JPS61261627A - バイオ燃料ガスタ−ビンプラントおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、木材あるいは泥炭や褐炭などの低品位炭を含
んでなるバイオ燃料をガス化し、そのガス化されたバイ
オ燃料を燃料ガスとするバイオ燃料ガスタービンプラン
トおよびその運転方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に、ガスタービンは空気圧縮機により圧縮された高
圧空気と燃料を混合して燃焼器において燃焼せしめ、そ
ｎによって得らｎる高圧燃焼ガスをガスタービンへ導い
て出力を発生させるようになっている。燃料としてガス
を用いる場合は、燃料ガスをガスタービンの入口圧力以
上に昇圧しなければならないことから、燃料ガス圧縮機
の動力が犬となるので、同一発熱量の液体燃料に比べて
熱効率が劣るという問題がある。

特に木材あるいは褐炭や泥炭などのバイオ燃料をガス化
して得られる生成ガスは、発熱量が低いことから所要燃
料ガス量が増大し、液体燃料に比べて極めて熱効率が低
いという問題がある。

しかしながら、近年、エネルギーの多角化などの観点か
ら木材あるいは低品位炭などを燃料とし、かつ熱効率が
十分高いガスタービンプラントの実現が要望されるとこ
ろとなっている。しかし、固定床式や単基の流動膚式の
ガス化炉を用いて木材などをガス化する方式によると、
得られるエネルギー源としては、生成ガスのみであるこ
とから、また上述したようにガスタービンの燃料とする
にはその生成ガスを全量圧縮しなくてはならないことか
ら、極めて熱効率が低く、従来バイオ燃料によるガスタ
ービンプラントの実現は極めて困難であるとされていた
。

そこで、本発明者は、バイオ燃料を用いたガスタービン
プラントの熱効率を向上させるべく、バイオマス燃料と
熱分解媒体により流動層ケ形成してバイオ燃料を熱分解
する熱分解炉と、この熱分解炉から連続的に抜き出され
再び熱分解炉に循環送入される熱分解媒体を加熱する流
動層型焼却炉と、からなる二基式の流動層型ガス化装置
を用いてバイオ燃料をガス化し、熱分解炉から送出され
る生成ガスの一部を燃焼炉の主燃料および流動化媒体と
するとともに、燃焼炉から排出される燃焼ガスによりガ
スタービンの燃焼器に流入される高圧空気を加熱するよ
うにしたバイオ燃料ガスタービンプラントを提案してい
る（特願昭５９−２５８４５７号）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記提案のものによっても、末だ十分に
高い熱効率を得るものとはなっていないという問題があ
る。

例えば、熱分解炉から送出される生成ガスは高温のガス
となっているが、その生成ガス中には凝縮温度の高いタ
ール分などが含有さｎている次め、単に熱回収をすると
、タール分が熱回収器内で凝縮液化さｎ、液化されたタ
ール分が炭化して自撚する虞れがあるなどの問題から、
顕熱な回収することなく、洗浄装置に導いて冷却洗浄す
るよりにしている。

また、上述した二基式のガス化装置を備えたガスタービ
ンプラントにあっては、ガスタービン本体の熱効率を向
上させるべくガスタービンの入口温度を通常の高い温度
に設定すると、得られる生成ガスの熱量と燃焼炉排ガス
の回収顕熱の和がガスタービンの所要熱量に達せず、熱
バランスがとれないということがある（既存のガスター
ビンにおいては所定の空気量が決められている九め）。

その熱バランスを満足させてガスタービン本体の熱効率
を高く維持しようとすると、補助燃料ガスなどの他の熱
源が必要となるという問題がある。

なお、この熱源としてタービンの排熱を利用することも
考えられるが、一般にガスタービンの排熱は蒸気タービ
ン駆動用に用いられていることから。

プラント全体の熱効率としては向上されることはない。

本発明の目的は、熱分解生成ガスの顕熱を有効に回収し
て熱効率を向上させることができるバイオ燃料ガスター
ビンプラントを提供するとともに。

プラントの熱バランスを簡単に調整できるバイオ燃料ガ
スタービンプラントの運転方法を提供することＫある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するため、バイオ燃料と熱分
解媒体とにより流動層を形成してバイオ燃料を熱分解す
る熱分解炉と、この熱分解炉から連続的に抜き出され再
び分解炉に循環送入される熱分解媒体を加熱する流動層
型の焼却炉と、前記熱分解炉で発生される生成ガスを洗
浄する生成ガス洗浄装置と、この洗浄装置により洗浄さ
れた生成ガスを燃焼して空気圧縮機により加圧された高
圧空気を加熱する燃焼器と、この燃焼器により加熱昇温
された高圧空気により駆動されるガスタービンと、を備
えてなるバイオ燃料ガスタービンプラントにおいて、前
記燃焼器に流入される高圧空気の少なくとも一部を前記
熱分解炉から送出される生成ガスにより加熱する高圧空
気加熱器を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記本発明
に係るバイオ燃料ガスタービンプラントの運転方法にお
いて、前記熱分解炉の熱分解温度を制御して熱バランス
を調整することを含んでなることを特徴とする。

〔作用〕

このような構成とすることによって、熱分解炉から送出
する生成ガスの顕熱の一部が燃焼器に流入される高圧空
気によって回収される次め、その高圧空気が昇温された
熱量分だけ熱効率が向上することになる。

ま几、熱分解炉における熱分解温度を制御することによ
り、温度が低くなればなるほど木材などのバイオ燃料の
チャー化率が増え（逆に一炭素分ガス化率が低下する）
、熱分解炉から送出される生成ガス中の未分解固形物が
増大し、これによって燃焼炉に供給されるチャーが増え
るため、燃焼炉から排出される燃焼ガスの温度が上昇さ
れることになる。つまり、熱分解炉の熱分解温度を調節
することによって、生成ガスま友は燃料ガスのエネルギ
バランスを制御することができることから、ガスタービ
ン、出力に応じて、かつプロセスの状態に応じて熱分解
温度を制御することにより、容易にプラント全体の熱バ
ランスを制御することができることになる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図に本発明を適用してなる一実施例のバイオ燃料ガ
スタービンプラントを主要部とし友ガスタービン複合発
電プラントの全体構成図を示す。

第１図において、バイオ燃料のガス化装置は、そ扛ぞれ
流動層型の熱分解炉１２と燃焼炉１４とを有してなる二
基式のものとなっており、それぞれの炉１２と１４には
、熱分解媒体として流動砂が封入されている。なお、熱
分解媒体としては触媒などを用いることも可能である。

そして七ｎらの炉内の熱分解媒体は、燃焼炉１４に排熱
ボイラ１６から送給される蒸気と送風機１８から送給さ
れる空気からなる流動化ガス体によって炉内に流動層を
形成するとともに、循環バイブ２０と２２を介して２炉
間を循環的に流動さ扛るようになっている。

熱分解炉１２には、原料供給装置２４を介して細粒化さ
れた木材が供給されるようになっており、木材は流動砂
とともに流動され、燃焼炉１４で加熱された流動砂の保
有熱によって熱分解される。

この熱分解により発生した生成ガスは、炉頂から抜き出
され、サイクロン２６において生成ガスに同伴された比
較的大きな固体粒子（例えば流動砂）が回収さｎ、さら
にマルチサイクロン２８において炭素を主成分とするチ
ャーが捕集されるようになっている。このマルチサイク
ロン２８で捕集されたチャーは、フィーダ３０によって
連続的に燃焼炉１４に供給され、燃焼炉１４における流
動砂の加熱燃料として用いられる。燃焼炉１４において
発生したつ焼排ガスは、サイクロン３２によって比較的
大きな粒形の固形物（主として流動砂）が回収され、さ
らにマルチサイクロン３４に導かれ、飛散灰が捕集さ扛
るようになっている。そして、捕集された灰は、フィー
ダ３６によって灰ホッパ３８に排出されるようになって
いる。なお、熱分解炉１２と燃焼炉１４の炉底部からは
フィーダ４０と４２によって、適宜流動砂が廃砂として
排出されるようになっている。

マルチサイクロン２８によってチャーが除去された生成
ガスは、バイパス路を有する第１の高圧空気加熱器４４
を介して、２本の洗浄塔４６を有してなるガス洗浄装置
に導かｔ、生成ガス中に含有された王としてタール分が
除去さｆＬ７ｔのち、ガスホルダ４８に貯留される。な
お、洗浄塔４６にはそれぞｎ循環ポンプ５０により洗浄
水が循環されており、それら洗浄水は冷却器５２によシ
冷却されるようになっている。また、洗浄塔４６の底部
からは、タール分を含む循環液が必要に応じてデカンタ
５４に抜き出されるようになっている。

ガスホルダ４８内の生成ガスは、ガス圧縮機５６によっ
て圧縮され、燃焼器１４の補助燃料として、またブース
タ圧縮機５８を介してガスタービンの燃焼器６０に供給
されている。

一方、マルチアイクロン３４を通つ九燃焼排ガスは、第
２の高圧空気加熱器と空気加熱器６４を介して排熱ボイ
ラ６６に導かれ、これらにおいて排熱が回収されたのち
、電気集塵器６８を介して煙突７０から大気へ放出され
るようになっている。

ガスタービン８０の両軸端には、空気圧縮機８２と発電
機８４とが連結されている。空気圧縮機８２により圧縮
された高圧空気は、第１の高圧空気加熱器４４と第２の
高圧空気加熱器６２とに分流され、それぞｎの高圧空気
加熱器により加熱されて燃焼器６０に供給されている。

燃焼器６０においては、ブースタ圧縮器５８から供給さ
れる生成ガスを燃焼させて高圧空気を加熱し、その高温
高圧空気をガスタービン８０に供給している。

ガスタービン８０に供給され几高圧空気は、ガスタービ
ンを駆動し九のち、排熱ボイラ１６を通って煙突７０か
ら大気へ放出さ扛ている。

排熱ボイラ１６により発生された蒸気は、蒸気タービン
９０を駆動し次のち、復水器９２により凝縮され、この
復水は給水ポンプ９４により再び排熱ボイラ１６に給水
され１いる。また、蒸気タービン９０によって発電機が
駆動さ扛ている。

デカンタ５４の上澄水は、蒸発缶１００に導かｎ、蒸発
缶１００から発生される蒸気は排熱ボイラ１６を介して
燃焼器１４の流動化ガスとして供給されている。ま之蒸
発缶１００の循環水は、加熱器１０２により、排熱ボイ
ラ６６により発生さ°　　詐た蒸気によって加熱さして
いる。

このように構成される実施例の動作について次に説明す
る。

燃焼器１４に装入された流動砂は、空気加熱器６４を介
してこの燃焼器１４の燃焼排ガスによって加熱された送
風機１８から供給さする空気と、排熱ボイラ１６から供
給される蒸気とによって流動層を形成し、かつマルチサ
イクロン２８の下部から供給される生成ガス中のチャー
分および必要に応じてガス圧縮器５６から供給される生
成ガスを燃料として加熱され、この加熱された流動砂は
。

前記蒸気と空気からなる流動化ガスによって循環パイプ
２０を介して熱分解炉１２に送られる。分解炉１２にお
いては燃焼炉１４から供給される流動砂と、原料供給装
置２４から供給される木材との流動層が形成さｔ、木材
は流動砂の保有する熱によって分解し、可燃性の生成ガ
スが発生される。

燃焼炉１４から排出される燃焼排ガスは、サイクロン３
２とマルチサイクロン３４とによって浮遊固形物が除去
さｎ、第２の高圧空気加熱器６２と空気加熱器６４と排
熱ボイラ６６によって顕熱が回収され、電気集塵器６８
を介して排出される。

一方、分解炉１２によって発生された生成ガスは、サイ
クロン２６によって比較的大きな粒形の浮遊固形物が除
去され、さらにマルチサイクロン２８によって炭素分を
主成分とするチャーが分離除去されたのち、第１の高圧
空気加熱器４４を介して洗浄塔４６に導かｎ、ここにお
いて冷却洗浄されたのち、ガスホルダ４８に蓄わえらｎ
る。

他方、空気圧縮機８２で圧縮された高圧空気は、第１の
高圧空気加熱器４４と第２の高圧空気加熱器６２とに分
流して供給さｎ、それらの高圧空気加熱器４４または６
２によって生成ガス９顕熱または燃焼排ガスの顕熱によ
り加熱さｎ、燃焼器６０に導かれる。燃焼器６０では、
ガス圧縮機５６とブースタ圧縮機５８を介して供給され
る高圧の生成ガスを燃焼して、高圧空気を所定のガスタ
ービン入口温度まで加熱したのち、ガスタービン８０に
供給する。ガスタービン８０を駆動して排出される高温
排ガスは、排熱ボイラ１６に導か詐、ここにおいて顕熱
が回収されたのち煙突７０を介して大気に放出される。

排熱ボイラ１６において発生された蒸気は、王として蒸
気タービン９０の駆動力として用いられるとともに、燃
焼炉１４の流動化ガスとしての蒸気に用いられる。

このようにして、熱分解炉１２と燃焼炉１４とからなる
二基式のガス化装置によって発生された生成ガスを燃料
としてガスタービン８０が駆動さｎ、さらにガスタービ
ン８０から排出される高温排ガスによって蒸気タービン
９０を駆動して、それぞれ発電機８４と９２を駆動して
発電がなされる。また、燃焼炉１４から排出される燃焼
ガスは、第２の高圧空気加熱器６２において、ガスター
ビン８０に供給される高圧空気を加熱するとともに、空
気加熱器６４において燃焼炉１４に供給される流動化ガ
スとしての空気を加熱し、さらに排熱ボイラ６６におい
て蒸気を発生してその顕熱が回収される。排熱ボイラ６
６により発生され念蒸気は。

洗浄塔４６によって生成ガスから分離除去されたタール
分を含有する洗浄水ドレンの上澄液を、蒸発缶１００に
おいて蒸発させる熱源として用いられ、蒸発缶１００に
おいて発生された蒸気は、排熱ボイラ１６によってさら
に加熱され、前述し之流動化ガスとして燃焼炉１４に供
給される。

このように熱分解炉１２から発生される生成ガス、チャ
ー分およびタール分、燃焼炉１４から発生される高温の
燃焼排ガス、ガスタービン８０から排出される高温排ガ
スかそれぞれ保有する熱量は、有効に回収され発電に寄
与するので、全体として熱効率の優れたものとすること
ができる。ま友、燃焼炉１４と熱分解炉１２の流動化ガ
スとして供給される蒸気は洗浄塔４６が用い次洗浄水を
回収して排熱ボイラ６６．１６によって加熱蒸気を生成
するようにしていることから、プラント全体としての補
給水を極力低減することができる。

次に、本発明の特徴に係る部分の動作について詳しく説
明する。

通常のガスタービンにあっては、タービンに供給される
高圧高温ガスの温度（タービン入口温度）は、９００〜
１２００℃に設定される。いま、タービン入口温度を９
３０℃に設定し、空気圧縮機から吐出される高圧空気の
温度を２６０℃とすると、従来の重塔式ガス化炉のもの
においては、燃焼器において高圧空気を６７０℃分昇温
させなければならず、それに要する熱量は全て生成ガス
により賄わねばならず、低発熱量の生成ガスによると必
要なガス量が膨大となって、ガス圧縮器の動力が極めて
大きくなるという問題があったのである。しかし、上述
した本実施例によれば、ガス化装置を燃焼炉と熱分解炉
の二基式としていることから、生成ガスと燃焼ガスとが
別に排出される。

したがって、まず第２の高圧空気加熱器６２によって燃
焼器６０に供給する高圧空気を燃焼排ガスにより加熱し
、これによって、高圧空気を約４５０℃に昇温させるこ
とかできる。すなわち、燃焼炉１４から排出される燃焼
ガスによって、約１９０℃分昇温させるに相当する熱量
が回収される。しかし、これによっても燃焼器６０にお
いて要求される生成ガスの量は９３０℃−４５０℃＝４
８０℃に相当する量が必要となり、ガス圧縮機の動力軽
減は十分とはいえず、しかも前述し友ように、得られる
生成ガスの童および・燃焼ガスの童とガスタービンの所
要熱量との熱バランスがとれない九め、生成ガスが不足
する場合がある。

そこで、この不足分を補う次め、熱分解炉における熱分
解温度を通常の８００℃よりも低い温度例えば７００℃
、６００℃、５００℃とすることにより、木材のチャー
化率が増えるということに鑑み、熱分解炉１２の作動温
度なり４整して、生成ガスと燃焼ガスの排出割合を変え
、燃焼炉から排出される燃焼ガスの熱量を増大させて、
第２の高圧空気加熱器６２における高圧空気の加熱量を
増大させることか可能である。しかし、熱分解炉１２の
作動温度を調整する方法においては、原料としての木材
のバイオ燃料の分解温度に下限力Ｓあり（例えば木材で
４５０〜５００℃）、チャー化率を増大させて燃焼炉１
４の燃焼排ガスを高温化することにも限肛があり、前述
のガスタービン所要熱量の不足分を補うには十分ではな
い。

そこで、本実施例では、この不足分を補うため、熱分解
炉１２から排出される生成ガスの顕熱を回収し、この回
収熱により空気圧縮機８２から吐出された高圧空気を加
熱するよりにしている。ところで一般に、木材などの木
質系バイオ燃料を熱分解すると、チャー、灰などの副生
物の他にタール分が生成されることか知られている。タ
ールの組成は、原料によって極々変化するが、芳香族炭
化水素を中心とした多くの高分子化合物で構成されてお
り、このタール分を含有する生成ガスを単に熱交換器や
タービンへ導いて顕熱な回収しようとすると、タール分
が凝縮液化して機器等に付着してさまざまの障害を及ぼ
すことから、通常洗浄装置によりタールを分離除去した
のち、燃料ガスとして用いられるようになっている。し
かし、通常タールの露点温度を１４００℃程度であるか
ら、４００℃以上の範囲で生成ガスの顕熱を使用するよ
うにすｎば、熱又換器で回収してもタールが凝縮するこ
とに伴う障害を防止することができる。

しかるに、空気圧縮ＪＩ！＆８２から吐出される高圧空
気の断熱圧縮により、通常２６０℃程度に昇温されてい
ることから、第１の高温空気加熱器からの熱交換器を適
当に定めることにより、加熱器出口の生成ガス温度をタ
ールの露点以上に保持させて生成ガスの保有する顕熱を
回収するととが可能である。

こうして、熱分解により発生された生成ガスの顕熱の一
部を回収し、ガスタービンの燃焼用高圧空気を加熱する
ようにしていることから、ガスタービンプラントの熱効
率を向上させることができる。また、熱分解炉１２の熱
分解温度を調節することにより、プラント全体の熱バラ
ンスを制御するようにしていることから、ガスタービン
の負荷状態に応じて最適な運転を行うことができる。

〔発明の効果〕

以上説明し次ように、本発明によれば、熱分解による生
成ガスの顕熱を有効に回収し、この回収熱によりガスタ
ービンの燃焼器に供給される高圧用空気な加熱している
ことから、ガスタービンプラントの熱効率を向上させる
ことができる。

また、熱分解炉の熱分解温度を制御して生成ガス発生′
ｉ１：および燃焼炉の燃焼排ガスの熱量を制御している
ことから、プラントの熱バランスを簡単に調整すること
ができ、こｎによってガスタービンプラントの熱効率を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の適用される一実施例のガスタービンプ
ラントの全体構成図である。 １２・・・熱分解炉、１４・・・燃焼炉、２４・・・原
料供給装置、４４・・・第１の高圧空気加熱器、４６・
・・洗浄塔、６０・・・燃焼器、６２・・・第２の高圧
空気加熱器、８０・・・ガスタービン。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）バイオ燃料と熱分解媒体とにより流動層を形成し
   てバイオ燃料を熱分解する熱分解炉と、この熱分解炉か
   ら連続的に抜き出され再び熱分解炉に循環送入される熱
   分解媒体を加熱する流動層型の燃焼炉と、前記熱分解炉
   で発生される生成ガスを洗浄する生成ガス洗浄装置と、
   この洗浄装置により洗浄された生成ガスを燃焼して空気
   圧縮機により昇圧された高圧空気を加熱する燃焼器と、
   この燃焼器により加熱昇温された高圧空気により駆動さ
   れるガスタービンと、を備えてなるバイオ燃料ガスター
   ビンプラントにおいて、前記燃焼器に流入される高圧空
   気の少なくとも一部を前記熱分解炉から送出される生成
   ガスにより加熱する高圧空気加熱器を設けたことを特徴
   とするバイオ燃料ガスタービンプラント。
2. （２）前記バイオ燃料は木材、泥炭あるいは褐炭または
   それらの混合物であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のバイオ燃料ガスタービンプラント。
3. （３）バイオ燃料と熱分解媒体とにより流動層を形成し
   てバイオ燃料を熱分解する熱分解炉と、この熱分解炉か
   ら連続的に抜き出され再び熱分解炉に循環送入される前
   記熱分解媒体を加熱する流動層型の燃焼炉と、前記熱分
   解炉で発生される生成ガスを洗浄するガス洗浄装置と、
   このガス洗浄装置により洗浄された生成ガスを燃焼して
   空気圧縮機により昇圧された高圧空気を加熱する燃焼器
   と、この燃焼器により加熱昇温された高圧空気により駆
   動されるガスタービンと、前記燃焼器に流入される高圧
   空気を前記熱分解炉から送出される生成ガスと前記燃焼
   炉から送出される燃焼排ガスにより加熱する第１と第２
   の高圧空気加熱器と、を備えてなるバイオ燃料ガスター
   ビンプラントの運転方法において、前記熱分解炉の熱分
   解温度を調節してガスタービンの駆動力を制御すること
   を含んでなることを特徴とするバイオ燃料ガスタービン
   プラントの運転方法。