JP2017535706A - 機械動力の同時生成及び炭化水素の製造のための方法及び設備 - Google Patents

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Abstract

機械動力の複合生成及び炭化水素の製造のための方法を提案するものであり、機械動力を生成するために、少なくとも１つの内燃機関（１）を点火することによって燃焼排気ガス（ｃ）を生成し、炭化水素を生成するために、燃料（ｅ）及び燃焼支援ガス（ｄ）を使用して少なくとも１つの反応器（２）を加熱する。本発明では、燃焼支援ガス（ｄ）の少なくとも一部分は、内燃機関（１）からの燃焼排気ガス（ｃ）の少なくとも一部分との間接的な熱交換によって加熱することを提供する。本発明は、対応する設備（１００、２００）にも関連する。【選択図】図４

Description

本発明は、独立請求項の前文による、機械動力の同時生成及び炭化水素の製造のための方法及び設備に関する。
化学反応生成物を生成するいくつかの方法では、バーナによって加熱される反応管を備える反応器を使用し、反応管に給送流を通し、次に、給送流を少なくとも部分的に反応させて所望の反応生成物を生成する。この種の方法の例は、蒸気クラッキング、アルカンの脱水素化、及び更には合成ガス又はアンモニアの生成である。
対応する方法及び装置は、文献で広範囲にわたって説明されている。蒸気クラッキングのための方法及び装置の場合、例えば、非特許文献１を参照することができる。特にプロパンからプロピレン、イソブタンからイソブテンへの、アルカンの脱水素化のための方法及び装置は、例えば、非特許文献２に見出すことができる。
そのような反応器と、機械動力を生成する装置とを結合させることは、長い間望まれてきた。このことは、例えば、内燃機関、特にガス・タービンの使用により実現することができる。公知のガス・蒸気方法及び対応する装置は、この種の複合方法の一例として働く。
図１に示し、本明細書の以下で説明するガス・蒸気方法では、酸素含有燃焼支援ガス、典型的には空気、をガス・タービンにより吸気し、圧縮する。適切な燃料、典型的には、天然ガス又はいくつかの他のガス混合体をガス・タービンの燃焼室に導入し、圧力下、燃焼支援ガスにより生成した雰囲気中で燃焼させる。こうして生成した燃焼排気ガス（高温ガスとしても公知）の減圧により、ガス・タービンの膨張段を駆動し、これにより、ガス・タービンに結合している発電機を駆動する。
ガス・タービンの下流に依然として燃焼排気ガス内に存在する熱は、廃熱蒸気生成器（いわゆる熱回収蒸気生成器、ＨＲＳＧ）内で使用し、加圧蒸気を生成することができる。加圧蒸気は、蒸気タービンを駆動するために使用することができる。蒸気タービンの動力は、典型的には、ガス・タービンに結合している発電機内、又は別の発電機内で電気エネルギーを更に生成するために使用される。
本明細書の上記で説明したガス・タービン及び加熱反応器を使用する複合方法は、基本的に、図３を参照して説明するものとしても公知である。しかし、本明細書の以下で詳細に説明するように、この種の機器内で使用する反応器の放射線区域において、効率の著しい低下がある。したがって、そのような機器の全体効率は、せいぜい、電気エネルギーを生成し、炭化水素を回収する個別の装置の効率をわずかに上回るにすぎない。したがって、低効率の複合装置に対する利点は、通常、これらを結合する費用を正当化するものではない。
特に、この種の装置では、加熱される反応器の動作は、ガス・タービンの動作に依存する。ガス・タービンが使用不能になった場合、極端なケースでは、反応器も遮断しなければならず、したがって、製造費用の損失をもたらす。典型的には、上述の反応器は、数年にわたる長期動作のために設計される場合があるか、又は交互に整備若しくは再生されるいくつかの並列ユニットの形態で構成される。蒸気クラッキング方法では、例えば、５から１０の反応器が常時動作中である場合があり、１つは、いわゆるデコーキング・モードにある。しかし、ガス・タービンは、著しくより頻繁な整備を必要とする。
特許文献１は、高速流動床反応器を有する発電所を開示している。細分化した熱伝達流動床が設けられており、この床は、流動床反応器によって生成した高温の灰を旋回させ、灰から熱を引き出すように指定される。細分化により形成した熱伝達床の区分を通して循環する高温の灰の部分を制御するように指定した手段が設けられており、区分それぞれの動力利得を制御するようにする。細分化した流動床の一区分は、処理蒸気を生成することができ、他の区分は、高温処理空気をタービンに供給することができる。
特許文献２及び特許文献３からは、オートサーマル改質を実施し、タービンを動作させる複合方法が公知である。特許文献４からは、タービンと組み合わせて動作させる改質反応器が公知である。
ＧＢ２１４８７３４Ａ ＵＳ５，０４８，２８４Ａ ＧＢ２２９６７１９Ａ ＦＲ１４４５８７０Ａ
論文「Ｅｔｈｙｌｅｎｅ」、Ｕｌｌｍａｎｎ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、オンライン、２００７年４月１５日、ＤＯＩ １０．１００２／１４３５６００７．ａ１０＿０４５．ｐｕｂ２ 論文「Ｐｒｏｐｅｎｅ」、Ｕｌｌｍａｎｎ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、オンライン版、２０００年６月１５日、ＤＯＩ １０．１００２／１４３５６００７．ａ２２＿２１１、ｓｅｃｔｉｏｎ４．３．、「Ｐｒｏｐａｎｅ Ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ」
したがって、本発明の課題は、電気エネルギーの生成及び炭化水素の製造のための複合方法を特に効率の点で改良することである。
この課題は、独立請求項の特徴を有する、機械動力の生成及び炭化水素の製造のための方法及び装置によって解決される。好ましい実施形態は、従属請求項の主題であり、以下の説明である。
本発明の特徴を説明する前に、本発明の基礎及び使用する用語を説明する。
以下の説明では、熱処理の効率に頻繁に言及するが、以下の定義を適用する。
技術的燃焼（「熱」）効率（ＦＴＷ、ｎｙ＿ＦＴＷ）は、燃焼排気ガス（Ｐ＿排気ガス）を通して環境に失われない、導入加熱出力（Ｐ＿供給）の割合を示す：
ｎｙ＿ＦＴＷ＝１−Ｐ＿排気ガス／Ｐ＿供給
高温構成要素の熱伝導によって生じる環境への損失は、この損失が典型的には排気ガスの損失よりも著しく小さいので、本明細書では考慮に入れない。
放射線区域効率（ＳＺＷ、ｎｙ＿ＳＺ）は、点火室内の処理媒体（Ｐ＿処理）に間接的に伝達される、導入加熱出力（Ｐ＿供給）の割合を示す：
ｎｙ＿ＳＺ＝Ｐ＿処理／Ｐ＿供給
伝達は、典型的には、１，０００℃を著しく上回る温度で、好ましくは放射線によって生じる。反応器は、もっぱら直接的に、即ち、例えば予熱燃焼空気によってではなく、バーナによってのみ加熱されるが、この反応器の典型的な放射区域効率は、蒸気クラッキングのために約０．４２（４２％）に達する。
電気効率（ｎｙ＿ｅｌ）は、電力の形態で正味出力として解放される、熱出力方法の導入加熱出力（Ｐ＿供給）の割合を示す（正味出力とは、熱出力方法の出力から、ポンプ及び圧縮器等に補助機器に必要な動力を減じた出力を示す）：
ｎｙ＿ｅｌ＝Ｐ＿ｅｌ／Ｐ＿供給
用語「エネルギー効率」は、本明細書では、一般に、比較の用語として使用するものであり、特定量の１つ以上の生成物を生成、又は特定の電力を生成するために、異なる方法又は複合方法に必要な加熱出力を評価又は定量化する。当該用語は、例えば、１段蒸気方法、ガス・タービン及び複合ガス・蒸気方法による、電力生成のために使用する。典型的には、効率は、指定の順、即ち、生成する特定量の電流のために使用する加熱出力が低下する順、で増大する。
燃料の点火出力は、典型的には、本出願の範囲内における、より低い加熱又は発熱量（Ｈｕ）に関連する。点火出力は、水蒸気の凝結が排気ガス中に含有されない燃焼で使用することができる、使用燃料の量に基づく最大熱量を指す。
一般的な用語では、用語「ガス・タービン」は、既に述べたように、実際のガス・タービンとしての圧縮段、膨張段、及び圧縮段と膨張段との間に接続した燃焼室を備える構成を指す。燃焼室は、圧縮段を通して、空気等の圧縮燃焼支援ガスを供給する。燃料（一般には液状又はガス状である）は、燃料入口を通じて燃焼室に入る。燃料は、燃焼室内でガス混合体と共に燃焼し、燃焼排気ガス、いわゆる高温ガスを生成する。
高温ガスは、膨張段内で減圧され、この時点で、熱出力を機械動力に変換する。機械動力は、１つ以上のシャフトにより減少する。機械動力の一部は、圧縮段を動作させるために使用する一方で、残りは、例えば発電機を駆動するために使用する。減圧後、燃焼ガスは、排気ガスとして排出されるか、又は本発明のケースのように、加熱媒体として使用する。
本出願の範囲内において、用語「燃焼支援ガス」は、燃料の燃焼が必ずしも空気（「燃焼空気」）と共に生じる必要はなく、異なるガス混合体（このガス混合体は酸素を含有しなければならないが）中でも生じ得るという概念を表すために使用する。
ガス・タービンの場合のように、本明細書の上記で述べた点火反応器に、燃料に加えて、燃焼支援ガスを供給し、この燃焼支援ガスは、下焚きのための対応するバーナ内で燃焼させる。典型的には、空気を燃焼支援ガスとして使用する。しかし、ガス・タービンからの燃焼排気ガスを燃焼支援ガスとして少なくとも部分的に使用することも可能である。このことは、ガス・タービン内の燃料の燃焼が、典型的には、著しい超化学量論的な酸素供給と共に起こるために可能である。したがって、依然として、相当量の酸素が燃焼排気ガス中に存在し、燃焼排気ガスを燃焼支援ガスとして反応器内で使用することを可能にする。ガス・タービンからの燃焼排気ガスに加えて、更なる空気又は酸素含有ガス混合体をそのような反応器内で使用し、燃焼を調整することもできる。ガス・タービンからの燃焼排気ガスを燃焼支援ガスとして使用する際に生じる問題を以下で説明するが、本発明の出発点を形成するものである。
本発明は、基本的に公知である、機械動力の複合生成及び炭化水素の製造のための方法から出発し、方法は、機械動力を生成するために、少なくとも１つの内燃機関を点火して燃焼排気ガスを生成し、炭化水素を生成するために、燃料及び燃焼支援ガスを使用して少なくとも１つの反応器を加熱する。
本発明によれば、燃焼支援ガスの少なくとも一部分を、内燃機関からの燃焼排気ガスの少なくとも一部分との間接的な熱交換によって加熱することを提供する。言い換えれば、本発明によれば、燃焼排気ガスの全てを反応器に供給するのではなく、燃焼排気ガスの一部分を供給する。外部から供給される燃焼支援ガス、例えば空気は、燃焼排気ガス別の一部分又は全てにより、予熱する。
本出願が燃料、燃焼支援ガス及び／又は燃焼排気ガスの反応器内への「供給」又は「給送」について述べる場合、このことは、反応区域、例えば反応器の反応管内ではなく、対応するバーナ又は燃焼室内にこれらを給送することを意味する。反応区域、例えば反応管を通るガス混合体は、本出願の範囲内では（管側）処理ガスと呼ぶ。
本発明は、生成した機械動力を少なくとも部分的に使用して発電機を駆動する、即ち、機械動力を少なくとも部分的に電力に変換する方法に特に適している。しかし、本発明は、例えば圧縮器及び／又はポンプの少なくとも１つのシャフトを機械動力により少なくとも部分的に駆動する場合にも、有利に使用することができる。この場合、駆動ユニットは、例えば、炭化水素の生成に使用する方法の一部であってもよい。例えば、機械動力を使用して処理ガス又は蒸気を圧縮する圧縮器を駆動することができる。
本発明は、従来技術による、対応する複合方法における効率、より正確には、本明細書の上記で定義した反応器内の放射線区域効率が、とりわけ、エネルギー・バランスの点で、反応器内に直接給送して燃料の燃焼を支援するガス・タービンからの燃焼排気ガスの著しい割合のエネルギーが、ガス・タービン内で既に除去されているという事実によって、著しく低下するという知見に基づくものである。具体的には、このことは、対応する燃焼排気ガスの酸素含量により示すことができる。
燃焼が著しい超化学量論的な酸素供給と共にガス・タービン内で生じた場合であっても、必然的に、燃焼支援ガスの酸素含量はガス・タービン内で低減する。通常のように、約２１％の天然酸素含量を有する空気を燃焼支援ガスとしてガス・タービン内で使用した場合、この酸素含量は、燃焼排気ガス中で約１４％に低下する。
しかし、対応する反応器、特に、蒸気クラッキングに使用する反応器では、放射線区域効率は、本質的に、燃料の燃焼によって得られ、反応管を通して給送流に伝達することができる温度によって変化する。従来の方法、即ち、ガス・タービンに結合していない自立運転反応器では、断熱燃焼温度は、空気を燃焼支援ガスとして使用した場合に約２，０００℃に達する。断熱燃焼温度とは、ガス混合体が、燃焼中、環境との熱交換が一切なかった場合の燃焼完了後に得ることになる温度である。したがって、このことは、そのような反応器が実際には断熱して動作しないため、実際には達成されない理論上の温度である。しかし、断熱燃焼温度は、当技術分野で使用される比較用語であり、放射線区域効率が依存する変数を最も好都合に表す。
燃焼支援ガスが、酸素を上流のガス・タービン内で部分的に反応させたために、より少ない酸素しか含有しない場合、約１７５０℃の断熱温度しか達成することができない。燃焼排気ガスはガス・タービンを例えば約６００℃で離れ、したがって、相当量の熱が更に利用可能であるにもかかわらず、酸素含量の低下により、従来の反応器の断熱燃焼温度に達するにはもはや十分ではない。
（やはり、エネルギー・バランスの観点からの）単純な条件で、ガス・タービンが、シャフト動力として、ガス・タービンに供給する熱出力の約３分の１を排出し、ガス・タービン供給する熱出力が、ガス・タービン及び反応器に供給する熱出力の約３分の１を全体として構成すると仮定した場合、全熱出力の９分の１がシャフト動力の形態で燃焼排気ガスから除去される。したがって、これに応じて、断熱燃焼温度は、約９分の１減少する。
したがって、既に説明したように、本発明は、全ての燃焼排気ガスを反応器内に給送し、燃料の燃焼を支援するために使用すべきではなく、せいぜい、燃焼排気ガスの一部分を使用すべきであることを提案するものである。したがって、従来の結合設備形態とは対照的に、燃焼排気ガスから生成しない部分的又は専用の外部燃焼支援ガス、例えば新鮮な燃焼空気を反応器に供給する。ガス・タービンと、対応する反応器との実際の結合は、予熱デバイスにより行われ、予熱デバイスは、例えば、間接的な熱交換のための１つ以上の適切な熱交換器を備える。燃焼排気ガスと燃焼支援ガスとの間接的な熱交換のために、その温度は、確かに利用される（即ち熱出力を伝達する）が、燃焼支援ガスの酸素含量は影響を受けない。このようにして、例えば、約２１％の酸素を含有する新鮮な空気を燃焼支援ガスとして加熱し、反応器内に給送することができる。したがって、もう一度、既に説明した約２，０００℃の断熱燃焼温度（燃焼排気ガスの一部を予熱のためだけに使用し、燃焼排気ガスの一部を反応器内に給送する場合）、又は更に高い温度（予熱専用に使用する場合）を本明細書の以下で説明するように達成させることができる。
上述した、一方では燃焼排気ガスを予熱のみに部分的に使用し、もう一方では燃焼排気ガスを部分的に反応器内に給送することは、例えば、燃焼排気ガスの一部と「新鮮な」燃焼支援ガス、例えば空気とを混合することを含み、それにより、既定の酸素含量を達成する。例えば、約１９％の酸素含量を選択することができる。燃焼排気ガスの別の一部分は、反応器内に給送せず、間接的な熱交換による燃焼支援ガスの予熱のみに使用する。約６００℃の燃焼排気ガス温度を仮定した場合、上述の約２，０００℃の断熱燃焼温度を反応器内で達成することができ、したがって、放射線区域効率は、従来の反応器内で得る効率と互角に達成することができる。したがって、反応器の動作は、調節するにしても、ほんのわずかでよい。
本発明の別の本質的な利点は、ガス・タービンが使用不能、又は整備が必要である場合でさえ、反応器を引き続き動作できることである。この場合、予熱されていない空気は、例えば燃焼支援ガスとして使用することができる。代替的に、この場合、燃焼支援ガスを何らかの他の方法で、例えば蒸気及び／又は煙道ガスを使用して予熱することも可能である。したがって、対応する予熱機器は、短期間の動作のために設計するだけでよく、それに応じて、安価である。
この点において、例えば図３に示す装置等の従来の装置では、燃焼排気ガスに加えて、更なる燃焼支援ガスをガス・タービンから給送することができ、燃焼排気ガス及び燃焼支援ガスの全てを反応器に給送することを述べるべきである。しかし、このことは、従来、変動を調整し、ガス・タービンと反応器との間の独立性を増大させることを達成するためだけに行われている。反応器内の酸素含量の低下及び放射線区域効率の減少という問題は、本質的に、この方法では解決することができない。
本発明の範囲内では、対照的に、反応器の放射線区域効率は、著しく増大させることができる。反応器は、放射線区域効率レベルで動作することができ、このことは、本明細書の上記で説明したように、自立運転反応器内でも達成することができる。しかし、予熱し、反応器内でより高温を達成することによって、放射線区域効率を更に増大させることも可能である。
次に、特許請求の範囲で規定し、本明細書の上記で部分的に説明した本発明の実施形態を要約する。
特に、本発明の方法は、本明細書の上記で述べた管型反応器、即ち少なくとも１つの反応器を管型反応器として実現した装置内での使用に適しており、管型反応器では、放射線区域において、反応管は、燃料を燃焼させるバーナによって外部から加熱する。自立運転式に動作する従来の反応器は、給送開口を備え、給送開口を通じて、燃焼支援ガスを中に給送する。反応器又は対応する反応器の燃焼室の内側では、煙道ガス通路内の送風器によって生成されるわずかな負圧がある。したがって、燃焼支援ガスは自動的に吸気される。対照的に、本発明は、わずかな正圧下、送風器により、対応する反応器又はその燃焼室内に燃焼支援ガスを給送することを含む。そのような給送方法は、例えば、水素改質方法において、空気を予熱するために典型的なものである。
本発明による方法は、本明細書の上記で述べた蒸気クラッキング方法、即ち、（オレフィン）炭化水素を生成するために、管型反応器として構成した反応器の反応管を通して炭化水素含有給送流を蒸気に給送する方法に特に適している。対応する蒸気クラッキング方法では、上述の温度は、放射線区域内で広がる。しかし、本発明は、触媒方法、例えば、既に述べたアルカンの脱水素化のための方法、即ち、反応器を備え、反応器内では、触媒を反応管内に設ける方法、又は水素改質方法にも同様に適している。
既に述べたように、本発明による方法は、それによって達成できる温度が、反応器のための高い放射線区域効率に達することを可能にするため、特に有利である。このことは、言い換えれば、方法が、少なくとも１つの反応器の少なくとも１つの領域を、燃料及び燃焼支援ガスの使用により典型的には１，５００〜２，５００℃である断熱燃焼温度まで加熱する場合に使用されることを意味する。
本発明で使用するのに適切な内燃機関は、具体的には、ガス・タービンである。というのは、ガス・タービンは、比較的低い費用で高い名目出力を有する一方で、良好な機械効率又は電気効率を有するためである。したがって、ガス・タービンは、典型的には発電所内で使用される。また、ガス・タービン単独の機械効率は、典型的には、対応して構成したディーゼル・エンジン又は石炭・汽力発電所の機械効率以下である。燃焼排気ガスの温度は、ディーゼル・エンジンでは約６００℃であり、ガソリン・エンジンでは、約７００〜１，０００℃であるため、この種の内燃機関は、本発明の使用にも適している。
ガス・タービンを使用する従来の１つの欠点は、比較的高品質の燃料（ガス）を使用することである一方で、このことは、実際には、本発明では利点である。本明細書で説明している（例えば蒸気クラッキング方法及び水素改質において）反応生成物を生成する方法では、燃焼の点からは高い価値をもつ、いわゆる廃ガスが残留ガスとして得られる。この残留ガスは、メタン含有留分、又は一酸化炭素、二酸化炭素及び水素の混合体（合成ガス）である。したがって、本発明の範囲内で実行する、反応生成物を生成する（部分的な）方法は、ガス・タービンに適切な燃料をもたらす。言うまでもなく、対応するガス混合体は、エンジン内で燃焼させることもできる。このことは、機器の対応する部分の更なる相乗的な一体化を生じさせる。
本ケースのように、内燃機関からの排気ガスを６５０℃未満の温度レベルで供給する場合、燃焼支援ガスを特に有効に、安価に加熱することができるため、特に有利である。例えば、熱交換器を使用する材料費用は、依然としてそのような温度では、著しく低いものである。しかし、一般に、内燃機関からの燃焼排気ガスは、５００〜１，０００℃の温度レベル、特に、６００〜７００℃の温度レベル、又は５００〜６５０℃の温度レベルで供給することができる。
本発明の一実施形態による方法では、有利には、間接的な熱交換によって燃焼支援ガスを加熱するために、内燃機関からの排気ガスの一部を使用し、内燃機関からの一部の燃焼排気ガスは、燃焼支援ガスと混合し、少なくとも１つの反応器に燃焼支援ガスと一緒に供給する。排気ガスを予熱のために部分的に使用し、反応器内に給送するために部分的に使用することにより、ガス・タービン又は別の内燃機関及び反応器の特に好ましい燃焼を可能にする。この場合、反応器内の条件は、従来の自立運転反応器の条件に近似させることができ、このことは、対応する反応器及び／又はそれらの建設上の構成の動作モードに変化させる必要がない、又は変化させる必要がわずかしかないことを意味する。（いわゆる対流区域内の）廃熱を使用する反応管及び装置は、保持することができる。
しかし、新たな設備形態では、間接的な熱交換によって燃焼支援ガスを加熱し、燃焼支援ガスを少なくとも１つの反応器に供給しないようにするために、内燃機関からの排気ガスを完全に使用することが有利であると証明することができる。したがって、少なくとも１つの反応器は、排気ガスの熱に加えて、燃焼支援ガス、例えば空気の全酸素含量を受け、そのような反応器の温度を更に増大することができるようにする。このようにして、対応する反応器の放射線区域効率をかなり増大させる。反応器での燃料消費は、それに応じて本方法により低減させることができる。
本発明は、特に、燃料として、天然ガス、メタン含有ガス混合体及び／若しくは合成ガス、並びに／又は燃焼支援ガスとして空気と共に使用するのに適している。既に述べたように、対応する燃料は、反応生成物を製造する対応する方法から（例えば、蒸気クラッキング、合成ガス生成、又は水素改質のための方法から）の典型的な残留ガスであってもよい。本発明は、特に、効率の増大によって燃料の節約を可能にする。
加圧蒸気を少なくとも１つの反応器からの廃熱から生成し、少なくとも１つのシャフト、特に発電機のシャフトを駆動するために使用した場合、本発明による方法の更なる利点が得られる。このようにして、更なる機械動力を得て、対応する加圧蒸気がより低圧である場合でさえ、有益に使用することができる。少なくとも１つの反応器からの廃熱により得られる蒸気は、基本的に、反応に使用することができない熱（廃熱）を有益に使用することができる副生成物のみである。理論上の理想的なケースでは、反応熱のみを反応器内で生成し、廃熱、即ち蒸気を生成しないことになる。
本発明の利点は、１つ以上の反応器からの廃熱により生成する加圧蒸気の量を最小にできることである。１つ以上の反応器からの廃熱により生成する加圧蒸気は、発電所の蒸気方法（より高い圧力／温度では、その発電所のピークでより効率的である多段方法）よりも著しく高いエクセルギー損失で得られる。加圧蒸気は、例えば、蒸気クラッキング方法において、１つ以上の給送流を予熱する部分的な加熱蒸気として、ほぼ１００％の効率で使用することができる。タービン内の機械動力の生成の場合、効率は、汽力方法における効率よりも約２分の１悪化する。
本発明により提供し、特に本明細書の上記で説明した方法を実行するように構成される、機械動力の生成及び炭化水素の製造のための装置の特徴及び利点について、上記の注釈を特に参照されたい。
本発明及び本発明の特定の実施形態は、従来技術との比較により、添付の図面により示す。
従来技術によるガス・汽力発電所の簡単な概略図である。 従来技術に従って動作する点火反応器の簡単な概略図である。 従来技術によるガス・タービン及び点火反応器を有する装置の簡単な概略図である。 本発明の一実施形態によるガス・タービン及び点火反応器を有する装置の簡単な概略図である。 本発明の一実施形態によるガス・タービン及び点火反応器を有する装置の簡単な概略図である。
図面では、対応する要素は、同一の参照番号で示してあり、明快にするために説明を繰り返さない。同じことは、以下で説明するように、小文字で示す流体の流れが異なる量で供給される場合であっても、流体の流れにも当てはまる。
図示の全ての実施形態では、反応器を図示する場合、この反応器は、蒸気クラッキング方法を実行するように配置する、即ち、反応器には、蒸気と混合する炭化水素含有給送流を供給する。使用する燃料は、上記した適切な燃焼ガスである一方で、空気を燃焼支援ガスとして使用する。しかし、図示の機器は、理論上は、反応生成物を製造する他の方法を実行するか、又は他の燃料及び燃焼支援ガスを使用するのにも適している。以下の説明は「１つの」反応器又は「１つの」ガス・タービンに頻繁に言及するが、対応する設備形態は、いくつかの反応器又はガス・タービンも備えることができる。
図１は、３００として全体を指定する、従来技術によるガス・汽力発電所の簡単な概略図を示す。
ガス・汽力発電所３００は、中央構成要素として、ガス・タービン１を備え、ガス・タービン１は、本明細書の上記で説明したように、圧縮段１１及び膨張段１２、並び圧縮段１１と膨張段１２との間に配置した燃焼室を備えるが、燃焼室は本明細書では個別に示さない。発電機Ｇはガス・タービン１により駆動する。ガス・タービン１は、圧縮段１１で圧縮される燃焼支援ガスａを供給する。燃料ｂは、ガス・タービン１の燃焼室（図示せず）に給送し、燃焼室の圧力下、燃焼支援ガスａが生成した雰囲気中で燃焼させる。
典型的には、燃焼は、著しい超化学量論的な酸素供給と共に、例えば約３のラムダ値で発生し、燃焼中に生じた、ガス・タービンの膨張段１２で膨張可能になる燃焼排気ガスｃ（高温ガス）が、依然として相当な酸素含量を有するようにする。約２１％の天然酸素含量を有する空気を燃焼支援ガスａとして使用した場合、燃焼排気ガスｃは、依然として約１４％の酸素含量を有する。
例えば６００℃の温度とすることができる燃焼排気ガスｃは、ガス・汽力発電所３００内の熱回収蒸気生成器５に供給する。典型的には、わずかな更なる燃料を熱回収蒸気生成器５に供給する、即ち、熱回収蒸気生成器５は、燃焼排気ガスｃの顕熱を主に使用する。それに応じて冷却される燃焼排気ガスｇは、熱回収蒸気生成器５から排出する。
図１のかなり簡単な図では、加圧蒸気ｆが生成される。典型的には、対応するガス・汽力発電所３００では、加圧蒸気ｆを３つの圧力レベルで生成する。圧力レベルは、例えば、約１３０、３０及び８バールであり、蒸気は、（「タッピング」によって）中間圧力レベル、中程度の圧力レベル、及び低圧力レベルでタービンから部分的に除去され、中程度の圧力レベルでの蒸気は、飽和蒸気温度（「中間過熱」）から開始して約５７０℃まで加熱する。この手順の目的は、可能な最小の温度差で燃焼排気ガスｃから給水又は蒸気に熱を移送することによって、エクセルギー損失を最小にするためである。
加圧蒸気ｆは、減圧タービン６（蒸気タービン）内で使用し、シャフト動力（機械動力）を生じさせる。次に、この動力が発電機Ｇによって電力に変換される。この発電機は、ガス・タービン１に結合している発電機Ｇと同じであっても、個別に設けてもよい。減圧蒸気流（図１では指定していない）は、例えば冷却水を使用して冷却器７で冷却する。得られた蒸気凝縮体は、（いわゆるボイラ給水ポンプを使用して）方法内で再利用する。
ガス・汽力発電所３００の典型的な特性値を以下で示す。対応する変数は、１００ＭＷの正味電力のために示す。というのは、１００ＭＷの電力は、従来技術に対応する蒸気クラッキングの設備のサイズに必要な大きさであるためである。発電所の分野では、ガス・タービン単位につき８０〜４００ＭＷの正味電力が典型的である。標準的な毎時約６１９，０００立方メートル（Ｎｍ3／ｈ）の燃料空気を燃焼支援ガスａとして使用し、燃料ｂの形態の下焚き出力は、約１８０ＭＷである。対応する値を本明細書の以下の表に要約する。あらゆる切上げ誤差は、無視している。
図示のケースでは、典型的には約６４０，０００Ｎｍ3／ｈの燃焼排気ガスｃが生成される。このケースにおける冷却された燃焼排気ガスｇの量も、熱回収蒸気生成器５内で更なる点火がない場合、約６４０，０００Ｎｍ3／ｈである。
典型的には、ガス・タービン１の電気効率及びガス・タービン１に接続した発電機の電気効率は約０．３６（３６％）である。減圧タービン６の電気効率は、熱回収蒸気生成器５に供給されるエネルギーに基づき、約０．３２であるか、又は合計使用エネルギーに基づき、約０．２０である。減圧タービン６によって構成される対応するガス・汽力発電所の合計電力の割合も、図示の実施形態では例えば約０．３６である。冷却器７を考慮に入れない熱効率は、実施形態では約０．８２である。（熱効率は、凝結温度、蒸気量等によって異なり、約０．７５から約０．８５までの範囲内で変動する。）熱効率は、本発明のケースでは、特に意義のあるものではないことが多い。というのは、熱の大部分が煙道ガスから取られた場合でさえ、例えば、熱水又は高温蒸気を単に供給するだけでは、これらを高効率で使用できなければ、対応する設備の効率をほどんど増大させないためである。
この背景に対する、ガス・タービン１に結合している発電機Ｇ内の燃料ｂの約１８０ＭＷの下焚き出力のうち、約６４ＭＷは、電力として得られ、約１１２ＭＷは、顕熱として燃焼排気ガスｃに移送され、熱損失は、典型的には、約３ＭＷに相当する。次に、燃焼排気ガスｃ内の約１１２ＭＷの知覚できる熱のうち、典型的には、約３ＭＷは、冷却燃焼排気ガスｇ内に留まり、冷却燃焼排気ガスｇは、約１２８℃の温度まで冷却する。残りの約８０ＭＷのうち、３６ＭＷは、減圧タービン６に結合している発電機Ｇ内で電力として得られ、約４４ＭＷは、冷却器７内で排出する。
２つの発電機Ｇのために約１８０ＭＷの合計加熱出力及び約１００ＭＷの電力を用いると、ガス・汽力発電所３００の合計電気効率は、実施形態では約０．５６である。試運転では、最大０．６１までの効率が大型ガス・汽力発電所で達成されたが（約８００ＭＷ出力の場合）、この効率は冷却水がより温まると著しく低下する。
図２は、従来技術による点火反応器を簡単な概略図で示し、反応器を全体に２として指定する。既に説明したように、この種の点火反応器は、典型的には、例えば蒸気クラッキングによって炭化水素又は合成ガスを生成するために使用することができる。対応する反応器２は、一般に公知であるように、典型的には、放射線区域２１及び対流区域２２を備える。放射線区域２１では、典型的には、燃料ｄを供給するいくつかのバーナ（図示せず）を配置する。燃焼は、燃焼支援ガスｅの供給によって可能になる。放射線区域２１及び対流区域２２には、典型的には、対応するバーナによって外部から加熱される反応管がある。
点火反応器２でも同様に、加圧蒸気ｆの生成のために廃熱の大部分を使用するが、加圧蒸気ｆは、典型的には、十分な程度の電気エネルギーの発電効率で使用するには比較的適していない。図２に示す典型的な点火反応器２からの加圧蒸気ｆの利用価値がより乏しいのは、温度が比較的低いこと、及び圧力が比較的低いこと、及び１蒸気レベルしか実現しない（したがって、蒸気発電の間、エクセルギー損失が比較的大きい）という事実によるものである。典型的なガス・汽力発電所、例えば図１に示すガス・汽力発電所３００内では、加圧蒸気ｆは、１３０バール、５７０℃で得られるが、図２に示す点火反応器２からの加圧蒸気ｆの圧力は、典型的には、１２０バールにすぎず、その温度は典型的には、５２０℃にすぎない。典型的には、点火反応器２からの対応する加圧蒸気ｆを使用して、（例えば蒸気クラッキング装置内で）シャフト動力を回復させ、加熱蒸気として使用する。ここでも、冷却燃焼排気ガスｇが得られる。
対応するエネルギー・バランスの考慮事項において、燃料ｄの形態の約１，０００ＭＷの下焚き出力（典型的には、いくつかの反応器にわたり分散される）を仮定し、例えば約１，０６７，０００Ｎｍ3／ｈの燃焼空気を燃焼支援ガスｅとして、約０．４２の典型的な放射線区域効率（蒸気クラッキング方法で使用する反応器の典型的な値である）で放射線区域２１内に供給すること仮定すると、約５１２ＭＷ又は約５９５ｔ／ｈの加圧蒸気ｆを反応器２からの廃熱から得ることができる。約６０ＭＷは、冷却煙道ガスｇに入り、冷却煙道ガスｇは、約１，１７２，０００Ｎｍ3／ｈの量及び約１２８℃の温度で除去される。「消失した」４２８ＭＷの加熱出力は、管側処理ガス中の化学結合エネルギー及び顕熱の形態で排出され、即ち、煙道ガス流ではなく、反応器２の反応区域から排出される。この値は、同じ量の反応生成物が生成されるので、本明細書で例として提供する以下の図面における全ての反応器２で同じである。
図３は、全体を４００で指定する、従来技術によるガス・タービン１及び点火反応器２を有する複合設備の簡単な概略図である。そのような設備４００を設ける基本概念は、ガス・汽力発電所、例えば図１に示すガス・汽力発電所３００と同様に、ガス・タービン１からの燃焼排気ガスｃの顕熱を、対応する燃焼反応器２内で使用することである。これは、ガス・タービン１内の著しい超化学量論的な燃焼の結果として、燃焼排気ガスｃが依然として相当の酸素含量を有するという上述の事実を利用するものである。それでも、図示の実施形態では、更なる燃焼支援ガスｄ、例えば空気は、例えば送風器３により燃焼排気ガスｃ中に給送される。
この更なる供給は、反応器２内の燃焼を調整する更なる調整変数をもたらすのに役立つ。
しかし、従来技術によるこの種の複合設備４００の著しい欠点は、点火反応器２内の放射線区域２１における放射線区域効率が著しく低下することである。例えば図２に示す自立運転反応器２と比較すると、放射線区域効率は、例えば約０．４２から約０．３７まで減少する。このことは、特に、燃焼排気ガスｃが例えば約６００℃の比較的高温を有しているにもかかわらず、燃焼排気ガスｃの例えば約１４％の酸素含量は、それでも、典型的に使用する燃焼空気等の燃焼支援ガスの酸素含量を著しく下回るという事実のためだと考えることができる。このことは、更なる燃焼空気ｄの供給によっても、対応する燃焼支援ガスの供給によっても、（少なくとも、非常に高価な酸素濃縮を用いない限りは）補償することはできない。約２１％の酸素を含有する空気を燃焼支援ガスｄとして図２に示す、自立運転式に動作する反応器２内で使用する場合、反応器２の放射線区域２１内での燃焼によって約２，０００℃の断熱燃焼温度を依然として達成することができる。対照的に、図３に示す設備４００では、放射線区域２１内での断熱燃焼温度は、上記した状況のために約１，７５０℃に制限される。このことは、上述のより乏しい放射線区域の効率に直接反映する。
エネルギー・バランスの面から見ると、燃焼支援ガスａ中に含有される化学エネルギーの相当な割合がガス・タービン１内で除去され、したがって、その後、燃焼排気ガスｃ中ではもはや使用することはできない。
次に、１，０００ＭＷの出力で、ガス・タービン出力を最大に使用する、即ち、調整のための更なる燃焼排気ガスｄを最小に使用して、蒸気クラッキング動作のための１つ以上の反応器のガス・タービン上流の例示的データを提供する。例えば約１，１３２，０００Ｎｍ3／ｈの燃焼空気を燃焼支援ガスａとしてこの種の設備４００内で使用する場合、及び約３４０ＭＷの下焚き出力を燃料ｂの形態で使用した場合、約１１８ＭＷの電力を、ガス・タービン１に結合している発電機Ｇ内で既に説明した効率レベルで得ることができる。約２２４ＭＷが顕熱として燃焼排気ガスｃ内を通過する。特に発電機Ｇ、補助機器及びガス・タービンのオイル冷却器で約５ＭＷの損失を受ける。燃焼排気ガスｃは、約１，１７０，０００Ｎｍ3／ｈの量で生成される。
図示の実施形態では、例えば約１８９，０００Ｎｍ3／ｈの燃料空気を燃焼支援ガスｄとして使用する。燃料ｅの形態の下焚き出力は、約９２２ＭＷである。したがって、使用する燃料ｂ及びｅの形態の合計加熱出力は、約１，２７０ＭＷに達し、放射線区域２１内で利用可能な燃焼排気ガスｃの顕熱からの加熱出力、及び燃料ｅの形態の下焚き出力からの加熱出力は、約１，１４７ＭＷである。このうち、約６５０ＭＷが加圧蒸気ｆの形態で約７５６ｔ／ｈの量で回収され、約６９ＭＷは、冷却煙道ガスｇ中に入り、冷却煙道ガスｇは、前述のように、約１２８℃で除去される。したがって、図２に示す上述の自立運転反応器２の約１，１７２，０００Ｎｍ3／ｈと比較すると、冷却煙道ガスｇの量は、約１，４５７，０００Ｎｍ3／ｈである。ここでも、４２８ＭＷは、化学結合エネルギー及び顕熱として管側処理ガス中に排出される。というのは、同じ量の反応生成物が、図２による反応器２の場合のように管側処理ガス中で生成されるためである。
既に述べたように、放射線区域２１の放射線区域効率は、約０．３７に低下する。（加圧蒸気ｆからの）蒸気発電の効率レベルは約０．５１であり、全体の熱効率は約０．９４である。（放射線区域２１内の処理ガスに入る熱の一部は、蒸気発電のために使用する。したがって、２つの効率レベルを一緒に加えてはならない、又は互いに補い、特定の熱効率を与える必要はない。処理ガスにより排出される熱及び化学結合エネルギーの量は、合計エネルギー・バランスからは抜けている。しかし、これらの値は、添付の図面に示す全ての反応器２でも同一である。）
図４は、本発明の一実施形態によるガス・タービン１及び点火反応器２を有する複合装置を簡単な概略図で示し、装置は、全体を１００として指定する。
既に何回か述べた本発明の主要な態様は、予熱ユニット４の使用であり、予熱ユニット４により、反応器２内に供給する燃焼支援ガスｂを予熱する。図４に示す実施形態では、ガス・タービン１からの全ての燃焼排気ガスｃは、予熱ユニット４を通るが、燃焼排気ガスｃの一部分のみを使用することも可能である。予熱ユニット４を添付の図５に示す。例えば１つ以上の適切に構成した熱交換器を備え得る予熱ユニット４により、燃焼排気ガスＣの顕熱は、燃焼支援ガスｄに移送することができる。
このことは、高い酸素含量を依然として有する燃焼空気等の燃焼支援ガスｄを反応器２内に供給できるが、同時に、燃焼支援ガスｄを燃焼排気ガスｃの顕熱で加熱できるという特別な利点を有する。驚くべきことに、このことは、図３に示す対応する結合設備４００の反応器との比較のみならず、図２に示す自立運転反応器２と比較しても、反応器２の放射線区域２１の放射線区域効率を実質的に増大させることが発見された。経験則として、１０℃の予熱は、０．２％の放射線区域効率の増加をもたらす。
図４に示す装置１００では、約０．４７の放射線区域効率レベルは、放射線区域内で得られる。約３８３，０００Ｎｍ3／ｈの燃焼空気を燃焼支援ガスａとして使用し、約１０８ＭＷの下焚き出力を流れｂの形態で使用する場合、ガス・タービン１又は対応する発電機Ｇで約４０ＭＷの電力を得ることができる。燃焼排気ガスｃは、約６５６℃であり（これは、例として与える値であり、典型的な値は５５０〜７００℃である）、約７６ＭＷの顕熱に対応する。次に、予熱ユニット４の下流では、燃焼排気ガスｃの温度は、依然として１０５℃であり、約１０ＭＷの顕熱に相当する。
冷却燃焼排気ガスの温度（煙道ガス温度）は、典型的には、いわゆる「硫黄露点」によって決定する。この温度で、水性硫酸が濃縮され、深刻な腐食が生じる。硫黄露点は、（蒸気クラッキング反応器における）１．１のラムダ値よりも（ガス・タービンの煙道ガスのような）３のラムダ値では著しく低い。というのは、比例して、よりわずかな量の（典型的には硫黄含有）燃料又は燃焼生成物が存在するためである。典型的な加熱ガスの例示的な値は、一方では１０５℃であり、他方では１２８℃である。
燃焼排気ガスｃの量は、約３９５，０００Ｎｍ3／ｈである。これに加えて、約８７９，０００Ｎｍ3／ｈの燃焼空気を燃焼支援ガスとして、蒸気ｄの形態で例えば約２８℃で供給し、予熱ユニット４内でこの燃焼空気を２８６℃まで加熱し（約６６ＭＷの顕熱に対応する）、燃料ｅの形態の下焚出力が約８２４ＭＷである場合、利用可能な合計加熱出力は約９４２ＭＷであり、反応器２内で利用可能な加熱出力は約８９０ＭＷである。これら約８９０ＭＷのうち、約４６２ＭＷの残分は、約０．４７の放射線区域効率で生成され、このうち、約４０８ＭＷは、約４７５ｔ／ｈで加圧蒸気ｆの形態で得られ、約５４ＭＷは、約１２８℃又は約９６６，０００Ｎｍ3／ｈで冷却煙道ガスｇの形態で得られる。
対応する装置１００では、燃焼支援ガスｄは、表のみで図示するように、著しくより高温まで予熱することができる（以下を参照）。
図５は、本発明の別の実施形態によるガス・タービン１及び点火反応器２を有する複合装置を簡単な概略図で示し、装置は、全体を２００として指定する。装置２００は、燃焼排出ガスｃ流の一部のみが予熱ユニット４を通るという点で図４に示す装置１００とは異なる。この部分流を装置２００ではｃ’と指定する。本明細書ではｃ’’と指定する別の部分流は、燃焼支援ガスｄと組み合わせる。このことは、設備２００に特に柔軟な動作をもたらすか、又は説明したように、反応器２の動作条件は、図２に示す自立運転反応器２の動作条件に近似させることができる。
図５による本発明の対応する実施形態又は設備２００は、特に、部分流ｃ’及びｃ’’を調節可能な量で供給することを含むことができ、燃焼排気ガスｃの熱供給及び／又は反応器２内の熱要件それぞれに対し適合可能にする。同様に、設備２００の特性値の例を以下に示す。
燃焼空気を燃焼支援ガスａとして約１，０３５，０００Ｎｍ3／ｈの量で設備２００内に供給し、約３１８ＭＷの燃料ｄの形態の下焚出力を使用する場合、約１０７．８ＭＷの電力を、ガス・タービン１において約０．３４の効率レベルで生成することができる。対応する設備の電気効率は、簡単な発電所のガス・タービンの電気効率よりもいくぶん低下する（図１に関連する説明を参照：図１での効率レベルは０．３６である）。というのは、更に、反応器２を通る圧力損失を克服する必要があるためである。
燃焼排出ガスｃ全体では、顕熱は留まり、約２１１ＭＷに相当する。約７７ＭＷの熱量に相当する部分流ｃ’を供給した場合、約６７ＭＷに相当する顕熱は、この部分流ｃ’により燃焼空気に移送することができ、この燃焼空気は、この場合、燃焼支援ガスｄとして予熱ユニット４内で使用する。予熱ユニット４の下流では、約１０ＭＷの顕熱が部分流ｃ’内に留まり、部分流ｃ’は、毎時約３９１，０００Ｎｍ3／ｈの量で供給され、これは、約６５６℃から１０５℃までの温度低下に相当する（硫黄露点の主題に対する図４に関する説明を参照）。
既に述べたように、燃焼空気は、例えば、送風器３により、燃焼支援ガスｄとして約２８℃の温度（例として周囲温度）で供給する。燃焼空気の量は、例えば約３９７，０００Ｎｍ3／ｈである。予熱ユニット４では、燃焼空気を約６２７℃に加熱し、これは、流ｃ’の約６７ＭＷに相当する。燃焼排気ガスｃの部分流ｃ’’は、約６７９，０００Ｎｍ3／ｈの量で供給し、これは、約１３４ＭＷの顕熱に相当する。更に、約７９９ＭＷに相当する燃料ｅを反応器２に供給する。
したがって、全体として、約１，０００ＭＷの加熱出力が反応器２内で利用可能であり、全体として、約１，１１８ＭＷの加熱出力が設備２００内で利用可能である。部分流ｃ’及びｃ’’を適切に調節することにより、約０．４２の放射線区域効率を反応器２の放射線区域２１内で達成することができ、これは、図２に示す自立運転反応器２の効率に正確に相当する。５１２ＭＷは、約５９５ｔ／ｈで供給される加圧蒸気ｆ中に留まり、約６０ＭＷは冷却燃焼排気ガスｃ中に留まり、このうち約１，１７２，０００Ｎｍ3／ｈが１２８℃で供給される。
以下の表１から５では、図１から図５に関して既に述べた流量及びエネルギー含量を再度示し、図４、又は図４に示す設備１００に関して、表４Ａ及び４Ｂは、２つの動作ケース、即ち、燃焼支援ガスｄを２８６℃に予熱する場合（従来の工程管理を反応器２内で行うことができる場合；上記参照）、及び４９８℃まで予熱する場合（部分過熱のみ又は給送流の外部／間接予熱により、蒸気生成等の反応器２に対して更なる工程変更を行う必要がある場合）を示す。いずれのケースも、空気を燃焼支援ガスａ又はｄとして使用し、（残留）ガスは燃料として使用する。指定の値は、概算値であると理解すべきであり、あらゆる切上げ誤差は、無視している。燃焼排気ガスｃの加熱出力及び冷却燃焼排気ガスｇの加熱出力は、顕熱に対応し、加圧蒸気ｆの加熱出力は、顕熱と蒸発エンタルピーの和に対応する。
Figure 2017535706
Figure 2017535706
Figure 2017535706
以下の表６Ａから６Ｃは、本発明の互いに対する利点を示す比較可能な方法を表す。全ての表では、同じ電流量（表内の「電流生成」の列）は、全体として設備内で生成すべきであり、同量の反応生成物（この場合は炭化水素エチレン、表内の「エチレン生成」の列）は、反応器２内で生成するものとする。上記の図面の説明、特に図面の説明の導入段落を明確に参照されたい。
更に、電流を加圧蒸気ｆで生成することを仮定する。このことは、主に、電気効率及び上記定義の意味における「効率」の点での方法の比較可能性の改良に役立つ。したがって、表内の「電流生成」の列又はその中に示される値は、５２０℃、１２０バールでの加圧蒸気ｆの０．２４という典型的な電気効率を仮定して、加圧蒸気ｆから生成した電流も包含する。
表の行１（「反応器、電源電流」）は、電源により供給する電流の値、及び図２による自立運転式に動作する反応器２の値を含む。電源から供給される電流の生成のために、０．３３の効率を仮定する。この値は、従来の電源からの電流の典型的な評価数に対応する（即ち、供給業者による発電所網上の平均的な電気効率であり、供給業者には、全ての種類の旧来、新規発電所、即ち、純（石炭）汽力発電所及びガス・汽力発電所を含み、全ての電線損失を含む）。したがって、電流は、加圧蒸気ｆから生成しない場合、行１による電源から供給される。
電源から供給されるこの割合の電流を生成するのに必要となる０．３３の効率レベルに対応する点火出力は、必要な合計加熱出力に含め（表内の「合計加熱出力」の列）、合計加熱出力は、反応器２の加熱出力に加えて、方法を比較可能にするために必要とされる。この加熱出力は、加熱出力に正規化した加熱出力として、更に示す（表内の「加熱出力％」の列）。
表の行２（「反応器、ガス・汽力発電所」）は、表の行１で既に指定しているように、例えば、図１による個別のガス・汽力発電所と、図２による自立運転反応器２との組合せの値をもたらす。ガス・汽力発電所内の電流生成に必要な加熱出力は、ここでは０．５６と仮定している全体の電気効率によって異なり（図１に関する注釈を参照）、上記表の列で述べた合計加熱出力に（反応器２の加熱出力に加えて）含める。
行１及び２を一緒に見ると、電源から取得した電流（表の行１）、又はガス・汽力発電所で生成した電流（表の行２）を含む同じ電力生成（表内の「電流生成」の列）、及び同じ生成量の反応生成物エチレンに関し、必要な加熱出力の減少は、異なる電気効率（ガス・汽力発電所の電流生成では０．５６の全体電気効率、図１に対するコメントを参照；典型的な電源電流では０．３３、上記を参照）を元に、表の行２に従って直ちに達成できることを示す。
同じ量の反応生成物エチレンに基づく方法の特定のエネルギー消費（表内の「特定のエネルギー消費」の列）は、それに応じて減少し、このため、本明細書の上記で説明した意味における方法の「エネルギー効率」は、それに応じて増大する。反応器２に関連する効率レベルは、反応器２が自立運転で十分に動作し続けるため、変化しない。
表６Ａでは、上記で説明した表の行１及び２の値は、行３（「図３による複合設備４００」）において、合計電流生成が１５２ＭＷと仮定して、図３による複合設備４００に関連する値と比較する。表の行３によれば、１５２ＭＷのうち、１１８ＭＷは、ガス・タービン１によって生成し、３４ＭＷは、加圧蒸気ｆから、対応する（低い）効率で生成すると仮定し（この簡略化は、比較の目的のためであり、実際の加圧蒸気ｆの使用が典型的にはシャフト動力を直接使用して圧縮器又はポンプを駆動するものである。いずれの場合も、発電機の典型的には１％の限界損失とは別に、電力に対応する）。
約０．４２から約０．３７まで劣化した放射線区域効率のために、この場合、増大した加熱出力は、同じ量の反応生成物のために反応器２内で使用しなければならない。このために、表の列３による加熱出力は、全体で１，２７０ＭＷであり、このことは、明らかに、表の列２に対する０．１％の限界改良だけでなく、表の列１に対する著しい改良も表す。
Figure 2017535706
電気エネルギーを生成する燃料消費は、結合生成で可能な電力に関する、列１及び２による２つの基準ケース（即ち、電流及び反応生成物の個別の生成及び自立運転による生成）において決定される。（したがって、基準ケースは、８０ＭＷ電力未満を有するガス・汽力発電所が独立した発電所として設置される可能性はほとんどないという知識により「適合される」。このことは、以下の表にも適用する。加熱出力及び特定のエネルギー消費は、互いに相互に関連する。というのは、加熱要件が、合計エネルギー消費の半分を著しく超えて構成するためである。
表６Ｂでは、表６Ａに関連して既に説明し、表６Ａと同様の意味を有する表の列１及び２は、列３（「図５による複合設備」）において、図３による複合設備２００に関連する値と、１０８ＭＷの電流生成値を仮定して比較する。この値は、反応器２内の蒸気生成値が、自立運転反応器内の蒸気生成値と同じであるとき、ガス・タービン１の電流生成値である。
部分流ｃ’及びｃ’’に対する燃焼排気ガスｃの分散、並びに予熱デバイス４内で予熱のみに使用する部分使用、並びに図５による複合設備２００の反応器２内への部分給送のために、放射線区域効率は、表の列１及び２と比較して一定に、即ち、上述した約０．４２の値に保つことができる。したがって、所与のパラメータの特定の組合せにより、必要な加熱出力は、著しく、即ち、表の列２と比較すると約６％、表の列１と比較すると約１７％低下する。特定のエネルギー消費は、同じ量の反応生成物エチレンに基づき、それに応じて著しく低下する。同時に、既に述べたように、対応する反応器２は、従来の条件下、引き続き動作させることができる。
Figure 2017535706
表６Ｃでは、表の列１及び２の値は、列３（「図４による複合装置、４９８℃」）内で、図４による複合設備１００に関連する値と比較し、燃焼支援ガスｄを４９８℃、即ち、表４Ｂに従って予熱し、ガス・タービンによる電流生成は６０ＭＷと仮定する。これらの６０ＭＷのうち、４３ＭＷは、除去すべきである（表内の行「電力としての蒸気生成の低下」）。というのは、蒸気生成がより少なく、対応してシャフト動力が不足することは、電力によって単純に補償されるためである。使用する電気エンジンに対する典型的には約３％の損失は、簡単にするために無視する。
やはり劇的に、即ち約０．５３の値まで増大する放射線区域効率のために、加熱出力の別の著しい低下がある一方で、電流生成は、表の列１及び２と比較すると同一である。
Figure 2017535706
上記の表の複合研究は、特に、（高い等級の）燃料、例えば反応器２を使用して実行した、対応する方法からの残留ガスによる部分的な発電が、典型的な発電所ミックスの使用、又は電源からの取得による電流生成と比較すると、図１によるガス・汽力発電所を使用するか、図３による設備４００の形態の公知の組合せを使用するかにかかわらず、約１１％の効率の上昇を達成することを示す。本明細書での前提条件は、特に、例えば適切な残留ガスの十分な利用可能性である。更に、図３による設備４００の形態の公知の組合せは、電流及び反応生成物の個別の生成に対して、効率の利点がない又はわずかしかないことがわかり、即ち、上記に示す例では、同じ加熱出力及びしたがって匹敵する燃料供給を必要とする。
本発明の一実施形態により提案する設備２００は、ガス・汽力発電所による個別の電流生成及び自立運転反応器２内の反応生成物の個別の製造と比較すると、約６％高い効率を有する。典型的な発電所ミックス、又は電源からの電流の取得と、自立運転反応器２内の反応生成物の個別の生成とを比較すると、約１１％の効率増加が観察される。
設備２００は、使用点火出力の追加単位につき、９２％の電流を生成する（即ち、自立運転反応器の動作に必要な加熱出力に加えて、１ＭＷの使用加熱出力につき、０．９２ＭＷの電流を生成する）。この値は、ガス・汽力発電所の電気効率のほぼ２倍、又は発電所ミックス若しくは電源からの電流の取得の電気効率の３倍に相当する。
提案する設備１００は、自立運転反応器よりも加熱出力をあまり必要とせず、更なる電流も生成する。したがって、設備１００は、ガス・汽力発電所による個別の電流生成及び自立運転反応器２内の反応生成物の個別の製造と比較すると約１１％高い効率を有する。

Claims (15)

  1. 機械動力の複合生成及び炭化水素の製造のための方法であって、前記機械動力を生成するために、少なくとも１つの内燃機関（１）に点火することによって燃焼排気ガス（ｃ）を生成し、炭化水素を生成するために、燃料（ｅ）及び燃焼支援ガス（ｄ）を使用して少なくとも１つの反応器（２）を加熱する、方法において、前記燃焼支援ガス（ｄ）の少なくとも一部分は、前記内燃機関（１）からの前記燃焼排気ガス（ｃ）の少なくとも一部分との間接的な熱交換によって加熱することを特徴とする方法。
  2. 前記機械動力は、少なくとも部分的に、少なくとも１つの発電機（Ｇ）によって電力に変換する、及び／又は少なくとも１つのシャフトを駆動するために使用する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記少なくとも１つの反応器（２）は、管型反応器として構成し、放射線区域において、反応管を、前記燃料を燃焼させるバーナによって外側から加熱する、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記炭化水素を生成するために、給送流は、加圧蒸気によって、管型反応器として構成した前記反応器（２）の前記反応管に通す、請求項３に記載の方法。
  5. 触媒は、管型反応器として構成した前記反応器（２）の前記反応管内に供給する、請求項３又は４に記載の方法。
  6. 前記燃料（ｅ）は、少なくとも部分的に、前記少なくとも１つの反応器（２）からの生成物流から分離したガス混合体から生成する、請求項１から５のうちいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記少なくとも１つの反応器（２）の少なくとも１つの領域は、前記燃料（ｅ）及び前記燃焼支援ガス（ｄ）の使用により、前記少なくとも１つの反応器（２）の前記少なくとも１つの領域内で１，５００から２，５００℃の温度レベル、特に１，５００から２，５００℃の温度レベルまで加熱する、請求項１から６のうちいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記少なくとも１つの内燃機関（１）は、少なくとも１つのガス・タービンを備える、請求項１から７のうちいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記内燃機関（１）からの前記燃焼排気ガス（ｃ）は、５００から１，０００℃の温度レベル、特に、６００から７００℃の温度レベル、又は５００から６５０℃の温度レベルで供給する、請求項１から８のうちいずれか一項に記載の方法。
  10. 間接的な熱交換によって前記燃焼支援ガス（ｄ）を加熱するために、前記内燃機関（１）からの前記燃焼排気ガス（ｃ）の一部分を使用し、前記内燃機関（１）からの前記燃焼排気ガス（ｃ）の一部分は、前記燃焼支援ガス（ｄ）と混合し、前記少なくとも１つの反応器（２）に前記燃焼支援ガス（ｄ）と一緒に供給する、請求項１から９のうちいずれか一項に記載の方法。
  11. 間接的な熱交換によって前記燃焼支援ガス（ｄ）を加熱するために、前記内燃機関（１）からの前記燃焼排気ガス（ｃ）を全部使用し、前記少なくとも１つの反応器（２）には供給しない、請求項１から９のうちいずれか一項に記載の方法。
  12. 天然ガス及び／若しくはメタン含有ガス混合体、特に、請求項６に従って生成した水素、メタン及び一酸化炭素を含有するガス混合体を前記燃料（ｅ）として使用する、並びに／又は空気を前記燃焼支援ガス（ｄ）として使用する、請求項１から１１のうちいずれか一項に記載の方法。
  13. 加圧蒸気（ｆ）は、前記少なくとも１つの反応器（２）からの廃熱から生成し、特に前記発電機（Ｇ）の少なくとも１つのシャフトを駆動するために使用する、請求項１から１２のうちいずれか一項に記載の方法。
  14. 機械動力の複合生成及び炭化水素の生成のための設備（１００、２００）であって、前記設備（１００、２００）は、前記機械動力の生成のための少なくとも１つの内燃機関（１）、及び前記炭化水素の生成のための少なくとも１つの反応器（２）を備え、前記少なくとも１つの内燃機関（１）は、点火によって燃焼排気ガス（ｃ）を生成することができ、前記少なくとも１つの反応器（２）は、燃料（ｅ）及び燃焼支援ガス（ｄ）を使用して加熱することができる、設備（１００、２００）において、前記内燃機関（１）からの前記燃焼排気ガス（ｃ）の少なくとも一部分との間接的な熱交換によって、前記燃焼支援ガス（ｄ）の少なくとも一部分を加熱するように配置する手段を提供することを特徴とする設備（１００、２００）。
  15. 請求項１から１３のうちいずれか一項に記載の方法を実行するように配置する、請求項１４に記載の設備（１００、２００）。
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