JP2018193487A - ガス化炉設備およびこれを備えたガス化複合発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】チャー搬送に生成ガスを用いる場合であってもチャー搬送系統の腐食を回避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設備３と、ガス化炉設備３にて生成された生成ガスからチャーを分離するチャー回収設備１１と、チャー回収設備１１にて分離されたチャーをガス化炉設備３へ搬送するチャー搬送系統４５と、チャー回収設備１１にてチャーを分離した生成ガスからＨ_２Ｓを除去するＨ_２Ｓ吸収塔２６と、Ｈ_２Ｓ吸収塔２６にてＨ_２Ｓを分離した生成ガスの一部をチャー搬送系統４５へ導くチャー搬送ガス供給系統４８とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、生成ガスから分離したチャーをガス化炉へ戻すチャー搬送系統を備えたガス化炉設備およびこれを備えたガス化複合発電設備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炉設備は、微粉炭をガス化した生成ガスから分離したチャーをガス化炉本体へ戻すチャー搬送系統を備えている。チャー搬送系統を介してチャーを気流搬送するために、生成ガスが用いられることが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０００−３２８０７４号公報

特許文献１のようにチャーを気流搬送する流体として生成ガスを用いると、空気分離設備（ＡＳＵ）で分離した窒素を用いる必要がないので、空気分離設備の動力を削減できるという利点がある。

しかし、生成ガスには腐食成分が含まれており、特許文献１では、水洗浄塔を出た生成ガスから腐食成分を除去せずにチャー搬送に用いているので、チャー搬送系統の配管やバルブ類を腐食させるおそれがある。

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、チャー搬送に生成ガスを用いる場合であってもチャー搬送系統の腐食を回避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本体と、該ガス化炉本体にて生成された生成ガスからチャーを分離するチャー分離器と、該チャー分離器にて分離されたチャーを前記ガス化炉本体へ搬送するチャー搬送系統と、前記チャー分離器にてチャーを分離した生成ガスから腐食性ガスを除去する腐食性ガス除去手段と、該腐食性ガス除去手段にて腐食性ガスを分離した生成ガスの一部を前記チャー搬送系統へ導くチャー搬送ガス供給系統とを備えていることを特徴とする。

チャーをガス化炉本体に導く際に、生成ガスを搬送媒体として用いる。チャー搬送媒体として用いる生成ガスとして、腐食性ガスを除去した生成ガスを用いることとした。これにより、チャー搬送系統の配管やバルブ類が腐食性ガスによって腐食することを回避することができる。
腐食性ガスとしては、例えば、生成ガスに含まれるＨ_２Ｓが挙げられる。
チャー搬送媒体として、窒素を必要としないので、空気分離装置（ＡＳＵ）の容量を縮小できる。これにより、空気分離装置（ＡＳＵ）の設備費を削減できる。また、空気分離装置（ＡＳＵ）の動力を減じることができ、プラントとしての効率向上が期待できる。

さらに、本発明のガス化炉設備では、前記チャー搬送ガス供給系統には、１００℃以上とされた生成ガスが導かれることを特徴とする。

チャー搬送ガス供給系統には、１００℃以上とされた生成ガスを導くこととし、予め比較的高温とされた生成ガスを導くこととしたので、チャー搬送ガス供給系統に熱交換器等の加熱手段を設けた場合であっても容量を小さくすることができ、あるいは加熱手段を削除することができる。

さらに、本発明のガス化炉設備では、前記チャー搬送ガス供給系統に導く生成ガスの温度を調整する生成ガス温度調整手段を備えていることを特徴とする。

チャー搬送ガス供給系統に導く生成ガスの温度を調整する生成ガス温度調整手段によって、生成ガスの温度を１００℃以上の所望値にすることができる。
生成ガス温度調整手段としては、例えば、チャー分離機から導かれた生成ガスを冷却する熱交換器に供給される冷却媒体の圧力や流量を制御する制御弁が挙げられる。

さらに、本発明のガス化炉設備では、前記生成ガス温度調整手段は、冷却媒体と熱交換するガスクーラとされていることを特徴とする。

例えばガスガスヒータ（ＧＧＨ）を用いた場合には、バイパスラインを設けないと生成ガスの温度をコントロールできない。また、バイパスラインを設けるとコストアップや空間設計に影響を与える。これに対して、ガスクーラを用いることとすれば、ガスクーラへ供給する冷却媒体（例えば蒸気）の圧力や流量を調整することで温度制御が可能となり、バイパスラインは不要となる。

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。

チャー搬送ガスとして、腐食性ガスを除去した生成ガスを用いることとしたので、チャー搬送系統が腐食性ガスによって腐食することを回避することができる。

本発明の一実施形態に係るガス化複合発電設備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。
図１には、本発明の一実施形態に係るガス化炉設備を適用したガス化複合発電設備の概略構成が示されている。

ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ：Integrated 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、空気のみもしくは空気及び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を生成する空気燃焼方式を採用している。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、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。なお、空気吹きに代えて酸素吹きのガス化複合発電設備としても良い。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る。

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１４から給炭ライン１５を経て、空気分離設備（ＡＳＵ）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）が再利用を目的として供給されている。

ガス化炉設備３には、ガスタービン７の圧縮機６１から圧縮空気供給ライン４１が接続されており、圧縮機６１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。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。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。

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、微粉炭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は、ガス化炉本体１６ａと、ガス化炉本体１６ａを内部に収容して加圧状態を保持する圧力容器１６ｂとを備えている。ガス化炉本体１６ａ内は、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、微粉炭及び/又はチャーの一部を燃焼させることでガス化のための熱、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、ガス冷却器としてのシンガスクーラ３５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（チャー分離器）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生成ガスライン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。チャー供給ホッパ５２からのチャー戻しライン４６がチャー搬送系統４５に接続されている。

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は、生成ガスを精製して燃料ガスを製造し、これをガスタービン７に供給する。チャーが分離された生成ガス中にはまだ硫黄分（Ｈ_２Ｓなど）が含まれているため、ガス精製設備５では、アミン吸収液などによって硫黄分を除去回収して、有効利用する。

ガス精製設備５は、第１熱交換器２１、ＣＯＳ変換器２２、ガスクーラ２３、第２熱交換器２４、冷却洗浄塔２５、Ｈ_２Ｓ吸収塔（腐食性ガス除去手段）２６を備えている。

集塵設備５１から導かれた生成ガスは、第１熱交換器２１にて熱交換して減温され、ＣＯＳ変換器２２にて生成ガス中のＣＯＳ（硫化カルボニル）を触媒によってＨ_２Ｓに変換する。その後、生成ガスはガスクーラ２３へ導かれて冷却媒体であるボイラ給水（ＢＦＷ）と熱交換して冷却される。ガスクーラ２３にて加熱されたボイラ給水（ＢＦＷ）は、排熱回収ボイラ２０へ供給される。
ガスクーラ２３は、ケトル型熱交換器とされている。ガスクーラ２３へ導かれるボイラ給水（ＢＦＷ）の圧力は、図示しない制御部によって制御される圧力制御弁（生成ガス温度調整手段）２７によって調整される。すなわち、圧力制御弁２７の開度を制御することによって、ガスクーラ２３での生成ガスの冷却量を調整し、生成ガスの温度が制御されるようになっている。なお、ガスクーラ２３がシェル＆チューブ型熱交換器とされている場合には、ボイラ給水（ＢＦＷ）の流量を制御することによって生成ガスの冷却量を調整する。

ガスクーラ２３にて冷却された生成ガスは、第２熱交換器２４にてさらに冷却される。そして、生成ガスは、冷却洗浄塔２５にて冷却水によって冷却洗浄された後に、Ｈ_２Ｓ吸収塔２６にてＨ_２Ｓが除去される。Ｈ_２Ｓ吸収塔２６にてＨ_２Ｓが除去された生成ガスは、精製ガス供給ライン２８を通り第２熱交換器２４及び第１熱交換器２１にて加温された後に、ガスタービン７の燃焼器６２へと導かれる。

精製ガス供給ライン２８には、生成ガスの一部を取り出すチャー搬送ガス供給系統４８の上流端４８ａが接続されている。上流端４８ａは、第１熱交換器２１と第２熱交換器２４との間に設けられている。ただし、上流端４８ａはこの位置に限定されるものではなく、生成ガスの温度が１００℃以上である位置であれば精製ガス供給ライン２８上の他の位置であっても良い。

チャー搬送ガス供給系統４８には、シンガス圧縮機３６が設けられている。シンガス圧縮機３６は、電動モータ３６Ｍによって駆動され、図示しない制御部によって所定の回転数で運転される。シンガス圧縮機３６における圧縮熱によって生成ガスが所望値まで昇温される。すなわち、ガス化炉設備３で要求される温度を満たすように、シンガス圧縮機３６の圧縮熱を考慮してチャー搬送ガス供給系統４８の上流端４８ａにおける生成ガス温度が決定される。シンガス圧縮機３６によって圧縮された後の生成ガスは、チャー搬送ガスとしてチャー搬送ガス供給系統４８を介してチャー搬送系統４５へと導かれ、チャー戻しライン４６から導かれたチャーをガス化炉設備３へと導く。

チャー搬送ガス供給系統４８には、シンガス圧縮機３６の下流側の接続位置４８ｂにて、起動時窒素供給ライン３７が接続されている。起動時窒素供給ライン３７は、ガス化炉設備３の起動時で、生成ガスがチャー搬送用として十分に生成されていないときにチャーを搬送するために用いられる。起動時窒素供給ライン３７の上流側には、液体窒素タンク４０と、液体窒素を気化するための気化器３９と、気化した窒素を加圧するための窒素圧縮機３８が設けられている。

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の精製ガス供給ライン２８が接続された燃料ガス供給ライン６６が接続されている。燃焼器６２には、タービン６３に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給ライン６７が接続されている。
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。ガスタービン７のタービン６３の排出側には、排ガスライン７０が接続されている。排熱回収ボイラ２０は、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、精製ガス供給ライン２８から導かれた生成ガスが搬送ガスとして流通するチャー搬送系統４５を通りガス化炉設備３に供給される。更に、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。

微粉炭及び/又はチャーが導かれたバーナ３０，３１によって、ガス化炉本体１６ａ内で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。ガス化炉設備３で生成された生成ガスは、ガス化炉設備３から生成ガスライン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を通ってガス化炉設備３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。燃料ガスは、精製ガス供給ライン２８を通りガスタービン７の燃焼器６２へと供給される。
燃焼器６２では、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を回転駆動し、発電を行う。

排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン７のタービン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。
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。
チャー搬送媒体として用いる生成ガスとして、Ｈ_２Ｓを除去した生成ガスを用いることとした。これにより、チャー搬送系統４５及びチャー搬送ガス供給系統４８の配管やバルブ類が腐食性のＨ_２Ｓによって腐食することを回避することができる。
チャー搬送媒体として、窒素を必要としないので、空気分離設備４２の動力を減じることができ、プラントとしての効率向上を期待できる。

チャー搬送ガス供給系統４８には、１００℃以上とされた生成ガスを導くこととし、予め比較的高温とされた生成ガスを導くこととしたので、チャー搬送ガス供給系統４８からガス化温度を昇温するための加熱手段を削除することができる。また、チャー搬送ガス供給系統４８に熱交換器等の加熱手段を設けた場合であっても容量を小さくすることができる。

ボイラ給水（ＢＦＷ）の圧力を調整する圧力制御弁２７によってガスクーラ２３における冷却量を調整することとした。これにより、チャー搬送ガス供給系統４８に導く生成ガスの温度を１００℃以上の所望値に制御することができる。
また、ガスクーラ２３に代えて例えばガスガスヒータ（ＧＧＨ）を用いた場合には、バイパスラインを設けないと生成ガスの温度をコントロールできない。また、バイパスラインを設けるとコストアップや空間設計に影響を与える。これに対して、ガスクーラ２３を用いることとしたので、ガスクーラ２３へ供給するボイラ給水（ＢＦＷ）の圧力を調整することで温度制御が可能となり、バイパスラインは不要となる。

なお、本実施形態では、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、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 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（チャー分離器）
１３ 石炭ミル
１４ 微粉炭供給ホッパ
１５ 給炭ライン
１６ ガス化炉
１６ａ ガス化炉本体
１６ｂ 圧力容器
１９ 発電機
２０ 排熱回収ボイラ
２１ 第１熱交換器
２２ ＣＯＳ変換器
２３ ガスクーラ
２４ 第２熱交換器
２５ 冷却洗浄塔
２６ Ｈ_２Ｓ吸収塔（腐食性ガス除去手段）
２７ 圧力制御弁（生成ガス温度調整手段）
２８ 精製ガス供給ライン
３５ シンガスクーラ
３６ シンガス圧縮機
３７ 起動時窒素供給ライン
４３ 窒素供給ライン
４５ チャー搬送系統
４６ チャー戻しライン
４８ チャー搬送ガス供給系統
４８ａ 上流端
４８ｂ 接続位置

Claims (5)

1. 炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉本体と、
   該ガス化炉本体にて生成された生成ガスからチャーを分離するチャー分離器と、
   該チャー分離器にて分離されたチャーを前記ガス化炉本体へ搬送するチャー搬送系統と、
   前記チャー分離器にてチャーを分離した生成ガスから腐食性ガスを除去する腐食性ガス除去手段と、
   該腐食性ガス除去手段にて腐食性ガスを分離した生成ガスの一部を前記チャー搬送系統へ導くチャー搬送ガス供給系統と、
   を備えていることを特徴とするガス化炉設備。
2. 前記チャー搬送ガス供給系統には、１００℃以上とされた生成ガスが導かれることを特徴とする請求項１に記載のガス化炉設備。
3. 前記チャー搬送ガス供給系統に導く生成ガスの温度を調整する生成ガス温度調整手段を備え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. 前記生成ガス温度調整手段は、冷却媒体と熱交換するガスクーラとされていることを特徴とする請求項３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。

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