JP3709669B2 - ガス化統合複合発電プラント - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料のガス化炉で生成したガスを燃料とするガスタービンを有するガス化統合複合発電プラントに係り、空気分離装置により窒素と分離した酸素をガス化炉に供給するガス化統合複合発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒素ガスを熱交換媒体として活用することによりプラント全体の熱効率向上を図ったガス化複合発電プラントの例としては、特開平7−286505 号公報のガス化複合発電プラントに、ガス化炉の生成ガスが供給されるガスクーラに空気分離装置で生成された窒素を導入して熱交換させて昇温した後、燃焼器に供給することが記載されている。
【０００３】
また、特開平7−217448 号公報のガス化複合発電プラントには、空気分離機で分離した窒素を、燃焼器に供給される燃料ガスとガスタービン排ガスに混入することが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平7−286505 号公報では、空気分離装置で分離した窒素を昇温する際の具体的構成に関して開示されていない。一般にガスクーラは、水を供給して熱交換して蒸気を発生させているため、高温の窒素を得るためには、構成が複雑化する。また、特開平7−217448 号公報では、空気分離装置で分離した窒素を、燃焼器に供給されるガスに混入する具体的構成に関して開示されていない。例えば、同公報のガス精製設備でいわゆる湿式精製を行う場合、湿式精製の精製ガス温度が低いため、起動時に結露等が生じることに基づき効率を高くできない可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は簡単な設備で上記課題の解決を図った、高効率のガス化統合複合発電プラントを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明は、窒素ガスを熱交換媒体として活用するものである。これにより、プラント熱効率を向上させることができる。また、ガス精製設備におけるガス／ガス熱交換器を不要として運転信頼性を向上させかつ建設コストを低減することもできる。
【０００７】
具体的には、空気を取り込み酸素と窒素とに分離する空気分離装置と、該分離装置で分離された酸素と燃料とを供給するガス化炉と、該ガス化炉で生成した生成ガスを供給する熱回収ボイラと、該熱回収ボイラを経た生成ガスを供給して精製するガス精製設備と、該ガス精製設備からの精製ガスを燃料とするガスタービンとを有するガス化複合発電プラントにおいて、空気分離装置で分離された窒素が予め加熱された後に供給される窒素熱交換装置を熱回収ボイラ内に設置することを特徴とする。
【０００８】
ガス化炉の熱回収ボイラには、水を供給すると共に、節炭器，蒸発器，過熱器等のように熱交換温度の異なる複数の熱交換器を配置し蒸気を発生させると共に、予め加熱された窒素を更に高温に加熱する熱交換装置を配置する。このような構成をとることにより、空気分離装置で分離した低温の窒素を同熱回収ボイラで加熱して前記蒸発器で発生する蒸気温度より高い高温の窒素を発生させる場合であっても、水−蒸気用の複数の熱交換器の間に窒素用の熱交換器をさらに複数配置する必要がないので、系統及び制御が複雑化することを抑制し、簡単な熱回収ボイラ設備で高温の窒素を発生させることができる。
【０００９】
また、前記空気分離装置を出た窒素の予めの加熱の熱源として、ガスタービンを構成する圧縮機からの抽気を用い、窒素と熱交換して減温した抽気を前記空気分離装置に供給する。これにより、ガスタービン部の熱を燃料ガス側に供給できるので、全体としてのシステムを簡素化しつつプラントの効率を向上させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に第１の実施例のガス化統合複合発電プラントを示す。なお、ボイラおよび補機動力系での水・蒸気の流れは省略している。
【００１５】
空気分離装置１は、原料となる空気１０を圧縮機で約１０〜３０気圧に加圧し、それにガスタービン５からの抽気空気５４を加えて得る加圧空気を取り込み、少量の不純物を含む酸素ガスと窒素ガスに分解する。酸素ガスと窒素ガスは、ガス化炉２やガスタービン等の使用に供するために圧縮機により約２０〜４０気圧に加圧され、酸素１１，窒素１２として出力される。なお本図では、空気分離プロセスに加圧用の圧縮機を加えた全体を、空気分離装置１と簡単化して図示している。分離された酸素１１は、ガス化炉２へ供給される。ガス化炉２では石炭と酸素が供給され、生成ガス３１が得られる。石炭２３は、一旦、石炭乾燥器２１により乾燥され、ガス化炉２へ供給される。石炭乾燥器２１はいわゆる燃料である石炭を加熱する。なお、本実施例では、ガス化炉２は酸素吹き石炭ガス化炉を用いているが、他に酸素冨化空気吹き石炭ガス化炉や重質油ガス化炉も考えられて、本発明は特に限定されるものではない。
【００１６】
ガス化炉２は約２０〜４０気圧の加圧下にあり、酸化剤とする酸素１１を取り込んで石炭のガス化プロセスが進められ、それにより燃料である石炭の一部が燃焼される。ガス化炉２から生じた生成ガス３１は熱回収ボイラ３で熱交換して冷却された後ガス精製設備４に供給される。ガス化炉２から出た生成ガス３１は熱回収ボイラ３に供給される。生成ガスの組成は、一酸化炭素および水素で約８０％以上を占め、他に少量の窒素，アルゴン等を含む。ガス化炉２内で発生した熱および生成したガスが保有する熱は、ガス化炉２に備えられたガス化炉冷却用熱交換器および水が供給される熱回収ボイラ３により熱交換されて吸収される。それらにより発生した蒸気は排熱回収ボイラ８で発生した蒸気に加え合わされ、さらに過熱蒸気とされて蒸気タービン６へ送られる。ここで、ガス化炉２の出口で約１１００℃の生成ガスは、熱回収ボイラ３の出口で４００℃以下まで冷却され、脱塵される。
【００１７】
そして、生成ガス３１はガス精製設備４にて、湿式のガス精製設備の場合には最終的に２００℃以下まで冷却され、脱硫される。なお、精製プロセスとして湿式の精製プロセスを使用する場合は、反応プロセスの温度制約のため、ガス温度が一旦常温程度まで下げられる。ガス精製設備４から供給される精製ガス４１の温度は、約３００℃，圧力約２０〜４０気圧、ガス組成は水分が除去されることを除いて、生成ガス３１の組成と大きな違いはない。
【００１８】
また、空気分離装置１で分離された窒素１２は、窒素加熱器９で抽気空気５４と熱交換して温度約２５０℃に加熱されて熱回収ボイラ３へ送られる。熱回収ボイラ３に新たに設置した窒素熱交換器１１１により、前記加熱された窒素はガス化炉２から得られる高温の生成ガス３１と熱交換させ、温度約４００℃〜８００℃の高温窒素３５を得る。
【００１９】
ガス精製設備４からの精製ガス４１と前記高温窒素３５とをガス混合器１７で混合し、その混合ガス（温度約５００℃）を燃料ガス４２としてガスタービン５へ供給する。すなわち、空気分離装置１での副生成窒素ガス１２を予備加熱し、熱回収ボイラ３で熱交換させて生成ガス３１の温度を下げると共に、加熱した窒素ガスを精製ガス４１と混合して高温のガスタービン燃料ガス４２を得る。
【００２０】
なお、仮にガス精製設備４が乾式の高温ガス精製プロセスによる場合、ガス温度が約５００℃以上の高温となり、生成ガス３１の顕熱ロスはかなり減少するが、特段の高温部材が不要であるので、湿式精製プロセスを利用することで、信頼性の高い運転ができる。
【００２１】
ガスタービン５に供給された燃料ガス４２は、燃焼器５２へ送られる。燃焼器５２にて、ガスタービンの圧縮機５１から送られる圧縮空気により燃焼される。燃焼ガスはタービン５３にて膨脹しガスタービンを作動させる。ガスタービン５は軸を連結された蒸気タービン６と共に、軸を連結された発電機７を駆動して発電を行い、排気ガス５５は排熱回収ボイラ８へ送られ、蒸気発生を負う熱源として用いられて熱回収後煙突から排出される。
【００２２】
前記排熱回収ボイラ８で発生させた蒸気は蒸気タービン６の駆動源として使用することができる。
【００２３】
ガスタービンの圧縮機５１の圧縮空気は圧縮により約４００℃近くまで温度が上昇した後、その一部が抽気されて抽気空気５４として窒素加熱器９に送られる。温度約４００℃の抽気空気５４は、窒素加熱器９で約１００℃以下の比較的低温の窒素１２と熱交換した後、空気分離装置１に送られ原料空気の一部になる。前記熱回収ボイラ３の概要構成は図７に記載のように、水−蒸気系統の熱交換器として、水が供給されて加熱される節炭器と、節炭器で加熱された水が供給され蒸発される蒸発器と、蒸発器で生じた蒸気を過熱する過熱器が備えられている。過熱器を経た過熱蒸気は、例えば蒸気タービン等に供給される。窒素熱交換器１１１は前記蒸発器と過熱器との間に配置される。
【００２４】
窒素加熱器９を経た窒素１２は蒸発器と過熱器との間に位置する窒素熱交換器１１１に供給され、過熱器を経た蒸気温度より高い温度の窒素が得られる。
【００２５】
このように、窒素ガスを一旦加熱後に窒素熱交換器１１１に供給するようにしたことにより、窒素ガス加熱用の熱交換器を熱回収ボイラ３内に追加設置する場合でも、水−蒸気用の熱交換器の間で窒素ガス加熱用の複雑な熱交換器構成をとらなくとも、簡単な設備で高温の窒素を得ることができる。
【００２６】
さらに、窒素加熱器９の熱源としてガスタービン５の圧縮機５１の抽気空気５４を利用することで、熱効率を向上させ、熱回収ボイラ３を含めた全体プラント構成を簡素化することができる。
【００２７】
また、窒素ガス温度を大きく上昇させる場合には、前記窒素熱交換器１１１は過熱器のガス上流側に配置するようにしてもよい。
【００２８】
窒素加熱器９出口の窒素ガス温度は、通常２００℃以上になるので、熱回収ボイラ３に追加する窒素ガス加熱用の窒素熱交換器１１１は、生成ガス流入側に設置してガス化炉２から送られる高温の生成ガス３１と熱交換させる。これにより得られる高温窒素３５の温度は、前記窒素熱交換器１１１を過熱器よりガスの上流側に設置すること等により、約１０００℃近くまで可能であるが、熱回収ボイラ３の容量増加を少なくし、かつ比較的低温の精製ガス４１との混合においてガス混合器１７を技術的に問題のない設計仕様とするために、温度上限はより低い値に抑えることが好ましい。例えば、ガス混合器１７でのガス精製設備４からの精製ガス４１との混合を考慮すると、高温窒素３５の温度は約４００℃〜８００℃程度であることが好ましい。
【００２９】
また、ガス混合器１７は、ガス精製設備４の出口近傍に設置することにより、起動時等において精製ガス４１が燃焼器５２へ流下中に凝縮することを簡単な設備で抑制することができる。また、燃焼器５２に供給する燃料ガス４２を昇温することができ、ガスタービン５の効率化を図ることができる。
【００３０】
すなわち、ガス精製設備４から出た低温の精製ガス４１がガスタービン５に至る経路を流下中に温度低下して、凝縮温度となる配管位置よりガス精製設備４側に、酸素分離装置１で分離された窒素と同精製ガス４１とを混合するガス混合器１７を設置することが好ましい。例えば、実際には、実効のある位置としてガス精製設備４のガス出口から１０ｍ以内の位置に設置する。
【００３１】
これにより、比較例のように湿式のガス精製設備の場合に設置していた構造が複雑でメンテナンス性が良好でないガス／ガスヒータを不要にできる。必要に応じて、小型の熱交換器を設ける程度ですむ。
【００３２】
このため、設備を簡素化しつつ、凝縮を防止して精製ガスの安定供給ができる。また、簡単な設備で燃料ガス４２の温度を上げることができる。それにより、高効率のプラント運転が可能となる。
【００３３】
特に、起動初期にガス精製設備４から燃焼器５２への配管が冷えている場合であっても、ガス精製設備４から供給された精製ガス４１の温度は徐々に低下して凝縮が生じることを防ぐことができる。
【００３４】
熱回収ボイラ３に窒素ガス加熱用の熱交換器を追加設置したことにより、また、必要によっては更に、従来熱回収ボイラ３から約２５０℃と比較的高温で供給している給水温度を約１００℃程度と低くし、また、必要によっては更に、熱回収ボイラ３の生成ガス出口側に低温での熱交換用の節炭器を設置することにより、生成ガス３１の温度を湿式ガス精製プロセスに供給できる制限温度以下まで低下させることができる。
【００３５】
このため、比較例でガス精製設備４に至る前にガス／ガス熱交換器１３を経由する必要がなくなる。
【００３６】
本実施例によるガス化統合複合発電プラントでは、空気分離装置で副生し予備加熱した窒素ガスを熱回収ボイラ３での熱交換媒体として用い、吸熱させた高温窒素３５と精製ガス４１とをガス精製設備４の出口で混合させることにより、熱回収ボイラ３での吸熱による生成ガス顕熱の低下分をガスタービン入熱において回復させるので、熱効率が高いガスタービンへの投入熱量割合を増加でき、結果として従来よりもプラント熱効率を高めることができる。
【００３７】
また、前記窒素ガスの予備加熱は、窒素加熱器９でガスタービン圧縮機５１からの抽気空気５４との熱交換により行われるので、抽気により失われた熱量を回復して、簡単な設備で、低ＮＯｘ化を図りつつプラントの熱効率を増加できる。前記加熱窒素と精製ガスの混合器は、プラント熱効率の観点からは、ガスタービン５の燃焼器より上流側に設置されることが好ましい。しかし、他の形態として、圧力損失が減少して加圧動力が少なくなるため、ガスタービン５の燃焼器５２に直接加熱窒素を供給することも考えられる。
【００３８】
他の例として、窒素加熱器９でガスタービンの圧縮機５１の抽気空気５４により昇温された窒素をガスタービン５に供給されるガスタービンへ供給される燃料に混合することにより、ガスタービン系の熱をガスタービン５へ供給される燃料ガス側に供給できるので、簡単な設備で、低ＮＯｘ化を図りつつ、プラントの効率を増加できる。前記混合器はプラント効率の観点から前記のように、燃料がガスタービン５に供給されるより上流側に設置されることが好ましい。しかし、他の形態としては、ガスタービン５の燃焼器５２に供給される形態も考えられる。ここで、代表的な石炭ガス化複合発電プラントの概略的な数値試算例によると、高温窒素３５の温度を８００℃とした場合、本実施例の燃料ガス顕熱の比較例からの増加分はガス化炉２投入の全石炭発熱量の約６％に相当する。これによる、プラント熱効率の増加は約１％になる。
【００３９】
また、ガスタービンへ燃料顕熱増加のために、抽気空気５４との熱交換により昇温した窒素を燃料に供給するという観点からは、前記窒素加熱器９で加熱された窒素を、前記のように直接熱回収ボイラ３に供給せずに、ガス精製設備から出る精製ガス４１に混合した後に熱回収ボイラ３で加熱し、ガスタービン５に供給する燃料ガス４２とすることも考えられる。
【００４０】
これにより、窒素加熱器９で加熱した窒素を直接燃焼器に供給する場合より、プラントの熱効率を向上させることができる。前記のように窒素加熱器９で加熱した窒素を更に熱回収ボイラ３で加熱する場合は、プラント熱効率の向上効果が大きい。
【００４１】
また、窒素加熱器９でガスタービンの圧縮機５１の抽気空気５４により昇温された窒素をガスタービン５に供給されるガスタービンへ燃料顕熱として供給するという観点からは、前記窒素加熱器９で加熱された窒素を、前記のように熱回収ボイラ３に供給せずに、ガス精製設備から出る精製ガス４１に混合して加熱し、ガスタービン５に供給する燃料ガス４２とすることも考えられる。
【００４２】
尚、ここで、ガス化複合発電プラントの比較例として、空気分離装置の副生成窒素ガスを精製ガス４１と混合してガスタービンの燃焼器５２へ注入することにより、低発熱量の燃料ガスとして燃焼ガスの低ＮＯｘ化を図り、ガスタービンの圧縮機５１からの抽気を原料空気の一部とするように統合したシステム構成を図２に示す。この図は、ガス化炉２として酸素吹き石炭ガス化炉を、ガス精製設備として湿式ガス精製設備を用いた場合の燃料およびガスの流れを示す略示図であり、ボイラおよび補機動力系での水・蒸気の流れは省略している。
【００４３】
空気分離装置１は、原料となる空気１０を圧縮機で加圧し、それにガスタービン５からの抽気空気５４を加えて得る加圧空気を取り込み、少量の不純物を含む酸素ガスと窒素ガスに分解する。酸素ガスと窒素ガスは、ガス化炉２やガスタービン等の使用に供するために圧縮機により加圧され、酸素１１，窒素１２として出力される。なお本図では、空気分離プロセスに加圧用の圧縮機を加えた全体を、空気分離装置１と簡単化して図示している。石炭２３は、石炭乾燥器２１により乾燥され、ガス化炉２へ供給される。ガス化炉２は約２０〜３０気圧の加圧下にあり、酸化剤とする酸素１１を取り込んで石炭のガス化プロセスが進められ、それにより燃料である石炭の一部が燃焼される。ガス化炉２内で発生した熱および生成したガスが保有する熱は、ガス化炉冷却用熱交換器および熱回収ボイラ３により吸収され、それにより発生した蒸気は排熱回収ボイラ８で発生した蒸気に加え合わせ、さらに過熱蒸気とされて蒸気タービン６へ送られる。これにより、ガス化炉２の出口で約１１００℃の生成ガス温度は、熱回収ボイラ３の出口で４００℃以下まで冷却され、ガス／ガス熱交換器１３で約２００℃以下まで冷却され、湿式のガス精製設備４に送られる。生成ガス３１はガス精製設備４にて、脱塵，脱硫され、精製プロセスにてガス温度が一旦常温程度まで下げられるが、ガス精製設備４からでた精製ガス４１は蒸気を用いた加熱器とガス／ガス熱交換器１３により約３００℃まで温度回復した精製ガス４１となる。なお、ガス精製設備４が乾式の高温ガス精製プロセスによる場合、ガス温度が約５００℃以上の高温となり、生成ガスの顕熱ロスはかなり減少する。精製ガス４１は前記空気分離装置１から得る副生成の窒素１２を窒素加熱器９で加熱したものと共に、燃焼器５２へ送られる。精製ガス４１と加熱された窒素１２は、燃焼器５２へ入る前、又は燃焼器５２内で混合されて比較的低発熱量の燃料ガス４２となり、燃焼器５２にてガスタービンの圧縮機５１から送られる圧縮空気により燃焼される。燃焼ガスはタービン５３にて膨脹しガスタービンを作動させる。ガスタービン５は蒸気タービン６と共に発電機７を駆動して発電を行い、排気ガス５５は排熱回収ボイラ８へ送られ、熱回収後煙突から排出される。ガスタービンの圧縮機５１の圧縮空気は圧縮により約４００℃近くまで温度が上昇し、その一部が抽気されて抽気空気５４として窒素加熱器９に送られる。抽気空気５４は、窒素加熱器９で約１００℃以下の比較的低温の窒素１２と熱交換した後、空気分離装置１に送られ原料空気の一部になる。
【００４４】
この例によれば、空気分離装置からの窒素ガスとガスタービン圧縮機５１からの抽気空気５４を熱交換させてガスタービンの熱損失低減を図っている。しかしながら、ガス化複合発電プラントでは、ガス精製装置での処理プロセスのガス温度制限から、生成ガス温度を下げるために熱回収ボイラ３での大幅な吸熱が必要である。
【００４５】
このため、生成ガス入熱量のうちガス顕熱の低下分は、熱効率が高い複合サイクル発電から熱効率の低い蒸気タービンサイクルへ転嫁される。また、本比較例で、湿式のガス精製設備４を用いるため必要となったガス／ガス熱交換器１３は、構造が複雑化する。
【００４６】
本実施例により、ガス／ガス熱交換器１３をなくして簡素な設備にしつつ、精製ガスの凝縮を抑制することができる。さらに、高温の燃料をガスタービンに供給することができ、高効率の複合サイクル発電の運転ができる。
【００４７】
図３は第２の実施例のシステム構成を示す。基本的な構成は前記第１の実施例の構成と同様の構成をとることができる。この第２の実施例では、第１の実施例と異なる点は以下の通りである。空気分離装置１で副生し加圧した窒素１２と、熱回収ボイラ３からの生成ガス３１とを混合するガス混合器１７を設け、その混合ガスをガス精製設備４へ送るようにしている。また、比較例における窒素ガス加熱用のガス／ガス熱交換器１３は除去し、ガス精製設備４から出た精製ガスである燃料ガス４２はガス／ガス熱交換器１３を経ずにガスタービン５に供給される。抽気空気５４は石炭乾燥器２１に供給され、熱源として利用される。次に、石炭乾燥器２１で熱交換して温度が降下した抽気空気５４は、原料空気の少なくとも一部として空気分離装置１へ送る。これにより、抽気空気５４が保有する熱量は、石炭乾燥器２１においてガス化炉２へ投入する石炭２３の乾燥に活用することができる。このため、別の乾燥用熱源なくとも良好な状態の石炭を得ることができると共に、抽気温度約４００℃から空気分離装置１へ導入される温度約１００℃以下に冷却するために有効に作用させることができる。
【００４８】
本実施例によるガス化統合複合発電プラントでは、空気分離装置から得られる約１００℃以下の比較的低温の窒素ガスを、熱回収ボイラ出口の高温生成ガス
３１に混合することにより、湿式のガス精製設備４へ入る生成ガス３１の温度をガス精製プロセスの制限温度以下まで低下させることが可能となる。比較例でガス精製設備４に前置していたガス／ガス熱交換器１３を不要にしつつガス精製設備４へ供給される生成ガス３１を所望の温度に下げることができるので、設備を簡素化を図りつつプラント性能を維持することができる。さらに、窒素ガス混合により得られる低カロリーガスは、ガスタービンの燃焼ガスの低ＮＯｘ化に好適な燃料ガスであり、ガス精製設備の処理プロセスにおいても、ガス混合器１７を備えることにより、簡単な設備で精製の安全性を高めることができる。
【００４９】
一方、抽気空気５４をガス化炉２へ投入する石炭の乾燥に活用することにより、ガス化複合発電プラントにおけるガスタービン系での熱損失を少なくし、プラント熱効率を高めることが可能となる。
【００５０】
図４はガス化統合複合発電プラントの第３の実施例を示す。基本的構成は第１の実施例と同様である。
【００５１】
本実施例が第１の実施例と異なる主な点は以下の点である。
【００５２】
空気分離装置１で副生し加圧した窒素１２を直接熱回収ボイラ３へ送り、ガス化炉２からの生成ガス３１と熱交換させる低温窒素熱交換器１１２を、熱回収ボイラ３内に新たに設置する。熱回収ボイラ３に供給された１００℃以下の窒素１２は低温窒素熱交換器１１２により加熱される。低温窒素熱交換器１１２を経て得られた加熱窒素３６とガス精製設備４からの精製ガス４１を、ガス混合器１７で混合し、その混合ガスを燃料ガス４２としてガスタービン５へ供給する。また、空気分離装置から得られる約１００℃以下の比較的低温の窒素ガスと生成ガス３１を熱交換させる低温窒素熱交換器１１２を熱回収ボイラ３の生成ガス出口側に設置し、生成ガス３１の温度をガス精製プロセスの制限温度以下まで低下させることが可能となり、比較例でガス精製設備４に前置していたガス／ガス熱交換器を不要にして、簡単な設備でガス精製設備４へ供給する生成ガス３１を所望の温度にすることができる。
【００５３】
具体的には、図７に示すように熱回収ボイラ３の節炭器のガス下流側に低温窒素熱交換器１１２を設置する。これにより、生成ガス３１の温度をより低温まで下げることが容易となる。また、精製ガス４１と高温窒素３５との混合により、より高温の燃料ガス４２を得ようとする場合は、節炭器と蒸発器との間に低温窒素熱交換器１１２を設置することが好ましい。
【００５４】
また、ガスタービンの圧縮機５１の圧縮空気を冷却するインタクーラ５０を設置する。インタクーラ５０を通した圧縮空気の一部である抽気空気５４を、原料空気の少なくとも一部として空気分離装置１へ送る経路を備える。なお、インタクーラ５０での高温圧縮空気の冷却は、通常、冷温給水との熱交換によるが、熱交換で得られた熱量により加熱されたインタクーラ５０の給水は排熱回収ボイラ８、および熱回収ボイラ３へ送ることができる。インタクーラ５０での空気冷却により、抽気空気５４の温度が低くなり熱量損失は大幅に減少するので、比較例や第１の実施例における窒素ガスと抽気空気５４の熱交換器（窒素加熱器９）を除去することができる。必要であれば、小型の熱交換器を設置するだけでよい。これにより、システム構成を簡単化しつつ効率良いシステムを構成することができる。
【００５５】
なお、上記実施例におけるような抽気空気との熱交換による予備加熱がなく低温窒素熱交換器１１２を設置する場合は、本例のようにガスタービン圧縮機としてインタクーラ使用による場合の他に、インタクーラを使用しない場合も考えられる。その場合は、前記実施例の説明で述べたように、抽気空気が保有する熱量を石炭乾燥に活用することも可能であるが、図示は省略する。
【００５６】
以上述べたような本実施例によるガス化統合複合発電プラントでは、空気分離装置で副生し加圧した窒素ガスを熱交換媒体として、熱回収ボイラ３での吸熱による生成ガス顕熱の低下分をガスタービン入熱において回復させるので、熱効率が高いガスタービンへの投入熱量割合を増加でき、結果として従来よりもプラント熱効率を高めることができる。また、空気分離装置から得られる約１００℃以下の比較的低温の窒素ガスを、生成ガス３１と熱交換させることにより、ガス精製設備４へ入る生成ガス３１の温度をガス精製プロセスの制限温度以下まで低下させることが可能となり、従来技術でガス精製設備４に前置していたガス／ガス熱交換器を不要にした。必要な場合であっても小型な熱交換器を付設するだけで良い。さらに、インタクーラ５０で冷却した抽気空気５４をとることにより、ガス化複合発電プラントにおけるガスタービン系での熱損失を少なくし、別設の大型の熱交換器を設置せずともプラント熱効率を高めることが可能となる。
【００５７】
図５は第４の実施例を示す。基本的には、熱回収ボイラは第３の実施例と同様の構造を用いることができる。すなわち、空気分離装置１で副生し加圧した窒素１２は、実施例３と同様に、熱回収ボイラ３の低温窒素熱交換器１１２に供給した後、ガス混合器１７に供給する。
【００５８】
第４の実施例が第３の実施例と異なる主な点は以下の点である。
【００５９】
熱回収ボイラ３に供給する給水２４を加熱する給水ヒータ２５を設置し、ガスタービンの圧縮機５１としてはインタクーラを保有しない通常のタイプであってよい。ガスタービンの圧縮機５１の抽気空気５４を給水ヒータ２５で熱交換して給水を加熱させ、その後空気分離装置１へ送るような経路を構成している。給水ヒータ２５に供給される給水２４は排熱回収ボイラ８で昇温された給水２４が提供されるようにすることができる。
【００６０】
また、空気分離装置１で副生し加圧した窒素１２は、例えば、熱回収ボイラ３の低温窒素熱交換器１１２に供給した後、加熱窒素３６としてガス混合器１７に供給する。
【００６１】
本実施例により、窒素１２を抽気空気５４との熱交換に使用できない場合であっても、抽気空気５４が保有する熱量を給水加熱に使用することにより、抽気空気５４の熱量損失を蒸気タービン系で回復できるので、給水ヒータ２５や抽気空気５４のための別設の熱交換源を用いず、プラントシステムの簡素化を図りつつ、プラント熱効率の低下を少なくすることができる。
【００６２】
図６は第５の実施例を示す。本実施例の基本的構成は、第１の実施例を用いることができる。
【００６３】
実施例５が第１の実施例と異なる主な点は以下の通りである。
【００６４】
ガスタービンの圧縮機５１の抽気空気５４の少なくとも一部を吹込空気２６として取り出し、空気に酸素を混合した酸素富化空気を酸化剤として用いるガス化炉２へ供給する経路を備え、前記吹込空気２６を酸素１１と共に吹き込む。抽気空気５４の残りを空気分離装置１へ送るような経路を構成する。
【００６５】
また、空気分離装置１で副生し加圧した窒素１２は、実施例３と同様に、熱回収ボイラ３の低温窒素熱交換器１１２に供給した後、加熱窒素３６としてガス混合器１７に供給する。
【００６６】
本実施例により、窒素１２を抽気空気５４との熱交換に使用できない場合であっても、抽気空気が保有する熱量の少なくとも一部をガス化炉２での燃焼に使用することにより、抽気空気５４の熱量損失の一部をガスタービンの燃料ガス系で回復できるので、別設の吹き込み空気２６用設備を備えなくとも、プラント熱効率の低下を少なくでき、高効率のプラントを構成することができる。
【００６７】
さて、これらの実施例によって、熱回収ボイラ３での吸熱による生成ガス顕熱の低下分をガスタービン入熱において回復させることによるプラント熱効率の向上、又は、ガスタービンの圧縮機５１より抽気し原料用空気の一部として空気分離装置へ導く抽気空気の熱損失を低減することによるプラント熱効率向上を、簡単な設備で得ることができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明により簡単な設備で高効率のガス化統合複合発電プラントを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のガス化統合複合発電プラントを示す略示図。
【図２】比較例のガス化複合発電プラントを示す略示図。
【図３】第２実施例のガス化統合複合発電プラントを示す略示図。
【図４】第３実施例のガス化統合複合発電プラントを示す略示図。
【図５】第４実施例のガス化統合複合発電プラントを示す略示図。
【図６】第５実施例のガス化統合複合発電プラントを示す略示図。
【図７】熱回収ボイラ３の具体的構成を示す略示図。
【符号の説明】
１…空気分離装置、２…ガス化炉、３…熱回収ボイラ、４…ガス精製設備、５…ガスタービン、６…蒸気タービン、７…発電機、８…排熱回収ボイラ、９…窒素加熱器、１３…ガス／ガス熱交換器、１７…ガス混合器、２１…石炭乾燥器、２２…蒸気ドラム、３５…高温窒素、５０…インタクーラ、５１…圧縮機、５２…燃焼器、５３…タービン、５４…抽気空気、５５…排気ガス。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料のガス化炉で生成したガスを燃料とするガスタービンを有するガス化統合複合発電プラントに係り、空気分離装置により窒素と分離した酸素をガス化炉に供給するガス化統合複合発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒素ガスを熱交換媒体として活用することによりプラント全体の熱効率向上を図ったガス化複合発電プラントの例としては、特開平7−286505 号公報のガス化複合発電プラントに、ガス化炉の生成ガスが供給されるガスクーラに空気分離装置で生成された窒素を導入して熱交換させて昇温した後、燃焼器に供給することが記載されている。
【０００３】
また、特開平7−217448 号公報のガス化複合発電プラントには、空気分離機で分離した窒素を、燃焼器に供給される燃料ガスとガスタービン排ガスに混入することが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平7−286505 号公報では、空気分離装置で分離した窒素を昇温する際の具体的構成に関して開示されていない。一般にガスクーラは、水を供給して熱交換して蒸気を発生させているため、高温の窒素を得るためには、構成が複雑化する。また、特開平7−217448 号公報では、空気分離装置で分離した窒素を、燃焼器に供給されるガスに混入する具体的構成に関して開示されていない。例えば、同公報のガス精製設備でいわゆる湿式精製を行う場合、湿式精製の精製ガス温度が低いため、起動時に結露等が生じることに基づき効率を高くできない可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は簡単な設備で上記課題の解決を図った、高効率のガス化統合複合発電プラントを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明は、窒素ガスを熱交換媒体として活用するものである。これにより、プラント熱効率を向上させることができる。また、ガス精製設備におけるガス／ガス熱交換器を不要として運転信頼性を向上させかつ建設コストを低減することもできる。
【０００７】
具体的には、空気を取り込み酸素と窒素とに分離する空気分離装置と、該分離装置で分離された酸素と燃料とを供給するガス化炉と、該ガス化炉で生成した生成ガスを供給する熱回収ボイラと、該熱回収ボイラを経た生成ガスを供給して精製するガス精製設備と、該ガス精製設備からの精製ガスを燃料とするガスタービンとを有するガス化複合発電プラントにおいて、空気分離装置で分離された窒素が予め加熱された後に供給される窒素熱交換装置を熱回収ボイラ内に設置することを特徴とする。
【０００８】
ガス化炉の熱回収ボイラには、水を供給すると共に、節炭器，蒸発器，過熱器等のように熱交換温度の異なる複数の熱交換器を配置し蒸気を発生させると共に、予め加熱された窒素を更に高温に加熱する熱交換装置を配置する。このような構成をとることにより、空気分離装置で分離した低温の窒素を同熱回収ボイラで加熱して前記蒸発器で発生する蒸気温度より高い高温の窒素を発生させる場合であっても、水−蒸気用の複数の熱交換器の間に窒素用の熱交換器をさらに複数配置する必要がないので、系統及び制御が複雑化することを抑制し、簡単な熱回収ボイラ設備で高温の窒素を発生させることができる。
【０００９】
また、前記空気分離装置を出た窒素の予めの加熱の熱源として、ガスタービンを構成する圧縮機からの抽気を用い、窒素と熱交換して減温した抽気を前記空気分離装置に供給する。これにより、ガスタービン部の熱を燃料ガス側に供給できるので、全体としてのシステムを簡素化しつつプラントの効率を向上させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に第１の実施例のガス化統合複合発電プラントを示す。なお、ボイラおよび補機動力系での水・蒸気の流れは省略している。
【００１５】
空気分離装置１は、原料となる空気１０を圧縮機で約１０〜３０気圧に加圧し、それにガスタービン５からの抽気空気５４を加えて得る加圧空気を取り込み、少量の不純物を含む酸素ガスと窒素ガスに分解する。酸素ガスと窒素ガスは、ガス化炉２やガスタービン等の使用に供するために圧縮機により約２０〜４０気圧に加圧され、酸素１１，窒素１２として出力される。なお本図では、空気分離プロセスに加圧用の圧縮機を加えた全体を、空気分離装置１と簡単化して図示している。分離された酸素１１は、ガス化炉２へ供給される。ガス化炉２では石炭と酸素が供給され、生成ガス３１が得られる。石炭２３は、一旦、石炭乾燥器２１により乾燥され、ガス化炉２へ供給される。石炭乾燥器２１はいわゆる燃料である石炭を加熱する。なお、本実施例では、ガス化炉２は酸素吹き石炭ガス化炉を用いているが、他に酸素冨化空気吹き石炭ガス化炉や重質油ガス化炉も考えられて、本発明は特に限定されるものではない。
【００１６】
ガス化炉２は約２０〜４０気圧の加圧下にあり、酸化剤とする酸素１１を取り込んで石炭のガス化プロセスが進められ、それにより燃料である石炭の一部が燃焼される。ガス化炉２から生じた生成ガス３１は熱回収ボイラ３で熱交換して冷却された後ガス精製設備４に供給される。ガス化炉２から出た生成ガス３１は熱回収ボイラ３に供給される。生成ガスの組成は、一酸化炭素および水素で約８０％以上を占め、他に少量の窒素，アルゴン等を含む。ガス化炉２内で発生した熱および生成したガスが保有する熱は、ガス化炉２に備えられたガス化炉冷却用熱交換器および水が供給される熱回収ボイラ３により熱交換されて吸収される。それらにより発生した蒸気は排熱回収ボイラ８で発生した蒸気に加え合わされ、さらに過熱蒸気とされて蒸気タービン６へ送られる。ここで、ガス化炉２の出口で約１１００℃の生成ガスは、熱回収ボイラ３の出口で４００℃以下まで冷却され、脱塵される。
【００１７】
そして、生成ガス３１はガス精製設備４にて、湿式のガス精製設備の場合には最終的に２００℃以下まで冷却され、脱硫される。なお、精製プロセスとして湿式の精製プロセスを使用する場合は、反応プロセスの温度制約のため、ガス温度が一旦常温程度まで下げられる。ガス精製設備４から供給される精製ガス４１の温度は、約３００℃，圧力約２０〜４０気圧、ガス組成は水分が除去されることを除いて、生成ガス３１の組成と大きな違いはない。
【００１８】
また、空気分離装置１で分離された窒素１２は、窒素加熱器９で抽気空気５４と熱交換して温度約２５０℃に加熱されて熱回収ボイラ３へ送られる。熱回収ボイラ３に新たに設置した窒素熱交換器１１１により、前記加熱された窒素はガス化炉２から得られる高温の生成ガス３１と熱交換させ、温度約４００℃〜８００℃の高温窒素３５を得る。
【００１９】
ガス精製設備４からの精製ガス４１と前記高温窒素３５とをガス混合器１７で混合し、その混合ガス（温度約５００℃）を燃料ガス４２としてガスタービン５へ供給する。すなわち、空気分離装置１での副生成窒素ガス１２を予備加熱し、熱回収ボイラ３で熱交換させて生成ガス３１の温度を下げると共に、加熱した窒素ガスを精製ガス４１と混合して高温のガスタービン燃料ガス４２を得る。
【００２０】
なお、仮にガス精製設備４が乾式の高温ガス精製プロセスによる場合、ガス温度が約５００℃以上の高温となり、生成ガス３１の顕熱ロスはかなり減少するが、特段の高温部材が不要であるので、湿式精製プロセスを利用することで、信頼性の高い運転ができる。
【００２１】
ガスタービン５に供給された燃料ガス４２は、燃焼器５２へ送られる。燃焼器５２にて、ガスタービンの圧縮機５１から送られる圧縮空気により燃焼される。燃焼ガスはタービン５３にて膨脹しガスタービンを作動させる。ガスタービン５は軸を連結された蒸気タービン６と共に、軸を連結された発電機７を駆動して発電を行い、排気ガス５５は排熱回収ボイラ８へ送られ、蒸気発生を負う熱源として用いられて熱回収後煙突から排出される。
【００２２】
前記排熱回収ボイラ８で発生させた蒸気は蒸気タービン６の駆動源として使用することができる。
【００２３】
ガスタービンの圧縮機５１の圧縮空気は圧縮により約４００℃近くまで温度が上昇した後、その一部が抽気されて抽気空気５４として窒素加熱器９に送られる。温度約４００℃の抽気空気５４は、窒素加熱器９で約１００℃以下の比較的低温の窒素１２と熱交換した後、空気分離装置１に送られ原料空気の一部になる。前記熱回収ボイラ３の概要構成は図７に記載のように、水−蒸気系統の熱交換器として、水が供給されて加熱される節炭器と、節炭器で加熱された水が供給され蒸発される蒸発器と、蒸発器で生じた蒸気を過熱する過熱器が備えられている。過熱器を経た過熱蒸気は、例えば蒸気タービン等に供給される。窒素熱交換器１１１は前記蒸発器と過熱器との間に配置される。
【００２４】
窒素加熱器９を経た窒素１２は蒸発器と過熱器との間に位置する窒素熱交換器１１１に供給され、過熱器を経た蒸気温度より高い温度の窒素が得られる。
【００２５】
このように、窒素ガスを一旦加熱後に窒素熱交換器１１１に供給するようにしたことにより、窒素ガス加熱用の熱交換器を熱回収ボイラ３内に追加設置する場合でも、水−蒸気用の熱交換器の間で窒素ガス加熱用の複雑な熱交換器構成をとらなくとも、簡単な設備で高温の窒素を得ることができる。
【００２６】
さらに、窒素加熱器９の熱源としてガスタービン５の圧縮機５１の抽気空気５４を利用することで、熱効率を向上させ、熱回収ボイラ３を含めた全体プラント構成を簡素化することができる。
【００２７】
また、窒素ガス温度を大きく上昇させる場合には、前記窒素熱交換器１１１は過熱器のガス上流側に配置するようにしてもよい。
【００２８】
窒素加熱器９出口の窒素ガス温度は、通常２００℃以上になるので、熱回収ボイラ３に追加する窒素ガス加熱用の窒素熱交換器１１１は、生成ガス流入側に設置してガス化炉２から送られる高温の生成ガス３１と熱交換させる。これにより得られる高温窒素３５の温度は、前記窒素熱交換器１１１を過熱器よりガスの上流側に設置すること等により、約１０００℃近くまで可能であるが、熱回収ボイラ３の容量増加を少なくし、かつ比較的低温の精製ガス４１との混合においてガス混合器１７を技術的に問題のない設計仕様とするために、温度上限はより低い値に抑えることが好ましい。例えば、ガス混合器１７でのガス精製設備４からの精製ガス４１との混合を考慮すると、高温窒素３５の温度は約４００℃〜８００℃程度であることが好ましい。
【００２９】
また、ガス混合器１７は、ガス精製設備４の出口近傍に設置することにより、起動時等において精製ガス４１が燃焼器５２へ流下中に凝縮することを簡単な設備で抑制することができる。また、燃焼器５２に供給する燃料ガス４２を昇温することができ、ガスタービン５の効率化を図ることができる。
【００３０】
すなわち、ガス精製設備４から出た低温の精製ガス４１がガスタービン５に至る経路を流下中に温度低下して、凝縮温度となる配管位置よりガス精製設備４側に、酸素分離装置１で分離された窒素と同精製ガス４１とを混合するガス混合器１７を設置することが好ましい。例えば、実際には、実効のある位置としてガス精製設備４のガス出口から１０ｍ以内の位置に設置する。
【００３１】
これにより、比較例のように湿式のガス精製設備の場合に設置していた構造が複雑でメンテナンス性が良好でないガス／ガスヒータを不要にできる。必要に応じて、小型の熱交換器を設ける程度ですむ。
【００３２】
このため、設備を簡素化しつつ、凝縮を防止して精製ガスの安定供給ができる。また、簡単な設備で燃料ガス４２の温度を上げることができる。それにより、高効率のプラント運転が可能となる。
【００３３】
特に、起動初期にガス精製設備４から燃焼器５２への配管が冷えている場合であっても、ガス精製設備４から供給された精製ガス４１の温度は徐々に低下して凝縮が生じることを防ぐことができる。
【００３４】
熱回収ボイラ３に窒素ガス加熱用の熱交換器を追加設置したことにより、また、必要によっては更に、従来熱回収ボイラ３から約２５０℃と比較的高温で供給している給水温度を約１００℃程度と低くし、また、必要によっては更に、熱回収ボイラ３の生成ガス出口側に低温での熱交換用の節炭器を設置することにより、生成ガス３１の温度を湿式ガス精製プロセスに供給できる制限温度以下まで低下させることができる。
【００３５】
このため、比較例でガス精製設備４に至る前にガス／ガス熱交換器１３を経由する必要がなくなる。
【００３６】
本実施例によるガス化統合複合発電プラントでは、空気分離装置で副生し予備加熱した窒素ガスを熱回収ボイラ３での熱交換媒体として用い、吸熱させた高温窒素３５と精製ガス４１とをガス精製設備４の出口で混合させることにより、熱回収ボイラ３での吸熱による生成ガス顕熱の低下分をガスタービン入熱において回復させるので、熱効率が高いガスタービンへの投入熱量割合を増加でき、結果として従来よりもプラント熱効率を高めることができる。
【００３７】
また、前記窒素ガスの予備加熱は、窒素加熱器９でガスタービン圧縮機５１からの抽気空気５４との熱交換により行われるので、抽気により失われた熱量を回復して、簡単な設備で、低ＮＯｘ化を図りつつプラントの熱効率を増加できる。前記加熱窒素と精製ガスの混合器は、プラント熱効率の観点からは、ガスタービン５の燃焼器より上流側に設置されることが好ましい。しかし、他の形態として、圧力損失が減少して加圧動力が少なくなるため、ガスタービン５の燃焼器５２に直接加熱窒素を供給することも考えられる。
【００３８】
他の例として、窒素加熱器９でガスタービンの圧縮機５１の抽気空気５４により昇温された窒素をガスタービン５に供給されるガスタービンへ供給される燃料に混合することにより、ガスタービン系の熱をガスタービン５へ供給される燃料ガス側に供給できるので、簡単な設備で、低ＮＯｘ化を図りつつ、プラントの効率を増加できる。前記混合器はプラント効率の観点から前記のように、燃料がガスタービン５に供給されるより上流側に設置されることが好ましい。しかし、他の形態としては、ガスタービン５の燃焼器５２に供給される形態も考えられる。ここで、代表的な石炭ガス化複合発電プラントの概略的な数値試算例によると、高温窒素３５の温度を８００℃とした場合、本実施例の燃料ガス顕熱の比較例からの増加分はガス化炉２投入の全石炭発熱量の約６％に相当する。これによる、プラント熱効率の増加は約１％になる。
【００３９】
また、ガスタービンへ燃料顕熱増加のために、抽気空気５４との熱交換により昇温した窒素を燃料に供給するという観点からは、前記窒素加熱器９で加熱された窒素を、前記のように直接熱回収ボイラ３に供給せずに、ガス精製設備から出る精製ガス４１に混合した後に熱回収ボイラ３で加熱し、ガスタービン５に供給する燃料ガス４２とすることも考えられる。
【００４０】
これにより、窒素加熱器９で加熱した窒素を直接燃焼器に供給する場合より、プラントの熱効率を向上させることができる。前記のように窒素加熱器９で加熱した窒素を更に熱回収ボイラ３で加熱する場合は、プラント熱効率の向上効果が大きい。
【００４１】
また、窒素加熱器９でガスタービンの圧縮機５１の抽気空気５４により昇温された窒素をガスタービン５に供給されるガスタービンへ燃料顕熱として供給するという観点からは、前記窒素加熱器９で加熱された窒素を、前記のように熱回収ボイラ３に供給せずに、ガス精製設備から出る精製ガス４１に混合して加熱し、ガスタービン５に供給する燃料ガス４２とすることも考えられる。
【００４２】
尚、ここで、ガス化複合発電プラントの比較例として、空気分離装置の副生成窒素ガスを精製ガス４１と混合してガスタービンの燃焼器５２へ注入することにより、低発熱量の燃料ガスとして燃焼ガスの低ＮＯｘ化を図り、ガスタービンの圧縮機５１からの抽気を原料空気の一部とするように統合したシステム構成を図２に示す。この図は、ガス化炉２として酸素吹き石炭ガス化炉を、ガス精製設備として湿式ガス精製設備を用いた場合の燃料およびガスの流れを示す略示図であり、ボイラおよび補機動力系での水・蒸気の流れは省略している。
【００４３】
空気分離装置１は、原料となる空気１０を圧縮機で加圧し、それにガスタービン５からの抽気空気５４を加えて得る加圧空気を取り込み、少量の不純物を含む酸素ガスと窒素ガスに分解する。酸素ガスと窒素ガスは、ガス化炉２やガスタービン等の使用に供するために圧縮機により加圧され、酸素１１，窒素１２として出力される。なお本図では、空気分離プロセスに加圧用の圧縮機を加えた全体を、空気分離装置１と簡単化して図示している。石炭２３は、石炭乾燥器２１により乾燥され、ガス化炉２へ供給される。ガス化炉２は約２０〜３０気圧の加圧下にあり、酸化剤とする酸素１１を取り込んで石炭のガス化プロセスが進められ、それにより燃料である石炭の一部が燃焼される。ガス化炉２内で発生した熱および生成したガスが保有する熱は、ガス化炉冷却用熱交換器および熱回収ボイラ３により吸収され、それにより発生した蒸気は排熱回収ボイラ８で発生した蒸気に加え合わせ、さらに過熱蒸気とされて蒸気タービン６へ送られる。これにより、ガス化炉２の出口で約１１００℃の生成ガス温度は、熱回収ボイラ３の出口で４００℃以下まで冷却され、ガス／ガス熱交換器１３で約２００℃以下まで冷却され、湿式のガス精製設備４に送られる。生成ガス３１はガス精製設備４にて、脱塵，脱硫され、精製プロセスにてガス温度が一旦常温程度まで下げられるが、ガス精製設備４からでた精製ガス４１は蒸気を用いた加熱器とガス／ガス熱交換器１３により約３００℃まで温度回復した精製ガス４１となる。なお、ガス精製設備４が乾式の高温ガス精製プロセスによる場合、ガス温度が約５００℃以上の高温となり、生成ガスの顕熱ロスはかなり減少する。精製ガス４１は前記空気分離装置１から得る副生成の窒素１２を窒素加熱器９で加熱したものと共に、燃焼器５２へ送られる。精製ガス４１と加熱された窒素１２は、燃焼器５２へ入る前、又は燃焼器５２内で混合されて比較的低発熱量の燃料ガス４２となり、燃焼器５２にてガスタービンの圧縮機５１から送られる圧縮空気により燃焼される。燃焼ガスはタービン５３にて膨脹しガスタービンを作動させる。ガスタービン５は蒸気タービン６と共に発電機７を駆動して発電を行い、排気ガス５５は排熱回収ボイラ８へ送られ、熱回収後煙突から排出される。ガスタービンの圧縮機５１の圧縮空気は圧縮により約４００℃近くまで温度が上昇し、その一部が抽気されて抽気空気５４として窒素加熱器９に送られる。抽気空気５４は、窒素加熱器９で約１００℃以下の比較的低温の窒素１２と熱交換した後、空気分離装置１に送られ原料空気の一部になる。
【００４４】
この例によれば、空気分離装置からの窒素ガスとガスタービン圧縮機５１からの抽気空気５４を熱交換させてガスタービンの熱損失低減を図っている。しかしながら、ガス化複合発電プラントでは、ガス精製装置での処理プロセスのガス温度制限から、生成ガス温度を下げるために熱回収ボイラ３での大幅な吸熱が必要である。
【００４５】
このため、生成ガス入熱量のうちガス顕熱の低下分は、熱効率が高い複合サイクル発電から熱効率の低い蒸気タービンサイクルへ転嫁される。また、本比較例で、湿式のガス精製設備４を用いるため必要となったガス／ガス熱交換器１３は、構造が複雑化する。
【００４６】
本実施例により、ガス／ガス熱交換器１３をなくして簡素な設備にしつつ、精製ガスの凝縮を抑制することができる。さらに、高温の燃料をガスタービンに供給することができ、高効率の複合サイクル発電の運転ができる。
【００４７】
図３は第２の実施例のシステム構成を示す。基本的な構成は前記第１の実施例の構成と同様の構成をとることができる。この第２の実施例では、第１の実施例と異なる点は以下の通りである。空気分離装置１で副生し加圧した窒素１２と、熱回収ボイラ３からの生成ガス３１とを混合するガス混合器１７を設け、その混合ガスをガス精製設備４へ送るようにしている。また、比較例における窒素ガス加熱用のガス／ガス熱交換器１３は除去し、ガス精製設備４から出た精製ガスである燃料ガス４２はガス／ガス熱交換器１３を経ずにガスタービン５に供給される。抽気空気５４は石炭乾燥器２１に供給され、熱源として利用される。次に、石炭乾燥器２１で熱交換して温度が降下した抽気空気５４は、原料空気の少なくとも一部として空気分離装置１へ送る。これにより、抽気空気５４が保有する熱量は、石炭乾燥器２１においてガス化炉２へ投入する石炭２３の乾燥に活用することができる。このため、別の乾燥用熱源なくとも良好な状態の石炭を得ることができると共に、抽気温度約４００℃から空気分離装置１へ導入される温度約１００℃以下に冷却するために有効に作用させることができる。
【００４８】
本実施例によるガス化統合複合発電プラントでは、空気分離装置から得られる約１００℃以下の比較的低温の窒素ガスを、熱回収ボイラ出口の高温生成ガス
３１に混合することにより、湿式のガス精製設備４へ入る生成ガス３１の温度をガス精製プロセスの制限温度以下まで低下させることが可能となる。比較例でガス精製設備４に前置していたガス／ガス熱交換器１３を不要にしつつガス精製設備４へ供給される生成ガス３１を所望の温度に下げることができるので、設備を簡素化を図りつつプラント性能を維持することができる。さらに、窒素ガス混合により得られる低カロリーガスは、ガスタービンの燃焼ガスの低ＮＯｘ化に好適な燃料ガスであり、ガス精製設備の処理プロセスにおいても、ガス混合器１７を備えることにより、簡単な設備で精製の安全性を高めることができる。
【００４９】
一方、抽気空気５４をガス化炉２へ投入する石炭の乾燥に活用することにより、ガス化複合発電プラントにおけるガスタービン系での熱損失を少なくし、プラント熱効率を高めることが可能となる。
【００５０】
図４はガス化統合複合発電プラントの第３の実施例を示す。基本的構成は第１の実施例と同様である。
【００５１】
本実施例が第１の実施例と異なる主な点は以下の点である。
【００５２】
空気分離装置１で副生し加圧した窒素１２を直接熱回収ボイラ３へ送り、ガス化炉２からの生成ガス３１と熱交換させる低温窒素熱交換器１１２を、熱回収ボイラ３内に新たに設置する。熱回収ボイラ３に供給された１００℃以下の窒素１２は低温窒素熱交換器１１２により加熱される。低温窒素熱交換器１１２を経て得られた加熱窒素３６とガス精製設備４からの精製ガス４１を、ガス混合器１７で混合し、その混合ガスを燃料ガス４２としてガスタービン５へ供給する。また、空気分離装置から得られる約１００℃以下の比較的低温の窒素ガスと生成ガス３１を熱交換させる低温窒素熱交換器１１２を熱回収ボイラ３の生成ガス出口側に設置し、生成ガス３１の温度をガス精製プロセスの制限温度以下まで低下させることが可能となり、比較例でガス精製設備４に前置していたガス／ガス熱交換器を不要にして、簡単な設備でガス精製設備４へ供給する生成ガス３１を所望の温度にすることができる。
【００５３】
具体的には、図７に示すように熱回収ボイラ３の節炭器のガス下流側に低温窒素熱交換器１１２を設置する。これにより、生成ガス３１の温度をより低温まで下げることが容易となる。また、精製ガス４１と高温窒素３５との混合により、より高温の燃料ガス４２を得ようとする場合は、節炭器と蒸発器との間に低温窒素熱交換器１１２を設置することが好ましい。
【００５４】
また、ガスタービンの圧縮機５１の圧縮空気を冷却するインタクーラ５０を設置する。インタクーラ５０を通した圧縮空気の一部である抽気空気５４を、原料空気の少なくとも一部として空気分離装置１へ送る経路を備える。なお、インタクーラ５０での高温圧縮空気の冷却は、通常、冷温給水との熱交換によるが、熱交換で得られた熱量により加熱されたインタクーラ５０の給水は排熱回収ボイラ８、および熱回収ボイラ３へ送ることができる。インタクーラ５０での空気冷却により、抽気空気５４の温度が低くなり熱量損失は大幅に減少するので、比較例や第１の実施例における窒素ガスと抽気空気５４の熱交換器（窒素加熱器９）を除去することができる。必要であれば、小型の熱交換器を設置するだけでよい。これにより、システム構成を簡単化しつつ効率良いシステムを構成することができる。
【００５５】
なお、上記実施例におけるような抽気空気との熱交換による予備加熱がなく低温窒素熱交換器１１２を設置する場合は、本例のようにガスタービン圧縮機としてインタクーラ使用による場合の他に、インタクーラを使用しない場合も考えられる。その場合は、前記実施例の説明で述べたように、抽気空気が保有する熱量を石炭乾燥に活用することも可能であるが、図示は省略する。
【００５６】
以上述べたような本実施例によるガス化統合複合発電プラントでは、空気分離装置で副生し加圧した窒素ガスを熱交換媒体として、熱回収ボイラ３での吸熱による生成ガス顕熱の低下分をガスタービン入熱において回復させるので、熱効率が高いガスタービンへの投入熱量割合を増加でき、結果として従来よりもプラント熱効率を高めることができる。また、空気分離装置から得られる約１００℃以下の比較的低温の窒素ガスを、生成ガス３１と熱交換させることにより、ガス精製設備４へ入る生成ガス３１の温度をガス精製プロセスの制限温度以下まで低下させることが可能となり、従来技術でガス精製設備４に前置していたガス／ガス熱交換器を不要にした。必要な場合であっても小型な熱交換器を付設するだけで良い。さらに、インタクーラ５０で冷却した抽気空気５４をとることにより、ガス化複合発電プラントにおけるガスタービン系での熱損失を少なくし、別設の大型の熱交換器を設置せずともプラント熱効率を高めることが可能となる。
【００５７】
図５は第４の実施例を示す。基本的には、熱回収ボイラは第３の実施例と同様の構造を用いることができる。すなわち、空気分離装置１で副生し加圧した窒素１２は、実施例３と同様に、熱回収ボイラ３の低温窒素熱交換器１１２に供給した後、ガス混合器１７に供給する。
【００５８】
第４の実施例が第３の実施例と異なる主な点は以下の点である。
【００５９】
熱回収ボイラ３に供給する給水２４を加熱する給水ヒータ２５を設置し、ガスタービンの圧縮機５１としてはインタクーラを保有しない通常のタイプであってよい。ガスタービンの圧縮機５１の抽気空気５４を給水ヒータ２５で熱交換して給水を加熱させ、その後空気分離装置１へ送るような経路を構成している。給水ヒータ２５に供給される給水２４は排熱回収ボイラ８で昇温された給水２４が提供されるようにすることができる。
【００６０】
また、空気分離装置１で副生し加圧した窒素１２は、例えば、熱回収ボイラ３の低温窒素熱交換器１１２に供給した後、加熱窒素３６としてガス混合器１７に供給する。
【００６１】
本実施例により、窒素１２を抽気空気５４との熱交換に使用できない場合であっても、抽気空気５４が保有する熱量を給水加熱に使用することにより、抽気空気５４の熱量損失を蒸気タービン系で回復できるので、給水ヒータ２５や抽気空気５４のための別設の熱交換源を用いず、プラントシステムの簡素化を図りつつ、プラント熱効率の低下を少なくすることができる。
【００６２】
図６は第５の実施例を示す。本実施例の基本的構成は、第１の実施例を用いることができる。
【００６３】
実施例５が第１の実施例と異なる主な点は以下の通りである。
【００６４】
ガスタービンの圧縮機５１の抽気空気５４の少なくとも一部を吹込空気２６として取り出し、空気に酸素を混合した酸素富化空気を酸化剤として用いるガス化炉２へ供給する経路を備え、前記吹込空気２６を酸素１１と共に吹き込む。抽気空気５４の残りを空気分離装置１へ送るような経路を構成する。
【００６５】
また、空気分離装置１で副生し加圧した窒素１２は、実施例３と同様に、熱回収ボイラ３の低温窒素熱交換器１１２に供給した後、加熱窒素３６としてガス混合器１７に供給する。
【００６６】
本実施例により、窒素１２を抽気空気５４との熱交換に使用できない場合であっても、抽気空気が保有する熱量の少なくとも一部をガス化炉２での燃焼に使用することにより、抽気空気５４の熱量損失の一部をガスタービンの燃料ガス系で回復できるので、別設の吹き込み空気２６用設備を備えなくとも、プラント熱効率の低下を少なくでき、高効率のプラントを構成することができる。
【００６７】
さて、これらの実施例によって、熱回収ボイラ３での吸熱による生成ガス顕熱の低下分をガスタービン入熱において回復させることによるプラント熱効率の向上、又は、ガスタービンの圧縮機５１より抽気し原料用空気の一部として空気分離装置へ導く抽気空気の熱損失を低減することによるプラント熱効率向上を、簡単な設備で得ることができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明により簡単な設備で高効率のガス化統合複合発電プラントを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のガス化統合複合発電プラントを示す略示図。
【図２】比較例のガス化複合発電プラントを示す略示図。
【図３】第２実施例のガス化統合複合発電プラントを示す略示図。
【図４】第３実施例のガス化統合複合発電プラントを示す略示図。
【図５】第４実施例のガス化統合複合発電プラントを示す略示図。
【図６】第５実施例のガス化統合複合発電プラントを示す略示図。
【図７】熱回収ボイラ３の具体的構成を示す略示図。
【符号の説明】
１…空気分離装置、２…ガス化炉、３…熱回収ボイラ、４…ガス精製設備、５…ガスタービン、６…蒸気タービン、７…発電機、８…排熱回収ボイラ、９…窒素加熱器、１３…ガス／ガス熱交換器、１７…ガス混合器、２１…石炭乾燥器、２２…蒸気ドラム、３５…高温窒素、５０…インタクーラ、５１…圧縮機、５２…燃焼器、５３…タービン、５４…抽気空気、５５…排気ガス。
Claims (7)
- 空気を取り込み酸素と窒素とに分離する空気分離装置と、該分離装置で分離された酸素と燃料とを供給するガス化炉と、該ガス化炉で生成した生成ガスを供給すると共に該生成ガスを熱源として蒸気を発生させる熱回収ボイラと、該熱回収ボイラを経た生成ガスを供給して精製するガス精製設備と、該ガス精製設備からの精製ガスを燃焼用ガスとするガスタービンとを有するガス化複合発電プラントにおいて、
前記空気分離装置で分離された窒素が供給されて加熱される加熱装置を備えると共に、前記熱回収ボイラは前記加熱装置で加熱された窒素が供給される窒素熱交換装置を有することを特徴とするガス化統合複合発電プラント。 - 空気を取り込み酸素と窒素とに分離する空気分離装置と、該分離装置で分離された酸素と燃料とを供給するガス化炉と、該ガス化炉で生成した生成ガスを供給すると共に該生成ガスを熱源として蒸気を発生させる熱回収ボイラと、該熱回収ボイラを経た生成ガスを供給して精製するガス精製設備と、該ガス精製設備からの精製ガスを燃焼用ガスとするガスタービンとを有するガス化複合発電プラントにおいて、
前記空気分離装置で分離された窒素が予め加熱された後に供給されて加熱される窒素熱交換装置を前記熱回収ボイラ内に設置することを特徴とするガス化統合複合発電プラント。 - 請求項１のガス化統合複合発電プラントにおいて、
前記熱回収ボイラは、給水が供給される節炭器と、該節炭器を経た水が供給される蒸発器と、該蒸発器を経た蒸気が供給される過熱器とを有し、前記窒素熱交換装置が前記蒸発器よりガス流れに対して上流側に設置されることを特徴とするガス化統合複合発電プラント。 - 請求項１のガス化統合複合発電プラントにおいて、
前記熱回収ボイラは、給水が供給される節炭器と、該節炭器を経た水が供給される蒸発器と、該蒸発器を経た蒸気が供給される過熱器とを有し、前記蒸発器から出る蒸気の温度より高い窒素が前記窒素熱交換装置に供給されるよう構成されていることを特徴とするガス化統合複合発電プラント。 - 請求項１のガス化統合複合発電プラントにおいて、
前記窒素熱交換装置を経た窒素は燃焼器へ供給されることを特徴とするガス化統合複合発電プラント。 - 請求項１のガス化統合複合発電プラントにおいて、
前記窒素熱交換装置を経た窒素と前記ガス精製設備から排出される精製ガスとを混合する混合器を設置することを特徴とするガス化統合複合発電プラント。 - 請求項１のガス化統合複合発電プラントにおいて、
前記加熱装置には、熱源として前記ガスタービンに設置される圧縮機の抽気が供給されると共に、前記加熱器を経た前記抽気は前記空気分離器に供給されることを特徴とするガス化統合複合発電プラント。
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