JP5632075B2 - 固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電システム及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は石炭火力発電技術分野に関し、特に固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電システム及びその方法に関する。

石炭火力発電においては、高温高圧の蒸気を生じさせ、その蒸気でタービンを押し回して発電を行い、蒸気の温度と圧力が高いほど発電の効率が高い。３７４.１５℃、２２.１１５ＭＰａとの条件のもとで、蒸気の密度は液体の水と同様な密度に増大し、この時点は水の臨界パラメータという。これよりも高いパラメータは超臨界パラメータという。温度と圧力が６００℃、２５〜２８ＭＰａを超えた場合、超々臨界という。

亜臨界ユニットの典型的なパラメータは１６.７ＭＰａ／５３８℃／５３８℃で、その発電効率は約３８％である。通常、超臨界ユニットの主蒸気圧力は２４ＭＰａ位で、主蒸気と再熱蒸気の温度は５３８〜５６０℃で、超臨界ユニットの典型的なパラメータは２４.１ＭＰａ／５３８℃／５３８℃で、対応する発電効率は約４１％である。超々臨界ユニットの主蒸気圧力は２５〜３１ＭＰａで、主蒸気と再熱蒸気の温度は５８０〜６１０℃で、超々臨界ユニットの発電効率は４５％位である。

ガスタービン複合循環発電においては、気体燃料或いは液体燃料をガスタービンの発電に用い、排出された高温の排煙を廃熱ボイラによって回収し、蒸気に転換して蒸気タービンに入れて発電を行う。ガスタービン複合循環ユニットはブレイトン・サイクルとランキン・サイクルとの２つのサイクルを利用するため、発電効率は５７〜５８％に近い。ガスタービン複合循環発電所の廃熱ボイラによる排出に埃がなく、二酸化硫黄が極めて少なく、窒素酸化物が１０〜２５ｐｐｍである。ガスタービンに二重燃料（油と天然ガス）が用いられる場合、天然ガスのピークを調整することもでき、通常、ガス−蒸気複合循環発電所の用水量は石炭火力発電の用水量の１／３である。

ＩＧＣＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ）は全体ガス化複合循環発電システムの略称である。該システムにおいては、まず石炭ガス化によって石炭ガスを生じさせ、該石炭ガスを浄化した後にガスタービンに入れて発電を行い、ガスタービンの熱交換装置によって生じた蒸気を蒸気タービンに入れて発電を行う。ＩＧＣＣ技術は効率の高いガス−蒸気複合循環発電システムと清潔なガス化技術とを組み合わせ、発電の効率が高いとともに、環境保護の性能も優れており、将来性のある清潔な石炭発電技術である。現在の技術レベルでは、ＩＧＣＣ発電の純効率は４３〜４５％に達することができ、汚染物の排出量は通常の石炭火力発電所の１／１０しなかく、脱硫の効率は９９％に達することができ、ＳＯ_２の排出は２５ｍｇ／Ｎｍ^３位で、窒素酸化物の排出は通常の発電所の１５〜２０％しかなく、用水量は通常の発電所の１／２〜１／３しかなく、環境保護に寄与している。しかし、ＩＧＣＣの建造コストは微粉石炭火力発電所の建造コストよりも高く、キロワット毎の建造費は１０００ＭＷの超々臨界ユニットの建造費よりはるかに高い。また、そのシステムは比較的に複雑で、その複雑さは発展の妨害になる。

中国の石炭資源において、高揮発分炭は８０％以上を占めており、そのうち、約１３％の褐炭と、４２％の亜瀝青炭と、３３％の瀝青炭が含まれ、石炭における揮発分はガスに直接に転化できる炭化水素の構造に富んでおり、直接な燃焼、又は気化の方法によって石炭における揮発分は石炭における固体成分と同一視される。

国内外において、熱分解油を取得し、又は燃料の品質を向上させるために、石炭の熱分解技術に関する研究開発が多く行われている。外国の典型的な代表技術に、回転炉による熱分解のＴＯＳＣＯＡＬ技術、移動床によるＬｕｒｇｉ−Ｒｕｈｒ技術、流床によるＣＥＯＤ工芸及び気流床による快速熱分解のＥＣＯＰＲＯ技術がある。しかし、石油が幅広く応用された以降、石炭の熱分解技術の開発は殆ど停止している。

５０年代末、中国科学院と大連第一発電厰（大連第一発電所）、長春汽車製造厰（長春自動車製造所）は共同で燃焼と固体熱媒ボイラを集成した石炭乾留半工業実験を開発し、初歩的な実験結果を取得した。その後、大慶油田が発見されたため、更なる試験が止まった。８０年代初、大連理工大学はＤＧ工芸を研究して開発し、煤炭科学研究総院（石炭科学研究総院）は多段回転炉工芸などを開発した。最近、油ガス資源に対する国内のニーズが増加しているため、多くの機構は異なる石炭熱分解と多重聯産工芸を開発した。例えば、浙江大学、清華大学、中国科学院過程工程研究所、山西煤化学研究所（山西石炭化学研究所）などは異なる多重連産工芸を開発し、熱電ガスの多重聯産を同時に実現することを望んでおる。

中国科学院過程工程研究所はずっと熱分解によって石炭の清潔、効果的な利用を実現しようとしておる。この過程において、熱分解によって燃料の分級利用を実現することは石炭の清潔、効果的な利用の最良方法の１つであると認識してきた。超々臨界発電技術において、石炭に含まれた気体と液体成分は直接にボイラで焼却され、この部分の燃料の更なる効果的な発電の潜在力を十分に利用できなかった。ＩＧＣＣ石炭ガス化工芸は非常に複雑で、且つ石炭ガス化の効率は８０％位で、システムの発電効率の向上の余地が制限されており、また、その蒸気循環システムはガスタービンの排煙温度に制限され、高い蒸気パラメータに達することができず、発電の効率は４３〜４５％しかない。

石炭の熱分解によって、ＩＧＣＣと超々臨界発電のメリットを集成し、より高い発電効率を実現するために、本願は固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電システムを提出する。これまで、該集成システムはまだ報道されていない。

本発明の目的は、固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電システム及びその方法を提供することである。該システム及び方法においては、固体燃料の熱分解技術によって固体燃料を熱分解して気体（熱分解ガス）、液体（コール・タール）及び固体（半成コークス）燃料を得て、気体と液体燃料は凝縮され、それぞれ除塵及び脱硫によって浄化されてからガスタービンの発電に用いられ、固体半成コークス燃料はボイラで燃焼して蒸気を生じさせ、該蒸気とガスタービンの熱交換装置で生じた蒸気とは共に蒸気タービンの発電に用いられ、これによって石炭火力発電の効率を向上させる。本願の装置は簡単で、投資と作動のコストは低く、且つ従来の中小熱電ユニットの改造に用いられ、発電の効率は向上し、省エネルギー及び排出削減は実現できる。

本発明の上記目的を実現するために、本発明は、固体燃料を熱分解し、気体、液体及び固体半成コークス燃料を生じさせる熱分解装置１と、気体と液体燃料を分離させる凝縮装置２と、気体及び液体燃料をそれぞれ除塵して脱硫する気体燃料浄化装置３及び液体燃料浄化装置４と、固体半成コークス燃料が入って燃焼して蒸気を生じさせる蒸気ボイラ（以下、「ボイラ」と略称することがある。）５と、気体燃料と液体燃料による発電に用いられるガスタービン７と、蒸気発電に用いられる蒸気タービン８と、を備えることを特徴とする固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電システムを提供する。

図１に示すように、前記技術案の改良として、該分級混合発電システムは、ガスタービン７から排出された熱排煙によって生じた蒸気で蒸気タービン８を押し回して発電を行う熱交換装置６を更に備える。

図２に示すように、前記技術案のもう１つの改良として、該分級混合発電システムは、ガスタービン７から排出された熱排煙によって生じた蒸気をボイラ５に入れ、その蒸気と混合して加熱した後、蒸気タービン８に入れて発電を行い、又は、ガスタービン７から排出された熱排煙によって生じた蒸気をボイラ５に入れ、該蒸気を単独に加熱した後、蒸気タービン８に入れ、その他の蒸気と一緒に蒸気タービン８を押し回して発電を行う熱交換装置６を更に備える。

本発明の前記もう１つの目的を実現するために、本発明は固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電方法を提供する。該分級混合発電方法は下記のステップを含める。即ち、
ステップ1：固体燃料をまず熱分解装置１に入れ、該固体燃料の熱分解により得た固体半成コークス燃料が入って燃焼して蒸気を生じさせる蒸気ボイラ５からの一部の熱灰と混合して熱分解によって気体、液体及び固体半成コークス燃料を生じさせる。

ステップ2：熱分解の気液産物を凝縮装置２によって冷却して気液分離し、気体燃料浄化装置３と液体燃料浄化装置４でそれぞれ除塵及び脱硫によって浄化した後、気体と液体燃料をガスタービン７に入れて発電を行い、液体燃料のもう１つの用途はガスタービンに入って発電を行うのではなく、製品として直接に出力されるのである。

ステップ3：熱分解によって生じた固体半成コークスをボイラ５に入れて燃焼させ、それによって生じた蒸気を蒸気タービン８の発電に用いる。

前記技術案の改良として、該分級混合発電方法は、ガスタービンから排出された熱排煙が熱交換装置６に入って生じた蒸気でも蒸気タービン８を押し回して発電を行うステップ4を更に含める。

前記技術案のもう1つの改良として、前記ステップ3において半成コークス燃料のボイラで生じた蒸気と、ステップ4において熱交換装置で生じた蒸気とをそれぞれ異なる蒸気タービンに入れて発電を行い、又は同一の蒸気タービンに入れて発電を行う。

前記技術案のもう１つの改良として、前記ステップ4において熱交換装置で生じた蒸気を半成コークス燃料のボイラに入れ、その蒸気と混合して加熱した後、蒸気タービンに入れて発電を行う。又は、前記ステップ4において熱交換装置で生じた蒸気をボイラに入れ、該蒸気を単独に加熱した後、蒸気タービンに入れ、その他の蒸気と一緒に蒸気タービンを押し回して発電を行う。

前記固体燃料に、石炭、オイル・サイド、オイル・シェール又はバイオマスが含まれている。

前記熱分解とは、単純熱分解、部分的燃焼による熱分解、部分的気化による熱分解又はそれらの組合せである。

本発明のメリットは以下の通りである。即ち、本発明の固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電システム及びその方法は、固体燃料の熱分解技術によって固体燃料を熱分解し、気体（熱分解ガス）、液体（コール・タール）及び固体（半成コークス）燃料を得るものである。この部分の気体と液体燃料はガスタービンの発電に用いられ、ガスタービン複合循環発電の効率は超々臨界の発電効率よりも高いという特徴が十分に利用されると共に、I ＧＣＣ発電における複雑な石炭ガス化過程も避けられる。熱分解によって生じた固体半成コークス燃料を依然として超々臨界パラメータのボイラで燃焼させ、それによって生じた蒸気をガスタービンの発電に用いることができる。熱分解過程におけるエネルギー転化の比較的に高い効率は９５〜９７％であるため、該混合発電システムはＩＧＣＣと超々臨界よりも高い発電効率に達することができる。

仮に石炭の熱分解の効率は９６％で、且つ３０％のエネルギーは気体と液体燃料に存在し、７０％のエネルギーは固体半成コークスに存在するとしたら、気体と液体燃料のガスタービン複合発電システムによる発電効率は５８〜６７％で、半成コークス燃焼の超々臨界ユニットによる発電効率は４５％であれば、石炭の熱分解と半成コークス燃焼の分級混合発電効率は４７〜５０％となり、ＩＧＣＣの４６％と超々臨界の４５％を超えている。一方、コストと複雑さはＩＧＣＣよりも大いに低減している。

また、現在、中国国内に中小型の熱発電所は多くあり、主にボイラ燃焼蒸気発電システムを利用し、効率が比較的に低く、発電効率は約３６％しかない。容量の増大によるガスタービンの発電効率の変化は大きくないため、熱分解によって９６％の効率で約３０％の油ガス産物と７０％の固体半成コークスが得られ、半成コークスは元のシステムに入って発電を行い、油ガスはガス−蒸気複合循環に用いられ、５６％の効率で発電を行い、そのシステムの効率は４２％に達することができる。

つまり、本発明においては、熱分解によって生じた液体と気体燃料をガスタービンの発電システムに用い、熱分解によって生じた固体半成コークスの燃焼による蒸気とガスタービンの熱交換装置で生じた蒸気とを蒸気タービンの発電に用いることによって、発電の効率を向上させる。該システムは大型の発電所に用い、従来の石炭火力発電システムの最高効率に達することができるだけではなく、中、高圧パラメータが採用された小型の発電ユニットに用いることもでき、小型の発電ユニットの発電効率はより大幅に向上し、省エネルギー及び排出削減が実現できる。

本発明の固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電システムの概略図である。 本発明の固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電システムの実施例１の概略図である。 本発明の固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電システムの実施例２の概略図である。

次に、図面及び実施例によって本発明を更に説明する。

本発明にかかる装置は主に、固体燃料の熱分解によって気体、液体及び固体半成コークス燃料を生じさせる熱分解装置１と、気体と液体燃料を分離させる凝縮装置２と、気体と液体燃料をそれぞれ除塵して脱硫する気体燃料浄化装置３及び液体燃料浄化装置４と、気体燃料と液体燃料によって発電するガスタービン７と、ガスタービン７から排出された熱排煙によって蒸気を生じさせる熱交換装置６と、半成コークス燃料によって蒸気を生じさせるボイラ５と、蒸気によって発電する蒸気タービン８などがある。

図１に示すように、固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電方法であって、該方法は下記のステップを含める。即ち、
ステップ1：固体燃料をまず熱分解装置１に入れ、該固体燃料の熱分解により得た固体半成コークス燃料が入って燃焼して蒸気を生じさせる蒸気ボイラ５からの一部の熱灰と混合して熱分解によって気体、液体及び固体半成コークス燃料を生じさせる。
ステップ2：熱分解の気液産物を凝縮装置２によって冷却して気液分離し、気体燃料浄化装置３と液体燃料浄化装置４でそれぞれ除塵及び脱硫によって浄化した後、ガスタービン７に入れて発電を行う。

ステップ3：ガスタービンから排出された熱排煙を熱交換装置６に入れ、蒸気を生じさせ、蒸気タービン８を押し回して発電を行う。

ステップ4：熱分解によって生じた半成コークスをボイラ５に入れて燃焼させ、それによって生じた蒸気も蒸気タービン８の発電に用いる。

ステップ1における固体燃料は、石炭、オイル・サイド、オイル・シェール、バイオマスなどである。

前記ステップ1における熱分解は、単純熱分解、部分的燃焼による熱分解、部分的気化による熱分解又はそれらの異なる組合せである。

前記ステップ2において、液体産物と気体産物が浄化された後、その全部又は一部を同一或いは異なるガスタービンに入れ、又は気体産物のみをガスタービンに入れる。

図２に示すように、前記ステップ3において熱交換装置で生じた蒸気と、ステップ4において半成コークス燃料のボイラで生じた蒸気とをそれぞれ異なる蒸気タービンに入れて発電を行い、或いは同一の蒸気タービンに入れて発電を行い、又は、半成コークス燃料のボイラに入れ、その蒸気と混交して加熱した後、蒸気タービンに入れて発電を行う。又は、ボイラに入れて単独に加熱した後、蒸気タービンに入れ、その他の蒸気と一緒に蒸気タービンを押し回して発電を行う。

原料：比較的に高い揮発分を有する瀝青炭

「実施方法」：
まず、石炭を熱分解装置１に入れる。石炭を熱分解装置１で熱分解反応させて揮発分を析出し、熱分解の気液産物及び固体半成コークスを得る。熱分解の気液産物を凝縮装置２によって冷却して気液分離し、気体燃料浄化装置３と液体燃料浄化装置４でそれぞれ除塵及び脱硫によって浄化した後、ガスタービン７に入れて発電を行う。熱分解して得た固体半成コークスを熱分解装置の底部から排出し、半成コークスを蒸気ボイラ５に入れて燃焼させ、蒸気を生じさせ、その同時に、ガスタービンの熱交換装置６で生じた蒸気も蒸気ボイラ５の汽水システムに合併され、過熱蒸気を蒸気タービン８に入れて発電を行う。ガスタービン７の次の熱交換装置６で生じた蒸気はボイラ５の主蒸気システムに合併されるため、比較的に高い蒸気パラメータで発電でき、発電効率は更に向上する。

仮に超々臨界の発電効率は４５％で、ガスタービンの発電効率は４０％であるとしたら、廃熱ボイラの汽水システムと半成コークス燃料のボイラの汽水システムとを結合する場合、この部分の蒸気ではボイラの過熱によってボイラの高い蒸気パラメータで発電できる。即ち、超々臨界の蒸気ボイラと結合するときに、そのガスタービン複合循環発電の効率は（４０％＋６０％×４５％）＝６７％であれば、システム全体の発電効率は（４５％×０.７+６７％×０.３）×０.９６=５０％となり、ＩＧＣＣ又は超々臨界の発電効率よりもはるかに高い。超々臨界の効率が向上すると、システムの効率も対応して向上する。

原料：比較的に高い揮発分を有する褐炭

実施方法：
図３に示すように、石炭を熱分解装置１に入れ、蒸気ボイラ（循環流床ボイラ）５からの一部の熱灰と混合する。熱灰は熱量を提供して石炭を熱分解装置１で熱分解させ、可揮発分を析出し、気液産物及び固体半成コークスを得る。熱分解の気液産物を凝縮装置２によって冷却して気液分離し、気体燃料浄化装置３と液体燃料浄化装置４でそれぞれ除塵及び脱硫によって浄化した後、ガスタービン７に入れて発電を行う。ガスタービン７から排出された熱排煙を熱交換装置６に入れ、生じた蒸気を蒸気タービン８の発電に用いる。熱分解して得た固体半成コークスを熱分解装置１の底部から排出し、半成コークスを蒸気ボイラ５に入れて燃焼させ、それによって生じた蒸気を蒸気タービン８に入れて発電を行う。ガスタービン７の次の熱交換装置６で生じた蒸気も蒸気タービン８に入れて発電を行う。

石炭の熱分解の効率は９６％で、且つ３０％のエネルギーは気体と液体燃料に存在し、７０％のエネルギーは固体半成コークスに存在する。気体と液体燃料のガスタービン複合発電システムによる発電効率は５８％で、半成コークス燃焼の超々臨界ユニットによる発電効率は４５％であれば、石炭の熱分解と半成コークス燃焼の分級混合発電効率は（４５％×０.７+５８％×０.３）×０.９６=４７％となり、ＩＧＣＣの４６％と超々臨界の４５％を超えている。一方、コストと複雑さはＩＧＣＣよりも大いに低減している。

上記実施例は本発明の技術案を説明するものであり、限定するものではない。実施形態を参照して本発明を詳細に説明したが、当業者にとって、本発明の技術案を修正し、又は同等的な取替えをしても、本発明の技術案の精神と範囲を逸脱することなく、本発明の特許請求の範囲に入る。

１ 熱分解装置
２ 凝縮装置
３ 気体燃料浄化装置
４ 液体燃料浄化装置
５ 蒸気ボイラ
６ 熱交換装置
７ ガスタービン
８ 蒸気タービン

Claims (4)

1. 固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電システムであって、
   固体燃料の熱分解により得た固体半成コークス燃料が入って燃焼して蒸気を生じさせる蒸気ボイラ（５）からの一部の熱灰と混合して熱分解し、気体、液体及び固体半成コークス燃料を生じさせる熱分解装置（１）と、
   気体と液体燃料を分離させる凝縮装置（２）と、
   気体及び液体燃料をそれぞれ除塵して脱硫する気体燃料浄化装置（３）及び液体燃料浄化装置（４）と、
   前記固体燃料が熱分解されて生じた気体燃料と液体燃料を浄化した後、該気体燃料と液体燃料を入れて発電に用いられるガスタービン（７）と、
   蒸気発電に用いられる蒸気タービン（８）と、
   ガスタービン（７）から排出された熱排煙によって生じた蒸気を蒸気ボイラ（５）に入れ、その蒸気と混合して加熱した後、蒸気タービン（８）に入れて発電を行い、又は、ガスタービン（７）から排出された熱排煙によって生じた蒸気を蒸気ボイラ（５）に入れ、該蒸気を単独に加熱した後、蒸気タービン（８）に入れ、その他の蒸気と一緒に蒸気タービン（８）を押し回して発電を行う熱交換装置（６）とを備える、ことを特徴とする、
   固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電システム。
2. 固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電方法であって、
   固体燃料をまず熱分解装置（１）に入れ、該固体燃料の熱分解により得た固体半成コークス燃料が入って燃焼して蒸気を生じさせる蒸気ボイラ（５）からの一部の熱灰と混合して熱分解によって気体、液体及び固体半成コークス燃料を生じさせるステップ１と、
   熱分解の気液産物を凝縮装置（２）によって冷却して気液分離し、気体燃料浄化装置（３）と液体燃料浄化装置（４）でそれぞれ除塵及び脱硫によって浄化した後、気体燃料と液体燃料をガスタービン（７）に入れて発電を行うステップ２と、
   熱分解によって生じた固体半成コークスを蒸気ボイラ（５）に入れて燃焼させ、それによって生じた蒸気を蒸気タービン（８）の発電に用いるステップ３と、
   ガスタービン（７）から排出された熱排煙が熱交換装置（６）に入って生じた蒸気でも蒸気タービン（８）を押し回して発電を行うステップ４とを含み、
   前記ステップ３において半成コークス燃料の蒸気ボイラ（５）で生じた蒸気と、ステップ４において熱交換装置（６）で生じた蒸気とをそれぞれ異なる蒸気タービン（８）に入れて発電を行い、又は同一の蒸気タービン（８）に入れて発電を行い、
   前記ステップ４において熱交換装置（６）で生じた蒸気を、半成コークス燃料の蒸気ボイラ（５）に入れ、その蒸気と混合して加熱した後、蒸気タービン（８）に入れて発電を行い、又は、前記ステップ４において熱交換装置（６）で生じた蒸気を蒸気ボイラ（５）に入れ、該蒸気を単独に加熱した後、蒸気タービン（８）に入れ、その他の蒸気と一緒に蒸気タービン（８）を押し回して発電を行う、ことを特徴とする、
   固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電方法。
3. 前記固体燃料に、石炭、オイル・サイド、オイル・シェール又はバイオマスが含まれていることを特徴とする請求項２に記載の固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電方法。
4. 前記熱分解とは、単純熱分解、部分的燃焼による熱分解、部分的気化による熱分解又はそれらの組合せであることを特徴とする請求項２に記載の固体燃料の熱分解と半成コークスの燃焼に基づいた分級混合発電方法。

Images