JP2007192084A - ガス化複合発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】生成したガス化ガスに含まれるアンモニア成分を有効利用することで、環境性や経済性がより一層向上するガス化複合発電設備を提供すること。
【解決手段】湿式精製して得られたガス化ガスを燃料として運転するガスタービン４を備えているガス化複合発電設備が、ガス化ガスから湿式処理により除去してストリッピング回収したアンモニアをガスタービン４の燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯx ）の還元用アンモニアとして使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、石炭や重質油等をガス化して得られるガス化ガスを燃料として運転されるガスタービンを備えたガス化複合発電設備に関する。

従来より、石炭や重質油等をガス化して得られるガス化ガスを燃料として運転されるガスタービンを備えたガス化複合発電設備が知られている。このガス化複合発電設備は、ガス化ガスを燃焼させて得られるガスタービンの軸出力で発電機を駆動して発電するとともに、ガスタービンの排ガスを排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）に導入して蒸気を発生させ、この蒸気で蒸気タービンを運転して発電するものである。

このようなガス化複合発電設備においては、石炭や重質油等をガス化して得られたガス化ガスにアンモニア（ＮＨ_３）を含有している。このアンモニアは、ガスタービンの燃焼過程で発生する窒素酸化物（ＮＯx ）を増加させるため、環境性の低下を防止する目的から除去することが望まれる。すなわち、ガスタービンの燃焼過程において発生するＮＯx として、従来よりサーマル ＮＯx 及びフューエル ＮＯx が知られており、ガス化ガス中のアンモニアはフューエル ＮＯx を増加させる要因となる。
そこで、石炭や重質油等をガス化して得られるガス化ガス中に含まれるアンモニアを除去するガス精製方法として、水洗工程及びアンモニア処理工程を含む湿式ガス精製方法が提案されている。（たとえば、特許文献１参照）

ここで、従来のガス化複合発電設備について、湿式処理（水洗浄）によりガス化ガス中のアンモニアを除去する構成例を図５に示して簡単に説明する。
図５において、石炭や重質油等をガス化炉１でガス化して得られたガス化ガスは、湿式アンモニア除去工程（水洗工程）２においてガス中のアンモニアや塩素等の水溶性成分が水に溶解して除去される。この後、ガス化ガスは脱硫工程３によりガス中の硫黄成分が除去され、燃料ガスとしてガスタービン４に供給される。

ガスタービン４から排出される高温（５００〜６００℃程度）の排ガスは、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５に導入されて蒸気を生成した後、温度低下した排熱回収ボイラ排ガスとなって排出される。この排熱回収ボイラ５は、必要に応じてＮＯx を還元するための脱硝装置（ＳＣＲ）６を備えている。この脱硝装置６におけるＮＯの分解反応は、下記の通りである。
４ＮＨ_３ ＋ ４ＮＯ ＋ Ｏ_２ → ４Ｎ_２ ＋ ６Ｈ_２Ｏ
なお、図中の符号７は、脱硝装置６にアンモニアを供給するためのアンモニア供給装置である。

一方、湿式アンモニア除去工程２でアンモニア成分等を吸収した水は、アンモニア水となって次工程のストリッピング処理を行うアンモニアストリッパー８に排出される。このアンモニアストリッパー８に導かれたアンモニア水は、加熱によりアンモニアが回収された後、次工程のアンモニア焼却装置９に送られて焼却処理される。
特開２００４−０６７８４９号公報（第２頁−６頁、図１参照）

上述した従来技術によれば、ガス化ガス中に含有するアンモニア成分は湿式処理により除去されるので、ガスタービン４の燃焼過程で発生するフューエル ＮＯx が増加するという問題は解消される。
しかし、ガス化ガスに含有するアンモニア成分は、湿式処理により除去されアンモニア水として回収された後、さらに、ストリッピング処理によりアンモニアとして回収してから焼却処理することとなる。このため、アンモニアの焼却処理によりＮＯx を発生するとともに、ガスタービン４の燃焼過程で発生するサーマル ＮＯx を低減する対策として、脱硝装置６ではアンモニアの注入（ＳＣＲ）が実施されている。

また、ガス化ガス中のアンモニア低減には、酸性吸収液洗浄と呼ばれる湿式処理によりアンモニア成分を除去し、この湿式処理で回収したアンモニア成分を副産物（硫安）として回収する場合もある。しかし、この湿式処理では酸性吸収液（ｐＨ調整剤：硫酸）が必要となり、さらに、ガスタービンの燃焼過程で発生するサーマル ＮＯx を低減する対策として、アンモニアの注入（ＳＣＲ）が必要となる。
従って、ガス化ガス中のアンモニア成分を回収して焼却処理する一方で、排熱回収ボイラ５の脱硝装置６にＮＯx 還元用のアンモニアを注入してサーマル ＮＯx を低減している。

このように、従来のガス化複合発電設備においては、生成したガス化ガスに含まれるアンモニア成分を焼却処理してＮＯx を発生させるだけでなく、ＮＯx 還元用のアンモニアを購入するなどして別途用意する必要があった。従って、ガス化複合発電設備の環境性や経済性をより一層向上させるためにも、生成したガス化ガスに含まれるアンモニア成分を有効利用することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、生成したガス化ガスに含まれるアンモニア成分を有効利用することで、環境性や経済性がより一層向上するガス化複合発電設備を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るガス化複合発電設備は、湿式精製して得られたガス化ガスを燃料として運転するガスタービンを備えているガス化複合発電設備において、
前記ガス化ガスから湿式処理により除去してストリッピング回収したアンモニアを、前記ガスタービンの燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯx ）の還元用アンモニアとして使用したことを特徴とするものである。

このような本発明のガス化複合発電設備によれば、ガス化ガスから湿式処理により除去してストリッピング回収したアンモニア（アンモニアガスまたはアンモニア水）を、ガスタービンの燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の還元用アンモニアとして使用したので、ストリッピング回収したアンモニアの焼却処理が不要になるとともに、別途購入していた還元用アンモニアの調達も不要になる。

上記の発明において、前記還元用アンモニアが前記燃焼ガスを導入する排熱回収ボイラ内の脱硝装置に供給され、前記ストリッピング回収のアンモニア量が、前記排熱回収ボイラから排出される排ガスの窒素酸化物濃度に応じたストリッピング回収手段の加熱量調整により制御されることが好ましく、これにより、実際に排出されている窒素酸化物濃度に応じてストリッピング回収手段の加熱量調整がなされ、ストリッピング回収のアンモニア量を最適化することができる。

上記の発明において、前記還元用アンモニアを前記脱硝装置に供給するラインから分岐させて余剰アンモニア処理手段を設けることが好ましく、これにより、ストリッピング回収するアンモニア量の制御性が向上する。
この場合に好適な余剰アンモニア処理手段としては、余剰アンモニアを利用して焼却処理時に発生する窒素酸化物分解が可能なアンモニア焼却処理や、余剰アンモニアの焼却炉が不要となるアンモニア分解触媒がある。なお、アンモニア分解触媒としてはニッケル系触媒が好適であり、使用条件の温度を確保する熱源としては、たとえば余剰アンモニアの部分燃焼、あるいは、ガスタービンや排熱回収ボイラ等の排熱利用が可能である。

上記の発明において、前記余剰アンモニアを前記アンモニア処理手段へ導く流路に分配量制御手段を設けることが好ましく、これにより、ＮＯx 変動に対する制御性を向上させることができる。

上記の発明において、前記排熱回収ボイラから排出される排ガスの窒素酸化物濃度に応じてストリッピング回収手段に供給する水量を可変制御する補給水制御手段を設けることが好ましく、これにより、ストリッピング回収のアンモニア量に余剰アンモニアを発生させない制御が可能となる。

上述した本発明によれば、石炭や重質油等のガス化ガスから湿式処理により除去してストリッピング回収したアンモニアをガスタービンの燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の還元用アンモニアとして使用することにより、ストリッピング回収したアンモニアの焼却処理や別途購入していた還元用アンモニアの調達が不要となり、ガス化ガス（生成ガス）に含まれるアンモニア成分を有効利用することができる。この結果、窒素酸化物の排出量を低減して環境性が向上するだけでなく、窒素酸化物還元用のアンモニア購入も不要になって運転コストの低減による経済性も向上するので、環境性や経済性がより一層向上したガス化複合発電設備の提供が可能になるという顕著な効果が得られる。

以下、本発明に係るガス化複合発電設備の一実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１に示す第１の実施形態において、ガス化炉１は石炭や重質油等をガス化することによりガス化ガスを生成する装置である。ガス化炉１で生成されたガス化ガスは、湿式アンモニア除去工程（水洗工程）２に送られ、ガス中のアンモニア及び塩素等の水溶性成分が水に溶解して除去される。この後、ガス化ガスは脱硫工程３に送られ、ガス中の硫黄成分が除去される。このようにして、アンモニア等の水溶性成分及び硫黄分が除去されたガス化ガスは、燃料ガスとしてガスタービン４に供給される。

ガスタービン４に供給されたガス化ガスは、図示しない燃焼器で燃焼して高温高圧の燃焼ガスとなり、タービン本体を駆動させた後に高温（５００〜６００℃程度）の排ガスとなって排出される。この排ガスは、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５に導入さる。
排熱回収ボイラ５は、排ガスが保有する熱を回収して蒸気を生成する装置であり、この排熱回収ボイラ５で生成された蒸気は、図示しない蒸気タービンに供給される。一方、排熱回収ボイラ５で排熱を回収された排ガスは、温度低下した排熱回収ボイラ排ガスとなって排出される。そして、排熱回収ボイラ排ガスの窒素酸化物（ＮＯx ）濃度を測定するため、排熱回収ボイラ５の下流適所にＮＯx 濃度計１１が設置されている。

また、この排熱回収ボイラ５には、アンモニアを導入してＮＯx を還元するための脱硝装置（ＳＣＲ）６が設けられている。ここで脱硝処理されるＮＯx
は、ガスタービン４の燃焼過程で発生して燃焼ガスに含まれるものであり、湿式アンモニア除去工程２で除去されずに残ったアンモニア等の窒素分に起因するフューエルＮＯx
と、燃焼用空気の窒素分に起因するサーマルＮＯx とがある。なお、この脱硝装置６におけるＮＯの分解反応は、従来と同様である。

一方、湿式アンモニア除去工程２でアンモニア成分等を吸収した水は、アンモニア水となって次工程のストリッピング処理を行うストリッピング回収手段のアンモニアストリッパー８に導入される。このアンモニアストリッパー８では、アンモニア水をストリッパ加熱器１２により加熱してアンモニアを回収し、このアンモニアが上述した脱硝装置６に供給される。すなわち、ガス化ガスから回収したアンモニアは、ガスタービン４の燃焼ガスに含まれるＮＯx 還元用のアンモニアとして使用される。なお、ここで使用するＮＯx 還元用のアンモニアは、アンモニア水及びアンモニアガスのいずれであってもよい。
また、アンモニアストリッパー８から脱硝装置６へ供給されるＮＯx 還元用のアンモニア供給量は、ＮＯx
濃度計１１で測定した排熱回収ボイラ排ガスのＮＯx 濃度に応じて、ストリッパ加熱器１２の加熱量調整を実施して制御される。

具体的に説明すると、実際に排出されているＮＯx 濃度をＮＯx 濃度計１１で測定したＮＯx
実測値に基づき、以下のように制御する。
ＮＯx 実測値が高濃度側へ変動した場合は、ストリッパ加熱器１２の加熱量を増し、アンモニアストリッパー８から脱硝装置６へ供給するアンモニア量を増加させる。この結果、脱硝装置６における還元用アンモニア量が増すので、ＮＯx
の分解能力が向上して排熱回収ボイラ排ガスとともに排出されるＮＯx 量は減少する。なお、ＮＯx 実測値が低濃度側へ変動した場合は、ストリッパ加熱器１２の加熱量を低減し、アンモニアストリッパー８から脱硝装置６へ供給するアンモニア量を減少させて余剰アンモニアの発生を抑制する。

このように、ガス化ガスから回収したアンモニアを有効に利用し、ガスタービン４の燃焼ガスに含まれるＮＯx の還元用アンモニアとして使用する構成としたので、ガスタービン４から排出される燃焼ガス中のＮＯx 量を低減し、環境性を向上させることができる。ここで、ガスタービン４の燃焼ガスに含まれるＮＯx
処理に必要となる還元用アンモニアについては、別途購入しなくてもガス化ガスから回収して入手できるため、運転に必要なランニングコストの低減により経済性の向上にも貢献することができる。
また、従来必要だったアンモニア焼却処理用の焼却設備（図５に示すアンモニア焼却装置９）が不要となるので、アンモニア焼却の際に発生するＮＯx の問題も解消することができる。

＜第２の実施形態＞
続いて、本発明に係るガス化複合発電設備について、第２の実施形態を図２に基づいて説明する。なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、アンモニアストリッパー８から脱硝装置６へ還元用アンモニアを供給するラインから分岐させて、余剰アンモニア処理手段となるアンモニア焼却処理の設備を設けたものである。この余剰アンモニア処理手段は、回収したアンモニアの余剰分を焼却処理するものである。

アンモニア焼却処理による余剰アンモニア処理手段は、アンモニアストリッパー８から脱硝装置６へアンモニアを供給する配管から分岐する配管系統を設け、アンモニア焼却処理装置９Ａ及びアンモニア焼却処理用排熱回収ボイラ５Ａを配設したたものである。このアンモニア焼却処理用排熱回収ボイラ５Ａには、アンモニア焼却処理装置９Ａでアンモニアを焼却処理した際に発生するＮＯx を処理するため、アンモニア焼却処理用脱硝装置（ＳＣＲ）６Ａが設けられている。なお、アンモニア焼却処理用脱硝装置（ＳＣＲ）６Ａは、上述したガスタービン４の排ガスを処理する排熱回収ボイラ５の脱硝装置６より小規模のものとなるので、脱硝装置６に供給する還元用アンモニアの一部を導入して使用すればよい。
また、アンモニアストリッパー８からアンモニアを供給するラインの適所には、ＮＯx 濃度計１１の測定値及びストリッパ加熱器１２の加熱量に連動して開度調整する図示省略のバルブを設け、余剰アンモニアの分配量を制御することが好ましい。このバルブは、余剰アンモニアをアンモニア焼却処理装置９Ａへ導く流路に設けられた分配量制御手段として機能する。

このような構成とすれば、湿式アンモニア除去工程２から導入したアンモニア水をストリッパ加熱器１２により加熱して得られるアンモニア量は、ＮＯx 濃度計１１で測定した排熱回収ボイラ排ガスのＮＯx 濃度に応じて、ストリッパ加熱器１２の加熱量調整を実施して制御されるが、脱硝装置６の必要量を超えた余剰アンモニアが生じた場合には、アンモニア焼却処理装置９Ａ側に分流させて焼却処理することができる。
このアンモニア焼却処理装置９Ａで余剰アンモニアを焼却処理するとＮＯx が発生するので、このＮＯx
については、アンモニア焼却処理用脱硝装置６Ａで還元処理された後、アンモニア焼却処理用排熱回収ボイラ５Ａの排熱回収ボイラ排ガスとして排出される。また、アンモニア焼却処理用脱硝装置６Ａで必要となる還元用アンモニアガスについては、余剰アンモニアの一部を使用すればよいので、別途購入する必要はない。

従って、ストリッパ加熱器１２の加熱量調整を実施してアンモニア量を制御するとともに、余剰アンモニアが生じた場合には焼却処理することも可能になるので、余剰アンモニア量の調整及び処理の制御自由度が増して制御性を向上させることができる。また、ＮＯx 濃度計１１の測定値及びストリッパ加熱器１２の加熱量に連動して開度調整可能なバルブを設けることで、ＮＯx 変動に対する制御性（動特性）がより一層向上する。なお、環境性や経済性の向上については、上述した第１の実施形態と同様である。

続いて、上述した第２の実施形態に係る変形例を図３に基づいて説明する。なお、上述した第１及び第２の実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この変形例は、アンモニアストリッパー８から脱硝装置６へ還元用アンモニアを供給するラインから分岐させて、余剰アンモニア処理手段となるアンモニア分解触媒２０を設けたものである。このアンモニア分解触媒２０は、回収したアンモニアの余剰分を触媒により分解処理するものである。
この実施形態においても、アンモニアストリッパー８からアンモニアガスを供給するラインの適所に、ＮＯx 濃度計１１の測定値及びストリッパ加熱器１２の加熱量に連動して開度調整する図示省略のバルブを設け、余剰アンモニアの分配量を制御することが好ましい。このバルブは、余剰アンモニアをアンモニア分解触媒２０へ導く流路に設けられた分配量制御手段として機能する。

ここで使用するアンモニア分解触媒としては、ニッケル系触媒が好適である。ニッケル系触媒のアンモニア分解反応は吸熱反応であるため、残存アンモニア量を少なくするためには高温（７５０〜１２００℃程度）で分解する必要がある。この熱源としては、余剰アンモニアの一部を燃焼させたり、あるいは、ガスタービン４や排熱回収ボイラ５から排熱を導入して利用すればよい。
このような構成とすれば、ＮＯx を発生させるアンモニア焼却処理用の焼却処理装置を用いなくても余剰のアンモニアを処理することができるので、ストリッパ加熱器１２の加熱量調整を実施してアンモニア量を制御するとともに、余剰アンモニアが生じた場合には触媒による分解処理も可能になるので、余剰アンモニア量の調整及び処理の制御自由度が増して制御性を向上させることができる。

＜第３の実施形態＞
続いて、本発明に係るガス化複合発電設備について、第３の実施形態を図４に基づいて説明する。なお、上述した各実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、排熱回収ボイラ５から排出される排熱回収ボイラ排ガスのＮＯx 濃度に応じて、湿式アンモニア除去工程２に供給する水量を可変制御する補給水制御手段を設けたものである。
具体的に説明すると、湿式アンモニア除去工程２に補給水を供給する補給水配管３０に流量制御弁３１を設けておき、流量制御弁３１の開度調整をして補給水の水量を可変制御する。流量制御弁３１の開度は、ＮＯx 濃度計１１により測定した排熱回収ボイラ排ガスのＮＯx 実測値に応じて、ストリッパ加熱器１２の加熱量とともに制御される。

すなわち、ＮＯx 実測値が高濃度側へ変動した場合、流量制御弁３１の開度を増す方向に操作して補給水の供給量を増加させる。この結果、湿式アンモニア除去工程２からアンモニアストリッパー８に導入されるアンモニア水量が増加するので、ストリッパ加熱器１２の加熱量も同時に増すことにより、アンモニアストリッパー８から脱硝装置６へ供給するアンモニア量は増加する。従って、脱硝装置６における還元用アンモニア量が増すので、ＮＯx
の分解能力が向上して排熱回収ボイラ排ガスとともに排出されるＮＯx 量を減少させることができる。
一方、ＮＯx 実測値が低濃度側へ変動した場合は、流量制御弁３１の開度を小さくする方向に操作して補給水の供給量を減少させるとともに、ストリッパ加熱器１２の加熱量も減少させることにより、アンモニアストリッパー８から脱硝装置６へ供給するアンモニア量が減少してＮＯx
分解能力は抑制される。

このような構成とすれば、ＮＯx 実測値と還元用アンモニアの必要量とにより、湿式アンモニア除去工程２における湿式処理の回収アンモニア量（水洗浄塔の補給水量）を最適値に制御することが可能となるので、余剰アンモニアのない適正量の回収処理が可能となり、従って、焼却処理や触媒による分解処理といった余剰アンモニアの処理が不要となる。

上述したように、本発明のガス化複合発電設備によれば、石炭や重質油等のガス化ガスから湿式処理により除去してストリッピング回収したアンモニアをガスタービン４の燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の還元用アンモニアとして使用するので、ストリッピング回収したアンモニアの焼却処理や別途購入していた還元用アンモニアの調達が不要となり、生成したガス化ガスに含まれるアンモニア成分を有効利用することができる。この結果、窒素酸化物の排出量を低減して環境性が向上するだけでなく、窒素酸化物還元用のアンモニア購入も不要になって運転コストの低減による経済性も向上するので、環境性や経済性がより一層向上したガス化複合発電設備となる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係るガス化複合発電設備の第１の実施形態を示す構成図である。 本発明に係るガス化複合発電設備の第２の実施形態を示す構成図である。 第２の実施形態に係るガス化複合発電設備の変形例を示す構成図である。 本発明に係るガス化複合発電設備の第３の実施形態を示す構成図である。 従来のガス化複合発電設備の構成を示す図である。

符号の説明

１ ガス化炉
２ 湿式アンモニア除去工程（水洗工程）
３ 脱硫工程
４ ガスタービン
５ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
５Ａ アンモニア焼却処理用排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
６ 脱硝装置（ＳＣＲ）
６Ａ アンモニア焼却処理用脱硝装置（ＳＣＲ）
８ アンモニアストリッパー
９Ａ アンモニア焼却処理装置
１１ ＮＯx 濃度計
１２ ストリッパ加熱器
２０ アンモニア分解触媒
３０ 補給水配管
３１ 流量制御弁

Claims (7)

1. 湿式精製して得られたガス化ガスを燃料として運転するガスタービンを備えているガス化複合発電設備において、
   前記ガス化ガスから湿式処理により除去してストリッピング回収したアンモニアを、前記ガスタービンの燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯx ）の還元用アンモニアとして使用したことを特徴とするガス化複合発電設備。
2. 前記還元用アンモニアが前記燃焼ガスを導入する排熱回収ボイラ内の脱硝装置に供給され、前記ストリッピング回収のアンモニア量が、前記排熱回収ボイラから排出される排ガスの窒素酸化物濃度に応じたストリッピング回収手段の加熱量調整により制御されることを特徴とする請求項１に記載のガス化複合発電設備。
3. 前記還元用アンモニアを前記脱硝装置に供給するラインから分岐させて余剰アンモニア処理手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載のガス化複合発電設備。
4. 前記余剰アンモニア処理手段がアンモニア焼却処理であることを特徴とする請求項３に記載のガス化複合発電設備。
5. 前記余剰アンモニア処理手段がアンモニア分解触媒であることを特徴とする請求項３に記載のガス化複合発電設備。
6. 前記余剰アンモニアを前記アンモニア処理手段へ導く流路に分配量制御手段を設けたことを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載のガス化複合発電設備。
7. 前記排熱回収ボイラから排出される排ガスの窒素酸化物濃度に応じてストリッピング回収手段に供給する水量を可変制御する補給水制御手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載のガス化複合発電装置。

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