ガス化設備
【課題】冷ガス効率を高く維持すると同時に、ガス化ガスの温度上昇を抑制して灰の付着が生じ難いガス化炉を備えたガス化設備を提供する。
【解決手段】発電設備の排気から分離したＣＯ2ガスの一部を回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮し、圧縮されたＣＯ2ガスを石炭（微粉炭）の搬送用として用い、微粉炭と共にＣＯ2ガスをガス化炉内に供給し、ＣとＣＯ2の吸熱反応によるＣＯの生成を促進して石炭ガス化炉１５内の温度上昇を抑えてガス化ガスを生成する。
【解決手段】発電設備の排気から分離したＣＯ2ガスの一部を回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮し、圧縮されたＣＯ2ガスを石炭（微粉炭）の搬送用として用い、微粉炭と共にＣＯ2ガスをガス化炉内に供給し、ＣとＣＯ2の吸熱反応によるＣＯの生成を促進して石炭ガス化炉１５内の温度上昇を抑えてガス化ガスを生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素系燃料とＯ2の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉を備えたガス化設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭は世界の広い地域に存在し、可採埋蔵量が多く、価格が安定しているため、供給安定性が高く発熱量あたりの価格が低廉である。このため、石炭火力発電は、エネルギーの確保、エネルギー価格の安定に重要な役割を果たしている。また、水力、原子力による発電との電力需要のバランスを調整する役割としても重要である。
【０００３】
石炭を燃料とする火力発電は、石炭をボイラで燃焼させることで蒸気を得て、蒸気タービンを駆動させる汽力発電や、石炭ガス化ガスをガス精製して燃焼器で燃焼させ、燃焼器からの燃焼ガスを膨張タービン（ガスタービン）で膨張させてガスタービンにより動力を得るガスタービン発電が知られている。また、ガスタービン発電に加え、ガスタービンの排気ガスの熱回収により得られた蒸気で駆動される蒸気タービンを備えた複合発電等が知られている。
【０００４】
石炭ガス化炉としては、固定床型ガス化炉、流動床型ガス化炉、噴流床型ガス化炉が知られている。発電設備用の石炭ガス化炉としては、石炭分の灰分を溶融させスラグ状として排出する噴流床型の石炭ガス化炉が主に開発されている。
【０００５】
噴流床型の石炭ガス化炉では、バーナからの石炭と酸化剤とが炉内で反応して高温状態になり、石炭中の灰が溶融してスラグ状となった灰が分離され、ガス化反応が生じて、可燃性のガス化ガスが生成される。溶融してスラグ状となった灰の一部がガス化ガスにより運ばれ、路内壁等に付着する虞があるため、ガス化ガスよりも温度の低いクエンチガスを炉の出口近傍に供給し、ガス化ガスの温度を下げて灰の付着を防止することが従来から行なわれている（例えば、特許文献１参照）。クエンチガスとしては、例えば、生成されたガス化ガスの一部を冷却して供給されている。
【０００６】
しかし、ガス化ガスの一部をクエンチガスとして用いた場合、サイクロン等でスラグ等を分離したガス化ガスの分岐経路を構築し、更に、ガス化ガスを冷却するための熱交換器等の機器やガス化ガスの流通を制御する流量制御機器を必要としていた。このため、ガス化炉の出口周りの機器が複雑化する結果になり、設備コストが嵩むと共にガス化炉の形状の設計に制約を受けることになっていた。また、ガス化炉の効率（冷ガス効率）を高く維持するためには生成ガスの発熱量を高く維持することが不可欠であるが、同時に灰の付着を抑制することも考慮する必要がある。
【０００７】
このため、ガス化炉の設計を変更することなく、また、ガス化炉の設計に自由度を持たせた状態で、灰の付着の防止と生成ガスの発熱量の高温化を両立させることは困難な状況であるのが現状である。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−１９４８５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、炭素系燃料の単位流量あたりの発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して効率を高く維持すると同時に灰の付着が生じ難いガス化炉を備えたガス化設備を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明のガス化設備は、炭素系燃料とＯ2の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉の内部に外部からＣＯ2を投入するＣＯ2投入手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る本発明では、ＣＯ2投入手段からＣＯ2を投入することにより、ＣとＣＯ2の吸熱反応によるＣＯの生成を促進し、ガス化炉内の温度上昇を抑えてガス化ガスを生成することができ、単位流量あたりの炭素系燃料の発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して効率を高く維持すると同時に、ガス化ガスの温度上昇を抑制して灰の付着が生じ難いガス化炉を備えたガス化設備となる。
【００１２】
そして、請求項２に係る本発明のガス化設備は、請求項１に記載のガス化設備において、ＣＯ2投入手段は、炭素系燃料をガス化炉の内部に搬送する燃料搬送手段であり、搬送される炭素系燃料と共にＣＯ2をガス化炉の内部に投入することでガス化ガス生成の吸熱反応を促進させることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る本発明では、燃料搬送手段により炭素系燃料と共にＣＯ2をガス化炉の内部に投入することができ、既存の設備を用いて搬送ガスをＣＯ2に変更することでＣＯ2の投入を容易に行うことができる。
【００１４】
また、請求項３に係る本発明のガス化設備は、請求項１に記載のガス化設備において、ＣＯ2投入手段は、冷却用にＣＯ2を投入する冷却手段であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る本発明では、ＣＯ2の顕熱によりガス化ガスの温度上昇を抑制することができ、冷却用に用いたＣＯ2によりガス化ガス生成の吸熱反応を促進させることもできる。
【００１６】
また、請求項４に係る本発明のガス化設備は、請求項１に記載のガス化設備において、ＣＯ2投入手段は、炭素系燃料をガス化炉の内部に搬送する燃料搬送手段、及び、冷却用にＣＯ2を投入する冷却手段であり、燃料搬送手段により搬送される炭素系燃料と共にＣＯ2をガス化炉の内部に投入することでガス化ガス生成の吸熱反応を促進させることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る本発明では、燃料搬送手段により炭素系燃料と共にＣＯ2をガス化炉の内部に投入することができ、既存の設備を用いて搬送ガスをＣＯ2に変更することでＣＯ2の投入を容易に行うことができると共に、ＣＯ2の顕熱によりガス化ガスの温度上昇を抑制することができ、冷却用に用いたＣＯ2によりガス化ガス生成の吸熱反応を促進させることもできる。
【００１８】
また、請求項５に係る本発明のガス化設備は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のガス化設備において、ガス化炉は噴流床型の石炭ガス化炉であり、石炭とＯ2の反応により石炭ガス化ガスが生成されることを特徴とする。
【００１９】
請求項５に係る本発明では、単位流量あたりの石炭の発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して効率を高く維持すると同時に、ガス化ガスの温度上昇を抑制して灰の付着が生じ難い噴流床型の石炭ガス化炉を備えたガス化設備となる。
【００２０】
また、請求項６に係る本発明のガス化設備は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガス化設備において、ＣＯ2投入手段で投入されるＣＯ2は、排気ガスとしてＣＯ2が回収される溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備から回収されたＣＯ2であることを特徴とする。
【００２１】
請求項６に係る本発明では、溶融炭酸塩形燃料電池の排気ガスのＣＯ2を有効に回収できるガス化炉を備えたガス化設備となる。
【００２２】
また、請求項７に係る本発明のガス化設備は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガス化設備において、ＣＯ2投入手段で投入されるＣＯ2は、排気ガスとしてＣＯ2が閉サイクルで運用されるガスタービン発電設備から回収されたＣＯ2であることを特徴とする。
【００２３】
請求項７に係る本発明では、閉サイクルで運用されるガスタービン発電設備から回収されたＣＯ2を有効に回収できるガス化炉を備えたガス化設備となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のガス化設備は、炭素系燃料の単位流量あたりの発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して効率を高く維持すると同時に灰の付着が生じ難いガス化炉を備えたガス化設備となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の一実施形態例に係るガス化設備は、Ｏ2を吹き込むことで石炭を燃焼してガス化ガスを生成するガス化炉を備え、ガス化炉で得られたガス化ガスを溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）のアノードガスとして用いるものである。ＭＣＦＣのカソードガスには純Ｏ2及びＣＯ2ガスが含まれ、ＭＣＦＣの排気ガス（ＣＯ2ガス）を膨張タービンで膨張させて発電を行ない、膨張タービンの排気ガスを熱回収して蒸気タービンで発電を行い、ＣＯ2ガスの一部をＣＯ2圧縮機で圧縮して純Ｏ2と共にカソードガスとして循環させる。また、ＣＯ2ガスの一部を回収ＣＯ2圧縮機で圧縮し、圧縮されたＣＯ2ガスを石炭（微粉炭）の搬送用として用い、微粉炭と共にＣＯ2ガスをガス化炉内に供給する（ＣＯ2投入手段）。更に、圧縮されたＣＯ2ガスをクエンチガスとしてガス化炉に投入する（ＣＯ2投入手段）。
【００２６】
このため、ガス化炉にＣＯ2が供給され、ＣとＣＯ2の吸熱反応によるＣＯの生成が促進されてガス化炉内の温度上昇を抑えてガス化ガスを生成することができ、炭素系燃料の単位流量あたりの発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して冷ガス効率を高くすると同時に、ガス化ガスの温度上昇を抑制して灰の付着が生じ難いガス化炉を備えたガス化設備となる。
【００２７】
図１に基づいて本発明の一実施形態例に係るガス化設備を備えた発電設備を具体的に説明する。図１には本発明の一実施形態例に係るガス化設備を備えた発電設備の概略系統、図２には石炭ガス化炉の詳細構成を示してある。
【００２８】
図１に示すように、発電設備には、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）２が備えられ、ＭＣＦＣ２の出口ガス（排気ガス）が導入されて燃焼が行われる燃焼器３が設けられている。燃焼器３からの燃焼ガスを膨張して駆動するタービン４が備えられ、タービン４には発電機５が同軸上に設けられている。タービン４の駆動により発電機５が作動して発電が行われる。
【００２９】
ＭＣＦＣ２は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極（アノード）７と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極（カソード）８との間に、電解質（炭酸塩）が挟まれて構成されている。そして、石炭ガス化ガスから得られた水素（Ｈ2）をアノード７に供給すると共に、空気（Ｏ2）とＣＯ2をカソード８に供給することで、Ｈ2とＯ2の電気化学反応により発電が行われる。
【００３０】
タービン４の下流にはタービン４で仕事を終えた排気（排気ガス）の熱回収を行う排熱回収手段（排熱回収ボイラ）９が備えられ、排熱回収ボイラ９は蒸気発生器１１及び凝縮器１２を備えている。排熱回収ボイラ９の凝縮器１２には蒸気発電設備４１からの給水、例えば、蒸気タービンで仕事を終えた蒸気を凝縮した復水が冷却媒体（給水加熱用）として送られ、蒸気発生器１１で熱回収された排気ガスは凝縮器１２で凝縮されて水（Ｈ2Ｏ）と非凝縮ガス（ＣＯ2）に分離される。蒸気発生器１１で発生した蒸気は蒸気発電設備４１に送られ、蒸気タービンを駆動することにより動力が得られる。
【００３１】
凝縮器１２で分離されたＣＯ2の一部はＣＯ2圧縮機１３で圧縮され、ＣＯ2圧縮機１３で圧縮されたＣＯ2に所定の圧力の純Ｏ2を供給する酸素供給系として酸素製造装置１４が備えられている。ＣＯ2圧縮機１３で圧縮されたＣＯ2に所定の圧力の純Ｏ2が供給されてカソードガスが生成され、カソードガスはＭＣＦＣ２のカソード８に供給される。
【００３２】
酸素製造装置１４は、深冷設備からの純Ｏ2を所定圧力に加圧して供給する手段であり、酸素製造装置１４からＯ2を所望量のＯ2を供給することで、ＣＯ2に対するＯ2の比を所望の比率で運転することができるＭＣＦＣ２を備えた発電設備となる。
【００３３】
一方、酸素製造装置１４で得られた純Ｏ2と共に石炭を燃焼して石炭ガス化ガス（炭化水素系のガス化ガス）を得る石炭ガス化炉１５（Ｏ2吹きのガス化炉）が備えられ、石炭ガス化炉１５で得られた石炭ガス化ガスは、ガス冷却器１６で冷却された後、サイクロン４２に送られ、灰分が分離された石炭ガス化ガスとされる。
【００３４】
灰分が分離された石炭ガス化ガスはポーラスフィルタ１７を通って脱硫装置１８で脱硫される。脱硫装置１８で脱硫された石炭ガス化ガスは、シフト反応器１９で化学反応（発熱反応）によりＨ2とＣＯ2に反応され、所望のアノードガスを得てＭＣＦＣ２のアノード７に供給される。脱硫後の石炭ガス化ガスに異物が残留した場合、異物をシフト反応器１９でトラップすることができる。
【００３５】
シフト反応器１９は石炭ガス化ガスが流通する配管内に所望の触媒が配されたもので、石炭ガス化ガス（ＣＯを含有するガス）を発熱反応によりＨ2とＣＯ2に反応させて電気化学反応に用いられるＨ2を含むアノードガスとされる。シフト反応器１９では、
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2
の発熱反応が行なわれる。
【００３６】
発熱反応によりＨ2を得ているので、アノードガスを所望の温度に昇温させるための熱交換器（ガス／ガス熱交換器）を用いることなく、即ち、他の機器からの熱を必要とせずにＨ2を含むアノードガスをＭＣＦＣ２のアノード７に供給することができる。このため、発熱量を維持することでアノードガスの温度を所望温度に維持することができ、アノードガスの温度を調整するための余分な熱交換用の熱源や冷却源（アノード排ガスの循環等）をなくした状態で、放射熱が生じない状態でアノードガスを得ることができる。
【００３７】
また、従来までＭＣＦＣ２の内部で起こっていたシフト反応による発熱をＭＣＦＣ２の外部で行うため、シフト反応による発熱分だけ、ＭＣＦＣ２での冷却が不要となり、カソードガスによる電池の冷却動力が削減される。
【００３８】
脱硫装置１８は湿式の装置で、前述した排熱回収ボイラ９の凝縮器１２で凝縮された凝縮水（回収水）の一部が導入される。また、凝縮器１２で凝縮された凝縮水（回収水）はポンプ２１によりガス冷却器１６に送られ、石炭ガス化ガスの冷却用の媒体とされる。凝縮水（回収水）はガス冷却器１６で熱交換により加熱されて蒸気とされ、脱硫装置１８で脱硫された石炭ガス化ガスに供給される。
【００３９】
燃焼器３に送られるＭＣＦＣ２のカソード排気の一部を冷却する冷却器３１が備えられ、冷却器３１で冷却されたカソード排気は昇温手段としてのブロア３２でカソード８の入口側のカソードガス（純Ｏ2とＣＯ2ガスを含むカソードガス）に供給され、カソードガスが所望の温度に昇温される。ブロア３２に代えてエジェクタを設けることも可能である。このため、カソードガスを所望の温度に昇温させるための熱交換器（ガス／ガス熱交換器）を用いることなくカソードガスをＭＣＦＣ２のカソード８に供給することができる。
【００４０】
図１、図２に基づいてガス化設備を説明する。
【００４１】
図１、図２に示すように、排熱回収ボイラ９の凝縮器１２で分離されたＣＯ2のうち余剰の部分は外部に回収されると共に、余剰のＣＯ2の一部は回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮され、石炭搬送用の圧縮ＣＯ2ガスとして石炭ガス化炉１５に送られる。石炭ガス化炉１５にはホッパー２６からの微粉炭が圧縮ＣＯ2ガスに搬送されてＣＯ2ガスと共に供給され（ＣＯ2搬送手段：ＣＯ2投入手段）、更に、石炭ガス化炉１５には酸素製造装置１４からの純Ｏ2が供給される（※１参照）。
【００４２】
石炭ガス化炉１５では、ＣＯ2が共存する状態で微粉炭とＯ2の反応によりガス化ガスが生成される。また、回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮された石炭搬送用の圧縮ＣＯ2の一部が石炭ガス化炉１５の出口近傍にクエンチガスとして投入され（冷却手段：ＣＯ2投入手段）、生成ガスの温度を下げて灰の付着が防止される。
【００４３】
石炭ガス化炉１５では、ＣＯ2が共存する状態で微粉炭とＯ2の反応によりガス化ガスが生成されるため、ガス化反応、即ち、ＣとＣＯ2によるＣＯ生成反応の吸熱反応を促進することができ、生成ガスの温度を高くすることなく、燃料の発熱量に対する生成ガスの発熱量を高く維持することができる。
【００４４】
微粉炭がＣＯ2ガスに搬送されてＣＯ2ガスと共に供給されることで、Ｎ2で搬送される場合と同様に微粉炭の自然発火や逆火を防止することができる。つまり、微粉炭の発火現象を防止するため、一般に微粉炭をＮ2で搬送しているが、ＣＯ2も発熱に伴う酸化反応に寄与しないので、ＣＯ2ガスにより微粉炭を搬送しても、自然発火や逆火を防止する機能はＮ2を用いた時と同じに果たすことができる。
【００４５】
これにより、燃料の単位流量あたりの発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して石炭ガス化炉１５の効率（冷ガス効率）を高く維持することができると同時に、ガス化ガスの温度の上昇が抑制されて石炭ガス化炉１５の出口近傍での灰の付着を抑制することができる。このため、回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮された石炭搬送用の圧縮ＣＯ2の一部を石炭ガス化炉１５の出口近傍にクエンチガスとして投入する手段を省略することも可能である。
【００４６】
更に、ＣＯ2が共存する状態で微粉炭とＯ2の反応によりガス化反応が促進されるため、未燃の炭素（チャー）をなくすことができ、サイクロン４２でチャーを分離して再投入する系（ホッパー等）をなくすことができる。例えば、石炭ガス化炉１５の炉内炭素変換率を７０％程度から１００％にすることが可能である。このため、サイクロン４２は灰を排出する機能を備えるだけの簡素な構成とすることができる。
【００４７】
上述したガス化設備を備えた発電設備では、回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮されたＣＯ2により石炭（微粉炭）が石炭ガス化炉１５に搬送され、搬送された石炭（微粉炭）をＣＯ2が共存する状態でＯ2と共に石炭ガス化炉１５で燃焼させて石炭ガス化ガス（ＣＯ含有ガス）を生成する。また、回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮されたＣＯ2の一部が石炭ガス化炉１５の出口部近傍にクエンチガスとして投入され、生成された石炭ガス化ガスの温度を下げて路壁面に灰が付着することが防止される。
【００４８】
石炭ガス化炉１５で生成された石炭ガス化ガスはガス冷却器１６で冷却された後サイクロン４２で灰が分離され、ポーラスフィルタ１７を通って脱硫装置１８で脱硫処理されてＣＯ含有ガスをアノードガスとして生成する。ＣＯ含有ガスはシフト反応器１９で発熱反応によりＨ2とＣＯ2に反応され、Ｈ2を含むアノードガスがＭＣＦＣ２のアノード７に供給される。ＭＣＦＣ２では、Ｈ2を含むアノードガスと純Ｏ2及びＣＯ2ガスを含むカソードガスとの電気化学反応により発電が行なわれる。
【００４９】
このため、余分な熱源及び熱交換源をなくした状態で、石炭ガス化ガスから所望のアノードガスを得ることができる。
【００５０】
ＭＣＦＣ２の排気は燃焼器３で燃焼されてタービン４で膨張され、発電機５で発電が行なわれる。タービン４の排気は排熱回収ボイラ９の蒸気発生器１１で熱回収され、凝縮器１２で冷却されてＣＯ2ガスと水に分離される。分離されたＣＯ2ガスはＣＯ2圧縮機１３で圧縮され、酸素製造装置１４からの純Ｏ2と共にカソードガスとしてカソード８に圧送される。カソード８側の排気は冷却器３１で冷却され、ブロア３２で入口側のカソードガスに循環供給され、カソードガスが所望の温度に維持される。
【００５１】
ＣＯ含有ガスをアノードガスとして生成するに際し、排熱回収ボイラ９の凝縮器１２で分離された水（回収水）がポンプ２１によりガス冷却器１６に送られて石炭ガス化ガスが冷却される。
【００５２】
一方、凝縮器１２で分離されたＣＯ2の一部は回収ＣＯ2圧縮機２５で所定の圧力に圧縮され、圧縮されたＣＯ2によりホッパー２６からの微粉炭が石炭ガス化炉１５に搬送される。また、回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮されたＣＯ2の一部が石炭ガス化炉１５の出口部近傍にクエンチガスとして投入され、生成された石炭ガス化ガスの温度を低下させる。これにより、溶融してスラグ状となった灰の一部がガス化ガスによって運ばれても、スラグ状となった灰が高温になり過ぎることがなく、炉内の壁面に灰が付着することがない。
【００５３】
石炭ガス化炉１５には圧縮されたＣＯ2によって微粉炭が運ばれ、微粉炭とＯ2の反応によりＣＯ2が発生してＣＯが生成される。この時の反応は、石炭搬送用のＣＯ2が供給されてＣＯ2が共存する状態で生じるので、反応が促進されてガス化ガスが生成される。つまり、発生するＣＯ2が外部からのＣＯ2で補われる状態になって反応が促進されてガス化ガスが生成される。この時の炉内での反応は以下の通りである。
【００５４】
Ｃ＋Ｏ2→ＣＯ2＋Ｑ（Ｋｃａｌ／ｍｏｌ）：発熱反応
Ｃ＋ＣＯ2→２ＣＯ−Ｑ（Ｋｃａｌ／ｍｏｌ）：吸熱反応
炉内の熱バランスにより、発熱反応でのＣＯ2は吸熱反応のＱ（−）を燃焼させる量が反応生成される。石炭の搬送用ガスとして外部から石炭ガス化炉１５の内部にＣＯ2が供給されることにより、吸熱反応におけるＣＯ2が増加してＱ（−）が大きくなり、炉内の温度が低下して反応が促進される。ＣＯ2による反応の促進は、微粉炭の搬送により供給されたＣＯ2により反応が促進されると同時に、クエンチガスとして供給されたＣＯ2によっても反応が促進される。
【００５５】
反応が促進される結果、反応性が高くない微粉炭であっても完全に燃焼されて未燃の炭素（チャー）をなくすことができ、サイクロン４２でチャーを分離して再投入する系をなくすことができる。即ち、チャーを貯留するホッパーやチャーを戻すための配管、圧力を所定の状態に維持するための調整手段等をなくすことができる。
【００５６】
そして、燃料の流量を変えることなく、燃料の発熱量（×流量）に対する生成ガスの発熱量（×流量）を高く維持することができるので、冷ガス効率を向上させることができる。このため、既存のガス化炉に対して効率を向上させることができる。また、効率を維持した状態で簡素な構造のガス化炉を設計することができる。
【００５７】
また、ＣＯ2は発熱を伴う酸化反応に寄与しないので、ＣＯ2ガスと共に微粉炭が石炭ガス化炉１５に供給されても、自然発火や逆火の発生を防止することができ、Ｎ2による搬送の代替として適用することが可能である。
【００５８】
この結果、ガス化炉のイニシャルコストを抑制することが可能になり、石炭以外であっても炭素系燃料を用いたガス化炉を設計する際の自由度が大幅に向上する。例えば、反応性が高くない微粉炭を燃料とするガス化炉にあっては、チャーの回収を考慮する必要がない簡素な構成とすることが可能になる。反応性が高い燃料が用いられるガス化炉にあっては、所望の効率を得るために炉自体の設計（経路の長さや圧力容器、冷却用の容器等）を簡素化することが可能になる。
【００５９】
上述したガス化設備において、微粉炭をＮ2で搬送した場合との比較を説明する。
【００６０】
比較を行なうにあたり、ガス化炉としては、１室１段噴流床形式のガス化炉で、炉の径が４．０ｍ、炉の長さが８．０ｍ、クエンチガスを投入する部位の長さが１．０ｍのものを用いた。微粉炭としては、固有水分（気乾）が３．６ｗｔ％、灰分が（気乾）が９．６ｗｔ％、揮発分が３０．３ｗｔ％、Ｃ（無水）が７６．３ｗｔ％、Ｈ（無水）が５．１ｗｔ％、Ｏ（無水）が６．９ｗｔ％、Ｎ（無水）が１．７ｗｔ％、Ｓ（無水）が０．５ｗｔ％のものを用いた。
【００６１】
そして、ガス化条件としては、図３に示すように、Ｎ2搬送の場合、圧力が２６．５Ｍｐａ、酸素比が０．３８７、石炭投入量が１１８．５ｔ／ｈ、ガス化剤流量が１１１．７ｔ／ｈ、ガス化剤中Ｏ2が９５ｖｏｌ％、搬送ガス流量が３１．３ｔ／ｈ、搬送ガス中Ｎ2が９９．７８ｖｏｌ％、クエンチガス流量が２４．５ｔ／ｈ、クエンチガスの性状は生成ガスとした。そして、ＣＯ2搬送の場合、Ｎ2搬送の搬送ガス中Ｎ2が９９．７８ｖｏｌ％に代えて搬送ガス中ＣＯ2が１００ｖｏｌ％、Ｎ2搬送のクエンチガスの性状が生成ガスであるのを１００％ＣＯ2とし、その他のガス条件はＮ2搬送と同一である。
【００６２】
上記条件で石炭をＮ2で搬送した場合とＣＯ2で搬送の場合の生成ガスの状況を図４に基づいて説明する。
【００６３】
炉内炭素転換率はＮ2搬送の場合７０％で、ＣＯ2搬送の場合１００％の結果が得られた。石炭をＣＯ2搬送した場合、ＣＯ2による反応促進により、炉内の炭素が１００％燃料ガスに転換される。即ち、Ｎ2搬送の場合、生成チャーの量が５１．８ｔ／ｈであり、チャーの中のＣが７２．９ｗｔ％、Ａｓｈ（灰分）が２７．１ｗｔ％であったのに対し、ＣＯ2搬送の場合、生成チャーの量が１３．９ｔ／ｈであり、チャーの中のＣが０ｗｔ％、Ａｓｈ（灰分）が１００ｗｔ％であった。このため、ＣＯ2による反応促進の結果、石炭をＣＯ2搬送することで未燃のＣをなくすことができることがわかる。
【００６４】
また、生成ガスの流量はＮ2搬送及びＣＯ2搬送共に２７４．６ｔ／ｈである。Ｎ2搬送の場合、生成ガス発熱量（ＨＨＶ−ｗｅｔ）は１０．３１ＭＪ／ｍ3Ｎで、生成ガスの組成は、Ｈ2が２４．４ｖｏｌ％、ＣＯが５６．９ｖｏｌ％であった。ＣＯ2搬送の場合、生成ガス発熱量（ＨＨＶ−ｗｅｔ）は１１．１３ＭＪ／ｍ3Ｎで、生成ガスの組成は、Ｈ2が２１．３ｖｏｌ％、ＣＯが６６．５ｖｏｌ％、ＣＯ2が５．４ｖｏｌ％、Ｈ2Ｏが５．３ｖｏｌ％であった。ＣＨ4はＮ2搬送及びＣＯ2搬送共に０ｖｏｌ％であった。
【００６５】
石炭をＣＯ2搬送した場合、ＣＯ2による反応促進により、生成ガス中の燃料成分であるＣＯが多くなり、生成ガス発熱量（ＨＨＶ−ｗｅｔ）を高く維持することができる。この結果、冷ガス効率（生成ガスの発熱量にガス流量を乗じた値に対する／石炭発熱量（ｃａｌ）にガス流量を乗じた値）が、Ｎ2搬送の場合７８．８％であるのに対し、ＣＯ2搬送の場合８０．８％に向上する。
【００６６】
このため、石炭をＣＯ2搬送してＣＯ2を炉内に投入することで、Ｃと反応してＣＯを生成する吸熱反応のＣＯ2を多くすることができ、炉内での反応が促進されて炉内のＣが１００％燃料ガスに転換され、未燃のＣをなくすことができることがわかる。また、吸熱反応におけるＣＯ2が増加して炉内の温度が低下し、最小限のクエンチガスであっても（クエンチガスがなくても）、スラグ状となった灰が高温になり過ぎることがなく、炉内の壁面に灰が付着することがなくなることがわかる。従って、灰の付着の防止と生成ガスの発熱量の高温化を両立させることが可能になる。
【００６７】
上述したガス化設備に備えられたガス化炉は、石炭（微粉炭）の単位流量あたりの発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して効率を高く維持すると同時に灰の付着が生じ難いガス化炉となる。
【００６８】
上述した実施形態例では、炭素系の燃料として、石炭を例に挙げて説明したが、固体燃料として生物資源（バイオマス）を適用することも可能である。また、炭素系の燃料として、オイルサンド、オリノコタール等の低質重質油、石油精製プラントから排出される石油コークス、アスファルト等の超低質重質油等を適用することも可能である。この場合、軽油、ガソリン代替油、メタノール等のアルコール類を得ることができる。
【００６９】
また、ガス化炉の内部にＣＯ2を投入する手段として、石炭の搬送用のＣＯ2を用いているが、石炭の搬送はＮ2で行い、別途ＣＯ2の投入系を設けることも可能である。ＣＯ2の投入系を独立させることにより、微粉炭の搬送状況に拘わらず最適な流量のＣＯ2を投入することができ、反応促進を細かく制御することができる。また、クエンチガスとしてＣＯ2を投入する例を挙げて説明したが、クエンチガスとして生成ガスを用いることも可能である。この場合、既存の設備を大きく変更することなくガス化炉の内部にＣＯ2を投入することができる。また、ＣＯ2を投入して吸熱反応を促進させているので、クエンチガスの投入を省略したガス化炉とすることも可能である。更に、クエンチガスとしてＣＯ2を投入することで外部からＣＯ2を投入するＣＯ2投入手段を構成することも可能である。
【００７０】
また、上述した実施形態例では、ＭＣＦＣ２を備えた発電設備から回収されたＣＯ2が投入される例を示したが、排気ガスとしてＣＯ2が閉サイクルで運用されるガスタービン発電設備から回収されるＣＯ2が投入される設備とすることも可能である。
【００７１】
即ち、本実施形態例の石炭ガス化炉１５（図１参照）からのガス化ガス（脱硫後）と純Ｏ2及び圧縮機で圧縮されたＣＯ2が燃焼器に送られ、燃焼器からの燃焼ガスを膨張して発電を行なうガスタービンを備え、ガスタービンの排気（ＣＯ2・Ｈ2Ｏ）を熱回収して圧縮機で回収する閉サイクルの発電設備に適用することができる。そして、ガスタービンの排気ガスの一部を回収ＣＯ2圧縮機２５（図１参照）で圧縮して石炭搬送用として用いる。この場合、ガスタービンの排気（ＣＯ2・Ｈ2Ｏ）は排熱回収ボイラで熱回収され、排熱回収ボイラで発生した蒸気により蒸気タービンを駆動して発電が行なわれる。蒸気タービンの排気蒸気は復水されて排熱回収ボイラに給水される。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、炭素系燃料とＯ2の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉を備えたガス化設備の産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の一実施形態例に係るガス化設備を備えた発電設備の概略系統図である。
【図２】石炭ガス化炉の詳細構成図である。
【図３】ガス化条件を示す表図である。
【図４】生成ガスの状況を示す表図である。
【符号の説明】
【００７４】
２ 溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）
３ 燃焼器
４ タービン
５ 発電機
７ 燃料極（アノード）
８ 空気極（カソード）
９ 排熱回収ボイラ
１１ 蒸気発生器
１２ 凝縮器
１３ ＣＯ2圧縮機
１４ 酸素製造装置
１５ 石炭ガス化炉
１６ ガス冷却器
１７ ポーラスフィルタ
１８ 脱硫装置
１９ シフト反応器
２１ ポンプ
２５ 回収ＣＯ2圧縮機
２６ ホッパー
３１ 冷却器
３２ ブロア
４１ 蒸気発電設備
４２ サイクロン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素系燃料とＯ2の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉を備えたガス化設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭は世界の広い地域に存在し、可採埋蔵量が多く、価格が安定しているため、供給安定性が高く発熱量あたりの価格が低廉である。このため、石炭火力発電は、エネルギーの確保、エネルギー価格の安定に重要な役割を果たしている。また、水力、原子力による発電との電力需要のバランスを調整する役割としても重要である。
【０００３】
石炭を燃料とする火力発電は、石炭をボイラで燃焼させることで蒸気を得て、蒸気タービンを駆動させる汽力発電や、石炭ガス化ガスをガス精製して燃焼器で燃焼させ、燃焼器からの燃焼ガスを膨張タービン（ガスタービン）で膨張させてガスタービンにより動力を得るガスタービン発電が知られている。また、ガスタービン発電に加え、ガスタービンの排気ガスの熱回収により得られた蒸気で駆動される蒸気タービンを備えた複合発電等が知られている。
【０００４】
石炭ガス化炉としては、固定床型ガス化炉、流動床型ガス化炉、噴流床型ガス化炉が知られている。発電設備用の石炭ガス化炉としては、石炭分の灰分を溶融させスラグ状として排出する噴流床型の石炭ガス化炉が主に開発されている。
【０００５】
噴流床型の石炭ガス化炉では、バーナからの石炭と酸化剤とが炉内で反応して高温状態になり、石炭中の灰が溶融してスラグ状となった灰が分離され、ガス化反応が生じて、可燃性のガス化ガスが生成される。溶融してスラグ状となった灰の一部がガス化ガスにより運ばれ、路内壁等に付着する虞があるため、ガス化ガスよりも温度の低いクエンチガスを炉の出口近傍に供給し、ガス化ガスの温度を下げて灰の付着を防止することが従来から行なわれている（例えば、特許文献１参照）。クエンチガスとしては、例えば、生成されたガス化ガスの一部を冷却して供給されている。
【０００６】
しかし、ガス化ガスの一部をクエンチガスとして用いた場合、サイクロン等でスラグ等を分離したガス化ガスの分岐経路を構築し、更に、ガス化ガスを冷却するための熱交換器等の機器やガス化ガスの流通を制御する流量制御機器を必要としていた。このため、ガス化炉の出口周りの機器が複雑化する結果になり、設備コストが嵩むと共にガス化炉の形状の設計に制約を受けることになっていた。また、ガス化炉の効率（冷ガス効率）を高く維持するためには生成ガスの発熱量を高く維持することが不可欠であるが、同時に灰の付着を抑制することも考慮する必要がある。
【０００７】
このため、ガス化炉の設計を変更することなく、また、ガス化炉の設計に自由度を持たせた状態で、灰の付着の防止と生成ガスの発熱量の高温化を両立させることは困難な状況であるのが現状である。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−１９４８５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、炭素系燃料の単位流量あたりの発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して効率を高く維持すると同時に灰の付着が生じ難いガス化炉を備えたガス化設備を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明のガス化設備は、炭素系燃料とＯ2の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉の内部に外部からＣＯ2を投入するＣＯ2投入手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る本発明では、ＣＯ2投入手段からＣＯ2を投入することにより、ＣとＣＯ2の吸熱反応によるＣＯの生成を促進し、ガス化炉内の温度上昇を抑えてガス化ガスを生成することができ、単位流量あたりの炭素系燃料の発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して効率を高く維持すると同時に、ガス化ガスの温度上昇を抑制して灰の付着が生じ難いガス化炉を備えたガス化設備となる。
【００１２】
そして、請求項２に係る本発明のガス化設備は、請求項１に記載のガス化設備において、ＣＯ2投入手段は、炭素系燃料をガス化炉の内部に搬送する燃料搬送手段であり、搬送される炭素系燃料と共にＣＯ2をガス化炉の内部に投入することでガス化ガス生成の吸熱反応を促進させることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る本発明では、燃料搬送手段により炭素系燃料と共にＣＯ2をガス化炉の内部に投入することができ、既存の設備を用いて搬送ガスをＣＯ2に変更することでＣＯ2の投入を容易に行うことができる。
【００１４】
また、請求項３に係る本発明のガス化設備は、請求項１に記載のガス化設備において、ＣＯ2投入手段は、冷却用にＣＯ2を投入する冷却手段であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る本発明では、ＣＯ2の顕熱によりガス化ガスの温度上昇を抑制することができ、冷却用に用いたＣＯ2によりガス化ガス生成の吸熱反応を促進させることもできる。
【００１６】
また、請求項４に係る本発明のガス化設備は、請求項１に記載のガス化設備において、ＣＯ2投入手段は、炭素系燃料をガス化炉の内部に搬送する燃料搬送手段、及び、冷却用にＣＯ2を投入する冷却手段であり、燃料搬送手段により搬送される炭素系燃料と共にＣＯ2をガス化炉の内部に投入することでガス化ガス生成の吸熱反応を促進させることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る本発明では、燃料搬送手段により炭素系燃料と共にＣＯ2をガス化炉の内部に投入することができ、既存の設備を用いて搬送ガスをＣＯ2に変更することでＣＯ2の投入を容易に行うことができると共に、ＣＯ2の顕熱によりガス化ガスの温度上昇を抑制することができ、冷却用に用いたＣＯ2によりガス化ガス生成の吸熱反応を促進させることもできる。
【００１８】
また、請求項５に係る本発明のガス化設備は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のガス化設備において、ガス化炉は噴流床型の石炭ガス化炉であり、石炭とＯ2の反応により石炭ガス化ガスが生成されることを特徴とする。
【００１９】
請求項５に係る本発明では、単位流量あたりの石炭の発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して効率を高く維持すると同時に、ガス化ガスの温度上昇を抑制して灰の付着が生じ難い噴流床型の石炭ガス化炉を備えたガス化設備となる。
【００２０】
また、請求項６に係る本発明のガス化設備は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガス化設備において、ＣＯ2投入手段で投入されるＣＯ2は、排気ガスとしてＣＯ2が回収される溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備から回収されたＣＯ2であることを特徴とする。
【００２１】
請求項６に係る本発明では、溶融炭酸塩形燃料電池の排気ガスのＣＯ2を有効に回収できるガス化炉を備えたガス化設備となる。
【００２２】
また、請求項７に係る本発明のガス化設備は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガス化設備において、ＣＯ2投入手段で投入されるＣＯ2は、排気ガスとしてＣＯ2が閉サイクルで運用されるガスタービン発電設備から回収されたＣＯ2であることを特徴とする。
【００２３】
請求項７に係る本発明では、閉サイクルで運用されるガスタービン発電設備から回収されたＣＯ2を有効に回収できるガス化炉を備えたガス化設備となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のガス化設備は、炭素系燃料の単位流量あたりの発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して効率を高く維持すると同時に灰の付着が生じ難いガス化炉を備えたガス化設備となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の一実施形態例に係るガス化設備は、Ｏ2を吹き込むことで石炭を燃焼してガス化ガスを生成するガス化炉を備え、ガス化炉で得られたガス化ガスを溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）のアノードガスとして用いるものである。ＭＣＦＣのカソードガスには純Ｏ2及びＣＯ2ガスが含まれ、ＭＣＦＣの排気ガス（ＣＯ2ガス）を膨張タービンで膨張させて発電を行ない、膨張タービンの排気ガスを熱回収して蒸気タービンで発電を行い、ＣＯ2ガスの一部をＣＯ2圧縮機で圧縮して純Ｏ2と共にカソードガスとして循環させる。また、ＣＯ2ガスの一部を回収ＣＯ2圧縮機で圧縮し、圧縮されたＣＯ2ガスを石炭（微粉炭）の搬送用として用い、微粉炭と共にＣＯ2ガスをガス化炉内に供給する（ＣＯ2投入手段）。更に、圧縮されたＣＯ2ガスをクエンチガスとしてガス化炉に投入する（ＣＯ2投入手段）。
【００２６】
このため、ガス化炉にＣＯ2が供給され、ＣとＣＯ2の吸熱反応によるＣＯの生成が促進されてガス化炉内の温度上昇を抑えてガス化ガスを生成することができ、炭素系燃料の単位流量あたりの発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して冷ガス効率を高くすると同時に、ガス化ガスの温度上昇を抑制して灰の付着が生じ難いガス化炉を備えたガス化設備となる。
【００２７】
図１に基づいて本発明の一実施形態例に係るガス化設備を備えた発電設備を具体的に説明する。図１には本発明の一実施形態例に係るガス化設備を備えた発電設備の概略系統、図２には石炭ガス化炉の詳細構成を示してある。
【００２８】
図１に示すように、発電設備には、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）２が備えられ、ＭＣＦＣ２の出口ガス（排気ガス）が導入されて燃焼が行われる燃焼器３が設けられている。燃焼器３からの燃焼ガスを膨張して駆動するタービン４が備えられ、タービン４には発電機５が同軸上に設けられている。タービン４の駆動により発電機５が作動して発電が行われる。
【００２９】
ＭＣＦＣ２は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極（アノード）７と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極（カソード）８との間に、電解質（炭酸塩）が挟まれて構成されている。そして、石炭ガス化ガスから得られた水素（Ｈ2）をアノード７に供給すると共に、空気（Ｏ2）とＣＯ2をカソード８に供給することで、Ｈ2とＯ2の電気化学反応により発電が行われる。
【００３０】
タービン４の下流にはタービン４で仕事を終えた排気（排気ガス）の熱回収を行う排熱回収手段（排熱回収ボイラ）９が備えられ、排熱回収ボイラ９は蒸気発生器１１及び凝縮器１２を備えている。排熱回収ボイラ９の凝縮器１２には蒸気発電設備４１からの給水、例えば、蒸気タービンで仕事を終えた蒸気を凝縮した復水が冷却媒体（給水加熱用）として送られ、蒸気発生器１１で熱回収された排気ガスは凝縮器１２で凝縮されて水（Ｈ2Ｏ）と非凝縮ガス（ＣＯ2）に分離される。蒸気発生器１１で発生した蒸気は蒸気発電設備４１に送られ、蒸気タービンを駆動することにより動力が得られる。
【００３１】
凝縮器１２で分離されたＣＯ2の一部はＣＯ2圧縮機１３で圧縮され、ＣＯ2圧縮機１３で圧縮されたＣＯ2に所定の圧力の純Ｏ2を供給する酸素供給系として酸素製造装置１４が備えられている。ＣＯ2圧縮機１３で圧縮されたＣＯ2に所定の圧力の純Ｏ2が供給されてカソードガスが生成され、カソードガスはＭＣＦＣ２のカソード８に供給される。
【００３２】
酸素製造装置１４は、深冷設備からの純Ｏ2を所定圧力に加圧して供給する手段であり、酸素製造装置１４からＯ2を所望量のＯ2を供給することで、ＣＯ2に対するＯ2の比を所望の比率で運転することができるＭＣＦＣ２を備えた発電設備となる。
【００３３】
一方、酸素製造装置１４で得られた純Ｏ2と共に石炭を燃焼して石炭ガス化ガス（炭化水素系のガス化ガス）を得る石炭ガス化炉１５（Ｏ2吹きのガス化炉）が備えられ、石炭ガス化炉１５で得られた石炭ガス化ガスは、ガス冷却器１６で冷却された後、サイクロン４２に送られ、灰分が分離された石炭ガス化ガスとされる。
【００３４】
灰分が分離された石炭ガス化ガスはポーラスフィルタ１７を通って脱硫装置１８で脱硫される。脱硫装置１８で脱硫された石炭ガス化ガスは、シフト反応器１９で化学反応（発熱反応）によりＨ2とＣＯ2に反応され、所望のアノードガスを得てＭＣＦＣ２のアノード７に供給される。脱硫後の石炭ガス化ガスに異物が残留した場合、異物をシフト反応器１９でトラップすることができる。
【００３５】
シフト反応器１９は石炭ガス化ガスが流通する配管内に所望の触媒が配されたもので、石炭ガス化ガス（ＣＯを含有するガス）を発熱反応によりＨ2とＣＯ2に反応させて電気化学反応に用いられるＨ2を含むアノードガスとされる。シフト反応器１９では、
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2
の発熱反応が行なわれる。
【００３６】
発熱反応によりＨ2を得ているので、アノードガスを所望の温度に昇温させるための熱交換器（ガス／ガス熱交換器）を用いることなく、即ち、他の機器からの熱を必要とせずにＨ2を含むアノードガスをＭＣＦＣ２のアノード７に供給することができる。このため、発熱量を維持することでアノードガスの温度を所望温度に維持することができ、アノードガスの温度を調整するための余分な熱交換用の熱源や冷却源（アノード排ガスの循環等）をなくした状態で、放射熱が生じない状態でアノードガスを得ることができる。
【００３７】
また、従来までＭＣＦＣ２の内部で起こっていたシフト反応による発熱をＭＣＦＣ２の外部で行うため、シフト反応による発熱分だけ、ＭＣＦＣ２での冷却が不要となり、カソードガスによる電池の冷却動力が削減される。
【００３８】
脱硫装置１８は湿式の装置で、前述した排熱回収ボイラ９の凝縮器１２で凝縮された凝縮水（回収水）の一部が導入される。また、凝縮器１２で凝縮された凝縮水（回収水）はポンプ２１によりガス冷却器１６に送られ、石炭ガス化ガスの冷却用の媒体とされる。凝縮水（回収水）はガス冷却器１６で熱交換により加熱されて蒸気とされ、脱硫装置１８で脱硫された石炭ガス化ガスに供給される。
【００３９】
燃焼器３に送られるＭＣＦＣ２のカソード排気の一部を冷却する冷却器３１が備えられ、冷却器３１で冷却されたカソード排気は昇温手段としてのブロア３２でカソード８の入口側のカソードガス（純Ｏ2とＣＯ2ガスを含むカソードガス）に供給され、カソードガスが所望の温度に昇温される。ブロア３２に代えてエジェクタを設けることも可能である。このため、カソードガスを所望の温度に昇温させるための熱交換器（ガス／ガス熱交換器）を用いることなくカソードガスをＭＣＦＣ２のカソード８に供給することができる。
【００４０】
図１、図２に基づいてガス化設備を説明する。
【００４１】
図１、図２に示すように、排熱回収ボイラ９の凝縮器１２で分離されたＣＯ2のうち余剰の部分は外部に回収されると共に、余剰のＣＯ2の一部は回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮され、石炭搬送用の圧縮ＣＯ2ガスとして石炭ガス化炉１５に送られる。石炭ガス化炉１５にはホッパー２６からの微粉炭が圧縮ＣＯ2ガスに搬送されてＣＯ2ガスと共に供給され（ＣＯ2搬送手段：ＣＯ2投入手段）、更に、石炭ガス化炉１５には酸素製造装置１４からの純Ｏ2が供給される（※１参照）。
【００４２】
石炭ガス化炉１５では、ＣＯ2が共存する状態で微粉炭とＯ2の反応によりガス化ガスが生成される。また、回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮された石炭搬送用の圧縮ＣＯ2の一部が石炭ガス化炉１５の出口近傍にクエンチガスとして投入され（冷却手段：ＣＯ2投入手段）、生成ガスの温度を下げて灰の付着が防止される。
【００４３】
石炭ガス化炉１５では、ＣＯ2が共存する状態で微粉炭とＯ2の反応によりガス化ガスが生成されるため、ガス化反応、即ち、ＣとＣＯ2によるＣＯ生成反応の吸熱反応を促進することができ、生成ガスの温度を高くすることなく、燃料の発熱量に対する生成ガスの発熱量を高く維持することができる。
【００４４】
微粉炭がＣＯ2ガスに搬送されてＣＯ2ガスと共に供給されることで、Ｎ2で搬送される場合と同様に微粉炭の自然発火や逆火を防止することができる。つまり、微粉炭の発火現象を防止するため、一般に微粉炭をＮ2で搬送しているが、ＣＯ2も発熱に伴う酸化反応に寄与しないので、ＣＯ2ガスにより微粉炭を搬送しても、自然発火や逆火を防止する機能はＮ2を用いた時と同じに果たすことができる。
【００４５】
これにより、燃料の単位流量あたりの発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して石炭ガス化炉１５の効率（冷ガス効率）を高く維持することができると同時に、ガス化ガスの温度の上昇が抑制されて石炭ガス化炉１５の出口近傍での灰の付着を抑制することができる。このため、回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮された石炭搬送用の圧縮ＣＯ2の一部を石炭ガス化炉１５の出口近傍にクエンチガスとして投入する手段を省略することも可能である。
【００４６】
更に、ＣＯ2が共存する状態で微粉炭とＯ2の反応によりガス化反応が促進されるため、未燃の炭素（チャー）をなくすことができ、サイクロン４２でチャーを分離して再投入する系（ホッパー等）をなくすことができる。例えば、石炭ガス化炉１５の炉内炭素変換率を７０％程度から１００％にすることが可能である。このため、サイクロン４２は灰を排出する機能を備えるだけの簡素な構成とすることができる。
【００４７】
上述したガス化設備を備えた発電設備では、回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮されたＣＯ2により石炭（微粉炭）が石炭ガス化炉１５に搬送され、搬送された石炭（微粉炭）をＣＯ2が共存する状態でＯ2と共に石炭ガス化炉１５で燃焼させて石炭ガス化ガス（ＣＯ含有ガス）を生成する。また、回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮されたＣＯ2の一部が石炭ガス化炉１５の出口部近傍にクエンチガスとして投入され、生成された石炭ガス化ガスの温度を下げて路壁面に灰が付着することが防止される。
【００４８】
石炭ガス化炉１５で生成された石炭ガス化ガスはガス冷却器１６で冷却された後サイクロン４２で灰が分離され、ポーラスフィルタ１７を通って脱硫装置１８で脱硫処理されてＣＯ含有ガスをアノードガスとして生成する。ＣＯ含有ガスはシフト反応器１９で発熱反応によりＨ2とＣＯ2に反応され、Ｈ2を含むアノードガスがＭＣＦＣ２のアノード７に供給される。ＭＣＦＣ２では、Ｈ2を含むアノードガスと純Ｏ2及びＣＯ2ガスを含むカソードガスとの電気化学反応により発電が行なわれる。
【００４９】
このため、余分な熱源及び熱交換源をなくした状態で、石炭ガス化ガスから所望のアノードガスを得ることができる。
【００５０】
ＭＣＦＣ２の排気は燃焼器３で燃焼されてタービン４で膨張され、発電機５で発電が行なわれる。タービン４の排気は排熱回収ボイラ９の蒸気発生器１１で熱回収され、凝縮器１２で冷却されてＣＯ2ガスと水に分離される。分離されたＣＯ2ガスはＣＯ2圧縮機１３で圧縮され、酸素製造装置１４からの純Ｏ2と共にカソードガスとしてカソード８に圧送される。カソード８側の排気は冷却器３１で冷却され、ブロア３２で入口側のカソードガスに循環供給され、カソードガスが所望の温度に維持される。
【００５１】
ＣＯ含有ガスをアノードガスとして生成するに際し、排熱回収ボイラ９の凝縮器１２で分離された水（回収水）がポンプ２１によりガス冷却器１６に送られて石炭ガス化ガスが冷却される。
【００５２】
一方、凝縮器１２で分離されたＣＯ2の一部は回収ＣＯ2圧縮機２５で所定の圧力に圧縮され、圧縮されたＣＯ2によりホッパー２６からの微粉炭が石炭ガス化炉１５に搬送される。また、回収ＣＯ2圧縮機２５で圧縮されたＣＯ2の一部が石炭ガス化炉１５の出口部近傍にクエンチガスとして投入され、生成された石炭ガス化ガスの温度を低下させる。これにより、溶融してスラグ状となった灰の一部がガス化ガスによって運ばれても、スラグ状となった灰が高温になり過ぎることがなく、炉内の壁面に灰が付着することがない。
【００５３】
石炭ガス化炉１５には圧縮されたＣＯ2によって微粉炭が運ばれ、微粉炭とＯ2の反応によりＣＯ2が発生してＣＯが生成される。この時の反応は、石炭搬送用のＣＯ2が供給されてＣＯ2が共存する状態で生じるので、反応が促進されてガス化ガスが生成される。つまり、発生するＣＯ2が外部からのＣＯ2で補われる状態になって反応が促進されてガス化ガスが生成される。この時の炉内での反応は以下の通りである。
【００５４】
Ｃ＋Ｏ2→ＣＯ2＋Ｑ（Ｋｃａｌ／ｍｏｌ）：発熱反応
Ｃ＋ＣＯ2→２ＣＯ−Ｑ（Ｋｃａｌ／ｍｏｌ）：吸熱反応
炉内の熱バランスにより、発熱反応でのＣＯ2は吸熱反応のＱ（−）を燃焼させる量が反応生成される。石炭の搬送用ガスとして外部から石炭ガス化炉１５の内部にＣＯ2が供給されることにより、吸熱反応におけるＣＯ2が増加してＱ（−）が大きくなり、炉内の温度が低下して反応が促進される。ＣＯ2による反応の促進は、微粉炭の搬送により供給されたＣＯ2により反応が促進されると同時に、クエンチガスとして供給されたＣＯ2によっても反応が促進される。
【００５５】
反応が促進される結果、反応性が高くない微粉炭であっても完全に燃焼されて未燃の炭素（チャー）をなくすことができ、サイクロン４２でチャーを分離して再投入する系をなくすことができる。即ち、チャーを貯留するホッパーやチャーを戻すための配管、圧力を所定の状態に維持するための調整手段等をなくすことができる。
【００５６】
そして、燃料の流量を変えることなく、燃料の発熱量（×流量）に対する生成ガスの発熱量（×流量）を高く維持することができるので、冷ガス効率を向上させることができる。このため、既存のガス化炉に対して効率を向上させることができる。また、効率を維持した状態で簡素な構造のガス化炉を設計することができる。
【００５７】
また、ＣＯ2は発熱を伴う酸化反応に寄与しないので、ＣＯ2ガスと共に微粉炭が石炭ガス化炉１５に供給されても、自然発火や逆火の発生を防止することができ、Ｎ2による搬送の代替として適用することが可能である。
【００５８】
この結果、ガス化炉のイニシャルコストを抑制することが可能になり、石炭以外であっても炭素系燃料を用いたガス化炉を設計する際の自由度が大幅に向上する。例えば、反応性が高くない微粉炭を燃料とするガス化炉にあっては、チャーの回収を考慮する必要がない簡素な構成とすることが可能になる。反応性が高い燃料が用いられるガス化炉にあっては、所望の効率を得るために炉自体の設計（経路の長さや圧力容器、冷却用の容器等）を簡素化することが可能になる。
【００５９】
上述したガス化設備において、微粉炭をＮ2で搬送した場合との比較を説明する。
【００６０】
比較を行なうにあたり、ガス化炉としては、１室１段噴流床形式のガス化炉で、炉の径が４．０ｍ、炉の長さが８．０ｍ、クエンチガスを投入する部位の長さが１．０ｍのものを用いた。微粉炭としては、固有水分（気乾）が３．６ｗｔ％、灰分が（気乾）が９．６ｗｔ％、揮発分が３０．３ｗｔ％、Ｃ（無水）が７６．３ｗｔ％、Ｈ（無水）が５．１ｗｔ％、Ｏ（無水）が６．９ｗｔ％、Ｎ（無水）が１．７ｗｔ％、Ｓ（無水）が０．５ｗｔ％のものを用いた。
【００６１】
そして、ガス化条件としては、図３に示すように、Ｎ2搬送の場合、圧力が２６．５Ｍｐａ、酸素比が０．３８７、石炭投入量が１１８．５ｔ／ｈ、ガス化剤流量が１１１．７ｔ／ｈ、ガス化剤中Ｏ2が９５ｖｏｌ％、搬送ガス流量が３１．３ｔ／ｈ、搬送ガス中Ｎ2が９９．７８ｖｏｌ％、クエンチガス流量が２４．５ｔ／ｈ、クエンチガスの性状は生成ガスとした。そして、ＣＯ2搬送の場合、Ｎ2搬送の搬送ガス中Ｎ2が９９．７８ｖｏｌ％に代えて搬送ガス中ＣＯ2が１００ｖｏｌ％、Ｎ2搬送のクエンチガスの性状が生成ガスであるのを１００％ＣＯ2とし、その他のガス条件はＮ2搬送と同一である。
【００６２】
上記条件で石炭をＮ2で搬送した場合とＣＯ2で搬送の場合の生成ガスの状況を図４に基づいて説明する。
【００６３】
炉内炭素転換率はＮ2搬送の場合７０％で、ＣＯ2搬送の場合１００％の結果が得られた。石炭をＣＯ2搬送した場合、ＣＯ2による反応促進により、炉内の炭素が１００％燃料ガスに転換される。即ち、Ｎ2搬送の場合、生成チャーの量が５１．８ｔ／ｈであり、チャーの中のＣが７２．９ｗｔ％、Ａｓｈ（灰分）が２７．１ｗｔ％であったのに対し、ＣＯ2搬送の場合、生成チャーの量が１３．９ｔ／ｈであり、チャーの中のＣが０ｗｔ％、Ａｓｈ（灰分）が１００ｗｔ％であった。このため、ＣＯ2による反応促進の結果、石炭をＣＯ2搬送することで未燃のＣをなくすことができることがわかる。
【００６４】
また、生成ガスの流量はＮ2搬送及びＣＯ2搬送共に２７４．６ｔ／ｈである。Ｎ2搬送の場合、生成ガス発熱量（ＨＨＶ−ｗｅｔ）は１０．３１ＭＪ／ｍ3Ｎで、生成ガスの組成は、Ｈ2が２４．４ｖｏｌ％、ＣＯが５６．９ｖｏｌ％であった。ＣＯ2搬送の場合、生成ガス発熱量（ＨＨＶ−ｗｅｔ）は１１．１３ＭＪ／ｍ3Ｎで、生成ガスの組成は、Ｈ2が２１．３ｖｏｌ％、ＣＯが６６．５ｖｏｌ％、ＣＯ2が５．４ｖｏｌ％、Ｈ2Ｏが５．３ｖｏｌ％であった。ＣＨ4はＮ2搬送及びＣＯ2搬送共に０ｖｏｌ％であった。
【００６５】
石炭をＣＯ2搬送した場合、ＣＯ2による反応促進により、生成ガス中の燃料成分であるＣＯが多くなり、生成ガス発熱量（ＨＨＶ−ｗｅｔ）を高く維持することができる。この結果、冷ガス効率（生成ガスの発熱量にガス流量を乗じた値に対する／石炭発熱量（ｃａｌ）にガス流量を乗じた値）が、Ｎ2搬送の場合７８．８％であるのに対し、ＣＯ2搬送の場合８０．８％に向上する。
【００６６】
このため、石炭をＣＯ2搬送してＣＯ2を炉内に投入することで、Ｃと反応してＣＯを生成する吸熱反応のＣＯ2を多くすることができ、炉内での反応が促進されて炉内のＣが１００％燃料ガスに転換され、未燃のＣをなくすことができることがわかる。また、吸熱反応におけるＣＯ2が増加して炉内の温度が低下し、最小限のクエンチガスであっても（クエンチガスがなくても）、スラグ状となった灰が高温になり過ぎることがなく、炉内の壁面に灰が付着することがなくなることがわかる。従って、灰の付着の防止と生成ガスの発熱量の高温化を両立させることが可能になる。
【００６７】
上述したガス化設備に備えられたガス化炉は、石炭（微粉炭）の単位流量あたりの発熱量に対する生成ガスの単位流量あたりの発熱量を確保して効率を高く維持すると同時に灰の付着が生じ難いガス化炉となる。
【００６８】
上述した実施形態例では、炭素系の燃料として、石炭を例に挙げて説明したが、固体燃料として生物資源（バイオマス）を適用することも可能である。また、炭素系の燃料として、オイルサンド、オリノコタール等の低質重質油、石油精製プラントから排出される石油コークス、アスファルト等の超低質重質油等を適用することも可能である。この場合、軽油、ガソリン代替油、メタノール等のアルコール類を得ることができる。
【００６９】
また、ガス化炉の内部にＣＯ2を投入する手段として、石炭の搬送用のＣＯ2を用いているが、石炭の搬送はＮ2で行い、別途ＣＯ2の投入系を設けることも可能である。ＣＯ2の投入系を独立させることにより、微粉炭の搬送状況に拘わらず最適な流量のＣＯ2を投入することができ、反応促進を細かく制御することができる。また、クエンチガスとしてＣＯ2を投入する例を挙げて説明したが、クエンチガスとして生成ガスを用いることも可能である。この場合、既存の設備を大きく変更することなくガス化炉の内部にＣＯ2を投入することができる。また、ＣＯ2を投入して吸熱反応を促進させているので、クエンチガスの投入を省略したガス化炉とすることも可能である。更に、クエンチガスとしてＣＯ2を投入することで外部からＣＯ2を投入するＣＯ2投入手段を構成することも可能である。
【００７０】
また、上述した実施形態例では、ＭＣＦＣ２を備えた発電設備から回収されたＣＯ2が投入される例を示したが、排気ガスとしてＣＯ2が閉サイクルで運用されるガスタービン発電設備から回収されるＣＯ2が投入される設備とすることも可能である。
【００７１】
即ち、本実施形態例の石炭ガス化炉１５（図１参照）からのガス化ガス（脱硫後）と純Ｏ2及び圧縮機で圧縮されたＣＯ2が燃焼器に送られ、燃焼器からの燃焼ガスを膨張して発電を行なうガスタービンを備え、ガスタービンの排気（ＣＯ2・Ｈ2Ｏ）を熱回収して圧縮機で回収する閉サイクルの発電設備に適用することができる。そして、ガスタービンの排気ガスの一部を回収ＣＯ2圧縮機２５（図１参照）で圧縮して石炭搬送用として用いる。この場合、ガスタービンの排気（ＣＯ2・Ｈ2Ｏ）は排熱回収ボイラで熱回収され、排熱回収ボイラで発生した蒸気により蒸気タービンを駆動して発電が行なわれる。蒸気タービンの排気蒸気は復水されて排熱回収ボイラに給水される。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、炭素系燃料とＯ2の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉を備えたガス化設備の産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の一実施形態例に係るガス化設備を備えた発電設備の概略系統図である。
【図２】石炭ガス化炉の詳細構成図である。
【図３】ガス化条件を示す表図である。
【図４】生成ガスの状況を示す表図である。
【符号の説明】
【００７４】
２ 溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）
３ 燃焼器
４ タービン
５ 発電機
７ 燃料極（アノード）
８ 空気極（カソード）
９ 排熱回収ボイラ
１１ 蒸気発生器
１２ 凝縮器
１３ ＣＯ2圧縮機
１４ 酸素製造装置
１５ 石炭ガス化炉
１６ ガス冷却器
１７ ポーラスフィルタ
１８ 脱硫装置
１９ シフト反応器
２１ ポンプ
２５ 回収ＣＯ2圧縮機
２６ ホッパー
３１ 冷却器
３２ ブロア
４１ 蒸気発電設備
４２ サイクロン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系燃料とＯ2の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉の内部に外部からＣＯ2を投入するＣＯ2投入手段を備えたことを特徴とするガス化設備。
【請求項２】
請求項１に記載のガス化設備において、
ＣＯ2投入手段は、炭素系燃料をガス化炉の内部に搬送する燃料搬送手段であり、搬送される炭素系燃料と共にＣＯ2をガス化炉の内部に投入することでガス化ガス生成の吸熱反応を促進させる
ことを特徴とするガス化設備。
【請求項３】
請求項１に記載のガス化設備において、
ＣＯ2投入手段は、冷却用にＣＯ2を投入する冷却手段である
ことを特徴とするガス化設備。
【請求項４】
請求項１に記載のガス化設備において、
ＣＯ2投入手段は、炭素系燃料をガス化炉の内部に搬送する燃料搬送手段、及び、冷却用にＣＯ2を投入する冷却手段であり、
燃料搬送手段により搬送される炭素系燃料と共にＣＯ2をガス化炉の内部に投入することでガス化ガス生成の吸熱反応を促進させる
ことを特徴とするガス化設備。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のガス化設備において、
ガス化炉は噴流床型の石炭ガス化炉であり、石炭とＯ2の反応により石炭ガス化ガスが生成される
ことを特徴とするガス化設備。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガス化設備において、
ＣＯ2投入手段で投入されるＣＯ2は、排気ガスとしてＣＯ2が回収される溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備から回収されたＣＯ2である
ことを特徴とするガス化設備。
【請求項７】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガス化設備において、
ＣＯ2投入手段で投入されるＣＯ2は、排気ガスとしてＣＯ2が閉サイクルで運用されるガスタービン発電設備から回収されたＣＯ2である
ことを特徴とするガス化設備。
【請求項１】
炭素系燃料とＯ2の反応によりガス化ガスを生成するガス化炉の内部に外部からＣＯ2を投入するＣＯ2投入手段を備えたことを特徴とするガス化設備。
【請求項２】
請求項１に記載のガス化設備において、
ＣＯ2投入手段は、炭素系燃料をガス化炉の内部に搬送する燃料搬送手段であり、搬送される炭素系燃料と共にＣＯ2をガス化炉の内部に投入することでガス化ガス生成の吸熱反応を促進させる
ことを特徴とするガス化設備。
【請求項３】
請求項１に記載のガス化設備において、
ＣＯ2投入手段は、冷却用にＣＯ2を投入する冷却手段である
ことを特徴とするガス化設備。
【請求項４】
請求項１に記載のガス化設備において、
ＣＯ2投入手段は、炭素系燃料をガス化炉の内部に搬送する燃料搬送手段、及び、冷却用にＣＯ2を投入する冷却手段であり、
燃料搬送手段により搬送される炭素系燃料と共にＣＯ2をガス化炉の内部に投入することでガス化ガス生成の吸熱反応を促進させる
ことを特徴とするガス化設備。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のガス化設備において、
ガス化炉は噴流床型の石炭ガス化炉であり、石炭とＯ2の反応により石炭ガス化ガスが生成される
ことを特徴とするガス化設備。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガス化設備において、
ＣＯ2投入手段で投入されるＣＯ2は、排気ガスとしてＣＯ2が回収される溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備から回収されたＣＯ2である
ことを特徴とするガス化設備。
【請求項７】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガス化設備において、
ＣＯ2投入手段で投入されるＣＯ2は、排気ガスとしてＣＯ2が閉サイクルで運用されるガスタービン発電設備から回収されたＣＯ2である
ことを特徴とするガス化設備。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−２９１０８１（Ｐ２００８−２９１０８１Ａ）
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３６５４５（Ｐ２００７−１３６５４５）
【出願日】平成１９年５月２３日（２００７．５．２３）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２３日（２００７．５．２３）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]