空気分離手段およびこれを備えたガス化炉プラント
【課題】容量を低減して設備費および所要動力の低減を図ることが可能な空気分離手段およびこれを備えたガス化炉プラントを提供することを目的とする。
【解決手段】空気吹きのガス化炉３に供給される酸素と、石炭を空気吹きのガス化炉３に搬送する窒素とを空気から分離する分離部と、分離部に供給される空気中の不純物を吸着除去する吸着部と、を備え、分離部から導出された酸素の少なくとも一部を吸着部へと供給することを特徴とする。
【解決手段】空気吹きのガス化炉３に供給される酸素と、石炭を空気吹きのガス化炉３に搬送する窒素とを空気から分離する分離部と、分離部に供給される空気中の不純物を吸着除去する吸着部と、を備え、分離部から導出された酸素の少なくとも一部を吸着部へと供給す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、空気分離手段およびこれを備えたガス化炉プラントに関し、特に、空気吹きのガス化炉に酸素と窒素とを供給する空気分離手段に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、図３に示すように空気吹きの石炭ガス炉３を備えている石炭ガス化複合発電プラント１００は、原炭バンカー（図示せず）から微粉炭機（図示せず）へと石炭が供給され、微粉炭機において石炭が微粉砕される。粉砕された石炭（以下「微粉炭」という。）は、空気分離装置４０によって空気から発生させた不活性ガスである純窒素を用いて乾燥および石炭ガス化炉３への搬送が行われる。
【０００３】
空気分離装置４０において空気から純窒素を分離する際に副生品として発生する酸素は、ガス化剤として石炭ガス化炉３へと供給される（例えば、特許文献１）。副生品として発生する酸素は、空気吹きの石炭ガス化炉３が主として空気をガス化剤として利用できるように設計されていることから、いわば廃棄物利用として用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５９３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１や図３に開示されている空気分離装置４０は、空気分離装置４０内に導入された空気中の水分や二酸化炭素といった不純物を吸着除去する必要がある。そのため、空気分離装置内には、吸着剤（モレキュラーシーブス：ＭＳ）が設けられており、この吸着材（図示せず）に空気を通過させることによって不純物を吸着除去している。吸着材は、乾燥した純窒素の一部を導いて不純物の除去運転（再生運転）をすることによって、繰り返し使用されている。
【０００６】
このような空気分離装置４０には、空気分離装置４０に空気を導入する大型の圧縮機４１が必要である。そのため、設備費が高く、かつ、大電力を要することからプラント効率を低下させる要因となっている。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、容量を低減して設備費および所要動力の低減を図ることが可能な空気分離手段およびこれを備えたガス化炉プラントを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の空気分離手段およびこれを備えたガス化炉プラントは、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る空気分離手段によれば、空気吹きのガス化炉に供給される酸素と、石炭を前記空気吹きのガス化炉に搬送する窒素とを空気から分離する分離部と、該分離部に供給される前記空気中の不純物を吸着除去する吸着部と、を備え、前記分離部から導出された前記酸素の少なくとも一部を前記吸着部へと供給することを特徴とする。
【０００９】
空気分離手段に設けられる吸着部は、空気中の不純物を吸着後に乾燥したガスを通過させることによって再生可能とされている。
【００１０】
そこで、吸着部には、分離部から導出されて空気吹きのガス化炉に供給される酸素の少なくとも一部を供給することとした。そのため、酸素により吸着部の再生を行うことができ、従来製造されていた再生用の窒素が不要となる。また、空気吹きのガス化炉には、空気によって希釈された酸素が供給される。そのため、吸着部を再生した後の水分や二酸化炭素といった不純物が含まれた酸素をガス化剤として再利用して、空気分離手段から大気に放出するガスを低減することができる。これらにより、空気分離手段に導入する空気量を削減して空気分離手段の容量を小さくすることができる。したがって、空気分離手段の設置費の削減および空気分離手段の所要動力の低減を図ることができる。
【００１１】
また、本発明に係る空気分離手段によれば、前記空気吹きのガス化炉に供給される前記酸素は、その純度が８０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする。
【００１２】
空気吹きのガス化炉は、低濃度のガス化剤を用いることが可能なように設計されている。
【００１３】
そこで、空気分離手段から空気吹きのガス化炉に導かれる酸素の純度を８０ｖｏｌ％以下にすることとした。これにより、空気分離手段に設けられる分離部を小型化して、空気分離手段の容量を小さくすることができる。したがって、空気分離手段の設置費の削減および空気分離手段の所要動力の低減を図ることができる。
【００１４】
さらに、本発明に係るガス化炉プラントによれば、空気吹きのガス化炉と、上記のいずれかに記載の空気分離手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
設置費の低減および所要動力の低減を図ることが可能な空気分離手段を用いることとした。したがって、プラント効率およびプラントの経済性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
上述した発明によれば、吸着部には、分離部から導出されて空気吹きのガス化炉に供給される酸素の少なくとも一部を供給することとした。そのため、酸素により吸着部の再生を行うことができ、従来製造されていた再生用の窒素が不要となる。また、空気吹きのガス化炉には、空気によって希釈された酸素が供給される。そのため、吸着部を再生した後の水分や二酸化炭素といった不純物が含まれた酸素をガス化剤として再利用して、空気分離手段から大気に放出するガスを低減することができる。これらにより、空気分離手段に導入する空気量を削減して空気分離手段の容量を小さくすることができる。したがって、空気分離手段の設置費の削減および空気分離手段の所要動力の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る空気分離装置を備えている石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る空気分離装置を備えている石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図である。
【図３】従来の空気分離装置を備えている石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［第１実施形態］
図１には、本発明の第１実施形態に係る空気分離装置を備えている石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図が示されている。
図１に示されているように、石炭を燃料とする石炭ガス化複合発電プラント（ガス化複合発電プラント）１は、主として、微粉炭（石炭）をガス化して燃料ガスにする空気吹きの石炭ガス化炉（ガス化炉）３と、石炭ガス化炉３によってガス化された燃料ガスを燃焼して駆動されるガスタービン４と、ガスタービン４と同軸８上に設けられて、蒸気により回転駆動される蒸気タービン９と、ガスタービン４および蒸気タービン９によって駆動される発電機１０と、微粉炭を石炭ガス化炉３に搬送する搬送ガスを空気から分離する空気分離装置（空気分離手段）２０とを備えている。
【００１９】
石炭ガス化炉３の上流側には、石炭供給設備１１が設けられており、石炭ガス化炉３へと微粉炭を供給する。石炭供給設備１１は、原料炭を微粉砕する微粉炭機（図示せず）と、微粉炭機によって粉砕された微粉炭を貯留する微粉炭ホッパ（図示せず）とを備えている。
【００２０】
微粉炭機へと導かれた原料炭は、微粉炭機によって数μｍ〜数百μｍの微粉炭に粉砕される。微粉炭機が粉砕した微粉炭は、微粉炭を一時的に蓄えるじょうご形状の微粉炭ホッパと導かれる。
【００２１】
微粉炭ホッパ内の微粉炭は、空気分離装置２０によって分離された窒素によって一定流量ずつ石炭ガス化炉３へと搬送される。ここで、窒素は、微粉炭を石炭ガス化炉３へと搬送する搬送ガスとして用いられる。
【００２２】
空気分離装置２０は、吸着器（吸着部）と、分離器（分離部）とを備えている。吸着器（図示せず）には、吸着剤（モレキュラーシーブス：ＭＳ）が設けられており、空気分離装置２０に取り込まれて分離部（図示せず）に供給される空気中の水分や二酸化炭素等の不純物を吸着除去するものである。分離器は、石炭ガス化炉３に供給される酸素と、石炭ガス化炉３に微粉炭を搬送する窒素とを空気から分離するものである。空気分離装置２０には、空気分離装置用圧縮機２１によって圧縮された空気が導かれる。
【００２３】
例えば、石炭ガス化炉３は、空気吹きの石炭ガス化炉であって、下方から上方へとガスが流されるように形成された石炭ガス化部（図示せず）と、石炭ガス化部の下流側に接続されて上方から下方へとガスが流されるように形成された熱交換部（図示せず）とを備えていてもよい。
【００２４】
石炭ガス化炉３内には、コンバスタ（図示せず）及びリダクタ（図示せず）が設けられている。コンバスタは、微粉炭及びチャーの一部分を燃焼させ、残りは熱分解により揮発分（一酸化炭素、水素、低級炭化水素）として放出させる部分である。コンバスタには、噴流床が採用されている。しかし、流動床式や固定床式であっても構わない。
【００２５】
コンバスタ及びリダクタには、それぞれ、コンバスタバーナー（図示せず）及びリダクタバーナー（図示せず）が設けられている。これらのバーナーに対して微粉炭ホッパから微粉炭が供給される。
【００２６】
コンバスタバーナーには、後述する昇圧機１８によって昇圧された空気および空気分離装置２０から導出された酸素が供給されるようになっている。ここで、昇圧機１８によって昇圧された空気および空気分離装置２０から導出された酸素は、ガス化剤として用いられる。
【００２７】
リダクタでは、コンバスタからの高温ガスによって微粉炭がガス化される。これにより、微粉炭から一酸化炭素や水素等の可燃性の生成ガスが生成される。石炭ガス化反応は、微粉炭及びチャー中の炭素が高温ガス中の二酸化炭素及び水分と反応して一酸化炭素や水素を生成する吸熱反応である。
【００２８】
石炭ガス化炉３のリダクタにおいて生成された生成ガスは、例えばポーラスフィルタ（図示せず）へと導かれる。ポーラスフィルタは、生成ガスが通過することによって生成ガス中に混在するチャーを捕捉する。ポーラスフィルタによって捕捉されたチャーは、空気分離装置２０によって分離された窒素と共に石炭ガス化炉３のコンバスタバーナーへと返送されてリサイクルされる。
【００２９】
ポーラスフィルタを通過した生成ガスには、硫化水素や硫化カルボニルといった硫黄化合物が含まれている。そのため、ポーラスフィルタからガス精製装置１６へと生成ガスを導く。ガス精製装置１６は、生成ガス中の硫黄化合物を除去するものである。ガス精製装置１６から導出された硫黄化合物が除去された生成ガス（以下、「燃料ガス」という。）は、ガスタービン４へと導かれて、ガスタービン４の燃焼器５へと送られる。
【００３０】
ガスタービン４は、燃焼器５と、燃焼器５から排出された燃焼ガスによって駆動されるタービン７と、燃焼器５へと高圧の圧縮空気を送り出す圧縮機６とを備えている。
燃焼器５では、導かれた燃料ガスと、後述する圧縮空気とが燃焼されて燃焼ガスが排出される。燃焼器５から排出された燃焼ガスは、タービン７へと導かれる。タービン７に導かれた燃焼ガスは、タービン７を回転駆動する。タービン７が燃焼ガスによって駆動されることによって、タービン７に接続されている回転軸８が回転駆動される。
【００３１】
回転軸８が回転駆動されることによって、回転軸８上に設けられている圧縮機６が回転駆動されて空気を吸引する。圧縮機６に吸引された空気は、圧縮機６によって圧縮される。圧縮機６によって圧縮された空気（以下「圧縮空気」という。）の一部は、圧縮機６から燃焼器５へと導かれる。燃焼器５に導かれた圧縮空気は、燃料ガスと共に燃焼される。なお、残りの圧縮空気は、後述する昇圧機用熱交換器１７へと導かれる。
【００３２】
圧縮機６およびタービン７が設けられている回転軸８には、発電機１０が接続されている。そのため、タービン７の回転駆動に伴い回転軸８が回転駆動することによって、発電機１０が駆動される。発電機１０が駆動されることによって発電機１０は、電気を発生する。
【００３３】
タービン７を回転駆動させた燃焼ガスは、排熱回収ボイラ１５へと導かれる。排熱回収ボイラ１５は、タービン７から導かれた燃焼ガスの熱によって蒸気を発生するものである。排熱回収ボイラ１５に導かれた水に熱を与えて蒸気を発生させた燃焼ガスは、図示しない煙突から石炭ガス化複合発電プラント１外へと排出される。
【００３４】
排熱回収ボイラ１５においてタービン７から導かれた高温の燃焼ガスによって発生した蒸気は、蒸気タービン９へと供給される。蒸気タービン９は、ガスタービン４と同じ回転軸８に接続されており、いわゆる一軸式のコンバインドシステムとなっている。なお、一軸式のコンバインドシステムに限らず、別軸式のコンバインドシステムであっても構わない。タービン７によって回転駆動されている回転軸８は、蒸気タービン９によって駆動力が増加する。そのため、回転軸８に接続されている発電機１０の発電量が増加する。
【００３５】
蒸気タービン９を回転駆動した蒸気は、図示しない復水器へと導かれて冷却されて水に戻される。復水器により戻された水は、排熱回収ボイラ１５へと導かれる。
【００３６】
昇圧機用熱交換器１７に導かれて後述する再加圧空気と熱交換して温度の低下した圧縮空気は、昇圧機１８へと導かれる。昇圧機１８に導かれた圧縮空気は、昇圧機１８によって昇圧されて再加圧空気とされる。再加圧空気は、前述した昇圧機用熱交換器１７へと導かれる。昇圧機用熱交換器１７に導かれた再加圧空気は、圧縮機６から導出された圧縮空気と熱交換して温度が上昇する。昇圧機用熱交換器１７を通過して温度が上昇した再加圧空気は、石炭ガス化炉３へと供給される。
【００３７】
次に、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電プラント１に設けられている空気分離装置２０において分離される空気の流れについて説明する。
空気分離装置２０には、空気分離装置用圧縮機２１によって圧縮された空気が導かれる。空気分離装置２０に導かれた空気は、吸着器において空気中の湿分（水分）や二酸化炭素といった不純物が吸着除去される。
【００３８】
空気中の不純物が吸着除去された乾燥空気は、低温の酸素と窒素との熱交換により温度を低減した後、分離器に導かれて沸点差を利用して純度の高い窒素と酸素とに分離される。分離器によって空気から分離された純度の高い窒素は、窒素用昇圧機２２によって昇圧されて石炭ガス化炉３へと微粉炭を搬送する搬送ガスとされる。
【００３９】
一方、分離器によって空気から分離された純度の高い酸素は、空気から純度の高い窒素を分離する際に発生する副生物である。そこで、この純度の高い酸素を吸着器へと導いて、吸着剤を乾燥させて吸着器を再生させることとした。吸着剤を再生したあとの酸素には、二酸化炭素や水分などの不純物が混在して、例えば、９０ｖｏｌ％の純度となって吸着器から導出される。
【００４０】
この９０ｖｏｌ％純度の酸素は、酸素用昇圧機２３に導かれて昇圧される。昇圧された酸素は、前述した昇圧機１８によって加圧された再加圧空気とともに石炭ガス化炉３へと導かれてガス化剤として用いられることとなる。
【００４１】
本実施形態の石炭ガス化複合発電プラント１では、このような空気分離装置２０を用いることによって、従来の石炭ガス化複合発電プラントよりも石炭ガス化炉３へ導かれる酸素量が減少する。しかし、昇圧機１８から供給される再加圧空気の空気量を増加させることによって、石炭ガス化炉３に必要な酸素量を確保することが可能となっている。
【００４２】
以上の通り、本実施形態に係る空気分離装置２０およびこれを備えている石炭ガス化複合発電プラント１によれば、以下の作用効果を奏する。
吸着器（吸着部）には、分離器（分離部）から導出されて空気吹きの石炭ガス化炉（ガス化炉）３に供給される酸素（少なくとも一部）を供給することとした。そのため、酸素により吸着器（図示せず）に設けられている吸着剤（図示せず）の再生を行うことができ、従来製造されていた再生用の窒素が不要となる。また、空気吹きの石炭ガス化炉３には、空気によって希釈された酸素が供給されている。そのため、吸着剤を再生した後の湿分（水分）や二酸化炭素といった不純物が含まれている酸素をガス化剤として再利用して、空気分離装置（空気分離手段）２０から大気に放出するガスを低減することができる。これらにより、空気分離装置２０に導入する空気量を削減して空気分離装置２０の容量を小さくすることができる。したがって、空気分離装置２０の設置費の削減および空気分離装置２０の所要動力の低減を図ることができる。
【００４３】
設置費の低減および所要動力の低減を図ることが可能な空気分離装置２０を用いることとした。したがって、石炭ガス化複合発電プラント（ガス化炉プラント）１のプラント効率および経済性の向上を図ることができる。
【００４４】
［第２実施形態］
本実施形態の空気分離装置およびこれを備えた石炭ガス化複合発電プラントは、空気分離装置から導出される酸素の純度を８０ｖｏｌ％以下にする点で、第１実施形態と相違しその他は同様である。したがって、同一の構成および空気分離装置において分離される空気の流れについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
図２には、本発明の第２実施形態に係る空気分離装置を備えている石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図が示されている。
【００４５】
空気分離装置（空気分離手段）３０から導出される酸素の純度を８０ｖｏｌ％以下とすることとした。そのため、空気分離装置３０が取り込む空気量を第１実施形態と同じ量とした場合には、空気分離装置３０に設けられている分離器（分離部）を小型化することができる。
【００４６】
本実施形態の石炭ガス化複合発電プラント（ガス化炉プラント）５０に設けられている空気分離装置３０から導出される酸素の純度は、第１実施形態に比べて一層低下する。しかし、空気吹きの石炭ガス化炉（ガス化炉）３は、ガス化剤の酸素濃度が低濃度を前提に設計されている。そのため、空気分離装置３０から空気吹きの石炭ガス化炉３に供給される酸素に高い純度が要求されていないため、低純度の酸素をガス化剤に利用することができる。
【００４７】
以上の通り、本実施形態に係る空気分離装置３０およびこれを備えている石炭ガス化複合発電プラント５０によれば、以下の作用効果を奏する。
空気分離装置（空気分離手段）３０から空気吹きの石炭ガス化炉（ガス化炉）３に導かれる酸素の純度を８０ｖｏｌ％以下にすることとした。これにより、空気分離装置３０に設けられている分離器（分離部）を小型化して、空気分離装置３０の容量を小さくすることができる。したがって、空気分離装置３０の設置費の削減および空気分離装置３０の所要動力の低減を図ることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１、５０ 石炭ガス化複合発電プラント（ガス化複合発電プラント）
３ 石炭ガス化炉（ガス化炉）
２０、３０ 空気分離装置（空気分離手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気分離手段およびこれを備えたガス化炉プラントに関し、特に、空気吹きのガス化炉に酸素と窒素とを供給する空気分離手段に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、図３に示すように空気吹きの石炭ガス炉３を備えている石炭ガス化複合発電プラント１００は、原炭バンカー（図示せず）から微粉炭機（図示せず）へと石炭が供給され、微粉炭機において石炭が微粉砕される。粉砕された石炭（以下「微粉炭」という。）は、空気分離装置４０によって空気から発生させた不活性ガスである純窒素を用いて乾燥および石炭ガス化炉３への搬送が行われる。
【０００３】
空気分離装置４０において空気から純窒素を分離する際に副生品として発生する酸素は、ガス化剤として石炭ガス化炉３へと供給される（例えば、特許文献１）。副生品として発生する酸素は、空気吹きの石炭ガス化炉３が主として空気をガス化剤として利用できるように設計されていることから、いわば廃棄物利用として用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５９３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１や図３に開示されている空気分離装置４０は、空気分離装置４０内に導入された空気中の水分や二酸化炭素といった不純物を吸着除去する必要がある。そのため、空気分離装置内には、吸着剤（モレキュラーシーブス：ＭＳ）が設けられており、この吸着材（図示せず）に空気を通過させることによって不純物を吸着除去している。吸着材は、乾燥した純窒素の一部を導いて不純物の除去運転（再生運転）をすることによって、繰り返し使用されている。
【０００６】
このような空気分離装置４０には、空気分離装置４０に空気を導入する大型の圧縮機４１が必要である。そのため、設備費が高く、かつ、大電力を要することからプラント効率を低下させる要因となっている。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、容量を低減して設備費および所要動力の低減を図ることが可能な空気分離手段およびこれを備えたガス化炉プラントを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の空気分離手段およびこれを備えたガス化炉プラントは、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る空気分離手段によれば、空気吹きのガス化炉に供給される酸素と、石炭を前記空気吹きのガス化炉に搬送する窒素とを空気から分離する分離部と、該分離部に供給される前記空気中の不純物を吸着除去する吸着部と、を備え、前記分離部から導出された前記酸素の少なくとも一部を前記吸着部へと供給することを特徴とする。
【０００９】
空気分離手段に設けられる吸着部は、空気中の不純物を吸着後に乾燥したガスを通過させることによって再生可能とされている。
【００１０】
そこで、吸着部には、分離部から導出されて空気吹きのガス化炉に供給される酸素の少なくとも一部を供給することとした。そのため、酸素により吸着部の再生を行うことができ、従来製造されていた再生用の窒素が不要となる。また、空気吹きのガス化炉には、空気によって希釈された酸素が供給される。そのため、吸着部を再生した後の水分や二酸化炭素といった不純物が含まれた酸素をガス化剤として再利用して、空気分離手段から大気に放出するガスを低減することができる。これらにより、空気分離手段に導入する空気量を削減して空気分離手段の容量を小さくすることができる。したがって、空気分離手段の設置費の削減および空気分離手段の所要動力の低減を図ることができる。
【００１１】
また、本発明に係る空気分離手段によれば、前記空気吹きのガス化炉に供給される前記酸素は、その純度が８０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする。
【００１２】
空気吹きのガス化炉は、低濃度のガス化剤を用いることが可能なように設計されている。
【００１３】
そこで、空気分離手段から空気吹きのガス化炉に導かれる酸素の純度を８０ｖｏｌ％以下にすることとした。これにより、空気分離手段に設けられる分離部を小型化して、空気分離手段の容量を小さくすることができる。したがって、空気分離手段の設置費の削減および空気分離手段の所要動力の低減を図ることができる。
【００１４】
さらに、本発明に係るガス化炉プラントによれば、空気吹きのガス化炉と、上記のいずれかに記載の空気分離手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
設置費の低減および所要動力の低減を図ることが可能な空気分離手段を用いることとした。したがって、プラント効率およびプラントの経済性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
上述した発明によれば、吸着部には、分離部から導出されて空気吹きのガス化炉に供給される酸素の少なくとも一部を供給することとした。そのため、酸素により吸着部の再生を行うことができ、従来製造されていた再生用の窒素が不要となる。また、空気吹きのガス化炉には、空気によって希釈された酸素が供給される。そのため、吸着部を再生した後の水分や二酸化炭素といった不純物が含まれた酸素をガス化剤として再利用して、空気分離手段から大気に放出するガスを低減することができる。これらにより、空気分離手段に導入する空気量を削減して空気分離手段の容量を小さくすることができる。したがって、空気分離手段の設置費の削減および空気分離手段の所要動力の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る空気分離装置を備えている石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る空気分離装置を備えている石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図である。
【図３】従来の空気分離装置を備えている石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［第１実施形態］
図１には、本発明の第１実施形態に係る空気分離装置を備えている石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図が示されている。
図１に示されているように、石炭を燃料とする石炭ガス化複合発電プラント（ガス化複合発電プラント）１は、主として、微粉炭（石炭）をガス化して燃料ガスにする空気吹きの石炭ガス化炉（ガス化炉）３と、石炭ガス化炉３によってガス化された燃料ガスを燃焼して駆動されるガスタービン４と、ガスタービン４と同軸８上に設けられて、蒸気により回転駆動される蒸気タービン９と、ガスタービン４および蒸気タービン９によって駆動される発電機１０と、微粉炭を石炭ガス化炉３に搬送する搬送ガスを空気から分離する空気分離装置（空気分離手段）２０とを備えている。
【００１９】
石炭ガス化炉３の上流側には、石炭供給設備１１が設けられており、石炭ガス化炉３へと微粉炭を供給する。石炭供給設備１１は、原料炭を微粉砕する微粉炭機（図示せず）と、微粉炭機によって粉砕された微粉炭を貯留する微粉炭ホッパ（図示せず）とを備えている。
【００２０】
微粉炭機へと導かれた原料炭は、微粉炭機によって数μｍ〜数百μｍの微粉炭に粉砕される。微粉炭機が粉砕した微粉炭は、微粉炭を一時的に蓄えるじょうご形状の微粉炭ホッパと導かれる。
【００２１】
微粉炭ホッパ内の微粉炭は、空気分離装置２０によって分離された窒素によって一定流量ずつ石炭ガス化炉３へと搬送される。ここで、窒素は、微粉炭を石炭ガス化炉３へと搬送する搬送ガスとして用いられる。
【００２２】
空気分離装置２０は、吸着器（吸着部）と、分離器（分離部）とを備えている。吸着器（図示せず）には、吸着剤（モレキュラーシーブス：ＭＳ）が設けられており、空気分離装置２０に取り込まれて分離部（図示せず）に供給される空気中の水分や二酸化炭素等の不純物を吸着除去するものである。分離器は、石炭ガス化炉３に供給される酸素と、石炭ガス化炉３に微粉炭を搬送する窒素とを空気から分離するものである。空気分離装置２０には、空気分離装置用圧縮機２１によって圧縮された空気が導かれる。
【００２３】
例えば、石炭ガス化炉３は、空気吹きの石炭ガス化炉であって、下方から上方へとガスが流されるように形成された石炭ガス化部（図示せず）と、石炭ガス化部の下流側に接続されて上方から下方へとガスが流されるように形成された熱交換部（図示せず）とを備えていてもよい。
【００２４】
石炭ガス化炉３内には、コンバスタ（図示せず）及びリダクタ（図示せず）が設けられている。コンバスタは、微粉炭及びチャーの一部分を燃焼させ、残りは熱分解により揮発分（一酸化炭素、水素、低級炭化水素）として放出させる部分である。コンバスタには、噴流床が採用されている。しかし、流動床式や固定床式であっても構わない。
【００２５】
コンバスタ及びリダクタには、それぞれ、コンバスタバーナー（図示せず）及びリダクタバーナー（図示せず）が設けられている。これらのバーナーに対して微粉炭ホッパから微粉炭が供給される。
【００２６】
コンバスタバーナーには、後述する昇圧機１８によって昇圧された空気および空気分離装置２０から導出された酸素が供給されるようになっている。ここで、昇圧機１８によって昇圧された空気および空気分離装置２０から導出された酸素は、ガス化剤として用いられる。
【００２７】
リダクタでは、コンバスタからの高温ガスによって微粉炭がガス化される。これにより、微粉炭から一酸化炭素や水素等の可燃性の生成ガスが生成される。石炭ガス化反応は、微粉炭及びチャー中の炭素が高温ガス中の二酸化炭素及び水分と反応して一酸化炭素や水素を生成する吸熱反応である。
【００２８】
石炭ガス化炉３のリダクタにおいて生成された生成ガスは、例えばポーラスフィルタ（図示せず）へと導かれる。ポーラスフィルタは、生成ガスが通過することによって生成ガス中に混在するチャーを捕捉する。ポーラスフィルタによって捕捉されたチャーは、空気分離装置２０によって分離された窒素と共に石炭ガス化炉３のコンバスタバーナーへと返送されてリサイクルされる。
【００２９】
ポーラスフィルタを通過した生成ガスには、硫化水素や硫化カルボニルといった硫黄化合物が含まれている。そのため、ポーラスフィルタからガス精製装置１６へと生成ガスを導く。ガス精製装置１６は、生成ガス中の硫黄化合物を除去するものである。ガス精製装置１６から導出された硫黄化合物が除去された生成ガス（以下、「燃料ガス」という。）は、ガスタービン４へと導かれて、ガスタービン４の燃焼器５へと送られる。
【００３０】
ガスタービン４は、燃焼器５と、燃焼器５から排出された燃焼ガスによって駆動されるタービン７と、燃焼器５へと高圧の圧縮空気を送り出す圧縮機６とを備えている。
燃焼器５では、導かれた燃料ガスと、後述する圧縮空気とが燃焼されて燃焼ガスが排出される。燃焼器５から排出された燃焼ガスは、タービン７へと導かれる。タービン７に導かれた燃焼ガスは、タービン７を回転駆動する。タービン７が燃焼ガスによって駆動されることによって、タービン７に接続されている回転軸８が回転駆動される。
【００３１】
回転軸８が回転駆動されることによって、回転軸８上に設けられている圧縮機６が回転駆動されて空気を吸引する。圧縮機６に吸引された空気は、圧縮機６によって圧縮される。圧縮機６によって圧縮された空気（以下「圧縮空気」という。）の一部は、圧縮機６から燃焼器５へと導かれる。燃焼器５に導かれた圧縮空気は、燃料ガスと共に燃焼される。なお、残りの圧縮空気は、後述する昇圧機用熱交換器１７へと導かれる。
【００３２】
圧縮機６およびタービン７が設けられている回転軸８には、発電機１０が接続されている。そのため、タービン７の回転駆動に伴い回転軸８が回転駆動することによって、発電機１０が駆動される。発電機１０が駆動されることによって発電機１０は、電気を発生する。
【００３３】
タービン７を回転駆動させた燃焼ガスは、排熱回収ボイラ１５へと導かれる。排熱回収ボイラ１５は、タービン７から導かれた燃焼ガスの熱によって蒸気を発生するものである。排熱回収ボイラ１５に導かれた水に熱を与えて蒸気を発生させた燃焼ガスは、図示しない煙突から石炭ガス化複合発電プラント１外へと排出される。
【００３４】
排熱回収ボイラ１５においてタービン７から導かれた高温の燃焼ガスによって発生した蒸気は、蒸気タービン９へと供給される。蒸気タービン９は、ガスタービン４と同じ回転軸８に接続されており、いわゆる一軸式のコンバインドシステムとなっている。なお、一軸式のコンバインドシステムに限らず、別軸式のコンバインドシステムであっても構わない。タービン７によって回転駆動されている回転軸８は、蒸気タービン９によって駆動力が増加する。そのため、回転軸８に接続されている発電機１０の発電量が増加する。
【００３５】
蒸気タービン９を回転駆動した蒸気は、図示しない復水器へと導かれて冷却されて水に戻される。復水器により戻された水は、排熱回収ボイラ１５へと導かれる。
【００３６】
昇圧機用熱交換器１７に導かれて後述する再加圧空気と熱交換して温度の低下した圧縮空気は、昇圧機１８へと導かれる。昇圧機１８に導かれた圧縮空気は、昇圧機１８によって昇圧されて再加圧空気とされる。再加圧空気は、前述した昇圧機用熱交換器１７へと導かれる。昇圧機用熱交換器１７に導かれた再加圧空気は、圧縮機６から導出された圧縮空気と熱交換して温度が上昇する。昇圧機用熱交換器１７を通過して温度が上昇した再加圧空気は、石炭ガス化炉３へと供給される。
【００３７】
次に、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電プラント１に設けられている空気分離装置２０において分離される空気の流れについて説明する。
空気分離装置２０には、空気分離装置用圧縮機２１によって圧縮された空気が導かれる。空気分離装置２０に導かれた空気は、吸着器において空気中の湿分（水分）や二酸化炭素といった不純物が吸着除去される。
【００３８】
空気中の不純物が吸着除去された乾燥空気は、低温の酸素と窒素との熱交換により温度を低減した後、分離器に導かれて沸点差を利用して純度の高い窒素と酸素とに分離される。分離器によって空気から分離された純度の高い窒素は、窒素用昇圧機２２によって昇圧されて石炭ガス化炉３へと微粉炭を搬送する搬送ガスとされる。
【００３９】
一方、分離器によって空気から分離された純度の高い酸素は、空気から純度の高い窒素を分離する際に発生する副生物である。そこで、この純度の高い酸素を吸着器へと導いて、吸着剤を乾燥させて吸着器を再生させることとした。吸着剤を再生したあとの酸素には、二酸化炭素や水分などの不純物が混在して、例えば、９０ｖｏｌ％の純度となって吸着器から導出される。
【００４０】
この９０ｖｏｌ％純度の酸素は、酸素用昇圧機２３に導かれて昇圧される。昇圧された酸素は、前述した昇圧機１８によって加圧された再加圧空気とともに石炭ガス化炉３へと導かれてガス化剤として用いられることとなる。
【００４１】
本実施形態の石炭ガス化複合発電プラント１では、このような空気分離装置２０を用いることによって、従来の石炭ガス化複合発電プラントよりも石炭ガス化炉３へ導かれる酸素量が減少する。しかし、昇圧機１８から供給される再加圧空気の空気量を増加させることによって、石炭ガス化炉３に必要な酸素量を確保することが可能となっている。
【００４２】
以上の通り、本実施形態に係る空気分離装置２０およびこれを備えている石炭ガス化複合発電プラント１によれば、以下の作用効果を奏する。
吸着器（吸着部）には、分離器（分離部）から導出されて空気吹きの石炭ガス化炉（ガス化炉）３に供給される酸素（少なくとも一部）を供給することとした。そのため、酸素により吸着器（図示せず）に設けられている吸着剤（図示せず）の再生を行うことができ、従来製造されていた再生用の窒素が不要となる。また、空気吹きの石炭ガス化炉３には、空気によって希釈された酸素が供給されている。そのため、吸着剤を再生した後の湿分（水分）や二酸化炭素といった不純物が含まれている酸素をガス化剤として再利用して、空気分離装置（空気分離手段）２０から大気に放出するガスを低減することができる。これらにより、空気分離装置２０に導入する空気量を削減して空気分離装置２０の容量を小さくすることができる。したがって、空気分離装置２０の設置費の削減および空気分離装置２０の所要動力の低減を図ることができる。
【００４３】
設置費の低減および所要動力の低減を図ることが可能な空気分離装置２０を用いることとした。したがって、石炭ガス化複合発電プラント（ガス化炉プラント）１のプラント効率および経済性の向上を図ることができる。
【００４４】
［第２実施形態］
本実施形態の空気分離装置およびこれを備えた石炭ガス化複合発電プラントは、空気分離装置から導出される酸素の純度を８０ｖｏｌ％以下にする点で、第１実施形態と相違しその他は同様である。したがって、同一の構成および空気分離装置において分離される空気の流れについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
図２には、本発明の第２実施形態に係る空気分離装置を備えている石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図が示されている。
【００４５】
空気分離装置（空気分離手段）３０から導出される酸素の純度を８０ｖｏｌ％以下とすることとした。そのため、空気分離装置３０が取り込む空気量を第１実施形態と同じ量とした場合には、空気分離装置３０に設けられている分離器（分離部）を小型化することができる。
【００４６】
本実施形態の石炭ガス化複合発電プラント（ガス化炉プラント）５０に設けられている空気分離装置３０から導出される酸素の純度は、第１実施形態に比べて一層低下する。しかし、空気吹きの石炭ガス化炉（ガス化炉）３は、ガス化剤の酸素濃度が低濃度を前提に設計されている。そのため、空気分離装置３０から空気吹きの石炭ガス化炉３に供給される酸素に高い純度が要求されていないため、低純度の酸素をガス化剤に利用することができる。
【００４７】
以上の通り、本実施形態に係る空気分離装置３０およびこれを備えている石炭ガス化複合発電プラント５０によれば、以下の作用効果を奏する。
空気分離装置（空気分離手段）３０から空気吹きの石炭ガス化炉（ガス化炉）３に導かれる酸素の純度を８０ｖｏｌ％以下にすることとした。これにより、空気分離装置３０に設けられている分離器（分離部）を小型化して、空気分離装置３０の容量を小さくすることができる。したがって、空気分離装置３０の設置費の削減および空気分離装置３０の所要動力の低減を図ることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１、５０ 石炭ガス化複合発電プラント（ガス化複合発電プラント）
３ 石炭ガス化炉（ガス化炉）
２０、３０ 空気分離装置（空気分離手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気吹きのガス化炉に供給される酸素と、石炭を前記空気吹きのガス化炉に搬送する窒素とを空気から分離する分離部と、該分離部に供給される前記空気中の不純物を吸着除去する吸着部と、を備え、
前記分離部から導出された前記酸素の少なくとも一部を前記吸着部へと供給することを特徴とする空気分離手段。
【請求項２】
前記空気吹きのガス化炉に供給される前記酸素は、その純度が８０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の空気分離手段。
【請求項３】
空気吹きのガス化炉と、
請求項１または請求項２に記載の空気分離手段と、を備えたことを特徴とするガス化炉プラント。
【請求項１】
空気吹きのガス化炉に供給される酸素と、石炭を前記空気吹きのガス化炉に搬送する窒素とを空気から分離する分離部と、該分離部に供給される前記空気中の不純物を吸着除去する吸着部と、を備え、
前記分離部から導出された前記酸素の少なくとも一部を前記吸着部へと供給することを特徴とする空気分離手段。
【請求項２】
前記空気吹きのガス化炉に供給される前記酸素は、その純度が８０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の空気分離手段。
【請求項３】
空気吹きのガス化炉と、
請求項１または請求項２に記載の空気分離手段と、を備えたことを特徴とするガス化炉プラント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１７２１３１（Ｐ２０１２−１７２１３１Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３８３２５（Ｐ２０１１−３８３２５）
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【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２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【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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