JP4402531B2 - 重質油改質装置と改質方法、ガスタービン発電装置および石油精製装置 - Google Patents

Description

本発明は、重質油を高温高圧蒸気と混合し反応させて軽質化する重質油改質装置と改質方法に関する。また、重質油改質装置を備えたガスタービン発電装置及び石油精製装置に関する。

重質油は重金属を多く含みガスタービン発電燃料として適さないことから、脱金属して有用なエネルギー源に変換する方法が提案されている。重質油を有用なエネルギー源に変換する方法の一つとして、重質油を高温高圧の蒸気と反応させて分解し、軽質化する方法がある。また、水が超臨界域又は超臨界域近傍となる条件下で重質油を分解し、軽質分と残分とに分離する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平11-80750号公報（要約）

特許文献１には、軽質分をガスタービン燃料とし、残分をボイラーに供給して燃焼し、発生した蒸気の一部を重質油の改質に用いることが記載されている。この方法によれば、重質油の改質によって発生した残分を利用して、重質油の改質に必要な蒸気を自己生成できる。しかし、残分の発生量がコントロールされていないために、余剰の蒸気が発生する。特許文献１では、この余剰の蒸気を利用するためのスチームタービンが備えられている。

ここで、もし、残分の発生量をコントロールすることができるならば、重質油の改質に必要な蒸気量を過不足なく生成することが可能になり、スチームタービンを設けずに熱回収することが可能になる。

本発明の目的は、重質油の改質によって発生した重質残滓を用いて蒸気を自己生成する際に、重質油の改質に必要な蒸気量が過不足なく生成できるようにすることにある。

本発明の重質油改質装置は、高温高圧の蒸気と重質油を所望の温度と圧力の下で混合し反応させて改質油を生成する重質油改質器と、前記重質油改質器で改質油を生成した際に発生する重質残滓を燃料として燃焼し前記重質油改質器で使用する蒸気を発生させるボイラーと、前記ボイラーで所望の蒸気量を得るのに要する重質残滓量が前記重質油改質器で得られるように前記重質油改質器の圧力を制御する制御機を備えた重質油改質装置において、前記制御機では、前記重質油改質器で生成する改質油の目標量から前記重質油改質器に供給する必要蒸気量が計算され、この必要蒸気量を前記ボイラーで得るのに要する重質残滓の量が計算され、この重質残滓量を発生させる前記重質油改質器の運転圧力が計算され、この運転圧力となるように前記重質油改質器の圧力を調節する指令が出されることを特徴とする。
また本発明の重質油改質装置は、高温高圧の蒸気と重質油を混合し反応させて改質油を生成する重質油改質器と、前記重質油改質器で改質油を生成した際に発生する重質残滓を燃料として燃焼し前記重質油改質器で使用する蒸気を発生させるボイラーと、前記ボイラーで所望の蒸気量を得るのに要する重質残滓量が前記重質油改質器で得られるように前記重質油改質器の圧力を制御する制御機を具備した重質油改質装置において、 前記制御機では、前記重質油改質器で生成する改質油の目標量から前記重質油改質器に供給する必要蒸気量が計算され、この必要蒸気量を前記ボイラーで得るのに要する重質残滓の量が計算され、この重質残滓の量と改質油の目標量から重質油供給量に対する重質残滓の発生比率が計算され、この発生比率になるように前記重質油改質器の圧力を調節する指令が出されることを特徴とする。
本発明の重質油改質方法は、高温高圧の蒸気と重質油を所望の温度と圧力の下で重質油改質器で混合し反応させて改質油を生成し、改質油を生成した際に発生する重質残滓を燃料としてボイラーで燃焼して前記重質油改質器で使用する蒸気を発生させ、前記ボイラーで所望の蒸気量を得るのに要する重質残滓量が前記重質油改質器で得られるように前記重質油改質器の圧力を制御する重質油改質方法において、前記重質油改質器で生成する改質油の目標量から前記重質油改質器に供給する必要蒸気量を計算し、この必要蒸気量を前記ボイラーで得るのに要する重質残滓の量を計算し、この重質残滓量を発生させる前記重質油改質器の運転圧力を計算し、この運転圧力となるように前記重質油改質器の圧力を調節することを特徴とする。
また本発明の重質油改質方法は、高温高圧の蒸気と重質油を所望の温度と圧力の下で重質油改質器で混合し反応させて改質油を生成し、改質油を生成した際に発生する重質残滓を燃料としてボイラーで燃焼して前記重質油改質器で使用する蒸気を発生させ、前記ボイラーで所望の蒸気量を得るのに要する重質残滓量が前記重質油改質器で得られるように前記重質油改質器の圧力を制御する重質油改質方法において、前記重質油改質器で生成する改質油の目標量から前記重質油改質器に供給する必要蒸気量を計算し、この必要蒸気量を前記ボイラーで得るのに要する重質残滓の量を計算し、この重質残滓の量と改質油の目標量から重質油供給量に対する重質残滓の発生比率を計算し、この発生比率になるように前記重質油改質器の圧力を調節することを特徴とする。

本発明によれば、高温高圧蒸気を用いて重質油を改質する際に、重質残滓の発生量を制御することができる。これにより、重質残滓をボイラー燃料として蒸気を自己生成する重質油改質装置において、重質油の改質に必要な蒸気量を過不足なく生成し、無駄な熱を発生させないようにすることが可能になった。

本発明者は、重質油を高温高圧蒸気と混合し反応させて分解し改質する重質油改質技術において、原料である重質油の供給量或いは改質油発生量に対する重質残滓の発生量の比率が、反応圧力によって変化することを見出した。これにより、重質油改質時の反応圧力を制御することで、重質油供給量或いは改質油発生量に対する重質残滓の発生量の比率を、所望の比率に制御することが可能になった。この結果、重質油の改質に必要な蒸気量を過不足なく生成できるようになった。

本発明は、一例として、重質油を高温高圧蒸気と混合し反応させて分解することにより改質し、この改質の際に発生する重質残滓を燃料としてボイラーを運転し、このボイラーから発生する蒸気を重質油改質器に供給するようにした蒸気自己生成型の重質油改質装置に適用できる。この重質油改質装置において、反応圧力を変えて重質残滓の量を制御し、その際に、必要な改質油量、それに必要な蒸気量、その蒸気量を発生すために必要な重質残滓量のバランスをとるようにすれば、過不足なく蒸気を生成することが可能になる。

本発明によれば、高温高圧の蒸気と重質油を所望の温度と圧力の下で混合し反応させて改質油を生成し、その際に、重質油供給量あるいは改質油発生量に対して重質残滓の発生量が所望の比率になるように前記圧力を制御する重質油改質方法が提供される。

本発明の重質油改質方法において、高温高圧の蒸気と重質油は３５０℃以上５５０℃以下の温度、５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の圧力の条件下で反応させ、かつ圧力を５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の範囲内で変化させて重質残滓の発生量を制御することが望ましい。

本発明によれば、また、高温高圧の蒸気と重質油を混合し反応させて改質油を生成する重質油改質器と、前記重質油改質器で改質油を生成した際に発生する重質残滓を燃料として燃焼し前記重質油改質器で使用する蒸気を発生させるボイラーと、前記ボイラーで所望の蒸気量を得るのに要する重質残滓量が前記重質油改質器で得られるように前記重質油改質器の圧力を制御する制御機とを具備した重質油改質装置が提供される。

前記制御機では、たとえば、重質油改質器で生成する改質油の目標量から重質油改質器に供給する必要蒸気量が計算され、この必要蒸気量をボイラーで得るのに要する重質残滓の量が計算され、この重質残滓量を発生させる重質油改質器の運転圧力が計算され、この運転圧力となるように重質油改質器の圧力を調節する指令が出される。

また、他の例として、前記制御機では、重質油改質器で生成する改質油の目標量から重質油改質器に供給する必要蒸気量が計算され、この必要蒸気量をボイラーで得るのに要する重質残滓の量が計算され、この重質残滓の量と改質油の目標量から重質油供給量に対する重質残滓の発生比率が計算され、この発生比率になるように前記重質油改質器の圧力を調節する指令が出される。

本発明において、重質油改質器で生成された改質油は、ガスタービンを駆動するための燃料として使用することができる。また、重質油改質器から抜き出された改質油を、石油精製装置における蒸留装置で分留し、ガス分、ナフサ分、ガソリン分および軽油分のいずれか１つを得るようにすることもできる。

重質油を高温高圧の蒸気により改質する際には、一般に原料である重質油の０．５〜１０重量％の重質残滓が発生する。重質油に含まれる金属などの有害物質は、この重質残滓に捕捉されて改質油から分離される。本発明者は、重質残滓の発生量すなわち原料の重質油に対する発生比率が、反応の圧力に依存することを見出した。

図３に、高温高圧蒸気による重質油改質試験において、圧力を変化させた場合の重質残滓／原料の発生比率の変化を示した。反応圧力が高くなるにつれて、重質残滓の発生比率は低下している。このことは、反応圧力を制御することが、重質残滓の発生量を制御することと一義的につながることを示している。なお、重質残滓／原料の発生比率が反応圧力によって変化する割合は、重質油の成分或いは反応温度によっても異なる。

図１に、本発明による重質油改質装置の一実施例を示す。

重質油改質器１には、原料である重質油２が供給される系統および高温高圧の蒸気８が供給される系統が設けられている。重質油２が供給される系統には、重質油ポンプ１１が設けられている。また、重質油改質器１には、重質油を分解してバナジウムなどの有害物質を取り除き軽質化された改質油３を取り出す系統が設けられており、その系統に減圧弁９が設けられている。更に重質油改質器１から重質残滓４を抜き出す系統が設けられ、その系統に減圧ホッパー１０が設けられている。

重質油改質器１を高圧に保持するために、減圧弁９の開度が制御され、反応圧力が５ＭＰａ〜３０ＭＰａの範囲に調節される。この反応圧力の範囲にすることにより、蒸気による重油改質効果が顕著に現れ、かつ、反応圧力の制御により重質残滓４の発生量が変化するようになる。重質油改質器１から抜き出された重質残滓４は、ボイラー５の燃料として、バーナー６に供給される。ボイラー５の伝熱管には水ポンプ１２によって水７が供給され、重質残滓４を燃焼した熱により、高温の蒸気８を発生する。蒸気８の温度を３５０℃以上にすることにより、蒸気による重質油改質効果が得られる。また、蒸気の温度を５５０℃以下にすることにより、過度に高温にすることによる重質油の固化が防止される。発生した蒸気８は重質油改質器１に供給され、重質油２を改質するために使用される。この構成により、重質油改質器１で使用する蒸気を自己生成する重質油改質装置が成立する。

図１に示した制御機２４による重質油改質器の制御方法について、図２のフローを用いて説明する。図１に示す重質油改質装置を運転する方法として、まず、改質燃料必要量の指令値２５が制御機２４に入力として与えられる。この改質燃料必要量は、重質油改質器１で生成した改質油を用いて、例えばガスタービンを駆動する場合には、ガスタービン燃料量にあたる。この改質燃料必要量と、目標とする燃料／蒸気量の比の指令値２６により、制御機２４において蒸気必要量が計算される。蒸気必要量からボイラーの性能に応じた、必要なボイラー燃料量すなわち重質残滓量が計算される。この重質残滓量と改質燃料必要量から、原料である重質油に対する重質残滓の必要発生比率が計算される。図３に示したような、重質残滓発生比率と運転（反応）圧力の関係により、重質油改質器の運転圧力が決定され、指令値となる。また、改質燃料必要量と重質残滓量を合算することにより原料重質油の処理量指令値が決定され、重質油ポンプ１１の指令値となる。制御機２４には、このほかに重質油改質器１の圧力計測値２３が入力として与えられ、これらをもとに圧力制御指令２７が出され、減圧弁９の開度が制御される。また、制御機２４による重質油供給量指令２８により重質油ポンプ１１が制御される。なお、図1には示さなかったが、制御機２４からの指令により、水ポンプ１２を制御するようにしても良い。

図４は、図1に示す構成の重質油改質装置をガスタービン発電プラントに接続した実施例を示している。図１と同一の構成に関しては説明を省略し、相違する点についてのみ説明する。

本実施例において、重質油改質器１で製造された改質油３は、バナジウムなどの有害な金属が除去され、かつ軽質化されており、ガスタービンに使用可能となっている。改質油３をガスタービンの燃焼器１５に供給し、圧縮機１４で空気１３を圧縮することによって得られた圧縮空気と混合して燃焼し、発生した燃焼ガスによりガスタービン１６を回転させる。この回転により発電機１７を駆動し、電気を発生させる。

以上の構成により、従来、ガスタービンで使用できなかった重質油を燃料とするガスタービン発電システムが成立する。

なお、図４では、製造した改質油３の全量をガスタービンに供給しているが、一部をガスタービン燃料とし、一部は油製品とすることも可能である。また、ガスタービン１６のガス下流に排熱回収ボイラーを設けて、蒸気供給あるいは蒸気タービン駆動に用いる構成も採り得る。また、ガスタービンに代えてボイラーを設置し、蒸気供給あるいは蒸気タービン駆動に用いる構成も採り得る。

図５に、図１に示す構成の重質油改質装置を石油精製プラントに接続した実施例を示す。図１と同一の構成に関しては説明を省略し、相違する点についてのみ説明する。

図１に示す構成の重質油改質器１で生成された改質油３は、分子量の小さいガス成分から、比較的分子量の大きい油成分まで、さまざまな炭化水素燃料が混合した状態である。そこで、改質油３を蒸留装置１８に供給し、分留することにより、ガス留分１９、ナフサ留分２０、灯油留分２１、軽油留分２２などに分ける。これにより、従来、製品化されている油類に近い燃料が得られ、使用目的の拡大が図れる。

本発明により、重質油を高温高圧蒸気で改質する重質油改質装置或いは改質方法において、原料である重質油の供給量或いは改質油の発生量に対する重質残滓の発生比率を制御することが可能になった。これにより、重質残滓を用いて蒸気を自己生成する重質油改質装置において、重質残滓の発生量をコントロールして、重質油の改質に必要な蒸気量を過不足なく生成できるようになった。

本発明による重質油改質装置の一実施形態を示す概略図。 本発明による重質油改質装置の運転制御方法の一例を示すフロー図。 重質油改質器における反応圧力と重質残滓発生比率の関係を示す特性図。 本発明の重質油改質装置をガスタービン発電プラントに接続した実施形態を示す概略図。 本発明の重質油改質装置を石油生成プラントに接続した実施形態を示す概略図。

符号の説明

１…重質油改質器、２…重質油、３…改質油、４…重質残滓、５…ボイラー、６…バーナー、７…水、８…蒸気、９…減圧弁、１０…減圧ホッパー、１１…重質油ポンプ、１２…水ポンプ、１３…空気、１４…圧縮機、１５…燃焼器、１６…ガスタービン、１７…発電機、１８…蒸留装置、２４…制御機。

Claims (10)

1. 高温高圧の蒸気と重質油を所望の温度と圧力の下で混合し反応させて改質油を生成する重質油改質器と、前記重質油改質器で改質油を生成した際に発生する重質残滓を燃料として燃焼し前記重質油改質器で使用する蒸気を発生させるボイラーと、前記ボイラーで所望の蒸気量を得るのに要する重質残滓量が前記重質油改質器で得られるように前記重質油改質器の圧力を制御する制御機を備えた重質油改質装置において、
   前記制御機では、前記重質油改質器で生成する改質油の目標量から前記重質油改質器に供給する必要蒸気量が計算され、この必要蒸気量を前記ボイラーで得るのに要する重質残滓の量が計算され、この重質残滓量を発生させる前記重質油改質器の運転圧力が計算され、この運転圧力となるように前記重質油改質器の圧力を調節する指令が出されることを特徴とする重質油改質装置。
2. 高温高圧の蒸気と重質油を混合し反応させて改質油を生成する重質油改質器と、前記重質油改質器で改質油を生成した際に発生する重質残滓を燃料として燃焼し前記重質油改質器で使用する蒸気を発生させるボイラーと、前記ボイラーで所望の蒸気量を得るのに要する重質残滓量が前記重質油改質器で得られるように前記重質油改質器の圧力を制御する制御機を具備した重質油改質装置において、
   前記制御機では、前記重質油改質器で生成する改質油の目標量から前記重質油改質器に供給する必要蒸気量が計算され、この必要蒸気量を前記ボイラーで得るのに要する重質残滓の量が計算され、この重質残滓の量と改質油の目標量から重質油供給量に対する重質残滓の発生比率が計算され、この発生比率になるように前記重質油改質器の圧力を調節する指令が出されることを特徴とする重質油改質装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の重質油改質装置において、
   前記所望の温度と圧力がそれぞれ３５０℃以上５５０℃以下の温度、５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の圧力であり、前記所望の圧力の範囲内で前記重質油改質器の圧力が制御されることを特徴とする重質油改質装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の重質油改質装置において、
   前記制御機からの指令により、前記重質油改質器から改質油を抜き出す減圧弁の開度が調節されることを特徴とする重質油改質装置。
5. 請求項１又は請求項２に記載の重質油改質装置において、前記重質油改質器で生成された改質油によりガスタービンを駆動して発電するようにしたことを特徴とするガスタービン発電装置。
6. 請求項１又は請求項２に記載の重質油改質装置において、
   前記重質油改質器から抜き出された改質油を分留する蒸留装置を備え、ガス分、ナフサ分、ガソリン分および軽油分のいずれか１つを得るようにしたことを特徴とする石油精製装置。
7. 請求項１又は請求項２に記載の重質油改質装置において、
   前記重質油改質器から改質油を抜き出す系統と、前記重質油改質器から重質残滓を抜き出して前記ボイラーへ燃料として供給する系統と、前記ボイラーで発生した蒸気を前記重質油改質器へ供給する系統と、前記重質油改質器へ重質油を供給する系統とが備えられ、少なくとも前記重質油改質器から改質油を抜き出す系統に設けられた減圧弁の開度が前記制御機からの指令により制御されるようにしたことを特徴とする重質油改質装置。
8. 高温高圧の蒸気と重質油を所望の温度と圧力の下で重質油改質器で混合し反応させて改質油を生成し、改質油を生成した際に発生する重質残滓を燃料としてボイラーで燃焼して前記重質油改質器で使用する蒸気を発生させ、前記ボイラーで所望の蒸気量を得るのに要する重質残滓量が前記重質油改質器で得られるように前記重質油改質器の圧力を制御する重質油改質方法において、
   前記重質油改質器で生成する改質油の目標量から前記重質油改質器に供給する必要蒸気量を計算し、この必要蒸気量を前記ボイラーで得るのに要する重質残滓の量を計算し、この重質残滓量を発生させる前記重質油改質器の運転圧力を計算し、この運転圧力となるように前記重質油改質器の圧力を調節することを特徴とする重質油改質方法。
9. 高温高圧の蒸気と重質油を所望の温度と圧力の下で重質油改質器で混合し反応させて改質油を生成し、改質油を生成した際に発生する重質残滓を燃料としてボイラーで燃焼して前記重質油改質器で使用する蒸気を発生させ、前記ボイラーで所望の蒸気量を得るのに要する重質残滓量が前記重質油改質器で得られるように前記重質油改質器の圧力を制御する重質油改質方法において、
   前記重質油改質器で生成する改質油の目標量から前記重質油改質器に供給する必要蒸気量を計算し、この必要蒸気量を前記ボイラーで得るのに要する重質残滓の量を計算し、この重質残滓の量と改質油の目標量から重質油供給量に対する重質残滓の発生比率を計算し、この発生比率になるように前記重質油改質器の圧力を調節することを特徴とする重質油改質方法。
10. 請求項８又は請求項９に記載の重質油改質方法において、
    前記高温高圧の蒸気と前記重質油を３５０℃以上５５０℃以下の温度、５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の圧力の条件下で反応させ、前記重質油改質器の圧力を５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の範囲内で変化させて重質残滓の発生量を制御することを特徴とする重質油改質方法。

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