JP3462222B2 - ガスタービンのすぐ上流に配置させた合成ガス膨張器 - Google Patents

ガスタービンのすぐ上流に配置させた合成ガス膨張器

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Description

【発明の詳細な説明】 （発明の背景） 1.発明の技術分野 本発明は炭化水素燃料の一部酸化による燃料ガスの生
成及び動力形成用のガスタービン中での燃料ガスの燃料
についての改良に関するもので、特にガス冷却段階を備
えかつ動力発生に使用される急冷燃料ガスから最大熱を
得るために高圧で作動する非常に有効な一体的ガス化結
合サイクル（IGCC）プロセスに関するものである。
2.従来の技術 燃料源のガス化から動力を発生させるために急冷動力
発生装置が世界中で使用されている。このような装置に
おいて、急冷ガス化反応器内の温度減速材の存在におい
て自由酸素含有ガスを有する炭化水素の一部酸化反応に
よってH2と、COと、CO2と、H2Oとから成る原料合成ガス
流又は合成燃料ガス流が生成されている。
生成された合成ガスは約450゜F乃至約550゜Fの範囲内
の温度かつ約700乃至約1500ゲージpsiの圧力の急冷飽和
合成ガスの流を生成させるために水で急冷することによ
り冷却される。このような方法の１つの詳細な説明はジ
ャンケ氏に付与した米国特許第5,345,756号明細書に開
示されている。
生成された合成ガスは一般的にはガス流からH2Sと及
びCOSを除去するために物理溶媒又は化学溶媒を使用す
る酸性ガス除去ユニットで浄化される。清浄合成ガスは
その後窒素のような温度減速材を有するガスタービンの
燃焼器に燃料ガスとして供給される。
（発明の概要） 本発明はガスタービンのすぐ上流に合成ガス膨張ター
ビン又は膨張器を配置させることにより動力を発生させ
るためにガスタービン用の燃料としての合成ガスの燃焼
の確実性と有効性を改良することにある。膨張器から出
る他の動力から効率の増大が生じると共に窒素の酸化物
を制御するための空気分離ユニットから窒素の圧縮を減
少又は除去することにより効率の増大が生じる。
本発明によれば、合成ガス膨張器又は膨張タービンは
ガスタービンのすぐ上流に配置されている。膨張器に入
る合成ガス混合物は弱800゜F乃至約100゜Fの高温であ
る。膨張器に入るガスは高温であるため、該ガスがガス
タービンに入る前に熱い合成ガスの膨張量から大量の動
力を抽出させることができ、それにより動力生成サイク
ルの効率を相当改良させることができる。膨張器から出
る燃料ガスは熱いままの状態であり、そして膨張器によ
り動力に変換されなかった熱はガスタービン中に直接搬
送され、該ガスタービンにおいて熱が回収される。
本発明の１つの実施例において、熱空気の抽気流はガ
スタービンの燃焼器部分に入る前にガスタービンの圧縮
器の排気口から除去される。熱空気の抽気流は他のプロ
セス流と熱交換させることによって又は有効に達成させ
ることができる他の冷却手段によって冷却される。
冷却後に、空気流は水で飽和させることができ、そし
て約1000ゲージpsi乃至約1200ゲージpsiまで圧縮させる
ことができる。空気流はサイクルの効率を改善させるた
めに水又は窒素で飽和させることもできるが、しかし空
気流に吸収される水は圧縮器の負荷を増大させる。
変形例において、空気流又はガス流は圧縮器の下流で
飽和させることができるか、又は飽和を受けることがき
る。しかし、この地点において、ガス流は圧縮熱の発生
により加熱されるようになり、そしてサチュレーターの
使用は効率的なものではない。
他の選択例において、ガスタービンからの空気の一部
は空気分離ユニットに向けることができ、該空気分離ユ
ニットは空気分離ユニットのエアーコンプレッサーのサ
イズと動力の減少を可能にする。更に他の選択例におい
て、空気分離ユニットからの窒素は圧縮させることがで
き、そしてガスタービンに送出するか又は膨張器の上流
の合成ガス又は空気に送出させ、ガスタービンから出る
動力を増大させかつガスタービン中に生成される窒素の
酸化物（NOx）を減少させる。
（発明を実施するための最良の形態） 図１に関し、酸性ガス除去ユニット（図示せず）から
の高圧スイート合成ガス２は合成ガスサチュレーター４
に入り、該合成ガスサチュレーター４においてスイート
合成ガス２は水６で飽和され、そして飽和合成ガス流８
として流出する。合成ガスサチュレーター４は排水口９
をも装着している。
約200乃至300ゲージpsiの圧力と約500゜F乃至800゜F
の温度における熱抽気空気流10がガスタービン12から抽
出され、そして第１熱交換器14に流通し、該熱交換器14
において抽気空気流10は高圧蒸気流18を形成するために
ボイラーからの給水流16に熱を放出する。冷却空気流20
は熱交換器14を出て、そして第２熱交換器22に入り、第
２熱交換器22において更に冷却され、そして冷却空気流
24として出る。冷却空気流24の一部13は空気分離ユニッ
トに循環させることができる。ガスタービン12は空気入
力11をも装着している。
冷却空気流24は第３熱交換器30に入り、第３熱交換器
30において冷却空気流24は更に冷却され、そして冷却空
気流32として流出し、該冷却空気流32は空気サチュレー
ター34に入り、該空気サチュレーター34において空気32
はライン36から入る水で飽和される。空気サチュレータ
ー34は排水口37を装着してある。
飽和空気38は空気サチュレーター34を出て、そしてコ
ンプレッサー40に入り、コンプレッサー40において飽和
空気38はガス化器の作動圧力である約200〜300ゲージps
iから約1000〜1200ゲージpsiまで圧縮され、そして圧縮
空気流42として流出し、圧縮空気流42は合成ガス流26と
共に燃焼器28に入る。
飽和合成ガス流８は熱交換器22を通過し、熱交換器22
において飽和合成ガス流８は通過する空気流20と熱交換
し、加熱飽和合成ガス流26として出て、そして燃焼器28
に入リ、燃焼器28において合成ガス流26は燃焼を受け
る。
図示していない中間冷却器がコンプレッサー40と共に
使用することができる。しかし、圧縮の熱が燃焼器28に
入りそして余分なエネルギーが燃焼値に変換されるの
で、中間段階冷却のない高圧縮率を実現できる。
圧縮空気流42は合成ガス流26と共に燃焼器28に入り、
燃焼生成物の混合物と高温の過剰合成ガスとを発生させ
るために燃焼を受ける。
一般的に、全ての合成ガスの約１％乃至約５％の範囲
の合成ガス流26の一部のみが燃焼器28で燃焼を受ける。
大部分の高圧合成ガスはライン44を介して燃焼器28を迂
回し、そして燃焼器28を出る燃焼ガス29と混合され、約
1000゜Fの温度における燃焼ガス29と合成ガス44の混合
物46を形成する。
燃焼器28の燃焼室の温度は燃焼器28を迂回する合成ガ
ス流44中の合成ガスの量を調整することにより変更する
ことができる。少量の合成ガス26が燃焼器28に流通する
ように路線が定められている場合に、未混合のガス流29
には相当高い温度を得ることができる。
混合ガス流46はその後膨張器48に入り、該膨張器48は
発生器50に結合されている。合成ガスの加熱が作業の循
環効率を改善するため、膨張器48から多量の動力が発生
器50により容易に抽出させることができる。膨張器48を
出るガス52は約250゜F〜約700゜Fの温度における加熱状
態を保持する。熱ガス52はガスタービン12用の燃料とし
て作用する。従って、膨張器48により動力に変換されな
い混合ガス46からの熱は燃料ガス52中の熱としてガスタ
ービン12に流出しそして発生器54により回収される。
本装置の作動を正しく制御することにより、膨張器48
を出る燃料ガス52は窒素の酸化物（NOx）の生成を最小
にさせるためBTU/標準立方フート（BTU/SCF）を十分に
低いレベルに保持させることができ、同時にガスタービ
ン12中で有効かつ効率的な燃焼を生じさせるために約80
BTU/SCF〜150BTU/SCFの範囲の十分に高い加熱値を維持
している。
燃料ガス52の加熱値は膨張器48中にガス流46を流入す
る前に合成ガス26の一部を燃焼器28中で予め燃焼させる
ために使用する空気の量を制御することによりかつ空気
サチュレーター34に入る高圧空気に付加させる飽和水36
の量によって制御される。膨張器48に流入させる前に燃
料ガス流に窒素又は合成ガス流をライン56を通して付加
させることができるか、又はガスタービン12中にライン
58を通して膨張器の下流で窒素又は合成ガス流を付加さ
せることができる。
図２は高温脱硫の実施例であり、該実施例において燃
焼器28から生じる燃焼ガス29と迂回合成ガス流44との混
合ガス46が亜鉛フェライト又は他の同様の材料の床60と
床62とから成る高温脱硫装置に入り、そして硫黄を減損
させたライン64を通して流出する。
高温脱硫装置に入る燃焼ガス46は当業者においては周
知の従来の低温脱硫方法の１つを介して、多部分の硫黄
含有量をすでに除去させてある。これらの方法の多くは
硫黄の除去を約１〜２％まで増大させるためにCOS加水
分解工程を含んでいる。
ここに説明した高温脱硫装置を利用することはCOS加
水分解の必要性を除去し、最後の微量の硫黄を取り除く
ことにある。その高温脱硫装置は最後の微量の硫黄につ
いてのみ運転するので、高温脱硫装置は合成ガスから全
ての硫黄を除去する装置と比較して非常に小型である。
更にライン66を通して導入された蒸気及びO2を使用する
床60及び62から再生されるサワーガスはライン68を通し
てガス化器（図示せず）に戻し、別の硫黄回収工程の必
要性を除去しかつバッチプロセスを行うか又は硫黄除去
床からの再生を形成する。
図３は温度を増大させるために合成ガスの一部を燃焼
させる酸化材として酸素及び空気以外の浄化酸素を使用
する簡素化方法の実施例である。図１に記載した抽出空
気処理装置を空気分離ユニット（図示せず）からの高圧
酸素に変換させ、高圧酸素はライン70を通して燃焼器28
に供給され、そして酸性ガス除去ユニット又は合成ガス
サチュレーター４からの高圧合成ガスの一部で燃焼され
る。合成ガスサチュレーター４からの高圧スイート合成
ガス８は熱交換器14に入り、そしてライン26を通して出
ていき、該ライン26により燃焼室28に送られる。
この実施例の利点はガス化器に供給させる酸素から側
流又は迂回流として酸素が高圧で容易に入手できること
にある。この実施例は現存する高圧ガス化動力装置を取
り替えるために使用することもできる。
図４は熱交換器のみにより合成ガスを加熱する変形例
を示し、それにより燃焼器28中での合成ガスの一部の燃
焼を避けるものである。この実施例は合成ガスを高温に
加熱するための最も有効な形態である。水で飽和された
合成ガス流８は熱回収蒸気発生器80に入り、該熱回収蒸
気発生器80において合成ガス流８はガスタービン12を出
る熱排出ガス82により間接的に加熱される。
間接加熱が使用されるけれど、通路と平行に進む熱回
収蒸気発生器80中の管を通して合成ガスを流通させるこ
とにより合成ガス８の加熱が生じ、蒸気が過熱される。
ガスタービンの排気から高温が入手できるため、合成ガ
スを燃焼させることなく約700゜Fから約1000゜Fまでの
温度に合成ガスを容易に加熱でき、そして蒸気84として
流出できる。
熱回収蒸気発生器80からの熱を直接用いることは膨張
器48で合成ガスを加熱するために合成ガスの一部を酸素
で燃焼させることよりも非常に有効であり、そして酸素
の生成に関するエネルギーを除去できる。ガスタービン
12のすぐ上流に配置させた膨張器48を有する実施例は非
常に長い合成ガス移送ライン又はパイプが必要とされる
冷却装置の中間に膨張器48を配置させたものよりも非常
に実用的な実施例である。
従って、膨張器48はガスタービン12のすぐ上流の加熱
合成ガスのライン84上に位置付けさせることができる。
これはガスタービンの排出ガスを冷却する必要性を除去
しかつコストを減少させる。
膨張器48の入力温度は流出させる燃料ガス52用の550
゜Fの排出温度を得るために設定されており、ガスター
ビン12に供給する燃料ガス52のライン上に標準高温燃料
用の制御弁を使用することができる。概して、これは膨
張器48に供給するための加熱ガス84用の約800゜Fから約
1000゜Fまでの範囲の供給温度を必要とする。膨張器48
に供給する合成ガス84は蒸気で又は他の処理蒸気で約55
0゜Fまで熱伝達させる上述した手段により予め加熱させ
ることができる。約800゜F及びそれ以上の温度までの加
熱は燃焼器28中の合成ガス内で発火する酸素又は空気に
より達成されるか、又は熱回収蒸気発生器80での熱交換
により達成される。
合成ガスサチュレーター４は窒素サチュレーターに交
換させることができる。一体構造の空気分離ユニット用
の燃料ガス流及び窒素流はほとんど同じ流量を有し、こ
の変形例はコストを減少させる。
膨張器は窒素コンプレッサーに連結させることがで
き、かつ窒素コンプレッサーを駆動させることができ、
発生器と、その電気投下コストと、効率損失の必要性を
除去する。
本発明は多数の利点を有している。まず第１に、有効
的な燃焼と最小量のNOxを備えるために最適なBTU含有レ
ベルで制御させることができる低BTU/SCF燃料を備える
ことができる。BTU含有量を制御するために空気分離ユ
ニットから窒素を圧縮するための必要性を除去し、比較
的低い圧力レベルから不活性ガスを圧縮する必要性を除
去する。膨張前のガスから硫黄を除去し、膨張器を確実
に作動させかつ膨張器用の投下コストを減少させる。膨
張器に流出するガスの温度を最大にさせ、膨張器が最大
の動力を発生させ、膨張器を使用する際に全てのサイク
ルの効率を改善させることができる。標準的な圧力の空
気分離ユニット又は酸素パイプラインを使用してガス化
動力発生を有効的に行うことができる。高温脱硫ユニッ
トが装着された際に100万分の１（ppm）レベルまで硫黄
を減少させることができる。
本装置は動力サイクルに最小の衝撃を有する保守が必
要である時に迂回形態を備えることができる。迂回形態
において、低NOx生成を維持させるために蒸気注入を使
用することができ、そして合成ガスサチュレーターから
燃焼器に合成ガス燃料を直接流通させることができる。
図面の簡単な説明 （図１） 燃焼器中で合成ガスを一部燃焼させるための酸素源と
してガスタービンからの抽出空気を使用する実施例の概
略図である。
（図２） 脱硫装置を含有する図１の実施例の概略図である。
（図３） 燃焼器中で合成ガスを一部燃焼させるための酸素源と
して空気分離ユニットからの高圧酸素を使用する実施例
の概略図である。
（図４） 合成ガスが熱回収蒸気発生器の管中でガスタービンの
排気と熱交換することにより加熱される実施例の概略図
である。
（符号の説明） ２ 合成ガスサチュレーター 12 ガスタービン 14,22,30 熱交換器 28 燃焼器 34 空気サチュレーター 40 コンプレッサー 48 膨張器 50,54 発生器 60,62 高温脱硫装置の硫黄除去床
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−41116（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−95610（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−32227（ＪＰ，Ａ) 米国特許2592749（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02C 3/00 - 3/34 F01K 21/04

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ガス化器中で炭化水素燃料の部分酸化反応
    により高温及び高圧の合成ガスを生成させ、そして該合
    成ガスを動力を発生させるために動力発生ユニット中の
    燃料として使用する動力発生ユニットの効率を増大させ
    る装置において、動力発生ユニットのすぐ上流に高温ガ
    ス膨張器を接続させ、動力発生ユニットからの空気供給
    ラインに直列に接続させた少なくとも１つの熱交換器
    と、該熱交換器に直列に接続させた空気サチュレーター
    と、該空気サチュレーターに直列に接続させたコンプレ
    ッサーとを備え、高温ガス膨張器のすぐ上流には燃焼器
    を接続し、高温ガス膨張器を燃焼器のまわりの迂回路を
    通して合成ガス源に接続させ、迂回路と高温ガス膨張器
    との間には燃焼器を出るガスから硫黄を除去するための
    高温脱硫装置を備えたことを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】更に合成ガスサチュレーターと熱交換器と
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】動力発生ユニットをガスタービンにした請
    求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】燃焼器には高圧酸素源を直列に接続させた
    請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】高温及び高圧の合成ガスをガス化器中で炭
    化水素燃料の部分酸化反応により生成させ、該合成ガス
    をガスタービン中で動力を発生させるために燃料として
    使用し、そして該合成ガスをガスタービンに燃料として
    供給させる前に浄化しかつ冷却する動力発生ユニットの
    効率を増大させる方法において、 ａ）合成ガスの一部分を燃焼させて燃焼ガスを形成し、 ｂ）燃焼させた合成ガスを未燃焼の一部分の合成ガスと
    結合させて結合ガス混合物を形成し、 ｃ）結合ガス混合物を脱硫させ、 ｄ）膨張器でその圧力を減少させることにより結合ガス
    混合物の容量を膨張させて膨張ガス混合物を形成し、 ｅ）ガスタービン用の燃料として膨張ガス混合物を使用
    する前に膨張器に連結させた発生器で膨張ガス混合物か
    ら動力を抽出することを特徴とする方法。
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