JP2016510373A - ガスタービン及び熱交換器を使用する溶融炉からの排気からのエネルギー回収 - Google Patents
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Abstract
Description
火炎によって生成される熱エネルギーの大部分は、装入物(固体原料及び溶融材料)に伝えられる。しかし、残りのエネルギーは、燃焼排気とともに炉から排出される。
したがって、空気燃焼の場合、又は空気燃料燃焼溶融炉(air-fuelled combustion melting furnace)の場合では、排出される排気に含まれる熱エネルギーのいくらかが回収されて燃焼空気の予熱のためのエネルギーとして使用される限りにおいて、炉の燃焼効率だけでなく装置全体の効率も向上させるように、炉の上流における燃焼空気の予熱のためのセラミック製の交互に流れる(alternating)向流交換器(蓄熱器(regenerator))、又は鋼製の交換器(回収熱交換器)を使用することが従来の慣行である。
溶融炉のオペレータ、具体的にはガラスメーカは、(窒素の熱バラストをなくすので)より効果的なだけでなく(NOx形成の源である、この同じ窒素であるようなNOx及びCO2を減少させる)低汚染でもある酸素燃焼技術をますます採用するようになってきている。
しかし、空気燃焼(蓄熱器及び回収熱交換器)のために開発された排気から熱を回収するシステムは、一般的に、酸素燃焼によって生成される排気からの熱エネルギーの回収にはあまり適していない。
EP−A−1338848によれば、タービンによって生成される機械的エネルギーは、ガラス炉のための燃焼酸素を供給する空気ガス分離装置のエネルギー必要量の少なくともいくらかを満たすように使用され得る。
EP−A−1338848に示されるそうした温度に耐えることができる材料の良好な能力にもかかわらず、ガラスメーカは、より耐久性があると考えられるより低い温度のエネルギー回収システムを使用する方を好む。
そのような酸素燃焼ガラス炉の排気からのエネルギー回収に特に信頼性の高い代替のシステムは、EP−A−0872690に記載されている。
しかし、EP−A−0872690による排気からのエネルギー回収システムは、EP−A−1338848の場合のような、過熱蒸気の形態の排気からの追加のエネルギー回収ができない。というのも、実際には、第1の交換器の出口における排気の温度は、1000℃を大きく下回っているからである。
本発明は、より詳細には、溶融チャンバを備える炉内での溶融方法に関する。本方法によれば、燃焼酸素及び/又は気体燃料は、伝熱ガスとの熱交換により、溶融チャンバの上流の一次交換器と称される熱交換器内で予熱される。
燃焼酸素及び/又は予熱された気体燃料は、燃焼による溶融チャンバの加熱に使用され、それによって溶融チャンバにおいて熱エネルギー及び排気が生成される。
排気は、溶融チャンバから排出され、溶融チャンバから排出された排気との熱交換により圧縮空気を加熱するために二次熱交換器と称される熱交換器に導入される。
少なくとも燃焼酸素、及び好ましくは気体燃料も、一次交換器で予熱されることが有利である。具体的には、本発明により、伝熱流体を介した熱交換ということを意味する、燃焼試薬が排気との間接的な熱交換によって加熱されるので、本発明は、特に、酸素の予熱に適しており、それについての信頼性が高い。
燃焼は、必ずしも、溶融チャンバを加熱する唯一の手段というわけでなく、電極などの他の加熱手段を備えることもできることに留意されたい。
したがって、炉は、(酸素が唯一の酸化剤である)酸素燃焼炉、(酸化剤として酸素富化空気を使用する)富化燃焼炉、又は(一方における酸素を使用した燃焼と、他方における空気、場合によっては酸素富化空気を使用した燃焼との組み合わせを使用する)混成酸化剤炉(hybrid oxidant furnace)であってよい。
同様に、予熱される気体燃料は、溶融チャンバでの燃焼に使用される唯一の燃料であってよく、又は、他の燃料と組み合わせて使用されてもよい。
ガスタービンによって生成される機械的及び/又は電気的エネルギーは、少なくとも部分的に、1つ又は複数の空気圧縮機に供給され得る。1つ又は複数の空気圧縮機は、特に、二次熱交換器に供給を行う空気圧縮機、空気ガス分離ユニットに供給を行う空気圧縮機及び他の空気圧縮機から選ばれる。具体的には、溶融装置は、二次交換器に圧縮空気を供給する、しばしばブロアと称される空気圧縮機を備えるだけでなく、それに加えて、空気ガス分離ユニット及び/又は圧縮空気を消費する他のユニットも備えることができる。装置は、特に、燃焼酸素を供給する空気ガス分離ユニット、及び圧縮空気冷却装置などを備えることができる。
好ましくは、ガスタービンは、空気ガス分離ユニットに供給を行う空気圧縮機のエネルギー消費の25%〜100%、好ましくは50%〜100%、特に100%を供給する。空気ガス分離ユニットは、本溶融方法についての燃焼酸素を生成することが好ましい。空気ガス分離ユニットは、特に、空気ガス低温蒸留(cryogenic distillation of the gases of the air)のための蒸留塔を備えることができるが、他のタイプの空気ガス分離ユニットも考えられ得る。空気ガス分離ユニットは、特に、VSA(真空スイング吸着)と称される技術に基づいたシステムであってもよい。
以下にある、
・二次交換器の入口における排気の温度は、1000℃〜2000℃であること、
・圧縮空気の圧力は、二次交換器の入口において10〜20atmであること、
・二次交換器の出口における加熱された圧縮空気の温度は、600℃〜800℃であること、及び
・ガスタービンの出口における気体流出物の温度は、600℃〜800℃であること
である運転パラメータは、方法がガラスを溶融する方法である場合、有利なものとして、単独で、又は特に単独ではなく組み合わせて識別される。
本発明は、さらに、本発明による方法の実施形態のうちのいずれか1つを実施するのに適した溶融装置に関する。
したがって、本発明は、燃焼によって加熱される溶融チャンバを画成する炉を備える溶融装置に関する。溶融チャンバは、この燃焼によって生成される排気の排出のための少なくとも1つの排気出口をさらに備える。
溶融装置は、溶融チャンバからの排気との熱交換によって圧縮空気を加熱する二次熱交換器をさらに備える。前記二次交換器は、(a)(加熱される圧縮空気のための)圧縮空気入口及び(加熱された圧縮空気のための)圧縮空気出口と、(b)(高温)排気入口及び(温)排気出口とを呈する。
溶融装置は、第1の圧縮機が二次交換器に圧縮空気を供給することができるようにするように、二次交換器の圧縮空気入口に連結される第1の空気圧縮機を備える。
原則として、この文脈において、用語「連結される」は、例えば管を使用して「流体的に連結される」という意味で使用される。
一次交換器の排気入口は、溶融チャンバの少なくとも1つの排気出口に連結される。一次交換器の燃焼酸素出口は、溶融チャンバの少なくとも1つの酸化剤インジェクタに連結され、及び/又は、一次交換器の気体燃料出口は、溶融チャンバの少なくとも1つの燃料インジェクタに連結される。
本装置の好ましい一実施形態によれば、ガスタービンは、機械的及び/又は電気的エネルギーを少なくとも1つの空気圧縮機に供給する。ガスタービンは、特に、機械的及び/又は電気的エネルギーを、第1の空気圧縮機、空気ガス分離ユニットに供給を行う空気圧縮機、及び他の空気圧縮機である、例えば、圧縮空気消費装置の少なくとも1つの他のユニットに圧縮空気を供給する「第2の圧縮機」と称される空気圧縮機、から選ばれる少なくとも1つの空気圧縮機に供給することができる。
ガスタービンが機械的エネルギーを少なくとも1つの空気圧縮機に供給する場合、供給は、ガスタービンを前記空気圧縮機に連結する伝動軸によって実施されることが有利である。
このように、この分離ユニットの酸素出口は、溶融チャンバに直接的か好ましくは一次交換器を介してのいずれかで装備される、1つ又は複数の酸化剤インジェクタに連結され得る。
本明細書において上述されたように、空気ガス分離ユニットは、空気ガス低温蒸留のための低温蒸留塔を備えることが好ましいが、VSAタイプの装置であってもよい。
(高温)燃焼酸素は、唯一の酸化剤であってよく、又は具体的には空気のような他の酸化剤と組み合わせられてもよい。気体燃料は、唯一の燃料であってよく、又は他の燃料と組み合わせられてもよい。
一次交換器の燃焼酸素出口に連結される酸化剤インジェクタは、溶融チャンバのバーナの一部を形成することができる。そうした酸素インジェクタは、やはりまた、溶融チャンバの酸化剤ランスの一部、具体的には酸素ランスの一部を形成することもできる。
同様に、一次交換器の気体燃料出口に連結される気体燃料インジェクタは、溶融チャンバのバーナの一部を形成することができる、又は前記チャンバの燃料ランスに組み込まれてもよい。
本発明による方法での、本明細書において上述された実施形態のうちのいずれか1つによる溶融装置の使用も包含される。
本発明及びその利点は、図1及び図2を参照して本明細書の以下により詳細に説明される。
燃焼酸素は、圧縮空気51をO2含有量が少なくとも90体積%の酸素の流れ52と、主としてN2からなる流れ(図示せず)に分離する、空気ガス分離ユニット50によって生成される。
炉10における酸素燃焼によって生成される排気は、出口13を通って溶融チャンバから排出される。前記排気の温度は、1000℃〜2000℃であり、例えば1250℃〜1750℃である。
圧縮空気は、空気入口35から二次交換器30に導入される。温度600℃〜800℃の加熱された空気は、二次交換器30から空気出口36を通って出る。
このように、加熱された空気は、空気取り込みノズルにより溶融チャンバ41に導入される。溶融チャンバ41内において、加熱された空気は、燃料取り込み口47から導入される(気体)燃料の燃焼に使用される。こうして得られた燃焼ガスは、温度が1000℃〜1600℃、例えば1200℃〜1400℃であり、膨張タービン42の入口43へと送られる。
・一方では、機械的エネルギーの形態で伝動軸45を介して空気圧縮機34へと、
・他方では、電気的エネルギーの形態で接続46を介して分離ユニット50へと
送られる。
膨張タービン42の出口又は排気部における燃焼ガス44の温度は、550℃〜750℃である。これらの燃焼ガス44は、伝熱流体入口21から「一次交換器」20と称される第2の熱交換器に導入され、一次交換器20から伝熱流体出口22を通って出る。
分離ユニット50からの酸素の流れ52は、酸素入口23から一次交換器20に導入され、予熱された酸素として、一次交換器から酸素出口24を通って出る。天然ガスの流れ60は、燃料入口25から一次交換器20に導入され、予熱された天然ガスとして、一次交換器から燃料出口26を通って出る。一次交換器20内において、酸素の流れ52は、燃焼ガスとの熱交換により、350℃〜650℃、例えば550℃の温度に予熱され、天然ガスの流れ60は、同じく燃焼ガスとの熱交換により、250℃〜550℃、例えば450℃の温度に予熱される。
このように予熱された酸素は、燃焼酸素として、パイプ11を介して炉10へと運ばれ、このように予熱された天然ガスは、燃料として、パイプ12を介して炉10へと運ばれる。
図2に示される実施形態は、図2では予熱された天然ガスのいくらかが溶融チャンバ41内で燃料として使用されるという点が、図1のものとは異なっている。
本発明及びその利点は、以下の比較例において示される。
本発明による実施例は、図1の線図に対応している。
参照例は、本明細書において上述されたような、ガスタービンがないということを意味する、溶融チャンバ41がなく膨張タービン42もない以外は、同じ線図に対応している。
空気ガス分離ユニットの電力消費は、3MWeと予想される。
一次交換器において、酸素は550℃に予熱され、天然ガスは450℃に予熱される。
一次交換器において、15atmまで圧縮された空気は、350℃に加熱される。
本発明による実施例において、燃焼ガスは、温度1300℃で溶融チャンバ41から出る。
・分離ユニット50の圧縮ステージ、及び
・熱伝達空気の圧縮ステージ
である2つの消費を考慮に入れて定められる。
・膨張タービン42内での燃焼ガスの膨張
は、エネルギー生成ステーションとして考慮される。
計算された物質エネルギー収支は、本発明が、分離ユニットによる酸素の流れの生成に必要なエネルギーをすべて生成することができる、又は余剰エネルギーを放出することができるが、しかしながら、天然ガスの消費を伴うことを示している。
− 電力価格がガス価格(ユーロ/MWh)に匹敵するシナリオ、及び
− 電力価格がガス価格(ユーロ/MWh)の少なくとも3倍であるシナリオ
という、2つのシナリオが想定され得る。
運転コストは、電気消費と天然ガス消費とを含む。
投資比率は、設備が8600時間/年利用可能である場合の、4年の償却に基づいて計算される。
Claims (15)
- ・酸素(52)及び気体燃料から選択される少なくとも1つの燃焼試薬が、溶融チャンバの上流において、一次熱交換器(20)内における伝熱ガスとの熱交換により予熱され、それによって少なくとも1つの予熱された燃焼試薬及び温空気が得られることと、
・前記溶融チャンバが、少なくとも1つの予熱された燃焼試薬を使用した燃焼によって加熱され、それによって前記溶融チャンバ内で熱エネルギー及び排気が生成されることと、
・前記排気が、前記溶融チャンバから排出され、前記溶融チャンバから排出された前記排気との熱交換により圧縮空気を加熱するように、二次熱交換器(30)に導入されることと
を含む、溶融チャンバを備える炉(10)内での溶融方法において、
・機械的及び/又は電気的エネルギーならびに気体流出物が、ガスタービン(41、42)の酸化剤として前記二次交換器(30)からの加熱された圧縮空気を使用する前記タスタービンによって生成され、
・前記ガスタービン(41、42)からの前記気体流出物が、伝熱ガスとして、前記一次交換器(20)内での燃焼酸素(52)及び/又は前記気体燃料の予熱に使用される
ことを特徴とする、溶融方法。 - 前記ガスタービン(41、42)によって生成される前記機械的及び/又は電気的エネルギーが、少なくとも部分的に、1つ又は複数の空気圧縮機(34)に供給される、請求項1に記載の方法。
- 前記ガスタービン(41、42)によって生成される前記機械的及び/又は電気的エネルギーの少なくともいくらかが、前記二次熱交換器(30)に供給を行う空気圧縮機(34)、空気ガス分離ユニット(50)に供給を行う空気圧縮機及び他の空気圧縮機から選ばれる少なくとも1つの空気圧縮機に供給される、請求項2に記載の方法。
- 前記溶融炉(10)が、ガラス炉、好ましくはフロートタイプのガラス用のガラス炉である、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記一次交換器(20)からの予熱された気体燃料のいくらかが、前記ガスタービン(41、42)のための酸化剤として使用される、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- ・燃焼によって生成される排気のための少なくとも1つの出口(13)を備える、燃焼によって加熱される溶融チャンバを画成する炉(10)と、
・(a)伝熱流体のための入口(21)及び出口(22)と、(b)燃焼酸素(52)のための入口(23)及び出口(24)と/又は気体燃料のための入口(25)及び出口(26)とを呈する、前記溶融チャンバの上流にある、伝熱流体、燃焼酸素(52)及び/又は気体燃料との熱交換により予熱する一次熱交換器(20)と、
・(a)圧縮空気のための入口(35)及び出口(36)と、(b)排気のための入口(31)及び出口(32)とを呈する、前記溶融チャンバからの前記排気との熱交換によって圧縮空気を加熱する二次熱交換器(30)と、
・前記二次交換器(30)の圧縮空気入口に連結される、第1の空気圧縮機(34)と
を備え、
・前記二次交換器(30)の排気入口(31)が、前記溶融チャンバの排気出口(13)に連結され、
・前記一次交換器(20)の燃焼酸素出口(24)が、前記溶融チャンバの少なくとも1つの酸化剤インジェクタに連結され、及び/又は前記一次交換器(20)の気体燃料出口(26)が、前記溶融チャンバの少なくとも1つの気体燃料インジェクタに連結される、
溶融装置において、
・前記装置が、空気取り込みノズルと排気部とを備えるガスタービン(41、42)をさらに備え、前記二次交換器(30)の圧縮空気出口(36)が、前記ガスタービン(41、42)の前記空気取り込みノズルに連結され、前記ガスタービンの前記排気部が、伝熱流体として前記ガスタービン(41、42)からの排出ガスを前記一次交換器(20)に供給するように、前記一次交換器(20)の伝熱流体入口(21)に連結されること
を特徴とする、溶融装置。 - 前記ガスタービン(41、42)が、機械的及び/又は電気的エネルギーを少なくとも1つの空気圧縮機(34)に供給する、請求項6に記載の装置。
- 前記ガスタービン(41、42)が、機械的エネルギーを伝動軸(45)を介して少なくとも1つの空気圧縮機(34)に供給する、請求項7に記載の装置。
- 前記ガスタービン(41、42)が、機械的及び/又は電気的エネルギーを、第1の空気圧縮機(34)、前記空気ガス分離ユニット(50)に供給を行う第2の空気圧縮機及び他の空気圧縮機から選ばれる少なくとも1つの空気圧縮機に供給する、請求項7又は8に記載の装置。
- 前記ガスタービン(41、42)が、機械的又は電気的エネルギーを、前記溶融チャンバの少なくとも1つの酸化剤インジェクタに連結される酸素出口(52)を呈する前記空気ガス分離ユニット(50)に供給する、請求項9に記載の装置。
- 前記空気ガス分離ユニット(50)の前記酸素出口(52)が、前記一次熱交換器(20)の燃焼酸素入口(23)に連結される、請求項10に記載の装置。
- 前記一次交換器(20)の前記燃焼酸素出口(24)が、前記溶融チャンバのバーナに組み込まれた少なくとも1つの酸化剤インジェクタに連結され、及び/又は前記一次交換器(20)の前記気体燃料出口(26)が、前記溶融チャンバのバーナに組み込まれた少なくとも1つの燃料インジェクタに連結される、請求項6から11のいずれか一項に記載の装置。
- 前記一次交換器(20)の前記燃焼酸素出口(24)が、前記溶融チャンバの酸化剤ランスに組み込まれた少なくとも1つの酸化剤インジェクタに連結され、及び/又は前記一次交換器(20)の前記気体燃料出口(26)が、前記溶融チャンバの燃料ランスに組み込まれた少なくとも1つの燃料インジェクタに連結される、請求項6から12のいずれか一項に記載の装置。
- 前記溶融炉(10)が、ガラス炉であり、好ましくはフロートタイプのガラス用のガラス炉である、請求項6から13のいずれか一項に記載の装置。
- 請求項1に記載の方法での請求項6から14のいずれか一項に記載の装置の使用。
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