JP5379092B2

JP5379092B2 - ガス化発電システム

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Publication number: JP5379092B2
Application number: JP2010179117A
Authority: JP
Inventors: 信義三島; 泰司武田; 広嗣福原; 晋鹿毛
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: JP2012036863A

Description

本発明は、ガス化発電システムに関する。より詳細には、燃料ガスをガスタービンで燃焼して発電する発電プラントと、シフト反応により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装置と、シフト反応により発生した二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置を備えるガス化発電システムに関する。

ガス化発電システムでは、石炭やバイオマスなどの炭素燃料をガス化してガスタービンの燃料として利用する。特に石炭をガス化した場合、石炭のガス化により得られる生成ガスの代表成分は、石炭の炭種によって異なるが、体積割合で約６０％が一酸化炭素、約２５％が水素、約１０％が窒素ガス、約３％が二酸化炭素ガス、約２％が水蒸気やその他成分である。

従って、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。シフト反応は、式（１）に示される反応である。

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・（１）
ガス化発電システムでは、シフト反応装置のシフト反応器によって式（１）のシフト反応を起こし、石炭をガス化した石炭ガス（生成ガス）を一旦、水素ガスと二酸化炭素に転換する。水素ガスはガスタービンの燃料ガスとして活用し、二酸化炭素は後流にある二酸化炭素分離回収装置の二酸化炭素吸収塔で吸収液により吸収して回収する。尚、この時のシフト反応は発熱反応である。

特許文献１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。

さらに、シフト反応器では、石炭をガス化した石炭ガス（生成ガス）の流量Ｇとシフト反応用の蒸気流量Ｓの比率Ｓ／Ｇが低いと、低温シフト反応触媒によりメタノールＣＨ_３ＯＨを合成する反応（２）と（３）が生じる（非特許文献１）。

ＣＯ＋２Ｈ_２→ＣＨ_３ＯＨ・・・（２）
ＣＯ_２＋３Ｈ_２→ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ・・・（３）
この反応はメタメーションと呼ばれ、式（１）で示したシフト反応の副産物として知られる。特に高温シフト反応器で水蒸気Ｈ_２Ｏが消費されるので、下流側の低温シフト反応器ではＳ／Ｇ比率の低下によりメタメーション反応が進み、メタノールが合成される。低温シフト反応器を出たガスは、ノックアウトドラムにて水分が分離され、メタノールが系外に排出される。

特開２００８−１０８６２１号公報

「ズード−ケミー第１回合成ガスセミナー」資料（２００８年７月６日〜９日）

従来の発電システムでは、シフト反応器にてシフト反応に伴って熱エネルギーが発生するが、この熱エネルギーを発電システムに有効に利用しておらず、発電効率の向上を図れていないという課題がある。さらに、シフト反応器で反応しなかった余剰水蒸気をノックアウトドラムのドレンを排水として系外に排出するが、このドレンには低温シフト反応で合成されたメタノールが含まれる。従って、排水処理において新たにメタノール処理を行う課題が生じている。さらに、ドレンを系外に排出するので、系統の補給水量が増加するという課題もある。

本発明は、上記の課題を解決するガス化発電システムを提供することを目的とする。

本発明によるガス化発電システムは、基本的には次のような特徴を有する。

炭素燃料をガス化して生じる生成ガスが供給され、シフト蒸気を用いて前記生成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、シフト反応後の前記生成ガス中の水分を除去するノックアウトドラムと、シフト反応後の前記生成ガスを燃料とするガスタービンを備えるガス化発電システムにおいて、前記ノックアウトドラムからのドレンが供給される蒸発器を設ける。前記蒸発器は、前記シフト反応器で発生する反応熱を用いて、供給された前記水分を蒸発させて蒸気を発生させる。前記蒸発器で発生した蒸気は、前記シフト蒸気に用いる。

本発明によるガス化発電システムでは、発電効率の向上を図ることができる。また、シフト反応で合成されたメタノールの処理が不要である。さらに、系外に排出するドレン（排水）の量を減らすことができるので、系統の補給水量の増加を抑制することが可能である。

本発明の実施例１によるガス化発電システムの複合発電プラントとシフト反応装置の概略系統図。本発明の実施例２によるガス化発電システムの複合発電プラントとシフト反応装置の概略系統図。本発明の実施例１によるガス化発電システムのシフト反応装置と二酸化炭素分離回収装置の概略系統図。本発明の実施例２によるガス化発電システムのシフト反応装置と二酸化炭素分離回収装置の概略系統図。

本発明によるガス化発電システムでは、シフト反応器で反応しなかった余剰水蒸気であるドレンを、排水として系外に排出せず、シフト反応熱で蒸気に変え、シフト反応用の蒸気として活用する。シフト反応後の燃料ガスから水分を分離、除去するノックアウトドラムのドレン排出管路にドレンポンプを設置し、ノックアウトドラムから給水（ドレン）をプロセスガス蒸発器に送水する。この給水は、プロセスガス蒸発器よって蒸気に変化し、シフト反応に用いるシフト蒸気として再度有効活用できる。

ドレンを系外に排出せずシフト反応蒸気として再利用するので、シフト反応により生じてドレンに含まれるメタノールを系外に排出することがない。

本発明によれば、シフト反応熱を有効に回収すると共に、発電プラントのボイラで発生させた蒸気のうち、シフト蒸気に用いる量を減少させることができる。これにより、発電プラントのボイラで発生させた蒸気の大部分または全てを発電に用いることができるので、発電システムの発電効率を向上させることができる。

このように、本発明によれば、ノックアウトドラムのドレンを排水として系外に排出することなく、再度シフト蒸気として活用できるので、高効率かつ補給水量と排水量を減らした環境に優しいかつ経済的なガス化発電システムが実現できる。

さらに、シフト反応によって生じたメタノールを含むドレンを系外に排出しないので、排水処理においてメタノール処理が不要となる経済効果が生じる。メタノールを処理する装置としては、大掛かりな生物処理方式等が考えられるが、このような装置が一切不要となる配置上の効果も期待できる。

以下、本発明によるガス化発電システムの実施例について、図面を参照して説明する。

尚、本発明によるガス化発電システムでは、炭素を含む燃料をガス化して得られる生成ガスを燃料ガスとして発電に用いるが、以下の実施例では、炭素を含む燃料として石炭を用いる例について説明する。すなわち、燃料ガスには、石炭をガス火炉などの石炭ガス化装置で酸素または空気を酸化剤としてガス化し、この石炭ガス（生成ガス）を、シフト反応により水素リッチに転換したガスを用いる。

本発明によるガス化発電システムの実施例１について、図１及び図３を用いて説明する。本実施例のガス化発電システムは、複合発電プラントと、シフト反応装置と、二酸化炭素分離回収装置を備える。

図１は、複合発電プラント１００と本実施例のシフト反応装置２００の概略系統図である。図１の下部に複合発電プラント１００、図１の上部にシフト反応装置２００を示している。

図３は、本実施例のシフト反応装置２００と二酸化炭素分離回収装置４００の概略系統図である。図３の左側は、図１に示したシフト反応装置２００を示し、図３の右側は、二酸化炭素分離回収装置４００を示す。

ここで、図１に示した複合発電プラント１００について説明する。複合発電プラント１００は、ガスタービン装置と、排熱回収ボイラ２０と、蒸気タービン２３を備える。

ガスタービン装置は、水素リッチの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するガスタービン２１と、ガスタービン２１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を備える。すなわち、ガスタービン装置は、燃焼器７１で発生した燃焼ガスによりガスタービン２１を駆動し、ガスタービン２１により圧縮機７２及び発電機２２を駆動する。

排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン２１から排出された排ガスを熱源として、蒸気を発生させる。

蒸気タービン２３は、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から発生した蒸気が、それぞれ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を通じて供給されることにより、駆動する。

ガスタービン２１と蒸気タービン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いる。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、第１復水管路２６を通じて給水ポンプ２７に送られ昇圧されて、第２復水管路２８を通過して、排熱回収ボイラ２０に供給される。

中圧ドラム過熱蒸気管路３３には、補助蒸気管路３６が設けられ、補助蒸気系統として、排熱回収ボイラ２０に設置した中圧ドラム３０から発生した蒸気をシフト反応装置２００に供給する。

次に、図１と図３に示したシフト反応装置２００について説明する。一酸化炭素を含んだ燃料ガス（生成ガス）は、石炭ガス化装置（図示せず）から入口ガス管路１を通って、シフト反応装置２００に供給される。シフト反応装置２００では、入口ガス管路１に設けたシフト蒸気混合器４に、補助蒸気系統として補助蒸気管路３６を通じて、複合発電プラント１００の排熱回収ボイラ２０で発生した蒸気の一部が供給される。

さらに、第１プロセスガス蒸発器６から発生した蒸気を、第１プロセスガス蒸発器用蒸気管路３４を通じて、シフト蒸気混合器４に流入させる。また、シフト反応装置出口ノックアウトドラム１５のドレンを、シフト反応装置出口ノックアウトドラムドレン排出管路５０を流下させ、ドレンポンプ５１により昇圧し、第１プロセスガス蒸発器給水流量調節弁５２と第１プロセスガス蒸発器給水管路５３を流下させて、第１プロセスガス蒸発器６への給水として再利用する。

シフト反応装置２００は、燃料ガス（生成ガス）中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換するシフト反応を行う第１シフト反応器５、第２シフト反応器７、及び第３シフト反応器１１を有する。

第１シフト反応器５、第２シフト反応器７、及び第３シフト反応器１１では、シフト反応によりメタノールが生じる。メタノールは、主に、低温の第３シフト反応器１１で生じる。シフト反応によって生じたメタノールは、シフト反応装置出口ノックアウトドラム１５のドレンに溶解し、シフト反応装置出口ノックアウトドラムドレン排出管路５０を流下してドレンポンプ５１により昇圧され、第１プロセスガス蒸発器給水流量調節弁５２と第１プロセスガス蒸発器給水管路５３を流下する。すなわち、このメタノールは、第１プロセスガス蒸発器６への給水に溶解した状態で、第１プロセスガス蒸発器６に流入する。従って、メタノールを含んだドレンは、第１プロセスガス蒸発器６への給水として再利用される。

また、第２プロセスガス蒸発器９から発生した蒸気を、第２プロセスガス蒸発器用蒸気管路３５を通じて、シフト蒸気混合器４に流入させる。第２プロセスガス蒸発器９への給水は、複合発電プラント１００の排熱回収ボイラ２０への給水を給水ポンプ２７の中間段から第２プロセスガス蒸発器用第１給水管路２９を流下させて、送水する。

シフト反応は、式（１）で示したように、１モルの一酸化炭素に対し１モルの水蒸気が反応する同モル反応である。しかし、実際のシフト反応においては、シフト率を高めるために、水蒸気流量を一酸化炭素流量よりも１．２倍から１．５倍ほど多く投入する必要がある。従って、シフト反応では余剰な蒸気ドレンが必ず発生する。本実施例では、この余剰なドレンをシフト反応装置出口ノックアウトドラム１５で分離し、第１プロセスガス蒸発器６の給水として再利用する。

燃料ガスは、入口ガス管路１を流下し、第１プロセスガス蒸発器６で発生した蒸気とシフト蒸気混合器４で混合され、第１シフト反応器５に流入する。

入口ガス管路１からは、燃料ガスがシフト反応器をバイパスするためのシフト反応器バイパス管路２が分岐している。シフト反応器バイパス管路２は、二酸化炭素分離回収装置バイバス弁６０が配設されており、燃料ガスを複合発電プラント１００の燃焼器７１に供給するためのガスタービン燃料管路３に合流している。

シフト反応装置２００が有する第１シフト反応器５、第２シフト反応器７、及び第３シフト反応器１１の内部には、シフト反応を発生させる触媒が充填されている。この触媒により、燃料ガスに含まれる一酸化炭素は、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む燃料ガスは、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。

本実施例の二酸化炭素分離回収装置４００（図３）では、第１シフト反応器５でのシフト反応熱で昇温した燃料ガスを熱源として利用する。昇温した燃料ガスを、第１シフト反応器５の下流側に設置した第１プロセスガス蒸発器６に供給し、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。

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プロセスガス蒸発器用蒸気管路３４を通じて、第１シフト反応器５の上流側に設置したシフト蒸気混合器４に供給され、シフト反応に使用されるシフト蒸気として、入口ガス管路１を流下する燃料ガスと共に、第１シフト反応器５に流入する。シフト反応器内の一酸化炭素ガスと水蒸気のシフト触媒反応は発熱反応であるので、第１プロセスガス蒸発器６が発生するシフト蒸気は、過熱蒸気でも飽和蒸気でも、特に水蒸気の液化に対する問題はない。

第１プロセスガス蒸発器６での熱交換によって冷却された燃料ガスは、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。

上述したように、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いる。第２シフト反応器７の触媒により、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さらに進む。

第２シフト反応器７で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。高温に昇温した燃料ガスは、第２シフト反応器７を出た後、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。

図３に示すように、第１燃料ガス加熱器８には、二酸化炭素が除去された水素リッチの燃料ガスが、二酸化炭素分離回収装置４００から第１燃料管路８０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。二酸化炭素分離回収装置４００では、後述するように、二酸化炭素吸収塔３７で燃料ガスに含まれる二酸化炭素が吸収液に吸収されて、二酸化炭素が除去された水素リッチの燃料ガスが得られる。

第２シフト反応器７から流下し、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、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、二酸化炭素分離回収装置４００にて二酸化炭素が除去された水素リッチの燃料ガスは、第１燃料管路８０、第２燃料管路８１、及び第３燃料管路８２を通過し、第１燃料ガス加熱器８に供給される。この水素リッチの燃料ガスは、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加熱、昇温され、ガスタービン燃料管路３を通じて複合発電プラント１００のガスタービン装置の燃焼器７１に供給される（図１参照）。

上述したように、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ている。第３シフト反応器１１の触媒により、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、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に流入する。この高温の燃料ガスは、第３燃料ガス加熱器１２にて、第１燃料管路８０を通じて二酸化炭素分離回収装置４００から供給された燃料ガスとの熱交換によって冷却され、中温の燃料ガスとなる。この中温の燃料ガスは、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。

図１に示すように、第３プロセスガス蒸発器１３には、複合発電プラント１００の排熱回収ボイラ２０に供給される前の給水の一部が、給水管路２５を通じて供給される。この給水の一部は、第３プロセスガス蒸発器１３にて中温の燃料ガスと熱交換して、中温の蒸気を発生する。発生した中温の蒸気は、蒸気管路８３を通じて流下し、後述するように、図３に示した二酸化炭素分離回収装置４００の二酸化炭素吸収液加熱器３９に供給され、吸収液を加熱する熱源として利用される。

燃料ガスは、第３プロセスガス蒸発器１３にて、給水管路２５を通じて複合発電プラント１００から供給される給水との熱交換によって冷却され、さらにプロセスガス冷却器１４で冷却され、シフト反応装置出口ノックアウトドラム１５に流入し、気水分離される。さらに、燃料ガスは、シフト反応装置出口ノックアウトドラム１５からプロセスガス管路１６を通じて、二酸化炭素分離回収装置４００の二酸化炭素吸収塔３７に供給される（図３参照）。

二酸化炭素吸収塔３７では、燃料ガスに含まれる二酸化炭素を、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４００には、二酸化炭素吸収塔３７と二酸化炭素フラッシュタンク３８が設置されている。二酸化炭素吸収塔３７は、シフト反応装置２００のシフト反応装置出口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る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。二酸化炭素フラッシュタンク３８は、二酸化炭素吸収塔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、吸収液を再生する吸収液再生装置である。

シフト反応装置２００のシフト反応装置出口ノックアウトドラム１５では、シフト反応で余った水分（水蒸気）を、燃料ガスから分離する。この水分、すなわちドレンは、シフト反応装置出口ノックアウトドラムドレン排出管路５０を通じてドレンポンプ５１により、第１プロセスガス蒸発器６に送水される。水分が分離されて二酸化炭素ガスを多く含んだ水素リッチの燃料ガスは、シフト反応装置出口ノックアウトドラム１５からプロセスガス管路１６を通じて低温の二酸化炭素吸収塔３７に供給される。

低温の二酸化炭素吸収塔３７に供給された水素リッチの燃料ガスは、吸収液によって二酸化炭素が吸収、除去され、吸収塔出口ガス管路４３を通じて、二酸化炭素吸収塔３７の下流に設置した二酸化炭素吸収塔出口ガスノックアウトドラム４０に導入される。二酸化炭素吸収塔出口ガスノックアウトドラム４０では、燃料ガスから吸収液のミスト分が分離される。その後、燃料ガスは、燃料ガス昇圧圧縮機４１で昇圧され、第１燃料管路８０、第２燃料管路８１、第３燃料管路８２、及びガスタービン燃料管路３を通じて、複合発電プラント１００のガスタービン装置の燃焼器７１に供給されて、燃焼する（図１参照）。

尚、二酸化炭素吸収塔出口ガスノックアウトドラム４０で燃料ガスから分離した吸収液のミスト分は、二酸化炭素フラッシュタンク３８に流入する。

二酸化炭素吸収塔３７で燃料ガスに含まれる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に流入する。二酸化炭素フラッシュタンク３８では、吸収液をフラッシュして、吸収液が吸収した二酸化炭素を解離し、リーン吸収液を得る。

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５７を通じて、系外の二酸化炭素貯蔵部（図示せず）に排出される。

また、二酸化炭素フラッシュタンク３８で吸収液中の二酸化炭素を解離して得られたリーン吸収液は、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塔３７に供給される。リーン吸収液は、二酸化炭素吸収塔３７にて再び燃料ガスに含まれる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。

シフト反応装置２００において、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用蒸気管路３４を通じてシフト蒸気混合器４に供給されている。シフト蒸気混合器４に供給された蒸気は、シフト蒸気混合器４にて入口ガス管路１を流れる燃料ガスと混合し、第１シフト反応器５にシフト蒸気として流入する。

第１シフト反応器５には、図１に示したように、複合発電プラント１００の排熱回収ボイラ２０からも補助蒸気管路３６を通じて補助蒸気が供給され、この補助蒸気をシフト蒸気として利用できる。第１プロセスガス蒸発器６では、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際に、燃料ガスとの熱交換で蒸気を発生するが、この蒸気は、第１プロセスガス蒸発器用蒸気管路３４を経由してシフト蒸気混合器４に供給される。第１プロセスガス蒸発器６で発生してシフト蒸気混合器４に供給される蒸気の量が不足する場合には、補助蒸気管路３６を通じて供給される補助蒸気が、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構成になっている。

プラント出力１７０ＭＷ級の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循環量により若干変化するが、概略１〜２％程度向上する。

実施例１では、シフト反応装置２００において、第１プロセスガス蒸発器６で発生した蒸気を、第１プロセスガス蒸発器用蒸気管路３４を通じてシフト蒸気混合器４に供給し、かつ、第２プロセスガス蒸発器９で発生した蒸気も、第２プロセスガス蒸発器用蒸気管路３５を通じてシフト蒸気混合器４にシフト蒸気として流入するように構成した。この結果、複合発電プラント１００の排熱回収ボイラ２０から補助蒸気管路３６を通じてシフト蒸気混合器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る。従って、補助蒸気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、ガス化発電システムの発電効率を向上することができる。

また、第１プロセスガス蒸発器６と第２プロセスガス蒸発器９で発生する蒸気の量が多く、第１シフト反応器５でシフト蒸気として使用するのに十分である場合には、補助蒸気管路３６を通じて供給される補助蒸気を過剰に使用しなくてもよい。この場合には、複合発電プラント１００の排熱回収ボイラ２０からの蒸気の多くを発電に用いることができるので、ガス化発電システムの発電効率をさらに向上することができる。

さらに、シフト反応によって生じたメタノールを含むノックアウトドラムのドレンを排水として系外に排出しないので、排水処理においてメタノール処理が不要となると共に、ガス化発電システムの補給水量と排水量を減らすことも可能である。

なお、図１，３では、第１シフト反応器５と第１プロセスガス蒸発器６を別体に構成したものを図示したが、本発明はこの方式のみに限定されるものではなく、例えば両者を一体の機器として構成することも可能である。すなわち、図１，３における第１プロセスガス蒸発器６が第１シフト反応器５のシフト反応熱を用いてドレンを蒸発させる構成であれば良く、両機器が一体であるか否かは本発明を実施する上で問題とはならない。

本発明によるガス化発電システムの実施例２について、図２及び図４を用いて説明する。実施例２のガス化発電システムも、複合発電プラントと、シフト反応装置と、二酸化炭素分離回収装置を備える。二酸化炭素分離回収装置は、実施例１と同一であるので、説明を省略する。また、複合発電プラントとシフト反応装置についても、実施例１と同一の部分は説明を省略する。

図２は、複合発電プラント１００と本実施例のシフト反応装置３００の概略系統図である。図２の下部に複合発電プラント１００、図２の上部にシフト反応装置３００を示している。

図４は、本実施例のシフト反応装置３００と二酸化炭素分離回収装置４００の概略系統図である。図４の左側は、図２に示したシフト反応装置３００を示し、図４の右側は、二酸化炭素分離回収装置４００を示す。

図２及び図４において、図１及び図３と同一の符号は、実施例１と同一または共通する要素を示す。

ここで、図２に示した複合発電プラント１００について説明する。実施例２の複合発電プラント１００は、実施例１の複合発電プラント１００（図１）と同様の構成であるが、シフト反応装置３００への送水を行わない点で異なっている。

次に、図２と図４に示したシフト反応装置３００について説明する。シフト反応装置３００は、実施例１のシフト反応装置２００（図１、図３）と同様の構成であるが、以下の２点で異なる。すなわち、複合発電プラント１００から第２プロセスガス蒸発器９へ送水しない点と、シフト反応装置出口ノックアウトドラム１５からのドレンを第１プロセスガス蒸発器６と第２プロセスガス蒸発器９に送水する点が異なる。

第２プロセスガス蒸発器９には、図２と図４に示すように、シフト反応装置出口ノックアウトドラム１５のドレンを、シフト反応装置出口ノックアウトドラムドレン排出管路５０を流下させ、ドレンポンプ５１により昇圧し、第２プロセスガス蒸発器給水流量調節弁５４と第２プロセスガス蒸発器第２給水管路５５を流下させて送水して、給水とする。すなわち、シフト反応装置出口ノックアウトドラム１５のドレンを、第２プロセスガス蒸発器９の給水として再利用する。

シフト反応によって生じたメタノールは、第２プロセスガス蒸発器９の給水であるシフト反応装置出口ノックアウトドラム１５のドレンに溶解した状態で、第２プロセスガス蒸発器９に流入する。従って、メタノールを含んだドレンは、第２プロセスガス蒸発器９への給水として再利用される。

実施例１で述べたように、実際のシフト反応においては、シフト率を高めるために水蒸気流量を一酸化炭素流量よりも１．２倍から１．５倍ほど多く投入するので、余剰な蒸気ドレンが必ず発生する。本実施例では、この余剰なドレンをシフト反応装置出口ノックアウトドラム１５で分離し、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の給水として再利用する。

燃料ガスは、入口ガス管路１を流下し、第１プロセスガス蒸発器６と第２プロセスガス蒸発器９で発生した蒸気とシフト蒸気混合器４で混合され、第１シフト反応器５に流入する。さらに、第２シフト反応器７をへて第３シフト反応器１１に流下し、シフト反応装置出口ノックアウトドラム１５に達する。

第１シフト反応器５には、図２に示したように、複合発電プラント１００の排熱回収ボイラ２０からも補助蒸気管路３６を通じて補助蒸気が供給され、この補助蒸気をシフト蒸気として利用できる。第１プロセスガス蒸発器６では、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際に、燃料ガスとの熱交換で蒸気を発生するが、この蒸気は、第１プロセスガス蒸発器用蒸気管路３４を経由してシフト蒸気混合器４に供給される。また、第２プロセスガス蒸発器９では、第２シフト反応器７にて発生するシフト反応熱を回収する際に、燃料ガスとの熱交換で蒸気を発生するが、この蒸気は、第２プロセスガス蒸発器用蒸気管路３５を経由してシフト蒸気混合器４に供給される。第１プロセスガス蒸発器６と第２プロセスガス蒸発器９で発生してシフト蒸気混合器４に供給される蒸気の量が不足する場合には、補助蒸気管路３６を通じて供給される補助蒸気が、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構成になっている。

プラント出力１７０ＭＷ級のガス化発電システムに実施例２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循環量により若干変化するが、実施例１のガス化発電システムと同程度またはそれ以上に向上する。

実施例２では、シフト反応装置３００において、シフト反応装置出口ノックアウトドラム１５からのドレンを利用して、第１プロセスガス蒸発器６と第２プロセスガス蒸発器９で蒸気を発生させ、この蒸気を第１プロセスガス蒸発器用蒸気管路３４と第２プロセスガス蒸発器用蒸気管路３５を通じてシフト蒸気混合器４にシフト蒸気として流入するように構成した。この結果、複合発電プラント１００の排熱回収ボイラ２０から補助蒸気管路３６を通じてシフト蒸気混合器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る。従って、補助蒸気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、ガス化発電システムの発電効率を向上することができる。

また、実施例２においても、第１プロセスガス蒸発器６と第２プロセスガス蒸発器９で発生する蒸気の量が多く、第１シフト反応器５でシフト蒸気として使用するのに十分である場合には、補助蒸気管路３６を通じて供給される補助蒸気を過剰に使用しなくてもよい。この場合には、複合発電プラント１００の排熱回収ボイラ２０からの蒸気の多くを発電に用いることができるので、ガス化発電システムの発電効率をさらに向上することができる。

なお、図２，４では、第１シフト反応器５と第１プロセスガス蒸発器６、並びに第２シフト反応器７と第２プロセスガス蒸発器９を別体に構成したものを図示したが、本発明はこの方式のみに限定されるものではなく、例えば両機器を一体的に構成したものであっても良い。このとき、一体構成とするのは、第１シフト反応器５側と第２シフト反応器７側の両方でも、何れか一方でも良い。また、第２シフト反応器７と第２プロセスガス蒸発器９の間に燃料ガス加熱器（図１〜４における第１燃料ガス加熱器８）が存在する場合には、この燃料ガス加熱器を含めて一体的に構成される。

前述した実施例１と実施例２では、シフト反応器を３分割して、高温となる第１シフト反応器５，第２シフト反応器７と、低温でシフト反応を行う第３シフト反応器１１のそれぞれの下流側に、第１プロセスガス蒸発器６，第２プロセスガス蒸発器９，第３プロセスガス蒸発器１３を設置する例を示した。

一方、高温側の第１シフト反応器５及び第２シフト反応器７をまとめて、１台の高温シフト反応器として構成してもよい。この場合、高温シフト反応器と低温シフト反応器（シフト反応器１１に相当）の下流側の各々にプロセスガス蒸発器が設置される。なお、高温シフト反応器（低温シフト反応器）とプロセスガス蒸発器は、実施例１，２と同様に両機器を一体，別体の何れに構成しても良い。これらプロセスガス蒸発器に対する給水としては、実施例１，２と同様に、高温シフト反応器の下流側に設置されるプロセスガス蒸発器にはシフト反応装置出口ノックアウトドラム１５からのドレンを供給し、低温シフト反応器の下流側のプロセスガス蒸発器（第３プロセスガス蒸発器１３に相当）には複合発電プラント１００の排熱回収ボイラ２０に供給される給水の一部を供給する。高温シフト反応器の下流側のプロセスガス蒸発器で発生した蒸気は、プロセスガス蒸発器用蒸気管路を通じてシフト蒸気混合器４にシフト蒸気として供給される。

なお、上記では高温シフト反応器の下流側のプロセスガス蒸発器に対してノックアウトドラム１５のドレンを供給する例を説明したが、低温シフト反応器の下流側のプロセスガス蒸発器にも供給するように構成することも可能である。この場合、低温シフト反応器の下流側のプロセスガス蒸発器で発生した蒸気は、シフト蒸気としてシフト蒸気混合器４に供給することが望ましい。

本実施例によれば、複合発電プラント１００の排熱回収ボイラ２０から補助蒸気管路３６を通じてシフト蒸気混合器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る。従って、補助蒸気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、ガス化発電システムの発電効率を向上することができる。

前述の実施例１，２では、高温の第１シフト反応器５，第２シフト反応器７、及び低温の第３シフト反応器１１のそれぞれの下流側に、第１プロセスガス蒸発器６，第２プロセスガス蒸発器９，第３プロセスガス蒸発器１３を設置する例を説明した。

一方、高温のシフト反応器（２台）と低温のシフト反応器（１台）を１つに纏めて構成し、このシフト反応器の下流側にプロセスガス蒸発器を設置するようにしても良い。なお、シフト反応器とプロセスガス蒸発器は、一体，別体の何れに構成しても良い。そして、このプロセスガス蒸発器に対して、シフト反応装置出口ノックアウトドラム１５からのドレンを供給する。プロセスガス蒸発器で発生した蒸気は、プロセスガス蒸発器用蒸気管路を通じてシフト蒸気混合器４にシフト蒸気として供給される。

本実施例においても、補助蒸気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、ガス化発電システムの発電効率を向上することができる。また、シフト反応によって生じたメタノールを含むノックアウトドラムのドレンを排水として系外に排出しないので、排水処理においてメタノール処理が不要となると共に、ガス化発電システムの補給水量と排水量を減らすことも可能となる。

本発明は、炭素燃料をガス化して得られる生成ガスを燃料として発電に用いる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…シフト反応器バイパス管路、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…シフト反応装置出口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、２３…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…第１復水管路、２７…給水ポンプ、２８…第２復水管路、２９…第２プロセスガス蒸発器用第１給水管路、３０…中圧ドラム、３１…高圧ドラム、３３…中圧ドラム過熱蒸気管路、３４…第１プロセスガス蒸発器用蒸気管路、３５…第２プロセスガス蒸発器用蒸気管路、３６…補助蒸気管路、３７…二酸化炭素吸収塔、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…二酸化炭素吸収塔出口ガスノックアウトドラム、４１…燃料ガス昇圧圧縮機、４３…吸収塔出口ガス管路、４８…循環ポンプ、４９…リーン液管路、５０…シフト反応装置出口ノックアウトドラムドレン排出管路、５１…ドレンポンプ、５２…第１プロセスガス蒸発器給水流量調節弁、５３…第１プロセスガス蒸発器給水管路、５４…第２プロセスガス蒸発器給水流量調節弁、５５…第２プロセスガス蒸発器第２給水管路、５７…二酸化炭素管路、６０…二酸化炭素分離回収装置バイバス弁、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、８０…第１燃料管路、８１…第２燃料管路、８２…第３燃料管路、８３…蒸気管路、１００…複合発電プラント、２００…実施例１のシフト反応装置、３００…実施例２のシフト反応装置、４００…二酸化炭素分離回収装置。

Claims

炭素燃料をガス化して生じる生成ガスが供給され、シフト蒸気を用いて前記生成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、シフト反応後の前記生成ガス中の水分を除去するノックアウトドラムと、シフト反応後の前記生成ガスを燃料とするガスタービンを備えるガス化発電システムにおいて、
前記ノックアウトドラムからのドレンが供給される蒸発器を設け、
前記蒸発器は、前記シフト反応器で発生する反応熱を用いて、供給された前記ドレンを蒸発させて蒸気を発生させ、
前記蒸発器で発生した蒸気を前記シフト蒸気に用いることを特徴とするガス化発電システム。
請求項１記載のガス化発電システムにおいて、
前記蒸発器は、前記シフト反応器の下流側に設けられ、前記シフト反応器で発生する反応熱で加熱された前記生成ガスを熱源として、前記ノックアウトドラムからのドレンを蒸発させて蒸気を発生させ、該蒸気を前記シフト蒸気に用いることを特徴とするガス化発電システム。
炭素燃料をガス化して生じる生成ガスが供給され、シフト蒸気を用いて前記生成ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換する複数のシフト反応器と、シフト反応後の前記生成ガス中の水分を除去するノックアウトドラムと、シフト反応後の前記生成ガスを燃料とするガスタービンと、ガスタービン排ガスを熱源として蒸気を発生させる排熱回収ボイラを備えるガス化発電システムにおいて、
複数の蒸発器を設け、
前記複数の蒸発器のうち少なくとも１つは、前記ノックアウトドラムからのドレンが供給され、前記シフト反応器で発生する反応熱を用いて、供給された前記ドレンを蒸発させて蒸気を発生させ、
前記複数の蒸発器のうち少なくとも他の１つは、前記排熱回収ボイラへの給水の一部が供給され、前記シフト反応器で発生する反応熱を用いて蒸気を発生させ、
これらの蒸発器で発生した蒸気を前記シフト蒸気に用いることを特徴とするガス化発電システム。
請求項３記載のガス化発電システムにおいて、
前記複数の蒸発器は、前記シフト反応器の下流側に設けられ、前記シフト反応器で発生する反応熱で加熱された前記生成ガスを熱源として、供給された前記ドレン及び供給された前記給水の一部を蒸発させて蒸気を発生させ、該蒸気を前記シフト蒸気に用いることを特徴とするガス化発電システム。
請求項１記載のガス化発電システムにおいて、
前記シフト反応器と前記蒸発器を複数備え、
前記蒸発器は、前記シフト反応器のそれぞれの下流側に設けられ、前記シフト反応器で発生する反応熱で加熱された前記生成ガスを熱源として、前記ノックアウトドラムからのドレンを蒸発させて蒸気を発生させ、該蒸気を前記シフト蒸気に用いることを特徴とするガス化発電システム。