収搭３７を出た二酸化炭素を多く含んだリッチ吸収液の温度を８０℃から１１０℃にまで加熱昇温する。
次に、二酸化炭素吸収液加熱器３９を流下したリッチ吸収液は後段に設置された二酸化炭素フラッシュタンク３８に導入され、該二酸化炭素フラッシュタンク３８にてフラッシングすることによってリッチ吸収液に吸収した二酸化炭素が取り出される。
そして二酸化炭素が取り出された吸収液は二酸化炭素フラッシュタンク３８からリーン液管路４９を通じて二酸化炭素吸収搭３７に戻される。つまり、吸収液は二酸化炭素吸収搭３７と二酸化炭素フラッシュタンク３８との間を循環する。
プラント出力１７０MW級の二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムに実施例１の構成を適用した場合、ガス化発電システムの発電効率は吸収液の種類や性能や吸収液の循環量により若干変化するが概略０．数％程度向上することが見込まれる。
即ち、本実施例１では、二酸化炭素分離回収装置２００の第１シフト反応器５及び第２シフト反応器７における一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応に必要な高温の蒸気を供給させるために、第１プロセスガス蒸発器６で発生させた蒸気を蒸気管路３４を通じてシフト蒸気混合器４に供給して第１シフト反応器５及び第２シフト反応器７にシフト蒸気として流入するように構成したことから、排熱回収ボイラ２０から蒸気管路３２を通じて前記シフト蒸気混合器４に供給する補助蒸気の使用量を減少させることが可能となり、この補助蒸気量の減少量に相当する熱エネルギー分の発電効率が増加するので、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムの発電効率が向上する。
本実施例によれば、一酸化炭素を含有するガス化した燃料ガスをガスタービンで燃焼して発電を行うガス化発電システムにおいて、二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置で燃料ガスに含まれた一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応の際に生じるシフト反応熱を有効に回収すると共に、排熱回収ボイラで発生させた蒸気を蒸気混合器に供給するシフト蒸気を抑制させて発電システムの発電効率を向上させた、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムが実現できる。
次に本発明の第２実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムについて図２及び図４を用いて説明する。
本発明の第２実施例に係る二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムと、図１及び図３に示した第１実施例に係る二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムとは基本的な構成が同じであるので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
図２及び図４に示した第２実施例に係る二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムは、二酸化炭素分離回収装置２００の第１プロセスガス蒸発器６及び第２プロセスガス蒸発器９で燃料ガスとの熱交換によって発生した各発生蒸気を蒸気管路３４及び蒸気管路３５を通じて第１シフト反応器５の上流側の入口ガス管路１に設置したシフト蒸気混合器４にシフト反応用のシフト蒸気としてそれぞれ供給するように構成したものである。
この結果、第１シフト反応器５及び第２シフト反応器７で使用するシフト反応用のシフト蒸気はこれらの第１プロセスガス蒸発器６及び第２プロセスガス蒸発器９で発生させる蒸気でまかない、排熱回収ボイラ２０から蒸気管路３２を通じて前記シフト蒸気混合器４に供給する補助蒸気の使用量を極力減少させて、この補助蒸気量の減少量に相当する熱エネルギー分の発電効率を増加させて、ガス化発電システムの発電効率の向上を図ることが可能となる。
即ち、図４において、二酸化炭素分離回収装置２００の第１シフト反応器５及び第２シフト反応器７における一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応に必要な高温の蒸気の供給を、第１プロセスガス蒸発器６及び第２プロセスガス蒸発器９で発生させた蒸気を蒸気管路３４及び蒸気管路３５を通じてシフト蒸気混合器４にそれぞれ供給するように構成したことから、排熱回収ボイラ２０から蒸気管路３２を通じて前記シフト蒸気混合器４に供給する補助蒸気の使用量を大幅に減少でき、この補助蒸気量の減少量に相当する熱エネルギー分の発電効率を増加させ、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムの発電効率が向上する。
次に本発明の第２実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムについて、各プロセスガスや二酸化炭素ガスや吸収液の温度分布を図６を用いてその有効性を説明する。
図６に示した各プロセスガス、二酸化炭素ガス及び吸収液の温度分布は、二酸化炭素吸収搭３７の出口の吸収液を８０℃として、この吸収液を二酸化炭素吸収液加熱器３９によって加温して９５℃に昇温させた場合の例である。
図６に示した本発明の第２実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおいて、第１プロセスガス蒸発器６にてシフト反応器５のシフト反応の熱エネルギーで昇温した燃料ガスと熱交換して発生した蒸気、及び第２プロセスガス蒸発器９にてシフト反応器７のシフト反応の熱エネルギーで昇温した燃料ガスと熱交換して発生した蒸気は、蒸気管路３４及び蒸気管路３５を通じてシフト蒸気混合器４にそれぞれ導入されている。
第１シフト反応器５を出た燃料ガス温度は４００℃と高温であるが、第１プロセスガス蒸発器６を通過することにより３００℃に温度が低下する。この燃料ガスは第２シフト反応器７を通過することによって、シフト触媒の反応熱を吸収して４５０℃に温度が上昇する。
この４５０℃に温度が上昇した燃料ガスは第２プロセスガス蒸発器９を通過することにより温度が２００℃に減温する。この燃料ガスはさらに、第３プロセスガス蒸発器１３を通過することにより温度が５０℃まで低下する。
そして二酸化炭素分離回収装置２００の二酸化炭素吸収搭３７にて燃料ガスに含まれた二酸化酸素を吸収した吸収液を二酸化炭素フラッシュタンク３８で二酸化炭素を解離させて二酸化炭素を除去した水素リッチの燃料ガスは、圧縮機４１によって昇圧されて８５℃に昇温する。
次に圧縮機４１で昇圧されて第３燃料ガス加熱器１２を通過した燃料ガスは１６０℃に昇温され、第２燃料ガス加熱器１０を通過した燃料ガスは２５０℃に昇温される。さらに第１燃料ガス加熱器８を通過することによってこの燃料ガスは３４０℃に昇温される。
二酸化炭素分離回収装置２００のシフト反応器をバイパスするシフト反応器バイパス管路２を流れる燃料ガス温度３４０℃と同等な温度に前記燃料ガスが昇温された後に、このシフト反応器バイパス管路２を流れる燃料ガスと合流してガスタービン装置の燃焼器７１に供給され、燃焼してガスタービン７２を駆動する。
一方、二酸化炭素分離回収装置２００の二酸化炭素吸収搭３７にて燃料ガスに含まれた二酸化酸素を吸収した吸収液は、二酸化炭素吸収液加熱器３９にて第３プロセスガス蒸発器１３から蒸気管路３６を通じて供給される蒸気との熱交換によって８０℃から９５℃にまで昇温する。
そして、二酸化炭素吸収液加熱器３９を経た吸収液は二酸化炭素フラッシュタンク３８に供給され、この二酸化炭素フラッシュタンク３８にてフラッシングして吸収液中に吸収した二酸化炭素を解離させて６５℃のリーン吸収液となり、二酸化炭素を除去したリーン吸収液はリーン液管路４９を通じて二酸化炭素吸収搭３７に戻される。つまり、吸収液は二酸化炭素吸収液加熱器３９と二酸化炭素フラッシュタンク３８との間を循環する。
即ち、第２実施例の場合では、第１シフト反応器５及び第２シフト反応器７のシフト反応によって生じた熱エネルギーによって流下する燃料ガスを昇温し、この昇温した燃料ガスとの熱交換で発生した蒸気を蒸気管路３４及び蒸気管路３５を通じてシフト蒸気混合器４に供給し、シフト反応器で使用するシフト蒸気として有効に活用されている為、排熱回収ボイラ２０から抽気されるシフト用の蒸気量を減少させることが可能となる。その結果、排熱回収ボイラ２０から蒸気タービン２３を駆動するために供給する蒸気量が増加するので、蒸気タービン２３の出力が増加しプラント発電端効率は向上する。
更に、第３プロセスガス蒸発器１３にてシフト反応器１１のシフト反応の熱エネルギーで昇温した燃料ガスと熱交換して発生した蒸気は、蒸気管路３６を通過して前記二酸化炭素吸収液加熱器３９に導かれて二酸化炭素吸収搭３７を流下した吸収液の昇温に利用されており、シフト反応器のシフト反応熱で発生させた蒸気を二酸化炭素分離回収装置２００内で有効活用することによってガス化発電システムの発電効率が向上する。
プラント出力１７０MW級の二酸化炭素分離回収設備付の石炭ガス化複合発電システムに本実施例を適用した場合、プラント送電端効率は吸収液の種類や性能や吸収液の循環量により若干変化するが概略０．数％程度の向上が見込まれる。実施例１と比較して本実施例２ではシフト反応熱を利用して発生した蒸気を多くシフト反応用の蒸気として使うことにより実施例１とプラント送電端効率が同等かまたは若干良くなる。
本実施例によれば、一酸化炭素を含有するガス化した燃料ガスをガスタービンで燃焼して発電を行うガス化発電システムにおいて、二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置で燃料ガスに含まれた一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応の際に生じるシフト反応熱を有効に回収すると共に、排熱回収ボイラで発生させた蒸気を蒸気混合器に供給するシフト蒸気を抑制させて発電システムの発電効率を向上させた、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムが実現できる。
本発明は、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムに適用可能である。
１：入口ガス管路、２：バイパス管路、３：ガスタービン燃料管路、４：シフト蒸気混合器、５：第１シフト反応器、６：第１プロセスガス蒸発器、７：第２シフト反応器、８：第１燃料ガス加熱器、９：第２プロセスガス蒸発器、１０：第２燃料ガス加熱器、１１：第３シフト反応器、１２：第３燃料ガス加熱器、１３：第３プロセスガス蒸発器、１４：プロセスガス冷却器、１５：第１ノックアウトドラム、１６：プロセスガス管路、２０：排熱回収ボイラ、２１：ガスタービン、２２：発電機、２３：蒸気タービン、２４：復水器、２５：給水管路、２６：復水管路、２７：給水ポンプ、２８：給水管路、２９：給水管路、３０：中圧ドラム、３１：高圧ドラム、３２：シフト反応用蒸気管路、３３：蒸気管路、３４：蒸気管路、３５：蒸気管路、３６：蒸気管路、３７：二酸化炭素吸収搭、３８：二酸化炭素フラッシュタンク、３９：二酸化炭素吸収液加熱器、４０：第２ノックアウトドラム、４１：燃料ガス昇圧圧縮機、４２：ドレン管路、４３：燃料ガス管路、４４：燃焼器入口管路、４５：飽和蒸気管路、４６：過熱蒸気管路、４７：吸収液循環ポンプ、４８：補給水管路、４９：リーン液管路、５０：二酸化炭素排出管路、７１：燃焼器、７２：圧縮機、７６：高圧ドラム過熱蒸気管路、７７：吸収液管路、１００：発電プラント、２００：二酸化炭素分離回収装置。
Claims (6)
- 一酸化炭素と水素を含んだ燃料ガスに水蒸気を混合してシフト反応させて燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応器と、シフト反応器を流下した二酸化炭素を含む燃料ガスから吸収液に二酸化炭素を吸収させて二酸化炭素を除去した燃料ガスを生成する二酸化炭素吸収搭と、二酸化炭素吸収搭で吸収液に吸収した二酸化炭素を解離させて吸収液を再生する吸収液再生装置とを有する二酸化炭素分離回収装置と、
前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器で燃焼させて駆動するガスタービン装置と、ガスタービン装置から排出された排ガスによって蒸気を発生させるドラムを有する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラのドラムで発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンを有するガス化発電システムとを備え、
前記二酸化炭素分離回収装置のシフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して昇温した蒸気を発生させる蒸発器を該シフト反応器の下流側に設置し、
前記蒸発器で発生する昇温した蒸気を前記シフト反応器の上流側の燃料ガス管路に設置した蒸気混合器に供給する蒸気管路を配設し、この蒸気管路を通じて供給される昇温した蒸気を前記蒸気混合器からシフト蒸気として燃料ガスと共に前記シフト反応器に流入させることを特徴とする二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム。 - 一酸化炭素と水素を含んだ燃料ガスに水蒸気を混合してシフト反応させて燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換する第１シフト反応器及びこの第１シフト反応器の下流側に設置された第２シフト反応器と、前記両シフト反応器を流下した二酸化炭素を含む燃料ガスから吸収液に二酸化炭素を吸収させて二酸化炭素を除去した燃料ガスを生成する二酸化炭素吸収搭と、二酸化炭素吸収搭で吸収液に吸収した二酸化炭素を解離させて吸収液を再生する吸収液再生装置とを有する二酸化炭素分離回収装置と、
前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器で燃焼させて駆動するガスタービン装置と、ガスタービン装置から排出された排ガスによって蒸気を発生させるドラムを有する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラのドラムで発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンを有するガス化発電システムとを備え、
前記二酸化炭素分離回収装置の第１シフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して昇温した蒸気を発生させる第１の蒸発器を該第１シフト反応器の下流側に設置し、前記二酸化炭素分離回収装置の第２シフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して昇温した蒸気を発生させる第２の蒸発器を該第２シフト反応器の下流側に設置し、前記第１の蒸発器及び第２の蒸発器で発生する昇温した各蒸気を前記第１シフト反応器の上流側の燃料ガス管路に設置した蒸気混合器に供給する蒸気管路をそれぞれ配設し、これらの蒸気管路を通じて供給される昇温した前記各蒸気を前記蒸気混合器からシフト蒸気として燃料ガスと共に前記第１シフト反応器及び第２シフト反応器に流入させることを特徴とする二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム。 - 請求項１に記載された二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおいて、
前記シフト反応器の下流側に燃料ガスに水蒸気を混合してシフト反応させて燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換する第２のシフト反応器を設置し、前記第２のシフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと前記排熱回収ボイラから供給される蒸気とを熱交換して蒸気を昇温させる第２の蒸発器を前記第２のシフト反応器の下流側に設置し、前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭で二酸化炭素を吸収した吸収液を該二酸化炭素吸収搭から吸収液再生装置に供給する管路に吸収液の加熱器を設置し、
前記第２の蒸発器で発生した蒸気を前記吸収液の加熱器の加熱源として供給する蒸気管路を配設したことを特徴とする二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム。 - 請求項１に記載された二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおいて、
前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器に供給する管路に前記二酸化炭素分離回収装置のシフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して燃料ガスを昇温する燃料ガスの加熱器を設置し、
前記燃料ガスの加熱器で昇温した燃料ガスを前記燃焼器に供給するように構成したことを特徴とする二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム。 - 請求項２に記載された二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおいて、
前記第２のシフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと前記排熱回収ボイラから供給される蒸気とを熱交換して蒸気を昇温させる第３の蒸発器を前記第２のシフト反応器の下流側に設置し、前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器に供給する管路に吸収液の加熱器を設置し、前記第３の蒸発器で生じた蒸気を前記吸収液の加熱器の加熱源として供給する蒸気配管を設置したことを特徴とする二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム。 - 請求項２に記載された二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおいて、
前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器に供給する管路に前記二酸化炭素分離回収装置のシフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換してこの二酸化炭素を除去した燃料ガスを昇温する燃料ガスの加熱器を設置し、前記燃料ガスの加熱器で昇温した燃料ガスを前記燃焼器に供給するように構成したことを特徴とする二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム。
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