JP5193160B2 - 二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム - Google Patents

二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム Download PDF

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Description

本発明は、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化複合発電システムに係り、特に一酸化炭素と水素を含有するガス化した燃料ガスをガスタービンで燃焼して発電するガス化複合発電システムにおいて、ガスタービンから排出した排ガスに含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置と共に、この二酸化炭素分離回収装置が有するシフト反応器にて一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応で生じるシフト反応熱を有効に回収する二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムに関する。
石炭やバイオマスをガス化してガスタービンの燃料として利用する技術はあるが、特に石炭をガス化した場合はその石炭の炭種によって異なるが、石炭ガス化による生成ガスの代表成分は体積割合で55%が一酸化炭素、20%が水素、20%が窒素ガス、3%が二酸化炭素ガス、2%が水蒸気やその他成分である。
したがって、石炭ガス化による生成ガスの主成分である一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素を得る下記(1)式のシフト反応が、一般的に化学プラント等の二酸化炭素回収システムでは活用されている。
CO+HO→CO+H・・・(1)
即ち、シフト反応器によって上記(1)式のシフト反応を起し、石炭をガス化した石炭ガスを一旦、水素ガスと二酸化炭素に転換して、水素ガスはガスタービンの燃料ガスとして活用し、二酸化炭素は後流の二酸化炭素吸収搭で吸収液により吸収するものである。尚、この時のシフト反応は発熱反応である。
特開2008−108621号公報には、一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応を行うシフト反応器を有する二酸化炭素回収装置を備えた燃料電池発電システムに関する技術が開示されている。
特開2008−108621号公報
しかしながら、特開2008−108621号公報に記載された構成の二酸化炭素回収装置を備えた発電システムでは、二酸化炭素回収装置が有するシフト反応器にて燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応に伴って熱エネルギーが発生するが、このシフト反応で発生した熱エネルギーは発電システムに有効に利用されておらず、発電システムの発電効率の向上を図れていないという課題があった。
本発明の目的は、一酸化炭素を含有するガス化した燃料ガスをガスタービンで燃焼して発電を行うガス化発電システムにおいて、二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置で燃料ガスに含まれた一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応の際に生じるシフト反応熱を有効に回収すると共に、排熱回収ボイラで発生させた蒸気を蒸気混合器に供給するシフト蒸気を抑制させて発電システムの発電効率を向上させた、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムを提供することにある。
本発明の二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムは、一酸化炭素と水素を含んだ燃料ガスに水蒸気を混合してシフト反応させて燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応器と、シフト反応器を流下した二酸化炭素を含む燃料ガスから吸収液に二酸化炭素を吸収させて二酸化炭素を除去した燃料ガスを生成する二酸化炭素吸収搭と、二酸化炭素吸収搭で吸収液に吸収した二酸化炭素を解離させて吸収液を再生する吸収液再生装置とを有する二酸化炭素分離回収装置と、前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器で燃焼させて駆動するガスタービン装置と、ガスタービン装置から排出された排ガスによって蒸気を発生させるドラムを有する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラのドラムで発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンを有するガス化発電システムとを備え、前記二酸化炭素分離回収装置のシフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して昇温した蒸気を発生させる蒸発器を該シフト反応器の下流側に設置し、前記蒸発器で発生する昇温した蒸気を前記シフト反応器の上流側の燃料ガス管路に設置した蒸気混合器に供給する蒸気管路を配設し、この蒸気管路を通じて供給される昇温した蒸気を前記蒸気混合器からシフト蒸気として燃料ガスと共に前記シフト反応器に流入させることを特徴とする。
また本発明の二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムは、一酸化炭素と水素を含んだ燃料ガスに水蒸気を混合してシフト反応させて燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換する第1シフト反応器及びこの第1シフト反応器の下流側に設置された第2シフト反応器と、前記両シフト反応器を流下した二酸化炭素を含む燃料ガスから吸収液に二酸化炭素を吸収させて二酸化炭素を除去した燃料ガスを生成する二酸化炭素吸収搭と、二酸化炭素吸収搭で吸収液に吸収した二酸化炭素を解離させて吸収液を再生する吸収液再生装置とを有する二酸化炭素分離回収装置と、前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器で燃焼させて駆動するガスタービン装置と、ガスタービン装置から排出された排ガスによって蒸気を発生させるドラムを有する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラのドラムで発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンを有するガス化発電システムとを備え、前記二酸化炭素分離回収装置の第1シフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して昇温した蒸気を発生させる第1の蒸発器を該第1シフト反応器の下流側に設置し、前記二酸化炭素分離回収装置の第2シフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して昇温した蒸気を発生させる第2の蒸発器を該第2シフト反応器の下流側に設置し、前記第1の蒸発器及び第2の蒸発器で発生する昇温した各蒸気を前記第1シフト反応器の上流側の燃料ガス管路に設置した蒸気混合器に供給する蒸気管路をそれぞれ配設し、これらの蒸気管路を通じて供給される昇温した前記各蒸気を前記蒸気混合器からシフト蒸気として燃料ガスと共に前記第1シフト反応器及び第2シフト反応器に流入させることを特徴とする。
本発明によれば、一酸化炭素を含有するガス化した燃料ガスをガスタービンで燃焼して発電を行うガス化発電システムにおいて、二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置で燃料ガスに含まれた一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応の際に生じるシフト反応熱を有効に回収すると共に、排熱回収ボイラで発生させた蒸気を蒸気混合器に供給するシフト蒸気を抑制させて発電システムの発電効率を向上させた、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムが実現できる。
本発明の熱効率向上と経済効果をもたらす本発明の第1実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えた石炭ガス化発電システムの概略系統図。 本発明の第1実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムの概略系統図。 図1に示した本発明の第1実施例のガス化発電システムに備えられた二酸化炭素分離回収装置の概略構成を示す系統図。 図2に示した本発明の第2実施例のガス化発電システムに備えられた二酸化炭素分離回収装置の概略構成を示す系統図。 図3に示した本発明の第1実施例のガス化発電システムに備えられた二酸化炭素分離回収装置における各流路を流れる流体の計画温度状況を示した温度分布状態図。 図4に示した本発明の第2実施例のガス化発電システムに備えられた二酸化炭素分離回収装置における各流路を流れる流体の計画温度状況を示した温度分布状態図。
本発明の実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムについて図面を参照して説明する。
本発明の第1実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムについて図1及び図3を用いて説明する。
図1は本発明の第1実施例である二酸化炭素分離回収設備を備えた高効率なガス化発電システムの概略系統を示しており、図3は図1に示した本発明の第1実施例のガス化発電システムに備えられた二酸化炭素分離回収装置を構成するシフト反応器周り系統、二酸化炭素吸収液循環系統、及び吸収液の再生フラッシュ系統の概略構成を示している。
図1及び図3において、本実施例の二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムは発電プラント100と二酸化炭素分離回収装置200とを備えており、石炭ガス化装置(図示せず)から供給される一酸化炭素を含んだ水素リッチの燃料ガスが、入口ガス管路1を通じて二酸化炭素分離回収装置200に供給されている。
本実施例のガス化発電システムに備えられた発電プラント100には、水素リッチの燃料ガスを燃焼器71で燃焼して発生させた燃焼ガスで駆動するガスタービン72を有するガスタービン装置と、このガスタービン72から排出された排ガスを熱源として蒸気を発生させる排熱回収ボイラ20と、この排熱回収ボイラ20に設置した中圧ドラム30及び高圧ドラム31から発生した蒸気を中圧ドラム過熱蒸気管路33及び高圧ドラム過熱蒸気管路76を通じてそれぞれ供給し駆動する蒸気タービン23が備えられている。
前記蒸気タービン23は発電機22を駆動して電力を発生するように構成されており、この蒸気タービン23を流下した蒸気は復水器24で冷却されて復水となり、この復水が給水ポンプ27で昇圧されて復水管路26を通じて排熱回収ボイラ20に供給される。
前記ガスタービン装置は燃料ガスを燃焼する燃焼器71と、燃焼器71で発生した高温の燃焼ガスで駆動されるガスタービン72と、ガスタービン72によって駆動され燃焼器71に供給する空気を加圧する圧縮機72及び電力を発生する発電機22を備えている。
前記二酸化炭素分離回収装置200では、石炭ガス化装置(図示せず)から供給される一酸化炭素を含んだ水素リッチの燃料ガスを流下させる入口ガス管路1に設けたシフト蒸気混合器4に、発電プラント100の排熱回収ボイラ20で発生した蒸気の一部をシフト反応用蒸気管路32を通じて供給し、この蒸気を混合した燃料ガスが入口ガス管路1を流下して第1シフト反応器5に流入する。
前記入口ガス管路1にはシフト反応器をバイパスするために入口ガス管路1から分岐したシフト反応器バイパス管路2を配設して燃焼器入口管路44に連通させている。
第1シフト反応器5の内部には、燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応を発生させる触媒が充填されている。そしてこの触媒によって燃料ガスに含まれた一酸化炭素はシフト反応によって二酸化炭素に転換される。このシフト反応は発熱反応なので転換された二酸化炭素を含んだ燃料ガスはこのシフト反応熱によって加熱されて高温に昇温される。
本実施例のガス化発電システムに備えられた二酸化炭素分離回収装置では、第1シフト反応器5で一酸化炭素を二酸化炭素に転換する際に発生するシフト反応のシフト反応熱で昇温した燃料ガスを熱源として利用して、前記第1シフト反応器5の下流側に設置した後述する第1プロセスガス蒸発器6に供給し、該第1プロセスガス蒸発器6にて高温の水蒸気を発生させる。
前記第1プロセスガス蒸発器6には排熱回収ボイラ20で発生した蒸気の一部が給水管路28を通じて供給されているので、この第1プロセスガス蒸発器6で燃料ガスとの熱交換で発生した高温の蒸気は、第1シフト反応器5の上流側の入口ガス管路1に設置したシフト蒸気混合器4に蒸気管路34を通じて供給され、入口ガス管路1を流下する燃料ガスと共に前記第1シフト反応器5でのシフト反応に使用されるシフト蒸気として流入する。
前記第1プロセスガス蒸発器6にて高温の燃料ガスとの熱交換で発生した高温の蒸気は、前述したようにシフト反応器のシフト反応に必要なシフト蒸気として利用するので、排熱ボイラ20から蒸気管路32を通じて前記シフト蒸気混合器4に供給して第1シフト反応器5のシフト蒸気として使用される補助蒸気量を低減することが可能となる。
第1シフト反応器5を出た高温の燃料ガスは該第1シフト反応器5の下流に設置された第1プロセスガス蒸発器6にて排熱ボイラ20から蒸気管路28を通じて供給される蒸気との熱交換によって冷却される。
前記第1プロセスガス蒸発器6での熱交換によって冷却した燃料ガスは該第1プロセスガス蒸発器6の下流に設置された第2シフト反応器7に流入する。
第2シフト反応器7の内部にも、燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応を発生させる触媒が充填されており、第2シフト反応器7に充填された触媒によって燃料ガス中の一酸化炭素はシフト反応によって二酸化炭素に転換するシフト反応がさらに進む。また、このシフト反応熱によって燃料ガスは再び高温に昇温する。
第2シフト反応器7を出た高温に昇温した燃料ガスは、この第2シフト反応器7の下流に設置された第1燃料ガス加熱器8に流入する。
この第1燃料ガス加熱器8には、後述する二酸化炭素分離回収装置200の二酸化炭素吸収塔37によって燃料ガスに含まれた二酸化炭素を吸収液で吸収して二酸化炭素を除去した水素リッチの燃料ガスが、二酸化炭素分離回収装置200から燃料管路3を通じて第3燃料ガス加熱器12及び第2燃料ガス加熱器10を順次経由して供給される。
前記第1燃料ガス加熱器8での熱交換で冷却された第2シフト反応器7から流下した燃料ガスは第1燃料ガス加熱器8の下流側に設置された第2プロセスガス蒸発器9に供給される。
また、前記第1燃料ガス加熱器8にて第2シフト反応器7から流下した燃料ガスとの熱交換によって燃料管路3を通じて供給され昇温した二酸化炭素が除去された水素リッチの燃料ガスは、燃焼器入口管路44を通じてガスタービン装置の燃焼器71に供給され、この燃焼器71で水素リッチの燃料ガスを燃焼して発生した高温の燃焼ガスをガスタービン72に供給して該ガスタービン72を駆動し、発電機22を回転させて発電する。
前記第1燃料ガス加熱器8での熱交換で冷却された燃料ガスは該第1燃料ガス加熱器8の下流側に設置された第2プロセスガス蒸発器9に供給されるが、前記第2プロセスガス蒸発器9には排熱回収ボイラ20で発生した蒸気の一部が給水管路29を通じて供給されている。
前記第2プロセスガス蒸発器9にて高温の燃料ガスと熱交換して発生した高温の蒸気は蒸気管路35を通じて流下し、後述する図3に示した二酸化炭素分離回収装置200の吸収液を加熱する二酸化炭素吸収液加熱器39に熱源として供給される。
また、前記第2プロセスガス蒸発器9で給水管路29を通じて排熱ボイラ20から供給された低温の蒸気との熱交換によって冷却した燃料ガスは第2燃料ガス加熱器10に流入し、この第2燃料ガス加熱器10にて二酸化炭素分離回収装置200から燃料管路3を通じて供給された二酸化炭素を除いた燃料ガスとの熱交換で冷却され、該第2燃料ガス加熱器10の下流に設置された第3シフト反応器11に流入する。
第3シフト反応器11の内部にも、燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応を発生させる触媒が充填されおり、第3シフト反応器11に充填された触媒によって燃料ガス中の一酸化炭素はシフト反応させることによって燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応が完了する。
第3シフト反応器11でのシフト反応熱で加熱された高温の燃料ガスは、この第3シフト反応器11の下流に設置された第3燃料ガス加熱器12に流入し、第3燃料ガス加熱器12にて燃料管路3を通じて供給された燃料ガスとの熱交換によって冷却され、該第3燃料ガス加熱器12の下流に設置された第3プロセスガス蒸発器13に供給される。
前記第3プロセスガス蒸発器13には排熱回収ボイラ20に供給された給水の一部が給水管路25を通じて供給されている。
前記第3プロセスガス蒸発器13にて高温の燃料ガスと熱交換して発生した高温の蒸気は蒸気管路36を通じて流下し、後述する図3に示した二酸化炭素分離回収装置200の吸収液を加熱する二酸化炭素吸収液加熱器39に熱源として供給される。
前記第3プロセスガス蒸発器13にて給水管路25を通じて排熱ボイラ20から供給された低温の蒸気との熱交換によって冷却した燃料ガスはプロセスガス冷却器14で流入された後に第1ノックアウトドラム15に流入し、この第1ノックアウトドラム15から前記燃料ガスはプロセスガス管路16を通じて二酸化炭素吸収塔37に供給される。
そして前記二酸化炭素吸収塔37に供給された燃料ガスはこの二酸化炭素吸収塔37にて燃料ガスに含まれた二酸化炭素を吸収液に吸収させて除去する。
図3に示した二酸化炭素分離回収装置200においては、第1ノックアウトドラム15から流下した水素リッチの燃料ガスに含まれた二酸化炭素を吸収液に吸収させ、二酸化炭素を除去した燃料ガスを生成する二酸化炭素吸収搭37と、この二酸化炭素吸収搭37で二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を解離させて前記吸収液を再生する吸収液再生装置である二酸化炭素フラッシュタンク38が設置されている。
前記第1ノックアウトドラム15では、シフト反応で余った水分を燃料ガスから分離してドレン管路42を通じて系外に排出し、水分を分離した二酸化炭素ガスを多く含んだ水素リッチの燃料ガスはプロセスガス管路16を通じて二酸化炭素吸収搭37に供給される。
そして低温の二酸化炭素吸収搭37にて二酸化炭素を吸収液によって吸収された水素リッチガスは、燃料ガス管路43を通じて二酸化炭素吸収搭37の下流に設置した第2ノックアウトドラム40に導入され、吸収液のミスト分を分離して燃料ガス昇圧圧縮機41で昇圧され、燃料配管3及び燃焼器入口管路44を通じてガスタービン装置の燃焼器71に供給されて燃焼する。
尚、第2ノックアウトドラム40で分離した吸収液のミストは二酸化炭素フラッシュタンク38に流入する。
前記二酸化炭素吸収搭37で燃料ガスに含まれた二酸化炭素を吸収した吸収液は、吸収液管路77に設置された二酸化炭素吸収液加熱器39で加熱されて吸収液再生装置である二酸化炭素フラッシュタンク38に流入し、この二酸化炭素フラッシュタンク38にてフラッシュして吸収液に吸収した二酸化炭素を解離する。
吸収液から解離した二酸化炭素は二酸化炭素フラッシュタンク38から二酸化炭素管路50を通じて系外の二酸化炭素貯蔵(図示せず)に導出される。
また、吸収液再生装置である二酸化炭素フラッシュタンク38に供給されて該二酸化炭素フラッシュタンク38でフラッシングすることによって吸収液中の二酸化炭素を解離したリーン吸収液は、循環ポンプ48で昇圧されてリーン液管路49を通じて二酸化炭素吸収搭37に供給され、この二酸化炭素吸収搭37にて再び燃料ガスに含まれた二酸化炭素を吸収し、吸収液管路77を通じて二酸化炭素フラッシュタンク38に再び供給されるように構成している。
一方、第2ノックアウトドラム40で吸収液のミストを分離した水素リッチの燃料ガスは、燃料ガス昇圧圧縮機41にて昇圧され、燃料配管3を通じて流下して、第3燃料ガス加熱器12、第2燃料ガス加熱器10で昇温された後に第1燃料ガス加熱器8で高温の燃料ガスとの熱交換によって更に加温され、燃焼器入口管路44を通じてガスタービン装置の燃焼器71に供給され、この燃焼器71で燃焼する。
第1プロセスガス蒸発器6を出た蒸気は、第1プロセスガス蒸発器6から蒸気管路34を通じてシフト蒸気混合器4に供給されており、このシフト蒸気混合器4から入口ガス管路1を流れる燃料ガスと混合して第1シフト反応器5にシフト蒸気として流入する。
第1シフト蒸気混合器5には排熱回収ボイラ20からも蒸気管路32を通じて補助蒸気がシフト蒸気として利用できるように導入されており、第1シフト反応器5にて発生するシフト反応熱を回収するプロセスガス蒸発器6において、燃料ガスとの熱交換で発生した蒸気が蒸気配管34を経由してシフト蒸気混合器4に供給される蒸気量が不足した場合に、この補助蒸気を第1シフト反応器5で使用するシフト蒸気の不足分を補う系統となっている。
図1に示した発電プラント100においては、蒸気タービン23の排気蒸気は復水器24で冷却されて復水となり、この復水の一部が給水管路25を経由して第3プロセスガス蒸発器13に供給され、この第3プロセスガス蒸発器13にて高温の燃料ガスと熱交換して蒸気となって蒸気管路36を通じて前記二酸化炭素分離回収装置200の二酸化炭素吸収液加熱器39に熱源として供給される。
復水管路26を流下する復水は給水ポンプ27で昇圧されて給水として排熱回収ボイラ20に供給され、この排熱回収ボイラ20にてガスタービン72から排出された高温の排ガスによって加熱され、この加熱された給水は給水管路29を経て第2プロセスガス蒸発器9に燃料ガスと熱交換する蒸気として供給される。
そして前記第2プロセスガス蒸発器9にてこの蒸気は高温の燃料ガスとの熱交換によって高温の蒸気となり、蒸気管路35を通じて前記二酸化炭素分離回収装置200の二酸化炭素吸収液加熱器39に熱源として供給される。
ガスタービン72から排出された高温の排ガスによって加熱され、排熱回収ボイラ20の中圧ドラム30で発生した蒸気は中圧ドラム過熱蒸気管路33を通じて蒸気タービン23に供給され、該蒸気タービン23を駆動して発電機22を回転して発電する。
排熱回収ボイラ20で加熱された給水の一部は、給水管路28を通じて第1プロセスガス蒸発器6に供給され、この第1プロセスガス蒸発器6にて高温の燃料ガスとの熱交換によって加熱蒸気となり、この加熱蒸気は蒸気管路34を通じてシフト蒸気混合器4に供給され、シフト蒸気として高温の燃料ガスと共に入口ガス管路1を通じて第1シフト反応器5に供給される。
復水管路26を流下する復水は給水ポンプ27で昇圧されて給水として排熱回収ボイラ20に供給され、この排熱回収ボイラ20にてガスタービン72から排出された高温の排ガスによって加熱され、この加熱された給水は給水管路29を経て第2プロセスガス蒸発器9に高温の燃料ガスと熱交換する蒸気源として供給される。
そして前記第2プロセスガス蒸発器9にて高温の燃料ガスとの熱交換によって高温の蒸気となり、蒸気管路35を通じて前記二酸化炭素分離回収装置200の二酸化炭素吸収液加熱器39に熱源として供給される。
二酸化炭素分離回収装置200の二酸化炭素吸収搭37によって燃料ガスに含まれた二酸化炭素を吸収液で吸収して二酸化炭素を除去した水素リッチの燃料ガスは、ガスタービン燃料管路3に夫々設置した第3燃料ガス加熱器12、第2燃料ガス加熱器10及び第1燃料ガス加熱器8での高温の燃料ガスとの熱交換によって順次加温され、最終的には入口ガス管路1から分岐して燃焼器入口管路44に連通したシフト反応器バイパス管路2を通過してくる高温の燃料ガスの温度レベルまで昇温させる。
二酸化炭素分離回収装置200に供給される燃料ガスのうち、約30%の燃料ガスが入口ガス管路1を通じて供給され、約70%の燃料ガスがシフト反応器バイパス管路2を通じて供給されるように配分している。
前記シフト反応器バイパス管路2を流下した燃料ガスと、二酸化炭素分離回収装置200の各機器で処理されて燃料管路3を流下した燃料ガスとは、この燃焼器入口管路44にて合流し、ガスタービン装置の燃焼器71に供給されて燃焼する。
次に、本発明の第1実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムについて、各プロセスガスや二酸化炭素ガスや吸収液の温度分布を図5を用いてその有効性を説明する。
図5に示した本発明の第1実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおける各プロセスガス、二酸化炭素ガス及び吸収液の温度分布は、二酸化炭素吸収搭37の出口の吸収液が80℃の場合に、この吸収液を二酸化炭素吸収液加熱器39に加熱源として供給した蒸気による加熱によって110℃まで昇温させた場合の例である。
図5に示した本発明の第1実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおいて、第1プロセスガス蒸発器6にてシフト反応器5のシフト反応の熱エネルギーで昇温した燃料ガスと熱交換して発生した蒸気は、蒸気管路34を通じてシフト蒸気混合器4に導入され、該シフト蒸気混合器4にて燃料ガスと混合してその下流側に配設した第1シフト反応器5及び第2シフト反応器7にシフト蒸気として流入する。
この結果、第1プロセスガス蒸発器6から蒸気管路34を通じてシフト蒸気混合器4に供給された蒸気は、第1シフト反応器5及び第2シフト反応器7のシフト反応に用いられるシフト蒸気として活用される為、排熱回収ボイラ20から抽気して前記シフト蒸気混合器4に補助蒸気として供給されるシフト用の蒸気を減少させることが可能となる。
よって、排熱回収ボイラ20から補助蒸気としてシフト蒸気混合器4に供給する蒸気量が減少できるので、その分だけガスタービン排熱回収ボイラ20から蒸気タービン23への供給蒸気量は増加するので、蒸気タービン23の出力が増加しプラント発電端効率は向上する。
また、図5に示すように第2プロセスガス蒸発器9で発生した蒸気及び第3プロセスガス蒸発器13で発生した蒸気は、蒸気管路35、36を通じて二酸化炭素吸収液加熱器39に導かれる。これらの発生蒸気は二酸化炭素吸収液加熱器39にて二酸化炭素吸収搭37を出た二酸化炭素を多く含んだリッチ吸収液の温度を80℃から110℃にまで加熱昇温する。
次に、二酸化炭素吸収液加熱器39を流下したリッチ吸収液は後段に設置された二酸化炭素フラッシュタンク38に導入され、該二酸化炭素フラッシュタンク38にてフラッシングすることによってリッチ吸収液に吸収した二酸化炭素が取り出される。
そして二酸化炭素が取り出された吸収液は二酸化炭素フラッシュタンク38からリーン液管路49を通じて二酸化炭素吸収搭37に戻される。つまり、吸収液は二酸化炭素吸収搭37と二酸化炭素フラッシュタンク38との間を循環する。
プラント出力170MW級の二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムに実施例1の構成を適用した場合、ガス化発電システムの発電効率は吸収液の種類や性能や吸収液の循環量により若干変化するが概略0.数%程度向上することが見込まれる。
即ち、本実施例1では、二酸化炭素分離回収装置200の第1シフト反応器5及び第2シフト反応器7における一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応に必要な高温の蒸気を供給させるために、第1プロセスガス蒸発器6で発生させた蒸気を蒸気管路34を通じてシフト蒸気混合器4に供給して第1シフト反応器5及び第2シフト反応器7にシフト蒸気として流入するように構成したことから、排熱回収ボイラ20から蒸気管路32を通じて前記シフト蒸気混合器4に供給する補助蒸気の使用量を減少させることが可能となり、この補助蒸気量の減少量に相当する熱エネルギー分の発電効率が増加するので、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムの発電効率が向上する。
本実施例によれば、一酸化炭素を含有するガス化した燃料ガスをガスタービンで燃焼して発電を行うガス化発電システムにおいて、二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置で燃料ガスに含まれた一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応の際に生じるシフト反応熱を有効に回収すると共に、排熱回収ボイラで発生させた蒸気を蒸気混合器に供給するシフト蒸気を抑制させて発電システムの発電効率を向上させた、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムが実現できる。
次に本発明の第2実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムについて図2及び図4を用いて説明する。
本発明の第2実施例に係る二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムと、図1及び図3に示した第1実施例に係る二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムとは基本的な構成が同じであるので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
図2及び図4に示した第2実施例に係る二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムは、二酸化炭素分離回収装置200の第1プロセスガス蒸発器6及び第2プロセスガス蒸発器9で燃料ガスとの熱交換によって発生した各発生蒸気を蒸気管路34及び蒸気管路35を通じて第1シフト反応器5の上流側の入口ガス管路1に設置したシフト蒸気混合器4にシフト反応用のシフト蒸気としてそれぞれ供給するように構成したものである。
この結果、第1シフト反応器5及び第2シフト反応器7で使用するシフト反応用のシフト蒸気はこれらの第1プロセスガス蒸発器6及び第2プロセスガス蒸発器9で発生させる蒸気でまかない、排熱回収ボイラ20から蒸気管路32を通じて前記シフト蒸気混合器4に供給する補助蒸気の使用量を極力減少させて、この補助蒸気量の減少量に相当する熱エネルギー分の発電効率を増加させて、ガス化発電システムの発電効率の向上を図ることが可能となる。
即ち、図4において、二酸化炭素分離回収装置200の第1シフト反応器5及び第2シフト反応器7における一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応に必要な高温の蒸気の供給を、第1プロセスガス蒸発器6及び第2プロセスガス蒸発器9で発生させた蒸気を蒸気管路34及び蒸気管路35を通じてシフト蒸気混合器4にそれぞれ供給するように構成したことから、排熱回収ボイラ20から蒸気管路32を通じて前記シフト蒸気混合器4に供給する補助蒸気の使用量を大幅に減少でき、この補助蒸気量の減少量に相当する熱エネルギー分の発電効率を増加させ、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムの発電効率が向上する。
次に本発明の第2実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムについて、各プロセスガスや二酸化炭素ガスや吸収液の温度分布を図6を用いてその有効性を説明する。
図6に示した各プロセスガス、二酸化炭素ガス及び吸収液の温度分布は、二酸化炭素吸収搭37の出口の吸収液を80℃として、この吸収液を二酸化炭素吸収液加熱器39によって加温して95℃に昇温させた場合の例である。
図6に示した本発明の第2実施例である二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおいて、第1プロセスガス蒸発器6にてシフト反応器5のシフト反応の熱エネルギーで昇温した燃料ガスと熱交換して発生した蒸気、及び第2プロセスガス蒸発器9にてシフト反応器7のシフト反応の熱エネルギーで昇温した燃料ガスと熱交換して発生した蒸気は、蒸気管路34及び蒸気管路35を通じてシフト蒸気混合器4にそれぞれ導入されている。
第1シフト反応器5を出た燃料ガス温度は400℃と高温であるが、第1プロセスガス蒸発器6を通過することにより300℃に温度が低下する。この燃料ガスは第2シフト反応器7を通過することによって、シフト触媒の反応熱を吸収して450℃に温度が上昇する。
この450℃に温度が上昇した燃料ガスは第2プロセスガス蒸発器9を通過することにより温度が200℃に減温する。この燃料ガスはさらに、第3プロセスガス蒸発器13を通過することにより温度が50℃まで低下する。
そして二酸化炭素分離回収装置200の二酸化炭素吸収搭37にて燃料ガスに含まれた二酸化酸素を吸収した吸収液を二酸化炭素フラッシュタンク38で二酸化炭素を解離させて二酸化炭素を除去した水素リッチの燃料ガスは、圧縮機41によって昇圧されて85℃に昇温する。
次に圧縮機41で昇圧されて第3燃料ガス加熱器12を通過した燃料ガスは160℃に昇温され、第2燃料ガス加熱器10を通過した燃料ガスは250℃に昇温される。さらに第1燃料ガス加熱器8を通過することによってこの燃料ガスは340℃に昇温される。
二酸化炭素分離回収装置200のシフト反応器をバイパスするシフト反応器バイパス管路2を流れる燃料ガス温度340℃と同等な温度に前記燃料ガスが昇温された後に、このシフト反応器バイパス管路2を流れる燃料ガスと合流してガスタービン装置の燃焼器71に供給され、燃焼してガスタービン72を駆動する。
一方、二酸化炭素分離回収装置200の二酸化炭素吸収搭37にて燃料ガスに含まれた二酸化酸素を吸収した吸収液は、二酸化炭素吸収液加熱器39にて第3プロセスガス蒸発器13から蒸気管路36を通じて供給される蒸気との熱交換によって80℃から95℃にまで昇温する。
そして、二酸化炭素吸収液加熱器39を経た吸収液は二酸化炭素フラッシュタンク38に供給され、この二酸化炭素フラッシュタンク38にてフラッシングして吸収液中に吸収した二酸化炭素を解離させて65℃のリーン吸収液となり、二酸化炭素を除去したリーン吸収液はリーン液管路49を通じて二酸化炭素吸収搭37に戻される。つまり、吸収液は二酸化炭素吸収液加熱器39と二酸化炭素フラッシュタンク38との間を循環する。
即ち、第2実施例の場合では、第1シフト反応器5及び第2シフト反応器7のシフト反応によって生じた熱エネルギーによって流下する燃料ガスを昇温し、この昇温した燃料ガスとの熱交換で発生した蒸気を蒸気管路34及び蒸気管路35を通じてシフト蒸気混合器4に供給し、シフト反応器で使用するシフト蒸気として有効に活用されている為、排熱回収ボイラ20から抽気されるシフト用の蒸気量を減少させることが可能となる。その結果、排熱回収ボイラ20から蒸気タービン23を駆動するために供給する蒸気量が増加するので、蒸気タービン23の出力が増加しプラント発電端効率は向上する。
更に、第3プロセスガス蒸発器13にてシフト反応器11のシフト反応の熱エネルギーで昇温した燃料ガスと熱交換して発生した蒸気は、蒸気管路36を通過して前記二酸化炭素吸収液加熱器39に導かれて二酸化炭素吸収搭37を流下した吸収液の昇温に利用されており、シフト反応器のシフト反応熱で発生させた蒸気を二酸化炭素分離回収装置200内で有効活用することによってガス化発電システムの発電効率が向上する。
プラント出力170MW級の二酸化炭素分離回収設備付の石炭ガス化複合発電システムに本実施例を適用した場合、プラント送電端効率は吸収液の種類や性能や吸収液の循環量により若干変化するが概略0.数%程度の向上が見込まれる。実施例1と比較して本実施例2ではシフト反応熱を利用して発生した蒸気を多くシフト反応用の蒸気として使うことにより実施例1とプラント送電端効率が同等かまたは若干良くなる。
本実施例によれば、一酸化炭素を含有するガス化した燃料ガスをガスタービンで燃焼して発電を行うガス化発電システムにおいて、二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置で燃料ガスに含まれた一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応の際に生じるシフト反応熱を有効に回収すると共に、排熱回収ボイラで発生させた蒸気を蒸気混合器に供給するシフト蒸気を抑制させて発電システムの発電効率を向上させた、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムが実現できる。
本発明は、二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムに適用可能である。
1:入口ガス管路、2:バイパス管路、3:ガスタービン燃料管路、4:シフト蒸気混合器、5:第1シフト反応器、6:第1プロセスガス蒸発器、7:第2シフト反応器、8:第1燃料ガス加熱器、9:第2プロセスガス蒸発器、10:第2燃料ガス加熱器、11:第3シフト反応器、12:第3燃料ガス加熱器、13:第3プロセスガス蒸発器、14:プロセスガス冷却器、15:第1ノックアウトドラム、16:プロセスガス管路、20:排熱回収ボイラ、21:ガスタービン、22:発電機、23:蒸気タービン、24:復水器、25:給水管路、26:復水管路、27:給水ポンプ、28:給水管路、29:給水管路、30:中圧ドラム、31:高圧ドラム、32:シフト反応用蒸気管路、33:蒸気管路、34:蒸気管路、35:蒸気管路、36:蒸気管路、37:二酸化炭素吸収搭、38:二酸化炭素フラッシュタンク、39:二酸化炭素吸収液加熱器、40:第2ノックアウトドラム、41:燃料ガス昇圧圧縮機、42:ドレン管路、43:燃料ガス管路、44:燃焼器入口管路、45:飽和蒸気管路、46:過熱蒸気管路、47:吸収液循環ポンプ、48:補給水管路、49:リーン液管路、50:二酸化炭素排出管路、71:燃焼器、72:圧縮機、76:高圧ドラム過熱蒸気管路、77:吸収液管路、100:発電プラント、200:二酸化炭素分離回収装置。

Claims (6)

  1. 一酸化炭素と水素を含んだ燃料ガスに水蒸気を混合してシフト反応させて燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応器と、シフト反応器を流下した二酸化炭素を含む燃料ガスから吸収液に二酸化炭素を吸収させて二酸化炭素を除去した燃料ガスを生成する二酸化炭素吸収搭と、二酸化炭素吸収搭で吸収液に吸収した二酸化炭素を解離させて吸収液を再生する吸収液再生装置とを有する二酸化炭素分離回収装置と、
    前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器で燃焼させて駆動するガスタービン装置と、ガスタービン装置から排出された排ガスによって蒸気を発生させるドラムを有する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラのドラムで発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンを有するガス化発電システムとを備え、
    前記二酸化炭素分離回収装置のシフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して昇温した蒸気を発生させる蒸発器を該シフト反応器の下流側に設置し、
    前記蒸発器で発生する昇温した蒸気を前記シフト反応器の上流側の燃料ガス管路に設置した蒸気混合器に供給する蒸気管路を配設し、この蒸気管路を通じて供給される昇温した蒸気を前記蒸気混合器からシフト蒸気として燃料ガスと共に前記シフト反応器に流入させることを特徴とする二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム。
  2. 一酸化炭素と水素を含んだ燃料ガスに水蒸気を混合してシフト反応させて燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換する第1シフト反応器及びこの第1シフト反応器の下流側に設置された第2シフト反応器と、前記両シフト反応器を流下した二酸化炭素を含む燃料ガスから吸収液に二酸化炭素を吸収させて二酸化炭素を除去した燃料ガスを生成する二酸化炭素吸収搭と、二酸化炭素吸収搭で吸収液に吸収した二酸化炭素を解離させて吸収液を再生する吸収液再生装置とを有する二酸化炭素分離回収装置と、
    前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器で燃焼させて駆動するガスタービン装置と、ガスタービン装置から排出された排ガスによって蒸気を発生させるドラムを有する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラのドラムで発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンを有するガス化発電システムとを備え、
    前記二酸化炭素分離回収装置の第1シフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して昇温した蒸気を発生させる第1の蒸発器を該第1シフト反応器の下流側に設置し、前記二酸化炭素分離回収装置の第2シフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して昇温した蒸気を発生させる第2の蒸発器を該第2シフト反応器の下流側に設置し、前記第1の蒸発器及び第2の蒸発器で発生する昇温した各蒸気を前記第1シフト反応器の上流側の燃料ガス管路に設置した蒸気混合器に供給する蒸気管路をそれぞれ配設し、これらの蒸気管路を通じて供給される昇温した前記各蒸気を前記蒸気混合器からシフト蒸気として燃料ガスと共に前記第1シフト反応器及び第2シフト反応器に流入させることを特徴とする二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム。
  3. 請求項1に記載された二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおいて、
    前記シフト反応器の下流側に燃料ガスに水蒸気を混合してシフト反応させて燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換する第2のシフト反応器を設置し、前記第2のシフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと前記排熱回収ボイラから供給される蒸気とを熱交換して蒸気を昇温させる第2の蒸発器を前記第2のシフト反応器の下流側に設置し、前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭で二酸化炭素を吸収した吸収液を該二酸化炭素吸収搭から吸収液再生装置に供給する管路に吸収液の加熱器を設置し、
    前記第2の蒸発器で発生した蒸気を前記吸収液の加熱器の加熱源として供給する蒸気管路を配設したことを特徴とする二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム。
  4. 請求項1に記載された二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおいて、
    前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器に供給する管路に前記二酸化炭素分離回収装置のシフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換して燃料ガスを昇温する燃料ガスの加熱器を設置し、
    前記燃料ガスの加熱器で昇温した燃料ガスを前記燃焼器に供給するように構成したことを特徴とする二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム。
  5. 請求項2に記載された二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおいて、
    前記第2のシフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと前記排熱回収ボイラから供給される蒸気とを熱交換して蒸気を昇温させる第3の蒸発器を前記第2のシフト反応器の下流側に設置し、前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器に供給する管路に吸収液の加熱器を設置し、前記第3の蒸発器で生じた蒸気を前記吸収液の加熱器の加熱源として供給する蒸気配管を設置したことを特徴とする二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム。
  6. 請求項2に記載された二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システムにおいて、
    前記二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収搭にて二酸化炭素を除去した燃料ガスを燃焼器に供給する管路に前記二酸化炭素分離回収装置のシフト反応器で生じたシフト反応熱によって昇温した燃料ガスと熱交換してこの二酸化炭素を除去した燃料ガスを昇温する燃料ガスの加熱器を設置し、前記燃料ガスの加熱器で昇温した燃料ガスを前記燃焼器に供給するように構成したことを特徴とする二酸化炭素分離回収装置を備えたガス化発電システム。
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