JP3788149B2 - 複合発電システム - Google Patents
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Description
【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 (4)
- 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。
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