ガス化発電プラント
【課題】ガス化炉の暖機時間を短縮することが可能な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】炉内と熱交換する流体が流通する流体流通路１３１を有し、燃料をガス化して生成ガスを発生するガス化炉１０１と、ガス化炉１０１によって発生した生成ガス中に含まれる不純物を取り除くガス精製設備と、ガス精製設備により精製されたガスによって駆動されるガスタービンと、ガスタービンから導出された排気により流体を加熱する熱交換器と、を備え、ガス化炉１０１を暖機する際には、熱交換器により加熱された流体が加圧気体によって加圧されて流体流通路１３１へと供給されることを特徴とする。
【解決手段】炉内と熱交換する流体が流通する流体流通路１３１を有し、燃料をガス化して生成ガスを発生するガス化炉１０１と、ガス化炉１０１によって発生した生成ガス中に含まれる不純物を取り除くガス精製設備と、ガス精製設備により精製されたガスによって駆動されるガスタービンと、ガスタービンから導出された排気により流体を加熱する熱交換器と、を備え、ガス化炉１０１を暖機する際には、熱交換器により加熱された流体が加圧気体によって加圧されて流体流通路１３１へと供給され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、ガス化発電プラントに関し、特に、ガス化炉の暖機運転に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、石炭ガス化発電プラントにおいては、石炭をガス化炉でガス化して生成ガスにし、発生した生成ガスによってガスタービンを駆動し、ガスタービンに接続されている発電機を発電させている。石炭ガス化発電プラントの起動運転時にガス化炉を軽油や天然ガス等の起動用燃料を燃焼させて起動させることによって、起動用燃料から生成された生成ガス中に含まれている硫黄分によりガス化炉を構成している壁、節炭器、蒸発器等が酸露点腐食したり生成ガス中のダストが固着することを防止するために、ガス化炉内を露点温度以上に暖機（ウォーミング）している。
【０００３】
特許文献１には、暖機ガスである不活性ガスを用いてガス化炉内を暖機すると共に、排熱回収ボイラによって加熱した給水（以下、「高温水」という。）をガス化炉に循環させてガス化炉の壁、節炭器、蒸発器を内部から暖機してガス化炉の暖機運転時間を短縮することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６７６０２２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、特許文献１に記載の発明は、ガス化炉の暖機の際に、ガス化炉の壁、節炭器、蒸発器内の水の圧力が低い場合には、ガス化炉の壁、節炭器、蒸発器へと水を供給する缶水循環路に高温水を供給することによって、缶水循環路内にフラッシュ現象（減圧沸騰）が発生してエロージョンや過大な流速が生じる恐れがある。エロージョンや過大な流速の発生を防止するためには、缶水循環路に供給する高温水の流量に上限を設ける必要がありガス化炉の暖機時間を短縮できず石炭ガス化発電プラントの運用性を向上させることが出来ないという問題があった。
【０００６】
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、ガス化炉の暖機時間を短縮することが可能な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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の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発電プラントによれば、炉内と熱交換する流体が流通する流体流通路を有し、燃料をガス化して生成ガスを発生するガス化炉と、該ガス化炉によって発生した生成ガスから不純物を取り除くガス精製設備と、該ガス精製設備により精製されたガスによって駆動されるガスタービンと、該ガスタービンから導出された排気により流体を加熱する熱交換器と、を備え、前記ガス化炉を暖機する際には、加圧気体によって加圧された流体が導かれる前記流体流通路へと前記熱交換器により加熱された流体が供給されることを特徴とする。
【０００８】
この結果、ガス化炉の暖機の際には、加圧された流体と加熱された流体とを流体流通路に供給することで、流体流通路に生じるフラッシュ現象を防止することができ、加熱された流体の供給量を低下させることなく流体流通路へと供給することができる。したがって、ガス化炉の暖機時間を短縮することができ、ガス化発電プラントの運用性を向上することができる。
【０００９】
また、ガス化発電プラントの起動運転時は、ガスタービンに起動用燃料が別途供給される。これによりガスタービンは、起動運転を開始するが、本発明では、ガス化炉の暖機を行う際に、加圧された流体と加熱された流体とを流体流通路に供給することとしたため、ガス化炉の暖機時間の短縮を図ることが可能となり、ガス化炉で生成ガスを発生させてガスタービンへと早期に供給することができる。したがって、ガスタービンの起動用燃料の消費を低減することができ、ガス化発電プラントの起動運転時におけるコスト削減を図ることができる。
【００１０】
さらに、本発明に係るガス化発電プラントによれば、前記加圧された流体は、前記加熱された流体の飽和圧力以上に加圧されることを特徴とする。
【００１１】
ガス領域を介して飽和圧力以上に加圧された流体を流体流通路へと供給することにより、加圧された流体と加熱された流体とが合流し、流体流通路内の流体が過大流速になることを防ぐことができる。そのため、加熱された流体の供給量を制限する必要がなくなり供給量の上限を高くすることができる。したがって、ガス化炉の暖機時間を短縮して、ガス化発電プラントの運用性を向上することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係るガス化発電プラントによれば、前記流体流通路は、流体領域とガス領域とを有し、前記加圧気体は、前記ガス領域に供給されることを特徴とする。
【００１３】
流体流通路のガス領域に加圧気体を供給して流体流通路の流体領域の流体を加圧することにより、加圧された流体と加熱された流体とが合流した際に、流体流通路内の流体が過大流速になることを防ぐことができる。そのため、加熱された流体の供給量を制限する必要がなくなり供給量の上限を高くすることができる。したがって、ガス化炉の暖機時間を短縮して、ガス化発電プラントの運用性を向上することができる。
【００１４】
さらに、本発明に係るガス化発電プラントによれば、前記加圧気体は、非凝縮性気体であることを特徴とする。
【００１５】
非凝縮性気体を用いて加熱された流体に合流する流体を加圧することとした。また、非凝縮性気体は、凝縮してドレン化することがない。そのため、流体流通路に導かれる流体を飽和圧力以上に維持したままガス化炉を暖機することができる。従って、ガス化炉の暖機時間を短縮して、ガス化発電プラントの運用性を向上することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
ガス化炉の暖機の際には、加圧された流体と加熱された流体とを流体流通路に供給することとしたため、流体流通路に生じるフラッシュ現象を防止することができる。そのため、加熱された流体の供給量を低下させることなく加熱された流体を流体流通路へと供給することができため、ガス化炉の暖機時間の短縮を図ることが可能となる。また、ガス化炉の暖機時間が短縮されることにより、ガス化発電プラントの運用性を向上することができるとともに、ガス化炉で生成ガスを発生させてガスタービンへと早期に供給することが可能となる。よって、ガスタービンの起動用燃料の消費を低減することができ、ガス化発電プラントの起動運転時におけるコスト削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図である。
【図２】図１に示した石炭ガス化炉の暖機系統の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１には、本発明の一実施形態に係る石炭ガス化複合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、石炭を燃料とする石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ；Integrated Coal Gasification Combined Cycle）１００は、主として、石炭（燃料）をガス化する石炭ガス化炉（ガス化炉）１０１と、石炭ガス化炉１０１によってガス化された生成ガスからダストおよび硫黄分を取り除くガス精製設備（図示せず）と、ガス精製設備によって精製された精製ガスを燃焼して駆動されるガスタービン１０６と、ガスタービン１０６から導出される排ガス（排気）の熱を回収する排熱回収ボイラ(熱交換器)１０７と、排熱回収ボイラ１０７により発生した蒸気が導かれる蒸気タービン１０９と、ガスタービン１０６および蒸気タービン１０９によって駆動される発電機（図示せず）とを備えている。
【００１９】
石炭ガス化炉１０１は、図示しない石炭供給経路から供給された燃料である石炭をガス化して生成ガスを発生するものである。また、石炭ガス化炉１０１は、壁部に設けられている水管１５４（図２参照）等に水（流体）を流動させて蒸気を発生する。この例では、石炭ガス化炉１０１は、石炭ガス化炉循環水ポンプ１０３（図１では、１台のみを示す。）を有する、いわゆる強制循環型ボイラとされる。
【００２０】
石炭ガス化炉１０１は、下方から上方へと生成した生成ガスが導かれるように石炭ガス化炉１０１の上流側に形成された石炭ガス化部（図示せず）と、石炭ガス化炉１０１の下流側に接続されて、生成ガスが上流側から下流側へと導かれる順に、蒸発器１５１、過熱器（図示せず）、節炭器１５３とを備えている。生成ガスは、蒸発器１５１、過熱器、節炭器１５３を通過する際に、蒸発器１５１、過熱器、節炭器１５３各々において熱交換が行われる。石炭ガス化部は、蒸発器１５１、過熱器、節炭器１５３と共に石炭ガス化炉圧力容器１０２内に格納されている。これにより、生成ガスが石炭ガス化炉圧力容器１０２外へと流出することが防止されている。
【００２１】
石炭ガス化部には、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、石炭及びチャーの一部分を燃焼させている。コンバスタには、噴流床が採用されているが、流動床式や固定床式であっても構わない。
【００２２】
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石炭供給経路から石炭が供給される。
コンバスタバーナーには、後述するガスタービン１０６の圧縮機（図示せず）により圧縮された空気が供給されるようになっている。すなわち、本実施形態の石炭ガス化複合発電プラント（ガス化発電プラント）１００は、いわゆる空気吹きとなっている。ここで、ガスタービン１０６の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。
【００２３】
リダクタは、コンバスタから導かれた高温のガスによって石炭をガス化させている。これにより、石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、石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。
【００２４】
蒸発器１５１には、石炭ガス化炉循環水ポンプ１０３から水が供給される。蒸発器１５１に供給された水は、リダクタから導かれた高温の生成ガスと熱交換することによって蒸気とされ、気水分離器であり、且つ、ガス領域および水領域（流体領域）を有する石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２へと導かれる。
因みに、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内の水を有する範囲を水領域といい、水を有しない範囲をガス領域という。
【００２５】
過熱器には、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内で水分が分離されたことによって発生した蒸気が導かれる。過熱器に導かれた蒸気は、高温の生成ガスと熱交換することによって過熱蒸気とされて蒸気タービン１０９へと導かれる。
【００２６】
節炭器１５３には、高圧給水ポンプ１１３によって昇圧された水が供給される。節炭器１５３に供給された水は、蒸発器１５１および過熱器に熱を与えることによって温度が低下した生成ガスと熱交換することによって温度が上昇する。温度が上昇した水は、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２へと導かれる。
【００２７】
蒸発器１５１、過熱器、節炭器１５３を通過して温度が下げられた生成ガスには、不純物であるダストや、硫化水素または硫化カルボニルといった硫黄化合物が含まれており、ダスト及び硫黄化合物を含む生成ガスを石炭ガス化炉１０１からガス精製設備へと導く。ちなみに、ガス精製設備は、脱塵装置１０４と、脱硫装置１０５とを備えている。
【００２８】
脱塵装置１０４は、生成ガス中の不純物であるダストを取り除くものである。脱硫装置１０５は、生成ガス中の不純物である硫黄化合物を取り除くものである。生成ガスは、脱塵装置１０４および脱硫装置１０５により、脱塵と脱硫とが行われて精製されたクリーンな精製ガスとしてガスタービン１０６へと導かれる。
【００２９】
ガスタービン１０６に導かれた精製ガスは、まず、ガスタービン１０６に設けられている燃焼器（図示せず）へと送られる。ガスタービン１０６は、燃焼器と、燃焼器によって燃焼された排ガスによって駆動されるタービン（図示せず）と、燃焼器へと高圧の空気を送り出す圧縮機（図示せず）とを備えている。
【００３０】
燃焼器では、導かれた精製ガスと、空気とが燃焼されて排ガス（排気）が排出される。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させる。タービンが排ガスによって回転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）が回転される。回転されている回転軸上には、圧縮機が接続されており、圧縮機は、回転軸が回転されることによって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、燃焼器と石炭ガス化炉１０１とに導かれる。また、回転軸には、発電機が接続されているため、回転軸を回転させることによって、発電機が駆動して発電する。
【００３１】
ガスタービン１０６を回転駆動させた排ガスは、排熱回収ボイラ１０７へと導かれる。排熱回収ボイラ１０７は、ガスタービン１０６から導かれた排ガスの熱によって過熱蒸気を発生するものである。排熱回収ボイラ１０７において熱が回収された排ガスは、煙突１０８から石炭ガス化複合発電プラント１００の外へと排出される。
【００３２】
排熱回収ボイラ１０７において発生された過熱蒸気は、蒸気タービン１０９へと導かれる。また、蒸気タービン１０９には、前述した石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２および過熱器から過熱蒸気が導かれる。蒸気タービン１０９は、ガスタービン１０６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。
【００３３】
ガスタービン１０６によって駆動されている回転軸は、蒸気タービン１０９に蒸気が導かれることによって更に駆動力が増加する。そのため、回転軸に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１０９を回転駆動した蒸気は、復水器１１１へと導かれる。復水器１１１に導かれた蒸気は、海水によって冷却されて水（復水）に戻される。復水は、低圧給水ポンプ１１２によって排熱回収ボイラ１０７へと給水され、排熱回収ボイラ１０７に導かれた排ガスによって高温の水になる。高温の水の一部は、高圧給水ポンプ１１３によってウォーミング給水（加熱流体）１３５として後述する缶水循環経路１３１（図２参照）へと給水され、残りは排熱回収ボイラ１０７内へ再度導かれて過熱蒸気とされる。
【００３４】
次に、石炭ガス化炉の暖機の方法について図２を用いて説明する。
図２には、石炭ガス化炉の暖機系統が示されている。
石炭ガス化炉１０１の暖機系統は、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２から石炭ガス化炉１０１の壁部に設けられている水管１５４に水を導く缶水循環経路（流体流通路）１３１と、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２にて発生した蒸気を、図示しない過熱器へ導く過熱器入口管１３４と、缶水循環経路１３１の一部から分岐された水を節炭器１５３へと導く節炭器循環経路１３２と、缶水循環経路１３１の一部からさらに分岐された水を蒸発器１５１へと導く蒸発器循環経路１３３とを備えている。
【００３５】
また、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２に接続されている缶水循環経路１３１には、前述した排熱回収ボイラ１０７（図１参照）の一部から導かれた、例えば、約１００℃に加熱された暖気用の給水（以下、「ウォーミング給水」という。）１３５が合流されている。ウォーミング給水（加熱流体）１３５が合流した缶水循環経路１３１内の水は、石炭ガス化炉循環水ポンプ１０３によって昇圧される。昇圧された水は、缶水循環経路１３１と、缶水循環経路１３１から分岐している節炭器循環経路１３２および蒸発器循環経路１３３を経て石炭ガス化炉１０１に設けられている水管１５４、節炭器１５３、蒸発器１５１へと供給される。
なお、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２に接続されている過熱器入口管１３４は、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内の水が気水分離されることにより発生した飽和蒸気を過熱器へと供給している。
【００３６】
石炭ガス化複合発電プラント１００（図１参照）が起動を停止している場合には、缶水循環経路１３１内の水の圧力は、低圧となっている。そのため、石炭ガス化複合発電プラント１００の起動運転時に、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２から導出される低圧の缶水循環経路１３１内の水に温度が１００℃のウォーミング給水１３５を合流させた場合には、缶水循環経路１３１内にフラッシング現象を生じる。
【００３７】
そこで、低温の水（大気温度〜約８０℃程度）が貯溜されている石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内のガス領域に、石炭ガス化複合発電プラント１００内に設けられている空気分離装置１１０によって空気から発生させた窒素ガス（加圧気体）をガス供給経路１３６にて供給する。石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内のガス領域に窒素ガスを高圧にして導くことによって石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内は、約４ＭＰａから１０ＭＰａに加圧される。
【００３８】
石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内が加圧されることによって石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内の水は、ウォーミング給水１３５の飽和圧力よりも高圧とされる。これにより、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内の加圧された低温の水（加圧流体）を缶水循環経路１３１へと導出し、高温のウォーミング給水１３５と合流させた場合であっても、缶水循環経路１３１内にフラッシング現象が生じることを防止することができる。
【００３９】
このようにフラッシング現象を抑制することによって、缶水循環経路１３１に合流されるウォーミング給水１３５の流量を減少させることなく缶水循環経路１３１から節炭器循環経路１３２、蒸発器循環経路１３３へと温度の上昇した水（約２５０℃〜３５０℃程度）を供給することができ、さらに、缶水循環経路１３１、節炭器循環経路１３２、蒸発器循環経路１３３から水管１５４、節炭器１５３、蒸発器１５１へ温度の上昇した水を供給することによって、石炭ガス化炉１０１を内部から暖機することができる。
【００４０】
次に、石炭ガス化複合発電プラントの起動運転の方法について説明する。
ガスタービン１０６（図１参照）は、ガスタービン１０６の燃焼器に石油等の起動用燃料を供給し、燃焼器に供給された起動用燃料が燃焼することにより発生した排ガスによって起動する。ガスタービン１０６の燃焼器から導出された排ガスは、排熱回収ボイラ１０７に供給され、図示しない給水系路から給水された水を加熱して高温の水と蒸気を発生する。排熱回収ボイラ１０７において発生した蒸気は、蒸気タービン１０９へと導かれる。これにより、蒸気タービン１０９が起動する。
【００４１】
排熱回収ボイラ１０７で発生した高温の水の一部は、排熱回収ボイラ１０７から取り出されて高圧給水ポンプ１１３によって昇圧される。昇圧された高温の水は、ウォーミング給水１３５として缶水循環経路１３１（図２参照）へと供給され、缶水循環経路１３１へ供給されたウォーミング給水１３５と石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２より加圧された水とによって、前述したように石炭ガス化炉１０１が暖機される。
以上のように、石炭ガス化複合発電プラント１００の各機器が暖機されることによって、石炭ガス化複合発電プラント１００が起動されることとなる。
【００４２】
以上の通り、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電プラントによれば、以下の作用効果を奏する。
石炭ガス化炉（ガス化炉）１０１の暖機の際には、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内のガス領域に窒素ガス（加圧気体）を供給し、ウォーミング給水（加熱流体）１３５の飽和圧力以上に加圧された低温の水（加圧流体）と、ウォーミング給水１３５とを缶水循環経路（流体流通路）１３１に供給される。これにより、加圧された水とウォーミング給水１３５とが缶水循環経路１３１に合流した際に発生するフラッシュ現象及び過大流速を防止することができる。そのため、ウォーミング給水１３５の供給量を低下させることなく缶水循環経路１３１へと供給することができる。したがって、石炭ガス化炉１０１の暖機時間の短縮を図ることが可能となり、石炭ガス化複合発電プラント（ガス化発電プラント）１００の運用性を向上することができるとともに、石炭ガス化炉１０１で生成ガスを発生させてガスタービン１０６へと早期に供給することができるため、ガスタービン１０６の起動用燃料の消費を低減することができ、石炭ガス化複合発電プラント１００の起動運転時におけるコスト削減を図ることができる。
【００４３】
また、ウォーミング給水１３５に合流する水を加圧する窒素ガス（非凝縮性気体）は、凝縮してドレン化することがないため、缶水循環経路１３１に導かれる水をウォーミング給水１３５の飽和圧力以上に維持したまま石炭ガス化炉１０１を暖機することができる。従って、石炭ガス化炉１０１の暖機時間を短縮して、石炭ガス化複合発電プラント１００の運用性を向上することができる。
【００４４】
なお、本実施形態では、窒素ガスを用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、非凝縮性、かつ、非腐食性の気体を用いても良い。
また、窒素ガスは、空気分離装置１１０によって分離されたものを用いるとして説明したが、別途、窒素ガスを発生させる機器を設けても良い。
【００４５】
さらに、窒素ガスを石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２に供給するとして説明したが、缶水循環経路１３１、節炭器循環経路１３２、蒸発器循環経路１３３から水管１５４、節炭器１５３、蒸発器１５１を経由し石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２に至る経路、および石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２から過熱器入口管１３４を経由し蒸気タービン１０９へ至る経路上のガス領域を有する部分に供給しても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１００ 石炭ガス化複合発電プラント（ガス化発電プラント）
１０１ 石炭ガス化炉（ガス化炉）
１０２ 石炭ガス化炉圧力容器
１０３ 石炭ガス化炉循環水ポンプ
１０４ 脱塵装置
１０５ 脱硫装置
１０６ ガスタービン
１０７ 排熱回収ボイラ（熱交換器）
１０８ 煙突
１０９ 蒸気タービン
１１０ 空気分離装置
１１１ 復水器
１１２ 低圧給水ポンプ
１１３ 高圧給水ポンプ
１３１ 缶水循環路（流体流通路）
１３２ 節炭器循環経路
１３３ 蒸発器循環経路
１３４ 過熱器入口管
１３５ ウォーミング給水（加熱流体）
１３６ ガス供給経路
１５１ 蒸発器
１５２ 石炭ガス化炉蒸気ドラム
１５３ 節炭器
１５４ 水管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化発電プラントに関し、特に、ガス化炉の暖機運転に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、石炭ガス化発電プラントにおいては、石炭をガス化炉でガス化して生成ガスにし、発生した生成ガスによってガスタービンを駆動し、ガスタービンに接続されている発電機を発電させている。石炭ガス化発電プラントの起動運転時にガス化炉を軽油や天然ガス等の起動用燃料を燃焼させて起動させることによって、起動用燃料から生成された生成ガス中に含まれている硫黄分によりガス化炉を構成している壁、節炭器、蒸発器等が酸露点腐食したり生成ガス中のダストが固着することを防止するために、ガス化炉内を露点温度以上に暖機（ウォーミング）している。
【０００３】
特許文献１には、暖機ガスである不活性ガスを用いてガス化炉内を暖機すると共に、排熱回収ボイラによって加熱した給水（以下、「高温水」という。）をガス化炉に循環させてガス化炉の壁、節炭器、蒸発器を内部から暖機してガス化炉の暖機運転時間を短縮することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６７６０２２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、特許文献１に記載の発明は、ガス化炉の暖機の際に、ガス化炉の壁、節炭器、蒸発器内の水の圧力が低い場合には、ガス化炉の壁、節炭器、蒸発器へと水を供給する缶水循環路に高温水を供給することによって、缶水循環路内にフラッシュ現象（減圧沸騰）が発生してエロージョンや過大な流速が生じる恐れがある。エロージョンや過大な流速の発生を防止するためには、缶水循環路に供給する高温水の流量に上限を設ける必要がありガス化炉の暖機時間を短縮できず石炭ガス化発電プラントの運用性を向上させることが出来ないという問題があった。
【０００６】
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、ガス化炉の暖機時間を短縮することが可能な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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の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発電プラントによれば、炉内と熱交換する流体が流通する流体流通路を有し、燃料をガス化して生成ガスを発生するガス化炉と、該ガス化炉によって発生した生成ガスから不純物を取り除くガス精製設備と、該ガス精製設備により精製されたガスによって駆動されるガスタービンと、該ガスタービンから導出された排気により流体を加熱する熱交換器と、を備え、前記ガス化炉を暖機する際には、加圧気体によって加圧された流体が導かれる前記流体流通路へと前記熱交換器により加熱された流体が供給されることを特徴とする。
【０００８】
この結果、ガス化炉の暖機の際には、加圧された流体と加熱された流体とを流体流通路に供給することで、流体流通路に生じるフラッシュ現象を防止することができ、加熱された流体の供給量を低下させることなく流体流通路へと供給することができる。したがって、ガス化炉の暖機時間を短縮することができ、ガス化発電プラントの運用性を向上することができる。
【０００９】
また、ガス化発電プラントの起動運転時は、ガスタービンに起動用燃料が別途供給される。これによりガスタービンは、起動運転を開始するが、本発明では、ガス化炉の暖機を行う際に、加圧された流体と加熱された流体とを流体流通路に供給することとしたため、ガス化炉の暖機時間の短縮を図ることが可能となり、ガス化炉で生成ガスを発生させてガスタービンへと早期に供給することができる。したがって、ガスタービンの起動用燃料の消費を低減することができ、ガス化発電プラントの起動運転時におけるコスト削減を図ることができる。
【００１０】
さらに、本発明に係るガス化発電プラントによれば、前記加圧された流体は、前記加熱された流体の飽和圧力以上に加圧されることを特徴とする。
【００１１】
ガス領域を介して飽和圧力以上に加圧された流体を流体流通路へと供給することにより、加圧された流体と加熱された流体とが合流し、流体流通路内の流体が過大流速になることを防ぐことができる。そのため、加熱された流体の供給量を制限する必要がなくなり供給量の上限を高くすることができる。したがって、ガス化炉の暖機時間を短縮して、ガス化発電プラントの運用性を向上することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係るガス化発電プラントによれば、前記流体流通路は、流体領域とガス領域とを有し、前記加圧気体は、前記ガス領域に供給されることを特徴とする。
【００１３】
流体流通路のガス領域に加圧気体を供給して流体流通路の流体領域の流体を加圧することにより、加圧された流体と加熱された流体とが合流した際に、流体流通路内の流体が過大流速になることを防ぐことができる。そのため、加熱された流体の供給量を制限する必要がなくなり供給量の上限を高くすることができる。したがって、ガス化炉の暖機時間を短縮して、ガス化発電プラントの運用性を向上することができる。
【００１４】
さらに、本発明に係るガス化発電プラントによれば、前記加圧気体は、非凝縮性気体であることを特徴とする。
【００１５】
非凝縮性気体を用いて加熱された流体に合流する流体を加圧することとした。また、非凝縮性気体は、凝縮してドレン化することがない。そのため、流体流通路に導かれる流体を飽和圧力以上に維持したままガス化炉を暖機することができる。従って、ガス化炉の暖機時間を短縮して、ガス化発電プラントの運用性を向上することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
ガス化炉の暖機の際には、加圧された流体と加熱された流体とを流体流通路に供給することとしたため、流体流通路に生じるフラッシュ現象を防止することができる。そのため、加熱された流体の供給量を低下させることなく加熱された流体を流体流通路へと供給することができため、ガス化炉の暖機時間の短縮を図ることが可能となる。また、ガス化炉の暖機時間が短縮されることにより、ガス化発電プラントの運用性を向上することができるとともに、ガス化炉で生成ガスを発生させてガスタービンへと早期に供給することが可能となる。よって、ガスタービンの起動用燃料の消費を低減することができ、ガス化発電プラントの起動運転時におけるコスト削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図である。
【図２】図１に示した石炭ガス化炉の暖機系統の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１には、本発明の一実施形態に係る石炭ガス化複合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、石炭を燃料とする石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ；Integrated Coal Gasification Combined Cycle）１００は、主として、石炭（燃料）をガス化する石炭ガス化炉（ガス化炉）１０１と、石炭ガス化炉１０１によってガス化された生成ガスからダストおよび硫黄分を取り除くガス精製設備（図示せず）と、ガス精製設備によって精製された精製ガスを燃焼して駆動されるガスタービン１０６と、ガスタービン１０６から導出される排ガス（排気）の熱を回収する排熱回収ボイラ(熱交換器)１０７と、排熱回収ボイラ１０７により発生した蒸気が導かれる蒸気タービン１０９と、ガスタービン１０６および蒸気タービン１０９によって駆動される発電機（図示せず）とを備えている。
【００１９】
石炭ガス化炉１０１は、図示しない石炭供給経路から供給された燃料である石炭をガス化して生成ガスを発生するものである。また、石炭ガス化炉１０１は、壁部に設けられている水管１５４（図２参照）等に水（流体）を流動させて蒸気を発生する。この例では、石炭ガス化炉１０１は、石炭ガス化炉循環水ポンプ１０３（図１では、１台のみを示す。）を有する、いわゆる強制循環型ボイラとされる。
【００２０】
石炭ガス化炉１０１は、下方から上方へと生成した生成ガスが導かれるように石炭ガス化炉１０１の上流側に形成された石炭ガス化部（図示せず）と、石炭ガス化炉１０１の下流側に接続されて、生成ガスが上流側から下流側へと導かれる順に、蒸発器１５１、過熱器（図示せず）、節炭器１５３とを備えている。生成ガスは、蒸発器１５１、過熱器、節炭器１５３を通過する際に、蒸発器１５１、過熱器、節炭器１５３各々において熱交換が行われる。石炭ガス化部は、蒸発器１５１、過熱器、節炭器１５３と共に石炭ガス化炉圧力容器１０２内に格納されている。これにより、生成ガスが石炭ガス化炉圧力容器１０２外へと流出することが防止されている。
【００２１】
石炭ガス化部には、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、石炭及びチャーの一部分を燃焼させている。コンバスタには、噴流床が採用されているが、流動床式や固定床式であっても構わない。
【００２２】
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石炭供給経路から石炭が供給される。
コンバスタバーナーには、後述するガスタービン１０６の圧縮機（図示せず）により圧縮された空気が供給されるようになっている。すなわち、本実施形態の石炭ガス化複合発電プラント（ガス化発電プラント）１００は、いわゆる空気吹きとなっている。ここで、ガスタービン１０６の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。
【００２３】
リダクタは、コンバスタから導かれた高温のガスによって石炭をガス化させている。これにより、石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、石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。
【００２４】
蒸発器１５１には、石炭ガス化炉循環水ポンプ１０３から水が供給される。蒸発器１５１に供給された水は、リダクタから導かれた高温の生成ガスと熱交換することによって蒸気とされ、気水分離器であり、且つ、ガス領域および水領域（流体領域）を有する石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２へと導かれる。
因みに、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内の水を有する範囲を水領域といい、水を有しない範囲をガス領域という。
【００２５】
過熱器には、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内で水分が分離されたことによって発生した蒸気が導かれる。過熱器に導かれた蒸気は、高温の生成ガスと熱交換することによって過熱蒸気とされて蒸気タービン１０９へと導かれる。
【００２６】
節炭器１５３には、高圧給水ポンプ１１３によって昇圧された水が供給される。節炭器１５３に供給された水は、蒸発器１５１および過熱器に熱を与えることによって温度が低下した生成ガスと熱交換することによって温度が上昇する。温度が上昇した水は、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２へと導かれる。
【００２７】
蒸発器１５１、過熱器、節炭器１５３を通過して温度が下げられた生成ガスには、不純物であるダストや、硫化水素または硫化カルボニルといった硫黄化合物が含まれており、ダスト及び硫黄化合物を含む生成ガスを石炭ガス化炉１０１からガス精製設備へと導く。ちなみに、ガス精製設備は、脱塵装置１０４と、脱硫装置１０５とを備えている。
【００２８】
脱塵装置１０４は、生成ガス中の不純物であるダストを取り除くものである。脱硫装置１０５は、生成ガス中の不純物である硫黄化合物を取り除くものである。生成ガスは、脱塵装置１０４および脱硫装置１０５により、脱塵と脱硫とが行われて精製されたクリーンな精製ガスとしてガスタービン１０６へと導かれる。
【００２９】
ガスタービン１０６に導かれた精製ガスは、まず、ガスタービン１０６に設けられている燃焼器（図示せず）へと送られる。ガスタービン１０６は、燃焼器と、燃焼器によって燃焼された排ガスによって駆動されるタービン（図示せず）と、燃焼器へと高圧の空気を送り出す圧縮機（図示せず）とを備えている。
【００３０】
燃焼器では、導かれた精製ガスと、空気とが燃焼されて排ガス（排気）が排出される。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させる。タービンが排ガスによって回転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）が回転される。回転されている回転軸上には、圧縮機が接続されており、圧縮機は、回転軸が回転されることによって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、燃焼器と石炭ガス化炉１０１とに導かれる。また、回転軸には、発電機が接続されているため、回転軸を回転させることによって、発電機が駆動して発電する。
【００３１】
ガスタービン１０６を回転駆動させた排ガスは、排熱回収ボイラ１０７へと導かれる。排熱回収ボイラ１０７は、ガスタービン１０６から導かれた排ガスの熱によって過熱蒸気を発生するものである。排熱回収ボイラ１０７において熱が回収された排ガスは、煙突１０８から石炭ガス化複合発電プラント１００の外へと排出される。
【００３２】
排熱回収ボイラ１０７において発生された過熱蒸気は、蒸気タービン１０９へと導かれる。また、蒸気タービン１０９には、前述した石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２および過熱器から過熱蒸気が導かれる。蒸気タービン１０９は、ガスタービン１０６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。
【００３３】
ガスタービン１０６によって駆動されている回転軸は、蒸気タービン１０９に蒸気が導かれることによって更に駆動力が増加する。そのため、回転軸に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１０９を回転駆動した蒸気は、復水器１１１へと導かれる。復水器１１１に導かれた蒸気は、海水によって冷却されて水（復水）に戻される。復水は、低圧給水ポンプ１１２によって排熱回収ボイラ１０７へと給水され、排熱回収ボイラ１０７に導かれた排ガスによって高温の水になる。高温の水の一部は、高圧給水ポンプ１１３によってウォーミング給水（加熱流体）１３５として後述する缶水循環経路１３１（図２参照）へと給水され、残りは排熱回収ボイラ１０７内へ再度導かれて過熱蒸気とされる。
【００３４】
次に、石炭ガス化炉の暖機の方法について図２を用いて説明する。
図２には、石炭ガス化炉の暖機系統が示されている。
石炭ガス化炉１０１の暖機系統は、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２から石炭ガス化炉１０１の壁部に設けられている水管１５４に水を導く缶水循環経路（流体流通路）１３１と、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２にて発生した蒸気を、図示しない過熱器へ導く過熱器入口管１３４と、缶水循環経路１３１の一部から分岐された水を節炭器１５３へと導く節炭器循環経路１３２と、缶水循環経路１３１の一部からさらに分岐された水を蒸発器１５１へと導く蒸発器循環経路１３３とを備えている。
【００３５】
また、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２に接続されている缶水循環経路１３１には、前述した排熱回収ボイラ１０７（図１参照）の一部から導かれた、例えば、約１００℃に加熱された暖気用の給水（以下、「ウォーミング給水」という。）１３５が合流されている。ウォーミング給水（加熱流体）１３５が合流した缶水循環経路１３１内の水は、石炭ガス化炉循環水ポンプ１０３によって昇圧される。昇圧された水は、缶水循環経路１３１と、缶水循環経路１３１から分岐している節炭器循環経路１３２および蒸発器循環経路１３３を経て石炭ガス化炉１０１に設けられている水管１５４、節炭器１５３、蒸発器１５１へと供給される。
なお、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２に接続されている過熱器入口管１３４は、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内の水が気水分離されることにより発生した飽和蒸気を過熱器へと供給している。
【００３６】
石炭ガス化複合発電プラント１００（図１参照）が起動を停止している場合には、缶水循環経路１３１内の水の圧力は、低圧となっている。そのため、石炭ガス化複合発電プラント１００の起動運転時に、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２から導出される低圧の缶水循環経路１３１内の水に温度が１００℃のウォーミング給水１３５を合流させた場合には、缶水循環経路１３１内にフラッシング現象を生じる。
【００３７】
そこで、低温の水（大気温度〜約８０℃程度）が貯溜されている石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内のガス領域に、石炭ガス化複合発電プラント１００内に設けられている空気分離装置１１０によって空気から発生させた窒素ガス（加圧気体）をガス供給経路１３６にて供給する。石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内のガス領域に窒素ガスを高圧にして導くことによって石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内は、約４ＭＰａから１０ＭＰａに加圧される。
【００３８】
石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内が加圧されることによって石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内の水は、ウォーミング給水１３５の飽和圧力よりも高圧とされる。これにより、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内の加圧された低温の水（加圧流体）を缶水循環経路１３１へと導出し、高温のウォーミング給水１３５と合流させた場合であっても、缶水循環経路１３１内にフラッシング現象が生じることを防止することができる。
【００３９】
このようにフラッシング現象を抑制することによって、缶水循環経路１３１に合流されるウォーミング給水１３５の流量を減少させることなく缶水循環経路１３１から節炭器循環経路１３２、蒸発器循環経路１３３へと温度の上昇した水（約２５０℃〜３５０℃程度）を供給することができ、さらに、缶水循環経路１３１、節炭器循環経路１３２、蒸発器循環経路１３３から水管１５４、節炭器１５３、蒸発器１５１へ温度の上昇した水を供給することによって、石炭ガス化炉１０１を内部から暖機することができる。
【００４０】
次に、石炭ガス化複合発電プラントの起動運転の方法について説明する。
ガスタービン１０６（図１参照）は、ガスタービン１０６の燃焼器に石油等の起動用燃料を供給し、燃焼器に供給された起動用燃料が燃焼することにより発生した排ガスによって起動する。ガスタービン１０６の燃焼器から導出された排ガスは、排熱回収ボイラ１０７に供給され、図示しない給水系路から給水された水を加熱して高温の水と蒸気を発生する。排熱回収ボイラ１０７において発生した蒸気は、蒸気タービン１０９へと導かれる。これにより、蒸気タービン１０９が起動する。
【００４１】
排熱回収ボイラ１０７で発生した高温の水の一部は、排熱回収ボイラ１０７から取り出されて高圧給水ポンプ１１３によって昇圧される。昇圧された高温の水は、ウォーミング給水１３５として缶水循環経路１３１（図２参照）へと供給され、缶水循環経路１３１へ供給されたウォーミング給水１３５と石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２より加圧された水とによって、前述したように石炭ガス化炉１０１が暖機される。
以上のように、石炭ガス化複合発電プラント１００の各機器が暖機されることによって、石炭ガス化複合発電プラント１００が起動されることとなる。
【００４２】
以上の通り、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電プラントによれば、以下の作用効果を奏する。
石炭ガス化炉（ガス化炉）１０１の暖機の際には、石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２内のガス領域に窒素ガス（加圧気体）を供給し、ウォーミング給水（加熱流体）１３５の飽和圧力以上に加圧された低温の水（加圧流体）と、ウォーミング給水１３５とを缶水循環経路（流体流通路）１３１に供給される。これにより、加圧された水とウォーミング給水１３５とが缶水循環経路１３１に合流した際に発生するフラッシュ現象及び過大流速を防止することができる。そのため、ウォーミング給水１３５の供給量を低下させることなく缶水循環経路１３１へと供給することができる。したがって、石炭ガス化炉１０１の暖機時間の短縮を図ることが可能となり、石炭ガス化複合発電プラント（ガス化発電プラント）１００の運用性を向上することができるとともに、石炭ガス化炉１０１で生成ガスを発生させてガスタービン１０６へと早期に供給することができるため、ガスタービン１０６の起動用燃料の消費を低減することができ、石炭ガス化複合発電プラント１００の起動運転時におけるコスト削減を図ることができる。
【００４３】
また、ウォーミング給水１３５に合流する水を加圧する窒素ガス（非凝縮性気体）は、凝縮してドレン化することがないため、缶水循環経路１３１に導かれる水をウォーミング給水１３５の飽和圧力以上に維持したまま石炭ガス化炉１０１を暖機することができる。従って、石炭ガス化炉１０１の暖機時間を短縮して、石炭ガス化複合発電プラント１００の運用性を向上することができる。
【００４４】
なお、本実施形態では、窒素ガスを用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、非凝縮性、かつ、非腐食性の気体を用いても良い。
また、窒素ガスは、空気分離装置１１０によって分離されたものを用いるとして説明したが、別途、窒素ガスを発生させる機器を設けても良い。
【００４５】
さらに、窒素ガスを石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２に供給するとして説明したが、缶水循環経路１３１、節炭器循環経路１３２、蒸発器循環経路１３３から水管１５４、節炭器１５３、蒸発器１５１を経由し石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２に至る経路、および石炭ガス化炉蒸気ドラム１５２から過熱器入口管１３４を経由し蒸気タービン１０９へ至る経路上のガス領域を有する部分に供給しても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１００ 石炭ガス化複合発電プラント（ガス化発電プラント）
１０１ 石炭ガス化炉（ガス化炉）
１０２ 石炭ガス化炉圧力容器
１０３ 石炭ガス化炉循環水ポンプ
１０４ 脱塵装置
１０５ 脱硫装置
１０６ ガスタービン
１０７ 排熱回収ボイラ（熱交換器）
１０８ 煙突
１０９ 蒸気タービン
１１０ 空気分離装置
１１１ 復水器
１１２ 低圧給水ポンプ
１１３ 高圧給水ポンプ
１３１ 缶水循環路（流体流通路）
１３２ 節炭器循環経路
１３３ 蒸発器循環経路
１３４ 過熱器入口管
１３５ ウォーミング給水（加熱流体）
１３６ ガス供給経路
１５１ 蒸発器
１５２ 石炭ガス化炉蒸気ドラム
１５３ 節炭器
１５４ 水管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内と熱交換する流体が流通する流体流通路を有し、燃料をガス化して生成ガスを発生するガス化炉と、
該ガス化炉によって発生した生成ガスから不純物を取り除くガス精製設備と、
該ガス精製設備により精製されたガスによって駆動されるガスタービンと、
該ガスタービンから導出された排気により流体を加熱する熱交換器と、を備え、
前記ガス化炉を暖機する際には、加圧気体によって加圧された流体が導かれる前記流体流通路へと前記熱交換器により加熱された流体が供給されるガス化発電プラント。
【請求項２】
前記加圧された流体は、前記加熱された流体の飽和圧力以上に加圧されることを特徴とする請求項１に記載のガス化発電プラント。
【請求項３】
前記流体流通路は、流体領域とガス領域とを有し、
前記加圧気体は、前記ガス領域に供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス化発電プラント。
【請求項４】
前記加圧気体は、非凝縮性気体であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のガス化発電プラント。
【請求項１】
炉内と熱交換する流体が流通する流体流通路を有し、燃料をガス化して生成ガスを発生するガス化炉と、
該ガス化炉によって発生した生成ガスから不純物を取り除くガス精製設備と、
該ガス精製設備により精製されたガスによって駆動されるガスタービンと、
該ガスタービンから導出された排気により流体を加熱する熱交換器と、を備え、
前記ガス化炉を暖機する際には、加圧気体によって加圧された流体が導かれる前記流体流通路へと前記熱交換器により加熱された流体が供給されるガス化発電プラント。
【請求項２】
前記加圧された流体は、前記加熱された流体の飽和圧力以上に加圧されることを特徴とする請求項１に記載のガス化発電プラント。
【請求項３】
前記流体流通路は、流体領域とガス領域とを有し、
前記加圧気体は、前記ガス領域に供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス化発電プラント。
【請求項４】
前記加圧気体は、非凝縮性気体であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のガス化発電プラント。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−２４１７８１（Ｐ２０１１−２４１７８１Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１６１９９（Ｐ２０１０−１１６１９９）
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
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