JP4474354B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、化学プラントで利用されるコージェネレーションシステムに関する。

コージェネシステムまたはコージェネレーションシステムとは、燃料を用いて発電するとともに、その際に発生する排熱を冷暖房や給湯、蒸気などの用途に有効利用する省エネルギーシステムである。

例えば、特許文献１には、ガスタービン、ガスエンジン、ディーゼルエンジンに排熱回収ボイラを設けて、動力及び熱の両方を発生するコージェネレーション装置において、熱の需要が下がり余剰蒸気・余剰温水が発生した際に、排熱回収ボイラに水もしくは蒸気内の排ガス温度を下げる方法が記載されている。

さらに、特許文献２には、空気を圧縮する圧縮機と、燃料を燃焼させる燃焼機と、燃焼ガスにより駆動され圧縮機を駆動するタービンと、からなるガスタービンと、タービン排気を熱源として水を蒸発させ過熱する排熱ボイラと、排熱ボイラで発生した過熱蒸気で駆動される蒸気タービンとを備え、蒸気タービンの排出蒸気をガスタービンの燃焼器に噴射する複合蒸気噴射ガスタービンが記載されている。この構成により、燃焼器に噴射する水蒸気量を保持したままで、排熱ボイラで従来より高温高圧に水蒸気を過熱してその分のエネルギーを蒸気タービンで余分に回収することにより、単位蒸気量当りの熱エネルギーの交換量が増加することが記載されている。
特開２００３−１２０４１８号公報 特開平１１−２８０４９３号公報

一般的に、発熱反応である反応器を有する化学工場においては、その反応熱を利用して蒸気発生を行い、工場内のプロセス蒸気として利用し、不足分は、蒸気発生ボイラなどで蒸気発生を行っている。ただし、工場内の蒸気需要バランスはこれまでの省エネルギーの推進のより、反応熱から得られた廃熱蒸気で概ね賄われている場合が多い。この場合、蒸気発生により排熱利用を行う一般的なコージェネレーションシステムの導入は、工場内の蒸気需要がないため難しい場合が多い。

従来、燃料を使用し、蒸気の過熱、或いは熱媒体の加熱を行っている化学工場において、コージェネレーションシステムの排熱利用による燃料を削減する形でコージェネレーションを導入し、省エネルギー及び地球温暖化ガスの削減に寄与することを目的とする。

そこで、化学プラントにおいて、コージェネ装置を導入したコージェネレーションシステムを提供することを目的とする。

また、コージェネレーションシステムを用いたエチレンオキシドとエチレングリコール、アクリル酸、無水マレイン酸、無水フタル酸、またはメタクリル酸などの反応熱発生型の酸化反応を伴う製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、化学プラントから発生した蒸気をコージェネ装置の蒸気過熱器に供給し、該蒸気過熱器で得られた過熱蒸気を該化学プラントで利用することを特徴とするコージェネレーションシステム、に関する。

また本発明は、前記システムを用いたエチレンオキシドとエチレングリコール、アクリル酸、無水マレイン酸、無水フタル酸、またはメタクリル酸などの反応熱発生型の酸化反応を伴う製造方法、に関する。

本発明によれば、省エネルギーを達成するとともに、地球温暖化ガスの排出を抑制することができる。

さらに、蒸気需要がない工場でコージェネレーションシステムの導入が可能となる。

本発明のコージェネレーションシステムは、化学プラントから発生した蒸気をコージェネ装置の蒸気過熱器に供給し、該蒸気過熱器で得られた過熱蒸気を該化学プラントで利用することを特徴とする。

本発明で利用できる化学プラントとは、化学反応を利用するプラントであれば特に制限はされることはないが、例えば、電力需要がある程度あること、蒸気以外の熱の需要があることが好ましい。化学プラントの具体例として、エチレンオキシド及びエチレングリコール、アクリル酸、無水マレイン酸、無水フタル酸、またはメタクリル酸などの製造装置が挙げられる。

本発明で使用できるコージェネ装置とは、燃料を用いて発電するとともに、その際に発生する廃熱を利用できる装置であれば特に制限されることはなく、例えば、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービンなどの原動源或いは発電機の駆動源として利用し、同時に排ガスの熱を回収する蒸気加熱器を備える装置を挙げられる。

本発明で用いられる過熱蒸気とは、過熱蒸気であれば制限なく用いることができる。

また、本発明のコージェネレーションシステムは、前述の蒸気の過熱以外に、前記化学プラントで使用する熱媒体、または前記化学プラントで使用する燃焼炉の燃焼用空気、あるいはその双方をそれぞれコージェネ装置に設けた加熱器に供給し、加熱された媒体を該化学プラントで利用することが好ましい。

本発明で用いることができる熱媒体としては、例えば、水蒸気、ダウサム（ダウ社の伝熱媒体の商品）あるいはナイターなどの溶融塩が例示できる。また、本発明で利用できる燃焼炉の燃焼用空気とは、該化学プラントにある蒸気ボイラ、熱媒体加熱炉、廃棄物焼却炉などの燃料を燃焼して加熱する設備の燃焼用空気が例示できる。

本発明のコージェネレーションシステムは、さらに、前記過熱蒸気を蒸気タービンへ導き、前記プラントのポンプまたは昇圧機の動力源として使用し、また該蒸気タービン出口の蒸気を前記プラントのプロセス蒸気として使用することが好ましい。

また、本発明のコージェネレーションシステムを用いたエチレンオキシドとエチレングリコール（ＥＯＧ）、アクリル酸、無水マレイン酸、無水フタル酸、またはメタクリル酸の製造方法を提供することができる。ここでは、エチレンオキシド（ＥＯ）とエチレングリコール（ＥＧ）を代表例として説明する。ここで、ＥＯとＥＧの製造方法は、従来公知の方法を採用できる。

ＥＯの製造プロセスの概略を以下に説明する。

図１はＥＯプロセスの一例を示す系統図である。（例えば、特開２００１−１８７７８８号公報、特開２００１−３１６３０８号公報参照）
図１（Ａ）において、エチレン、酸素などを含むエチレン原料ガスをブロワ１０４、熱交換器１０５を経てシェル・アンド・チューブ型反応器１０７に導入し、ここで銀含有触媒と接触させてエチレンをＥＯに部分酸化する。反応ガスは熱交換器１０５を経てＥＯ吸収塔１０８に導入し、生成したＥＯを吸収・回収する。ＥＯ吸収塔１０８からの反応ガスの一部は反応器１０７に循環する。そして、その残りは、ブロワ１０４を経て炭酸ガス吸収塔１０９に導入し、炭酸ガスを吸収・分離した後、反応器１０７に循環する。このように、ＥＯ吸収塔１０８及び炭酸ガス吸収塔１０９から循環した反応ガスにエチレン、メタンなどを補充してガス組成を調整した後、エチレン原料ガスとして反応器１０７に導入して連続的に酸化反応を行う。

図１（Ｂ）は空気から酸素を分離する工程の説明である。図１（Ｂ）において、空気を空気圧縮機１８１に送って圧縮し、圧縮された空気を空気分離装置１８３に送り酸素を分離し、分離された酸素を酸素圧縮機１８５で圧縮した後、ＥＯ製造用原料としてＥＯプロセスに送る。

図２はＥＧの製造プロセスの一例を示すフローシートである。

図２において、得られたＥＯを、水とともに、加水反応装置２９１に送って反応させる。得られたＥＧ水溶液を濃縮工程２９２、次いで脱水工程２９３に送り、水分を蒸発した後、モノ−ＥＧ蒸留塔２９４に送り、塔頂よりモノ−ＥＧ（ＭＥＧ）を分離する。モノ−ＥＧ蒸留塔の塔底液は、ジ−ＥＧ蒸留塔２９５に送り、塔頂よりジ−ＥＧ（ＤＥＧ）を分離し、塔底液はトリ−ＥＧ蒸留塔２９６に送り、塔頂よりトリ−ＥＧ（ＴＥＧ）を分離する。（例えば、特開２００１−３１６３０８号公報参照）
このようにエチレンからＥＯ経由でＥＧを製造するに際しては、ＥＯ精留操作、副生ＥＧ濃縮脱水操作、さらにはモノ−、ジ−、トリ−ＥＧなどの精留などの操作が必要とされ、多量の熱源が消費される。ＥＯの原料となる酸素を得るために空気を取り込む圧縮機、反応ガスを循環させるための圧縮機、酸素の圧縮機、その他のプロセスポンプなど多大な動力が必要である。

次に、ＥＯＧプロセスにおける主要な蒸気、エネルギーのフローを説明する。

図３は、本発明のコージェネレーションシステムの蒸気フローの一例を示す図面である。図３において、ＥＯ反応器３０７でエチレンと酸素との酸化反応の際に大量の反応熱が発生するので、この反応熱を有効に利用して気液分離槽３０８で飽和蒸気を得る。

この飽和蒸気を、第１飽和蒸気と第２飽和蒸気の二つに分ける。第１飽和蒸気を、ライン３１０を介して蒸気加熱炉３１１に送り、そこで燃料を燃焼用空気とともに燃焼して加熱し、ライン３１２を介して第１蒸気タービン３１３に送る。第１蒸気タービン３１３は、ＥＯ反応器３０７に導入する（循環）反応ガスを圧縮する機能を担う。第１蒸気タービン３１３を出た蒸気は、ライン３１４を介してプロセス熱源用の第１プロセス蒸気として利用する。一方、第２飽和蒸気は、ライン３２０を介してコージェネ装置に設けられた蒸気過熱器３２１に送り、そこで蒸気を過熱蒸気とする。得られた過熱蒸気は、ライン３２２を介して第２蒸気タービン３２３に送る。第２蒸気タービン３２３は、ＥＯの原料の一つである酸素を得るために、空気を圧縮する機能を担う。具体的には、空気は第２蒸気タービンにより駆動する空気圧縮機３２４で圧縮する。圧縮空気は、ライン３２５を介して空気分離装置３２６に送る。空気分離装置３２６で分離した酸素は、ライン３２７を介して、モーター３２８で動く酸素圧縮機３２９に送る。圧縮酸素は、ＥＯの製造用の原料として、エチレン、反応ガスとともに、ＥＯ反応器３０７に供給する。第２蒸気タービン３２３を出た蒸気は、ライン３３０を介してプロセス熱源用の第２プロセス蒸気として利用する。第２蒸気タービンに送る蒸気を、コージェネの蒸気過熱炉で加熱するとあるが、第１蒸気タービン、第２蒸気タービンのどちらかに限定するものではない。

コージェネ装置は次のような構成である。空気は、ライン３５０を介して空気圧縮機３５１に送り、そこで圧縮する。得られた圧縮空気は、ライン３５２を介して燃焼器３５３に送る。一方、燃料は、ライン３５４を介して燃焼器３５３に送り、そこで燃焼させる。燃焼排ガスは、ライン３５５を介してガスタービン３５６に送る。ガスタービン３５６により駆動する発電機３５７により発電した電力は、ライン３５８を介して送電する。ガスタービン３５６を出た燃焼排ガスは、ライン３５９を介して蒸気過熱器３２１に送られる。蒸気過熱器３２１を出た燃焼排ガスは、ライン３６０を介して熱媒体加熱器３６１に送られる。熱媒体加熱器３６１を出た排気は、ラインを介して系外に排出される。ここで、前述の記載において、蒸気過熱器３２１と熱媒体過熱器３６１の配置の順番を規定するわけではない。

他方、コージェネ装置の蒸気過熱器３２１を出た排ガスの持つ排熱を、熱媒体加熱器３６１を利用して回収する。必要により、熱媒体は、ライン３７０を介して熱媒体加熱炉３７１に送り、そこで加熱する。熱媒体は、ライン３７２を介してＥＧプロセス３７３に送り、そこで熱源として利用する。ＥＧプロセス３７３を出た熱媒体は、ライン３７４を介して熱媒体加熱器３６１に送る。

このように、本発明で使用できる主要なエネルギーとしては、ＥＯの反応器から発生する蒸気、コージェネ装置から得られる自家発電による電力、及びコージェネ装置のガスタービンから発生した燃焼排ガスの有する熱である。

これに対し、エネルギーを使用する箇所としては、ＥＯの原料空気圧縮機、ＥＯの反応ガスを循環させるための圧縮機、及びプロセスポンプ、ＥＧの蒸留塔などの加熱、燃焼炉で燃焼する燃料などである。

上記自家発電による電力は、ＥＯの原料空気圧縮器、ＥＯ用原料酸素の圧縮器、及びプロセスポンプに供給する。ＥＯ反応器から発生する蒸気は、コージェネ装置のガスタービンから発生した燃焼排ガスの有する熱を利用して、さらに過熱蒸気として利用価値を高め、ＥＯの第２蒸気タービンに利用する。さらに、ガスタービンの燃焼排ガスが有する熱を利用して、熱媒体の加熱を行い、ＥＧの蒸留塔などの加熱源として利用する。または、燃焼排ガスが有する熱を利用して、燃焼炉での燃焼用空気の予熱を行い、燃焼炉での燃焼燃料の削減を図る。あるいは、両方法でガスタービンの燃焼排ガスを有する熱を利用する。

このように得られたエネルギーをバランスよく、消費することが可能である。

以下、本発明について、実施例に基づいてより詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されることはない。

（実施例１）
本発明のコージェネレーションシステムについて図面を参照して説明する。

図３において、コージェネレーションシステムは、ＥＯプロセス、コージェネ装置、及びＥＧプロセスに分けられるので、それぞれについて順に説明する。

（ＥＯプロセス）
ＥＯの反応器３０７で発生する酸化反応熱を、熱水循環による沸騰伝熱により熱除去を行う。熱水は気液分離槽３０８に導き、そこで飽和蒸気とする。飽和蒸気を二つに分け、一方はライン３１０を介して蒸気加熱炉３１１に導き、そこでさらに過熱する。過熱蒸気を、ライン３１２を介してＥＯＧプロセスの動力源とする第１蒸気タービン３１３に送る。第１蒸気タービン３１３から出た蒸気は、ライン３１４を介してプロセス熱源として用いる。残りの飽和蒸気は、ライン３２０を介してコージェネ装置の蒸気過熱器３２１に導き、そこで過熱蒸気とする。過熱蒸気はライン３２２を介してＥＯＧプロセスの動力源とする第２蒸気タービン３２３に送る。第２蒸気タービン３２３から出た蒸気は、ライン３３０を介してプロセス熱源として用いる。蒸気タービンを駆動源とする動力では不足するため、モーター３３１を併設する。

（コージェネ装置）
コージェネ装置には、燃焼器３５３、空気圧縮機３５１、ガスタービン３５６、発電機３５７などが含まれ、この構成により発電機３５７による発電及びその際に発生する廃熱を利用する。ガスタービンを出た燃焼排ガスは、蒸気加熱器３２１、必要により脱硝装置（図示せず）、及び熱媒体加熱器３６１を経て排出される。

（ＥＧプロセス）
熱媒体はライン３７４を介して熱媒体加熱器３６１に導き、そこで熱媒体を加熱する。加熱された熱媒体はライン３７２を介して、プロセス熱源としてＥＧプロセス３７３に導く。ＥＧプロセスから排出された熱媒体は、ライン３７４を介して熱媒体加熱器３６１に送られる。

（比較例１）
従来技術の蒸気フローについて図面を参照して説明する。

図４は、従来のＥＯＧ技術の蒸気フローを示す図面である。図４において、蒸気フローは、ＥＯプロセス、及びＥＧプロセスに分けて順に説明する。

（ＥＯプロセス）
ＥＯの反応器４０７で発生する酸化反応熱を、熱水循環による沸騰伝熱により熱除去を行う。熱水は気液分離層４０８に導き、そこで飽和蒸気とする。飽和蒸気を二つに分け、一方はライン４１０を介して第１蒸気加熱炉４１１に導き、そこでさらに過熱する。過熱蒸気或いは過熱蒸気は、ライン４１２を介してＥＯＧプロセスの動力源とする第１蒸気タービン４１３に送る。第１蒸気タービン４１３から出た蒸気は、ライン４１４を経由してプロセス（図示せず）のプロセス熱源として用いる。残りの飽和蒸気は、ライン４４１を介して第２蒸気加熱炉４４２に導き、そこでさらに過熱する。過熱蒸気を、ライン４２２を介してＥＯＧプロセスの動力源とする第２蒸気タービン４２３に送る。蒸気タービンを駆動源とする動力では不足するため、モーター４３１を併設する。具体的に、空気は、第２蒸気タービンにより駆動する空気圧縮機４２４で圧縮する。圧縮空気は、ライン４２５を介して空気分離装置４２６に送る。空気分離装置４２６で分離した酸素は、ライン４２７を介して、モーター４３１で動く酸素圧縮機４２９に送る。圧縮酸素は、ＥＯの製造用の原料として、エチレン、反応ガスとともに、ＥＯ反応器４０７に供給する。第２蒸気タービンから出た蒸気は、ライン４４０を介してプロセス（図示せず）のプロセス熱源として用いる。

（ＥＧプロセス）
熱媒体はライン４７０を介して熱媒体加熱炉４７１に導き、燃料を投入して熱媒体を加熱する。加熱された熱媒体はライン４７２を介してＥＧプロセス４７３に導く。ＥＧプロセス４７３内で熱源として利用した後の熱媒体は、ライン４７０を介して熱媒体加熱炉４７１に送られる。

（エネルギー収支）
コージェネレーションシステムの導入前後での運転条件の一例について表１に示す。

ここで、（コージェネレーションシステム総合効率）＝｛（ガスタービン発電量の熱換算量）＋（コージェネ装置の蒸気過熱炉での蒸気が受け取った熱量）＋（コージェネ装置の熱媒体加熱炉での熱媒体が受け取った熱量）｝／（ガスタービン燃料使用量の熱換算量）で定義する。なお、加熱炉４４２，４７１の炉効率は９０％である。

表１の運転条件において、導入前後では、図４の加熱炉４４２および加熱炉４７１での燃料使用量ゼロで運転可能である。ただし、蒸気条件の変動、および熱媒体条件の変動、あるいは操作条件の変動がある場合、従来加熱炉と併用運転を行い、不足熱源の追加投入を行うことによって対応が可能である。この場合において、導入前と比較して加熱炉（４４２あるいは４７１）で使用する燃料がコージェネ装置の加熱炉で回収した熱量分減少できることは当然である。

導入前は、導入後のガスタービン発電量の６９６０ｋＷは購入電力で賄っていた。

ガスタービンで発電した電力は、空気圧縮機４２４での不足動力分を補うモーター４３１の電力、酸素圧縮機４２９のモーター４２８の電力およびＥＯプロセス、ＥＧプロセスで使用するプロセスポンプの電力として消費される。

電力、燃料を原油換算量にし、導入前後の総エネルギー使用量として比較した。その際の原油換算係数としては、電力：０．２５４Ｌ／ｋＷｈ、燃料：０．０２５８Ｌ／ＭＪを用いた。

（導入前総エネルギー使用量）＝（購入電力：６９６０ｋＷ）×０．２５４＋（燃料：２７２６９＋１０１５２ＭＪ）×０．０２５８＝２７３３Ｌ／ｈとなる。

（導入後総エネルギー使用量）＝（ガスタービン燃料：７６７２７）ｘ０．０２５８＝１９８０Ｌ／ｈ。

このシステムの導入効果として、原油換算量で２７．６％の省エネルギーを達成した。

また、このコージェネレーションシステムにおける総合効率は７６．６％で、このガスタービンの規模における一般的な蒸気発生式のコージェネレーションシステムと同等の性能効率であった。

炭酸ガス排出量の削減効果について
導入前後の炭酸ガス排出量（炭素量換算）の比較を行った。炭酸ガス排出量の算出には、電力：０．１０３ｋｇ−Ｃ／ｋＷｈ、燃料０．０１３０ｋｇ−Ｃ／ＭＪを用いた。その結果、導入前後の削減率で１７．３％の削減効果があった。

ＥＯプロセスの一例を示す系統図である。 ＥＧの製造プロセスの一例を示すフローシートである。 本発明のコージェネレーションシステムの蒸気フローの一例を示す図面である。 従来のＥＯＧ技術の蒸気フローを示す図面である。

符号の説明

１０４：ブロワ、
１０５：熱交換器、
１０７：反応器、
１０８：ＥＯ吸収塔、
１０９：炭酸ガス吸収塔。

Claims (5)

1. 化学プラントから発生した蒸気をコージェネ装置の蒸気過熱器に供給し、該蒸気過熱器で得られた過熱蒸気を該化学プラントで利用することを特徴とするコージェネレーションシステム。
2. 前記化学プラントで使用する熱媒体、あるいは前記化学プラントで使用する燃焼炉の燃焼用空気、あるいはその両方をコージェネ装置に設けた加熱器に供給し、前記化学プラントで利用する請求項１記載のシステム。
3. 前記過熱蒸気を蒸気タービンへ導き、前記プラントのポンプまたは昇圧機の動力源、あるいは発電機の駆動源として使用し、さらに該蒸気タービン出口の蒸気を前記プラントのプロセス蒸気として使用する請求項１または２記載のシステム。
4. 前記化学プラントは、反応熱発生型の酸化反応を伴う製造プラントである請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステムを用いた反応熱発生型の酸化反応を伴うエチレンオキシドとエチレングリコール、アクリル酸、無水マレイン酸、無水フタル酸、またはメタクリル酸の製造方法。

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