JP4233175B2

JP4233175B2 - 石炭熱分解反応生成物による発電方法

Info

Publication number: JP4233175B2
Application number: JP12667999A
Authority: JP
Inventors: 英昭矢部; 隆文河村
Original assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2019-05-07
Also published as: JP2000319672A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭を水素含有雰囲気下において急速に熱分解させて発生したガス、オイルを用いた発電方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
石炭は、世界的に見ればもっとも多く用いられている発電燃料である。その発電方式も、従来方式である微粉炭焚きボイラー発電から、より効率が良く、環境保全性にも優れた石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）へと移行しつつあるため、現在、各方面で石炭をガスに転換するガス化技術の開発が盛んに行われている。
【０００３】
本発明者らは現在までに、石炭を急速に加熱し、熱分解することにより、石炭からガス、タール、チャーのような有用成分を製造するプロセスに関する提案を行っている。例えば、特開平１−１１３４９１号公報には、石炭を気相中で、間接的に昇温された熱分解発生ガスと混合させることによって、石炭を短時間で熱分解し、石炭中の揮発分の多くをタール、ガスとして回収する技術が開示されている。また、特開平５−２９５３７１号公報には、石炭を急速熱分解して得られたチャーの一部を酸素でガス化し、その高温ガス中に微粉炭を吹き込むことによって、石炭の熱分解を行う技術が開示されている。
【０００４】
また、現在までに、石炭水添ガス化または水素化熱分解と呼ばれるプロセスもいくつか提案されている。このプロセスは、石炭を高温高圧下において水素と反応させて、直接メタンをはじめとする炭化水素ガスおよびＢＴＸ（ベンゼン、トルエン、キシレン）をはじめとする液状炭化水素を製造することに特徴がある。本発明者らも、特願平１０−２７９２１号において、石炭、チャーおよび炭素質原料の酸素によるガス化で生ずる高温ガス中に、水素ガスを混合し、水素濃度を高めたガス雰囲気中に石炭を吹き込み、石炭の急速加熱・熱分解反応を気流層で行わせ、特にＢＴＸを高収率で得ることが可能であり、かつ設備のイニシャルコストを低減し、熱補給の必要がない高い熱効率の石炭水素化熱分解方法を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
電力の需要には、例えば夏期冷房需要の急増等の様々な要因によって、大きな日格差および年格差が存在するため、石炭火力発電においても、これらの格差に対応して電力負荷（供給量）を変動させることが必要である。しかし、従来の微粉炭炊きボイラー発電（汽力発電）において低負荷運転を行うことは発電プラントの発電効率および信頼性が低下してしまうという欠点がある（例えば「エネルギー新技術大系」、エヌ・ティー・エス、ｐ９３１）。
【０００６】
一方、ガスタービンとスチームタービンを組み合わせた複合サイクル発電は、定格点における発電効率がボイラー発電より高いばかりではなく、定格点から部分負荷に至るまでの幅広い運転領域での発電効率が高く、運用熱効率に優れているため、電力負荷変動対策として極めて有効である。しかし、液化天然ガス（ＬＮＧ）あるいは石油を原料として用いる場合には電力負荷変動対策として有効である複合発電も、石炭を原料として用いる場合（ＩＧＣＣ）には必ずしも有効ではない。なぜなら、ＩＧＣＣの場合、低負荷運転を行った際に発電機（タービン）のみではなく、その前段で石炭をガスへ転換する石炭ガス化炉も同時に低負荷運転する必要があるが、それに伴って石炭をガスへ転換する熱効率（冷ガス効率）の低下が著しくなり、結果として大幅な発電効率の低下を引き起こしてしまうためである。また、石炭ガス化炉は、灰やスラグの付着によるトラブルを回避した安定操業を行うためにも、できる限り石炭供給量を変化させずに一定の負荷で運転することが重要である。
【０００７】
また、もう一つの電力負荷変動対策として、二次電池、フライホイール等を用いて電力低負荷時の電力を貯蔵し、それを電力高負荷時に放出して利用する、いわゆる電力負荷平準化技術の開発も行われているが、電力貯蔵技術の効率、コスト等の問題から当面の実用化は難しいのが現状である。
【０００８】
本発明の目的は、石炭を原料として用いる複合発電において、石炭熱分解炉における定格量の石炭を常にほぼ一定量処理しながら、かつ、発電効率を低下させることなしに電力負荷の変更が可能な発電方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになしたもので、その発明の要旨は以下の通りである。
【００１０】
（１）石炭、チャーおよび炭素質原料、又は、チャーの酸素によるガス化で生ずる高温ガス中に石炭を吹き込み、石炭の急速加熱・熱分解反応を気流層型の熱分解反応炉の中で、温度７００〜９５０℃、圧力１０〜８０ａｔｍで行わせて、熱分解ガス、オイル、及び、チャーを発生させ、当該発生したチャーを当該発生した熱分解ガス及びオイルから分離し、当該分離後のチャーの一部又は全量を前記ガス化の際のチャーとして使用し、更に前記熱分解ガスと前記オイルとを分離後、前記熱分解ガスを製品ガスとＢＴＸに分離し、前記オイルをＢＴＸと重質オイルに分離し、前記分離後のＢＴＸを貯蔵し、前記分離後の製品ガスと重質オイルを発電燃料として用いる発電プロセスの発電方法であって、石炭熱分解炉における定格量の石炭を常にほぼ一定量処理しながら、電力低負荷時には、前記製品ガスを用いて発電すると同時に前記重質オイルを貯蔵し、一方、電力高負荷時には、前記製品ガス、前記分離後の重質オイルおよび先に貯蔵した重質オイルを用いて発電することを特徴とする。
【００１１】
（２）また、前記（１）項の石炭熱分解反応生成物による発電方法において、前記ガス化で生ずる高温ガス中に、水素ガスを混合することによって、熱分解雰囲気ガス中の水素濃度を３０％以上とすることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。図１および図２に本発明に関するフローシートを示す。
【００１３】
微粉砕した石炭は気流層型の熱分解反応炉１へ導入される。熱分解反応炉１では、高温ガス発生炉２において発生する高温ガスに石炭を混合し、熱分解することによって、熱分解反応生成物として熱分解ガス、オイル、チャーが発生する。なお、熱分解反応炉１は、常にその定格量の石炭をほぼ一定量処理するのが望ましい。発生したチャーは、サイクロン３によってガス、オイルから分離される。分離されたチャーの一部または全量は、高温ガス発生炉２において酸素ガスによってガス化（部分酸化）され、高温ガス（主成分は水素および一酸化炭素）に変換される。高温ガス発生炉２を熱分解反応炉下部に設置することによって、高温ガスの顕熱は、放熱を最小限として効率良く、熱分解反応炉１へ導入される。なお、炭種によっては、ガス化温度を制御するために、スチームをガス化剤として添加する場合もある。また、発生したチャーを他の用途に使用する場合は、チャーの代わりに石炭または他の炭素質原料を使用しても良い。ガス化の際に発生するスラグは、高温ガス発生炉２の底部より回収する。
【００１４】
熱分解ガスおよびオイルは冷却器４によって分離される。オイルは更に必要に応じて、蒸留等の方式のオイル精製器５によって、ＢＴＸおよび重質オイルに分離精製される。一方の熱分解ガスは、脱硫器６によって硫黄を除去した後、吸収等の方式のガス精製器７によって、ＢＴＸと製品ガスに分離精製される。
【００１５】
ＢＴＸの収率を高めたい場合や重質オイルの軽質化を行いたい場合には、熱分解反応炉１へ水素ガスを添加し、熱分解雰囲気ガス中の水素濃度を高めることが有効である。その場合、製品ガスの一部はシフト反応器８へ導入され、（２）式に示す水性ガスシフト反応によって、一酸化炭素が水素および二酸化炭素へと変換され、水素リッチガスとなる。水素リッチガスは脱炭酸器９によって二酸化炭素が除去され、水素ガスとしてリサイクル利用される。
【００１６】
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ₂＋Ｈ₂＋４０．３ｋＪ／ｍｏｌ・・・（２）
【００１７】
なお、熱分解雰囲気ガス中の水素濃度は３０％以上となるように、製品ガスをリサイクルするのが望ましい。リサイクルする水素ガスが増加した場合には、熱交換器１０を設置して、熱分解ガスとの熱交換を実施しても良い。
【００１８】
熱分解反応炉１内の反応条件は、温度５００〜１６００℃、圧力１０〜８０ａｔｍ、ガス滞留時間０．０１〜３０ｓｅｃとするが、ガスの収率を高めたい場合には、特に温度９００〜１２００℃、滞留時間２〜３０ｓｅｃとし、またＢＴＸの収率を高めたい場合には、特に温度７００〜９５０℃、ガス滞留時間０．０１〜５ｓｅｃとするのが望ましい。
【００１９】
生成した熱分解反応生成物（製品ガス、ＢＴＸ、重質オイル）の全量または一部は発電設備１１における燃料として利用される。この場合の発電方式としては、低負荷運転への切り替えが容易で、かつその際の発電効率も高い複合サイクル発電（ガスタービン＋スチームタービン）が最適である。
【００２０】
電力の需要が少ない電力低負荷時には、生成した熱分解反応生成物の中で、製品ガスに関しては直ちに発電設備１１へ導入されるが、ＢＴＸおよび重質オイルに関しては、貯蔵タンク１２へ導入し、貯蔵される。一方、電力の需要が多い電力高負荷時には、生成する製品ガス、ＢＴＸ、重質オイルと共に、貯蔵タンク１２に先に貯蔵したＢＴＸおよび重質オイルを発電設備１１へ導入し、電力出力を増加させる。この場合の電力出力は、ＢＴＸおよび重質オイルの供給量を変化させることによって、要求させる任意の出力に調整する。このように、熱分解反応生成物を発電燃料として電力低負荷時と電力高負荷時に使い分けることによって、石炭熱分解炉では定格量の石炭を常に処理し、石炭転換（石炭→ガス、ＢＴＸ、重質オイル）の際の高い熱効率を維持しつつ、かつ電力負荷を変更することが可能となる。
【００２１】
なお、高付加価値な製品であるＢＴＸは化学品原料等の発電以外の別用途に利用し、重質オイルのみを発電に利用しても良い。
【００２２】
【実施例】
図１および図２に示したフローに従って、石炭１００ｔ／ｄａｙの熱分解を実施した。熱分解反応炉内の条件は、熱分解反応温度を８００℃、圧力を２５ａｔｍ、滞留時間を１ｓｅｃとし、製品ガス１９２０Ｎｍ³の中の１０００Ｎｍ³をリサイクルした。また、発生したチャーは、その全量を高温ガス発生炉において、ガス化温度１５００℃、圧力２５ａｔｍ、滞留時間２ｓｅｃの条件で酸素によってガス化した。
【００２３】
表１に、その結果得られる熱分解反応生成物の生成量を示す。なお、（３）式によって表される今回の条件における石炭熱分解の熱効率は８１％であった。
【００２４】
熱効率＝（製品ガス潜熱＋ＢＴＸ潜熱＋重質オイル潜熱）
÷（石炭潜熱）×１００・・・（３）
【００２５】
製品ガスは生成後直ちに発電設備（複合サイクル発電／発電効率４８％）へ導入し、発電燃料として利用した。重質オイルに関しては、１８時から翌日８時までの電力低負荷時（１４時間）には貯蔵タンクに貯蔵し、８時から１８時までの電力高負荷時（１０時間）には先に貯蔵した重質オイルをその時間内に生成する重質オイルと共に発電設備へと導入した。発電設備の電力低負荷時の電力出力は７４００ｋＷ、電力高負荷時の電力出力は１４４００ｋＷであった。また、今回の実施例においては、ＢＴＸは化学品原料として利用し、発電燃料としては用いなかった。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【発明の効果】
本発明により、石炭を原料として用いる複合発電において、石炭熱分解炉における定格量の石炭を常にほぼ一定量処理しながら、かつ、発電効率を低下させることなしに電力負荷を変更することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関するフローシートである。
【図２】本発明に関するフローシートであり、（ａ）は電力低負荷時、（ｂ）は電力高負荷時のフローシートである。
【符号の説明】
１熱分解反応炉
２高温ガス発生炉
３サイクロン
４冷却器
５タール精製器
６脱硫器
７ガス精製器
８シフト反応器
９脱炭酸器
１０熱交換器
１１発電設備
１２貯蔵タンク

Claims

石炭、チャーおよび炭素質原料、又は、チャーの酸素によるガス化で生ずる高温ガス中に石炭を吹き込み、石炭の急速加熱・熱分解反応を気流層型の熱分解反応炉の中で、温度７００〜９５０℃、圧力１０〜８０ａｔｍで行わせて、熱分解ガス、オイル、及び、チャーを発生させ、当該発生したチャーを当該発生した熱分解ガス及びオイルから分離し、当該分離後のチャーの一部又は全量を前記ガス化の際のチャーとして使用し、更に前記熱分解ガスと前記オイルとを分離後、前記熱分解ガスを製品ガスとＢＴＸに分離し、前記オイルをＢＴＸと重質オイルに分離し、前記分離後のＢＴＸを貯蔵し、前記分離後の製品ガスと重質オイルを発電燃料として用いる発電プロセスの発電方法であって、
石炭熱分解炉における定格量の石炭を常にほぼ一定量処理しながら、電力低負荷時には、前記製品ガスを用いて発電すると同時に前記重質オイルを貯蔵し、一方、電力高負荷時には、前記製品ガス、前記分離後の重質オイルおよび先に貯蔵した重質オイルを用いて発電することを特徴とする石炭熱分解反応生成物による発電方法。
前記ガス化で生ずる高温ガス中に、水素ガスを混合することによって、熱分解雰囲気ガス中の水素濃度を３０％以上とすることを特徴とする石炭熱分解反応生成物による発電方法。