JP5878072B2 - ガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法並びに低減のための燃料供給条件決定方法及び燃料供給条件決定プログラム - Google Patents

ガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法並びに低減のための燃料供給条件決定方法及び燃料供給条件決定プログラム Download PDF

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本発明は、ガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法並びに低減のための燃料供給条件決定方法及び燃料供給条件決定プログラムに関する。さらに詳述すると、本発明は、ガスタービンから排出された燃焼排気ガスの一部を希釈剤としてリサイクルすると共に他の一部をガス化炉へのガス化原料搬送用媒体として使用するガス化ガス発電プラントにおいて適用して好適な技術に関する。
近年、エネルギー資源の多様化と高効率発電とを目的として石炭ガス化複合発電（以下、ＩＧＣＣとも表記する）技術の開発が進められている。一方、地球環境問題への対応から、二酸化炭素(ＣＯ2)回収機構を組み合わせた発電システムとすることも求められている。
そこで、これら要望に応えるため、ＩＧＣＣに閉サイクルガスタービンとＣＯ2回収機構とを組み合わせたＣＯ2回収型ＩＧＣＣシステムが提案されている（図７参照；非特許文献１）。このシステムは、一酸化炭素(ＣＯ)と水素(Ｈ2)とを主成分とするＣＯ2添加酸素(Ｏ2)吹き石炭ガス化ガス燃料をＯ2によって量論比燃焼させ、生成される高温の燃焼ガスをＣＯ2と水(Ｈ2Ｏ)とを主成分とするガスタービン燃焼排気ガスで希釈して所定の温度に調整するという排ガス循環・Ｏ2量論比燃焼による閉サイクルガスタービンを構成するものである。
ここで、上記ＣＯ2回収型ＩＧＣＣシステムでは、ガスタービン燃焼排気ガスの一部はＣＯ2を回収して系外へ排出され、残りはリサイクルされてガスタービン燃焼器に希釈剤として供給され約3000℃になる燃焼温度を所定の温度（例えば、1300℃級ガスタービンの場合、膨張タービンの初段動翼入口で1220℃程度）に調整する。すなわち、ガスタービン燃焼排気ガスを循環させる閉サイクルガスタービンでは、ＣＯ2及びＨ2Ｏを主成分とする燃焼排気ガスを作動媒体とするガスタービン燃焼を実現することにより、ＣＯ2回収に伴うプラント熱効率の低下を抑制するＩＧＣＣが実現される。
上述のＣＯ2回収型ＩＧＣＣシステムでは、ガスタービン燃焼器において、ＣＯ成分が多い石炭ガス化ガス燃料をＯ2で量論比燃焼させると共に燃焼排気ガスのリサイクルによって燃焼温度を調整するために燃焼反応が抑制されて十分な燃焼効率を得ることが難しい。
そして、排ガス循環による閉サイクルガスタービンにおけるガスタービン燃焼器では、運用上の酸素供給条件(当量比)の下でガスタービン燃焼器で完全燃焼したと仮定しても燃焼器の出口排気ガス中には0.3〜2.7〔vol％〕程度のＯ2が残留する。実際には排ガス循環による石炭ガス化ガス・Ｏ2量論比燃焼ガスタービン燃焼器では燃焼効率を(ほぼ)100％とする完全燃焼は非常に困難であるので、排気ガス中には例えば２〜３〔vol％〕のＯ2が残留する。
電力中央研究所報告「ＣＯ2回収型高効率石炭ガス化複合発電システムの提案とその課題」，研究報告：Ｍ07003，財団法人電力中央研究所，２００７年
しかしながら、非特許文献１のＩＧＣＣシステムでは、ガスタービン燃焼排気ガスの一部をガス化炉への石炭搬送用媒体として使用するので、石炭搬送中の燃焼反応・酸化反応等による発熱や搬送石炭の発火などを防止するために燃焼排気ガス中の残留Ｏ2成分をできる限り減少させなければならないという問題がある。
そこで、本発明は、ガス化ガス発電プラントを対象とし、ガス化設備へのガス化原料搬送用媒体として使用するガスタービン燃焼排気ガス中の残留Ｏ2濃度を低減させることができる技術を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するため、請求項１記載のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法は、ガス化原料をガス化剤でガス化するガス化設備と、当該ガス化設備で生成されたガス化ガスを精製するガス精製設備と、当該ガス精製設備で精製されたガス化ガスを主燃料として酸化剤によって燃焼させるガスタービン燃焼器と、当該ガスタービン燃焼器から排出される燃焼排気ガスによって駆動するガスタービンとを有し、当該ガスタービンから排出された燃焼排気ガスの一部を当該ガスタービンの作動媒体としてリサイクルすると共に他の一部をガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用するガス化ガス発電プラントにおいて、ガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用する前の燃焼排気ガスにガス精製設備で精製されたガス化ガスの一部又は当該ガス化ガスから抽出された水素及び／若しくは一酸化炭素を供給するようにしている。
また、請求項２記載のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法は、ガス化原料をガス化剤でガス化するガス化設備と、当該ガス化設備で生成されたガス化ガスを精製するガス精製設備と、当該ガス精製設備で精製されたガス化ガスを主燃料として酸化剤によって燃焼させるガスタービン燃焼器と、当該ガスタービン燃焼器から排出される燃焼排気ガスによって駆動するガスタービンとを有し、当該ガスタービンから排出された燃焼排気ガスの一部を当該ガスタービンの作動媒体としてリサイクルすると共に他の一部をガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用するガス化ガス発電プラントにおいて、ガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用する前の燃焼排気ガスにガス精製設備で精製されたガス化ガスの一部又は当該ガス化ガスから抽出された水素及び／若しくは一酸化炭素と炭化水素とのうちの少なくとも一方を供給するようにしている。
したがって、これらのガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法によると、ガス化ガス発電プラントにおけるガスタービン燃焼器の燃料として用いるガス化ガスをガス化原料搬送用媒体として用いるガスタービン燃焼排気ガスに供給するようにしているので、前記燃焼排気ガス中の酸素濃度が低減する。
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法において、ガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用する分として分割された後の燃焼排気ガスに、ガス精製設備で精製されたガス化ガスの一部又は当該ガス化ガスから抽出された水素及び／若しくは一酸化炭素と炭化水素とのうちの少なくとも一方を供給するようにしている。この場合には、燃焼排気ガス中の酸素濃度を低減させるために分解することが必要な酸素の量が非常に少ないために供給するガス化ガス，炭化水素の量も少なくて済む。
また、請求項４記載のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法は、ガス化原料をガス化剤でガス化するガス化設備と、当該ガス化設備で生成されたガス化ガスを精製するガス精製設備と、当該ガス精製設備で精製されたガス化ガスを主燃料として酸化剤によって燃焼させるガスタービン燃焼器と、当該ガスタービン燃焼器から排出される燃焼排気ガスによって駆動するガスタービンとを有し、当該ガスタービンから排出された燃焼排気ガスの一部を当該ガスタービンの作動媒体としてリサイクルすると共に他の一部をガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用するガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法であり、ガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用する前のガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度を計測するステップと、ガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度と酸素濃度閾値とに基づいて酸素濃度の低減率を算定するステップと、ガス精製設備で精製されたガス化ガス及び炭化水素のガスタービン燃焼排気ガスへの供給に関する供給前提条件としてガスタービン燃焼排気ガスに供給するガス化ガスと炭化水素との合計に対するガス化ガスの割合及びガスタービン燃焼排気ガス中の酸素成分の分解の反応時間の設定を行うステップと、酸素濃度の低減率と供給前提条件とに基づいてガスタービン燃焼排気ガス中の酸素成分の分解に必要とされる反応温度を算定するステップと、反応温度がガス化ガス発電プラントのガス化ガスと炭化水素とを供給する地点における実際の排気ガス温度以下であるか否かの判定を行うステップとを有するようにしている。
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法において、酸素濃度の低減のために供給されるガス化ガスとして当該ガス化ガスから抽出された水素と一酸化炭素とのうちの少なくとも一方が用いられるようにしている。
また、請求項６記載のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定プログラムは、ガス化原料をガス化剤でガス化するガス化設備と、当該ガス化設備で生成されたガス化ガスを精製するガス精製設備と、当該ガス精製設備で精製されたガス化ガスを主燃料として酸化剤によって燃焼させるガスタービン燃焼器と、当該ガスタービン燃焼器から排出される燃焼排気ガスによって駆動するガスタービンとを有し、当該ガスタービンから排出された燃焼排気ガスの一部を当該ガスタービンの作動媒体としてリサイクルすると共に他の一部をガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用するガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件を決定する処理を行うプログラムであり、ガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用する前のガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度の計測値データの入力を受ける手段、ガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度と酸素濃度閾値とに基づいて酸素濃度の低減率を算定する手段、ガス精製設備で精製されたガス化ガス及び炭化水素のガスタービン燃焼排気ガスへの供給に関する供給前提条件としてガスタービン燃焼排気ガスに供給するガス化ガスと炭化水素との合計に対するガス化ガスの割合及びガスタービン燃焼排気ガス中の酸素成分の分解の反応時間の設定を行う手段、酸素濃度の低減率と供給前提条件とに基づいてガスタービン燃焼排気ガス中の酸素成分の分解に必要とされる反応温度を算定する手段、反応温度がガス化ガス発電プラントのガス化ガスと炭化水素とを供給する地点における実際の排気ガス温度以下であるか否かの判定を行う手段としてコンピュータを機能させるようにしている。
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定プログラムにおいて、酸素濃度の低減のために供給されるガス化ガスが当該ガス化ガスから抽出された水素と一酸化炭素とのうちの少なくとも一方であるようにしている。
したがって、これらのガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法及び燃料供給条件決定プログラムによると、ガスタービン燃焼排気ガスをガス化原料搬送用媒体として用いる際の前記燃焼排気ガス中の酸素濃度を低減させるためのガス化ガスと炭化水素との合計に対するガス化ガスの割合が決定される。
本発明のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法によれば、ガスタービン燃焼排気ガスをガス化原料搬送用媒体として用いる際の前記燃焼排気ガス中の酸素濃度を低減させることができるので、閉サイクルガスタービンとしての利点・特徴に影響を与えることなく、ガス化原料を搬送する媒体としてのガスタービン燃焼排気ガスの使用の安全性の向上を図ることが可能になる。
本発明のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法によれば、さらに、燃焼排気ガス中の酸素濃度を低減させるために供給するガス化ガス，炭化水素の量を少なくすることができるので、ガス化ガス発電プラントの運転条件や熱効率等の仕様・性能に与える影響を小さくすることが可能になる。
また、本発明のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法及び燃料供給条件決定プログラムによれば、ガスタービン燃焼排気ガスをガス化原料搬送用媒体として用いる際の前記燃焼排気ガス中の酸素濃度を低減させるためのガス化ガスと炭化水素との合計に対するガス化ガスの割合を決定することができるので、ガス化ガス発電プラントの安全で良好な運転条件を決定することが可能になる。
実施形態のガス化ガス発電プラントを示す概略構成図である。 本発明のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法をガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定プログラムによって実現する場合の実施形態の一例を説明するフローチャートである。 ガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法をプログラムを用いて実施する場合のコンピュータの機能ブロック図である。 炭化水素燃料を供給して酸素成分を分解する場合の反応時間と排気ガス中の酸素濃度の低減率との間の関係の例を示す図である。 ガス化ガスを供給して酸素成分を分解する場合のガス化ガスの割合と反応時間と排気ガス中の酸素濃度の低減率との間の関係の例を示す図である。 ガス化ガスを供給して酸素成分を分解する場合の酸素濃度の低減率を９０％とする反応時間の例を示す図である。（Ａ）は反応温度を600〔℃〕としたときのガス化ガスの割合との間の関係の例を示す図である。（Ｂ）反応温度との間の関係の例を示す図である。 従来の二酸化炭素回収型石炭ガス化複合発電プラントを示す概略構成図である。
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
図１から図６に、本発明のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法並びに低減のための燃料供給条件決定方法及び燃料供給条件決定プログラムの実施形態の一例を示す。なお、本実施形態では、本発明を図１に全体構成を示す発電プラントに適用した場合を例に挙げて説明する。
本実施形態の発電プラントは、ガス化原料としての石炭Ｃをガス化剤としての酸素Ｏ2でガス化するガス化設備としてのガス化炉２と、当該ガス化炉２で生成された石炭ガス化ガスＣＧ１を精製するガス精製設備３と、当該ガス精製設備３で精製された石炭ガス化ガスＣＧ２を主燃料として酸素を主成分とする酸化剤によって燃焼させるガスタービン燃焼器５と、当該ガスタービン燃焼器５から排出される燃焼排気ガスＦＧによって駆動するガスタービン６と、当該ガスタービン６に結合されて電力を出力する発電機９Ａと、ガスタービン６から排出された燃焼排気ガスＧの一部(燃焼排気ガスＧr)をガスタービン６の作動媒体としてリサイクルすると共に残りの燃焼排気ガスＧpのうちの一部(燃焼排気ガスＧc)をガス化炉２へのガス化原料(石炭Ｃ)搬送用媒体として使用しつつその他(燃焼排気ガスＧd)を系外に排出する際にＣＯ2を回収するＣＯ2回収設備１２とを有し、ＣＯ2添加Ｏ2吹き石炭ガス化ガス燃料をＯ2によって燃焼させ、ガスタービン燃焼排気ガスＧの一部(燃焼排気ガスＧp＝Ｇd＋Ｇc)はＣＯ2を回収して系外に排出し或いはガス化炉２へのガス化原料搬送用媒体として使用し、残り(燃焼排気ガスＧr)はリサイクルしてガスタービン燃焼器５に供給して燃焼温度を調整して燃焼排気ガスＦＧをガスタービン６に導入する閉ループを構成する。
すなわち、本実施形態の発電プラントにおける閉サイクルガスタービンは、ＣＯ2とＨ2Ｏとを主成分とする燃焼排気ガスＦＧを作動媒体とするガスタービン燃焼を実現することにより、ＣＯ2回収に伴うプラント熱効率の低下を抑制する石炭ガス化ガス発電を実現する。
本実施形態の発電プラントは、さらに、ガスタービン６から排出される高温の燃焼排気ガスＧの熱を利用して水蒸気ＳＴを発生させる排熱回収ボイラ７と、当該排熱回収ボイラ７で発生した水蒸気ＳＴによって駆動される蒸気タービン１０と、当該蒸気タービン１０に結合されて電力を出力する発電機９Ｂとを含み、すなわち、石炭ガス化複合発電(ＩＧＣＣ)プラントとして構成されている。
なお、図１において、符号１はガス化炉２及びガスタービン燃焼器５で必要な酸素ＡＯ2を空気から生成する酸素製造設備、符号８はリサイクルされるガスタービン燃焼排気ガスＧrを昇圧する圧縮機、符号１１は給水加熱器、符号１１ａは復水器と復水ポンプ、符号１３ＡはＣＯ2が回収されるガスタービン燃焼排気ガスＧdを昇圧する圧縮機、符号ＣＤはガスタービン燃焼排気ガスＧdから回収したＣＯ2、符号ＦＷは復水・給水、符号ＨＧは圧縮後のリサイクル排気ガス(Ｇr)をそれぞれ表す。
また、給水加熱器１１を通過したガスタービン燃焼排気ガスＧの一部(燃焼排気ガスＧp)の、ＣＯ2回収設備１２又はガス化炉２への供給ライン上に、燃焼排気ガスＧpを冷却すると共にハロゲンなどを除去するための水洗塔・汽水分離器１４、冷却器・汽水分離器１５、圧縮機１３Ｂ，１３Ｃが適宜設けられ、また、燃焼排気ガスＧp中の水銀を除去する処理１６が適宜行われる。
なお、排熱回収ボイラ７を通過した燃焼排気ガスＧ（そしてこれから分割されて給水加熱器１１に案内される燃焼排気ガスＧp）はＣＯ2とＨ2Ｏとが大部分を占め、水洗塔・汽水分離器１４や冷却器・汽水分離器１５などを通過して処理されることにより、ＣＯ2が大部分（概ね95％以上）を占めると共に数％のＯ2が混入している状態になる。
ここで、本発明のベースとなる上述の二酸化炭素回収型石炭ガス化複合発電プラントの個々の設備・装置やそれらを連系させて構成されたシステム自体は周知の技術であるので（例えば、前掲の非特許文献１，特開平04-244504，特開平06-288262，特開2002-61517，特開2002-188457，特開2002-235556などを参照）、本発明に関連する構成を中心に以下に説明し、その他の詳細についてはここでは省略する。
ガス化炉２では、ガス化剤としての酸素ＡＯ２を供給することによってガス化原料としての石炭Ｃをガス化して石炭ガス化ガスＣＧ１を発生させ、ガス精製装置３によって脱塵・脱硫してガスタービン燃焼器５に供給する石炭ガス化ガスＣＧ２を生成する。ガス化炉２の負荷が上昇して所定以上の品位の石炭ガス化ガスＣＧ２が生成されるようになると、これをガスタービン燃焼器５に供給する。
なお、本発明におけるガス化原料は、石炭Ｃに限定されるものではなく、例えば石油，バイオマス，廃棄物などでも良い。また、本発明におけるガス化剤は、酸素Ｏ2に限定されるものではなく、例えば空気，酸素富化空気などでも良い。
ガスタービン燃焼器５は、ガスタービン燃焼排気ガスＧをリサイクルした燃焼排気ガスＧr中で石炭ガス化ガスＣＧ２を酸素燃焼させる。
ガスタービン６はガスタービン燃焼器５から排出される燃焼排気ガスＦＧを作動媒体として駆動し、これによって発電機９Ａにおいて発電が行われる。
ガスタービン６から排出される高温の燃焼排気ガスＧは、排熱回収ボイラ７で給水ＦＷに熱を受け渡して水蒸気ＳＴを発生させる。当該水蒸気ＳＴは蒸気タービン１０に案内されて当該蒸気タービン１０を駆動し、これによって発電機９Ｂにおいて発電が行われる。
排熱回収ボイラ７を通過したガスタービン燃焼排気ガスＧは、排ガスダンパ１８の開度を調整することにより、圧縮機８に案内される燃焼排気ガスＧrと給水加熱器１１に案内される燃焼排気ガスＧpとに分割される。
圧縮機８に案内された燃焼排気ガスＧrは圧縮されて高圧排気ガスＨＧとしてガスタービン燃焼器５に供給される。すなわち、排熱回収ボイラ７を通過してから圧縮機８に案内される燃焼排気ガスＧrはリサイクル排気ガスである。
なお、本実施形態では、圧縮機８によって圧縮された後の高圧排気ガスＨＧを、排熱回収ボイラ７に熱を渡す再生熱交換器１７を通過させてからガスタービン燃焼器５に供給するようにしている。これにより、熱効率が大幅に向上する。
一方、給水加熱器１１に案内された燃焼排気ガスＧpは、給水ＦＷに熱を渡して冷却された後、水洗塔・汽水分離器１４→圧縮機１３Ｂ→水銀除去処理１６→冷却器・汽水分離器１５→圧縮機１３Ｃを経て、流量コントロールバルブ１９の開度調整などにより、水銀やハロゲンなどを除去した後に貯留を目的に系外に排出されるＣＯ2を主成分とする燃焼排気ガスＧdと、ガス化炉２へのガス化原料搬送用媒体として使用されるＣＯ2を主成分とする燃焼排気ガスＧcとに分割される。
ＣＯ2回収・系外排出対象の燃焼排気ガスＧdは、ＣＯ2回収設備１２に案内されてＣＯ2が回収された後、煙突(図示省略)から系外に排出される。なお、本発明においてガス化ガス発電プラントがＣＯ2回収設備１２を備えることは必須の要件ではなく、ガス化ガス発電プラントがＣＯ2回収設備１２を備えていないとしても本発明は適用可能である。
一方、ガス化原料搬送用媒体としての燃焼排気ガスＧcは、ガス化原料としての石炭Ｃをガス化炉２に搬送するためのガス化原料搬送用ガスとしてガス化炉２へのガス化原料供給ライン４に供給される。このガス化原料搬送用排気ガスＧcはガス化原料と共にガス化炉２に投入されてガス化剤の一部になる。
なお、排ガスダンパ１８によるガスタービン燃焼排気ガスＧのリサイクル排気ガスＧrと他の燃焼排気ガスＧpとへの分割の割合や、流量コントロールバルブ１９による前記他の燃焼排気ガスＧpのＣＯ2回収・系外排出対象排気ガスＧdとガス化原料搬送用排気ガスＧcとへの分割の割合は、二酸化炭素回収型石炭ガス化複合発電プラント全体としての設計条件や仕様などに基づいて適宜設定されるものであって特定の割合に限定されるものではない。具体的には例えば、ＣＯ2回収・系外排出対象排気ガスＧdとガス化原料搬送用排気ガスＧcとの分割の割合が９：１で、最終的に、ガス化原料搬送用排気ガスＧcとして、ガスタービン燃焼排気ガスＧ全体のおよそ１〜２％程度が使用される。
ここで、例えば本実施形態のような排ガス循環による石炭ガス化ガス・Ｏ2量論比燃焼を行うガスタービン燃焼器５から排出される燃焼排気ガスＦＧ中には、実際上は当量比運転を行って、概ね０．３〜３〔vol％〕のＯ2が残留する。そして、Ｏ2濃度が高い濃度で残留する場合には、ガスタービン燃焼排気ガスＧをそのままガス化原料搬送用排気ガスＧcとして使用すると、搬送中にガス化原料(石炭Ｃ)が燃焼反応・酸化反応などを起こしてしまうという問題がある。このため、ガス化炉２へのガス化原料供給ライン４に供給する前に、ガス化原料搬送用排気ガスＧc中の残留Ｏ2濃度をガス化原料(石炭Ｃ)が搬送中に燃焼反応や酸化反応などを起こさない程度までは少なくとも低減させるように制御する必要がある。
一方、ガス精製設備３によって精製された後の石炭ガス化ガスＣＧ２については、ガス化原料（石炭，重油，バイオマス，廃棄物など）によってその組成は異なり、また、ガス化方式やプラントの負荷によっても組成が変化するものであるが、通常は一酸化炭素(ＣＯ)と水素(Ｈ2)とが比較的多く含まれる。また、石炭ガス化ガスＣＧ２を、水蒸気シフト反応を利用してＨ2リッチな燃料にする技術もあり、本発明においては石炭ガス化ガスＣＧ２をＨ2リッチな燃料にしてから以下の工程を経るようにしても良い。
そこで、本発明のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法は、ガス化炉２にガス化原料(石炭Ｃ)を搬送する媒体として使用する前（言い換えると、ガス化炉２へのガス化原料供給ライン４に供給する前）のガスタービン燃焼排気ガスにガス精製設備３で精製されたガス化ガスＣＧ２の一部又は当該ガス化ガスＣＧ２から抽出された水素及び／若しくは一酸化炭素を供給するようにしている。これにより、ガスタービン燃焼排気ガスＧ中のＯ2が分解される。
また、ガス化炉２にガス化原料(石炭Ｃ)を搬送する媒体として使用する前（言い換えると、ガス化原料供給ライン４に供給する前）のガスタービン燃焼排気ガスに、炭化水素のみ、或いは、ガス精製設備３で精製されたガス化ガスＣＧ２の一部又は当該ガス化ガスＣＧ２から抽出された水素及び／若しくは一酸化炭素と炭化水素との両方（或いは全て）を供給するようにしても良い。この場合も、ガスタービン燃焼排気ガスＧ中のＯ2が分解される。
本発明における炭化水素(ＣnＨm)としては、例えばメタン(ＣＨ4)が挙げられる。なお、炭化水素は、例えば炭化水素の供給設備がプラント内の付帯設備として利用できる場合にはそれを利用して供給され、炭化水素の供給設備がプラント内の付帯設備として利用できない場合には系外からのものとして供給される。
なお、炭化水素を用いてのＯ2の分解では高温の反応温度が必要になる。具体的には例えば、ＣＨ4＝100〔％〕を供給することによってＯ2を気相で触媒を用いることなく１秒程度で分解しようとすると800〜1000〔℃〕程度の反応温度が必要になる（図４参照）。一方で、ＣＯとＨ2とが大部分を占める石炭ガス化ガスＣＧ２の場合にはＯ2の分解の反応温度が低減する。
（参考）
＜ＣＨ4によってＯ2を分解する場合＞
Ｏ2＋0.5ＣＨ4 → 0.5ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ（費消する熱量は4747〔kcal／ｍ3〕）
＜ＣＯによってＯ2を分解する場合＞
Ｏ2＋２ＣＯ → ２ＣＯ2（費消する熱量は6036〔kcal／ｍ3〕）
＜Ｈ2によってＯ2を分解する場合＞
Ｏ2＋２Ｈ2 → ２Ｈ2Ｏ（費消する熱量は6096〔kcal／ｍ3〕）
図４は、燃焼排気ガス中の残留Ｏ2成分を分解するためにＯ2分解用燃料としてＣＨ4燃料（ＣＨ4＝100〔％〕）を供給した場合の反応速度論に基づく数値解析の結果図である。この図４においては反応温度をパラメータとして燃焼排気ガス中のＯ2成分の分解反応特性を比較して示している。
上述の反応速度論に基づく数値解析自体は周知の技術であるのでここでは詳細については省略するが、概略としては、残留Ｏ2の分解過程を反応動力学に基づいて数値解析するようにしており、数値解析にはＭillerとＢowmanとによって提案された素反応スキームを使用している（Ｍiller,J.A. and Ｂowman,C.T., "Ｍechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion", Ｐrog. Ｅnergy Ｃombust. Ｓci., Vol.15, pp.287-338, 1989年 を参照）。
そして、図４に結果を示す数値解析では、燃焼排気ガスの組成を一定とし、表１に示す圧力条件（即ち、0.11〔MPa〕）のもとで燃焼排気ガス中の残留Ｏ2成分を分解するための燃料（ＣＨ4，ＣＯ，Ｈ2又はＣＯとＨ2との混合ガスであるガス化ガス燃料）を燃焼排気ガスに混合して反応動力学に基づく数値解析によって素反応を構成する化学種５１成分の反応過程を計算している。数値解析で用いられ得る数値解析のための条件例を表１に示す。表１には、Ｏ2成分を分解するための燃料としてＣＨ4を混合した場合のガス組成の例を示している。また、反応温度については、反応温度がＯ2成分の分解特性に及ぼす影響を検討するため、300〜1000〔℃〕の範囲で100〔℃〕ピッチで変化させたそれぞれの結果を図４に示している。
Figure 0005878072
図４に示す結果なども踏まえると、ガス化ガス発電プラントにおいては、ＣＨ4などの炭化水素(ＣnＨm)のみを供給してＯ2を分解させる仕組みが有効であると考えられ、他にも、ガス化ガス発電プラントのガス化炉２へのガス化原料供給ライン４における燃焼排気ガスの温度を考慮すると、炭化水素に加えて石炭ガス化ガスＣＧ２を供給してＯ2を分解させる仕組みも有効であると考えられる。そして、両者を比較すると、炭化水素のみを供給する方が熱効率を高くできる点において有利であり、一方、炭化水素に加えて石炭ガス化ガスＣＧ２も供給する方が気相且つ無触媒での反応温度を低減できる点において有利である。また、石炭ガス化ガスＣＧ２のみを供給してＯ2を分解させる仕組みの場合には、ＣＨ4を供給するための付帯設備が不要であり、従来のガス化ガス発電プラントの系内で閉じたサイクルを構成し得る点で更に有利である。
ここで、ガスタービン燃焼排気ガスに対してガス化ガスＣＧ２，炭化水素を供給する地点Ｓとしては、ガスタービン６の排気出口Ｓa（即ち、ガスタービン燃焼排気ガスＧに対して供給する），排熱回収ボイラ７を通過し排ガスダンパ１８によってリサイクル排気ガスＧrと分割された後の給水加熱器１１への案内ラインＳb（即ち、燃焼排気ガスＧpに対して供給する），給水加熱器１１から流量コントロールバルブ１９によってＣＯ2回収・系外排出排気ガスＧdとガス化原料搬送用排気ガスＧcとに分割されるまでの供給ラインＳc上のどこか（即ち、給水加熱器１１を通過した後の燃焼排気ガスＧpに対して供給する），流量コントロールバルブ１９によってＣＯ2回収・系外排出排気ガスＧdと分割された後のガス化原料供給ライン４への案内ラインＳd上のどこか（即ち、ガス化原料搬送用排気ガスＧcに対して供給する）の四つが考えられる。
ガスタービン６の排気出口Ｓaで供給する場合、すなわち、ガスタービン燃焼排気ガスＧに対して供給する場合には、既存のガス化ガス発電プラントを参考にすると、1300℃〜1500℃級ガスタービンであればガスタービン燃焼排気ガスＧの温度は680〜770〔℃〕程度になっており（例えば前掲の非特許文献１を参照）、十分な反応温度を確保することができる。また、ガスタービン６の排気出口Ｓaから排熱回収ボイラ７までの間で反応時間として１秒程度は確保することができる。したがって、ガスタービン燃焼排気ガスＧ内の残留Ｏ2成分を分解することが可能である。
また、煙道に隔壁を設けて二分割し、排ガスダンパ１８をガスタービン６の出口付近に設けておくことで、リサイクル排気ガスＧrとＣＯ2回収・系外排出排気ガスＧdとに分割することができる。この場合、燃焼排気ガス中のＯ2分解用に供給するガス化ガスＣＧ２又は炭化水素の量を低減することが可能になる。
また、排熱回収ボイラ７を通過し排ガスダンパ１８によってリサイクル排気ガスＧrと分割された後の給水加熱器１１への案内ラインＳbで供給する場合、すなわち、燃焼排気ガスＧpに対して供給する場合には、燃焼排気ガスＧpはガスタービン６の排気出口Ｓaにおけるガスタービン燃焼排気ガスＧと比べてガス温度は100〔℃〕程度と低いものの量は５分の１以下になっている。したがって、分解すべきＯ2の量が少ないので、必要に応じて熱交換器等により加温する場合などがあるものの、煙道を二分割するなどの付帯設備を設けること無く供給する炭化水素やガス化ガスの供給量を少なくすることができる利点がある。この場合、さらに、既設の設備に追設し易いなどの利点もある。
また、給水加熱器１１から流量コントロールバルブ１９によってＣＯ2回収・系外排出排気ガスＧdとガス化原料搬送用排気ガスＧcとに分割されるまでの供給ラインＳc上のどこかで供給する場合、すなわち、給水加熱器１１を通過した後の燃焼排気ガスＧpに対して供給する場合には、水洗塔・汽水分離器１４又は冷却器・汽水分離器１５によって水分が除去されるため、給水加熱器１１を通過する前の燃焼排気ガスＧpと比べてガス温度は50〜100〔℃〕程度と低いものの、水分が除去される分だけ量は減少する。また、圧縮機１３Ｂ又は圧縮機１３Ｃによって加圧されるために燃焼排気ガスＧpの体積が小さくなっており、燃焼排気ガスＧp中のＯ2分解用の設備を小型化することができるなどの利点がある。また、必要に応じて燃焼排気ガスＧpを熱交換器などによって加温する場合があるものの、熱交換器を小型化することができるため、給水加熱器１１の前に熱交換器を設置する構成と比べて実用化し易いという利点がある。
また、流量コントロールバルブ１９によってＣＯ2回収・系外排出排気ガスＧdと分割された後のガス化原料供給ライン４への案内ラインＳd上のどこかで供給する場合、すなわち、ガス化原料搬送用排気ガスＧcに対して供給する場合には、ガス化原料搬送用排気ガスＧcはガスタービン６の排気出口Ｓaにおけるガスタービン燃焼排気ガスＧと比べてガス温度は500〔℃〕を下回って低い（あくまで一例として挙げれば、非特許文献１では30〜110〔℃〕程度である）ものの量は100分の１程度になっている。したがって、分解すべきＯ2の量が非常に少ないので、供給する炭化水素と石炭ガス化ガスＣＧ２との比率を調整することと、必要な場合には系内の熱を使ったりして加熱することとによってガス化原料搬送用排気ガスＧc内の残留Ｏ2成分を分解することが可能である。
上述のように、ガス化原料供給ライン４への案内ラインＳd上のどこか、言い換えると、ガス化原料搬送用排気ガスとして供給する分が分割された後の燃焼排気ガスにガス化ガスＣＧ２，炭化水素を供給するようにすると、燃焼排気ガス中のＯ2濃度を低減させるために分解することが必要なＯ2の量が非常に少ないために供給するガス化ガスＣＧ２，炭化水素の量も少なくて済むので、ガス化ガス発電プラントの運転条件や熱効率等の仕様・性能に与える影響が小さい点で好ましい。
続いて、本発明のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法及び燃料供給条件決定プログラムについて説明する。
本発明のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法（以下、単に燃料供給条件決定方法と表記する）は、ガス精製設備３で精製されたガス化ガスＣＧ２の組成並びにガス化炉２にガス化原料(炭素Ｃ)を搬送する媒体として使用する前のガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度を計測するステップと、ガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度が酸素濃度閾値以下であるか否かを判定するステップと、ガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度と酸素濃度閾値とに基づいて酸素濃度の低減率を算定するステップと、供給前提条件としてガス化ガスＣＧ２と炭化水素との合計に対するガス化ガスＣＧ２の割合Ｒg及び反応時間の設定を行うステップと、酸素濃度の低減率と供給前提条件とに基づいて酸素分解の反応温度を算定すると共に酸素分解に必要なガス化ガスＣＧ２，炭化水素の供給量を算定するステップと、反応温度がガス化ガス発電プラントのガス化ガスＣＧ２と炭化水素とを供給する地点における実際の排気ガス温度以下であるか否かの判定を行うステップと、処理結果を表示するステップとを有するようにしている。
ここで、本発明においては、酸素濃度の低減のための酸素分解用に供給されるガス化ガスとして当該ガス化ガスから抽出された水素と一酸化炭素とのうちの少なくとも一方が用いられるようにしても良い。そして、以下の説明では単に「ガス化ガスＣＧ２」と表記するが、ガス化ガスＣＧ２から抽出されたものを酸素分解用供給燃料として用いる場合には以下の説明における酸素分解用供給燃料としての「ガス化ガスＣＧ２」を「ガス化ガスＣＧ２から抽出された水素と一酸化炭素とのうちの少なくとも一方」と読み替えることにより本発明は適用され得る。
なお、ガス化ガスからの水素(Ｈ2)や一酸化炭素(ＣＯ)の抽出自体は周知の技術であるのでここでは詳細については省略するが、具体的には例えば深冷分離法や物理吸着法や化学吸収法や水素分離膜を用いる方法などを利用して抽出することができる。これらの方法はいずれも周知の技術であるのでここでは各々について詳細については省略するが、例えば深冷分離法は、ガスを圧縮液化し蒸留によって他の不純物を除去してから水素や一酸化炭素を選択的に分離・回収する手法である。また、水素分離膜を用いる方法は、水素だけを透す水素透過膜を利用して水素を分離する方法である。この水素分離膜を用いる方法をガス化ガスＣＧ２に適用した場合には、水素を抽出することができ、一方で、残ったガスは一酸化炭素が高いガスになる。
そして、上述の燃料供給条件決定方法は、本発明のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定プログラム（以下、単に燃料供給条件決定プログラムと表記する）をコンピュータ上で実行することによっても実現される。本実施形態では、燃料供給条件決定プログラムをコンピュータ上で実行することによって燃料供給条件決定方法が実施される場合を例に挙げて説明する。
燃料供給条件決定プログラムをコンピュータ上で実行することによって燃料供給条件決定方法を実施する場合のプログラムのフローチャートを図２に示す。
また、燃料供給条件決定プログラム３７を実行するためのコンピュータ３０の全体構成を図３に示す。このコンピュータ３０は、制御部３１、記憶部３２、入力部３３、表示部３４及びメモリ３５を備えて相互にバス等の信号回線によって接続されている。また、コンピュータ３０には、通信回線・信号回線を介し、上述のガス化ガス発電プラントに関する種々の計測値データが入力される。
制御部３１は記憶部３２に記憶されている燃料供給条件決定プログラム３７によってコンピュータ３０全体の制御並びに燃料供給条件の決定に係る演算を行うものであり、例えばＣＰＵ(中央演算処理装置)である。
記憶部３２は少なくともデータやプログラムを記憶可能な装置であり、例えばハードディスクである。入力部３３は少なくとも作業者の命令を制御部３１に与えるためのインターフェイスであり、例えばキーボードである。表示部３４は制御部３１の制御によって文字や図形等の描画・表示を行うものであり、例えばディスプレイである。メモリ３５は制御部３１が種々の制御や演算を実行する際の作業領域であるメモリ空間となるものであり、例えばＲＡＭ(Ｒandom Ａccess Ｍemory の略)である。
そして、コンピュータ３０の制御部３１には、燃料供給条件決定プログラム３７を実行することにより、ガス精製設備３で精製されたガス化ガスＣＧ２の組成の計測値データ並びにガス化炉２にガス化原料(炭素Ｃ)を搬送する媒体として使用する前のガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度の計測値データの入力を受けるデータ読込部３１ａ、ガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度が酸素濃度閾値以下であるか否かを判定するＯ2濃度判定部３１ｂ、ガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度と酸素濃度閾値とに基づいて酸素濃度の低減率を算定するＯ2分解量算定部３１ｃ、供給前提条件としてガス化ガスＣＧ２と炭化水素との合計に対するガス化ガスＣＧ２の割合Ｒg及び反応時間の設定を行う供給前提条件設定部３１ｄ、酸素濃度の低減率と供給前提条件とに基づいて酸素分解の反応温度を算定する反応温度算定部３１ｅ及び酸素分解に必要なガス化ガスＣＧ２，炭化水素の供給量を算定する供給量算定部３１ｆ、反応温度がガス化ガス発電プラントのガス化ガスＣＧ２と炭化水素とを供給する地点における実際の排気ガス温度以下であるか否かの判定を行う反応温度判定部３１ｇ、処理結果を表示する結果表示部３１ｈが構成される。
本発明の燃料供給条件決定方法の実施のためには、制御対象のガス化ガス発電プラントにおいて必要な計測が行われる。具体的には、本発明によって燃料供給条件を決定するためには、ガス精製設備３で精製されたガス化ガスＣＧ２の組成、さらに、ガス化炉２へのガス化原料供給ライン４に供給されるガス化原料搬送用排気ガスＧc中の酸素濃度、並びに、ガスタービン燃焼排気ガスにガス化ガスＣＧ２，炭化水素を供給する地点(Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓd)における排気ガス組成及び温度の情報が必要であり、各々について適当な装置・器具が用いられて計測が行われる。
なお、ガスタービン燃焼排気ガスにガス化ガスＣＧ２，炭化水素を供給する地点については、当該供給を行うためにはガス化ガス発電プラントに対して対応する設備を設けるようにしなければならないので、予備的な検討や設備付設の可能性などを踏まえて一箇所若しくは複数箇所が予め選定される。また、ガス化ガスＣＧ２，炭化水素を供給する地点として流量コントロールバルブ１９からガス化原料供給ライン４への案内ラインＳd上が選定された場合には、当然ながら、当該案内ラインＳdにおける排気ガス組成及び温度の計測によってガス化原料搬送用排気ガスＧc中の酸素濃度も分かることになる。
本実施形態では、ガスタービン燃焼排気ガスにガス化ガスＣＧ２，炭化水素を供給する地点として、ガスタービン６の排気出口Ｓa（供給地点Ｓaという）と、排ガスダンパ１８から給水加熱器１１への案内ラインＳb（供給地点Ｓbという）と、給水加熱器１１から流量コントロールバルブ１９までの供給ラインＳc上（供給地点Ｓcという）と、流量コントロールバルブ１９からガス化原料供給ライン４への案内ラインＳd上（供給地点Ｓdという）との四つが選定されているとする。
そして、本実施形態の燃料供給条件決定方法の実行にあたっては、まず、制御部３１のデータ読込部３１ａが、制御対象のガス化ガス発電プラントに関する計測値データの入力を受ける（Ｓ１）。
具体的には、データ読込部３１ａは、本実施形態では、ガス精製設備３で精製されたガス化ガスＣＧ２の組成の計測値データ、並びに、供給地点Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓdにおける排気ガスの組成及び温度の計測値データの入力を受ける。なお、供給地点Ｓdが選定されていない場合には、供給地点における排気ガスの組成及び温度の計測値データに加えて、ガス化炉２へのガス化原料供給ライン４に供給されるガス化原料搬送用排気ガスＧc中の酸素濃度の計測値データの入力を受ける。
なお、本発明におけるガス化ガスＣＧ２の組成や排気ガスの組成としては、具体的には例えばＯ2，Ｈ2Ｏ，ＣＯ，ＣＯ2，Ｈ2，ＣＨ4などの成分に着目して組成(構成比)が計測されてデータ読込部３１ａに入力される。
そして、データ読込部３１ａは、入力されたガス化ガスＣＧ２の組成の計測値をメモリ３５に記憶させると共に、供給地点Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓdにおける排気ガスの組成及び温度の計測値を供給地点Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓdと対応づけてメモリ３５に記憶させる。
次に、制御部３１のＯ2濃度判定部３１ｂは、Ｓ１の処理によって入力された計測値に基づいてガス化原料搬送用排気ガスＧc中のＯ2濃度がＯ2濃度閾値以下であるか否かの判定を行う（Ｓ２）。
具体的には、Ｏ2濃度判定部３１ｂは、Ｓ１の処理においてメモリ３５に記憶された供給地点Ｓdにおける排気ガス組成の計測値をメモリ３５から読み込み、当該供給地点Ｓdにおける燃焼排気ガス（即ちガス化原料搬送用排気ガスＧc）中のＯ2濃度を算定する。なお、供給地点Ｓdにおける燃焼排気ガスＧc中のＯ2濃度が計測されている場合にはその計測値をそのまま以下の処理に用いる。
続いて、Ｏ2濃度判定部３１ｂは、上述のガス化原料搬送用排気ガスＧc中のＯ2濃度の算定値がＯ2濃度閾値以下であるか否かの判定を行う。
Ｏ2濃度閾値は、ガス化炉２へのガス化原料の搬送用媒体として用いる排気ガス中の酸素濃度の上限値であり、搬送中にガス化原料が燃焼反応・酸化反応などを起こさないようにするための値として、ガス化原料の成分やガス化原料搬送用排気ガスＧcの温度等を考慮して適宜設定される。そして、本実施形態では、Ｏ2濃度閾値は燃料供給条件決定プログラム３７内に予め規定される。なお、Ｏ2濃度閾値については、Ｓ１の処理の段階で入力部３３によって入力された作業者の指定値を用いるようにしても良いし、予め規定された値を入力部３３によって入力された作業者の指定値に変更するようにしても良い。
そして、ガス化原料搬送用排気ガスＧc中のＯ2濃度の算定値がＯ2濃度閾値以下である場合には（Ｓ２：Ｙｅｓ）、Ｏ2濃度判定部３１ｂは燃料供給条件決定の処理過程をＳ１の処理に戻して供給地点Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓdにおける排気ガスの組成及び温度の新たな計測値データの入力を待つ。
一方、Ｏ2濃度の算定値がＯ2濃度閾値よりも大きい場合には（Ｓ２：Ｎｏ）、Ｏ2濃度判定部３１ｂは、ガス化原料搬送用排気ガスＧc中のＯ2濃度の算定値をメモリ３５に記憶させ、燃料供給条件決定の処理過程をＳ３の処理に進ませる。
そして、制御部３１のＯ2分解量算定部３１ｃは、ガス化原料搬送用排気ガスＧc中のＯ2濃度をＯ2濃度閾値以下にするために必要なＯ2分解量の算定を行う（Ｓ３）。
具体的には、Ｏ2分解量算定部３１ｃは、Ｓ２の処理においてメモリ３５に記憶されたガス化原料搬送用排気ガスＧc中のＯ2濃度の算定値をメモリ３５から読み込み、当該Ｏ2濃度の算定値とＯ2濃度閾値とに基づいてガス化原料搬送用排気ガスＧc中のＯ2濃度をＯ2濃度閾値以下にするために必要なＯ2濃度の低減率（言い換えると、濃度パーセントベースの低減パーセント）を算定する。
続いて、Ｏ2分解量算定部３１ｃは、Ｓ１の処理においてメモリ３５に記憶された供給地点Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓd毎の排気ガス組成の計測値をメモリ３５から読み込み、当該供給地点毎の排気ガス組成の計測値と前記算定されたガス化原料搬送用排気ガスＧc中のＯ2濃度の低減率と供給地点毎の排気ガス流量データとに基づいて、ガス化原料搬送用排気ガスＧcについて前記算定されたＯ2濃度の低減率を達成するために必要な供給地点毎のＯ2の分解量を算定する。
ここで、供給地点毎の排気ガス流量データについては、制御対象のガス化ガス発電プラントの設計条件や仕様などに基づいて設定するようにしても良いし、実際に計測して得られた計測値データを用いるようにしても良い。
そして、Ｏ2分解量算定部３１ｃは、算定したガス化原料搬送用排気ガスＧc中のＯ2濃度の低減率及び供給地点Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓd毎のＯ2の分解量をメモリ３５に記憶させる。
次に、制御部３１の供給前提条件設定部３１ｄは、ガスタービン燃焼排気ガスへのガス化ガスＣＧ２，炭化水素の供給の仕方に関する前提条件の設定を行う（Ｓ４）。
具体的には、供給前提条件設定部３１ｄは、ガス化ガスＣＧ２と炭化水素との合計に対するガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgと、反応時間との設定を行う。
ガス化ガスＣＧ２と炭化水素との合計に対するガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgは、Ｓ３の処理において算定されたＯ2の分解量がガス化ガス発電プラントにおいて実現できるように必要に応じて変動させながら（言い方を変えると、調整しながら）決定される。そこで、ガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgについては、初期値Ｒgoと増分Δｒとに基づいて必要に応じて変動させて決定されるものとする。
ガス化ガスＣＧ２の割合の初期値Ｒgo及び増分Δｒは、特定の値に限定されるものではなく、予備的な検討としての解析結果や実績などに基づいて適宜設定される。具体的には例えば、初期値Ｒgo＝０〜40〔％〕，増分Δｒ＝５〜10〔％〕程度に設定することが考えられる。なお、初期値Ｒgo＝０〔％〕は即ち供給する燃料が全て炭化水素である場合であり、Ｏ2分解用燃料が全て炭化水素であっても本発明は成立する。
反応時間は、供給地点Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓd毎に、各供給地点においてガス化ガスＣＧ２，炭化水素を供給した場合にガス化ガス発電プラントの構造や燃焼排気ガスの速度等の流動条件に基づいて確保される（言い換えると、期待される）時間を予め求めておく。
ガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgの初期値Ｒgo及び増分Δｒ並びに反応時間は、本実施形態では、燃料供給条件決定プログラム３７内に予め規定される。なお、初期値Ｒgo及び増分Δｒについては、Ｓ４の処理の段階で入力部３３によって入力された作業者の指定値を用いるようにしても良いし、予め規定された値を入力部３３によって入力された作業者の指定値に変更するようにしても良い。
なお、１回目の供給前提条件の設定（即ち、１回目のＳ４の処理）では、ガス化ガスＣＧ２の割合Ｒg＝Ｒgoとする。
そして、供給前提条件設定部３１ｄは、ガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgの設定値及び供給地点Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓd毎の反応時間の設定値をメモリ３５に記憶させる。
次に、Ｓ３の処理によって算定されたガス化原料搬送用排気ガスＧc中のＯ2濃度の低減率及びＯ2の分解量とＳ４の処理によって設定された供給前提条件とに基づいて、制御部３１の反応温度算定部３１ｅはＯ2分解の反応温度の算定を行い、また、制御部３１の供給量算定部３１ｆはＯ2分解に必要なガス化ガスＣＧ２，炭化水素の供給量の算定を行う（Ｓ５）。ここで、以下のＳ５の処理は供給地点Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓd毎に行われる。
反応温度算定部３１ｅは、Ｓ１の処理においてメモリ３５に記憶されたガス化ガスＣＧ２の組成の計測値並びにＳ３の処理においてメモリ３５に記憶されたガス化原料搬送用排気ガスＧc中のＯ2濃度の低減率をメモリ３５から読み込むと共にＳ４の処理においてメモリ３５に記憶されたガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgの設定値及び反応時間の設定値をメモリ３５から読み込み、これらに基づいてＯ2分解に必要とされる反応温度を算定する。これについては、解析を行うことによって反応温度を算定するようにしても良いし、ガス化ガス燃料の組成と燃焼排気ガス中のＯ2濃度の低減率と反応時間とガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgと反応温度との間の関係を予め準備しておいて当該関係に当てはめることによって反応温度を求めるようにしても良い。
ここで、上記要件(変数)の間の関係を検討・準備する際に参考になる反応速度論に基づく数値解析の結果を図５に示す。この図５は、表１に示す数値解析のための条件例において反応温度を600〔℃〕としたときの燃焼排気ガスに供給するガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgを変化させた場合の燃焼排気ガス中のＯ2成分の分解反応特性についての、反応速度論に基づく数値解析の結果図である。なお、この図５においては、ガス化ガスの割合をパラメータとして燃焼排気ガス中のＯ2成分の分解反応特性を比較して示している。また、この図５には、酸素濃度の低減のための酸素分解用に供給されるガス化ガス（言い換えると、酸素分解用供給燃料）としてＨ2=100〔％〕の場合（同図中の点線）とＣＯ＝100〔％〕の場合（同図中の☆印の曲線）とについても示している。
図５に示されるように、表１に示す組成の燃焼排気ガスに酸素分解用供給燃料としてＣＨ4のみを供給した場合（同図中のガス化ガスの割合＝０；破線）には、酸素分解反応は概ね反応時間１０秒で開始され、酸素分解率が９０％になるためには約２４０秒もの反応時間が必要とされることが分かる。一方で、燃焼排気ガスに供給する酸素分解用供給燃料としてのＣＨ4をガス化ガスに置換するに従って酸素分解は早期に生じるようになり、ＣＨ4と比べてガス化ガスの方が酸素分解効果が高いことが分かる。例えばＣＨ4のうちの４０％をガス化ガスに置換した場合（同図中のガス化ガスの割合＝０．４；□印の曲線）では反応時間約０．２秒で酸素分解率が９０％に達することが示されている。また、酸素分解用供給燃料としてＨ2のみを供給した場合（同図中の点線）に酸素分解が最も早期に生じるようになり、また、酸素分解用供給燃料としてＣＯのみを供給した場合（同図中の☆印の曲線）にガス化ガスのみの場合（同図中ガス化ガスの割合＝１；無印の実線）と比べて酸素の分解が若干遅れるようになり、水素成分の酸素分解効果は一酸化炭素を主成分とするガス化ガスのみの場合及び一酸化炭素のみの場合と比べて若干高いことが分かる。すなわち、燃焼排気ガス中のＯ2成分を分解するために供給する燃料としては、ガス化ガスの代わりにガス化ガスから抽出された水素と一酸化炭素とのうちの少なくとも一方を用いるようにしてもほぼ同様の効果が得られることが分かる。
そして、Ｓ５の処理において用いられ得る、ガス化ガス燃料の組成と燃焼排気ガス中のＯ2濃度の低減率と反応時間とガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgと反応温度との間の関係の具体例を図６に示す。この図６は、表１に示す数値解析のための条件例を用い、同図(Ａ)は反応温度を600〔℃〕としたときの燃焼排気ガスに供給するガス化ガスの割合（＝ガス化ガス〔mol〕／(ガス化ガス＋炭化水素)〔mol〕）を変化させた場合の燃焼排気ガス中の酸素成分の分解特性についての、また、同図(Ｂ)はガス化ガスの割合を１としたときの反応温度を変化させた場合の燃焼排気ガス中の酸素成分の分解特性についての、反応速度論に基づく数値解析の結果図である。
同図(Ａ)は反応温度を600〔℃〕としたときの燃焼排気ガス中のＯ2濃度の低減率を９０％とする反応時間とガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgとガス化ガス燃料の組成との間の関係である。この同図(Ａ)によれば燃焼排気ガス中のＯ2濃度を９０％低減させる場合についてのガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgに対して必要とされる反応時間がガス化ガス燃料の組成別に求められる。また、同図(Ｂ)は燃焼排気ガス中のＯ2濃度の低減率を９０％とする反応時間と反応温度とガス化ガス燃料の組成との間の関係である。この同図(Ｂ)によればＯ2濃度を９０％低減させる場合についての反応温度に対して必要とされる反応時間がガス化ガス燃料の組成別に求められる。
そして、反応温度算定部３１ｅは、反応温度の算定値を供給地点Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓdと対応づけてメモリ３５に記憶させる。
また、供給量算定部３１ｆは、Ｓ３の処理においてメモリ３５に記憶されたガス化原料搬送用排気ガスＧc中のＯ2の分解量の算定値をメモリ３５から読み込むと共にＳ４の処理においてメモリ３５に記憶されたガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgの設定値をメモリ３５から読み込み、これらに基づいてＯ2分解に必要とされるガス化ガスＣＧ２，炭化水素の供給量を算定する。この際、必要に応じ、Ｓ１の処理においてメモリ３５に記憶された供給地点毎の排気ガス組成の計測値をメモリ３５から読み込んで当該計測値も用いて供給量を算定する。
そして、供給量算定部３１ｆは、ガス化ガスＣＧ２，炭化水素の供給量の算定値を供給地点Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓdと対応づけてメモリ３５に記憶させる。
次に、制御部３１の反応温度判定部３１ｇは、Ｓ５の処理によって算定された反応温度がガス化ガス発電プラントにおける実際の排気ガス温度以下であるか否かの判定を行う（Ｓ６）。ここで、以下のＳ６の処理も供給地点Ｓa,Ｓb,Ｓc,Ｓd毎に行われる。
具体的には、反応温度判定部３１ｇは、Ｓ１の処理においてメモリ３５に記憶された供給地点毎の排気ガス温度の計測値をメモリ３５から読み込むと共にＳ５の処理においてメモリ３５に記憶された供給地点毎の反応温度の算定値をメモリ３５から読み込み、反応温度の算定値が排気ガス温度の計測値以下である化否かの判定を行う。
そして、反応温度の算定値が排気ガス温度の計測値を上回っている場合には（Ｓ６：Ｎｏ）、反応温度算定部３１ｅは燃料供給条件決定の処理過程をＳ４の処理に戻す。そして、供給前提条件設定部３１ｄはガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgに増分Δｒを加え（即ち、Ｒg＝Ｒg＋Δｒ）（Ｓ４）、反応温度算定部３１ｅがＯ2分解の反応温度の算定をし直すと共に供給量算定部３１ｆがＯ2分解に必要なガス化ガスＣＧ２，炭化水素の供給量の算定をし直す（Ｓ５）。そして、反応温度判定部３１ｇが、反応温度の算定値が排気ガス温度の計測値以下である化否かの判定をし直す（Ｓ６）。このように、反応温度の算定値が排気ガス温度の計測値を上回っている場合には（Ｓ６：Ｎｏ）、Ｓ４からＳ６までの処理を繰り返し行う。
ここで、上述した通り、炭化水素を用いてのＯ2の分解では高温の反応温度が必要になる一方で、石炭ガス化ガスＣＧ２の場合にはＯ2の分解の反応温度が低減するので、Ｓ４の処理においてガス化ガスＣＧ２と炭化水素との合計に対するガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgに増分Δｒを加えていくことによってＯ2の分解の反応温度を低減させることができる。なお、増分Δｒを加えていき、ガス化ガスＣＧ２の割合Ｒg＝100〔％〕になっても良い。
そして、反応温度の算定値が排気ガス温度の計測値以下である場合には（Ｓ６：Ｙｅｓ）、反応温度算定部３１ｅは燃料供給条件決定の処理過程をＳ７の処理に進ませる。なお、供給地点が複数選定されている場合には、それら供給地点のうちの少なくとも一地点において反応温度の算定値が排気ガス温度の計測値以下になった場合にはＳ７の処理に進ませる。
次に、制御部３１の結果表示部３１ｈはＳ６までの処理の結果の表示を行う（Ｓ７）。
具体的には、結果表示部３１ｈは、例えば、Ｓ１の処理においてメモリ３５に記憶されたガス化炉２へのガス化原料供給ライン４に供給されるガス化原料搬送用排気ガスＧc中の酸素濃度の計測値及び供給地点毎の排気ガス温度の計測値，Ｓ４の処理においてメモリ３５に記憶されたガス化ガスＣＧ２の割合Ｒgの設定値及び供給地点毎の反応時間の設定値，Ｓ５の処理においてメモリ３５に記憶された供給地点毎の反応温度の算定値及びガス化ガスＣＧ２，炭化水素の供給量の算定値を燃料供給条件として表示部３４に表示させる。なお、供給地点が複数選定されている場合には、全ての供給地点についてそれら供給地点毎に処理結果(燃料供給条件)の表示を行う。
結果表示部３１ｈは、さらに、表示させた燃料供給条件で決定して良いか否かの判断を作業者に要求し、作業者が表示の条件では支障があると判断して決定処理をやり直すと入力部３３を介して指示を与えた場合には（Ｓ７：Ｎｏ）、結果表示部３１ｈは燃料供給条件決定の処理過程をＳ４の処理に戻す。そして、Ｓ４からＳ６までの処理をあらためて行う。
なお、Ｓ６の処理において反応温度の算定値が排気ガス温度の計測値以下である（Ｓ６：Ｙｅｓ）としてＳ７の処理に進んだ場合でも、例えばガス化ガスＣＧ２の供給量が多いためにガス化ガス発電プラントの熱効率に与える影響が大きく支障があると判断される場合などが考えられる。これについては、供給地点が複数選定されている場合で、これら複数の供給地点のうちの一部で反応温度の算定値が排気ガス温度の計測値以下であるとしてＳ７の処理に進んだとしても、他の供給地点において反応温度が適切になる可能性があり且つその場合にはガス化ガス発電プラントの熱効率に与える影響を小さくすることができる場合が具体的には考えられる。
一方、作業者が表示の条件で決定して良いと入力部３３を介して指示を与えた場合には（Ｓ７：Ｙｅｓ）（なお、必要な場合には、供給地点のうちのいずれにおける燃料供給条件で決定して良いかを指示する）、結果表示部３１ｈは燃料供給条件決定の処理過程をＳ１の処理に戻して供給地点における排気ガスの組成及び温度の新たな計測値データの入力を待つ。
ここで、決定された燃料供給条件によってガス化ガス発電プラントを運転させるため、コンピュータ３０が当該燃料供給条件をガス化ガス発電プラントの燃料供給設備の制御装置に送って燃料供給が行われるようにしても良いし、作業者がガス化ガス発電プラントの燃料供給設備の制御装置を操作して燃料供給が行われるようにしても良い。
なお、上述のＳ７の処理を設けることなく、Ｓ６の処理において反応温度の算定値が排気ガス温度の計測値以下である場合には（Ｓ６：Ｙｅｓ）自動的にＳ１の処理に戻るようにしても良い。すなわち、作業者の判断を確認することなく完全に自動で燃料供給条件の決定処理を行うようにしても良い。そして、例えばこのようにＳ６の処理において反応温度が適切であるときには自動的にＳ１の処理に戻るようにする場合には、ガス化ガスＣＧ２の供給量を作業者が確認することがないので、Ｓ３の処理におけるＯ2の分解量の算定やＳ５の処理におけるガス化ガスＣＧ２，炭化水素の供給量の算定をしないようにしても良い。
以上のように構成された本発明のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法によれば、ガスタービン燃焼排気ガスをガス化原料搬送用媒体として用いる際の前記燃焼排気ガス中の酸素濃度を低減させることができるので、閉サイクルガスタービンとしての利点・特徴に影響を与えることなく、ガス化原料を搬送する媒体としてのガスタービン燃焼排気ガスの使用の安全性の向上を図ることが可能になる。また、燃焼排気ガスＧd中の酸素濃度を下げることによって非凝縮性ガス濃度が低減されるので、ＣＯ2回収設備１２による二酸化炭素の回収が一層良好に行われるようになる。
また、本発明のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法及び燃料供給条件決定プログラムによれば、ガスタービン燃焼排気ガスをガス化原料搬送用媒体として用いる際の前記燃焼排気ガス中の酸素濃度を低減させるためのガス化ガスと炭化水素との合計に対するガス化ガスの割合を決定することができるので、ガス化ガス発電プラントの安全で良好な運転条件を決定することが可能になる。
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、図１に全体構成を示す発電プラントに本発明を適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明が適用され得る発電プラントは図１に示すプラントに限定されるものではなく、ガスタービン燃焼器から排出される燃焼排気ガスをガス化設備へのガス化原料搬送用媒体として使用するものであればどのようなものでも良い。
２ ガス化設備（ガス化炉）
３ ガス精製設備
４ ガス化原料供給ライン
５ ガスタービン燃焼器
６ ガスタービン
Ｃ 石炭（ガス化原料）
Ｇ ガスタービン燃焼排気ガス
ＣＧ１ 精製前ガス化ガス
ＣＧ２ 精製後ガス化ガス

Claims (7)

  1. ガス化原料をガス化剤でガス化するガス化設備と、当該ガス化設備で生成されたガス化ガスを精製するガス精製設備と、当該ガス精製設備で精製されたガス化ガスを主燃料として酸化剤によって燃焼させるガスタービン燃焼器と、当該ガスタービン燃焼器から排出される燃焼排気ガスによって駆動するガスタービンとを有し、当該ガスタービンから排出された燃焼排気ガスの一部を当該ガスタービンの作動媒体としてリサイクルすると共に他の一部を前記ガス化設備に前記ガス化原料を搬送する媒体として使用するガス化ガス発電プラントにおいて、前記ガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用する前の前記燃焼排気ガスに前記ガス精製設備で精製されたガス化ガスの一部又は当該ガス化ガスから抽出された水素及び／若しくは一酸化炭素を供給することを特徴とするガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法。
  2. ガス化原料をガス化剤でガス化するガス化設備と、当該ガス化設備で生成されたガス化ガスを精製するガス精製設備と、当該ガス精製設備で精製されたガス化ガスを主燃料として酸化剤によって燃焼させるガスタービン燃焼器と、当該ガスタービン燃焼器から排出される燃焼排気ガスによって駆動するガスタービンとを有し、当該ガスタービンから排出された燃焼排気ガスの一部を当該ガスタービンの作動媒体としてリサイクルすると共に他の一部を前記ガス化設備に前記ガス化原料を搬送する媒体として使用するガス化ガス発電プラントにおいて、前記ガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用する前の前記燃焼排気ガスに前記ガス精製設備で精製されたガス化ガスの一部又は当該ガス化ガスから抽出された水素及び／若しくは一酸化炭素と炭化水素とのうちの少なくとも一方を供給することを特徴とするガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法。
  3. 前記ガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用する分として分割された後の燃焼排気ガスに、前記ガス精製設備で精製されたガス化ガスの一部又は当該ガス化ガスから抽出された水素及び／若しくは一酸化炭素と炭化水素とのうちの少なくとも一方を供給することを特徴とする請求項１または２記載のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減方法。
  4. ガス化原料をガス化剤でガス化するガス化設備と、当該ガス化設備で生成されたガス化ガスを精製するガス精製設備と、当該ガス精製設備で精製されたガス化ガスを主燃料として酸化剤によって燃焼させるガスタービン燃焼器と、当該ガスタービン燃焼器から排出される燃焼排気ガスによって駆動するガスタービンとを有し、当該ガスタービンから排出された燃焼排気ガスの一部を当該ガスタービンの作動媒体としてリサイクルすると共に他の一部を前記ガス化設備に前記ガス化原料を搬送する媒体として使用するガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法であり、前記ガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用する前のガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度を計測するステップと、前記ガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度と酸素濃度閾値とに基づいて酸素濃度の低減率を算定するステップと、前記ガス精製設備で精製されたガス化ガス及び炭化水素の前記ガスタービン燃焼排気ガスへの供給に関する供給前提条件として前記ガスタービン燃焼排気ガスに供給する前記ガス化ガスと前記炭化水素との合計に対する前記ガス化ガスの割合及び前記ガスタービン燃焼排気ガス中の酸素成分の分解の反応時間の設定を行うステップと、前記酸素濃度の低減率と前記供給前提条件とに基づいて前記ガスタービン燃焼排気ガス中の前記酸素成分の分解に必要とされる反応温度を算定するステップと、前記反応温度がガス化ガス発電プラントの前記ガス化ガスと前記炭化水素とを供給する地点における実際の排気ガス温度以下であるか否かの判定を行うステップとを有することを特徴とするガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法。
  5. 前記酸素濃度の低減のために供給される前記ガス化ガスとして当該ガス化ガスから抽出された水素と一酸化炭素とのうちの少なくとも一方が用いられることを特徴とする請求項４記載のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定方法。
  6. ガス化原料をガス化剤でガス化するガス化設備と、当該ガス化設備で生成されたガス化ガスを精製するガス精製設備と、当該ガス精製設備で精製されたガス化ガスを主燃料として酸化剤によって燃焼させるガスタービン燃焼器と、当該ガスタービン燃焼器から排出される燃焼排気ガスによって駆動するガスタービンとを有し、当該ガスタービンから排出された燃焼排気ガスの一部を当該ガスタービンの作動媒体としてリサイクルすると共に他の一部を前記ガス化設備に前記ガス化原料を搬送する媒体として使用するガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件を決定する処理を行うプログラムであり、前記ガス化設備にガス化原料を搬送する媒体として使用する前のガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度の計測値データの入力を受ける手段、前記ガスタービン燃焼排気ガスの酸素濃度と酸素濃度閾値とに基づいて酸素濃度の低減率を算定する手段、前記ガス精製設備で精製されたガス化ガス及び炭化水素の前記ガスタービン燃焼排気ガスへの供給に関する供給前提条件として前記ガスタービン燃焼排気ガスに供給する前記ガス化ガスと前記炭化水素との合計に対する前記ガス化ガスの割合及び前記ガスタービン燃焼排気ガス中の酸素成分の分解の反応時間の設定を行う手段、前記酸素濃度の低減率と前記供給前提条件とに基づいて前記ガスタービン燃焼排気ガス中の前記酸素成分の分解に必要とされる反応温度を算定する手段、前記反応温度がガス化ガス発電プラントの前記ガス化ガスと前記炭化水素とを供給する地点における実際の排気ガス温度以下であるか否かの判定を行う手段としてコンピュータを機能させることを特徴とするガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定プログラム。
  7. 前記酸素濃度の低減のために供給される前記ガス化ガスが当該ガス化ガスから抽出された水素と一酸化炭素とのうちの少なくとも一方であることを特徴とする請求項６記載のガス化ガス発電プラントにおけるガス化原料搬送用排気ガス中残留酸素濃度の低減のための燃料供給条件決定プログラム。
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