ガス化炉およびこれを備えた石炭ガス化発電プラント
【課題】ガス化炉の製造コストおよびプラントの設置コストの低減が可能であり、プラント運転の信頼性の向上を図ることが可能なガス化炉およびこれを備えた石炭ガス化発電プラントを提供することを目的とする。
【解決手段】石炭のガス化を行うガス化炉本体１０と、ガス化炉本体１０により発生した生成ガス中のチャーを分離するサイクロン１１と、サイクロン１１によってチャーが分離された生成ガスと冷媒とが熱交換する熱交換器１２と、を備えることを特徴とする。
【解決手段】石炭のガス化を行うガス化炉本体１０と、ガス化炉本体１０により発生した生成ガス中のチャーを分離するサイクロン１１と、サイクロン１１によってチャーが分離された生成ガスと冷媒とが熱交換する熱交換器１２と、を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化炉およびこれを備えた石炭ガス化発電プラントに関し、特に、チャーをガス化炉圧力容器内で再循環させることに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、図２に示すように、乾式給炭空気吹きの石炭ガス化発電プラント５０に用いられている石炭ガス化炉５１は、石炭を不完全燃焼させてガス化している。石炭ガス化炉５１におけるガス化の際には、揮発分を放出した後の固形物がチャーとしてガス中に残存する。残存したチャーは、石炭ガス化炉５１により発生した生成ガスと共に導出されて石炭ガス化炉５１の下流側に設けられているチャー回収設備５２によって捕集される。チャー回収設備５２によって捕集されたチャーは、石炭ガス化炉５１内に再循環され、この循環を繰り返すうちに石炭ガス化炉５１内で徐々にガス化される。一方、石炭ガス化炉５１においてガス化されて生成された生成ガスは、ガスタービン燃焼器５３において燃焼され、ガスタービン燃焼器５３から排出される排ガスによってガスタービン５４が駆動する。ガスタービン５４が駆動されることによって、ガスタービン５４に接続されている発電機５５が電気を発生する。これにより、石炭ガス化発電プラント５０は、発電することになる。
【０００３】
特許文献１には、石炭ガス化炉本体と、石炭ガス化炉本体において石炭がガス化され発生した生成ガスと熱交換する熱交換器と、熱交換器によって温度が下げられた生成ガス中のチャーを分離するサイクロンと、サイクロンによってチャーが分離された生成ガスと熱交換させて生成ガスの温度を下げる熱交換器とを備える石炭ガス化炉が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５９−１６１４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、空気吹きの石炭ガス化炉５１（図２参照）には、生成した生成ガスを冷却するために熱交換器５６が設けられおり、熱交換器５６がチャーを含んだ生成ガスによって閉塞することを防止するためにベアチューブが用いられているため、熱交換器５６自体が大型化する。熱交換器５６が大型化するため熱交換器５６を備えている石炭ガス化炉５１自体も大型化して、石炭ガス化炉５１の製造コストがかかるという問題があった。
【０００６】
また、チャー回収設備５２は、生成ガスによる高温硫化腐食を防止するために、炭素鋼とステンレスとを張り合わせた耐腐食材料によって製造されているため、チャー回収設備５２が高価となり、石炭ガス化発電プラント５０の設置コストが上昇するという問題があった。
また、チャーを回収しない場合は、廃棄処分をする処理コストがかかるという問題があった。
【０００７】
特許文献１に記載の発明は、サイクロンの上流側にガスクーラーを設けて壁面に耐火材を使用しない構造となっているため、サイクロンの上流側に設けられているガスクーラーが大型化し、石炭ガス化炉自体も大型化する。そのため、ガス化炉の製造コストがかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ガス化炉の製造コストおよびプラントの設置コストの低減が可能であり、プラント運転の信頼性の向上を図ることが可能なガス化炉およびこれを備えた石炭ガス化発電プラントを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のガス化炉およびこれを備えた石炭ガス化発電プラントは、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るガス化炉によれば、石炭のガス化を行うガス化炉本体と、該ガス化炉本体により発生した生成ガス中のチャーを分離するサイクロンと、該サイクロンによってチャーが分離された生成ガスと冷媒とが熱交換する熱交換器と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
従来、ガス化炉本体によってガス化された生成ガスは、熱交換器によって温度が下げられてガス化炉から吐出される。この吐出される生成ガスには、多くのチャーが含まれている。そのため、生成ガスを冷却する熱交換器には、チャーによる閉塞を避けるためにベアチューブ式が用いられている。ベアチューブ式を用いるため、熱交換器が大型化する。
【００１１】
そこで、熱交換器の上流側にサイクロンを設けるガス化炉とすることとした。これにより、熱交換器には、サイクロンによって大部分のチャーが分離された生成ガスを導くことができる。そのため、熱交換器をフィン式とすることができ、熱交換器を小型化することができる。したがって、ガス化炉の製造コストを削減することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係るガス化炉によれば、前記ガス化炉本体および前記サイクロンが同一の圧力容器に格納され、前記サイクロンによって分離されたチャーが前記圧力容器内で前記ガス化炉本体へと循環されることを特徴とする。
【００１３】
サイクロンとガス化炉本体とを、同一の圧力容器内に格納することとした。そのため、サイクロンとガス化炉本体との圧力差が小さくなり、チャーを再循環させるため再加圧する必要が無くなり、そのための耐腐食材料でできた機器や容器を不要とすることができる。したがって、ガス化炉の製作コストを削減することができる。
また、再循環されるチャーの熱エネルギーを維持したままガス化炉本体へと導くことができる。したがって、ガス化炉における発熱量の低減を防止して、チャーおよび石炭をガス化する効率を高めることができる。
【００１４】
さらに、本発明に係る石炭ガス化発電プラントによれば、上記のいずれかに記載のガス化炉と、該ガス化炉によってガス化された生成ガスを燃焼するガスタービン燃焼器と、該ガスタービン燃焼器から排出される排ガスによって駆動されるタービンと、該タービンが接続される回転軸と、を有するガスタービンと、前記回転軸端に接続されて該回転軸が回転駆動されることによって電気を発生する発電機と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
従来は、ガス化炉によってガス化された生成ガス中のチャーを回収するために、チャー回収装置を別途設けていた。このチャー回収装置は、チャーを随伴している生成ガスによる高温硫化腐食を防ぐために、炭素鋼とステンレスとを張り合わせた耐腐食材料によって製造されている。
【００１６】
そこで、サイクロンにおいて分離したチャーをそのままサイクロンからガス化炉本体へと再循環させるガス化炉を用いることとした。そのため、チャーを回収するための機器を別途設ける必要がない。したがって、石炭ガス化発電プラントの設置コストを低減することができる。
また、石炭ガス化発電プラント内の機器数を減らすことができるので、石炭ガス化発電プラントの運転の信頼性を向上させることができる。
【００１７】
さらに、本発明に係る石炭ガス化発電プラントによれば、前記ガス化炉と前記ガスタービンとの間には、生成ガスからチャーをろ過するフィルタが設けられることを特徴とする。
【００１８】
サイクロンによって生成ガス中のチャーの大半を分離して、分離されたチャーをそのままガス化炉本体へと再循環させてガス化することとした。これにより、フィルタによって捕捉されるチャーの量はわずかとなる。そのため、フィルタによって捕捉されるチャーを廃棄処分しても処理費用が少なくて済むため、ガス化炉にリサイクルする必要はない。したがって、経済性の優れた石炭ガス化発電プラントにすることができる。
また、石炭のガス化効率を向上させることができるので、石炭ガス化発電プラントの効率も向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
熱交換器の上流側にサイクロンを設けるガス化炉とすることとした。これにより、熱交換器には、サイクロンによって大半のチャーが分離された生成ガスを導くことができる。そのため、熱交換器チューブをフィン式とすることができ、熱交換器を小型化することができる。したがって、ガス化炉の製造コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス化炉を備えた石炭ガス化発電プラントの概略構成図である。
【図２】従来の石炭ガス化炉を備えた石炭ガス化発電プラントの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１には、本発明の一実施形態に係るガス化炉を備えた石炭ガス化発電プラントの概略構成図が示されている。
図１に示されているように、微粉炭（石炭）を燃料とする石炭ガス化複合発電プラント（石炭ガス化発電プラント）１は、主として、石炭供給機器２と、石炭供給機器２から供給された石炭をガス化する石炭ガス化炉（ガス化炉）３と、石炭ガス化炉３から導かれた生成ガス中のチャーを分離するポーラスフィルタ(フィルタ)４と、ポーラスフィルタ４によってチャーが分離された生成ガスを燃焼して駆動されるガスタービン（図示せず）と、ガスタービンから導出される排ガスの熱を利用して発生した蒸気が導かれる蒸気タービン（図示せず）と、ガスタービンおよび蒸気タービンによって駆動される発電機（図示せず）とを備えている。
【００２２】
石炭供給設備２は、石炭ガス化炉３の上流側に設けられており、石炭ガス化炉３へと微粉炭を供給する。石炭供給機器２は、原料炭を微粉砕する微粉炭機（図示せず）と、微粉炭を微粉炭乾燥ガスから分離するバグフィルタ５と、微粉炭を貯蔵する微粉炭ビン６および微粉炭供給ホッパ７とを備えている。
【００２３】
微粉炭機へと導かれた原料炭は、数μｍ〜数百μｍの微粉炭に粉砕される。微粉炭機が粉砕した微粉炭は、バグフィルタ５と、微粉炭を一時貯蔵する微粉炭ビン６を経て、微粉炭を加圧供給する微粉炭供給ホッパ７へと導かれる。
【００２４】
微粉炭供給ホッパ７内の微粉炭は、空気から窒素と酸素とを分離する空気分離装置（図示せず）によって分離された窒素ガスによって加圧され、さらに一定流量ずつ石炭ガス化炉３へと搬送される。ここで、窒素ガスは、微粉炭を加圧し、かつ、石炭ガス化炉３へと搬送する加圧及び搬送ガスとして用いられる。
【００２５】
石炭ガス化炉３は、下方から上方へとガスが流されるように形成された石炭ガス化炉本体１０と、石炭ガス化炉本体１０から導出された生成ガス中のチャーを分離するサイクロン１１と、サイクロン１１の下流側に接続されて上方から下方へとガスが流されるように形成された熱交換器１２とを備えている。
石炭ガス化炉本体１０には、下方から、コンバスタ（図示せず）及びリダクタ（図示せず）が設けられている。コンバスタは、微粉炭及びチャーの一部分を燃焼させ、残りは熱分解により揮発分（一酸化炭素、水素、低級炭化水素）として放出させる部分である。コンバスタには、噴流床が採用されている。しかし、流動床式や固定床式であっても構わない。
【００２６】
コンバスタ及びリダクタには、それぞれ、コンバスタバーナー（図示せず）及びリダクタバーナー（図示せず）が設けられている。これらのバーナーに対して微粉炭供給ホッパ７から微粉炭が供給される。
コンバスタバーナーには、後述するガスタービンの圧縮機（図示せず）によって圧縮された空気が供給されるようになっている。ここで、圧縮機から供給される空気は、ガス化剤として用いられる。
【００２７】
リダクタでは、コンバスタからの高温ガスによって微粉炭がガス化される。これにより、微粉炭から一酸化炭素や水素等の可燃性の生成ガスが生成される。石炭ガス化反応は、微粉炭及びチャー中の炭素が高温ガス中の二酸化炭素及び水分と反応して一酸化炭素や水素を生成する吸熱反応である。
【００２８】
石炭ガス化炉本体１０のリダクタにおいて生成された生成ガスは、サイクロン１１へと導かれる。サイクロン１１は、生成ガスが通過することによって生成ガス中に混在するチャーの、例えば９５％を分離する。サイクロン１１によって分離されたチャーは、再循環路１３を経て石炭ガス化炉本体１０内へと再循環される。
【００２９】
サイクロン１１によってチャーが分離された生成ガスは、熱交換器１２へと導かれる。
熱交換器１２に導かれた生成ガスは、熱交換器１２に導かれている冷媒である水と熱交換する。水と熱交換することによって、生成ガスは温度が低下する。温度が低下した生成ガスは、石炭ガス化炉３から導出される。
一方、熱交換器１２において、生成ガスと熱交換した水は、蒸気とされて後述する蒸気タービンへと導かれる。
【００３０】
石炭ガス化炉３から導出された生成ガスは、ポーラスフィルタ４へと導かれる。ポーラスフィルタ４は、石炭ガス化炉３のサイクロン１１によって分離されなかった生成ガス中の残りのチャーを精密にろ過して捕捉するものである。ポーラスフィルタ４によって捕捉された少量のチャーは廃棄処分される。
【００３１】
ポーラスフィルタ４を通過した生成ガスは、最終的にガスタービンへと導かれる。ガスタービンに導かれた生成ガスは、ガスタービン燃焼器（図示せず）へと送られる。ガスタービンは、ガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器から排出された排ガスによって駆動されるタービン（図示せず）と、ガスタービン燃焼器へと高圧空気を送り出す圧縮機とを備えている。
【００３２】
ガスタービン燃焼器では、導かれた生成ガスと、後述する圧縮空気とが燃焼されて排ガスが排出される。ガスタービン燃焼器から排出された排ガスは、タービンへと導かれ、タービンを回転駆動する。タービンが排ガスによって駆動されることによって、タービンに接続されている回転軸（図示せず）が回転駆動される。
【００３３】
回転軸が回転駆動されることによって、回転軸上に設けられている圧縮機が回転駆動して空気を圧縮する。圧縮機によって圧縮された空気は、石炭ガス化炉３およびガスタービン燃焼器へと導かれる。
【００３４】
圧縮機およびタービンが設けられている回転軸端には、発電機が接続されている。そのため、タービンの回転駆動に伴い回転軸が回転駆動することによって、発電機が駆動して電気を発生する。
【００３５】
タービンを回転駆動させた排ガスは、排熱回収ボイラ（図示せず）へと導かれる。排熱回収ボイラは、タービンから導かれた排ガスの熱によって蒸気を発生するものである。排熱回収ボイラにおいて熱を与えた排ガスは、煙突（図示せず）から石炭ガス化複合発電プラント１の外へと排出される。
【００３６】
排熱回収ボイラにおいてタービンから導かれた高温の排ガスによって発生された蒸気は、蒸気タービン（図示せず）へと供給される。蒸気タービンは、ガスタービンと同回転軸に接続されており、いわゆる一軸式のコンバインドシステムとなっている。なお、一軸式のコンバインドシステムに限らず、別軸式のコンバインドシステムであっても構わない。
【００３７】
ガスタービンによって駆動されている回転軸は、蒸気タービンによって駆動力が増加する。そのため、回転軸が接続されている発電機の発電量が増加する。
蒸気タービンを回転駆動した蒸気は、復水器（図示せず）へと導かれる。蒸気タービンを回転駆動した蒸気は、復水器によって冷却されて水に戻される。復水器によって戻された水は、排熱回収ボイラおよび石炭ガス化炉３の熱交換器１２へと導かれる。
【００３８】
次に本実施形態に係る石炭ガス化炉について説明する。
石炭ガス化炉３は、石炭ガス化炉本体１０と、サイクロン１１と、熱交換器１２とを備えている。また、石炭ガス化炉本体１０と、サイクロン１１と、後述する再循環路１３とは、１つの圧力容器（図示せず）内に格納されている。石炭ガス化炉本体１０およびサイクロン１１を格納している圧力容器は、熱交換器１２と連通している。
【００３９】
石炭ガス化炉本体１０は、石炭ガス化炉３に供給された微粉炭をガス化するものである。
石炭ガス化炉本体１０内でガス化された生成ガスは、石炭ガス化炉本体１０の内部を下方から上方へと流れる。石炭ガス化炉本体１０内を流れる生成ガスは、石炭ガス化炉本体１０の上部からサイクロン１１へと導かれる。
【００４０】
サイクロン１１は、石炭ガス化炉本体１０において発生した生成ガス中のチャーを分離するものである。生成ガス中のチャーは、サイクロン１１によって大半が分離される。生成ガスから分離されたチャーは、サイクロン１１の下部に接続されている再循環路１３から石炭ガス化炉本体１０へと循環される。
【００４１】
再循環路１３は、サイクロン１１の下部から下方に延在し、途中位置で石炭ガス化炉本体１０に向かって横向きになるように向きが変えられている。再循環路１３の向きが変わった位置には、ノズル（図示せず）が設けられており、石炭ガス化炉３外から窒素ガスが導入される。これにより、窒素ガスの噴流にのったチャーがサイクロン１１から再循環路１３を経て石炭ガス化炉本体１０へと搬送される。
【００４２】
サイクロン１１から石炭ガス化炉本体１０へのチャーの循環は、サイクロン１１および石炭ガス化炉本体１０を格納している圧力容器内で行われる。そのため、サイクロン１１と石炭ガス化炉本体１０との圧力差が小さくなる。
【００４３】
一方、サイクロン１１によってチャーが分離された生成ガスは、サイクロン１１の上部に接続されている熱交換器１２へと導かれる。熱交換器１２は、フィンチューブ式である。熱交換器１２には、上方から下方へと生成ガスが流れる。熱交換器１２は、サイクロン１１から導かれた生成ガスから顕熱を得て蒸気を発生させるようになっている。熱交換器１２において発生した蒸気は、主として、蒸気タービンの駆動用蒸気として用いられる。
【００４４】
圧力容器は、その内部に石炭ガス化炉本体１０、サイクロン１１および再循環路１３が格納され、残りの空間には窒素が満たされたアニュラス構造となっている。石炭ガス化炉本体１０内、サイクロン１１内、熱交換器１２内に対して、圧力容器内の圧力が若干高くなるように維持されている。これにより、もし石炭ガス化炉本体１０、サイクロン１１および再循環路１３の壁面になんらかの原因で開口を生じても、内部を流れる高温の生成ガスがアニュラスへ流れ出ることはなく、圧力容器の内面が高温の生成ガスに決して晒されることがない、本質安全な構造となっている。
【００４５】
以上の通り、本実施形態に係るガス化炉およびこれを備えた石炭ガス化発電プラントによれば、以下の作用効果を奏する。
熱交換器１２の上流側にサイクロン１１を設けている石炭ガス化炉（ガス化炉）３とすることとした。これにより、熱交換器１２には、サイクロン１１によって大部分のチャーが分離された生成ガスを導くことができる。そのため、熱交換器１２をフィンチューブ（フィン）式とすることができ、熱交換器１２を小型化することができる。したがって、石炭ガス化炉３を小型化することができ、石炭ガス化炉３の製造コストを削減することができる。
【００４６】
サイクロン１１と石炭ガス化炉本体（ガス化炉本体）１０とは、同一の圧力容器内に格納することとした。そのため、サイクロン１１と石炭ガス化炉本体１０との圧力差が小さくなり、チャーを再循環させるため再加圧する必要が無くなり、そのための耐腐食材料でできた機器や容器を不要とすることができる。したがって、石炭ガス化炉３の製作コストを削減することができる。
【００４７】
また、再循環されるチャーの熱エネルギーを維持したまま石炭ガス化炉本体１０へとチャーを導くことができる。したがって、石炭ガス化炉３における発熱量の低減を防止して、石炭のガス化効率を高めることができる。
【００４８】
サイクロン１１において分離したチャーをそのままサイクロン１１から石炭ガス化炉本体１０へと再循環させる石炭ガス化炉３を用いることとした。そのため、チャーを回収するための機器を別途設ける必要がない。したがって、石炭ガス化複合発電プラント（石炭ガス化発電プラント）１の設置コストを低減することができる。
また、石炭ガス化複合発電プラント１内の機器数を減らすことができるので、石炭ガス化複合発電プラント１の運転の信頼性を向上させることができる。
【００４９】
サイクロン１１によって生成ガス中のチャーの大半を分離して、分離されたチャーをそのまま石炭ガス化炉本体１０へと再循環させてガス化する石炭ガス化炉３を用いることとした。これにより、ポーラスフィルタ（フィルタ）４によって捕捉されるチャーの量はわずかとなる。そのため、ポーラスフィルタ４によって捕捉されるチャーを石炭ガス化炉３にリサイクルする必要が無くなり、廃棄処分とすることができる。また、廃棄処分する処理費用を低減することができる。したがって、経済性の優れた石炭ガス化複合発電プラント１にすることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 石炭ガス化発電プラント（石炭ガス化複合発電プラント）
３ ガス化炉（石炭ガス化炉）
１０ ガス化炉本体（石炭ガス化炉本体）
１１ サイクロン
１２ 熱交換器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化炉およびこれを備えた石炭ガス化発電プラントに関し、特に、チャーをガス化炉圧力容器内で再循環させることに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、図２に示すように、乾式給炭空気吹きの石炭ガス化発電プラント５０に用いられている石炭ガス化炉５１は、石炭を不完全燃焼させてガス化している。石炭ガス化炉５１におけるガス化の際には、揮発分を放出した後の固形物がチャーとしてガス中に残存する。残存したチャーは、石炭ガス化炉５１により発生した生成ガスと共に導出されて石炭ガス化炉５１の下流側に設けられているチャー回収設備５２によって捕集される。チャー回収設備５２によって捕集されたチャーは、石炭ガス化炉５１内に再循環され、この循環を繰り返すうちに石炭ガス化炉５１内で徐々にガス化される。一方、石炭ガス化炉５１においてガス化されて生成された生成ガスは、ガスタービン燃焼器５３において燃焼され、ガスタービン燃焼器５３から排出される排ガスによってガスタービン５４が駆動する。ガスタービン５４が駆動されることによって、ガスタービン５４に接続されている発電機５５が電気を発生する。これにより、石炭ガス化発電プラント５０は、発電することになる。
【０００３】
特許文献１には、石炭ガス化炉本体と、石炭ガス化炉本体において石炭がガス化され発生した生成ガスと熱交換する熱交換器と、熱交換器によって温度が下げられた生成ガス中のチャーを分離するサイクロンと、サイクロンによってチャーが分離された生成ガスと熱交換させて生成ガスの温度を下げる熱交換器とを備える石炭ガス化炉が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５９−１６１４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、空気吹きの石炭ガス化炉５１（図２参照）には、生成した生成ガスを冷却するために熱交換器５６が設けられおり、熱交換器５６がチャーを含んだ生成ガスによって閉塞することを防止するためにベアチューブが用いられているため、熱交換器５６自体が大型化する。熱交換器５６が大型化するため熱交換器５６を備えている石炭ガス化炉５１自体も大型化して、石炭ガス化炉５１の製造コストがかかるという問題があった。
【０００６】
また、チャー回収設備５２は、生成ガスによる高温硫化腐食を防止するために、炭素鋼とステンレスとを張り合わせた耐腐食材料によって製造されているため、チャー回収設備５２が高価となり、石炭ガス化発電プラント５０の設置コストが上昇するという問題があった。
また、チャーを回収しない場合は、廃棄処分をする処理コストがかかるという問題があった。
【０００７】
特許文献１に記載の発明は、サイクロンの上流側にガスクーラーを設けて壁面に耐火材を使用しない構造となっているため、サイクロンの上流側に設けられているガスクーラーが大型化し、石炭ガス化炉自体も大型化する。そのため、ガス化炉の製造コストがかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ガス化炉の製造コストおよびプラントの設置コストの低減が可能であり、プラント運転の信頼性の向上を図ることが可能なガス化炉およびこれを備えた石炭ガス化発電プラントを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のガス化炉およびこれを備えた石炭ガス化発電プラントは、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るガス化炉によれば、石炭のガス化を行うガス化炉本体と、該ガス化炉本体により発生した生成ガス中のチャーを分離するサイクロンと、該サイクロンによってチャーが分離された生成ガスと冷媒とが熱交換する熱交換器と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
従来、ガス化炉本体によってガス化された生成ガスは、熱交換器によって温度が下げられてガス化炉から吐出される。この吐出される生成ガスには、多くのチャーが含まれている。そのため、生成ガスを冷却する熱交換器には、チャーによる閉塞を避けるためにベアチューブ式が用いられている。ベアチューブ式を用いるため、熱交換器が大型化する。
【００１１】
そこで、熱交換器の上流側にサイクロンを設けるガス化炉とすることとした。これにより、熱交換器には、サイクロンによって大部分のチャーが分離された生成ガスを導くことができる。そのため、熱交換器をフィン式とすることができ、熱交換器を小型化することができる。したがって、ガス化炉の製造コストを削減することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係るガス化炉によれば、前記ガス化炉本体および前記サイクロンが同一の圧力容器に格納され、前記サイクロンによって分離されたチャーが前記圧力容器内で前記ガス化炉本体へと循環されることを特徴とする。
【００１３】
サイクロンとガス化炉本体とを、同一の圧力容器内に格納することとした。そのため、サイクロンとガス化炉本体との圧力差が小さくなり、チャーを再循環させるため再加圧する必要が無くなり、そのための耐腐食材料でできた機器や容器を不要とすることができる。したがって、ガス化炉の製作コストを削減することができる。
また、再循環されるチャーの熱エネルギーを維持したままガス化炉本体へと導くことができる。したがって、ガス化炉における発熱量の低減を防止して、チャーおよび石炭をガス化する効率を高めることができる。
【００１４】
さらに、本発明に係る石炭ガス化発電プラントによれば、上記のいずれかに記載のガス化炉と、該ガス化炉によってガス化された生成ガスを燃焼するガスタービン燃焼器と、該ガスタービン燃焼器から排出される排ガスによって駆動されるタービンと、該タービンが接続される回転軸と、を有するガスタービンと、前記回転軸端に接続されて該回転軸が回転駆動されることによって電気を発生する発電機と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
従来は、ガス化炉によってガス化された生成ガス中のチャーを回収するために、チャー回収装置を別途設けていた。このチャー回収装置は、チャーを随伴している生成ガスによる高温硫化腐食を防ぐために、炭素鋼とステンレスとを張り合わせた耐腐食材料によって製造されている。
【００１６】
そこで、サイクロンにおいて分離したチャーをそのままサイクロンからガス化炉本体へと再循環させるガス化炉を用いることとした。そのため、チャーを回収するための機器を別途設ける必要がない。したがって、石炭ガス化発電プラントの設置コストを低減することができる。
また、石炭ガス化発電プラント内の機器数を減らすことができるので、石炭ガス化発電プラントの運転の信頼性を向上させることができる。
【００１７】
さらに、本発明に係る石炭ガス化発電プラントによれば、前記ガス化炉と前記ガスタービンとの間には、生成ガスからチャーをろ過するフィルタが設けられることを特徴とする。
【００１８】
サイクロンによって生成ガス中のチャーの大半を分離して、分離されたチャーをそのままガス化炉本体へと再循環させてガス化することとした。これにより、フィルタによって捕捉されるチャーの量はわずかとなる。そのため、フィルタによって捕捉されるチャーを廃棄処分しても処理費用が少なくて済むため、ガス化炉にリサイクルする必要はない。したがって、経済性の優れた石炭ガス化発電プラントにすることができる。
また、石炭のガス化効率を向上させることができるので、石炭ガス化発電プラントの効率も向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
熱交換器の上流側にサイクロンを設けるガス化炉とすることとした。これにより、熱交換器には、サイクロンによって大半のチャーが分離された生成ガスを導くことができる。そのため、熱交換器チューブをフィン式とすることができ、熱交換器を小型化することができる。したがって、ガス化炉の製造コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス化炉を備えた石炭ガス化発電プラントの概略構成図である。
【図２】従来の石炭ガス化炉を備えた石炭ガス化発電プラントの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１には、本発明の一実施形態に係るガス化炉を備えた石炭ガス化発電プラントの概略構成図が示されている。
図１に示されているように、微粉炭（石炭）を燃料とする石炭ガス化複合発電プラント（石炭ガス化発電プラント）１は、主として、石炭供給機器２と、石炭供給機器２から供給された石炭をガス化する石炭ガス化炉（ガス化炉）３と、石炭ガス化炉３から導かれた生成ガス中のチャーを分離するポーラスフィルタ(フィルタ)４と、ポーラスフィルタ４によってチャーが分離された生成ガスを燃焼して駆動されるガスタービン（図示せず）と、ガスタービンから導出される排ガスの熱を利用して発生した蒸気が導かれる蒸気タービン（図示せず）と、ガスタービンおよび蒸気タービンによって駆動される発電機（図示せず）とを備えている。
【００２２】
石炭供給設備２は、石炭ガス化炉３の上流側に設けられており、石炭ガス化炉３へと微粉炭を供給する。石炭供給機器２は、原料炭を微粉砕する微粉炭機（図示せず）と、微粉炭を微粉炭乾燥ガスから分離するバグフィルタ５と、微粉炭を貯蔵する微粉炭ビン６および微粉炭供給ホッパ７とを備えている。
【００２３】
微粉炭機へと導かれた原料炭は、数μｍ〜数百μｍの微粉炭に粉砕される。微粉炭機が粉砕した微粉炭は、バグフィルタ５と、微粉炭を一時貯蔵する微粉炭ビン６を経て、微粉炭を加圧供給する微粉炭供給ホッパ７へと導かれる。
【００２４】
微粉炭供給ホッパ７内の微粉炭は、空気から窒素と酸素とを分離する空気分離装置（図示せず）によって分離された窒素ガスによって加圧され、さらに一定流量ずつ石炭ガス化炉３へと搬送される。ここで、窒素ガスは、微粉炭を加圧し、かつ、石炭ガス化炉３へと搬送する加圧及び搬送ガスとして用いられる。
【００２５】
石炭ガス化炉３は、下方から上方へとガスが流されるように形成された石炭ガス化炉本体１０と、石炭ガス化炉本体１０から導出された生成ガス中のチャーを分離するサイクロン１１と、サイクロン１１の下流側に接続されて上方から下方へとガスが流されるように形成された熱交換器１２とを備えている。
石炭ガス化炉本体１０には、下方から、コンバスタ（図示せず）及びリダクタ（図示せず）が設けられている。コンバスタは、微粉炭及びチャーの一部分を燃焼させ、残りは熱分解により揮発分（一酸化炭素、水素、低級炭化水素）として放出させる部分である。コンバスタには、噴流床が採用されている。しかし、流動床式や固定床式であっても構わない。
【００２６】
コンバスタ及びリダクタには、それぞれ、コンバスタバーナー（図示せず）及びリダクタバーナー（図示せず）が設けられている。これらのバーナーに対して微粉炭供給ホッパ７から微粉炭が供給される。
コンバスタバーナーには、後述するガスタービンの圧縮機（図示せず）によって圧縮された空気が供給されるようになっている。ここで、圧縮機から供給される空気は、ガス化剤として用いられる。
【００２７】
リダクタでは、コンバスタからの高温ガスによって微粉炭がガス化される。これにより、微粉炭から一酸化炭素や水素等の可燃性の生成ガスが生成される。石炭ガス化反応は、微粉炭及びチャー中の炭素が高温ガス中の二酸化炭素及び水分と反応して一酸化炭素や水素を生成する吸熱反応である。
【００２８】
石炭ガス化炉本体１０のリダクタにおいて生成された生成ガスは、サイクロン１１へと導かれる。サイクロン１１は、生成ガスが通過することによって生成ガス中に混在するチャーの、例えば９５％を分離する。サイクロン１１によって分離されたチャーは、再循環路１３を経て石炭ガス化炉本体１０内へと再循環される。
【００２９】
サイクロン１１によってチャーが分離された生成ガスは、熱交換器１２へと導かれる。
熱交換器１２に導かれた生成ガスは、熱交換器１２に導かれている冷媒である水と熱交換する。水と熱交換することによって、生成ガスは温度が低下する。温度が低下した生成ガスは、石炭ガス化炉３から導出される。
一方、熱交換器１２において、生成ガスと熱交換した水は、蒸気とされて後述する蒸気タービンへと導かれる。
【００３０】
石炭ガス化炉３から導出された生成ガスは、ポーラスフィルタ４へと導かれる。ポーラスフィルタ４は、石炭ガス化炉３のサイクロン１１によって分離されなかった生成ガス中の残りのチャーを精密にろ過して捕捉するものである。ポーラスフィルタ４によって捕捉された少量のチャーは廃棄処分される。
【００３１】
ポーラスフィルタ４を通過した生成ガスは、最終的にガスタービンへと導かれる。ガスタービンに導かれた生成ガスは、ガスタービン燃焼器（図示せず）へと送られる。ガスタービンは、ガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器から排出された排ガスによって駆動されるタービン（図示せず）と、ガスタービン燃焼器へと高圧空気を送り出す圧縮機とを備えている。
【００３２】
ガスタービン燃焼器では、導かれた生成ガスと、後述する圧縮空気とが燃焼されて排ガスが排出される。ガスタービン燃焼器から排出された排ガスは、タービンへと導かれ、タービンを回転駆動する。タービンが排ガスによって駆動されることによって、タービンに接続されている回転軸（図示せず）が回転駆動される。
【００３３】
回転軸が回転駆動されることによって、回転軸上に設けられている圧縮機が回転駆動して空気を圧縮する。圧縮機によって圧縮された空気は、石炭ガス化炉３およびガスタービン燃焼器へと導かれる。
【００３４】
圧縮機およびタービンが設けられている回転軸端には、発電機が接続されている。そのため、タービンの回転駆動に伴い回転軸が回転駆動することによって、発電機が駆動して電気を発生する。
【００３５】
タービンを回転駆動させた排ガスは、排熱回収ボイラ（図示せず）へと導かれる。排熱回収ボイラは、タービンから導かれた排ガスの熱によって蒸気を発生するものである。排熱回収ボイラにおいて熱を与えた排ガスは、煙突（図示せず）から石炭ガス化複合発電プラント１の外へと排出される。
【００３６】
排熱回収ボイラにおいてタービンから導かれた高温の排ガスによって発生された蒸気は、蒸気タービン（図示せず）へと供給される。蒸気タービンは、ガスタービンと同回転軸に接続されており、いわゆる一軸式のコンバインドシステムとなっている。なお、一軸式のコンバインドシステムに限らず、別軸式のコンバインドシステムであっても構わない。
【００３７】
ガスタービンによって駆動されている回転軸は、蒸気タービンによって駆動力が増加する。そのため、回転軸が接続されている発電機の発電量が増加する。
蒸気タービンを回転駆動した蒸気は、復水器（図示せず）へと導かれる。蒸気タービンを回転駆動した蒸気は、復水器によって冷却されて水に戻される。復水器によって戻された水は、排熱回収ボイラおよび石炭ガス化炉３の熱交換器１２へと導かれる。
【００３８】
次に本実施形態に係る石炭ガス化炉について説明する。
石炭ガス化炉３は、石炭ガス化炉本体１０と、サイクロン１１と、熱交換器１２とを備えている。また、石炭ガス化炉本体１０と、サイクロン１１と、後述する再循環路１３とは、１つの圧力容器（図示せず）内に格納されている。石炭ガス化炉本体１０およびサイクロン１１を格納している圧力容器は、熱交換器１２と連通している。
【００３９】
石炭ガス化炉本体１０は、石炭ガス化炉３に供給された微粉炭をガス化するものである。
石炭ガス化炉本体１０内でガス化された生成ガスは、石炭ガス化炉本体１０の内部を下方から上方へと流れる。石炭ガス化炉本体１０内を流れる生成ガスは、石炭ガス化炉本体１０の上部からサイクロン１１へと導かれる。
【００４０】
サイクロン１１は、石炭ガス化炉本体１０において発生した生成ガス中のチャーを分離するものである。生成ガス中のチャーは、サイクロン１１によって大半が分離される。生成ガスから分離されたチャーは、サイクロン１１の下部に接続されている再循環路１３から石炭ガス化炉本体１０へと循環される。
【００４１】
再循環路１３は、サイクロン１１の下部から下方に延在し、途中位置で石炭ガス化炉本体１０に向かって横向きになるように向きが変えられている。再循環路１３の向きが変わった位置には、ノズル（図示せず）が設けられており、石炭ガス化炉３外から窒素ガスが導入される。これにより、窒素ガスの噴流にのったチャーがサイクロン１１から再循環路１３を経て石炭ガス化炉本体１０へと搬送される。
【００４２】
サイクロン１１から石炭ガス化炉本体１０へのチャーの循環は、サイクロン１１および石炭ガス化炉本体１０を格納している圧力容器内で行われる。そのため、サイクロン１１と石炭ガス化炉本体１０との圧力差が小さくなる。
【００４３】
一方、サイクロン１１によってチャーが分離された生成ガスは、サイクロン１１の上部に接続されている熱交換器１２へと導かれる。熱交換器１２は、フィンチューブ式である。熱交換器１２には、上方から下方へと生成ガスが流れる。熱交換器１２は、サイクロン１１から導かれた生成ガスから顕熱を得て蒸気を発生させるようになっている。熱交換器１２において発生した蒸気は、主として、蒸気タービンの駆動用蒸気として用いられる。
【００４４】
圧力容器は、その内部に石炭ガス化炉本体１０、サイクロン１１および再循環路１３が格納され、残りの空間には窒素が満たされたアニュラス構造となっている。石炭ガス化炉本体１０内、サイクロン１１内、熱交換器１２内に対して、圧力容器内の圧力が若干高くなるように維持されている。これにより、もし石炭ガス化炉本体１０、サイクロン１１および再循環路１３の壁面になんらかの原因で開口を生じても、内部を流れる高温の生成ガスがアニュラスへ流れ出ることはなく、圧力容器の内面が高温の生成ガスに決して晒されることがない、本質安全な構造となっている。
【００４５】
以上の通り、本実施形態に係るガス化炉およびこれを備えた石炭ガス化発電プラントによれば、以下の作用効果を奏する。
熱交換器１２の上流側にサイクロン１１を設けている石炭ガス化炉（ガス化炉）３とすることとした。これにより、熱交換器１２には、サイクロン１１によって大部分のチャーが分離された生成ガスを導くことができる。そのため、熱交換器１２をフィンチューブ（フィン）式とすることができ、熱交換器１２を小型化することができる。したがって、石炭ガス化炉３を小型化することができ、石炭ガス化炉３の製造コストを削減することができる。
【００４６】
サイクロン１１と石炭ガス化炉本体（ガス化炉本体）１０とは、同一の圧力容器内に格納することとした。そのため、サイクロン１１と石炭ガス化炉本体１０との圧力差が小さくなり、チャーを再循環させるため再加圧する必要が無くなり、そのための耐腐食材料でできた機器や容器を不要とすることができる。したがって、石炭ガス化炉３の製作コストを削減することができる。
【００４７】
また、再循環されるチャーの熱エネルギーを維持したまま石炭ガス化炉本体１０へとチャーを導くことができる。したがって、石炭ガス化炉３における発熱量の低減を防止して、石炭のガス化効率を高めることができる。
【００４８】
サイクロン１１において分離したチャーをそのままサイクロン１１から石炭ガス化炉本体１０へと再循環させる石炭ガス化炉３を用いることとした。そのため、チャーを回収するための機器を別途設ける必要がない。したがって、石炭ガス化複合発電プラント（石炭ガス化発電プラント）１の設置コストを低減することができる。
また、石炭ガス化複合発電プラント１内の機器数を減らすことができるので、石炭ガス化複合発電プラント１の運転の信頼性を向上させることができる。
【００４９】
サイクロン１１によって生成ガス中のチャーの大半を分離して、分離されたチャーをそのまま石炭ガス化炉本体１０へと再循環させてガス化する石炭ガス化炉３を用いることとした。これにより、ポーラスフィルタ（フィルタ）４によって捕捉されるチャーの量はわずかとなる。そのため、ポーラスフィルタ４によって捕捉されるチャーを石炭ガス化炉３にリサイクルする必要が無くなり、廃棄処分とすることができる。また、廃棄処分する処理費用を低減することができる。したがって、経済性の優れた石炭ガス化複合発電プラント１にすることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 石炭ガス化発電プラント（石炭ガス化複合発電プラント）
３ ガス化炉（石炭ガス化炉）
１０ ガス化炉本体（石炭ガス化炉本体）
１１ サイクロン
１２ 熱交換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭のガス化を行うガス化炉本体と、
該ガス化炉本体により発生した生成ガス中のチャーを分離するサイクロンと、
該サイクロンによってチャーが分離された生成ガスと冷媒とが熱交換する熱交換器と、を備えるガス化炉。
【請求項２】
前記ガス化炉本体および前記サイクロンが同一の圧力容器に格納され、
前記サイクロンによって分離されたチャーが前記圧力容器内で前記ガス化炉本体へと循環される請求項１に記載のガス化炉。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガス化炉と、
該ガス化炉によってガス化された生成ガスを燃焼するガスタービン燃焼器と、該ガスタービン燃焼器から排出される排ガスによって駆動されるタービンと、該タービンが接続される回転軸と、を有するガスタービンと、
前記回転軸端に接続されて該回転軸が回転駆動されることによって電気を発生する発電機と、を備える石炭ガス化発電プラント。
【請求項４】
前記ガス化炉と前記ガスタービンとの間には、生成ガスからチャーをろ過するフィルタが設けられる請求項３に記載の石炭ガス化発電プラント。
【請求項１】
石炭のガス化を行うガス化炉本体と、
該ガス化炉本体により発生した生成ガス中のチャーを分離するサイクロンと、
該サイクロンによってチャーが分離された生成ガスと冷媒とが熱交換する熱交換器と、を備えるガス化炉。
【請求項２】
前記ガス化炉本体および前記サイクロンが同一の圧力容器に格納され、
前記サイクロンによって分離されたチャーが前記圧力容器内で前記ガス化炉本体へと循環される請求項１に記載のガス化炉。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガス化炉と、
該ガス化炉によってガス化された生成ガスを燃焼するガスタービン燃焼器と、該ガスタービン燃焼器から排出される排ガスによって駆動されるタービンと、該タービンが接続される回転軸と、を有するガスタービンと、
前記回転軸端に接続されて該回転軸が回転駆動されることによって電気を発生する発電機と、を備える石炭ガス化発電プラント。
【請求項４】
前記ガス化炉と前記ガスタービンとの間には、生成ガスからチャーをろ過するフィルタが設けられる請求項３に記載の石炭ガス化発電プラント。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−２０１９４５（Ｐ２０１１−２０１９４５Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６８０３７（Ｐ２０１０−６８０３７）
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
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