JP4792574B2

JP4792574B2 - 重質油改質システム及び重質油利用ガスタービン発電システム

Info

Publication number: JP4792574B2
Application number: JP2005247406A
Authority: JP
Inventors: 慎介小久保; 真一稲毛; 浩二西田; 信幸穂刈; 修横田; 林　　明典; 宏和高橋
Original assignee: Hitachi Ltd; Japan Petroleum Energy Center JPEC
Current assignee: Hitachi Ltd; Japan Petroleum Energy Center JPEC
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2025-08-29
Also published as: JP2007063319A

Description

本発明は、高温高圧水を重質油と混合し、水熱反応により重質油を改質して改質油を生成する重質油改質システムと、生成された改質油をガスタービンの燃料に使用して発電を行う重質油利用ガスタービン発電システムに関する。

重質油を高温高圧下で水と反応させて炭化水素系ガスを含む軽質油に改質し、改質油をガスタービンの燃料に用いて発電を行うシステムが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平11-80750号公報（要約）特開2005−53962号公報（段落番号０００８）

重質油を改質してガスタービン燃料に使用するガスタービン発電システムでは、ガスタービンの出力、または、使用する重質油の性状に応じて改質油の製造量を変更できることが望まれる。

これには、重質油改質反応の反応条件を制御することが有効であり、その方法のひとつとして、反応時間を変化させることが挙げられる。しかし、従来の方法では単位時間に処理する重質油量を変化させることにより、反応時間を調節するため、所定の改質油製造量を確保することが困難である。

また、水熱反応を利用した改質反応では、改質油製造量は重質油と水との接触面積に依存することが知られている。しかし、同一容器あるいは管内で重質油と水を共存させることにより両者を接触させる従来の方法では、接触面積を変化させることができない。

そのほかに、反応条件を変える他の方法として、アルカリなどを反応器に添加する方法が知られている。しかし、アルカリを添加した場合には、改質油中にアルカリが残り、ガスタービン部品の腐食を引き起こす原因になるという問題があり、改質油からのアルカリ除去技術が必要になる。

本発明の目的は、様々な性状を有する重質油に対して、アルカリなどの添加物を加えずに、反応時間、水との接触面積といった改質反応の反応条件を制御することにより、改質油の製造量を調整できるようにした重質油改質システムおよび重質油利用ガスタービン発電システムを提供することにある。

本発明は、重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造する重質油改質システムにおいて、前記反応器を重質油と水との接触面積及び接触時間の少なくとも一方が変更できるように構成したことにある。

また、重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造し、改質油をガスタービンに燃料として供給し発電を行うようにした重質油利用ガスタービン発電システムにおいて、前記反応器を重質油と水との接触面積及び接触時間の少なくとも一方が変更できるように構成して、前記ガスタービンの出力に応じて改質油の製造量が調整できるようにしたことにある。

本発明では、重質油と水との接触面積及び接触時間の少なくとも一方を変更するために、反応器の内部に、流体の流速が異なる複数の混合流体流通管を設けることが望ましい。また、反応器内の未反応の重質油に気体の水を吹き込んでバブリングさせるための水供給管を設けて、水供給量を調節できるようにすることが望ましい。或いは、反応器の内部に口径の異なる噴霧ノズルを複数個備えることが望ましい。

本発明によれば、重質油を高温高圧水と混合し水熱反応させることにより改質油を生成する重質油改質システムにおいて、反応器の大きさを変えることなく、また、アルカリを添加することなく、改質油の製造量を調整することが可能である。これにより、ガスタービンの出力に応じて改質油の製造量を調整する重質油利用ガスタービン発電システムが実現可能になった。

本発明では、更に、以下に示す重質油改質システムが提案される。

一つは、反応器に重質油と水との混合流体を導入する混合流体導入配管を複数個接続し、各配管にそれぞれバルブを設け、反応器の内部に前記混合流体導入配管ごとに混合流体流通管を設け、各流通管は長さと内径の少なくとも一方が異なるように構成し、前記バルブの開閉状態を操作することにより反応器内の混合流体の滞留時間を変化させて改質油製造量を調整できるようにしたものである。

一つは、反応器の底部の未反応重質油が溜まる部分に気体の水を吹き込む水供給管を複数本接続し、水供給管から吹き込む水の量を変えることによって、反応器内の重質油と水との接触面積を変化させ、改質油製造量を調整できるようにしたものである。

一つは、反応器に重質油と水との混合流体を導入する混合流体導入配管を複数個接続し、各配管にそれぞれバルブを設け、反応器の内部に前記混合流体導入配管ごとに噴霧ノズルを設け、各噴霧ノズルは口径が異なるように構成し、前記バルブの開閉状態を操作することにより重質油と水との接触面積を変化させ改質油製造量を調整できるようにしたものである。

本発明の重質油改質システムにおいて、好ましい水熱反応条件は、１５〜３０ＭＰａ、温度３５０〜５００℃、液体ベースの重質油滞留時間が１〜１０分である。水熱反応においては、重油質量に対して重量で０．２５〜２倍の水を、好ましくは３５０〜５００℃、１５〜３０ＭＰａの条件で供給して重質油と水熱反応させる。

本発明では、さまざまな種類の重質油を使用することができる。たとえばＡ重油、Ｂ重油、Ｃ重油、減圧残油、オリマルジョン、オイルサンド、オイルシェル、廃油等を用いることができる。これらの重質油の所定処理量を保持したまま、水熱反応の時間、水と重質油の接触面積を可変にすることで、所定量の改質油の生成が可能になる。

本発明の重質油改質システムにおいて、重質油中に存在する硫黄分および金属類は、残渣油中に濃縮されるので、残渣油と共に分離することができる。残渣油は高温で流動性のある液体であるため、抜き出しが容易であり、洗浄工程が不溶である。残渣油は、反応器から抜き出した後、タンクに溜めて質量を測定した後、所定の量に達した時点で燃焼または焼却処分するのがよい。

本発明において、重質油の水熱反応において生成する改質油の発生量は、重質油と水の接触面積、温度、時間に依存する。改質油質量と重質油の温度は比例の関係にあることから、反応器の温度により水熱反応条件の変更が可能であるが、同時にコークスの生成量も増大するので、反応温度は５００℃以下が望ましい。

水熱反応条件の変更は、重質油と水の混合流体の滞留時間を変えることにより行う。具体的には、混合流体の流速を変えるために管の長さおよび断面積を変えることにより、混合流体の滞留時間を変化させる。また、改質処理条件の変更は、重質油と水の接触面積を変えることにより行う。具体的には、反応器の入口にノズルのような流体を物理的に微粒化する手段を設け、液体の重質油を微粒化することにより、重質油と水の接触面積を増大させる。改質油供給量は、供給先のガスタービンの出力を元に求める。

図１は本発明による重質油利用ガスタービン発電システムのシステム全体を示した構成図である。図１において、水１は加圧ポンプ２によって、１５〜３０ＭＰａの圧力に昇圧された後、加熱器３によって３５０〜５００℃程度の温度に昇温されて混合器７に供給される。一方、重質油４は加圧ポンプ５によって１５〜３０ＭＰａ程度の圧力に昇圧された後、加熱器６によって３００〜５００℃程度の温度に昇温されて混合器７に供給される。それぞれ昇温昇圧された重質油と水は混合器７において混合された後、混合流体として加熱器８に供給される。混合流体は加熱器８にて３５０〜５００℃程度の水熱反応温度に昇温された後、反応器９に供給される。

反応器９において、高温高圧下で重質油中の重質分は、水と接触して水熱反応することにより炭素結合が解裂して低分子化し、軽質な炭化水素化合物からなる気体の改質油が生成される。改質油は、反応器９の上部に設けられた排出管から取り出し、減圧オリフィス１３を通過させ、そのときに１５〜３０ＭＰａ程度の圧力からガスタービンに供給するのに必要な圧力に減圧して、気液分離器１４に搬送し、液体分と気体分に分離する。気体分は速やかにガスタービン１７の燃料として供給し発電機１８によって発電する。液体分は改質油タンク１５に搬送して、質量計１６により質量を測定した後、必要に応じてガスタービン１７に供給する。ここで改質油の気体分の質量は、軽油換算で得られるガスタービン出力と軽油供給量の関係から求める。

反応器９では、改質油が気体状態で発生する一方で、未反応重質油と重質分と金属類を含んだ残渣油分が液体状態で存在する。残渣油分は反応器下部から残渣油抜き出し管１０を経て残渣油タンク１１に溜めた後、質量計１２により残渣油質量を測定する。上記の方法で求めた改質油と残渣油の質量を反応器に投与した重質油質量と比較することで、反応器９内に存在する未反応重質油質量を求めることができる。

図２に所定重質油量で所定改質油量を確保するために、反応器９の内部に長さが異なる複数の混合流体流通管３３を設置し、混合流体の反応器における滞留時間を可変にできるようにしたものを示す。本実施例の反応器は、加熱器８からの混合流体３１が導入される混合流体導入配管３７が反応器９の上部に接続されている。混合流体導入配管３７は反応器９との接続部分で３本の管に分岐され、管ごとに、それぞれバルブ３２が設けられている。反応器の上部には改質油を搬送する改質油出口管３５が接続されている。また、反応器の下部には残渣油を排出するために残渣油抜き出し管１０が接続されている。混合流体の重質油は、反応器入口から混合流体流通管３３を経て反応器出口に達するまでの時間、反応器９において水熱反応する。水熱反応により生成する残渣油は反応器９の下部に設けられた残渣油抜き出し管１０を経て、残渣油タンク１１に溜められる。改質油は、反応器９の上部に設けた改質油出口管３５から取り出される。ここで、改質油３６の生成量は重質油の水熱反応時間に依存するので、混合流体を通過させる管の上流に設けられたバルブ３２の開閉状態を操作することにより、改質油の製造量が可変となる。本実施例の反応器を用いて水熱反応時間を制御した後、燃料供給先のガスタービン１７の出力を求めて、重質油から生成した改質油量を求める。なお、本実施例では、混合流体流通配管３７を反応器入口部分で３本に分岐しているが、３本に限るものではない。

反応器の別の実施例を図３により説明する。図３の反応器は、図２の反応器における混合流体流通管の部分を改良したものであり、断面積の異なる複数の混合流体流通管４２を設けている点が特徴である。混合流体の流路断面積を変化させることで、混合流体の流速を変化させることができ、反応器９における混合流体の滞留時間が可変となる。

反応器の別の実施例を図４により説明する。図４は反応器９の底部に高温高圧水を吹き込むための高温高圧水供給管５１を接続したものである。反応器９の底部から気体の高温高圧水５２を吹き込むことにより、反応器９の底部に溜まっている未反応重質油５３に高温高圧水をバブリングさせることができる。高温高圧水供給管５１から供給する水の量によって未反応重質油５３と高温高圧水の接触面積が可変となる。

反応器の別の例を図５により説明する。図５は反応器９の入口に口径の異なる複数の噴霧ノズル６１を設置したものである。混合流体３１を噴霧ノズル６１から放出することにより、液体状態の未反応重質油が微粒化するので、重質油と高温高圧水が接する面積を増大させることができる。また、噴霧ノズルの上流側に設けられたバブル３２を開閉操作して、使用する噴霧ノズルを変更することにより、粒子径を変えることができるので、反応面積の変更が可能となる。

本発明による重質油利用ガスタービン発電システムの構成を示す概略図。反応器の一実施例を示す概略図。反応器の別の実施例を示す概略図。反応器の別の実施形態を示す概略図。反応器の別の実施形態を示す概略図。

符号の説明

１…水、４…重質油、７…混合器、８…加熱器、９…反応器、１０…残渣油抜き出し管、１３…減圧オリフィス、１４…気液分離器、１７…ガスタービン、１８…発電機、３１…混合流体、３２…バルブ、３３…混合流体流通管、３５…改質油出口管、３６…改質油、３７…混合流体導入配管、４２…混合流体流通管、５１…高温高圧水供給管、５２…高温高圧水、５３…未反応重質油、６１…噴霧ノズル。

Claims

重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造する重質油改質システムにおいて、前記反応器の内部に長さの異なる複数の混合流体流通管を備え、各流通管を流れる混合流体の量を調節して改質油製造量を調整できるようにしたことを特徴とする重質油改質システム。
重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造する重質油改質システムにおいて、前記反応器の内部に複数の混合流体流通管を備え、各流通管は流体の流速が異なるように構成し、各流通管を流れる混合流体の量を調節することにより改質油製造量が調整できるようにしたことを特徴とする重質油改質システム。
重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造する重質油改質システムにおいて、前記反応器の底部の未反応重質油が溜まる部分に気体の水を吹き込む水供給管を備え、前記水供給官から供給する水の量を調整することによって未反応重質油のバブリング状態を調節し、改質油製造量が調整できるようにしたことを特徴とする重質油改質システム。
重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造する重質油改質システムにおいて、前記反応器の内部に、前記反応器に導入される混合流体を噴出するための噴霧ノズルを複数個備え、各噴霧ノズルは口径が異なるように構成し、各ノズルから噴出される混合流体の量を調節することによって、改質油の製造量が調整できるようにしたことを特徴とする重質油改質システム。
重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造する重質油改質システムにおいて、前記反応器に重質油と水との混合流体を導入する混合流体導入配管を複数個接続し、各配管にそれぞれバルブを設け、前記反応器の内部に前記混合流体導入配管ごとに混合流体流通管を設け、各流通管は長さと内径の少なくとも一方が異なるように構成し、前記バルブの開閉状態を操作することにより前記反応器内の混合流体の滞留時間を変化させて改質油製造量が調整できるようにしたことを特徴とする重質油改質システム。
請求項５において、前記混合流体流通管の長さを変えたことを特徴とする重質油改質システム。
請求項５において、前記混合流体流通管の内径を変えたことを特徴とする重質油改質システム。
重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造する重質油改質システムにおいて、前記反応器の底部の未反応重質油が溜まる部分に気体の水を吹き込む水供給管を複数本接続し、前記水供給管から吹き込む水の量を変えることによって前記反応器内の重質油と水との接触面積を変化させ改質油製造量が調整できるようにしたことを特徴とする重質油改質システム。
重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造する重質油改質システムにおいて、前記反応器に重質油と水との混合流体を導入する混合流体導入配管を複数個接続し、各配管にそれぞれバルブを設け、前記反応器の内部に前記混合流体導入配管ごとに噴霧ノズルを設け、各噴霧ノズルは口径が異なるように構成し、前記バルブの開閉状態を操作することにより重質油と水との接触面積を変化させ改質油製造量が調整できるようにしたことを特徴とする重質油改質システム。
重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造し、改質油をガスタービンに燃料として供給し発電を行うようにした重質油利用ガスタービン発電システムにおいて、前記反応器の内部に長さの異なる複数の混合流体流通管を備え、各流通管を流れる混合流体の量を調節して、前記ガスタービンの出力に応じて改質油の製造量が調整できるようにしたことを特徴とする重質油利用ガスタービン発電システム。
重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造し、改質油をタービンに燃料として供給し、発電を行うようにした重質油利用ガスタービン発電システムにおいて、前記反応器の内部に複数の混合流体流通管を備え、各流通管は流体の流速が異なるように構成し、各流通管を流れる混合流体の量を調節することにより改質油製造量が調整できるようにしたことを特徴とする重質油利用ガスタービン発電システム。
重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造し、改質油をタービンに燃料として供給し、発電を行うようにした重質油利用ガスタービン発電システムにおいて、前記反応器の底部の未反応重質油が溜まる部分に気体の水を吹き込む水供給管を備え、前記水供給管から供給する水の量を調整することによって未反応重質油のバブリング状態を調節し、改質油製造量が調整できるようにしたことを特徴とする重質油利用ガスタービン発電システム。
重質油と気体となった水との混合流体を反応器に導入し、前記反応器内で重質油を高温高圧下で水と水熱反応させて改質油を製造し、改質油をタービンに燃料として供給し、発電を行うようにした重質油利用ガスタービン発電システムにおいて、前記反応器の内部に、前記反応器に導入される混合流体を噴出するための噴霧ノズルを複数個備え、各噴霧ノズルは口径が異なるように構成し、各ノズルから噴出される混合流体の量を調節することによって、改質油の製造量が調整できるようにしたことを特徴とする重質油利用ガスタービン発電システム。