石炭部分ガス化発電方法及び装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、石炭（微粉炭）をガス化炉でガス化したガスを駆動源とするガスタービンと、ガス化炉で発生させたスチームを駆動源とする蒸気タービンとを組み合わせたコンバイドサイクルにおいて、部分ガス化炉で投入石炭の一部をガス化し、ガス化しなかった石炭の残部を加圧循環流動床燃焼炉（チャー燃焼炉）で、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させることにより、従来のシステムより高効率なシステムとすることができる石炭部分ガス化発電方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図３は従来の石炭ガス化コンバインドサイクル（ＩＧＣＣ）を示している。１０は加圧完全ガス化炉で、石炭（微粉炭）及び加圧空気が供給される。石炭は１６００℃前後でガス化し、さらにこのガス中に投入された石炭と１３００℃前後で反応した後、飽和水蒸気を過熱する。８５０℃前後に降温されたガスは脱塵装置１２に導入され、チャー（残炭）が分離され、このチャーはガス化炉１０へ循環される。チャーが分離されたガスは脱硫装置１４、精密脱塵装置１６で処理された後、トッピング燃焼器１８へ導入されて完全燃焼し、１３００℃前後の燃焼ガスはガスタービン２０へ導入される。２２は発電機である。空気圧縮機２４で圧縮された空気は、トッピング燃焼器１８及びガス化炉１０へ供給される。２６は空気昇圧機である。ガスタービン２０からのガスは脱硝装置２８、排熱ボイラ３０を経て大気に放出される。排熱ボイラ３０で発生した水蒸気は、ガス化炉１０に導入されて過熱された後、蒸気タービン３２に導入される。３４は発電機である。蒸気タービン３２からの排気は復水器３６で冷却されて凝縮水となり、ポンプ３８で排熱ボイラ３０に供給される。
【０００３】また、特開昭６１−２４１３９４号公報には、石炭ガス化炉系統、脱塵脱硫系統、ガスタービン系統、空気系統、排ガスボイラ系統及び蒸気タービン系統から構成される石炭ガス化複合発電装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図３に示す従来の石炭ガス化コンバインドサイクルは、つぎのような問題点を有している。
（１） 石炭のガス化反応においては、ガス化した石炭の全エネルギーの内、約３０％が熱に変換され、生成ガス温度を上昇させるが、脱塵装置１２の許容温度までガスを冷却する必要がある。このため、約２０％の熱が直接蒸気に変換され、ガスタービン２０をパイパスして蒸気タービン３２に送られる。その結果、この２０％のエネルギーはコンバインドサイクルを形成しておらず、蒸気タービンサイクルのみの効率となるため、全体のシステム効率を低下させる。これを「熱バイパス」と呼び、ＬＮＧコンバインドサイクルに対して、石炭複合発電の高効率化の主要な低下要因である。
（２） 石炭を完全にガス化する必要があるため、反応性の悪い石炭には適用が困難で、無理に適用した場合、上記の熱バイパスが増加して、システム効率を低下させる。また、特開昭６１−２４１３９４号公報記載の石炭ガス化複合発電装置は、石炭の全部を石炭ガス化系統でガス化するものであり、この公報には、「石炭の一部をガス化し、ガス化しなかった石炭の残部を加圧循環流動床燃焼炉で、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させる」という技術的思想は、何も記載されていない。本発明は、上記の諸点に鑑みなされたもので、石炭の部分ガス化炉により、投入石炭の一部をガス化し、ガス化しなかったチャー（残炭）を加圧循環流動床燃焼炉（チャー燃焼炉）により空気過剰条件で完全燃焼し、冷却することなく脱塵可能温度（約８５０℃）以下の燃焼ガスを生成し、部分ガス化炉で生成したガスを脱塵した後、別途、脱塵したチャー燃焼炉燃焼ガス中で燃焼し、この燃焼ガスでガスタービンを駆動することにより、前述の熱バイパス量が減少し、ガスタービンへの投入エネルギーが増大して、高いシステム効率を得ることができ、さらには、部分ガス化であるため、ガス化条件がゆるやかになりガス化が容易となり、ガス化反応性の悪い低品質石炭にも適用可能で炭種適応性が良好な石炭部分ガス化発電方法及び装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達成するために、本発明の石炭部分ガス化発電方法は、図１R>１に示すように、石炭をガス化炉でガス化したガスを駆動源とするガスタービン２０と、ガス化炉で過熱したスチームを駆動源とする蒸気タービン３２とを組み合わせたコンバインドサイクル発電方法において、つぎの（ａ）〜（ｄ）の過程、すなわち、（ａ） 部分ガス化炉４０で投入石炭の一部をガス化する過程、（ｂ） 部分ガス化炉４０でガス化しなかった石炭の残部を、加圧循環流動床燃焼炉４８で、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させる過程、（ｃ） 加圧循環流動床燃焼炉４８の燃焼ガスに希釈用空気を混合することにより、後流の脱塵装置５０の許容温度まで燃焼ガス温度を下げる過程、（ｄ） 部分ガス化炉４０で生成したガスを脱塵した後、脱塵した加圧循環流動床燃焼炉４８排ガス中で燃焼させ、この燃焼ガスをガスタービン２０に導入する過程、を包含することを特徴としている。
【０００６】上記の方法において、部分ガス化炉４０でガス化しなかった石炭の残部のうちの一部を部分ガス化炉４０にリサイクルして、システム効率が最大となるようにガス化割合を制御することが望ましい。また、上記の本発明の方法においては、部分ガス化炉４０の出口ガス流路に酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉を供給して、ガス中の硫化水素、硫化カルボニル等を吸収除去し、硫黄吸収後の粒子及び未反応の粒子を脱塵装置４４で捕集して、加圧循環流動床燃焼炉４８に供給する。この場合、脱硫剤として、粒径５μｍ以下の酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉を用いることが望ましい。また、酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉の投入部と回収部との間の流路温度を１３００〜８５０℃の範囲に調節することが望ましい。また、微粉投入部下流のガス流路断面を拡大して、ガス流速を微粉の終末沈降速度の１００〜１００００倍の範囲に調節することが望ましい。酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉の粒径が５μｍを超える場合は、脱硫反応速度が小さく、ガスの脱硫率が低く、かつ、脱硫剤の反応率が低いという不都合がある。また、ガス流速が微粉の終末沈降速度の１００倍未満の場合は、脱硫反応部のガス流路径が著しく大きくなるという不都合があり、一方、ガス流速が微粉の終末沈降速度の１００００倍を超える場合は、有効な脱硫率を得るためのガスと脱硫剤との接触時間を確保しようとすると、脱硫反応部流路が著しく長くなるという不都合がある。また、酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉の投入部と回収部との間の流路温度が１３００℃を超える場合は、投入微粉温度が高くなり過ぎ、反応平衡上不利となって充分な脱硫率が得られないという不都合があり、一方、上記の流路温度が８５０℃未満の場合は、脱硫反応速度が低く、充分な脱硫率が得られないという不都合がある。
【０００７】本発明の石炭部分ガス化発電装置は、図１に示すように、石炭をガス化炉でガス化したガスを駆動源とするガスタービン２０と、ガス化炉で過熱したスチームを駆動源とする蒸気タービン３２とを組み合わせたコンバインドサイクル発電装置において、投入石炭の一部をガス化する部分ガス化炉４０と、部分ガス化炉４０でガス化しなかった石炭の残部を、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させる加圧循環流動床燃焼炉４８と、部分ガス化炉４０の出口ガス流路に設けられた第１脱塵装置４４と、加圧循環流動床燃焼炉４８の出口ガス流路に設けられた第２脱塵装置５０と、第１脱塵装置４４及び第２脱塵装置５０の下流側に設けられた燃焼器１８と、を包含することを特徴としている。上記の装置において、部分ガス化炉４０でガス化しなかった石炭の残部のうちの一部を部分ガス化炉４０へ、残部を加圧循環流動床燃焼炉４８へ分配するチャー分配器４６を備えるのが望ましい。また、部分ガス化炉４０と第１脱塵装置４４との間のガス流路に、酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉を脱硫剤とする気流同伴型脱硫反応器４２が設けられる。
【０００８】部分ガス化炉４０に投入された石炭（微粉炭）は、その４０〜９５％、望ましくは５０〜７０％がガス化されるような条件で部分ガス化される。部分ガス化炉４０でガス化しなかった５〜６０％、望ましくは３０〜５０％のチャー（残炭）は、加圧循環流動床燃焼炉４８で空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼し、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成する。この際、加圧循環流動床燃焼炉４８はボイラとはせず、無冷却で希釈用空気を混合（例えば空気比５．５前後として）することにより、脱塵装置許容温度、例えば８５０℃前後まで燃焼ガス温度を下げる。そして、部分ガス化炉４０で生成した燃料ガスを脱塵した後、別途、脱塵した加圧循環流動床燃焼炉４８の燃焼ガス中で燃焼させた後、ガスタービン２０に導入する。なお、つぎの理由により、システム効率の極大値が存在する。
（１） ガス化割合の低下（チャー燃焼の増加）に伴い、熱バイパスが減少し効率が向上する（ガスタービン入口温度一定の場合）。
（２） チャー量増加により、チャー燃焼ガスが増加し、ガスタービン入口温度が低下して効率が低下する。
【０００９】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成機器の形状、その相対配置などは、とくに特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例にすぎない。図１R>１は本発明の石炭部分ガス化発電装置の一実施例を示している。４０は加圧部分ガス化炉で、石炭（微粉炭）及び加圧空気（例えば３０ｋｇ／ｃｍ２Ｇ前後）が供給される。石炭は１６００℃前後でその一部がガス化し、溶融物はスラグとして排出される。さらに、このガス中に投入された石炭と１３００℃前後で反応した後、飽和水蒸気を過熱する。８５０℃前後に降温されたガス中にＣａＣＯ３又はＣａＯが脱硫剤として添加される。このガスは、ガス中に脱硫剤の微粉が気流同伴されながら硫黄化合物と反応する、いわゆるエントレイン脱硫反応器４２に導入される。ついで、脱硫処理されたガスは第１脱塵装置４４（例えば電気集塵機、セラミックフィルターなど）に導入され、チャー（残炭）及びＣａＳが分離される。チャー及びＣａＳが分離されたガスはトッピング燃焼器１８へ導入される。
【００１０】エントレイン脱硫反応器４２及び第１脱塵装置４４の底部から抜き出されたチャー及びＣａＳは、チャー分配器４６で２系統に分配される。一方の系統のチャー及びＣａＳは部分ガス化炉４０へ循環され、他方の系統のチャー及びＣａＳは加圧循環流動床燃焼炉（チャー燃焼炉）４８に投入され、空気圧縮機２４からの加圧空気（例えば２０ｋｇ／ｃｍ２Ｇ前後、４００℃前後）により燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させる。この場合、空気比を例えば５．５前後として空気過剰燃焼させ、チャーを完全燃焼させる。そして、空気比５．５までの空気過剰であるので、燃焼ガスは、後流の第２脱塵装置５０（例えば電気集塵機、セラミックフィルターなど）の許容温度（例えば８５０℃前後）まで降温される。そして、このガスは第２脱塵装置５０に導入されて灰及び石膏（ＣａＳＯ４）が分離された後、トッピング燃焼器１８に導入され、部分ガス化炉４０で生成した脱塵燃料ガスを、加圧循環流動床燃焼炉４８で生成した脱塵燃焼ガス中で燃焼させる。燃焼ガス温度は例えば１３００℃前後となり、ガスタービン２０に導入される。他の構成は、図１の場合と同様である。
【００１１】部分ガス化炉４０の出口ガス流路にＣａＣＯ３又はＣａＯの微粉を供給して、ガス中の硫化水素、硫化カルボニルなどを除去している。この場合、ＣａＣＯ３又はＣａＯによる脱硫は以下の反応による。ただし、Ｈ２Ｓの場合について記載する。
ＣａＣＯ３→ＣａＯ＋ＣＯ２ＣａＯ＋Ｈ２Ｓ→ＣａＳ＋Ｈ２ＯＣａＳは有害であり、取扱が困難であるが、チャー燃焼炉４８内で以下の酸化反応で無害化される。
ＣａＳ＋２Ｏ２→ＣａＳＯ４Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ等の金属酸化物による脱硫では適正温度は４００〜７００℃程度であるが、酸化カルシウム又は炭酸カルシウムは８００〜９００℃で最も有効に作用するため、脱硫のためのガス冷却効率の低下が少ない。チャー燃焼炉４８への投入を前提とすると、ＣａＣＯ３又はＣａＯ粒子は微粉であることが望ましい。このため固定床または流動床型の脱硫反応器の適用は困難であり、気流同伴型（エントレイン型）が採用される。ＣａＣＯ３又はＣａＯ粒子を粒径５μｍ以下の微粉とすると、接触時間２秒以下で有効な脱硫効果が得られる。
【００１２】つぎに、実験例について説明する。以下の条件で部分ガス化ガスの脱硫を行った。その結果を表１に示す。
温度：８６０℃、 圧力：１０ａｔｇ、 入口Ｈ２Ｓ濃度：１５００ｐｐｍ、吸収剤：ＣａＯ、 吸収剤平均粒径：０．００５ｍｍ（５μｍ）、Ｃａ／Ｓモル 比：１０
【００１３】
【表１】
【００１４】図２は、図１に示すフローにおいて、ガスタービン２０の入口温度１３００℃、加圧部分ガス化炉４０の空気比０．５、蒸気タービン３２の蒸気圧力２５６ｋｇ／ｃｍ２Ｇ、蒸気温度５３８℃の条件における部分ガス化割合と、プラント効率（送電端）との関係を示している。図２において、ＰＧＣＣは本発明の石炭部分ガス化コンバインドサイクルを示し、ＰＦＢＣは加圧流動床サイクルを示し、ＧＴはガスタービンを示し、ＩＧＣＣは図３に示す従来の石炭ガス化コンバインドサイクルを示している。図１に示す本発明のＰＧＣＣシステムでは、上記の条件において、部分ガス化割合約６２％で最高のプラント効率を示した。このように、本発明のＰＧＣＣシステムでは、図２に示すように、ＰＦＢＣトッピングサイクルと比べて、部分ガス化割合５０％以上の領域において高いプラント効率を示している。
【００１５】
【発明の効果】本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
（１） 加圧部分ガス化炉でガス化しなかった石炭の残部（チャー）を加圧循環流動床燃焼炉（チャー燃焼炉）で、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させるので、部分ガス化割合５０％以上の領域において高いプラント効率を得ることができる。（２） 部分ガス化炉で投入石炭の一部のみをガス化するので、従来の全量ガス化方式に比べて熱バイパス量も減少し、システムの発電効率が上昇する。例えば、ガス化割合が約６０％の場合、従来、２０％あった熱バイパス量が１２％（２０％×０．６）に減少する。
（３） ガス化に必要とされる空気量も減少するため、その圧縮動力が減少する。その結果、システムの送電端効率はさらに上昇する。そのため、従来の完全ガス化ＩＧＣＣ（石炭ガス化コンバインドサイクル）と比べて、送電端効率が約２％（投入石炭の約６０％をガス化する場合）向上する。
（４） ガス化割合が投入石炭の一部である上に、チャーの部分リサイクル系を有する場合は、反応性の良い石炭から反応性の悪い低品質石炭まで広範囲な石炭について、常に最高効率点で運転する事が可能である。
（５） 部分ガス化炉出口ガスを冷却することなく、すなわち冷却に伴う効率低下なくガスの脱硫が可能で、後流の排煙脱硫を不要とする。このため、脱硫のための特別な反応器等は不要で、装置が単純化される。
（６） 反応後及び未反応の脱硫剤粒子をチャー燃焼炉に投入することにより、ＣａＳはＣａＳＯ４に無害化されて後処理が不要となり、未反応ＣａＯはチャー燃焼炉排ガスの脱硫に有効利用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の石炭部分ガス化発電装置の一実施例を示すフローシートである。
【図２】図１に示す本発明の装置における石炭部分ガス化発電方法（〇印のＰＧＣＣの線）、及び従来の加圧流動床トッピングサイクル（△印のＰＦＢＣトッピングサイクルの線）について、部分ガス化割合とプラント効率（送電端）との関係を示すグラフである。
【図３】従来の石炭ガス化発電装置の一例を示すフローシートである。
【符号の説明】
１０ 加圧完全ガス化炉
１８ 燃焼器
２０ ガスタービン
３０ 排熱ボイラ
３２ 蒸気タービン
４０ 加圧部分ガス化炉
４２ 気流同伴型（エントレイン）脱硫反応器
４４ 第１脱塵装置
４６ チャー分配器
４８ 加圧循環流動床燃焼炉（チャー燃焼炉）
５０ 第２脱塵装置
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、石炭（微粉炭）をガス化炉でガス化したガスを駆動源とするガスタービンと、ガス化炉で発生させたスチームを駆動源とする蒸気タービンとを組み合わせたコンバイドサイクルにおいて、部分ガス化炉で投入石炭の一部をガス化し、ガス化しなかった石炭の残部を加圧循環流動床燃焼炉（チャー燃焼炉）で、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させることにより、従来のシステムより高効率なシステムとすることができる石炭部分ガス化発電方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図３は従来の石炭ガス化コンバインドサイクル（ＩＧＣＣ）を示している。１０は加圧完全ガス化炉で、石炭（微粉炭）及び加圧空気が供給される。石炭は１６００℃前後でガス化し、さらにこのガス中に投入された石炭と１３００℃前後で反応した後、飽和水蒸気を過熱する。８５０℃前後に降温されたガスは脱塵装置１２に導入され、チャー（残炭）が分離され、このチャーはガス化炉１０へ循環される。チャーが分離されたガスは脱硫装置１４、精密脱塵装置１６で処理された後、トッピング燃焼器１８へ導入されて完全燃焼し、１３００℃前後の燃焼ガスはガスタービン２０へ導入される。２２は発電機である。空気圧縮機２４で圧縮された空気は、トッピング燃焼器１８及びガス化炉１０へ供給される。２６は空気昇圧機である。ガスタービン２０からのガスは脱硝装置２８、排熱ボイラ３０を経て大気に放出される。排熱ボイラ３０で発生した水蒸気は、ガス化炉１０に導入されて過熱された後、蒸気タービン３２に導入される。３４は発電機である。蒸気タービン３２からの排気は復水器３６で冷却されて凝縮水となり、ポンプ３８で排熱ボイラ３０に供給される。
【０００３】また、特開昭６１−２４１３９４号公報には、石炭ガス化炉系統、脱塵脱硫系統、ガスタービン系統、空気系統、排ガスボイラ系統及び蒸気タービン系統から構成される石炭ガス化複合発電装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図３に示す従来の石炭ガス化コンバインドサイクルは、つぎのような問題点を有している。
（１） 石炭のガス化反応においては、ガス化した石炭の全エネルギーの内、約３０％が熱に変換され、生成ガス温度を上昇させるが、脱塵装置１２の許容温度までガスを冷却する必要がある。このため、約２０％の熱が直接蒸気に変換され、ガスタービン２０をパイパスして蒸気タービン３２に送られる。その結果、この２０％のエネルギーはコンバインドサイクルを形成しておらず、蒸気タービンサイクルのみの効率となるため、全体のシステム効率を低下させる。これを「熱バイパス」と呼び、ＬＮＧコンバインドサイクルに対して、石炭複合発電の高効率化の主要な低下要因である。
（２） 石炭を完全にガス化する必要があるため、反応性の悪い石炭には適用が困難で、無理に適用した場合、上記の熱バイパスが増加して、システム効率を低下させる。また、特開昭６１−２４１３９４号公報記載の石炭ガス化複合発電装置は、石炭の全部を石炭ガス化系統でガス化するものであり、この公報には、「石炭の一部をガス化し、ガス化しなかった石炭の残部を加圧循環流動床燃焼炉で、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させる」という技術的思想は、何も記載されていない。本発明は、上記の諸点に鑑みなされたもので、石炭の部分ガス化炉により、投入石炭の一部をガス化し、ガス化しなかったチャー（残炭）を加圧循環流動床燃焼炉（チャー燃焼炉）により空気過剰条件で完全燃焼し、冷却することなく脱塵可能温度（約８５０℃）以下の燃焼ガスを生成し、部分ガス化炉で生成したガスを脱塵した後、別途、脱塵したチャー燃焼炉燃焼ガス中で燃焼し、この燃焼ガスでガスタービンを駆動することにより、前述の熱バイパス量が減少し、ガスタービンへの投入エネルギーが増大して、高いシステム効率を得ることができ、さらには、部分ガス化であるため、ガス化条件がゆるやかになりガス化が容易となり、ガス化反応性の悪い低品質石炭にも適用可能で炭種適応性が良好な石炭部分ガス化発電方法及び装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達成するために、本発明の石炭部分ガス化発電方法は、図１R>１に示すように、石炭をガス化炉でガス化したガスを駆動源とするガスタービン２０と、ガス化炉で過熱したスチームを駆動源とする蒸気タービン３２とを組み合わせたコンバインドサイクル発電方法において、つぎの（ａ）〜（ｄ）の過程、すなわち、（ａ） 部分ガス化炉４０で投入石炭の一部をガス化する過程、（ｂ） 部分ガス化炉４０でガス化しなかった石炭の残部を、加圧循環流動床燃焼炉４８で、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させる過程、（ｃ） 加圧循環流動床燃焼炉４８の燃焼ガスに希釈用空気を混合することにより、後流の脱塵装置５０の許容温度まで燃焼ガス温度を下げる過程、（ｄ） 部分ガス化炉４０で生成したガスを脱塵した後、脱塵した加圧循環流動床燃焼炉４８排ガス中で燃焼させ、この燃焼ガスをガスタービン２０に導入する過程、を包含することを特徴としている。
【０００６】上記の方法において、部分ガス化炉４０でガス化しなかった石炭の残部のうちの一部を部分ガス化炉４０にリサイクルして、システム効率が最大となるようにガス化割合を制御することが望ましい。また、上記の本発明の方法においては、部分ガス化炉４０の出口ガス流路に酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉を供給して、ガス中の硫化水素、硫化カルボニル等を吸収除去し、硫黄吸収後の粒子及び未反応の粒子を脱塵装置４４で捕集して、加圧循環流動床燃焼炉４８に供給する。この場合、脱硫剤として、粒径５μｍ以下の酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉を用いることが望ましい。また、酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉の投入部と回収部との間の流路温度を１３００〜８５０℃の範囲に調節することが望ましい。また、微粉投入部下流のガス流路断面を拡大して、ガス流速を微粉の終末沈降速度の１００〜１００００倍の範囲に調節することが望ましい。酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉の粒径が５μｍを超える場合は、脱硫反応速度が小さく、ガスの脱硫率が低く、かつ、脱硫剤の反応率が低いという不都合がある。また、ガス流速が微粉の終末沈降速度の１００倍未満の場合は、脱硫反応部のガス流路径が著しく大きくなるという不都合があり、一方、ガス流速が微粉の終末沈降速度の１００００倍を超える場合は、有効な脱硫率を得るためのガスと脱硫剤との接触時間を確保しようとすると、脱硫反応部流路が著しく長くなるという不都合がある。また、酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉の投入部と回収部との間の流路温度が１３００℃を超える場合は、投入微粉温度が高くなり過ぎ、反応平衡上不利となって充分な脱硫率が得られないという不都合があり、一方、上記の流路温度が８５０℃未満の場合は、脱硫反応速度が低く、充分な脱硫率が得られないという不都合がある。
【０００７】本発明の石炭部分ガス化発電装置は、図１に示すように、石炭をガス化炉でガス化したガスを駆動源とするガスタービン２０と、ガス化炉で過熱したスチームを駆動源とする蒸気タービン３２とを組み合わせたコンバインドサイクル発電装置において、投入石炭の一部をガス化する部分ガス化炉４０と、部分ガス化炉４０でガス化しなかった石炭の残部を、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させる加圧循環流動床燃焼炉４８と、部分ガス化炉４０の出口ガス流路に設けられた第１脱塵装置４４と、加圧循環流動床燃焼炉４８の出口ガス流路に設けられた第２脱塵装置５０と、第１脱塵装置４４及び第２脱塵装置５０の下流側に設けられた燃焼器１８と、を包含することを特徴としている。上記の装置において、部分ガス化炉４０でガス化しなかった石炭の残部のうちの一部を部分ガス化炉４０へ、残部を加圧循環流動床燃焼炉４８へ分配するチャー分配器４６を備えるのが望ましい。また、部分ガス化炉４０と第１脱塵装置４４との間のガス流路に、酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉を脱硫剤とする気流同伴型脱硫反応器４２が設けられる。
【０００８】部分ガス化炉４０に投入された石炭（微粉炭）は、その４０〜９５％、望ましくは５０〜７０％がガス化されるような条件で部分ガス化される。部分ガス化炉４０でガス化しなかった５〜６０％、望ましくは３０〜５０％のチャー（残炭）は、加圧循環流動床燃焼炉４８で空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼し、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成する。この際、加圧循環流動床燃焼炉４８はボイラとはせず、無冷却で希釈用空気を混合（例えば空気比５．５前後として）することにより、脱塵装置許容温度、例えば８５０℃前後まで燃焼ガス温度を下げる。そして、部分ガス化炉４０で生成した燃料ガスを脱塵した後、別途、脱塵した加圧循環流動床燃焼炉４８の燃焼ガス中で燃焼させた後、ガスタービン２０に導入する。なお、つぎの理由により、システム効率の極大値が存在する。
（１） ガス化割合の低下（チャー燃焼の増加）に伴い、熱バイパスが減少し効率が向上する（ガスタービン入口温度一定の場合）。
（２） チャー量増加により、チャー燃焼ガスが増加し、ガスタービン入口温度が低下して効率が低下する。
【０００９】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成機器の形状、その相対配置などは、とくに特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例にすぎない。図１R>１は本発明の石炭部分ガス化発電装置の一実施例を示している。４０は加圧部分ガス化炉で、石炭（微粉炭）及び加圧空気（例えば３０ｋｇ／ｃｍ２Ｇ前後）が供給される。石炭は１６００℃前後でその一部がガス化し、溶融物はスラグとして排出される。さらに、このガス中に投入された石炭と１３００℃前後で反応した後、飽和水蒸気を過熱する。８５０℃前後に降温されたガス中にＣａＣＯ３又はＣａＯが脱硫剤として添加される。このガスは、ガス中に脱硫剤の微粉が気流同伴されながら硫黄化合物と反応する、いわゆるエントレイン脱硫反応器４２に導入される。ついで、脱硫処理されたガスは第１脱塵装置４４（例えば電気集塵機、セラミックフィルターなど）に導入され、チャー（残炭）及びＣａＳが分離される。チャー及びＣａＳが分離されたガスはトッピング燃焼器１８へ導入される。
【００１０】エントレイン脱硫反応器４２及び第１脱塵装置４４の底部から抜き出されたチャー及びＣａＳは、チャー分配器４６で２系統に分配される。一方の系統のチャー及びＣａＳは部分ガス化炉４０へ循環され、他方の系統のチャー及びＣａＳは加圧循環流動床燃焼炉（チャー燃焼炉）４８に投入され、空気圧縮機２４からの加圧空気（例えば２０ｋｇ／ｃｍ２Ｇ前後、４００℃前後）により燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させる。この場合、空気比を例えば５．５前後として空気過剰燃焼させ、チャーを完全燃焼させる。そして、空気比５．５までの空気過剰であるので、燃焼ガスは、後流の第２脱塵装置５０（例えば電気集塵機、セラミックフィルターなど）の許容温度（例えば８５０℃前後）まで降温される。そして、このガスは第２脱塵装置５０に導入されて灰及び石膏（ＣａＳＯ４）が分離された後、トッピング燃焼器１８に導入され、部分ガス化炉４０で生成した脱塵燃料ガスを、加圧循環流動床燃焼炉４８で生成した脱塵燃焼ガス中で燃焼させる。燃焼ガス温度は例えば１３００℃前後となり、ガスタービン２０に導入される。他の構成は、図１の場合と同様である。
【００１１】部分ガス化炉４０の出口ガス流路にＣａＣＯ３又はＣａＯの微粉を供給して、ガス中の硫化水素、硫化カルボニルなどを除去している。この場合、ＣａＣＯ３又はＣａＯによる脱硫は以下の反応による。ただし、Ｈ２Ｓの場合について記載する。
ＣａＣＯ３→ＣａＯ＋ＣＯ２ＣａＯ＋Ｈ２Ｓ→ＣａＳ＋Ｈ２ＯＣａＳは有害であり、取扱が困難であるが、チャー燃焼炉４８内で以下の酸化反応で無害化される。
ＣａＳ＋２Ｏ２→ＣａＳＯ４Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ等の金属酸化物による脱硫では適正温度は４００〜７００℃程度であるが、酸化カルシウム又は炭酸カルシウムは８００〜９００℃で最も有効に作用するため、脱硫のためのガス冷却効率の低下が少ない。チャー燃焼炉４８への投入を前提とすると、ＣａＣＯ３又はＣａＯ粒子は微粉であることが望ましい。このため固定床または流動床型の脱硫反応器の適用は困難であり、気流同伴型（エントレイン型）が採用される。ＣａＣＯ３又はＣａＯ粒子を粒径５μｍ以下の微粉とすると、接触時間２秒以下で有効な脱硫効果が得られる。
【００１２】つぎに、実験例について説明する。以下の条件で部分ガス化ガスの脱硫を行った。その結果を表１に示す。
温度：８６０℃、 圧力：１０ａｔｇ、 入口Ｈ２Ｓ濃度：１５００ｐｐｍ、吸収剤：ＣａＯ、 吸収剤平均粒径：０．００５ｍｍ（５μｍ）、Ｃａ／Ｓモル 比：１０
【００１３】
【表１】
【００１４】図２は、図１に示すフローにおいて、ガスタービン２０の入口温度１３００℃、加圧部分ガス化炉４０の空気比０．５、蒸気タービン３２の蒸気圧力２５６ｋｇ／ｃｍ２Ｇ、蒸気温度５３８℃の条件における部分ガス化割合と、プラント効率（送電端）との関係を示している。図２において、ＰＧＣＣは本発明の石炭部分ガス化コンバインドサイクルを示し、ＰＦＢＣは加圧流動床サイクルを示し、ＧＴはガスタービンを示し、ＩＧＣＣは図３に示す従来の石炭ガス化コンバインドサイクルを示している。図１に示す本発明のＰＧＣＣシステムでは、上記の条件において、部分ガス化割合約６２％で最高のプラント効率を示した。このように、本発明のＰＧＣＣシステムでは、図２に示すように、ＰＦＢＣトッピングサイクルと比べて、部分ガス化割合５０％以上の領域において高いプラント効率を示している。
【００１５】
【発明の効果】本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
（１） 加圧部分ガス化炉でガス化しなかった石炭の残部（チャー）を加圧循環流動床燃焼炉（チャー燃焼炉）で、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させるので、部分ガス化割合５０％以上の領域において高いプラント効率を得ることができる。（２） 部分ガス化炉で投入石炭の一部のみをガス化するので、従来の全量ガス化方式に比べて熱バイパス量も減少し、システムの発電効率が上昇する。例えば、ガス化割合が約６０％の場合、従来、２０％あった熱バイパス量が１２％（２０％×０．６）に減少する。
（３） ガス化に必要とされる空気量も減少するため、その圧縮動力が減少する。その結果、システムの送電端効率はさらに上昇する。そのため、従来の完全ガス化ＩＧＣＣ（石炭ガス化コンバインドサイクル）と比べて、送電端効率が約２％（投入石炭の約６０％をガス化する場合）向上する。
（４） ガス化割合が投入石炭の一部である上に、チャーの部分リサイクル系を有する場合は、反応性の良い石炭から反応性の悪い低品質石炭まで広範囲な石炭について、常に最高効率点で運転する事が可能である。
（５） 部分ガス化炉出口ガスを冷却することなく、すなわち冷却に伴う効率低下なくガスの脱硫が可能で、後流の排煙脱硫を不要とする。このため、脱硫のための特別な反応器等は不要で、装置が単純化される。
（６） 反応後及び未反応の脱硫剤粒子をチャー燃焼炉に投入することにより、ＣａＳはＣａＳＯ４に無害化されて後処理が不要となり、未反応ＣａＯはチャー燃焼炉排ガスの脱硫に有効利用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の石炭部分ガス化発電装置の一実施例を示すフローシートである。
【図２】図１に示す本発明の装置における石炭部分ガス化発電方法（〇印のＰＧＣＣの線）、及び従来の加圧流動床トッピングサイクル（△印のＰＦＢＣトッピングサイクルの線）について、部分ガス化割合とプラント効率（送電端）との関係を示すグラフである。
【図３】従来の石炭ガス化発電装置の一例を示すフローシートである。
【符号の説明】
１０ 加圧完全ガス化炉
１８ 燃焼器
２０ ガスタービン
３０ 排熱ボイラ
３２ 蒸気タービン
４０ 加圧部分ガス化炉
４２ 気流同伴型（エントレイン）脱硫反応器
４４ 第１脱塵装置
４６ チャー分配器
４８ 加圧循環流動床燃焼炉（チャー燃焼炉）
５０ 第２脱塵装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】 石炭をガス化炉でガス化したガスを駆動源とするガスタービン（２０）と、ガス化炉で過熱したスチームを駆動源とする蒸気タービン（３２）とを組み合わせたコンバインドサイクル発電方法において、つぎの（ａ）〜（ｄ）の過程、すなわち、（ａ） 部分ガス化炉（４０）で投入石炭の一部をガス化する過程、（ｂ） 部分ガス化炉（４０）でガス化しなかった石炭の残部を、加圧循環流動床燃焼炉（４８）で、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させる過程、（ｃ） 加圧循環流動床燃焼炉（４８）の燃焼ガスに希釈用空気を混合することにより、後流の脱塵装置（５０）の許容温度まで燃焼ガス温度を下げる過程、（ｄ） 部分ガス化炉（４０）で生成したガスを脱塵した後、脱塵した加圧循環流動床燃焼炉（４８）排ガス中で燃焼させ、この燃焼ガスをガスタービン（２０）に導入する過程、を包含することを特徴とする石炭部分ガス化発電方法。
【請求項２】 部分ガス化炉（４０）でガス化しなかった石炭の残部のうちの一部を部分ガス化炉（４０）にリサイクルして、システム効率が最大となるようにガス化割合を制御することを特徴とする請求項１記載の石炭部分ガス化発電方法。
【請求項３】 部分ガス化炉（４０）の出口ガス流路に酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉を供給して、ガス中の硫化水素、硫化カルボニル等を吸収除去し、硫黄吸収後の粒子及び未反応の粒予を脱塵装置（４４）で捕集して、加圧循環流動床燃焼炉（４８）に供給することを特徴とする請求項１又は２記載の石炭部分ガス化発電方法。
【請求項４】 脱硫剤として、粒径５μｍ以下の酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉を用いることを特徴とする請求項３記載の石炭部分ガス化発電方法。
【請求項５】 酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉の投入部と回収部との間の流路温度を１３００〜８５０℃の範囲に調節することを特徴とする請求項３又は４記載の石炭部分ガス化発電方法。
【請求項６】 微粉投入部下流のガス流路断面を拡大して、ガス流速を微粉の終末沈降速度の１００〜１００００倍の範囲に調節することを特徴とする請求項３、４又は５記載の石炭部分ガス化発電方法。
【請求項７】 石炭をガス化炉でガス化したガスを駆動源とするガスタービン（２０）と、ガス化炉で過熱したスチームを駆動源とする蒸気タービン（３２）とを組み合わせたコンバインドサイクル発電装置において、投入石炭の一部をガス化する部分ガス化炉（４０）と、部分ガス化炉（４０）でガス化しなかった石炭の残部を、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させる加圧循環流動床燃焼炉（４８）と、部分ガス化炉（４０）の出口ガス流路に設けられた第１脱塵装置（４４）と、加圧循環流動床燃焼炉（４８）の出口ガス流路に設けられた第２脱塵装置（５０）と、第１脱塵装置（４４）及び第２脱塵装置（５０）の下流側に設けられた燃焼器（１８）と、を包含することを特徴とする石炭部分ガス化発電装置。
【請求項８】 部分ガス化炉（４０）でガス化しなかった石炭の残部のうちの一部を部分ガス化炉（４０）へ、残部を加圧循環流動床燃焼炉（４８）へ分配するチャー分配器（４６）を備えたことを特徴とする請求項７記載の石炭部分ガス化発電装置。
【請求項９】 部分ガス化炉（４０）と第１脱塵装置（４４）との間のガス流路に、酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉を脱硫剤とする気流同伴型脱硫反応器（４２）を備えたことを特徴とする請求項７又は８記載の石炭部分ガス化発電装置。
【請求項１】 石炭をガス化炉でガス化したガスを駆動源とするガスタービン（２０）と、ガス化炉で過熱したスチームを駆動源とする蒸気タービン（３２）とを組み合わせたコンバインドサイクル発電方法において、つぎの（ａ）〜（ｄ）の過程、すなわち、（ａ） 部分ガス化炉（４０）で投入石炭の一部をガス化する過程、（ｂ） 部分ガス化炉（４０）でガス化しなかった石炭の残部を、加圧循環流動床燃焼炉（４８）で、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させる過程、（ｃ） 加圧循環流動床燃焼炉（４８）の燃焼ガスに希釈用空気を混合することにより、後流の脱塵装置（５０）の許容温度まで燃焼ガス温度を下げる過程、（ｄ） 部分ガス化炉（４０）で生成したガスを脱塵した後、脱塵した加圧循環流動床燃焼炉（４８）排ガス中で燃焼させ、この燃焼ガスをガスタービン（２０）に導入する過程、を包含することを特徴とする石炭部分ガス化発電方法。
【請求項２】 部分ガス化炉（４０）でガス化しなかった石炭の残部のうちの一部を部分ガス化炉（４０）にリサイクルして、システム効率が最大となるようにガス化割合を制御することを特徴とする請求項１記載の石炭部分ガス化発電方法。
【請求項３】 部分ガス化炉（４０）の出口ガス流路に酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉を供給して、ガス中の硫化水素、硫化カルボニル等を吸収除去し、硫黄吸収後の粒子及び未反応の粒予を脱塵装置（４４）で捕集して、加圧循環流動床燃焼炉（４８）に供給することを特徴とする請求項１又は２記載の石炭部分ガス化発電方法。
【請求項４】 脱硫剤として、粒径５μｍ以下の酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉を用いることを特徴とする請求項３記載の石炭部分ガス化発電方法。
【請求項５】 酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉の投入部と回収部との間の流路温度を１３００〜８５０℃の範囲に調節することを特徴とする請求項３又は４記載の石炭部分ガス化発電方法。
【請求項６】 微粉投入部下流のガス流路断面を拡大して、ガス流速を微粉の終末沈降速度の１００〜１００００倍の範囲に調節することを特徴とする請求項３、４又は５記載の石炭部分ガス化発電方法。
【請求項７】 石炭をガス化炉でガス化したガスを駆動源とするガスタービン（２０）と、ガス化炉で過熱したスチームを駆動源とする蒸気タービン（３２）とを組み合わせたコンバインドサイクル発電装置において、投入石炭の一部をガス化する部分ガス化炉（４０）と、部分ガス化炉（４０）でガス化しなかった石炭の残部を、空気比５．５までの空気過剰燃焼により完全燃焼させ、冷却することなく脱塵可能温度である８５０℃以下の燃焼ガスを生成させる加圧循環流動床燃焼炉（４８）と、部分ガス化炉（４０）の出口ガス流路に設けられた第１脱塵装置（４４）と、加圧循環流動床燃焼炉（４８）の出口ガス流路に設けられた第２脱塵装置（５０）と、第１脱塵装置（４４）及び第２脱塵装置（５０）の下流側に設けられた燃焼器（１８）と、を包含することを特徴とする石炭部分ガス化発電装置。
【請求項８】 部分ガス化炉（４０）でガス化しなかった石炭の残部のうちの一部を部分ガス化炉（４０）へ、残部を加圧循環流動床燃焼炉（４８）へ分配するチャー分配器（４６）を備えたことを特徴とする請求項７記載の石炭部分ガス化発電装置。
【請求項９】 部分ガス化炉（４０）と第１脱塵装置（４４）との間のガス流路に、酸化カルシウム又は炭酸カルシウムの微粉を脱硫剤とする気流同伴型脱硫反応器（４２）を備えたことを特徴とする請求項７又は８記載の石炭部分ガス化発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【特許番号】第２５４４２６７号
【登録日】平成８年（１９９６）７月２５日
【発行日】平成８年（１９９６）１０月１６日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平３−３５９６２３
【出願日】平成３年（１９９１）１２月３０日
【公開番号】特開平５−１８０４４０
【公開日】平成５年（１９９３）７月２３日
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【参考文献】
【文献】特開昭５８−１４３１２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６２−２５１４２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５７−１７９２９０（ＪＰ，Ａ）
【登録日】平成８年（１９９６）７月２５日
【発行日】平成８年（１９９６）１０月１６日
【国際特許分類】
【出願日】平成３年（１９９１）１２月３０日
【公開番号】特開平５−１８０４４０
【公開日】平成５年（１９９３）７月２３日
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【参考文献】
【文献】特開昭５８−１４３１２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６２−２５１４２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５７−１７９２９０（ＪＰ，Ａ）
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