CN101014686B - 气体重整设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的气体重整装置能够将低热量气体重整为稳定的燃气轮机用燃料。该装置具备：具有天然气供给线(7)和空气供给线(8)，将天然气与空气加以混合，使该混合气体发生化学反应而重整，以制造含氢气的重整气体用的反应容器的重整气体制造装置(3)、将低热量气体与上述重整气体制造装置(3)提供的重整气体加以混合，作为燃料气体提供给燃气轮机设备(1)用的混合调整装置(5)、从所述重整气体制造装置(3)向所述混合调整装置(5)提供重整气体用的重整气体供给配管(4)、从所述混合调整装置(5)向燃气轮机设备(1)提供燃料气体用的燃料气体供给配管(2)、以及控制所述重整气体制造装置(3)和混合调整装置(5)的动作用的控制装置(10)。

Description

气体重整设备
技术领域
本发明涉及气体重整设备，更详细地说，涉及将低热量(卡路里)气体(例如高炉气体、即BFG、以及其他制铁工艺的气体副产品)作为燃气轮机的燃料使用时，为了能够持续稳定燃烧，在上述低热量气体中添加重整气体，以此调整燃料气体的气体成分或气体的热量(卡路里)的气体重整设备。
背景技术
向来、利用低热量气体的例子，以例如制铁领域的高炉气体(BFG)等气体副产品作为燃气轮机的燃料使用进行发电等实例越来越多。另一方面，由于高炉内的能量利用效率的提高，作为工艺废气的BFG的发热量一年比一年低。这样的低热量的高炉气体作为燃料使用的情况下，燃气轮机容易熄火，熄火时燃气轮机紧急停止。而且在BFG的氢含量少的情况下，不容易点火和保持火焰，因此容易熄灭。而且在上述低热量的情况下，有时候其特性、发热量、发生量等会发生变动。
作为这样的问题的解决办法，有人提出了通过在低热量的BFG中添加炼焦炉气体(也称为COG)或天然气(也称为NG)以增加发热量和气体量本身并使其燃烧的方案(参考日本专利文献1和专利文献2)。
使用COG的理由是，COG是中等发热量的气体，与低热量气体的发热量差小，因此容易混合，而且由于COG的主成分是氢，通过使低热量气体中的氢含量增加，能够使其有良好的着火和保持火焰的性能。
但是，COG不是到处都容易得到的气体。而且，COG中包含有较多的氨气、氰化氢等，燃烧时将发生大量有害的氮氧化物。而且包含于COG的氮氧化物与丁二烯(butadiene)·环戊二烯(シクロペンタジエン)等不饱和碳氢化合物发生聚合反应，生成高分子的橡胶状物质(也称为“NO-Gum”)，有可能因此给燃料控制阀和燃气轮机的喷嘴造成麻烦。要解决这些问题需要大规模的COG前处理设备(去除氨气和氰化氢，添加氢用的装置)。而且COG也含有较多的硫化氢(H2S)，因此有时候需要用于减少燃烧后的废气中的二氧化硫浓度用的脱硫装置。这样就大幅度提高了设备的成本，而且也增加了设备维修保养的负担。
另一方面，在混合有天然气(NG)的情况下，通常的天然气不包含氢，因此与混合COG的情况相比，为了保持燃烧稳定性，不得不使燃料气体成为具有高热量的气体，其结果是，在燃烧时使所谓有害的thermal NO增加。而且，天然气含有的可燃性成分几乎都是以甲烷为主的碳化氢，如果将其与低热量气体混合，则低热量气体的组成恐怕会有很大的变化。而且天然气是高热量气体(约40MJ/m3N)，与低热量气体的热量(约12MJ/m3N以下)有很大的差异。因此NG的增热效果显著，所以在增热时候不得不减小低热量气体与天然气的混合比，其结果是，难以确保气体的混合性能。在其不一样的程度变动大的情况下，其影响在燃气轮机中燃烧时会出现，造成燃烧温度不均匀。在这种不均匀很大的情况下，会损伤燃气轮机的燃烧器和透平部。
专利文献1：日本特开2002-155762号公报
专利文献2：日本特开平9-317499号公报
发明内容
本发明的发明人认为，为了以BFG等低热量气体作为燃料气体使其稳定燃烧，在低热量气体中混入高热量气体，使该混合气体的发热量增加，以此确保燃烧稳定的进行的方法不是根本意义上的方法，同时使低热量气体中的氢含量增加到稳定燃烧所需要的水平是有效的方法。着眼于此是因为氢气具有良好的着火和保持火焰的性能，这一性质可以有效利用。
而且本发明的发明人着眼于在不得不减少对燃烧装置提供低热量气体的供应量，例如不得不降低作为燃烧装置的一种的燃气轮机的输出的情况下，或燃气轮机的包括部分负载的稳定运行处于有困难的状态的情况下，利用重整气体制造设备另行发生中等热量的气体(发热量约为20MJ/m3N)左右的气体)，将其混合于低热量气体中，以此使低热量气体增加热量，使燃气轮机的运行能够持续进行。这是由于在为使低热量气体增热而使用天然气那样的高热量气体的情况下，在低热量气体中混合高热量气体的混合比小，因此难于确保同样的气体混合性能，相反，在使用中等热量的气体的情况下，其混合比可以较大，由于混合的两种气体的热量差小，因此容易确保同样的气体混合性能。而且着火和保持火焰的性能好的氢气含量在混合后也增加了。
本发明是鉴于这样的情况而作出的，其目的在于，提供在将特性不稳定的低热量气体作为燃气轮机的燃料使用的情况下，通过在其中添加重整气体，重整低热量气体的气体特性，使其成为特性稳定的燃料气体，实现燃烧稳定性用的气体重整设备(气体特性改善设备)。
为了实现上述目的，本发明的气体重整设备
其特征在于，具备
具有天然气供给线和空气供给线，将天然气与空气加以混合，使该混合气体发生化学反应而重整，以制造含氢气的重整气体用的反应容器的重整气体制造装置、
将低热量气体与该重整气体制造装置提供的重整气体加以混合，作为燃料气体提供给燃气轮机设备用的混合调整装置、
从所述重整气体制造装置向所述混合调整装置提供重整气体用的重整气体供给通路、
从所述混合调整装置向燃气轮机设备提供燃料气体用的燃料气体供给通路、以及
控制所述重整气体制造装置和混合调整装置的动作用的控制装置。
所谓低热量气体包括例如高炉气体(BFG)、直接还原制铁法或熔融还原制铁法发生的气体副产品、炼焦炉气体(COG)、转炉气体(LDG)、煤层中包含的煤层气体(即Coal mine gas，简称CMG)、GTL(Gas to Liquids)工序中发生的尾气、从油砂精制油的工序中发生的气体副产品、使用等离子体焚烧垃圾时发生的气体、包含生垃圾的一般废弃物在其掩埋地发酵、分解的过程中产生的甲烷气体(Landfillgas)、以及其他类似的由于高热使得原料发生热化学反应时伴随反应发生的其他副产品等低热量气体。当然，像作为BFG B与COG的混合气体使用那样，不用说上述气体单独使用，即使是将两种以上的气体适当混合使用的情况下，也能够适用本发明。天然气也包含液化天然气。
又，最好是上述重整气体制造装置还具备蒸汽(以下简称“蒸汽”)供给线，形成能够在天然气与空气的混合气体中再添加蒸汽使其进行化学反应，以此进行重整，将得到的重整气体提供给上述混合调整装置的结构。因为加入蒸汽混合使重整气体的氢浓度进一步上升。
最好是还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的氢浓度检测器，
上述控制装置形成能够根据上述氢浓度检测器的检测信息，调整由重整气体制造装置提供给混合调整装置的重整气体量的结构。
最好是还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的氢浓度检测器，
上述控制装置形成能够根据上述氢浓度检测器的检测信息，变更重整气体制造装置中的天然气与空气的混合比，以此改变重整气体的氢浓度的结构。
最好是上述重整气体制造装置具备蒸汽供给线的装置中，还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的氢浓度检测器，
上述控制装置形成能够根据上述氢浓度检测器的检测信息，变更重整气体制造装置中的天然气、空气与蒸汽的混合比，以此改变重整气体的氢浓度的结构。因为通过蒸汽的混合，能够扩大重整气体的氢浓度的调整幅度。
最好是还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的氢浓度检测器、以及
在上述混合调整装置内配设的，利用稀释用的气体稀释燃料气体用的稀释气体供给装置；
上述控制装置形成能够根据上述氢浓度检测器的检测信息，在燃料气体中混合稀释气体供给装置来的稀释气体的结构。
最好是还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的氢浓度检测器，
上述控制装置形成能够根据上述氢浓度检测器的检测信息，变更重整气体制造装置中的天然气与空气的混合比，以此改变重整气体的发热量的结构。
最好是在上述重整气体制造装置具备蒸汽供给线的装置中，还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的氢浓度检测器，
上述控制装置形成能够根据上述氢浓度检测器的检测信息，变更重整气体制造装置中的天然气、空气与蒸汽的混合比，以此改变重整气体的发热量的结构。
最好是还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的发热量测量手段，
上述控制装置形成能够根据上述发热量测量手段的检测信息，调整从重整气体制造装置向混合调整装置提供的重整气体的量的结构。
最好是还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体发热量测量手段，
上述控制装置形成能够根据上述发热量测量手段的检测信息，变更重整气体制造装置中的天然气与空气的混合比，以此改变重整气体的发热量的结构。
最好是在上述重整气体制造装置具备蒸汽供给线的装置中，还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体发热量测量手段，
上述控制装置形成能够根据上述发热量测量手段的检测信息，变更重整气体制造装置中的天然气、空气与蒸汽的混合比，以此改变重整气体的发热量的结构。
最好是还具备在燃料气体供给通路上配设的测定通路内压的压力测量手段，
上述控制装置形成能够根据上述压力测量手段的检测信息，调整从重整气体制造装置向混合调整装置提供的重整气体的量的结构。
最好是还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体发热量测量手段，以及
在上述混合调整装置内配设的，利用稀释用的气体稀释燃料气体用的稀释气体供给装置，
上述控制装置形成能够根据上述发热量测量手段的检测信息，在燃料气体中混合由稀释气体供给装置提供的稀释气体的结构。
上述重整气体制造装置为了促进其反应容器中的化学反应，最好是还具备由燃气轮机设备提供加热用蒸汽用的加热用蒸汽供应线。
上述重整气体制造装置为了用于为促进其反应容器中的化学反应而进行的加热，除了上述加热用蒸汽供给线外，最好是还具备从燃气轮机设备抽出高温压缩气体提供给反应容器的抽气线路，形成能够有选择地提供蒸汽与所抽取的高温气体的结构。由于在使反应容器的化学反应开始的时刻，该设备内处于尚未发生蒸汽的过渡状态，因此能够得到加速反应所需要的热源。
最好是上述重整气体制造装置在其重整气体供给通路上具有热交换手段，该热交换手段形成能够使提供给反应容器的天然气和空气的混合气体与提供给上述混合调整装置的重整气体进行热交换的结构。因为能够将高温化的重整气体冷却到合适的温度，同时能够在反应之前对混合气体进行预热。
最好是上述重整气体供给通路具有使提供给上述混合调整装置的重整气体冷却用的冷却手段。
最好是上述冷却手段配置于重整气体供给通路的上述热交换手段的下游侧，形成能够使重整气体中的液体成分凝集并将其去除的结构。
最好是在所述重整气体供给通路上配设缓冲容器，该缓冲容器能够吸收重整气体流量的变动，以此形成能够使提供给上述混合调整装置的重整气体的压力稳定化的结构。因为在混合调整装置中重整气体能够与低热量气体均匀混合。
如果采用本发明，则能够将几乎没有杂质的NG重整，使其氢的存在明显化，将这种含氢的清洁的重整气体，作为重整BFG等低热量气体的特性的气体使用。其结果是，能够使低热量气体的氢含有率稳定化等，将低热量气体作为稳定的燃料使用。
而且即使是低热量气体的供应量减少的情况下，也能够利用含有与低热量气体的混合性能良好而且着火和保持火焰的性能良好的氢气的重整气体，增加低热量气体的发热量，以此使设备的运行持续保持稳定。
附图说明
图1是本发明一实施形态的气体重整设备的概略方框图。
图2是图1的设备的重整气体制造装置的一个例子的方框图。
图3是提供给图1的设备的燃气轮机发电设备的燃料气体的供给线的一个例子的方框图。
图4是图1的设备的燃气轮机发电设备的一个例子的方框图。
图5是该混合气体的发热量与空气相对于假定成分只有CH4的天然气的混合比的关系曲线图。
图6是重整处理后的该气体的主要燃烧成分的体积比例与空气相对于假定成分只有CH4的天然气的混合比的关系曲线图。
图7是图2的重整气体制造装置的A部的其他例子的方框图。
图8是图2的重整气体制造装置的A部的又一例子的方框图。
图9是表示图1的设备中的燃气轮机发电设备以及提供给该设备的燃料气体的供给线的其他实施例的方框图。
符号说明
1……燃气轮机发电设备
2……燃料气体供给配管
3……重整气体制造装置
4……重整气体供给配管
5……混合调整装置
6……附属设备
7……天然气供给配管
8……空气供给配管
9……加热用蒸汽供给配管
10……控制装置
11……第1混合器
12……催化反应容器
13……热交换器
14……雾分离器
15……过滤器
16……升压风扇
16a……旁路配管
17……混合气体供给配管
18……第2混合器
19……冷却器
20……缓冲容器
21……H2浓度计
22……O2浓度计
23……CO浓度计
24……CH4浓度计
25……旁路配管
26……BFG供给配管
27……缓冲容器
28……CO浓度计
29……H2浓度计
30……稀释装置
31……稀释气体供给配管
32……除尘器
33……H2浓度计
34……卡路里计(气体分析器)
35……热量压缩机
36……燃气轮机
37……燃烧器
38……发电机
39……旁路配管
40……冷却器
41……排热回收锅炉
42……蒸汽轮机
43……烟囱
44……发电机
45……蒸汽供给管道
51～58……流量调节阀
61～66……压力计
71～76……流量计
81～89……温度计
91……蒸汽配管
92……抽气配管
93……流量调节阀
94……第3混合器
95……升压压缩机
96……旁路配管
97……空气冷却器
98……流量调节阀
99……空气压缩机
100……旁路配管
101……空气冷却器
102、103……流量调节阀
104……第4混合器
111……CH4浓度计
112……CO浓度計
113……CH4浓度计
AIR……空气
BFG……高炉气体
NG……天然气
U……使用地点
具体实施方式
下面参照附图对本发明的气体重整设备的实施形态进行说明。
图1是本发明一实施形态的气体重整设备(以下简称“设备”)的概略方框图。该设备具备：对燃气轮机发电设备1提供以低热量气体(以下在本实施形态中以BFG表示)为主体的燃料气体的燃料气体供给配管2、制造重整器气体的重整气体制造设备3、从重整气体制造设备3使重整气体合流于燃料气体供给配管2的重整气体供给配管4、以及配设于燃料气体供给配管2与重整气体供给配管4的合流点的，将BFG与重整气体混合进行燃料气体调整的混合调整装置5。燃气轮机发电设备1上附设有效利用排热的附属设备6。重整气体制造设备3上连接提供作为重整气体的原料的天然气、空气以及蒸汽的天然气供给配管7、空气供给配管8、以及蒸汽配管91。而且在重整气体制造设备3上连接为了在那里使天然气发生部分氧化反应的而进行加热的加热用蒸汽供给配管9以及燃气轮机抽气空气配管92(以下简称“抽气配管”)。又在该设备1上配设对重整气体的制造、重整气体的供给、以及BFG与重整气体的混合调整进行控制用的控制装置10。
在上述重整气体制造设备3中，将天然气与空气混合，使其部分氧化，分解天然气中的甲烷(CH4)，使氢气(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、水分(H2O)的存在明显化。液化的水分作为排水排出，而其他全部作为重整气体混合于BFG中。只是这样使天然气分解，不是取出纯水氢气，因此不需要脱硫、去除焦油、萘等的前处理设备。而且得到CH4、H2、CO这些可燃成分。通过改变天然气与空气的混合比，能够调节这些可燃成分的比例。从而，能够使其适合选择为燃料气体的低热量气体成分。
在使用的天然气是低压气体时和高压气体时配管设备有若干不同，但是在图1中将两者合在一起记载。例如上述重整气体供给配管4因天然气是低压还是高压而有不同，但是在图1中，低压重整气体供给配管4a与高压重整气体供给配管4b合在一起表示。所谓低压天然气是指提供给重整气体制造设备3的天然气比燃气轮机对供给的燃料要求的压力低的天然气。相反，所谓高压天然气是指比燃气轮机对供给的燃料要求的压力高的天然气，例如使液化天然气在封闭的地方气化的状态。
使用低压天然气得到的重整气体的压力也是低的。在这种情况下，低压重整气体通过低压重整气体供给配管4a被发送到混合调整装置5，在这里与BFG混合。混合调整装置5对从重整气体供给配管4a向BFG提供的重整气体的量进行调整，以使燃料气体中氢的含有率在固定的范围内，同时根据需要提供稀释气体。燃气轮机发电设备1以该重整的混合BFG作为燃料使燃气轮机运行、进行发电。附属设备6上，如下所述设置利用燃气轮机36来的排热的排热回收锅炉41和蒸汽轮机42。
在使用高压天然气的情况下，如下所述，空气供给配管8也采用高压用的配管，因此与使用低压天然气的情况不同。而使用高压天然气得到的重整气体的压力是高的。不将高压重整气体送到混合调整装置5，而通过高压重整气体供给配管4b将其直接送到燃气轮机发电设备1内的燃料气体供给配管2，在这里与BFG混合。
下面参照图2～3对上述各设备2、3、5、6进行说明，首先对使用低压天然气的情况进行说明。其后，对使用高压天然气的情况下的不同点进行说明。
(低压重整气体制造设备3的结构)
图2表示构成重整气体制造装置3的机器配管的概念图。在实际机器中，各机器的数量、配管顺序等可以变更。而且不限于预备机、预备系统、维修保养用的装置、监视用的装置、高功能化、高精度化、稳定化、简单化等，有时候根据设备设计者或使用者的意图，可以在本发明的范围内改变各详细部位。
重整气体制造设备3具备用于将天然气与空气加以混合的第1混合器11、将混合的气体加热以使其部分液化的反应容器12、以及使发送到反应容器12的混合气体与利用反应热加热到高温的气体进行热交换的热交换器13。为了将反应容器12加热到混合气体的化学反应所需要的温度，从反应容器12上连接的加热用蒸汽供给配管9提供蒸汽，或者，从由燃气轮机空气压缩机38a(参照图4)连接到反应容器12的上述抽气配管92抽取的高温压缩气体通过流量调节阀103提供。抽气配管92上设置温度计89。上述燃气轮机空气压縮機38a来的高温压缩空气不能够使用时，使用加热用蒸汽供给配管9来的蒸汽。而且，蒸汽与高温压缩空气只在反应容器12启动时提供，反应开始后利用混合气体自身的反应热使反应持续进行。
在该重整气体制造设备3的各配管上，设置各种测量设备和流量调节阀(以下称为“流量调节阀”)。下面沿着流体的流动方向对其进行说明。
首先，通过天然气供给配管7提供的天然气在通过流量调节阀51之后达到雾分离器14，其液体成分被去除。在重整气体制造设备3到第1混合器11的配管7上设置压力计61和流量计71。第1混合器11上也设置压力计63。
通过空气供给配管8提供的空气，在利用过滤器15除尘后，利用升压风扇16，通过流量调节阀52a、52b被压送到第1混合器11。在第1混合器11，空气与天然气混合。在该空气供給配管8上的上述流量调节阀52a的下游设置压力计62和流量计72。而且在空气供給配管8上配设使上述升压风扇16旁通的旁路配管16a。该旁路配管16a上设置流量调节阀53。该旁路配管16a用于确保升压风扇16能够连续运行的最小流量。
另一方面，通过蒸汽配管91提供的蒸汽在通过流量调节阀93之后被提供给第3混合器94，混合于天然气与空气的混合气体中。符号76表示流量计。
重整气体制造设备3中，利用第1混合器11将空气与天然气混合形成的混合气体在利用热交换器13升温之后，被送到反应容器12。热交换器13的上游侧和下游侧的混合气体供给配管17上分别配设温度计81、82。反应容器12和加热用蒸汽供给配管9上也分别设置温度计83、84。在反应容器12中，天然气被部分氧化，其含有的CH4被分解为H2、CO、CO2、H2O。这些成分没有被分离，而是作为重整气体被送到重整气体供给配管4。该重整气体供给配管4中的重整气体通过上述热交换器13后被天然气与空气的混合气体所冷却。在反应容器12与热交换器13之间的重整气体供给配管4的部分上设置压力计64和温度计85。
重整气体供给配管4从重整气体制造设备3延伸设置到混合调整装置5的第2混合器18。从重整气体制造设备3出来后的重整气体供给配管4上配设冷却器19和缓冲容器20。缓冲容器20是用于吸收重整气体的流量变动的容器。重整气体利用冷却器19冷却，凝集的液体成分作为排水排出。其后，重整气体在缓冲容器20中充满规定量的状态下，由流量调节阀54一边对流量进行调整一边将其输送到第2混合器18。利用流量调节阀54调整过流量的重整气体的流量由设置于流量调节阀下游的流量计73检测出。
冷却器19与缓冲容器20之间的重整气体供给配管4的一部分上，向着重整气体流的下游依序设置温度计86、H2浓度计21、O2浓度计22、CO浓度计23以及CH4浓度计24。缓冲容器20上设置压力计64。重整气体供给配管4上配设使缓冲容器20旁通的旁路配管25。
(混合调整装置5的结构)
下面参照图3对混合调整装置5进行说明。混合调整装置5上连接BFG供给配管26。BFG供给配管26上设置温度计87、缓冲容器27以及压力计65。缓冲容器27用于在BFG的流量发生变动的情况下缓和引起所述流量变动的压力变动。
混合调整装置5的BFG供给配管26上，沿着流体流动方向向下游依序设置CH4浓度计111、CO浓度计28、H2浓度计29、上述第2混合器18、以及稀释装置30。但是该机器的配置只是例示，并非只限于此。BFG与重整气体(H2、CO、CO2、H2O等)利用第2混合器18混合形成混合气体(燃料气体)，通过燃料气体供给配管2被送到燃气轮机发电设备1的燃料压缩机35(参照图4)。
稀释装置30是在燃料气体中的H2浓度超过规定范围时在其中混合氮气(N2)等，使H2浓度降低用的装置。该稀释装置30上连接从未图示的氮气等的供给源提供氮气等作为稀释用的气体的供给配管31。稀释气体供给配管31上设置流量调节阀55和流量计74。
从混合调整装置5到燃气轮机发电设备1的燃料气体供给配管2上，向下游侧依序设置除尘器32、CO浓度计112、H2浓度计33、CH4浓度计113、压力计66、温度计88、以及卡路里计(例如气体分析器)34。
(燃气轮机发电设备1的结构)
参照图4，在燃气轮机发电设备1的燃料气体供给配管2上，设置用电动机M驱动的上述例如压缩机35，燃料气体利用该燃料压缩机35通过燃料气体供给配管2压送到上述燃气轮机36的燃烧器37。燃料压缩机35与燃烧器37之间的燃料气体供给配管2的一部分上设置流量计75和流量调节阀56。燃气轮机36上连接发电机38。符号38a表示燃气轮机的空气压缩机。上述燃料压缩机35上配设旁路配管39。该旁路配管39是用于将压缩机38a的出口的燃料气体压力控制于规定的压力的，具备流量调节阀57和冷却器40。
该燃气轮机发电设备1上附设的附属设备6，是排热回收锅炉41、利用该排热回收锅炉41的蒸汽进行发电用的蒸汽轮机42、以及排放废气的烟囱43。蒸汽轮机42上连接发电机44。而且设置从排热回收锅炉41向规定的使用地点UP提供蒸汽用的蒸汽供给配管45，该蒸汽供给配管45上设置流量调节阀58。也可以利用该蒸汽供给配管45向所述反应容器12提供加热用的蒸汽。
上述气体重整设备利用上述控制装置10对其运行进行控制。控制装置10进行如下所述的控制，即在BFG中添加必要数量的重整气体或稀释用的气体加以混合，对BFG的特性进行改良用的混合调整装置5的控制、以及根据该混合调整装置5来的请求指令从天然气与空气的混合气体制造所用的重整气体用的重整气体制造装置3的控制。所述控制如下所述。
(重整气体制造装置3的控制)
使天然气发生化学反应得到的重整气体，与BFG相比氢含有率和发热量都高得多。从而，重整气体制造装置3的控制的一个目的是，调整重整气体的制造量和对混合调整装置5的供应量、重整气体的氢含有率、以及重整气体的发热量，使其与要求的数值一致。为此，对提供给重整气体制造装置3的天然气、空气、蒸汽的供给量、以及其混合比进行调节。天然气与空气的混合比根据由使用的燃气轮机决定的燃料气体中要求的氢浓度、事前测定的BFG中的氢浓度、重整气体制造装置3的重整气体制造能力、上述燃气轮机全负荷运行时的燃料消耗量等预先决定。预先决定的混合比(基准混合比)有时候根据需要变更。
天然气和空气的供给量以及它们的混合比的调节通过对各供给配管7、8的流量调节阀51、52a、52b的开度进行调整实现。天然气与空气的混合比根据各供给配管7、8的流量计71、72的测量信息进行反馈控制，使其实现上述基准混合比。重整气体的制造量和对混合调整装置5的供给量的调整是利用流量调节阀51对天然气流量进行控制，使第1混合器11的内压、或重整气体供给配管4上的缓冲容器20的内压在规定的范围内来实现的。由于预先决定了混合比，所以一旦流量调节阀51决定了天然气的流量(利用流量计71进行测定)，空气供给配管8的流量调节阀52a的开度就自动决定，由流量调节阀52b对空气流量(利用流量计72进行测定)进行调整。一流量调节阀52a是根据天然气与空气的混合比自动决定开度的固定开度阀。另一流量调节阀52b作为正确调整混合比的自动控制阀工作。这些流量调节阀52a、52b的流量比例可以任意设定。
重整气体的发热量如图5所示，在天然气(假设CH4为100)中混合的空气的体积比为0时达到最大，该比率越大则发热量越低。另一方面，重整气体中的氢浓度如图6所示，空气的体积比为0时为0，在20～35％附近变大，在这以后空气的比率越大则越低。还有，图5是该混合气体的发热量与空气相对于假定成分只有CH4的天然气的混合比的关系曲线图。而图6是制造之后的重整气体的主要燃烧成分的体积比例与空气相对于假定成分只有CH4的天然气的混合比的关系曲线图。
蒸汽在天然气与空气的混合比相同的情况下有提高重整气体中的氢浓度的效果，因此在需要得到比调节相同的天然气与空气的混合比能够得到的氢浓度更高氢浓度的重整气体的情况下提供蒸汽。由于该氢浓度的变化也会引起发热量的变化，所以也可以以调整发热量为目的对蒸汽浓度进行调整。
又，在重整气体的制造中，由于安全上的理由，应该将重整气体中的氧浓度控制在规定值(例如1体积％)以下。为此，根据O2浓度计22的检测结果，在使空气的混合比减少的方向上利用流量调节阀52b进行反馈控制。又，根据H2浓度计21、CO浓度计23、CH4浓度计24、压力计64、以及温度计86的检测信息，控制装置10计算出重整气体的发热量，从而能够调整燃料气体的发热量。因为使用天然气的重整气体的可燃成分主要是H2气体、CO气体、以及CH4气体。根据该计算出的发热量，用流量调节阀52b改变空气混合比进行调整使其达到规定的发热量。还有，发热量的计算中也使用检测温度和检测压力，这是为了进行蒸汽分压的修正。
(混合调整装置5的控制)
混合调整装置5的控制的目的在于，通过调整要提供给燃气轮机36的BFG中混合的重整气体的量，或通过对重整气体制造装置3发布氢浓度变更指令，或通过在BFG中混合稀释气体，以使混合气体(燃料气体)的氢浓度符合要求的数值。又，通过对重整气体制造装置3发布变更重整气体的发热量的指令，也可以调整燃料气体的发热量。燃气轮机36消耗的燃料气体的量因燃气轮机的负荷而变动，因此与燃气轮机36的运转控制连动，调整BFG、重整气体、以及稀释气体的量和混合比。
首先对燃料气体中的氢含量控制进行说明。氢气的燃烧速度快，着火和保持火焰的性能良好，因此对作为低发热量气体的BFG的稳定燃烧的维持具有贡献。因此，对于氢含有率低的低发热量气体，控制装置10进行控制以使燃料气体中的氢浓度维持于规定值(例如4体积％)。因为在燃气轮机的情况下，一旦BFG的氢含有率下降到2体积％以下，就容易熄火。还有，氢浓度控制中的BFG与重整气体的氢浓度控制时的设计混合比和最大混合比可以利用手动输入方法任意设定。关于设计混合比和最大混合比将在下面叙述。
如果即使调整(增大)重整气体的供给量，氢浓度也下降到规定值以下，这时控制装置10发出报警(氢浓度偏低报警；low-alarm)，同时对重整气体制造装置3发出氢浓度增加指令。接收到该指令的重整气体制造装置3就改变空气在天然气中的混合比，使重整气体中的氢浓度上升。重整气体中的氢浓度在天然气与空气的混合比为30体积％左右时达到最大值，因此即使是在该混合比的情况下还需要提高重整气体中的氢浓度时，就将天然气与空气的混合比固定，而追加蒸汽而混合。由于氢浓度的上升发热量也上升，所以通过改变蒸汽的混合比率也能够控制发热量。蒸汽的混合量的最大值在第3混合器94的浓度条件下为饱和压力以下。
即使是使重整气体的氢浓度上升到最大值，重整气体的氢浓度也在规定值以下的情况下，控制装置10发出报警(超低报警；low-low alarm)，同时从氢浓度控制切换为发热量控制。即对重整气体制造装置3发出增大重整气体发热量的通知。接收到该指令的重整气体制造装置3改变空气在天然气中的混合比以增大重整气体的发热量。具体地说，通过降低空气在天然气中的混合比使重整气体的发热量增大。
另一方面，在即使调整(减少)重整气体的供给量氢浓度也超过规定值的情况下，控制装置10发出报警(偏高报警；high-alarm)，同时对重整气体制造装置3发出氢浓度降低指令。接收到该指令的重整气体制造装置3改变空气在天然气中的混合比，使重整气体中的氢浓度下降。
又，在即使是使重整气体中的氢浓度降低到最小，氢浓度也超过规定值的情况下，控制装置10发出报警(超高报警；high-high-alarm)，同时调整稀释气体供给配管31的流量调节阀55，设定提供给稀释装置30的稀释用的气体的必要流量(利用流量计74检测)，以使氢浓度为规定值。作为稀释用的气体，通常使用氮气，但并不限于此。
上述控制是为了将作为燃料气体使用的BFG中的氢浓度保持于规定值而进行的控制，但是也存在氢浓度足够大而且稳定的(5体积％以上)低热量气体副产品。但是，即使是这样的低热量气体副产品，有时候也会受到主要操作工艺的操作条件改变的影响而改变发热量(气体的卡路里)。为了应对这样的情况下的发热量变动，也可以通过使燃料气体的发热量稳定，进行维持影响的控制(发热量控制)。
也就是说，根据设置于重整气体供给配管4和燃料气体供给配管2上的流量计73、74、75、设置于燃料气体供给配管2上的H2浓度计29、CO浓度计28、CH4浓度计111、压力计65以及温度计87的检测结果，计算BFG的发热量，再根据设置于重整气体供给配管4上的流量计73、H2浓度计21、CO浓度计23、CH4浓度计24、压力计64以及温度计86的检测结果，计算重整气体的发热量。在这些发热量的总和低于燃气轮机36运行所需要的发热量的情况下，控制从重整气体供给配管4提供具有更高发热量的重整气体，使其发热量提高到燃料气体所需要的发热量。重整气体的供给量利用流量调节阀54进行控制。还有，发热量的计算也使用检测温度和检测压力是为了进行蒸汽分压的修正。
为了进行发热量计算而进行的浓度检测使用各种成分的气体的浓度计21、23、24、28、29、111是由于检测速度快，适合工艺控制。另一方面，使用检测速度虽然不快但是能够正确检测出气体成分的上述卡路里计34，是为了监视燃料气体的性状变化。因此，BFG与重整气体混合后的燃料气体的可燃成分可以利用装置卡路里计34测定，并为了调整向控制装置10反馈。
又，为了加快该燃料气体的卡路里值(可燃成分的浓度)的检测速度，使其具有快速反应性，用燃料气体供给配管2上设置的CO浓度计112、H2浓度计33、以及CH4浓度计113检测可燃成分的浓度，根据压力计66和温度计88测定的压力和温度进行水分修正后计算即可。混合后的燃料气体的发热量超过燃气轮机的容许发热量变动幅度的上限值的情况下，由稀释气体供给配管31提供氮气等稀释气体以降低发热量。
该发热量控制中的BFG与重整气体的设计混合比、最小混合比、以及最大混合比可以通过手动输入任意设定。这是因为各高炉和各种操作条件下发生的BFG的组成不相同，必然与其相关的重整气体的组成也只能不同，因此必须能够与其对应适当变更设计。而且虽然低热量气体副产品中如上所述也存在包含5体积％的以上的高浓度氢的气体，但是也有BFG那样低浓度的气体。这样的气体中，最好是在进行发热量控制时也维持上述规定的氢浓度。这是因为氢气的着火和保持火焰的性能好，是确保稳定地燃烧所需要的气体成分。
上述所谓设计混合比，是相对于某一氢浓度的BFG的，具有预先设计的氢浓度的重整气体的混合比，根据预先设计阶段的计算得到的比。如果预先得到该设计混合比，则相对于BFG的氢浓度变化能够有良好的控制响应性能。而且能够根据燃料气体供给配管2的H2浓度计33的检测结果，利用反馈控制进行微调。所谓最大混合比是为防止计量仪器的错误信号造成重整气体过量混合而设定的混合比的上限值。同样，所谓最小混合比是为防止计量仪器的错误信号造成重整气体添加量不足(发热量不足)而设定的混合比的下限值。
以下对具体的发热量控制进行说明。在通常运行中燃料气体的发热量低于预定的范围的情况下，控制装置10增大重整气体供给配管4的流量调节阀54的开度，增大提供给第2混合器18的重整气体的流量(利用流量计73测定)，以使燃料气体的发热量达到规定值。
在即使是增大重整气体的流量，燃料气体的发热量也还是低于设定值的情况下，控制装置10发出报警(偏低报警；low-alarm)，同时对重整气体制造装置3发出发热量增加指令。接收到该指令的重整气体制造装置3改变空气在天然气中的混合比，使重整气体的发热量提高。在天然气中空气的混合比的调节量按照图5的曲线的倾向决定。也可以根据需要改变正确的混合比，以此提高重整气体的发热量。
在即使是使重整气体的发热量上升到最大值，燃料气体的发热量也仍然低于规定值的情况下，控制装置10发出报警(超低报警；low-low alarm)，对比操作人员相应进行适当处理。
另一方面，如果即使是调整(减少)重整气体的供给量，发热量也超过规定的上限值的情况下，控制装置10就发出报警(偏高报警；high-alarm)同时对重整气体制造装置3发出降低发热量的指令。接收到该指令的重整气体制造装置3改变空气在天然气中的混合比，以使重整气体的发热量降低。
而在即使使重整气体的发热量降低到最小，燃料气体的发热量也超过规定的高上限值的情况下，控制装置10就发出报警(超高报警；high-high-alarm)，同时对稀释气体供给配管31的流量调节阀55进行调整，设定提供给稀释装置30的稀释气体的必要流量(利用流量计74检测)，使发热量为规定的低上限值。
还有，进行氢浓度控制时和发热量控制时，在改变天然气与空气的混合比时最好是考虑混合所需要的时间延迟再进行。
以上所述的燃料气体的发热量控制在一边检测燃料气体的发热量一边通过提供重整气体或稀释气体，直接控制发热量增减。
下面参照图7～图9，以不是使用上述低压天然气，而是使用高压天然气的情况下的设备上的不同点为中心进行说明。
使用高压天然气的情况下，有必要使一起供应的空气为高压空气，下面参照图7和图8对两种高压规格的空气规格配管8进行说明。在图7中，二点锁线所示的范围的配管用于高压，取代图2中的低压空气供给配管8中的二点锁线包围的A部分。
通过下述燃气轮机中的空气压缩机38a上连接的抽气配管92抽出的高温高压空气，一边由流量调节阀103调整流量，一边引入图7所示的空气供给配管8。而且在该空气供给配管8的上述流量调节阀52a、52b的下游配设升压用的压缩机95。空气供给配管8上连接使该升压用压缩机95旁通的旁路配管96，该旁路配管96上配设用于防止空气冷却器97和升压用压缩机95的脉动的流量调节阀98。这样一来，就能够利用燃气轮机中的空气压缩机38a来的高温高压空气。
图8所示的空气供给配管8，与图2中的低压空气供给配管8一样得到低压空气供应。但是，在该高压空气供给配管8上，设置高压空气压缩机99代替图2中的低压空气供给配管8中的升压风扇16。而且在空气供给配管8上连接使该空气压缩机99旁通的旁路配管100，该旁路配管100上配设有空气冷却器101和防止空气压缩机99的脉动用的流量调节阀103。
图9表示使用利用高压天然气制造的高压重整气体的燃气轮机发电设备1的配管设备，这相当于图3和图4所示的使用低压重整气体的配管。在这里，像图3那样的进行BFG与重整气体的混合调整的混合调整装置5不以缠绕的形式配设。具体地说，如图所示，上述混合调整装置5中的压力计65、CO浓度计28、以及H2浓度计29设置于燃料压缩机35的上游侧，将重整气体与BFG加以混合的第4混合器104、以及设置流量调节阀55、流量计74、稀释装置30的稀释气体供给配管31被设置于燃料压缩机35的下游侧。这样，混合调整装置5的结构要素被分开设置于燃料压缩机35的上游和下游。这是因为混合于BFG中的重整气体是高压气体，不必利用上述燃料压缩机35进行升压，所以将重整气体供给配管4连接于燃料压缩机35的下游侧。而且在燃气轮机36中的空气压缩机38a上连接抽气配管92。从空气压缩机38a通过该抽气配管92将高温高压空气输送到通往上述重整气体制造装置3的空气供给配管8。这一点与图3和图4所示的使用低压重整气体的配管不同。
工业应用性
如果采用本发明，则通过使几乎不含有杂质的天然气分解，发生含有所需要的浓度的氢的清洁的气体，将其与特性不稳定的低热量气体巧妙混合，能够不用已有的大规模的气体燃料前处理设备等，实现燃气轮机的持续稳定的燃烧。

Claims (19)

1.一种气体重整设备，其特征在于，具备
具有反应容器的重整气体制造装置，所述反应容器具有天然气供给线和空气供给线，并用于将天然气与空气加以混合，使该混合气体发生化学反应而重整，以制造含氢气的重整气体、
将低热量气体与该重整气体制造装置提供的重整气体加以混合，作为燃料气体提供给燃气轮机设备用的混合调整装置、
从所述重整气体制造装置向所述混合调整装置提供重整气体用的重整气体供给通路、
从所述混合调整装置向燃气轮机设备提供燃料气体用的燃料气体供给通路、以及
用于控制所述重整气体制造装置和混合调整装置的工作的控制装置；
其中所述控制装置能够调节提供给重整气体制造装置的天然气与空气的混合比。
2.根据权利要求1所述的气体重整设备，其特征在于，
所述重整气体制造装置还具备蒸汽供给线，形成能够在天然气与空气的混合气体中再添加蒸汽使其进行化学反应，以此进行重整，将得到的重整气体提供给上述混合调整装置的结构，
所述控制装置能够调节提供给重整气体制造装置的天然气、空气、蒸汽的混合比。
3.根据权利要求1所述的气体重整设备，其特征在于，
还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的氢浓度检测器，
上述控制装置形成能够根据上述氢浓度检测器的检测信息，调整由重整气体制造装置提供给混合调整装置的重整气体量的结构。
4.根据权利要求1所述的气体重整设备，其特征在于，
还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的氢浓度检测器，
上述控制装置形成能够根据上述氢浓度检测器的检测信息，变更重整气体制造装置中的天然气与空气的混合比，以此改变重整气体的氢浓度的结构。
5.根据权利要求2所述的气体重整设备，其特征在于，
还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的氢浓度检测器，
上述控制装置形成能够根据上述氢浓度检测器的检测信息，变更重整气体制造中天然气、空气与蒸汽的混合比，以此改变重整气体的氢浓度的结构。
6.根据权利要求1所述的气体重整设备，其特征在于，
还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的氢浓度检测器、以及
在上述混合调整装置内配设的，利用稀释用的气体稀释燃料气体用的稀释气体供给装置；
上述控制装置形成能够根据上述氢浓度检测器的检测信息，在燃料气体中混合稀释气体供给装置来的稀释气体的结构。
7.根据权利要求1所述的气体重整设备，其特征在于，
还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体氢浓度的检测器，
上述控制装置形成能够根据上述氢浓度检测器的检测信息，变更重整气体制造装置中的天然气与空气的混合比，以此改变重整气体的发热量的结构。
8.根据权利要求2所述的气体重整设备，其特征在于，
还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的氢浓度检测器，
上述控制装置形成能够根据上述氢浓度检测器的检测信息，变更重整气体制造装置中的天然气、空气与蒸汽的混合比，以此改变重整气体的发热量的结构。
9.根据权利要求1所述的气体重整设备，其特征在于，
还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体的发热量测量单元，
上述控制装置形成能够根据上述发热量测量单元的检测信息，调整从重整气体制造装置向混合调整装置提供的重整气体的量的结构。
10.根据权利要求1所述的气体重整设备，其特征在于，
还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体发热量测量单元，
上述控制装置形成能够根据上述发热量测量单元的检测信息，变更重整气体制造装置中的天然气与空气的混合比，以此改变重整气体的发热量的结构。
11.根据权利要求2所述的气体重整设备，其特征在于，
还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体发热量测量单元，
上述控制装置形成能够根据上述发热量测量单元的检测信息，变更重整气体制造装置中的天然气、空气与蒸汽的混合比，以此改变重整气体的发热量的结构。
12.根据权利要求1所述的气体重整设备，其特征在于，
还具备在燃料气体供给通路上配设的测定通路内压的压力测量单元，
上述控制装置形成能够根据上述压力测量单元的检测信息，调整从重整气体制造装置向混合调整装置提供的重整气体的量的结构。
13.根据权利要求1或12所述的气体重整设备，其特征在于，
还具备在上述重整气体供给通路和燃料气体供给通路中至少在燃料气体供给通路上配设的燃料气体发热量测量单元，以及
在上述混合调整装置内配设的，利用稀释用的气体稀释燃料气体用的稀释气体供给装置，
上述控制装置形成能够根据上述发热量测量单元的检测信息，在燃料气体中混合由稀释气体供给装置提供的稀释气体的结构。
14.根据权利要求1所述的气体重整设备，其特征在于，
上述重整气体制造装置为了促进其反应容器中的化学反应，还具备由燃气轮机设备提供加热用蒸汽用的加热用蒸汽供应线。
15.根据权利要求14所述的气体重整设备，其特征在于，
上述重整气体制造装置还具备为了用于为促进其反应容器中的化学反应而进行的加热，从燃气轮机设备抽出高温压缩气体提供给反应容器的抽气线路，形成能够有选择地提供蒸汽与所抽取的高温气体的结构。
16.根据权利要求1所述的气体重整设备，其特征在于，
上述重整气体制造装置在其重整气体供给通路上具有热交换单元，该热交换单元形成能够使提供给反应容器的天然气和空气的混合气体与提供给上述混合调整装置的重整气体进行热交换的结构。
17.根据权利要求1所述的气体重整设备，其特征在于，
上述重整气体供给通路具有使提供给上述混合调整装置的重整气体冷却用的冷却单元。
18.根据权利要求17所述的气体重整设备，其特征在于，
上述冷却单元配置于重整气体供给通路的热交换单元的下游侧，形成能够使重整气体中的液体成分凝集并将其去除的结构。
19.根据权利要求1所述的气体重整设备，其特征在于，
在所述重整气体供给通路上配设缓冲容器，该缓冲容器能够吸收重整气体流量的变动，以此形成能够使提供给上述混合调整装置的重整气体的压力稳定化的结构。
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