JPH02115531A - 熱交換方法 - Google Patents

熱交換方法

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JPH02115531A
JPH02115531A JP26797388A JP26797388A JPH02115531A JP H02115531 A JPH02115531 A JP H02115531A JP 26797388 A JP26797388 A JP 26797388A JP 26797388 A JP26797388 A JP 26797388A JP H02115531 A JPH02115531 A JP H02115531A
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JP
Japan
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heat exchanger
working fluid
fuel
combustion
turbine
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JP26797388A
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English (en)
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Star Frederick
フレデリック スター
Hedley Gibson Graville
グレーヴィル ヘドリー ギブソン
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British Gas PLC
Original Assignee
British Gas PLC
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
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    • Y02E20/18Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]

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  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、作用および化学プロセス流体の加熱、および
そのような流体の加熱を含むエネルギー発生および化学
方法に関する。
公知の電力発電所において、燃料がボイラで燃焼され、
発電機を駆動するスチーム(水蒸気)タービン内で膨張
される圧力でスチームを発生する。
熱が仕事に変換されるすべてのプロセス(過程)に関し
て、スチームタービンの熱効率は次の式で表されるよう
な熱エンジンに入りそして出る作用流体またはプロセス
流体の温度の関数である。
効率−f[(1−r流出)/T流流入 熱熱効率改良はT流入の値を増加することおよび(また
は)T流出の値を減少することによって達成できる。
発電においてガスタービンを駆動するための加熱したガ
スの使用は、T流入、すなわち熱エンジンに対する流入
温度を増加して、熱効率を増加する1つの方法である。
しがしなから、約500℃のガスタービンからの高温流
出温度(T流出)は高温流入温度から得られる効率利得
の多くを減少するように作用する。公知の産業上のガス
タービンに対する構成上の材料は、タービンに入る燃焼
ガスのような加熱したガスの温度が約1100℃を越え
るべきでないことを意味している。過度の高温は燃料の
完全燃焼に対する理論要求量の3ないし4倍の程度の空
気/燃料比を用いることによって避けられる。しかしな
から、過剰の空気要求を与えるためにニアコンプレッサ
を駆動しなければならないという“補助的な仕事”が大
きく、全電力出力の50%を越える。
ガスタービンおよびスチームタービンの循環の組合わせ
(組合わせた循環発電)によって、ガスタービンに対す
る比較的高いタービン入力温度およびスチームタービン
の出力における比較的低いスチーム温度の利点が得られ
る。しかしなから、かなり過剰の空気を与えてガスター
ビン入力温度を約1100℃を越えないように保つ問題
が残っている。また、組合わせな循環に対して燃料の形
態のエネルギー人力の約20%が煙道ガス内の実質的な
熱および潜熱として失われる。
本発明の目的は、燃料の燃焼から得られる高温を作用流
体の加熱に対して利用できる方法を提供することにある
1つの態様として、本発明は、作用流体または化学プロ
セス流体を加熱する方法であって、炭化水素または合成
ガス系の燃料が酸素の理論量以下の量で燃焼されて未反
応材料および燃焼生成物の実質的に非酸化性のガス状混
合物を生じさせ、混合物が熱交換器内で作用流体または
化学プロセス流体に間接的に熱を伝達する方法において
、用いられる酸素量が圧力1ないし100バールで14
00℃ないし2800℃の温度を有する実質的に非酸化
性のガス状混合物を生じさせるように燃料の燃焼に対し
て充分であり、熱交換器の熱伝達表面が耐火金属または
耐火金属合金から作られることを特徴とする方法である
他の態様としては、本発明は、電力発生方法において、
酸素の理論量以下の量を用いて反応性炭化水素または合
成ガス系の燃料内で部分燃焼して未反応材料および燃焼
生成物の実質的に非酸化性のガス状混合物を発生し、熱
伝達表面が耐火金属または耐火金属合金から作られた第
一間接熱交換器に1400℃ないし2800℃の温度で
1.5ないし100バールの圧力の前記ガス状混合物を
供給して、閉鎖流体循環系で作用する第一作用流体を5
00℃ないし1600℃の温度に間接加熱し、500℃
ないし1600℃の温度で0.1ないし300バールの
圧力の加熱した作用流体を第二膨張タービンに供給して
発電機を駆動するタービンを駆動する、ことを特徴とす
る方法である。
この明細書において、500℃ないし1600℃の温度
において耐火特性を呈しかつ実質的に非酸化性の雰囲気
内で0.1ないし300バールの圧力を有することので
きる金属または金属合金は、耐火金属または耐火金属合
金と呼びかつ低酸化物安定性を有するものを含む、この
ような耐火金属の例は、保護酸化物が燃料燃焼条件に対
して理論空気量以下の量の下で形成するものであり、例
えばモリブデン、鉄、ニッケル、およびコバルトまたは
これらの合金である。このような耐火金属合金の例は、
無視できない酸化を防止するために燃料燃焼条件に対す
る理論空気量以下の量を要するニッケルーモリブデン合
金または分散硬化合金である。
好ましくは、第一熱交換器から出る第一作用流体は第二
間接熱交換器に流れ、第二閉鎖流体循環内で作用する第
二不活性作用流体を間接加熱する。
加熱された第二作用流体は第二膨張タービンに向けられ
第二発電機を駆動するタービンを駆動する。
第二膨張タービンから出る第二作用流体は第二熱交換器
に戻される。
第一作用流体はヘリウム、アルゴンまたは炭化水素また
は安全なガス混合物または化学プロセス流体、例えばそ
の後化学プロセスで用いられる水素およびメタンの混合
物である。このような流体は前述のように定義した耐火
金属および合金に対して実質的に非酸化性である。第二
作用流体はスチームタービンを駆動するスチームである
0作用流体はタービン材料および熱交換材料に関して実
質的に化学的に不活性であるべきである。
さらに、第一熱交換器から出る燃焼ガス混合物内の部分
的に反応した燃料は完全燃焼を受け、生成ガスは400
℃ないし1500℃の温度でがっ1.5ないし100バ
ールの圧力で他の熱交換タービンに向けられ、他の発電
機を駆動する前記タービンを駆動する。
他の膨張タービンを出るガスは第二閉鎖流体循環内で流
体を間接加熱するのに用いられる。完全燃焼段の前で、
第一熱交換器から出た未反応燃料が少なくとも1回理論
酸素量以下の量で部分燃焼させられる。
燃料は、その主成分として水素、−a化炭素および二酸
化炭素を持つ天然ガスまたは合成ガスであり、一方酸素
は空気から与えられる。燃料が天然ガスのとき、燃料の
初期の部分燃焼に用いられる好ましい酸素の量は理論要
求量の20ないし85重量%である。
実質的に非酸化性のガス状混合物が第一熱交換器に達す
る前に、未反応燃料は少なくとも1回他の理論酸素量以
下の酸素量で部分燃焼させられる。
本発明のプロセスを操作する、組合わせたガスタービン
/スチームタービンのプラント(設備)の一実施例を概
略的に示す添付図面を参照して、例示的に、本発明を説
明する。
プラントは還元ガス発生器1を有し、還元ガス発生器に
おいて、例えば石炭ガス化器(図示せず)から供給され
た天然ガス、軽質炭化水素ガスまたは合成ガスが完全燃
焼を達成する理論空気要求量以下で部分燃焼される0部
分燃焼に対する空気(エア)はニアコンプレッサ2から
供給され、ニアコンプレッサは電気モータ3またはガス
タービン(後述する)からシャフト4を介して駆動され
る。
天然ガスが燃料である場合、空気の量は、例えば理論要
求量の70%であり、得られた未反応燃料および燃焼生
成ガスの非酸化性ガス状混合物は約1700℃である。
窒素およびスチーム(水蒸気)を除いて考えると、生成
ガスの主成分は水素および一酸化炭素であるので、発生
した雰囲気は強力な還元性である。
還元ガス発生器1から前述のように得られたガス状混合
物は、表面を形成する成分がモリブデンから作られた熱
交換器6に向けられ、この実施例ではヘリウムである実
質的に非酸化性である作用流体を間接加熱し、作用流体
は、後述する第一閉鎖循環系内で作用する。熱交換プロ
セスはヘリウムの温度を約1100℃に上昇し、その圧
力は15−300バールの範囲にある。
加熱したヘリウムはガス膨張タービン7に向けられ、シ
ャフト9を介して発電機8を駆動するタービンを作動す
る。ヘリウムは約600℃の温度および約1−30バー
ルの圧力の膨張した状態でタービン7から出る。その後
、膨張したヘリウムは第二間接熱交換器に運ばれ、この
実施例ではスチームでありかつ後述する第二閉鎖流体循
環系内で作用する第二不活性作用流体を加熱する。
ヘリウムは約150℃の温度で第二熱交換器10から出
て、やはり後述するボイラ給水加熱器11を通る。ヘリ
ウムは約50℃の温度でボイラ給水加熱器11から出て
、その後、例えばガスタービン7からシャフト13を介
して駆動されるコンプレッサ12によって圧縮される。
300℃の温度で、圧縮したヘリウムはモリブデン熱交
換器6に至り、前述した第一閉鎖流体循環を継続する。
第二閉鎖流体循環内で、ボイラ給水加熱器11からの水
/スチーム作用流体は、水/スチームを加熱して約56
5℃の温度のスチームを発生することによってスチーム
発生器として機能する第二熱交換器10に流れる。この
加熱スチームはスチームタービン14に流れ、スチーム
タービン14を駆動し、スチームタービンはシャフト1
6を介して発電機15を駆動する。スチームタービンか
ら出た膨張したスチームはスチーム凝縮器(復水器)1
7内で凝縮され、凝縮器から約35℃の温度の凝縮した
水がポンプ18でボイラ給水加熱器に戻され、前述の第
二閉鎮流体循環を継続する。
部分燃焼した燃料ガスは約350℃の温度でポリプラン
熱交換器6から出て第二還元ガス発生器、すなわち燃焼
室19に流れ、そこで部分反応燃料が酸素を理論量にも
たらすようにニアコンプレッサから供給される所要の量
の空気で完全燃焼される。燃焼生成ガスは約1100℃
の温度で燃焼室19から出てガスタービン5に直接流れ
る。ll張した低圧力ガスは約600℃の温度でガスタ
ービン5から出て、これらのガスは熱回収スチーム発生
器20に導かれ、スチーム発生器において、ポンプ18
を介して約35℃で供給された水が高温ガスによって間
接加熱されて約565℃のスチームを発生し、そのスチ
ームはスチームタービン14に流される。このようにし
て、スチーム発生器20から得られる熱回収は熱交換器
10を介して得られる熱回収と合わされる。熱回収スチ
ーム発生器20から出るガスは排気ガスとして放出され
る。もし、ガス発生器1を出る部分燃焼ガス状混合物の
熱含有量が、燃焼室19内で生じる完全燃焼がガスター
ビン5で許容される以上の生成ガスの温度、この実施例
の場合、例えば1100℃以上になるようなものである
ならば、ガス状混合物が燃焼室19に達する前に、未反
応燃料が理論量以下の酸素量で1つまたはそれ以上のス
テージ(段) (図示せず)内でさらに部分燃焼させら
れる。そのような1つまたはそれ以上の部分燃焼段から
の熱は前述の第一閉鎖流体循環と同様な閉鎖流体循環系
(図示せず)内で作用する作用流体と熱交換されてもよ
い、このような他の部分燃焼段は、完全燃焼がガスター
ビン5に許容される温度で生成ガスを与えるまで、実行
される。
この実施例の最終燃焼段に対する空気は理論要求量の約
3分の1以下であり、公知の組合わせた循環電力発生プ
ラントでの通常の空気要求量の約10%に対応する。
【図面の簡単な説明】
図面は、本発明のプロセスを操作する組合わせたガスタ
ービン/スチームタービンプラントの一実施例を概略的
に示す図である。 1・・・還元ガス発生器、 2・・・ニアコンプレッサ、 3・・・電気モータ、 5・・・ガスタービン、 6・・・熱交換器、 7・・・ガス膨張タービン、 8・・・発電機、 10・・・第二熱交換器、 11・・・ボイラ給水加熱器、 12・・・コンプレッサ、 14・・・スチームタービン、 15・・・発電機、 17・・・スチーム凝縮器、 18・・・ポンプ、 19・・・燃焼室、 20・・・スチーム発生器。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)作用流体または化学プロセス流体を0.1−30
    0バールの圧力において500℃および1600℃の間
    に加熱する方法であって、炭化水素または合成ガス系の
    燃料が酸素の理論量以下の酸素量で燃焼されて未反応材
    料および燃焼生成物の実質的に非酸化性のガス状混合物
    を生じさせ、混合物が熱交換器内で作用流体または化学
    プロセス流体に間接的に熱を伝達する方法において、用
    いられる酸素量が圧力1ないし100バールで1400
    ℃ないし2800℃の温度を有する実質的に非酸化性の
    ガス状混合物を生じさせるように燃料の燃焼に対して充
    分であり、熱交換器の熱伝達表面が低酸化物安定性を持
    つ耐火金属または耐火金属合金から作られることを特徴
    とする方法。
  2. (2)電力発生方法において、 −酸素の理論量以下の酸素量を用いて反応性炭化水素ま
    たは合成ガス系の燃料内で部分燃焼して未反応材料およ
    び燃焼生成物の実質的に非酸化性のガス状混合物を発生
    し、 −熱伝達表面が耐火金属または耐火金属合金から作られ
    た第一間接熱交換器に1400℃ないし2800℃の温
    度で1.5ないし100バールの圧力の前記ガス状混合
    物を供給して、閉鎖流体循環系で作用する第一作用流体
    を500℃ないし1600℃の温度に間接加熱し、 −500℃ないし1600℃の温度で0.1ないし30
    0バールの圧力の加熱した作用流体を第一膨張タービン
    に供給して発電機を駆動するタービンを駆動し、 −タービンから出る作用流体を熱交換器に戻す、ことを
    特徴とする方法。
  3. (3)請求項2記載の方法において、第一熱交換器から
    出る第一作用流体は第二間接熱交換器に流され、第二閉
    鎖流体循環内で作用する第二作用流体を間接加熱し、加
    熱した第二作用流体を第二タービンに向け、第二発電機
    を駆動するタービンを駆動し、第二膨張タービンから出
    る第二作用流体を第二熱交換器に戻す、ことを特徴とす
    る方法。
  4. (4)請求項3記載の方法において、第二作用流体がス
    チームであることを特徴とする方法。
  5. (5)請求項2、3または4のいずれか1つに記載の方
    法において、第一熱交換器からのガス状混合物に存在す
    る未反応燃料が完全燃焼を受けて400℃ないし150
    0℃の温度で1.5ないし100バールの圧力の生成ガ
    スを他の膨張タービンに向け、他の発電機を駆動する前
    記タービンを駆動する、ことを特徴とする方法。
  6. (6)請求項3または4のいずれかに従属する請求項5
    記載の方法において、他の膨張タービンから出るガスは
    前記第二閉鎖流体循環内で流体を間接加熱するのに用い
    られることを特徴とする方法。
  7. (7)請求項5または6のいずれか1つに記載の方法に
    おいて、実質的な完全燃焼段以前に、第一熱交換器から
    出た未反応燃料が少なくとも1回理論量以下の酸素量で
    部分燃焼されることを特徴とする方法。
  8. (8)請求項1ないし7のいずれか1つに記載の方法に
    おいて、実質的に非酸化性のガス状混合物が第一熱交換
    器に達する前に、未反応燃料が少なくとも1回理論量以
    下の酸素量で部分燃焼されることを特徴とする方法。
  9. (9)請求項1ないし8のいずれか1つに記載の方法に
    おいて、第一熱交換器の熱伝達表面がモリブデンから作
    られることを特徴とする方法。
  10. (10)請求項1ないし9のいずれか1つに記載の方法
    において、燃料が天然ガス、軽質炭化水素ガス、または
    合成ガスであることを特徴とする方法。
  11. (11)請求項10記載の方法において、燃料が天然ガ
    スであり、用いられる酸素の量が理論量の20%ないし
    85%であることを特徴とする方法。
  12. (12)請求項1ないし11のいずれか1つに記載の方
    法において、第一作用流体がヘリウム、アルゴンまたは
    水素、または耐火金属に対して非酸化性であるそのよう
    なガスの安定混合物であることを特徴とする方法。
  13. (13)請求項1ないし12のいずれか1つに記載の方
    法において、燃料が空気で燃焼されることを特徴とする
    方法。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5951656A (ja) * 1982-09-17 1984-03-26 Canon Inc 画像記録装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5951656A (ja) * 1982-09-17 1984-03-26 Canon Inc 画像記録装置

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