JP3142565B2 - 改良された清浄な動力発生装置 - Google Patents

改良された清浄な動力発生装置

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JP3142565B2 JP04505574A JP50557492A JP3142565B2 JP 3142565 B2 JP3142565 B2 JP 3142565B2 JP 04505574 A JP04505574 A JP 04505574A JP 50557492 A JP50557492 A JP 50557492A JP 3142565 B2 JP3142565 B2 JP 3142565B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は統合ガス化複合サイクル（IGCC）に関する。
とくに、本発明は、蒸気タービンによって発生される動
力に対してガスタービンによって発生される動力の割合
を増加することにより、全熱力学的効率を改善したIGCC
法に関する。このことは、不燃性ガスの添加によって補
足されるガスタービン燃料ガスを予熱するため、ガス化
工程の下流に発熱触媒反応装置を設置することによって
達成される。
背 景 統合ガス化複合サイクル設備はガスタービンおよび蒸
気タービンにおいて動力を発生し、蒸気タービン用の蒸
気はガスタービンからでる排気ガスの熱、任意であるが
ガス化工程からでる廃熱から発生される。また任意であ
るが、別の動力がガス化工程とガスタービンの間に位置
する燃料ガス膨脹装置において発生される。
ガスタービンの熱力学的効率は一般に、蒸気タービン
が背圧型または復水型のいずれであっても蒸気タービン
の効率より高い。したがってガスタービンによって発生
されたIGCC出力の割合が蒸気タービンによって発生され
たIGCC出力の割合より多くなればなるほど、IGCC法の全
熱力学的効率は高くなる。
ガスタービンによって発生される出力をPgとし、蒸気
タービンによって発生される出力をPsとすると、Pg/Ps
の値が大きくなればなるほど、特定の全出力（Pg＋Ps）
に対するIGCCの効率は高くなる。
蒸気を発生しうる二つの主要な熱源は、ガス化工程か
らでる廃熱およびガスタービンからでる排気ガスであ
る。ガス化工程が効率的になればなるほど、すなわちガ
ス化を実施するため熱に変換されるエネルギ量が少なく
なればなるほど、蒸気を発生するためガス化工程から利
用しうる熱量はますます少なくなる。ガスタービンの効
率がよくなればなるほど、すなわち全軸出力に変換され
る燃料ガスのエネルギの割合が高くなればなるほど、蒸
気を発生するため排ガス中の利用しうる熱は少なくな
る。
IGCCの熱力学的効率を一層高くするため、ガス化およ
びガスタービン効率はできるだけ高いのが好ましい。さ
らに、高いガス化およびガスタービン効率において、ガ
スタービンにおいて発生される全IGCC出力の増加はIGCC
の全熱力学的効率を上昇するのに一層重要となる。
本発明はIGCC効率をガスによってガスタービンに搬送
される顕熱を増加し、それによりガスタービンにおいて
発生されるIGCC出力の割合を増加することによって増加
するものである。
この技術に通じた人々には、ガスタービンに廃熱を搬
送するため、不燃性ガス熱搬送体が追加されたガスター
ビン燃料の使用がタービン効率を増加するということは
公知である。そのような不燃性熱搬送体は、窒素または
二酸化炭素もしくは飽和装置において燃料ガス中に蒸発
されるかまたは蒸気として直接噴射された水蒸気であ
る。付加的不燃性ガスは、所定の温度で一層多くの顕熱
を保有してガスタービンに一層多くの熱を搬送し効率を
改善するため、可燃性ガスと不燃性ガスの混合を可能な
ものとしている。また不燃性ガスは、火炎温度のしたが
ってNOxの形成の減少およびガスタービン膨脹装置に対
して必要な冷却空気量の減少のような、他の利点をも有
する。
IGCC熱力学的効率を改善するための窒素添加物は、19
91年10月、第10回EPRIガス化会議における、ユニオン・
カーバイド社、ゼネラル・エレクトリック社およびテキ
サコ社による「GCC設備用空気分離インテグレーショ
ン」と称する報告書において論議された。
第034781号によって公告されたヨーロッパ特許出願第
90301974.3号は、飽和装置において燃料ガスに不燃性水
蒸気を添加するのを助けるため、意図的な燃料ガス圧力
の低下を開示している。
しかしながら、これらの計画は、主としてガスタービ
ンに流れる前に燃料ガスと不燃性ガス流の混合物を予熱
するためガス化装置からでる廃熱を利用している。
発明の要約 本発明によれば、炭素質燃料から動力を発生する方法
が得られ、その方法は燃料を酸素または酸素含有ガスに
よって部分的に酸化して一酸化炭素を含有する超大気圧
のガス流を発生し；酸化工程の下流で前記ガス流を水に
よって直接急冷してガス流の蒸気含有量を増加し、つい
でガス流に一酸化炭素シフト反応をうけさせ、それによ
り蒸気が水素に変換されまた少なくとも一酸化炭素の一
部が二酸化炭素に変換されてその結果熱を放出し、放出
されたシフト熱の少なくとも一部はシフトされたガス流
を、それが冷却され脱硫工程を通された後、また不燃性
ガス硫がシフトガス流に添加された後再熱するのに使用
され、ついで不燃性のおよび酸素または酸素含有ガスを
添加したシフト脱硫ガス流との混合物の少なくとも大部
分をほぼ完全に燃焼して動力を発生することを含んでい
る。
好ましくは、この方法は燃料を酸素または酸素含有ガ
スによって部分的に酸化して一酸化炭素を含有する超大
気圧のガス流を発生し、この酸化工程の下流で前記ガス
流を水により直接急冷してガス流の蒸気含有量を増加
し；ガス流を十分な温度で発熱反応を開始させ、ついで
ガス流を一酸化炭素シフト反応をうけさせ、それにより
蒸気が水素に変換され、また少なくとも一酸化炭素の一
部が二酸化炭素に変換されてその結果熱を放出し：加熱
されたシフトガス流を熱交換によって冷却し；冷却され
たシフトガス流から硫黄化合物を除去し、不燃性ガス流
を脱硫されシフトされたガス流に添加し；不燃性および
脱龍シフトガス流の混合物を高温のシフトされたガス流
との熱交換によって再熱し、ついで不燃性および脱硫シ
フトガス流の混合物の少なくとも大部分を添加酸素また
は酸素含数ガスによって完全に燃焼して動力を発生する
ことを含んでいる。
本発明はまた上記方法を実施する設備を提供し、発生
された動力は通常軸出力の形式であり、その大部分は電
気に変換されるのが好ましい。
本発明は、ガス化工程下流に位置する反応装置からで
る触媒シフト熱を使用してガスタービンに供給される燃
料ガスと不燃性ガスの混合物を予熱することによって、
IGCC熱力学的効率を改善する。本発明は下流にシフトお
よびガスタービン供給ガス予熱装置が続く急冷ガス化装
置を使用してガスタービンによって発生される動力の割
合を増加する。
ボイラで発生される乾燥ガス流を使用してガス化装置
からでる廃熱を回収することは公知である。ついで廃熱
はガスタービンよりはむしろ蒸気タービンにおいて利用
される。本発明はガスタービンにおいてガス化廃熱を使
用するのが好ましく、そのことは蒸気タービンよりも一
層有効に動力を発生する。
IGCC設備における一酸化炭素シフト反応装置の有利な
使用方法は、余人によって開示されている。ナース（Nu
rse）氏のヨーロッパ特許第0259114B1において、シフト
反応装置は急冷ガス化装置後方に設置されているが、シ
フト反応装置によって発生された熱は、ガスタービンに
通ずる別の膨脹装置における膨脹の前に、ガスタービン
燃料ガスを予熱するため使用される。サギット（Suggi
t）およびギルマー（Gilmer）両氏の米国特許第4202167
は、燃料ガスから好ましくないニッケル化合物を除去す
るためのシフトの使用を開示している。
しかしながら、本発明において、シフトはガスタービ
ンによって発生される出力の割合を増加し、したがって
IGCC熱力学的効率を増大するため使用される。ガス化装
置の廃熱はまず、燃料ガスと混合される水蒸気を発生す
るため急冷装置において使用される。ついでガス／水蒸
気混合物は発熱触媒シフト反応をうけ、それによって発
生された顕熱の大部分は発生された蒸気の形で蒸気ター
ビンに通されるよりむしろガスタービンに通される。
シフトのための予熱は高温水、蒸気または主ガス流も
しくは他のガス流との熱交換のような手段によって供給
することができる。
一部の熱は急冷装置から排出するガス／水蒸気流混合
物から他のガス流とのような熱交換によって回収するこ
とができるかまたは蒸気を発生することができる。
シフトガス流は脱硫の前または後に減圧によって膨脹
される。そのような膨脹は軸出力を発生するため膨脹タ
ービンにおいて実施され、これはシフトガス流に不燃性
ガス流を添加する前に実施されるのが好ましい。この不
燃性ガス流はガスタービンに供給される燃料ガスの熱搬
送容量を改善する。
シフト反応によって放出された一部の熱は、蒸気過
熱、蒸気発生、ボイラ給水の加熱、脱硫ユニットと膨脹
タービンの間のガス流のような他のガス流の加熱、また
は水飽和装置への給熱のような他の目的のために使用す
ることができる。シフト熱の大部分はガスタービンへの
燃料ガスを予熱するため使用されるのが好ましい。
不燃性ガスは窒素または二酸化炭素または蒸気もしく
はこれらの二つ以上の混合物とすることができる。
図面の簡単な説明 図１はガスタービンに顕熱を搬送するため燃料ガス／
水蒸気の混合物を使用する、本発明の第１実施例を示す
略流れ図である。図２はガスタービンに顕熱を搬送する
ため燃料ガス／非凝縮性、不燃性ガス混合物を使用す
る、本発明の第２実施例を示す略流れ図である。
実施例の説明 本発明は蒸気タービンによって発生される動力の割合
以上に、ガスタービンによってIGCC法において発生され
る動力の割合を増加することを意図している。ガスター
ビンの熱力学的効率が蒸気タービンの効率より本質的に
高いためIGCCの熱力学的効率は増加する。本発明の方法
は蒸気を発生するためガス化廃熱の使用を回避するが、
むしろ、この廃熱をシフト反応に対して適当な条件をう
るため使用し、ついでガスタービンに流れる燃料ガスを
予熱するためシフト反応に含まれる熱の少なくとも一部
を使用する。
本発明の概念は、たとえば、水飽和装置を有するIGCC
法において燃料ガスの熱搬送容量を増大するため有利に
利用することができる。下記において、本発明の方法を
二つの実施例に基づいて説明する。
第１実施例において、燃料ガス流はその熱搬送容量を
増大するため、脱硫後水蒸気によって再度飽和される。
第２実施例において、燃料ガス流の熱搬送容量は脱硫工
程後窒素ガスの添加によって増大する。
本発明の第１実施例を添付図面の第１図および第１表
を参照して例示として説明する。
液体炭化水素精製残留物または炭化水素および水のエ
マルジョンより成る燃料は、部分酸化ユニット１におい
て70バールの圧力下で容積95％の純酸素と反応させられ
る。得られたガス混合物は過剰の、すなわち全部は蒸発
し切れない量の水を使用して、63バールの圧力、243℃
の温度の飽和状態まで急冷される。したがって、この急
冷工程はガス冷却工程に加えてガス洗浄工程でもある。
急冷後発生されたガスは表１の流れ２として記載さ
れ、シフト触媒反応装置５に入る前にノックアウト・ポ
ット４および熱交換器８を通過する。小さい熱交換器８
は流入ガス／蒸気混合物を予熱するため使用される。こ
れはシフト反応を開始するのを助け、またシフト触媒に
蒸気が凝縮するのを防止する。
図１において、まず部分酸化反応装置１および部分的
にガス／蒸気の割合を調節し、260℃から472℃の温度で
起こるシフト反応の前に温度制御を可能とする急冷装置
２に続く、ボイラ３において21バールの高圧蒸気が発生
される。発熱シフト反応において発生した熱の一部は熱
交換器６においてボイラによって発生された蒸気を340
℃に過熱するのに使用される。熱交換器８においてシフ
ト反応装置流入ガスと熱交換後、ガス流は熱交換器７お
よび９において、ガスがガスタービン24への燃料ガスと
して供給される前に、脱硫水飽和ガスを390℃まで予熱
するため使用される。
最終段燃料ガス予熱熱交換器９の後方で、７バールの
低圧蒸気がボイラ11によって発生される。熱交換器３お
よび６からでる高圧過熱蒸気およびボイラ11からでる低
圧蒸気は、ガスタービン24に接続された蒸気タービン25
に供給される。
凝縮水はノックアウト・ポット4,10,12に収集され、
凝縮水は補給水とともに急冷装置２に環流する。
燃料ガスは熱交換器13における脱硫された燃料ガスと
の熱交換により、水回路熱交換器15により、補給水熱交
換器17によりそして最後に冷却水熱交換器19によってさ
らに冷却される。凝縮水はノックアウト・ポット4,10,1
2に収集され、凝縮水は急冷装置２に環流する。
冷却された燃料ガスは通常の（図示しない）脱硫ユニ
ットに通され、そこで燃料ガスに含まれる硫黄化合物は
選択的に除去される。ついで脱硫された燃料ガスは熱交
換器13において125℃まで再熱され、ガス膨脹装置21に
おいて21バールの圧力まで膨脹される。ガス膨脹装置21
の軸出力は電力を発生するのに使用される。
ついで、低圧の脱硫された燃料ガスは循環ポンプ23を
備えた飽和装置22を通され、そこで燃料ガスは出口温度
127℃の水蒸気によって飽和される。ついで飽和燃料ガ
スは、熱交換器９および７において高温のシフトされた
燃料ガスとの熱交換によりガスタービン24に入る前に39
0℃まで過熱される。
図１の符号１ないし７で示した主流に対する質量およ
びエネルギ平衡は、この実施例の特殊な例に対して下記
の表１に示されている。
以下、本発明の第２実施例を図２に基づいて説明す
る。同じ参照符号は図１と同じ部品を示すため使用され
る。
図１のように、液体炭化水素精製残留物または炭化水
素および水のエマルジョンより成る燃料は、部分酸化ユ
ニット１の圧力で酸素と反応される。得られたガス混合
物は過剰の、すなわち全部は蒸発し切れない量の水を使
用して飽和状態まで急冷される。したがって、この急冷
工程はガス冷却工程に加えてガス洗浄工程でもある。
同様に、シフト触媒反応装置５は流入ガス／蒸気混合
物を予熱するため小さい熱交換器８を有する。これはシ
フト反応の開始を助け、また蒸気がシフト触媒に凝縮す
るのを防止する。そのような予熱は、高温水、蒸気また
は他のガス流との熱交換のような他の手段によって実施
される。
熱は他のガス流を加熱するためまたは蒸気を発生する
ため、急冷装置２から排出するガス／蒸気混合物から一
連の熱交換器6,7,8,9によって回収される。
図２に示された実施例において、まず部分酸化反応装
置１、及び蒸気／ガスの割合を部分的に調節するためま
たシフト反応前に温度調節を可能にするため急冷装置２
に続くボイラ３において高圧蒸気が発生される。発熱シ
フト反応において放出された熱の一部は、ボイラ３にお
いて発生された蒸気を過熱するため熱交換器６において
使用される。熱交換器８においてシフト反応装置流入ガ
スと熱交換した後、ガス流は脱硫され水で飽和された窒
素との混合ガスを燃料ガスとしてガスタービン24に供給
される前に、熱交換器７および９において予熱される。
最終燃料ガス予熱熱交換器９の後方で、低圧蒸気がボ
イラ11において発生される。熱交換器６からでる高圧過
熱蒸気ならびに熱交換器11からの低圧蒸気はガスタービ
ン24に付設された蒸気タービン25に供給される。
凝縮水はノックアウト・ポット4,10,12に収集され、
凝縮水は補給水とともに急冷装置２に環流する。
燃料ガスは、熱交換器13における脱硫された燃料ガス
との熱交換、窒素供給流加熱器26、および最後に冷却水
熱交換器19によってさらに冷却される。凝縮水はノック
アウト・ポット14,27および20に収集され、凝縮水は急
冷装置２に環流される。
ついで冷却された燃料ガスは（図示しない）通常の脱
硫装置に通され、そこで燃料ガスに含まれた硫黄化合物
は選択的に除去される。ついで脱硫された燃料ガスは熱
交換器13において再熱されガス膨脹装置21において膨脹
される。ガス膨脹装置21からの軸出力は電力を発生する
ため使用される。
熱交換器26において予熱された窒素流はついで低圧の
脱硫燃料ガスに添加され、混合物はガスタービン24に流
れる前に熱交換器９および７において高温のシフト燃料
ガスとの熱交換によって過熱される。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−100230（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開259114（ＥＰ，Ａ １) 仏国特許出願公開2298596（ＦＲ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02C 3/28 F01K 23/06

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料を酸素または酸素含有ガスによって部
    分的に酸化して一酸化炭素を含有する超大気圧のガス流
    を発生し；酸化工程の下流で前記ガス流を水により直接
    急冷してガス流の蒸気含有量を増加し、ついでガス流に
    一酸化炭素触媒シフト反応をうけさせ、それにより蒸気
    が水素に変換されまた少なくとも一酸化炭素の一部が二
    酸化炭素に変換されてその結果熱の放出を生じ、放出さ
    れたシフト熱の少なくとも一部はシフトされたガス流
    を、それが冷却され脱硫工程を通された後、またシフト
    されたガス流に不燃性ガス流を添加した後再熱するのに
    使用され；ついで不燃性のおよびシフトされかつ脱硫さ
    れたガス硫に酸素または酸素含有ガスを添加した再熱さ
    れた混合物の少なくとも大部分をほぼ完全に燃焼して動
    力を発生することを含む、IGCC法を使用して炭素質燃料
    から動力を発生する方法において、冷却されシフトされ
    たガス流の圧力を、不燃性ガス流を添加する前または後
    に流れを特殊な減圧装置を通すことにより低下する工程
    を有することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】前記不燃性ガスは水蒸気である請求項１に
    記載の方法。
  3. 【請求項３】前記不燃性ガスは窒素である請求項１に記
    載の方法。
  4. 【請求項４】前記不燃性ガスは二酸化炭素である請求項
    １に記載の方法。
  5. 【請求項５】前記不燃性ガスが水蒸気、窒素および二酸
    化炭素の二つ以上の混合物である請求項１に記載の方
    法。
  6. 【請求項６】急冷された流れをボイラに通して急冷され
    た流れに前記触媒発熱シトフ反応をうけさせる前に蒸気
    を発生させる請求項１ないし５のいずれか一項に記載の
    方法。
  7. 【請求項７】前記減圧が膨脹機関において実施される請
    求項１ないし６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 【請求項８】請求項１ないし７のいずれか一項に記載の
    方法によって炭素質燃料から動力を発生するため使用さ
    れるときのIGCC設備。
  9. 【請求項９】請求項１ないし６のいずれか一項に記載の
    方法または設備によって発生されるときの電気の形式の
    動力。
JP04505574A 1991-03-11 1992-03-06 改良された清浄な動力発生装置 Expired - Fee Related JP3142565B2 (ja)

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GB9105095.5 1991-03-11
PCT/GB1992/000407 WO1992015775A1 (en) 1991-03-11 1992-03-06 Improved clean power generation

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