JP3764649B2 - 改質型ガス化ガス発電プラントおよびその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化して得られるガス化ガス燃料を乾式ガス精製して用いる改質型ガス化ガス発電プラントおよびその運転方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、フュエルＮＯxの生成源となるガス化ガス燃料中の窒素化合物を燃焼器内の熱または排ガスの熱を利用して窒素に分解することにより、ＮＯx低減化を図ることを主眼とした改質型ガス化ガス発電プラントおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス化複合発電プラントは、ガス化ガス燃料をガスタービン燃焼器で燃焼させて得た高温高圧の燃焼ガスを用いてガスタービンを駆動し発電する一方、更にガスタービンから排出される燃焼ガスを用いて蒸気を発生させこの蒸気で蒸気タービンを駆動して発電させるように設けられている。この発電プラントのガスタービンではガスタービン入口温度を上昇させるとガスタービン熱効率が向上するため、ガスタービン入口温度すなわちガスタービン燃焼器の出口温度の上昇を図ることによって発電プラントの高効率化が図られている。
【０００３】
ところで、ガス化複合発電プラントでは、石炭、重質油などをガス化炉でガス化したガス化ガス燃料が使用される。このガス化ガス燃料は、石炭や重質油などをガス化剤（空気または酸素）と共にガス化炉に投入してガス化することによって得られるガス化炉生成ガス（粗生成ガス）を、ガス精製装置により精製（脱硫・集塵）してガス化精製ガスにしたものである。石炭をガス化した石炭ガス化燃料の場合はガス化剤並びにガス化炉の形式により燃料組成や発熱量は異なるが、例えば表１に示すように空気吹きガス化炉では燃料発熱量が約４MJ/Nm３程度の低カロリーのガス化燃料、酸素吹きガス化炉では燃料発熱量が約１０〜１３MJ／Nm３の中カロリーのガス化燃料が生成され、その燃料組成のうち可燃性成分は水素と一酸化炭素とが大部分を占め、一部メタン（ＣＨ４）が僅かに（0.01〜0.5％）含まれる。また、このガス化ガス燃料中には、アンモニアに代表される窒素化合物が除去されずに残留している。
【表１】
このため、ガス化ガス燃料中の窒素化合物が燃焼過程で多量のフュエルＮＯxを発生することとなり、これが発電プラントから排出されるＮＯｘの大半を占める。このガス化ガス燃料中の窒素化合物は、湿式ガス精製法を採用することにより容易に除去することができる。しかし、この湿式ガス精製法は、ガス化炉生成ガスを２００℃以下に冷して水洗し、更に有機溶媒の中を通すことにより集塵・脱硫を行うことから、環境対策上優れたものではあるが、浄化された石炭ガス化ガスが４０℃程度に冷えてしまい、発電プラントの熱効率を４０％以下とする問題を有している。
【０００４】
そこで、熱効率が高い石炭ガス化複合発電の特徴を最大限に活かすには、ガス化炉で生成するガスを高温高圧のまま脱硫・集塵する乾式精製が望まれる。この乾式精製によれば、ガス化炉生成ガスを４００〜５００℃で精製することによって４５％程度の送電端効率（一層のプラント熱効率向上およびプラント構成システムの簡素化によるコスト低減等）が期待される。そして、この乾式ガス精製を採用しながらフュエルＮＯｘの精製を抑制できる燃焼方法や前処理が望まれている。
【０００５】
従来、乾式ガス精製を採用する空気吹きガス化複合発電プラントにおいてフュエルＮＯｘの抑制技術としては、ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流部を燃料過剰条件としてフュエルＮＯxの生成を抑制しようとするものがある（例えば、1997年のASME（The American Society of Mechanical Engineers）の文献の97-GT-277に示される）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流部を燃料過剰条件とする二段燃焼法によると、フュエルＮＯxの低減効果は燃料組成に大きく影響を受け、ＣＨ４濃度が高くなるに従って燃料過剰状態が却ってＮＨ３からＮＯｘへの転換率を上げる結果となってしまい、湿式ガス精製を採用した場合と比較して依然としてＮＯx排出量が多いという問題がある。
【０００７】
また、現在、実用化が検討される酸素吹きガス化複合発電プラントに乾式ガス精製を採用した場合では、空気から酸素を分離・製造した後に残る窒素をガス化ガス燃料に混合することにより、火炎温度を下げて空気中の窒素に起因して生成されるサーマルＮＯxを抑制する方法が採用されている。しかし、火炎温度を下げるだけでは、サーマルＮＯｘの抑制には効果的でもフュエルＮＯxの抑制については効果がない。また、窒素を燃焼用空気に混合して燃焼室に供給する方法も考えられているが、この場合にもサーマルＮＯxを抑制する方法としては効果的ではあるが、フュエルＮＯxを抑制することはできない。
【０００８】
本発明は、ガス化ガス燃料中の窒素化合物に起因して発生するフュエルＮＯxを抑制することができ、さらには重質油あるいは石炭等をガス化する複合発電プラントの一層の熱効率向上およびプラント構成システムの簡素化によるコスト低減等を達成できる改質型ガス化ガス発電プラントおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化炉でガス化し乾式精製した後に燃料改質部で改質することによって得られたガス化ガス燃料を主燃料として燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、ガスタービンに結合されて電力を出力する発電機とを少なくとも含む発電プラントにおいて、燃料改質部が低温触媒を備え窒素酸化物と空気または酸素を供給して、ガス化ガス燃料中の窒素化合物と燃料改質部にて供給した窒素酸化物を窒素に分解し、且つ、ガスタービンの全作動負荷条件範囲において燃焼室の上流部を燃料過剰条件とすることにより、還元燃焼させるか若しくは燃料改質部で分解されずにガス化ガス燃料中に残留した窒素化合物を酸素と窒素酸化物の存在下に窒素酸化物と選択反応させて燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制するようにしている。
【００１０】
したがって、低温触媒改質部で触媒によりタービン排ガスのような比較的低温の熱源でもＮＨ３の分解反応を起こさせることから、微量のＮＯとＯ２の供給により、ＮＨ３＋ＮＯ＋３／４Ｏ２→Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏの還元反応を起こして燃料中のＮＨ３を分解する。
【００１１】
また、燃料中に分解されずにＮＨ３が残っていたとしても、燃焼室の燃料過剰条件とされた上流部で、Ｏ２とＮＯの存在下に燃焼熱を受けてＮＨ３とＮＯとが選択反応し、即ち燃焼反応ではなく還元反応（無触媒還元反応）を起こし、燃料中に残存する窒素化合物が窒素酸化物に転換してから燃焼するので、燃焼過程で酸化されてＮＯｘへ転換するのを抑制する。例えば、図１１に示す実験結果から明らかなように、１０００℃の温度条件下ではＮＨ３が１０００ｐｐｍ含まれる場合にＮＯを１０００ｐｐｍ注入すると、ＮＨ３とＮＯの合計量２０００ｐｐｍが６００ｐｐｍ（ＴＦＮ）まで減少した。しかも、拡散燃焼の採用により安定燃焼を確保できる。更に、乾式精製を可能とするためプラントの熱効率の低下を招くことがない。
【００１２】
ここで、ＮＨ３からＮＯｘへの転換率は燃料中のＣＨ４濃度に大きく影響されることが本発明者等による実験から判明した（図１０参照）。一般には当量比を燃料過剰にすれば前述の転換率は低下するのであるが、ＣＨ４を含むガス化ガス燃料ではＣＨ４濃度が高くなるに従って燃料過剰状態が却って転換率を上げることを知見した。そこで、燃料組成に応じた適切な燃料過剰状態が必要となる。一般には、石炭ガス化ガス燃料ではＣＨ４は１％以下、多くは０．５〜０．００１％であるので、当量比は１以上、好ましくは１〜２．５、最も好ましくは１．５〜２．０程度の範囲で燃料過剰状態であることが好ましい。
【００１３】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、低温触媒を用いる燃料改質部にガス化炉における高温ガス化ガスの熱またはガスタービンから排出される高温排気ガスの熱を供給して触媒反応の熱源に利用するようにしたものである。この場合、ガス化炉で発生した高温ガス化ガスあるいはガスタービンを回転させた後の排ガスを燃料改質部に導入して触媒反応の熱源として利用することができるので、新たな熱源を用意する必要が無く発電プラント全体の熱効率を上げることができる。しかも、ガスタービンから排出されるガスあるいはガス化ガスの温度レベルで作動する低温触媒の利用は、触媒の寿命を長くすると共に安価な触媒の選択を可能とし、プラント建設コストおよび運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、低温触媒を用いる燃料改質部をガスタービン燃焼器内例えば燃焼室の上流部、または燃焼器内筒と外筒の間の流路、または燃焼器尾筒外周部のいずれかに設けるようにしている。この場合には、ガスタービン燃焼器内で発生するガス温度レベルで作動する低温触媒を利用することができる。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、請求項１に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、低温触媒を用いる燃料改質部をタービン静翼内部に設けたものである。この場合、触媒反応で必要とする熱がタービン静翼から得られると同時に、タービン静翼が冷却される。このため、タービン静翼の冷却のために圧縮機の空気を使用する必要がなく、プラント熱効率の向上が図れる。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、燃料改質部へ供給する窒素酸化物の量を制御するようにしている。この場合、燃料改質部へ供給する窒素酸化物の供給量を、ガスタービン燃焼器での燃焼に供されるまでに分解しきってガス化ガス燃料中に残らない程度の量に調整することができる。
【００１７】
また、請求項６記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガス化ガス燃料の一部を、低温触媒を有する燃料改質部とは別の改質部に導入してその中に含まれる窒素化合物を追い焚きあるいは触媒反応による反応制御の下で全量酸化して窒素酸化物にし、この窒素酸化物を使って低温触媒を有する燃料改質部にて残りのガス化ガス燃料中の窒素酸化物の還元分解反応を行うようにしている。この場合、ガス化ガス燃料中の窒素化合物の一部例えば１／２程度を別の燃料改質部に導いて空気または酸素の下で全量酸化して窒素酸化物を得、これを利用して残りのガス化燃料の窒素化合物を低温触媒を有する燃料改質部内で窒素に還元させることができる。したがって、窒素化合物の低温触媒還元量を元の半分程度にすることができる。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、燃焼室の上流端から直接当該燃焼室内へ窒素を供給する第１の窒素供給系統と、ガスタービン燃焼器内で燃焼室内へ噴出される前の燃焼用空気中へ窒素を噴出して混合させ主に燃焼室の下流側に噴出させる第２の窒素供給系統とを有し、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその濃度が所定量以下になるように、第１及び第２の窒素供給系統への窒素供給割合を制御する制御手段を有するようにしている。本発明によれば、フュエルＮＯxの低減と同時に、燃焼安定性を確保しつつサーマルＮＯxをも同時に低減できる。
【００１９】
請求項８記載の発明は、請求項６に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、２つの燃料改質部へのガス化ガス燃料の供給割合を制御するようにしている。これにより、ガスタービン燃焼器内での無触媒還元反応を含めて窒素化合物を分解するのに必要なだけの窒素酸化物を供給または生成するようにして過剰な窒素酸化物の供給を防ぐことができる。
【００２０】
請求項９記載の発明は、請求項７記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガスタービン燃焼器への窒素の供給は、起動用燃料並びにガス化ガス燃料による安定燃焼時には第１の窒素供給系統から行われ、起動用燃料からガス化ガス燃料へ切り替える時及びガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には第２の窒素供給系統から行われ、かつガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその値が所定の値を超える時には第２の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させ、所定値以下の場合にはガスタービン負荷の上昇に伴って第１の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させるように第１の窒素系統と第２の窒素供給系統との間での窒素供給割合を漸次変えながら窒素供給位置を切り替えるようにしている。この運転方法によると、フュエルＮＯxを低減できると同時に、燃焼室内への窒素の供給により火炎温度を下げてサーマルＮＯxを低減できる。しかも、火炎温度が高く火炎安定性に優れる起動用燃料並びにガス化ガス燃料による安定燃焼時には、ほぼ全量が第１の窒素供給系から燃焼室上流部に供給される窒素によって火炎の温度が下げられてサーマルＮＯｘの発生が抑制され、火炎温度が低くかつ火炎位置が変化して燃焼が不安定となり易い起動用燃料からガス化ガス燃料への切り替え時並びにガス化ガス燃料による低負荷燃焼時にはほぼ全量の窒素が第２窒素供給系から供給されて燃焼室上流部に集中せずに燃焼室全体に分散させられることから、燃焼室上流部での燃焼温度を低下させずに火炎安定性を維持しながら燃焼ガス全体の温度を下げてサーマルＮＯｘの発生を抑制することができる。しかも、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度が監視されてその値が所定の値以下になるように第１の窒素供給系統と第２の窒素供給系統への窒素供給割合を制御することにより燃焼安定性を確保することができる。即ち、ガスタービン負荷の上昇に伴って上がる火炎温度を下げるため、第２の窒素供給系統への窒素のバイパス量が減らされて第１の窒素供給系統への供給量が増やされるが、未燃の燃料成分が所定値を超えたときには第２の窒素供給系統へのバイパス量が増やされることによって火炎温度の下げ過ぎが防がれて安定燃焼が確保される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
本発明の改質型ガス化ガス発電プラントは、空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化すると共に乾式精製した後に燃料改質部で改質することによって得られたガス化ガス燃料を主燃料として燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、ガスタービンに結合されて電力を出力する発電機とを少なくとも含むものである。
【００２３】
ここで、燃料改質部は、独立した装置としての形態をとる必要はなく、他の装置や機器類に組み込んだりしても良い。この燃料改質部は、低温触媒を備え、微量の窒素酸化物と窒素化合物を還元分解反応させるのに必要とされる以上の空気または酸素の供給によって触媒により低温例えばガス化炉における高温ガス化ガスの熱またはガスタービンから排出される高温排気ガスの熱で窒素化合物例えばＮＨ３の分解反応を起こさせ、ガス化ガス燃料中の窒素化合物と供給した窒素酸化物とを窒素に分解するものである。この燃料改質部での反応には、ＨＣＮなども生じていると思われるが極めて微量か反応途中過程であることから、実質的にはＮＨ３をＮ２に還元させる反応で占められる。
【００２４】
この燃料改質部へのＮＯの注入量は、理論的には窒素化合物と同量であることが好ましい。実際には燃料改質部内を通過する間に完全に攪拌することは困難であるため、窒素化合物よりも多めに供給されることが考えられる。しかし、発電システム系外からＮＯを生成して供給することはコストがかかるしタービン排ガスを利用する発電システムの熱効率が低下することとなり、いずれも不経済である。また、理論量以上注入しても、注入位置や滞留時間との関係で混合が不十分となり窒素化合物や窒素酸化物が分解し切れずに残ることが考えられる。このため、ＮＯの注入量は少ない方が経済的には好ましい。そこで、ＮＯの注入量はシステム全体で２倍以内、好ましくは１．５倍以内、最も好ましくは１倍以内にすることである。更に、窒素酸化物の注入回数は、特に限定されるものではなく、多段注入が効果が高い場合もあるし、１段注入が効果が高い場合もある。これは、滞留時間とガス中の共存成分に因るところが大きい。即ち、無触媒脱硝反応を阻害する成分がある場合には、滞留時間は長くする必要があり、多段注入は事実上無理になる。逆に、無触媒脱硝反応を促進する成分が含まれる場合には、ＮＯの多段注入は効果的であると考えられる。ただし、負荷変動があるような実際の発電プラントでは、化学プラントと異なり反応を制御することが難しいので、多段注入は効果的である。例えば、窒素化合物の０．３倍〜０．５倍程度の窒素酸化物の注入する場合には１〜２秒で注入ＮＯの殆どを分解しながら２割〜３割位の窒素化合物を分解できるが、一度に大量に注入しても分解し切れないので、２段以上に分けて注入することが好ましい。この場合、各段でのＮＯ注入を注入ＮＯが完全に０ｐｐｍとなる反応が期待できる量としてそれを多段で繰り返すことが好ましい。例えば、ＮＨ３（窒素化合物）の０．３倍のＮＯ（窒素酸化物）を供給すると、図１１に示す実験結果から明らかなように、ＮＨ３は１０００ｐｐｍから８００ｐｐｍへと、ＮＯは３００ｐｐｍから０ｐｐｍへと反応する。そこで、この注入を繰り返すことによって、ＮＨ３は１０００ｐｐｍ→８００ｐｐｍ→６４０ｐｐｍ→５１２ｐｐｍと分解され、かつＮＯは全ての段階で０ｐｐｍであったことから、ＮＨ３＋ＮＯ＝５１２ｐｐｍとなる。１回でＮＨ３とＮＯを同量注入して、ＮＨ３＋ＮＯ＝６００ｐｐｍ と分解する場合よりもＮＯｘを低減できる。
【００２５】
また、窒素化合物のＮＨ３＋ＮＯ＋３／４Ｏ２→Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏの還元分解反応に要する酸素量は、程度にもよるが多ければ多いほど反応が進むことが本発明者等の実験によって分かった。実験によれば、ＮＨ３の０〜２０倍まで酸素濃度を変化させた場合、酸素濃度が高い・多い程反応が進んだ。しかし、過剰な酸素の存在はアンモニアＮＨ３の酸化反応を促進させたり、酸素製造設備の増強が必要であるため好ましくない。そこで、酸素は一定以上、例えばＮＨ３の５倍程度であれば良い。尚、低温触媒としては、ガス化炉における高温ガス化ガスの熱またはガスタービンから排出される高温排気ガスの熱を触媒反応の熱源に利用できる程度のもので、一般には選択還元触媒が使用される。
【００２６】
この燃料改質部は、ガス化炉における高温ガス化ガスまたはガスタービンから排出される高温排気ガスを導入してその熱を触媒反応の熱源として利用したり、あるいは燃料改質部そのものを燃焼器内の燃焼室上流部または燃焼器内筒と外筒の間、若しくは燃焼器尾筒外周部のいずれかに設けてこれら設備から直接受ける熱を利用したり、若しくはガスタービンの静翼を冷却する熱媒体等との間で熱交換することで得られる熱を利用するようにすることが発電システムの熱効率を向上させる上で好ましい。例えば、精製装置の下流に燃料改質装置として設置してガスタービンからの排気ガスやガス化炉からのガス化炉壁を水冷した後の熱・蒸気を導入して間接熱交換あるいは直接熱交換を行う場合ばかりでなく、場合によってはガスタービン燃焼器内やガスタービン静翼などに直接組み込まれることもある。例えば、ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流部または燃焼器内筒と外筒の間の流路、若しくは燃焼器尾筒外周部のいずれかに設けたり、ガスタービンのタービン翼内部に設けることが可能である。ここで、燃料改質部に供給されるガス化ガス燃料は、低温触媒を利用するため、前もって脱塵を行っておくことが望ましいが、脱硫についてはこの限りではなく、前もって処理することが好ましいのであるがシステムの熱効率を考慮するとさまざまなケースが考えられることから必ずしも前に処理しなければならないものでもない。
【００２７】
尚、燃料改質部へ供給する窒素酸化物は、特定の設備から供給されるものに限定されるものではなく、例えばガスタービンから排出される燃焼排ガス中に存在する窒素酸化物（ＮＯｘ）あるいはガス化ガス燃料中の窒素化合物（主にＮＨ３）の一部を酸化して窒素酸化物に変換したもの若しくは別の設備から導入する窒素酸化物のいずれでも利用可能である。ガスタービンから排出される燃焼排ガスを燃料改質部に導入することによって排ガス中に存在する窒素酸化物・ＮＯｘ及び酸素を反応に利用するようにしている。または、低温触媒を備える第１の燃料改質部とは別の燃料改質部、即ち追い焚き機能あるいは酸化触媒を備えている第２の燃料改質部を備え、ガス化ガス燃料の一部例えば１/２程度を第２の燃料改質部に導入してその中に含まれる窒素化合物を全量酸化して窒素酸化物にし、この窒素酸化物を使って残りの１／２程度のガス化ガス燃料を第１の燃料改質部で改質してその中の窒素化合物の還元分解反応を行うようにしても良い。この場合には、追い焚きや触媒による反応制御によってＮＨ３をＮＯとする反応が起こるが、場合によってはＮ２Ｏが生じることもある。しかし、Ｎ２Ｏが生成される条件は狭いので、条件を制御することによってＮ２Ｏの生成を抑えることができる。またガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、燃料改質部へ供給する窒素酸化物の量を直接制御したり、ガス化ガス燃料の２つの燃料改質部への供給割合を制御する制御手段（図示省略）を設けて一方の燃料改質部で生成される窒素酸化物の量を調整して窒素酸化物の過剰供給を防ぐことが好ましい。また、燃料改質部へ供給される酸素についても同様で、特定の設備から供給されるものに限定されるものではなく、例えば空気からガス化炉へ供給するための酸素を分離する酸素製造装置から得られる酸素や、別の設備から導入される酸素を利用するようにしても良い。
【００２８】
また、ガスタービンはその全作動負荷条件範囲において燃焼室の上流部を燃料過剰条件とすることにより、燃料改質部で分解されずにガス化ガス燃料中に残留した窒素化合物を僅かな酸素と窒素酸化物の存在下に窒素酸化物と選択反応させて燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制する。ここで、窒素化合物が窒素酸化物（ＮＯｘ）に転換する率（Ｃ．Ｒ．％）は、燃料中のＣＨ４の量に影響される。即ち、ＣＨ４を含むガス化ガス燃料の場合、ＮＨ３とＣＨ４とが反応してＨＣＮが生成され、二段燃焼の際にＮＨ３がＮ２に分解するのを妨げる（ＣＨ４がなければＮ２に分解していたものが、一部がＨＣＮとなりこれは殆どＮＯｘになる）。そこで、燃焼器上流部でＮＨ３とＮＯとを選択反応させ、ＮＨ３をＮ２に分解するには、一次燃焼領域の当量比を転換率を最小にする値に設定する必要がある。一般に、ガス化ガス燃料中のＣＨ４は１％以下、多くは０．５〜０．００１％であるので、図１０に示すように当量比は１以上、好ましくは１〜２．５、最も好ましくは１．５〜２．０程度の範囲で燃料過剰状態とすることが好ましい。
【００２９】
尚、ガスタービン燃焼器への窒素の供給は、空気分離装置から供給される窒素を２系統に分けて、燃焼室の上流端から直接当該燃焼室内へ窒素を供給する第１の窒素供給系統と、ガスタービン燃焼器内で燃焼室内へ噴出される前の燃焼用空気中へ窒素を噴出して混合させ主に燃焼室の下流側に噴出させる第２の窒素供給系統とを備え、ガスタービンの負荷変化に伴い、第１の窒素供給系統と第２の窒素供給系統とを切り替えあるいは併用してガスタービン燃焼器への窒素の供給位置を調整可能とすることが好ましい。例えば、燃焼器に供給される窒素を、起動用燃料並びにガス化ガス燃料による安定燃焼時には第１の窒素供給系統から供給し、起動用燃料からガス化ガス燃料へ切り替える時及びガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には第２の窒素供給系統から主に供給するようにしている。そして、窒素供給位置の切り替えは、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその値が所定の値を超える時には第２の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させ、所定値以下の場合にはガスタービン負荷の上昇に伴って第１の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させ第２の窒素供給系統へ供給する窒素流量を減らすように第１の窒素系統と第２の窒素供給系統との間での窒素供給割合を漸次変える制御が行われる。この窒素供給割合の制御は、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度に着目して行うことが好ましい。即ち、ガスタービン負荷の低い状態では窒素供給により火炎温度が下がり過ぎ、未燃燃料成分の排出が懸念される。即ち、未燃燃料成分が出るということは、火炎温度が下がり過ぎていることになる。そこで第２の窒素供給系統に窒素の一部あるいは全部をバイパスさせることによって火炎温度を下げ過ぎないように制御して燃焼安定性を確保する。
【００３０】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本発明の説明を複合発電システムに適用した場合を例に挙げて主に説明しているがこれに特に限定されるものではなく、蒸気タービン発電システムを含まないガスタービンだけの発電システムに適用することも効果的である。
【００３１】
《実施形態１》
図１に本発明を改質型ガス化複合発電システムの第１の実施形態を示す。この実施形態のガス化ガス燃料改質型複合発電プラントは、酸素製造装置２で空気から分離生成した酸素ＡＯ２を主成分とした酸化剤によって重質油あるいは石炭Ｃをガス化するガス化炉３と、そのガス化ガスＣＧ１を乾式精製するガス精製装置５と、ガス化ガス燃料ＣＧ２中の窒素化合物を還元分解する燃料改質装置４と、ガス化ガス燃料ＣＧ３を燃焼させて得た高温・高圧の燃焼ガスでガスタービンを駆動して該ガスタービンに連結されている発電機１０を回転させて発電する圧縮機１、ガスタービン燃焼器６及びガスタービン７から成るガスタービン発電システムと、ガスタービン７から排出される高温の排気ガスＧの熱を利用して蒸気サイクルにより発電機１０を回転させて発電する廃熱回収ボイラ８、蒸気タービン９及び復水器１１から成る蒸気発電システムとで構成される。
【００３２】
ここで、燃料改質装置４は、低温触媒（図示省略）を備え、微量例えばガス化ガス燃料ＣＧ２中の窒素化合物とほぼ同量の窒素酸化物ＲＮＯと微量例えば窒素化合物の５倍程度の酸素ＡＯ２の供給によって、ガス化ガス燃料ＣＧ２中の窒素化合物と供給した窒素酸化物ＲＮＯとを窒素に分解するものである。窒素酸化物RNO及び酸素AO2の供給は、特定の設備からのものに限定されるものではないが、本実施形態では任意の設備から供給される窒素酸化物ＲＮＯと酸素製造装置からの微量の酸素ＡＯ２と共に、ガス化ガス燃料CG２の全量を燃料改質装置４に供給することにより、ガス化炉３内の適当な温度領域の熱を利用して、ガス化ガス燃料CG２中の窒素化合物と燃料改質装置４に供給した窒素酸化物ＲＮＯを低温触媒により窒素（Ｎ２）に分解する。燃料改質装置４はガス精製装置５の後に設置され脱塵・脱硫後のガス化ガス燃料を改質するようにしている。尚、低温触媒としては、ガスタービンからの排気ガスが保有する４００〜６００℃程度の比較的低温の熱を利用して触媒反応が起こり得る選択還元触媒の使用が好ましい。燃料改質装置４に窒素酸化物RNOを供給する設備としては、例えばガスタービン燃焼器６またはガスタービン７が好ましく、このガスタービン燃焼器６またはガスタービン７からの排出されるガスFGまたはG中の窒素酸化物ＲＮＯと熱を燃料改質装置４内での還元分解反応に利用することができる。即ち、燃料改質装置４内に直接排出ガスFG中を供給してガス化ガス燃料と混合することによって、排ガスFGまたはG中の窒素酸化物ＲＮＯと熱をＮＨ３に代表される窒素化合物の還元分解反応に供する。
【００３３】
また、ガスタービン燃焼器６は、例えば、図２に示すように、圧力容器である燃焼器外筒１３、燃焼用空気HARを燃焼室１４に導くためのフロースリーブ１５、燃焼室１４を囲む燃焼器内筒１６、燃料を供給し火炎１７を保持するための燃料ノズル１８、燃料ノズル１８を外筒１３に固定するヘッドエンド部３５、燃焼室１４で燃焼したガスFGをガスタービン７に案内する燃焼器尾筒１９とから構成され、その全作動負荷条件範囲において燃焼室１４の上流部を燃料過剰条件とすることにより、燃料改質装置４で分解されずにガス化ガス燃料ＣＧ３中に残留した窒素化合物例えばＮＨ３を窒素酸化物（ＮＯ）と選択反応させて燃焼室１４内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制可能とされている。
【００３４】
燃焼器内筒１６には、燃焼器外筒１３との間の流路３６と燃焼室１４とを連通する燃焼空気孔２０が設けられ、圧縮機１から供給される燃焼用空気ＨＡＲが燃焼室１４の周りの空気孔２０、空気旋回器３２及びアトマイズ空気噴孔（図示省略）から噴出されるように設けられている。燃焼用空気孔２０は、燃焼室１４の上流域から離れた後半に、軸方向並びに周方向へ複数設けられており、圧縮機１から吐出される高圧空気HARを燃焼室１４の下流域に優先的に供給するように設けられている。そして、全作動負荷条件で、燃焼室１４の上流域を燃料過剰（当量比以上でフュエルＮＯxの生成を抑制する）条件とすることにより、ガス化ガス燃料CG３中の残留窒素化合物を僅かな酸素と窒素酸化物の存在下に窒素酸化物と選択反応させて還元反応により窒素（Ｎ２）を生成し、燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制するようにしている。これによりガス化ガス燃料CG２中の窒素化合物に起因して生成されるフュエルＮＯxを抑制することができる。さらに、軸方向下流に向かうに従って燃焼空気孔２０から燃焼用空気HARを供給し、燃焼器６の出口での未燃分を一定量以下に抑制する（図３参照）。
【００３５】
バーナは、起動用液体燃料２１を霧化して噴射するアトマイズ空気噴孔（図示省略）を備えたノズル２２と、ガス化ガスCG３を供給するためのガス化ガス燃料ノズル１８並びに旋回器２３と、窒素AN２を燃焼室１４に供給するための窒素噴射ノズル２４並びに旋回器２５とから成り、それらを同軸上に組み合わせることにより構成され、ガスタービン燃焼器６の上流端の中心軸上に配置される。このバーナは、燃料、空気、窒素およびそれらの混合ガスを旋回させながら供給することで、燃焼室１４の上流部のノズル出口付近に安定した火炎１７を形成させる。また、窒素噴孔たる旋回器２５を燃料ノズル１８の周りに設けて、火炎１７の存在する燃焼室１４の上流部の高温領域に窒素AN２を供給することで、燃焼室１４の上流部をガス化ガス燃料の過剰条件としている状態を保ちながら、高温領域のガス温度を低下させることができ、フュエルＮＯxと同時に、サーマルＮＯxも低減することが可能である。
【００３６】
次に、以上のように構成された改質型ガス化複合発電システムの運転方法を説明する。尚、本システムは酸化剤として酸素を使用するものである。
【００３７】
まず、始動時には、外部動力によって駆動された圧縮機１で高圧とされた空気HARを例えば図２に示すガスタービン燃焼器６に供給し、起動用燃料２１を用いて燃焼させる。この燃焼ガスを燃焼器尾筒１９を経てガスタービン７に導入することによって、ガスタービン７を駆動する。ガスタービン７が昇速してガスタービン７の無負荷定格回転数に達した後、発電機１０を併入し、徐々に負荷をとり始める。
【００３８】
一方、ガス化炉３に必要な酸化剤AO２は、酸素製造装置２にて生成される。酸素製造装置２では、圧縮機１か、あるいは図示しないバックアップ用圧縮機より抽気される高圧空気HARから窒素AN２を分離することによって酸素AO２が得られる。そして、酸素AO２はガス化炉３へ、窒素AN２はガスタービン燃焼器６へそれぞれ供給される。ガス化炉３では酸素AO２の供給により石炭Cを酸化してガス化ガス（ガス化炉生成ガス）CG１を発生する。さらにガス精製装置５により脱塵、脱硫してガス化ガス燃料CG２を得た後、燃料改質装置４において含有窒素化合物を分解除去してガスタービン燃焼器６に供給するガス化ガス燃料CG３を生成する。ガス化炉３の負荷が上昇してある程度以上の品位のガス化ガスCG１が製造されるようになると、起動用燃料２１とガス化ガス燃料CG３とを切り替えてガスタービン燃焼器６を運転し、所望の燃焼ガスを得てガスタービンを駆動する。その後、さらにプラント負荷を上昇させ、主に定格条件にて運転する。
【００３９】
また、ガスタービン７の高温排気ガスGは、廃熱回収ボイラ８で給水FWに熱を受け渡し、発生した水蒸気STを蒸気タービン９に導入してこれを駆動し、発電機１０を回して発電させる。廃熱回収ボイラ８を通過した排気ガスは煙突１２から排気される。
【００４０】
このような構造を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化複合発電プラントの全作動負荷範囲内において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、サーマルＮＯxおよびフュエルＮＯxを低減することが可能となる。
【００４１】
《実施形態２》
図４に本発明の発電プラントの第２の実施形態であるガス化ガス燃料改質型複合発電用ガスタービンプラントの概略構成を示す。この実施形態は、低温触媒（図示省略）を備える燃料改質装置４をガスタービン燃焼器内例えば燃焼室１４の上流部あるいは燃焼器内筒１６と外筒１３との間の流路３６、または尾筒１９の外周部（尾筒１９の外面に接するように据え付ける）のいずれかの１カ所あるいは複数箇所に設置し、直接ガスタービン燃焼器６の内部で発生する熱を低温触媒反応の熱源として利用するようにしたものである。この場合、ガスタービン燃焼器６内は確実に触媒の作動温度条件にまで昇温する。しかも、燃料改質装置４を設置する場所をとらず、また配管なども簡略化できるのでプラントシステムを簡素な構造とできる。そして、この実施形態の場合にも第１の実施形態と同様にフュエルＮＯｘをプラント熱効率を下げずに低減できる。
【００４２】
《実施形態３》
図５に本発明の発電プラントの第３の実施形態を示す。この実施形態は、低温触媒を備える燃料改質装置４をタービン静翼内部に設けたものである。この場合、燃料改質装置４を設置する場所をとらず、また配管なども簡略化できるのでプラントシステムを簡素な構造とできる。そして、この実施形態の場合にも実施形態１と同様にフュエルＮＯｘをプラント熱効率を下げずに低減できる。
【００４３】
また、上記低温改質触媒をガスタービン７の静翼に設置した場合、タービン翼の冷却に圧縮機１の空気を使用する必要がなく、使用空気量が低下するため、相対的にプラント熱効率の向上が図れる。
【００４４】
《実施形態４》
図６に本発明の発電プラントの第４の実施形態を示す。この実施形態の発電プラントは、ガス化ガス燃料の一部（例えばほぼ１／２）を使ってＮＨ３ガスの還元分解反応に必要な窒素酸化物（ＮＯ）を供給するようにしたものである。即ち、ガス化ガス燃料ＣＧ２をほぼ２分し、一方のガス燃料ＣＧ４をそのまま燃焼器６へ供給すると共に他方のガス燃料を低温触媒を備える燃料改質装置４とは別の燃料改質装置４４へ微量の酸素ＡＯ２と共に導入して追い焚きあるいは触媒による制御の下でＮＯに変換し、低温触媒反応で必要な微量の窒素酸化物即ち窒素化合物と同量の窒素酸化物（ＮＯ）をガス化ガス燃料ＣＧ２そのものから得るようにしたものである。
【００４５】
ガス化ガス燃料ＣＧ２のほぼ１/２の量について、燃料改質装置４４にて窒素化合物の酸化反応に必要な量の空気または酸素を供給してガス化ガス燃料CG２中の窒素化合物を窒素酸化物にほぼ全量酸化したガスCG３を、改質しないガス化ガス燃料CG４と予混合した後、この予混合ガスCG５を図４に示すガスタービン燃焼器６内の低温触媒の存在する領域あるいは図５に示すタービン静翼内の低温触媒の存在する領域即ち低温触媒を備える燃料改質装置４に供給して、ＮＨ３の還元分解反応を起こさせてから燃料ノズル１８から燃料旋回器２３を通して燃焼室１４に供給し燃焼させる。同時に燃料ノズルボディー３０に開口した燃焼室１４の上流端の空気旋回器３２、アトマイズ空気噴孔（図示省略）および窒素噴射ノズル２４から燃焼用空気ＨＡＲおよび酸素製造装置２から供給される窒素AN２をそれぞれ供給することにより、燃焼室１４内に低温で且つ安定した火炎１７を形成させる。また、燃焼室１４の上流部では、燃料過剰条件とされており、混合ガス化ガス燃料CG５中に還元分解しきれずに残存する窒素酸化物と窒素化合物を空気中の酸素と火炎１７内で選択反応させ、それぞれを窒素に還元分解することを図っている。
【００４６】
この実施形態の場合、燃料改質装置４の容量を酸化する分を除いた量例えば約１/２とすることができるのでプラント建設コストおよび運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００４７】
尚、本実施形態では、１／２程度の未改質のガス化ガス燃料ＣＧ４と１／２程度の燃料改質して含有する窒素化合物を窒素酸化物に変換しているガス化ガス燃料ＣＧ３とを予混合してから燃焼器６内の燃料改質装置４に供給するようにしているがこれに特に限定されず、実施形態１のガス化複合発電プラントに記載したように、第１の燃料改質装置４と第２の燃料改質装置４４とをそれぞれガス精製装置５の後に設置して、そこに精製後のガス化ガス燃料を２分して供給するようにしても良いし、ガス化炉３内部、廃熱回収ボイラ８の前後あるいはタービン静翼内部などに燃料改質装置４を設置するようにしても良い。
【００４８】
《実施形態５》
図７に本発明の発電プラントの第５の実施形態を示す。この実施形態のガス化複合発電プラントは、第４の実施形態と同様に、ガス化ガス燃料の一部を使って窒素化合物の還元分解反応に必要な窒素酸化物を供給するようにしたものである。即ち、このプラントは、低温触媒を利用して窒素化合物を還元分解反応する第１の燃料改質装置４と、窒素化合物を酸化反応させて窒素酸化物を得る第２の燃料改質装置４４とを備え、ガス化ガス燃料ＣＧ２の一部例えば１／２程度を第２の燃料改質装置４４に導入してその中に含まれる窒素化合物を微量の空気または酸素の元に全量酸化して窒素酸化物にし、この改質ガスＣＧ３の窒素酸化物を使って残りの１／２程度のガス化ガス燃料ＣＧ４を第１の燃料改質装置４で改質してその中の窒素化合物の還元分解反応を行うようにしている。そして、この第１及び第２の燃料改質装置４，４４へのガス化ガス燃料の供給割合は、ガスタービン７の出口での窒素酸化物濃度を制御手段としての排ガス分析計３８により監視してそれが一定量以下になるように電磁バルブ３９の開度を制御して第２の燃料改質装置４４を経ずに直接第１の燃料改質装置４へ供給されるガス化ガス燃料の量を制御するようにしている。例えば、ガス化ガス燃料を燃焼させてガスタービンを運転する無負荷定格回転数から定格負荷までの間のガスタービン負荷変化に伴い、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、第１及び第２の２つの燃料改質装置４，４４へのガス化ガス燃料の供給割合を制御するようにしている。これにより、ガスタービン燃焼器内での無触媒還元反応を含めて窒素化合物を分解するのに必要なだけの窒素酸化物を生成するようにして過剰な窒素酸化物の供給を防ぐことができる。
【００４９】
尚、図７の第５の実施形態では、第１及び第２の燃料改質装置４，４４への供給割合を排ガス分析計３８により監視して第１の燃料改質装置４への窒素酸化物の過剰供給を防ぐようにしているが、場合によっては外部設備あるいはガスタービンからの排ガス中の窒素酸化物を直接燃料改質装置４へ供給する量を制御するようにしても良い。例えば、図１の第１の実施形態の場合には、燃料改質装置４へ窒素酸化物を供給する系統（ライン）に電磁バルブ（図示省略）などを設けて、これをガスタービン出口での排ガス中の窒素酸化物量を監視する図７の排ガス分析計３８で制御するようにしても良い。
【００５０】
《実施形態６》
図８は、本発明の第６の実施形態であるガス化複合発電プラントのガスタービン燃焼器６の概略構成を示す。このガスタービン燃焼器６は、燃焼室１４の上流端から直接燃焼室１４内へ窒素AN2を供給する第１の窒素供給系統２６ａと、窒素AN2を燃焼用空気HARに混ぜてから主に燃焼室１４の下流側に噴出させる第２の窒素供給系統２６ｂとの２つの窒素の供給系統を有し、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を図示していない分析計で監視してその濃度が所定量以下となるように図９に示すように燃料及び負荷状況に応じて第１及び第２の窒素供給系統２６ａ，２６ｂへの窒素の供給割合（噴射位置）を制御する制御手段（図示省略）とを有するものである。一方の第１の窒素供給系統２６aは燃料ノズル１８に窒素を導いて窒素噴射ノズル２４から噴出させ、他方の第２の窒素供給系統２６bはガスタービン燃焼器外筒１３と燃焼器内筒１６との間の流路３６またはガスタービン車室２７に窒素を導き、窒素供給ノズル２８から燃焼用空気の気流中に噴射させ空気と混合させるようにしている。
【００５１】
実施形態６においては、第１の窒素供給系統２６aから窒素AN２を供給する場合に、実施形態１と同様に燃料ノズルボディ３０を介して燃料ノズル１８に設けた窒素噴射ノズル２４から、窒素を燃焼室１４内に直接噴射する。
【００５２】
また、外筒１３と燃焼器内筒１６との間の流路３６内、またはガスタービン車室２７に配置された第２の窒素供給系統２６ｂの窒素供給ノズル２８から供給された窒素は、燃焼空気HARと混合されてから燃焼室１４の上流端の空気旋回器３２及び噴孔２０を経て燃焼室の下流部分へ噴射される。即ち、窒素と空気との混合ガス３１は、燃焼室１４に開口している空気旋回器３２を有する噴孔および噴孔２０から、燃焼室１４内に順次供給される。したがって、ガスタービン燃焼器へ供給する窒素の全量若しくは一部を第１の窒素供給系統２６ａあるいは第２の窒素供給系統２６bのいずれか一方あるいは双方から必要な量だけ供給することにより、燃料ノズル１８の空気旋回器３２から噴出された空気噴流中の酸素濃度を極端に低下させることがなく燃焼室１４上流部の燃焼ガス温度および燃焼安定性を維持できる。また、混合ガス３１の一部はアトマイズ空気噴孔（図示省略）を経て起動用燃料２１あるいはガス化ガス燃料ＣＧ２に噴き付けられる。
【００５３】
この実施形態の発電システムは、ＮＯx排出量の低減と所内動力の回復を目的に、定格運転時だけでなく、起動用燃料２１による燃焼時、燃料切り替え時およびガス化ガス燃料CG２による部分負荷燃焼時においても、酸素製造装置２から生成される窒素AN２を燃焼器６に供給している。この際に、起動用燃料２１からガス化ガス燃料ＣＧ２へ切り替えられるとき及びガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には、火炎温度が低くしかも火炎の位置が変化することから燃焼が不安定になり易いので、窒素AN２を第２の供給系統２６bから供給することにより、燃焼室１４上流部での燃焼温度低下を防いで火炎安定性を維持するようにしている。
【００５４】
また、ガスタービン燃焼器６内の燃焼室１４は、複合発電プラントの全作動負荷条件において、上流部を燃料過剰条件としており、上流部における燃料と空気流量の比率はガスタービン負荷条件により、ＮＯx排出量を最も効果的に低減するように調整する。そのため、窒素供給系統を２系統に分割して供給する手法との組み合わせによる本発明により、燃焼不安定性の回避と未燃分の排出の抑制を図ることが可能となる。
【００５５】
このような構造および制御方法を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化複合発電プラントの全作動負荷範囲内において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、サーマルＮＯxおよびフュエルＮＯxの同時低減燃焼が可能となる。
【００５６】
次に、ガスタービン負荷運用について説明する。図９は、ガスタービン燃焼器６の無負荷定格回転数から定格負荷までの間の、ガスタービン負荷とガスタービン燃焼器６に供給される起動用燃料２１、ガス化ガス燃料CG２、窒素供給量/使用可能窒素量割合、および窒素バイパス供給割合の関係を示す図である。本運転方法では、ガスタービン発電プラントにおいて、ガスタービンの負荷変化に伴い、ガスタービン排気ガスG中の未燃の燃料成分濃度を監視して一定量以下になるように、窒素の供給量/使用可能窒素量割合、または窒素の第１窒素供給系統２６aおよび第２窒素供給系統２６bの供給割合を図示省略している制御手段例えば燃料成分濃度測定手段と電磁バルブ及び測定濃度結果に基づいて電磁バルブの開閉を制御するコンピュータ等の制御装置などで制御する。ここで、濃度測定装置としては、共存成分によって適宜選択されるが、主にＮＯｘに対しては化学発光法、赤外線吸収法、ガスクロＴＣＤ法等が、ＣＯに対しては赤外線吸収法、ガスクロＴＣＤ法等が、炭化水素には水素炎イオン化検出器、ガスクロＴＣＤ法等が使われるがこれに限られるものではない。
【００５７】
始動時には、外部動力により駆動された圧縮機１の吐出空気HARを用い、ノズル２２から噴射される起動用燃料２１を燃焼させる。起動用燃料２１による燃焼が安定したら、酸素製造装置２より生成される窒素AN２を燃料ノズル１８の周りに設けた第１の窒素供給系統２６ａの窒素噴射ノズル２４から燃焼室１４に直接噴射し、サーマルＮＯxの低減を図る。起動用燃料ノズル２２を用いた燃焼により、ガスタービン７が定格回転数に達した後、ガスタービン負荷を一定としたまま、燃焼安定性を確保するため、ガスタービン燃焼器６へ酸素製造装置２から供給されている窒素ＡＮ２のほぼ全量を第２の窒素供給系統２６bであるバイパス側に切り替えて燃焼用空気ＨＡＲと予混合して供給すると共に、燃料を起動用燃料２１から主燃料であるガス化ガス燃料CG２の燃焼に徐々に切り替える。ガス化ガス燃料CG２に完全に切り替えられた後は、ガスタービン７の負荷を上昇させ、燃焼室１４内での燃焼が安定したところで、再び窒素を第１の窒素供給系統２６aに切り替え、ガス化ガス燃料の噴射口の周りから直接燃焼室内へほぼ全量供給する。そして、発電機１０を併入し、徐々に負荷を取り出し始める。
【００５８】
ここで、起動用燃料２１からガス化ガス燃料CG２への切り替え時並びにガス化ガス燃料による低負荷運転時には、火炎１７の温度が低く、しかも燃焼室１４内で形成される火炎１７の位置が変化し、燃焼が不安定になる可能性がある。そこで、ガスタービン排気ガスFGまたはＧ中の未燃分の濃度を監視しながら、窒素の第１の窒素供給系統２６aおよび第２の窒素供給系統２６bへの供給割合を調整し、燃焼安定性を確保する。例えば、ガスタービン７の負荷が上昇するにつれて、火炎１７の温度が上昇するので、第２の窒素供給系統２６bであるバイパス側を徐々に減少させ、燃料ノズル１８に設けた第１の窒素供給系統２６aへの窒素供給割合を徐々に増加させる。
【００５９】
以上、本発明による改質型ガス化ガス発電プラントでは、全負荷帯に渡り、プラント熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃焼燃料の排出の抑制を図ることができると共に、サーマルＮＯxおよびフュエルＮＯxの同時低減燃焼が可能である。
【００６０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、ガス化ガス燃料を乾式で精製する発電プラントにおいて、発電プラントから排出されるＮＯｘの大半を占めるフュエルＮＯxの生成源となるガス化ガス燃料中の窒素化合物を低温触媒を利用して窒素に分解し、且つガスタービンの全作動負荷条件範囲において燃焼室の上流部を燃料過剰条件とする二段燃焼法を採用することにより燃料改質装置で分解されずにガス化ガス燃料中に残留した窒素化合物が燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制するようにしているので、発電プラントから排出される窒素酸化物を大幅に低減することが可能である。したがって、ガスタービンの下流において燃焼ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝設備を取り除いたりあるいは大幅に縮小して、環境保全性を満足しつつプラントシステムの簡素化によるプラント建設コスト並びに運用コストを大幅に低減することが可能である。しかも、乾式精製を採用できるので発電プラントの一層の熱効率向上を図ることができる。
【００６１】
また、請求項２記載の改質型ガス化ガス発電プラントによると、ガス化炉から供給される高温ガス化ガスの熱またはガスタービンから排出される高温の排ガスの温度レベルで作動する低温触媒を利用しているので、触媒そのものが安価であると共に触媒を長期に渡り使用できるので運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００６２】
また、請求項３記載の改質型ガス化ガス発電プラントによると、低温触媒を用いる燃料改質部を燃焼器内の上流部または燃焼器内筒と外筒の間の流路、または燃焼器尾筒のいずれかに設けたことから、低温触媒の熱源として利用する排ガス等を燃料改質部へ導く配管設備等を必要とせず、プラント建設が簡単でかつ設備コスト並びに運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００６３】
また、請求項４記載の改質型ガス化ガス発電プラントによると、低温触媒を用いる燃料改質部をタービン翼内部に設けたので、ガスタービンに導入される燃焼ガスを利用して低温触媒による燃料中の窒素化合物の還元分解を行うと共に、タービン静翼の冷却に圧縮機の空気を使用する必要がなく、プラント熱効率の向上が図れる。
【００６４】
また、請求項５記載の改質型ガス発電プラントによると、燃料改質部へ供給する窒素酸化物の供給量を、ガスタービン燃焼器での燃焼に供されるまでに分解しきってガス化ガス燃料中に残らない程度の量に調整することができるので、窒素酸化物の過剰供給が起こらず、排出ＮＯｘ量を大幅に低減することができる。
【００６５】
また、請求項６記載の改質型ガス化ガス発電プラントによると、ガス化ガス燃料の一部好ましくは半分程度を使って低温触媒下での窒素化合物の還元分解反応に用いる窒素酸化物を得ることができると共に、低温触媒を利用した窒素化合物の分解反応量を減らすこと、例えば１／２程度に減らすことができるので触媒使用量および運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００６６】
さらに、請求項８記載の改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法によると、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視して一定量以下になるように、ガス化ガス燃料の燃料改質部への供給割合を制御するので、ガスタービン燃焼器内での無触媒還元反応の分解を含めて窒素化合物を分解するのに必要なだけの窒素酸化物濃度を生成させ、余剰な窒素酸化物の発生を抑制することができる。
【００６７】
また、請求項７記載の改質型ガス化ガス発電プラント及び請求項９記載の改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法によると、フュエルＮＯxを低減できると同時に、プラントの熱効率の低下を招くことなく、燃焼安定性を確保しつつ、サーマルＮＯxを低減できる。即ち、火炎温度が高く火炎安定性に優れる起動用燃料を使った燃焼時並びに定格燃焼時には、第１の窒素供給系から燃焼室上流部のみに供給される窒素によって火炎の温度が下げられてサーマルＮＯｘの発生が抑制され、火炎温度が低くかつ火炎位置が変化し燃焼が不安定となり易い起動用燃料からガス化ガス燃料への切り替え時並びにガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には第２窒素供給系から燃焼室下流部に主に窒素を供給することによって、燃焼室上流部での燃焼温度を低下させずに火炎安定性を維持しながら燃焼ガス全体の温度を下げてサーマルＮＯｘの発生をも抑制している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガス化ガス発電プラントの第１の実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明に係るガス化ガス発電プラントガスタービン燃焼器の一例を示す概略図である。
【図３】本発明に係るガスタービン燃焼器の空気配分の例を示すグラフである。
【図４】本発明に係るガス化ガス発電プラントの第２の実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明に係るガス化ガス発電プラントの第３の実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明に係るガス化ガス発電プラントの第４の実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明に係るガス化ガス発電プラントの第５の実施形態を示す概略図である。
【図８】ガスタービン燃焼器の他の例を示す概略図である。
【図９】本発明に係るガス化ガス発電プラントの運転方法に関する第６の実施形態を示す概略図であり、ガスタービンの無負荷定格回転数から定格負荷までの間の窒素および燃料の供給割合を示す。
【図１０】一次燃焼域（燃焼室上流部）での当量比と窒素化合物から窒素酸化物への転換率との関係求めた実験結果を示すグラフである。
【図１１】窒素化合物の無触媒還元に必要な窒素酸化物の供給量と無触媒還元反応後の窒素酸化物および窒素酸化物の残留量の関係を求めた実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 酸素製造装置
３ ガス化炉
４ ガス化ガス燃料改質装置
４ａ 触媒を有していない第２の燃料改質装置
４ｂ 触媒を有する第１の燃料改質装置
５ ガス化ガスのガス精製装置
６ ガスタービン燃焼器
７ ガスタービン
１０ 発電機
３６ 燃焼器外筒と内筒との間の流路
１４ 燃焼室
１９ 燃焼器尾筒
２１ ガスタービン起動用燃料（灯油等）
２４ 窒素噴射ノズル
２５ 窒素旋回器
２６ａ 第１の窒素供給系統
２６ｂ 第２の窒素供給系統
AO２ 酸素を主体とするガス
AN２ 窒素を主体とするガス
CG１ ガス化後のガス
CG２ ガス精製後のガス化ガス燃料
CG３ 改質後のガス化ガス燃料
CG４ 改質装置を通さずにバイパスしたガス化ガス燃料
CG５ 改質後のガス化ガス燃料とバイパスしたガス化燃料CG４の混合ガス
FG 燃焼室排出ガス
G ガスタービン排気ガス
HAR 圧縮機の吐出空気
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化して得られるガス化ガス燃料を乾式ガス精製して用いる改質型ガス化ガス発電プラントおよびその運転方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、フュエルＮＯxの生成源となるガス化ガス燃料中の窒素化合物を燃焼器内の熱または排ガスの熱を利用して窒素に分解することにより、ＮＯx低減化を図ることを主眼とした改質型ガス化ガス発電プラントおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス化複合発電プラントは、ガス化ガス燃料をガスタービン燃焼器で燃焼させて得た高温高圧の燃焼ガスを用いてガスタービンを駆動し発電する一方、更にガスタービンから排出される燃焼ガスを用いて蒸気を発生させこの蒸気で蒸気タービンを駆動して発電させるように設けられている。この発電プラントのガスタービンではガスタービン入口温度を上昇させるとガスタービン熱効率が向上するため、ガスタービン入口温度すなわちガスタービン燃焼器の出口温度の上昇を図ることによって発電プラントの高効率化が図られている。
【０００３】
ところで、ガス化複合発電プラントでは、石炭、重質油などをガス化炉でガス化したガス化ガス燃料が使用される。このガス化ガス燃料は、石炭や重質油などをガス化剤（空気または酸素）と共にガス化炉に投入してガス化することによって得られるガス化炉生成ガス（粗生成ガス）を、ガス精製装置により精製（脱硫・集塵）してガス化精製ガスにしたものである。石炭をガス化した石炭ガス化燃料の場合はガス化剤並びにガス化炉の形式により燃料組成や発熱量は異なるが、例えば表１に示すように空気吹きガス化炉では燃料発熱量が約４MJ/Nm３程度の低カロリーのガス化燃料、酸素吹きガス化炉では燃料発熱量が約１０〜１３MJ／Nm３の中カロリーのガス化燃料が生成され、その燃料組成のうち可燃性成分は水素と一酸化炭素とが大部分を占め、一部メタン（ＣＨ４）が僅かに（0.01〜0.5％）含まれる。また、このガス化ガス燃料中には、アンモニアに代表される窒素化合物が除去されずに残留している。
【表１】
【０００４】
そこで、熱効率が高い石炭ガス化複合発電の特徴を最大限に活かすには、ガス化炉で生成するガスを高温高圧のまま脱硫・集塵する乾式精製が望まれる。この乾式精製によれば、ガス化炉生成ガスを４００〜５００℃で精製することによって４５％程度の送電端効率（一層のプラント熱効率向上およびプラント構成システムの簡素化によるコスト低減等）が期待される。そして、この乾式ガス精製を採用しながらフュエルＮＯｘの精製を抑制できる燃焼方法や前処理が望まれている。
【０００５】
従来、乾式ガス精製を採用する空気吹きガス化複合発電プラントにおいてフュエルＮＯｘの抑制技術としては、ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流部を燃料過剰条件としてフュエルＮＯxの生成を抑制しようとするものがある（例えば、1997年のASME（The American Society of Mechanical Engineers）の文献の97-GT-277に示される）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流部を燃料過剰条件とする二段燃焼法によると、フュエルＮＯxの低減効果は燃料組成に大きく影響を受け、ＣＨ４濃度が高くなるに従って燃料過剰状態が却ってＮＨ３からＮＯｘへの転換率を上げる結果となってしまい、湿式ガス精製を採用した場合と比較して依然としてＮＯx排出量が多いという問題がある。
【０００７】
また、現在、実用化が検討される酸素吹きガス化複合発電プラントに乾式ガス精製を採用した場合では、空気から酸素を分離・製造した後に残る窒素をガス化ガス燃料に混合することにより、火炎温度を下げて空気中の窒素に起因して生成されるサーマルＮＯxを抑制する方法が採用されている。しかし、火炎温度を下げるだけでは、サーマルＮＯｘの抑制には効果的でもフュエルＮＯxの抑制については効果がない。また、窒素を燃焼用空気に混合して燃焼室に供給する方法も考えられているが、この場合にもサーマルＮＯxを抑制する方法としては効果的ではあるが、フュエルＮＯxを抑制することはできない。
【０００８】
本発明は、ガス化ガス燃料中の窒素化合物に起因して発生するフュエルＮＯxを抑制することができ、さらには重質油あるいは石炭等をガス化する複合発電プラントの一層の熱効率向上およびプラント構成システムの簡素化によるコスト低減等を達成できる改質型ガス化ガス発電プラントおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化炉でガス化し乾式精製した後に燃料改質部で改質することによって得られたガス化ガス燃料を主燃料として燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、ガスタービンに結合されて電力を出力する発電機とを少なくとも含む発電プラントにおいて、燃料改質部が低温触媒を備え窒素酸化物と空気または酸素を供給して、ガス化ガス燃料中の窒素化合物と燃料改質部にて供給した窒素酸化物を窒素に分解し、且つ、ガスタービンの全作動負荷条件範囲において燃焼室の上流部を燃料過剰条件とすることにより、還元燃焼させるか若しくは燃料改質部で分解されずにガス化ガス燃料中に残留した窒素化合物を酸素と窒素酸化物の存在下に窒素酸化物と選択反応させて燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制するようにしている。
【００１０】
したがって、低温触媒改質部で触媒によりタービン排ガスのような比較的低温の熱源でもＮＨ３の分解反応を起こさせることから、微量のＮＯとＯ２の供給により、ＮＨ３＋ＮＯ＋３／４Ｏ２→Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏの還元反応を起こして燃料中のＮＨ３を分解する。
【００１１】
また、燃料中に分解されずにＮＨ３が残っていたとしても、燃焼室の燃料過剰条件とされた上流部で、Ｏ２とＮＯの存在下に燃焼熱を受けてＮＨ３とＮＯとが選択反応し、即ち燃焼反応ではなく還元反応（無触媒還元反応）を起こし、燃料中に残存する窒素化合物が窒素酸化物に転換してから燃焼するので、燃焼過程で酸化されてＮＯｘへ転換するのを抑制する。例えば、図１１に示す実験結果から明らかなように、１０００℃の温度条件下ではＮＨ３が１０００ｐｐｍ含まれる場合にＮＯを１０００ｐｐｍ注入すると、ＮＨ３とＮＯの合計量２０００ｐｐｍが６００ｐｐｍ（ＴＦＮ）まで減少した。しかも、拡散燃焼の採用により安定燃焼を確保できる。更に、乾式精製を可能とするためプラントの熱効率の低下を招くことがない。
【００１２】
ここで、ＮＨ３からＮＯｘへの転換率は燃料中のＣＨ４濃度に大きく影響されることが本発明者等による実験から判明した（図１０参照）。一般には当量比を燃料過剰にすれば前述の転換率は低下するのであるが、ＣＨ４を含むガス化ガス燃料ではＣＨ４濃度が高くなるに従って燃料過剰状態が却って転換率を上げることを知見した。そこで、燃料組成に応じた適切な燃料過剰状態が必要となる。一般には、石炭ガス化ガス燃料ではＣＨ４は１％以下、多くは０．５〜０．００１％であるので、当量比は１以上、好ましくは１〜２．５、最も好ましくは１．５〜２．０程度の範囲で燃料過剰状態であることが好ましい。
【００１３】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、低温触媒を用いる燃料改質部にガス化炉における高温ガス化ガスの熱またはガスタービンから排出される高温排気ガスの熱を供給して触媒反応の熱源に利用するようにしたものである。この場合、ガス化炉で発生した高温ガス化ガスあるいはガスタービンを回転させた後の排ガスを燃料改質部に導入して触媒反応の熱源として利用することができるので、新たな熱源を用意する必要が無く発電プラント全体の熱効率を上げることができる。しかも、ガスタービンから排出されるガスあるいはガス化ガスの温度レベルで作動する低温触媒の利用は、触媒の寿命を長くすると共に安価な触媒の選択を可能とし、プラント建設コストおよび運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、低温触媒を用いる燃料改質部をガスタービン燃焼器内例えば燃焼室の上流部、または燃焼器内筒と外筒の間の流路、または燃焼器尾筒外周部のいずれかに設けるようにしている。この場合には、ガスタービン燃焼器内で発生するガス温度レベルで作動する低温触媒を利用することができる。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、請求項１に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、低温触媒を用いる燃料改質部をタービン静翼内部に設けたものである。この場合、触媒反応で必要とする熱がタービン静翼から得られると同時に、タービン静翼が冷却される。このため、タービン静翼の冷却のために圧縮機の空気を使用する必要がなく、プラント熱効率の向上が図れる。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、燃料改質部へ供給する窒素酸化物の量を制御するようにしている。この場合、燃料改質部へ供給する窒素酸化物の供給量を、ガスタービン燃焼器での燃焼に供されるまでに分解しきってガス化ガス燃料中に残らない程度の量に調整することができる。
【００１７】
また、請求項６記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガス化ガス燃料の一部を、低温触媒を有する燃料改質部とは別の改質部に導入してその中に含まれる窒素化合物を追い焚きあるいは触媒反応による反応制御の下で全量酸化して窒素酸化物にし、この窒素酸化物を使って低温触媒を有する燃料改質部にて残りのガス化ガス燃料中の窒素酸化物の還元分解反応を行うようにしている。この場合、ガス化ガス燃料中の窒素化合物の一部例えば１／２程度を別の燃料改質部に導いて空気または酸素の下で全量酸化して窒素酸化物を得、これを利用して残りのガス化燃料の窒素化合物を低温触媒を有する燃料改質部内で窒素に還元させることができる。したがって、窒素化合物の低温触媒還元量を元の半分程度にすることができる。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、燃焼室の上流端から直接当該燃焼室内へ窒素を供給する第１の窒素供給系統と、ガスタービン燃焼器内で燃焼室内へ噴出される前の燃焼用空気中へ窒素を噴出して混合させ主に燃焼室の下流側に噴出させる第２の窒素供給系統とを有し、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその濃度が所定量以下になるように、第１及び第２の窒素供給系統への窒素供給割合を制御する制御手段を有するようにしている。本発明によれば、フュエルＮＯxの低減と同時に、燃焼安定性を確保しつつサーマルＮＯxをも同時に低減できる。
【００１９】
請求項８記載の発明は、請求項６に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、２つの燃料改質部へのガス化ガス燃料の供給割合を制御するようにしている。これにより、ガスタービン燃焼器内での無触媒還元反応を含めて窒素化合物を分解するのに必要なだけの窒素酸化物を供給または生成するようにして過剰な窒素酸化物の供給を防ぐことができる。
【００２０】
請求項９記載の発明は、請求項７記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、ガスタービン燃焼器への窒素の供給は、起動用燃料並びにガス化ガス燃料による安定燃焼時には第１の窒素供給系統から行われ、起動用燃料からガス化ガス燃料へ切り替える時及びガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には第２の窒素供給系統から行われ、かつガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその値が所定の値を超える時には第２の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させ、所定値以下の場合にはガスタービン負荷の上昇に伴って第１の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させるように第１の窒素系統と第２の窒素供給系統との間での窒素供給割合を漸次変えながら窒素供給位置を切り替えるようにしている。この運転方法によると、フュエルＮＯxを低減できると同時に、燃焼室内への窒素の供給により火炎温度を下げてサーマルＮＯxを低減できる。しかも、火炎温度が高く火炎安定性に優れる起動用燃料並びにガス化ガス燃料による安定燃焼時には、ほぼ全量が第１の窒素供給系から燃焼室上流部に供給される窒素によって火炎の温度が下げられてサーマルＮＯｘの発生が抑制され、火炎温度が低くかつ火炎位置が変化して燃焼が不安定となり易い起動用燃料からガス化ガス燃料への切り替え時並びにガス化ガス燃料による低負荷燃焼時にはほぼ全量の窒素が第２窒素供給系から供給されて燃焼室上流部に集中せずに燃焼室全体に分散させられることから、燃焼室上流部での燃焼温度を低下させずに火炎安定性を維持しながら燃焼ガス全体の温度を下げてサーマルＮＯｘの発生を抑制することができる。しかも、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度が監視されてその値が所定の値以下になるように第１の窒素供給系統と第２の窒素供給系統への窒素供給割合を制御することにより燃焼安定性を確保することができる。即ち、ガスタービン負荷の上昇に伴って上がる火炎温度を下げるため、第２の窒素供給系統への窒素のバイパス量が減らされて第１の窒素供給系統への供給量が増やされるが、未燃の燃料成分が所定値を超えたときには第２の窒素供給系統へのバイパス量が増やされることによって火炎温度の下げ過ぎが防がれて安定燃焼が確保される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
本発明の改質型ガス化ガス発電プラントは、空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化すると共に乾式精製した後に燃料改質部で改質することによって得られたガス化ガス燃料を主燃料として燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、ガスタービンに結合されて電力を出力する発電機とを少なくとも含むものである。
【００２３】
ここで、燃料改質部は、独立した装置としての形態をとる必要はなく、他の装置や機器類に組み込んだりしても良い。この燃料改質部は、低温触媒を備え、微量の窒素酸化物と窒素化合物を還元分解反応させるのに必要とされる以上の空気または酸素の供給によって触媒により低温例えばガス化炉における高温ガス化ガスの熱またはガスタービンから排出される高温排気ガスの熱で窒素化合物例えばＮＨ３の分解反応を起こさせ、ガス化ガス燃料中の窒素化合物と供給した窒素酸化物とを窒素に分解するものである。この燃料改質部での反応には、ＨＣＮなども生じていると思われるが極めて微量か反応途中過程であることから、実質的にはＮＨ３をＮ２に還元させる反応で占められる。
【００２４】
この燃料改質部へのＮＯの注入量は、理論的には窒素化合物と同量であることが好ましい。実際には燃料改質部内を通過する間に完全に攪拌することは困難であるため、窒素化合物よりも多めに供給されることが考えられる。しかし、発電システム系外からＮＯを生成して供給することはコストがかかるしタービン排ガスを利用する発電システムの熱効率が低下することとなり、いずれも不経済である。また、理論量以上注入しても、注入位置や滞留時間との関係で混合が不十分となり窒素化合物や窒素酸化物が分解し切れずに残ることが考えられる。このため、ＮＯの注入量は少ない方が経済的には好ましい。そこで、ＮＯの注入量はシステム全体で２倍以内、好ましくは１．５倍以内、最も好ましくは１倍以内にすることである。更に、窒素酸化物の注入回数は、特に限定されるものではなく、多段注入が効果が高い場合もあるし、１段注入が効果が高い場合もある。これは、滞留時間とガス中の共存成分に因るところが大きい。即ち、無触媒脱硝反応を阻害する成分がある場合には、滞留時間は長くする必要があり、多段注入は事実上無理になる。逆に、無触媒脱硝反応を促進する成分が含まれる場合には、ＮＯの多段注入は効果的であると考えられる。ただし、負荷変動があるような実際の発電プラントでは、化学プラントと異なり反応を制御することが難しいので、多段注入は効果的である。例えば、窒素化合物の０．３倍〜０．５倍程度の窒素酸化物の注入する場合には１〜２秒で注入ＮＯの殆どを分解しながら２割〜３割位の窒素化合物を分解できるが、一度に大量に注入しても分解し切れないので、２段以上に分けて注入することが好ましい。この場合、各段でのＮＯ注入を注入ＮＯが完全に０ｐｐｍとなる反応が期待できる量としてそれを多段で繰り返すことが好ましい。例えば、ＮＨ３（窒素化合物）の０．３倍のＮＯ（窒素酸化物）を供給すると、図１１に示す実験結果から明らかなように、ＮＨ３は１０００ｐｐｍから８００ｐｐｍへと、ＮＯは３００ｐｐｍから０ｐｐｍへと反応する。そこで、この注入を繰り返すことによって、ＮＨ３は１０００ｐｐｍ→８００ｐｐｍ→６４０ｐｐｍ→５１２ｐｐｍと分解され、かつＮＯは全ての段階で０ｐｐｍであったことから、ＮＨ３＋ＮＯ＝５１２ｐｐｍとなる。１回でＮＨ３とＮＯを同量注入して、ＮＨ３＋ＮＯ＝６００ｐｐｍ と分解する場合よりもＮＯｘを低減できる。
【００２５】
また、窒素化合物のＮＨ３＋ＮＯ＋３／４Ｏ２→Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏの還元分解反応に要する酸素量は、程度にもよるが多ければ多いほど反応が進むことが本発明者等の実験によって分かった。実験によれば、ＮＨ３の０〜２０倍まで酸素濃度を変化させた場合、酸素濃度が高い・多い程反応が進んだ。しかし、過剰な酸素の存在はアンモニアＮＨ３の酸化反応を促進させたり、酸素製造設備の増強が必要であるため好ましくない。そこで、酸素は一定以上、例えばＮＨ３の５倍程度であれば良い。尚、低温触媒としては、ガス化炉における高温ガス化ガスの熱またはガスタービンから排出される高温排気ガスの熱を触媒反応の熱源に利用できる程度のもので、一般には選択還元触媒が使用される。
【００２６】
この燃料改質部は、ガス化炉における高温ガス化ガスまたはガスタービンから排出される高温排気ガスを導入してその熱を触媒反応の熱源として利用したり、あるいは燃料改質部そのものを燃焼器内の燃焼室上流部または燃焼器内筒と外筒の間、若しくは燃焼器尾筒外周部のいずれかに設けてこれら設備から直接受ける熱を利用したり、若しくはガスタービンの静翼を冷却する熱媒体等との間で熱交換することで得られる熱を利用するようにすることが発電システムの熱効率を向上させる上で好ましい。例えば、精製装置の下流に燃料改質装置として設置してガスタービンからの排気ガスやガス化炉からのガス化炉壁を水冷した後の熱・蒸気を導入して間接熱交換あるいは直接熱交換を行う場合ばかりでなく、場合によってはガスタービン燃焼器内やガスタービン静翼などに直接組み込まれることもある。例えば、ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流部または燃焼器内筒と外筒の間の流路、若しくは燃焼器尾筒外周部のいずれかに設けたり、ガスタービンのタービン翼内部に設けることが可能である。ここで、燃料改質部に供給されるガス化ガス燃料は、低温触媒を利用するため、前もって脱塵を行っておくことが望ましいが、脱硫についてはこの限りではなく、前もって処理することが好ましいのであるがシステムの熱効率を考慮するとさまざまなケースが考えられることから必ずしも前に処理しなければならないものでもない。
【００２７】
尚、燃料改質部へ供給する窒素酸化物は、特定の設備から供給されるものに限定されるものではなく、例えばガスタービンから排出される燃焼排ガス中に存在する窒素酸化物（ＮＯｘ）あるいはガス化ガス燃料中の窒素化合物（主にＮＨ３）の一部を酸化して窒素酸化物に変換したもの若しくは別の設備から導入する窒素酸化物のいずれでも利用可能である。ガスタービンから排出される燃焼排ガスを燃料改質部に導入することによって排ガス中に存在する窒素酸化物・ＮＯｘ及び酸素を反応に利用するようにしている。または、低温触媒を備える第１の燃料改質部とは別の燃料改質部、即ち追い焚き機能あるいは酸化触媒を備えている第２の燃料改質部を備え、ガス化ガス燃料の一部例えば１/２程度を第２の燃料改質部に導入してその中に含まれる窒素化合物を全量酸化して窒素酸化物にし、この窒素酸化物を使って残りの１／２程度のガス化ガス燃料を第１の燃料改質部で改質してその中の窒素化合物の還元分解反応を行うようにしても良い。この場合には、追い焚きや触媒による反応制御によってＮＨ３をＮＯとする反応が起こるが、場合によってはＮ２Ｏが生じることもある。しかし、Ｎ２Ｏが生成される条件は狭いので、条件を制御することによってＮ２Ｏの生成を抑えることができる。またガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、燃料改質部へ供給する窒素酸化物の量を直接制御したり、ガス化ガス燃料の２つの燃料改質部への供給割合を制御する制御手段（図示省略）を設けて一方の燃料改質部で生成される窒素酸化物の量を調整して窒素酸化物の過剰供給を防ぐことが好ましい。また、燃料改質部へ供給される酸素についても同様で、特定の設備から供給されるものに限定されるものではなく、例えば空気からガス化炉へ供給するための酸素を分離する酸素製造装置から得られる酸素や、別の設備から導入される酸素を利用するようにしても良い。
【００２８】
また、ガスタービンはその全作動負荷条件範囲において燃焼室の上流部を燃料過剰条件とすることにより、燃料改質部で分解されずにガス化ガス燃料中に残留した窒素化合物を僅かな酸素と窒素酸化物の存在下に窒素酸化物と選択反応させて燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制する。ここで、窒素化合物が窒素酸化物（ＮＯｘ）に転換する率（Ｃ．Ｒ．％）は、燃料中のＣＨ４の量に影響される。即ち、ＣＨ４を含むガス化ガス燃料の場合、ＮＨ３とＣＨ４とが反応してＨＣＮが生成され、二段燃焼の際にＮＨ３がＮ２に分解するのを妨げる（ＣＨ４がなければＮ２に分解していたものが、一部がＨＣＮとなりこれは殆どＮＯｘになる）。そこで、燃焼器上流部でＮＨ３とＮＯとを選択反応させ、ＮＨ３をＮ２に分解するには、一次燃焼領域の当量比を転換率を最小にする値に設定する必要がある。一般に、ガス化ガス燃料中のＣＨ４は１％以下、多くは０．５〜０．００１％であるので、図１０に示すように当量比は１以上、好ましくは１〜２．５、最も好ましくは１．５〜２．０程度の範囲で燃料過剰状態とすることが好ましい。
【００２９】
尚、ガスタービン燃焼器への窒素の供給は、空気分離装置から供給される窒素を２系統に分けて、燃焼室の上流端から直接当該燃焼室内へ窒素を供給する第１の窒素供給系統と、ガスタービン燃焼器内で燃焼室内へ噴出される前の燃焼用空気中へ窒素を噴出して混合させ主に燃焼室の下流側に噴出させる第２の窒素供給系統とを備え、ガスタービンの負荷変化に伴い、第１の窒素供給系統と第２の窒素供給系統とを切り替えあるいは併用してガスタービン燃焼器への窒素の供給位置を調整可能とすることが好ましい。例えば、燃焼器に供給される窒素を、起動用燃料並びにガス化ガス燃料による安定燃焼時には第１の窒素供給系統から供給し、起動用燃料からガス化ガス燃料へ切り替える時及びガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には第２の窒素供給系統から主に供給するようにしている。そして、窒素供給位置の切り替えは、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその値が所定の値を超える時には第２の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させ、所定値以下の場合にはガスタービン負荷の上昇に伴って第１の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させ第２の窒素供給系統へ供給する窒素流量を減らすように第１の窒素系統と第２の窒素供給系統との間での窒素供給割合を漸次変える制御が行われる。この窒素供給割合の制御は、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度に着目して行うことが好ましい。即ち、ガスタービン負荷の低い状態では窒素供給により火炎温度が下がり過ぎ、未燃燃料成分の排出が懸念される。即ち、未燃燃料成分が出るということは、火炎温度が下がり過ぎていることになる。そこで第２の窒素供給系統に窒素の一部あるいは全部をバイパスさせることによって火炎温度を下げ過ぎないように制御して燃焼安定性を確保する。
【００３０】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本発明の説明を複合発電システムに適用した場合を例に挙げて主に説明しているがこれに特に限定されるものではなく、蒸気タービン発電システムを含まないガスタービンだけの発電システムに適用することも効果的である。
【００３１】
《実施形態１》
図１に本発明を改質型ガス化複合発電システムの第１の実施形態を示す。この実施形態のガス化ガス燃料改質型複合発電プラントは、酸素製造装置２で空気から分離生成した酸素ＡＯ２を主成分とした酸化剤によって重質油あるいは石炭Ｃをガス化するガス化炉３と、そのガス化ガスＣＧ１を乾式精製するガス精製装置５と、ガス化ガス燃料ＣＧ２中の窒素化合物を還元分解する燃料改質装置４と、ガス化ガス燃料ＣＧ３を燃焼させて得た高温・高圧の燃焼ガスでガスタービンを駆動して該ガスタービンに連結されている発電機１０を回転させて発電する圧縮機１、ガスタービン燃焼器６及びガスタービン７から成るガスタービン発電システムと、ガスタービン７から排出される高温の排気ガスＧの熱を利用して蒸気サイクルにより発電機１０を回転させて発電する廃熱回収ボイラ８、蒸気タービン９及び復水器１１から成る蒸気発電システムとで構成される。
【００３２】
ここで、燃料改質装置４は、低温触媒（図示省略）を備え、微量例えばガス化ガス燃料ＣＧ２中の窒素化合物とほぼ同量の窒素酸化物ＲＮＯと微量例えば窒素化合物の５倍程度の酸素ＡＯ２の供給によって、ガス化ガス燃料ＣＧ２中の窒素化合物と供給した窒素酸化物ＲＮＯとを窒素に分解するものである。窒素酸化物RNO及び酸素AO2の供給は、特定の設備からのものに限定されるものではないが、本実施形態では任意の設備から供給される窒素酸化物ＲＮＯと酸素製造装置からの微量の酸素ＡＯ２と共に、ガス化ガス燃料CG２の全量を燃料改質装置４に供給することにより、ガス化炉３内の適当な温度領域の熱を利用して、ガス化ガス燃料CG２中の窒素化合物と燃料改質装置４に供給した窒素酸化物ＲＮＯを低温触媒により窒素（Ｎ２）に分解する。燃料改質装置４はガス精製装置５の後に設置され脱塵・脱硫後のガス化ガス燃料を改質するようにしている。尚、低温触媒としては、ガスタービンからの排気ガスが保有する４００〜６００℃程度の比較的低温の熱を利用して触媒反応が起こり得る選択還元触媒の使用が好ましい。燃料改質装置４に窒素酸化物RNOを供給する設備としては、例えばガスタービン燃焼器６またはガスタービン７が好ましく、このガスタービン燃焼器６またはガスタービン７からの排出されるガスFGまたはG中の窒素酸化物ＲＮＯと熱を燃料改質装置４内での還元分解反応に利用することができる。即ち、燃料改質装置４内に直接排出ガスFG中を供給してガス化ガス燃料と混合することによって、排ガスFGまたはG中の窒素酸化物ＲＮＯと熱をＮＨ３に代表される窒素化合物の還元分解反応に供する。
【００３３】
また、ガスタービン燃焼器６は、例えば、図２に示すように、圧力容器である燃焼器外筒１３、燃焼用空気HARを燃焼室１４に導くためのフロースリーブ１５、燃焼室１４を囲む燃焼器内筒１６、燃料を供給し火炎１７を保持するための燃料ノズル１８、燃料ノズル１８を外筒１３に固定するヘッドエンド部３５、燃焼室１４で燃焼したガスFGをガスタービン７に案内する燃焼器尾筒１９とから構成され、その全作動負荷条件範囲において燃焼室１４の上流部を燃料過剰条件とすることにより、燃料改質装置４で分解されずにガス化ガス燃料ＣＧ３中に残留した窒素化合物例えばＮＨ３を窒素酸化物（ＮＯ）と選択反応させて燃焼室１４内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制可能とされている。
【００３４】
燃焼器内筒１６には、燃焼器外筒１３との間の流路３６と燃焼室１４とを連通する燃焼空気孔２０が設けられ、圧縮機１から供給される燃焼用空気ＨＡＲが燃焼室１４の周りの空気孔２０、空気旋回器３２及びアトマイズ空気噴孔（図示省略）から噴出されるように設けられている。燃焼用空気孔２０は、燃焼室１４の上流域から離れた後半に、軸方向並びに周方向へ複数設けられており、圧縮機１から吐出される高圧空気HARを燃焼室１４の下流域に優先的に供給するように設けられている。そして、全作動負荷条件で、燃焼室１４の上流域を燃料過剰（当量比以上でフュエルＮＯxの生成を抑制する）条件とすることにより、ガス化ガス燃料CG３中の残留窒素化合物を僅かな酸素と窒素酸化物の存在下に窒素酸化物と選択反応させて還元反応により窒素（Ｎ２）を生成し、燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制するようにしている。これによりガス化ガス燃料CG２中の窒素化合物に起因して生成されるフュエルＮＯxを抑制することができる。さらに、軸方向下流に向かうに従って燃焼空気孔２０から燃焼用空気HARを供給し、燃焼器６の出口での未燃分を一定量以下に抑制する（図３参照）。
【００３５】
バーナは、起動用液体燃料２１を霧化して噴射するアトマイズ空気噴孔（図示省略）を備えたノズル２２と、ガス化ガスCG３を供給するためのガス化ガス燃料ノズル１８並びに旋回器２３と、窒素AN２を燃焼室１４に供給するための窒素噴射ノズル２４並びに旋回器２５とから成り、それらを同軸上に組み合わせることにより構成され、ガスタービン燃焼器６の上流端の中心軸上に配置される。このバーナは、燃料、空気、窒素およびそれらの混合ガスを旋回させながら供給することで、燃焼室１４の上流部のノズル出口付近に安定した火炎１７を形成させる。また、窒素噴孔たる旋回器２５を燃料ノズル１８の周りに設けて、火炎１７の存在する燃焼室１４の上流部の高温領域に窒素AN２を供給することで、燃焼室１４の上流部をガス化ガス燃料の過剰条件としている状態を保ちながら、高温領域のガス温度を低下させることができ、フュエルＮＯxと同時に、サーマルＮＯxも低減することが可能である。
【００３６】
次に、以上のように構成された改質型ガス化複合発電システムの運転方法を説明する。尚、本システムは酸化剤として酸素を使用するものである。
【００３７】
まず、始動時には、外部動力によって駆動された圧縮機１で高圧とされた空気HARを例えば図２に示すガスタービン燃焼器６に供給し、起動用燃料２１を用いて燃焼させる。この燃焼ガスを燃焼器尾筒１９を経てガスタービン７に導入することによって、ガスタービン７を駆動する。ガスタービン７が昇速してガスタービン７の無負荷定格回転数に達した後、発電機１０を併入し、徐々に負荷をとり始める。
【００３８】
一方、ガス化炉３に必要な酸化剤AO２は、酸素製造装置２にて生成される。酸素製造装置２では、圧縮機１か、あるいは図示しないバックアップ用圧縮機より抽気される高圧空気HARから窒素AN２を分離することによって酸素AO２が得られる。そして、酸素AO２はガス化炉３へ、窒素AN２はガスタービン燃焼器６へそれぞれ供給される。ガス化炉３では酸素AO２の供給により石炭Cを酸化してガス化ガス（ガス化炉生成ガス）CG１を発生する。さらにガス精製装置５により脱塵、脱硫してガス化ガス燃料CG２を得た後、燃料改質装置４において含有窒素化合物を分解除去してガスタービン燃焼器６に供給するガス化ガス燃料CG３を生成する。ガス化炉３の負荷が上昇してある程度以上の品位のガス化ガスCG１が製造されるようになると、起動用燃料２１とガス化ガス燃料CG３とを切り替えてガスタービン燃焼器６を運転し、所望の燃焼ガスを得てガスタービンを駆動する。その後、さらにプラント負荷を上昇させ、主に定格条件にて運転する。
【００３９】
また、ガスタービン７の高温排気ガスGは、廃熱回収ボイラ８で給水FWに熱を受け渡し、発生した水蒸気STを蒸気タービン９に導入してこれを駆動し、発電機１０を回して発電させる。廃熱回収ボイラ８を通過した排気ガスは煙突１２から排気される。
【００４０】
このような構造を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化複合発電プラントの全作動負荷範囲内において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、サーマルＮＯxおよびフュエルＮＯxを低減することが可能となる。
【００４１】
《実施形態２》
図４に本発明の発電プラントの第２の実施形態であるガス化ガス燃料改質型複合発電用ガスタービンプラントの概略構成を示す。この実施形態は、低温触媒（図示省略）を備える燃料改質装置４をガスタービン燃焼器内例えば燃焼室１４の上流部あるいは燃焼器内筒１６と外筒１３との間の流路３６、または尾筒１９の外周部（尾筒１９の外面に接するように据え付ける）のいずれかの１カ所あるいは複数箇所に設置し、直接ガスタービン燃焼器６の内部で発生する熱を低温触媒反応の熱源として利用するようにしたものである。この場合、ガスタービン燃焼器６内は確実に触媒の作動温度条件にまで昇温する。しかも、燃料改質装置４を設置する場所をとらず、また配管なども簡略化できるのでプラントシステムを簡素な構造とできる。そして、この実施形態の場合にも第１の実施形態と同様にフュエルＮＯｘをプラント熱効率を下げずに低減できる。
【００４２】
《実施形態３》
図５に本発明の発電プラントの第３の実施形態を示す。この実施形態は、低温触媒を備える燃料改質装置４をタービン静翼内部に設けたものである。この場合、燃料改質装置４を設置する場所をとらず、また配管なども簡略化できるのでプラントシステムを簡素な構造とできる。そして、この実施形態の場合にも実施形態１と同様にフュエルＮＯｘをプラント熱効率を下げずに低減できる。
【００４３】
また、上記低温改質触媒をガスタービン７の静翼に設置した場合、タービン翼の冷却に圧縮機１の空気を使用する必要がなく、使用空気量が低下するため、相対的にプラント熱効率の向上が図れる。
【００４４】
《実施形態４》
図６に本発明の発電プラントの第４の実施形態を示す。この実施形態の発電プラントは、ガス化ガス燃料の一部（例えばほぼ１／２）を使ってＮＨ３ガスの還元分解反応に必要な窒素酸化物（ＮＯ）を供給するようにしたものである。即ち、ガス化ガス燃料ＣＧ２をほぼ２分し、一方のガス燃料ＣＧ４をそのまま燃焼器６へ供給すると共に他方のガス燃料を低温触媒を備える燃料改質装置４とは別の燃料改質装置４４へ微量の酸素ＡＯ２と共に導入して追い焚きあるいは触媒による制御の下でＮＯに変換し、低温触媒反応で必要な微量の窒素酸化物即ち窒素化合物と同量の窒素酸化物（ＮＯ）をガス化ガス燃料ＣＧ２そのものから得るようにしたものである。
【００４５】
ガス化ガス燃料ＣＧ２のほぼ１/２の量について、燃料改質装置４４にて窒素化合物の酸化反応に必要な量の空気または酸素を供給してガス化ガス燃料CG２中の窒素化合物を窒素酸化物にほぼ全量酸化したガスCG３を、改質しないガス化ガス燃料CG４と予混合した後、この予混合ガスCG５を図４に示すガスタービン燃焼器６内の低温触媒の存在する領域あるいは図５に示すタービン静翼内の低温触媒の存在する領域即ち低温触媒を備える燃料改質装置４に供給して、ＮＨ３の還元分解反応を起こさせてから燃料ノズル１８から燃料旋回器２３を通して燃焼室１４に供給し燃焼させる。同時に燃料ノズルボディー３０に開口した燃焼室１４の上流端の空気旋回器３２、アトマイズ空気噴孔（図示省略）および窒素噴射ノズル２４から燃焼用空気ＨＡＲおよび酸素製造装置２から供給される窒素AN２をそれぞれ供給することにより、燃焼室１４内に低温で且つ安定した火炎１７を形成させる。また、燃焼室１４の上流部では、燃料過剰条件とされており、混合ガス化ガス燃料CG５中に還元分解しきれずに残存する窒素酸化物と窒素化合物を空気中の酸素と火炎１７内で選択反応させ、それぞれを窒素に還元分解することを図っている。
【００４６】
この実施形態の場合、燃料改質装置４の容量を酸化する分を除いた量例えば約１/２とすることができるのでプラント建設コストおよび運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００４７】
尚、本実施形態では、１／２程度の未改質のガス化ガス燃料ＣＧ４と１／２程度の燃料改質して含有する窒素化合物を窒素酸化物に変換しているガス化ガス燃料ＣＧ３とを予混合してから燃焼器６内の燃料改質装置４に供給するようにしているがこれに特に限定されず、実施形態１のガス化複合発電プラントに記載したように、第１の燃料改質装置４と第２の燃料改質装置４４とをそれぞれガス精製装置５の後に設置して、そこに精製後のガス化ガス燃料を２分して供給するようにしても良いし、ガス化炉３内部、廃熱回収ボイラ８の前後あるいはタービン静翼内部などに燃料改質装置４を設置するようにしても良い。
【００４８】
《実施形態５》
図７に本発明の発電プラントの第５の実施形態を示す。この実施形態のガス化複合発電プラントは、第４の実施形態と同様に、ガス化ガス燃料の一部を使って窒素化合物の還元分解反応に必要な窒素酸化物を供給するようにしたものである。即ち、このプラントは、低温触媒を利用して窒素化合物を還元分解反応する第１の燃料改質装置４と、窒素化合物を酸化反応させて窒素酸化物を得る第２の燃料改質装置４４とを備え、ガス化ガス燃料ＣＧ２の一部例えば１／２程度を第２の燃料改質装置４４に導入してその中に含まれる窒素化合物を微量の空気または酸素の元に全量酸化して窒素酸化物にし、この改質ガスＣＧ３の窒素酸化物を使って残りの１／２程度のガス化ガス燃料ＣＧ４を第１の燃料改質装置４で改質してその中の窒素化合物の還元分解反応を行うようにしている。そして、この第１及び第２の燃料改質装置４，４４へのガス化ガス燃料の供給割合は、ガスタービン７の出口での窒素酸化物濃度を制御手段としての排ガス分析計３８により監視してそれが一定量以下になるように電磁バルブ３９の開度を制御して第２の燃料改質装置４４を経ずに直接第１の燃料改質装置４へ供給されるガス化ガス燃料の量を制御するようにしている。例えば、ガス化ガス燃料を燃焼させてガスタービンを運転する無負荷定格回転数から定格負荷までの間のガスタービン負荷変化に伴い、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、第１及び第２の２つの燃料改質装置４，４４へのガス化ガス燃料の供給割合を制御するようにしている。これにより、ガスタービン燃焼器内での無触媒還元反応を含めて窒素化合物を分解するのに必要なだけの窒素酸化物を生成するようにして過剰な窒素酸化物の供給を防ぐことができる。
【００４９】
尚、図７の第５の実施形態では、第１及び第２の燃料改質装置４，４４への供給割合を排ガス分析計３８により監視して第１の燃料改質装置４への窒素酸化物の過剰供給を防ぐようにしているが、場合によっては外部設備あるいはガスタービンからの排ガス中の窒素酸化物を直接燃料改質装置４へ供給する量を制御するようにしても良い。例えば、図１の第１の実施形態の場合には、燃料改質装置４へ窒素酸化物を供給する系統（ライン）に電磁バルブ（図示省略）などを設けて、これをガスタービン出口での排ガス中の窒素酸化物量を監視する図７の排ガス分析計３８で制御するようにしても良い。
【００５０】
《実施形態６》
図８は、本発明の第６の実施形態であるガス化複合発電プラントのガスタービン燃焼器６の概略構成を示す。このガスタービン燃焼器６は、燃焼室１４の上流端から直接燃焼室１４内へ窒素AN2を供給する第１の窒素供給系統２６ａと、窒素AN2を燃焼用空気HARに混ぜてから主に燃焼室１４の下流側に噴出させる第２の窒素供給系統２６ｂとの２つの窒素の供給系統を有し、ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を図示していない分析計で監視してその濃度が所定量以下となるように図９に示すように燃料及び負荷状況に応じて第１及び第２の窒素供給系統２６ａ，２６ｂへの窒素の供給割合（噴射位置）を制御する制御手段（図示省略）とを有するものである。一方の第１の窒素供給系統２６aは燃料ノズル１８に窒素を導いて窒素噴射ノズル２４から噴出させ、他方の第２の窒素供給系統２６bはガスタービン燃焼器外筒１３と燃焼器内筒１６との間の流路３６またはガスタービン車室２７に窒素を導き、窒素供給ノズル２８から燃焼用空気の気流中に噴射させ空気と混合させるようにしている。
【００５１】
実施形態６においては、第１の窒素供給系統２６aから窒素AN２を供給する場合に、実施形態１と同様に燃料ノズルボディ３０を介して燃料ノズル１８に設けた窒素噴射ノズル２４から、窒素を燃焼室１４内に直接噴射する。
【００５２】
また、外筒１３と燃焼器内筒１６との間の流路３６内、またはガスタービン車室２７に配置された第２の窒素供給系統２６ｂの窒素供給ノズル２８から供給された窒素は、燃焼空気HARと混合されてから燃焼室１４の上流端の空気旋回器３２及び噴孔２０を経て燃焼室の下流部分へ噴射される。即ち、窒素と空気との混合ガス３１は、燃焼室１４に開口している空気旋回器３２を有する噴孔および噴孔２０から、燃焼室１４内に順次供給される。したがって、ガスタービン燃焼器へ供給する窒素の全量若しくは一部を第１の窒素供給系統２６ａあるいは第２の窒素供給系統２６bのいずれか一方あるいは双方から必要な量だけ供給することにより、燃料ノズル１８の空気旋回器３２から噴出された空気噴流中の酸素濃度を極端に低下させることがなく燃焼室１４上流部の燃焼ガス温度および燃焼安定性を維持できる。また、混合ガス３１の一部はアトマイズ空気噴孔（図示省略）を経て起動用燃料２１あるいはガス化ガス燃料ＣＧ２に噴き付けられる。
【００５３】
この実施形態の発電システムは、ＮＯx排出量の低減と所内動力の回復を目的に、定格運転時だけでなく、起動用燃料２１による燃焼時、燃料切り替え時およびガス化ガス燃料CG２による部分負荷燃焼時においても、酸素製造装置２から生成される窒素AN２を燃焼器６に供給している。この際に、起動用燃料２１からガス化ガス燃料ＣＧ２へ切り替えられるとき及びガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には、火炎温度が低くしかも火炎の位置が変化することから燃焼が不安定になり易いので、窒素AN２を第２の供給系統２６bから供給することにより、燃焼室１４上流部での燃焼温度低下を防いで火炎安定性を維持するようにしている。
【００５４】
また、ガスタービン燃焼器６内の燃焼室１４は、複合発電プラントの全作動負荷条件において、上流部を燃料過剰条件としており、上流部における燃料と空気流量の比率はガスタービン負荷条件により、ＮＯx排出量を最も効果的に低減するように調整する。そのため、窒素供給系統を２系統に分割して供給する手法との組み合わせによる本発明により、燃焼不安定性の回避と未燃分の排出の抑制を図ることが可能となる。
【００５５】
このような構造および制御方法を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化複合発電プラントの全作動負荷範囲内において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、サーマルＮＯxおよびフュエルＮＯxの同時低減燃焼が可能となる。
【００５６】
次に、ガスタービン負荷運用について説明する。図９は、ガスタービン燃焼器６の無負荷定格回転数から定格負荷までの間の、ガスタービン負荷とガスタービン燃焼器６に供給される起動用燃料２１、ガス化ガス燃料CG２、窒素供給量/使用可能窒素量割合、および窒素バイパス供給割合の関係を示す図である。本運転方法では、ガスタービン発電プラントにおいて、ガスタービンの負荷変化に伴い、ガスタービン排気ガスG中の未燃の燃料成分濃度を監視して一定量以下になるように、窒素の供給量/使用可能窒素量割合、または窒素の第１窒素供給系統２６aおよび第２窒素供給系統２６bの供給割合を図示省略している制御手段例えば燃料成分濃度測定手段と電磁バルブ及び測定濃度結果に基づいて電磁バルブの開閉を制御するコンピュータ等の制御装置などで制御する。ここで、濃度測定装置としては、共存成分によって適宜選択されるが、主にＮＯｘに対しては化学発光法、赤外線吸収法、ガスクロＴＣＤ法等が、ＣＯに対しては赤外線吸収法、ガスクロＴＣＤ法等が、炭化水素には水素炎イオン化検出器、ガスクロＴＣＤ法等が使われるがこれに限られるものではない。
【００５７】
始動時には、外部動力により駆動された圧縮機１の吐出空気HARを用い、ノズル２２から噴射される起動用燃料２１を燃焼させる。起動用燃料２１による燃焼が安定したら、酸素製造装置２より生成される窒素AN２を燃料ノズル１８の周りに設けた第１の窒素供給系統２６ａの窒素噴射ノズル２４から燃焼室１４に直接噴射し、サーマルＮＯxの低減を図る。起動用燃料ノズル２２を用いた燃焼により、ガスタービン７が定格回転数に達した後、ガスタービン負荷を一定としたまま、燃焼安定性を確保するため、ガスタービン燃焼器６へ酸素製造装置２から供給されている窒素ＡＮ２のほぼ全量を第２の窒素供給系統２６bであるバイパス側に切り替えて燃焼用空気ＨＡＲと予混合して供給すると共に、燃料を起動用燃料２１から主燃料であるガス化ガス燃料CG２の燃焼に徐々に切り替える。ガス化ガス燃料CG２に完全に切り替えられた後は、ガスタービン７の負荷を上昇させ、燃焼室１４内での燃焼が安定したところで、再び窒素を第１の窒素供給系統２６aに切り替え、ガス化ガス燃料の噴射口の周りから直接燃焼室内へほぼ全量供給する。そして、発電機１０を併入し、徐々に負荷を取り出し始める。
【００５８】
ここで、起動用燃料２１からガス化ガス燃料CG２への切り替え時並びにガス化ガス燃料による低負荷運転時には、火炎１７の温度が低く、しかも燃焼室１４内で形成される火炎１７の位置が変化し、燃焼が不安定になる可能性がある。そこで、ガスタービン排気ガスFGまたはＧ中の未燃分の濃度を監視しながら、窒素の第１の窒素供給系統２６aおよび第２の窒素供給系統２６bへの供給割合を調整し、燃焼安定性を確保する。例えば、ガスタービン７の負荷が上昇するにつれて、火炎１７の温度が上昇するので、第２の窒素供給系統２６bであるバイパス側を徐々に減少させ、燃料ノズル１８に設けた第１の窒素供給系統２６aへの窒素供給割合を徐々に増加させる。
【００５９】
以上、本発明による改質型ガス化ガス発電プラントでは、全負荷帯に渡り、プラント熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃焼燃料の排出の抑制を図ることができると共に、サーマルＮＯxおよびフュエルＮＯxの同時低減燃焼が可能である。
【００６０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、ガス化ガス燃料を乾式で精製する発電プラントにおいて、発電プラントから排出されるＮＯｘの大半を占めるフュエルＮＯxの生成源となるガス化ガス燃料中の窒素化合物を低温触媒を利用して窒素に分解し、且つガスタービンの全作動負荷条件範囲において燃焼室の上流部を燃料過剰条件とする二段燃焼法を採用することにより燃料改質装置で分解されずにガス化ガス燃料中に残留した窒素化合物が燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制するようにしているので、発電プラントから排出される窒素酸化物を大幅に低減することが可能である。したがって、ガスタービンの下流において燃焼ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝設備を取り除いたりあるいは大幅に縮小して、環境保全性を満足しつつプラントシステムの簡素化によるプラント建設コスト並びに運用コストを大幅に低減することが可能である。しかも、乾式精製を採用できるので発電プラントの一層の熱効率向上を図ることができる。
【００６１】
また、請求項２記載の改質型ガス化ガス発電プラントによると、ガス化炉から供給される高温ガス化ガスの熱またはガスタービンから排出される高温の排ガスの温度レベルで作動する低温触媒を利用しているので、触媒そのものが安価であると共に触媒を長期に渡り使用できるので運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００６２】
また、請求項３記載の改質型ガス化ガス発電プラントによると、低温触媒を用いる燃料改質部を燃焼器内の上流部または燃焼器内筒と外筒の間の流路、または燃焼器尾筒のいずれかに設けたことから、低温触媒の熱源として利用する排ガス等を燃料改質部へ導く配管設備等を必要とせず、プラント建設が簡単でかつ設備コスト並びに運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００６３】
また、請求項４記載の改質型ガス化ガス発電プラントによると、低温触媒を用いる燃料改質部をタービン翼内部に設けたので、ガスタービンに導入される燃焼ガスを利用して低温触媒による燃料中の窒素化合物の還元分解を行うと共に、タービン静翼の冷却に圧縮機の空気を使用する必要がなく、プラント熱効率の向上が図れる。
【００６４】
また、請求項５記載の改質型ガス発電プラントによると、燃料改質部へ供給する窒素酸化物の供給量を、ガスタービン燃焼器での燃焼に供されるまでに分解しきってガス化ガス燃料中に残らない程度の量に調整することができるので、窒素酸化物の過剰供給が起こらず、排出ＮＯｘ量を大幅に低減することができる。
【００６５】
また、請求項６記載の改質型ガス化ガス発電プラントによると、ガス化ガス燃料の一部好ましくは半分程度を使って低温触媒下での窒素化合物の還元分解反応に用いる窒素酸化物を得ることができると共に、低温触媒を利用した窒素化合物の分解反応量を減らすこと、例えば１／２程度に減らすことができるので触媒使用量および運用コストを大幅に低減することが可能である。
【００６６】
さらに、請求項８記載の改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法によると、ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視して一定量以下になるように、ガス化ガス燃料の燃料改質部への供給割合を制御するので、ガスタービン燃焼器内での無触媒還元反応の分解を含めて窒素化合物を分解するのに必要なだけの窒素酸化物濃度を生成させ、余剰な窒素酸化物の発生を抑制することができる。
【００６７】
また、請求項７記載の改質型ガス化ガス発電プラント及び請求項９記載の改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法によると、フュエルＮＯxを低減できると同時に、プラントの熱効率の低下を招くことなく、燃焼安定性を確保しつつ、サーマルＮＯxを低減できる。即ち、火炎温度が高く火炎安定性に優れる起動用燃料を使った燃焼時並びに定格燃焼時には、第１の窒素供給系から燃焼室上流部のみに供給される窒素によって火炎の温度が下げられてサーマルＮＯｘの発生が抑制され、火炎温度が低くかつ火炎位置が変化し燃焼が不安定となり易い起動用燃料からガス化ガス燃料への切り替え時並びにガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には第２窒素供給系から燃焼室下流部に主に窒素を供給することによって、燃焼室上流部での燃焼温度を低下させずに火炎安定性を維持しながら燃焼ガス全体の温度を下げてサーマルＮＯｘの発生をも抑制している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガス化ガス発電プラントの第１の実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明に係るガス化ガス発電プラントガスタービン燃焼器の一例を示す概略図である。
【図３】本発明に係るガスタービン燃焼器の空気配分の例を示すグラフである。
【図４】本発明に係るガス化ガス発電プラントの第２の実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明に係るガス化ガス発電プラントの第３の実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明に係るガス化ガス発電プラントの第４の実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明に係るガス化ガス発電プラントの第５の実施形態を示す概略図である。
【図８】ガスタービン燃焼器の他の例を示す概略図である。
【図９】本発明に係るガス化ガス発電プラントの運転方法に関する第６の実施形態を示す概略図であり、ガスタービンの無負荷定格回転数から定格負荷までの間の窒素および燃料の供給割合を示す。
【図１０】一次燃焼域（燃焼室上流部）での当量比と窒素化合物から窒素酸化物への転換率との関係求めた実験結果を示すグラフである。
【図１１】窒素化合物の無触媒還元に必要な窒素酸化物の供給量と無触媒還元反応後の窒素酸化物および窒素酸化物の残留量の関係を求めた実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 酸素製造装置
３ ガス化炉
４ ガス化ガス燃料改質装置
４ａ 触媒を有していない第２の燃料改質装置
４ｂ 触媒を有する第１の燃料改質装置
５ ガス化ガスのガス精製装置
６ ガスタービン燃焼器
７ ガスタービン
１０ 発電機
３６ 燃焼器外筒と内筒との間の流路
１４ 燃焼室
１９ 燃焼器尾筒
２１ ガスタービン起動用燃料（灯油等）
２４ 窒素噴射ノズル
２５ 窒素旋回器
２６ａ 第１の窒素供給系統
２６ｂ 第２の窒素供給系統
AO２ 酸素を主体とするガス
AN２ 窒素を主体とするガス
CG１ ガス化後のガス
CG２ ガス精製後のガス化ガス燃料
CG３ 改質後のガス化ガス燃料
CG４ 改質装置を通さずにバイパスしたガス化ガス燃料
CG５ 改質後のガス化ガス燃料とバイパスしたガス化燃料CG４の混合ガス
FG 燃焼室排出ガス
G ガスタービン排気ガス
HAR 圧縮機の吐出空気
Claims (9)
- 空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化炉でガス化すると共に乾式精製した後に燃料改質部で改質することによって得られたガス化ガス燃料を主燃料として燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンに結合されて電力を出力する発電機とを少なくとも含む発電プラントにおいて、前記燃料改質部は低温触媒を備え窒素酸化物と空気または酸素の供給によって前記ガス化ガス燃料中の窒素化合物と供給した前記窒素酸化物とを窒素に分解し、且つ前記ガスタービンはその全作動負荷条件範囲において前記燃焼室の上流部を燃料過剰条件とすることにより、還元燃焼させるか若しくは前記燃料改質部で分解されずに前記ガス化ガス燃料中に残留した窒素化合物を酸素と窒素酸化物の存在下に窒素酸化物と選択反応させて燃焼室内における燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制することを特徴とする改質型ガス化ガス発電プラント。
- 前記ガス化炉における高温ガス化ガスの熱または前記ガスタービンから排出される高温排気ガスの熱を前記燃料改質部に供給し、触媒反応の熱源に利用することを特徴とする請求項１記載の改質型ガス化ガス発電プラント。
- 前記燃料改質部を前記燃焼器内の燃焼室上流部または前記燃焼器内筒と外筒の間、若しくは前記燃焼器尾筒外周部のいずれかに設けたことを特徴とする請求項１記載の改質型ガス化ガス発電プラント。
- 前記燃料改質部を前記ガスタービンのタービン翼内部に設けたことを特徴とする請求項１記載の改質型ガス化ガス発電プラント。
- 請求項１から４のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、前記ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、前記燃料改質部へ供給する窒素酸化物の量を制御することを特徴とする改質型ガス化ガス発電プラント。
- 前記ガス化ガス燃料の一部を、前記燃料改質部とは別の燃料改質部に導入してその中に含まれる窒素化合物を追い焚きあるいは触媒による反応制御の下で全量酸化して窒素酸化物にし、この窒素酸化物を使って低温触媒を有する前記改質部にて残りのガス化ガス燃料中の窒素化合物の還元分解反応を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラント。
- 請求項１から６のいずれかに記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、前記燃焼室の上流端から直接当該燃焼室内へ窒素を供給する第１の窒素供給系統と、前記ガスタービン燃焼器内で前記燃焼室内へ噴出される前の燃焼用空気中へ窒素を噴出して混合させ主に燃焼室の下流側に噴出させる第２の窒素供給系統とを有し、前記ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその濃度が所定量以下になるように、前記第１及び第２の窒素供給系統への窒素供給割合を制御する制御手段を有することを特徴とする改質型ガス化ガス発電プラント。
- 請求項６に記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、前記ガスタービン出口での窒素酸化物濃度を監視してその濃度が一定量以下になるように、前記２つの燃料改質部への前記ガス化ガス燃料の供給割合を制御することを特徴とする改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法。
- 請求項７記載の改質型ガス化ガス発電プラントにおいて、前記ガスタービン燃焼器への窒素の供給は、起動用燃料並びにガス化ガス燃料による安定燃焼時には前記第１の窒素供給系統から行われ、前記起動用燃料から前記ガス化ガス燃料へ切り替える時及び前記ガス化ガス燃料による低負荷燃焼時には前記第２の窒素供給系統から行われ、かつ前記ガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視してその値が所定の値を超える時には前記第２の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させ、所定値以下の場合には前記ガスタービン負荷の上昇に伴って前記第１の窒素供給系統から供給する窒素流量を増加させるように前記第１の窒素系統と前記第２の窒素供給系統との間での窒素供給割合を制御することを特徴とする改質型ガス化ガス発電プラントの運転方法。
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