JP2015500934A - 窒素を燃焼室に供給する方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

窒素を燃焼室に供給する方法において、ガス状窒素（９）を第１の圧力で空気分離ユニット（７）から取り出し、窒素を窒素圧縮機の少なくとも２つのステージ（Ｃ１、Ｃ２）で圧縮し、窒素圧縮機の最後のステージ（Ｃ３）の最終圧である第２の圧力で燃焼室（２５）に送り、窒素圧縮機の２つのステージの合間で、窒素を、その上部に水が供給される接触器（１７）を通過中に直接接触によって加湿させ、加湿された窒素を、窒素圧縮機の少なくとも１ステージで圧縮し、燃焼室に送る。【選択図】 図１

Description

本発明は、窒素を燃焼室に供給する方法及び装置に関する。
空気分離ユニットは、窒素を燃焼室に供給するためにしばしば使用される。燃焼室用の燃料は、酸素吹き燃料ガス化（une gazeification d’un combustible a l’oxygene）によって生じさせることができ、また、この酸素は空気分離ユニットからもたられる。
本発明は、燃焼室内への導入前の窒素の圧縮の間に、窒素を水で飽和させ、予熱する方法を提案する。本発明によると、空気分離ユニットから熱を回収して燃焼室に送ることと、窒素の必要量を減少させることとが可能になる。
本発明は、特に、酸素吹き石炭ガス化複合発電、すなわちＩＧＣＣによって発電するための工場の効率を最適化する方法を提案する。
酸素の存在下で石炭をガス化することによって生成された合成ガスは、一般に、その不純物（たとえば、水銀、硫黄含有化合物、ＣＯ2など）が取り除かれ、空気流に混合されて（加圧下で）燃焼室内に導入される前または後に、不活性ガス（すなわち不燃性；例えば、窒素、水蒸気、ＣＯ2など）によって希釈され、その燃焼室から、蒸気が膨張して発電用タービンを通ることとなる。
希釈ガスの役割は、燃焼室内の火炎速度を制限すること、ガス状混合物の酸化性を制限すること、及び火炎温度のピークを制限することであり、それにより窒素酸化物の生成を環境規制に従う濃度に制限する。
酸素吹きガス化の場合、合成ガスを希釈する不活性ガスは、従来、空気分離ユニット（ＡＳＵ）によって副生される窒素であり、大量の顕熱をタービンに与えることに加えて、希釈ガスの不活性化能力を向上させるために、この窒素に水蒸気が添加されることが多い。これは、希釈ガスの不活性化能力はその熱容量に直接関係し、装置から副生された窒素に水蒸気を添加すると、窒素を単体で使用するよりも燃焼室内の熱応力が良好に減少するからである（タービンへの蒸気流が同じ体積の場合）。水蒸気は、発電用タービンの生産性を向上させるために、合成ガスおよび／または希釈ガスの混合物を予熱するのにも使用される。
いくつかの文献、例えばEP-A-1001149、US-A-5865023、US2007/0119176及びNovemによる「Integration of Gas Turbine and Air Separation Unit for IGCC Power Plants」（1993）は、実質的に窒素がガスタービンに入る圧力での直接接触による窒素の加湿について記載している。
Novemの報告は、窒素を燃焼室の圧力まで加圧し、合成ガスと混合させ、次いで水で飽和させることを更に示している（図７）。
US-A-2011:0277860は、加湿なしに、ガスタービンに送る乾燥窒素を圧縮することを説明している。
本発明は、水蒸気の使用を最低限にするまたはさらには水蒸気の使用を排除しながら希釈窒素を予熱し飽和させる方法であって、それにより、他の場所（たとえば発電）での水蒸気の使用を最大化することと、空気分離ユニットから取り出された窒素のうち、希釈ガスを構成するために圧縮されなければならない部分を制限することとを可能とする方法を提案する。
空気分離装置から生じる希釈窒素（たとえば４絶対バールの圧力にある）は、燃焼室の圧力（すなわち、１５〜１００絶対バール）を実現するために、圧縮しなければならない。この圧縮は、電動機または蒸気タービンによって駆動される複合遠心圧縮機によってなされてもよい。希釈窒素が圧縮される間に、本発明は、窒素と液状の水の流れとが供給される気液接触器によって、希釈窒素を水蒸気で飽和させることを提案する。
好ましくは、各圧縮ステージの吐出口で、希釈窒素をこの手段によって水蒸気で飽和させる。圧縮の最後に、窒素を、空気分離ユニットに供給する圧縮空気と接触して加熱された流動体との熱交換によって加熱してもよい。圧縮された窒素が達する温度レベルは、ここでは２００℃から２５０℃前後である。次いで、窒素を、新たな気液接触器によって水で再び富化してもよいし、またはさらには飽和させてもよい。最後に、任意に水で飽和された窒素を、燃焼室に向けられる前に、従来のように５０℃から１００℃までその飽和点を越えて過熱されてもよい（電熱器、又は水蒸気を使用して、又はＡＳＵの他の流体と交換することによる。
更に、飽和のために気液接触器で使用される水流を、窒素流の飽和によって導入される水の量を最大化させるために、ＡＳＵからの流体（たとえば、主空気圧縮機又は空気過給機から吐出された空気）によって、１５０℃前後の温度に予熱してもよい。こうした最適化は、圧縮ステージの下流に位置する噴射に特に適している。
これはつまり、圧縮された窒素を水で飽和させるために使用される中間の接触器が、続く圧縮ステージの前にガスを冷却する役割もあり、それにより圧縮の有効性を向上させるからである。中間の圧縮ステージでの窒素の飽和に使用される水を予熱することは、それゆえに、圧縮の有効性を低減させるであろう。
圧縮ステージの合間での加湿は、２つのステージの間での窒素の冷却により、多過ぎるエネルギーを必要とする圧縮なしに、高い程度の加湿（窒素中に１０％を超える水）に達することができる。Smith ら,「Next Generation Integration Concepts for Air Separation Units and Gas Turbines」, Transactions of the ASME, Vol 119, April 1997において推奨されるような加湿が後に続く断熱圧縮は、同様の水分含有量を達成することができる。しかしながら、圧縮のエネルギーが遥かに高い。
気液接触器に供給する水の流量は、接触器からの吐出物に凝縮物がないように調整する。これは、この限度より大きな流量は熱損失を生じることになり、本発明の利点が低下させるからである。
したがって、本発明によると、水蒸気を取り出すことなく、窒素−水蒸気希釈ガスの予熱された混合物を生成することが可能となる。したがって、水蒸気は、有利なことに発電用タービンで十分に活用され（過熱器で使用される可能性がある場合は除く）、ターボ圧縮機から発生し、燃焼室に供給する空気流の熱を取り出すこともない。
要約すれば、本発明によると、熱を空気分離ユニットからタービンの燃焼室に移すことと、該ユニットから希釈ガスとして取り出される窒素を減少させ、最終的には（同一エネルギーにおいて）燃焼室によってタービンに供給される投入量を減少させることと、ローターへの機械的応力を必要とされる限度内に維持することとが可能となる。本発明は、例えば、ＣＯ2分離回収システムを備えている又は備えていない、石炭又はオイルコークス又は重質残渣を酸素（又は更には空気）吹きによりガス化するユニットに適用される。
提案した解決法を、希釈窒素を水蒸気で希釈しない解決法と比較した。この例では、接触器を、３段圧縮機のうち第１および第２の圧縮ステージからの吐出口に置いた（最後の圧縮ステージの下流には接触器はない）。
参照例では２０４，０００Ｎｍ3／時の希釈窒素を使用する４５０ＭＷｅのＩＧＣＣ発電所の場合、提案する革新的方法によると、一定のエンタルピーで、１０，０００Ｎｍ3／時の水蒸気を１３，０００ｎｍ3／時の加圧窒素の代わりに導入することができる。
空気分離ユニットの機械によって得られる電気の増量はおよそ１．２ＭＷ、すなわちＩＧＣＣ発電所の全発電量の０．３％である。
（Smithらの場合のような）最終的な飽和のみを行う断熱圧縮と比べると、２つのステージの合間で窒素の加湿を行う窒素圧縮機は、類似した水分量について、遥かに少ないエネルギーを消費する。
最終的な飽和のみを行う遠心圧縮と比べると、２つのステージの合間に窒素の加湿を行う窒素圧縮は、より多くの水を導入することを可能にする（２％に対して８％）。
本発明の変形では、空気分離ユニットから生じる窒素を、それが圧縮機に入ったらすぐに水で更に飽和してもよく、それにより冷却水を生成し、吸着による空気精製ユニットの上流にある冷却ユニットのエネルギー使用量を減少させることができる。
本発明の１つの対象によると、窒素を燃焼室へと供給する方法が提供され、この方法は、ガス状窒素を空気分離ユニットから第１の圧力で取り出し、この窒素を、窒素圧縮機で圧縮し、窒素圧縮機の最後のステージの出力圧である第２の圧力で燃焼室に送る方法であり、窒素圧縮機が、少なくとも２つのステージを具備し、窒素圧縮機の２つのステージの合間に、窒素を、その上部に水が供給される接触器を通過中に直接接触によって加湿させ、加湿された窒素を、窒素圧縮機の少なくとも１つのステージで圧縮することを特徴とする。
本発明の１つの対象によると、窒素を燃焼室へと供給する方法が提供される。この方法は、ガス状窒素を空気分離ユニットから第１の圧力で取り出し、窒素を、窒素圧縮機の少なくとも２つのステージで圧縮し、窒素圧縮機の最後のステージの出力圧である第２の圧力で燃焼室に送る方法であり、窒素圧縮機の２つのステージの合間に、窒素を、その上部に水が供給される接触器を通過中に直接接触によって加湿させ、加湿された窒素を窒素圧縮機の少なくとも１つのステージで圧縮し、燃焼室に送ることを特徴とする。
他の任意の側面によれば、
− 接触器に送られる全ての水が窒素のガス流に移送される。
− 接触器に送られる水は、周囲温度から１０℃以下、またはさらには５℃以下の差がある温度にある。
− 接触器に送られる水は、周囲温度である。
− 窒素を、窒素圧縮機の最後のステージの下流の接触器で更に加湿させる。
− 窒素圧縮の最後のステージの下流の接触器内に送られる水を、空気分離ユニットからの流れによって予熱する。
− 窒素を、水との直接接触のみによって加湿させる；
− 燃焼室からのガスをタービン内で膨張させる。
− 燃焼室に、ガス化ユニットから来る燃料を供給し、ガス化ユニットに空気分離ユニットから来るガス状酸素を供給する。
− 接触器に送られる水の一部分のみが窒素のガス流に移送され、接触器から生じた過剰な液状の水を、空気分離ユニットで冷却水として使用する。
本発明の別の主題によると、窒素を燃焼室へと供給する装置が提供され、この装置は、圧縮機と、圧縮機の１つのステージで圧縮された窒素を受け取り、圧縮され且つ加湿された窒素を圧縮機の次のステージに送るように配置された少なくとも１つの直接接触器と、少なくとも１つの接触器に水を送る手段と、圧縮され且つ加湿された窒素を、圧縮機の最後のステージから燃焼室に送るための少なくとも１つの管とを具備し、圧縮機が少なくとも２つのステージを有し、接触器が、圧縮機の１つのステージの下流と圧縮機の他の１つのステージの上流とに接続されていて、圧縮された窒素を受け取り且つ加湿された窒素を次のステージへと送ることと、圧縮され且つ加湿された窒素を圧縮機の最後のステージから燃焼室へと前記少なくとも１つの管を通して送る手段とを具備することとを特徴とする。
この装置は、圧縮機の最後のステージの下流で、窒素を直接接触により加湿させる手段を具備してもよいし、又は具備しなくてもよい。
接触器は、好ましくは、圧縮された窒素を冷却する手段である。
接触器は、場合により、液体を抜き出す手段を持たない。
本発明を、図を参照しながらより詳細に説明する。
図１では、空気流１は空気圧縮機３で圧縮され、次いで空気分離ユニット７で深冷蒸留によって分離される。発明の目的が単に窒素を生成することである場合、他の分離方法を使用することもできる。窒素９は、Ｃ１、Ｃ２の２つのステージを有する圧縮機で圧縮される。２つのステージの合間、ステージＣ１の下流には、その上部に水が供給される直接接触器１７がある。全ての水が窒素のガス流に移送され、窒素のガス流は次いでステージＣ２で圧縮される。圧縮され且つ加湿された窒素１９は、燃焼室２５に送られる。燃焼室２５には、ガス化装置１３から来る合成ガス２３も供給される。ガス化装置は、空気分離ユニット７からの酸素１１と、燃料１５、例えば天然ガス又は石炭とを任意に受け取る。
燃焼室２５によって生成されたガス２７は、電気を供給するために、タービン内で膨張させられる。
図２では、窒素は、３段圧縮機で圧縮され、ステージの各対の合間及び最後のステージの下流に接触器がある。空気流１は空気圧縮機３で圧縮され、次いで空気分離ユニット７で深冷蒸留によって分離される。発明の目的が単に窒素を生成することであれば、他の分離方法を使用することもできる。窒素９は、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の３つのステージを有する圧縮機で圧縮される。最初の２つのステージの合間で、第１のステージＣ１の下流に、その上部に水が供給される直接接触器１７がある。全ての水が窒素のガス流に移送され、窒素のガス流は次いでステージＣ２で圧縮される。圧縮され且つ加湿された窒素１９は、第２の直接接触器１１７に送られ、そこで加湿され、次いでステージＣ３で圧縮される。ステージＣ３で圧縮された窒素は、任意に加湿されるために第３の接触器２１７に送られ、次いで燃焼室２５か又は燃焼室によって生成された燃焼ガスを膨張させるタービンかに送られる。接触器２１７に送られる水は任意に予熱されていてもよく、それは、任意に、ユニット７に送られる圧縮空気１、過給空気、又は別の熱流と熱交換器６内で熱交換することによって行われる。最後のステージの後での飽和のために使用される水が熱くなっていれば、結果として、それにより燃焼室の前に希釈窒素が予熱されることとなる。燃焼室２５には、ガス化装置１３から来る合成ガス２３が更に供給される。ガス化装置は、空気分離ユニット７からの酸素１１と、燃料１５、例えば天然ガス又は石炭とを任意に受け取る。
燃焼室２５によって生成されたガス２７は、電気を供給するためにタービン内で膨張させられる。
本発明の１つの重量な利点は、接触器が必要な冷却の一部を提供するので、それが、圧縮機の少なくとも１つのステージ間冷却器を置き換える又はその大きさを小さくできることにある。

Claims (15)

  1. ガス状窒素（９）を空気分離ユニット（７）から第１の圧力で取り出し、前記窒素を、窒素圧縮機（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）で圧縮し、前記窒素圧縮機の最後のステージ（Ｃ３）の出力圧である第２の圧力で燃焼室（２５）に送る、窒素を燃焼室に供給する方法であって、前記窒素圧縮機は、少なくとも２つのステージを具備し、前記窒素圧縮機の２つのステージの合間に、前記窒素を、その上部に水が供給される接触器（１７、１１７）を通過中に直接接触によって加湿させ、前記加湿された窒素を、前記窒素圧縮機の少なくとも１つのステージで圧縮して、前記第２の圧力にあり前記燃焼室に送られる窒素を作ることを特徴とする方法。
  2. 前記接触器に送られる全ての水が窒素のガス流に移送される請求項１に記載の方法。
  3. 前記接触器（１７、１１７）に送られる水が、周囲温度から１０℃以下、またはさらには５℃以下の差がある温度にある請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記窒素を、前記窒素圧縮機の前記最後のステージの下流の接触器（２１７）で更に加湿させる請求項１〜３の何れか１項に記載の方法。
  5. 前記窒素圧縮機の前記最後のステージの下流の前記接触器（２１７）内に送られる水を、前記空気分離ユニットからの流れ（１）によって予熱する請求項４に記載の方法。
  6. 前記窒素（９）を水との直接接触のみよって加湿させる請求項１〜５の何れか１項に記載の方法。
  7. 前記燃焼室（２５）からのガスをタービン内で膨張させる請求項１〜６の何れか１項に記載の方法。
  8. 前記燃焼室（２５）に、ガス化ユニットから来る燃料（２３）を供給し、前記ガス化ユニットに、前記空気分離ユニット（７）から来るガス状酸素（１１）を供給する請求項１〜７の何れか１項に記載の方法。
  9. 前記接触器（１７、１１７、２１７）に送られる水の一部のみが窒素のガス流に移送され、前記接触器から生じた過剰な液状の水を、前記空気分離ユニットで冷却水として使用する請求項１〜８の何れか１項に記載の方法。
  10. 前記窒素を、前記接触器における水との直接接触により冷却する請求項１〜９の何れか１項に記載の方法。
  11. 窒素を燃焼室に供給する装置であって、圧縮機（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）と、前記圧縮機の１つのステージから圧縮された窒素を受け取り、圧縮され且つ加湿された窒素を前記圧縮機の次のステージに送るように配置された少なくとも１つの直接接触器（１７、１１７）と、前記少なくとも１つの接触器に水を送る手段と、圧縮され且つ加湿された窒素を、前記圧縮機の最後のステージから前記燃焼室に送るための少なくとも１つの管とを具備し、前記圧縮機が少なくとも２つのステージを有し、前記接触器が、前記圧縮機の１つのステージの下流と前記圧縮機の他の１つのステージの上流とに接続されていて、圧縮された窒素を受け取り且つ加湿された窒素を次のステージへと送ることと、圧縮され且つ加湿された窒素を前記圧縮機の最後のステージから前記燃焼室へと前記少なくとも１つの管を通して送る手段とを具備することとを特徴とする装置。
  12. 前記圧縮機の前記最後のステージの下流で、窒素を直接接触により加湿させる手段（２１７）を具備する請求項１１に記載の装置。
  13. 前記圧縮機の前記最後のステージの下流で、窒素を加湿させる手段を有さない請求項１１に記載の装置。
  14. 前記接触器（１７、１１７、２１７）は、前記圧縮された窒素を冷却する手段である請求項１１〜１３の何れか１項に記載の装置。
  15. 前記接触器（１７、１１７、２１７）は、液体を抜き出す手段を持たない請求項１１〜１４の何れか１項に記載の装置。
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