JP4537301B2

JP4537301B2 - ディーゼルエンジン設備

Info

Publication number: JP4537301B2
Application number: JP2005268043A
Authority: JP
Inventors: 宏和高橋; 浩二西田; 真一稲毛; 信幸穂刈; 修横田; 林　　明典; 慎介小久保
Original assignee: Petroleum Energy Center PEC; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Japan Petroleum Energy Center JPEC
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: JP2007077901A

Description

本発明は例えば発電機やその他の負荷を駆動するディーゼルエンジン設備に係り、特に、重質油を改質して生成した改質油を燃料とするディーゼルエンジン設備に関する。

通常、原油の蒸留で生成する残渣から軽質な燃料を生成させるために流動接触分解（Fluid Catalyst Cracking）法が用いられる。この分解法は残渣を触媒と接触させて分解し、高オクタン価のガソリンを製造する方法である。そしてこの分解法は、ガソリン成分の他に触媒等の固体粒子を含む重質油が生成される。この重質油は軽油やＡ重油などに較べ安価であるが、ディーゼルエンジン用の燃料に用いると、含まれている固体粒子がピストンリング，シリンダー，燃料噴射ノズル，プランジャに対して早期摩耗の原因となり、ディーゼルエンジンの短命化及びメンテナンスコスト高の原因になる可能性がある。

尚、重質油を利用したディーゼルエンジンは、例えば特許文献１に開示されているように、既に提案されている。特許文献１に記載の技術は、重質油と反応水とを混合して重質油中に存在する金属類を除去し、得られた軽質成分を燃料としてディーゼルエンジンへ供給するものである。

特開２００４−１１４７９号公報

上記特許文献１に記載の軽質成分を燃料とするディーゼルエンジンは、次のような問題がある。即ち、ディーゼルエンジンへ燃料を噴射するには、軽質成分を数１０〜１００数１０ＭＰａ以上の高圧に加圧する必要がある。しかしながら、軽質成分には水素やメタン等のガスが含まれるため、そのような高圧に加圧することは困難であり、したがって重質油から生成した軽質成分をディーゼルエンジンの燃料にすることは実用化されていないのが現状である。

本発明の目的は、重質油から生成した軽質分を用いて燃料にすることができるディーゼルエンジン設備を提供することである。

また、本発明の別な目的は、重質油を無駄なく利用できるディーゼルエンジン設備を提供することである。

本発明は上記目的を達成するために、重質油と反応水とを混合して重質成分と軽質成分とに分離する改質器と、この改質器で分離された軽質成分を改質ガスと改質油とに分離する気液分離器と、この気液分離器で分離された改質油を燃料とするディーゼルエンジンとでディーゼルエンジン設備を構成したのである。

さらに、前記気液分離器で分離された改質ガスや前記改質器で分離された重質成分を燃焼させて前記改質器を加熱するように構成したのである。

さらにまた、前記気液分離器で分離された改質ガスを燃料とするガスタービンを設けたのである。

上記構成により、重質油から分離した軽質成分から水素やメタン等のガス成分を除去し、軽質油のみをディーゼルエンジンの燃料として利用するようにしたので、これを数１０〜１００数１０ＭＰａ以上の高圧に加圧して噴射させることができる。

また、ディーゼルエンジンの燃料として利用される改質油以外の改質ガスや重質成分は改質器の加熱に利用したり、改質ガスはガスタービンの燃料にしたりすることで、重質油を無駄なく利用することができる。

以上説明したように本発明によれば、重質油から生成した軽質分を用いて燃料にすることができると共に、重質油を無駄なく利用できるディーゼルエンジン設備を得ることができる。

以下本発明によるディーゼルエンジン設備の第１の実施の形態を、図１に示すディーゼルエンジン発電設備に基づいて説明する。

ディーゼルエンジン発電設備１は、ディーゼルエンジン２と、このディーゼルエンジン２で駆動される発電機３と、前記ディーゼルエンジン２の燃料供給系４とで構成されている。

前記燃料供給系４は、重質油タンク５と、この重質油タンク５内の重質油を１０〜２５ＭＰａに加圧して送り出す重質油ポンプ６と、送り出された重質油を３５０℃〜４５０℃に加熱する重質油予熱器７と、加熱された重質油を改質する改質器８とを備えている。そして、この改質器８には、反応水タンク９内の反応水が反応水ポンプ１０によって１０〜２５ＭＰａに加圧されて送り出され、改質器８に供給する前に反応水を反応水予熱器１１によって４５０℃〜５００℃に加熱している。

改質器８内で反応水を混合された重質油は、改質器８を温度４３０℃〜４６０℃で圧力１０〜２５ＭＰａとすることで反応し、重質成分ａと水蒸気を含む軽質成分ｂとに分離される。分離された重質成分ａの主成分は、レジン分やアサファルテン分であり、バルブ１２を介して重質成分回収器１３に回収され、同時に重質油に含まれる触媒等の固体粒子は重質成分ａに濃縮されて重質成分回収器１３に回収される。重質成分回収器１３に回収された重質成分ａは、図示しないアスファルト製造装置に供給され、アスファルトの原料となる。

また、軽質成分ｂは、水素や炭化水素ガス（メタンやエタン等の化合物）、飽和物（ヘキサンやヘプタン等の化合物）、芳香族分（ベンゼンやトルエン等の化合物）が主成分であり、一部レジン分を含んでいる。この軽質成分ｂは、バルブ１４を介して気液分離器１５に供給される。尚、前記バルブ１４の開度を調節することで改質器８内の圧力が一定に保たれる。

気液分離器１５は、圧力が２〜４ＭＰａに保持されているので、供給された軽質成分ｂは減圧膨脹で温度が低下し、その結果、凝縮する改質油ｃと凝縮しない改質ガス（水蒸気、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素ガス（炭素数１８程度までの炭化水素））ｄに分離する。

分離された気液分離器１５内の改質油ｃは、液位計１６で計測され、一定となるようにバルブ１７の開度を調節する。これにより、改質油ｃは気液分離器１５内から抽出され、冷却器１８で約６０℃に冷却された後、改質油タンク１９に貯蔵される。改質油タンク１９内の改質油ｃは改質油ポンプ２０で加圧され、前記ディーゼルエンジン２の燃料として供給される。ディーゼルエンジン２に供給された改質油ｃは空気と混合して燃焼されてディーゼルエンジン２を駆動し、連結された発電機３を駆動して発電させる。ディーゼルエンジン２から排出される排ガスＡは、バルブ２１を介して直接煙突２３から大気中に放出されるか、バルブ２４〜２６を経由して重質油予熱器７，反応水予熱器１１，改質器８を加熱した後、煙突２３から大気中に放出される。

一方、気液分離器１５で分離された改質ガスｄは、バルブ２７を経由してガスタービン設備２８に供給される。ガスタービン設備２８は、空気圧縮機２９と、この空気圧縮機２９で圧縮された圧縮空気と前記改質ガスｄと混合して燃焼させる燃焼器３０と、燃焼器３０で燃焼した燃焼ガスで駆動されるガスタービン３１とで構成され、ガスタービン３１に回転駆動される負荷を連結している。ガスタービン３１を駆動し終えた排ガスＢは、前記煙突２３から大気中に放出される。尚、気液分離器１５内の圧力を一定に保つために、バルブ３２の開度を調節して余分な改質ガスｄをフレアスタック３３で燃焼させ、その排ガスＣを煙突２３から放出している。このとき、改質油タンク１９内に貯蔵された改質油ｃの一部は、改質ガスｄの燃料として前記フレアスタック３にブロア３４で吸引された空気と共に供給される。

上記構成により重質油に含まれていた固体粒子は除去され、これにより１２重量ｐｐｍであったアルミニウムを０．０５重量ｐｐｍ未満にまで低減でき、かつガス成分が除去されて数１０〜１００数１０ＭＰａ以上の高圧に加圧して噴射させることができる改質油をディーゼルエンジンの燃料として利用することができる。

また、分離した改質ガスｄは、全重質油量に対して１０〜４０重量％であり、ディーゼルエンジン発電設備として、ガスタービン設備２８の出力が、ディーゼルエンジン２の１／１０〜１／２になるように設計することで、改質ガスｄの全量をガスタービン設備２８で消費させることができる。ところで、ガスタービン設備２８の代わりにガスエンジン等を設置することも考えられるが、改質ガスｄには、上述のように、水蒸気が含まれているので発熱量が低く、ガスエンジンの燃料としては好ましくない。したがって、ガスタービン設備２８の代わりにガスエンジンを設置する必要が生じた場合には、改質ガスｄを冷却して水蒸気を凝縮させて除去した後、ガスエンジンに供給することが望ましい。

次に、本発明によるディーゼルエンジン設備の第２の実施の形態を、図２に示すディーゼルエンジン発電設備に基づいて説明する。尚、図１と同符号は、同一部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

この第２の実施の形態が、前記第１の実施の形態と異なる点は、重質成分回収器１３に回収された重質成分ａを、重質成分ポンプ３５で抽出してディーゼルエンジン２の排ガスＡの下流側に設置した重質成分燃焼炉３６に供給し、ブロア３７から供給される空気と混合して燃焼させる点と、重質成分燃焼炉３６の下流側に設置した粒子分離手段３８で燃焼ガスＤ中に濃縮されている固体粒子や他の金属を除去し、５５０℃〜６００℃の高温排ガスＥを生成する点である。

粒子分離手段３８は、例えば、貫通型フィルタやサイクロンフィルタ、さらには電気集塵機等が適用できる。

重質成分燃焼炉３６には、重質成分ａとブロア３７からの空気とが供給されるほか、ディーゼルエンジン２の排ガスＡが供給され、粒子分離手段３８から出た高温排ガスＥは、第１の実施の形態と同じように、バルブ２１，２４，２５，２６を経由して流量を調節され、重質油予熱器７，反応水予熱器１１，改質器８を設定温度に加熱した後、煙突２３から放出される。

このような第２の実施の形態によれば、５５０℃〜６００℃の高温排ガスＥで重質油予熱器７，反応水予熱器１１を加熱できるので、ディーゼルエンジン２の排ガスＡの温度が低く、重質油予熱器７，反応水予熱器１１の加熱が十分に行うことができず、改質器８の温度を約４３０℃に設定できない第１の実施の形態に比べて、円滑な加熱を行うことができる。

さらに、第２の実施の形態によれば、重質成分回収器１３に回収された重質成分ａを燃焼させるために、重質成分ａの処理が不要になると共に、粒子分離手段３８で分離した粒子を回収することで、それを触媒の原料として用いることができる。

勿論、第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同じように、重質油に含まれていた固体粒子は除去され、これにより１２重量ｐｐｍであったアルミニウムを０．０５重量ｐｐｍ未満にまで低減でき、かつガス成分が除去されて数１０〜１００数１０ＭＰａ以上の高圧に加圧して噴射させることができる改質油をディーゼルエンジンの燃料として利用することができる効果を奏することができる。

図３は、本発明によるディーゼルエンジン設備の第３の実施の形態を示すものである。尚、図１及び図２と同符号は、同一部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

この第３の実施の形態が、前記第１及び第２の実施の形態と異なる点は、気液分離器１５に、気液温度調節手段を構成する冷却水ポンプ３９を備えた冷却装置４０を設けた点と、気液分離器１５に、気液温度検出手段４１を設けた点と、改質器８に、改質温度測定手段４２を設けた点と、発電機３の出力に基づいて冷却水ポンプ３９を制御して前記気液温度検出手段４１と改質温度測定手段４２で温度を監視しながら気液分離器１５の温度を制御する気液分離器温度制御装置４３を設けた点と、ガスタービン設備を撤去し、代わりに気液分離器１５で分離された改質ガスｄをバルブ４４を経由して重質成分燃焼炉３６に供給するようにした点である。

このような第３の実施の形態において、発電機３の出力を変化させる時は、ディーゼルエンジン２に供給する改質油ｃの供給量を変化させる必要があるので、重質油と反応水の供給量を変化させると共に、これら重質油と反応水を加熱するためのエンタルピも変化するため、高温排ガスＥの流量も変化させる必要がある。第３の実施の形態におけるディーゼルエンジン発電設備１において、発電機３の出力変化時の制御を次に説明する。

図４には、発電機３の出力が低下した場合における改質油ｃの供給量、気液分離器１５の冷却水ポンプ３９による冷却水量、気液分離器１５の温度、改質ガスｄの生成量、改質油ｃの生成量の変化を示す。

時間ｔ１において、発電機３の出力が低下すると、改質油ｄの供給量も減少する。時間ｔ１からｔ２までは、前記出力の低下を気液分離器温度制御装置４３で検出して気液分離器１５の冷却水量を増加せる指示を出し、気液分離器１５の温度が所定温度まで低下したことを気液温度検出手段４１で監視する。気液分離器１５の温度が所定温度まで低下することで、改質ガスｄが凝縮することで改質ガス生成量は減少し、減少した分だけ改質油ｃの生成量が増加する。発電機３の出力が一定になる時間ｔ２〜ｔ３間では、気液分離器１５の冷却水量を調節して、改質ガス生成量を重質油予熱器７，反応水予熱器１１，改質器８を加熱するために必要な量まで低減させる。

尚、気液分離器１５の冷却水量は、図５に示すように、決定する。即ち、図５は、改質器８で分離された軽質成分ｂの気液分離器１５における沸点の分布であり、温度Ｔ１と温度Ｔ２の間で沸騰した成分の分率がｗ（ｗｔ％）であることを示している。温度Ｔ３であれば、それよりも低沸点（矢印方向）の成分は、改質ガスｄとなり、それ以外の成分は改質油ｃとなることを意味している。この図５における沸点と改質ガスｄの質量分率の関係を予め気液分離器温度制御装置４３に記憶させておくことで、設定すべき気液分離器温度を予測して気液分離器の冷却水量を制御することができる。

このように本発明による第３の実施の形態においては、重質油から生成した軽質分を用いて燃料にすることができると共に、重質油を無駄なく利用できるのは勿論のこと、改質ガスｄの生成比率を下げて改質油ｃの生成比率を上げるように気液分離器１５の温度を管理することで、ディーゼルエンジン２への改質油量を増加させて発電機３の出力を向上させることができ、ディーゼツエンジン発電設備の効率低下を回避することができる。

さらに、本実施の形態においては、改質ガスｄを重質成分燃焼炉３６で燃焼させることで、第１及び第２の実施の形態のようなガスタービン設備等を併設する必要はなく、初期設備費を抑えることができる。

ところで、以上説明の各実施の形態は、ディーゼルエンジン設備として発電機を備えたディーゼルエンジン発電設備を一例として説明したが、その他の負荷を駆動するディーゼルエンジン設備であれば、ディーゼルエンジン発電設備に限定されるものではない。

本発明によるディーゼルエンジン設備の第１の実施の形態を示すディーゼルエンジン発電設備のブロック図。本発明によるディーゼルエンジン設備の第２の実施の形態を示すディーゼルエンジン発電設備のブロック図。本発明によるディーゼルエンジン設備の第３の実施の形態を示すディーゼルエンジン発電設備のブロック図。図３に示すディーゼルエンジン発電設備の発電機出力に対する各所の変化を示す線図。改質ガスの質量分率と分子量との関係を示すグラフ。

符号の説明

１…ディーゼルエンジン発電設備、２…ディーゼルエンジン、３…発電機、４…燃料供給系、５…重質油タンク、６…重質油ポンプ、７…重質油予熱器、８…改質器、９…反応水タンク、１０…反応水ポンプ、１１…反応水予熱器、１３…重質成分回収器、１５…気液分離器、１６…液位計、１８…冷却器、１９…改質油タンク、２０…改質油ポンプ、２３…煙突、２８…ガスタービン設備、２９…空気圧縮機、３０…燃焼器、３１…ガスタービン、３３…フレアスタック、３５…重質成分ポンプ、３６…重質成分燃焼炉、３８…粒子分離手段、３９…冷却水ポンプ、４０…冷却装置、４１…気液温度検出手段、４２…改質温度測定手段、４３…気液分離器温度制御装置。

Claims

重質油と反応水とを混合して重質成分と軽質成分とに分離する改質器と、この改質器で分離された軽質成分を改質ガスと改質油とに分離する気液分離器と、この気液分離器で分離された改質油を燃料とするディーゼルエンジンと、このディーゼルエンジンによって駆動される発電機と、前記改質器で分離された重質成分を前記ディーゼルエンジンからの排ガスと共に燃焼させる重質成分燃焼炉と、前記気液分離器の温度を検出する気液温度検出手段と、この気液温度検出手段によって前記気液分離器の温度を調節する気液温度調節手段と、前記気液温度検出手段による気液分離器温度に基づいて前記気液温度調節手段で温度を調節する気液分離器温度制御装置とを備え、前記重質成分燃焼炉からの排ガスで前記重質油と反応水及び改質器を加熱すると共に、前記気液分離器温度制御装置による温度調整によって気液分離器からの改質ガスの生成量を調節するように構成したことを特徴とするディーゼルエンジン設備。
重質油と反応水とを混合して重質成分と軽質成分とに分離する改質器と、この改質器で分離された軽質成分を改質ガスと改質油とに分離する気液分離器と、この気液分離器で分離された改質油を燃料とするディーゼルエンジンと、このディーゼルエンジンによって駆動される発電機と、前記改質器で分離された重質成分を前記ディーゼルエンジンからの排ガスと共に燃焼させる重質成分燃焼炉と、前記気液分離器の温度を検出する気液温度検出手段と、この気液温度検出手段によって前記気液分離器の温度を調節する気液温度調節手段と、前記改質器の温度を測定する改質温度測定手段と、前記発電機の出力と前記改質温度測定手段による改質器温度と前記気液温度調節手段による気液分離器温度に基づいて前記気液分離器の温度を調節する気液分離器温度制御装置とを備え、前記重質成分燃焼炉からの排ガスで前記重質油と反応水及び改質器を加熱すると共に、前記気液分離器温度制御装置による温度調整によって気液分離器からの改質ガスの生成量を調節するように構成したことを特徴とするディーゼルエンジン設備。