JPH06509407A - 改良された清浄な動力発生装置 - Google Patents

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】 改良された清浄な動力発生装置 技術分野 本発明は統合ガス化複合サイクル（Ｉ　Ｇ　ＣＣ）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１こ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（こよ 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 る力（ガス化工程からでる廃熱から発生される。また任意であるか、別の動力が ガス化工程とガスタービンの間１こ位置する燃料ガス膨張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。したか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、Ｐ　ｇ　／　Ｐ　ｓ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ＩＧＣＣＯ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張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、１９９１年１０月、第１ ０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ｒＧＣＣ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、また不燃性ガス流 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有ガスによって完全 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。

ボイラて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（Ｎｕｒｓｅ）氏のヨーロッパ特許第０２５９１１ ４８１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張装置にお ける膨張の前に、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（ Ｓｕｇｇｌｔ）およびギルマー（Ｇｌｌｍｅｒ）両氏の米国特許第４２０２１６ ７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Ｉ　ＧＣＣ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張される。そのような膨張は 軸出力を発生するため膨張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、脱硫ユニットと膨張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？＋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Ｉ　Ｇ ＣＣ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、脱硫汲水蒸 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瓜の 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か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バールの高圧蒸気か発生される。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ノ（−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１ ９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４，１０．１２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、ガス膨張装置２１において２１バ ールの圧力まで膨張される。ガス膨張装置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３９０℃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 混合物は過料の、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。

ついて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張装置２１において膨張される。ガス膨 張装置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。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）１．　特許出願の表示 ＰＣＴ／ＧＢ　９２１００４０７ ２、発明の名称 改良された清浄な動力発生装置 ３、特許出願人 住　所　イギリス国りロイドン、ハイ、ストリート、１２５グロスブナ−、ハウ ス 名　称　エイチ、エンド、ジー、プロセス、コントラフティング、リミテッド ４、代　理　人 （郵便番号１００） 東京都千代田区丸の白玉丁目２番３号 ５、　補正書の提出年月日 （１）　補正書の翻訳文　１　通 請求の範囲 １、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流に酸素または酸素 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、Ｉ　ＧＣＣ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、　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、　前記不燃性ガスは窒素である請求項１に記載の方法。

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、　前記不燃性ガスか水蒸気、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、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ントフ反応 をうけさせる前に蒸気を発生させる１漬水項１ないし５のいずれか一項に記載の 方法。

７、　前記減圧が腎脹機関において実施される請求項］ないし６のいずれか一項 に記載の方法。

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。

国＠調審！！ｇ牛 、　、、　ＰＣＴ／ＧＢ　９２１００４０７国際調査報告

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 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む 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、一部が二酸化炭素に変換されてその結 果熱を発生することを含む、炭素質燃料から動力を発生する方法であって、放出 されるシフト熱の少なくとも一部が、ガス流をそれが冷却されかつ脱硫工程を通 された後、また不燃性ガス流がシフトされたガス流に添加された後再熱され；つ いで不燃性およびシフト脱硫ガスの混合物の少なくとも大部分が動力を発生する ために付加される酸素または酸素含有ガスでほぼ完全に燃焼される動力発生方法 。
2. ２．前記不燃性ガスが水蒸気である請求項１に記載の方法。
3. ３．前記不燃性ガスが窒素である請求項１に記載の方法。
4. ４．前記不燃性ガスが二酸化炭素である請求項１に記載の方法。
5. 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. ６．急冷された流れをそれが前記発熱シフト反応をうける前にボイラを通して蒸 気を発生させる工程をさらに有する請求項１ないし５のいずれか一項に記載の方 法。
7. ７．前記脱硫されたガス流の圧力を前記不燃性ガス流が添加されれる前に低下さ せる工程をさらに有する請求項１ないし６のいずれか一項に記載の方法。
8. ８．前記圧力低下が軸出力を発生するため膨張タービンにおいて実施される請求 項７に記載の方法。
9. ９．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む 超大気圧のガス流を発生する装置、部分酸化装置下流の前記ガス流を直接水によ って急冷する急冷容器、必要ならばガス流を一酸化炭素シフト反応を開始するの に十分な温度に加熱する装置、ガス流に一腰化炭素シフト反応をうけさせそれに より少なくとも一酸化炭素のいくらかが熱を放出して二酸化炭素に変換される装 置、シフトされたガス流からでた熱をそれが硫黄化合物を除去する装置および不 燃性ガス流を添加する装置を通った後シフトガス流に戻す装置および付加的酸素 または酸素含有ガスを有する脱硫シフトガスからの少なくとも大部分のほぼ完全 な燃焼から動力を発生する装置を有する炭素質燃料から動力を発生する設備。
10. １０．硫黄化合物除去の後かつ不燃性ガス流の添加の前シフトされたガス流の圧 力を低下する装置をさらに有する請求項９に記載の設備。
11. １１．請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の方法または設備によって発生 された時の電力の形式の動力。