コンバインドサイクルと環境対策

電力-5　発電・変電・送配電・電気材料

コンバインドサイクルと環境対策

ガスタービン
コンバインドサイクル発電
排熱回収ボイラ
窒素酸化物
硫黄酸化物
脱硝装置
脱硫装置
電気集じん器

はじめに

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「火力発電所は燃料の熱の 6 割を捨てているのに、もっと上手に使う方法はないの？」

前回の記事では、ボイラ・蒸気タービン・復水器など、火力発電の設備について学びました。燃焼ガスの熱を節炭器や空気予熱器で拾い集めても、汽力発電の熱効率は 4 割ほどが限界でした。

一方、空港で見る旅客機のジェットエンジンは、燃料を燃やしたガスでそのまま羽根車を回しています。このエンジンの仲間を地上に置いて発電機を回すのが、ガスタービン発電です。ただし、ガスタービンの排気は 500℃ を超えるほど熱く、そのまま捨てるのは大きなむだになります。

実は、この熱い排気でお湯を沸かし、蒸気タービンも回せば、燃料の熱の 6 割前後を電気にできます。最新の火力発電所の多くは、この組み合わせで動いています。

そこで登場するのが、今回の主役 コンバインドサイクル発電 です。そしてもう 1 つ、燃料を燃やす以上は避けて通れない、排ガスの環境対策も一緒に学びます。

今回の記事では、ガスタービンのしくみ、コンバインドサイクル発電と排熱回収ボイラ、排ガスに含まれる窒素酸化物・硫黄酸化物、そしてそれらを取り除く脱硝装置・脱硫装置・電気集じん器について解説します。

ガスタービン：燃焼ガスで直接回す

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はじめに、ガスタービンについて紹介します。

ガスタービン は、圧縮した空気の中で燃料を燃やし、その高温・高圧の燃焼ガスで直接羽根車を回す原動機です。汽力発電のように、いったん水を蒸気にする必要がありません。

ガスタービンは、次の 3 つの部分でできています。

【ガスタービンの 3 つの部分】

空気圧縮機：大気から吸い込んだ空気を、高い圧力に押し縮める
燃焼器：圧縮した空気に燃料を吹き込んで燃やし、高温・高圧のガスをつくる
タービン：燃焼ガスを膨らませながら羽根車を回し、回転の力を取り出す

自転車の空気入れで押し縮めた空気を、たき火で一気に熱くして、風車に吹き付けるイメージです。熱くなったガスは大きく膨らもうとするので、強い勢いで羽根車を回します。

ここで 1 つ注意があります。空気圧縮機は、タービンと同じ軸につながっていて、タービンが生み出した力で回っています。その分量はとても大きく、タービンの力の半分ほどが圧縮機に使われます。発電機に回せるのは、残りの部分です。

燃料には、主に液化天然ガス（LNG）が使われます。燃焼ガスの温度は 1,300℃〜1,600℃ ほどにもなり、タービンの羽根は内部を空気で冷やしながら運転されます。

ガスタービンには、汽力発電にない長所があります。大きなボイラがいらないので設備が小さく、起動してから全出力になるまでの時間が短いのです。冷却水もほとんどいりません。一方で、排気の温度が 500〜600℃ と高く、ガスタービンだけの熱効率は 3〜4 割ほどにとどまります。

補足（ここは読み飛ばしてOK）：ガスタービンの理想的な熱サイクルをブレイトンサイクルと呼びます。断熱圧縮・等圧受熱・断熱膨張・等圧放熱の 4 つの変化で、ランキンサイクルと同じ形をしていますが、作動流体は水ではなく空気（燃焼ガス）です。

このように、ガスタービンは圧縮した空気で燃料を燃やし、燃焼ガスで直接羽根車を回す原動機で、起動は速いものの、熱い排気を捨てるぶん単独の熱効率は高くありません。

以上が、ガスタービンについてです。

コンバインドサイクル発電：排熱でもう一度発電する

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次に、コンバインドサイクル発電について紹介します。

コンバインドサイクル発電 は、ガスタービンで発電したあとの熱い排気を使って蒸気をつくり、蒸気タービンでもう一度発電する方式です。コンバインドとは「組み合わせた」という意味です。

ガスタービンの排気から蒸気をつくる装置を 排熱回収ボイラ と呼びます。燃料を燃やすのではなく、排気の熱だけで水を蒸気にする、火のないボイラです。前回学んだボイラと同じように、節炭器・蒸発器・過熱器を持ち、排気の熱を順に水と蒸気へ渡します。

たとえるなら、天ぷらを揚げたあとの熱い油の余熱で、続けてもう一品つくるようなものです。同じ燃料から、2 回ぶんの仕事を取り出せます。

1. 熱効率の計算

コンバインドサイクル全体の熱効率は、次の式で表せます。

\eta = \eta_G + (1 - \eta_G)\,\eta_S

$\eta_G$ がガスタービンの熱効率、 $\eta_S$ が排気の熱から蒸気タービンで電気をつくる効率です。言葉で言うと、「ガスタービンの取り分」に、「ガスタービンが捨てた熱 × 蒸気側の効率」を足したものです。

例題：コンバインドサイクルの熱効率

ガスタービンの熱効率が 35％、ガスタービンの排気の熱から蒸気タービンで発電する効率が 30％のコンバインドサイクル発電所がある。全体の熱効率は何％か。

【解き方】

ガスタービンが捨てる熱の割合を求める： 1 − 0.35 = 0.65
蒸気タービン側で電気になる割合を求める： 0.65 × 0.30 = 0.195
足し合わせる： 0.35 + 0.195 = 0.545

答えは 54.5％です。35％と 30％を単純に足して 65％としたり、掛けて 10.5％としたりしないように注意しましょう。蒸気タービンが使えるのは、ガスタービンが使い残した 65％の熱だけです。

2. コンバインドサイクル発電の特徴

【コンバインドサイクル発電の特徴】

熱効率が高い。最新の発電所では 6 割前後に達する
起動・停止にかかる時間が短く、出力の調整がしやすい
小さなユニットを何台も並べ、台数を変えて出力を調整すれば、少ない出力のときも効率を高く保てる
発電量に対して、復水器の冷却水が少なくてすむ。蒸気タービンが受け持つのは全体の 3 分の 1 ほどだから
夏など大気の温度が高いと、空気の密度が下がって圧縮機が吸い込める空気が減り、出力が下がる

試験のポイント：大気の温度が上がると、コンバインドサイクル発電の出力は「下がる」点がよく問われます。また、全体の熱効率は $\eta_G + (1 - \eta_G)\eta_S$ で、単純な足し算ではありません。

このように、コンバインドサイクル発電は、ガスタービンの熱い排気を排熱回収ボイラで蒸気に変え、蒸気タービンでもう一度発電して、熱効率を大きく高める方式です。

以上が、コンバインドサイクル発電についてです。

窒素酸化物と硫黄酸化物：排ガスに含まれる汚れ

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続いて、窒素酸化物と硫黄酸化物について紹介します。

燃料を燃やすと、二酸化炭素と水蒸気のほかに、空気を汚す物質も出てきます。代表的なものが、窒素酸化物・硫黄酸化物・ばいじん（すすや灰の細かい粒）です。

1. 窒素酸化物

窒素酸化物 は、窒素と酸素が結びついた物質で、NOx（ノックス）とも呼ばれます。光化学スモッグや酸性雨の原因になります。

窒素酸化物は、燃料に含まれる窒素からもできますが、多くは空気中の窒素が、高い温度で酸素と結びついてできます。つまり、炎の温度が高いほど、酸素が多いほど増えます。

そこで、燃やし方を工夫して、炎の温度を下げたり酸素を減らしたりします。燃料を段階的に燃やす二段燃焼、排ガスの一部を燃焼用の空気に戻す排ガス再循環、空気を必要以上に入れない低空気比燃焼などがあります。これらで足りない分は、あとで説明する脱硝装置で取り除きます。

2. 硫黄酸化物

硫黄酸化物 は、燃料に含まれる硫黄が燃えてできる物質で、SOx（ソックス）とも呼ばれます。主なものは二酸化硫黄（SO₂）で、酸性雨やぜんそくの原因になります。

窒素酸化物と違い、硫黄酸化物の量は燃料の中の硫黄の量で決まります。石炭や重油には硫黄が含まれますが、LNG にはほとんど含まれません。LNG を使うコンバインドサイクル発電所で硫黄酸化物の対策がほとんどいらないのは、このためです。

例題：硫黄酸化物の発生量

硫黄分 2％の重油を 1 時間に 10t 燃やす。重油の中の硫黄がすべて二酸化硫黄（SO₂）になるとき、1 時間に発生する SO₂ は何 kg か。ただし、硫黄の原子量を 32、酸素の原子量を 16 とする。

【解き方】

重油の中の硫黄の量を求める： 10,000 × 0.02 = 200kg
SO₂ の分子量を求める： 32 + 16 × 2 = 64
硫黄 32 から SO₂ 64 ができるので、質量は 2 倍になる： 200 × 64 ÷ 32 = 400kg

答えは 400kg です。硫黄 1 個に酸素 2 個がくっつくので、重さが 2 倍になります。

補足（ここは読み飛ばしてOK）：脱硫装置で石灰石（CaCO₃、分子量 100）を使うなら、硫黄 32kg あたり石灰石が 100kg 必要です。200kg の硫黄の 90％を取り除くなら、200 × 0.9 × 100 ÷ 32 = 562.5kg の石灰石が要ります。

このように、窒素酸化物は高い温度の燃焼で空気中の窒素からでき、硫黄酸化物は燃料の中の硫黄からできるので、それぞれ減らし方が違います。

以上が、窒素酸化物と硫黄酸化物についてです。

脱硝装置・脱硫装置・電気集じん器：排ガスをきれいにする

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最後に、脱硝装置・脱硫装置・電気集じん器について紹介します。

燃やし方の工夫だけでは取り切れない汚れは、煙突へ出る前の排ガスから取り除きます。家の換気扇にフィルターを付けて、油汚れを外に出さないようにするのと同じ考え方です。汚れの種類ごとに、専用の装置があります。

1. 脱硝装置

脱硝装置 は、排ガスから窒素酸化物を取り除く装置です。広く使われているのは、排ガスにアンモニアを吹き込み、触媒の上を通して窒素酸化物を窒素と水に変える方法で、アンモニア接触還元法と呼びます。

触媒がよくはたらくのは 300〜400℃ ほどの温度です。そのため、排ガスがまだ熱いボイラの出口近くに置かれます。コンバインドサイクル発電では、排熱回収ボイラの中に組み込まれます。

2. 脱硫装置

脱硫装置 は、排ガスから硫黄酸化物を取り除く装置です。代表的なのは、石灰石を水に溶かした液（石灰石スラリー）を排ガスに吹きかけ、硫黄酸化物を吸収させる方法です。吸収した硫黄は石こうになり、建材などに再利用されます。この方法を湿式石灰石−石こう法と呼びます。

3. 電気集じん器

電気集じん器 は、排ガスの中のばいじんを、電気の力で集めて取り除く装置です。細い放電電極に負の高い直流電圧をかけてコロナ放電を起こし、ばいじんにマイナスの電気を帯びさせます。帯電したばいじんは、プラス側の集じん電極（接地した板）に引き寄せられてくっつきます。たまったばいじんは、板をたたいて落とします。

冬にセーターを脱いだあと、ほこりが服に吸い寄せられるのと同じ原理です。電気集じん器は、ばいじんの 99％以上を取り除けます。

石炭火力発電所では、排ガスはおおむね次の順に装置を通ります。

【石炭火力の排ガスの通り道（代表的な順番）】ボイラ → 脱硝装置 → 空気予熱器 → 電気集じん器 → 脱硫装置 → 煙突