JP3225940U - 省発電設備型石炭ガス化複合発電設備 - Google Patents

省発電設備型石炭ガス化複合発電設備 Download PDF

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Abstract

【課題】酸素吹きまたは、空気吹き石炭ガス化複合発電設備において、発電設備を単純化し簡素化して設備コストを合理的に低減する。【解決手段】大気中の空気から酸素ガスと窒素ガスを分離する空気分離設備６ａと、酸素ガスにより石炭をガス化する石炭ガス化炉１０ｂと、ガス化炉が発生する生成ガスを精製するガス精製設備１３ｂと、ガスを燃焼する燃焼器１５ａと、燃焼ガスにより駆動される石炭ガスタービン１５ｃと、ガスタービンに接続された発電機３６と、空気タービン圧縮機１７と、ガスタービンの排熱ガス熱エネルギーを空気タービン圧縮機の圧縮空気で回収する熱交換器２２と、熱交換器により得られた高温圧縮空気により駆動される空気タービン１９ａと、空気タービンに接続された発電機２５と、を有する石炭ガス化複合発電設備であって、原料空気として空気タービン圧縮機の圧縮空気を一部用いることにより専用の空気圧縮機を非設置とした。【選択図】図１

Description

空気を酸素ガスと窒素ガスに分離して石炭をガス化する、酸素吹き石炭ガス化複合発電設備と、ガスタービン圧縮機の抽気空気を圧縮して石炭をガス化する空気吹き石炭ガス化複合発電設備が実用化されている。本考案は両発電設備の省発電設備に関する考案技術である。
酸素吹き石炭ガス化複合発電設備においては、空気を酸素ガスと、窒素ガスと、アルゴンガスと、水蒸気と、二酸化炭素ガスとに分離して、該酸素ガスを石炭ガス化炉に送る空気分離設備が用いられる。一方、空気吹き石炭ガス化複合発電設備においてはガスタービン圧縮機から圧縮空気を抽気して昇圧する抽気空気圧縮機が設置されている。
空気分離設備に関するインターネット公開資料「空気分離装置の豆知識」：プロセス概要：ｗｗｗ．ｓａｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｄｆ／ｓｏｕｃｈｉｌ．ｐｄｆ：（非特許文献１）では、空気分離装置の原料空気取り入れ口部に専用空気圧縮機を設けている。
特開２００９−５２８０７号「深冷空気液化分離装置およびその運転方法」（特許文献１）では、原料空気圧縮機が空気分離装置内に設置されている。
さらに、火力原子力発電月刊誌２０１６年４月号Ｎｏ．７１５Ｖｏｌ．６７ｐ２２（非特許文献２）では、空気分離設備内に空気圧縮機を設け、空気を酸素ガスと窒素ガスとその他に分離して、この酸素ガスを用いて、石炭をガス化する酸素吹き石炭ガス化複合発電設備が説明されている。また、火力原子力発電月刊誌２０１６年１０月号Ｎｏ．７２１ Ｖｏｌ．６７ｐ３８（非特許文献３）では、ガスタ−ビン排熱回収ボイラからの水蒸気を抽気してこの水蒸気を用いてガス化炉の生成ガスを冷却した、空気吹き石炭ガス化複合発電設備が説明されている。
特開２００９−５２８０７号公報
インタ−ネット公開資料「空気分離装置の豆知識」１：プロセス概要：ｗｗｗ．ｓａｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｄｆ／ｓｏｕｃｈｉｌ．ｐｄｆ
「大崎ク−ルジェンプロジェクト（酸素吹ＩＧＣＣ実証プロジェクト）の進捗状況」火力原子力発電月刊誌２０１６年４月号Ｎｏ．７１５Ｖｏｌ．６７頁１９〜２４ 「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
酸素吹き石炭ガス化複合発電設備では、空気分離設備が必要となり、原料空気圧縮機が追加され設備費用が増加する課題がある。また該機器の消費動力が大きくなり、電力料金が高い国内では空気分離設備の運転コストが増加する。一方、空気吹き石炭ガス化複合発電設備ではガス化炉の生成ガス冷却器に冷却用の水蒸気が必要となる。従来は蒸気タービンを駆動するガスタービン排熱回収ボイラからの水蒸気を一部分岐してガス化炉の生成ガスを冷却して熱回収を行い蒸気タービン駆動用蒸気として必要になるため、該設備費用の増加を招く。
 課題を解決しようとする手段
本考案では、石炭ガスタ−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圧縮空気を発生させ、該空気により空気タ−ビンを駆動して同タービンに直結した空気圧縮機と発電機を駆動して圧縮空気と電力を生み出す。また、該圧縮空気を空気加熱器側のみならず空気分離設備側にも送り出す。この設備により、従来空気分離設備内で設置されていた専用の空気圧縮機を削減できて、経済的な酸素吹き石炭ガス化複合発電設備を実現できる。また、空気吹き石炭ガス化複合発電設備の場合は、該ガス化炉の生成ガス冷却剤として抽気空気圧縮機の圧縮空気により該設備を冷却した。
考案の効果
本考案によると経済的でかつ高効率な空気タービンと石炭ガスタービンによる酸素吹き石炭ガス化複合発電設備が可能となる。本考案では空気分離設備に付随する原料空気圧縮機が不要となるので経済的な酸素吹き石炭ガス化複合発電設備となり、その全体発電コストが低減する。また、空気吹き石炭ガス化複合発電設備のガス化炉のガス冷却器をガスタービン排熱回収ボイラからの水蒸気により冷却せず、抽気空気タービンの圧縮空気により冷却するので、排熱回収ボイラや蒸気タービンを使用しない簡素化された経済的な設備となる。
空気圧縮機出口から分岐した圧縮空気を空気分離設備に送る本考案の酸素吹き石炭ガス化複合発電設備を示す。 酸素吹き石炭ガス化炉とガスタービンと空気タービンと空気分離設備他の各設備の起動手順を示す。 抽気空気圧縮機からの抽気空気を分岐してガス冷却器に送る本考案の空気吹き石炭ガス化複合発電設備を示す。 空気吹き石炭ガス化炉とガスタービンと空気タービンと抽気空気圧縮機他の各設備の起動手順を示す。
酸素吹き石炭ガス化複合発電設備の合理化設備について実施例を図１、図２に従い以下説明する。また、空気吹き石炭ガス化複合発電設備の合理化設備について実施例を図３、図４に従い以下説明する。
空気中には、体積比で２１％の酸素ガスと、７８％の窒素ガスと、０．９％のアルゴンガスと、その温度と圧力により成分量が変わる水蒸気と、０．０４％の二酸化炭素ガスが存在する。図１に示す酸素吹きガス化炉１０ｂでは、空気分離設備６ａにて原料空気から酸素ガスを分離して取り出し、該ガス化炉の酸化剤として用いられる。また、図３は空気中の酸素ガスを分離しないで直接に空気を加圧してガス化炉７７に送る空気吹き石炭ガス化複合発電設備を示す。
図１の石炭１は微粉炭機２に送られ微粉炭となりホッパ３に蓄えられる。空気分離設備６ａにより空気は、窒素ガスと酸素ガスとごく少量のアルゴンガスその他ガスに分離される。分離された酸素ガスは酸素ガス移送路６ｃを通過してガス化炉１０ｂに送り込まれる。さらに、窒素ガスは窒素ガス移送路Ｉ６ｂを通過して、微粉炭移送路４を通過して来た微粉炭と合流し石炭注入設備５により加圧されガス化炉１０ｂに送られる。窒素ガス移送路ＩＩ８を通過した窒素ガスは窒素ガス調整弁６ｄを通過して酸素吹きガス冷却器入口管６ｅを流下して酸素吹きガス冷却器１２に流入して生成ガスを冷却する。該窒素ガスは酸素吹きガス冷却器出口管６ｆを通過して空気加熱器２２に入る。
空気分離設備６ａにより分離された約−１９０℃の低温の液体窒素は、空気分離設備６ａを出て窒素液ポンプ入口管５２を通過して窒素液ポンプ５３により昇圧され、窒素液調整弁５４を通過し空気タービン窒素液調整弁出口管５５を経て空気タービン窒素液注入箱７４に流入する。ここで該窒素液が吸い込み空気中に噴射される。噴射された窒素液は吸い込み空気を冷却してその温度を低下させ吸い込み圧縮動力を低減する。 冷却された空気は空気タービン冷却空気移送ダクト７５を経て空気タービン圧縮機１７に流入して圧縮される。圧縮された空気は空気タービン圧縮機出口管１８ａを経由して空気分離設備分岐管７０ａと空気加熱器入口管１８ｂに分かれる。空気分離設備分岐管７０ａを通過した原料空気は原料空気調整弁７０ｂを通過して原料空気調整弁出口管７０ｃを経て空気分離設備６ａの原料空気として活用される。
該空気加熱器入口管１８ｂを通過した空気は、空気加熱器２２中の空気加熱管２３ａを通過して加熱される。該空気加熱器出口管２３ｂを通過した圧縮空気は空気タービン１９ａを駆動して空気タービン圧縮機１７と空気タービン発電機２５を駆動する。空気タービン１９ａの排気空気は空気タ−ビン排気ダクト１９ｂを経由して空気排気塔１９ｃにて大気中に排出される。
ガスタ−ビン排気ダクト１５ｄを通過した高温ガスの高温ガスエネルギ―を、空気加熱器２２内に設けられた空気加熱管２３ａにより、圧縮空気に伝え高温高圧空気に変えて、該空気エネルギ−により空気タービン１９ａを駆動する。同様に酸素吹きガス冷却器出口管６ｆを通過して来た高温空気も、空気加熱器２２に加熱エネルギ−源として導入する。
ガス精製設備入口移送路１３ａを通過した生成ガスは、ガス精製設備１３ｂに入り生成石炭ガス中の不純物が除去されて精製ガスとなる。該ガスはガス精製設備出口移送路１３ｃを通過してガス調整弁１３ｄに入る。該調整弁を出た精製ガスは燃焼器１５ａに入り、空気中の酸素ガスと混合し燃焼する。
空気入口ダクト１４ａを通過した大気中の酸素ガスは、空気入口フィルタ１４ｂを通過して空気中の不純物が取り除かれてガスタ−ビン圧縮機入口ダクト１４ｃに流入して圧縮される。圧縮された空気中の酸素ガスは。圧縮空気移送路１４ｅを経て燃焼器１５ａに流入し石炭精製ガスを燃焼する。
燃焼ガス移送路１５ｂを通過した高温ガスはガスタ−ビン１５ｃに流入してガスタービン１５ｃを駆動する。ガスタ−ビン１５ｃの排ガスはガスタ−ビン排気ダクト１５ｄを経由して空気加熱器２２に入り空気を加熱する。空気を加熱した排ガスは空気加熱器出口ダクト１５ｅを通過し、高温脱硝装置１５ｆに導かれ排ガス中の窒素酸化物が除去される。該ガスはガス排気塔１５ｇを経由して外気に排出される。
空気加熱器出口管２３ｂを通過した圧縮空気は空気タ−ビン１９ａ側と空気タービンバイパスサイレンサ２０ｂに分岐する。空気タービン調整弁２３ｃを通過した圧縮空気は、空気タ−ビン１９ａを駆動して空気タービン圧縮機１７と空気タービン発電機２５を駆動して空気圧縮機動力と空気タービン発電電力を発生させる。
軽油タンク７ａに貯槽された軽油燃料は石炭ガス化炉と石炭ガスタービン起動用燃料として活用する。軽油ポンプ入口管７ｂを経由して軽油タンク７ａから軽油ポンプ７ｃを起動して軽油を移送する。ガス化炉起動時に軽油をガス化炉軽油調整弁７ｄを通過して酸素吹きガス化炉１０ｂに送りガス化炉を起動し微粉炭に切り替える。同時にガスタービン起動時に、燃焼器軽油調整弁７ｅを経由して燃焼器１５ａに起動用の軽油を送り燃焼させてガスタービン１５ｃを起動させる。
図２は酸素吹き石炭ガス化炉１０ｂとガスタ−ビン１５ｃと空気タ−ビン１９ａと空気分離設備６ａ他の各設備の起動手順を示す。第１段階ではガスタ−ビン起動用電動機３５ａを用いて起動用に設定した回転数までガスタ−ビン１５ｃの回転数を上げる。次に軽油燃料を焚いてガスタ−ビン１５ｃの回転数を上昇する。次に空気タ−ビン起動用電動機２４を起動する。さらにガスタ−ビン１５ｃの排熱回収系統を起動する。次に空気タ−ビン１９ａを起動し、空気分離設備６ａを起動する。空気分離装置６ａから酸素ガスの起動を確認して酸素吹きガス化炉１０ｂを起動する。酸素吹き石炭ガス化炉１０ｂの石炭ガス化量を増加してガスタ−ビン１５ｃの負荷を上昇させる。次に、空気タ−ビン１９ａの負荷を上昇させる。
図３に本考案の空気吹き石炭ガス化複合発電設備を示す。ガスタ−ビン圧縮機１４ｄから抽気空気管６１を通過して来た圧縮空気を、抽気空気圧縮機６２により加圧し空気吹きガス化炉７７に送り出す。抽気空気圧縮機出口管８０を通過した圧縮空気を空気吹きガス化炉入口管８１と空気吹きガス冷却器調整弁入口管８２に分岐する。空気吹きガス化炉入口管８１内を通過した圧縮空気は空気吹きガス化炉７７に送り出され石炭のガス化剤となる。
空気吹きガス冷却器調整弁８３を通過して圧縮空気を空気吹きガス冷却器入口管７８を経由して空気吹きガス冷却器８４に送り出す。該ガス化炉７７の生成ガスは該圧縮空気にて冷却される。従来の生成ガス冷却媒体は水蒸気であるが、本実施例では圧縮空気を用いる。該空気吹きガス冷却器８４の冷却により、加熱された空気を空気吹きガス冷却器出口管７９内を通過して空気加熱器２２に送り空気タービン圧縮空気を加熱する。
図３で、石炭１は微粉炭機２に送られ微粉炭としてホッパ３に蓄えられる。微粉炭移送路４を通過して来た微粉炭は石炭注入設備５により加圧されガス化炉７７に送られる。大気中の空気はガスタービン空気入口ダクト１４ａを通過してガスタ−ビン空気入口フィルタ１４ｂに入る。空気中の不純物を取り除いた空気はガスタ−ビン圧縮機入口ダクト１４ｃを通過してガスタ−ビン圧縮機１４ｄに入る。ガスタ−ビン圧縮機出口部１４ｅを通過した空気を使って石炭精製ガスは燃焼器１５ａにて燃焼する。
ガスタ−ビン圧縮機１４ｄの中間段落から圧縮空気を抽気して抽気空気管６１を通過した圧縮空気は、抽気空気圧縮機用電動機６４にて駆動される抽気空気圧縮機６２で昇圧され抽気空気圧縮機出口管８０を経由し空気吹きガス化炉入口管８１を通過して空気吹きガス化炉７７へ送られる。
図４は空気吹き石炭ガス化炉７７とガスタ−ビン１５ｃと空気タ−ビン１９ａと抽気空気圧縮機６２他の各設備の起動手順を示す。第１段階ではガスタ−ビン起動用電動機３５ａを用いて起動用に設定した回転数までガスタ−ビン１５ｃの回転数を上げる。次に軽油燃料を焚いてガスタ−ビン１５ｃの回転数を上昇する。次に空気タ−ビン起動用電動機２４を起動する。さらにガスタ−ビン１５ｃの排熱回収系統を起動する。次に空気タ−ビン１９ａを起動し、抽気空気圧縮機６２を起動する。抽気空気圧縮機６２から圧縮空気の圧力を確認して空気吹き石炭ガス化炉７７を起動する。空気吹き石炭ガス化炉７７の石炭ガス化量を増加してガスタ−ビン１５ｃの負荷を上昇させる。次に、空気タ−ビン１９ａの負荷を上昇させる。
図１における酸素吹きガス化炉１０ｂや図３における空気吹きガス化炉７７の石炭スラグはスラグ化炉抜出管１１ａを通過してスラグタンク１１ｂに一旦貯蔵されスラグタンク抜出管１１ｃを経て外部に排出される。
１ 石炭
２ 微粉炭機
３ ホッパ
４ 微粉炭移送路
５ 石炭注入設備
６ａ 空気分離設備
６ｂ 窒素ガス移送路Ｉ
６ｃ 酸素ガス移送路
６ｄ 窒素ガス調整弁
６ｅ 酸素吹きガス冷却器入口管
６ｆ 酸素吹きガス冷却器出口管
７ａ 軽油タンク
７ｂ 軽油ポンプ入口管
７ｃ 軽油ポンプ
７ｄ ガス化炉軽油調整弁
７ｅ 燃焼器軽油調整弁
８ 窒素ガス移送路ＩＩ
１０ａ 酸素吹きガス化炉圧力容器
１０ｂ 酸素吹きガス化炉
１０ｃ ガス移送路
１０ｄ ガス冷却器圧力容器
１１ａ スラグ化炉抜出管
１１ｂ スラグタンク
１１ｃ スラグタンク抜出管
１２ 酸素吹きガス冷却器
１３ａ ガス精製設備入口移送路
１３ｂ ガス精製設備
１３ｃ ガス精製設備出口移送路
１３ｄ ガス調整弁
１４ａ ガスタ−ビン空気入口ダクト
１４ｂ ガスタ−ビン空気入口フィルタ
１４ｃ ガスタ−ビン圧縮機入口ダクト
１４ｄ ガスタ−ビン圧縮機
１４ｅ ガスタ−ビン圧縮機出口部
１５ａ 燃焼器
１５ｂ 燃焼ガス移送路
１５ｃ ガスタ−ビン
１５ｄ ガスタ−ビン排気ダクト
１５ｅ 空気加熱管出口ダクト
１５ｆ 高温脱硝装置
１５ｇ ガス排気塔
１７ 空気タービン圧縮機
１８ａ 空気タービン圧縮機出口管
１８ｂ 空気加熱器入口管
１８ｃ ガス冷却器調整弁
１８ｄ ガス冷却器入口管空気タービン圧縮機
１８ｅ ガス冷却器出口管
１９ａ 空気タ−ビン
１９ｂ 空気タ−ビン排気ダクト
１９ｃ 空気タービン排気塔
２０ａ 空気タービンバイパス弁
２０ｂ 空気タービンバイパスサイレンサ
２２ 空気加熱器
２３ａ 空気加熱管
２３ｂ 空気加熱器出口管
２３ｃ 空気タービン調整弁
２３ｄ 空気タ−ビン入口管
２４ 空気タービン起動用電動機
２５ 空気タービン発電機
２６ 空気タービントルク伝達機
３５ａ ガスタービン起動用電動機
３５ｂ ガスタービントルク伝達機
３６ ガスタービン発電機
５２ 窒素液ポンプ入口管
５３ 窒素液ポンプ
５４ 窒素液調整弁
５５ 空気タービン窒素液注入箱入口管
６１ 抽気空気管
６２ 抽気空気圧縮機
６４ 抽気空気圧縮機用電動機
７０ａ 空気分離設備分岐管７０
７０ｂ 原料空気調整弁
７０ｃ 原料空気調整弁出口管
７２ 空気タービン入口空気ダクト
７３ 空気タービン空気フィルタ−
７４ 空気タービン窒素液注入箱
７５ 空気タービン冷却空気入口ダクト
７６ 空気吹きガス化炉圧力容器
７７ 空気吹きガス化炉
７８ 空気吹きガス冷却器入口管
７９ 空気吹きガス冷却器出口管
８０ 抽気空気圧縮機出口管
８１ 空気吹きガス化炉入口管
８２ 空気吹きガス冷却器調整弁入口管
８３ 空気吹きガス冷却器調整弁
８４ 空気吹きガス冷却器
８５ 空気タービン圧縮機入口ダクト

Claims (2)

  1. 大気中の空気を酸素ガスと窒素ガスとその他のガス（水蒸気と二酸化炭素ガスとアルゴンガス）に分離する空気分離設備と、該酸素ガスにより石炭をガス化する石炭ガス化炉と、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、該ガスを燃焼する燃焼器と、燃焼ガスにより駆動される石炭ガスタ−ビンと、該ガスタ−ビンに接続された発電機と、空気タ−ビン圧縮機と、該ガスタ−ビンの排熱ガス熱エネルギ−を該空気タ−ビン圧縮機の圧縮空気で回収する熱交換器と、該熱交換器により得られた高温圧縮空気により駆動される空気タ−ビンと、該空気タ−ビンに接続された発電機と、を有する石炭ガス化複合設備であって、該空気分離設備の原料空気として該空気タ−ビン圧縮機の圧縮空気を一部用いることにより該空気分離装置専用の空気圧縮機を非設置とした酸素吹き石炭ガス化複合発電設備。
  2. 空気を取り込み空気中の酸素ガスにより石炭をガス化する石炭ガス化炉と、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、大気を取り込んで圧縮するガスタ−ビン圧縮機と、該圧縮された空気を用いて該ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動されるガスタ−ビンと、該ガスタ−ビンに接続された発電機と、大気を取り込んで昇圧する空気タービン圧縮機と、該ガスタ−ビンの排熱ガス熱エネルギ−を該空気タ−ビン圧縮機で圧縮された圧縮空気で熱回収して、該圧縮空気で駆動される空気タ−ビンと、該空気タ−ビンに接続された発電機と、該ガスタ−ビン圧縮機から抽気された空気を圧縮し該石炭ガス化炉用の圧縮空気を生成する抽気空気圧縮機と、該抽気空気圧縮機からの圧縮空気の一部を分岐し該空気にて石炭ガス化炉の生成ガスを冷却する石炭ガス冷却器と、を有する空気吹き石炭ガス化複合発電設備。
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