JP4643369B2 - 重質油改質システム及び発電システム - Google Patents

Description

本発明は、高温・高圧の重質油と水を、触媒を用いずに高温で水熱反応させて重質油を分解し、軽質化された改質油を製造する重質油改質システムに関する。また、改質油および改質ガスをガスタービン燃料に用いる発電システムに関する。

重質油と水を混合し、水が超臨界域又はその近傍となる水熱反応条件下で重質油を分解して、軽質化された改質油を生成し、改質油を発電プラントや化学プラントにて使用するようにしたシステムは知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２７３４７２号公報（段落番号００１３、図１）

重質油をガスタービン燃料として使用する発電システムでは、ガスタービン翼の腐食の原因となる油中のバナジウムを除去することと、油の粘性を低下させることが要求される。これらを解決する方法として、重質油と水の混合流体を３５０〜５５０℃程度の温度まで加熱し、５〜３０ＭＰａ程度の圧力条件で1〜１０分の滞留時間を確保して、水熱反応により改質燃料を製造する方法がある。

この方法で得られた改質燃料は高温であるため、熱を回収することが望ましい。特許文献１には、改質器で得られた反応生成物と超臨界水との間で熱交換を行って、超臨界水を加熱したのち、改質器へ供給するシステムが記載されている。

重質油改質システムは、改質器の熱容量が大きいために、重質油を改質器に投入する前に水だけを投入し、改質器を水熱反応に必要な温度に予め昇温する蒸気予熱運転を行うことが考えられる。改質器で生成された高温の反応生成物と、改質器に投入する水とを熱交換して、改質油の熱エネルギーを回収するシステムにおいて、前述の蒸気予熱運転を行うと、蒸気予熱運転時に改質器に投入される水の温度が低いため、改質運転時と蒸気予熱運転時とで改質器入口温度が大きく異なってしまう。このように改質器入口の水の温度が異なると、重質油投入時において水熱反応に必要な温度に速やかに調整することは難しい。

本発明の目的は、改質器で得られた反応生成物の熱エンルギーを回収して、蒸気予熱運転時および改質運転時の水の予熱を行えるようにした重質油改質システムおよび重質油利用発電システムを提供することにある。

本発明は重質油改質システム、或いは、改質油をガスタービン燃料とする発電システムにおいて、改質器に水を供給する水供給ラインに水予熱器を設け、その水予熱器の加熱源として、改質運転では改質器で得られた改質油を用い、蒸気予熱運転では蒸気を用いるようにしたものである。

具体的には、水が超臨界域またはその近傍となる水熱反応条件下で重質油と水を反応させて重質油を分解する改質器と、改質器に重質油を供給する重質油供給系統と、改質器に水を供給する水供給系統とを備え、改質器で改質運転を行う前に水供給系統から水を供給して蒸気予熱運転が行われるようにした重質油改質システムにおいて、改質運転では改質油を加熱源とし、蒸気予熱運転では蒸気を加熱源として水供給系統から改質器に供給される水を加熱する水予熱器を備えたことにある。

本発明の重質油改質システムは、ガスタービン発電に適用することができる。本発明のガスタービン発電システムでは、前記重質油改質システムで必要とされる構成要件のほかに、改質器で改質された改質油と蒸気の混合物を気液分離する気液分離器が備えられ、さらに、気液分離器で分離される改質ガスをガスタービンに適する圧力に減圧する減圧弁が備えられる。また、好ましくは、改質器で得られた可燃性物質を燃焼して、改質器の加熱源となる燃焼ガスを発生させる燃焼炉が備えられる。気液分離器で分離された改質油を、予熱器の加熱源として使用した後に改質油タンクに貯蔵するようにしてもよく、これにより、ガスタービンの出力に応じて適正量の改質油を供給できるようになる。

本発明によれば、改質燃料を製造する改質運転時に高温の改質油の持つ熱エネルギーを水予熱器により回収すると共に、重質油を投入する前の蒸気予熱運転時においても高温の蒸気の熱エネルギーを水予熱器により回収することが可能に成る。また、蒸気予熱運転から改質油運転までの時間を短くできるので、重質油を有効に活用できる。

以下、本発明の重質油改質システムで得られる改質燃料をガスタービン燃料として使用する重質油利用発電システム、および水予熱器の好ましい構造について、図面を用いて説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

本発明による重質油利用発電システムの概略構成図を図１と図２に示す。図１は改質運転時であり、図２は蒸気予熱運転時である。まず、改質運転時について図１を用いて説明する。図１の発電システムには、ガスと液体のどちらでも加熱源とすることができる水予熱器６が水供給系統である水ライン７aに設けられている。また、改質器８、気液分離器１１、ガスタービン１５、タール焚き燃焼炉１９が備わっている。

重質油投入後の改質運転時においては、重質油タンク１から重質油ポンプ２で供給された重質油３を重質油供給系統である重質油ライン３ａから改質器８に供給し、水タンク４から給水ポンプ５により供給された水７を改質器８に供給する。そして、３５０〜５５０℃の重質油と水となるまでタール焚き燃焼炉１９の燃焼ガス２０により熱交換器２３を介して加熱する。改質器８内の重質油と水の圧力は減圧装置１０により調整し、水熱反応に必要な５〜３０ＭＰａの圧力にする。

改質器８内の重質油は、水熱反応によりバナジウムを含む液体タールと軽質分の改質ガスとに分離する。改質器８より抜出した液体タール１８は三方弁２４によりタール焚き燃焼炉１９に供給して燃焼させ、加熱用の燃焼ガス２０を発生させる。一方、改質ガスと蒸気からなる混合ガス９は、高圧のままではガスタービン１５に供給することができないので、減圧弁３５でガスタービンに適する１〜２ＭＰａの圧力にする。この減圧の過程で改質ガスと蒸気の混合ガスの温度は低下するため、気液分離器１１内に改質ガスと蒸気の混合ガス９を導入し、改質ガスの一部を液化させて改質油１２にする。気液分離器に水噴霧ノズル２５を設けて水３６を供給し、改質ガスと蒸気の混合ガス９の温度を、１〜２ＭＰａの圧力での水の飽和温度以上の温度範囲で変化させることにより、水を含むこと無しに、改質ガスから液体の改質油になる割合を変化させることができる。

気液分離器１１内の改質油１２は１８０℃以上の高温であるため、水予熱器６を水ライン７ａに設けて熱回収し、三方弁３８を経て改質油タンク１３に貯留する。改質油タンク１３内の改質油１２はガスタービンの出力に応じて改質油ポンプ１４にてガスタービン１５に供給する。気液分離器１１内で液化しない改質ガスと蒸気の混合ガス３７は、ライン３７ａを通して、直接、ガスタービン１５に高温状態で供給して燃焼させ、発電機１６にて電力を得る。ガスタービン１５の排ガス１７は、システムの系外へ排出する。

次に、重質油を投入する前の蒸気予熱運転時について、図２を用いて説明する。蒸気予熱運転時においては、水タンク４から給水ポンプ５により水７を改質器８に供給する。そして、改質運転時と同じく３５０〜５５０℃の温度になるように、タール焚き燃焼炉１９の燃焼ガス２０を熱源として熱交換器２３を介して加熱する。圧力も減圧装置１０により５〜３０ＭＰａに調整する。蒸気予熱運転時において、改質器８を予め改質反応に必要な条件にすることによって、重質油投入後、短時間で改質反応に必要な温度条件にすることができ、改質運転に入るまでの時間を短くすることができる。

改質器８から減圧装置１０を経て気液分離器１１に供給する蒸気２６は、減圧膨張により若干温度は下がるが、ガスタービンに適する１〜２ＭＰａの圧力条件では凝縮しない。気液分離器１１内の蒸気２６は、改質運転時に使用する水予熱器６に供給する。改質運転時に使用する水予熱器とは別の水予熱器を設けて、そこに蒸気２６を供給するようにしてもよいが、同一の水予熱器６を用いることにより、システムの構成を簡略化できる。

水予熱器６にて蒸気２６は凝縮し、改質油を流している時に配管に付着している油を伴った油水２１になる。油水２１は三方弁３８の切り換えにより油水タンク２２に供給する。油水タンク２２の油水２１は、改質運転時にタールを改質器の加熱用燃料としている時、又は蒸気予熱運転時に重質油タンク１からの重質油３を改質器の加熱用燃料としている時に、タール焚き燃焼炉１９に供給する。これにより、油の燃焼熱を熱回収できるとともに、水により低ＮＯｘ化を図ることができる。

本実施例の重質油改質システムにより、蒸気予熱運転から、重質油を投入して改質運転に入る時に、改質器入口での純水の温度変化を小さくすることができ、改質運転に入るまでの時間を短縮することができる。

本実施例では、水予熱器の好ましい構造について説明する。水予熱器は二重管構造にし、二重管の一方の端部が上方に位置し、他方の端部が下方に位置するように傾斜させて設置することが望ましい。また、二重管の外側の通路を上方から下方に向けて改質油又は蒸気が流れ、内側の通路を下方から上方に向けて水が流れるようにすることが望ましい。

図３に示す水予熱器６は、内管２７と外管２８から構成され、ジグザグ状に形成されている。内管２７内の通路を水７が下方から上方へ向かって流れ、外管２８と内管２７との間の通路を改質運転時には改質油１２が、蒸気予熱運転時には蒸気２６が上方から下方へ向かって流れる。高温の改質油又は蒸気との熱交換によって水が加熱され、昇温して改質器へ投入される。

水を下方から上方に流し、高温の流体である改質油又は蒸気を上方から下方に流す理由を、図４を用いて説明する。二重管式の水予熱器６を地面に対して傾けて配置し、加熱源の蒸気２６を下方から上方に流し、水７を上方から下方に流した場合を図４（ａ）に示す。又、逆に蒸気２６を上方から下方に流し、水７を下方から上方に流した場合を図４（ｂ）に示す。

外管２８と内管２７との間を流れる蒸気２６は、水７への伝熱により凝縮するが、このときに、図４（ａ）に示すように蒸気２６を下方から上方に流すと、凝縮水２９が、重力により蒸気２６の流れ方向と逆方向に流れる対向流となる。この時の凝縮水の流動は、図４（ａ）に示すスラグ流と言われる不安定な流れになる。この結果、環状流路の圧力が不安定になり、結果的に内管２７内を流れる水７への伝熱が不安定になる。

一方、蒸気２６を上方から下方に流し、水を下方から上方に流すと、図４（ｂ）に示すように、蒸気２６と凝縮水２９が同じ方向に流れるために、不安定な流れにならず、伝熱が安定化する。なお、図４（ｂ）中に示してあるように、蒸気２６の出口側に流量調節弁３０を設けて、水予熱器６から流出する凝縮水２９の流量を調節することにより、水中にある内管と、蒸気中にある内管との伝熱管長を変えることができ、内管２７内を流れる水７への伝熱量を容易に調整することができる。

加熱源として液体の改質油を用いる場合には、この様な現象は発生しない。したがって、改質油又は蒸気を加熱源として用いる場合には、加熱する側の流体を上方から下方に流し、加熱される側の流体を下方から上方に流すことにより、液体の改質油でも、気体の蒸気でも、安定した伝熱特性を得ることができ、運転が容易となる。また、水予熱器の加熱流体側の出口に流量調節弁を設けて、水予熱器内の水中と蒸気中にある伝熱管長の割合を調整することにより、改質器に供給する水の出口温度を改質油運転と蒸気予熱運転とで、ほぼ同じにできるため、重質油投入時における改質器の温度変動を小さくできる。

このように、図３に示す水予熱器構造とすることにより、蒸気予熱運転から、重質油を投入して改質運転に入るまでの時間を短くでき、ガスタービンにとって、無駄となる油量を低減することができる。

水予熱器の別の実施例を図５により説明する。図５（ａ）は全体の構成を示し、図５（ｂ）は高温流体入口部分の断面図を示し、図５（ｃ）は内管２７と外管２８の横断面図を示す。本実施例では、内管と外管からなる二重管を螺旋状にし、内管２７内を水７が下方から上方に流れ、内管２７と外管２８との間の流路を上方から下方に向かって、改質運転時には改質油１２が、蒸気予熱運転時には蒸気２６が流れるようにしている。本実施例の水予熱器は、加熱側の改質油又は蒸気が流れる流路に急激な曲がりがないため、図３に示す構造の水予熱器に比べて、より安定した凝縮水と蒸気の流動が実現できる。

水予熱器の更に別の例を図６に示す。この水予熱器は内筒３１と内筒３２との間の環状流路に純７を流す伝熱管３３を螺旋状に配置し、水７は伝熱管３３内を下方から上方に流し、加熱源である改質油１２或いは蒸気２６は、上方から下方に向かって流すようにしている。改質運転時には改質油１２を流し、蒸気予熱運転時には蒸気２６を流して熱交換させる。本実施例によれば、蒸気を加熱源として用いている蒸気予熱運転時には、図７に示すように、水７への伝熱により発生する凝縮水からなる液膜３４の重力による流れ方向と、元々の蒸気２６の流れ方向とが同じになる。これにより、液膜３４の厚さを薄くすることができ、蒸気２６から伝熱管３３内を流れる水７への伝熱が促進される。

本発明の重質油改質系を備えたガスタービン発電システムの改質運転時における系統図。 本発明の重質油改質系を備えたガスタービン発電システムの蒸気予熱運転時における系統図。 水予熱器の一実施例を示す縦断面図。 水予熱器内の蒸気の流動状態を示す図。 水予熱器の他の実施例を示す断面図。 水予熱器の更に他の実施例を示す縦断面図。 伝熱管上の凝縮水からなる液膜の流れ状態を示す図。

符号の説明

１…重質油タンク、３…重質油、３ａ…重質油ライン、４…水タンク、６…水予熱器、７…水、７a…水ライン、８…改質器、１０…減圧装置、１１…気液分離器、１２…改質油、１３…改質油タンク、１５…ガスタービン、１６…発電機、１８…液体タール、１９…タール焚き燃焼炉、２０…燃焼ガス、２１…油水、２２…油水タンク、２３…熱交換器、２５…水噴霧ノズル、２６…蒸気、２７…内管、２８…外管、２９…凝縮水、３０…流量調節弁、３１…内筒、３２…外筒、３３…伝熱管、３５…減圧弁、３６…水。

Claims (11)

1. 水が超臨界域またはその近傍となる水熱反応条件下で重質油と水を反応させて重質油を分解する改質器と、前記改質器に重質油を供給する重質油供給系統と、前記改質器に水を供給する水供給系統とを備え、前記改質器で改質運転を行う前に前記水供給系統から水を供給して蒸気予熱運転が行われるようにした重質油改質システムであって、前記改質運転では改質油を加熱源とし、前記蒸気予熱運転では蒸気を加熱源として前記水供給系統から前記改質器に供給される水を加熱する水予熱器を備えたことを特徴とする重質油改質システム。
2. 請求項１において、前記水予熱器が前記改質器で改質された改質油又は蒸気との熱交換によって水を加熱するものであることを特徴とする重質油改質システム。
3. 請求項２において、前記水予熱器が二重管構造を有し、二重管がジグザグ状又は螺旋状に形成され、二重管の一方の端部が上方に位置し他方の端部が下方に位置するように配置され、二重管の内側の通路を下方から上方に水が流れ、外側の通路を上方から下方に改質油又は蒸気が流れることを特徴とする重質油改質システム。
4. 請求項３において、前記二重管の外側の通路を上方から下方に向かって流れる蒸気又は改質油の出口に流量調節弁が設けられていることを特徴とする重質油改質システム。
5. 請求項２において、前記水予熱器が内筒と外筒の間の環状流路に伝熱管を螺旋状に配置した構造を有し、前記内筒と外筒が縦向き或いは斜め上方に向けて配置され、前記環状流路を上方から下方に改質油又は蒸気が流れ、前記伝熱管を下方から上方に水が流れることを特徴とする重質油改質システム。
6. 水が超臨界域またはその近傍となる水熱反応条件下で重質油と水を反応させて重質油を分解する改質器と、前記改質器に重質油を供給する重質油供給系統と、前記改質器に水を供給する水供給系統と、前記改質器で改質された改質油と蒸気の混合物を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された改質ガス及び改質油を燃料とするガスタービンと、前記気液分離器で分離される改質ガスをガスタービンに適する圧力に減圧する減圧弁とを備え、前記改質器で改質運転を行う前に前記水供給系統から水を供給して蒸気予熱運転が行われるようにした重質油利用発電システムであって、前記改質運転では改質油を加熱源とし、前記蒸気予熱運転では蒸気を加熱源として前記水供給系統から前記改質器に供給される水を加熱する水予熱器を備えたことを特徴とする重質油利用発電システム。
7. 請求項６において、前記水予熱器が前記気液分離器から送られた改質油又は蒸気との熱交換によって水を加熱するものであることを特徴とする重質油利用発電システム。
8. 請求項７において、前記水予熱器が上方から下方に向けて改質油又は蒸気を流し、下方から上方に向けて水を流して熱交換するものであることを特徴とする重質油利用発電システム。
9. 水が超臨界域またはその近傍となる水熱反応条件下で重質油と水を反応させて重質油を分解する改質器と、前記改質器で得られた可燃性物質を燃焼して前記改質器の加熱源となる燃焼ガスを発生させる燃焼炉と、前記改質器で改質された改質油と蒸気の混合物を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された改質油を貯蔵する改質油タンクと、前記気液分離器で分離された改質ガス及び前記改質油タンクから供給される改質油を燃料とするガスタービンと、前記改質器に重質油を供給する重質油供給系統と、前記改質器に水を供給する水供給系統と、前記気液分離器で分離された改質ガスを前記ガスタービンに供給するのに適する圧力に減圧する減圧弁と、前記改質器で改質運転が行われているときは前記気液分離器から排出された改質油を加熱源とし、蒸気予熱運転が行われているときは前記気液分離器から排出された蒸気を加熱源として前記水供給系統から前記改質器に供給される水を加熱する水予熱器を備えたことを特徴とする重質油利用発電システム。
10. 請求項９において、前記水予熱器が前記気液分離器から送られる改質油又は蒸気との熱交換によって水を加熱するものであることを特徴とする重質油利用発電システム。
11. 請求項１０において、前記水予熱器が上方から下方に向けて改質油又は蒸気を流し、下方から上方に向けて水を流して熱交換するものであることを特徴とする重質油利用発電システム。

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