流動床ガス化装置及び石炭ガス化複合発電システム
【課題】 ガス化炉および脱硫炉をそれぞれ最適な温度で運転させることのできる流動床ガス化装置および石炭ガス化複合発電システムを提供することを目的とする。
【解決手段】 固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉２と、前記ガス化炉２で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉３と、前記ガス化炉２から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉３から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉４と、を具備する流動床ガス化装置６であって、前記ガス化炉２と前記脱硫炉３との間に、燃料ガス冷却器５が設けられていることを特徴とする。
【解決手段】 固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉２と、前記ガス化炉２で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉３と、前記ガス化炉２から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉３から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉４と、を具備する流動床ガス化装置６であって、前記ガス化炉２と前記脱硫炉３との間に、燃料ガス冷却器５が設けられてい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、火力発電設備や燃料ガス製造設備等において石炭のガス化に使用される流動床ガス化装置およびこれを備えた石炭ガス化複合発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から石炭火力プラントの発電効率向上のために、石炭ガス化複合発電システムの開発が進められており、たとえば、そのシステムの一例として、ガス化炉、脱硫炉、酸化炉、脱塵装置、ガスタービン、蒸気タービン、脱硝装置などから構成されたシステムが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２２７２０５号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来の石炭ガス化複合発電システムでは、反応面から脱硫炉の温度を９３０℃〜９８０℃に維持しなければならず、そのため、ガス化炉から脱硫炉までの配管における放散熱を考慮したとしても、ガス化炉の温度を９４０℃〜９９０℃に維持しなければならなかった。
ガス化炉におけるガス化の最適温度は１０００℃〜１０５０℃である。したがって、９４０℃〜９９０℃という温度は、石炭をガス化させるには低温となってしまうため、タールが発生したり、ガス化の反応速度が遅くなり、ガス化させるための反応時間が長くなってしまうといった問題点があった。
所定のガス発生量を確保するには反応容積を大きくすればよいが、これはガス化炉の大型化を招いてしまうので好ましくない（実用的でない）。
【０００４】
また、従来の石炭ガス化複合発電システムでは、たとえば起動時など、ガス量の少ない低負荷時に、脱硫炉の温度が低下して、脱硫炉の温度がカルシネーション反応開始温度を下回り、脱硫反応を生じさせることができないといった問題点があった。
さらに、灰融点の低い石炭種を使用しようとした場合には、ガス化炉の温度を高くすることができないため、脱硫炉の温度をカルシネーション反応開始温度以上に設定することができず、脱硫反応を生じさせることができないといった問題点もあった。
【０００５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ガス化炉および脱硫炉をそれぞれ最適な温度で運転させることのできる流動床ガス化装置および石炭ガス化複合発電システム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】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の流動床ガス化装置は、固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉と、前記ガス化炉で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉と、前記ガス化炉から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉とを具備する流動床ガス化装置であって、前記ガス化炉と前記脱硫炉との間に、燃料ガス冷却器が設けられていることを特徴とする。
このような流動床ガス化装置によれば、ガス化炉から脱硫炉に送られる燃料ガスの温度が燃料ガス冷却器により下げられるようになっている。
すなわち、ガス化炉の温度がガス化に最適な温度（たとえば、１０００℃〜１０５０℃）に設定され、かつ脱硫炉の温度が脱硫に最適な温度（たとえば、９1０℃〜９８０℃）に設定され得ることとなる。「固体燃料」としては、石炭が好適である。
【０００７】
請求項２に記載の流動床ガス化装置は、前記燃料ガス冷却器に蒸気が供給されるとともに、当該蒸気と前記燃料ガスとの間で熱交換が行われるように構成されていることを特徴とする。
このような流動床ガス化装置によれば、燃料ガス冷却器に供給される蒸気に、燃料ガスの熱エネルギーが回収されるようになっている。この蒸気を蒸気タービンの駆動に用いれば、蒸気タービンの効率を向上させることができる。
【０００８】
請求項３に記載の流動床ガス化装置は、固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉と、前記ガス化炉で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉と、前記ガス化炉から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉とを具備する流動床ガス化装置であって、前記脱硫炉に、当該脱硫炉の内部に酸素を含むガスを供給するガス供給手段が設けられていることを特徴とする。
このような流動床ガス化装置によれば、ガス供給手段を介して脱硫炉内に酸素を含むガスが供給されると、燃料ガスが燃焼させられて、脱硫炉内の温度が上昇するとともに、カルシネーション反応開始温度以上に保たれることとなる。
【０００９】
請求項４に記載の流動床ガス化装置は、前記ガス供給手段に、酸素を含むガスを気泡部に導入するガス気泡投入装置が設けられていることを特徴とする。
このような流動床ガス化装置によれば、脱硫炉内に供給される酸素を含むガスがガス気泡投入装置により流動床の気泡部に投入され、酸素と脱硫剤との接触が抑制され、酸化によるＣａＳＯ４の発生が抑制されて、脱硫効果の低減が防止されることとなる。
【００１０】
請求項５に記載の石炭ガス化複合発電システムは、請求項１から４のいずれか一項に記載の流動床ガス化装置を具備してなることを特徴とする。
このような石炭ガス化複合発電システムによれば、ガス化炉および脱硫炉をそれぞれ最適な温度で運転させることのできる流動床ガス化装置を具備しているので、石炭ガス化複合発電システム全体の高効率化が図られるとともに、常に安定した脱硫反応が生じさせられることとなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
ガス化炉の温度をガス化に最適な温度に設定することができることにより、タールの発生を抑制することができる。
また、ガス化炉の温度をガス化に最適な温度に設定することができることにより、ガス化の反応速度を速めることができ、ガス化させるための反応時間を短くすることができるので、反応容積を小さくすることができて、ガス化炉の小型化を図ることができる。
さらに、燃料ガス冷却器により燃料ガスと蒸気とが熱交換され、燃料ガスの熱エネルギーが蒸気により回収されるようになっているので、この蒸気を蒸気タービンに用いた場合、蒸気タービンの効率を向上させることができるとともに、石炭ガス化複合発電システム全体の効率を向上させることができる。
さらにまた、ガス量の少ない低負荷時（たとえば起動時など）でも、ガス量に関係なく脱硫炉の温度を上昇させることができて、脱硫炉の温度を常にカルシネーション反応開始温度以上に保つことができるので、常に安定した脱硫反応を生じさせることができる。
さらにまた、灰融点の低い石炭種を使用しようとした場合でも、ガス化炉の温度を高くする必要がなく、ガス化炉の温度に関係なく脱硫炉の温度を上昇させることができて、脱硫炉の温度を常にカルシネーション温度以上に保つことができるので、常に安定した脱硫反応を生じさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明による流動床ガス化装置およびこれを備えた石炭ガス化複合発電システムの一実施形態について、図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電システム１は、ガス化炉（「部分ガス化炉」とも呼ばれる）２、脱硫炉３、酸化炉４、および燃料ガス冷却器５からなる流動床ガス化装置６と、生成ガス冷却器７と、第１のサイクロン８と、精密脱塵装置９と、空気圧縮機１０と、ガスタービン燃焼器１１と、ガスタービン１２と、ガスタービン付き発電機１２ａと、排熱回収ボイラ１３と、煙突１４と、復水器１５と、蒸気タービン１６と、蒸気タービン付き発電機１６ａと、第２のサイクロン１７とを主たる要素として構成されたものである。
【００１３】
まず、本実施形態に含まれる主要な構成要素について概説する。
ガス化炉２は、石炭を石炭ガス化ガス（以下、「燃料ガス」という）に転換するためのものであって、このガス化炉２では、石炭と空気および酸化炉４からの燃焼ガスが供給され、石炭のガス化により、ＣＯやＣＨ４およびＨ２を可燃成分とする燃料ガスとチャーが生成される。なお、チャーとは石炭をガス化した際に残存する炭素質多孔材（未燃炭素および灰分を含む）のことである。
脱硫炉３は、燃料ガス中の硫黄分を石灰石中にＣａＳとして固定・脱硫するための炉であって、この脱硫炉３では、石灰石を用いて、ガス化炉２で生成した燃料ガス中に含まれるＨ２Ｓの脱硫が行われる。次式に高温乾式石灰石脱硫の反応式を示す。
１）ＣａＣＯ３→ＣａＯ＋ＣＯ２（カルシネーション反応）
２）ＣａＯ＋Ｈ２Ｓ→ＣａＳ＋Ｈ２Ｏ
また、ＣａＳはそのまま排出すると大気中では吸湿しＨ２Ｓを発生するため、酸化炉４で処理される。
酸化炉４はチャーを燃焼させるとともに、ＣａＳを酸化させるものであって、酸化炉４では、ガス化炉２から供給されるチャーの燃焼および脱硫炉３から供給されるＣａＳの酸化（石膏化（ＣａＣＯ４化））が行われる。燃焼ガスはガス化炉２へ供給され、石炭灰および石膏は酸化炉４から排出される。
【００１４】
燃料ガス冷却器５は、ガス化炉２で生成した燃料ガスの温度を低下させるためのものであって、酸化炉４近傍に配置された蒸気ドラム４ａから導かれた蒸気との熱交換により燃料ガスの温度を低下させる、いわゆる熱交換器である。これにより、ガス化炉２の温度をガス化に最適な温度（１０００℃〜１０５０℃）に設定することができるとともに、ガス化炉２から送られてくる燃料ガスの温度を低減させることができて、脱硫炉３の温度を脱硫に最適な温度（９１０℃〜９８０℃）に設定することができるようになっている。
【００１５】
次に、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電システムの作用を説明する。
まず、ガス化炉２に石炭と酸化ガス（空気）を供給すると、ガス化炉２において、石炭が酸化ガス中の酸素と、酸化炉４からの燃焼ガスによりガス化される。これによって、石炭が燃料ガスとチャーとに転換される。生成したチャーは酸化炉４に送られる。次いで、燃料ガスは、脱硫炉３に送られる。脱硫炉３においては、石灰石が供給されて石灰石の流動層が形成され、燃料ガスは、その流動層の流動化ガスの役割を果たす。ここで、燃料ガス中の硫黄分（Ｈ２Ｓ及びＣＯＳ）が石灰石中にＣａＳとして固定され脱硫が行われる。残存する脱硫剤であるＣａＳを含む石灰石は、酸化炉４に送られる。石灰石の抜き出し量は、図示しない脱硫剤移送装置により調整することができる。
【００１６】
脱硫後の燃料ガスは、生成ガス冷却器７で冷却された後、第１のサイクロン８に送られる。第１のサイクロン８では、ＣａＳ及び残存するチャーが分離されて酸化炉４に送られる。酸化炉４では、主として石灰石（脱硫剤）により流動層が形成される。この流動層にはチャーと石灰石等が供給される。流動層は、炉底から供給される空気と水蒸気とによって流動化される。流動層内では、チャーは燃焼反応によって速やかにガスと灰分に転換されるのに対して、石灰石中のＣａＳはゆっくりとＣａＳＯ４に転換されるので、流動層の流動化粒子は石灰石が主体となる。酸化炉４の流動層には熱交換器４ｂが設置されており、流動層の熱を吸収することにより、流動層の温度が適正な温度（８５０℃〜１０５０℃）に維持される。この温度範囲では、ＣａＳをＣａＳＯ４とする反応が生じるとともに、副反応で生じたＳＯ２をＣａＯと反応させてＣａＳＯ４とする反応が進行し、しかも灰や脱硫剤が軟化することがない。
【００１７】
酸化炉４から排出される燃焼ガスは、第２のサイクロン１７を経てガス化炉２に送られる。第２のサイクロン１７では、燃焼ガスから石膏及び灰分が除去される。一方、燃料ガスは、生成ガス冷却器７及び第１のサイクロン８を経て精密脱塵装置（「セラミックフィルタ」とも呼ばれる）９に送られ、この精密脱塵装置９で脱塵（除塵）される。そして、このガスは、ガスタービン１２のガスタービン燃焼器１１に送られる。ガスタービン燃焼器１１は、空気圧縮機１０からの空気で燃料ガスを燃焼させ、膨張側のタービンを回転させるとともにガスタービン付き発電機１２ａを回転させて発電を行う。タービンを回転させた後の排ガスは、排熱回収ボイラ１３へ送られて排熱回収が行われた後、煙突１４から大気中に放出される。
【００１８】
排熱回収ボイラ１３では排熱回収により蒸気が発生する。排熱回収ボイラ１３で発生した蒸気の一部は、図１において破線矢印で示すように、酸化炉４の蒸気ドラム４ａ→燃料ガス冷却器５→酸化炉４の熱交換器４ｂ→生成ガス冷却器７→蒸気タービン１６→復水器１５→排熱回収ボイラ１３の経路を循環するようになっている。また、蒸気が蒸気タービン１６を通過する際には、上述したガスタービン１２と同様、タービンを回転させるとともに蒸気タービン付き発電機１６ａを回転させて発電を行うようになっている。
【００１９】
このように、本実施形態では、ガス化炉２と脱硫炉３との間、すなわち、ガス化炉２の下流側でかつ脱硫炉３の上流側に燃料ガス冷却器５が設けられているので、ガス化炉２から脱硫炉３に送られてくる燃料ガスの温度を下げることができるようになっている。
すなわち、従来よりもガス化炉２の温度と脱硫炉３の温度との差を、ガス化炉２及び脱硫炉３を連通する管路長を長くすることなく、大きくすることができる。言い換えれば、ガス化炉２の温度をガス化に最適な温度（１０００℃〜１０５０℃）に設定することができ、かつ脱硫炉３の温度を脱硫に最適な温度（９１０℃〜９８０℃）に設定することができる。
ガス化炉２の温度をガス化に最適な温度に設定することができることにより、タールの発生を抑制することができる。
また、ガス化炉２の温度をガス化に最適な温度に設定することができることにより、ガス化の反応速度を速めることができ、ガス化させるための反応時間を短くすることができるので、反応容積を小さくすることができて、ガス化炉２の小型化を図ることができる。
さらに、燃料ガス冷却器５により燃料ガスと蒸気とが熱交換され、燃料ガスの熱エネルギーが蒸気により回収されるようになっているので、蒸気タービン１６の効率を向上させることができるとともに、石炭ガス化複合発電システム１全体の効率を向上させることができる。
【００２０】
本発明による流動床ガス化装置およびこれを備えた石炭ガス化複合発電システムの他の実施形態について、図２及び図３を参照しながら説明する。
本実施形態における流動床ガス化装置２６およびこれを備えた石炭ガス化複合発電システム２１は、図１を用いて説明した実施形態の脱硫炉３および燃料ガス冷却器５の代わりに、脱硫炉２３が設けられている点で前述した実施形態のものと異なる。また、蒸気の経路も前述した実施形態と異なる経路となっている。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
【００２１】
図３に示すように、本実施形態における脱硫炉２３には、酸素を含むガス（たとえば、酸素と窒素の混合ガス）を炉内に供給するノズル（ガス供給手段）２３ａが設けられている。このノズル２３ａを介して炉内の流動床層内に酸素を含むガスが供給されることにより、燃料ガスが燃焼し、脱硫炉２３の温度が上昇するようになっている。
また、排熱回収ボイラ１３で発生した蒸気の一部は、図２において破線矢印で示すように、生成ガス冷却器７→酸化炉４の熱交換器４ｂ→蒸気タービン１６→復水器１５→排熱回収ボイラ１３の経路を循環するようになっている。また、蒸気が蒸気タービン１６を通過する際には、上述したガスタービン１２と同様、タービンを回転させるとともに蒸気タービン付き発電機１６ａを回転させて発電を行うようになっている。
【００２２】
このように、本実施形態では、ノズル２３ａを介して脱硫炉２３内に酸素を含むガスを供給することができ、これにより燃料ガスを燃焼させることができて、炉内の温度を上昇させることができる。
したがって、たとえば起動時など、ガス量の少ない低負荷時でも、ガス量に関係なく脱硫炉２３の温度を上昇させることができて、脱硫炉２３の温度を常にカルシネーション反応開始温度以上に保つことができるので、常に安定した脱硫反応を生じさせることができる。
また、灰融点の低い石炭種を使用しようとした場合でも、ガス化炉２の温度を高くする必要がなく、ガス化炉２の温度に関係なく脱硫炉２３の温度を上昇させることができて、脱硫炉２３の温度を常にカルシネーション反応開始温度以上に保つことができるので、常に安定した脱硫反応を生じさせることができる。
【００２３】
本実施形態において、ノズル２３ａ（あるいはノズル２３ａの上流側）に、脱硫炉２３内に供給される酸素を含むガスを気泡部に導入するガス気泡投入装置（図示せず）が設けられていればさらに好適である。
このようなガス気泡化装置を設けることにより、脱硫炉内に供給される酸素を含むガスが気泡部に供給されることとなるので、酸素と脱硫剤との接触が抑制され、酸化によるＣａＳＯ４の発生を抑制することができて、脱硫効果の低減を防止することができる。
【００２４】
また、図１および図２に示すように、ガス化炉２の下流側に脱硫炉３，２３を配置することにより、ガス中の微量元素（たとえば、Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｅなど）が脱硫剤に捕捉される（灰中に固定化される）こととなるので、これら微量元素が排ガス（表中において「煙突ガス」）と一緒に大気中に放出されるのを防止することができるとともに、生成ガス中のタールを低減させることができる。
これら微量元素は、表１に示すように、脱硫炉３，２３の脱硫剤により捕捉されることにより、大気中には極僅かな量しか放出されないこととなる。
【００２５】
【表１】
【００２６】
なお、脱硫炉３，２３がガス化炉２の下流側に配置されていない場合には、微量元素が排ガスとともに大気中に放出されることとなり、大気汚染の原因となるばかりでなく、ガス化時に発生したタールが下流側に位置する配管やフィルタに付着して、装置自体の運転に支障をきたすおそれもある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による流動床ガス化装置の一実施形態を具備した石炭ガス化複合発電システムの概略構成図である。
【図２】本発明による流動床ガス化装置の他の実施形態を具備した石炭ガス化複合発電システムの概略構成図である。
【図３】図２に示す脱硫炉の要部拡大図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ 石炭ガス化複合発電システム
２ ガス化炉
３ 脱硫炉
４ 酸化炉
５ 燃料ガス冷却器
６ 流動床ガス化装置
２１ 石炭ガス化複合発電システム
２３ 脱硫炉
２３ａ ノズル（ガス供給手段）
２６ 流動床ガス化装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電設備や燃料ガス製造設備等において石炭のガス化に使用される流動床ガス化装置およびこれを備えた石炭ガス化複合発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から石炭火力プラントの発電効率向上のために、石炭ガス化複合発電システムの開発が進められており、たとえば、そのシステムの一例として、ガス化炉、脱硫炉、酸化炉、脱塵装置、ガスタービン、蒸気タービン、脱硝装置などから構成されたシステムが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２２７２０５号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来の石炭ガス化複合発電システムでは、反応面から脱硫炉の温度を９３０℃〜９８０℃に維持しなければならず、そのため、ガス化炉から脱硫炉までの配管における放散熱を考慮したとしても、ガス化炉の温度を９４０℃〜９９０℃に維持しなければならなかった。
ガス化炉におけるガス化の最適温度は１０００℃〜１０５０℃である。したがって、９４０℃〜９９０℃という温度は、石炭をガス化させるには低温となってしまうため、タールが発生したり、ガス化の反応速度が遅くなり、ガス化させるための反応時間が長くなってしまうといった問題点があった。
所定のガス発生量を確保するには反応容積を大きくすればよいが、これはガス化炉の大型化を招いてしまうので好ましくない（実用的でない）。
【０００４】
また、従来の石炭ガス化複合発電システムでは、たとえば起動時など、ガス量の少ない低負荷時に、脱硫炉の温度が低下して、脱硫炉の温度がカルシネーション反応開始温度を下回り、脱硫反応を生じさせることができないといった問題点があった。
さらに、灰融点の低い石炭種を使用しようとした場合には、ガス化炉の温度を高くすることができないため、脱硫炉の温度をカルシネーション反応開始温度以上に設定することができず、脱硫反応を生じさせることができないといった問題点もあった。
【０００５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ガス化炉および脱硫炉をそれぞれ最適な温度で運転させることのできる流動床ガス化装置および石炭ガス化複合発電システム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】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の流動床ガス化装置は、固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉と、前記ガス化炉で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉と、前記ガス化炉から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉とを具備する流動床ガス化装置であって、前記ガス化炉と前記脱硫炉との間に、燃料ガス冷却器が設けられていることを特徴とする。
このような流動床ガス化装置によれば、ガス化炉から脱硫炉に送られる燃料ガスの温度が燃料ガス冷却器により下げられるようになっている。
すなわち、ガス化炉の温度がガス化に最適な温度（たとえば、１０００℃〜１０５０℃）に設定され、かつ脱硫炉の温度が脱硫に最適な温度（たとえば、９1０℃〜９８０℃）に設定され得ることとなる。「固体燃料」としては、石炭が好適である。
【０００７】
請求項２に記載の流動床ガス化装置は、前記燃料ガス冷却器に蒸気が供給されるとともに、当該蒸気と前記燃料ガスとの間で熱交換が行われるように構成されていることを特徴とする。
このような流動床ガス化装置によれば、燃料ガス冷却器に供給される蒸気に、燃料ガスの熱エネルギーが回収されるようになっている。この蒸気を蒸気タービンの駆動に用いれば、蒸気タービンの効率を向上させることができる。
【０００８】
請求項３に記載の流動床ガス化装置は、固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉と、前記ガス化炉で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉と、前記ガス化炉から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉とを具備する流動床ガス化装置であって、前記脱硫炉に、当該脱硫炉の内部に酸素を含むガスを供給するガス供給手段が設けられていることを特徴とする。
このような流動床ガス化装置によれば、ガス供給手段を介して脱硫炉内に酸素を含むガスが供給されると、燃料ガスが燃焼させられて、脱硫炉内の温度が上昇するとともに、カルシネーション反応開始温度以上に保たれることとなる。
【０００９】
請求項４に記載の流動床ガス化装置は、前記ガス供給手段に、酸素を含むガスを気泡部に導入するガス気泡投入装置が設けられていることを特徴とする。
このような流動床ガス化装置によれば、脱硫炉内に供給される酸素を含むガスがガス気泡投入装置により流動床の気泡部に投入され、酸素と脱硫剤との接触が抑制され、酸化によるＣａＳＯ４の発生が抑制されて、脱硫効果の低減が防止されることとなる。
【００１０】
請求項５に記載の石炭ガス化複合発電システムは、請求項１から４のいずれか一項に記載の流動床ガス化装置を具備してなることを特徴とする。
このような石炭ガス化複合発電システムによれば、ガス化炉および脱硫炉をそれぞれ最適な温度で運転させることのできる流動床ガス化装置を具備しているので、石炭ガス化複合発電システム全体の高効率化が図られるとともに、常に安定した脱硫反応が生じさせられることとなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
ガス化炉の温度をガス化に最適な温度に設定することができることにより、タールの発生を抑制することができる。
また、ガス化炉の温度をガス化に最適な温度に設定することができることにより、ガス化の反応速度を速めることができ、ガス化させるための反応時間を短くすることができるので、反応容積を小さくすることができて、ガス化炉の小型化を図ることができる。
さらに、燃料ガス冷却器により燃料ガスと蒸気とが熱交換され、燃料ガスの熱エネルギーが蒸気により回収されるようになっているので、この蒸気を蒸気タービンに用いた場合、蒸気タービンの効率を向上させることができるとともに、石炭ガス化複合発電システム全体の効率を向上させることができる。
さらにまた、ガス量の少ない低負荷時（たとえば起動時など）でも、ガス量に関係なく脱硫炉の温度を上昇させることができて、脱硫炉の温度を常にカルシネーション反応開始温度以上に保つことができるので、常に安定した脱硫反応を生じさせることができる。
さらにまた、灰融点の低い石炭種を使用しようとした場合でも、ガス化炉の温度を高くする必要がなく、ガス化炉の温度に関係なく脱硫炉の温度を上昇させることができて、脱硫炉の温度を常にカルシネーション温度以上に保つことができるので、常に安定した脱硫反応を生じさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明による流動床ガス化装置およびこれを備えた石炭ガス化複合発電システムの一実施形態について、図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電システム１は、ガス化炉（「部分ガス化炉」とも呼ばれる）２、脱硫炉３、酸化炉４、および燃料ガス冷却器５からなる流動床ガス化装置６と、生成ガス冷却器７と、第１のサイクロン８と、精密脱塵装置９と、空気圧縮機１０と、ガスタービン燃焼器１１と、ガスタービン１２と、ガスタービン付き発電機１２ａと、排熱回収ボイラ１３と、煙突１４と、復水器１５と、蒸気タービン１６と、蒸気タービン付き発電機１６ａと、第２のサイクロン１７とを主たる要素として構成されたものである。
【００１３】
まず、本実施形態に含まれる主要な構成要素について概説する。
ガス化炉２は、石炭を石炭ガス化ガス（以下、「燃料ガス」という）に転換するためのものであって、このガス化炉２では、石炭と空気および酸化炉４からの燃焼ガスが供給され、石炭のガス化により、ＣＯやＣＨ４およびＨ２を可燃成分とする燃料ガスとチャーが生成される。なお、チャーとは石炭をガス化した際に残存する炭素質多孔材（未燃炭素および灰分を含む）のことである。
脱硫炉３は、燃料ガス中の硫黄分を石灰石中にＣａＳとして固定・脱硫するための炉であって、この脱硫炉３では、石灰石を用いて、ガス化炉２で生成した燃料ガス中に含まれるＨ２Ｓの脱硫が行われる。次式に高温乾式石灰石脱硫の反応式を示す。
１）ＣａＣＯ３→ＣａＯ＋ＣＯ２（カルシネーション反応）
２）ＣａＯ＋Ｈ２Ｓ→ＣａＳ＋Ｈ２Ｏ
また、ＣａＳはそのまま排出すると大気中では吸湿しＨ２Ｓを発生するため、酸化炉４で処理される。
酸化炉４はチャーを燃焼させるとともに、ＣａＳを酸化させるものであって、酸化炉４では、ガス化炉２から供給されるチャーの燃焼および脱硫炉３から供給されるＣａＳの酸化（石膏化（ＣａＣＯ４化））が行われる。燃焼ガスはガス化炉２へ供給され、石炭灰および石膏は酸化炉４から排出される。
【００１４】
燃料ガス冷却器５は、ガス化炉２で生成した燃料ガスの温度を低下させるためのものであって、酸化炉４近傍に配置された蒸気ドラム４ａから導かれた蒸気との熱交換により燃料ガスの温度を低下させる、いわゆる熱交換器である。これにより、ガス化炉２の温度をガス化に最適な温度（１０００℃〜１０５０℃）に設定することができるとともに、ガス化炉２から送られてくる燃料ガスの温度を低減させることができて、脱硫炉３の温度を脱硫に最適な温度（９１０℃〜９８０℃）に設定することができるようになっている。
【００１５】
次に、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電システムの作用を説明する。
まず、ガス化炉２に石炭と酸化ガス（空気）を供給すると、ガス化炉２において、石炭が酸化ガス中の酸素と、酸化炉４からの燃焼ガスによりガス化される。これによって、石炭が燃料ガスとチャーとに転換される。生成したチャーは酸化炉４に送られる。次いで、燃料ガスは、脱硫炉３に送られる。脱硫炉３においては、石灰石が供給されて石灰石の流動層が形成され、燃料ガスは、その流動層の流動化ガスの役割を果たす。ここで、燃料ガス中の硫黄分（Ｈ２Ｓ及びＣＯＳ）が石灰石中にＣａＳとして固定され脱硫が行われる。残存する脱硫剤であるＣａＳを含む石灰石は、酸化炉４に送られる。石灰石の抜き出し量は、図示しない脱硫剤移送装置により調整することができる。
【００１６】
脱硫後の燃料ガスは、生成ガス冷却器７で冷却された後、第１のサイクロン８に送られる。第１のサイクロン８では、ＣａＳ及び残存するチャーが分離されて酸化炉４に送られる。酸化炉４では、主として石灰石（脱硫剤）により流動層が形成される。この流動層にはチャーと石灰石等が供給される。流動層は、炉底から供給される空気と水蒸気とによって流動化される。流動層内では、チャーは燃焼反応によって速やかにガスと灰分に転換されるのに対して、石灰石中のＣａＳはゆっくりとＣａＳＯ４に転換されるので、流動層の流動化粒子は石灰石が主体となる。酸化炉４の流動層には熱交換器４ｂが設置されており、流動層の熱を吸収することにより、流動層の温度が適正な温度（８５０℃〜１０５０℃）に維持される。この温度範囲では、ＣａＳをＣａＳＯ４とする反応が生じるとともに、副反応で生じたＳＯ２をＣａＯと反応させてＣａＳＯ４とする反応が進行し、しかも灰や脱硫剤が軟化することがない。
【００１７】
酸化炉４から排出される燃焼ガスは、第２のサイクロン１７を経てガス化炉２に送られる。第２のサイクロン１７では、燃焼ガスから石膏及び灰分が除去される。一方、燃料ガスは、生成ガス冷却器７及び第１のサイクロン８を経て精密脱塵装置（「セラミックフィルタ」とも呼ばれる）９に送られ、この精密脱塵装置９で脱塵（除塵）される。そして、このガスは、ガスタービン１２のガスタービン燃焼器１１に送られる。ガスタービン燃焼器１１は、空気圧縮機１０からの空気で燃料ガスを燃焼させ、膨張側のタービンを回転させるとともにガスタービン付き発電機１２ａを回転させて発電を行う。タービンを回転させた後の排ガスは、排熱回収ボイラ１３へ送られて排熱回収が行われた後、煙突１４から大気中に放出される。
【００１８】
排熱回収ボイラ１３では排熱回収により蒸気が発生する。排熱回収ボイラ１３で発生した蒸気の一部は、図１において破線矢印で示すように、酸化炉４の蒸気ドラム４ａ→燃料ガス冷却器５→酸化炉４の熱交換器４ｂ→生成ガス冷却器７→蒸気タービン１６→復水器１５→排熱回収ボイラ１３の経路を循環するようになっている。また、蒸気が蒸気タービン１６を通過する際には、上述したガスタービン１２と同様、タービンを回転させるとともに蒸気タービン付き発電機１６ａを回転させて発電を行うようになっている。
【００１９】
このように、本実施形態では、ガス化炉２と脱硫炉３との間、すなわち、ガス化炉２の下流側でかつ脱硫炉３の上流側に燃料ガス冷却器５が設けられているので、ガス化炉２から脱硫炉３に送られてくる燃料ガスの温度を下げることができるようになっている。
すなわち、従来よりもガス化炉２の温度と脱硫炉３の温度との差を、ガス化炉２及び脱硫炉３を連通する管路長を長くすることなく、大きくすることができる。言い換えれば、ガス化炉２の温度をガス化に最適な温度（１０００℃〜１０５０℃）に設定することができ、かつ脱硫炉３の温度を脱硫に最適な温度（９１０℃〜９８０℃）に設定することができる。
ガス化炉２の温度をガス化に最適な温度に設定することができることにより、タールの発生を抑制することができる。
また、ガス化炉２の温度をガス化に最適な温度に設定することができることにより、ガス化の反応速度を速めることができ、ガス化させるための反応時間を短くすることができるので、反応容積を小さくすることができて、ガス化炉２の小型化を図ることができる。
さらに、燃料ガス冷却器５により燃料ガスと蒸気とが熱交換され、燃料ガスの熱エネルギーが蒸気により回収されるようになっているので、蒸気タービン１６の効率を向上させることができるとともに、石炭ガス化複合発電システム１全体の効率を向上させることができる。
【００２０】
本発明による流動床ガス化装置およびこれを備えた石炭ガス化複合発電システムの他の実施形態について、図２及び図３を参照しながら説明する。
本実施形態における流動床ガス化装置２６およびこれを備えた石炭ガス化複合発電システム２１は、図１を用いて説明した実施形態の脱硫炉３および燃料ガス冷却器５の代わりに、脱硫炉２３が設けられている点で前述した実施形態のものと異なる。また、蒸気の経路も前述した実施形態と異なる経路となっている。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
【００２１】
図３に示すように、本実施形態における脱硫炉２３には、酸素を含むガス（たとえば、酸素と窒素の混合ガス）を炉内に供給するノズル（ガス供給手段）２３ａが設けられている。このノズル２３ａを介して炉内の流動床層内に酸素を含むガスが供給されることにより、燃料ガスが燃焼し、脱硫炉２３の温度が上昇するようになっている。
また、排熱回収ボイラ１３で発生した蒸気の一部は、図２において破線矢印で示すように、生成ガス冷却器７→酸化炉４の熱交換器４ｂ→蒸気タービン１６→復水器１５→排熱回収ボイラ１３の経路を循環するようになっている。また、蒸気が蒸気タービン１６を通過する際には、上述したガスタービン１２と同様、タービンを回転させるとともに蒸気タービン付き発電機１６ａを回転させて発電を行うようになっている。
【００２２】
このように、本実施形態では、ノズル２３ａを介して脱硫炉２３内に酸素を含むガスを供給することができ、これにより燃料ガスを燃焼させることができて、炉内の温度を上昇させることができる。
したがって、たとえば起動時など、ガス量の少ない低負荷時でも、ガス量に関係なく脱硫炉２３の温度を上昇させることができて、脱硫炉２３の温度を常にカルシネーション反応開始温度以上に保つことができるので、常に安定した脱硫反応を生じさせることができる。
また、灰融点の低い石炭種を使用しようとした場合でも、ガス化炉２の温度を高くする必要がなく、ガス化炉２の温度に関係なく脱硫炉２３の温度を上昇させることができて、脱硫炉２３の温度を常にカルシネーション反応開始温度以上に保つことができるので、常に安定した脱硫反応を生じさせることができる。
【００２３】
本実施形態において、ノズル２３ａ（あるいはノズル２３ａの上流側）に、脱硫炉２３内に供給される酸素を含むガスを気泡部に導入するガス気泡投入装置（図示せず）が設けられていればさらに好適である。
このようなガス気泡化装置を設けることにより、脱硫炉内に供給される酸素を含むガスが気泡部に供給されることとなるので、酸素と脱硫剤との接触が抑制され、酸化によるＣａＳＯ４の発生を抑制することができて、脱硫効果の低減を防止することができる。
【００２４】
また、図１および図２に示すように、ガス化炉２の下流側に脱硫炉３，２３を配置することにより、ガス中の微量元素（たとえば、Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｅなど）が脱硫剤に捕捉される（灰中に固定化される）こととなるので、これら微量元素が排ガス（表中において「煙突ガス」）と一緒に大気中に放出されるのを防止することができるとともに、生成ガス中のタールを低減させることができる。
これら微量元素は、表１に示すように、脱硫炉３，２３の脱硫剤により捕捉されることにより、大気中には極僅かな量しか放出されないこととなる。
【００２５】
【表１】
【００２６】
なお、脱硫炉３，２３がガス化炉２の下流側に配置されていない場合には、微量元素が排ガスとともに大気中に放出されることとなり、大気汚染の原因となるばかりでなく、ガス化時に発生したタールが下流側に位置する配管やフィルタに付着して、装置自体の運転に支障をきたすおそれもある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による流動床ガス化装置の一実施形態を具備した石炭ガス化複合発電システムの概略構成図である。
【図２】本発明による流動床ガス化装置の他の実施形態を具備した石炭ガス化複合発電システムの概略構成図である。
【図３】図２に示す脱硫炉の要部拡大図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ 石炭ガス化複合発電システム
２ ガス化炉
３ 脱硫炉
４ 酸化炉
５ 燃料ガス冷却器
６ 流動床ガス化装置
２１ 石炭ガス化複合発電システム
２３ 脱硫炉
２３ａ ノズル（ガス供給手段）
２６ 流動床ガス化装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉と、
前記ガス化炉で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉と、
前記ガス化炉から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉と、を具備する流動床ガス化装置であって、
前記ガス化炉と前記脱硫炉との間に、燃料ガス冷却器が設けられていることを特徴とする流動床ガス化装置。
【請求項２】
前記燃料ガス冷却器に蒸気が供給されるとともに、当該蒸気と前記燃料ガスとの間で熱交換が行われるように構成されていることを特徴とする流動床ガス化装置。
【請求項３】
固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉と、
前記ガス化炉で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉と、
前記ガス化炉から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉と、を具備する流動床ガス化装置であって、
前記脱硫炉に、当該脱硫炉の内部に酸素を含むガスを供給するガス供給手段が設けられていることを特徴とする流動床ガス化装置。
【請求項４】
前記ガス供給手段に、酸素を含むガスを気泡部に導入するガス気泡投入装置が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の流動床ガス化装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の流動床ガス化装置を具備してなることを特徴とする石炭ガス化複合発電システム。
【請求項１】
固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉と、
前記ガス化炉で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉と、
前記ガス化炉から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉と、を具備する流動床ガス化装置であって、
前記ガス化炉と前記脱硫炉との間に、燃料ガス冷却器が設けられていることを特徴とする流動床ガス化装置。
【請求項２】
前記燃料ガス冷却器に蒸気が供給されるとともに、当該蒸気と前記燃料ガスとの間で熱交換が行われるように構成されていることを特徴とする流動床ガス化装置。
【請求項３】
固体燃料と酸素を含むガスが供給され、前記固体燃料をガス化し燃料ガスを発生させるガス化炉と、
前記ガス化炉で発生した燃料ガスおよび炭酸カルシウムを含有する脱硫剤が供給され、燃料ガスと脱硫剤中の炭酸カルシウムの接触反応により燃料ガス中に含まれる硫化水素を硫化カルシウムとして除去する脱硫炉と、
前記ガス化炉から排出されたガス化残渣、前記脱硫炉から排出された脱硫剤、および酸素を含むガスとが供給され、酸素を含むガスによりガス化残渣を燃焼させるとともに脱硫剤中の硫化カルシウムを酸素との反応により硫酸カルシウムに転換させる酸化炉と、を具備する流動床ガス化装置であって、
前記脱硫炉に、当該脱硫炉の内部に酸素を含むガスを供給するガス供給手段が設けられていることを特徴とする流動床ガス化装置。
【請求項４】
前記ガス供給手段に、酸素を含むガスを気泡部に導入するガス気泡投入装置が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の流動床ガス化装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の流動床ガス化装置を具備してなることを特徴とする石炭ガス化複合発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−９１７８５（Ｐ２００７−９１７８５Ａ）
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２７９５６５（Ｐ２００５−２７９５６５）
【出願日】平成１７年９月２７日（２００５．９．２７）
【出願人】（０００２１３２９７）中部電力株式会社 (811)
【出願人】（０００２１７６８６）電源開発株式会社 (207)
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２７日（２００５．９．２７）
【出願人】（０００２１３２９７）中部電力株式会社 (811)
【出願人】（０００２１７６８６）電源開発株式会社 (207)
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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