JP2018141042A - ガス化炉設備およびこれを備えたガス化複合発電設備ならびにガス化炉設備の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成でチャーをリサイクルすることができるガス化炉設備を提供する。【解決手段】微粉炭をガス化するガス化炉１６と、ガス化炉１６へ微粉炭を供給する微粉炭供給ホッパ１４と、微粉炭供給ホッパ１４から導かれた微粉炭をガス化炉１６内で燃焼させるバーナ３０，３１と、ガス化炉１６にてガス化された生成ガスからチャーを回収するチャー回収設備１１と、チャー回収設備１１にて回収された乾燥状態のチャーを微粉炭供給ホッパ１４へ供給するチャー戻しライン４６とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、チャーをリサイクルするガス化炉設備およびこれを備えたガス化複合発電設備ならびにガス化炉設備の運転方法に関するものである。

微粉炭（炭素含有固体燃料）をガス化するガス化設備は、ガス化炉でガス化した生成ガスからチャーを回収するサイクロンやフィルタ等のチャー回収部を備えている。回収されたチャーは、ガス化炉へ導かれてリサイクルされる。チャーのリサイクル方式としては、チャー専用のチャーバーナによって燃焼される方式（特許文献１参照）や、チャーを微粉炭とともにスラリ化する方式（特許文献２参照）が提案されている。

米国特許出願公開第２０１２／０１６７５８５号明細書 米国特許第４８７２８８６号明細書

特許文献１に記載された方式では、微粉炭用バーナの他にチャー専用のバーナが必要となり、ガス化炉の圧力容器への高圧フランジや高圧配管の設置数が増え、ガス化炉設備の構造が複雑化するという問題がある。

特許文献２に記載された方式では、チャーをスラリ化してリサイクルするためプラント効率が低下するおそれがあり、また、チャーをスラリ化する設備が必要となりガス化炉設備の構造が複雑化するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡便な構成でチャーをリサイクルすることができるガス化炉設備およびこれを備えたガス化複合発電設備ならびにガス化炉設備の運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のガス化炉設備およびこれを備えたガス化複合発電設備ならびにガス化炉設備の運転方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるガス化炉設備は、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、該ガス化炉へ前記炭素含有固体燃料を供給する燃料供給系統と、該燃料供給系統から導かれた前記炭素含有固体燃料を前記ガス化炉内で燃焼させるバーナと、前記ガス化炉にてガス化された生成ガスからチャーを回収するチャー回収部と、該チャー回収部にて回収された乾燥状態のチャーを前記燃料供給系統へ供給するチャーリサイクル系統とを備えていることを特徴とする。

チャー回収部にて回収されたチャーを燃料供給系統へ供給することとしたので、微粉炭等の炭素含有固体燃料に対してチャーを混合した後にバーナへと導くことができる。したがって、チャー専用のバーナを設ける必要がなくなり、ガス化炉設備の構成を簡素化することができる。また、乾燥状態のチャーを燃料供給系統へ導くこととしたので、チャーをスラリ化する場合に比べてガス化炉設備の構成を簡素化することができる。なお、チャーはチャー回収部に回収された環境（温度や圧力）において乾燥状態となっていれば良く、乾燥工程を追加する必要は無い。

さらに、本発明のガス化炉設備では、前記燃料供給系統は、前記炭素固体燃料を貯留する燃料供給ホッパを備えており、前記チャーリサイクル系統は、前記燃料供給ホッパに接続されていることを特徴とする。

チャーリサイクル系統を燃料供給ホッパに接続することにより、チャーと炭素含有固体燃料を燃料供給ホッパにて混合することができる。これにより、チャーと炭素含有固体燃料との混合を向上させることができ、バーナへ送る燃料の発熱量変動を抑制することができる。

さらに、本発明のガス化炉設備では、前記燃料供給ホッパの容器内部には、前記炭素含有固体燃料と前記チャーとを混合する混合手段が設けられていることを特徴とする。

燃料供給ホッパの容器内部に混合手段を設けることにより、炭素含有固体燃料とチャーとの混合を促進させる。これにより、炭素含有固体燃料とチャーとが層状に貯留されることが防止され、バーナへ送る燃料の発熱量変動をさらに抑制することができる。
混合手段としては、隔壁や、分散装置としての中子などが挙げられる。

さらに、本発明のガス化炉設備では、前記燃料供給系統は、前記バーナへ接続される燃料供給配管を備え、前記チャーリサイクル系統は、前記燃料供給配管に接続されていることを特徴とする。

チャーリサイクル系統を燃料供給配管に接続することにより、チャーと炭素含有固体燃料をバーナへ導く前に混合することができる。
なお、チャーと炭素含有固体燃料とを混合する位置に混合を促進するためのミキシングチャンバが設けられていると良い。

また、本発明のガス化複合発電設備は、上記のいずれかに記載のガス化炉設備と、前記ガス化炉設備の前記チャー回収部から導かれた生成ガスを用いて駆動されるガスタービンと、該ガスタービンによって駆動される発電機とを備えていることを特徴とする。

また、本発明のガス化炉設備の運転方法は、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、該ガス化炉へ前記炭素含有固体燃料を供給する燃料供給系統と、該燃料供給系統から導かれた前記炭素含有固体燃料を前記ガス化炉内で燃焼させるバーナと、を備えたガス化炉設備の運転方法であって、前記ガス化炉にてガス化された生成ガスから回収された乾燥状態のチャーを前記燃料供給系統へ供給することを特徴とする。

チャー回収部にて回収された乾燥状態のチャーを燃料供給系統へ供給することとしたので、ガス化炉設備の構成を簡素化することができる。

本発明の一実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備を示した概略構成図である。 チャー戻しラインによる微粉炭供給ホッパとチャー供給ホッパとの接続構造を示した概略構成図である。 微粉炭供給ホッパに設けた隔壁を示した縦断面図である。 微粉炭供給ホッパに設けた中子を示した縦断面図である。 図１の変形例を示した概略構成図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１には、本発明の第１実施形態に係るガス化炉設備を適用した石炭ガス化複合発電設備（ガス化複合発電設備）の概略構成が示されている。

石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ：Integrated Coal Gasification Combined Cycle）１は、ガス化炉設備３を備えている。ガス化炉設備３は、空気もしくは酸素を酸化剤として用いており、石炭等の炭素含有固体燃料から可燃性ガス（生成ガス）を生成する空気燃焼方式を採用している。石炭ガス化複合発電設備１は、ガス化炉設備３で生成した生成ガスを、ガス精製設備５で精製して燃料ガスとした後、ガスタービン７に供給して発電を行っている。すなわち、石炭ガス化複合発電設備１は、空気燃焼方式（空気吹き）の発電設備となっている。ガス化炉設備３に供給する炭素含有固体燃料としては、例えば石炭が用いられ、特に本実施形態は灰分が約２０重量％とされた高灰分炭が用いられる。

石炭ガス化複合発電設備１は、ガス化炉設備３と、ガス精製設備５と、ガスタービン７と、蒸気タービン１８と、発電機１９と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：Heat Recovery Steam Generator）２０とを備えている。

ガス化炉設備３は、給炭設備９を備えている。給炭設備９は、原炭として炭素含有固体燃料である石炭が給炭バンカ１２から供給され、石炭を石炭ミル１３で粉砕することで、細かい粒子状に粉砕した微粉炭を製造する。石炭ミル１３で製造された微粉炭は、微粉炭ビン１７に一時貯留され、各微粉炭供給ホッパ（燃料供給ホッパ：燃料供給系統）１４から給炭ライン（燃料供給系統）１５を経て、空気分離設備４２から供給される搬送用イナートガスとしての窒素ガスによって加圧されて、ガス化炉設備３へ向けて供給される。イナートガスとは、酸素含有率が約５体積％以下の不活性ガスであり、窒素ガスや二酸化炭素ガスやアルゴンガスなどが代表例であるが、必ずしも約５％以下に制限されるものではない。

ガス化炉設備３は、給炭設備９で製造された微粉炭が供給されると共に、チャー回収設備１１で回収されたチャー（石炭の未反応分と灰分）が戻されて再利用を目的として供給されている。

また、ガス化炉設備３には、ガスタービン７（圧縮機６１）からの圧縮空気供給ライン４１が接続されており、ガスタービン７で圧縮された圧縮空気の一部が昇圧機６８で所定圧力に昇圧されてガス化炉１６に供給可能となっている。空気分離設備４２は、大気中の空気から窒素と酸素を分離生成するものであり、窒素供給ライン４３によって空気分離設備４２とガス化炉設備３とが接続されている。そして、この窒素供給ライン４３には、給炭設備９からの給炭ライン１５が接続されている。更に、空気分離設備４２は、酸素供給ライン４７によって、圧縮空気供給ライン４１と接続されている。そして、空気分離設備４２によって分離された窒素は、窒素供給ライン４３を流通することで、石炭やチャーの搬送用ガスとして利用される。また、空気分離設備４２によって分離された酸素は、酸素供給ライン４７及び圧縮空気供給ライン４１を流通することで、ガス化炉設備３において酸化剤として利用される。

ガス化炉設備３は、例えば、２段噴流床形式のガス化炉１６を備えている。ガス化炉設備３は、内部に供給された石炭（微粉炭）およびチャーを酸化剤（空気、酸素）により部分燃焼させることでガス化させ生成ガスとする。ガス化炉１６内は加圧状態とされ、例えば、３〜４ＭＰａ（ゲージ圧）とされている。
バーナ３０，３１は、上下二段に設けられている。下方のバーナ３０に相当する位置には、コンバスタ部３２が設けられており、微粉炭の一部を燃焼させることでガス化のための熱やＣＯ_２やＨ_２Ｏを供給する。上方のバーナ３１に相当する位置には、リダクタ部３３が設けられ、微粉炭をガス化する。

リダクタ部３３の下流側には、シンガスクーラ３５（ガス冷却器）が設けられており、生成ガスを所定温度まで冷却してからチャー回収設備１１に供給する。シンガスクーラ３５では蒸気が生成され、生成後の蒸気は排熱回収ボイラ２０へと導かれる。

ガス化炉設備３には、チャー回収設備１１に向けて生成ガスを供給するガス生成ライン４９が接続されており、チャーを含む生成ガスが排出可能となっている。

チャー回収設備１１は、集塵設備（チャー回収部）５１と複数のチャー供給ホッパ５２とを備えている。この場合、集塵設備５１は、１つまたは複数のサイクロンやポーラスフィルタにより構成され、ガス化炉設備３で生成された生成ガスに含有するチャーを回収することができる。そして、チャーが分離された生成ガスは、ガス排出ライン５３を通してガス精製設備５に送られる。
チャー供給ホッパ（チャー回収部）５２は、集塵設備５１で生成ガスから回収されたチャーを貯留するものである。集塵設備５１とチャー供給ホッパ５２との間には、チャービン５４が配置されている。チャービン５４に対して、複数のチャー供給ホッパ５２がそれぞれ接続されている。各チャー供給ホッパ５２には、乾燥状態のチャーが貯留される。チャー供給ホッパ５２にはチャー戻しライン（チャーリサイクル系統）４６が接続されており、チャー戻しライン４６の下流端は、符号Ａで示すように、各微粉炭供給ホッパ１４に接続されている

図２には、チャー戻しライン４６によるチャー供給ホッパ５２と微粉炭供給ホッパ１４との接続構成が示されている。同図に示されているように、チャー供給ホッパ５２は、微粉炭供給ホッパ１４よりも高い位置に設置されている。これにより、チャーの重力搬送が可能になっている。なお、チャー戻しライン４６の底部に多孔を有する目皿を設けて二重底とし、目皿の下方から孔部を介して窒素ガスを供給し、チャーの流動化を促進するようにしてもよい。

チャー戻しライン４６には、チャー供給ホッパ５２の出口にチャー供給弁４６ａが設けられている。図示しない制御部による指令によってチャー供給弁４６ａの開閉が制御される。チャー供給弁４６ａを開閉することにより、微粉炭供給ホッパ１４内との圧力差を利用してチャーが搬送されるようになっている。
なお、チャー戻しライン４６に、蒸気や電気によって加熱される加熱装置を設け、タールの生成を回避するようにしても良い。

図３には、微粉炭供給ホッパ１４内の構造が示されている。微粉炭供給ホッパ１４の容器内部には、複数の隔壁（混合手段）２１が設けられている。各隔壁は鉛直方向に延在しており互いに所定距離離間して設置されている。隔壁２１の下方で、微粉炭供給ホッパ１４の下部の傾斜部で重力移動により微粉炭とチャーを混合する。

また、図４に示すように、上方から供給される微粉炭及びチャーが微粉炭供給ホッパ１４内に流入する直下にそれぞれ中子（混合手段）２２を設けるようにしても良い。微粉炭及びチャーが中子２２に衝突することによって微粉炭及びチャーが分散され、微粉炭とチャーの混合が促進される。

図１に示すように、ガス精製設備５は、チャー回収設備１１によりチャーが分離された生成ガスに対して、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物を取り除くことで、ガス精製を行うものである。ガス精製設備５で精製された燃料ガスは、ガスタービン７に供給される。

ガスタービン７は、圧縮機６１、燃焼器６２、タービン６３を備えており、圧縮機６１とタービン６３とは、回転軸６４により連結されている。燃焼器６２には、圧縮機６１からの圧縮空気供給ライン６５が接続されると共に、ガス精製設備５からの燃料ガス供給ライン６６が接続され、また、タービン６３に向かって延びる燃焼ガス供給ライン６７が接続されている。また、ガスタービン７は、圧縮機６１からガス化炉設備３に延びる圧縮空気供給ライン４１が設けられており、中途部に昇圧機６８が設けられている。従って、燃焼器６２では、圧縮機６１から供給された圧縮空気の一部とガス精製設備５から供給された燃料ガスの少なくとも一部とを混合して燃焼させることで燃焼ガスを発生させ、発生させた燃焼ガスをタービン６３へ向けて供給する。そして、タービン６３は、供給された燃焼ガスにより回転軸６４を回転駆動させることで発電機１９を回転駆動させる。

蒸気タービン１８は、ガスタービン７の回転軸６４に連結されるタービン６９を備えており、発電機１９は、この回転軸６４の基端部に連結されている。排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン７（タービン６３）からの排ガスライン７０が接続されており、給水とタービン６３の排ガスとの間で熱交換を行うことで、蒸気を生成するものである。そして、排熱回収ボイラ２０は、蒸気タービン１８との間に蒸気供給ライン７１が設けられている。従って、蒸気タービン１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気によりタービン６９が回転駆動され、回転軸６４を回転させることで発電機１９を回転駆動させる。

排熱回収ボイラ２０の出口には、煙突７５が接続されており、燃焼ガスが大気へと放出される。なお、排熱回収ボイラ２０の出口に、ガス浄化設備を設けても良い。

次に、本実施形態の石炭ガス化複合発電設備１の動作について説明する。
本実施形態の石炭ガス化複合発電設備１において、給炭設備９に原炭（石炭）が供給されると、石炭は、給炭設備９において細かい粒子状に粉砕されることで微粉炭となる。給炭設備９で製造された微粉炭は、空気分離設備４２から供給される窒素により窒素供給ライン４３を流通してガス化炉設備３に供給される。また、チャー回収設備１１で回収されたチャーが、チャー戻しライン４６を介して微粉炭供給ホッパ１４に供給される。更に、後述するガスタービン７から抽気された圧縮空気が昇圧機６８で昇圧された後、空気分離設備４２から供給される酸素と共に圧縮空気供給ライン４１を通してガス化炉設備３に供給される。

ガス化炉設備３では、供給された微粉炭及びチャーが圧縮空気（酸素）により燃焼し、微粉炭及びチャーがガス化することで、生成ガスを生成する。そして、この生成ガスは、ガス化炉設備３からガス生成ライン４９を通って排出され、チャー回収設備１１に送られる。

このチャー回収設備１１にて、生成ガスは、まず、集塵設備５１に供給されることで、生成ガスに含有する微粒のチャーが分離される。そして、チャーが分離された生成ガスは、ガス排出ライン５３を通してガス精製設備５に送られる。一方、生成ガスから分離した微粒のチャーは、チャー供給ホッパ５２に堆積され、チャー戻しライン４６を通って微粉炭供給ホッパ１４に供給されてリサイクルされる。

チャー回収設備１１によりチャーが分離された生成ガスは、ガス精製設備５にて、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物が取り除かれてガス精製され、燃料ガスが製造される。圧縮機６１が圧縮空気を生成して燃焼器６２に供給する。この燃焼器６２は、圧縮機６１から供給される圧縮空気と、ガス精製設備５から供給される燃料ガスとを混合し、燃焼することで燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスによりタービン６３を回転駆動することで、回転軸６４を介して圧縮機６１及び発電機１９を回転駆動する。このようにして、ガスタービン７は発電を行うことができる。

そして、排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン７におけるタービン６３から排出された排ガスと給水とで熱交換を行うことにより蒸気を生成し、この生成した蒸気を蒸気タービン１８に供給する。蒸気タービン１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気により回転駆動されることで、回転軸６４を介して発電機１９を回転駆動し、発電を行うことができる。
なお、ガスタービン７と蒸気タービン１８は同一軸として１つの発電機１９を回転駆動しなくてもよく、別の軸として複数の発電機を回転駆動しても良い。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
チャー回収設備１１にて回収されたチャーを微粉炭供給ホッパ１４へ供給することとしたので、微粉炭に対してチャーを混合した後にバーナ３０，３１へと導くことができる。したがって、チャー専用のバーナを設ける必要がなくなり、ガス化炉設備３の構成を簡素化することができる。また、乾燥状態のチャーを微粉炭供給ホッパ１４へ導くこととしたので、チャーをスラリ化する場合に比べてガス化炉設備３の構成を簡素化することができる。

チャー戻しライン４６を微粉炭供給ホッパ１４に接続することにより、チャーと微粉炭を微粉炭供給ホッパ１４にて混合することができる。これにより、チャーと微粉炭との混合を向上させることができ、バーナ３０，３１へ送る燃料の発熱量変動を抑制することができる。

微粉炭供給ホッパ１４の容器内部に混合手段として隔壁２１（図３参照）や中子２２（図４参照）を設けることにより、微粉炭とチャーとを混合させ、微粉炭の層とチャーの層とが上下方向に分かれて層形成されることを防止することとした。これにより、微粉炭とチャーとが層状に貯留されることが防止され、バーナ３０，３１へ送る燃料の発熱量変動をさらに抑制することができる。

なお、本実施形態では、微粉炭供給ホッパ１４のそれぞれにチャーを供給することとしたが、下方のバーナ３０に接続された微粉炭供給ホッパ１４と、上方のバーナ３１に接続された微粉炭供給ホッパ１４とに分けて構成し、下方のバーナ３０に接続された微粉炭供給ホッパ１４のみにチャーを供給することとしても良い。これにより、コンバスタ部３２のみにチャーが供給されることになり、微粉炭に比べて揮発分が少ないチャーを効果的に燃焼あるいはガス化させることができる。

また、図５に示すように、給炭ライン１５にチャー戻しライン４６を接続し（符号Ｂ参照）、給炭ライン１５にチャーを供給するようにしても良い。あるいは、窒素供給ライン４６から導かれた窒素と混合した後の配管にチャーを供給するようにしても良い。このようにラインブレンドを行う場合には、チャーと微粉炭とを混合する位置に混合を促進するためのミキシングチャンバを設けることが好ましい。また、下方のバーナ３０に接続された給炭ライン１５のみにチャーを供給することとしても良い。これにより、コンバスタ部３２のみにチャーが供給されることになり、微粉炭に比べて揮発分が少ないチャーを効果的に燃焼させることができる。

また、本実施形態では、石炭ガス化複合発電設備をガス化炉設備の適用例の一例として説明したが、石炭ガス化複合発電設備１以外のプラント、例えば所望の化学種を生成ガスから得るためのガス化炉設備として用いてもよい。この場合には、ガスタービン等の発電設備を省略する。

また、上述した実施形態では、燃料として石炭としたが、石炭に限らず、再生可能な生物由来の有機性資源として使用されるバイオマスであってもよく、例えば、間伐材、廃材木、流木、草類、廃棄物、汚泥、タイヤ及びこれらを原料としたリサイクル燃料（ペレットやチップ）などを使用することも可能である。

また、本実施形態はガス化炉として、タワー型ガス化炉について説明してきたが、ガスの流通経路が上部で略逆Ｕ字状に折り返すクロスオーバー型ガス化炉としても良い。

１ 石炭ガス化複合発電設備（ガス化複合発電設備）
３ ガス化炉設備
５ ガス精製設備
７ ガスタービン
１１ チャー回収設備
１３ 石炭ミル
１４ 微粉炭供給ホッパ（燃料供給ホッパ：燃料供給系統）
１５ 給炭ライン（燃料供給系統）
１６ ガス化炉
１９ 発電機
２１ 隔壁
２２ 中子
４６ チャー戻しライン（チャーリサイクル系統）
５１ 集塵設備（チャー回収部）
５２ チャー供給ホッパ（チャー回収部）

Claims (6)

1. 炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、
   該ガス化炉へ前記炭素含有固体燃料を供給する燃料供給系統と、
   該燃料供給系統から導かれた前記炭素含有固体燃料を前記ガス化炉内で燃焼させるバーナと、
   前記ガス化炉にてガス化された生成ガスからチャーを回収するチャー回収部と、
   該チャー回収部にて回収された乾燥状態のチャーを前記燃料供給系統へ供給するチャーリサイクル系統と、
   を備えていることを特徴とするガス化炉設備。
2. 前記燃料供給系統は、前記炭素含有固体燃料を貯留する燃料供給ホッパを備えており、
   前記チャーリサイクル系統は、前記燃料供給ホッパに接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガス化炉設備。
3. 前記燃料供給ホッパの容器内部には、前記炭素含有固体燃料と前記チャーとを混合する混合手段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のガス化炉設備。
4. 前記燃料供給系統は、前記バーナへ接続される燃料供給配管を備え、
   前記チャーリサイクル系統は、前記燃料供給配管に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガス化炉設備。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のガス化炉設備と、
   前記ガス化炉設備の前記チャー回収部から導かれた生成ガスを用いて駆動されるガスタービンと、
   該ガスタービンによって駆動される発電機と、
   を備えていることを特徴とするガス化複合発電設備。
6. 炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、
   該ガス化炉へ前記炭素含有固体燃料を供給する燃料供給系統と、
   該燃料供給系統から導かれた前記炭素含有固体燃料を前記ガス化炉内で燃焼させるバーナと、
   を備えたガス化炉設備の運転方法であって、
   前記ガス化炉にてガス化された生成ガスから回収された乾燥状態のチャーを前記燃料供給系統へ供給することを特徴とするガス化炉設備の運転方法。

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