JP5473734B2

JP5473734B2 - 低品位炭乾燥システム

Info

Publication number: JP5473734B2
Application number: JP2010086213A
Authority: JP
Inventors: 博之中拂; 憲弘福田; 正昭木下; 弘実石井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: JP2011214812A

Description

本発明は、低品位炭乾燥装置により低品位炭を乾燥させた際に発生する蒸気を熱源として利用する低品位炭乾燥システムに関する。

例えば、石炭ガス化複合発電（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｏａｌＧａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＣｏｍｂｉｎｅｄＣｙｃｌｅ：ＩＧＣＣ）システムは、石炭をガス化し、ガスタービンおよび蒸気タービンからなるコンバインドサイクル発電と組み合わせることにより、従来型の石炭火力に比べ、さらなる高効率化・高環境性を目指した発電システムである。この石炭ガス化複合発電システムは、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り、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。

ところが、褐炭や亜瀝青炭等の低品位炭は、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問題がある。このため、低品位炭を乾燥させて水分を除去する必要がある。

従来、例えば、特許文献１に記載の低品位炭乾燥システム（低品位炭を燃料とする発電方法）は、低品位炭から水分を除去する脱水改質プロセスが示されている。この脱水改質プロセスでは、蒸発分離した水分が蒸気の状態にあり、この蒸気をコンプレッサで圧縮することにより発生する蒸発潜熱を回収し、脱水改質プロセスで必要とされる熱源として再利用する。

特許第４１５３４４８号公報

しかし、低品位炭から放出された約１００℃の蒸気を、その圧力帯まで圧縮すると、およそ３００℃の過熱蒸気となる。このため、過熱蒸気を送る配管が傷むことから、過熱蒸気に耐えうる高価な材料で形成された配管を用いる必要があり、低品位炭乾燥システムを構築するためのコストが嵩むこととなる。

本発明は、前記問題に鑑み、低品位炭を乾燥させた際に発生する蒸気を熱源として利用する際の蒸気圧縮の昇温レベルを低下させることのできる低品位炭乾燥システムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の低品位炭乾燥システムは、低品位炭を乾燥させる低品位炭乾燥装置と、乾燥により前記低品位炭から発生する発生蒸気を多段に分けて圧縮して高温高圧の過熱蒸気とする多段圧縮機と、前記多段圧縮機の段の間で圧縮途中の蒸気に低温水を供給する低温水供給手段と、前記多段圧縮機により圧縮された過熱蒸気を前記低品位炭乾燥装置の乾燥熱源として供する加熱手段と、を備えたことを特徴とする。

この低品位炭乾燥システムによれば、発生蒸気を多段圧縮機により多段に分けて圧縮すると共に、低温水供給手段により多段圧縮機の段の間で圧縮途中の蒸気に低温水を供給している。このため、低温水により圧縮途中の蒸気が冷却され、過度の温度上昇が防止できる。この結果、低品位炭を乾燥させた際に発生する発生蒸気を熱源として利用する際、発生蒸気の圧縮での昇温レベルを低下させることができる。

また、本発明の低品位炭乾燥システムでは、前記低品位炭乾燥装置にて発生するドレイン水を前記低温水供給手段により供給する低温水として用いることを特徴とする。

この低品位炭乾燥システムによれば、低温水を別途用意する必要がない。しかも、低品位炭乾燥装置から排出して不要となるドレイン水を、低品位炭を乾燥するための熱源の熱媒体の一部として利用することができる。

本発明によれば、低品位炭を乾燥させた際に発生する蒸気を熱源として利用する際の蒸気圧縮の昇温レベルを低下させることができる。

図１は、低品位炭乾燥システムの一例を示す概略図である。図２は、図１に示す低品位炭乾燥システムを適用した石炭ガス化複合発電システムの一例を示す概略図である。図３は、本発明の実施の形態に係る低品位炭乾燥システムの概略図である。図４は、図３に示す低品位炭乾燥システムの蒸気の昇圧状態を示す温度−エントロピ関係図である。

以下に、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、低品位炭乾燥システムの一例を示す概略図である。

図１に示すように、低品位炭乾燥システム１００は、水分含量が高い褐炭等の低品位炭１０１を乾燥する低品位炭乾燥装置１０２と、低品位炭乾燥装置１０２内に設けられ、管状の内部に過熱蒸気（例えば１５０℃蒸気）Ａを供給して低品位炭１０１中の水分を除去する伝熱部材（加熱手段）１０３と、前記伝熱部材１０３によって低品位炭１０１が乾燥される際に発生する発生蒸気１０４を低品位炭乾燥装置１０２の外部に排出する発生蒸気ラインＬ_１と、前記発生蒸気ラインＬ_１に介装され、発生蒸気１０４中の粉塵を除去する集塵装置１０５と、前記集塵装置１０５から粉塵が除去された発生蒸気１０４の一部を分岐し、流動化蒸気１０７として低品位炭乾燥装置１０２内に供給する分岐ラインＬ_２と、前記低品位炭乾燥装置１０２から抜き出された乾燥炭１０８を冷却して製品炭１０９とする冷却器１１０とを備えるものである。

低品位炭乾燥システム１００において、低品位炭１０１は、図示しない供給手段により低品位炭乾燥装置１０２内に投入され、低品位炭乾燥装置１０２内に別に導入される流動化蒸気１０７により流動されて流動層１１１を形成する。上述した伝熱部材１０３は、この流動層１１１内に配置されている。伝熱部材１０３内には、１５０℃の過熱蒸気Ａが供給され、その高温の過熱蒸気Ａの潜熱を利用して低品位炭１０１を間接的に乾燥させるようにしている。乾燥に利用された過熱蒸気Ａは、例えば１５０℃の凝縮水Ｂとして低品位炭乾燥装置１０２の外部に排出されている。

すなわち、加熱手段である伝熱部材１０３内面では、過熱蒸気Ａが凝縮して液体（水分）になるので、この際に放熱される凝縮潜熱を、低品位炭１０１の乾燥の加熱に有効利用している。なお、高温の過熱蒸気Ａ以外としては、相変化を伴う熱媒であれば何れでも良く、例えばフロンやペンタンやアンモニア等を例示することができる。

伝熱部材１０３によって低品位炭１０１が乾燥される際に発生する発生蒸気１０４は、低品位炭乾燥装置１０２内において、流動層１１１の上部空間に形成されるフリーボード部Ｆから発生蒸気ラインＬ_１により低品位炭乾燥装置１０２の外部に排出される。この発生蒸気１０４は、低品位炭１０１が乾燥し微粉化したものが含まれているので、サイクロンや電気集塵機等の集塵装置１０５により集塵して固体成分１１５として分離する。この固体成分１１５は、低品位炭乾燥装置１０２から抜き出された乾燥炭１０８に混合し、冷却器１１０で冷却し、製品炭１０９としている。この製品炭１０９は、例えばボイラ、ガス化炉等の原料として利用に供される。

一方、集塵装置１０５により集塵された後の発生蒸気１０４は、例えば１０５〜１１０℃の蒸気として低品位炭乾燥システム１００の外部に排出されている。また、集塵装置１０５により集塵された後の発生蒸気１０４の一部は、分岐ラインＬ_２に介装された循環ファン１１４により低品位炭乾燥装置１０２内に送られて、低品位炭１０１の流動層１１１を流動させる流動化蒸気１０７として利用される。なお、流動層１１１を流動化させる流動化媒体としては、発生蒸気１０４の一部を再利用しているが、これに限定されず、例えば窒素、二酸化炭素またはこれらのガスを含む低酸素濃度の空気を用いてもよい。

なお、上述した低品位炭乾燥装置１０２により乾燥する被乾燥物として低品位炭１０１を例示したが、水分含量の高いものであれば低品位炭１０１以外の被乾燥物を乾燥対象としてもよい。

上述した低品位炭乾燥装置１０２で乾燥した製品炭１０９を用い、石炭ガス化複合発電（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｏａｌＧａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＣｏｍｂｉｎｅｄＣｙｃｌｅ：ＩＧＣＣ）システムに適用した一例を説明する。図２は、図１に示す低品位炭乾燥システムを適用した石炭ガス化複合発電システムの一例を示す概略図である。

図２に示すように、石炭ガス化複合発電システム２００は、石炭（低品位炭乾燥システム１００で乾燥された製品炭１０９）がミル２１０粉砕された微粉炭２０１ａを処理してガス化ガス２０２に変換する石炭ガス化炉２０３と、前記ガス化ガス２０２を燃料として運転されるガスタービン（ＧＴ）２０４と、前記ガスタービン２０４からのタービン排ガス２０５を導入する排熱回収ボイラ（ＨｅａｔＲｅｃｏｖｅｒｙＳｔｅａｍＧｅｎｅｒａｔｏｒ：ＨＲＳＧ）２０６で生成した蒸気２０７により運転される蒸気タービン（ＳＴ）２０８と、前記ガスタービン２０４および／または前記蒸気タービン２０８と連結された発電機（Ｇ）２０９とを備えるものである。

この石炭ガス化複合発電システム２００は、ミル２１０で粉砕された微粉炭２０１ａを石炭ガス化炉２０３でガス化し、生成ガスであるガス化ガス２０２を得る。このガス化ガス２０２は、サイクロン２１１およびガス精製装置２１２で除塵およびガス精製された後、発電手段であるガスタービン２０４の燃焼器２１３に供給され、ここで燃焼して高温高圧の燃焼ガス２１４を生成する。そして、この燃焼ガス２１４によってガスタービン２０４を駆動する。このガスタービン２０４は、発電機２０９と連結されており、ガスタービン２０４が駆動することによって発電機２０９が電力を発生する。ガスタービン２０４を駆動した後のタービン排ガス２０５は、まだ約５００〜６００℃の温度を持っているため、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）２０６へ送られ、ここで熱エネルギーが回収される。この排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）２０６では、タービン排ガス２０５の熱エネルギーによって蒸気２０７が生成され、この蒸気２０７によって蒸気タービン２０８を駆動する。この排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）２０６で熱エネルギーが回収された排ガス２１５は、ガス浄化装置２１６で排ガス２１５中のＮＯｘおよびＳＯｘ分が除去された後、煙突２１７を介して大気中へ放出される。なお、図中、符号２１８は復水器、２１９は空気、２２０は圧縮機、２２１は空気を窒素（Ｎ_２）と酸素（Ｏ_２）とに分離する空気分離装置（ＡＳＵ）を各々図示する。

この石炭ガス化複合発電システム２００によれば、高い水分を有する低品位炭１０１を用いてガス化する場合においても、効率的な低品位炭乾燥装置１０２により低品位炭１０１を乾燥しているので、ガス化効率が向上し、長期間に亙って安定して発電を行うことができる。

また、石炭ガス化複合発電システム２００においては、ガスタービンおよび蒸気タービンの組み合わせによって、従来４０％程度であった石炭焚発電プラントの効率を約４６％まで向上させることができる。このプラント効率の向上によって、ＣＯ_２の排出量は従来の石炭焚ボイラに対して約１３％削減できる。

なお、本実施の形態に係る低品位炭乾燥システム１００で乾燥した製品炭１０９を用いた発電システムとしては、上述した石炭ガス化複合発電システム２００に限らない。例えば、図には明示しないが、低品位炭乾燥システム１００で乾燥した製品炭１０９をボイラ火炉に供給し、当該ボイラ火炉で発生した蒸気で蒸気タービンを駆動して発電機により出力を得る褐炭炊ボイラによる発電システムであってもよい。

図３は、本実施の形態に係る低品位炭乾燥システムの概略図である。図３に示すように、本実施の形態の低品位炭乾燥システム１００は、集塵装置１０５により集塵された後の約１０５〜１１０℃の発生蒸気１０４を、昇圧することで高温高圧の過熱蒸気（例えば１５０℃蒸気）Ａとし、この過熱蒸気Ａを低品位炭乾燥装置１０２の伝熱部材１０３に供給して低品位炭１０１の乾燥に有効利用している。

具体的に、低品位炭１０１を乾燥することで発生した約１０５〜１１０℃の発生蒸気１０４は、発生蒸気ラインＬ_１により低品位炭乾燥装置１０２の外部に排出され、集塵装置１０５により集塵される。集塵装置１０５を経た発生蒸気１０４は、多段圧縮機１２０に供給され、例えば１５０℃に昇圧されて伝熱部材１０３に供給される過熱蒸気Ａとなる。

多段圧縮機１２０は、少なくとも２段の圧縮機１２０ａを有し、前段の圧縮機１２０ａで供給された発生蒸気１０４を圧縮し、後段の圧縮機１２０ａでさらに圧縮することで過熱蒸気Ａとする。

また、本実施の形態の低品位炭乾燥システム１００は、多段圧縮機１２０の段の間で圧縮途中の蒸気に低温水Ｅを供給する低温水供給手段１２１を備えている。低温水供給手段１２１は、前段の圧縮機１２０ａから後段の圧縮機１２０ａに蒸気が供給される蒸気管１２０ｂに設けられ、この蒸気管１２０ｂ内に低温水Ｅを噴霧するものである。低温水Ｅは、蒸気管１２０ｂ内の圧力よりも高圧であればよく、本実施の形態では、低品位炭乾燥装置１０２にて低品位炭１０１を乾燥させた際に発生する凝縮水（ドレイン水）Ｂを利用している。そして、低温水供給手段１２１は、ドレイン水としての低温水Ｅを、低品位炭乾燥装置１０２から低温水管１２１ａを介して低温水ポンプ１２１ｂで圧送することで、蒸気管１２０ｂ内に噴霧する。なお、低温水供給手段１２１は、蒸気管１２０ｂ内の圧力よりも高圧の水を蒸気管１２０ｂ内に噴霧するものであればよく、低品位炭乾燥装置１０２にて低品位炭１０１を乾燥させた際に発生する凝縮水（ドレイン水）Ｂを低温水Ｅとして利用することに限らない。

このように、本実施の形態の低品位炭乾燥システム１００は、低品位炭１０１を乾燥させる低品位炭乾燥装置１０２と、乾燥により低品位炭１０１から発生する発生蒸気１０３を多段に分けて圧縮して高温高圧の過熱蒸気Ａとする多段圧縮機１２０と、多段圧縮機１２０の段の間で圧縮途中の蒸気に低温水Ｅを供給する低温水供給手段１２１と、多段圧縮機１２０により圧縮された過熱蒸気Ａを低品位炭乾燥装置１０２の乾燥熱源として供する伝熱部材（加熱手段）１０３とを備える。

低品位炭１０１から発生する発生蒸気１０４は、上述したように約１０５〜１１０℃であり、この発生蒸気１０４を過熱蒸気Ａとするには、０．３〜０．７ＭＰａ（飽和温度１３４〜１６５℃）程度の圧力帯で圧縮する。単一の圧縮機により、かかる圧力帯まで発生蒸気１０４を圧縮した場合、図４の蒸気の昇圧状態を示す温度−エントロピ関係図に一点鎖線で示すように、蒸気は、およそ３００℃の過熱蒸気となることから、この温度に耐えうる高価な配管材質を用いて伝熱部材１０３を形成する必要がある。これでは、低品位炭乾燥システムを構築するためのコストが嵩む。

これに対し、本実施の形態の低品位炭乾燥システム１００は、発生蒸気１０４を多段圧縮機１２０により多段に分けて圧縮すると共に、低温水供給手段１２１により多段圧縮機１２０の段の間で圧縮途中の蒸気に低温水Ｅを供給している。このため、図４に太い実線で示すように、低温水Ｅにより圧縮途中の蒸気が冷却され、上述の圧力帯まで発生蒸気１０４を圧縮しても、２００℃程度の過熱蒸気となる。この結果、低品位炭１０１を乾燥させた際に発生する発生蒸気１０４を熱源として利用する際、発生蒸気１０４の圧縮での昇温レベルを低下させることが可能になる。すなわち、高価な配管材質を用いて伝熱部材１０３を形成する必要がなく、低品位炭乾燥システムを構築するためのコストを低減することが可能になる。

また、本実施の形態の低品位炭乾燥システム１００は、低品位炭乾燥装置１０２にて発生するドレイン水を低温水供給手段１２１により供給する低温水Ｅとして用いている。

この低品位炭乾燥システム１００によれば、低温水Ｅを別途用意する必要がない。しかも、低品位炭乾燥装置１０２から排出して不要となるドレイン水を、低品位炭１０１を乾燥するための熱源の熱媒体の一部として利用することが可能になる。

なお、本実施の形態の低品位炭乾燥システム１００では、低品位炭乾燥装置１０２は、伝熱部材１０３として管状のもので説明したが、過熱蒸気Ａが内部に供給されるものであればよく、例えば板状のものであってもよい。

また、本実施の形態の低品位炭乾燥システム１００では、低品位炭乾燥装置１０２は、過熱蒸気Ａを加熱手段である伝熱部材１０３に供給して低品位炭１０１を間接的に乾燥させる構成を説明したが、これに限らない。例えば、加熱手段として過熱蒸気Ａにより低品位炭１０１を直接乾燥させる構成であってもよい。

また、本実施の形態の低品位炭乾燥システム１００では、低品位炭乾燥装置１０２は、流動化蒸気１０７が低品位炭乾燥装置１０２内に導入されて低品位炭１０１を流動させる形態の、いわゆる流動層乾燥装置を一例として説明したが、これに限らない。例えば、スクリューフィーダを用いて低品位炭１０１を攪拌させつつ搬送することで低品位炭１０１を流動させる形態であってもよい。

以上のように、本発明に係る低品位炭乾燥システムは、低品位炭を乾燥させた際に発生する蒸気を熱源として利用する際の蒸気圧縮での昇温レベルを低下させることに適している。

１００低品位炭乾燥システム
１０１低品位炭
１０２低品位炭乾燥装置
１０３伝熱部材（加熱手段）
１０４発生蒸気
１０５集塵装置
１０７流動化蒸気
１０８乾燥炭
１０９製品炭
１１０冷却器
１１１流動層
１１４循環ファン
１１５固体成分
１２０多段圧縮機
１２０ａ圧縮機
１２０ｂ蒸気管
１２１低温水供給手段
１２１ａ低温水管
１２１ｂ低温水ポンプ
Ａ過熱蒸気
Ｂ凝縮水
Ｅ低温水
Ｆフリーボード部
Ｌ_１発生蒸気ライン
Ｌ_２分岐ライン

Claims

低品位炭を乾燥させる低品位炭乾燥装置と、
乾燥により前記低品位炭から発生する発生蒸気を多段に分けて圧縮して高温高圧の過熱蒸気とする多段圧縮機と、
前記多段圧縮機の段の間で圧縮途中の蒸気に低温水を供給する低温水供給手段と、
前記多段圧縮機により圧縮された過熱蒸気を前記低品位炭乾燥装置の乾燥熱源として供する加熱手段と、
を備え、前記低品位炭乾燥装置にて発生するドレイン水を前記低温水供給手段により供給する低温水として用いることを特徴とする低品位炭乾燥システム。