JP6259552B1 - 発電設備併設ガス化システム - Google Patents

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Abstract

ガス化プロセスのエネルギー効率を高めることができ、その上で、より効率的な発電ができる発電設備併設ガス化システムの提供。ガス化設備と、発電設備と、ガス化設備と発電設備とを相互に接続し、ガス化設備でのガス化時に生じる熱エネルギーと発電設備Ｐ２での発電時に生じる熱エネルギーとを相互に供給する熱エネルギー供給部とを具備した発電設備併設ガス化システム。

Description

本発明は、固体燃料を用いてガス化ガスを製造するガス化設備と、発電設備とを併設したガス化システムに関し、特に、ＧＴＣＣ(ガスタービン・コンバインドサイクル)による発電設備を併設したガス化システムに関する。
石炭やバイオマスまたは両者の混合物の固体燃料をガス化して得られたガス化ガスを、ガスエンジン発電やガスタービン発電の燃料として活用するためにガス化技術が提案されている(例えば、特許文献１参照)。
特開２０１６−１７１４２号公報
ガス化技術については、直接加熱式ガス化方法と、直接加熱式ガス化方法で得られたガス化ガスよりも高いカロリーのガス化ガスを得られる間接加熱式ガス化方法の二つの方法に大別される。
しかしながら、いずれの方法についても、ガス化反応が吸熱反応であるため、反応時に加熱エネルギーが必要であって、ガス化プロセスでのエネルギー効率という点で課題があった。
一方、地球温暖化の観点から、ＣＯ2排出量が多い石炭火力発電に替えて、天然ガスや都市ガス或いは灯油等の流体燃料による高効率でＣＯ2排出量が少ないＧＴＣＣ発電の普及が進みつつある。
しかしながら、ＧＴＣＣ発電は、流体燃料が石炭に比べて高価であるため、石炭火力発電と比べて燃料コストという点で不利であり、電力の高価格化の要因となっている。
本発明者は、比較的高いカロリーのガス化ガスを得られる間接加熱式ガス化方法及び高効率でＣＯ2排出量が少ないＧＴＣＣ発電に着目し、間接加熱式ガス化設備とＧＴＣＣ発電設備とを併設して両設備を有機的に結合一体化し、ガス化プロセスのエネルギー効率を高めることができ、その上で、より効率的な発電ができる発電設備併設ガス化システムを提案するものである。
前述の課題を解決するため、本発明は、以下の手段を採用した。
ガス化設備と、発電設備と、前記ガス化設備と前記発電設備とを相互に接続し、前記ガス化設備でのガス化時に生じる熱エネルギーと前記発電設備での発電時に生じる熱エネルギーとを相互に供給する熱エネルギー供給部とを具備し、前記ガス化設備は、固体燃料をガス化するガス化炉と、前記ガス化炉に対してガス化に必要な熱エネルギーを供給する燃焼炉とを有する間接加熱式ガス化装置を備え、前記発電設備は、流体燃料を用いて発電するガスタービン発電機と、過熱蒸気を用いて発電する復水タービン発電機と、前記復水タービン発電機に接続された復水器と、前記復水タービン発電機から前記復水器を経て前記復水タービン発電機に至る第１〜第３の過熱蒸気供給ラインと、前記第１の過熱蒸気供給ラインの道中、且つ前記復水器の凝縮水送出側に接続された第１の熱交換器と、前記第２の過熱蒸気供給ラインの道中、且つ前記復水器の凝縮水送出側に接続さた第２の熱交換器と、前記第３の過熱蒸気供給ラインの道中、且つ前記復水器の凝縮水送出側に接続された第３の熱交換器とを備え、前記熱エネルギー供給部は、前記ガス化炉のガス化ガス送出側と前記第１の熱交換器とにわたって接続されたガス化ガス送出ラインと、前記燃焼炉の排ガス排気側と前記第２の熱交換器とにわたって接続された排ガス排気ラインと、前記ガスタービン発電機の排ガス排気側と前記第３の熱交換器とにわたって接続された排ガス排気ラインと、前記復水タービン発電機の復水タービンと前記ガス化炉とにわたって接続されたガス化剤供給ラインと、前記ガスタービン発電機の排ガス排気側と前記燃焼炉とにわたって接続された酸化剤供給ラインとを備えている発電設備併設ガス化システムである。
本発明に係る実施形態の発電設備併設ガス化システムを示す配管構成図である。
以下、本発明に係る発電設備併設ガス化システムＳを図１に基づいて説明する。
発電設備併設ガス化システムＳは、固体燃料をガス化する間接加熱式ガス化装置１を備えたガス化設備Ｐ１と、流体燃料で発電するガスタービン発電機２及び過熱蒸気で発電する復水タービン発電機３を備えた発電設備Ｐ２と、前記ガス化設備Ｐ１と前記発電設備Ｐ２とを相互に接続し、前記ガス化設備Ｐ１でのガス化時に生じる熱エネルギーと前記発電設備Ｐ２での発電時に生じる熱エネルギーとを相互に供給する熱エネルギー供給部Ｐ３とを具備している。
すなわち、発電設備併設ガス化システムＳは、熱エネルギー供給部Ｐ３が、ガス化設備Ｐ１でのガス化時に生じる高温のガス化ガス及び排ガスを、復水タービン発電機３を作動させる過熱蒸気を作る熱エネルギーとして発電設備Ｐ２に供給する一方、発電設備Ｐ２での発電時に生じる高温、且つ酸素が含まれた排ガス及び高温、且つガス化剤としての蒸気を、ガス化に用いる熱エネルギーとしてガス化設備Ｐ１に供給することで、ガス化プロセスのエネルギー効率を高めた上で、効率的な発電を行うようにしたものである。
ここで、流体燃料は、天然ガス、都市ガス、バイオガス(メタン発酵)、灯油等が例示でき、固体燃料は、石炭やバイオマス又は両者の混合物等が例示できる。
ガス化設備Ｐ１は、ガス化炉１０と燃焼炉１１とを有する間接加熱式ガス化装置１を備えており、ガス化炉１０に接続されたガス化ガス送出ラインＰＬ１(熱エネルギー供給部Ｐ３)に、ガスクーラー(第１の熱交換器)Ｈ１と精製装置１２とが接続されている。
ここで、ガス化設備Ｐ１で精製されたガス化ガスは、ガスタービン発電やガスエンジン発電の燃料として、又はガス化ガスからの水素の分離やアンモニア、メタノール、メタン製造の原料として利用できる(図示において「ガス化ガス利用プロセス」として表示)。
間接加熱式ガス化装置１は、ガス化炉１０と燃焼炉１１が流動床式で、熱媒体となる流動材をガス化炉１０と燃焼炉１１とに循環させて熱の授受を行う周知構造のものである。
すなわち、間接加熱式ガス化装置１は、燃焼炉１１で加熱された熱媒体をガス化炉１０に送り、この熱媒体の熱によってガス化炉１０に供給された固体燃料を加熱してガス化し、ガス化炉１０の熱媒体を燃焼炉１１に送って再加熱するものであり、ガス化動作時において繰り返し行われる。
また、ガス化炉１０内で発生する未反応チャーが、サイクロン(図示せず)で熱媒体とともに回収されて燃焼炉１１に送られて燃料となる。
ガスクーラーＨ１は、ガス化炉１０から送出された高温(約８００℃)のガス化ガスを冷却するものであり、ガス化ガスと後述する復水器４で凝縮された凝縮水とを熱交換することで高温のガス化ガスを冷却すると共に、凝縮水を加熱して過熱蒸気を発生させるようにされている。
精製装置１２は、冷却されたガス化ガスに含まれる様々な不純物を除去するものであり、不純物が除去されて、ガス化ガス利用プロセスでの環境負荷の低減及び不純物によるガス化ガスを利用する発電機等への悪影響を抑制できるガス化ガスを得ることができる。
発電設備Ｐ２は、流体燃料を用いて発電するガスタービン発電機２と、過熱蒸気を用いて発電する復水タービン発電機３と、復水タービン発電機３に接続された復水器４と、復水タービン発電機３から復水器４を経て復水タービン発電機３に至るように配された第１〜第３の過熱蒸気供給ラインＬ１〜Ｌ３とを備えている。
さらに、第１の過熱蒸気供給ラインＬ１の道中、且つ復水器４の凝縮水送出側に接続された前述のガスクーラーＨ１と、第２の過熱蒸気供給ラインＬ２の道中、且つ復水器４の凝縮水送出側に接続された排熱回収ボイラ(第２の熱交換器)Ｈ２と、第３の過熱蒸気供給ラインＬ３の道中、且つ復水器４の凝縮水送出側に接続された排熱回収ボイラ(第３の熱交換器)Ｈ３とを備えている。
第１の過熱蒸気供給ラインＬ１は、復水タービン発電機３の蒸気送出側から蒸気供給側にループ状に接続された配管であり、復水タービン発電機３の蒸気送出側から蒸気供給側に向かう道中に、復水器４とガスクーラーＨ１とが接続されている。
すなわち、前述したように、ガスクーラーＨ１によって高温のガス化ガスと凝縮水とを熱交換して過熱蒸気を発生させ、この過熱蒸気を発電動力として復水タービン発電機３に供給することができる。
第２の過熱蒸気供給ラインＬ２は、復水タービン発電機３の蒸気送出側から蒸気供給側にループ状に接続された配管であり、復水タービン発電機３の蒸気送出側から蒸気供給側に向かう道中に、復水器４と排熱回収ボイラＨ２とが接続されている。
第２の過熱蒸気供給ラインＬ２の配管の一部は、第１の過熱蒸気供給ラインＬ１の配管と共有しており、復水器４からガスクーラーＨ１に至る配管から分岐して排熱回収ボイラＨ２を経てガスクーラーＨ１から復水タービン発電機３に至る配管に接続することによって、前述のようなループ状の第２の過熱蒸気供給ラインＬ２が構成されている。
排熱回収ボイラＨ２には、燃焼炉１１の排ガス排気側に設けられた排ガス排気ラインＰＬ２(熱エネルギー供給部Ｐ３)が接続されており、排ガス排気ラインＰＬ２を介して、燃焼炉１１から排気された高温(約１０００℃)の排ガスを排熱回収ボイラＨ２に供給するようにされている。
すなわち、排熱回収ボイラＨ２によって、燃焼炉１１から排気された高温の排ガスと復水器４から送出された凝縮水とを熱交換して過熱蒸気を発生させ、この過熱蒸気を発電動力として復水タービン発電機３に供給することができる。
第３の過熱蒸気供給ラインＬ３は、復水タービン発電機３の蒸気送出側から蒸気供給側にループ状に接続された配管であり、復水タービン発電機３の蒸気送出側から蒸気供給側に向かう道中に、復水器４と排熱回収ボイラＨ３とが接続されている。
第３の過熱蒸気供給ラインＬ３の配管の一部は、第１の過熱蒸気供給ラインＬ１の配管と共有しており、復水器４からガスクーラーＨ１に至る配管から分岐して排熱回収ボイラＨ３を経てガスクーラーＨ１から復水タービン発電機３に至る配管に接続することによって、前述のようなループ状の第３の過熱蒸気供給ラインＬ３が構成されている。
排熱回収ボイラＨ３には、ガスタービン発電機２の排ガス排気側に設けられた排ガス排気ラインＰＬ３(熱エネルギー供給部Ｐ３)が接続されており、排ガス排気ラインＰＬ３を介して、ガスタービン発電機２から排気された高温(約５５０℃)の排ガスを排熱回収ボイラＨ３に供給するようにされている。
すなわち、排熱回収ボイラＨ３によって、ガスタービン発電機２から排気された高温の排ガスと復水器４から送出された凝縮水とを熱交換して過熱蒸気を発生させ、この過熱蒸気を発電動力として復水タービン発電機３に供給することができる。
排熱回収ボイラＨ２、Ｈ３で熱交換されて冷却された排ガスは、大気中に放出される。
熱エネルギー供給部Ｐ３は、前述のガス化ガス送出ラインＰＬ１、排ガス排気ラインＰＬ２、ＰＬ３に加えて、復水タービン発電機３の復水タービン３０とガス化炉１０とにわたって接続されたガス化剤供給ラインＰＬ４と、排ガス排気ラインＰＬ３から分岐して燃焼炉１１に接続された酸化剤供給ラインＰＬ５とを備えている。
ガス化ガス送出ラインＰＬ１、排ガス排気ラインＰＬ２、ＰＬ３については、前述したように、ガス化炉１０、燃焼炉１１、ガスタービン発電機２からの熱エネルギー(ガス化ガス、排ガス)を、過熱蒸気を作る熱源として供給することができる。
ガス化剤供給ラインＰＬ４は、復水タービン発電機３の復水タービン３０から抽気された高温の蒸気を、熱エネルギー及びガス化反応に必要なガス化剤としてガス化炉１０に供給するものであり、復水タービン３０から抽気された高温の蒸気をガス化炉１０に供給するようにされている。
酸化剤供給ラインＰＬ５は、ガスタービン発電機２から排気された高温の排ガスの一部を、熱エネルギー及び燃焼に必要な酸化剤として燃焼炉１１に供給するものである。
流体燃料によるガスタービン発電機２から排気された排ガスは、ガスエンジンやボイラの排ガスと異なり、排ガス中に酸素が含まれていると共に、高温(約５５０℃)であって、燃焼炉１１における酸化剤として活用できる気体である。
このような発電設備併設ガス化システムＳによると、ガス化設備Ｐ１でのガス化時に発生する熱エネルギーを、発電設備Ｐ２での発電に用いられる熱エネルギーとして利用できる一方、発電設備Ｐ２での発電時に発生する熱エネルギーを、ガス化設備Ｐ１でのガス化に用いられる熱エネルギー及びガス化剤並びに酸化剤として利用できる。
したがって、ガス化プロセスのエネルギー効率を高めることができ、その上で、より効率的な発電ができる発電設備併設ガス化システムＳを提供できる。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
Ｓ：発電設備併設ガス化システム
Ｐ１：ガス化設備
Ｐ２：発電設備
Ｐ３：熱エネルギー供給部
１：間接加熱式ガス化装置
１０：ガス化炉
１１：燃焼炉
２：ガスタービン発電機
３：復水タービン発電機
３０：復水タービン
４：復水器
Ｌ１：第１の過熱蒸気供給ライン
Ｌ２：第２の過熱蒸気供給ライン
Ｌ３：第２の過熱蒸気供給ライン
Ｈ１：ガスクーラー(第１の熱交換器)
Ｈ２：排熱回収ボイラ(第２の熱交換器)
Ｈ３：排熱回収ボイラ(第３の熱交換器)
ＰＬ１：ガス化ガス送出ライン
ＰＬ２：排ガス排気ライン
ＰＬ３：排ガス排気ライン
ＰＬ４：ガス化剤供給ライン
ＰＬ５：酸化剤供給ライン

Claims (1)

  1. ガス化設備Ｐ１と、発電設備Ｐ２と、前記ガス化設備Ｐ１と前記発電設備Ｐ２とを相互に接続し、前記ガス化設備Ｐ１でのガス化時に生じる熱エネルギーと前記発電設備Ｐ２での発電時に生じる熱エネルギーとを相互に供給する熱エネルギー供給部Ｐ３とを具備し、
    前記ガス化設備Ｐ１は、固体燃料をガス化するガス化炉１０と、前記ガス化炉１０に対してガス化に必要な熱エネルギーを供給する燃焼炉１１とを有する間接加熱式ガス化装置１を備え、
    前記発電設備Ｐ２は、流体燃料を用いて発電するガスタービン発電機２と、過熱蒸気を用いて発電する復水タービン発電機３と、前記復水タービン発電機３に接続された復水器４と、前記復水タービン発電機３から前記復水器４を経て前記復水タービン発電機３に至る第１〜第３の過熱蒸気供給ラインＬ１〜Ｌ３と、前記第１の過熱蒸気供給ラインＬ１の道中、且つ前記復水器４の凝縮水送出側に接続された第１の熱交換器Ｈ１と、前記第２の過熱蒸気供給ラインＬ２の道中、且つ前記復水器４の凝縮水送出側に接続さた第２の熱交換器Ｈ２と、前記第３の過熱蒸気供給ラインＬ３の道中、且つ前記復水器４の凝縮水送出側に接続された第３の熱交換器Ｈ３とを備え、
    前記熱エネルギー供給部Ｐ３は、前記ガス化炉１０のガス化ガス送出側と前記第１の熱交換器Ｈ１とにわたって接続されたガス化ガス送出ラインＰＬ１と、前記燃焼炉１１の排ガス排気側と前記第２の熱交換器Ｈ２とにわたって接続された排ガス排気ラインＰＬ２と、前記ガスタービン発電機２の排ガス排気側と前記第３の熱交換器Ｈ３とにわたって接続された排ガス排気ラインＰＬ３と、前記復水タービン発電機３の復水タービン３０と前記ガス化炉１０とにわたって接続されたガス化剤供給ラインＰＬ４と、前記ガスタービン発電機２の排ガス排気側と前記燃焼炉１１とにわたって接続された酸化剤供給ラインＰＬ５とを備えている発電設備併設ガス化システムＳ。
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