JP2968298B2 - 炭素質燃料から動力を発生する方法 - Google Patents

炭素質燃料から動力を発生する方法

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    • Y02E20/18Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電力発生とくに総合ガス化複合サイクル(IG
CC)法による動力発生に関する。
本発明は、燃料を酸素または酸素含有ガスによつて部
分的に酸化して燃焼ガスおよび蒸気を含むガス流を発生
すること、前記流れを冷却水によつて急冷して冷たい飽
和した流れとすること、前記流れを熱交換器に通し循環
水との熱交換によつてさらに冷却し前記流れから蒸気を
液体に凝縮すること、前記流れを膨脹させてその圧力を
下げることおよび前記流れから硫黄化合物を流れの圧力
を下げる前または後に除去すること、流れを加熱して再
飽和させること、ついで流れをガスタービンにおいて燃
焼させて動力を発生させることの各工程を有し、流れを
再飽和させる熱を発生するため循環水が使用される炭素
質燃料から動力を発生する方法を提供するものである。
“飽和”および“再飽和”とはガスまたはガス混合物
に大きいガス含有量を加えることである。
本明細書において、動力ステーシヨンは二つのセクシ
ヨンを有する。すなわち、処理燃料ガス準備セクシヨン
および、ガスタービン、復熱蒸気発生器、蒸気タービン
および関連する蒸気発生装置を有する動力発生セクシヨ
ンよりなつている。各セクシヨンはユニツトよりなり、
各ユニツトは設備の個々の種目からなつている。
〔従来の技術〕
IGCC法による動力発生の一般的工程は公知である。こ
の工程において、石炭または重質燃料油のような炭素質
燃料は酸素を使用することにより部分的にガス化され、
可燃性ガスを含むガス混合物を形成する。ガス化工程に
おいて、燃料中に存在する硫黄化合物は主として硫化水
素に変換され、小部分が硫化カルボニルになる。部分酸
化反応器からでるガスは冷却され、硫化水素は酸性ガス
除去ユニツトにおいて適当な液体による洗浄によつて除
去され、前記ユニツトはガスから二酸化炭素を除去する
ように構成することができる。望むならば、アンモニア
製造において周知の技術により、ほとんどすべての炭酸
ガスを燃料ガス流から除去することができる。硫黄を減
少したガスは通常再熱され、蒸気と混合され、ガスター
ビンの燃料として使用される。燃料ガスと蒸気との混合
の目的はガスタービンにおける燃料の燃焼中窒素酸化物
の生成を減少することである。ガスタービンの高温排気
ガスは、復熱および蒸気発生ユニツトに送られる。この
ユニツトは排気中の熱を使用して蒸気タービンで使用す
る蒸気を発生する。この蒸気発生は燃料エネルギの電力
への全変換効率を改善する。ガスタービンならびに蒸気
タービンは交流発電機を駆動して電力を発生する。
〔発明が解決しようとする課題〕
公知の方法における効率低下の主な原因は、酸性ガス
除去ユニツトに入る前にガスを冷却する必要性である。
部分的酸化反応器から排出するガスは1000〜1500℃の範
囲にあつてきわめて高温である。これらのガスは硫黄化
合物を有効に除去するため周囲温度に冷却する必要があ
り、燃料として使用される前に再熱されるのが好まし
い。これは燃焼中窒素酸化物の生成を減少するため蒸気
添加を可能とする。この冷却および再熱は熱力学的に非
効率である。
硫黄が減少された燃料ガスへの蒸気添加は通常ガスを
飽和器の中で高温水と対向して流すことにより実施され
る。冷却された水は飽和器から調整水とともに水加熱器
を通つて循環し飽和器に戻る。飽和燃料ガスは通常燃焼
の前に過熱される。
通常のIGCCは、いわゆるガス化のガス冷却器モードを
利用して、輻射冷却器、対流冷却器および必要に応じて
エコノマイザを使用することにより部分酸化反応器から
の高温ガスの高温の廃熱を回収している。この通常のIG
CCに対して、酸性ガス除去ユニツト後方の冷却された硫
黄減少ガスの飽和および再熱に必要なすべての熱は部分
酸化反応器後方の冷却器からもしくはガスタービン排気
管に取付けられた復熱および蒸気発生ユニツトから得ら
れる。他の熱源もまた飽和熱需要に役立つが、ガス冷却
器、復熱器および蒸気発生ユニツトだけが単一の熱源と
して使用するのに十分な熱を有するに過ぎない。
本発明は、いわゆる直接急冷法に関し、部分酸化反応
器から排出された高温ガスは冷水に直接接触して冷却さ
れガスは飽和する。このガス化モードは通常合成ガス、
たとえばアンモニヤまたはメタノールの生産に利用され
電力発生には利用されなかつた。
動力ステーシヨンに使用されるならば、直接急冷モー
ドのガス化には、酸性ガス除去ユニツト後方の冷却され
た硫黄減少ガスの引き続く再飽和に実際上使用しうる、
急冷ガスから利用しうる熱には限界がある。この限界は
急冷ガス流の比較的低いガス温度によるものである。酸
性ガス除去後の飽和用の熱の少なくとも一部はガスター
ビン復熱および蒸気発生ユニツトから得なければならな
い。
ウツドマンシー(Woodmansee)の米国特許第4150953
号には、動力サイクルが記載されているが、本発明を示
唆するものではない。とくに、圧力に関しては、その明
細書の第3欄、第19行に“ガス通路に沿う僅かな圧力降
下”がみられるとだけ記載されているが、それは誰にで
も明らかなことである。これに対して本発明は、流れ図
における特殊な圧力降下装置に関する。
〔課題を解決するための手段〕
本発明はガス急冷ユニツトと再飽和器との間の予定の
圧力差を使用して駆動力ならびに再飽和回路に実際上利
用しうる利用可能な熱を増加するもので、その熱は再飽
和器を駆動するのに十分でタービン復熱および蒸気発生
ユニツトからとくに付加的に熱を取り入れる必要がな
い。
燃焼前の燃料ガス圧力はガスタービン燃焼器の構造に
よつて一定であり、本発明は通常のIGCC法に使用される
以上のガス化圧力の予定の増加を利用している。この圧
力増加は急冷された燃料ガスの飽和温度を上昇し、それ
により再飽和中に急冷された燃料ガスと硫黄減少燃料ガ
スとの間に一層大きい温度差を発生する。
本発明は十分に高いガス化圧力を使用して、ガスター
ビン復熱および蒸気発生ユニツトから、再飽和器回路に
熱を使用する必要をなくしている。好ましくはガス化圧
力は30バール以上であり、一層好ましくは40バール以
上、もつとも好ましくは50バール以上である。
本発明の利点は下記の通りである。
第1に動力ステーシヨンの動力発生セクシヨンは、別
の燃料を使用して一層容易に作動することができる。そ
の訳は燃料ガス再飽和のためガスタービンの復熱および
蒸気発生ユニツトから熱を取り出す必要がないからであ
る。通常の作用において、復熱および蒸気発生ユニツト
は燃料ガス再飽和回路の熱要求に対して何の役にも立た
ない。したがつて、別の燃料で独立に運転するとき、そ
うでなければガス再飽和回路を通つて再循環する熱負荷
消滅の結果動力ステーシヨンの動力発生セクシヨンの熱
効率の低下はない。
第2に動力ステーシヨンの処理燃料ガス準備セクシヨ
ンおよび動力発生セクシヨンのこの分離は、各セクシヨ
ンの設計を容易に最善のものとすることができる。商業
的に二つのセクシヨンは二つの会社から一層容易に供給
されかつテストされる。
第3に、急冷モードで運転するように構成されたIGCC
動力ステーシヨンの全熱効率が改善される。急冷モード
IGCC動力ステーシヨンはガス冷却器モードで運転するよ
うに構成されたIGCC動力ステーシヨンより高い信頼性、
したがつて利用可能性を有する。
本発明の工程はまず部分酸化反応器から排出したガス
を水によつて急冷し、好ましくは蒸気/ガス比を蒸気/
ガス混合物から発生することにより再飽和回路に必要な
蒸気/ガス比に調節し、ついで熱交換器においてさらに
冷却し存在する蒸気の大部分を凝縮させ、ガスを膨脹の
前または後に酸性ガス除去ユニツトに通し、その際絞り
弁のような装置を使用することができ、その膨脹はター
ビンにおいて実施され軸出力を得るのが好ましい。
好ましくは再飽和回路内の水の流れは再飽和器を下降
し、再飽和されるガスは上昇し、水は加熱される酸性ガ
ス除去ユニツト上流の間接熱交換器内に流れ、ついで再
飽和器の頂部に戻る。ガス流中に蒸発した補充すべき水
は再飽和器出口と熱交換器との間の回路に注入される。
回路を駆動するポンプは通常再飽和器下部に設置され
る。
そうでなければ、酸性ガス除去ユニツト上流の間接熱
交換器において加熱された水は再飽和器のコイルを通つ
て循環し、再飽和器の水は上記のように調整水とともに
再飽和器の周りに送給される。
一般に全再飽和器回路は高圧ガス流の高い蒸気含有量
を減少する装置(デサチユレータ)、および低圧ガス流
の蒸気含有量を増加する装置(再飽和器)を有する。ガ
ス流と水回路の水との間の熱交換に関して、再飽和器な
らびにデサチユレータの双方は直接(熱および質量)転
移または間接(熱)転移のいずれかで作用し、それによ
り四つの変形が得られる。しかしながら、IGCC法の場
合、両方が直接であれば、高圧ガス流中の硫黄化合物の
あるものはデサチユレータ内で循環水に溶解し、その水
から、再飽和器内のガス流中に分離する。硫黄排出量を
確実に低下するため、好ましくはないが硫黄化合物に酸
性ガス除去ユニツトをバイパスさせ、それにより硫黄を
亜硫酸ガスとして最終的に大気に放出する。両方とも直
接であればたとえば酸化亜鉛から作られた硫黄化合物除
去ガードベツドを使用して酸性ガス除去ユニツトをバイ
パスする硫黄酸化物を除去するのが望ましい。
上流の熱交換器から排出した凝縮水を再飽和器調整水
として使用することが可能である。しかしながらこの凝
縮水には硫化水素が溶解している。この硫化水素は酸性
ガス除去ユニツトをバイパスし、燃料ガスは硫黄を含有
する。凝縮水を調整水として使用する前に凝縮水から硫
化水素を除去することは可能であるが、凝縮水装置が故
障すると硫黄含有ガスは酸性ガス除去ユニツトをバイパ
スし、硫黄は亜硫酸ガスとして最終的に大気に放出され
ることになる。繰り返すが、これは上記のように防止す
ることができる。それにもかかわらず、そのような凝縮
水は再飽和器調整水源に使用される可能性を有する。
要するに、本発明はきわめて有効な方法で低温ガス処
理工程において熱を伝達する。実際、蒸気がその工程に
おいて転移される。
〔実施例〕
以下、本発明の特殊な実施例を第1図および第2図の
流れ図に基づいて説明する。
説明は300MW動力ステーシヨンの処理燃料ガス準備セ
クシヨンに関する。
原料炭は70バールの圧力の純度99.5%の酸素とともに
部分酸化ユニツトに送られる。得られたガス混合物は過
剰の水、すなわち全部は蒸発しない水を使用して、飽和
状態まで急冷される。部分酸化ユニツトおよび急冷装置
は第1図の1および2に示されている。この急冷工程は
ガス冷却に加えてガス洗浄工程でもある。
ガス流の組成は(感想量基準モル%):メタン0.4、
水素43.7、一酸化炭素45.6、二酸化炭素9.0、窒素およ
びアルゴン0.4、硫化水素および硫化カルボニル0.9で、
毎時12107kgモルの蒸気を含み、乾燥ガス流量は毎時915
2kgモルで、240℃、63バールで廃熱ボイラ3に供給され
る。このボイラ3では、44メガワツト(MW)の熱が動力
ステーシヨの動力発生セクシヨンに供給される上昇流と
熱交換される。ボイラの後方で、ガス中の蒸気量は毎時
7600kgモルに減少し、残つた蒸気は凝縮し分離器4で分
離される。
ついで、流れは燃料ガス加熱器5を通り、さらに再飽
和回路水加熱器6を通り、そこでガス流温度は220℃か
ら130℃に低下して87MWの熱を放出する。
この後、水は分離器7においてふたたび分離される。
この段階で蒸気流は毎時200kgモルに減少する。
ガスはついで膨脹予熱器8を通り、さらに9MWの熱を
放出する。ガスは水加熱器10において冷却されることに
より、酸ガス除去ユニツト9に入るのに必要な温度に冷
却される。このときまでに、蒸気流量は毎時15kgモルに
減少している。
酸性ガス除去ユニツト9において、硫黄化合物は除去
され、硫黄は毎時85kgモルになる。
酸性ガス除去ユニツト9の後方で、感想ガス流は毎時
9069kgモルにまた蒸気流は毎時7kgモルになる。この流
れは膨脹機予熱器8を通つた後、膨脹機11で膨脹して6M
Wの軸出力を発生する。
膨脹機11において流れは約58バールから21バールに膨
脹する。
流れは膨脹機11から再飽和器12の底部に流れこみ、そ
こで温度は水との直接接触により上昇し、流れの蒸気含
量は毎時6275kgモルに増加する。ポンプ13は毎時約1000
トンの水を再飽和器回路の周りに循環する。調整水は回
路に毎時6268kgモルの割合で補充される。
再飽和器12の頂部から出て行くガス流はついで燃料ガ
ス予熱器5を通つて200℃、20バールの燃料としてガス
タービン14に、さらに復熱蒸気発生器および蒸気タービ
ン15に供給される。蒸気タービン15は廃熱ボイラからも
清浄な煙道ガスが最終的に復熱蒸気発生器(15の一部)
から排出する。
〔発明の効果〕
本発明は、動力ステーシヨンの動力発生セクシヨンに
別の燃料を使用して一層容易に運転することができ、ま
た、動力ステーシヨンの処理燃料ガス準備セクシヨンお
よび動力発生セクシヨンは各セクシヨンの構成を容易に
最善のものとすることができ、さらに、動力ステーシヨ
ンの全熱効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示し、また第2図は燃料ガス
の物質収支を示す。 1…部分酸化ユニツト、2…急冷装置、3…廃熱ボイ
ラ、4…分離器、5…燃焼ガス加熱器、6…水加熱器、
7…分離器、8…膨脹予熱器、9…酸性ガス除去ユニツ
ト、10…水加熱器、11…膨脹タービン、12…再飽和器、
13…ポンプ、14…ガスタービン、15…蒸気タービン。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料を酸素または酸素含有ガスによって部
    分的に酸化して燃焼ガスおよび蒸気を含む高圧ガス流を
    発生すること、前記流れを冷却水との直接接触によって
    急冷して冷たい飽和した流れとすること、前記流れを熱
    交換器に通し循環水との熱交換によってさらに冷却し前
    記流れから蒸気を液体に凝縮すること、前記流れを膨脹
    させてその圧力を下げることおよび前記流れから硫黄化
    合物を流れの圧力を下げる前または後に除去すること、
    前記流れを加熱して再飽和させること、ついで流れをガ
    スタービンにおいて燃焼させて動力を発生させることの
    各工程を有し、流れを再飽和させる熱を発生するため循
    環水が使用される炭素質燃料から動力を発生する方法。
  2. 【請求項2】部分的酸化が40バール以上の圧力で実施さ
    れる請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】蒸気が急冷装置出口に設けられたボイラ内
    を上昇する請求項1または2に記載の方法。
  4. 【請求項4】ガス流は圧力低下および蒸気の含量がふた
    たび高くなった後熱交換器において未膨脹ガス流によっ
    て再熱される請求項1ないし3のいずれか1項記載の方
    法。
  5. 【請求項5】膨脹は膨脹エンジンにおいて実施され出力
    を発生する請求項1ないし4のいずれか1項記載の方
    法。
  6. 【請求項6】ほとんどすべての炭酸ガスが前記流れがガ
    スタービンの燃料として使用される前に除去される請求
    項1ないし5のいずれか1項記載の方法。
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