JP3788149B2

JP3788149B2 - 複合発電システム

Info

Publication number: JP3788149B2
Application number: JP36036699A
Authority: JP
Inventors: 琢也石賀; 啓信小林; 正行谷口; 利昭荒戸; 強柴田; 輝幸岡崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2019-12-20
Also published as: JP2001173412A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複合発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電プラントの高効率化を図るために、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた複合発電が用いられている。これは、例えば特開平７−２０８７０４号、特開平５−２２２９５１号に示されるように、高温・高圧の燃焼ガスをガスタービンに供給し、さらにその排ガスで蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動する。このため石炭等の固体燃料を用いる場合、流動層燃焼炉、またはガス化炉にて高温・高圧の燃焼ガスまたは燃料ガスを生成し、ガスタービンの摩耗や腐食を防止するために防塵さらには脱硫等の精製を加えた後、ガスタービンに投入している。
【０００３】
また、石炭を完全燃焼させ、灰をスラグ化するスラッギング・コンバスタを用いた複合発電システムは、例えば特開平６−１４６８１３号に公開されている。これは石炭の燃焼ガスを、ガスタービンに供給する空気や蒸気タービンを駆動する蒸気を加熱する熱源用として利用するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開平７−２０８７０４号記載のガス化炉は、燃料ガスを生成する。該ガス化炉は、還元雰囲気で運転されるため、Ｈ₂ＳやＣＯＳといった硫化腐食の原因となるガスが放出される。燃料ガスは脱硫装置で石灰石により脱硫され、脱塵装置で脱塵され、ガスタービン燃焼器に供給される。このため装置構成が複雑であり、コストが高くなる。
【０００５】
特開平５−２２２９５１号記載の流動層燃焼炉は、炉内で燃料を完全燃焼させて、燃焼ガスを排出する。該流動層燃焼炉は、炉内に石灰石を投入して、炉内で脱硫するが、燃焼ガス中に多くの飛灰を含む。このため、該流動層燃焼炉を出た燃焼ガスは脱塵装置で脱塵され、ガスタービン燃焼器に供給される。さらに該特開平５−２２２９５１号記載の複合発電システムは、部分ガス化炉と、流動層燃焼炉と、ガスタービン燃焼器の3箇所の燃焼室を持つ。このため装置構成が複雑となり、コストが高くなる。
【０００６】
特開平６−１４６８１３号記載のスラッギング・コンバスタは、石炭を完全燃焼させて、燃焼ガスを排出する。しかし燃焼ガス中に飛灰を多く含むため、燃焼ガスは直接ガスタービンに供給されず、ガスタービンに供給する空気や蒸気タービンに供給する蒸気を加熱する熱源として利用されている。このシステムは、スラッギング・コンバスタの下流に、空気と蒸気を加熱するための、巨大な排熱回収ボイラを必要とする。
【０００７】
本発明の目的は、炭素と水素を含む固体又は液体燃料を完全燃焼させる機能と、燃焼灰をスラグ化することにより燃焼ガスを脱塵する機能を併せ持つ燃焼炉を備えることで、簡素化した装置構成で発電効率の高い複合発電システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の複合発電システムは、炭素と水素を含む固体又は液体燃料を完全燃焼させ、灰を下部より溶融スラグとして回収する燃焼炉と、前記燃焼炉から排出される排気ガスから熱回収して蒸気タービンを回して発電機を駆動する排熱回収ボイラと、前記燃焼炉から排熱回収ボイラを経由し、該排熱回収ボイラを出た排気ガスを導入するガスタービンと、該排気ガスにより駆動される発電機と、前記ガスタービンと直結し、前記燃焼炉に圧縮空気を供給するコンプレッサと、脱硝装置と、集塵装置と、脱硫装置を順次備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１３】
（第一実施例）
本発明の第一実施例として、石炭を燃料とする複合発電システムを図１〜図５に示す。
【００１４】
図１は複合発電システムの概略図を示す。本システムは、燃焼炉６に石炭を供給する石炭供給系、燃焼炉６、蒸気タービン１６で発電機１９を駆動するための排熱回収ボイラ１０a、発電機１９を駆動するためのガスタービン１２、ガスタービン１２に直結し、燃焼炉６に空気を供給するコンプレッサ１３、脱硝装置１４、蒸気タービン１６から復水器１７を経由した水を加熱するための排熱回収ボイラ１０b、集塵装置１５、脱硫装置１１、煙突２０を順次備えている。
【００１５】
石炭供給系において、石炭バンカ１に貯められた石炭は、粉砕機２で粉砕され、常圧ホッパ３aとロックホッパ３bを経由して、燃料ノズル４の配管に送られる。石炭等の燃料３３は、燃料ノズル４から燃焼炉６に供給される。石炭の搬送用空気３０は、コンプレッサ１３から供給される圧縮空気５とする。
【００１６】
燃焼炉６に供給された石炭は、燃焼炉内で完全燃焼する。石炭中の灰分は溶融スラグ２４として、燃焼炉底部の溶融スラグ排出口９から回収される。また排ガス２３は、燃焼炉頂部の排ガス出口７を出て、排熱回収ボイラ１０aで熱交換される。排熱回収ボイラ１０aで得られた蒸気は、蒸気タービン１６に導入され、発電機１９にて電気エネルギーに変換される。排熱回収ボイラ１０aを出た排ガス２３は、ガスタービン１２に導入される。ここで排ガス２３の熱エネルギーは、発電機１９にて電気エネルギーに変換される。ガスタービン１２を出た排ガス２３は、脱硝装置１４で脱硝され、さらに排熱回収ボイラ１０bにて、蒸気タービン１６から復水器１７を経由した水を加熱する。その後、排ガス２３は集塵装置１５で集塵されて、脱硫装置１１で脱硫された後、煙突２０から大気に放出される。集塵装置１５で回収された飛灰や未燃分等の固体粒子８は、再度、燃焼炉６に戻してもよい。また、燃焼炉６に、過去に排出された灰や、炭田から捨てられる泥炭等の低品位炭を投入してもよい。
【００１７】
図２は複合発電システムで石炭を燃料とする燃焼炉６の縦断面図を示す。燃焼炉６は、直立した一室の円筒状の燃焼室２５を有する。燃焼炉６は、頂部に排ガス出口７を、底部に溶融スラグ排出口９を有する。また燃焼炉６は、排ガス出口７と溶融スラグ排出口９の間に、燃料や空気を炉内に供給するための3種類のノズルを有する。各ノズルは、炉頂部側から順に、一次空気ノズル２７、二次空気ノズル２８、燃料ノズル４と呼称する。この燃焼炉６は、燃料の完全燃焼に必要な空気量の約１．０〜１．３倍の空気を投入して運転されることが望ましい。各ノズルに供給する空気は、コンプレッサ１３からの圧縮空気５とする。
【００１８】
図３は、図２の燃焼室２５のＡ−Ｂ断面であり、一次空気ノズル２７の中心を通る面を示す。一次空気ノズル２７は、燃焼室２５の内周面に沿って水平方向に、一次空気２６を燃焼室内に供給する。これにより、燃焼室２５に投入された一次空気の一部２６aは、燃焼室２５の内周面に沿って、旋回しながら下降する流れを形成する。逆に、残りの一次空気２６bは、旋回しながら上昇し、排ガス出口７に向って流れる。一次空気２６の流量は、燃焼室２５に投入する全空気量の２／３以上とするのが望ましい。また、一次空気２６を旋回流として燃焼室内に投入できれば、ノズルは一本でも複数本でも構わない。
【００１９】
図４は、図２の燃焼室２５のＣ−Ｄ断面であり、二次空気ノズル２８の中心を通る面を示す。二次空気ノズル２８は、燃焼室２５の内周面に沿って水平方向に、二次空気２９を燃焼室内に供給する。二次空気２９の流量は、燃焼室２５に投入する全空気量の１／４以下とするのが望ましい。二次空気２９を旋回流で供給できれば、ノズルの本数は問わない。二次空気２９は、下降する旋回流となった一次空気２６aに同伴される。これにより、二次空気２９の流量を調整すれば、燃焼室２５のＣ−Ｄ断面より下の部分に供給される空気量を調整できる。
【００２０】
図５は、図２の燃焼室２５のＥ−Ｆ断面図を示す。燃料ノズル４は、燃焼室２５の内周面に沿って水平方向に、燃料３３を燃焼室内に供給する。ここで固体燃料を使用する場合、燃料３３は搬送用空気３０により搬送される。搬送用空気３０の流量は、一次空気２６の１／８程度とするのが望ましい。燃料ノズル４は、燃料を旋回流で供給できれば、一本でも複数本でも構わない。燃焼室２５に投入された燃料３３は、一次空気２６と二次空気２９により形成された下降する旋回流に同伴され、燃焼室の底部へと送られる。ここで、一次空気ノズル２７と二次空気ノズル２８から旋回しながら下降してきた空気は、燃料ノズル４に到達するまでに、燃焼室内の熱で加熱される。このため、燃料中の揮発成分は、直ちに気化して着火する。燃料中の固体炭素分は、燃焼室内の熱や、先に着火した揮発分の燃焼熱で加熱され、直ちに着火する。
【００２１】
旋回しながら下降する燃料３３と空気の流れが燃焼室底部に到達したとき、燃料中の可燃分の大部分が燃焼する。一般に石炭灰の融点は1300〜1500度、廃棄物から出る灰の融点は1200〜1300度である。これにより、焼室底部の雰囲気温度を1500度以上に保てば、燃料中に含まれる灰は溶融し、溶融スラグ２４となる。溶融スラグ２４は、旋回する空気の遠心力により燃焼室２５の内壁に付着する。内壁に付着した溶融スラグ２４は、その自重と、下降する空気の流れに同伴されることにより、燃焼室２５の内壁を、炉底３１に向って流れる。炉底３１にたまった溶融スラグ２４は、炉底３１の中央に設けられた溶融スラグ排出口９より滴下し、回収される。
【００２２】
燃焼室底部まで下降したガスは、炉底３１にぶつかり、流れを反転させて、上昇流となる。燃焼室内を下降してきた燃料と空気は、旋回流のため、燃焼室２５の内壁近くに集中している。これにより燃焼室内の中心軸３２付近の圧力が低下する。このため、上昇流となったガスは、燃焼室２５の中心軸３２付近を通って、燃焼室２５の天井部の中央に設けられた排ガス出口７から燃焼室外に排出される。ここで、燃焼室内を上昇するガス中の未燃分は、上昇流となった一次空気２６bと混合し、完全燃焼する。これにより、排ガス出口７において、投入した燃料中の可燃分の９９％以上が燃焼する。
【００２３】
このときの排ガス２３中の粒子濃度を見積もる。例えば、燃料は灰分を7．26％含むブレアソール炭とし、燃焼室内に投入する空気量は、燃料の完全燃焼に必要な空気量の１．３倍とする。また、排ガス出口７において、燃料中の可燃分の９９％が燃焼し、かつ灰のスラグ化率は９０％とする。この場合、排ガス出口７の粒子濃度は２ｇ／Ｎｍ³以下となる。これにより、排ガス２３に含まれる粒子の粒径を数μm以下とできれば、排ガス２３をガスタービン１２に直接供給できる。
【００２４】
燃焼室２５を出た排ガス２３は、まず排熱回収ボイラ１０aに供給され、熱交換される。これにより、排ガス２３の温度と圧力を一定に制御できれば、ガスタービン１２を一定の負荷で運転できる。よって、燃焼室２５から出る排ガス２３の温度を上げれば、プラントの発電効率は良くなる。これは、排熱回収ボイラ１０aで取り出せる熱量が増加し、蒸気タービン１６の発電効率が良くなるためである。
【００２５】
（第二実施例）
本発明の第二実施例として、第一実施例を改良した複合発電システムの概略図を図６に示す。本システムは、燃焼炉６の負荷を変動させても、ガスタービン１２を一定負荷で運転することを特徴とする。
【００２６】
本システムにおいて負荷を変化させる場合、燃焼炉６に供給する空気量は変動する。燃焼用空気は、コンプレッサ１３から供給される。このため、燃焼用空気量を変動させると、コンプレッサ１３の回転数が変わる。コンプレッサ１３は、ガスタービン１２に直結され、ガスタービン１２の駆動に連動して運転される。従って、コンプレッサ１３の回転数を変えると、ガスタービン１２の回転数も変化する。
【００２７】
そこで、本システムは、コンプレッサ１３から供給される圧縮空気５の一部を、排熱回収ボイラ１０aを出た排ガス２３と混合させる。本システムによると、燃焼炉６の負荷を下げて、コンプレッサ１３から供給される空気が過剰となった場合でも、コンプレッサ１３の回転数は一定で運転できる。これにより、ガスタービン１２を一定負荷で運転できる。
【００２８】
（第三実施例）
本発明の第三実施例として、第一実施例を改良した複合発電システムの概略図を図７に示す。本システムは、燃焼炉の負荷変動によらずガスタービン１２の負荷を制御できることを特徴とする。
【００２９】
本システムは、排熱回収ボイラ１０aとガスタービン１２の間に、補助燃焼室２２を持つ。補助燃焼室２２には、排熱回収ボイラ１０aからの排ガス２３と、コンプレッサ１３からの圧縮空気５と、無機物を含まない燃料２１が供給される。ここで、無機物を含まない燃料２１は、例えば天然ガス等の灰を含まない燃料である。補助燃焼室２２において、排ガス２３を再加熱するこで、排ガス２３の温度と圧力を高めることができる。また、補助燃焼室２２出口の排ガスの温度と圧力を制御することで、ガスタービン１２の負荷を制御できる。これにより、燃焼炉６の負荷変動によらず、ガスタービン１２の負荷を上げて運転できる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の複合発電システムによると、炭素と水素を含む固体又は液体燃料を完全燃焼させる機能と、燃焼灰をスラグ化することにより燃焼ガスを脱塵する機能を併せ持つ燃焼炉を備えることで、簡素化した装置構成で発電効率の高い複合発電システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施例の複合発電システムの概略構成図。
【図２】燃焼炉の縦断面図。
【図３】燃焼炉のＡ−Ｂ断面図。
【図４】燃焼炉のＣ−Ｄ断面図。
【図５】燃焼炉のＥ−Ｆ断面図。
【図６】第二実施例の複合発電システムの概略構成図。
【図７】第三実施例の複合発電システムの概略構成図。
【符号の説明】
１…石炭バンカ、２…粉砕機、３a…常圧ホッパ、３b…ロックホッパ、４…燃料ノズル、５…圧縮空気、６…燃焼炉、７…排ガス出口、８…固体粒子、９…スラグ排出口、１０a、１０b…排熱回収ボイラ、１１…脱硫装置、１２…ガスタービン、１３…コンプレッサ、１４…脱硝装置、１５…集塵装置、１６…蒸気タービン、１７…復水器、１８…空気、１９…発電機、２０…煙突、２１…無機物を含まない燃料、２２…補助燃焼室、２３…排ガス、２４…溶融スラグ、２５…燃焼室、２６…一次空気、２６a…下降流となる一次空気、２６b…上昇流となる一次空気、２７…一次空気ノズル、２８…二次空気ノズル、２９…二次空気、３０…搬送用空気、３１…炉底、３２…燃焼室の中心軸、３３…燃料。

Claims

炭素と水素を含む固体又は液体燃料を完全燃焼させ、灰を下部より溶融スラグとして回収する燃焼炉と、前記燃焼炉から排出される排気ガスから熱回収して蒸気タービンを回して発電機を駆動する排熱回収ボイラと、前記燃焼炉から排熱回収ボイラを経由し、該排熱回収ボイラを出た排気ガスを導入するガスタービンと、該排気ガスにより駆動される発電機と、前記ガスタービンと直結し、前記燃焼炉に圧縮空気を供給するコンプレッサと、脱硝装置と、集塵装置と、脱硫装置を順次備えたことを特徴とする複合発電システム。
請求項１記載の複合発電システムにおいて、前記コンプレッサからの圧縮空気の一部を、ガスタービンに供給することを特徴とする複合発電システム。
請求項１記載の複合発電システムにおいて、前記の排熱回収ボイラとガスタービンの間に補助燃焼室を備え、この補助燃焼室に、前記燃焼炉から排熱回収ボイラを経由した排気ガスと、コンプレッサからの圧縮空気と、無機物を含まない燃料を供給し、燃焼炉の負荷変動によらず、ガスタービンに供給する燃焼ガスの温度と圧力を制御できること特徴とする複合発電システム。
請求項１、２、３記載の複合発電システムにおいて、燃焼炉は直立した一室の円筒炉であって、燃焼炉の頂部に排気ガスの排出口を有し、炉底部に溶融スラグの排出口を有し、さらに燃料や固体分や空気を円筒炉内に接線方向に供給するノズルとして、炉頂部側から順に一次空気ノズル、二次空気ノズル、燃料ノズルを有する燃焼炉を備えたことを特徴とする複合発電システム。