石炭ガス化ガス供給プラント
【課題】製鉄所から副次的に発生する副生ガスを主要燃料とする汽力発電設備、及び増熱高炉ガスを主要燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備に補完用燃料として石炭ガス化ガスを供給する、使い勝手がよく実用的な石炭ガス化ガス供給プラントを提供する。
【解決手段】石炭ガス化炉１２で生成した石炭ガス化ガスをガス精製装置１４で精製した後、これを膨張タービン１６に導き、膨張タービン１６に連結する発電機１８で発電し、これを本プラントの動力源として利用する。石炭ガス化ガスは、膨張タービン１６を駆動することで断熱膨張し、圧力及び温度は高炉ガスとほぼ同じまで低下するのでこれをそのまま増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５及び／又は汽力発電設備３に補完用燃料として供給する。
【解決手段】石炭ガス化炉１２で生成した石炭ガス化ガスをガス精製装置１４で精製した後、これを膨張タービン１６に導き、膨張タービン１６に連結する発電機１８で発電し、これを本プラントの動力源として利用する。石炭ガス化ガスは、膨張タービン１６を駆動することで断熱膨張し、圧力及び温度は高炉ガスとほぼ同じまで低下するのでこれをそのまま増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５及び／又は汽力発電設備３に補完用燃料として供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鉄所から副次的に発生する副生ガスを主要燃料とする汽力発電設備、及び前記副生ガスを所定の発熱量に増熱したガスである増熱高炉ガスを主要燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備に補完用燃料として石炭ガス化ガスを供給する石炭ガス化ガス供給プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所に設置され、副生ガスを主要燃料としている火力発電所は、製鉄所内の保安電源など重要な電源の供給源となっているため、副生ガスが減少した場合でも発電が継続できる重油混焼・専焼設備を持った複数機の汽力発電設備と、高炉ガスをコークス炉ガス、ミックスガスで増熱した増熱高炉ガスを燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備で構成されていることが多くなっている。ミックスガスは、高炉ガス、コークス炉ガス、転炉ガスのうち２種又は３種が混合されたガスである。このような火力発電所では、副生ガスのガス量及び発熱量の変動、低下に伴い以下のような問題が生じる。
【０００３】
ガスタービンコンバインド発電設備は、製鉄所から供給される副生ガスを先取りして高出力・高効率を保つように運転しているが、重油などを混焼できないため高炉休風など高炉ガス量、増熱用のコークス炉ガス、ミックスガス量が減少する場合にはユニット出力低下やユニット停止となっている。また高炉ガスの発熱量の低下、又は増熱用高発熱量ガスであるコークス炉ガス、ミックスガスの発熱量が低下すると所定の発熱量に増熱した増熱高炉ガス量が減少するため発電出力が低下する。
【０００４】
一方、汽力発電設備は、製鉄所から供給される副生ガス量に応じた発電を行う、いわゆるガス成り運転のため、副生ガス受入量の変動に伴い安定運転、高効率運転を行うことができない。また高炉休風などで副生ガスが減少して製鉄所保安電力が確保できないとき、又は最低出力が維持できないときは高価な重油を助燃している。重油の助燃は硫黄酸化物が発生するので環境上好ましくない。
【０００５】
上記問題は、副生ガスを主要燃料としているガスタービンコンバインド発電設備又は汽力発電設備のいずれか一方の発電設備を有する火力発電所でも同じであり、本件出願人は、このような問題を解決する方法として、ＬＮＧ又はガスハイドレートを副生ガスの補完用燃料として使用する発明を完成させ既に特許出願を行っている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
【０００６】
また、副生ガスを燃料とする複合発電システムにおいて、副生ガスの変動が大きく効率よく運転を行うことができないとし、ガス化炉で石炭等をガス化させ、このガス化ガスからメタノールを合成し、このメタノールを副生ガスの補完用燃料とする複合発電システムもある（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１０７４０１号公報
【特許文献２】特開２００９−２１６３３４号公報
【特許文献３】特開２００２−３８９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献３に記載の技術は、ガス化ガスを一度メタノールとすることで、副生ガスの変動に対応しようとするものであるが、ガス化設備以外にメタノールを製造、貯蔵、供給するための設備が必要となる。さらにメタノールを燃焼させるためにはガスタービンの改造が必要であり、既設のガスタービン発電設備を備える火力発電所に適用することはコスト的にも、技術的にも容易ではない。
【０００９】
本発明の目的は、製鉄所から副次的に発生する副生ガスを主要燃料とする汽力発電設備、及び増熱高炉ガスを主要燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備に補完用燃料として石炭ガス化ガスを供給する、使い勝手がよく実用的な石炭ガス化ガス供給プラントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、製鉄所から副次的に発生する副生ガスを主要燃料とする汽力発電設備、及び前記副生ガスを所定の発熱量に増熱したガスである増熱高炉ガスを主要燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備に補完用燃料として石炭ガス化ガスを供給する石炭ガス化ガス供給プラントであって、石炭をガス化する石炭ガス化炉、石炭ガス化ガスを精製するガス精製装置、高温高圧のガスを作動流体とする膨張タービン及び膨張タービンに連結する発電機を含みなる石炭ガス化設備を備え、前記ガス精製装置で精製された高温高圧の石炭ガス化ガスで前記膨張タービンを駆動し、膨張タービンに連結する発電機で発電し、これを本プラントの動力源として利用し、前記膨張タービンを駆動した後の石炭ガス化ガスを前記増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び／又は汽力発電設備に補完用燃料として供給することを特徴とする石炭ガス化ガス供給プラントである。
【００１１】
また本発明は、前記石炭ガス化ガス供給プラントにおいて、石炭ガス化に使用するガス化剤は空気であり、石炭ガス化ガスの発熱量が前記増熱高炉ガスの発熱量と略同一であることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記石炭ガス化ガス供給プラントにおいて、さらに石炭ガス化ガスを燃料とする小型ボイラー、蒸気タービン及び蒸気タービンに連結する空気圧縮機を含み、前記小型ボイラーで発生させた蒸気を蒸気タービンに送り、空気圧縮機を駆動し、前記空気圧縮機で製造した高圧空気を石炭ガス化に使用することを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記石炭ガス化ガス供給プラントにおいて、前記石炭ガス化設備は、前記増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び汽力発電設備に石炭ガス化ガスを全く供給しないときは保持運転を行い、生成する石炭ガス化ガスで前記膨張タービンを駆動し、膨張タービンを駆動した後の石炭ガス化ガスを前記小型ボイラーで燃焼させ、発生する蒸気で空気圧縮機を駆動することで自己完結的に運転することができることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る石炭ガス化ガス供給プラントは、石炭ガス化炉で生成されガス精製装置で精製された高温高圧の石炭ガス化ガスで膨張タービンを駆動し、膨張タービンに連結する発電機で発電し、これを本プラントの動力源として利用するので、外部から本プラントに供給する電力を削減又は停止することができる。また膨張タービンを駆動した後の石炭ガス化ガスは、断熱膨張により温度及び圧力を低下させているので、そのまま増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び／又は汽力発電設備に補完用燃料として供給することが可能であり効率的である。
【００１５】
また本発明によれば、石炭ガス化ガスの発熱量が増熱高炉ガスの発熱量と略同一であるので、ほとんど熱量調節を行うことなく増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び／又は汽力発電設備の補完用燃料として使用することが可能であり、非常に使い勝手がよい。
【００１６】
また本発明によれば、さらに石炭ガス化ガスを燃料とする小型ボイラー、蒸気タービン及び蒸気タービンに連結する空気圧縮機を備え、小型ボイラーで発生させた蒸気を蒸気タービンに送り、空気圧縮機を駆動し、製造した高圧空気を石炭ガス化に使用するので実用的である。
【００１７】
また本発明によれば、本発明に係る石炭ガス化ガス供給プラントは、自己完結的に保持運転することが可能なので、増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び汽力発電設備に石炭ガス化ガスを全く供給しないときもプラントを停止させる必要がなく、起動時間、停止時間をなくすと共に起動停止に伴うプラントへの悪影響を回避することが可能であり、使い勝手のよい実用的なプラントと言える。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の一形態としての石炭ガス化ガス供給プラント１の概略的構成を示すプロセスフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の実施の一形態としての石炭ガス化ガス供給プラント１の概略的構成を示すプロセスフロー図である。
【００２０】
石炭ガス化ガス供給プラント１は、製鉄所から副次的に発生する副生ガスを主要燃料とする汽力発電設備３、及び前記副生ガスを所定の発熱量に増熱したガスである増熱高炉ガスを主要燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５に補完用燃料として石炭ガス化ガスを供給するプラントであり、石炭をガス化する石炭ガス化設備１０、石炭ガス化の際に使用する高圧空気等を製造するためのユーティリティ設備６０を主要設備として構成される。
【００２１】
石炭ガス化設備１０は、石炭をガス化する石炭ガス化炉１２、石炭ガス化炉１２で使用する微粉炭を製造する微粉炭機２２、微粉炭を石炭ガス化炉１２へ供給する微粉炭供給装置２３、石炭ガス化炉１２で生成された石炭ガス化ガス（生成ガス）を精製するガス精製装置１４、ガス精製装置１４で精製された高温高圧の石炭ガス化ガスを作動流体とする膨張タービン１６、膨張タービン１６に連結する発電機１８及び石炭ガス化炉１２の運転等を制御する石炭ガス化設備制御装置２０を含む。
【００２２】
石炭ガス化炉１２は、空気吹き石炭ガス化炉であり、圧力容器（図示を省略）内にガス化炉（図示を省略）を収納し、ガス化炉内で微粉炭とガス化剤である空気とを反応させ、水素、一酸化炭素、メタンを含む可燃性ガスを生成する。石炭は微粉炭機２２で微粉炭にされた後、微粉炭供給装置２３を介してガス化炉に窒素ガスで気流搬送される。一方、ガス化剤である空気は、軸流式の空気圧縮機６６から送られる。ガス化炉の温度は約１２００〜１８００℃、圧力は約２．０〜２．５ＭＰａであり、高温高圧の生成ガスが得られる。この高温高圧の生成ガスは、ガス化炉の出口部に設けられたガス化炉冷却器２４で冷却された後、ガス精製装置１４に送られる。
【００２３】
ガス精製装置１４は、生成ガス中の不純物を除去するための装置であって、脱じん装置２６及び脱硫装置２８からなる。脱じん装置２６は、ガス化炉冷却器２４の下流側に設けられ、生成ガスに同伴して石炭ガス化炉１２から排出されたチャーを分離、回収する。脱じん装置２６としてはサイクロン又はフィルターが例示される。回収されたチャーは、返送ライン３０を通じてガス化炉に返送され、未燃分はガス化炉でガス化される。脱じん後の生成ガスは、脱硫装置２８に送られここで生成ガスに含まれる硫黄化合物が除去される。脱硫装置２８は乾式の脱硫装置であり、脱硫剤としては酸化鉄系が例示される。
【００２４】
ガス精製装置１４で精製された生成ガスは、温度が約４００〜５００℃、圧力が約２．０〜２．５ＭＰａであり、膨張タービン１６に送られ膨張タービン１６を駆動する。膨張タービン１６は発電機１８と連結しており、膨張タービン１６が駆動されることにより発電される。ここで発電された電力は、微粉炭機２２の動力など石炭ガス化設備１０を含む本プラントの動力源として利用される。空気吹き石炭ガス化炉の場合、ガス化剤が空気であるため酸素を製造する必要はないが、酸素吹き石炭ガス化炉と同様、微粉炭をガス化炉に気流搬送する窒素ガス、パージ用の窒素ガスは必要であり、窒素ガス製造用の空気分離装置が設置されるのが一般的である。空気吹き石炭ガス化炉の場合、酸素吹き石炭ガス化炉に比較して空気分離装置を小型化できるので、使用する電力が少なく、発電機１８で発電した電力を使用することで外部からの電力を大幅に削減又は停止することができる。なお、製鉄所には転炉で使用する酸素を製造するために多くの窒素ガスがある。製鉄所から気流搬送用の高圧窒素ガスを含め本プラントで使用する窒素ガスをもらい受けることができる場合には、緊急用の超小型空気分離装置を設置すればよく、確実に窒素ガスが供給される場合には空気分離装置を設置しなくてもよい。膨張タービン１６を駆動した生成ガスは、ここで断熱膨張し温度を５０〜８０℃、圧力を高炉ガスよりも若干高い程度まで低下させる。
【００２５】
膨張タービン１６の出口部には、汽力発電設備３及び／又は増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５に生成ガスを供給するための生成ガス供給ライン４０が接続し、膨張タービン１６を駆動した生成ガスは、生成ガス供給ライン４０を通じて汽力発電設備３及び／又は増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５に送られる。生成ガス供給ライン４０には小型ボイラー６２に生成ガスを供給する分岐ライン４６が設けられている。さらに分岐ライン４６には、生成ガス供給系統の圧力を制御するための圧力制御ライン４８が接続する。分岐ライン４６には圧力検出器５０が取付けられており、分岐ライン４６の圧力が所定の圧力を超えると、圧力調節器５２が圧力制御ライン４８に介装された系統圧力制御弁５４を開き、生成ガスをフレアスタック５６に導き、生成ガス供給系統の圧力を低下させる。また生成ガス供給ライン４０には、膨張タービン１６をバイパスする、バイパス弁４２が介装された膨張タービンバイパスライン４４が接続し、膨張タービン１６にトラブルが発生した場合であっても膨張タービンバイパスライン４４を介して生成ガスを供給することができる。
【００２６】
ユーティリティ設備６０は、主として石炭ガス化設備１０で使用する高圧空気を製造するための設備であり、小型ボイラー６２、小型ボイラー６２で発生させた蒸気で駆動する蒸気タービン６４、蒸気タービン６４に連結する軸流式の空気圧縮機６６、復水器６８、発電電動機８０を主要機器として構成される。ここでは、気流搬送用の窒素ガスを含め本プラントで使用する全ての窒素ガスが製鉄所から供給されるため、窒素ガス製造用の空気分離装置が設置されていない。窒素ガス製造用の空気分離装置を設置する場合は、空気圧縮機６６で製造した高圧空気を空気分離装置に導き公知の方法で窒素ガスを製造すればよい。
【００２７】
小型ボイラー６２は、小型ボイラー燃料流量制御弁７０及び遮断弁７２が介装された分岐ライン４６を通じて供給される生成ガスを燃料とし、発生させた蒸気を蒸気ライン７４を通じて蒸気タービン６４に送り蒸気タービン６４を駆動する。小型ボイラー６２は、基本的に蒸気タービン６４に連結する空気圧縮機６６が所定の空気を製造でき、蒸気タービン６４が製鉄所用に工場送気を送る蒸気を発生させる能力を備えていればよい。
【００２８】
蒸気タービン６４は、蒸気止め弁７６及び蒸気加減弁７８が介装された蒸気ライン７４から送られる蒸気で駆動し、連結する空気圧縮機６６が高圧空気を製造する。製造された高圧空気は、ガス化剤として石炭ガス化炉１２へ送られる。空気圧縮機６６には、発電電動機８０が連結し、石炭ガス化設備１０を起動させる際に必要な高圧空気は、発電電動機８０を駆動用電動機として使用して空気圧縮機６６を駆動することで製造する。発電電動機８０には空気圧縮機６６が製造した高圧空気で駆動する膨張タービン８１が連結されている。石炭ガス化炉１２の負荷が低下して必要な空気量が減少しても軸流式の空気圧縮機６６がサージング防止で製造する高圧空気を所定量以下に低下できないため、余剰となった高圧空気は余剰空気制御弁１００により膨張タービン８１に送られ膨張タービン８１を駆動する。膨張タービン８１は発電電動機８０と連結しており、膨張タービン８１が駆動されることにより発電される。発電された電力は、本プラントの動力源として利用される。膨張タービン８１で圧力が低下した空気は押込通風機９０から小型ボイラー６２に燃焼用空気を送る燃焼用空気ライン９１に送られ燃焼用空気として利用される。膨張タービン８１で圧力の低下した空気を利用することで押込通風機９０の運転台数削減や燃焼用空気流量制御ベーン９２を絞ることで動力低減となる。なお、汽力発電用ボイラー１３０から蒸気タービン６４にスタートアップ用の蒸気を導くことで、発電電動機８０は発電機とすることもできる。
【００２９】
蒸気タービン６４から排気される蒸気は、復水器６８で冷却され復水となった後、給水ポンプ８２によりガス化炉冷却器２４に冷却水として送られ、ここでガス化炉から排出される生成ガスと熱交換し加熱された後、小型ボイラー６２に給水として送られる。このようにガス化炉冷却器２４を給水加熱器として利用することで熱効率を高めることができる。また蒸気タービン抽気を製鉄所用の工場送気として供給することでも熱効率を高めることができる。
【００３０】
増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５は、製鉄所から送出される高炉ガスに増熱用ガスであるコークス炉ガス及びミックスガスを混合した増熱高炉ガス又は増熱高炉ガスに石炭ガス化ガスを混合したガスを燃料とする発電設備であり、増熱高炉ガス等を燃料圧縮機１０２で昇圧し、空気圧縮機１０４から送られる高圧空気と混合、燃焼させ、燃焼器１０６から送出される燃焼ガスでガスタービン１０８を駆動する。ガスタービン１０８は、発電機１１０、燃料圧縮機１０２及び空気圧縮機１０４と連結しこれらを駆動する。ガスタービン１０８を駆動した燃焼ガスは排熱回収ボイラー（図示を省略）に送られ、排熱回収ボイラーで熱を回収し、蒸気タービン（図示を省略）を介して連結する発電機１１０を駆動し発電を行う。増熱高炉ガスは発熱量が約４２００ｋＪ／ｍ３Ｎであり、高炉ガスを供給する高炉ガスライン１２０に介装された混合器１２２にミックスガス、混合器１２３にコークス炉ガスを混合することで得られる。また高炉ガスライン１２０には、混合器１２３の上流側に石炭ガス化ガスを混合するための混合器１２４が設けられ、混合器１２２の下流側には、高炉ガス等に含まれる煤じんなどの不純物を除去するための電気集じん器１２６が設けられている。
【００３１】
汽力発電設備３は、製鉄所から供給される高炉ガスに増熱用ガスであるミックスガスを混合した増熱高炉ガス又は石炭ガス化設備１０から送られる石炭ガス化ガス、保炎用燃料であるコークス炉ガス及び重油を燃料とする複数機の汽力発電用ボイラー１３０を備え、各燃料は高炉ガスライン１３２、コークス炉ガスライン１３４、重油ライン１３６を通じて汽力発電用ボイラー１３０に送られる。高炉ガスライン１３２には、上流側から下流側に向かって石炭ガス化ガスを混合するための混合器１３８、ミックスガスを混合するための混合器１４２が設けられている。汽力発電用ボイラー１３０で発生した蒸気は、蒸気タービン（図示を省略）に送られ、蒸気タービンに連結する発電機（図示を省略）で発電する。
【００３２】
生成ガス供給ライン４０は、膨張タービン１６を駆動し温度５０〜８０℃、高炉ガスより若干高い圧力の生成ガスを汽力発電設備３及び／又は増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５に供給するためのラインであり、一端を膨張タービン１６の出口部に他端は２つに分岐し、一方の生成ガス供給ライン４０ａは燃料圧縮機１０２に高炉ガスを送る高炉ガスライン１２０に介装された混合器１２４に接続し、他方の生成ガス供給ライン４０ｂは、汽力発電用ボイラー１３０に高炉ガスを送る高炉ガスライン１３２に介装された混合器１３８に接続する。２つの生成ガス供給ライン４０ａ、４０ｂは、各々混合流量制御弁４１ａ、４１ｂを備える。
【００３３】
次に石炭ガス化ガス供給プラント１の運転要領の一例を示す。
石炭ガス化ガス供給プラント１、汽力発電設備３及び増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５を含む全体の運転制御は、マスタ制御装置７が行う。マスタ制御装置７は、汽力発電設備３及び増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５をそれぞれ制御する制御装置（図示を省略）からの信号により、製鉄所から高炉ガス、コークス炉ガス又はミックスガスが十分に送られ生成ガスの供給が不要であると判断すると、石炭ガス化設備制御装置２０には、待機指令を発する。増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５及び／又は汽力発電設備３は、従来と同様に、製鉄所からの高炉ガス、コークス炉ガス又はミックスガスを燃料として発電を行う。
【００３４】
待機状態の石炭ガス化設備１０は、石炭ガス化炉１２の負荷を最低とし、膨張タービン１６を介して発電機１８を駆動、発電し、膨張タービン１６を通過した後の生成ガスでユーティリティ設備６０を運転し、これらにより自己完結的に運転を継続する。待機状態となったユーティリティ設備６０での生成ガス使用量は軸流式の空気圧縮機６６がサージング防止で必要量以上の高圧空気を製造し、蒸気タービン抽気を製鉄所用の工場送気として供給する量と石炭ガス化炉１２の最低負荷時の生成ガス量とほぼ同量にバランスさせてある。このバランスも僅かな生成ガス発生量の変動、海水温度の変動、工場送気量の変動などにより分岐ライン４６の生成ガス圧力が上昇又は降下するので圧力調節器５２からの信号により石炭ガス化設備制御装置２０が生成ガス圧力降下時には石炭ガス化炉１２の生成ガスを増加させ、分岐ライン４６の生成ガス圧力が上昇すれば系統圧力制御弁５４が開く前に空気圧縮機６６が製造する高圧空気を増加させ小型ボイラー６２への生成ガス供給量を増やして可能な限り系統圧力制御弁５４を作動させないようにする。石炭ガス化炉１２で使用されない高圧空気は膨張タービン８１に送られ膨張タービン８１を駆動し、連結された発電電動機８０により発電して電力として回収される。本プラントの動力源となる膨張タービン１６を駆動して発電機１８により得られる電力は、石炭ガス化炉１２が最低負荷で運転されると減少するが膨張タービン８１に送られた高圧空気により膨張タービン８１を駆動し、連結された発電電動機８０により得られる電力が増加するため待機状態となっても外部からの電力を抑える事ができる。また膨張タービン８１の排気は小型ボイラー６２の燃焼用空気として利用されるので押込通風機９０の運転台数削減などで動力低減となる。本プラントを完全に停止すると、再スタートアップに時間がかかり、また石炭ガス化炉１２は温度変化により熱的影響を受けるが、石炭ガス化炉１２を最低負荷で継続運転することでこのような問題を回避することができる。
【００３５】
マスタ制御装置７は、汽力発電設備３及び増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５をそれぞれ制御する制御装置（図示を省略）からの信号により、製鉄所から送られている高炉ガス、コークス炉ガス又はミックスガスが不足して生成ガスの供給が有効であると判断すると、石炭ガス化設備制御装置２０に供給指令を発する。供給指令を受けた石炭ガス化設備制御装置２０は石炭ガス化設備１０の微粉炭を増加させると共にガス化剤である高圧空気を増加するため蒸気加減弁７８を開く。蒸気加減弁７８の開度が増加すると蒸気タービン６４を駆動する蒸気圧力が低下するため小型ボイラー燃料流量制御弁７０及び燃焼用空気流量制御ベーン９２を余剰空気制御弁１００と連携をとりながら開くように制御する。所定量の生成ガスを生成し生成ガス供給ライン４０を通じて高炉ガスライン１２０、１３２に供給する。このときマスタ制御装置７は、発電効率の高い増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５に優先的に生成ガスを送るように、混合流量制御弁４１ａ及び／又は４１ｂを制御する。
【００３６】
増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５に送る生成ガスは、ガス冷却器４３で温度を高炉ガス程度まで下げ、混合器１２４で高炉ガスと混合された後、燃料圧縮機１０２に送られる。ガス冷却器４３は直冷式の熱交換器であり燃料圧縮機１０２の戻りガスを冷却し燃料圧縮機１０２の入口、より詳細には電気集じん器１２６の下流側に戻すための直冷式ガス冷却器（図示を省略）の冷却水を共用する。直冷式ガス冷却器（図示を省略）を通過する燃料圧縮機１０２の戻りガス量は増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５の出力が高いと少なく出力が低下すると循環する戻りガスが増加するので生成ガスを供給することで高出力が保たれれば冷却水を共用しても直冷式ガス冷却器（図示を省略）の冷却水量で十分である。なお、ガス冷却器４３は燃料圧縮機１０２の圧縮効率が低下するのを抑えるためのものであり増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５トリップ時などで一時的に冷却水が不足しても大きな問題とはならない。
【００３７】
製鉄所から送られる高炉ガスの温度は、大気温度に比例して変動し、冬季で約１５℃、夏季で約４０℃弱である。一方、膨張タービン１６を駆動した後の生成ガス温度は、５０〜８０℃であり、高炉ガス温度に比較して温度が若干高い。燃料圧縮機１０２の入口ガス温度が高くなると、ガス密度が低下し燃料圧縮機１０２の動力が増加する。このため本実施形態では、ガス冷却器４３を設け、生成ガス温度を高炉ガス温度程度まで下げている。このようにガス冷却器４３を設け、生成ガス温度を高炉ガス温度程度まで低下させ、高炉ガスライン１２０に供給することが好ましいが、生成ガス供給量が少ない場合、生成ガスを冷却することなく供給したとしても燃料圧縮機１０２の入口ガス温度の上昇も僅かであるため、必ずしもガス冷却器４３は必要ない。一方、汽力発電用ボイラー１３０は、燃料ガスが加熱されるとボイラー効率が上昇するため、生成ガスは冷却しない方がよい。このため汽力発電設備３に生成ガスを送る生成ガス供給ライン４０ｂには、ガス冷却器は設けられていない。
【００３８】
同様に汽力発電設備３に送る生成ガスは、混合器１３８で高炉ガスと混合された後、汽力発電用ボイラー１３０に送られる。混合器１３８の下流の高炉ガスライン１３２には製鉄所から指定された量のミックスガスを混合する混合器１４２が設置されている。増熱高炉ガスの発熱量は増熱高炉ガスバーナーで許容される発熱量の範囲内に生成ガス及びミックスガスを混合する必要があるため高炉ガスライン１３２の増熱高炉ガス発熱量を検出する発熱量検出器１３５が設けられ、増熱高炉ガス発熱量が所定の発熱量を超えないように発熱量調節器１３９は混合流量制御弁４１ｂを調節する。混合流量制御弁４１ｂにはマスタ制御装置７からの調節信号と発熱量検出器１３５からの調節信号のうち低いほうを選択する低信号選択器１４４が設置されている。ミックスガス流量制御弁１４６は製鉄所から指定された量のミックスガスを消費する必要があるため流量・発熱量調節器１４８で発熱量調節器１３９よりも若干高い発熱量で調節している。なお、石炭ガス炉１２は空気吹きのガス化炉であるので、生成ガスの発熱量は約４２００ｋＪ／ｍ３Ｎ、高炉ガスは約３４００ｋＪ／ｍ３Ｎ、ミックスガスは約１１０００ｋＪ／ｍ３Ｎであり増熱高炉ガスの上限発熱量は５０００ｋＪ／ｍ３Ｎであるので最終的な発熱量調節はミックスガスで行うのが好ましい。
【００３９】
石炭ガス化設備１０から生成ガスを増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５及び／又は汽力発電設備３に送出している状態において、製鉄所から送られる高炉ガス、コークス炉ガス又はミックスガスが増加し生成ガスの供給が不要であると判断すると、マスタ制御装置７は、石炭ガス化設備制御装置２０に負荷を下げるように指令を発する。また生成ガス供給系統の圧力検出器５０が検出する圧力が上昇すれば石炭ガス化設備制御装置２０は石炭ガス化設備１０の負荷を下げ圧力が低下すれば負荷を上げる調節を行うが、所定の圧力を超えると圧力調節器５２は系統圧力制御弁５４を開くように制御し、生成ガスの一部をフレアスタック５６に逃がし、生成ガス供給系統の圧力を所定の圧力に維持する。
【００４０】
なお、上記実施形態では、増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５及び／又は汽力発電設備３の出力を高出力に維持できるように石炭ガス化設備１０を運転し、生成ガスを供給する例を示したが、石炭ガス化設備１０を一定の負荷で運転し、増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５及び／又は汽力発電設備３をこれに合わせて運転することもできる。さらには、増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５、汽力発電設備３及び石炭ガス化設備１０全体で運転が容易となるようにそれぞれの設備の負荷を変動させながら運転することもできる。以上のように石炭ガス化ガス供給プラント１は、製鉄所から副次的に発生する副生ガスのガス量、発熱量が変動しても柔軟に対応することが可能であり実用的なプラントと言える。
【００４１】
また上記実施形態では、ガス化剤に空気を使用する空気吹き石炭ガス化炉の例を示したが、ガス化剤に酸素又は酸素と空気とを混合した酸素富化空気を使用することもできる。ガス化剤に酸素又は酸素富化空気を使用すると空気をガス化剤とする場合に比較して生成ガスの発熱量が高く、ガス化剤に酸素を使用すると発熱量は、１００００〜１１０００ｋＪ／ｍ３Ｎであるので、増熱用ガスとして使用することができる。また本発明で使用可能な石炭ガス化設備は、少なくとも増熱高炉ガスと同等以上の発熱量を有する生成ガスを製造できればよく、石炭ガス化炉の種類も特に限定されない。またガス精製装置の下流側に一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応器、さらにその下流側に二酸化炭素除去装置を備える石炭ガス化設備であってもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１ 石炭ガス化ガス供給プラント
３ 汽力発電設備
５ 増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備
１０ 石炭ガス化設備
１２ 石炭ガス化炉
１４ ガス精製装置
１６ 膨張タービン
１８ 発電機
４０ 生成ガス供給ライン
４０ａ、４０ｂ 生成ガス供給ライン
６０ ユーティリティ設備
６２ 小型ボイラー
６４ 蒸気タービン
６６ 空気圧縮機
１０２ 燃料圧縮機
１０４ 空気圧縮機
１０６ 燃焼器
１０８ ガスタービン
１１０ 発電機
１２０ 高炉ガスライン
１２４ 混合器
１３０ 汽力発電用ボイラー
１３２ 高炉ガスライン
１３４ コークス炉ガスライン
１３６ 重油ライン
１３８ 混合器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鉄所から副次的に発生する副生ガスを主要燃料とする汽力発電設備、及び前記副生ガスを所定の発熱量に増熱したガスである増熱高炉ガスを主要燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備に補完用燃料として石炭ガス化ガスを供給する石炭ガス化ガス供給プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所に設置され、副生ガスを主要燃料としている火力発電所は、製鉄所内の保安電源など重要な電源の供給源となっているため、副生ガスが減少した場合でも発電が継続できる重油混焼・専焼設備を持った複数機の汽力発電設備と、高炉ガスをコークス炉ガス、ミックスガスで増熱した増熱高炉ガスを燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備で構成されていることが多くなっている。ミックスガスは、高炉ガス、コークス炉ガス、転炉ガスのうち２種又は３種が混合されたガスである。このような火力発電所では、副生ガスのガス量及び発熱量の変動、低下に伴い以下のような問題が生じる。
【０００３】
ガスタービンコンバインド発電設備は、製鉄所から供給される副生ガスを先取りして高出力・高効率を保つように運転しているが、重油などを混焼できないため高炉休風など高炉ガス量、増熱用のコークス炉ガス、ミックスガス量が減少する場合にはユニット出力低下やユニット停止となっている。また高炉ガスの発熱量の低下、又は増熱用高発熱量ガスであるコークス炉ガス、ミックスガスの発熱量が低下すると所定の発熱量に増熱した増熱高炉ガス量が減少するため発電出力が低下する。
【０００４】
一方、汽力発電設備は、製鉄所から供給される副生ガス量に応じた発電を行う、いわゆるガス成り運転のため、副生ガス受入量の変動に伴い安定運転、高効率運転を行うことができない。また高炉休風などで副生ガスが減少して製鉄所保安電力が確保できないとき、又は最低出力が維持できないときは高価な重油を助燃している。重油の助燃は硫黄酸化物が発生するので環境上好ましくない。
【０００５】
上記問題は、副生ガスを主要燃料としているガスタービンコンバインド発電設備又は汽力発電設備のいずれか一方の発電設備を有する火力発電所でも同じであり、本件出願人は、このような問題を解決する方法として、ＬＮＧ又はガスハイドレートを副生ガスの補完用燃料として使用する発明を完成させ既に特許出願を行っている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
【０００６】
また、副生ガスを燃料とする複合発電システムにおいて、副生ガスの変動が大きく効率よく運転を行うことができないとし、ガス化炉で石炭等をガス化させ、このガス化ガスからメタノールを合成し、このメタノールを副生ガスの補完用燃料とする複合発電システムもある（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１０７４０１号公報
【特許文献２】特開２００９−２１６３３４号公報
【特許文献３】特開２００２−３８９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献３に記載の技術は、ガス化ガスを一度メタノールとすることで、副生ガスの変動に対応しようとするものであるが、ガス化設備以外にメタノールを製造、貯蔵、供給するための設備が必要となる。さらにメタノールを燃焼させるためにはガスタービンの改造が必要であり、既設のガスタービン発電設備を備える火力発電所に適用することはコスト的にも、技術的にも容易ではない。
【０００９】
本発明の目的は、製鉄所から副次的に発生する副生ガスを主要燃料とする汽力発電設備、及び増熱高炉ガスを主要燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備に補完用燃料として石炭ガス化ガスを供給する、使い勝手がよく実用的な石炭ガス化ガス供給プラントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、製鉄所から副次的に発生する副生ガスを主要燃料とする汽力発電設備、及び前記副生ガスを所定の発熱量に増熱したガスである増熱高炉ガスを主要燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備に補完用燃料として石炭ガス化ガスを供給する石炭ガス化ガス供給プラントであって、石炭をガス化する石炭ガス化炉、石炭ガス化ガスを精製するガス精製装置、高温高圧のガスを作動流体とする膨張タービン及び膨張タービンに連結する発電機を含みなる石炭ガス化設備を備え、前記ガス精製装置で精製された高温高圧の石炭ガス化ガスで前記膨張タービンを駆動し、膨張タービンに連結する発電機で発電し、これを本プラントの動力源として利用し、前記膨張タービンを駆動した後の石炭ガス化ガスを前記増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び／又は汽力発電設備に補完用燃料として供給することを特徴とする石炭ガス化ガス供給プラントである。
【００１１】
また本発明は、前記石炭ガス化ガス供給プラントにおいて、石炭ガス化に使用するガス化剤は空気であり、石炭ガス化ガスの発熱量が前記増熱高炉ガスの発熱量と略同一であることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記石炭ガス化ガス供給プラントにおいて、さらに石炭ガス化ガスを燃料とする小型ボイラー、蒸気タービン及び蒸気タービンに連結する空気圧縮機を含み、前記小型ボイラーで発生させた蒸気を蒸気タービンに送り、空気圧縮機を駆動し、前記空気圧縮機で製造した高圧空気を石炭ガス化に使用することを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記石炭ガス化ガス供給プラントにおいて、前記石炭ガス化設備は、前記増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び汽力発電設備に石炭ガス化ガスを全く供給しないときは保持運転を行い、生成する石炭ガス化ガスで前記膨張タービンを駆動し、膨張タービンを駆動した後の石炭ガス化ガスを前記小型ボイラーで燃焼させ、発生する蒸気で空気圧縮機を駆動することで自己完結的に運転することができることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る石炭ガス化ガス供給プラントは、石炭ガス化炉で生成されガス精製装置で精製された高温高圧の石炭ガス化ガスで膨張タービンを駆動し、膨張タービンに連結する発電機で発電し、これを本プラントの動力源として利用するので、外部から本プラントに供給する電力を削減又は停止することができる。また膨張タービンを駆動した後の石炭ガス化ガスは、断熱膨張により温度及び圧力を低下させているので、そのまま増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び／又は汽力発電設備に補完用燃料として供給することが可能であり効率的である。
【００１５】
また本発明によれば、石炭ガス化ガスの発熱量が増熱高炉ガスの発熱量と略同一であるので、ほとんど熱量調節を行うことなく増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び／又は汽力発電設備の補完用燃料として使用することが可能であり、非常に使い勝手がよい。
【００１６】
また本発明によれば、さらに石炭ガス化ガスを燃料とする小型ボイラー、蒸気タービン及び蒸気タービンに連結する空気圧縮機を備え、小型ボイラーで発生させた蒸気を蒸気タービンに送り、空気圧縮機を駆動し、製造した高圧空気を石炭ガス化に使用するので実用的である。
【００１７】
また本発明によれば、本発明に係る石炭ガス化ガス供給プラントは、自己完結的に保持運転することが可能なので、増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び汽力発電設備に石炭ガス化ガスを全く供給しないときもプラントを停止させる必要がなく、起動時間、停止時間をなくすと共に起動停止に伴うプラントへの悪影響を回避することが可能であり、使い勝手のよい実用的なプラントと言える。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の一形態としての石炭ガス化ガス供給プラント１の概略的構成を示すプロセスフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の実施の一形態としての石炭ガス化ガス供給プラント１の概略的構成を示すプロセスフロー図である。
【００２０】
石炭ガス化ガス供給プラント１は、製鉄所から副次的に発生する副生ガスを主要燃料とする汽力発電設備３、及び前記副生ガスを所定の発熱量に増熱したガスである増熱高炉ガスを主要燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５に補完用燃料として石炭ガス化ガスを供給するプラントであり、石炭をガス化する石炭ガス化設備１０、石炭ガス化の際に使用する高圧空気等を製造するためのユーティリティ設備６０を主要設備として構成される。
【００２１】
石炭ガス化設備１０は、石炭をガス化する石炭ガス化炉１２、石炭ガス化炉１２で使用する微粉炭を製造する微粉炭機２２、微粉炭を石炭ガス化炉１２へ供給する微粉炭供給装置２３、石炭ガス化炉１２で生成された石炭ガス化ガス（生成ガス）を精製するガス精製装置１４、ガス精製装置１４で精製された高温高圧の石炭ガス化ガスを作動流体とする膨張タービン１６、膨張タービン１６に連結する発電機１８及び石炭ガス化炉１２の運転等を制御する石炭ガス化設備制御装置２０を含む。
【００２２】
石炭ガス化炉１２は、空気吹き石炭ガス化炉であり、圧力容器（図示を省略）内にガス化炉（図示を省略）を収納し、ガス化炉内で微粉炭とガス化剤である空気とを反応させ、水素、一酸化炭素、メタンを含む可燃性ガスを生成する。石炭は微粉炭機２２で微粉炭にされた後、微粉炭供給装置２３を介してガス化炉に窒素ガスで気流搬送される。一方、ガス化剤である空気は、軸流式の空気圧縮機６６から送られる。ガス化炉の温度は約１２００〜１８００℃、圧力は約２．０〜２．５ＭＰａであり、高温高圧の生成ガスが得られる。この高温高圧の生成ガスは、ガス化炉の出口部に設けられたガス化炉冷却器２４で冷却された後、ガス精製装置１４に送られる。
【００２３】
ガス精製装置１４は、生成ガス中の不純物を除去するための装置であって、脱じん装置２６及び脱硫装置２８からなる。脱じん装置２６は、ガス化炉冷却器２４の下流側に設けられ、生成ガスに同伴して石炭ガス化炉１２から排出されたチャーを分離、回収する。脱じん装置２６としてはサイクロン又はフィルターが例示される。回収されたチャーは、返送ライン３０を通じてガス化炉に返送され、未燃分はガス化炉でガス化される。脱じん後の生成ガスは、脱硫装置２８に送られここで生成ガスに含まれる硫黄化合物が除去される。脱硫装置２８は乾式の脱硫装置であり、脱硫剤としては酸化鉄系が例示される。
【００２４】
ガス精製装置１４で精製された生成ガスは、温度が約４００〜５００℃、圧力が約２．０〜２．５ＭＰａであり、膨張タービン１６に送られ膨張タービン１６を駆動する。膨張タービン１６は発電機１８と連結しており、膨張タービン１６が駆動されることにより発電される。ここで発電された電力は、微粉炭機２２の動力など石炭ガス化設備１０を含む本プラントの動力源として利用される。空気吹き石炭ガス化炉の場合、ガス化剤が空気であるため酸素を製造する必要はないが、酸素吹き石炭ガス化炉と同様、微粉炭をガス化炉に気流搬送する窒素ガス、パージ用の窒素ガスは必要であり、窒素ガス製造用の空気分離装置が設置されるのが一般的である。空気吹き石炭ガス化炉の場合、酸素吹き石炭ガス化炉に比較して空気分離装置を小型化できるので、使用する電力が少なく、発電機１８で発電した電力を使用することで外部からの電力を大幅に削減又は停止することができる。なお、製鉄所には転炉で使用する酸素を製造するために多くの窒素ガスがある。製鉄所から気流搬送用の高圧窒素ガスを含め本プラントで使用する窒素ガスをもらい受けることができる場合には、緊急用の超小型空気分離装置を設置すればよく、確実に窒素ガスが供給される場合には空気分離装置を設置しなくてもよい。膨張タービン１６を駆動した生成ガスは、ここで断熱膨張し温度を５０〜８０℃、圧力を高炉ガスよりも若干高い程度まで低下させる。
【００２５】
膨張タービン１６の出口部には、汽力発電設備３及び／又は増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５に生成ガスを供給するための生成ガス供給ライン４０が接続し、膨張タービン１６を駆動した生成ガスは、生成ガス供給ライン４０を通じて汽力発電設備３及び／又は増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５に送られる。生成ガス供給ライン４０には小型ボイラー６２に生成ガスを供給する分岐ライン４６が設けられている。さらに分岐ライン４６には、生成ガス供給系統の圧力を制御するための圧力制御ライン４８が接続する。分岐ライン４６には圧力検出器５０が取付けられており、分岐ライン４６の圧力が所定の圧力を超えると、圧力調節器５２が圧力制御ライン４８に介装された系統圧力制御弁５４を開き、生成ガスをフレアスタック５６に導き、生成ガス供給系統の圧力を低下させる。また生成ガス供給ライン４０には、膨張タービン１６をバイパスする、バイパス弁４２が介装された膨張タービンバイパスライン４４が接続し、膨張タービン１６にトラブルが発生した場合であっても膨張タービンバイパスライン４４を介して生成ガスを供給することができる。
【００２６】
ユーティリティ設備６０は、主として石炭ガス化設備１０で使用する高圧空気を製造するための設備であり、小型ボイラー６２、小型ボイラー６２で発生させた蒸気で駆動する蒸気タービン６４、蒸気タービン６４に連結する軸流式の空気圧縮機６６、復水器６８、発電電動機８０を主要機器として構成される。ここでは、気流搬送用の窒素ガスを含め本プラントで使用する全ての窒素ガスが製鉄所から供給されるため、窒素ガス製造用の空気分離装置が設置されていない。窒素ガス製造用の空気分離装置を設置する場合は、空気圧縮機６６で製造した高圧空気を空気分離装置に導き公知の方法で窒素ガスを製造すればよい。
【００２７】
小型ボイラー６２は、小型ボイラー燃料流量制御弁７０及び遮断弁７２が介装された分岐ライン４６を通じて供給される生成ガスを燃料とし、発生させた蒸気を蒸気ライン７４を通じて蒸気タービン６４に送り蒸気タービン６４を駆動する。小型ボイラー６２は、基本的に蒸気タービン６４に連結する空気圧縮機６６が所定の空気を製造でき、蒸気タービン６４が製鉄所用に工場送気を送る蒸気を発生させる能力を備えていればよい。
【００２８】
蒸気タービン６４は、蒸気止め弁７６及び蒸気加減弁７８が介装された蒸気ライン７４から送られる蒸気で駆動し、連結する空気圧縮機６６が高圧空気を製造する。製造された高圧空気は、ガス化剤として石炭ガス化炉１２へ送られる。空気圧縮機６６には、発電電動機８０が連結し、石炭ガス化設備１０を起動させる際に必要な高圧空気は、発電電動機８０を駆動用電動機として使用して空気圧縮機６６を駆動することで製造する。発電電動機８０には空気圧縮機６６が製造した高圧空気で駆動する膨張タービン８１が連結されている。石炭ガス化炉１２の負荷が低下して必要な空気量が減少しても軸流式の空気圧縮機６６がサージング防止で製造する高圧空気を所定量以下に低下できないため、余剰となった高圧空気は余剰空気制御弁１００により膨張タービン８１に送られ膨張タービン８１を駆動する。膨張タービン８１は発電電動機８０と連結しており、膨張タービン８１が駆動されることにより発電される。発電された電力は、本プラントの動力源として利用される。膨張タービン８１で圧力が低下した空気は押込通風機９０から小型ボイラー６２に燃焼用空気を送る燃焼用空気ライン９１に送られ燃焼用空気として利用される。膨張タービン８１で圧力の低下した空気を利用することで押込通風機９０の運転台数削減や燃焼用空気流量制御ベーン９２を絞ることで動力低減となる。なお、汽力発電用ボイラー１３０から蒸気タービン６４にスタートアップ用の蒸気を導くことで、発電電動機８０は発電機とすることもできる。
【００２９】
蒸気タービン６４から排気される蒸気は、復水器６８で冷却され復水となった後、給水ポンプ８２によりガス化炉冷却器２４に冷却水として送られ、ここでガス化炉から排出される生成ガスと熱交換し加熱された後、小型ボイラー６２に給水として送られる。このようにガス化炉冷却器２４を給水加熱器として利用することで熱効率を高めることができる。また蒸気タービン抽気を製鉄所用の工場送気として供給することでも熱効率を高めることができる。
【００３０】
増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５は、製鉄所から送出される高炉ガスに増熱用ガスであるコークス炉ガス及びミックスガスを混合した増熱高炉ガス又は増熱高炉ガスに石炭ガス化ガスを混合したガスを燃料とする発電設備であり、増熱高炉ガス等を燃料圧縮機１０２で昇圧し、空気圧縮機１０４から送られる高圧空気と混合、燃焼させ、燃焼器１０６から送出される燃焼ガスでガスタービン１０８を駆動する。ガスタービン１０８は、発電機１１０、燃料圧縮機１０２及び空気圧縮機１０４と連結しこれらを駆動する。ガスタービン１０８を駆動した燃焼ガスは排熱回収ボイラー（図示を省略）に送られ、排熱回収ボイラーで熱を回収し、蒸気タービン（図示を省略）を介して連結する発電機１１０を駆動し発電を行う。増熱高炉ガスは発熱量が約４２００ｋＪ／ｍ３Ｎであり、高炉ガスを供給する高炉ガスライン１２０に介装された混合器１２２にミックスガス、混合器１２３にコークス炉ガスを混合することで得られる。また高炉ガスライン１２０には、混合器１２３の上流側に石炭ガス化ガスを混合するための混合器１２４が設けられ、混合器１２２の下流側には、高炉ガス等に含まれる煤じんなどの不純物を除去するための電気集じん器１２６が設けられている。
【００３１】
汽力発電設備３は、製鉄所から供給される高炉ガスに増熱用ガスであるミックスガスを混合した増熱高炉ガス又は石炭ガス化設備１０から送られる石炭ガス化ガス、保炎用燃料であるコークス炉ガス及び重油を燃料とする複数機の汽力発電用ボイラー１３０を備え、各燃料は高炉ガスライン１３２、コークス炉ガスライン１３４、重油ライン１３６を通じて汽力発電用ボイラー１３０に送られる。高炉ガスライン１３２には、上流側から下流側に向かって石炭ガス化ガスを混合するための混合器１３８、ミックスガスを混合するための混合器１４２が設けられている。汽力発電用ボイラー１３０で発生した蒸気は、蒸気タービン（図示を省略）に送られ、蒸気タービンに連結する発電機（図示を省略）で発電する。
【００３２】
生成ガス供給ライン４０は、膨張タービン１６を駆動し温度５０〜８０℃、高炉ガスより若干高い圧力の生成ガスを汽力発電設備３及び／又は増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５に供給するためのラインであり、一端を膨張タービン１６の出口部に他端は２つに分岐し、一方の生成ガス供給ライン４０ａは燃料圧縮機１０２に高炉ガスを送る高炉ガスライン１２０に介装された混合器１２４に接続し、他方の生成ガス供給ライン４０ｂは、汽力発電用ボイラー１３０に高炉ガスを送る高炉ガスライン１３２に介装された混合器１３８に接続する。２つの生成ガス供給ライン４０ａ、４０ｂは、各々混合流量制御弁４１ａ、４１ｂを備える。
【００３３】
次に石炭ガス化ガス供給プラント１の運転要領の一例を示す。
石炭ガス化ガス供給プラント１、汽力発電設備３及び増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５を含む全体の運転制御は、マスタ制御装置７が行う。マスタ制御装置７は、汽力発電設備３及び増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５をそれぞれ制御する制御装置（図示を省略）からの信号により、製鉄所から高炉ガス、コークス炉ガス又はミックスガスが十分に送られ生成ガスの供給が不要であると判断すると、石炭ガス化設備制御装置２０には、待機指令を発する。増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５及び／又は汽力発電設備３は、従来と同様に、製鉄所からの高炉ガス、コークス炉ガス又はミックスガスを燃料として発電を行う。
【００３４】
待機状態の石炭ガス化設備１０は、石炭ガス化炉１２の負荷を最低とし、膨張タービン１６を介して発電機１８を駆動、発電し、膨張タービン１６を通過した後の生成ガスでユーティリティ設備６０を運転し、これらにより自己完結的に運転を継続する。待機状態となったユーティリティ設備６０での生成ガス使用量は軸流式の空気圧縮機６６がサージング防止で必要量以上の高圧空気を製造し、蒸気タービン抽気を製鉄所用の工場送気として供給する量と石炭ガス化炉１２の最低負荷時の生成ガス量とほぼ同量にバランスさせてある。このバランスも僅かな生成ガス発生量の変動、海水温度の変動、工場送気量の変動などにより分岐ライン４６の生成ガス圧力が上昇又は降下するので圧力調節器５２からの信号により石炭ガス化設備制御装置２０が生成ガス圧力降下時には石炭ガス化炉１２の生成ガスを増加させ、分岐ライン４６の生成ガス圧力が上昇すれば系統圧力制御弁５４が開く前に空気圧縮機６６が製造する高圧空気を増加させ小型ボイラー６２への生成ガス供給量を増やして可能な限り系統圧力制御弁５４を作動させないようにする。石炭ガス化炉１２で使用されない高圧空気は膨張タービン８１に送られ膨張タービン８１を駆動し、連結された発電電動機８０により発電して電力として回収される。本プラントの動力源となる膨張タービン１６を駆動して発電機１８により得られる電力は、石炭ガス化炉１２が最低負荷で運転されると減少するが膨張タービン８１に送られた高圧空気により膨張タービン８１を駆動し、連結された発電電動機８０により得られる電力が増加するため待機状態となっても外部からの電力を抑える事ができる。また膨張タービン８１の排気は小型ボイラー６２の燃焼用空気として利用されるので押込通風機９０の運転台数削減などで動力低減となる。本プラントを完全に停止すると、再スタートアップに時間がかかり、また石炭ガス化炉１２は温度変化により熱的影響を受けるが、石炭ガス化炉１２を最低負荷で継続運転することでこのような問題を回避することができる。
【００３５】
マスタ制御装置７は、汽力発電設備３及び増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５をそれぞれ制御する制御装置（図示を省略）からの信号により、製鉄所から送られている高炉ガス、コークス炉ガス又はミックスガスが不足して生成ガスの供給が有効であると判断すると、石炭ガス化設備制御装置２０に供給指令を発する。供給指令を受けた石炭ガス化設備制御装置２０は石炭ガス化設備１０の微粉炭を増加させると共にガス化剤である高圧空気を増加するため蒸気加減弁７８を開く。蒸気加減弁７８の開度が増加すると蒸気タービン６４を駆動する蒸気圧力が低下するため小型ボイラー燃料流量制御弁７０及び燃焼用空気流量制御ベーン９２を余剰空気制御弁１００と連携をとりながら開くように制御する。所定量の生成ガスを生成し生成ガス供給ライン４０を通じて高炉ガスライン１２０、１３２に供給する。このときマスタ制御装置７は、発電効率の高い増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５に優先的に生成ガスを送るように、混合流量制御弁４１ａ及び／又は４１ｂを制御する。
【００３６】
増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５に送る生成ガスは、ガス冷却器４３で温度を高炉ガス程度まで下げ、混合器１２４で高炉ガスと混合された後、燃料圧縮機１０２に送られる。ガス冷却器４３は直冷式の熱交換器であり燃料圧縮機１０２の戻りガスを冷却し燃料圧縮機１０２の入口、より詳細には電気集じん器１２６の下流側に戻すための直冷式ガス冷却器（図示を省略）の冷却水を共用する。直冷式ガス冷却器（図示を省略）を通過する燃料圧縮機１０２の戻りガス量は増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５の出力が高いと少なく出力が低下すると循環する戻りガスが増加するので生成ガスを供給することで高出力が保たれれば冷却水を共用しても直冷式ガス冷却器（図示を省略）の冷却水量で十分である。なお、ガス冷却器４３は燃料圧縮機１０２の圧縮効率が低下するのを抑えるためのものであり増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５トリップ時などで一時的に冷却水が不足しても大きな問題とはならない。
【００３７】
製鉄所から送られる高炉ガスの温度は、大気温度に比例して変動し、冬季で約１５℃、夏季で約４０℃弱である。一方、膨張タービン１６を駆動した後の生成ガス温度は、５０〜８０℃であり、高炉ガス温度に比較して温度が若干高い。燃料圧縮機１０２の入口ガス温度が高くなると、ガス密度が低下し燃料圧縮機１０２の動力が増加する。このため本実施形態では、ガス冷却器４３を設け、生成ガス温度を高炉ガス温度程度まで下げている。このようにガス冷却器４３を設け、生成ガス温度を高炉ガス温度程度まで低下させ、高炉ガスライン１２０に供給することが好ましいが、生成ガス供給量が少ない場合、生成ガスを冷却することなく供給したとしても燃料圧縮機１０２の入口ガス温度の上昇も僅かであるため、必ずしもガス冷却器４３は必要ない。一方、汽力発電用ボイラー１３０は、燃料ガスが加熱されるとボイラー効率が上昇するため、生成ガスは冷却しない方がよい。このため汽力発電設備３に生成ガスを送る生成ガス供給ライン４０ｂには、ガス冷却器は設けられていない。
【００３８】
同様に汽力発電設備３に送る生成ガスは、混合器１３８で高炉ガスと混合された後、汽力発電用ボイラー１３０に送られる。混合器１３８の下流の高炉ガスライン１３２には製鉄所から指定された量のミックスガスを混合する混合器１４２が設置されている。増熱高炉ガスの発熱量は増熱高炉ガスバーナーで許容される発熱量の範囲内に生成ガス及びミックスガスを混合する必要があるため高炉ガスライン１３２の増熱高炉ガス発熱量を検出する発熱量検出器１３５が設けられ、増熱高炉ガス発熱量が所定の発熱量を超えないように発熱量調節器１３９は混合流量制御弁４１ｂを調節する。混合流量制御弁４１ｂにはマスタ制御装置７からの調節信号と発熱量検出器１３５からの調節信号のうち低いほうを選択する低信号選択器１４４が設置されている。ミックスガス流量制御弁１４６は製鉄所から指定された量のミックスガスを消費する必要があるため流量・発熱量調節器１４８で発熱量調節器１３９よりも若干高い発熱量で調節している。なお、石炭ガス炉１２は空気吹きのガス化炉であるので、生成ガスの発熱量は約４２００ｋＪ／ｍ３Ｎ、高炉ガスは約３４００ｋＪ／ｍ３Ｎ、ミックスガスは約１１０００ｋＪ／ｍ３Ｎであり増熱高炉ガスの上限発熱量は５０００ｋＪ／ｍ３Ｎであるので最終的な発熱量調節はミックスガスで行うのが好ましい。
【００３９】
石炭ガス化設備１０から生成ガスを増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５及び／又は汽力発電設備３に送出している状態において、製鉄所から送られる高炉ガス、コークス炉ガス又はミックスガスが増加し生成ガスの供給が不要であると判断すると、マスタ制御装置７は、石炭ガス化設備制御装置２０に負荷を下げるように指令を発する。また生成ガス供給系統の圧力検出器５０が検出する圧力が上昇すれば石炭ガス化設備制御装置２０は石炭ガス化設備１０の負荷を下げ圧力が低下すれば負荷を上げる調節を行うが、所定の圧力を超えると圧力調節器５２は系統圧力制御弁５４を開くように制御し、生成ガスの一部をフレアスタック５６に逃がし、生成ガス供給系統の圧力を所定の圧力に維持する。
【００４０】
なお、上記実施形態では、増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５及び／又は汽力発電設備３の出力を高出力に維持できるように石炭ガス化設備１０を運転し、生成ガスを供給する例を示したが、石炭ガス化設備１０を一定の負荷で運転し、増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５及び／又は汽力発電設備３をこれに合わせて運転することもできる。さらには、増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備５、汽力発電設備３及び石炭ガス化設備１０全体で運転が容易となるようにそれぞれの設備の負荷を変動させながら運転することもできる。以上のように石炭ガス化ガス供給プラント１は、製鉄所から副次的に発生する副生ガスのガス量、発熱量が変動しても柔軟に対応することが可能であり実用的なプラントと言える。
【００４１】
また上記実施形態では、ガス化剤に空気を使用する空気吹き石炭ガス化炉の例を示したが、ガス化剤に酸素又は酸素と空気とを混合した酸素富化空気を使用することもできる。ガス化剤に酸素又は酸素富化空気を使用すると空気をガス化剤とする場合に比較して生成ガスの発熱量が高く、ガス化剤に酸素を使用すると発熱量は、１００００〜１１０００ｋＪ／ｍ３Ｎであるので、増熱用ガスとして使用することができる。また本発明で使用可能な石炭ガス化設備は、少なくとも増熱高炉ガスと同等以上の発熱量を有する生成ガスを製造できればよく、石炭ガス化炉の種類も特に限定されない。またガス精製装置の下流側に一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応器、さらにその下流側に二酸化炭素除去装置を備える石炭ガス化設備であってもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１ 石炭ガス化ガス供給プラント
３ 汽力発電設備
５ 増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備
１０ 石炭ガス化設備
１２ 石炭ガス化炉
１４ ガス精製装置
１６ 膨張タービン
１８ 発電機
４０ 生成ガス供給ライン
４０ａ、４０ｂ 生成ガス供給ライン
６０ ユーティリティ設備
６２ 小型ボイラー
６４ 蒸気タービン
６６ 空気圧縮機
１０２ 燃料圧縮機
１０４ 空気圧縮機
１０６ 燃焼器
１０８ ガスタービン
１１０ 発電機
１２０ 高炉ガスライン
１２４ 混合器
１３０ 汽力発電用ボイラー
１３２ 高炉ガスライン
１３４ コークス炉ガスライン
１３６ 重油ライン
１３８ 混合器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
製鉄所から副次的に発生する副生ガスを主要燃料とする汽力発電設備、及び前記副生ガスを所定の発熱量に増熱したガスである増熱高炉ガスを主要燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備に補完用燃料として石炭ガス化ガスを供給する石炭ガス化ガス供給プラントであって、
石炭をガス化する石炭ガス化炉、石炭ガス化ガスを精製するガス精製装置、高温高圧のガスを作動流体とする膨張タービン及び膨張タービンに連結する発電機を含みなる石炭ガス化設備を備え、
前記ガス精製装置で精製された高温高圧の石炭ガス化ガスで前記膨張タービンを駆動し、膨張タービンに連結する発電機で発電し、これを本プラントの動力源として利用し、
前記膨張タービンを駆動した後の石炭ガス化ガスを前記増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び／又は汽力発電設備に補完用燃料として供給することを特徴とする石炭ガス化ガス供給プラント。
【請求項２】
石炭ガス化に使用するガス化剤は空気であり、石炭ガス化ガスの発熱量が前記増熱高炉ガスの発熱量と略同一であることを特徴とする請求項１に記載の石炭ガス化ガス供給プラント。
【請求項３】
さらに石炭ガス化ガスを燃料とする小型ボイラー、蒸気タービン及び蒸気タービンに連結する空気圧縮機を含み、
前記小型ボイラーで発生させた蒸気を蒸気タービンに送り、空気圧縮機を駆動し、前記空気圧縮機で製造した高圧空気を石炭ガス化に使用することを特徴とする請求項２に記載の石炭ガス化ガス供給プラント。
【請求項４】
前記石炭ガス化設備は、前記増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び汽力発電設備に石炭ガス化ガスを全く供給しないときは保持運転を行い、生成する石炭ガス化ガスで前記膨張タービンを駆動し、膨張タービンを駆動した後の石炭ガス化ガスを前記小型ボイラーで燃焼させ、発生する蒸気で空気圧縮機を駆動することで自己完結的に運転することができることを特徴とする請求項３に記載の石炭ガス化ガス供給プラント。
【請求項１】
製鉄所から副次的に発生する副生ガスを主要燃料とする汽力発電設備、及び前記副生ガスを所定の発熱量に増熱したガスである増熱高炉ガスを主要燃料とする増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備に補完用燃料として石炭ガス化ガスを供給する石炭ガス化ガス供給プラントであって、
石炭をガス化する石炭ガス化炉、石炭ガス化ガスを精製するガス精製装置、高温高圧のガスを作動流体とする膨張タービン及び膨張タービンに連結する発電機を含みなる石炭ガス化設備を備え、
前記ガス精製装置で精製された高温高圧の石炭ガス化ガスで前記膨張タービンを駆動し、膨張タービンに連結する発電機で発電し、これを本プラントの動力源として利用し、
前記膨張タービンを駆動した後の石炭ガス化ガスを前記増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び／又は汽力発電設備に補完用燃料として供給することを特徴とする石炭ガス化ガス供給プラント。
【請求項２】
石炭ガス化に使用するガス化剤は空気であり、石炭ガス化ガスの発熱量が前記増熱高炉ガスの発熱量と略同一であることを特徴とする請求項１に記載の石炭ガス化ガス供給プラント。
【請求項３】
さらに石炭ガス化ガスを燃料とする小型ボイラー、蒸気タービン及び蒸気タービンに連結する空気圧縮機を含み、
前記小型ボイラーで発生させた蒸気を蒸気タービンに送り、空気圧縮機を駆動し、前記空気圧縮機で製造した高圧空気を石炭ガス化に使用することを特徴とする請求項２に記載の石炭ガス化ガス供給プラント。
【請求項４】
前記石炭ガス化設備は、前記増熱高炉ガス焚ガスタービンコンバインド発電設備及び汽力発電設備に石炭ガス化ガスを全く供給しないときは保持運転を行い、生成する石炭ガス化ガスで前記膨張タービンを駆動し、膨張タービンを駆動した後の石炭ガス化ガスを前記小型ボイラーで燃焼させ、発生する蒸気で空気圧縮機を駆動することで自己完結的に運転することができることを特徴とする請求項３に記載の石炭ガス化ガス供給プラント。
【図１】
【公開番号】特開２０１１−１６３２９４（Ｐ２０１１−１６３２９４Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９４１５（Ｐ２０１０−２９４１５）
【出願日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
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