JP3223434U - 石炭ガス化複合発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】石炭ガス化複合発電システムにおいて、蒸気タ−ビン発電機とガスタ−ビン発電機とを組み合わせた従来型の構成ではなく、蒸気タ−ビンの代わりに空気タ−ビンを用いて設備を簡略化しかつ経済的な石炭ガス化複合発電設備を提供する。【解決手段】ガス化炉１０ｂの冷却媒体として水蒸気の代わりに圧縮空気を使用する。酸素吹き石炭ガス化炉２の生成ガスを圧縮空気で冷却して熱エネルギを回収し、同時に石炭ガスを燃焼したガスタ−ビン１５ｃの排気ガスから圧縮空気により熱エネルギを回収して、高温圧縮空気を生成する。この高温圧縮空気により、空気タ−ビン電動発電機９を駆動してガスタ−ビン発電機８と組み合わせたもの。【選択図】図１

Description

石炭ガス化複合発電設備において、石炭ガスを燃焼してガスタービンを駆動して発電するガスタ−ビンと、石炭ガス化炉を圧縮空気で冷却し、さらに、ガスタ−ビンの排熱を圧縮空気で熱回収して、その回収空気熱エネルギにより空気タ−ビンを駆動する、石炭ガス化複合発電設備に関するものである。

最近運転されている石炭ガス化複合発電方式においては、ガスタ−ビンと蒸気タ−ビンによる複合発電構成である。蒸気タービンの復水からの給水の一部または石炭ガス化ガスタービンの排熱回収ボイラからの発生蒸気の一部を石炭ガス化炉へ送り、石炭ガス化炉を冷却して高温高圧水蒸気を発生して蒸気タ−ビンを駆動して発電する複合発電方式である。

先行特許文献、特開２０１１−１８５２４０号では蒸気タ−ビンとガスタ−ビンの複合発電設備が開示されている。また、同文献の第２実施形態では、石炭ガス化炉と圧縮機４ｃの間に余剰圧縮空気で駆動されるパワ−タ−ビンと同左パワ−タ−ビン用発電機が設置されている。また、非特許文献１「石炭ガス化技術」火力原子力発電月刊誌２０１６年１０月号Ｎｏ．７２１Ｖｏｌ．６７では、酸素吹き石炭ガス化炉と空気吹き石炭ガス化炉について石炭ガス化炉の特徴が比較説明されている。両複合発電設備では、共にガスタ−ビンと蒸気タ−ビンを組み合わせた複合発電設備である。

特開２０１１−１８５２４０号公報

「石炭ガス化技術」火力原子力発電月刊誌２０１６年１０月号Ｎｏ．７２１Ｖｏｌ．６７頁３３〜４０

該特許文献１、特開２０１１−１８５２４０号では石炭ガスタービン圧縮機出口の余剰の空気を取り出し別軸のパワ−タ−ビン（別名空気タ−ビン）を駆動して発電を行う複合発電設備が開示されている。また、非特許文献１で説明されている酸素吹き石炭ガス化炉では、蒸気タ−ビン復水器の復水をガスタービン排熱回収ボイラへ送り、蒸気を生み出しその一部を石炭ガス化炉のガス冷却器に送り石炭ガスを冷却して、その加熱された蒸気を排熱回収ボイラに戻して、後段の蒸気タ−ビンを駆動している。該蒸気タ−ビン発電設備では、蒸気を冷却して復水に戻す大型の復水器や該復水器を冷却する大量の冷却水が必要となり発電設備の冷却設備コストが増加する。また、従来冷却方式の石炭ガス化炉の該水冷壁リ−ク事故等の不具合のリスクが高まり、石炭ガス化の連続運転の信頼性が低下する。さらに、非特許文献１で説明されている、実証された空気吹き石炭ガス化炉、または、酸素吹き石炭ガス化炉の設備比較によると、両方式共に、石炭ガス化炉は水冷壁と水蒸気によるガス冷却器を用いた発電設備となっている。

課題を解決する手段

本考案では、蒸気タ−ビンを採用しないで、石炭ガス化炉と石炭ガス冷却装置の冷却媒体として給水や水蒸気の代わりに圧縮空気を用いる。該圧縮空気を空気加熱器で加熱してその一部空気を抽気してガス化炉の生成ガス冷却用に用いる。石炭ガス化炉からのガス化ガスを燃焼させてガスタ−ビンを駆動し、同タ−ビンに直結した発電機を駆動して発電する。同時に、石炭ガスを焚いたガスタ−ビンの排気ガスの排熱エネルギを圧縮空気にて熱回収して高温高圧空気を発生させ、同空気により空気タ−ビンを駆動して同タ−ビンに直結した電動発電機を駆動して発電する石炭ガス化複合発電設備を考案した。

考案の効果

本考案による石炭ガス化ガスタ−ビンと空気タ−ビンの複合発電設備により、蒸気タ−ビンと復水器冷却設備を省略した事により、石炭ガス化複合発電設備が単純化、コンパクト化される。その結果、経済的でより安定した電力を生みだす効果がある。

さらに、本考案は、ガスタ−ビンの排熱を空気で熱エネルギを回収して空気タ−ビンを駆動して発電する設備である。蒸気タ−ビンを石炭ガス化複合発電方式として採用すると、蒸気タ−ビンサイクル水や、蒸気タ−ビン用復水器冷却水が多量に必要となる。これに対し、本考案の複合発電設備は乾燥し水資源そのものが貴重で入手困難な高温乾燥地域において安価で安定した電力を供給することができる。

酸素吹き石炭ガス化複合発電設備の構成を示す。 空気吹き石炭ガス化複合発電設備の構成を示す。 空気タ−ビンの起動ステップを示す。 空気タ−ビンの起動プロセス概要を示す。

蒸気タ−ビンでなく空気タ−ビンを採用した石炭ガス化複合発電設備の基本構成と起動概念について、以下、実施例を図１、図２、図３、図４に従い説明する。

図１は酸素吹き石炭ガス化複合発電設備の全体構成を示す。図１の石炭５ａは微粉炭機５ｂに送られ微粉炭として作りホッパ５ｃに蓄えられる。空気分離設備２８にて空気から分離した窒素ガスは窒素ガス管２９ａを通過して、微粉炭輸送管５ｄと合流した後、微粉炭をαガス化炉１０ｂに送り出す。以下部材名称の前の「α」は「酸素吹き」を意味する。

α空気入口ダクト６ａを通過した空気はα空気フィルタ６ｂにて空気中の異物が除去され、空気分離設備２８へ流れ込み、窒素ガスと酸素ガスに分離される。分離された酸素ガスは酸素ガス管２９ｂを通過しαガス化炉圧力容器１０ａを通過してαガス化炉１０ｂに送り込まれ微粉炭のガス化剤となり微粉炭がガス化される。

続いて、軽油タンク７ａに蓄えられた軽油燃料は、軽油ポンプ入口管７ｂ内を流れ、軽油ポンプ７ｃにより昇圧されαガス化炉１０ｂ側とα燃焼器１５ａ側に分岐され両設備の起動用燃料となる。また、α起動用電動機３５ａとαトルクコンバ−タ３５ｂを使用してαガスタービン１５ｃを起動する。

αガス化炉１０ｂを出た生成ガスは、αガス連絡管１０ｃ内を流れαガス冷却器圧力容器１０ｄに内臓されたαガス冷却器２７に流入して冷却される。αガス冷却器２７へはα冷却空気抜出管２５を通過して冷却空気が送られる。該圧縮空気は石炭生成ガスを冷却してα冷却空気戻し管２６を通過してα空気加熱器出口管１８ｂへ流れる。生成ガスはαガス精製設備入口管１３ａを通過してαガス精製設備１３ｂに入る。該該設備は石炭生成ガスを精製して該ガス中の不純物を取り除き精製ガスを生み出す。該ガスはαガス精製設備出口管１３ｃを通過してαガス調整弁１３ｄに入る。該調整弁を出た精製ガスはα燃焼器１５ａに入る。

大気中の空気をＡ空気入口ダクト１２ａにて吸い込みＡ空気フィルタ１２ｂを通過して、αガスタ−ビン空気圧縮機１４ｃにより圧縮された空気中の酸素ガスがα圧縮空気移送部１４ｄを経て該α燃焼器１５ａ内で精製ガスと合流して燃焼する。燃焼により生まれた高温高圧の燃焼ガスはαガス移送部１５ｂを経由してαガスタ−ビン１５ｃを駆動してＡガスタ−ビン空気圧縮機１４ｃとα発電機８を駆動して発電を行う。燃焼したスラグはαガス化炉１０ｂの炉底から石炭スラグ化炉抜出管１１ａと石炭スラグタンク１１ｂと石炭スラグタンク抜出管１１ｃを通過して系外に排出される。

αガスタ−ビン１５ｃを通過した燃焼ガスはαガスタ−ビン排気ダクト１５ｄを経由してα空気加熱器２２に入る。該排ガスは該加熱器内に設けられたα空気加熱管３１ａを加熱し加熱空気を生み出す。該α空気加熱器２２を出た排気ガスはα空気加熱器出口ダクト１５ｅを通過してα高温脱硝装置１５ｆを抜けα煙突２３を通過して外気に排出される。

大気中の空気をα空気入口ダクト１７ａを通過して吸い込み、α吸気調整装置１７ｂを経由してα空気タービン圧縮機１７ｃに流入させ空気を圧縮する。該圧縮空気はα空気タービン圧縮機出口管１８ａを通過してα空気加熱器２２内のα加熱管３１ａに入りガスタービンの排気ガスにより加熱される。該空気はα空気加熱器出口管１８ｂを経てα空気タ−ビン調整弁１８ｃを通過してα空気タ−ビン１９ａに流入する。該空気タービンによりα電動発電機９とα空気タービン圧縮機１７ｃを駆動して発電を行う。発電を終えた空気はα空気タ−ビン排気ダクト１９ｂを通過してα空気排出塔２４から大気中に放出される。

図２は空気吹き石炭ガス化複合発電設備の全体構成を示す。また、空気吹き石炭ガス化炉を符号４０で示す。以下部材名称の前の「β」は「空気吹き」を意味する。 図２の石炭５ａは微粉炭機５ｂに送られ微粉炭としてホッパ５ｃに蓄えられる。次に、該微粉炭はＢガス化炉３４に送りこまれる。該ガス化炉は、βガス化炉圧力容器３３内に含まれる。

大気中の空気をβ空気入口ダクト３４ａにて吸い込みβ空気フィルタ３４にて空気中の異物を除去する。吸い込まれた空気は圧縮され、βガスタ−ビン圧縮機３７ａの中間段落から抽気された空気は抽気空気管３７ｂ内を流れ抽気空気圧縮機３８に送られ抽気された空気がさらに圧縮される。抽気空気圧縮機出口管３９を経てβガス化炉３４に送られる。該ガス化炉内にて圧縮空気中の酸素が微粉炭のガス化剤となり微粉炭がガス化される。

βガス化炉３４の上部に設けたβガス冷却器５６にはガス冷却のためにβ冷却空気抜出管４５から冷却空気が送り込まれる。冷却した該空気はβ冷却空気戻し管４６を通過して空気タービン駆動用に戻される。Ｂガス冷却器３４にて冷却された生成ガスはＢガス精製設備入口管３２ａを通過してＢガス精製設備３２ｂに入る。該設備は石炭生成ガスを精製して該ガス中の不純物を取り除き石炭精製ガスを生み出す。該ガスはβガス精製設備出口管３２ｃを通過してβガス調整弁３２ｄに入る。該調整弁３２ｄを出た精製ガスはβ燃焼器３３ａに入る。

βガスタ−ビン圧縮機３７ａにより圧縮された空気中の酸素がβ圧縮空気移送部３７ｃを経て該β燃焼器３３ａ内で精製ガスと合流して燃焼する。燃焼により生まれた高温高圧の燃焼ガスはβガス移送部３８を経由してβガスタ−ビン３９ａを駆動してβガスタ−ビン空気圧縮機３７ａとβ発電機５１を駆動して発電を行う。燃焼したスラグはβガス化炉３４の炉底から石炭スラグ化炉抜出管１１ａと石炭スラグタンク１１ｂと石炭スラグタンク抜出管１１ｃを通過して系外に排出される。

βガスタ−ビン３９ａから排出された排気ガスはβガスタ−ビン排気ダクト３９ｂを経由してβ空気加熱器５５に入る。該加熱器内に設けられたβ空気加熱管３１ｂを加熱し加熱空気を生み出す。該β空気加熱器５５を出た排気ガスはβ空気加熱管出口ダクト３９ｃを通過してβ高温脱硝装置３９ｄを抜けβ煙突５３を通過して外気に排出される。

大気中の空気はβ空気入口ダクト４３ａを通過して吸い込まれ、β吸気調整装置４３ｂを経由してβ空気タービン圧縮機４４ａに入る。該圧縮空気はβ空気タ−ビン圧縮機出口管４４ｂを通過してβ空気加熱器５５内のβ空気加熱管３１ｂに入りガスタービンの排気ガスにより加熱される。該空気はβガス化炉冷却空気と合流して、β圧縮空気調整弁４８を通過してβ空気タ−ビ入口管４９ａに流入する。該空気タービンによりβ電動発電機５２とβ空気タービン圧縮機４４ａを駆動して発電を行う。発電を終えた空気はβ空気タ−ビン排気ダクト５０を通過してβ空気排出塔５４から大気中に放出される。

図３により空気タ−ビンの起動プロセスを説明する。初めに、ステップ１（符号イ）に示すように空気タービン電動発電機を電動機として起動して、ステップ２（符号ロ）に示す空気タ−ビン圧縮機を動かし、石炭ガス冷却器の冷却空気を確保する（ステップ３（符号ハ））。次にガス化炉を起動するステップ４（符号二）。ガス化炉が起動するとガスタ−ビンが起動される、ステップ５（符号ホ）に示す。続いてステップ６（符号ヘ）に示す、ガスタービン排熱を回収する空気加熱器が働き高温空気を生み出し、ステップ７（符号ト）に示す空気タービンが起動される。

図１の酸素吹き石炭ガス化複合発電設備と図２の空気吹き石炭ガス化複合発電設備中の空気加熱器と空気タービン構成は似ているが取り扱う排ガス成分や量が異なる。酸素吹き石炭ガス化炉２と空気吹き石炭ガス化炉４０の大きな違いはガスタービン燃焼器に大気中の窒素ガスを取り込むか否かである。すなわちそれぞれのガス化炉が生み出す生成ガスの成分やガスタ−ビン燃焼ガスの成分や排ガス量が異なる。よって、後段の空気加熱器や空気タービン設備も異なる。

図１のα空気加熱器２２が発生する高温高圧空気量は当初はα空気加熱器出口管１８ｂを抜けて、α空気タービンバイパス弁２０とαバイパスサイレンサ２１を通過して大気に放出する。α空気タービンバイバス弁２０通過量を徐々に減らしα空気タービン１９ａ通気量を増加してα電動発電機９の出力を電動機側から発電側に切り替え系統への送電量を増加させる。

図２のβ空気加熱器５５が発生する高温高圧空気は当初はβ空気加熱器出口管４７を抜けて、β空気タービンバイパス弁４２ｂとβバイパスサイレンサ４２ａを通過して大気に放出する。β空気タービンバイバス弁４２ａ通過量を徐々に減らしβ空気タービン４９ｂ通気量を増加してβ電動発電機５２の出力を電動機側から発電側に切り替え系統への送電量を増加させる。

図４は空気タ−ビンの起動線図を示す。ガス化炉やガスタ−ビンが起動し空気加熱器が起動後の段階で送電に足る充分な高温空気量が確保できた段階から電力系統への空気タービンの送電プロセスを示す。時間帯Ｉ〜ＩＩ間は空気タ−ビンバイパス空気量を絞り空気タービン通気量を増加させる。次に時間帯ＩＩＩの間は空気タ−ビン電動発電機を系統に併入させる。さらに、時間帯ＩＶでは空気タ−ビンの負荷を１０％程度の小負荷から１００％定格負荷まで空気タ−ビン通気量を増加させて電動発電機の負荷を上昇させる。時間帯Ｖは空気タ−ビンバイパス量が減り通気量が安定して空気タ−ビン負荷が安定した状況を示す。

２ 酸素吹き石炭ガス化炉
５ａ 石炭
５ｂ 微粉炭機
５ｃ ホッパ
５ｄ 微粉炭輸送管
６ａ 空気入口ダクト
６ｂ 空気フィルタ
６ｃ 空気分離機入口管
７ａ 軽油タンク
７ｂ 軽油ポンプ入口管
７ｃ 軽油ポンプ
８ 発電機
９ 電動発電機
１０ａ αガス化炉圧力容器
１０ｂ αガス化炉
１０ｃ αガス連絡管
１０ｄ αガス冷却器圧力容器
１１ａ 石炭スラグ化炉抜出管
１１ｂ 石炭スラグタンク
１１ｃ 石炭スラグタンク抜出管
１２ａ α空気入口ダクト
１２ｂ α空気フィルタ
１３ａ αガス精製設備入口管
１３ｂ αガス精製設備
１３ｃ αガス精製設備出口管
１３ｄ αガス調整弁
１４ｃ αガスタ−ビン空気圧縮機
１４ｄ α圧縮空気移送部
１５ａ α燃焼器
１５ｂ αガス移送部
１５ｃ αガスタ−ビン
１５ｄ αガスタ−ビン排気ダクト
１５ｅ α空気加熱管出口ダクト
１５ｆ α高温脱硝装置
１７ａ α空気入口ダクト
１７ｂ α吸気調整装置
１７ｃ α空気タービン圧縮機
１８ａ α空気タービン圧縮機出口管
１８ｂ α空気加熱器出口管
１８ｃ α空気タービン調整弁
１９ａ α空気タ−ビン
１９ｂ α空気タ−ビン排気ダクト
２０ α空気タービンバイパス弁
２１ αバイパスサイレンサ
２２ α空気加熱器
２３ α煙突
２４ α空気排出塔
２５ α冷却空気抜出管
２６ α冷却空気戻し管
２７ αガス冷却器
２８ 空気分離設備
２９ａ 窒素ガス管
２９ｂ 酸素ガス管
３１ａ α空気加熱管
３１ｂ β空気加熱管
３２ａ βガス精製設備入口管
３２ｂ βガス精製設備
３２ｃ βガス精製設備出口管
３２ｄ βガス調整弁
３３ βガス化炉圧力容器
３４ βガス化炉
３４ａ β空気入口ダクト
３４ｂ β空気フィルタ
３５ａ α起動用電動機
３５ｂ αトルクコンバ−タ
３６ａ β起動用電動機
３７ａ βガスタ−ビン圧縮機
３７ｂ 抽気空気管
３８ 抽気空気圧縮機
３９ 抽気空気圧縮機出口管
３３ａ β燃焼器
３８ βガス移送部
３９ａ βガスタ−ビン
３９ｂ βガスタ−ビン排気ダクト
３９ｃ β空気加熱器出口ダクト
３９ｄ β高温脱硝装置
４０ 空気吹き石炭ガス化炉
４２ａ β空気タービンバイパス弁
４２ｂ βバイパスサイレンサ
４３ａ β空気入口ダクト
４３ｂ β吸気調整装置
４４ａ β空気タ−ビン圧縮機
４４ｂ β空気タ−ビン圧縮機出口管
４５ β冷却空気抜出管
４６ β冷却空気戻し管
４８ β空気調整弁
４９ａ β空気タ−ビン入口管
４９ｂ β空気タ−ビン
５０ β空気タ−ビン排気ダクト
５２ β電動発電機
５３ β煙突
５４ β空気排出塔
５４ β高温脱硝装置
５５ β空気加熱器
５６ βガス冷却器

Claims (3)

1. 空気分離装置により大気中の空気を酸素ガスと窒素ガスに分離して、該酸素ガスをガス化剤とする酸素吹き石炭ガス化炉と、該ガス化炉が発生する生成ガスを精製するガス精製設備と、該ガスを燃焼するガスタ−ビンと同左タ−ビン発電機と、該ガスタ−ビンの排熱を圧縮空気で回収して高温高圧空気を生み出す熱交換器と、該ガス化炉のガス冷却器を冷却して加熱された高温高圧空気と、該空気により駆動される空気タ−ビンと、同左タ−ビンに接続された電動発電機から成る事を特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
2. ガスタ−ビン空気圧縮機から空気を抽気して加圧した抽気空気中の酸素ガスをガス化剤として用いる空気吹き石炭ガス化炉と、該ガス化炉が発生する生成ガスを精製するガス精製設備と、該ガスを燃焼させるガスタ−ビンと同左タ−ビン発電機と、該ガスタ−ビン排熱回収熱交換器と、該ガス化炉のガス冷却器により加熱された高温高圧空気と、該空気により駆動される空気タ−ビンと、同左タ−ビンに接続された電動発電機から成る事を特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
3. 空気タ−ビンを用いた上記請求項１および請求項２の石炭ガス化複合発電において、空気タ−ビン電動発電機と空気タ−ビンバイパス弁とバイパスサイレンサを用いてガス化炉とガスタ−ビンと空気タ−ビンを起動する石炭ガス化複合発電設備の起動設備。

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