JP5030750B2 - 石炭ガス化複合発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、褐炭や亜瀝青炭などの低品位炭などを燃料として用いるのに好適な石炭ガス化複合発電設備に関する。

石炭ガス化複合発電（以後、「ＩＧＣＣ」と表記する。）は、石炭をガス化し、Ｃ／Ｃ（コンバインドサイクル発電）と組み合わせることにより、従来型石炭火力に比べ、更なる高効率化・高環境性を目指した発電システムである。
ＩＧＣＣは資源量が豊富な石炭を利用可能であることも大きなメリットであるが、適用炭種を拡大することにより、さらにメリットが大きくなることが知られている。

例えば、乾式給炭方式を採用するＩＧＣＣでは、比較的高水分の石炭でも適用可能であるが、褐炭や亜瀝青炭などの低品位炭では持ち込まれる水分が多く、この水分により発電効率が低下するという問題があった。
上述の問題を解決するため、高温のガス化ガスを用いて石炭を乾燥させる技術や、ガスタービン排気ガスを用いて石炭の粉砕・乾燥させる技術などが知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。
特開２００２−１５５２８８号公報 特表平８−５００８５０号公報

しかしながら、上述の特許文献１および２に記載の技術では、高温ガスを用いるため、エクセルギ損失を無視できず、発電システムとしての効率向上に寄与する割合が小さいという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、水分の含有率が比較的高い低品位炭を用いても発電効率の低下を防止することができる石炭ガス化複合発電設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の石炭ガス化複合発電設備は、供給された石炭のガス化を行うガス化部と、該ガス化部から供給されたガスを用いて発電を行うガス発電部と、該ガス発電部から排出された排気ガスの熱を用いて発電を行う蒸気発電部と、該蒸気発電部から排出された排熱を用いて石炭の乾燥を行い、前記ガス化部に乾燥された石炭を供給する石炭乾燥部と、が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、石炭はガス化部に供給される前に石炭乾燥部により乾燥されるため、水分の含有量が多い石炭である低品位炭を用いても、含有水分の蒸発や、水蒸気の流出による熱の持ち去り等による熱エネルギの損失を抑制することができる。
さらに、石炭の乾燥に蒸気発電部から排出された排熱を用いるため、熱エネルギの利用効率を向上させることができる。一方、石炭を乾燥させるために別途熱を発生する発熱部を設けた場合と比較して、新たな燃料やエネルギを投入する必要がない。

上記発明においては、前記蒸気発電部には、前記蒸気発電部から排出された蒸気の熱を回収するコンデンサが設けられ、前記石炭乾燥部は、前記コンデンサにより回収された熱を用いて石炭の乾燥を行うことが望ましい。

本発明によれば、コンデンサにより回収された熱を用いて石炭の乾燥を行うことで、水蒸気と接触させることなく石炭を乾燥させることができ、石炭に水蒸気の水分が吸収されることが防止される。

上記発明においては、前記蒸気発電部には、前記ガス発電部から排出された排気ガスの熱により生成された水蒸気が供給される蒸気タービン部が設けられ、前記ガス化部には、前記蒸気タービン部から抽気された水蒸気が、前記石炭のガス化剤として供給されていることが望ましい。

本発明によれば、蒸気タービン部から抽気された水蒸気をガス化剤として用いるため、例えば、ガス化剤の圧力を高める昇圧コンプレッサや、ガス化剤を生成する大規模な酸素製造装置などを設ける必要がない。

上記発明においては、前記ガス化部には、前記ガス発電部から排出された排気ガスが、加熱用熱源として供給されていることが望ましい。

本発明によれば、排気ガスをガス化部に導き、排気ガスの熱によりガス化部が加熱される。そのため、ガス化部の温度を維持するために、別途燃料やエネルギなどを投入する必要がない。

上記発明においては、前記蒸気発電部には、前記ガス発電部から排出された排気ガスの熱を用いて水蒸気を生成するボイラが設けられ、前記ガス化部には、前記ボイラから排出された前記排気ガスが、前記石炭のガス化剤として供給されていることが望ましい。

本発明によれば、ガス発電部から排出され、ボイラにおいて水蒸気の生成に用いられた後の排気ガスをガス化剤として用いるため、例えば、ガス化剤の圧力を高める昇圧コンプレッサや、ガス化剤を生成する大規模な酸素製造装置などを設ける必要がない。
ここで、ガス発電部としては、ガス化部から供給されたガスを燃料とするガスタービンを用いたガスタービン発電部や、上記ガスを燃料として用いる燃料電池発電部などを例示することができる。

上記発明においては、前記ガス化部には、前記ボイラにより生成された水蒸気が、前記石炭のガス化剤として供給されていることが望ましい。

本発明によれば、ボイラにより生成された水蒸気をガス化剤として用いるため、例えば、ガス化剤の圧力を高める昇圧コンプレッサや、ガス化剤を生成する大規模な酸素製造装置など別途設ける必要がない。
さらに、生成された水蒸気をガス化部に導き、水蒸気の熱によりガス化部が加熱される。そのため、ガス化部の温度を維持するために、別途燃料やエネルギなどを投入する必要がない。

本発明の石炭ガス化複合発電設備によれば、石炭はガス化部に供給される前に石炭乾燥部により乾燥されるため、水分の含有量が多い石炭である低品位炭を用いても、含有水分の蒸発や、水蒸気の流出による熱の持ち去り等による熱エネルギの損失を抑制することができる。つまり、水分の含有率が比較的高い低品位炭を用いても発電効率の低下を防止することができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備ついて図１を参照して説明する。
図１は、本実施形態の石炭ガス化複合発電設備の構成を説明する模式図である。
本実施形態の石炭ガス化複合発電設備１は、褐炭や亜瀝青炭など、比較的水分量の高い低品位炭を燃料として発電を行うものである。
石炭ガス化複合発電設備１には、図１に示すように、石炭の前処理および乾燥などを行う前処理部２と、石炭のガス化を行うガス化部３と、ガス化部３から供給されたガスを用いて発電を行うガスタービン発電部（ガス発電部）４と、ガスタービン発電部４の排気ガスの熱を用いて発電を行う蒸気発電部５と、が設けられている。

前処理部２は、石炭ガス化複合発電設備１に供給された褐炭や亜瀝青炭などの石炭に前処理を施して、ガス化部３に前処理を施した石炭を供給するものである。前処理は、石炭をガス化部３における石炭のガス化反応に適したものにする処理であって、例えば、供給された石炭を微粒化する処理や、ガス化反応温度を低下させる触媒を混入する処理などが含まれる。

前処理部２には、褐炭などの石炭を供給する石炭供給部（図示せず）と、供給された石炭を微粒化するとともにスラリ化するスラリ床部１２と、スラリを加熱するスラリ熱交換部１３と、スラリに含まれる過剰な水および触媒を除去するろ過部１４と、微粒化された石炭を乾燥させる乾燥部（石炭乾燥部）１５と、触媒を含む過剰水を加熱する灰熱交換部１６と、触媒を含む水を供給する水触媒供給部（図示せず）と、乾燥部１５に供給されるコンデンサ排気を加熱する乾燥用熱交換部１８と、が設けられている。

石炭供給部は、外部から石炭ガス化複合発電設備１に褐炭などの石炭が供給されるところである。
石炭供給部は、水触媒供給部とスラリ床部１２との間の経路に接続され、触媒を含む水とともに、スラリ床部１２に石炭を供給可能に接続されている。

スラリ床部１２は、供給された石炭を、ガス化部３における石炭ガス化に適した粒径に粉砕し、触媒を含む水を用いてスラリ化するものである。スラリ床部１２において生成されたスラリには重量比で約９０％の水が含まれている。さらに、粉砕された石炭の粒径としては、ガス化炉３１における石炭のガス化反応促進の観点から、約１ｍｍ以下であることが望ましい。
スラリ床部１２はスラリ熱交換部１３と接続され、スラリ床部１２において生成されたスラリがスラリ熱交換部１３に流入可能に構成されている。なお、スラリ床部１２の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

スラリ熱交換部１３は、後述するガス洗浄部４１において回収された熱を、スラリ床部１２により生成されたスラリに与え、スラリを加熱するものである。
スラリ熱交換部１３はスラリ床部１２とろ過部１４との間に配置され、スラリがスラリ熱交換部１３内を通過可能に構成されている。さらに、スラリ熱交換部１３は、ガス洗浄部４１のヒートパイプ熱交換部４４との間で熱を運搬する熱媒が循環するように構成されている。

ろ過部１４は、スラリ床部１２において生成されたスラリから過剰な水および触媒を取り除き、微粒化された石炭に含まれる水分量を低減させた脱水ケーキとするものである。脱水ケーキには、重量比で７０％程度の水が含まれている。
ろ過部１４はスラリ熱交換部１３と乾燥部１５との間に配置され、スラリがろ過部１４に流入するとともに、脱水ケーキがろ過部１４から乾燥部１５に供給されるように構成されている。一方、ろ過部１４により取り除かれた触媒を含む過剰水は、灰熱交換部１６に流入するように構成されている。
なお、ろ過部１４としては、真空脱水機などを例示することができるが、特にこれに限定するものではない。

乾燥部１５は、ろ過部１４において生成された脱水ケーキに含まれる水をさらに取り除き、乾燥させるものである。乾燥部１５において乾燥された微粒化石炭には、重量比で約２０％から約３０％の水が含まれている。
乾燥部１５はろ過部１４とガス化部３との間に配置され、ろ過部１４により生成された脱水ケーキが乾燥部１５に供給され、乾燥部１５において乾燥された微粒化石炭がガス化部３のガス化炉３１に供給されるように構成されている。

一方、乾燥部１５には、後述するコンデンサ７４から排出された乾燥用空気（コンデンサ排気）を乾燥部１５に供給する乾燥用流路２１が接続されている。乾燥部１５は、乾燥用流路２１から供給された乾燥用空気を用いて脱水ケーキの水分を取り除き、乾燥可能な構成とされている。
さらに、乾燥部１５から回収された触媒を含む水は、灰熱交換部１６に流入するように構成されている。
なお、乾燥部１５の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

乾燥用流路２１には、乾燥用空気を加熱する乾燥用熱交換部１８が設けられている。乾燥用熱交換部１８は乾燥用空気が通過可能に構成されているとともに、ボイラ７１から排出されたタービン６３の排気ガスの一部が供給されている。

灰熱交換部１６は、ろ過部１４および乾燥部１５から回収された触媒を含む過剰水を加熱するものである。
灰熱交換部１６はろ過部１４および乾燥部１５と、水触媒供給部との間に配置され、ろ過部１４および乾燥部１５から回収された触媒を含む過剰水が通過するように構成されている。一方、灰熱交換部１６には、ガス化炉３１から排出された灰が供給され、灰と触媒を含む過剰水との間で熱交換可能に構成されている。
なお、灰熱交換部１６としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

水触媒供給部は触媒を含む水を供給するものであって、微粒化された石炭とともにガス化炉３１に供給された触媒および水による不足分を補うものでもある。
水触媒供給部は灰熱交換部１６とスラリ床部１２との間に配置され、灰熱交換部１６から流出した触媒を含む過剰水に対して、触媒を含む水を供給するものである。
ここで、触媒としては、約１０００℃よりも低い温度における石炭のガス化反応を促進する触媒が用いられている。具体的には、アルカリ土類やアルカリ金属などを含む触媒を挙げることができる。

ガス化部３は、前処理部２から供給された石炭のガス化処理を行い、生成されたガスをガスタービン発電部４に供給するものである。
ガス化部３には、石炭のガス化が行われるガス化炉３１と、ガス化炉３１内に熱を供給する外熱交換部３２と、が設けられている。

ガス化炉３１は、ガス化反応により石炭から可燃性のガスを生成する炉であり、生成されたガスをガスタービン発電部４に供給するものである。
ガス化炉３１内の圧力は常圧とされ、温度は約１０００℃以下、より好ましくは約６００℃から約７００℃の範囲とされ、このような条件の下でガス化反応による石炭のガス化が行われている。

ガス化炉３１には、乾燥部１５から微粒化石炭が供給されるとともに、蒸気発電部５からガス化剤として水蒸気が供給されるように構成されている。一方、ガス化炉３１からは、灰熱交換部１６に灰を排出するとともに、ガスタービン発電部４に生成されたガスを供給するものである。
ガス化炉３１から排出される灰は、ガス化反応により石炭から生成されたものである。

なお、ガス化炉３１としては、噴流床や流動床などの公知の構造を有するものを用いることができ、特に限定するものではない。

外熱交換部３２は、吸熱反応であるガス化反応が行われるガス化炉３１に対して熱を供給するものである。
外熱交換部３２には、ガス化炉３１内のガス化剤などが通過可能に構成されているとともに、ガスタービン熱交換部６５との間で熱を運搬する熱媒が循環するように構成されている。言い換えると、外熱交換部３２を通過するガス化剤などにガスタービン熱交換部６５から運搬された熱が与えられるように構成されている。

ガス化部３とガスタービン発電部４との間には、ガス洗浄部４１と、生成ガス圧縮機５１と、が設けられている。

ガス洗浄部４１は、ガス化炉３１により生成された生成ガスに含まれる不純物などを取り除くとともに、生成ガスの熱の一部を回収するものでもある。
ガス洗浄部４１には、生成ガスの洗浄を行う洗浄器４２と、生成ガスの熱の一部を回収するヒートパイプ４３と、ヒートパイプ４３に回収された熱をスラリ熱交換部１３に伝達するヒートパイプ熱交換部４４と、が設けられている。

洗浄器４２は、内部を通過する生成ガスに含まれる不純物などを取り除くものである。
洗浄器４２はガス化炉３１と生成ガス圧縮機５１との間に配置され、内部を生成ガスが通過するように構成されている。さらに、洗浄器４２の壁面などにはヒートパイプ４３が配置され、生成ガスの熱がヒートパイプ４３に伝わるように構成されている。
なお、洗浄器４２の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

ヒートパイプ４３は、洗浄器４２の内部を通過する生成ガスに含まれる熱の一部を、ヒートパイプ熱交換部４４に伝えるものである。
ヒートパイプ４３は、洗浄器４２の周囲に配置されているとともに、ヒートパイプ熱交換部４４と熱交換可能に配置されている。
ヒートパイプ４３としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

ヒートパイプ熱交換部４４は、ヒートパイプ４３により回収された生成ガスの熱の一部を、スラリ熱交換部１３に伝達するものである。
ヒートパイプ熱交換部４４にはヒートパイプ４３が取付けられ、スラリ熱交換部１３との間で熱を運搬する熱媒が循環するように構成されている。

生成ガス圧縮機５１は、ガス化炉３１において生成された生成ガスを昇圧し、昇圧された生成ガスをガスタービン発電部４の燃焼器６２に供給するものである。
生成ガス圧縮機５１はガス洗浄部４１と燃焼器６２との間に配置され、ガス洗浄部４１により洗浄された生成ガスを吸入し、昇圧した生成ガスを燃焼器６２に向けて吐出するように構成されている。
生成ガス圧縮機５１としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

ガスタービン発電部４は、ガス化部３により生成された生成ガスを燃焼して発電を行うものである。
ガスタービン発電部４には、空気を吸入して圧縮するコンプレッサ６１と、生成ガスを燃焼させる燃焼器６２と、回転駆動力を発生させるタービン６３と、発電を行うガスタービン発電機６４と、が設けられている。

コンプレッサ６１は、タービン６３により回転駆動され、大気中の空気を吸入して圧縮した後、燃焼器６２に供給するものである。
コンプレッサ６１は、タービン６３と同軸に配置され、タービン６３において発生された回転駆動力が伝達されるように配置されている。
コンプレッサ６１の構成としては公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

燃焼器６２は、ガス化部３から生成ガスを燃焼させるとともに、ガス化炉３１に供給される抽出水蒸気を加熱するものである。
燃焼器６２には、コンプレッサ６１から圧縮空気が供給されるとともに、ガス化部３から生成ガスが供給されるように構成されている。さらに、燃焼器６２は、燃焼器６２内で生成ガスが燃焼して生成された燃焼ガスが、タービン６３に供給されるように構成されている。

一方、燃焼器６２の周囲には、蒸気発電部５から抽気され、ガス化炉３１に供給される抽気水蒸気が流れるガス化剤流路７５が配置されている。ガス化剤流路７５をこのように配置することで、ガス化炉３１に供給される抽気水蒸気が、燃焼器６２における生成ガスの燃焼熱により加熱される。

タービン６３は、燃焼器６２から供給された燃焼ガスを用いて回転駆動力を発生させ、コンプレッサ６１およびガスタービン発電部４を回転駆動するものである。タービン６３はコンプレッサ６１と同軸に配置され、コンプレッサ６１およびガスタービン発電部４に回転駆動力を伝達するように配置されている。
さらに、タービン６３は、タービン６３から排出された排気ガスが、ガスタービン熱交換部６５に供給されるように構成されている。
タービン６３の構成としては公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

ガスタービン発電機６４は、タービン６３により発生された回転駆動力により回転され発電を行うものである。ガスタービン発電機６４は、タービン６３から回転駆動力が伝達されるように構成されている。
ガスタービン発電機６４の構成としては公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

ガスタービン発電部４と蒸気発電部５との間には、ガスタービン熱交換部６５が設けられている。
ガスタービン熱交換部６５は、タービン６３から排出された排気ガスの熱の一部を回収し、外熱交換部３２に供給するものである。
ガスタービン熱交換部６５はタービン６３とボイラ７１との間に配置され、排気ガスが内部を通過するように構成されている。さらに、外熱交換部３２との間で熱を運搬する熱媒が循環するように構成されている。

蒸気発電部５は、ガスタービン発電部４から排出された排気ガスの熱を利用して発電を行うものである。
蒸気発電部５には、水蒸気を発生させるボイラ７１と、水蒸気から回転駆動力を発生させる蒸気タービン（蒸気タービン部）７２と、発電を行う蒸気タービン発電機７３と、蒸気タービン７２から排出された水蒸気の熱の一部を回収するコンデンサ７４と、が設けられている。

ボイラ７１は、ガスタービン発電部４の排気ガスの熱を用いて水蒸気を生成するものである。
ボイラ７１はガスタービン熱交換部６５の下流に配置され、ガスタービン発電部４の排気ガスが通過するように構成されている。一方、ボイラ７１にはコンデンサ７４により凝縮された水が流れるように構成されている。言い換えると、排気ガスと凝縮した水との間で熱交換が行われ、水蒸気が発生されるように構成されている。
一方、ボイラ７１を通過した排気ガスの一部は、乾燥用熱交換部１８に導かれ、乾燥用空気の加熱に用いられ、残りの排気ガスは排煙として放出される。

蒸気タービン７２は、ボイラ７１から供給された水蒸気から回転駆動力を発生させるものである。
蒸気タービン７２はボイラ７１とコンデンサ７４との間に配置され、ボイラ７１から水蒸気が流入し、蒸気タービン７２から排出された水蒸気がコンデンサ７４に流入するように構成されている。
蒸気タービン７２としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

一方、蒸気タービン７２には、蒸気タービン７２に供給された水蒸気の一部を抽気し、ガス化剤としてガス化炉３１に導くガス化剤流路７５が接続されている。
ガス化剤流路７５は、蒸気タービン７２とガス化炉３１との間を繋ぐとともに、燃焼器６２との間で熱交換可能に配置されている。言い換えると、燃焼器６２における燃焼熱によりガス化剤流路７５を流れる水蒸気を加熱するように構成されている。

蒸気タービン発電機７３は、蒸気タービン７２において発生された回転駆動力を用いて発電を行うものである。蒸気タービン発電機７３は、蒸気タービン７２から回転駆動力が伝達されるように構成されている。
蒸気タービン発電機７３の構成としては公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

コンデンサ７４は、蒸気タービン７２から排出された水蒸気を凝縮させるとともに、水蒸気の熱の一部を回収するものである。
コンデンサ７４は、蒸気タービン７２とボイラ７１との間に配置され、蒸気タービン７２から水蒸気が流入し、コンデンサ７４から凝縮した水がボイラ７１に流入するように構成されている。一方、大気から導入された乾燥用空気がコンデンサ７４内を通過し、乾燥用流路２１に流入するように構成されている。

次に、上記の構成からなる石炭ガス化複合発電設備１における発電方法について、図１を参照しながら説明する。
石炭供給部に供給された石炭は、水触媒供給部などから供給された触媒を含む水とともにスラリ床部１２に供給される。スラリ床部１２では、供給された石炭を粉砕して微粒化し、スラリを生成する。このとき、石炭の粒径は約１ｍｍ以下であることが好ましい。スラリ床部１２により生成されたスラリは、重量比で約９０％の水を含み、約１００℃から約２００℃の温度になっている。

スラリはスラリ床部１２からスラリ熱交換部１３に流入し、ガス洗浄部４１のヒートパイプ熱交換部４４から供給された熱により加熱される。加熱されたスラリはスラリ熱交換部１３からろ過部１４に供給される。

ろ過部１４は、供給されたスラリに含まれる過剰な水や触媒を取り除き、脱水ケーキを生成する。ろ過部１４により生成された脱水ケーキには、重量比で７０％程度の水が含まれている。一方、取り除かれた過剰な水や触媒は、灰熱交換部１６に供給される。

脱水ケーキはろ過部１４から乾燥部１５に供給され、乾燥用流路２１から供給された乾燥用空気により乾燥され、ガス化炉３１に供給される。乾燥された微粒化石炭には、重量比で約２０％から約３０％の水が含まれている。

一方、乾燥用空気は、大気から導入され、コンデンサ７４において水蒸気の熱により約８０℃に加熱された後に、乾燥用熱交換部１８において排気ガスの熱によりさらに加熱され、乾燥部１５に供給されている。乾燥部１５において脱水ケーキから水分を奪った乾燥用空気は外部に放出される。

乾燥部１５において脱水ケーキから分離された過剰な水や触媒は、ろ過部１４において分離された過剰な水や触媒とともに灰熱交換部１６へ供給される。
灰熱交換部１６に供給された触媒を含む水は、灰熱交換部１６においてガス化炉３１から排出された灰の熱により加熱される。加熱された触媒を含む水は、スラリ床部１２に向かって流れ、水触媒供給部から新たな触媒を含む水の補給を受け、石炭供給部から石炭の供給を受けた後に、スラリ床部１２に再び流入する。

ガス化炉３１には、乾燥部１５から微粒化石炭が供給されるとともに、蒸気タービン７２から抽気された水蒸気であるガス化剤が供給される。さらに、ガス化炉３１には、外熱交換部３２を介して排気ガスの熱が供給され、ガス化炉３１は、例えば約６００℃から約７００℃に保たれる。
ガス化炉３１内は常圧に保たれ、石炭のガス化反応により可燃性のガスが生成される。生成されたガスは、ガス化炉３１からガス洗浄部４１に供給される。石炭には触媒が含まれているため、例えば約６００℃から約７００℃の温度であっても石炭のガス化反応が進行し、可燃性のガスが生成される。

このように、触媒を用いて石炭のガス化反応温度を約１０００℃より低い温度で行うことで、より高温でガス化反応を行う場合と比較して、エクセルギ（有効エネルギ）損失を低く抑えることができる。つまり、高効率な発電を行うことができる。

ガス化炉３１に供給されるガス化剤である水蒸気は、ガス化剤流路７５を蒸気タービン７２からガス化炉３１に向かって流れる間に、燃焼器６２における燃焼熱の供給を受けて加熱される。具体的には、蒸気タービン７２から抽気された段階で、例えば約１５０℃未満の温度であった水蒸気は、燃焼熱を受け取ることで、例えば約７００℃程度の温度にまで加熱される。
より好ましくは、ガス化炉３１におけるガス化反応温度よりも、数１０℃高い温度に加熱される。

さらに、蒸気タービン７２から蒸気を抽出する箇所を選定することにより、ガス化炉３１内の圧力に近い圧力を有する水蒸気がガス化炉３１に供給される。

一方、石炭が可燃性の生成ガスを放出した後には、灰が生成され、灰熱交換部１６に供給される。なお、石炭のガス化反応として公知の反応を用いることができ、特に限定するものではない。

ガス化炉３１により生成された生成ガスは、ガス洗浄部４１の洗浄器４２に流入し、不純物が取り除かれるとともに、生成ガスの有する熱の一部がヒートパイプ４３に回収される。
ガス化炉３１から流出した生成ガスの温度は、例えば約５００℃未満であり、ガス洗浄部４１において熱の一部が回収されることにより、例えば約３００℃未満にまで温度が低下する。
ガス洗浄部４１のヒートパイプ４３は生成ガスの熱の一部を回収し、回収した熱を、ヒートパイプ熱交換部４４を介してスラリ熱交換部１３に供給する。

不純物が取り除かれた生成ガスは生成ガス圧縮機５１に流入し、昇圧された後に燃焼器６２に供給される。昇圧後の生成ガスの圧力としては、約１．５ＭＰａを例示することができる。

燃焼器６２には、昇圧された生成ガスと、コンプレッサ６１により圧縮された空気と、が供給され、生成ガスの燃焼が行われる。圧縮された空気の温度としては、約３００℃未満の温度を例示することができる。
生成ガスの燃焼により発生した熱の一部は、ガス化剤流路７５内を流れる水蒸気に昇温に用いられ、残りの熱は燃焼器排気ガスとともにタービン６３に流入する。つまり、高温となった燃焼器排気ガスはタービン６３に供給される。燃焼器排気ガスの温度としては、約１０００℃以上より望ましくは１２００から１５００℃の温度を例示することができる。

タービン６３では、高温の燃焼器排気ガスから回転駆動力が取り出され、回転駆動力がコンプレッサ６１およびガスタービン発電機６４に伝達される。言い換えると、タービン６３は高温の燃焼器排気ガスが供給されることにより、コンプレッサ６１およびガスタービン発電機６４を回転駆動する。
ガスタービン発電機６４は回転駆動されることにより電力を発電し、コンプレッサ６１は大気から導入された空気を圧縮し、燃焼器６２に圧縮された空気を供給する。

タービン６３を回転駆動した排気ガスは、タービン６３からガスタービン熱交換部６５に流入し、その熱の一部が回収された後、ボイラ７１に流入する。ボイラ７１に流入する排気ガスの温度としては、約６００℃未満の温度を例示することができる。
ガスタービン熱交換部６５に回収された熱は、外熱交換部３２を介してガス化炉３１に供給される。

ボイラ７１では、流入した排気ガスの熱の一部を、コンデンサ７４から供給された水に供給して水蒸気を生成する。ボイラ７１で生成された水蒸気は蒸気タービン７２に供給され、蒸気タービン７２を回転駆動する。
蒸気タービン７２において取り出された回転駆動力は、蒸気タービン発電機７３に伝達され、発電に用いられる。

蒸気タービン７２に供給された水蒸気の一部は蒸気タービン７２から抽気され、ガス化剤流路７５を介してガス化炉３１に供給される。一方、蒸気タービン７２に供給された水蒸気の大半はコンデンサ７４に流入し、コンデンサ７４において凝縮される。

コンデンサ７４には、蒸気タービン７２から排出された水蒸気と、大気から導入された乾燥用空気と、が供給されている。コンデンサ７４では、排出された水蒸気の熱が乾燥用空気に奪われ、排出された水蒸気は凝縮する。凝縮した水は、再びボイラ７１に供給され水蒸気となる。
一方、排出された水蒸気の熱を吸収して昇温した乾燥用空気は、乾燥用流路２１に流入し、乾燥部１５に向かって流れる。

コンデンサ７４から流出した排気ガスは、一部が乾燥用熱交換部１８に供給され、乾燥用空気の昇温に用いられる。一方、大半の排気ガスは排煙として放出される。放出される排気ガスの温度としては、約８０℃から約１５０℃の範囲の温度を例示することができる。

上記の構成によれば、石炭はガス化部３に供給される前に乾燥部１５により乾燥されるため、水分の含有量が多い石炭である低品位炭を用いても、含有水分の蒸発や、水蒸気の流出による熱の持ち去り等による熱エネルギの損失を抑制することができ、発電効率の低下を防止することができる。

さらに、コンデンサ７４において石炭の乾燥に蒸気発電部５から排出された排熱を用いるため、熱エネルギの利用効率を向上させることができる。一方、石炭を乾燥させるために別途熱を発生する発熱部を設けた場合と比較して、新たな燃料やエネルギを投入する必要がなく、発電効率の低下を防止することができる

蒸気発電部５のコンデンサ７４により回収された熱を用いて石炭の乾燥を行うことで、水蒸気と接触させることなく石炭を乾燥させることができ、石炭に水蒸気の水分が吸収されることを防止でき、発電効率の低下を防止することができる。

蒸気タービン７２から抽気された水蒸気をガス化剤として用いるため、例えば、ガス化剤の圧力を高める昇圧コンプレッサや、ガス化剤を生成する大規模な酸素製造装置などを設ける必要がない。

ガスタービン発電部４の排気ガスをガス化部３に導き、排気ガスの熱によりガス化炉３１が加熱される。そのため、ガス化炉３１内の温度を維持するために、別途燃料やエネルギなどを投入する必要がなく、発電効率の低下を防止することができる

なお、上述の実施形態では、コンデンサ７４に流入する乾燥用空気を、大気から導入する例に適用して説明したが、コンプレッサ６１から抽気した圧縮空気を乾燥用空気として用いてもよく、特に限定するものではない。
乾燥用空気としてコンプレッサ６１から抽気した圧縮空気を用いることで、大気から乾燥用空気を導入する方法と比較して、より乾燥した空気を乾燥用空気として用いることができ、乾燥部１５における乾燥がより効率的に行うことができる。

なお、上述の実施形態では、ガスタービン発電部４にガス化部３により生成された生成ガスを燃料として供給して発電を行う例に適用して説明したが、生成ガスを燃料とする燃料電池を用いて発電を行ってもよく、特に限定するものではない。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備ついて図２を参照して説明する。
図２は、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備１０１は、第１の実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備１と比較して、ガス化部３が加圧系とされている点が大きく異なり、かつ、回路構成も異なる。そのため、以下では第１の実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備１と異なる点について説明する。

石炭ガス化複合発電設備１０１には、図２に示すように、石炭の前処理および乾燥などを行う前処理部１０２と、石炭のガス化を行うガス化部１０３と、ガス化部１０３から供給されたガスを用いて発電を行うガスタービン発電部（ガス発電部）１０４と、ガスタービン発電部１０４の排気ガスの熱を用いて発電を行う蒸気発電部１０５と、が設けられている。

前処理部１０２は、石炭ガス化複合発電設備１０１に供給された褐炭や亜瀝青炭などの石炭に前処理を施して、ガス化部１０３に前処理を施した石炭を供給するものである。
前処理部１０２には、褐炭などの石炭を供給する石炭供給部（図示せず）と、供給された石炭を微粒化するとともにスラリ化するスラリ床部１２と、スラリに含まれる過剰な水および触媒を除去するろ過部１４と、微粒化された石炭を乾燥させる乾燥部１５と、触媒を含む過剰水を加熱する灰熱交換部１６と、触媒を含む水を供給する水触媒供給部と、が設けられている。

一方、乾燥部１５には、後述するコンデンサ７４から排出された乾燥用空気（コンデンサ排気）を乾燥部１５に供給する乾燥用流路１２１が接続されている。乾燥部１５は、乾燥用流路１２１から供給された乾燥用空気を用いて脱水ケーキの水分を取り除き、乾燥可能な構成とされている。

ガス化部１０３は、前処理部１０２から供給された石炭のガス化処理を行い、生成されたガスをガスタービン発電部１０４に供給するものである。
ガス化部１０３には石炭のガス化が行われるガス化炉１３１が設けられ、ガス化炉１３１は生成されたガスをガスタービン発電部１０４に供給するものである。
ガス化炉１３１内は所定圧力に加圧されるとともに、温度は約１０００℃以下、より好ましくは約６００℃から約７００℃の範囲とされ、このような条件の下でガス化反応による石炭のガス化が行われている。

ガス化炉１３１には、乾燥部１５から微粒化石炭が供給されるとともに、ガス化剤としてガスタービン発電部１０４の排気ガスの一部が供給されるとともに、ボイラ１７１において生成された水蒸気が供給されている。一方、ガス化炉１３１からは、灰熱交換部１６に灰を排出するとともに、ガスタービン発電部１０４に生成されたガスを供給し、さらに、蒸気タービン１７２に水蒸気を供給している。

なお、ガス化炉１３１としては、噴流床や流動床などの公知の構造を有するものを用いることができ、特に限定するものではない。

ガス化部１０３とガスタービン発電部１０４との間には、ガス洗浄部１４１が設けられている。ガス洗浄部１４１は、ガス化炉１３１により生成された生成ガスに含まれる不純物などを取り除くとともに、生成ガスの熱の一部を回収するものでもある。
ガス洗浄部１４１には生成ガスの洗浄を行う洗浄器１４２が、ガス化炉１３１と燃焼器１６２との間に配置されている。

洗浄器１４２は、内部を生成ガスが通過するように構成され、さらに、スラリ床部１２に供給される触媒を含む水と生成ガスとの間で熱交換されるように構成されている。言い換えると、触媒を含む水を加熱するように構成されている。
なお、洗浄器１４２の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

ガスタービン発電部１０４は、ガス化部１０３により生成された生成ガスを燃焼して発電を行うものである。
ガスタービン発電部１０４には、空気を吸入して圧縮するコンプレッサ６１と、生成ガスを燃焼させる燃焼器１６２と、回転駆動力を発生させるタービン６３と、発電を行うガスタービン発電機６４と、が設けられている。

燃焼器１６２は、ガス化部１０３から生成ガスを燃焼させるとともに、ガス化炉１３１に供給される水蒸気を加熱するものである。
燃焼器１６２には、コンプレッサ６１から圧縮空気が供給されるとともに、ガス化部１０３から生成ガスが供給されるように構成されている。さらに、燃焼器１６２は、燃焼器１６２内で生成ガスが燃焼して生成された燃焼ガスが、タービン６３に供給されるように構成されている。

一方、燃焼器１６２の周囲には、ボイラ１７１からガス化炉１３１に供給される水蒸気が流れるガス化剤流路１７５が配置されている。ガス化剤流路１７５をこのように配置することで、ガス化炉１３１に供給される水蒸気が、燃焼器１６２における生成ガスの燃焼熱により加熱される。

蒸気発電部１０５は、ガスタービン発電部１０４から排出された排気ガスの熱を利用して発電を行うものである。
蒸気発電部１０５には、水蒸気を発生させるボイラ１７１と、水蒸気から回転駆動力を発生させる蒸気タービン（蒸気タービン部）１７２と、発電を行う蒸気タービン発電機７３と、蒸気タービン１７２から排出された水蒸気の熱の一部を回収するコンデンサ７４と、が設けられている。

ボイラ１７１は、ガスタービン発電部１０４の排気ガスの熱を用いて水蒸気を生成するものである。
ボイラ１７１はタービン６３の下流に配置され、ガスタービン発電部４の排気ガスが通過するように構成されている。一方、ボイラ７１にはコンデンサ７４により凝縮された水が流れるように構成されている。言い換えると、排気ガスと凝縮した水との間で熱交換が行われ、水蒸気が発生されるように構成されている。
一方、ボイラ７１を通過した排気ガスの一部は、ガス化炉１３１に導かれ、ガス化剤として用いられ、残りの排気ガスは排煙として放出される。

蒸気タービン１７２は、ガス化炉１３１を介してボイラ１７１から供給された水蒸気から回転駆動力を発生させるものである。
蒸気タービン１７２はガス化炉１３１とコンデンサ７４との間に配置され、ガス化炉１３１を介してボイラ１７１から水蒸気が流入し、蒸気タービン１７２から排出された水蒸気がコンデンサ７４に流入するように構成されている。
蒸気タービン７２としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

次に、上記の構成からなる石炭ガス化複合発電設備１０１における発電方法について、図２を参照しながら説明する。

石炭供給部に供給された石炭は、ガス洗浄部１４１において加熱された触媒を含む水とともにスラリ床部１２に供給される。このときの触媒を含む水の温度としては、約２００℃未満の温度を例示できる。
スラリ床部１２では、供給された石炭を粉砕して微粒化し、スラリを生成する。スラリ床部１２により生成されたスラリは、重量比で約９０％の水を含み、約１００℃から約２００℃の温度になっている。

スラリはろ過部１４に供給され、ろ過部１４では、供給されたスラリに含まれる過剰な水や触媒が取り除かれ、脱水ケーキが生成される。ろ過部１４により生成された脱水ケーキには、重量比で約８０％の水が含まれている。一方、取り除かれた過剰な水や触媒は、灰熱交換部１６に供給される。

脱水ケーキはろ過部１４から乾燥部１５に供給され、乾燥用流路１２１から供給された乾燥用空気により乾燥され、ガス化炉１３１に供給される。乾燥された微粒化石炭には、重量比で約４０％の水が含まれている。

一方、乾燥用空気は、大気から導入され、コンデンサ７４において水蒸気の熱により約８０℃に加熱された後に、乾燥部１５に供給されている。乾燥部１５において脱水ケーキから水分を奪った乾燥用空気は外部に放出される。

乾燥部１５において脱水ケーキから分離された過剰な水や触媒は、ろ過部１４において分離された過剰な水や触媒とともに灰熱交換部１６へ供給される。
灰熱交換部１６に供給された触媒を含む水は、灰熱交換部１６においてガス化炉１３１から排出された灰の熱により加熱される。
加熱された触媒を含む水は、さらに、ガス洗浄部１４１において生成ガスから熱を吸収して昇温し、スラリ床部１２に再び流入する。

ガス化炉１３１には、乾燥部１５から微粒化石炭が供給されるとともに、ガスタービン発電部１０４から排出され、ボイラ１７１を通過した排気ガスの一部がガス化剤として供給される。さらに、ガス化炉１３１には、ボイラ１７１から燃焼器１６２を介して水蒸気が供給される。
ガス化炉１３１は、所定圧力に加圧され、かつ、例えば約６００℃から約７００℃に保たれる。

ガス化炉１３１内では、石炭のガス化反応により可燃性のガスが生成される。生成されたガスは、ガス化炉１３１からガス洗浄部１４１に供給される。石炭には触媒が含まれているため、例えば約６００℃から約７００℃の温度であっても石炭のガス化反応が進行し、可燃性のガスが生成される。

ガス化炉１３１に供給される水蒸気は、ボイラ１７１からガス化炉１３１に向かって流れる間に、燃焼器１６２における燃焼熱の供給を受けて加熱される。例えば、ボイラ１７１から流出した段階で、約４５０℃未満の温度であった水蒸気は、燃焼熱を受け取ることで、約７００℃程度の温度にまで加熱される。
より好ましくは、ガス化炉１３１におけるガス化反応温度よりも、数１０℃高い温度に加熱される。

ガス化炉１３１に供給された水蒸気は、その熱の一部をガス化炉１３１において放出し、蒸気タービン１７２に向かって流出する。蒸気タービン１７２に向かって流出した段階での水蒸気の温度は、約５５０℃未満の温度を例示できる。

一方、石炭が可燃性の生成ガスを放出した後には、灰が生成され、灰熱交換部１６に供給される。なお、石炭のガス化反応として公知の反応を用いることができ、特に限定するものではない。

ガス化炉１３１により生成された生成ガスは、ガス洗浄部１４１の洗浄器１４２に流入し、不純物が取り除かれるとともに、生成ガスの有する熱の一部が触媒を含む水に回収される。
ガス化炉１３１から流出した生成ガスの温度は、例えば約５００℃未満であり、ガス洗浄部４１において熱の一部が回収されることにより、例えば約３００℃未満にまで温度が低下する。

燃焼器１６２には、不純物が取り除かれた生成ガスと、コンプレッサ６１により圧縮された空気と、が供給され、生成ガスの燃焼が行われる。圧縮された空気の温度としては、約４００℃未満の温度を例示することができる。
生成ガスの燃焼により発生した熱の一部は、ボイラ１７１からガス化炉１３１に供給される水蒸気の加熱に用いられ、残りの熱は燃焼器排気ガスとともにタービン６３に流入する。つまり、高温となった燃焼器排気ガスはタービン６３に供給される。燃焼器排気ガスの温度としては、約１０００℃以上より望ましくは１２００から１５００℃の温度を例示することができる。

ガスタービン発電部１０４における後の作用は、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

ガスタービン発電部１０４から排出された排気ガスは、ボイラ１７１に供給され、ボイラ１７１では、流入した排気ガスの熱の一部をコンデンサ７４から供給された水に供給して水蒸気を生成する。ボイラ１７１で生成された水蒸気は、燃焼器１６２を介してガス化炉１３１に供給された後、蒸気タービン１７２に供給される。

蒸気タービン１７２に供給された水蒸気は、蒸気タービン１７２を回転駆動し、回転駆動力により蒸気タービン発電機７３において発電が行われる。
蒸気タービン１７２から排気された水蒸気はコンデンサ７４に流入し、コンデンサ７４において凝縮される。

上記の構成によれば、ガスタービン発電部１０４から排出され、ボイラ１７１において水蒸気の生成に用いられた後の排気ガスをガス化剤として用いるため、例えば、ガス化剤の圧力を高める昇圧コンプレッサや、ガス化剤を生成する大規模な酸素製造装置などを設ける必要がない。
さらに、ボイラ１７１において生成された水蒸気をガス化炉１３１に導き、水蒸気の熱によりガス化炉１３１が加熱される。そのため、ガス化炉１３１の温度を維持するために、別途燃料やエネルギなどを投入する必要がなく、発電効率の低下を防止することができる。

本発明の第１の実施形態の石炭ガス化複合発電設備の構成を説明する模式図である。 本発明の第２の実施形態の石炭ガス化複合発電設備の構成を説明する模式図である。

符号の説明

１，１０１ 石炭ガス化複合発電設備
３，１０３ ガス化部
４，１０４ ガスタービン発電部（ガス発電部）
５，１０５ 蒸気発電部
１５ 乾燥部（石炭乾燥部）
７２，１７２ 蒸気タービン（蒸気タービン部）
７４ コンデンサ

Claims (5)

1. 供給された石炭のガス化を行うガス化部と、
   該ガス化部から供給されたガスを用いて発電を行うガス発電部と、
   該ガス発電部から排出された排気ガスの熱を用いて発電を行う蒸気発電部と、
   該蒸気発電部から排出された排熱を用いて石炭の乾燥を行い、前記ガス化部に乾燥された石炭を供給する石炭乾燥部と、
   が設けられ、
   前記蒸気発電部には、前記蒸気発電部から排出された蒸気の熱を回収するコンデンサが設けられ、
   前記石炭乾燥部は、前記コンデンサにより回収された熱を用いて石炭の乾燥を行うことを特徴とする石炭ガス化複合発電設備。
2. 前記蒸気発電部には、前記ガス発電部から排出された排気ガスの熱により生成された水蒸気が供給される蒸気タービン部が設けられ、
   前記ガス化部には、前記蒸気タービン部から抽気された水蒸気が、前記石炭のガス化剤として供給されていることを特徴とする請求項１に記載の石炭ガス化複合発電設備。
3. 前記ガス化部には、前記ガス発電部から排出された排気ガスが、加熱用熱源として供給されていることを特徴とする請求項２に記載の石炭ガス化複合発電設備。
4. 前記蒸気発電部には、前記ガス発電部から排出された排気ガスの熱を用いて水蒸気を生成するボイラが設けられ、
   前記ガス化部には、前記ボイラから排出された前記排気ガスが、前記石炭のガス化剤として供給されていることを特徴とする請求項１に記載の石炭ガス化複合発電設備。
5. 前記ガス化部には、前記ボイラにより生成された水蒸気が、前記石炭のガス化剤として供給されていることを特徴とする請求項４に記載の石炭ガス化複合発電設備。
   

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